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KR-20260060505-A - BATTERY PACK AND VEHICLE INCLUDING THE SAME

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Abstract

본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 팩은 배터리 셀과 배터리 셀의 하면을 제외한 3면을 감싸는 셀 커버를 각각 포함하는 복수의 배터리 셀 조립체와, 복수의 배터리 셀 조립체가 각각 분리 가능하게 결합된 상부 케이스, 그리고 상부 케이스와 결합되어 복수의 배터리 셀 조립체의 하부면을 커버하며 투명한 소재로 만들어진 하부 케이스를 포함한다.

Inventors

  • 박원경
  • 김영길
  • 정기택

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241024

Claims (16)

  1. 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 하면을 제외한 3면을 감싸는 셀 커버를 각각 포함하는 복수의 배터리 셀 조립체; 상기 복수의 배터리 셀 조립체가 각각 분리 가능하게 결합된 상부 케이스; 및 상기 상부 케이스와 결합되어 상기 복수의 배터리 셀 조립체의 하부면을 커버하며 투명한 소재로 만들어진 하부 케이스 를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀 커버는, 상기 배터리 셀의 일 측면을 커버하는 제1 커버부와; 상기 배터리 셀의 타 측면을 커버하는 제2 커버부; 그리고 상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부를 연결하며 상기 배터리 셀의 상면을 커버하는 제3 커버부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 조립체는 각각 상기 셀 커버의 상기 제3 커버부와 상기 배터리 셀 사이에 개재된 비접착식 접촉 열전도재(thermal interface materials, TIM)를 더 포함하는 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 제3 커버부의 전면 방향 단부와 후면 방향 단부에서 각각 연장 형성된 커버 결합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서, 상기 셀 커버의 상기 커버 결합부와 상기 상부 케이스를 분리 가능하게 결합하는 복수의 결합 볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상부 케이스의 외부에서 상기 상부 케이스를 관통한 상기 복수의 결합 볼트의 단부에 결합된 냉각 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 결합 볼트와 상기 냉각 플레이트는 열전도성 소재로 만들어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 조립체는 측면이 서로 대향하도록 적층되며, 적층된 상기 복수의 배터리 셀 조립체의 상기 셀 커버 사이에 개재된 절연판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀의 하면에 결합된 버스바; 및 상기 버스바를 지지하는 버스바 프레임 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 버스바 프레임과 스냅핏(Snap-Fit) 결합 방식으로 분리 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하부 케이스에는 상기 배터리 셀을 검사하기 위한 복수의 셀 검사용 홀과, 가스 배출을 위한 복수의 벤트 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서, 상기 하부 케이스의 상기 복수의 셀 검사용 홀을 통해 상기 배터리 셀의 하면에 결합되는 터미널 너트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서, 상기 하부 케이스의 외부면에 분리 가능하게 부착되어 상기 복수의 셀 검사용 홀을 커버하는 하부 커버 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서, 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스가 형성하는 공간은, 상기 복수의 배터리 셀 조립체를 수용하는 셀 수용 영역과; 가스 배출을 위해 상기 셀 수용 영역의 양 측 중 적어도 일측에 마련된 벤팅 영역 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항에 있어서, 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스가 형성하는 공간 내 수용된 배터리 관리 시스템(BMS) 및 배터리 차단 유닛(BDU) 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{BATTERY PACK AND VEHICLE INCLUDING THE SAME} 본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다. 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다. 종래에는 이차 전지로서 니켈 카드뮴 전지 또는 니켈 수소 전지 등이 많이 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다. 이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다. 일반적으로 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다. 최근에는 전기 자동차나 에너지 저장 장치(ESS)와 같은 중대형 장치에 배터리 팩이 널리 사용되고 있다. 배터리 팩은 팩 케이스 내부에 하나 이상의 배터리 모듈과 배터리 팩의 충방전을 제어하는 제어 유닛, 이를테면 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)를 포함한다. 여기서, 배터리 모듈은 모듈 케이스의 내부에 복수의 배터리 셀을 포함하는 형태로 구성된다. 즉, 종래 배터리 팩의 경우, 복수의 배터리 셀이 모듈 케이스 내부에 수납되어 각각의 배터리 모듈을 구성하고, 이러한 배터리 모듈이 하나 이상 팩 케이스 내부에 수납되어 배터리 팩을 구성한다. 