JP6600750B2 - 二次電池用カートリッジ及びこれを含むバッテリーモジュール - Google Patents

二次電池用カートリッジ及びこれを含むバッテリーモジュール Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーに関し、より詳しくは、複数の二次電池を含み、バッテリーモジュールを構成するとき、二次電池を収納または積層するために用いられるカートリッジ及びこれを含むバッテリーモジュールに関する。
本出願は、２０１６年７月５日出願の韓国特許出願第１０−２０１６−００８４８１１号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
現在、商用化した二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあり、このうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリー効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質に用いる。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板とがセパレーターを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液とともに封止収納する外装材、即ち、電池ケースと、を備える。
通常、リチウム二次電池は、外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に収納されている缶型の二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに収納されているパウチ型の二次電池に分けられる。
最近は、携帯型電子機器のような小型装置のみならず、自動車や電力貯蔵装置のような中・大型装置にも二次電池が広く用いられている。このような中・大型装置に用いられる場合、容量及び出力を高めるために複数の二次電池が電気的に接続される。特に、このような中・大型装置には、収納及び積層が容易であるという長所から、パウチ型二次電池がよく用いられる。
パウチ型二次電池は、通常、アルミニウム及びポリマー樹脂のラミネートシートの電池ケースで包まれており、機械的剛性が大きくないため、複数のパウチ型二次電池を含んでバッテリーモジュールを構成するとき、二次電池を外部の衝撃などから保護し、動きを防止して積層を容易にするために、カートリッジを用いる場合が多い。このようなカートリッジは、フレームなどの他の多様な用語に代替できる。そして、このようなカートリッジは、バッテリーモジュールを構成するために複数個が積層されて用いられ、二次電池は、カートリッジが積層されたときに生ずる内部の空間に位置できる。
一方、このように複数のカートリッジを用いて複数の二次電池を組み立てる場合、二次電池の間にはプレート形態の冷却フィン、即ち、冷却プレートが介され得る。二次電池は、夏季のように高温環境で使われる場合があり、また、二次電池自体から熱が発生することがある。この際、複数の二次電池が相互積層されている場合、二次電池の温度はさらに高くなり得、該温度が適正温度よりも高くなれば、二次電池の性能が低下し得、ひどい場合、爆発や発火の危険もある。そこで、バッテリーモジュールの構成に際し、二次電池の間に冷却プレートを介在し、このような冷却プレートによって二次電池の温度上昇を防止する構成を用いることができる。
このような冷却プレートを二次電池の間に介在したバッテリーモジュールの場合、多様な形態及び方式で二次電池を冷却することができる。このような冷却方式のうち代表的には、冷却プレートの周辺に外部空気が流れるようにすることで、冷却プレートと空気との熱交換によって二次電池の温度を低める空冷式が広く用いられている。空冷式を用いて二次電池を冷却するバッテリーモジュールの場合、冷却プレートの周辺に冷却用流路を確保し、このような冷却用流路をダクトと連結することで、バッテリーモジュールの内外部の空気を流出入可能にする。
一方、通常、冷却プレートはアルミニウムのような金属材質からなり、冷却プレートを除いた他の部分、即ち、フレーム部分は、プラスチックのような材質から構成され得る。このような二次電池用カートリッジを製造する方式には多くの方法があるが、代表的にはインサート射出成形方式が挙げられる。インサート射出成形方式によれば、冷却プレートが先に設けられた後、このような冷却プレートがインサート射出成形装置に入れられた状態で、フレームの本体部分が射出成形されることで、二次電池用カートリッジを製造することができる。
しかし、このような製造方式によれば、フレーム本体部分の収縮によって冷却プレートが変形してしまう問題が発生し得る。即ち、インサート射出成形において、高い温度から低い温度に冷却される過程を経るようになるが、射出成形される対象となるフレームの本体部分は、冷却プレート部分に比べて相対的に多く収縮され得る。例えば、冷却過程において、フレーム本体１部分は、図１において矢印で示されたように、収縮が発生し得る。
冷却プレート２は、通常、薄いプレートの形態として構成され、このようにフレーム本体１部分が収縮すれば、冷却プレート２はフレーム本体１部分の収縮量に耐えず変形や反りなどが発生し得る。このような変形や反りなどによって、冷却用流路が安定的に確保されず、冷却効果が大幅劣り得るという問題点がある。
