KR101371212B1 - 전지 모듈용 셀 카트리지 및 전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기적으로 연결된 다수의 셀들을 구비하는 전지 모듈을 구성하기 위한 셀 카트리지(cell cartridge)에 관한 것으로서, 각각의 셀의 가장자리 부분들을 둘러싸서 셀을 수납할 수 있도록 개구가 마련된 카트리지 본체; 셀의 가장자리의 실링부가 접촉 수납될 수 있도록 카트리지 본체의 제1 면에 형성된 실링 수납부; 및 인접하는 다른 카트리지 본체의 실링 수납부에 수납된 셀의 가장자리의 실링부를 밀착시킬 수 있도록 제1 면에 대향되는 카트리지 본체의 제2 면에 형성된 돌출 형성된 돌출부를 구비한다.
Description
본 발명은 전지 모듈용 셀 카트리지 및 전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 모듈을 구성하기 위해 이차 전지용 셀을 수납하는 구조가 개선된 셀 카트리지, 및 각각의 셀을 전기적으로 연결하는 다수의 셀 카트리지들이 결합된 전지 모듈에 관한 것이다.
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일반적으로, 전기 자동차 또는 에너지 저장 장치에 사용되는 중형 또는 대형 이차 전지 모듈은 다수의 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되어 조립된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 셀들이 반복되는 충전 및 방전으로 인하여 각각의 셀의 노화가 진행되고 또한 노화의 정도에 따라 셀의 불량이 발생되고, 그러한 불량 셀의 선택적 교환이 용이하도록 조립 및 연결될 필요가 있다.
최근, 화석 연료의 고갈과 CO2 배출의 규제에 따라 전기 자동차와 스마트 그리드용 에너지 저장 장치의 동력원으로 충전 및 방전이 반복 가능한 리튬 이온 이차 전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, 골프카(golf car), 하이브리드 자동차(HEV), 근거리 전기자동차(NEV), 순수 전기차(EV), 전기 버스(e-bus) 및 에너지 저장 장치의 동력원으로 사용되는 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 등은 다수의 셀들이 연결된 '전지 모듈' 및 다수의 전지 모듈들이 연결된 '전지 팩' 형태로 대형화되고 있다.
최근, 화석 연료의 고갈과 CO2 배출의 규제에 따라 전기 자동차와 스마트 그리드용 에너지 저장 장치의 동력원으로 충전 및 방전이 반복 가능한 리튬 이온 이차 전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, 골프카(golf car), 하이브리드 자동차(HEV), 근거리 전기자동차(NEV), 순수 전기차(EV), 전기 버스(e-bus) 및 에너지 저장 장치의 동력원으로 사용되는 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 등은 다수의 셀들이 연결된 '전지 모듈' 및 다수의 전지 모듈들이 연결된 '전지 팩' 형태로 대형화되고 있다.
이러한 고 출력, 대용량 동력원으로 사용되는 전지 팩은 다수의 셀들(단위 셀)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지 모듈을 구성하며, 다수의 전지 모듈들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 동력원이 요구하는 전지 팩의 정격 전압 및 정격 용량을 구성할 수 있다.
이러한 전지 모듈 또는 전지 팩과 관련된 선행기술들은, PCB 회로 기판을 사용하여 인접한 단자들을 솔더링하여 연결함으로써 전지 모듈을 구성하는 다수의 셀들의 해당 전극들을 연결하는 방법, 인접하는 셀들의 전극들에 연결된 단자들을 도전체, 볼트 및 너트로 연결하고 그 부위를 압축 튜브를 사용하여 절연하는 방법, 제1 도전성 연결체의 양단에 이격된 나사 로드들과 한 쌍의 V-자형 클램프에 셀들의 단자가 클램핑 되도록 연결하는 방법(한국 특허출원 번호 제10-2008-0073269호), 도전체의 연결부재에 상호 인접하는 셀들의 전극들을 초음파 용접에 의해 다수의 셀들을 연결하는 방법(한국 특허출원 번호 제10-2008-0079167호)이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 제1 도전성 연결체를 사용한 단자들 사이의 연결 저항이 증가하거나, 솔더링 연결 부위 또는 도전체의 연결 부재에 단자가 고주파 용접된 연결부는 반복적인 충/방전으로 인해 불량 셀의 선택적 교환이 어려운 단점이 있다.
더욱, 전기 자동차의 급가속 또는 급정지 및 급속 충전으로 인하여 셀의 온도가 상승하고 단자의 연결부가 열폭주 현상에 의해 가열되어 전지 모듈의 폭발 및 그에 따른 화재의 위험성이 높다.
또한, 전기 자동차와 에너지 저장 장치의 적재 공간의 제한된 폭, 높이, 길이에 대하여 다수의 전지 모듈들을 원하는 수의 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위하여 전지 모듈을 구성하는 셀들의 연결 수를 가변시켜 적재 공간에 콤팩트하고 효율적이고 저렴하게 배치 가능한 셀들의 연결 시스템이 요구된다.
이러한 셀들의 연결 시스템은 다양한 형태의 오염으로 인한 부식, 반복되는 충/방전으로 인한 셀의 노화, 전기 자동차의 급가속 또는 급정지 및 급속 충전시 고율의 충/방전으로 인한 셀의 온도 상승, 단자 연결부의 열 폭주 현상, 겨울철 영하 이하의 운행 조건 등 동력원의 다양한 작동 환경에서 전기적 내구성과 신뢰성, 안전성, 연결의 간편성과 효율성을 가진 셀들의 상호 연결 시스템의 개발이 요구된다.
더욱, 전기 자동차의 급가속 또는 급정지 및 급속 충전으로 인하여 셀의 온도가 상승하고 단자의 연결부가 열폭주 현상에 의해 가열되어 전지 모듈의 폭발 및 그에 따른 화재의 위험성이 높다.
또한, 전기 자동차와 에너지 저장 장치의 적재 공간의 제한된 폭, 높이, 길이에 대하여 다수의 전지 모듈들을 원하는 수의 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위하여 전지 모듈을 구성하는 셀들의 연결 수를 가변시켜 적재 공간에 콤팩트하고 효율적이고 저렴하게 배치 가능한 셀들의 연결 시스템이 요구된다.
이러한 셀들의 연결 시스템은 다양한 형태의 오염으로 인한 부식, 반복되는 충/방전으로 인한 셀의 노화, 전기 자동차의 급가속 또는 급정지 및 급속 충전시 고율의 충/방전으로 인한 셀의 온도 상승, 단자 연결부의 열 폭주 현상, 겨울철 영하 이하의 운행 조건 등 동력원의 다양한 작동 환경에서 전기적 내구성과 신뢰성, 안전성, 연결의 간편성과 효율성을 가진 셀들의 상호 연결 시스템의 개발이 요구된다.
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본 발명은 전술한 바와 같은 선행기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다양한 응용 분야의 동력원에 부합되는 정격 전압과 정격 용량에 적용 할 수 있도록 전지 모듈의 사이즈의 가변성, 전지 팩의 제한적인 공간 배치를 효율적으로 해결할 수 있도록 다수의 셀들을 효과적이고 간편하게 상호 연결할 수 있도록 구조가 개선된 셀 카트리지 및 이를 이용한 전지 모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 형태의 오염과 작동 환경, 반복되는 충/방전으로 단위 셀의 노화 정도에 따른 불량 셀의 선택적 교환이 가능한 편의성을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
특히, 전기 자동차의 제한된 적재 공간의 폭, 높이, 길이에 대하여 단위 전지 모듈을 구성하는 셀들의 수가 변경될 경우, 그러한 변경되는 셀들의 수에 따라 전지 모듈의 폭이 변화되는 경우, 이에 따른 부품 성형을 위한 비용이 추가 또는 개발되어야 하므로 한 종류의 연결 부재(사출 성형)를 이용하여 다수의 셀들을 원하는 수만큼 간편하게 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있는 전지 모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 전기 자동차의 급가속과 급감속, 급속 충전으로 인한 셀의 고율 충/방전시 셀 내부와 단자 부위의 열폭주 현상 및 동절기 저온 환경에 대하여 안정성과 신뢰성을 가지도록 별도의 냉매 유로가 확보될 수 있는 전지 모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 형태의 오염과 작동 환경, 반복되는 충/방전으로 단위 셀의 노화 정도에 따른 불량 셀의 선택적 교환이 가능한 편의성을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
특히, 전기 자동차의 제한된 적재 공간의 폭, 높이, 길이에 대하여 단위 전지 모듈을 구성하는 셀들의 수가 변경될 경우, 그러한 변경되는 셀들의 수에 따라 전지 모듈의 폭이 변화되는 경우, 이에 따른 부품 성형을 위한 비용이 추가 또는 개발되어야 하므로 한 종류의 연결 부재(사출 성형)를 이용하여 다수의 셀들을 원하는 수만큼 간편하게 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있는 전지 모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 전기 자동차의 급가속과 급감속, 급속 충전으로 인한 셀의 고율 충/방전시 셀 내부와 단자 부위의 열폭주 현상 및 동절기 저온 환경에 대하여 안정성과 신뢰성을 가지도록 별도의 냉매 유로가 확보될 수 있는 전지 모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
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전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지는, 전기적으로 연결된 다수의 셀들을 구비하는 전지 모듈을 구성하기 위한 셀 카트리지(cell cartridge)에 있어서: 각각의 셀의 가장자리 부분들을 둘러싸서 상기 셀을 수납할 수 있도록 개구가 마련된 카트리지 본체; 상기 셀의 가장자리의 실링부가 접촉 수납될 수 있도록 상기 카트리지 본체의 제1 면에 형성된 실링 수납부; 및 인접하는 다른 카트리지 본체의 실링 수납부에 수납된 상기 셀의 가장자리의 실링부를 밀착시킬 수 있도록 상기 제1 면에 대향되는 상기 카트리지 본체의 제2 면에 형성된 돌출 형성된 돌출부를 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 인접하는 셀들에 접촉될 수 있고 상기 개구를 교차할 수 있도록 상기 제2 면에 마련된 적어도 하나 이상의 지지대를 더 구비한다.
상기 지지대는: 상기 제1 면 방향으로 상기 지지대에 형성된 삽입홈; 및 상기 삽입홈에 삽입될 수 있으며 상기 개구에 수납되는 상기 셀의 측면에 접촉될 수 있는 스페이서 바(spacer bar)를 구비한다.
바람직하게, 상기 스페이서 바는 상기 개구에 수납되는 상기 셀의 두께 변화에 따라 그 두께가 변경될 수 있다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 셀의 단자의 일 측면이 접촉될 수 있도록 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 연결체 삽입홈에 삽입될 수 있는 제1 도전성 연결체; 및 상기 셀의 단자의 타 측면에 접촉되어 상기 제1 도전성 연결체 방향으로 밀착됨으로써 상기 단자를 고정할 수 있는 제2 도전성 연결체를 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 서로 인접하는 단자들 사이에 개지된 절연바를 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 체결 부재가 관통할 수 있도록 상기 카트리지 본체의 4개의 모서리들에 관통 형성된 관통공들; 상기 관통공들 각각의 주위를 감싸도록 상기 제2 면에 돌출된 돌출 체결부; 및 상기 돌출 체결부가 삽입될 수 있도록 상기 제1 면에 인입 형성된 인입 체결부를 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 음극 또는 양극 출력 터미널 단자를 고정하기 위한 원형 홀을 인접하는 2개의 셀 카트리지가 형성할 수 있도록 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 반원 홈을 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 카트리지 본체의 상부에 마련된 적어도 하나 또는 그 이상의 덕트 홈들을 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 카트리지 본체의 상기 제1 면과 상기 제2 면 중 어느 하나에 마련된 센서 고정홈을 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 셀의 실링부의 접합부를 수납하기 위해, 상기 카트리지 본체의 모서리 부분에 마련된 삼각형 혹은 다각형 구조의 웨지부를 더 구비한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈은, 대응되는 셀 카트리지에 각각 수납된 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 전지 모듈에 있어서: 셀들의 각각의 가장자리 부분들을 둘러싸서 각각의 셀을 수납할 수 있는 개구, 제1 면에 마련된 실링 수납부와 상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 마련된 돌출부를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들; 서로 이웃하는 실링 수납부와 돌출부가 하나의 셀을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체; 상기 셀 카트리지 조립체의 양단에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임과 제2 측면 프레임; 상기 제1 측면 프레임과 끝단 셀 카트리지 사이 및 상기 제2 측면 프레임과 다른 끝단 셀 카트리지 사이에 각각 개재된 제1 절연 판넬과 제2 절연 판넬; 및 상기 다수의 셀 카트리지들과, 상기 제1 절연 판넬과 상기 제2 절연 판넬, 및 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 각각 관통하도록 형성된 체결부에 삽입되어 상기 다수의 셀 카트리지들과 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 체결할 수 있는 체결부재를 구비한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈은, 대응되는 셀 카트리지에 각각 수납된 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 전지 모듈에 있어서: 셀들의 각각의 가장자리 부분들을 둘러싸서 각각의 셀을 수납할 수 있는 개구, 제1 면에 마련된 실링 수납부와 상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 마련된 돌출부를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들; 서로 이웃하는 실링 수납부와 돌출부가 하나의 셀을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체; 상기 셀 카트리지 조립체의 양단에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임과 제2 측면 프레임; 및 상기 다수의 셀 카트리지들, 및 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 각각 관통하도록 형성된 체결부에 삽입되어 상기 다수의 셀 카트리지들과 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 체결할 수 있는 체결부재를 구비하고; 인접하는 2개의 셀 카트리지들 사이에 형성된 원형 홀에 삽입되어 고정되는 원기둥 형태의 원통부; 및 상기 셀의 최외곽 양 끝단의 셀들의 각각의 단자에 연결되는 한 쌍의 터미널 단자들을 더 구비한다.
