KR100627396B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 단위 전지로 구성된 전지 모듈에 있어서 냉각 효율을 극대화시킬 수 있도록, 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 끼워져 설치되고 다수개가 연결되어 냉각매체 유통로를 형성하는 삽입케이스를 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.

삽입케이스, 유통로, 요부, 철부, 방열리브

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 조립 상태를 도시한 평면도이다.

도 5와 도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 조립 상태를 도시한 평면도이다.

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 자 동차 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 발생되어 충/방전 효율을 떨어뜨리게 되고, 단위 전지에서 발생되는 열에 의해 전지내 부의 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 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 끼워져 설치되는 전지 삽입케이스를 포함하고, 상기 다수개의 삽입케이스가 폐쇄회로를 이뤄 냉각매체 유통로를 형성하는 구조로 되어 있다.

이에 따라 삽입케이스에 의해 다수개의 단위 전지가 일정 간격으로 배열되며 삽입케이스에 의해 만들어지는 유통로를 통해 냉각매체가 균일하게 유통되어 각 단 위 전지를 균일하게 냉각시킬 수 있게 된다.

여기서 상기 유통로는 3개의 삽입케이스가 삼각형태로 둘러 쌓여 형성되거나 4개의 삽입케이스에 의해 사각형태로 형성되거나 5개 또는 그 이상의 삽입케이스를 통해 형성될 수 있으며, 하나의 유통로를 형성하는 삽입케이스의 개수는 3개 이상이면 특별히 한정되지 않는다.

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.

또한, 상기 삽입케이스는 알루미늄이나 구리 등과 같이 열전도율이 높은 재질로 이루어짐이 바람직하며, 전기가 통하는 재질로 이루어지는 경우 상기 삽입케이스와 단위 전지 사이에는 절연이 이루어지도록 한다.

또한, 상기 삽입케이스에 의해 형성되는 유통로로 유통되는 냉각매체는 냉각용 공기나 냉각수 등의 모든 기체나 유체가 적용될 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

한편, 본 발명은 이웃하는 삽입케이스가 서로 부착 고정될 수 있으며, 서로 착탈식으로 분리 결합되는 구조일 수 있다.

상기 삽입케이스가 부착고정되는 경우 용접등으로 고정시킴이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기 삽입케이스가 서로 착탈가능하도록 서로 접하는 각 삽 입케이스의 접면에 형성되어 상호 끼워지는 요부와 철부를 포함한다.

상기 요부와 철부는 서로 탄력적으로 결합되어 결합상태를 유지할 수 있도록 함이 바람직하며, 이를 위해 상기 철부는 상기 삽입케이스의 길이방향을 따라 설치되는 원형 단면구조의 체결봉으로 이루어지고, 상기 요부는 삽입케이스의 길이방향으로 설치되고 양 측단이 상기 체결봉과 대응되는 크기의 원호형태로 오므라들어 양 측단 사이로 상기 체결봉이 끼워지는 클립으로 이루어질 수 있다.

여기서 상기 요부와 철부는 상기 각 삽입케이스의 상호 마주보는 위치에 각각 형성됨이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기 삽입케이스 외측면에 단위 전지에서 발생된 열을 방열시키기 위한 방열 리브가 간격을 두고 형성될 수 있다.

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 제1실시예에 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)가 끼워져 설치되는 전지 삽입케이스(20)를 포함하고, 상기 다수개의 삽입케이스(20)는 이웃하는 삽입케이스(20)와 연결설치되어 냉각용 공기의 유통로(40)를 형성하는 구조로 되어 있다.

본 실시예에 따르면 상기 삽입케이스(20)는 4개의 삽입케이스(20)가 격자형태로 배열되어 하나의 폐쇄공간을 이루고 이렇게 4개의 삽입케이스(20)에 의해 만들어지는 폐쇄 공간이 냉각용 공기의 유통로(40)를 이루게 된다.

물론, 본 발명은 상기와 같이 4개의 삽입케이스(20)가 유통로(40)를 이루는 구조에 한정되지 않으며 3개 또는 그 이상의 삽입케이스(20)가 모여 하나의 유통로(40)를 이룰 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면 상기 단위 전지(11)는 원통형태로 이루어지고, 상기 삽입케이스(20)는 상기 단위 전지(11)와 대응되는 내경과 길이를 갖는 원통형 단면구조로 이루어진다.

이에 따라 상기 삽입케이스(20)에 상기 단위 전지(11)를 끼워 넣게 되면 단위 전지(11)의 외주면이 상기 삽입케이스(20)의 내주면과 밀착된다.

또한, 상기 삽입케이스(20)는 양단이 개방되어 상기 삽입케이스(20)에 단위 전지(11)가 끼워졌을 때 일측 선단으로는 단위 전지(11)의 양극단자가 노출되고 타측 선단을 통해서는 단위 전지(11)의 음극단자가 노출되는 구조로 되어 있다.

