KR100894407B1 - 셀 모듈 카트리지 및 이를 포함하고 있는 셀 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중대형 전지모듈을 제작할 수 있는 셀 모듈 카트리지로서, 판상형 이차전지 셀이 장착될 수 있도록 장방형 구조로 상면이 개방된 구조의 카트리지 본체와, 전지셀이 장착된 상태에서 카트리지 본체의 개방 상면에 결합되는 상부 커버를 포함하고 있고, 카트리지 본체의 하면에는 다수의 관통구들이 천공되어 있으며, 측벽의 상단과 하단 일측에는 체결용 돌기와 체결용 홈이 형성되어 있으며, 카트리지 본체의 전면에는, 전극단자 접속부재가 전지셀의 전극단자에 안정적으로 접속될 수 있도록, 별도의 장착용 절연부재가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부로 구성되어 있는 셀 모듈 카트리지 및 이를 포함하고 있는 셀 모듈을 제공한다.

Description

셀 모듈 카트리지 및 이를 포함하고 있는 셀 모듈 {Cell-Module Cartridge and Cell-Module Including the Same}

도 1 및 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 모듈 카트리지를 구성하는 카트리지 본체와 상부 커버의 사시도들이다;

도 3 및 도 4는 도 1의 모듈 카트리지에 전지셀을 조립하는 과정에 대한 모식도들이다;

도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 조립된 셀 모듈의 사시도이다;

도 6 내지 도 10은 도 1 내지 5의 카트리지들을 다수 개 적층 및 결합하여 중대형 전지모듈을 조립하는 일련의 과정에 대한 사시도들이다;

도 11은 도 4에서 제 1 카트리지 본체에 제 2 카트리지 본체를 장착하는 과정의 모식도이다;

도 12는 도 11의 과정을 수행할 수 있는 카트리지 본체 후미의 확대도이다.

본 발명은 중대형 전지모듈을 제작할 수 있는 셀 모듈용 카트리지와 이를 포함하고 있는 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 판상형 이차전지 셀이 장착될 수 있도록 상기 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 카트리지 본체와 상부 커버를 포함하고 있고, 상기 카트리지 본체의 하면에는 다수의 관통구들이 천공되어 있으며, 측벽의 상단과 하단 일측에는 또 다른 카트리지와 결합될 수 있는 체결용 돌기와 체결용 홈이 형성되어 있으며, 상기 카트리지 본체의 전면에는, 전극단자 접속부재가 전지셀의 전극단자에 안정적으로 접속될 수 있도록, 별도의 장착용 절연부재가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부로 구성되어 있는 셀 모듈 카트리지, 및 이를 포함하고 있는 셀 모듈에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등 에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다. 또한, 전기자전거, 전기자동차 등과 같이 외부로부터 많은 충격, 진동 등을 받는 디바이스들은 전지모듈을 구성하는 소자들간의 전기적 연결상태와 물리적 결합상태가 안정적이어야 하며, 다수의 전지를 사용하여 고출력 및 대용량을 구현하여야 하기 때문에 안전성 측면도 중요시 되고 있다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

상기와 같은 장점에도 불구하고, 전지모듈의 단위전지로서 사용되는 파우치형 전지는 몇가지 문제점을 가지고 있다.

첫째, 파우치형 전지는 판상의 전극단자들이 그것의 상단에 돌출되어 있는 형태로 되어 있으므로 모듈의 구성을 위한 전기적 연결이 용이하지 않는다는 단점을 가지고 있다. 전극단자들의 연결은 일반적으로 와이어, 플레이트, 버스 바 등을 사용하여 해당 단자들을 용접 등에 의해 연결하는 방식이 사용되고 있지만, 판상의 전극단자는 그러한 작업이 용이하지 않다. 일반적으로는, 판상의 전극단자를 일부 절곡하여 해당면에 금속 플레이트, 버스 바 등을 용접하는 방법이 사용되고 있으므로, 숙련된 기술이 요구되고 작업공정이 복합하다. 또한, 외부의 충격 등에 의해 결합 부위가 분리되어 불량을 유발하는 경우가 많다.