특히, 파우치형 전지의 경우, 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(dead space)가 적다는 등의 여러 측면에서 장점을 갖고 있지만, 외부의 충격에 취약하고, 조립성이 다소 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 복수의 배터리 셀을 먼저 모듈화시킨 후, 팩 케이스의 내부에 수납되는 형태로 배터리 팩이 제조되는 것이 일반적이다. 하지만, 이러한 배터리 팩의 경우, 모듈화 등으로 인해 에너지 밀도와 조립성, 냉각성 등의 측면에서 불리할 수 있다. 구체적으로, 복수의 배터리 셀을 모듈 케이스 내부에 수납하여 모듈화시키는 과정에서, 모듈 케이스 또는 적층용 프레임(frame) 등 여러 구성요소로 인해 배터리 팩의 부피가 불필요하게 증가하거나 배터리 셀이 차지하는 공간이 줄어들 수 있다. 또한, 복수의 배터리 셀을 모듈화시켜 배터리 모듈을 먼저 구성한 후, 배터리 모듈을 팩 케이스에 수납하는 과정을 거치게 되므로, 배터리 팩의 제조 공정이 복잡해지는 문제도 있다. 팩 케이스 내부에 모듈 케이스가 수납되고, 모듈 케이스 내부에 배터리 셀이 수납되므로, 모듈 케이스 내부에 수납된 배터리 셀들의 열을 모듈 케이스를 거쳐 팩 케이스 외부로 배출시키는 경우, 냉각 효율이 떨어지고, 냉각 구조도 복잡해질 수 있다. 이를 개선하기 위해, 즉 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이기 위해, 복수의 배터리 셀들을 배터리 팩의 팩 케이스에 바로 장착하는 기존의 셀투팩(CTP: Cell To Pack) 방식이 연질 케이스를 가진 파우치형 배터리 셀에 적용되는 경우, 복수의 배터리 셀을 동시에 취급하거나 적층하기 어렵고, 배터리 셀들을 팩 케이스에 장착하는 과정에서 배터리 셀들의 손상이 발생할 위험이 있다. 또한, 기존에는 레진(resin)과 같은 접착 물질을 사용하여 배터리 셀들을 팩 케이스 내에 고정시키기 때문에, 배터리 셀의 장착 후 배터리 셀의 교체가 어려운 문제점이 있다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 팩의 정면 사시도이다. 도 2는 도 1의 배터리 팩의 배면 사시도이다. 도 3은 도 2의 배터리 팩의 정면 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 배터리 셀을 확대 도시한 사시도이다. 도 5는 도 3의 배터리 셀 조립체를 확대 도시한 분해 사시도이다. 도 6은 도 5의 배터리 셀 조립체를 상부 케이스에 수용시켜 결합하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6에서 냉각 플레이트를 통해 배터리 셀의 열이 방출되는 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 도 6의 배터리 셀 조립체를 수용한 상부 케이스에 버스바 및 버스바 프레임을 결합시키는 상태를 나타낸 도면이다. 도 9는 도 8의 셀 커버와 버스바 프레임이 결합된 상태를 나타낸 도면이다. 도 10은 도 8의 배터리 셀 조립체를 수용한 상부 케이스에 배터리 관리 시스템(BMS) 및 배터리 차단 유닛(BDU)을 함께 수용하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 11은 도 8의 배터리 셀 조립체를 수용한 상부 케이스에 하부 케이스를 결합하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 12는 도 11의 하부 케이스에 형성된 복수의 셀 검사용 홀과, 복수의 벤트 홀을 설명하기 위해 나타낸 도면이다. 도 13은 도 11의 하부 케이스에 하부 커버 부재를 부착하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 14는 도 1의 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타낼 수 있다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성 요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다. 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(101)을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 팩(101)의 정면 사시도이고, 도 2는 배터리 팩(101)의 배면 사시도이며, 도 3은 배터리 팩(101)의 배면 분해 사시도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(101)은 복수의 배터리 셀 조립체(100), 상부 케이스(210), 및 하부 케이스(220)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(101)은 결합 볼트(910), 터미널 너트(920), 냉각 플레이트(250), 절연판(140), 버스바(310), 버스바 프레임(350), 하부 커버 부재(400), 배터리 관리 시스템(BMS)(710), 및 배터리 차단 유닛(BDU)(720)을 더 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀 조립체(100)는 배터리 셀(110)과, 배터리 셀(110)의 하면을 제외한 3면을 감싸는 셀 커버(150)를 각각 포함한다. 배터리 셀(110)은 복수개가 측면 방향으로 적층될 수 있다. 그리고, 적층된 복수의 배터리 셀(110)은 후술할 버스바(310)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 도 4는 배터리 셀(110)을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 배터리 셀(110)은 하면이 위로 향한 상태로 도시된다. 도 4를 참조하면, 배터리 셀(110)이 적층되는 측면 방향은 X축 방향일 수 있다. 또한, 배터리 셀(110)의 전면으로부터 후면을 향하는 방향, 또는 그 반대 방향은 배터리 셀(110)의 길이 방향으로 정의될 수 있다. 이는 도 4에서 Y축 방향일 수 있다. 또한, 배터리 셀(110)의 상면으로부터 하면을 향하는 방향, 또는 그 반대 방향은 배터리 셀(110)의 폭 방향으로 정의될 수 있다. 이는 도 4에서 Z축 방향일 수 있다. 또한, 배터리 셀(110)은, 일례로, 각형 배터리 셀일 수 있다. 각형 배터리 셀은 단위 면적당 적층되는 수가 최대화될 수 있다. 그러나, 배터리 셀(110)이 반드시 각형 배터리 셀에 한정되는 것은 아니며, 파우치형 등 그 밖의 다양한 형태의 배터리 셀일 수도 있다. 도 5는 배터리 셀 조립체(100)를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 여기서, 배터리 셀 조립체(100)는 하면이 위로 향한 상태로 도시된다. 도 5를