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KR101748817B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR101748817B1
KR101748817B1 KR1020140173288A KR20140173288A KR101748817B1 KR 101748817 B1 KR101748817 B1 KR 101748817B1 KR 1020140173288 A KR1020140173288 A KR 1020140173288A KR 20140173288 A KR20140173288 A KR 20140173288A KR 101748817 B1 KR101748817 B1 KR 101748817B1
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cartridge
end side
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battery module
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KR1020140173288A
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이종영
성준엽
이강우
강달모
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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Priority to PCT/KR2015/007577 priority patent/WO2016017983A1/ko
Priority to JP2016559430A priority patent/JP6598160B2/ja
Priority to EP15828066.9A priority patent/EP3035434B1/en
Priority to US14/915,775 priority patent/US10497910B2/en
Priority to CN201520568940.0U priority patent/CN204885299U/zh
Priority to CN201510463543.1A priority patent/CN105322215B/zh
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Abstract

본 발명은 카트리지 간 체결 부품을 없애거나 그 개수를 줄일 수 있도록 함으로써 구조가 간단하고 소형화 및 경량화에 유리하며, 조립성이 우수하고 충격 및 진동에 강한 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수의 파우치형 이차 전지; 내부 공간에 상기 파우치형 이차 전지를 수용하고, 좌우 방향으로 상호 적층된 복수의 카트리지; 및 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나의 측면에 구비되어, 둘 이상의 카트리지와 체결 고정되는 하우징을 포함할 수 있다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 체결부품 개수가 적고 구조가 간단하며 부피 및 무게가 낮고 조립성이 우수하며 충격이나 진동에 강한 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
하지만, 파우치형 이차 전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않고, 그 자체만으로 적층 상태를 유지하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 카트리지를 이용하는 경우가 많다.
카트리지는 보통 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태로 구성되는 경우가 많으며, 이때 4개의 변 부분이 파우치형 이차 전지의 외주부를 감싸도록 구성된다. 그리고, 이러한 카트리지는 배터리 모듈을 구성하기 위해 다수가 적층된 형태로 이용되며, 이차 전지는 카트리지가 적층되었을 때 생기는 내부의 빈 공간에 위치할 수 있다.
그런데, 이러한 카트리지 등을 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 카트리지 간 고정을 위한 체결 부품이 필요하다. 즉, 다수의 이차 전지와 다수의 카트리지를 이용하여 배터리 모듈을 구성하고자 할 때, 이들을 고정시키기 위해서는, 볼트나 벨트, 스크류와 같은 이들 상호 간을 고정시킬 수 있는 체결 부품이 있어야 한다. 그리고, 이 경우 카트리지 등에는 체결 부품이 결합될 수 있는 구성, 이를테면 홀 등이 마련될 필요가 있다. 또한, 종래 배터리 모듈의 경우, 카트리지의 적층 방향으로 최외곽 양단에 엔드 플레이트 등을 두어 체결 부품을 조일 수 있는 강성을 확보하도록 하는 경우가 많다.
하지만, 이와 같은 종래 배터리 모듈의 경우, 많은 체결 부품이 필요하게 되어 공정 및 구조가 복잡해지고, 가격 경쟁력 측면에서도 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 공간 내지 공정적 제약 등으로 인해 배터리 모듈에는 많은 체결 부품을 포함시킬 수 없는데, 이러한 구성에서 진동이나 충격 발생 시, 체결 부품으로 응력 집중 현상이 일어나 체결 부품 또는 이들과 결합된 부분에서 파손이 쉽게 발생할 수 있다. 또한, 이와 같은 종래 배터리 모듈의 경우, 체결 부품이나 관련 구성으로 인해 배터리 모듈의 부피 및 무게가 커져서, 배터리 모듈의 소형화나 경량화에 어려움을 줄 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 구성 시 카트리지 간 체결 부품을 없애거나 그 개수를 줄일 수 있도록 함으로써 구조가 간단하고 소형화 및 경량화에 유리하며, 조립성이 우수하고 충격 및 진동에 강한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수의 파우치형 이차 전지; 내부 공간에 상기 파우치형 이차 전지를 수용하고, 좌우 방향으로 상호 적층된 복수의 카트리지; 및 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나의 측면에 구비되어, 둘 이상의 카트리지와 체결 고정되는 하우징을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하우징은, 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나의 측면 상부에 체결 고정되는 어퍼 하우징 및 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나의 측면 하부에 체결 고정되는 로워 하우징을 구비할 수 있다.
또한, 상기 어퍼 하우징과 상기 로워 하우징은, 상호 후크 체결 고정될 수 있다.
또한, 상기 어퍼 하우징과 상기 로워 하우징은 상하 방향으로 결합홀이 형성되어, 상기 결합홀에 동일한 결합 부재가 삽입될 수 있다.
또한, 상기 하우징은 상기 카트리지와 결합하는 내측에 내측 방향으로 돌출된 형태의 체결 돌기가 형성되고, 상기 복수의 카트리지 중 적어도 둘 이상의 카트리지는 상기 체결 돌기에 대응되는 형태로 외측에 체결홈이 형성되어, 상기 체결 돌기가 상기 체결홈에 삽입됨으로써, 상기 하우징이 상기 카트리지와 체결 고정될 수 있다.
또한, 상기 체결 돌기는 상기 카트리지에 가까워질수록 두껍게 형성된 부분을 구비하고, 상기 체결홈은 내측에 가까워질수록 두껍게 형성된 부분을 구비하여, 상기 체결 돌기와 상기 체결홈은, 상하 방향으로 슬라이딩 결합 가능하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 카트리지 중 적어도 둘 이상의 카트리지는, 상단과 하단 모두에서 상하 방향 소정 깊이까지 상기 체결홈이 각각 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 카트리지 중 적어도 일부 카트리지는, 전단 측 또는 후단 측에 상기 체결홈이 형성될 수 있다.
또한, 전단 측에 체결홈이 형성된 카트리지와 후단 측에 체결홈이 형성된 카트리지가 좌우 방향으로 교호적으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 하우징은, 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측에 모두 구비될 수 있다.
