KR20080034220A - 콤팩트한 체결구조의 전지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지모듈로서, 충방전이 가능한 이차전지 셀 또는 이를 포함하는 것으로 구성된 모듈 단위체 다수 개로 이루어진 충방전 적층체가 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스에 의해 내장되어 있는 전지모듈로서, 하부 모듈 케이스에는 상하 양방향으로 결합을 이룰 수 있는 결합부들(상부 결합부 및 하부 결합부)을 포함하는 체결구조가 설치되어 있고, 상부 모듈 케이스에는 상기 체결구조의 상부 결합부와 연통되는 체결홈이 형성되는 것으로 구성되어 있는 전지모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀의 낮은 강성을 보완하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 기계적 체결을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 체결구조에 의해 차량의 내부 프레임 또는 차량 내부에 고정되어 있는 별도의 프레임에 장착됨으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 차량 주행시 진동이 발생하는 경우에 전지모듈을 안전하게 보호할 뿐만 아니라, 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량의 중대형 전지시스템을 콤팩트하며 용이하게 제조할 수 있다.

Description

콤팩트한 체결구조의 전지모듈 {Battery Module of Compact Joint Structure}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;

도 2 내지 4는 도 1의 평면도, 정면도 및 저면도이다;

도 5는 도 1의 도면에서 체결구조를 확대한 A-A' 부분의 단면도이다.

본 발명은 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전이 가능한 이차전지 셀 또는 이를 포함하는 것으로 구성된 모듈 단위체 다수 개로 이루어진 충방전 적층체가 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스에 의해 내장되어 있는 전지모듈로서, 하부 모듈 케이스에는 상하 양방향으로 결합을 이룰 수 있는 결합부들(상부 결합부 및 하부 결합부)을 포함하는 체결구조가 설치되어 있고, 상부 모듈 케이스에는 상기 체결구조의 상부 결합부와 연통되는 체결홈이 형성되는 것으로 구성되어 있는 전지모듈에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

그러나, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들을 중대형 전지모듈 케이스에 적재하고 이를 차량의 차체 프레임과 같은 탑재부재와 기계적 체결을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결을 위한 다수의 부재들의 결합을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 앞서 설명한 바와 같은 측면에서 바람직하지 않으며, 보다 콤팩트하고 구조적 안정성이 우수한 체결구조를 가지는 중대형 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.

따라서, 단위모듈들을 내장하면서 차량의 소정부위에 장착하기 위한 중대형 전지모듈 탑재 프레임의 체결 구조에 관한 기술이 일부 개시되어 있다.

예를 들어, 일본 등록특허 제3324182호는 복수의 배터리가 수납되는 격자타입으로 형성된 배터리 프레임을 차량의 플로어 판넬의 하면에 설치하기 위하여, 하면으로부터 삽입되는 볼트가 가이드 튜브 및 너트 플레이트에 체결되는 배터리 탑재 프레임의 체결구조를 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술은 배터리 프레임의 일측면에만 체결구조가 형성되고, 배터리 프레임과 배터리 사이에 이격된 공간이 있어서 차량의 진동과 같은 충격이 인가될 때 구조적으로 안정적이지 못하고, 체결구조가 다수의 체결부재들로 구성되어 있어서 제조비용이 많이 들고 차량의 플로어 판넬에 장착하기 위한 조립작업이 용이하지 못한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 전지모듈을 차량의 소정부위에 결합하여 고정함에 있어서, 체결부위의 구조가 외부로 드러나지 않고, 구조적 안정성이 확보되며 차량 장착작업이 용이한 체결 구조로 구성되어 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 체결을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 전지모듈을 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추 고, 작업시 또는 작동시 전지모듈 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 충방전이 가능한 이차전지 셀 또는 이를 포함하는 것으로 구성된 모듈 단위체 다수 개로 이루어진 충방전 적층체가 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스에 의해 내장되어 있는 전지모듈로서, 하부 모듈 케이스에는 상하 양방향으로 결합을 이룰 수 있는 결합부들(상부 결합부 및 하부 결합부)을 포함하는 체결구조가 설치되어 있고, 상부 모듈 케이스에는 상기 체결구조의 상부 결합부와 연통되는 체결홈이 형성되는 것으로 구성되어 있다.

