KR101392799B1 - 안정성이 향상된 구조 및 높은 냉각 효율성을 갖는 전지모듈 - Google Patents

안정성이 향상된 구조 및 높은 냉각 효율성을 갖는 전지모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일측 단부에 전극 단자들이 형성되어 있는 판상형 전지셀 둘 이상이 적층되어 있고, 전극단자들이 위치하는 면의 폭이 양면들의 너비 및 높이보다 상대적으로 작은 직육면체 구조를 가지는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 6면 중에서 상대적으로 큰 면적의 양면들과 전극단자들이 위치하는 면의 대향면을 감싸도록 절곡되어 있고, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열을 방출하는 열전도성 소재로 이루어진 제 1 모듈 케이스; 및 상기 전지셀 적층체에서 상기 양면들에 인접한 측면들과 전극단자들이 위치하는 면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 제 1 모듈 케이스와 체결되며, 전지셀 전극단자들이 외부로 돌출되기 위한 관통홈들이 형성되어 있고, 전기절연성 소재로 이루어진 제 2 모듈 케이스; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

안정성이 향상된 구조 및 높은 냉각 효율성을 갖는 전지모듈 {Battery Module Having Structure of Improved Stability and High Cooling Efficiency}
본 발명은 안정성이 향상된 구조 및 높은 냉각 효율성을 갖는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 일측 단부에 전극 단자들이 형성되어 있는 판상형 전지셀 둘 이상이 적층되어 있고, 전극단자들이 위치하는 면의 폭이 양면들의 너비 및 높이보다 상대적으로 작은 직육면체 구조를 가지는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 6면 중에서 상대적으로 큰 면적의 양면들과 전극단자들이 위치하는 면의 대향면을 감싸도록 절곡되어 있고, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열을 방출하는 열전도성 소재로 이루어진 제 1 모듈 케이스; 및 상기 전지셀 적층체에서 상기 양면들에 인접한 측면들과 전극단자들이 위치하는 면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 제 1 모듈 케이스와 체결되며, 전지셀 전극단자들이 외부로 돌출되기 위한 관통홈들이 형성되어 있고, 전기절연성 소재로 이루어진 제 2 모듈 케이스;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈에 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), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
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.
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 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
한편, 독일 자동차 산업 협회(VDA)에서 표준화로 정한 리튬 이차 전지셀의 독일 공업 규격(DIN)이 직육면체 형상의 각형 전지셀을 채택하고 있으며, 세계적으로도 표준화된 각형 전지셀을 제품에 적용하고자 하는 사례가 증가하는 추세이다.
따라서, 캔(can) 타입의 전지셀과 달리 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는, 상기 표준화 사이즈에 맞추기 위한 직육면체 구조의 견고한(rigid) 형상을 유지하기가 곤란하므로, 파우치형 전지 외면을 감싸주는 견고한 부품이 추가적으로 필요하다.
도 1에는 종래의 대표적인 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지셀(10)은 전극 탭들(11, 12)이 일측 단부에 형성되어 있는 판상형 전지셀(10)이다. 구체적으로, 판상형 전지셀(10)은 금속층(도시하지 않음)과 수지층(도시하지 않음)을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스(13)에 전극조립체(도시하지 않음)가 내장되어 있는 구조이며, 통상적으로 이를 파우치형 전지셀(10)로 통칭한다.
또한, 파우치형 케이스(13)는 수지층 및 금속박층을 포함하는 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 실링부(14)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다.
그러나, 외장재(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위하여, 일반적으로 전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 그러나, 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 또는 차량 등에는 일반적으로 장착공간이 한정적이므로, 카트리지와 같은 팩 케이스의 사용으로 인해 전지모듈의 크기가 커지는 경우에는 낮은 공간 활용도의 문제점이 초래된다. 또한, 전지셀의 낮은 기계적 강성은 충방전시 전지셀의 반복적인 팽창 및 수축으로 나타나고, 그로 인해 열융착 부위가 분리되는 경우도 초래된다.