둘째, 파우치형 전지는 기계적 강도가 떨어지므로 다수의 전지들을 적층하여 모듈을 제조함에 있어서 안정적인 결합과 조립 상태를 유지하기 위한 별도의 부재들이 다수 요구되는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 파우치형 전지를 모듈로 제조함에 있어서, 일반적으로는 하나 또는 둘 이상의 단위로 전지들을 장착하는 카트리지 등의 별도의 장착 부재가 사용되고 이들을 적층하여 모듈을 제조하고 있다.

또한, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다.

더욱이, 차량 등과 같이 진동, 충격 등의 지속적인 외력이 가해지는 디바이스의 경우, 전기적 접속부위에서의 접촉저항 증가 등은 불안전한 출력, 단락 유발 등의 문제점을 초래할 수 있다.

따라서, 실제 제조 공정상에 어려움이 없고, 전지셀의 낮은 기계적 강성을 보완하며 외력에 의한 단락 등을 예방할 수 있는 카트리지와 같은 장착부재를 적용하는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀의 낮은 기계적 강성을 효과적으로 보완하면서 적층이 용이하고, 전극단자의 접속이 용이하며, 적층된 상태에서 냉매의 유로를 확보할 수 있는 셀 모듈 카트리지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 카트리지를 이용한 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업시 또는 작동시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 셀 모듈을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 셀 모듈 카트리지는, 중대형 전지모듈을 제작할 수 있는 셀 모듈용 카트리지로서, 판상형 이차전지 셀(전지셀)이 장착될 수 있도록 상기 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 상면이 개방된 구조의 카트리지 본체와, 전지셀이 장착된 상태에서 상기 카트리지 본체의 개방 상면에 결합되는 상부 커버를 포함하고 있고, 상기 카트리지 본체의 하면에는 다수의 관통구들이 천공되어 있으며, 측벽의 상단 일측에는 또 다른 카트리지와 결합될 수 있는 체결용 돌기가 형성되어 있고, 측벽의 하단 일측에는 상기 체결용 돌기에 대응하는 체결용 홈이 형성되어 있으며, 상기 카트리지 본체의 전면에는, 전극단자의 전기적 접속을 위한 부재(전극단자 접속부재)가 전지셀의 전극단자에 안정적으로 접속될 수 있도록, 상기 전극단자 접속부재의 장착을 위한 별도의 부재(장착용 절 연부재)가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 셀 모듈 카트리지는, 전지셀의 낮은 기계적 강성을 효과적으로 보완하면서 적층이 용이하고, 전극단자의 접속이 용이하며, 적층된 상태에서 적정한 냉매 유로를 확보할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 셀 모듈 카트리지는 구조적 특성상 조립 과정 뿐만 아니라 조립이 완료된 상태에서의 분해 과정도 용이하므로, 전지셀의 고장 발생시 카트리지에 내장되어 있는 저전압 셀의 교환이 용이하고, 전지셀의 수명이 다하여 전지팩을 폐기할 시에도 카트리지는 재사용이 가능하며, 전지 팩의 제조시 전지셀의 불량이 발생하더라도 카트리지를 분해하여 내장되어 있는 불량 전지셀을 양품 전지셀로 교체함으로써 불량율을 현저히 감소시킬 수는 효과도 있다.

상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 일측 단부에 한 쌍의 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.

상기 파우치형 전지셀을 구성하는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등은 당업계에 공지되어 있는 바, 예를 들어, 양극을 구성하는 활물질의 경우, 리튬 코발트 산 화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 산화물 등의 리튬 전이금속 산화물과 이들의 복합 산화물들이 사용될 수 있다.

또한, 파우치형 전지셀은 충방전시 발열반응이 일어나므로, 전지셀의 과열을 방지하기 위하여, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 카트리지 본체에는 다수의 관통구들이 천공되어 있어서 전지셀의 발생열을 효과적으로 방출시킬 수 있다. 이러한 관통구들은 바람직하게는 소정의 패턴으로 천공될 수 있다.

