KR20160071945A - 이차전지 모듈 및 이를 이용한 이차전지 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지 모듈에 관한 것으로서, 적어도 하나 또는 그 이상의 셀들이 전기적으로 연결되도록 수납된 다수의 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체; 카트리지 조립체의 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 커버들; 및 카트리지 조립체로부터 이격되어 배치되고, 한 쌍의 커버들 사이에 설치되는 다수의 서포트들을 구비한다.

Description

이차전지 모듈 및 이를 이용한 이차전지 팩{Secondary battery module and secondary battery pack}

본 발명은 이차전지 모듈 및 이를 이용한 이차전지 팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 예를 들어, 잠수함과 같은 수중 이동체와 같은 특수한 구조물의 특수한 장소에 사용될 수 있는 이차전지 모듈 및 이차전지 팩에 관한 것이다.

일반적으로, 와이어리스 모바일 기기의 에너지 원 또는 보조 전력 장치 등을 위하여 충방전이 가능한 이차전지 예를 들어, 리튬 이온/폴리머 이차전지에 대한 연구 및 개발 활동이 전개되어 왔으며, 이러한 연구 또는 개발 활동은 소형 이차전지에 초점이 맞추어져 있었다.

그런데, 최근에는 고출력 대용량을 필요로 하는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차(이하, 통칭하여 '전기 자동차'라 한다)의 전원 또는 다양한 형태의 에너지 저장 시스템(ESS)에 대한 개발 및 상용화가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 중량을 감소시키기 위해 주로 파우치형 이차전지를 선호하고 있으며, 용량을 증대시키기 위해 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 이차전지 모듈 또는 다수의 이차전지 모듈들이 전기적으로 연결된 이차전지 팩 형태로 사용된다.

지금까지 알려진 이차전지 모듈은 각각의 단위 셀(전극 조립체가 파우치 형태의 케이스의 내부에 전해액과 함께 수납되어 전원으로 기능할 수 있는 기본적인 이차전지)을 각각 수납할 수 있고, 서로 일정한 규격을 가진 다수의 셀 카트리지들이 전기적으로 서로 연결된 구조이다. 그런데, 각각의 이차전지 셀이 셀 카트리지 내부에 안정적으로 수납되지 못하기 때문에, 이차전지 모듈의 조립시 또는 이차전지 모듈의 사용시 이차전지 모듈에 충격이 가해지면 셀 카트리지와 셀 사이의 틈새 등에 의한 유동에 의해 셀의 파우치가 파손되는 등 전지 모듈의 안정성 유지에 많은 문제점이 대두 되고 있다. 또한, 다수의 셀들을 연결할 때 이차전지 모듈의 부피의 증가 없이 각각의 셀을 안정적으로 지지할 수 있는 셀 카트리지에 대한 구조적 설계가 요구되고 있으며, 이차전지 모듈의 제작시, 셀 카트리지들 사이의 연결(예, 자동 연결) 방식에 대한 연구 활동이 높아지고 있다.

또한, 지금까지 알려진 이차전지용 셀은 각각 하나의 카트리지에 수납되고, 그러한 방식으로 수납된 카트리지들을 적층시켜 이차전지 모듈을 조립하는 방식 즉, 이차전지 모듈은 "원-셀 원-카트리지(one-cell one cartridge)" 구조가 전부였으므로, 하나의 셀을 위해서는 반드시 일정한 높이 또는 폭을 가진 카트리지가 필연적으로 요구되었으므로, 이차전지 모듈의 부피 또는 용적에 한계가 있었다.

일반적으로, 수중 이동체(Underwater vehicle)는 배수량 및 잠수형태에 따라 잠수함, 잠수정 및 반잠수정으로 구분될 수 있다. 잠수함(Submarine)은 수상 배수량 300톤 이상이면서 어뢰 발사관이 장착되어 잠항이 가능한 함정을 말하며, 잠수정(Submersible)은 수상 배수량 300톤 미만이고 어뢰 발사관 장착 여부와 무관하게 잠항이 가능한 함정이라고 정의할 수 있다. 반잠수정(Semi-Submersible craft)은 선체 구조상 잠항이 불가능하며 선체 상부 일부가 수상에 노출된 소형 수상 함정을 말한다.

한편, 잠수함은 추진기관을 기준으로 크게 원자력 잠수함과 디젤 잠수함으로 구분된다. 먼저, 원자력 잠수함(Atomic-powered submarine, Nuclear powered submarine)은 핵연료를 연쇄 분열 반응시킬수 있는 원자로를 구동기관으로 탑재한 잠수함으로, 동력원의 구동에 산소가 필요 없기 때문에 소량의 핵연료를 이용하여 장시간 동안에 걸쳐 운용할 수 있는 장점을 가진다. 즉, 원자력 잠수함은 농축 우라늄을 연료로 사용하기 때문에 산소의 공급이 불필요하므로 잠항력에 제한을 받지 않고, 잠항 중에도 수상항해 때 사용하는 추진 기관을 그대로 이용할 수 있고, 수중에서는 조파저항(造波抵抗)이 없다는 점에서 수상 항해 때보다 오히려 수중에서 고속을 낼 수 있다. 또한, 원자력 잠수함은 해상의 기상이나 해면의 상태에 영향을 받지 않으므로, 폭풍상태의 대양(大洋)이나 극점(極點)의 빙산 밑에서도 자유로이 항행할 수 있고, 1회의 연료공급으로 지구를 일주할 수도 있다.

