KR20130078933A - 중대형 전지팩 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, (a) 충방전이 가능한 전지셀을 포함하는 둘 이상의 전지모듈들이 측면방향으로 상호 접하면서 상층과 하층의 2개 층 구조로 적층되어 있는 모듈 어셈블리; (b) 상기 상층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 상층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 상층 연결부재; (c) 상기 하층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 하층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 하층 연결부재; (d) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면을 동시에 감싸면서 상층 연결부재와 하층 연결부재에 결합되어 있는 한 쌍의 측면 지지부재들; (e) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면과 측면 지지부재 사이의 계면에 장착되는 절연부재들; 및 (f) 상기 하층 모듈 어셈블리의 전면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 1 하단 지지부재와, 하층 모듈 어셈블리의 후면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 2 하단 지지부재;를 포함하는 전지팩을 제공한다.

Description

중대형 전지팩 어셈블리 {Middle or Large-sized Battery Pack Assembly}
본 발명은 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, (a) 충방전이 가능한 전지셀을 포함하는 둘 이상의 전지모듈들이 측면방향으로 상호 접하면서 상층과 하층의 2개 층 구조로 적층되어 있는 모듈 어셈블리; (b) 상기 상층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 상층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 상층 연결부재; (c) 상기 하층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 하층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 하층 연결부재; (d) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면을 동시에 감싸면서 상층 연결부재와 하층 연결부재에 결합되어 있는 한 쌍의 측면 지지부재들; (e) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면과 측면 지지부재 사이의 계면에 장착되는 절연부재들; 및 (f) 상기 하층 모듈 어셈블리의 전면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 1 하단 지지부재와, 하층 모듈 어셈블리의 후면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 2 하단 지지부재;를 포함하는 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 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.
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. 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. 더욱이, 차량 등과 같이 한정된 내부공간에 효율적으로 장착되기 위해서는 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 전지모듈이 요구된다.
이와 관련하여, 일본 공개특허 제2005-050616호는 버스 등의 대형 차량에 탑재되는 중대형 전지모듈에서 차량의 충돌 등으로 인한 외력에 대해 안전성을 높이기 위하여, 전지팩을 각각 2개씩 재치하는 하단 랙(rack) 및 상단 랙을 포함하고 있고, 하단 랙 가대부재(stand member)와 상단 랙 가대부재는 하단 랙 현가부재(suspension member) 및 상단 랙 현가부재에 의해 차량의 보디(body)에 현가되며, 상기 가대부재의 강성이 높고 상기 현가부재의 강성이 낮은 구조의 중대형 전지모듈이 개시되어 있다.
그러나, 상기 기술의 중대형 전지모듈은 다수의 랙들을 사용함으로써 차량 충돌시의 안전성을 향상시킬 수는 있지만, 총 4개의 전지팩을 장착하기 위해 2개의 복잡한 랙을 구성해야 하므로 부피 및 중량이 증가하게 되고, 콤팩트한 구조의 전지모듈을 구성하는 데 있어서, 기술적 측면에서 적용하기가 어려운 문제점이 있다. 즉, 상기 기술은 높은 기계적 강성을 부여하기 위하여 외형을 크게 형성해야 하므로 부피 및 중량이 매우 커지는 단점을 가지고 있다.
