WO2025023671A1 - 배터리 셀 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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김관우
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery cell assembly and a battery pack including the battery cell assembly.
  • Secondary batteries unlike primary batteries, can be charged and discharged multiple times. Secondary batteries are widely used as energy sources for various wireless devices such as handsets, laptops, and wireless vacuum cleaners. As secondary batteries are applied to mobility fields such as BEVs (battery electric vehicles), research is being conducted to increase the battery capacity and energy density of secondary batteries, as well as to reduce damage caused by heat generation in secondary batteries to increase the reliability of secondary batteries.
  • BEVs battery electric vehicles
  • the technical problem to be solved by the present invention relates to a battery cell assembly and a battery pack including the battery cell assembly.
  • the technical idea of the present invention provides a battery cell assembly including a cell block including a plurality of battery cells; a bus bar connected to electrode leads of the cell block; a bus bar frame having the bus bar mounted thereon and having an accommodation space accommodating a portion of the bus bar; and a thermally conductive filler material at least partially filling the accommodation space of the bus bar frame and in contact with the bus bar.
  • the device further comprises a cooling plate disposed on the cell block and in contact with the thermally conductive filler.
  • the busbar frame includes a slit at a lower side of the receiving space and an opening at an upper side of the receiving space, the busbar is inserted into the receiving space of the busbar frame through the slit of the busbar frame, and the first portion of the cooling plate is inserted into the receiving space of the busbar frame through the opening of the busbar frame.
  • At least a portion of the first portion of the cooling plate is characterized by being embedded in the thermally conductive filler.
  • the cooling plate is coupled to an upper surface of the cell block, and the busbar frame is coupled to one side of the cell block.
  • the cell block further comprises another busbar connected to another electrode lead, wherein the thermally conductive filler is characterized in that it is in contact with the other busbar.
  • the thermally conductive filler is characterized by including: a first material layer including silicon; and a second material layer laminated on the first material layer and including a thermally conductive resin.
  • the busbar is characterized as being an inter-busbar connecting different electrode leads of the cell block or a terminal busbar electrically connected to an external electrical device.
  • a battery pack including: a pack housing; and a plurality of battery cell assemblies mounted on the pack housing and arranged in a first direction; wherein each of the plurality of battery cell assemblies includes: a cell block including a plurality of battery cells; a cooling plate on the cell block; a plurality of bus bars connected to different electrode leads of the cell block; a bus bar frame including a lower portion on which the plurality of bus bars are mounted and an upper portion having a receiving space for receiving a portion of each of the plurality of bus bars and a first portion of the cooling plate; and a thermally conductive filler that at least partially fills the receiving space of the bus bar frame and is configured to contact the plurality of bus bars and the cooling plate to thermally couple the plurality of bus bars to the cooling plate.
  • the busbar frame includes a plurality of slits on a lower side of the receiving space and an opening on an upper side of the receiving space, the plurality of busbars are each inserted into the receiving space of the busbar frame through a corresponding slit among the plurality of slits, and the first portion of the cooling plate is inserted into the receiving space of the busbar frame through the opening of the busbar frame.
  • the plurality of bus bars are arranged in a first direction, and the first portion of the cooling plate is characterized in that it extends continuously in the first direction and is in continuous contact with the thermally conductive filler.
  • the cooling plate is coupled to an upper surface of the cell block, and the busbar frame is coupled to one side of the cell block.
  • the device comprises a lower housing for accommodating the plurality of battery cell assemblies; and a top plate coupled to the lower housing to cover the plurality of battery cell assemblies, wherein the plurality of battery cell assemblies are supported by being suspended from the top plate.
  • the plurality of battery cell assemblies are spaced apart from the bottom wall of the lower housing, and a space is formed between each of the plurality of battery cell assemblies and the bottom wall of the lower housing.
  • the plurality of battery cell assemblies are each characterized by including a cell block in which pouch-type battery cells are stacked.
  • the busbars are thermally coupled to the cooling plate through a thermally conductive filler, thereby improving the cooling efficiency of the busbars. Accordingly, thermal damage to the busbars can be prevented, and the reliability of the battery cell assembly can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a battery cell assembly according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view showing a portion of a configuration of a battery cell assembly according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a portion of a battery cell assembly according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing a portion of a battery cell assembly according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a portion of a battery cell assembly according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a battery pack according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an electric vehicle equipped with a battery pack according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIGS. 1 to 4 are drawings showing a battery cell assembly (100) according to exemplary embodiments of the present invention, wherein FIG. 1 is a perspective view showing a battery cell assembly (100), FIG. 2 is a side view showing a part of the configuration of the battery cell assembly (100), FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the configuration of the battery cell assembly (100), and FIG. 4 is a plan view showing a part of the configuration of the battery cell assembly (100).
  • a battery cell assembly (100) may include a cell block (110), a case (120) having a cooling plate (121), a bus bar (130), a bus bar frame (140), and a thermally conductive filler (150).
  • the cell block (110) may include a plurality of battery cells (111).
  • Each battery cell (111) is a basic unit of a lithium ion battery, i.e., a secondary battery.
  • Each battery cell (111) may include an electrode assembly, an electrolyte, and a case.
  • the electrode assembly built into the case may include a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode.
  • the electrode assembly may be either a jelly-roll type or a stack type depending on the assembly form.
  • the jelly-roll type electrode assembly may include a winding structure of the cathode, the anode, and the separator interposed therebetween.
  • the stack type electrode assembly may include a plurality of sequentially stacked cathodes, a plurality of cathodes, and a plurality of separators interposed therebetween.
  • the cathode may include a cathode current collector and a cathode active material.
  • the anode may include a cathode current collector and an anode active material.
  • a plurality of battery cells (111) may be connected in series and/or in parallel.
  • a plurality of battery cells (111) may be connected in series with each other.
  • a plurality of battery cells (111) may also be connected in parallel with each other.
  • a set of two or more battery cells (111) connected in parallel with each other is defined as a bank
  • one bank composed of two or more battery cells (111) connected in parallel with each other and another bank composed of two or more battery cells (111) connected in parallel with each other may be connected in series.
  • An individual battery cell (111) may correspond to a pouch-type battery cell, a cylindrical battery cell, or a square battery cell.
  • the electrode assembly of the pouch-type battery cell is housed in a pouch case including an aluminum laminate sheet.
  • the electrode assembly of the cylindrical battery cell is housed in a cylindrical metal can.
  • the electrode assembly of the square battery cell is housed in a square metal can.
  • the battery cell assembly (100) may be a battery module having a module case surrounding the upper, lower, left, and right sides of the cell block (110), or may be a device having a form in which part or all of the module case is removed.
  • each battery cell (111) corresponds to a pouch-type battery cell, and a plurality of battery cells (111) in one battery cell assembly (100) may be stacked one on another in a first direction (X direction).
