KR20180081921A - 배터리 모듈 하우징 구조 - Google Patents

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정승룡
우수진
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에이치엘그린파워 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 하우징하는 배터리 모듈 하우징 구조에 관한 것으로, 구체적으로는 셀 리드(cell lead)와 버스바(busbar)의 용접공정을 개선할 수 있는 배터리모듈의 하우징 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 환경차량 대상으로 개발된 기술이나 현재 친환경 차종의 수요 증대에 따라 점차 고용량의 배터리 사양이 증대되고 있는 추세에 맞추어 파생 차종 및 유사 차종에 적용할 수 있다.

Description

배터리 모듈 하우징 구조{Housing structure of Battery module}
본 발명은 배터리 모듈을 하우징하는 배터리 모듈 하우징 구조에 관한 것으로, 구체적으로는 셀 리드(cell lead)와 버스바(busbar)의 용접공정을 개선할 수 있는 배터리모듈의 하우징 구조에 관한 것이다.
배터리 모듈의 제작 공정 중 셀 리드(cell lead)와 버스바(busbar)의 연결은 현재 일반적으로 레이저 용접에 의해 이루어지고 있다. 이러한 레이저 용접을 위해 대부분의 배터리 제조사는 스틸물로 제작된 카운터바를 이용하고 있으며, 이를 위해 '+', '-' 셀 리드 사이 또는 셀 리드 및 버스바 사이에 카운터바의 배치를 위한 공간을 확보하고 있다.
이 경우, 배터리 모듈은 '+', '-' 셀 리드들 사이 또는 셀 리드 및 버스바 사이의 용접 시 별도의 카운터바가 들어갈 공간이 필요하고, 용접 후 하우징에 삽입을 하는 방식으로 이루어지기 때문에, 배터리 모듈의 크기가 큰 경우에는 하우징에 삽입하는 것이 어려운 문제를 가진다.
왜냐하면, 친환경 차량에 장착되는 배터리 셀은 연비 향상 및/또는 효율 증대를 위해 지속적으로 용량이 증대되었다. 이에 상응하기 위해 배터리 팩은 지속적으로 부피를 축소하기 위한 설계를 진행하고 있다.
이러한 부피 축소를 위해, 용접 라인 뒷면 하우징에 가스 방출홈을 형성하여 버스바와 셀 리드를 용접하는 방식이 제안되었다. 이를 보여주는 도면이 도 1 및 도 2에 도시된다. 도 1은 일반적인 적층 셀(2)들로 구성되는 배터리 모듈의 일부 외관 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 용접 라인에 따른 배출홈의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 중앙 하우징(10)의 바(15)들은 도 1에 도시된 바와 같은 용접 라인에 대응하여 길이방향으로 형성된 배출홈을 구비한다.
전방 하우징(20)의 바(25) 및 후방 하우징의 바와 각각 결합 후 외부로 노출된 단부에 배출홈과 연통되어 형성되는 배출구를 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 배출홈은 2열로 형성되어 상기 배출구와 연통될 수 있다. 또한, 버스바(4)에 셀 리드(3)가 용접 라인을 따라 용접된다.
배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈은 다수의 셀을 직렬 및/혹은 병렬로 용접하여 기계적, 전기적 연결을 구성한다. 따라서, 도 1 및 도 2와 같은 방식이 적용되더라도 여전히, 다수의 셀의 용접을 위해 사용되는 지그는 단지 용접 공정을 위해 사용되며 공정에서 지그의 진출입을 위한 공간은 실제 모듈에서 필요 없는 사공간으로 모듈의 부피를 증대시키는 주요 요인으로 작용한다.
또한, 배터리 장착 공간의 축소는 친환경 차량의 상품성 결여와 직결된다. 이에 따라 기존 내연기관 자동차의 트렁크 용량을 유지하면서 배터리 팩의 용량을 증대시키는 기술 혹은 후방좌석 하부에 장착을 위해 배터리 팩의 부피를 최소화하는 설계는 완성차 제작사 및 배터리 팩 개발 회사의 당면한 문제로 부각되고 있다.
또한, 배터리 팩을 기존 내연기관 자동차의 스페어 타이어 장착 공간과 후방 좌석 하부에 구성하여 고객의 요구조건을 충족시킬 필요가 있다.
1. 한국특허공개번호 제10-2012-0065279호 2. 한국특허공개번호 제10-2012-0064800호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 모듈 하우징의 구조물을 활용하여 배터리 셀을 용접하여 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩의 부피 에너지 밀도를 증대시키는 배터리 모듈 하우징 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 모듈 하우징의 구조물을 활용하여 배터리 셀을 용접하여 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩의 부피 에너지 밀도를 증대시키는 배터리 모듈 하우징 구조를 제공한다.
상기 배터리 모듈 하우징 구조는,
우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이의 일측단에 다수의 모듈 하우징바(330)가 미리 정해진 간격으로 설치되어 상기 배터리 모듈 하우징 구조를 이루며, 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이에 다수의 배터리 셀(310)이 배치되며, 상기 다수의 배터리 셀(310)의 셀 리드(341,342)가 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에서 미리 형성되는 용접 라인에 따라 용접되도록 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에 용접 에너지 방출용홈(501)이 한 개 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 용접 에너지 방출용홈(501)은 상기 모듈 하우징바(330)의 표면 중심에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 셀 리드(341,342)는 제 1 셀 리드(342)와 제 2 셀 리드(341)의 끝단이 서로 겹치게 적층되어 용접되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 길이는 40 내지 45mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 깊이는 2 내지 2.5mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 너비는 1.5 내지 2.5mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 용접은 직렬 용접인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이의 양측단에 다수의 모듈 하우징바(330)가 미리 정해진 간격으로 설치되어 상기 배터리 모듈 하우징 구조를 이루며, 상기 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이에 다수의 배터리 셀(310)이 배치되며, 상기 다수의 배터리 셀(310)의 셀 리드(341,342)가 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에서 미리 형성되는 용접 라인에 따라 용접되도록 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에 용접 에너지 방출용홈(501)이 한 개 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 환경차량 대상으로 개발된 기술이나 현재 친환경 차종의 수요 증대에 따라 점차 고용량의 배터리 사양이 증대되고 있는 추세에 맞추어 파생 차종 및 유사 차종에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 특히 EV(Electric Vehicle)/PHEV(Plugin Hybrid Electric Vehicle)의 경우 배터리 용량 증대에 따라 HEV 대비 여유 공간이 부족한 상황에 직면할 가능성이 크나, 본 발명에 따른 공간 집적화를 통한 부피 에너지 밀도가 향상되므로 컴팩트한 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩의 개발이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 탑승객의 여유로운 승차환경 및 많은 양의 화물 적재를 통해 차량 상품성 증대에 기여할 것으로 기대된다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 적층 셀(2)들로 구성되는 배터리 모듈의 일부 외관 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 용접 라인에 따른 배출홈의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(300)의 일부 외관 사시도이다.