따라서, 기계적 강성이 우수하지 못한 파우치형 전지셀의 단점을 극복할 수 있고, 직육면체 구조의 견고한 형상의 표준 사이즈 각형 전지셀 구조를 용이하게 달성할 수 있는 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
한편, 이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전지모듈의 크기를 고려하여, 많은 전지셀들을 적층할수록 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로들을 형성하게 되는데, 이로 인해 냉각 구조의 설계가 복잡해지는 문제점이 발생한다. 즉, 냉매의 유입구 대비 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로는 높은 압력 손실을 유발하게 되어, 냉매의 유입구 및 배출구의 형태와 위치 등을 설계하는데 많은 어려움이 따른다. 또한, 이러한 압력 손실을 방지하기 위하여 팬이 추가적으로 설치되기도 하므로, 전력 소모와 팬 소음, 공간 등과 같이 설계상의 제약이 따를 수 있다.
더욱이, 냉각 구조의 구성시 사용되는 부재들 사이에 존재하는 열전도 저항으로 인해, 설계시에 의도한 냉각 효율성이 얻어지지 못하는 경우가 자주 발생한다.
따라서, 종래의 단단한 캔 타입의 전지셀 구조보다 향상된 안전성(safety) 및 안정성(stability)을 갖고, 종래의 파우치형 전지셀을 활용하여 표준 사이즈의 각형 전지셀 구조를 용이하게 달성할 수 있으며, 우수한 냉각 효율성을 달성할 수 있는 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전극단자들이 위치하는 면의 폭이 양면들의 너비 및 높이보다 상대적으로 작은 직육면체 구조를 가지는 전지셀 적층체를, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열을 방출하는 열전도성 소재로 이루어진 제 1 모듈 케이스 및 전기절연성 소재로 이루어진 제 2 모듈 케이스에 수납 고정함으로써 추가적인 부품이 필요치 않도록 하여, 간단한 조립 절차에 의해 생산 공정 효율성을 향상하도록 하고, 표준 사이즈의 각형 전지모듈 구조를 고객의 요구에 빠르게 대응하여 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제 1 모듈 케이스 및 제 2 모듈 케이스를 적용한 각형 전지모듈 구조에 있어서, 제 1 모듈 케이스가 전지셀로부터 발생한 열을 방출하는 열전도성 소재로 구성되도록 하여 종래의 전지모듈 구조보다 용이한 냉각 설계가 가능하고, 파우치의 유연한 재질적 특성을 포함하는 전지셀 적층체를 활용하여 각형 전지모듈 구조를 구성하도록 하여 종래의 단단한 캔 타입의 전지셀 구조보다 향상된 안전성 및 안정성을 갖는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
일측 단부에 전극 단자들이 형성되어 있는 판상형 전지셀 둘 이상이 적층되어 있고, 전극단자들이 위치하는 면의 폭이 양면들의 너비 및 높이보다 상대적으로 작은 직육면체 구조를 가지는 전지셀 적층체;
상기 전지셀 적층체의 6면 중에서 상대적으로 큰 면적의 양면들과 전극단자들이 위치하는 면의 대향면을 감싸도록 절곡되어 있고, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열을 방출하는 열전도성 소재로 이루어진 제 1 모듈 케이스; 및
상기 전지셀 적층체에서 상기 양면들에 인접한 측면들과 전극단자들이 위치하는 면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 제 1 모듈 케이스와 체결되며, 전지셀 전극단자들이 외부로 돌출되기 위한 관통홈들이 형성되어 있고, 전기절연성 소재로 이루어진 제 2 모듈 케이스;
를 포함하고 있는 구조로 이루어져 있다.
상기 판상형 전지셀은, 예를 들어, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체를 장착한 후 수납부의 외주면을 열융착한 파우치형 전지셀 일 수 있다.
또한, 상기 판상형 전지셀은, 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화 할 수 있도록, 바람직하게는, 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 리튬 이차전지 일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 캔(can) 타입의 전지셀과 달리 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는, 표준화 사이즈에 맞추기 위한 직육면체 구조의 견고한(rigid) 형상을 유지하기가 곤란하므로, 파우치형 전지 외면을 감싸주는 견고한 부품이 추가적으로 필요하다.
