KR20230059597A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20230059597A
KR20230059597A KR1020210143937A KR20210143937A KR20230059597A KR 20230059597 A KR20230059597 A KR 20230059597A KR 1020210143937 A KR1020210143937 A KR 1020210143937A KR 20210143937 A KR20210143937 A KR 20210143937A KR 20230059597 A KR20230059597 A KR 20230059597A
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battery pack
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신주환
이태경
이재현
이형석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은, 복수개의 전지셀이 수용된 배터리 모듈; 복수개의 상기 배터리 모듈이 수평방향으로 적층되어 수용되는 팩 케이스; 및 상기 배터리 모듈의 적층방향을 따라 연장되고, 상기 적층되는 배터리 모듈 양측의 상부면을 가압하여 상기 팩 케이스에 결합되는 리텐션 바를 포함한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 배터리 팩 내에 수용되는 복수개의 배터리 모듈의 높이방향 이동을 규제할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
또한, 에너지 저장장치(ESS) 및 전기자동차 등의 동력원으로서, 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지를 내부에 수용한 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈들로 구성된 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩은 복수의 이차전지를 외부 충격으로부터 보호하거나 수납 보관하기 위해서 금속 재질의 외부 하우징을 구비하고 있다.
상기 배터리 팩은, 칸막이벽으로 구분된 복수개의 개별 수용홈에 배터리 모듈을 각각 설치하거나, 혹은 하나의 배터리 팩 케이스 내에 복수개의 배터리 모듈을 한꺼번에 수용하는 등 여러 가지 형태로 구성될 수 있다. 상기 배터리 팩의 형태는, 수용되는 배터리 모듈의 형태, 크기, 전기접속구조 등에 따라 달라질 수 있다.
복수개의 배터리 모듈을 하나의 배터리 팩 케이스 내에 한꺼번에 수용할 때, 팩 케이스의 바닥에 배터리 모듈을 접착 고정하기 위한 접착레진을 도포하는 경우가 있다. 이 경우, 접착레진이 배터리 모듈과 상기 팩 케이스 사이에 고르게 충전되지 않기 때문에, 배터리 모듈들의 높이가 균일하게 되지 않을 수 있다. 많은 수의 전지셀이 수용된 대형의 배터리 모듈의 경우에는, 자체의 무게로 인하여 상기 접착레진층을 가압하는 힘이 크므로, 상술한 높이 불균일의 문제는 크지 않을 수 있다. 하지만, 비교적 적은 수의 전지셀을 수용하는 소형의 배터리 모듈들을 배터리 팩에 수용하는 경우에는 상술한 높이 불균일로 인하여 모듈 간에 버스바를 균일하게 결합하기 곤란할 수 있다.
도 1은 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 복수개의 확장성 배터리 모듈이 팩 케이스에 수용된 상태를 나타내는 부분 사시도이다.
본 출원인은 전지셀을 길이방향으로 일렬로 배열하여 길이방향 단위셀을 형성하고, 이 길이방향 단위셀을 전지셀 두께방향으로 2열 이상 적층하여 전지셀 조립체를 구성하였다. 또한, 이러한 전지셀 조립체의 형태에 따라, 길이방향으로 길게 연장되며 상기 전지셀 조립체를 둘러싸는 형태로 모듈 케이스를 제조한 바 있다. 이러한 배터리 모듈은 비교적 적은 개수의 전지셀을 각각의 모듈 케이스에 수용하고, 상기 배터리 모듈들을 전지셀의 길이방향 또는 두께방향으로 마치 레고 블록과 같이 적층하여 배터리 모듈이 설치되는 공간 혹은 배터리 팩의 설치공간을 고려하여 자유롭게 배터리 팩을 구성할 수 있다. 이와 같이, 본 출원인이 제안한 배터리 모듈은 적층(설계)방식에 따라 얼마든지 다양한 형태의 배터리 팩을 제조할 수 있으므로, 확장성 있는 배터리 모듈이라 칭할 수 있다.
그런데, 상기 확장성 있는 배터리 모듈(10)은 적은 개수의 전지셀을 수용하고 있어 비교적 경량이다. 따라서, 복수개의 배터리 모듈(10)을 접착레진층이 충전된 팩 케이스 내에 수용하는 경우, 도 2와 같이 배터리 모듈의 폭방향(길이방향에 수직한 방향)으로 높이가 균일하지 않게 된다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 중앙에 형성된 터미널 버스바(T)에 배터리 모듈의 폭방향을 따라 전장품(고전압 버스바)를 용접할 경우 편차가 발생하여 용접 부위에 갭(GAP)이 발생할 수 있다. 특히, 배터리 모듈 상부에 히트싱크(40)를 설치할 경우, 배터리 모듈의 높이가 불균일할 경우에는, 히트싱크(40)와 배터리 모듈간 혹은 히트싱크(40)와 배터리 모듈 상부에 충전되는 접착레진간에 간격이 발생하게 되고 이로 인해 열저항이 증가할 수 있다.
