WO2012067360A2 - 구조적 안정성이 우수한 전지모듈 - Google Patents

구조적 안정성이 우수한 전지모듈 Download PDF

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WO2012067360A2
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추연석
이진규
박정민
임예훈
박현철
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주식회사 엘지화학
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a battery module having excellent structural stability, and more particularly, a medium-large battery module having a structure in which vertically stacked unit modules are stacked vertically, including: a base plate in which unit modules are vertically stacked; A pair of end plates in close contact with the outer surface of the outermost secondary battery or the unit modules in a state where the lower end is fixed to the base plate; And a supporting bar connecting both upper sides or side surfaces of the end plates to interconnect and support the end plates, wherein the base plate has a pair of upward uneven portions of the base plate in a length direction of the base plate. It is formed on both sides, the unit modules are related to the battery module is mounted in a form that is mounted on the lower side of the upper both sides.
  • the secondary battery In order to use the secondary battery as a power source such as EV and HEV, a high output large capacity is required.
  • a plurality of small secondary batteries (unit cells) are connected in series, or in some cases, a battery module connected in series and in parallel. To form.
  • such a battery module is a structure for protecting the unit modules in which secondary batteries are built, and has various forms depending on the type of the target vehicle or the mounting position of the vehicle.
  • a structure for effectively fixing a large capacity unit module is a structure based on a supporting bar and an end plate, as shown in FIG. 1.
  • the battery module 100 includes unit modules 10 including secondary batteries, a base plate 20, a pair of end plates 30, and a supporting bar 40. .
  • the unit modules 10 are vertically stacked on the upper part of the base plate 20, and the end plates 30 are outer surfaces of the outermost unit modules 10 with the lower end fixed to the base plate 20. It is in close contact with.
  • the supporting bar 40 connects the upper both sides of the end plates 30 to interconnect and support the pair of end plates 30.
  • the structure in which the unit modules 10 are stacked in close contact with each other on the plate-shaped base plate 20 has a property that is vulnerable to the movement perpendicular to the base plate 20, that is, the vertical direction.
  • the structure does not have a structure for securing the rigidity in the vertical direction, there is a problem that the deformation is largely generated with respect to the vibration in the vertical direction.
  • the battery module when the battery module is mounted in the trunk of the vehicle, since a part of the base plate is mounted on the upper portion of the portion where the spare tire is located on the layout of the vehicle, the battery module has an asymmetrical mounting structure. At this time, when the vibration from the road surface is severe, the battery module is subjected to a torsional load and this torsional load is transmitted to the base plate, which is very likely to cause damage.
  • 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.
  • an object of the present invention is to provide a battery module having a structure capable of stably supporting the unit modules by forming an upward uneven portion of a specific structure on the base plate on which the unit modules are mounted.
  • a pair of end plates in close contact with the outer surface of the outermost secondary battery or the unit modules in a state where the lower end is fixed to the base plate;
  • a supporting bar connecting both upper sides or side surfaces of the end plates to mutually support the end plates
  • the base plate has a pair of upward uneven portions formed on both sides of the base plate in the longitudinal direction of the base plate to prevent deformation due to vertical vibration and to distribute pressure (bending load). It is comprised by the structure mounted in the form mounted on an upward uneven
  • the upward unevenness is formed in the longitudinal direction at both upper ends of the base plate, thereby preventing deformation due to vertical vibration applied to the battery module and improving mechanical rigidity.
  • the unit module in the present invention may be a secondary battery itself or a small module having two or more secondary batteries built therein.
  • An example of a unit module having two or more secondary batteries embedded therein may be the module of Korean Patent Application No. 2006-12303.
  • the unit module in the above application has a structure mounted on a frame member in which an input / output terminal is formed in close contact with two secondary batteries facing each other.
  • a unit module may include the modules of Korean Patent Application Nos. 2006-20772 and 2006-45444.
  • the unit module in these applications consists of a structure in which two secondary batteries are covered with a pair of high-strength cell covers while their outer surfaces are in close contact with each other.
  • the upward concave-convex portion may have a structure including an upper surface portion contacting the lower end of the secondary battery or the unit module, and an inner surface portion and an outer surface portion vertically connecting the upper surface portion and the base plate body.
