KR20160087093A - 고정 브라켓이 형성되어 있는 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈 및 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 전지셀들과 교번 배열된 상태로 적층되어 전지모듈을 구성하는 카트리지로서, 상기 전지셀과 결합될 수 있도록, 전지셀의 전극조립체 수납부 외주면에 대응하는 형상의 장착부가 형성되어 있는 프레임; 및 상기 전극조립체 수납부의 외면에 접촉하여 전지셀을 냉각시킬 수 있도록, 상기 프레임의 장착부에 결합되어 있는 방열핀;을 포함하고, 상기 프레임의 외주면의 일변에는, 전지모듈에 부가되는 전장부재를 장착하기 위한 하나 이상의 고정 브라켓이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지를 제공한다.

Description

고정 브라켓이 형성되어 있는 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈 및 전지팩{Cartridge Having Fixing Bracket and Battery Module and Pack Including the Same}
본 발명은 고정 브라켓이 형성되어 있는 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈에 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.
따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 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 등에 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 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장 부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
구체적으로, 파우치형 전지는 기계적 강도가 떨어지므로 다수의 전지들을 적층하여 모듈을 제조함에 있어서 안정적인 결합과 조립 상태를 유지하기 위한 별도의 부재들이 요구된다. 따라서, 파우치형 전지를 모듈로 제조함에 있어서, 일반적으로는 하나 또는 둘 이상의 단위로 전지들을 장착하는 카트리지 등의 별도의 장착 부재가 사용되고 이들을 적층하여 모듈을 제조하고 있다.
이와 같이 제조된 전지모듈의 일측에는 전장부재들이 장착되는데, 이들 전장부재들을 장착하기 위해 전지모듈에는 별도의 브라켓들이 추가로 장착되어야 한다.
이는 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우 모두에서, 전장부재들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다.
따라서, 실제 제조 공정상에 어려움이 없고, 전지셀의 낮은 기계적 강성을 보완하며 전지모듈의 일측에 전장부재를 용이하게 장착 및 고정할 수 있는 카트리지 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지셀의 낮은 기계적 강성을 보완하고, 전장부재를 용이하게 장착 및 고정할 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카트리지는,
복수의 전지셀들과 교번 배열된 상태로 적층되어 전지모듈을 구성하는 카트리지로서,
상기 전지셀과 결합될 수 있도록, 전지셀의 전극조립체 수납부 외주면에 대응하는 형상의 장착부가 형성되어 있는 프레임; 및
상기 전극조립체 수납부의 외면에 접촉하여 전지셀을 냉각시킬 수 있도록, 상기 프레임의 장착부에 결합되어 있는 방열핀;
을 포함하고,
상기 프레임의 외주면의 일변에는, 전지모듈에 부가되는 전장부재를 장착하기 위한 하나 이상의 고정 브라켓이 형성되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 카트리지는, 프레임의 외주면의 일변에 전지모듈에 부가되는 전장부재를 장착하기 위한 하나 이상의 고정 브라켓을 형성함으로써, 전장부재를 용이하게 장착 및 고정할 수 있다.
하나의 구체적인 예로서, 상기 카트리지는 장방형 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 고정 브라켓은, 상기 프레임으로부터 외향 돌출되어 형성되어 있는 돌기부와, 상기 돌기부의 단부에 수직 방향으로 만입되어 있는 고정홈을 포함하고 있는 구조일 수 있다.
또한, 전장부재는 상기 고정 브라켓의 고정홈에 체결부재로서 볼트 또는 나사를 삽입하여 결합되는 구조일 있다.
구체적으로, 상기 체결부재는 볼트로 이루어져 있을 수 있고, 상기 고정홈의 내면에는 너트가 설치되어 있을 수 있다.
