KR102082386B1 - Z축 방향 하중을 분산하는 구조의 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지면에 대해 수직인 제 1 방향으로 배열되어 있는 복수의 전지셀들; 전지셀들이 2단위로 장착되는 전지셀 수납부가 형성되어 있고, 전지셀들이 장착된 상태에서 제 1 방향으로 적층되어 있는 복수의 카트리지들; 카트리지들 중에서 최외곽에 위치하는 카트리지들의 외면에 각각 장착되어 있는 엔드 플레이트들; 및 전지셀들의 전극단자들이 위치하는 전지모듈의 일 측면에 장착되어 있는 버스 바 어셈블리;를 포함하고, 상기 전지셀들의 제 1 방향으로의 하중을 버스 바 어셈블리에 의해 지지 및 분산할 수 있도록, 상기 버스 바 어셈블리의 외주면들 중에서 카트리지들에 접하는 외주면들에는 복수의 제 1 결합형 돌기들이 형성되어 있고, 카트리지들 각각의 상면 또는 하면의 단부 부위에는 상기 제 1 결합형 돌기들이 삽입되는 제 1 결합형 홈들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

Z축 방향 하중을 분산하는 구조의 전지모듈 {Battery Module Having Structure for Dispersing Load in Z-Axis Direction}
본 발명은 Z축 방향 하중을 분산하는 구조의 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 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.
따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 이차전지가 자동차의 동력원으로 이용되는 경우, 상기 이차전지는 다수의 전지모듈 내지 전지모듈 어셈블리를 포함하는 전지팩의 형태로 이용된다.
그러나, 이러한 차량용 전지팩은 전지팩을 구성하는 전지모듈의 조립 공정 시 전지셀을 적층하는 과정에서, 전지셀들의 두께 편차 및 전지셀이 장착되는 카트리지의 두께 편차로 인해 전지모듈의 최하단에 위치하는 전지셀에 많은 하중이 집중되게 된다.
또한, 차량용 전지팩은 일반적으로 트렁크와 같은 내부 공간에 탑재된 상태에서, 차량의 주행 중 발생하는 진동 및 노면 충격에 따라 전지모듈 내지 전지모듈 어셈블리에 특정 방향으로 하중이 집중되어 전지모듈의 조립 구조가 약화되고, 그에 따라 전지팩의 전기적 연결의 안정성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지모듈을 구성하는 전지셀들 간의 특정 방향에서의 하중을 분산 시켜 전지셀들에 가해지는 힘을 균일하게 함으로써, 조립 공정 시와 진동 및 외부 충격이 가해지는 작동 환경에서도 전지셀들이 외력에 의해 손상되는 것을 방지하여 안전성을 담보할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
지면에 대해 수직인 제 1 방향으로 배열되어 있는 복수의 전지셀들;
전지셀들이 2단위로 장착되는 전지셀 수납부가 형성되어 있고, 전지셀들이 장착된 상태에서 제 1 방향으로 적층되어 있는 복수의 카트리지들;
카트리지들 중에서 최외곽에 위치하는 카트리지들의 외면에 각각 장착되어 있는 엔드 플레이트들; 및
전지셀들의 전극단자들이 위치하는 전지모듈의 일 측면에 장착되어 있는 버스 바 어셈블리;
를 포함하고,
상기 전지셀들의 제 1 방향으로의 하중을 버스 바 어셈블리에 의해 지지 및 분산할 수 있도록, 상기 버스 바 어셈블리의 외주면들 중에서 카트리지들에 접하는 외주면들에는 복수의 제 1 결합형 돌기들이 형성되어 있고, 카트리지들 각각의 상면 또는 하면의 단부 부위에는 상기 제 1 결합형 돌기들이 삽입되는 제 1 결합형 홈들이 형성되어 있을 수 있다.
상기 제 1 방향은 XYZ 좌표계에서 Z축 방향을 의미할 수 있다.
