WO2015170852A1 - 홀드다운 브라켓을 포함하는 전지팩 - Google Patents

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WO2015170852A1
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battery pack
base plate
battery module
bracket
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이윤희
김태혁
노태환
이진규
정준희
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack including a hold down bracket.
  • 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. And a battery pack.
  • such a battery pack is a structure for protecting battery modules in which secondary batteries are built, and has a variety of forms depending on the type of the target vehicle or the mounting position of the vehicle.
  • a structure for effectively fixing a large capacity battery module is a structure based on a supporting bar and an end plate. This structure has an advantage of minimizing the movement of the battery module even when a load is applied in the direction of the supporting bar, but for this purpose, there is a problem that the rigidity of the supporting bar and the end plate must be sufficiently secured.
  • Figure 1 is a perspective view of a conventional battery pack consisting of one battery module by way of example.
  • the battery pack 100 includes unit modules 10 in which battery cells are built, 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 battery pack having the above structure does not include a structure capable of supporting the battery pack in the front-rear direction when the external force is applied in the front-back direction of the battery pack, and further, each of the battery cells constituting the unit module Since it does not include a structure for stably fixing, there is a problem that can not prevent deformation of the internal structure of the battery pack.
  • 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 include a hold down bracket for fixing each battery module of the battery module assembly to the base plate in position, it is possible to stably fix the battery modules, in particular, against vibration from the external force in the front and rear direction It is to provide a battery pack structure that can minimize the deformation of the battery pack.
  • Two or more battery modules including battery cells arranged in an upright state with the electrode terminals facing upwards are arranged in a state adjacent to each other, the battery has an outward protrusion formed on the lower end of one side or both sides of the battery module Module assembly;
  • a base plate on which the battery module assembly is mounted
  • a holddown bracket having a structure in which one side surrounds the outward protrusion of the battery module and the other side is coupled to the base plate to fix each battery module of the battery module assembly to the base plate in position;
  • Consists of a structure comprising a.
  • an outward protrusion is formed at one end of the side or both sides of the battery module, and one side part of the structure holds the outward protrusion of the battery module and the other side is coupled to the base plate.
  • the battery module in the present invention may be a battery module itself or a small module having two or more battery cells therein.
  • the battery cell is preferably a plate-shaped battery cell in order to provide a high lamination rate in a limited space, for example, it may be made of a structure in which the electrode assembly is built in the battery case of the laminate sheet.
  • An example of a battery module having two or more battery cells therein may be a module of Korean Patent Application No. 2006-12303.
  • the battery module in the above application has a structure mounted on the frame member in which the input / output terminals are formed in close contact with two battery cells facing each other.
  • the battery module may be the modules of the applicant's Korean Patent Application Nos. 2006-20772 and 2006-45444.
  • the battery 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 battery module has a structure in which at least two unit modules in which at least one battery cell is built in the cartridge are arranged in a state adjacent to each other, and the battery cells of the battery module are connected in series. Can be.
  • the cartridge is composed of a frame for fixing the outer circumferential surface sealing portion of the battery cells located on both sides, it may be of a structure in which an outward protrusion is formed on the lower end of one side or both sides of the frame.
  • the outward protrusion may include a structure in which fasteners into which the fastening member for fixing the battery cell assembly is inserted are punctured, and the fastening member may be configured to connect and fix the battery cells.
  • the battery module is formed with an indentation portion is fixed to the hold down bracket of the structure in which one side surrounds the outward protrusion of the battery module and the other side is coupled to the base plate, the hold down bracket is fixed to the indentation shape It may be configured to have a structure in which the additional portion is formed to be capable of stably fixing the battery modules to the base plate against the vibration in the front and rear direction applied to the battery pack.
  • the battery pack is mounted in a limited space according to the device to which it is applied, it is important to configure the battery pack so that the maximum capacity can be exerted in a predetermined space. It depends greatly on the configuration method of the.
