KR20220092271A - 배터리 모듈 조립체 - Google Patents

배터리 모듈 조립체 Download PDF

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KR20220092271A
KR20220092271A KR1020200183880A KR20200183880A KR20220092271A KR 20220092271 A KR20220092271 A KR 20220092271A KR 1020200183880 A KR1020200183880 A KR 1020200183880A KR 20200183880 A KR20200183880 A KR 20200183880A KR 20220092271 A KR20220092271 A KR 20220092271A
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module assembly
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장재영
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명의 배터리 모듈 조립체는, 다수의 배터리 셀들이 적층된 셀 조립체; 상기 배터리 셀들이 적층된 방향의 전방 및 후방에서 상기 셀 조립체를 지지하는 전면 및 후면 플레이트; 상기 셀 조립체를 사이에 두고, 상기 셀 조립체의 양측면을 각각 커버하는 좌측 및 우측 엔드 플레이트; 상기 셀 조립체의 상부와 하부를 각각 가로질러 연장되고, 상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트의 상부와 하부를 각각 클램핑하여, 상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트 사이에 배치된 상기 셀 조립체의 양쪽 측면을 가압하는 상부 및 하부 클램프; 및
상기 전면 및 후면 플레이트를 각각 커버하는 전면 및 후면 커버를 포함하고, 상기 전면 및 후면 커버 각각의 상부와 하부에는 긴 구멍이 형성되고, 상기 긴 구멍의 내주면 상에는 원통 형상의 파이프가 배치된다.

Description

배터리 모듈 조립체{BATTERY MODULE ASSEMBLY}
본 발명은 배터리 모듈 조립체에 관한 것으로, 특히, 배터리 모듈의 전극 구조에 관한 것이다.
도 1 및 2는 종래의 배터리 모듈 조립체를 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 및 2를 참조하면, 종래의 배터리 모듈 조립체(Battery Module Assembly: BMA)는 크게 배터리 셀, 패드, 카트리지, 버스바 및 인쇄회로기판(PCB)을 포함한다.
배터리 셀들(10, 60) 각각은 양극판, 음극판, 전해액 및 분리막으로 구성되며, 전지의 최소 구성 단위이다. 배터리 셀(10)의 양쪽 끝단부에는 배터리 셀(10)로부터 인출되는 전극 리드(또는 셀 탭)(11, 12)가 구비된다. 전극 리드(11, 12)는 양의 전극 리드(11)와 음의 전극 리드(12)로 구성된다.
패드(20)는 2개의 배터리 셀들 사이에 배치되어, 배터리 셀들을 고정시키고, 동시에 배터리 셀들이 밀착되도록 일정한 면압을 제공한다.
카트리지(30)는 배터리 셀들(10, 60) 사이에 배치되어 배터리 셀들(10, 60)의 위치 고정을 위해 가운데가 비어 있는 사각틀 형상을 가지며, 절연 처리된 알루미늄 커버로 구성된다.
버스바(40)는 배터리 셀들(10, 60)의 전극리드들을 병렬로 연결하는 병렬 버스바(도 1의 42)와 배터리 셀들을 직렬로 연결하는 직렬 버스바(도 2의 44)를 포함한다.
PCB(50)는 배터리 셀의 전압 정보를 외부로 전달하며, 이를 위해, PCB(50) 상에는 배터리 셀의 전압 정보를 처리하기 위한 다수의 전기전자 소자가 실장된다.
이러한 종래의 배터리 모듈 조립체는 베터리 셀들을 직렬 및 병렬로 연결하기 위한 별도의 버스바가 필요하고, 배터리 셀들의 고정시키기 위한 별도의 카트리지가 필요하다. 또한, 버스바(44)와 PCB(50) 간의 솔더링 공정이 필요하다.
이러한 별도의 부품들은 배터리 모듈 조립체의 공정(구조) 복잡도, 원가, 무게 및 사이즈 등을 증가시키는 요소들이다.
또한 종래의 배터리 모듈 조립체는 셀 스웰링(swelling)(셀이 부풀어 오르는 현상) 현상을 방지하기 위한 면압 유지에 취약하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 공정(구조) 복잡도, 원가, 무게 및 사이즈 등을 줄이기 위해, 버스바 및 카트리지와 같은 구조물 등이 삭제된 배터리 모듈 조립체를 제공하고, 나아가 셀 스웰링 현상을 방지하는 면압 유지 구조를 갖는 배터리 모듈 조립체를 제공하는 그 목적이 있다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일면에 따른 배터리 모듈 조립체는, 다수의 배터리 셀들이 적층된 셀 조립체; 상기 배터리 셀들이 적층된 방향의 전방 및 후방에서 상기 셀 조립체를 지지하는 전면 및 후면 플레이트; 상기 셀 조립체를 사이에 두고, 상기 셀 조립체의 양측면을 각각 커버하는 좌측 및 우측 엔드 플레이트; 상기 셀 조립체의 상부와 하부를 각각 가로질러 연장되고, 상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트의 상부와 하부를 각각 클램핑하여, 상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트 사이에 배치된 상기 셀 조립체의 양쪽 측면을 가압하는 상부 및 하부 클램프; 및 상기 전면 및 후면 플레이트를 각각 커버하는 전면 및 후면 커버를 포함하고, 상기 전면 및 후면 커버 각각의 상부와 하부에는 긴 구멍이 형성되고, 상기 긴 구멍의 내주면 상에는 원통 형상의 파이프가 배치된다.
본 발명은 종래의 버스바 및 카트리지와 같은 부품들 없이 배터리 모듈 조립체를 제공함으로써, 조립 공정이 단순화되고, 부품 수 감소에 따른 원가절감 및 경량화가 가능하다.
