KR101937943B1 - 이차 전지용 카트리지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지용 카트리지는, 적어도 하나의 이차 전지를 사이에 두고 상호 간 조립 가능하게 마련되는 하부 카트리지 및 상부 카트리지를 포함하며, 상기 하부 카트리지는 적어도 일측 코너(corner) 영역에 다른 영역보다 상방 돌출되고 서로 직각으로 이웃한 2개의 내측벽면을 갖는 셀 가이드부를 구비하고, 상기 상부 카트리지는 상기 셀 가이드부와 형상 맞춤되는 셀 가이드 조립부를 구비한다.

Description

이차 전지용 카트리지{Cartidge for secondary battery}
본 발명은 이차 전지용 카트리지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 이차 전지를 수납 또는 적층시킬 때 이용되는 이차 전지용 카트리지에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
하지만, 파우치형 이차 전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않다. 따라서, 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하여 전지 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 카트리지를 이용하는 경우가 많다. 카트리지는 셀 커버 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있다.
이러한 카트리지 하나당 대략 2개의 이차 전지가 수납됨으로써, 하나의 셀 카트리지 어셈블리가 마련되고, 다수의 셀 카트리지 어셈블리가 모여 하나의 전지 모듈이 구성된다. 여기서, 전지 모듈의 기본 단위인 셀 카트리지 어셈블리는, 전지 모듈 부품 중 가장 많은 수량을 차지한다. 따라서 전지 모듈 생산 공정 시 셀 카트리지 어셈블리들을 준비하는데 가장 많은 작업 시간이 소요된다.
한편, 종래의 셀 카트리지 어셈블리의 조립은 하부 카트리지의 상면에 2개의 이차 전지를 적층시킨 다음, 그 위에 상부 카트리지를 덮는 방식으로 진행될 수 있다. 그런데 이때, 모든 이차 전지들을 하부 카트리지 위에 매번 정확하게 적층시키는 것이 쉽지 않기 때문에 하나의 셀 카트리지 어셈블리를 조립하는데 소용되는 시간이 길어지는 문제점이 있다. 더욱이 작업자의 숙련 정도에 따라서, 조립 공차가 발생할 가능성이 크며, 조립 공차는 전지 모듈 성능에 악영향을 미치는 요인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차 전지와 카트리지의 조립 시 2개 이상의 이차 전지를 카트리지에 보다 쉽게 안착시킬 수 있을 뿐만 아니라 정확한 조립 위치에 놓이도록 할 수 있는 이차 전지용 카트리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 이차 전지를 사이에 두고 상호 간 조립 가능하게 마련되는 하부 카트리지 및 상부 카트리지를 포함하며, 상기 하부 카트리지는 적어도 일 측 코너(corner) 영역에 다른 영역보다 상방 돌출되고 서로 직각으로 이웃한 2개의 내측벽면을 갖는 셀 가이드부를 구비하고, 상기 상부 카트리지는 상기 셀 가이드부와 형상 맞춤되는 셀 가이드 조립부를 구비하는 이차 전지용 카트리지가 제공될 수 있다.
상기 셀 가이드부는, 상단부가 하단부보다 두께가 얇도록 외측에서 내측 방향으로 단차를 구비할 수 있다.
상기 셀 가이드부의 하단부는 상기 셀 가이드 조립부와 상하로 형상 맞춤되고, 상기 셀 가이드부의 상단부는 상기 셀 가이드 조립부의 안쪽에 위치될 수 있다.
상기 하부 카트리지 및 상기 상부 카트리지는 직사각 형상으로 구성되고, 상기 셀 가이드부는 상기 하부 카트리지의 4개의 코너 영역에 하나씩 구비될 수 있다.
상기 하부 카트리지는, 열 전도성 플레이트 형태로 마련된 하부 냉각 플레이트와, 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 마련되고 상기 중앙 부분이 덮히도록 상기 하부 냉각 플레이트와 결합되는 제1 하부 프레임과, 상기 제1 하부 프레임의 장변측에서 벽체를 형성하는 제2 하부 프레임을 포함하며, 상기 셀 가이드부는 상기 제2 하부 프레임의 양쪽 끝 단부에 구비될 수 있다.