바람직하게, 각각의 셀의 단자는 연결 방향으로 직각 절곡되어 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 연결체 삽입홈에 삽입된 제1 도전성 연결체에 그 일면이 접촉되고, 상기 제1 도전성 연결체 방향으로 밀착됨으로써 상기 단자를 고정할 수 있는 제2 도전성 연결체의 타측면에 접촉된다.
바람직하게, 전지 모듈은 인접하는 2개의 셀 카트리지들 상면에 형성된 원형 홀에 삽입되어 고정되는 원기둥 형태의 원통부를 포함하고; 최외곽 끝단의 셀의 단자에 연결되는 터미널 단자를 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 인접하는 셀들에 접촉될 수 있고 상기 개구를 교차할 수 있도록 상기 제2 면에 마련된 적어도 하나 이상의 지지대를 더 구비한다.
상기 지지대는: 상기 제1 면 방향으로 상기 지지대에 형성된 삽입홈; 및 상기 삽입홈에 삽입될 수 있으며 상기 개구에 수납되는 상기 셀의 측면에 접촉될 수 있는 스페이서 바(spacer bar)를 구비한다.
바람직하게, 상기 스페이서 바는 상기 개구에 수납되는 상기 셀의 두께 변화에 따라 그 두께가 변경될 수 있다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 셀의 단자의 일 측면이 접촉될 수 있도록 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 연결체 삽입홈에 삽입될 수 있는 제1 도전성 연결체; 및 상기 셀의 단자의 타 측면에 접촉되어 상기 제1 도전성 연결체 방향으로 밀착됨으로써 상기 단자를 고정할 수 있는 제2 도전성 연결체를 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 서로 인접하는 단자들 사이에 개지된 절연바를 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 체결 부재가 관통할 수 있도록 상기 카트리지 본체의 4개의 모서리들에 관통 형성된 관통공들; 상기 관통공들 각각의 주위를 감싸도록 상기 제2 면에 돌출된 돌출 체결부; 및 상기 돌출 체결부가 삽입될 수 있도록 상기 제1 면에 인입 형성된 인입 체결부를 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 음극 또는 양극 출력 터미널 단자를 고정하기 위한 원형 홀을 인접하는 2개의 셀 카트리지가 형성할 수 있도록 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 반원 홈을 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 카트리지 본체의 상부에 마련된 적어도 하나 또는 그 이상의 덕트 홈들을 더 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 카트리지 본체의 상기 제1 면과 상기 제2 면 중 어느 하나에 마련된 센서 고정홈을 구비한다.
바람직하게, 셀 카트리지는 상기 셀의 실링부의 접합부를 수납하기 위해, 상기 카트리지 본체의 모서리 부분에 마련된 삼각형 혹은 다각형 구조의 웨지부를 더 구비한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈은, 대응되는 셀 카트리지에 각각 수납된 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 전지 모듈에 있어서: 셀들의 각각의 가장자리 부분들을 둘러싸서 각각의 셀을 수납할 수 있는 개구, 제1 면에 마련된 실링 수납부와 상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 마련된 돌출부를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들; 서로 이웃하는 실링 수납부와 돌출부가 하나의 셀을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체; 상기 셀 카트리지 조립체의 양단에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임과 제2 측면 프레임; 상기 제1 측면 프레임과 끝단 셀 카트리지 사이 및 상기 제2 측면 프레임과 다른 끝단 셀 카트리지 사이에 각각 개재된 제1 절연 판넬과 제2 절연 판넬; 및 상기 다수의 셀 카트리지들과, 상기 제1 절연 판넬과 상기 제2 절연 판넬, 및 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 각각 관통하도록 형성된 체결부에 삽입되어 상기 다수의 셀 카트리지들과 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 체결할 수 있는 체결부재를 구비한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈은, 대응되는 셀 카트리지에 각각 수납된 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 전지 모듈에 있어서: 셀들의 각각의 가장자리 부분들을 둘러싸서 각각의 셀을 수납할 수 있는 개구, 제1 면에 마련된 실링 수납부와 상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 마련된 돌출부를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들; 서로 이웃하는 실링 수납부와 돌출부가 하나의 셀을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체; 상기 셀 카트리지 조립체의 양단에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임과 제2 측면 프레임; 및 상기 다수의 셀 카트리지들, 및 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 각각 관통하도록 형성된 체결부에 삽입되어 상기 다수의 셀 카트리지들과 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 체결할 수 있는 체결부재를 구비하고; 인접하는 2개의 셀 카트리지들 사이에 형성된 원형 홀에 삽입되어 고정되는 원기둥 형태의 원통부; 및 상기 셀의 최외곽 양 끝단의 셀들의 각각의 단자에 연결되는 한 쌍의 터미널 단자들을 더 구비한다.
바람직하게, 각각의 셀의 단자는 연결 방향으로 직각 절곡되어 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 연결체 삽입홈에 삽입된 제1 도전성 연결체에 그 일면이 접촉되고, 상기 제1 도전성 연결체 방향으로 밀착됨으로써 상기 단자를 고정할 수 있는 제2 도전성 연결체의 타측면에 접촉된다.
바람직하게, 전지 모듈은 인접하는 2개의 셀 카트리지들 상면에 형성된 원형 홀에 삽입되어 고정되는 원기둥 형태의 원통부를 포함하고; 최외곽 끝단의 셀의 단자에 연결되는 터미널 단자를 더 구비한다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀들을 상호 연결하는 시스템은 전지 모듈을 구성하는 다수의 단위 셀들이 동일한 구조를 가진 절연성 셀 연결 카트리지의 한 면에 단위 셀과 같은 형상의 공간이 제공되어 셀을 수납할 수 있고, 다른 면의 돌출부가 셀의 실링부를 밀착 고정하여 연결함으로써, 동일한 구조의 연결 카트리지들을 반복 배치하여 원하는 셀의 수만큼 셀들을 상호 연결할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀의 상호 연결 시스템은, 연결 카트리지의 상단 혹은 좌우 홈에 볼트가 삽입될 수 있는 다수의 너트 구조를 가지는 제1 도전성 연결체와, 너트의 위치와 일치하는 홀을 가진 제2 도전성 연결체 사이에 단자를 끼워 상기 너트에 볼트를 체결시키는 구조에 의해, 불량 셀의 선택적 교환이 가능하고, 인접한 단자 및 도전성 연결체 사이에 절연바를 끼워 넣음으로써, 발생 될지도 모를 아킹(arcing), 셀의 전극의 접촉으로 인한 단락을 방지할 수 있다. 너트 구조를 가지는 제1 도전성 연결체는 연결 부재 사출시 팬 너트를 끼워 대신 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀의 상호 연결 시스템은, 원하는 수만큼의 인접하는 다수의 셀들의 병렬연결이 가능하도록 셀의 단자의 홀과 일치하는 다수의 홀들이 원하는 병렬연결 셀 수만큼 병열로 배열된 제1 도전성 연결체를 포함하며 병렬 연결된 셀 들은 제2도전성 연결체에 의해 다시 직렬 연결 된다. 병렬 연결된 전지들의 수가 3개 이상일 경우 별도의 도전체(예, 제3 도전체)가 추가될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈은 셀 카트리지의 모서리 또는 모서리 사이에 형성된 사각형 또는 원형의 다수의 홀들에 사각 바 형태 또는 원형의 봉이 관통 삽입되고, 이러한 사각 바의 양단에는 너트 구조 또는 원형 봉의 양단에는 볼트구조가 가공 마련됨으로써, 전지 모듈의 양측 종결 단들의 측면 프레임에서 사각 바에는 볼트가 결합되고, 원형 봉 양단에는 너트가 결합된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 셀들의 연결 수가 변경되면 전지 모듈의 폭의 길이도 변경되기 때문에, 전지 모듈의 양극과 음극 단자부를 절연하는 커버와 각각의 셀의 전압 및 온도 측정을 위한 배선이 연결되는 커넥터를 고정하는 절연체 커버의 길이가 변경되어야 하기 때문에, 연결되는 셀의 수에 따라 별도의 사출 몰드 비용이 소요된다. 따라서, 사용되는 셀들의 수에 상응하는 충분한 길이의 커버의 표면에 V-자형 홈 또는 절단 용이한 구조를 가진 윤곽선을 미리 형성시킴으로써, 전지 모듈의 폭 길이에 상응하도록 커버를 절단하여 사용함으로써, 연결되는 셀들의 수가 변경되더라도 그러한 전지 모듈의 폭 길이에 상응하는 별도의 커버를 제조하기 위한 사출 몰드 비용 등의 개발비가 절감된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 면적(가로 및 세로의 길이에 따른 면적)이 같으나, 두께가 변화됨으로써 셀의 용량이 달라지는 경우에도, 동일한 구조의 연결 카트리지를 사용하여 셀들을 연결 및 수납할 수 있도록 셀의 양 측면을 지지하는 지지대에 홈을 형성하고, 그러한 홈에는 두께가 다른 절연체를 선택적으로 결합 사용할 수 있다. 따라서, 셀의 두께가 변경될 때마다 다른 규격의 연결 카트리지를 제조할 필요가 없어진다. 예를 들어, 60Ah, 80Ah, 100Ah의 셀들의 경우, 가로 및 세로의 길이가 일정하여 셀의 면적이 동일하면 셀의 두께가 변경됨으로써 용량이 각각 60Ah, 80Ah, 100Ah 세 종류로 구분될 수 있으며, 이러한 용랑이 다른 다수의 전지 모듈들을 조립하는 경우, 60Ah의 경우 셀의 두께가 상대적으로 얇기 때문에 지지대의 홈에는 상대적으로 두꺼운 절연체를 삽입 설치할 수 있고, 100Ah의 경우 셀의 두께가 증가하기 때문에 지지대의 홈에는 상대적으로 얇은 두께를 가진 절연체를 삽입 설치할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 양측 종결단의 셀들의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결된 양극 터미널 단자 및 음극 터미널 단자는 셀 연결 카트리지의 상부 혹은 측면에 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 터미널 단자를 원 터치로 고정할 수 있도록 다층 구조의 반원 홈이 형성되어 있기 때문에, 인접하는 연결 카트리지들이 서로 접촉 배치되면 원형의 홀이 형성된다. 이러한 원형의 홀은 전술한 바와 같은 원기둥 형태의 단자와 결합되고 원기둥 형태의 단자 하부는 판상 구조의 터미널 바의 원형 홀에 결합되어 최종 종결단의 셀의 양극 또는 음극과 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 다수의 셀의 전압 또는 온도 측정용 배선은 각각의 셀의 단자 연결부에 연결된 단자와 연결되는 제2 도전성 연결체의 상부에 컨넥터 형태로 연결되거나, 제1 도전성 연결체에 형성된 너트에 직접 연결되거나 전압 센싱 회로가 구성된 PCB의 각 회로 부분과 온도센서가 직접 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 각각의 셀의 단자와 결합되는 제2도전성 연결체에 연결되는 전압 및/또는 온도 측정용 다수의 케이블은 셀 카트리지의 상부의 중앙 혹은 좌우에 형성된 배선용 덕트에 수납되고, 덕트로부터 연결 케이블이 쉽게 빠져나오지 않도록 덕트의 측면 상단 양면에 고정용 돌출부가 형성된다. 대안적 실시예에 있어서, 연결 배선은 PCB 회로 기판이 대신 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 고율 충/방전으로 온도 상승이 예상되는 셀의 온도 상승 부위는 셀의 측면, 단자 연결부 등이므로, 전지 모듈의 원하는 부분에 온도 센서를 장착할 수 있도록 셀 카트리지의 단자 연결부에 마련된 온도 센서를 수납하기 위한 대응되는 공간을 포함한다. 이러한 온도 센서는 원하는 셀에 선택적으로 부착 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 온도 상승이 예상되는 셀들의 양 측면에 냉매 유로가 확보되도록 일정 두께의 다수의 절연성 지지대들은 셀 카트리지의 측면에 배열된다. 전지 모듈을 구성하는 셀의 양 측면과 별도로 단자와 연결되는 제2도전성 연결체 부근에 냉매 유로가 형성되도록 전지 모듈의 상부에 설치된 프레임 커버에 별도의 커버 덕트가 마련된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 외부 진동으로부터 전지 모듈을 보호할 수 있는 방진 디바이스를 장착할 수 있도록 셀 카트리지의 저면에는 원형 또는 사각형의 다수의 홈들이 마련된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀의 상호 연결 시스템은, 연결 카트리지의 상단 혹은 좌우 홈에 볼트가 삽입될 수 있는 다수의 너트 구조를 가지는 제1 도전성 연결체와, 너트의 위치와 일치하는 홀을 가진 제2 도전성 연결체 사이에 단자를 끼워 상기 너트에 볼트를 체결시키는 구조에 의해, 불량 셀의 선택적 교환이 가능하고, 인접한 단자 및 도전성 연결체 사이에 절연바를 끼워 넣음으로써, 발생 될지도 모를 아킹(arcing), 셀의 전극의 접촉으로 인한 단락을 방지할 수 있다. 