또한, 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나에는, 상기 파우치형 이차 전지의 전극 리드가 구비되고, 상기 하우징은, 내측에 위치하여 상기 전극 리드와 전기적으로 접촉되는 버스바, 및 외측에 돌출된 형태로 형성되어 상기 버스바에 전기적으로 연결된 모듈 단자를 구비할 수 있다.
또한, 상기 하우징은, 상기 파우치형 이차 전지의 전압을 센싱하여 센싱된 정보를 외부로 전달하는 커넥터 단자를 구비할 수 있다.
또한, 상기 파우치형 이차 전지는, 적어도 일부분이 상기 카트리지와 접착제에 의해 접착 고정될 수 있다.
또한, 인접하는 2개의 파우치형 이차 전지가 1개의 카트리지에 접착 고정될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 적어도 일부분이 열전도성 고분자를 포함하거나, 또는 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 재료를 포함할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 구조를 단순화하고, 부피 및 무게를 줄이며, 제조 상 공정성을 개선할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 구성에 의하면, 다수의 카트리지를 적층하여 배터리 모듈을 구성함에 있어서, 볼트나 스크류와 같은 카트리지 간 체결 부품을 사용하지 않고, 다수의 카트리지에 공통으로 결합되는 하우징을 통해 카트리지 간 체결이 가능하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 볼트나 스크류와 같은 카트리지 간 체결 부품을 없애거나 줄일 수 있다. 또한, 이러한 볼트나 스크류를 삽입하기 위한 홀을 카트리지 등에 마련할 필요가 없으며, 카트리지의 적층 방향 양단에 엔드 플레이트 등을 구비시킬 필요도 없다.
그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 구조가 복잡하지 않고, 조립이 용이하며, 제조 비용 및 시간 등을 감소시킬 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 부피를 줄임으로써 배터리 모듈의 소형화를 보다 용이하게 달성할 수 있으며, 배터리 모듈의 무게를 낮춤으로써 배터리 모듈의 경량화 달성에도 보다 유리해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 제조 또는 사용 중에 배터리 모듈에 충격이나 진동이 가해진 경우, 소정 체결 부품에 응력이 집중되는 것을 방지함으로써, 해당 체결 부품이나 그러한 체결 부품이 결합된 부분이 파손되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 이차 전지가 카트리지에 직접 접착 고정될 수 있으며, 더욱이, 인접하는 2개의 이차 전지가 1개의 카트리지에 접착 고정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지 간 체결 부품 없이 접착제를 통해 카트리지 상호 간 및 카트리지와 이차 전지 상호 간 결합 고정력이 더욱 강화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 카트리지가 열전도성 플라스틱이나 열전도성 고무와 같은 열전도성 재질로 구성됨으로써, 카트리지만으로 이차 전지의 고정과 함께 냉각이 이루어지도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지 사이에 냉각 플레이트와 같은 냉각용 부재를 따로 포함하지 않을 수 있다. 그러므로, 이러한 냉각 부재가 차지하는 공간이나 이러한 냉각 부재를 고정시키기 위한 구성 등을 없애거나 줄일 수 있으므로, 컴팩트한 배터리 모듈 구조를 달성하는데 보다 용이해질 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 구성에 의하면, 이차 전지는 적어도 일부가 카트리지에 직접 접촉 고정되므로, 카트리지와 이차 전지 간 열전달 거리가 짧고 열전달 경로에 공기가 존재하지 않을 수 있으므로, 냉각 성능은 더욱 향상될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 구성에서 하우징을 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 3은, 도 1의 구성에서 하우징을 제외하고 이차 전지와 카트리지의 적층 구성 중 일부 구성을 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 4는, 도 1에서 배터리 모듈의 전단 측을 상면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 도 1의 A1-A1' 선에 대한 단면도이다.
도 8은, 도 7의 E2 부분에 대한 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1의 구성에서 하우징을 분리하여 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 1의 구성에서 하우징을 제외하고 이차 전지와 카트리지의 적층 구성 중 일부 구성을 분리하여 나타낸 사시도이다. 그리고, 도 4는, 도 1에서 배터리 모듈의 전단 측(A2 부분)을 상면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100), 카트리지(200) 및 하우징(300)을 포함한다.
상기 이차 전지(100)는, 하나의 배터리 모듈에 복수 개 구비될 수 있다. 특히, 복수의 이차 전지 각각은, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지(100)는, 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다.
여기서, 전극 조립체는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 조립체는, 하나의 양극판과 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형, 및 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 구분될 수 있다.
또한, 파우치 외장재는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 알루미늄 박막은, 전극 조립체 및 전해액과 같은 이차 전지(100) 내부의 구성요소나 이차 전지(100) 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층 사이에 개재될 수 있다.
특히, 파우치 외장재는, 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 내부 공간에는 전극 조립체가 수납될 수 있다. 그리고, 2개의 파우치의 외주면에는 실링부가 구비되어 이러한 실링부가 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.
한편, 전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드(101)와 연결될 수 있다. 그리고, 전극 리드(101)는 2개의 파우치의 실링부 사이에 개재되어 파우치 외장재의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 파우치형 이차 전지가 채용될 수 있다.
상기 파우치형 이차 전지(100)는, 각각 상하 방향으로 세워지는 형태로 수평 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에서 전극 리드(101)가 돌출된 측면을 배터리 모듈의 전방 측이라 하고 이러한 배터리 모듈의 전방 측에서 배터리 모듈을 바라볼 때, 파우치형 이차 전지(100)는 넓은 면이 좌우를 향하도록 지면에 수직하게 세워진 형태로 좌우 방향으로 다수 배열될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 파우치형 이차 전지(100)는, 2개의 넓은 면이 각각 좌우 측을 향하도록 하고, 상부, 하부, 전방 및 후방 측에는 실링부가 위치하도록 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 파우치형 이차 전지(100)는, 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 좌우 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향은, 특별한 설명이 없는 한, 상기와 같이, 전극 리드(101)가 돌출된 측면을 전방 측이라 하고, 이러한 전방 측에서 배터리 모듈을 바라볼 때를 기준으로 구분하도록 한다. 즉, 도 2의 구성에서 화살표 A3로 표시된 방향으로 배터리 모듈을 바라보는 것을 기준으로, 전, 후, 좌, 우, 상, 하 등의 방향을 구분하도록 한다.