  • the plurality of battery cells (111) correspond to pouch-type battery cells, each of which has a length along the first direction (X direction) smaller than a length along the second direction (Y direction), and the plurality of battery cells (111) may be stacked in the first direction (X direction).
  • an individual battery cell assembly (100) may include a single cell block (110).
  • an individual battery cell assembly (100) may include a plurality of sub-cell blocks arranged in a second direction (Y-direction), and each of the plurality of sub-cell blocks may include a plurality of battery cells (111) stacked in a first direction (X-direction).
  • an individual battery cell assembly (100) may include two sub-cell blocks arranged in the second direction (Y-direction).
  • the cell block (110) When viewed from a plane, the cell block (110) may have a rectangular shape.
  • the cell block (110) may have first and second sides that are opposite to each other in a first direction (X direction), front and back sides that are opposite to each other in a second direction (Y direction), and upper and lower surfaces that are opposite to each other in a third direction (Z direction).
  • the busbar frame (140) may be arranged on the front and rear sides of the cell block (110), respectively.
  • a plurality of busbars (130) may be mounted on the busbar frame (140) on the front side of the cell block (110), and a plurality of busbars (130) may be mounted on the busbar frame (140) on the rear side of the cell block (110).
  • the busbar frame (140) may support electrode leads (119) of the cell block (110).
  • the electrode leads (119) may include a positive lead and a negative lead provided on each of a plurality of battery cells (see 111 of FIG. 6).
  • the battery cell assembly (100) may include end plates (171) for covering the busbar frame (140) on the front side of the cell block (110) and the busbar frame (140) on the rear side of the cell block (110).
  • the busbar frame (140) may include an insulating material.
  • the busbar frame (140) may include a foamable refractory paint.
  • the foamable refractory paint may include a dry coating layer that foams when exposed to heat.
  • An insulating layer e.g., a carbon layer having a volume several tens of times that of the dry coating layer may be formed by foaming the dry coating layer.
  • the insulating layer may delay heat transfer to a protected object (e.g., a plurality of battery cells (111)) for a certain period of time.
  • the busbar (130) may be connected to the electrode lead (119) of the battery cell (111).
  • the busbar (130) may be connected to the electrode lead (119) of the battery cell (111) by welding.
  • the individual busbar (130) may be connected to the electrode leads (119) connected to different battery cells (111) belonging to the cell block (110), and may be an inter-busbar for electrically connecting different battery cells (111).
  • the individual busbar (130) may be a terminal-busbar for electrically connecting the battery cell assembly (100) with other external electrical devices.
  • the case (120) can accommodate the cell block (110).
  • the case (120) can surround the first side, the second side, and the top surface of the cell block (110).
  • the case (120) can include side walls for covering the first side and the second side of the cell block (110), and a top wall for covering the top surface of the cell block (110).
  • the case (120) can be coupled to busbar frames (140) on the front and rear surfaces of the cell block (110).
  • the case (120) may include a cooling plate (121) forming an upper wall of the cell block (110).
  • the cooling plate (121) may be attached to an upper surface of the cell block (110) and may be thermally coupled to the cell block (110).
  • the cooling plate (121) may be attached to an upper surface of the cell block (110) through a thermal interface material (TIM) layer.
  • the cooling plate (121) may have a cooling channel (1211) configured to allow a cooling fluid to flow.
  • a cooling fluid provided from the outside of the battery cell assembly (100) may flow into the cooling channel (1211) through an inlet of the cooling channel (1211), flow along the cooling channel (1211), and then flow out to the outside through an outlet of the cooling channel (1211). Cooling of the battery cell assembly (100) can be performed while the cooling fluid flows along the cooling channel (1211).
  • the cooling plate (121) can be manufactured by bonding two plates, and the cooling channel (1211) can include a space defined between the two plates.
  • the busbar frame (140) may include a lower portion (141) on which busbars (130) are mounted, and an upper portion (145) having a receiving space (1451) in which a portion of each of the busbars (130) is received.
  • the upper portion (145) of the busbar frame (140) may be closer to the cooling plate (121) than the lower portion (141).
  • the upper portion (145) of the busbar frame (140) and the lower portion (141) of the busbar frame (140) may form an integral body.
  • Slits (1453) may be provided at the lower side of the receiving space (1451) of the busbar frame (140), and an opening (1452) may be provided at the upper side of the receiving space (1451) of the busbar frame (140).
  • the receiving space (1451) of the busbar frame (140) may be in communication with the slits (1453) and the opening (1452).
  • Each of the slits (1453) of the busbar frame (140) may provide a passage through which one busbar (130) passes. When viewed in a plan view, one slit (1453) may have a substantially similar dimension to one busbar (130).
  • Each busbar (130) is inserted into a corresponding slit (1453), and an upper portion of each busbar (130) may be received within the receiving space (1451) of the busbar frame (140).
  • a first portion (1213) of the cooling plate (121) can extend into an accommodation space (1451) of the busbar frame (140) through an opening (1452) of the busbar frame (140).
  • the busbars (130) can be arranged in a first direction (X-direction), and the first portion (1213) of the cooling plate (121) can extend linearly and continuously in the first direction (X-direction).
  • a part of the first portion (1213) of the cooling plate (121) can be embedded in a thermally conductive filler (150).
  • the first portion (1213) of the cooling plate (121) can continuously contact the thermally conductive filler (150) in the first direction (X-direction).
  • the first portion (1213) of the cooling plate (121) may extend obliquely from a portion of the cooling plate (121) facing the upper surface of the cell block (110).
  • the first portion (1213) of the cooling plate (121) may include a portion that is bent downward from a portion of the cooling plate (121) facing the upper surface of the cell block (110) or a portion of the cooling plate (121) that is in contact with the uppermost end of the busbar frame (140).
  • a thermally conductive filler (150) may be provided within the receiving space (1451) of the busbar frame (140).
  • the thermally conductive filler (150) may at least partially fill the receiving space (1451) of the busbar frame (140).
  • the thermally conductive filler (150) may be thermally conductive but electrically insulator.
  • the thermally conductive filler (150) may include a thermally conductive resin.
  • the thermally conductive filler (150) may include a single material layer or a plurality of material layers.
  • the thermally conductive filler (150) may also be referred to as a thermally conductive material layer.
  • the thermally conductive filler (150) can be configured to thermally couple the busbars (130) to the cooling plate (121).
  • the thermally conductive filler (150) can contact the busbars (130) inserted into the receiving space (1451) of the busbar frame (140) through the slits (1453) of the busbar frame (140), and can also contact the first portion (1213) of the cooling plate (121) inserted into the receiving space (1451) of the busbar frame (140) through the openings (1452) of the busbar frame (140).
