KR20170062845A - 구성이 간소화된 단위모듈을 포함하고 있는 전지모듈 - Google Patents

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KR20170062845A
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Abstract

본 발명은 동일한 면이 서로 동일한 방향으로 적층 배열된 둘 이상의 전지셀들; 각각의 전지셀의 외주변을 감싸는 구조의 프레임 부재들; 및 각각의 전지셀과 대면하여 접촉하는 플레이트 형상의 냉각 부재들;을 포함하고 있고, 하나의 프레임 부재의 일측에 하나의 전지셀이 장착되어 있고 타측에 하나의 냉각 부재가 장착되어 단위모듈을 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

구성이 간소화된 단위모듈을 포함하고 있는 전지모듈 {Battery Module Comprising Unit Module Having Simple Structure}
본 발명은 구성이 간소화된 단위모듈을 포함하고 있는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
이러한 이차전지가 자동차의 동력원으로 이용되거나, 대용량의 전력을 저장하기 위한 전력 저장장치에 이용되는 경우, 상기 이차전지는 다수의 전지셀들이 적층된 구조의 전지모듈 내지 전지모듈 어셈블리를 포함하는 전지팩의 형태로서 이용된다.
도 1에는 종래의 전지모듈을 구성하는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 단위모듈(100)은 2개의 전지셀들(110, 120)이 2개의 프레임 부재들(130, 140) 사이에 개재되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전제셀들(110, 120)은 전극 단자들(111, 121)이 서로 접속된 상태에서, 서로 대면하는 구조로 적층 배열되어 있다.
프레임 부재들(130, 140)은 전지셀들(110, 120)의 외주변을 감싸는 구조로 이루어져 있으며, 각각의 전지셀들(110, 120)과 대면하여 접촉하는 플레이트 형상의 냉각 부재들(150, 160)이 장착되어 있다.
전지셀(110)은 전극조립체가 수납되는 전지케이스의 수납부들(112, 113)이 양면 방향으로 각각 형성되어 있다.
따라서, 이러한 구조의 전지셀(110)은 적층된 상태에서 전극 단자(111)가 수직 단면상으로 중앙 부위에 돌출하여 위치하게 된다.
그러나, 전지케이스의 수납부가 일면 방향으로만 형성되어 있는 구조의 전지셀들은 상호 적층된 상태에서 전극 단자들이 돌출되는 위치가 수직 단면상으로 일측 부위에 위치하게 되는 차이점이 있다.
따라서, 종래의 프레임 부재들을 이용하는 단위모듈에, 수납부가 일면 방향으로만 형성되어 있는 구조의 전지셀들을 적용하는 경우, 전극 단자들의 돌출 위치가 상이해짐에 따라, 전극 단자들과 절연성이 유지될 필요성이 있는 다른 구성 요소들과의 직접적인 접촉이 발생할 수 있으며, 이에 따라, 전극 단자들과 다른 구성 요소들 사이의 안정적인 절연성을 확보하기 어렵게 된다.
또한, 각각의 단위모듈은 버스 바와 같은 전기적 접속 부재에 의해 서로 전기적으로 연결되므로, 각 단위모듈을 구성하는 전지셀들의 전극 단자들의 돌출 위치가 상이해짐에 따라, 이들을 전기적으로 연결하기 위한 버스 바와 같은 전기적 접속 부재와의 접속 위치가 상이해질 수 있으며, 이에 따라, 각 단위모듈들 간의 안정적인 전기적 접속 상태를 유지하기 어려워지는 문제점이 있다.
