WO2023287201A1 - 배터리 팩 - Google Patents

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이범직
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to battery technology, and more particularly, to a battery pack with improved fire safety, electrical safety, assembly convenience, heat dissipation, and the like, and a device including the same.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials 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 such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator therebetween, and an exterior material that seals and houses the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • lithium secondary batteries can be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of an exterior material.
  • secondary batteries have been widely used for driving or storing energy in not only small devices such as portable electronic devices, but also medium and large devices such as electric bikes, electric vehicles, and household or industrial energy storage systems (ESS).
  • ESS household or industrial energy storage systems
  • the plurality of secondary batteries may be grouped into several groups such as cell module assemblies and included in the battery pack.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating some configurations of a conventional battery pack
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A1-A1′ in FIG. 1 .
  • each cell module assembly 10 includes a plurality of battery cells 11 such as cylindrical batteries.
  • each battery cell 11 has a positive terminal (+) and a negative terminal (-) located at both ends, and such a positive terminal (+) and negative terminal (-) are located at both ends in the horizontal direction in a horizontal direction ( X-axis direction) may be stacked in a vertical direction (Z-axis direction) in a state of being laid down.
  • the battery cells 11 adjacent to each other in one cell module assembly 10 may be electrically connected in series by having positive terminals and negative terminals connected to each other.
  • the electrical connection between the two battery cells 11 may be realized by spot welding a bus bar in the form of a metal plate with a positive terminal and/or a negative terminal.
  • FIG. 2 in one cell module assembly 10, several battery cells 11 have positions of positive terminals and negative terminals relative to each other. It can be arranged in staggered form. And, due to this configuration, a structure in which the positive terminal and the negative terminal face each other may be generated between the two cell module assemblies 10 as shown in the portion indicated by A2 in FIG. 2 .
  • a problem in which chain ignition easily occurs between two cell module assemblies 10 may occur.
  • a flame or high-temperature gas may be vented toward the anode (+) side, and the vented flame or gas is the cathode (-) of the other cell module assembly 10. ) side, the temperature of the battery cell 11 may be abnormally increased. Therefore, in this case, the fire generated in one cell module assembly 10 propagates to the other cell module assembly 10, and as shown in FIG. 3, there is a high possibility that a chain ignition occurs between the cell module assemblies 10 and explodes. .
  • the distances indicated by A3 and A3' need to be designed to be 5 mm or more. Accordingly, in this case, the size of the battery pack may increase due to the thickness of the flame retardant sheet 30 itself and the separation space between the flame retardant sheet 30 and the two cell module assemblies 10 .
  • gas or flame ejected from the cell module assembly 10 inside can be discharged to the outside through the venting part V1 at the top of the pack case 20 .
  • the risk of direct exposure of the user to flame or high-temperature gas discharged from the venting unit V1 may increase.
  • an object of the present invention is to provide a battery pack having an improved structure and a device including the battery pack to improve safety.
  • an object of the present invention is to provide a battery pack that is excellent in assembly convenience and heat dissipation as well as fire safety and is capable of reducing the width and length of the battery pack compared to the prior art.
  • a battery pack according to an aspect of the present invention for achieving the above object includes a pack case; and two cell module assemblies each provided with cylindrical battery cells and a cell frame accommodating the cylindrical battery cells and integrally housed in the pack case, wherein the two cell module assemblies include at least a predetermined minimum Top caps of the cylindrical battery cells may be configured to face each other with a safety distance therebetween.
  • the top cap of each of the cylindrical battery cells facing each other is disposed in the central portion of the pack case, and the battery can bottom surface of each of the cylindrical battery cells faces the wall of the pack case. can be placed.
  • the minimum safety distance may be 5 mm or more.
  • the two cell module assemblies include a first cell module assembly and a second cell module assembly, and in the first cell module assembly, one surface of a first cell frame to which the top cap of the cylindrical battery cell is exposed, and the second cell module assembly.
  • one surface of the second cell frame to which the top cap of the cylindrical battery cell is exposed is spaced at least by the minimum safety distance, and formed between one surface of the first cell frame and one surface of the second cell frame
  • the empty space communicates with the bottom plate in the pack case, and a venting part may be provided on the bottom plate.
  • the pack case includes a middle case provided in a hollow structure with upper and lower ends open and surrounding the circumference of the two cell module assembly; an upper cover covering an upper opening of the middle case; and a lower cover covering a lower opening of the middle case, and the lower cover may include the bottom plate and the venting part.
  • the middle case may include a first wall surface and a second wall surface facing the bottom surface of the battery can of the cylindrical battery cell and extending parallel to each other; and covering both sides of the empty space at a predetermined distance from both sides of the empty space formed between one surface of the first cell frame and one surface of the second cell frame, and extending parallel to each other along the longitudinal direction of the pack case. It may include a third wall surface and a fourth wall surface.
  • a bottom portion of the two cell module assembly coupled to the inside of the middle case and facing the lower cover includes a bottom plate for covering and supporting, and the bottom plate is connected to at least one of the third wall surface and the fourth wall surface.
  • a gas passage part forming a gap may be provided.
  • the venting unit may include a venting cap that is force-fitted to the through hole formed in the bottom plate.
  • the venting cap may include a cap body fitted into the through hole, and a membrane structure coupled to the inside of the cap body and impermeable to liquid and permeable to gas.
  • the cylindrical battery cell may be accommodated in the cell frame so that all of the top caps face the same direction.
  • the cell frame includes an accommodating portion having one surface open and forming a space in which the battery cells can be erected and accommodated and having a height corresponding to the length of the battery cells; an upper plate portion covering the upper end of the battery can; And an opening portion exposing the bottom surface of the battery can to the opposite side of the top plate portion, and the top plate portion may include terminal connection holes partially exposing the top cap of the battery can or the upper edge of the battery can. .
  • Metal bus bar plates are attached to the outer surface of the upper plate of the cell frame, and the bus bar plates are wire bonded to the top cap of each of the battery cells or the upper edge of the battery can exposed through the terminal connection holes. It can be.
  • a cell spacer that surrounds all or part of the circumference of the lower end of the battery can and is coupled to the open portion of the cell frame may be included.
  • One side may include a thermally conductive member contacting the bottom surface of the battery can and the other side contacting the wall surface of the pack case.
  • Potting glue may be applied to the outer surface of the upper plate of the cell frame so that the top cap and the upper edge of the battery can are covered with the potting glue.
  • an electric bike including the battery pack described above may be provided.
  • an electric vehicle including the battery pack described above may be provided.
  • chain ignition between two facing cell module assemblies can be effectively prevented even without a separate flame or heat radiation sheet.
  • the size of the battery pack can be reduced as the distance between the cell module assemblies becomes closer. Accordingly, it may be advantageous to configure a compact battery pack.
  • a cell module assembly having excellent electrical safety and heat dissipation and a battery pack including the same may be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating some configurations of a conventional battery pack.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the line A1-A1' in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a photograph showing a battery pack that has burned down due to chain ignition when one battery cell is overcharged and exploded in a battery pack without a conventional flame retardant sheet.
  • FIG. 4 is a transparent perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an example of a cross-sectional configuration along the line A4-A4′ of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a photograph showing a test result when one battery cell is overcharged and exploded in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged perspective view of a lower portion of the battery pack of FIG. 4 .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a cross-sectional configuration taken along the line A5-A5' in FIG. 4 .
  • FIG. 9 is a view looking toward the bottom plate of the battery pack of FIG. 4 .
  • FIG. 10 is a cutaway view of the venting portion region of FIG. 9 .
  • FIG. 11 is a partially exploded perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view of the first cell module assembly of FIG. 11 .
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a cell frame of the first cell module assembly of FIG. 12 .
  • FIG. 14 is a view showing the opening side of a cell spacer and a cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a view showing the assembly of the cell spacer and the cell frame of FIG. 14 .
  • FIG. 16 is a view showing that the thermally conductive member is assembled to the opening side of the cell frame in FIG. 15 .
  • 17 is a view looking at the upper plate side of the cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a view showing parts of the upper plate and side parts of the cell frame of FIG. 17 .
  • 19 and 20 are views showing before and after assembling a two-cell module assembly according to an embodiment of the present invention.
  • 21 is a view looking at the upper plate of the cell frame of the two cell module assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a transparent perspective view schematically illustrating a configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a cross-sectional configuration along line A4-A4′ of FIG. 4 .
  • the battery pack of the present invention includes a cell module assembly 100 , a BMS assembly 300 and a pack case 200 .
  • the pack case 200 includes a middle case 210, an upper cover 220 and a lower cover 230.
  • the middle case 210 may have a hollow shape having upper and lower ends open and inserting the cell module assembly 100 and the BMS assembly 300 coupled to the lower side thereof in a sliding manner. there is.
  • the upper cover 220 and the lower cover 230 may be coupled to the open upper and lower ends of the middle case 210 and cover the upper and lower ends of the middle case 210, respectively.
  • the middle case 210 is made of a metal material such as aluminum (AL) as a material having high mechanical rigidity and excellent heat dissipation to protect the cell module assembly 100 and the BMS assembly 300 from external impact. can be provided.
  • AL aluminum
  • a flame retardant plate is disposed in the space between the middle case 210 and the upper cover 220, and a gasket having a high compressibility, a gap filling material, etc. may be applied to an outer edge where the middle case and the upper cover are coupled.
  • a gasket having a relatively low compression rate compared to the upper cover 220 side is applied to the outer edge where the middle case 210 and the lower cover 220 are combined, and the lower cover 230 has a venting portion 233. can be configured. Therefore, when gas and flame are generated inside the battery pack due to abnormal ignition of the battery cell, the gas and flame may be induced toward the lower cover having weak airtightness in the pack case.
  • the two cell module assemblies 100A and 100B include cylindrical battery cells 110 connected in series and parallel in the form of nPmS (n and m are natural numbers) and a cell frame 120 accommodating the cylindrical battery cells 110.
  • the cell frames 120A and 120B are coupled to each other and can be integrally housed in the pack case 200 . That is, the two cell module assemblies 100A and 100B are mechanically and electrically coupled to each other and are inserted into the middle case 210 in a sliding or forced fitting manner to the inside of the pack case 200. can be stored in
  • the cylindrical battery cell 110 may be sealed by putting an electrolyte solution and an electrode assembly in a cylindrical battery can and coupling a top cap 112 to an upper open end of the battery can.
  • the cylindrical battery cell 110 may have an electrode assembly wound in a jelly-roll shape with a separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and the positive electrode plate may be electrically connected to the top cap and the negative electrode plate may be electrically connected to the battery can.
  • the top cap may function as a positive terminal and the battery can function as a negative terminal.
  • parts of the battery can other than the specific part may be coated with an insulating film or insulating material so that only a specific part functions as a negative electrode terminal.
  • the two cell module assemblies 100A and 100B may be configured so that the top caps 112 of the cylindrical battery cells 110 face each other and face each other.
  • the top cap 112 of each battery cell 110 faces the central portion of the battery pack, and each battery cell 110 )
  • the bottom surface 111b of the battery can may be configured to face the outer portion of the battery pack.
  • the top cap 112 of all the battery cells 110 faces the right side and the bottom surface 111b of the battery can It can be placed facing left.
  • the top cap 112 of all the battery cells 110 faces left and the bottom surface 111b of the battery can faces right. It can be.
  • the top cap 112 of each battery cell 110 is disposed close to the top cap 112 of the other battery cell 110, and the bottom of the battery can of the other battery cell 110 It may be away from the surface (111b). Therefore, when a flame or high-temperature gas is ejected from the top cap 112 from one battery cell 110, the ejected flame or high-temperature gas is directed toward the top cap 112 of the other battery cell 110. And, it may have little effect on the bottom surface 111b of the battery can of the other battery cell 110.
