KR102017237B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조가 간단하고 조립이 용이하면서도 전극 리드의 접촉 상태가 안정적으로 유지될 수 있는 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하고 상하 방향으로 배치된 다수의 이차 전지, 및 상하 방향으로 상호 적층되어 내부 공간에 상기 이차 전지를 수용하는 다수의 카트리지를 구비하는 셀 어셈블리; 및 상기 셀 어셈블리의 전방에 장착되고, 전기 절연성 재질로 구성된 절연 하우징 및 전기 전도성 재질로 구성된 센싱 버스바를 구비하며, 상기 전극 리드와 결합되어 상기 이차 전지의 전압을 센싱하는 센싱 어셈블리를 포함하되, 상기 절연 하우징은, 상기 전극 리드가 관통되도록 상하 방향으로 상호 이격되게 배치된 다수의 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀의 내부에 수평 방향으로부터 소정 각도 기울어지도록 경사지게 형성된 다수의 하우징 경사부를 구비한다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조가 간단하고 조립이 용이하면서도 전극 리드의 접촉 상태가 안정적으로 유지될 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 스마트폰, 스마트 워치 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 세간의 이목이 집중되고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 점차 크게 늘어나고 있는 실정이다.
대부분의 배터리 팩, 특히 하이브리드 자동차나 전기 자동차, ESS(Energy Storage System)와 같은 중대형 배터리 팩에는 다수의 이차 전지가 포함되며, 이러한 다수의 이차 전지들은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결되어, 용량 및 출력이 향상되도록 한다. 더욱이, 중대형 배터리 팩에는 적층이 용이하고 무게가 가벼우며 많은 개수를 포함시킬 수 있다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
이와 같은 파우치형 이차 전지에 있어서, 이차 전지 사이의 전기적 연결은 전극 리드를 서로 직접 접촉시키는 방식으로 구성되는 경우가 많다. 이때, 이차 전지를 병렬로 연결시키기 위해서는 동일 극성의 전극 리드를 서로 연결시키고 직렬로 연결시키기 위해서는 다른 극성의 전극 리드를 서로 연결시킨다.
이러한 상황에서, 서로 연결되지 않아야 할 전극 리드가 서로 접촉하게 된다면, 내부 단락이 발생하여 배터리 팩이 손상되는 것은 물론, 심한 경우 발화나 폭발이 일어날 수 있다. 반면, 서로 연결되어야 할 전극 리드가 서로 분리된다면, 배터리 모듈로부터 전원이 제대로 공급되지 못하게 되므로, 전원 무감 현상이 발생하거나 배터리 모듈의 용량이나 출력을 떨어뜨릴 수 있다. 이처럼, 전원 무감 현상 등이 발생하는 경우, 배터리 모듈이 장착된 장치, 이를테면 자동차 등의 작동이 멈추게 될 수 있으며, 이는 큰 사고로 이어질 수 있다.
따라서, 전극 리드의 접촉 상태는, 원래 의도된 대로 안정적으로 유지될 필요가 있으며, 의도되지 않은 전극 리드 간 접촉이나 분리가 일어나서는 안 된다. 더욱이, 자동차 등에 이용되는 배터리 모듈의 경우, 진동이나 충격 등에 자주 노출될 수 있기 때문에, 진동이나 충격에도 전극 리드의 연결 상태가 안정적으로 유지될 수 있는 배터리 모듈의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
또한, 배터리 모듈에 있어서는, 이러한 전극 리드 사이의 연결에 대한 안정성과 더불어 조립성이 확보될 필요가 있다. 예를 들어, 전극 리드 사이의 연결이 안정적이더라도 그 조립이 매우 어렵게 수행되어야 한다면, 배터리 모듈의 생산성이 떨어질 수 있고, 불량이 발생할 가능성이 증가할 수 있다.
특히, 배터리 모듈에 있어서, 이차 전지의 전압을 센싱하기 위해 센싱용 버스바가 구비될 수 있는데, 이러한 센싱용 버스바는 전극 리드와 접촉될 필요가 있다. 이 경우, 전극 리드는, 다른 전극 리드와 접촉되면서, 그와 함께 센싱용 버스바와도 접촉되어야 한다. 따라서, 배터리 모듈 조립 시, 이러한 전극 리드 사이의 연결 및 전극 리드와 버스바 사이의 연결이 잘 이루어질 수 있도록, 전극 리드와 버스바 사이의 연결 부분에 대하여 조립성이 우수한 구조가 마련될 필요가 있다. 더욱이, 복수의 전극 리드와 버스바는 연결 상태가 안정적으로 유지되기 위해 용접 등의 결합 공정이 수행될 수 있는데, 이 경우, 용접성이 우수한 모듈 구조가 마련되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전극 리드의 연결 상태가 안정적으로 유지될 수 있으면서도 조립성 및 공정성이 개선된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하고 상하 방향으로 배치된 다수의 이차 전지, 및 상하 방향으로 상호 적층되어 내부 공간에 상기 이차 전지를 수용하는 다수의 카트리지를 구비하는 셀 어셈블리; 및 상기 셀 어셈블리의 전방에 장착되고, 전기 절연성 재질로 구성된 절연 하우징 및 전기 전도성 재질로 구성된 센싱 버스바를 구비하며, 상기 전극 리드와 결합되어 상기 이차 전지의 전압을 센싱하는 센싱 어셈블리를 포함하되, 상기 절연 하우징은, 상기 전극 리드가 관통되도록 상하 방향으로 상호 이격되게 배치된 다수의 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀의 내부에 수평 방향으로부터 소정 각도 기울어지도록 경사지게 형성된 다수의 하우징 경사부를 구비한다.
여기서, 상기 하우징 경사부는 내측 방향으로 갈수록 높이가 낮아지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연 하우징은, 상기 하우징 경사부의 하단에서 수평 외측 방향으로 연장되게 형성된 외측 수평부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 외측 수평부는, 상기 센싱 버스바보다 외측으로 돌출되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 센싱 버스바는, 상기 하우징 경사부의 외측에서 상기 하우징 경사부와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 관통홀, 상기 하우징 경사부 및 상기 센싱 버스바는 각각, 상하 방향으로 다수, 수평 방향으로 2열로 배치될 수 있다.
