KR102241333B1 - 이차전지용 배터리 모듈 - Google Patents

이차전지용 배터리 모듈 Download PDF

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KR102241333B1
KR102241333B1 KR1020140049596A KR20140049596A KR102241333B1 KR 102241333 B1 KR102241333 B1 KR 102241333B1 KR 1020140049596 A KR1020140049596 A KR 1020140049596A KR 20140049596 A KR20140049596 A KR 20140049596A KR 102241333 B1 KR102241333 B1 KR 102241333B1
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이태구
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에스케이이노베이션 주식회사
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65Means for temperature control structurally associated with the cells
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지용 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀과, 이 배터리 셀의 일면 가장자리에 배치되는 제1 프레임, 및 이 제1 프레임과 대향되게 배치되어 배터리 셀의 타면 가장자리에 배치된 제2 프레임을 갖춘 하나 이상의 배터리 서브 모듈과; 이 배터리 서브 모듈의 좌측면을 덮어씌우는 좌측 커버; 배터리 서브 모듈의 우측면을 덮어씌우는 우측 커버; 배터리 서브 모듈의 상측면을 덮어씌우는 상부 커버;로 이루어지고, 배터리 서브 모듈의 좌측면은 좌측 커버와 서로 대면접촉되어 결합되고, 배터리 서브 모듈의 우측면은 우측 커버와 서로 대면접촉되어 결합하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지용 배터리 모듈 {Battery module for secondary battery}
본 발명은 이차전지용 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 반복적 충방전이 가능하여 각종 모바일 기기의 전원에서부터 전기자동차(EV)나 하이브리드 차량(HEV) 등의 동력원으로 사용되고 있으며, 계속적인 기술의 발전에 따라 보다 조밀(compact)하고 강력한 파워를 출력할 수 있는 모델이 개발되고 있다.
앞서 기술된 전기자동차나 하이브리드 차량에 적용되는 이차전지 모듈은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 모듈화시킨, 이른바 중대형 배터리 팩으로서 적용되고 있다. 이러한 중대형 배터리팩은, 케이스 내에 다수의 배터리셀들을 적층시켜 수납하고 이를 전기적으로 연결한 기본 구성을 가진다.
한편, 상기 다수의 배터리 셀이 수납되어 있는 케이스의 패키징은 볼팅 과정을 통해 수행된다. 즉 케이스에 미리 형성되어 있는 볼트구멍을 통해 볼트를 통과시키고 반대편에서 너트를 죄어 케이스 내에 배터리셀을 고정시키는 것이다. 가령 특허문헌 1(국내특허공개공보 제10-2012-0074421호)에 개시되어 있는 바와 같이, 전지모듈의 제작시 전지셀들을 적층한 뒤 다수의 볼트를 사용하여 고정하는 것이다.
그러나 볼트와 너트를 이용하여 패키징하는 방법은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 가령, 볼트를 죄는 토크값이 일정하지 않을 경우, 볼트의 체결 부위에 따라 압축력이 달라져 케이스에 미세한 변형이 발생할 수 있고, 볼트의 체결 부위에 응력이 집중되어 해당 부위가 눌려 변형되기도 한다.
아울러, 수많은 볼트와 너트의 체결을 작업자가 일일이 수작업으로 수행해야 하므로 생산성이 매우 낮으며 인력소모와 제작비용 상승을 초래함은 물론 토크 불균일에 의한 불량발생 확률도 높다.
특히 각각의 전지셀이 균일한 치수를 갖지 못하는 경우, 즉, 치수 안정성이 유지되지 않으면, 패키징을 아무리 완벽히 하였다 하더라도, 외부로부터 충격이나 진동이 가해질 때, 전지모듈이 케이스 내부에서 움직여 안전성 등에 문제를 일으킬 수 있다. 더 큰 문제는, 파우치형 전지셀은, 그 자체의 기계적 강성이 약해 칫수 균일성을 기대하기 어렵고 셀 전체 사이즈의 공차가 크다는 것이다.