  • the upward concave-convex portion includes a pair of upper surface portions for supporting the unit modules when the unit modules are stacked vertically, and an inner side surface portion and an outer side surface portion for vertically connecting each of the upper surface portions with the base plate.
  • the vibration in the direction perpendicular to the additional base plate can be largely canceled out.
  • the same shape as the inner bottom of the vehicle frame constituting the skeleton of the vehicle it also acts to further increase the stability when mounting the battery module in the vehicle.
  • the inventors of the present application have found that even if the upward uneven portion is formed in the base plate, the rigidity of the battery module is not sufficiently secured if the width x of the upper surface portion is not optimized.
  • FIG. 6 is a graph showing the initial resonance frequency according to the change in the size of the top surface of the upward uneven portion.
  • the first resonant frequency is generally large, and thus the vibration resistance may be relatively excellent even when the vehicle generates a vibration along the road surface.
  • the size of the top surface has a top surface larger than about 52 mm, it can be seen that the initial resonance frequency is rapidly reduced. This means that the deformation amount and the stress may vary depending on the size of the top surface of the upward unevenness, which is an unexpected result.
  • the battery module according to the present invention is characterized in that the width (x) of the upper surface portion is determined by the section moment of inertia in a direction perpendicular to the stacking direction of the secondary battery or the unit modules.
  • the width x of the upper surface portion is the width at which the moment of inertia of the cross section is maximum for each dimension of the cross section, assuming that the cross section of the base plate is completely symmetrical and each outer circumferential surface is at right angles ( w max ) can be determined in a range satisfying the condition of the following formula (1).
  • 'the moment when the cross-sectional moment of inertia becomes maximum means the instant when the resistance value with respect to the load of the unit module is the greatest, and the value of the load (the amount of deflection) of the upper surface portion is the minimum.
  • the width x of the upper surface portion is determined to be between 50% and 150% with respect to the width w max at which the moment of inertia of the cross section becomes maximum, when the outer circumferential surface of the base plate is not fully symmetrical and the fillet This is because, when processed, the maximum value of the actual top face width x may vary from the equation.
  • the width w max of the instant when the cross section inertia moment is maximized may be obtained by the following equations.
  • h means the height of the inner surface portion or the outer surface portion
  • t is the thickness of the upward uneven portion
  • d means the length from the center of the base plate to the inner surface portion.
  • the size of 20% to 50% or less based on the width (L) from the center of the base plate to the shortest portion in the width direction (0.2L ⁇ x ⁇ 0.5L).
  • width (x) of the upper surface portion is too small, it may be difficult to fully support the unit module, on the contrary, if the width (x) is too large, the effect of damping up and down vibration is small and the load cannot be distributed, which is not preferable. .
  • the base plate may have a structure in which at least one auxiliary concave-convex portion connecting the upward concave-convex portions in the width direction of the base plate is further formed.
  • the auxiliary concave-convex portion may be a structure formed at the front and rear ends of the base plate, respectively.
  • the structure as described above increases the area of the end plate fixing position so that the bending load can be more effectively supported, and deformation due to vertical vibration is minimized. As a result, the dynamic stability of the entire battery module may be significantly improved.
  • the height of the auxiliary concave-convex portion is preferably 50 to 200% of the width of the upward concave-convex portion, and the height of the auxiliary concave-convex portion may be preferably 40 to 100% of the height of the upward concave-convex portion.
  • the width and height of this range is highly desirable because it can further support the bending load on the unit module.
  • the height of the auxiliary concave-convex portion may be 80 to 150% of the width of the upward concave-convex portion, and the height of the auxiliary concave-convex portion may be 50 to 80% of the height of the upward concave-convex portion.
  • the outer circumferential surface of the base plate may have a structure in which a fillet treatment is performed to prevent concentration of stress.
  • This fillet structure can minimize the concentration of stress on the outer peripheral surface by finishing the outer peripheral surface of the base plate.
  • the spare tire or wheel housing is located on a portion of the base plate on the layout of the vehicle. Therefore, the height of the inner surface portion of the upward uneven portion is formed to be lower than the height of the outer surface portion so as to achieve a shape corresponding to the mounting portion of the trunk, thereby being stably mounted on the vehicle and minimizing the volume of the battery module occupied in the vehicle. Can be.
  • the present invention also provides an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle that uses the battery module as a power source and has a limited mounting space and is exposed to frequent vibrations and strong shocks.
