KR20160068446A - 배터리 모듈 및 그를 구비하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지와, 상기 이차 전지를 지지하는 적층용 프레임을 구비하며, 높이 방향을 따라 층상 배열되는 다수의 카트리지 어셈블리; 상기 카트리지 어셈블리의 적층 방향에 대하여 상기 카트리지 어셈블리의 하부 영역에 배치되는 냉각 베이스 플레이트; 및 상기 카트리지 어셈블리의 측면에 배치되어 상기 카트리지 어셈블리들과 상기 냉각 베이스 플레이트에 연결되며, 상기 카트리지 어셈블리들로부터의 열을 상기 냉각 베이스 플레이트로 전도시키는 컨덕티브 플레이트(conductive plate)를 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 그를 구비하는 배터리 팩{Battery module, and battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 효율적인 구조를 통해 배터리 모듈의 측면 공간 활용성이 증대될 수 있음은 물론 종래보다 냉각 효율을 증대시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다.
이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다.
리튬 이차 전지는 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다.
이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 수납 및 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
배터리 모듈은 이처럼 용량 및 출력 등을 높이기 위해 다수의 이차 전지가 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미한다고 할 수 있다.
이러한 배터리 모듈을 제조할 때, 가장 이슈화되고 있는 기술 사항 중의 하나가 바로 냉각 성능이다.
이차 전지는 충방전을 반복하는 과정에서 자체적으로 열을 발생시킬 수 있는데, 배터리 모듈은 다수의 이차 전지가 좁은 공간에 밀집되어 있는 형태로 제조되기 때문에 배터리 모듈은 사용 중에 온도가 크게 상승될 수 있다.
더욱이, 자동차나 전력저장장치 등과 같은 중대형 장치는 실외에서 사용되는 경우가 많기 때문에 여름철 고온 상황에서는 이에 장착된 배터리 모듈의 온도가 더더욱 크게 상승할 수 있다.
이때, 배터리 모듈에 포함된 이차 전지는 그 온도가 적정 온도보다 높아지는 경우에 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 따라서 배터리 모듈을 제조함에 있어 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요한 문제인 것이다.
배터리 모듈의 냉각 방식에는 대표적으로 공랭식과 수랭식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차 전지의 방수 문제 등으로 인해 공랭식이 수랭식보다 널리 이용되고 있는 것으로 알려지고 있다.
공랭식의 냉각 방식은 배터리 모듈 내부로 유체, 이를테면 외부 공기를 유입시키고 배터리 모듈 내부의 공기를 외부로 유출시키기 위한 덕트를 적용하는 경우가 일반적이다.
특히, 종래의 배터리 모듈, 특히 종래의 중대형 전지 모듈에서의 냉각 방식은 배터리 모듈에 포함되어 있는 쿨링 플레이트(cooling plate)에 냉매 유로가 형성되어 있는 냉각 베이스 플레이트를 바로 부착시키는 구조였다. 다시 말해 셀 바디(cell body)의 면과 수직되게 냉각 베이스 플레이트를 부착시킴으로써 배터리 모듈을 냉각시켜왔다.
하지만, 이와 같은 종래기술의 경우, 모듈의 측면 방향으로 냉각 수단의 부피가 증대됨에 따라 모듈의 측면 공간을 활용하기 어려운 문제점이 있다.
뿐만 아니라 종래기술의 경우에는 배터리 모듈과 냉각 베이스 플레이트 간에 약간의 이격(gap)이 발생되면 그 이격으로 인해 냉각 효율이 떨어질 수밖에 없는 문제점이 있으므로 이에 대한 효율적인 구조 개선이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 효율적인 구조를 통해 배터리 모듈의 측면 공간 활용성이 증대될 수 있음은 물론 종래보다 냉각 효율을 증대시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그를 구비하는 배터리 팩과 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지와, 상기 이차 전지를 지지하는 적층용 프레임을 구비하며, 높이 방향을 따라 층상 배열되는 다수의 카트리지 어셈블리; 상기 카트리지 어셈블리의 적층 방향에 대하여 상기 카트리지 어셈블리의 하부 영역에 배치되는 냉각 베이스 플레이트; 및 상기 카트리지 어셈블리의 측면에 배치되어 상기 카트리지 어셈블리들과 상기 냉각 베이스 플레이트에 연결되며, 상기 카트리지 어셈블리들로부터의 열을 상기 냉각 베이스 플레이트로 전도시키는 컨덕티브 플레이트(conductive plate)를 포함한다.