또한, 부품 수를 줄였음에도 불구하고, 클램프와 같은 부품을 이용하여 배터리 셀의 면압을 유지함으로써, 셀 스웰링(swelling) 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 측면을 커버하는 판넬에 온도 센서의 장착 공간을 마련하여, 온도 센서가 배터리 셀에 직접 컨택될 수 있는 구조를 제공함으로써, 배터리 셀 온도를 효율적으로 모니터링할 수 있다.
도 1 및 2는 종래의 배터리 모듈 조립체를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 조립체의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 셀 조립체의 단위 구조를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시한 전면 플레이트를 전방에서 바라본 정면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 전면 플레이트를 입체적으로 보여주기 위한 사시도이다.
도 7은 인쇄회로기판을 제거한 상태에서 전면 플레이트의 정면도이다.
도 8은 인쇄회로기판과 전면 플레이트의 체결 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 6에 도시한 전면 플레이트의 일부 구조물을 투명하게 처리한 도면이다.
도 10 내지 12는 도 6에 도시한 전면 플레이트에 일체화된(몰딩된) 버스 조립체와 도 3에 도시한 셀 조립체의 전극 연결 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전면 플레이트의 후면 구조를 보여주기 위한 사시도이고,
도 14는 도 13의 전면 플레이트의 후면을 정면에서 바라본 도면이다.
도 15는 도 13의 전면 플레이트를 상부에서 바라본 도면이다.
도 16 및 17은 후면 플레이트의 후면에 성형된 경사 구조를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 18은 도 3에 도시한 후면 플레이트를 정면에서 바라본 정면도이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최종 배터리 모듈 조립체를 설명하기 위해, 도 3에 도시한 배터리 모듈 조립체의 외곽 구성들을 함께 도시한 최종 배터리 모듈 조립체의 분해 사시도이다.
도 20은 도 3의 배터리 모듈 조립체에 도 19에 도시한 2개의 상/하부 클램프 부재들과 전/후면 커버의 조립 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 도 3의 도시한 배터리 모듈 조립체와 도 19에 도시한 외곽 구성들의 조립이 완료된 상태를 보여주는 최종 배터리 모듈 조립체의 사시도이다.
도 22는 도 19 내지 21에 도시한 엔드 플레이트의 내부 구성을 보여주는 도면이다.
도 23은 클램프의 양쪽 단부 중 한쪽 단부가 엔드 플레이트의 상/하 중앙 부분들 중 한쪽 중앙 부분에 접합된 모습을 확대한 도면이다.
도 24는 도 19에 도시한 엔드 플레이트와 셀 조립체 사이에 온도 센서가 수납되는 공간을 보여주는 도면이다.
도 25는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최종 배터리 모듈 조립체의 하부 형상을 보여주기 위한 사시도이다.
도 26은 도 19에 도시한 전면 커버를 전방에서 바라본 확대 사시도이다.
도 27은 도 26에 도시한 전면 커버를 후방에서 바라본 확대 사시도이다.
도 28은 도 27에 도시한 전면 커버의 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 이하의 도면에서 각 구성은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 조립체의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 셀 조립체의 단위 구조를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 조립체는 셀 조립체(100), 전면 플레이트(200) 및 후면 플레이트(300)를 포함한다.
셀 조립체(100)는 적층된 파우치 타입의 배터리 셀들을 포함하고, 도 4에 도시한 바와 같이, 배터리 셀들 사이마다 배치된 패드(112)를 더 포함한다.
패드(101)는 배터리 셀들(102, 103)이 밀착되도록 일정한 면압을 제공하는 역할을 한다. 각 배터리 셀(102, 103)은 양끝단부로부터 인출된 전극 리드(2, 3)를 구비한다.
셀 조립체(100)는 적층 방향의 전후방에 각각 배치되는 전면 플레이트(200)와 후면 플레이트(300)에 의해 지지된다.
또한, 배터리 셀(102)의 한쪽 전극 리드(2)와 배터리 셀(103)의 한쪽 전극 리드(3)는 인서트 사출 방법에 따라 전면 플레이트(200)에 일체화된(몰딩된) 버스바 조립체(207)에 직/병렬로 연결된다.
또한, 배터리 셀들(102, 103)의 반대 쪽 전극 리드들(도 4에서는 명확하게 도시되지 않음)도 인서트 사출 방법에 따라 후면 플레이트(130)에 일체화된 버스바에 직/병렬로 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 조립체에서는 도 1 및 2에 도시한 종래의 배터리 모듈 조립체를 구성하기 위한 별도의 카트리지(도 1의 30)와 별도의 버스바(42, 44)가 요구되지 않는다. 이는 이하에서 설명될 본 발명의 전/후면 플레이트(200, 300)에 카트리지(도 1의 30)의 기능과 버스바의 기능이 통합되기 때문이다.
이처럼 본 발명에 따른 배터리 모듈 조립체는 종래의 카트리지(도 1의 30)와 버스바(42, 44) 전/후면 플레이트(200, 300)에 통합됨으로써, 부품 수, 공정 복잡도, 무게, 사이즈 등을 줄일 수 있다.
이하, 전면 및 후면 플레이트에 대해 상세히 기술하기로 한다.
도 5는 도 3에 도시한 전면 플레이트를 전방에서 바라본 정면도이고, 도 6은 도 5에 도시한 전면 플레이트를 입체적으로 보여주기 위한 사시도이고, 도 7은 인쇄회로기판을 제거한 상태에서 전면 플레이트의 정면도이고, 도 8은 인쇄회로기판과 전면 플레이트의 체결 구조를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 9는 도 6에 도시한 전면 플레이트의 일부 구조물을 투명하게 처리한 도면이다.
도 5 내지 8을 참조하면, 전면 플레이트(120)는 전체적으로 사각 형상을 갖는다.
전면 플레이트(200)는 상부 프레임(201), 하부 프레임(202), 상부 프레임(201)과 하부 프레임(202)을 연결하는 격벽 부재(203) 및 버스바 조립체(207)를 포함한다.