한편, 디젤 잠수함은 디젤 기관을 가동시켜 에너지저장장치를 충전하고, 충전된 에너지저장장치를 이용하여 구동기관을 동작시키는 것으로, 원자력 잠수함에 비해 잠행시간에 제한이 따르고, 추진속도가 낮은 단점을 가진다. 또한, 디젤 잠수함은 수중에서 대략 20노트 정도로 고속 항해를 할 경우, 한 순간에 배터리가 방전되는 단점이 있다. 특히, 선행기술에 따른 디젤 잠수함은 스노켈을 해상으로 노출시킨 상태에서 엔진을 작동하여 축전지를 충전하기 때문에 해상에 남은 엔진의 배기와 스노켈 항적은 대잠초계기에 있는 적외선 탐지센서의 수색대상이 되기도 한다. 그러나, 디젤 잠수함은 수중에서 축전지를 이용한 잠항시 원자력 잠수함에 비해 발생되는 소음의 정도가 작기 때문에 정숙성만큼은 원자력 잠수함보다 우위에 있는 실정이다.

또한, 수중 이동체는 추진 방식에 따라 원자력 추진 수중 이동체와, 재래식 추진 수중 이동체로 분류될 수 있다. 최근에는 재래식 추진 수중 이동체와 하이브리드 개념으로 운용할 수 있는 공기를 필요로 하지 않는 AIP(Air Independent Propulsion) 방식도 활발히 연구되고 있다. AIP 방식은 폐회로 디젤기관 추진(Closed cycle diesel propulsion), 연료전지 추진(Fuel cell propulsion), 스터링기관 추진(Sterling engine propulsion), 및 폐회로터빈 추진(Closed cycle turbine propulsion) 등이 있다.

이와 같이, 다양하게 개발되는 수중 이동체의 추진 방식은 대부분 회전동력을 발생시키는 기관에 직결되어 직접 추진되지 않고 회전 동력으로 전기를 생산하고, 이렇게 생산된 전기를 에너지저장장치에 충전한 후 필요할 때 모터를 회전시켜 추진하는 방식을 택하고 있다. 따라서, 수중 이동체는 전기를 충전하기 위한 에너지 저장장치를 구비하는 것이 일반적이다. 수중 이동체용 에너지 저장장치는 안전성이 검증된 납축전지가 주로 사용되고 있다. 그런데, 납축전지는 과산화납을 양극, 일반납을 음극에 두고 묽은 황산을 전해액으로 삼아 전기화학 반응을 이용하기 때문에, 충전하는 과정에서 불가피하게 발생되는 수소 가스를 제거하기 위해 공조 팬과 수소 제거기가 필요하다. 또한, 납축전지는 극주에서 발생하는 열을 제거하기 위한 청수 냉각설비와, 황산전해액의 농도 차이에 따른 충전효율의 저하를 방지하기 위하여 압축공기를 사용하여 황산전해액을 교반하는 교반 장치 등 다양한 부속설비가 필요한 문제점이 있다.

지금까지 알려진 바에 따르면, 리튬 폴리머/이온 이차전지를 이용한 수중 이동체용 에너지저장장치는 없었다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 리튬 이온/폴리머 이차전지를 이용하여 수중 이동체용 에너지저장장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 잠수함과 같은 수중 이동체의 특수한 장소에 특수한 방식으로 로딩/언로딩될 수 있는 구조를 가진 이차전지 모듈 및 이차전지 팩을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈은, 적어도 하나 또는 그 이상의 셀들이 전기적으로 연결되도록 수납된 다수의 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체; 카트리지 조립체의 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 커버들; 및 카트리지 조립체로부터 이격되어 배치되고, 한 쌍의 커버들 사이에 설치되는 다수의 서포트들을 구비한다.

바람직하게, 각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고; 각각의 서포트는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직되게 결합된다.

바람직하게, 이차전지 모듈은, 로더에 선택적으로 결합될 수 있도록 한 쌍의 커버들 중 어느 하나의 커버에 마련된 로딩부재를 더 구비한다.

바람직하게, 각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고; 로딩부재는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직으로 결합되는 4개의 로딩블럭들을 구비한다.

바람직하게, 각각의 로딩블럭은 로더의 끝단이 삽입될 수 있는 로더 삽입부를 구비한다.

바람직하게, 로더 삽입부는 내주면에 형성된 나사산을 포함한다.