또한, 이러한 단위모듈은 각각의 전지셀들이 일면에서는 냉각 부재와 접촉하는 반면에, 대향면에서는 다른 전지셀과 접촉하므로, 냉각 부재를 통한 냉각 효과가 상대적으로 적을 수 밖에 없으며, 이러한 단위모듈을 다수 포함하는 전지모듈은 소망하는 용량 및 크기에 따라, 2개의 전지셀들을 포함하는 단위모듈을 추가하거나 제거함으로써 구성되어야 하므로, 상기 용량 및 크기의 미세한 조절이 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 단위모듈을 하나의 프레임 부재의 일측에 하나의 전지셀이 장착되어 있고 타측에 하나의 냉각 부재가 장착되는 구조로 구성함으로써, 하나의 단위모듈에 하나의 전지셀만 장착되므로, 전극 단자의 돌출 위치에 따른 제한을 최소화하거나 없앨 수 있고, 단위셀을 구성하는 전지셀의 양면에 냉각 부재가 접촉됨으로써, 단위모듈 내에서 전지셀에 대한 냉각 효과가 향상될 수 있으며, 상기 단위모듈들을 포함하는 전지모듈을 구성함에 있어서, 상기 전지모듈의 소망하는 용량 및 크기에 따라, 미세한 조절이 가능하므로, 보다 용이하게 전지모듈의 용량 및 크기를 구성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
동일한 면이 서로 동일한 방향으로 적층 배열된 둘 이상의 전지셀들;
각각의 전지셀의 외주변을 감싸는 구조의 프레임 부재들; 및
각각의 전지셀과 대면하여 접촉하는 플레이트 형상의 냉각 부재들;
을 포함하고 있고,
하나의 프레임 부재의 일측에 하나의 전지셀이 장착되어 있고 타측에 하나의 냉각 부재가 장착되어 단위모듈을 구성하고 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 구조에 따라, 하나의 단위모듈에 하나의 전지셀만 장착되므로, 전극 단자의 돌출 위치에 따른 제한을 최소화하거나 없앨 수 있고, 단위셀을 구성하는 전지셀의 양면에 냉각 부재가 접촉됨으로써, 단위모듈 내에서 전지셀에 대한 냉각 효과가 향상될 수 있으며, 상기 단위모듈들을 포함하는 전지모듈을 구성함에 있어서, 상기 전지모듈의 소망하는 용량 및 크기에 따라, 미세한 조절이 가능하므로, 보다 용이하게 전지모듈의 용량 및 크기를 구성할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 프레임 부재의 일측에 장착됨으로써, 안정적인 구조로 단위모듈을 구성할 수 있는 구조라면, 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 고려하였을 때, 파우치형 구조로 이루어질 수 있으며, 더욱 상세하게는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 수납된 상태에서, 외주변이 열융착에 의해 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 전지케이스는,
일면으로부터 이에 대향하는 타면 방향으로 만입된 구조의 수납부가 형성되어 있는 케이스 본체; 및
상기 수납부의 개방된 일면을 덮는 구조로 케이스 본체에 결합되는 커버;
를 포함하는 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지케이스의 수납부가 양면에 형성되어 있는 종래의 전지셀과 달리, 상기 수납부가 일면에만 형성되어 있는 전지셀로 단위모듈이 구성될 수 있다.
따라서, 상기 본 발명에 따른 전지모듈의 단위모듈을 구성하는 전지셀은 수납부가 일면으로부터 이에 대향하는 타면 방향으로만 형성되어 있으며, 이에 따라, 전극 단자는 수직 단면상으로 중앙 부위가 아닌, 커버가 위치하는 일측에 편향된 부위에서 돌출될 수 있다.
또한, 상기 구조에 따라, 상기 수납부의 외면이 냉각 부재에 접하도록 전지셀이 프레임 부재에 장착됨으로써, 일측 외면에 전지케이스의 커버가 노출되어 있고 타측 외면에 냉각 부재가 노출되어 있으며 측면들에 프레임 부재의 외면들이 노출되어 있는 구조의 단위모듈을 형성하고 있는 구조일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈을 구성하는 단위모듈은 전지셀이 프레임 본체에 장착되는 과정에서, 일면으로부터 타면 방향으로 형성되어 있는 전지케이스의 수납부가 냉각 부재와 대면하여 접촉하는 구조로 장착되어 형성되며, 이에 따라, 전지케이스의 커버가 위치하는 일측에 편향된 부위에서 돌출되어 있는 전극 단자가 보다 용이하게 단위모듈의 외측 방향으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 전지셀은 열융착에 의해 형성된 외주변의 실링부들 중에서, 전극 단자가 형성된 외주변에 인접한 양측 외주변들의 실링부들이, 수납부의 외측벽 방향으로 절곡된 상태에서 프레임 부재에 장착되는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 단위모듈은 보다 콤팩트한 구조로 형성될 수 있으며, 동일한 크기를 갖는 단위모듈에 비해, 전체적인 용량을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 냉각 부재는 양측 단부들이 프레임 부재에 결합된 상태로 장착되어 있는 구조일 수 있으며, 상세하게는, 상기 냉각 부재의 양측 단부들은 평면상으로 반복적인 돌출부와 만입부를 가진 요철 구조로 이루어져 있고, 상기 냉각 부재의 양측 단부들이 결합되는 프레임 부재의 대응 부위는 만입부와 돌출부가 반복되는 결합 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 냉각 부재는 부피의 증가 없이, 상기 프레임 부재에 안정적으로 결합되어 장착될 수 있으며, 상기 프레임 부재와 보다 견고한 결합 상태를 유지한 상태에서, 열교환을 통해 프레임 부재에 장착되는 전지셀을 안정적으로 냉각시킬 수 있다.
