KR100696690B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 앤드 플레이트의 구조를 개선하여 앤드 플레이트의 변형을 방지할 수 있도록, 복수개의 단위전지와 상기 단위전지들의 외측에 각각 설치되어 상기 단위전지들을 내측으로 가압하며, 표면에 강도를 보강할 수 있는 H빔 형태의 보강부재가 설치된 앤드 플레이트, 및 상기 앤드 플레이트들을 연결하여 고정하는 연결부재를 포함한다.

이차 전지 모듈, 앤드 플레이트, 보강부재

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 앤드 플레이트를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 앤드 플레이트를 도시한 사시도이다.

도 4은 본 발명의 제3 실시예에 따른 앤드 플레이트를 도시한 사시도이다.

본 발명은 이차 전지의 전지 모듈에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 앤드 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 단위전지는 양 극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 및 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하고 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체를 포함한다.

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

그리고 각각의 단위 전지는 통상 하우징 내에 일정 간격을 두고 배열되고 각 단위 전지의 단자를 연결하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

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

즉 복수 개의 단위전지를 적층 배열하고, 상기 단위전지들의 최외측에 두 개의 앤드 플레이트를 배치하며, 상기 앤드 플레이트가 복수 개의 단위전지들을 내측으로 가압할 수 있도록 상기 앤드 플레이트에 4개의 막대 형태의 연결 로드(restraint bar)를 삽입하여 상기 연결로드에 너트를 결합시킴으로써 복수의 단위전지들을 일체로 고정한다.

그러나 전지 모듈을 장시간 사용하여 단위전지 내부에서 스웰링 현상이 발생하는 경우, 단위전지가 팽창하여 상기 앤드 플레이트를 가압함으로써, 상기 앤드 플레이트가 휘어지게 되는데, 이로 인하여 상기 연결 로드 또는 연결로드를 앤드 플레이트에 고정하는 너트와 앤드 플레이트가 불균일하게 접촉하고, 불균일하게 접촉 부위에서 응력이 집중된다. 또한, 상기 응력이 집중하는 부위에서 변형이 생기 거나 심각한 경우에는 파손되는 문제점이 있다.

또한, 앤드 플레이트에 항복점 이상의 응력이 작용하여 앤드 플레이트가 소성변형으로 휘어지게 되면, 영구적으로 응력이 집중하는 부분이 생기고 이러한 부분이 변형되거나 파손될 위험은 더욱 커지게 된다.

그리고 이러한 문제를 해결하기 위해 연결 로드 또는 앤드 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, 앤드 플레이트의 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 앤드 플레이트의 강성을 보강하여 앤드 플레이트의 휨 변형을 방지할 수 있는 이차전지 모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 앤드 플레이트는 적어도 하나 이상의 H빔 형태의 보강부재를 포함한다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 복수개의 단위전지, 상기 단위 전지 사이에 설치되어 냉각통로를 제공하는 전지 격벽, 단위전지들의 외측에 각각 설치되어 상기 단위전지들을 내측으로 가압하며 표면에 H빔 형태의 보강부재가 형성된 앤드 플레이트 및 상기 앤드 플레이트들을 연결하여 고정하는 연결부재를 포함한다.

그리고 상기 앤드 플레이트는 양측 가장자리에 상기 연결부재가 삽입되는 관통 홀이 형성될 수 있다. 상기 관통 홀을 통해서 연결부재를 삽입하고 상기 연결부재의 양측단에 너트를 체결함으로써 상기 연결부재가 상기 앤드 플레이트를 안정적으로 고정하게 된다.

상기 보강부재는 상기 관통 홀이 형성된 일측 단부에서 타측 단부까지 길게 뻗은 구조로 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 보강부재는 상기 앤드 플레이트에 용접으로 고정될 수 있다.

그리고 상기 앤드 플레이트는 상기 단위전지와 접하는 밀착부와 상기 밀착부의 양측단에서 연장되어 단위전지의 외측으로 돌출되며 상기 연결부재가 삽입되는 하나 이상의 관통 홀이 형성되는 연장부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 앤드 플레이트는 연장부가 상기 단위전지의 측면으로 돌출되도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 연장부는 상기 밀착부에서 돌출 형성되는 돌출 고리로 이루어질 수 있다.

상기 보강부재는 상기 밀착부에만 설치될 수 있으며, 또한 상기 보강부재는 상기 밀착부와 연장부 모두에 설치될 수도 있다. 또한, 상기 보강부재는 복수 개가 앤드 플레이트의 표면에 소정 간격으로 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 이차 전지 모듈은 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 에너지원으로 사용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차전지 모듈(100)을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 앤드 플레이트(30)를 도시한 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수개의 단위전지(10)와 상기 단위전지(10)들의 사이에 배치되어 열전달 매체의 유동통로를 제공하는 복수의 격벽(25)을 포함한다.