さらに、パウチ型二次電池は、使用中に人体に有害なガスが発生することもあり、この場合、有害ガスが冷却プレート２とフレーム本体１との隙間から漏れ出て冷却用流路へ流入し得る。例えば、電気自動車の場合、バッテリーパックの冷却用流路内の空気が、バッテリーパックから抜け出て車両の空気循環ダクトへ流入、空気循環ダクトの空気は、車両の内部へ流入し得る。したがって、前記冷却用流路に有害ガスが流入すれば、車両の内部まで有害ガスが拡散してしまい、搭乗者の安全を害する恐れがある。しかし、従来のインサート射出成形方式によるカートリッジは、フレーム本体１と冷却プレート２との封止性が確実でないため、上述の憂慮を無くすに足りない点が多い。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、相異なる材質から構成された冷却プレートとメインフレームとの結合力及び封止力を向上させることで、二次電池から発生したガスが冷却用流路またはそれに連結されたダクトに流入することを防止することができる二次電池用カートリッジ及びこれを含むバッテリーモジュールを提供することを目的にする。
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明による二次電池用カートリッジは、両端部が相互連結された少なくとも四つの単位フレームで構成され、前記四つの単位フレームの内側に空洞部を形成し、少なくとも一部の単位フレームは、水平方向へ貫通した形態の開口部を備え、二つ以上が上下方向へ積層可能に構成されたメインフレームと、板状に形成され、縁を形成する上部ボンディング部が前記メインフレームに接着され、前記空洞部を覆うように配置される上部冷却プレートと、板状に形成され、縁を形成する下部ボンディング部が前記メインフレームに接着され、前記上部冷却プレートと相互面対向するように所定距離に離隔して配置され、前記上部冷却プレートとの間に冷却流路を形成する下部冷却プレートと、を含み得る。
前記メインフレームは、周方向に沿って本体が凹むように設けられ、接着剤Ｇが充填される上部溝と、前記上部溝の下部に前記上部溝と対称するように設けられ、接着剤Ｇが充填される下部溝と、を含み、前記上部ボンディング部は前記上部溝に接着固定され、前記下部ボンディング部は前記下部溝に接着固定され得る。
前記上部ボンディング部は、縁端が下方に向けて曲げられるように設けられ、前記上部溝に挿入して配置され、前記下部ボンディング部は、縁端が上方に向けて曲げられるように設けられ、前記下部溝に挿入して配置され得る。
前記メインフレームは、前記メインフレームの外側縁を形成する外側部と、前記上部溝及び前記下部溝が形成されるよう、前記外側部の上端と下端との間から水平方向へ延び、上方及び下方へ折り曲げられた端部を備える内側部と、を含み得る。
前記上部ボンディング部は、上方へ膨らむように設けられ、前記接着剤を囲むように前記内側部の上部を覆い、前記下部ボンディング部は、下方へ膨らむように設けられ、前記接着剤を囲むように前記内側部の下部を覆い得る。
前記上部ボンディング部及び前記下部ボンディング部は、前記接着剤を囲む内周面にエンボシングが形成され得る。
前記上部ボンディング部は縁端が下方に向け、前記下部ボンディング部は縁端が上方に向けるように設けられ、前記内側部は、前記上部ボンディング部の縁端と前記下部ボンディング部の縁端とが各々締まりばめ可能に設けられる縁端結合溝を含み得る。
前記上部ボンディング部は、前記上部ボンディング部の縁端から所定間隔に離隔した位置より下方へ突出する上部余肉リブを備え、前記下部ボンディング部は、前記下部ボンディング部の縁端から所定間隔に離隔した位置より上方へ突出する下部余肉リブを備え、前記内側部は、前記上部余肉リブ及び前記下部余肉リブが各々締まりばめ可能に設けられる余肉リブ結合溝をさらに含み得る。
前記メインフレームは、少なくとも一つの単位フレームの上部または下部に上下方向へ突出して設けられる封止リブと、前記封止リブが設けられた部分の反対側に前記封止リブよりも大きい大きさを有する凹部と、を含み、前記封止リブに結合し、前記メインフレームの上下積層に際し、隣接するメインフレームの凹部に少なくとも一部が挿入されるように構成される封止部材をさらに含み得る。
前記メインフレームは、長方形をなす四つの単位フレームで構成され、前記開口部は、前記メインフレームにおける長辺となる一対の単位フレームに備えられ、一端は、前記一対の単位フレームのうちいずれか一つの単位フレームの開口部に固定され、他端は、前記一対の単位フレームのうち他の一つの単位フレームの開口部に固定され、前記開放された空間を水平方向へ横断するように設けられるプレート支持部材を含み得る。
前記メインフレームは、前記内側部のうち前記上部溝と前記折り曲げられた端部との間、または、前記下部溝と前記折り曲げられた端部との間に位置し、上部及び下部へ突出して形成される内側突起をさらに備え得る。
前記メインフレームは、前記外側部における前記上部溝に隣接し、前記上部冷却プレートの外側に位置する上部外側溝と、前記外側部における前記下部溝に隣接し、前記下部冷却プレートの外側に位置する下部外側溝と、をさらに備え、前記上部外側溝及び前記下部外側溝には、前記接着剤が挿入され得る。
本発明の他の様態によれば、上述の二次電池用カートリッジを含むバッテリーモジュールを提供することができる。
本発明の他の様態によれば、前記バッテリーモジュールを少なくとも一つ以上含むバッテリーパックを提供することができる。
本発明のさらに他の様態によれば、前記バッテリーパックを含む自動車を提供することができる。前記自動車には、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などが含まれ得る。
本発明の一面によれば、冷却プレートとメインフレームとの結合力及び封止性が従来のカートリッジに比べて大幅向上する。
特に、本発明の一面によれば、バッテリーモジュールやバッテリーパックの使用中、二次電池からガスが発生しても、ガスが冷却プレートの間の流路へ流れ込むことを防止することができる。
また、本発明の他面によれば、冷却プレートの反りや変形がほとんど発生しないことから、冷却流路が安定的に確保でき、冷却効率が向上する。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
