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KR102127273B1 - 보강 지지부재를 포함하고 있는 전지팩 - Google Patents

보강 지지부재를 포함하고 있는 전지팩 Download PDF

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KR102127273B1
KR102127273B1 KR1020150154836A KR20150154836A KR102127273B1 KR 102127273 B1 KR102127273 B1 KR 102127273B1 KR 1020150154836 A KR1020150154836 A KR 1020150154836A KR 20150154836 A KR20150154836 A KR 20150154836A KR 102127273 B1 KR102127273 B1 KR 102127273B1
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KR
South Korea
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battery pack
base plate
battery
battery module
cover member
Prior art date
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KR1020150154836A
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정준희
김민성
이윤희
이학준
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주식회사 엘지화학
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Publication date
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Priority to US15/750,771 priority patent/US10529967B2/en
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Abstract

본 발명은 각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈 어셈블리들이 소정의 간격을 두고 서로 이격된 상태로 일면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 상기 전지모듈 어셈블리들을 내장한 상태로 베이스 플레이트의 일면에서 결합된 커버(cover) 부재; 및 상기 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 지지하면서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하는 보강 지지부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

보강 지지부재를 포함하고 있는 전지팩 {Battery Pack Having Support Member for Improved Strength}
본 발명은 보강 지지부재를 포함하고 있는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 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.
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 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 이차전지가 자동차의 동력원으로 이용되는 경우, 상기 이차전지는 다수의 전지모듈 내지 전지모듈 어셈블리를 포함하는 전지팩의 형태로 이용된다.
이러한 경우에, 상기 전지팩이 자동차와 같은 다양한 환경에 노출되는 디바이스 또는 시스템의 동력원으로 사용되기 위해서는 다양한 환경에 따른 외부 충격과 같은 자극에 대해, 구조적 안정성을 유지하고, 다양한 습도 및 온도에서 전지팩의 안전성을 확보할 수 있어야 한다.
이에 따라, 자동차의 동력원으로서 이용되는 일부 전지팩은 탑재 공간을 용이하게 확보하고, 외부의 충격, 습도와 같은 다양한 요인에 의한 자극을 감소시킬 수 있도록, 차량의 트렁크 내지 좌석의 일부와 같은 내부 공간에 탑재된다.
그러나, 이러한 차량용 전지팩은 큰 부피로 인해, 상기 내부 공간에 큰 부분을 차지하게 되며, 상대적으로, 트렁크 공간을 충분히 활용할 수 없게 되거나, 자동차의 좌석을 줄일 수 밖에 없는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 베이스 플레이트(base plate)에 대해 커버(cover) 부재의 장착 상태를 지지하면서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하는 보강 지지부재를 포함하도록 구성함으로써, 전지팩의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 외부 디바이스의 탑재 공간에 대한 제약을 없애거나 줄임으로써, 다양한 부위에 탑재되어, 외부 디바이스의 내부 공간에 대한 활용도를 높일 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈 어셈블리들이 소정의 간격을 두고 서로 이격된 상태로 일면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate);
상기 전지모듈 어셈블리들을 내장한 상태로 베이스 플레이트의 일면에서 결합된 커버(cover) 부재; 및
상기 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 지지하면서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하는 보강 지지부재;
를 포함하는 구조일 수 있다.
만일, 상기 구조에서, 전지모듈 어셈블리들 사이에 보강 지지부재가 위치하지 않을 경우, 각 전지모듈 어셈블리들은 다양한 구동 환경에서 전지팩에 인가되는 외력에 의해, 상대적으로 서로 상이한 방향으로 유동할 수 있으며, 이에 따라, 각 전지모듈 어셈블리들 사이의 베이스 플레이트 부위 및 커버 부재 부위에 균열이 발생할 수 있으며, 전지팩의 전체적인 구조적 안정성이 저하될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 전지팩은 베이스 플레이트(base plate)와 커버(cover) 부재 사이에서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하는 보강 지지부재에 의해, 전지팩의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 외부 디바이스의 탑재 공간에 대한 제약을 없애거나 줄임으로써, 다양한 부위에 탑재되어, 외부 디바이스의 내부 공간에 대한 활용도를 높일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 각각의 전지모듈 어셈블리는 일측 외주변의 길이가 나머지 외주변의 길이에 비해 상대적으로 큰 직육면체 구조로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 각각의 전지모듈 어셈블리는 복수의 전지셀들이 배열되어 형성되며, 이러한 경우에, 상기 전지모듈 어셈블리는 전지셀들의 전기적 연결 구조 형성의 용이성, 차량의 제한된 탑재 공간에 대한 적용의 용이성 등을 고려하여, 직육면체 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전지모듈 어셈블리들은 상대적으로 큰 크기로 이루어진 외주변이 서로 대면하는 상태로 베이스 플레이트 상에 탑재되어 있는 구조일 수 있다.
