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KR102249896B1 - 이차 전지 모듈 및 이차 전지 팩 - Google Patents

이차 전지 모듈 및 이차 전지 팩 Download PDF

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KR102249896B1
KR102249896B1 KR1020160148230A KR20160148230A KR102249896B1 KR 102249896 B1 KR102249896 B1 KR 102249896B1 KR 1020160148230 A KR1020160148230 A KR 1020160148230A KR 20160148230 A KR20160148230 A KR 20160148230A KR 102249896 B1 KR102249896 B1 KR 102249896B1
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김덕중
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 모듈 프레임에 수용되는 단위 셀들을 모듈 프레임에 고정하여, 가혹한 환경조건(예, 충격, 진동 및 열)으로부터 버스바의 붕괴 및 단선을 방지하는 이차 전지 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 충전 및 방전 작용하는 전극 조립체를 케이스에 내장하고, 상기 케이스의 개구를 캡 플레이트로 밀폐하며, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되어 상기 캡 플레이트에 설치되는 전극단자를 구비하고, 제1방향(x)으로 광폭면을 마주하는 복수의 단위 셀들, 상기 제1방향으로 이웃하는 단위 셀들의 전극단자를 전기적으로 연결하는 버스바, 상기 단위 셀들을 수용하여 상기 제1방향 양측과 상기 제1방향에 교차하는 제2방향(z)의 일측을 구속하는 모듈 프레임, 및 상기 제2방향의 다른 일측에서 상기 모듈 프레임에 고정되어 상기 단위 셀들의 상기 제2방향 다른 일측을 구속하는 구속 부재를 포함한다.

Description

이차 전지 모듈 및 이차 전지 팩 {RECHARGEABLE BATTERY MODULE AND PACK}
본 기재는 이차 전지 모듈 및 이차 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모듈 프레임에 수용되는 단위 셀들의 전극단자들을 버스바로 연결하여 형성되는 이차 전지 모듈 및 이차 전지 팩에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 일차 전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
이차 전지는 소형 전자기기에서와 같이 단일 셀로 사용되거나, 모터 구동용에서와 같이 복수의 단위 셀들을 전기적으로 연결한 모듈 또는 팩 상태로 사용될 수 있다. 즉 이차 전지 모듈은 복수의 단위 셀들, 단위 셀들을 수용하는 프레임, 및 단위 셀들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바(bus bar)를 포함한다.
그러나 이차 전지 모듈 또는 팩을 자동차에 적용하는 경우, 이차 전지 모듈 또는 팩은 자동차의 충격, 진동 및 열 등의 가혹한 환경조건에 노출될 수 있다. 이차 전지 모듈 또는 팩은 단위 셀들을 수평의 일 방향으로만 구속하고 있으므로 단위 셀들이 프레임의 내부에서 수평의 다른 방향 및 상하 방향으로 유동될 수 있다. 이로 인하여, 버스바의 붕괴 및 버스바의 단선이 유발될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 모듈 프레임에 수용되는 단위 셀들을 모듈 프레임에 고정하여, 가혹한 환경조건(예, 충격, 진동 및 열)으로부터 버스바의 붕괴 및 단선을 방지하는 이차 전지 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예는 상기 이차 전지 모듈들을 팩 프레임에 수용하여 형성되는 이차 전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 충전 및 방전 작용하는 전극 조립체를 케이스에 내장하고, 상기 케이스의 개구를 캡 플레이트로 밀폐하며, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되어 상기 캡 플레이트에 설치되는 전극단자를 구비하고, 제1방향(x축 방향)에서 광폭면으로 마주하는 복수의 단위 셀들, 상기 제1방향으로 이웃하는 단위 셀들의 전극단자를 전기적으로 연결하는 버스바, 상기 단위 셀들을 수용하여 상기 제1방향 양측과 상기 제1방향에 교차하는 제2방향(z축 방향)의 일측을 구속하는 모듈 프레임, 및 상기 제2방향의 다른 일측에서 상기 모듈 프레임에 고정되어 상기 단위 셀들의 상기 제2방향 다른 일측을 구속하는 구속 부재를 포함한다.