한편, 전지모듈 어셈블리는 다수의 전지셀들이 조합된 구조체이므로 일부 전지셀들이 과전압, 과전류, 과발열 되는 경우에는 전지모듈의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이들을 검출하여 제어하는 수단이 필요하다. 따라서, 전압센서, 온도센서 등을 전지셀들에 연결하여 실시간 또는 일정한 간격으로 작동 상태를 확인하여 제어하고 있는 바, 이러한 검출수단의 장착 내지 연결과 이들의 제어수단이 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 전지모듈 어셈블리에 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 배치 구조를 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) 충방전이 가능한 전지셀을 포함하는 둘 이상의 전지모듈들이 측면방향으로 상호 접하면서 상층과 하층의 2개 층 구조로 적층되어 있는 모듈 어셈블리;
(b) 상기 상층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 상층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 상층 연결부재;
(c) 상기 하층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 하층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 하층 연결부재;
(d) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면을 동시에 감싸면서 상층 연결부재와 하층 연결부재에 결합되어 있는 한 쌍의 측면 지지부재들;
(e) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면과 측면 지지부재 사이의 계면에 장착되는 절연부재들; 및
(f) 상기 하층 모듈 어셈블리의 전면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 1 하단 지지부재와, 하층 모듈 어셈블리의 후면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 2 하단 지지부재;
를 포함하는 것으로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 종 방향 및 횡 방향으로 장방형 전지모듈 다수 개가 적층되어 모듈 어셈블리를 이루고 있고, 이러한 모듈 어셈블리가 특정한 부재들에 의해 고정됨으로써, 전체적으로 조립 과정이 간소하며, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며, 많은 수의 부재들을 사용하지 않고도 기계적 체결과 전기적 접속을 이룰 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈은 둘 이상의 전지셀들 또는 전지셀을 포함하는 둘 이상의 단위모듈들이 전기적으로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단위모듈의 구조는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예를 하기에서 설명한다.
단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 병렬 또는 직렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 결합되는 셀 커버를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지 셀이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양 단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지 셀을 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지 셀을 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
이러한 전지셀들은, 바람직하게는, 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 가능해진다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 및 제 2 상층 연결부재들은 모듈 어셈블리의 양측면 일부 및 전면 상단 또는 후면 상단을 동시에 감쌀 수 있도록 수직 단면상으로 'ㄷ'자형인 프레임 본체와, 상기 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부로부터 각각 연장되어 있는 결합부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 하층 연결부재들은 모듈 어셈블리의 양측면 일부 및 전면 하단 또는 후면 하단을 동시에 감쌀 수 있도록 수직 단면상으로 'ㄷ'자형인 프레임 본체와, 상기 측면 지지부재 및 하단 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부로부터 각각 연장되어 있는 결합부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 상층 연결부재들과 제 1 및 제 2 하층 연결부재들에서 결합부의 크기는, 그것에 결합되는 결합부재에 의해 다양하게 설정될 수 있으며, 바람직하게는, 모듈 어셈블리의 각각의 측면의 상하 길이를 기준으로 20 내지 80%, 바람직하게는 30 내지 70%의 크기로 연장되어 형성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 프레임 본체는 모듈 어셈블리에 접하는 부위에 냉매의 유출을 방지하기 위한 밀봉용 탄성부재가 추가로 장착될 수 있다.
상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면과 측면 지지부재 사이의 계면에 장착되는 절연부재는, 냉매의 흐름을 소정의 방향으로 한정적으로 유동할 수 있도록 유도하고, 동시에 외측과 내측 모듈 어셈블리들의 온도 편차를 감소시키는 역할을 한다.
즉, 모듈 어셈블리의 양 측면에 각각 절연부재를 장착하여 모듈 어셈블리의 개방면을 폐쇄함으로써, 냉매가 모듈 어셈블리 적층체를 통해서만 이동하도록 만든다. 따라서, 절연부재가 장착되지 않을 경우, 외부로 개방되는 외측 전지모듈의 상대적으로 빠른 냉각을 방지한다. 일반적으로, 전지모듈은 빠른 냉각이 바람직하지만, 중대형 전지 시스템에서 일부 전지모듈만의 높은 냉각률은 전지모듈들 상호간의 불균형을 초래하고, 그러한 불균형은 궁극적으로 전지셀의 열화를 가속시키기 때문이다. 따라서, 상기 절연부재는 냉매(공기)의 유로를 형성함과 동시에 단위 전지모듈들 간의 온도 균일성을 높여주는 역할을 한다.
