WO2017069397A1 - 이차 전지용 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

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WO2017069397A1
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case
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groove
slot
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윤두한
김성종
성준엽
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery cartridge, and more particularly to a secondary battery cartridge having a gas vent flow path inside the cartridge and a battery module including the same.
  • the electric vehicle includes a hybrid vehicle, a plug-in hybrid vehicle, and a pure electric vehicle driven only by an electric motor and a battery without an internal combustion engine.
  • the pouch type secondary battery When used in such electric vehicles, a large number of secondary batteries are electrically connected to increase capacity and output.
  • the pouch type secondary battery is widely used in the medium and large devices due to the advantage of easy lamination.
  • the pouch type secondary battery is generally packaged in a battery case of a laminate sheet of aluminum and polymer resin, the mechanical rigidity is not large. Therefore, when constructing a battery module including a large number of pouch type secondary batteries, the secondary battery may be subjected to external impact, etc. Cartridges are often used to protect against, to prevent their flow, and to facilitate lamination.
  • the plurality of cartridges in which the pouch type secondary battery is accommodated are provided to be stacked on each other, and the battery module may be configured of the plurality of secondary batteries and cartridges stacked in this way.
  • the pouch type secondary battery is charged or discharged by an electrochemical reaction, and the internal temperature of the secondary battery may increase rapidly if heat accompanying the charging and discharging process is not effectively removed. Rapid rise in temperature causes decomposition reaction of the electrolyte to produce gas inside the secondary battery.
  • a swelling phenomenon which is a kind of component phenomenon, may occur due to an increase in pressure inside the battery case, and when the swelling phenomenon is intensified, serious problems may occur such as an explosion of a secondary battery.
  • the sealing of the battery case is generally designed such that gas can be discharged to the outside.
  • the battery pack of the electric vehicle is configured such that gas does not flow into the cabin even when gas is generated from the secondary battery.
  • a battery module 2 composed of a plurality of conventional secondary batteries and cartridges may be sealed by an outer pack case 1. Therefore, when gas is generated in the battery module 2, the gas is trapped inside the outer pack case 1.
  • the gas outlet 3 provided at one side of the pack case is opened, so that gas may be discharged to the outside of the pack case. At this time, the gas outlet is connected to the exhaust line of the vehicle, the gas can be safely discharged to the outside of the vehicle along the exhaust line.
  • battery packs used in medium and large devices such as electric vehicles are increasing in volume and weight because a plurality of battery modules are intensively configured to provide high output.
  • the size of the battery pack is increasing, space in the electric vehicle in which the battery pack can be installed is limited.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a secondary battery cartridge capable of accommodating a secondary battery and inducing a gas generated in the secondary battery in an emergency in a specific direction.
  • the purpose of the present invention is to reduce the volume of the battery pack by reducing the volume of the battery pack by omitting the existing battery pack case and configuring the battery module or the battery pack using the secondary battery cartridges.
  • a battery accommodating space for accommodating a secondary battery therein, a flow passage partitioned from the battery accommodating space and having a hollow structure, and communicating with the battery accommodating space at both side portions;
  • a battery storage box each having a venting hole communicating with the flow path;
  • a sensing unit formed of an electrically conductive material and mounted to at least one side portion of the battery storage box and electrically connected to an electrode lead of the secondary battery extending into and out of the battery storage box through the slot;
  • a cover unit having one side open in a box shape and mounted to both side portions of the battery storage box to shield the slot, the venting hole, and the sensing unit of the battery storage box.
  • the cover unit mounted to at least one of the cover units may be provided with a secondary battery cartridge further provided with a gas outlet.
  • the battery storage box may include an upper case and a lower case, and the battery accommodating space, the flow path, the slot, and the venting hole may be formed by coupling the upper case and the lower case to each other.
  • Each of the upper case and the lower case may include a battery accommodating part forming a space in which the secondary battery is disposed; And a case outer circumferential portion forming a wall along the circumferential direction of the case accommodating portion, and the upper case and the lower case may be coupled such that the upper surfaces of the outer circumference of the case face each other.
  • the outer periphery of the case may include a first groove recessed from a top surface by a predetermined depth to form the flow path, and the first groove may extend to the venting hole.
  • the outer periphery of the case may further include a second groove formed to be recessed from the top surface by a predetermined depth at a position partitioned from the first groove, and the battery accommodating box may further include a sealing member interposed in the second groove.
  • the outer periphery of the case may further include a stepped portion formed at a lower level than a top surface at positions corresponding to both side portions, and the stepped portion may form part of the slot.
  • Corners of the outer periphery of the case may be provided with assembly fingers protruding from the other side and having holes formed therein.
  • the rod-like fastening member may be inserted and passed through the through hole of the assembly finger.
  • the sensing unit may include a pair of brackets coupled to an outer wall of a side portion of the battery storage box with a slot therebetween so as to be spaced apart from each other by a predetermined distance; And a sensing block connected to the pair of brackets so as to be positioned in front of the slot, and having a lead through hole through which the electrode leads of the secondary battery pass and contacting the electrode leads.
  • At least two lead through holes may be provided.
  • the terminal may further include a terminal terminal connected to the sensing block through the cover unit.
  • An O-ring may be interposed in a terminal through hole of the cover unit through which the terminal terminal passes.
  • the battery accommodating box further includes a third groove recessed in a predetermined depth from both side surface outer wall surfaces of the battery accommodating box, connected to the second groove, and surrounding the slot and the venting hole.
  • the cover unit may include an inner cover having an open end corresponding to the third groove, an inner cover for shielding the slot and the venting hole, and an outer cover for shielding the inner cover, and the sealing member may include the third groove. And an open end of the inner cover.
  • a battery module including the above-described secondary battery cartridge may be provided.
  • a battery pack including the battery module may be provided.
  • an automobile including the battery module may be provided.
  • the secondary battery cartridge according to an aspect of the present invention has a structure in which, when a gas is generated in a secondary battery stored therein, the gas flows along a flow path inside the cartridge and is discharged to the outside through a venting hole of the cartridge.
  • the conventional pack case which is required for gas venting, may be omitted.
  • the battery module or the battery pack in which the pack case is omitted may be less constrained when installed in an electric vehicle or a narrow space.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to the prior art.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a rechargeable battery cartridge according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a partially exploded perspective view of FIG. 2.
  • FIG. 4 to 7 are perspective views illustrating components of the rechargeable battery cartridge of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the rechargeable battery cartridge of FIG. 2.
  • FIG. 9 is an enlarged view of a main part of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a rechargeable battery cartridge according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a partially exploded perspective view of FIG. 2
  • FIGS. 4 to 7 are perspective views illustrating components of the rechargeable battery cartridge of FIG. 2.
  • the rechargeable battery cartridge 100 includes a battery storage box 110, a sensing unit 120, and a cover unit 130.