상부 프레임(201)에는 인쇄회로기판(204)의 형상에 따라 성형된 안착 공간(205)이 구비된다. 인쇄회로기판(204)에는, 배터리 셀의 전압 정보를 차량 내의 다른 전자 유닛으로 제공하기 위해, 배터리 셀의 전압 정보를 처리하기 위한 다수의 전기 전자 소자들이 실장 된다.
인쇄회로기판(204)은 상기 안착 공간(205)에 안착된 상태에서 인서트 사출방식으로 전면 플레이트(200)에 일체화된(몰딩된) 버스바 조립체(207)와 볼트 부재(206)로 체결된다.
볼트 부재(206)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 4개의 볼트들(206A, 206B, 206C 및 206D)로 구성되며, 인쇄회로기판(204)에는 4개의 볼트들(206A, 206B, 206C 및 206D)과 각각 체결되는 4개의 체결홈들(204A, 204B, 204C 및 204D)이 구비된다. 또한, 인쇄회로기판(204)의 하부에 배치되는 버스바 조립체(207)에도 4개의 체결홈들(도 7의 H1, H2, H3 및 H4)에 각각 대응하는 위치에 형성된 4개의 체결홈들(도 7의 H1, H2, H3 및 H4)이 구비된다.
4개의 볼트들(206A, 206B, 206C 및 206D)는 4개의 체결홈들(204A, 204B, 204C 및 204D)과 4개의 체결홈들(도 7의 H1, H2, H3 및 H4)과 체결되어, 인쇄회로기판(204)와 버스바 조립체(207)를 체결한다.
이처럼, 인쇄회로기판(204)와 버스바 조립체(207)는 볼트 부재(206)를 이용한 볼트 체결 구조로 체결됨으로써, 인쇄회로기판(204) 상에 실장된 휴즈(fuse) 또는 부품 불량 발생시, 전면 플레이트(또는 상부 프레임)으로부터 인쇄회로기판(204)을 분리하여 분리된 인쇄회로기판(204)의 해당 부품만을 교체할 수 있다.
이에 반해, 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(50)이 버스바(44)에 솔더링 방식으로 체결됨으로써, 해당 부품 불량 시 배터리 모듈 자체를 폐기해야 한다.
상부 프레임(201)과 하부 프레임(202)의 양측면에는 스탑퍼(Stopper) 부재(208)가 구비된다.
스탑퍼(Stopper) 부재는, 예를 들면, 상부 프레임(201)의 양측면에서 형성된 2개의 스탑퍼들(208A 및 208B)과 하부 프레임(202)의 양측면에 형성된 2개의 스탑퍼들(208C 및 208D)로 구성된다.
스탑퍼 부재(208)는 전면 플레이트(200)에 일체화된(몰딩된) 버스바 조립체(207)와 셀 조립체(도 3의 100)의 체결 시, 버스바 조립체(207)의 위치가 틀어지지 않도록 전면 플레이트(200)를 엔드 플레이트에 고정시키는 역할을 한다.
전면 플레이트(200)에 일체화된(몰딩된) 버스바 조립체(207)는 셀 조립체(100)를 구성하는 배터리 셀들을 직렬 및 병렬로 연결한다.
버스바 조립체(207)는 상부 프레임(201)과 하부 프레임(202) 사이에 배치되어, 상부 프레임(201)과 하부 프레임(202)을 연결하는 격벽 부재(203)에 의해 분리된 4개의 버스바들(207A, 207B, 207C 및 207D)를 포함한다.
제1 버스바(207A)는 대체로 사각판 형상으로 이루어지며, 전극 리드(도 4의 2 또는 3)가 관통되는 슬릿 홀(7A)을 갖는다. 슬릿 홀(7A)은 세로 방향으로 형성된다.
또한, 제1 버스바(207A)는 그 상단부로부터 상부 프레임(201)의 안착 공간(205) 쪽으로 연장되는 체결 부재(207A-1)를 더 포함한다. 체결 부재(207A-1)에는 전술한 볼트(206A)와 체결되는 체결홈(H1)이 형성된다.
또한 체결 부재(207A-1)는 그 끝단부로부터 수직하게 밴딩된 단자 부재(207A-2)를 더 포함한다. 단자 부재(207A-2)는 본 발명의 배터리 모듈 조립체를 다른 배터리 모듈 조립체(도시하지 않음)와 전기적으로 연결시키는 역할을 한다.
체결 부재(207A-1)와 단자 부재(207A-2)는 도시된 바와 같이, 상부 프레임(201)에 몰딩된 형태로 배치된다.
제2 버스바(207B)는 사각판 형상으로 이루어지며, 제1 격벽(203A)에 의해 제1 버스바(207A)와 절연된다. 제2 버스바(207B)는 전극 리드가 관통되는 적어도 하나의 슬릿 홀(7B)을 갖는다. 슬릿 홀(7B)은 세로 방향으로 형성된다.
또한 제2 버스바(207B)는 그 상단부로부터 상부 프레임(201)의 안착 공간(205)으로 연장되는 체결 부재(207B-1)를 더 포함한다. 체결 부재(207B-1)에는 전술한 볼트(206B)와 체결되는 체결홈(H2)이 형성된다.
제3 버스바(207C)는 사각판 형상으로 이루어지며, 제2 격벽(203B)에 의해 제2 버스바(207B)와 절연된다. 제3 버스바(207C)는 전극 리드가 관통되는 적어도 하나의 슬릿 홀(7C)을 갖는다. 슬릿 홀(7C)은 세로 방향으로 형성된다.
또한, 제3 버스바는 그 상단부로부터 상부 프레임(201)의 안착 공간(205)으로 연장되는 체결 부재(207C-1)를 더 포함한다. 체결 부재(207C-1)에는 전술한 볼트(206C)와 체결되는 체결홈(H3)이 형성된다.