상기와 같은 구조에 따라, 본 발명에 따른 전지모듈은, 버스 바 어셈블리의 외주면들 중에서 카트리지들에 접하는 외주면들에는 복수의 제 1 결합형 돌기들이 형성되어 있고, 카트리지들 각각의 상면 또는 하면의 단부 부위에는 상기 제 1 결합형 돌기들이 삽입되는 제 1 결합형 홈들이 형성되어 있음으로써, 상기 전지셀들의 제 1 방향으로의 하중을 버스 바 어셈블리 및 카트리지들에 의해 지지 및 분산하여, 조립 공정 시와 진동 및 외부 충격이 가해지는 작동 환경에서도 전지셀들이 하중 및 외력에 의해 손상되는 것을 방지하여 안전성을 담보할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀로 이루어져 있을 수 있다.
상기 파우치형 전지셀은, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트로 이루어져 있는 전지케이스에 전해액과 함께 내장되어 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 또는 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 폴딩형, 스택형, 스택/폴딩형, 및 라미네이션/스택형의 전극 구조에 대해 상술하면 다음과 같다.
우선, 폴딩형 구조의 단위셀은, 각각의 금속 집전체에 전극활물질을 포함하는 합제를 코팅한 후 건조 및 프레싱한 시트 형태의 양극과 음극 사이에 분리막 시트를 위치시키고, 권취함으로써 제조할 수 있다.
스택형 구조의 단위셀은, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱한 후 소정의 크기로 절취한 양극판과 음극판 사이에 상기 양극판과 음극판에 대응하는 소정의 크기로 절취한 분리막을 개재시킨 후 적층함으로써 제조할 수 있다.
스택/폴딩형 구조의 단위셀은, 양극과 음극이 대면하는 구조로, 둘 이상의 극판들이 적층되어 있는 유닛셀들을 둘 이상 포함하고, 중첩되지 않은 형태로 하나 이상의 분리필름으로 유닛셀들을 권취하거나, 또는 유닛셀의 크기로 분리필름을 절곡하여 유닛셀들 사이에 개재함으로써 제조될 수 있다.
경우에 따라서는, 양극과 음극이 대면하는 구조로, 임의의 유닛셀들 사이 및/또는 최외측 유니셀의 외면에 하나 이상의 단일 극판이 추가로 포함될 수도 있다.
상기 유닛셀은 양측 최외곽의 극판들이 동일한 전극을 가진 S형 유닛셀과, 양측 최외곽의 극판들이 반대 전극을 가진 D형 유닛셀일 수 있다.
상기 S형 유닛셀은, 양측 최외곽의 극판들이 양극인 SC형 유닛셀과, 양측 최외곽의 극판들이 음극인 SA형 유닛셀일 수 있다.
라미네이션/스택형 구조의 단위셀은, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱하고 소정의 크기로 절취한 후, 하부로부터 순차적으로 음극, 음극의 상부에 분리막, 그리고 양극, 그리고 그 상부에 분리막을 적층하여 제조할 수 있다.
상기 라미네이트 시트는 우수한 내구성의 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 수지 외층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 차단성 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 카트리지의 상면 또는 하면에는 제 1 결합형 돌기들에 대응하는 단부 부위에 각각 만입부가 형성되어 있을 수 있고, 상호 인접한 한 쌍의 카트리지들에서 하나의 카트리지에 형성되어 있는 제 1 만입부와 또 다른 카트리지에 형성되어 있는 제 2 만입부의 조합에 의해 제 1 결합형 홈이 형성되어 있을 수 있다.
상기 버스 바 어셈블리는 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 도입되어 적층된 카트리지들의 일 측면에 장착되는 구조로 이루어져 있을 수 있다. 상기 제 2 방향은 XYZ 좌표계에서 Y축 방향을 의미할 수 있고, 전지셀의 전극 단자가 돌출되어 있는 방향을 의미할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 결합형 돌기는 제 2 방향에서의 형상이 장방형의 판상 구조로 이루어져 있을 수 있다.
또한, 상기 제 1 결합형 홈은 제 2 방향에서의 형상이 상기 제 1 결합형 돌기에 대응하는 형상으로 이루어져 있을 수 있고, 그에 따라, 상기 버스 바 어셈블리가 상기 전지셀들의 상단 또는 하단에 장착된 상태에서 상기 제1 결합형 홈에 상기 제 1 결합형 돌기가 삽입되어 체결됨으로써, 전지셀들에 가해지는 Z축 방향의 하중을 카트리지들 및 버스 바 어셈블리에 의해 분산시킬 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 결합형 돌기에서 제 3 방향의 일면에는, 제 2 방향으로의 전지셀들 및 카트리지들의 유동을 억제할 수 있도록, 카트리지들에 체결되는 제 2 결합형 돌기들이 형성되어 있을 수 있고, 상기 제 2 결합형 돌기에 대응하는 제 1 결합형 홈의 대응 부위에는 제 2 결합형 홈들이 형성되어 있을 수 있다.