도 4는 도 3에서 일부 확대한 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 모듈 하우징바(330)의 부분 확대 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 모듈 하우징바(330)의 정면도이다.
도 7은 도 6에서 X-X축으로 절개한 단면도이다.
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 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 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 배터리 모듈 하우징 구조를 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(300)의 일부 외관 사시도이다. 도 3을 참조하면, 배터리 모듈(300)은 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340)로 이루어지며, 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이에 다수의 배터리 셀(310)이 배치된다.
이러한 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이의 일측단에 다수의 모듈 하우징바(330)가 미리 정해진 간격으로 설치된다. 즉, 모듈 하우징바(330)의 바깥 표면상에서 2개의 배터리 셀(310)의 셀 리드가 서로 용접된다.
배터리 모듈(300)은 BMA(Battery Module Assembly)로서 배터리 팩(BPA: Battery Pack Assembly)을 구성하는 최소 단위로 직렬 혹은 병렬로 연결되는 8 ~ 14 내의 배터리 셀로 구성되어 있다.
배터리 셀은 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)을 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. 특히, 리튬 파우치형 셀은 일정한 모양으로 규정되지 않은 상태이므로 별도의 고정 구조물을 필요로 하는데, 본 발명의 일실시예을 적용하여 이러한 별도의 고정 구조물을 필요로 하지 않을 수 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 3을 계속 참조하면, 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340)는 볼트 너트 방식을 이용하여 서로 연결될 수 있으며, 다른 방식으로 연결하는 것도 가능하다. 또한, 배터리 모듈(300)의 측면 외관을 형성하는 모듈 하우징바(330)이 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이에 배치된다. 즉, 배터리 모듈(300)의 측면 하우징은 모듈 하우징바(330)를 설치함으로써 이루어진다. 물론, 이러한 모듈 하우징바(330)는 일정간격으로 배치되며 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340)의 말단에 긴 볼트를 끼워 함께 체결 조립되도록 하단측에 관통홀(미도시)이 형성될 수 있다.
물론, 배터리 모듈(300)의 상단과 하단에 각각 상부 하우징 및 하부 하우징이 추가로 설치될 수도 있다. 모듈 하우징바(330)를 포함하여 이러한 하우징들은 배터리 셀의 성능이 차량 구동조건에서 문제가 발생하지 않도록 기계적 강성을 부여해야 하며 차량 환경 조건에서 절연 성능이 보장되는 재질이 사용된다.
모듈 하우징바(330)는 용접 가스 방출을 홈이 일체로 형성된다. 또한, 하우징의 측면 빼대가 된다. 이러한 모듈 하우징바(330)의 내측에 배치되는 배터리 셀(310)의 말단에 형성되는 셀 리드(341,342)가 모듈 하우징바(330)의 표면상에서 겹치게 배치되어 용접 라인(301)에 따라 용접된다.
도 3에서는 일측단에서만 모듈 하우징바(330)가 설치되는 것으로 도시하였으나, 양측단 모두에 이러한 모듈 하우징바(330)가 설치될 수 있다. 즉, 배터리 셀(310)를 직렬 및/또는 병렬 연결하는 방식에 따라 모듈 하우징바(330)는 일측단에만에 배치될 수 있고, 양측단에 모두 배치될 수 있다.
도 4는 도 3에서 일부 확대한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 양극 셀 리드(342)가 음극 셀 리드(341) 상에 겹치게 놓여있는 상태를 보여준다. 즉, 양극 셀 리드(342)의 끝단과 음극 셀 리드(341)의 끝단이 서로 겹치게 적층되어 용접되도록 한다. 따라서, 이러한 중첩된 부분의 중심상에 용접 가스 방출용홈이 형성된다. 따라서, 용접시 버스바가 별도로 필요없는 구조이다. 또한, 셀 리드와 버스바 사이를 용접하기 위한 지지용 지그가 필요없다. 용접은 바로 하나의 용접 가스 방출용홈 상에서 수행되는 직렬 용접이 된다.
도 4는 배터리 셀(310)이 직렬로 연결된 경우를 예시한 것이다. 그러나, 배터리 셀(310)이 병렬로 연결되는 경우, 셀 리드(341,342)는 모두 같은 극성의 "-" 단자 또는 "+" 단자일 수도 있다.
도 5는 도 1에 도시된 모듈 하우징바(330)의 부분 확대 사시도이다. 도 5를 참조하면, 모듈 하우징바(330)는 배터리 셀(310)의 셀 리드를 감을 수 있도록 양단에 단차가 있는 구조이다. 또한, 모듈 하우징바(330)는 셀 리드간의 용접을 지지할 수 있는 지지용 자기 역할을 수행하므로 별도의 지그가 요구되지 않는다.
또한, 모듈 하우징바(330)의 중심에는 용접 에너지 방출용홈(501)이 형성된다. 이러한 용접 에너지 방출용홈(501)으로 인해, 레이저 용접시 용접면 후면으로 발생하는 열과 가스등이 이 용접 에너지 방출용홈(501)쪽으로 배출될 수 있다. 따라서, 별도의 지그 등이 필요없게 되므로 배터리 모듈의 부피 에너지 밀도를 증대시키는 역할을 수행하는 것이 가능하다.
도 6은 도 5에 도시된 모듈 하우징바(330)의 정면도이다. 도 6을 참조하면, 상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 길이는 40 내지 45mm가 될 수 있다.
도 7은 도 6에서 X-X축으로 절개한 단면도이다. 도 7을 참조하면, 용접 에너지 방출용홈(501)의 깊이(701)는 2 내지 2.5mm인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 너비(702)는 1.5 내지 2.5mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
300: 배터리 모듈
310: 배터리 셀
320: 우측 엔드 플레이트
330: 모듈 하우징바
340: 좌측 엔드 플레이트
341: 음극 셀 리드
342: 양극 셀 리드
501: 용접 에너지 방출용홈