  • the mounting space of the battery pack is limited due to vehicle parts arranged at a high density, and thus the battery pack may be mounted in a narrow space such as between a driver's seat and an auxiliary seat.
  • the battery module may have a rectangular parallelepiped structure or a tunnel type structure having a large height in comparison with the width and a large length in front and rear with respect to the height.
  • the cartridge is preferably formed in a size and shape corresponding to the mounting position in a device such as a vehicle, for example, a rectangular parallelepiped shape having a height that is relatively larger than a bottom width in a state where it is mounted on a base plate is preferable.
  • the outward protrusion formed on the lower end of the battery module assembly is a structure for stably fixed to the base plate, at least a portion of the bottom surface of the outward protrusion may be configured to be inclined upward toward the battery module, the outward protrusion The lowest end of the can be configured to include a structure including a downward extension protruding in the base plate direction, due to this structure can be stably fixed between the hold down bracket and the base plate.
  • the outward protrusion of the battery module assembly includes an indentation to be fixed to the hold-down bracket
  • the hold-down bracket has a structure that includes a fixing portion of the shape to engage the indentation
  • the battery module assembly may be configured to stably fix the battery modules assembly to the base plate against vibration in the front and rear directions applied to the battery pack.
  • the hold down bracket may be a structure including a structure for increasing the rigidity against the vibration applied from the outside, for example, it is composed of a structure in which a bead is formed between one side and the other side of the hold down bracket Can increase the rigidity.
  • the combination of the hold down bracket and the base plate is composed of a structure in which one or more through grooves for joining the base plate are drilled in the other side of the hold down bracket, and a fastening member is inserted into and coupled to the through groove. Can be.
  • the fastening member may vary, but may be, for example, bolts or screws, but is not limited thereto.
  • the battery pack may include a top cover coupled to the base plate while surrounding the battery cell assembly while the battery module assembly is mounted on the base plate, and the battery module assembly is attached to the base plate by a hold down bracket. It may be a completed structure by combining the cover in a fixed state.
  • the battery cell may be a lithium ion battery or a lithium secondary battery, but is not limited thereto.
  • the lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.
  • the positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder to a positive electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler is further added to the mixture.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists the bonding of the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is manufactured by coating and drying a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and optionally, the components as described above may optionally be further included.
  • carbon such as hardly graphitized carbon and graphite type carbon
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ⁇ m ⁇ m, thickness is generally 5 ⁇ 300 ⁇ m.
  • a separator for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution consists of a polar organic electrolyte solution and a lithium salt.
  • a non-aqueous liquid electrolyte an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
  • N-methyl- 2-pyrrolidinone a propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma
  • Butyl lactone 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and eth
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 has a nitride, halides, sulfates, such as Li, such as S-SiS 2 can be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
  • the non-aqueous electrolyte solution includes, for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and hexaphosphate triamide.
  • halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.
  • the present invention may also provide a device including the battery pack as a power source, wherein the device may be selected from an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional battery pack
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery module and a hold down bracket according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side perspective view of a battery module to which a hold down bracket is coupled according to one embodiment of the present invention
  • 5 and 6 are cross-sectional views taken along line A-A 'and B-B' of FIG. 4.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a perspective view of a battery module and a hold down bracket according to an embodiment of the present application. Is shown.
  • the battery pack 200 is arranged in a state where two or more battery modules 211 including battery cells (not shown) arranged in an upright state with their electrode terminals facing upwards.
  • the battery module assembly 210 having the outward protrusion 220 formed at the lower ends of both sides of the battery module 211, the base plate 230 and the battery module assembly mounted on the battery module assembly 210, respectively.
  • one portion of the structure surrounding the outward protrusion 220 of the battery module and the other portion of the structure coupled to the base plate 230 It is configured to include a hold down bracket 240.