따라서, 본 발명의 전지모듈은 파우치형 전지 외면을 감싸주는 제 1 모듈 케이스 및 제 2 모듈 케이스를 포함하므로, 간단한 조립 과정에 의해 표준 사이즈의 각형 전지모듈 구조를 달성할 수 있다.
또한, 파우치형 전지셀은 단단한 캔(can) 타입의 전지셀보다 안전한 구조적 장점을 가지고 있다. 구체적으로, 파우치형 전지셀은, 파우치의 유연한 재질적 특성으로 인하여, 과충전, 과방전, 고온 노출 등의 원인으로 인한 전지셀의 부풀어오름(swelling), 가스 누출(gas vent), 발화(fire), 폭발(explosion) 등의 리튬 이차 전지의 안전성 이슈에서 보다 안전한 거동을 보이는 장점을 지니고 있다.
따라서, 상기의 장점들을 포함하고 있는 파우치형 전지셀로 구성한, 본 발명에 따른 표준화된 각형 전지셀 형상의 전지모듈은 캔 타입의 각형 셀보다 더 많은 장점들을 포함하고 있다.
또한, 본 발명의 전지모듈은 충방전시 전지셀로부터 발생한 열을 방출하는 열전도성 소재로 이루어진 제 1 모듈 케이스를 포함하고 있으므로, 표준화된 각형 전지셀의 구조를 달성함과 동시에 전지셀의 냉각 효과를 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전지모듈을 포함하는 전지 시스템을 구성할 시, 더욱 향상된 냉각 효율 특성의 냉각 구조를 설계할 수 있다.
더욱이, 표준 사이즈의 각형 전지셀의 제조 공정에 있어서, 본 발명의 전지모듈은 제 1 모듈 케이스 및 제 2 모듈 케이스의 용이한 결합에 의해 조립될 수 있는 구조이므로, 간단한 조립 과정에 의해 생산 공정 효율성을 향상시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 이러한 구조를 포함하는 본 발명의 전지모듈은 내부에 수납하는 전지셀들의 개수를 적절히 변경하여 병렬 연결할 수 있으므로, 소망하는 전기적 용량에 대응하는 전지모듈을 설계 및 제작할 수 있다.
한편, 상기 전지셀 적층체는, 경우에 따라서는, 각 전지셀들 사이의 계면에 연질 탄성 재질의 패드가 추가로 개재되어 있는 구조일 수 있다.
상기 패드는, 전지셀 적층체의 각 전지셀들의 두께 변화를 흡수하여 표준 사이즈를 유지할 수 있는 연질 탄성 재질 소재라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 폴리우레탄 소재 또는 실리콘 소재일 수 있다.
이러한 연질 탄성 소재의 패드는 파우치형 전지셀의 스웰링으로 인한 두께 변화를 흡수할 수 있으며, 이러한 전지셀의 두께 변화에도 표준 사이즈를 항상 유지할 수 있으므로, 더욱 안정적이고 견고한 전지모듈 구조를 달성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 모듈 케이스의 소재는, 상기 전지셀로부터 발생한 열을 흡수하여 외부로 방열할 수 있도록 열전도율이 우수한 소재하면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 열전도성 금속 판재로 이루어진 구조일 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 제 1 모듈 케이스는, 열전도성 금속 판재를 전지셀 적층체의 평면상 크기에 대응하는 크기로 절단한 후 절곡하여 수직 단면상으로 'ㄷ'자형으로 프레스 성형(press molding)하여 제작되는 구조일 수 있다.
이러한 금속 소재의 제 1 모듈 케이스는 판상형 전지셀의 측면부에 직접 접촉하기 때문에, 전지셀로부터 발생한 열을 빠르고 효율적으로 전도할 수 있는 바, 적어도 하나의 단위모듈에 포함된 전지셀들 사이에 이격 공간을 필요로 하지 않고, 종래의 시스템보다 높은 효율성으로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 방열 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 전지셀들을 적층할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 전지셀 적층체와 제 1 모듈 케이스의 계면에는 열전도 매개체가 개재될 수도 있으며, 이 경우에 상기 열전도 매개체는, 열전도율이 우수한 열전도 소재라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.