따라서 상기 삽입케이스(20)의 체결에 따라 적층되어 모듈을 이루는 다수개 의 단위 전지(11)가 노출된 각 단자를 매개로 직렬 또는 병렬로 용이하게 연결될 수 있는 것이다.

여기서 상기 이웃하는 삽입케이스(20)간의 결합은 용접을 통해 이루어진다.

또한, 상기 삽입케이스(20)는 열전도도가 높은 알루미늄이나 구리로 이루어지며, 상기 단위 전지(11)와 상기 삽이케이스(20) 사이에는 전류를 차단하기 위한 절연부재(도시되지 않음)가 개재된다.

상기한 구조로 되어 본 전지 모듈은 격자형태로 배열 고정된 삽입케이스(20)가 단위 전지(11)를 일정간격으로 배열 지지함과 더불어 상기 삽입케이스(20)에 의해 형성되는 유통로(40)를 통해 냉각용 공기를 원활하게 유통시켜 단위 전지(11)에서 발생되는 열을 신속하고 균일하게 냉각시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 3과 도 4는 본 전지 모듈의 또다른 실시예를 도시하고 있다.

상기한 도면에 의하면, 본 전지 모듈(10)은 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체를 구비하여 전력을 생산하는 단위 전지(11)와, 상기 단위 전지(11)가 끼워져 설치되는 전지 삽입케이스(20)를 포함하고, 상기 다수개의 삽입케이스(20)는 이웃하는 삽입케이스(20)와 연결설치되어 냉각용 공기의 유통로(40)를 형성하며, 상기 삽입케이스(20)의 외측면에는 이웃하는 삽입케이스(20)와 착탈될 수 있도록 요부인 체결봉(30)과 철부인 클립(31)이 설치된 구조로 되어 있다.

본 실시예에서는 다수개의 삽입케이스(20)가 격자형태로 배열되어 4개의 삽입케이스(20)가 연결되어 하나의 유통로(40)를 이루는 구조에 대해 설명하도록 한 다.

또한, 상기 단위 전지(11)는 원통형으로 이루어지고 상기 삽입케이스(20)는 상기 단위 전지(11)와 대응되는 크기의 원통형 단면구조로 이루어진다.

여기서 상기 요부인 체결봉(30)은 원형 단면구조로 삽입케이스(20)의 길이방향을 따라 설치되며 상기 철부인 클립(31)은 상기 삽입케이스(20)의 길이방향을 따라 설치되며 내측에 상기 체결봉(30)과 대응되는 크기의 공간이 형성되도록 양 측단이 안쪽으로 오므라들어 양 측단이 탄력적으로 휘어짐에 따라 상기 양 측단 사이의 틈새를 통해 상기 체결봉(30)이 끼워질 수 있는 구조로 되어 있다.

상기한 원통형태의 삽입케이스(20)는 4개의 삽입케이스(20)가 서로 연결될 수 있도록 외주면을 따라 90도 간격으로 요부와 철부가 교대로 설치된 구조로 되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 삽입케이스(20)의 외측면에는 체결봉(30)이 180도 간격으로 설치되고 그 사이에 철부인 클립(31)이 역시 180도 간격으로 설치된다.

이에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 일측 삽입케이스(20)의 체결봉(30)에는 이웃하는 삽입케이스(20)의 클립(31)이 위치하도록 방향을 설정하여 각 삽입케이스(20)의 체결봉(30)을 이웃하는 삽입케이스(20)의 클립(31)에 끼움으로써 각 삽입케이스(20)를 체결시킬 수 있게 된다.

이와같이 각 삽입케이스(20)가 체결봉(30)과 클립(31)을 매개로 결합되면 삽입케이스(20)는 단위 전지(11)를 지지함과 더불어 삽입케이스(20)에 의해 유통로(40)가 만들어져 이 유통로(40)를 통해 냉각용 공기가 균일하고 원활하게 유통되어 각 단위 전지(11)를 효율적으로 냉각시킬 수 있게 된다.

즉, 냉각용 공기는 삽입케이스(20)에 의해 만들어지는 유통로(40)를 통해 전지 모듈 전체에서 균일하게 유통될 수 있고 이에 따라 상기 단위 전지(11)들은 열을 고르게 방열시킬 수 있게 되는 데, 이는 상기 각 단위 전지(11)가 고르게 삽입케이스(20)에 접하여 있고, 삽입케이스(20) 사이에서 균일한 간격으로 배열되어 있기 때문으로 삽입케이스(20) 사이의 유통로(40)를 지나는 냉각용 공기로부터 동일한 조건하에서 열교환을 이룰 수 있게 된다.

