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KR20200044577A - 배터리의 대형 모듈 - Google Patents

배터리의 대형 모듈 Download PDF

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KR20200044577A
KR20200044577A KR1020180125548A KR20180125548A KR20200044577A KR 20200044577 A KR20200044577 A KR 20200044577A KR 1020180125548 A KR1020180125548 A KR 1020180125548A KR 20180125548 A KR20180125548 A KR 20180125548A KR 20200044577 A KR20200044577 A KR 20200044577A
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wall
cell stack
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module
cell
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KR1020180125548A
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문수덕
김성용
김재호
박대영
배장웅
이준형
임두용
임지순
허은기
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

배터리의 대형 모듈이 개시되며, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈은 복수의 단위셀이 제1방향으로 정렬되고, 상기 복수의 단위셀을 둘러싸는 절연부재를 포함하는 셀스택 및 상기 셀스택이 삽입되는 삽입부가 복수개로 마련되는 모듈하우징을 포함하며, 상기 삽입부는 상기 셀스택을 둘러싸며 적어도 일부가 상기 셀스택과 접촉되는 고정벽을 포함하고, 상기 모듈하우징에 구비되고, 이웃하는 모듈하우징과 결합되는 결합부를 더 포함하며, 상기 결합부는 상기 모듈하우징 및 상기 이웃하는 모듈하우징을 전기적 및 신호적으로 연결하는 커넥터를 포함한다.

Description

배터리의 대형 모듈{LARGE MODULE OF BATTERY}
본 발명은 배터리의 대형 모듈에 관한 것으로서, 복수의 단위셀로 이루어지는 셀스택을 복수개 포함하는 배터리의 대형 모듈에 관한 것이다.
충전식 또는 이차전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서 1차전지와 다르며, 후자는 화학물질에서 전기에너지로의 비가역적 변환만을 제공한다. 저용량의 충전식 전지는 휴대 전화, 노트북, 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용되고, 대용량의 충전식 전지는 하이브리드 자동차 등의 전원으로 사용될 수 있다.
이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극단자를 포함할 수 있다.
전해액은 양극, 음극 및 상기 전해액의 전기 화학적 반응으로 전지, 즉 배터리의 충방전이 가능하도록 하기 위해 케이스 내부로 주입된다. 예컨대 원통형 또는 직사각형일 수 있는 케이스의 형상은 전지의 용도에 따라 다를 수 있다.
충전식 전지는 직렬 또는 병렬로 결합된 다수의 단위셀로 구성되는 셀스택 형태로 사용됨으로써, 예컨대 하이브리드 자동차의 주행 등을 위한 높은 에너지밀도를 제공할 수 있다.
상기 셀스택은 엔드블록 및 사이드플레이트 등으로 구성되는 모듈프레임을 통해 하나의 단위 구성으로 조립 및 취급될 수 있으며, 배터리 모듈은 하우징 내부에 모듈프레임이 체결된 셀스택이 삽입되고 하우징과 상기 모듈프레임이 결합된 형태를 가질 수 있다.
한편, 기술의 발전에 따라 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 및 기타 전기에너지 소비장치에서 요구되는 전력량이 증가되고 있으며, 상기 전력량을 만족시키기 위해 복수의 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
다만, 배터리 모듈의 구성품인 셀스택은 단위 구성으로의 취급 용이성 및 정렬방향으로의 가압상태 유지를 위해 엔드블록 및 사이드플레이트 등을 이용한 체결구조를 가지며, 이러한 추가 구성을 포함하는 배터리 모듈의 요구수량이 증가될수록 배터리 모듈의 제조 공정 및 제조단가가 증가할 수 있다.
따라서, 전기에너지 소비장치의 요구전력을 충족시킬 수 있는 복수의 셀스택을 제공하면서 구성부품을 단순화하고 제조단가 및 중량을 효과적으로 감소시키며 제조 공정이 효율적으로 진행될 수 있는 새로운 모듈 구조의 개발은 중요한 과제가 된다.
본 발명의 실시예들은 전력량을 효과적으로 향상시키고, 구성부품을 단순화하면서 제조 공정을 효율적으로 개선할 수 있는 배터리의 대형 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈은 복수의 단위셀이 제1방향으로 정렬되고, 상기 복수의 단위셀을 둘러싸는 절연부재를 포함하는 셀스택 및 상기 셀스택이 삽입되는 삽입부가 복수개로 마련되는 모듈하우징을 포함하며, 상기 삽입부는, 상기 셀스택을 둘러싸며 적어도 일부가 상기 셀스택과 접촉되는 고정벽을 포함하고, 상기 모듈하우징에 구비되고, 이웃하는 모듈하우징과 결합되는 결합부를 더 포함하며, 상기 결합부는, 상기 모듈하우징 및 상기 이웃하는 모듈하우징을 전기적 및 신호적으로 연결하는 커넥터를 포함한다.
상기 커넥터는, 상기 모듈하우징의 내부공간을 둘러싸는 외벽 중 상기 제1방향에 수직한 제2방향에 위치되는 제1벽에 구비되는 숫커넥터 및 상기 외벽 중 상기 제1벽의 반대측에 위치되는 제2벽에 구비되어 상기 이웃하는 모듈하우징의 숫커넥터와 결합되는 암커넥터를 포함할 수 있다.
상기 숫커넥터는, 상기 제2방향으로 돌출되고 상기 모듈하우징 내부에서 셀스택과 전기적으로 연결되는 전류연결부를 포함하고, 상기 암커넥터는 상기 제2방향으로 만입되고 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 숫커넥터의 상기 전류연결부가 삽입되는 전류수용부를 포함할 수 있다.
상기 숫커넥터는, 상기 제2방향으로 돌출되고 상기 셀스택의 관리제어신호를 전달하는 신호연결부를 더 포함하고, 상기 암커넥터는, 상기 제2방향으로 만입되고 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 숫커넥터의 상기 신호연결부가 삽입되는 신호수용부를 더 포함할 수 있다.
상기 커넥터는 중앙에 상기 모듈하우징의 내부와 외부가 연통되는 연통홀이 형성될 수 있다.
상기 결합부는, 상기 제1벽에서 상기 숫커넥터의 측부에 위치되며, 상기 제2방향으로 돌출되는 가이드돌기 및 상기 제2벽에서 상기 암커넥터의 측부에 위치되며, 상기 이웃하는 모듈하우징의 가이드돌기가 삽입되는 가이드홈을 더 포함할 수 있다.
상기 가이드돌기에는 상기 외벽의 높이방향으로 체결홈이 형성되고, 상기 가이드홈의 측면에는 상기 체결홈과 대응되는 위치에 체결공이 형성되며, 상기 가이드돌기는 상기 체결공을 관통하여 상기 체결홈에 삽입되는 체결부재를 통해 상기 가이드홈과 결합될 수 있다.
상기 숫커넥터는, 상기 전류연결부 및 상기 신호연결부를 둘러싸고, 상기 제2방향으로 돌출되며, 단부에 실러가 구비되는 실링벽을 더 포함할 수 있다.
상기 삽입부는 상기 제2방향을 따라 제1열 및 제2열을 이루도록 배치되고, 상기 제1열에 포함되는 셀스택들은 상기 제2열에 포함되는 셀스택들과 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 셀스택에서 상기 복수의 단위셀을 전기적으로 연결하는 스택버스바, 상기 제1열 또는 상기 제2열에서 상기 제2방향으로 이웃하는 2개의 셀스택을 전기적으로 연결하는 연결버스바 및 상기 셀스택으로부터 인출되며, 상기 전류연결부 또는 상기 전류수용부와 연결되는 단자버스바를 더 포함할 수 있다.
상기 전류연결부는, 상기 제1열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되는 제1돌기; 및 상기 제2열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되는 제2돌기를 포함하고, 상기 전류수용부는, 상기 제1열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되며 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 제1돌기와 결합되는 제1수용부 및 상기 제2열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되며 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 제2돌기와 결합되는 제2수용부을 포함할 수 있다.
상기 셀스택에서 일단부의 단위셀에는 상기 단자버스바가 연결되고, 타단부의 단위셀에는 상기 연결버스바가 연결되며, 상기 셀스택은 상기 일단부가 상기 제1열 및 상기 제2열 사이를 바라보도록 배치되어, 상기 단자버스바가 상기 제1열 및 상기 제2열 사이로 인출될 수 있다.
상기 제1열의 셀스택들로부터 인출되는 단자버스바들과 상기 제2열의 셀스택들로부터 인출되는 단자버스바들은 상기 제2방향을 따라 서로 교번하여 배치될 수 있다.
상기 고정벽은, 상기 모듈하우징의 외벽으로 둘러싸인 내부공간을 상기 제1방향으로 가로지르며, 상기 셀스택의 사이드면에 접촉되는 분리벽 및 상기 제1방향 양측에 배치되어 상기 셀스택의 상기 제1방향 양측의 엔드면을 각각 가압하는 엔드벽을 포함할 수 있다.
일면이 상기 모듈하우징의 상기 외벽을 마주보도록 배치되는 엔드벽은 상기 제1방향을 따라 상기 외벽으로부터 이격되어 상기 외벽과의 사이에 제1충격흡수공간이 형성될 수 있다.
상기 제1방향을 따라 이웃하는 2개의 삽입부는 상기 제1방향으로 마주하는 일면에 배치되는 엔드벽이 서로 이격되어 그 사이에 제2충격흡수공간이 형성되고, 상기 셀스택으로부터 인출되는 단자버스바는 상기 제2충격흡수공간으로 인출될 수 있다.
상기 셀스택은, 상기 제1방향 양단부에 각각 배치되어 외측면이 상기 엔드면에 해당되는 한 쌍의 엔드서포트를 더 포함하며, 상기 엔드벽은 마주하는 상기 엔드면으로부터 중앙부가 멀어지도록 외측으로 휘어지고, 상기 엔드면은 마주하는 상기 엔드벽으로부터 중앙부가 멀어지도록 내측으로 만입되어 스웰링공간이 형성될 수 있다.
상기 엔드벽은, 외측면에서 상기 엔드벽의 높이방향으로 연장되고 상기 제2방향으로 상호 이격 배치되는 복수의 제1리브를 포함하고, 상기 엔드서포트는, 상기 엔드면에서 격자 형태를 이루도록 상기 제2방향 및 상기 엔드서포트의 높이방향으로 이격 배치되는 복수의 제2리브를 포함할 수 있다.