도 3은 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈(10)의 적층시 스웰링이 발생하는 모습을 나타낸 개략도이다.
예컨대, 접착레진층을 충전하지 않거나, 충전하였더라도 배터리 모듈(10)을 균일하게 가압하여 팩 케이스에 조립함으로써, 조립 시에 도 2와 같은 높이 불균일을 제거하고 균일한 높이로 배터리 모듈들을 팩 케이스에 조립할 수 있다.
그러나, 복수개의 배터리 모듈을 적층하여 배터리 팩 내에 수납하여 사용할 경우, 사용조건에서 배터리 모듈 내의 전지셀이 충방전을 겪으면서 스웰링됨에 의하여 조립 변형이 발생된다. 배터리 모듈 내의 복수의 전지셀이 스웰링되면, 모듈 케이스도 그로 인한 응력을 받는다. 이로 인하여, 도 3의 아래쪽 도면과 같이, 확장성 배터리 모듈들의 조립 형태가 변형이 된다. 조립 변형이 되면, 각 배터리 모듈을 연결하는 센싱케이블이나 센싱단자 등의 전기적 연결부재도 변형이 되고, BMS나 다른 외부디바이스로의 전기 전달시 접촉불량이 발생할 수 있으며, 심한 경우 단선이 발생하여 전기 접속이 끊어질 수도 있다.
따라서, 복수개의 배터리 모듈을 팩 케이스 내에 적층하여 조립할 경우, 각 배터리 모듈의 높이를 균일하게 하며, 배터리 팩의 사용시에 스웰링에 의한 배터리 모듈의 조립 변형을 방지할 수 있는 기술의 개발이 요망된다 하겠다.
한국 등록특허공보 제10-1979888호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 복수개의 배터리 모듈을 팩 케이스에 조립할 때 및 조립 후에도 배터리 모듈들의 높이를 균일하게 유지할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 체결점을 최소화하여 배터리 모듈들을 팩 내에 안정적으로 고정함으로써 내부 공간 활용을 극대화하며, 배터리 모듈과 팩 케이스의 결합 강성을 향상시킬 수 있는 결합구조의 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 복수개의 전지셀이 수용된 배터리 모듈; 복수개의 상기 배터리 모듈이 수평방향으로 적층되어 수용되는 팩 케이스; 및 상기 배터리 모듈의 적층방향을 따라 연장되고, 상기 적층되는 배터리 모듈 양측의 상부면을 가압하여 상기 팩 케이스에 결합되는 리텐션 바를 포함한다.
하나의 예로서, 상기 배터리 모듈은, 전지셀이 길이방향으로 일렬로 복수개 배열되어 형성되는 길이방향 단위셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층되어 이루어진 전지셀 조립체를 수용하며, 상기 전지셀 조립체를 수용하도록 상기 배터리 모듈은 길이방향으로 길게 연장된 직육면체 형상을 가질 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 길이방향 단위셀은, 길이방향으로 전지셀이 2열로 배열된 것이고, 상기 길이방향으로 배열된 전지셀과 전지셀 사이에 터미널 버스바가 연결되고 상기 터미널 버스바의 단부는 상기 배터리 모듈의 상부로 노출되는 것일 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈의 폭방향으로 연장되며, 상기 각 배터리 모듈의 터미널 버스바에 결합하는 고전압 버스바를 더 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 팩 케이스는, 상부 프레임; 상기 배터리 모듈이 적층되어 안착되는 하부 프레임; 및 상기 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 위치하며 상기 적층된 배터리 모듈을 감싸는 전후 좌우의 측부 프레임을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 하부 프레임과 상기 측부 프레임은 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전후 측부 프레임 및 상기 좌우 측부 프레임은 각각 상기 배터리 모듈의 적층방향에 수직한 방향 및 적층방향으로 연장되며, 상기 리텐션 바는 좌우 측부 프레임에 결합될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 좌우 측부 프레임은 배터리 모듈과 대향하는 내측면에 결합돌출부가 형성되고, 상기 리텐션 바는 상기 결합돌출부의 상부면에 결합되어 상기 배터리 모듈의 양측 상부면을 가압할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 좌우 측부 프레임의 상기 결합돌출부 위의 내측면에 상기 리텐션 바의 일측부가 끼워지는 끼움홈이 형성되고, 상기 리텐션 바의 일측부가 상기 끼움홈에 끼워지며, 동시에 상기 결합돌출부의 상부면에 상기 리텐션 바가 체결부재에 의하여 결합될 수 있다.
