KR20080027504A

KR20080027504A - 전지모듈 어셈블리

Info

Publication number: KR20080027504A
Application number: KR1020060092598A
Authority: KR
Inventors: 윤준일; 노종열; 양희국; 윤종문
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2008-03-28
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: KR101217459B1

Abstract

본 발명은 전지모듈 어셈블리로서, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들은 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 전지모듈 어셈블리를 제공한다.

본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는 콤팩트한 구조로 구성되어 있어서, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수하며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 부재의 수가 적고 간단한 방법으로 조립될 수 있다.

Description

전지모듈 어셈블리 {Battery Module Assembly}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도이다;

도 2는 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 PSM가 장착되어 있는 구조의 사시도이다;

도 3은 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 PSM이 장착된 상태의 정면 사시도이다;

도 4는 도 3의 후면 사시도이다;

도 5는 도 4의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 구성하는 장방형 전지모듈의 구조에 대한 사시도이다;

도 6 및 도 7은 장방형 전지모듈을 구성하는 단위모듈들과 팩 케이스의 구조에 대한 사시도들이다;

도 8 및 도 9는 도 6에서 단위모듈을 구성하는 전지셀들과 셀 커버의 사시도들이다;

도 10 내지 15는 도 2의 프레임 부재를 구성하는 우측 상단 프레임, 우측 하단 프레임, 좌측 상단 프레임, 좌측 하단 프레임, 일체형 전면 프레임 및 일체형 후면 프레임의 사시도들이다;

도 16은 도 14의 일체형 전면 프레임과 도 15의 일체형 후면 프레임의 중앙 중공부에 설치되는 절연성 부재의 사시도이다;

도 17은 도 16의 절연성 부재가 장착된 상태에서 프레임 부재의 사시도이다;

도 18은 도 4에서 PSM의 사시도이다;

도 19 및 20은 본 발명의 하나의 실시예 따른 전지모듈 어셈블리를 외부 장치 또는 디바이스에 효과적으로 장착용 프레임의 사시도 및 이를 전지모듈 어셈블리에 장착하는 형태의 분해 사시도이다.

본 발명은 전지모듈 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들은 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 전지모듈 어셈블리에 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 전 기자동차(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 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.

따라서, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 내지 디바이스의 공간상의 한계 측면에서 바람직하지 않다. 더욱이, 차량 등과 같이 한정된 내부공간에 효율적으로 장착되기 위해서는 더욱 콤팩 트한 구조의 중대형 전지모듈이 요구된다.

또한, 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 작동 과정에서 필연적으로 많은 열이 발생하는 바, 이러한 열이 효율적으로 제거되지 않으면, 전지셀의 열화를 촉진하고 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 전지셀들의 방열이 효율적으로 진행될 수 있어야 하므로, 유로의 확보가 필요하며, 이러한 유로는 전지모듈의 크기 증가를 유발하는 요인들 중의 하나이다.

이와 관련하여, 일부 선행기술들에서의 중대형 전지모듈의 형성 구조들을 살펴보면 다음과 같다.

일본 등록특허 제3355958호에는 차량 등의 한정된 공간에 다수의 전지셀들을 적층한 구조의 중대형 전지모듈에서, 냉매가 1 군의 적층 전지군을 통과함으로써 온도가 상승한 상태에서 다른 군의 적층 전지군을 연속하여 통과하는 경우에 발생하는 냉각 효율의 저하를 방지하고자, 냉매용 유로를 형성할 수 있는 돌기를 전지셀의 외면에 형성하고, 냉매가 전지군들을 사이로 유입된 후 적층 전지군을 통과하면서 전지셀들을 냉각시키는 구조가 제시되어 있다. 상기 특허에서, 전지셀은 니켈-수소 이차전지 등과 같은 알칼리 전지로서, 그 자체로 높은 기계적 강성을 가지도록 외형이 이루어져 있으므로, 다수의 전지셀들을 중첩한 상태에서 양면에 플레이트를 맞대고 이를 밴드로 고정한 방식으로 중대형 전지모듈을 구성하고 있다.

그러나, 냉각 효율성의 증대를 위한 구조적 특징과는 별도로, 상기 특허에서의 전지셀은 외형적으로 적층 구조의 형성이 용이하다는 장점은 있으나, 높은 기계 적 강성을 부여하기 위한 외형 구성으로 인해 부피 및 중량이 매우 크다는 단점을 가지고 있다.

