KR20070112489A - 중대형 전지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조의 상부 케이스, 상기 전지셀 적층체의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상기 상부 케이스와 결합되는 구조의 하부 케이스, 하부 케이스의 전면부와 후면부 상의 공간에 각각 삽입되어 장착되는 센싱 부재, 상기 하부 케이스의 전면부 상에 장착되는 절연성 소재의 전면 커버, 및 상기 하부 케이스의 후면부 상에 장착되며 전지모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS를 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 전지셀의 낮은 강성을 보완하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 전지셀의 작동 상태를 확인할 수 있는 검출수단의 장착이 용이하며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업시 또는 작동시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 뿐만 아니라, 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량의 중대형 전지시스템을 용이하게 제조할 수 있다.

Description

중대형 전지모듈 {Middle or Large-sized Battery Module}

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈을 구성하는 한 쌍의 셀 커버에 대한 사시도이다;

도 3은 다수의 단위모듈들로 구성된 전지셀 적층체의 사시도이다;

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 상하부 케이스와 전면 커버의 분해 사시도이다;

도 5 및 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 하부 케이스에 단위모듈들이 장착된 상태에서의 전면부와 후면부에 대한 부분 평면도들이다;

도 7 내지 도 10은 본 발명의 중대형 전지모듈에 사용되는 전압 검출부재와 그것이 전지모듈에 장착되어 있는 형태의 사시도들이다;

도 11 및 도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 일부 조립 상태의 사시도들이다;

도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지시스템의 조립 과정의 사시도이다.

본 발명은 중대형 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조의 상부 케이스, 상기 전지셀 적층체의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상기 상부 케이스와 결합되는 구조의 하부 케이스, 하부 케이스의 전면부와 후면부 상의 공간에 각각 삽입되어 장착되는 센싱 부재, 상기 하부 케이스의 전면부 상에 장착되는 절연성 소재의 전면 커버, 및 상기 하부 케이스의 후면부 상에 장착되며 전지모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS를 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지모듈에 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, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하 므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지(100)는 두 개의 전극리드(110, 120)가 서로 대향하여 전지 본체(130)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(140)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(140a)과 상단부 및 하단부(140b, 140c)를 부착시킴으로써 전지(100)가 만들어진다. 외장부재(140)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(140a)과 상단부 및 하단부(140b, 140c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(140a)은 상하 외장부재(140)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(140b)와 하단부(140c)에는 전극리드(110, 120)가 돌출되어 있으므로 전극리드(110, 120)의 두께 및 외장부재(140) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(110, 120)와의 사이에 필름상의 실링부재(160)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.

그러나, 외장부재(140) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구 조의 전지모듈을 제조하기 위하여, 일반적으로 전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 그러나, 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 또는 차량 등에는 일반적으로 장착공간이 한정적이므로, 카트리지와 같은 팩 케이스의 사용으로 인해 전지모듈의 크기가 커지는 경우에는 낮은 공간 활용도의 문제점이 초래된다. 또한, 전지셀의 낮은 기계적 강성은 충방전시 전지셀의 반복적인 팽창 및 수축으로 나타나고, 그로 인해 열융착 부위가 분리되는 경우도 초래된다.

또한, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 내지 디바이스의 공간상의 한계 측면에서 바람직하지 않다.

이와 관련하여, 일부 선행기술들은 조립 과정을 더욱 간소화시킨 구조의 중대형 전지모듈을 제시하고 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-209365호에는 전지셀들이 개별적으로 장착될 수 있는 센터 프레임과, 상기 센터 프레임에 전지셀들이 장착된 상태에서 그것의 하단과 상단에 각각 체결되는 단자측 프레임 및 바닥측 프레임으로 구성된 전지모듈이 개시되어 있다. 상기 출원의 전지모듈은 조립이 용이하다는 장점은 있으나, 전지셀이 그것의 중앙부만이 센터 프레임으로 고정되어 있으므로 반복적인 충방전시의 수축 및 팽창을 억제하기 어려워 파우치형 전지셀을 그대로 사용함에 한계가 있고, 전지셀들의 전기적 연결을 위해 그것의 단자들을 각각 회로기판에 접속시키는 공정이 필요하며, 센터 프레임으로 인해 모듈의 크기 증가가 불가피하다는 단점을 가지고 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제2003-123721호에는 각형 전지셀들의 적층체를 상측 케이스, 하측 케이스 및 한 쌍의 엔드 플레이트들로 고정한 구조의 전지모듈이 개시되어 있다. 상기 출원의 전지모듈은 전지셀들이 서로 밀착된 상태로 고정되어야 하므로 방열이 용이하지 않고, 구조적으로 파우치형 전지셀 등에는 적용에 어려움이 있으며, 엔드 플레이트들의 상호 연결에 별도의 부재가 필요하다는 단점을 가지고 있다.

