WO2024019459A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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WO2024019459A1
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cell
cover
battery
pack
battery cell
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박정훈
김수열
정혜미
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a vehicle including the same, and more specifically, to a battery pack with improved stability and a vehicle including the same.
  • nickel-cadmium batteries or nickel-hydrogen batteries were widely used as secondary batteries, but recently, lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, allowing for free charging and discharging, a very low self-discharge rate, and high energy density. Batteries are widely used.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxide and carbon material as positive and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with the positive electrode active material and the negative electrode active material are disposed with a separator in between, and an exterior material, that is, a battery case, that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte solution.
  • secondary batteries can be classified into can-type batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • battery modules have been widely used for driving or energy storage in medium to large-sized devices such as electric vehicles or energy storage systems.
  • a conventional battery pack includes one or more battery modules inside a pack case and a control unit that controls charging and discharging of the battery modules.
  • the battery module is configured to include a plurality of battery cells inside a module case. That is, in the case of a conventional battery pack, a plurality of battery cells (secondary batteries) are stored inside a module case to form each battery module, and one or more of these battery modules are stored inside the pack case to form a battery pack.
  • pouch-type batteries have advantages in many aspects, such as being light in weight and requiring less dead space when stacked, but they are vulnerable to external shocks and have somewhat poor assembly properties. Therefore, it is common for battery packs to be manufactured by first modularizing a number of cells and then storing them inside a pack case.
  • conventional battery packs may be disadvantageous in terms of energy density, assembly, cooling, etc. due to modularization.
  • thermal runaway may occur, resulting in flames and, in extreme cases, explosion.
  • the present invention was created to solve the above problems, and the problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack that is excellent in various aspects such as swelling response performance and a vehicle including the same.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack that can ensure excellent safety when a thermal event occurs and a vehicle including the same.
  • a battery pack according to one aspect of the present invention for solving the above problems includes a plurality of pouch-type battery cells; a pack case storing the pouch-type battery cell in an internal space; and a cell cover configured to at least partially surround the exterior of at least a first battery cell and a second battery cell adjacent to each other among the plurality of pouch-type battery cells in the internal space of the pack case, wherein the cell cover includes, a compartment cover disposed between one side of the first battery cell and one side of the second battery cell to partition between the first battery cell and the second battery cell; a first side cover portion facing the compartment cover portion to cover the other side of the first battery cell; a second side cover portion facing the compartment cover portion to cover the other side of the second battery cell; an upper cover part connected to the top of the first side cover part at the top of the compartment cover part to surround the upper side of the first battery cell; and a lower cover part connected to the lower end of the second side cover part at the lower end of the compartment cover part to surround the lower side of the second battery cell.
  • the first battery cell may be disposed between the first side cover part and the compartment cover part in an upright state.
  • the second battery cell may be disposed between the second side cover part and the compartment cover part in an upright state.
  • the cell cover includes a lower opening exposing a lower portion of the first battery cell toward the inner side of the pack case; and an upper opening where the upper portion of the second battery cell is exposed toward the inner side of the pack case.
  • the upper cover part may include a first particle pocket part configured to be spaced apart from the first battery cell and configured to collect particles ejected from the first battery cell when a thermal event occurs.
  • the lower cover part may include a second particle pocket part configured to be spaced apart from the second battery cell and configured to collect particles ejected from the second battery cell when a thermal event occurs.
  • At least one of the two side parts of the upper cover part may protrude toward the top, and the central part where the two side parts are connected may be concave toward the bottom.
  • At least one of the two side portions of the lower cover portion may protrude downward, and the central portion connected to the two side portions may be concave toward the upper portion.
  • the upper cover part may gradually protrude from the center to at least one of the two side parts protruding upward.
  • the lower cover part may gradually protrude from the center to at least one of the two side parts protruding downward.
  • the pack case includes a lower venting part provided at at least some of the positions corresponding to the lower opening so that gas generated from the first battery cell can be discharged to the outside through the lower opening; and an upper venting part provided at at least some of the positions corresponding to the upper opening so that gas generated from the second battery cell can be discharged to the outside through the upper opening.
  • the cell cover may have an insertion pin protruding toward the inner surface of the pack case from at least one of the first and second side cover parts to be inserted into the pack case.
  • the pack case may be provided with an insertion pin receiving portion configured to accommodate the insertion pin on an inner surface.
  • the insertion pin and the insertion pin receiving portion may be positioned adjacent to at least one of the upper venting portion and the lower venting portion.
  • the insertion pin includes an insertion portion inserted into the pack case; And the insertion part may include a deformation part provided at a position where the insertion part is connected to at least one of the first side cover part and the second side cover part.
  • the deformation part may be provided at the same height as the inner surface of the pack case when the insertion pin is inserted into the pack case.
  • the battery pack may include thermal resin interposed in at least a portion of the space between the cell cover and the pack case and the space between the plurality of pouch-type battery cells and the pack case.
  • the thermal resin may not be provided in spaces corresponding to the upper venting portion and the lower venting portion.
  • the cell cover may be configured to partially surround the pouch-type battery cell so that at least one side of the wrapped pouch-type battery cell is exposed to the outside.
  • the cell cover may be configured so that at least one side of the wrapped pouch-type battery cell is exposed toward the inner side of the pack case.
  • the cell cover can be directly mounted on the pack case.
  • the cell cover may include an insulating coating layer on the inner side.
  • an adhesive member may be included in at least one of the first side cover portion and the second side cover portion of the adjacent cell covers.
  • a vehicle according to the present invention may include a battery pack according to the present invention.
  • a plurality of pouch-type battery cells can be stably stored inside a pack case without the need for a stacking frame such as a plastic cartridge or a separate module case.
  • two or more pouch-type battery cells can be reliably protected by wrapping them with a cell cover.
  • gas generated from a pouch-type battery cell can be guided and discharged in a desired direction.
  • high-temperature dust, particles, etc. ejected from the battery cell may be collected in the particle pocket portion. Therefore, it can be effective in blocking the spread of flame by trapping high-temperature dust, particles, etc. that can be emitted from a pouch-type battery cell in the particle pocket portion and preventing them from easily escaping out of the cell cover.
  • High-temperature dust, particles, etc. act as ignition sources among the three elements of fire (combustibles, ignition source, oxygen), so when they come into contact with combustibles and oxygen on the outside of the cell cover, they ignite and flames rapidly spread inside the pack case. This is because it can spread.
  • the contact area between the cell cover and the thermal resin can be increased, thereby improving the cooling effect.
  • the cell cover can absorb swelling of the pouch-type battery cell and prevent damage or destruction of the battery cell by preventing excessive pressure from being applied to any part of the pouch-type battery cell.
  • convenience and fixation of the pack case and the cell cover can be secured.
  • it can be configured to effectively maintain the upright state of the wrapped pouch-type battery cells, that is, the standing state, by wrapping two or more pouch-type battery cells.
  • fixation between the pack case and the cell cover can be secured before the swelling phenomenon occurs, and at the same time, when the swelling phenomenon occurs, the venting area can be expanded to the adjacent venting part. Therefore, as the venting area is expanded, gas can be discharged more quickly to relieve heat build-up.
  • a battery pack that is excellent in various aspects such as swelling response performance and a vehicle including the same can be provided.
  • a battery pack that can ensure excellent safety when a thermal event occurs and a vehicle including the same can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing the appearance of a battery pack according to the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of a battery pack according to the present invention.
  • Figure 3 is an exploded perspective view of a cell unit included in a battery pack according to the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view of a cell cover included in a battery pack according to the present invention.
  • Figure 5 is a view from the front of the cell unit included in the battery pack according to the present invention.
  • Figure 6 is a diagram showing another cell cover that may be included in a battery pack according to the present invention.
  • FIG. 7 is a front view of a cell unit that includes the cell cover of FIG. 6 and may be included in a battery pack according to the present invention.
  • Figure 8 is a diagram schematically showing a partial cross-section of a battery pack according to the present invention.
  • Figure 9 is a diagram showing the bottom of a cell unit included in a battery pack according to the present invention.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams schematically showing a partial cross-section of a battery pack according to the present invention.
  • FIGS. 12 to 15 are diagrams to explain a modified example of a cell cover and the corresponding expansion of the venting area when a thermal event occurs in a battery pack according to the present invention.
  • Figure 16 is a diagram schematically showing a partial cross-section of a battery pack according to the present invention.
  • Figure 17 is a diagram showing the bottom of a cell unit included in a battery pack according to the present invention.
  • Figure 18 is a diagram showing an automobile according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing the appearance of a battery pack according to the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of a battery pack according to the present invention.
  • Figure 3 is an exploded perspective view of a cell unit included in a battery pack according to the present invention.
  • the battery pack 10 may include a plurality of pouch-type battery cells 110, a pack case 300, and a cell cover 200.
  • the pouch-type battery cell 110 may include an electrode assembly, an electrolyte, and a pouch exterior material.
  • a plurality of pouch-type battery cells 110 may be included in the battery pack 10 .
  • a plurality of pouch-type battery cells 110 may be stacked in at least one direction. For example, referring to FIG. 2, a plurality of pouch-type battery cells 110 may be stacked in the left and right direction (X-axis direction).
  • the plurality of pouch-type battery cells 110 are arranged in the left and right directions, and may also be arranged in a plurality of rows in the front-back direction (Y-axis direction).
  • a plurality of pouch-type battery cells 110 are stacked in the left and right directions to form one cell bundle, and two cell bundles are arranged in the left and right directions and two are arranged in the front and back directions, so that 2 It may be arranged in the pack case 300 in a two-array arrangement.
  • the pack case 300 may form a space inside to accommodate the pouch-type battery cell 110.
  • the pack case 300 may include a case body 310, an end cover 320, and a top cover 330.
  • the case body 310 is configured in a box shape with the top, front, and back open, and can accommodate a plurality of pouch-type battery cells 110 in the internal space.
  • the end cover 320 will be configured to cover the front opening (opening located in the negative Y-axis direction) and the rear opening (opening located in the positive Y-axis direction) of the case body 310. You can.
  • the top cover 330 may be configured in the form of a cover that covers the top opening of the case body 310 (an opening located in the positive Z-axis direction).
  • the pack case 300 is not limited to the structure shown and explained here, and is, for example, configured in the form of a box with an open top to accommodate a plurality of pouch-type battery cells 110 in the internal space. It may also be composed of a combination of a bottom frame and a top frame in the form of a cover that covers the upper opening of the bottom frame. A plurality of pouch-type battery cells 110 and a cell cover 200, which will be described later, can also be stored in the internal space of the pack case 300.
  • the pack case 300 may be made of plastic or metal.
  • the pack case 300 may employ various exterior materials of pack cases known at the time of filing of the present invention.
  • the cell cover 200 covers at least partially the outside of at least the first battery cell 111 and the second battery cell 112 that are adjacent to each other among the plurality of pouch-type battery cells 110 in the internal space of the pack case 300. It can be configured to surround.
  • FIG. 4 is a perspective view of a cell cover included in the cell unit shown in FIG. 3.
  • the cell cover 200 includes a compartment cover part 220, a first side cover part 210, a second side cover part 230, an upper cover part 240, and a lower cover part 250. ) may include.
  • the partition cover unit 220 may be configured to partition between the first battery cell 111 and the second battery cell 112.
  • the compartment cover part 220 may be disposed between one side of the first battery cell 111 and one side of the second battery cell 112.
  • the compartment cover unit 220 may be disposed between the right side (side in the positive X-axis direction) of the first battery cell 111 and the left side (side in the negative X-axis direction) of the second battery cell 112.
  • the compartment cover portion 220 may have a plate shape.
  • the first side cover portion 210 may be configured to cover the other side of the first battery cell 111.
  • the first side cover part 210 may face the compartment cover part 220.
  • the first side cover portion 210 covers the left side (side in the negative direction of the X-axis) of the first battery cell 111 facing the right side of the first battery cell 111 covered by the compartment cover portion 220. It can be covered.
  • the first side cover portion 210 may have a plate shape.
  • the second side cover portion 230 may be configured to cover the other side of the second battery cell 112.
  • the second side cover part 230 may face the compartment cover part 220.
  • the second side cover portion 230 covers the right side (side in the positive X-axis direction) of the second battery cell 112 facing the left side of the second battery cell 112 covered by the compartment cover portion 220. It can be covered.
  • the second side cover portion 230 may have a plate shape.
  • the first side cover part 210, the compartment cover part 220, and the second side cover part 230 may be side by side with each other. Accordingly, the configuration in which the first battery cell 111 and the second battery cell 112 are stacked side by side in the left and right directions in an upright position can be stably maintained.
  • the upper cover portion 240 may be configured to surround the upper side (positive Z-axis direction) of the first battery cell 111.
  • the upper cover part 240 may be connected to the top of the first side cover part 210 at the top of the compartment cover part 220.
  • the upper cover portion 240 may have a plate shape.
  • the lower cover portion 250 may be configured to surround the lower side (negative Z-axis direction) of the second battery cell 112.