상기 모듈하우징은 바닥면의 아래에 냉각수가 유동하는 냉각채널이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 전력량을 효과적으로 향상시키고, 구성부품을 단순화하면서 제조 공정을 효율적으로 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 삽입부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈이 상호 결합되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 제1벽에 배치된 숫커넥터를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 숫커넥터를 정면에서 바라본 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 암커넥터를 정면에서 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 결합상태의 커넥터를 측면에서 바라본 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 결합상태의 커넥터를 상면에서 바라본 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 복수의 단위셀이 배치된 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 복수의 단위셀이 버스바를 통해 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 엔드벽과 엔드서포트를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 엔드벽의 형상을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 엔드서포트의 엔드면을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 냉각채널을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈에서 냉각채널을 아래에서 바라본 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 삽입부(220)를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 1 내지 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)은 복수의 단위셀(110)이 제1방향(X)으로 정렬되고, 상기 복수의 단위셀(110)을 둘러싸는 절연부재(112)를 포함하는 셀스택(100) 및 상기 셀스택(100)이 삽입되는 삽입부(220)가 복수개로 마련되는 모듈하우징(200)을 포함하며, 상기 삽입부(220)는, 상기 셀스택(100)을 둘러싸며 적어도 일부가 상기 셀스택(100)과 접촉되는 고정벽(250)을 포함하고, 상기 모듈하우징(200)에 구비되고, 이웃하는 모듈하우징(1001)과 결합되는 결합부(400)를 더 포함하며, 상기 결합부(400)는, 상기 모듈하우징(200) 및 상기 이웃하는 모듈하우징(1001)을 전기적 및 신호적으로 연결하는 커넥터(500)를 포함한다.
셀스택(100)은 제1방향(X)으로 정렬된 복수의 단위셀(110)을 포함한다. 단위셀(110)은 전극조립체를 포함하며 단자부(150)가 구비되는 하나의 이차전지에 해당하며, 각형 또는 원통형 등 다양한 형상의 케이스를 포함할 수 있다.
도 1 및 2에는 사각기둥 형태의 케이스를 가지는 단위셀(110)이 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 1 및 2에 도시된 사각 형태의 케이스를 가지는 단위셀(110)을 기준으로 설명한다.
단위셀(110)들은 각각 전극조립체와 전기적으로 연결되는 단자부(150)를 포함하며, 단자부(150)는 한 쌍으로 구비되어 각각 전극조립체의 제1전극과 제2전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 단자부(150)는 제1전극에 연결되는 제1단자(151) 및 제2전극에 연결되는 제2단자(152)를 포함할 수 있다.
단자부(150)의 배치 및 형태는 다양할 수 있으나, 본 발명의 일실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 케이스의 개구에 결합되는 캡플레이트상에 구비될 수 있고, 서로 다른 극성을 가지는 한 쌍의 단자부(150)가 캡플레이트의 양단부에 배치될 수 있다.
셀스택(100)에는 상기 단위셀(110)이 복수개 정렬되며, 정렬방향은 다양할 수 있으나 바람직하게는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 단위셀(110)의 측면 중 넓은 측면이 상호 마주보는 방향으로 정렬될 수 있다. 이하에서는 단위셀(110)의 정렬방향을 제1방향(X)으로 정의한다. 제1방향(X)으로 셀스택(100)의 양단에는 단위셀(110)이 배치되거나 엔드서포트(120)가 배치될 수 있다.
셀스택(100)을 구성하는 단위셀(110)의 수는 필요에 따라 다양할 수 있다. 하나의 셀스택(100)에 포함되는 단위셀(110)은 후술할 스택버스바(172) 등을 이용하여 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 셀스택(100)은 복수의 단위셀(110)을 둘러싸는 절연부재(112)를 포함한다. 절연부재(112)는 고무, 플라스틱 등과 같은 절연소재로 이루어지며 복수의 단위셀(110)을 둘러싼다.
필요에 따라서 절연부재(112)는 셀스택(100)에서 제1방향(X) 양단에 배치되는 엔드서포트(120)를 복수의 단위셀(110)과 함께 감싸도록 마련될 수도 있고, 엔드서포트(120)를 제외하고 복수의 단위셀(110)만을 둘러싸며 셀스택(100)의 양단에 엔드서포트(120)가 별도로 배치될 수도 있다.
절연부재(112)는 필름 형태로 구비되거나 강성을 가지는 판상의 구성이 복수개로 구비될 수도 있다. 절연부재(112)는 셀스택(100)의 4개 측면을 모두 둘러싸는 형태로 마련되거나 그 중 일부에만 배치될 수도 있고, 셀스택(100)의 상면 및 하면을 모두 둘러싸도록 마련될 수도 있다. 다만, 셀스택(100)의 상면에 배치되는 절연부재(112)는 단위셀(110) 각각의 단자부를 노출시키도록 마련될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따라 절연부재(112)가 절연필름의 형태로 마련되어 셀스택(100)에서 엔드서포트(120)를 제외하고 복수의 단위셀(110)의 측면을 감싸도록 마련된 모습이 도시되어 있다.
모듈하우징(200)은 셀스택(100)이 삽입되는 삽입부(220)가 복수개 마련된다. 도 1에는 모듈하우징(200)에 4개의 삽입부(220)가 형성된 모습이 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1에 도시된 모듈하우징(200)에서 2개의 삽입부(220)가 따로 도시되어 있다. 모듈하우징(200)에 마련되는 삽입부(220)의 수는 필요에 따라 변경 가능하다.
모듈하우징(200)은 바닥면(260)에서 상방으로 돌출되어 상기 바닥면(260)을 둘러싸는 외벽(210)이 존재하며, 상기 외벽(210) 내측으로 내부공간이 형성된다. 상기 내부공간에는 상기 삽입부(220)가 복수개로 마련될 수 있다.
모듈하우징(200)의 형상은 다양할 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 모듈하우징(200)은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 대략 사각 형태의 바닥면(260)을 가지도록 마련될 수 있다.
모듈하우징(200)은 상부가 개방된 형태로 마련될 수 있으며, 이에 따라 모듈하우징(200)에 마련되는 삽입부(220) 또한 상부가 개방된 형태로 마련될 수 있다. 모듈하우징(200)의 개방된 상면에는 모듈커버가 결합되어 밀폐될 수 있고, 상기 모듈커버가 모듈하우징(200)에 결합된 경우 상기 모듈커버는 상기 삽입부(220)의 상면에 해당하게 된다.
한편, 도 1 내지 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 삽입부(220)가 도시되어 있다. 상기 삽입부(220)는, 상기 셀스택(100)을 둘러싸며 적어도 일부가 상기 셀스택(100)과 접촉되는 고정벽(250)을 포함한다.
도 1을 살펴보면, 셀스택(100)이 삽입된 삽입부(220) 및 셀스택(100)이 삽입되지 않은 삽입부(220)가 나란하게 배치된 모습이 도시되어 있다. 고정벽(250)은 상기 삽입부(220) 영역을 둘러싸는 경계벽에 해당하고, 삽입부(220)에 삽입되는 셀스택(100)은 고정벽(250)에 의해 사방이 둘러싸인 상태로 안정적으로 고정상태를 유지한다.
고정벽(250)은 셀스택(100)의 형태에 따라 다양하게 배치될 수 있으나, 바람직하게는 도 1에 도시된 것처럼 셀스택(100)의 4방향 측면을 각각 마주보며 지지하는 4개의 면을 가지며 상기 셀스택(100)을 감싸도록 배치될 수 있다.
삽입부(220)의 고정벽(250)은 적어도 일부가 상기 셀스택(100)에 직접 접촉된다. 예컨대, 고정벽(250) 중 제1방향(X)에 위치된 어느 하나의 면이 셀스택(100)과 직접 접촉될 수도 있고, 고정벽(250) 중 제1방향(X)에 수직한 제2방향(Y)에 위치된 어느 하나의 면이 복수의 단위셀(110)의 측면, 예컨대 절연부재(112)와 직접 접촉될 수도 있다.
제2방향(Y)은 도 1에 표시된 것처럼 제1방향(X)과 동일평면상에서 제1방향(X)에 수직한 방향으로 정의될 수 있으며, 단위셀(110)의 폭방향으로 정의될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 셀스택(100)은 별도의 구성부품을 구비하지 않더라도 고정벽(250)에 의해 형상을 유지하며 제1방향(X)으로의 가압된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명과 같은 배터리의 대형 모듈(1000)이 아닌 일반적인 배터리 모듈의 경우, 하나의 셀스택에 모듈프레임이 결합되고, 상기 모듈프레임이 결합되어 단위 구성으로 취급되는 하나의 셀스택이 하나의 모듈을 구성한다.
일반적으로 취급되는 셀스택은 에너지밀도와 같은 성능적인 측면과 취급용이성을 위해 모듈프레임이 결합될 수 있고, 모듈프레임은 셀스택의 양단을 가압하는 엔드블록 및 셀스택의 사이드면을 따라 연장되는 사이드플레이트 등으로 구성될 수 있으며, 셀스택이 가압된 상태로 상기 엔드블록 및 사이드플레이트가 상호 결합되어 셀스택의 구조를 유지시킬 수 있다.
일반적인 배터리 모듈은 위와 같은 모듈프레임이 결합된 셀스택이 삽입되면서 모듈하우징과 상기 모듈프레임간의 체결이 이루어지고, 하나의 셀스택에서 제공되는 전력량을 가지는 배터리 모듈이 된다.
이러한 일반적인 배터리 모듈의 경우, 하나의 셀스택보다 더 높은 요구전력을 충족시키기 위해 복수의 배터리 모듈이 제공되어야 하며, 이에 따라 셀스택을 단위체로 체결하는 모듈프레임 및 모듈 자체를 구성하는 복수의 구성부품이 추가 소요된다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)은 일반적인 배터리 모듈과 달리 복수의 셀스택(100)이 하나의 모듈에 장착되므로 높은 요구전력을 충족시키는 데에 유리하며, 셀스택(100)이 모듈하우징(200)의 외벽(210)과 적어도 일부분이 구별될 수 있는 삽입부(220)의 고정벽(250)에 의해 고정되므로 모듈프레임과 같은 셀스택(100)의 고정을 위한 구성부품이 별도로 요구되지 않는다.
한편, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)이 복수개 마련되어 상호 결합되는 모습이 도시되어 있다. 즉, 도 3에는 배터리의 대형 모듈(1000)이 상호 결합되어 대형 팩을 형성하는 모습이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 다른 배터리의 대형 모듈(1000)은 상기 모듈하우징(200)에 구비되고, 이웃하는 모듈하우징(200)과 결합되는 결합부(400)를 더 포함할 수 있다.
배터리의 대형 모듈(1000)은 요구전력을 충족시키기 위해 상호 결합되어 대형 팩 구조를 구현할 수 있는데, 도 3에는 모듈하우징(200)의 일면에 결합부(400)가 형성되고, 이웃하는 배터리의 대형 모듈(1000)간 결합부(400)가 서로 결합되는 모습이 도시되어 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 결합부(400)는 모듈하우징(200) 및 이웃하는 모듈하우징(1001)을 전기적 및 신호적으로 연결하는 커넥터(500)를 포함한다. 본 발명의 일실시예에서 커넥터(500)는 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)로 구성될 수 있으며, 도 3에는 커넥터(500) 중 암커넥터(530)가 도시되어 있고 도 4에는 숫커넥터(510)가 도시되어 있다.