상기 상부 카트리지는, 열 전도성 플레이트 형태로 마련된 상부 냉각 플레이트와, 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 마련되고 상기 중앙 부분이 덮히도록 상기 상부 냉각 플레이트와 결합되는 제1 상부 프레임과, 상기 제1 상부 프레임의 장변측에서 벽체를 형성하는 제2 상부 프레임을 포함하며, 상기 제2 하부 프레임은 상기 제2 상부 프레임보다 상대적으로 높게 형성될 수 있다.
상기 제2 상부 프레임은 측면부에 적어도 하나의 후크를 구비하고, 상기 제2 하부 프레임은 측면부에 상기 적어도 하나의 후크에 대응되는 적어도 하나의 후크 걸림공을 구비할 수 있다.
상기 하부 냉각 플레이트는 상기 제1 하부 프레임의 외면에 열융착되고, 상기 상부 냉각 플레이트는 상기 제1 상부 프레임의 외면에 열융착될 수 있다.
상기 하부 냉각 플레이트 및 상기 상부 냉각 플레이트 중 적어도 어느 하나는, 적어도 일측변에서 길이 방향으로 돌출된 온도 측정용 탭을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 이차 전지용 카트리지를 포함하는 전지 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상기 전지 모듈을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 카트리지 상에 이차 전지들을 쉽게 적층시킬 수 있어 이차 전지와 카트리지 간의 조립 공정 택트 타임(tact time)을 단축시킬 수 있다. 따라서 전지 모듈의 생산성이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차 전지들이 하부 카트리지 상의 정확한 조립 위치에 적층됨으로써 제품 불량률이 줄어들 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 카트리지 어셈블리의 사시도이다.
도 2는, 도 1의 셀 카트리지 어셈블리를 다른 각도에서 바라본 사시도이다.
도 3 및 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 카트리지 어셈블리의 조립 전 상태를 나타내는 도면들이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 카트리지 어셈블리를 포함하는 전지 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 카트리지와 상부 카트리지의 코너 영역을 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 조립된 셀 가이드부와 셀 가이드 조립부의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 카트리지 어셈블리의 사시도이고, 도 2는, 도 1의 셀 카트리지 어셈블리를 다른 각도에서 바라본 사시도이며, 도 3 및 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 카트리지 어셈블리의 조립 전 상태를 나타내는 도면들이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 카트리지 어셈블리(10)는, 다수의 이차 전지(100)와 이차 전지용 카트리지(200)를 포함한다.
이차 전지는 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 파우치형 이차 전지(100)일 수 있다.
파우치형 이차 전지(100)는 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체를 포함하며, 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드(111) 및 음극 리드(112)가 전기적으로 접속된 것일 수 있다. 파우치형 이차 전지(100)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 전기케이스의 테두리 부위를 열융착하여 밀봉한 구조를 가질 수 있다.
이러한 파우치형 이차 전지(100)는, 상하 방향으로 적층된 형태로 이차 전지용 카트리지(200) 내부에 수납될 수 있다. 이때, 전극 리드(111,112) 부분은 이차 전지용 카트리지(200)의 개구부를 통해 외부로 노출될 수 있다.
이차 전지용 카트리지(200)(이하 "카트리지"라 한다.)는 이차 전지(100)를 적층하는데 이용되는 구성으로서, 이차 전지(100)를 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 이차 전지(100)의 조립을 가이드하는 역할을 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(200)는 이차 전지(100)를 사이에 두고 상호 간 조립 가능하게 마련되는 하부 카트리지(210)와 상부 카트리지(220)를 포함한다. 본 실시예에서 하부 카트리지(210) 및 상부 카트리지(220)는 직사각 형상으로 구성될 수 있다. 이는 직사각 형상의 파우치형 이차 전지(100)에 대응되는 형상이다. 그러나 본 발명의 권리범위가 반드시 직사각 형상의 카트리지에 한정되어야만 하는 것은 아니다.