상기 제 3 방향은 제 1 방향 및 제 2 방향에 각각 수직인 방향을 의미할 수 있고, XYZ 좌표계에서 X축 방향을 의미할 수 있으며, 전지셀의 전극 단자가 돌출되어 있는 방향에 수직하는 방향을 의미할 수 있다.
상기 제 2 결합형 돌기는 후크(hook) 구조로 이루어져 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 결합형 돌기는 제 1 방향으로 삼각기둥 형상으로 이루어져 있을 수 있고, 그에 따라 제 2 방향에서 버스 바 어셈블리 방향으로부터 전극 단자 방향으로 단면적이 점차 감소하는 구조로 이루어져 있을 수 있다. 이와 같은 구조에 의해, 상기 버스 바 어셈블리가 상기 전지셀들의 상단 또는 하단에 장착될 때, 상기 제 2 결합형 돌기의 단면적이 작은 부위부터 삽입되어 장착이 용이하며, 상기 제 2 결합형 돌기가 상기 제2 결합형 홈들에 완전히 삽입된 상태에서 제 2 결합형 돌기의 단면적이 큰 부위가 제 2 결합형홈들에 밀착되어 제 2 방향으로의 유동을 억제할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 카트리지들의 양측 단부들은 버스 바 어셈블리의 양 측면을 감쌀 수 있도록 제 2 방향으로 돌출 연장되어 있을 수 있다.
상기 전지셀들의 양극 단자 및 음극 단자는 제 2 방향의 일변에서 동일선 상에 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전지모듈은,
상기 2단위의 전지셀들 사이에 각각 장착되어 있는 냉각 부재들;
상기 최외곽에 위치하는 전지셀들과 엔드 플레이트들 사이에 각각 장착되어 있는 절연부재들; 및
상기 절연부재들과 전지셀들 사이에 각각 장착되어 있는 완충부재들;
를 추가로 포함하고 있을 수 있다.
상기 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있고, 구체적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 포함하고 있는 구조로 이루어져 있는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 버스 바 어셈블리의 외주면들 중에서 카트리지들에 접하는 외주면들에는 복수의 제 1 결합형 돌기들이 형성되어 있고, 카트리지들 각각의 상면 또는 하면의 단부 부위에는 상기 제 1 결합형 돌기들이 삽입되는 제 1 결합형 홈들이 형성되어 있음으로써, 상기 전지셀들의 제 1 방향으로의 하중을 버스 바 어셈블리 및 카트리지들에 의해 지지 및 분산하여, 조립 공정 시와 진동 및 외부 충격이 가해지는 작동 환경에서도 전지셀들이 하중 및 외력에 의해 손상되는 것을 방지하여 안전성을 담보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈의 분해도이다;
도 3은 도 1의 전지셀들이 Z축 방향으로 적층된 구조의 전지모듈의 사시도이다;
도 4는 도 1의 전지모듈의 Y축 방향의 "A-A"의 단면도이다;
도 5는 도 4의 'D' 부위의 확대도이다;
도 6은 도 1의 전지모듈의 X축 방향의 "B-B"의 단면도이다;
도 7은 도 1의 전지모듈의 Z축 방향의 "C-C"의 단면도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 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 전지모듈의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지모듈의 분해도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지모듈(110)은 전지셀(10), 카트리지(20), 냉각 부재(30), 엔드 플레이트(60) 및 버스 바 어셈블리(130)로 이루어져 있다.
전지셀(10)은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극 적층체를 내장한 후 외주면을 실링한 구조의 파우치형 전지셀로서, 일변에 양극 단자(11) 및 음극 단자(12)가 동일선 상에 형성되어 있다.
카트리지(20)의 중앙 부위에는 전지셀들(10)을 장착하기 위한 전지셀 수납부(22)가 형성되어 있고, 2개의 전지셀들(10)이 그 사이에 냉각 부재(30)가 개재된 상태로 전지셀 수납부(21)의 전면 및 후면 양 방향에 장착된다.
