KR100637469B1 - 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, 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 끼워지는 삽입홀이 배열 형성되고 상기 삽입홀 주위로 냉각매체를 유통시키기 위한 덕트를 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.
단위 전지, 덕트, 유입구, 유출구, 삽입홀, 홈

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈로 도 1의 A-A 선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈로 도 1의 B-B 선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 일부 구성 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈로 도 7의 C-C 선 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 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 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 발생되어 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 극대화시 킬 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 전지를 방열시키기 위한 냉각매체 유통로를 갖는 전지 모듈에 있어서, 상기 유통로가 상기 단위 전지 외측을 감싸는 구조로 되어 있다.
이를 위해 본 발명의 이차 전지 모듈은 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 끼워지는 삽입홀이 배열 형성되고 상기 삽입홀 주위로 냉각매체를 유통시키기 위한 덕트를 포함한다.
이에 따라 상기 덕트는 다수개의 단위 전지를 간격을 두고 배열 시킴과 더불어 냉각매체를 단위 전지가 끼워진 삽입홀 주위로 유통시켜 단위 전지를 냉각시킬 수 있게 된다.
여기서 상기 덕트는 양측단에 냉각매체가 유입되는 유입구와 냉각매체가 배출되는 배출구가 형성된다.
상기 단위 전지는 일정 간격을 두고 설치됨이 바람직하다.
또한, 상기 단위 전지는 원통형 이차 전지 또는 각형 이차 전지일 수 있으며 상기 삽입홀은 상기 단위 전지의 형태와 대응되는 형태로 이루어진다.
따라서 상기 삽입홀은 원통형 단위 전지가 끼워질 수 있도록 원통형 단면구 조로 이루어질 수 있으며, 각형 단위 전지가 끼워질 수 있도록 사각형태의 단면구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 단위 전지는 상기 덕트에 일렬이나 2열 이상의 열로 배열될 수 있다.
한편, 상기 덕트는 내부가 비어 냉각매체가 유통될 수 있는 중공부재로, 일측 선단에는 냉각매체가 유입되는 유입구가 형성되고, 타측 선단에는 내부를 거친 냉각매체가 배출되는 배출구가 형성되며, 중앙부에는 덕트를 이루는 외측면이 안쪽으로 연장되어 삽입홀을 이루는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 삽입홀은 상기 단위 전지와 대응되는 크기로 이루어져 단위 전지가 삽입홀의 내면에 밀착될 수 있도록 한다.
또한, 상기 단위 전지의 배열구조에 대응하여 상기 삽입홀은 일렬로 배열되거나 2열 이상의 열로 배열 형성될 수 있다.
또한, 상기 삽입홀은 양단이 개구된 형태로 이루어지거나 일측 선단만이 개구된 구조일 수 있다.
여기서 상기 덕트는 알루미늄이나 구리 등과 같이 열전도율이 높은 재질로 이루어짐이 바람직하다.
이 경우 상기 덕트와 상기 덕트의 삽입홀에 끼워지는 단위 전지 사이에는 절연을 위한 절연부재가 개재될 수 있다.
또한, 상기 덕트로 유통되는 냉각매체는 냉각용 공기나 냉각수 등의 모든 기체나 유체가 적용될 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
한편, 본 발명은 상기 덕트의 외측면에 방열 리브가 돌출 설치될 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 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 일정 간격으로 배열 고정시킴과 더불어 상기 단위 전지 측면으로 냉각용 공기를 유통시키기 위한 덕트(12)를 포함한다.
이하 설명에서는 상기 단위 전지로 원통형태의 단위 전지(11)가 사용되는 경우를 예로써 설명한다.
상기 덕트(12)는 단위 전지(11)를 고정시킴과 더불어 냉각시키는 작용을 수행할 수 있도록, 내부가 빈 중공관 형태로 길이방향으로 연장된 구조로 이루어지고, 양 선단에는 냉각용 공기가 유입되고 배출되는 유입구(13)와 배출구(14)가 형 성된다. 그리고 상기 중앙부는 서로 대향된 양 측면이 원형으로 연통되어 상기 원통형태의 단위 전지가 끼워질 수 있도록 원형의 삽입홀(15)을 형성하는 구조로 되어 있다.
이에 따라 상기 삽입홀(15)을 이루는 내측면은 실질적으로 덕트(12)의 외측면이 변형된 것으로 냉각용 공기는 상기 삽입홀(15)을 이루는 내측면과 덕트(12)의 외측면 사이의 공간을 통해 유통될 수 있는 것이다.
