WO2011093637A2 - 구조적 안정성이 우수한 전지팩 - Google Patents

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WO2011093637A2
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having excellent structural stability, and more particularly, a battery module array in which battery modules are arranged in two or more sides, a base plate in which battery modules are stacked vertically, and a front surface of the battery module assembly. And a pair of main members respectively disposed at the rear and rear surfaces, a pair of end plates in close contact with the front and rear surfaces of the battery module assembly, and a supporting bar connecting the upper or side sides of the end plates.
  • the plate relates to a battery pack having a structure that is integrally formed with a size corresponding to the front or rear surface of the battery module assembly so as to minimize deformation of the battery pack against vibration in the vertical direction.
  • 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 various 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 secondary batteries 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 has a small capacity because only one battery module is used, it is difficult to apply to an external device such as a vehicle requiring a high output and a large capacity battery pack.
  • the battery pack for a hybrid electric vehicle has a variety of forms according to the type of the target vehicle or the mounting position of the vehicle in order to reliably protect the assembly of battery cells.
  • battery packs mounted in the space below the trunk or between the bottom of the rear seat and the trunk generally have a bucket structure.
  • the battery pack since the battery pack is positioned below the fastening position with the vehicle body, the battery pack is supported by the main member and the base plate, and the structure in which the end plate and the supporting bar are positioned front and back to prevent deformation of the battery pack in the front and rear directions. need.
  • the main member is bent in a bucket shape, and thus the structural stability of the entire battery pack is determined according to the rigidity of the main member.
  • the main member supporting the load has a bucket type, and the battery modules are arranged in two rows on the base plate, the depth and thickness of the flange of the main member While maintaining the structural stability of the battery pack having a specific structure is improved is a very necessary situation.
  • 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.
  • the battery module is composed of a battery module array, the base plate, the main member, the end plate, and the support bar is arranged in two or more rows side, the end plate is the front or It is formed integrally with the size corresponding to the rear surface, to provide a battery pack structure that can minimize the deformation of the battery pack to the vibration in the vertical direction.
  • Still another object of the present invention is to provide a battery pack structure which can be stably mounted in a vehicle and minimize the volume occupied in the vehicle by forming a partial structure of the battery pack using some forms of the vehicle.
  • a battery module array in which battery modules themselves or two or more battery cells are stacked vertically with unit modules in which two or more battery cells are built and stacked in two or more rows;
  • a pair of main members each of which is disposed on the front and rear surfaces of the battery module assembly to support the loads of the battery modules, the both ends of which are fastened to an external device;
  • a pair of end plates in close contact with the front and rear surfaces of the battery module assembly with the bottom fixed to the base plate;
  • a supporting bar connecting the upper or side sides of the end plates to mutually support the end plates
  • the end plate has a structure that is integrally formed with a size corresponding to the front or rear side of the battery module assembly so as to minimize deformation of the battery pack against vibration in the vertical direction.
  • the battery pack according to the present invention since the end plate is formed in a size corresponding to the front or rear of the battery module arrangement, it is possible to reliably reinforce the bending rigidity of the main member, the entire battery pack against the vertical vibration The structural stability of the can be sufficiently secured.
  • the battery pack can be easily mounted on the external device even if the battery pack is located below the fastening position with the external device.
  • the battery modules having a structure in which the unit modules are stacked vertically are arranged in two or more rows, the battery modules may provide a high-capacity electric capacity in comparison with a conventional battery pack structure including one battery module.
  • the unit module in the present invention may be a secondary battery itself or a small module having two or more secondary batteries built therein.
  • An example of a unit module having two or more secondary batteries embedded therein may be the module of Korean Patent Application No. 2006-12303.
  • the unit 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 secondary batteries facing each other.
  • a unit module may include the modules of Korean Patent Application Nos. 2006-20772 and 2006-45444.
  • the unit 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 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.
  • the battery cell is a pouch type secondary battery in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is sealed inside the battery case together with an electrolyte, and has a plate-shaped shape having a substantially rectangular parallelepiped structure with a thin thickness to width.
  • a pouch-type secondary battery is generally made of a pouch-type battery case, the battery case is an outer coating layer made of a polymer resin having excellent durability; A barrier layer made of a metal material that exhibits barrier properties against moisture, air, and the like; And a laminate sheet structure in which an inner sealant layer made of a polymer resin that can be heat-sealed is sequentially stacked.