또한, 일본 공개특허 제2005-050616호는 버스 등의 대형 차량에 탑재되는 중대형 전지모듈에서 차량의 충돌 등으로 인한 외력에 대해 안전성을 높이기 위하여, 전지팩을 각각 2 개씩 재치하는 하단 래크(rack) 및 상단 래크를 포함하고 있고, 하단 래크 가대부재(stand member)와 상단 래크 가대부재는 하단 래크 현가부재(suspension member) 및 상단 래크 현가부재에 의해 차량의 보디(body)에 현가되며, 상기 가대부재의 강성이 높고 상기 현가부재의 강성이 낮은 구조의 중대형 전지모듈이 개시되어 있다.

상기 기술의 중대형 전지모듈은 다수의 래크를 사용함으로써 차량 충돌시의 안전성을 향상시킬 수는 있지만, 총 4 개의 전지팩을 장착하기 위해 2 개의 복잡한 래크를 사용하여야 하므로 부피 및 중량 증가가 불가피하여, 콤팩트한 구조의 전지모듈을 구성함에 있어서, 기술적 측면에서 적용에 한계가 있다.

한편, 전지모듈 어셈블리는 다수의 전지셀들이 조합된 구조체이므로 일부 전지셀들이 과전압, 과전류, 과발열 되는 경우에는 전지모듈의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이들을 검출하여 제어하는 수단이 필요하다. 따라서, 전압센서, 온도센서 등을 전지셀들에 연결하여 실시간 또는 일정한 간격으로 작동 상태를 확인하여 제어하고 있는 바, 이러한 검출수단의 장착 내지 연결과 이들의 제어수단이 전지모듈의 조립과정을 매우 번잡하게 하고, 이를 위한 다수의 배선으로 인해 단락의 위험성도 존재한다.

따라서, 앞서 설명한 바와 같이 보다 콤팩트하고 구조적 안정성이 우수하며, 간단한 구조로 검출수단의 장착이 가능한 전지모듈 어셈블리에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착될 수 있는 콤팩트한 구조를 가지며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 부재의 수가 적고 간단한 방법으로 조립할 수 있으며, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수한 전지모듈 어셈블리를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 것으로 구성되어 있다.

본 발명의 전지모듈 어셈블리는, 종 방향과 횡 방향으로 장방형 전지모듈 다수 개가 적층되어 육면 적층체를 이루고 있고 이러한 육면 적층체가 프레임 부재에 의해 고정됨으로써, 전체적으로 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며, 많은 수의 부재들을 사용하지 않고도 기계적 체결과 전기적 접속을 이룰 수 있다.

육면 적층체를 이루는 상기 다수의 장방형 전지모듈들은, 앞서 설명한 바와 같이, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 판상형 전지셀들을 2 또는 그 이상의 개수로 적층하면 상기 장방형 전지모듈이 만들어진다. 바람직하게는, 2 또는 그 이상의 개수로 단위모듈들을 적층하여 상기 장방형 전지모듈을 구성할 수 있다.

상기 단위모듈의 구조는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예를 하기에서 설명한다.

단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 직렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 2 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 결합되는 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.

이러한 전지셀들은 2 또는 그 이상의 단위로 합성수지 또는 금속 소재의 고강도 셀 커버에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성하는 바, 상기 고강도 셀 커버는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 따라서, 궁극적으로 더욱 안전성이 우수한 중대형 전지모듈의 제조가 가능해 진다.

단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 전극단자들을 결합시킨 뒤, 2 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되게 접고 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 단위모듈들을 제조할 수 있다.

상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.

전극단자들이 상호 연결되어 있고 높은 밀집도로 충적된 다수의 전지셀 또는 단위모듈들은, 바람직하게는, 조립식 체결구조로 결합되는 상하 분리형의 케이스에 수직으로 장착되어 상기 장방형 전지모듈을 구성할 수 있다.

단위모듈과 이러한 단위모듈 다수 개를 사용하여 제조되는 장방형 전지모듈의 더욱 구체적인 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-45443호에 개시되어 있으며, 상기 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리에서, 상기 육면 적층체는 횡 방향으로 2 개의 장방형 전지모듈들이 서로 대향하여 배열된 상태로, 상기 각각의 장방형 전지모듈에 대해 종 방향으로 1 개 또는 그 이상의 장방형 전지모듈들이 배열되어 있는 구조가 바람직하다.

