KR101971536B1 - 프레임의 구조가 개선된 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리 - Google Patents

프레임의 구조가 개선된 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리; 및 상기 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트와, 상기 바텀 플레이트에 대하여 수직을 이루며 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트와, 상기 셀 어셈블리의 상부를 덮는 탑 플레이트를 구비한 프레임 어셈블리;를 포함하고, 상기 사이드 플레이트와 상기 셀 어셈블리 사이에는 외부 공기 유입공간이 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 개시한다.

Description

프레임의 구조가 개선된 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리{SECONDARY BATTERY MODULE IMPROVED IN FRAME STRUCTURE AND FRAME ASSEMBLY FOR THE SAME}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀을 냉각시킬 수 있는 구조를 가진 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리 모듈은 다수의 셀들이 직렬 및/또는 병렬 연결을 통해 집합된 구조로 형성된다. 이러한 배터리 모듈은 통상적으로 다수의 셀들이 일방향으로 배열되어 적층된 셀 어셈블리와, 셀 어셈블리를 감쌀 수 있는 플레이트를 가진 프레임을 구비한다.
종래의 배터리 모듈은, 배터리 셀의 냉각을 위해 수냉식으로 냉각 유로를 별도로 설계할 경우 냉각 유로가 차지하는 공간이 별도로 필요하므로 구조의 간소화가 어렵고 장착 가능한 셀 용량에 한계가 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 배터리 모듈은 셀 어셈블리(11)가 배치된 프레임(10)의 내부공간 일부에 냉각수 유입 튜브(12)가 추가되는 것이 일반적인데, 이러한 구성은 모듈의 경량화가 곤란할 뿐만 아니라 모듈 내 부품 설치공간이 많이 요구되고 원가 상승 등의 문제가 있다.
배터리 모듈의 냉각 기술과 관련하여, 특허문헌 1은 제1 배터리 모듈 그룹과 제2 배터리 모듈 그룹 사이에 구비되는 가이드부재를 설치하여, 제1 배터리 모듈 그룹을 통과하는 열교환매체의 유로를 변경시키는 배터리 팩을 개시하고 있다. 특허문헌 1에 따르면, 배터리 모듈을 통과한 열교환매체는 상기 가이드부재에 의하여 가로막히게 되고, 따라서 열교한매체는 가이드부재의 하부를 향하게 되고, 이때, 상기 가이드부재의 내부를 곡선 형태로 구비시킴으로써 열교환매체에 난류의 발생을 방지할 수 있다.
특허문헌 2은 복수의 카트리지와 적층된 복수의 카트리지 외부로 냉각 기체를 공급하는 냉각 덕트를 포함하고, 냉각 덕트는 카트리지의 외부 표면에 냉각 기체가 직접 접촉하도록 상기 냉각 기체를 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 개시하고 있다.
상기와 같은 기술들이 제시되었음에도 불구하고, 종래의 배터리 모듈은 냉각을 위해 추가되는 부품들에 의해 모듈의 무게가 증가하고 용적률이 감소하는 등의 문제가 여전히 남아 있어 이에 대한 대책이 요구되고 있다.
특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제2014-0140678호 특허문헌 2: 한국 공개특허공보 제2016-0016499호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀을 지지하는 프레임을 활용하여 냉각 유로를 확보할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 차량이 달리면서 발생하는 외부 공기의 흐름을 배터리 모듈의 안쪽으로 흘려보낼 수 있는 구조를 가진 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리; 및 상기 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트와, 상기 바텀 플레이트에 대하여 수직을 이루며 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트와, 상기 셀 어셈블리의 상부를 덮는 탑 플레이트를 구비한 프레임 어셈블리;를 포함하고, 상기 사이드 플레이트와 상기 셀 어셈블리 사이에는 외부 공기 유입공간이 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈이 제공된다.
상기 외부 공기 유입공간은 상기 사이드 플레이트의 안쪽면에 상기 사이드 플레이트의 길이방향으로 연장되게 형성된 적어도 하나 이상의 그루브에 의해 구비되는 것이 바람직하다.
상기 그루브는 상기 사이드 플레이트가 부분적으로 바깥방향으로 만곡되어 형성될 수 있다.