상기 제2방향에 교차하는 제3방향(y축 방향)에서, 상기 구속 부재는 상기 단위 셀을 향하여 돌출되어 상기 단위 셀의 일측을 가압하는 패스너 리브를 더 포함할 수 있다.
상기 제1방향에서 상기 단위 셀들 사이 및 상기 모듈 프레임과 상기 단위 셀 사이에는 절연 쉬트가 배치될 수 있다.
상기 구속 부재는 상기 제2방향에서 상기 절연 쉬트의 일측을 개방하도록 상기 패스너 리브보다 상기 제3방향으로 후퇴하여 형성되는 오목부를 더 포함할 수 있다.
상기 구속 부재는 제1체결 부재로 상기 모듈 프레임에 고정되어, 상기 패스너 리브로 상기 단위 셀의 상기 캡 플레이트를 가압할 수 있다.
상기 구속 부재는 제1체결 부재로 상기 모듈 프레임에 고정되고, 상기 패스너 리브로 상기 단위 셀의 상기 전극단자를 가압할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 상기 패스너 리브와 상기 전극단자 사이 및 상기 패스너 리브 상면에 일체로 구비되는 제1절연부재, 상기 제1절연부재 상에 설치되는 인쇄회로기판, 및 상기 인쇄회로기판, 상기 패스너 리브 및 상기 제1절연부재를 관통하여 상기 전극단자에 체결되는 제2체결 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 구속 부재는 제1체결 부재로 상기 모듈 프레임에 고정되고, 제2절연부재를 개재하여 상기 패스너 리브로 상기 단위 셀의 상기 전극단자를 가압할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 상기 패스너 리브 및 상기 제2절연부재를 관통하여 상기 전극단자에 체결되는 제2체결 부재, 상기 패스너 리브 상에 제3절연부재를 개재하여 설치되는 인쇄회로기판, 및 상기 인쇄회로기판 및 상기 제3절연부재를 관통하여 상기 패스너 리브에 체결되는 제3체결 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩은, 복수의 단위 셀들을 모듈 프레임에 수용하여 상기 단위 셀들의 전극단자를 버스바로 연결하고, 상기 단위 셀들을 구속 부재로 상기 모듈 프레임에 고정하는 복수의 이차 전지 모듈들, 평면에서 교차하는 제1방향(x축 방향)과 제3방향(y축 방향)으로 서로 이웃하여 배치되는 상기 이차 전지 모듈들을 수용하는 팩 프레임, 및 상기 이차 전지 모듈과 상기 팩 프레임을 상기 제1방향 및 상기 제3방향 중 적어도 한 방향으로 상호 연결하여, 상기 평면에 교차하는 제2방향(z축 방향)으로 상기 팩 프레임에 고정되는 브래킷을 포함한다.
상기 브래킷은 상기 팩 프레임의 모퉁이에서, 상기 모듈 프레임의 한 점과 상기 팩 프레임의 3점을 연결하여 상기 팩 프레임의 바닥과 측벽에 고정될 수 있다.
상기 브래킷은 상기 팩 프레임의 변에서, 2개의 모듈 프레임의 각 한 점과 상기 팩 프레임의 2점을 연결하여 상기 팩 프레임의 바닥과 측벽에 고정될 수 있다.
상기 브래킷은 상기 팩 프레임과 이격되어, 4개의 모듈 프레임의 각 한 점을 연결하여 상기 팩 프레임의 바닥에 고정될 수 있다.
상기 이차 전지 모듈들은 모듈 버스바로 연결될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예의 이차 전지 모듈에 따르면, 복수의 단위 셀들을 모듈 프레임의 내부에 수용하여, 전극단자들을 버스바로 연결하고, 구속 부재를 모듈 프레임에 고정하여 단위 셀들을 구속하므로 가혹한 환경조건(예, 충격, 진동 및 열)으로부터 단위 셀들을 연결하는 버스바들의 붕괴 및 단선을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 이차 전지 팩에 따르면, 복수의 이차 전지 모듈들을 팩 프레임의 내부에 수용하고, 브래킷으로 이차 전지 모듈들을 팩 프레임에 고정하므로 가혹한 환경조건으로부터 이차 전지 모듈들을 연결하는 모듈 버스바의 붕괴 및 단선을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지 모듈의 평면도이다.