제4 버스바(207D)는 사각판 형상으로 이루어지며, 제3 격벽(203C)에 의해 제3 버스바(207C)와 절연된다. 도 5 및 7에서는 제4 버스바(207D)에는 슬릿 홈이 형성되지 않은 것으로 도시되어 있으나, 제4 버스바(207D)도 슬릿 홈이 형성될 수 있다.
제4 버스바(207D)는 그 상단부로부터 상부 프레임(201)의 안착 공간(205)으로 연장되는 체결 부재(207D-1)를 더 포함한다. 체결 부재(207D-1)에는 전술한 볼트(206D)와 체결되는 체결홈(H4)이 형성된다.
체결 부재(207D-1)는 그 끝단부로부터 상기 체결 부재(207A-1)에 대해 수직하게 밴딩된 단자 부재(207D-2)를 더 포함한다. 단자 부재(207D-2)는 본 발명의 배터리 모듈 조립체를 다른 배터리 모듈 조립체(도시하지 않음)와 전기적으로 연결시키는 역할을 한다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 및 제3 버스바(207B, 207C)는, 제1 및 제4 버스바(207A, 207D)와는 다르게, 그 하단부로부터 수직하게 밴딩된 연장부(207B-3, 207C-3)를 각각 더 포함한다.
연장부(207B-3, 207C-3)는 하부 프레임(202)에 일체화된(몰딩된) 형태로 배치된다.
연장부(207B-3, 207C-3)는 제2 및 제3 버스바(207B, 207C)의 단면적(Square: SQ)을 증가시키는 역할을 한다. 이러한 연장부(207B-3, 207C-3)에 의해 제2 및 제3 버스바(207B, 207C)의 저항값을 낮추는 역할을 한다.
제1 및 제4 버스바(207A, 207D)는 체결 부재(207A-1, 207D-1)에 대해 수직하게 연장되는 단자 부재(207A-2, 207D-2)를 가지고 있으므로 충분한 단면적을 형성한다. 따라서, 제1 및 제4 버스바(207A, 207D)는 제2 및 제3 버스바(207B, 207C)에 구비된 연장부(207B-3, 207C-3)와 같은 구조물이 필요하지 않다.
도 10 내지 12는 도 6에 도시한 전면 플레이트에 일체화된(몰딩된) 버스 조립체와 도 3에 도시한 셀 조립체의 전극 연결 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전면 플레이트(200)의 제조가 완료되면, 전면 플레이트(200)가 셀 조립체(100)의 전극 리드쪽으로 이동된다.
이어, 도 11에 도시된 바와 같이, 셀 조립체(100)를 구성하는 배터리 셀들 각각으로부터 인출된 전극 리드가 버스바 조립체(207: 207A, 207B, 207C 및 207D)의 슬릿 홀(7A, 7B, 7C)에 삽입된다.
이어, 도12에 도시한 바와 같이, 슬릿 홀(7A, 7B, 7C)에 삽입된 전극 리드들을 밴딩시켜서, 밴딩된 전극 리드들을 버스바 조립체(207: 207A, 207B, 207C 및 207D)에 밀착시키고 용접한다.
이렇게 함으로써, 전면 플레이트(200)에 일체화된(몰딩된) 버스 조립체(207: 207A, 207B, 207C 및 207D)에 의해, 셀 조립체(100)를 구성하는 배터리 셀들이 직렬 및 병렬로 연결된다.
한편, 전면 플레이트(200)의 후면은 배터리 셀들 각각으로부터 인출된 전극 리드가 슬릿 홀(7A, 7B, 7C)에 용이하게 삽입되도록 경사 구조로 성형된다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전면 플레이트의 후면 구조를 보여주기 위한 사시도이고, 도 14는 도 13의 전면 플레이트의 후면을 정면에서 바라본 도면이고, 도 15는 도 13의 전면 플레이트를 상부에서 바라본 도면이고, 도 16 및 17은 플레이트(200)의 후면에 성형된 경사 구조를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 13 내지 15를 참조하면, 전면 플레이트(200)의 후면에는 배터리 셀들 각각으로부터 인출된 전극 리드가 슬릿 홀(7A, 7B, 7C)에 용이하게 삽입되기 위한 가이드 부재(230)가 형성된다.
가이드 부재는 버스바 조립체(207)에 형성된 슬릿 홈을 사이에 두고, 세로 방향으로 연장된다. 가이드 부재의 양측면에는 전극 리드의 삽입 방향으로 경사진 경사면(232)을 갖는다.
도 16에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(34)이 슬릿 홀(7)에 삽입되기전에는 배터리 셀(34)의 전극 리드(32직선으로 연장된 상태를 유지한다.
이어, 도 17에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(34)의 전극 리드(32)가 경사면(232)을 따라 슬릿 홀(7)에 자연스럽게 삽입된다. 이처럼 전면 플레이트(200)의 후면에 배터리 셀들 각각으로부터 인출된 전극 리드가 슬릿 홀(7A, 7B, 7C)에 용이하게 삽입되기 위한 가이드 부재(230)를 형성함으로써, 셀 조립체와 버스바 조립체의 체결시 일어날 수 있는 셀 조립체의 파손(전극 리드의 파손)을 방지할 수 있다.
도 18은 도 3에 도시한 후면 플레이트를 정면에서 바라본 정면도이다.
도 18을 참조하면, 후면 플레이트(300)는 상부 프레임(301), 하부 프레임(302) 및 상부 프레임(301)과 하부 프레임(302)을 연결하는 격벽 부재(303A, 303B)를 포함한다.
