KR100649561B1 - 케이스와 이차전지 및 전지 모듈 - Google Patents

케이스와 이차전지 및 전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명에서 제공하는 전지 모듈은 이차 전지 사이의 구조를 개선해서 열방출 효율을 개선한 것으로, 순차적으로 배열되는 복수의 이차 전지와, 상기 이차 전지가 내장되고, 열 교환용 공기가 공급되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 전지 모듈을 구성하는 각 이차 전지가 케이스에서 연장 형성되는 채널부를 구비하고 있으며, 이웃한 이차 전지가 이 채널부를 매개로 서로 접합하여 복수의 유로를 형성하는 구조로 이루어진다.
전지격벽, 리브, 채널부, 접합, 열방출, 이차 전지, 전지 모듈

Description

케이스와 이차전지 및 전지 모듈{CAN, SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각형 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 각형 이차 전지용 케이스를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 리브 부분을 선택적으로 확대해서 보여주는 횡단면도이다.
도 4는 다른 형태의 리브들을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 구성을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 6은 이차 전지의 접합 관계를 보여주는 복수의 이차 전지에 대한 부분 사시도이다.
도 7은 도 6에 따른 배열 구조를 갖는 서로 이웃한 이차 전지의 접합 단면을 보여주는 도면이다.
도 8은 다른 형태에 따라 이차 전지가 배열된 모습을 보여주는 부분 접합 단면도이다.
본 발명은 이차 전지용 케이스에 관한 것으로서, 보다 상세히는 방열 효율을 증대한 이차 전지용 케이스와 이로써 형성되는 이차 전지 및 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.
이 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조될 수 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과 각형을 들 수 있다. 이 이차 전지는 고전력을 요구하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 연결해서 대용량의 이차 전지(이하, '전지 모듈')를 구성하게 된다.
이 같은 이차 전지는 전기 화학 반응으로 전기에너지를 생산하는 전극군을 케이스에 수납하고 있는 구조로 형성되고, 이 같은 이차 전지를 수십개 연결해서 전지 모듈을 구성하게 된다.
이처럼, 전지 모듈이 수십 개의 이차 전지로 형성되기 때문에 각 이차 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있는 구조로 전지 모듈이 형성되어야 함은 물론, HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터와 같은 곳에서 모터 구동용 전지 모듈의 경우 열 방출은 무엇보다 중요한 문제이다.
열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우 예컨대, 각 이차 전지에서 발생되는 열은 전지 모듈의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 상기 전지모듈이 적용된 기기의 오작동을 발생시키게 된다.
특히, 차량용으로 사용되는 HEV용 전지 모듈의 경우 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.
또한, 전지 내부의 화학적인 반응으로 인하여 전지의 내부 압력이 상승되고 이에 따라 전지의 형상이 변하여 전지 고유특성에 나쁜 영향을 주게 된다. 특히 각형의 이차 전지와 같이 폭과 길이의 비율이 큰 경우에는 상기 위험이 더욱 커지게 된다.
이에 따라 통상 다수개의 이차 전지가 내장되는 전지 모듈, 특히 각형의 이차전지로 전지 모듈을 구성하는 경우 이차 전지와 이차 전지 사이에 전지 격벽을 설치함으로써 이차 전지간의 냉각용 공기 유통을 위한 간격을 확보하고 구조적으로 이차 전지의 변형을 방지하게 된다.
그러나, 이처럼 전지 격벽을 추가하게 되면, 전지 모듈 전체의 부피가 커지므로 한정된 공간에 설치되는 전지 모듈의 특성상 바람직하지 못하다. 더욱이, 전지 격벽을 설치하는 작업 공수의 추가 및 부품수의 추가는 생산 단가를 높여 가격 경쟁력을 떨어뜨리는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 창안된 것으로, 이차 전지를 개선해서 별도의 전지 격벽을 사용하지 않고도 열방출 효율을 좋게 개선한 본 발명을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서 제공하는 이차 전지는,
양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극군을 구비하여 전기 에너지를 생산하는 이차 전지에 있어서,
상기 전극군을 수납하는 케이스가, 서로의 조합에 의해서 유로를 이루는 복수의 채널부를 구비하고 있다.
