KR100648704B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각매체의 유통 구조를 개선하여 단위 전지의 온도 제어 효과가 우수하면서 각 단위 전지간 온도 편차를 최소화할 수 있도록, 다수 개의 단위 전지를 적층 배열하여 이루어지는 적어도 1의 전지 집합체와, 상기 전지 집합체가 위치하는 정착부와, 상기 정착부의 양 측면에서 연통설치되어 냉각매체를 전지 집합체로 유입/배출시키는 유입통로와 배출통로를 포함하여 온도 제어용 냉각매체를 유통시키는 하우징을 포함하며, 상기 통로중 적어도 하나의 통로는 정착부에 대해 단차져 일부 영역만을 통해 정착부와 연통되는 이차 전지 모듈을 제공한다.

전지 집합체, 하우징, 유입통로, 배출통로, 정착부, 단차

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 모듈의 개략적인 평단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 작용설명을 위한 하우징의 개략적인 측단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 다수개의 이차 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성함에 있어서, 단위 전지의 냉각효율을 높인 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있다. 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다. 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지는 복수개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

이와 같이 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 이루어진다.

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 연결 설치하여 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 하고, 무엇보다도 전지 모듈 내에서 각 단위 전지의 설치위치간 온도 차이가 크지 않아야 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 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 그 목적은 냉각매체의 유통 구조를 개선하여 단위 전지의 온도 제어 효과가 우수하면서 각 단위 전지간 온도 편차를 최소화할 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 다수 개의 단위 전지를 적층 배열하여 이루어지는 적어도 1의 전지 집합체와, 상기 전지 집합체를 내장시키고 온도 제어용 냉각매체를 유통시키는 하우징을 포함한다.

상기 하우징은 상기 전지 집합체가 위치하는 정착부와, 상기 정착부의 양 측면에서 연통설치되어 냉각매체를 전지 집합체로 유입/배출시키는 유입통로와 배출통로를 포함하며, 상기 통로중 적어도 하나의 통로는 정착부에 대해 단차져 일부 영역만을 통해 연통되는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 전지 집합체는 상기 하우징의 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 통로는 전지 집합체를 따라 하우징에 길이방향으로 형성됨이 바람직하다.

또한, 하우징의 정착부와 단차져 연결되는 통로는 냉각매체가 유입되는 유입통로임이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 유입통로와 배출통로 모두 하우징의 정착부와 단차져 연결될 수 있다.

이에 따라 냉각매체가 통로를 통해 하우징의 정착부에 장착된 전지 집합체로 진행하는 과정에서 냉각매체는 통로의 크기보다 상대적으로 큰 정착부의 내부로 확산되면서 진행되어 진행속도를 높일 수 있고, 이에 전지 집합체의 단위 전지를 전체적으로 더욱 낮출 수 있게 된다.

또한, 상기 정착부의 측면에 배치되는 상기 통로는 길이방향을 따라 상단 또는/및 하단이 정착부에 대해 안쪽으로 단차진 구조일 수 있다.

이에 상기 통로가 상단과 하단이 모두 안쪽으로 단차진 구조인 경우 상기 통로는 정착부와 중앙부만을 통해 연통된 구조가 된다.

한편, 상기 통로의 단차정도는 특별히 한정되지 않으며 바람직하게는 통로의상단 또는 하단이 각각 정착부의 단면 높이에 대해 13 ~ 23%로 설정됨이 바람직하다.

본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 전지 집합체는 두 개가 한쌍을 이루어 서로 대향하게 배치된 구조일 수 있다. 이러한 경우 상기 각 전지 집합 체는 상기 하우징 내부의 동일 평면상에 배치되며 중앙에 구비되는 냉각매체 진행 통로를 공유하는 구조일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 전지 집합체는 단위 전지와 단위 전지 사이에 전지격벽을 설치하고 있다. 이 경우 상기 각 단위 전지는 각형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서 상기 이차 전지 모듈은 냉각매체를 하우징의 유입구를 통해 내부로 강제 공급하는 블로워타입일 수 있다.

또한, 상기 이차 전지 모듈은 냉각매체를 하우징의 배출구를 통해 강제로 배출시키는 석션타입일 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 하우징은 양 선단에 냉각매체가 유입되는 유입구와 각 단위전지를 거친 냉각매체가 배출되는 배출구가 형성되며, 내부의 전지 집합체를 기준으로 양 측면에 유입구 및 배출구와 연통되는 냉각매체 유입통로와 배출통로가 형성될 수 있다.

이에 유입구로 유입된 냉각매체는 유입통로를 따라 진행되어 전지 집합체를 거친 후 배출통로를 통해 배출구로 빠져나가게 된다.