상기 카트리지 어셈블리들의 측면에는 쿨링 플레이트(cooling plate)가 각각 결합될 수 있으며, 상기 컨덕티브 플레이트는 상기 쿨링 플레이트들과 연결될 수 있다.
상기 쿨링 플레이트와 상기 컨덕티브 플레이트 사이에 배치되어 열전도 효율을 배가시키는 열전도 부재(TIM, Thermal interface material)를 더 포함할 수 있다.
상기 컨덕티브 플레이트는, 상기 열전도 부재와 접하는 수직 플레이트; 및 상기 수직 플레이트의 하단부에서 상기 카트리지 어셈블리 쪽으로 연장되며, 상기 냉각 베이스 플레이트와 연결되는 수평 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 컨덕티브 플레이트는 상기 카트리지 어셈블리들의 양쪽 측면에 대칭되게 결합될 수 있다.
상기 냉각 베이스 플레이트에는 다수의 냉매 유로가 형성될 수 있다.
상기 냉매 유로들은 등간격으로 배열될 수 있다.
상기 다수의 카트리지 어셈블리의 하부에 배치되는 하부 플레이트; 및 상기 다수의 카트리지 어셈블리를 사이에 두고 상기 상부 플레이트의 상부에 배치되는 상부 플레이트를 더 포함할 수 있으며, 상기 하부 플레이트, 상기 다수의 카트리지 어셈블리, 상기 상부 플레이트에 일체로 연결되며, 적어도 일단부의 변형 가공에 의해 상기 하부 플레이트, 상기 다수의 카트리지 어셈블리, 상기 상부 플레이트를 하나의 몸체로 조립하는 부싱을 더 포함할 수 있다.
상기 카트리지 어셈블리의 적층용 프레임에는 상기 부싱이 삽입되어 통과되는 부싱 통과홀이 형성된 다수의 부싱 조립용 핑거가 마련될 수 있다.
상기 부싱 조립용 핑거는 상기 적층용 프레임의 코너(corner) 영역에 각각 마련될 수 있으며, 상기 부싱 조립용 핑거의 상부와 하부는 개방될 수 있으며, 상기 부싱 조립용 핑거의 중앙 영역에는 상기 부싱 통과홀이 형성되는 격벽이 마련될 수 있다.
상기 하부 플레이트는 제일 하부의 카트리지 어셈블리의 하부에 배치되되 상기 카트리지 어셈블리의 부싱 조립용 핑거의 하부에 부분적으로 삽입되는 핑거 삽입용 하부 플랜지를 더 포함할 수 있으며, 상기 핑거 삽입용 하부 플랜지에는 상기 부싱 통과홀과 연통되어 상기 부싱이 통과되는 하부 부싱 통과홀이 형성될 수 있다.
상기 상부 플레이트는 제일 상부의 카트리지 어셈블리의 상부에 배치되되 상기 카트리지 어셈블리의 부싱 조립용 핑거의 상부에 부분적으로 삽입되는 핑거 삽입용 상부 플랜지를 더 포함할 수 있으며, 상기 핑거 삽입용 상부 플랜지에는 상기 부싱 통과홀과 연통되어 상기 부싱이 통과되는 상부 부싱 통과홀이 형성될 수 있다.
상기 부싱은, 상기 핑거 삽입용 하부 플랜지의 하부 부싱 통과홀, 상기 카트리지 어셈블리들의 부싱 통과홀, 그리고 상기 핑거 삽입용 상부 플랜지의 상부 부싱 통과홀을 통과하는 부싱 샤프트; 및 상기 부싱 샤프트의 하단부에서 상기 부싱 샤프트의 길이 방향에 교차되게 형성되어 상기 핑거 삽입용 하부 플랜지의 하부에 지지되는 하부 부싱 플랜지를 포함할 수 있다.