  • the cartridge 100 since the cartridge 100 has a sealed structure except for the gas outlet 133, an external case for sealing the entirety of the assembled cartridges 100 is unnecessary as before. 10) Alternatively, the volume of the pack can be reduced, and the manufacturing cost can be lowered.
  • the battery storage box 110 is a component used to stack a plurality of secondary batteries (B), the secondary battery (B) by holding the flow It is prevented and can be laminated
  • the plurality of secondary batteries B may be pouch type secondary batteries B.
  • Each pouch type secondary battery B may include an electrode lead L, which is formed by two electrode leads L protrudingly extending in one direction or two directions with respect to the cell body. , A cathode lead).
  • two pouch-type secondary batteries B may be arranged in a layer in the battery storage box 110, and the electrode lead L of one secondary battery B and the other secondary battery B may be formed.
  • the electrode leads L may be fixed to each other by welding, or the like, and electrical connections between the secondary batteries B in the battery storage box 110 may be made.
  • the battery storage box 110 may include an upper case 111 and a lower case 112, and the upper case 111 and the lower case 112 may be provided to be coupled to and separated from each other.
  • the battery storage box 110 stacks two pouch-type secondary batteries B on the lower case 112, and then attaches the lower case 112 to the upper case 111. It can be configured to be covered with. And it is integrated by a rod-type fastening member, for example, a long bolt 140, which can be inserted into the through-hole (H) which is formed in each of the corners of the upper case 111 and the lower case 112 in the vertical direction. Can be combined.
  • the upper case 111 and the lower case 112 may be coupled by a hooking method.
  • the battery storage box 110 assembled as described above has a closed structure in which the front side is closed except for both side portions (the Y-axis direction is defined as the left and right sides of the battery storage box 110 in the Cartesian coordinate system shown in FIG. 2).
  • the secondary battery B may be sealed in the battery storage box 110.
  • the electrode lead L portion of the secondary battery B may be exposed to the outside through the slot 116 (see FIG. 4) formed at both side surfaces of the battery storage box 110.
  • the electrode lead L portion of the secondary battery B may be electrically connected to the sensing unit 120.
  • the battery storage box 110 includes a battery accommodating space 114, a flow path 115a, a slot 116, and a venting hole 117.
  • the battery accommodating space 114 and the flow path 115a are provided together inside the battery accommodating box 110.
  • the flow path 115a is partitioned from the battery accommodating space 114 inside the battery accommodating box 110 and has a hollow structure.
  • the slot 116 and the venting hole 117 may be provided at both side portions of the battery storage box 110, respectively.
  • the slot 116 communicates with the battery accommodating space 114, and the venting hole 117 communicates with the flow path 115a.
  • the battery accommodating space 114, the flow path 115a, the slot 116, and the venting hole 117 may be formed by coupling the upper case 111 and the lower case 112 to each other.
  • the upper case 111 and the lower case 112 have an internal structure in which the battery accommodating space 114, the flow path 115a, the slot 116, and the venting hole 117 are symmetrically formed with respect to the coupling surface.
  • the upper case 111 and the lower case 112 include a portion of the shape of the battery accommodating space 114, the flow path 115a, the slot 116, and the venting hole 117, respectively.
  • the internal structure of the battery storage box 110 will be described in detail.
  • the lower case 112 includes a battery accommodating part 114 and a case outer peripheral part 115.
  • the battery accommodating part 114 configures the battery accommodating space 114 as a place where one or more secondary batteries B are seated.
  • the secondary battery B may be disposed in the battery accommodating part 114. Therefore, the battery accommodating part 114 may be designed in a size corresponding to the width and width of the secondary battery B.
  • the battery accommodating part 114 may be formed of a metal material such as aluminum having high thermal conductivity.
  • the cell body of the secondary battery B may be disposed in contact with the battery accommodating part 114, and the heat dissipation effect of the secondary battery B may be enhanced by configuring the battery accommodating part 114 in an aluminum material.
  • the case outer peripheral part 115 is a part which forms a wall along the circumferential direction of the battery accommodating part 114.
  • the case outer peripheral portion 115 may be manufactured in the form of a rectangular frame surrounding the battery accommodating portion 114.
  • the upper case 111 and the lower case 112 may be coupled such that the top surfaces of the case outer periphery 115 face each other.
  • the upper surface of the case outer peripheral portion 115 corresponds to the coupling surface of the battery storage box 110.
  • Both side portions corresponding to the short side of the case outer peripheral portion 115 are provided with a stepped portion 115d having a step lower than the upper end surface.
  • the electrode lead L portion of the secondary battery B may be disposed in the stepped portion 115d.
  • the slot 116 of the battery storage box 110 may be formed by symmetrically fitting the stepped portion 115d of the lower case 112 and the stepped portion 115d of the upper case 111 with respect to the coupling surface. Can be.
  • the case outer periphery 115 includes a first groove 115a.
  • the first groove 115a is a portion that forms the flow path 115a of the battery storage box 110.
  • the first groove 115a of the lower case 112 and the first groove 115a of the upper case 111 are symmetrically with respect to the mating surface. The shape can be formed by the flow path.
  • the first groove 115a may be recessed from the upper end of the case outer circumference 115 by a predetermined depth, and as shown in FIG. 5, may extend from one side of the case outer circumference 115 to the other side along the long side.
  • the first groove 115a may be divided into two with respect to the stepped portion 115d and may pass through both long sides of the case outer peripheral portion 115, respectively. In this case, the gas generated in the secondary battery B can be discharged to the outside more effectively and quickly than in the case where the first groove 115a is configured as one.
  • the case outer periphery 115 may further include a second groove 115b and a third groove 115c.
  • the second groove 115b may be formed to be recessed to a predetermined depth from an upper end surface of the case outer circumference 115, similar to the first groove 115a, and may be formed at a long side at one side of the case outer circumference 115. Along the other side.
  • the second groove 115b may be formed at an outer side with respect to the first groove 115a. 6, the sealing member 113a may be interposed in the second groove 115b.
  • the sealing member 113a may be a rubber gasket such as ethylene propylene diene monomer (EPDM).
  • the third groove 115c is recessed to a predetermined depth from the outer wall surfaces of both side surfaces of the case outer peripheral part 115, is connected to the second groove 115b, and the stepped part 115d is provided.
  • the first groove 115a may be formed to surround the outer side of the end point. Accordingly, when the lower case 112 and the upper case 111 are coupled to each other, the battery storage box 110 is formed by the third groove 115c of the lower case 112 and the third groove 115c of the upper case 111.
  • An intaglio in the form of a square border may be formed at both side portions of the.
  • the sealing member 113b may be further interposed like the second groove 115b.
  • the sealing member 113b interposed in the third groove 115c is configured to increase the adhesion between the side portion of the battery storage box 110 and the cover unit 130.