상기 그루브는 상기 사이드 플레이트의 높이방향으로 정해진 간격을 두고 복수개가 마련되는 것이 바람직하다.
상기 바텀 플레이트 및 상기 탑 플레이트 중 적어도 어느 하나는 양 끝부분이 수직으로 절곡되어 상기 셀 어셈블리의 단부에 인접하게 배치되고, 상기 양 끝부분에는 정해진 간격을 두고 외부 공기 유입용 슬릿이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 배터리 모듈의 외곽에서 셀 어셈블리를 지지하는 프레임 어셈블리에 있어서, 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트;상기 바텀 플레이트에 대하여 수직을 이루며 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트; 및 상기 셀 어셈블리의 상부를 덮는 탑 플레이트;를 포함하고, 상기 사이드 플레이트에는 상기 셀 어셈블리와의 사이에 외부 공기 유입공간을 형성하는 그루브가 길이방향으로 연장되게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리가 제공된다.
본 발명에 따르면 별도의 냉각 부품을 추가하지 않고 프레임 어셈블리의 사이드 플레이트 구조를 개선하여 냉각 유로 공간을 확보할 수 있으므로 배터리 모듈의 무게 증가나 용적률 감소 없이 셀 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명을 적용할 경우 셀을 보다 많이 적층할 수 있으므로 셀 용량을 높일 수 있고 원가 감소에도 기여할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 배터리 모듈의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 부분 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 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 일부 분리 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리(100)와, 셀 어셈블리(100)를 하부에 지지하는 바텀 플레이트(101), 상기 셀 어셈블리(100)의 최외측에 인접하게 배치되고 외부 공기 유입공간을 형성하도록 길이방향으로 연장된 그루브(Groove)(103a)를 가진 사이드 플레이트(103), 및 셀 어셈블리(100)의 상부를 덮는 탑 플레이트(102)를 포함하는 프레임 어셈블리를 구비한다.
셀 어셈블리(100)를 이루는 각각의 셀은 얇은 판상 몸체를 갖는 것으로서, 바람직하게 파우치 셀의 구조로 이루어진다. 파우치 셀은 양극, 세퍼레이터 및 음극이 교대로 적층되고 적어도 일측으로 전극탭이 인출되어 있는 구조로 이루어진다. 상기 양극 및 음극은 집전체의 적어도 한면에 전극 활물질, 바인더 수지, 도전제 및 기타 첨가제 등의 슬러리를 도포함으로써 제조된다. 상기 전극 활물질은, 양극의 경우, 리튬 함유 전이금속 산화물과 같은 통상의 양극 활물질이 사용되고, 음극의 경우에는 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재 및 금속 화합물 또는 이들의 혼합물과 같은 통상의 음극 활물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터로는 리튬 이차전지에 사용되는 통상의 다공성 고분자 필름이 채용 가능하다.
상기 전극조립체와 함께 파우치 케이스 내에 수용되는 전해액으로는 통상의 리튬 이차전지용 전해액이 채용될 수 있다. 상기 파우치 케이스는 시트 소재로 형성되는 것으로서, 전극조립체를 수용하기 위한 수납부를 구비한다. 바람직하게, 파우치 케이스는 시트 소재가 소정 형상으로 가공되어 형성된 제1 케이스와 제2 케이스가 결합되어 형성된다. 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)나 나일론(Nylon) 등의 절연물질로 이루어진 최외곽의 외부수지층과, 기계적 강도를 유지하고 수분 및 산소의 침투를 막아주는 알루미늄 소재의 금속층과, 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 폴리올레핀(Polyolepin)계 재료로 이루어진 내부수지층이 적층된 다층 구조로 구성되어 있다.
상기 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 필요에 따라 상기 내부 수지층과 금속층, 상기 외부 수지층과 금속층 사이에는 소정의 접착수지층이 개재될 수 있다. 상기 접착 수지층은 이종 재료 간의 원활한 부착을 위한 것으로서 단층 또는 다층으로 형성되고, 그 재료는 통상적으로 폴리올레핀계 수지가 사용되거나 원활한 가공을 위해 폴리우레탄 수지가 사용될 수 있으며, 이들의 혼합물도 채용 가능하다.
셀 어셈블리(100)에 있어서 복수개의 셀들은 일방향으로 배열되어 실질적으로 적층 구조를 이룬다.