이러한 절연부재는 전지모듈에 대면하는 내측면에 냉매 유로가 형성될 수 있도록 굴곡져 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같은 전지모듈들 간의 온도 균일성을 더욱 높이기 위하여, 상기 밀폐 부재는 단열 소재로 이루어진 것이 바람직하다. 특히, 전지모듈 어셈블리의 전체 중량을 최소화하면서 단열성을 높일 수 있도록, 상기 밀폐 부재는 발포성 수지로 만들어질 수 있다.
한편, 상기 측면 지지부재는 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 판상 본체와, 제 1 또는 제 2 하단 지지부재에 결합될 수 있도록 절곡되어 있는 하단 프레임을 포함하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 하단 프레임에는 체결부재에 의해 제 1 또는 제 2 하단 지지부재에 결합되기 위한 관통구들이 천공되어 있을 수 있다.
이러한 관통구들은 하기 제 1 및 제 2 하단 지지부재들과 체결되어 2중으로 결합되는 바, 모듈 어셈블리와 견고히 결합될 수 있도록 함과 동시에, 모듈 어셈블리의 내구성을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 제 1 및 제 2 하단 지지부재들은, 하층 모듈 어셈블리의 하면을 지지하는 하부 고정 리브와, 상기 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 하부 고정 리브의 양측 단부로부터 연장된 결합부들을 포함하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 결합부들 중의 하나의 결합부는 하부 고정 리브로부터 수평 연장되어 있고, 나머지 결합부는 하부 고정 리브로부터 절곡된 상태로 연장되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조는, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스에 적용하여 장착할 시, 디바이스의 설정된 공간에 맞추어 안정적으로 장착될 수 있도록 한다. 예를 들어, 전지팩이 차량의 뒷좌석 후방 공간에 장착될 때, 상기 결합들의 구조는 그러한 장착 공간에 대응하여 장착되기 용이한 구조일 수 있다.
한편, 상기 측면 지지부재들 중의 적어도 하나에는, 전지셀의 팽창에 의해 전지모듈의 전기적 연결부위가 파열될 수 있도록, 전지모듈의 전극단자 연결 부위에 대응하는 부위가 노출되는 개방부를 포함하는 구조일 수 있다.
이 경우, 절연부재 역시, 전지셀의 팽창에 의해 전지모듈의 전기적 연결부위가 용이하게 파열될 수 있도록, 전지모듈의 전극단자 연결 부위에 대응하여 'ㄴ'자형 또는 'ㄷ'자형 절단부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 측면 지지부재들 중의 적어도 하나에는 전지팩의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System)이 추가로 장착되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 모듈 어셈블리는, 상층 전지모듈들의 입출력 단자들과 하층 전지모듈들의 입출력 단자들이 인접하도록, 하층 전지모듈들에 대해 상층 전지모듈들이 도립된 상태로 적층되어 있는 구조일 수 있다.
상기에서 "도립된 상태로 적층되어 있는 구조"란, 2개의 전지모듈들이 그것의 동일 부위가 서로 대면하도록 배열되어 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 입출력 단자들이 일 측면에 위치하는 전지모듈에서, 상기 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 전지모듈 적층체의 수평 중심축을 향하도록 배열되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 배열 구조는 전기적 접속 등을 위한 구성을 더욱 간소화시킬 수 있는 장점이 있다.
이러한 전지모듈 배열 구조에서, 상기 전지모듈의 입출력 단자들이 위치하는 모듈 어셈블리의 일측 외면에는, 바람직하게는, 과전류 및 과전압 방지, 전지모듈 어셈블리 분리시의 전압 강하 등을 위한 PRA(Power Relay Assembly)가 장착되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 PRA가 장착되는 모듈 어셈블리의 일측 외면에는, 상층 연결부재, 하층 연결부재, 측면 지지부재 및 하단 지지부재로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 부위로부터 연장된 PRA 장착용 체결구들이 형성될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 모듈 어셈블리는, 상기 상층 모듈 어셈블리의 상면 모서리를 따라 장착되는 상단 연결부재를 추가로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 상단 연결부재는 평면상으로 사각형 프레임 구조로 이루어져 있고, 상층 연결부재 및/또는 측면 지지부재에 결합되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 전지모듈은 하나 또는 둘 이상의 단위모듈을 순차적으로 적층하여 모듈 케이스에 장착한 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전지모듈은 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성되어 있도록, 둘 이상의 단위모듈들이 수직으로 적층되어 있고, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 관통구들이 천공되어 있는 구조일 수 있다.