  • the battery module used as the power source of the vehicle can of course be manufactured in combination according to the desired output and capacity.
  • the vehicle may be an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle in which the battery module is mounted in the trunk of the vehicle.
  • Electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles using the battery module as a power source is known in the art, so a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of the base plate of FIG. 2;
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion B of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a perspective view of a base plate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the initial resonance frequency according to the size of the top surface of the upward protrusion.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 200 includes unit modules 10 in which secondary batteries are built, a base plate 300, a pair of end plates 30, and a pair of supporting bars 40. Consists of.
  • Unit modules 10 are vertically stacked on the upper portion of the base plate 300, and the outer surface of the outermost unit modules 10 is fixed to the end plate 30 with the lower end fixed to the base plate 300. It is in close contact with.
  • the supporting bar 40 connects the upper both sides of the end plates 30 to interconnect and support the pair of end plates 30.
  • a pair of upward uneven portions 310 are formed at both sides of the base plate 300 in the longitudinal direction A of the base plate 300, and the unit modules 10 have upper and lower uneven portions 310 at both lower ends thereof. It is mounted in the form that it is mounted on.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating the base plate of FIG. 2, and a cross-sectional view of an enlarged portion B of FIG. 3 is schematically illustrated in FIG. 4.
  • the upward uneven portion 310 of the base plate 300a includes an upper surface portion 311, an upper surface portion 311 and a base plate 300a, which the lower end of the unit module 10 is in contact with. Consists of a structure including the inner surface portion 312 and the outer surface portion 313 to vertically connect the main body, to prevent deformation of the battery module 200 due to vertical vibration and improve the mechanical rigidity.
  • the width (x) of the upper surface portion 311 of the upward concave-convex portion 310 has a size of approximately 40% based on the width (L) from the center of the base plate 300a to the shortest portion in the width direction. .
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a base plate according to another embodiment of the present invention.
  • auxiliary uneven parts 320 connecting the upward uneven parts 310 in the width direction of the base plate 300b are formed at the front and rear ends of the base plate 300b, respectively. have.
  • the width W of the auxiliary uneven portion is approximately 120% of the width x of the upward uneven portion, and the height H of the auxiliary uneven portion 320 is formed to be approximately 100% of the height h of the upward uneven portion.
  • the outer circumferential surface of the base plate 300b is treated with the fillet 330 to effectively prevent the stress from the unit modules 10 from being concentrated on the outer circumferential surface of the base plate 300b.
  • the auxiliary concave-convex portion 320 is formed together with the upward concave-convex portion 310 in the base plate 300b, the area of the end plate 30 fixed position is widened, so that the bending load can be effectively supported, The deformation due to vibration is further minimized, and as a result, the dynamic stability of the entire battery module can be significantly improved.
  • the battery module according to the present invention can effectively cancel the vertical vibration and distribute the bending load by forming the upward uneven portion and preferably the auxiliary uneven portion of the specific structure on the base plate.

Abstract

본 발명은 이차전지들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층하는 구조의 중대형 전지모듈로서, 이차전지 또는 단위모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 최외각 이차전지 또는 단위모듈들의 외면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 양측 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바;를 포함하고 있으며, 상기 베이스 플레이트에는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 압력(하중)을 분산시킬 수 있는 한 쌍의 상향 요철부가 베이스 플레이트의 길이방향으로 베이스 플레이트의 양측에 형성되어 있고, 단위모듈들은 양측 하단이 상기 상향 요철부 상에 장착되는 형태로 탑재되는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

구조적 안정성이 우수한 전지모듈
본 발명은 구조적 안정성이 우수한 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층하는 구조의 중대형 전지모듈로서, 단위모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 최외각 이차전지 또는 단위모듈들의 외면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 양측 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바;를 포함하고 있으며, 상기 베이스 플레이트에는 한 쌍의 상향 요철부가 베이스 플레이트의 길이방향으로 베이스 플레이트의 양측에 형성되어 있고, 단위모듈들은 양측 하단이 상기 상향 요철부 상에 장착되는 형태로 탑재되는 전지모듈에 관한 것이다.
가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 있다. 따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지가 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지 등의 사용도 시도되고 있다.
이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬로 연결하거나, 경우에 따라서는 직렬 및 병렬로 연결하여 전지모듈을 형성하고 있다.