한편, 전지모듈은 다수의 전지셀들이 조합된 구조체이므로 일부 전지셀들이 과전압, 과전류, 과발열 되는 경우에는 전지모듈의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이들을 검출하기 위한 수단이 필요하다. 따라서, 전압센서, 온도센서 등을 전지셀들에 연결하여 실시간 또는 일정한 간격으로 작동 상태를 확인하여 제어하고 있는 바, 이러한 검출수단의 장착 내지 연결은 전지모듈의 조립과정을 매우 번잡하게 하고 이를 위한 다수의 배선으로 인해 단락의 위험성도 존재한다.

따라서, 앞서 설명한 바와 같이 보다 콤팩트하고 구조적 안정성이 우수하며, 간단한 구조로 검출수단의 장착이 가능한 중대형 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.

따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀의 낮은 기계적 강성을 효과적으로 보강하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 전지셀의 작동 상태를 확인할 수 있는 검출수단의 장착 등이 용이한 중대형 전지모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업시 또는 작동시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 중대형 전지모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 기타 목적은 상기 중대형 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량으로 제조되는 중대형 전지시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지모듈은,

(a) 직렬로 연결된 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 측면방향으로 세워져 있는 전지셀 적층체;

(b) 상기 전지셀 적층체 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조로서, 전면부에 외부 입출력 단자가 구비되어 있는 구조의 상부 케이스;

(c) 상기 전지셀 적층체의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상기 상부 케이스와 결합되는 구조로서, 전면부에 전지셀의 전극단자를 상기 외부 입출력 단자에 연결하기 위한 버스 바가 구비되어 있는 하부 케이스;

(d) 하부 케이스의 전면부와 후면부 상의 공간에 각각 삽입되어 장착되는 센싱부들과 상기 센싱부들을 연결하는 도전부로 구성된 센싱 부재;

(e) 상기 하부 케이스의 전면부 상에 장착되어 전지셀 전극단자와 버스 바의 접속부위를 외부로부터 보호하는 절연성 소재의 전면 커버; 및

(f) 상기 하부 케이스의 후면부 상에 장착되며 센싱 부재와 연결되며,전지모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS (Battery management System)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 전지셀 적층체를 상하부 케이스에 의해 결합시켜 고정하고 센싱 부재와 BMS 등이 하부 케이스 상에 장착되므로, 전체적으로 조립 과정이 간소하며, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가진다.

상기 전지셀 적층체는 앞서 설명한 바와 같이 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 측면방향으로 세워져 있는 형태로 케이스에 장착된다. 본 명세서에서 정의하는 방향은, 전지셀 또는 단위모듈에서 전극단자가 돌출되어 있는 부위를 '전면' 및 '후면' 방향으로 정의하고, 그것의 양측 외주면을 '측면' 방향으로 정의한다. 따라서, 전지셀 적층체는 전지셀 또는 단위모듈의 전극단자가 전지모듈의 전면과 후면방향을 향하면서 일측 외주면이 지면을 향하도록 세워져 있는 구조를 이룬다.

상기 전지셀 적층체는 바람직하게는 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성 되어 있는 판상형 전지셀들을 포함하고 있는 단위모듈 다수 개로 이루어져 있다. 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.

상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 상하부 접촉부위를 밀봉하는 구조일 수 있다.

상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극으로 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 젤리-롤 방식, 스택형 방식 또는 스택/폴딩형 방식으로 이루어져 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다.

이러한 전지셀들은 하나 또는 둘 이상의 단위로 합성수지 또는 금속 소재의 고강도 셀 커버에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성하는 바, 상기 고강도 셀 커버는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 따라서, 궁극적으로 더욱 안전성이 우수한 중대형 전지모듈의 제조가 가능해 진다.

단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 상기 전극단자들을 결합시킨 뒤, 둘 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되게 접고 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 단위모듈들을 제조할 수 있다.

상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.

전극단자들이 상호 연결되어 있고 높은 밀집도로 충적된 다수의 전지셀 적층체는 조립식 체결구조로 결합되는 상하 분리형의 케이스에 수직으로 장착된다.