결국, 파우치셀로 적층 구성된 배터리 셀 조립체를 완벽하게 패키징 하기 위해서는 별도의 고정수단이나 지지부재 등을 추가로 적용하여야 하는 것이다. 이는 배터리모듈의 구조를 매우 복잡화하는 요인이 된다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0074421호
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 창출한 것으로서, 셀 조립체를 내장한 케이스의 패키징이 종전의 볼팅작업이 아닌 용접을 통해 이루어지므로, 생산성이 매우 좋고, 특히 배터리 서브 모듈을 가압한 상태로 용접하므로 배터리 서브 모듈에 공차가 있더라도 셀조립체가 케이스 내에 견고히 고정되어 흔들릴 염려가 없어 외부 충격 또는 진동으로부터 전지팩의 내구성 또는 안전성을 도모할 수 있는 배터리 모듈을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지용 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀과, 이 배터리 셀의 일면 가장자리에 배치되는 제1 프레임, 및 이 제1 프레임과 대향되게 배치되어 배터리 셀의 타면 가장자리에 배치된 제2 프레임을 갖춘 하나 이상의 배터리 서브 모듈과; 이 배터리 서브 모듈의 좌측면을 덮어씌우는 좌측 커버; 배터리 서브 모듈의 우측면을 덮어씌우는 우측 커버; 배터리 서브 모듈의 상측면을 덮어씌우는 상부 커버;로 이루어지고, 배터리 서브 모듈의 좌측면은 좌측 커버와 서로 대면접촉되어 결합되고, 배터리 서브 모듈의 우측면은 우측 커버와 서로 대면접촉되어 결합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 실시예에서, 제1 프레임은 사각형상의 제1 안착부와, 이 제1 안착부의 가장자리에서 직각방향으로 돌출된 제1 절곡부를 구비하는 한편, 제2 프레임은 사각형상의 제2 안착부와, 이 제2 안착부의 가장자리에서 제1 절곡부를 향해 돌출된 제2 절곡부를 구비한다.
제1 안착부는 이의 가장자리 둘레를 따라 제1 오목홈을 형성하고, 제2 안착부는 이의 가장자리 둘레를 따라 제2 오목홈을 형성하고 있다.
좌측 커버는 편평한 플레이트와 이 플레이트의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저를 구비한다.
좌측 커버와 대향되게 배치되어 있는 우측 커버는 편평한 플레이트와 이 플레이트의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저를 구비한다.
배터리 서브 모듈의 제1 프레임과 제2 프레임은 각각의 좌측 커버와 우측 커버에 용접방식으로 위치고정된다.
여기서, 용접방식은 레이저 용접방식으로 이루어질 수 있다.
바람직하기로, 본 발명의 제1 실시예는 용접방식으로 결합하기 위해 제1 프레임과, 제2 프레임, 좌측 커버, 및 우측 커버를 플라스틱 재질로 제작한다.
덧붙여서, 하나 이상의 배터리 셀은 그 사이에 방열판을 추가로 배치할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지용 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀과, 이 배터리 셀의 일면 가장자리에 배치되고, 제1 돌출부를 구비한 제1 프레임, 및 이 제1 프레임과 대향되게 배치되어 배터리 셀의 타면 가장자리에 배치되고, 제2 돌출부를 구비한 제2 프레임을 갖춘 하나 이상의 배터리 서브 모듈과; 관통공을 형성하고, 배터리 서브 모듈의 좌측면을 덮어씌우는 좌측 커버; 관통공을 형성하고, 배터리 서브 모듈의 우측면을 덮어씌우는 우측 커버; 배터리 서브 모듈의 상측면을 덮어씌우는 상부 커버;로 이루어지고, 제1 돌출부와 제2 돌출부는 좌측 커버의 관통공과 우측 커버의 관통공에 삽입고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에서, 제1 프레임은 사각형상의 제1 안착부와, 이 제1 안착부의 가장자리에서 직각방향으로 돌출된 제1 절곡부를 구비하고, 제2 프레임은 사각형상의 제2 안착부와, 이 제2 안착부의 가장자리에서 제1 절곡부를 향해 돌출된 제2 절곡부를 구비한다.
제1 안착부는 이의 가장자리 둘레를 따라 제1 오목홈을 형성하고, 제2 안착부는 이의 가장자리 둘레를 따라 제2 오목홈을 형성한다.
제1 돌출부는 제1 프레임의 제1 절곡부의 좌측부와 우측부에 형성되는 한편, 제2 돌출부는 제2 프레임의 제2 절곡부의 좌측부와 우측부에 형성된다.
좌측 커버는 편평한 플레이트와, 이 플레이트의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저, 및 플레이트의 내부중심에 관통공을 구비한다.
이와 대응되게, 우측 커버는 편평한 플레이트와, 이 플레이트의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저, 및 플레이트의 내부중심에 관통공을 구비한다.
특별하기로, 배터리 서브 모듈의 제1 돌출부와 제2 돌출부는 열융착방식으로 좌측 커버의 관통공과 우측 커버의 관통공에 각각 위치고정된다.
바람직하기로, 본 발명의 제2 실시예는 열융착방식으로 결합하기 위해 제1 프레임과 제2 프레임을 플라스틱 재질로 제작한다.
더욱이, 하나 이상의 배터리 셀는 그 사이에 방열판을 추가로 배치할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 결합부위에 응력을 집중시키지 않으면서 다수의 배터리 서브 모듈을 조밀하게 패키징할 수 있는 모듈을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은 하나 이상의 배터리 서브 모듈의 좌측면과 편평한 좌측 커버 그리고 하나 이상의 배터리 서브 모듈의 우측면과 편평한 우측 커버 사이에 레이저 용접방식을 통해 접합부위에 신뢰할 수 있는 결합 상태를 보장할 수 있다.