  • the main member is not particularly limited as long as it is a structure that can easily support the load of the battery modules, but preferably may have a substantially U-shaped frame structure surrounding both sides and the bottom surface of the battery module assembly.
  • the upper end of the main member is bent outward to facilitate mounting with an external device, and the bent portion is formed in a structure in which a fastener is formed, thereby coupling the main member and the external device. It can be done solidly.
  • the end plate preferably has a main body portion in contact with the battery module assembly and a shape protruding outward from an outer circumferential surface of the main body portion so as to distribute pressure (bending load) from the battery modules and the supporting bar.
  • the upper wall, the lower wall, and a pair of sidewalls are composed of.
  • the "outward direction” means a direction opposite to the pressure, that is, a direction opposite to the direction in which the battery modules and the supporting bar are positioned around the main body of the end plate.
  • the battery pack according to the present invention closely adheres the battery modules stacked on the base plate to the end plate, and fixes the end plate again to the supporting bar, thereby moving in the thickness direction of the unit module constituting the battery module and By preventing the swelling phenomenon it is possible to improve the safety of the battery module and effectively prevent the degradation.
  • the bottom wall of the end plate may be a structure joined by welding or bolting to the bottom plate of the base plate and the main member.
  • the number of welding points or bolting areas is made of 4 or more points, since it is possible to strengthen the mutual bonding force.
  • the side wall of the end plate may also be a structure that is joined to the side portion of the main member by welding or bolting.
  • the number of welding points or bolting sites may be one or more.
  • the number of welding points or bolting sites is made of three points because the bonding force between the end plate and the main member can be improved.
  • the supporting bar may be a structure for connecting the upper both sides of the end plates, or may be a structure for connecting both sides of the end plates.
  • the top wall of the end plate protrudes upward with respect to the top surface of the battery module assembly for mounting the supporting bar, so that the supporting bar is the top of the battery modules. It may be located in the structure coupled to the end plate.
  • the upwardly protruding height of the top wall may be 2 to 20% in size based on the height of the battery module assembly, and when the height is less than 2% of the height of the battery module assembly, mounting the supporting bar to the end plate.
  • the overall stiffness can be impaired because of the difficulty or size of supporting bars. On the contrary, when it exceeds 20%, the increase in volume of the battery pack becomes too large, which is not preferable.
  • the end plate is fixed in a structure in which the bottom wall is coupled on the base plate, so that the end plate is prevented from being released from the base plate even when an impact is applied to the end plate from the outside.
  • a pair of fastening grooves are formed in a portion of the bottom wall of the end plate, and a bolt may be inserted into the fastening grooves to fix the end plates to the base plate, or to achieve mutual coupling through welding.
  • the end plate is not particularly limited if the size corresponding to the front or rear of the battery module arrangement, for example, may be made of a planar rectangle.
  • the upper part of the end plate is preferably formed with through holes for mounting the supporting bar, so that the supporting bars are easily inserted into the through holes of the end plate to achieve mutual coupling.
  • the present invention also provides an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle that uses the battery pack as a power source and has a limited mounting space and is exposed to frequent vibrations and strong shocks.
  • the battery pack used as the power source of the vehicle can of course be manufactured in combination according to the desired output and capacity.
  • the vehicle may be an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle in which the battery pack is mounted between the trunk bottom of the vehicle or the rear seat and the trunk of the vehicle.
  • Electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles using the battery pack as a power source is known in the art, so a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional battery pack
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a battery pack structure in which an end plate is mounted to each of the battery modules in the battery pack structure of FIG. 2 for comparison purposes of the present invention
  • 5 and 6 are perspective views illustrating deformation amounts when an external force is applied to the battery packs of FIGS. 2 and 4 in left and right directions;
  • FIGS. 7 and 8 are perspective views illustrating deformation amounts when an external force is applied to the battery pack of FIGS. 2 and 4 in the front and rear directions;
  • FIGS. 9 and 10 are perspective views illustrating deformation amounts when an external force is applied to the battery packs of FIGS. 2 and 4 in the vertical direction.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 200 includes a battery module array 122, a base plate 130, and a pair of main members 140 in which battery modules 110 and 120 are arranged in two rows of side surfaces. And an end plate 150 and a supporting bar 160.
  • the battery modules 110 and 120 are vertically stacked on the upper part of the base plate 130, and the end plate 150 of the battery module assembly 122 is fixed to the base plate 130 at a lower end thereof. It is in close contact with the front and back.
