KR20170078381A - 확장 가능한 적층형 모듈 하우징 및 이를 적용한 배터리 모듈 - Google Patents

확장 가능한 적층형 모듈 하우징 및 이를 적용한 배터리 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모듈 적층형 구조로서 모듈 로우 하우징의 길이 변경만으로 배터리 용량을 변경할 수 있는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징 및 이를 적용한 배터리 모듈에 대한 것이다.

Description

확장 가능한 적층형 모듈 하우징 및 이를 적용한 배터리 모듈{Extensible stack module housing and Battery module having the same}
본 발명은 배터리 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모듈 적층형 구조로서 모듈 로우 하우징의 길이 변경만으로 배터리 용량을 변경할 수 있는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징 및 이를 적용한 배터리 모듈에 대한 것이다.
일반적으로 친환경 차량에 장착되는 배터리 모듈의 경우 모듈의 용량에 따라 배터리 셀 사양 및/또는 수량이 고정되며, 이에 배터리 셀을 고정하는 하우징의 형상이 결정된다. 하우징은 외부 환경으로부터 배터리 셀을 보호하는 역할 및/또는 배터리 셀의 유동을 제한하는 역할을 하여 배터리 모듈의 안전성을 향상시킨다.
친환경 차량의 수요 증대에 따라 차량의 상품성 개선 비중이 높아지고 있으며, 배터리 팩의 용량 변화에 능동적으로 대체할 수 있는 기술의 필요성이 높아지고 있다. 배터리 팩의 용량을 변경하기 위해서 배터리 셀의 수량을 조절하여야 하며, 이에 따른 모듈 하우징의 신규 제작이 필요하다. 이런 불편함을 해소하기 위해서는 배터리 셀을 적층하여 배터리 모듈을 구성하는 구조가 용이하다.
그러나 적층시 부품의 신규 개발을 최소화할 수 있는 방안으로 개선이 필요하다. 일반적인 배터리 모듈 구조를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 배터리 셀(150)의 수량에 따른 어퍼 하우징(110)과 로우 하우징(120)으로 구성된다. 이러한 배터리 모듈 구조는 고정 타입으로 용량 변경시 모듈 하우징 전체를 신규로 제작하여야 하므로 시간 및/또는 비용이 과다하게 발생하는 구조이다.
1. 한국공개특허번호 제10-2013-0076503호 2. 한국공개특허번호 제10-2012-0093646호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 모듈 하우징을 적층형 구조로 용량에 맞게 적층형 하우징 수량 조절을 통한 시간 및/또는 비용을 최소화할 수 있는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징 및 이를 적용한 배터리 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 모듈 하우징을 적층형 구조로 용량에 맞게 적층형 하우징 수량 조절을 통한 시간 및/또는 비용을 최소화할 수 있는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징을 제공한다.