일반적으로 이러한 전지모듈은 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 보호하기 위한 구조물로서 대상 차량의 종류나 차량의 장착 위치에 따라 다양한 형태를 가지고 있다. 이 중 대용량의 단위모듈들을 효과적으로 고정하는 구조는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 서포팅 바와 엔드 플레이트에 기반한 구조이다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(100)은 이차전지들이 내장된 단위모듈들(10), 베이스 플레이트(20), 한 쌍의 엔드 플레이트들(30), 및 서포팅 바(40)로 구성되어 있다.
베이스 플레이트(20)의 상부에는 단위모듈들(10)이 수직으로 세워져 적층되어 있고, 엔드 플레이트(30)는 베이스 플레이트(20)에 하단이 고정된 상태로 최외각 단위모듈들(10)의 외면에 밀착되어 있다.
서포팅 바(40)는 한 쌍의 엔드 플레이트들(30)을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들(30)의 상부 양측을 연결하고 있다.
그러나, 판상형의 베이스 플레이트(20) 상에 단위모듈들(10)이 밀착하여 적층되어 있는 구조는 베이스 플레이트(20)에 수직한 방향, 즉 상하 방향의 움직임에 취약한 특성을 가진다. 이와 같이 상하 방향의 강성을 확보하는 구조를 가지지 못하는 경우, 상하 방향의 진동에 대해 변형이 크게 발생하는 문제점이 있다.
또한, 전지모듈이 차량의 트렁크 내부에 장착되는 경우, 차량의 레이아웃 상 베이스 플레이트의 일부가 스페어 타이어가 위치한 부위의 상부에 장착되기 때문에, 비대칭적인 장착구조를 가지게 된다. 이 때, 노면으로부터의 진동이 심한 경우, 전지모듈은 비틀림 하중을 받게 되고 이러한 비틀림 하중이 베이스 플레이트에 전달되어 파손을 일으킬 가능성이 매우 크다.
따라서, 전지모듈에서 단위모듈들의 적층 구조를 안정적으로 유지하고, 단위모듈들로부터 압력이 베이스 플레이트에 인가되더라도 상하 진동을 효과적으로 상쇄하고 굽힘 하중을 적절히 분산할 수 있는 구조의 전지모듈에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 단위모듈들이 장착되는 베이스 플레이트에 특정 구조의 상향 요철부를 형성함으로써, 단위모듈들을 안정적으로 지지할 수 있는 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
이차전지들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층하는 구조의 중대형 전지모듈로서,
이차전지 또는 단위모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트;
상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 최외각 이차전지 또는 단위모듈들의 외면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및
상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 양측 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바;
를 포함하고 있으며,
상기 베이스 플레이트에는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 압력(굽힘 하중)을 분산시킬 수 있는 한 쌍의 상향 요철부가 베이스 플레이트의 길이방향으로 베이스 플레이트의 양측에 형성되어 있고, 단위모듈들은 양측 하단이 상기 상향 요철부 상에 장착되는 형태로 탑재되어 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은, 상향 요철부가 베이스 플레이트의 양측 상단에 길이 방향으로 형성됨으로써, 전지모듈에 인가되는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서의 상기 단위모듈은 이차전지 자체이거나 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 소형 모듈일 수 있다. 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 단위모듈의 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-12303호의 모듈을 들 수 있다. 상기 출원에서의 단위모듈은 두 개의 이차전지들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 입출력 단자가 형성되어 있는 프레임 부재에 장착된 구조로 이루어져 있다.
단위모듈의 또 다른 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-20772호와 제2006-45444호의 모듈들을 들 수 있다. 이들 출원들에서의 단위모듈은 두 개의 이차전지들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 그것의 외면을 한 쌍의 고강도 셀 커버로 감싼 구조로 이루어져 있다.
상기 출원들은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다. 그러나, 본 발명의 전지모듈에서 단위모듈의 구조가 상기 출원들의 예로 한정되는 것이 아님은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 상향 요철부는, 이차전지 또는 단위모듈의 하단이 접하는 상면부와, 상기 상면부와 베이스 플레이트 본체를 수직으로 연결하는 내측면부 및 외측면부를 포함하는 구조일 수 있다.