그러나, 상기 냉각 부재가 프레임 부재에 안정적인 결합 상태를 유지하면서 장착될 수 있는 구조라면, 상기 프레임 부재에 대한 냉각 부재의 결합 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상세하게는, 상기 냉각 부재가 프레임 부재의 형성 과정에서, 사출 성형과 같은 성형 방식에 의해 상기 프레임 부재와 일체형으로 형성될 수도 있음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 프레임 부재에는, 인접한 단위모듈의 프레임 부재와 결합되기 위한 체결부가, 전지셀의 전극 단자에 대응되는 외주변을 제외한 나머지 외주변들 중에서, 적어도 하나의 외주변에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 프레임 부재를 포함하는 단위모듈은 상기 체결부를 통해, 인접한 단위모듈들과 안정적으로 결합되어 전지모듈을 형성할 수 있다.
이때, 상기 체결부는,
인접한 단위모듈의 프레임 부재와 후크 구조로 결합될 수 있도록, 전지셀의 적층 방향으로 돌출된 제 1 결합부: 및
인접한 또 다른 단위모듈의 프레임 부재의 제 1 결합부가 삽입되어 체결될 수 있도록, 상기 제 1 결합부에 대응하는 형상의 만입홈으로 이루어진 제 2 결합부;
를 포함하는 구조일 수 있다.
즉, 하나의 프레임 부재에 형성되어 있는 체결부의 제 1 결합부는 일 방향에서 인접한 단위모듈의 프레임 부재에 형성되어 있는 체결부의 제 2 결합부에 삽입되어 체결되며, 상기 프레임 부재의 제 2 결합부에는 상기 일 방향에 대향하는 타 방향에서 인접한 또 다른 단위모듈의 프레임 부재에 형성되어 있는 제 1 결합부가 삽입되어 체결될 수 있다.
따라서, 각각의 단위모듈들은 상호간에 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 체결부는 프레임 부재의 일측 외주변 상에 적어도 둘 이상 형성되어 있으며, 상기 둘 이상의 체결부들 중에서 적어도 하나의 체결부는 제 1 결합부의 돌출 방향이 나머지 체결부와 상이한 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 제 1 결합부의 돌출 방향의 용어는 휴크 구조로 이루어진 제 1 결합부가 돌출되어 있는 방향으로서, 일 방향에 인접한 단위모듈 방향이거나, 또는 상기 일 방향에 대향하는 타 방향에 인접한 단위모듈 방향일 수 있다.
따라서, 상기 프레임 부재의 동일한 일측 외주변 상에 형성되어 있는 둘 이상의 체결부들은 각각 서로 대향하는 단위모듈 방향으로 각각 돌출되어 있는 구조일 수 있으며, 이에 따라, 일 방향으로부터 인가되는 충격에 의해, 일부 체결부의 제 1 결합부가 이에 대응하는 제 2 결합부로부터 이탈되더라도, 상기 제 1 결합부의 돌출 방향이 상이한 나머지 체결부들은 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 체결부는 프레임 부재의 일측 외주변 상에 적어도 둘 이상 형성되어 있으며, 상기 둘 이상의 체결부들은 제 1 결합부의 돌출 방향이 동일한 구조일 수 있다.