또한, 상기 절연 하우징은, 상기 하우징 경사부의 하단에서 내측 단부가 수평 내측 방향으로 연장되게 형성된 내측 수평부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 외측 단부에 수평 방향으로부터 소정 각도 기울어지도록 경사지게 형성된 카트리지 경사부를 구비할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 효과로서, 배터리 모듈 내에서 이차 전지의 전극 리드 연결 상태가 안정적으로 유지될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 서로 연결되지 않아야 할 전극 리드 사이가 비의도적으로 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 전극 리드의 부적절한 접촉으로 인한 내부 단락 등이 발생하는 것을 방지하여, 배터리 팩의 화재나 폭발 등을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 서로 연결되어야 할 전극 리드 사이가 비의도적으로 분리되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 전극 리드의 부적절한 분리로 인한 전원 무감 현상이나 출력 내지 용량 감소의 문제를 예방할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서, 상기와 같이 이차 전지의 전극 리드 간 연결 상태를 안정적으로 유지할 수 있으면서도, 배터리 모듈의 구조가 복잡해지거나 공정성 내지 조립성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 별도의 부품을 이용하지 않고, 센싱 어셈블리 및/또는 카트리지를 통해 전극 리드의 연결 상태가 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 셀 어셈블리와 센싱 어셈블리 사이의 조립성이 향상될 수 있다. 더욱이, 센싱 어셈블리를 셀 어셈블리와 조립할 때, 셀 어셈블리의 전극 리드가 센싱 어셈블리의 홀에 쉽게 삽입될 수 있도록 가이드되고, 전극 리드가 서로 용이하게 접촉되도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면들에 의하면, 배터리 모듈의 구조가 복잡해지지 않고 조립성 및 공정성이 저하되지 않으며, 제조 비용 내지 제조 시간이 늘어나는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 나타내는 결합 사시도이다.
도 2는, 도 1의 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 3은, 도 1의 구성에 대한 상면도이다.
도 4는, 도 1에 도시된 센싱 어셈블리의 분리 사시도이다.
도 5는, 도 3의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.
도 6은, 도 5의 C1 부분에 대한 확대도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 센싱 어셈블리의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은, 도 3의 A2-A2'선에 대한 단면도이다.
도 9는, 도 8의 C2 부분의 확대도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 하우징을 내측에서 외측 방향으로 바라본 형태의 사시도이다.
도 11은, 도 8의 C2 부분에 대한 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12는, 도 5의 C1 부분에 대한 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지와 절연 하우징의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지와 절연 하우징의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 구성에 대한 분리 사시도이다. 또한, 도 3은, 도 1의 구성에 대한 상면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100) 및 센싱 어셈블리(200)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 다수의 이차 전지(110)를 구비할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에는 이차 전지(110)로서 파우치형 이차 전지가 복수 개 포함될 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다.
여기서, 전극 조립체는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 조립체는, 하나의 양극판과 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형, 및 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 구분될 수 있다.
또한, 파우치 외장재는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 알루미늄 박막은, 전극 조립체 및 전해액과 같은 이차 전지 내부의 구성요소나 이차 전지 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층 사이에 개재될 수 있다.
특히, 파우치 외장재는, 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 내부 공간에는 전극 조립체가 수납될 수 있다. 그리고, 2개의 파우치의 외주면에는 실링부가 구비되어 이러한 실링부가 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.
각각의 파우치형 이차 전지는, 전극 리드(111)를 구비할 수 있으며, 이러한 전극 리드(111)에는 양극 리드 및 음극 리드가 포함될 수 있다. 여기서, 각각의 전극 리드(111)는, 도면에 도시된 바와 같이, 플레이트 형태로 구성되어, 수평 방향으로 눕혀진 형태로 파우치 외장재 외부로 돌출되어, 이차 전지의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 파우치형 이차 전지가 채용될 수 있다.
다수의 파우치형 이차 전지(110)는, 일 방향, 이를테면 도면에 도시된 바와 같이 상하 방향으로 적층될 수 있다. 이때, 각각의 파우치형 이차 전지(110)는, 지면에 평행하게 눕혀진 형태, 즉 넓은 면이 상하를 향하도록 하여, 다수 평행하게 배열될 수 있다.
또한, 상기 셀 어셈블리(100)는, 카트리지(120)를 구비할 수 있다.
상기 카트리지(120)는, 파우치형 이차 전지(110)를 내부 공간에 수용하여, 파우치형 이차 전지(110)의 외측을 보호하고, 파우치형 이차 전지(110)의 상호 배열을 가이드하는 한편, 적층된 조립체의 유동을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 카트리지(120)는, 양 단부가 상호 연결되며 플라스틱과 같은 절연성 재질로 구성된 4개의 단위 프레임을 구비하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 대략 사각 링 형태로 형성될 수 있다. 일반적으로, 파우치형 이차 전지(110)는 대략 사각형 형태로 구성되기 때문에, 카트리지(120)는 이러한 파우치형 이차 전지(110)의 외주부를 외측에서 감싸도록 사각 링 형태로 형성될 수 있다. 이때, 카트리지(120)는, 각 단위 프레임이 각각 별도로 제조된 후 상호 조립되는 형태로 마련될 수도 있고, 처음부터 서로 일체화된 형태로 형성될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 각 단위 프레임에 의해 한정되는 내부의 빈 공간에는, 상기 카트리지(120)의 수납부가 위치할 수 있다. 그리고, 각 단위 프레임에는 카트리지(120)의 실링부의 적어도 일부분이 위치할 수 있다.
또한, 상기 카트리지(120)는, 상호 적층 가능한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 카트리지(120)는, 도면에 도시된 바와 같이, 이차 전지(110)의 적층 방향과 동일한 방향, 즉 상하 방향으로 상호 적층될 수 있다. 그리고, 둘 이상의 카트리지(120)가 적층되어 형성된 내부 공간에 파우치형 이차 전지(110)가 수용될 수 있다.
이때, 상기 카트리지(120)는, 상호 적층되는 표면, 즉 좌측면과 우측면에 상호 대응되는 형태로 요철 구조가 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지(120)에 형성된 요철 구조로 인해, 카트리지(120) 간 체결성 및 고정력이 향상될 수 있고, 요철 구조가 가이드 역할을 하여 조립이 보다 용이해질 수 있다.
상기 센싱 어셈블리(200)는, 셀 어셈블리(100)의 전방에 장착될 수 있다. 여기서, 셀 어셈블리(100)의 전방이란, 셀 어셈블리(100)에서 전극 리드(111)가 돌출된 측면 방향을 의미한다고 할 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100)의 전방은, 도 2에서 셀 어셈블리(100)의 우측면 방향을 의미한다고 할 수 있다. 그리고, 이러한 방향을 나타내는 용어, 즉 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 용어는 관측자의 위치나 대상의 놓여진 형태에 따라 달라질 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해, 전극 리드(111)가 돌출된 측면을 전방으로 하여, 전, 후, 좌, 우, 상, 하 등의 방향을 구분하여 나타내도록 한다.
상기 센싱 어셈블리(200)는, 셀 어셈블리(100)와 탈부착 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 센싱 어셈블리(200)는 후크돌기를 구비하고, 셀 어셈블리(100)는 이와 대응되는 위치 및 형태로 후크홈을 구비하여, 센싱 어셈블리(200)는 셀 어셈블리(100)에 후크 결합될 수 있다.
특히, 상기 센싱 어셈블리(200)는, 센싱 어셈블리(200)의 전극 리드(111)와 결합하여 이차 전지(110)의 전압을 센싱할 수 있다. 특히, 상기 센싱 어셈블리(200)는, 셀 어셈블리(100)에 구비된 모든 이차 전지(110)의 각 양단 전압을 센싱하도록 구성될 수 있다.