즉, 상향 요철부는 단위모듈이 수직으로 적층되었을 때, 단위모듈을 지지하는 한 쌍의 상면부와, 이러한 상면부 각각을 베이스 플레이트와 수직으로 연결하는 내측면부 및 외측면부로 이루어져 있으며, 이는 상향 요철부가 베이스 플레이트에 대해 수직한 방향으로의 진동을 크게 상쇄시킬 수 있다. 또한, 차량의 골격을 구성하는 차량 프레임의 내부 하단과 같은 형상으로, 전지모듈을 차량에 장착할 때 안정성을 더욱 높이는 작용도 한다.
이와 관련하여, 본 출원의 발명자들은, 베이스 플레이트에 상향 요철부가 형성되어 있더라도, 상면부의 폭(x)이 최적화되지 않으면, 전지모듈의 강성이 충분히 확보되지 못한다는 점을 발견하였다.
참고로, 도 6에는 상향 요철부의 상단면 크기 변화에 따른 최초 공진 주파수가 그래프로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 상기 상향 요철부의 상단면의 크기가 커질수록, 전반적으로 큰 최초 공진 주파수를 나타내므로, 차량이 노면에 따라 진동이 발생하더라도 내진동성이 상대적으로 우수함을 알 수 있다. 반면에, 상단면의 크기가 약 52 mm보다 큰 상단면을 가지게 되면, 상기 최초 공진 주파수가 급격히 감소함을 확인할 수 있다. 이는, 상향 요철부의 상단면 크기에 따라 변형량과 응력이 달라질 수 있음을 의미하며, 전혀 예상치 못한 결과이다.
이에 대해, 본 발명에 따른 전지모듈은 상기 상면부의 폭(x)이 이차전지 또는 단위모듈들의 적층 방향에 수직인 방향에서 단면 관성 모멘트에 의해 결정된다는 특징이 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 상면부의 폭(x)은, 베이스 플레이트의 단면이 완전히 대칭이고 각 외주면이 직각으로 이루어졌다는 가정 하에, 단면의 각 치수에 대해 단면 관성 모멘트가 최대가 되는 순간의 폭(wmax)을 기준으로, 하기 식(1)의 조건을 만족하는 범위에서 결정될 수 있다.
0.5wmax ≤ x ≤ 1.5wmax (1)
상기에서, '단면 관성 모멘트가 최대가 되는 순간'은 단위모듈의 하중에 대한 저항값이 가장 큰 순간을 의미하며, 상면부의 하중(처짐량)이 최소가 되는 값을 나타낸다.
상기 상면부의 폭(x)이 단면 관성 모멘트가 최대가 되는 순간의 폭(wmax)에 대해 50% 내지 150% 사이에서 결정되는 것은, 완전히 대칭이 아닌 경우와 베이스 플레이트의 외주면이 필렛(fillet) 처리될 경우, 실제 상단면 폭(x)의 최대값은 수식과 달라질 수 있기 때문이다.
구체적으로, 상기 단면 관성 모멘트가 최대가 되는 순간의 폭(wmax)은 하기 식들에 의해 구해질 수 있다.
wmax = -(b 1+ b 2+ b 3)/a
a = (-(24t3 + 36h t2 + 12h2 t)L - 24 t4 + 48h2 t2 + 24h3 t)
b1 = -(27t3 + 36h t2 + 12h2 t) L2
b2 = -((12t4 - 72ht3 + (-84h2t2) + (-24h3 - 48dh2) t) L
b3 = -(-48t5- 72ht4) + (-132h2+48d- 48dh) t3-(72h3t2)
도 4를 참조하면, 상기 식에서, h는 내측면부 또는 외측면부의 높이, t는 상향 요철부의 두께, 및 d는 상기 베이스 플레이트의 중심으로부터 내측면부까지의 길이를 의미한다.
한편, 상기 상면부의 폭(x)을 최적화하는 또 다른 예로서, 폭 방향으로 베이스 플레이트의 중심에서부터 최단부까지의 폭(L)을 기준으로 20% 내지 50% 이하의 크기(0.2L ≤ x ≤ 0.5L)일 수 있다.
상기 상면부의 폭(x)이 너무 작은 경우에는 단위모듈을 충분히 지지하기 어려울 수 있고, 반대로 상기 폭(x)이 너무 큰 경우에는 상하 진동을 감쇄하는 효과가 적고 하중을 분산시킬 수 없으므로 바람직하지 않다.