상기 전지모듈은, 또한 상층 전지모듈과 하층 전지모듈의 결합을 위해, 상층 전지모듈과 하층 전지모듈의 계면상에 체결 돌기와 체결 홈이 각각 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
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.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착될 수 있는 콤팩트한 구조를 가지고, 장착용 프레임을 외부 디바이스에 장착하는 것이 용이하며, 상호간에 결합력이 향상된 구조로 형성되어 있어서, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수하다는 장점을 가진다.
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 전지모듈의 사시도이다;
도 5 내지 도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 분해 사시도이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 사시도이다;
도 10은 도 9에서 전지모듈을 제외한 나머지 구조를 나타내는 사시도이다;
도 11은 도 9의 측면지지부재의 개방부 방향의 측면도이다.
도 12는 절연부재의 사시도이다.
도 13은 도 11의 "A"-"A" 절단면도이다.
도 14는 도 10의 부분 확대도이다.
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 2개가 장착될 단위모듈이 사시도로서 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 셀 커버(200)는 도 1에서와 같은 파우치형 전지셀(도시하지 않음) 2개를 내장하며 그것의 기계적 강성을 보완할 뿐만 아니라 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 2개의 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 돌출부들(260) 중에서 상단과 하단의 돌출부에는 상호 반대되는 형상의 돌기(263, 264)가 각각 형성되어 있다.
그러나, 이러한 선형 돌출부들(260, 261)은 다양한 형상으로 이루어질 수도 있는 바, 이후 설명하는 도 4의 전지모듈에서는 도면에서 보는 바와 같이, 변형된 선형 돌출부들이 개시되어 있다. 따라서, 이러한 다양한 변형들 역시 본 발명의 범주에 포함됨은 물론이다.
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 4개의 단위모듈들(200, 201, 202, 203)로 이루어지고, 각 단위모듈(200) 당 2개의 전지셀들(도시하지 않음)이 내장되어 있으므로, 전체적으로 총 8개의 전지셀들이 포함되어 있다. 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 있다.
또한, 단위모듈 적층체(300)의 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성되어 있도록, 단위모듈 적층체(300)가 수직으로 적층되어 있고, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 관통구들(412)이 천공되어 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 단자들(431, 432)이 위치하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 상하부 케이스들(410, 420)은 상호 조립된 상태에서 내장되어 있는 단위모듈 적층체(300)의 용이한 방열을 위해 적층체(300)의 외주면 만을 감싸고 그것의 외면이 상당 부분 외부로 노출되는 구조로 이루어져 있다.
상부 케이스(410)의 양끝단부에는, 상층 전지모듈(401, 402, 403)과 하층 전지모듈(404, 405, 406)의 결합을 위해, 상층 전지모듈과 하층 전지모듈의 계면상에 체결 돌기(440)와 체결 홈(450)이 각각 형성되어 있고, 측면에도 타 전지모듈과 용이하게 결합될 수 있도록 서로 대응하는 구조의 돌출부(460)가 형성되어 있다.
이와 같은 구조는 중대형 전지팩을 조립함에 있어, 서로 대응하는 돌출부(440)와 만입부(450)를 단순 대응하여 끼워 맞추기만 하면 되므로, 조립의 용이함을 달성할 수 있으며, 추가적인 부속 부재를 필요치 않기 때문에 부속 부재에 의해 부피 증대를 피할 수 있어 중대형 전지팩의 콤팩트 구조의 설계가 가능하다.