  • the thermally conductive filler (150) can provide a thermal conduction path for thermally connecting each of the busbars (130) to the cooling plate (121).
  • the busbars (130) are thermally coupled to the cooling plate (121) through the thermally conductive filler (150), thereby improving the cooling efficiency of the busbars (130). Accordingly, thermal damage to the busbars (130) can be prevented, and the reliability of the battery cell assembly (100) can be improved.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a portion of a battery cell assembly (100A) according to exemplary embodiments of the present invention.
  • the battery cell assembly (100A) shown in FIG. 5 will be described with a focus on differences from the battery cell assembly (100) described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • the thermally conductive filler (150A) may include a first material layer (151) and a second material layer (152) laminated on the first material layer (151).
  • the first material layer (151) and the second material layer (152) may include different materials.
  • the first material layer (151) may include silicone and may function as a sealing layer for sealing a bottom portion of the receiving space (1451) of the busbar frame (140).
  • the second material layer (152) may include a thermally conductive resin and may provide a thermally conductive path for thermally coupling each of the busbars (130) to the cooling plate (121).
  • Fig. 6 is a cross-sectional view showing a battery pack (500) according to exemplary embodiments of the present invention.
  • a battery pack 500
  • a battery pack (500) may include a pack housing (510) and a plurality of battery cell assemblies (100) mounted on the pack housing (510).
  • a plurality of battery cell assemblies (100) may be mounted in the pack housing (510) so as to be arranged in a first direction (X direction).
  • the battery pack (500) is exemplified as including two battery cell assemblies (100) arranged in the first direction (X direction), but is not limited thereto.
  • the battery pack (500) may include three or more battery cell assemblies (100) arranged in the first direction (X direction).
  • the pack housing (510) may include a lower housing (511) having an accommodation space in which a plurality of battery cell assemblies (100) are accommodated, and a top plate (515) coupled on the lower housing (511) to cover the lower housing (511) in which the plurality of battery cell assemblies (100) are accommodated.
  • the accommodation space of the lower housing (511) may be defined by a bottom wall facing a bottom surface of a cell block (110) of an individual battery cell assembly (100), and a side wall positioned on a periphery of the bottom wall.
  • the top plate (515) is a pack lid that covers the plurality of battery cell assemblies (100).
  • a plurality of battery cell assemblies (100) may be fastened and supported to corresponding support blocks (5111) among the support blocks (5111) of the lower housing (511), respectively.
  • a fastening portion (127) of the case (120) is provided on one side of each battery cell assembly (100), and the fastening portion (127) may be fastened and supported to corresponding support blocks (5111) among the support blocks (5111) of the lower housing (511) through a fastening member such as a bolt (BT).
  • a plurality of battery cell assemblies (100) may each be suspended and supported from a top plate (515). Individual battery cell assemblies (100) may be coupled to a lower surface of the top plate (515).
  • a free volume may be provided between the lower surface of each battery cell assembly (100) and the bottom wall of the lower housing (511).
  • the free volume (FV) may be understood as a space formed by the bottom wall of the lower housing (511) and each battery cell assembly (100) being spaced apart from each other.
  • the present invention is an inverted support structure in which individual battery cell assemblies (100) are suspended and supported from a top plate (515).
  • a free volume (FV) is provided between the bottom of the battery pack (500) (i.e., the bottom wall of the lower housing (511)) and the individual battery cell assemblies (100).
  • FV free volume
  • gas and flame generated in a thermal runaway situation can move.
  • the free volume (FV) becomes a venting passage through which high-temperature gas and flame can move.
  • the free volume (FV) has an empty space between each of the plurality of battery cell assemblies (100) and the lower housing (511), and when the lower housing (511) is deformed toward the battery cell assembly (100) due to an impact applied to the lower part of the vehicle, the free volume (FV) can be utilized as a space to freely allow the deformation of the lower housing (511) to a certain extent. Another structure may not be installed in the free volume (FV).
  • a structure that supports the battery cell assembly (100), etc. may be installed partially within the free volume (FV).
  • a space sufficient to allow deformation of the lower housing (511) must be provided between the battery cell assembly (100) and the lower housing (511).
  • the height of the free volume (FV) and the distance between the bottom wall of the lower housing (511) and the battery cell assembly (100) can be set sufficiently to absorb external impact.
  • the height of the free volume (FV) can be determined in consideration of the dimensions and rigidity of the vehicle frame, the dimensions and rigidity of the lower housing (511), the dimensions of the battery pack (500), the amount of gas generated and the discharge speed during thermal runaway, etc. For example, when the thickness or rigidity of the bottom wall of the vehicle frame or the lower housing (511) is relatively large, at least one of the size and height of the free volume (FV) can be relatively reduced.
  • the thickness or rigidity of the bottom wall of the vehicle frame or the lower housing (511) is relatively small, the possibility of deformation of the bottom wall of the lower housing (511) is large, and therefore, in order to protect the battery cell assembly (100), at least one of the size and height of the free volume (FV) can be relatively increased.
  • the size of the battery pack (500) is relatively large in terms of the battery pack (500) specifications, a relatively large free volume (FV) can be secured.
  • the height of the free volume (FV) that can be secured may be relatively small, and the thickness and rigidity of the bottom wall of the lower housing (511) may need to be relatively increased.
  • the size and height of the free volume (FV) can be determined by considering the amount of gas generated and the discharge speed.
  • the maximum height of the free volume (FV) may be determined according to the degree of damage to the battery cell (111) included in the battery cell assembly (100). For example, if the damage tolerance of the battery cell (111) is 1 mm, the free volume (FV) may be determined so that the battery cell (111) is not deformed more than 1 mm when the lower housing (511) is deformed and presses the lower surface of the battery cell (111). In this case, the deformation amount of the lower housing (511) may vary depending on the thickness or rigidity of the lower housing (511). Therefore, the size or height of the free volume (FV) may be determined by considering both the damage tolerance of the battery cell (111) and the thickness and rigidity of the lower housing (511).
  • each battery cell assembly (100) may be closely coupled with the lower surface of the top plate (515). If there is a space between the battery cell assembly (100) and the top plate (515), high-temperature gas may be introduced into the space between one battery cell assembly (100) and the top plate (515) during thermal runaway, and heat and flame may be transmitted to another adjacent battery cell assembly (100). In addition, heat and flame may be transmitted to the top plate (515), and there is a concern that the cabin room located above the top plate (515) may be affected. Therefore, by closely coupling the upper surface of each battery cell assembly (100) and the lower surface of the top plate (515), gas or flame generated inside the battery pack (500) may be guided to the free volume (FV).
  • FV free volume
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an electric vehicle (1000) equipped with a battery pack (1100) according to exemplary embodiments of the present invention.
  • the battery pack (1100) may include, for example, the battery pack (500) described with reference to Fig. 6.