본 발명의 일실시예는 커넥터(500)에 의해 어느 하나의 모듈하우징(200)이 이웃하는 모듈하우징(1001)과 기계적으로 결합됨과 동시에 전기적 및 신호적으로도 서로 연결관계를 가지게 된다.
일반적인 경우 모듈하우징(200)간의 연결 시 셀스택(100)간의 전기적 연결을 위해 모듈버스바가 이용될 수 있는데, 모듈버스바는 셀스택(100)과 전기적으로 연결되도록 결합되기 위한 작업이 필요하다.
본 발명의 경우, 모듈하우징(200)간의 결합이 이루어지는 경우 각 모듈하우징(200)에 구비되는 커넥터(500)가 상호 접촉 및 연결됨으로써, 별도의 조립 공정 없이도 각 모듈하우징(200)간의 전기적 및 신호적 연결이 가능해진다.
커넥터(500)를 통한 전기적 연결에 의해 어느 하나의 모듈하우징(200) 및 이웃하는 모듈하우징(1001)의 셀스택(100)들이 직렬 또는 병렬 형태로 전기적으로 연결될 수 있으며, 각 모듈하우징(200)의 내부온도, 전압 등 복수의 셀스택(100)을 관리하기 위한 제어관리신호가 서로 송수신 가능하여 효과적인 배터리 운용이 가능하다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 커넥터(500)는, 상기 모듈하우징(200)의 내부공간을 둘러싸는 외벽(210) 중 상기 제1방향(X)에 수직한 제2방향(Y)에 위치되는 제1벽(211)에 구비되는 숫커넥터(510) 및 상기 외벽(210) 중 상기 제1벽(211)의 반대측에 위치되는 제2벽(212)에 구비되어 상기 이웃하는 모듈하우징(1001)의 숫커넥터(510)와 결합되는 암커넥터(530)를 포함할 수 있다.
모듈하우징(200)의 외벽(210)에서 제2방향(Y)에 위치되는 제1벽(211) 및 제2벽(212)에는 각각 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)가 구비되며, 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)는 상호 결합관계를 형성할 수 있다.
예컨대, 어느 하나의 모듈하우징(200)에 구비되는 제2벽(212)의 암커넥터(530)는 이웃하는 모듈하우징(1001)의 제1벽(211)에 구비되는 숫커넥터(510)가 삽입 및 결합될 수 있다.
도 3에는 모듈하우징(200)의 제2벽(212) 및 상기 제2벽(212)에 배치되는 암커넥터(530)가 도시되어 있으며, 도 4에는 모듈하우징(200)의 제1벽(211) 및 상기 제1벽(211)에 배치되는 숫커넥터(510)가 도시되어 있다.
본 발명의 일실시예는 제1방향(X)으로 정렬되는 복수의 단위셀(110)로 이루어진 셀스택(100)이 상기 제1방향(X)으로 복수개 배치될 수 있고, 이에 따라 모듈하우징(200)간의 결합 방향을 제2방향(Y)으로 설계하여 대형 팩의 전장이 증가하는 것을 억제할 수 있다.
따라서 모듈하우징(200)의 외벽(210) 중 제2방향(Y)에 배치되는 제1벽(211) 및 제2벽(212)에 각각 결합부(400)가 배치되며, 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530) 또한 제1벽(211) 및 제2벽(212)에 각각 배치될 수 있다.
한편, 도 5에는 정면에서 바라본 숫커넥터(510)가 도시되어 있고, 도 6에는 정면에서 바라본 암커넥터(530)가 도시되어 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 숫커넥터(510)는 상기 제2방향(Y)으로 돌출되고 상기 모듈하우징(200) 내부에서 셀스택(100)과 전기적으로 연결되는 전류연결부(515)를 포함하고, 상기 암커넥터(530)는 상기 제2방향(Y)으로 만입되고 상기 이웃하는 모듈하우징(1001)의 상기 숫커넥터(510)의 상기 전류연결부(515)가 삽입되는 전류수용부(535)를 포함할 수 있다.
숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)는 상호 결합을 통해 전기적 및 신호적 연결이 이루어지며, 숫커넥터(510)에는 모듈하우징(200)의 셀스택(100)과 전기적으로 연결되는 전류연결부(515)가 형성될 수 있다.
도 5 및 6을 참고할 때, 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)는 플라스틱 또는 중합체와 같은 절연소재의 베이스부를 가질 수 있고, 베이스부로부터 노출되어 전기적으로 연결되는 도전체 물질을 포함할 수 있다.
전류연결부(515)는 모듈하우징(200)의 내부에서 셀스택(100)과 전기적으로 연결되며, 숫커넥터(510)의 베이스부로부터 제2방향(Y)으로 돌출되어 도전부가 외부로 노출된 형태를 가질 수 있다.
암커넥터(530)는 전류수용부(535)를 포함할 수 있다. 전류수용부(535)는 전류연결부(515)와 연결 또는 결합되는 부위로서, 예컨대 제1벽(211)으로부터 돌출되도록 형성되는 전류연결부(515)가 삽입되는 홈의 형태를 가질 수 있다.
암커넥터(530)는 모듈하우징(200) 내부의 셀스택(100)과 전기적으로 연결되는데, 이에 따라 어느 하나의 모듈하우징(200)에 구비되는 암커넥터(530)에 이웃하는 모듈하우징(1001)의 숫커넥터(510)가 연결되면, 상기 어느 하나의 모듈하우징(200) 및 이웃하는 모듈하우징(1001) 내부의 셀스택(100)이 함께 전기적으로 연결될 수 있다.
암커넥터(530)는 숫커넥터(510)와 같이 전류수용부(535)에 금속 소재의 도전부가 베이스부로부터 노출된 형태를 가질 수 있고, 전류수용부(535)의 도전부는 셀스택(100)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 7에는 서로 다른 모듈하우징(200)간의 숫커넥터(510)와 암커넥터(530)가 상호 결합된 모습을 측면에서 바라본 단면도가 도시되어 있다.
도 7을 참고하면, 전류연결부(515)는 제1벽(211)으로부터 돌출된 돌기의 형상을 가질 수 있고, 전류수용부(535)는 상기 전류연결부(515)가 삽입되는 홈의 형태를 가질 수 있다. 도 7에는 전류연결부(515) 및 전류수용부(535)가 각각 해당 모듈하우징(200) 내부의 셀스택(100)과 전기적으로 연결되는 모습이 도시되어 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 숫커넥터(510)는 상기 제2방향(Y)으로 돌출되고 상기 셀스택(100)의 관리제어신호를 전달하는 신호연결부(517)를 더 포함하고, 상기 암커넥터(530)는 상기 제2방향(Y)으로 만입되고 상기 이웃하는 모듈하우징(1001)의 상기 숫커넥터(510)의 상기 신호연결부(517)가 삽입되는 신호수용부(537)를 더 포함할 수 있다.
신호연결부(517) 및 신호수용부(537)는 전류연결부(515) 및 전류수용부(535)와 구별되며, 더 낮은 전압이 형성될 수 있다. 예컨대, 신호연결부(517) 및 신호수용부(537)는 저전압(LV)단자에 해당하고 전류연결부(515) 및 전류수용부(535)는 고전압(HV)단자에 해당될 수 있다.
신호연결부(517)는 숫커넥터(510)의 베이스부로부터 노출되는 복수의 도전부로 이루어질 수 있으며, 복수의 핀 형상 또는 금속플레이트 형상을 가질 수 있다. 신호연결부(517)는 셀스택(100)의 온도, 전압, 냉각 정보 등을 파악하여 관리제어신호를 송수신하는 제어부와 상기 관리제어신호가 송수신되는 통로인 연결선을 통해 연결될 수 있다.
신호수용부(537)는 암커넥터(530)에서 신호연결부(517)와 결합될 수 있도록 신호연결부(517)와 대응되는 형상으로 마련될 수 있다. 예컨대, 신호연결부(517)가 복수의 핀 형상을 가지는 경우 신호수용부(537)는 상기 복수의 핀이 삽입되는 복수의 홈 형상을 가질 수 있고, 신호연결부(517)가 금속플레이트 형상을 가지는 경우 신호수용부(537)는 신호연결부(517)와 면접하는 금속플레이트 형상을 가질 수 있다.
신호연결부(517) 및 신호수용부(537)를 통해 송수신되는 관리제어신호는 다양하게 활용될 수 있다. 예컨대 복수의 모듈하우징(200)이 제2방향(Y)을 따라 결합된 대형 팩의 경우, 어느 하나의 모듈하우징(200)에 대형 팩을 총괄하여 관리제어하는 제어부가 배치될 수 있고, 각 모듈하우징(200)의 센서 등으로부터 수집되는 관리제어신호가 신호연결부(517) 및 신호수용부(537)를 통해 상기 제어부로 전달되어 대형 팩 전체의 제어에 활용될 수 있다.
또는, 모듈하우징(200) 각각에 제어부가 구비될 수 있으며, 어느 하나의 모듈하우징(200)에 구비되는 제어부는 이웃하는 모듈하우징(1001)의 온도, 냉각 상황 등을 파악하여 상기 어느 하나의 모듈하우징(200)의 냉각 제어에 활용할 수 있다.
도 8에는 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)가 상호 결합된 모습을 위에서 바라본 단면도가 도시되어 있으며, 신호연결부(517)가 숫커넥터(510)의 베이스부로부터 돌출된 형상으로 마련되고, 신호수용부(537)는 신호연결부(517)가 삽입되는 홈의 형태로 마련된 모습이 도시되어 있다.
한편, 상기 커넥터(500)는 중앙에 상기 모듈하우징(200)의 내부와 외부가 연통되는 연통홀(519, 539)이 형성될 수 있다. 연통홀(519, 539)은 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)에 각각 형성될 수 있고, 연통홀(519, 539)에 의해 모듈하우징(200) 내부와 외부가 연통될 수 있다.
따라서, 모듈하우징(200)의 내부온도 변화 등이 있더라도 내압이 안정적으로 유지될 수 있고, 특히 어느 하나의 단위셀(110)에서 고온의 가스가 배출되는 상황이 발생해도 안전하게 내부 환경을 유지하는 데에 유리할 수 있다.
연통홀(519, 539)의 위치 및 형상은 다양할 수 있는데, 도 5 및 6에는 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)의 베이스부에서 대략 중앙부에 위치된 연통홀(519, 539)의 형상이 도시되어 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 결합부(400)는 상기 제1벽(211)에서 상기 숫커넥터(510)의 측부에 위치되며, 상기 제2방향(Y)으로 돌출되는 가이드돌기(550) 및 상기 제2벽(212)에서 상기 암커넥터(530)의 측부에 위치되며, 상기 이웃하는 모듈하우징(1001)의 가이드돌기(550)가 삽입되는 가이드홈(570)을 더 포함할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 일실시예에 따라 한 쌍의 가이드돌기(550)가 숫커넥터(510)의 양측에 배치된 모습이 도시되어 있다. 가이드돌기(550)의 형상 및 개수는 다양할 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따르면 가이드돌기(550)는 제1벽(211)으로부터 제2방향(Y)으로 돌출될 수 있고, 제1벽(211)의 높이방향으로 연장된 형태일 수 있으며, 가이드홈(570)에 삽입이 용이하도록 외면이 곡면을 이루도록 형성될 수 있다. 즉, 가이드돌기(550)는 상부에서 바라본 단면 형상이 원의 일부에 해당될 수 있다.