상기 돌기부의 돌출 높이는 프레임의 두께의 1.5배 내지 5배의 크기로 이루어져 있을 수 있다. 돌기부의 돌출 높이가 너무 낮을 때에는 체결부재가 삽입되는 고정홈의 깊이가 충분히 형성될 수 없고, 반대로 돌기부의 높이가 너무 높을 때에는 전지모듈의 부피가 불필요하게 커질 수 있다.
상기 방열핀의 중앙에는 전지셀 방향으로 연장 돌출되어 있는 돌출형 냉각 개구가 천공되어 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 돌출형 냉각 개구는 방열핀의 양면으로 돌출 연장되어 있을 수 있고, 그 형상은 단면 상으로 원형 또는 타원형으로 이루어져 있을 수 있다. 이는 돌출형 냉각 개구를 통과하는 냉각 튜브의 형상에 따라 변경될 수 있다.
또한, 상기 고정 브라켓이 형성되어 있는 프레임의 외주면의 일변에는, 복수의 방열 개구들이 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 충방전 과정에서 전지셀에서 발생하는 열은 상기 방열 개구를 통해 전지모듈 외부로 빠져나갈 수 있다.
상기 고정 브라켓이 형성되어 있는 프레임의 외주면의 일변에 인접하는 변에는 전지셀의 전극 단자가 노출될 수 있도록, 전극 단자 노출부가 형성되어 있을 수 있다. 이 같은 구조에서는 전극 단자들이 모두 동일한 변에 노출되는 구조로 이루어져 있지만, 전극 단자 노출부가 각각 대향하는 변에 형성되어 전극 단자들이 대향하는 변에 각각 노출되는 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
상기 프레임의 엣지들에는 4개의 체결구가 각각 형성되어 있을 수 있고, 상기 체결구들에 체결봉이 삽입되어 카트리지들이 상호 결합되는 구조로 전지모듈이 구성될 수 있다.
본 발명은 또한, 복수의 전지셀들과 카트리지들을 교번 배열한 상태로 적층하여 구성된 전지모듈로서,
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막 구조의 전극조립체를 내장하고 있는 판상형의 전지셀; 및
상기 전지셀과 결합될 수 있도록, 전지셀의 전극조립체 수납부 외주면에 대응하는 형상의 장착부가 형성되어 있는 프레임과, 상기 전극조립체 수납부의 외면에 접촉하여 전지셀을 냉각시킬 수 있도록, 상기 프레임의 장착부에 결합되어 있는 방열핀으로 이루어져 있는 카트리지;
를 포함하고,
상기 프레임의 외주면의 일변에는, 전지모듈에 부가되는 전장부재를 장착하기 위한 하나 이상의 고정 브라켓이 형성되어 있고, 상기 전지셀은 전극조립체 수납부의 계면이 상기 방열핀에 접한 상태로 상기 장착부에 장착되어 있는 구조의 전지모듈을 제공한다.
상기 전지모듈에서, 상기 전지모듈에서, 상기 카트리지의 방열핀과 상기 전지셀의 계면의 중앙에는 냉각 튜브가 통과할 수 있도록, 상기 방열핀의 중앙에는 전지셀 방향으로 연장 돌출되어 있는 제 1 냉각 개구가 천공되어 있을 수 있고, 상기 전지셀에는 상기 제 1 냉각 개구에 대응하는 형상의 제 2 냉각 개구가 천공되어 있을 수 있다.
또한, 상기 전지모듈의 전면에는 외부 입출력 단자를 포함하는 BMS(Battery Management System)가 장착되어 있을 수 있고, 상기 카트리지들 중에서 최외곽에 위치하는 카트리지들에는 카트리지에 대응하는 형상의 한 쌍의 엔드 플레이트들이 장착되어 있을 수 있다.
상기 전지셀은 파우치형 이차전지일 수 있다. 구체적으로, 상기 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 전지셀들은 전극 단자들이 버스 바에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되어 있을 수 있다.