그러나, 상기 전지모듈 어셈블리들의 탑재 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 전지모듈 어셈블리들은 전지팩의 탑재 위치 및 탑재 공간의 형상에 따라, 다양한 구조로 베이스 플레이트 상에 탑재 및 배열될 수 있다.
한편, 상기 전지모듈 어셈블리들의 상호 이격 거리는 보강 지지부재의 폭에 대해 150% 내지 500%의 크기일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 보강 지지부재는 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 지지하면서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하며, 상기 전지모듈 어셈블리들의 상호 이격 거리가 보강 지지부재의 폭에 대해 소정의 크기로 형성됨으로써, 상기 보강 지지부재가 위치하는 부위에는 소정의 공간이 형성될 수 있다.
따라서, 상기 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에는 보강 지지부재 이외에, 전지모듈들 또는 전지모듈 어셈블리들을 전기적으로 연결하기 위한 전기적 연결 부재들이 수납될 수 있는 충분한 공간이 제공될 수 있다.
만일, 상기 전지모듈 어셈블리들의 상호 이격 거리가 보강 지지부재의 폭에 대해 150% 미만의 크기일 경우에는, 상기 전기적 연결 부재들이 수납되기 위한 공간이 충분히 확보될 수 없으며, 이와 반대로, 500%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 거리가 지나치게 커져, 보강 지지부재에 의한 지지에도 불구하고, 전지모듈 어셈블리들의 상대적 유동을 억제할 수 없으며, 이에 따라, 전지팩의 구조적 안정성을 확보할 수 없다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 베이스 플레이트에는, 전지모듈 어셈블리들이 탑재되는 부위가 구획되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 구획 공간이 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 이러한 경우에, 상기 베이스 플레이트의 구획 공간에는 보강 지지부재가 위치하는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 구획 공간은 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에서, 전지모듈 어셈블리들의 탑재 부위들을 상호 구분하고, 전지팩 내에 탑재되어 있는 각 전지모듈 어셈블리들의 유동을 억제함으로써, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
이러한 경우에, 상기 구획 공간은 상기 효과를 보다 효과적으로 발휘할 수 있도록, 베이스 플레이트로부터 소정의 높이로 돌출된 격벽에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 커버 부재는 내주면이 전지모듈 어셈블리 집합체의 외주면에 대응하는 구조로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
여기서, 전지모듈 어셈블리 집합체의 용어는 베이스 플레이트 상에 탑재되는 구조로 배열된 전지모듈 어셈블리들을 의미한다.
따라서, 상기 전지팩이 차량에 탑재되는 경우, 소요되는 공간을 최소화할 수 있다.
이때, 상기 커버 부재는, 전지모듈 어셈블리들이 구분되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 공간에 대응하는 부위가 내측으로 만입된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 각 전지모듈 어셈블리들은 커버 부재에 의해 안정적으로 고정 및 유지되며, 이에 따라, 전지팩 내에서의 유동을 억제함으로써, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 보강 지지부재는 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에서, 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 지지하므로, 상기 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 공간에 대응하는 부위가 내측으로 만입된 커버 부재의 구조로 인해, 보강 지지부재의 크기가 불필요하게 커질 필요가 없으며, 이에 따라, 상기 보강 지지부재의 제작에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.
또한, 상기 전지팩이 불규칙한 형상을 갖는 차량의 프레임 하면과 같은 부위에 탑재되는 경우, 상기 전지팩을 장착 및 고정하기 위한 차량의 프레임이 상기 커버 부재의 만입된 공간에 위치할 수 있으므로, 보다 다양한 외면 형상을 갖는 탑재 부위에 장착되어, 안정적으로 전지팩의 장착 상태를 고정 및 유지할 수 있다.