본 발명에서, 상기 채널부는 케이스의 표면에 형성되는 요철들의 조합으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 채널부는 케이스의 표면에서 돌출 형성되는 리브와, 상기 리브들 사이로 형성되는 오목한 채널의 조합으로 형성될 수도 있다.
이때, 상기 요철은 상기 케이스의 표면에서 부분적으로 돌출 형성되는 돌기들로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 채널부는 돌출 방향의 끝이 평탄한 접합면(接合面)을 형성하고 있을 수도 있다.
바람직하게, 상기 리브의 횡단면은 사다리꼴 형태를 이루어진다.
또한, 상기 채널부는 케이스를 사이에 두고 서로 대칭하는 한 쌍으로 형성된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 전지 모듈은,
순차적으로 배열되는 복수의 이차 전지와, 상기 이차 전지가 내장되고, 열 교환용 공기가 공급되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서,
상기 전지 모듈을 구성하는 각 이차 전지가 케이스에서 연장 형성되는 채널부를 구비하고 있으며, 이웃한 이차 전지가 이 채널부를 매개로 서로 접합하여 복수의 유로를 형성하는 구조로 이루어진다.
이때, 상기 리브는 상기 하우징 내로 유입되는 공기의 유입방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 제공하는 이차 전지용 케이스는 이차 전지가 서로 접합될 때 복수의 유로를 형성하는 채널부가 구비되어 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 그 형상을 각형으로 해서 구성된 이차 전지를 도시한 사시도이다. 이를 참조해서 본 실시예의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예의 이차 전지(10)는 세로(도면의 X 축 방향)로 긴 육면체 형상을 가지며 표면에 리브(111)가 형성된 케이스(11)에, 절연 물질인 격리판을 사이에 두고 양극판 및 음극판을 권취해서 형성한 각형의 전극군을 삽입하고, 케이스(11)의 개방된 부분을 캡 플레이트(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.
일 예로, 상기 전극군(미도시)은 양극판과 음극판 사이에 격리판을 순차적으로 개재하고, 이를 횡권축을 중심으로 말아서 젤리롤 형태로 형성한 다음에, 이를 프레스와 같은 가압 수단으로 프레싱해서 각형으로 형성하게 된다.
이처럼 형성된 전극군의 양극판 및 음극판은 상기 캡 플레이트(30)에 설치된 전극 단자(60, 70)와 각각 전기적으로 연결되어 있다.
그리고, 캡 플레이트(30)는 상기 케이스(11)의 개구부(11a)에 형합(形合)하는 형상으로 만들어지며, 양, 음극용 전극 단자(60, 70)를 구비하고 있다. 이 양, 음극용 전극 단자(60, 70)는 캡 플레이트(30)에 형성된 홈(미도시)을 통해서 상기 케이스(11)의 외부로 돌출되게 각각 고정되어 있다.
이에 추가해서, 상기 캡 플레이트(30)는 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출하는 것으로 전지의 폭발을 방지하는 벤트부(40)를 더 포함할 수도 있다.
그리고, 케이스(11)은 알루미늄이나 알루미늄 합금, 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재, 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테프론과 같은 고분자의 절연 물질로 이루어지는데, 그 형상은 각형의 전극군이 삽입 안착될 수 있는 개구부(11a)가 형성된 육면체 형상으로 이루어진다.
그리고, 본 실시예에 따른 케이스(11)는 도 2에서 일 예로 예시하고 있는 형태로 표면에 복수의 리브(111)가 일정간격을 두고 한 방향으로 돌출 형성된 구조의 유로 형성용 채널부(110)를 구비하고 있다. 본 명세서의 설명이나 도면에서는 이 채널부(110)가 리브(111)로 형성된 예로 설명하나, 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다. 본 실시예의 채널부(110)는 서로의 조합으로 유로가 형성되는 경우라면, 그 형상에 제한받지 않는다. 즉, 다른 예로써 케이스의 표면에서 부분적으로 돌출 형성되는 형태의 돌기, 요철의 조합으로도 형성됨은 물론이다.