또한 후면 플레이트(300)는 상부 프레임(301)에 형성된 안착 공간(301A)에 안착된 인쇄회로기판(304)을 더 포함한다. 인쇄회로기판(304)은 배터리 셀의 전압 정보를 차량 내의 외부 유닛을 전달하는 구성으로, 이를 위해, 인쇄회로기판(304) 상에는 전압 정보를 처리하기 위한 다수의 전기 전자 소자들이 실장된다.
인쇄회로기판(304)은 안착 공간(301A)에 안착된 상태에서 볼트 부재(304A, 304B, 304C)를 이용하여 아래에서 설명할 버스바 조립체(305A, 305B 및 305C)와 체결된다.
상부 프레임(301)과 하부 프레임(302)의 양측면에는 스탑퍼(Stopper) 부재(304A, 304B, 304C, 304D)가 구비된다. 스탑퍼 부재(304A, 304B, 304C, 304D)는 전면 플레이트(200)에서 설명한 바와 동일하게, 후면 플레이트(300)에 일체화된(몰딩된) 버스바 조립체(305)와 셀 조립체(도 3의 100)의 체결 시, 버스바 조립체(305)의 위치가 틀어지지 않도록 후면 플레이트(300)를 엔드 플레이트에 고정시키는 역할을 한다.
또한, 후면 플레이트(300)는 셀 조립체(도 3의 100)에 포함된 다수의 배터리 셀들 각각으로부터 인출된 전극 리드(도 4의 2 또는 3)를 직렬 및 병렬로 연결하는 버스바 조립체(305)를 더 포함한다. 이때, 버스바 조립체(305)는 인서트 사출 방식으로 후면 플레이트(300)에 일체화된(몰딩된) 형태로 존재한다.
버스바 조립체(305)는 사각판 형상의 제1 내지 제3 버스바(305A, 305B 및 305C)를 포함한다.
제1 내지 제3 버스바(305A, 305B 및 305C) 각각은 사각 판 형상으로 이루어지며, 세로 방향으로 형성된 적어도 하나의 슬릿 홀(A, B 또는 C)을 갖는다.
슬릿 홀(A, B 또는 C)은 세로 방향으로 형성된다.
슬릿 홀(A, B 또는 C)에는 배터리 셀들 각각으로부터 인출된 전극 리드가 삽입되고, 슬릿 홀(A, B, C)에 삽입된 전극 리드들을 밴딩시키고, 밴딩된 전극 리드들을 각 버스바(305A, 305B 및 305C)에 밀착시키고 용접한다.
또한, 도시하지는 않았으나, 후면 플레이트(300)는 전면 플레이트(200)의 후면 구조와 동일한 경사면을 갖는 가이드 구조가 형성되어, 전극 리드가 슬릿 홀(A, B, C)에 삽입되는 과정에서 경사면을 따라 자연스럽게 슬릿 홀(A, B, C)에 삽입된다.
이처럼, 후면 플레이트(300)의 전반적인 구성 및 형상을 도 5 내지 17을 참조하여 설명한 전면 플레이트(200)의 전반적인 구성 및 형상과 유사하다. 따라서, 후면 플레이트(300)에 대한 상세한 설명은 전면 플레이트(200)에 대한 설명을 대신한다. 다만, 후면 플레이트(300)에 일체화된 버스바(305A, 305B, 305C)는 전면 플레이트(200)에 일체화된 버스바(207A 및 207D)에 형성된 단자 부재(207A-2, 207D-2)를 구비하지 않는 점에서 차이가 있다.
이처럼 후면 플레이트(300)에 일체화된 버스바(305A, 305B, 305C)는 단자 부재를 가지고 있지 않기 때문에, 버스바의 저항값을 낮추기 위해(단면적(SQ) 증대를 위해), 모든 버스바들(305A, 305B, 305C)이 도 9에 도시된 연장부(207B-3, 207-C)를 갖도록 구성된다.
즉, 전면 플레이트(200)에서는 중간에 배치된 버스바들(207B, 207C)이 그 하단부로부터 수직하게 연장되는 연장부를 구비하도록 형성되지만, 후면 플레이트(300)에서는 모든 버스바들(305A, 305B, 305C)이 그 하단부로부터 수직하게 연장되는 연장부를 구비하도록 형성될 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최종 배터리 모듈 조립체를 설명하기 위해, 도 3에 도시한 배터리 모듈 조립체의 외곽 구성을 함께 도시한 최종 배터리 모듈 조립체의 분해 사시도이고, 도 20은 도 3의 배터리 모듈 조립체에 도 19에 도시한 2개의 상/하부 클램프 부재들과 전/후면 커버의 조립과정을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 21은 도 3에 도시한 배터리 모듈 조립체와 도 19에 도시한 외곽 구성들의 조립이 완료된 최종 배터리 모듈 조립체의 사시도이다.
먼저, 도 19를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최종 배터리 모듈 조립체는 도 3에 도시한 배터리 모듈 조립체의 외곽을 커버하는 외곽 구성들을 더 포함하도록 구성된다.
도 3에 도시한 배터리 모듈 조립체의 외곽을 커버하는 외곽 구성들은 2개의 엔드 플레이트(End Plate)들(410, 420), 상/하부 클램프 부재들(510, 520), 전/후면 커버(610, 620), 체결 부재(700) 및 상부 커버(800)를 포함한다.
2개의 좌/우 엔드 플레이트들(410, 420)은 도 3의 배터리 모듈 조립체의 좌/우 측면을 커버한다.
상/하부 클램프 부재들(510, 520)은, 도 20에 도시된 바와 같이, 2개의 엔드 플레이트들(410, 420)이 도 3의 배터리 모듈 조립체의 좌/우 측면을 커버한 상태에서 도 3의 배터리 모듈 조립체를 클램핑한다.
전/후면 커버(610, 620)는, 도 20에 도시된 바와 같이, 셀 조립체(100)의 전면과 후면에 전면 플레이트(200)와 후면 플레이트(300)가 조립된 상태에서 상기 전면 플레이트(200)와 후면 플레이트(300)를 각각 커버한다.