본 발명은 레이저 용접방식을 통해 각 구성부재들을 위치고정시킬 수 있어 자동화 구현이 용이하고 배터리 모듈의 제작에 따른 작업공수를 현저하게 줄일 수 있다.
더욱이, 본 발명은 종래의 볼트와 너트 등의 별도의 체결부재를 필요로 하지 않고 있어 경량화와 박형화를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차전지용 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 분해사시도이다.
도 3은 배터리 모듈 내부에 적층될 배터리 서브 모듈의 분해사시도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선으로 절취된 배터리 모듈의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차전지용 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 배터리 모듈의 분해사시도이다.
도 7은 배터리 모듈 내부에 적층될 배터리 서브 모듈의 분해사시도이다.
도 8은 도 5의 Ⅷ-Ⅷ 선으로 절취된 배터리 모듈의 단면도이다.
이제, 본 발명에 따른 이차전지용 배터리 모듈은 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)을 개략적으로 도시한 도면들이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)을 볼트나 너트 등의 체결방식을 대신하여 용접 방식을 적용하여 패키징하는 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)과, 이 배터리 서브 모듈(110)의 좌측면을 덮어씌우는 좌측 커버(120), 이 배터리 서브 모듈(110)의 우측면을 덮어씌우는 우측 커버(130), 배터리 서브 모듈(110)의 상부면을 덮어씌우는 상측 커버(140)로 이루어져 있다.
본 발명의 제1 실시예는 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)을 밀착상태로 배치된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)의 양 측면에 좌측 커버(120)와 우측 커버(130)를 용접, 바람직하기로는 레이저 용접을 실시한다. 양측에 배치된 좌측 커버(120)와 우측 커버(130)를 통해, 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)은 압착 고정된 상태를 유지할 수 있다. 여기서, 배터리 서브 모듈(110)의 양 측면과 커버(120,130)의 내측면 사이에서 용접면부를 형성하게 되는데, 이 용접면부를 통해 배터리 서브 모듈(110)과 커버(120,130) 사이에 결합상태를 유지하게 된다.
좌측 커버(120)는 편평한 플레이트(121)로 이루어지는데, 이 플레이트(121)의 폭은 배터리 모듈(100) 내에 적층될 배터리 서브 모듈(110)의 폭 두께와 동일하거나 크게 하여 배터리 서브 모듈(110) 측면의 외부 노출을 최소화시킬 수 있다. 바람직하기로, 좌측 커버(120)는 플레이트(121)의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저(122;enclosure)를 구비한다. 엔클로저(122)는 수직방향으로 설치된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)의 좌측 상단 모서리부를 감싸고 있어, 배터리 서브 모듈(110)의 좌측 상단 모서리부를 불필요한 외력으로부터 보호할 뿐만 아니라 배터리 서브 모듈(110)을 밀착시킬 수 있다.
통상적으로, 배터리 서브 모듈(110)은 다양한 형태의 이차전지로 제조가능한데, 예컨대 파우치형, 원통형, 각형으로 제작할 수 있다. 이차전지는 그 형상이 비교적 자유롭고 무게가 가벼우며 박형화 그리고 경량화가 가능하여 파우치형을 선호하고 있는게 사실이다. 파우치형 이차전지를 밀봉하는 파우치는 당해 분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이 박막의 금속필름을 소재로 하고 있어 자유롭게 구부러질 수 있다. 따라서, 외형을 이루는 파우치 자체가 유연성 소재로 이루어져 있어 강성이 부족하기 때문에 정형화된 형태를 취하기 쉽지 않다. 이에 배터리 모듈(100)에 패키징되는 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)은 상호 압착고정되어 정형화를 추구할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 범위의 전압 및 전류를 제공할 수 있도록 배터리 서브 모듈(110)을 적층하여 전기적 연결을 가능하게 한다.
선택가능하기로, 좌측 커버(120)는 엔클로저(122)와 대응되게 플레이트(121)의 하단부에 U자형상의 하부 엔클로저(미도시)를 추가로 구비할 수 있다. 적층될 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)은 좌측 커버(120)의 엔클로저(122)를 통해 좌측 상단 모서리부를 압착하는 동시에 하부 엔클로저를 통해 좌측 하단 모서리부도 압착하여 배터리 서브 모듈(110)의 압착 고정을 보장할 수 있을 것이다.
