KR20110080928A - 안정적인 장착 구조의 전지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 포함하고 있는 구조의 중대형 전지모듈로서, 상기 단위모듈들은 베이스 플레이트(base plate)에 탑재된 상태에서 디바이스의 소정 부위("전지모듈 장착부위")에 장착되며, 상기 베이스 플레이트는 단위모듈들이 탑재되는 상면부, 상기 상면부의 외주면을 따라 하향 절곡된 구조의 측면부, 및 베이스 플레이트를 전지모듈 장착부위에 고정하기 위해 상기 측면부로부터 돌출된 둘 이상의 체결부들을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 체결부들 중 적어도 하나의 체결부에는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킬 수 있도록, 체결부의 상면과 그에 대응하는 베이스 플레이트의 측면부 및 상면부를 감싸는 패치 플레이트(patch plate)가 추가로 장착되어 있는 전지모듈을 제공한다.

Description

안정적인 장착 구조의 전지모듈 {Battery Module of Stable Mounting Structure}

본 발명은 안정적인 장착 구조의 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 포함하고 있는 구조의 중대형 전지모듈로서, 단위모듈들은 베이스 플레이트(base plate)에 탑재된 상태에서 디바이스의 소정 부위("전지모듈 장착부위")에 장착되며, 베이스 플레이트는 상면부, 측면부, 및 체결부들을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 체결부들 중 적어도 하나의 체결부에는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킬 수 있도록, 체결부의 상면과 그에 대응하는 베이스 플레이트의 측면부 및 상면부를 감싸는 패치 플레이트(patch plate)가 추가로 장착되어 있는 전지모듈에 관한 것이다.

가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 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 금속수소(Ni-MH) 전지가 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지 등의 사용도 시도되고 있다.

이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬로 연결하거나, 경우에 따라서는 직렬 및 병렬로 연결하여 전지모듈을 형성하고 있다.

일반적으로 이러한 전지모듈은 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 보호하기 위한 구조물로서 대상 차량의 종류나 차량의 장착 위치에 따라 다양한 형태를 가지고 있다. 이 중 대용량의 단위모듈들을 효과적으로 고정하는 구조가 베이스 플레이트, 서포팅 바, 및 엔드 플레이트에 기반한 구조이다. 이러한 구조는 베이스 플레이트가 차량과 체결 위치를 가지고 있으므로, 전지모듈 전체의 안정성이 우수한 장점이 있으나, 베이스 플레이트의 체결 위치가 충분하지 않은 경우 상하 방향의 진동에 대해 변형이 크게 발생하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 베이스 플레이트의 두께를 크게 하는 하는 방안을 고려할 수 있으나, 이러한 방안은 비용과 중량이 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 상기의 문제점을 해결하는 방안으로서, 베이스 플레이트의 두께를 크게 하지 않도록, 체결부위에만 패치 플레이트를 추가로 장착하는 구조가 사용된다. 이러한 구조를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 패치 플레이트(60)는 베이스 플레이트(20)의 측면부(24)와 체결부(22) 상에 용접에 의해 장착되어 있고, 용접점들(62, 64)은 패치 플레이트(60)의 상면(68)과 측면(66)에 각각 위치하고 있다.

그러나, 본 출원의 발명자들이 실험을 통해 확인한 바로는, 이러한 구조는 상하 방향의 진동 하중 발생시 패치 플레이트(60)의 측면이 굽힘에 대한 저항을 가지게 되고 하중들도 측면의 용접점(62)을 통해 이동하므로, 패치 플레이트(60)의 측면(66)에 좌굴이 발생하여 충분한 강성 보강이 달성되지 않고 측면 용접점(62)에는 전단 하중이 걸리게 되어 용접점(62) 및 용접점(62)의 주변 부위들은 전단 하중에 취약한 문제점이 있다.

참고로, 좌굴은 기둥의 길이가 그 횡단면의 치수에 비해 클 때, 기둥의 양단에 압축 하중이 가해졌을 경우, 하중이 어느 크기에 이르면 기둥이 갑자기 휘는 현상을 의미하며, 여기서 전단 하중은 물체의 단면에 반대 방향인 한 쌍의 힘을 평행하게 작용시켜 물체를 절단시키는 하중을 의미한다.