여기서, 상기 커버 부재는 이러한 효과를 최대화할 수 있도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 공간 뿐만 아니라, 다양한 외면 형상을 갖는 탑재 부위에 대응하여, 보다 다양한 부위가 내측으로 더 만입된 구조일 수도 있음은 물론이다.
한편, 상기 보강 지지부재는 적어도 둘 이상의 지지부들 사이에 커넥트 빔(connect beam)이 연결된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 보강 지지부재는 상대적으로 경량화된 무게 및 콤팩트한 크기로서, 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 안정적으로 지지할 수 있다.
이때, 상기 지지부들 및 커넥트 빔은 구조적 안정성을 보다 향상시킬 수 있도록, 일체형 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 지지부들 사이에 연결된 커넥트 빔의 길이는 보강 지지부재의 전체 길이에 대해 10% 내지 30%의 크기로 이루어진 구조일 수 있다.
만일, 상기 지지부들 사이에 연결된 커넥트 빔의 길이가 보강 지지부재의 전체 길이에 대해 10% 미만의 크기로 이루어질 경우, 상기 보강 지지부재가 소망하는 지지력을 발휘하기 위해 요구되는 강도에 비해, 무게 및/또는 크기가 증가할 수 있다.
이와 반대로, 상기 지지부들 사이에 연결된 커넥트 빔의 길이가 보강 지지부재의 전체 길이에 대해 30%를 초과하는 경우에는, 상기 지지부들 사이의 거리가 지나치게 멀어져, 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 안정적으로 지지하지 못할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 각각의 지지부는 수평 단면 형상이 원형, 사각형, 삼각형, 또는 다각형 구조인 기둥 형상으로 이루어질 수 있으며, 더욱 상세하게는, 외력이 균일하게 분산될 수 있도록, 수평 단면 형상이 원형 구조인 기둥 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상기 보강 지지부재는 서로 대향하는 지지부의 양면이 각각 커버 부재의 만입된 내주면 부위 및 베이스 플레이트 상의 전지셀 어셈블리들의 이격 부위에 대면하여 결합되는 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 보강 지지부재는 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 지지하면서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하며, 이때, 상기 커버 부재는, 전지모듈 어셈블리들이 구분되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 공간에 대응하는 부위가 내측으로 만입된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 보강 지지부재는 기둥 형상으로 이루어진 지지부의 서로 대향하는 양면이 각각 커버 부재의 만입된 내주면 부위 및 베이스 플레이트 상의 전지셀 어셈블리들의 이격 부위에 대면하여 결합됨으로써, 안정적으로, 상기 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 지지할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 지지부는 커버 부재 및 베이스 플레이트에 대면하여 결합되는 양면에 체결구가 결합되는 체결공이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 지지부는 양면에 대면하는 커버 부재 및 베이스 플레이트와 각각 체결구에 의해 결합되는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 체결공은, 보강 지지부재를 보다 경량화시킬 수 있도록, 지지부의 서로 대향하는 양면을 관통하는 구조로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 지지부의 체결공에 대응되는 커버 부재 및 베이스 플레이트의 부위에는 각각 관통구가 형성되어 있고, 상기 체결구는 커버 부재 또는 베이스 플레이트로부터 이에 대향하는 방향으로 관통구 및 체결공을 통해 삽입 및 결합되는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 보강 지지부재의 지지부는 하나의 체결구에 의해, 커버 부재 및 베이스 플레이트와 동시에 결합되는 구조일 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지팩의 구성이 보다 간소화될 수 있다.