하부 카트리지(210)는 제1 하부 프레임(211), 제2 하부 프레임(213) 및 하부 냉각 플레이트(212)를 포함한다. 그리고 상부 카트리지(220)는 제1 상부 프레임(221), 제2 상부 프레임(223) 및 상부 냉각 플레이트(222)를 포함한다. 여기서 제1 하부 프레임(211)과 제1 상부 프레임(221), 하부 냉각 플레이트(212)와 상부 냉각 플레이트(222)는 거의 유사한 구조로 서로 대응되는 구성이므로 어느 하나의 설명으로 나머지 하나의 설명을 생략하기로 한다.
참고로, 본 명세서에서 하부, 상부, 일 측면과 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 하부와 상부는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
먼저, 제1 하부 프레임(211)은 하부 카트리지(210)의 골조에 해당하는 부분으로 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 마련될 수 있다.
상기 중앙 부분은 전지케이스에 내장된 전극조립체의 사이즈에 대응될 수 있다. 이를테면, 이차 전지(100)를 제1 하부 프레임 위에 적층시킬 때, 전극조립체 부분은 상기 중앙 부분에 위치될 수 있다. 이와 같이, 전극조립체 부분이 제1 하부 프레임(211)의 중앙 부분에 부분적으로 안착되면 이차 전지(100)의 유동이 억제될 수 있다. 또한, 이러한 제1 하부 프레임(211)의 중앙 부분은 이차 전지(100)의 조립 위치를 결정하는 기준이 될 수 있다.
상기 제1 하부 프레임(211)의 중앙 부분은 하부 냉각 플레이트(212)에 의해 덮힐 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 하부 냉각 플레이트(212)는 제1 하부 프레임(211)의 외측면, 다시 말하면, 제1 하부 프레임(211)의 바깥쪽 테두리에 결합되어 제1 하부 프레임(211)의 중앙 부분을 덮는다. 하부 냉각 플레이트(212)는 적어도 상기 제1 하부 프레임(211)의 중앙 부분을 덮을 수 있는 사이즈로 마련될 수 있다. 그리고 하부 냉각 플레이트(212)는 열전도성을 갖는 금속 판재일 수 있다.
본 실시예에 따른 하부 냉각 플레이트(212)는 제1 하부 프레임(211)의 외면에 열융착 방식에 의해 결합될 수 있다. 이를테면, 제1 하부 프레임(211)의 외면을 엠보싱 가공하여 돌기 라인(미도시)을 형성하고, 돌기 라인 위에 하부 냉각 플레이트(212)를 위치시킨 다음, 열과 압력을 가해 돌기 라인을 용융시킴으로써 하부 냉각 플레이트(212)와 제1 하부 프레임(211)이 융착되도록 할 수 있다.
이와 같은 열융착 방식에 의하면, 하부 냉각 플레이트(212)와 제1 하부 프레임(211) 사이에 틈새가 생기지 않아 카트리지의 실링성 및 결합력이 향상될 수 있다. 물론, 하부 냉각 플레이트(212)와 제1 하부 프레임(211) 간의 결합에는 인서트 사출 방식 또는 볼팅 방식이 적용될 수도 있다.
하부 및 상부 냉각 플레이트(212,222)는, 바람직하게는 0.1 내지 5.0mm의 두께와 소정의 자체 기계적 강성 특성을 가지는 금속 소재의 시트형 판재 중에서 선택될 수 있다. 그러나 하부 및 상부 냉각 플레이트(212,222)는 열전도성을 가지는 박형의 부재라면 그것의 두께나 구조가 특별히 한정되지 않으며, 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 이러한 하부 및 상부 냉각 플레이트(212,222)는 우수하지 못한 전지 케이스의 기계적 강성을 보강한다.
또한, 하부 및 상부 냉각 플레이트(212, 222)는 열전도성을 갖는 금속 판재로 이차 전지(100)의 일면과 접촉하고, 적어도 일 부분이 전지 모듈의 냉각 부재(20)와 접하도록 구성되어 이차 전지(100)의 열을 외부로 방출시키는 역할을 할 수 있다.
예를 들면, 하부 냉각 플레이트(212)는, 도 1 및 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 에지(egde) 부분(212a)이 하부 카트리지(210)의 일 측면을 더 감싸도록 절곡될 수 있다. 그리고 상부 냉각 플레이트(222) 역시 하부 냉각 플레이트(212)와 같은 형태로 에지 부분(222a)이 상부 카트리지(220)의 일 측면을 더 감싸도록 절곡될 수 있다. 따라서 카트리지(200)의 일 측면은 하부 및 상부 냉각 플레이트(222)의 절곡된 에지 부분(212a,222a)에 의해 감싸일 수 있다.