  • the main member 140 is positioned on the front and rear surfaces of the battery module assembly 122 to support the load of the battery modules 110 and 120, and both ends thereof are fastened to an external device (not shown).
  • the main member 140 has a U-shaped frame structure surrounding both sides and the lower surface of the battery module array 122, the upper end of the main member 140 is bent to the outside and the fastener 142 in the bent portion ) Is formed so that the battery pack 200 can be easily mounted to an external device.
  • the supporting bar 160 connects the upper both sides of the end plates 150 to interconnect and support the pair of end plates 150.
  • the end plate 150 is integral with the front surface of the battery module assembly 122 and is formed in a planar rectangle, thereby minimizing deformation of the battery pack 200 against vibration in the vertical direction.
  • the end plate 150 includes a main body portion 152 contacting the battery module arrangement 122, a top wall 154, a bottom wall 156, protruding outward from an outer circumferential surface of the main body portion 152, and And a pair of sidewalls 158.
  • the bottom wall 156 of the end plate 150 is joined to the bottom of the base plate 130 and the main member 140 by four-point welding 151, and the side wall 158 of the end plate 150 is main The side portion of the member 140 and the three-point welding 153 is coupled.
  • the bottom wall 156 of the end plate 150 may have a structure in which the bottom wall 156 of the end plate 150 and the bottom end of the main member 140 are coupled by bolting (not shown).
  • the side wall 158 of the end plate 150 may also be a structure that is coupled to the side portion of the main member 140 by bolting (not shown).
  • the top wall 154 of the end plate 150 protrudes upwards to a size of 10% of the height H of the battery module assembly 122 with respect to the top surface of the battery module assembly 122, thereby supporting The bar 160 is easily mounted on both sides of the top 155 of the end plate 150.
  • the battery module 110 is configured by stacking vertically stacked unit modules in which plate-shaped battery cells in which an electrode assembly is embedded in a laminate sheet battery case.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack 200a of FIG. Since the structure of the battery pack 200 is the same as the detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically illustrating a structure in which an end plate is mounted on each of the battery modules in the battery pack structure of FIG. 2, for comparison purposes.
  • the end plates 150b and 151b are formed to have sizes corresponding to the front and rear surfaces of the battery modules 110b and 120b, and sidewalls of the end plates 150b and 151b are formed. It is the same as the battery pack structure of FIG. 2 except that it is not welded to the side surface of the main member 140b.
  • 5 and 6 are perspective views schematically showing the deformation amount when the external force is applied to the battery pack of FIGS. 2 and 4 in the left and right directions.
  • 5 and 6 and the structures of FIGS. 7 to 10 to be described later are results of simulation of deformation when an external force is applied to the battery pack.
  • the battery pack 200 of FIG. 2 is less deformed in the main member 140 even when an external force is applied in the left and right directions (arrows) of the battery pack, but the battery pack 200b of FIG. It can be seen that the member 140 is greatly deformed in the direction in which the external force is applied and is greatly spaced in the left and right directions from the side wall 158b of the end plate 151b.
  • FIGS. 7 and 8 are perspective views schematically showing the amount of deformation when the external force is applied to the battery pack of FIGS. 2 and 4 in the front and rear directions.
  • the battery pack 200 of FIG. 2 is less deformed in the main member 140 even when an external force is applied in the front-rear direction (arrow) of the battery pack, but the battery pack 200b of FIG. It can be seen that the member 140 is greatly deformed in the direction in which the external force is applied and is greatly spaced in the front-rear direction from the side wall 18b of the end plate 151b.
  • FIGS. 9 and 10 are perspective views schematically showing the deformation amount when the external force is applied to the battery pack of FIGS. 2 and 4 in the vertical direction.
  • the battery pack 200 of FIG. 2 is less deformed in the main member 140 even when an external force is applied in the vertical direction (arrow) of the battery pack, but the battery pack 200b of FIG. Since the member 140 is greatly deformed in the direction of applying the external force, it can be seen that the middle portion 142b of the main member 140 is largely curved downward.
  • the battery pack structure of FIG. 2 is integrally formed with the end plate and the side wall of the end plate is welded to the side surface of the main member, so that the battery pack structure of FIG. It can be seen that even in high vibration structural stability is greatly improved.