도 5 내지 도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 중대형 전지팩(1000)은 6개의 전지모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406), 제 1 상층 연결부재(510), 제 2 상층 연결부재(520), 제 1 하층 연결부재(530), 제 2 하층 연결부재(540), 측면지지부재들(810, 820), 절연부재들(710, 720), 제 1 하단 지지부재(610) 및 제 2 하단 지지부재(620)으로 구성되어 있으며, 전체적으로 직육면체 형상을 나타내고 있다.
6개의 전지모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406)은 횡 방향으로 3개씩 측면방향으로 상호 접하면서 상층과 하층의 2개 층 구조로 적층되어 있고, 그것의 일 측면에 형성되어 있는 입출력 단자들이 서로 인접하도록, 하층 전지모듈들(404, 405, 406)에 대해 상층 전지모듈들(401, 402, 403)이 도립된 상태로 적층되어 있다. 즉, 상층 전지모듈들(401, 402, 403)과 하층 전지모듈들(404, 405, 406)이 수평 중심선을 중심으로 서로 대칭 구조를 이루도록, 상층 전지모듈들(401, 402, 403)은 뒤집힌 형태로 하층 전지모듈들(404, 405, 406) 상에 적층되어 있다.
한편, 제 1 상층 연결부재(510) 및 제 2 상층 연결부재(520)는 상층 모듈 어셈블리(401, 402, 403)의 양측면 일부, 전면 상단 및 후면 상단을 동시에 감쌀 수 있도록 수직 단면상으로 'ㄷ'자형인 프레임 본체(510, 520)와, 측면 지지부재(810, 820)에 결합될 수 있도록 프레임 본체(510, 520)의 양측 단부로부터 각각 연장되어 있는 결합부들(512, 522)를 포함하고 있다.
또한, 제 1 하층 연결부재(530) 및 제 2 하층 연결부재(540)는 모듈 어셈블리(404, 405, 406)의 양측면 일부, 전면 하단 및 후면 하단을 동시에 감쌀 수 있도록 수직 단면상으로 'ㄷ'자형인 프레임 본체(530, 540)와, 측면 지지부재(810, 820) 및 하단 지지부재(610, 620)에 결합될 수 있도록 프레임 본체(530, 540)의 양측 단부로부터 각각 연장되어 있는 결합부들(532, 542)를 포함하고 있다.
한편, 제 1 및 제 2 상층 연결부재들(510, 520)과 제 1 및 제 2 하층 연결부재들(530, 540)에서 결합부(512, 522, 532, 542)는 모듈 어셈블리(401, 402, 403, 404, 405, 406)의 각각의 측면의 상하 길이(H)를 기준으로 20 내지 80%의 크기(L)로 연장되어 있다.
도 6과 도 8을 참조하면, 측면 지지부재(810, 820)는 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 판상 본체(810, 820)와, 제 1 하단 지지부재(610) 및 제 2 하단 지지부재(620)에 결합될 수 있도록 절곡되어 있는 하단 프레임(822, 823, 812)을 포함하고 있다.
또한, 하단 프레임(822, 823)에는 체결부재(도시하지 않음)에 의해 제 1 하단 지지부재(610) 및 제 2 하단 지지부재(620)에 결합되기 위한 관통구들(611, 621)이 천공되어 있다.
한편, 제 1 하단 지지부재(610) 및 제 2 하단 지지부재(620)은, 하층 모듈 어셈블리(404, 405, 406)의 하면을 지지하는 하부 고정 리브(612)와, 측면 지지부재(810, 820)에 결합될 수 있도록 하부 고정 리브(612)의 양측 단부로부터 연장된 결합부들(611, 613)을 포함하고 있다.
구체적으로, 결합부들(611, 613) 중의 하나의 결합부(611)는 하부 고정 리브(612)로부터 수평 연장되어 있고, 나머지 결합부(613)는 하부 고정 리브(612)로부터 절곡된 상태로 연장되어 있다.
