KR100590015B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수개의 단위 전지로 구성된 전지 모듈에 있어서 냉각 효율을 극대화시킬 수 있고, 전지 모듈을 구성하는 각 단위 전지가 고르게 냉각될 수 있도록 하여 단위 전지 간 온도 편차를 최소화할 수 있도록, 내부로 냉각매체가 유통되고 외측면에 다수개의 단위 전지가 배열 설치되는 냉각관과, 상기 냉각관 외측면에 배열된 단위 전지를 감싸고 상기 냉각관과의 사이로 냉각매체가 유통되는 외관을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.
냉각관, 삽입케이스, 단위 전지, 외관

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평단면도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평단면도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성하는 경우 단위 전지의 냉각 효율을 향상시킨 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 저용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
이와같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
그리고 각각의 단위전지는 통상 다수개가 간격을 두고 배열되어 각 단자간 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지 모듈을 구성하게 된다.
여기서 상기한 전지모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 따라 각 단위 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야 한다. 이차 전지 모듈의 열 방출 특성은 전지의 성능을 좌우할 정도로 매우 중요하다.
열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우 각 단위 전지간에 온도 편차가 발생 되어 충/방전 효율을 떨어뜨리게 되고, 단위 전지에서 발생되는 열에 의해 전지내부의 온도가 상승되어 결과적으로 전지의 성능이 저하되며 심한 경우 폭발의 위험을 초래하게 된다.
특히, 상기 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터나 자동차용(전기 자동차 또는 하이브리드 자동차)의 모터 구동용의 대용량 이차 전지로서 적용되는 경우 대전류로 충,방전되므로 사용 상태에 따라서 이차 전지의 내부 반응에 의해 열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 되고, 이는 전지 특성에 영향을 주어 전지 고유의 성능을 저하시키게 된다. 따라서 열 방출은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
따라서 본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다수개의 단위 전지로 구성된 전지 모듈에 있어서 냉각 효율을 극대화시킬 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 전지 모듈을 구성하는 각 단위 전지가 고르게 냉각될 수 있도록 하여 단위 전지 간 온도 편차를 최소화할 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 또다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전지 모듈은 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지를 방열시키기 위한 냉각매체 유통로를 갖춘 전지모듈에 있어서, 상기 단위 전지가 냉각매체 유통로를 중심으로 외측에 배열된 구조로 되어 있다.
이를 위해 본 발명의 이차 전지 모듈은 내부로 냉각매체가 유통되고 외측면에 다수개의 단위 전지가 배열 설치되는 냉각관과, 상기 냉각관를 둘러싸고 내부로 냉각매체가 유통되는 외관을 포함한다.
상기 단위 전지는 일정 간격을 두고 설치됨이 바람직하다.
여기서 상기 냉각관은 외측면에 상기 단위 전지가 설치될 수 있도록 상기 단위 전지가 끼워지는 단위 전지 삽입케이스가 부착 설치될 수 있다.
또한, 상기 냉각관은 원통형 단면구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 냉각관은 사각형 또는 다각형 단면구조로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 단위 전지는 원통형 또는 각형으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 삽입케이스는 원통형 단위 전지가 끼워질 수 있도록 원통형 단면구조로 이루어지거나, 각형 단위 전지가 끼워질 수 있도록 사각형 단면구조로 이루어질 수 있다.
여기서 상기 삽입케이스는 상기 단위 전지와 대응되는 크기로 이루어져 단위 전지와 밀착될 수 있도록 한다.
한편, 상기 외관은 상기 냉각관과 대응되는 형태로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 외관은 내주면이 상기 삽입케이스 외측면과 접하는 크기로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 냉각관과 삽입케이스 및 외관은 알루미늄이나 구리 등과 같이 열전도율이 높은 재질로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 냉각관 또는/ 및 상기 냉각관과 외관 사이로 유통되는 냉각매체 는 냉각용 공기나 냉각수 등의 모든 기체나 유체가 적용될 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
여기서 상기 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하 설명에서는 전지모듈의 냉각방식으로 공기를 이용한 경우를 예로써 설명한다. 물론, 본 발명이 공기에 의한 냉각방식으로 한정되는 것은 아니며 냉각매체로써 냉각수나 기타 유체가 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 평 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 전지모듈(10)을 살펴보면, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체를 구비하여 전력을 생산하는 단위 전지(11)와, 상기 단위 전지(11)를 냉각시키기 위한 냉각용 공기가 유통되는 원통형 단면형태의 냉각관(12), 상기 냉각관(12)의 외주면에 길이방향으로 설치되고 상기 냉각관(12)의 외주면을 따라 일정간격을 두고 배열되어 상기 단위전지(11)가 끼워지는 삽입케이스(13), 상기 삽입케이스(13) 외측에 둘러씌워지고 상기 냉각관(12)과의 사이로 냉각매체를 유통시키는 외관(14)을 포함한다.
여기서 상기 단위 전지(11)는 원통형 구조로 이루어지며, 상기 삽입케이스 (13) 또한 상기 원통형 단위전지(11)와 대응되는 내경과 길이를 갖는 원통형 단면구조로 이루어진다.