한편, 상기 지지부는 베이스 플레이트 및 커버 부재에 대면하여 결합되는 양면 부위에 수밀용 가스켓이 개재되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 지지부가 베이스 플레이트 및 커버 부재와 대면하여 결합되는 부위를 통해, 외부로부터 수분 및 오물이 유입되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
이때, 상기 수밀용 가스켓은 지지부의 체결공에 대응되는 부위가 관통되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 베이스 플레이트 및 커버 부재와 지지부를 결합하는 체결구는 수밀용 가스켓의 간섭 없이, 용이하게 체결될 수 있으며, 상기 체결구의 외주면과 베이스 플레이트 및 커버 부재의 관통구의 내주면 사이를 통해, 외부로부터 수분 및 오물이 유입되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 수밀용 가스켓의 소재는 지지부와 베이스 플레이트 및 커버 부재 사이에 개재되어 소정의 밀봉력과 수분 및 오물 침투 방지 효과를 발휘할 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 합성 고무, 천연 고무, 실리콘, 및 PVC(Polyvinyl Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 합성 고무는 스티렌-부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프리필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오로계 고무, 우레탄 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩을 이루는 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 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 분리막 및 분리필름은 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.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 고에너지 밀도의 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 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 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 베이스 플레이트(base plate)에 대해 커버(cover) 부재의 장착 상태를 지지하면서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하는 보강 지지부재를 포함하도록 구성함으로써, 전지팩의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 외부 디바이스의 탑재 공간에 대한 제약을 없애거나 줄임으로써, 다양한 부위에 탑재되어, 외부 디바이스의 내부 공간에 대한 활용도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도이다;
도 2는 도 1의 보강 지지부재가 장착된 베이스 플레이트의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다;
도 3은 도 1의 보강 지지부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 1의 전지팩의 측면 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 베이스 플레이트(110), 커버 부재(120) 및 2개의 보강 지지부재들(131, 132)을 포함하고 있다.
베이스 플레이트(110)는 3개의 전지모듈 어셈블리들이 소정의 간격을 두고 서로 이격된 상태로 탑재될 수 있도록, 전체적으로 상면이 하면 방향으로 만입된 판상형 구조로 이루어져 있다.
전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에는 2개의 보강 지지부재들(131, 132)이 위치할 수 있는 구획 공간들(111, 112)이 베이스 플레이트(110)로부터 커버 부재(120) 방향으로 소정의 높이로 돌출된 격벽 구조로 형성되어 있다.
따라서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에서, 전지모듈들의 탑재 부위들(114, 115, 116)은 구획 공간들(111, 112)에 의해 상호 구분되며, 이에 따라, 전지팩(100) 내에 탑재되는 각 전지모듈 어셈블리들의 유동이 억제됨으로써, 구조적 안정성이 향상될 수 있다.
구획 공간들(111, 112)에는 보강 지지부재들(131, 132)의 지지부와 대응되는 부위에 체결구가 삽입 및 결합될 수 있도록, 관통구(113)가 형성되어 있다.
커버 부재(120)는 내주면이 전지모듈 어셈블리 집합체의 외주면에 대응하는 구조로서, 각 전지모듈 어셈블리들이 구분되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 대응하는 부위들(121, 122)이 내측으로 만입된 구조로 이루어져 있다.
커버 부재(120)는 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 대응하는 부위들(121, 122) 이외에, 다양한 외면 형상을 갖는 외부 디바이스의 탑재 부위에 대응하여, 양측에 위치하는 전지모듈 어셈블리의 상면에 대응하는 부위에 추가로 더 만입된 부위들(123, 124)을 포함하고 있다.
따라서, 전지팩(100)은 차량의 프레임 하면과 같이 다양한 형상을 갖는 부위에 안정적으로 탑재되어 고정될 수 있다.
커버 부재(120)는 중앙 부위에 위치하는 전지모듈 어셈블리의 상면을 덮는 부위에서 외부 디바이스의 전지팩(100) 탑재 부위에 대응하는 구조로 형성된 경사부(125)를 포함하고 있다.
이에 따라, 커버 부재(120)의 경사부(125)는 외부 디바이스의 전지팩(100) 탑재 부위에 대응하는 구조로 전지팩의 외형을 구성하는 동시에, 중앙 부위에 위치하는 전지모듈 어셈블리의 상면에 BMS 등의 전기적 연결 장치 및 안전 장치들이 탑재될 수 있는 공간을 제공할 수 있다.
커버 부재(120)의 경사부(125)에는 전지모듈 어셈블리의 상면에 탑재되는 전기적 연결 장치 및 안전 장치들에 대응되는 부위에 홀들(126, 127)이 형성되어 있다.
따라서, 상기 전기적 연결 장치 및 안전 장치들에 대한 수리 내지 검사 시에, 전지팩(100)을 완전히 분해하지 않고도, 커버 부재(120)의 경사부(125)에 형성된 홀들(126, 127)을 통해, 보다 용이하게 상기 수리 내지 검사를 수행할 수 있다.