상기 카트리지(200)는, 파우치형 이차 전지(100)를 내부 공간에 수용하여, 파우치형 이차 전지(100)의 외측을 보호하고, 파우치형 이차 전지(100)의 상호 배열을 가이드하는 한편, 적층된 조립체의 유동을 방지할 수 있다.
또한, 상기 카트리지(200)는, 상호 적층 가능한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 카트리지(200)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)의 적층 방향과 동일한 방향, 즉 좌우 방향으로 상호 적층될 수 있다.
여기서, 상기 카트리지(200)는 상호 적층되는 표면, 즉 좌측면과 우측면에 상호 대응되는 형태로 요철 구조가 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지(200)에 형성된 요철 구조로 인해, 카트리지(200) 간 체결성 및 고정력이 향상될 수 있고, 요철 구조가 가이드 역할을 하여 조립이 보다 용이해질 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 카트리지(200)는, 사각 링 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 카트리지(200)는, 양 단부가 상호 연결된 4개의 단위 프레임으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 파우치형 이차 전지(100)는 대략 사각형 형태로 구성되기 때문에, 카트리지(200)는 이러한 파우치형 이차 전지(100)의 외주부를 외측에서 감싸도록 사각 링 형태로 형성될 수 있다. 이때, 카트리지(200)는, 각 단위 프레임이 각각 별도로 제조된 후 상호 조립되는 형태로 마련될 수도 있고, 처음부터 서로 일체화된 형태로 성형될 수도 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 카트리지(200)는 중앙 부분이 비어 있는 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 중앙의 빈 내부 공간에 파우치형 이차 전지(100)가 수용될 수 있다. 즉, 파우치형 이차 전지(100)는, 카트리지(200)의 단위 프레임에 의해 한정되는 내부 공간에 위치할 수 있으며, 카트리지(200)가 적층될 때, 그러한 적층으로 형성된 내부 공간에 위치하여, 외측의 적어도 일부가 커버될 수 있다.
상기 하우징(300)은, 카트리지(200)의 적어도 일측에 구비되어, 둘 이상의 카트리지(200)와 체결 고정될 수 있다. 특히, 상기 하우징(300)은, 카트리지(200)의 적층 방향 양단이 아닌, 카트리지(200)의 전단 측 및/또는 후단 측에 위치할 수 있다. 즉, 도 2의 구성에서, A3 방향으로 바라볼 때, 하우징(300)은, 배터리 모듈의 좌측이나 우측이 아니라, 전단 측 및/또는 후단 측에 장착될 수 있다.
상기 하우징(300)은, 이와 같이 카트리지(200)의 전단 측 및/또는 후단 측에 위치하여, 카트리지(200)의 전단 측 및/또는 후단 측과 체결 고정될 수 있다. 특히, 상기 하우징(300)은, 적어도 둘 이상의 카트리지(200)와 체결 고정됨으로써, 둘 이상의 카트리지(200) 상호 간 결합이 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 상기 하우징(300)은, 상호 간 소정 거리 이격된 다수의 카트리지(200)에 체결 고정되어, 그 사이에 개재된 카트리지(200)까지도 고정되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하우징(300)은, 어퍼 하우징(301) 및 로워 하우징(302)을 구비할 수 있다.
상기 어퍼 하우징(301)은, 카트리지(200)의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나의 측면 상부에서 카트리지(200)와 체결 고정될 수 있다. 또한, 상기 로워 하우징(302)은, 카트리지(200)의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나의 측면 하부에서 카트리지(200)와 체결 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈은, 배터리 모듈의 전단 측(A3로 표시된 부분)에 어퍼 하우징(301) 및 로워 하우징(302)이 모두 장착될 수 있다.
여기서, 어퍼 하우징(301)은, 로워 하우징(302)의 상단에 안착될 수 있다. 이를 위해, 어퍼 하우징(301)의 하면과 로워 하우징(302)의 상면은 상호 대응되는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)은 상호 체결 고정을 위한 구성을 구비할 수 있다.
대표적으로, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)은, 후크 체결 방식으로 상호 결합되어 고정될 수 있다. 특히, 어퍼 하우징(301)의 하단부 및 로워 하우징(302)의 상단부에는 상호 대응되는 위치 및 형태로 후크 체결부가 구비될 수 있으며, 어퍼 하우징(301)이 로워 하우징(302)의 상부에 안착될 때, 이러한 후크 체결부가 상호 체결될 수 있다.
예를 들어, 도 2에서 K1으로 표시된 바와 같이, 어퍼 하우징(301)은 하단부에 하부 방향으로 돌출된 형태의 후크가 구비될 수 있다. 그리고, 로워 하우징(302)은, 이러한 후크의 위치 및 형태에 대응되는 형태로 후크홈이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 K2로 표시된 바와 같이, 로워 하우징(302)은 상단부에 하부 방향으로 오목한 형태의 후크홈이 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)을 간단하게 결합 고정시키고, 상호 간 분리를 막을 수 있다.
또한, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)은, 하나의 결합 부재를 통해 상호 결합 고정될 수 있다. 예를 들어, 어퍼 하우징(301)은, 도 2에서 H1으로 표시된 바와 같이, 적어도 일측에서 상하 방향으로 관통된 형태의 결합홀이 형성될 수 있다. 또한, 로워 하우징(302)도, H2로 표시된 바와 같이, 어퍼 하우징(301)의 결합홀(H1)에 대응되는 위치에 상하 방향으로 결합홀이 형성될 수 있다. 이 경우, 도 2에서 U로 표시된 바와 같이, 부싱이나 볼트와 같은 체결 부재가, 이러한 어퍼 하우징(301)의 결합홀(H1) 및 로워 하우징(302)의 결합홀(H2)에 관통 삽입됨으로써, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)은 상호 고정되어 상호 간 이탈이 방지될 수 있다.
