KR101435441B1 - 지지부재들과 연결부재들로 전지모듈 배열체를 고정하고 있는 전지팩 - Google Patents

지지부재들과 연결부재들로 전지모듈 배열체를 고정하고 있는 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 전지셀들 자체 또는 둘 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들을 정립 또는 도립 형태로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 1열 이상 배열되어 있는 전지모듈 배열체; (b) 상기 전지모듈 배열체의 후면을 지지하는 베이스 플레이트; (c) 상기 전지모듈 배열체의 최외곽 전지모듈들에 밀착된 상태로 전지모듈 배열체의 측면을 각각 지지하는 한 쌍의 측면 지지부재들; (d) 상기 측면 지지부재들의 하단에 결합되어 전지모듈 배열체의 하단을 지지하는 하단 지지부재; (e) 상기 하단 지지부재의 최외곽 양측에 결합되어 있으며, 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 교차하는 구조로 체결되어 있는 한 쌍의 하단 연결부재들; 및 (f) 상기 전지모듈 배열체의 전면 상단 모서리 상에 장착되어 있고, 양측 단부가 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있으며, 전지모듈 배열체의 상면과 전면을 동시에 감싸는 단면 구조를 가진 상단 연결부재; 를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

지지부재들과 연결부재들로 전지모듈 배열체를 고정하고 있는 전지팩 {Battery Pack Having Battery Module Arrangements Fixed by Supporting Members and Connection Members}
본 발명은 구조적 신뢰성이 우수한 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단위모듈들을 도립 형태로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 2열 이상 배열되어 있는 전지모듈 배열체, 전지모듈 배열체의 전면 및 후면을 각각 지지하는 한 쌍의 측면 지지부재들, 전지모듈 배열체의 하단을 지지하는 하단 지지부재, 측면 지지부재들의 상단이 결합되어 있는 2개 이상의 제 1 상부 장착부재들, 제 1 상부 장착부재들과 수직으로 교차하는 구조로 제 1 상부 장착부재들의 상단에 결합되어 있는 제 2 상부 장착부재; 및 전지모듈 배열체의 후면에 위치하고 있는 후면 장착부재를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지팩에 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.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.
중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
또한, 중대형 전지팩이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식 또는 직렬 및 병렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
일반적으로 종래의 전지팩은 동적 안정성을 확보하기 위해 전지모듈들을 받침판(base plate)에 고정하고, 적정 개수의 전지모듈들에 대해 종판(end plate), 지지보(support bar) 등의 부재를 사용하여 제조된다.
구체적으로, 종래의 전지팩의 경우, 전지모듈들을 받침판에 볼트나 너트로 고정하여 상하 방향의 이동을 방지하고, 종판과 지지보를 통해 길이 방향을 고정하는 형태로 구성되어 있다.
그러나, 상기 구조의 전지팩은 상하 방향뿐만 아니라, 전후 방향의 동적 안전성을 동시에 확보하기 위하여 추가적으로 지지보가 필요하다는 문제점이 있으며, 전지모듈들을 장착하는 데 있어서 공간 제약을 많이 가지고 있고, 많은 개수의 전지모듈들이 함께 구성되는 경우에 전체적인 전지팩의 구조적 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기 구조의 전지팩은 다수의 볼트나 너트 등의 체결부재를 사용하여 전지모듈들을 받침판에 장착하므로, 조립공정이 번거로울 뿐만 아니라, 상기 체결부재를 대한 공간을 확보해야 하므로, 공간상의 제약 및 상기 체결부재들의 중량적인 제약을 가지고 있다.