상하부 케이스들은 장착한 후 상호 조립한 상태에서, 바람직하게는, 전지셀 적층체의 용이한 방열을 위해 전지셀 적층체의 외주면만을 감싸고 그것의 외면이 케이스의 외부로 노출되는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 상부 케이스는 전지셀 적층체 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조로 이루어져 있고, 하부 케이스는 전지셀 적층체의 타측면 단부와 상단 및 하단 일 부를 감싸는 구조로 이루어져 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상부 케이스 및 하부 케이스의 내면에는 전지셀 또는 단위모듈의 외주면이 삽입되기 위한 다수의 장착홈들이 형성되어 있다.

전지셀 적층체가 다수의 단위모듈로 구성되어 있는 경우, 상기 케이스에 대한 전지셀 조립체의 안정적인 장착을 돕고 단위모듈들 상호간의 충적 상태를 더욱 밀착시켜 전체적인 크기를 줄일 수 있도록, 단위모듈의 셀 커버의 상단과 하단에 인접한 외면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 소정 크기의 단차가 형성되어 있고, 상기 셀 커버의 좌우 양단에 인접한 외면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 소정 크기의 단차가 형성되어 있으며, 상하부 케이스의 내면 장착홈은 상기 단차에 대응하는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

따라서, 단위모듈의 외주면 부근에 형성된 단차가 상하부 케이스의 내면 장착홈에 삽입되어 고정됨으로써, 단위모듈의 외주면만이 케이스에 고정됨에도 불구하고, 매우 안정적인 결합 구조를 형성할 수 있다.

바람직하게는, 하부 케이스 전면부와 후면부의 내면에, 상기 전지셀 전극단자들의 직렬 연결 절곡부가 삽입되어 장착되는 고정용 홈이 형성되어 있어서, 전지셀 적층체의 전면 및 후면방향으로의 유동을 방지하고 상호 인접한 전극단자 연결부와의 안정적인 절연상태를 유지할 수 있다.

하부 케이스의 전면부에는 바람직하게는 전지셀 적층체의 최외각 전극 단자들이 삽입될 수 있는 한 쌍의 슬릿이 형성되어 있고, 전지셀 적층체를 하부 케이스에 장착할 때 상기 슬릿을 통해 최외각 전극단자가 노출되도록 한 후, 이를 절곡하 여 전면부 상에 밀착시킬 수 있다. 이러한 최외각 전극단자는 전면부의 버스 바와 더욱 용이하게 접속될 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 외부 입출력 단자의 적어도 하나에는 전면 커버의 상단부를 고정하면서 전기적 연결을 위한 전력 케이블의 장착을 돕는 도전성 부재가 추가로 장착될 수 있다. 상기 도전성 부재는 외부 입출력 단자에 결합된 상태에서 전력 케이블을 탄력으로 감쌀 수 있는 절곡부를 포함하는 구조일 수 있다. 또한, 전면 커버에는 전력 케이블을 고정하기 위한 홈이 추가로 형성되어 있을 수 있다. 이러한 홈에는 전력 케이블의 일부에 결합되는 절연성 체결구를 삽입하여 고정할 수 있다.

상기 전면 커버는 바람직하게는 하부 케이스에 대해 조립 체결방식으로 결합되는 구조로 이루어져 있다.

상하부 케이스들은, 그 중의 하나의 케이스(예를 들어, 하부 케이스)에 전지셀 적층체를 장착한 후 나머지 케이스(예를 들어, 상부 케이스)를 체결하여 조립하는 방식으로 결합된다. 케이스들의 그러한 체결 방식은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 케이스들의 양측에 형성된 나사선 홈에 나사를 결합시키는 구조, 별도의 부재를 사용하지 않고 상호 결합될 수 있도록 하나의 케이스에 후크가 형성되어 있고 나머지 케이스에 상기 후크에 대응하는 체결구가 형성되어 있는 구조 등일 수 있다.

상기 하부 케이스의 전면부 및/또는 후면부의 하단에는 외부 장치에 고정할 수 있도록, 중앙에 관통구가 형성되어 있고 하부 케이스로부터 돌출된 형태의 체결 부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 전면부 또는 후면부 하단의 체결부는 한 쌍의 돌출형 체결부로서, 일측 체결부가 타측 체결부의 두께에 해당하는 높이 만큼 높게 설치되어 있어서, 다수의 전지모듈들을 사용하여 중대형 전지시스템을 제조할 때, 전지모듈 상호간의 체결을 용이하게 하고, 더욱 콤팩트한 구조를 제공한다.