상기 확장 가능한 적층형 모듈 하우징은,
로우 하우징(220);
상기 로우 하우징(220)의 내측에 삽입 적층되며 배터리 셀(250)이 장착되는 다수의 미들 하우징(230); 및
상기 로우 하우징(220)의 상단에 체결 조립되는 어퍼 하우징(210);으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 로우 하우징(220)은,
바닥판(221); 및
상기 바닥판(221)의 모서리마다 돌출되어 형성되며, 상기 다수의 미들 하우징(230)이 슬라이딩되도록 형성되는 4개의 블럭(222-1,222-2,222-3, 222-4);으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 바닥판(221)의 양 측면상에 2개 블럭(222-2와 222-3 또는 222-1과 222-4) 사이에 보강 부재(223)가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 미들 하우징(230)은, 중공(320)이 형성되며 상단 일측에 조립을 위한 돌출부(311,312)는 형성되며 하단 일측에 조립홈(411,412)이 형성되는 프레임(330); 상기 프레임(330)의 일단에 형성되어 상기 배터리 셀(250)의 한쪽 셀 리드(251)를 지지하는 제 1 지지부(340); 및 상기 프레임(330)의 타단에 형성되어 상기 배터리 셀(250)의 다른 쪽 셀리드를 지지하는 제 2 지지부(350);로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 돌출부(311,312)와 상기 조립홈(411,412)은 서로 반대편에서 대각선 방향에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프레임(330)의 양측면에 냉각을 위한 다수의 냉각 채널(610)이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 삽입 적층의 방향은 하방향인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 적층형 모듈 하우징은, 상기 로우 하우징(220)의 앞단에 체결 조립되는 전면 커버(820); 및 상기 로우 하우징(220)의 후단에 체결 조립되는 후면 커버(830);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다수의 배터리 셀(250); 상기 다수의 배터리 셀(250)을 장착하는 다수의 미들 하우징(230); 상기 다수의 미들 하우징(230)이 내측에 삽입 적층되는 로우 하우징(220); 상기 로우 하우징(220)의 상단에 체결 조립되는 어퍼 하우징(210); 상기 로우 하우징(220)의 앞단에 체결 조립되며 상기 다수의 배터리 셀(250)의 일측 셀 리드(251)를 연결하는 전면 커버(820); 및 상기 로우 하우징(220)의 후단에 체결 조립되며 상기 다수의 배터리 셀(250)의 타측 셀 리드를 연결하는 후면 커버(830);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 친환경 차량 적층형 배터리 구조에서 적층 수량에 따라 로우 하우징을 선택하여 로우 하우징 교체 및/또는 적층형 모듈 하우징의 수량 조절만으로 배터리 용량을 변경할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 각각 3개의 냉각 채널을 구성하고 있어, 냉각 채널을 통하여 모듈을 직접 냉각할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 모듈의 조립 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 모듈 하우징(200)의 조립 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 미들 하우징(230)의 앞면 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 미들 하우징(230)의 후면 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 미들 하우징(230,530) 2개가 조립되는 조립 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시된 미들 하우징(230,530) 2개가 조립 완료된 상태를 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 6에서 I-I축으로 절개한 단면도이다.
도 8은 도 2에 도시된 적층형 모듈 하우징(200)을 이용하여 조립완료된 배터리 모듈(800)에서 유로 방향을 보여주는 개념도이다.
도 9는 도 8에 도시된 배터리 모듈(800)을 측면에서 본 측면도이다.
도 10은 도 3에 도시된 미들 하우징(230)의 측면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요 들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 확장 가능한 적층형 모듈 하우징 및 이를 적용한 배터리 모듈을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 모듈 하우징(200)의 조립 사시도이다. 도 2를 참조하면, 상기 확장 가능한 적층형 모듈 하우징(200)은, 로우 하우징(220), 상기 로우 하우징(220)의 내측에 삽입 적층되며 배터리 셀(250)이 장착되는 다수의 미들 하우징(230), 및 상기 로우 하우징(220)의 상단에 체결 조립되는 어퍼 하우징(210) 등을 포함하여 구성된다.
로우 하우징(220)은 미들 하우징(230)의 적층 수량에 따라 높이 변화(202)가 발생하는 구조이다. 따라서, 높이를 조절함으로써 배터리 셀(250)의 적층되는 갯수가 조절됨으로써 배터리 용량의 조절이 가능하다. 부연하면, 적층 수량이 증가하는 경우, 주물 생성시 로우 하우징(220)의 높이를 증가시키기만 하면 된다. 즉 어퍼 하우징(210), 미들 하우징(230) 등은 변경할 필요가 없다.
이를 위해 로우 하우징(220)은 바닥판(221), 상기 바닥판(221)의 모서리마다에 제 1 내지 제 4 블럭(222-1,222-2,222-3,222-4(미도시))이 돌출되어 형성된다.