이와 대응되게, 우측 커버(130)도 편평한 플레이트(131)로 이루어지는데, 이 플레이트(131)의 폭은 배터리 모듈(100) 내에 적층될 배터리 서브 모듈(110)의 폭 두께와 동일하거나 크게 하여 배터리 서브 모듈(110) 측면의 외부 노출을 최소화시킬 수 있다. 바람직하기로, 우측 커버(130)는 플레이트(131)의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저(132)를 구비한다. 엔클로저(132)는 수직방향으로 설치될 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)의 우측 상단 모서리부를 감싸고 있어, 배터리 서브 모듈(110)의 우측 상단 모서리부를 불필요한 외력으로부터 보호할 뿐만 아니라 배터리 서브 모듈(110)을 밀착시킬 수 있다.
선택가능하기로, 우측 커버(130)는 엔클로저(132)와 대응되게 플레이트(131)의 하단부에 U자형상의 하부 엔클로저(미도시)를 추가로 구비할 수 있다. 적층될 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)은 우측 커버(130)의 엔클로저(132)를 통해 우측 상단 모서리부를 압착하는 동시에 하부 엔클로저를 통해 우측 하단 모서리부도 압착하여 배터리 서브 모듈(110)의 압착 고정을 보장할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 적층된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)의 상부면에 상측 커버(140)를 배치한다. 상측 커버(140)는 압착 고정된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)의 상부면을 보호하는 한편 좌측 커버(120)와 우측 커버(130)의 결합을 돕는다.
배터리 모듈(100)은 배터리 셀(111)의 전극 탭(111a)을 접속하는 버스바(150;bus bar)를 구비한다. 버스바(150)는 상호 이웃하고 있는 전극 탭(111a)을 접속할 수 있게 배터리 서브 모듈(110)의 상부에 배치된다.
또한, 배터리 모듈(100)은 배터리 서브 모듈(110) 내부에 내장된 배터리 셀(111)의 전극 탭(111a)에 전기적으로 접속되어, 이차전지의 충방전을 제어하는 센싱 유닛(160)을 구비한다. 센싱 유닛(160)은 배터리 모듈(100)의 과충전이나 과방전시 회로를 차단하여 모듈의 수명을 연장하고 폭발이나 화재의 위험을 방지하는 역할을 한다. 이외에도, 센싱 유닛은 배터리 모듈의 잔존 방전용량이나 온도 등을 실시간으로 알려주기도 한다.
전술된 버스바(150)와 센싱 유닛(160)도 배터리 서브 모듈(110)의 상부와 상측 커버(140) 사이에 위치시켜, 버스바(150)와 센싱 유닛(160)을 상측 커버(140)로 보호할 수 있게 되어 있다. 참고로, 버스바(150)와 센싱 유닛(160)의 결합은 당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있고 본 발명의 이해를 명료하게 하기 위해 상세한 설명은 여기서는 배제하도록 한다.
도 3은 배터리 모듈 내부에 적층될 배터리 서브 모듈의 분해사시도이다.
배터리 서브 모듈(110)은 베어 셀(bare cell)을 박막의 금속필름, 예컨대 알루미늄으로 둘러싸는 파우치형으로 외부 충격으로부터 보호할 수 있는 제1 프레임(112)과 제2 프레임(113)으로 지지보유된다. 배터리 서브 모듈(110)은 파우치로 둘러싸여 있는 배터리 셀(111)로부터 일측(상측) 방향으로 연장되어 있는 전극 탭(111a)을 갖추고 있다.
제1 프레임(112)은 도시된 바와 같이 하나 이상, 바람직하기로 한쌍의 배터리 셀(111)의 일면 가장자리에 배치되는 한편, 제2 프레임(113)은 배터리 셀(111)의 타면 가장자리에 배치된다.
제1 프레임(112)과 제2 프레임(113)은 도 1 및 도 2에 도시된 좌측 커버(120)와 우측 커버(130)와 용접결합될 수 있도록 플라스틱재로 제작되는 것이 바람직하다. 물론, 좌측 커버(120)와 우측 커버(130)도 레이저 용접방식으로 결합할 때 열 팽창과 균질성을 고려하여 프레임(112,113)과 동일한 소재로 제작되어야 할 것이다.
제1 프레임(112)은 배터리 셀(111)의 일면 가장자리 둘레에 배치되고, 제2 프레임(113)도 배터리 셀(111)의 타면 가장자리 둘레에 배치되는바, 제1 프레임(112)의 가장자리부와 제2 프레임(113)의 가장자리부는 서로 대면접촉하여 결합되도록 한다.
제1 프레임(112)은 사각형상의 제1 안착부(112a)와 제1 절곡부(112b)로 이루어진다. 제1 안착부(112a)는 전반적으로 사각 틀 형상으로 이루어지는데, 그 내부에 제1 윈도우(참조부호 없음)를 추가로 형성할 수 있다. 제1 절곡부(112b)는 제1 안착부(112a)의 가장자리에서 직교되는 방향으로 돌출된다. 추가로, 제1 안착부(112a)는 이의 가장자리 둘레를 따라 오목홈(112c)를 형성할 수도 있다.