다른 예로서, 상기 리텐션 바는, 상부 플레이트와, 상기 상부 플레이트로부터 하향 절곡되는 절곡부로 이루어지고, 상기 상부 플레이트가 상기 배터리 모듈의 양측 상부면을 가압하면서 상기 절곡부가 상기 좌우 측부 프레임 내측면과 상기 배터리 모듈 사이의 간격에 끼워질 때, 체결부재가 상기 상부 플레이트 및 절곡부를 관통하여 상기 결합 돌출부에 결합되는 것에 의하여 상기 리텐션 바가 상기 좌우 측부 프레임에 결합될 수 있다.
상기 예에서, 상기 좌우 측부 프레임의 결합돌출부 위의 내측면에 끼움홈이 형성되고, 상기 리텐션 바의 상부 플레이트의 일측부가 상기 끼움홈에 끼워질 수 있다.
하나의 예로서, 상기 배터리 모듈과 하부 프레임 사이에 접착레진층이 충전될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈과 상기 상부 프레임 사이에 접착레진층이 충전될 수 있다.
상기 예에서, 상기 상부 프레임과 접착레진층 사이에 히트 싱크가 설치될 수 있다. 또한, 상기 상부 프레임과 히트 싱크 사이에 절연부재가 설치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수개의 배터리 모듈을 팩 케이스에 조립할 때 높이를 균일하게 유지할 수 있으므로, 전장품 등 버스바의 용접을 용이하게 할 수 있으며, 상부에 히트싱크를 설치할 경우 배터리 모듈 간에 간격이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리 모듈을 팩 케이스에 조립 및 수용한 후에도, 스웰링에 의한 높이 변형을 방지할 수 있다.
또한, 배터리 모듈을 팩에 조립할 때, 체결점을 최소화하여 배터리 모듈들을 팩 내에 안정적으로 고정함으로써 내부 공간 활용을 극대화할 수 있으며, 배터리 모듈과 팩 케이스의 결합 강성을 향상시킬 수 있는 결합구조의 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 복수개의 확장성 배터리 모듈이 팩 케이스에 수용된 상태를 나타내는 부분 사시도이다.
도 3은 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈의 적층시 스웰링이 발생하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 4는 확장성 있는 배터리 모듈의 일례를 나타내는 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 배터리 팩의 팩 케이스의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 요부인 리텐션 바와 팩 케이스, 배터리 모듈의 결합구조의 일 실시예를 나타낸 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 요부인 리텐션 바와 팩 케이스, 배터리 모듈의 결합구조의 여러 실시예를 나타낸 측단면도이다.
도 8은 배터리 모듈이 본 발명의 배터리 팩 케이스에 조립되는 과정을 나타내는 사시도이다.
도 9은 본 발명의 배터리 팩의 결합구조를 나타내는 개략 측단면도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 발명의 명세서에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 복수개의 전지셀이 수용된 배터리 모듈; 복수개의 상기 배터리 모듈이 수평방향으로 적층되어 수용되는 팩 케이스; 및 상기 배터리 모듈의 적층방향을 따라 연장되고, 상기 적층되는 배터리 모듈 양측의 상부면을 가압하여 상기 팩 케이스에 결합되는 리텐션 바를 포함한다.
본 발명의 배터리 팩에 수용되는 배터리 모듈의 형태, 크기, 종류 등은 원칙적으로 제한이 없다. 또한, 상기 배터리 모듈에 수용되는 전지셀의 개수 등도 한정되지 않는다. 다만, 상술한 바와 같이, 전지셀의 개수가 적은 소형 배터리 모듈의 경우, 높이 불균일의 문제가 크기 때문에, 후술하는 리텐션 바의 필요성이 더 크다. 특히, 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈은 길이방향으로 길게 연장된 형태의 모듈 케이스를 가지고 팩 케이스 내에 일방향(수평방향 또는 배터리 모듈의 길이방향에 수직한 폭방향)으로 도 2 및 도 3과 같이 적층 수용되므로 상기 리텐션 바를 적용하기 적합하다.
