KR20090010393A - 중대형 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지모듈 다수 개가 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있는 구조의 모듈 어셈블리, 상기 모듈 어셈블리에서 최외측 전지모듈들의 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들, 상기 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들, 및 상기 모듈 어셈블리의 상단방향에서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결부재를 포함하는 것으로 구성되어 있는 중대형 전지팩을 제공한다.

Description

중대형 전지팩 {Middle or Large-sized Battery Pack}

본 발명은 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지모듈 다수 개가 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있는 구조의 모듈 어셈블리, 상기 모듈 어셈블리에서 최외측 전지모듈들의 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들, 상기 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들, 및 상기 모듈 어셈블리의 상단방향에서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결부재를 포함하는 것으로 구성되어 있는 중대형 전지팩에 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 전지셀 또는 전지모듈을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용되고 있다.

중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 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 1을 참조하면, 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 양 측면(142)과 상단부 및 하단부(141, 143)를 부착시킴으로써 전지(100)가 만들어진다. 외장부재(140)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양 측면(142)과 상단부 및 하단부(141, 143)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양 측면(142)은 상하 외장부재(140)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(141) 와 하단부(143)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 구조의 전지모듈을 제조하기 위해서는 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, 전지팩은 다수의 전지셀들이 조합된 구조체이므로 일부 전지셀들이 과전압, 과전류, 과발열 되는 경우에는 전지팩의 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 전지팩의 조립과정을 매우 번잡하게 하고 이를 위한 다수의 배선으로 인해 단락의 위험성도 존재한다.

이와는 별도로, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지팩을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 그것들을 조립하는 과정이 매우 복잡해진다.

이와 관련하여, 일부 선행기술은 조립 과정을 더욱 간소화시킨 콤팩트한 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.

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 앞서 설명한 바와 같은 측면에서 바람직하지 않으며, 따라서, 부재들의 수를 절감하여 보다 콤팩트하고 구조적 안정성이 우수한 중대형 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 적은 수의 부재를 이용하여 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착할 수 있는 콤팩트한 최적의 배치구조를 가지며, 조립이 용이하고, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수한 전지팩을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮출 수 있는 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지팩은,

(a) 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지모듈 다수 개가 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있는 구조의 모듈 어셈블리;

(b) 상기 모듈 어셈블리에서 최외측 전지모듈들의 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들;

(c) 상기 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들; 및

(d) 상기 모듈 어셈블리의 상단방향에서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결부재;

를 포함하는 것으로 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 종 방향 및/또는 횡 방향으로 전지셀 또는 전지모듈 다수 개가 적층되어 모듈 어셈블리를 이루고 있고, 이러한 모듈 어셈블리의 양 측면을 측면 지지부재들로 감싸고, 측면 지지부재들에 연결되어 있는 하단 지지부재들 및 상단 연결부재에 의해 고정하는 구조로 이루어져 있어서, 전체적으로 조립 과정이 간소하며, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가진다.

특히, 상기 하단 지지부재들은 모듈 어셈블리의 양측면을 감싸고 있는 측면 지지부재들을 상호 연결하는 역할을 수행함과 동시에 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 지지하는 역할을 한다. 즉, 한 개의 부재가 두 가지 역할을 동시에 수행함으로써, 전지팩을 제조하는 데 소요되는 부품 수와 전지팩의 제조 공정수를 줄일 수 있으므로, 궁극적으로 중대형 전지팩의 제조 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한, 모듈 어셈블리의 저면 전체를 지지하지 않고도 효과적으로 중대형 전지팩의 구조를 형성할 수 있으므로, 중량을 크게 줄일 수 있다.

상기 측면 지지부재는, 바람직하게는, 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 판상 본체와, 모듈 어셈블리의 양측 하단을 지지하는 하단 프레임으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 판상 본체에는 뒤틀림, 진동 등과 같은 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 비드가 형성될 수 있다. 상기 비드는 외력에 대해 구조적 안정성을 제공할 수 있는 형상이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 일 예로 폭 대비 길이가 큰 요철 형상의 구조로 이루어져 있고, 이러한 비 드들은 상호 평행한 배열 구조로 형성될 수 있다.