상기 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있고, 구체적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 포함하고, 상기 전지모듈의 상단에 전장부재가 장착되어 있는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 카트리지는, 프레임의 외주면의 일변에 전지모듈에 부가되는 전장부재를 장착하기 위한 하나 이상의 고정 브라켓을 형성함으로써, 전장부재를 용이하게 장착 및 고정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 카트리지의 사시도이다;
도 2는 도 1의 ‘A’ 부위에 대한 확대도이다;
도 3은 도 1의 카트리지를 포함하는 전지모듈의 사시도이다.
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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 카트리지의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1 의 ‘A’ 부위에 대한 확대도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 카트리지(100)는 장방형 구조로 이루어져 있고, 프레임(110)과 방열핀(120)을 포함하고 있다. 프레임(110)에는 전지셀(도시하지 않음)의 전극조립체 수납부 외주면에 대응하는 형상의 장착부(111)가 형성되어 있고, 방열핀(120)은 전극조립체 수납부의 외면에 접촉하여 전지셀을 냉각시킬 수 있도록, 프레임의 장착부(111)에 결합되어 있다.
프레임(110)의 외주면의 일변에는 전지모듈(도시하지 않음)에 부가되는 전장부재(도시하지 않음)를 장착하기 위한 2 개의 고정 브라켓들(130)이 형성되어 있다.
고정 브라켓(130)은 프레임(110)으로부터 외향 돌출되어 형성되어 있는 돌기부(131)와, 돌기부(131)의 단부에 수직 방향으로 만입되어 있는 고정홈(132)으로 이루어져 있다.
고정 브라켓(130)의 고정홈(132) 내면에는 너트(도시하지 않음)가 설치되어 있고, 체결부재로서 볼트(도시하지 않음)를 고정홈(132)에 삽입하여 전장부재(도시하지 않음)를 결합한다.
돌기부(131)의 돌출 높이(H1)는 프레임(110)의 두께(T1)의 1.5배의 크기로 형성되어 있다.
한편, 방열핀(120)의 중앙에는 전지셀(도시하지 않음) 방향으로 연장 돌출되어 있는 돌출형 냉각 개구(121)가 천공되어 있고, 냉각 개구(121)는 수직 단면 상 타원형으로 이루어져 있다.
또한, 고정 브라켓(130)이 형성되어 있는 프레임(110)의 외주면의 일변에는, 복수의 방열 개구(113)들이 형성되어 있고, 인접하는 변에는 전지셀의 전극 단자가 노출될 수 있도록, 전극 단자 노출부(115)가 형성되어 있다.
프레임(110)의 엣지들(모서리)에는 4개의 체결구(117)가 각각 형성되어 있고, 이들 체결구들(117)에 체결봉(도시하지 않음)이 삽입되어 카트리지들이 상호 결합되어 전지모듈을 구성할 수 있다.
도 3은 도 1의 카트리지를 포함하는 전지모듈의 사시도가 도시되어 있다.
도 3을 도 1과 함께 참조하면, 전지모듈(200)은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막 구조의 전극조립체를 내장하고 있는 판상형의 전지셀(도시하지 않음)과 카트리지(100)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀은 전극조립체 수납부의 계면이 방열핀(120)에 접한 상태로 상기 장착부에(111)에 장착되어 있다.
방열핀(120)의 중앙에는 전지셀 방향으로 연장 돌출되어 있는 제 1 냉각 개구(121)가 천공되어 있고, 전지셀의 계면의 중앙에는 상기 제 1 냉각 개구에 대응하는 형상의 제 2 냉각 개구가 천공되어 있어서, 이들 개구를 통해 냉각 튜브(300)가 전지모듈(200)을 통과하고 있다.
한편, 전지모듈(200)의 전면에는 외부 입출력 단자를 포함하는 BMS(210)가 장착되어 있고, 최외곽에 위치하는 카트리지들(100)에는 카트리지에 대응하는 형상의 한 쌍의 엔드 플레이트(220)들이 장착되어 있다.