상기 프레임 어셈블리는 셀 어셈블리(100)를 수용하여 지지 및 보호하는 구조물로서, 셀 어셈블리(100)의 하부에 위치하는 바텀 플레이트(101)와, 셀 어셈블리(100)의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트(103)와, 셀 어셈블리(100)의 상부를 덮는 탑 플레이트(102)를 포함한다. 상기 프레임 어셈블리를 이루는 각각의 플레이트들(101,102,103)은 얇은 두께를 가진, 예컨대 알루미늄 판재와 같은 메탈 플레이트에 의해 형성된다.
바텀 플레이트(101)는 복수개의 셀들을 하단을 그 하부에서 일괄적으로 지지할 수 있는 베이스면을 구비한다.
사이드 플레이트(103)는 상대적으로 폭(높이)이 좁고 길이가 긴 형상의 메탈 플레이트로 이루어지고, 바텀 플레이트(101)의 평면에 대하여 수직을 이루고 셀 어셈블리(100)의 최외측에 인접하게 배치된다.
도 4에 도시된 바와 같이 사이드 플레이트(103)에는 셀 어셈블리(100)와의 사이에 외부 공기 유입공간을 형성하는 그루브(103a)가 길이방향으로 연장되게 형성되어 있다. 그루브(103a)는 사이드 플레이트(103)가 밴딩 가공 등에 의해 부분적으로 바깥방향으로 만곡되어 형성된다. 이때, 그루브(103a)는 사이드 플레이트(103)의 길이방향 일단으로부터 타단까지 연속적으로 이어지도록 길게 연장되는 패턴을 갖는다. 사이드 플레이트(103)에 있어서 그루브(103a)가 형성된 부분은, 안쪽면(셀과 대향하는 면)은 오목하고 그에 대응하는 바깥쪽면은 볼록하게 구성된다. 공기저항을 줄이기 위해 상기 오목한 부분과 볼록한 부분은 모두 라운드지게 설계되는 것이 바람직하다. 따라서, 그루브의 단면 형상은 반원형인 것이 바람직하다. 대안으로, 그루브의 단면 형상은 다양한 패턴으로 변형이 가능하다. 사이드 플레이트(103)의 길이방향으로 연장된 그루브의 개수, 길이, 각도 등은 도면에 도시된 예에 한정되지 않고 다양하게 변형이 가능하다.
또한, 그루브는 직선 패턴에 한정되지 않고, 곡선 패턴이나 지그재그 패턴으로 형성되는 것도 가능하다.
그루브(103a)는 비딩 가공에 의해 형성될 수 있으며, 대안으로는 사이드 플레이트(103)의 안쪽면, 즉 셀 어셈블리(100)를 향하는 면만을 오목하게 패터닝하는 음각 가공에 의해 형성될 수도 있다. 이 경우에도 그루브(103a)는 전술한 바와 같이 다양한 패턴으로 형성될 수 있다.
그루브(103a)는 배터리 모듈이 장착된 차량이 달리면서 발생하는 외부 공기의 흐름을 모듈의 안쪽으로 흘려 보내는 작용을 하게 된다. 그루브(103a)는 사이드 플레이트(103)의 높이방향으로 정해진 간격을 두고 복수개가 마련된다.
탑 플레이트(102)는 사이드 플레이트(103)와 인접하게 배치되어 셀 어셈블리(100)의 상부를 덮는다.
바텀 플레이트(101)와 탑 플레이트(102)의 양 끝부분은 플레이트면에 대하여 수직으로 절곡되어 셀 어셈블리(100)의 단부에 인접하게 배치되고, 각각 양 끝부분에는 정해진 간격을 두고 외부 공기 유입용 슬릿(101a,102a)이 형성되어 있다. 냉각 효율을 극대화하기 위하여 외부 공기 유입용 슬릿(101a,102a)은 도 4에 나타난 바와 같이 셀들과 실질적으로 나란하게 세로 방향으로 연장되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 셀 단위로 프레임 어셈블리가 결합된 형태가 되도록 조립이 되고 완제품은 차량에 장착되어 전원을 공급한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈은 사이드 플레이트(103)와 셀 어셈블리(100) 사이에 외부 공기 유입공간이 구비되어 있어 차량이 달리면서 발생하는 외부 공기의 흐름은 상기 외부 공기 유입공간을 통해 배터리 모듈의 안쪽으로 유입되어 공냉이 이루어진다.