따라서, 상기 프레임 부재들은 체결부의 제 1 결합부의 돌출 방향이상이한 구조에 비해, 상호간에 인가되는 결합력이 상대적으로 커질 수 있으며, 이에 따라, 일 방향으로부터 인가되는 충격에 대해, 보다 견고한 상호간의 결합 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 제 1 결합부의 돌출 방향의 차이에도 불구하고, 상기 둘 이상의 체결부들 중에서 적어도 하나의 체결부는 제 1 결합부의 후크 방향이 나머지 체결부와 상이한 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 후크 방향은 상기 제 1 결합부의 후크 나사가 돌출되어 있는 방향으로서, 상세하게는 상기 후크 방향은 전지셀이 장착되어 있는 프레임 부재의 내측 방향이거나, 이에 대향하는 상기 프레임 부재의 외측 방향일 수 있다.
따라서, 상기 프레임 부재는 상기 제 1 결합부의 후크 방향이 나머지 체결부와 상이한 체결부의 구조를 통해, 보다 다양한 방향으로부터 인가되는 충격에 대해, 보다 견고한 결합 상태를 유지할 수 있다.
또한, 단위모듈들 중에서 최외곽에 위치하는 적어도 하나의 단위모듈은, 프레임 부재에서 체결부의 제 1 결합부 및/또는 제 2 결합부가 인접한 단위모듈의 프레임 부재의 체결 방향으로만 형성되어 있는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 단위모듈들 중에서 최외곽에 위치하는 단위모듈은 인접한 단위모듈에 대향하는 외곽 방향에 추가적인 체결부가 형성될 필요가 없다.
만일, 상기 최외곽에 위치하는 단위모듈의 프레임 부재에서, 상기 체결부의 제 1 결합부 및/또는 제 2 결합부가 인접한 단위모듈의 프레임 부재의 체결 방향으로만 형성되어 있는 경우에는, 이에 대응하는 결합 구조가 별도로 구비되어 있지 않으므로, 상기 프레임 부재로부터 돌출되거나, 만입홈 구조로 이루어진 제 1 결합부 및/또는 제 2 결합부가 상대적으로 손상되기 쉬우며, 이는 프레임 부재의 구조적 안정성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 상기 프레임 부재에서 체결부의 제 1 결합부 및/또는 제 2 결합부는 상기 인접한 단위모듈의 프레임 부재의 체결 방향으로만 형성됨으로써, 상기 프레임 부재의 강도와 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 프레임 부재는, 다른 프레임 부재들과의 체결 강화를 위해, 적어도 하나의 모서리 부위에 외향 돌출된 형상의 연장 체결부를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 연장 체결부에는 연장 체결공이 천공되어 있고, 프레임 부재들의 연장 체결부들에 연장 체결구가 삽입되어 프레임 부재들을 상호 결합하고 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전지모듈을 구성하는 각 단위모듈의 프레임 부재는 상기 연장 체결부가 각 단위모듈들의 전극 단자들이 형성된 부위에서, 각 단위모듈들의 전기적 연결을 방해하지 않는 동시에, 상기 각 프레임 부재에 형성되어 있는 체결부가 손상되더라도, 상기 프레임 부재들의 연장 체결부들에 삽입 및 결합되어 있는 연장 체결구들에 의해, 보다 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있다.
이때, 상기 연장 체결부들은 상기 구조를 더욱 효과적으로 발휘할 수 있도록, 프레임 부재의 서로 대향하는 양측 모서리 부위에 외향 돌출된 구조로 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지모듈은,
단위모듈들의 적층 방향의 최외곽에 위치하는 적어도 하나의 엔드 플레이트;
상기 전지셀들의 전극 단자들이 위치하는 단위모듈 적층체의 일 측면에 장착되는 제 1 측면 플레이트;
상기 제 1 측면 플레이트에 대향하는 단위모듈 적층체의 타 측면에 장착되는 제 2 측면 플레이트; 및
상기 엔드 플레이트 및 측면 플레이트들과 인접한 단위모듈 적층체의 일면에 위치하는 외면 플레이트;
를 더 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 상기 플레이트들에 의해 외부의 충격으로부터 보다 안전하게 보호될 수 있다.
이때, 상기 측면 플레이트들에는 상기 전지모듈을 구성하는 전지셀들의 전극 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 버스 바가 위치할 수 있는 바, 상기 전지셀들의 전극 단자들은 일측 외주변 방향에만 위치하는 구조이거나, 서로 대향하는 양측 외주변 방향에 위치하는 구조일 수 있다.