따라서, 상기의 문제점들을 해결할 수 있는 콤팩트한 구조의 전지팩이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지모듈들을 고정하기 위한 신규한 조립용 부재들에 의해, 상하 방향 및 전후 방향으로의 유동을 방지하고, 조립 공정을 간소화하며, 전체적으로 콤팩트 하면서 가벼운 중량의 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
(a) 전지셀들 자체 또는 둘 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들을 정립 또는 도립 형태로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 1열 이상 배열되어 있는 전지모듈 배열체;
(b) 상기 전지모듈 배열체의 후면을 지지하는 베이스 플레이트;
(c) 상기 전지모듈 배열체의 최외곽 전지모듈들에 밀착된 상태로 전지모듈 배열체의 측면을 각각 지지하는 한 쌍의 측면 지지부재들;
(d) 상기 측면 지지부재들의 하단에 결합되어 전지모듈 배열체의 하단을 지지하는 하단 지지부재;
(e) 상기 하단 지지부재의 최외곽 양측에 결합되어 있으며, 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 교차하는 구조로 체결되어 있는 한 쌍의 하단 연결부재들; 및
(f) 상기 전지모듈 배열체의 전면 상단 모서리 상에 장착되어 있고, 양측 단부가 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있으며, 전지모듈 배열체의 상면과 전면을 동시에 감싸는 단면 구조를 가진 상단 연결부재;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 앞서 정의한 바와 같은 특정한 조립용 부재들을 사용하여 전체적으로 콤팩트하고 안정적인 구조를 제공한다. 특히, 상단 연결부재가 수직단면상으로 'ㄱ'자의 형태를 가지고 있어서, 전지팩의 상하 방향 및 전후 방향 진동에 대한 전지팩 전체의 구조적 신뢰성을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 한 쌍의 측면 지지부재들이 전지모듈 배열체의 전면 및 후면을 각각 지지하고 있으므로, 측면 지지부재들의 하단에 결합되어 있는 하단 지지부재의 강성을 확실하게 보강할 수 있다.
더 나아가, 베이스 플레이트와 하단 지지부재, 및 하단 연결부재의 단부가 각각 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어져 있으므로, 전지팩을 외부 디바이스에 용이하고 안정적으로 장착할 수 있다.
본 명세서에서 방향은 전지모듈 배열체의 전면에 장착되어 있는 상단 연결부재의 방향으로 투시한 상태를 기준으로 해석된다.
상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이며, 예를 들어, 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 이차전지로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 이차전지는 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
상기 전지모듈 배열체는 단위모듈들을 정립 또는 도립 형태로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 2열 이상 배열되어 있으므로, 1개의 전지모듈로 구성된 종래의 전지팩 구조와 비교하여 고출력 대용량의 전기용량을 제공할 수 있다.
하나의 바람직한 예로서, 베이스 플레이트는 상기 측면 지지부재들과 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 예로서, 하단 지지부재 역시 상기 측면 지지부재들과 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같이 상기 베이스 플레이트와 측면 지지부재들, 또는 상기 하단 지지부재와 측면 지지부재들이 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 경우, 용접점 또는 볼팅 부위의 수는 1점 이상으로 이루어질 수 있다. 따라서, 상호간의 결합력을 견고히 할 수 있으므로 바람직하다.
상기 하단 연결부재들은 하단 지지부재의 하단 일측을 지지하며, 전지모듈의 배열되는 개수에 따라 용이하게 하단 일측을 지지할 수 있도록, 바람직하게는 레일 구조로 형성되어 있을 수 있다.
상기 상단 연결부재는 전지모듈 배열체의 전면 상단에 장착되어 용이하게 감쌀 수 있는 구조라면 특별히 제한은 없으나, 바람직하게는 수직단면상으로 'ㄱ'자 형상일 수 있다.
상기 상단 연결부재는, 상하 방향 및 전후 방향의 동적 안전성을 극대화시킬 수 있도록, 전지모듈 배열체의 최외곽 상단 일측면에 접하는 제 1 본체; 상기 제 1 본체로부터 'ㄱ'자 형상으로 하향 절곡되어 있는 제 2 본체; 상기 제 1 본체의 양측 단부로부터 상향으로 수직 절곡된 한 쌍의 상단벽; 및 제 2 본체의 양측 단부로부터 측면 방향으로 수직 절곡된 형상의 한 쌍의 측벽을 포함하고 있을 수 있다.