  • the sealing member 113b fitted to the third groove 115c may be in close contact with the open end of the inner cover 132 of the cover unit 130, and the slot 116 and the venting hole 117 may be closed. The gas leaked out through the cover unit 130 is prevented from leaking outside.
  • sealing member 113a and the third groove are interposed between the second groove 115b and the third groove 115c, in the present embodiment, the sealing member 113a and the third groove (fit) fitted to the second groove 115b.
  • integrally fabricating the sealing member 113b fitted to 115c a continuous sealing line is realized and the assembly process is simplified.
  • the assembling fingers 115e protruding from the other side and having the through hole H may be provided.
  • the through hole (H) can be inserted through the rod-shaped fastening member.
  • the upper case 111 and the lower case 112 may be coupled to each other by the long bolt 140 is fitted to the assembly finger 115e portion.
  • the plurality of cartridges 100 may be connected to one long bolt 140 and assembled into a single body.
  • the sensing unit 120 is electrically connected to the electrode lead L of the secondary battery B and connected to another secondary battery cartridge 100 or an external device by a connection between the terminal terminals 124.
  • the sensing unit 120 may be mounted on at least one side portion of the battery storage box 110.
  • the configuration of the sensing unit 120 may vary according to the type of the secondary battery B according to the position where the electrode lead L is formed.
  • the sensing unit 120 may be mounted only on one side portion of the battery storage box 110, and the secondary battery having the bidirectional electrode lead L may be provided.
  • the sensing unit 120 may be mounted on both side portions of the battery storage box 110.
  • the sensing unit 120 of the present embodiment includes a pair of brackets 121 and a sensing block 122.
  • the pair of brackets 121 may be coupled to the outer wall of the side portion of the battery storage box 110 so as to be spaced apart from each other with a slot 116 therebetween.
  • the bracket 121 may be bolted to the outer wall of the side portion of the battery storage box 110.
  • the sensing block 122 is connected to the pair of brackets 121 so as to be located in front of the slot 116 and includes a lead through hole 123.
  • the sensing block 122 may be formed of a pair of brackets 121 and a body.
  • the sensing block 122 is protruded with respect to the bracket 121, but the width of the center portion is narrower than both ends, so that two lead through holes 123 are provided between the pair of brackets 121 and the center portion. This can be arranged.
  • the electrode lead L of the secondary battery B may pass through the lead through hole 123, and the electrode lead L portion of the secondary battery B that has passed through is welded to the body of the sensing block 122. Can be fixed in the manner of.
  • the terminal block 124 may be further coupled to the sensing block 122.
  • the terminal terminal 124 may be exposed to the outside through the cover unit 130.
  • the O-ring O may be further inserted around the terminal terminal 124 to prevent gas leakage between the terminal terminal 124 and the through hole of the cover unit 130.
  • the cover unit 130 shields the slot 116 and the venting hole 117 of the battery storage box 110 and protects the sensing unit 120. 2, the cover unit 130 may be mounted on both side portions of the battery storage box 110 to cover the slot 116, the venting hole 117, and the sensing unit 120.
  • the cover unit 130 includes an inner cover 132 and an outer cover 131 with reference to FIGS. 3 and 8.
  • the cover unit 130 may have a dual structure.
  • the outer cover 131 is provided to match the width between the fingers 115e for assembling the battery storage box 110, and the inner cover 132 has an open end corresponding to the third groove 115c having a square edge engraved shape. It is prepared to have.
  • the sealing member 113 is interposed between the open end of the inner cover 132 and the third groove 115c, and the slot 116 and the venting hole 117 are shielded by the inner cover 132.
  • the cover unit 130 may be configured in a dual structure to further increase the gas leakage prevention effect, and increase its own mechanical rigidity.
  • the cover unit 130 is mounted on one side of each side of the battery storage box 110, the gas outlet 133 is provided in at least one of them. That is, although the gas outlet 133 may be provided in both cover units 130, it is preferable to place the gas outlet 133 on only one side in order to unify the gas discharge path.
  • the gas outlet 133 may be configured to communicate with the inner cover 132. Therefore, in the secondary battery cartridge 100 of the present embodiment, the gas is discharged to the outside only through the gas outlet 133.
  • the gas introduced into the inner cover 132 having the gas outlet 133 may be immediately discharged to the outside through the gas outlet 133.
  • Gas entering the opposite inner cover 132 without the gas outlet 133 is similarly introduced into the inner cover 132 through the slot 116, and then the one side venting hole 117 adjacent to the slot 116. Can be sucked into.
  • the flow of the gas may be toward the gas outlet 133 by the pressure difference because the internal air pressure of the battery storage box 110 is higher than the external air pressure.
  • the gas may exit the opposite venting hole 117 along the flow path formed in the case outer periphery 115 of the battery storage box 110, and may be discharged to the outside of the cartridge 100 through the gas outlet 133.
  • the secondary battery cartridge 100 of the present invention having such a configuration may discharge the gas generated during malfunction of the secondary battery B in the cartridge 100 unit as well as the stacking guide of the secondary battery B in a specific path. Accordingly, by utilizing the secondary battery cartridge 100, the pack case (eg, as illustrated in FIG. 1) of the battery module 10 or the battery pack may be omitted.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing the configuration of the battery module 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 10 may be configured by stacking a plurality of the above-described secondary battery cartridges 100.
  • the secondary battery cartridges 100 may be stacked so that the gas outlets 133 may be arranged in the same direction.
  • Cartridge 100 stacked in this way may be assembled into a body by the long bolt 140.
  • the long bolt 140 may be fitted into the through hole H of the assembly finger 115e provided in the corner region of each cartridge 100.
  • terminal terminals 124 may be connected to a bus bar or a cable (not shown). That is, the secondary batteries B stored in the cartridges 100 may be electrically connected by the connection between the terminal terminals 124.
  • the manifold 200 may be coupled to the gas outlets 133 of each cartridge 100.
  • the manifold 200 serves to collect the gas discharged from the inside of each cartridge 100 into one place.
  • the manifold 200 may again be connected to an exhaust line (not shown).
  • the battery module 10 has a structure in which each cartridge 100 is hermetically sealed and a flow path for discharging gas therein is designed. The case can be omitted.
  • the battery pack according to the present invention may include one or more battery modules according to the present invention.
  • the battery pack according to the present invention may further include various devices for controlling charge and discharge of the battery module, for example, a battery management system (BMS), a current sensor, a fuse, and the like.
  • BMS battery management system
  • the battery module according to the present invention can be applied to an automobile such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. That is, the vehicle according to the present invention may include one or more battery modules according to the present invention.