  • the battery cell assemblies are installed at the bottom of the housing of the battery pack.
  • the battery cell assemblies (100) of the battery pack (1100) have a structure in which they are suspended and supported from the top plate (1120) of the housing. That is, since there is no space between the battery cell assembly (100) and the top plate (1120), the gas generated from the battery cell assembly (100) can be prevented from being transmitted to the cabin room on the upper part of the vehicle. The gas is guided to the free volume (see FV of FIG. 6) provided at the lower side of the housing of the battery cell assembly (100) and the battery pack (1100).
  • the gas can flow through the free volume (FV) and be discharged to the lower side of the vehicle through the gas exhaust unit installed in the battery pack (1100).
  • a free volume (FV) is provided between the battery cell assembly (100) and the housing within the battery pack (1100), the battery cell assembly (100) can be prevented from being damaged even if the housing is deformed.
  • the battery pack (1100) and the electric vehicle (1000) equipped therewith can enhance passenger safety.
  • the battery cell assembly (100), which is a core component can be protected, and the durability of the battery pack (1100) and the electric vehicle (1000) can be improved.

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 블록; 상기 셀 블록의 전극 리드에 연결된 버스바; 상기 버스바가 탑재되고, 상기 버스바의 일부를 수용하는 수용 공간을 가진 버스바 프레임; 및 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간을 적어도 부분적으로 채우고, 상기 버스바에 접촉된 열전도성 충전재;를 포함하는 배터리 셀 어셈블리를 제공한다.

Description

배터리 셀 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩
본 발명은 배터리 셀 어셈블리 및 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2023.7.24 자 대한민국 특허출원 제10-2023-0095852호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
이차 전지는 일차 전지와 달리 복수번의 충방전이 가능하다. 이차 전지는 핸드셋, 노트북, 무선 청소기 등의 다양한 무선 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 이차전지가 BEV(battery electric vehicle)와 같은 모빌리티 분야에 적용되면서, 이차전지의 전지 용량 및 에너지 밀도를 높이기 위한 연구와 함께, 이차전지의 발열로 인한 손상을 줄여 이차전지의 신뢰성을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배터리 셀 어셈블리 및 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 블록; 상기 셀 블록의 전극 리드에 연결된 버스바; 상기 버스바가 탑재되고, 상기 버스바의 일부를 수용하는 수용 공간을 가진 버스바 프레임; 및 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간을 적어도 부분적으로 채우고, 상기 버스바에 접촉된 열전도성 충전재;를 포함하는 배터리 셀 어셈블리를 제공한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 셀 블록 상에 있고 상기 열전도성 충전재에 접촉된 냉각 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 버스바 프레임은 상기 수용 공간의 하측에 있는 슬릿 및 상기 수용 공간의 상측에 있는 개구를 포함하고, 상기 버스바는 상기 버스바 프레임의 상기 슬릿을 통해 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간으로 삽입되고, 상기 냉각 플레이트의 제1 부분은 상기 버스바 프레임의 상기 개구를 통해 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간으로 삽입된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 냉각 플레이트의 상기 제1 부분의 적어도 일부는 상기 열전도성 충전재에 매립된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 냉각 플레이트는 상기 셀 블록의 상면에 결합되고, 상기 버스바 프레임은 상기 셀 블록의 일 측에 결합된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 셀 블록의 다른 전극 리드에 연결된 다른 버스바를 더 포함하고, 상기 열전도성 충전재는 상기 다른 버스바에 접촉된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 열전도성 충전재는, 실리콘을 포함하는 제1 물질층; 및 상기 제1 물질층 상에 적층되고 열전도성 수지를 포함하는 제2 물질층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 버스바는 상기 셀 블록의 서로 다른 전극 리드들을 연결하는 인터-버스바 또는 외부의 전기디바이스에 전기적으로 연결된 터미널 버스바인 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 팩 하우징; 및 상기 팩 하우징에 탑재되고, 제1 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀 어셈블리;를 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 각각, 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 블록; 상기 셀 블록 상의 냉각 플레이트; 상기 셀 블록의 서로 다른 전극 리드들에 연결된 복수의 버스바; 상기 복수의 버스바가 탑재되는 하부와, 상기 복수의 버스바 각각의 일부 및 상기 냉각 플레이트의 제1 부분을 수용하는 수용 공간을 가진 상부를 포함하는 버스바 프레임; 및 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간을 적어도 부분적으로 채우고, 상기 복수의 버스바 및 상기 냉각 플레이트에 접촉되어 상기 복수의 버스바를 상기 냉각 플레이트에 열적으로 결합시키도록 구성된 열전도성 충전재;를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 버스바 프레임은 상기 수용 공간의 하측에 있는 복수의 슬릿 및 상기 수용 공간의 상측에 있는 개구를 포함하고, 상기 복수의 버스바는 각각 상기 복수의 슬릿 중 대응된 슬릿을 통해 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간으로 삽입되고, 상기 냉각 플레이트의 상기 제1 부분은 상기 버스바 프레임의 상기 개구를 통해 상기 버스바 프레임의 수용 공간으로 삽입된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 복수의 버스바는 제1 방향으로 배열되고, 상기 냉각 플레이트의 상기 제1 부분은 상기 제1 방향으로 연속적으로 연장되고 상기 열전도성 충전재에 연속적으로 접촉된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 냉각 플레이트는 상기 셀 블록의 상면에 결합되고, 상기 버스바 프레임은 상기 셀 블록의 일 측에 결합된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리를 수용하는 하부 하우징; 및 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리를 덮도록 상기 하부 하우징 상에 결합된 탑 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 상기 탑 플레이트에 매달려 지지된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 상기 하부 하우징의 바닥벽으로부터 이격되고, 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리 각각과 상기 하부 하우징의 바닥벽 사이에 공간이 형성된 것을 특징으로 한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 각각 파우치 형 배터리 셀이 적층된 셀 블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 의하면, 버스바들은 열전도성 충전재를 통해 냉각 플레이트에 열적으로 결합되므로, 버스바들에 대한 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 버스바들의 열적 손상을 방지할 수 있고, 배터리 셀 어셈블리의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 다른 효과들은 이하의 설명으로부터 본 개시의 예시적인 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적인 실시예들을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 개시의 예시적인 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 셀 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 셀 어셈블리의 일부 구성을 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 셀 어셈블리의 일부 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 셀 어셈블리의 일부 구성을 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 셀 어셈블리의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩이 장착된 전기자동차를 나타내는 개략도이다.