상기에서 "대향 배열"이란, 2 개의 장방형 전지모듈들이 그것의 동일 부위가 서로 대면하도록 배열되어 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 입출력 단자들이 일 측면에 위치하는 구조의 장방형 전지모듈에서, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 대향 배열되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 대향 배열 구조는 전기적 접속 등을 위한 구성을 더욱 간소화시킬 수 있는 장점이 있다.

하나의 바람직한 예에서, 장방형 전지모듈은 폭 대비 높이가 큰 직육면체 형상을 이루며, 육면 적층체는 전체적으로 대략 직육면체 형상을 이루는 구조를 들 수 있다. 따라서, 전체적으로 매우 콤팩트하고 안정적인 구조가 만들어질 수 있으며, 전지모듈 어셈블리를 차량의 내부 공간 등 소정의 부위에 장착함에 있어서 크기 제한 문제를 해소할 수 있다.

앞서의 대향 배열 구조의 예에서, 상기 입출력 단자들이 위치하는 면(단자 배향 면: a)에는, 바람직하게는, 과전류 및 과전압 방지, 전지모듈 어셈블리 분리시의 전압 강하 등을 위한 PSM(Power Switching Module)이 장착되어 있다.

또한, 전지모듈의 작동 제어를 위한 전지 제어 시스템인 BMS(battery Management System)는 상기 입출력 단자들이 위치하는 면(단자 배향 면: a) 또는 상기 단자 배향 면(a)의 대향 면(d)에 장착되어 있어서, 입출력 단자들 또는 대향 면에 위치하고 있는 슬레이브 BMS와의 접속이 용이하고, 전기적 접속 구조와 그에 따라 조립 과정을 더욱 간소화할 수 있으며, 전기적 접속수단의 길이를 감소시켜 내부 저항의 증가를 방지하고, 외부 충격 등에 의해 접속수단이 단전되는 위험성을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 전지모듈 어셈블리에 있어서, 상기 BMS는 PSM과 함께 장착되어 있거나 그로부터 이격된 상태로 설치될 수 있으며, 바람직하게는, BMS는 상기 입출력 단자들이 위치하는 면에 PSM과 함께 장착되거나 PSM과 인접하여 또는 소정의 이격된 거리에 설치되어 전기적 접속수단에 의해 연결되어 있는 구조일 수 있다.

본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리에서, 장방형 전지모듈 내부의 전지셀 또는 단위모듈들은 높은 공간 활용도를 달성하기 위해, 육면 적층체의 한 쌍의 대향 면들(b, c)에 평행하도록 배열되어 있어서, 육면 적층체의 대향 면들(b, c)에 대해 장방형 전지모듈들도 평행하게 배열된다. 이러한 장방형 전지모듈들 사이로 냉매가 이동하여, 충방전시 전지셀로부터 발생하는 열을 제거하게 된다.

반면에, 본 발명의 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들을 고정하는 프레임 부재는 육면 적층체의 외주 모서리들 만을 고정하고 있으므로, 상기와 같은 냉매가 소정의 방향으로 한정적으로 유동할 수 있도록 유도하고, 동시에 외측과 내측 장방형 전지모듈들의 온도 편차를 감소시키기 위하여, 상기 대향 면들(b, c)에는 바람직하게는 밀폐 부재가 장착되어 있다.

즉, 육면 적층체의 양측 대향 면들(b, c)에 각각 장착되어 있는 밀폐 부재는 육면 적층체의 양 측면을 폐쇄함으로써, 냉매가 육면 적층체를 통해서만 이동하도 록 만든다. 따라서, 밀폐 부재가 장착되지 않을 경우, 외부로 개방되는 외측 장방형 전지모듈의 상대적으로 빠른 냉각을 방지한다. 일반적으로, 전지모듈은 빠른 냉각은 바람직하지만, 중대형 전지 시스템에서 일부 전지모듈만의 높은 냉각률은 전지모듈들 상호간의 불균형을 초래하고, 그러한 불균형은 궁극적으로 전지셀의 열화를 가속시키기 때문이다. 따라서, 상기 밀폐 부재는 냉매(공기)의 유로를 형성함과 동시에 단위 전지모듈들 간의 균일성을 높여주는 역할을 한다.

