WO2012023731A2 - 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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윤종문
신용식
이진규
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention provides a battery module including a plurality of battery cells, a cell module stack having a structure in which a plurality of cell modules having a structure in which the battery cells are mounted in a cartridge are stacked up and down; A bottom plate supporting a lower end of the cell module stack; And a top plate fixing a top cartridge of a cell module stack positioned on the bottom plate, wherein the cartridge, the top plate, and the bottom plate are formed with through holes in communication with each other.
  • the fixing member is inserted into the fixing member is coupled to the upper plate and the lower plate, the fixing member and the through-hole is a battery module consisting of a horizontal multi-sided structure to suppress the rotation when applying a rotational force for fastening to the fixing member It is about.
  • the secondary battery is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle that has been proposed as a solution for air pollution of existing gasoline and diesel vehicles using fossil fuel. It is attracting attention as a power source such as (Plug-In HEV).
  • Small and mobile devices use one or two or four battery cells per device, whereas medium and large devices such as auxiliary power devices or automobiles use a battery module electrically connected to a plurality of battery cells due to the need for high output and large capacity. .
  • the battery module is preferably manufactured in a small size and weight as much as possible, a square battery, a pouch-type battery, etc., which can be charged with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells (unit cells) of medium and large battery modules. .
  • a pouch-type battery using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member has attracted much attention in recent years due to advantages such as low weight, low manufacturing cost, and easy form deformation.
  • a battery module has been used to stack a plurality of battery cells and then fixed using a long bolt.
  • the thickness of the part where the long bolt is fastened in the battery module is smaller than that of other parts, so that it is difficult to match the dimensional stability.
  • the dimensional stability of the battery module may not be maintained due to the accumulated tolerance occurring in the fusion between the electrode tab and the bicell in the battery.
  • These battery modules may be used alone, but may also be configured by combining two or more battery packs. In this case, when dimensional stability is not maintained, when a strong shock or vibration is applied from the outside, the battery module is not fixed inside the battery pack, which may cause problems such as durability or safety of the battery pack.
  • the dimensional stability is maintained, it can be configured to fit each dimension to ensure the durability or safety of the battery pack from external shock or vibration.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the battery module according to the present invention is a battery module including a plurality of battery cells
  • the fixing member is inserted into the through holes and the fixing member is coupled to the upper plate and the lower plate,
  • the fixing member and the through hole has a horizontal cross-sectional structure that suppresses rotation when applying a rotational force for fastening to the fixing member.
  • the battery cells inside the cell module or between the cell modules are connected in series with at least a part of an electrical connection portion, and after the battery cells are coupled with their electrode terminals arranged adjacent to each other,
  • a plurality of cell modules may be manufactured.
  • this manufacturing process may be changed in some order. For example, a plurality of cell modules may be manufactured, respectively, and then electrical connections between the cell modules may be performed.
  • a fixing member is inserted into the through holes, thereby maintaining structural thickness by maintaining the thickness of the fixing member.
  • the fixing member is made of a horizontal cross-sectional structure to suppress the rotation is not rotated even when a rotational force is applied for fastening can achieve a stable fastening.
  • both ends of the fixing member may have a structure in which a fastening groove or a fastening protrusion is formed.
  • the length of the fixing member is relatively small for ease of assembly, it may be more desirable to have a fastening groove type fastening structure.
  • the fastening member may be inserted into the fastening groove of the fixing member to be coupled to the upper plate and the lower plate.
  • the fastening member can be used as long as it can be fastened with the fastening groove, for example, fastening screws, bolts and the like.
  • a nut may be used as the fastening member.
  • the fixing member has a horizontal cross-sectional structure that does not rotate even when a rotational force for fastening is applied.
  • the fixing member may have a circular structure in which polygons or protrusions are formed on the horizontal cross-section.
  • the inner surface shape of the through holes coincides with the outer surface shape of the fixing member. If there is a mismatch, the fixing member may rotate by the rotational torque when the rotational force is applied, or the outer surface of the fixing member and / or the inner surface of the through hole may be partially damaged.
  • the fixing member may have a structure of a cylindrical bar having protrusions formed on an outer circumferential surface thereof.
  • the fastening structure is formed at both ends of the fixing member, since the structure is fastened by the rotational force in general, it can be considered that the horizontal cross section of the fixing member is circular. However, since the fixing member rotates due to the rotational force when it has a circular cross section, it is preferable that protrusions are formed on the outer circumferential surface in order to suppress rotation.
  • the protrusion serves to support the rotational torque generated by the rotational force. Therefore, as more projections are distributed, rotational torque can be dispersed, thereby preventing damage to the fixing member. However, if too much, the length of the projection is rather short, it becomes difficult to support the rotational torque, it is difficult to manufacture. Therefore, it is preferable that the protrusions are formed in the number of 1 to 4, and are continuously formed in the longitudinal direction of the fixing member.
  • This fixing member is preferably made of a metal material.
  • the fixing member serves to maintain the thickness of the battery module by its length, it must be able to withstand the pressure of the fastening member. If it has a strength that can play the role as described above can be used regardless of the material, but in terms of strength is preferably a metal material. In particular, in order to reduce the weight of the battery module is more preferably made of aluminum.
  • the upper and lower plates are also preferably metal materials.
  • the upper and lower plates include a heat insulating material for preventing inflow of radiant heat into the cell at the center portion.
  • the battery module according to the present invention may further include a voltage detection assembly mounted to the surface protruding the electrode of the cell module stack to detect the voltage of the battery cells.
  • the battery module has a structure in which a plurality of battery cells are combined, when some battery cells are overvoltage, overcurrent, or overheating, safety and operation efficiency of the battery module are greatly detrimental, and thus a means for detecting and controlling them is required.
  • the voltage detection assembly In this aspect, the voltage detection assembly,
  • the electrode terminals are members for detecting the voltage of the battery cells formed together on one side of the top or bottom,
  • the block case includes mounting grooves having a structure that is open in a front direction to mount conductive sensing units at positions corresponding to voltage detection terminals of a bus bar, respectively.
  • the conductive sensing units are preferably configured to be connected to the voltage detecting terminal of the bus bar in a state of being mounted in the mounting grooves of the block case.
  • the voltage detecting assembly is configured to be connected to the voltage detecting terminal of the bus bar in a state in which the conductive sensing units are mounted in the mounting grooves of the block case, so that the assembly process is simple, compact, and stable. This has a possible structure.
  • the member for detecting the voltage of the battery cells is composed of one modular assembly structure, the voltage detection assembly can be easily mounted on the front or rear of the battery module.
  • the assembly structure composed of separate independent parts as described above enables the outer production, greatly improving the manufacturing productivity of the battery module, when the abnormality of the components constituting the voltage detection assembly, compared with the conventional battery module structure Maintenance is also greatly improved because only the voltage detection assembly mounted on the front or rear of the battery module needs to be replaced without disassembling the inside of the battery module.
  • the voltage detecting assembly according to the present invention can be easily extended according to the use environment of the battery module such as voltage and current.
  • the controller may be, for example, a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the mounting grooves of the block case are independently formed for each conductive sensing unit, and each conductive sensing unit may be mounted in each mounting groove, and the mounting groove may prevent contact of the conductive sensing units.