가이드홈(570)은 가이드돌기(550)가 삽입되는 홈에 해당하며, 가이드돌기(550)의 형상과 대응되도록 형성될 수 있다. 도 6을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가이드홈(570)은 암커넥터(530)의 양측에 각각 위치되며, 제2벽(212)의 높이방향으로 연장되고, 만입된 면이 가이드돌기(550)와 대응되도록 곡면에 해당할 수 있다.
한 쌍의 모듈하우징(200)이 전기적 및 신호적으로 안정적인 결합을 이루기 위해서는 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)가 적정하게 배치되는 것이 유리한데, 본 발명의 일실시예는 한 쌍의 모듈하우징(200)이 결합되는 과정에서 가이드돌기(550)가 가이드홈(570)에 삽입되면서 결합을 위한 정위치를 이루게 되고, 이에 따라 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)가 정확하게 위치되어 상호 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 가이드돌기(550)에는 상기 외벽(210)의 높이방향으로 체결홈(555)이 형성되고, 상기 가이드홈(570)의 측면에는 상기 체결홈(555)과 대응되는 위치에 체결공(575)이 형성되며, 상기 가이드돌기(550)는 상기 체결공(575)을 관통하여 상기 체결홈(555)에 삽입되는 체결부재(580)를 통해 상기 가이드홈(570)과 결합될 수 있다.
가이드돌기(550)는 외벽(210), 즉 제1벽(211)의 높이방향으로 연장된 형태를 가질 수 있고, 내부에는 제1벽(211)의 높이방향으로 연장된 체결홈(555)이 형성될 수 있다. 또한, 가이드돌기(550)가 삽입되는 가이드홈(570)의 측면에는 체결홈(555)과 대응되는 위치에 관통된 개구 형상의 체결공(575)이 형성될 수 있다.
가이드돌기(550)가 가이드홈(570)에 삽입된 경우, 볼트 등과 같이 체결부재(580)가 상기 체결공(575)을 관통하여 체결홈(555)에 삽입됨으로써, 2개의 모듈하우징(200)이 서로 견고히 결합될 수 있다.
도 8에는 가이드홈(570)의 체결공(575)을 관통하며 가이드돌기(550)의 체결홈(555)에 삽입된 체결부재(580)의 단면이 도시되어 있다.
한편, 도 5, 7 및 8에는 숫커넥터(510)의 테두리를 따라 연장되고, 제2방향(Y)으로 돌출되어 암커넥터(530)에 밀착되어 전류연결부(515) 및 신호연결부(517)를 밀폐시키는 실링벽(520)에 도시되어 있다.
실링벽(520)은 전류연결부(515) 및 신호연결부(517)의 주위를 둘러싸는 측벽의 형태를 가질 수 있고, 암커넥터(530)를 바라보는 단부에는 실링 능력이 향상될 수 있도록 고무 등의 소재로 이루어지는 O형의 실러(522)가 구비될 수 있다.
실러(522)는 O형과 같이 폐단면을 가지는 형태로 마련되며, 실링벽(520)의 단부로부터 돌출되어 숫커넥터(510) 및 암커넥터(530)의 결합 시 상기 실링벽(520)과 암커넥터(530) 사이에서 가압될 수 있다.
고압의 전류가 송전되고 및 관리제어신호가 송수신되는 커넥터(500)는 실러(522)가 구비되는 실링벽(520)에 의해 외부로부터 차폐되어 안전성이 향상될 수 있다.
한편, 도 9에는 모듈하우징(200) 내부에 배치되는 복수의 단위셀(110)들이 도시되어 있으며, 도 10에는 상기 복수의 단위셀(110)들이 전기적으로 연결된 구조가 도시되어 있다.
본 발명의 일실시예에서, 삽입부(220)는 상기 제2방향(Y)을 따라 제1열 및 제2열을 이루도록 배치되고, 상기 제1열에 포함되는 셀스택(100)들은 상기 제2열에 포함되는 셀스택(100)들과 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
이하에서는 제2방향(Y)을 따라 정렬되고 제1방향(X)으로 이격된 삽입부(220) 또는 셀스택(100)의 각 열을 제1열 및 제2열로 정의한다. 설명의 편의를 위해, 도 9에서는 제2방향(Y)으로 배열된 열 중 왼쪽 열을 제1열, 오른쪽 열을 제2열로 설명한다.
상기 셀스택(100)은 상기 제2방향(Y)으로 이웃하는 셀스택(100)간에 전기적으로 연결되고, 상기 제1방향(X)으로 이웃하는 셀스택(100)간에 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 제2방향(Y)으로 이웃하는 셀스택(100)들은 서로 직렬 또는 병렬 형태로 연결될 수 있으며, 일부 병렬 형태를 취함과 동시에 일부 직렬 형태를 취하도록 연결될 수도 있다.
또한, 제1방향(X)으로 이웃하는 셀스택(100)들은 상호 전기적으로 분리된다. 도 10를 참고하면, 4개의 셀스택(100) 중 제2방향으로 이웃하는 셀스택(100)들은 후술하는 연결버스바(174)를 통해 전기적으로 연결되지만, 제1방향(X)으로 이웃하는 셀스택(100)들은 상호 전기적으로 연결되지 않아 양측으로 원-사이드 터미널(one-side terminal) 구조를 취하게 된다.
이에 따라, 본 발명에서 복수의 셀스택(100)이 복수의 열을 형성하더라도 서로 전기적으로 분리된 상태를 유지하며, 필요에 따라 셀스택(100)의 수를 늘리는 것이 용이하고, 복수의 셀스택(100)에서 제공되는 전력을 전기소비장치에 효과적으로 제공할 수 있다.
후술할 내용과 같이 복수의 대형 모듈이 상호 결합되어 대형 팩의 형태를 취하는 경우, 전기소비장치의 반대측 단부에 배치되는 대형 모듈에는 제2방향(Y)으로 이웃하는 셀스택(100)을 전기적으로 연결하기 위한 별도의 연결수단이 구비되거나 모듈하우징(200) 내부에서 셀스택(100)간의 전기적 연결구조를 취할 수도 있다.
한편, 도 10을 참고하면 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)은 상기 셀스택(100)에서 상기 복수의 단위셀(110)을 전기적으로 연결하는 스택버스바(172), 상기 제1열 또는 상기 제2열에서 상기 제2방향으로 이웃하는 2개의 셀스택(100)을 전기적으로 연결하는 연결버스바(174) 및 상기 셀스택(100)으로부터 인출되며, 상기 전류연결부(515) 또는 상기 전류수용부(517)와 연결되는 단자버스바(176)를 포함할 수 있다.
스택버스바(172)는 어느 하나의 셀스택(100)에 포함되는 단위셀(110)들을 전기적으로 연결한다. 도 10에는 단위셀(110)의 양측으로 번갈아 배치되며 단위셀(110)을 일정한 개수만큼 반복하여 연결하는 스택버스바(172)가 도시되어 있다.
즉, 셀스택(100)은 스택버스바(172)를 통해 복수의 단위셀(110)이 상호 전기적으로 연결될 수 있으며, 스택버스바(172)는 단위셀(110)의 배치방향을 따라 연장되는 몸체부 및 상기 몸체부로부터 돌출되어 각 단위셀(110)의 단자부(150)에 연결되는 다리부를 포함할 수 있다.
연결버스바(174)는 이웃하는 2개의 셀스택(100)을 전기적으로 연결한다. 도 10에 도시된 본 발명의 일실시예는 제2방향(Y)으로 각각 2개의 셀스택(100)이 배열된 구조이며, 2개의 셀스택(100) 사이에 연결버스바(174)가 배치되어 제2방향(Y)으로의 전기적 연결이 구현된다.
연결버스바(174)는 일단부가 어느 하나의 셀스택(100)에 배치되는 단위셀(110)의 단자부(150)에 연결될 수 있고, 타단부가 이웃하는 셀스택(100)의 단위셀(110)에 마련된 단자부(150)에 연결될 수 있다.
도 10과 같이 셀스택(100)을 서로 직렬 연결하는 경우, 제2방향(Y)으로 이웃하는 단위셀(110)들은 서로 다른 극성이 마주보도록 배치될 수 있고, 연결버스바(174)는 일측에서 제2방향(Y)으로 마주하는 단위셀(110)들의 서로 마주보는 단자부(150)를 연결할 수 있다.
단자버스바(176)는 셀스택(100)으로부터 인출되어 셀스택 그룹의 단자 역할을 수행한다. 예컨대, 도 10과 같이 제2방향으로 2개의 셀스택(100)이 상호 연결되는 경우, 어느 하나에서 인출된 단자버스바(176)는 입력단자에 해당하고, 나머지 하나에서 인출된 단자버스바(176)를 출력단자에 해당할 수 있다.
이러한 단자버스바(176)는 숫커넥터(510) 또는 암커넥터(530)와 연결되어 이웃하는 모듈하우징(1001) 내부의 셀스택(100)과도 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 본 발명은 복수의 대형 모듈을 연결시켜 대형 팩을 구현하더라도, 상기 단자버스바(176) 및 커넥터(500)의 연결 구조를 통해 서로 다른 열을 가지는 셀스택(100) 그룹간의 전기적 분리 관계를 유지하여 원-사이드 터미널 형태를 유지하게 된다.
한편, 다시 도 7을 참고할 때 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서 전류연결부(515)는 상기 제1열에 포함되는 셀스택(100)들과 전기적으로 연결되는 제1돌기(512) 및 상기 제2열에 포함되는 셀스택(100)들과 전기적으로 연결되는 제2돌기(514)를 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예는 제1열의 셀스택(100)들과 제2열의 셀스택(100)들이 서로 전기적으로 분리되고, 전류연결부(515)는 제1열의 셀스택(100)들과 연결되는 제1돌기(512) 및 제2열의 셀스택(100)들과 연결되는 제2돌기(514)가 서로 구분되어 마련된다.