상기 전지모듈은 전지셀 또는 단위모듈들을 하부 모듈 케이스에 적재한 후 상부 모듈케이스를 덮어 씌우는 구조로서, 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스의 체결과 특정 부위에 대한 체결이 한 곳의 체결 구조에서 동시에 달성된다. 따라서, 기존의 체결구조가 전지모듈 케이스로부터 돌출되어 있는 것에 비해 전지모듈의 전체 크기가 감소하고 또 다른 전지모듈을 인접하여 위치시키기가 용이하여 보다 콤팩트하고 안정적인 구조를 이룰 수 있다.

본 발명의 전지모듈에 있어서, 상기 상하부 결합부들은 다양한 구조로 형성될 수 있는 바, 상하부 결합부들 각각이 암나사 구조로 이루어져 있고, 상부 모듈 케이스의 체결홈을 통해 수나사 구조의 체결부재를 삽입하여 체결구조의 상부 결합 부에 체결함으로써, 상하부 모듈 케이스들을 상호 결합시키는 구조일 수 있다. 이러한 체결방식에 의해 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스의 결합을 더욱 공고히 할 수 있다.

이러한 체결구조의 구체적인 예로는 상하부 결합부들이 각각 암나사 구조로 이루어진 인서트 너트를 들 수 있으며, 상부 모듈 케이스의 체결구를 관통한 수나사 구조의 체결부재가 상부로부터 삽입되어 인서트 너트의 상부 결합부와 체결됨으로써 상하부 모듈케이스를 상호 결합시키고, 탑재부재를 관통한 수나사 구조의 체결부재가 인서트 너트의 하부 결합부와 체결됨으로써 전지모듈을 소정의 부위(예를 들어, 탑재부재) 상에 고정할 수 있다.

상기 인서트 너트는 다양한 방식으로 해당 부위에 설치될 수 있는 바, 예를 들어, 하부 모듈 케이스의 성형시 함께 성형하거나, 하부 모듈 케이스에 장착용 관통구를 천공한 후 삽입하여 설치될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 인서트 너트의 상단이 하단보다 큰 외경으로 이루어져 있어서, 차량의 진동과 같은 외력이 전지모듈에 인가되는 경우에도 인서트 너트가 하부 모듈 케이스의 하부로 탈리되는 것을 방지할 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 인서트 너트의 상단은 하부 모듈 케이스의 상단면으로부터 만입되어 있고, 더욱 바람직하게는, 하부 모듈 케이스의 상기 만입형 구조에 대응하여 상부 모듈 케이스의 대응 부위가 돌출형 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 구조에 의해, 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스 상호간의 결합력을 더욱 공고히 할 수 있고, 전지모듈의 측면 방향으로 인가되는 외력에 대해 결합의 안 정성을 더욱 높일 수 있다. 또한, 이러한 만입-돌출형 구조는 조립 과정에서 상하부 모듈 케이스들의 결합 위치를 용이하게 설정할 수 있도록 도와 준다.

상기 인서트 너트는 소정의 강도를 가지는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 금속 소재, 고강도 플라스틱 수지 또는 플라스틱 복합체 등이 사용될 수 있다. 이러한 소재로 이루어진 인서트 너트는 그 자체로서 높은 강도를 발휘하므로, 외부로부터 충격이 전지모듈에 인가되었을 때에도 파열 또는 파손을 방지할 수 있다.

상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스를 상호 체결하는 상기 체결구조는 모듈 케이스의 설계 구조 등에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있지만, 모듈 케이스의 외주면 모서리 부근에 각각 설치되어 있는 구조가 구조적 안정성 측면에서 더욱 바람직하다. 예를 들어, 전지모듈이 대략 직육면체 형상인 경우, 상기 체결구조는 모듈 케이스의 외주면 4 모서리 부근에 설치되어 있어서, 모듈 케이스 내부에 적재되어 있는 단위모듈 적층체를 안전하게 보호하고 탑재부재와의 체결 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스의 접촉 경계면이 서로 맞물리는 단차 구조로 이루어져 있어서, 전지모듈의 측면방향으로 외력이 인가될 때 상부 모듈 케이스가 하부 모듈 케이스로부터 이탈되는 가능성을 감소시킬 수 있으며, 상하부 모듈 케이스 상호간의 결합성을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 이러한 단차 구조는 앞서 설명한 만입-돌출형 구조와 유사한 효과를 발휘한다.