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 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(제1 실시예)
도 1 내지 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 셀 어셈블리(100)를 나타내는 도면들로서, 도 1은 배터리 셀 어셈블리(100)를 나타내는 사시도이고, 도 2는 배터리 셀 어셈블리(100)의 일부 구성을 나타내는 측면도이고, 도 3은 배터리 셀 어셈블리(100)의 일부 구성을 나타내는 단면도이고, 도 4는 배터리 셀 어셈블리(100)의 일부 구성을 나타내는 평면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 배터리 셀 어셈블리(100)는 셀 블록(110), 냉각 플레이트(121)를 가진 케이스(120), 버스바(130), 버스바 프레임(140), 및 열전도성 충전재(150)를 포함할 수 있다.
셀 블록(110)은 복수의 배터리 셀(111)을 포함할 수 있다. 개개의 배터리 셀(111)은 리튬 이온 배터리, 즉 이차 전지의 기본 단위이다. 개개의 배터리 셀(111)은 전극 어셈블리, 전해액 및 케이스를 포함할 수 있다. 상기 케이스에 내장되는 전극 어셈블리는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함할 수 있다. 전극 어셈블리는 조립 형태에 따라 젤리-롤 타입 및 스택 타입 중 어느 하나일 수 있다. 젤리 롤 타입의 전극 어셈블리는 양극, 음극 및 그들 사이에 개재된 분리막의 권취 구조를 포함할 수 있다. 스택 타입의 전극 어셈블리는 순차로 적층된 복수의 양극들, 복수의 음극들 및 그들 사이에 개재된 복수의 분리막들을 포함할 수 있다. 양극은 양극 집전체 및 양극 활물질을 포함할 수 있다. 음극은 음극 집전체 및 음극 활물질을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 셀(111)은 직렬/및 또는 병렬로 연결될 수 있다. 일 예로, 복수의 배터리 셀(111)은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 일 예로, 복수의 배터리 셀(111)은 서로 병렬로 연결될 수도 있다. 일 예로, 서로 병렬로 연결된 2 이상의 배터리 셀(111)의 집합을 뱅크(bank)로 정의할 때, 서로 병렬로 연결된 2 이상의 배터리 셀(111)로 이루어진 하나의 뱅크와 서로 병렬로 연결된 2 이상의 배터리 셀(111)로 이루어진 다른 뱅크는 직렬로 연결될 수 있다.
개개의 배터리 셀(111)은 파우치 형 배터리 셀, 원통형 배터리 셀, 또는 각형 배터리 셀에 해당할 수 있다. 파우치 형 배터리 셀의 전극 어셈블리는 알루미늄 라미네이트 시트를 포함하는 파우치 케이스에 내장된다. 원통형 배터리 셀의 전극 어셈블리는 원통형 금속 캔에 내장된다. 각형 배터리 셀의 전극 어셈블리는 각형 금속 캔에 내장된다. 예시적인 실시예들에서, 배터리 셀 어셈블리(100)는 셀 블록(110)의 상하좌우면을 둘러싸는 모듈 케이스를 구비한 배터리 모듈이거나, 또는 상기 모듈 케이스의 일부 또는 전체가 제거된 형태를 가진 디바이스일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 개개의 배터리 셀(111)은 파우치 형 배터리 셀에 해당하며, 하나의 배터리 셀 어셈블리(100) 내에서 복수의 배터리 셀(111)은 제1 방향(X방향)으로 상호 적층될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)에서, 복수의 배터리 셀(111)은 각각 제1 방향(X방향)에 따른 길이가 제2 방향(Y방향)에 따른 길이보다 작은 파우치 형 배터리 셀에 해당하고, 복수의 배터리 셀(111)은 제1 방향(X방향)으로 적층될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)는 단일의 셀 블록(110)을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)는 제2 방향(Y방향)으로 배열된 복수의 서브 셀 블록을 포함할 수도 있고, 상기 복수의 서브 셀 블록은 각각 제1 방향(X방향)으로 적층된 복수의 배터리 셀(111)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)는 제2 방향(Y방향)으로 배열된 2개의 서브 셀 블록을 포함할 수 있다.
평면에서 보았을 때, 셀 블록(110)은 직사각형 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 셀 블록(110)은 제1 방향(X방향)으로 서로 반대된 제1 측면 및 제2 측면과, 제2 방향(Y방향)으로 서로 반대된 전면 및 후면과, 제3 방향(Z방향)으로 반대된 상면 및 하면을 가질 수 있다.
버스바 프레임(140)은 셀 블록(110)의 전면 및 후면에 각각 배치될 수 있다. 셀 블록(110)의 전면에 있는 버스바 프레임(140)에는 복수의 버스바(130)가 탑재되고, 셀 블록(110)의 후면에 있는 버스바 프레임(140)에는 복수의 버스바(130)가 탑재될 수 있다. 버스바 프레임(140)은 셀 블록(110)의 전극 리드들(119)을 지지할 수 있다. 상기 전극 리드들(119)은 복수의 배터리 셀(도 6의 111 참조) 각각에 구비된 양극 리드 및 음극 리드를 포함할 수 있다. 배터리 셀 어셈블리(100)는 셀 블록(110)의 전면에 있는 버스바 프레임(140) 및 셀 블록(110)의 후면에 있는 버스바 프레임(140)을 커버하기 위한 단부판들(171)을 포함할 수 있다.
버스바 프레임(140)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 버스바 프레임(140)은 발포성 내화 도료를 포함할 수 있다. 여기서 발포성 내화 도료는 열에 노출시 발포되는 건조도막층을 포함할 수 있다. 건조 도막층의 발포에 의해 건조 도막층의 수십배의 부피를 갖는 단열층(예컨대, 탄화 층)을 형성될 수 있다. 단열층은 일정 시간 피보호물(예컨대, 복수의 배터리 셀(111))에 대한 열 전달을 지연시킬 수 있다.
버스바(130)는 배터리 셀(111)의 전극 리드(119)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 버스바(130)는 용접 방식으로 배터리 셀(111)의 전극 리드(119)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 개개의 버스바(130)는 셀 블록(110)에 속한 서로 다른 배터리 셀(111)에 연결된 전극 리드들(119)에 연결되어, 서로 다른 배터리 셀들(111) 간을 전기적으로 연결하기 위한 인터-버스바일 수 있다. 예를 들어, 개개의 버스바(130)는 배터리 셀 어셈블리(100)와 외부의 다른 전기디바이스를 전기적으로 연결하기 위한 터미널-버스바일 수 있다.
케이스(120)는 셀 블록(110)을 수용할 수 있다. 예를 들어, 케이스(120)는 셀 블록(110)의 제1 측면, 제2 측면, 및 상면을 감쌀 수 있다. 예를 들면, 케이스(120)는 셀 블록(110)의 제1 측면 및 제2 측면을 커버하기 위한 측벽들과, 셀 블록(110)의 상면을 커버하기 위한 상부벽을 포함할 수 있다. 케이스(120)는 셀 블록(110)의 전면 및 후면에 있는 버스바 프레임들(140)에 결합될 수 있다.