바람직하게는, 상기 밀폐 부재는 전지모듈에 대면하는 내측면에 냉매 유로가 형성될 수 있도록 굴곡져 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같은 전지모듈들 간의 균일성을 더욱 높이기 위하여, 상기 밀폐 부재는 단열 소재로 이루어진 것이 바람직하다. 특히, 전지모듈 어셈블리의 전체 중량을 최소화하면서 단열성을 높일 수 있도록, 상기 밀폐 부재는 발포성 수지로 만들어질 수 있다.

장방형 전지모듈들의 육면 적층체의 외주 모서리를 고정하는 프레임 부재는 다양한 구조가 가능하며, 예를 들어, 12 개의 육면체 모서리를 고정하는 각각의 프레임들이 일체로 형성되어 있는 구조, 적어도 1 면의 4 개 모서리들을 고정하는 프레임들이 일체로 형성되어 있는 구조일 수 있다.

바람직하게는, 육면 적층체 중 횡 방향에서 양 면에 위치하는 4 개 모서리들을 고정하는 프레임들은 일체로 형성되어 있고, 나머지 개별 프레임들은 상기 일체형 프레임들과 체결되는 구조일 수 있다. 이러한 체결 구조는, 예를 들어, 상기 개별 프레임들을 2 개 단위로 사용하여 상부 열의 장방형 전지모듈들과 하부 열의 장방형 전지모듈을 각각의 세트로 고정하고, 이들 개별 프레임들에 2 개의 일체형 프레임을 체결함으로써, 전지모듈 어셈블리의 조립이 가능해지므로, 조립 공정의 효율성이 우수하다.

앞서 설명한 밀폐 부재는, 경우에 따라서는, 상기 프레임 부재 상에 장착되는 방식으로 육면 적층체의 양측 대향 면들(b, c)을 폐쇄시킬 수 있다.

또한, 앞서 설명한 PSM과 BMS는, 육면 적층체 중 1 면의 모서리들을 고정하는 프레임 부재에 체결되는 판재에 당해 안전소자들 및 제어소자들이 탑재되어 있는 구조일 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, PSM과 BMS는 플라스틱 기판에 다수의 소자들을 탑재하고 이들을 버스 바에 의해 전기적으로 연결하는 구조로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 플라스틱 기판은 프레임 부재에 결합되므로 프레임 부재의 형틀을 유지하는 역할도 병행할 수 있다.

본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 차량 등 소정의 장치 디바이스에 효과적으로 장착될 수 있도록, 육면 적층체 중 1 면의 모서리들을 고정하는 프레임 부재에, 외부 장치 또는 디바이스에 전지모듈 어셈블리를 장착하기 위한 장착용 프레임 부재가 추가로 결합되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 장착용 프레임 부재는 양측 단부가 프레임 부재에 결합된 상태에서 외측으로 돌출되도록 완만하게 절곡된 한 쌍의 프레임들로 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한 상기 전지모듈 어셈블리를 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지팩을 제공한다.

본 발명에 따른 중대형 전지팩은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원으로 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 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 이해를 돕기 위해, 도 2에는 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 PSM이 장착되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 또한, 도 3에는 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 PSM과 BMS가 장착된 상태의 정면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 후면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈 어셈블리(100)는 6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)과, 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 육면 적층체(200a)의 외주 모서리들을 고정하는 프레임 부재(300), 및 PSM(400)과 BMS(500)로 구성되어 있으며, 전체적으로 직육면체 형상을 나타낸다.

6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 횡 방향으로 2 개씩, 종 방향으로 3 개씩 충적되어 있고, 그것의 일 측면에 형성되어 있는 입출력 단자들(240)이 서로 인접하도록 대향 배열 구조로 적층되어 있다. 즉, 상부 행의 전지모듈들(201,202,203)과 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206)이 가상 중심선을 중심으로 서로 대칭 구조를 이루도록, 상부 행의 전지모듈들(201, 202, 203)은 뒤집힌 형태로 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206) 상에 적층되어 있다.

각각의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 다수의 판상형 단위모듈들이 세워진 형태로 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 그에 대한 자세한 내용은 도 5를 참조하여 이후에 별도로 설명한다.