또한, 전지모듈이 차량의 트렁크 내부에 장착되는 경우, 차량의 레이아웃 상 베이스 플레이트의 일부가 스페어 타이어가 위치한 부위의 상부에 장착되기 때문에, 비대칭적인 장착구조를 가지게 된다. 이 때, 노면으로부터의 진동이 심한 경우, 전지모듈은 비틀림 하중을 받게 되고 이러한 비틀림 하중이 베이스 플레이트의 체결부 및 베이스 플레이트의 각 절곡부들에 응력이 집중되어 파손을 일으킬 가능성이 매우 크다.

따라서, 중대형 전지모듈에서 단위모듈들의 적층 구조를 안정적으로 유지하고, 베이스 플레이트의 체결 위치가 비대칭으로 존재하여 상하 방향의 진동이 일측으로 더욱 심하게 인가되더라도 구조적 안정성을 확보할 수 있는 새로운 구조의 전지모듈에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.

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

본 발명의 목적은 베이스 플레이트와 전지모듈 장착부위의 체결부에 특정 구조의 패치 플레이트를 장착함으로써, 체결부의 파손을 최소화할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 차량의 일부 형태를 이용하여 전지모듈의 일부 구조를 형성함으로써 차량에 안정적으로 장착되고, 차량 내부에서 차지하는 부피를 최소화할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,

이차전지들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 포함하고 있는 구조의 중대형 전지모듈로서,

상기 단위모듈들은 베이스 플레이트(base plate)에 탑재된 상태에서 디바이스의 소정 부위("전지모듈 장착부위")에 장착되며,

상기 베이스 플레이트는 단위모듈들이 탑재되는 상면부, 상기 상면부의 외주면을 따라 하향 절곡된 구조의 측면부, 및 베이스 플레이트를 전지모듈 장착부위에 고정하기 위해 상기 측면부로부터 돌출된 둘 이상의 체결부들을 포함하는 구조로 이루어져 있고,

상기 체결부들 중 적어도 하나의 체결부에는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킬 수 있도록, 체결부의 상면과 그에 대응하는 베이스 플레이트의 측면부 및 상면부를 감싸는 패치 플레이트(patch plate)가 추가로 장착되어 있는 구조로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은, 패치 플레이트가 체결부의 상면과 그에 대응하는 베이스 플레이트의 측면부 및 상면부를 감싸고 있으므로, 전지모듈에 인가되는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기와 같이 패치 플레이트를 베이스 플레이트의 체결부 뿐만 아니라 상면부까지 감싸는 이중 절곡 구조는 베이스 플레이트의 두께를 크게 하지 않으면서 체결부의 변형을 방지함과 동시에 기계적 강성을 보완할 수 있으므로, 비용 및 중량 증가를 최소화할 수 있다.

본 발명에서의 상기 단위모듈은 이차전지 자체이거나 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 소형 모듈일 수 있다. 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 단위모듈의 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-12303호의 모듈을 들 수 있다. 상기 출원에서의 단위모듈은 두 개의 이차전지들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 입출력 단자가 형성되어 있는 프레임 부재에 장착된 구조로 이루어져 있다.

단위모듈의 또 다른 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-20772호와 제2006-45444호의 모듈들을 들 수 있다. 이들 출원들에서의 단위모듈은 두 개의 이차전지들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 그것의 외면을 한 쌍의 고강도 셀 커버로 감싼 구조로 이루어져 있다.

상기 출원들은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다. 그러나, 본 발명의 전지모듈에서 단위모듈의 구조가 상기 출원들의 예로 한정되는 것이 아님은 물론이다.