도 3은 도 1에 적용되는 단위 셀의 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 2의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈의 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈의 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩의 평면도이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 선을 따라 자른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 이차 전지 모듈의 평면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예의 이차 전지 모듈(1)은 복수의 단위 셀들(100), 단위 셀들(100)을 전기적으로 연결하는 버스바(200), 단위 셀들(100)을 수용하는 모듈 프레임(300) 및 단위 셀들(100)의 유동을 구속하는 구속 부재(400)를 포함한다.
단위 셀들(100)은 이차 전지로 이루어져 제1방향(x축 방향)으로 이웃하여 배치되어, x축 방향에서 광폭면을 마주하고, 전기적 및 기구적으로 서로 연결되어 이차 전지 모듈(1)을 형성한다. 버스바(200)는 이차 전지 모듈(1)의 상방에 배치되어 x축 방향으로 이웃하는 단위 셀들(100)을 전기적으로 서로 연결한다.
모듈 프레임(300)은 단위 셀들(100)을 내부에 수용하여, 제1방향(x축 방향) 양측과 제1방향에 교차하는 제2방향(z축 방향)의 일측을 구속한다. 즉 단위 셀들(100)은 모듈 프레임(300)에 의하여 x축 방향의 전후와 z축 방향의 하측으로 구속된다. 단위 셀들(100)은 제1, 제2방향(x, z축 방향)에 교차하는 제3방향(y축 방향)의 모듈 프레임(300) 내벽과 제1간격(G1)(도 2 및 도 5 참조)을 유지한다.
구속 부재(400)는 제2방향(z축 방향)의 다른 일측에서 모듈 프레임(300)에 고정되어 단위 셀들(100)의 제2방향 다른 일측을 구속한다. 즉 구속 부재(400)는 모듈 프레임(300)의 상단에 고정되어, 단위 셀들(100)의 상방을 구속한다. 따라서 단위 셀들(100)은 모듈 프레임(300)에 의하여 x축 방향의 전후로 구속되고, 모듈 프레임(300)의 바닥과 구속 부재(400)에 의하여 z축 방향의 상하로 구속된다.
한편, 제1방향(x축 방향)에서 단위 셀들(100) 사이 및 모듈 프레임(300)의 내벽과 단위 셀(100) 사이에는 절연 쉬트(501)가 배치된다. 절연 쉬트(501)는 이웃하는 단위 셀들(100)을 전기적으로 절연하면서 단위 셀들(100) 사이에서 충격 및 진동을 흡수 완화한다.
도 3은 도 1에 적용되는 단위 셀의 사시도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 단위 셀(100)은 전류를 충전 및 방전하는 이차 전지로 형성된다.
단위 셀(100)은 충, 방전 작용하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 내장하는 케이스(15), 케이스(15)의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트(20), 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결되어 캡 플레이트(20)에 설치되는 전극단자(21, 22)를 포함한다.
예를 들면, 전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(13)의 양면에 음극(11)과 양극(12)을 배치하고, 음극(11), 세퍼레이터(13) 및 양극(12)을 젤리롤 상태로 귄취하여 형성된다.
음극(11) 및 양극(12)은 각각 금속 박판의 집전체에 활물질을 도포한 코팅부(11a, 12a), 및 활물질을 도포하지 않아서 노출된 집전체로 형성되는 무지부(11b, 12b)를 포함한다.
음극(11)의 무지부(11b)는 권취되는 음극(11)의 한 쪽 단부에 형성된다. 양극(12)의 무지부(12b)는 권취되는 양극(12)의 한 쪽 단부에 형성된다. 즉 음, 양극(11, 12)의 무지부들(11b, 12b)은 전극 조립체(10)의 양단에 각각 배치된다.