도 5의 카트리지(200) 적층체는 이러한 카트리지(200)들이 복수 개 적층된 것이다. 상기 카트리지(200) 적층체는 하부 및 상부 냉각 플레이트(212,222)의 절곡된 에지 부분(212a,222a)이 아래로 가도록 냉각 부재(20) 위에 배치된다. 이러한 구성에 의해, 이차 전지(100)에서 발생된 열은 하부 및 상부 냉각 플레이트(212,222)를 거쳐 냉각 부재(20)로 전도될 수 있다. 상기 냉각 부재(20)는 열을 전지 모듈 외부로 방열시키거나, 히트 싱크와 같은 별도의 냉각 장치에 의해 냉각될 수 있다.
그리고, 카트리지(200)의 타 측면은, 도 5에 도시된 바와 같이, 하부 및 상부 냉각 플레이트(222)에 의해 감싸이지 않도록 남겨둘 수 있다. 예컨대, 이러한 카트리지(200)의 타 측면에는 통풍구 및 전지 모듈의 부대 장치 등을 장착하기 위한 연결 수단 등이 마련되는 장소로 활용될 수도 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 및 상부 냉각 플레이트(212,222) 중 적어도 어느 하나는 길이 방향, 다시 말하면, 카트리지(200)에서 전극 리드(111,112)가 노출되는 방향으로 돌출되는 온도 측정용 탭(T)을 더 구비할 수 있다. 이를테면, 하부 및 상부 냉각 플레이트(212,222)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 모서리에서 일 부분이 제1 상부 프레임(221) 및 제1 하부 프레임(211)의 단변측 모서리에 가깝게 더 연장될 수 있다. 이와 같이, 하부 및 상부 냉각 플레이트(222)의 모서리에서 연장된 일 부분은 온도 측정용 탭(T)으로서, 전지 모듈 조립 후 써미스터(thermistor)와 접촉될 수 있다.
예컨대, 써미스터(미도시)는 관통구를 통해 전지 모듈 외측에서 내측 방향으로 끼워 넣어져 상기 온도 측정용 탭(T)에 닿아 셀 카트리지 어셈블리(10)의 온도를 측정한다. 여기서, 써미스터는 온도에 따라 저항값이 달라지는 현상을 이용한 반도체 소자일 수 있다.
제1 하부 프레임(211)의 단변측 양쪽 대변의 폭은 장변측 양쪽 대변의 폭보다 상대적으로 넓게 형성될 수 있다.
제1 하부 프레임(211)의 장변측의 폭을 좁게 함으로써 데드 스페이스(dead space)를 줄이고, 단변측의 폭을 상대적으로 넓게 구성함으로써 강성도를 높일 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 하부 프레임(213)은 제1 하부 프레임(211)의 장변측 양쪽 대변에서 상방형 절곡되어 벽체를 형성한다. 그리고 제2 상부 프레임은 제1 상부 프레임의 장변측 양쪽 대변에서 하방향 절곡되어 벽체를 형성한다. 제2 하부 프레임(213)과 제1 하부 프레임(211)을 개념적으로 구분하고 있으나, 제2 하부 프레임(213)과 제1 하부 프레임(211)은 일체로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 상부 프레임(223)과 제1 상부 프레임(221) 역시 일체로 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 제2 하부 프레임(213)과 제2 상부 프레임(223)이 서로 후크 체결됨으로써 하부 카트리지(210)와 상부 카트리지(220)가 하나의 몸체로 조립될 수 있다.
상부 카트리지(220)는 제2 상부 프레임(223)의 측면부에 적어도 하나의 후크(223a)를 구비하고, 하부 카트리지(210)는 제2 하부 프레임(213)의 측면부에 적어도 하나의 후크 걸림공(213a)을 구비할 수 있다.