여기서 상기 냉각매체의 유입방향과 배출방향을 결정짓는 유입구와 배출구의 형성위치는 이에 한정되지 않으며 동일한 방향으로 형성될 수 있다.

언급한 바와 같이, 한쌍의 전지 집합체가 하우징 내에 대향 배치되는 경우 상기 하우징의 일측 선단 중앙의 통로에 유입구를 형성하여 대향 배치된 전지 집합체 중앙으로 냉각매체가 유입될 수 있도록 하고 배출구는 상기 하우징의 타측 선단 양측에 형성함이 바람직하다.

이때, 상기 유입구와 유출구는 상기 이차 전지 모듈의 냉각매체 유통 방식에 따라 서로 그 기능을 달리 할 수 있다.

여기서 상기와 같은 이차 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, 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.

이하 설명에서는 전지모듈의 냉각체로서 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 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 본 실시예에 의한 이차 전지 모듈(10)을 살펴보면, 이 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서, 다수 개의 단위 전지(12)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되어 이루어지는 전지 집합체(11)와, 이 전지 집합체(11)를 내장시키고 상기 각 단위 전지(12)로 온도 제어용 공기를 유통시키기 위한 하우징(20)을 포함한다.

여기서 상기 각 단위 전지(12)는 세퍼레이터를 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차전지로서 구성된다.

상기 전지 집합체(11)는 언급한 바와 같이 다수개의 단위 전지(12)가 일정 간격으로 배치되어 하나의 열을 이룬 구조를 의미하는 것으로 정의한다.

본 실시예에 따르면, 상기 전지 집합체(11)는 대략 사각형(본 실시예에서는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 가로 폭이 넓은 직사각형)의 외형을 가지는 단위 전지(12)들이 직립되게 적층되어 이루어진다.

구체적으로, 상기 전지 집합체(11)는 적어도 하나 이상으로 구비되며, 본 실시예에서는 도 2에 도시한 바와 같이 두 개가 한 쌍을 이뤄 하우징(20) 내에서 동일 평면상에 상호 이격 되게 배치된다.

이와 같이 상기 전지 집합체(11)를 하우징(20) 내부의 동일 평면상에 배치하는 이유는 전지 모듈(10)의 전체 높이를 최소화하기 위함이다.

이러한 전지 집합체(11)는 각 단위 전지(12) 사이 및 최 외측의 단위 전지(12)에 전지 격벽(13)을 설치하고 있다. 상기 전지 격벽(13)은 각 단위 전지(12)의 간격을 일정하게 유지시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 단위 전지(12)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.

이를 위해 상기 각각의 전지 격벽(13)에는 이들 단위 전지(12) 사이로 온도 제어용 공기 즉, 단위 전지(12)의 온도를 제어하기 위한 비교적 낮은 온도의 냉각 공기를 유통시키는 채널(14)을 형성하고 있다.

본 실시예에서, 상기한 채널(14)은 도 1에 가상선으로 도시한 바와 같이, 간격을 두고 배열되는 다수개의 돌기에 의해 형성되는 데, 온도 제어용 공기를 유통시킬 수 있으면 충분하며 그 구조에 있어서 특별히 한정되지 않는다.

이러한 전지 모듈(10)에 있어, 언급한 바 있는 하우징(20)은 상기한 전지 집합체(11)가 장착됨은 물론 이 전지 집합체(11)의 각 단위 전지(12) 사이의 채널(14)로 온도 제어용 공기를 유통시켜 각각의 단위 전지(12)에서 발생되는 열을 냉각시키는 기능을 하게 된다.

이를 위해 본 실시예의 하우징(20)은 상기한 전지 집합체(11)를 정착시키기 위한 정착부(25)와, 하우징(20)의 내부에 나란히 배치된 한쌍의 전지 집합체(11)를 기준으로 전지 집합체(11) 사이인 하우징(20)의 중앙과 각 전지 집합체(11)의 외측인 하우징(20)의 양측에 각각 온도 제어용 공기가 유통되는 통로(23,24)(이 통로는 본 이차 전지 모듈(10)이 블로워 타입인지 또는 석션 타입인지에 따라 또는 냉각매체의 진행방향에 따라 냉각매체가 유입되는 유입통로가 될 수도 있으며 온도 제어용 공기가 배출되는 배출통로가 될 수도 있다.)가 형성되고, 각 통로(23,24)와 연결되어 온도 제어용 공기를 유입 또는 배출시키기는 유입구(21) 또는 배출구(22)가 형성된다.