  • the weight of the battery pack is 30 Kg or more, and the structure of the main member vibrates vertically. If it is vulnerable to, it can be practically applied to a vehicle vulnerable to vibration up and down.
  • the battery pack according to the present invention since the battery modules are arranged in two rows or more sides, compared with the conventional battery pack structure consisting of one battery module can provide a high output large capacity electric capacity, the end By forming the plate in a specific structure that is integrally formed with a size corresponding to the front or rear surface of the battery module assembly, it is possible to minimize the deformation of the battery pack to the vibration in the vertical direction.
  • the battery pack by forming a part of the structure of the battery pack by using some form of the vehicle it can be stably mounted on the vehicle, it can minimize the volume occupied in the vehicle.

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Abstract

본 발명은 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 2열 이상 측면으로 배열되어 있는 전지모듈 배열체; 전지모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트; 전지모듈들의 하중을 지지하기 위해 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 각각 위치하고 양 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 한 쌍의 메인 멤버; 상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바; 를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 엔드 플레이트는, 상하 방향으로의 진동에 대한 전지팩의 변형을 최소화할 수 있도록, 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로서 일체형으로 형성되어 있는 전지팩을 제공한다.

Description

구조적 안정성이 우수한 전지팩
본 발명은 구조적 안정성이 우수한 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지모듈이 2열 이상 측면으로 배열되어 있는 전지모듈 배열체, 전지모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트, 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 각각 위치한 한 쌍의 메인 멤버, 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트, 및 엔드 플레이트들의 상부 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 엔드 플레이트는, 상하 방향으로의 진동에 대한 전지팩의 변형을 최소화할 수 있도록 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로서 일체형으로 형성되어 있는 구조로 이루어진 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 이차전지들이 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 하나의 전지모듈만 사용함으로 인해 용량이 작으므로 고출력 및 대용량의 전지팩을 필요로 하는 차량과 같은 외부 디바이스에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 하이브리드 전기자동차용 전지팩은 전지셀들의 집합체들을 안정적으로 보호하기 위해 대상 차량의 종류나 차량의 장착 위치에 따라 다양한 형태를 가지고 있다. 이 중 트렁크 하부와 또는 리어시트 하단과 트렁크 사이에 만입된 공간에 장착되는 전지팩은 일반적으로 버킷(bucket) 구조를 가지고 있다.
이 경우, 전지팩은 차체와의 체결 위치보다 아래에 위치하게 되므로, 메인 멤버와 베이스 플레이트에 의해 지지되고, 전후 방향으로의 전지팩 변형을 방지하기 위해 앞 뒤로 엔드 플레이트와 서포팅 바가 위치하는 구조가 필요하다. 이러한 구조에서는, 메인 멤버가 버킷 형태로 휘어져 들어가는 바, 메인 멤버의 강성도에 따라 전지팩 전체의 구조적 안정성이 결정된다.
메인 멤버의 강성도를 향상시키는 방법으로는, 플랜지의 깊이를 충분히 확보하거나, 메인 멤버의 두께를 키우는 것이 고려될 수 있다. 그러나, 차량 내부의 장착 공간의 제한으로 인해 플랜지의 깊이를 충분히 늘리는 것은 불가능하고, 메인 멤버의 두께를 키우는 것은 전지팩의 하중이 늘어나는 문제점이 있으므로 결과적으로 전지팩의 구조적 안정성 측면에서 큰 효과를 얻기가 힘들다.
따라서, 전지모듈이 차체와의 체결 위치보다 아래에 위치하고, 하중을 지지하는 메인 멤버가 버킷 형식을 가지며 전지모듈들이 베이스 플레이트 상에 2열로 배치되는 구조의 전지팩에서, 메인 멤버의 플랜지 깊이와 두께를 유지하면서 구조적 안정성이 향상되는 특정 구조의 전지팩이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지모듈이 2열 이상 측면으로 배열되어 있는 전지모듈 배열체, 베이스 플레이트, 메인 멤버, 엔드 플레이트, 및 서포팅 바로 이루어져 있고, 엔드 플레이트를 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로서 일체형으로 형성되어 있어서, 상하 방향으로의 진동에 대한 전지팩의 변형을 최소화할 수 있는 전지팩 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 차량의 일부 형태를 이용하여 전지팩의 일부 구조를 형성함으로써, 차량에 안정적으로 장착되고 차량 내부에서 차지하는 부피를 최소화할 수 있는 전지팩 구조를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 2열 이상 측면으로 배열되어 있는 전지모듈 배열체;
전지모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트;
전지모듈들의 하중을 지지하기 위해 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 각각 위치하고 양 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 한 쌍의 메인 멤버;
상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및
상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바;
를 포함하는 것으로 구성되어 있고,
상기 엔드 플레이트는, 상하 방향으로의 진동에 대한 전지팩의 변형을 최소화할 수 있도록, 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로서 일체형으로 형성되어 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 엔드 플레이트가 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로 형성되어 있으므로, 메인 멤버의 굽힘 강성을 확실하게 보강할 수 있고, 상하 방향 진동에 대한 전지팩 전체의 구조적 안정성을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 메인 멤버의 양 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어져 있으므로, 전지팩이 외부 디바이스와의 체결 위치보다 아래에 위치하더라도 전지팩을 외부 디바이스에 용이하게 장착할 수 있다.