즉, 각 단위 전지(11)는 삽입케이스(20)를 통해 유통로(40)와 접하는 면적이 동일하다. 더불어 상기 유통로(40)를 지나가는 냉각용 공기는 어느 한쪽으로 치우치지 않고 유통로(40)를 이루는 삽입케이스(20)에 고르게 냉기를 가할 수 있게 된다.

따라서 각 단위 전지(11)의 방열 조건이 동일하여 균일한 냉각이 이루어질 수 있는 것이다.

한편, 상기한 구조와는 달리 전지 모듈에 각형의 단위 전지(11)가 사용되는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 삽입케이스(20)가 각형의 단위 전지(11)와 대응되는 크기의 각형으로 이루어지며, 상기 삽입케이스(20)의 전면과 후면 그리고 양 측면에 요부인 체결봉(30)과 철부인 클립(31)이 설치된 구조로 되어 있다.

본 실시예에서는 상기 전면과 후면의 중앙에 길이방향을 따라 체결봉(30)이 설치되고 양 측면에 길이방향을 따라 클립(31)이 설치된 구조로 되어 있다.

이에 따라 도 5에서와 같이 일측 삽입케이스(20)의 전면 또는 후면에 이웃하 는 삽입케이스(20)의 측면이 수직방향으로 배치되어 일측 삽입케이스(20)에 형성된 체결봉(30)이 이웃하는 삽입케이스(20)의 측면에 형성된 클립(31)에 끼워져 각 삽입케이스(20)가 결합되게 된다.

상기한 각형 단위 전지(11)에 의한 전지 모듈(10)의 경우에도 삽입케이스(20)가 단위 전지(11)를 지지함과 더불어 직각으로 배치되는 4개의 삽입케이스(20)에 의해 하나의 유통로(40)가 만들어지게 되어 이 유통로(40)를 통해 냉각용 공기가 원활하게 유통될 수 있는 것이다.

한편, 도 6은 본 전지 모듈의 또다른 실시예로서, 상기 삽입케이스(20)의 외측면에 단위 전지(11)의 열을 외부로 방열시키기 위한 방열 리브(50)가 형성된 구조로 되어 있다.

상기 방열리브(50)는 상기 삽입케이스(20)에 일체로 형성됨이 바람직하며 더욱 바람직하게는 상기 삽입케이스(20)보다 열전도도가 더욱 높은 재질로 형성된다.

또한, 상기 방열리브(50)는 삽입케이스(20)의 외측면에 설치되는 체결봉(30)과 클립(31) 사이에서 적어도 하나 이상 돌출되어 상기 유통로(40)를 따라 유통되는 냉각용 공기의 진행방향으로 형성됨이 바람직하다.

이에 따라 삽입케이스(20)에 끼워진 단위 전지(11)에서 발생된 열은 삽입케이스(20)로 전달되고 삽입케이스(20)에 의해 만들어지는 유통로(40)를 통해 진행되는 냉각용 공기에 의해 방열되며, 상기 유통로(40) 상에 위치한 상기 방열리브(50)가 방열 면적을 더욱 늘리게 되어 방열 효율을 더욱 높일 수 있게 되는 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,

   상기 단위 전지가 끼워져 설치되고 다수개가 연결되어 냉각매체 유통로를 형성하는 삽입케이스를 포함하고,

   상기 삽입케이스는 이웃하는 삽입케이스와 착탈가능하게 설치되는 이차 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 이웃하는 삽입케이스 간에 외측면이 부착 고정되는 이차 전지 모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유통로는 적어도 3개 이상의 삽입케이스가 다각형태로 둘러 쌓여 형성되는 이차 전지 모듈.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 원통형 단위 전지가 끼워질 수 있도록 원통형 단면구조로 이루어지는 이차 전지 모듈.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 각형 단위 전지가 끼워질 수 있도록 사각형 단면구조로 이루어지는 이차 전지 모듈.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 상기 단위 전지의 크기와 대응되어 단 위 전지와 밀착되는 이차 전지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 알루미늄이나 구리 등의 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 이차 전지 모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스와 상기 단위 전지 사이에 절연부재가 개재되는 이차 전지 모듈.
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 상호 접면에 형성되어 상호 끼워지는 요부와 철부를 포함하는 이차 전지 모듈.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 철부는 상기 삽입케이스의 길이방향을 따라 설치되는 원형 단면구조의 체결봉을 포함하고, 상기 요부는 상기 삽입케이스의 길이방향으로 설치되고 양 측단이 상기 체결봉과 대응되는 크기의 원호형태로 오므라들어 양 측단 사이로 상기 체결봉이 끼워지는 클립을 포함하는 이차 전지 모듈.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 삽입케이스는 격자형태로 배열되고 상기 요부와 철부는 90도 간격으로 교대로 설치되는 이차 전지 모듈.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입케이스 외측면에 방열 리브가 간격을 두고 형성된 이차 전지 모듈.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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