케이스(120)는 셀 블록(110)의 상부벽을 구성하는 냉각 플레이트(121)를 포함할 수 있다. 냉각 플레이트(121)는 셀 블록(110)의 상면에 부착될 수 있고, 셀 블록(110)에 열적으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 냉각 플레이트(121)는 열적 인터페이스 물질(thermal interface material, TIM)층을 통해 셀 블록(110)의 상면에 부착될 수 있다. 상기 냉각 플레이트(121)는 냉각 유체가 유동하도록 구성된 냉각 채널(1211)을 가질 수 있다. 배터리 셀 어셈블리(100)의 외부에서 제공된 냉각 유체는 냉각 채널(1211)의 유입구를 통해 냉각 채널(1211)로 유입되고, 냉각 채널(1211)을 따라 유동하고, 이후 냉각 채널(1211)의 유출구를 통해 외부로 유출될 수 있다. 냉각 유체가 냉각 채널(1211)을 따라 유동하는 동안, 배터리 셀 어셈블리(100)에 대한 냉각이 수행될 수 있다. 예를 들면, 냉각 플레이트(121)는 2개의 플레이트가 접합되어 제조될 수 있고, 냉각 채널(1211)은 2개의 플레이트 사이에 정의된 공간을 포함할 수 있다.
한편, 버스바 프레임(140)은 버스바들(130)이 탑재되는 하부(141)와, 버스바들(130) 각각의 일부가 수용되는 수용 공간(1451)을 가진 상부(145)를 포함할 수 있다. 버스바 프레임(140)에서, 버스바 프레임(140)의 상부(145)는 하부(141) 보다 냉각 플레이트(121)에 더 인접할 수 있다. 버스바 프레임(140)의 상부(145)와 버스바 프레임(140)의 하부(141)는 일체를 이룰 수 있다.
버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451)의 하측에는 슬릿들(1453)이 제공되고, 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451)의 상측에는 개구(1452)가 제공될 수 있다. 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451)은 슬릿들(1453) 및 개구(1452)에 연통할 수 있다. 버스바 프레임(140)의 슬릿들(1453)은 각각 하나의 버스바(130)가 통과하는 통로를 제공할 수 있다. 평면에서 보았을 때, 하나의 슬릿(1453)은 하나의 버스바(130)와 대체로 유사한 치수를 가질 수 있다. 개개의 버스바(130)는 대응된 슬릿(1453)에 삽입되며, 개개의 버스바(130)의 상부는 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451) 내에 수용될 수 있다. 냉각 플레이트(121)의 제1 부분(1213)은 버스바 프레임(140)의 개구(1452)를 통해 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451) 내로 연장될 수 있다. 평면에서 보았을 때, 버스바들(130)은 제1 방향(X방향)으로 배열될 수 있고, 냉각 플레이트(121)의 제1 부분(1213)은 제1 방향(X방향)으로 선형적 및 연속적으로 연장될 수 있다. 냉각 플레이트(121)의 제1 부분(1213)의 일부는 열전도성 충전재(150) 내에 매립될 수 있다. 냉각 플레이트(121)의 제1 부분(1213)은 제1 방향(X방향)으로 열전도성 충전재(150)에 연속적으로 접촉할 수 있다.
단면에서 보았을 때, 냉각 플레이트(121)의 제1 부분(1213)은 셀 블록(110)의 상면과 마주하는 냉각 플레이트(121)의 부분으로부터 경사지게 연장될 수 있다. 예를 들어, 단면에서 보았을 때, 냉각 플레이트(121)의 제1 부분(1213)은 셀 블록(110)의 상면과 마주하는 냉각 플레이트(121)의 부분 또는 버스바 프레임(140)의 최상단에 접촉된 냉각 플레이트(121)의 부분으로부터 하향 절곡된 부분을 포함할 수 있다.
열전도성 충전재(150)는 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451) 내에 제공될 수 있다. 열전도성 충전재(150)는 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451)을 적어도 부분적으로 채울 수 있다. 열전도성 충전재(150)는 열적으로 전도성을 가지되, 전기적으로 부도체일 수 있다. 예를 들어, 열전도성 충전재(150)는 열전도성 수지를 포함할 수 있다. 열전도성 충전재(150)는 단일의 물질층 또는 복수의 물질층을 포함할 수 있다. 열전도성 충전재(150)는 열전도성 물질층으로 지칭될 수도 있다.
열전도성 충전재(150)는 버스바들(130)을 냉각 플레이트(121)에 열적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 열전도성 충전재(150)는 버스바 프레임(140)의 슬릿들(1453)을 통해 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451)에 삽입된 버스바들(130)에 접촉하고, 또한 버스바 프레임(140)의 개구(1452)를 통해 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451)에 삽입된 냉각 플레이트(121)의 제1 부분(1213)에 접촉할 수 있다. 열전도성 충전재(150)는 버스바들(130) 각각을 냉각 플레이트(121)에 열적으로 연결하기 위한 열 전도 경로를 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 의하면, 버스바들(130)은 열전도성 충전재(150)를 통해 냉각 플레이트(121)에 열적으로 결합되므로, 버스바들(130)에 대한 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 버스바들(130)의 열적 손상을 방지할 수 있고, 배터리 셀 어셈블리(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(제2 실시예)
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 셀 어셈블리(100A)의 일부를 나타내는 단면도이다. 이하에서, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 배터리 셀 어셈블리(100)와의 차이점을 중심으로, 도 5에 도시된 배터리 셀 어셈블리(100A)에 대해 설명한다.
도 5를 참조하면, 열전도성 충전재(150A)는 제1 물질층(151) 및 제1 물질층(151) 상에 적층된 제2 물질층(152)을 포함할 수 있다. 제1 물질층(151)과 제2 물질층(152)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 물질층(151)은 실리콘(silicone)을 포함할 수 있고, 버스바 프레임(140)의 수용 공간(1451)의 바닥 부분을 밀봉(sealing)하기 위한 밀봉층으로 기능할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 물질층(152)은 열전도성 수지를 포함할 수 있고, 버스바들(130) 각각을 냉각 플레이트(121)에 열적으로 결합기 위한 열 전도 경로를 제공할 수 있다.
(제3 실시예)
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩(500)을 나타내는 단면도이다. 이하에서, 앞서 설명된 것과 중복된 설명은 생략하거나 간단히 한다.
도 6을 참조하면, 배터리 팩(500)은 팩 하우징(510)과, 팩 하우징(510)에 탑재된 복수의 배터리 셀 어셈블리(100)를 포함할 수 있다.
복수의 배터리 셀 어셈블리(100)는 제1 방향(X방향)으로 배열되도록 팩 하우징(510) 내에 탑재될 수 있다. 도 6에서는 배터리 팩(500)이 제1 방향(X방향)으로 배열된 2개의 배터리 셀 어셈블리(100)를 포함하는 것으로 예시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리 팩(500)은 제1 방향(X방향)으로 배열된 3개 이상의 배터리 셀 어셈블리(100)를 포함할 수도 있다.