  • the conductive sensing unit has a receptacle type structure fitted to the terminal for detecting the voltage of the bus bar from the front surface, so that the conductive sensing unit and the terminal for detecting the voltage are stable even when an external impact is applied. You can stay connected.
  • the conductive sensing unit includes a receptacle unit fitted to the voltage detecting terminal of the bus bar and a conductive wire, and the receptacle unit forms a connection structure perpendicular to the wire.
  • the conductive sensing units are not particularly limited as long as they can be easily connected to the connector for transmitting the detected voltage to the controller.
  • the conductive sensing units are connected to the connectors by wires, and the wires are insulated for insulation from the outside. It may be made of a structure wrapped in tape or embedded in a tubular member.
  • the tubular member may be, for example, a hollow insulating pipe.
  • the bus bar may include a plate-shaped body electrically connected to an electrode terminal coupling portion of a battery cell, and a voltage detecting terminal formed at one end of the plate-shaped body.
  • the bus bar has a shape protruding to the front, so that the coupling with the block case is easily achieved.
  • a bus bar connected to an external input / output terminal for a positive electrode or a negative electrode of the bus bar is formed at an opposite end of the voltage detecting terminal and is bent to protrude toward the side of the main body. It may be a structure comprising more.
  • a small vertical cross-sectional indentation is formed between the main body and the first external input / output terminal connecting portion to induce a short circuit during overcurrent, and thus safety can be improved because the indentation is shorted first during overcurrent.
  • a bus bar connected to an external input / output terminal for a negative electrode or a positive electrode of the bus bar is formed at an opposite end of a voltage detecting terminal and is bent to protrude upward and to the side of the main body. It may be made of a structure further comprising a terminal connection.
  • the first external input / output terminal connection part and the second external input / output terminal connection part may have a structure in which a fastening groove that can be combined with an external input / output terminal is drilled.
  • the cartridge is
  • a through hole into which a fixing member for fixing the cell module stack is inserted is formed at four corners;
  • the coupling portion of the structure that can be fastened in an assembly manner to the mounting insulation member for mounting the voltage detection assembly and the bus bar, so that the voltage detection assembly can be stably connected to the bus bar It may be made of.
  • the bus bar may be a structure that is heat-sealed to the injection molding of the mounting insulating member.
  • the mounting insulating member has a rectangular parallelepiped structure having a size corresponding to the front surface of the cell module stack, and a rear surface of the cartridge is formed with a cartridge coupling groove into which the front end portion of the cartridge can be inserted and coupled. It may be a structure in which the electrode terminal through grooves are formed on both sides so that the electrode terminal connecting portion is introduced from the rear side and exposed.
  • mounting portions for external input / output terminal connecting portions for stably mounting the external input / output terminal connecting portions of the bus bars are formed at both ends, and a mounting portion for voltage detecting assembly for stably mounting the voltage detecting assembly. It may be a structure formed in the central portion.
  • the fastening indentation portion is formed in the seating portion for the external input / output terminal connection portion, so that the external input / output terminal connection portion of the bus bar can be easily inserted into the fastening indentation portion.
  • the electrode terminal connecting portion of the battery cell exposed to the front through the electrode terminal through groove may have a structure that is electrically connected to the upper surface of the bus bar mounted in the electrode terminal through groove.
  • fastening protrusions for engaging with the slits of the mounting insulating member protrude to the side at both ends of the block case, and sliding on inner surfaces of the mounting portion for the voltage detection assembly of the mounting insulating member on the upper portion of the fastening protrusion.
  • the sliding protrusion may be a structure that protrudes to the side.
  • the cartridge is preferably configured to have a thin thickness of the portion corresponding to the fusion between the electrode tab and the bicell in the battery.
  • the structure may contribute to the dimensional stability of the battery module by canceling the cumulative tolerance due to ultrasonic welding between the tab (or lead) and the bicell in the battery.
  • the top plate preferably further includes an outer case fastening member.
  • the battery cell may be a pouch type battery cell in which a case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer is embedded in an electrode assembly.
  • the laminate sheet may have a structure including an inner resin layer of thermal fusion, a barrier metal layer, and an outer resin layer exhibiting durability.
  • the battery module according to the present invention has a compact structure as a whole, and can achieve structurally stable mechanical fastening and electrical connection without using a large number of members.
  • a battery module with predetermined units, for example, four, six, eight, ten battery cells or cell modules, the battery module can be effectively mounted in a limited space as necessary. Can be.
  • the present invention provides a large output large-capacity battery pack manufactured by using the battery module as a unit.
  • Medium and large battery packs according to the present invention can be manufactured by combining the battery modules according to the desired output and capacity, considering the mounting efficiency, structural stability, and the like as described above, electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid It can be used suitably as a power supply of an electric vehicle or an electric power storage device.
  • the battery pack of the above structure can be used as a UPS (Uninterruptible Power Supply) to be mounted on the carrier repeater to supply power in an emergency because the battery cells are stacked up and down, the overall size is compact.
  • UPS Uninterruptible Power Supply
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery cell mounted to a battery module
  • FIG. 2 is an exploded schematic view of FIG. 1;
  • FIG. 2 is an exploded schematic view of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a structure excluding a cell module stack and a controller in the battery module of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a stacked structure of cartridges in the battery module of FIG. 3;
  • FIG. 6 is a perspective view of a configuration in which the fixing member according to one embodiment of the present invention is mounted to the upper and lower plates;
  • FIG. 7 is a perspective view of a cartridge according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a voltage detection assembly according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of the conductive sensing unit of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a perspective view of a mounting insulating member to which the voltage detection assembly of FIG. 8 is mounted;
  • FIG. 11 is a perspective view of bus bars mounted to the mounting insulating member of FIG. 10.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing one exemplary battery cell mounted on a unit module of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded schematic view of FIG. 1.
  • the pouch-type battery cell 200 inside the pouch-type battery case 100, the electrode assembly consisting of a positive electrode, a negative electrode and a separator disposed therebetween its positive and negative electrode tabs 220, 230 ) And two electrode terminals 222 and 232 electrically connected to each other are configured to be sealed to be exposed to the outside.
  • the battery case 100 includes a case body 140 including a concave shape receiving part 142 on which the electrode assembly 210 may be seated, and a cover 150 integrally connected to the body 140. have.
  • a plurality of positive electrode tabs 220 and a plurality of negative electrode tabs 230 are fused to each other and coupled to the electrode terminals 222 and 232.
  • the surplus portion 144 and the cover 150 of the case body 140 are heat-sealed by the heat welder, the short between the heat welder and the electrode terminals 222 and 232 is prevented, and the electrode terminal 222 is prevented.
  • the insulating film 240 is attached to upper and lower surfaces of the electrode terminals 222 and 232 to secure the sealing property between the battery pack 232 and the battery case 100.
  • the case body 140 and the cover 150 are composed of an outer resin layer 110, a barrier metal layer 120, and an inner resin layer 130, and the inner resin layer 130 is an outer surface of the case body 140. And it can be tightly fixed by the heat and pressure from the heat welding machine (not shown) applied to the outer surface of the cover 150.