바람직하게, 어느 하나의 커버, 로딩부재, 및 각각의 서포트는 일체로 체결된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈은, 적어도 하나 또는 그 이상의 셀들이 전기적으로 연결되도록 수납된 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체의 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 커버들, 및 카트리지 조립체와 나란하게 배치되도록 한 쌍의 커버들 사이에 설치되는 다수의 서포트들을 각각 구비하는 적어도 2개 이상의 서브 모듈들; 및 인접하는 서브 모듈들을 미리 결정된 간격만큼 이격시킬 수 있도록 대향되는 서브 모듈들의 인접하는 커버들 사이에 각각 개재되는 다수의 스페이서들을 구비한다.

바람직하게, 서로 인접하는 서브 모듈들의 대응되는 서포트, 커버, 및 스페이서는 일체로 체결된다.

바람직하게, 이차전지 모듈은 어느 하나의 일단의 서브 모듈의 일단의 커버에 마련된 로딩부재를 구비한다.

바람직하게, 각각의 서브 모듈의 각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고; 로딩부재는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직으로 결합되는 4개의 로딩블럭들을 구비한다.

바람직하게, 각각의 로딩블럭은 로더의 끝단이 삽입될 수 있는 로더 삽입부를 구비한다.

바람직하게, 로더 삽입부는 내주면에 형성된 나사산을 포함한다.

바람직하게, 커버는 로딩부재에 접촉되는 커버는 대응되는 각각의 서포트에 접촉되어 일체로 체결된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈은 적어도 하나 또는 그 이상의 셀이 수납된 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체의 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 커버들 중 어느 하나의 커버에 마련된 로딩부재를 구비한다.

바람직하게, 각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고; 로딩부재는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직으로 결합되는 4개의 로딩블럭들을 구비한다.

바람직하게, 각각의 로딩블럭은 로더의 끝단이 삽입될 수 있는 로더 삽입부를 구비한다.

바람직하게, 로더 삽입부는 내주면에 형성된 나사산을 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 팩은 전술한 이차전지 모듈; 및 이차전지 모듈을 둘러싸는 컨테이너를 구비한다.

컨테이너는 이차전지 모듈의 바닥 또는 측면의 적어도 일부분을 둘러싸는 버퍼부재를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 이차전지 팩은 전기 자동차, 하이브리드-전기 자동차, 플러그-인 하이브리드 자동차, 전력저장장치 또는 수중 이동체 중 어느 하나의 전원으로 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 이차전지 모듈 및 이차전지 팩은 다음과 같다.

첫째, 예를 들어, 이차전지 모듈을 다수의 서포트들을 이용하여 지지함으로써 외부 충격으로부터 모듈을 완벽하게 보호할 수 있다.

둘째, 인양 고리와 같은 로딩 부재를 모듈에 연장 부착시킴으로써, 이차전지 모듈의 인양(로딩/언로딩) 및 잠수함과 같은 함체 내로 인입 작업을 안정적이고 용이하게 구현할 수 있는 효과를 가진다.

셋째, 로딩 부재를 서포트에 설치함으로써, 로더를 이용하여 이차전지 팩을 로딩/언로딩할 때 팩 구조물에 불필요한 외력이 가해지는 것을 방지할 수 있다.

넷째, 독립적으로 분리된 이차전지 모듈을 하나의 프레임 구조로 결합시킴으로써 외부 충격 및 진동으로부터 이차전지 모듈 및/또는 이차전지 팩을 더욱 안정적으로 보호할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 결합 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A 부위의 단면도이다.
도 4는 도 1의 B 부위의 단면도이다.
도 5는 도 1의 C 부위의 단면도이다.
도 6은 도 1의 A 부위의 확대 사시도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 팩의 개략적 분리 사시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 다른 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들의 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들이 결합된 상태를 도시하는 부분 단면도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 부분 단면도를 도시한다.
도 12는 도 10의 확대 발췌 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들의 분해 사시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들이 결합된 상태를 도시하는 부분 단면도이다.
도 15은 도 13의 확대 발췌 사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 예시적 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예들과 도면들에 도시된 구성요소들은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이고, 도 3은 도 3은 도 1의 A 부위의 단면도이고, 도 4는 도 1의 B 부위의 단면도이고, 도 5는 도 1의 C 부위의 단면도이고, 도 6은 도 1의 A 부위의 확대 사시도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차전지 모듈(300)은 적어도 하나 또는 그 이상의 셀들이 전기적으로 연결되도록 수납된 다수의 카트리지들(100)이 적층된 카트리지 조립체(101), 카트리지 조립체(101)의 양단(상,하단)에 각각 결합되는 한 쌍의 상부 커버(312)와 하부 커버(314), 및 카트리지 조립체(101)로부터 이격되어 배치되고, 상부 및 하부 커버들(312)(314) 사이에 설치되는 5개의 서포트들(320)을 구비한다.