한편, 다수의 전지셀들로 구성되는 전지모듈에서는 안전성 및 작동 효율성을 고려하여, 전압과 온도를 측정하여 이를 제어하는 것이 필요하다. 특히, 전압은 적어도 전지셀 별로 또는 전지셀의 전기적 연결부위 별로 측정하는 것이 필요하다. 그러한 측면에서, 전압, 온도 등을 측정하기 위한 검출부재들의 장착은 전지모듈의 구성을 더욱 복잡하게 하는 주요인들 중의 하나이다.

본 발명의 전지모듈에서는 전압 및/또는 온도 측정을 위한 검출부재가 하나의 케이스, 즉, 상부 케이스 또는 하부 케이스를 따라 설치됨으로써 상기와 같은 문제점을 해결하고 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 하부 케이스의 전면부와 후면부 상의 공간에 각각 삽입되어 장착되는 센싱부들과 상기 센싱부들을 연결하는 도전부로 구성된 센싱 부재를 포함하고 있다. 상기 센싱 부재는 그것의 용도에 따라 전압 검출부재이거나 및/또는 온도 검출부재일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 각각의 전압 검출부재는 하부 케이스의 전면부과 후면부의 내부에 삽입되어 장착되고, 이들 전압 검출부재들은 후면부의 후미에 위치하는 BMS에 연결되어 있으며, 전면부의 검출부재들은 하부 케이스의 하단부에 장착되는 도전부를 경유하여 상기 BMS에 연결되는 구조일 수 있다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 센싱 부재는 전지셀 적층체의 전지셀들 또는 단위모듈들에 장착되는 써미스터로서, 상기 써미스터가 BMS에 연결되는 구조일 수 있다.

한편, 하부 케이스의 후면부에는 BMS가 일체형으로 조립될 수 있도록, 바람직하게는 BMS가 삽입될 수 있는 돌출형태의 BMS 장착부가 일체로 형성되어 있다. 상기 BMS 장착부에는 써미스터 커넥터와 통신 커넥터가 설치되는 구조일 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 다수의 전지모듈들을 사용하여 중대형 전지시스템을 구성하는 경우, 각각의 전지모듈에 장착된 상기 BMS를 '슬레이브 BMS'로 칭하기도 한다.

본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지며, 많은 수의 부재들을 사용하지 않고도 구조적으로 안정한 기계적 체결과 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 소정의 단위들, 예를 들어, 4개, 6개, 8개, 10개 등의 전지셀들로 전지모듈을 구성함으로써, 전지모듈을 필요한 수 만큼 한정된 공간내에 효과적으로 장착할 수 있다.

따라서, 본 발명은 또한 상기 전지모듈을 다수 개 연결하여 구성되는 고출력 대용량의 중대형 전지시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 중대형 전지시스템은 소망하는 출력 및 용량에 따라 전지모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등 모든 전 기를 사용하는 기기에 바람직하게 사용될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈을 구성하는 한 쌍의 셀 커버에 대한 사시도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 셀 커버(200)는 도 1에서와 같은 파우치형 전지셀 2 개를 내장하며 그것의 기계적 강성을 보완할 뿐만 아니라 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 2 개의 전지들은 그것의 일측 전극단자들이 직렬로 연결된 후 절곡되어 상호 밀착된 구조로 셀 커버(200) 내부에 장착된다.

셀 커버(200)는 상호 결합 방식의 한 쌍의 부재들(210, 220)로 구성되어 있으며, 고강도 금속 판재로 이루어져 있다. 셀 커버(200)의 좌우 양단에 인접한 외면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 단차(230)가 형성되어 있으며, 상단과 하단에도 역시 동일한 역할을 하는 단차(240)가 형성되어 있다. 또한, 셀 커버(200)의 상단과 하단에는 폭방향으로 고정부(250)가 형성되어 있어서, 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 한다.

셀 커버(200)의 외면에는 길이 방향으로 서로 이격되어 있는 다수의 선형 돌출부(260)가 형성되어 있으며, 가운데 형성되어 있는 돌출부(261)에는 써미스터(도시하지 않음)의 장착을 위한 만입부(262)가 형성되어 있다. 또한, 선형 돌출부 들(260) 중에서 상단과 하단의 돌출부에는 상호 반대되는 형상의 돌기(263, 264)가 각각 형성되어 있다.