이하에서는, 이러한 확장성을 가지는 배터리 모듈을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도 4는 이러한 확장성 있는 배터리 모듈의 일례를 나타내는 분해사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 확장성을 가지는 배터리 모듈(10)은 길이방향 단위셀(2)을 포함하는 전지셀 조립체(11)와, 상기 전지셀 조립체(11)가 수용되는 모듈 케이스(12)를 포함한다. 상기 길이방향 단위셀(2)은 전지셀(1)이 길이방향으로 일렬로 2개 또는 그 이상 배열되어 형성된다. 상기 전지셀(1)로서는 길이방향 양단에 리드가 형성된 것이 채용된다. 이론적으로는 2개 이상의 전지셀을 연결하여 길이방향 단위셀(2)을 구성할 수 있다. 다만, 길이방향 단위셀이 너무 길어지면 전지셀 간의 전기접속이 복잡해지고 모듈 케이스도 길어져 강성이 떨어질 수 있다. 따라서, 바람직하게는 2~3개 정도의 전지셀을 길이방향으로 배열하는 것이 좋다. 길이방향으로 배열되는 전지셀들은 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 길이방향 단위셀(2)은 전지셀(1)의 두께방향으로 복수개 적층되어 전지셀 조립체(11)를 형성한다. 전지셀 두께방향으로 적층 개수는 2열 이상이며, 전지셀로부터 도출되는 리드간의 전기접속을 고려하면 대략 2~6열 정도 적층하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 상기 확장성 모듈은 길이방향으로 길에 연장되는 전지셀 조립체(11)를 수용하므로, 그 배터리 모듈(10)의 전체적인 형상도 길이방향으로 길게 연장된 직육면체 형상을 가진다. 확장성 모듈(10)은 길이방향 단위셀(11) 사이에 소정의 격벽(13)을 가질 수 있다.
도 4에 도시된 배터리 모듈(10)의 전지셀 조립체(11)는, 길이방향으로 2개의 전지셀(1)이 연결된 길이방향 단위셀(2)이 다시 2열 적층되어 이루어진 것이다. 길이방향으로 배열된 전지셀(1)과 전지셀(1) 사이에는 터미널 버스바가 연결되며 이 터미널 버스바의 단부는 배터리 모듈(10)의 상부로 노출되어 고전압 버스바와 같은 전장부품에 연결될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스(20)를 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 배터리 팩(100)의 팩 케이스(20)의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5에서, X방향은 배터리 모듈의 적층방향(배터리 팩의 길이방향)이고, Y는 배터리 모듈의 길이방향 또는 배터리 팩의 폭방향이고, Z는 상하방향, 즉 높이방향이다.
상기 팩 케이스(20)는, 상부 프레임(20A), 배터리 모듈(10)이 적층되어 안착되는 하부 프레임(21), 그리고 상하부 프레임 사이에 위치하는 측부 프레임(22,23)을 구비한다.
상기 측부 프레임(22,23)은 전후 좌우의 4군데에 구비된다.
도 5에서, 상기 하부 프레임(21) 및 측부 프레임(22,23)은 일체로 형성되어 배터리 모듈들을 수용하는 하부 팩 케이스(20B)를 구성한다. 하부 팩 케이스(20B)는, 상술한 측부 프레임(22,23)과 하부 프레임(21)을 용접하여 형성될 수도 있고, 혹은 하나의 플레이트를 성형하여 구성할 수도 있다. 상기 하부 프레임(21)은 측부 프레임(22,23)이 결합된 부분으로부터 사방 외측으로 연장되는 부분(21a)을 가지며, 이 연장부는 차량 등에 배터리 팩이 결합될 수 있도록 체결부재가 체결되는 차량 결합부가 된다.
상기 하부 프레임(21)에는 접착레진층(R)이 도포될 수 있으며, 이 접착레진층(R)은 배터리 모듈(10)이 하부 프레임(21) 상에서 적층 배치될 경우 상기 배터리 모듈들을 고정하는 역할을 한다.
상부 프레임(20A)은 하부 팩 케이스(20B) 내에 배터리 모듈(10)이 수용 및 고정되면, 상기 하부 팩 케이스(20B)를 덮으며 결합된다.
배터리 모듈(10)이 수용된 후 필요에 따라 상기 상부 프레임(20A)과 배터리 모듈 사이에도 접착레진층(R)이 도포될 수 있다. 상기 접착레진층(R)으로 열전도성 써멀 레진을 사용하면, 접착 고정 기능 외에 방열 기능을 행할 수 있다. 상기 열전도성 써멀 레진으로서 실리콘제 레진, 변성 실리콘 레진, 아크릴 레진 등을 사용할 수 있다. 이러한 열전도성 써멀 레진을 배터리 모듈(10)과 상부 프레임(20A) 사이 또는 배터리 모듈(10)과 하부 팩 케이스(20B)의 하부 프레임(21) 사이에 충전시키면, 배터리 팩(100) 내에서 발생하는 열을 효율적으로 흡수할 수 있다. 또한, 상부 프레임(20A) 하부에 히트싱크(40)(방열판)을 설치하면, 상기 열전도성 써멀 레진으로부터 상기 히트싱크(40)로 열전달하여 방열 효율을 더욱 개선할 수 있다.