상기 단위모듈들은 수직으로 세워진 상태로 베이스 플레이트 상에 탑재되어 있고, 상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 최외각 단위모듈들의 외면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트(end plate), 및 상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 양측 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바(supporting bar)로 구성되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 베이스 플레이트에 적층되어 있는 단위모듈들을 엔드 플레이트로 밀착시켜 주고, 상기 엔드 플레이트를 서포팅 바로 다시 고정시켜 주므로, 단위모듈의 두께 방향으로의 이동 및 스웰링 현상을 방지하여 전지모듈의 안전성을 향상시키고 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 패치 플레이트는, 예를 들어, 베이스 플레이트의 상면부 상에 장착되는 제 1 장착부, 베이스 플레이트의 측면부 상에 장착되는 제 2 장착부, 및 베이스 플레이트의 체결부 상에 장착되는 제 3 장착부를 형성하는 절곡된 판상형 플레이트로 이루어질 수 있다.

상기 구조의 바람직한 하나의 예로서, 베이스 플레이트의 체결부에는 체결구가 천공되어 있고, 상기 제 3 장착부에는 상기 체결구에 연통되는 관통구가 형성되어 있어서, 볼트와 같은 삽입부재를 베이스 플레이트의 체결구와 패치 플레이트의 관통구에 연속적으로 삽입하여 전지모듈을 소망하는 디바이스의 전지모듈 장착부위에 용이하게 장착할 수 있다.

상기 패치 플레이트와 베이스 플레이트의 결합 방법은 상호간의 결합을 견고하고 용이하게 달성할 수 있는 방법이면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 패치 플레이트가 용접에 의해 베이스 플레이트에 장착됨으로써 상호간의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 용접이 제 1 장착부와 베이스 플레이트의 상면부 및 제 3 장착부와 베이스 플레이트의 체결부 사이에 행해질 수 있다.

따라서, 패치 플레이트의 1 장착부와 제 3 장착부 상부에만 용접점들이 위치하고 있으므로, 패치 플레이트의 제 2 장착부에 좌굴이 발생하지 않는다.

또한, 하중이 용접 방향과 평행하게 작용하므로 전단 하중이 발생하지 않고, 그 결과 패치 플레이트의 제 2 장착부가 굽힘 강성을 보강하는 역할을 충실히 수행하여 용접점 주위에 파손이 일어날 가능성을 미연에 방지할 수 있다.

더욱이, 용접점이 패치 플레이트의 상면인 제 1 장착부에 위치하도록 하는 것이 바람직하고, 측면인 제 2 장착부에 용접점이 위치하는 경우, 전단에 의한 크랙이 발생하므로 바람직하지 않다.

한편, 상기 체결부들은 베이스 플레이트 중 서로 대면하는 장변의 측면부들에 형성되어 있어서, 체결부들이 베이스 플레이트 중 서로 대면하는 단변의 측면부들에 형성되어 있는 구조와 비교할 때, 디바이스의 전지모듈 장착부위와 더욱 안정적으로 결합될 수 있다.

상기 구조의 바람직한 예로서, 장변의 측면부들 중에서, 하나의 측면부에는 양측 모서리 인접 부위에만 체결부가 형성되어 있고, 상기 체결부에 패치 플레이트가 장착되어 있는 구조일 수 있다.

구체적인 하나의 예로서, 차량의 트렁크에 전지모듈이 장착되는 경우, 차량의 레이아웃 상 베이스 플레이트의 일부분에 스페어 타이어 또는 휠 하우징이 위치하기 때문에, 베이스 플레이트의 장변의 측면부들은 서로 비대칭적인 체결 위치를 가지게 된다.

따라서, 장변의 측면부들 중 비대칭적인 체결위치를 가지는 스페어 타이어 또는 휠 하우징이 위치하는 공간 상부에 대응하는 하나의 측면부에는 구조적으로 양측 모서리 인접부위에만 2개의 체결부가 형성되고, 다른 하나의 측면부는 스페어 타이어 또는 휠 하우징이 위치하고 있지 않으므로 4개의 체결부가 형성될 수 있다. 이 경우, 베이스 플레이트 중 2개의 체결부만 형성된 측면부는 4개의 체결부가 형성된 측면부보다 차량에 대한 장착 결합력이 약화되므로, 패치 플레이트를 2개의 체결부 상에 추가로 장착함으로 차량에 대한 장착 결합력을 보완할 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 패치 플레이트와 체결부는 전지모듈 장착부위에 대응하는 형상으로 이루어져 있어서, 상호간의 결합력을 강화하고 외부로부터 외력이 인가되더라도 서로 분리되는 것을 최소화할 수 있다.