특히 바람직한 예에서, 상기 베이스 플레이트에는 베이스 플레이트의 폭 방향으로 상향 요철부들을 연결하는 보조 요철부가 하나 이상 추가로 형성되어 있는 구조일 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 보조 요철부는 베이스 플레이트의 전단과 후단에 각각 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기와 같은 구조는, 베이스 플레이트에 상향 요철부만 형성되어 있는 구조와 비교할 때, 엔드 플레이트 고정 위치의 면적을 넓히므로 굽힘 하중을 더욱 효과적으로 지지할 수 있고, 상하 진동에 따른 변형이 최소화되며, 결과적으로 전지모듈 전체의 동적 안정성이 현저히 향상될 수 있다.
상기 보조 요철부의 높이는 바람직하게는 상향 요철부의 폭의 50 내지 200%이고, 보조 요철부의 높이는 바람직하게는 상향 요철부의 높이의 40 내지 100%일 수 있다.
이러한 범위의 폭과 높이는 단위모듈에 대한 굽힘 하중을 더욱 지지할 수 있으므로 매우 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 보조 요철부의 높이는 상향 요철부의 폭의 80 내지 150%이고, 보조 요철부의 높이는 상향 요철부의 높이의 50 내지 80%일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 베이스 플레이트의 외주면은 응력이 집중되는 것을 방지하기 위해 필렛(fillet) 처리되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 필렛 구조는 베이스 플레이트의 외주면을 마감 처리함으로써 외주면에 응력이 집중되는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 차량의 트렁크에 전지모듈이 장착되는 경우, 차량의 레이아웃 상 베이스 플레이트의 일부분에 스페어 타이어 또는 휠 하우징이 위치하게 된다. 따라서, 상기 트렁크의 장착부위에 대응하는 형상으로 이룰 수 있도록, 상향 요철부의 내측면부의 높이는 외측면부의 높이보다 낮게 형성함으로써, 차량에 안정적으로 장착되고, 차량 내부에서 차지하는 전지모듈의 부피를 최소화할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 전원으로 사용하며 한정된 장착 공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차를 제공한다.
자동차의 전원으로 사용되는 전지모듈은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있음은 물론이다.
이 경우, 상기 자동차는 전지모듈이 차량의 트렁크에 장착되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
전지모듈을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 전지모듈의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 3은 도 2의 베이스 플레이트의 사시도이다;
도 4는 도 3의 B 부위를 확대한 단면도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이스 플레이트의 사시도이다;
도 6은 상향 돌출부의 상단면 크기에 따른 최초 공진 주파수를 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지모듈(200)은 이차전지들이 내장된 단위모듈들(10), 베이스 플레이트(300), 한 쌍의 엔드 플레이트들(30), 및 한 쌍의 서포팅 바(40)로 구성되어 있다.
베이스 플레이트(300)의 상부에는 단위모듈들(10)이 수직으로 세워져 적층되어 있고, 엔드 플레이트(30)는 베이스 플레이트(300)에 하단이 고정된 상태로 최외각 단위모듈들(10)의 외면에 밀착되어 있다.
서포팅 바(40)는 한 쌍의 엔드 플레이트들(30)을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들(30)의 상부 양측을 연결하고 있다.
베이스 플레이트(300)의 길이방향(A)으로 베이스 플레이트(300)의 양측에는 한 쌍의 상향 요철부(310)가 형성되어 있고, 단위모듈들(10)은 양측 하단이 상향 요철부(310) 상에 장착되는 형태로 탑재된다.
도 3에는 도 2의 베이스 플레이트의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 B 부위를 확대한 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 2와 함께 참조하면, 베이스 플레이트(300a)의 상향 요철부(310)는 단위모듈(10)의 하단이 접하는 상면부(311)와, 상면부(311)와 베이스 플레이트(300a) 본체를 수직으로 연결하는 내측면부(312) 및 외측면부(313)를 포함하는 구조로 이루어져 있어서, 상하 진동에 따른 전지모듈(200)의 변형을 방지하고 기계적 강성을 향상시킨다.