한편, 상기 전지셀의 외장재 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위하여, 상기 제 2 모듈 케이스는 기계적 강성이 우수한 전기 절연성 소재로 제작되는 바, 바람직하게는 플라스틱 소재로 제작될 수 있다. 이는 모듈 케이스 내부에 장착된 전지셀을 외부의 기계적 충격으로부터 보호함과 동시에 전지셀을 전지모듈에 안정적으로 장착될 수 있도록 해 준다.
따라서, 기계적 강성이 우수한 전기 절연성 소재로 형성된 제 2 모듈 케이스는, 내부에 수납되는 전지셀 적층체의 전극 단자부를 외부로부터 전기적 단락(electric short) 또는 기계적 충격(mechanical damage) 등으로부터 용이하게 보호할 수 있다.
상기 제 2 모듈 케이스에서 전지셀 적층체의 전극단자들이 위치하는 면에는, 바람직하게는, 상기 전극단자들이 전기적으로 연결되는 외부 입출력 단자들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 외부 입출력 단자들은 제 2 모듈 케이스의 측면, 상부 또는 하부에 형성될 수 있는 바, 이러한 형성 위치는, 제 2 모듈 케이스 내부에 수납되는 전지셀 적층체의 전극단자들이 위치하는 면에 따라 좌우된다.
또한, 상기 외부 입출력 단자들은 2개의 터미널 볼트들(terminal bolts)일 수 있으며, 구체적으로, 상기 터미널 볼트들은 인서트 사출성형(insert injection molding), 다중 사출성형(sandwich molding), 용융 코아 사출성형(soluble core injection molding), 가스 사출성형(gas-assisted injection molding), 사출 압축 성형(injection compression molding), 발포 사출성형(structural foam injection molding), 다층 사출성형(microlayer injection molding), 라이브-피드 사출성형(live-feed injection molding), 푸쉬-풀 사출성형(push-pull injection molding), 및 반응 재료의 사출성형(injection molding of reactive materials)로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 방법에 의해 제 2 모듈 케이스 상에 장착되는 구조일 수 있다.
따라서, 터미널 볼트들을 상기와 같은 방법에 의해 제 2 모듈 케이스에 장착할 수 있으므로, 금속 소재와 절연 소재와의 체결에 필요한 추가적인 부재를 필요치 않게 된다. 또한, 추가적인 부재의 장착에 의한 추가적인 공간 및 상기 추가적인 부재의 장착을 위한 추가적인 공정이 필요치 않게 되므로, 전지모듈의 효율적인 조립 공정을 달성할 수 있게 해 준다.
바람직하게는, 상기 터미널 볼트들에 대해 전지셀들의 전극단자들을 전기적으로 연결하기 위한 버스 바가 제 2 모듈 케이스 상에 추가로 장착될 수 있으며, 상기 버스 바는 'I' 자형 버스 바 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 버스 바는 터미널 볼트에 장착되기 위한 관통구가 형성되어 있는 헤드와 상기 헤드로부터 연장되어 있는 판상 본체로 이루어진 구조일 수 있다.
또한, 상기 버스 바는 전지셀 적층체의 전극단자들이 위치하는 제 2 모듈 케이스의 면에 안착된 상태로 터미널 볼트에 결속 장착되어 전극단자들와 전기적으로 결합되는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 버스 바와 전극단자들의 결합은, 상향 돌출된 전극단자들을 직각으로 절곡하여 버스 바의 판상 본체에 접촉시킨 후, 접촉된 전극단자들과 버스 바를 레이저 용접(laser welding) 또는 스팟 용접(spot welding)에 의해 전기적으로 결합시켜 달성되는 구조일 수 있다.
따라서, 상기와 같은 방법에 의해 내부에 수납된 전지셀들의 전극단자들로부터 용이하게 외부 입출력 단자를 전기적으로 연결할 수 있다.