도 3에는 다수의 단위모듈들로 구성된 전지셀 적층체(300)의 사시도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 전지셀 적층체(300)는 4 개의 단위모듈들(200, 201)로 이루고 있으며, 각 단위모듈(200) 당 2 개의 전지셀들(도시하지 않음)이 내장되어 있으므로, 전체적으로 8 개의 전지셀들이 포함되어 있다. 전지셀 상호간 및 단위모듈 상호간의 전극단자 결합은 직렬 방식이며, 이러한 전극단자 연결부(310)는 적층체의 구성을 위해 단면상으로 'ㄷ' 자 형태로 절곡되어 있고, 그 중 최외각에 있는 단위모듈들(200, 201)의 외측 전극단자(320, 321)는 다른 전극단자 연결부(310)보다 조금 돌출된 상태에서 안쪽을 향해 단면상으로 'ㄱ' 자 형태로 절곡되어 있다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 상하부 케이스와 전면 커버의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 상부 케이스(400)는 도 3에서와 같은 전지셀 적층체의 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조로 이루어져 있고, 전면부(410)에 한 쌍의 외부 입출력 단자(420)가 구비되어 있다.

하부 케이스(500)는 전지셀 적층체의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상부 케이스(400)에 결합되는 구조로 이루어져 있고, 전면부(510)에 전지셀 적층체의 전극단자를 외부 입출력 단자(420)에 연결하기 위한 한 쌍의 버스 바(520)가 구비되어 있다. 즉, 상하부 케이스들(400, 500)은 상호 조립한 상태에 서 전지셀 적층체(도시하지 않음)의 용이한 방열을 위해 전지셀 적층체의 외주면 만을 감싸고 그것의 외면이 상당 부분 외부로 노출되는 구조로 이루어져 있다.

버스 바(520)의 상단은 상하부 케이스들(400, 500)이 상호 결합될 때, 상부 케이스 전면부(410)의 외부 입출력 단자(420)가 도입될 수 있는 만입 홈의 형태로 이루어져 있다.

상부 케이스(400)와 하부 케이스(500)의 내면에는 전지셀 또는 단위모듈의 외주면이 삽입되기 위한 다수의 장착홈들(530)이 형성되어 있으며, 이들은 도 2에서와 같은 단위모듈의 외주면 단차가 결합될 수 있는 대응 구조로 이루어져 있다.

또한, 상부 케이스(400)와 하부 케이스(500)에는 냉매(주로 공기)의 유동을 위한 다수의 관통구들(430, 532)이 천공되어 있어서, 전지셀 적층체가 장착된 상태에서 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.

하부 케이스(500)의 전면부(510)에는 절연성 소재의 전면 커버(600)가 장착되어, 전지셀 전극단자와 버스 바의 접속부위를 외부로부터 보호한다.

외부 입출력 단자(420)에는 전면 커버(600)의 상단부를 고정하면서 전기적 연결을 위한 전력 케이블(도시하지 않음)의 장착을 돕는 도전성 부재(440)가 추가로 장착된다. 이해의 편의를 위해, 도면에서는 도전성 부재(440)가 외부 입출력 단자(420)로부터 분리되어 버스 바(520)의 앞쪽에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 도전성 부재(440)는 외부 입출력 단자(420)에 결합될 수 있도록 일측에 체결 삽입구가 형성되어 있고, 전력 케이블을 탄력으로 감쌀 수 있는 한 쌍의 절곡부를 포함하는 구조로 이루어져 있다.

전면 커버(600)에는 전력 케이블을 고정하기 위한 홈(610)이 형성되어 있어서, 전력 케이블의 일부에 결합되는 절연성 체결구(도시하지 않음)를 삽입하여 고정할 수 있다.

하부 케이스의 전면부(510)에는 전지셀 적층체의 최외각 전극 단자들(도시하지 않음)이 삽입될 수 있는 한 쌍의 슬릿(522)이 좌측과 우측에 형성되어 있고, 전지셀 적층체를 하부 케이스(500)에 장착할 때 슬릿(522)을 통해 최외각 전극단자가 노출되도록 한 후, 이를 절곡하여 전면부(510) 상에 밀착시킬 수 있다. 이러한 최외각 전극단자는 전면부(510)의 버스 바(520)와 더욱 용이하게 접속될 수 있다.