  • the lower cover part 250 may be connected to the lower end of the second side cover part 230 at the lower end of the compartment cover part 220.
  • the lower cover portion 250 may have a plate shape.
  • the first side cover part 210 may be configured to extend downward from one end of the upper cover part 240.
  • the first side cover part 210 may be configured to extend downward from the left end of the upper cover part 240.
  • the compartment cover part 220 may be positioned to be spaced apart from the first side cover part 210 in the horizontal direction.
  • the compartment cover part 220 may be configured to extend downward from the other end of the upper cover part 240.
  • the compartment cover 220 may be configured to extend downward from the right end of the upper cover 240.
  • the first side cover part 210 and the compartment cover part 220 may be configured to cover the wide surface of the first battery cell 111 accommodated therein. At this time, the first side cover part 210 and the compartment cover part 220 may be configured in a bent form from the upper cover part 240.
  • the compartment cover part 220 may be configured to extend upward from one end of the lower cover part 250.
  • the compartment cover 220 may be configured to extend upward from the left end of the lower cover 250.
  • the second side cover part 230 may be positioned to be spaced apart from the compartment cover part 220 in the horizontal direction. Additionally, the second side cover portion 230 may be configured to extend upward from the other end of the lower cover portion 250.
  • the second side cover part 230 may be configured to extend upward from the right end of the lower cover part 250.
  • the compartment cover part 220 and the second side cover part 230 may be configured to cover the wide surface of the second battery cell 112 accommodated therein. At this time, the compartment cover part 220 and the second side cover part 230 may be configured in a bent form from the lower cover part 250.
  • the internal space is limited by the first side cover part 210, the compartment cover part 220, the second side cover part 230, the upper cover part 240, and the lower cover part 250. You can. Additionally, the cell cover 200 can accommodate two or more pouch-type battery cells 110 in this limited internal space.
  • At least some of the compartment cover part 220, the first side cover part 210, the second side cover part 230, the upper cover part 240, and the lower cover part 250 may be configured in an integrated form with each other. there is.
  • the compartment cover part 220, the first side cover part 210, the second side cover part 230, the upper cover part 240, and the lower cover part 250 may be formed by bending one plate. In this way, forming a bent portion in one plate to form the cell cover 200 can be implemented in various ways, such as pressing or roll forming. According to this implementation configuration of the present invention, manufacturing of the cell cover 200 can be made simpler.
  • the compartment cover part 220, the first side cover part 210, the second side cover part 230, the upper cover part 240, and the lower cover part 250 are each manufactured separately and then glued and fitted. They can also be joined together through fitting, welding or bolting.
  • the cell cover 200 may be configured to cover not only the adjacent first battery cell 111 and the second battery cell 112, but also another pouch-type battery cell 110. For example, when a plurality of pouch-type battery cells 110 are erected in the vertical direction (Z-axis direction) and stacked in the left and right directions, the cell cover 200 includes the first side cover portion 210 and the compartment cover portion.
  • the first battery cell 111 may be configured to surround the first battery cell 111 and a battery cell located adjacent to the first battery cell 111 and spaced apart from the second battery cell 112 between 220 . That is, the number of pouch-type battery cells 110 wrapped between the first side cover part 210 and the compartment cover part 220 may be two or more. Likewise, between the second side cover portion 230 and the compartment cover portion 220, the second battery cell 112 is located adjacent to the second battery cell 112 and spaced apart from the first battery cell 111. It may be configured to surround battery cells together. That is, the number of pouch-type battery cells 110 wrapped between the second side cover part 230 and the compartment cover part 220 may be two or more. However, the total number of battery cells covered by the cell cover 200 may vary.
  • the number of battery cells covered by the left and right sides of the compartment cover portion 220 of the cell cover 200 is not necessarily limited to being the same.
  • a configuration that changes the number of pouch-type battery cells 110 surrounded by the cell cover 200 can be easily implemented.
  • the width of the cell cover 200 and the widths of the upper cover part 240 and the lower cover part 250 the number of unit battery cells accommodated by the cell cover 200 can be easily changed. Therefore, in this case, changes in capacity or output by one cell cover 200 can be easily made.
  • the cell cover 200 may be configured to group and unitize the plurality of pouch-type battery cells 110 included in the battery pack 10.
  • One cell cover 200 may constitute one cell unit 100.
  • one cell unit 100 is shown in FIG. 3, and a plurality of cell units 100 are shown in FIG. 2.
  • the cell cover 200 surrounds at least three sides of the first battery cell 111 and at least three sides of the second battery cell 112, and provides a bus bar assembly 400 for each cell unit 100. A configuration of positioning the cell on the side that is not surrounded by the cell cover 200 can be easily implemented.
  • the battery pack 10 may include a plurality of cell units 100, and in this case, a plurality of cell covers 200 may be included in the battery pack 10. Since the cell cover 200 is configured to surround two or more pouch-type battery cells 110, the battery pack 10 may include a smaller number of cell covers 200 than the number of pouch-type battery cells 110. .
  • the pouch-type battery cells 110 in the cell unit 100 may be electrically connected in series and/or parallel through the busbar assembly 400, etc.
  • the cell unit 100 may also be expressed as a cell bank. According to the present invention, since the cell cover 200 is designed to separate cell banks, thermal runaway and explosion can be prevented for each cell bank.
  • the cell cover 200 used as an example here can be said to have a cross-sectional configuration viewed from the front that is roughly similar to a 'Z' shape. Therefore, in this case, the cell cover 200 may be referred to as a 'Z-fin'.
  • a Z-pin for example, it may be conceivable to combine a pin whose cross-sectional configuration viewed from the front side is approximately 'n' and a fin which is approximately 'U' shaped, but as proposed in the present invention,
  • the Z-pin is configured to include the first side cover portion 210, the compartment cover portion 220, and the second side cover portion 230, both pins of the 'n' shape pin and the 'U' shape pin are Since the combined portion can be made thin by forming a single compartment cover 220, the proportion of the thickness occupied by the cell cover 200 in the battery pack 10 is equal to the thickness of the compartment cover 220 ⁇ the number of cell banks. It can be reduced.
  • a plurality of cell covers 200 may be included in the battery pack 10 .
  • an adhesive member may be interposed between the cell covers 200.
  • an adhesive member is interposed between the first side cover part 210 and/or the second side cover part 230, which are the parts where the two cell covers 200 face each other, to adhesively fix them. You can.
  • the adhesive member may be insulating to achieve insulation between the cell covers 200, which may be made of a metal material. Additionally, the adhesive member may be thermally conductive. Through this adhesion, the cell cover 200 is firmly coupled to the battery cell 110 and can help discharge heat generated in the battery cell 110 to the outside of the battery cell 110.
  • a thermal barrier (not shown) may be further included between adjacent cell covers 200.
  • the thermal barrier may be made of a pad made of an insulating material or a flame suppressing material, and may preferably be made of a compressible material.
  • the thermal barrier may be configured to be in close contact with the cell covers 200 between adjacent cell covers 200. Accordingly, the thermal barrier may be configured to suppress swelling phenomenon that may occur in the pouch-type battery cell 110.
  • the thermal barrier can delay the spread of flames due to thermal runaway and prevent heat transfer rupture while suppressing the swelling phenomenon that may occur in the pouch-type battery cell 110, thereby preventing the structural damage of the battery pack 10. Further stability can be secured.
  • the cell cover 200 may include an insulating coating layer on its inner surface.
  • the insulating coating layer may be coated, applied, or attached to any one of silicone resin, polyamide, and rubber.
  • the insulating coating layer can maximize the insulating coating effect with a minimum coating amount. Additionally, since the insulating coating layer is applied to the inner surface of the cell cover 200, the insulation between the pouch-type battery cell 110 and the cell cover 200 can be strengthened.
  • the cell cover 200 may be made of various materials to ensure rigidity.
  • the cell cover 200 may be made of a metal material.
  • the stacked state of the pouch-type battery cells 110 can be maintained more stably and the pouch-type battery cells 110 can be more safely protected from external shock.
  • the cell cover 200 may be made of SUS material.
  • the cell cover 200 may be entirely made of SUS material.
  • the cell cover 200 when the cell cover 200 is made of a steel material, it has excellent mechanical strength and rigidity, and thus can support the stacked state of the pouch-type battery cells 110 more stably. Additionally, in this case, it is possible to more effectively prevent damage or breakage of the pouch-type battery cell 110 from external impacts, such as needles. Additionally, in this case, handling of the pouch-type battery cell 110 may become easier. Additionally, due to the high melting point, the overall structure can be maintained stably when a flame occurs from the battery cell. Because it has a higher melting point than aluminum, it does not melt even when flames erupt from a battery cell, and its shape can be maintained stably. Accordingly, excellent flame propagation prevention and delay effects between battery cells, venting control effects, etc. can be secured.
  • the battery cells 110 can be easily made into a sturdy form, so that a configuration in which they are directly stacked inside the pack case 300 can be more easily implemented. Accordingly, assemblyability and mechanical stability of the battery pack 10 can be improved.
  • a plurality of pouch-type battery cells 110 can be stably stored inside the pack case 300 without the need for a stacking frame such as a plastic cartridge or a separate module case.
  • two or more pouch-type battery cells 110 can be stably protected by wrapping them with a cell cover 200.
  • a CTP (Cell To Pack) type battery pack using the pouch-type battery cell 110 can be implemented more efficiently. That is, rather than storing the pouch-type battery cell 110 inside a separate module case and storing this module case inside the pack case 300, the pouch-type battery cell 110 is directly placed inside the pack case 300.
  • the battery pack 10 may be provided in a storage form. At this time, at least one side of the pouch-type battery cell 110 may be exposed to the outside of the cell cover 200 and may be arranged to directly face the pack case 300.
  • the battery pack 10 there is no need to additionally provide the battery pack 10 with a module case, a stacking frame, or fastening members such as bolts for maintaining the stacked state of the cells. Accordingly, the space occupied by other components, such as a module case or a stacking frame, or the resulting space for securing tolerances can be eliminated. Therefore, since the battery cell can occupy more space as the space other components are removed, the energy density of the battery pack 10 can be further improved.
  • the volume and weight of the battery pack 10 can be reduced and the manufacturing process can be simplified.
  • handling of the pouch-type battery cell 110 may become easier.
  • the pouch-type battery cells 110 can be held by a jig or the like.
  • the jig may not directly hold the pouch-type battery cell 110, but may hold the cell cover 200 surrounding the pouch-type battery cell 110. Accordingly, damage or breakage of the pouch-type battery cell 110 caused by the jig can be prevented.
  • Figure 5 is a view from the front of the cell unit included in the battery pack according to the present invention.
  • the cell cover 200 may form a lower opening (O1) and an upper opening (O2).
  • the lower opening O1 may be configured to expose the lower portion of the first battery cell 111 toward the inner surface of the pack case 300.
  • the lower opening O1 may be located on the opposite side of the upper cover part 240.
  • the upper opening O2 may be configured to expose the upper portion of the second battery cell 112 toward the inner surface of the pack case 300 .
  • the upper opening O3 may be located on the opposite side of the lower cover part 250.
  • the gas generated from the first battery cell 111 flows downward (in the negative Z-axis direction) of the first battery cell 111 through the lower opening (O1) and into the second battery.
  • Gas generated from the cell 112 may be discharged upward (in the positive Z-axis direction) of the second battery cell 112 through the upper opening O2. Therefore, the gas generated from the battery cell 110 can be guided and discharged in a desired direction.
  • the upper cover portion 240 may be provided with a first particle pocket portion (P1).
  • the lower cover portion 250 may include a second particle pocket portion (P2).
  • the first particle pocket portion P1 may be configured to be spaced apart from the first battery cell 111.
  • the first particle pocket portion P1 may be configured to collect particles ejected from the first battery cell 111 when a thermal event occurs.
  • a certain space defined as a first particle pocket portion (P1) may be provided between the upper cover portion 240 and the top of the first battery cell 111.
  • the second particle pocket portion P2 may be configured to be spaced apart from the second battery cell 112.
  • the second particle pocket portion P2 may be configured to collect particles ejected from the second battery cell 112 when a thermal event occurs.
  • a certain space defined as a second particle pocket portion P2 may be provided between the lower cover portion 250 and the lower portion of the second battery cell 112.
  • High-temperature dust, particles, etc. act as ignition sources among the three elements of fire (combustibles, ignition source, oxygen), so when they encounter combustibles and oxygen on the outside of the cell cover 200, they are ignited and the flame erupts into the pack case ( 300) This is because it can spread rapidly internally.
  • the external discharge of the ignition source is prevented or suppressed by the cell cover 200, especially by the particle pocket portions (P1 and P2), so that the outer space of the cell cover 200, such as the inner space of the pack case 300, is prevented or suppressed. It is possible to block ignition from occurring in or outside space. Therefore, according to one aspect of the present invention, even when a thermal event occurs, internal short circuit or structural collapse can be prevented.
  • a mesh member may be formed inside the particle pocket portions (P1, P2).
  • the mesh member may be provided in the form of overlapping several porous metal plates to function like a flame arrester.