또한, 본 실시예에 따른 모듈(300)은 제1 서브 모듈(302)과 제2 서브 모듈(304)이 스페이서들(330)를 통해 연결되어 하나의 모듈을 구성하고, 제1 서브 모듈(302)의 상부 커버(312)에 로딩부재(340)가 설치된 예를 도시한다. 변형된 실시예들에 따르면, 이차전지 모듈(300)은 서브 모듈 하나만으로도 구성될 수 있고, 로딩부재(340) 없이 하나 또는 그 이상의 서브 모듈들이 최종 모듈을 구성할 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다.

카트리지 조립체(101)는 각각의 커버(312)(314)와 실질적으로 동일한 형상을 가진 각각의 셀 카트리지(100)에 각각의 셀이 수납된 상태에서 다수의 카트리지들이 적층 연결된 구조로서, 예를 들어, 인용에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 합체되고, 본 출원인에 의해 2012. 9. 27.자로 출원되어 2014. 5. 2.자로 등록된 대한민국 등록특허 제10-1393436호에 개시된 카트리지 조립체 등과 같이, 이차전지 셀이 소정의 카트리지에 수납된 상태에서 카트리지들이 적층된 구조라면 그 어떤 형태의 카트리지들을 모두 포함할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

상부 커버(312)와 하부 커버(314)는 각각 카트리지 조립체(101)의 양단(도면에서 상단과 하단)에 접촉되어 커버들(312)(314)에 형성된 커버 체결공(316)과 카트리지 조립체(101)에 마련된 체결공을 관통하는 예를 들어, 체결부재(190)에 의해 카트리지 조립체(101)에 결합되어 카트리지 조립체(101)를 보호하는 기능을 가진다. 변형된 실시예에 따르면, 상부 커버(312)와 하부 커버(314)는 전술한 체결부재(190)와 무관하게 카트리지 조립체(101)의 양단에 설치될 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다.

상부 커버(312)와 하부 커버(314)는 각각 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트(311) 및 커버 플레이트(311)의 4개의 꼭지점들과 장변 측면으로부터 연장되는 5개의 서포트 결합부들(313)을 포함한다. 상부 커버(312)의 서포트 결합부들(313)은 도면들에서 하방으로 절곡되고, 하부 커버(314)의 서포트 결합부들(313)은 상방으로 절곡된다.

각각의 서포트들(320)은 상부 커버(312)와 하부 커버(314) 사이에 체결되는 것으로서, 상부 커버(312)와 하부 커버(314) 사이에 배치되는 카트리지 조립체(101)를 보호하고 이차전지 모듈(300)에 가해지는 충격 또는 진동 특히, 카트리지 조립체(101)의 카트리지들의 적층 방향(예, 수직 방향)으로의 충격 또는 진동에 대해 카트리지 조립체(101)를 보호하기 위한 것이다. 각각의 서포트(320)는 길이 방향으로 연장되고 양측면에 형성된 날개들(322)에 의해 채널(324)을 형성하는 서포트 본체(326), 및 서포트 본체(326)의 길이방향 양단으로부터 수직되게 외측으로 연장되고 전술한 서포트 결합부(313)에 접촉될 수 있는 커버 결합부(328)를 구비한다. 각각의 서포트들(320)은 외력에 견딜 수 있는 충분한 강재를 이용하여 제작된다. 서포트(320)의 채널(324)은 이차전지 팩을 구성하기 위해 이차전지 모듈(300)을 컨테이너(410)에 수납할 때 버퍼부재(미도시)가 위치되는 곳이고, 날개들(322)은 버퍼부재의 이동을 방지한다.

본 실시예에 따른 이차전지 모듈(300)은 전술한 바와 같이, 인접하는 2개의 서브 모듈들(302)(304)을 소정 간격만큼 이격시킬 수 있도록 대향되는 서브 모듈들(302)(304)의 인접하는 커버들(312)(314) 사이에 각각 개재되는 5개의 스페이서들(330)을 구비한다.

스페이서들(330)은 어느 하나의 서브 모듈에 가해지는 길이 방향 외부 충격을 완화시킴과 동시에 외부 충격이 카트리지 조립체(101)에 직접 전달되지 않고 서포트들(320)을 통해 전달시킴으로써 외부 충격을 완화시키기 위한 것이다. 즉, 각각의 스페이서(330)는 제1 서브 모듈(302)의 하부 커버(314)의 서포트 결합부(313)와 제2 서브 모듈의 상부 커버(312)의 서포트 결합부(313) 사이에 개재되고, 제1 서브 모듈(302)의 서포트(320)의 커버 결합부(328)와 제2 서브 모듈(304)의 서포트(320)의 커버 결합부(328)와 함께 예를 들어, 볼트와 너트에 의해 일체로 결합된다. 스페이서(330)는 충분한 강성, 내충격성 및 신축성을 가지는 것이 바람직하다.

본 실시예에 따른 이차전지 모듈(300)은 전술한 바와 같이, 로더(350)에 선택적으로 결합될 수 있도록 상부의 제1 서브 모듈(302)의 상부 커버(312)에 설치된 로딩부재(340)를 구비한다.