전류수용부(535)는 전류연결부(515)에 대응되도록 상기 제1열에 포함되는 셀스택(100)들과 전기적으로 연결되며 상기 이웃하는 모듈하우징(1001)의 상기 제1돌기(512)와 결합되는 제1수용부(532) 및 상기 제2열에 포함되는 셀스택(100)들과 전기적으로 연결되며 상기 이웃하는 모듈하우징(1001)의 상기 제2돌기(514)와 결합되는 제2수용부(534)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 어느 하나의 모듈하우징(200)에 구비되는 암커넥터(530)에 이웃하는 모듈하우징(1001)의 숫커넥터(510)가 결합되면, 이웃하는 모듈하우징(1001)의 제1열 셀스택(100)들과 연결되는 제1돌기(512)가 해당 모듈하우징(200)의 암커넥터(530)에 구비되는 제1수용부(532)로 전달되고, 제1수용부(532)로 전달되는 전류는 다시 해당 모듈하우징(200)의 제1열 셀스택(100)들을 지나 해당 모듈하우징(200)의 숫커넥터(510)에서 제1돌기(512)를 통해 전달될 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에서 숫커넥터(510)는 제1열 및 제2열의 셀스택(100)들이 서로 전기적으로 구분되면서 이웃하는 모듈하우징(1001)과 효과적으로 연결될 수 있도록 제1돌기(512) 및 제2돌기(514)가 구분되며, 암커넥터(530) 또한 제1열 및 제2열의 셀스택(100)들을 서로 전기적으로 구분하기 위해 제1수용부(532) 및 제2수용부(534)가 구분되어 마련될 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 것처럼 셀스택(100)에서 일단부의 단위셀(110)에는 상기 단자버스바(176)가 연결되고, 타단부의 단위셀(110)에는 상기 연결버스바(174)가 연결되며, 상기 셀스택(100)은 상기 일단부가 상기 제1열 및 상기 제2열 사이를 바라보도록 배치되어, 상기 단자버스바(176)가 상기 제1열 및 상기 제2열 사이로 인출될 수 있다.
단자버스바(176)는 커넥터(500)를 통해 외부로 연결될 수 있고, 연결버스바(174)는 제2방향(Y)으로 이웃하는 셀스택(100)을 상호 연결시키는 연결수단이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예는 단자버스바(176)를 셀스택(100) 일단부의 단위셀(110)에 연결시키고, 연결버스바(174)를 셀스택(100) 타단부의 단위셀(110)에 연결시킴으로써, 셀스택(100)을 구성하는 복수의 단위셀(110)을 전체로서 효과적으로 연결시키는 구조를 구현하게 된다.
한편, 본 발명의 일실시예는 제1열 및 제2열의 셀스택(100)들이 각각 제1방향(X)으로 서로 마주하는 부분이 일단부에 해당되어 단자버스바(176)가 제1열 및 제2열 사이로 배치될 수 있다. 후술할 내용과 같이 제1열 및 제2열 사이의 이격공간은 제2충격흡수공간(216)에 해당할 수 있다.
복수의 단위셀(110)의 집합체에서 외부에 대한 단자 역할을 수행하는 단자버스바(176)가 제1열 및 제2열의 중앙측으로 배치되면, 단자버스바(176)와 연결되어 모듈하우징(200) 외부에 배치되는 커넥터(500) 또한 중앙에 배치되기 유리하고, 따라서 복수의 대형 모듈간 전기적 연결 구조 또는 전기소비장치와의 전기적 연결 구조를 효율적으로 구성할 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 제1열의 셀스택(100)들로부터 인출되는 단자버스바(176)들과 상기 제2열의 셀스택(100)들로부터 인출되는 단자버스바(176)들은 상기 제2방향(Y)을 따라 서로 교번하여 배치될 수 있다.
제1방향(X) 및 제2방향(Y)으로 삽입부(220)가 정렬되는 본 발명의 구조를 고려할 때, 제1방향(X)으로 이웃하는 셀스택(100)들이 서로 전기적으로 분리되더라도, 각각의 단자버스바(176)가 마주보게 되면 단자버스바(176)에 형성되는 고전압에 의해 단락이 일어날 가능성이 있다.
또한, 제2방향(Y)으로 배치되는 셀스택(100)간의 단자버스바(176) 또한 서로 상이한 극성을 가지므로 가깝게 배치되면 단락이 발생될 가능성이 있다.
이에 따라, 본 발명은 복수의 셀스택(100)이 제1열 및 제2열과 같이 복수의 열을 이루며 하나의 모듈하우징(200)에 구비되더라도, 상호간의 단락 상황 등이 발생되지 않도록 하기 위해, 제1열의 단자버스바(176)와 제2열의 단자버스바(176)가 서로 마주보지 않게 함과 동시에, 제1열의 단자버스바(176)들이 서로 이웃하게 배치되거나 제2열의 단자버스바(176)들이 서로 이웃하게 배치되지 않도록 한다.
도 10를 참고하면, 중앙에 배치된 4개의 단자버스바(176)는 위에서부터 차례대로 제1열의 단자버스바(176), 제2열의 단자버스바(176), 다시 제1열의 단자버스바(176), 다시 제2열의 단자버스바(176)가 되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)은 상기 셀스택(100)에서 상기 복수의 단위셀(110)은 상기 제1방향(X)으로 동일 극성의 단자부(150)끼리 마주보는 적어도 하나 이상의 단위셀(110)로 구성되는 복수의 셀그룹으로 구분되고, 상기 스택버스바(172)는 상기 제1방향(X)으로 연장되며, 서로 이웃하고 상기 제1방향(X)으로 서로 다른 극성의 단자부(150)끼리 마주보도록 배치된 2개의 셀그룹을 직렬 연결할 수 있다.
셀스택(100)은 복수의 단위셀(110)로 구성되는데, 상기 복수의 단위셀(110)은 복수의 셀그룹을 구성하고, 복수의 셀그룹이 셀스택(100)을 구성할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 셀그룹이란 제1방향으로 이웃하며 배치되는 복수의 단위셀(110) 중 서로 동일한 극성을 가지는 단자부(150)가 제1방향으로 마주하도록 배치된 단위셀(110)들의 그룹을 의미한다.
도 10을 살펴보면, 각각의 셀스택(100)에서 동일한 극성의 단자부(150), 예컨대 제1단자(151)끼리 마주하는 단위셀(110)이 2개씩 배치되며, 단위셀(110) 2개마다 극성이 바뀌도록, 예컨대 제1단자(151) 이후 제2단자(152)가 배치된 것을 볼 수 있으며, 이는 단위셀(110) 2개가 하나의 셀그룹을 형성하는 실시예임을 의미한다.
셀스택(100) 전체에서 셀그룹을 구성하는 단위셀(110)의 수는 바람직하게는 모두 동일할 수 있고, 다만 셀그룹을 구성하는 단위셀(110)의 수는 1개에서 복수개까지 필요에 따라 다양할 수 있다.
스택버스바(172)는 제1방향(X)을 따라 연장되며 이웃하는 단위셀(110)들에서 서로 마주보는 단자부(150)를 서로 연결시킨다. 즉, 스택버스바(172)에 의해 셀그룹을 구성하는 단위셀(110)들은 서로 병렬 형태로 연결되며, 이웃하는 셀그룹간에는 직렬 형태로 연결된다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서, 상기 연결버스바(174)를 통해 전기적으로 연결된 2개의 셀스택(100) 중 어느 하나는 상기 복수의 셀그룹 중 서로 이웃하는 2개 셀그룹이 서로 동일 극성의 단자부(150)끼리 마주보도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)은 상기 제1방향(X)을 가로지르도록 연장되고, 서로 동일 극성의 단자부(150)끼리 마주보며 이웃하는 상기 2개의 셀그룹을 직렬 연결하는 크로스버스바(178)를 더 포함할 수 있다.
도 10을 살펴보면, 도면상 제1열의 상측에 도시된 셀스택(100)에서 연결버스바(174)가 연결된 셀그룹과 이웃하는 셀그룹은 서로 동일한 극성의 단자부(150), 예컨대 제1단자(151)끼리 서로 마주보도록 배치된 모습이 도시되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이 고전압에 의해 단자버스바(176)간 단락 상황 등을 방지하기 위해 제2방향(Y)으로 이웃하는 셀스택(100)간에도 단자버스바(176)가 인접하게 배치되지 않도록 하는데, 크로스버스바(178)의 이용으로 이러한 단자버스바(176)의 배치 구조를 구현하는 데에 유리할 수 있다.
예컨대, 셀그룹을 구성하는 단위셀(110)의 수에 관계없이 단위셀(110)의 개수가 동일한 셀스택(100)에서는 스택버스바(172)만을 이용하여 셀스택(100)의 단위셀(110)을 전기적으로 연결하게 되면 제2방향(Y)으로 이웃하는 셀스택(100)의 각 단자버스바(176)가 서로 이웃하게 인출되는 경우가 발생될 수 있다.
그러나, 연결버스바(174)를 통해 연결되는 2개의 셀스택(100) 중 어느 하나에서, 서로 이웃하는 셀그룹이 서로 동일한 극성의 단자부(150)가 마주하도록 배치되고, 상기 2개의 셀그룹을 상기 제1방향(X)을 가로지르는 방향으로 직렬 연결하게 되면, 제2방향(Y)으로 이웃하는 셀스택(100)의 각 단자버스바(176)가 서로 이웃하게 인출되는 상황이 방지될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일실시예에 따라 제1열 및 제2열의 상부측 셀스택(100)에서 연결버스바(174)가 연결되는 셀그룹과 이웃하는 셀그룹은 서로 동일한 극성의 단자부(150)가 제1방향으로 마주보게 배치되고, 도 4에는 제1방향을 가로지르며 2개의 셀그룹을 직렬 형태로 연결하는 크로스버스바(178)가 도시되어 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)은 상기 셀스택(100)에서 상기 타단부의 단위셀(110)에는 상기 연결버스바(174) 및 상기 크로스버스바(178)가 함께 연결될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일실시예는 연결버스바(174), 스택버스바(172) 및 크로스버스바(178)의 배치 구조를 보다 효과적으로 설정할 수 있다.
한편, 다시 도 1 및 2를 참고하면 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서 상기 고정벽(250)은, 상기 모듈하우징(200)의 외벽(210)으로 둘러싸인 내부공간을 상기 제1방향(X)으로 가로지르며, 상기 셀스택(100)의 사이드면에 접촉되는 분리벽(230) 및 상기 제1방향(X) 양측에 배치되어 상기 셀스택(100)의 상기 제1방향(X) 양측의 엔드면을 각각 가압하는 엔드벽(240)을 포함할 수 있다.
분리벽(230)은 상기 제1방향(X)으로 연장되고, 외벽(210)으로 둘러싸인 내부공간을 구획하여 상기 복수의 삽입부(220)를 형성하는 데에 기여한다. 또한, 상기 분리벽(230)은 상기 제2방향(Y)을 따라 양측으로 배치된 2개의 삽입부(220)의 고정벽(250)의 일부를 구성하고, 상기 2개의 삽입부(220)에 각각 삽입되는 상기 셀스택(100)의 사이드면에 접촉될 수 있다.
사이드면은 셀스택(100)의 측면 중 제1방향(X)으로 연장된 양측면, 즉 셀스택(100)에서 제2방향(Y)의 양측면을 의미하며, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 셀스택(100)은 별도의 모듈프레임이 구비되지 않는 바, 상기 사이드면은 복수의 단위셀(110) 측면을 감싸는 절연부재(112)에 해당할 수 있다.