예를 들면, 케이스(15)는 내부에 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 공간을 설정하도록 대략 직육면체의 공간으로 이루어지며, 외부와 내부 공간을 연결하는 개구를 직육면체의 일면에 형성한다. 개구는 전극 조립체(10)를 케이스(15)의 내부로 삽입할 수 있게 한다. 예를 들면, 케이스(15)와 캡 플레이트(20)는 알루미늄으로 형성되어 서로 용접될 수 있다.
캡 플레이트(20)는 전해액 주입구(29)와 벤트 홀(24) 및 단자홀(H1, H2)을 구비한다. 전해액 주입구(29)는 케이스(15)에 캡 플레이트(20)를 결합한 후, 케이스(15)의 내부로 전해액을 주입할 수 있게 한다. 전해액 주입 후, 전해액 주입구(29)는 밀봉 마개(27)로 밀봉된다.
벤트 홀(24)은 단위 셀(100)의 내부 압력을 배출할 수 있도록 벤트 플레이트(25)로 밀폐된다. 단위 셀(100)의 내부 압력이 설정 압력에 이르면, 벤트 플레이트(25)가 노치(25a)를 따라 절개되어, 벤트 홀(24)을 개방한다.
전극단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 설치되고, 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)에 전기적으로 연결되어 케이스(15)의 외부로 인출된다. 일례를 들면, 전극단자(21, 22)는 리벳 터미널(21a, 22a), 플랜지(21b, 22b), 및 플레이트 터미널(21c, 22c)을 포함한다.
리벳 터미널(21a, 22a)은 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 설치되고, 플랜지(21b, 22b)는 캡 플레이트(20)의 내측에서 리벳 터미널(21a, 22a)에 일체로 넓게 형성되며, 플레이트 터미널(21c, 22c)은 캡 플레이트(20)의 외측에 배치되어 리벳 터미널(21a, 22a)에 리벳팅 또는 용접으로 연결된다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 전극단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 단자홀(H1, H2)의 내면 사이에 설치되어, 전극단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20) 사이를 실링하고 전기적으로 절연한다.
음극(11)에 연결되는 전극단자(21)에서, 플레이트 터미널(21c)은 리벳 터미널(21a)에 전기적으로 연결되고, 절연부재(31)를 개재하여 캡 플레이트(20)의 외측에 배치된다. 절연부재(31)는 플레이트 터미널(21c)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다.
음극 개스킷(36)은 플랜지(21b)와 캡 플레이트(20)의 내면 사이로 더 연장 설치되어, 플랜지(21b)와 캡 플레이트(20) 사이를 더 실링하고 전기적으로 절연한다. 즉 음극 개스킷(36)은 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1) 및 절연부재(31)의 홀에 전극단자(21)의 리벳 터미널(21a)를 설치함으로써 단자홀(H1)과 홀을 통하여 전해액이 새는 것(leak)을 방지한다.
양극(12)에 연결되는 전극단자(22)에서, 플레이트 터미널(22c)은 리벳 터미널(22a)에 전기적으로 연결되고, 도전성 탑 플레이트(46)를 개재하여 캡 플레이트(20)의 외측에 배치된다. 탑 플레이트(46)는 플레이트 터미널(22c)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 연결시킨다.
양극 개스킷(37)은 플랜지(22b)와 캡 플레이트(20)의 내면 사이에 더 연장 설치되어, 플랜지(22b)와 캡 플레이트(20) 사이를 더 실링하고 전기적으로 절연한다. 즉 양극 개스킷(37)은 캡 플레이트(20)의 단자홀(H2) 및 탑 플레이트(46)의 홀에 전극단자(22)의 리벳 터미널(22a)를 설치함으로써 단자홀(H2)과 홀을 통하여 전해액이 새는 것(leak)을 방지한다.
음, 양극 리드 탭(51, 52)은 전극단자(21, 22)를 음, 양극(11, 12)의 무지부(11b, 12b)에 각각 전기적으로 연결한다. 음, 양극 리드 탭(51, 52)을 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 결합하여 하단을 코킹(caulking)함으로써, 음, 양극 리드 탭(51, 52)은 플랜지(21b, 22b)에 지지되면서 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 연결된다.
