KR100839374B1 - 전지 모듈 - Google Patents

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battery module
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cooling medium
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이건구
김기운
박준표
윤지형
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 전지 모듈은 단위 전지들을 효율적으로 냉각할 수 있도록, 복수 개의 단위 전지들과, 상기 단위 전지들을 지지하며 상기 단위 전지들이 끼워지는 홀이 형성된 프레임, 및 상기 홀에 설치되어 상기 단위 전지들을 지지하는 돌기 형상의 서포터를 포함한다.
전지 모듈, 프레임, 서포터, 홀

Description

전지 모듈{BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1의 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레임과 단위 전지를 도시한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 프레임과 단위 전지를 도시한 정면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전지 모듈의 일부를 도시한 절개 사시도이다.
본 발명은 복수의 단위 전지를 연결하여 구성되는 전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단위 전지들을 냉각하는 구조를 개선한 전지 모듈에 관한 것 이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 셀로 이루어진 저용량의 이차 전지의 경우, 휴대폰이나 노트북 컴퓨터, 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 주로 사용된다. 복수개의 셀이 팩 형태로 연결된 대용량 이차 전지는 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다.
그리고 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 상기한 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 직렬로 연결되어 대용량의 전지 모듈을 구성하게 된다.
전지 모듈은 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하, 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 '단위 전지'라 칭한다)로 이루어진다.
각각의 단위 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 및 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하고 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 구비된 캡 조립체를 포함한다.
그리고 각각의 단위 전지는 통상 하우징 내에 일정 간격을 두고 배열되고 각 단위 전지의 단자를 연결하여 전지 모듈을 구성하게 된다.
여기서 전지 모듈은 안정성을 위해서 복수의 단위 전지들을 하나의 모듈로 체결하는 구조를 가지게 된다.
그런데, 전지 모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위 전지를 연결시켜 하나의 전지 모듈을 구성함에 따라 각 단위 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야 한다. 전지 모듈의 열 방출 특성은 단위 전지는 물론, 전지 모듈을 채용한 기기 자체의 성능을 좌우할 정도로 매우 중요하다.
열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우, 각 단위 전지 사이에 온도 편차가 발생하여 전지 모듈이 모터 구동에 필요한 전력을 원하는 정도로 출력할 수 없게 된다. 또한, 단위 전지에서 발생되는 열에 의해 전지 내부의 온도가 상승하면 내부에 이상 반응이 일어나 단위 전지의 충, 방전 성능 등이 성능이 저하된다.
특히, 상기한 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터나 자동차용(전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차)의 모터 구동용 대용량 이차 전지로서 적용되는 경우, 단위 전지가 대전류로 충, 방전되므로 사용 상태에 따라서 단위 전지 내부의 온도가 상당한 수준까지 올라가게 되므로, 이 단위 전지로부터 발생되는 열을 원활하게 방출시키는 것이 요구되고 있다.
이에 본 발명은 상기한 필요를 충족시키기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단위 전지들을 지지하는 프레임의 구조를 개선하여 단위 전지들을 효율적으로 냉각할 수 있는 전지 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 단위 전지들을 균일하게 냉각할 수 있는 전지 모듈을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 복수 개의 단위 전지들과, 상기 단위 전지들을 지지하며 상기 단위 전지들이 끼워지는 홀이 형성된 프레임, 및 상기 홀에 설치되어 상기 단위 전지들을 지지하는 돌기 형상의 서포터를 포함한다.
상기 서포터는 상기 홀의 일단에서 타단까지 이어져 형성될 수 있다.
상기 프레임은 상기 홀들 사이가 막혀진 구조로 이루어질 수 있다.
상기 홀은 상기 단위 전지의 길이와 동일한 길이로 형성될 수 있다.
상기 홀의 반경을 R2라 하고, 상기 단위 전지의 폭방향 반경을 R1이라 할 때, 0.03≤(R2-R1)/R1≤0.18일 수 있다.
상기 홀의 반경을 R2라 하고, 상기 단위 전지의 폭방향 반경을 R1이라 하며, 상기 단위 전지의 길이를 L1이라 할 때, 0.001≤(R2-R1)/L1≤0.025일 수 있다.
상기 단위 전지는 원통형일 수 있다.
상기 단위 전지의 길이 방향은 상기 단위 전지와 접하는 냉각 매체의 유동방향과 평행하게 배치될 수 있다.
냉각 매체가 유입되는 유입구와 냉각 매체가 배출되는 배출구가 형성된 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내에 프레임이 설치될 수 있다.
상기 유입구가 형성된 면과 측면이 만나는 모서리에는 경사면이 형성될 수 있다.
