KR100709180B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 다수개의 단위 전지와, 내부로 냉각매체가 유통되고 외측면에 상기 단위 전지가 방사상으로 배열 설치되는 냉각관과, 상기 냉각관의 외측면에 설치되어 상기 단위 전지가 끼워지는 단위 전지 삽입케이스와, 상기 단위 전지 삽입케이스를 지지하면서 전지 모듈의 외관을 이루는 육각 형상의 외관 케이스를 포함한다.

단위전지, 원통, 냉각관, 삽입케이스, 외관케이스, 육각, 연결단자, 단위전지집합체, 패키지부

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 모듈을 도시한 평면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 측단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평면 구성도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평면 구성도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성하는 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 발생 되어 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.

한편, 종래의 전지 모듈은, 특히 단위 전지가 원통형으로 이루어지는 경우, 소정의 패키지부 예컨대, 사각단면 구조의 공간 내에 단위 전지들이 2열 이상으로 일정 간격 이격되게 배치되는 바, 한정된 공간 내에서 한정된 개수의 단위 전지들을 배치하는데 따른 공간의 제약이 수반되어 전지 모듈 전체의 충,방전 용량을 극대화시키지 못하게 되는 문제점이 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 있다.

또한, 본 발명은 패키지부의 한정된 공간을 최적으로 활용할 수 있는 구조의 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지를 방열시키기 위한 냉각매체 유통로를 갖춘 것으로, 상기 단위 전지가 냉각매체 유통로를 중심으로 그 외측에 방사상으로 배열되며, 육각 형상의 외관을 형성하는 구조로 이루어진다.

본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 상기 단위 전지가 원통형으로 이루어질 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 다수개의 단위 전지와, 내부로 냉각매체가 유통되고 외측면에 상기 단위 전지가 방사상으로 배열 설치되는 냉각관과, 상기 냉각관의 외측면에 설치되어 상기 단위 전지가 끼워지는 단위 전지 삽입케이스와, 상기 단위 전지 삽입케이스를 지지하면서 전지 모듈의 외관을 이루는 육각 형상의 외관 케이스를 포함한다.

본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 상기 냉각관이 원통형 단면구조로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 상기 단위 전지가 원통형으로 이루어질 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 삽입케이스는 상기 단위 전지의 크기와 대응되어 단위 전지와 밀착되도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 냉각관 또는 상기 삽입케이스는 알루미늄이나 구리 등의 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 상기 삽입케이스와 단위 전지 사이에 절연부재가 개재될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 상기 단위 전지들이 원형의 연결 단자를 통해 병렬로 연결되는 구조로 되어 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지를 방열시키기 위한 냉각매체 유통로를 갖춘 것으로서, 상기 단위 전지가 냉각매체 유통로를 중심으로 외측에 방사상으로 배열되며, 육각 형상의 외관을 이루는 단위 전지 집합체와, 상기 다수의 단위 전지 집합체를 패키징하는 패키지부를 포함한다.

본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 단위 전지 집합체는, 상기 냉각매체 유통로를 형성하는 냉각관과, 상기 냉각관의 외측면에 설치되어 상기 단위 전지가 끼워지는 단위 전지 삽입케이스와, 상기 단위 전지 삽입케이스를 지지하면서 전지 모듈의 외관을 이루는 육각 형상의 외관 케이스를 포함할 수 있다.

이 경우 상기 패키지부는 다각형 단면구조로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 패키지부는 원통형 단면구조로 이루어질 수도 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, 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 전지 모듈의 냉각 방식으로 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있고 단위 전지에서 발생하는 온도 보다 낮은 온도를 유지하는 공기를 이용한 경우를 예로써 설명한다. 물론, 본 발명이 공기에 의한 냉각 방식으로 한정되는 것은 아니며 냉각 매체로써 냉각수나 기타 유체가 사용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)을 설명하면, 이 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서, 원통형 구조로 이루어지며, 일정 간격 이격되게 연속 배치되는 다수의 단위 전지(11)를 포함한다.