더욱이, 단위모듈들을 수직으로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 2열 이상 측면으로 배열되어 있으므로, 1개의 전지모듈로 구성된 종래의 전지팩구조와 비교하여 고출력 대용량의 전기용량을 제공할 수 있다.
본 발명에서의 상기 단위모듈은 이차전지 자체이거나 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 소형 모듈일 수 있다. 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 단위모듈의 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-12303호의 모듈을 들 수 있다. 상기 출원에서의 단위모듈은 두 개의 이차전지들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 입출력 단자가 형성되어 있는 프레임 부재에 장착된 구조로 이루어져 있다.
단위모듈의 또 다른 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-20772호와 제2006-45444호의 모듈들을 들 수 있다. 이들 출원들에서의 단위모듈은 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.
상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이며, 예를 들어, 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 이차전지로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 이차전지는 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
상기 메인 멤버는 전지모듈들의 하중을 용이하게 지지할 수 있는 구조이면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 전지모듈 배열체의 양측면과 하면을 감싸는 대략적으로 U자형인 프레임 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 메인 멤버의 양 측면이 엔드 플레이트와 연결됨으로써, U자형 프레임 구조의 내부가 꽉 찬 모형 구조로 변경되어 상하 방향의 진동에 대한 굽힘 강성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 구조의 바람직한 예로서, 메인 멤버의 상단부는 외부 디바이스와 장착을 용이하게 할 수 있도록 외측으로 절곡되어 있고 절곡된 부위에는 체결구가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 메인 멤버와 외부 디바이스의 결합을 견고히 수행할 수 있다.
상기 엔드 플레이트는, 전지모듈들과 서포팅 바로부터의 압력(굽힘 하중)을 분산시킬 수 있도록, 바람직하게는, 상기 전지모듈 배열체에 접하는 본체부와, 상기 본체부의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출된 형상의 상단벽, 하단벽, 및 한 쌍의 측벽을 포함하고 있는 구조로 구성되어 있다. 여기서, "외측 방향"이란 상기 압력에 대향하는 방향, 즉, 엔드 플레이트의 본체부를 중심으로 전지모듈들과 서포팅 바가 위치하는 방향에 대해 반대인 방향을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 베이스 플레이트에 적층되어 있는 전지모듈들을 엔드 플레이트로 밀착시켜 주고, 상기 엔드 플레이트를 서포팅 바로 다시 고정시켜 주므로, 전지모듈을 구성하는 단위모듈의 두께 방향으로의 이동 및 스웰링 현상을 방지하여 전지모듈의 안전성을 향상시키고 성능저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 구조의 하나의 바람직한 예로서, 엔드 플레이트의 하단벽은 베이스 플레이트 및 메인 멤버의 하단부와 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 구조 일 수 있다.
이와 같이 엔드 플레이트의 하단벽이 베이스 플레이트 및 메인 멤버의 하단부와 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 경우, 용접점 또는 볼팅 부위의 수는 4 점 이상으로 이루어지는 것이 상호간의 결합력을 견고히 할 수 있으므로 바람직하다.
또 다른 예로서, 상기 엔드 플레이트의 측벽 역시 메인 멤버의 측면부와 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같이 엔드 플레이트의 측벽이 메인 멤버의 측면부와 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 경우, 용접점 또는 볼팅 부위의 수는 1 점 이상으로 이루어질 수 있다. 특히, 메인 멤버의 변형 모드를 고려할 때, 용접점 또는 볼팅 부위의 수가 3점으로 이루어지는 것이 엔드 플레이트와 메인 멤버의 결합력을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다.