바람직하게는, 상기 측벽에서 연장 절곡되어 제 1 본체에 나란하게 형성되어 있는 연장부를 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우, 전지팩에 대한 외력의 인가시 전지모듈 배열체가 전후 방향으로 압력받는 것을 제 1 본체 및 제 2 본체와 함께 이중으로 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 상단 연결부재는 제 2 본체, 측벽 및 연장부들에 의해 수직 단면상으로 중공형의 사각 바(bar)의 형상을 이루고 있을 수 있다. 따라서, 제 1 본체 및 제 2 본체에 의해 형성된 사각 바에 의해 높은 강성과 압력 분산성을 제공할 수 있고, 전지모듈을 구성하는 단위모듈의 두께 방향으로의 이동을 방지하여 전지모듈의 안전성을 향상시키고 성능저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 상단벽 및 측벽에는 측면 지지부재에 상단 연결부재를 고정하기 위한 체결부재가 삽입되는 관통구가 각각 천공되어 있을 수 있으며, 이로 인해 측면 지지부재와 상단 연결부재를 안정적으로 결합할 수 있다.
상기 체결부재는 상호간의 체결을 용이하게 달성할 수 있는 부재이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 체결용 나사 또는 볼트일 수 있다. 이러한 체결부재는 측면 지지부재, 상단 연결부재 및 전지모듈의 결합을 더욱 공고히 달성할 수 있으므로 바람직하다.
경우에 따라서는, 상기 전지모듈의 상단에 BMS를 탑재하는 프레임이 추가로 장착될 수도 있다.
본 발명은, 또한 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 바람직하게는 전력 저장 장치 또는 통신사 중계기일 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 특정한 조립용 부재들을 사용하여, 전체적으로 콤팩트하고 안정적이고 조립 공정이 간소할 뿐만 아니라, 상하 방향, 전후 방향으로의 진동 및 충격에 대한 유동을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈 배열체를 생략한전지팩의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지팩의 측면도이다;
도 4는 도 3의 상면 연결부재의 부분 확대도이다;
도 5는 도 2의 상단 연결부재의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈 배열체를 생략한 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면과 이후 상세히 설명하게 될 도 3을 일부 참조하면, 전지팩(700)은 전지모듈 배열체(100), 전지모듈 배열체(100)의 후면을 지지하는 베이스 플레이트(200)와 한 쌍의 측면 지지부재들(300), 하단 지지부재(400), 하단 연결부재들(500), 상단 연결부재(600)로 구성되어 있다.
전지모듈 배열체(100)는 판상형 전지셀들(도시하지 않음)이 내장된 단위모듈들(10)을 세워 적층한 구조의 전지모듈들(50)이 2열(110, 120)로 배열되어 있고, 그것의 상단에 BMS를 탑재하는 프레임(150)이 장착되어 있다. 이해의 편의를 위하여, 도 2에서는 전지모듈 배열체(100)가 장착되는 공간(101)이 도시되어 있다.
한 쌍의 측면 지지부재들(300)은 전지모듈 배열체(100)의 최외곽 전지모듈들에 밀착된 상태로 전지모듈 배열체(100)의 측면을 각각 지지한다.
하단 지지부재(400)는 측면 지지부재들(300)의 하단에 결합되어 전지모듈 배열체(100)의 하단을 지지한다.
베이스 플레이트(200)는 측면 지지부재들(300)과 볼팅에 의해 결합되어 있고, 하단 지지부재(400)는 측면 지지부재들(300)과 3점의 볼팅에 의해 결합되어 있다.
한 쌍의 하단 연결부재들(500)은 하단 지지부재(400)의 최외곽 양측에 결합되어 있고, 일측 단부가 베이스 플레이트(200)에 교차하는 구조로 체결되어 있으며, 하단 지지부재(400)의 하단 일측을 지지하며 레일 구조로 형성되어 있다.
상단 연결부재(600)는 전지모듈 배열체(100)의 전면 상단 모서리 상에 장착되어 있고, 양측 단부가 측면 지지부재들(300)에 결합되어 있으며, 전지모듈 배열체(100)의 상면과 전면을 동시에 감싸는 단면 구조를 가진다.