필요에 따라, 상기 상부 프레임(20A)과 히트싱크(40) 사이에 절연부재(50)를 설치할 수 있다.
상술한 바와 같이, 복수개의 배터리 모듈(10)을 하나의 팩 케이스(20)에 특정방향으로 적층하여 수용하는 경우에, 배터리 모듈(10)과 팩 케이스(20) 사이에 형성되는 접착레진층(R)의 충전 상태에 따라 배터리 모듈(10)이 배터리 팩(100) 내부에서 균일한 높이로 유지되지 못하는 경우가 있다(도 2 참조). 또한, 배터리 팩(100)의 사용 중에 배터리 모듈(10) 내부에서 발생하는 가스로 인한 스웰링현상으로 인하여 배터리 모듈(10)들이 특정 방향으로 변위되어 다른 전장부품과의 접속상태에 악영향을 끼칠 수 있다(도 3 참조). 본 발명은 이를 방지하기 위한 것으로, 배터리 모듈(10)들의 높이방향으로의 변위를 규제하기 위하여 리텐션 바(30)를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 리텐션 바(retention bar)란, 상술한 바와 같이 높이 변동이 없도록 배터리 모듈(10)을 가압하여 팩 케이스(20)에 안정적으로 고정하여 유지하기 위한 바(bar)란 의미를 가진다. 상기 리텐션 바(30)는 복수개의 배터리 모듈(10)을 고정 유지하기 위한 것이므로, 배터리 모듈(10)의 적층방향을 따라 연장되어 팩 케이스에 결합된다. 즉, 배터리 모듈(10)들이 팩 케이스 내에서 수평방향으로 적층되면, 상기 리텐션 바(30)는 상기 적층된 수평방향으로 연장 설치되어 상기 배터리 모듈(10)의 높이방향(Z방향)으로의 이동을 규제한다.
도 6은 본 발명의 요부인 리텐션 바(30)와 팩 케이스, 배터리 모듈(10)의 결합구조의 일 실시예를 나타낸 측단면도이다.
도 5에는 설명의 편의를 위하여 배터리 모듈(10)의 도시를 생략하고 팩 케이스만 나타내었지만, 도 6에서는 배터리 모듈(10)이 팩 케이스 내에 수용된 것을 나타내고 있다. 예컨대, 길이방향으로 길게 연장된 확장성 배터리 모듈(10)이 팩 케이스(20)의 좌우 측부 프레임(23)과 간격을 두고 수평방향(구체적으로는 배터리 모듈의 폭방향)으로 적층되었을 경우를 상정한다.
구체적으로, 상기 리텐션 바(30)는 상기 배터리 모듈(10)의 양측 상부면을 가압하면서 팩 케이스(20)에 결합되어 배터리 모듈(10)의 이동을 규제한다. 즉, 리텐션 바(30)는 상기 배터리 모듈(10)의 양측 상부면을 가압하도록 배터리 모듈(10) 적층방향을 따라 나란하게 2개가 쌍으로 구비된다.
또한, 상기 리텐션 바(30)는 상기 배터리 모듈(10) 상부면을 가압하는 가압부를 가지며 상기 가압부가 팩 케이스(20)에 결합된다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 하부 팩 케이스(20B)를 구성하는 좌우 측부 프레임(23)에 상기 리텐션 바(30)가 각각 결합된다. 상기 좌우 측부 프레임(23)은 상기 배터리 모듈(10)과 대향하는 내측면에 결합돌출부(24)가 형성되어 있다. 상기 리텐션 바(30)는 상기 결합돌출부(24)의 상부면에 결합되어 배터리 모듈(10)의 양측 상부면을 가압할 수 있다. 도 6의 실시예에서는, 상기 리텐션 바(30)가 배터리 모듈(10) 상부면을 가압하는 상부 플레이트(31)와, 상기 상부 플레이트(31)로부터 하향 절곡되는 절곡부(32)로 이루어져 있다. 상기 상부 플레이트(31)의 일측 및 그 하부의 절곡부(32)에는 체결부재(B)가 결합될 수 있는 체결공(31a, 32a)이 관통 형성되어 있다. 또한, 상기 절곡부(32)의 하부에는 하부 팩 케이스(20B)의 좌우 측부 프레임(23) 내측면으로부터 돌출 형성된 결합돌출부(24)가 구비되며, 상기 결합돌출부(24)에도 상기 체결공(31a, 32a)에 대응되는 체결공(24a)이 형성된다. 따라서, 위로부터 체결부재(B)를 상기 체결공31a, 32a, 24a)에 체결하면, 위로부터의 가압력에 의하여 상기 리텐션 바(30)가 상기 배터리 모듈(10)의 양측 상부면을 가압하면서 측부 프레임(23)의 결합돌출부(24)에 결합된다. 본 실시예의 리텐션 바(30)는 상부 플레이트(31)와 하향 절곡부(32)를 가지므로, 상기 상부 플레이트(31)가 배터리 모듈(10)의 양측 상부면을 가압할 뿐만 아니라, 상기 상부 플레이트와 이어지는 하향 절곡부(32) 내측면도 배터리 모듈(10)을 가압한다. 따라서, 본 실시예의 리텐션 바(30)는 상기 배터리 모듈(10)의 양측 모서리부를 꽉 눌러 고정하므로, 복수개의 배터리 모듈(10)을 보다 확실하게 고정 및 유지할 수 있다. 무게를 줄이기 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 측부 프레임(23) 또는 상기 리텐션 바(30)의 절곡부 내부에 소정의 살빼기부(D1, D2)를 형성할 수 있다.