카트리지(100)는 제2 하부 프레임(213)의 높이(H1)와 제2 상부 프레임의 높이(H2)에 의해 카트리지(100)의 내부 공간의 크기가 결정될 수 있는데, 본 실시예의 카트리지(100)는, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 하부 프레임(213)의 높이(H1)가 제2 상부 프레임(223)의 높이(H2)보다 상대적으로 높게 형성된다.
이와 같이, 제2 하부 프레임(213)의 높이(H1)가 제2 상부 프레임의 높이(H2)보다 상대적으로 높게 형성됨으로써, 하부 카트리지(210) 위에 다수의 이차 전지(100)들을 적층시킬 때, 전지 케이스의 양측 사이드부가 제2 하부 프레임(213)에 의해 지지될 수 있어 이차 전지(100)들이 안정적으로 적층될 수 있다.
한편, 본 발명의 하부 카트리지(210)는 셀 가이드부(214)를 더 포함한다. 셀 가이드부(214)는 다수의 이차 전지(100)를 쉽게 적층할 수 있도록 가이드하는 구성이다.
셀 가이드부(214)는 하부 카트리지(210)의 적어도 일 측 코너(corner) 영역에 마련되고, 다른 영역보다 상방 돌출되고 서로 직각으로 이웃한 2개의 내측벽면을 구비한다. 이를테면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 셀 가이드부(214)는 제2 하부 프레임(213)의 양쪽 끝 단부에 하나씩, 다시 말해 하부 카트리지(210)의 4개의 코너(conner) 영역에 각각 하나씩 마련될 수 있다.
셀 가이드부(214)의 상단부는 제2 하부 프레임(213)의 다른 부분의 상단부보다 상방향으로 더 돌출되게 마련된다. 보다 구체적으로, 셀 가이드부(214)의 상단부는 적어도 하부 카트리지(210) 위 최상단에 적층된 이차 전지(100)의 밀봉부인 외곽 테라스부의 높이보다 더 높이 위치한다.
하부 카트리지(210)의 4개의 셀 가이드부(214)들은 이차 전지(100)의 외곽 테라스부의 4개의 코너 부분에 각각 대응될 수 있다. 따라서 이차 전지(100)를 하부 카트리지(210) 상에 적층하고자 할 때, 작업자는 이차 전지(100)의 외곽 테라스부의 코너 부분을 4개의 셀 가이드부(214)에 맞추어 놓으면 된다. 이렇게 하부 카트리지(210) 상에 놓인 이차 전지(100)들은 외곽 테라스부의 코너 부분이 셀 가이드부(214)의 직각인 내측벽면에 맞추어져 있어 좌,우 방향으로 유동이 억제될 수 있다. 따라서, 하부 카트리지(210) 위에 놓인 이차 전지(100)의 유동이 억제됨으로 이차 전지(100)들을 모두 적층한 후, 상부 카트리지(220)와 하부 카트리지(210)를 보다 수월하게 조립할 수 있다.
특히, 셀 가이드부(214)의 상단부가 다른 영역에 비해 상방 돌출되어 있기 때문에, 보다 안정적으로 2개 이상의 이차 전지(100)를 하부 카트리지(210) 위에 적층시킬 수 있다.
이를테면, 본 실시예의 하부 카트리지(210)에는 2개의 이차 전지(100)가 적층될 수 있다. 먼저, 첫번째 이차 전지(100)는 하부 카트리지(210)의 상면에 바로 올려지는데, 이때 첫번째 이차 전지(100)는 4개의 셀 가이드부(214)에 의해 가이드되고 볼록한 전극조립체 부분이 전술한 제1 하부 프레임(211)의 중앙 영역에 끼워질 수 있어 하부 카트리지(210) 상에 안착 및 고정이 상대적으로 쉽다.
그런데 두번째 이차 전지(100)는, 첫번째 이차 전지(100) 위에 올려지게 되므로 유동 가능성이 높아진다. 즉, 두번째 이차 전지(100)는 첫번째 이차 전지(100)보다 정위치에 놓기가 상대적으로 어렵다. 그러나 본 발명의 셀 가이드부(214)는, 셀 가이드부(214)의 상단이 다른 영역에 비해 비대칭적으로 높고, 이차 전지(100)의 외곽 테두리부의 코너 영역에 대응되는 내벽면을 구비함으로써 두번째 이차 전지(100)의 적층이 수월해질 수 있다. 즉, 두번째 이차 전지(100)가 첫번째 이차 전지(100)의 상부에 놓이더라도 외곽 테라스부의 4개의 코너 부분이 각각의 셀 가이드부(214)의 내벽면에 맞추어질 수 있다. 따라서 두번째 이차 전지(100)까지 간단하고 정확하게 첫번째 이차 전지의 상부에 적층 배치시킬 수 있다.