  • the movement of flame, high-temperature dust, particles, etc. within the particle pocket portions (P1, P2) can be further restricted, thereby preventing flame spread to other pouch-type battery cells 110 in which no thermal event has occurred. It can be.
  • the upper cover part 240 has at least one of the side parts 241 and 243 on both sides protruding upward (positive Z-axis direction), and the side parts 241, 243 on both sides.
  • the center 242 to which 243) is connected may be concave downward (positive Z-axis direction).
  • the upper cover portion 240 is roughly divided into three parts in the can be formed.
  • a particle pocket portion P1 may be defined within the cell cover 200 by the protruding side portions 241 and 243 on both sides.
  • the lower cover portion 250 has at least one of the side portions 251 and 253 on both sides protruding toward the bottom (negative Z-axis direction), and the central portion 252 connected to the side portions 251 and 253 on both sides protrudes toward the upper portion. It can be formed concavely toward (positive Z-axis direction).
  • the lower cover portion 250 is roughly divided into three parts in the can be formed.
  • a particle pocket portion P2 may be defined within the cell cover 200 by the protruding side portions 251 and 253 on both sides.
  • the thermal resin (see R in FIG. 16), which will be described below, is applied to the concave portion caused by the center 242 between the particle pocket portions P1 and the concave portion caused by the center 252 between the particle pocket portions P2. Since it can be filled, the contact area between the cell cover 200 and the thermal resin (R) can be increased. Therefore, since the contact area with the thermal resin (R) is larger than when the upper cover portion 240 and the lower cover portion 250 are configured completely flat, heat transfer can be smoother and the cooling effect can be improved.
  • the cell cover 200 including the particle pocket portions (P1, P2) corresponds to including a plurality of bent portions in its shape, so it can be manufactured by bending one plate by pressing or roll forming, but It may be desirable to manufacture in bulk by extrusion. According to this implementation configuration of the present invention, manufacturing of the cell cover 200 can be made simpler.
  • FIG. 6 is a diagram showing another cell cover that may be included in a battery pack according to the present invention.
  • FIG. 7 is a front view of a cell unit that includes the cell cover of FIG. 6 and may be included in a battery pack according to the present invention.
  • the upper cover part 240 gradually protrudes from the central part 242 to at least one of the side parts 241 and 243 on both sides protruding upward (in the positive Z-axis direction). It can be.
  • the upper cover portion 240 may be configured to have an approximately 'M' shape when both side portions 241 and 243 protrude toward the top.
  • the lower cover portion 250 may gradually protrude from the central portion 252 to at least one of the side portions 251 and 253 on both sides protruding downward (in the negative Z-axis direction).
  • the lower cover portion 250 may be configured in an approximately 'W shape when both side portions 251 and 253 protrude downward.
  • the upper cover portion 240 and/or the lower cover portion 250 are at least partially spread flat, thereby forming a pouch-type battery. Swelling of the cell 110 can be absorbed, and excessive pressure is not applied to any part of the pouch-type battery cell 110, thereby preventing damage or destruction of the battery cell. Additionally, expansion of the venting area, which will be explained below, is possible.
  • Figure 8 is a diagram schematically showing a partial cross-section of a battery pack according to the present invention.
  • the pack case 300 may be provided with a lower venting portion 301. Additionally, the pack case 300 may be provided with an upper venting portion 302.
  • the lower venting unit 301 may be configured to allow gas generated from the first battery cell 111 to be discharged to the outside through the lower opening O1.
  • the lower venting part 301 may be provided in at least some of the positions corresponding to the lower opening O1.
  • the upper venting portion 302 may be configured to allow gas generated from the second battery cell 112 to be discharged to the outside through the upper opening (O2).
  • the upper venting part 302 may be provided in at least some of the positions corresponding to the upper opening O2.
  • the lower venting part 301 and the upper venting part 302 may be provided at the lower and/or upper part of the pack case 300 depending on the configuration of the battery pack 10.
  • the lower venting unit 301 and the upper venting unit 302 may be provided at a position corresponding to at least one cell unit 100 depending on the configuration of the battery pack 10 including a plurality of cell units 100. .
  • the lower venting portion 301 and the upper venting portion 302 may have a simple hole shape that penetrates the pack case 300. In addition, it may be a specific device that is not completely open but is closed in a normal state and can be opened depending on changes in pressure or temperature.
  • the lower venting part 301 and the upper venting part 302 may be, for example, one-way valves.
  • gas generated from the pouch-type battery cell 110 can be discharged to the top and/or bottom of the battery pack 10.
  • the gas can be discharged in a desired direction.
  • the pack case 300 has a lower venting portion 301 and an upper opening corresponding to the lower opening (O1). All of the upper venting portions 302 corresponding to the opening portion O2 can be configured.
  • flame or gas can be guided and discharged in a preset direction.
  • flame or gas generated from the battery cell 110 can be discharged only in a preset direction through the cell cover 200. Even if thermal runaway occurs in one battery cell 110, the effect of the thermal runaway on the other battery cells 110 can be minimized.
  • the venting gas can be discharged upward and downward, and since other battery cells 110 are not located in that direction, the effect of preventing thermal runaway from transferring to other battery cells 110 is significant.
  • Figure 9 is a diagram showing the bottom of a cell unit included in a battery pack according to the present invention.
  • the cell cover 200 may be provided with an insertion pin 260.
  • the insertion pin 260 may be configured to be inserted into the pack case 300.
  • the insertion pin 260 may protrude toward the inner surface of the pack case 300 from at least one of the first side cover part 210 and the second side cover part 230.
  • the insertion pin 260 may be formed to protrude in the negative Z-axis direction from at least one of both side parts in the longitudinal direction (Y-axis extension direction) of the first side cover portion 210. there is.
  • the insertion pin 260 may be formed to protrude in the positive Z-axis direction from at least one of both side parts in the longitudinal direction (Y-axis extension direction) of the second side cover portion 230.
  • the insertion pin 260 may be positioned adjacent to at least one of the upper venting portion 302 and the lower venting portion 301.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams schematically showing a partial cross-section of a battery pack according to the present invention.
  • the pack case 300 may be provided with an insertion pin receiving portion 303.
  • the insertion pin receiving portion 303 may be configured to accommodate the insertion pin 260 on the inner surface of the pack case 300.
  • the insertion pin receiving portion 303 may have a shape corresponding to the shape of the insertion pin 260.
  • the insertion pin receiving portion 303 may be in the form of a groove formed on the inner surface of the pack case 300 so that the insertion pin 260 can be inserted.
  • the insertion pin receiving portion 303 may have a multi-stage shape formed on the upper venting portion 302 and the lower venting portion 301 so that the insertion pin 260 can be seated.
  • the insertion pin receiving portion 303 may be located adjacent to at least one of the upper venting portion 302 and the lower venting portion 301.
  • the pack case 300 and the cell cover 200 can be secured.
  • it may be configured to effectively maintain the upright state of the wrapped pouch-type battery cells 110 while surrounding two or more pouch-type battery cells 110 .
  • gas generated from the pouch-type battery cell 110 can be guided to the upper venting portion 302 and the lower venting portion 301.
  • a side cover 270 is provided to cover at least one of the front and rear of the cell unit 100, so that the gas generated from the pouch-type battery cell 110 is discharged from the front or rear. It can be blocked and more effectively guided to the upper venting part 302 and the lower venting part 301.
  • the insertion pin 260 may include an insertion portion 261 and a deformation portion 262.
  • the insertion portion 261 may be inserted into the pack case 300.
  • the insertion part 261 has a substantially plate shape and may protrude from at least one of the first side cover part 210 and the second side cover part 230.
  • the deformation part 262 may be provided at a position where the insertion part 261 is connected to at least one of the first side cover part 210 and the second side cover part 230.
  • the deformable portion 262 may be configured to have a thinner thickness or lower rigidity compared to the insertion portion 261 so that deformation occurs easily.
  • the deformable part 262 may be a groove of a certain depth extending along the X-axis direction where the insertion part 261 and the first side cover part 210 are connected.
  • the deformation part 262 may be provided at the same height as the inner surface of the pack case 300 when the insertion pin 260 is inserted into the pack case 300.
  • FIGS. 12 to 15 are diagrams to explain a modified example of a cell cover and the corresponding expansion of the venting area when a thermal event occurs in a battery pack according to the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram before a thermal event occurs in the battery pack 10. Additionally, the insertion pin 260 is inserted into the groove-shaped insertion pin receiving portion 303.
  • FIG. 13 is a diagram after a thermal event occurs in the battery pack 10 shown in FIG. 12 and swelling occurs.
  • Figure 14 is a diagram before a thermal event occurs in the battery pack 10. Additionally, the insertion pin 260 is seated in the multi-stage insertion pin receiving portion 303.
  • FIG. 15 is a diagram after a thermal event occurs in the battery pack 10 shown in FIG. 14 and swelling occurs.
  • the pack case 300 and the cell cover 200 are fixed through the insertion portion 261 of the insertion pin 260. can be secured, and the battery pack 10 can be used without heat accumulation by using the upper venting part 302 and the lower venting part 301 at the corresponding location on the cell bank alone.
  • the venting area can be expanded to the adjacent upper venting part 302 or lower venting part 301 by utilizing the deformed part 262 of the insertion pin 260.
  • the upper cover portion 240 and/or the lower cover portion 250 are at least partially flattened due to the swelling phenomenon, and at the same time, the venting area is easily formed due to fracture or folding of the deformable portion 262.
  • This can be expanded. That is, if swelling occurs in any cell unit 100, the cell unit 100 is configured to expand so that the upper venting portion 302 and lower venting portion 301 of other cell units can be used as venting areas. . That is, not only can the upper venting unit 302 and lower venting unit 301 of a cell bank be used, but also the upper venting unit 302 and lower venting unit 301 of other cell units can be used in parallel. Therefore, when a sequential thermal event occurs due to heat transfer, gas can be discharged more quickly as the venting area is expanded to eliminate heat accumulation.
  • Figure 16 is a diagram schematically showing a partial cross-section of a battery pack according to the present invention.
  • the battery pack 10 may include thermal resin (R).
  • the thermal resin (R) may be interposed in at least some of the space between the cell cover 200 and the pack case 300 and the space between the plurality of pouch-type battery cells 110 and the pack case 300. That is, the thermal resin (R) may be interposed in at least a portion of the space between the cell unit 100 and the pack case 300.
  • dual cooling dissipates heat from the pouch-type battery cell 110 in the upper and lower directions of the cell unit 100.
  • the thermal resin (R) can act to promote heat transfer between the cell cover 200 and the pack case 300.
  • Figure 17 is a diagram showing the bottom of a cell unit included in a battery pack according to the present invention.
  • the thermal resin (R) may not be provided in the space corresponding to the upper venting portion 302 and the lower venting portion 301.
  • the thermal resin (R) may be interposed so that one end or both ends of the lower opening portion (O1) in the longitudinal direction (Y-axis extending direction) are partially open.
  • the open space is in communication with the upper venting part 302 and the lower venting part 301 so that gas generated from the pouch-type battery cell 110 can be discharged to the outside of the pack case 300.
  • the battery pack 10 may further include a battery management system (BMS) and a battery disconnect unit (BDU).
  • BMS battery management system
  • BDU battery disconnect unit
  • the BMS is mounted in the internal space of the pack case 300 and can be configured to generally control the charging and discharging operations and data transmission and reception operations of the pouch-type battery cell 110.
  • the BMS may be provided on a battery pack basis rather than on a battery module basis. More specifically, the BMS may be provided to control the charge/discharge state, power state, and performance state of the pouch-type battery cell 110 through pack voltage and pack current.
  • the BMS estimates the state of the battery cell 110 in the battery pack 10 and manages the battery pack 10 using the estimated state information.
  • state information of the battery pack 10 such as state of charge (SOC), state of health (SOH), maximum input/output power allowance, and output voltage, is estimated and managed. And, using this state information, the charging or discharging of the battery pack 10 can be controlled, and it is also possible to estimate the replacement time of the battery pack 10.
  • the BDU may be configured to control the electrical connection of the battery cells 110 to manage the power capacity and function of the battery pack 10.
  • the BDU may include a power relay, current sensor, and fuse.
  • the BDU is also provided in a battery pack unit rather than a battery module unit, and various blocking units known at the time of filing of the present invention can be employed.
  • the battery pack 10 according to the present invention may further include components of various battery packs known at the time of filing of the present invention.
  • the battery pack 10 according to an embodiment of the present invention may further include a manual service disconnector (MSD) that allows an operator to cut off power by manually disconnecting the service plug.
  • MSD manual service disconnector
  • it may further include flexible busbars or cables for interconnecting a plurality of battery cells having an n ⁇ n arrangement as mentioned above.
  • the structure applied to the battery pack 10 described above can be applied to a battery module. That is, the structure of the pack case can be applied to the module case to store a plurality of cell units 100 in the module case, and the module case can be provided with a venting portion to form a battery module.