본 발명은 또한 상기 전지모듈을 다수 개 연결하여 소정의 부재('탑재부재') 상에 설치되는 고출력 대용량의 중대형 전지 시스템을 제공한다.

상기 전지모듈의 체결구조의 하부 결합부에 대응하는 위치에서, 탑재부재에는 체결용 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구의 하부를 통해 삽입된 체결부재에 의해 탑재부재에 대한 전지모듈의 결합이 달성될 수 있다.

구체적으로, 상기 전지모듈을 소정의 장착 위치에 체결하기 위하여 탑재부재에 수나사와 같은 체결부재를 삽입하기 위하여 하부 모듈 케이스의 하부 결합부에 대면하는 위치에 관통구가 형성되어 있고, 상기 체결부재는 탑재부재의 관통구를 통과하여 상기 하부 결합부의 암나사 구조로 형성되어 있는 인서트 너트 하단부에 삽입됨으로써 전지모듈과 탑재부재의 결합이 안정적으로 이루어진다.

또한, 상기 탑재부재는 전지모듈 장착을 필요로 하는 디바이스이면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 차량의 내부 프레임 또는 상기 차량 내부 프레임에 고정되어 있는 별도의 프레임일 수 있다.

본 발명에 따른 중대형 전지시스템은 소망하는 출력 및 용량에 따라 전지모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등에 바람직하게 사용될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2 내지 도 4에는 상기 전지모듈의 평면도, 정면도 및 저면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈(100)은, 다수의 전지셀 또는 단위모듈들(200), 이들이 탑재되는 상부 모듈 케이스(140)와 하부 모듈 케이스(150), 및 상하부 모듈 케이스를 체결하기 위한 상부 체결용 관통구(120)와 하부 체결용 관통구(122)로 구성되어 있다.

상부 모듈 케이스(140)의 일 측면에는 전극단자들(130)이 돌출되어 있고, 내부에 장착되는 단위모듈들(200)의 길이 방향으로 다수의 슬릿들(110)이 상면에 형성되어 있다. 이러한 슬릿들(110)은 하부 모듈 케이스(150)의 저면에도 동일하게 형성되어 있는 바, 충방전시 발생한 열은 슬릿들(110)을 통해 유입된 냉매에 의해 적절하게 제거된다.

전지모듈(100)의 조립과정은, 우선, 단위모듈들(200)을 하부 모듈 케이스(150)에 탑재한 후 상부 모듈 케이스(140)와 하부 모듈 케이스(150)를 상호 결합시킨 다음, 도 5에서와 같이, 수나사 구조 체결부재(160)를 전지모듈(100)의 상부로부터 체결용 관통구(120)에 삽입하여 하부 모듈 케이스(150)의 상부 결합부와 체결하는 과정으로 진행된다.

전지모듈의 부피는 전지모듈의 가로길이(L), 세로길이(W) 및 높이(H)를 곱한 크기로서 도 5의 차량에 전지모듈(100)을 장착시 콤팩트하면서도 안정적인 구조를 가지게 된다.

도 5에는 도 1의 A-A' 부분을 확대한 단면도로서 본 발명에 따른 전지모듈의 체결구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 단위모듈들이 위에서 설명한 장착과정에 의해 전지모듈 케이스(140, 150)에 탑재되고 인서트 너트(170)가 하부 모듈 케이스(150)의 외주면 모서리 부근에 장착되어 있는 상태에서, 수나사 구조의 체결부재(160)는 전지모듈 케이스의 상부로부터 체결용 관통구(120)를 통과하여 암나사 구조로 형성되어 있는 인서트 너트(170)의 상부 결합부(172)와 결합됨으로써 도 1에서와 같은 전지모듈(100)이 만들어진다.