이하 설명에서는 상기 하우징(20)의 중앙으로 온도 제어용 공기가 유입되어 하우징 중앙이 유입통로(23)로 이용되고 하우징(20)의 양측에 배출통로(24)와 배출구(22)가 위치하는 구조이며, 중앙의 유입통로(23)에 연결되는 유입구(21)를 통해 공기를 불어넣는 블로워타입의 경우를 예로서 설명한다.

상기 정착부(25)는 전지 집합체(11)를 수용하면서 이 전지 집합체(11)를 고정시키기 위한 수용 공간을 형성하는 바, 이 수용 공간은 하우징 중앙의 유입통로(23)를 기준으로 양쪽에 배치되며 한 쌍의 전지 집합체(11)가 각 정착부(25)에 하우징(20)의 길이 방향을 따라 장착된다.

상기 유입통로(23)는 하우징(20) 중앙에 배치되어 유입통로(23) 양측으로 전지 집합체(11)가 위치하고 하우징(20)에 설치되는 유입구(21)와 연통된다. 또한, 상기 배출통로(24)는 하우징(20)의 내부 양측에서 각 전지 집합체(11)의 외측에 위치하고 온도 제어용 공기의 진행방향을 따라 배치되는 배출구(22)와 연통된다.

이에 따라 온도 제어용 공기는 유입구(21)를 통해 하우징(20) 중앙에 형성된 유입통로(23)로 들어와 유입통로(23)를 따라 배열된 각 전지 집합체(11)의 단위 전지(12) 사이의 격벽(13)을 통해 배출통로(24)로 이동되어 배출구(22)를 통해 배출된다.

여기서 상기 하우징(20)은 상기 전지 집합체(11)가 위치하는 정착부(25)와, 상기 정착부(25)의 양 측면에서 연통설치되어 냉각용 공기를 전지 집합체(11)로 유입시키는 유입통로(23)와 전지 집합체를 거친 냉각용 공기를 배출시키는 배출통로(24)를 포함하며, 상기 유입통로(24)와 배출통로(24)는 정착부(25)에 대해 상단과 하단이 안쪽으로 단차져 중앙부를 통해서만 상기 정착부(25)와 연통되는 구조로 되어 있다.

이에 전지 집합체(11)가 설치된 정착부(25)와 이 정착부(25)와 연결되는 유 입통로(23)는 그 단면 크기가 상대적으로 달라지게 된다.

따라서 냉각용 공기가 유입통로(23)를 통해 하우징의 정착부(25)에 장착된 전지 집합체로 진행하는 과정에서 냉각용 공기는 정착부(25)보다 상대적으로 작은 단면크기를 갖는 유입통로(23)에서 단면크기가 상대적으로 큰 정착부(25)의 내부로 확산되면서 진행되어 진행속도를 높일 수 있고, 이에 전지 집합체의 단위 전지를 전체적으로 더욱 낮출 수 있게 된다.

여기서 각 통로의 상단 또는 하단이라 함은 도 3에서 Y축 방향을 기준으로 위쪽과 아래쪽을 의미하는 것으로, 정착부(25)의 양 측면에 유입통로(23)와 배출통로(24)가 배치되므로 상기 각 통로가 양 측면에 오고 정착부가 지면에 놓여지도록 하우징을 배치하였을 때를 기준으로 각 통로의 윗면쪽을 상단이라 하고 바닥면쪽을 하단이라 하는 것으로 정의한다.

한편, 언급한 바와 같이 상기 유입통로(23)와 배출통로(24)는 상단과 하단이 모두 단차진 구조일 수 있으며, 본 전지 모듈은 이러한 구조 이외에도 유입통로(23)와 배출통로(24)가 상단만이 단차지고 하단은 정착부(25)와 동일 높이로 연결되거나, 상단이 정착부(25)와 동일 높이로 연결되고 하단만이 단차진 구조일 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면 상기 유입통로(23) 또는 배출통로(24)의 단차정도에 대해서는 다음과 같다. 이하 설명에서는 유입통로(23)를 기준으로 설명하며, 배출통(24)로도 역시 동일하게 적용된다.

도 3에 도시된 바와 같이 유입통로(23)가 단차 형성됨으로써 Y축 방향으로의 단면 높이에 있어서 정착부(25)의 단면 높이(L3)는 유입통로(23)의 단면 높이(L1)보다 상대적으로 크다.

이에 상기 정착부(25)에 대한 유입통로(23)의 단차량은 정착부의 단면 높이(L3)에 대한 유입통로(23)의 단면 높이(L1)의 차로 정의할 수 있으며, 이에 상기 유입통로(23)의 단면 높이(L1)는 정착부(25) 단면 높이의 54 ~ 74%로 설정된다.

따라서 상기 유입통로(23)의 상단 또는 하단의 단차량은 정착부(25) 단면 높이의 13 ~ 23%로 설정된다.