도 4는, 도 1에 도시된 센싱 어셈블리(200)의 분리 사시도이다. 또한, 도 5는, 도 3의 A1-A1'선에 대한 단면도이다. 다만, 도 5에서는, 설명의 편의를 위해, 각 전극 리드(111)는 센싱 버스바(220)에 접촉되지 않은 상태로 도시되도록 하였다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 센싱 어셈블리(200)는, 센싱 버스바(220) 및 절연 하우징(210)을 구비할 수 있다.
상기 절연 하우징(210)은, 전기 절연성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연 하우징(210)은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
상기 센싱 버스바(220)는, 전극 리드(111)와 접촉되어 전극 리드(111)의 전압을 센싱하며, 센싱된 전압을 BMS(Battery Management System)와 같은 다른 구성요소로 전달하는 전기적 경로를 형성할 수 있다. 이를 위해, 상기 센싱 버스바(220)는, 전극 리드(111)와 같이 전기 전도성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 센싱 버스바(220)는, 구리나 알루미늄과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다. 상기 센싱 버스바(220)는, 절연 하우징(210)에 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 센싱 버스바(220)는, 볼트나 리벳 등의 체결 부재에 의해 절연 하우징(210)에 체결될 수 있다. 또는, 상기 센싱 버스바(220)에는 체결홀이 형성되고, 절연 하우징(210)에는 체결돌기가 형성되어, 체결돌기가 체결홀에 삽입되는 방식으로 센싱 버스바(220)가 절연 하우징(210)에 결합될 수 있다. 이때, 체결돌기는 체결홀에 삽입된 후 외측 단부가 가압되거나 가열됨으로써 두께가 두꺼워져, 결합 상태가 고정되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 센싱 어셈블리(200)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 센싱 버스바(220)의 적어도 일부를 커버하도록 덮개(230)를 더 구비할 수 있다. 상기 덮개(230)는, 절연 하우징(210)과 마찬가지로 전기 절연성 재질, 이를테면 플라스틱 재질로 형성되어, 센싱 버스바(220)의 외측에 위치될 수 있다. 따라서, 상기 덮개(230)는, 센싱 버스바(220)의 적어도 일부에 대한 외측 노출을 방지하고, 전기적 절연을 확보할 수 있다. 그리고, 이러한 덮개(230)는, 절연 하우징(210) 또는 센싱 버스바(220)에 결합 고정될 수 있다.
상기 절연 하우징(210)은, 셀 어셈블리(100)의 전극 리드(111)가 내측에서 외측 방향으로 관통되도록, H1으로 표시된 바와 같이, 관통홀이 형성될 수 있다. 여기서, 내측 방향이란 배터리 모듈의 중심 측 방향을 의미하고, 외측 방향이란 배터리 모듈의 외부를 향하는 방향을 의미한다고 할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 구성에서, 내측 방향은 좌측 방향을 의미하고, 외측 방향은 우측 방향을 나타낸다고 할 수 있다. 본 명세서에서, 내측과 외측은, 그에 대하여 특별한 설명이 없는 한, 이와 유사하게 구분하도록 한다.
상기 절연 하우징(210)은, 이러한 관통홀(H1)이 다수 개 형성될 수 있는데, 다수의 관통홀(H1)은, 도면에 도시된 바와 같이, 상하 방향으로 상호 이격되게 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈의 셀 어셈블리(100)에서, 파우치형 이차 전지(110)는 눕혀진 형태로 상하 방향으로 적층될 수 있으므로, 각 이차 전지(110)의 전극 리드(111)는, 상하 방향으로 복수 개 배열될 수 있다. 더욱이, 복수의 전극 리드(111)는, 이차 전지(110) 간 전기적 연결을 위해 2개가 서로 접촉된 상태로 한 쌍을 이루며, 각 쌍이 상하 방향으로 배치될 수 있다. 따라서, 상하 방향으로 배치된 전극 리드(111)의 각 쌍은, 절연 하우징(210)의 관통홀(H1)에 각각 관통될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 센싱 어셈블리(200)에 있어서, 상기 절연 하우징(210)은, 하우징 경사부를 구비할 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은, 도 5의 C1 부분에 대한 확대도이다.
도 6을 참조하면, 상기 하우징 경사부(211)는, 관통홀의 내부에 형성되며, 그 형태가 수평 방향으로부터 소정 각도 기울어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에서 좌우 수평 방향을 지면에 평행한 방향이라 할 때, 상기 하우징 경사부(211)는, 경사면이 지면과 이루는 각도가 대략 60° 내지 70°의 각도를 이루는 형태로 형성될 수 있다. 다만, 이러한 경사 각도는, 센싱 어셈블리(200)나 셀 어셈블리(100)의 형태, 전극 리드(111)의 형태, 이차 전지(110)의 포함 개수 등에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다.
이처럼, 하우징 경사부(211)가 형성된 구성에 의하면, 센싱 어셈블리(200)를 셀 어셈블리(100)에 조립할 때, 셀 어셈블리(100)의 전극 리드(111)가 센싱 어셈블리(200)의 하우징 경사부(211)를 따라 센싱 어셈블리(200)의 관통홀로 용이하게 유도될 수 있다. 따라서, 센싱 어셈블리(200)와 셀 어셈블리(100)의 조립성 및 공정성이 향상될 수 있다.
더욱이, 이러한 구성에 의하면, 전극 리드(111)가 관통홀로 손쉽게 인입되므로, 관통홀을 크게 구성할 필요가 없다. 따라서, 관통홀에 의한 외부 이물질의 유입을 보다 용이하게 차단할 수 있다. 또한, 2개의 전극 리드(111)가 보다 용이하게 접촉되도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 관통홀 내부에서 전극 리드(111)의 유동이 보다 효과적으로 제한되므로, 전극 리드(111)의 유동으로 인한 파손이나 2개의 전극 리드(111) 간 접촉 분리가 방지될 수 있다.
특히, 상기 하우징 경사부(211)는, 내측 방향으로 갈수록 높이가 낮아지게 형성될 수 있다. 즉, 상기 하우징 경사부(211)는, 도 6에 도시된 구성에서, 우측 방향으로 갈수록 높이가 높아지게 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 적어도 하나의 전극 리드(111)가 하우징 경사부(211)의 경사면을 따라 보다 용이하게 안착될 수 있다. 즉, 전극 리드(111)는 중력에 의해 하부 방향으로 지속적으로 힘이 가해질 수 있는데, 상기 실시예와 같이 하우징 경사부(211)의 상면에 전극 리드(111)가 놓이는 경우, 전극 리드(111)는 중력에 의해 하우징 경사부(211)에 보다 안정적으로 밀착하여 접촉될 수 있다. 따라서, 전극 리드(111)는 절연 하우징(210) 내부에서 보다 안정적으로 유지되어, 진동이나 충격이 가해지더라도, 손상이 방지되고 상호 접촉하여 연결된 2개의 전극 리드(111)가 서로 분리되는 것이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
한편, 적어도 일부의 이차 전지에 대한 전극 리드는, 하부 방향으로 오목한 형태의 벤딩부를 구비할 수 있다.