체결 부재(700, 볼트)는, 도 20에 도시된 바와 같이, 전/후면 커버(610, 620)가 전/후면 플레이트(200, 300)를 커버한 상태에서 각 커버(610, 620)의 좌우 측면에 형성된 체결공들(611, 613)과 각 엔드 플레이트(410, 420)의 4개의 모서리 부분에 성형된 체결공들(21, 23)을 동시에 관통하여 전/후면 커버(610, 620)와 좌/우측 엔드 플레이트들(410, 420)을 볼트 결합 방식으로 체결한다.
상부 커버(800)는 상부 클램프 부재(510)에 의해 도 3의 배터리 모듈 조립체의 상부가 클램핑 되고, 상기 체결 부재(700)에 의해 전/후면 커버(610, 620)와 좌/우측 엔드 플레이트들(410, 420)이 체결된 상태에서 도 3의 배터리 모듈 조립체의 상부와 상부 클램프 부재(510)를 상부를 커버한다.
이처럼 도 3에 도시한 배터리 모듈 조립체와 도 3에 도시한 배터리 모듈 조립체의 외곽을 커버하는 외곽 구성들 간의 조립이 완료되면, 도 21에서 보여지는 최종 배터리 모듈 조립체(1000)가 완성된다.
도 22는 도 19 내지 21에 도시한 엔드 플레이트의 내부 구성을 보여주는 도면이다.
도 3의 배터리 모듈 조립체의 좌/우 측면을 커버하는 2개의 좌/우 엔드 플레이트들(410, 420)은 서로 동일한 구조를 갖는다, 설명의 편의를 위해, 엔드 플레이트(410)에 대한 설명은 엔드 플레이트(420)에 대한 설명으로 대신한다.
엔드 플레이트(420)는, 도 22에 도시된 바와 같이, 외측 판넬(421)과 내측 판넬(422)을 포함한다.
외측 판넬(421)은 셀 조립체(100)의 형상과 유사하게 직사각형의 판 형상을 갖는다. 외측 판넬(421, 강성체)은 셀 조립체(100)의 강성 및 면압 확보(셀 스웰링 방지)를 위해 강성 재질, 예를 들면, 금속 재질로 이루어질 수 있다.
내측 판넬(422)은 외측 판넬(421)의 형상과 유사하게 직사각형의 판 형상을 가지며, 셀 조립체(100)와 외측 판넬(421) 간의 절연을 위해, 절연성 재질, 예를 들면, 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
외측 판넬(421)의 상단 중앙 부분에는 상부 클램프(510)의 양 끝단 중 한쪽 끝단이 접합되는 상부 접합부(421A)가 구비된다. 외측 판넬(421)의 하단 중앙 부분에도 하부 클램프(520)의 양 끝단 중 한쪽 끝단이 접합되는 하부 접합부(421B)가 구비된다.
상/하부 클램프(510, 520)의 한쪽 끝단과 상/하부 접합부(421A, 421B)는, 예를 들면, 레이저 용접 방식을 이용하여 접합될 수 있다.
내측 판넬(422)의 상단 중앙 부분에는 외측 판넬(421)의 상부 접합부(421A)에 대응하는 영역(422A)이 정의된다. 내측 판넬(422)의 하단 중앙 부분에도 외측 판넬(421)의 하부 접합부(421B)에 대응하는 영역(422B)이 정의된다.
내측 판넬(422)의 상/하단 중앙 부분에 정의된 영역들(422A, 422B)은 레이저 용접 시, 레이저가 셀 조립체(100)로 전달되는 것을 막아주는 역할을 한다.
즉, 상기 내측 판넬(422)의 영역들(422A, 422B)은 레이저가 외측 판넬(421)의 상/하부 접합부(421A, 421B)를 관통하더라도 그 레이저가 셀 조립체(100)의 상/하단 중앙 부분으로 전달되어 셀 조립체(100)의 일부가 레이저에 의해 손상되는 것을 막는다.
한편, 레이저가 외측 판넬(421)의 상/하부 접합부(421A, 421B)를 관통하는 경우, 상기 내측 판넬(422)의 영역들(422A, 422B)이 열변형 또는 녹아내리는 현상이 발생할 수 있다.
상기 영역들(422A, 422B)의 열변형 및 녹음을 방지하기 위해, 외측 판넬(421)의 상/하부 접합부(421A, 421B)와 상기 내측 판넬(422)의 영역들(422A, 422B) 간에는 일정한 이격 거리(이격 공간)가 존재한다.
엔드 플레이트(420)는 인서트 사출 공정에서 외측 판넬(421)과 내측 판넬(422)이 결합된 형태로 사출 성형되며, 이러한 인서트 사출 과정에서 상기 이격 거리가 형성된다.
도 23은 도 19에 도시한 상부 클램프의 양쪽 단부 중 한쪽 단부가 엔드 플레이트의 상부 중앙 부분에 접합된 모습을 확대한 도면으로, (A)는 클램프의 한쪽 단부가 상/하 중앙 부분들 중 한쪽 중앙 부분에 접합된 모습을 정면에서 바라본 확대도이고, (B)는 (A)의 확대 사시도이다.
상부 클램프(510)와 하부 클램프(520)는 동일한 형상 및 기능을 갖는다. 설명의 편의를 위해, 하부 클램프(520)에 대한 설명은 상부 클램프(510)에 대한 설명으로 대신한다.
도 23의 (A) 및 (B)를 참조하면, 상부 클램프(510)는 셀 조립체(100)의 상부를 가로지르며, 셀 조립체(100)를 구성하는 배터리 셀들의 적층 방향으로 연장되는 일자 형태의 몸체(512)와 상기 몸체(512)의 양단부로부터 동일한 방향으로 각각 밴딩된 가압부(514)를 포함한다.