  • the sealing part is formed by heat-sealing the contact portion between the excess part 144 of the case body 140 and the cover 150 while the electrode assembly 210 impregnated with the electrolyte is seated on the accommodating part 142.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a perspective view schematically showing a structure excluding the cell module stack and the control unit in the battery module of Figure 3
  • It is. 5 is a perspective view schematically showing the stacked structure of the cartridges in the battery module of FIG.
  • the battery module 300, the voltage detection assembly 400 A cell module stack 70 having a structure in which a plurality of cell modules having a structure in which a battery cell is mounted in a cartridge is stacked up and down; A bottom plate 80 supporting the bottom of the cell module stack 70; And a top plate 90 that secures the top cartridge 82 of the cell module stack 70 located on the bottom plate 80.
  • a fastening member 94 capable of fastening with an outer case (not shown) is formed on the upper plate 90.
  • Insulation materials 91 and 81 are installed at the center of the upper and lower plates 90 and 80 to prevent radiant heat from entering the battery cells.
  • the cartridge 82 has a rectangular structure corresponding to the battery cell so that the battery cell can be mounted, and an opening 84 for dissipating heat is formed at the center portion, and the four corners of the cell module stack 70 are fixed.
  • Through holes 86 into which the fixing member (not shown) is inserted are formed at four corners. These through holes 86 are also formed on the upper and lower plates 90 and 80, and when the upper and lower plates 90 and 80 and the cartridges 82 are stacked for assembling the battery module, the through holes communicate with each other.
  • a coupling portion 88 On the front of the cartridge 82 is a coupling portion 88 having a structure in which the mounting insulation member 50 for mounting the voltage detecting assembly 400 and the bus bars 40a, 40b, and 40c can be fastened in an assembled manner. In this manner, the voltage detecting assembly 400 is stably connected to the voltage detecting terminals 44 of the bus bars 40a, 40b, and 40c.
  • the battery module 400 mounts the battery cell in the cartridge 82 of the cell module, and stacks a plurality of such cartridges 82 on the bottom plate 80, and then the top of the top cartridge 82 It consists of a structure for coupling the plate (90).
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a configuration in which the fixing member according to one embodiment of the present invention is mounted on the upper and lower plates.
  • a cylindrical bar-shaped fixing member 60 having protrusions on an outer circumferential surface thereof is inserted into a through hole 86 of upper and lower plates 90 and 80.
  • the fixing member 60 also passes through through holes 86 formed in the cartridge 82 of the cell module stack 70 mounted between the upper and lower plates 90 and 80.
  • fastening grooves having screw lines are formed on the inner surface thereof, and upper and lower plates 90 and 80.
  • a fastening member such as a fastening screw or bolt.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing a cartridge according to one embodiment of the present invention.
  • the thickness of the "A" cross section of the cartridge 82 is thinner than the thickness of the "B" cross section.
  • the portion of the battery cell located at the cross section "A” is a portion where cumulative tolerances are generated due to ultrasonic fusion between the bicell and the tab (lead) in the battery. Dimensional stability can be attained by making it thinner than the thickness of B "cross section.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically illustrating a voltage detection assembly according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing a conductive sensing unit of FIG. 8.
  • the voltage detection assembly 400 includes a block case 10 mounted on a front surface of a battery module 300 corresponding to an electrode terminal connection portion of battery cells; Conductive sensing units 20 connected to voltage detecting terminals 44 located at one end of the bus bar 40a electrically connected to the electrode terminal connection units (not shown) of the battery cells; And a connector 30 for transmitting the detected voltages of the conductive sensing units 20 to the control unit.
  • the block case 10 includes mounting grooves 12 having a structure that is open in the front direction, so that the conductive sensing units 20 are positioned at positions corresponding to the voltage detecting terminals 44 of the bus bars 40a, respectively.
  • the conductive sensing units 20 are connected to the voltage detecting terminal 44 of the bus bar 40a while being mounted in the mounting grooves 12 of the block case 10.
  • the mounting grooves 12 of the block case 10 are independently formed for each of the conductive sensing units 20, and the conductive sensing units 20 may detect the voltage terminal 44 of the bus bar 40a from the front surface. Consists of a receptacle structure that fits in.
  • the conductive sensing unit 20 includes a receptacle portion 22 and an electricity supply wire 24 fitted to the voltage detecting terminal 44 of the bus bar 40a, and the receptacle portion 22 includes a tube.
  • the connection structure perpendicular to the dedicated wire 24 is formed.
  • the conductive sensing units 20 are connected to the connector by wires 24, respectively, and the wires 24 are wrapped with insulating tape 32 to insulate the outside.
  • fasteners 14 having a tong shape protrude in the front direction to stably fix the wires 24 on the front surface of the block case 10.
  • Fastening protrusions 16 for engaging with the slits of the mounting insulating member 50 protrude from the side surfaces at both end portions of the block case 10, and upper portions of the fastening protrusions 16 of the mounting insulating member 50.
  • a sliding protrusion 18 which is slid to the inner surface of the mounting portion 54 for the voltage detection assembly is projected to the side.
  • FIG. 10 schematically shows a perspective view of a mounting insulation member to which the voltage detection assembly of FIG. 8 is mounted
  • FIG. 11 schematically shows a perspective view of a bus bar mounted to the mounting insulation member of FIG. 10.
  • the bus bar 40a includes a plate-shaped body 42 electrically connected to an electrode terminal coupling portion of a battery cell, and a voltage detecting terminal formed at one end of the plate-shaped body 42. It consists of (44).
  • a bus bar 40b connected to the positive external input / output terminal is formed at an opposite end of the voltage detecting terminal 44 and is bent so as to protrude toward the side of the main body 42. It further includes (46).
  • a narrow indentation 48 having a vertical cross-sectional area of 40% of the vertical cross-sectional area of the main body 42 in order to induce a short circuit during overcurrent is provided. Formed.
  • the bus bar 40c connected to the negative external input / output terminal is formed at the opposite end of the voltage detecting terminal 44 and is bent to protrude upward and upward from the side of the main body 42.
  • the terminal connection part 43 is further included.
  • a fastening groove 45 that can be coupled to an external input / output terminal is drilled in the first external input / output terminal connection part 46 and the second external input / output terminal connection part 43.
  • Mounting insulating member 50 is a rectangular parallelepiped structure having a size corresponding to the front surface of the cell module stack 70, the rear cartridge is formed with a cartridge coupling groove 51 that can be coupled to the front end of the cartridge is inserted On the front surface, electrode terminal through-grooves 52 are formed at both sides thereof so that the electrode terminal connecting portion of the battery cell can be introduced and exposed from the rear side.
  • a mounting portion 53 for external input / output terminal connection portions is formed at both ends of the front surface of the insulating member 50 for mounting, thereby stably mounting the external input / output terminal connection portions 44 of the bus bars 40a 40b and 40c.
  • the mounting part 54 for voltage detection assembly is formed in the center part, and the voltage detection assembly 400 is mounted stably.