이에 따라 상기 삽입케이스(13)에 상기 단위 전지(11)를 끼워 넣게 되면 단위전지(11)의 외주면이 삽입케이스(13)의 내주면과 밀착된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 삽입케이스(13)는 양단이 개방되어 상기 삽입케이스(13)에 단위 전지(11)가 끼워졌을 때 일측 선단으로는 단위 전지(11)의 양극 단자가 노출되고 타측 선단을 통해서는 단위 전지(11)의 음극단자가 노출되는 구조로 되어 있다.
따라서 상기 냉각관(12)을 따라 적층된 다수개의 단위 전지(11)가 노출된 각 단자를 매개로 직렬 또는 병렬로 용이하게 연결될 수 있는 것이다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 상기 냉각관(12)은 원통형태로 이루어져 일방향으로 냉각용 공기가 유통되고 외주면에는 언급한 바와 같이 상기 삽입케이스(13)가 부착설치된다.
상기 냉각관(12)의 크기에 대해서는 특별히 한정되지 않으며, 냉각관(12)의 크기에 따라 그 외주면에 배열되는 단위전지(11)의 개수가 증감될 수 있다.
또한, 상기 외관(14)은 상기 냉각관(12)과 동일한 원통형태로 이루어지고 그 크기는 냉각관(12)보다 커서 외관(14) 내부로 냉각관(12)과 냉각관 외주면에 설치된 삽입케이스(13)가 삽입될 수 있는 구조로 되어 있다.
여기서 상기 외관(14)의 크기는 상기 삽입케이스(13)의 외측면이 외관(14)의 내주면에 접할 수 있는 정도임이 바람직하다.
이에 따라 상기 삽입케이스(13)는 양 측면이 냉각관(12)과 외관(14)에 접한 상태가 된다.
여기서 상기 냉각관(12)과 상기 삽입케이스(13) 및 외관(14)는 열전도도가 높은 알루미늄이나 구리로 이루어지며, 상기 냉각관(12)과 삽입케이스(13) 사이 및 상기 삽입케이스(13)와 상기 외관(14) 사이에는 전류를 차단하기 위한 절연부재(도시되지 않음)가 개재된다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예로서 상기 냉각관(12)과 상기 외관(14)이 사각형 단면구조인 경우를 예시하고 있다.
상기한 도면에 의하면 전지 모듈은 직렬 또는 병렬로 연결되는 다수개의 단위 전지(11)와, 사각형태의 단면구조로 이루어지고 내부로 냉각용 공기가 유통되는 냉각관(12)과, 이 냉각관(12) 외주면에 일정 간격을 두고 배열 설치되고 상기 단위 전지(11)가 끼워지는 삽입케이스(13), 상기 삽입케이스(13) 외측에 둘러씌워지고 상기 냉각관(12)과의 사이로 냉각매체를 유통시키는 사각형태의 단면구조로 이루어진 외관(14)을 포함한다.
여기서 상기 단위 전지(11)는 원통형태로 이루어지며 삽입케이스(13) 또한 원통형 단위 전지(11)와 대응되도록 원통형태로 이루어진다.
또한, 상기 삽입케이스(13)는 상기 냉각관(12)의 모서리를 제외한 전면에 간격을 두고 배열설치된다.
물론 상기 냉각관(12)과 상기 외관(14)의 형태는 사각형 단면구조 이외에 오각형 또는 육각형 또는 그 이상의 면을 갖는 다각형 단면구조일 수 있으며, 이 경 우 다격형 냉각관(12)의 각 면에 삽입케이스(13)가 간격을 두고 배열설치된다.
상기 외관(14) 또한 냉각관(12)과 동일한 형태로 삽입케이스(13) 외측에 놓여져 상기 삽입케이스(13)가 외관(14)과 냉각관(12) 사이에 위치하게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시하고 있다.
상기한 도면에 의하면 본 실시예에 따른 전지 모듈은 직렬 또는 병렬로 연결되고 각형태를 이루는 다수개의 단위 전지(11)와, 상기 단위 전지(11)를 냉각시키기 위한 냉각 공기가 유통되는 사각형 단면구조의 냉각관(12), 상기 냉각관(12)의 외주면에 설치되고 상기 각형의 단위 전지(11)가 내장되는 삽입케이스(13), 상기 삽입케이스(13) 외측에 둘러씌워지고 상기 냉각관(12)과의 사이로 냉각매체를 유통시키는 사각형 단면구조의 외관(14)을 포함한다.
상기 단위 전지(11)는 각형으로 길이에 비해 폭이 상대적으로 좁은 구조로 이루어지며, 상기 삽입케이스(13) 또한 상기 단위 전지(11)의 크기와 대응되는 크기로 이루어진다.
또한, 상기 삽입케이스(13)는 전면이 상기 냉각관(12)에 부착됨으로써 단위 전지(11)가 상기 삽입케이스(13)에 끼워졌을 때 단위 전지(11)의 전면이 냉각관(12)을 향할 수 있도록 한다.