  • the battery pack 200 Since the battery pack 200 has a limited mounting space due to vehicle components disposed at a high density, the battery module assembly 210 forming the battery pack 200 may be mounted in a narrow space such as between a driver's seat and an auxiliary seat.
  • the height (H) is large compared to the width (W) and the length (L) of the front and rear relative to the height (H) has a large structure, the battery pack 200 has a rectangular parallelepiped structure corresponding thereto.
  • Each battery module 211 constituting the battery module assembly 210 is arranged side by side so that the battery cells are adjacent to each other, these battery cells are each fixed to the cartridge 250 is formed in a side stacked structure.
  • the battery cells are arranged side by side so that the electrode terminals protrude upward, and the cartridge 250 has a frame structure for fixing the outer circumferential sealing of the battery cell.
  • an indentation 260 is formed to which the outward protrusion 220 and the hold-down bracket 240 are fixed, and a fastening member (not shown) for fixing the battery cell assembly 210.
  • Fasteners 280 into which are inserted are additionally drilled. Accordingly, the fastening member is inserted into the fasteners 280 to fix the battery cell assembly 210 having the stacked structure arranged on the side of the cartridge 250.
  • the hold down bracket 240 has a corresponding shape and number of fixing parts 270 to be engaged with the indentation 260, and between one side and the other side of the hold down bracket 240 is applied to the vibration applied from the outside.
  • a bead structure 290 is formed to increase rigidity.
  • through-holes 281 and 282 are formed in the hold-down bracket 240 to engage with the base plate 230, and fastening members (not shown) are inserted into the through-holes 281 and 282. It consists of a structure that is fastened.
  • Figure 4 is a side perspective view of the battery module is coupled to the hold down bracket according to an embodiment of the present invention schematically, Figures 5 and 6 for AA 'and B-B' of FIG. A cross-sectional view is schematically shown.
  • the outward protrusion 220 is a structure for stably fixed to the base plate 230, the bottom surface is formed in a structure inclined upward toward the battery module 211, the outward protrusion 220 Since the downward extension portion 300 protruding in the direction of the base plate 230 is formed at the lower end of the structure, the outward protrusion 220 and the base plate 230 may be stably fixed.
  • the fixing part 270 of the hold down bracket 240 has a shape in close contact with the indentation part 260 of the outward protrusion 220, as shown in FIG. 5C, and the fixing part 270 is formed. In the case of not having a portion, as shown in D of FIG. 6, since the portion is formed in a corresponding shape to closely contact the outer surface of the outward protrusion 220, the flow of the battery module 211 can be prevented.
  • the battery pack according to the present invention includes a hold down bracket for fixing each battery module of the battery module assembly to the base plate in position, thereby stably fixing the battery modules and from the external force to the front and rear direction There is an effect that can minimize the deformation inside the battery pack for vibration to.

Abstract

본 발명은 전극단자들이 상부를 향하도록 직립된 상태로 배열된 전지셀들을 포함하는 전지모듈 둘 이상이 상호 인접한 상태로 배열되어 있고, 상기 전지모듈의 일 측면 또는 양 측면의 하단부에는 외향 돌출부가 형성되어 있는 전지모듈 어셈블리; 상기 전지모듈 어셈블리가 상부에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 및 상기 전지모듈 어셈블리의 각각의 전지모듈을 베이스 플레이트에 정위치 고정하기 위하여, 일측 부위가 전지모듈의 외향 돌출부를 감싸고 타측 부위가 베이스 플레이트에 결합되는 구조의 홀드다운 브라켓(holddown bracket);을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

홀드다운 브라켓을 포함하는 전지팩
본 발명은 홀드다운 브라켓을 포함하는 전지팩에 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 전지모듈 및 전지팩을 형성하고 있다.