이처럼, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)은, 상호 체결 고정되어 카트리지(200)의 일측에 구비됨으로써, 카트리지(200)의 해당 측면을 전체적으로 커버할 수 있다. 예를 들어, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)이 카트리지(200)의 전단 측에 구비되는 경우, 카트리지(200)의 전단 측은 전체적으로 이러한 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)에 의해 커버되어 외부로 노출되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서, 하우징은, 카트리지(200)의 전단 측 및 후단 측에 모두 구비될 수 있다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징은, 카트리지(200)의 전단 측에 구비되어 카트리지(200)의 전단 측과 결합 고정되고, 마찬가지로 카트리지(200)의 후단 측에도 구비되어 카트리지(200)의 후단 측과 결합 고정될 수 있다. 특히, 상기 하우징은, 앞선 실시예와 같이 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)을 구비할 수 있는데, 이 경우에도, 이러한 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)은 각각 2개씩 구비되어, 카트리지(200)의 전단 측과 후단 측에 모두 결합될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 배터리 모듈에 포함된 카트리지(200)가 전단 측과 후단 측에서 모두 하우징에 의해 결합 고정됨으로써, 카트리지(200)의 적층 구조가 전체적으로 안정적이고 견고하게 유지될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 하우징(300)은, 상기 카트리지(200)와 돌기-홈 결합에 의해 체결 고정될 수 있다.
예를 들어, 상기 하우징은, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 내측 방향으로 돌출된 형태로 체결 돌기(310)가 구비될 수 있다. 이를테면, 카트리지(200)의 전단 측에 위치하는 하우징은 카트리지(200)가 위치하는 측면, 즉 내측면에서 후방으로 돌출된 형태로 체결 돌기(310)가 형성될 수 있다.
이 경우, 복수의 카트리지(200) 중 적어도 일부 카트리지는, 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징이 결합되는 측면에 체결 돌기(310)에 대응되는 형태로 체결홈(210)이 형성될 수 있다. 이를테면, 카트리지(200)의 전단 측에 하우징이 위치하는 경우, 카트리지(200)는 전단 측에 체결홈(210)이 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징의 체결 돌기(310)가 카트리지(200)의 체결홈(210)에 삽입됨으로써, 하우징과 카트리지(200)가 상호 체결 고정될 수 있다.
여기서, 하우징에 형성된 체결 돌기(310)는, 카트리지(200)에 가까워질수록 두껍게 형성된 부분을 구비할 수 있다. 그리고, 상기 체결홈(210)은, 이러한 체결 돌기(310)의 형상에 대응되도록, 개방단에서 내측에 가까워질수록 두껍게 형성된 부분을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 A4로 표시된 부분과 같이, 상기 하우징의 체결 돌기(310)는, 내측 단부(도 4의 상부 측 단부)가 두껍게 형성되고, 체결홈(210) 역시 내측 단부가 두껍게 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 있어서, 체결 돌기(310)는 체결홈(210)의 상단이나 하단에서 상하 방향으로 슬라이딩되는 형태로 체결홈(210)에 삽입 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에서 카트리지(200)의 전단 측에 위치하는 어퍼 하우징(301)의 경우, 체결 돌기(310)의 내측 단부가 체결홈(210)의 외측 개방단보다 두꺼우므로, 어퍼 하우징(301)이 카트리지(200) 측으로 수평 방향으로 이동하여 체결 돌기(310)가 체결홈(210)에 삽입될 수는 없다. 대신에, 어퍼 하우징(301)은, 카트리지(200)의 상단에서 체결 돌기(310)와 체결홈(210)의 수평 방향 위치가 맞추어진 상태에서 하부 방향으로 이동함으로써, 체결 돌기(310)가 체결홈(210)에 슬라이딩 결합될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 하우징이 카트리지(200)와 슬라이딩 방식으로 용이하게 결합될 수 있다. 뿐만 아니라, 하우징이 카트리지(200)와 결합된 경우, 하우징이 카트리지(200)로부터 수평 방향, 특히 전단 측 방향으로 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 하우징의 체결 돌기(310)의 단부는 카트리지(200)의 체결홈(210)의 전단 측 개방단보다 두껍게 형성되므로, 하우징은 카트리지(200)와 결합된 상태에서는, 전단 외부 방향으로 이동 내지 분리될 수 없다.
더욱 바람직하게는, 상기 복수의 카트리지(200) 중 적어도 둘 이상의 카트리지(200)는, 상단과 하단 모두에서 상하 방향 소정 깊이까지 체결홈(210)이 각각 형성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈에 포함된 카트리지(200) 중 적어도 일부 카트리지(200)는, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상단과 하단 모두에 체결홈(210)이 형성될 수 있다. 이때, 상단 체결홈(211)은 상부가 외측으로 개방된 상태에서 하부 방향으로 소정 높이까지 형성될 수 있고, 하단 체결홈(212)은 하부가 외측으로 개방된 상태에서 상부 방향으로 소정 높이까지 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 있어서, 상단 체결홈(211)에는 어퍼 하우징(301)의 체결 돌기(311)가 결합되고, 하단 체결홈(212)에는 로워 하우징(302)의 체결 돌기(312)가 결합될 수 있다. 즉, 어퍼 하우징(301)은, 체결 돌기(311)가 상단 체결홈(211)의 상부 개방단에서 하부 방향으로 슬라이딩됨으로써 카트리지(200)에 결합될 수 있다. 또한, 로워 하우징(302)은, 체결 돌기(312)가 하단 체결홈(212)의 하부 개방단에서 상부 방향으로 슬라이딩됨으로써 카트리지(200)에 결합될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302) 모두 카트리지(200)에 결합되도록 함으로써, 하우징과 카트리지(200)의 결합 고정력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상단 체결홈(211)과 하단 체결홈(212)을 통해 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)의 체결 위치가 정해질 수 있어, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302) 사이의 결합성을 향상시키고 조립이 용이하도록 할 수 있다.