従来技術による二次電池用カートリッジの構成を概略的に示す上面図である。 本発明の一実施例による二次電池用カートリッジの構成を概略的に示す斜視図である。 図２の分解斜視図である。 図２の線Ａ−Ａ’に沿って見た二次電池用カートリッジの斜視図である。 図４におけるＢ部分の拡大図である。 図５の断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジの一部構成を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジの一部構成を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジの一部構成を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジの一部構成を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジの一部構成を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジの一部構成を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジの一部構成を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施例によるカートリッジ及び二次電池が複数積層された構成を概略的に示す斜視図である。 図１４におけるＣ部分の切開断面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの概略的な構成を示す分解斜視図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
なお、本発明の説明にあたり、本発明に関連する公知技術ついての具体的な説明が、不要に本発明の要旨をぼやかすと判断される場合、その詳細な説明を略する。
本発明の実施形態は、通常の技術者に本発明をより完全に説明するために提供されるものであり、図面における構成要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張または省略されるか、概略的に示されることがある。したがって、各構成要素の大きさや割合は、実際の大きさや割合を完全に反映することではない。
本発明による二次電池用カートリッジは、複数の二次電池を積層及びパッケージングしてバッテリーモジュールを構成するときに用いられるものであって、二次電池を把持してその動きを防止し、二次電池の組立てをガイドする。
図２は、本発明の一実施例による二次電池用カートリッジの構成を概略的に示す斜視図であり、図３は、図２の分解斜視図であり、図４は、図２の線Ａ−Ａ’に沿って見た二次電池用カートリッジの斜視図であり、図５は、図４におけるＢ部分の拡大図であり、図６は、図５の断面図である。
先ず、図２及び図３を参照すれば、本発明による二次電池用カートリッジ１０は、メインフレーム１００、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００を含む。
メインフレーム１００は、縁を形成する構成要素であって、ポリマー材質から構成できる。特に、メインフレーム１００は、四つの単位フレーム１０１、１０２を備える。そして、このような単位フレーム１０１、１０２の各々は、両端部が相互連結されるように構成され、内側に空洞部を形成する。即ち、カートリッジ１０の上面視で、カートリッジ１０はほぼ四角のリング状に構成され得る。本実施例において、メインフレーム１００は長方形の形態であって、長辺となる一対の単位フレーム１０１と、短辺となる一対の単位フレーム１０２で構成され得る。
ここで、四つの単位フレーム１０１、１０２は、製造当初から一体で形成してもよいが、最初は相互分離した形態で製造されてから、カートリッジ１０の製造過程で相互組み立てられるように構成してもよい。
メインフレーム１００は、図２及び図３に示したように、少なくとも一部の単位フレーム、即ち、長辺となる一対の単位フレーム１０１に水平方向へ貫通した形態の開口部１１０が形成され得る。したがって、空気のような冷却流体は、このような開口部１１０に通して単位フレームの左右方向へ貫通して流れることが可能である。
上部冷却プレート２００は板状に形成され、広い面が上方と下方に向けるように横たえられて配置され得る。特に、上部冷却プレート２００は、四角プレートの形態に構成され得る。そして、このような上部冷却プレート２００の縁には、メインフレーム１００が位置し得る。
下部冷却プレート３００は、上部冷却プレート２００と同様に板状に形成され、上部冷却プレート２００と相互面対向して広い面が上方と下方に向けるように横たえられて配置され得る。また、下部冷却プレート３００は、四角プレートの形態に構成され得、縁にはメインフレーム１００が位置し得る。そして、下部冷却プレート３００は、上部冷却プレート２００と所定距離に離隔して置され、上部冷却プレート２００との間に冷却流路Ｓを形成し得る。
より具体的に説明すれば、図４〜図６に示したように、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００は、縁部が各々メインフレーム１００の内側部１３０の上部及び下部に接着され、上下に所定間隔に相互離隔する。そして、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００の縁の内側における広い面が前記メインフレーム１００の空洞部を上部及び下部から覆うことで、間の空間に冷却流路Ｓを形成する。そして、相互対向する二つの単位フレーム、即ち、本実施例において長辺領域となる一対の単位フレームに設けられた開口部１１０が冷却流路Ｓの入口と出口となる。このような構成によって、冷却流体は、メインフレーム１００の一側の開口部１１０によって冷却流路Ｓ内へ流入可能であり、他側の開口部１１０によって冷却流路Ｓの外へ排出可能となる。