도 9를 참조하면, 측면 지지부재(820)에는 전지팩의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System, 900)가 추가로 장착되어 있으며, 전지모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406)의 입출력 단자들이 위치하는 모듈 어셈블리의 일측 외면에는 PRA(Power Relay Assembly, 도시하지 않음)가 장착될 수 있도록 상층 연결부재, 하층 연결부재, 측면 지지부재 및 하단 지지부재로부터 연장된 PRA 장착용 체결구들(831, 832, 833, 834, 841, 842, 843, 844)이 형성되어 있다.
도 10에는 도 9에서 전지모듈을 제외한 나머지 구조를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 9의 측면지지부재의 개방부 방향의 측면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1 내지 도 3과 함께 참조하면, 측면 지지부재(820)에는, 전지셀(100)의 팽창에 의해 전지모듈(300)의 전기적 연결부위(320, 321)가 파열될 수 있도록, 전지모듈(300)의 전극단자 연결 부위에 대응하는 부위가 노출되는 개방부(821)를 포함하고 있다.
도 12에는 절연부재의 사시도가 도시되어 있고, 도 13에는 도 11의 "A"-"A" 절단면도가 도시되어 있으며, 도 14에는 도 10의 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1 내지 도 3과 함께 참조하면, 절연부재(720)에는, 전지셀(100)의 팽창에 의해 전지모듈(300)의 전기적 연결부위(320, 321)가 파열될 수 있도록, 전지모듈(300)의 전극단자 연결 부위에 대응하여 'ㄷ'자형 절단부(721)가 형성되어 있다.
또한, 절연부재(720)의 'ㄷ'자형 절단부(721)은 측면 지지부재(820)의 개방부(821)와 오버랩(over wrap)되는 구조(730)로 구성되어 있어, 모듈 어셈블리(401, 402, 403, 404, 405, 406)의 개방면을 폐쇄함으로써, 냉매가 모듈 어셈블리 적층체(401, 402, 403, 404, 405, 406)를 통해서만 이동하도록 만든다.
게다가, 제 1 및 제 2 상층 연결부재(510, 520), 제 1 및 제 2 하층 연결부재(530, 540)의 프레임 본체 내측에는 모듈 어셈블리(401, 402, 403, 404, 405, 406)에 접하는 부위에 냉매의 유출을 방지하기 위한 밀봉용 탄성부재(533)가 추가로 장착되어 있다.
이러한 밀봉용 탄성부재는(533), 절연부재들(710, 720)의 역할과도 같은 바, 냉매의 흐름을 소정의 방향으로 한정적으로 유동할 수 있도록 유도하고, 동시에 외측과 내측 모듈 어셈블리들의 온도 편차를 감소시키는 역할을 한다.