상기 부싱 샤프트의 상단부는 상기 변형 가공에 의해 상기 부싱 샤프트의 길이 방향에 교차되게 가공되어 상기 핑거 삽입용 상부 플랜지의 상부에 지지되는 상부 부싱 플랜지를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 효율적인 구조를 통해 배터리 모듈의 측면 공간 활용성이 증대될 수 있음은 물론 종래보다 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 컨덕티브 플레이트와 열전도 부재를 제거한 상태의 도면이다.
도 3은 도 1의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 A 영역의 확대도이다.
도 5는 도 1의 종단면도이다.
도 6은 도 5의 요부 확대도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 요부 확대도이다.
도 9 내지 도 11은 각각 배터리 모듈을 제조하기 위한 단계별 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도, 도 2는 도 1에서 컨덕티브 플레이트와 열전도 부재를 제거한 상태의 도면, 도 3은 도 1의 분해 사시도, 도 4는 도 3의 A 영역의 확대도, 도 5는 도 1의 종단면도, 그리고 도 6은 도 5의 요부 확대도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 효율적인 구조를 통해 배터리 모듈(100)의 측면 공간 활용성이 증대될 수 있음은 물론 종래보다 냉각 효율을 증대시킬 수 있도록 한 것으로서, 다수의 카트리지 어셈블리(110), 냉각 베이스 플레이트(150), 그리고 컨덕티브 플레이트(conductive plate, 140)를 포함한다.
배터리 모듈(100)을 형성하는 각 구성에 대해 살펴보면, 우선 카트리지 어셈블리(110)는 하나 또는 둘 이상의 이차 전지(120)를 포함할 수 있다.
특히, 도 1 및 도 5와 같은 형태의 배터리 모듈(100)에 있어서 카트리지 어셈블리(110)는 다수의 이차 전지(120)를 구비하는 이차 전지(120)의 집합체일 수 있다.
여기서, 카트리지 어셈블리(110)에 포함되는 이차 전지(120)는 파우치형 이차 전지(120)일 수 있다. 이 경우, 파우치형 이차 전지(120)는 일 방향, 이를테면 도 3 및 도 5에 도시된 것처럼 상하 방향으로 적층된 형태로 구현될 수 있다.
물론, 도면과 달리, 이차 전지(120)가 수평 방향 등 다른 방향으로 적층될 수도 있을 것이므로 도면의 형상에 본 발명의 권리범위가 제한될 수 없다.
카트리지 어셈블리(110)는 파우치형 이차 전지(120)의 적층을 위한 적층용 프레임(130)을 더 포함할 수 있다.
적층용 프레임(130)은 이차 전지(120)를 적층하기 위한 수단으로서, 이차 전지(120)를 홀딩함으로써 그 유동을 방지시키고, 상호간 적층 가능하도록 구성되어 이차 전지(120)의 조립을 가이드하는 역할을 한다. 참고로, 적층용 프레임(130)은 카트리지(cartridge) 등 다른 다양한 용어로 대체될 수도 있다.
이차 전지(120)를 지지하면서 이차 전지(120)를 적층하기 위한 적층용 프레임(130)은 중앙 부분이 비어 있는 사각의 링 형태로 제작될 수 있다. 이 경우, 적층용 프레임(130)의 네 모서리는 이차 전지의 외주부에 위치할 수 있다.
한편, 카트리지 어셈블리(110)는 이차 전지(120)를 적층한 형태로 구성하되 적어도 둘 이상의 이차 전지(120) 사이가 소정 거리 이격될 수도 있다. 그리고 이러한 이격 구성에 의해 이차 전지(120) 사이에는 유로가 형성될 수도 있다.
다시 말해, 카트리지 어셈블리(110)는 이차 전지(120) 사이에 유로가 형성되도록 구성될 수 있는데, 이러한 구조는 적층용 프레임(130)에 의해 구현될 수 있다.
