KR20150084661A - 단위모듈들을 포함하는 전지모듈 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수의 전지셀들이 한 쌍의 셀 프레임들에 장착된 상태로 전기적으로 연결되어 구성되는 하나 이상의 단위모듈을 포함하는 전지모듈 어셈블리로서, 상기 단위모듈들을 전기적으로 연결시키는 하나 이상의 단자 플레이트들; 및 상기 단자 플레이트들 간을 연결시키는 버스 바(bus bar);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리를 제공한다.

Description

단위모듈들을 포함하는 전지모듈 어셈블리 {A Battery Module Assembly including Unit-Modules}
본 발명은 단위모듈들을 포함하는 전지모듈 어셈블리에 관한 것이다.
이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 사용될 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로도 사용되고 있다.
따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
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
전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등과 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다. 또한, 전기자전거, 전기자동차 등과 같이 외부로부터 많은 충격, 진동 등을 받는 디바이스들은 전지모듈을 구성하는 소자들간의 전기적 연결상태와 물리적 결합상태가 안정적이어야 하며, 다수의 전지를 사용하여 고출력 및 대용량을 구현하여야 하기 때문에 안전성 측면도 중요시 되고 있다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 리튬 이차전지 기반의 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다.
그러나, 상기 리튬 이차전지는, 제조 공정에 의해 비교적 가격이 높고 저온에서의 사용 특성이 상대적으로 떨어지며, 다양한 크기의 제품 적용에 한계로 인해, 근래에는 리튬 이차전지 기반의 원통형 전지도 많이 사용되고 있다.
원통형 전지는 일반적으로 각형 및 파우치형 전지보다 큰 전기용량을 가지지만, 원통형 전지의 외형적 특성상 적층 구조로의 배열을 유지하는데 많은 어려움이 있어 별도의 고정장치의 사용이 요구된다. 예를 들어, 상기 원통형 전지들을 배열하고 테이프로 고정하거나 플라스틱 코팅하여 배열 구조를 유지하는 방법이 많이 사용되고 있으며, 원통형 전지들간의 결합력을 더욱 높이기 위하여 전지들 사이에 양면 테이프를 부착하기도 한다.
한편, 도 1에는 종래의 전지모듈의 일 예가 모식도가 도시되어 있는 바, 도 1을 참조하면, 종래의 전지모듈(50)은 다수의 원통형 전지들(10)을 포함하는 단위모듈들(30)과 이를 전기적으로 연결하는 버스 바(20)를 포함하고 있으며, 단위모듈(30)은 5행 및 5열의 구조로 이루어져 있고, 열 방향(세로 방향)으로 동일한 전극의 전극단자들이 배열되고, 행 방향(가로 방향)으로 서로 다른 전극단자들이 배열되어 있다. 따라서, 상기 원통형 전지들의 적층 구조의 특성상 외부 케이스에 장착되는 과정에서 높이에 대한 제약으로 인해, 전지모듈과 외부 케이스 사이에 별도의 절연 테이프가 부착되어 있으므로, 공간활용 측면 뿐만 아니라, 제조 공정 과정도 복잡해지는 문제점이 있다.
더욱이, 이 같은 전지모듈을 구성하는 원통형 전지셀의 경우에는, 원통형 전지셀을 적층하여 전지모듈을 구성하는 구조에 있어서, 상대적으로 각형 전지셀 또는 파우치형 전지셀에 비해 구조적 불안정성을 갖게 된다.