  • the top cap 112 has a relatively higher rigidity than the battery can, and a vent plate, a sealing material or a current interrupting device (CID) is disposed inside the top cap 112, whereby, it can serve to block the transfer of heat or flame to the electrode assembly and electrolyte inside the battery can.
  • CID current interrupting device
  • the bottom surface of the battery can is close to the bottom surface of the jelly roll-shaped electrode assembly, when heat and flame contact the corresponding part, heat is more quickly transferred to the inside, so that a short circuit may occur more easily. Therefore, when flame and gas are ejected from a certain battery cell 110, the bottom surface 111b of the battery can is to face the top cap 112 of another battery cell 110 opposite the corresponding battery cell 110. ) It can be said to be much more effective in preventing chain ignition of the battery cells 110 than facing them.
  • the two cell module assemblies 100A and 100B according to the present invention are configured so that the top caps 112 of the battery cells 110 face each other.
  • the two cell module assemblies 100A and 100B may be configured so that the top caps 112 of the battery cells 110 are separated from each other by a minimum safety distance or more.
  • the minimum safety distance is a distance obtained through an experiment in which a battery cell is overcharged and exploded, and when one of the facing battery cells 110 explodes, the battery cell 110 located on the other side may not ignite in a chain. This is the minimum separation distance between the cell module assembly 100A and the second cell module assembly 100B.
  • the minimum safety distance may vary slightly depending on the type, capacity, and specifications of battery cells included in the battery pack.
  • one surface of the first cell frame 120A where the top cap 112 of the cylindrical battery cell 110 is exposed and the second cell In the module assembly 110B, one surface of the second cell frame 120B where the top cap 112 of the cylindrical battery cell 110 is exposed is spaced apart by at least a minimum safety distance, as indicated by 'D1' in FIG. It can be configured so that At this time, the minimum safety distance may be '5 mm'.
  • FIG. 6 is a photograph showing an experimental result when one battery cell is overcharged and exploded in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows the state of two cell module assemblies after one battery cell included in the cell module assembly indicated by the trigger CMA explodes, and (b) and (c) of FIG. It shows a state in which the two cell module assemblies are separated.
  • the battery pack of the present invention is configured such that the top caps 112 of the battery cells 110 facing each other maintain a gap of at least 5 mm or more.
  • the distance between the two cell module assemblies 100A and 100B can be formed shorter.
  • A3 in FIG. and the distances indicated by A3' had to be 5 mm or more.
  • the distance between cell module assemblies 100 can be reduced to a significant level, such as less than 50%, compared to the prior art. Accordingly, according to this aspect of the present invention, the size of the battery pack can be reduced.
  • the top caps 112 of all the cylindrical battery cells 110 included in the two cell module assemblies 100A and 100B are part of the pack.
  • the central portion of the case is disposed, and the bottom surface 111b of the battery can faces the wall surface of the middle case 210 closely.
  • heat from the cylindrical battery cells 110 can be easily dissipated to the middle case 310 .
  • a thermally conductive material in the space between the bottom surface 111b of the cylindrical battery cells 110 and the middle case 210, heat escapes from the cylindrical battery cells 110 to the middle case 210 more quickly. can be made
  • the bottom surface 111b of the battery can covers all the battery cells 110 with only two heat dissipation pads 170 . It can be thermally connected to the pack case 200 . Therefore, according to this embodiment, the arrangement and assembly of the heat dissipation pads 170 are simple, and a heat conduction effect can be achieved with respect to many battery cells 110 with a small number of heat dissipation pads 170 . In addition, according to the above embodiment, since the heat dissipation pad 170 is disposed only on the bottom surface 111b side of the battery can of each battery cell 110, the top cap 112 side is vented by the heat dissipation pad 170. The problem of deterioration of function can be prevented.
  • the battery pack according to the present invention may be configured to be discharged in a specific direction when gas or flame is generated therein.
  • one surface of the first cell frame 120A of the first cell module assembly 100A and one surface of the second cell frame 120B of the second cell module assembly 100B are separated by at least a minimum safety distance.
  • An empty space S exists between the first cell module assembly 100A and the second cell module assembly 100B.
  • the empty space (S) communicates with the bottom plate 231 of the pack case 200, and the bottom plate 231 may be provided with a venting part 233.
  • the bottom plate 231 of the pack case 200 means the lower cover 230 .
  • the upper side (+Z direction) of the empty space (S) is blocked by the upper cover 220, and both sides ( ⁇ Y direction) of the empty space (S) can be shielded by the wall surface of the middle case (210). . Therefore, when a specific battery cell 110 included in the two cell module assemblies 100A and 100B is abnormally ignited and gas or flame is ejected from the top cap 112, the gas or flame is indicated by arrows in FIGS. 4 and 7 As indicated, the battery may move in the lower direction of the pack case 200 and be discharged in the lower direction of the battery pack through the venting part 233 .
  • the middle case 210 of the pack case 200 faces the bottom surface 111b of the battery can of the cylindrical battery cell 110 and is parallel to each other along the length of the pack case 200.
  • the cell frame 120 of the two cell module assemblies 100A and 100B has a convex pattern on the side surface, and as shown in FIG. 5, the convex pattern part is the third wall surface of the middle case ( 210c) and the fourth wall surface 210d, a gap may be formed between both sides of the empty space S and the wall surface of the middle case 210. Gas or flame may move downward along the third wall surface 210c or the fourth wall surface 210d of the middle case 210 through the extra space secured due to the gap.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention further includes a bottom plate 101 covering the lower ends of the two cell module assemblies 100A and 100B facing the lower cover 230 from the inside of the middle case 210.
  • the bottom plate 101 serves as a bracket to easily fix the BMS assembly 300 to the lower side of the two cell module assemblies 100A and 100B.
  • the bottom plate 101 is fixedly coupled to the inside of the middle case 210 so that the two cell module assemblies 100A and 100B are positioned at a certain height with respect to the lower cover 230.
  • the BMS assembly 300 is prevented from receiving the load of the two cell module assemblies (100A, 100B).
  • the bottom plate 101 is disposed between the two cell module assemblies 100A and 100B and the BMS assembly 300 and is approximately a middle case to stably support the two cell module assemblies 100A and 100B. 210) may be configured in the form of a plate body having a size corresponding to the cross-sectional area.
  • the bottom plate 101 is a gas passage part forming a gap with at least one of the third wall surface 210c and the fourth wall surface 210d of the middle case 210 (103). Therefore, the gas or flame moves downward in the third wall surface 210c, the fourth wall surface 210d of the middle case or the empty space S in the center of the pack case 200 and reaches the bottom plate 101 when the gas or flame moves in a downward direction. However, the flow of flame may be guided downward through the gas passage part 103 to the third wall surface 210c or the fourth wall surface 210d.
  • the venting part 233 may be provided at a position close to the third wall surface 210c or the fourth wall surface 210d on the bottom plate 231 of the lower cover 230. .
  • the battery pack according to the present embodiment includes an external system connection unit 235 on the bottom plate 231 for connection with an external device.
  • a power cable (not shown) may be connected to the external system connection unit 235 to supply power from a battery pack to an external device.
  • the external system connection unit may be disposed on the side of the upper cover 220 or omitted as needed.
  • the venting part 233 is in the form of a venting cap that is force-fitted into the through hole H1 formed in the bottom plate 231 of the lower cover 230.
  • the venting cap includes a cap body 233a that is press-fitted to the through hole H and a membrane structure coupled to the inside of the cap body 233a and impermeable to liquid and permeable to gas ( 233b) may be included.
  • the cap body 233a has a hollow stopper structure with a hollow center and has a segmented locking jaw. When the locking jaw is closed and inserted into the through hole (H), the locking jaw is reopened and placed in the through hole (H). It can be configured so that it does not deviate.
  • the membrane structure 233b may be interposed in the center of the cap body 233a. According to the venting cap configuration as described above, since air can normally flow in and out of the battery pack through the membrane structure 233b, the internal and external pressures of the battery pack are in an equilibrium state, preventing deformation of the pack case, and moisture or foreign matter from penetrating into the battery pack.
  • gas generated in the battery cells 110 can be discharged to the outside through the venting cap, and furthermore, when the gas and flame intensify, the film structure 233b is lost due to heat and pressure, and the gas and flame It can be discharged in the downward direction of the battery pack.
  • a battery user such as a driver
  • a battery user may be positioned above the battery pack.
  • direct exposure of the driver to the flame can be prevented. Therefore, in this case, the safety of the battery pack can be improved.
  • the main components of the first cell module assembly 100A and the second cell module assembly 100B included in the battery pack of the present invention are substantially the same. Therefore, in order to omit redundant descriptions, the description of the second cell module assembly 100B is replaced with the description of the first cell module assembly 100A.
  • the cell module assembly 100 includes a plurality of cylindrical battery cells 110, a cell frame 120, a bus bar plate 130, and a sensing unit. (140).
  • the plurality of battery cells 110 are cylindrical secondary batteries in which the top cap 112 is coupled to the upper end of the battery can, and the upper end of the battery can, that is, the top cap 112, is all facing the same direction as the cell frame. (120) is accepted.
  • the battery cells 110 may be placed upright inside the cell frame 120 in a state where the upper ends of battery cans are partially inserted into the cell holders 121a inside the cell frame 120 and held.
  • the cell frame 120 may be provided in a substantially rectangular box shape with one side open.
  • the cell frame 120 includes an accommodating portion 121 forming a space in which the battery cells 110 can be erected and accommodated, an upper plate portion 122 positioned in the direction of the upper end of the battery can, and a portion positioned in the direction of the lower end of the battery can. It includes an open part 123 located and a side part 124 forming a four-sided wall.
  • the accommodating part 121 refers to the inner space of the cell frame 120 surrounded by the top plate part 122 and the side part 124, and is configured to have a height corresponding to the length (or height) of the battery cells 110. It can be.
  • the cell frame 120 of this embodiment may be provided in a form in which the side portions 124 of the four sides are extended by the length of the cylindrical battery cell 110 .
  • the upper plate portion 122 of the cell frame includes terminal connection holes 122a.
  • Upper ends of battery cans of all battery cells 110 may be partially exposed to the outside of the upper plate 122 of the cell frame through the terminal connection holes 122a. That is, all the battery cells 110 are accommodated inside the cell frame 120, and the top cap 112 of each battery cell 110 and the upper edge 111a of the battery can connect the terminal connection holes 122a. Through this, it may be partially exposed to the outside of the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the top cap 112 may function as a positive terminal and the battery can function as a negative terminal.
  • the battery can may be wrapped with an insulating sheet so that only the bottom or top edge of the battery can function as a negative electrode terminal.
  • the top cap 112 of each battery cell 110 or the top edge of the battery can
  • the bus bar plate 130 is a metal material and may be attached to the outer surface of the upper plate 122 of the cell frame.
  • the opening part 123 of the cell frame is provided on the opposite side of the upper plate part 122 of the cell frame, and as shown in FIG. 13, only the outer edge portion remains and the inner area is completely open. According to the opening 123 of the cell frame, during the assembling process of inserting the cylindrical battery cell 110, the opening 123 of the cell frame 120 is directed upward and a cell insertion jig (not shown) is used.
  • the cylindrical battery cells 110 may be integrally inserted into the cell frame 120 by using.
  • the cell module assembly 100 is easy to apply a heat dissipation structure or a heat dissipation structure for dissipating heat of the battery cells 110 toward the bottom surface 111b of the battery can.
  • the cell module assembly 100 further includes a cell spacer 150 .
  • the cell spacer 150 is a component applied to prevent movement of the lower ends of the battery cells 110 accommodated in the cell frame 120 and to maintain a gap therebetween.
  • the battery cells 110 stored in the cell frame 120 stand upright inside the cell frame 120 in a state in which the upper ends of each battery can are partially inserted into the cell holders 121a in the accommodating part 121 and held. , and the lower end of each battery can may be held by the cell spacer 150 .