또한, 상기 단위전지들(10)의 최외측에는 두 개의 앤드 플레이트(30)가 각각 배열 설치되는데, 상기 앤드 플레이트(30)는 상기 단위전지(10)와 접하는 밀착부(31)와 상기 밀착부(31)의 양측으로 연장되어 형성되는 연장부(32)를 포함한다.

그리고 본 실시에에 따른 상기 앤드 플레이트(30)는 상기 연장부(32)가 상기 단위전지(10)의 측면으로 돌출되도록 설치된다. 다만 상기 앤드 플레이트(30)의 연장부가 단위전지(10)의 측면으로 돌출되는 것은 본 발명의 일 실시예에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 상기 앤드 플레이트(30)는 상기 연장부(32)가 단위전지의 위아래로 돌출되도록 설치될 수도 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 볼 것이다.

그리고 상기 앤드 플레이트들(30)은 연결부재(35)에 의하여 체결되어 상기 단위전지들(10)을 고정하며 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 양측 연장부(32)에 각각 두 개의 연결부재(35)가 설치되어 상기 앤드 플레이트들(30)을 체결한다.

그리고 상기 앤드 플레이트(30)의 연장부(32)에는 상기 연결부재(35)를 삽입하는 관통 홀(37)이 형성되며, 본 실시예에 따른 앤드 플레이트(30)는 상기 관통 홀(37)이 양측 연장부(32)에 각각 두 개씩 형성된다. 따라서 상기 연결부재(35)가 관통 홀(37)에 삽입되어 끼워진 후, 연결부재(35)의 양측 단부에 너트(36)가 결합되어 상기 앤드 플레이트들(30)을 체결하게 된다.

그리고 상기 앤드 플레이트(30)의 일면에는 보강부재(34)가 형성되고, 상기 보강부재(34)는 상기 연장부(32)가 형성된 일측 단부에서 타측 단부까지 길게 이어진 구조로 이루어진다. 또한, 본 실시예에 따른 상기 보강부재(34)는 앤드 플레이트(30)에 연결부재(35)가 용이하게 체결될 수 있도록 상기 앤드 플레이트(30)의 밀착부(31)에만 설치되고 연장부(32)에는 설치되지 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이 상기 보강부재(34)는 앤드 플레이트(30)가 단위전지(10)와 접하도록 설치될 때, 바깥쪽을 향하는 앤드 플레이트(30)의 면에 형성된다. 상기 보강부재(34)가 단위전지(10)와 접하지 않는 바깥 면에 형성되어 상기 단위전지(10)와 앤드 플레이트(30)가 접촉하는 부분에서 불균일하게 응력집중이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 보강부재(34)로 인하여 열전달 면적이 확대되므로 상기 단위전지들(10)을 냉각시키는 효율을 증가시킬 수 있다.

그리고 상기 보강부재(34)는 H빔 형태로 이루어지며 소정의 간격으로 이격되어 앤드 플레이트(30)의 면에 설치된다. 또한, 본 실시예에 따른 상기 보강부재(34)는 상기 앤드 플레이트(30)의 외면에 용접으로 고정된다.

이러한 H빔 형태의 보강부재(34)는 동일한 무게의 일반적인 사각막대 형태의 보강부재보다 면적관성 모멘트가 상대적으로 커서, 동일한 힘이 작용할 경우 다른 형태의 앤드 플레이트에 비해서 쉽게 변형되지 않는다.

적층된 복수 개의 단위전지(10)의 내부에 스웰링 현상이 발생하면, 상기 단위전지들(10)이 팽창함으로써 상기 앤드 플레이트(30)를 가압하며, 상기 단위전지에는 스웰링 현상이 발생하여 상기 단위전지(10) 내부의 압력이 증가할 경우 상기 단위전지가 폭발하는 것을 방지하기 위하여, 일정한 압력에서 개방되는 안전변이 구비된다. 이때 상기 안전변이 개방되는 압력에서 상기 앤드 플레이트(30)에 작용하는 최대응력을 컴퓨터 시뮬레이션으로 살펴본 결과, 사각막대 형태의 보강부재를 설치한 앤드 플레이트에 작용하는 최대 응력은 상기 앤드 플레이트의 항복 응력인 345MPa보다 커서 상기 앤드 플레이트에 소성변형이 발생한 반면, H빔 형태의 보강부재를 설치한 앤드 플레이트(30)에 작용하는 최대 응력은 280MPa로 상기 앤드 플레이트(30)의 항복 응력보다 작은 최대 응력이 발생하여 상기 앤드 플레이트(30)가 소성 변형되지 않는 것을 알 수 있었다.

상기 보강부재(34)의 치수와 설치되는 개수에 대해서는 제한하지 않으며, 앤드 플레이트(30)가 적용되는 환경에 따라 적절한 치수와 개수로 설치될 수 있다.