일반적으로, 이러한 전지팩은 이차전지들이 내장된 전지모듈들을 보호하기 위한 구조물로서 대상 차량의 종류나 차량의 장착 위치에 따라 다양한 형태를 가지고 있다. 이 중 대용량의 전지모듈들을 효과적으로 고정하는 구조가 서포팅 바와 엔드 플레이트에 기반한 구조이다. 이러한 구조는 서포팅 바의 방향으로 하중이 인가되는 경우에도 전지모듈들의 움직임을 최소화할 수 있는 장점이 있으나, 이를 위해서는 서포팅 바와 엔드 플레이트의 강성이 충분히 확보되어야 하는 문제점이 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 하나의 전지모듈로 구성된 종래의 전지팩에 대한 사시도가 예시적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 전지셀들이 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, 상기 구조의 전지팩은 외력이 전지팩의 전후 방향으로 인가되는 경우, 전지팩의 전후 방향에 대해 지지할 수 있는 구조를 포함하고 있지 않고, 더욱이, 단위모듈을 구성하는 전지셀들 각각을 안정적으로 고정하기 위한 구조를 포함하고 있지 않으므로, 전지팩 내부 구조의 변형을 방지하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 전지팩에 외력이 전후 방향으로 인가되는 경우 전지팩의 변형을 최소화할 수 있는 특정 구조의 전지팩이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전지모듈 어셈블리의 각각의 전지모듈을 베이스 플레이트에 정위치 고정하기 위한 홀드다운 브라켓을 포함함으로써, 전지모듈들을 안정적으로 고정할 수 있고, 특히, 외력으로부터 전후 방향으로의 진동에 대한 전지팩 내부의 변형을 최소화할 수 있는 구조의 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
전극단자들이 상부를 향하도록 직립된 상태로 배열된 전지셀들을 포함하는 전지모듈 둘 이상이 상호 인접한 상태로 배열되어 있고, 상기 전지모듈의 일 측면 또는 양 측면의 하단부에는 외향 돌출부가 형성되어 있는 전지모듈 어셈블리;
상기 전지모듈 어셈블리가 상부에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 및
상기 전지모듈 어셈블리의 각각의 전지모듈을 베이스 플레이트에 정위치 고정하기 위하여, 일측 부위가 전지모듈의 외향 돌출부를 감싸고 타측 부위가 베이스 플레이트에 결합되는 구조의 홀드다운 브라켓(holddown bracket);
을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈의 일 측면 또는 양 측면의 하단부에는 외향 돌출부가 형성되어 있고, 일측 부위가 전지모듈의 외향 돌출부를 감싸고 타측 부위가 베이스 플레이트에 결합되는 구조의 홀드다운 브라켓을 포함함으로써, 전지모듈들을 안정적으로 고정할 수 있고 외력으로부터 전후 방향으로의 진동에 대한 전지팩 내부의 변형을 최소화할 수 있는 구조를 제공할 수 있다.
본 발명에서의 상기 전지모듈은 전지셀 자체이거나 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들을 내장한 형태의 소형 모듈일 수 있다. 상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이며, 예를 들어, 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 둘 또는 그 이상의 전지셀들을 내장한 형태의 전지모듈의 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-12303호의 모듈을 들 수 있다. 상기 출원에서의 전지모듈은 두 개의 전지셀들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 입출력 단자가 형성되어 있는 프레임 부재에 장착된 구조로 이루어져 있다.
전지모듈의 또 다른 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-20772호와 제2006-45444호의 모듈들을 들 수 있다. 이들 출원들에서의 전지모듈은 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 전지모듈은 하나 이상의 전지셀이 카트리지에 내장되어 있는 단위모듈 둘 이상이 상호 인접한 상태로 배열되어 있고, 상기 전지모듈의 전지셀들이 직렬 방식으로 연결되어 있는 구조로 이루어 질 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 카트리지는 양측에 위치하는 전지셀들의 외주면 실링부를 고정하는 프레임으로 구성되고, 상기 프레임의 일 측면 또는 양 측면의 하단부에 외향 돌출부가 형성되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
이때, 상기 외향 돌출부에는 전지셀 어셈블리를 고정하기 위한 체결부재가 삽입되는 체결구들이 천공되어 있는 구조로 구성되며, 체결부재에 의해 전지셀들간의 연결 및 고정을 수행하는 구조로 구성될 수 있다.
