KR100649211B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 엔드 플레이트의 구조를 개선하여 엔드 플레이트의 굽힘 변형을 방지함으로써 응력집중을 완화할 수 있도록, 일렬로 배열된 다수개의 단위전지와 상기 전지 집합체의 외측에 각각 설치되어 상기 단위전지들을 내측으로 가압하며, 표면에 강도를 보강하는 하나 이상의 보강부가 형성된 엔드 플레이트 및, 상기 엔드 플레이트들을 연결하여 고정하는 연결부재를 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.

이차 전지 모듈, 엔드 플레이트, 보강부, 돌출 고리부

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트를 도시한 사시도이다.

도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트를 도시한 사시도이다.

본 발명은 이차 전지의 전지 모듈에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 엔드 플레이트의 강도를 보강한 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지 복수 개를 직렬로 연결한 대용량의 이차 전지의 개발이 요구된다.

이와 같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지 모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하고 상기 극판과 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체를 포함한다.

또한 상기 캡 조립체에는 스웰링현상이 발생하여 전지내부의 압력이 증가할 경우, 일정한 압력에서 파단되는 안전변이 구비될 수 있다.

그리고 각각의 단위 전지는 통상 하우징 내에서 일정 간격으로 배열 장착되고 각 단위 전지의 단자를 연결하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

여기서 상기 전지 모듈은 다수의 단위 전지를 전기적으로 연결하며, 전지 모듈의 안정성을 위해서 다수의 단위 전지를 하나의 전지 모듈로 체결하는 구조를 가지게 된다.

즉 다수 개의 단위전지를 일렬로 배열시키고, 상기 단위전지들의 최외측에 두개의 앤드 플레이트를 배치하며, 상기 앤드 플레이트가 일렬로 배열된 단위전지를 내측으로 밀착시킬 수 있도록 상기 앤드 플레이트에 4개의 막대 형태의 연결 로드(restraint bar)를 너트로 결합시킴으로써 다수의 단위전지를 안정적으로 고정한다.

그러나 전지 모듈을 장시간 사용하여 단위전지 내부에서 스웰링 현상이 발생하는 경우, 단위전지가 팽창하여 상기 엔드 플레이트를 가압함으로써, 상기 엔드 플레이트가 휘어지게되는데, 이로 인하여 상기 연결 로드와 엔드 플레이트가 불균일하게 접촉하게되고, 이 불균일하게 접촉 부위에서 응력이 집중한다. 또한 상기 응력이 집중하는 부위에서 변형이 생기거나 심각한 경우에는 파손되는 문제점이 있다.

그리고 이러한 문제를 해결하기 위해 연결 로드 또는 엔드 플레이트를 두껍게 제작하면 이차전지 모듈의 전체적인 무게가 증가하여 전지모듈이 장착되는 기기의 성능을 저하시키는 원인이 된다.

특히, HEV(하이브리드 전기 자동차), 전기 자전거, 전기 스쿠터 등에 사용되는 모터 구동용 이차 전지의 경우 상기 기기들의 성능을 향상시키기 위해서 전지의 자체 하중을 줄이는 것은 무엇보다 중요하다고 할 수 있는데, 엔드플레이트의 두께를 증가시키는 것은, 전지 모듈의 무게 증가로, 무게 대비 출력이 저하되어 모터 구동용으로 적용하기 힘든 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 엔드 플레이트의 강성을 보강하여 엔드 플레이트의 휨 변형을 방지함으로써, 응력이 집중되어 엔드 플레이트가 변형 또는 파손되는 것을 방지할 수 있는 이차전지 모듈을 제공함에 있다.

또한 본 발명은 보강부를 형성하여 엔드 플레이트의 무게를 감소시킬 수 있는 이차전지 모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 엔드 플레이트에는 적어도 하나 이상의 보강부가 형성된다.

이를 위하여 본 발명의 전지 모듈은 일렬로 배열된 다수개의 단위전지, 상기 단위전지 사이에 설치되어 냉각통로를 제공하는 전지 격벽, 상기 단위전지들의 외측에 각각 설치되어 상기 단위전지들을 내측으로 가압하며 표면에 하나 이상의 보강부가 형성된 엔드 플레이트 및 상기 엔드 플레이트들을 연결하여 고정하는 연결부재를 포함한다.