또한, 이러한 구조의 버스 바는 제 2 모듈 케이스의 상부에 장착됨과 동시에 전극단자들과 용접에 의해 결합되므로, 더욱 견고하고 안정적인 구조의 전지모듈을 달성할 수 있다. 또한, 전극단자들과 버스 바의 용접공정이 매우 용이하고, 추가적인 부재의 장착에 의한 추가적인 공간 및 상기 추가적인 부재의 장착을 위한 추가적인 공정이 필요치 않으므로, 상기 전지모듈의 효율적인 조립 공정을 달성할 수 있게 해 준다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 모듈 케이스 및 제 2 모듈 케이스는 억지끼워맞춤(interference fit)에 의해 체결되는 구조일 수 있다.
또한, 상기 억지끼워맞춤은, 바람직하게는, 상기 제 1 모듈 케이스의 양면들 각각의 4개의 모서리 변들 중에 제 2 모듈 케이스와 접촉되는 3개의 모서리 변들에 형성된 단차부들; 및 상기 제 2 모듈 케이스의 제 1 모듈 케이스와 접촉되는 3개의 모서리 변들의 내부에 형성된 돌기부들;에 의해 달성되는 구조일 수 있다.
이러한 조립 체결 방식은, 추가적인 체결용 연결 부재를 필요치 않는 방식으로서, 연결 부재의 장착에 의한 추가적인 공간 및 연결 부재의 장착을 위한 추가적인 공정이 필요치 않으므로, 전지모듈의 콤팩트 한 구조 및 효율적인 조립 공정을 달성할 수 있게 해 준다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈이 하나 이상 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩과, 이러한 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 종래의 전지모듈 구조보다 용이한 냉각 설계가 가능하고, 파우치의 유연한 재질적 특성을 포함하는 전지셀 적층체를 활용하여 각형 전지모듈 구조를 구성하도록 하여 종래의 단단한 캔 타입의 전지셀 구조보다 향상된 안전성 및 안정성을 달성할 수 있으며, 추가적인 부품이 필요치 않도록 하여, 간단한 조립 절차에 의해 생산 공정 효율성을 향상하고, 표준 사이즈의 각형 전지모듈 구조를 고객의 요구에 빠르게 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지셀 사시도이다;
도 2은 본 발명에 따른 전지셀 적층체의 사시도이다;
도 3은 본 발명에 따른 제 2 모듈 케이스의 사시도이다;
도 4는 본 발명에 따른 제 1 모듈 케이스의 사시도이다;
도 5는 본 발명에 따른 전지모듈의 분해도이다;
도 6은 본 발명에 따른 전지모듈의 정면도이다;
도 7은 도 6의 "A"-"A" 절단면도이다;
도 8은 도 7의 "B" 부분 확대도이다;
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 전지모듈에 버스 바를 장착하는 모습 및 장착된 모습을 나타내는 사시도들이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 전지셀 및 전지셀 적층체의 사시도가 도시되어 있다. 또한, 도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 제 2 모듈 케이스 및 제 1 모듈 케이스의 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀 적층체(100)는 각 전지셀들(10)의 6면 중 상대적으로 큰 면적의 면(13)이 서로 접촉하도록 적층되어 있다. 이러한 전지셀 적층체(100)는 전극단자들(11, 12)이 위치하는 면의 폭(b)이 양면들의 너비(w) 및 높이(h)보다 상대적으로 작은 직육면체 구조이다.
한편, 제 2 모듈 케이스(200)는 상부(210)와 측면부(220)를 포함하는 구조이다.
구체적으로 제 2 모듈 케이스(200)의 상부(210)에는 전지셀 적층체(100)의 전극단자들(11, 12)가 관통하여 외부로 노출될 수 있도록 슬릿(slit) 형상의 관통구들(211, 212)이 형성되어 있다. 또한, 관통구들(211, 212)을 중심으로 양쪽 단부에는, 또 다른 전지모듈(도시하지 않음) 또는 당해 전지모듈이 장착되는 디바이스(도시하지 않음)의 용이한 결합 및 장착을 위해 형성된 장착돌기부들(213)이 형성되어 있다.