상기 몸체(512)의 양단부에 각각 구비된 가압부(514)는 셀 조립체(100)의 양측 상단면으로부터 셀 조립체(100)의 중심쪽으로 가압하여, 일정한 면압을 형성을 통해 셀 조립체(100)의 스웰링 현상을 방지하고 동시에 셀 조립체(100)의 외곽 치수를 고정시키는 역할을 한다.
가압부(514)는, 도 23에 도시된 바와 같이, 예를 들, 사각판 형상으로 이루어지며, 외측 판넬(421)의 접합부(421A)와 레이저 용접 방식으로 접합된다.
가압부(514)의 양단부에는 각각 날개부(516, 518)가 구비된다. 날개부(516, 518)는 가압부(514)의 양단부로부터 동일한 방향으로 밴딩되어, 외측 판넬(421)에 의해 가려지지 않고 상부 노출되는 내측 판넬(422)에 안착된다.
구체적으로 날개부(516, 518)는 외측 판넬(421)의 상부 접합부(421A)에 대응하는 내측 판넬(422)의 상단 중앙 영역(422A)을 사이에 두고 양 옆에 정의되는 양쪽 영역들(422A-1, 422A-2)에 각각 안착된다.
또한 내측 판넬(422)에는 상기 날개부(516, 518)를 사이에 두고, 내측 판넬(422)의 가로 방향으로 수평하게 연장되는 리브(422B-1, 422B-2) 가 구비된다.
상기 날개부(516, 518)는 상기 리브(422B-1, 422B-2)에 의해 고정되고, 이로 인해, 클램프(510)의 좌/우 방향(내측 판넬(422)의 가로 방향)으로 움직이지 않도록 고정시키는 가이드 역할을 한다.
또한, 외측 판넬(421)과 내측 판넬(422) 사이에는 이격 거리가 존재하므로, 이러한 이격 거리에 의해 외측 판넬(421)의 상부 접합부(421A)의 끝단부와 상기 날개부(516, 518)의 측면이 접촉되어 클램프(510)의 상/하 방향의 움직임을 고정시키는 가이드 역할을 한다.
다시 도 22를 참조하면, 내측 판넬(422)의 상당 중앙 영역의 인접한 부분에는 개구부(422C)가 형성된다.
개구부(422C)는 셀 조립체(100) 내에서 가장 외곽에 적층된 셀의 일부 표면을 상부로 노출시킨다. 이러한 개구부(422C)와 상기 개구부(422C)를 커버하는 외측 판넬(421)의 일부는 아래에서 설명될 셀 조립체(100)의 온도를 측정하는 온도 센서가 수납되는 수납 공간을 형성한다.
도 24는 도 19에 도시한 엔드 플레이트와 셀 조립체 사이에 온도 센서가 수납되는 공간을 보여주는 도면으로, 도 24의 (A)는 수납 공간에 온도 센서가 수납되지 않는 모습을 보여주는 도면이고, (B)는 상기 수납 공간에 온도 센서가 수납된 모습을 보여주는 도면이다.
도 24를 참조하면, 전술한 바와 같이, 내측 판넬(422)의 상단부에 형성된 개구부(422C)와 이 개구부(422C)를 덮는 외측 판넬(421)의 일부(421C)에 의해 형성되는 수납 공간(90)에는 온도 센서(900)가 수납된다.
개구부(422C)는 셀 조립체(100) 내에서 가장 외곽에 적층된 배터리 셀의 일부 표면을 상부로 노출시키기 때문에, 수납 공간(90)에 수납된 온도 센서(900)는 셀 조립체(100) 내에서 가장 외곽에 적층된 배터리 셀에 직접 접촉되는 구조로 수납 공간(90)에 수납된다.
따라서, 온도 센서(900)가 수납 공간(90)에 수납되면, 온도 센서(900)는 개구부(422C)에 의해 노출된 셀 조립체(100)의 표면과 직접적으로 접촉하기 때문에, 셀 조립체(100)의 온도를 보다 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
한편, 온도 센서(900)는 수납 공간(90)에 수납된 상태에서 상기 수납 공간으로부터 이탈하지 않는 락킹 구조로 수납 공간(90)에 수납된다.
이를 위해, 온도 센서(900)를 구성하는 하우징 표면에는 걸림 돌기(910)가 형성되며, 개구부(422C)를 덮는 외측 판넬(421)의 일부(421C)에는 온도 센서(900)가 상기 수납 공간(90)에 삽입되는 방향의 반대 방향으로 빠지지 않도록 상기 걸림 돌기(910)에 락킹되는 반달 형상의 걸림 홈(421D)이 형성된다.
온도 센서(900)는 그 걸림 돌기(910)가 걸림 홈(421D)에 락킹될 때까지 충분히 삽입되면, 상기 수납 공간(90)에 온도 센서(900)의 장착이 완료된다.
또한, 본 발명의 셀 조립체(100)는 도 25에 도시된 바와 같이 상/하부 클램프(510, 520)에 의해 고정되기 때문에, 배터리 셀을 감싸는 카트리지는 물론 셀 조립체(100)의 하부를 커버하는 별도의 강성 판넬의 설계를 배제할 수 있음을 의미한다. 이것은 셀 조립체(100)를 고정시키기 위한 구성으로 상부 커버(800) 하나만으로 충분함을 의미한다.
이처럼 셀 조립체(100)의 하부를 커버하는 별도의 강성 판넬의 설계를 배제할 수 있기 때문에, 셀 조립체(100)의 하부가 노출되고, 셀 조립체(100)를 냉각시키는 냉각 장치가 셀 조립체(100)의 하부에 설치되는 경우, 그 냉각 장치의 냉각 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 26은 도 19에 도시한 전면 커버를 전방에서 바라본 확대 사시도이고, 도 27은 도 26에 도시한 전면 커버를 후방에서 바라본 확대 사시도이다. 그리고 도 28은 도 27에 도시한 전면 커버의 단면도이다.