부연하면, 제 1 내지 제 4 블럭(222-1,222-2,222-3,222-4(미도시)) 내측에 미들 하우징(230)이 슬라이딩되어 로우 하우징(220)에 안착된다.
또한, 바닥판(221)의 양 측면상에 보강 부재(223)가 형성된다. 부연하면, 제 2 블럭(222-2)과 제 3 블럭(222-3) 사이에 보강 부재(223)가 형성된다. 또한, 반대편의 경우에도 제 1 블럭(222-1)과 제 4 블럭(222-4(미도시)) 사이에 보강 부재가 형성된다.
미들 하우징(230)은 로우 하우징(220)에 적층 방향(201)으로 내측에 삽입 적층된다. 적층 방향(201)은 하방향이 된다.
배터리 셀(250)은 미들 하우징(230)의 상단면에 안착되며, 2개의 미들 하우징(230) 사이에 샌드위치되는 방식이다.
배터리 셀(250)은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용된다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다.
이러한 전술한 파우치형 셀들의 에지들은 조인트(sealing joint)(미도시)를 포함한다. 부연하면, 상기 조인트는 배터리 셀들의 2개의 박막을 연결하고, 상기 박막들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함한다.
일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다.
또한, 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다. 또한, 이들 다수의 배터리 셀의 셀 리드들이 직렬 또는 병렬의 리드 용접으로 연결된다.
전기 차량의 예로서는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 저속 전기 자동차(NEV: Neighborhood Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 어퍼 하우징(210)은 로우 하우징(220)에 체결 조립된다. 체결 조립 방식은 볼트(280)를 이용한 볼팅 방식, 나사 방식 등이 가능할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 미들 하우징(230)의 앞면 사시도이고, 도 4는 도 2에 도시된 미들 하우징(230)의 후면 사시도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 프레임(330)에는 중공(320)이 형성되며 상단 일측에 조립을 위한 제 1 및 제 2 돌출부(311,312)는 대각선으로 형성된다. 또한, 프레임(330)의 좌측 말단에 배터리 셀(250)의 "+" 또는 "-" 셀 리드(251)를 지지하는 제 1 지지부(340)가 형성되고, 상기 프레임(330)의 우측 말단에 배터리 셀(250)의 "+" 또는 "-" 셀리드를 지지하는 제 2 지지부(350)가 형성된다.
특히, 제 1 및 제 2 돌출부(311,312)와 제 1 및 제 2 조립홈(411,412)은 서로 반대편에서 대각선 방향에 위치된다.
도 5는 도 2에 도시된 미들 하우징(230,530) 2개가 조립되는 조립 개념도이다. 도 5를 참조하면, 하나의 미들 하우징(530)에 다른 하나의 미들 하우징(230)이 조립 방향으로 조립 체결된다.
도 6은 도 5에 도시된 미들 하우징(230,530) 2개가 조립 완료된 상태를 보여주는 사시도이다. 도 6을 참조하면, 하나의 미들 하우징(530)에 다른 하나의 미들 하우징(230)이 완전히 조립 체결된 상태이다. 특히, 상기 프레임(330)의 양측면에 냉각을 위한 3개의 냉각 채널(610)이 형성된다.
도 7은 도 6에서 I-I축으로 절개한 단면도이다. 도 7을 참조하면, 상단에 놓이는 미들 하우징(230)의 조립홈(412)에 하단에 놓이는 미들 하우징(530)의 돌출부(531)가 삽입되어 조립된 상태이다.
도 8은 도 2에 도시된 적층형 모듈 하우징(200)을 이용하여 조립완료된 배터리 모듈(800)에서 유로 방향을 보여주는 개념도이다. 도 8을 참조하면, 로우 하우징(220)의 앞단에 체결 조립되는 전면 커버(820)가 조립 체결되고, 반대편의 로우 하우징(220)의 후단에 체결 조립되는 후면 커버(830)가 체결된다. 이 경우, 유로 방향(810)은 냉각 채널(610)을 통해 우측면에서 좌측면으로 형성된다. 이는 유로의 방향성을 나타내기 위한 예시로서, 시스템에 따라 좌 → 우 또는 우 → 좌로 결정된다.