예를 들어, 도 6의 구성에서 G로 표시된 부분과 같이, 일부 이차 전지(110)의 전극 리드(111)는, 수평 방향으로 연장되다가 소정 부분에서 'U'자 형태로 구부러진 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 하부 방향으로 오목하게 형성된 벤딩부를 통해 측면 방향의 충격 등을 흡수할 수 있다. 즉, 배터리 모듈의 외측(도 6의 우측)에서 내측(도 6의 좌측) 방향으로 충격이나 진동이 가해질 때, 상기 벤딩부에 의해 충격이나 진동이 전극 리드를 따라 이차 전지의 본체 측으로 전달되는 것을 완화시킬 수 있다. 그러므로, 외부 충격이나 진동으로 인해 이차 전지의 전극 리드 부분이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 이러한 전극 리드의 벤딩부(G)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 카트리지(120)를 사이에 두고 상호 접촉된 2개의 전극 리드 중 적어도 어느 하나의 전극 리드에 형성될 수 있다. 예를 들어, 1개의 카트리지를 사이에 두고 접촉된 2개의 전극 리드 중, 상부에 위치한 전극 리드에 대하여 이러한 벤딩부가 형성되도록 할 수 있다. 이때, 하부에 위치한 전극 리드는 하우징 경사부(211)를 따라 경사진 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 상부에 위치한 전극 리드의 벤딩부는 이러한 하부에 위치한 전극 리드의 경사 부분에 안착될 수 있다.
그러므로, 이 경우, 상부에 위치한 전극 리드 역시 하부에 위치한 전극 리드와 마찬가지로 하우징 경사부에 안착된 효과를 가질 수 있으며, 이로 인해 상부에 위치한 전극 리드의 절연 하우징에 대한 밀착성과 고정성이 향상될 수 있다. 또한, 상부에 위치한 전극 리드와 하부에 위치한 전극 리드의 밀착성 및 접촉성도 향상될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 4개 이상의 이차 전지가 상하 방향으로 적층된 경우, 전극 리드의 벤딩부는 짝수층에 형성되거나 홀수층에 형성되는 것과 같이, 하나씩 건너뛰는 형태로 형성될 수 있다. 다만, 이러한 벤딩부의 형성 위치는, 관통홀이나 이차 전지의 배치 형태 등에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 하우징 경사부(211)는, 상단부가 평평하게 구성될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 하우징 경사부(211)는 우측 방향으로 갈수록 높이가 높아지는 형태로 구성될 수 있는데, 이때, 하우징 경사부(211)의 우측 상단부는 평평한 면이 형성되도록 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 하우징 경사부(211)를 따라 상부 방향으로 경사지게 구성된 전극 리드(111)는, 하우징 경사부(211)의 상단 평평한 면에서 평평하게 구성되므로, 센싱 버스바(220)와 접촉하기 위해 전극 리드(111)가 과도하게 접히는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 센싱 어셈블리(200)에 있어서, 상기 절연 하우징(210)은, 외측 수평부(212)를 더 구비할 수 있다.
상기 외측 수평부(212)는, 상기 하우징 경사부(211)의 하단에서 수평 외측 방향으로 평평하게 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 외측 수평부(212)는, 하우징 경사부(211)와 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 외측 수평부(212)는, 관통홀의 상단까지 연장되게 형성될 수 있다. 이 경우, 절연 하우징(210)의 관통홀은, 외측 수평부(212)와 하우징 경사부(211)에 의해 상단과 하단이 한정될 수 있다. 즉, 절연 하우징(210)의 외측 수평부(212)는 관통홀의 상단을 구성하고, 절연 하우징(210)의 경사부 상단은 관통홀의 하단을 구성할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)와 센싱 어셈블리(200)의 결합을 보다 용이하게 하고, 전극 리드(111)의 유동을 보다 효과적으로 제한할 수 있다. 즉, 외측 수평부(212)는 센싱 어셈블리(200)가 셀 어셈블리(100)에 결합되는 과정에서, 전극 리드(111)가 외측 방향으로 수평으로 이동할 수 있게 함으로써, 전극 리드(111)가 관통홀에 용이하게 관통되도록 할 수 있다. 또한, 센싱 어셈블리(200)가 셀 어셈블리(100)에 결합되어 있는 상태에서, 전극 리드(111)가 상부 방향으로 이동하는 것을 제한함으로써, 진동이나 충격이 가해질 때 전극 리드(111)가 심하게 이동하여 손상되거나 접촉 상태가 해제되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 진동이나 충격 등에 의해 전원 무감 현상이 발생하거나 배터리 모듈의 출력이나 용량이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 외측 수평부(212)에 의해 전극 리드(111)의 이동이 제한되어, 접촉되지 않아야 할 전극 리드(111)가 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 전극 리드(111) 간 부적절한 접촉으로 인해 내부 단락 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극 리드(111)의 상부 방향 이동을 제한하기 위한 리드 커버 등을 배터리 모듈에 별도로 구비할 필요가 없으므로, 배터리 모듈의 조립성이 향상되고, 제조 비용 및 시간이 절감될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 센싱 어셈블리(200)의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 7은, 도 3의 A1-A1'선에 대한 단면의 일 실시예로서, 도 6과는 다른 형태라 할 수 있다. 이러한 도 7에 대해서는, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하며, 앞선 설명들이 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 7을 참조하면, 상기 외측 수평부(212)는, 센싱 버스바(220)보다 외측으로 돌출되게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 구성에서, 외측 수평부(212)는, P로 표시된 부분과 같이, 센싱 버스바(220)보다 우측 방향으로 더 돌출되게 연장 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 외측 수평부(212)에 의해 전극 리드(111) 간 부적절한 접촉이 보다 확실하게 방지될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 구성에서, 센싱 버스바(220)의 외측면에 접촉된 전극 리드(111)의 상부와 하부에는 각각 외측 수평부(212)가 위치할 수 있다. 따라서, 하부 방향으로 절곡된 전극 리드(111) 쌍의 하측 단부가, 하부에 위치한 외측 수평부(212)의 돌출 부분(P)으로 인해, 그 하부층의 전극 리드(111) 쌍에 접촉하는 것이 보다 확실하게 차단될 수 있다. 또한, 일부 전극 리드(111)의 용접 상태가 해제되어 상부 방향으로 들뜬다 하더라도, 상부에 위치한 외측 수평부(212)의 돌출 부분(P)으로 인해, 그 상부층의 전극 리드(111) 쌍이나 버스바에 접촉하는 것이 보다 확실하게 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 외측 수평부(212)의 돌출 부분(P)으로 인해 전극 리드(111)의 상부 방향 이동이 보다 확실하게 방지될 수 있다. 그리고, 이러한 구성에 있어서, 외측 수평부(212)의 돌출 부분(P)에 센싱 버스바(220)가 안착될 수 있다. 따라서, 센싱 버스바(220)와 절연 하우징(210)의 결합이 보다 용이해지고, 그 결합 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 센싱 버스바(220)는, 하우징 경사부(211)의 외측에서 상기 하우징 경사부(211)와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 센싱 어셈블리(200)는, 센싱 버스바(220)와 절연 하우징(210) 사이에 빈 공간이 형성되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 센싱 버스바(220)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 하우징 경사부(211)의 외측에 위치할 수 있으며, 대략 지면에 수직하게 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 센싱 버스바(220)의 상단은 하우징 경사부(211)의 상단에 접촉되어 지지되고, 센싱 버스바(220)의 하단은 외측 수평부(212)의 외측단에 접촉되어 지지될 수 있다. 그리고, 센싱 버스바(220)와 하우징 경사부(211) 사이에는, 도면에서 V로 표시된 부분과 같이, 빈 공간이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 센싱 버스바(220)가 절연 하우징(210)에 수평 방향으로 안착되어 안정적으로 지지될 수 있으면서도, 센싱 버스바(220)와 절연 하우징(210) 사이에 빈 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 빈 공간은 센싱 버스바(220)와 전극 리드(111) 사이, 및 전극 리드(111) 사이의 용접 시, 열이나 가스가 용이하게 배출될 수 있도록 하고, 열에 의해 절연 하우징(210)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 버스바(220)와 전극 리드(111) 사이, 그리고 2개의 전극 리드(111) 사이는, 상호 접촉된 상태로 고정되기 위해 레이저 용접 등의 방식으로 용접될 수 있다. 이때, 이러한 용접 과정에서 많은 열이 발생할 수 있지만, 상기와 같은 빈 공간은, 이러한 열이 절연 하우징(210)에 전달되는 것을 감소시킴으로써, 절연 하우징(210)의 변형 및 가스 발생을 줄일 수 있다. 따라서, 절연 하우징(210)의 손상 내지 약화를 방지하는 한편, 버스바(220)가 절연 하우징(210)에 안정적으로 고정되도록 할 수 있다.