바람직하기로, 제1 안착부(112a)와 제1 절곡부(112b)는 단일 부품으로 이루어질 수 있다.
이와 대응되게, 제2 프레임(113)은 사각형상의 제2 안착부(113a)와 제2 절곡부(113b)로 이루어진다. 제2 안착부(113a)는 전반적으로 사각 틀 형상으로 이루어지는데, 그 내부에 제2 윈도우(참조부호 없음)를 추가로 형성할 수 있다. 제2 절곡부(113b)는 제2 안착부(113a)의 가장자리에서 직교되는 방향으로 돌출된다. 추가로, 제2 안착부(113a)도 이의 가장자리 둘레를 따라 오목홈(113c;도 4 참조)을 형성할 수 있다.
바람직하기로, 제2 안착부(113a)와 제2 절곡부(113b)는 단일 부품으로 이루어질 수 있다.
제1 절곡부(112b)와 제2 절곡부(113b)는 서로 대면접촉되어 결합되는데, 열융착방식, 용접방식, 나사체결방식 등의 다양한 방식으로 결합하여 배터리 서브 모듈(110)을 지지보유하도록 한다.
선택가능하기로, 배터리 서브 모듈(110)은 그 내부에 적재된 배터리 셀(111) 사이에 방열판(114)을 추가로 배치할 수도 있다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선으로 절취된 배터리 모듈의 단면도이다.
본 발명의 제1 실시예 따른 배터리 모듈(100)은 앞서 기술하였듯이 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)의 프레임(112,113)과 좌측 커버(120;도 2 참조) 그리고 우측 커버(130) 사이의 면접촉 부위를 용접 방식을 통해 패키징하는 것을 특징으로 한다. 도 4는 구성부재들간의 용접 상태를 도해하고 있다.
도시된 바와 같이, 하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)은 이의 가장자리를 따라서 제1 프레임(112)과 제2 프레임(113)으로 둘러싸여 있다. 우측 커버(130)의 플레이트(131) 내측면은 제1 프레임(112)과 제2 프레임(113)에 접촉되게 배치된다. 그런 다음에, 우측 커버(130)의 내측면은 제1 프레임(112)과 제2 프레임(113)의 접촉 부위를 용접방식을 수단으로 하여 이들을 결합하게 된다. 용접방식은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 중 어느 하나의 방식을 이루어지는데, 레이저 용접방식이 바람직하다. 레이저 용접방식은 널리 알려져 있듯이 에너지 밀도가 높아 부품에 열에 의한 손상을 줄일 수 있고, 용접 품질과 정밀한 용접을 제공하여 배터리 서브 모듈(110)과 커버(120,130) 사이의 기계적 강성을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.
하나 이상의 배터리 서브 모듈(110)은 압착 고정된 상태로 이의 좌측면에 좌측 커버(120;도 2 참조)와 이의 우측면에 우측 커버(130)와 용접된다. 일 배터리 서브 모듈(110)의 제1 프레임(112)은 인접해 있는 다른 배터리 서브 모듈(110)의 제2 프레임(113)과 대면하게 되는데, 제1 안착면(112a)의 제1 오목홈(112c)과 제2 안착면(113b)의 제2 오목홈(113c)으로 한정된 공간부를 형성하게 된다. 이 공간부는 배터리 셀(111)에서 발생되는 열을 신속하게 배출할 수 있도록 돕는 한편, 가열로 인한 제1 및 제2 프레임(112,113)의 열팽창 정도를 완화시키는 작용을 하게 된다.
도시된 바와 같이, 배터리 서브 모듈(110)은 파우치로 둘러싸인 한쌍의 배터리 셀(111)를 나란하게 배열하는바, 한쌍의 배터리 셀(111) 사이에 방열판(114)을 개재한다. 방열판(114)은 배터리 셀(111)의 충전 또는 방전시 발생하는 열을 냉각시킬 수 있도록 배터리 셀(111)의 겉표면에 밀착되게 배치되는 열 전도성 플레이트로 형성된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(200)을 개략적으로 도시한 도면들이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)을 볼트나 너트 등의 체결방식를 대신하여 용접방식 및/또는 열융착(heat staking)방식을 적용하여 패키징하는 것이다. 참고로, 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 모듈(200)은 도 1 내지 도 2에 도시된 배터리 모듈(100)의 접합부 형상을 제외하고는 매우 유사한 구조로 이루어져 있기 때문에, 본 발명의 명료한 이해를 돕기 위해서 유사하거나 동일한 구성부재에 대한 설명은 여기서 배제할 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)과, 이 배터리 서브 모듈(210)의 좌측면을 덮어씌우는 좌측 커버(220), 이 배터리 서브 모듈(210)의 우측면을 덮어씌우는 우측 커버(230), 배터리 서브 모듈(210)의 상부면을 덮어씌우는 상측 커버(240)로 이루어져 있다.