본 발명에 있어 상기 각각의 단위 전지(11)는 격리판을 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차전지로 구성된다.

이러한 다수의 단위 전지(11)를 갖는 전지 모듈(10)은 각 단위 전지(11)를 냉각시키기 위한 냉각용 공기가 유통되는 냉각관(12)과, 상기 냉각관(12)의 외주면에 방사상으로 설치되어 각 단위전지(11)가 끼워지는 삽입케이스(13)를 포함한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 평면 구성도 및 측단면 구성도로서, 본 실시예에 따른 상기 냉각관(12)은 원통 형태로 이루어져 일방향으로 냉각용 공기가 유통되고, 그 외주면에는 뒤에서 더욱 설명하는 삽입케이스(13)가 부착 설치된다. 이 때 상기 냉각관(12)은 냉각용 공기를 유통시키는 냉각매체 유통로(12a)를 형성하며, 통상적으로 열전도도가 높은 금속 소재 예컨대, 알루미늄이나 구리로 이루어진다.

본 발명에서 상기 냉각관(12)의 크기에 대해서는 특별히 한정되지 않으며, 냉각관(12)의 크기에 따라 그 외주면에 배열되는 단위전지(11)의 개수가 증감될 수 있다.

그리고 본 실시예에 따른 상기 삽입케이스(13)는 원통형 단위전지(11)의 외경에 상응되는 내경과 길이를 갖는 원통형 단면 구조로 이루어진다.

이러한 상기 삽입케이스(13)는 양단이 개방되어 이 삽입케이스(13)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.

구체적으로, 삽입케이스(13)는 단위 전지(11)가 삽입 가능한 삽입 구멍(13a)을 가지면서 냉각관(12)의 외주면에 길이 방향으로 설치되고 상기 냉각관(12)의 외주면을 따라 일정간격을 두고 배열되는 바, 상기 냉각관(12)을 중심으로 그 외측에 방사상으로 배열 설치된다. 여기서 상기 삽입케이스(13)는 냉각관(12)과 마찬가지로 열전도도가 높은 알루미늄이나 구리로 형성될 수 있다.

이에 따라 상기 삽입케이스(13)에 상기 단위 전지(11)를 끼워 넣게 되면 단위전지(11)의 외주면이 삽입케이스(13)의 내주면과 밀착되게 되고, 상기 냉각관 (12)을 따라 배열된 다수개의 단위 전지(11)가 외부로 노출된 각 단자부(11a)를 매개로 직렬 또는 병렬로 용이하게 연결될 수 있는 것이다. 바람직하게, 본 실시예에 따른 전지 모듈(10)에 있어 상기 각 단위 전지(11)의 단자부(11a)들은 도면에 가상선으로 도시한 원형의 연결 단자(17)를 통해 병렬로 연결되게 된다.

본 발명에서, 상기 삽입케이스(13)와 단위 전지(11) 사이에는 이들 삽입케이스(13)와 단위 전지(11)를 실질적으로 절연시키기 위한 절연부재(19)가 개재된다. 이 때 상기 절연부재(19)는 페놀수지, 폴리우레탄, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드, 아크릴, 우레아/메라민 수지, 실리콘 수지와 같은 통상의 합성 고분자 화합물을 포함할 수 있으며, 절연 니스와 같은 니스 계열의 절연물을 포함할 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 전지 모듈(10)은 상기한 삽입케이스(13)들을 지지하면서 전지 모듈의 외관을 이루는 육각 형상의 외관 케이스(15)를 포함한다.

이러한 외관 케이스(15)는 전지 모듈의 하우징 역할을 수행하게 되어 다수개의 삽입케이스(13)를 배열 고정함과 더불어 전지 모듈 전체의 강성을 보강하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 외관 케이스(15)는 냉각관(12)의 냉각매체 유통로(12a) 외측으로 퍼져 나가는 냉각용 공기를 삽입케이스(13) 사이의 공간으로 유통시키는 기능을 하게 된다.