  • the cell spacer 150 is an insulating material and has a plate-like shape detachable from the outer edge portion forming the circumference of the open portion 123 of the cell frame, and as shown in FIG. 14, a plurality of spacer holes 151 to provide The spacer hole 151 may have a diameter corresponding to that of the battery can and may be formed to surround the lower end of the battery can.
  • the cell module assembly 100 covers the cell spacer 150 and the lower end of the battery can and is coupled to the opening 123 of the cell frame 120.
  • a thermally conductive member may be further included.
  • the thermal conductive member may include a heat dissipation pad 170 and a screen plate 160 .
  • the screen plate 160 is made of aluminum and may be adhesively fixed to the bottom surface 111b of the battery can with a conductive adhesive.
  • the thermally conductive member may be configured to come into contact with the wall surface of the middle case 210 . According to this configuration, the heat of the battery cell 110 can be effectively dissipated to the middle case 210 through the heat transfer member.
  • FIG. 17 is a view looking at the upper plate side of the cell frame according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a view showing parts of the upper plate part and the side part of the cell frame of FIG. 17 .
  • the plurality of bus bar plates 130 may be disposed on one outer surface of the cell frame 120, that is, on the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the positive bus bar plate 130+ is disposed at the end of the +Z direction
  • the negative bus bar plate 130- is disposed at the end of the -Z direction
  • the positive bus bar plate 130+ and the negative bus bar plate 130+ are disposed.
  • Bus bar plates 130 may be disposed at predetermined intervals in the ⁇ Z direction between the bar plates 130-.
  • bus bar plates 130 move in the ⁇ Y direction in a straight line or zigzag form to avoid positions of terminal connection holes 122a or protrusions 122f formed in the upper plate 122 of the cell frame. It may be provided in an extended form.
  • the plurality of bus bar plates 130 are wire-bonded with the top caps 112 of the battery cells 110 exposed through the terminal connection holes 122a or the upper rim 111a of the battery can, so that the battery cells 110 ) serves to electrically connect them.
  • wire bonding means that both ends of the metal wire (W) are pressed to the object to be bonded by ultrasonic waves.
  • other bonding techniques such as laser welding, may be applied to the wire bonding, although not necessarily ultrasonic waves.
  • the top cap 112 is wire-bonded to the positive bus bar plate 130+, and the battery The upper edge 111a of the can is wire-bonded to the second bus bar plate 130 adjacent to the positive bus bar plate 130+ in the -Z direction.
  • the top cap 112 is wire bonded to the second bus bar plate 130, and the upper edge 111a of the battery can is in the -Z direction. wire bonded to the third bus bar plate 130.
  • the top cap 112 of the battery cells 110 or the upper edge 111a of the battery can is wire-bonded to the corresponding bus bar plates 130, and finally, the last one indicated as 'C7' in FIG. 15
  • the battery cells 110 included in the cell module assembly 100 are connected in series and in the form of 7S6P. can be connected in parallel.
  • the positive bus bar plate 130+ may function as a positive terminal of the cell module assembly 100 and the negative bus bar plate 130 - may function as a negative terminal of the cell module assembly 100 .
  • a sensing unit 140 includes a printed circuit board 141, a plurality of sensing plates 142, and a temperature sensing member 143B.
  • the sensing unit 140 is disposed on the other outer surface of the cell frame 120 where the electrical connection to the battery cells 110 intersects the upper plate 122 of the cell frame configured as described above, and the bus bar plate ( 130) and is electrically connected by wire bonding to sense the voltage information of the battery cells 110.
  • the printed circuit board 141 a rigid printed circuit board 141 and a flexible printed circuit board 141 may be employed.
  • the cell module assembly 100 of this embodiment includes a rigid printed circuit board 141 to enhance durability, and the printed circuit board 141 has a circuit pattern for transmitting voltage information or temperature information of the battery cells 110. to provide In addition, the printed circuit board 141 may be detachably attached to the side part 124 of the cell frame 120 . Looking more specifically, as shown in the exemplary embodiment of FIG. 18, the printed circuit board 141 has a side surface portion 124 of the cell frame 120 intersecting the upper plate portion 122 of the cell frame on which the bus bar plates 130 are disposed.
  • the printed circuit board 141 is configured so that the plate surface faces the side surface 124 of the cell frame 120 and the upper edge of the printed circuit board 141 is positioned at the same height as the top plate 122 of the cell frame. It can be.
  • the side part 124 of the cell frame 120 is provided so that the printed circuit board 141 can be disposed on the side part 124 of the cell frame 120, and the printed circuit board 141 is attached to the cell frame 120.
  • a substrate mounting holder 127 is included.
  • the substrate mounting holder 127 is provided at predetermined intervals along the length direction (Z direction) of the cell frame 120, and interferes with the temperature sensing member 143 or cable connector 146 on the printed circuit board 141. It may be provided on the side part 124 of the cell frame 120 so that it does not.
  • the plurality of sensing plates 142 are components connected to the bus bar plates 130 by wire bonding in order to sense voltages for each bank of battery cells 110 (battery cells 110 connected in parallel). .
  • the plurality of sensing plates 142 may be provided in a number corresponding to the bus bar plates 130 one-to-one and connected to the corresponding bus bar plates 130 through wire bonding.
  • the sensing plates 142 may be made of an electrically conductive metal such as nickel, copper (Cu), or silver (Ag).
  • the plurality of sensing plates 142 are provided in a structure bent at least once, one side is fixedly coupled to the printed circuit board 141 and the other side is the cell frame 120 on which the bus bar plates 130 are disposed. It can be arranged side by side on the surface of the upper plate portion 122 of.
  • the plurality of sensing plates 142 are electrically conductive metal materials and are provided in an approximate 'L' shape to 'L' shape, and may be coupled to the printed circuit board 141 as in the exemplary embodiment of FIG. 18 .
  • the sensing plates 142 may be alternately disposed at one end of the bus bar plates 130 and at the edge of the cell frame 120 .
  • the bus bar plates 130 widely distributed in the inner region of the edge of the upper plate 122 of the cell frame do not interfere with the wire bonding area connecting the battery cells 110 and the corresponding bus bar plates ( 130), the sensing plate 142 and the bus bar plate 130 can be connected as much as possible even with a short metal wire (W).
  • bus bar plate 130 and the sensing plate 142 may be connected by two metal wires (W).
  • W metal wires
  • the metal wire (W) connecting the battery cell 110 and the bus bar plate 130 or the sensing plate 142 and the bus bar plate 130 according to the present embodiment has a diameter of 0.12 mm to 0.8 mm and a length of It is 5mm to 10mm and can be provided with aluminum material. According to the configuration as described above, the metal wire (W) can operate as a fuse when the battery pack is short-circuited externally.
  • the metal wire W is configured as described above, so that, for example, when a current of 47.4 A or more flows, the metal wire W of at least one bank of battery cells 110 All of them may be cut off so that the flow of current to the cell module assembly 100 may be blocked.
  • the metal wire (W) can be appropriately selected in diameter and length as needed, and its material may also be made of a metal such as copper or nickel.
  • the temperature sensing member includes two temperature sensing members having different lengths.
  • the temperature sensing member having the relatively long cable 144a is the first temperature sensing member used to measure the central temperature of the cell module assembly 100
  • the relatively short cable 145a The temperature sensor including is the second temperature sensing member 143B used to measure the outside temperature of the cell module assembly 100 .
  • the battery pack needs to accurately sense heat generated from the battery cells 110 during charging and discharging, and manage charging and discharging accordingly or cool it. Otherwise, the deterioration rate of the battery cells 110 is increased and performance is deteriorated. Therefore, in order to effectively perform thermal management of the battery cells 110 included in the cell module assembly 100, the temperature of the battery cell 110 with the highest temperature among the battery cells 110 and the battery cell 110 with the lowest temperature It is necessary to accurately determine the temperature of Therefore, in the cell module assembly 100 of this embodiment, the temperature of the battery cell 110 in the center region having the highest temperature inside the cell frame 120 and the temperature of the battery cell 110 having the lowest temperature in the outer part of the inside of the cell frame configured to measure temperature.
  • the cable extends from the circuit board to the temperature sensing hole 122b located in the central region of the upper plate of the cell frame, and the thermistor coupled to the end of the cable passes through the temperature sensing hole 122b to the corresponding position. It may be configured to sense the temperature of the battery cell of.
  • the second temperature sensing member connects the cable 145a and the cable 145a to reach the battery cell partially exposed to the outside through the side cutout 128 formed through the side portion 124 of the cell frame 120.
  • a thermistor 145b may be configured. At this time, the thermistor 145b may be bonded and fixed to the side of the battery cell 110 with a thermally conductive adhesive (not shown).
  • voltage information and temperature information of the battery cells 110 included in the cell module assembly 100 are sensed, and the voltage information and temperature information are transmitted from the printed circuit board 141 to the cable connector. It can be transmitted to the BMS assembly 300 through 146.
  • 19 and 20 are views showing before and after assembling a two-cell module assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the two cell module assemblies 100A and 100B may be configured so that the cell frames 120 may be coupled so that the upper plates 122 of the cell frames face each other.
  • the top plate 122 of any one of the two cell frames 120 includes one or more protrusions 122f protruding in the coupling direction
  • the top plate of the other cell frame ( 122) may include one or more space maintaining columns 122g protruding in the coupling direction and provided to insert the protrusion 122f inside. That is, a plurality of protrusions 122f are provided on the upper plate portion 122 of the cell frame of the first cell module assembly 100A, and the gap is maintained on the upper plate portion 122 of the cell frame of the second cell module assembly 100B. Columns 122g may be provided to correspond to the number and positions of the protrusions 122f.
  • the protrusions 122f of the first cell module assembly 100A are tightly fitted and coupled to the spacing maintaining columns 122g of the second cell module assembly 100B, and are thus coupled.
  • the first cell module assembly 100A and the second cell module assembly 100B maintain a certain distance from each other as shown in 'D1' shown in FIG. It can be coupled without relative flow. Therefore, the wire bonding area formed on the upper plate portion 122 of the cell frame of the first cell module assembly 100A and the wire bonding area formed on the upper plate portion 122 of the cell frame of the second cell module assembly 100B do not contact each other.
  • the two cell module assemblies 100 physically coupled to each other may be serially connected to each other by the interconnection bus bar 180 of FIG. 11 .
  • the interconnection bus bar 180 is placed in contact with the positive bus bar plate 130+ of the first cell module assembly 100A and the negative bus bar plate 130- of the second cell module assembly 100B. It can be configured in the form of a metal plate to be.
  • the battery pack according to the present embodiment has battery cells connected in series and parallel in the form of 14S6P.
  • the battery pack according to another embodiment of the present invention further includes potting glue 400 applied to the outer surface of the upper plate of the cell frame, as shown in FIG. is the same as in the foregoing embodiment.
  • the potting glue 400 may be, for example, a silicone-based resin.
  • the potting glue 400 may fill the inside of the cell frame 120 as well as the outer surface of the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the potting glue 400 may cover the top cap 112 partially exposed on the upper plate of the cell frame and the upper edge 111a of the battery can so as not to be exposed to the outside.
  • the battery pack according to another embodiment of the present invention is more improved in terms of fire safety, electrical insulation, and stability to battery cells compared to the battery pack according to the above-described embodiment.
  • the battery pack according to the present invention can be applied to a means of transportation such as an electric bike or an electric vehicle.
  • the battery pack according to the present invention may be applied to an energy storage system (ESS).