본 발명은 또한, 특정 구조의 엔드 플레이트를 포함하는 전지모듈을 제공한다.

구체적으로, 상기 엔드 플레이트는, 단위모듈들과 서포팅 바로부터의 굽힘 하중을 분산시킬 수 있도록, 상기 단위모듈에 접하는 본체부와, 상기 본체부의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출된 형상의 상단벽, 하단벽, 및 한 쌍의 측벽을 포함하고 있고, 상기 측벽은 상단벽으로부터 하단벽 방향으로 두께가 증가하는 구조로 이루어질 수 있다.

여기서, "외측 방향"이란 상기 압력에 대향하는 방향, 즉, 엔드 플레이트의 본체부를 중심으로 단위모듈들과 서포팅 바가 위치하는 방향의 반대 방향을 의미한다.

따라서, 엔드 플레이트는 단위모듈에 접하는 본체부와, 본체부의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출된 형상의 상단벽, 하단벽, 및 한 쌍의 측벽을 포함하고 있고, 측벽은 상단벽으로부터 하단벽 방향으로 두께가 증가하는 구조로 구성되어 있어서, 단위모듈들과 서포팅 바로부터의 압력(굽힘 하중)을 상단벽, 하단벽 및 측벽에 골고루 분산시킬 수 있다.

본 발명의 전지모듈에서 엔드 플레이트는 단위모듈들과 서포팅 바로부터의 굽힘 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있다.

이러한 구조의 하나의 예로서, 상기 측벽의 외주면은 직선 형상을 이루고 있고, 상기 측벽은 측면 방향에서 직삼각형 형상을 이루고 있는 구조일 수 있다.

따라서, 이러한 구조는 종래의 측벽이 측면방향에서 일자형(직사각형)으로 형성된 엔드 플레이트의 구조(도 10: 30a)보다, 단위모듈들과 서포팅 바로부터의 굽힘 하중을 보다 효과적으로 지지할 수 있다.

이러한 엔드 플레이트 형상이 굽힘 하중을 효과적으로 지지하는 이유는, 엔드 플레이트 고정 위치의 면적을 넓히고 굽힘 하중을 지지하기 위한 측벽이 상단벽으로부터 하단벽 방향으로 두께가 증가하며 측면 방향에서 직삼각형 형상으로 형성되어 있으므로 엔드 플레이트의 체결 부위로 집중되는 하중을 측벽 및 하단벽으로 분산시킬 수 있기 때문이다.

또 다른 예로서, 상기 측벽의 외주면은 포물선 형상을 이루고 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 엔드 플레이트는 측벽의 외주면이 포물선 형상으로 이루어져 있으므로, 외주면이 직선 형상으로 이루어진 경우보다 단위모듈들과 서포팅 바로부터의 굽힘 하중을 완만하게 흡수할 수 있다.

이 경우, 상기 포물선 형상은 다양한 형상으로 이루어질 수 있는 바, 하나의 예로서, 최외각 단위모듈의 하단 모서리를 기준으로 외측 방향으로 볼록하게 돌출된 형상일 수 있다. 이러한 구조의 엔드 플레이트는 전지모듈의 부피 증가를 최대한 억제하면서 굽힘 하중을 최대한 효과적으로 흡수할 수 있으므로 특히 바람직하다.

경우에 따라서는, 상기 포물선 형상은 최외각 단위모듈의 하단 모서리를 기준으로 내측 방향으로 오목하게 만입되어 있는 형상일 수 있다.

이러한 구조의 엔드 플레이트는 본 발명의 발명자들이 실험한 결과에 따르면, 포물선 형상이 최외각 단위모듈의 하단 모서리를 기준으로 외측 방향으로 볼록하게 돌출된 형상보다 굽힘 하중으로 인한 변형량이 크나 측벽의 외주면이 직선 형상으로 이루어진 경우보다는 변형량이 작은 것으로 확인되었다.