이와 같이 구현될 경우, 외부에서 카트리지 어셈블리(110)로 유체, 이를테면 공기가 유입될 경우, 유입된 공기는 이차 전지(120) 사이에 형성된 유로를 흐르면서 이차 전지(120)와 열교환할 수 있다. 이때, 이차 전지(120)와 공기 사이의 열교환은 이차 전지(120)와 공기가 직접 접촉하는 방식으로 진행될 수 있다.
이와는 달리, 예컨대 적층용 프레임(130)은 이차 전지(120)에 근접하여 냉각핀(미도시)을 더 구비할 수 있는데, 이러한 냉각핀에 공기가 접촉하도록 함으로써 이차 전지(120)와 공기 사이의 열교환이 간접적으로 이루어지도록 할 수도 있다.
본 실시예의 경우, 카트리지 어셈블리(110)의 측면, 다시 말해 적층용 프레임(130)의 측면에는 쿨링 플레이트(cooling plate, 138)가 결합된다. 쿨링 플레이트(138)는 적층용 프레임(130)들마다 하나씩 마련되어 해당하는 카트리지 어셈블리(110)의 냉각 작용에 기여할 수 있다.
카트리지 어셈블리(110)의 하부와 상부에는 각각 하부 플레이트(160)와 상부 플레이트(170)가 배치되어 카트리지 어셈블리(110)들과 함께 조립된다.
하부 플레이트(160)는 제일 하부의 카트리지 어셈블리(110)의 하부에 배치되어 하부에서 카트리지 어셈블리(110)들을 지지하는 판형 구조물이다.
그리고 상부 플레이트(170)는 제일 상부의 카트리지 어셈블리(110)의 상부에 배치되어 상부에서 카트리지 어셈블리(110)들을 지지하는 판형 구조물이다. 도면에 도시된 것처럼 상부 플레이트(170)의 표면에는 다수의 볼록 패턴(170a)이 형성된다.
다음으로, 냉각 베이스 플레이트(150)는 카트리지 어셈블리(110)의 적층 방향에 대하여 카트리지 어셈블리(110)의 하부 영역에 배치되는 구조물이다.
종전과 달리, 카트리지 어셈블리(110)의 적층 방향에 대하여 카트리지 어셈블리(110)의 하부 영역 다시 말해, 하부 플레이트(160)의 하부에 배치되기 때문에 들뜨는 현상은 없으며, 또한 카트리지 어셈블리(110)의 측면 공간 활용성을 좋게 할 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼 냉각 베이스 플레이트(150)에는 다수의 냉매 유로(151)가 형성된다. 이때, 냉매 유로(151)들은 등간격으로 배열될 수 있다. 냉매 유로(151)들을 통해 드나드는 냉매는 공기일 수 있으나 냉각수가 적용되어도 관계는 없다.
한편, 컨덕티브 플레이트(conductive plate, 140)는 카트리지 어셈블리(110)의 측면에 배치되어 카트리지 어셈블리(110)들과 냉각 베이스 플레이트(150)에 연결되며, 카트리지 어셈블리(110)들로부터의 열을 냉각 베이스 플레이트(150)로 전도시키는 역할을 한다.
이처럼 컨덕티브 플레이트(140)는 카트리지 어셈블리(110)들로부터의 열, 다시 말해 이차 전지(120)의 작용 시 발생되는 열을 전달받아 냉각 베이스 플레이트(150)로 전도시키는 역할을 한다. 따라서 컨덕티브 플레이트(140)는 열전도도가 높은 우수한 금속 재질로 제작되는 편이 바람직하다.
이러한 컨덕티브 플레이트(140)는 카트리지 어셈블리(110)들의 측면에 마련되는 쿨링 플레이트(138)들과 연결되는데, 열전도 효율을 배가시키기 위해 본 실시예의 배터리 모듈(100)에는 열전도 부재(TIM, Thermal interface material, 148)가 더 적용된다.
열전도 부재(148)는 쿨링 플레이트(138)와 컨덕티브 플레이트(140) 사이에 배치되어 열전도 효율을 배가시키는 역할을 한다. 따라서 열전도 부재(148) 역시, 열전도도가 높은 우수한 금속 재질로 제작되는 편이 바람직하다.