  • the present invention relates to a cartridge for a secondary battery, and in particular, is applicable to a battery module constructed using such a secondary battery cartridge and to a device driven by the battery module, such as an electric vehicle.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지용 카트리지는, 내부에 이차 전지가 수납되는 전지 수용 공간과, 상기 전지 수용 공간과 구획되어 있으며 중공 구조를 갖는 유로를 구비하며, 양쪽 측면부에 상기 전지 수용 공간과 연통하는 슬롯과, 상기 유로와 연통하는 벤팅홀을 각각 구비하는 전지 수납박스; 전기 전도성 재질로 형성되고, 상기 전지 수납박스의 적어도 일 측면부에 장착되며, 상기 슬롯을 통해 상기 전지 수납박스 내외로 연장되는 상기 이차 전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 센싱 유닛; 및 일면이 개방된 박스 형태로 마련되고 상기 전지 수납박스의 양쪽 측면부에 장착되어 상기 전지 수납박스의 슬롯, 벤팅홀 및 상기 센싱 유닛을 차폐시키는 커버 유닛을 포함하며, 상기 전지 수납박스의 양쪽 측면부 중 적어도 어느 하나에 장착되는 커버 유닛에는 가스 배출구가 마련될 수 있다.

Description

이차 전지용 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈
본 발명은 이차 전지용 카트리지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카트리지 내부에 가스 벤팅용 유로를 구비한 이차 전지용 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 10월 23일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2015-0148075호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치 뿐만 아니라, 내연 기관 및/또는 전기 모터를 이용해서 구동력을 확보하려는 전기 자동차에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 상기 전기 자동차에는 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 내연 기관 없이 전기 모터와 배터리로만 구동되는 순수 전기 자동차등이 포함된다.
이러한 전기 자동차에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
파우치형 이차 전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않기 때문에 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하고 적층이 용이하도록 하기 위해, 카트리지를 이용하는 경우가 많다.
파우치형 이차 전지가 수납된 다수의 카트리지들은 상호 간 적층될 수 있도록 마련되며, 배터리 모듈은 이와 같이 적층된 다수의 이차 전지와 카트리지들로 구성될 수 있다.
파우치형 이차 전지는 전기 화학적 반응에 의해 충전 또는 방전이 이루어지는데, 이러한 충방전 과정에서 수반되는 열이 효과적으로 제거되지 못하면 이차 전지 내부 온도가 급속하게 상승할 수 있다. 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 이차 전지 내부에 가스를 생성한다.
이러한 경우, 전지 케이스 내부의 압력 증가로 일종의 부품 현상인 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있으며, 나아가 스웰링 현상이 심화되면, 이차 전지가 폭발하는 등 심각한 문제가 발생될 수 있다.
이에 파우치형 이차 전지의 경우, 전지 케이스 내부 압력이 일정 압력 이상이 되면 전지 케이스의 밀봉이 해제되면서 가스가 외부로 배출될 수 있도록 설계되는 것이 일반적이다.
한편, 전기 자동차의 배터리 팩은 이차 전지에서 가스가 발생하더라도 가스가 객실 내부로 유입되지 않도록 구성되어 있다. 일예로, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 다수의 이차 전지와 카트리지들로 구성된 배터리 모듈(2)은 외부 팩 케이스(1)에 의해 밀폐될 수 있다. 따라서 배터리 모듈(2)에서 가스가 발생할 경우, 상기 가스는 외부 팩 케이스(1) 내부에 갇히게 된다. 그리고 팩 케이스(1) 내부 압력이 올라가면 팩 케이스 일측에 마련된 가스 배출구(3)가 개방됨으로서 가스가 팩 케이스 외부로 배출될 수 있다. 이때 가스 배출구는 자동차의 배기 라인과 연결되어 있어서, 가스는 배기 라인을 따라 자동차의 외부로 안전하게 배출될 수 있다.
그런데 전기 자동차와 같이 중대형 장치에 사용되는 배터리 팩은 높은 출력을 제공할 수 있도록 다수의 배터리 모듈이 집약적으로 구성되기 때문에 점점 그 부피와 중량이 증가하고 있다. 이와 같이 배터리 팩의 사이즈는 점점 증가하고 있지만, 배터리 팩을 설치할 수 있는 전기 자동차 내의 공간은 제한적이다.
따라서 전기 자동차 내의 제한된 공간에 효율적으로 고용량의 배터리 팩이 설치될 수 있도록 배터리 팩 자체의 구조 변경이 요구되고, 이러한 요구에 맞게 배터리 팩을 구성하는 구성품의 변경도 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 이차전지를 수용하고 비상 시 이차전지에서 발생된 가스를 특정 방향으로 유도할 수 있는 이차 전지용 카트리지를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
기존의 배터리 팩 케이스를 생략하고 상기 이차 전지용 카트리지들을 사용하여 배터리 모듈 내지 배터리 팩을 구성함으로써 배터리 팩의 부피를 줄여 공간상 제약을 줄이는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 이차 전지가 수납되는 전지 수용 공간과, 상기 전지 수용 공간과 구획되어 있으며 중공 구조를 갖는 유로를 구비하며, 양쪽 측면부에 상기 전지 수용 공간과 연통하는 슬롯과, 상기 유로와 연통하는 벤팅홀을 각각 구비하는 전지 수납박스; 전기 전도성 재질로 형성되고, 상기 전지 수납박스의 적어도 일 측면부에 장착되며, 상기 슬롯을 통해 상기 전지 수납박스 내외로 연장되는 상기 이차 전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 센싱 유닛; 및 일면이 개방된 박스 형태로 마련되고 상기 전지 수납박스의 양쪽 측면부에 장착되어 상기 전지 수납박스의 슬롯, 벤팅홀 및 상기 센싱 유닛을 차폐시키는 커버 유닛을 포함하며, 상기 전지 수납 박스의 양쪽 측면부 중 적어도 어느 하나에 장착되는 커버 유닛에는 가스 배출구가 더 마련된 이차 전지용 카트리지가 제공될 수 있다.
상기 전지 수납박스는, 상부 케이스와 하부 케이스를 포함하며, 상기 전지 수용 공간, 상기 유로, 상기 슬롯, 및 상기 벤팅홀은 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스가 상호 간 결합됨으로써 형성될 수 있다.
상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는 각각, 상기 이차 전지가 자리 배치되는 공간을 형성하는 전지 수납부; 및 상기 케이스 수납부의 둘레 방향을 따라 벽체를 형성하는 케이스 외주부를 포함하며, 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는 상기 케이스 외주부의 상단면이 서로 대면하도록 결합될 수 있다.
상기 케이스 외주부는, 상단면으로부터 소정 깊이만큼 함몰 형성되며 상기 유로를 형성하는 제1 그루브를 포함하며, 상기 제1 그루브는 상기 벤팅홀까지 이어질 수 있다.
상기 케이스 외주부는, 상기 제1 그루브와 구획된 위치에서 상단면으로부터 소정 깊이만큼 함몰 형성된 제2 그루브를 더 포함하며, 상기 전지 수납박스는, 상기 제2 그루브에 개재되는 실링부재를 더 포함할 수 있다.