한편, 서포팅 바는 엔드 플레이트들의 상부 양측을 연결하는 구조일 수도 있고, 엔드 플레이트들의 측면 양측을 연결하는 구조일 수도 있다.
서포팅 바가 엔드 플레이트들의 상부 양측을 연결하는 구조에서, 바람직하게는, 엔드 플레이트의 상단벽이 서포팅 바를 장착하기 위해 전지모듈 배열체의 상단면을 기준으로 상향 돌출되어 있어서, 서포팅 바는 전지모듈들의 상부에 위치하면서 엔드 플레이트에 결합된 구조일 수 있다.
상기 상단벽의 상향 돌출된 높이는 전지모듈 배열체의 높이를 기준으로 2 내지 20%의 크기로 이루어질 수 있으며, 상기 높이가 전지모듈 배열체의 높이보다 2% 미만인 경우, 서포팅 바를 엔드 플레이트에 장착하기 어렵거나 그에 맞는 크기의 서포팅 바를 사용하여야 하므로 전체적인 강성이 떨어질 수 있다. 반대로, 20%를 초과하는 경우, 전지팩의 부피 증가 정도가 지나치게 커지므로 바람직하지 않다.
상기 엔드 플레이트는 하단벽이 베이스 플레이트 상에 결합되어 있는 구조로 고정되어 있어서, 외부로부터 엔드 플레이트에 충격이 인가되더라고 엔드 플레이트가 베이스 플레이트로부터 정위치 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 엔드 플레이트의 하단벽 일부 부위에 한 쌍의 체결홈이 형성되어 있고, 이러한 체결홈에 볼트를 삽입하여 엔드 플레이트를 베이스 플레이트에 고정시키거나, 용접을 통해 상호간의 결합을 달성할 수 있다.
한편, 상기 엔드 플레이트는 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기이면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어 평면상 직사각형으로 이루어질 수 있다.
상기 엔드 플레이트의 상부에는 바람직하게는 서포팅 바를 장착하기 위한 관통홀들이 형성되어 있어서, 서포팅 바는 엔드 플레이트의 관통홀에 삽입됨으로써 상호간의 결합이 용이하게 달성된다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 사용하며 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차를 제공한다.
자동차의 전원으로 사용되는 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있음은 물론이다.
이 경우, 상기 자동차는 전지팩이 차량의 트렁크 하단부 또는 차량의 리어 시트와 트렁크 사이에 장착되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 전지팩을 나태는 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 4는 본 발명에 대한 비교 목적으로, 도 2의 전지팩 구조에서 엔드 플레이트가 전지모듈 각각에 장착되어 있는 전지팩 구조의 사시도이다;
도 5 및 도 6은 도 2 및 도 4의 전지팩에 대해 외력을 좌우방향으로 인가한 경우의 변형량을 나타내는 사시도들이다;
도 7 및 도 8은 도 2 및 도 4의 전지팩에 대해 외력을 전후방향으로 인가한 경우의 변형량을 나타내는 사시도들이다;
도 9 및 도 10은 도 2 및 도 4의 전지팩에 대해 외력을 상하방향으로 인가한 경우의 변형량을 나타내는 사시도들이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩의 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 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩(200)은 전지모듈들(110, 120)이 2열 측면으로 배열되어 있는 전지모듈 배열체(122), 베이스 플레이트(130), 한 쌍의 메인 멤버(140)와 엔드 플레이트(150), 및 서포팅 바(160)로 구성되어 있다.
베이스 플레이트(130)의 상부에는 전지모듈들(110, 120)이 수직으로 세워져 적층되어 있고, 엔드 플레이트(150)는 베이스 플레이트(130)에 하단이 고정된 상태로 전지모듈 배열체(122)의 전면과 후면에 밀착되어 있다.
메인 멤버(140)는 전지모듈들(110, 120)의 하중을 지지하기 위해 전지모듈 배열체(122)의 전면과 후면에 각각 위치하고 양 단부가 외부 디바이스(도시하지 않음)에 체결된다.
또한, 메인 멤버(140)는 전지모듈 배열체(122)의 양측면과 하면을 감싸는 U자형 프레임 구조로 이루어져 있고, 메인 멤버(140)의 상단부는 외측으로 절곡되어 있고 절곡된 부위에는 체결구(142)가 형성되어 있어서 전지팩(200)을 외부 디바이스에 용이하게 장착할 수 있다.