팩 하우징(510)은 복수의 배터리 셀 어셈블리(100)가 수용되는 수용 공간을 가진 하부 하우징(511)과, 복수의 배터리 셀 어셈블리(100)가 수용된 하부 하우징(511)을 덮도록 하부 하우징(511) 상에 결합된 탑 플레이트(515)를 포함할 수 있다. 하부 하우징(511)의 수용 공간은 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)의 셀 블록(110)의 바닥면과 마주하는 바닥벽과, 바닥벽의 둘레 상에 위치된 측벽에 의해 정의될 수 있다. 상기 탑 플레이트(515)는 복수의 배터리 셀 어셈블리(100)를 덮는 팩 리드(lid)이다. 배터리 팩(500)이 차량에 탑재될 때, 탑 플레이트(515)의 상측에는 승객이 탑승하는 케빈 룸(cabin room)이 위치할 수 있고, 하부 하우징(511)에 하측에는 차량이 주행하는 지면이 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 복수의 배터리 셀 어셈블리(100)는 각각 하부 하우징(511)의 지지 블록들(5111) 중 대응된 지지 블록(5111)에 체결 및 지지될 수 있다. 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)의 일 측에는 케이스(120)의 체결부(127)가 마련되며, 상기 체결부(127)는 볼트(BT)와 같은 체결 부재를 통해 하부 하우징(511)의 지지 블록들(5111) 중 대응된 지지 블록(5111)에 체결 및 지지될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 복수의 배터리 셀 어셈블리(100)는 각각 탑 플레이트(515)에 매달려 지지될 수 있다. 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)는 탑 플레이트(515)의 하면에 결합될 수 있다.
또한, 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)의 하면과 하부 하우징(511)의 바닥벽 사이에는 프리 볼륨(free volume)(FV)이 제공될 수 있다. 상기 프리 볼륨(FV)은 하부 하우징(511)의 바닥벽과 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)가 서로 이격되어 형성된 공간으로 이해될 수 있다.
본 발명은 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)가 탑 플레이트(515)에 매달려 지지되는 도립 지지구조이다. 또한, 배터리 팩(500)의 바닥(즉, 하부 하우징(511)의 바닥벽)과 개개의 배터리 셀 어셈블리(100) 사이에 프리 볼륨(FV)이 제공된다. 상기 프리 볼륨(FV)을 통하여, 열폭주 상황에서 발생하는 가스 및 화염이 이동될 수 있다. 즉, 상기 프리 볼륨(FV)은 고온 가스 및 화염이 이동될 수 있는 벤팅 통로가 된다.
또한, 비포장도로와 같은 하드 그라운드 주행 상황에서 차량 하부로 이물질이 튀어 강한 충격이 발생할 때에도, 상기 프리 볼륨(FV)을 통하여 그 충격을 흡수할 수 있다. 따라서, 상기 충격에 의하여 복수의 배터리 셀 어셈블리(100)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 프리 볼륨(FV)은 복수의 배터리 셀 어셈블리(100) 각각과 하부 하우징(511) 사이에 있는 비어 있는 공간을 가지며, 차량 하부로 가해지는 충격에 의하여 하부 하우징(511)이 배터리 셀 어셈블리(100) 쪽으로 변형되는 경우, 프리 볼륨(FV)은 하부 하우징(511)의 변형을 어느 정도 자유롭게 허용하기 위한 공간으로 활용될 수 있다. 상기 프리 볼륨(FV)에는 다른 구조물을 설치하지 않을 수 있다. 혹은, 부분적으로 프리 볼륨(FV) 내에 배터리 셀 어셈블리(100) 등을 지지하는 구조물을 설치할 수 있다. 프리 볼륨(FV) 내에 구조물을 설치하는 경우, 하부 하우징(511)의 변형을 허용할 수 있을 정도의 공간이 배터리 셀 어셈블리(100)와 하부 하우징(511) 사이에 제공되어야 한다.
상기 프리 볼륨(FV)의 높이, 하부 하우징(511)의 바닥벽과 배터리 셀 어셈블리(100) 사이의 거리는 외부 충격을 흡수할 수 있을 정도로 충분히 설정될 수 있다. 상기 프리 볼륨(FV)의 높이는, 차량 프레임의 치수 및 강성, 하부 하우징(511)의 치수 및 강성, 배터리 팩(500)의 치수, 열 폭주 시 가스 발생량 및 배출 속도 등을 고려하여 결정할 수 있다. 예컨대, 차량 프레임이나 하부 하우징(511)의 바닥벽의 두께 또는 강성이 상대적으로 큰 경우, 프리 볼륨(FV)의 크기 및 높이 중 적어도 하나를 상대적으로 줄일 수 있다. 또한, 차량 프레임이나 하부 하우징(511)의 바닥벽의 두께 또는 강성이 상대적으로 작은 경우, 하부 하우징(511)의 바닥벽의 변형 가능성이 크므로, 배터리 셀 어셈블리(100)의 보호를 위하여 프리 볼륨(FV)의 크기 및 높이 중 적어도 하나를 상대적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 배터리 팩(500) 규격상 배터리 팩(500)의 크기가 상대적으로 큰 경우, 상대적으로 큰 프리 볼륨(FV)을 확보할 수 있다. 배터리 팩(500)의 크기가 상대적으로 작은 경우, 확보 가능한 프리 볼륨(FV)의 높이가 상대적으로 작을 수 있고, 상대적으로 하부 하우징(511)의 바닥벽의 두께 및 강성을 늘려야 할 수 있다. 또한, 프리 볼륨(FV)의 높이가 너무 작으면, 가스 배출 통로가 작아져 열 폭주 시 배터리 팩(500) 내부 압력이 급격히 증가될 수 있다. 따라서, 가스 발생량 및 배출 속도를 고려하여, 프리 볼륨(FV)의 크기 및 높이를 결정할 수 있다.
상기 프리 볼륨(FV)의 최대 높이는 배터리 셀 어셈블리(100)에 포함되는 배터리 셀(111)의 손상 정도에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(111)의 손상 허용한도가 1mm라고 하면, 하부 하우징(511)이 변형되어 상기 배터리 셀(111)의 하부면을 가압할 때, 배터리 셀(111)이 1mm를 초과하여 변형되지 않도록 프리 볼륨(FV)을 결정할 수 있다. 이 경우, 하부 하우징(511)의 두께나 강성에 따라 하부 하우징(511)의 변형량이 달라질 수 있다. 따라서, 프리 볼륨(FV)의 크기나 높이는 배터리 셀(111)의 손상 허용한도, 하부 하우징(511)의 두께와 강성을 모두 고려하여 결정할 수 있다.