또한, 다수의 원통형 전지들의 전극단자들에 대해 하나의 구조 내에서 전지들 간의 직/병렬 연결이 이루어지므로, 전지모듈 조립 과정에서 오삽입, 저항용접 불량 또는 구성 요소의 배열 오류 등으로 인한 내부 단락 등의 공정 불량 가능성이 항상 존재한다는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명의 목적은, 원통형 전지셀들로 이루어진 단위모듈을 하나 이상 포함하는 전지모듈 어셈블리에서 단위모듈들을 전기적으로 연결하는 특정한 구조의 접속부재를 포함하도록 구성하여 구조적으로 안정적이며 콤팩트한 전지모듈 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다수의 전지셀들로 구성된 단위모듈들 연결하는 특정 구조의 프레임 구조에 의해 조립 불량 감소, 공정 시간의 단축이 가능한 전지모듈 어셈블리를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 복수의 전지셀들이 한 쌍의 셀 프레임들에 장착된 상태로 전기적으로 연결되어 구성되는 하나 이상의 단위모듈을 포함하는 전지모듈 어셈블리로서,
상기 단위모듈들을 전기적으로 연결시키는 하나 이상의 단자 플레이트들; 및
상기 단자 플레이트들 간을 연결시키는 버스 바(bus bar);
를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 한 쌍의 셀 프레임들에 복수의 전지셀들을 장착한 단위모듈들을 단자 플레이드들을 포함하는 특정 구조로 구성함으로써, 소망하는 출력에 따라 전지모듈의 확장 및 축소가 용이하며, 안정적이고 콤팩트한 구조를 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 원통형 전지셀일 수 있고, 상기 단위모듈에서 전지셀들은 전기적으로 병렬 연결되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 한 쌍의 셀 프레임들은, 전지셀들의 제 1 단자 부위가 장착되는 제 1 셀 프레임과, 전지셀들의 제 2 단자 부위가 장착되는 제 2 셀 프레임으로 이루어져 있는 구조일 수 있다. 상기 제 1 단자 부위는 양극 단자 부위 일 수 있고, 상기 제 2 단자 부위는 음극 단자 부위 일 수 있으며, 그 반대 또한 가능함은 물론이다.
또한, 상기 제 1 셀 프레임과 제 2 셀 프레임에는, 원통형 전지셀의 제 1 단자와 제 2 단자가 노출되는 개구들이 천공되어 있을 수 있다. 상기 개구들은 원통형 전지셀에 대응하는 개수와 형상으로 이루어져 있을 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 셀 프레임들에 장착되어 상기 개구들을 통해 노출된 제 1 단자와 제 2 단자들은, 한 쌍의 단자 플레이트들에 의해 접속되는 구조일 수 있다. 여기서, 상기 셀 프레임들은 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 상기 단자 플레이트들은 금속 소재로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 원통형 전지셀들이 전기 절연성의 상기 셀 프레임에 안정적으로 장착된 상태에서 금속 소재의 상기 단자 플레이트들에 의해 전기적 연결이 이루어진다.
상기 구조에서, 상기 제 1 셀 프레임과 제 2 셀 프레임에는 하나 이상의 제 1 체결구 또는 체결돌기가 형성되어 있고, 상기 단자 플레이트에는 상기 체결구 또는 체결돌기에 대응하는 부위에 제 2 체결구가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 단자 플레이트들은, 전지셀들의 제 1 단자에 접속되는 제 1 단자 플레이트와, 전지셀들의 제 2 단자에 접속되는 제 2 단자 플레이트로 이루어져 있을 수 있고, 이들 각각의 단자 플레이트들은, 전지셀들의 전극단자들에 접속된 상태로, 셀 프레임들의 외면에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
또, 상기 제 1 및 제 2 셀 프레임의 상단 중앙 부위에는 모듈 단자가 각각 형성되어 있을 수 있고, 상기 단자 플레이트들은 상기 모듈 단자에 전기적으로 접촉될 수 있도록, 단자 플레이트 상단의 일부가 모듈 단자 방향으로 연장되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 단위모듈들은 전기적으로 직렬 연결되어 있을 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 단자 플레이트들은 상기 제 1 및 제 2 단자들 각각에 저항 용접에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 셀 프레임들 간 및/또는 상기 셀 프레임과 상기 단자 플레이트 간에는 볼트 또는 볼트-너트에 의해 체결되는 구조일 수 있고, 상기 셀 프레임들 간 및/또는 상기 셀 프레임과 상기 단자 플레이트 간에는 리벳(Rivet) 방식 및/또는 스크류 방식으로 체결되는 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은 상기 전지모듈 어셈블리를 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 가정용 전원장치, 공공시설 전원장치, 대형상점용 전원장치, 비상용 전원장치, 전산실 전원장치, 휴대용 전원장치, 의료설비 전원장치, 소화설비 전원장치, 경보설비 전원장치, 피난설비 전원장치, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 한 쌍의 셀 프레임들에 복수의 전지셀들을 장착한 단위모듈들을 단자 플레이트를 포함하는 특정 구조로 구성함으로써, 소망하는 출력에 따라 전지모듈의 확장 및 축소가 용이하며, 안정적이고 콤팩트한 구조를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 다수의 전지셀들로 구성된 단위모듈들 연결하는 특정 구조의 프레임 구조에 의해 조립 불량 감소, 공정 시간의 단축이 가능한 효과가 있다.