상기 엔드 플레이트는 면적 크기가 상단벽, 측벽, 및 하단벽 순으로 증가하는 구조로 이루어져 있어서, 구조 역학적으로 서포팅 바와 단위모듈들로부터의 압력을 용이하게 견딜 수 있다.

상기 구조에서, 측벽의 면적은 하단벽의 면적을 기준으로 40% 초과 내지 90% 이하의 크기로 이루어질 수 있다.

상기 측벽의 면적이 하단벽의 면적보다 40% 미만인 경우, 측벽이 서포팅 바와 단위모듈들로부터의 굽힘 하중을 지지하기 어렵고, 90%를 초과하는 경우 전지모듈의 부피가 전체적으로 증가하므로 바람직하지 않다.

더욱 바람직하게는, 상기 측벽의 면적은 하단벽의 면적을 기준으로 55% 내지 75%의 크기로 이루어질 수 있다. 이러한 범위의 측벽 면적 크기는 전지모듈의 전체 부피 증가를 최소화하면서도 굽힘 하중을 용이하게 지지할 수 있으므로 매우 바람직하다.

한편, 상기 엔드 플레이트의 본체부 상부에는 서포팅 바를 장착하기 위한 한 쌍의 관통홀이 엔드 플레이트의 상부에 형성되어 있으므로, 서포팅 바는 엔드 플레이트의 관통홀에 삽입됨으로써 상호간의 결합이 용이하게 달성된다.

서포팅 바는 엔드 플레이트들의 상부 양측을 연결하는 구조일 수도 있고, 엔드 플레이트들의 측면 양측을 연결하는 구조일 수 있다.

서포팅 바가 엔드 플레이트들의 상부 양측을 연결하는 구조에서, 바람직하게는, 엔드 플레이트의 상단벽이 서포팅 바를 장착하기 위해 최외각 단위모듈의 상단면을 기준으로 상향 돌출되어 있어서, 서포팅 바는 단위모듈들의 상부에 위치하면서 엔드 플레이트에 결합된 구조일 수 있다.

상기 상단벽의 상향 돌출된 높이는 최외각 단위모듈의 높이를 기준으로 2 내지 20%의 크기로 이루어질 수 있으며, 상기 높이가 최외각 단위모듈의 높이보다 2% 미만인 경우, 서포팅 바를 엔드 플레이트에 장착하기 어렵거나 그에 맞는 크기의 서포팅 바를 사용하여야 하므로 전체적인 강성이 떨어질 수 있다. 반대로, 20%을 초과하는 경우, 전지모듈의 부피 증가 정도가 지나치게 커지므로 바람직하지 않다.

상기 엔드 플레이트는 하단벽이 베이스 플레이트 상에 결합되어 있는 구조로 고정되어 있어서, 외부로부터 엔드 플레이트에 충격이 인가되더라고 엔드 플레이트가 베이스 플레이트로부터 정위치 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

예를 들어, 엔드 플레이트의 하단벽 일부 부위에 한 쌍의 체결홈이 형성되어 있고, 이러한 체결홈에 볼트를 삽입하여 엔드 플레이트를 베이스 플레이트에 고정시키거나, 용접을 통해 상호간의 결합을 달성할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 전원으로 사용하며 한정된 장착 공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차를 제공한다.

자동차의 전원으로 사용되는 전지모듈은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있음은 물론이다.

이 경우, 상기 자동차는 전지모듈이 차량의 트렁크에 장착되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.

전지모듈을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 베이스 플레이트와 전지모듈 장착부위의 체결부에 특정 구조의 패치 플레이트를 장착함으로써, 체결부의 파손을 최소화할 수 있다.

또한, 차량의 일부 형태를 이용하여 전지모듈의 일부 구조를 형성함으로써 차량에 안정적으로 장착되고, 차량 내부에서 차지하는 전지모듈의 부피를 최소화할 수 있다.

