KR100599693B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 단위 전지로 구성된 전지 모듈에 있어서 냉각 효율을 극대화시킬 수 있도록, 일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 냉각매체가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 하우징 내에 설치되어 배열된 단위 전지의 냉각을 위한 열전달매유체가 유통되는 파이프와, 이 파이프 일측에 설치되어 파이프 내를 흐르는 열전달유체에 초음파를 가하기 위한 초음파 발생부를 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.

단위전지, 파이프, 열전달유체, 초음파, 진동자, 열전달판

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 설명하기 위해 도시한 개략적인 측단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성하는 경우 단위 전지의 온도 제어에 효율적인 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 각형 전지의 경우 캡 조립체 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 각 단위전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결설치하여 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 단위 전지에서 발생되는 열은 전지내부의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 전지의 성능이 저하되며 심한 경우 폭발의 위험을 초래하게 된다.

특히, 상기 이차 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터나 자동차용(전기 자동차 또는 하이브리드 자동차)의 모터 구동용의 대용량 이차 전지로서 적용되는 경 우 대전류로 충방전되므로 사용 상태에 따라서 이차 전지의 내부 반응에 의해 열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 되고, 이는 전지의 고유 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.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이차 전지 모듈을 거치는 냉각유체에 초음파를 가하는 구조로 되어 있다.

이를 위해 본 발명의 이차 전지 모듈은, 일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 공기가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서,

상기 하우징 내에 설치되어 배열된 단위 전지의 냉각을 위한 열전달매유체를 흘려보내기 위한 파이프와, 이 파이프 일측에 설치되어 파이프 내를 흐르는 열전달유체에 초음파를 가하기 위한 초음파 발생부를 포함한다.

여기서 상기 초음파 발생부는 상기 파이프 상에 설치되어 열전달유체에 초음파를 가하는 진동자와, 이 진동자에 연결되어 필요 주파수를 인가하는 구동회로부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 초음파의 발진방향과 상기 열전달유체의 이동방향은 서로 수직임이 바람직하다.

또한, 상기 이차 전지 모듈은 배열되어 있는 각 단위 전지 사이에 전지격벽이 더욱 설치될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지 모듈은 상기 단위 전지 사이에 단위 전지에 접하고 상기 파이프 내부로 연장되는 열전달판을 더욱 포함할 수 있다.

상기 열전달판은 단위 전지마다 설치되거나 일정간격을 두고 규칙적으로 또는 비규칙적으로 설치될 수 있으며 그 설치 위치나 개수에 있어서 특별히 한정되지 않는다.

바람직하게는 상기 열전달판은 전지 모듈의 중앙부에 위치한 단위전지에 설치할 수 있도록 한다. 이는 적층된 단위 전지 중 중앙부에 위치한 단위 전지의 열 방출율이 낮기 때문이다.

이에 따라 파이프를 따라 이동하는 열전달유체에 초음파를 가해 열전달유체의 이동속도를 증가시켜 단위 전지로부터 발생된 열을 더욱 빨리 전달하여 냉각시킬 수 있는 것이다.

여기서 상기 파이프는 히트 파이프(heat pipe)일 수 있다.

또한, 상기 이차 전지 모듈은 모터 구동용 전지 모듈일 수 있으며, 상기 전지 모듈을 구성하는 각 단위 전지는 각형 또는 원통형 전지로 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 설명하기 위해 도시한 개략적인 측단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지모듈(10)을 살펴보면, 일정 크기의 하우징(도시되지 않음) 내부에 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체를 구비하여 전력을 생산하는 단위 전지(11)가 일정간격을 두고 배열되며 상기 단위 전지와 단위 전지 사이에는 전지 사이의 간격을 유지하고 냉매가 유통될 수 있도록 전지격벽(12)이 설치된 구조로 되어 있다.

상기 단위 전지(11)는 원통형으로 이루어져 하우징(12) 내부에서 일정 간격을 두고 배열 설치된다. 여기서 상기 단위 전지는 원통형 전지에 한정되지 않으며, 각형의 전지 또한 적용 가능하다 할 것이다.

이하, 실시예에서는 상기 단위 전지(11)가 각형으로 이루어진 경우에 대해 설명하도록 한다.

상기 하우징는 일측면 상단에 단위 전지(11)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어용 공기가 유입되는 유입구(도시되지 않음)가 형성되고 반대쪽 측면 하단에는 단위 전지(11)를 거친 공기가 배출되는 배출구(도시되지 않음)가 형성된 구조로 되어 있다.

여기서 상기 하우징의 구조와 유입구 및 배출구의 위치 및 하우징 내부에서의 단위 전지의 배열 구조에 대해서는 상기 구조를 만족하는 한 특별히 한정되지 않는다.