음, 양극 절연부재(61, 62)는 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20) 사이에 설치되어, 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다. 또한 음, 양극 절연부재(61, 62)는 일측으로 캡 플레이트(20)에 결합되고 다른 일측으로 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 리벳 터미널(21a, 22a) 및 플랜지(21b, 22b)를 감싸므로 이들의 연결 구조를 견고하게 안정시킨다.
도 5는 도 2의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 제3방향(y축 방향)에서, 구속 부재(400)는 단위 셀들(100)을 향하여 돌출되어 단위 셀들(100)의 일측을 가압하는 패스너 리브(fastener rib)(401)를 더 포함한다.
즉 구속 부재(400)는 제2방향(z축 방향)에서 절연 쉬트(501)의 일측을 개방하도록 패스너 리브(401)보다 제3방향(y축 방향)으로 후퇴하여 형성되는 오목부(402)를 더 포함한다.
따라서 구속 부재(400)는 이차 전지 모듈(1)의 상방 y축 양단에 배치되어 x축 방향으로 신장되며, x축 방향을 따라 패스너 리브(401)와 오목부(402)를 순차적으로 구비한다. 구속 부재(400)는 제1체결 부재(411)로 모듈 프레임(300)에 고정되어, 패스너 리브(401)로 단위 셀들(100)의 캡 플레이트(20)를 가압한다.
구속 부재(400) 및 패스너 리브(401)가 z축 방향 상측에서 캡 플레이트(20)를 가압하므로 모듈 프레임(300)의 바닥에 지지되는 단위 셀들(100)은 모듈 프레임(300)의 내부에서 z축 방향의 상하측으로 구속될 수 있다.
단위 셀들(100)의 충격 및 진동에 의하여, 구속 부재(400)는 x축 방향의 전체 길이 범위 내에서 z축 방향으로 불규칙한 높이를 가질 수 있다. 오목부(402)는 버스바(200)의 안전 범위 내에서, 패스너 리브들(401) 사이에서 구속 부재(400)의 z축 방향의 높이 편차를 흡수할 수 있다.
또한, y축 방향에서 단위 셀들(100)의 양단과 모듈 프레임(300)의 내벽 사이에 설정되는 제1간격(G1)에 절연 쉬트(502)가 개재된다. 절연 쉬트(502)는 단위 셀들(100)의 전기적인 절연 성능을 향상시키면서, 모듈 프레임(300)과 단위 셀(100) 사이에서 충격 및 진동을 흡수 완화한다.
이와 같이 이차 전지 모듈(1)에서, 단위 셀들(100)이 모듈 프레임(300)의 내부에 견고하게 고정 설치되므로 단위 셀들(100)의 전극단자(21, 22)를 연결하는 버스바(200)의 붕괴 및 단선이 방지될 수 있다. 따라서 이차 전지 모듈(1)을 적용하는 자동차의 이용 기간이 안정적으로 보장될 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 다양한 실시예들을 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 비교하여, 서로 동일한 구성에 대하여 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈의 부분 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제2실시예의 이차 전지 모듈(2)의 제3방향(y축 방향)에서, 구속 부재(420)는 제1체결 부재(412)로 모듈 프레임(300)에 고정되고, 패스너 리브(421)로 단위 셀(100)의 전극단자(21)를 제2방향(z축 방향)으로 가압한다.
제2실시예의 이차 전지 모듈(2)은 제1절연부재(541), 인쇄회로기판(552) 및 제2체결 부재(550)를 더 포함한다. 인쇄회로기판(552)은 단위 셀(100)의 전압을 측정하도록 연결되며, 측정된 전압을 이용하여 이차 전지 모듈(2)을 제어하는 안전장치를 탑재하고 있다.
제1절연부재(541)는 패스너 리브(421)와 전극단자(21) 사이 및 패스너 리브(421) 상면에 일체로 구비된다. 인쇄회로기판(552)은 제1절연부재(541) 상에 설치된다. 제2체결 부재(550)는 인쇄회로기판(552), 패스너 리브(421) 및 제1절연부재(541)를 관통하여 전극단자(21)에 체결된다.