도 1은 종래의 전지모듈의 사시도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 A 부위를 확대한 모식도들이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 5는 도 4의 배면도이다;
도 6 및 도 7은 도 4의 B 부위를 확대한 모식도들이다;
도 8은 예시적인 종래의 패치 플레이트의 사시도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 패치 플레이트의 사시도이다;
도 10은 종래의 엔드 플레이트 구조를 나타내는 모식도이다;
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 엔드 플레이트의 사시도들이다;
도 14 및 도 15는 도 8 및 도 9의 패치 플레이트 구조에 따른 체결부위의 변형량을 나타내는 실험결과를 나타내는 사진들이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 배면도가 모식적으로 도시되어 있다.

또한, 도 6 및 도 7은 도 4의 B 부위를 확대한 모식도들로서, 도 6은 패치 플레이트를 베이스 플레이트에 용접하기 전의 구조를 나타내고, 도 7은 패치 플레이트를 베이스 플레이트에 용접한 후의 구조를 나타내고 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈(200)은 이차전지들이 내장된 단위모듈들(10), 베이스 플레이트(20), 한 쌍의 엔드 플레이트들(30), 한 쌍의 패치 플레이트들(70), 및 서포팅 바(40)로 구성되어 있다.

단위모듈들(10)은 베이스 플레이트(20)에 탑재된 상태에서 디바이스의 전지모듈 장착부위(도시하지 않음)에 장착되어 있다.

베이스 플레이트(20)는 단위모듈들(10)이 탑재되는 상면부(23), 상면부(23)의 외주면을 따라 하향 절곡된 구조의 측면부(24), 및 베이스 플레이트(20)를 전지모듈 장착부위(예를 들어, 차량의 내부 등)에 고정하기 위해 측면부(24)로부터 돌출된 6개의 체결부들(22)을 포함하고 있다.

체결부들(22)은 베이스 플레이트(20) 중 서로 대면하는 장변의 측면부들(24, 25)에 형성되어 있다.

또한, 플레이트(70)는 장변의 측면부들(24, 25) 중 하나의 측면부(24)에는 양측 모서리 인접 부위에만 체결부(22)가 형성되어 있다.

패치 플레이트(70)는 체결부(22)의 상면과 그에 대응하는 베이스 플레이트(20)의 측면부(24) 및 상면부(23)를 감싸고 있어서, 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킨다.

또한, 패치 플레이트(70)는 절곡된 판상형 플레이트로서, 베이스 플레이트(20)의 상면부(23) 상에 장착되는 제 1 장착부(72), 베이스 플레이트(20)의 측면부(24) 상에 장착되는 제 2 장착부(74), 및 베이스 플레이트(20)의 체결부(22) 상에 장착되는 제 3 장착부(76)로 구성되어 있다.

베이스 플레이트(20)의 체결부(22)에는 체결구(26)가 천공되어 있고, 패치 플레이트(70)의 제 3 장착부(76)에는 베이스 플레이트(20)의 체결구(26)에 연통되는 관통구(78)가 형성되어 있다.

또한, 패치 플레이트(70)는 용접에 의해 베이스 플레이트(20)에 장착되어 있고, 용접점들(77, 79)은 패치 플레이트(70)의 제 1 장착부(72)와 제 3 장착부(79)의 상부에 형성되어 있다.

한편, 베이스 플레이트(20)의 상부에는 단위모듈들(10)이 수직으로 세워져 적층되어 있고, 엔드 플레이트(30)는 베이스 플레이트(20)에 하단이 고정된 상태로 최외각 단위모듈들(10)의 외면에 밀착되어 있다.

서포팅 바(40)는 한 쌍의 엔드 플레이트들(30)을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들(30)의 상부 양측을 연결하고 있다.

엔드 플레이트(30)는, 단위모듈(10)에 접하는 본체부(32), 본체부(32)의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출된 형상의 상단벽(34), 하단벽(36), 및 한 쌍의 측벽(38)을 포함하고 있고, 측벽(38)은 상단벽(34)으로부터 하단벽(36) 방향으로 두께가 증가하는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 단위모듈들(10)과 서포팅 바(40)로부터의 굽힘 하중을 본체부(32)로부터 측벽(38) 및 하단벽(36)으로 분산시키게 된다.