이에 따라, 상기 전지셀들의 전극 단자들이 일측 외주변 방향에만 위치하는 경우에는, 제 1 측면 플레이트에 상기 전극 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 버스 바가 위치할 수 있으며, 서로 대향하는 양측 외주변 방향에 위치하는 경우에는, 제 1 측면 플레이트 및 제 2 측면 플레이트에 버스 바가 위치하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 외면 플레이트는, 제 1 측면 플레이트 및 제 2 측면 플레이트의 일부를 감싸면서 고정하도록, 외주변들이 제 1 측면 플레이트 및 제 2 측면 플레이트 쪽으로 절곡 연장되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 측면 플레이트들은 전지모듈에 대해 안정적인 장착 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 상기 외면 플레이트가 절곡 연장되어 감싸는 제 1 측면 플레이트 및 제 2 측면 플레이트의 면적은 상세하게는, 제 1 측면 플레이트 및 제 2 측면 플레이트의 각각의 전체 면적에 대해, 5% 내지 30%일 수 있다.
만일, 상기 외면 플레이트가 절곡 연장되어 감싸는 측면 플레이트들의 면적이 전체 면적에 대해 5% 미만일 경우에는, 상기 외면 플레이트에 의해 감싸지는 면적이 지나치게 작아, 소망하는 효과를 발휘하지 못할 수 있으며, 이와 반대로, 상기 외면 플레이트가 절곡 연장되어 감싸는 측면 플레이트들의 면적이 전체 면적에 대해 30%를 초과할 경우에는, 상기 전지모듈의 크기가 지나치게 커지거나, 상기 외면 플레이트를 제작하는데 소요되는 원자재가 불필요하게 많아져, 전지모듈의 제조비용을 증가시키는 문제점이 있다.
한편, 상기 플레이트들 중에서 적어도 하나의 플레이트에는 강성을 보완하기 위한 보강 비드가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 보강 비드는 플레이트 상에서, 다른 부위에 비해 상대적으로 볼록하게 돌출되거나, 오목하게 만입된 선형 구조로 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 상기 플레이트 자체의 강성이 향상되어, 전지모듈의 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들의 기타 구성은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 단위모듈을 하나의 프레임 부재의 일측에 하나의 전지셀이 장착되어 있고 타측에 하나의 냉각 부재가 장착되는 구조로 구성함으로써, 하나의 단위모듈에 하나의 전지셀만 장착되므로, 전극 단자의 돌출 위치에 따른 제한을 최소화하거나 없앨 수 있고, 단위셀을 구성하는 전지셀의 양면에 냉각 부재가 접촉됨으로써, 단위모듈 내에서 전지셀에 대한 냉각 효과가 향상될 수 있으며, 상기 단위모듈들을 포함하는 전지모듈을 구성함에 있어서, 상기 전지모듈의 소망하는 용량 및 크기에 따라, 미세한 조절이 가능하므로, 보다 용이하게 전지모듈의 용량 및 크기를 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전지모듈을 구성하는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈을 구성하는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 3의 전지셀이 프레임 부재에 장착되는 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 5는 도 3의 단위모듈이 복수로 적층 및 결합되어 구성된 단위모듈 적층체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6은 도 5의 단위모듈 적층체에 플레이트들이 장착되는 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈을 구성하는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 단위모듈(300)은 하나의 프레임 부재(310)의 일측에 하나의 전지셀(320)이 장착되고, 이에 대향하는 타측에 하나의 냉각 부재(330)가 장착되어 구성된다.
전지셀(320)은 양극 단자(321)와 음극 단자(322)가 서로 대향하는 양측 외주변에 형성되어 있다.
냉각 부재(330)는 플레이트 형상으로 이루어져 있으며, 프레임 부재(310)를 중심으로, 전지셀(320)의 대향 방향에서 장착됨으로써, 전지셀(320)과 대면하여 접촉된다.
냉각 부재(330)의 양측 단부들은 평면상으로 전지셀(320)의 양극 단자(321)와 음극 단자(322)에 대응되는 외주변 부위에서, 각각 3개의 돌출부(331)와 2개의 만입부(332)가 반복적으로 형성되어 있다.