  • the fastening indentation portion is formed in the seating portion 53 for the external input / output terminal connection portion, and the electrode terminal connection portion (not shown) of the battery cell exposed to the front surface through the electrode terminal through groove 52 is the electrode terminal through groove 52. Is electrically connected to the upper end surface of the bus bar 40a.
  • the battery module according to the present invention is excellent in dimensional stability by canceling the cumulative tolerance between the electrode tab and the cell due to the reduction of the dimension by the fastening or charging and discharging.

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Abstract

본 발명은 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서, 상기 전지셀이 카트리지에 장착되어 있는 구조의 셀 모듈 다수 개를 상하로 적층한 구조의 셀 모듈 적층체; 상기 셀 모듈 적층체의 하단을 지지하는 하단 플레이트; 및 상기 하단 플레이트 상에 위치한 셀 모듈 적층체의 최상부 카트리지를 고정하는 상단 플레이트;를 포함하고 있으며, 상기 카트리지와 상단 플레이트 및 하단 플레이트에는 상호 연통하는 형태로 관통구들이 각각 형성되어 있고, 상기 관통구들에 고정부재가 삽입되어 있고 상기 고정부재가 상단 플레이트 및 하단 플레이트에 결합되어 있으며, 상기 고정부재와 관통구들은 체결을 위한 회전력을 고정부재에 인가할 때 회전을 억제하는 수평 단면 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩
본 발명은 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서, 상기 전지셀이 카트리지에 장착되어 있는 구조의 셀 모듈 다수 개를 상하로 적층한 구조의 셀 모듈 적층체; 상기 셀 모듈 적층체의 하단을 지지하는 하단 플레이트; 및 상기 하단 플레이트 상에 위치한 셀 모듈 적층체의 최상부 카트리지를 고정하는 상단 플레이트;를 포함하고 있으며, 상기 카트리지와 상단 플레이트 및 하단 플레이트에는 상호 연통하는 형태로 관통구들이 각각 형성되어 있고, 상기 관통구들에 고정부재가 삽입되어 있고 상기 고정부재가 상단 플레이트 및 하단 플레이트에 결합되어 있으며, 상기 고정부재와 관통구들은 체결을 위한 회전력을 고정부재에 인가할 때 회전을 억제하는 수평 다면 구조로 이루어진 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 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), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 보조 전력장치 또는 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈이 사용된다.
전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
일반적으로 전지모듈은 다수의 전지셀들을 적층한 뒤 장볼트를 사용하여 고정하는 방법을 사용하여 왔다. 하지만, 전지모듈에서 장볼트가 체결되어 있는 부분의 두께가 다른 부분보다 작게 되어 치수 안정성을 맞추기가 어렵다는 문제가 있다.
또한, 전지 내 전극 탭과 바이셀 간의 융착부에 발생하는 누적공차에 의해서도 상기 전지모듈의 치수 안정성이 유지되지 못할 수 있다.
이러한 전지모듈은 단독으로도 사용이 가능하지만, 둘 이상을 조합하여 전지팩을 구성할 수도 있다. 이 경우, 치수 안정성이 유지되지 않으면 외부로부터 강한 충격이나 진동이 가해질 경우, 전지팩의 내부에서 전지모듈이 고정되지 않아 전지팩의 내구성 또는 안전성 등에 문제를 일으킬 수 있다.
치수 안정성이 유지된다면, 각 치수에 맞도록 구성하여 외부 충격 또는 진동으로부터 전지팩의 내구성 또는 안전성을 도모할 수 있을 것이다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 새로운 조립 구조의 전지모듈 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 특정 형태의 카트리지를 사용하고, 상기 카트리지를 연통하고 상단 플레이트와 하단 플레이트를 체결할 수 있는 고정부재를 사용하여 치수 안정성을 유지하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은, 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서,
상기 전지셀이 카트리지에 장착되어 있는 구조의 셀 모듈 다수 개를 상하로 적층한 구조의 셀 모듈 적층체;
상기 셀 모듈 적층체의 하단을 지지하는 하단 플레이트; 및
상기 하단 플레이트 상에 위치한 셀 모듈 적층체의 최상부 카트리지를 고정하는 상단 플레이트;를 포함하고 있으며,
상기 카트리지와 상단 플레이트 및 하단 플레이트에는 상호 연통하는 형태로 관통구들이 각각 형성되어 있고,
상기 관통구들에 고정부재가 삽입되어 있고 상기 고정부재가 상단 플레이트 및 하단 플레이트에 결합되어 있으며,
상기 고정부재와 관통구들은 체결을 위한 회전력을 고정부재에 인가할 때 회전을 억제하는 수평 단면 구조로 이루어져 있다.
상기 구조에서, 셀 모듈 내부 또는 셀 모듈 상호간의 전지셀들은 전기적 연결 부위의 적어도 일부가 직렬로 연결되어 있으며, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 상호 인접하도록 배열한 상태에서 상기 전극단자들을 결합시킨 뒤, 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 셀 모듈들을 제조할 수 있다. 이러한 제조과정은 일부 순서가 변경될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 다수의 셀 모듈들을 각각 제조한 후 셀 모듈간 전기적 접속을 행할 수도 있다.
기존 전지모듈의 조립 방법은, 앞서 설명한 바와 같이, 장볼트를 외부 케이스와 카트리지 각각에 연통하여 삽입하고, 반대편에서 너트를 이용하여 체결이 이루어졌다. 이로 인하여 너트의 조임이 가해질수록 전지모듈이 힘을 받아 형태가 일그러지는 문제가 있었다.
반면에, 본 발명에 따른 전지모듈은 상기 관통구들에 고정부재가 삽입되어 있어서, 고정부재의 길이만큼 두께를 유지하여 구조적 안정성을 기할 수 있다.
또한, 상기 고정부재는 회전을 억제하는 수평 단면 구조로 이루어져 있어서 체결을 위한 회전력이 가해지는 경우에도 회전되지 않아 안정적인 체결을 이룰 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 고정부재의 양 단부에는 체결홈 또는 체결돌기가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
조립의 용이성을 위하여 고정부재의 길이가 상대적으로 작은 것이 유리할 수 있으므로, 체결홈 형태의 체결구조를 가지는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
이러한 고정부재의 체결홈에 체결부재가 삽입되어 상단 플레이트 및 하단 플레이트에 결합될 수 있다. 상기 체결부재는 체결홈과 체결이 가능한 것이면 어느 것이나 사용이 가능하며, 예를 들어, 체결용 나사, 볼트 등을 들 수 있다. 고정부재의 양 단부에 체결돌기가 형성되어 있는 경우에는 체결부재로서 너트가 사용될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 고정부재는 체결을 위한 회전력이 가해지는 경우에도 회전되지 않는 수평 단면 구조를 가지고 있는 바, 바람직하게는 수평 단면 상으로 다각형 또는 돌기가 형성되어 있는 원형 구조일 수 있다.
이 경우, 관통구들의 내면 형상은 고정부재의 상기 외면 형상과 일치하는 구조인 것이 바람직하다. 만약, 일치하지 않는 경우에는 회전력이 가해질 때 회전 토크에 의해 고정부재가 회전하게 될 수도 있고 또는 고정부재의 외면 및/또는 관통구의 내면이 일부 손상될 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 고정부재는 외주면에 돌기가 형성되어 있는 원통형 바의 구조일 수 있다.