상기 판상 본체에 연결되어 있는 하단 프레임은 모듈 어셈블리의 양측 하단을 지지함으로써 모듈 어셈블리를 고정시키는 바, 이러한 장착 구조는 모듈 어셈블리의 하단부에 소정의 이격 공간을 제공하며, 전지모듈의 냉각을 위한 냉매의 유입 또는 배출 유로로 사용될 수 있다.

상기 하단 지지부재는 모듈 어셈블리의 전면 또는 후면의 하부와 하단을 동시에 감쌀 수 있도록, 바람직하게는, 수직단면상으로 'L'자형인 프레임 본체와, 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부에 각각 형성되어 있는 결합부로 이루어져 있어서, 모듈 어셈블리가 정위치로부터 전지모듈 적층방향에 대해 수직인 전후 방향으로 이탈하는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

구체적인 예에서, 하단 지지부재를 구성하는 'L'자형 프레임 본체는 모듈 어셈블리의 전면 하부와 그것에 인접하는 하단 및 후면 하부와 그것에 인접하는 하단에 각각 밀착되고, 프레임 본체의 양측 단부에 형성되어 있는 결합부에 볼트, 리벳 등과 같은 체결부재를 사용하여 측면 지지부재에 결합시켜, 모듈 어셈블리를 정위치에 보다 견고하게 고정시킬 수 있다.

하나의 바람직한 예로서, 하단 지지부재의 양측 결합부는 측면 지지부재의 하단 프레임의 상단면 상에 위치할 수 있다. 즉, 상기 하단 지지부재와 측면 지지부재의 결합부는 하단 지지부재가 측면 지지부재의 하단 프레임의 상단면 상에 위치시켜 상호간에 결합되는 구조로 이루어질 수 있다. 하단 지지부재는 'L'자형 프레임 본체 구조에 의해 바닥면과 소정의 간격으로 이격된 위치에서 모듈 어셈블리 의 하단 모서리를 감쌀 수 있다. 이러한 하단 지지부재 하부에 형성된 이격 공간은 앞서, 설명한 바와 같이, 모듈 어셈블리의 냉각을 위한 냉매의 유동 공간으로 사용될 수 있다.

한편, 전지셀이 고온의 환경에 노출되거나 오작동 등에 의하여 내부 단락이 일어나게 되면, 양극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고 그로 인해 가스가 다량 발생하여 결국 내압의 증가로 전지셀 케이스가 파열될 수 있다. 이를 제어하기 위해 파우치형 전지에서는 일반적으로 가스의 배출을 특정한 방향으로 유도할 수 있도록 상대적으로 밀봉이 취약한 부분을 형성하여 셀 케이스 내부의 압력이 기준치 이상일 때 밀봉이 취약한 부분의 밀봉이 해제되면서 이 부분으로 내부 가스를 셀 케이스 외부로 배출하는 구조로 이루어져 있다.

또한, 일반적으로 이러한 내부 가스는 일산화탄소 등과 같은 인체에 해로운 유독 성분을 포함하고 있으므로, 전지모듈 또는 모듈 어셈블리를 냉각시키는 냉매와는 별도의 통로를 이용하여 외부로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 하나의 바람직한 예에서, 모듈 어셈블리의 전면과 후면에 각각 밀봉 상태로 장착되며, 전지모듈에서 발생한 내부 가스를 포집하여 소정의 부위로 유도 배출하는 벤팅부재를 추가로 포함하고 있어서, 앞에서 언급한 바와 같은 전지셀의 오작동, 외부 환경의 변화 등과 같은 이상 발생시 생성되는 내부 가스를 포집하여 전지팩 외부의 소망하는 부위로 배출시킬 수 있다.

이 경우, 상기 벤팅부재는 모듈 어셈블리의 전면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 전면 포집부, 후면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 후면 포집부, 상기 전면 포집부와 후면 포집부를 연통시키는 상부 덕트, 및 상기 전면 포집부, 후면 포집부 또는 상부 덕트에 연통되어 있는 배출부를 포함할 수 있다.