너트 구조를 가지는 제1 도전성 연결체는 연결 부재 사출시 팬 너트를 끼워 대신 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀의 상호 연결 시스템은, 원하는 수만큼의 인접하는 다수의 셀들의 병렬연결이 가능하도록 셀의 단자의 홀과 일치하는 다수의 홀들이 원하는 병렬연결 셀 수만큼 병열로 배열된 제1 도전성 연결체를 포함하며 병렬 연결된 셀 들은 제2도전성 연결체에 의해 다시 직렬 연결 된다. 병렬 연결된 전지들의 수가 3개 이상일 경우 별도의 도전체(예, 제3 도전체)가 추가될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈은 셀 카트리지의 모서리 또는 모서리 사이에 형성된 사각형 또는 원형의 다수의 홀들에 사각 바 형태 또는 원형의 봉이 관통 삽입되고, 이러한 사각 바의 양단에는 너트 구조 또는 원형 봉의 양단에는 볼트구조가 가공 마련됨으로써, 전지 모듈의 양측 종결 단들의 측면 프레임에서 사각 바에는 볼트가 결합되고, 원형 봉 양단에는 너트가 결합된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 셀들의 연결 수가 변경되면 전지 모듈의 폭의 길이도 변경되기 때문에, 전지 모듈의 양극과 음극 단자부를 절연하는 커버와 각각의 셀의 전압 및 온도 측정을 위한 배선이 연결되는 커넥터를 고정하는 절연체 커버의 길이가 변경되어야 하기 때문에, 연결되는 셀의 수에 따라 별도의 사출 몰드 비용이 소요된다. 따라서, 사용되는 셀들의 수에 상응하는 충분한 길이의 커버의 표면에 V-자형 홈 또는 절단 용이한 구조를 가진 윤곽선을 미리 형성시킴으로써, 전지 모듈의 폭 길이에 상응하도록 커버를 절단하여 사용함으로써, 연결되는 셀들의 수가 변경되더라도 그러한 전지 모듈의 폭 길이에 상응하는 별도의 커버를 제조하기 위한 사출 몰드 비용 등의 개발비가 절감된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 면적(가로 및 세로의 길이에 따른 면적)이 같으나, 두께가 변화됨으로써 셀의 용량이 달라지는 경우에도, 동일한 구조의 연결 카트리지를 사용하여 셀들을 연결 및 수납할 수 있도록 셀의 양 측면을 지지하는 지지대에 홈을 형성하고, 그러한 홈에는 두께가 다른 절연체를 선택적으로 결합 사용할 수 있다. 따라서, 셀의 두께가 변경될 때마다 다른 규격의 연결 카트리지를 제조할 필요가 없어진다. 예를 들어, 60Ah, 80Ah, 100Ah의 셀들의 경우, 가로 및 세로의 길이가 일정하여 셀의 면적이 동일하면 셀의 두께가 변경됨으로써 용량이 각각 60Ah, 80Ah, 100Ah 세 종류로 구분될 수 있으며, 이러한 용랑이 다른 다수의 전지 모듈들을 조립하는 경우, 60Ah의 경우 셀의 두께가 상대적으로 얇기 때문에 지지대의 홈에는 상대적으로 두꺼운 절연체를 삽입 설치할 수 있고, 100Ah의 경우 셀의 두께가 증가하기 때문에 지지대의 홈에는 상대적으로 얇은 두께를 가진 절연체를 삽입 설치할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 양측 종결단의 셀들의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결된 양극 터미널 단자 및 음극 터미널 단자는 셀 연결 카트리지의 상부 혹은 측면에 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 터미널 단자를 원 터치로 고정할 수 있도록 다층 구조의 반원 홈이 형성되어 있기 때문에, 인접하는 연결 카트리지들이 서로 접촉 배치되면 원형의 홀이 형성된다. 이러한 원형의 홀은 전술한 바와 같은 원기둥 형태의 단자와 결합되고 원기둥 형태의 단자 하부는 판상 구조의 터미널 바의 원형 홀에 결합되어 최종 종결단의 셀의 양극 또는 음극과 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 다수의 셀의 전압 또는 온도 측정용 배선은 각각의 셀의 단자 연결부에 연결된 단자와 연결되는 제2 도전성 연결체의 상부에 컨넥터 형태로 연결되거나, 제1 도전성 연결체에 형성된 너트에 직접 연결되거나 전압 센싱 회로가 구성된 PCB의 각 회로 부분과 온도센서가 직접 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 각각의 셀의 단자와 결합되는 제2도전성 연결체에 연결되는 전압 및/또는 온도 측정용 다수의 케이블은 셀 카트리지의 상부의 중앙 혹은 좌우에 형성된 배선용 덕트에 수납되고, 덕트로부터 연결 케이블이 쉽게 빠져나오지 않도록 덕트의 측면 상단 양면에 고정용 돌출부가 형성된다. 대안적 실시예에 있어서, 연결 배선은 PCB 회로 기판이 대신 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 고율 충/방전으로 온도 상승이 예상되는 셀의 온도 상승 부위는 셀의 측면, 단자 연결부 등이므로, 전지 모듈의 원하는 부분에 온도 센서를 장착할 수 있도록 셀 카트리지의 단자 연결부에 마련된 온도 센서를 수납하기 위한 대응되는 공간을 포함한다. 이러한 온도 센서는 원하는 셀에 선택적으로 부착 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 온도 상승이 예상되는 셀들의 양 측면에 냉매 유로가 확보되도록 일정 두께의 다수의 절연성 지지대들은 셀 카트리지의 측면에 배열된다. 전지 모듈을 구성하는 셀의 양 측면과 별도로 단자와 연결되는 제2도전성 연결체 부근에 냉매 유로가 형성되도록 전지 모듈의 상부에 설치된 프레임 커버에 별도의 커버 덕트가 마련된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈에 있어서, 외부 진동으로부터 전지 모듈을 보호할 수 있는 방진 디바이스를 장착할 수 있도록 셀 카트리지의 저면에는 원형 또는 사각형의 다수의 홈들이 마련된다.
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본 발명에 따른 셀 카트리지 및 전지 모듈은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 전기 자동차 및 에너지 저장 장치의 다양한 동력원이 요구하는 정격 전압 및 정격 용량에 부합되고 전지 팩의 제한된 적재 공간에 최적조건으로 배치될 수 있도록 전지 모듈을 구성하는 셀들의 수를 가변적으로 설계할 수 있는 편의성을 제공 한다.
첫째, 전기 자동차 및 에너지 저장 장치의 다양한 동력원이 요구하는 정격 전압 및 정격 용량에 부합되고 전지 팩의 제한된 적재 공간에 최적조건으로 배치될 수 있도록 전지 모듈을 구성하는 셀들의 수를 가변적으로 설계할 수 있는 편의성을 제공 한다.
둘째, 사각형(파우치) 또는 다각형의 리튬 이차 전지의 가로 및 세로의 크기가 동일하고 두께가 변화될 때(예, 60Ah, 80Ah, 100Ah 등), 그러한 변화되는 셀의 용량에 적합하도록 별도의 셀 카트리지를 사출하지 않더라도, 두께가 다른 스페이서 바(spacer bar)를 지지대의 홈에 선택적으로 설치함으로써 전지 모듈을 구성할 수 있으므로 경제적이고, 반복되는 충/방전으로 인해 셀이 노화되는 경우 그러한 불량 셀을 선택적으로 교환할 수 있다.
셋째, 본 발명의 전지 모듈은, 최근 화석 연료의 고갈과 CO2 규제로 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 전기 골프카(golf car), 하이브리드 자동차(HEV), 근거리 전기자동차(NEV), 순수 전기차(EV), 전기 버스(e-bus)와, 에너지 저장 장치의 동력원으로 사용되는 중대형 리튬 이온전지, 리튬 폴리머 전지 등을 위한 전지 모듈의 제조에 적용될 수 있어 동력원이 요구하는 다양한 출력과 용량의 중대형 전지 팩을 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다수의 셀 카트리지들에 의하여 다수의 셀들이 연결된 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 일면 및 그와 관련된 주요 구성요소들을 도시하는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 타면 및 그와 관련된 주요 구성요소들을 도시하는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다수의 셀들이 조립된 전지 모듈을 개략적으로 도시한 일부 발췌 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도로서, 도 4의 전지 모듈의 상부에 절연성 컨넥터 커버들이 체결된 상태를 도시한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 셀의 양 측면의 냉매 유로와 분리된 각 셀 단자가 연결된 제2 도전성 연결체부의 냉매 유로를 포함하는 상부 판넬의 덕트 구조 및 상부 프레임 커버를 보여주는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 완성된 전지 모듈의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 8개의 전지 모듈들이 직렬로 연결된 전지 팩의 평면도이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다수의 셀 카트리지들에 의하여 다수의 셀들이 연결된 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 일면 및 그와 관련된 주요 구성요소들을 도시하는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 타면 및 그와 관련된 주요 구성요소들을 도시하는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다수의 셀들이 조립된 전지 모듈을 개략적으로 도시한 일부 발췌 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도로서, 도 4의 전지 모듈의 상부에 절연성 컨넥터 커버들이 체결된 상태를 도시한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 셀의 양 측면의 냉매 유로와 분리된 각 셀 단자가 연결된 제2 도전성 연결체부의 냉매 유로를 포함하는 상부 판넬의 덕트 구조 및 상부 프레임 커버를 보여주는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 완성된 전지 모듈의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 8개의 전지 모듈들이 직렬로 연결된 전지 팩의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 예시적 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 발명의 상세한 설명 및 특허 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예들과 도면들에 도시된 구성요소들은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다수의 셀 카트리지들에 의하여 다수의 셀들이 연결된 전지 모듈의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 일면 및 그와 관련된 주요 구성요소들을 도시하는 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 다른 면 및 그와 관련된 주요 구성요소들을 도시하는 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지 팩이 제한된 공간(예, 차량의 폭, 길이, 높이)에 효율적으로 탑재 되도록 변경 가능한 다수의 셀(예, 셀의 수는 6 내지 22개)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지 모듈(100)을 조립하고 조립된 전지 모듈(100)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 원하는 정격전압과 정격용량의 중대형 동력원의 전지 팩을 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 서로 동일한 구조를 가진 다수의 셀들(10)이 동일한 구조를 가진 다수의 셀 카트리지들(20)을 이용하여 상호 연결시키기 위한 것으로서, 셀들(10)의 각각의 가장자리 부분들 또는 실링부(8)를 둘러싸서 각각의 셀(10)을 수납할 수 있는 개구(22), 제1 면(24)에 마련된 실링 수납부(26)와 제1 면(24)에 대향되는 제2 면(28)에 마련된 돌출부(21)를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들(20), 서로 인접하는 실링 수납부(26)와 돌출부(21)가 하나의 셀(10)을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들(20)이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체(30), 셀 카트리지 조립체(30)의 양단(양측 종결단)에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지(20)에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임(40)과 제2 측면 프레임(50), 제1 측면 프레임(40)과 끝단 셀 카트리지(20) 사이 및 제2 측면 프레임(50)과 다른 끝단 셀 카트리지(20) 사이에 각각 개재된 제1 절연 판넬(42)과 제2 절연 판넬(52), 및 다수의 셀 카트리지들(20)과, 제1 및 제2 절연 판넬들(42)(52) 및 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 각각 관통하도록 형성된 체결부(23)에 삽입되어 다수의 셀 카트리지들(20)과 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 체결할 수 있는 체결부재(60)를 구비한다.