본 발명의 제2 실시예는 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)을 밀착상태로 배치된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)의 양 측면에 좌측 커버(220)와 우측 커버(230)를 끼워장착하고서 결합부위에 열융착을 실시한다. 양측에 배치된 좌측 커버(220)와 우측 커버(230)를 통해, 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)은 압착 고정된 상태를 유지할 수 있다.
좌측 커버(220)는 편평한 플레이트(221)로 이루어지는데, 이 플레이트(221)의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저(222;enclosure)와 플레이트 내부 영역에 하나 이상의 관통공(223)을 구비한다. 엔클로저(222)는 수직방향으로 입설된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)의 좌측 상단 모서리부를 감싸고 있어, 배터리 서브 모듈(210)의 좌측 상단 모서리부를 불필요한 외력으로부터 보호할 뿐만 아니라 배터리 서브 모듈(210)를 밀착시킬 수 있다. 관통공(223)은 배터리 서브 모듈(210)의 제1 프레임(212)의 돌출부(212e)와 제2 프레임(213)의 돌출부(213e)를 외부로 뻗어 나오도록 안내한다.
선택가능하기로, 좌측 커버(220)는 엔클로저(222)와 대응되게 플레이트(221)의 하단부에 U자형상의 하부 엔클로저(미도시)를 추가로 구비할 수 있다. 적층될 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)은 좌측 커버(220)의 엔클로저(222)를 통해 좌측 상단 모서리부를 압착하는 동시에 하부 엔클로저를 통해 좌측 하단 모서리부도 압착하여 배터리 서브 모듈(210)의 압착 고정을 보장할 수 있을 것이다.
이와 대응되게, 우측 커버(230)도 편평한 플레이트(231)로 이루어지는데, 이 플레이트(231)의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저(232)와 플레이트 내부 영역에 하나 이상의 관통공(233)을 구비한다. 엔클로저(232)는 수직방향으로 입설된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)의 우측 상단 모서리부를 감싸고 있어, 배터리 서브 모듈(210)의 우측 상단 모서리부를 불필요한 외력으로부터 보호할 뿐만 아니라 배터리 서브 모듈(210)를 밀착시킬 수 있다. 관통공(233)은 배터리 서브 모듈(210)의 제1 프레임(212)의 돌출부(212e)와 제2 프레임(213)의 돌출부(213e)를 외부로 뻗어 나오도록 안내한다.
선택가능하기로, 우측 커버(230)는 엔클로저(232)와 대응되게 플레이트(231)의 하단부에 U자형상의 하부 엔클로저(미도시)를 추가로 구비할 수 있다. 적층될 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)은 우측 커버(230)의 엔클로저(232)를 통해 우측 상단 모서리부를 압착하는 동시에 하부 엔클로저를 통해 우측 하단 모서리부도 압착하여 배터리 서브 모듈(210)의 압착 고정을 보장할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 적층된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)의 상부면에 상측 커버(240)를 배치한다. 상측 커버(240)는 압착 고정된 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)의 상부면을 보호하는 한편 좌측 커버(220)와 우측 커버(230)의 결합을 돕는다.
배터리 모듈(200)은 배터리 셀(211)의 전극 탭을 접속하는 버스바(150;bus bar)와 배터리 서브 모듈(210)의 전극 탭(211a;도 7 참조)에 전기적으로 접속되어, 이차전지의 충방전을 제어하는 센싱 유닛(260)을 구비한다. 버스바(250)와 센싱 유닛(260)도 배터리 서브 모듈(210)의 상부와 상측 커버(240) 사이에 위치시켜, 버스바(250)와 센싱 유닛(260)을 상측 커버(240)로 보호할 수 있게 되어 있다. 참고로, 버스바(250)와 센싱 유닛(260)의 결합은 당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있고 본 발명의 이해를 명료하게 하기 위해 상세한 설명은 여기서는 배제하도록 한다.
도 7은 배터리 모듈 내부에 적층될 배터리 서브 모듈의 사시도이다.
배터리 서브 모듈(210)은 베어 셀(bare cell)을 박막의 금속필름, 예컨대 알루미늄으로 둘러싸는 파우치형으로 외부 충격으로부터 보호할 수 있는 제1 프레임(212)과 제2 프레임(213)으로 지지보유된다. 배터리 서브 모듈(210)은 파우치로 둘러싸여 있는 배터리 셀(211)로부터 일측(상측) 방향으로 연장되어 있는 전극 탭(211a)을 갖추고 있다.