도 1 은 종래의 하나의 예시적인 전지모듈의 모식도이다;
도 2 는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 분해 사시도이다;
도 3 및 도 4 는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도들이다;
도 5 는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리의 사시도이다;
도 6 및 도 7 은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 정면도들이다;
도 8 은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 측면도이다;
도 9 는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 측면도이다.
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 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3 및 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도들이 모식적으로 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈 어셈블리(500)는 한 쌍의 단위모듈들(200)을 포함하며, 단위모듈(200)은 복수 개의 원통형 전지셀(210), 제 1 셀 프레임(220), 제 2 셀 프레임(230), 제 1 단자 플레이트(240), 제 2 단자 플레이트(250) 및 볼트들(260)로 이루어져 있다.
제 1 셀 프레임(220) 및 제 2 셀 프레임(230)에는 전지셀들(210)의 제 1 단자(211) 및 제 2 단자(212)가 노출될 수 있도록, 전지셀들(210)에 대응하는 형상의 개구들(221, 231)이 형성되어 있다.
전지셀들(210)은 플라스틱 소재의 제 1 셀 프레임(220) 및 제 2 셀 프레임(230)에 삽입된 상태에서, 개구들(221, 231)로부터 노출된 금속 소재의 제 1 단자들(211) 및 제 2 단자들(212)에는 각각 제 1 단자 플레이트(240) 및 제 2 단자 플레이트(250)가 체결되어 전기적으로 병렬 연결된다.
제 1 셀 프레임(220) 및 제 2 셀 프레임(230)의 상단 중앙 부위에는 제 1 단자 플레이트(240) 및 제 2 단자 플레이트(250) 각각에 전기적으로 연결될 수 있는 모듈 단자(222, 232)가 돌출되어 있다.
또, 제 1 단자 플레이트(240) 및 제 2 단자 플레이트(250) 상단의 일부가 모듈 단자 방향으로 연장되어 있고, 제 1 단자 플레이트(240) 및 제 2 단자 플레이트(250)의 상기 연장 부위에는 모듈 단자들(222, 232)이 전기적으로 접촉될 수 있도록 버스 바(270)가 장착되어 있다.
제 1 셀 프레임(220)에는 제 2 셀 프레임(230)과 상호 체결을 공고히 하기 위한 한 쌍의 체결 리브들(225)이 일측으로 연장되어 있다. 제 2 프레임(230)의 대응하는 부위에는 한 쌍의 고정부들(235)이 상향 돌출되어 있고, 고정부들(235)은 체결 리브들(225)의 외형에 대응하는 모양으로 형성되어 있다.