특히, 상기 체결홈(210)의 높이는, 상기 체결 돌기(310)의 단부와 동일한 높이까지 형성될 수 있다. 즉, 상기 체결홈(210)은, 하우징이 제 위치에 안착될 때, 그 단부에 체결 돌기(310)가 접촉하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 어퍼 하우징(301)의 체결 돌기(311)에 결합되는 상단 체결홈(211)은, 어퍼 하우징(301)이 정확한 위치에 장착된 때, 체결 돌기(311)의 하단이 접촉 가능한 깊이까지만 형성될 수 있다. 또한, 로워 하우징(302)의 체결 돌기(312)에 결합되는 하단 체결홈(212)은, 로워 하우징(302)이 정확한 위치에 장착된 때, 체결 돌기(312)의 상단이 접촉 가능한 깊이까지만 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 체결 돌기(310)와 체결홈(210)의 결합으로 인해, 하우징의 상하 방향 이동이 제한될 수 있다. 예를 들어, 어퍼 하우징(301)의 경우, 체결 돌기(311) 하단이 체결홈(211) 상단에 접하고 있으므로, 더 이상 하부 방향으로 이동할 수 없다. 또한, 로워 하우징(302)의 경우, 체결 돌기(312) 상단이 체결홈(212) 하단에 접하고 있으므로, 더 이상 상부 방향으로 이동할 수 없다.
이때, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)이, 후크 결합 구성 등에 의해 상호 상하 방향 분리가 방지되는 경우, 어퍼 하우징(301)과 로워 하우징(302)은, 카트리지(200)의 측면에서 상하 방향으로 이동하지 않고 고정될 수 있다.
또한, 파우치형 이차 전지(100)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전단 측 및 후단 측에 각각 전극 리드(101)가 구비되도록 할 수 있다. 이때, 각각의 전극 리드(101)는, 이차 전지(100)의 전단 측 및 후단 측 외주부 중앙 부분에 위치할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 상기 실시예와 같이, 카트리지(200)에 상단 체결홈(211)과 하단 체결홈(212)이 형성되고, 이들에 각각 어퍼 하우징의 체결 돌기(311)와 로워 하우징의 체결 돌기(312)가 결합되도록 하는 경우, 체결 돌기(310)와 전극 리드(101) 사이의 간섭을 배제하거나 줄일 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 조립성을 개선하고, 결합을 위한 공간을 줄일 수 있어 배터리 모듈의 소형화 달성에 보다 유리할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 포함된 복수의 카트리지(200) 중 적어도 일부 카트리지(200)는, 전단 측 또는 후단 측에 체결홈(210)이 형성될 수 있다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6에 도시된 카트리지는, 도 5에 도시된 카트리지 구성과 대체로 동일하게 구성되고 있으나, 체결홈(210)의 위치가 다르게 형성되어 있다. 즉, 도 5에 도시된 카트리지는, 전단 측 상부 및 하부에 체결홈(210)이 형성되고, 후단 측 상부 및 하부에는 체결홈(210)이 형성되어 있지 않다. 반면, 도 6에 도시된 카트리지는, 후단 측 상부 및 하부에 체결홈(210)이 형성되고, 전단 측 상부 및 하부에는 체결홈(210)이 형성되어 있지 않다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같은 카트리지와 도 5에 도시된 바와 같은 카트리지는, 배터리 모듈의 적어도 일부분에서, 교호적으로 배치될 수 있다. 즉, 카트리지가 좌우 방향으로 복수 개 배열될 때, 전단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지와 후단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지는 좌에서 우 방향으로 서로 교대로 위치하도록 배열될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 구성을 참조하면, 배터리 모듈에 포함되어 좌우 방향으로 배열된 복수의 카트리지 중, 좌측과 우측의 가장 외측에 위치한 2개의 카트리지를 제외하고는, 모든 카트리지에 체결홈(210)이 형성될 수 있다. 이때, 체결홈(210)이 형성된 각 카트리지는, 전단 측 또는 후단 측 어느 하나에만 체결홈(210)이 형성될 수 있다. 그리고, 전단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지와 후단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지는, 서로 동일한 종류끼리 인접하여 배치되지 않고, 서로 다른 종류끼리 인접하여 배치되도록 구성될 수 있다. 이를테면, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 좌측에서 우측 방향으로, 후단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지, 전단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지, 후단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지, 전단 측에 체결홈(210)이 형성된 카트리지, ...와 같은 순서로 각 카트리지가 적층될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 하우징과 카트리지(200)의 결합력이 배터리 모듈의 전단 측 및 후단 측에서 모두 균일하게 확보되도록 할 수 있고, 배터리 모듈의 전단 측이나 후단 측 중 어느 한 측면에서 하우징과 카트리지(200)의 결합력이 약화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 대부분의 카트리지(200)에 체결 돌기(310)-체결홈(210) 결합 구조가 적용되도록 하여 카트리지(200)의 적층 구조가 안정적으로 유지될 수 있도록 하면서도, 체결 돌기(310) 간 상호 거리를 일정 수준 이상 확보할 수 있도록 하여, 하우징의 구조를 간단하게 하고 하우징과 카트리지(200)의 조립이 용이해지도록 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 카트리지(200)의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나에는, 각 파우치형 이차 전지(100)의 전극 리드(101)가 전방 또는 후방으로 돌출되는 형태로 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치형 이차 전지(100)는, 상호 간 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결될 필요가 있다.
이를 위해, 상기 하우징은, 내측에 버스바(320)를 구비할 수 있다. 그리고, 상기 하우징은, 카트리지(200)에 결합됨으로써 이러한 버스바(320)가 전극 리드(101)와 전기적으로 접촉되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 로워 하우징(302)은, 상부 내측에 상부 방향으로 돌출된 형태의 버스바(320)를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 로워 하우징(302)이 카트리지(200)의 전단 측 하부에서 상부 방향으로 결합되는 경우, 로워 하우징(302)의 버스바(320)는, 카트리지(200)의 전단 측에 위치하는 전극 리드(101)와 접촉할 수 있다. 이때, 버스바(320)는 전극 리드(101) 상호 간을 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다.