또한, 제 2 모듈 케이스(200)의 측면부(220)는 내측으로 전지셀 적층체(100)의 실링부(14)를 수납 및 고정할 수 있는 구조의 수납부(221)를 포함하고 있다. 측면부(220)의 하단부에는 'ㄱ'자 형상의 만입부(230)가 형성되어 있다. 이러한 만입부(230)는 제 1 모듈 케이스(200)와의 용이한 조립을 위해 형성된 것으로서, 이후 상세히 설명한다.
한편, 제 1 모듈 케이스(300)는 열전도성 금속 판재를 전지셀 적층체(100)의 평면상 크기(13)에 대응하는 크기로 절단한 후 절곡(301)하여 수직단면 상으로 'ㄷ'자형으로 프레스 성형되어 있다.
구체적으로, 제 1 모듈 케이스(300)는 방열부(310), 하단 고정부(320), 측면 조립부들(331, 332) 및 전지셀 수납부(340)를 포함하는 구조이다.
도 5에는 본 발명에 따른 전지모듈의 분해도가 도시되어 있다.
도 5를 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 전지셀 적층체(100)는 제 1 모듈 케이스(300)의 전지셀 수납부(340)에 수납(701)된 후, 제 2 모듈 케이스(200)와 제 1 모듈 케이스(300)의 조립(702)에 의해 전지모듈이 완성된다.
도 6에는 본 발명에 따른 전지모듈의 정면도가 도시되어 있다.
도 6을 도 5와 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈은, 내부에 전지셀 적층체(100)를 수납하고, 제 1 모듈 케이스(300) 및 제 2 모듈 케이스(200)의 조립(701, 702)에 의해 달성된다. 이러한 조립(701, 702)은, 제 1 모듈 케이스(300)의 하단 고정부(320)의 양쪽 단부(321)로 연장되어 형성된 돌기부(321) 및 제 2 모듈 케이스(200)의 하단부에 형성된 'ㄱ'자형 만입부(230)의 맞물림에 의해 용이하게 달성된다.
도 7에는 도 6의 "A"-"A" 절단면도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7의 "B" 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 제 1 모듈 케이스(300) 및 제 2 모듈 케이스(200)는, 제 1 모듈 케이스(300)의 측면 조립부(332) 및 제 2 모듈 케이스(200)의 측면부(220)의 수납부(221)에 형성된 고정 돌기부(223)의 억지끼워맞춤(interference fit)에 의해 조립되어 있다.
또한, 전지셀들(10)의 계면에는 연질 탄성 재질의 패드(20)가 장착되어 있다.
도 9에는 본 발명에 따른 전지모듈에 버스 바를 장착하는 모습을 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
도 9를 도 2 내지 도 4와 함께 참조하면, 제 2 모듈 케이스(200)의 상부(210)에는 터미널 볼트들(410, 420)이 인서트 사출성형(insert injection molding) 방법에 의해 형성되어 있다. 또한, 제 1 모듈 케이스(300) 및 제 2 모듈 케이스(200)에 의해 내부에 수납된 전지셀 적층체(100)의 전극단자들(11, 12)은 제 2 모듈 케이스(200)의 상부(210)에 형성된 슬릿(slit) 형상의 관통구들(211, 212)를 통해 상향으로 관통하여 노출되어 있다. 또한, 버스 바들(510, 520)은 터미널 볼트들(410, 420)에 의해 제 2 모듈 케이스(200)의 상부(210)에 장착될 수 있도록, 'I'자형 구조로 형성되어 있다. 구체적으로, 버스 바들(510, 520)은, 터미널 볼트들(410, 420)에 장착되기 위한 관통구들(512, 522)이 형성되어 있는 헤드들(511, 521)과 헤드로들(511, 521)로부터 연장되어 있는 판상 본체(513, 523)의 구조로 형성되어 있다.
도 10에는 본 발명에 따른 전지모듈에 버스 바가 장착된 모습 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
도 10을 도 9와 함께 참조하면, 버스 바(510, 520)와 전극단자(11, 12)의 결합은, 상향 돌출된 전극단자들(11, 12)을 직각으로 절곡하여 버스 바(510, 520)의 판상 본체(513, 523)에 접촉시킨 후, 접촉된 전극단자들(11, 12)과 버스 바(510, 520)를 레이저 용접(laser welding)에 의해 전기적으로 결합되어 있다.