도 5 및 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 하부 케이스에 단위모듈들이 장착된 상태에서의 전면부와 후면부에 대한 부분 평면도들이 각각 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 하부 케이스 전면부(510)와 후면부(540)의 내면에는, 단위모듈들(200) 상호간의 전극단자 연결부(310)와, 단위모듈(200)에 내장되어 있는 전지셀들 상호간의 전극단자 연결부(270)가 삽입되어 장착되는 다수의 고정용 홈들(550)이 형성되어 있다. 이러한 고정용 홈들(550)은 대략 전극단자 연결부(310, 270)에 대응하는 형태로 형성되어 있어서, 전지셀 적층체(300)의 전면 및 후면방향으로의 유동을 방지하고 상호 인접한 전극단자 연결부와의 안정적인 절연상태를 유지시켜 준다. 구체적으로, 고정용 홈(550)에는, 단위모듈들(200)의 더욱 안정적인 고정과 절연상태를 제공할 수 있도록, 셀 커버 유동 방지용 턱(552), 셀 커버 고정용 가이드(554), 전극단자 격리용 벽(556) 등이 형성되어 있다.

또한, 하부 케이스(500)의 전면부 하단에는 외부 장치(도시하지 않음)에 고정할 수 있도록, 중앙에 관통구(562)가 형성되어 있고 하부 케이스(500)로부터 돌출된 형태의 체결부(560)가 형성되어 있다.

특히, 후면부 하단에 형성되어 있는 체결부(570)는 한 쌍의 돌출형 체결부로서, 일측 체결부(572)가 타측 체결부(574)의 두께에 해당하는 높이 만큼 높게 설치되어 있어서, 다수의 전지모듈들을 사용하여 중대형 전지시스템을 제조할 때, 전지모듈 상호간의 체결을 용이하게 하고, 더욱 콤팩트한 구조를 제공한다. 그에 관한 더욱 자세한 구조는 도 12에서 확인할 수 있다.

하부 케이스(500)의 후면부(540)의 후미에는 BMS(600)가 장착되어 있으며, 이러한 BMS(600)는 하부 케이스(500)에 일체로 형성되어 있는 BMS 장착부(580)에 삽입되어 장착된다. BMS 장착부(580)에는 써미스터 커넥터(582)와 통신 커넥터(584)가 설치되어 있다.

도 7 내지 도 10에는 본 발명의 중대형 전지모듈에 사용되는 전압 검출부재와 그것이 전지모듈에 장착되어 있는 형태의 사시도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전압 검출부재(700)는 전지모듈(800)에서 전지셀 또는 단위모듈 상호간의 전극단자 연결부(310)에 대응하는 부위의 하부에 위치하는 한 쌍의 지지부들(710, 712), 지지부들(710, 712)을 전기적으로 상호 연결하는 와이어 형태의 도전부(720), 일측 단부가 지지부(710, 712)에 결합된 상태로 상향 돌출되어 있고 전극단자 연결부(310)에 탄력적으로 접속되는 다수의 도전성 압축 스프링들(730), 후면 지지부(712) 상에 설치되어 있는 BMS(600), 및 커넥터(584)로 이루어져 있다.

이러한 전압 검출부재(700)는 하부 케이스(500)의 전면부(510)과 후면부(540) 및 하단부(590)에 삽입방식으로 장착되므로 조립이 용이하고 전체적으로 안정적인 구조의 전지모듈(800)이 완성될 수 있다.

도 11 및 도 12에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 일부 조립 상태의 사시도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈(800)은 상하부 케이스(400, 500)의 체결 방식으로 간단히 조립이 이루어질 수 있고, BMS(도시하지 않음)가 하부 케이스(500)의 후면부(540)의 후미에 일체로 형성되어 있는 BMS 장착부(580)에 삽입되어 내장됨으로써 전체적으로 콤팩트하면서 간소한 구조를 형성한다. 또한, 하부 케이스 후면부(540)의 하단에 형성되어 있는 높이 편차를 가진 한 쌍의 체결부들(572, 574)에 의해 상호 연결도 가능하다.

도 13에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지시스템의 조립 과정의 사시도가 도시되어 있다.