냉각 부재(330)의 돌출부(331)에는 프레임 부재(310)와의 결합을 위한 결합용 체결공(331a)이 천공되어 있으며, 이에 대응되는 프레임 부재(310)의 만입형 체결부(311)에는 결합용 체결공(331a)에 삽입 및 결합되는 결합용 체결부(311a)가 돌출되어 있다.
따라서, 냉각 부재(330)는 돌출부(331)가 이에 대응되는 프레임 부재(310)의 부위에 형성된 만입형 체결부(311)에 결합되는 과정에서, 돌출부(331)의 결합용 체결공(331a)에 만입형 체결부(311)의 결합용 체결부(311a)가 삽입됨으로써 장착된다.
프레임 부재(310)는 전지셀(320)의 외주변을 감싸는 중공 구조로 이루어져 있으며, 4개의 외주변 중에서 전지셀(320)의 전극 단자들(321, 322)에 대응되는 외주변에 인접한 일측 외주변에는 5개의 체결부들(312, 313, 314, 315, 316)이 형성되어 있다.
각각의 체결부들(312, 313, 314, 315, 316)은 제 1 결합부들(312a, 313a, 314a, 315a, 316a)과 제 2 결합부들(312b, 313b, 314b, 315b, 316b)을 포함하고 있다.
제 1 결합부들(312a, 313a, 314a, 315a, 316a)은 후크 구조로 결합될 수 있도록, 전지셀(320)의 적층 방향 중에서, 전지셀(320)이 프레임 부재(310)에 탑재되는 위치에 대향하는 방향으로 모두 동일하게 돌출되어 있다.
제 2 결합부들(312b, 313b, 314b, 315b, 316b)은 인접한 또 다른 단위모듈의 프레임 부재의 제 1 결합부들이 삽입되어 체결될 수 있도록, 상기 제 1 결합부에 대응하는 형상의 만입홈으로 이루어져 있다.
제 1 결합부들(312a, 313a, 314a, 315a, 316a) 중에서, 3개의 제 1 결합부들(312a, 314a, 316a)은 후크 방향이 프레임 부재(310)의 외측 방향으로 형성되어 있으며, 2개의 제 1 결합부들(313a, 315a)은 후크 방향이 전지셀(320)이 장착되는 프레임 부재(310)의 내측 방향으로 형성되어 있다.
이에 대응되는 제 2 결합부들(312b, 313b, 314b, 315b, 316b) 역시, 3개의 제 2 결합부들(312b, 314b, 316b)은 프레임 부재(310)의 외측 방향으로 형성되어 있는 제 1 결합부들(312a, 314a, 316a)에 대응하여, 내측 방향으로부터 외측 방향으로 만입된 구조로 이루어져 있으며, 2개의 제 2 결합부들(313b, 315b)은 프레임 부재(310)의 내측 방향으로 형성되어 있는 제 1 결합부들(313a, 315a)에 대응하여, 외측 방향으로부터 내측 방향으로 만입된 구조로 이루어져 있다.
프레임 부재(310)의 외주변 중에서, 전지셀(320)의 양극 단자(321) 및 음극 단자(322)에 대응되는 외주변의 모서리 부위에는 외향 돌출된 형상의 연장 체결부(317)가 형성되어 있으며, 연장 체결부(317)에는 연장 체결구가 삽입될 수 있도록, 연장 체결공(317a)이 천공되어 있다.
도 4에는 도 3의 전지셀(320)이 프레임 부재(310)에 장착되는 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지셀(320)은 전지케이스의 수납부(323)가 일면으로부터 이에 대향하는 타면 방향으로 만입된 구조로 형성되어 있으며, 수납부(323)의 개방된 일면은 커버(324)에 의해 덮여있다.
전지셀(320)은 음극 단자(322)가 형성된 외주변에 인접한 측면 외주변의 실링부(325)가, 수납부(323)의 외측벽 방향으로 절곡된 상태에서, 수납부(323)의 외면이 냉각 부재에 접하도록 프레임 부재(310)에 장착(301)된다.