구체적으로는, 전면 포집부와 후면 포집부에서 각각 포집된 전지모듈의 내부가스는 벤팅부재의 상부 덕트를 따라 배출부가 인접한 포집부(e.g., 전면 포집부)로 모이게 되고, 배출부를 통과하여 소정의 부위로 배출된다. 따라서, 전지셀 또는 전지모듈에서 배출된 내부가스를 냉매와 분리하여 소정의 부위로 배출할 수 있으므로, 전지팩이 사용되는 환경에서 유해 가스로 인한 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 다수의 전지셀로 구성되는 전지모듈 또는 전지팩에서는 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. 따라서 상기 모듈 어셈블리의 후면에 장착되며, 각 전지모듈로부터 전압, 전류 및 온도로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 작동 정보를 수신하여 처리하는 제어부재가 추가로 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 중대형 전지팩의 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지이면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 니켈-수소 이차전지 또는 리튬 이차전지일 수 있다.

상기 '니켈-수소 이차전지'는 양극에 니켈, 음극에 수소흡장합금, 전해질로 알칼리 수용액을 사용한 이차전지로서 단위부피당 에너지 밀도가 니켈-카드뮴 전지의 2배에 가까우며, 니켈-카드뮴전지보다 고용량화가 가능하고 과방전 및 과충전에 잘 견딜 수 있으며, 단위부피당 용량이 크므로, 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 에너지원으로 바람직하게 사용될 수 있다.

또한, 상기 '리튬 이차전지'는 양극 활물질로 LiCoO₂ 등의 리튬 전이금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 다공성 고분자 분리막을 위치시키고, LiPF₆ 등의 리튬염을 함유한 비수성 전해액을 부가한 구조로 이루어진 이차전지이다. 충전시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입이 되고, 방전시에는 반대로 탄소층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입이 되며, 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온이 이동하는 매질의 역할을 하며, 에너지 밀도와 작동 전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하기 때문에, 다양한 전자제품, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차의 에너지원으로 바람직할 수 있다.

상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록, 바람직하게는, 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지일 수 있다. 하나의 바람직한 예로는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양 단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.

상기 단위모듈은 다수의 전지셀들이 전기적으로 연결된 소단위의 전지모듈로 서, 예를 들어, 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 모듈 케이스를 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 이러한 전지모듈의 구체적인 예로는, 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-0045444호를 들 수 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

상기 전지모듈은 하나 또는 둘 이상의 단위모듈을 순차적으로 적층하여 모듈 케이스에 장착한 구조로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성될 수 있도록, 다수의 단위모듈들이 수직으로 적층되어 있고, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 상기 냉매 유로에 대응하는 위치에 관통구들이 천공되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 상단면 또는 하단면의 관통구로부터 유입된 냉매가 단위모듈들 사이에 형성된 수직의 냉매 유로를 따라서 모듈 케이스의 하단면 또는 상단면의 관통구로 배출되는 구조를 가진다.

또한, 상기 전지모듈에서 전면 상단부, 상단면 전방부, 및 후면 상단부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 부위에는 전지셀로부터 발생하는 가스의 배출을 위한 가스 배기구들이 천공되어 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 전지셀 또는 단위모듈의 벤트 부위와 연통된 구조의 가스 배기구들에 의해 일정한 방향으로 가스의 배출을 유도할 수 있다.

상기 모듈 어셈블리는 바람직하게는 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 전지셀들 또는 이를 포함하고 있는 단위모듈 다수 개로 이루어져 있다. 이러한 모듈 어셈블리는 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, 모듈 어셈블리는 전지셀 또는 단위모듈의 전극단자가 전지모듈의 전면과 후면방향을 향하면서 일측 외주면이 지면을 향하도록 세워져 있는 구조를 이룬다.