구속 부재(420) 및 패스너 리브(421)가 z축 방향 상측에서 제1절연부재(541)를 개재하여 전극단자(21)를 가압하므로 모듈 프레임(300)의 바닥에 지지되는 단위 셀들(100)은 모듈 프레임(300)의 내부에서 z축 방향 양측으로 구속될 수 있다.
제1절연부재(541)는 단위 셀(100) 및 전극단자(21)와 인쇄회로기판(552) 사이에서 전기적인 절연 성능을 향상시키며, 모듈 프레임(300)과 단위 셀(100) 사이, 즉 구속 부재(420)와 전극단자(21) 사이에서 충격 및 진동을 흡수 완화한다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈의 부분 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제3실시예의 이차 전지 모듈(3)의 제3방향(y축 방향)에서, 구속 부재(430)는 제1체결 부재(413)로 모듈 프레임(300)에 고정되고, 제2절연부재(542)를 개재하여 패스너 리브(431)로 단위 셀(100)의 전극단자(21)를 제2방향(z축 방향)으로 가압한다.
제3실시예의 이차 전지 모듈(3)은 제2절연부재(542), 제2체결 부재(551), 인쇄회로기판(552), 제3절연부재(543) 및 제3체결 부재(553)을 더 포함한다. 제2절연부재(542)는 전극단자(21)와 패스너 리브(431) 사이에 배치된다.
제2체결 부재(551)는 패스너 리브(431) 및 제2절연부재(542)를 관통하여 전극단자(21)에 체결된다. 인쇄회로기판(552)은 패스너 리브(431) 상에 제3절연부재(543)를 개재하여 설치된다. 제3체결 부재(553)는 인쇄회로기판(552) 및 제3절연부재(543)를 관통하여 패스너 리브(431)에 체결된다.
구속 부재(430) 및 패스너 리브(431)가 z축 방향 상측에서 제2절연부재(542)를 개재하여 전극단자(21)를 가압하고, 제2체결 부재(551)가 패스너 리브(431) 및 제2절연부재(542)를 관통하여 전극단자(21)에 체결되므로 모듈 프레임(300)의 바닥에 지지되는 단위 셀들(100)은 모듈 프레임(300)의 내부에서 z축 방향 양측으로 구속될 수 있다.
또한 인쇄회로기판(552)이 z축 방향 상측에서 제3절연부재(543)를 개재하여 패스너 리브(431) 상에 배치되고, 제3체결 부재(553)가 인쇄회로기판(552) 및 제3절연부재(543)를 관통하여 패스너 리브(431)에 체결되므로 모듈 프레임(300)의 바닥에 지지되는 단위 셀들(100)은 모듈 프레임(300)의 내부에서 z축 방향 양측으로 더욱 구속될 수 있다.
제2, 제3절연부재(542, 543)는 단위 셀(100) 및 전극단자(21)와 패스너 리브(431) 사이 및 패스너 리브(431)와 인쇄회로기판(552) 사이에서 각각 전기적인 절연 성능을 향상시키며, 모듈 프레임(300)과 단위 셀(100) 사이, 즉 구속 부재(430)와 전극단자(21) 사이 및 구속 부재(430)와 인쇄회로기판(552) 사이에서 충격 및 진동을 흡수 완화한다.
이하에서 상기한 이차 전지 모듈들을 적용하여 형성되는 이차 전지 팩에 대하여 설명한다. 편의상, 제1실시예의 이차 전지 모듈(1)을 적용하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩의 평면도이고, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 일 실시예의 이차 전지 팩은 복수의 이차 전지 모듈들(1), 팩 프레임(5) 및 브래킷(6)을 포함한다. 이차 전지 모듈들(1)은 모듈 버스바(7)로 연결된다.
팩 프레임(5)은 평면(x, y 평면)에서 교차하는 제1방향(x축 방향)과 제3방향(y축 방향)으로 서로 이웃하여 배치되는 복수의 이차 전지 모듈들(1)을 수용한다. 일 실시예의 팩 프레임(5)은 4개의 이차 전지 모듈들(1)을 x, y축 방향으로 각각 2개씩 배치하여 수용한다.