컨덕티브 플레이트(140)는 열전도 부재(148)와 접하는 수직 플레이트(141)와, 수직 플레이트(141)의 하단부에서 카트리지 어셈블리(110) 쪽으로 연장되며, 냉각 베이스 플레이트(150)와 연결되는 수평 플레이트(142)를 포함한다.
본 실시예에서 컨덕티브 플레이트(140)는 카트리지 어셈블리(110)들의 양쪽 측면에 대칭되게 결합되어 배터리 모듈(100)을 냉각시키는데 기여한다.
이상 설명한 바와 같이, 냉각 베이스 플레이트(150)는 카트리지 어셈블리(110)의 적층 방향에 대하여 카트리지 어셈블리(110)의 하부 영역에 배치하고, 카트리지 어셈블리(110)들의 측면에 마련되는 쿨링 플레이트(138)들에 열전도 부재(148)를 부착한 후, 컨덕티브 플레이트(140)를 적용하여 냉각 베이스 플레이트(150)와 연결시킴으로써, 도 5의 화살표와 같이 이차 전지(120)에서 발생되는 열이 쿨링 플레이트(138), 열전도 부재(148), 컨덕티브 플레이트(140) 및 냉각 베이스 플레이트(150)로 전도되어 효과적으로 냉각될 수 있다.
특히, 본 실시예의 경우, 냉각 베이스 플레이트(150)가 카트리지 어셈블리(110)의 하부 영역에 배치되는 효율적인 구조를 통해 배터리 모듈(100)의 측면 공간 활용성이 증대될 수 있음은 물론 종래보다 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도, 도 8은 도 7의 요부 확대도, 그리고 도 9 내지 도 10은 각각 배터리 모듈을 제조하기 위한 단계별 공정도이다.
한편, 전술한 바와 같이, 카트리지 어셈블리(110)는 다수 개가 적층되어 결합될 수 있는데, 이때 볼트와 너트를 사용하여 카트리지 어셈블리(110)와, 하부 및 상부 플레이트(160,170)를 조립하게 되면 볼트와 너트의 헤드 두께로 인해 불필요한 빈 공간이 발생되어 배터리 모듈(200)의 에너지 밀도가 감소될 수 있고, 또한 부품수가 증가되어 제조비가 상승될 우려가 있다.
이에, 본 실시예에서는 도 7 내지 도 11에 도시된 것처럼 통상의 볼트와 너트 대신에 부싱(180)을 이용하여 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)를 조립하고 있다.
이처럼 부싱(180)이 사용되기 위해서는 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170) 각각에 부싱(180)이 조립되기 위한 구조가 있어야 하는데, 이에 대해 먼저 알아본 후, 이들의 조립 과정을 설명하도록 한다.
카트리지 어셈블리(110)의 적층용 프레임(130)의 코너(corner) 영역에는 다른 쪽보다 돌출된 부싱 조립용 핑거(131)가 마련된다. 부싱 조립용 핑거(131)는 부싱(180)이 조립되는 장소로 사용된다.
부싱 조립용 핑거(131)에는 부싱(180)의 부싱 샤프트(181)가 삽입되어 통과되는 부싱 통과홀(132)이 형성된다. 이때, 부싱 조립용 핑거(131)의 상부와 하부는 개방된 형태를 취하며, 부싱 조립용 핑거(131)의 중앙 영역에 부싱 통과홀(132)이 형성되는 격벽(133)이 마련된다. 다시 말해, 부싱 조립용 핑거(131)는 상면에서 하부로, 그리고 하면에서 상부로 약간 함몰된 형태의 구조물로서 그 중앙에 부싱 통과홀(132)이 형성되는 격벽(133)이 마련되는 형태를 취한다.
적층용 프레임(130)들의 단변측 사이드 영역에는 단자 프레임(145)이 결합된다. 이때, 단자 프레임(145)이 안정적으로 가이드될 수 있도록 부싱 조립용 핑거(131)의 측면에는 단자 프레임(145)을 가이드하는 다수의 가이드돌기(134)가 마련된다.