또한, 이러한 구성은, 전극 리드 상호 간 및 전극 리드와 버스바 상호 간 연결 상태가 안정적으로 유지되도록 할 수 있다. 더욱이, 버스바(220)와 전극 리드(111)의 용접 시, 가스가 발생할 수 있는데, 이러한 가스가 제대로 배출되지 못하면, 버스바(220)와 전극 리드(111) 사이, 그리고 전극 리드 사이의 용접 부분에 불량이 발생할 수 있다. 하지만, 상기와 같은 빈 공간으로 인해, 용접 시 발생하는 가스가 외부로 용이하게 배출될 수 있으므로, 가스로 인한 용접 불량을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 센싱 버스바와 절연 하우징 사이의 빈 공간은, 절연 하우징의 무게를 감소시킴으로써, 배터리 모듈의 경량화에 기여할 수 있는 이점도 있다.
또한 바람직하게는, 상기 센싱 버스바(220)는, 상단이 상기 하우징 경사부(211)의 상단보다 낮게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 센싱 버스바(220)는, 도 6에서 D로 표시된 바와 같이, 하우징 경사부(211)의 상단보다 높이가 낮게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 절곡으로 인해 전극 리드(111)가 손상되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 절연 하우징(210)의 관통홀을 수평 방향으로 관통한 전극 리드(111)가 지면에서 수직 방향으로 세워진 형태의 센싱 버스바(220)에 접촉하기 위해서는, 대략 90° 정도 절곡될 필요가 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 전극 리드(111)는, 관통홀을 관통한 후, 하부 방향으로 대략 90도 절곡되어야 한다. 이때, 센싱 버스바(220)의 상단 높이를 하우징 경사부(211)의 상단 높이보다 낮게 구성하면, 전극 리드(111)가 보다 완만하게 절곡되도록 함으로써, 전극 리드(111)의 절곡 부분에서 전극 리드(111)가 손상되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 전극 리드(111)와 센싱 버스바(220)의 접촉성이 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 이차 전지(110)는 파우치형 이차 전지(110)로서, 단방향 이차 전지 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 단방향 이차 전지란, 양극 리드와 음극 리드가 한 방향으로 돌출되게 구성된 형태의 이차 전지를 의미한다고 할 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 이차 전지는, 양극 리드와 음극 리드 모두, 전방(도면에서 우측 방향)으로 돌출되는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 단방향 이차 전지를 눕혀진 형태로 상하 방향으로 적층되게 배치하는 경우, 전극 리드(111)는 이차 전지의 적층 개수만큼 상하 방향으로 복수 개 존재하되, 각 전지마다 양극 리드와 음극 리드가 존재하므로, 다수의 전극 리드(111)는 수평 방향으로도 2열로 배치될 수 있다.
이러한 구성의 경우, 상기 관통홀, 상기 하우징 경사부(211) 및 상기 센싱 버스바(220)는, 이러한 전극 리드(111)의 배치 형태에 대응하여, 각각 상하 방향으로 다수, 수평 방향으로 2열로 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연 하우징(210)은, 내측 수평부(213)를 더 구비할 수 있다.
상기 내측 수평부(213)는, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 하우징 경사부(211)의 하단에서 수평 내측 방향으로 평평하게 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상기 내측 수평부(213)는, 하우징 경사부(211)와 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 내측 수평부(213)는, 도 6의 E로 표시된 부분과 같이, 내측 단부가 인접하는 2개의 카트리지(120) 사이에 개재될 때까지 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 내측 수평부(213)는, 인접하지만 전극 리드가 직접 연결되지 않는 2개의 이차 전지 사이에 개재될 수 있다. 이때, 상기 내측 수평부는, 각 이차 전지의 실링부, 즉 2개의 이차 전지의 파우치 외장재 사이까지 인입될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 서로 접촉되지 않아야 할 전극 리드(111) 사이가 보다 안정적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 상하 방향으로 적층된 2개의 카트리지(120) 사이에 2개의 이차 전지(B1, B2)가 수납되는데, 이러한 2개의 이차 전지(B1, B2)는 서로 다른 전극 리드(111) 쌍을 구성하여, 서로 접촉되지 않도록 구성될 수 있다. 이 경우, 절연 하우징(210)의 내측 수평부(213)는, 2개의 카트리지(120) 사이까지 연장되며, 특히, 2개의 카트리지(120) 사이에 수납된 2개의 이차 전지(B1, B2)의 실링부까지 연장되어 이들 사이에 삽입될 수 있다. 그러므로, 2개의 전극 리드(111) 사이는 보다 안정적으로 분리 상태가 유지되며, 배터리 모듈에 진동이나 충격이 가해지더라도, 이들 전극 리드(111)가 서로 접촉되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.