상기 리텐션 바(30)의 형태, 팩 케이스(20)와의 결합구조는 상기에 한정되지 않으며 다른 형태도 가능하다. 도 7은 본 발명의 요부인 리텐션 바(30)와 팩 케이스, 배터리 모듈(10)의 결합구조의 여러 실시예를 나타낸 측단면도이다. 도 7의 실시예 역시 도 6과 같이 측부 프레임(23) 내측면에 결합돌출부(24)가 형성되어 있다. 이러한 결합돌출부(24)는 리텐션 바(30)와 대향하는 상대 결합부를 형성하므로, 상부에서 체결부재(B)를 체결할 경우 상하방향의 가압력을 발생시키므로, 배터리 모듈(10)의 높이방향으로 이동을 규제하기 적합하다.
도 7(a)는 리텐션 바(30')가 절곡부 없이 평판형으로 형성된 것으로서, 리텐션 바(30')의 일부를 배터리 모듈 상부면에 위치시킨 상태에서 체결부재(B)로 리텐션 바(30')와 결합돌출부(24)를 결합할 수 있다. 절곡부가 없으므로, 도 6과 대비하여 배터리 모듈(10)의 모서리부 전체를 가압하지는 않지만, 배터리 모듈(10)의 높이방향 이동을 충분히 규제할 수 있다.
도 7(b)는 상기 좌우 측부 프레임(23)의 결합돌출부(24) 위의 내측면에 리텐션 바(30)의 일측부가 끼워지는 끼움홈(23a)을 형성한 것을 도시한다. 상기 끼움홈(23a)에 리텐션 바(30'')를 끼우고, 체결부재(B)로 위로부터 평판형의 리텐션 바(30'')를 상기 결합돌출부(24) 위에 결합하여 배터리 모듈(10)의 이동을 규제할 수 있다. 이 경우는 도 7(a)에 비하여 끼움 결합이 부가된 형태이므로, 도 7(a)보다 견고하게 리텐션 바(30'')를 측부 프레임에 결합시킬 수 있다.
도 7(c)는 도 6과 유사하게, 리텐션 바(30''')가 상부 플레이트(31''')와 하향 돌출부(32''')를 구비하고 있다. 또한, 상기 좌우 측부 프레임의 결합돌출부(24) 위의 내측면에 리텐션 바(30''')의 일측부가 끼워지는 끼움홈(23a)이 형성되어 있다. 상기 끼움홈(23a)에 리텐션 바(30''')의 상부 플레이트(31''')의 일측부를 끼우고, 체결부재(B)로 위로부터 리텐션 바(30''')의 하향 돌출부(32''')를 상기 결합돌출부(24) 위에 결합하여 배터리 모듈(10)의 이동을 규제할 수 있다. 또한, 이 경우는 하향 돌출부(32''')가 측부 프레임과 배터리 모듈(10) 사이에 끼워지므로, 리텐션 바(30)가 상기 배터리 모듈 일측 코너부를 강하게 고정 및 유지할 수 있다.
도 8은 배터리 모듈이 본 발명의 배터리 팩 케이스에 조립되는 과정을 나타내는 사시도이다.
먼저, 하부 프레임(21)과 측부 프레임(22,23)으로 이루어지는 하부 팩 케이스(20B)에 접착레진층(R)을 도포한다. 혹은 배터리 모듈(10)을 하부 팩 케이스(20B) 내에 수용한 뒤에 소정의 주입공을 통하여 배터리 모듈(10)과 하부 팩 케이스(20B) 사이에 상기 접착레진층(R)을 충전하는 방식도 가능하다.