또한, 상기 보강부재(34)가 설치되어 상기 앤드 플레이트(30)의 강도가 강화되므로 상기 앤드 플레이트(30)의 두께를 종래에 비하여 작게 형성할 수 있으며, 이로 인하여 앤드 플레이트(30) 전체의 두께를 감소시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 앤드 플레이트(40)를 도시한 사시도이 다. 도 3에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 앤드 플레이트(40)는 단위전지(10)와 접하는 밀착부(41)와 상기 밀착부(41)의 양측단에서 돌출 형성되는 돌출 고리부(42)를 포함한다.

본 실시예에 따른 상기 돌출 고리부(42)는 밀착부(41)의 양측단에서 돌출 형성되고, 중앙에 관통 홀(47)이 형성된다. 상기 관통 홀(47)에 연결부재(35)를 삽입하고 상기 연결부재(35)의 양측 단부에 너트(36)를 체결함으로써 상기 앤드 플레이트들(40)을 일체로 고정할 수 있다.

그리고 본 실시예에 따른 앤드 플레이트(40)는 상기 밀착부(41)에서 연장되는 부분이 돌출 고리(42)로 이루어져 앤드 플레이트(40)의 무게가 감소되며, 상기 돌출 고리부(42)의 크기를 조절하여 필요한 강도를 확보할 수 있다.

그리고 상기 밀착부(41)에는 H빔 형태의 보강부재(44)가 설치되어, 외부에서 작용하는 힘에 의하여 상기 앤드 플레이트(40)가 변형되는 것을 방지한다.

도 4는 본 발명의 제4실시예에 다른 앤드 플레이트(50)를 도시한 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에 다른 앤드 플레이트(50)는 단위전지(10)와 접하는 밀착부(51)와 상기 밀착부(51)의 양측단에 형성되는 연장부(52)를 포함한다. 또한 상기 앤드 플레이트(50)의 일 면에는 보강부재(54)가 설치되며, 상기 보강부재(54)는 밀착부(51)와 연장부(52) 모두에 설치된다. 다만, 상기 연장부(52)에 형성된 관통 홀(57)의 주변에는 상기 연결부재(35)와 너트36()가 용이하게 결합될 수 있도록 보강부재(54)가 설치되지 않는다.

이러한 구조로 상기 앤드 플레이트(50)는 상기 밀착부(51) 뿐만 아니라 연장 부(52)에 작용하는 응력까지 용이하게 지지하여 상기 앤드 플레이트(50)가 변형되는 것을 방지할 수 있다.

상기한 본 발명의 2차 전지 모듈은 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, 앤드 플레이트에 H빔 형태의 보강부재를 설치하여 앤드 플레이트의 관성 모멘트를 증가시킴으로써 앤드 플레이트의 변형을 방지할 수 있다.

또한, 앤드 플레이트에 보강부재가 형성된 경우 평판부의 두께를 감소시킬 수 있어서, 앤드 플레이트의 전체적인 무게가 감소하므로 이차전지 모듈의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 적층 배열된 복수개의 단위전지;

   상기 적층된 단위전지들의 최외측에 설치되며, 표면에 강도를 보강할 수 있는 H빔 형태의 보강부재가 설치된 앤드 플레이트; 및

   상기 앤드 플레이트들을 연결하여 고정하는 연결부재;

   를 포함하는 이차 전지 모듈.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 앤드 플레이트는 상기 단위전지와 접하는 밀착부와 상기 밀착부의 양측단에서 연장되어 단위전지의 외측으로 돌출되며 상기 연결부재가 삽입되는 하나 이상의 관통홀이 형성되는 연장부를 포함하는 이차 전지 모듈.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 보강부재는 상기 관통홀이 형성된 일측에서 타측까지 길게 뻗은 구조로 설치되는 이차 전지 모듈.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 보강부재는 상기 앤드 플레이트에 용접으로 고정되는 이차 전지 모듈.
5. 삭제
6. 제2 항에 있어서,

   상기 앤드 플레이트는 연장부가 상기 단위전지의 측면으로 돌출되도록 배치되는 이차 전지 모듈.
7. 제2 항에 있어서,

   상기 연장부는 상기 밀착부에서 돌출 형성되는 돌출 고리로 이루어지는 이차 전지 모듈.
8. 제2 항에 있어서,

   상기 보강부재는 상기 밀착부에 설치되는 이차 전지 모듈.
9. 제2 항에 있어서,

   상기 보강부재는 상기 밀착부와 상기 연장부에 설치되는 이차 전지 모듈.
10. 제2 항에 있어서,

    상기 보강부재는 복수 개가 앤드 플레이트의 표면에 소정 간격으로 이격되어 설치되는 이차 전지 모듈.
11. 제2 항에 있어서,

    상기 이차 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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