가이드돌기(134)들 사이에 단자 프레임(145)이 끼워져 가이드된 후에, 나사 조립될 수 있다. 이때, 가이드돌기(134)들은 부싱 조립용 핑거(131)의 측면에서 한 쌍씩 마련될 수 있는데, 그 높낮이는 서로 다르게 배치됨에 따라 좀 더 효과적으로 단자 프레임(145)을 가이드할 수 있도록 한다.
하부 플레이트(160)에는 부싱 조립용 핑거(131)에 대응되는 위치에 다수의 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)가 마련된다. 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)들은 하부 플레이트(160)의 각 코너 영역에 마련되며, 카트리지 어셈블리(110)의 부싱 조립용 핑거(131)의 하부에 부분적으로 삽입된다.
이러한 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)에는 부싱 통과홀(132)과 연통되어 부싱(180)이 통과되는 하부 부싱 통과홀(162)이 형성된다. 하부 부싱 통과홀(162)의 직경은 부싱 샤프트(181)의 직경과 거의 유사하게 형성된다.
상부 플레이트(170)에는 부싱 조립용 핑거(131)에 대응되는 위치에 다수의 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)가 마련된다. 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)들은 상부 플레이트(170)의 각 코너 영역에 마련되며, 카트리지 어셈블리(110)의 부싱 조립용 핑거(131)의 상부에 부분적으로 삽입된다.
이러한 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)에는 부싱 통과홀(132)과 연통되어 부싱(180)이 통과되는 상부 부싱 통과홀(172)이 형성된다. 상부 부싱 통과홀(172)의 직경은 부싱 샤프트(181)의 직경과 거의 유사하게 형성된다.
한편, 부싱(180)은 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)를 일체로 조립하여 이들이 도 11과 같은 형태로 모듈화되도록 하는 역할을 한다.
부싱(180)은 도 9 및 도 10의 확대된 것과 같은 초기 상태에서 도 11의 확대된 것과 같이 변형 가공됨으로써, 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)를 일체로 조립하는 역할을 한다.
다시 말해, 부싱(180)은 일단부의 변형 가공에 의해 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)를 하나의 몸체로 조립하는 역할을 한다.
이러한 부싱(180)은 부싱 샤프트(181)와 하부 부싱 플랜지(182)를 포함하는 내부가 빈 파이프 타입의 원통형 형상을 가질 수 있다.
부싱 샤프트(181)는 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)의 하부 부싱 통과홀(162), 카트리지 어셈블리(110)들의 부싱 통과홀(132), 그리고 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)의 상부 부싱 통과홀(172)을 차례로 통과하면서 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)를 연결하는 역할을 한다.
하부 부싱 플랜지(182)는 부싱 샤프트(181)의 하단부에서 상기 부싱 샤프트(181)의 길이 방향에 교차되게 형성되어 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)의 하부에 지지된다. 이러한 하부 부싱 플랜지(182)는 부싱 샤프트(181)의 하단부에 일체로 형성된다.
앞서 기술한 바와 같이, 초기 상태의 부싱(180)은 부싱 샤프트(181)와 하부 부싱 플랜지(182)만을 포함하는 형태이다. 따라서 부싱 샤프트(181)의 상단부는 원래 아무런 모양도 형성되지 않는다. 하지만, 부싱 샤프트(181)가 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)의 하부 부싱 통과홀(162), 카트리지 어셈블리(110)들의 부싱 통과홀(132), 그리고 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)의 상부 부싱 통과홀(172)을 차례로 통과하도록 끼워진 이후에는 변형 가공되어 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)를 상부에서 하방으로 가압한다.
좀 더 부연하면, 부싱 샤프트(181)의 상단부는 변형 가공에 의해 부싱 샤프트(181)의 길이 방향에 교차되게 가공되어 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)의 상부에 지지됨으로써, 하부 부싱 플랜지(182)와 함께 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)가 일체로 조립되도록 하는 상부 부싱 플랜지(183)를 형성한다.
이때, 하부 부싱 플랜지(182)와 상부 부싱 플랜지(183)는 통상의 볼트와 너트의 헤드보다는 그 길이가 매우 짧기 때문에 불필요한 빈 공간의 발생을 억제하여 모듈의 에너지 밀도를 향상시키는 데에 기여할 수 있다.