브래킷(6)은 이차 전지 모듈(1)과 팩 프레임(5)을 제1방향(x축 방향) 및 제3방향(y축 방향) 중 적어도 한 방향으로 상호 연결하여, 평면(xy 평면)에 교차하는 제2방향(z축 방향)으로 팩 프레임(5)에 고정된다. 브래킷(6)은 복수로 구비되어 이차 전지 모듈들(1)을 팩 프레임(5)에 고정한다.
일례를 들면, 브래킷(6)은 팩 프레임(5)의 모퉁이(P1)에서, 모듈 프레임(300)의 한 점과 팩 프레임(5)의 3점을 연결하여, 4개의 체결부재(81, 82)로 팩 프레임(5)의 바닥(511)과 측벽(512)에 고정될 수 있다. 따라서 브래킷(6)은 모퉁이(P1)에서 이차 전지 모듈(1)의 변위를 최소화 할 수 있다.
브래킷(6)은 팩 프레임(5)의 변(P2)에서, 2개의 모듈 프레임(300)의 각 한 점과 팩 프레임(5)의 2점을 연결하여, 4개의 체결부재(81, 82)로 팩 프레임(5)의 바닥(511)과 측벽(512)에 고정될 수 있다. 따라서 브래킷(6)은 변(P2)에서 이차 전지 모듈(1)의 변위를 최소화 할 수 있다.
브래킷(6)은 팩 프레임(5)과 이격된 위치(P3)에서, 4개의 모듈 프레임(300)의 각 한 점을 연결하여, 4개의 체결부재(81)로 팩 프레임(5)의 바닥(511)에 고정될 수 있다. 따라서 브래킷(6)은 팩 프레임(5)과 이격된 위치(P3)에서, 이차 전지 모듈(1)의 변위를 최소화 할 수 있다.
이와 같이 이차 전지 팩에서, 이차 전지 모듈들(1)이 팩 프레임(5)의 내부에 견고하게 고정 설치되므로 이차 전지 모듈들(1)과 팩 프레임(5) 사이의 충격 및 진동을 모듈 프레임(300), 브래킷(6) 및 팩 프레임(5)으로 흡수하여, 이차 전지 모듈들(1)을 연결하는 모듈 버스바(7)의 붕괴 및 단선이 방지될 수 있다. 이차 전지 팩을 적용하는 자동차의 이용 기간이 보장될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2, 3: 이차 전지 모듈 5: 팩 프레임
6: 브래킷 7: 모듈 버스바
81, 82: 체결부재 10: 전극 조립체
11: 음극 11a, 12a: 코팅부
11b, 12b: 무지부 12: 양극
13: 세퍼레이터 15: 케이스
20: 캡 플레이트 21, 22: 전극단자
21a, 22a: 리벳 터미널 21b, 22b: 플랜지
21c, 22c: 플레이트 터미널 24: 벤트 홀
25: 벤트 플레이트 25a: 노치
27: 밀봉 마개 29: 전해액 주입구
31: 절연부재 36, 37: 음, 양극 개스킷
46: 탑 플레이트 51, 52: 음, 양극 리드 탭
61, 62: 음, 양극 절연부재 100: 단위 셀
200: 버스바 300: 모듈 프레임
400, 420, 430: 구속 부재 401, 421, 431: 패스너 리브(fastener rib)
402: 오목부 411, 412, 413: 제1체결 부재
441: 제2체결 부재 501, 502: 절연 쉬트
511: 바닥 512: 측벽
541: 제1절연부재 542: 제2절연부재
543: 제3절연부재 550, 551: 제2체결 부재
552: 인쇄회로기판 553: 제3체결 부재
G1: 제1간격 H1, H2: 단자홀 P1: 모퉁이
P2: 변 P3: 이격된 위치

Claims (14)

  1. 충전 및 방전 작용하는 전극 조립체를 케이스에 내장하고, 상기 케이스의 개구를 캡 플레이트로 밀폐하며, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되어 상기 캡 플레이트에 설치되는 전극단자를 구비하고, 제1방향에서 광폭면으로 마주하는 복수의 단위 셀들;
    상기 제1방향으로 이웃하는 단위 셀들의 전극단자를 전기적으로 연결하는 버스바;
    상기 단위 셀들을 수용하여 상기 제1방향 양측과 상기 제1방향에 교차하는 제2방향의 일측을 구속하는 모듈 프레임;
    상기 제2방향의 다른 일측에서 상기 모듈 프레임에 고정되어 상기 단위 셀들의 상기 제2방향 다른 일측을 구속하는 구속 부재; 및