도 13을 참조하면, 중대형 전지시스템(900)은 도 12에서와 같은 전지모듈(800, 801) 다수 개들이 프레임(910) 상에 장착되어 있고, 이들이 전력 케이블(920: 부분적으로 도시함)에 의해 프레임(910)의 일측에 위치하는 전장 장치(930)에 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전장 장치(930)에는 각각의 전지모듈(800, 801)의 BMS(슬레이브 BMS: 도시하지 않음)에 연결되어 있을 제어하는 마스터 BMS가 포함하고 있고, 전지시스템(900) 의 과충전, 과방전, 과전류 등과 전력의 입력 및 출력을 제어하는 각종 전장 소자들을 포함하고 있다.

전지모듈들(800, 801)은 체결부(560)에 의한 체결과 양측의 측면 지지부재(940, 942)에 의해 프레임(910) 상에 안정적으로 고정될 수 있으므로, 외부로부터 충격이 인가되는 경우에도 구조적으로 안정하다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 전지셀의 낮은 강성을 보완하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 전지셀의 작동 상태를 확인할 수 있는 검출수단의 장착이 용이하며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업시 또는 작동시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 뿐만 아니라, 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량의 중대형 전지시스템을 용이하게 제조할 수 있다.

Claims (18)

1. (a) 직렬로 연결된 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 측면방향으로 세워져 있는 전지셀 적층체;

   (b) 상기 전지셀 적층체 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조로서, 전면부에 외부 입출력 단자가 구비되어 있는 구조의 상부 케이스;

   (c) 상기 전지셀 적층체의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상기 상부 케이스와 결합되는 구조로서, 전면부에 전지셀의 전극단자를 상기 외부 입출력 단자에 연결하기 위한 버스 바가 구비되어 있는 하부 케이스;

   (d) 하부 케이스의 전면부와 후면부 상의 공간에 각각 삽입되어 장착되는 센싱부들과 상기 센싱부들을 연결하는 도전부로 구성된 센싱 부재;

   (e) 상기 하부 케이스의 전면부 상에 장착되어 전지셀 전극단자와 버스 바의 접속부위를 외부로부터 보호하는 절연성 소재의 전면 커버; 및

   (f) 상기 하부 케이스의 후면부 상에 장착되며 센싱 부재와 연결되며,전지모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS (Battery management System)를 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체는 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들을 포함하고 있는 단위모듈 다수 개로 이루어져 있고; 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스의 내면에는 전지셀 또는 단위모듈의 외주면이 삽입되기 위한 다수의 장착홈들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 셀 커버의 상단과 하단에 인접한 외면에는 단위모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 소정 크기의 단차가 형성되어 있고, 상기 셀 커버의 좌우 양단에 인접한 외면에는 단위모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 소정 크기의 단차가 형성되어 있으며, 상기 상하부 케이스의 내면 장착홈은 상기 단차에 대응하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
5. 제 2 항에 있어서, 하부 케이스 전면부와 후면부의 내면에는, 상기 전극단자 연결부가 삽입되어 장착되는 고정용 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
6. 제 2 항에 있어서, 하부 케이스 전면부에는 상기 전지셀 적층체의 최외각 전 극 단자들이 삽입될 수 있는 한 쌍의 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 최외각 전극단자는 상기 슬릿에 삽입된 후 절곡되어 전면부의 버스 바에 접속되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 버스 바의 상단은, 상하부 케이스들이 상호 결합될 때, 상부 케이스 전면부의 외부 입출력 단자가 도입될 수 있는 만입 홈의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 입출력 단자의 적어도 하나에는 전면 커버의 상단부를 고정하면서 전기적 연결을 위한 전력 케이블의 장착을 돕는 도전성 부재가 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 커버는 하부 케이스에 대해 조립 체결방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 커버에는 전력 케이블을 고정하기 위한 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 케이스의 전면부 및/또는 후면부의 하단에는 외부 장치에 고정할 수 있도록, 중앙에 관통구가 형성되어 있고 하부 케이스로부터 돌출된 형태의 체결부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 전면부 또는 후면부 하단의 체결부는 한 쌍의 돌출형 체결부로서, 일측 체결부가 타측 체결부의 두께에 해당하는 높이 만큼 높게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 케이스의 후면부에는 상기 BMS가 삽입될 수 있는 돌출형태의 BMS 장착부가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체의 전지셀 또는 단위모듈에는 써미스터가 설치되고, 상기 써미스터는 BMS에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 BMS 장착부에는 써미스터 커넥터와 통신 커넥터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위체로 사용하여 제조되는 고출력 대용량의 중대형 전지시스템.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 시스템은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지시스템.

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