본 발명에 따른 전지팩은 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, 12개 등의 전지모듈로 전지팩을 구성함으로써, 전지모듈을 필요한 수만큼 한정된 공간 내에 효과적으로 장착할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전지팩은 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 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

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 2에는 단위모듈의 구성을 위해 도 1의 전지셀 2 개가 장착될 단위모듈이 사시도로서 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 셀 커버(200)는 도 1에서와 같은 파우치형 전지셀(도시하지 않음) 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. 자세한 내용은 앞서 설명한 한국 특허출원 제2006-0045444호의 내용을 참조할 수 있다.

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 돌출부들(260) 중에서 상단과 하단의 돌출부에는 상호 반대되는 형상의 돌기(263, 264)가 각각 형성되어 있다.

도 3에는 다수의 단위모듈들이 연결된 단위모듈 적층체의 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 단위모듈 적층체가 전지모듈 케이스에 장착된 구조가 도시되어 있다.

우선 도 3을 참조하면, 단위모듈 적층체(300)는 4 개의 단위모듈들(200, 201, 202, 203)로 이루어지고, 각 단위모듈(200) 당 2 개의 전지셀들(도시하지 않음)이 내장되어 있으므로, 전체적으로 총 8 개의 전지셀들이 포함되어 있다.

이러한 구조에서, 전지셀 상호간 및 단위모듈 상호간의 전극단자 결합은 직렬 방식이며, 이러한 전극단자 연결부(310)는 모듈 어셈블리의 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 4를 참조하면, 전지모듈(400)은 상부 케이스(410) 및 하부 케이스(420)로 구성된 모듈 케이스에 단위모듈 적층체(도 3: 300)를 장착한 구조로 이루어져 있다. 상부 케이스(410)는 도 3에서와 같은 단위모듈 적층체(300)의 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조로 이루어져 있으며, 그것의 상면에는 다수의 냉매 유입구(412)가 형성되어 있다. 하부 케이스(420)는 전지모듈 적층체(300)의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상부 케이스(410)에 결합되는 구조로 이루어져 있고, 전면부에 단위모듈 적층체(300)의 전극단자와 연결된 외부 입출력 단자(422)가 위치하는 구조로 이루어져 있다.

즉, 상하부 케이스들(410, 420)은 상호 조립된 상태에서 내장되어 있는 단위 모듈 적층체(300)의 용이한 방열을 위해 적층체(300)의 외주면 만을 감싸고 그것의 외면이 상당 부분 외부로 노출되는 구조로 이루어져 있다. 또한 전지셀의 오작동 등으로 벤트 부위를 통해 가스가 배출될 때 모듈 케이스의 전면 상단부, 상단면 전방부, 및 후면 상단부에 형성된 가스 배출구(424)를 통하여 전지모듈(400) 외부로 가스가 배출되는 구조로 이루어져 있다.

도 5 및 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 사시도와 그것의 분해사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 중대형 전지팩(500)은, 다수의 전지모듈들(도 4: 400)이 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있는 구조의 모듈 어셈블리(450)와, 모듈 어셈블리(450)의 양 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들(510), 모듈 어셈블리(450)의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들(510)과 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들(520), 및 모듈 어셈블리(450)의 상단방향에서 측면 지지부재들에 연결되어 있는 3 개의 상단 연결부재들(530)로 이루어져 있고, 측면 지지부재들(510), 하단 지지부재들(520) 및 상단 연결부재들(530)에 의해 모듈 어셈블리(450)가 고정되는 구조로 이루어져 있다.

측면 지지부재(510)는 판상 본체(512)와 하단 프레임(514)으로 이루어지고, 판상 본체(512)는 모듈 어셈블리(450)의 측면에 밀착되며, 하단 프레임(514)은 모듈 어셈블리(450)의 양측 하단을 지지한다.

판상본체(512)에는 뒤틀림, 진동 등과 같은 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 비드(513)가 형성되어 있다. 이러한 비드(513) 는 폭 대비 길이가 큰 요철 형상의 구조로 이루어져 있고, 상호 평행한 배열 구조로 형성되어 있다. 또한, 측면 지지부재(510)의 판상 본체(512)와 연결되어 있는 하단 프레임(514)은 모듈 어셈블리(450)의 양측 하단을 지지함으로써 모듈 어셈블리(450)를 견고하게 고정시킨다.