더욱이, 상기 다수의 관통구들로 구성된 군(관통구 군)들은 소정의 간격으로 이격되어 천공될 수 있다. 따라서, 이러한 관통구 군이 위치한 부분을 제외한 나머지 부위에, 예를 들어, 양면 접착 테이프를 부가하여, 카트리지 본체에 전지셀을 부착하여 고정시킬 수 있다. 이러한 양면 접착 테이프는 양면 접착성을 가진 접착 테이프로서 양면 접착성에 의해 전지셀과 카트리지 본체의 고정을 더욱 공고하게 해주므로, 외부 충격 등에 대해 카트리지 내부의 전지셀의 이동이 억제되어 내부 단락을 방지할 수 있다.

상기 체결용 돌기와 홈은, 상호 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있도록, 바람직하게는 카트리지 양 측면 측벽에 각각 형성할 수 있다.

카트리지 본체들의 체결 방식은 다양할 수 있으며, 바람직하게는 별도의 부재를 사용하지 않고 상호 결합될 수 있도록, 하나의 카트리지 본체의 후미 측벽 상단에 또 다른 카트리지 본체와의 결합을 위한 체결용 요철부가 형성되어 있고, 후미 측벽 하단에는 상기 요철부를 대응하는 체결용 그루브가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 체결용 요철부와 그루브의 형성 위치는 상기와 반대 구조도 가능 함은 물론이다.

중대형 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층하는 것이 바람직하다. 즉, 기계적 강성이 낮은 전지셀을 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성한다. 따라서, 적층된 전지셀들 사이에서 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로를 확보하는 것이 바람직하다.

이러한 냉매 유로의 확보를 위해, 하나의 바람직한 예에서, 상기 카트리지의 카트리지 본체의 측면 측벽 상단에는 또 다른 카트리지 본체의 적층시 냉매 유로를 형성하기 위한 적어도 하나의 돌기부가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 돌기부에 의해 카트리지들이 일정한 간격으로 이격됨으로써 냉매의 유동을 위한 유로가 형성된다.

본 발명의 카트리지 구조는 기본적으로 다수의 카트리지들을 수직 방향으로 적층하는 구조로 이루어져 있지만, 측면 방향으로도 중첩시키는 구조를 추가적으로 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 카트리지 본체의 전면에는, 측면 방향으로 또 다른 카트리지 본체를 위치시킨 상태에서 이를 연결하기 위한 부재('결속부재')가 삽입될 수 있는 홈이 수직으로 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 카트리지 본체의 높이에 대략 상응하는 길이의 결속부재를, 순차적으로 적층되어 있는 카트 리지 본체의 홈에 슬라이드 방식으로 결합하여, 각각의 카트리지 본체를 서로 고정시켜 중대형 전지모듈을 제작할 수 있다.

상기 카트리지 본체와 상부 커버의 소재는 전기 절연성을 가지고 소정의 기계적 강도를 가진 소재라면 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 절연물질로 피복된 금속, 절연성 고분자, 또는 이들의 수지 복합체 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 카트리지에서 상기 장착용 절연부재는, 바람직하게는, 카트리지 본체의 전면에 대략 일치하는 크기를 가진 육면체 구조로 이루어져 있고, 후면에는 카트리지 본체의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 홈('카트리지 결합홈')이 형성되어 있으며, 전면에는 상기 결합홈을 통해 도입된 전지셀의 전극단자가 노출될 수 있도록 홈('전극단자 관통홈')이 형성되어 있고, 상기 전극단자 관통홈의 상부에는 전극단자 접속부재에 삽입되는 체결 상단부로 구성된 구조일 수 있다.