상기 케이스 외주부는, 상기 양쪽 측면부에 해당하는 위치에 상단면보다 단이 낮게 형성된 단차부를 더 구비하며, 상기 단차부는 상기 슬롯의 일부분을 형성할 수 있다.
상기 케이스 외주부의 코너 영역에는 다른 쪽보다 돌출되며 통공이 형성된 조립용 핑거가 각각 마련될 수 있다.
상기 조립용 핑거의 통공에는 막대형 체결부재가 삽입되어 통과할 수 있다.
상기 센싱 유닛은, 상기 슬롯을 사이에 두고 상호 간 소정 간격 이격되게 상기 전지 수납 박스의 측면부 외벽에 결합되는 한 쌍의 브라켓; 및 상기 슬롯의 전방에 위치하도록 상기 한 쌍의 브라켓에 연결되며, 상기 이차 전지의 전극 리드가 통과하는 리드 통과홀을 구비하고 상기 전극 리드와 접촉되는 센싱 블럭을 포함할 수 있다.
상기 리드 통과홀은 적어도 2개 이상일 수 있다.
상기 커버 유닛을 관통해서 상기 센싱 블럭에 연결되는 단자 터미널을 더 포함할 수 있다.
상기 단자 터미널이 관통되는 상기 커버 유닛의 터미널 관통공에 오링이 개재될 수 있다.
상기 전지 수납박스는, 상기 전지 수납박스의 양쪽 측면부 외벽면으로부터 소정의 깊이만큼 함몰 형성되고, 상기 제2 그루브와 연결되며 상기 슬롯과 상기 벤팅홀을 둘러싸는 형태로 형성되는 제3 그루브를 더 구비하며, 상기 커버 유닛은, 상기 제3 그루브에 대응하는 개방단을 가지며 상기 슬롯과 상기 벤팅홀을 차폐시키는 이너 커버와 상기 이너 커버를 차폐시키는 아우터 커버를 포함하며, 상기 실링부재는 상기 제3 그루브와 상기 이너 커버의 개방단 사이에 더 개재될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 이차 전지용 카트리지를 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상기 배터리 모듈을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 이차전지용 카트리지는, 내부에 수납되어 있는 이차 전지에서 가스 발생 시, 그 가스가 카트리지 내부의 유로를 따라 흘러서 카트리지의 벤팅홀을 통해 외부로 배출되는 구조를 갖는다.
따라서 본 발명의 이차전지용 카트리지들을 사용하여 배터리 모듈을 구성하면 가스 벤팅을 위해 필요하였던 기존의 팩 케이스를 생략할 수 있다. 이와 같이 팩 케이스가 생략된 배터리 모듈 내지 배터리 팩은 전기 자동차 내지 협소한 공간에 설치될 때 공간 제약을 적게 받을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 부분 분해 사시도이다.
도 4 내지 도 7은 도 2의 이차 전지용 카트리지의 구성품을 나타낸 사시도들이다.
도 8은 도 2의 이차 전지용 카트리지의 단면도이다.
도 9는 도 8의 주요 부분 확대도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
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 안 되며, 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.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지를 나타낸 사시도, 도 3은 도 2의 부분 분해 사시도, 그리고 도 4 내지 도 7은 도 2의 이차 전지용 카트리지의 구성품을 나타낸 사시도들이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)는, 전지 수납박스(110), 센싱 유닛(120) 및 커버 유닛(130)을 포함한다.
자세히 후술하겠지만, 본 실시예의 경우, 카트리지(100)가 가스 배출구(133)를 제외하고 밀폐된 구조로 이루어져 있기 때문에 종전처럼 어셈블리된 카트리지(100)들 전체를 밀폐하는 외부 케이스가 불필요해져 배터리 모듈(10) 또는 팩의 부피를 줄일 수 있으며, 또한 제조비를 낮출 수 있다.
이차 전지용 카트리지(100)를 형성하는 각 구성에 대해 살펴보면, 우선 전지 수납박스(110)는 다수의 이차 전지(B)를 적층하는데 이용되는 구성요소로서, 이차 전지(B)를 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 이차 전지(B)의 조립을 가이드할 수 있다.
여기서 다수의 이차 전지(B)는 파우치형 이차 전지(B)일 수 있다. 각각의 파우치형 이차 전지(B)는, 전극 리드(L)를 구비할 수 있으며, 이러한 전극 리드(L)는 셀 바디에 대해 단방향 또는 양방향으로 돌출 연장된 2개의 전극 리드(L)(양극 리드, 음극 리드)를 포함할 수 있다. 예컨대, 전지 수납박스(110) 내부에는 2개의 파우치형 이차 전지(B)가 층상 배열될 수 있고, 어느 하나의 이차 전지(B)의 전극 리드(L)와 다른 하나의 이차 전지(B)의 전극 리드(L)는 서로 용접 등을 통해 고정될 수 있으며, 이를 통해 전지 수납박스(110) 내부의 이차 전지(B) 간 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
전지 수납박스(110)는, 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)를 포함하며, 상기 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 상호 간 결합 및 분리 가능하게 마련될 수 있다. 예컨대, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 전지 수납박스(110)는 하부 케이스(112)에 2개의 파우치형 이차 전지(B)를 적층한 다음, 하부 케이스(112)를 상부 케이스(111)로 덮을 수 있도록 구성될 수 있다. 그리고 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)의 코너에 각각 상하 방향으로 관통 형성되어 있는 통공(H)에 끼워 넣어질 수 있는 막대형 체결부재, 예를 들면, 장볼트(140)에 의해 일체로 결합될 수 있다. 참고로, 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 후킹 방식에 의해 결합될 수도 있을 것이다.
이와 같이 조립된 전지 수납박스(110)는 양쪽 측면부(도 2에 나타낸 직교 좌표계에서 Y축 방향을 전지 수납박스(110)의 좌,우측면으로 정의함)를 제외한 전면이 닫힌 구조로 이루어져 있어 수납된 이차 전지(B)는 전지 수납박스(110) 내부에 밀폐될 수 있다. 다만, 이차 전지(B)의 전극 리드(L) 부분은 전지 수납박스(110) 양쪽 측면부에 형성되어 있는 슬롯(116)(도 4 참조)을 통해 외부로 노출될 수 있다. 이러한 이차 전지(B)의 전극 리드(L) 부분은 센싱 유닛(120)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 전지 수납박스(110)는 전지 수용 공간(114), 유로(115a), 슬롯(116), 및 벤팅홀(117)을 구비한다. 여기서 전지 수용 공간(114)과 유로(115a)는 전지 수납박스(110)의 내부에 함께 구비된다. 상기 유로(115a)는 전지 수납박스(110) 내부에서 전지 수용 공간(114)과 구획되며 중공 구조를 갖는다. 그리고 슬롯(116)과 벤팅홀(117)은 전지 수납박스(110)의 양쪽 측면부에 각각 구비될 수 있다. 상기 슬롯(116)은 전지 수용 공간(114)과 연통되며, 벤팅홀(117)은 유로(115a)와 연통된다.