  • This battery module is one or more battery modules stored in the inner space of the pack case, and includes a plurality of pouch-type battery cells 110 and the cell cover 200 as described above, and a pouch-type battery cell ( It may include a module case (the structure of the pack case 300 of the battery pack 10 according to the present invention as described above can be used as is) for storing the module 120).
  • the battery pack 10 according to the present invention or the battery module described herein can be applied to various devices. These devices are typically transportation means such as electric bicycles, electric cars, and hybrid cars, but the present invention is not limited thereto.
  • the battery pack 10 is suitable for use as a battery pack for electric vehicles. Additionally, it can be used as an energy source for ESS.
  • Figure 18 is a diagram showing a car 1 according to the present invention.
  • the automobile 1 may include the battery pack 10 according to the present invention described above.
  • the automobile 1 according to the present invention may further include various other components included in the automobile 1 in addition to the battery pack 10.
  • the automobile 1 according to the present invention may further include a vehicle body, a motor, and a control device such as an ECU (electronic control unit) in addition to the battery pack 10 according to the present invention.
  • ECU electronic control unit
  • the battery pack 10 can be placed in a predetermined location within the vehicle 1.
  • the battery pack 10 can be used as an electrical energy source to drive the vehicle 1 by providing driving force to the motor of the electric vehicle.
  • the battery pack 10 has a high nominal voltage of 100V or more.
  • the battery pack 10 may be charged or discharged by an inverter depending on the driving of the motor and/or internal combustion engine.
  • the battery pack 10 can be charged by a regenerative charging device combined with a brake.
  • the battery pack 10 may be electrically connected to the motor of the vehicle 1 through an inverter.
  • the battery pack 10 provided in the vehicle 1 can provide electrical energy required for various operations of the vehicle 1.
  • the battery pack 10 since the battery pack 10 has the various effects mentioned above, the automobile 1 including it can also have such effects.
  • the battery pack 10 includes the cell cover 200, so the module case can be omitted, and thus can have high energy density.
  • Energy density refers to the amount of energy stored per unit weight. As the energy density of the battery pack increases, more energy is stored in the battery pack for the same weight. Therefore, in the case of a car (1) including such a battery pack (10), the driving distance on a single charge can be increased, acceleration can be faster, more luggage can be loaded, and the interior space can be made larger. It can be used in a variety of ways. Additionally, as the energy density of the battery pack increases, it becomes lighter for the same energy. If the battery pack 10 becomes lighter and the vehicle 1 containing it becomes lighter, this also has various advantages, such as improved acceleration, improved energy efficiency, and improved durability.
  • the battery pack 10 may have high safety. Since cars are products directly related to human life, safety is something that can never be compromised. There is always a risk of fire in the pouch-type battery cell 110 due to the physical characteristics of lithium.
  • the battery pack 10 according to the present invention includes a cell cover 200, so that even if a thermal event occurs in the pouch-type battery cell 110, it can be prevented from being transferred to other parts. Therefore, fire safety of the vehicle 1 including the battery pack 10 is ensured.

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Abstract

본 발명의 배터리 팩은 복수의 파우치형 배터리 셀; 내부 공간에 상기 파우치형 배터리 셀을 수납하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 내부 공간에서 상기 복수의 파우치형 배터리 셀 중 적어도 상호 인접하는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀의 외부를 적어도 부분적으로 감싸도록 구성된 셀 커버;를 포함하고, 상기 셀 커버는, 구획 커버부; 1 측면 커버부; 제2 측면 커버부; 상부 커버부; 및 하부 커버부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 안정성 등이 향상된 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 7월20일에 출원된 한국 특허 출원 번호 제10-2022-0089571호, 2022년 7월20일에 출원된 한국 특허 출원 번호 제10-2022-0089759호 및 2023년 4월27일에 출원된 한국 특허 출원 번호 제10-2023-0055793호에 대한 우선권 주장 출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용에 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
각종 모바일 기기와 전기 자동차, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 크게 증가함에 따라, 에너지원으로서의 이차 전지에 대한 관심과 수요가 급격히 증가하고 있다.
종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 니켈수소 전지 등이 많이 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 전기 자동차나 에너지 저장 시스템과 같은 중대형 장치에 구동용이나 에너지 저장용으로 배터리 모듈이 널리 사용되고 있다.
종래 배터리 팩은 팩 케이스 내부에 하나 이상의 배터리 모듈과 배터리 모듈의 충방전을 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 여기서, 배터리 모듈은 모듈 케이스의 내부에 다수의 배터리 셀을 포함하는 형태로 구성된다. 즉, 종래 배터리 팩의 경우, 다수의 배터리 셀(이차 전지)이 모듈 케이스 내부에 수납되어 각각의 배터리 모듈을 구성하고, 이러한 배터리 모듈이 하나 이상 팩 케이스 내부에 수납되어 배터리 팩을 구성한다. 특히, 파우치형 전지의 경우, 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(dead space)가 적다는 등의 여러 측면에서 장점을 갖고 있지만, 외부의 충격에 취약하고, 조립성이 다소 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 다수의 셀을 먼저 모듈화시킨 후, 팩 케이스의 내부에 수납되는 형태로 배터리 팩이 제조되는 것이 일반적이다.
하지만, 종래 배터리 팩의 경우, 모듈화 등으로 인해 에너지 밀도와 조립성, 냉각성 등의 측면에서 불리할 수 있다. 특히, 파우치형 배터리 셀의 경우, 스웰링이 발생할 수 있는데, 종래 배터리 팩은 이러한 스웰링 상황에 적절한 대처가 어렵다는 문제가 있다.
또한, 종래 배터리 팩의 경우, 모듈화 등으로 인해 에너지 밀도와 조립성, 냉각성 등의 측면에서 불리할 수 있다.
또한, 종래 배터리 모듈이나 배터리 팩의 경우, 열적 이벤트에 취약할 수 있다. 특히, 배터리 모듈이나 배터리 팩 내부에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 열폭주가 일어나게 되어 화염이 발생되고 심한 경우 폭발이 발생할 수 있는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스웰링 대응 성능 등 여러 측면에서 우수한 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 열적 이벤트 발생 시 우수한 안전성을 확보할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 복수의 파우치형 배터리 셀; 내부 공간에 상기 파우치형 배터리 셀을 수납하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 내부 공간에서 상기 복수의 파우치형 배터리 셀 중 적어도 상호 인접하는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀의 외부를 적어도 부분적으로 감싸도록 구성된 셀 커버;를 포함하고, 상기 셀 커버는, 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 사이를 구획하기 위하여 상기 제1 배터리 셀의 일 측면과 상기 제2 배터리 셀의 일 측면 사이에 배치되는 구획 커버부; 제1 배터리 셀의 타 측면을 커버하도록 상기 구획 커버부와 대면하는 제1 측면 커버부; 제2 배터리 셀의 타 측면을 커버하도록 상기 구획 커버부와 대면하는 제2 측면 커버부; 상기 제1 배터리 셀의 상부 측을 감싸도록 상기 구획 커버부의 상단에서 상기 제1 측면 커버부의 상단과 연결되는 상측 커버부; 및 상기 제2 배터리 셀의 하부 측을 감싸도록 상기 구획 커버부의 하단에서 상기 제2 측면 커버부의 하단과 연결되는 하부 커버부를 포함한다.
상기 제1 배터리 셀은, 기립 상태로 상기 제1 측면 커버부와 상기 구획 커버부의 사이에 배치될 수 있다.
상기 제2 배터리 셀은, 기립 상태로 상기 제2 측면 커버부와 상기 구획 커버부의 사이에 배치될 수 있다.
상기 셀 커버는, 상기 제1 배터리 셀의 하부가 상기 팩 케이스의 내측면을 향하여 노출되는 하부 개방부; 및 상기 제2 배터리 셀의 상부가 상기 팩 케이스의 내측면을 향하여 노출되는 상부 개방부;를 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 상측 커버부는, 상기 제1 배터리 셀로부터 이격되도록 구성되고, 열적 이벤트 발생시 상기 제1 배터리 셀로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 제1 파티클 포켓부;를 구비할 수 있다.
상기 하부 커버부는, 상기 제2 배터리 셀로부터 이격되도록 구성되고, 열적 이벤트 발생시 상기 제2 배터리 셀로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 제2 파티클 포켓부;를 구비할 수 있다.
상기 상측 커버부는, 양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳이 상부를 향해 돌출되고, 상기 양측 사이드부가 연결된 중심부가 하부를 향해 오목하게 형성될 수 있다.
상기 하부 커버부는, 양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳이 하부를 향해 돌출되고, 상기 양측 사이드부가 연결된 중심부가 상부를 향해 오목하게 형성될 수 있다.
상기 상측 커버부는, 상기 중심부로부터 상부를 향해 돌출된 상기 양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳까지 점진적으로 돌출될 수 있다.
상기 하부 커버부는, 상기 중심부로부터 하부를 향해 돌출된 상기 양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳까지 점진적으로 돌출될 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상기 제1 배터리 셀에서 발생한 가스가 상기 하부 개방부를 통하여 외부로 배출될 수 있도록 상기 하부 개방부와 대응되는 위치 중 적어도 일부에 구비되는 하부 벤팅부; 및 상기 제2 배터리 셀에서 발생한 가스가 상기 상부 개방부를 통하여 외부로 배출될 수 있도록 상기 상부 개방부와 대응되는 위치 중 적어도 일부에 구비되는 상부 벤팅부;를 구비할 수 있다.
상기 셀 커버는, 상기 팩 케이스에 끼워지도록 상기 제1 측면 커버부 및 제2 측면 커버부 중 적어도 어느 한 곳에서부터 상기 팩 케이스의 내측면을 향해 돌출된 삽입핀을 구비할 수 있다.
상기 팩 케이스는, 내측면에 상기 삽입핀을 수용할 수 있도록 구성된 삽입핀 수용부를 구비할 수 있다.
상기 삽입핀 및 상기 삽입핀 수용부는, 상기 상부 벤팅부 및 상기 하부 벤팅부 중 적어도 어느 한 곳에 인접하도록 위치할 수 있다.
상기 삽입핀은, 상기 팩 케이스에 삽입되는 삽입부; 및 상기 삽입부가 상기 제1 측면 커버부 및 상기 제2 측면 커버부 중 적어도 어느 하나와 연결되는 위치에 구비되는 변형부를 구비할 수 있다.
상기 변형부는, 상기 삽입핀이 상기 팩 케이스에 삽입된 상태에서 상기 팩 케이스의 내측면과 동일 높이상에 구비될 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 셀 커버와 상기 팩 케이스의 사이 공간 및 상기 복수의 파우치형 배터리 셀과 상기 팩 케이스의 사이 공간 중 적어도 일부 공간에 개재되는 써멀 레진을 포함할 수 있다.
상기 써멀 레진은, 상기 상부 벤팅부 및 상기 하부 벤팅부에 대응되는 공간에는 구비되지 않을 수 있다.
상기 셀 커버는, 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 상기 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
상기 셀 커버는, 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 상기 팩 케이스의 내측면을 향하여 노출되도록 구성될 수 있다.
상기 셀 커버는 상기 팩 케이스에 직접 안착될 수 있다.
상기 셀 커버는 내측면에 절연 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 셀 커버는 복수개로서 인접하고, 상호 인접하는 셀 커버의 상기 제1 측면 커버부 및 제2 측면 커버부 중 적어도 한 곳에 접착 부재를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 플라스틱 카트리지와 같은 적층용 프레임이나 별도의 모듈 케이스 등의 구성이 없이도, 복수의 파우치형 배터리 셀을 팩 케이스 내부에 안정적으로 수납할 수 있다. 특히, 2개 이상의 파우치형 배터리 셀을 셀 커버로 감싸서 안정적으로 보호할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 파우치형 배터리 셀에서 발생하는 가스를 원하는 방향으로 유도 배출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 파우치형 배터리 셀에 열적 이벤트가 발생할 때, 배터리 셀에서 분출되는 고온의 분진, 파티클 등이 파티클 포켓부에 포집될 수 있다. 따라서, 파우치형 배터리 셀에서 분출될 수 있는 고온의 분진, 파티클 등을 파티클 포켓부에 트랩(trap)시켜 셀 커버 밖으로 쉽게 빠져 나가지 못하게 하여 화염의 전파를 차단하는데 효과적일 수 있다. 고온의 분진, 파티클 등은 화재의 3요소(가연물질, 점화원, 산소) 중 점화원으로 작용하기 때문에 이것들이 셀 커버의 외부에서 가연물질과 산소를 만나게 되면 착화가 되어 화염이 팩 케이스 내부에 급속하게 번질 수 있기 때문이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 셀 커버와 써멀 레진의 접촉 면적이 증대되어 냉각 효과가 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 셀 커버는 파우치형 배터리 셀의 스웰링을 흡수할 수 있으며 파우치형 배터리 셀의 임의의 부분에 과도한 압력이 가해지지 않아 배터리 셀의 손상이나 파손이 방지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 팩 케이스와 셀 커버와의 조립 편의성 내지 고정성을 확보할 수 있다. 특히, 두개 이상의 파우치형 배터리 셀을 감싸면서 감싸진 파우치형 배터리 셀의 세워진 상태, 즉, 기립 상태를 효과적으로 유지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 스웰링 현상 발생 전에는 팩 케이스와 셀 커버와의 고정성을 확보할 수 있고, 이와 동시에 스웰링 현상 발생시에는 인접한 벤팅부로 벤팅 영역이 확장될 수 있다. 따라서 벤팅 영역이 확장됨에 따라 가스를 보다 빠르게 배출하여 열 축적을 해소할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 임의의 파우치형 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생하더라도 배터리 팩 전체의 내부 단락이나 구조적 붕괴를 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 스웰링 대응 성능 등 여러 측면에서 우수한 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다. 또한, 열적 이벤트 발생 시 우수한 안전성을 확보할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 외관을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 커버의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛을 정면에서 바라본 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함될 수 있는 다른 셀 커버를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 셀 커버를 포함하며 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함될 수 있는 셀 유닛을 정면에서 바라본 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 팩의 일부분 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛의 하단을 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 배터리 팩의 일부분 단면을 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 배터리 팩에 열적 이벤트 발생시 셀 커버의 변형예와 그에 따른 벤팅 영역의 확장을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 배터리 팩의 일부분 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛의 하단을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명에 따른 자동차를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다. 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적적하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
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 본 발명의 당업자에게 자명하다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사항에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 외관을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 복수의 파우치형 배터리 셀(110), 팩 케이스(300) 및 셀 커버(200)를 포함할 수 있다.