상기 유입통로(23)의 상단 또는 하단 단차량이 정착부(25) 단면 높이에 대해 13% 이하인 경우에는 냉각용 공기의 확산이 제대로 이루어지지 못해 냉각용 공기의 속도를 높이기 어려우며, 23%보다 큰 경우에는 정착부로 유입되는 냉각용 공기의 유입량이 적어 냉각효과가 저하되는 문제점이 있다.

상기한 구조는 배출통로(24)에도 동일하게 적용되며 배출통로의 단면 높이(L2)는 정착부(25) 단면 높이의 54 ~ 74%로 설정되고, 상기 배출통로(24)의 상단 또는 하단의 단차량은 정착부(25) 단면 높이의 13 ~ 23%로 설정된다.

상기와 같이 구성되는 이차 전지 모듈의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

유입구(21)에 연결된 펌프의 구동에 따라 유입구(21)를 통해 하우징(20) 내부로 유입된 온도 제어용 공기는 유입통로(23)를 따라 각 전지 집합체(11)를 지난 후 배출통로(24)를 지나 배출구(22)로 빠져나가게 된다.

이때, 상기 냉각용 공기는 유입통로(23)에서 전지 집합체(11) 설치된 정착부 (25)로 진행하는 과정에서 확산을 통해 그 속도가 높아져 빠르게 전지 정착부(25)를 빠져나가게 된다.

이는 유입통로(23)의 단면 높이가 정착부(25)의 단면 높이보다 상대적으로 작기 때문으로 냉각용 공기는 크기가 작은 곳에서 갑자기 넓은 곳으로 진행함으로써 정착부 내에서 확산되고 이에 정착부에 설치된 전지 집합체(11)의 각 단위 전지 사이로 빠르게 진행할 수 있게 되는 것이다.

이와같이 전지 집합체로 냉각용 공기가 빠르게 진입됨으로써 냉각용 공기의 흐름방향을 따라 전지 집합체의 앞쪽과 뒤쪽의 온도차이를 줄이고 전체적으로 균일한 온도 분포를 나타낼 수 있게 된다.

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, 온도 제어용 공기의 유통 구조를 개선함으로써 전지 모듈의 냉각효율을 높일 수 있고, 온도 제어용 공기가 단위 전지 사이로 고르게 유통되므로 전지 모듈 전체에 있어서 국부적인 열적 불균형을 해소할 수 있게 된다.

Claims (12)

1. 다수 개의 단위 전지를 적층 배열하여 이루어지는 적어도 1의 전지 집합체와,

   상기 전지 집합체가 위치하는 정착부와, 상기 정착부의 양 측면에서 연통설치되어 냉각매체를 전지 집합체로 유입/배출시키는 유입통로와 배출통로를 포함하고, 상기 통로중 적어도 하나의 통로는 정착부에 대해 단차져 일부 영역만을 통해 정착부와 연통되는 하우징

   을 포함하는 이차 전지 모듈.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 전지 집합체는 상기 하우징의 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 통로는 전지 집합체를 따라 하우징에 길이방향으로 형성되는 이차 전지 모듈.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 하우징의 정착부에 단차져 연결되는 통로는 냉각매체가 유입되는 유입통로인 이차 전지 모듈.
4. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,

   상기 하우징의 정착부에 단차져 연결되는 통로는 냉각매체가 배출되는 배출 통로인 이차 전지 모듈.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 통로는 길이방향을 따라 상단 또는 하단이 정착부에 대해 안쪽으로 단차진 구조의 이차 전지 모듈.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 통로는 길이방향을 따라 상단과 하단이 정착부에 대해 안쪽으로 단차져 중앙부만을 통해 연통된 이차 전지 모듈.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 통로의 상단 또는 하단의 단차량은 정착부의 단면 높이에 대해 각각 13 ~ 23%로 설정되는 이차 전지 모듈.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 전지 집합체는 두 개가 한쌍을 이루어 서로 대향 배치되는 이차 전지 모듈.
9. 제8 항에 있어서,

   상기 전지 집합체가 상기 하우징 내부의 동일 평면상에 배치되는 이차 전지 모듈.
10. 제1 항에 있어서,

    상기 전지 집합체는 단위 전지와 단위 전지 사이에 전지격벽이 설치되는 이차 전지 모듈.
11. 제1 항에 있어서,

    상기 전지 집합체는 한 쌍이 하우징 내에 대향 배치되고, 상기 하우징의 중앙에 유입구와 유입통로가 형성되고, 상기 하우징의 양측에 배출통로와 배출구가 형성되는 이차 전지 모듈
12. 제1 항에 있어서,

    상기 전지 모듈이 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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