로딩부재(340)는 4개의 로딩블럭들(342)을 포함하고, 각각의 로딩블럭(342)은 상부 커버(312)의 4개의 꼭지점 부위의 서포트 결합부(313)에 위치되어 대응되는 서포트(320)의 커버 결합부(328)와 일체로 볼트 결합되는 것이 바람직하다. 로딩부재(340)는 상부 커버(312)의 다른 위치에도 설치될 수도 있지만, 서포트(320)와 실질적으로 일직선이 되도록 연결 설치됨으로써, 로더(350)를 이용하여 이차전지 모듈(300)을 로딩/언로딩하는 과정에서 외력 또는 하중이 카트리지 조립체(101)로 전달되는 것을 방지할 수 있다.

각각의 로딩블럭(342)은 로더(350)의 끝단이 삽입되어 체결될 수 있도록 내주면에 나사산이 형성된 로더 삽입부(344)를 구비한다. 변형된 실시예에 따르면, 로딩블럭(342)과 로더 삽입부(344)의 형상, 구조, 위치 등은 이차전지 모듈(300)을 인양하기 위한 로더(350)의 구조, 작동 위치 및 방법에 따라 다양하게 변형될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

도 7을 참조하면, 전술한 실시예들에 따른 이차전지 모듈(300)은 연결되거나 조립된 모듈의 외형에 상응하도록 실질적으로 직육면체 형상을 가진 컨테이너(410)에 수납될 수 있고, 이 경우 컨테이너(410)의 바닥면과 측벽에는 외부 충격으로부터 모듈(300)을 보호하기 위한 버퍼부재가 개재됨으로써, 이차전지 팩(400)을 완성할 수 있다. 여기서, 버퍼부재는 이차전지 모듈(300)의 서포트(320)의 외면에 마련된 채널(324) 및 카트리지 조립체(101)의 각각의 카트리지에 마련된 채널에 수납되는 것이 바람직하다.

이러한 이차전지 팩(400)은 전기 자동차, 하이브리드-전기 자동차, 플러그-인 하이브리드 자동차, 전력저장장치 등의 전원으로도 사용될 수 있지만, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면 예를 들어, 잠수함과 같은 수중 이동체의 전원으로 사용되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 잠수함 등은 특수한 내부 구조를 가지고 있으며, 이차전지 팩의 설치 위치도 선체 하부의 밧데리 룸에 한정될 뿐만 아니라, 종래의 납축전지 구조와 유사하게 밀집 형태로 배치되고, 설치, 유지 및 보수를 위해서는 종래의 로더를 사용해야만 하기 때문에 이차전지 팩의 설치, 유지, 및 보수를 위한 로딩/언로딩 작업 방식이 극도로 제한되기 때문이다. 즉, 잠수함 선체 내부에서의 이차전지 팩의 로딩/언로딩 작업은 개방된 공간과 달리 한정된 이동 방향으로만 진행될 수밖에 없기 때문에 본 발명의 바람직한 실시예들과 같은 특수한 구조의 로딩부재를 구비하는 이차전지 모듈 및/또는 이차전지 팩이 잠수함에 사용하면 그만큼 작업 효율을 높일 수 있다.

도 8은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 8의 셀 카트리지는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 이차전지 모듈에 사용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 셀 카트리지(10)는 전기적으로 연결된 다수의 셀들을 이용하여 이차전지 모듈을 구성하는 경우 한 쌍의 셀들(2)(4)을 대칭적으로 양면에 각각 수납할 수 있는 양면형 카트리지이다. 본 실시예에 따른 양면형 셀 카트리지(10)는 중앙 플레이트(12)를 가진 본체(14), 제1 면(16)에 형성된 제1 수납부(11), 및 제1 면(16)에 대향되는 제2 면(18)에 형성된 제2 수납부(13)를 구비한다.

본체(14)는 플라스틱을 이용하여 사출 성형되며 수납될 셀(2)(4)의 형상에 대응되도록 실질적으로 직사각 형태를 취한다. 따라서, 양면형 셀 카트리지(10) 즉, 본체(14)의 형상은 수납될 셀의 형상에 따라 변형될 수 있음을 당업자는 충분히 이해할 것이다. 중앙 플레이트(12)는 대향 또는 대칭되게 수납되는 한 쌍의 셀들(2)(4)의 일면이 각각 접촉되어 수납되는 부분으로써 양면형 셀 카트리지(10)의 폭방향의 중심을 형성한다. 본체(14)의 상세한 구성은 아래의 실시예들에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

본체(14)의 제1 면(16)은 중앙 플레이트(12)를 기준으로 본체(14)의 어느 하나의 폭방향을 의미하고 제2 면(18)은 제1 면(16)과 반대되는 면이다. 제1 수납부(11)는 제1 셀(2)이 수납될 수 있도록 제1 면(16)에서 중앙 플레이트(12)를 향하는 폭 방향으로 인입 형성된 공간이고, 제2 수납부(13)는 제2 셀(4)이 수납될 수 있도록 제2 면(18)에서 중앙 플레이트(12)를 향하는 폭 방향으로 인입 형성된 공간이다.