한편, 상하 방향으로 적층된 다수의 단방향 이차 전지가 전기적으로 직렬로 연결될 때, 각 이차 전지의 양극 리드와 음극 리드는, 서로 다른 층에 위치하는 이차 전지의 전극 리드(111)와 연결된다. 예를 들어, 하나의 이차 전지에서, 양극 리드는 상부에 적층된 이차 전지의 음극 리드와 접촉될 수 있고, 음극 리드는 하부에 적층된 이차 전지의 양극 리드와 접촉될 수 있다. 따라서, 카트리지(120) 및/또는 절연 하우징(210)은, 양극 리드가 위치하는 부분과 음극 리드가 위치하는 부분이 서로 다르게 구성될 수 있다. 이에 대해서는 도 8 내지 도 10을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 8은 도 3의 A2-A2'선에 대한 단면도이고, 도 9는 도 8의 C2 부분의 확대도이다. 또한, 도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 하우징(210)을 내측에서 외측 방향으로 바라본 형태의 사시도이다.
먼저, 도 8 및 도 9를 참조하면, 카트리지(120)의 일부 구성 및 절연 하우징(210)의 일부 구성이 도 6에 도시된 구성과 차이가 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 동일한 하나의 카트리지(120)라 하더라도, 양극 리드가 위치하는 부분과 음극 리드가 위치하는 부분은 서로 다르게 구성될 수 있다. 또한, 절연 하우징(210)도 양극 리드가 위치하는 부분과 음극 리드가 위치하는 부분이 서로 다르게 구성될 수 있다.
더욱이, 도 10을 보면 알 수 있듯이, 절연 하우징(210)의 관통홀과 하우징 경사부(211), 그리고 센싱 버스바(220)는, 2열 수직 방향으로 다수 배치될 수 있는데, 좌측 열과 우측 열은 서로 다른 형태로 형성될 수 있다.
특히, 도 9에 도시된 바를 참조하면, 상기 카트리지(120)는, 카트리지 경사부(121)를 구비할 수 있다. 상기 카트리지 경사부(121)는, 카트리지의 외측 단부에서 수평 방향으로부터 소정 각도 기울어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 상기 카트리지(120)는, 대략 수평 방향으로 평평한 형태로 구성되다가, 외측 단부가 지면에서 소정 각도 기울어지는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극 리드가 관통홀로 보다 용이하게 인출될 수 있다.
예를 들어, 도 9의 구성에서, 2개의 카트리지 사이에 위치한 2개의 이차 전지의 전극 리드는 함께 하나의 관통홀로 인출되어 서로 직접 접촉하게 되는데, 하부에 위치한 이차 전지의 전극 리드는 하우징 경사부(211)보다 아래 쪽에 위치한다. 이때, 하부에 위치한 이차 전지의 전극 리드는 카트리지 경사부(121)를 따라 상부 방향으로 연장 내지 절곡되도록 유도되고, 그러한 카트리지 경사부의 상부에 위치한 하우징 경사부(211)에 의해 관통홀까지 이르도록 유도될 수 있다. 따라서, 카트리지 내부에 위치하여 서로 연결되는 2개의 이차 전지 모두에 대하여 전극 리드가 절연 하우징의 관통홀까지 원활하게 유도되도록 할 수 있다.
이때, 상기 카트리지 경사부(121)의 경사 각도는, 하우징 경사부(211)의 경사 각도와 동일하거나 유사하도록 그에 대응되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 카트리지 경사부는, 지면에서 대략 60° 내지 70°의 경사면 각도를 갖도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 카트리지 경사부(121)의 경사면(내측 경사면)은, 하우징 경사부(211)의 경사면(내측 경사면)과 동일한 평면 상에 형성되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 센싱 어셈블리(200)와 셀 어셈블리(100)가 결합될 때, 카트리지 경사부(121)와 하우징 경사부(211)가 서로 간섭되지 않고 일체화된 형태로 구성될 수 있으므로, 전극 리드(111)가 카트리지 경사부(121)와 하우징 경사부(211)의 경계면에 쉽게 걸리지 않도록 할 수 있다. 따라서, 이 경우, 카트리지 경사부(121) 및 하우징 경사부(211)로 인해 전극 리드(111)가 관통홀로 쉽게 인입되도록 함으로써, 센싱 어셈블리(200)와 셀 어셈블리(100)의 조립성이 개선될 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 카트리지는, 카트리지 경사부가 절연 하우징(210)의 하단까지 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 카트리지 경사부(121)는, 도 9에서 F로 표시된 부분과 같이, 절연 하우징(210)의 하부에 접촉하거나 그 아래에까지 연장되게 형성될 수 있다. 이를테면, F로 표시된 부분과 같은 카트리지의 외측(우측) 단부가, 절연 하우징의 내측(좌측) 단부보다 외측(우측)에 위치하도록 구성될 수 있다. 특히, 카트리지 경사부의 외측 단부는, 하우징 경사부의 내측 단부보다 외측에 위치하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 카트리지와 절연 하우징(210) 사이의 틈이 최소화될 수 있다. 따라서, 전극 리드(111)의 부적절한 접촉을 차단하며, 전극 리드(111)의 조립을 보다 확실하게 가이드할 수 있다.
그리고, 카트리지는, 카트리지 경사부의 외측에 수평 절곡부를 구비할 수 있다.
예를 들어, 도 9에서 F로 표시된 부분과 같이, 카트리지 경사부의 우측, 즉 외측 단부에 수평 방향으로 평평하게 형성된 수평 절곡부를 구비할 수 있다. 이러한 수평 절곡부는, 인접하는 외측 수평부(212)와 하우징 경사부(211) 사이에 개재되어, 전극 리드의 방향을 관통홀 측으로 유도할 수 있다. 특히, 카트리지의 수평 절곡부에 의하면, 카트리지 경사부의 외측 부분 및 하우징 경사부의 내측 부분을 따라 외측 상부 방향으로 경사지게 유도된 전극 리드에 대하여, 외측 수평 방향으로 절곡 유도되도록 할 수 있다. 따라서, 이 경우, 전극 리드가 절연 하우징의 관통홀 측으로 용이하게 인출될 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바를 참조하면, 절연 하우징(210)에는 내측 수평부(213)가 구비되지 않을 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 배터리 모듈 구성에 의하면, 카트리지의 외측 단부에 카트리지 경사부(121)가 구비되어 절연 하우징(210)의 하우징 경사부(211) 하단까지 연장되는 형태로 구성되며, 절연 하우징(210)에는 도 6이나 도 7에 도시된 내측 수평부(213)가 별도로 구비되지 않을 수 있다. 이는, 도 9에 도시된 구성의 경우, 2개의 카트리지 사이에 수납된 2개의 이차 전지(110) 사이에서 전극 리드(111)가 서로 직접 연결되기 때문이다. 즉, 도 6 및 도 7의 구성에서는, 상하 인접하여 적층된 2개의 카트리지 사이에 수납된 2개의 이차 전지(110)가 서로 직접 연결되지 않기 때문에 이러한 2개의 이차 전지(110)의 전극 리드(111) 사이를 물리적으로 분리시키기 위한 내측 수평부(213)가 구비되는 것이 좋다. 하지만, 도 9의 구성에서는, 상하 인접하여 적층된 2개의 카트리지 사이에 수납된 2개의 이차 전지(110)가 서로 직접 연결되기 때문에 이러한 2개의 이차 전지(110)의 전극 리드(111) 사이를 물리적으로 분리시키기 위한 내측 수평부(213)는 필요 없을 수 있다.