한편, 상층 모듈 어셈블리(401, 402, 403)의 상면 모서리를 따라 장착되는 상단 연결부재(850)를 추가로 포함하고 있으며, 상단 연결부재(850)는 평면상으로 사각형 프레임 구조로 이루어져 있고, 제 1 및 제 2 상층 연결부재(510, 520), 측면 지지부재(810, 820)에 결합되어 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (26)

  1. (a) 충방전이 가능한 전지셀을 포함하는 둘 이상의 전지모듈들이 측면방향으로 상호 접하면서 상층과 하층의 2개 층 구조로 적층되어 있는 모듈 어셈블리;
    (b) 상기 상층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 상층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 상단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 상층 연결부재;
    (c) 상기 하층 모듈 어셈블리에서, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 전면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 1 하층 연결부재와, 최외측 전지모듈들의 양측면 일부 및 후면 하단을 감싸면서 장착되어 있는 제 2 하층 연결부재;
    (d) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면을 동시에 감싸면서 상층 연결부재와 하층 연결부재에 결합되어 있는 한 쌍의 측면 지지부재들;
    (e) 상기 상층과 하층 모듈 어셈블리의 측면과 측면 지지부재 사이의 계면에 장착되는 절연부재들; 및
    (f) 상기 하층 모듈 어셈블리의 전면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 1 하단 지지부재와, 하층 모듈 어셈블리의 후면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들에 결합되어 있는 제 2 하단 지지부재;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 둘 이상의 전지셀들 또는 전지셀을 포함하는 둘 이상의 단위모듈들이 전기적으로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 상층 연결부재들은 모듈 어셈블리의 양측면 일부 및 전면 상단 또는 후면 상단을 동시에 감쌀 수 있도록 수직 단면상으로 'ㄷ'자형인 프레임 본체와, 상기 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부로부터 각각 연장되어 있는 결합부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 하층 연결부재들은 모듈 어셈블리의 양측면 일부 및 전면 하단 또는 후면 하단을 동시에 감쌀 수 있도록 수직 단면상으로 'ㄷ'자형인 프레임 본체와, 상기 측면 지지부재 및 하단 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부로부터 각각 연장되어 있는 결합부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 상층 연결부재들과 제 1 및 제 2 하층 연결부재들에서 결합부는 모듈 어셈블리의 각각의 측면의 상하 길이를 기준으로 20 내지 80%의 크기로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 프레임 본체는 모듈 어셈블리에 접하는 부위에 냉매의 유출을 방지하기 위한 밀봉용 탄성부재가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 지지부재는 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 판상 본체와, 제 1 또는 제 2 하단 지지부재에 결합될 수 있도록 절곡되어 있는 하단 프레임을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 하단 프레임에는 체결부재에 의해 제 1 또는 제 2 하단 지지부재에 결합되기 위한 관통구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 지지부재들 중의 적어도 하나에는, 전지셀의 팽창에 의해 전지모듈의 전기적 연결부위가 파열될 수 있도록, 전지모듈의 전극단자 연결 부위에 대응하는 부위가 노출되는 개방부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 지지부재들 중의 적어도 하나에는 전지팩의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System)이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재에는, 전지셀의 팽창에 의해 전지모듈의 전기적 연결부위가 파열될 수 있도록, 전지모듈의 전극단자 연결 부위에 대응하여 'ㄴ'자형 또는 'ㄷ'자형 절단부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 하단 지지부재들은, 하층 모듈 어셈블리의 하면을 지지하는 하부 고정 리브와, 상기 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 하부 고정 리브의 양측 단부로부터 연장된 결합부들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 결합부들 중의 하나의 결합부는 하부 고정 리브로부터 수평 연장되어 있고, 나머지 결합부는 하부 고정 리브로부터 절곡된 상태로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 어셈블리는, 상층 전지모듈들의 입출력 단자들과 하층 전지모듈들의 입출력 단자들이 인접하도록, 하층 전지모듈들에 대해 상층 전지모듈들이 도립된 상태로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전지모듈의 입출력 단자들이 위치하는 모듈 어셈블리의 일측 외면에는 PRA(Power Relay Assembly)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 PRA가 장착되는 모듈 어셈블리의 일측 외면에는, 상층 연결부재, 하층 연결부재, 측면 지지부재 및 하단 지지부재로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 부위로부터 연장된 PRA 장착용 체결구들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 상층 모듈 어셈블리의 상면 모서리를 따라 장착되는 상단 연결부재를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 상단 연결부재는 평면상으로 사각형 프레임 구조로 이루어져 있고, 상층 연결부재 및/또는 측면 지지부재에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 셀 케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 하나 또는 둘 이상의 단위모듈을 순차적으로 적층하여 모듈 케이스에 장착한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 전지모듈은 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성되어 있도록, 둘 이상의 단위모듈들이 수직으로 적층되어 있고, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 관통구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은, 상층 전지모듈과 하층 전지모듈의 결합을 위해, 상층 전지모듈과 하층 전지모듈의 계면상에 체결 돌기와 체결 홈이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  25. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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