파우치형 배터리 셀(110)은 전극 조립체, 전해액 및 파우치 외장재를 포함할 수 있다. 파우치형 배터리 셀(110)은 배터리 팩(10)에 복수개 포함될 수 있다. 복수의 파우치형 배터리 셀(110)은 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바를 참조하면 복수의 파우치형 배터리 셀(110)은 좌우 방향(X축 방향)으로 적층 배치될 수 있다. 더욱이, 복수의 파우치형 배터리 셀(110)은 좌우 방향으로 배치되되, 전후 방향(Y축 방향)으로 복수의 열을 이루는 형태로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 복수의 파우치형 배터리 셀(110)은 좌우 방향으로 적층 되어 하나의 셀 묶음을 형성하고, 이러한 셀 묶음이 좌우 방향으로 2개 배치, 그리고 전후 방향으로도 2개 배치되어, 2×2 배열로 팩 케이스(300) 내에 배치될 수도 있다.
팩 케이스(300)는 내부에 공간을 형성하여 파우치형 배터리 셀(110)을 수납할 수 있다. 예를 들어, 팩 케이스(300)는 케이스 본체(310), 엔드 커버(320) 및 탑 커버(330)를 구비할 수 있다. 케이스 본체(310)는 상단, 전방 및 후방이 개방된 박스 형태로 구성되어 내부 공간에 복수의 파우치형 배터리 셀(110)을 수납할 수 있다. 엔드 커버(320)는 케이스 본체(310)의 전방 개방부(Y축 음의 방향에 위치하는 개방부) 및 후방 개방부(Y축 양의 방향에 위치하는 개방부)를 커버하는 형태로 구성될 수 있다. 탑 커버(330)는 케이스 본체(310)의 상단 개방부(Z축 양의 방향에 위치하는 개방부)를 커버하는 덮개 형태로 구성될 수 있다. 한편, 팩 케이스(300)는 여기에 도시하고 설명하는 구조에만 국한되는 것은 아니고, 예를 들어 상단이 개방된 박스 형태로 구성되어 내부 공간에 복수의 파우치형 배터리 셀(110)을 수납할 수 있는 바텀 프레임과, 바텀 프레임의 상단 개방부를 커버하는 덮개 형태로 구성된 탑 프레임의 조합으로도 구성될 수 있다. 팩 케이스(300)의 내부 공간에는 복수의 파우치형 배터리 셀(110)과 함께 후술할 셀 커버(200)도 함께 수납될 수 있다. 팩 케이스(300)는 플라스틱 또는 금속 재질을 구비할 수 있다. 그 밖에도, 팩 케이스(300)는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 팩 케이스의 외장재 재질을 채용할 수 있다.
셀 커버(200)는 팩 케이스(300)의 내부 공간에서 복수의 파우치형 배터리 셀(110) 중 적어도 상호 인접하는 제1 배터리 셀(111) 및 제2 배터리 셀(112)의 외부를 적어도 부분적으로 감싸도록 구성될 수 있다.
도 4는 도 3에 나타낸 셀 유닛에 포함되는 셀 커버의 사시도이다.
도 4를 더 참조하면, 셀 커버(200)는 구획 커버부(220), 제1 측면 커버부(210), 제2 측면 커버부(230), 상측 커버부(240) 및 하부 커버부(250)를 포함할 수 있다.
구획 커버부(220)는 제1 배터리 셀(111)과 제2 배터리 셀(112) 사이를 구획하도록 구성될 수 있다. 구획 커버부(220)는 제1 배터리 셀(111)의 일 측면과 제2 배터리 셀(112)의 일 측면 사이에 배치될 수 있다. 구획 커버부(220)는 제1 배터리 셀(111)의 우 측면(X축 양의 방향 측면)과 제2 배터리 셀(112)의 좌 측면(X축 음의 방향 측면) 사이에 배치될 수 있다. 구획 커버부(220)는 플레이트 형태일 수 있다.
제1 측면 커버부(210)는 제1 배터리 셀(111)의 타 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 제1 측면 커버부(210)는 구획 커버부(220)와 대면할 수 있다. 제1 측면 커버부(210)는 구획 커버부(220)가 커버하는 제1 배터리 셀(111)의 우 측면과 대면하는 제1 배터리 셀(111)의 좌 측면(X축 음의 방향 측면)을 커버할 수 있다. 제1 측면 커버부(210)는 플레이트 형태일 수 있다.
제2 측면 커버부(230)는 제2 배터리 셀(112)의 타 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 제2 측면 커버부(230)는 구획 커버부(220)와 대면할 수 있다. 제2 측면 커버부(230)는 구획 커버부(220)가 커버하는 제2 배터리 셀(112)의 좌 측면과 대면하는 제2 배터리 셀(112)의 우 측면(X축 양의 방향 측면)을 커버할 수 있다. 제2 측면 커버부(230)는 플레이트 형태일 수 있다.
제1 측면 커버부(210), 구획 커버부(220) 및 제2 측면 커버부(230)는 서로 나란할 수 있다. 이에 따라, 제1 배터리 셀(111)과 제2 배터리 셀(112)이 기립 상태로 좌우 방향으로 나란하게 적층된 구성이 안정적으로 유지될 수 있다. 상측 커버부(240)는 제1 배터리 셀(111)의 상부 측(Z축 양의 방향)을 감싸도록 구성될 수 있다. 상측 커버부(240)는 구획 커버부(220)의 상단에서 제1 측면 커버부(210)의 상단과 연결될 수 있다. 상측 커버부(240)는 플레이트 형태일 수 있다. 하부 커버부(250)는 제2 배터리 셀(112)의 하부 측(Z축 음의 방향)을 감싸도록 구성될 수 있다. 하부 커버부(250)는 구획 커버부(220)의 하단에서 제2 측면 커버부(230)의 하단과 연결될 수 있다. 하부 커버부(250)는 플레이트 형태일 수 있다.
제1 측면 커버부(210)는 상측 커버부(240)의 일단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 측면 커버부(210)는 상측 커버부(240)의 좌측 단부에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 구획 커버부(220)는 제1 측면 커버부(210)로부터 수평 방향으로 이격되게 위치할 수 있다. 그리고, 구획 커버부(220)는 상측 커버부(240)의 타단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 구획 커버부(220)는 상측 커버부(240)의 우측 단부에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 제1 측면 커버부(210)와 구획 커버부(220)는 내부에 수용된 제1 배터리 셀(111)의 넓은 면을 감싸도록 구성될 수 있다. 이 때, 제1 측면 커버부(210)와 구획 커버부(220)는 상측 커버부(240)에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다.
구획 커버부(220)는 하부 커버부(250)의 일단으로부터 상부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 구획 커버부(220)는 하부 커버부(250)의 좌측 단부에서 상부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 제2 측면 커버부(230)는 구획 커버부(220)로부터 수평 방향으로 이격되게 위치할 수 있다. 그리고, 제2 측면 커버부(230)는 하부 커버부(250)의 타단으로부터 상부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 측면 커버부(230)는 하부 커버부(250)의 우측 단부에서 상부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 구획 커버부(220)와 제2 측면 커버부(230)는 내부에 수용된 제2 배터리 셀(112)의 넓은 면을 감싸도록 구성될 수 있다. 이 때, 구획 커버부(220)와 제2 측면 커버부(230)는 하부 커버부(250)에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다.
상기 실시 구성에서, 제1 측면 커버부(210), 구획 커버부(220), 제2 측면 커버부(230), 상측 커버부(240) 및 하부 커버부(250)에 의해 내부 공간이 한정될 수 있다. 그리고, 셀 커버(200)는 이와 같이 한정된 내부 공간에 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 수용할 수 있다.
구획 커버부(220), 제1 측면 커버부(210), 제2 측면 커버부(230), 상측 커버부(240) 및 하부 커버부(250) 중 적어도 일부는 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 구획 커버부(220), 제1 측면 커버부(210), 제2 측면 커버부(230), 상측 커버부(240) 및 하부 커버부(250)는 하나의 플레이트가 절곡되어 형성될 수 있다. 이와 같이 셀 커버(200)를 형성하기 위해 하나의 플레이트에 절곡부를 형성하는 구성은 프레스(press) 또는 롤 포밍(roll forming)과 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(200)의 제조가 보다 간단해질 수 있다. 또는, 구획 커버부(220), 제1 측면 커버부(210), 제2 측면 커버부(230), 상측 커버부(240) 및 하부 커버부(250)는 각각 별도로 제조된 후, 접착, 끼워맞춤, 용접이나 볼팅 등을 통해 상호 결합될 수도 있다. 셀 커버(200)는 상호 인접하는 제1 배터리 셀(111) 및 제2 배터리 셀(112)뿐만 아니라, 또 다른 파우치형 배터리 셀(110)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 파우치형 배터리 셀(110)이 상하 방향(Z축 방향)으로 기립되어 좌우 방향으로 적층 배치된 경우, 셀 커버(200)는 제1 측면 커버부(210)와 구획 커버부(220)의 사이에 제1 배터리 셀(111) 및 제1 배터리 셀(111)과 인접하고 제2 배터리 셀(112)과 이격되어 위치하는 배터리 셀을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 측면 커버부(210)와 구획 커버부(220)의 사이에 감싸지는 파우치형 배터리 셀(110)의 개수는 둘 이상일 수 있다. 마찬가지로, 제2 측면 커버부(230)와 구획 커버부(220)의 사이에 제2 배터리 셀(112) 및 제2 배터리 셀(112)과 인접하고 제1 배터리 셀(111)과 이격되어 위치하는 배터리 셀을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 즉, 제2 측면 커버부(230)와 구획 커버부(220)의 사이에 감싸지는 파우치형 배터리 셀(110)의 개수도 둘 이상일 수 있다. 다만, 셀 커버(200)가 감싸는 전체 배터리 셀의 개수는 얼마든지 달라질 수 있다. 또한, 셀 커버(200)의 구획 커버부(220)를 기준으로 좌측과 우측이 커버하는 배터리 셀의 개수가 반드시 동일한 것으로 한정하는 것은 아니다. 셀 커버(200)에 의해 감싸지는 파우치형 배터리 셀(110)의 개수를 변경하는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 셀 커버(200)의 폭, 상측 커버부(240) 및 하부 커버부(250)의 폭을 변경함으로써, 셀 커버(200)에 의해 수용되는 단위 배터리 셀 개수를 쉽게 변경할 수 있다. 따라서, 이 경우, 하나의 셀 커버(200)에 의한 용량이나 출력에 대한 변경이 쉽게 이루어질 수 있다.
셀 커버(200)는 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 파우치형 배터리 셀(110)을 그룹핑하여 유닛화하도록 구성될 수 있다. 하나의 셀 커버(200)는 하나의 셀 유닛(100)을 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 3에는 하나의 셀 유닛(100)이 도시되어 있고, 도 2에는 복수의 셀 유닛(100)이 도시되어 있다. 셀 커버(200)는 제1 배터리 셀(111)의 적어도 3면을 둘러싸고 제2 배터리 셀(112)의 적어도 3면을 둘러싸면서, 각 셀 유닛(100)에 대하여 버스바 어셈블리(400)를 각 셀 커버(200)로 감싸지지 않는 측면에 위치시키는 구성이 쉽게 구현될 수 있다.
배터리 팩(10)에는 복수의 셀 유닛(100)이 포함될 수 있으며, 이 경우 셀 커버(200)는 배터리 팩(10)에 복수 포함될 수 있다. 셀 커버(200)가 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 감싸는 형태로 구성되므로, 배터리 팩(10)에는 파우치형 배터리 셀(110)의 개수보다 작은 개수의 셀 커버(200)가 포함될 수 있다. 셀 유닛(100) 안의 파우치형 배터리 셀(110)은 버스바 어셈블리(400) 등을 통해 직렬 및/또는 병렬로 전기적 연결될 수 있다.