각각의 셀 카트리지(20)에 수납되는 셀(10)은 대략 80Ah의 용량일 수 있고, 약 460mm의 길이, 약 330mm의 폭, 대략 7mm의 두께에 의해 80Ah 용량을 발휘할 수 있는 리튬 이온/폴리머 2차 전지가 사용된다. 이러한 셀(10)은 업계에 널리 알려져 있는 바와 같이, 예를 들어, 양극판/분리막(세퍼레이터)/음극판이 순차적으로 위치되도록 스택킹 또는 폴딩되거나, 스택킹 및 폴딩된 전극 조립체가 전해액 또는 전해질과 함께 파우치 케이스 내부에 밀봉되어 있고, 전극 조립체의 양극판들의 양극 탭들과 음극판들의 음극 탭들에 전기적 및 물리적으로 연결된 양극 및 음극 단자 연결부들(4)(6)을 형성한다. 여기서, 셀(10)의 양극 단자 연결부는 산화피막 처리된 알미늄으로 구성되고, 셀(10)의 음극 단자 연결부는 니켈 도금된 구리로 구성된다. 또한, 각각의 셀(10)에 있어서, 양극 및 음극 단자들(5)(7)은 좌우 대칭 구조를 가지는 것이 바람직하다.
파우치형 케이스는 전극 조립체를 수납하는 수납부를 포함하는 케이스 본체와 이러한 케이스 본체를 덮는 덮개로 구성될 수 있다. 케이스 본체와 케이스 덮개는 서로 분리된 상태에서 고주파 융착에 의해 접착될 수도 있지만 하나의 파우치를 접어서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 케이스 본체와 덮개는 외측 수지층, 차단성 금속층 및 내측 수지층을 포함하며, 케이스 본체의 수납부에 전극 조립체와 전해액 또는 전해질이 수납된 상태에서 밀봉되도록 적어도 3개의 테두리들이 고주파 융착됨에 따라 3개의 실링부들(8)이 형성된다. 즉, 정면에서 보았을 때 직사각 또는 정사각 형태의 전극 조립체의 적어도 3개 이상의 테두리들에 각각 실링부(8)가 형성된다. 또한, 전극 조립체, 파우치 케이스, 및 전해액 등의 사이즈, 구조, 재질 등은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자에게 널리 알려져 있으므로, 이 부분들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 1의 셀(10)에 있어서, 음극 및 양극 단자 연결부들(4)(6)에는 각각 'ㄱ'자 형태로 절곡된 상태의 음극 단자(5)와 양극 단자(7)가 연결된다. 또한, 단자들(5)(7)의 하부는 다수의 셀 극판의 단자 연결부(4)(6)에 고주파 융착되거나 리벳으로 연결되는 것이 바람직하다. 그리고, 음극 단자(5)와 양극 단자(7)는 파우치 케이스의 밀봉부(8)를 관통하여 돌출된다.
전술한 바와 같이, 각각의 셀(10)의 양극 및 음극 단자 연결부들(4)에 각각 연결된 음극 단자(5)와 양극 단자(7)는 연결 방향으로 직각 절곡된다. 또한, 각각의 단자(5)(7)는 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)에 사이에 삽입된다. 전지 모듈(100)에 있어서, 예를 들어, 서로 인접하여 연결되는 2개의 음극 단자(5)와 양극 단자(7) 사이에는 절연바(76)가 설치된다. 단자들(5)(7)은 도시된 배열에서 동일한 축상에 좌우 대칭으로 정렬 배치되며, 셀들(10)이 직렬로 연결되는 경우 인접하는 셀(10)의 각기 다른 극성들이 연결되고, 병렬로 연결되는 경우 원하는 병렬 셀들의 수와 같은 극성이 상호 연결된다.
상기 제1 도전성 연결체(72)는 각각의 볼트가 삽입될 수 있는 다수의 하부 너트 구멍들이 마련되고, 대응되는 단자(5)(7)의 하면에 접촉되는 하부 연결바로서 기능하고, 제2 도전성 연결체(74)는 각각의 하부 너트 구멍들에 대응되는 상부 볼트 구멍들이 마련되고 대응되는 단자(5)(7)의 상면에 접촉되는 상부 연결바로서 기능을 수행한다. 또한, 제2 도전성 연결체(74)는 후술하는 바와 같이, 전압 센싱바로서 기능을 수행한다. 대안적 실시예에 있어서, 제1 도전성 연결체는 통상의 구조를 가진 팬너트에 의해 대체될 수 있다. 이러한 팬너트는 각각의 셀(10)과 연결되는 단자(5)(7)의 일 측면이 접촉되어 단자가 고정될 수 있도록 셀 카트리지(20) 상단에 일체로 사출 성형된다.
도 2를 참조하면, 셀 카트리지(20)는 대응되는 셀(10)의 모서리부 또는 실링부(8)가 놓여질 수 있고 전극 조립체를 수납하는 케이스가 위치될 수 있는 개구(22)를 형성할 수 있는 2개의 수직 프레임들(32)과 2개의 수평 프레임들(34)로 구성되어 전체적으로 직사각 형태를 이룬다. 여기서, 개구(22)는 셀(10)이 셀 카트리지(20)에 수납될 때, 셀(10)의 케이스 본체의 측면을 노출시킴으로써 전지 모듈(100)의 사용시 전극 조립체의 발열 등에 의한 열을 냉각시키거나 동절기 영하의 환경에서 셀을 적정 온도로 가열하기 위한 것이다. 또한, 개구(22)는 셀(10)이 충/방전시 셀(10)의 부피가 변화할 경우, 셀(10)의 부피 변화에 대한 완충 역할을 할 수도 있다.
셀 카트리지(20)는 연결되는 셀(10)의 두께만큼을 수납할 수 있는 제1 면(24)과, 대향되는 위치에 형성된 제2 면(28)의 돌출부(21)를 구비한다. 셀 카트리지(20)는 안정성을 확보하기 위해 전기 절연성과 방영섬이 높은 플라스틱으로 제조된다.
셀 카트리지(20)의 제1 면(24)에는 셀(10)의 모서리부 또는 실링부(8)가 접촉 수납될 수 있는 실링 수납부(26)가 마련된다. 셀 카트리지(20)의 제2면(28)에는 이웃하는 다른 카트리지 본체의 실링 수납부에 수납된 셀(10)의 모서리부 또는 실링부(8)를 밀착시킬 수 있는 돌출부(21)가 마련된다. 실링 수납부(26)와 돌출부(21)는 연결되는 셀(10)의 실링부(8)를 밀착 고정하여 인접하는 셀 카트리지(20) 내에 셀(10)을 견고하게 결합시킬 수 있음을 충분히 이해할 것이다. 보다 구체적으로, 실링 수납부(26)는 2개의 수직 프레임들(32)과 2개의 수평 프레임들(34)에 각각 마련된다. 예를 들어, 셀 카트리지(20)는 길이 460mm, 폭 330mm, 두께 7mm의 80Ah 셀이 고정 되도록 셀(10)과 동일한 표면적과 두께(8mm)의 공간이 형성된다. 실링 수납부(26)셀(10)의 두께의 절반(대략 4mm)의 깊이를 가진 홈 형태인 것이 바람직하다. 돌출부(21)는 2개의 수평 프레임들(34)의 길이 방향 전체에 걸쳐 마련되고, 2개의 수직 프레임들(32)에는 간격을 유지하면서 이격되어 마련되고, 바람직하게는 후술하게 될 지지대(25)에 일체로 마련된다.
한편, 셀 카트리지(20)의 제1 면(24)과 제2 면(28)의 각각의 코너들에는 셀(10)의 4개 모서리들을 안전하게 수납시킬 수 있는 제1 및 제2 웨지(wedge)부들(27)(29)이 형성된다. 이러한 제1 및 제2 웨지부들(27)(29)은 셀(10)의 4개의 모서리부 또는 실링부(8)의 두께가 일정하지 않아 돌출부(21)와 밀착 결합 시 셀(10)의 실링부들(8)이 접합되는 끝부분이 손상됨으로써 전해액이 누출되는 것을 방지하기 위해 셀(10)의 모서리들의 예상되는 다른 두께의 삼각형 혹은 다각형 구조의 홈들을 포함한다. 이러한 제1 및 제2 웨지부들(27)(28)은 셀 카트리지(20)에 셀(10)을 보다 안전하게 결합시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 셀 카트리지(20)는 3개의 지지대들(25)을 포함하며, 지지대(25)는 인접하는 셀들(10)에 접촉될 수 있고 개구(22)를 교차할 수 있도록 제2 면(28)에 마련된다. 셀 카트리지(20)의 제2 면(28) 방향의 지지대(25)에는 돌출부(21)가 마련된다. 지지대(25)는 제1 면(24) 방향으로 인입 형성된 삽입홈(25a)을 구비한다. 삽입홈(25a)에는 스페이서 바(35)가 설치된다. 스페이서 바(35)는 삽입홈(25a)에 , 양면 테이프 또는 접착제 의해 부착될 수 있다. 스페이서 바(35)는 개구(22)에 수납되는 셀의 측면에 접촉된다. 또한, 스페이서 바(35)는 셀 카트리지(20)에 수납되는 셀(10)의 두께 변화에 적응할 수 있도록 각기 다른 두께(예, 1mm, 2mm)가 삽입홈(25a)에 설치될 수 있다. 예를 들어, 셀 측면의 가로 및 세로의 길이는 동일하지만 두께가 다른 용량의 셀들(예, 100Ah용량의 셀은 8mm 두께를 가지고 80Ah용량의 셀은 7mm의 두께를 가지는 경우)에 따라 한 종류의 셀 카트리지(20)를 사용하여 다양한 두께의 셀들(10)을 수납할 수 있다. 예를 들어, 80Ah 용량의 셀인 경우 지지대(25)(3mm 두께)와 스페이서 바(35)(두께 2mm)가 결합된 두께(5mm)의 냉각 유로(또는 냉각 공간)을 확보할 수 있다. 예를 들어, 100Ah 셀인 경우 지지대(25)의 두께 3mm와 스페이서 바(35)의 두께 1mm가 결합된 두께 4mm의 냉각 유로를 셀(10)의 양 측면에 확보할 수 있다.
전술한 바와 같이, 셀 카트리지(20)의 4개의 코너들 및 상,하부 수평 프레임들(34)의 중앙에는 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 관통하는 4각형 또는 원형의 구멍 형태의 체결부(23)가 마련된다. 이러한 체결부(23)의 구멍들은 후술하는 4각 너트 바(62)와 결합되는 볼트 또는 원형 장볼트(64)를 포함하는 체결부재(60)가 관통되어 셀 카트리지 조립체(30)를 형성하기 위한 것으로서, 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
각각의 셀 카트리지(20)의 4개의 코너들에 형성된 4각형의 구멍들에는 4각 너트 바(62)가 삽입된다. 이러한 4각 너트 바(62)는 전지 모듈(100)을 구성하는 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)과 함께 고정된다. 셀 카트리지(20)의 상하의 수평 프레임들(34)의 중앙의 원형의 체결 구멍에는 원형 장볼트(64)가 삽입된다. 원형 장볼트(64) 역시 4각 너트 바(62)와 유사하게 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 견고하게 결합할 수 있다.