그리고 상기한 구조의 전지 모듈(10)에 있어서 상기 하우징 내부에는 상기 단위 전지(11)의 일측면이 접하고 내부로 단위 전지로부터 발생된 열을 외부로 전달하여 단위 전지를 냉각시키기 위한 열전달유체가 흐르는 파이프(20)가 더욱 설치되고, 상기 파이프(20) 일측에는 파이프(20) 내부로 흐르는 열전달유체에 초음파를 가하기 위한 초음파 발생부가 설치된다.

상기 열전달유체는 냉각수나 냉각용 공기를 포함하여 다양한 유체가 적용될 수 있으며, 상기 파이프가 히트 파이프(heat pipe)인 경우 상기 열전달유체로 메탄올, 아세톤, 물, 수은 등이 사용될 수 있다.

한편, 상기 초음파 발생부는 파이프(20)를 흐르는 열전달유체에 초음파를 전가시키기 위한 것으로 상기 파이프(20) 일측에 설치되어 열전달유체에 초음파를 가하기 위한 진동자(30)와, 상기 진동자(30)에 전기적으로 연결되어 진동자(30)를 제어작동시키기 위한 제어부(31)를 포함한다. 또한, 상기 제어부(31)는 전원을 초음파대역으로 변환 인가하기 위한 구동회로부(32), 상기 구동회로부(32)를 제어작동시키기 위한 컨트롤러(33)로 이루어질 수 있다.

여기서 상기 진동자(30)는 파이프(20)를 흐르는 열전달유체의 이동방향에 대해 수직방향으로 초음파가 가해질 수 있도록 설치된다.

이에 따라 파이프(20)를 흐르는 열전달유체에 초음파를 가함으로써 열전달유체의 이동속도에 변화를 가하여 열전달유체의 이동속도를 더욱 빠르게 할 수 있게 된다.

여기서 상기 초음파는 음향 진동의 일종으로 인간의 가청 범위를 넘는 약 20kHz 이상의 주파수를 지닌 소리이다. 초음파는 기계적인 진동에 의해서 생기는 일종의 에너지로 이해할 수 있다.

상기 진동자(30)는 전압 인가를 통한 압전효과에 의해 소정 대역의 기계적인 진동이 발생될 수 있는 압전소자, 전왜소자 및 자왜소자 중에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 진동자(30)의 형상은 원판형태가 바람직하며, 외측으로는 진동자(30)를 파이프(20) 내부의 열전달유체로부터 보호할 수 있도록 보호 케이스(도시되지 않음)가 더욱 설치될 수 있다.

그리고 상기 구동회로부(32)는 상기 제어부(31)의 컨트롤러(33)와 연결되어 컨트롤러(33)의 신호에 따라 작동되어 외부 전원의 주파수 대역을 상기 진동자(30)의 공진 주파수에 가깝도록 변환시키도록 되어 있다.

한편, 본 이차 전지 모듈(10)의 또다른 실시예에 따르면 상기 단위 전지로부터 발생된 열의 신속한 전달을 위해 상기 배열된 각 단위 전지(11)는 전지 격벽(12) 사이의 측면에 열전달판(40)이 더욱 부착되고 상기 열전달판(40)은 상기 단위 전지(11) 외측면에 접하고 있는 상기 파이프(20) 내부로 연장되어 열전달유체에 노출된 구조로 되어 있다.

이에 따라 단위 전지(11)로부터 발생된 열은 열전달판(40)으로 전달되어 상기 파이프(20) 내부로 전도되고 상기 파이프(20) 내부로 흐르는 열전달유체에 의해 신속하게 방열 처리될 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 범 위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 열전달유체의 이동 속도를 증가시킴으로써 단위 전지로부터 발생된 열을 신속하게 방열시킬 수 있게 되어 보다 효율적인 단위 전지 냉각효과를 얻게 된다.

또한, 전지 모듈 전체에 있어서 국부적인 열적 불균형을 해소할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 냉각매체가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서,

   상기 하우징 내에 설치되어 배열된 단위 전지의 냉각을 위한 열전달매유체가 유통되는 파이프와, 이 파이프 일측에 설치되어 파이프 내를 흐르는 열전달유체에 초음파를 가하기 위한 초음파 발생부를 포함하는 이차 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 발생부는 상기 파이프 상에 설치되어 열전달유체에 초음파를 가하는 진동자와, 이 진동자에 연결되어 필요 주파수를 인가하는 구동회로부를 포함하는 이차 전지 모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파의 발진방향은 상기 열전달유체의 이동방향에 대해 수직인 이차 전지 모듈.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지 사이에 전지격벽이 설치된 이차 전지 모듈.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 단위 전지 사이에 단위 전지에 접하고 상기 파이프 내부로 연장되는 열전달판을 포함하는 이차 전지 모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 열전달판은 상기 전지 모듈의 중앙부에 위치한 단위 전지에 설치되는 이차 전지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프는 히트 파이프(heat pipe)인 이차 전지 모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지는 각형 전지인 이차 전지 모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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