셀 유닛(100)은 셀 뱅크라고도 표현할 수 있다. 본 발명에 따르면, 셀 커버(200)가 셀 뱅크간을 구회 분리하는 형태이므로 셀 뱅크별로 열 폭주 및 폭발을 방지할 수 있다.
한편, 여기에서 예로 드는 셀 커버(200)는 전방측에서 바라 본 단면 구성이 대략 'Z'자 형태와 유사하다고 할 수 있다. 따라서, 이 경우 셀 커버(200)는 'Z-핀(Z-fin)'으로 지칭될 수도 있다. Z-핀을 구성함에 있어, 예를 들어 전방 측에서 바라 본 단면 구성이 대략 'n'자인 핀과 대략 'U'자인 핀을 합치는 경우도 생각해 볼 수 있겠으나, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 제1 측면 커버부(210), 구획 커버부(220) 및 제2 측면 커버부(230)를 포함하도록 하여 Z-핀을 구성하면, 'n'자인 핀과 'U'자인 핀의 양쪽 핀이 합쳐지는 부분을 하나의 구획 커버부(220)로 구성하여 얇게 만들 수 있기 때문에, 배터리 팩(10)에서 셀 커버(200)가 차지하는 두께 비중을 구획 커버부(220) 두께 × 셀 뱅크의 개수만큼 줄일 수 있다.
셀 커버(200)는 배터리 팩(10)에 복수개 포함될 수 있다. 이 경우, 셀 커버(200) 사이에는 접착 부재가 개재될 수 있다. 예를 들어, 2개의 셀 커버(200)가 서로 대면하게 되는 부분인 제1 측면 커버부(210) 및/또는 제2 측면 커버부(230)에는 접착 부재가 개재되어, 이들 사이를 접착 고정시킬 수 있다. 이러한 접착 구성을 통해 여러 개의 셀 커버(200)간 연결 구성을 보다 견고히 할 수 있다. 상기 접착 부재는 금속 재질로 이루어질 수 있는 셀 커버(200)간의 절연을 달성할 수 있도록 절연성일 수 있다. 또한, 상기 접착 부재는 열전도성일 수 있다. 이러한 접착을 통하여 셀 커버(200)는 배터리 셀(110)에 견고하게 결합되며 배터리 셀(110)에서 발생되는 열을 배터리 셀(110) 외부로 배출하는 데에 도움이 될 수 있다.
뿐만 아니라, 인접하는 셀 커버(200) 사이에는 써멀 배리어(미도시)를 더 포함할 수 있다. 써멀 배리어는 단열 재질이나 화염 억제 재질의 패드 형태로 구성될 수 있으며, 바람직하게 압축 가능한 재질로 구성될 수 있다. 바람직하게 써멀 배리어는 인접하는 셀 커버(200) 사이에 셀 커버(200)와 밀착되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 써멀 배리어는 파우치형 배터리 셀(110)에서 야기될 수 있는 스웰링 현상을 억제하도록 구성될 수 있다. 또한, 써멀 배리어는 열 폭주에 따른 화염의 확산을 지연시키고 열 전이 파단을 함과 동시에 파우치형 배터리 셀(110)에서 야기될 수 있는 스웰링 현상을 억제할 수 있으므로, 배터리 팩(10)의 구조적 안정성을 더욱 확보할 수 있다.
셀 커버(200)는 내측면에 절연 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 절연 코팅층은 실리콘 수지, 폴리 아미드(Polyamide) 및 고무 중 어느 하나의 절연성 소재를 코팅, 도포 또는 부착한 것일 수 있다. 상기 절연 코팅층은, 최소한의 코팅양으로 절연 코팅 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 상기 절연 코팅층이 셀 커버(200)의 내측면에 적용되어 있어, 파우치형 배터리 셀(110)과 셀 커버(200) 간의 절연성이 강화될 수 있다.
셀 커버(200)는 강성 확보를 위해, 다양한 재질로 구성될 수 있다. 특히, 셀 커버(200)는 금속 재질로 구성될 수 있다. 이러한 금속 재질의 경우, 파우치형 배터리 셀(110)의 적층 상태를 보다 안정적으로 유지하며, 외부 충격으로부터 파우치형 배터리 셀(110)을 보다 안전하게 보호할 수 있다. 셀 커버(200)는 SUS 재질을 구비할 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(200)는 전체적으로 SUS 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 셀 커버(200)가 스틸 재질로 이루어지는 경우, 기계적 강도 내지 강성이 우수하므로, 파우치형 배터리 셀(110)의 적층 상태를 보다 안정적으로 지지할 수 있다. 또한, 이 경우, 외부의 충격, 이를테면 침상체 등으로부터 파우치형 배터리 셀(110)의 손상이나 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 이 경우, 파우치형 배터리 셀(110)의 핸들링이 보다 용이해질 수 있다. 또한, 높은 용융점으로 인해, 배터리 셀로부터 화염 발생 시, 전체적인 구조가 안정적으로 유지될 수 있다. 알루미늄 재질에 비해 녹는점이 높으므로, 배터리 셀로부터 분출된 화염에도 용융되지 않고, 그 형태가 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 배터리 셀 간 화염 전파 방지 내지 지연 효과, 벤팅 제어 효과 등이 우수하게 확보될 수 있다.
또한, 배터리 셀(110)을 셀 커버(200)로 감쌈으로써, 배터리 셀(110)을 쉽게 견고한 형태로 만들어, 팩 케이스(300) 내부에서 직접 적층되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 따라서, 배터리 팩(10)의 조립성과 기계적 안정성 등이 향상될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 플라스틱 카트리지와 같은 적층용 프레임이나 별도의 모듈 케이스 등의 구성이 없이도, 복수의 파우치형 배터리 셀(110)을 팩 케이스(300) 내부에 안정적으로 수납할 수 있다. 특히, 2개 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 셀 커버(200)로 감싸서 안정적으로 보호할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 경우, 파우치형 배터리 셀(110)을 이용한 CTP(Cell To Pack) 타입의 배터리 팩이 보다 효율적으로 구현될 수 있다. 즉, 별도의 모듈 케이스 내부에 파우치형 배터리 셀(110)을 수납하고 이러한 모듈 케이스를 팩 케이스(300) 내부에 수납시키는 것이 아니라, 파우치형 배터리 셀(110)을 직접 팩 케이스(300) 내부에 수납시키는 형태로 배터리 팩(10)이 마련될 수 있다. 이때, 파우치형 배터리 셀(110)의 적어도 일측이, 셀 커버(200) 외부로 노출되어, 팩 케이스(300)와 직접 대면하도록 배치될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 팩(10)에 모듈 케이스나 적층용 프레임, 셀의 적층 상태를 유지하기 위한 볼트 등의 체결 부재 등이 추가로 구비될 필요가 없다. 따라서, 모듈 케이스나 적층용 프레임 등 다른 구성요소가 차지하는 공간이나 그로 인한 공차 확보를 위한 공간이 제거될 수 있다. 그러므로, 다른 구성요소가 제거된 공간만큼 배터리 셀이 더 공간을 차지할 수 있으므로, 배터리 팩(10)의 에너지 밀도가 보다 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 케이스나 적층용 프레임, 볼트 등이 구비되지 않으므로, 배터리 팩(10)의 부피나 무게가 감소되고, 제조 공정이 간소화될 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)의 핸들링이 보다 용이해질 수 있다. 예를 들어, 복수의 파우치형 배터리 셀(110)을 팩 케이스(300) 내부에 수납하는 경우, 지그 등에 의해 파우치형 배터리 셀(110)을 파지할 수 있다. 이때, 지그는 파우치형 배터리 셀(110)을 직접 파지하지 않고, 파우치형 배터리 셀(110)을 감싸고 있는 셀 커버(200)를 파지할 수 있다. 따라서, 지그에 의한 파우치형 배터리 셀(110)의 손상이나 파손이 방지될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛을 정면에서 바라본 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 셀 커버(200)는 하부 개방부(O1) 및 상부 개방부(O2)를 형성할 수 있다.
하부 개방부(O1)는 제1 배터리 셀(111)의 하부가 팩 케이스(300)의 내측면을 향하여 노출되도록 구성될 수 있다. 하부 개방부(O1)는 상부 커버부(240)의 반대편에 위치할 수 있다.
상부 개방부(O2)는 제2 배터리 셀(112)의 상부가 팩 케이스(300) 내측면을 향하여 노출되도록 구성될 수 있다. 상부 개방부(O3)는 하부 커버부(250)의 반대편에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 제1 배터리 셀(111)에서 발생하는 가스는 하부 개방부(O1)를 통하여 제1 배터리 셀(111)의 하방으(Z축 음의 방향)로, 제2 배터리 셀(112)에서 발생하는 가스는 상부 개방부(O2)를 통하여 제2 배터리 셀(112)의 상방으(Z축 양의 방향)로 배출할 수 있다. 따라서 배터리 셀(110)에서 발생하는 가스를 원하는 방향으로 유도 배출할 수 있다.
계속하여 도 4 및 도 5를 참조하면, 상부 커버부(240)는 제1 파티클 포켓부(P1)를 구비할 수 있다. 하부 커버부(250)는 제2 파티클 포켓부(P2)를 구비할 수 있다.
제1 파티클 포켓부(P1)는 제1 배터리 셀(111)로부터 이격되도록 구성될 수 있다. 제1 파티클 포켓부(P1)는 열적 이벤트 발생시 제1 배터리 셀(111)로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성될 수 있다. 상부 커버부(240)와 제1 배터리 셀(111)의 상부 사이에는 제1 파티클 포켓부(P1)로 정의되는 일정 공간이 구비될 수 있다.
제2 파티클 포켓부(P2)는 제2 배터리 셀(112)로부터 이격되도록 구성될 수 있다. 제2 파티클 포켓부(P2)는 열적 이벤트 발생시 제2 배터리 셀(112)로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성될 수 있다. 하부 커버부(250)와 제2 배터리 셀(112)의 하부 사이에는 제2 파티클 포켓부(P2)로 정의되는 일정 공간이 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)에 열적 이벤트가 발생할 때, 배터리 셀(110)에서 분출되는 고온의 분진, 파티클 등이 파티클 포켓부(P1, P2)에 포집될 수 있다. 파티클 포켓부(P1, P2)에 한 번 가두어진 고온의 분진, 파티클 등은 해당 공간을 빠져 나오기가 어렵게 된다. 또한, 파티클 포켓부(P1, P2)에 머무는 동안 냉각이 되어, 온도가 훨씬 낮아진 상태로 배출을 시킬 수가 있게 된다. 따라서, 파우치형 배터리 셀(110)에서 분출될 수 있는 고온의 분진, 파티클 등을 파티클 포켓부(P1, P2)에 트랩(trap)시켜 셀 커버(200) 밖으로 쉽게 빠져 나가지 못하게 하여 화염의 전파를 차단하는데 효과적일 수 있다. 고온의 분진, 파티클 등은 화재의 3요소(가연물질, 점화원, 산소) 중 점화원으로 작용하기 때문에 이것들이 셀 커버(200)의 외부에서 가연물질과 산소를 만나게 되면 착화가 되어 화염이 팩 케이스(300) 내부에 급속하게 번질 수 있기 때문이다.
본 발명에 따르면, 셀 커버(200)에 의해, 특히 파티클 포켓부(P1, P2)에 의해 점화원의 외부 배출이 방지되거나 억제됨으로써, 셀 커버(200) 외부 공간, 이를테면 팩 케이스(300) 내부 공간이나 외부 공간에서 발화가 발생하는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 의하면, 열적 이벤트 발생 시에도, 내부 단락이나 구조적 붕괴를 방지할 수 있다.
또한, 파티클 포켓부(P1, P2)의 내측에는 메쉬부재가 형성될 수 있다. 메쉬부재는 여러 장의 다공성 금속판을 중첩한 형태로 마련되어 플레임 어레스터(flame arrester)와 같은 기능을 하도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 파티클 포켓부(P1, P2) 내에서 화염, 고온의 분진, 파티클 등의 이동이 더욱 제한될 수 있어 열적 이벤트가 발생하지 않은 다른 파우치형 배터리 셀(110)로의 화염 전파가 방지될 수 있다.
도 4 및 도 5를 다시 참조하면, 상부 커버부(240)는 양측 사이드부(241, 243) 중 적어도 어느 한 곳이 상부를 향해(Z축 양의 방향) 돌출되고, 양측 사이드부(241, 243)가 연결된 중심부(242)가 하부를 향해(Z축 양의 방향) 오목하게 형성될 수 있다. 상부 커버부(240)는 X축 방향으로 대략 3등분하여 양측 사이드부(241, 243)는 Z축 양의 방향으로 돌출되고, 가운데 위치하는 중심부(242)가 Z축 음의 방향을 향하여 오목하게 형성될 수 있다. 돌출 형상의 양측 사이드부(241, 243)에 의해 셀 커버(200) 내에 파티클 포켓부(P1)가 정의될 수 있다.