이러한 본 실시예의 셀 가이드부(214) 구성에 의하면, 셀 카트리지 어셈블리(10) 조립 공정이 간편해져 생산성이 높아질 수 있고, 또한 조립 공차가 줄어듬으로서 전지 모듈의 품질이 향상될 수 있다.
한편, 상부 카트리지(220)의 코너 영역에는 하부 카트리지(210)의 셀 가이드부(214)와 조립되는 셀 가이드 조립부(224)가 마련된다. 셀 가이드 조립부(224)는 셀 가이드부(214)와 형상 맞춤된 구조를 갖는다. 자세히 도시하지 않았으나, 셀 가이드 조립부(224)에는, 셀 가이드부(214)의 상단부가 부분적으로 삽입되는 홈부가 마련될 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 셀 가이드부(214)는 단차를 구비한다. 구체적으로, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 단차는 셀 가이드부(214)의 상단부(214a)가 하단부(214b)보다 두께가 얇도록 외측에서 내측 방향으로 형성될 수 있다.
하부 카트리지(210) 위에 상부 카트리지(220)를 덮게되면, 두께가 상대적으로 얇은 셀 가이드부(214)의 상단부(214a)는 셀 가이드 조립부(224)의 내측면에 안쪽 위치하게 되고 두께가 상대적으로 두꺼운 셀 가이드부(214)의 하단부(214b)의 상단면(214c)과 셀 가이드 조립부(224)의 하단면(224a)은 서로 상하로 접하게 된다.
이와 같이, 하부 카트리지(210) 코너 영역의 4개의 셀 가이드부(214)들은, 각각 상부 카트리지(220) 코너 영역의 4개의 셀 가이드 조립부(224)들과 형상 맞춤될 수 있다. 이때, 셀 가이드부(214)의 상단부(214a)는 셀 가이드 조립부(224)의 내측벽면 안쪽에 위치하게 되므로, 셀 가이드 조립부(224)의 내측벽면에 의해 수평 방향으로 유동이 제한될 수 있다. 따라서, 하부 카트리지(210) 위에 상부 카트리지(220)에 덮으면, 상부 카트리지(220) 또는 하부 카트리지(210)의 상대 회전이 방지될 수 있다. 또한, 이러한 셀 가이드부(214)와 셀 가이드 조립부(224)에 의해 하부 카트리지(210)와 상부 카트리지(220)의 조립이 가이드될 수 있다.
또한, 본 실시예의 카트리지(200)는, 전술한 바와 같이, 하부 카트리지(210)의 셀 가이드부(214)와 상부 카트리지(220)의 셀 가이드 조립부(224)에 의해 하부 카트리지(210)에 대한 상부 카트리지(220)의 수평 방향 유동 내지는 어긋남이 방지될 수 있어, 하부 카트리지(210)와 상부 카트리지(220)의 후크 체결이 보다 수월해질 수 있다.
한편, 본 실시예의 셀 가이드부(214)와 셀 가이드 조립부(224)는 카트리지(200)의 4개의 코너 영역에 하나씩 각각 4개가 마련되어 있다. 그러나 본 발명의 대안적 실시예에 의하면, 셀 가이드부(214)와 셀 가이드 조립부(224)는 카트리지(200)의 코너 영역 중 서로 대각선 방향에 하나씩 각각 2개만 마련될 수도 있다. 이와 같은 대안적 실시예에 의해, 이차 전지(100)들의 적층 가이드 및 고정을 위한 셀 가이드부(214) 및 셀 가이드 조립부(224)의 개수를 최소화할 수 있다.