고정부재의 양 단부에 체결구조가 형성되어 있는 경우, 회전력으로 체결되는 구조가 일반적이므로, 고정부재의 수평 단면이 원형인 것이 고려될 수 있다. 그러나, 원형의 단면을 가질 경우 회전력에 의해 고정부재가 회전하는 문제가 있으므로, 회전을 억제하기 위하여 외주면에 돌기가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 돌기는 회전력에 의해 발생하는 회전 토크를 지탱하는 역할을 한다. 따라서, 돌기가 많을수록 회전 토크를 분산할 수 있으므로 고정부재의 파손을 막을 수 있다. 다만, 너무 많을 경우 오히려 돌기의 길이가 짧아져서 회전 토크를 지탱하기 어려워지고, 제조에도 어려움이 따른다. 따라서, 돌기는 1 내지 4의 개수로 형성되고, 고정부재의 길이 방향으로 연속적으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 고정부재는 금속 소재로 이루어진 것이 바람직하다.
고정부재는 그 길이만큼 전지모듈의 두께를 유지시켜 주는 역할을 하므로, 체결부재의 압력에 버틸 수 있어야 한다. 상기와 같은 역할을 할 수 있는 강도를 가지는 것이면 소재에 구분없이 사용이 가능하지만, 강도 측면에서 금속 소재인 것이 바람직하다. 특히, 전지모듈의 경량화를 위하여 알루미늄 소재인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상하단 플레이트 역시 각각 금속 소재인 것이 바람직하다. 또한, 상하단 플레이트는 중앙부에 복사열의 셀 내 유입을 방지하기 위한 단열재를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀들의 전압을 검출하기 위해 셀 모듈 적층체의 전극이 돌출된 면에 장착되는 전압 검출 어셈블리를 추가로 포함할 수 있다.
전지모듈은 다수의 전지셀들이 조합된 구조로 이루어져 있으므로 일부 전지셀들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되는 경우에는 전지모듈의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이들을 검출하여 제어하기 위한 수단이 필요하다.
이러한 측면에서, 상기 전압 검출 어셈블리는,
전지모듈에 장착된 상태에서, 전극단자들이 상단 또는 하단 중 일측에 함께 형성되어 있는 전지셀들의 전압을 검출하기 위한 부재로서,
(a) 전기절연성의 소재로 이루어져 있고, 전지셀들의 전극단자 연결부에 대응하는 전지모듈의 전면 또는 후면 상에 장착되는 블록 케이스;
(b) 상기 전지셀들의 전극단자 연결부와 전기적 접속되어 있는 버스 바의 일측 단부에 위치한 전압 검출용 단자에 각각 접속되는 도전성 센싱부들; 및
(c) 상기 도전성 센싱부들의 검출 전압을 제어부로 송부하는 커넥터;
를 포함하고 있고,
상기 블록 케이스는 버스 바의 전압 검출용 단자에 각각 대응하는 위치에 도전성 센싱부들을 장착하기 위해 전면방향으로 개방된 구조의 장착홈들을 포함하고 있으며,
상기 도전성 센싱부들은 블록 케이스의 장착홈들에 장착된 상태에서 버스 바의 전압 검출용 단자와 접속되는 구조로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
즉, 상기 전압 검출 어셈블리는 도전성 센싱부들이 블록 케이스의 장착홈들에 장착된 상태에서 버스 바의 전압 검출용 단자에 접속되는 구조로 구성되어 있어서, 전체적으로 조립 과정이 간소하며 콤팩트하고 안정적으로 전압 검출이 가능한 구조를 가진다.
또한, 전지셀들의 전압을 검출하기 위한 부재가 하나의 모듈화된 어셈블리 구조로 이루어져 있으므로, 전압 검출 어셈블리를 전지모듈의 전면 또는 후면에 용이하게 장착할 수 있다.
더욱이, 상기와 같이 별도의 독립적인 파트로 구성된 어셈블리 구조는 외주 생산을 가능하게 하므로 전지모듈의 제조 생산성을 크게 향상시키고, 전압 검출 어셈블리를 구성하는 부품들의 이상 발생시, 종래의 전지모듈 구조와 비교하여 전지모듈 내부를 분해하지 않고 전지모듈의 전면 또는 후면에 장착된 전압 검출 어셈블리만 교체하면 되므로, 유지 보수성 또한 크게 향상된다.
더 나아가, 도전성 센싱부들은 같은 열에 위치한 상태로 블록 케이스에 고정되어 있으므로, 본 발명에 따른 전압 검출 어셈블리는 전압 및 전류와 같은 전지모듈의 사용 환경에 따라 용이하게 확장될 수 있다.
상기 제어부는 예를 들어 전지관리 시스템인 BMS(Battery Management System)일 수 있다.
상기 블록 케이스의 장착홈들은 도전성 센싱부 별로 독립적으로 형성되어 있어서, 각각의 도전성 센싱부가 각각의 장착홈에 장착될 수 있으며, 이러한 장착홈은 도전성 센싱부들의 접촉을 방지할 수 있으므로 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 도전성 센싱부들은 전면으로부터 버스 바의 전압 검출용 단자에 끼워지는 리셉터클(receptacle)형 구조로 이루어져 있어서, 외부 충격의 인가시에도 도전성 센싱부와 전압 검출용 단자는 안정적인 전기적 연결 상태를 유지할 수 있다.
구체적으로, 상기 도전성 센싱부는 버스 바의 전압 검출용 단자에 끼워지는 리셉터클부와 통전용 와이어를 포함하고 있고, 상기 리셉터클부는 와이어에 대해 직각의 연결 구조를 형성하고 있다.
상기 도전성 센싱부들은 검출 전압을 제어부로 송부하는 커넥터와 용이하게 연결할 수 있는 구조이면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 와이어에 의해 각각 커넥터에 연결되어 있으며, 상기 와이어들은 외부와의 절연을 위해 절연 테이프로 감싸여 있거나 관상부재에 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 상기 관상부재는, 예를 들어, 중공형의 절연성 파이프일 수 있다.
상기 버스 바는 전지셀의 전극단자 결합부와 전기적 접속되는 판상형 본체, 및 상기 판상형 본체의 일측 단부에 형성되어 있는 전압 검출용 단자로 이루어질 수 있다.
또한, 버스 바는 전면으로 돌출된 형상으로 이루어져 있어서, 블록 케이스와의 결합이 용이하게 달성된다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 버스 바 중 양극 또는 음극용 외부 입출력 단자에 연결되는 버스 바는, 전압용 검출 단자의 대향 단부에 형성되어 있으며 본체의 측면으로 돌출되도록 절곡되어 있는 제 1 외부 입출력 단자 접속부를 더 포함하는 구조일 수 있다.