하부 커버부(250)는 양측 사이드부(251, 253) 중 적어도 어느 한 곳이 하부(Z축 음의 방향)를 향해 돌출되고, 양측 사이드부(251, 253)가 연결된 중심부(252)가 상부를 향해(Z축 양의 방향) 오목하게 형성될 수 있다. 하부 커버부(250)는 X축 방향으로 대략 3등분하여 양측 사이드부(251, 253)는 Z축 음의 방향으로 돌출되고, 가운데 위치하는 중심부(252)가 Z축 양의 방향을 향하여 오목하게 형성될 수 있다. 돌출 형상의 양측 사이드부(251, 253)에 의해 셀 커버(200) 내에 파티클 포켓부(P2)가 정의될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)에서 분출될 수 있는 고온의 분진, 파티클 등을 파티클 포켓부(P1, P2)에 트랩시켜 셀 커버(200) 밖으로 쉽게 빠져 나가지 못하게 하여 화염의 전파를 더욱 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 하기 설명할 써멀 레진(도 16의 R 참조)이 파티클 포켓부(P1) 사이의 중심부(242)로 인한 오목한 부분과, 파티클 포켓부(P2) 사이의 중심부(252)로 인한 오목한 부분에 충진될 수 있어, 셀 커버(200)와 써멀 레진(R)의 접촉 면적이 증대될 수 있다. 따라서 상부 커버부(240)와 하부 커버부(250)가 완전히 플랫(flat)하게 구성된 경우보다 써멀 레진(R)과의 접촉 면적이 넓기 때문에 열전달이 보다 원활하여 냉각효과가 향상될 수 있다.
이와 같이 파티클 포켓부(P1, P2)를 포함하는 셀 커버(200)는 그 형상에 있어서 다수의 절곡부를 포함하는 것에 해당하므로, 프레스 또는 롤 포밍으로 하나의 플레이트를 절곡하여 제조할 수도 있지만, 압출(extrusion)로 일괄 제조하는 것이 바람직할 수도 있다. 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(200)의 제조가 보다 간단해질 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함될 수 있는 다른 셀 커버를 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6의 셀 커버를 포함하며 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함될 수 있는 셀 유닛을 정면에서 바라본 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상부 커버부(240)는 중심부(242)로부터 상부를 향해(Z축 양의 방향) 돌출된 양측 사이드부(241, 243) 중 적어도 어느 한 곳까지 점진적으로 돌출될 수 있다. 상부 커버부(240)는 양측 사이드부(241, 243)가 모두 상부를 향해 돌출되는 경우 대략 'M' 형상으로 구성될 수 있다.
하부 커버부(250)는 중심부(252)로부터 하부를 향해(Z축 음의 방향) 돌출된 양측 사이드부(251, 253) 중 적어도 어느 한 곳까지 점진적으로 돌출될 수 있다. 하부 커버부(250)는 양측 사이드부(251, 253)가 모두 하부를 향해 돌출되는 경우 대략 'W 형상으로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)에 스웰링 현상이 발생할 경우, 상부 커버부(240) 및/또는 하부 커버부(250)는 적어도 부분적으로 평평하게 펴짐으로써, 파우치형 배터리 셀(110)의 스웰링을 흡수할 수 있으며, 파우치형 배터리 셀(110)의 임의의 부분에 과도한 압력이 가해지지 않아 배터리 셀의 손상이나 파손이 방지될 수 있다. 또한, 하기 설명할 벤팅 영역의 확장이 가능하다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 팩의 일부분 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 팩 케이스(300)는 하부 벤팅부(301)를 구비할 수 있다. 또한, 팩 케이스(300)는 상부 벤팅부(302)를 구비할 수 있다.
하부 벤팅부(301)는 제1 배터리 셀(111)에서 발생한 가스가 하부 개방부(O1)를 통하여 외부로 배출될 수 있도록 구성될 수 있다. 하부 벤팅부(301)는 하부 개방부(O1)와 대응되는 위치 중 적어도 일부에 구비될 수 있다.
상부 벤팅부(302)는 제2 배터리 셀(112)에서 발생한 가스가 상부 개방부(O2)를 통하여 외부로 배출될 수 있도록 구성될 수 있다. 상부 벤팅부(302)는 상부 개방부(O2)와 대응되는 위치 중 적어도 일부에 구비될 수 있다.
하부 벤팅부(301) 및 상부 벤팅부(302)는 배터리 팩(10)의 구성에 따라 팩 케이스(300)의 하부 및/또는 상부에 구비될 수 있다. 하부 벤팅부(301) 및 상부 벤팅부(302)는 복수개의 셀 유닛(100)을 포함하는 배터리 팩(10)의 구성에 따라 적어도 하나의 셀 유닛(100)과 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
하부 벤팅부(301) 및 상부 벤팅부(302)는 팩 케이스(300)를 관통하는 형태로서 단순한 홀 형태일 수 있다. 또한, 완전히 개방되어 있는 형태뿐만 아니라, 완전히 개방되지 않고, 정상적인 상태에서는 폐쇄되어 있다가 압력이나 온도 등의 변화에 따라 개방 가능한 특정 디바이스일 수도 있다. 하부 벤팅부(301) 및 상부 벤팅부(302)는 예를 들어, 일 방향 밸브일 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)에서 발생하는 가스를 배터리 팩(10)의 상부 및/또는 하부로 배출할 수 있다. 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301)를 가스의 배출이 일어나길 원하는 위치에 구비하여 가스를 원하는 방향으로 배출할 수 있다. 또한, 셀 커버(200)가 하부 개방부(O1) 및 상부 개방부(O2)를 모두 구비함에 따라, 팩 케이스(300)에 하부 개방부(O1)에 대응되는 하부 벤팅부(301)와 상부 개방부(O2)에 대응되는 상부 벤팅부(302)를 모두 구성할 수가 있다. 팩 케이스(300)의 하부에만 혹은 상부에만 벤팅부를 구성하는 것에 비하여 더 넓은 영역의 벤팅부를, 더 많이 형성할 수 있는 효과가 있을 뿐 아니라, 배터리 팩(10)의 상부 및 하부 동시 벤팅이 가능하여, 빠른 내부 압력 해소를 달성할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 화염 또는 가스가 미리 설정된 방향으로 유도 배출될 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 배터리 셀(110)에서 열 폭주가 발생하더라도 그 배터리 셀(110)에서 발생한 화염 또는 가스는 셀 커버(200)를 통하여 미리 설정된 방향으로만 배출될 수 있다. 어느 하나의 배터리 셀(110)에서 열 폭주가 발생하더라도 다른 배터리 셀(110)에 대해서는 그 열 폭주의 영향이 최소화될 수 있다. 본 발명에서는 벤팅 가스를 상방 및 하방으로 배출할 수 있고, 해당 방향에는 다른 배터리 셀(110)이 위치하지 않으므로 열 폭주가 다른 배터리 셀(110)로 전이되지 않도록 하는 효과가 현저하다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛의 하단을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 셀 커버(200)는 삽입핀(260)을 구비할 수 있다.
삽입핀(260)은 팩 케이스(300)에 끼워지도록 구성될 수 있다. 삽입핀(260)은 제1 측면 커버부(210) 및 제2 측면 커버부(230) 중 적어도 어느 한곳에서부터 팩 케이스(300)의 내측면을 향해 돌출될 수 있다. 도 4를 함께 참조하면, 삽입핀(260)은 제1 측면 커버부(210)의 길이 방향(Y축 연장 방향) 양 사이드부 중 적어도 어느 한 곳에서 Z축 음의 방향을 향해 돌출 형성될 수 있다. 마찬가지로, 삽입핀(260)은 제2 측면 커버부(230)의 길이 방향(Y축 연장 방향) 양 사이드부 중 적어도 어느 한 곳에서 Z축 양의 방향을 향해 돌출 형성될 수 있다. 삽입핀(260)은 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301) 중 적어도 어느 한 곳에 인접하도록 위치할 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 배터리 팩의 일부분 단면을 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 팩 케이스(300)는 삽입핀 수용부(303)를 구비할 수 있다.
삽입핀 수용부(303)는 팩 케이스(300)의 내측면에 삽입핀(260)을 수용할 수 있도록 구성될 수 있다. 삽입핀 수용부(303)는 삽입핀(260)의 형상에 대응되는 형상일 수 있다. 예를 들어 도 10을 참조하면, 삽입핀 수용부(303)는 삽입핀(260)이 삽입될 수 있도록 팩 케이스(300) 내측면에 형성된 홈 형태일 수 있다. 도 11을 참조하면, 삽입핀 수용부(303)는 삽입핀(260)이 안착될 수 있도록 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301)에 형성된 다단형태일 수 있다. 삽입핀 수용부(303)는 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301) 중 적어도 어느 한 곳에 인접하도록 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 팩 케이스(300)와 셀 커버(200)와의 조립 편의성 내지 고정성을 확보할 수 있다. 특히, 두개 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 감싸면서 감싸진 파우치형 배터리 셀(110)의 세워진 상태, 즉, 기립 상태를 효과적으로 유지하도록 구성될 수 있다.
또한, 삽입핀(260) 및 삽입핀 수용부(303)의 구조로 인하여 파우치형 배터리 셀(110)에서 발생하는 가스를 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301)로 가이드할 수 있다. 이러한 경우, 도 9를 참조하면, 셀 유닛(100)의 전방 및 후방 중 적어도 어느 한 곳을 커버하는 사이드 커버(270)를 구비하여 파우치형 배터리 셀(110)에서 발생하는 가스를 전방이나 후방에서는 차단하고 더욱 효과적으로 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301)로 가이드할 수 있다.
도 9 내지 도 11을 다시 참조하면, 삽입핀(260)은 삽입부(261) 및 변형부(262)를 구비할 수 있다.
삽입부(261)는 팩 케이스(300)에 삽입될 수 있다. 삽입부(261)는 대략 플레이트 형상으로서, 제1 측면 커버부(210) 및 제2 측면 커버부(230) 중 적어도 어느 하나로부터 돌출 형성될 수 있다.
변형부(262)는 삽입부(261)가 제1 측면 커버부(210) 및 제2 측면 커버부(230) 중 적어도 어느 하나와 연결되는 위치에 구비될 수 있다. 변형부(262)는 변형이 일어나기 쉽도록 삽입부(261)와 비교하여 두께가 얇거나 강성이 낮도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면, 변형부(262)는 삽입부(261)와 제1 측면 커버부(210)가 연결되는 X축 방향을 따라 일정 깊이의 홈이 연장된 형태일 수 있다. 변형부(262)는 삽입핀(260)이 팩 케이스(300)에 삽입된 상태에서 팩 케이스(300)의 내측면과 동일한 높이에 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의한 효과를 도 12 내지 도 15를 바탕으로 설명하도록 한다. 도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 배터리 팩에 열적 이벤트 발생시 셀 커버의 변형예와 그에 따른 벤팅 영역의 확장을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저 도 12는 배터리 팩(10)에 열적 이벤트가 발생하기 전의 도면이다. 또한, 삽입핀(260)은 홈 형태의 삽입핀 수용부(303)에 삽입되어 있는 상태이다. 도 13은 도 12에 도시된 배터리 팩(10)에 열적 이벤트가 발생하여 스웰링이 발생한 이후의 도면이다.
마찬가지로 도 14는 배터리 팩(10)에 열적 이벤트가 발생하기 전의 도면이다. 또한, 삽입핀(260)은 다단 형태의 삽입핀 수용부(303)에 안착되어 있는 상태이다. 도 15는 도 14에 도시된 배터리 팩(10)에 열적 이벤트가 발생하여 스웰링이 발생한 이후의 도면이다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, 스웰링 현상 발생 전(도 12 및 도 14 상태)에는 삽입핀(260)의 삽입부(261)를 통하여 팩 케이스(300)와 셀 커버(200)와의 고정성을 확보할 수 있고, 셀 뱅크 단독으로 해당 위치의 상부 벤팅부(302)와 하부 벤팅부(301)를 사용하여 열 축적없이 배터리 팩(10)을 사용할 수 있다. 스웰링 현상 발생시(도 13 및 도 15 상태)에는 삽입핀(260)의 변형부(262)를 활용하여 인접한 상부 벤팅부(302)나 하부 벤팅부(301)로 벤팅 영역이 확장될 수 있다. 특히, 상기 설명한 바와 같이 스웰링 현상에 따라 상부 커버부(240) 및/또는 하부 커버부(250)가 적어도 부분적으로 평평하게 펴짐과 동시에 변형부(262)의 파단 또는 접힘으로 인하여 용이하게 벤팅 영역이 확장될 수 있다. 즉, 임의의 셀 유닛(100)에서 스웰링이 발생하면 해당 셀 유닛(100)은 다른 셀 유닛의 상부 벤팅부(302)와 하부 벤팅부(301)까지도 벤팅 영역으로 사용할 수 있도록 확장되게 구성한 것이다. 즉, 셀 뱅크 단독의 상부 벤팅부(302)와 하부 벤팅부(301)를 사용할 뿐 아니라 다른 셀 유닛의 상부 벤팅부(302)와 하부 벤팅부(301)까지 병렬 사용할 수 있게 되는 것이다. 따라서, 열 전이에 의한 순차 열적 이벤트 상황 발생시 벤팅 영역이 확장됨에 따라 가스를 보다 빠르게 배출하여 열 축적을 해소할 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 배터리 팩의 일부분 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 배터리 팩(10)은 써멀 레진(R)을 포함할 수 있다.