하단 지지부재(520)는 수직 단면상으로 'L'자 형의 형상을 가지고, 모듈 어셈블리(450)의 전면 또는 후면의 하부와 그에 인접한 하단을 동시에 감싸며 고정시키는 구조로 이루어져 있다. 또한, 하단 지지부재(520)의 양 단부에는, 측면 지지부재(510)의 내면과 밀착되도록 90 도로 절곡되어 있고 그 중앙에 체결용 관통구가 천공되어 있는 결합부(522)가 형성되어 있다. 결합부(522)는 판상 본체(512)의 양측 하단부에 위치한 체결공(516)에 연통되도록 위치한 상태에서 볼트/너트를 이용하여 결합된다. 이러한 결합부(522)는 측면 지지부재(510)의 하단 프레임(514)의 상단면 상에 위치하므로, 하단 프레임(514)의 상단면과 바닥면 사이에 형성된 높이(s)만큼 모듈 어셈블리(450)가 바닥으로부터 이격되고, 이러한 이격된 공간은 냉매가 흐르는 유로로 사용된다.

각각의 지지부재들(510, 520, 530)에 의해 위치가 고정된 모듈 어셈블리(450)상에는 전지셀의 이상 발생시 발생한 내부 가스를 포집하여 소정의 부위로 유도 배출하는 벤팅부재(540)가 장착되어 있다. 벤팅부재(540)는 모듈 어셈블리(450)의 전면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구들(도 4: 424) 상에 장착되는 전면 포집부(544), 후면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구(도 4: 424) 상에 장착되는 후면 포집부(546), 전면 포집부(544)와 후면 포집부(546)를 상호 연통시키는 상 부 덕트(548), 및 상기 전면 포집부(544), 후면 포집부(546) 또는 상부 덕트(548)에 연통되어 있는 배출부(542)로 이루어져 있다.

전면 포집부(544) 또는 후면 포집부(546)를 통하여 포집된 가스는 벤팅부재(540)의 상부 덕트(548)를 따라 배출부(542)로 배출된다. 따라서, 이상 발생시 전지셀에서 발생한 내부가스를 안전하게 전지팩의 외부 등과 같은 소망하는 부위로 배출할 수 있다.

모듈 어셈블리(450)의 후면에는 전지모듈(400)로부터 돌출된 검출단자(도시하지 않음)와 연결되어 각 전지모듈(400)로부터 전압, 전류 및 온도 등의 작동 정보를 수신하여 처리하는 제어부재(550)가 장착되어 있다.

측면 지지부재(510), 하단 지지부재(520) 및 상단 연결부재(530)의 더욱 자세한 구조는 도 7 내지 9에서 확인할 수 있다.

구체적으로 도 7에는 도 5의 중대형 전지팩에서 측면 지지부재(510)와 하단 지지부재(520)의 결합 관계를 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7에서 상단 연결부재(530)가 추가적으로 결합된 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있으며, 도 9에는 도 7에서 A 부위를 확대한 부분 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 측면 지지부재(510)에서 판상 본체들(512)은 절곡된 하단부가 각각의 하단 프레임(514)과 결합되어 있다. 이러한 하단 지지부재들(520)은 그것의 양 단부측 하면이 측면 지지부재(510)의 하단 프레임들(514)의 전단부 및 후단부의 상면에 각각 탑재된 상태에서, 양측 단부가 판상 본체들(512)의 하단 모서리들에 각각 결합되어 있다.