또한, 상기 하우징은, 외측에 모듈 단자(340)를 구비하여, 배터리 모듈이 외부의 다른 배터리 모듈 또는 장치와 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 어퍼 하우징(301)은, 적어도 일측에 상부 방향으로 돌출된 형태로 모듈 단자(340)를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 모듈 단자(340)는, 버스바(320)와 전기적으로 접속됨으로써, 이차 전지의 충방전 단자, 즉 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하도록 할 수 있다.
본 발명의 이러한 측면에 의하면, 상기 하우징이, 복수의 카트리지(200) 간 적층 구조를 안정적으로 유지하는 역할을 할 수 있으면서, 그와 함께 이차 전지 상호 간 전기적 연결 및 외부 전극 단자를 제공하는 역할을 할 수도 있다. 따라서, 이러한 하우징 이외에, 별도의 카트리지(200) 간 적층 고정을 위한 구성이나 이차 전지 간 전기적 연결을 위한 구성, 모듈 단자를 제공하기 위한 구성 등을 별도로 구비하지 않을 수 있다.
또한, 상기 하우징은, 파우치형 이차 전지의 전압을 센싱하여 센싱된 정보를 외부로 전달하는 커넥터 단자(330)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징은, 적어도 일측에 상부에서 하부 방향으로 커넥터가 결합 가능한 형태로 커넥터 단자(330)를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 커넥터 단자(330)는, 버스바(320)에 전기적으로 연결됨으로써, 하나 또는 그 이상의 이차 전지 양단의 전압을 센싱하고, 센싱된 정보가 커넥터 단자(330)를 통해 외부로 전송되도록 할 수 있다. 이를테면, 커넥터 단자(330)에는, BMS(Battery Management System)와 같은 배터리 모듈 외부 장치의 커넥터가 접속될 수 있으며, 이러한 접속을 통해 센싱된 정보는 외부 장치로 전송될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 파우치형 이차 전지는, 적어도 일부분이 카트리지(200)와 접착제에 의해 접착 고정될 수 있다.
예를 들어, 상기 카트리지(200)는, 도 5의 E1 및 E1'로 표시된 부분과 같이, 상부 측에 위치하는 단위 프레임 및 하부 측에 위치하는 단위 프레임에 접착제가 도포될 수 있다. 그리고, 파우치형 이차 전지는, 이러한 카트리지(200)에 수용될 때 외주부 상부 측과 하부 측이 각각 카트리지(200)와 접착 고정될 수 있다.
특히, 파우치형 이차 전지는 직사각형 형태로 구성될 수 있는데, 이때 파우치형 이차 전지의 외주부는 2개의 장변과 2개의 단변을 구비한다고 할 수 있다. 이때, 파우치형 이차 전지는 길이가 긴 2개의 변, 즉 2개의 장변 측이 접착제에 의해 카트리지(200)와 접착 고정될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지 외주부의 장변 부분이 카트리지(200)에 접착 고정됨으로써 접착력이 보다 향상될 수 있다. 더욱이, 파우치형 이차 전지의 단변에는 전극 리드(101)가 돌출될 수 있으므로, 이러한 단변 부분에 접착제가 도포되기보다는 장변 부분에 접착제가 도포되는 것이 좋다.
도 7은 도 1의 A1-A1' 선에 대한 단면도이고, 도 8은, 도 7의 E2 부분에 대한 확대도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 파우치형 이차 전지(100)는, 상부 측과 하부 측이 접착제(N)에 의해 카트리지(200)에 접착 고정될 수 있다. 특히, 도 8의 구성을 참조하면, 이차 전지(100)의 상부 측과 카트리지(200)의 하부 측 사이에는 접착제(N)가 개재됨으로써, 이차 전지(100)와 카트리지(200) 사이를 고정할 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 구성과 유사하게, 이차 전지(100)의 하부 측도, 카트리지(200)의 상부 측과 접착제를 통해 접착 고정될 수 있다.
특히, 인접하는 2개의 파우치형 이차 전지(100)는, 1개의 카트리지(200)에 접착 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 구성을 참조하면, B1 이차 전지와 B2 이차 전지는, 모두 C1 카트리지에 접착 고정될 수 있다. 그리고, B2 이차 전지와 B3 이차 전지는, 모두 C2 카트리지에 접착 고정될 수 있다.
이와 같은 구성은, 1개의 파우치형 이차 전지에 좌우 방향으로 인접하여 적층된 2개의 카트리지가 접착 고정된다고 할 수 있다. 예를 들어, 도 8의 구성에서, B2 이차 전지에는, C1 카트리지와 C2 카트리지가 접착제(N)에 의해 접착 고정될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지 간 결합 구성이 더욱 강화될 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서, 복수의 카트리지는 하우징에 체결됨으로써 상호 간 적층 상태를 유지할 수 있지만, 상기 실시예와 같이, 접착제(N)를 통한 접착 구성을 통해 상호 결합 고정력이 더욱 강화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 카트리지 간 또는 이차 전지 간 별도의 체결 부재가 없더라도, 충분한 구조적 강도가 확보될 수 있으며, 충격이나 진동에도 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 있어서, 카트리지는, 내측부의 적어도 일부가 파우치형 이차 전지의 외측부의 적어도 일부에 대응되는 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 8의 구성에 도시된 바와 같이, 이차 전지는 외측부의 적어도 일부가 외측 방향으로 갈수록 폭이 좁아지는 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 카트리지는, 이차 전지의 외측부 형태에 대응되는 형태로, 내측부의 적어도 일부가 내측 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다. 특히, 카트리지는 내측부에 2개의 경사면을 구비할 수 있으며, 이러한 카트리지의 2개의 경사면에는, 서로 다른 이차 전지의 경사면이 안착되어 접착될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지와 카트리지 간 접촉 면적이 증가할 수 있다. 따라서, 이차 전지가 카트리지 내측에 보다 안정적으로 안착 및 고정될 수 있다. 또한, 이차 전지로부터 카트리지로 보다 많은 열이 빠르게 전달될 수 있다.