한편, 셀 카트리지(20)의 제1 면(24)과 제2 면(28)을 관통하여 형성되는 4각형 체결 구멍들은 암수 결합 구조로서 인접하는 셀 카트리지(20)와 상호 연결된다. 즉, 셀 카트리지(20)의 제2 면(28)에는 4각형 관통 구멍의 주위를 감싸도록 4각 형태로 돌출되는 돌출 체결부(23a)가 마련되고, 셀 카트리지(20)의 제1 면(24)에는 돌출 체결부(23a)가 삽입될 수 있도록 4각 홈 형태 인입 형성된 인입 체결부(23b)가 마련된다. 돌출 체결부(23a)와 인입 체결부(23b)는 서로 다른 면에 형성될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 셀 카트리지(20)의 상부 수평 프레임(34)의 측면에는 한 쌍의 단자 연결 수납부(36)들이 마련된다. 각각의 단자 연결 수납부(36)는 전술한 바와 같이, 두께가 일정하지 않는 셀(10)의 음극 및 양극 단자 연결부들(4)(6)을 수납할수 있는 공간을 포함한다.
또한 음극 양극 단자(5)(7)가 절곡되어 제1전도성 연결체와 제2 도전성 연결체 사이에 삽입되어 연결되는 셀 카트리지 수평 프레임(34)의 상부에는 양극 및 음극 단자들(5)(7) 또는 절연바가 수납될 수 있는 단자 연결 수납부(38)가 위치한다.
전술한 바와 같이, 단자 연결 수납부(38)는 인접하는 셀들(10)의 단자(5)(7)(예, 두께 0.2mm 폭 100mm)가 연결 되도록 제1 도전성 연결체(72)나 절연바(76)이 원 터치로 삽입되어 고정될 수 있는 'ㄷ'자형 홈 구조를 가진 연결체 삽입홈(39)을 구비한다.
전술한 바와 같이, 각각의 양극 음극단자(5)(7)의 수평부는 하나의 셀 카트리지(20)에 있어서, 서로 반대방향을 향하도록 절곡된다. 단자(5)(7)의 수평부들이 서로 반대방향을 향하는 것은 전지 모듈(100)을 구성할 때, 서로 이웃하는 셀들(10)의 양극과 음극의 연결을 용이하게 하기 위한 것이다.
한편, 전지 모듈(100)은 서로 인접하는 2개의 셀 카트리지들(20) 사이에 형성된 원형 홀(31)에 삽입되어 고정되는 원기둥 형태의 원통부(81)(83)를 포함하고, 전지 모듈(100)의 셀 카트리지 조립체(30)의 최외곽 끝단의 셀(10)의 양극 음극단자(5)(7)에 연결될 수 있는 양극 터미널 단자(82)와 음극 터미널 단자(84)를 구비한다.
전술한 바와 같이, 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)는 상호 인접하는 셀(10)의 단자(5)(7)를 중간에 두고 볼트 너트로 압착 고정된다. 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)는 알루미늄 합금, 순수 구리 및 합금 등과 같이 높은 전도성을 가진 도전체로 제조된다. 이러한 제1 도전성 연결체(72) 및 제2 도전성 연결체(74)를 이용하여 단자를 연결하게 되면, 종래의 연결 방법과 비교하여 단자들이 직접 접촉 연결되므로 셀(10)과 연결된 단자들(5)(7) 자체의 연결 저항을 감소시킬 수 있고 연결 구조가 간편하게 되는 장점이 있다.
또한, 초음파 용접을 이용하는 종래의 방법에 비해 불량 셀의 선택적 교환이 용이한 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 셀 카트리지(20), 절연바(76), 측면의 제1 및 제2 절연 판넬들(42)(52)은 전기 절연성과 방영섬을 가진 다양한 종류의 엔지니어링 프라스틱 재료를 이용하여 사출 성형되며, 이들은 상호 연결되지 않은 인접한 셀들(10) 사이에서 발생할 수 있는 아킹(arcing), 누전, 단락을 방지할 수 있다.
제1 도전성 연결체(72)는 셀 카트리지(20)의 연결체 삽입홈(39)에 원터치 형태로 끼워질 수 있는 구조를 가지며, 이러한 구조는 셀(10)의 두께 및 셀(10)의 단자(5)(7)의 폭의 길이에 따라 변경 가능하다.
본 실시예에 있어서, 제1 도전성 연결체(72)와 단자(5)(7)를 연결할 수 있는 연결 볼트(미도시)는 스테인리스 스틸 혹은 구리 합금 등으로 제조되며, 육각형, + 자형 머리 구조로 록킹 와셔 또는 평 와셔를 포함할 수 있다. 볼트의 직경 및 피치는 단자(5)(7)가 최소의 전기 접촉 저항으로 연결 되도록 충분한 토크(toque)의 조절이 가능한 공구로 균일한 토크로 단단히 조여질 수 있다.
전술한 바와 같이, 전압 센싱바로서 기능하는 제2 도전성 연결체(74)는 단자(5)(7) 위에 연결되므로 전도성이 강한 순수 구리 및 구리 합금 소재로 구성되는 것이 바람직하며, 연결 볼트 또는 너트 수와 동일한 구멍들을 구비한다. 또한, 제2 도전성 연결체(74)는 각각의 셀(10)의 전압 측정용 케이블(미도시)과 연결되도록 종단부에 컨넥터가 연결되는 구조를 포함 할 수 있다.
상호 연결되는 전지 모듈(100)의 단자(5)(7)는 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)의 볼트 구멍들과 일치하도록 타공되어, 전지 모듈(100)의 조립 전 절곡되거나 조립 과장에서 절곡될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 셀 카트리지(20)는 상단의 좌우 2 개의 반원 홈(31a), 및 전지 모듈(100)에 가해지는 진동을 흡수할 수 있는 하단부에 진동 흡수부(33)를 구비한다.
전지 모듈(100)에 있어서, 상기 반원 홈(31a)은 인접하는 셀 카트리지들(20)이 나란하게 배열될 때, 원형 홀(31)을 형성할 수 있다. 이러한 원형 홀(31)은 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 터미널 단자(82)(84)를 고정하기 위한 것이다.
셀 카트리지(20)는 그 상단에 마련된 적어도 하나 또는 그 이상의 덕트 홈들(45), 및 덕트 홈(45)의 양면에 마련된 덕트 돌출부(45a)를 구비한다. 덕트 홈들(45)은 전지 모듈(100)에 사용되는 측정용 케이블을 수납하기 위한 것이고, 덕트 돌출부(45a)는 이러한 케이블이 덕트 홈들(45)을 빠져나가는 것을 방지하기 위한 것이다.
진동 흡수부(33)는 전지 모듈(100)이 외부 진동으로부터 견딜 수 있도록 방진 디바이스(미도시)를 장착할 수 있도록 셀 카트리지 밑면에 다수의 원형 또는 사각 홈 구조를 포함한다
도 3을 참조하면, 셀 카트리지(20)의 제2 면(28)에는 그 상단 중앙부에 상,하, 우측 방향으로 센서 고정홈(47)이 마련된다. 센서 고정홈(47)에는 미도시된 온도 센서가 설치되고, 온도 센서는 셀들(10)의 고율 충/방전으로 전지 모듈(100)의 온도 상승이 예상되는 셀(10) 측면, 단자 연결 부분의 원하는 부분에 장착될 수 있고, 원하는 연결 번호의 셀(10)에 선택적으로 장착될 수 있다.
셀 카트리지(20)의 제2 면은 셀(10)의 4개 모서리 부분을 수납할 수 있는 제2 웨지부(29)를 구비한다. 제2 웨지부(29)는 제1 웨지부(27)와 동일하게 셀(10)의 실링부(8)가 손상됨으로써 전해액이 누출되지 않도록 하는 기능을 가진다.
도 4는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다수의 셀들(10)이 다수의 셀 카트리지들(20)에 의해 조립된 전지 모듈을 개략적으로 도시한 일부 발췌 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 예를 들어, N개의 셀들(10)과 N+1개의 셀 카트리지들(20)이 결합된 카트리지 조립체(30) 형태로 조립된다. 또한, 카트리지 조립체(30)의 최외곽 셀들(10)에 연결된 단자(5)(7)에는 너트 구조를 갖는 원통형의 양극 터미널 단자(82)와 음극 터미널 단자(84)가 연결된다. 양극 및 음극 터미널 단자들(82)(84)은 인접하는 다른 전지 모듈(100)과 동력 케이블(미도시)로 연결되기 때문에, 도전성이 우수한 구리 합금 또는 순수 구리 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 양극 및 음극 터미널 단자들(82)(84)은 판상 구조의 최외곽의 제2 도전성 연결체(74)의 원형 홀에 결합됨으로써 전기 저항을 최소화시킬 수 있다.
또한, 셀의 고율 충/방전 시 열 폭주를 방지할 수 있도록 판상 구조의 양극 및 음극 터미널 단자(82)(84)는 셀(10)의 단자(5)(7)와 결합시 직각으로 절곡되지 않는 구조가 바람직하다.
전술한 바와 같이, 인접하는 2개의 셀 카트리지(20)의 상부 혹은 측면에는 좌우 대칭 및 다층 구조를 가진 반원 홈(31a)이 형성되는데, 이러한 반원 홈(31a)은 인접하는 다수의 셀 카트리지들(20)과 상호 결합되어 전지 모듈(100)의 상부 면에 다수의 원형 홀들(31)을 형성시킨다. 이러한 원형 홀(31)은 원기둥 형태의 터미널 단자(82)(84)와 원 터치로 결합된다.
전지 모듈(100)의 상부에는 각각의 셀(10)의 전압, 온도를 측정할 수 있도록 각각의 셀에 연결되는 제2 도전성 연결체(74) 즉, 전압 센싱바에 연결된 다수의 측정 케이블(미도시)이 측면과 중앙의 덕트 홈(45)에 매입된다.
각각의 셀(10)의 단자(5)(7)의 상부에 연결되는 제2 도전성 연결체(74)는 측정 배선을 연결하는 컨넥터를 포함하고, 컨넥터에 연결된 다수의 측정 케이블은 전지 모듈(100)의 센싱 컨넥터(86)에 연결되거나 전압 또는 온도 측정 회로가 구성된 PCB 기판의 각각의 회로 접점 부분은 제1 도전성 연결체(72)의 너트 구멍에 볼트로 체결된다.
전지 모듈(100)이 예를 들어, BMS(배터리 모니터링 시스템,) 및 밸런싱 회로(각 셀의 전압을 균등하게 통제)를 포함할 경우, 전압 및/또는 온도를 감지하기 위한 센싱 컨넥터(86)는 전지 팩을 구성하는 전지 모듈(100) 사이의 전압 및/또는 온도 측정값을 교신할 수 있는 통신 회로와 연결되고 별도의 전원 공급 컨넥터(88)가 추가로 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도로서, 도 4의 전지 모듈의 상부에 커버들이 체결된 상태를 도시한다.
도 5를 참조하면, 전지 모듈(100)은 터미널 단자 커버(92)와 센싱 컨넥터 커버(94)를 구비한다. 이러한 커버들(92)(94)은 인접하는 전극이나 도전체들, 및 측면 프레임들(40)(50)과 절연시키는 기능을 가진다. 한편, 커버들(92)(94)은 전지 모듈(100)을 구성하는 셀들(10)의 수(예, 6셀 내지 22셀)에 따라 전지 모듈(100)의 폭의 길이이 변경되는 경우, 커버들(92)(94)을 별도로 사출하지 않고 그 길이 만큼 절단하여 사용할 수 있도록 충분한 길이로 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 커버(93)(94)의 소정 부위에는 다수의 V 자형 절단선들(92a)(94a)이 구비된다. 이러한 절단선(92a)(94a)은 전지 모듈(100)의 폭 길이에 맞도록 절단되어 커넥터 측면 연결 홈(50a)을 통하여 볼트로 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)에 결합된다.