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.

Claims (24)

  1. 일측 단부에 전극 단자들이 형성되어 있는 판상형 전지셀 둘 이상이 적층되어 있고, 전극단자들이 위치하는 면의 폭이 양면들의 너비 및 높이보다 상대적으로 작은 직육면체 구조를 가지는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체의 6면 중에서 상대적으로 큰 면적의 양면들과 전극단자들이 위치하는 면의 대향면을 감싸도록 절곡되어 있고, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열을 방출하는 열전도성 소재로 이루어진 제 1 모듈 케이스; 및
    상기 전지셀 적층체에서 상기 양면들에 인접한 측면들과 전극단자들이 위치하는 면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 제 1 모듈 케이스와 체결되며, 전지셀 전극단자들이 외부로 돌출되기 위한 관통홈들이 형성되어 있고, 전기절연성 소재로 이루어진 제 2 모듈 케이스;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체를 장착한 후 수납부의 외주면을 열융착한 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체에서 각 전지셀들 사이의 계면에 연질 탄성 재질의 패드가 추가로 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 패드는 폴리우레탄 소재 또는 실리콘 소재인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 모듈 케이스는 열전도성 금속 판재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 모듈 케이스는 열전도성 금속 판재를 전지셀 적층체의 평면상 크기에 대응하는 크기로 절단한 후 절곡하여 수직 단면상으로 'ㄷ'자형으로 프레스 성형(press molding)하여 제작되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 모듈 케이스는 플라스틱 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 모듈 케이스에서 전지셀 적층체의 전극단자들이 위치하는 면에는 상기 전극단자들이 전기적으로 연결되는 외부 입출력 단자들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 외부 입출력 단자들은 2개의 터미널 볼트들(terminal bolt)인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 터미널 볼트들은 인서트 사출성형(insert injection molding), 다중 사출성형(sandwich molding), 용융 코아 사출성형(soluble core injection molding), 가스 사출성형(gas-assisted injection molding), 사출 압축 성형(injection compression molding), 발포 사출성형(structural foam injection molding), 다층 사출성형(microlayer injection molding), 라이브-피드 사출성형(live-feed injection molding), 푸쉬-풀 사출성형(push-pull injection molding), 및 반응 재료의 사출성형(injection molding of reactive materials)로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 방법에 의해 제 2 모듈 케이스 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 터미널 볼트들에 대해 전지셀들의 전극단자들을 전기적으로 연결하기 위한 버스 바가 제 2 모듈 케이스 상에 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 버스 바는 'I' 자형 버스 바인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 버스 바는 터미널 볼트에 장착되기 위한 관통구가 형성되어 있는 헤드와 상기 헤드로부터 연장되어 있는 판상 본체로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 버스 바는 전지셀 적층체의 전극단자들이 위치하는 제 2 모듈 케이스의 면에 안착된 상태로 터미널 볼트에 결속 장착되어 전극단자들와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 버스 바와 전극단자들의 결합은, 상향 돌출된 전극단자들을 직각으로 절곡하여 버스 바의 판상 본체에 접촉시킨 후, 접촉된 전극단자들과 버스 바를 레이저 용접(laser welding) 또는 스팟 용접(spot welding)에 의해 전기적으로 결합시켜 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 모듈 케이스 및 제 2 모듈 케이스는 억지끼워맞춤(interference fit)에 의해 체결되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 모듈 케이스의 양면들 각각의 4개의 모서리 변들 중에 제 2 모듈 케이스와 접촉되는 3개의 모서리 변들에 형성된 단차부들; 및
    상기 제 2 모듈 케이스의 제 1 모듈 케이스와 접촉되는 3개의 모서리 변들의 내부에 형성된 돌기부들;
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체와 제 1 모듈 케이스의 계면에는 열전도 매개체가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 열전도 매개체는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  22. 제 1 항에 따른 전지모듈이 하나 이상 팩 케이스에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  23. 제 22 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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