특히, 일반적인 파우치형 이차 전지의 경우, 실링부를 제외한 외측면이 2개의 경사면을 갖도록 구성되는 경우가 많으므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 종래 이차 전지 형태를 그대로 채용할 수 있어, 종래 이차 전지 구성에 대해 큰 변형을 가하지 않고도 본 발명을 구현할 수 있다. 또한, 이차 전지와 카트리지의 접촉 면적을 증가시켜, 이차 전지의 안정적인 고정과 효과적인 냉각 성능 확보, 배터리 모듈의 컴팩트한 구조 달성 등이 더욱 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 파우치형 이차 전지는, 2개의 파우치가 상호 융착된 형태의 실링부(S)를 테두리부에 구비할 수 있다. 이때, 이차 전지의 실링부(S)는, 적어도 일부가 폴딩됨으로써, 이차 전지의 전체적인 크기를 줄일 수 있다. 특히, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지는, 상단 측과 하단 측에 위치한 실링부(S)가 전극 조립체의 수납 공간 측으로 폴딩될 수 있다. 그리고, 이와 같이 폴딩된 실링부(S)는, 이차 전지의 전극 조립체 수납 공간 외측의 경사면과 카트리지의 내측면 사이에 개재되어 이들과 접착 고정될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 실링부(S)가 차지하는 공간을 줄임으로써 배터리 모듈의 소형화를 이루는데 보다 용이하고, 이차 전지와 카트리지 사이의 거리를 좁혀 이차 전지로부터 카트리지로의 열 전달 효율을 높일 수 있다. 특히, 폴딩된 실링부(S)의 외측으로는 카트리지가 접촉하고, 폴딩된 실링부(S)의 내측으로는 이차 전지가 접촉함으로써, 실링부(S)의 폴딩 부분을 통해서도 이차 전지 내부의 열이 카트리지로 전달되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 두께가 상대적으로 얇은 카트리지를 구비할 수 있다. 그리고, 이와 같이 두께가 얇은 카트리지에 폴딩된 실링부(S)가 위치하도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 구성에서, C1 카트리지는 C2 카트리지보다 상하 방향 길이인 두께가 얇게 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 C1 카트리지에 B1 이차 전지의 폴딩된 실링부(S) 및 B2 이차 전지의 폴딩된 실링부(S)가 접착 고정도록 할 수 있다.
더욱이, 이와 같은 구성에 있어서, 파우치형 이차 전지는 모두 폴딩된 실링부(S)를 구비할 수 있으므로, 이러한 폴딩된 실링부(S)의 수용을 위해, C1 카트리지와 같이 두께가 얇은 카트리지는, C2 카트리지와 같이 두께가 두꺼운 카트리지와 교호적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 이와 같은 구성에 의하면, 이차 전지의 실링부(S)가 좌측 또는 우측 방향 중 어느 한 방향으로 폴딩됨에도 배터리 모듈은 전체적으로 균일한 상하 방향 폭을 갖도록 할 수 있다. 즉, 복수의 카트리지는 특정 이차 전지 부분에서 튀어나오거나 들어가지 않고, 전체적으로 외면이 일직선이 되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 구성에서, 좌우 방향으로 적층된 모든 카트리지는 상면과 하면이 모두 평평한 형태로 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 카트리지는, 적어도 일부분이 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 종래 이차 전지의 적층에 이용되는 카트리지의 경우, 대체로 열전도성이 없는 폴리머 재질로 구성되어, 카트리지를 통해서는 열전도가 거의 이루어지지 않으므로, 별도의 냉각 부재를 두는 경우가 많다. 하지만, 본 발명의 카트리지가 열전도성 재질로 이루어지는 구성에 의하면, 카트리지의 적어도 일부분이 내측에서 외측까지 열전도성 재질로 구성됨으로써, 이차 전지의 열이 카트리지를 통해 외부로 쉽게 전달될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 이차 전지 사이에 별도의 냉각 부재를 구비하지 않더라도, 효과적인 냉각 성능이 확보될 수 있다.
특히, 카트리지는, 적어도 일부분이 열전도성 고분자를 포함하거나, 또는 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 재료로 구성될 수 있다.
즉, 카트리지는 일반적인 금속이나 금속 합금 재료가 아닌 고분자를 주재료로 하여 구성될 수 있다. 이와 같이 고분자에 기반한 열전도성 재료의 경우, 금속보다 무게가 작아 배터리 모듈의 경량화 달성에 용이하고, 성형이 용이하며, 열팽창계수가 낮고, 전기 전도성이 낮아 전기적 절연성을 확보하기가 쉽다. 본 발명은, 카트리지의 재료로서, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 고분자 기반 열전도성 재료가 채용될 수 있다.
예를 들어, 상기 카트리지는, 일반적인 고분자 재료에 열전도성을 갖는 필러가 혼합된 복합 재료 형태의 재질로 구성될 수 있다. 여기서, 필러에는, 규소 화합물, 알루미늄 화합물, 마그네슘 화합물, 붕소 화합물 등이 포함될 수 있다. 이를테면, 열전도성 재료에 포함되는 필러로서, 산화규소, 산화알루미늄, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 무수탄산마그네슘, 수산화마그네슘 등이 이용될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이밖에도 다양한 필러가 카트리지의 재료로서 이용될 수 있다.
상기 카트리지에 사용되는 고분자 재료로는, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스틸렌, 폴리카보네이트, 나일론, 액정 폴리머, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에테르에테르케톤 등 다양한 재료가 포함될 수 있다. 또한, 이 밖에 다양한 고분자 재료가 본 발명의 카트리지 재료로 이용될 수 있다.
특히, 상기 카트리지를 구성하는 열전도성 재료는, 열전도율이 1W/mK 이상인 물질로 이루어질 수 있다. 이를테면, 이러한 열전도성 재료는, 2W/mK ~ 20W/mK 인 고분자 플라스틱이나 고무 등의 재료로 이루어질 수 있다. 더욱이, 열전도성 재료는, 5W/mK 이상인 재료로 이루어질 수 있다.