제1 프레임(212)은 도시된 바와 같이 배터리 셀(211)의 일면 가장자리에 배치되는 한편, 제2 프레임(213)은 배터리 셀(211)의 타면 가장자리에 배치된다. 구체적으로, 제1 프레임(212)의 가장자리부와 제2 프레임(213)의 가장자리부는 서로 대면접촉하여 결합되도록 한다.
제1 프레임(212)과 제2 프레임(213)은 일부, 구체적으로 돌출부(212e, 213e)를 열로 녹여 형태변형을 가능하게 하는 플라스틱재로 제작되는 것이 바람직하다. 좌측 커버(220)와 우측 커버(230)은 별도의 열 변형을 요구하지 않기 때문에 방열 효과가 탁월한 알루미늄의 금속재질로 제작할 수도 있다. 이에 국한되지 않고, 좌측 커버(220)와 우측 커버(230)도 플라스틱재로 제작되어도 무방할 것이다.
제1 프레임(212)은 사각형상의 제1 안착부(212a)와 제1 절곡부(212b)로 이루어진다. 제1 안착부(212a)는 전반적으로 사각 틀 형상으로 이루어지는데, 그 내부에 제1 윈도우(참조부호 없음)를 추가로 형성할 수 있다. 제1 절곡부(212b)는 제1 안착부(212a)의 가장자리에서 직교되는 방향으로 돌출된다. 추가로, 제1 안착부(112a)는 다른 배터리 서브 모듈의 제2 안착부와 대면하는 가장자리 둘레를 따라 제1 오목홈(212c)를 형성할 수도 있다. 제1 절곡부(212b)는 이의 좌측부와 우측부 편평면에서 길이연장된 제1 돌출부(212e)를 구비한다. 제1 돌출부(212e)는 도 6에 도시된 좌측 커버(220)의 관통공(223)과 우측 커버(230)의 관통공(233)과 대응되고 이들 관통공(223,233)에 삽입될 수 있게 형성된다.
바람직하기로, 제1 안착부(212a)와 제1 절곡부(212b) 및 제1 돌출부(212e)는 단일 부품으로 이루어질 수 있다.
제2 프레임(213)은 사각형상의 제2 안착부(213a)와 제2 절곡부(213b)로 이루어진다. 제2 안착부(213a)는 전반적으로 사각 틀 형상으로 이루어지는데, 그 내부에 제2 윈도우(참조부호 없음)를 추가로 형성할 수 있다. 제2 절곡부(213b)는 제2 안착부(213a)의 가장자리에서 직교되는 방향으로 돌출된다. 추가로, 제2 안착부(213a)는 인접해 있는 다른 배터리 서브 모듈의 제1 안착부와 대면하는 가장자리 둘레를 따라 제2 오목홈(213c)을 형성할 수도 있다. 제2 절곡부(213b)는 이의 좌측부와 우측부 편평면에서 길이연장된 제2 돌출부(213e)를 구비한다. 제2 돌출부(213e)는 도 6에 도시된 좌측 커버(220)의 관통공(223)과 우측 커버(230)의 관통공(233)과 대응되고 이들 관통공(223,233)에 삽입될 수 있게 형성된다.
바람직하기로, 제1 안착부(212a)와 제1 절곡부(212b) 및 제1 돌출부(212e)는 단일 부품으로 이루어질 수 있다.
도 8은 도 5의 Ⅷ-Ⅷ 선으로 절취된 배터리 모듈의 단면도로, 도 8a는 배터리 서브 모듈(210)의 돌출부(212e,213e)를 우측 커버의 플레이트(231)의 관통공(233)에 삽입한 도면이고 도 8b는 삽입된 돌출부(212e,213e)에 열융착으로 일부 녹여 관통공(233)에 고착시켜 결합된 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예 따른 배터리 모듈(200)은 앞서 기술하였듯이 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)의 프레임(212,213)에 형성된 돌출부(212e,213e)를 좌측 커버(220)의 관통공(223) 그리고 우측 커버(230)의 관통공(233)에 압입방식으로 끼워 넣고 이를 열융착 방식을 통해 패키징하는 것을 특징으로 한다. 도 8은 구성부재들간의 용접 상태를 도해하고 있다.
도시된 바와 같이, 하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)은 이의 가장자리를 따라서 제1 프레임(212)과 제2 프레임(213)으로 둘러싸여 있다. 우측 커버(230)의 플레이트(231) 내측면은 제1 프레임(212)과 제2 프레임(213)에 접촉되게 배치하여 돌출부(212e,213e)를 관통공(233)에 끼워 넣는다. 그런 다음에, 관통공(233)으로부터 뻗어나온 돌출부(212e,213e)가 열융착되고 우측 커버(230)의 관통공(233) 주변으로 녹아 내려 경화되면서 배터리 서브 모듈(210)과 우측 커버(230)를 결합하게 된다. 본 발명의 제2 실시예는 열 융착 이외에도 초음파 용접 방식으로 돌출부를 소성 변형을 유발시킬 수 있다.