한편, 배터리 모듈(800)은 BMA(Battery Module Assembly)로서 배터리 팩(BPA: Battery Pack Assembly)을 구성하는 최소 단위로 버스바를 통하여 직렬 혹은 병렬로 연결되는 8 ~ 14 내의 배터리 셀로 구성되어 있다. 도 8에서는 16개의 배터리 셀로 구성된 경우를 보여준다. 즉, 2개의 배터리 셀이 서로 클렌칭되어 하나의 배터리 단위로 되어 8개가 각 미들 하우징(230)에 안착된다.
도 9는 도 8에 도시된 배터리 모듈(800)을 측면에서 본 측면도이다. 도 9를 참조하면 유로 면적(910)이 형성된다.
도 10은 도 3에 도시된 미들 하우징(230)의 측면도이다. 도 10을 참조하면, 3개의 냉각 채널(610)이 형성된다.
200: 적층형 모듈 하우징
210: 어퍼 하우징 220: 로우 하우징
230: 미들 하우징 250: 배터리 셀
280: 볼트
311,312: 돌출부 411,412: 조립홈
610: 냉각 채널

Claims (9)

  1. 로우 하우징(220);
    상기 로우 하우징(220)의 내측에 삽입 적층되며 배터리 셀(250)이 장착되는 다수의 미들 하우징(230); 및
    상기 로우 하우징(220)의 상단에 체결 조립되는 어퍼 하우징(210);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로우 하우징(220)은,
    바닥판(221); 및
    상기 바닥판(221)의 모서리마다 돌출되어 형성되며, 상기 다수의 미들 하우징(230)이 슬라이딩되도록 형성되는 4개의 블럭(222-1,222-2,222-3, 222-4);으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 바닥판(221)의 양 측면상에 2개 블럭(222-2와 222-3 또는 222-1과 222-4) 사이에 보강 부재(223)가 형성되는 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 미들 하우징(230)은,
    중공(320)이 형성되며 상단 일측에 조립을 위한 돌출부(311,312)는 형성되며 하단 일측에 조립홈(411,412)이 형성되는 프레임(330);
    상기 프레임(330)의 일단에 형성되어 상기 배터리 셀(250)의 일측 셀 리드(251)를 지지하는 제 1 지지부(340); 및
    상기 프레임(330)의 타단에 형성되어 상기 배터리 셀(250)의 타측 셀리드를 지지하는 제 2 지지부(350);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 돌출부(311,312)와 상기 조립홈(411,412)은 서로 반대편에서 대각선 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 프레임(330)의 양측면에 냉각을 위한 다수의 냉각 채널(610)이 형성되는 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입 적층의 방향은 하방향인 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 로우 하우징(220)의 앞단에 체결 조립되는 전면 커버(820); 및
    상기 로우 하우징(220)의 후단에 체결 조립되는 후면 커버(830);를 포함하는 것을 특징으로 하는 확장 가능한 적층형 모듈 하우징.
  9. 다수의 배터리 셀(250);
    상기 다수의 배터리 셀(250)을 장착하는 다수의 미들 하우징(230);
    상기 다수의 미들 하우징(230)이 내측에 삽입 적층되는 로우 하우징(220);
    상기 로우 하우징(220)의 상단에 체결 조립되는 어퍼 하우징(210);
    상기 로우 하우징(220)의 앞단에 체결 조립되며 상기 다수의 배터리 셀(250)의 일측 셀 리드(251)를 연결하는 전면 커버(820); 및
    상기 로우 하우징(220)의 후단에 체결 조립되며 상기 다수의 배터리 셀(250)의 타측 셀 리드를 연결하는 후면 커버(830);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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