또한, 전지모듈은 일측 부위가 전지모듈의 외향 돌출부를 감싸고 타측 부위가 베이스 플레이트에 결합되는 구조의 홀드다운 브라켓에 고정되는 만입부가 형성되어 있고, 상기 홀드다운 브라켓에는 만입부에 맞물리는 형상의 고정부가 형성되어 있는 구조로 구성되어 전지팩에 가해지는 전후 방향으로의 진동에 대해 전지모듈들을 베이스 플레이트에 안정적으로 고정할 수 있는 구조로 구성될 수 있다.
일반적으로, 전지팩은 적용되는 디바이스에 따라 제한된 공간에 탑재되므로, 소정의 공간에서 최대의 용량을 발휘할 수 있도록 구성하는 것이 중요하며, 이러한 전지팩의 구성은, 상기 전지팩의 대부분을 이루는 전지모듈 의 구성 방법에 의해 크게 좌우된다.
대표적으로, 차량용 전지팩의 경우, 높은 집적도로 배치되어 있는 차량용 부품들로 인해 전지팩의 탑재 공간이 제한되는 바, 운전석과 보조석 사이와 같은 좁은 공간에 탑재될 수 있으므로, 상기 전지팩을 구성하는 전지모듈은 폭 대비로 높이가 크고 상기 높이 대비로 전후방의 길이가 큰 직육면체 구조 또는 터널형 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 카트리지는 차량 등의 디바이스에 탑재 위치에 대응하는 크기 및 형태로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 베이스 플레이트에 탑재된 상태에서 높이가 하단 너비보다 상대적으로 큰 직육면체 형태가 바람직하다.
한편, 전지모듈 어셈블리 하단부에 형성되어 있는 외향 돌출부는 베이스 플레이트에 안정적으로 고정되기 위한 구조로서, 상기 외향 돌출부의 하단면 중의 적어도 일부는 전지모듈 방향으로 상향 경사져 있는 구조로 구성될 수 있고, 외향 돌출부의 최하단면은 베이스 플레이트 방향으로 돌출된 하향 연장부를 포함하는 구조로 구성될 수 있는 바, 이러한 구조로 인해 홀드다운 브라켓과 베이스 플레이트 사이에 안정적으로 고정될 수 있다.
또한, 상기에서 언급한 바와 같이, 전지모듈 어셈블리의 외향 돌추부는 홀드다운 브라켓에 고정되기 위한 만입부를 포함하고 있고, 상기 홀드다운 브라켓는 상기 만입부에 맞물리는 형상의 고정부를 포함하고 있는 구조로 구성되어 전지팩에 가해지는 전후 방향으로의 진동에 대해 전지모듈들 어셈블리를 베이스 플레이트에 안정적으로 고정할 수 있는 구조로 구성될 수 있다.
한편, 홀드다운 브라켓은 외부에서 가해지는 진동에 대한 강성을 높이기 위한 구조를 포함하는 구조일 수 있으며, 예를 들어, 상기 홀드다운 브라켓의 일측 부위와 타측 부위 사이에는 비드가 형성되어 있는 구조로 구성되어 강성을 높일 수 있다.
이러한 홀드다운 브라켓과 베이스 플레이트와의 결합은, 홀드다운 브라켓의 타측 부위에 베이스 플레이트와 결합하기 위한 하나 이상의 관통홈이 천공되어 있는 구조로 구성되어 있고 상기 관통홈에 체결부재가 삽입되어 결합되는 구조일 수 있다.