서포팅 바(160)는 한 쌍의 엔드 플레이트들(150)을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들(150)의 상부 양측을 연결하고 있다.
엔드 플레이트(150)는 전지모듈 배열체(122)의 전면에 대응하는 크기로서 일체형이면서 평면상 직사각형으로 형성되어 있어서, 상하 방향으로의 진동에 대한 전지팩(200)의 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 엔드 플레이트(150)는 전지모듈 배열체(122)에 접하는 본체부(152), 본체부(152)의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출된 형상의 상단벽(154), 하단벽(156), 및 한 쌍의 측벽(158)을 포함하고 있다.
엔드 플레이트(150)의 하단벽(156)은 베이스 플레이트(130) 및 메인 멤버(140)의 하단부와 4점 용접(151)에 의해 결합되어 있고, 엔드 플레이트(150)의 측벽(158)은 메인 멤버(140)의 측면부와 3점 용접(153)에 의해 결합되어 있다.
경우에 따라서는, 엔드 플레이트(150)의 하단벽(156)은 베이스 플레이트(130) 및 메인 멤버(140)의 하단부와 볼팅(도시하지 않음)에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다. 마찬가지로, 엔드 플레이트(150)의 측벽(158) 역시 메인 멤버(140)의 측면부와 볼팅(도시하지 않음)에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
더욱이, 엔드 플레이트(150)의 상단벽(154)은 전지모듈 배열체(122)의 상단면을 기준으로 전지모듈 배열체(122)의 높이(H)의 10% 크기로 상향 돌출되어 있어서, 서포팅 바(160)는 엔드 플레이트(150)의 상부(155) 양측에 용이하게 장착된다.
전지모듈(110)은 라미네이트 시트 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 판상형 전지셀들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층한 구조로 구성되어 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 도 3의 전지팩(200a)은 엔드 플레이트(150)의 상부에 서포팅 바(160)를 장착하기 위한 관통홀들(157)이 형성되어 있는 점을 제외하고는, 도 2의 전지팩(200) 구조와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4에는 본 발명에 대한 비교 목적으로, 도 2의 전지팩 구조에서 엔드 플레이트가 전지모듈 각각에 장착되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4의 전지팩(200b)은 엔드 플레이트들(150b, 151b)이 전지모듈들(110b, 120b)의 전면과 후면에 대응하는 크기로 형성되어 있고, 엔드 플레이트들(150b, 151b)의 측벽은 메인 멤버(140b)의 측면부와 용접되어 있지 않은 점을 제외하고는 도 2의 전지팩 구조와 동일하다.
도 5 및 도 6에는 도 2 및 도 4의 전지팩에 대해 외력을 좌우방향으로 인가한 경우의 변형량을 나타내는 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다. 도 5 및 도 6과 이후 설명하게 될 도 7 내지 도 10의 구조들은 전지팩에 외력을 인가하였을 때의 변형을 시뮬레이션 한 결과들이다.
이들 도면을 참조하면, 도 2의 전지팩(200)은 외력이 전지팩의 좌우방향(화살표)으로 인가되더라도 메인 멤버(140)의 변형이 적게 일어나지만, 도 4의 전지팩(200b)은 메인 멤버(140)가 외력의 인가 방향으로 크게 변형이 일어나 엔드 플레이트(151b)의 측벽(158b)으로부터 좌우방향으로 크게 이격됨을 알 수 있다.
도 7 및 도 8에는 도 2 및 도 4의 전지팩에 대해 외력을 전후방향으로 인가한 경우의 변형량을 나타내는 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 도 2의 전지팩(200)은 외력이 전지팩의 전후방향(화살표)으로 인가되더라도 메인 멤버(140)의 변형이 적게 일어나지만, 도 4의 전지팩(200b)은 메인 멤버(140)가 외력의 인가 방향으로 크게 변형이 일어나 엔드 플레이트(151b)의 측벽(18b)으로부터 전후방향으로 크게 이격됨을 알 수 있다.