도 2에서, 이 실시예의 리브(111)는 전지 모듈을 구성할 때, 서로 인접한 이차 전지(10)가 밀착되면서, 이차 전지(10) 사이의 간격을 유지시키게 되고, 리브(111)와 리브(111) 사이로는 유로가 형성되어 공기가 이차 전지(10) 사이로 공급된다.
여기서, 이 리브(111)의 모양은 케이스(11)의 높이 방향(도면의 Z축 방향)으로 길게 형성되며, 이로 인해서, 리브(111)의 사이로는 유로 형성용 채널(113)이 형성되어 있다.
그리고, 리브(111)의 끝은 평탄한 접합면(接合面)(111a)을 형성하고 있다. 따라서, 실질적으로 케이스(11)의 횡단면을 놓고 보았을 때, 리브(111)의 형상은 케이스의 벽면에서 리브의 끝을 향하면서 그 폭이 좁아지는 사다리꼴 형태를 이루게 된다(도 3 참조).
이와 유사하게, 도 4에서 예시하고 있는 것처럼 이 리브(111)는 일정한 간격을 두고 한 방향으로 돌출 형성된 구조의 사각 모양이나(도 4의 (A) 참조), 반구 모양(도 4의 (B) 참조)으로 형성될 수도 있다. 이때에도 각 리브(111)의 끝에는 리브(111)끼리 접하기 쉽게 평탄하게 형성한 접합면(111a)이 형성된다.
그리고, 이처럼 형성되는 리브(111)들은 실질적으로 전지끼리 접하는 부분에 대해서만 선택적으로 형성되어 있는데, 도면에서는 본 실시예의 이차 전지(10)가 전지 모듈로 구성될 때 장변끼리 서로 접하면서 일렬로 형성된 예(도면의 Y축 방향 으로 나란하게 전지들이 배열됨)를 가정해서 리브(111)가 형성되는 경우를 예시하였다.
이에 따르면, 리브(111)들은 전지(10)의 단변을 사이에 두고, 서로 대칭하는 한 쌍으로 형성되는 것이 바람직하며, 리브(111) 사이의 간격은 일정하게 유지된다.
이처럼 구성되는 본 실시예의 이차 전지(10)는 도 5에 예시되어 있는 바처럼 전지 모듈로 구성이 되는데, 이에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 측 단면도이고, 도 6은 하우징에 수납되는 복수의 이차 전지의 배열 모습을 개략적으로 도시한 사시도이다.
이를 참조하면, 본 실시예의 전지 모듈은 상술한 도 1 내지 도 4를 통해서 설명한 이차 전지(10)가 복수개 연결된 상태에서 하우징(100)에 실장된 형태로 이루어진다.
본 실시예에서 설명하는 하우징(100)은 일측면 상단에 이차 전지(10)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어용 공기가 유입되는 유입구(101)가 형성되고, 반대쪽 측면 하단에는 이차 전지(10)사이를 통과한 공기가 배출되는 배출구(103)가 형성된 구조로 되어 있으나, 상기 하우징(100)의 구조와 유입구(101) 및 배출구(103)의 위치 및 하우징(100)의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
그리고, 하우징(100) 내부에 실장되는 복수의 이차 전지들은 이웃한 이차 전지(10) 사이에서 케이스(11)에 형성된 리브(111)가 서로 마주보도록 위치하고 있 다. 도면에 예시된 바로는 전지의 장변을 횡으로 해서 복수의 이차 전지(10)가 순차적으로 배열된 모습을 갖는다.