따라서, 단위모듈은 전지셀(320)을 구성하는 전지케이스의 커버(324)가 일면 방향으로 노출되어 있고, 이에 대향하는 타면 방향에 냉각 부재가 노출되어 있는 구조로 구성되며, 이에 따라, 전지케이스의 커버(324)가 위치하는 일면 방향으로 편향된 부위에서 돌출되어 있는 양극 단자와 음극 단자(322)가 보다 용이하게 프레임 부재(310)의 외측 방향으로 연장될 수 있다.
도 5에는 도 3의 단위모듈이 복수로 적층 및 결합되어 구성된 단위모듈 적층체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 단위모듈 적층체(500)는 총 14개의 단위모듈(300)이 상호 적층 및 결합된 구조로 구성되어 있다.
단위모듈 적층체(500)는 단위모듈(300)을 구성하는 전지셀의 전지케이스 수납부가 동일한 방향을 향하도록 적층 배열되어 있다.
따라서, 단위모듈 적층체(500)의 최외곽 중에서, 일면에는 냉각 부재(530)가 노출되어 있으며, 이에 대향하는 타면에는 전지케이스의 수납부가 노출되어 있다.
최외곽에 위치한 프레임 부재들 중에서, 제 1 결합부의 돌출 방향(501)에 대응되는 방향에 위치한 프레임 부재(510)의 측면에는 제 2 결합부(516b)가 이에 인접한 프레임 부재가 위치하는 방향(502)으로만 형성되어 있다.
따라서, 불필요한 제 1 결합부가 돌출됨으로써, 초래될 수 있는 프레임 부재(510)의 구조적 손상을 방지할 수 있다.
도 6에는 도 5의 단위모듈 적층체에 플레이트들이 장착되는 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 플레이트들(610, 621, 622, 630)은 엔드 플레이트(610), 제 1 측면 플레이트(621), 제 2 측면 플레이트(622), 및 외면 플레이트(630)로 구성되어 있다.
엔드 플레이트(610)는 단위모듈 적층체(500)를 구성하는 단위모듈들의 적층 방향의 최외곽 중에서, 전지케이스의 커버(324)가 노출되는 면에 장착된다.
엔드 플레이트(610)에는 강성을 위한 보강 비드(611)가 반복적으로 형성되어 있다.
단위모듈 적층체(500)의 연장 체결부(517)에 대응되는 엔드 플레이트(610)의 모서리 부위는 외향 돌출되어 있으며, 단위모듈 적층체(500)의 연장 체결부(517)에 형성된 연장 체결공(517a)에 대응되는 체결공(617a)이 천공되어 있다.
따라서, 단위모듈 적층체(500)의 연장 체결공(517a) 및 엔드 플레이트(610)의 체결공(617a)에는 연장 체결구(640)가 동시에 삽입됨으로써, 단위모듈 적층체(500)와 엔드 플레이트(610)를 상호 결합할 수 있다.
제 1 측면 플레이트(621)와 제 2 측면 플레이트(622)는 서로 대향하는 방향에서, 단위모듈 적층체(500)의 전극 단자들(521)이 형성된 양 측면에 장착된다.
제 1 측면 플레이트(621)와 제 2 측면 플레이트(622)에는 단위모듈 적층체(500)의 전극 단자들(521)을 전기적으로 연결하기 위한 버스 바(623)가 위치해 있다.
외면 플레이트(630)는 엔드 플레이트(610) 및 측면 플레이트들(621, 622)과 인접한 단위모듈 적층체(500)의 상면에 장착된다.
외면 플레이트(630)는 제 1 측면 플레이트(621) 및 제 2 측면 플레이트(622)의 일부를 감싸면서 고정하도록, 외주변들(631, 632)이 제 1 측면 플레이트(621) 및 제 2 측면 플레이트(622) 쪽으로 절곡 연장되어 있다.