  • ESS energy storage system
  • a device according to the present invention, such as an electric bike or an electric vehicle energy storage system, may include one or more battery packs according to the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 팩 케이스 및 각각, 원통형 전지셀들과 상기 원통형 전지셀들을 수용하는 셀 프레임을 구비하고 상호 간의 상기 셀 프레임이 결합되어 일체로 상기 팩 케이스에 수납되는 2개의 셀 모듈 어셈블리를 포함하고, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리는, 적어도 미리 결정된 최소 안전거리를 사이에 두고 상호 간에 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 서로 마주보도록 구성된 배터리 팩이 제공될 수 있다.

Description

배터리 팩
본 출원은 2021년 07월 13일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0091794호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화재에 대한 안전성, 전기적 안전성, 조립 편의성, 방열성 등이 향상된 배터리 팩 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자동차 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 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 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 바이크나 전기 자동차, 가정용 또는 산업용 전력저장장치(Energy Storage System; ESS) 등과 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 다수의 이차 전지가 하나의 배터리 팩을 구성할 때, 다수의 이차 전지는 셀 모듈 어셈블리와 같은 여러 그룹으로 그룹핑되어 배터리 팩에 포함될 수 있다.
도 1은 종래 배터리 팩의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 팩 케이스(20) 내부에 2개의 셀 모듈 어셈블리(10)가 포함된다. 그리고, 각각의 셀 모듈 어셈블리(10)에는 원통형 전지와 같은 전지셀(11)이 다수 포함된다. 이때, 각각의 전지셀(11)은 양극 단자(+)와 음극 단자(-)가 양 단부에 위치하며, 이러한 양극 단자(+)와 음극 단자(-)가 수평 방향 양단에 위치하도록 수평 방향(X축 방향)으로 눕혀진 상태로 상하 방향(Z축 방향)으로 적층될 수 있다.
특히, 하나의 셀 모듈 어셈블리(10)에서 인접하는 전지셀(11)은 양극 단자와 음극 단자가 서로 연결되어 전기적으로 직렬 연결된 형태를 구성될 수 있다. 이때, 2개의 전지셀(11) 간 전기적 연결은 금속판(metal plate) 형태의 버스바를 양극 단자 및/또는 음극 단자와 스팟 용접하는 등의 방식으로 구현될 수 있다. 그런데, 이와 같은 구현 방식에 있어서, 전기적 연결의 편의성을 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 셀 모듈 어셈블리(10)에서 여러 전지셀(11)은, 양극 단자와 음극 단자의 위치가 서로 엇갈리는 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 이와 같은 구성으로 인해, 도 2에서 A2로 표시된 부분과 같이, 2개의 셀 모듈 어셈블리(10) 사이에서는, 양극 단자와 음극 단자가 서로 마주보는 형태의 구조가 생길 수 있다.
그런데, 이와 같은 종래 배터리 팩 구성에 의하면, 2개의 셀 모듈 어셈블리(10) 간 연쇄 발화가 잘 일어나는 문제가 발생할 수 있다. 특히, 어느 하나의 전지셀(11)에서 이상 발화가 발생한 경우, 화염 내지 고온의 가스가 양극(+) 측으로 벤팅될 수 있는데, 벤팅된 화염이나 가스가 다른 셀 모듈 어셈블리(10)의 음극(-) 측으로 향하게 되면, 해당 전지셀(11)의 온도를 비정상적으로 상승시킬 수 있다. 따라서, 이 경우, 1개의 셀 모듈 어셈블리(10)에서 발생된 화재는 다른 셀 모듈 어셈블리(10)로 전파되어, 도 3과 같이, 셀 모듈 어셈블리(10) 간 연쇄 발화가 일어나 폭발할 가능성이 높다.
종래, 이러한 문제를 해결하고자, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 셀 모듈 어셈블리(10) 사이에 방염 시트(30)와 같은 화염 내지 열 차단이 가능한 부재를 두는 방안이 제시되고 있다. 그러나, 이와 같은 구성의 경우, 방염 시트(30)라는 부재로 인해 원가가 늘어나고 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 이와 같은 구성의 경우, 어느 하나의 전지셀(11)의 양극에서 화염이 분출된 경우, 분출된 화염이 방염 시트(30)에서 반사되어 동일한 셀 모듈 어셈블리(10) 내의 다른 전지셀(11)로 향하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 방지하기 위해서는, 방염 시트(30)와 셀 모듈 어셈블리(10) 사이의 공간이 일정 수준 이상 확보될 필요가 있다. 예를 들어, 도 2에서 A3 및 A3'으로 표시된 부분과 같이, 방염 시트(30)와 각각의 셀 모듈 어셈블리(10) 사이는 일정 거리 이상 이격될 필요가 있다. 예를 들어, A3 및 A3'으로 표시된 거리는 5mm 이상으로 설계될 필요가 있다. 따라서, 이 경우, 방염 시트(30) 자체의 두께, 그리고 방염 시트(30)와 2개의 셀 모듈 어셈블리(10) 사이 각각의 이격 공간으로 인해, 배터리 팩의 크기가 커질 수 있다.
뿐만 아니라, 종래 배터리 팩의 경우, 내부의 셀 모듈 어셈블리(10)에서 분출된 가스나 화염 등은, 팩 케이스(20) 상단의 벤팅부(V1)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 그러나, 이러한 구성의 경우, 사용자가 벤팅부(V1)로부터 배출되는 화염이나 고온의 가스 등에 직접 노출될 위험성이 높아질 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 안전성이 향상될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 팩 및 이를 포함하는 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 화재 안전성 뿐만 아니라 조립 편의성, 방열성이 우수하고 종래보다 배터리 팩의 폭 길이 축소가 가능한 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 팩 케이스; 및 각각, 원통형 전지셀들과 상기 원통형 전지셀들을 수용하는 셀 프레임을 구비하고 일체로 상기 팩 케이스에 수납되는 2개의 셀 모듈 어셈블리;를 포함하고, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리는, 적어도 미리 결정된 최소 안전거리를 사이에 두고 상호 간에 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 서로 마주보도록 구성될 수 있다.
상기 2개의 셀 모듈 어셈블리는, 상호 간에 마주하는 각 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 상기 팩 케이스의 중앙 부분을 배치되고, 각 상기 원통형 전지셀의 전지캔 바닥면이 상기 팩 케이스의 벽면과 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 최소 안전거리는 5mm 이상일 수 있다.
상기 2개의 셀 모듈 어셈블리는, 제1 셀 모듈 어셈블리와 제2 셀 모듈 어셈블리를 포함하고, 상기 제1 셀 모듈 어셈블리에서 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 노출되는 제1 셀 프레임의 일면과, 상기 제2 셀 모듈 어셈블리에서 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 노출되는 제2 셀 프레임의 일면은 적어도 상기 최소 안전거리 만큼 이격되고, 상기 제1 셀 프레임의 일면과 상기 제2 셀 프레임의 일면 사이에 형성되는 빈 공간은, 상기 팩 케이스에서 바닥판과 연통하고 상기 바닥판에는 벤팅부가 구비될 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상단과 하단이 개방된 중공 구조로 마련되고 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리의 둘레를 에워싸는 미들 케이스; 상기 미들 케이스의 상단 개방부를 커버하는 상부 커버; 및 상기 미들 케이스의 하단 개방부를 커버하는 하부 커버를 포함하고, 상기 하부 커버는 상기 바닥판과 상기 벤팅부를 구비할 수 있다.
상기 미들 케이스는, 상기 원통형 전지셀의 전지 캔의 바닥면과 마주하며 서로 나란하게 연장되는 제1 벽면과 제2 벽면; 및 상기 제1 셀 프레임의 일면과 상기 제2 셀 프레임의 일면 사이에 형성된 빈공간의 양쪽 사이드와 소정 거리 떨어져서 상기 빈 공간의 양쪽 사이드를 커버하며 서로 나란하게 상기 팩 케이스의 길이 방향을 따라 연장되는 제3 벽면과 제4 벽면을 포함할 수 있다.
상기 미들 케이스의 내부에 결합되어, 상기 하부 커버를 향하는 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리의 하단부는 커버하며 지지하는 바틈 플레이트를 포함하고, 상기 바틈 플레이트는 상기 제3 벽면 및 상기 제4 벽면 중 적어도 하나와 갭(gap)을 형성하는 가스 통로부를 구비할 수 있다.
상기 벤팅부는, 상기 바닥판에 형성된 관통홀에 억지끼움 결합되는 벤팅 캡(cap)을 포함할 수 있다.
상기 벤팅 캡은, 상기 관통홀에 억지끼움 결합되는 캡 바디;와 상기 캡 바디에 내측에 결합되고 액체에 대해 비투과성을 갖고 기체에 대해 투과성을 갖는 막 구조체를 포함할 수 있다.
상기 원통형 전지셀은, 탑 캡이 모두 같은 방향을 향하도록 상기 셀 프레임에 수납될 수 있다.
상기 셀 프레임은, 일면이 개방되게 마련되고 상기 전지셀들을 세워서 수납할 수 있는 공간을 형성하며 상기 전지셀들의 길이에 대응하는 높이를 갖도록 마련된 수용부; 상기 전지캔의 상단부 방향을 커버하는 상판부; 및 상기 상판부의 반대면으로 상기 전지캔의 바닥면을 노출시키는 개방부를 포함하고, 상기 상판부는 상기 전지캔의 탑 캡 또는 상기 전지캔의 상단 테두리를 부분적으로 노출시키는 단자 연결홀들을 구비할 수 있다.
상기 셀 프레임의 상판부의 외면에 금속 재질의 버스바 플레이트들이 부착되고, 상기 버스바 플레이트들은, 상기 단자 연결홀들을 통해 노출된 각 상기 전지셀들의 상기 탑 캡 또는 상기 전지캔의 상단 테두리와 와이어 본딩될 수 있다.
상기 전지캔의 하단부 둘레의 전부 또는 일부를 감싸며 상기 셀 프레임의 개방부에 결합되는 셀 스페이서를 포함할 수 있다.
일측은 상기 전지캔의 바닥면과 접촉하고 타측은 상기 팩 케이스의 벽면과 접촉하는 열전도성 부재를 포함할 수 있다.
상기 셀 프레임의 상판부 외면에 포팅 글루(potting glue)가 도포되어 상기 탑 캡 및 상기 전지캔의 상단 테두리가 상기 포팅 글루로 덮히도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 바이크가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 2개의 셀 모듈 어셈블리가 포함된 배터리 팩에서, 셀 모듈 어셈블리 간 연쇄 발화가 일어나는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 경우, 별도의 방염 내지 방열 시트가 없더라도, 2개의 마주보는 셀 모듈 어셈블리 사이의 연쇄 발화가 효과적으로 방지될 수 있다.
따라서, 이러한 방염 시트 등의 제거로 인해 원가가 절감되고 제조 공정이 간소화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 셀 모듈 어셈블리 사이의 간격이 가까워짐으로써, 배터리 팩의 사이즈가 작아질 수 있다. 따라서, 컴팩트한 배터리 팩의 구성에 유리할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 사용자에 대하여 화염의 직접 노출이 회피될 수 있으므로, 안전성이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기적 안전성과 방열성이 우수한 셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
부연하면, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은 전기적 연결을 위한 부품 및 전압/온도 센싱을 위한 부품이 팩 케이스의 안쪽 중앙 영역에 위치하게 됨으로써 외부 충격에 대한 내구성과 전기적 안전성이 증대될 수 있고, 모든 전지셀들의 바닥면이 팩 케이스의 벽면 쪽에 위치하게 됨으로써 방열이 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 배터리 팩의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성도이다.
도 3은 종래 방염시트가 없는 배터리 팩에서 전지셀 1개를 과충전하여 폭발시켰을 때 연쇄발화가 일어나 전소한 배터리 팩을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 투명 사시도이다.
도 5는 도 4의 A4-A4'선에 대한 단면 구성의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 전지셀 1개를 과충전하여 폭발시켰을 때 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 도 4의 배터리 팩의 하부를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 4의 A5-A5'선에 대한 단면 구성의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 4의 배터리 팩의 바닥판 쪽을 바라본 도면이다.