또한, 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)의 중앙부에는 BMS 또는 밸런싱 회로 기판과 연결하기 위한 너트(40b)(50b)가 마련된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 셀의 양 측면의 냉매 유로와 분리된 단자 연결부의 냉매 유로를 포함하는 상부 판넬의 덕트 구조를 보여주는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 전지 모듈(100)은 각각의 셀(10)의 전압 및/또는 온도를 측정하기 위한 다수의 케이블들이 외부 BMS 또는 밸런싱 회로와 연결되지 않고 전지 모듈(100)의 내부에 장착된 BMS 및 밸런싱 회로 기판(96)에 연결되어 전압 및/또는 온도 측정값이 전지 모듈들(100) 사이를 통신망으로 연결될 수 있다.
전지 모듈(100)은 전기 자동차의 급가속 또는 급감속 및 급충전시 셀(10)의 고율 충/방전으로 온도 상승이 예상되거나 동절기 영하의 환경에서 셀들(10)을 냉각하거나 가열하도록 셀들(10)의 양 측면의 냉매 유로(37)와 별도로 셀(10)의 단자(5)(7) 연결 부분에 냉매 유로가 확보되도록 전지 모듈(100)의 상부 판넬(90)에는 별도의 커버 덕트(98)가 설치된다.
또한, 전지 모듈(100)의 상부 판넬(90)은 BMS 또는 밸런싱 회로 기판(96)의 유지 보수를 편리하게 하기 위한 별도의 상부 커버(99)를 구비한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 7을 참조하면, 완성된 전지 모듈(100)은 상부 판넬(90), 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50), 터미널 커버(92), 양극 및 음극 터미널 단자들(82)(84), 컨넥터 커버(94), 상부 커버(99)를 구비한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 8개의 전지 모듈들이 직렬로 연결된 전지 팩의 평면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 팩(200)은 8개의 전지 모듈들(100)이 직렬로 연결된다. 전지 팩(200)은 8개의 전지 모듈들(100), 전지 모듈(100)의 터미널 단자들(82)(84)에 연결된 동력 케이블(202), 전지 모듈(100)을 냉각시키기 위한 냉각 팬(204), 단자 연결부와 전지 모듈(100)의 측면에 냉매를 분산시키기 위한 냉매 유입부 덕트(206), 냉매 배기부 덕트(208)를 구비한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지 팩이 제한된 공간(예, 차량의 폭, 길이, 높이)에 효율적으로 탑재 되도록 변경 가능한 다수의 셀(예, 셀의 수는 6 내지 22개)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지 모듈(100)을 조립하고 조립된 전지 모듈(100)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 원하는 정격전압과 정격용량의 중대형 동력원의 전지 팩을 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 서로 동일한 구조를 가진 다수의 셀들(10)이 동일한 구조를 가진 다수의 셀 카트리지들(20)을 이용하여 상호 연결시키기 위한 것으로서, 셀들(10)의 각각의 가장자리 부분들 또는 실링부(8)를 둘러싸서 각각의 셀(10)을 수납할 수 있는 개구(22), 제1 면(24)에 마련된 실링 수납부(26)와 제1 면(24)에 대향되는 제2 면(28)에 마련된 돌출부(21)를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들(20), 서로 인접하는 실링 수납부(26)와 돌출부(21)가 하나의 셀(10)을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들(20)이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체(30), 셀 카트리지 조립체(30)의 양단(양측 종결단)에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지(20)에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임(40)과 제2 측면 프레임(50), 제1 측면 프레임(40)과 끝단 셀 카트리지(20) 사이 및 제2 측면 프레임(50)과 다른 끝단 셀 카트리지(20) 사이에 각각 개재된 제1 절연 판넬(42)과 제2 절연 판넬(52), 및 다수의 셀 카트리지들(20)과, 제1 및 제2 절연 판넬들(42)(52) 및 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 각각 관통하도록 형성된 체결부(23)에 삽입되어 다수의 셀 카트리지들(20)과 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 체결할 수 있는 체결부재(60)를 구비한다.
각각의 셀 카트리지(20)에 수납되는 셀(10)은 대략 80Ah의 용량일 수 있고, 약 460mm의 길이, 약 330mm의 폭, 대략 7mm의 두께에 의해 80Ah 용량을 발휘할 수 있는 리튬 이온/폴리머 2차 전지가 사용된다. 이러한 셀(10)은 업계에 널리 알려져 있는 바와 같이, 예를 들어, 양극판/분리막(세퍼레이터)/음극판이 순차적으로 위치되도록 스택킹 또는 폴딩되거나, 스택킹 및 폴딩된 전극 조립체가 전해액 또는 전해질과 함께 파우치 케이스 내부에 밀봉되어 있고, 전극 조립체의 양극판들의 양극 탭들과 음극판들의 음극 탭들에 전기적 및 물리적으로 연결된 양극 및 음극 단자 연결부들(4)(6)을 형성한다. 여기서, 셀(10)의 양극 단자 연결부는 산화피막 처리된 알미늄으로 구성되고, 셀(10)의 음극 단자 연결부는 니켈 도금된 구리로 구성된다. 또한, 각각의 셀(10)에 있어서, 양극 및 음극 단자들(5)(7)은 좌우 대칭 구조를 가지는 것이 바람직하다.
파우치형 케이스는 전극 조립체를 수납하는 수납부를 포함하는 케이스 본체와 이러한 케이스 본체를 덮는 덮개로 구성될 수 있다. 케이스 본체와 케이스 덮개는 서로 분리된 상태에서 고주파 융착에 의해 접착될 수도 있지만 하나의 파우치를 접어서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 케이스 본체와 덮개는 외측 수지층, 차단성 금속층 및 내측 수지층을 포함하며, 케이스 본체의 수납부에 전극 조립체와 전해액 또는 전해질이 수납된 상태에서 밀봉되도록 적어도 3개의 테두리들이 고주파 융착됨에 따라 3개의 실링부들(8)이 형성된다. 즉, 정면에서 보았을 때 직사각 또는 정사각 형태의 전극 조립체의 적어도 3개 이상의 테두리들에 각각 실링부(8)가 형성된다. 또한, 전극 조립체, 파우치 케이스, 및 전해액 등의 사이즈, 구조, 재질 등은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자에게 널리 알려져 있으므로, 이 부분들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 1의 셀(10)에 있어서, 음극 및 양극 단자 연결부들(4)(6)에는 각각 'ㄱ'자 형태로 절곡된 상태의 음극 단자(5)와 양극 단자(7)가 연결된다. 또한, 단자들(5)(7)의 하부는 다수의 셀 극판의 단자 연결부(4)(6)에 고주파 융착되거나 리벳으로 연결되는 것이 바람직하다. 그리고, 음극 단자(5)와 양극 단자(7)는 파우치 케이스의 밀봉부(8)를 관통하여 돌출된다.
전술한 바와 같이, 각각의 셀(10)의 양극 및 음극 단자 연결부들(4)에 각각 연결된 음극 단자(5)와 양극 단자(7)는 연결 방향으로 직각 절곡된다. 또한, 각각의 단자(5)(7)는 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)에 사이에 삽입된다. 전지 모듈(100)에 있어서, 예를 들어, 서로 인접하여 연결되는 2개의 음극 단자(5)와 양극 단자(7) 사이에는 절연바(76)가 설치된다. 단자들(5)(7)은 도시된 배열에서 동일한 축상에 좌우 대칭으로 정렬 배치되며, 셀들(10)이 직렬로 연결되는 경우 인접하는 셀(10)의 각기 다른 극성들이 연결되고, 병렬로 연결되는 경우 원하는 병렬 셀들의 수와 같은 극성이 상호 연결된다.
상기 제1 도전성 연결체(72)는 각각의 볼트가 삽입될 수 있는 다수의 하부 너트 구멍들이 마련되고, 대응되는 단자(5)(7)의 하면에 접촉되는 하부 연결바로서 기능하고, 제2 도전성 연결체(74)는 각각의 하부 너트 구멍들에 대응되는 상부 볼트 구멍들이 마련되고 대응되는 단자(5)(7)의 상면에 접촉되는 상부 연결바로서 기능을 수행한다. 또한, 제2 도전성 연결체(74)는 후술하는 바와 같이, 전압 센싱바로서 기능을 수행한다. 대안적 실시예에 있어서, 제1 도전성 연결체는 통상의 구조를 가진 팬너트에 의해 대체될 수 있다. 이러한 팬너트는 각각의 셀(10)과 연결되는 단자(5)(7)의 일 측면이 접촉되어 단자가 고정될 수 있도록 셀 카트리지(20) 상단에 일체로 사출 성형된다.
도 2를 참조하면, 셀 카트리지(20)는 대응되는 셀(10)의 모서리부 또는 실링부(8)가 놓여질 수 있고 전극 조립체를 수납하는 케이스가 위치될 수 있는 개구(22)를 형성할 수 있는 2개의 수직 프레임들(32)과 2개의 수평 프레임들(34)로 구성되어 전체적으로 직사각 형태를 이룬다. 여기서, 개구(22)는 셀(10)이 셀 카트리지(20)에 수납될 때, 셀(10)의 케이스 본체의 측면을 노출시킴으로써 전지 모듈(100)의 사용시 전극 조립체의 발열 등에 의한 열을 냉각시키거나 동절기 영하의 환경에서 셀을 적정 온도로 가열하기 위한 것이다. 또한, 개구(22)는 셀(10)이 충/방전시 셀(10)의 부피가 변화할 경우, 셀(10)의 부피 변화에 대한 완충 역할을 할 수도 있다.
셀 카트리지(20)는 연결되는 셀(10)의 두께만큼을 수납할 수 있는 제1 면(24)과, 대향되는 위치에 형성된 제2 면(28)의 돌출부(21)를 구비한다. 셀 카트리지(20)는 안정성을 확보하기 위해 전기 절연성과 방영섬이 높은 플라스틱으로 제조된다.
셀 카트리지(20)의 제1 면(24)에는 셀(10)의 모서리부 또는 실링부(8)가 접촉 수납될 수 있는 실링 수납부(26)가 마련된다. 셀 카트리지(20)의 제2면(28)에는 이웃하는 다른 카트리지 본체의 실링 수납부에 수납된 셀(10)의 모서리부 또는 실링부(8)를 밀착시킬 수 있는 돌출부(21)가 마련된다. 실링 수납부(26)와 돌출부(21)는 연결되는 셀(10)의 실링부(8)를 밀착 고정하여 인접하는 셀 카트리지(20) 내에 셀(10)을 견고하게 결합시킬 수 있음을 충분히 이해할 것이다. 보다 구체적으로, 실링 수납부(26)는 2개의 수직 프레임들(32)과 2개의 수평 프레임들(34)에 각각 마련된다. 예를 들어, 셀 카트리지(20)는 길이 460mm, 폭 330mm, 두께 7mm의 80Ah 셀이 고정 되도록 셀(10)과 동일한 표면적과 두께(8mm)의 공간이 형성된다. 실링 수납부(26)셀(10)의 두께의 절반(대략 4mm)의 깊이를 가진 홈 형태인 것이 바람직하다. 돌출부(21)는 2개의 수평 프레임들(34)의 길이 방향 전체에 걸쳐 마련되고, 2개의 수직 프레임들(32)에는 간격을 유지하면서 이격되어 마련되고, 바람직하게는 후술하게 될 지지대(25)에 일체로 마련된다.