このように、上部冷却プレート２００と下部冷却プレート３００との間の空間に冷却流路Ｓが形成されるため、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００は、上部及び下部に位置する二次電池と熱交換できる。特に、このような上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００は、熱伝導性に優れるながらも、成形が容易であり、重さが軽いアルミニウム材質から構成できる。但し、本発明が必ずしもこのような冷却プレートの材質に限定されることではなく、冷却プレートは、アルミニウム以外の他の金属などの多様な材質から構成することができる。
本実施例によるメインフレーム１００は、図３に示したように、上部冷却プレート２００と下部冷却プレート３００との間の空間、即ち、冷却流路Ｓの内部に配置される複数個のプレート支持部材１０３をさらに含み得る。
プレート支持部材１０３は、バー（ｂａｒ）の形態であり得る。プレート支持部材１０３の一端は、ある一つの単位フレームの開口部１１０に固定され、他端は、対向する残りの単位フレームの開口部１１０に固定されるように設置され得る。
このようなプレート支持部材１０３は、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００を支持し、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００が相互離隔した状態を維持するようにする。即ち、プレート支持部材１０３は、冷却プレートの反りや変形を防止することで、冷却流路Ｓが安定的に確保されるようにする。
一方、本発明による二次電池用カートリッジ１０は、インサート射出成形方式で製作されない。即ち、本発明による二次電池用カートリッジ１０は、個別的に冷却プレート及びメインフレーム１００を製作した後、接着剤Ｇを用いてこれらを相互接着する方式で構成できる。
以下では、このような冷却プレートとメインフレーム１００との結合構造について詳細に説明する。
本発明によるメインフレーム１００は、図４〜図６を参照すれば、メインフレーム１００の外側縁を形成する外側部１２０と、外側部１２０からメインフレーム１００の内方へ延びて内側縁を形成する内側部１３０と、を含む。
外側部１２０は、カートリッジ１０の最外郭縁となる部分であって、二次電池の外周部を覆い、二次電池の外部への露出を保護する。即ち、二次電池は、外側部１２０の内側に位置し、外側部１２０は、少なくとも一つの二次電池の厚さよりも厚く形成され得る。そして、外側部１２０には、上下方向へ貫通する複数の締結孔Ｈがさらに備えられ得る。複数のカートリッジ１０が上下に積層されれば、締結孔Ｈに締結部材（図示せず）を挿入してカートリッジ１０を一体に結束することができる。
本実施例において、長辺と短辺となる各々の単位フレーム１０１、１０２は、外側部１２０が相異なる形態で構成され得る。二次電池の電極リード部分が露出する短辺の単位フレーム１０２は、他の単位フレーム１０１に比べて厚さが薄く、かつ幅は広く構成され得る。そして、前述のように、長辺となる単位フレーム１０１は、開口部１１０を有するように外側部１２０が水平方向へ貫通して構成され得る。
内側部１３０は、溝１３１、１３２を含み得る。図６を参照すれば、内側部１３０は、外側部１２０から水平方向へ所定の長さだけ延び、折り曲げられた端部１３０ａを有する。これによって、外側部１２０の垂直面と折曲端部１３０ａとの間に凹んだ谷形態の溝１３１、１３２が設けられ得る。
即ち、内側部１３０は、外側部１２０の上端面と下端面との間から水平方向にメインフレーム１００の内側へ所定の長さだけ延び得る。そして、内側部１３０の端部１３０ａは、上下方向の二またに折り曲げられて構成され得る。これによって、メインフレーム１００には、本体が凹んだ形態の上部溝部１３１と、上部溝部１３１の下部に上部溝部１３１と対称する形態の下部溝部１３２と、が形成され得る。そして、上部溝部１３１及び下部溝部１３２は、メインフレーム１００の周方向に沿って連続的に形成され得る。
溝１３１、１３２は、内側部１３０が外側部１２０から水平方向へ延びる距離だけの幅、及び内側部１３０の端部１３０ａが折り曲げられる高さだけの深さを有するようになる。このような上部溝部１３１及び下部溝部１３２には、接着剤Ｇが塗布され得る。ここで、溝１３１、１３２の幅が狭すぎるか、高さが低すぎると、十分な量の接着剤Ｇを塗布しにくいため、溝１３１、１３２が適切な幅と深さを有するように構成することが望ましい。例えば、溝１３１、１３２の幅は、二次電池のサイドウイングを折り畳んだときの幅分だけ、溝１３１、３２の高さは、二次電池の厚さの半分くらいの高さとして構成し得る。
そして、本発明による上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００は、前記上部溝部１３１及び下部溝部１３２に各々接着固定される上部ボンディング部２１０及び下部ボンディング部３１０を含む。ここで、上部ボンディング部２１０は、上部冷却プレート２００の縁を形成する部分であり、下部ボンディング部３１０は、下部冷却プレート３００の縁を形成する部分である。
図５及び図６を参照すれば、上部ボンディング部２１０は、上部冷却プレート２００の縁の内側における広い面に対して上方へ膨らむように構成され得、下部ボンディング部３１０は、下部冷却プレート３００の縁の内側における広い面に対して下方へ膨らむように構成され得る。そして、上部ボンディング部２１０の縁端は、下方に向けるように曲げられて設けられ得、下部ボンディング部３１０の縁端は、上方に向けるように曲げられて設けられ得る。
このような構成によれば、上部冷却プレート２００がメインフレーム１００に装着されたとき、上部ボンディング部２１０の縁端が外側部１２０に隣接して位置し、上部ボンディング部２１０は、メインフレーム１００の内側部１３０を上方から下方へ囲むように配置され得、同様に、下部ボンディング部３１０は、メインフレーム１００の内側部１３０を下方から上方へ囲むように配置され得る。ここで、上部ボンディング部２１０及び下部ボンディング部３１０の内周面は、上部溝部１３１及び下部溝部１３２に充填されている接着剤Ｇに接着され得る。