도 10은 도 9의 벤팅부 영역을 절개하여 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 부분 분해 사시도이다.
도 12는 도 11의 제1 셀 모듈 어셈블리의 사시도이다.
도 13은 도 12의 제1 셀 모듈 어셈블리의 셀 프레임을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 스페이서와 셀 프레임의 개방부 측을 도시한 도면이다.
도 15는 도 14의 셀 스페이서와 셀 프레임에 조립한 것을 도시한 도면이다.
도 16은 도 15에서 셀 프레임의 개방부 측에 열전도성 부재를 조립한 것을 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 프레임의 상판부 측을 바라본 도면이다.
도 18은 도 17의 셀 프레임의 상판부 및 측면부 일부분을 도시한 도면이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리의 조립 전과 후를 도시한 도면들이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리의 셀 프레임의 상판부를 바라본 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 투명 사시도이고, 도 5는 도 4의 A4-A4'선에 대한 단면 구성의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 5을 참조하면, 본 발명의 배터리 팩은, 셀 모듈 어셈블리(100), BMS 어셈블리(300) 및 팩 케이스(200)를 포함한다.
먼저, 상기 팩 케이스에 대해 살펴보면, 상기 팩 케이스(200)는, 미들 케이스(210), 상부 커버(220) 및 하부 커버(230)를 포함한다. 상기 미들 케이스(210)는 상단과 하단이 개방되고 상기 셀 모듈 어셈블리(100)와 그 하측에 결합된 상기 BMS 어셈블리(300)를 일체로 슬라이드 방식으로 내부에 삽입할 수 있는 중공 형상으로 구성될 수 있다. 그리고 상기 상부 커버(220)와 상기 하부 커버(230)는 각각 상기 미들 케이스(210)의 개방된 상단과 하단에 결합되고 상기 미들 케이스(210)의 상단과 하단을 커버할 수 있게 구성될 수 있다. 특히, 상기 미들 케이스(210)는, 외부 충격으로부터 상기 셀 모듈 어셈블리(100)와 BMS 어셈블리(300)를 보호할 수 있도록 기계적 강성이 높고 방열성이 우수한 소재로서 예컨대 알루미늄(AL)과 같은 금속 소재로 마련될 수 있다.
상기 미들 케이스(210)와 상부 커버(220)의 사이 공간에는 방염판이 배치되고 상기 미들 케이스와 상부 커버가 결합되는 외곽 테두리에는 압축률이 높은 가스켓(gasket), 틈새 메꿈재 등이 적용될 수 있다. 그리고 상기 미들 케이스(210)와 하부 커버(220)가 결합되는 외곽 테두리에는 상부 커버(220)쪽에 비해 상대적으로 압축률이 낮은 가스켓이 적용되고 상기 하부 커버(230)는 벤팅부(233)를 구비하도록 구성될 수 있다. 따라서 전지셀의 이상발화로 배터리 팩 내부에 가스와 화염이 발생할 경우, 팩 케이스에서 기밀성이 약한 하부 커버 쪽으로 가스와 화염이 유도될 수 있다.
상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는 nPmS(n과 m은 자연수) 형태로 직렬 및 병렬 연결된 원통형 전지셀(110)들과 상기 원통형 전지셀(110)들을 수용하는 셀 프레임(120)을 구비하고 상호 간의 상기 셀 프레임(120A,120B)이 결합되어 일체로 상기 팩 케이스(200)에 수납될 수 있다. 즉, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는 상호 간에 기구적, 전기적으로 결합된 상태로 슬라이드 내지 억지 끼움 방식으로 미들 케이스(210)의 내부에 삽입되는 형태로 팩 케이스(200)의 내부에 수납될 수 있다.
상기 원통형 전지셀(110)은 원통 형상의 전지캔 속에 전해액과 전극 조립체를 넣고 상기 전지캔의 상부 개방단에 탑 캡(112)을 결합하여 밀봉한 것일 수 있다. 상기 원통형 전지셀(110)은 양극판과 음극판 사이에 분리막을 개재하고 젤리-롤 형으로 권취한 전극 조립체를 가질 수 있으며, 상기 양극판은 탑 캡과 전기적으로 연결되고 상기 음극판은 전지캔과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서 원통형 전지셀의 경우, 상기 탑 캡이 양극 단자로 기능하고 상기 전지캔이 음극 단자로 기능할 수 있다. 여기서 전지캔은 특정 부분만 음극 단자로 기능하도록 상기 특정 부분을 제외한 부분은 절연 필름 또는 절연 물질로 코팅될 수 처리될 수도 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 팩에서, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는, 상호 간에 원통형 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 두고 서로 마주보는 방향을 향하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 5의 구성을 참조하면, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는, 각 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 배터리 팩의 중앙 부분을 향하고, 각 전지셀(110)의 전지캔의 바닥면(111b)이 배터리 팩의 바깥 부분을 향하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도면에서 좌측(-X방향)에 위치한 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)는, 모든 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 우측을 향하고 전지캔의 바닥면(111b)은 좌측을 향하도록 배치될 수 있다. 그리고, 우측(+X방향)에 위치한 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)는, 모든 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 좌측을 향하고 전지캔의 바닥면(111b)은 우측을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 각 전지셀(110)들의 탑 캡(112)이, 다른 전지셀(l10)의 탑 캡(112)과 가깝게 배치되고, 다른 전지셀(110)의 전지캔의 바닥면(111b)과 멀어질 수 있다. 따라서, 어느 하나의 전지셀(110)로부터 화염이나 고온의 가스가 탑 캡(112) 측에서 분출된 경우, 분출된 화염이나 고온의 가스는 다른 전지셀(110)의 탑 캡(112)을 향하게 되고, 다른 전지셀(110)의 전지캔의 바닥면(111b)에 대해서는 거의 영향을 미치지 않을 수 있다.
상기 원통형 전지셀(110)은 그 구조적 특성상 대부분 이상 발화시, 화염이나 가스가 탑 캡(112) 쪽으로 분출한다. 이때 폭발한 전지셀(110)의 맞은 편에, 다른 전지셀(110)의 전지캔의 바닥면(111b)이 위치해 있는 것보다 다른 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 위치해 있는 경우가 연쇄 발화 가능성이 낮다.
부연하면, 원통형 전지셀(110)에서 탑 캡(112)은 전지캔보다 상대적으로 높은 강성을 가지고 있고, 상기 탑 캡(112) 안쪽에는 벤트 플레이트, 실링재 또는 전류차단장치(CID)등이 배치되어 있어, 전지캔 내부의 전극 조립체와 전해액에 열이나 화염이 전달되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다. 그러나 전지캔에 열과 화염이 직접 닿을 경우, 전지캔의 온도가 급격히 올라가서 내부의 분리막이 녹아 소실되고 이로 인해 양극판과 음극판이 직접 접촉해 쇼트가 일어나 가능성이 매우 높다. 특히, 전지캔의 바닥면은 젤리롤 형태의 전극 조립체의 아랫면에 근접해 있어 해당 부분에 열과 화염이 닿으면 내부로 열이 더욱 빠르게 전달되어 쇼트가 더 쉽게 일어날 수 있다. 따라서 어떤 전지셀(110)에서 화염과 가스가 분출할 경우, 해당 전지셀(110)의 맞은 편에 다른 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 마주하도록 하는 것이 전지캔의 바닥면(111b)과 마주하도록 하는 것보다 전지셀(110)들의 연쇄발화를 방지하는데 휠씬 효과적이라 할 수 있다.
이에 본 발명에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는 상호 간의 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 서로 마주보도록 구성되어 있다.
또한, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는, 상호 간의 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 최소 안전거리 이상 이격되도록 구성될 수 있다. 여기서 상기 최소 안전거리란 전지셀을 과충전하여 폭발시키는 실험을 통해 얻어진 거리로서, 마주하는 전지셀(110)들 중 하나가 폭발시 상대편에 위치한 전지셀(110)이 연쇄발화하지 않을 수 있는 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)와 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 최소한의 이격거리이다. 다만, 상기 최소 안전거리는 배터리 팩의 포함되는 전지셀의 종류, 용량, 제원 등에 따라 조금씩 차이가 있을 수 있다.
예를 들어, 도 5와 같이, 상기 제1 셀 모듈 어셈블리(110A)에서 상기 원통형 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 노출되는 제1 셀 프레임(120A)의 일면과, 상기 제2 셀 모듈 어셈블리(110B)에서 상기 원통형 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 노출되는 제2 셀 프레임(120B)의 일면은, 도 5에 'D1'으로 표시한 것과 같이 적어도 최소 안전거리만큼 이격되도록 구성될 수 있다. 이때 상기 최소 안전거리는 '5 mm'일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 전지셀 1개를 과충전하여 폭발시켰을 때 실험 결과를 나타낸 사진이다.
상기 도 6에서 (a)는 트리거 CMA로 표시한 셀 모듈 어셈블리에 포함된 전지셀 하나가 폭발한 후 2개의 셀 모듈 어셈블리의 상태를 나타낸 것이고, 도 6의 (b),(c)는 각각 2개의 셀 모듈 어셈블리를 분리한 상태를 나타낸 것이다.
최소 안전거리가 5mm 이상으로 세팅하고, 트리거 CMA에 포함된 전지셀 1개를 과충전하여 폭발시킨 실험 결과, 상기 트리거 CMA의 전지셀 1개에서 화염이 분출하더라도, 도 6과 같이, 상대편 CMA의 전지셀은 연쇄 발화하지 않음을 확인할 수 있었다. 하지만, 상기 최소 안전거리가 5mm 미만인 경우, 상대편 CMA의 다른 전지셀의 연쇄발화가 관측되었다. 이러한 실험 결과를 바탕으로, 본 발명의 배터리 팩은 상호 간에 마주보는 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 적어도 5mm 이상의 간격을 유지하도록 구성된 것이라 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 각 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 서로 마주보는 셀 모듈 어셈블리(100) 사이에 연쇄 발화가 일어나는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 더욱이, 이 경우, 종래 배터리 팩에 비해, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B) 사이의 거리가 짧게 형성될 수 있다. 예를 들어, 종래 배터리 팩의 경우, 어느 한 쪽 셀 모듈 어셈블리에 포함된 전지셀을 과충전하여 폭발시키는 실험에서 다른 쪽 셀 모듈 어셈블리에 포함된 전지셀이 연쇄 발화하지 않을 조건으로서, 도 2에서 A3 및 A3'로 표시된 거리가 각각 5mm 이상이어야 했다.