이러한 전지 수용 공간(114), 유로(115a), 슬롯(116) 및 벤팅홀(117)은 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)가 상호 간 결합됨으로써 형성될 수 있다.
이를테면 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 결합면을 기준으로 상기 전지 수용 공간(114), 유로(115a), 슬롯(116) 및 벤팅홀(117)이 대칭적으로 형성되는 내부 구조를 갖는다. 즉, 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 전지 수용 공간(114), 유로(115a), 슬롯(116) 및 벤팅홀(117)의 형상 일 부분을 각각 포함한다. 이하에서 이러한 전지 수납박스(110)의 내부 구조에 대해 자세히 설명한다.
본 실시예의 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 구성이 거의 동일하므로, 이하에서는 하부 케이스(112)에 대한 설명으로 상부 케이스(111)에 대한 설명을 대체하기로 한다.
먼저, 도 5를 참조하면, 하부 케이스(112)는 전지 수납부(114)와 케이스 외주부(115)를 포함한다.
전지 수납부(114)는 하나 또는 둘 이상의 이차 전지(B)가 안착되는 장소로 전지 수용 공간(114)을 구성한다. 이차 전지(B)는 상기 전지 수납부(114)에 자리 배치될 수 있다. 따라서 전지 수납부(114)는 이차 전지(B)의 폭과 너비에 대응되는 사이즈로 설계될 수 있다.
한편, 전지 수납부(114)는 열 전도율이 높은 알루미늄과 같은 금속 재질로 마련될 수도 있다. 예컨대, 이차 전지(B)의 셀 바디는 전지 수납부(114)와 접촉 배치될 수 있고, 여기서 전지 수납부(114)를 알루미늄 재질로 구성함으로써 이차 전지(B)의 방열 효과를 높일 수 있다.
케이스 외주부(115)는 전지 수납부(114)의 둘레 방향을 따라 벽체를 형성하는 부분이다. 본 실시예의 경우, 케이스 외주부(115)는 전지 수납부(114)를 감싸는 형태의 사각 프레임 형태로 제작될 수 있다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 상기 케이스 외주부(115)의 상단면이 서로 대면하도록 결합될 수 있다. 여기서 상기 케이스 외주부(115)의 상단면은 전지 수납박스(110)의 결합면에 해당한다.
케이스 외주부(115)의 단변측에 해당하는 양쪽 측면부에는 상단면보다 단이 낮게 형성된 단차부(115d)가 구비된다. 이러한 단차부(115d)에는 이차 전지(B)의 전극 리드(L) 부분이 놓일 수 있다. 그리고 하부 케이스(112)의 단차부(115d)와 상부 케이스(111)의 단차부(115d)가 결합면을 기준으로 대칭적으로 형상 맞춤됨으로써 전지 수납박스(110)의 슬롯(116)이 형성될 수 있다.
또한, 케이스 외주부(115)는 제1 그루브(115a)를 포함한다. 제1 그루브(115a)는 전지 수납박스(110)의 유로(115a)를 형성하는 일 부분이다. 전술한 전지 수납박스(110)의 슬롯(116)과 같이, 하부 케이스(112)의 제1 그루브(115a)와 상부 케이스(111)의 제1 그루브(115a)가 결합면을 기준으로 대칭적으로 형상 맞춤됨으로써 유로가 형성될 수 있다.
상기 제1 그루브(115a)는 케이스 외주부(115)의 상단부로부터 소정 깊이만큼 함몰 형성될 수 있으며, 도 5와 같이, 케이스 외주부(115)의 일 측면부에서 장변측을 따라서 타 측면부까지 이어질 수 있다. 본 실시예의 경우, 제1 그루브(115a)는 단차부(115d)를 기준으로 2개로 나뉘어져 케이스 외주부(115)의 양쪽 장변측을 각각 경유하도록 마련될 수 있다. 이러한 경우, 제1 그루브(115a)가 하나로 구성되는 경우에 비해, 이차 전지(B)에서 발생된 가스를 보다 효과적이고 신속하게 외부로 배출시킬 수 있다.
케이스 외주부(115)는 제2 그루브(115b)와 제3 그루브(115c)를 더 포함할 수 있다. 제2 그루브(115b)는 도 5와 같이, 제1 그루브(115a)와 유사하게 케이스 외주부(115)의 상단면으로부터 소정 깊이만큼 함몰 형성될 수 있으며, 케이스 외주부(115)의 일 측면부에서 장변측을 따라서 타 측면부까지 이어질 수 있다. 그리고 제2 그루브(115b)는 제1 그루브(115a)에 대해 바깥측에 형성될 수 있다. 이러한 제2 그루브(115b)에는, 도 6과 같이, 실링부재(113a)가 개재될 수 있다.
이러한 구성에 의하면 하부 케이스(112)와 상부 케이스(111)가 결합된 때, 하부 케이스(112)의 제2 그루브(115b)와 상부 케이스(111)의 제2 그루브(115b) 간의 형상 맞춤에 의해 마련된 공간에 실링부재(113a)가 개재됨으로써, 하부 케이스(112)와 상부 케이스(111) 사이의 실링성이 향상될 수 있다. 따라서 하부 케이스(112)와 상부 케이스(111)의 결합면 사이로 가스가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 여기서 상기 실링부재(113a)로는 EPDM(ethylene propylene diene monomer)같은 고무재질의 가스켓이 사용될 수 있다.
제3 그루브(115c)는, 도 4 및 도 5를 참조하면, 케이스 외주부(115)의 양쪽 측면부 외벽면으로부터 소정의 깊이만큼 함몰 형성되고, 제2 그루브(115b)와 연결되며 단차부(115d)와 제1 그루브(115a)가 끝나는 지점의 바깥쪽을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 따라서 하부 케이스(112)와 상부 케이스(111)가 결합된 때, 하부 케이스(112)의 제3 그루브(115c)와 상부 케이스(111)의 제3 그루브(115c)에 의해 전지 수납박스(110)의 양쪽 측면부에 사각 테두리 형태의 음각이 형성될 수 있다.
이러한 제3 그루브(115c)에도, 도 6을 참조하면, 상기 제2 그루브(115b)와 같이 실링부재(113b)가 더 개재될 수 있다. 여기서 제3 그루브(115c)에 개재되는 실링부재(113b)는 전지 수납박스(110)의 측면부와 커버 유닛(130) 간의 밀착력을 높이기 위한 구성이다. 자세히 후술하겠지만, 제3 그루브(115c)에 끼워지는 실링부재(113b)는 커버 유닛(130)의 이너 커버(132)의 개방단에 밀착될 수 있으며, 슬롯(116)과 벤팅홀(117)을 통해 새어나온 가스가 커버 유닛(130) 외부로 누출되는 것을 방지한다.