상기 장착용 절연부재는 인접한 전지셀들의 전극단자들을 전기적으로 절연시키는 역할을 하므로, 전기절연성 소재로 되어 있다. 그러한 전기절연성 소재의 바람직한 예로는 각종 플라스틱 수지를 들 수 있으며, 상기와 같은 역할을 하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

상기 장착용 절연부재가 전지셀들의 전극단자들 및 카트리지와 체결되는 방식은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예로서, 전지셀을 카트리지 본체에 적재하고, 전지셀의 전극단자들을 카트리지 본체의 전면 단부에 있는 결합부에 하향 절 곡하여 전면 단부와 밀착시킨 후, 절연부재의 후면에 있는 카트리지 결합홈에 카트리지 본체의 전면 단부가 삽입되어 결합됨으로써, 체결이 이루어질 수 있다. 더욱이, 상기 장착용 절연부재에 삽입되어 있는 전극단자(카트리지 전면 단부를 감싸고 있는 전극단자)들은, 전극단자 접속부재가 장착용 절연부와 결합할 때, 더욱 견고하게 결합될 수 있다.

상기 장착용 절연부재는 바람직하게는 전지셀 상호간의 전기적 접속을 위한 전극단자 접속부재가 용이하게 장착될 수 있는 구조로 이루어져 있다.

예를 들어, 장착용 절연부재의 전면에는 전극단자 접속부재의 외부 입출력 단자와 전압 검출용 단자의 안정적인 탑재를 위한 안착부가 추가로 형성되어 있고, 상기 외부 입출력 단자의 안착부에는 체결용 만입부가 형성되어 있으며, 상기 전극단자 관통홈을 통해 전면으로 노출된 전지셀의 전극단자를 전극단자 접속부재의 절곡 결합부의 후미 홈에 삽입하여 체결되는 구조일 수 있다.

따라서, 절연부재의 체결 상단부 중앙부분과 절연부재를 관통한 전극단자는 전극단자 접속부재의 절곡 결합부와 밀접하게 체결될 수 있고, 전극단자 접속부재를 장착용 절연부재에 안정적인 탑재를 가능하게 한다.

본 발명은 또한 상기 카트리지와 전지셀을 포함하는 구조로 구성된 셀 모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 셀 모듈은 콤팩트하고 안정적이며 용이한 조립 구조로 인해 사용 및 취급이 용이하다. 바람직하게는, 외부로부터의 빈번한 진동과 충격에 대해, 카트리지 내부에서의 전지셀의 안정적인 고정 상태를 유지할 수 있도록, 앞서 설명한 바와 같이, 카트리지 본체와 전지셀 사이에 적어도 하나의 양면 접착 테이프를 부가할 수도 있다.

본 발명은 또한 상기 셀 모듈을 다수 개 적층하여 구성되는 중대형 전지모듈을 제공한다.

일반적으로, 카트리지와 전지셀을 포함하는 구조로 결합된 셀 모듈을 단위체로서 다수 개 조합하여 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제조할 수 있으며, 이 경우, 상기 단위체로서의 셀 모듈의 결합은 상기의 방법 이외에 다양할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 중대형 전지모듈은 상기 셀 모듈의 카트리지 본체에 전지셀을 장착하고, 이러한 카트리지 본체들을 다수 개 적층한 후, 최상부의 카트리지 본체에 상부 커버를 결합시키는 방법으로 조립될 수 있다.

경우에 따라서는, 전지셀의 상부면에는 소정의 두께를 가진 탄력적인 일면 접착 테이프를 부가할 수 있는 바, 상기 접착 테이프는 카트리지의 상부에 적층되는 또 다른 카트리지와의 공간을 채워주고, 동시에 전지셀을 탄력적으로 가압하여 카트리지 내부에서 안정적인 장착 상태를 유지할 수 있도록 도와 준다. 이러한 일면 접착 테이프는 일명 '스펀지'와 같이 소정의 두께를 가지면서 탄력성을 제공하는 일면 접착 테이프일 수 있다. 그러나, 이러한 일면 접착 테이프를 부착하지 않고 전지셀의 상부면에 별도로 부착하지 않고, 또 다른 카트리지의 본체가 직접 전지셀의 상부면에 접하도록 구성할 수 있음은 물론이다.