본 실시예에 따른 셀들(2)(4)은 리튬 이온 및/또는 폴리머 이차전지로서 그 구체적인 내용은 아래에서 더욱 상세히 설명될 것이다. 또한, 본 실시예에 따르면, 단일의 양면형 셀 카트리지(10)가 2개의 셀들(2)(4)을 컴팩트하게 수납할 수 있으므로 종래의 이차전지 모듈 및/또는 카트리지에 비해 최종적으로 조립되는 모듈의 사이즈를 줄일 수 있어서 재료비를 절감할 수 있음은 물론 동일한 사이즈에 더 많은 수의 셀들을 수납할 수 있으므로 공간 및 파워의 효율을 높일 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들의 분해 사시도이고, 도 10은 본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들이 결합된 상태를 도시하는 부분 단면도이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 부분 단면도를 도시한다. 도 8에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 양면형 셀 카트리지(100)는 실질적으로 직육면체 형상을 가지며 양면에 제1 수납부(111)와 제2 수납부(113)가 인입 형성되어 각각 제1 셀(2)과 제2 셀(4)을 수납할 수 있는 구조로서, 중앙 플레이트(112)와 4개의 테두리들(114)을 가진 본체(110)를 구비한다.

4개의 테두리들(114)은 중앙 플레이트(112)로부터 수직으로 돌출됨으로써 제1 수납부(111)와 제2 수납부(113)에 각각 수납되는 제1 셀(2)과 제2 셀(4)의 위치를 고정하게 된다. 상부 테두리(4)에는 셀들(2)(4)의 전극 단자들(6)을 고정할 수 있는 단자 고정부들(115)이 마련된다. 단자 고정부(115)의 형상, 구조, 기능 등은 당업자가 충분히 이해할 수 있을 것이다.

본 실시예에 따른 양면형 셀 카트리지(100)는 본체(110)의 제1 면(112)의 테두리(114)에 마련된 다수의 제1 삽입 돌기들(116)과 제1 삽입 구멍들(118), 및 본체(110)의 제2 면(122)의 테두리(114)에 각각 마련되고, 이웃하는 셀 카트리지(100)의 제1 면(112)의 테두리(114)에 마련된 삽입 구멍과 삽입 돌기에 각각 결합될 수 있는 제2 삽입 돌기들(미도시)과 제2 삽입 구멍들(미도시)을 구비한다. 즉, 본체(100)의 제1 면(112)에는 삽입 돌기와 삽입 구멍이 각각 마련되고, 제2 면(122)의 대칭되거나 대향되는 위치에는 돌기와 구멍에 각각 결합될 수 있는 삽입 돌기와 삽입 구멍이 형성된다. 따라서, 이차전지 모듈(102)(300)을 구성하기 위해 셀들이 수납된 양면형 셀 카트리지들(100)을 연속적으로 접촉시켜 적층시키게 되면 일차적으로 대응되거나 매칭되는 삽입 돌기와 삽입 구성의 결합에 의해 이웃하는 양면형 셀 카트리지(100)가 서로 위치를 고정하면서 가결합되는 구조이다. 한편, 제1 및 제2 삽입 돌기들(116)과 제1 및 제2 삽입 구멍들(118)의 사이즈, 형성 위치, 및 기능은 요구되는 이차전지 모듈의 구조에 따라 당업자에 의해 충분히 변경될 수 있음을 유의해야 한다. 전술한 돌기들과 구멍들은 본체(110)의 사출 성형시 본체(110)와 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에 따른 양면형 셀 카트리지(100)는 본체(110) 특히, 테두리 부분 더욱 바람직하게, 직사각 형태의 꼭지점이 형성되는 테두리(114)를 관통하는 다수의 체결공들(117)이 형성된다. 한 쌍의 셀들(2)(4)이 수납된 다수의 양면형 셀 카트리지들(100)이 전술한 바와 같이 가결합되어 형성하는 카트리지 조립체의 양단에 각각 커버(미도시)를 덮은 상태에서 체결공들(117)을 통해 체결부재(170)를 관통시켜 조임으로써 이차전지 모듈을 구성하기 위한 것으로서, 체결공(117)의 형상, 구조, 및 기능을 당업자가 충분히 이해할 것이다.