이러한 엔드 플레이트(30)는 하단벽(36)이 베이스 플레이트(20) 상에 용접에 의해 결합되어 있는 구조로 고정된다.

도 8에는 예시적인 종래의 패치 플레이트의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 패치 플레이트의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

먼저 도 8을 참조하면, 패치 플레이트(80)와 체결부(22a)는 전지모듈 장착부위인 스페어 타이어 장착 공간에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 베이스 플레이트(20a)의 체결부(22a)와 측면부(24a)에 각각 용접에 의해 장착되어 있다.

또한, 배선 부재를 삽입하기 위한 배선 부재용 관통구(82)가 패치 플레이트의 측면에 형성되어 있다.

이에 대비하여, 도 9를 참조하면, 패치 플레이트(90)가 베이스 플레이트(20a)의 체결부(22a)와 상면부(23a)에 각각 용접에 의해 장착되어 있는 것이 도 8의 구조와 차이가 있다.

도 11 내지 도 13에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 엔드 플레이트의 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.

먼저, 도 11을 도 4와 함께 참조하면, 엔드 플레이트(30b)는 측벽(38)의 외주면이 직선 형상을 이루고 있고, 측벽(38)은 측면 방향에서 대략 직삼각형 형상을 이루고 있다.

이러한 엔드 플레이트(30b)는 면적 크기가 상단벽(34), 측벽(38), 및 하단벽(36) 순으로 증가하는 구조로서, 측벽(38)의 면적은 하단벽(36)의 면적을 기준으로 약 60%의 크기로 이루어져 있다.

더욱이, 엔드 플레이트(30b)의 본체부(32) 상부에는 서포팅 바(40)를 장착하기 위한 한 쌍의 관통홀(302)이 형성되어 있고, 엔드 플레이트(30b)의 외주면은 필렛(31) 처리되어 있어서 서포팅 바(40)와 단위모듈들(10)로부터의 응력이 엔드 플레이트(30b)의 외주면에 집중되는 것을 효과적으로 방지한다.

엔드 플레이트(30b)의 상단벽(34)은 최외각 단위모듈(10)의 상단면을 기준으로 최외각 단위모듈(10)의 높이(H)의 10% 크기로 상향 돌출되어 있어서, 서포팅 바(40)는 엔드 플레이트(30)의 상부 양측에 용이하게 장착된다.

다음으로, 도 12를 도 4와 함께 참조하면, 엔드 플레이트(30c)는 측벽(38c)의 외주면이 최외각 단위모듈(10)의 하단 모서리를 기준으로 내측 방향으로 오목하게 만입되어 있는 포물선 형상으로 이루어져 있다.

마지막으로, 도 13을 도 4와 함께 참조하면, 엔드 플레이트(30d)는 측벽(38d)의 외주면이 최외각 단위모듈(10)의 하단 모서리를 기준으로 외측 방향으로 볼록하게 돌출된 포물선 형상으로 이루어져 있다.

한편, 도 8 내지 도 9의 패치 플레이트 구조에 따른 체결부위의 변형량을 확인하기 위하여, 이들 도면들의 형상을 가진 패치 플레이트들을 도 4와 같은 구조로 전지모듈에 각각 장착한 상태에서 최대응력에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

패치 플레이트들의 보다 정확한 크기 및 형상은 도 14 및 도 15에 개시되어 있으며, 이들 도면에는 응력 분포가 함께 표시되어 있다. 또한, 하기 표 1에는, 도 8의 패치 플레이트의 최초 공진 주파수와 도 9의 패치 플레이트의 최초 공진 주파수가 기재되어 있다.

<표 1>

도 14에서 보는 바와 같이, 도 8의 패치 플레이트 구조는 패치 플레이트의 하면과 측면에서 전반적으로 높은 응력 분포를 보여 주고 있고, 특히, 패치 플레이트의 하면 중 전지모듈 장착부위와 결합되는 관통구 부위에 매우 높은 응력 분포가 나타나고 있다. 따라서, 높은 응력 분포를 나타내는 부위는 외력의 인가시 파손의 가능성이 높다.