도 1은 다수개의 단위 전지가 일렬로 배열된 예를 도시하고 있는 데, 상기와 같이 단위 전지가 일렬로 배열될 수 있도록 상기 덕트(12)의 중앙부는 길이방향을 따라 삽입홀(15)이 연속적으로 형성되며 상기 덕트(12) 중앙부의 외측면은 연속적으로 형성된 삽입홀(15)의 외형과 대응되어 굴곡진 형태를 이루게 된다.
따라서 도 2에 도시된 바와 같이 덕트(12)의 유입구(13)를 통해 유입된 냉각용 공기는 중앙부에 배열되어 삽입홀(15)의 외측면으로 형성된 유로를 따라 삽입홀(15)의 곡면을 지나게 되고 이 과정에서 상기 삽입홀(15)에 끼워져 있는 단위 전지를 냉각시킬 수 있게 된다.
여기서 상기 단위 전지(11)는 언급한 바와 같이 원통형 구조로 이루어지며, 상기 삽입홀(15) 또한 상기 원통형 단위전지(11)와 대응되는 내경과 길이를 갖는 원통형 단면구조로 이루어진다.
이에 따라 상기 삽입홀(15)에 상기 단위 전지(11)를 끼워 넣게 되면 단위전지(11)의 외주면이 삽입홀(15)을 이루는 내측면에 밀착된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 삽입홀(15)은 양단이 개방되어 상기 삽 입홀(15)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 덕트(12)를 따라 적층된 다수개의 단위 전지(11)는 삽입홀(15) 외측으로 노출된 각 단자를 매개로 직렬 또는 병렬로 용이하게 연결될 수 있는 것이다.
여기서 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 덕트(12)는 열전도도가 높은 알루미늄이나 구리로 이루어지며, 상기 덕트(12)의 삽입홀(15) 내측면과 이 내측면에 접하는 단위 전지 사이에는 전류를 차단하기 위한 절연부재(도시되지 않음)가 개재된다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면으로서 상기 덕트(12)가 두 개로 분리된 구조로 되어 있다.
상기한 도면에 의하면 전지 모듈은 직렬 또는 병렬로 연결되는 다수개의 단위 전지(11)와, 상기 단위 전지(11)를 일정 간격으로 배열 고정시킴과 더불어 상기 단위 전지 측면으로 냉각용 공기를 유통시키기 위한 덕트(12)를 포함하며, 상기 덕트(12)는 내부가 빈 중공관 형태로 길이방향으로 연장되고 양 선단에는 냉각용 공기가 유입되고 배출되는 배출구(14)가 형성되며, 중앙부는 일측면에 상기 단위 전지의 외형과 대응되어 단위전지(11)가 안착되는 홈(16)이 연속적으로 형성된 구조로 이루어지고, 두 개의 덕트(12)가 한쌍을 이루어 상기 홈(16)이 마주보도록 설치 되어 마주보는 두 개의 홈(16)이 단위 전지가 끼워지는 삽입홀(15)을 이루는 구조로 되어 있다.
여기서 상기 홈(16)은 원통형태의 단위 전지(11)의 반쪽면이 안착될 수 있도록 반원형태를 이루게 된다. 이에 따라 두 개의 홈(16)이 합쳐지게 되면 단위 전지(11)의 외경에 대응되는 하나의 원을 이루게 되고, 도 5에 도시된 바와 같이 두 개의 홈(16)으로 이루어진 원형의 삽입홀(15)을 통해 단위전지가 끼워져 단위 전지(11)의 외측면이 각 덕트(12)에 형성된 홈(16)의 측면과 접할 수 있게 되는 것이다.
상기한 구조의 경우 각 덕트(12)마다 유입구(13)와 배출구(14)가 따로 형성되어 있어서 유입구(13)로 들어간 냉각용 공기는 각 덕트(12)의 유로를 따라 단위 전지의 반쪽만을 지나면서 단위 전지를 냉각시키게 된다.
한편, 도 6은 본 전지 모듈의 또다른 실시예로 덕트(12) 내에 배열되는 단위 전지(11)가 일렬이 아닌 2열로 배열 설치된 구조를 도시하고 있다.
상기한 구조에 의하면 상기 덕트(12)의 양단에는 냉각용 공기의 유입구(13)와 배출구(14)가 형성되고 중앙부에는 두 개의 전지열이 삽입설치될 수 있는 크기로 삽입홀(15)이 형성된다.
이에 따라 상기 삽입홀(15)에 단위 전지가 끼워지게 되면 도 6에서와 같이 두 개의 열로 단위 전지(11)가 배열될 수 있게 된다.