2개의 보강 지지부재들(131, 132)은 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 형성된 베이스 플레이트(110)의 구획 공간들(111, 112)에 각각 위치하며, 베이스 플레이트(110) 및 커버 부재(120)와 대면하여 결합됨으로써, 베이스 플레이트(110)에 대해 커버 부재(120)의 장착 상태를 안정적으로 지지할 수 있다.
도 2에는 도 1의 보강 지지부재가 장착된 베이스 플레이트의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 베이스 플레이트(110)의 상면에는 3개의 전지모듈 어셈블리 탑재 부위들(114, 115, 116)이 형성되어 있으며, 각 전지모듈 어셈블리 탑재 부위들(114, 115, 116) 사이의 이격 부위에는 보강 지지부재들(131, 132)이 위치하여 장착되는 구획 공간들(111, 112)이 형성되어 있다.
전지모듈 어셈블리 탑재 부위들(114, 115, 116)은 직육면체 구조로 형성되어 있는 전지모듈 어셈블리를 탑재할 수 있도록, 일측 외주변의 길이(211)가 이에 인접한 타측 외주변의 길이(212)에 비해 상대적으로 큰 구조로 이루어져 있다.
전지모듈 어셈블리 탑재 부위들(114, 115, 116)에는 강성을 보강할 수 있도록, 전지모듈 어셈블리 탑재 방향으로 볼록하게 돌출된 보강 빔(118)이 다수 형성되어 있다.
구획 공간들(111, 112)의 폭(222)은 보강 지지부재들(131, 132)의 폭(221)에 대해 약 200%의 크기로 이루어져 있다.
따라서, 전지모듈 어셈블리 탑재 부위들(114, 115, 116) 사이의 구획 공간들(111, 112)에는 보강 지지부재들(131, 132) 이외에, 전지모듈들 또는 전지모듈 어셈블리들을 전기적으로 연결하기 위한 전기적 연결 부재들이 용이하게 수납될 수 있다.
베이스 플레이트(110)의 외주변에는 외부 디바이스에 대한 장착을 위한 체결공(119)이 다수 형성되어 있으며, 두 개의 모서리 부위에는 외부 디바이스의 전지팩 탑재 부위 형상에 대응하여, 경사부들(117a, 117b)이 각각 형성되어 있다.
도 3에는 도 1의 보강 지지부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 보강 지지부재(131)는 지지부들(131a) 사이에 커넥트 빔(131b)이 연속적으로 연결되어 있는 구조로서, 지지부들(131a) 및 커넥트 빔(131b)은 일체형 구조로 이루어져 있다.
지지부(131a)는 서로 대향하는 양면이 각각 커버 부재의 만입된 내주면 부위 및 베이스 플레이트 상의 전지셀 어셈블리들 사이의 구획 공간에 대면하여 결합되는 원통형 구조로 이루어져 있다.
커버 부재 및 베이스 플레이트에 대면하여 결합되는 지지부(131a)의 양면에는 체결구가 결합되는 체결공(131d)이 관통 구조로 형성되어 있다.
지지부(131a)의 양면 부위에는 커버 부재 및 베이스 플레이트와의 사이에 개재되는 수밀용 가스켓(131c)이 위치한다.
수밀용 가스켓(131c)은 지지부(131a)의 수평 단면 형상과 동일한 원형으로 이루어져 있으며, 지지부(131a)의 체결공(131d)에 대응되는 부위가 관통되어 있는 구조로 이루어져 있다.
지지부들(131a) 사이에 연결된 커넥트 빔(131b)의 길이(L1)는 보강 지지부재(131)의 전체 길이(L2)에 대해 약 10%의 크기로 이루어져 있다.
도 4에는 도 1의 전지팩의 측면 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 커버 부재(120) 및 베이스 플레이트(110)와 대면하는 보강 지지부재(131)의 지지부(131a) 양면에는 수밀성 가스켓(131c)이 장착되는 가스켓 장착 홈(431)이 지지부(131a)의 체결공 주위에 연속적으로 형성되어 있다.
수밀성 가스켓(131c)은 가스켓 장착 홈(431)에 장착된 상태에서, 지지부(131a)의 양면로부터 소정의 높이로 돌출되어 있으며, 소정의 탄성력을 발휘하므로, 커버 부재(120) 및 베이스 플레이트(110)와의 사이에서, 소망하는 밀봉력을 발휘할 수 있다.