바람직하기로, 관통공(233,223)은 이의 둘레에 단차부(참조부호 없음)를 추가로 형성할 수 있다. 이 단차부는 돌출부(212e,213e)의 열융착 과정 도중에 녹아 내리는 플라스틱 재질을 수용할 수 있는 공간을 제공하여 관통공(233,223)의 접촉기회를 제공할 수 있게 된다. 물론, 단차부는 녹아 내린 돌출부(212e,213e)의 일부를 플레이트(231) 외부로 범람하지 못하게 도피공간을 제공할 수도 있다.
하나 이상의 배터리 서브 모듈(210)은 압착 고정된 상태로 이의 좌측면에 좌측 커버(220;도 5 참조)와 이의 우측면에 우측 커버(230)와 결합된다. 일 배터리 서브 모듈(210)의 제1 프레임(112)은 인접해 있는 다른 배터리 서브 모듈(210)의 제2 프레임(113)과 대면하게 되는데, 제1 안착면(212a)의 제1 오목홈(212c)과 제2 안착면(213b)의 제2 오목홈(213c)으로 한정된 공간부를 형성하게 된다. 이 공간부는 배터리 셀(211)에서 발생되는 열을 신속하게 배출할 수 있도록 돕는 한편, 가열로 인한 제1 및 제2 프레임(212,213)의 열팽창 정도를 완화시키는 작용을 하게 된다.
더욱이, 배터리 서브 모듈(210)은 파우치로 둘러싸인 한쌍의 배터리 셀(211)를 나란하게 배열하는바, 한쌍의 배터리 셀(211) 사이에 방열판(214;도 7 참조)를 개재한다. 방열판(214)은 배터리 셀(211)의 충전 또는 방전시 발생하는 열을 냉각시킬 수 있도록 배터리 셀(211)의 겉표면에 밀착되게 배치되는 열 전도성 플레이트로 형성된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지용 배터리 모듈은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100, 200 ----- 배터리 모듈,
110, 210 ----- 배터리 서브 모듈,
120, 220 ----- 좌측 커버,
130, 230 ----- 우측 커버,
140, 240 ----- 상측 커버,
150, 250 ----- 버스바,
160, 260 ----- 센싱 유닛.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 하나 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀 중 일측 최외각에 위치된 배터리 셀의 일면 가장자리에 배치되고, 사각형상의 제1 안착부와 상기 제1 안착부의 가장자리에서 제2 프레임을 향해 돌출된 제1 절곡부 및 상기 제1 절곡부에서 길이연장된 제1 돌출부를 구비한 제1 프레임, 및 상기 제1 프레임과 대향되게 배치되어 상기 배터리 셀 중 타측 최외각에 위치된 배터리 셀의 타면 가장자리에 배치되고, 사각형상의 제2 안착부와 상기 제2 안착부의 가장자리에서 상기 제1 절곡부를 향해 돌출된 제2 절곡부 및 상기 제2 절곡부에서 길이연장된 제2 돌출부를 구비한 제2 프레임을 갖춘 하나 이상의 배터리 서브 모듈;
    관통공을 형성하고, 상기 배터리 서브 모듈의 좌측면을 덮어씌우는 좌측 커버;
    관통공을 형성하고, 상기 배터리 서브 모듈의 우측면을 덮어씌우는 우측 커버; 및
    상기 배터리 서브 모듈의 상측면을 덮어씌우는 상부 커버;를 포함하고,
    상기 배터리 서브 모듈의 제1 돌출부와 제2 돌출부는 상기 좌측 커버의 관통공과 상기 우측 커버의 관통공에 삽입되고 열융착방식으로 위치고정되는 이차전지용 배터리 모듈.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 안착부는 이의 가장자리 둘레를 따라 제1 오목홈을 형성하고, 상기 제2 안착부는 이의 가장자리 둘레를 따라 제2 오목홈을 형성하는 이차전지용 배터리 모듈.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 돌출부는 상기 제1 프레임의 제1 절곡부의 좌측부와 우측부에 형성되고,
    상기 제2 돌출부는 상기 제2 프레임의 제2 절곡부의 좌측부와 우측부에 형성되어 있는 이차전지용 배터리 모듈.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 좌측 또는 우측 커버는 편평한 플레이트와, 상기 플레이트의 상단부에 역U자 형상의 엔클로저, 및 상기 플레이트의 내부 중앙에 관통공을 구비한 이차전지용 배터리 모듈.
  14. 삭제
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 프레임과 제2 프레임은 플라스틱 재질로 이루어진 이차전지용 배터리 모듈.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 셀은 그 사이에 방열판을 추가로 배치하는 이차전지용 배터리 모듈.
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