따라서, 제 1 측면 플레이트(621)와 제 2 측면 플레이트(622)는 외면 플레이트(630)에 인접한 부위의 일부가 외면 플레이트(630)의 외주변들(631, 632)에 의해 안정적으로 고정됨으로써, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 동일한 면이 서로 동일한 방향으로 적층 배열된 둘 이상의 전지셀들;
    각각의 전지셀의 외주변을 감싸는 구조의 프레임 부재들; 및
    각각의 전지셀과 대면하여 접촉하는 플레이트 형상의 냉각 부재들;
    을 포함하고 있고,
    하나의 프레임 부재의 일측에 하나의 전지셀이 장착되어 있고 타측에 하나의 냉각 부재가 장착되어 단위모듈을 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 수납된 상태에서, 외주변이 열융착에 의해 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지케이스는,
    일면으로부터 이에 대향하는 타면 방향으로 만입된 구조의 수납부가 형성되어 있는 케이스 본체; 및
    상기 수납부의 개방된 일면을 덮는 구조로 케이스 본체에 결합되는 커버;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 수납부의 외면이 냉각 부재에 접하도록 전지셀이 프레임 부재에 장착됨으로써, 일측 외면에 전지케이스의 커버가 노출되어 있고 타측 외면에 냉각 부재가 노출되어 있으며 측면들에 프레임 부재의 외면들이 노출되어 있는 구조의 단위모듈을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 열융착에 의해 형성된 외주변의 실링부들 중에서, 전극 단자가 형성된 외주변에 인접한 양측 외주변들의 실링부들이, 수납부의 외측벽 방향으로 절곡된 상태에서 프레임 부재에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 부재는 양측 단부들이 프레임 부재에 결합된 상태로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 냉각 부재의 양측 단부들은 평면상으로 반복적인 돌출부와 만입부를 가진 요철 구조로 이루어져 있고, 상기 냉각 부재의 양측 단부들이 결합되는 프레임 부재의 대응 부위는 만입부와 돌출부가 반복되는 결합 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재에는, 인접한 단위모듈의 프레임 부재와 결합되기 위한 체결부가, 전지셀의 전극 단자에 대응되는 외주변을 제외한 나머지 외주변들 중에서, 적어도 하나의 외주변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 체결부는,
    인접한 단위모듈의 프레임 부재와 후크 구조로 결합될 수 있도록, 전지셀의 적층 방향으로 돌출된 제 1 결합부: 및
    인접한 또 다른 단위모듈의 프레임 부재의 제 1 결합부가 삽입되어 체결될 수 있도록, 상기 제 1 결합부에 대응하는 형상의 만입홈으로 이루어진 제 2 결합부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 체결부는 프레임 부재의 일측 외주변 상에 적어도 둘 이상 형성되어 있으며, 상기 둘 이상의 체결부들 중에서 적어도 하나의 체결부는 제 1 결합부의 돌출 방향이 나머지 체결부와 상이한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 체결부는 프레임 부재의 일측 외주변 상에 적어도 둘 이상 형성되어 있으며, 상기 둘 이상의 체결부들은 제 1 결합부의 돌출 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 둘 이상의 체결부들 중에서 적어도 하나의 체결부는 제 1 결합부의 후크 방향이 나머지 체결부와 상이한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 단위모듈들 중에서 최외곽에 위치하는 적어도 하나의 단위모듈은, 프레임 부재에서 체결부의 제 1 결합부 및/또는 제 2 결합부가 인접한 단위모듈의 프레임 부재의 체결 방향으로만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는, 다른 프레임 부재들과의 체결 강화를 위해, 적어도 하나의 모서리 부위에 외향 돌출된 형상의 연장 체결부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 연장 체결부에는 연장 체결공이 천공되어 있고, 프레임 부재들의 연장 체결부들에 연장 체결구가 삽입되어 프레임 부재들을 상호 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은,
    단위모듈들의 적층 방향의 최외곽에 위치하는 적어도 하나의 엔드 플레이트;
    상기 전지셀들의 전극 단자들이 위치하는 단위모듈 적층체의 일 측면에 장착되는 제 1 측면 플레이트;
    상기 제 1 측면 플레이트에 대향하는 단위모듈 적층체의 타 측면에 장착되는 제 2 측면 플레이트; 및
    상기 엔드 플레이트 및 측면 플레이트들과 인접한 단위모듈 적층체의 일면에 위치하는 외면 플레이트;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 외면 플레이트는, 제 1 측면 플레이트 및 제 2 측면 플레이트의 일부를 감싸면서 고정하도록, 외주변들이 제 1 측면 플레이트 및 제 2 측면 플레이트 쪽으로 절곡 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 플레이트들 중에서 적어도 하나의 플레이트에는 강성을 보완하기 위한 보강 비드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 1 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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