이러한 중대형 전지모듈은 소망하는 출력과 용량에 따라 셀 모듈들을 전기적으로 연결하여 가변적인 조합이 가능하게 되므로 다양한 디바이스에 적용할 수 있 다. 따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원으로 사용될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 발명 내용을 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1 및 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 모듈 카트리지를 구성하는 카트리지 본체와 상부 커버의 사시도들이 각각 도시되어 있고, 도 3 및 도 4에는 도 1의 모듈 카트리지에 전지셀을 조립하는 과정에 대한 모식도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 카트리지 본체(100)는 판상형 전지셀(200; 이하에서는 '전지셀'로 약칭함)이 장착될 수 있도록 전지셀(200)에 대응하는 장방형 구조로서 상면이 개방된 형상으로 이루어져 있다. 또한, 전지셀(200)의 과열을 방지하기 위해 하면(110)에 소정의 패턴으로 다수의 관통구들(120)이 천공되어 있어서 열을 효과적으로 방출시키며, 이러한 관통구들(120)로 구성된 관통구 군들(120a)은, 예를 들어, 접착 테이프(300)를 부착시킬 수 있는 크기만큼의 간격으로 이격된 위치에 천공되어 있다. 상부 커버(190)에도 다수의 관통구들(120)이 천공되어 있고, 이러한 관통구들(120)은 관통구 군(120a)의 형태로 소정의 패턴을 형성하고 있다.

카트리지 본체(100)의 양 측면 측벽(130)의 상단 일측에는 또 다른 카트리 지(도시하지 않음)와 결합될 수 있는 체결용 돌기(140)가 돌출되어 있고, 측벽(130)의 하단 일측에는 체결용 돌기(140)에 대응하는 체결용 홈(142)이 형성되어 있다. 또한, 카트리지 본체(100)의 전면(150)에는 장착용 절연부재(400)가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부(152)가 형성되어 있다.

카트리지 본체(100)의 측면 측벽(130) 상단에는 또 다른 카트리지 본체(도시하지 않음)의 적층시 냉매 유로를 형성하기 위한 다수의 돌기부들(160)이 형성되어 있다. 이러한 돌기부들(160)에 의해 카트리지들이 일정한 간격으로 이격됨으로써 냉매의 유동을 위한 유로가 형성된다.

또한, 카트리지 본체(100)의 후미 측벽(170)의 상단에는 또 다른 카트리지 본체와의 결합을 위한 체결용 그루브(180)가 형성되어 있고, 후미 측벽(170)의 하단에는 그루브(180)에 대응하는 체결용 요철부(182)가 형성되어 있다.

접착 테이프(300)는 전지셀(200)의 상부면과 하부면에 부착되는 종류에 따라 서로 달라질 수 있는 바, 예를 들어, 전지셀(200)의 상부면에 부착되는 접착 테이프는 소정의 두께를 가진 탄력적인 테이프로서 일면에 접착성을 나타내는 일면 접착 테이프이고, 전지셀(200)의 하부면에 부착되는 접착 테이프는 양면에 접착성을 나타내는 양면 접착 테이프일 수 있다. 이들 접착 테이프의 부착에 따른 효과는 앞서 설명한 바와 동일하다.

도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 조립된 셀 모듈의 사시도가 도시되어 있다.

셀 모듈을 조립하는 과정을 도 1 내지 4와 도 5를 참조하여 설명하면, 우선, 카트리지 본체(100)에서 관통구(120a) 군이 위치한 부분을 제외한 나머지 부위에 접착 테이프(300)를 부착하고, 전지셀(200)을 카트리지 본체(100)에 장착시킨 후, 전지셀(200)의 전극단자들(210, 220)을 카트리지 본체(100)의 전면 단부에 있는 결합부(152)를 감싸도록 하향 절곡하여 밀착시킨다. 그런 다음, 전극단자들(210, 220)이 밀착되어 있는 결합부(152)에 장착용 절연부재(400)를 조립한다. 최종적으로, 장착용 절연부재(400)에 전기적 접속을 위한 전극단자 접속부재(410)를 결합시키고, 전지셀(200)의 상부면에 접착 테이프(300)를 부착한 후, 상부 커버(190)를 장착함으로써, 셀 모듈(500)의 제조를 완성할 수 있다.