본 실시예의 카트리지(200)는, 전술한 바와 같이, 하부 카트리지(210)의 셀 가이드부(214)와 상부 카트리지(220)의 셀 가이드 조립부(224)에 의해 하부 카트리지(210)에 대한 상부 카트리지(220)의 수평 방향 유동 내지는 어긋남이 방지될 수 있어, 하부 카트리지(210)와 상부 카트리지(220)의 후크 체결이 보다 수월해질 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 상술한 셀 카트리지 어셈블리(10)를 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 전지 모듈은, 이러한 셀 카트리지 어셈블리(10) 이외에, 셀 카트리지 어셈블리(10)들의 전압/전류 특성을 감지하는 센싱 어셈블리, 이차 전지의 발열을 관리하기 위한 냉각 부재, 이차 전지들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면, BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 전지 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 셀 카트리지 어셈블리 100: 이차 전지
111: 양극 리드 112: 음극 리드
200: 이차 전지용 카트리지 210: 하부 카트리지
211: 제1 하부 프레임 212: 하부 냉각 플레이트
213: 제2 하부 프레임 214: 셀 가이드부
220: 상부 카트리지 221: 제1 상부 프레임
222: 상부 냉각 플레이트 223: 제2 상부 프레임
224: 셀 가이드 조립부

Claims (11)

  1. 적층 가능한 복수 개의 파우치형 이차 전지들을 사이에 두고 상호 간 조립 가능하게 마련되는 하부 카트리지 및 상부 카트리지를 포함하며,
    상기 하부 카트리지는 그 위에 적층되는 상기 이차 전지들의 외곽 테라스부의 코너 부분에 대응하는 적어도 일측 코너(corner) 영역에 각각 다른 영역보다 상방 돌출되고 서로 직각으로 이웃한 2개의 내측벽면을 갖는 셀 가이드부를 구비하고, 상기 상부 카트리지는 상기 셀 가이드부와 형상 맞춤되는 셀 가이드 조립부를 구비하며,
    상기 셀 가이드부는,
    상기 2개의 내측벽면이 상기 이차 전지들의 외곽 테라스부의 코너 부분을 감싸며 상기 하부 카트리지에 적층 가능한 상기 이차 전지들의 외곽 테라스부의 최상단 높이보다 더 높게 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 가이드부는,
    상단부가 하단부보다 두께가 얇도록 외측에서 내측 방향으로 단차를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 가이드부의 하단부는 상기 셀 가이드 조립부와 상하로 형상 맞춤되고, 상기 셀 가이드부의 상단부는 상기 셀 가이드 조립부의 안쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 카트리지 및 상기 상부 카트리지는 직사각 형상으로 구성되고,
    상기 셀 가이드부는 상기 하부 카트리지의 4개의 코너 영역에 하나씩 마련되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 카트리지는,
    열 전도성 플레이트 형태로 마련된 하부 냉각 플레이트와, 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 마련되고 상기 중앙 부분이 덮히도록 상기 하부 냉각 플레이트와 결합되는 제1 하부 프레임과, 상기 제1 하부 프레임의 장변측에서 벽체를 형성하는 제2 하부 프레임을 포함하며,
    상기 셀 가이드부는 상기 제2 하부 프레임의 양쪽 끝 단부에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 카트리지는,
    열 전도성 플레이트 형태로 마련된 상부 냉각 플레이트와, 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 마련되고 상기 중앙 부분이 덮히도록 상기 상부 냉각 플레이트와 결합되는 제1 상부 프레임과, 상기 제1 상부 프레임의 장변측에서 벽체를 형성하는 제2 상부 프레임을 포함하며,
    상기 제2 하부 프레임은 상기 제2 상부 프레임보다 상대적으로 높게 형성된 것을 특징으로 이차 전지용 카트리지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 상부 프레임은 측면부에 적어도 하나의 후크를 구비하고, 상기 제2 하부 프레임은 측면부에 상기 적어도 하나의 후크에 대응되는 적어도 하나의 후크 걸림공을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하부 냉각 플레이트는 상기 제1 하부 프레임의 외면에 열융착되고, 상기 상부 냉각 플레이트는 상기 제1 상부 프레임의 외면에 열융착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 하부 냉각 플레이트 및 상기 상부 냉각 플레이트 중 적어도 어느 하나는, 적어도 일측변에서 길이 방향으로 돌출된 온도 측정용 탭을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지용 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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