도 9 및 도 10에는 도 2 및 도 4의 전지팩에 대해 외력을 상하방향으로 인가한 경우의 변형량을 나타내는 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 도 2의 전지팩(200)은 외력이 전지팩의 상하방향(화살표)으로 인가되더라도 메인 멤버(140)의 변형이 적게 일어나지만, 도 4의 전지팩(200b)은 메인 멤버(140)가 외력의 인가 방향으로 크게 변형이 일어나 메인 멤버(140)의 중간 부위(142b)가 하향으로 크게 휨을 알 수 있다.
또한, 도 2의 전지팩 구조와 도 4의 전지팩 구조에 대한 진동 특성을 파악하기 위해, 전지팩의 좌우방향, 전후방향, 및 상하방향으로 각각 외력을 인가한 경우의 변형 모드에 대한 공진점 검출 해석을 실시한 결과가 하기 표 1에 기재되어 있다.
<표 1>
Figure PCTKR2011000535-appb-I000001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 각각의 변형 모드에서 도 2의 전지팩 구조는 엔드 플레이트가 일체형으로 형성되어 있고 엔드 플레이트의 측벽이 메인 멤버의 측면부와 용접되어 있으므로, 도 4의 전지팩 구조와 비교하여 높은 진동에도 구조적 안정성이 크게 향상됨을 알 수 있다.
따라서, 엔드 플레이트를 일체형으로 구성하는 것만으로 메인 멤버의 변형량을 최소화할 수 있음을 의미하며, 이는 전혀 예상치 못한 결과이다.
특히, 본 발명에 따른 전지팩은, 엔드 플레이트가 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로서 일체형으로 형성되어 있으므로, 전지팩의 중량이 30 Kg 이상이고, 메인 멤버의 구조가 상하 방향 진동에 취약한 경우, 상하 진동에 취약한 자동차에 실제 적용할 수 있다.
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 전지팩은 전지모듈이 2열 이상 측면으로 배열되어 있으므로 1개의 전지모듈로 구성된 종래의 전지팩구조와 비교하여 고출력 대용량의 전기용량을 제공할 수 있고, 엔드 플레이트를 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로서 일체형으로 형성되어 있는 특정 구조로 형성함으로써, 상하 방향으로의 진동에 대한 전지팩의 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 차량의 일부 형태를 이용하여 전지팩의 일부 구조를 형성함으로써 차량에 안정적으로 장착되고, 차량 내부에서 차지하는 부피를 최소화할 수 있다.

Claims (16)

  1. 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들을 수직으로 세워 적층한 구조의 전지모듈이 2열 이상 측면으로 배열되어 있는 전지모듈 배열체;
    전지모듈들이 수직으로 세워져 적층되는 베이스 플레이트;
    전지모듈들의 하중을 지지하기 위해 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 각각 위치하고 양 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 한 쌍의 메인 멤버;
    상기 베이스 플레이트에 하단이 고정된 상태로 전지모듈 배열체의 전면과 후면에 밀착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및
    상기 엔드 플레이트들을 상호 연결하여 지지하기 위해 엔드 플레이트들의 상부 또는 측면 양측을 연결하고 있는 서포팅 바;
    를 포함하는 것으로 구성되어 있고,
    상기 엔드 플레이트는, 상하 방향으로의 진동에 대한 전지팩의 변형을 최소화할 수 있도록, 전지모듈 배열체의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로서 일체형으로 형성되어 있는 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 메인 멤버는 전지모듈 배열체의 양측면과 하면을 감싸는 U자형 프레임 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 메인 멤버의 상단부는 외부 디바이스와 장착을 용이하게 할 수 있도록 외측으로 절곡되어 있고 절곡된 부위에는 체결구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트는, 상기 전지모듈 배열체에 접하는 본체부와, 상기 본체부의 외주면으로부터 외측 방향으로 돌출된 형상의 상단벽, 하단벽, 및 한 쌍의 측벽을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 하단벽은 베이스 플레이트 및 메인 멤버의 하단부와 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 용접점 또는 볼팅 부위의 수는 4 점 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 측벽은 메인 멤버의 측면부와 용접 또는 볼팅에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 용접점 또는 볼팅 부위의 수는 1 점 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 상단벽은 서포팅 바를 장착하기 위해 전지모듈 배열체의 상단면을 기준으로 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 상향 돌출된 높이는 전지모듈 배열체의 높이를 기준으로 2 내지 20%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트는 평면상 직사각형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 상부에는 서포팅 바를 장착하기 위한 관통홀들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지팩은 차량의 트렁크 하단부 또는 차량의 리어 시트와 트렁크 사이에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차.
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