부싱 샤프트(181)의 상단부에 상부 부싱 플랜지(183)가 형성되도록 하는 변형 가공은 스피닝(spinning) 가공일 수 있다.
이하, 배터리 모듈(200)을 제조하는 과정을 간략하게 알아본다.
우선, 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)에 적층시켜 배치한다.
그러면 하부 플레이트(160)의 핑거 삽입용 하부 플랜지(161), 카트리지 어셈블리(110)들의 부싱 조립용 핑거(131), 그리고 상부 플레이트(170)의 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)가 차례로 적층된 형태를 취하게 된다. 따라서 하부 플레이트(160)의 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)에 형성되는 하부 부싱 통과홀(162), 카트리지 어셈블리(110)에 형성되는 부싱 통과홀(132), 상기 상부 플레이트(170)의 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)에 형성되는 상부 부싱 통과홀(172)이 상하 방향을 따라 상호간 연통되는 형상을 이룰 수 있다.
다음, 하부 플레이트(160)의 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)에 형성되는 하부 부싱 통과홀(162), 카트리지 어셈블리(110)에 형성되는 부싱 통과홀(132), 그리고 상부 플레이트(170)의 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)에 형성되는 상부 부싱 통과홀(172)로 부싱(180)의 부싱 샤프트(181)를 삽입 배치한다.
그러면 부싱(180)의 하부 부싱 플랜지(182)는 하부 플레이트(160)의 핑거 삽입용 하부 플랜지(161)에 걸려 지지되고, 부싱 샤프트(181)의 상단부는 상부 부싱 통과홀(172)을 통해 노출된 상태를 취한다.
이 상태에서 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)가 하나의 몸체가 되도록 상부 부싱 통과홀(172)을 통해 노출된 부싱(180)의 부싱 샤프트(181)의 상단부를 변형 가공, 즉 스피닝(spinning) 가공시켜 이 부분에 상부 부싱 플랜지(183)가 형성되도록 가공한다(S30).
그러면 상부 부싱 플랜지(183)가 하부 부싱 플랜지(182)와 함께 하부 플레이트(160)의 핑거 삽입용 하부 플랜지(161), 카트리지 어셈블리(110)들의 부싱 조립용 핑거(131), 그리고 상부 플레이트(170)의 핑거 삽입용 상부 플랜지(171)를 조이게 됨으로써, 하부 플레이트(160), 다수의 카트리지 어셈블리(110), 그리고 상부 플레이트(170)가 하나의 몸체로 조립될 수 있게 된다.
이후, 냉각 베이스 플레이트(150) 등을 장착하면 비로소 도 11과 같은 형태의 배터리 모듈(200)이 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈(100,200)을 하나 이상 포함한다.
이때, 배터리 팩에는 배터리 모듈(100,200) 이외에, 배터리 모듈(100,200)을 수납하기 위한 케이스(미도시), 배터리 모듈(200)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치(미도시), 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100,200)은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는 위에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100,200)을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
100 : 배터리 모듈
110 : 카트리지 어셈블리
120 : 이차 전지
130 : 적층용 프레임
131 : 부싱 조립용 핑거
132 : 부싱 통과홀
133 : 격벽
134 : 가이드돌기
138 : 쿨링 플레이트
140 : 컨덕티브 플레이트
141 : 수직 플레이트
142 : 수평 플레이트
145 : 단자 프레임
148 : 열전도 부재
150 : 냉각 베이스 플레이트
151 : 냉매 유로
160 : 하부 플레이트
161 : 핑거 삽입용 하부 플랜지
162 : 하부 부싱 통과홀
170 : 상부 플레이트
171 : 핑거 삽입용 상부 플랜지
172 : 상부 부싱 통과홀
180 : 부싱
181 : 부싱 샤프트
182 : 하부 부싱 플랜지
183 : 상부 부싱 플랜지

Claims (16)

  1. 이차 전지와, 상기 이차 전지를 지지하는 적층용 프레임을 구비하며, 높이 방향을 따라 층상 배열되는 다수의 카트리지 어셈블리;