상기 구조에서, 체결 리브들(225)은 양단부가 단차진 형태의 사다리꼴 형상을 갖고 있으며, 상기 양단부의 단차진 부위가 한 쌍의 고정부들(235)의 일측에 밀착되고 체결 리브들(225)에 형성된 홀(도시하지 않음)을 통해 볼트(도시하지 않음)가 삽입됨으로써, 제 1 셀 프레임(220) 및 제 2 셀 프레임(230)의 체결이 더욱 강화된다.
또한, 제 1 셀 프레임(220) 및 제 2 셀 프레임(230)은 상호 간의 체결을 달성하기 위해 리벳 구조로 형성되어 있다. 즉, 제 1 셀 프레임(220)의 상단 양측 부위에는 리벳 돌출부(223)가 형성되어 있고, 제 2 셀 프레임(230)의 상단 양측 부위에는 상기 리벳 돌출부(223)가 삽입될 수 있도록, 리벳 체결홈(233)이 형성되어 있다.
또한, 상기 제 1 셀 프레임(220) 및 제 2 셀 프레임(230)에는 나사홈들(224, 234)들이 각각 형성되어 있고, 이들 나사홈들(224, 234)에 볼트들(260)이 삽입되어, 제 1 셀 프레임(220)과 제 2 셀 프레임(230)간의 체결을 공고히 할 수 있다.
도 6 및 도 7 에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 정면도들이 모식적으로 도시되어 있고, 도 8 에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 측면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 9 에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 2 내지 도 5 와 함께 참조하면, 본 발명의 전지모듈 어셈블리(500)는 적어도 하나의 단위모듈(200)이 제 1 단자(211) 또는 제 2 단자(212) 방향으로 연속적으로 배열되어 있다.
이러한 전지모듈 어셈블리(500)의 구조는 적어도 하나의 제 1 셀 프레임들(220) 및 제 2 셀 프레임들(230)의 연속적인 상호 간의 체결을 통해 달성된다. 단위모듈들(200) 간의 체결 방식은 앞서 설명한 바와 같으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
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 (15)

  1. 복수의 전지셀들이 한 쌍의 셀 프레임들에 장착된 상태로 전기적으로 연결되어 구성되는 하나 이상의 단위모듈을 포함하는 전지모듈 어셈블리로서,
    상기 단위모듈들을 전기적으로 연결시키는 하나 이상의 단자 플레이트들; 및
    상기 단자 플레이트들 간을 연결시키는 버스 바(bus bar);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 원통형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈에서 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 프레임들은, 전지셀들의 제 1 단자 부위가 장착되는 제 1 셀 프레임과, 전지셀들의 제 2 단자 부위가 장착되는 제 2 셀 프레임을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 셀 프레임과 제 2 셀 프레임에는 제 1 단자와 제 2 단자가 노출되기 위한 개구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 셀 프레임과 제 2 셀 프레임에는 하나 이상의 제 1 체결구 또는 체결돌기가 형성되어 있고, 상기 단자 플레이트에는 상기 체결구 또는 체결돌기에 대응하는 부위에 제 2 체결구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 플레이트들은, 전지셀들의 제 1 단자에 접속되는 제 1 단자 플레이트와, 전지셀들의 제 2 단자에 접속되는 제 2 단자 플레이트를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 플레이트들은, 전지셀들의 전극단자들에 접속된 상태로, 셀 프레임들의 외면에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈들은 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 프레임들 간 및/또는 상기 셀프레임과 상기 단자 플레이트 간에는 볼트 또는 볼트-너트에 의해 체결되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 프레임들 간 및/또는 상기 셀프레임과 상기 단자 플레이트 간에는 리벳(Rivet) 방식 및/또는 스크류 방식으로 체결되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들과 상기 단자 플레이트 간에는 저항용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 단위모듈 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 가정용 전원장치, 공공시설 전원장치, 대형상점용 전원장치, 비상용 전원장치, 전산실 전원장치, 휴대용 전원장치, 의료설비 전원장치, 소화설비 전원장치, 경보설비 전원장치, 피난설비 전원장치, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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