즉, 화염 등에 대한 안전성을 확보하기 위해 방염 시트(30)와 각 셀 모듈 어셈블리(10) 사이의 거리가 5mm 수준 이상 확보될 필요가 있다. 또한, 이 경우, 방염 시트(30) 자체의 두께도 고려해야 한다. 반면, 본원 발명의 경우, 방염 시트(30) 없이 셀 모듈 어셈블리(100) 사이의 거리만 5mm 이상 확보하면 된다. 그러므로, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 종래에 비해 셀 모듈 어셈블리 사이의 거리가 상당 수준, 이를테면 50% 미만으로 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 따르면, 배터리 팩의 사이즈가 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)에 포함된 모든 원통형 전지셀(110)들의 탑 캡(112)이 팩 케이스의 중앙 부분을 배치되고, 전지캔의 바닥면(111b)이 미들 케이스(210)의 벽면과 가깝게 대면하게 배치되어 있다. 이 경우, 원통형 전지셀(110)들의 열이 미들 케이스(310)로 쉽게 방열될 수 있다. 더 나아가 상기 원통형 전지셀(110)들의 바닥면(111b)과 미들 케이스(210) 사이 공간에 열전도성 물질을 배치하여 원통형 전지셀(110)들에서 미들 케이스(210)로 열이 보다 빠르게 빠져나가도록 할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)가 배터리 팩에 포함된 경우, 2개의 방열 패드(170)만으로, 모든 전지셀(110)에 대하여 전지캔의 바닥면(111b)이 팩 케이스(200)와 열적으로 연결되도록 할 수 있다. 그러므로, 이러한 실시 구성에 의하면, 방열 패드(170)의 배치 및 조립이 간단하고, 적은 수의 방열 패드(170)로서 많은 전지셀(110)에 대하여 열전도 효과가 달성되도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실시 구성에 의하면, 방열 패드(170)는 각 전지셀(110)의 전지캔의 바닥면(111b) 측에만 배치되므로, 방열 패드(170)에 의해 탑 캡(112) 측의 벤팅 기능이 저하되는 문제가 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 내부에서 가스나 화염 등이 발생하는 경우, 특정 방향으로 배출되도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 제1 셀 프레임(120A)의 일면과 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 제2 셀 프레임(120B)의 일면은 적어도 최소 안전거리 만큼 떨어져 있어 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)와 제2 셀 모듈 어셈블리(100B) 사이에 빈 공간(S)이 존재한다. 상기 빈 공간(S)은 팩 케이스(200)의 바닥판(231)까지 연통하고, 상기 바닥판(231)에는 벤팅부(233)가 구비될 수 있다. 여기서 팩 케이스(200)의 바닥판(231)은 하부 커버(230)를 의미한다. 그리고 상기 빈 공간(S)의 윗쪽(+Z방향)은 상부 커버(220)에 의해 막히고 상기 빈 공간(S)의 양쪽 사이드(±Y방향)는 미들 케이스(210)의 벽면으로 차폐될 수 있다. 따라서 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)에 포함된 특정 전지셀(110)이 이상 발화하여 탑 캡(112)에서 가스나 화염이 분출될 경우, 가스나 화염이 도 4 및 도 7에서 화살표로 표시된 바와 같이, 팩 케이스(200)의 하부 방향으로 이동하고 상기 벤팅부(233)를 통해 배터리 팩의 하부 방향으로 배출될 수 있다.
이하에서는 보다 구체적으로, 도 4 내지 도 5 및 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 실시예에 따른 배터리 팩의 가스 또는 화염의 배출 경로 구성을 살펴보기로 한다.
도 4 및 도 5와 같이, 팩 케이스(200)의 미들 케이스(210)는 상기 원통형 전지셀(110)의 전지캔의 바닥면(111b)과 마주하며 서로 나란하게 상기 팩 케이스(200)의 길이 방향을 따라 연장되는 제1 벽면(210a)과 제2 벽면(210b) 및 상기 제1 셀 프레임(120A)의 일면과 상기 제2 셀 프레임(120B)의 일면 사이에 형성된 빈 공간(S)의 양쪽 사이드와 소정 거리 떨어져서 상기 빈 공간(S)의 양쪽 사이드를 커버하며 서로 나란하게 상기 팩 케이스(200)의 길이 방향을 따라 연장되는 제3 벽면(210c)과 제4 벽면(210d)을 포함한다.
또한, 도 4와 같이, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)의 셀 프레임(120)은 측면부에 볼록 패턴을 구비하고 있어, 도 5와 같이, 상기 볼록 패턴 부분이 미들 케이스의 제3 벽면(210c)과 제4 벽면(210d)과 접촉하여 상기 빈 공간(S)의 양쪽 사이드와 미들 케이스(210)의 벽면 사이에 갭(Gap)이 형성될 수 있다. 이러한 갭으로 인해 확보된 잉여 공간을 통해 가스나 화염이 미들 케이스(210)의 제3 벽면(210c) 또는 제4 벽면(210d)을 따라 하부 방향으로 이동할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 미들 케이스(210)의 내부에서 하부 커버(230)를 향하는 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)의 하단부를 커버하는 바틈 플레이트(101)를 더 포함한다.
상기 바틈 플레이트(101)는 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)의 하측에 BMS 어셈블리(300)를 용이하게 고정시킬 수 있도록 하는 브라켓과 같은 역할을 한다. 또한, 상기 바틈 플레이트(101)는 미들 케이스(210)의 내부에 고정 결합되어 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)가 하부 커버(230)에 대해 일정 높이에 위치하도록 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)를 지지함으로써 상기 BMS 어셈블리(300)가 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)의 하중을 받지 않도록 한다.
이러한 바틈 플레이트(101)는, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)와 BMS 어셈블리(300) 사이에 배치되고 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)를 안정적으로 지지할 수 있도록 대략 미들 케이스(210)의 단면적과 대응하는 크기의 판상체 형태로 구성될 수 있다. 특히, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 바틈 플레이트(101)는 미들 케이스(210)의 제3 벽면(210c) 및 제4 벽면(210d) 중 적어도 하나와 갭(Gap)을 형성하는 가스 통로부(103)를 구비한다. 따라서 가스나 화염은 미들 케이스의 제3 벽면(210c), 제4 벽면(210d) 또는 팩 케이스(200) 중앙의 빈 공간(S)에서 하부 방향으로 이동하다가 상기 바틈 플레이트(101)에 이르면 상기 가스나 화염의 흐름이 상기 가스 통로부(103)를 통해 제3 벽면(210c) 또는 제4 벽면(210d) 아래 쪽으로 유도될 수 있다.
상기 벤팅부(233)는 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 커버(230)의 바닥판(231)에서 상기 제3 벽면(210c) 또는 상기 제4 벽면(210d)에 가까운 위치에 마련될 수 있다. 본 실시예는 벤팅부(233)가 하나이나, 2개 이상의 벤팅부(233)가 하부 커버(230)의 바닥판(231)에 구성될 수도 있다. 참고로, 본 실시예에 따른 배터리 팩은 바닥판(231)에 외부 장치와의 연결을 위한 외부시스템 접속유닛(235)을 구비한다. 상기 외부시스템 접속유닛(235)에 예컨대 전원 케이블(미도시)을 연결하여 배터리 팩의 전원을 외부장치에 공급할 수 있다. 다만, 상기 외부시스템 접속유닛은 필요에 따라 상부 커버(220) 쪽에 배치되거나 생략될 수도 있다.
보다 구체적으로, 상기 벤팅부(233)는, 도 10의 실시 구성과 같이, 상기 하부 커버(230)의 바닥판(231)에 형성된 관통홀(H1)에 억지끼움 결합되는 벤팅 캡(cap) 형태로 구성될 수 있다. 그리고 상기 벤팅 캡은, 상기 관통홀(H)에 억지끼움 결합되는 캡 바디(233a)와 상기 캡 바디(233a)의 내측에 결합되고 액체에 대해 비투과성을 갖고 기체에 대해 투과성을 갖는 막 구조체(233b)를 포함할 수 있다.
상기 캡 바디(233a)는 중앙이 빈 중공형의 마개 구조이고 분절된 걸림턱을 가져 상기 걸림턱을 오무려 상기 관통홀(H)에 끼워 넣으면, 상기 걸림턱이 다시 벌어져 관통홀(H)에서 이탈하지 않도록 구성될 수 있다. 상기 막 구조체(233b)는 상기 캡 바디(233a)의 중앙에 개재될 수 있다. 상기와 같은 벤팅 캡 구성에 의하면, 평상시 공기가 상기 막 구조체(233b)를 통해 배터리 팩의 내외부로 유입/유출 가능하기 때문에 배터리 팩의 내외부 압력이 평형 상태가 되어 팩 케이스의 변형을 막을 수고, 수분이나 이물질이 배터리 팩에 침투하는 것을 막을 수 있다. 또한, 비상시에는 상기 벤팅 캡을 통해 전지셀(110)들에서 발생한 가스가 외부로 배출될 수 있으며, 나아가 가스와 화염이 심화하면 열과 압력에 의해 상기 막 구조체(233b)가 소실되고 가스와 화염이 배터리 팩의 하부 방향으로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 사용자 등에 대하여 화염에 직접 노출되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 전기 바이크나 전기 자동차 등의 경우, 배터리 사용자, 이를테면 운전자는 배터리 팩의 상부에 위치할 수 있다. 이때, 상기 실시 구성과 같이, 화염 등이 하부 방향으로 배출되도록 하는 경우, 운전자가 화염에 직접 노출되는 것이 방지될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 배터리 팩의 안전성이 향상될 수 있다.
이하에서는, 도 11 내지 도 21을 참조하여 본 발명의 배터리 팩에 포함된 셀 모듈 어셈블리에 대해 보다 자세히 살펴보기로 한다.
본 발명의 배터리 팩에 포함되는 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)와 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)는 주요 구성이 실질적으로 동일하다. 따라서 중복된 설명을 생략하기 위해 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)에 대한 설명으로 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)에 대한 설명을 대체한다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 복수의 원통형 전지셀(110)들, 셀 프레임(120), 버스바 플레이트(130) 및 센싱 유닛(140)을 포함한다.
상기 복수의 전지셀(110)들은, 전술한 바와 같이 전지캔의 상단부에 탑 캡(112)이 결합된 원통형 이차전지들이고 전지 캔의 상단부 즉 탑 캡(112)이 모두 같은 방향을 향하도록 셀 프레임(120)에 수용된다. 상기 전지셀(110)들은 각각 셀 프레임(120) 내부의 셀 홀더(121a)들에 전지 캔의 상단부가 부분적으로 끼워져 홀딩된 상태로 상기 셀 프레임(120) 내부에 기립 배치될 수 있다.
상기 셀 프레임(120)은, 도 13과 같이, 일면이 개방된 대략 사각 박스 형상으로 마련될 수 있다. 이러한 셀 프레임(120)은 상기 전지셀(110)들을 세워서 수납할 수 있는 공간을 형성하는 수용부(121), 상기 전지캔의 상단부 방향에 위치하는 상판부(122), 상기 전지캔의 하단부 방향에 위치하는 개방부(123), 4면의 벽체를 형성하는 측면부(124)를 포함한다.
상기 수용부(121)는 상기 상판부(122)와 측면부(124)로 둘러싸인 셀 프레임(120)의 내부 공간을 의미하며, 상기 전지셀(110)들의 길이(또는 높이)에 대응하는 높이를 갖도록 구성될 수 있다. 다시 말하면 본 실시예의 셀 프레임(120)은 4면의 측면부(124)가 원통형 전지셀(110)의 길이만큼 연장 형성된 형태로 마련될 수 있다.
상기 셀 프레임의 상판부(122)는 단자 연결홀(122a)들을 구비한다. 모든 전지셀(110)들의 전지캔의 상단부는 상기 단자 연결홀(122a)을 통해 상기 셀 프레임의 상판부(122) 외측으로 부분적으로 노출될 수 있다. 즉, 모든 전지셀(110)들이 상기 셀 프레임(120)의 내부에 수용되고 각 전지셀(110)의 탑 캡(112)과 전지 캔의 상단 테두리(111a)가 상기 단자 연결홀(122a)들을 통해 상기 셀 프레임의 상판부(122) 외측으로 부분 노출될 수 있다.
전술한 바 있듯이, 원통형 전지셀의 경우, 탑 캡(112)이 양극 단자로 기능하고 전지캔이 음극 단자로 기능할 수 있다. (참고로, 전지캔을 절연시트로 감싸서 전지캔의 바닥 또는 상단 테두리만 음극 단자로 기능하도록 구성할 수도 있다.) 따라서 상기 각 전지셀(110)의 탑 캡(112) 또는 전지캔의 상단 테두리(111a)를 버스바 플레이트(130)들과 미리 정해진 패턴대로 연결하면 전지셀들이 서로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 여기서 상기 버스바 플레이트(130)는 금속 소재로서 상기 셀 프레임의 상판부(122)의 외측면에 부착할 수 있게 마련될 수 있다. 전지셀(110)들의 전기적 연결 구성에 대한 더 자세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 셀 프레임의 개방부(123)는 상기 셀 프레임의 상판부(122)의 반대편에 구비되고, 도 13과 같이, 외곽 테두리부만 남고 안쪽 영역은 완전히 개방된 형태로 마련된다. 이러한 셀 프레임의 개방부(123)에 의하면, 원통형 전지셀(110)을 삽입하는 조립 공정시, 셀 프레임(120)의 개방부(123)가 상부 방향을 향하도록 하고 셀 삽입 지그(미도시)를 이용해 상기 원통형 전지셀(110)들을 일체로 상기 셀 프레임(120)에 삽입할 수 있다.