상기 구조에서, 상기 본체와 제 1 외부 입출력 단자 접속부의 사이에는 과전류시 단락을 유도하기 위해 작은 수직 단면적의 만입부가 형성되어 있어서, 과전류시 만입부가 먼저 단락되므로 안전성을 향상시킬 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 버스 바 중 음극 또는 양극용 외부 입출력 단자에 연결되는 버스 바는, 전압용 검출 단자의 대향 단부에 형성되어 있으며 본체의 측면 및 상향으로 돌출되도록 절곡되어 있는 제 2 외부 입출력 단자 접속부를 더 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 외부 입출력 단자 접속부와 제 2 외부 입출력 단자 접속부에는 외부 입출력 단자와 결합될 수 있는 체결용 홈이 천공되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 카트리지는,
전지셀이 장착될 수 있도록 상기 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 방열하기 위한 관통구가 중앙 부위에 형성되어 있고;
셀 모듈 적층체를 고정하기 위한 고정부재가 삽입되는 관통구가 4 모서리에 형성되어 있으며;
상기 카트리지의 전면에는, 전압 검출 어셈블리가 버스 바에 안정적으로 접속될 수 있도록, 상기 전압 검출 어셈블리 및 버스 바의 장착을 위한 장착용 절연부재가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 버스 바는 장착용 절연부재의 사출물에 열융착되어 있는 구조일 수 있다.
상기 장착용 절연부재는 셀 모듈 적층체의 전면에 대응하는 크기를 가진 직육면체 구조로 이루어져 있고, 후면에는 카트리지의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 카트리지 결합홈이 형성되어 있으며, 전면에는 전지셀의 전극단자 연결부가 후방으로부터 도입되어 노출될 수 있도록 전극단자 관통홈들이 양 측면에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 장착용 절연부재의 전면에는 버스 바의 외부 입출력 단자 접속부를 안정적으로 탑재하기 위한 외부 입출력 단자 접속부용 안착부가 양측 단부에 형성되어 있고, 전압 검출 어셈블리를 안정적으로 탑재하기 위한 전압 검출 어셈블리용 안착부가 중앙 부위에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 외부 입출력 단자 접속부용 안착부에는 체결용 만입부가 형성되어 있어서, 버스 바의 외부 입출력 단자 접속부는 체결용 만입부에 용이하게 삽입될 수 있다.
한편, 상기 전극단자 관통홈을 통해 전면으로 노출된 전지셀의 전극단자 연결부는 전극단자 관통홈에 장착되어 있는 버스 바의 상단면과 전기적 접속되어 있는 구조일 수 있다.
바람직하게는, 상기 블록 케이스의 양측 단부에는 장착용 절연부재의 슬릿과 결합하기 위한 체결돌기가 측면으로 돌출되어 있고, 상기 체결돌기의 상부에는 장착용 절연부재의 전압 검출 어셈블리용 안착부 내면에 슬라이딩하여 체결되는 슬라이딩 돌기가 측면으로 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
상기 카트리지는 전지 내 전극 탭과 바이셀 간의 융착부에 대응하는 부분의 두께를 얇게 구성하는 것이 바람직하다.
상기 구조는 상기 전지 내 탭(또는 리드)과 바이셀 간의 초음파 융착에 의한 누적공차를 상쇄함으로써, 전지모듈의 치수 안정성에 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 상단 플레이트는 외부 케이스 체결용 부재를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스가 전극조립체에 내장되어 있는 파우치형 전지셀일 수 있다.
상기 라미네이트 시트는 열융착의 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지며, 많은 수의 부재들을 사용하지 않고도 구조적으로 안정한 기계적 체결과 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 소정의 단위들, 예를 들어, 4개, 6개, 8개, 10개 등의 전지셀들 또는 셀 모듈들로 전지모듈을 구성함으로써, 전지모듈을 필요한 수만큼 한정된 공간내에 효과적으로 장착할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 전지모듈을 단위체로 사용하여 제조되는 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 전지모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
특히, 상기 구조의 전지팩은 전지셀들이 상하로 적층되어 있고, 전체적인 크기가 콤팩트하므로 통신사 중계기에 탑재되어 비상시 전원을 공급하는 UPS(Uninterruptible Power Supply)로 사용될 수 있다.
도 1은 전지모듈에 장착되는 전지셀의 사시도이다;
도 2는 도 1의 분해 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 4는 도 3의 전지모듈에서 셀 모듈 적층체와 제어부를 제외한 구조를 나타내는 사시도이다;
도 5는 도 3의 전지모듈에서 카트리지들의 적층 구조를 나타내는 사시도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고정부재가 상하단 플레이트에 장착되어 있는 구성의 사시도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 카트리지의 사시도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전압 검출 어셈블리의 사시도이다;
도 9는 도 8의 도전성 센싱부의 사시도이다;
도 10은 도 8의 전압 검출 어셈블리가 장착되는 장착용 절연부재의 사시도이다;
도 11은 도 10의 장착용 절연부재에 장착되어 있는 버스 바들의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 단위모듈에 장착되는 하나의 예시적인 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 분해 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 파우치형 전지셀(200)은, 파우치형 전지케이스(100) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체가 그것의 양극 및 음극 탭들(220, 230)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극단자(222, 232)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(100)는 전극조립체(210)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(142)를 포함하는 케이스 본체(140)와 그러한 본체(140)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(150)로 이루어져 있다.
스택형 또는 스택/폴딩형의 구조를 가진 전극조립체(210)는 다수의 양극 탭들(220)과 다수의 음극 탭들(230)이 각각 융착되어 전극단자(222, 232)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(140)의 잉여부(144)와 커버(150)가 열융착기에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극단자(222, 232) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극단자(222, 232)와 전지케이스(100)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극단자(222, 232)의 상하면에 절연필름(240)이 부착된다.
케이스 본체(140)와 커버(150)는 외측 수지층(110), 차단성 금속층(120) 및 내측 수지층(130)으로 구성되어 있고, 내측 수지층(130)은 케이스 본체(140)의 외면과 커버(150)의 외면에 가해지는 열융착기(도시하지 않음)로부터의 열과 압력에 의해 밀착 고정될 수 있게 된다.
전해액이 함침된 전극조립체(210)를 수납부(142)에 안착한 상태에서 케이스 본체(140)의 잉여부(144)와 커버(150)의 접촉부위를 열융착시키면 실링부가 형성된다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전지모듈에서 셀 모듈 적층체와 제어부를 제외한 구조를 나타내는 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 또한, 도 5에는 도 3의 전지모듈에서 카트리지들의 적층 구조를 나타내는 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 기타 도면들과 함께 참조하면, 전지모듈(300)은, 전압 검출 어셈블리(400); 전지셀이 카트리지에 장착되어 있는 구조의 셀 모듈 다수 개를 상하로 적층한 구조의 셀 모듈 적층체(70); 셀 모듈 적층체(70)의 하단을 지지하는 하단 플레이트(80); 및 하단 플레이트(80) 상에 위치한 셀 모듈 적층체(70)의 최상부 카트리지(82)를 고정하는 상단 플레이트(90)를 포함하고 있다. 또한, 상기 상단 플레이트(90) 상에는 외부 케이스(도시하지 않음)와 체결이 가능한 체결부재(94)가 형성되어 있다.
상하단 플레이트(90, 80)의 중앙부에는 전지셀 내로 복사열이 유입되는 것을 막기 위한 단열재(91, 81)가 장착되어 있다.