배터리 모듈의 프레임 어셈블리는 냉각 유로의 역할을 하는 그루브(103a)가 길이방향으로 형성되어 외부 공기 유입공간을 제공하는 사이드 플레이트(103)를 구비한다.
차량이 달리면서 발생하는 외부 공기의 흐름은 사이드 플레이트(103)에 형성된 그루브(103a)를 통해 유입되어 그루브(103a)의 길이방향을 따라 유동함과 동시에 셀 어셈블리(100)쪽으로 유동하여 셀 어셈블리(100)를 냉각시킨다.
또한, 차량이 달리면서 발생하는 외부 공기의 흐름은 바텀 플레이트(101)와 탑 플레이트(102)의 양 끝부분에 형성된 외부 공기 유입용 슬릿(101a,102a)에 의해서도 배터리 모듈의 안쪽으로 유도되어 배터리 모듈을 통과하고, 이 과정에서 셀 어셈블리(100)를 공냉시키는 작용을 하게 된다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 별도의 냉각 부품을 추가하지 않고도 사이드 플레이트(103) 등 프레임 어셈블리의 구조에 의해 냉각이 이루어지므로 배터리 모듈의 간소화가 가능하고 원가를 절감할 수 있는 현저한 효과가 있다.
이상에서 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.
100: 셀 어셈블리 101: 바텀 플레이트
101a,102a: 슬릿 102: 탑 플레이트
103: 사이드 플레이트 103a: 그루브

Claims (9)

  1. 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리; 및
    상기 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트와, 상기 바텀 플레이트에 대하여 수직을 이루며 상기 셀 어셈블리의 최외측에 대면 접촉하게 배치되는 사이드 플레이트와, 상기 셀 어셈블리의 상부를 덮는 탑 플레이트를 구비한 프레임 어셈블리;를 포함하고,
    상기 사이드 플레이트는 안쪽면에서 바깥쪽면 방향으로 볼록하고 상기 사이드 플레이트의 길이방향 일단으로부터 타단까지 연속적으로 이어지도록 길게 연장되게 마련됨으로써 상기 사이드 플레이트와 상기 셀 어셈블리 사이에 외부 공기 유입공간을 형성하는 적어도 하나 이상의 그루브를 구비하고,
    상기 바텀 플레이트 및 상기 탑 플레이트 중 적어도 하나는 양 끝부분이 수직으로 절곡되어 상기 셀 어셈블리의 단부에 인접하게 수직 배치되고, 상기 양 끝부분에는 정해진 간격을 두고 외부 공기 유입용 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 사이드 플레이트가 부분적으로 바깥방향으로 만곡되어 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 사이드 플레이트의 높이방향으로 정해진 간격을 두고 복수개가 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 삭제
  6. 배터리 모듈의 외곽에서 셀 어셈블리를 지지하는 프레임 어셈블리에 있어서,
    셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트;
    상기 바텀 플레이트에 대하여 수직을 이루며 상기 셀 어셈블리의 최외측에 대면 접촉하게 배치되는 사이드 플레이트; 및
    상기 셀 어셈블리의 상부를 덮는 탑 플레이트;를 포함하고,
    상기 사이드 플레이트는 안쪽면에서 바깥쪽면 방향으로 볼록하고 상기 사이드 플레이트의 길이방향 일단으로부터 타단까지 연속적으로 이어지도록 길게 연장되게 마련됨으로써 상기 사이드 플레이트와 상기 셀 어셈블리 사이에 외부 공기 유입공간을 형성하는 적어도 하나 이상의 그루브를 구비하고,
    상기 바텀 플레이트 및 상기 탑 플레이트 중 적어도 하나는 양 끝부분이 수직으로 절곡되어 상기 셀 어셈블리의 단부에 인접하게 수직 배치되고, 상기 양 끝부분에는 정해진 간격을 두고 외부 공기 유입용 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 사이드 플레이트가 부분적으로 바깥방향으로 만곡되어 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 사이드 플레이트의 높이방향으로 정해진 간격을 두고 복수개가 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리.
  9. 삭제
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