이에 따라 단위 전지(11)와 냉각관(12)이 접하는 면적을 최대한 확보하여 냉각효율을 높일 수 있게 되는 것이다.
여기서 상기 삽입케이스(13)는 양단이 개구되거나 일단만 개구될 수 있는 데, 이는 상기 단위 전지(11)의 양극단자와 음극단자가 단위 전지(11)의 한쪽면으로 모두 돌출 설치되어 있기 때문으로, 상기 삽입케이스(13)는 일측단만을 개구시키더라도 각 단위 전지(11)의 단자간 직렬 또는 병렬 연결이 가능해진다.
또한, 상기 외관(14)은 상기 냉각관(12)과 동일한 형태로 상기 삽입케이스(13)의 외측면은 상기 외관(14)의 내주면에 접하게 된다.
이에 따라 본 전지 모듈은 상기 단위전지(11)가 내장된 삽입케이스(13)가 냉각관(12)과 외관(14) 사이에서 배열 설치되어 삽입케이스(13)의 양 면이 각 관에 접한 구조가 된다.
이하, 본 발명의 작용에 대해 설명하면, 본 전지 모듈은 냉각관(12)과 외관(14)이 하우징 역할을 수행하게 되어 다수개의 단위 전지(11)를 배열 고정함과 더불어 냉각용 공기를 유통시켜 단위 전지(11)의 열을 방출시키게 된다.
도 1 또는 도 2에서와 같이 상기 단위 전지(11)는 중앙의 냉각관(12)을 중심으로 냉각관(12)의 외주면을 따라 배치된다.
상기 단위 전지(11)는 냉각관(12)에 설치된 삽입케이스(13)에 끼워져 설치됨으로써 단위 전지(11) 상호간에 간격을 두고 정위치할 수 있게 된다.
이 상태에서 상기 냉각관(12)과 외관(14)을 통해 냉각용 공기를 유통시키게 되면 냉각용 공기가 냉각관(12) 내부를 통해 그리고 냉각관(12)과 외관(14) 사이의 틈새를 통해 유통되면서 단위 전지(11)에서 발생되는 열을 고르게 방열시킬 수 있게 된다.
이는 상기 각 단위 전지(11)가 고르게 냉각관(12)에 접하여 있고, 냉각관(12)과 외관(14) 사이에서 균일한 간격으로 배열되어 있기 때문으로 냉각관(12)과 외관(14)을 지나는 냉각용 공기로부터 동일한 조건하에서 열 교환을 이룰 수 있게 된다.
즉, 각 단위 전지(11)는 냉각관(12)과 접하는 면적이 동일하다. 더불어 상기 냉각관(12)은 단위 전지(11)들의 중앙에 위치함에 따라 냉각관(12)을 통해 지나가는 냉각용 공기는 어느 한쪽으로 치우치지 않고 냉각관(12)에 설치된 전체 단위 전지(11)에 고르게 냉기를 가할 수 있게 된다.
또한, 상기 냉각관(12)과 외관(14) 사이로 유입된 냉각용 공기는 각 단위 전지(11) 사이의 틈새를 통해 균일하게 지나가게 되어 역시 전체 단위 전지(11)에 고르게 냉기를 가할 수 있게 되는 것이다.
따라서 각 단위 전지(11)의 방열 조건이 동일하여 균일한 냉각이 이루어질 수 있는 것이다.
상기에서는 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.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 전지 모듈의 냉각매체 유로와 각 단위 전지의 배치구조를 개선하여 보다 효율적인 단위 전지 냉각효과를 얻게 된다.
또한, 냉각매체가 단위 전지 사이로 고르게 유통되므로 전지 모듈 전체에 있어서 국부적인 열적 불균형을 해소할 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 다수개의 단위 전지와,
    내부로 냉각매체가 유통되고 외측면에 상기 단위 전지가 배열 설치되는 냉각관,
    상기 냉각관 외측면에 배열된 단위 전지를 감싸고 상기 냉각관과의 사이로 냉각매체가 유통되는 외관
    을 포함하는 이차 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각관은 외측면에 설치되어 상기 단위 전지가 끼워지는 단위 전지 삽입케이스를 포함하는 이차 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각관은 원통형 단면구조인 이차 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각관은 다각형 단면구조인 이차 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지는 원통형인 이차 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지는 각형인 이차 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 외관은 상기 냉각관과 동일한 형태의 단면구조로 이루어진 이차 전지 모듈.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 냉각관의 외측면과 외관의 내측면에 접하는 이차 전지 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 상기 단위 전지의 크기와 대응되어 단위 전지와 밀착되는 이차 전지 모듈.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 냉각관 또는 상기 외관은 알루미늄이나 구리 등의 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 이차 전지 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각관과 단위 전지 사이에 절연부재가 개재되는 이차 전지 모듈.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 삽입케이스와 상기 냉각관 사이에 절연부재가 개재되는 이차 전지 모듈.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 삽입케이스와 상기 외관 사이에 절연부재가 개재되는 이차 전지 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.
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