상기 체결부재는 다양할 수 있으며, 예를 들어, 볼트 또는 나사일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전지팩은 전지모듈 어셈블리가 베이스 플레이트에 탑재된 상태에서, 전지셀 어셈블리를 감싸면서 베이스 플레이트에 결합되는 상단 커버(cover)를 포함할 수 있으며, 전지모듈 어셈블리가 홀드다운 브라켓에 의해 베이스 플레이트에 고정된 상태에서 커버를 결합하여 완성된 구조일 수 있다.
일반적으로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지 또는 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
참고로, 리튬이차 전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 전지팩을 나타내는 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에 대한 분해 사시도이다 ;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈과 홀드다운 브라켓에 대한 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 홀드다운 브라켓이 결합되어 있는 전지모듈의 측면 사시도이다;
도 5 및 6 은 상기 도 4의 A-A' 및 B-B'에 대한 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 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 전지팩에 대한 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 본원의 하나의 실시예에 따른 전지모듈과 홀드다운 브라켓에 대한 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(200)은, 전극단자들이 상부를 향하도록 직립된 상태로 배열된 전지셀들(도시하지 않음)을 포함하는 전지모듈(211)이 둘 이상 상호 인접한 상태로 배열되어 있고, 전지모듈(211)의 양 측면의 하단부에 외향 돌출부(220)가 형성되어 있는 전지모듈 어셈블리(210), 전지모듈 어셈블리가(210) 상부에 탑재되는 베이스 플레이트(230) 및 전지모듈 어셈블리(210)의 각각의 전지모듈(211)을 베이스 플레이트(230)에 정위치 고정하기 위하여, 일측 부위가 전지모듈의 외향 돌출부(220)를 감싸고 타측 부위가 베이스 플레이트(230)에 결합되는 구조의 홀드다운 브라켓(240)을 포함하여 구성된다.
전지팩(200)은 높은 집적도로 배치되어 있는 차량용 부품들로 인해 탑재 공간이 제한되므로, 전지팩(200)을 이루는 전지모듈 어셈블리(210)는 운전석과 보조석 사이와 같은 좁은 공간에 탑재될 수 있도록 폭(W) 대비로 높이(H)가 크고 상기 높이(H) 대비로 전후방의 길이(L)가 큰 구조로 이루어져 있으며, 전지팩(200)은 이에 대응하는 직육면체 구조로 이루어져 있다.
전지모듈 어셈블리(210)를 구성하는 각각의 전지모듈(211)은 전지셀들이 상호 인접하도록 측면 배열되어 있고, 이러한 전지셀들은 각각 카트리지(250)에 고정되어 측면 적층된 구조로 형성되어 있다. 전지셀들은 전극단자들이 상부 방향으로 돌출되도록 측면 배열되어 있고, 카트리지(250)는 전지셀의 외주면 실링부를 고정하는 프레임 구조로 형성되어 있다.
카트리지(250) 양 측면의 하단부에는 외향 돌출부(220) 및 홀드다운 브라켓(240)가 고정되는 만입부(260)가 형성되어 있으며, 전지셀 어셈블리(210)를 고정하기 위한 체결부재(도시하지 않음)가 삽입되는 체결구들(280)이 추가적으로 천공되어 있다. 따라서, 체결구들(280)에 상기 체결부재가 삽입되어 카트리지(250)의 측면으로 배열된 적층구조의 전지셀 어셈블리(210)를 고정하는 구조로 이루어져 있다.
홀드다운 브라켓(240)에는 만입부(260)에 맞물리도록 대응하는 형태와 개수의 고정부들(270)이 형성되어 있고, 홀드다운 브라켓(240)의 일측과 타측 사이에는 외부에서 가해지는 진동에 대한 강성을 높이기 위한 비드 구조(290)가 형성되어 있다.