このように、冷却プレートの上部ボンディング部２１０及び下部ボンディング部３１０が各々メインフレーム１００の内側部１３０を上方から下方または下方から上方へ囲むように配置された状態で、接着剤Ｇが上部ボンディング部２１０と上部溝部１３１と間の空間に満たされることで、冷却プレート２００、３００とメインフレーム１００との結合部位に隙間が形成される可能性が低くなる。また、単に表面と表面とが直接接着される場合に比べ、結合力及び封止性がさらに高くなる。特に、二次電池からガスが発生した場合、このような接着層によって冷却プレートとメインフレーム１００との結合部位からガスが漏れることをが防止することができる。
図７〜図１３は、本発明の他の実施例による二次電池用カートリッジ１０のの一部構成を概略的に示す断面図である。ここでは、上述の説明を類似に適用できる部分については詳細な説明を省略し、相違点を中心に説明する。
図７に示したように、本発明の他の実施例による上部ボンディング部２２０及び下部ボンディング部３２０は、メインフレーム１００の内側部１３０を囲む少なくとも一部がエンボシング（ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）加工されて設けられ得る。
即ち、上部ボンディング部２２０及び下部ボンディング部３２０は、エンボシング加工処理され、内周面に凹凸が形成され得る。凹凸面は、平面に比べて接着剤Ｇと接着できる単位面積がより広くなるため、結合力の向上に有利な構造となる。
参考までに、本実施例は、エンボシング加工処理された上部ボンディング部２２０及び下部ボンディング部３２０の一部を例示しているが、本発明の権利範囲が必ずしもこれに限定されることではない。例えば、上部ボンディング部２２０及び下部ボンディング部３２０は、接着剤Ｇを囲む内周面に複数の突起をさらに備えるように構成され得る。
図８に示したように、本発明のまたは他の実施例によれば、メインフレーム１００の内側部１３０は、上部ボンディング部２３０の縁端と、下部ボンディング部３３０の縁端とが各々締まりばめとなるように設けられる縁端結合溝１３１ａ、１３２ａをさらに含み得る。
縁端結合溝１３１ａ、１３２ａは、内側部１３０の表面から所定の深さだけ凹んだ溝の形態であって、前記溝は、深くなるほど幅が漸進的に小くなるように構成され得る。縁端結合溝１３１ａ、１３２ａは、外側部１２０に直ぐ隣接した位置に設けることが望ましい。そして、上部ボンディング部２３０及び下部ボンディング部３３０の縁端は、前記縁端結合溝１３１ａ、１３２ａの形態に対応するようにテーパー状に設けられ得る。
参考までに、本実施例において、上部ボンディング部２３０及び下部ボンディング部３３０の縁端及び内側部１３０の縁端結合溝１３１ａ、１３２ａの構成と相違しても、上部ボンディング部２３０及び下部ボンディング部３３０の縁端が内側部１３０内に嵌められる構成であれば、いかなる構成であっても差し支えない。
このような構成によって、上部ボンディング部２３０及び下部ボンディング部３３０の縁端が、メインフレーム１００の内側部１３０に備えられた縁端結合溝１３１ａ、１３２ａに締まりばめによって結合すれば、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００が内側部１３０に対して浮き立たないように固定される。そして、上部ボンディング部２３０及び下部ボンディング部３３０の内周面が、溝１３１、１３２に充填されている接着剤Ｇを加圧するようになるため、接着力がさらに向上する。さらに、上部ボンディング部２３０及び下部ボンディング部３３０の縁端がメインフレーム１００の本体内に部分的に挿入されるため、密封力ないし封止性がさらに高くなる。
図９に示したように、本発明のさらに他の実施例によれば、上部ボンディング部２４０は、上部ボンディング部２４０の縁端から所定間隔に離隔した位置より下方へ突出した上部余肉リブ２４１をさらに備え、同様に下部ボンディング部３４０は、下部ボンディング部３４０の縁端から所定間隔に離隔した位置より上方に突出した下部余肉リブ３４１をさらに備え得る。そして、メインフレーム１００の内側部１３０は、前記上部余肉リブ２４１と前記下部余肉リブ３４１とが締まりばめとなるように設けられる余肉リブ結合溝１３１ｂ、１３２ｂをさらに含み得る。
余肉リブ結合溝１３１ｂ、１３２ｂは、前述の縁端結合溝１３１ａ、１３２ａのように、内側部１３０の表面から所定深さだけ凹んだ溝の形態として、深くなるほど幅が漸進的に小くなるように構成され得る。余肉リブ結合溝１３１ｂ、１３２ｂは、望ましくは、内側部１３０において上下方向へ折り曲げられた端部１３０ａに設けられ得る。このような場合、上部余肉リブ２４１及び下部余肉リブ３４１各々は、前記余肉リブ結合溝１３１ｂ、１３２ｂの位置に対応するように上部ボンディング部２４０及び下部ボンディング部３４０に設けられ得る。
このような構成によれば、上部ボンディング部２４０の縁端と、上部余肉リブ２４１とは、内側部１３０の上部に締まりばめになり、下部ボンディング部３４０の縁端と、下部余肉リブ３４１とは、内側部１３０の下部に締まりばめになる。したがって、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００は各々メインフレーム１００にさらに堅固に固定結合する。そして、冷却プレート２００、３００とメインフレーム１００とが安定的に固定された状態で接着剤Ｇが固化すれば、前述の実施例よりも結合力がさらに高くなる。
さらに、上部ボンディング部２４０の縁端と上部余肉リブ２４１の少なくとも一部が内側部１３０の本体内に挿入配置され、下部ボンディング部３１０も、上部ボンディング部２１０と対称するように下部ボンディング部３１０の縁端及び下部余肉リブ３４１の少なくとも一部が内側部１３０の本体内に挿入配置されているため、冷却プレート２００、３００とメインフレーム１００との結合部位の封止力がさらに高くなる。