본 실시예에 따른 양면형 셀 카트리지(100)는 본체(110)의 테두리(114) 내측과 제1 및 제2 수납부(111)(113)의 테두리 부분에 접촉되도록 배치되는 제1 쿠션부재(130)를 구비한다. 제1 쿠션부재(130)는 제1 수납부(111)와 제2 수납부(113)에 각각 제1 셀(2)과 제2 셀(4)이 수납되어 이차전지 모듈 및/또는 이차전지 팩이 사용될 때, 외부 충격 및/또는 진동에 대해 셀들(2)(4)을 보호하기 위한 것이다. 제1 쿠션부재(130)는 상온에서 탄성을 나타내는 고분자 물질, 가황성 천연 고무, 합성 고무 외에 열가소성 엘라스토머, 탄성 섬유, 발포체, 플라스토머 등과 같이 내충격성 및 내진동성을 가진 재료로 제작된다. 바람직하게, 제1 쿠션부재(130)는 별도로 제작되어 본체(110)에 부착시킬 수도 있지만, 예를 들어, 이중 사출과 같이, 본체(110)와 동시에 사출 성형되는 것이 바람직하다.

양면형 셀 카트리지(100)는 제1 셀(2)과 제2 셀(4)의 각각의 셀 테두리의 밀봉부(5)와 본체(110)의 테두리(114) 사이에 개재되는 제2 쿠션부재(140)를 구비한다. 제2 쿠션부재(140)는 전술한 제1 쿠션부재(130)와 동일한 재료로 제작된다. 제2 쿠션부재(140)는 제1 쿠션부재(130)와 마찬가지로 외부 충격 또는 진동에 대해 셀을 보호하기 위한 것이다.

양면형 셀 카트리지(100)의 제1 수납부(111)와 제2 수납부(113)에 수납되는 셀들(2)(4)은 충전과 방전이 가능한 리튬 이온/폴리머 이차전지로서, 양극판/세퍼레이터/음극판이 순차적으로 위치되도록 스택킹되거나 폴딩되거나, 스택킹 및 폴딩된 전극 조립체가 전해액 또는 전해질과 함께 파우치 케이스(8) 내부에 밀봉되어 있고, 전극 조립체의 양극판들의 양극 탭들과 음극판들의 음극 탭들에 전기적 및 물리적으로 연결된 양극 및 음극 단자(6)가 파우치형 케이스(8)의 외부로 돌출된 구조를 가진다. 여기서, 파우치형 케이스(8)는 전극 조립체가 수납되는 케이스 본체와 이러한 케이스 본체를 덮는 덮개로 구성될 수 있다. 케이스 본체와 케이스 덮개는 하나의 파우치를 접어서 사용할 수도 있지만 서로 분리 결합되는 구조가 바람직하다. 또한, 케이스 본체와 덮개는 외측 수지층, 차단성 금속층 및 내측 수지층을 포함하며, 케이스 본체의 수납부에 전극 조립체와 전해액 또는 전해질이 수납된 상태에서 밀봉되면 4개의 테두리들이 융착됨에 따라 4개의 실링부들(5)이 형성된다. 즉, 정면에서 바라 보았을 때 직사각 형태의 전극 조립체의 4개의 테두리들에 각각 실링부(5)가 형성된다. 한편, 전극 조립체, 파우치 케이스(8), 및 전해액 등의 사이즈, 구조, 재질 등은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진자들에게 널리 알려져 있으므로, 이 부분들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 따른 양면형 셀 카트리지(100)는 제1 셀(2)의 전극 단자(6)와 제2 셀(4)의 전극 단자(6)를 각각 절연시킬 수 있도록 본체(110)의 단자 고정부(115)에 각각 결합되는 제1 절연 커버(150)와 제2 절연 커버(160)를 구비한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 절연 커버(150)와 제2 절연 커버(160)는 양면형 셀 카트리지들(100)이 이차전지 모듈(102)을 구성하기 위해 적층될 때, 각각의 셀 카트리지(100) 사이의 이웃하는 전극 단자들(6)을 절연시키기 위해 절연재로 제조되는 것이 바람직하다.

도 10의 확대 발췌 사시도인 도 11을 참조하면, 제1 및 제2 절연 커버들(150)(160)은 본체(110)의 단자 고정부(115)에 마련된 후크(152)(162)에 결합되는 결합홈(154)(164)이 마련된다. 따라서, 제1 및 제2 절연 커버들(150)(160)은 제1 셀(2)과 제2 셀(4)이 양면형 셀 카트리지(100)의 제1 수납부(111)와 제2 수납부(113)에 수납된 상태에서 후크(152)(162)와 결합홈(154)(164)을 결합시킴으로써 본체(110)에 고정될 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들의 분해 사시도이고, 도 14는 본 발명의 또 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 셀 카트리지와 한 쌍의 셀들이 결합된 상태를 도시하는 부분 단면도이고, 도 15는 도 13의 부분 확대도이다. 도 9 내지 도 12에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.

도 13 내지 도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 양면형 셀 카트리지(200)는 본체(110)의 중앙 플레이트(112)를 관통하는 개구(119)를 구비하고, 개구(119)에 설치되는 히터 부재(170)를 구비하는 것을 제외하고 전술한 실시예와 동일하다.