또, 홀드다운 브라켓(240)에는 베이스 플레이트(230)와 결합하기 위한 관통홈들(281, 282)이 천공되어 있고, 이러한 관통홈들(281, 282)에 체결부재(도시하지 않음)가 삽입되어 체결되는 구조로 이루어져 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 홀드다운 브라켓이 결합되어 있는 전지모듈의 측면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5 및 6에는 각각 도 4의 A-A' 및 B-B'에 대한 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 외향 돌출부(220)는 베이스 플레이트(230)에 안정적으로 고정되기 위한 구조로서, 하단면이 전지모듈(211) 방향으로 상향 경사져 있는 구조로 형성되어 있고, 외향 돌출부(220)의 최하단면에는 베이스 플레이트(230) 방향으로 돌출된 하향 연장부(300)가 형성되어 있으므로, 외향 돌출부(220)와 베이스 플레이트(230)가 안정적으로 고정될 수 있는 구조로 구성되어 있다.
홀드다운 브라켓(240)의 고정부(270)는 도 5의 C 에 도시된 바와 같이, 외향 돌출부(220)의 만입부(260)와 밀착되는 형상으로 이루어져 있고, 고정부(270)가 형성되어 있지 않은 부위의 경우, 도 6의 D 에 도시된 바와 같이, 외향 돌출부(220)의 외측면에 밀착되도록 대응하는 형상으로 형성되어 있으므로, 전지모듈(211)의 유동을 방지할 수 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈 어셈블리의 각각의 전지모듈을 베이스 플레이트에 정위치 고정하기 위한 홀드다운 브라켓을 포함함으로써, 전지모듈들을 안정적으로 고정할 수 있고 외력으로부터 전후 방향으로의 진동에 대한 전지팩 내부의 변형을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 전극단자들이 상부를 향하도록 직립된 상태로 배열된 전지셀들을 포함하는 전지모듈 둘 이상이 상호 인접한 상태로 배열되어 있고, 상기 전지모듈의 일 측면 또는 양 측면의 하단부에는 외향 돌출부가 형성되어 있는 전지모듈 어셈블리;
    상기 전지모듈 어셈블리가 상부에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 및
    상기 전지모듈 어셈블리의 각각의 전지모듈을 베이스 플레이트에 정위치 고정하기 위하여, 일측 부위가 전지모듈의 외향 돌출부를 감싸고 타측 부위가 베이스 플레이트에 결합되는 구조의 홀드다운 브라켓(holddown bracket);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 라미네이트 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 하나 이상의 전지셀이 카트리지에 내장되어 있는 단위모듈 둘 이상이 상호 인접한 상태로 배열되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전지모듈의 전지셀들은 직렬 방식으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 카트리지는 양측에 위치하는 전지셀들의 외주면 실링부를 고정하는 프레임으로 구성된 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 프레임의 일 측면 또는 양 측면의 하단부에 외향 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 외향 돌출부에는 전지셀 어셈블리를 고정하기 위한 체결부재가 삽입되는 체결구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 외향 돌출부들 사이에는 홀드다운 브라켓에 고정되는 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 홀드다운 브라켓에는 만입부에 맞물리는 형상의 고정부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 카트리지는 베이스 플레이트에 탑재된 상태에서 높이가 하단 너비보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 외향 돌출부의 하단면 중의 적어도 일부는 전지모듈 방향으로 상향 경사져 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 외향 돌출부의 최하단면은 베이스 플레이트 방향으로 돌출된 하향 연장부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 외향 돌출부는 홀드다운 브라켓에 고정되기 위한 만입부를 포함하고 있고, 상기 홀드다운 브라켓는 상기 만입부에 맞물리는 형상의 고정부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 홀드다운 브라켓의 일측 부위와 타측 부위 사이에는 비드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 홀드다운 브라켓의 타측 부위에는 베이스 플레이트와 결합하기 위한 하나 이상의 관통홈이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 관통홈에 체결부재가 삽입되어 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 체결부재는 볼트 또는 나사인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리가 베이스 플레이트에 탑재된 상태에서, 전지셀 어셈블리를 감싸면서 베이스 플레이트에 결합되는 상단 커버(cover)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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