図１０に示したように、本発明のさらに他の実施例によれば、メインフレーム１００は、内側突起１３０ｄをさらに備え得る。内側突起１３０ｄは、内側部１３０のうち上部溝部１３１と折曲端部１３０ａとの間、または下部溝部１３２と折曲端部１３０ａとの間に位置し得る。内側突起１３０ｄは、上方及び下方へ突出するように提供され得る。一例で、内側突起１３０ｄのうち上部溝部１３１及び折曲端部１３０ａとの間に位置する内側突起１３０ｄは、上部冷却プレート２００に向ける方向へ突出して提供され得る。内側突起１３０ｄは、上部冷却プレート２００と隣接して位置し得る。一例で、内側突起１３０ｄのうち下部溝部１３２及び折曲端部１３０ａとの間に位置する内側突起１３０ｄは、下部冷却プレート３００に向ける方向へ突出して提供され得る。内側突起１３０ｄは、下部冷却プレート３００と隣接するように位置し得る。
内側突起１３０ｄは、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００が接着剤によって接着されるとき、内側部１３０へ一定距離以上に近接することを防ぎ、メインフレーム１００と、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００との結合時、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００が浮き立つことを防止することができる。また、メインフレーム１００に内側突起１３０ｄを提供することで、メインフレーム１００と上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００との結合力を向上させることができる。
図１１に示したように、本発明のさらに他の実施例によれば、メインフレーム１００の外側部１２０には、上部外側溝１４３及び下部外側溝１４４が備えられ得る。
上部外側溝１４３は、上部溝部１３１と隣接して位置し得る。上部外側溝１４３は、上部冷却プレート２００の外側に位置し得る。上部外側溝１４３には、接着剤が挿入し得る。
下部外側溝１４４は、下部溝部１３２と隣接して位置し得る。下部外側溝１４４は、下部冷却プレート３００の外側に位置し得る。下部外側溝１４４には接着剤が挿入され得る。
上部外側溝１４３及び下部外側溝１４４が形成され、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００をメインフレーム１００に接着するとき、さらに多い接着剤を用いることができ、メインフレーム１００と上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００との結合力を向上させることができる。
図１２に示したように、本発明のさらに他の実施例によれば、メインフレーム１００は、下部突起１３０ｅをさらに備え得る。下部突起１３０ｅは、上部溝部１３１及び下部溝部１３２に位置し得る。
一例で、上部溝部１３１に形成された下部突起１３０ｅは、上部ボンディング部２１０の縁端と対向する上部溝部１３１の面に形成され得る。下部突起１３０ｅは、上部ボンディング部２１０に向ける方向へ突出して形成され得る。下部突起１３０ｅは、メインフレーム１００のうち長辺を形成する単位フレーム１０１の長手方向に沿って複数個が形成され得る。複数の下部突起１３０ｅは、単位フレーム１０１の長手方向に沿って一定距離に離隔して形成され得る。下部突起１３０ｅの端部は、上部ボンディング部２１０の縁端と一定距離に離隔して位置し得る。
一例で、下部溝部１３２に形成された、下部突起１３０ｅは、下部ボンディング部３１０の縁端と対向する下部溝部１３２の面に形成され得る。下部突起１３０ｅは、下部ボンディング部３１０に向ける方向へ突出して形成され得る。下部突起１３０ｅは、メインフレーム１００のうち長辺を形成する単位フレーム１０１の長手方向に沿って複数個が形成され得る。複数の下部突起１３０ｅは、単位フレーム１０１の長手方向に沿って一定距離に離隔して形成され得る。下部突起１３０ｅの端部は、下部ボンディング部３１０の縁端と一定距離に離隔して位置し得る。
メインフレーム１００に下部突起１３０ｅを形成することで、上部ボンディング部２１０または下部ボンディング部３１０が上部溝部１３１または下部溝部１３２と一定距離を形成するようにすることができる。これによって、上部冷却プレート２００及び下部冷却プレート３００がメインフレームと結合することに、浮き立つことを防止することができ、メインフレーム１００との結合力を向上させることができる。
また、下部突起１３０ｅと上部ボンディング部２１０及び下部ボンディング部３１０との間の領域を通して一定量の接着剤が外側へ流れ出るようにして接着力を向上させることができる。
図１３に示したように、本発明のさらに他の実施例によれば、メインフレーム１００は、内側突起１３０ｄ、上部外側溝１４３、下部外側溝１４４及び下部突起１３０ｅをともに備えることもできる。
図１４は、本発明の一実施例によるカートリッジ１０及び二次電池が複数積層された構成を概略的に示す斜視図であり、図１５は、図１４におけるＣ部分の切開断面図である。
図１４及び図１５を参照すれば、本発明による二次電池用カートリッジ１０は、上下方向に積層され得る。このために、前記メインフレーム１００は、二つ以上が上下方向へ積層可能に構成され得る。
そして、この際、メインフレーム１００が水平方向に限定する内部空間には、二次電池が収納され得る。したがって、メインフレーム１００は、二次電池の外周部の側面を覆い得る。即ち、二次電池を内部空間に収納した状態でカートリッジ１０が積層される場合、二次電池はメインフレーム１００によって外周部が覆われて側面外部に露出しない。