    상기 제1방향에서 상기 단위 셀들 사이 및 상기 모듈 프레임과 상기 단위 셀 사이에 배치되는 절연 쉬트
    를 포함하며,
    상기 제2방향에 교차하는 제3방향에서, 상기 구속 부재는
    상기 단위 셀을 향하여 돌출되어 상기 단위 셀의 일측을 고정하는 패스너 리브, 및
    상기 제2방향에서 상기 절연 쉬트의 일측을 노출하도록 상기 패스너 리브들 사이에 형성되는 오목부를 포함하는, 이차 전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구속 부재는
    제1체결 부재로 상기 모듈 프레임에 고정되어, 상기 패스너 리브로 상기 단위 셀의 상기 캡 플레이트를 가압하는 이차 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구속 부재는
    제1체결 부재로 상기 모듈 프레임에 고정되고, 상기 패스너 리브로 상기 단위 셀의 상기 전극단자를 가압하는 이차 전지 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 패스너 리브와 상기 전극단자 사이 및 상기 패스너 리브 상면에 일체로 구비되는 제1절연부재,
    상기 제1절연부재 상에 설치되는 인쇄회로기판, 및
    상기 인쇄회로기판, 상기 패스너 리브 및 상기 제1절연부재를 관통하여 상기 전극단자에 체결되는 제2체결 부재를 더 포함하는 이차 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구속 부재는
    제1체결 부재로 상기 모듈 프레임에 고정되고, 제2절연부재를 개재하여 상기 패스너 리브로 상기 단위 셀의 상기 전극단자를 가압하는 이차 전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 패스너 리브 및 상기 제2절연부재를 관통하여 상기 전극단자에 체결되는 제2체결 부재,
    상기 패스너 리브 상에 제3절연부재를 개재하여 설치되는 인쇄회로기판, 및
    상기 인쇄회로기판 및 상기 제3절연부재를 관통하여 상기 패스너 리브에 체결되는 제3체결 부재를 더 포함하는 이차 전지 모듈.
  10. 복수의 단위 셀들을 모듈 프레임에 수용하여 상기 단위 셀들의 전극단자를 버스바로 연결하고, 상기 단위 셀들을 구속 부재로 상기 모듈 프레임에 고정하는 복수의 이차 전지 모듈들;
    평면에서 교차하는 제1방향과 제3방향으로 서로 이웃하여 배치되는 상기 이차 전지 모듈들을 수용하는 팩 프레임; 및
    상기 이차 전지 모듈과 상기 팩 프레임을 상기 제1방향 및 상기 제3방향 중 적어도 한 방향으로 상호 연결하여, 상기 평면에 교차하는 제2방향으로 상기 팩 프레임에 고정되는 브래킷
    을 포함하며,
    상기 이차 전지 모듈은
    상기 제1항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항의 이차 전지 모듈로 구성되는 이차 전지 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 브래킷은
    상기 팩 프레임의 모퉁이에서, 상기 모듈 프레임의 한 점과 상기 팩 프레임의 3점을 연결하여 상기 팩 프레임의 바닥과 측벽에 고정되는 이차 전지 팩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 브래킷은
    상기 팩 프레임의 변에서, 2개의 모듈 프레임의 각 한 점과 상기 팩 프레임의 2점을 연결하여 상기 팩 프레임의 바닥과 측벽에 고정되는 이차 전지 팩.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 브래킷은
    상기 팩 프레임과 이격되어, 4개의 모듈 프레임의 각 한 점을 연결하여 상기 팩 프레임의 바닥에 고정되는 이차 전지 팩.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 이차 전지 모듈들은
    모듈 버스바로 연결되는 이차 전지 팩.
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