전면 커버(610)와 후면 커버(620)는 동일한 구조적 특징을 가지며, 단지 다자인 측면에서 약간의 차이가 있을 뿐이다. 따라서, 후면 커버(620)에 대한 설명은 전면 커버(620)에 대한 설명으로 대신한다.
도 26 내지 28을 참조하면, 전면 커버(610)는 좌우 측면의 상단과 하단에 체결공(611, 613)이 형성된다.
전술한 바와 같이, 전면 커버(610)와 엔드 플레이트(410, 420)는 전면 커버(610)의 측면에 형성된 체결공(611, 613)과 엔드 플레이트(410, 420)의 모서리 부분(또는 외측 판넬(421)의 모서리 부분)에 형성된 체결공(도 20의 21, 23)을 동시에 관통하는 볼트 부재(700)에 의해 체결된다.
상기 전면 커버(610)의 측면에 체결공(611, 613)을 형성하기 위해, 상기 전면 커버(610)의 상부와 하부를 각각 관통하는 장공(긴 구멍)이 형성되며, 상기 긴 구멍의 내주면 상에는 원통 형상의 파이프(615)가 배치된다.
파이프(615)의 양쪽 끝단부의 내주면 상에는 나사산(파이프 나사산)이 형성된다. 상기 파이프 나사산은 엔드 플레이트(410, 420)의 체결공(도 20의 21, 23)을 관통한 상기 볼트 부재(700)의 볼트 나사산과 나사 결합 방식으로 체결된다. 이에 따라 전면 커버(610)와 엔드 플레이트(410, 420)가 체결된다.
한편, 파이프(615)는 배터리 모듈 조립체(1000)의 전체 강성을 위해, 단단한 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들면, 알루미늄과 같은 금속 재질일 수 있다.
상기 전면 커버(610)는 상부와 하부에 각각 파이프를 포함하도록 금속 인서트 사출(metal insert injection molding) 방식에 따라 제조될 수 있다.
또한, 도 27에 도시된 바와 같이, 전면 커버(610)의 상부와 하부는 셀 조립체(100) 방향으로 밴딩된 지지부(617, 618)가 각각 형성된다. 상기 지지부(617, 618)의 저면은 셀 조립체(100)의 상부와 하부에 각각 안착되어, 전면 커버(610)의 상하 움직임을 억제하는 가이드 역할을 한다.
또한, 상기 지지부(617, 618)의 저면 상에는 다수의 격벽(618)이 형성되고, 인접한 격벽 사이에는 전면 플레이트(200)에 의해 가려지지 않고 노출되는 배터리 셀들(도 12의 80)이 끼워진다.
다수의 격벽(619)은 전면 플레이트(200)에 의해 가려지지 않고 노출되는 배터리 셀들(도 12의 80)이 꽂히는 책꽂이 역할을 하는 동시에, 전면 커버(610)의 좌우 움직임을 억제하는 가이드 역할을 하게 된다.
본 명세서에 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명을 위한 예시적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 다수의 배터리 셀들이 적층된 셀 조립체;
    상기 배터리 셀들이 적층된 방향의 전방 및 후방에서 상기 셀 조립체를 지지하는 전면 및 후면 플레이트;
    상기 셀 조립체를 사이에 두고, 상기 셀 조립체의 양측면을 각각 커버하는 좌측 및 우측 엔드 플레이트;
    상기 셀 조립체의 상부와 하부를 각각 가로질러 연장되고, 상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트의 상부와 하부를 각각 클램핑하여, 상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트 사이에 배치된 상기 셀 조립체의 양쪽 측면을 가압하는 상부 및 하부 클램프; 및
    상기 전면 및 후면 플레이트를 각각 커버하는 전면 및 후면 커버를 포함하고,
    상기 전면 및 후면 커버 각각의 상부와 하부에는 긴 구멍이 형성되고,
    상기 긴 구멍의 내주면 상에는 원통 형상의 파이프가 배치된 것인 배터리 모듈 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 파이프의 양쪽 끝단의 내주면 상에는 나사산이 형성되고,
    상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트 각각의 모서리 부분에는 체결공이 형성되고,
    상기 체결공을 관통한 볼트 부재의 볼트 나사산이 상기 파이프의 내주면 상에 형성된 상기 나사산과 나사 결합하여 상기 전면 및 후면 커버가 상기 좌측 및 우측 엔트 플레이트에 체결되는 것인 배터리 모듈 조립체.
  3. 제1항에서,
    상기 파이프는, 상기 배터리 모듈 조립체의 강성을 위해, 금속 재질로 이루어진 것인 배터리 모듈 조립체.
  4. 제1항에서,
    상기 전면 및 후면 엔드 플레이트 각각은,
    상기 배터리 셀들을 연결하는 버스바를 포함하도록 인서트 사출 방식으로 제조된 것인 배터리 모듈 조립체.
  5. 제1항에서,
    상기 전면 및 후면 커버 각각은, 측면에 제1 체결공이 형성되고,
    상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트 각각은 모서리 부분에 제2 체결공이 형성되고,
    상기 제1 및 제2 체결공을 동시에 관통하는 체결 부재를 통해, 상기 전면 및 후면 커버와 상기 좌측 및 우측 엔트 플레이트가 체결되는 것인 배터리 모듈 조립체.
  6. 제1항에서,
    상기 좌측 및 우측 엔드 플레이트 각각은,
    금속 재질의 외측 판넬; 및
    상기 셀 조립체와 상기 외측 판넬 간의 절연을 위해, 상기 셀 조립체의 측면과 상기 외측 판넬 사이에 배치되는 내측 판넬;
    을 포함하는 것인 배터리 모듈 조립체.
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