분리벽(230)은 모듈하우징(200)의 바닥면(260)으로부터 상방으로 돌출된 형태로 마련될 수 있고, 제1방향(X)을 따라 연장되면서 모듈하우징(200)의 내부공간을 분할하도록 마련될 수 있다. 즉, 분리벽(230)은 삽입부(220)를 둘러싸는 고정벽(250)의 일부, 즉 일면에 해당할 수 있다.
도 1 내지 2를 참고하면, 분리벽(230)을 기준으로 그 양측에 각각 삽입부(220)가 형성되며, 분리벽(230)은 양측에 존재하는 2개의 삽입부(220)에 대한 고정벽(250)이 된다.
도 2를 참고하면, 분리벽(230)은 삽입부(220)에 삽입되는 셀스택(100)의 사이드면과 마주하게 되는데, 따라서 고정벽(250)의 일부에 해당되는 분리벽(230)은 삽입부(220)에 삽입된 셀스택(100)의 사이드면의 적어도 일부에 직접 접촉되어 셀스택(100)을 제2방향(Y)으로 지지하게 된다.
한편, 엔드벽(240)은 상기 제2방향(Y)으로 연장되고, 복수의 삽입부(220) 각각의 제1방향(X) 양단에 배치되어 상기 셀스택(100)의 상기 제1방향(X) 양측의 엔드면을 각각 가압하며, 고정벽(250)의 일부에 해당할 수 있다.
본 발명은 셀스택(100)에서 제1방향(X) 양단의 측면을 각각 엔드면으로 정의한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 엔드면은 절연부재(112)이거나 엔드서포트(120)의 일면에 해당할 수 있다.
도 1 및 2에는 셀스택(100)의 제1방향(X) 양측으로 엔드벽(240)이 각각 배치된 모습이 도시되어 있다. 엔드벽(240)은 모듈하우징(200) 내에서 복수개로 존재할 수 있고, 삽입부(220)의 고정벽(250) 중 제1방향(X) 양측에 해당한다.
엔드벽(240)은 모듈하우징(200)의 외벽(210)과는 구별될 수 있다. 예컨대, 엔드벽(240)은 모듈하우징(200)의 내부공간에서 바닥면(260)으로부터 돌출된 형상을 가지며 제2방향(Y)으로 연장되되, 일면이 마주하는 외벽(210) 또는 마주하는 다른 엔드벽(240)과 이격되도록 복수개로 배치될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일실시예로서 복수의 삽입부(220)가 제1방향(X)으로 2개, 제2방향(Y)으로 2개씩 총 4개가 구비된 모습이 도시되어 있으며, 모듈하우징(200) 내부공간의 일부를 제1방향으로 가로지르는 1개의 분리벽(230)과 제2방향(Y)으로 연장되는 4개의 엔드벽(240)이 구비되어 있다.
분리벽(230)은 제2방향(Y) 양측으로 배치되는 삽입부(220)에 의해 공유되며, 엔드벽(240)은 길이방향 양측으로 공유되지 않고, 제1방향(X)으로 마주보는 2개의 삽입부(220)는 서로 마주보는 일면에 각각의 엔드벽(240)이 상호 이격 배치되어 있다.
삽입부(220)에서 제1방향(X) 양측에 배치되는 한 쌍의 엔드벽(240)은 바람직하게는 각각 마주하는 셀스택(100)의 엔드면, 예컨대 엔드서포트(120)의 일면에 적어도 일부가 직접 접촉된다. 또한, 엔드벽(240)은 셀스택(100)을 제1방향(X)으로 가압하도록 배치될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이 본 발명의 일실시예에서 삽입부(220)에 삽입되는 셀스택(100)은 엔드블록 또는 사이드플레이트와 같은 모듈프레임이 체결되지 않고, 복수의 단위셀(110)이 단지 정렬된 상태에서 절연부재(112)에 의해 바람직하게는 측면이 감싸진 형태로 마련되는데, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서 엔드벽(240)은 셀스택(100)을 제1방향(X)으로 가압 및 고정시키는 역할을 수행할 수 있다.
셀스택(100)은 제1방향(X)으로 가압됨으로써 동일한 체적하에서 더 높은 전력을 제공할 수 있으며, 구조적으로 안정된 상태로 유지될 수 있다.
상기 셀스택(100)은 엔드면을 가압한 상태로 상기 삽입부(220)에 삽입하는 지그를 통해 가압된 상태로 상기 삽입부(220)의 고정벽(250) 사이, 특히 제1방향(X) 양측으로 구비되는 한 쌍의 엔드벽(240) 사이에 삽입될 수 있고, 한 쌍의 엔드벽(240)에 의해 가압상태를 유지할 수 있다.
한편, 도 9에는 모듈하우징(200)의 외벽(210)과 이격된 엔드벽(240)의 단면이 도시되어 있다. 도 9와 같이, 본 발명의 일실시예에서 엔드벽(240) 중 일면이 모듈하우징(200)의 외벽(210)을 마주보도록 배치되는 엔드벽(240)은 상기 제1방향(X)을 따라 상기 외벽(210)으로부터 이격되어 상기 외벽(210)과의 사이에 제1충격흡수공간(215)이 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 엔드벽(240)은 도 1 및 2에 도시된 것처럼 복수로 마련될 수 있고, 복수의 엔드벽(240) 중 외벽(210)을 마주보는 엔드벽(240)은 도 9와 같이 마주하는 모듈하우징(200)의 외벽(210)과 상기 제1방향(X)으로 이격되어 그 사이에 제1충격흡수공간(215)을 형성할 수 있다.
도 9에는 삽입부(220)의 고정벽(250)을 구성하는 엔드벽(240) 중 모듈하우징(200) 외벽(210)을 마주하는 엔드벽(240)을 위에서 바라본 모습이 도시되어 있으며, 상기 엔드벽(240)과 외벽(210) 사이에 제1충격흡수공간(215)이 형성된 모습이 도시되어 있다.
모듈하우징(200)은 외부로부터 전달되는 충격에 대해 삽입부(220)에 삽입되는 셀스택(100)을 안전하게 보호할 필요가 있으며, 본 발명의 일실시예는 셀스택(100)의 엔드면과 직접 접촉되어 셀스택(100)을 지지 및 가압하는 엔드벽(240)이 외벽(210)과 이격되어 상기 외벽(210)으로 전달되는 충격이 엔드벽(240)으로 직접 전달되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 사용과정에서 발열하는 단위셀(110)은 적절한 냉각이 중요한데, 상기 제1충격흡수공간(215)은 그 자체로 상기 셀스택(100)의 열이 분산되는 방열공간으로 작용할 수도 있어 유리하다.
한편, 본 발명의 일실시예는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 상기 삽입부(220)가 상기 모듈하우징(200)의 상기 내부공간에서 제1방향(X)을 따라 복수개 배치되며, 상기 제1방향(X)을 따라 이웃하는 2개의 삽입부(220)는 상기 제1방향(X)으로 마주하는 일면에 배치되는 엔드벽(240)이 서로 이격되어 그 사이에 제2충격흡수공간(216)이 형성될 수 있다. 또한, 단자버스바는 상기 제2충격흡수공간으로 인출될 수 있다.
도 1에서 제1방향(X)으로 서로 이웃하는 2개의 삽입부(220)는 각각의 고정벽(250)이 서로 마주하는 일면이 엔드벽(240)에 해당하는데, 상기 2개의 삽입부(220)는 서로 마주하는 일면에서 서로 다른 엔드벽(240)을 가진다. 즉, 제1방향(X)으로 배열되는 삽입부(220)들은 서로 엔드벽(240)을 공유하지 않는다.
도 2를 살펴보면, 제1방향(X)으로 정렬된 2개의 삽입부(220)에서 서로 마주보는 일면의 엔드벽(240)이 서로 이격되며, 상기 엔드벽(240)간의 사이에 제2충격흡수공간(216)이 형성된 모습이 도시되어 있다.
제2충격흡수공간(216)은 제1충격흡수공간(215)과 같이 삽입부(220)의 외부로부터 전달되는 충격으로부터 해당 삽입부(220)에 삽입된 셀스택(100)을 보호한다. 예컨대, 제1충격흡수공간(215)은 모듈하우징(200)의 외벽(210)으로 전해진 충격이 모듈하우징(200) 내부공간으로 전달되는 것을 억제하고, 제2충격흡수공간(216)은 어느 하나의 삽입부(220)에 전달된 충격이 제1방향(X)으로 이웃하는 다른 삽입부(220)로 전달되는 것을 억제할 수 있다.
나아가, 앞서 설명된 바와 같이 본 발명의 일실시예는 제1열 및 제2열의 셀스택(100)들로부터 단자버스바(176)가 인출되고, 제2충격흡수공간(216)은 단자버스바(176)가 배치되는 공간에 해당될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 셀스택(100)은 상기 제1방향(X) 양단부에 각각 배치되어 외측면이 상기 엔드면에 해당되는 한 쌍의 엔드서포트(120)를 더 포함하며, 상기 엔드벽(240)은 마주하는 상기 엔드면으로부터 중앙부가 멀어지도록 외측으로 휘어지고, 상기 엔드면은 마주하는 상기 엔드벽(240)으로부터 중앙부가 멀어지도록 내측으로 만입되어 스웰링공간이 형성될 수 있다.
도 2 및 9와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서 상기 셀스택(100)은 상기 제1방향(X)의 상기 양단부에 각각 배치되어 외측면이 상기 엔드면에 해당하는 한 쌍의 엔드서포트(120)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 복수의 단위셀(110)은 절연부재(112)에 의해 적어도 측면이 감싸진 형태로 마련되고, 엔드서포트(120)는 셀스택(100)에서 제1방향(X) 양단에서 각각 절연부재(112)에 내측면이 면착된 형태로 배치될 수 있다. 다만, 절연부재(112) 및 엔드서포트(120)의 배치관계는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도 11에는 엔드서포트(120)의 엔드면이 도시되어 있다.
엔드서포트(120)는 셀스택(100)에서 제1방향(X) 양단에 배치되어 외측면이 엔드면에 해당될 수 있다. 엔드서포트(120)는 엔드벽(240)과 최외곽셀 사이에서 충격을 흡수하는 역할을 수행하며, 엔드벽(240)의 가압력을 최외곽셀에 균일하게 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
최외곽셀이란, 셀스택(100)을 구성하는 복수의 단위셀(110) 중 제1방향(X)으로 최외곽에 위치되는 단위셀(110)을 의미하며, 본 발명의 일실시예에서 최외곽셀은 복수의 단위셀(110) 중 제1방향(X) 양단에 각각 위치된다.
엔드벽(240)이 휘어진 형상을 가지는 등 면 전체로서 상기 엔드서포트(120)를 가압하지 않더라도 상기 엔드서포트(120)는 바람직하게는 절연부재(112) 및 최외곽셀의 외측면을 면 전체로서 가압할 수 있다.