따라서, 2개의 카트리지(120) 사이에 수납된 2개의 이차 전지(110)의 전극 리드(111)가 서로 직접 접촉하여 연결되지 않는 부분, 이를테면 도 3의 A1-A1'선의 단면 부분에서는, 카트리지(120)는 전체적으로 평평하게 구성되고 카트리지 경사부를 구비하지 않으며, 절연 하우징(210)은 내측 수평부(213)를 구비할 수 있다. 반면, 2개의 카트리지 사이에 수납된 2개의 이차 전지(110)의 전극 리드(111)가 서로 직접 접촉하여 연결되는 부분, 이를테면 도 3의 A2-A2'선의 단면 부분에서는, 카트리지는 카트리지 경사부를 구비하고, 절연 하우징(210)은 내측 수평부(213)를 구비하지 않을 수 있다.
도 11은, 도 8의 C2 부분에 대한 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 다만, 도 11에서는, 설명의 편의를 위해, 이차 전지는 도시되지 않도록 한다.
도 11을 참조하면, 카트리지 경사부(121)는, 하우징 경사부(211)보다 내측 경사면이 배터리 모듈의 내측에 위치하도록 구성될 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 하우징 경사부(211)의 내측 경사면을 따라 연장된 선분을 I2라 할 때, 카트리지 경사부(121)의 내측 경사면은, I2보다 좌측, 즉 배터리 모듈의 내측에 위치하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 내측에 위치한 카트리지 경사부(121)를 따라 먼저 상부 방향으로 연장되게 유도된 전극 리드가 카트리지 경사부(121)와 하우징 경사부(211)의 경계 부분에 걸리지 않고, 하우징 경사부(211)로 보다 원활하게 유도될 수 있다. 즉, 도 11에서 카트리지 경사부를 따라 우측 상부 방향으로 연장 절곡된 전극 리드는, 카트리지 경사부의 상부 우측단에서 카트리지 경사부와 하우징 경사부 사이의 틈에 걸리지 않고, 외측에 위치한 하우징 경사부로 원활하게 유도될 수 있다.
그러므로, 이 경우, 전극 리드가 관통홀로 보다 원활하게 유도될 수 있어, 셀 어셈블리와 센싱 어셈블리 사이의 조립성이 보다 향상되고, 조립 과정에서 전극 리드 등이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 카트리지 경사부는, 하우징 경사부보다 경사 각도가 작게 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 11을 참조하면, 카트리지 경사부(121)의 내측 경사면을 따라 연장된 선분을 I1, 하우징 경사부(211)의 내측 경사면을 따라 연장된 선분을 I2라 하고, I1이 지면과 이루는 각도를 K1, I2가 지면과 이루는 각도를 K2라 한다. 이때, K1은 K2보다 작게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 11의 구성에서, K1은 35도, K2는 이보다 크게 45도로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 관통홀로 전극 리드의 유도를 보다 원활하게 하는 한편, 전극 리드의 손상을 방지할 수 있다. 특히, 전극 리드가 한 번에 많은 각도로 절곡되는 경우, 전극 리드가 원하는 형태로 절곡되지 않을 수도 있고, 전극 리드가 손상될 수도 있다. 하지만, 상기 실시예에 의할 경우, 카트리지 경사부(121)에 의해 1차적으로 작은 각도로 절곡된 후, 하우징 경사부(122)에 의해 2차적으로 보다 큰 각도로 절곡될 수 있다. 따라서, 전극 리드가 카트리지 경사부 및 하우징 경사부를 거쳐 관통홀로 보다 원활하게 유도되어 인출될 수 있고, 전극 리드의 과도한 꺾임을 방지하여 전극 리드의 손상을 예방할 수 있다.
도 12는, 도 5의 C1 부분에 대한 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 12는, 도 6이나 도 7의 다른 변형예라 할 수 있다.
도 12를 참조하면, 하우징 경사부(211)는, 경사각이 서로 다른 둘 이상의 경사부를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 하우징 경사부(211)는, 상대적으로 내측(도면의 좌측)에 위치한 제1 경사부(N1)와 상대적으로 외측(도면의 우측)에 위치한 제2 경사부(N2)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 경사부(N1)는 제2 경사부(N2)보다 경사각이 작게 형성되도록 구성될 수 있다. 이를테면, 제1 경사부(N1)가 지면과 이루는 각도가 40도이고, 제2 경사부(N2)가 지면과 이루는 각도가 70도가 되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극 리드의 유도를 보다 원활하게 하는 한편, 전극 리드의 손상을 방지할 수 있다. 특히, 전극 리드가 한 번에 많은 각도로 절곡되는 경우, 전극 리드가 원하는 형태로 절곡되지 않을 수도 있고, 전극 리드가 손상될 수도 있다. 하지만, 상기 실시예에 의할 경우, 제1 경사부(N1)에 의해 먼저 작은 각도로 절곡된 후, 제2 경사부(N2)에 의해 보다 큰 각도로 절곡될 수 있다. 따라서, 전극 리드가 관통홀 측, 즉 우측 상부 방향으로 원활하게 절곡되도록 하는 한편, 전극 리드의 과도한 꺾임을 방지하여 전극 리드의 손상을 예방할 수 있다.
한편, 이처럼 경사 각도가 서로 다른 둘 이상의 경사부를 구비하도록 하는 구성은, 하우징 경사부(211)뿐 아니라, 카트리지 경사부(121)에도 적용될 수 있다.
도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지와 절연 하우징의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 13은, 도 8의 C2 부분에 대한 또 다른 실시예라 할 수 있다.
도 13을 참조하면, 절연 하우징(210)과 카트리지(120)는 상호 접촉될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 외측 수평부(212)의 하부면과 카트리지 경사부(211)의 상부면(수평 절곡부의 상부면)의 적어도 일부는 서로 접촉되게 구성될 수 있다.
이 경우, 절연 하우징(210)과 카트리지(120) 사이의 틈을 막거나 줄임으로써 전극 리드가 이러한 틈에 끼이는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이 경우, 절연 하우징은 카트리지가 상부 방향으로 움직이는 것을 제한하고, 카트리지는 절연 하우징이 하부 방향으로 움직이는 것을 제한할 수 있다. 따라서, 카트리지와 절연 하우징 사이의 체결 안정성이 향상되고, 외부에서 가해진 힘이 고르게 분산될 수 있어 충격이나 진동에 대한 안전성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는 절연 하우징과 상호 체결될 수 있다. 예를 들어, 도 13에서 J로 표시된 부분과 같이, 카트리지(120)와 절연 하우징(210)은 상호 후크 결합 가능한 형태로 돌기가 구비될 수 있다. 즉, 절연 하우징(210)은, 외측 수평부(212)의 하부에 하부 방향으로 돌출된 형태의 후크 돌기(M2)가 구비될 수 있다. 그리고, 카트리지(120)는, 카트리지 경사부의 외측 단부 평평한 부분(수평 절곡부)의 상부에 상부 방향으로 돌출된 형태의 후크 돌기(M1)가 구비될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리와 센싱 어셈블리가 조립될 때, 카트리지의 후크 돌기(M1)와 절연 하우징의 후크 돌기(M2)는 상호 체결될 수 있다.