한편, 셀 카트리지(20)의 제1 면(24)과 제2 면(28)의 각각의 코너들에는 셀(10)의 4개 모서리들을 안전하게 수납시킬 수 있는 제1 및 제2 웨지(wedge)부들(27)(29)이 형성된다. 이러한 제1 및 제2 웨지부들(27)(29)은 셀(10)의 4개의 모서리부 또는 실링부(8)의 두께가 일정하지 않아 돌출부(21)와 밀착 결합 시 셀(10)의 실링부들(8)이 접합되는 끝부분이 손상됨으로써 전해액이 누출되는 것을 방지하기 위해 셀(10)의 모서리들의 예상되는 다른 두께의 삼각형 혹은 다각형 구조의 홈들을 포함한다. 이러한 제1 및 제2 웨지부들(27)(28)은 셀 카트리지(20)에 셀(10)을 보다 안전하게 결합시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 셀 카트리지(20)는 3개의 지지대들(25)을 포함하며, 지지대(25)는 인접하는 셀들(10)에 접촉될 수 있고 개구(22)를 교차할 수 있도록 제2 면(28)에 마련된다. 셀 카트리지(20)의 제2 면(28) 방향의 지지대(25)에는 돌출부(21)가 마련된다. 지지대(25)는 제1 면(24) 방향으로 인입 형성된 삽입홈(25a)을 구비한다. 삽입홈(25a)에는 스페이서 바(35)가 설치된다. 스페이서 바(35)는 삽입홈(25a)에 , 양면 테이프 또는 접착제 의해 부착될 수 있다. 스페이서 바(35)는 개구(22)에 수납되는 셀의 측면에 접촉된다. 또한, 스페이서 바(35)는 셀 카트리지(20)에 수납되는 셀(10)의 두께 변화에 적응할 수 있도록 각기 다른 두께(예, 1mm, 2mm)가 삽입홈(25a)에 설치될 수 있다. 예를 들어, 셀 측면의 가로 및 세로의 길이는 동일하지만 두께가 다른 용량의 셀들(예, 100Ah용량의 셀은 8mm 두께를 가지고 80Ah용량의 셀은 7mm의 두께를 가지는 경우)에 따라 한 종류의 셀 카트리지(20)를 사용하여 다양한 두께의 셀들(10)을 수납할 수 있다. 예를 들어, 80Ah 용량의 셀인 경우 지지대(25)(3mm 두께)와 스페이서 바(35)(두께 2mm)가 결합된 두께(5mm)의 냉각 유로(또는 냉각 공간)을 확보할 수 있다. 예를 들어, 100Ah 셀인 경우 지지대(25)의 두께 3mm와 스페이서 바(35)의 두께 1mm가 결합된 두께 4mm의 냉각 유로를 셀(10)의 양 측면에 확보할 수 있다.
전술한 바와 같이, 셀 카트리지(20)의 4개의 코너들 및 상,하부 수평 프레임들(34)의 중앙에는 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 관통하는 4각형 또는 원형의 구멍 형태의 체결부(23)가 마련된다. 이러한 체결부(23)의 구멍들은 후술하는 4각 너트 바(62)와 결합되는 볼트 또는 원형 장볼트(64)를 포함하는 체결부재(60)가 관통되어 셀 카트리지 조립체(30)를 형성하기 위한 것으로서, 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
각각의 셀 카트리지(20)의 4개의 코너들에 형성된 4각형의 구멍들에는 4각 너트 바(62)가 삽입된다. 이러한 4각 너트 바(62)는 전지 모듈(100)을 구성하는 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)과 함께 고정된다. 셀 카트리지(20)의 상하의 수평 프레임들(34)의 중앙의 원형의 체결 구멍에는 원형 장볼트(64)가 삽입된다. 원형 장볼트(64) 역시 4각 너트 바(62)와 유사하게 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)을 견고하게 결합할 수 있다.
한편, 셀 카트리지(20)의 제1 면(24)과 제2 면(28)을 관통하여 형성되는 4각형 체결 구멍들은 암수 결합 구조로서 인접하는 셀 카트리지(20)와 상호 연결된다. 즉, 셀 카트리지(20)의 제2 면(28)에는 4각형 관통 구멍의 주위를 감싸도록 4각 형태로 돌출되는 돌출 체결부(23a)가 마련되고, 셀 카트리지(20)의 제1 면(24)에는 돌출 체결부(23a)가 삽입될 수 있도록 4각 홈 형태 인입 형성된 인입 체결부(23b)가 마련된다. 돌출 체결부(23a)와 인입 체결부(23b)는 서로 다른 면에 형성될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 셀 카트리지(20)의 상부 수평 프레임(34)의 측면에는 한 쌍의 단자 연결 수납부(36)들이 마련된다. 각각의 단자 연결 수납부(36)는 전술한 바와 같이, 두께가 일정하지 않는 셀(10)의 음극 및 양극 단자 연결부들(4)(6)을 수납할수 있는 공간을 포함한다.
또한 음극 양극 단자(5)(7)가 절곡되어 제1전도성 연결체와 제2 도전성 연결체 사이에 삽입되어 연결되는 셀 카트리지 수평 프레임(34)의 상부에는 양극 및 음극 단자들(5)(7) 또는 절연바가 수납될 수 있는 단자 연결 수납부(38)가 위치한다.
전술한 바와 같이, 단자 연결 수납부(38)는 인접하는 셀들(10)의 단자(5)(7)(예, 두께 0.2mm 폭 100mm)가 연결 되도록 제1 도전성 연결체(72)나 절연바(76)이 원 터치로 삽입되어 고정될 수 있는 'ㄷ'자형 홈 구조를 가진 연결체 삽입홈(39)을 구비한다.
전술한 바와 같이, 각각의 양극 음극단자(5)(7)의 수평부는 하나의 셀 카트리지(20)에 있어서, 서로 반대방향을 향하도록 절곡된다. 단자(5)(7)의 수평부들이 서로 반대방향을 향하는 것은 전지 모듈(100)을 구성할 때, 서로 이웃하는 셀들(10)의 양극과 음극의 연결을 용이하게 하기 위한 것이다.
한편, 전지 모듈(100)은 서로 인접하는 2개의 셀 카트리지들(20) 사이에 형성된 원형 홀(31)에 삽입되어 고정되는 원기둥 형태의 원통부(81)(83)를 포함하고, 전지 모듈(100)의 셀 카트리지 조립체(30)의 최외곽 끝단의 셀(10)의 양극 음극단자(5)(7)에 연결될 수 있는 양극 터미널 단자(82)와 음극 터미널 단자(84)를 구비한다.
전술한 바와 같이, 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)는 상호 인접하는 셀(10)의 단자(5)(7)를 중간에 두고 볼트 너트로 압착 고정된다. 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)는 알루미늄 합금, 순수 구리 및 합금 등과 같이 높은 전도성을 가진 도전체로 제조된다. 이러한 제1 도전성 연결체(72) 및 제2 도전성 연결체(74)를 이용하여 단자를 연결하게 되면, 종래의 연결 방법과 비교하여 단자들이 직접 접촉 연결되므로 셀(10)과 연결된 단자들(5)(7) 자체의 연결 저항을 감소시킬 수 있고 연결 구조가 간편하게 되는 장점이 있다.
또한, 초음파 용접을 이용하는 종래의 방법에 비해 불량 셀의 선택적 교환이 용이한 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 셀 카트리지(20), 절연바(76), 측면의 제1 및 제2 절연 판넬들(42)(52)은 전기 절연성과 방영섬을 가진 다양한 종류의 엔지니어링 프라스틱 재료를 이용하여 사출 성형되며, 이들은 상호 연결되지 않은 인접한 셀들(10) 사이에서 발생할 수 있는 아킹(arcing), 누전, 단락을 방지할 수 있다.
제1 도전성 연결체(72)는 셀 카트리지(20)의 연결체 삽입홈(39)에 원터치 형태로 끼워질 수 있는 구조를 가지며, 이러한 구조는 셀(10)의 두께 및 셀(10)의 단자(5)(7)의 폭의 길이에 따라 변경 가능하다.
본 실시예에 있어서, 제1 도전성 연결체(72)와 단자(5)(7)를 연결할 수 있는 연결 볼트(미도시)는 스테인리스 스틸 혹은 구리 합금 등으로 제조되며, 육각형, + 자형 머리 구조로 록킹 와셔 또는 평 와셔를 포함할 수 있다. 볼트의 직경 및 피치는 단자(5)(7)가 최소의 전기 접촉 저항으로 연결 되도록 충분한 토크(toque)의 조절이 가능한 공구로 균일한 토크로 단단히 조여질 수 있다.
전술한 바와 같이, 전압 센싱바로서 기능하는 제2 도전성 연결체(74)는 단자(5)(7) 위에 연결되므로 전도성이 강한 순수 구리 및 구리 합금 소재로 구성되는 것이 바람직하며, 연결 볼트 또는 너트 수와 동일한 구멍들을 구비한다. 또한, 제2 도전성 연결체(74)는 각각의 셀(10)의 전압 측정용 케이블(미도시)과 연결되도록 종단부에 컨넥터가 연결되는 구조를 포함 할 수 있다.
상호 연결되는 전지 모듈(100)의 단자(5)(7)는 제1 도전성 연결체(72)와 제2 도전성 연결체(74)의 볼트 구멍들과 일치하도록 타공되어, 전지 모듈(100)의 조립 전 절곡되거나 조립 과장에서 절곡될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 셀 카트리지(20)는 상단의 좌우 2 개의 반원 홈(31a), 및 전지 모듈(100)에 가해지는 진동을 흡수할 수 있는 하단부에 진동 흡수부(33)를 구비한다.
전지 모듈(100)에 있어서, 상기 반원 홈(31a)은 인접하는 셀 카트리지들(20)이 나란하게 배열될 때, 원형 홀(31)을 형성할 수 있다. 이러한 원형 홀(31)은 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 터미널 단자(82)(84)를 고정하기 위한 것이다.
셀 카트리지(20)는 그 상단에 마련된 적어도 하나 또는 그 이상의 덕트 홈들(45), 및 덕트 홈(45)의 양면에 마련된 덕트 돌출부(45a)를 구비한다. 덕트 홈들(45)은 전지 모듈(100)에 사용되는 측정용 케이블을 수납하기 위한 것이고, 덕트 돌출부(45a)는 이러한 케이블이 덕트 홈들(45)을 빠져나가는 것을 방지하기 위한 것이다.
진동 흡수부(33)는 전지 모듈(100)이 외부 진동으로부터 견딜 수 있도록 방진 디바이스(미도시)를 장착할 수 있도록 셀 카트리지 밑면에 다수의 원형 또는 사각 홈 구조를 포함한다
도 3을 참조하면, 셀 카트리지(20)의 제2 면(28)에는 그 상단 중앙부에 상,하, 우측 방향으로 센서 고정홈(47)이 마련된다. 센서 고정홈(47)에는 미도시된 온도 센서가 설치되고, 온도 센서는 셀들(10)의 고율 충/방전으로 전지 모듈(100)의 온도 상승이 예상되는 셀(10) 측면, 단자 연결 부분의 원하는 부분에 장착될 수 있고, 원하는 연결 번호의 셀(10)에 선택적으로 장착될 수 있다.
셀 카트리지(20)의 제2 면은 셀(10)의 4개 모서리 부분을 수납할 수 있는 제2 웨지부(29)를 구비한다. 제2 웨지부(29)는 제1 웨지부(27)와 동일하게 셀(10)의 실링부(8)가 손상됨으로써 전해액이 누출되지 않도록 하는 기능을 가진다.
도 4는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다수의 셀들(10)이 다수의 셀 카트리지들(20)에 의해 조립된 전지 모듈을 개략적으로 도시한 일부 발췌 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 예를 들어, N개의 셀들(10)과 N+1개의 셀 카트리지들(20)이 결합된 카트리지 조립체(30) 형태로 조립된다. 또한, 카트리지 조립체(30)의 최외곽 셀들(10)에 연결된 단자(5)(7)에는 너트 구조를 갖는 원통형의 양극 터미널 단자(82)와 음극 터미널 단자(84)가 연결된다. 양극 및 음극 터미널 단자들(82)(84)은 인접하는 다른 전지 모듈(100)과 동력 케이블(미도시)로 연결되기 때문에, 도전성이 우수한 구리 합금 또는 순수 구리 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 양극 및 음극 터미널 단자들(82)(84)은 판상 구조의 최외곽의 제2 도전성 연결체(74)의 원형 홀에 결합됨으로써 전기 저항을 최소화시킬 수 있다.
또한, 셀의 고율 충/방전 시 열 폭주를 방지할 수 있도록 판상 구조의 양극 및 음극 터미널 단자(82)(84)는 셀(10)의 단자(5)(7)와 결합시 직각으로 절곡되지 않는 구조가 바람직하다.
전술한 바와 같이, 인접하는 2개의 셀 카트리지(20)의 상부 혹은 측면에는 좌우 대칭 및 다층 구조를 가진 반원 홈(31a)이 형성되는데, 이러한 반원 홈(31a)은 인접하는 다수의 셀 카트리지들(20)과 상호 결합되어 전지 모듈(100)의 상부 면에 다수의 원형 홀들(31)을 형성시킨다. 이러한 원형 홀(31)은 원기둥 형태의 터미널 단자(82)(84)와 원 터치로 결합된다.