이하, 본 발명의 작용에 대해 설명하면, 본 전지 모듈(10)에 있어 각 단위 전지(11)는 중앙의 냉각관(12)을 중심으로 냉각관(12)의 외주면을 따라 배치된다. 이 때 상기 단위 전지(11)는 냉각관(12)에 설치된 삽입케이스(13)에 끼워져 이 냉각관(12)을 중심으로 하여 방사상으로 설치됨으로써 단위 전지(11) 상호간에 일정 한 간격을 두고 정위치할 수 있게 된다. 그리고 상기 각각의 단위 전지(11)는 외관 케이스(15)에 의하여 삽입케이스(13)가 배열 고정됨과 더불어 전지 모듈 전체의 강성이 보강됨에 따라, 삽입케이스(13)에 견고히 고정되게 된다.

따라서 본 발명에 의한 전지 모듈(10)은 상기 외관 케이스(15)에 의하여 전체적인 외관이 육각 형상으로 이루어진 본 실시예에 의한 단위 전지 집합체(10A)를 형성할 수 있게 된다.

이 상태에서 상기 냉각관(12)을 통해 냉각용 공기를 유통시킴으로써 단위 전지(11)에서 발생되는 열을 고르게 방열시킬 수 있게 된다.

이는 상기 각 단위 전지(11)가 고르게 냉각관(12)에 접하고 있기 때문으로 냉각관(12)을 지나는 냉각용 공기로부터 동일한 조건 하에서 열 교환을 이룰 수 있게 된다. 즉, 각 단위 전지(11)는 냉각관(12)과 접하는 면적이 동일하다. 더불어 상기 냉각관(12)은 단위 전지(11)들의 중앙에 위치함에 따라 냉각관(12)을 통해 지나가는 냉각용 공기는 어느 한쪽으로 치우치지 않고 냉각관(12)에 설치된 전체 단위 전지(11)에 고르게 냉기를 가할 수 있게 되는 것이다. 따라서 각 단위 전지(11)의 방열 조건이 동일하여 균일한 냉각이 이루어질 수 있는 것이다.

만약, 전지 모듈(10)의 외측에서 냉각관(12)의 냉각매체 유통로(12a)를 향하여 냉각공기를 분출시키는 경우, 상기 냉각공기의 일부가 상기 냉각매체 유통로(12a)로 유통되고 나머지 공기가 외관 케이스(15)와 삽입케이스(13) 사이의 공간으로 유통되게 된다. 따라서 상기 냉각관(12)의 냉각매체 유통로(12a) 및 외관 케이스(15)와 삽입케이스(13) 사이의 공간으로 냉각공기가 유통됨에 따라, 단위 전지 (11)의 방열 효과를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 전지 모듈(20)은 전기 실시예에서와 같은 구조의 단위 전지 집합체(20A)가 복수로 구비되고, 이들 단위 전지 집합체(20A)를 내장시키는 패키지부(21)를 포함하여 구성된다.

본 실시예에서 상기 단위 전지 집합체(20A)들은 패키지부(21) 내에 적어도 2열 이상으로 배열되며, 육각 형상으로 이루어진 각 단위 전지 집합체(20A)의 외관 케이스(25) 외벽면(육면)에 각각 밀착 배치된다.

여기서 전술한 바 있는 상기 패키지부(21)는 상기 다수의 단위 전지 집합체(20A)를 패키징하는 하우징으로서, 사각 형태의 단면 구조로 이루어진다.

따라서 각 단위 전지 집합체(20A)의 외벽이 외관 케이스(25)에 의하여 육각면으로 형성되고, 각각의 단위 전지 집합체(20A)들이 외관 케이스(25)의 벽면에 밀착 배치됨에 따라, 패키지부(21)의 공간 내에서 이들 단위 전지 집합체(20A) 사이에는 공간 내지 틈이 형성되지 않게 된다. 이로써 패키지부(21)의 한정된 공간 내에서 단위 전지의 충분한 냉각과 최적의 공간 활용을 도모할 수 있게 된다.