이와 같이, 전지셀(10) 및 냉각 부재(30)가 장착된 복수의 카트리지(20)는 전지셀(10)의 측면이 접하는 방향으로 배열되고, 최외곽에 위치에 전지셀들(10)에는 엔드 플레이트(60)가 장착된다.
카트리지(20) 및 엔드 플레이트(60) 각각의 4개의 모서리에는 체결구들이(21, 61) 형성되어 있고, 상기한 바와 같이 배열된 전지모듈(110)을 이루는 부재들은 체결구들(21, 61)에 체결 볼트(70)가 삽입되어 이들 부재들이 결합 및 고정되는 구조로 이루어져 있다.
이와 같이 연결된 전지셀들(10)의 상단에는 버스 바 어셈블리(130)가 장착되고, 버스 바 어셈블리(130)는 전지셀들(10)을 직렬 및/또는 병렬로 연결하고, 전압을 검출하고 안전 소자를 구비하여 전지모듈(110)이 이상작동하는 경우에 전기 흐름을 차단하는 기능을 수행한다.
도 3에는 도 1의 전지셀들이 Z축 방향으로 적층된 구조의 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 1의 전지모듈의 Y축 방향의 "A-A"의 단면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 5에는 도 4의 'D' 부위의 확대도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 1의 전지모듈의 X축 방향의 "B-B"의 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 1의 전지모듈의 Z축 방향의 "C-C"의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3 내지 도 7을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 전지셀들(10)의 Z축 방향으로의 하중을 버스 바 어셈블리(130)에 의해 지지 및 분산할 수 있도록, 버스 바 어셈블리(130)의 외주면들 중에서 카트리지들(20)에 접하는 외주면들에는 복수의 제 1 결합형 돌기들(131)이 형성되어 있고, 카트리지들(20) 각각의 상면 단부 부위에는 제 1 결합형 돌기들(131)이 삽입되는 제 1 결합형 홈들(21)이 형성되어 있다.
카트리지(20)의 상면에는 제 1 결합형 돌기들(131)에 대응하는 단부 부위에 각각 만입부가 형성되어 있고, 상호 인접한 한 쌍의 카트리지들(20a, 20b)에서 하나의 카트리지(20a)에 형성되어 있는 제 1 만입부(21a)와 또 다른 카트리지(20b)에 형성되어 있는 제 2 만입부(21b)의 조합에 의해 제 1 결합형 홈(21)이 형성되어 있다.
버스 바 어셈블리(130)는 Z축 방향에 수직인 Y축 방향으로 도입되어 적층된 카트리지들(20)의 상면에 장착된다.
제 1 결합형 돌기(131)는 Y축 방향에서의 형상이 장방형의 판상 구조로 이루어져 있고, 제 1 결합형 홈(21)은 Y축 방향에서의 형상이 제 1 결합형 돌기(131)에 대응하는 형상으로 이루어져 있다.
그에 따라, 버스 바 어셈블리(130)가 카트리지들(20)의 상면에 장착된 상태에서 제1 결합형 홈(21)에 제 1 결합형 돌기(131)가 삽입되어 체결됨으로써, 전지셀들(10)에 가해지는 Z축 방향의 하중을 카트리지들(20) 및 버스 바 어셈블리(130)에 의해 분산시킬 수 있다.
제 1 결합형 돌기(131)에서 X축 방향의 일면에는, Y축 방향으로의 전지셀들(10) 및 카트리지들(20)의 유동을 억제할 수 있도록, 카트리지들(20)에 체결되는 제 2 결합형 돌기들(132)이 형성되어 있고, 제 2 결합형 돌기(132)에 대응하는 제 1 결합형 홈(21)의 대응 부위에는 제 2 결합형 홈들(22)이 형성되어 있다.