여기서 상기 엔드 플레이트는 평판부와 상기 평판부의 양측면에 형성되며 상기 연결부재를 삽입하는 돌출 고리부를 포함한다. 또한 상기 돌출 고리부는 중앙에 홀이 형성되어 상기 연결부재를 삽입하며, 상기 연결부재의 양측단에 너트가 체결되어 상기 엔드 플레이트들을 연결 고정한다.

그리고 상기 보강부는 돌출 고리부가 형성된 일측면에서부터 상기 일측면과 대향하는 타측면을 향하여 길게 뻗어있는 형상으로 돌출 형성되며, 바람직하게는 상기 보강부는 리브일 수 있다.

상기 보강부는 엔드 플레이트의 평판부에만 형성될 수 있으며 또한 평판부와 돌출 고리부 모두에 형성될 수 있다.

그리고 평판부에만 보강부가 형성된 경우, 상기 돌출 고리부의 두께는 평판부의 두께와 동일하거나 또는 평판부의 두께와 보강부의 두께를 합한 크기와 대응되는 크기로 형성될 수 있다. 여기서 돌출 고리부의 높이를 길게 형성하면, 응력이 집중되는 부위에서 작용하는 힘을 용이하게 견딜 수 있다.

또한, 평판부와 돌출 고리부 모두에 보강부가 형성된 경우, 상기 엔드 플레이트에서 보강부 형성된 일면은 단위전지와 대향하여 접하도록 설치되는 것이 바람직하다.

상기 보강부는 엔드 플레이트의 일면에만 형성될 수 있으며, 또한 엔드 플레이트의 양면에 형성될 수 있다. 보강부가 평판부의 양면에 형성된 경우, 상기 돌출 고리부의 두께는 평판부의 두께와 양측에 형성된 보강부의 두께를 합한 길이만큼 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 보강부의 단면 형상은 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 등으로 형성될 수 있으며, 엔드 플레이트가 적용되는 환경에 따라 다양한 모양으로 형성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈(100)을 도시한 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 다수개의 단위전지(10)가 적층 배열되고, 상기 단위전지(10)들의 사이에는 다수의 격벽(12)이 배열 설치된다.

또한, 상기 단위전지(10)들의 최외측에는 두 개의 엔드 플레이트(20)가 각각 배열 설치되는데, 상기 엔드 플레이트(20)는 평판부(201)와 중앙에 홀이 형성된 하나 이상의 돌출 고리부(202)를 포함한다. 여기서 상기 돌출 고리부(202)는 엔드 플레이트(20)의 양쪽 측면에서 각각 두 개씩 돌출 형성되고, 상기 돌출 고리부 (202)의 홀에는 연결부재(18)를 삽입하여 너트(24)로 고정함으로써 상기 단위전지(10)들을 일체로 고정할 수 있다.

그리고 상기 엔드 플레이트(20)의 일면에는 보강부(203)가 형성되고, 상기 보강부(203)는 돌출 고리부(202)가 형성되는 일측면에서 맞은편 측면까지 길게 뻗은 구조로 형성된다.

도 1에서 도시한 바와 같이 상기 보강부(203)는 엔드 플레이트(20)가 전지 모듈(100)에 배열 설치되었을 때, 외측을 향하는 평판부의 표면(201)에 형성된다. 상기 보강부(203)가 돌출 고리부(202)에도 형성되면 돌출 고리부(202)와 너트(24)가 접하는 면이 불균일하게 되어 응력이 집중될 수 있으므로 본 실시예에서는 돌출 고리부(202)에는 보강부(203)를 형성하지 않는다.

또한, 상기 보강부(203)의 단면형상이 직사각형인 것으로 도시되어 있지만, 단면 형상에 대해서는 제한하지 않으며, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 사다리꼴 또는 삼각형 등의 형상으로도 형성될 수 있다.

그리고 본 실시예에서는 상기 돌출 고리부(202)의 두께가 평판부(201)의 두께와 동일한 크기로 형성되는데, 상기 돌출 고리부(202)를 구성하는 소재가 충분한 강성을 가지고 있다면 상기 평판부(201)의 두께와 동일한 크기로 형성하더라도 응력을 충분히 견딜 수 있다.

상기한 바와 같이 엔드 플레이트(20)의 표면에 다수의 보강부(203)가 형성되어, 엔드 플레이트(20)에 굽힙 응력이 작용하더라도 엔드 플레이트(20)의 면적 관성모멘트가 증가하여 쉽게 휘지 않게 된다.