또한, 상향 요철부(310)의 상면부(311)의 폭(x)은 폭 방향으로 베이스 플레이트(300a)의 중심에서부터 최단부까지의 폭(L)을 기준으로 대략 40%의 크기로 이루어져 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베이스 플레이트의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 베이스 플레이트(300b)에는 베이스 플레이트(300b)의 폭 방향으로 상향 요철부들(310)을 연결하는 보조 요철부(320)가 베이스 플레이트(300b)의 전단과 후단에 각각 형성되어 있다.
보조 요철부의 폭(W)은 상향 요철부의 폭(x)의 대략 120%이고, 보조 요철부(320)의 높이(H)는 상향 요철부의 높이(h)의 대략 100%로 형성되어 있다.
더욱이, 베이스 플레이트(300b)의 외주면은 필렛(330) 처리되어 있어서 단위모듈들(10)로부터의 응력이 베이스 플레이트(300b)의 외주면에 집중되는 것을 효과적으로 방지한다.
따라서, 베이스 플레이트(300b)에 상향 요철부(310)와 함께 보조 요철부(320)가 형성되어 있는 경우, 엔트 플레이트(30) 고정 위치의 면적을 넓히므로 굽힘 하중을 효과적으로 지지할 수 있고, 상하 진동에 따른 변형이 보다 최소화되며, 결과적으로 전지모듈 전체의 동적 안정성이 현저히 향상될 수 있다.
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 베이스 플레이트에 특정 구조의 상향 요철부 및 바람직하게는 보조 요철부를 형성함으로써, 상하 진동을 효과적으로 상쇄하고 굽힘 하중을 적절히 분산시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 이차전지들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층하는 구조의 중대형 전지모듈로서,
    이차전지 또는 단위모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 최외각 이차전지 또는 단위모듈들의 외면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및
    상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 양측 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바;
    를 포함하고 있으며,
    상기 베이스 플레이트에는 상하 진동에 따른 변형을 방지하고 압력(하중)을 분산시킬 수 있는 한 쌍의 상향 요철부가 베이스 플레이트의 길이방향으로 베이스 플레이트의 양측에 형성되어 있고, 단위모듈들은 양측 하단이 상기 상향 요철부 상에 장착되는 형태로 탑재되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상향 요철부는 이차전지 또는 단위모듈의 하단이 접하는 상면부와, 상기 상면부와 베이스 플레이트 본체를 수직으로 연결하는 내측면부 및 외측면부를 포함하는 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 상면부의 폭(x)은 이차전지 또는 단위모듈들의 적층방향에 수직인 방향에서 단면 관성 모멘트에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 상면부의 폭(x)은 하기 식(1)의 조건을 만족하는 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 전지모듈:
    0.5wmax ≤ x ≤ 1.5wmax (1)
    상기 식에서, wmax는 단면 관성 모멘트가 최대가 되는 순간의 폭을 의미한다.
  5. 제 4 항에 있어서, wmax는 하기 식들에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
    wmax = -(b 1+ b 2+ b 3)/a
    a = (-(24t3 + 36h t2 + 12h2 t)L - 24 t4 + 48h2 t2 + 24h3 t)
    b1 = -(27t3 + 36h t2 + 12h2 t) L2
    b2 = -((12t4 - 72ht3 + (-84h2t2) + (-24h3 - 48dh2) t) L
    b3 = -(-48t5- 72ht4) + (-132h2+48d- 48dh) t3-(72h3t2)
    상기 식에서, h는 내측면부 또는 외측면부의 높이, t는 상향 요철부의 두께, 및 d는 상기 베이스 플레이트의 중심으로부터 내측면부까지의 길이이다.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 상면부의 폭(x)은 폭 방향으로 베이스 플레이트의 중심에서부터 최단부까지의 폭(L)을 기준으로 20% 내지 50% 이하의 크기(0.2L ≤ x ≤ 0.5L)인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트에는 베이스 플레이트의 폭 방향으로 상향 요철부들을 연결하는 보조 요철부가 하나 이상 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보조 요철부는 베이스 플레이트의 전단과 후단에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 보조 요철부의 폭은 상향 요철부의 폭의 50 내지 200%이고, 보조 요철부의 높이는 상향 요철부의 높이의 40 내지 100%인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 외주면은 응력이 집중되는 것을 방지하기 위해 필렛(fillet) 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 상향 요철부의 내측면부의 높이는 외측면부의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 따른 전지모듈을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지모듈은 차량의 트렁크에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차.
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