Claims (8)

  1. 배터리 모듈 하우징 구조에 있어서,
    우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이의 일측단에 다수의 모듈 하우징바(330)가 미리 정해진 간격으로 설치되어 상기 배터리 모듈 하우징 구조를 이루며,
    우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이에 다수의 배터리 셀(310)이 배치되며, 상기 다수의 배터리 셀(310)의 셀 리드(341,342)가 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에서 미리 형성되는 용접 라인에 따라 용접되도록 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에 용접 에너지 방출용홈(501)이 한 개 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 에너지 방출용홈(501)은 상기 모듈 하우징바(330)의 표면 중심에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 리드(341,342)는 제 1 셀 리드(342)와 제 2 셀 리드(341)의 끝단이 서로 겹치게 적층되어 용접되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 길이는 40 내지 45mm인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 깊이는 2 내지 2.5mm인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 에너지 방출용홈(501)의 너비는 1.5 내지 2.5mm인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접은 직렬 용접인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
  8. 배터리 모듈 하우징 구조에 있어서,
    우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이의 양측단에 다수의 모듈 하우징바(330)가 미리 정해진 간격으로 설치되어 상기 배터리 모듈 하우징 구조를 이루며,
    상기 우측 엔드 플레이트(320)와 좌측 엔드 플레이트(340) 사이에 다수의 배터리 셀(310)이 배치되며, 상기 다수의 배터리 셀(310)의 셀 리드(341,342)가 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에서 미리 형성되는 용접 라인에 따라 용접되도록 상기 다수의 모듈 하우징바(330)의 표면상에 용접 에너지 방출용홈(501)이 한 개 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 하우징 구조.
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