그러나, 상기 과정은 필요에 따라 변경될 수도 있음은 물론이다.

도 6 내지 도 10에는, 도 1 내지 5의 카트리지들을 다수 개 적층 및 결합하여 중대형 전지모듈을 조립하는 일련의 과정들이 사시도로서 도시되어 있다.

우선 도 6을 참조하면, 전지셀이 내장된 제 1 카트리지 본체(101)의 상부에 제 2 카트리지 본체(102)를 탑재하면, 제 1 카트리지(101)의 양 측면 측벽의 상단에 형성되어 있는 체결용 돌기(도 1: 140)와 제 2 카트리지(102)의 양 측면 측벽의 하단에 형성되어 있는 체결용 홈(도 1: 142)이 상호 결합되면서 안정적인 체결이 이루어진다.

이러한 체결 과정은, 도 11에서 보는 바와 같이, 제 2 카트리지 본체(102)의 후미를 제 1 카트리지 본체(101)의 후미에 우선 결합시킨 후, 앞부분을 하향 회전시키면서 체결용 돌기(140)와 체결용 홈(142)이 상호 결합되도록 한다.

구체적으로, 도 12에서 보는 바와 같이, 제 1 카트리지 본체(101)의 후미 측 벽 상단에는 체결용 요철부(180)가 형성되어 있고, 제 2 카트리지 본체(102)의 후미 측벽 하단에는 체결용 요철부(180)에 대응하는 체결용 그루브(182)가 형성되어 있다. 따라서, 제 2 카트리지 본체(102)의 후미를 제 1 카트리지 본체(101)의 후미에 밀어 넣을 때, 체결용 요철부(180)가 그루브(182)에 결합되면서 안정적인 장착이 이루어진다.

다시 도 6을 참조하면, 제 2 카트리지 본체(102)를 제 1 카트리지 본체(101)의 상부에 탑재할 때, 제 1 카트리지 본체(101)의 양 측면 측벽(130)의 상단에 형성되어 있는 돌기부(160)에 의해, 두 카트리지 본체들(101, 102) 사이를 소정의 간격으로 이격시킴으로써 냉매용 유로(162, 164, 166)가 형성되며, 이러한 냉매 유로(162, 164, 166)에 의해 충방전시 전지셀에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

도 7을 참조하면, 도 6에서와 같은 방식으로, 각각 전지셀이 내장되어 있는 다수의 카트리지 본체들(101, 102...)을 순차적으로 적층하고, 최상부의 카트리지 본체(107) 상에 상부 커버(190)를 장착하고, 카트리지 적층체의 전면에 소정의 전극단자 접속부재들(500)을 결합시킨다. 카트리지 상부 커버(190)는 카트리지 본체(107)의 양 측면 측벽 상단에 형성되어 있는 체결용 돌기(140)와 체결용 홈(192)이 결합되면서 견고한 결합 상태가 만들어진다.

상기와 같은 과정에 의해 제조된 중대형 전지모듈(700)이 도 8에 도시되어 있다. 이러한 중대형 전지모듈(700)은 소망하는 용량 및 출력을 위해 다수 개 조합하여 더욱 큰 전지모듈로 제조될 수 있는 바, 도 9 및 도 10에는 그러한 예가 도 시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 중대형 전지모듈(700)의 네 모서리에는 측면 방향으로 또 다른 전지모듈(701)을 연결하기 위한 결속부재(800, 801)가 삽입될 수 있는 홈들(710)이 수직 방향으로 형성되어 있다.

결속부재(800, 801)는 중대형 전지모듈(700, 701)의 높이에 상응하는 길이를 가지고 있으며, 결속 홈들(710, 720, 730, 740)에 슬라이드 방식으로 결합함으로써 각각의 전지모듈(700, 701)을 고정시켜, 도 10에서와 같은 더욱 큰 전기 용량 또는 출력의 대형 전지모듈 어셈블리(900)가 만들어지게 된다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 모듈 카트리지는 전지의 낙하, 외부로부터의 충격 인가시에도 전지셀의 이동을 억제하여 내부단락을 방지하고, 더욱 향상된 안정성을 제공한다.