구체적으로, 도 9에서 보는 바와 같이, 하단 지지부재(520)의 양 단부에 위치한 결합부(522)는 대략 90도로 절곡된 상태에서 삼각형의 보강 구조로 이루어져 있으며, 측면 지지부재(510)의 판상 본체(512)에 결합되어 있다. 이러한 결합부(522)는, 하단 지지부재(520)의 양측 단부가 측면 지지부재(510)의 하단 프레임들(514) 상에 탑재된 상태에서, 측면 지지부재(510)의 판상 본체(512)에 결합되어 있으므로, 하단 지지부재(520)는 전지팩이 장착되는 부위에서 바닥면으로부터 하단 프레임(514)의 높이 만큼 이격되어, 냉매의 유로를 제공하게 된다.

또한, 도 8에서 보는 바와 같이, 양측 단부가 절곡되어 있는 구조의 상단 연결부재들(530)은 측면 지지부재(510)의 판상 본체(512)의 상단부에 각각 결합되어 있다. 3 개의 상단 연결부재들(530)은 소정의 간격을 유지하면서, 상기와 같이 판상 본체(512)에 결합되어 있으므로, 진동 등과 같은 외력에 견딜 수 있는 안정적인 프레임 구조를 형성하게 된다.

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 전지팩은 전지셀의 낮은 강성을 보완하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 전지셀의 작동 상태를 확인할 수 있는 제어부재의 장착이 용이하며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위 해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업 시 또는 작동 시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 뿐만 아니라, 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량의 중대형 전지팩을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 사시도이다;

도 2는 단위모듈의 구성을 위해 도 1의 전지셀이 장착될 셀 커버의 사시도이다;

도 3은 다수의 단위모듈들이 연결된 단위모듈 적층체의 사시도이다;

도 4는 도 3의 단위모듈 적층체가 전지모듈 케이스에 장착된 구조를 나타내는 모식도이다;

도 5 및 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 사시도와 그것의 분해 사시도이다;

도 7은 도 5의 중대형 전지팩에서 측면 지지부재와 하단지지부재의 결합 관계를 나타내는 모식도이다;

도 8은 도 7에서 상단 연결부재가 추가적으로 결합된 구조를 나타내는 모식도이다;

도 9는 도 7에서 A 부위를 확대한 부분 모식도이다.

Claims (15)

1. (a) 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지모듈 다수 개가 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있는 구조의 모듈 어셈블리;

   (b) 상기 모듈 어셈블리에서 최외측 전지모듈들의 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들;

   (c) 상기 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들; 및

   (d) 상기 모듈 어셈블리의 상단방향에서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결부재;

   를 포함하고 있는 중대형 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 지지부재는 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 판상 본체와, 모듈 어셈블리의 양측 하단을 지지하는 하단 프레임으로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 판상 본체에는 외력에 대한 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 요철 형상의 비드들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 지지부재는 모듈 어셈블리의 전면 또는 후면의 하부와 하단을 동시에 감쌀 수 있도록 수직단면상으로 'L'자형인 프레임 본체와, 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부에 각각 형성되어 있는 결합부로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 하단 지지부재의 양측 결합부는 측면 지지부재의 하단 프레임의 상단면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 어셈블리의 전면과 후면에 각각 밀봉 상태로 장착되며, 전지모듈에서 발생한 내부 가스를 포집하여 소정의 부위로 유도 배출하는 벤팅부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 벤팅부재는 모듈 어셈블리의 전면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 전면 포집부, 후면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 후면 포집부, 상기 전면 포집부와 후면 포집부를 연통시키는 상부 덕트, 및 상기 전면 포집부, 후면 포집부 또는 상부 덕트에 연통되어 있는 배출부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 어셈블리의 후면에 장착되며, 각 전지모듈로부 터 전압, 전류 및 온도로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 작동 정보를 수신하여 처리하는 제어부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 니켈-수소 이차전지 또는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
11. 제 1 항에 있어서, 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 모듈 케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 하나 또는 둘 이상의 단위모듈을 순차적으로 적층하여 모듈 케이스에 장착한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지모듈은 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성되어 있도록, 다수의 단위모듈들이 수직으로 적층되어 있고, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 관통구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 전지모듈의 전면 상단부, 상단면 전방부, 및 후면 상단부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 부위에는 전지셀로부터 발생하는 가스의 배출을 위한 가스 배기구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.

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