예컨대 제2 그루브(115b)와 제3 그루브(115c)에 각각 별도의 실링부재를 개재시킬 수도 있으나, 본 실시예의 경우, 제2 그루브(115b)에 끼워지는 실링부재(113a)와 제3 그루브(115c)에 끼워지는 실링부재(113b)를 일체로 제작함으로써 연속적인 실링라인을 구현하고, 조립 공정을 단순화시켰다.
또한, 케이스 외주부(115)의 코너 영역에는 다른 쪽보다 돌출되며 통공(H)이 형성된 조립용 핑거(115e)가 각각 마련될 수 있다. 상기 통공(H)에는 막대형 체결부재가 삽입되어 통과할 수 있다. 예컨대, 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 상기 조립용 핑거(115e) 부분에 장볼트(140)가 끼워져 서로 결합될 수 있다. 또한, 다수의 카트리지(100)들이 (도 10 참조) 하나의 장볼트(140)로 연결되어 하나의 몸체로 조립될 수도 있다.
이어서 센싱 유닛(120)은 이차 전지(B)의 전극 리드(L)와 전기적으로 접속되며, 단자 터미널(124) 간의 연결에 의해 다른 이차 전지용 카트리지(100) 또는 외부 디바이스와 연결되는 구성이다. 이러한 센싱 유닛(120)은 전지 수납박스(110)의 적어도 일 측면부에 장착될 수 있다. 예컨대, 전극 리드(L)의 형성 위치에 따른 이차 전지(B)의 종류에 따라 센싱 유닛(120)의 구성이 달라질 수 있다. 이를테면, 단방향 전극 리드(L)를 갖는 이차 전지(B)의 경우, 센싱 유닛(120)이 전지 수납박스(110)의 일 측면부에만 장착될 수 있고, 양방향 전극 리드(L)를 갖는 이차 전지(B)의 경우, 본 실시예와 같이, 센싱 유닛(120)이 전지 수납박스(110)의 양쪽 측면부에 모두 장착될 수 있다.
구체적으로 본 실시예의 센싱 유닛(120)은, 도 7을 참조하면, 한 쌍의 브라켓(121)과 센싱 블럭(122)을 포함한다.
한 쌍의 브라켓(121)은 슬롯(116)을 사이에 두고 상호 간 소정 간격 이격되게 전지 수납박스(110)의 측면부 외벽에 결합될 수 있다. 이를테면, 브라켓(121)은 전지 수납박스(110)의 측면부 외벽에 볼트 조립될 수 있다.
센싱 블럭(122)은 슬롯(116)의 전방에 위치하도록 한 쌍의 브라켓(121)과 연결되며, 리드 통과홀(123)을 구비한다. 이를테면, 도 7의 A 영역에 도시된 바와 같이, 센싱 블럭(122)은 한 쌍의 브라켓(121)과 한 몸체로 형성될 수 있다. 그리고 센싱 블럭(122)은 브라켓(121)에 대해 돌출된 형태이되 중앙 부분의 폭이 양쪽 끝 부분에 비해 좁게 형성됨으로써 한 쌍의 브라켓(121)과 중앙 부분 사이에 2개의 리드 통과홀(123)이 마련될 수 있다.
상기 리드 통과홀(123)에는 이차 전지(B)의 전극 리드(L)가 통과할 수 있으며, 통과된 이차 전지(B)의 전극 리드(L) 부분은 센싱 블럭(122)의 몸체에 용접 등의 방식으로 고정될 수 있다. 또한, 센싱 블럭(122)에는 단자 터미널(124)이 더 결합될 수 있다.
단자 터미널(124)은 커버 유닛(130)을 관통하여 외부로 노출될 수 있다. 여기서 단자 터미널(124)과 커버 유닛(130)의 관통구 사이의 가스 누출을 막기 위해 단자 터미널(124)의 둘레에 오링(O)이 더 끼워질 수 있다.
이어서 커버 유닛(130)은 전지 수납박스(110)의 슬롯(116)과 벤팅홀(117)을 차폐시키고, 센싱 유닛(120)을 보호하는 구성이다. 커버 유닛(130)은, 도 2를 참조하면, 슬롯(116), 벤팅홀(117), 및 센싱 유닛(120)이 덮이도록 전지 수납박스(110)의 양쪽 측면부에 장착될 수 있다.
본 실시예의 경우, 커버 유닛(130)은, 도 3 및 도 8을 참조하면, 이너 커버(132)와 아우터 커버(131)를 포함한다. 커버 유닛(130)은 이중 구조로 이루어질 수 있다. 아우터 커버(131)는 전지 수납박스(110)의 조립용 핑거(115e)들 사이 폭에 맞게 마련되고, 이너 커버(132)는, 사각 테두리 음각 형태의 제3 그루브(115c)에 대응되는 개방단을 갖도록 마련된다. 전술한 바와 같이, 이너 커버(132)의 개방단과 제3 그루브(115c) 사이에 실링부재(113)가 개재되며, 슬롯(116)과 벤팅홀(117)은 이너 커버(132)에 의해 차폐될 수 있다. 이와 같이 커버 유닛(130)이 이중 구조로 구성됨으로써 가스 누출 방지 효과를 더욱 높일 수 있으며, 자체적인 기계적 강성도가 높아질 수 있다.
한편, 커버 유닛(130)은 전지 수납박스(110)의 양쪽 측면부에 하나씩 장착되는데, 그 중 적어도 하나에 가스 배출구(133)가 마련된다. 즉, 가스 배출구(133)는 2개의 커버 유닛(130) 모두에 마련될 수도 있지만, 가스 배출 경로를 단일화하기 위해서 가스 배출구(133)는 어느 한 쪽에만 두는 것이 바람직하다. 상기 가스 배출구(133)는 이너 커버(132)와 연통되도록 구성될 수 있다. 따라서 본 실시예의 이차 전지용 카트리지(100)에서 가스는 상기 가스 배출구(133)를 통해서만 외부로 배출되게 된다.
이하에서는 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)의 가스 배출 경로를 설명한다.
파우치형 이차 전지(B)는 특히, 전극 리드(L)가 부착되어 있는 부분에서 발열이 심하고, 실링성이 약해 전극 리드(L)가 있는 쪽에서 가스 누출이 쉽게 일어날 수 있다. 이와 같이 전극 리드(L) 부분을 통해 이차 전지(B) 내부에서 가스가 새어나오면, 가스는 슬롯(116)을 통해 이너 커버(132)로 유입된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 가스 배출구(133)가 있는 이너 커버(132)로 유입된 가스는 바로 가스 배출구(133)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 가스 배출구(133)가 없는 반대측 이너 커버(132)로 유입된 가스는 마찬가지로 슬롯(116)을 통해 이너 커버(132) 내부로 유입된 다음, 슬롯(116)에 이웃해 있는 일측 벤팅홀(117)로 빨려 들어갈 수 있다. 참고로, 가스가 발생한 때, 가스의 흐름은 전지 수납박스(110) 내부 기압은 외부 기압보다 높기 때문에 압력차에 의해 가스 배출구(133) 측을 향할 수 있다.