또한, 파우치형 이차전지의 단점인 기계적 강성을 보완하면서, 전극단자의 접속이 용이할 뿐만 아니라, 전지모듈의 소망하는 출력과 용량에 따라 가변적인 조합이 용이하므로, 본 발명의 카트리지를 이용하여 조립된 중대형 전지모듈은 전기자전거(E-bike), 전기오토바이, 전기자동차, 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원 으로 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (15)

1. 중대형 전지모듈을 제작할 수 있는 셀 모듈용 카트리지로서,

   판상형 이차전지 셀('전지셀')이 장착될 수 있도록 상기 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 상면이 개방된 구조의 카트리지 본체와, 전지셀이 장착된 상태에서 상기 카트리지 본체의 개방 상면에 결합되는 상부 커버를 포함하고 있고;

   상기 카트리지 본체의 하면에는 다수의 관통구들이 천공되어 있으며;

   측벽의 상단 일측에는 또 다른 카트리지와 결합될 수 있는 체결용 돌기가 형성되어 있고, 측벽의 하단 일측에는 상기 체결용 돌기에 대응하는 체결용 홈이 형성되어 있으며;

   상기 카트리지 본체의 전면에는, 전극단자의 전기적 접속을 위한 부재('전극단자 접속부재')가 전지셀의 전극단자에 안정적으로 접속될 수 있도록, 상기 전극단자 접속부재의 장착을 위한 별도의 부재('장착용 절연부재')가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부가 형성되어 있고;

   상기 장착용 절연부재의 후면에는 카트리지 본체의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 홈('카트리지 결합홈')이 형성되어 있고, 장착용 절연부재의 전면에는 상기 결합홈을 통해 도입된 전지셀의 전극단자가 노출될 수 있도록 홈('전극단자 관통홈')이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 카트리지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구들은 카트리지 본체의 하면에 소정의 패턴으 로 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
4. 제 3 항에 있어서, 다수의 관통구들로 구성된 군(관통구 군)들이 소정의 간격으로 이격되어 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 체결용 돌기 및 홈은 카트리지 양 측면 측벽에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지 본체의 후미 측벽의 상단에는 또 다른 카트리지 본체와의 결합을 위한 체결용 요철부가 형성되어 있고, 후미 측벽의 하단에는 상기 요철부에 대응하는 체결용 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지 본체의 측면 측벽의 상단에는 또 다른 카트리지 본체의 적층시 냉매 유로를 형성하기 위한 적어도 하나의 돌기부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지 본체의 전면에는, 측면 방향으로 또 다른 카트리지 본체를 위치시킨 상태에서 이를 연결하기 위한 부재('결속부재')가 삽입될 수 있는 홈이 수직으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지 본체와 상부 커버는 절연성 소재 또는 절연성 표면 코팅을 행한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 카트리지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 장착용 절연부재는 카트리지 본체의 전면에 대략 일치하는 크기를 가진 육면체 구조로 이루어져 있고, 상기 전극단자 관통홈의 상부에는 전극단자 접속부재에 삽입되는 체결 상단부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
11. 제 1 항에 따른 카트리지와 전지셀을 포함하는 구성으로 이루어진 셀 모듈.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 카트리지 본체와 전지셀 사이에는 적어도 하나의 양면 접착 테이프가 부가되는 것을 특징으로 하는 셀 모듈.
13. 제 11 항에 따른 셀 모듈을 다수 개 적층하여 구성된 중대형 전지모듈.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 셀 모듈의 카트리지 본체에 전지셀을 장착하고, 이러한 카트리지 본체들을 다수 개 적층한 후, 최상부의 카트리지 본체에 상부 커버 를 결합시키는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 적층 본체들을 구성하는 전지셀의 상부면에는 소정의 두께를 가진 탄력적인 일면 접착 테이프가 부가되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.

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