전지 모듈(100)의 상부에는 각각의 셀(10)의 전압, 온도를 측정할 수 있도록 각각의 셀에 연결되는 제2 도전성 연결체(74) 즉, 전압 센싱바에 연결된 다수의 측정 케이블(미도시)이 측면과 중앙의 덕트 홈(45)에 매입된다.
각각의 셀(10)의 단자(5)(7)의 상부에 연결되는 제2 도전성 연결체(74)는 측정 배선을 연결하는 컨넥터를 포함하고, 컨넥터에 연결된 다수의 측정 케이블은 전지 모듈(100)의 센싱 컨넥터(86)에 연결되거나 전압 또는 온도 측정 회로가 구성된 PCB 기판의 각각의 회로 접점 부분은 제1 도전성 연결체(72)의 너트 구멍에 볼트로 체결된다.
전지 모듈(100)이 예를 들어, BMS(배터리 모니터링 시스템,) 및 밸런싱 회로(각 셀의 전압을 균등하게 통제)를 포함할 경우, 전압 및/또는 온도를 감지하기 위한 센싱 컨넥터(86)는 전지 팩을 구성하는 전지 모듈(100) 사이의 전압 및/또는 온도 측정값을 교신할 수 있는 통신 회로와 연결되고 별도의 전원 공급 컨넥터(88)가 추가로 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도로서, 도 4의 전지 모듈의 상부에 커버들이 체결된 상태를 도시한다.
도 5를 참조하면, 전지 모듈(100)은 터미널 단자 커버(92)와 센싱 컨넥터 커버(94)를 구비한다. 이러한 커버들(92)(94)은 인접하는 전극이나 도전체들, 및 측면 프레임들(40)(50)과 절연시키는 기능을 가진다. 한편, 커버들(92)(94)은 전지 모듈(100)을 구성하는 셀들(10)의 수(예, 6셀 내지 22셀)에 따라 전지 모듈(100)의 폭의 길이이 변경되는 경우, 커버들(92)(94)을 별도로 사출하지 않고 그 길이 만큼 절단하여 사용할 수 있도록 충분한 길이로 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 커버(93)(94)의 소정 부위에는 다수의 V 자형 절단선들(92a)(94a)이 구비된다. 이러한 절단선(92a)(94a)은 전지 모듈(100)의 폭 길이에 맞도록 절단되어 커넥터 측면 연결 홈(50a)을 통하여 볼트로 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)에 결합된다.
또한, 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50)의 중앙부에는 BMS 또는 밸런싱 회로 기판과 연결하기 위한 너트(40b)(50b)가 마련된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 셀의 양 측면의 냉매 유로와 분리된 단자 연결부의 냉매 유로를 포함하는 상부 판넬의 덕트 구조를 보여주는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 전지 모듈(100)은 각각의 셀(10)의 전압 및/또는 온도를 측정하기 위한 다수의 케이블들이 외부 BMS 또는 밸런싱 회로와 연결되지 않고 전지 모듈(100)의 내부에 장착된 BMS 및 밸런싱 회로 기판(96)에 연결되어 전압 및/또는 온도 측정값이 전지 모듈들(100) 사이를 통신망으로 연결될 수 있다.
전지 모듈(100)은 전기 자동차의 급가속 또는 급감속 및 급충전시 셀(10)의 고율 충/방전으로 온도 상승이 예상되거나 동절기 영하의 환경에서 셀들(10)을 냉각하거나 가열하도록 셀들(10)의 양 측면의 냉매 유로(37)와 별도로 셀(10)의 단자(5)(7) 연결 부분에 냉매 유로가 확보되도록 전지 모듈(100)의 상부 판넬(90)에는 별도의 커버 덕트(98)가 설치된다.
또한, 전지 모듈(100)의 상부 판넬(90)은 BMS 또는 밸런싱 회로 기판(96)의 유지 보수를 편리하게 하기 위한 별도의 상부 커버(99)를 구비한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 7을 참조하면, 완성된 전지 모듈(100)은 상부 판넬(90), 제1 및 제2 측면 프레임들(40)(50), 터미널 커버(92), 양극 및 음극 터미널 단자들(82)(84), 컨넥터 커버(94), 상부 커버(99)를 구비한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 8개의 전지 모듈들이 직렬로 연결된 전지 팩의 평면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 전지 팩(200)은 8개의 전지 모듈들(100)이 직렬로 연결된다. 전지 팩(200)은 8개의 전지 모듈들(100), 전지 모듈(100)의 터미널 단자들(82)(84)에 연결된 동력 케이블(202), 전지 모듈(100)을 냉각시키기 위한 냉각 팬(204), 단자 연결부와 전지 모듈(100)의 측면에 냉매를 분산시키기 위한 냉매 유입부 덕트(206), 냉매 배기부 덕트(208)를 구비한다.
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1...케이스 4,6...단자 연결부
5...음극 단자 7...양극 단자
8...실링부 10...셀
20...셀 카트리지 21...돌출부
22...개구 23...체결부
24...제1 면 25...지지대
26...실링 수납부 27...제1 웨지부
28...제2 면 29...제2 웨지부
30...셀 카트리지 조립체 31...원형 홀
33...진동 흡수부 35...스페이서 바
36...단자 연결 수납부 40...제1 측면 프레임
42...제1 절연 판넬 45...덕트 홈
47...센서 고정홈 50...제2 측면 프레임
50a..측면 연결 홀 52...제2 절연 판넬
60...체결부재 62...사각 너트 바
64...원형 장볼트 72...제1 도전성 연결체
74...제2 도전성 연결체 76...절연바
82...양극 터미널 단자 84...음극 터미널 단자
86...센싱 커넥터 88...전원 공급 커넥터
90...상부 판넬 92...터미널 단자 커버
94...센싱 커넥터 커버 98...커버 덕트
99...상부 커버
5...음극 단자 7...양극 단자
8...실링부 10...셀
20...셀 카트리지 21...돌출부
22...개구 23...체결부
24...제1 면 25...지지대
26...실링 수납부 27...제1 웨지부
28...제2 면 29...제2 웨지부
30...셀 카트리지 조립체 31...원형 홀
33...진동 흡수부 35...스페이서 바
36...단자 연결 수납부 40...제1 측면 프레임
42...제1 절연 판넬 45...덕트 홈
47...센서 고정홈 50...제2 측면 프레임
50a..측면 연결 홀 52...제2 절연 판넬
60...체결부재 62...사각 너트 바
64...원형 장볼트 72...제1 도전성 연결체
74...제2 도전성 연결체 76...절연바
82...양극 터미널 단자 84...음극 터미널 단자
86...센싱 커넥터 88...전원 공급 커넥터
90...상부 판넬 92...터미널 단자 커버
94...센싱 커넥터 커버 98...커버 덕트
99...상부 커버
Claims (16)
- 전기적으로 연결된 다수의 셀들을 구비하는 전지 모듈을 구성하기 위한 셀 카트리지(cell cartridge)에 있어서:
각각의 셀의 가장자리 부분들을 둘러싸서 상기 셀을 수납할 수 있도록 개구가 마련된 카트리지 본체;
상기 셀의 가장자리의 실링부가 접촉 수납될 수 있도록 상기 카트리지 본체의 제1 면에 형성된 실링 수납부;
인접하는 다른 카트리지 본체의 실링 수납부에 수납된 상기 셀의 가장자리의 실링부를 밀착시킬 수 있도록 상기 제1 면에 대향되는 상기 카트리지 본체의 제2 면에 형성된 돌출 형성된 돌출부; 및
인접하는 셀들에 접촉될 수 있고 상기 개구를 교차할 수 있도록 상기 제2 면에 마련된 적어도 하나 이상의 지지대를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 지지대는:
상기 제1 면 방향으로 상기 지지대에 형성된 삽입홈; 및
상기 삽입홈에 삽입될 수 있으며 상기 개구에 수납되는 상기 셀의 측면에 접촉될 수 있는 스페이서 바(spacer bar)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 청구항 3에 있어서,
상기 스페이서 바는 상기 개구에 수납되는 상기 셀의 두께 변화에 따라 그 두께가 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 셀의 단자의 일 측면이 접촉될 수 있도록 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 연결체 삽입홈에 삽입될 수 있는 제1 도전성 연결체; 및
상기 셀의 단자의 타 측면에 접촉되어 상기 제1 도전성 연결체 방향으로 밀착됨으로써 상기 단자를 고정할 수 있는 제2 도전성 연결체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 청구항 1에 있어서,
서로 인접하는 단자들 사이에 개지된 절연바를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 청구항 1에 있어서,
체결 부재가 관통할 수 있도록 상기 카트리지 본체의 4개의 모서리들에 관통 형성된 관통공들;
상기 관통공들 각각의 주위를 감싸도록 상기 제2 면에 돌출된 돌출 체결부; 및
상기 돌출 체결부가 삽입될 수 있도록 상기 제1 면에 인입 형성된 인입 체결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 청구항 1에 있어서,
탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 음극 또는 양극 출력 터미널 단자를 고정하기 위한 원형 홀을 인접하는 2개의 셀 카트리지가 형성할 수 있도록 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 반원 홈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 카트리지 본체의 상부에 마련된 적어도 하나 또는 그 이상의 덕트 홈들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 카트리지 본체의 상기 제1 면과 상기 제2 면 중 어느 하나에 마련된 센서 고정홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 셀의 실링부의 접합부를 수납하기 위해, 상기 카트리지 본체의 모서리 부분에 마련된 삼각형 혹은 다각형 구조의 웨지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈용 셀 카트리지.
- 대응되는 셀 카트리지에 각각 수납된 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 전지 모듈에 있어서:
셀들의 각각의 가장자리 부분들을 둘러싸서 각각의 셀을 수납할 수 있는 개구, 제1 면에 마련된 실링 수납부와 상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 마련된 돌출부를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들;
서로 이웃하는 실링 수납부와 돌출부가 하나의 셀을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체;
상기 셀 카트리지 조립체의 양단에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임과 제2 측면 프레임;
상기 제1 측면 프레임과 끝단 셀 카트리지 사이 및 상기 제2 측면 프레임과 다른 끝단 셀 카트리지 사이에 각각 개재된 제1 절연 판넬과 제2 절연 판넬; 및
상기 다수의 셀 카트리지들과, 상기 제1 절연 판넬과 상기 제2 절연 판넬, 및 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 각각 관통하도록 형성된 체결부에 삽입되어 상기 다수의 셀 카트리지들과 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 체결할 수 있는 체결부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
- 대응되는 셀 카트리지에 각각 수납된 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 전지 모듈에 있어서:
셀들의 각각의 가장자리 부분들을 둘러싸서 각각의 셀을 수납할 수 있는 개구, 제1 면에 마련된 실링 수납부와 상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 마련된 돌출부를 각각 구비하는 다수의 셀 카트리지들;
서로 이웃하는 실링 수납부와 돌출부가 하나의 셀을 고정함으로써 다수의 셀 카트리지들이 반복적으로 연결된 셀 카트리지 조립체;
상기 셀 카트리지 조립체의 양단에 위치된 각각의 끝단 셀 카트리지에 각각 접촉되는 제1 측면 프레임과 제2 측면 프레임; 및
상기 다수의 셀 카트리지들, 및 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 각각 관통하도록 형성된 체결부에 삽입되어 상기 다수의 셀 카트리지들과 상기 제1 측면 프레임과 상기 제2 측면 프레임을 체결할 수 있는 체결부재를 구비하고;
인접하는 2개의 셀 카트리지들 사이에 형성된 원형 홀에 삽입되어 고정되는 원기둥 형태의 원통부; 및
상기 셀의 최외곽 양 끝단의 셀들의 각각의 단자에 연결되는 한 쌍의 터미널 단자들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
- 삭제
- 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
각각의 셀의 단자는 연결 방향으로 직각 절곡되어 상기 카트리지 본체의 상단에 마련된 연결체 삽입홈에 삽입된 제1 도전성 연결체에 그 일면이 접촉되고, 상기 제1 도전성 연결체 방향으로 밀착됨으로써 상기 단자를 고정할 수 있는 제2 도전성 연결체의 타측면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
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