종래, 카트리지 등의 소재로서 이용되는 플라스틱의 경우, 대체로 열전도성이 0.1~0.4 W/mK에 불과하여 거의 없다고 할 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 카트리지의 경우, 열전도성이 이보다 높은 폴리머 소재가 사용됨으로써, 카트리지에 의해 열전달 및 배출이 이루어지도록 할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이와 같은 실시예에 의하면, 카트리지 내부에 금속 재질의 냉각 플레이트와 같은 별도의 냉각 부재를 두지 않고도, 이차 전지의 열이 카트리지를 통해 외부로 효과적으로 배출되도록 할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지가 카트리지에 직접 접촉되어 고정되므로, 이차 전지의 열은 공기를 통하지 않고 직접적으로 카트리지로 전달될 수 있다. 그리고, 카트리지에서 이차 전지에 접촉된 부분은 열전도성 재질로 구성되므로, 카트리지로 전달된 열은 카트리지를 통과하여 외부로 신속하게 배출될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에 있어서, 복수의 이차 전지 중 적어도 일부는, 상호 간 표면이 대면 접촉하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 이차 전지 각각은, 넓은 표면인 좌측면과 우측면, 즉 전극 조립체가 수납되는 내부 공간의 외측면이 서로 접촉되는 형태로 배치될 수 있다.
종래 배터리 모듈의 경우, 냉각을 위해 이차 전지 사이에는 알루미늄 등의 금속 재질로 이루어진 판상형 냉각 부재가 개재되는 경우가 많다. 하지만, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈의 경우, 이차 전지에서 생성된 열은 이차 전지의 실링부(S) 부분에서 이차 전지와 직접 접촉하는 카트리지로 직접 전달되어 배출될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 이차 전지 사이에 냉각 부재가 개재되지 않고, 상기 실시예와 같이 이차 전지가 서로 직접 접촉하도록 구성될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 냉각 부재가 차지하는 공간을 줄여 배터리 모듈의 소형화를 달성하는데 용이하고, 배터리 모듈의 구조가 보다 간소화될 수 있으며, 제조 비용 및 시간 등이 감소될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에서, 카트리지와 이차 전지 사이를 접착 고정시키기 위한 접착제로, 다양한 종류의 접착제가 이용될 수 있다.
특히, 상기 접착제는, 열전도성 접착제일 수 있다. 이러한 열전도성 접착제의 경우, 일반적인 접착제에 비해, 열전도율이 높기 때문에, 이차 전지와 카트리지 사이에서 열 전달량 및 열 전달속도 등을 더욱 높일 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지를 통한 이차 전지의 열 배출 성능을 보다 향상시켜, 배터리 모듈의 냉각 성능이 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
100: 이차 전지
101: 전극 리드
200: 카트리지
201: 체결홈
300: 하우징
301: 어퍼 하우징
302: 로워 하우징
310: 체결 돌기
320: 버스바
330: 커넥터 단자
340: 모듈 단자

Claims (17)

  1. 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수의 파우치형 이차 전지;
    사각 링 형태로 형성되며, 내부 공간에 상기 파우치형 이차 전지를 수용하고, 좌측면과 우측면에 상호 대응되는 형태로 요철 구조가 형성되어 좌우 방향으로 상호 적층된 복수의 카트리지; 및
    상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나의 측면에 구비되어, 둘 이상의 카트리지와 체결 고정되는 하우징
    을 포함하며,
    상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측 중 적어도 하나에는, 상기 파우치형 이차 전지의 전극 리드가 구비되고,
    상기 하우징은, 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측의 측면 상부에 각각 체결 고정되는 2개의 어퍼 하우징 및 상기 카트리지의 전단 측 및 후단 측의 측면 하부에 각각 체결 고정되는 2개의 로워 하우징을 구비하며,
    상기 하우징은 상기 카트리지와 결합하는 내측에 내측 방향으로 돌출된 형태의 체결 돌기가 형성되고, 상기 복수의 카트리지 중 적어도 둘 이상의 카트리지는 상기 체결 돌기에 대응되는 형태로 외측에 체결홈이 형성되어, 상기 체결 돌기가 상기 체결홈에 삽입됨으로써, 상기 하우징이 상기 카트리지와 체결 고정되고,
    상기 체결 돌기는 상기 카트리지에 가까워질수록 두껍게 형성된 부분을 구비하고, 상기 체결홈은 내측에 가까워질수록 두껍게 형성된 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼 하우징과 상기 로워 하우징은, 상호 후크 체결 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼 하우징과 상기 로워 하우징은 상하 방향으로 결합홀이 형성되어, 상기 결합홀에 동일한 결합 부재가 삽입된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 체결 돌기와 상기 체결홈은, 상하 방향으로 슬라이딩 결합 가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 카트리지 중 적어도 둘 이상의 카트리지는, 상단과 하단 모두에서 상하 방향 소정 깊이까지 상기 체결홈이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 카트리지 중 적어도 일부 카트리지는, 전단 측 또는 후단 측에 상기 체결홈이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    전단 측에 체결홈이 형성된 카트리지와 후단 측에 체결홈이 형성된 카트리지가 좌우 방향으로 교호적으로 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은, 내측에 위치하여 상기 전극 리드와 전기적으로 접촉되는 버스바, 및 외측에 돌출된 형태로 형성되어 상기 버스바에 전기적으로 연결된 모듈 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 파우치형 이차 전지의 전압을 센싱하여 센싱된 정보를 외부로 전달하는 커넥터 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 파우치형 이차 전지는, 적어도 일부분이 상기 카트리지와 접착제에 의해 접착 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    인접하는 2개의 파우치형 이차 전지가 1개의 카트리지에 접착 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 적어도 일부분이 열전도성 고분자를 포함하거나, 또는 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제1항, 제3항, 제4항, 제6항 내지 제9항, 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  17. 제1항, 제3항, 제4항, 제6항 내지 제9항, 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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