    상기 카트리지 어셈블리의 적층 방향에 대하여 상기 카트리지 어셈블리의 하부 영역에 배치되는 냉각 베이스 플레이트; 및
    상기 카트리지 어셈블리의 측면에 배치되어 상기 카트리지 어셈블리들과 상기 냉각 베이스 플레이트에 연결되며, 상기 카트리지 어셈블리들로부터의 열을 상기 냉각 베이스 플레이트로 전도시키는 컨덕티브 플레이트(conductive plate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지 어셈블리들의 측면에는 쿨링 플레이트(cooling plate)가 각각 결합되며,
    상기 컨덕티브 플레이트는 상기 쿨링 플레이트들과 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 쿨링 플레이트와 상기 컨덕티브 플레이트 사이에 배치되어 열전도 효율을 배가시키는 열전도 부재(TIM, Thermal interface material)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨덕티브 플레이트는,
    상기 열전도 부재와 접하는 수직 플레이트; 및
    상기 수직 플레이트의 하단부에서 상기 카트리지 어셈블리 쪽으로 연장되며, 상기 냉각 베이스 플레이트와 연결되는 수평 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨덕티브 플레이트는 상기 카트리지 어셈블리들의 양쪽 측면에 대칭되게 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 베이스 플레이트에는 다수의 냉매 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉매 유로들은 등간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 카트리지 어셈블리의 하부에 배치되는 하부 플레이트; 및
    상기 다수의 카트리지 어셈블리를 사이에 두고 상기 상부 플레이트의 상부에 배치되는 상부 플레이트를 더 포함하며,
    상기 하부 플레이트, 상기 다수의 카트리지 어셈블리, 상기 상부 플레이트에 일체로 연결되며, 적어도 일단부의 변형 가공에 의해 상기 하부 플레이트, 상기 다수의 카트리지 어셈블리, 상기 상부 플레이트를 하나의 몸체로 조립하는 부싱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 카트리지 어셈블리의 적층용 프레임에는 상기 부싱이 삽입되어 통과되는 부싱 통과홀이 형성된 다수의 부싱 조립용 핑거가 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부싱 조립용 핑거는 상기 적층용 프레임의 코너(corner) 영역에 각각 마련되며,
    상기 부싱 조립용 핑거의 상부와 하부는 개방되며,
    상기 부싱 조립용 핑거의 중앙 영역에는 상기 부싱 통과홀이 형성되는 격벽이 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 하부 플레이트는 제일 하부의 카트리지 어셈블리의 하부에 배치되되 상기 카트리지 어셈블리의 부싱 조립용 핑거의 하부에 부분적으로 삽입되는 핑거 삽입용 하부 플랜지를 더 포함하며,
    상기 핑거 삽입용 하부 플랜지에는 상기 부싱 통과홀과 연통되어 상기 부싱이 통과되는 하부 부싱 통과홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 상부 플레이트는 제일 상부의 카트리지 어셈블리의 상부에 배치되되 상기 카트리지 어셈블리의 부싱 조립용 핑거의 상부에 부분적으로 삽입되는 핑거 삽입용 상부 플랜지를 더 포함하며,
    상기 핑거 삽입용 상부 플랜지에는 상기 부싱 통과홀과 연통되어 상기 부싱이 통과되는 상부 부싱 통과홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부싱은,
    상기 핑거 삽입용 하부 플랜지의 하부 부싱 통과홀, 상기 카트리지 어셈블리들의 부싱 통과홀, 그리고 상기 핑거 삽입용 상부 플랜지의 상부 부싱 통과홀을 통과하는 부싱 샤프트; 및
    상기 부싱 샤프트의 하단부에서 상기 부싱 샤프트의 길이 방향에 교차되게 형성되어 상기 핑거 삽입용 하부 플랜지의 하부에 지지되는 하부 부싱 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 부싱 샤프트의 상단부는 상기 변형 가공에 의해 상기 부싱 샤프트의 길이 방향에 교차되게 가공되어 상기 핑거 삽입용 상부 플랜지의 상부에 지지되는 상부 부싱 플랜지를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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