그리고 본 발명에 의한 전지 모듈(20)은 각 단위 전지 집합체(20A)에 대하여 단위 전지(11)의 단자부(11a)들이 전기 실시예에서와 같이, 원형의 연결 단자(17)를 통해 병렬로 연결되는 바, 각 단위 전지 집합체(20A) 단위로 전압을 관리할 수 있기 때문에 전지 모듈 전체의 회로 구성이 단순해질 수도 있다.

본 실시예에 의한 전지 모듈(20)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 평면 구성도이다.

본 실시예에 의한 전지 모듈(30)은 전기 실시예에서와 같은 구조의 단위 전지 집합체(30A)가 복수로 구비되고, 이들 단위 전지 집합체(30A)를 내장시키는 패키지부(31)가 원통 형태로 이루어진 구조를 갖는다.

따라서 상기 단위 전지 집합체(30A)들의 외관 케이스(35)가 육각 형상으로 이루어지고 패키지부(31)가 원통형으로 이루어지는 바, 패키지부(31)의 내부 중심부에 어느 하나의 단위 전지 집합체(30A)를 위치시키고, 이 단위 전지 집합체(30A)의 각 벽면(육면)에 나머지 단위 전지 집합체(30A)를 밀착 배치시킬 수 있다. 이로써 패키지부(31)의 공간 내에서 이들 단위 전지 집합체(30A) 사이에는 공간 내지 틈이 형성되지 않게 된다.

본 실시예에 의한 전지 모듈(30)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

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.

또한, 단위 전지 집합체의 외형이 육각 형상으로 이루어짐에 따라, 하우징 또는 패키지부의 한정된 공간을 최적으로 활용할 수 있게 된다. 따라서 전지 모듈 전체의 충,방전 용량을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 단위 전지 집합체의 각 단위 전지를 병렬로 연결하여 각 단위 전지 집합체 별로 전압을 관리할 수 있으므로, 전지 모듈 전체의 회로 구성을 단순화시킬 수 있게 된다.

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 다수개의 단위 전지와,

   내부로 냉각매체가 유통되고 외측면에 상기 단위 전지가 방사상으로 배열 설치되는 냉각관과,

   상기 냉각관의 외측면에 설치되어 상기 단위 전지가 끼워지는 단위 전지 삽입케이스와,

   상기 단위 전지 삽입케이스를 지지하면서 전지 모듈의 외관을 이루는 육각 형상의 외관 케이스

   를 포함하는 이차 전지 모듈.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 냉각관이 원통형 단면구조인 이차 전지 모듈.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 단위 전지가 원통형인 이차 전지 모듈.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 삽입케이스는 상기 단위 전지의 크기와 대응되어 단위 전지와 밀착되는 이차 전지 모듈.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 냉각관 또는 상기 삽입케이스는 알루미늄이나 구리 등의 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 이차 전지 모듈.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 삽입케이스와 단위 전지 사이에 절연부재가 개재되는 이차 전지 모듈.
9. 제 3 항에 있어서,

   상기 단위 전지들이 원형의 연결 단자를 통해 병렬로 연결되는 구조의 이차 전지 모듈.
10. 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지를 방열시키기 위한 냉각매체 유통로를 갖춘 전지 모듈에 있어서,

    상기 단위 전지가 냉각매체 유통로를 중심으로 외측에 방사상으로 배열되며, 육각 형상의 외관을 이루는 단위 전지 집합체와,

    상기 다수의 단위 전지 집합체를 패키징하는 패키지부

    를 포함하며,

    상기 단위 전지 집합체는 상기 냉각매체 유통로를 형성하는 냉각관과, 상기 냉각관의 외측면에 설치되어 상기 단위 전지가 끼워지는 단위 전지 삽입케이스와, 상기 단위 전지 삽입케이스를 지지하면서 전지 모듈의 외관을 이루는 육각 형상의 외관 케이스를 포함하는 이차 전지 모듈.
11. 삭제
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 패키지부가 다각형 단면구조인 이차 전지 모듈.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 패키지부가 원통형 단면구조인 이차 전지 모듈.
14. 제 3 항 또는 제 10 항에 있어서,

    상기 전지 모듈이 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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