따라서 엔드 플레이트(20)가 평평한 상태를 유지하여 돌출 고리부(202)와 너트(24)는 균일하게 접촉하고 응력집중을 방지할 수 있다.

또한, 평판부(201)의 두께를 줄이더라도, 보강부(203)가 형성되어 충분한 강성을 가질 수 있으므로, 엔드 플레이트(20) 전체의 무게를 줄일 수 있다. 특히, 면적 관성 모멘트는

(여기서 b는 폭, h는 높이를 나타낸다)이므로, 면적 관성 모멘트는 높이 3제곱에 비례한다. 따라서 보강부(203)의 두께를 더욱 크게 형성할수록 굽힘 변형에 대한 견디는 능력은 더욱 커지므로, 평판부(201)는 더욱 얇게 형성될 수 있다.

그리고 동일한 조건에서 보강부(203)가 형성된 엔드 플레이트(20)와 보강부(203)가 형성되지 않은 엔드 플레이트(20)에 동일한 힘을 가하였을 때 엔드 플레이트(20)에 작용하는 최대 응력을 측정한 결과, 보강부(203)가 형성되지 않은 엔드 플레이트(20)는 엔드 플레이트(20)가 휘어져 응력이 집중된 곳에서의 최대 응력이 383.4㎫로 나타났지만, 높이가 2.0㎜이고 단면이 사각형인 보강부(203)를 설치한 엔드 플레이트(20)의 경우 최대 응력이 205.2㎫로 감소하는 것을 측정할 수 있었으며, 두께가 3.0㎜이고 단면이 사각형인 보강부(203)를 설치한 엔드 플레이트(20)의 경우 최대 응력이 164.6㎫로 감소하는 것을 측정할 수 있었다.

본 실시예에서 보강부(203)의 폭과 숫자에 대해서는 제한하지 않으며, 엔드 플레이트(20)가 적용되는 환경에 따라 적절한 폭과 숫자로 형성될 수 있음은 물론이다.

도 2는 본발명의 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트(21)를 도시한 사시도이다.

도 2에 도시한 바와 같이 엔드 플레이트(21)는 평판부(211)의 양측면에 각각 하나의 돌출 고리부(212)가 형성되고, 상기 평판부(211)와 돌출 고리부(212) 모두에 보강부(213)가 형성된다. 또한 상기 보강부(213)는 그 단면 형상이 사각형이며, 상기 돌출 고리부(212)가 형성된 일측면에서부터 상기 일측면과 대향하는 타측면을 향하여 길게 뻗은 구조로 형성된다.

그리고 상기 보강부(213)는 엔드 플레이트(21)의 일면에만 형성되고, 상기 보강부(213)가 형성된 면은 단위전지(도 1에 도시)와 접하도록 배열 설치됨이 바람직하다.

여기서 상기 돌출 고리부(212)에도 보강부(213)가 형성되어, 외부 힘에 의하여 쉽게 굽힘 변형을 일으키기 않아, 응력이 집중하는 것을 더욱 방지할 수 있으며, 상기 보강부(231)가 형성된 면이 단위전지와 접하도록 배치되어, 너트(도 1에 도시)와 접하는 면은 균일하게 되어 상기 너트와 접촉하는 부분에서의 응력집중을 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트(22)를 도시한 사시도이다.

도 3에 도시한 바와 같이 상기 엔드 플레이트(22)는 평판부(221)와 돌출 고리부(222)로 구성되고, 상기 평판부(221)에는 단면의 형상이 사다리꼴이며 돌출 고리부(222)가 형성된 일측면에서 상기 일측면과 대향하는 타측면을 향하여 길게 뻗 은 다수의 보강부(223)가 형성된다.

그리고 상기 돌출 고리부(222)는 평판부(221)의 양측면에 각각 두 개씩 형성되고, 상기 돌출 고리(222)부의 두께는 평판부(221)의 두께와 보강부(223)의 두께를 합한 크기만큼 형성된다.