보강 지지부재(131)의 지지부(131a)의 체결공(131d)은 관통 구조로서, 내면에 나사 구조의 홈(436)이 형성되어 있다.
보강 지지부재(131)의 지지부(131a)의 체결공(131d)에 대응되는 커버 부재(120) 및 베이스 플레이트(110)의 부위에는 각각 관통구들(432, 433)이 각각 형성되어 있다.
따라서, 하나의 체결구(434)는 베이스 플레이트(110)로부터 이에 대향하는 커버 부재(120) 방향으로 관통구들(432, 433) 및 체결공(131d)을 통해 나사 구조로 삽입 및 결합되며, 이에 따라, 베이스 플레이트(110), 보강 지지부재(131) 및 커버 부재(120)가 안정적으로 결합 및 유지될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (23)

  1. 각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈 어셈블리들이 소정의 간격을 두고 서로 이격된 상태로 일면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate)(110);
    상기 전지모듈 어셈블리들을 내장한 상태로 베이스 플레이트의 일면에서 결합된 커버(cover) 부재(120); 및
    상기 베이스 플레이트에 대해 커버 부재의 장착 상태를 지지하면서, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 위치하는 보강 지지부재(131, 132); 를 포함하고,
    상기 보강 지지부재는, 적어도 둘 이상의 지지부들(131a) 사이에 커넥트 빔(connect beam)(131b)이 연결된 구조로 이루어지며,
    상기 커넥트 빔은 상기 지지부들의 중심을 서로 연결하고, 상기 지지부들과 상기 커넥트 빔은 상기 베이스 플레이트(110)의 측면과 이격되고,
    상기 커넥트 빔과 상기 베이스 플레이트 사이 및 상기 커넥트 빔과 상기 커버 부재 사이에는 공간이 형성되는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 전지모듈 어셈블리는 일측 외주변의 길이가 나머지 외주변의 길이에 비해 상대적으로 큰 직육면체 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리들은 상대적으로 큰 크기로 이루어진 외주변이 서로 대면하는 상태로 베이스 플레이트(110) 상에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리들의 상호 이격 거리는 보강 지지부재(131, 132)의 폭에 대해 150% 내지 500%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트(110)에는, 전지모듈 어셈블리들이 탑재되는 부위가 구획되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 부위에 구획 공간(111, 112)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트(110)의 구획 공간(111, 112)에 보강 지지부재(131, 132)가 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 커버 부재(120)는 내주면이 전지모듈 어셈블리 집합체의 외주면에 대응하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 커버 부재(120)는, 전지모듈 어셈블리들이 구분되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 공간에 대응하는 부위가 내측으로 만입된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부들(131a) 및 커넥트 빔(131b)은 일체형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부들 사이에 연결된 커넥트 빔의 길이는 보강 지지부재의 전체 길이에 대해 10% 내지 30%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 각각의 지지부(131a)는 수평 단면 형상이 원형, 사각형, 삼각형, 또는 다각형 구조인 기둥 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 보강 지지부재(131, 132)는 서로 대향하는 지지부의 양면이 각각 커버 부재(120)의 만입된 내주면 부위 및 베이스 플레이트(110) 상의 전지모듈 어셈블리들의 이격 부위에 대면하여 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 지지부(131a)는 커버 부재(120) 및 베이스 플레이트(110)에 대면하여 결합되는 양면에 체결구가 결합되는 체결공(131d)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 체결공(131d)은 지지부의 서로 대향하는 양면을 관통하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 지지부의 체결공(131d)에 대응되는 커버 부재 및 베이스 플레이트의 부위에는 각각 관통구가 형성되어 있고, 상기 체결구는 커버 부재 또는 베이스 플레이트로부터 이에 대향하는 방향으로 관통구 및 체결공을 통해 삽입 및 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 지지부(131a)는 베이스 플레이트(110) 및 커버 부재(120)에 대면하여 결합되는 양면 부위에 수밀용 가스켓(131c)이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 수밀용 가스켓(131c)은 지지부의 체결공(131d)에 대응되는 부위가 관통되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 수밀용 가스켓(131c)의 소재는 합성 고무, 천연 고무, 실리콘, 및 PVC(Polyvinyl Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 합성고무는 스티렌-부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프리필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오로계 고무, 우레탄 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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