물론 본 전지 모듈은 위에서 예로 설명된 바와 같이 단위 전지를 일렬 또는 2열로 배열하는 구조 이외에 상기 덕트의 중앙부에 형성되는 삽입홀의 구조와 크기 를 달리함으로써 3열 또는 그 이상의 열로 단위 전지를 배열할 수 있으며, 이러한 변형된 구조 또한 본 발명의 진정한 정신에 속한다 할 것이다.
한편, 본 전지 모듈의 또다른 실시예에 따르면 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이 각형의 단위 전지가 설치되는 구조에 대해 예시하고 있다.
상기 도면에 의하면, 상기 덕트(12)는 단위 전지(11)를 고정시킴과 더불어 냉각시키는 작용을 수행할 수 있도록, 내부가 빈 중공관 형태로 길이방향으로 연장된 구조로 이루어지고, 양 선단에는 냉각용 공기가 유입되고 배출되는 유입구(13)와 배출구(14)가 형성된다. 그리고 단위 전지가 일렬로 배열될 수 있도록 상기 덕트(12)의 중앙부는 길이방향을 따라 삽입홀(15)이 연속적으로 형성되며, 상기 삽입홀(15)은 각형의 단위 전지와 대응되는 크기의 사각형태의 단면구조로 이루어진다.
따라서 덕트(12)의 유입구(13)를 통해 유입된 냉각용 공기는 중앙부에 배열되어 삽입홀(15)의 외측면으로 형성된 유로를 따라 삽입홀(15)의 측면을 지나게 되고 이 과정에서 상기 삽입홀(15)에 끼워져 있는 각형의 단위 전지를 냉각시킬 수 있게 된다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 덕트(12)의 외측면에는 단위전지(11)로부터 덕트(12)로 전달된 열을 외부로 용이하게 방출시킬 수 있도록 방열 리브(20)가 간격을 두고 돌출 형성된다.
따라서 상기 방열 리브(20)는 외기와 덕트(12)의 접촉면즉을 더욱 크게 하여 덕트의 방열 특성을 향상시키게 되는 것이다.
이하 본 발명의 작용에 대해 도 1과 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 전지 모듈은 덕트(12)가 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 상기 덕트(12)의 중앙을 따라 배치되어 덕트(12)가 상기 단위 전지를 감싸는 형태가 된다.
그리고 상기 덕트(12)는 일정간격으로 삽입홀(15)이 형성되어 있어서 상기 삽입홀(15)에 단위 전지를 끼워넣음에 따라 단위 전지(11)는 상호간에 간격을 두고 덕트(12)에 밀착된 상태로 정위치할 수 있게 된다.
이 상태에서 상기 덕트(12)의 유입구(13)를 통해 냉각용 공기를 유통시키게 되면 냉각용 공기가 덕트(12) 내부를 통해 유통되면서 단위 전지(11)에서 발생되는 열을 고르게 방열시킬 수 있게 된다.
즉, 덕트(12)의 유입구(13)를 통해 유입된 냉각용 공기는 삽입홀(15)의 외측면으로 형성된 유로를 따라 삽입홀(15)의 곡면을 지나게 되고 이 과정에서 상기 삽입홀(15)에 끼워져 있는 단위 전지의 열을 식혀주게 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 전지 의 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 (22)

  1. 삭제
  2. 다수개의 단위 전지와,
    상기 단위 전지가 끼워지는 삽입홀이 배열 형성되고 상기 삽입홀 주위로 냉각매체를 유통시키기 위한 덕트를 포함하고,
    상기 덕트는 양 측단에 냉각매체가 유입되는 유입구와 냉각매체가 배출되는 배출구가 형성되고, 중앙부에는 외측면이 안쪽으로 연장되어 삽입홀을 이루며,
    상기 덕트 외측면에 다수개의 방열 리브가 돌출 형성된
    이차 전지 모듈.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 단위 전지는 상기 덕트에 일렬 또는 2열 이상의 열로 배열되는 이차 전지 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 삽입홀은 상기 단위 전지와 대응되는 형태로 이루어진 이차 전지 모듈.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 삽입홀은 상기 단위 전지와 대응되는 크기로 이루어져 단위 전지가 삽입홀의 내면에 밀착되는 이차 전지 모듈.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 단위 전지는 원통형인 이차 전지 모듈.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 단위 전지는 각형인 이차 전지 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 삽입홀은 양단이 개구된 이차 전지 모듈.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 덕트는 알루미늄이나 구리로 이루어지는 이차 전지 모듈.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 덕트의 삽입홀과 상기 단위 전지 사이에 절연부재가 개재되는 이차 전지 모듈.
  12. 삭제
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈
  14. 삭제
  15. 삭제
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