다음에, 상기 확장성 배터리 모듈(10)들을 수평방향으로 하부 팩 케이스(20B) 내에 적층 배치한다. 본 실시예에서 수평방향은 배터리 팩(100)을 기준으로 하면 팩의 길이방향이 되며, 상기 배터리 모듈(10)을 기준으로 하면 모듈의 폭방향이 된다. 어떤 경우이든, 상기 리텐션 바(30)는 상기 배터리 모듈(10)의 적층방향을 따라 연장되도록 설치할 필요가 있다.
배터리 모듈(10)의 배치가 완료된 후, 도 6과 같이 좌우 1쌍의 리텐션 바(30)를 하부 팩 케이스(20B)의 좌우 측부 프레임(23)에 결합시킨다. 상술한 바와 같이, 좌우 측부 프레임(23)의 내측면으로부터 결합돌출부(24)가 형성되어 체결위치가 일정하게 설정되어 있으므로, 상기 리텐션 바(30)를 상기 결합돌출부(24) 상에 위로부터 체결하면 상기 배터리 모듈(10)의 양측 상부면이 가압되어 배터리 팩(100) 내에 고정된다. 상기 체결에 의하여 배터리 모듈(10)은 하부의 접착레진층(R)을 누르면서 균일한 높이로 배터리 팩(100) 내에 유지될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 리텐션 바(30)를 팩 케이스에 결합하는 것 만으로 복수개의 배터리 모듈(10)을 배터리 팩(100) 내에 고정 유지할 수 있으므로, 체결점이 최소화되는 구조라 할 수 있다. 구체적으로는 리텐션 바(30), 혹은 상기 리텐션 바(30)와 접착레진층(R)만으로 배터리 모듈(10)을 균일한 높이로 배터리 팩(100)에 유지할 수 있다. 이러한 간소한 결합구조로 인하여, 배터리 팩(100) 내의 공간, 예컨대 상하 공간을 확보할 수 있으며, 이 공간에 전기접속부재 등 다른 필요한 부재들을 설치할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 배터리 모듈(10)을 팩에 조립할 때, 체결점을 최소화하여 배터리 모듈들을 팩 내에 안정적으로 고정함으로써 내부 공간 활용을 극대화할 수 있으며, 배터리 모듈(10)과 팩 케이스(20)의 결합 강성을 향상시킬 수 있다.
리텐션 바(30)에 의하여 배터리 모듈들이 균일한 높이로 배터리 팩(100) 내에 설치되면, 고전압 버스바(BB)를 상기 배터리 모듈(10) 상에 노출된 터미널 버스바(T)에 연결하여 배터리 모듈들을 전기적으로 연결할 수 있다. 이 때, 본 발명 특유의 구조로 배터리 모듈들이 균일한 높이로 배치되므로, 상기 고전압 버스바(BB)도 균일한 높이로 상기 배터리 모듈들에 용접될 수 있게 된다. 그 외 저전압 버스바, 센싱케이블 연결 등 배터리 팩에 필요한 부품 설치 및 연결작업을 행할 수 있다.
도 8에는 도시하지 않았지만, 이후 상기 배터리 모듈(10) 상에 접착레진층(R) 도포(충전), 히트싱크(40) 설치 및 상부 프레임(20A) 결합을 행하여 배터리 팩 조립을 완료하게 된다.
도 9은 본 발명의 배터리 팩의 결합구조를 나타내는 개략 측단면도이다.
도 9(a)는 높이 규제부재를 구비하지 않은 배터리 팩의 결합구조를 나타낸 것으로서, 하부 프레임과 배터리 모듈(10) 사이에 접착레진층(R)이 충전되어 있다. 하지만, 이 구조는 배터리 모듈(10)의 높이방향 이동을 규제할 수 있는 구조가 아니므로, 각 배터리 모듈(10)의 높이가 균일하지 않게 된다. 이에 따라, 배터리 모듈(10) 상부에 접착레진층(R)과 히트싱크를 설치하는 경우, 히트싱크와 배터리 모듈(10)간의 간격도 일정치 않게 되어 각 배터리 모듈(10)과 히트싱크 간에 열저항이 상이하게 되어 모듈간에 온도 편차가 발생할 수 있다. 또한, 고전압 버스바와 같은 전장부품을 모듈 상에 용접할 경우 편차가 발생하게 된다.
반면, 도 9(b)의 본 발명의 결합구조는, 상기 리텐션 바(30)가 배터리 모듈(10)의 양측 상부면을 가압하면서 측부 프레임(23)에 결합되어 있으므로, 배터리 모듈들의 높이방향 이동이 규제된다. 따라서, 배터리 모듈들을 균일한 높이로 유지할 수 있어 상기 문제들을 방지할 수 있다.