한편, 도 9에는 중앙부가 엔드면으로부터 멀어지도록 휘어진 엔드벽(240)의 단면이 도시되어 있으며, 도 10에는 휘어진 엔드벽(240)에서 셀스택(100)의 엔드면을 바라보는 내측면이 도시되어 있다.
엔드벽(240)은 마주하는 상기 엔드면으로부터 중앙부가 멀어지도록 외측으로 휘어짐으로써 상기 엔드면과의 사이에 스웰링공간이 형성될 수 있다. 엔드벽(240)은 엔드면으로부터 중앙부가 멀어지도록 휘어진 형상으로 성형될 수 있다.
엔드벽(240)은 제2방향(Y) 및 높이방향을 기준으로 중앙부만이 오목하게 만입될 수도 있으나, 도 9에 도시된 것처럼 단면이 만곡된 형상이 되도록 휘어진 형태로 마련될 수 있다.
엔드벽(240)이 휘어진 형상을 가짐으로써 셀스택(100)의 엔드면 사이에 적어도 중앙부에는 공간이 형성되며, 해당 공간은 본 발명의 일실시예에서 스웰링공간에 해당된다.
셀스택(100)을 구성하는 단위셀(110)은 사용에 따른 내구 진행이나 주변 상황에 따라 내부의 전극조립체로부터 기체가 발생하여 팽창하는 스웰링 현상이 발생될 수 있으며, 상기 스웰링에 적절히 대처할 수 있는 구조를 구현하는 것은 특히 복수의 단위셀(110)이 정렬된 구조에서는 중요하다.
스웰링 현상이 발생되면 단위셀(110)은 구조적 특성상 제1방향(X)에 위치되는 측면상의 중앙부 팽창량이 크며, 이에 따라 본 발명의 일실시예는 셀스택(100)의 스웰링 현상 발생 시 상기 스웰링에 따른 셀스택(100)의 부피 팽창을 수용할 수 있도록 엔드벽(240)과 엔드면 사이에 스웰링공간을 형성하게 된다.
한편, 앞서 설명된 바와 같이 셀스택(100)은 에너지밀도 등과 같은 효율성 측면에서 제1방향(X)으로의 가압이 요구되는데, 본 발명의 일실시예는 엔드면을 가압하는 엔드벽(240)이 중앙부가 만곡하게 휘어지더라도, 적어도 양단부측은 엔드면의 가압상태를 유지하므로 셀스택(100)의 운용에 유리하다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이 엔드서포트(120)의 엔드면은 마주하는 상기 엔드벽(240)으로부터 중앙부가 멀어지도록 내측으로 만입될 수 있다. 즉, 엔드벽(240)은 엔드면의 중앙부가 만입된 형상을 가질 수 있다.
엔드서포트(120)의 외측면에 해당하는 엔드면은 휘어진 형상의 엔드벽(240)과 유사하게 엔드벽(240)과의 사이에 적어도 중앙부는 공간이 형성되도록 중앙부가 만입된 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 엔드서포트(120)와 엔드벽(240) 사이에는 적어도 중앙부에 스웰링공간이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 엔드벽(240)은, 외측면에서 상기 엔드벽(240)의 높이방향으로 연장되고 상기 제2방향(Y)으로 상호 이격 배치되는 복수의 제1리브(242)를 포함하고, 상기 엔드서포트(120)는, 상기 엔드면에서 격자 형태를 이루도록 상기 제2방향(Y) 및 상기 엔드서포트(120)의 높이방향으로 이격 배치되는 복수의 제2리브(122)를 포함할 수 있다.
도 2 및 9에 도시된 바와 같이 엔드벽(240)에는 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 제1리브(242)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 엔드벽(240)은, 상기 제1방향(X)을 기준으로 외측면에 복수의 제1리브(242)를 포함할 수 있다.
엔드벽(240)은 셀스택(100)의 엔드면을 가압하면서도 외부로부터의 충격에 강건할 필요가 있고, 나아가 스웰링공간이 형성되더라도 상기 스웰링공간의 수용범위를 넘어서 셀스택(100)의 길이변화가 발생되는 경우에도 상기 엔드벽(240)은 파손이 방지될 수 있는 기계적 강도가 요구된다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예는 도 2 및 7에 도시된 것처럼 엔드벽(240)의 외측면, 즉 외벽(210)을 바라보는 일면 또는 셀스택(100)의 반대측 면에 복수의 제1리브(242)가 마련될 수 있다.
제1리브(242)는 셀스택(100)의 보호를 위해 엔드벽(240)의 외측면에 형성된다. 엔드벽(240)의 외측면은 엔드서포트(120)의 반대측을 향하는 면을 의미한다. 제1리브(242)는 별도로 제조되어 엔드벽(240)에 결합되는 형태일 수 있으나, 바람직하게는 엔드벽(240)에 주조 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다.
도 2 및 9에 도시된 것처럼 상기 복수의 제1리브(242)는 상기 엔드벽(240)의 높이방향으로 연장되고 상기 제2방향(Y)으로 상호 이격 배치될 수 있다.
제1리브(242)는 엔드벽(240)의 높이방향으로 연장된 형태로 마련될 수 있다. 제1리브(242)는 엔드벽(240)의 강도를 효과적으로 향상시키고, 상부몰드 및 하부몰드를 이용한 주조 공정에서 엔드벽(240)과 일체로 형성되는 데에 유리하다.
나아가, 상기 제1리브(242)는 복수로 마련되어 제2방향(Y)을 따라 이격 배치됨으로써 엔드벽(240) 전체에 대해 균일하고 안정적인 강도 향상을 구현한다. 도 9에는 제2방향(Y)을 따라 이격 배치된 복수의 제1리브(242)의 단면이 도시되어 있다.
한편, 도 11에는 엔드면에 복수의 제2리브(122)가 형성되는 엔드서포트(120)가 도시되어 있다. 엔드서포트(120)는 스웰링 발생 시 복수의 단위셀(110)에서 전달되는 스웰링포스가 작용하게 되는 바, 스웰링 현상에 따른 단위셀(110)들의 팽창에 대응하면서도 변형 및 파손에 강건할 필요가 있다.
이에 따라, 제2리브(122)는 엔드서포트(120)의 엔드면에 형성되어 상기 엔드서포트(120)의 강성을 향상시킨다. 즉, 엔드서포트(120)의 내측면, 즉 엔드면의 반대측 면은 셀스택(100)의 최외곽셀의 외측면 또는 절연부재(112)와 면착되어 균일한 가압 능력을 확보하면서, 엔드서포트(120)의 엔드면에는 제2리브(122)가 형성된다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서 상기 제2리브(122)는 격자 형태를 이루도록 상기 제2방향(Y) 및 상기 엔드서포트(120)의 높이방향으로 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 제2리브(122)는 연장방향을 따라 엔드면의 대략 전체를 가로지르도록 형성될 수 있고, 복수의 제2리브(122) 중 일부는 제2방향(Y)으로, 나머지는 엔드서포트(120)의 높이방향으로 연장되어 상호 격자 형태를 이루도록 배치될 수 있다.
달리 말하면, 엔드서포트(120)는 엔드면에 대략 사각 형태의 홈이 격자 형태로 배치될 수 있으며, 제2리브(122)는 별개로 제작되어 엔드서포트(120)의 엔드면에 결합되거나 엔드서포트(120)의 제조 시 일체로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 어느 하나의 삽입부(220)의 고정벽(250)은 분리벽(230), 한 쌍의 엔드벽(240) 및 외벽(210) 일부를 포함하여 정의될 수 있으며, 상기 분리벽(230) 및 엔드벽(240)은 주조 공정 등을 통해 일체로 형성될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예는 고정벽(250)의 4면 중 1면이 분리벽(230)에 해당하고, 다른 2면이 각각 엔드벽(240)에 해당하며, 나머지 1면은 모듈하우징(200)의 외벽(210)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서, 상기 모듈하우징(200)은 주조 공정을 통해 상기 엔드벽(240), 상기 분리벽(230) 및 상기 외벽(210)이 바닥면(260)과 일체로 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예는 상기 엔드벽(240)과 분리벽(230)이 모듈하우징(200)에 일체로 형성될 수 있으며, 주조 공정을 위한 몰드의 제작 시 상기 몰드에 상기 엔드벽(240)과 분리벽(230)의 음각이 일체로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 상기 엔드벽(240)과 분리벽(230)이 상기 모듈하우징(200)의 외벽(210)과도 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 모듈하우징(200)은 외벽(210), 분리벽(230), 엔드벽(240) 및 바닥면(260)이 모두 일체로 제작될 수 있다.
한편, 도 12에는 본 발명의 일실시예에 따른 모듈하우징(200)의 단면이 도시되어 있으며, 모듈하우징(200)의 바닥면(260) 아래에 냉각수가 유동하는 유동공간(310)을 가지는 냉각채널(300)이 형성된 모습이 도시되어 있다. 도 13에는 상기 냉각채널(300)을 아래에서 바라본 모습이 도시되어 있다.
도 12와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서 상기 모듈하우징(200)은 바닥면(260)의 아래에 냉각수가 유동하는 냉각채널(300)이 형성될 수 있다. 또한, 바닥면(260)의 하면에는 도 13에 도시된 바와 같이 냉각수의 유동방향으로 연장되어 냉각수의 유동을 가이드하는 가이드리브(350)가 복수개로 마련될 수 있다.
냉각채널(300)의 유동공간(310)은 바닥면(260) 전체에 걸쳐 형성되거나 삽입부(220)가 형성되는 모듈하우징(200)의 내부공간 단면적에 대응하도록 형성될 수도 있다. 예컨대, 제1충격흡수공간(215)의 하부에는 냉각채널(300)의 유동공간(310)이 존재하지 않도록 설계될 수도 있다. 냉각채널(300)의 내부에는 냉각수가 유동하는데, 공기 등과 같이 냉각수를 대신하는 다양한 냉매가 이용될 수도 있다.
셀스택(100)을 구성하는 단위셀(110)은 방전 시 열을 발산하는 발열체에 해당하며, 그 온도가 지나치게 상승하는 경우 스웰링 현상이 유도되거나 급격한 화학반응을 통해 열이 비약적으로 상승하여 화재 등이 발생하는 열폭주 현상이 발생될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예와 같이 복수의 단위셀(110)이 정렬된 셀스택(100)이 이용되는 경우, 어느 하나의 단위셀(110)에서 상기 열폭주 현상이 발생되면 주변의 다른 단위셀(110)에도 영향을 미치는 열폭주 확산 현상이 발생될 수도 있다.
위와 같이 복수의 단위셀(110)이 배치되는 경우, 셀스택(100)에서 발생되는 열을 적절히 냉각시키는 것은 중요하며, 이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)은 모듈하우징(200)의 바닥면(260) 아래에 냉각채널(300)을 형성하여 복수의 셀스택(100) 전체의 냉각을 효율적으로 구현한다.