개개의 배터리 셀 어셈블리(100)의 상면은 탑 플레이트(515)의 하면과 밀착 결합될 수 있다. 배터리 셀 어셈블리(100)와 탑 플레이트(515) 사이에 공간이 있으면, 열 폭주 시 고온의 가스가 일 배터리 셀 어셈블리(100)와 탑 플레이트(515) 사이의 공간으로 도입되어 인접된 다른 배터리 셀 어셈블리(100)로 열 및 화염이 전파될 수 있다. 또한, 탑 플레이트(515)에도 열 및 화염이 전달되어 탑 플레이트(515)의 상측에 있는 케빈 룸에 영향을 염려가 있다. 따라서, 개개의 배터리 셀 어셈블리(100)의 상면과 탑 플레이트(515)의 하면을 밀착 결합함으로써, 배터리 팩(500)의 내부에서 발생하는 가스나 화염을 프리 볼륨(FV)으로 유도할 수 있다.
(제4 실시예)
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩(1100)이 장착된 전기자동차(1000)를 나타내는 개략도이다.
도 7에서, 간소한 도시를 위하여, 차량의 하부 뼈대를 이루는 차체 프레임(1200)과, 상기 차체 프레임(1200)에 결합되는 배터리 팩(1100) 및 타이어만을 도시하였다. 상기 배터리 팩(1100)은, 예를 들어 도 6을 참조하여 설명된 배터리 팩(500)을 포함할 수 있다.
통상적인 배터리팩의 경우, 배터리팩의 하우징의 바닥부분에 배터리셀 어셈블리들이 설치된다. 그러나, 본 실시예들에서, 배터리 팩(1100)의 배터리 셀 어셈블리들(100)은 하우징의 탑 플레이트(1120)에 매달려 지지되는 구조를 가진다. 즉, 배터리 셀 어셈블리(100)와 탑 플레이트(1120) 사이에 공간이 없어, 배터리 셀 어셈블리(100)에서 발생하는 가스가 차량 상부의 케빈 룸으로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 상기 가스는 배터리 셀 어셈블리(100)와 배터리 팩(1100)의 하우징의 하측에 제공된 프리 볼륨(도 6의 FV 참조)으로 유도된다. 가스는 프리 볼륨(FV)을 유동하여 배터리 팩(1100)에 설치된 가스 배기부를 통하여 차량 하측으로 배출될 수 있다. 또한, 본 실시예들에 의하면, 배터리 팩(1100) 내에서, 배터리 셀 어셈블리(100)와 하우징 사이에 프리 볼륨(FV)이 제공되므로, 하우징이 변형되더라도 배터리 셀 어셈블리(100)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 배터리 팩(1100) 및 이를 구비한 전기자동차(1000)는 승객의 안전성을 강화할 수 있다. 또한, 핵심 부품인 배터리 셀 어셈블리(100)를 보호하며, 배터리 팩(1100) 및 전기자동차(1000)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 블록;
    상기 셀 블록의 전극 리드에 연결된 버스바;
    상기 버스바가 탑재되고, 상기 버스바의 일부를 수용하는 수용 공간을 가진 버스바 프레임; 및
    상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간을 적어도 부분적으로 채우고, 상기 버스바에 접촉된 열전도성 충전재;
    를 포함하는 배터리 셀 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 블록 상에 있고 상기 열전도성 충전재에 접촉된 냉각 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 버스바 프레임은 상기 수용 공간의 하측에 있는 슬릿 및 상기 수용 공간의 상측에 있는 개구를 포함하고,
    상기 버스바는 상기 버스바 프레임의 상기 슬릿을 통해 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간으로 삽입되고,
    상기 냉각 플레이트의 제1 부분은 상기 버스바 프레임의 상기 개구를 통해 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간으로 삽입된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트의 상기 제1 부분의 적어도 일부는 상기 열전도성 충전재에 매립된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 상기 셀 블록의 상면에 결합되고,
    상기 버스바 프레임은 상기 셀 블록의 일 측에 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 블록의 다른 전극 리드에 연결된 다른 버스바를 더 포함하고,
    상기 열전도성 충전재는 상기 다른 버스바에 접촉된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 충전재는,
    실리콘을 포함하는 제1 물질층; 및
    상기 제1 물질층 상에 적층되고 열전도성 수지를 포함하는 제2 물질층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스바는 상기 셀 블록의 서로 다른 전극 리드들을 연결하는 인터-버스바 또는 외부의 전기디바이스에 전기적으로 연결된 터미널 버스바인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
  9. 팩 하우징; 및
    상기 팩 하우징에 탑재되고, 제1 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀 어셈블리;를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 각각,
    복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 블록;
    상기 셀 블록 상의 냉각 플레이트;
    상기 셀 블록의 서로 다른 전극 리드들에 연결된 복수의 버스바;
    상기 복수의 버스바가 탑재되는 하부와, 상기 복수의 버스바 각각의 일부 및 상기 냉각 플레이트의 제1 부분을 수용하는 수용 공간을 가진 상부를 포함하는 버스바 프레임; 및
    상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간을 적어도 부분적으로 채우고, 상기 복수의 버스바 및 상기 냉각 플레이트에 접촉되어 상기 복수의 버스바를 상기 냉각 플레이트에 열적으로 결합시키도록 구성된 열전도성 충전재;
    를 포함하는 배터리 팩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 버스바 프레임은 상기 수용 공간의 하측에 있는 복수의 슬릿 및 상기 수용 공간의 상측에 있는 개구를 포함하고,
    상기 복수의 버스바는 각각 상기 복수의 슬릿 중 대응된 슬릿을 통해 상기 버스바 프레임의 상기 수용 공간으로 삽입되고,
    상기 냉각 플레이트의 상기 제1 부분은 상기 버스바 프레임의 상기 개구를 통해 상기 버스바 프레임의 수용 공간으로 삽입된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 버스바는 제1 방향으로 배열되고,
    상기 냉각 플레이트의 상기 제1 부분은 상기 제1 방향으로 연속적으로 연장되고 상기 열전도성 충전재에 연속적으로 접촉된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 상기 셀 블록의 상면에 결합되고,
    상기 버스바 프레임은 상기 셀 블록의 일 측에 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 어셈블리를 수용하는 하부 하우징; 및
    상기 복수의 배터리 셀 어셈블리를 덮도록 상기 하부 하우징 상에 결합된 탑 플레이트를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 상기 탑 플레이트에 매달려 지지된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 상기 하부 하우징의 바닥벽으로부터 이격되고, 상기 복수의 배터리 셀 어셈블리 각각과 상기 하부 하우징의 바닥벽 사이에 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 어셈블리는 각각 파우치 형 배터리 셀이 적층된 셀 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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