또한, 도 14와 같이, 전지캔의 바닥면(111b)이 상기 셀 프레임의 개방부(123)를 향하도록 모든 원통형 전지셀(110)들을 상기 셀 프레임(120)에 삽입함으로써, 모든 전지셀(110)들의 바닥면(111b)이 상기 개방부(123)를 통해 상기 셀 프레임(120)의 외부로 노출될 수 있다. 따라서 이러한 셀 모듈 어셈블리(100)는 상기 전지캔의 바닥면(111b) 쪽으로 전지셀(110)들의 열을 방열시키 위한 방열 구성 또는 방열 구조를 적용하기 용이하다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는 셀 스페이서(150)를 더 포함한다. 상기 셀 스페이서(150)는 셀 프레임(120)에 수납된 전지셀(110)들의 하단부들의 유동을 방지하고 간격을 유지하기 위해 적용된 구성요소이다.
셀 프레임(120)에 수납된 전지셀(110)들은 수용부(121) 내에서 셀 홀더(121a)들에 각 전지 캔의 상단부가 부분적으로 끼워져 홀딩된 상태로 상기 셀 프레임(120) 내부에 기립 배치되고, 각 전지 캔의 하단부는 상기 셀 스페이서(150)에 의해 홀딩될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 셀 스페이서(150)는 절연성 소재이고 상기 셀 프레임의 개방부(123)의 둘레를 형성하는 외곽 테두리부에 착탈 가능한 판상체 형태이며, 도 14와 같이 복수 개의 스페이서 홀(151)을 구비한다. 상기 스페이서 홀(151)은 전지캔의 지름에 대응하는 직경을 가지며 상기 전지 캔의 하단부 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다.
이러한 셀 스페이서(150)를, 도 15와 같이, 셀 프레임의 개방부(123)에 장착함으로써 예컨대 외부 충격이나 진동이 셀 프레임(120)에 인가되어도 전지셀(110)들의 유동을 저지하여 전지 캔들의 하단부들이 상호 간 접촉 내지 충돌하지 않도록 할 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 상기 셀 스페이서(150)와 전지캔의 하단부를 커버하며 상기 셀 프레임(120)의 개방부(123)에 결합되는 열전도성 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 열전도성 부재는 방열 패드(170)와 스크린 플레이트(160)구성될 수 있다. 여기서 스크린 플레이트(160)는 알루미늄 소재이고 상기 전지캔의 바닥면(111b)에 전도성 접착제로 접착 고정될 수 있다.
이러한 열전도성 부재는 (도 5 참조) 셀 모듈 어셈블리(100)와 미들 케이스(210)를 조립한 때 상기 미들 케이스(210)의 벽면과 접촉하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 전지셀(110)의 열이 상기 열전달 부재를 통해 미들 케이스(210)로 효과적으로 방열될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 프레임의 상판부 측을 바라본 도면이고, 도 18은 도 17의 셀 프레임의 상판부 및 측면부 일부분을 도시한 도면이다.
이어서 상기 도 17 내지 도 18을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)에서 상기 셀 프레임의 상판부(122) 및 측면부(124) 쪽에 구비되는 전지셀(110)들의 전기적 연결 구성과, 전압/온도 센싱 구성에 대해 살펴보기로 한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 복수의 버스바 플레이트(130)들은, 셀 프레임(120)의 외측 일면, 다시 말하면, 셀 프레임의 상판부(122)에 배치될 수 있다. 이를테면, 도 17에서 +Z 방향 끝에 양극 버스바 플레이트(130+)가 배치되고, -Z 방향 끝에 음극 버스바 플레이트(130-)가 배치되며, 상기 양극 버스바 플레이트(130+)와 상기 음극 버스바 플레이트(130-) 사이에 ±Z 방향으로 소정 간격마다 버스바 플레이트(130)들이 배치될 수 있다. 또한, 상기 버스바 플레이트(130)들은 셀 프레임의 상판부(122)에 형성되어 있는 단자 연결홀(122a)들의 위치 또는 돌기(122f)들의 위치를 회피하기 위해 직선 또는 지그 재그 형태로 ±Y 방향으로 연장된 형태로 마련될 수 있다.
이러한 복수의 버스바 플레이트(130)들은 단자 연결홀(122a)들을 통해 노출되는 상기 전지셀(110)들의 탑 캡(112) 또는 상기 전지캔의 상단 테두리(111a)와 와이어 본딩되어 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 여기서 와이어 본딩은 금속 와이어(W)의 양단부를 각각 접합 대상물에 초음파로 압착한 것을 의미한다. 다만, 와이어 본딩에는 반드시 초음파가 아니라도 다른 접합 기술, 예컨대 레이저 용접이 적용될 수도 있다.
구체적으로, 도 15에서 'C1'으로 표시한 6개의 전지셀(110)들은, 도 17에 도시된 바와 같이, 탑 캡(112)이 상기 양극 버스바 플레이트(130+)에 와이어 본딩되고, 전지 캔의 상단 테두리(111a)는 상기 양극 버스바 플레이트(130+)와 -Z 방향으로 이웃한 2번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩된다. 그리고 도 15에서 'C2'로 표시한 6개의 전지셀(110)들은, 탑 캡(112)이 상기 두번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩되고, 전지 캔의 상단 테두리(111a)는 -Z방향으로 3번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩된다. 이 같은 패턴으로 전지셀(110)들의 탑 캡(112) 또는 전지 캔의 상단 테두리(111a)를 대응하는 버스바 플레이트(130)들에 와이어 본딩하며, 마지막으로 도 15에서 'C7'로 표시된 마지막 6개의 전지셀(110)들의 전지 캔의 상단 테두리(111a)를 음극 버스바 플레이트(130-)에 와이어 본딩하면, 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들은 7S6P 형태로 직렬 및 병렬 연결될 수 있다. 그리고 상기 양극 버스바 플레이트(130+)는 상기 셀 모듈 어셈블리(100)의 양극 터미널로 기능하고 상기 음극 버스바 플레이트(130-)는 상기 셀 모듈 어셈블리(100)의 음극 터미널로 기능할 수 있다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 유닛(140)은 인쇄회로기판(141), 복수의 센싱 플레이트(142), 온도 센싱부재(143B)를 포함한다. 그리고 상기 센싱 유닛(140)은 전지셀(110)들에 대한 전기적 연결이 전술한 바와 같이 구성된 상기 셀 프레임의 상판부(122)와 교차하는 셀 프레임(120)의 외측 타면에 배치되고 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 전기적으로 연결되어 전지셀(110)들의 전압 정보를 센싱한다.
상기 인쇄회로기판(141)으로는 경성 인쇄회로기판(141)과 연성 인쇄회로기판(141)이 채용될 수 있다. 본 실시예의 셀 모듈 어셈블리(100)는 내구성 강화를 위해 경성 인쇄회로기판(141)을 포함하고, 상기 인쇄회로기판(141)은 전지셀(110)들의 전압 정보 또는 온도 정보를 전송하기 위한 회로 패턴을 구비한다. 또한, 상기 인쇄회로기판(141)은 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 착탈 가능하게 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 18의 실시 구성과 같이, 인쇄회로기판(141)은 버스바 플레이트(130)들이 배치된 셀 프레임의 상판부(122)와 교차하는 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 배치될 수 있다. 이때 상기 인쇄회로기판(141)은 판면이 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 대면하고 상기 인쇄회로기판(141)의 상단 모서리가 상기 셀 프레임의 상판부(122)와 동일 높이에 위치하도록 구성될 수 있다.
이처럼 인쇄회로기판(141)이 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 배치될 수 있게, 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)는 상기 인쇄회로기판(141)을 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)와 나란하게 소정 깊이까지 끼워넣을 수 있고 상기 인쇄회로기판(141)의 판면이 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 밀착되게 상기 인쇄회로기판(141)을 지지하는 기판 거치홀더(127)를 포함한다.
상기 기판 거치홀더(127)는 셀 프레임(120)의 길이 방향(Z 방향)을 따라 소정 간격마다 구비되며, 상기 인쇄회로기판(141)에서 온도 센싱부재(143)나 케이블 커넥터(146)와 간섭되지 않게 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 마련될 수 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은 전지셀(110)들의 각 뱅크(병렬 연결된 전지셀(110)들) 별 전압을 센싱하기 위해 상기 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 연결되는 구성요소이다. 상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은, 상기 버스바 플레이트(130)들과 일대일 대응하는 개수로 구비되고 각각 대응하는 상기 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 연결될 수 있다. 상기 센싱 플레이트(142)들은 니켈(nickel), 구리(Cu), 은(Ag) 등 전기 전도성을 갖는 금속으로 제작될 수도 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은, 적어도 1회 이상 절곡된 구조로 마련되어 일측은 상기 인쇄회로기판(141)에 고정 결합되고 타측은 상기 버스바 플레이트(130)들이 배치된 상기 셀 프레임(120)의 상판부(122)의 표면에 나란하게 배치될 수 있다.
이를테면, 상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은 전기 전도성 금속 소재이고 대략 'ㄱ' 자 내지 'L' 자 형상으로 마련되고, 도 18의 실시 구성과 같이 인쇄회로기판(141)에 결합될 수 있다. 그리고 센싱 플레이트(142)들은 상기 버스바 플레이트(130)들의 일단부와 서로 교번적으로 상기 셀 프레임(120)의 가장자리에 배치될 수 있다. 상기 구성에 의하면, 셀 프레임의 상판부(122)에서 가장자리 안쪽 영역에 넓게 분포한 버스바 플레이트(130)들과 전지셀(110)들을 연결한 와이어 본딩 영역과 간섭되지 않으면서 대응하는 버스바 플레이트(130)의 일단부에 바로 이웃하게 배치할 수 있어 길이가 짧은 금속 와이어(W)로도 얼마든지 센싱 플레이트(142)와 버스바 플레이트(130)를 연결할 수 있다.
또한, 상기 버스바 플레이트(130)와 상기 센싱 플레이트(142)는 2가닥의 금속 와이어(W)로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 금속 와이어(W) 2가닥 중 하나가 단선되어도 전압 센싱이 가능해져 전압 센싱 신뢰성과 내구성이 증대될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀(110)과 버스바 플레이트(130) 또는 센싱 플레이트(142)와 버스바 플레이트(130)를 연결하는 금속 와이어(W)는 지름이 0.12mm~0.8mm 이고, 길이가 5mm~10mm 이고 알루미늄 소재로 마련될 수 있다. 상기와 같은 구성에 의하면, 금속 와이어(W)가 배터리 팩의 외부 단락시 퓨즈로서 동작 가능하다. 예컨대, 본 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는 금속 와이어(W)가 상기와 같이 구성되어 있어 예컨대 47.4A 이상의 전류가 흐를 시 적어도 한 뱅크의 전지셀(110)들의 금속 와이어(W)가 모두 끊어져 셀 모듈 어셈블리(100)에 전류의 흐름이 차단될 수 있다. 한편, 본 발명의 권리범위가 상기 금속 와이어(W)의 지름, 길이, 소재로 제한되는 것은 아님을 밟혀둔다. 상기 금속 와이어(W)는 필요에 따라 지름과 길이가 적절히 선택될 수 있고 그 소재도 구리, 니켈 등과 같은 금속으로 제작될 수도 있다.