프레임 부재(300)는 육면 적층체(200a)의 12 개 외주 모서리를 안정적으로 고정할 수 있도록 다수의 프레임들이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 육면 적층체(200a)를 장착한 상태에서 육면 적층체(200a)의 6 개 면은 외부로 개방되게 된다. 프레임 부재(300)에 대한 더욱 자세한 내용은 도 10 내지 17을 참조하여 이후에 별도로 설명한다.

입출력 단자들(240)이 위치하는 육면 적층체(200a)의 정면 상에는, 필요에 따라 전류를 통전시켜 충전 및 방전을 행하고, 전지 시스템의 작동 개시 또는 분해 과정에서 적절한 전압 강하를 행하며, 장방형 전지모듈들의 전기적 접속을 행하고, 과전류, 과전압 등으로부터의 회로를 보호하기 위한 PSM(400) 부재가 장착되어 있다. 장방형 전지모듈들의 입출력 단자들이 서로 인접해 있으므로, PSM(400)의 연결이 용이하고, 전기적 접속을 위한 부재의 길이를 대폭 줄일 수 있다. PSM(400)의 더욱 자세한 내용은 도 19를 참조하여 이후에 별도로 설명한다.

도 5에는 도 4의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 구성하는 장방형 전지모듈의 구조가 사시도로서 도시되어 있고, 도 6 및 도 7에는 장방형 전지모듈을 구성하는 단위모듈들과 팩 케이스의 구조가 사시도로서 도시되어 있다. 또한, 도 8 및 도 9에는 단위모듈을 구성하는 전지셀들과 셀 커버의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 장방형 전지모듈(201)은 단위모듈 적층체(210)를 측면으로 직립시킨 상태로 상하 조립형의 팩 케이스(220, 230)에 장착한 구조로 이루어져 있다. 상부 케이스(220)의 전면에는 입출력 단자(240)가 형성되어 있다. 하부 케이스(230)의 전면에는 입출력 단자(240)와 전기적 연결을 위한 버스 바(250)가 형성되어 있고, 후면에는 전압 및 온도 검출용 센서의 접속을 위한 커넥터(260)가 형성되어 있다.

단위모듈 적층체(210)는 4 개의 단위모듈들(211, 212, 213, 214)을 전기적으로 연결하여 적층한 구조로 이루어져 있다. 각각의 단위모듈(211)은 양극단자와 음극단자가 양단에 형성되어 있는 2 개의 전지셀들(210a, 210b)을 직렬로 연결하여 전극단자를 절곡한 상태에서 고강도 셀 커버(210c)로 감싼 구조로 이루어져 있다.

장방형 전지모듈(201)에 대한 더욱 자세한 내용은, 앞서 설명한 바와 같이, 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-45443호에 기재되어 있는 내용을 참조할 수 있다.

도 10 내지 15에는 도 2의 프레임 부재를 구성하는 우측 상단 프레임, 좌측 상단 프레임, 우측 하단 프레임, 좌측 하단 프레임, 일체형 전면 프레임 및 일체형 후면 프레임의 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.

우선, 도 10을 참조하면, 우측 상단 프레임(310)은 장방형 전지모듈들로 이 루어진 육면 적층체(도시하지 않음) 중 우측 상단의 외주 모서리를 감쌀 수 있도록, 수평 단면상으로 대략 T 자형 구조로 이루어져 있고, 도 7의 하부 케이스 후방 하단의 돌출 체결부(232)과 결합하기 위한 다수의 체결홈들(311)이 형성되어 있다.

도 11을 참조하면, 좌측 상단 프레임(320)은 장방형 전지모듈들로 이루어진 육면 적층체 중 좌측 상단의 외주 모서리를 감쌀 수 있도록, 수평 단면상으로 대략 T 자형 구조로 이루어져 있고, 도 7의 하부 케이스 전방 하단의 돌출 체결부(234)와 결합하기 위한 다수의 체결홈들(321)이 형성되어 있다.

따라서, 도 4의 전지모듈 어셈블리에서 상부 행을 구성하는 장방형 전지모듈들(201, 202, 203)의 후방 하단과 전방 하단을 각각 도 10의 우측 상단 프레임(310)과 도 11의 좌측 상단 프레임(320)에 고정하면, 3 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203)이 하나의 세트를 구성하게 된다.

우측 상단 프레임(310)과 좌측 상단 프레임(320)에 각각 천공되어 있는 체결홈(311, 321)의 개수가 서로 다른 것은 전지모듈들(201, 202, 203)을 상호 밀착시켜 결합시킬 때, 그것의 후방 하단 양측에 각각 형성되어 있는 도 7의 돌출 체결부(232)가 부분적으로 중첩되도록 형성되어 있기 때문이다.

