KR20120116829A - 저속 충격 하중에 대한 손상성 및 수리성을 향상한 전기자동차용 배터리 - Google Patents

저속 충격 하중에 대한 손상성 및 수리성을 향상한 전기자동차용 배터리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 최소한의 부재를 이용하여 전지셀의 강성을 보완하며, 조립이
용이하고, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수하며, 더 나아가
저속충돌시 손상성과 수리성이 우수한 전지팩을 제공하는 것이다. 이러한
목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 다수의 전지셀 또는
단위모듈들이 외부 충격 방향에 길이방향으로 배열되어 있는 구조로
되어 있고, 상기 전극셀의 일부가 외부 충격에 전지모듈내 제한적
이동이 용이한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩으로
구성된다.

Description

저속 충격 하중에 대한 손상성 및 수리성을 향상한 전기자동차용 배터리{A battery which is improved damageability and repairability about low-speed impact for the electric vehicle}
본 발명은 전기자동차에 사용되는 중대형 전지팩의 충격흡수 기술에 관한 것으로 그중 특히 파우치형 전지셀에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 사용되고 있다. 소형 모바일 기기들은 기기 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차와 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. 그러나, 전지셀 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위해서는
전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 또한, 최근에는 저속충돌성능을 강화시킨 설계개념을 부여하여 자동차의 사고시 손상성과 수리성을 최적화함으로써 주목적인 탑승객 안전성 및 충돌특성과 기타 관련 법규상 설계요건을 저해하지 않은 범위에서 전체적인 손상수리비를 감소시키려는 설계가 대두되고 있다.
손상성은 차량이 저속충돌력을 견딜 수 있는 능력의 척도이며, 충돌결과로서 차체구조물 및 기타 부품이 손상되는 정도를 파악하여 결정된다.
예를 들어 동일한 충격을 받은 여러 차량이 있다고 가정할 경우 어떤 차량은 많은 손상을 입은 반면에 어떤 차량은 약간의 손상만 입을 수가 있으며, 손상을 많이 입은 차량은 손상성이 취약한 반면에 경미한 손상을 입은 차량은 손상성이 우수한 차량으로 평가할 수 있다. 수리성은 저속충돌시에 특정 부품 및 시스템이 손상을 받은 후에 이를 원래의 상태로 복원수리하는데 얼마나 짧은 시간에 용이하게 수리작업을 할 수 있는 지의 척도이다. 그러나, 우수한 손상성 및 수리성 설계와 차량안전성 설계사이에 상호 상충되는 모순은 발생되지 않아야 한다. 즉, 특정차량에 대해서 바람직한 것으로 고려될 수 있는 손상성 및 수리성을 위한 설계보다는
안전성 및 법적요건에 따른 설계조건이 자연적으로 우선순위를 차지 해야 하는 것이다. 최적의 손상성과 수리성을 위하여 저속충돌과 고속충돌의 경우 자동차용 중대형 전지팩 설계를 어떻게 설계하여야 할지에 대한 고려가 필요하다. 즉, 저속 충돌의 경우 전지팩 자체가 충분히 충격에너지를 흡수하고, 고속추돌의 경우 충분한 강성을 발휘할 수 있는 구조가 요구되는 것이다.
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 센터프레임과, 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 전지셀의 강성을 보완하기 위한 전지팩의 설계시 최소한의 부재를 이용하여 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착할 수 있는 콤팩트한 최적의 배치구조를 가지며, 조립이 용이하고, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수하며, 더 나아가 저속충돌시 손상성과 수리성이 우수한 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 다수의
전지셀 또는 전지모듈들이 외부 충격 방향에 길이방향으로 배열되어 있는
구조로 되어 있고, 상기 전지셀의 일부가 외부 충격에 전지모듈내
제한적 이동이 용이한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩으로
구성된다.
본 발명에서 제안된 전지팩은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지며, 많은
수의 부재들을 사용하지 않고도 구조적으로 안정한 기계적 강성을 이룰
수 있다. 또한 저속충돌시 전지셀의 재사용 가능성을 높여 손상성 및
수리성을 크게 개선 할 수 있다. 또한, 단순한 구조의 사용으로 비용과
중량을 줄일 수 있써 차량 연비 개선에도 도움이 된다.
도1은 파우치형 단위 전지셀의 변형 및 이동의 개념을 설명한다.
도2은 단위전지셀의 두께방향 및 길이방향을 나타내다.
도3는 일반적 차량에서 차량 충돌시 하중 방향을 나타낸다.
도4는 본 발명에서 제안된 방법을 사용한 대표적인 전지팩의 설계 예로