한편, 도 17과 도 18을 참조하면, 온도 센싱부재는 길이가 다른 2개의 온도 센싱부재를 포함한다. 상기 2개의 온도 센싱부재 중 상대적으로 길이가 긴 케이블(144a)을 갖는 온도 센싱부재는 셀 모듈 어셈블리(100)의 중심 온도 측정에 사용되는 제1 온도 센싱부재이고, 상대적으로 길이 짧은 케이블(145a)을 포함한 온도 센서는 셀 모듈 어셈블리(100)의 외곽 온도 측정에 사용되는 제2 온도 센싱부재(143B)이다.
배터리 팩은 충방전시 전지셀(110)들에서 발생하는 열을 정확히 감지하고 그에 따라 충방전을 관리하거나 냉각시킬 필요가 있다. 그렇지 못하면 전지셀(110)들의 퇴화 속도가 빨라지고 성능이 저하된다. 따라서 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들의 열 관리를 효과적으로 수행하기 위해서는 상기 전지셀(110)들 중 온도가 가장 높은 전지셀(110)의 온도와 가장 낮은 전지셀(110)의 온도를 정확히 파악할 필요가 있다. 따라서 본 실시예의 셀 모듈 어셈블리(100)는 셀 프레임(120)의 내부에서 온도가 가장 높은 중심 영역에 있는 전지셀(110)의 온도와 셀 프레임의 내부에서 외곽에 있어 온도가 가장 낮은 전지셀의 온도를 측정할 수 있게 구성된다.
이를테면, 제1 온도 센싱부재는 케이블이 회로기판에서 셀 프레임의 상판부 중심 영역에 위치한 온도 센싱홀(122b)까지 연장되고 상기 케이블의 끝단에 결합된 써미스터가 상기 온도 센싱홀(122b)을 통해 해당 위치의 전지셀의 온도를 센싱하도록 구성될 수 있다.
그리고 제2 온도 센싱부재는, 도 18과 같이, 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 관통 형성된 측부 절개공(128)을 통해 외부로 부분 노출되는 전지셀에 닿도록 케이블(145a)과 써미스터(145b)가 구성될 수 있다. 이때 상기 써미스터(145b)는 상기 전지셀(110)의 측부에 열전도성 접착제(미도시)로 접착 고정시킬 수 있다.
상기 구성에 의하면, 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들 중 중심 영역과 외곽 영역에 위치한 전지셀(110)의 온도 측정이 가능하고 뿐만 아니라 제1 및 제2 온도 센싱부재의 조립이 매우 용이하고 간단하게 수행될 수 있다.
이상과 같은 전압 센싱 및 온도 센싱 구성으로 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들의 전압 정보와 온도 정보가 센싱되고, 상기 전압 정보와 온도 정보는 인쇄회로기판(141)에서 케이블 커넥터(146)를 통해 BMS 어셈블리(300)로 전송될 수 있다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리의 조립 전과 후를 도시한 도면들이다.
이어서, 도 19 내지 도 20을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)의 조립 구조에 대해 간력히 설명하기로 한다.
2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는 상호 간의 셀 프레임의 상판부(122)들이 서로 마주하도록 상호 간의 셀 프레임(120)들이 결합될 수 있게 구성될 수 있다. 도 19를 참조하면, 2개의 상기 셀 프레임(120)들 중 어느 하나의 셀 프레임의 상판부(122)는 결합 방향으로 돌출 형성된 하나 이상의 돌기(122f)를 구비하고, 다른 하나의 셀 프레임의 상판부(122)는 결합 방향으로 돌출 형성되고 상기 돌기(122f)를 내측에 끼울 수 있게 마련된 하나 이상의 간격유지 컬럼(122g)을 구비할 수 있다. 즉, 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 셀 프레임의 상판부(122)에 상기 돌기(122f)가 복수 개 구비되고, 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 셀 프레임의 상판부(122)에 상기 간격유지 컬럼(122g)이 상기 돌기(122f)의 개수와 위치에 대응하게 구비될 수 있다.
이 같은 구성으로, 도 20에 도시한 바와 같이, 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 돌기(122f)들이 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 간격유지 컬럼(122g)에 억지끼움 결합되고, 이렇게 결합된 돌기(122f)들과 간격유지 컬럼(122g)에 의해 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)와 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)는 도 20에 표시한 'D1'과 같이 상호 간 일정 간격을 유지하며 상대 유동하지 않게 결합될 수 있다. 따라서 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 셀 프레임의 상판부(122)에 구성된 와이어 본딩 영역과 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 셀 프레임의 상판부(122)에 구성된 와이어 본딩 영역은 서로 접촉하지 않는다. 그리고 상호 간 물리적으로 결합된 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)는 도 11의 인터 커넥션 버스바(180)에 의해 상호 간 직렬 연결될 수 있다. 여기서 상기 인터 커넥션 버스바(180)는 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 양극 버스바 플레이트(130+) 및 상기 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 음극 버스바 플레이트(130-)와 접촉하게 배치되는 금속판 형태로 구성될 수 있다. 이처럼 2개의 셀 모듈 어셈블리가 전기적으로 연결되면, 본 실시예에 따른 배터리 팩은 14S6P 형태로 직렬 및 병렬 연결된 전지셀들을 구비하게 된다.
이어서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 대해 간략히 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은 전술한 실시예에 따른 배터리 팩과 비교할 때, 도 21과 같이, 셀 프레임의 상판부 외면에 도포된 포팅 글루(potting glue, 400)를 더 포함하고 나머지 구성을 전술한 실시예와 동일하다.
상기 포팅 글루(400)는, 예컨대 실리콘 계열의 수지가 채용될 수 있다. 상기 포팅 글루(400)는 상기 셀 프레임의 상판부(122) 외면 뿐아니라, 셀 프레임(120)의 내부에도 채워질 수 있다. 이러한 포팅 글루(400)는 셀 프레임의 상판부에 부분 노출되어 있는 탑 캡(112) 및 전지캔의 상단 테두리(111a)를 덮어 외부로 노출시키지 않게 구성될 수 있다.
즉, 도 21과 같이, 포팅 글루(400)를 적용한 실시 구성에 의하면, 예컨대 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)에 포함된 전지셀(110)이 폭발하여 해당 전지셀(110)의 전극판 조각이나 화염, 스파크 등이 분출되더라도 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 전지셀(110)들의 탑 캡(112)이 포팅 글루(400)로 덮혀 있어 연쇄발화 방지 효과가 더욱 증대될 수 있다. 또한, 상기 포팅 글루(400)로 인해 배터리 팩의 중앙 영역에 가깝게 분포해 있는 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 전기적 연결 구성과 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 전기적 연결 구성 간의 절연성이 더욱 증대될 수 있다. 따라서 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩이, 전술한 실시예에 따른 배터리 팩에 비해 화재 안전성과 전기적 절연성 나아가 전지셀들에 대한 고정성 측면에서 더 개선된 것이라 할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 바이크나 전기 자동차 등과 같은 이동 수단에 적용될 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 장치, 이를테면 전기 바이크나 전기 자동차 에너지 저장 시스템 등은, 본 발명에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우와 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.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (17)

  1. 팩 케이스; 및
    각각, 원통형 전지셀들과 상기 원통형 전지셀들을 수용하는 셀 프레임을 구비하고 일체로 상기 팩 케이스에 수납되는 2개의 셀 모듈 어셈블리;를 포함하고,
    상기 2개의 셀 모듈 어셈블리는, 적어도 미리 결정된 최소 안전거리를 사이에 두고 상호 간에 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 서로 마주보도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 셀 모듈 어셈블리는,
    상호 간에 마주하는 각 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 상기 팩 케이스의 중앙 부분을 배치되고, 각 상기 원통형 전지셀의 전지캔 바닥면이 상기 팩 케이스의 벽면과 마주하도록 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최소 안전거리는 적어도 5mm 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 2개의 셀 모듈 어셈블리는, 제1 셀 모듈 어셈블리와 제2 셀 모듈 어셈블리를 포함하고,
    상기 제1 셀 모듈 어셈블리에서 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 노출되는 제1 셀 프레임의 일면과, 상기 제2 셀 모듈 어셈블리에서 상기 원통형 전지셀의 탑 캡이 노출되는 제2 셀 프레임의 일면은 적어도 상기 최소 안전거리만큼 이격되고,
    상기 제1 셀 프레임의 일면과 상기 제2 셀 프레임의 일면 사이에 형성되는 빈 공간은, 상기 팩 케이스에서 바닥판과 연통하고 상기 바닥판에는 벤팅부가 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상단과 하단이 개방된 중공 구조로 마련되고 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리의 둘레를 에워싸는 미들 케이스;
    상기 미들 케이스의 상단 개방부를 커버하는 상부 커버; 및
    상기 미들 케이스의 하단 개방부를 커버하는 하부 커버를 포함하고,
    상기 하부 커버는 상기 바닥판과 상기 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미들 케이스는,
    상기 원통형 전지셀의 전지캔의 바닥면과 마주하며 서로 나란하게 상기 팩 케이스의 길이 방향을 따라 연장되는 제1 벽면과 제2 벽면; 및
    상기 제1 셀 프레임의 일면과 상기 제2 셀 프레임의 일면 사이에 형성된 빈공간의 양쪽 사이드와 소정 거리 떨어져서 상기 빈 공간의 양쪽 사이드를 커버하며 서로 나란하게 상기 팩 케이스의 길이 방향을 따라 연장되는 제3 벽면과 제4 벽면을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미들 케이스의 내부에 결합되어, 상기 하부 커버를 향하는 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리의 하단부는 커버하며 지지하는 바틈 플레이트를 포함하고,
    상기 바틈 플레이트는 상기 제3 벽면 및 상기 제4 벽면 중 적어도 하나와 갭(gap)을 형성하는 가스 통로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 벤팅부는, 상기 바닥판에 형성된 관통홀에 억지끼움 결합되는 벤팅 캡(cap)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅 캡은, 상기 관통홀에 억지끼움 결합되는 캡 바디;와 상기 캡 바디에 내측에 결합되고 액체에 대해 비투과성을 갖고 기체에 대해 투과성을 갖는 막 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 전지셀은, 탑 캡이 모두 같은 방향을 향하도록 상기 셀 프레임에 수납된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 셀 프레임은, 일면이 개방되게 마련되고
    상기 전지셀들을 세워서 수납할 수 있는 공간을 형성하며 상기 전지셀들의 길이에 대응하는 높이를 갖도록 마련된 수용부;
    상기 전지셀의 탑 캡 방향을 커버하는 상판부; 및
    상기 상판부의 반대면으로 상기 전지셀의 전지캔의 바닥면을 노출시키는 개방부를 포함하고,
    상기 상판부는 상기 전지셀의 탑 캡 또는 상기 전지셀의 전지캔의 상단 테두리를 부분적으로 노출시키는 단자 연결홀들을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 셀 프레임의 상판부의 외면에 금속 재질의 버스바 플레이트들이 부착되고,
    상기 버스바 플레이트들은,
    상기 단자 연결홀들을 통해 노출된 각 상기 전지셀들의 상기 탑 캡 또는 상기 전지캔의 상단 테두리와 와이어 본딩된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전지캔의 하단부 둘레의 전부 또는 일부를 감싸며 상기 셀 프레임의 개방부에 결합되는 셀 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    일측은 상기 전지캔의 바닥면과 접촉하고 타측은 상기 팩 케이스의 벽면과 접촉하는 열전도성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 셀 프레임의 상판부 외면에 포팅 글루(potting glue)가 도포되어 상기 탑 캡 및 상기 전지캔의 상단 테두리가 상기 포팅 글루로 덮힌 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 바이크.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
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