마찬가지 이유로, 도 12의 우측 하단 프레임(330)과 도 13의 좌측 하단 프레임(340)은 수평 단면 상으로 대략 T 자형 구조를 이루며 장방형 전지모듈의 체결부가 결합되기 위한 체결홈들(331, 341)이 형성되어 있다. 또한, 도 4의 전지모듈 어셈블리에서 하부 행을 구성하는 장방형 전지모듈들(204, 205, 206)의 후방 하단과 전방 하단을 각각 도 12의 우측 하단 프레임(330)과 도 13의 좌측 하단 프레 임(340)에 고정하면, 3 개의 장방형 전지모듈들(204, 205, 206)이 하나의 세트를 구성하게 된다.

이와 같이, 도 4의 전지모듈 어셈블리에서 상부 행을 구성하는 장방형 전지모듈들(201, 202, 203)과 하부 행을 구성하는 장방형 전지모듈들(204, 205, 206)이 프레임들(310, 320, 330, 340)에 의해 각각의 세트로 구성되면, 프레임들(310, 320, 330, 340)이 바깥쪽으로 배향되도록 적층하게 된다.

그러한 적층 상태에서, 도 14의 일체형 전면 프레임(350)과 도 15의 일체형 후면 프레임(360)을 장착하게 된다.

이들 도면을 참조하면, 일체형 전면 프레임(350)과 일체형 후면 프레임(360)은 중앙이 중공 구조를 이루는 격자형 형태로서, 프레임들(도 10 ~ 13: 310, 320, 330, 340)의 단부에 각각 결합될 수 있도록 측면 방향으로 체결홈(351, 361) 형성되어 있다.

다만, 일체형 전면 프레임(350)에는, 차량 등 소정의 장치 또는 디바이스에 전지모듈 어셈블리를 효과적으로 장착될 수 있도록, 이후의 도 19 및 20에서 설명하는 장착용 프레임이 결합되기 위한 체결홈(352)이 프레임(350)에 대해 수평 방향으로 별도로 형성되어 있다. 따라서, 일체형 전면 프레임(350)은 양측 단부에서 상측으로 절곡된 후 재차 내측으로 절곡된 연장부(353)를 포함하고 있고, 체결홈(352)가 그러한 절곡 연장부(353) 상에 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.

도 16에는 도 14의 일체형 전면 프레임(350)과 도 15의 일체형 후면 프레임(360)의 중앙 중공부에 설치되는 절연성 부재(370)의 사시도가 도시되어 있다.

절연성 부재(370)는 단열 효과를 높이면서 중량을 낮추기 위하여 발포성 수지로 이루어져 있고, 내측면에는 냉매의 유로를 형성하기 위한 굴곡 구조(371)로 이루어져 있다.

도 17에는 이러한 절연성 부재(370)가 장착된 상태에서 프레임 부재의 사시도가 도시되어 있다.

도 17을 참조하면, 일체형 전면 프레임(350)과 일체형 후면 프레임(360)에는 각각 절연성 부재(370)가 설치되어 있고, 이들 일체형 프레임들(350, 360)과 우측 상단 프레임(310)과 우측 하단 프레임(330)으로 이루어진 우측면에 PSM(400)이 장착되어 있는 구조를 이루고 있다.

도 18에는 PSM의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 18을 참조하면, PSM(400)은 두터운 플라스틱 기판(410) 상에 각종 소자들이 탑재되어 있고, 이들이 버스 바와 와이어에 의해 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

절연성의 플라스틱 기판(410)은 도 17에서 일체형 전면 프레임(350)과 일체형 후면 프레임(360)과 우측 상단 프레임(310)과 우측 하단 프레임(330)으로 이루어진 개방 우측면에 일치하게 설치될 수 있는 형상과 크기로 이루어져 있고, 양 측면에 결합용 체결부(411)가 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.

따라서, PSM(400)의 플라스틱 기판(410)은 관련 소자들과 버스 바 및 와이어가 탑재되는 공간을 제공할 뿐만 아니라, 프레임 부재의 골격을 지지하는 구조체로서의 역할도 동시에 수행한다.