また、本発明による他の二次電池用カートリッジ１０は、上部冷却プレート２００の上部に一つの二次電池を収納し、下部冷却プレート３００の下部に他の一つの二次電池を収納できる。したがって、本発明による二次電池用カートリッジ１０は、各々二つの二次電池を収納することができる。そして、上部に積層されたカートリッジ１０の下部冷却プレート３００と、下部に積層されたカートリッジ１０の上部冷却プレート２００との間には、二つの二次電池を収納することができる。
特に、本実施例において、開口部１１０が形成されている一対の単位フレームの上部には、上下方向へ突出した形態の封止リブ１４０が設けられ、封止リブ１４０が設けられた部分の反対側には封止リブ１４０よりも大きいサイズを有する凹部１５０が設けられ得る。
そして、カートリッジ１０は、封止リブ１４０に結合し、メインフレーム１００の上下積層時、隣接するメインフレーム１００の凹部１５０に少なくとも一部が挿入されるように構成される封止部材４００をさらに含み得る。
例えば、図１５に示したように、封止部材４００がメインフレーム１００の上部に位置し、凹部１５０がメインフレーム１００の下部に形成された場合、カートリッジ１０同士の積層時、メインフレーム１００は相互積層され、下部に積層されたカートリッジ１０の封止部材４００は、上部に積層されたカートリッジ１０の凹部１５０に挿入され得る。特に、封止部材４００の上部は、上部に積層されたカートリッジ１０の凹部１５０の上端に接触し得る。
本発明のこのような構成によれば、封止部材４００によってカートリッジ１０同士の結合部分の封止性がさらに向上する。即ち、封止部材４００は、カートリッジ１０同士の結合部分を密閉し、該当部分への流体の出入を防止することができる。例えば、前記封止部材４００は、二次電池からガスが発生した場合、封止部材４００は、カートリッジ１０同士の積層隙間へガスが漏れることを防止することができる。
前記封止部材４００は、ポリウレタンフォーム（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｆｏａｍ）から構成され得る。ポリウレタンフォームは、弾性が良くて封止性が優秀で、強度が大きいことから変形及び破損しにくく、電気絶縁性に優れる。但し、本発明が必ずしもこのような封止部材４００の材質に限定されることではなく、封止部材４００は、その外の多様な材質から構成できる。一例で、前記封止部材４００は、シリコーン材質で構成され得る。
バッテリーモジュールは、二つ以上の二次電池用カートリッジ１０を上下方向へ積層し、このように積層して形成されたカートリッジ１０の内部空間に一つ以上の二次電池を収納するように構成し得る。
図１６は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの概略的な構成を示す分解斜視図である。
本発明によるバッテリーモジュールは、図１６に示したように、二次電池と二次電池用カートリッジ１０に加え、流入ダクト３０及び流出ダクト４０をさらに含み得る。ここで、流入ダクト３０は、カートリッジ１０に形成された冷却流路Ｓの開放部分に備えられ、冷却流路Ｓへ流体が流入する空間及び通路として機能することができる。そして、流出ダクト４０は、カートリッジ１０に形成された冷却流路Ｓの他の開放部分に備えられ、冷却流路Ｓへ流れていた流体がバッテリーモジュールの外部へ流出されるようにする空間及び通路として機能することができる。特に、本発明の一実施例によるカートリッジ１０は、メインフレーム１００の二つの側面に開口部１１０が形成され得、流入ダクト３０及び流出ダクトは、このような開口部１１０が形成された側に各々備えられ得る。一方、流入ダクト３０及び流出ダクト４０は、冷却流体の流出入を円滑にするためにファンを備え得る。
本発明によるバッテリーパックは、本発明によるバッテリーモジュールを一つ以上含むことができる。そして、このようなバッテリーモジュールは、上述の本発明による二次電池用カートリッジを複数個含むことができる。したがって、本発明によるバッテリーパックは、本発明による二次電池用カートリッジを含むといえる。また、本発明によるバッテリーパックは、このようなバッテリーモジュールに加え、バッテリーモジュールを収納するためのケース、バッテリーモジュールの充放電を制御するための各種装置、例えば、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサー、ヒューズなどをさらに含むことができる。
本発明による二次電池用カートリッジは、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用することができる。即ち、本発明による自動車は、本発明によるバッテリーモジュールを含むことができ、このようなバッテリーモジュールは二次電池とともに本発明による二次電池用カートリッジを含むことができる。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
なお、本明細書において、上、下、左、右、前、後のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は相対的な位置を示し、説明の便宜のためのものであるだけで、対象となる事物の位置や観測者の位置などによって変わり得ることは、当業者にとって自明である。
１００ メインフレーム
１０１ 単位フレーム
１０２ 単位フレーム
１０３ プレート支持部材
１１０ 開口部
１２０ 外側部
１３０ 内側部
１３０ａ 折曲端部
１３０ｄ 内側突起
１３０ｅ 下部突起
１３１ 溝（上部溝部）
１３１ａ 縁端結合溝
１３１ｂ 余肉リブ結合溝
１３２ 溝（下部溝部）
１３２ａ 縁端結合溝
１３２ｂ 余肉リブ結合溝
１４０ 封止リブ
１４３ 上部外側溝
１４４ 下部外側溝
１５０ 凹部
２００ 冷却プレート（上部冷却プレート）
２１０ 上部ボンディング部
２２０ 上部ボンディング部
２３０ 上部ボンディング部
２４０ 上部ボンディング部
２４１ 上部余肉リブ
３００ 冷却プレート（下部冷却プレート）
３１０ 下部ボンディング部
３２０ 下部ボンディング部
３３０ 下部ボンディング部
３４０ 下部ボンディング部