이 경우, 카트리지의 후크 돌기(M1)는, 절연 하우징의 후크 돌기(M2)보다 외측에 위치함으로써, 절연 하우징이 외측 방향으로 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에 의하면, 절연 하우징과 카트리지 사이의 결합성이 향상될 수 있다. 특히, 카트리지의 후크 돌기(M1)는 모든 카트리지에 구비될 수 있으며, 이에 대응되도록 절연 하우징의 후크 돌기(M2) 역시 모든 외측 수평부(212)에 구비될 수 있다. 이때, 절연 하우징에 대한 모든 카트리지에 대한 고정성이 확보될 수 있으므로, 셀 어셈블리와 센싱 어셈블리 사이의 고정성이 크게 향상될 수 있다. 특히, 배터리 모듈에 포함된 카트리지 중 중앙에 위치한 일부 카트리지에만 외측에서 내측 방향으로 충격이 가해지더라도, 각 카트리지마다 절연 하우징과의 고정성이 유지되어 있으므로, 모든 카트리지에 대한 충격 안정성이 확보될 수 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 카트리지의 후크 돌기(M1)는 외측부가 외측(도면의 우측)으로 갈수록 낮아지는 형태로 경사지게 구성되고 내측부가 지면에 수직이 되는 형태로 구성될 수 있다. 반면, 절연 하우징의 후크 돌기(M2)는 내측부가 외측으로 갈수록 낮아지는 형태로 경사지게 구성되고 외측부가 지면에 수직이 되는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 후크 돌기 간 체결이 원활하게 이루어지도록 하는 한편, 체결이 이루어진 후에는, 상호 쉽게 이탈되지 않도록 할 수 있다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지와 절연 하우징의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 14는, 도 8의 C2 부분에 대한 또 다른 실시예라 할 수 있다.
도 14를 참조하면, Q로 표시된 부분과 같이, 카트리지 경사부(121)의 외측 단부에 형성된 수평 절곡부가 절연 하우징(210)의 관통홀(H1)을 관통하여 외측 방향으로 돌출되도록 구성될 수 있다. 즉, 카트리지(120)는, 카트리지 경사부(121)를 따라 외측 상부 방향으로 연장되다가, 소정 지점에서 외측 수평 방향으로 연장되며, 그 단부가 하우징 경사부(211)보다 외측에 위치하도록 구성될 수 있다. 특히, 카트리지의 수평 절곡부(Q)는, 버스바(220) 및 전극 리드(111)의 하부에 위치하며, 이러한 버스바 및 전극 리드보다 외측(도면의 우측)으로 돌출되게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 카트리지의 수평 절곡부(Q)를 따라 전극 리드가 관통홀(H1)로 보다 원활하게 유도될 수 있다. 또한, 이 경우, 수평 절곡부에 의해 다른 층에 위치한 전극 리드 및/또는 버스바 사이의 접촉 가능성을 보다 완벽하게 차단할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 유입 덕트(131) 및 유출 덕트(132)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 유입 덕트(131)는, 카트리지(120)에 형성된 냉각 유로의 개방 부분에 구비되어 냉각 유로로 유체가 유입되도록 하는 공간 및 통로로서 기능할 수 있다. 그리고, 유출 덕트(132)는, 카트리지(120)에 형성된 냉각 유로의 다른 개방 부분에 구비되어, 냉각 유로로 흐르던 유체가 배터리 모듈 외부로 유출되도록 하는 공간 및 통로로서 기능할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리(100)의 카트리지(120)는, 좌측면과 우측면에 유로의 단부를 구성하는 개구부가 형성될 수 있는데, 유입 덕트(131) 및 유출 덕트(132)는 이러한 개구부가 형성된 측에 각각 구비될 수 있다. 한편, 유입 덕트(131) 및/또는 유출 덕트(132)는, 냉각 유체의 유출입을 원활하게 하기 위해 팬을 구비할 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 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 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 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 충격이나 진동에도 전극 리드(111)의 접촉 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 이러한 배터리 모듈이 적용된 자동차의 경우, 안전성이 크게 향상될 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.
100: 셀 어셈블리
110: 이차 전지
111: 전극 리드
120: 카트리지
121: 카트리지 경사부
131: 유입 덕트, 132: 유출 덕트
200: 센싱 어셈블리
210: 절연 하우징
211: 하우징 경사부, 212: 외측 수평부, 213: 내측 수평부
220: 센싱 버스바
230: 덮개
H1: 관통홀

Claims (10)

  1. 전극 리드를 구비하고 상하 방향으로 배치된 다수의 이차 전지, 및 상하 방향으로 상호 적층되어 내부 공간에 상기 이차 전지를 수용하는 다수의 카트리지를 구비하는 셀 어셈블리; 및
    상기 셀 어셈블리의 전방에 장착되고, 전기 절연성 재질로 구성된 절연 하우징 및 전기 전도성 재질로 구성된 센싱 버스바를 구비하며, 상기 전극 리드와 결합되어 상기 이차 전지의 전압을 센싱하는 센싱 어셈블리
    를 포함하되,
    상기 절연 하우징은, 상기 전극 리드가 관통되도록 상하 방향으로 상호 이격되게 배치된 다수의 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀의 내부에 수평 방향으로부터 소정 각도 기울어지도록 경사지게 형성된 다수의 하우징 경사부를 구비하고,
    상기 절연 하우징은, 상기 하우징 경사부의 내측 단부에 수평 내측 방향으로 연장되게 형성된 내측 수평부를 구비하고,
    상기 카트리지는, 외측 단부에 수평 방향으로부터 소정 각도 기울어지도록 경사지게 형성된 카트리지 경사부를 구비하며,
    상기 내측 수평부는, 상하 방향으로 적층된 2개의 카트리지 사이에 수납된 2개의 이차 전지의 전극 리드가 서로 직접 접촉되지 않는 부분에 구비되어 상기 2개의 이차 전지의 전극 리드 사이에 개재되도록 구성되고, 상기 카트리지 경사부는, 상하 방향으로 적층된 2개의 카트리지 사이에 수납된 2개의 이차 전지의 전극 리드가 함께 하나의 관통홀로 인출되어 서로 직접 접촉되는 부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 경사부는 내측 방향으로 갈수록 높이가 낮아지게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연 하우징은, 상기 하우징 경사부의 하단에서 수평 외측 방향으로 연장되게 형성된 외측 수평부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 외측 수평부는, 상기 센싱 버스바보다 외측으로 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 버스바는, 상기 하우징 경사부의 외측에서 상기 하우징 경사부와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀, 상기 하우징 경사부 및 상기 센싱 버스바는 각각, 상하 방향으로 다수, 수평 방향으로 2열로 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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