도 19 및 20에는 본 발명의 하나의 실시예 따른 전지모듈 어셈블리를 외부 장치 또는 디바이스에 효과적으로 장착용 프레임의 사시도 및 이를 전지모듈 어셈블리에 장착하는 형태의 분해 사시도가 각각 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 장착용 프레임(380)은 양측 단부가 일체형 전면 프레임(350)의 절곡 연장부(353)에 결합된 상태에서 외측으로 돌출되도록 완만하게 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또한, 장착용 프레임 부재(380)에는 양측 단부 부근에 전면 프레임(350)에 결합되는 체결홈(381) 이외에 외부 장치 또는 디바이스(도시하지 않음)에 결합되는 체결홈(382)도 형성되어 있다.

따라서, BMS(500)는 도 19에서와 같이 PSM(400)과 인접하여 설치되거나, PSM(400)과 소정의 이격된 위치(도시하지 않음)에 전기적 접속부재로 연결되어 설치될 수 있다. 또한, PSM(400)과 BMS(500)를 포함하는 전지모듈 어셈블리(100)는 장착용 프레임(380)에 의해 외부 장치 또는 디바이스에 효과적으로 장착될 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리의 도면을 참조하여 설명하였지만, 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 전지모듈 어셈블리는 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착될 수 있는 콤팩트한 구조 를 가지며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 부재의 수가 적고 간단한 방법으로 조립할 수 있으며, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수하다는 장점을 가진다.

Claims

다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들은 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 상기 육면 적층체는 횡 방향으로 2 개의 장방형 전지모듈들이 서로 대향하여 배열된 상태로, 상기 각각의 장방형 전지모듈에 대해 종 방향으로 1 개 또는 그 이상의 장방형 전지모듈들이 배열되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 상기 장방형 전지모듈은 큰 폭 대비 높이의 직육면체이며, 상기 육면 적층체는 전체적으로 대략 직육면체 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 직렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 2 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 결합되는 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들은 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 5 항에 있어서, 입출력 단자들의 배향 면(a)에는 PSM(Power Switching Module)이 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 전지모듈의 작동 제어를 위한 BMS(Battery Management System)가 입출력 단자들의 배향 면(a) 또는 그것의 대향 면(d)에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 BMS는 PSM과 함께 장착되어 있거나 그로부터 이격된 상태로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 5 항에 있어서, 상기 장방형 전지모듈 내부의 전지셀 또는 단위모듈들은 상기 육면 적층체의 한 쌍의 대향 면들(b, c)에 평행하도록 배열되어 있고, 상기 대향 면들(b, c)에는 밀폐 부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 9 항에 있어서, 상기 밀폐 부재는 장방형 전지모듈에 대면하는 내측면에 냉매 유로가 형성될 수 있도록 굴곡져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 9 항에 있어서, 상기 밀폐 부재는 단열 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 12 개의 육면체 모서리를 고정하는 각각의 프레임들이 일체로 형성되어 있거나, 또는 적어도 1 면의 4 개 모서리들을 고정하는 프레임들이 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 12 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 육면 적층체 중 서로 대면하는 한 쌍의 면(b, c)들에 위치하는 각각 4 개 모서리들을 고정하는 프레임들은 일체로 형성되어 있고, 나머지 4 개의 개별 프레임들은 상기 일체형 프레임들에 체결되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 13 항에 있어서, 상기 일체형 프레임들에는 밀폐 부재가 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 13 항에 있어서, 상기 개별 프레임들을 2 개 단위로 사용하여 상부 열의 장방형 전지모듈들과 하부 열의 장방형 전지모듈을 각각의 세트로 고정하고, 이들 개별 프레임들에 2 개의 일체형 프레임을 체결하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 상기 PSM과 BMS는 육면 적층체 중 1 면의 모서리들을 고정하는 프레임 부재에 체결되는 판재에 안전소자들 및 제어소자들이 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 상기 육면 적층체 중 1 면의 모서리들을 고정하는 프레임 부재에는, 외부 장치에 전지모듈 어셈블리를 장착하기 위한 장착용 프레임 부재가 추가로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 17 항에 있어서, 상기 장착용 프레임 부재는 양측 단부가 프레임 부재에 결합된 상태에서 외측으로 돌출되도록 완만하게 절곡된 한 쌍의 프레임들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
제 1 항에 따른 전지모듈 어셈블리를 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩.
제 19 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.