또한, 배터리 팩(100)의 조립 후에도, 도 3과 같은 스웰링 현상 발생시 본 발명의 배터리 팩(100)은 배터리 모듈들이 상기 리텐션 바(30)에 의하여 높이방향 이동이 규제되므로, 배터리 모듈들의 조립 변형 내지 변위를 규제할 수 있다는 장점이 있다.
이상, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
1: 전지셀
2: 길이방향 단위셀
10: 배터리 모듈
11: 전지셀 조립체
12: 모듈 케이스
13: 격벽
20: 팩 케이스
20A: 상부 프레임
20B: 하부 팩 케이스
21: 하부 프레임
22: 전후 측부 프레임
23: 좌우 측부 프레임
24: 결합돌출부
30: 리텐션 바
31: 상부 플레이트
32: 하향 절곡부
40: 히트싱크
50: 절연부재
R: 접착레진층
T: 터미널 버스바
BB: 고전압 버스바
100: 배터리 팩

Claims (15)

  1. 복수개의 전지셀이 수용된 배터리 모듈;
    복수개의 배터리 모듈이 수평방향으로 적층되어 수용되는 팩 케이스; 및
    상기 배터리 모듈의 적층방향을 따라 연장되고, 상기 적층되는 배터리 모듈 양측의 상부면을 가압하면서 상기 팩 케이스에 결합되는 리텐션 바(retention bar)를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은, 전지셀이 길이방향으로 일렬로 복수개 배열되어 형성되는 길이방향 단위셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층되어 이루어진 전지셀 조립체를 수용하며,
    상기 전지셀 조립체를 수용하도록 상기 배터리 모듈은 길이방향으로 길게 연장된 직육면체 형상을 가지는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 길이방향 단위셀은, 길이방향으로 전지셀이 2열로 배열된 것이고,
    상기 길이방향으로 배열된 전지셀과 전지셀 사이에 터미널 버스바가 연결되고 상기 터미널 버스바의 단부는 상기 배터리 모듈의 상부로 노출되는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 폭방향으로 연장되며, 상기 각 배터리 모듈의 터미널 버스바에 결합하는 고전압 버스바를 더 포함하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상부 프레임;
    상기 배터리 모듈이 적층되어 안착되는 하부 프레임; 및
    상기 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 위치하며 상기 적층된 배터리 모듈을 감싸는 전후 좌우의 측부 프레임을 포함하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하부 프레임과 상기 측부 프레임은 일체로 형성되는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전후 측부 프레임 및 상기 좌우 측부 프레임은 각각 상기 배터리 모듈의 적층방향에 수직한 방향 및 적층방향으로 연장되며,
    상기 리텐션 바는 좌우 측부 프레임에 결합되는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 좌우 측부 프레임은 배터리 모듈과 대향하는 내측면에 결합돌출부가 형성되고,
    상기 리텐션 바는 상기 결합돌출부의 상부면에 결합되어 상기 배터리 모듈의 양측 상부면을 가압하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 좌우 측부 프레임의 상기 결합돌출부 위의 내측면에 상기 리텐션 바의 일측부가 끼워지는 끼움홈이 형성되고,
    상기 리텐션 바의 일측부가 상기 끼움홈에 끼워지며, 동시에 상기 결합돌출부의 상부면에 상기 리텐션 바가 체결부재에 의하여 결합되는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 리텐션 바는, 상부 플레이트와, 상기 상부 플레이트로부터 하향 절곡되는 절곡부로 이루어지고,
    상기 상부 플레이트가 상기 배터리 모듈의 양측 상부면을 가압하면서 상기 절곡부가 상기 좌우 측부 프레임 내측면과 상기 배터리 모듈 사이의 간격에 끼워질 때,
    체결부재가 상기 상부 플레이트 및 절곡부를 관통하여 상기 결합 돌출부에 결합되는 것에 의하여 상기 리텐션 바가 상기 좌우 측부 프레임에 결합되는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 좌우 측부 프레임의 결합돌출부 위의 내측면에 끼움홈이 형성되고,
    상기 리텐션 바의 상부 플레이트의 일측부가 상기 끼움홈에 끼워지는 배터리 팩.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 하부 프레임 사이에 접착레진층이 충전되는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 상부 프레임 사이에 접착레진층이 충전되는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 상부 프레임과 접착레진층 사이에 히트 싱크가 설치되는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상부 프레임과 히트 싱크 사이에 절연부재가 설치되는 배터리 팩.
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