또한, 본 발명의 일실시예는 모듈하우징(200) 내부가 아니라 모듈하우징(200)의 바닥면(260) 아래, 즉 모듈하우징(200)의 내부공간과 구획된 공간에 냉각채널(300)을 형성함으로써 냉각채널(300)의 보수 및 관리를 보다 용이하게 진행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 대형 모듈(1000)에서 상기 냉각채널(300)의 측벽(320)은 상기 바닥면(260)으로부터 하방으로 돌출되며, 상기 바닥면(260)의 테두리를 따라 연장되어 상기 바닥면(260)을 둘러싸도록 형성되고, 채널커버(330)가 측벽(320) 하단에 결합되어 상기 냉각채널(300)을 밀폐시킬 수 있다.
또한, 상기 냉각채널(300)의 측벽(320)은 주조 공정을 통해 상기 모듈하우징(200)의 바닥면(260)에 일체로 형성될 수 있으며, 채널커버(330)는 냉각채널(300)의 측벽(320)에 용접 결합될 수 있다.
도 12에는 냉각채널(300)의 측벽(320)이 모듈하우징(200)의 바닥면(260) 테두리를 따라 연장되어 상기 바닥면(260)을 둘러싸도록 마련되고, 바닥면(260)으로부터 하방으로 돌출 형성된 모습이 도시되어 있다.
특히, 본 발명의 일실시예는 냉각채널(300)의 측벽(320)이 모듈하우징(200)의 바닥면(260)과 주조 공정을 통해 일체로 형성되므로, 상호간의 결합부위가 존재하지 않으며, 이에 따라 모듈하우징(200) 내부로 의도치 않게 냉각수가 누수되는 상황이 미연에 방지될 수 있다.
냉각채널(300)의 측벽(320)에는 냉각채널(300)을 밀폐하는 채널커버(330)가 용접 등의 방식으로 결합될 수 있으며, 바람직하게는 상기 측벽(320)의 하단에 채널커버(330)의 테두리가 결합될 수 있다.
결합방식은 다양할 수 있으나 냉각수의 누수 방지를 위해 가스켓을 구비하거나 용접 결합될 수 있으며, 도 13에는 채널커버(330)가 제거된 상태에서 상기 냉각채널(300)을 아래에서 바라본 모습이 도시되어 있다.
모듈하우징(200)의 외벽(210), 바닥면(260) 및 냉각채널(300)의 측벽(320)이 모두 주조 공정을 통해 일체로 형성되어 누수 가능 부위가 존재하지 않게 되고, 나아가 냉각채널(300)은 모듈하우징(200)의 바닥면(260) 하부, 즉 모듈하우징(200) 내부공간의 외부에 마련되므로, 냉각채널(300)에서 의도치 않게 발생되는 냉각수의 누수가 있더라도 상기 냉각수가 셀스택(100)이 존재하는 모듈하우징(200)의 내부공간으로 침범하는 상황을 방지할 수 있다.
결국, 본 발명의 일실시예는 복수의 셀스택(100)이 삽입되어 조립 공정 및 구성부품을 단순화하면서도 높은 요구전력을 효과적으로 충족시킴과 동시에, 냉각채널(300)을 통해 복수의 셀스택(100)을 효과적으로 냉각시키고, 나아가 냉각채널(300)에서 발생될 수 있는 냉각수의 누수 현상에서 상기 복수의 셀스택(100)을 효과적으로 보호할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 셀스택 110 : 단위셀
112 : 절연부재 120 : 엔드서포트
122 : 제2리브 150 : 단자부
151 : 제1단자 152 : 제2단자
172 : 스택버스바 174 : 연결버스바
176 : 단자버스바 178 : 크로스버스바
200 : 모듈하우징 210 : 외벽
211 : 제1벽 212 : 제2벽
215 : 제1충격흡수공간 216 : 제2충격흡수공간
220 : 삽입부 230 : 분리벽
240 : 엔드벽 242 : 제1리브
250 : 고정벽 260 : 모듈하우징의 바닥면
300 : 냉각채널 310 : 유동공간
320 : 냉각채널의 측벽 330 : 채널커버
350 : 가이드리브 400 : 결합부
500 : 커넥터 510 : 숫커넥터
512 : 제1돌기 514 : 제2돌기
515 : 전류연결부 517 : 신호연결부
519, 539 : 연통홀 520 : 실링벽
530 : 암커넥터 532 : 제1수용부
534 : 제2수용부 535 : 전류수용부
537 : 신호수용부 550 : 가이드돌기
555 : 체결홈 570 : 가이드홈
575 : 체결공 580 : 체결부재
1000 : 배터리의 대형 모듈

Claims (19)

  1. 복수의 단위셀이 제1방향으로 정렬되고, 상기 복수의 단위셀을 둘러싸는 절연부재를 포함하는 셀스택; 및
    상기 셀스택이 삽입되는 삽입부가 복수개로 마련되는 모듈하우징;을 포함하며,
    상기 삽입부는, 상기 셀스택을 둘러싸며 적어도 일부가 상기 셀스택과 접촉되는 고정벽;을 포함하고,
    상기 모듈하우징에 구비되고, 이웃하는 모듈하우징과 결합되는 결합부;를 더 포함하며,
    상기 결합부는, 상기 모듈하우징 및 상기 이웃하는 모듈하우징을 전기적 및 신호적으로 연결하는 커넥터;를 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커넥터는,
    상기 모듈하우징의 내부공간을 둘러싸는 외벽 중 상기 제1방향에 수직한 제2방향에 위치되는 제1벽에 구비되는 숫커넥터; 및
    상기 외벽 중 상기 제1벽의 반대측에 위치되는 제2벽에 구비되어 상기 이웃하는 모듈하우징의 숫커넥터와 결합되는 암커넥터;를 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 숫커넥터는, 상기 제2방향으로 돌출되고 상기 모듈하우징 내부에서 셀스택과 전기적으로 연결되는 전류연결부;를 포함하고,
    상기 암커넥터는 상기 제2방향으로 만입되고 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 숫커넥터의 상기 전류연결부가 삽입되는 전류수용부;를 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 숫커넥터는, 상기 제2방향으로 돌출되고 상기 셀스택의 관리제어신호를 전달하는 신호연결부;를 더 포함하고,
    상기 암커넥터는, 상기 제2방향으로 만입되고 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 숫커넥터의 상기 신호연결부가 삽입되는 신호수용부;를 더 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 커넥터는 중앙에 상기 모듈하우징의 내부와 외부가 연통되는 연통홀이 형성되는 배터리의 대형 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 결합부는,
    상기 제1벽에서 상기 숫커넥터의 측부에 위치되며, 상기 제2방향으로 돌출되는 가이드돌기; 및
    상기 제2벽에서 상기 암커넥터의 측부에 위치되며, 상기 이웃하는 모듈하우징의 가이드돌기가 삽입되는 가이드홈;을 더 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가이드돌기에는 상기 외벽의 높이방향으로 체결홈이 형성되고,
    상기 가이드홈의 측면에는 상기 체결홈과 대응되는 위치에 체결공이 형성되며,
    상기 가이드돌기는 상기 체결공을 관통하여 상기 체결홈에 삽입되는 체결부재를 통해 상기 가이드홈과 결합되는 배터리의 대형 모듈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 숫커넥터는, 상기 전류연결부 및 상기 신호연결부를 둘러싸고, 상기 제2방향으로 돌출되며, 단부에 실러가 구비되는 실링벽;을 더 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 제2방향을 따라 제1열 및 제2열을 이루도록 배치되고,
    상기 제1열에 포함되는 셀스택들은 상기 제2열에 포함되는 셀스택들과 서로 전기적으로 분리되는 배터리의 대형 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 셀스택에서 상기 복수의 단위셀을 전기적으로 연결하는 스택버스바;
    상기 제1열 또는 상기 제2열에서 상기 제2방향으로 이웃하는 2개의 셀스택을 전기적으로 연결하는 연결버스바; 및
    상기 셀스택으로부터 인출되며, 상기 전류연결부 또는 상기 전류수용부와 연결되는 단자버스바;를 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전류연결부는, 상기 제1열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되는 제1돌기; 및 상기 제2열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되는 제2돌기;를 포함하고,
    상기 전류수용부는, 상기 제1열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되며 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 제1돌기와 결합되는 제1수용부; 및 상기 제2열에 포함되는 셀스택들과 전기적으로 연결되며 상기 이웃하는 모듈하우징의 상기 제2돌기와 결합되는 제2수용부;을 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 셀스택에서 일단부의 단위셀에는 상기 단자버스바가 연결되고, 타단부의 단위셀에는 상기 연결버스바가 연결되며,
    상기 셀스택은 상기 일단부가 상기 제1열 및 상기 제2열 사이를 바라보도록 배치되어, 상기 단자버스바가 상기 제1열 및 상기 제2열 사이로 인출되는 배터리의 대형 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1열의 셀스택들로부터 인출되는 단자버스바들과 상기 제2열의 셀스택들로부터 인출되는 단자버스바들은 상기 제2방향을 따라 서로 교번하여 배치되는 배터리의 대형 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고정벽은,
    상기 모듈하우징의 외벽으로 둘러싸인 내부공간을 상기 제1방향으로 가로지르며, 상기 셀스택의 사이드면에 접촉되는 분리벽; 및
    상기 제1방향 양측에 배치되어 상기 셀스택의 상기 제1방향 양측의 엔드면을 각각 가압하는 엔드벽;을 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    일면이 상기 모듈하우징의 상기 외벽을 마주보도록 배치되는 엔드벽은 상기 제1방향을 따라 상기 외벽으로부터 이격되어 상기 외벽과의 사이에 제1충격흡수공간이 형성되는 배터리의 대형 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1방향을 따라 이웃하는 2개의 삽입부는 상기 제1방향으로 마주하는 일면에 배치되는 엔드벽이 서로 이격되어 그 사이에 제2충격흡수공간이 형성되고,
    상기 셀스택으로부터 인출되는 단자버스바는 상기 제2충격흡수공간으로 인출되는 배터리의 대형 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 셀스택은, 상기 제1방향 양단부에 각각 배치되어 외측면이 상기 엔드면에 해당되는 한 쌍의 엔드서포트;를 더 포함하며,
    상기 엔드벽은 마주하는 상기 엔드면으로부터 중앙부가 멀어지도록 외측으로 휘어지고, 상기 엔드면은 마주하는 상기 엔드벽으로부터 중앙부가 멀어지도록 내측으로 만입되어 스웰링공간이 형성되는 배터리의 대형 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 엔드벽은, 외측면에서 상기 엔드벽의 높이방향으로 연장되고 상기 제2방향으로 상호 이격 배치되는 복수의 제1리브;를 포함하고,
    상기 엔드서포트는, 상기 엔드면에서 격자 형태를 이루도록 상기 제2방향 및 상기 엔드서포트의 높이방향으로 이격 배치되는 복수의 제2리브;를 포함하는 배터리의 대형 모듈.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 모듈하우징은 바닥면의 아래에 냉각수가 유동하는 냉각채널이 형성되는 배터리의 대형 모듈.
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