도 3에는 도 2의 전지팩의 측면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 A 부분 확대도가 도시되어 있으며, 도 5에는 도 2의 상단 연결부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 상단 연결부재(600)는 수직단면상으로 'ㄱ'자 형상으로 구성되어 있다.
구체적으로, 상단 연결부재(600)는 전지모듈 배열체(100)의 최외곽 상단 일측면에 접하는 제 1 본체(610); 제 1 본체(610)로부터 'ㄱ'자 형상으로 하향 절곡되어 있는 제 2 본체(620); 제 1 본체(610)의 양측 단부로부터 상향으로 수직 절곡된 한 쌍의 상단벽(630); 및 제 2 본체(620)의 양측 단부로부터 측면 방향으로 수직 절곡된 형상의 한 쌍의 측벽(640)을 포함하고 있다.
또한, 측벽(640)에서 연장 절곡되어 제 1 본체(610)에 나란하게 형성되어 있는 연장부(641)를 포함하고 있다.
상단 연결부재(600)는 제 2 본체(620), 측벽(640) 및 연장부들(641)에 의해 수직 단면상으로 중공형의 사각 바(bar)의 형상을 이루고 있어서, 높은 강성과 전지모듈 배열체(100)의 두께 방향으로의 이동을 방지하여 전지모듈의 안전성을 향상시키고 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 상단벽(630) 및 측벽(640)에는 측면 지지부재(300)에 상단 연결부재(600)를 고정하기 위한 볼트(도시하지 않음)가 삽입되는 관통구(650)가 각각 천공되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. (a) 전지셀들 자체 또는 둘 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들을 정립 또는 도립 형태로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 1열 이상 배열되어 있는 전지모듈 배열체;
    (b) 상기 전지모듈 배열체의 후면을 지지하는 베이스 플레이트;
    (c) 상기 전지모듈 배열체의 최외곽 전지모듈들에 밀착된 상태로 전지모듈 배열체의 측면을 각각 지지하는 한 쌍의 측면 지지부재들;
    (d) 상기 측면 지지부재들의 하단에 결합되어 전지모듈 배열체의 하단을 지지하는 하단 지지부재;
    (e) 상기 하단 지지부재의 최외곽 양측에 결합되어 있으며, 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 교차하는 구조로 체결되어 있는 한 쌍의 하단 연결부재들; 및
    (f) 상기 전지모듈 배열체의 전면 상단 모서리 상에 장착되어 있고, 양측 단부가 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있으며, 전지모듈 배열체의 상면과 전면을 동시에 감싸는 단면 구조를 가진 상단 연결부재;
    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 라미네이트 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 배열체는 전지모듈이 2열 이상 배열되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는 상기 측면 지지부재들과 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 지지부재는 상기 측면 지지부재들과 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 용접점 또는 볼팅 부위의 수는 1 점 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 연결부재들은 하단 지지부재의 하단 일측을 지지하며 레일 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 연결부재는 수직단면상으로 'ㄱ'자 형상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 연결부재는, 전지모듈 배열체의 최외곽 상단 일측면에 접하는 제 1 본체; 상기 제 1 본체로부터 'ㄱ'자 형상으로 하향 절곡되어 있는 제 2 본체; 상기 제 1 본체의 양측 단부로부터 상향으로 수직 절곡된 한 쌍의 상단벽; 및 제 2 본체의 양측 단부로부터 측면 방향으로 수직 절곡된 형상의 한 쌍의 측벽을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 측벽에서 연장 절곡되어 제 1 본체에 나란하게 형성되어 있는 연장부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 상단 연결부재는 제 2 본체, 측벽 및 연장부들에 의해 수직 단면상으로 중공형의 사각 바(bar)의 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 상단벽 및 측벽에는 측면 지지부재에 상단 연결부재를 고정하기 위한 체결부재가 삽입되는 관통구가 각각 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 체결부재는 체결용 나사 또는 볼트인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈의 상단에는 BMS를 탑재하는 프레임이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 전력 저장 장치 또는 통신사 중계기인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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