카트리지(82)는, 전지셀이 장착될 수 있도록 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 방열하기 위한 개구(84)가 중앙 부위에 형성되어 있고, 셀 모듈 적층체(70)의 4 모서리를 고정하기 위한 고정부재(도시하지 않음)가 삽입되는 관통구들(86)이 4 모서리에 형성되어 있다. 이러한 관통구들(86)은 상하단 플레이트(90, 80)에도 형성되어 있어서, 전지모듈의 조립을 위해 상하단 플레이트(90, 80)과 카트리지들(82)를 적층하였을 때, 관통구들을 서로 연통된다.
카트리지(82)의 전면에는 전압 검출 어셈블리(400) 및 버스 바들(40a, 40b, 40c)의 장착을 위한 장착용 절연부재(50)가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부(88)가 형성되어 있어서, 전압 검출 어셈블리(400)는 버스 바들(40a, 40b, 40c)의 전압 검출용 단자(44)들과 안정적으로 접속된다.
또한, 전지모듈(400)은 셀 모듈의 카트리지(82)에 전지셀을 장착하고, 이러한 카트리지들(82)을 하단 플레이트(80) 상에 다수 개 적층한 후, 최상부의 카트리지(82)에 상단 플레이트(90)를 결합시키는 구조로 이루어져 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고정부재가 상하단 플레이트에 장착되어 있는 구성의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 외주면에 돌기가 있는 원통형 바 형상의 고정부재(60)가 상하단 플레이트(90, 80)의 관통구(86)에 삽입되어 있는 구조로 이루어져 있다.
고정부재(60)는 상하단 플레이트(90, 80) 사이에 장착되는 셀 모듈 적층체(70)의 카트리지(82)에 형성되어 있는 관통구들(86)도 통과한다.
도면에서 보는 바와 같이 외면에 1개의 돌기가 돌출되어 있는 원통 구조로 이루어진 고정부재(60)의 양단부에는 내면에 나사선을 가진 체결홈(도시하지 않음)이 형성되어 있어서, 상하단 플레이트(90, 80)의 외면에서 체결용 나사 또는 볼트와 같은 체결부재(도시하지 않음)를 사용하여 결합을 이룰 수 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 카트리지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
상기 도면을 참조하면, 카트리지(82)의 "A" 단면의 두께가 "B" 단면의 두께보다 얇다. 이는 "A" 단면에 위치하는 전지셀의 부위가 전지 내 바이셀과 탭(리드) 간의 초음파 융착에 의한 누적공차가 발생하는 부분이어서, 상기 누적공차를 상쇄시키기 위하여 "A" 단면의 두께를 "B" 단면의 두께보다 얇게 하여 치수 안정성을 도모할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전압 검출 어셈블리의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 도전성 센싱부의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 3 및 도 11과 함께 참조하면, 전압 검출 어셈블리(400)는 전지셀들의 전극단자 연결부에 대응하는 전지모듈(300)의 전면 상에 장착되는 블록 케이스(10); 전지셀들의 전극단자 연결부(도시하지 않음)와 전기적 접속되어 있는 버스 바(40a)의 일측 단부에 위치한 전압 검출용 단자(44)에 각각 접속되는 도전성 센싱부들(20); 및 도전성 센싱부들(20)의 검출 전압을 제어부로 송부하는 커넥터(30)로 이루어져 있다.
블록 케이스(10)는 전면방향으로 개방된 구조의 장착홈들(12)을 포함하고 있어서, 버스 바(40a)의 전압 검출용 단자(44)에 각각 대응하는 위치에 도전성 센싱부들(20)을 장착하고 있고, 도전성 센싱부들(20)은 블록 케이스(10)의 장착홈들(12)에 장착된 상태에서 버스 바(40a)의 전압 검출용 단자(44)와 접속되어 있다.
또한, 블록 케이스(10)의 장착홈들(12)은 도전성 센싱부(20) 별로 독립적으로 형성되어 있고, 도전성 센싱부들(20)은 전면으로부터 버스 바(40a)의 전압 검출용 단자(44)에 끼워지는 리셉터클형 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 도전성 센싱부(20)는 버스 바(40a)의 전압 검출용 단자(44)에 끼워지는 리셉터클부(22)와 통전용 와이어(24)를 포함하고 있고, 리셉터클부(22)는 통전용 와이어(24)에 대해 직각의 연결 구조를 형성하고 있다.
도전성 센싱부들(20)은 각각 와이어(24)에 의해 커넥터에 연결되어 있으며, 와이어들(24)은 외부와의 절연을 위해 절연 테이프(32)로 감싸여 있다.
또한, 블록 케이스(10)의 전면에는 와이어들(24)을 안정적으로 고정하기 위해 집게 형상의 체결구들(14)이 전면 방향으로 돌출되어 있다.
블록 케이스(10)의 양측 단부에는 장착용 절연부재(50)의 슬릿과 결합하기 위한 체결돌기(16)가 측면으로 돌출되어 있고, 체결돌기(16)의 상부에는 장착용 절연부재(50)의 전압 검출 어셈블리용 안착부(54) 내면에 슬라이딩하여 체결되는 슬라이딩 돌기(18)가 측면으로 돌출되어 있다.
도 10에는 도 8의 전압 검출 어셈블리가 장착되는 장착용 절연부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 장착용 절연부재에 장착되어 있는 버스 바의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 3과 함께 참조하면, 버스 바(40a)는 전지셀의 전극단자 결합부와 전기적 접속되는 판상형 본체(42), 및 판상형 본체(42)의 일측 단부에 형성되어 있는 전압 검출용 단자(44)로 이루어져 있다.
버스 바들 중, 양극 외부 입출력 단자에 연결되는 버스 바(40b)는, 전압용 검출 단자(44)의 대향 단부에 형성되어 있으며 본체(42)의 측면으로 돌출되도록 절곡되어 있는 제 1 외부 입출력 단자 접속부(46)를 더 포함하고 있다.
또한, 본체(42)와 제 1 외부 입출력 단자 접속부(46)의 사이에는 과전류시 단락을 유도하기 위해 본체(42)의 수직 단면적 대비 40%의 수직 단면적을 가지는 좁은 구간의 만입부(48)가 형성되어 있다.
버스 바들 중, 음극 외부 입출력 단자에 연결되는 버스 바(40c)는, 전압용 검출 단자(44)의 대향 단부에 형성되어 있으며 본체(42)의 측면 및 상향으로 돌출되도록 절곡되어 있는 제 2 외부 입출력 단자 접속부(43)를 더 포함하고 있다.
제 1 외부 입출력 단자 접속부(46)와 제 2 외부 입출력 단자 접속부(43)에는 외부 입출력 단자와 결합될 수 있는 체결용 홈(45)이 천공되어 있다.
장착용 절연부재(50)는 셀 모듈 적층체(70)의 전면에 대응하는 크기를 가진 직육면체 구조로서, 후면에는 카트리지의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 카트리지 결합홈(51)이 형성되어 있으며, 전면에는 전지셀의 전극단자 연결부가 후방으로부터 도입되어 노출될 수 있도록 전극단자 관통홈들(52)이 양 측면에 형성되어 있다.