여기서 상기 보강부(223)의 단면 형상을 사다리꼴로 형성함으로써 보강부(223)의 두께를 좀더 크게 형성하더라도 엔드 플레이트(22) 전체의 무게는 크게 증가하지 않는다. 그리고 돌출 고리부(222)의 두께는 평판부(221)의 두께와 보강부(223)의 두께를 합한 크기에 대응되록 확대되어 돌출 고리부(222)의 강성이 향상되며, 외부에서 작용하는 전단력에 의한 굽힘 변형이 생기는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트(23)를 도시한 사시도이다.

도 4에 도시한 바와 같이 엔드 플레이트(23)는 평판부(231)와 돌출 고리부(232)로 구성되고 상기 평판부(231)에는 다수의 보강부(233)가 형성된다. 상기 보강부(233)는 상기 평판부(231)의 양면에 형성되고, 그 단면 형상은 삼각형으로 형성된다.

또한, 상기 보강부(233)는 돌출 고리부(232)가 형성된 일면에서부터 상기 일면과 대향하는 타면을 향하여 뻗어 있는 구조로 형성된다.

그리고 상기 돌출 고리부(232)의 두께는 상기 평판부(231)의 두께와 평판부(231)의 양측에 형성된 보강부(233)의 높이를 합한 크기로 형성된다.

여기서 상기 보강부(233)는 평판부(231)의 양측에 형성되어 상기 엔드 플레 이트(23)의 휨 변형을 더욱 확실히 방지할 수 있으며, 또한 강도가 보강되어 평판부(231)의 두께를 축소하여 엔드 플레이트(23) 전체의 무게를 감소시킬 수 있다.

그리고 돌출 고리부(232)의 두께는 평판부(231)의 두께와 평판부(231)의 양측에 형성된 보강부(231)의 높이를 합한 크기에 대응되는 크기로 형성되어 돌출 고리부(232)의 강성은 더욱 증가하며 휨 변형을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 힘에 의하여 작용하는 응력을 충분히 견딜 수 있다.

상기한 본 발명의 2차 전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 엔드 플레이트의 일면 또는 양면에 다수의 보강부를 형성하여 엔드 플레이트의 관성 모멘트를 증가시킴으로써 엔드 플레이트의 변형 및 파손을 방지할 수 있고, 엔드 플레이트의 휨을 방지하여 응력집중을 감소시킴으로써 이차전지 모듈의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 엔드 플레이트에 보강부가 형성된 경우 평판부의 두께를 감소시킬 수 있어서, 엔드 플레이트의 전체적인 무게가 감소하여 이차전지 모듈의 성능을 향상 시킬 수 있다.

Claims (13)

1. 복수 개의 단위전지;

   상기 단위전지들의 외측에 각각 설치되어 상기 단위전지들을 내측으로 가압하며, 적어도 하나의 면에 강도를 보강하는 리브(rib) 형상의 보강부가 형성되는 엔드 플레이트; 및

   상기 엔드 플레이트들을 연결하여 고정하는 연결부재;

   를 포함하는 이차전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트는 평판부와, 상기 평판부의 양측단에 형성되어 상기 연결부재를 삽입하는 하나 이상의 돌출 고리부를 포함하는 이차전지 모듈.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 보강부는 상기 돌출 고리부가 형성된 일측단에서부터 상기 일측단과 대향하는 타측단을 향하여 길게 뻗은 형태로 돌출 형성되는 이차전지 모듈.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서, 상기 보강부의 그 단면 형상은 사각형, 사다리꼴, 삼각형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 이차전지 모듈.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강부는 상기 엔드 플레이트의 일면에만 형성되는 이차전지 모듈.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 돌출 고리부의 두께는 상기 평판부의 두께와 상기 보강부의 두께를 합한 길이에 대응되는 길이로 형성되는 이차전지 모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 보강부는 상기 엔드 플레이트의 양면에 형성되는 이차전지 모듈.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 돌출 고리부의 두께는 상기 평판부의 두께와 상기 평판부의 양측에 형성된 보강부의 두께를 합한 길이와 대응되는 길이로 형성되는 이차전지 모듈.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 보강부는 상기 평판부에만 형성되는 이차전지 모듈.
11. 제 2 항에 있어서, 상기 보강부는 상기 평판부와 상기 돌출 고리부 모두에 형성되는 이차전지 모듈.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 보강부는 엔드 플레이트의 일면에만 형성되고, 상 기 보강부가 형성된 면은 상기 단위전지와 접하도록 설치되는 이차전지 모듈.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지 모듈이 모터 구동용인 이차전지 모듈.

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