３４１ 下部余肉リブ
４００ 封止部材

Claims (13)

  1. 両端部が相互連結された少なくとも四つの単位フレームで構成され、前記四つの単位フレームの内側に空洞部を形成し、少なくとも一部の単位フレームは、水平方向へ貫通した形態の開口部を備え、二つ以上が上下方向へ積層可能に構成されたメインフレームと、
    板状に形成され、縁を形成する上部ボンディング部が前記メインフレームに接着され、前記空洞部を覆うように配置される上部冷却プレートと、
    板状に形成され、縁を形成する下部ボンディング部が前記メインフレームに接着され、前記上部冷却プレートと相互面対向するように所定距離に離隔して配置され、前記上部冷却プレートとの間に冷却流路を形成する下部冷却プレートと、を含み、
    前記メインフレームが、
    周方向に沿って本体が凹んむように設けられ、接着剤が充填される上部溝と、前記上部溝の下部に前記上部溝と対称するように設けられ、接着剤が充填される下部溝と、を含み、
    前記上部ボンディング部は前記上部溝に接着固定され、前記下部ボンディング部は前記下部溝に接着固定されており、
    前記上部ボンディング部は、縁端が下方に向けて曲げられるように設けられ、前記上部溝に挿入して配置され、
    前記下部ボンディング部は、縁端が上方に向けて曲げられるように設けられ、前記下部溝に挿入して配置される、二次電池用カートリッジ。
  2. 前記メインフレームは、
    前記メインフレームの外側縁を形成する外側部と、
    前記上部溝及び前記下部溝が形成されるよう、前記外側部の上端と下端との間から水平方向へ延び、上方及び下方へ折り曲げられた端部を備える内側部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池用カートリッジ。
  3. 前記上部ボンディング部が、上方へ膨らむように設けられ、前記接着剤を囲むように前記内側部の上部を覆い、
    前記下部ボンディング部が、下方へ膨らむように設けられ、前記接着剤を囲むように前記内側部の下部を覆うことを特徴とする請求項２に記載の二次電池用カートリッジ。
  4. 前記上部ボンディング部及び前記下部ボンディング部は、前記接着剤を囲む内周面にエンボシングが形成されたことを特徴とする請求項３に記載の二次電池用カートリッジ。
  5. 前記上部ボンディング部は縁端が下方に向け、前記下部ボンディング部は縁端が上方に向けるように設けられ、
    前記内側部は、前記上部ボンディング部の縁端と前記下部ボンディング部の縁端とが各々締まりばめ可能に設けられる縁端結合溝を含むことを特徴とする請求項３に記載の二次電池用カートリッジ。
  6. 前記上部ボンディング部は、前記上部ボンディング部の縁端から所定間隔に離隔した位置より下方へ突出する上部余肉リブを備え、前記下部ボンディング部は、前記下部ボンディング部の縁端から所定間隔に離隔した位置より上方へ突出する下部余肉リブを備え、
    前記内側部は、前記上部余肉リブ及び前記下部余肉リブが各々締まりばめ可能に設けられる余肉リブ結合溝をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の二次電池用カートリッジ。
  7. 前記メインフレームが、
    少なくとも一つの単位フレームの上部または下部に上下方向へ突出して設けられる封止リブと、前記封止リブが設けられた部分の反対側に前記封止リブよりも大きい大きさを有する凹部と、を含み、
    前記封止リブに結合し、前記メインフレームの上下積層に際し、隣接するメインフレームの凹部に少なくとも一部が挿入されるように構成される封止部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池用カートリッジ。
  8. 前記メインフレームが、長方形をなす四つの単位フレームで構成され、前記開口部が、前記メインフレームにおける長辺となる一対の単位フレームに備えられ、
    一端が、前記一対の単位フレームのうちいずれか一つの単位フレームの開口部に固定され、他端が、前記一対の単位フレームのうち他の一つの単位フレームの開口部に固定され、開放された空間を水平方向へ横断するように設けられるプレート支持部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池用カートリッジ。
  9. 前記メインフレームが、前記内側部のうち前記上部溝と前記折り曲げられた端部との間、または、前記下部溝と前記折り曲げられた端部との間に位置し、上部及び下部へ突出して形成される内側突起をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の二次電池用カートリッジ。
  10. 前記メインフレームが、
    前記外側部における前記上部溝に隣接し、前記上部冷却プレートの外側に位置する上部外側溝と、
    前記外側部における前記下部溝に隣接し、前記下部冷却プレートの外側に位置する下部外側溝と、をさらに備え、
    前記上部外側溝及び前記下部外側溝には、前記接着剤が挿入されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池用カートリッジ。
  11. 請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の二次電池用カートリッジを含む、バッテリーモジュール。
  12. 請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の二次電池用カートリッジを含む、バッテリーパック。
  13. 請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の二次電池用カートリッジを含む、自動車。
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