상기 과정에서, 도 1의 전지모듈(100)이 만들어진 후, 수나사 구조의 체결부재(162)는 차량의 내부 프레임과 같은 탑재부재(180)를 관통하여 암나사 구조로 형성되어 있는 인서트 너트(170)의 하부 결합부(174)에 체결됨으로써, 전지모듈(100)을 탑재부재(180)에 장착하기 위하여 전지모듈의 하면 넓이(W X L) 이외의 공간은 별도로 필요하지 않게 되며, 진동, 충격 등이 전지모듈 시스템에 가해지더라도 안정적인 장착 상태를 유지할 수 있다.

구조적으로는, 인서트 너트(170)의 상부 결합부(172)는 그것의 상단이 하단보다 큰 외경으로 이루어져 있고, 하부 모듈 케이스(150)의 상단면으로부터 만입되어 있으며, 상기 만입형 구조에 대응하여 상부 모듈 케이스(140)의 대응 부위가 돌출형 구조로 이루어져 있다.

또한, 상부 모듈 케이스(140)와 하부 모듈 케이스(150)의 접촉 경계면은 서 로 맞물리는 단차구조(180)로 이루어져 있다.

따라서, 전지모듈의 측면 방향으로 외력이 인가되더라도 상하부 모듈 케이스(140, 150)가 상호간에 이격되어 탈리되는 것을 방지할 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀의 낮은 강성을 보완하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 기계적 체결을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 체결구조에 의해 차량의 내부 프레임 또는 차량 내부에 고정되어 있는 별도의 프레임에 장착됨으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 차량 주행시 진동이 발생하는 경우에 전지모듈을 안전하게 보호할 뿐만 아니라, 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량의 중대형 전지시스템을 콤팩트하며 용이하게 제조할 수 있다.

Claims (14)

1. 충방전이 가능한 이차전지 셀 또는 이를 포함하는 것으로 구성된 모듈 단위체 다수 개로 이루어진 충방전 적층체가 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스에 의해 내장되어 있는 전지모듈로서, 하부 모듈 케이스에는 상하 양방향으로 결합을 이룰 수 있는 결합부들(상부 결합부 및 하부 결합부)을 포함하는 체결구조가 설치되어 있고, 상부 모듈 케이스에는 상기 체결구조의 상부 결합부와 연통되는 체결홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 상하부 결합부들은 각각 암나사 구조로 이루어져 있고, 상부 모듈 케이스의 체결홈을 통해 수나사 구조의 체결부재를 삽입하여 상기 체결구조의 상부 결합부에 체결함으로써, 상하부 모듈 케이스들을 상호 결합시키는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 체결구조는 상하부 결합부들이 각각 암나사 구조로 이루어진 인서트 너트인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 인서트 너트는 하부 모듈 케이스의 성형시 함께 성형하거나, 하부 모듈 케이스에 장착용 관통구를 천공한 후 삽입하여 설치하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 인서트 너트의 상단은 상대적으로 큰 외경으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 인서트 너트의 상단은 하부 모듈 케이스의 상단면으로부터 만입되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
7. 제 6 항에 있어서, 하부 모듈 케이스의 상기 만입형 구조에 대응하여 상부 모듈 케이스의 대응 부위는 돌출형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 인서트 너트는 금속 소재, 고강도 플라스틱 수지 또는 플라스틱 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 체결구조는 모듈 케이스의 외주면 모서리 부근에 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 모듈 케이스와 하부 모듈 케이스의 접촉 경계면은 서로 맞물리는 단차 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 적어도 하나 이상의 전지모듈이 소정의 부재('탑재부재') 상에 설치되어 있는 구조의 중대형 전지 시스템.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 전지모듈의 체결구조의 하부 결합부에 대응하는 위치에서, 탑재부재에는 체결용 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구의 하부를 통해 삽입된 체결부재에 의해 탑재부재에 대한 전지모듈의 결합이 달성되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지 시스템.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 탑재부재는 차량의 내부 프레임 또는 상기 차량 내부 프레임에 고정되어 있는 별도의 프레임인 것을 특징으로 하는 중대형 전지 시스템.
14. 제 11 항에 따른 중대형 전지 시스템을 포함하고 있는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차.

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