제 2 결합형 돌기(132)는 후크(hook) 구조로 이루어져 있다. 구체적으로, 제 2 결합형 돌기(132)는 Z축 방향으로 삼각기둥 형상으로 이루어져 있고, Y축 방향에서 버스 바 어셈블리(130) 방향으로부터 전지셀들(10) 방향으로 단면적이 점차 감소하는 구조로 이루어져 있다. 이와 같은 구조에 의해, 버스 바 어셈블리(130)가 카트리지들(20)의 상면에 장착될 때, 제 2 결합형 돌기(132)의 단면적이 작은 부위부터 삽입되어 장착이 용이하며, 제 2 결합형 돌기(132)가 제2 결합형 홈들(22)에 완전히 삽입된 상태에서 제 2 결합형 돌기(132)의 단면적이 큰 부위가 제 2 결합형홈들(22)에 밀착되어 Y축 방향으로의 전지셀들(10) 및 카트리지들(20)의 유동을 억제할 수 있다.
카트리지들(20)의 양측 단부들은 버스 바 어셈블리(130)의 양 측면을 감쌀 수 있도록 Y축 방향으로 돌출 연장되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 지면에 대해 수직인 제 1 방향으로 배열되어 있는 복수의 전지셀들;
    전지셀들이 2단위로 장착되는 전지셀 수납부가 형성되어 있고, 전지셀들이 장착된 상태에서 제 1 방향으로 적층되어 있는 복수의 카트리지들;
    카트리지들 중에서 최외곽에 위치하는 카트리지들의 외면에 각각 장착되어 있는 엔드 플레이트들;
    상기 적층된 카트리지들의 상면에, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 결합되며 장착되는 버스 바 어셈블리;
    상기 버스 바 어셈블리의 외주면들 중에서 카트리지들에 접하는 외주면들에형성되며, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향에서의 형상이 장방형의 판상 구조로 이루어진 복수의 제 1 결합형 돌기들;
    상기 제2 방향에서의 형상이 상기 제1 결합형 돌기에 대응하는 형상을 가지도록 카트리지들 각각의 상면 또는 하면의 단부 부위에 형성되어, 상기 제 1 결합형 돌기들이 삽입되는 제 1 결합형 홈들;
    상기 제1 결합형 돌기의 상기 제1, 2 방향에 각각 수직인 제3 방향으로의 일면에, 상기 제2 방향에서 버스 바 어셈블리 방향으로부터 전지셀들 방향으로 단면적이 점차 감소하는 삼각기둥 구조로 이루어진 제2 결합형 돌기들;
    상기 제2 결합형 돌기에 대응하는 제1 결합형 홈의 대응 부위에 형성되어, 상기 제2 결합형 돌기들이 삽입되는 제2 결합형 홈들;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 버스 바 어셈블리가 카트리지들의 상면에 장착된 상태에서 상기 제1 결합형 홈에 상기 제1 결합형 돌기가 삽입되어 체결됨으로써, 전지셀들의 제1 방향으로의 하중을 버스 바 어셈블리 및 카트리지들에 의해 분산시키는 것을 특징으로 하며,
    상기 버스 바 어셈블리가 카트리지들의 상면에 장착될 때, 상기 제2 결합형 홈에 상기 제2 결합형 돌기의 단면적이 작은 부위부터 삽입되면서 완전히 장착되고, 그 상태에서 상기 제2 결합형 돌기의 단면적이 큰 부위가 제2 결합형 홈에 밀착되어, 상기 제2 방향으로의 상기 전지셀들 및 카트리지들의 유동을 억제하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 파우치형 전지셀은, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트로 이루어져 있는 전지케이스에 전해액과 함께 내장되어 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 또는 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는, 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지의 상면 또는 하면에는 제 1 결합형 돌기들에 대응하는 단부 부위에 각각 만입부가 형성되어 있고, 상호 인접한 한 쌍의 카트리지들에서 하나의 카트리지에 형성되어 있는 제 1 만입부와 또 다른 카트리지에 형성되어 있는 제 2 만입부의 조합에 의해 제 1 결합형 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 결합형 돌기는 후크(hook) 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지들의 양측 단부들은 버스 바 어셈블리의 양 측면을 감쌀 수 있도록 제 2 방향으로 돌출 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들의 양극 단자 및 음극 단자는 제 2 방향의 일변에서 동일선 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은,
    상기 2단위의 전지셀들 사이에 각각 장착되어 있는 냉각 부재들;
    상기 최외곽에 위치하는 전지셀들과 엔드 플레이트들 사이에 각각 장착되어 있는 절연부재들; 및
    상기 절연부재들과 전지셀들 사이에 각각 장착되어 있는 완충부재들;
    를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 따른 전지모듈을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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