써멀 레진(R)은 셀 커버(200)와 팩 케이스(300)의 사이 공간 및 복수의 파우치형 배터리 셀(110)과 팩 케이스(300)의 사이 공간 중 적어도 일부 공간에 개재될 수 있다. 즉, 써멀 레진(R)은 셀 유닛(100)과 팩 케이스(300)의 사이 공간 중 적어도 일부 공간에 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 셀 유닛(100)을 팩 케이스(300)에 수납시킬 시, 셀 유닛(100)의 상부 방향과 하부 방향으로 파우치형 배터리 셀(110)의 열을 방열시키는 듀얼 냉각(dual cooling)이 가능하며, 써멀 레진(R)은 셀 커버(200)와 팩 케이스(300) 사이에서 열 전달을 촉진시키는 작용을 할 수 있다.
도 17은 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함되는 셀 유닛의 하단을 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 써멀 레진(R)은 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301)에 대응되는 공간에는 구비되지 않을 수 있다. 써멀 레진(R)은 하부 개방부(O1)의 길이 방향(Y축 연장 방향) 일측 단부 또는 양측 단부의 일부가 개방되도록 개재될 수 있다. 상기 개방된 공간은 상부 벤팅부(302) 및 하부 벤팅부(301)와 연통되어 파우치형 배터리 셀(110)에서 발생하는 가스가 팩 케이스(300)의 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)과 배터리 차단 유닛(Battery Disconnect Unit, BDU)을 더 포함할 수 있다. BMS는 팩 케이스(300)의 내부 공간에 장착되며, 파우치형 배터리 셀(110)의 충방전 동작이나 데이터 송수신 동작 등을 전반적으로 제어하도록 구성될 수 있다. BMS는 배터리 모듈 단위가 아닌 배터리 팩 단위에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로는 BMS는 팩 전압 및 팩 전류를 통해 파우치형 배터리 셀(110)의 충방전 상태, 전력 상태 및 성능 상태 등을 제어하도록 마련될 수 있다. BMS는 배터리 팩(10) 내의 배터리 셀(110)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(10)을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(10)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(10)의 교체 시기 추정도 가능하다. BDU는 배터리 팩(10)의 전력 용량과 기능을 관리하기 위해 배터리 셀(110)의 전기적 연결을 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 BDU는 파워 릴레이와 전류 센서, 퓨즈 등을 포함할 수 있다. BDU 역시 배터리 모듈 단위가 아닌 배터리 팩 단위에 제공되는 구성으로서, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 차단 유닛이 채용될 수 있다.
이 밖에도, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 팩의 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 경우, 작업자가 수작업으로 서비스 플러그를 분리하여 전원을 차단할 수 있는 MSD(Manual Service Disconnector)를 더 포함할 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같은 n×n 배치를 갖는 복수의 배터리 셀을 상호 연결하기 위한 플랙서블 버스바나 케이블들을 더 포함할 수도 있다.
다만, 본 발명은 상술한 배터리 팩(10)에 적용되는 구조를 배터리 모듈에 적용할 수 있다. 즉, 팩 케이스의 구조를 모듈 케이스에 적용하여 모듈 케이스에 복수개의 셀 유닛(100)을 수납시키고, 모듈 케이스에 벤팅부를 구비하도록 하여 배터리 모듈로 구성할 수 있다. 이러한 배터리 모듈은, 팩 케이스의 내부 공간에 하나 이상 수납되는 배터리 모듈로서, 앞서 설명한 바와 같은 복수의 파우치형 배터리 셀(110)과 셀 커버(200)를 포함하고, 내부 공간에 파우치형 배터리 셀(120)을 수납하는 모듈 케이스(앞서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩(10)의 팩 케이스(300) 구조를 그대로 이용할 수 있음)를 포함할 수가 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10) 또는 여기 설명한 배터리 모듈은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단이 대표적이나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 특히 배터리 팩(10)은 전기 자동차용 배터리 팩으로 활용되기 적합하다. 또한, ESS의 에너지원으로 사용될 수도 있다.
도 18은 본 발명에 따른 자동차(1)를 나타내는 도면이다
도 18을 참조하면, 자동차(1)는 상술한 본 발명에 따른 배터리 팩(10)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차(1)는 이러한 배터리 팩(10) 이외에 자동차(1)에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차(1)는 본 발명에 따른 배터리 팩(10) 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 수 있다.
배터리 팩(10)은 자동차(1) 내의 소정의 위치에 배설될 수 있다. 배터리 팩(10)은 전기 자동차의 모터에 구동력을 제공하여 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(10)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다.
배터리 팩(10)은 모터 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(10)은 브레이크(brake)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(10)은 인버터를 통해 자동차(1)의 모터에 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 자동차(1)에 구비된 배터리 팩(10)은 자동차(1)의 여러 동작에 필요한 전기 에너지를 제공할 수 있다. 또한, 배터리 팩(10)은 앞서 언급한 다양한 효과를 가진 것이므로 이를 포함하는 자동차(1)도 그러한 효과를 고스란히 가질 수 있다.
구체적으로 하나의 예를 들면, 배터리 팩(10)은 셀 커버(200)를 포함함으로써 모듈 케이스를 생략 가능한 바, 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다. 에너지 밀도는 단위 무게당 저장된 에너지의 양을 의미한다. 배터리 팩의 에너지 밀도가 증가되면, 같은 무게일 때에 배터리 팩에 저장된 에너지가 더 많다. 따라서 이러한 배터리 팩(10)을 포함하는 자동차(1)의 경우 1회 충전 주행거리를 더 늘릴 수도 있고, 가속력을 더 빠르게 할 수도 있으며, 짐을 더 많이 실을 수도, 실내 공간을 더 크게 만들 수도 있는 등 다양하게 활용이 가능하다. 또한, 배터리 팩의 에너지 밀도가 증가되면, 같은 에너지일 때 더 가벼워진다. 배터리 팩(10)이 가벼워져서 이를 포함하는 자동차(1)가 가벼워지면 가속력이 좋아지고 에너지 효율이 향상되고 내구성도 좋아지는 등, 이 또한 여러 장점을 갖게 된다.
구체적으로 다른 예를 들면, 배터리 팩(10)은 높은 안전성을 가질 수 있다. 자동차는 인간의 생명과 직결된 물건이다 보니, 절대 양보할 수 없는 것이 바로 안전이다. 파우치형 배터리 셀(110)은 리튬의 물리적 특성상 화재의 위험이 항상 존재한다. 하지만 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 셀 커버(200)를 포함함으로써 파우치형 배터리 셀(110)에서 열적 이벤트가 발생하더라도 이것이 다른 부분으로 전이되는 것을 차단할 수 있다. 그러므로 배터리 팩(10)을 포함하는 자동차(1)는 화재 안정성이 확보된다.
이상과 같이, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
1 : 자동차
10 : 배터리 팩
100 : 셀 유닛
110 : 배터리 셀
111 : 제1 배터리 셀
112 : 제2 배터리 셀
200 : 셀 커버
220 : 구획 커버부
210 : 제1 측면 커버부
230 : 제2 측면 커버부
240 : 상부 커버부
250 : 하부 커버부
O1 : 하부 개방부
O2 : 상부 개방부
P1 : 제1 파티클 포켓부
P2 : 제2 파티클 포켓부
241, 243, 251, 253 : 사이드부
242, 252 :중심부
260 : 삽입핀
261 : 삽입부
262 : 변형부
270 : 사이드 커버
300 : 팩 케이스
310 : 케이스 본체
320 : 엔드 커버
330 : 탑 커버
301 : 하부 벤팅부
302 : 상부 벤팅부
303 : 삽입핀 수용부
400 : 버스바 어셈블리
R : 써멀 레진

Claims (19)

  1. 복수의 파우치형 배터리 셀;
    내부 공간에 상기 파우치형 배터리 셀을 수납하는 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스의 내부 공간에서 상기 복수의 파우치형 배터리 셀 중 적어도 상호 인접하는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀의 외부를 적어도 부분적으로 감싸도록 구성된 셀 커버;를 포함하고,
    상기 셀 커버는,
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 사이를 구획하기 위하여 상기 제1 배터리 셀의 일 측면과 상기 제2 배터리 셀의 일 측면 사이에 배치되는 구획 커버부;
    제1 배터리 셀의 타 측면을 커버하도록 상기 구획 커버부와 대면하는 제1 측면 커버부;
    제2 배터리 셀의 타 측면을 커버하도록 상기 구획 커버부와 대면하는 제2 측면 커버부;
    상기 제1 배터리 셀의 상부 측을 감싸도록 상기 구획 커버부의 상단에서 상기 제1 측면 커버부의 상단과 연결되는 상부 커버부; 및
    상기 제2 배터리 셀의 하부 측을 감싸도록 상기 구획 커버부의 하단에서 상기 제2 측면 커버부의 하단과 연결되는 하부 커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀은,
    기립 상태로 상기 제1 측면 커버부와 상기 구획 커버부의 사이에 배치되고,
    상기 제2 배터리 셀은,
    기립 상태로 상기 제2 측면 커버부와 상기 구획 커버부의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 커버는,
    상기 제1 배터리 셀의 하부가 상기 팩 케이스의 내측면을 향하여 노출되는 하부 개방부; 및
    상기 제2 배터리 셀의 상부가 상기 팩 케이스의 내측면을 향하여 노출되는 상부 개방부;
    를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 상부 커버부는,
    상기 제1 배터리 셀로부터 이격되도록 구성되고, 열적 이벤트 발생시 상기 제1 배터리 셀로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 제1 파티클 포켓부를 구비하고,
    상기 하부 커버부는,
    상기 제2 배터리 셀로부터 이격되도록 구성되고, 열적 이벤트 발생시 상기 제2 배터리 셀로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 제2 파티클 포켓부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 커버부는,
    양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳이 상부를 향해 돌출되고, 상기 양측 사이드부가 연결된 중심부가 하부를 향해 오목하게 형성되고,
    상기 하부 커버부는,
    양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳이 하부를 향해 돌출되고, 상기 양측 사이드부가 연결된 중심부가 상부를 향해 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 커버부는,
    상기 중심부로부터 상부를 향해 돌출된 상기 양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳까지 점진적으로 돌출되고,
    상기 하부 커버부는,
    상기 중심부로부터 하부를 향해 돌출된 상기 양측 사이드부 중 적어도 어느 한 곳까지 점진적으로 돌출된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상기 제1 배터리 셀에서 발생한 가스가 상기 하부 개방부를 통하여 외부로 배출될 수 있도록 상기 하부 개방부와 대응되는 위치 중 적어도 일부에 구비되는 하부 벤팅부; 및
    상기 제2 배터리 셀에서 발생한 가스가 상기 상부 개방부를 통하여 외부로 배출될 수 있도록 상기 상부 개방부와 대응되는 위치 중 적어도 일부에 구비되는 상부 벤팅부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 셀 커버는,
    상기 팩 케이스에 끼워지도록 상기 제1 측면 커버부 및 제2 측면 커버부 중 적어도 어느 한 곳에서부터 상기 팩 케이스의 내측면을 향해 돌출된 삽입핀을 구비하고,
    상기 팩 케이스는,
    내측면에 상기 삽입핀을 수용할 수 있도록 구성된 삽입핀 수용부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 삽입핀 및 상기 삽입핀 수용부는,
    상기 상부 벤팅부 및 상기 하부 벤팅부 중 적어도 어느 한 곳에 인접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 삽입핀은,
    상기 팩 케이스에 삽입되는 삽입부; 및
    상기 삽입부가 상기 제1 측면 커버부 및 상기 제2 측면 커버부 중 적어도 어느 하나와 연결되는 위치에 구비되는 변형부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 변형부는,
    상기 삽입핀이 상기 팩 케이스에 삽입된 상태에서 상기 팩 케이스의 내측면과 동일 높이상에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 셀 커버와 상기 팩 케이스의 사이 공간 및 상기 복수의 파우치형 배터리 셀과 상기 팩 케이스의 사이 공간 중 적어도 일부 공간에 개재되는 써멀 레진을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 써멀 레진은,
    상기 상부 벤팅부 및 상기 하부 벤팅부에 대응되는 공간에는 구비되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는, 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 상기 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는, 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 상기 팩 케이스의 내측면을 향하여 노출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 팩 케이스에 직접 안착되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제1항에 있어서, 상기 셀 커버는 내측면에 절연 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 복수개로서 인접하고,
    상호 인접하는 셀 커버의 상기 제1 측면 커버부 및 제2 측면 커버부 중 적어도 한 곳에 접착 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제1 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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