그 다음, 가스는 전지 수납박스(110)의 케이스 외주부(115)에 형성된 유로를 따라 반대측 벤팅홀(117) 밖으로 빠져나와서, 가스 배출구(133)를 통해 카트리지(100) 외부로 배출될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 이차 전지용 카트리지(100)는 이차 전지(B)의 적층 가이드뿐만 아니라 카트리지(100) 단위에서 이차 전지(B)의 오작동 시 발생된 가스를 특정 경로로 배출시킬 수 있다. 따라서, 이러한 이차 전지용 카트리지(100)를 활용하면 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩의 구성 중 (예컨대 도 1에 도시된 바와 같은) 팩 케이스를 생략할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 상술한 이차 전지용 카트리지(100) 다수 개가 적층되어 구성될 수 있다. 이를테면, 도 10에 도시된 바와 같이, 이차 전지용 카트리지(100)들은 가스 배출구(133)들이 같은 방향을 향하도록 층상 배열되도록 적층될 수 있다. 이와 같이 적층된 카트리지(100) 적층체는 장볼트(140)에 의해 하나의 몸체로 조립될 수 있다. 여기서 장볼트(140)는 각 카트리지(100)의 코너 영역에 마련된 조립용 핑거(115e)의 통공(H)에 끼워 넣어질 수 있다.
또한, 단자 터미널(124)들은 버스바 내지 케이블(미도시) 등으로 연결될 수 있다. 즉, 단자 터미널(124)들 간의 연결에 의해 각 카트리지(100)들 내부에 수납되어 있는 이차 전지(B)들이 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 각 카트리지(100)의 가스 배출구(133)들에는 매니폴더(200)가 결합될 수 있다. 매니폴더(200)는 각 카트리지(100)들 내부에서 배출되는 가스를 한 곳으로 모으는 역할을 한다. 이러한 매니폴더(200)는 다시 배기 라인(미도시)과 연결될 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 각 카트리지(100)들이 밀폐된 구조로 이루어져 있으며 내부에 가스를 배출할 수 있는 유로가 설계되어 있음으로, 기존에 가스 배출을 위해 필요했던 외부 케이스를 생략할 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 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 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 하나 이상 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 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
본 발명은 이차 전지용 카트리지에 관한 것으로서, 특히, 이러한 이차 전지용 카트리지를 사용하여 구성된 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈에 의해 구동되는 디바이스, 이를테면 전기 자동차와 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (15)

  1. 내부에 이차 전지가 수납되는 전지 수용 공간과, 상기 전지 수용 공간과 구획되어 있으며 중공 구조를 갖는 유로를 구비하며, 양쪽 측면부에 상기 전지 수용 공간과 연통하는 슬롯과, 상기 유로와 연통하는 벤팅홀을 각각 구비하는 전지 수납박스;
    전기 전도성 재질로 형성되고, 상기 전지 수납박스의 적어도 일 측면부에 장착되며, 상기 슬롯을 통해 상기 전지 수납박스 내외로 연장되는 상기 이차 전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 센싱 유닛; 및
    일면이 개방된 박스 형태로 마련되고 상기 전지 수납박스의 양쪽 측면부에 장착되어 상기 전지 수납박스의 슬롯, 벤팅홀 및 상기 센싱 유닛을 차폐시키는 커버 유닛을 포함하며,
    상기 전지 수납 박스의 양쪽 측면부 중 적어도 어느 하나에 장착되는 커버 유닛에는 가스 배출구가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 수납박스는,
    상부 케이스와 하부 케이스를 포함하며,
    상기 전지 수용 공간, 상기 유로, 상기 슬롯, 및 상기 벤팅홀은 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스가 상호 간 결합됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는 각각,
    상기 이차 전지가 자리 배치되는 공간을 형성하는 전지 수납부; 및
    상기 케이스 수납부의 둘레 방향을 따라 벽체를 형성하는 케이스 외주부를 포함하며,
    상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는 상기 케이스 외주부의 상단면이 서로 대면하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 케이스 외주부는,
    상단면으로부터 소정 깊이만큼 함몰 형성되며 상기 유로를 형성하는 제1 그루브를 포함하며,
    상기 제1 그루브는 상기 벤팅홀까지 이어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 케이스 외주부는,
    상기 제1 그루브와 구획된 위치에서 상단면으로부터 소정 깊이만큼 함몰 형성된 제2 그루브를 더 포함하며,
    상기 전지 수납박스는, 상기 제2 그루브에 개재되는 실링부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 케이스 외주부는, 상기 양쪽 측면부에 해당하는 위치에 상단면보다 단이 낮게 형성된 단차부를 더 구비하며, 상기 단차부는 상기 슬롯의 일부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 케이스 외주부의 코너 영역에는 다른 쪽보다 돌출되며 통공이 형성된 조립용 핑거가 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조립용 핑거의 통공에는 막대형 체결부재가 삽입되어 통과하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 유닛은,
    상기 슬롯을 사이에 두고 상호 간 소정 간격 이격되게 상기 전지 수납 박스의 측면부 외벽에 결합되는 한 쌍의 브라켓; 및
    상기 슬롯의 전방에 위치하도록 상기 한 쌍의 브라켓에 연결되며, 상기 이차 전지의 전극 리드가 통과하는 리드 통과홀을 구비하고 상기 전극 리드와 접촉되는 센싱 블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 리드 통과홀은 적어도 2개 이상인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 커버 유닛을 관통해서 상기 센싱 블럭에 연결되는 단자 터미널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단자 터미널이 관통되는 상기 커버 유닛의 터미널 관통공에 오링이 개재되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 전지 수납박스는,
    상기 전지 수납박스의 양쪽 측면부 외벽면으로부터 소정의 깊이만큼 함몰 형성되고, 상기 제2 그루브와 연결되며 상기 슬롯과 상기 벤팅홀을 둘러싸는 형태로 형성되는 제3 그루브를 더 구비하며,
    상기 커버 유닛은, 상기 제3 그루브에 대응하는 개방단을 가지며 상기 슬롯과 상기 벤팅홀을 차폐시키는 이너 커버와 상기 이너 커버를 차폐시키는 아우터 커버를 포함하며,
    상기 실링부재는 상기 제3 그루브와 상기 이너 커버의 개방단 사이에 더 개재되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 카트리지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지용 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제14항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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