또한, 장착용 절연부재(50)의 전면에는 외부 입출력 단자 접속부용 안착부(53)가 양측 단부에 형성되어 있어서 버스 바들(40a 40b, 40c)의 외부 입출력 단자 접속부(44)들을 안정적으로 탑재하고, 전압 검출 어셈블리용 안착부(54)가 중앙 부위에 형성되어 있어서 전압 검출 어셈블리(400)를 안정적으로 탑재하고 있다.
외부 입출력 단자 접속부용 안착부(53)에는 체결용 만입부가 형성되어 있고, 전극단자 관통홈(52)을 통해 전면으로 노출된 전지셀의 전극단자 연결부(도시하지 않음)는 전극단자 관통홈(52)에 장착되어 있는 버스 바(40a)의 상단면과 전기적 접속되어 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 체결에 의한 치수의 감소 또는 충방전에 의한 전극 탭과 셀 간의 누적공차를 상쇄시킴으로써, 치수 안정성이 우수하다.
또한, 이러한 우수한 치수 안정성으로 인하여 외부로부터 강한 충격이나 진동이 가해질 경우에도 외부 케이스 내 모듈의 이동이 최소화될 수 있어 내구성 및 안전성에도 기여할 수 있다.

Claims (25)

  1. 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서,
    상기 전지셀이 카트리지에 장착되어 있는 구조의 셀 모듈 다수 개를 상하로 적층한 구조의 셀 모듈 적층체;
    상기 셀 모듈 적층체의 하단을 지지하는 하단 플레이트; 및
    상기 하단 플레이트 상에 위치한 셀 모듈 적층체의 최상부 카트리지를 고정하는 상단 플레이트;
    를 포함하고 있으며,
    상기 카트리지와 상단 플레이트 및 하단 플레이트에는 상호 연통하는 형태로 관통구들이 각각 형성되어 있고,
    상기 관통구들에 고정부재가 삽입되어 있고 상기 고정부재가 상단 플레이트 및 하단 플레이트에 결합되어 있으며,
    상기 고정부재와 관통구들은 체결을 위한 회전력을 고정부재에 인가할 때 회전을 억제하는 수평 단면 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정부재의 양 단부에는 체결홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 고정부재의 체결홈에 체결부재가 삽입되어 상단 플레이트 및 하단 플레이트에 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 체결부재는 체결용 나사 또는 볼트인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 고정부재는 수평 단면 상으로 다각형 또는 돌기가 형성되어 있는 원형 구조이고, 상기 관통구들의 내면 형상은 고정부재의 외면 형상과 일치하는 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 고정부재는 외주면에 돌기가 형성되어 있는 원통형 바인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 고정부재는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 상하단 플레이트는 각각 금속 소재인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 상하단 플레이트는 중앙부에 복사열의 셀 내 유입을 방지하기 위한 단열재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 전지셀들의 전압을 검출하기 위해 셀 모듈 적층체의 전극이 돌출된 면에 장착되는 전압 검출 어셈블리를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전압 검출 어셈블리는,
    (a) 전기절연성의 소재로 이루어져 있고, 전지셀들의 전극단자 연결부에 대응하는 전지모듈의 전면 또는 후면 상에 장착되는 블록 케이스;
    (b) 상기 전지셀들의 전극단자 연결부와 전기적 접속되어 있는 버스바의 일측 단부에 위치한 전압 검출용 단자에 각각 접속되는 도전성 센싱부들; 및
    (c) 상기 도전성 센싱부들의 검출 전압을 제어부재로 송부하는 커넥터;
    를 포함하고 있고,
    상기 블록 케이스는 버스 바의 전압 검출용 단자에 각각 대응하는 위치에 도전성 센싱부들을 장착하기 위해 전면방향으로 개방된 구조의 장착홈들을 포함하고 있으며,
    상기 도전성 센싱부들은 블록 케이스의 장착홈들에 장착된 상태에서 버스 바의 전압 검출용 단자와 접속되는 것을 특징으로 하는 전압 검출 어셈블리인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 도전성 센싱부들은 전면으로부터 버스 바의 전압 검출용 단자에 끼워지는 리셉터클(receptacle)형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 도전성 센싱부는 버스 바의 전압 검출용 단자에 끼워지는 리셉터클부와 통전용 와이어를 포함하고 있고, 상기 리셉터클 부는 와이어에 대해 직각의 연결 구조를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 버스 바는 전지셀의 전극단자 결합부와 전기적 접속되는 판상형 본체, 및 상기 판상형 본체의 일측 단부에 형성되어 있는 전압 검출용 단자로 이루어진 것을 특징으로 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 버스 바 중 양극 또는 음극용 외부 입출력 단자에 연결되는 버스 바는, 전압용 검출 단자의 대향 단부에 형성되어 있으며 본체의 측면으로 돌출되도록 절곡되어 있는 제 1 외부 입출력 단자 접속부를 더 포함하는 것을 특징으로 전지모듈.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 버스 바 중 음극 또는 양극용 외부 입출력 단자에 연결되는 버스 바는, 전압용 검출 단자의 대향 단부에 형성되어 있으며 본체의 측면 및 상향으로 돌출되도록 절곡되어 있는 제 2 외부 입출력 단자 접속부를 더 포함하는 것을 특징으로 전지모듈.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지는,
    전지셀이 장착될 수 있도록 상기 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 방열하기 위한 관통구가 중앙 부위에 형성되어 있고;
    셀 모듈 적층체를 고정하기 위한 고정부재가 삽입되는 관통구가 4 모서리에 형성되어 있으며;
    상기 카트리지의 전면에는, 전압 검출 어셈블리가 버스 바에 안정적으로 접속될 수 있도록, 전압 검출 어셈블리 및 버스 바의 장착을 위한 장착용 절연부재가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 장착용 절연부재는 셀 모듈 적층체의 전면에 대응하는 크기를 가진 직육면체 구조로 이루어져 있고, 후면에는 카트리지의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 카트리지 결합홈이 형성되어 있으며, 전면에는 전지셀의 전극단자 연결부가 후방으로부터 도입되어 노출될 수 있도록 전극단자 관통홈들이 양 측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 장착용 절연부재의 전면에는 버스 바의 외부 입출력 단자를 안정적으로 탑재하기 위한 외부 입출력 단자용 안착부가 양측 단부에 형성되어 있고, 전압 검출 어셈블리을 안정적으로 탑재하기 위한 전압 검출 어셈블리용 안착부가 중앙 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 모듈의 카트리지에 전지셀을 장착하고, 이러한 카트리지들을 하단 플레이트 상에 다수 개 적층한 후, 최상부의 카트리지에 상단 플레이트를 결합시키는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 11 항에 있어서, 상기 블록 케이스의 양측 단부에는 장착용 절연부재의 슬릿과 결합하기 위한 체결돌기가 측면으로 돌출되어 있고, 상기 체결돌기의 상부에는 장착용 절연부재의 전압 검출 어셈블리용 안착부 내면에 슬라이딩하여 체결되는 슬라이딩 돌기가 측면으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 플레이트는 외부 케이스 체결용 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스가 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  24. 출력 및 용량에 대응하여 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈 둘 이상을 포함하고 있는 고출력 대용량의 전지팩.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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