이에 따라, 이차 전지(10)와 이차 전지(10)는 케이스(11)를 두고 서로 접하게 되는데, 이때 리브(111)의 접합면(111a)이 서로 대칭되게 접하여 이차 전지들 사이의 간격을 유지하게 된다. 또한, 리브들이 접합면(111a)을 두고 서로 마주함으로써 리브(111) 사이로 형성되어 있던 채널(113)이 중공의 유로(G)로 형성된다(도 7참조).
이처럼 리브(111)를 기준으로 해서 서로 접합해 별도의 전지격벽을 설치하지 않고도 충분한 유로를 형성하는 이차 전지들은 그 형태를 유지하기 위해서, 이 이차 전지들의 외주면을 둘러 감싸는 체결판(미도시)으로 고정된다.
한편, 상술한 이차 전지(10)의 접합 구조외에도 외력에 의해 이차 전지(10)의 배열이 흐트러지는 것을 방지하는 방법으로, 리브(111) 사이로 형성되는 채널(113)을 따라서 이웃하는 이차 전지(10)의 리브(111)를 위치시키는 것도 가능하다. 이때, 리브(111)와 리브(111)가 이웃하는 이차 전지(10)의 채널(113)에 각각 고정되며, 리브(111)는 이웃한 전지(10)의 다른 리브(111)에 의해서도 각각 구속이 되기 때문에 구조적인 안정성을 높일 수가 있다(도 8 참조). 이 경우에 리브의 폭(W)보다 리브 사이의 간격(L)을 충분히 크게 함으로써, 리브(111) 사이로 이웃한 전지의 리브(111)가 위치하게 되더라도 충분한 유로(G)를 확보할 수가 있다.
이처럼 이차 전지들을 서로 접합시켜 고정한 후에, 이 이차 전지들은 하우징에 담겨 고정된다.
이로써, 하우징(100)의 유입구(101)로 들어온 냉각용 공기는 이차 전지(10)와 이차 전지(10) 사이로 리브(111)에 의해 형성된 유로(G)를 통과하면서 하부로 유통되고, 이 과정에서 이차 전지(10)에서 발생된 열이 교환되며, 열교환된 공기는 하우징(100)의 하부 배출구(14)를 통해 빠져나가게 된다.
따라서, 본 실시예의 전지 모듈은 전지 격벽을 사용하지 않고도 전지(10)끼리 형태를 유지시킬 수 있으면서도 충분한 유로(G)를 확보할 수가 있다.
한편, 상술한 전지 모듈의 설명은 이차 전지용 케이스(11)이 비도전성 물질로 형성된 경우를 설명한 것이다. 따라서, 이차 전지용 케이스(11)이 금속 물질로 형성된다면, 서로 접촉하는 케이스에 의해서 이차 전지가 숏트가 발생할 수 있으므로 이 경우에는 그 사이에 절연 물질이 개재되는 것이 바람직하다.
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.
본 발명에 따르면, 이차 전지용 케이스의 형상을 개선하는 것으로 전지 모듈에서 이차 전지 사이를 통과하는 공기의 유통 구조를 간단히 개선할 수가 있다. 더욱이, 유로에서 공기와 이차 전지가 만나는 접촉 면적을 확대함으로써 열교환이 쉽게 이루어져 전지 모듈의 온도를 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다.

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  17. 순차적으로 배열되는 복수의 이차 전지와, 상기 이차 전지가 내장되고, 열 교환용 냉매가 공급되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서,
    상기 이차 전지는 이웃하는 이차 전지와 접하여 유로를 형성할 수 있도록 케이스에서 연장 형성되는 채널부를 구비하고,
    상기 채널부는 상기 케이스의 표면에서 돌출 형성되는 복수의 리브를 포함하고 상기 리브는 상기 케이스에 고정된 면의 폭이 상기 리브의 상단에 형성된 접합면의 폭보다 크게 형성되며,
    상기 케이스는 금속 재료로 형성되고, 상기 이차 전지 사이에는 절연 물질이 개재되는 전지 모듈.
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