히터 부재(170)는 양면형 셀 카트리지(200)가 구성하는 이차전지 모듈 및/또는 이차전지 팩이 저온 환경에서 사용될 경우, 일시적으로 셀(2)(4) 주위를 발열시키기 위한 것으로서, 개구(119)에 배치되는 발열 패드, 발열 쉬트 또는 발열 선을 포함할 수 있다. 본 실시예의 경우, 히터 부재(170)에 전력을 선택적으로 인가하기 위한 케이블(172)이 마련되어, 히터 부재(172)를 별도의 전원과 연결시킨다.

대안적 실시예에 있어서, 히터 부재(170)는 예를 들어, 인서트 사출에 의해 본체(110)의 중앙 플레이트(112) 내부에 배치되도록 성형될 수 있다. 이 경우, 케이블(172) 역시 인서트 사출에 의해 본체(110)와 일체로 성형되는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면들에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

2,4...셀 10...셀 카트리지
11...제1 수납부 12...중앙 플레이트
13...제2 수납부 14...본체
100...셀 카트리지 101...카트리지 조립체
102...이차전지 모듈 111...제1 수납부
112...중앙 플레이트 113...제2 수납부
114...테두리 110...본체
112...제1 면 114...제2 면
116...삽입 돌기 117...체결공
118...삽입 구멍 119...개구
130...제1 쿠션부재 140...제2 쿠션부재
150...제1 절연 커버 152,162...후크
154,164...결합홈 160...제2 절연 커버
170...히터 부재 172...케이블
190...체결부재 300...이차전지 모듈
311...커버 플레이트 312...상부 커버
313...서포트 결합부 314...하부 커버
316...커버 체결공 320...서포트
322...날개 324...채널
326...서포트 본체 328...커버 결합부
330...스페이서 340...로딩부재
350...로더

Claims (21)

1. 적어도 하나 또는 그 이상의 셀들이 전기적으로 연결되도록 수납된 다수의 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체;
   카트리지 조립체의 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 커버들; 및
   카트리지 조립체로부터 이격되어 배치되고, 한 쌍의 커버들 사이에 설치되는 다수의 서포트들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고;
   각각의 서포트는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직되게 결합되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   로더에 선택적으로 결합될 수 있도록 한 쌍의 커버들 중 어느 하나의 커버에 마련된 로딩부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고;
   로딩부재는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직으로 결합되는 4개의 로딩블럭들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   각각의 로딩블럭은 로더의 끝단이 삽입될 수 있는 로더 삽입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   로더 삽입부는 내주면에 형성된 나사산을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
7. 청구항 3에 있어서,
   어느 하나의 커버, 로딩부재, 및 각각의 서포트는 일체로 체결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
8. 적어도 하나 또는 그 이상의 셀들이 전기적으로 연결되도록 수납된 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체의 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 커버들, 및 카트리지 조립체와 나란하게 배치되도록 한 쌍의 커버들 사이에 설치되는 다수의 서포트들을 각각 구비하는 적어도 2개 이상의 서브 모듈들; 및
   인접하는 서브 모듈들을 미리 결정된 간격만큼 이격시킬 수 있도록 대향되는 서브 모듈들의 인접하는 커버들 사이에 각각 개재되는 다수의 스페이서들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   서로 인접하는 서브 모듈들의 대응되는 서포트, 커버, 및 스페이서는 일체로 체결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    어느 하나의 일단의 서브 모듈의 일단의 커버에 마련된 로딩부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    각각의 서브 모듈의 각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고;
    로딩부재는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직으로 결합되는 4개의 로딩블럭들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    각각의 로딩블럭은 로더의 끝단이 삽입될 수 있는 로더 삽입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    로더 삽입부는 내주면에 형성된 나사산을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
14. 청구항 10에 있어서,
    커버는 로딩부재에 접촉되는 커버는 대응되는 각각의 서포트에 접촉되어 일체로 체결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
15. 적어도 하나 또는 그 이상의 셀이 수납된 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체의 양단에 각각 결합되는 한 쌍의 커버들 중 어느 하나의 커버에 마련된 로딩부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
16. 청구항 15에 있어서,
    각각의 커버는 실질적으로 직사각 형상의 커버 플레이트 및 커버 플레이트의 4개의 꼭지점들로부터 연장되는 서포트 결합부들을 포함하고;
    로딩부재는 상응하는 서포트 결합부에 실질적으로 수직으로 결합되는 4개의 로딩블럭들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
17. 청구항 16에 있어서,
    각각의 로딩블럭은 로더의 끝단이 삽입될 수 있는 로더 삽입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
18. 청구항 17에 있어서,
    로더 삽입부는 내주면에 형성된 나사산을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
    
19. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 하나의 이차전지 모듈; 및
    이차전지 모듈을 둘러싸는 컨테이너를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
    
20. 청구항 19의 이차전지 팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
    
21. 청구항 20에 있어서,
    상기 장치는 전기 자동차, 하이브리드-전기 자동차, 플러그-인 하이브리드 자동차, 전력저장장치 또는 수중 이동체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 장치.

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