길이방향 전지셀이 비대칭적으로 배열된 것을 나타낸다.
도5는 도4의 전지팩이 저속 충돌시 일부전지셀의 이동만이 발생하고,
고속 충돌시에는 전체 전지셀의 길이 방향 강성이 외부하중을 견디는
개념을 설명한다.
도6은 본 발명에서 제안된 방법을 사용하여 탄성흡수체 및 측면지지부재
추가한 예를 나타낸다.
본 발명의 목적은 최소한의 부재를 이용하여 파우치형 전지셀의 강성을 보완하며, 더 나아가 저속충돌시 손상성과 수리성이 우수한 전지팩을 제공하는 것이다. 이를 위해 도1은 파우치형 단위 전지셀의 변형 및 이동의 개념을 설명한다. 전지셀에 작용하는 외력과 그에 반하는 힘(반력)이 평형을 이루고 있을때 전지셀은 (a)와 같이 변형이 일어나지만, 외력과 반력의 크기가 다를 경우 전지셀은 (b)처럼 한쪽방향으로 이동만이 일어나게된다. 이 원리를 이용하여 저속충돌의 경우 충돌 반대 방향의 반력을 작게 설계하면 전지셀이 변형없이 보존되게 할 수 있다. 또한, 도2은 파우치형 전지셀의 두께방향 및 길이방향에 대한 정의로 고속 충돌시 충분한 강성을 유지하기 위하여 전지셀의 길이 방향 강성을 이용할 수 있다. 즉, 전지팩내에 전지셀의 적층시 전지셀의 두께합이 길이 방향 보다 짧은 경우 단위전지의 두께 방향 강성보다는 길이 방향 강성이 크므로 이를 이용할 수 있다. 길이방향 강성을 이용하는 잇점은 파우치형 전지셀의 길이대 두께 비율이 크고, 전지팩내 전지셀의 적층수가 적을수록 유리하다. 또한, 일반적으로 전지팩내에 전지셀의 적층시 냉각을 위해 일정 공간을 비워놓는 경우가 많기 때문에 전지팩내에 전지셀의 적층시 전지셀의 두께합이 길이 방향 보다 긴 경우 경우에도 길이방향 강성을 이용한 설계를 이용할 수 있다. 도3는 일반적 전기자동차에서 차량 충돌시 하중 방향과 전지팩의 위치로 본 발명에서 제안된 바와 같이 전지셀이 외부충격에 길이 방향으로 배열된 것을 나타낸다. 도4는 상기 도1과 도2의 원리를 이용하여 제안된 방법을 사용한 대표적인 전지팩(100)의 설계 예로 길이방향 전지셀 또는 전지모듈(102)이 외부 충격 방향에 길이 방향으로 전지팩 케이스(101)내에 비대칭적으로 배열된 것을 나타낸다. 도5는 도4의 전지팩이 저속 추돌시(a~b 구간) 대부분 충격에너지는 전지팩 케이스 자체가 변형하며 흡수하고 일부 전지셀에서는 이동만이 발생하고, 고속 추돌시(b~c구간)에는 충격에너지는 전지팩 케이스 이외에도 전체 전지셀이 변형하며 길이 방향 강성이 외부하중을 견디는 개념을 설명한다. 본 발명을 이용한 다른 예로써 도6은 전기자동차의 저속 추돌시 고무류와 같은 탄력성이 현저한 탄성흡수체(203)와 전지팩 케이스(201)가 충격력을 흡수토록 하여 전지셀 또는 전지모듈(202)의 변형을 최소화하며, 전지팩(200)의 적층방향으로의 회전 변형을 최소화하여 길이 방향 강성을 유지하기 위한 측면지지부재(204)를 사용할 수 있음을 나타낸다.
상기에서 알수 있듯이 단위전지셀의 길이 방향을 차량 충격 방향과 같게 함으로써 전지셀 길이방향을 강성 보완을 위하여 이용할 수 있다. 더 나아가 각 단위전지셀을 비대칭적으로 배열하여, 저속 추돌시 단위전지셀의 변형을 최소화함으로써 손상성과 수리성을 크게 향상 시킬 수 있는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차용 배터리로 사용될 수 있다.
비록 본 발명에서 예시를 위하여 묘사된 외에도 본 발명의 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자가 행하는 수정, 삽입 및 대체는 본 발명의 청구 범위에 있다고 해야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는
    파우치형 전지셀을 하나 또는 둘 이상 포함하는 전지모듈에 있어서,
    저속 충격으로 인한 외부 충격이 전지셀에 직접 또는 간접적으로 인가되어,
    전지셀이 변형하게 될 때, 인가된 외력을 흡수함으로써, 전극조립체의
    변형을 최소화함으로써 배터리의 폭발, 단락을 방지할수 있도록,
    (i) 상기 전지셀이 외부 충격 방향에 길이방향으로 배열되어있고,
    (ii) 상기 전지셀의 일부가 외부 충격에 전지모듈내 제한적 이동이 용이한
    구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전지케이스는 외력에 대한 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 요철 형상의 리브들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전지케이스에는 저속 충격 하중을 흡수할 수 있는 탄성 흡수체가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전지케이스에는 전지셀 어셈블리의 최외측 전지셀들의 측면을 감싸고 있는 측면지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전지셀은 니켈-수소이차전지 또는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전지케이스에는 하나 또는 둘 이상의 단위 모듈을 순차적으로 적층하여 모듈 케이스에 장착한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전지팩은 전지자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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