반면에, 도 15에서 보는 바와 같이, 도 9의 패치 플레이트 구조는 도 8의 패치 플레이트 구조와 비교하여 응력이 급격히 감소함을 알 수 있다.

또한, 도 9의 패치 플레이트 구조는 상기 표 1에서 보는 바와 같이 최초 공진 주파수가 도 8의 패치 플레이트 구조보다 크므로 차량이 노면에 따라 진동이 발생하더라고 내진동성이 상대적으로 우수함을 알 수 있다.

따라서, 상기의 실험 결과는 패치 플레이트의 형상과 용접점의 위치를 변경하는 것만으로 변형량과 응력을 줄일 수 있음을 의미하며, 전혀 예상치 못한 결과이다.

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. 이차전지들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 포함하고 있는 구조의 중대형 전지모듈로서,
   상기 단위모듈들은 베이스 플레이트(base plate)에 탑재된 상태에서 디바이스의 소정 부위("전지모듈 장착부위")에 장착되며,
   상기 베이스 플레이트는 단위모듈들이 탑재되는 상면부, 상기 상면부의 외주면을 따라 하향 절곡된 구조의 측면부, 및 베이스 플레이트를 전지모듈 장착부위에 고정하기 위해 상기 측면부로부터 돌출된 둘 이상의 체결부들을 포함하는 구조로 이루어져 있고,
   상기 체결부들 중 적어도 하나의 체결부에는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킬 수 있도록, 체결부의 상면과 그에 대응하는 베이스 플레이트의 측면부 및 상면부를 감싸는 패치 플레이트(patch plate)가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈들은 수직으로 세워진 상태로 베이스 플레이트 상에 탑재되어 있고, 상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 최외각 단위모듈들의 외면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트(end plate), 및 상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 양측 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바(supporting bar)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 패치 플레이트는 베이스 플레이트의 상면부 상에 장착되는 제 1 장착부, 베이스 플레이트의 측면부 상에 장착되는 제 2 장착부, 및 베이스 플레이트의 체결부 상에 장착되는 제 3 장착부를 형성하는 절곡된 판상형 플레이트인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 체결부에는 체결구가 천공되어 있고, 상기 제 3 장착부에는 상기 체결구에 연통되는 관통구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 패치 플레이트는 용접에 의해 베이스 플레이이트에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 용접은 제 1 장착부와 베이스 플레이트의 상면부 및 제 3 장착부와 베이스 플레이트의 체결부 사이에 행해지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부들은 베이스 플레이트 중 서로 대면하는 장변의 측면부들에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 장변의 측면부들 중에서, 하나의 측면부에는 양측 모서리 인접 부위에만 체결부가 형성되어 있고, 상기 체결부에 패치 플레이트가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 패치 플레이트와 체결부는 전지모듈 장착부위에 대응하는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트는, 단위모듈들과 서포팅 바로부터의 굽힘 하중을 분산시킬 수 있도록, 상기 단위모듈에 접하는 본체부와, 상기 본체부의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출된 형상의 상단벽, 하단벽, 및 한 쌍의 측벽을 포함하고 있고, 상기 측벽은 상단벽으로부터 하단벽 방향으로 두께가 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 측벽의 외주면은 직선 형상을 이루고 있고, 상기 측벽은 측면 방향에서 직삼각형 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 측벽의 외주면은 포물선 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트는 면적 크기가 상단벽, 측벽, 및 하단벽 순으로 증가하는 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
14. 제 10 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 본체부 상부에는 서포팅 바를 장착하기 위한 한 쌍의 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
15. 제 10 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 상단벽은 상기 서포팅 바를 장착하기 위해 최외각 단위모듈의 상단면을 기준으로 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
16. 제 10 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트는 하단벽이 베이스 플레이트 상에 결합되어 있는 구조로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
17. 제 1 항에 따른 전지모듈을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 자동차는 전지모듈이 차량의 트렁크에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차.

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