상기와 같은 구조를 제외한 나머지 카트리지에 대한 구조는 도 1 및 도 2에 언급한 실시예의 카트리지의 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 복수의 전지셀들과 교번 배열된 상태로 적층되어 전지모듈을 구성하는 카트리지로서,
    상기 전지셀과 결합될 수 있도록, 전지셀의 전극조립체 수납부 외주면에 대응하는 형상의 장착부가 형성되어 있는 프레임; 및
    상기 전극조립체 수납부의 외면에 접촉하여 전지셀을 냉각시킬 수 있도록, 상기 프레임의 장착부에 결합되어 있는 방열핀;
    을 포함하고,
    상기 프레임의 외주면의 일변에는, 전지모듈에 부가되는 전장부재를 장착하기 위한 하나 이상의 고정 브라켓이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지는 장방형 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 브라켓은, 상기 프레임으로부터 외향 돌출되어 형성되어 있는 돌기부와, 상기 돌기부의 단부에 수직 방향으로 만입되어 있는 고정홈을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 브라켓의 고정홈에 체결부재로서 볼트 또는 나사가 삽입하여 전장부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 체결부재는 볼트이고, 상기 고정홈의 내면에는 너트가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 돌기부의 돌출 높이는 프레임의 두께의 1.5배 내지 5배의 크기인 것을 특징으로 하는 카트리지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 방열핀의 중앙에는 전지셀 방향으로 연장 돌출되어 있는 돌출형 냉각 개구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 돌출형 냉각 개구는 방열핀의 양면으로 돌출 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 돌출형 냉각 개구는 수직 단면 상으로 원형 또는 타원형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 카트리지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 브라켓이 형성되어 있는 프레임의 외주면의 일변에는, 복수의 방열 개구들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 브라켓이 형성되어 있는 프레임의 외주면의 일변에 인접하는 변에는 전지셀의 전극 단자가 노출될 수 있도록, 전극 단자 노출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임의 엣지들(모서리)에는 4개의 체결구가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 체결구들에 체결봉이 삽입되어 카트리지들이 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 카트리지.
  14. 복수의 전지셀들과 카트리지들을 교번 배열한 상태로 적층하여 구성된 전지모듈로서,
    양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막 구조의 전극조립체를 내장하고 있는 판상형의 전지셀; 및
    상기 전지셀과 결합될 수 있도록, 전지셀의 전극조립체 수납부 외주면에 대응하는 형상의 장착부가 형성되어 있는 프레임과, 상기 전극조립체 수납부의 외면에 접촉하여 전지셀을 냉각시킬 수 있도록, 상기 프레임의 장착부에 결합되어 있는 방열핀으로 이루어져 있는 카트리지;
    를 포함하고,
    상기 프레임의 외주면의 일변에는, 전지모듈에 부가되는 전장부재를 장착하기 위한 하나 이상의 고정 브라켓이 형성되어 있고, 상기 전지셀은 전극조립체 수납부의 계면이 상기 방열핀에 접한 상태로 상기 장착부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 카트리지의 방열핀과 상기 전지셀의 계면의 중앙에는 냉각 튜브가 통과할 수 있도록, 상기 방열핀의 중앙에는 전지셀 방향으로 연장 돌출되어 있는 제 1 냉각 개구가 천공되어 있을 수 있고, 상기 전지셀에는 상기 제 1 냉각 개구에 대응하는 형상의 제 2 냉각 개구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 전지모듈의 전면에는 외부 입출력 단자를 포함하는 BMS(Battery Management System)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 카트리지들 중에서 최외곽에 위치하는 카트리지들에는 카트리지에 대응하는 형상의 한 쌍의 엔드 플레이트들이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 전지셀들은 전극 단자들이 버스 바에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  22. 제 14 항에 따른 전지모듈을 포함하고, 상기 전지모듈의 상단에 전장부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  23. 제 22 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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