상기 유출구는 유입구가 형성된 면과 대향하는 면에 형성될 수 있다.
상기 단위 전지와 홀 사이의 간격은 유입구에 인접한 부분이 유출구에 인접한 부분보다 큰 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단위 전지와 홀 사이의 간격은 유입구 측에서 유출구 측으로 갈수록 점진적으로 감소하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 유출구는 유입구가 형성된 면과 동일한 면에 형성될 수 있다.
상기 단위 전지와 상기 홀 사이의 간격은 상기 유출구에 인접한 부분이 상기 유출구에서 먼 부분보다 작게 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1의 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 부분 사시도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 전지 모듈은 전지 모듈이 끼워지는 홀(112)이 형성된 프레임(100)과 프레임(100)에 삽입되는 단위 전지(120) 및, 홀(112)에 형성되어 단위 전지(120)를 지지하는 서포터(115)를 포함한다.
본 실시예에 따른 단위 전지(120)는 원통형으로 이루어진다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 단위 전지(120)는 원통형 또는 각형 및 그 이외의 형상으로 이루어질 수 있다.
프레임(100)에는 단위 전지(120)가 끼워지는 홀(112)이 형성되는 바, 홀(112)은 복수의 열과 행을 이루어 프레임(100)에 나란하게 배열된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 홀은 양단이 개방된 구조로 이루어지며 각 홀(112)에는 단위 전지(120)를 지지하는 서포터(115)가 4개씩 설치된다. 서포터(115)는 사각 막대 형상의 돌기로 이루어지며 단위 전지(120)와 홀(112) 내면 사이를 이격시키는 역할을 한다.
본 실시예에서는 하나의 홀(112)에 4개의 서포터(115)가 설치된 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서 서포터(115)는 단위 전지(120)의 크기 및 형상에 따라 다양한 개수로 설치될 수 있다.
이때, 단위 전지(120)와 홀(112)의 내면 사이로는 냉각 매체가 유입되는데, 냉각 매체의 양은 단위 전지(120)와 홀(112) 내면 사이의 간격에 따라 좌우된다.
단위 전지(120)의 반지름을 R1이라 하고, 홀(112)의 내경을 R2라 할 때, 0.03≤(R2-R1)/R1≤0.18인 것이 바람직하다.
즉, (R1-R2)/R1이 0.18보다 큰 경우에는 냉각 매체의 유동 속도가 느려서 냉각 효율이 저하되는 문제가 있으며, (R2-R1)/R1이 0.03보다 작은 경우에는 홀로 유입되는 냉각 매체의 양이 적어서 냉각 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 본 실시예에서는 단위 전지와 홀의 길이가 동일하게 형성되는 바, 단위 전지의 길이를 L1이라 할 때, 0.001≤(R2-R1)/L1≤0.025인 것이 바람직하다.
(R2-R1)/L1이 0.001보다 작은 경우에는 길이에 비하여 냉각 매체의 유입량이 적어서 냉각 효율이 저하되는 문제가 있으며, (R2-R1)/L1이 0.025보다 큰 경우에는 길이에 비하여 냉각 매체의 유입 속도가 작아서 냉각 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 홀(112)과 홀(112) 사이의 공간은 막혀 있도록 구성된다. 이에 따라 냉각 매체는 홀(112)을 통해서만 유동하며 프레임(100)의 전면으로 유입된 냉각 매체는 모두 홀(112)로 유입된다. 따라서 홀(112)로 유입되는 냉각 매체의 양을 증가시켜 냉각 효율을 극대화할 수 있다.
한편, 서포터(115)는 사각 막대 형상으로 이루어지며, 홀(112)의 내부를 균등하게 분할하도록 설치된다. 즉, 서포터(115)는 홀(112)의 입구와 출구를 잇도록 설치되는 바, 이에 따라 홀(112)과 단위 전지(120) 사이의 내부 공간은 서포터(115)에 의하여 분할된다. 이와 같이 홀(112)과 단위 전지(120) 사이의 내부 공간이 서포터(115)에 의하여 분할되면, 각 공간으로 유입되는 냉각 매체가 서로 섞이지 않고 각각의 경로를 유동하므로 유동속도가 증가되어 보다 효율적인 냉각을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 모듈의 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레임과 이에 설치된 단위 전지를 도시한 정면도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 외형을 이루는 하우징(200)과 하우징(200) 내에 설치되며 홀(232)이 형성된 프레임(230), 및 프레임(230)에 끼워지는 단위 전지(236)를 포함한다.
본 실시예에 따른 하우징(200)은 냉각 매체가 유입되는 유입구(210)가 중앙에 형성되고, 냉각 매체가 배출되는 두 개의 유출구(220)가 양측 가장자리에 형성 된다. 그리고 하우징(200)의 중앙에는 유입구(210)로 유입된 냉각 매체가 유통되는 통로가 형성되며, 하우징(200)의 양쪽 가장자리에는 홀(232)을 통과한 냉각 매체가 배출되는 통로가 형성된다. 이에 따라 유입구(210)로 유입된 냉각 매체는 중앙 통로를 따라 이동하면서 단위 전지(236) 사이를 통과하여 양쪽 가장자리의 통로를 통해서 유출구(220)로 배출된다.
본 실시예에 따른 하우징(200)은 유입구(210)가 형성된 정면과 측면(도 3에서 x축에 수직인 면)이 만나는 모서리에 측면과 정면을 잇는 경사면(240)이 형성된다. 이 경사면(240)은 앞쪽에 위치한 단위 전지(236)를 냉각시키고 외측 통로로 이동한 냉각 매체가 유출구(220)로 신속하게 이동할 수 있도록 하는 역할을 한다.
본 실시예와 같이 유입구(210)와 유출구(220)가 반대면에 형성된 경우에는 유출구(220)에 가까운 쪽으로 많은 양의 냉각 매체가 유동한다. 이에 따라 유입구(210)에 가까운 쪽에 위치한 단위 전지(236)는 상대적으로 냉각이 잘 되지 않는 문제가 있다. 그러나 본 실시예와 같이 유입구(210)에 인접한 모서리에 경사면(240)을 형성하면, 유입구(210)에 인접한 단위 전지(236) 사이를 통과한 냉각 매체가 경사면(240)의 안내를 따라 유출구(220)로 신속하게 배출되므로 단위 전지(236)의 온도 차이를 해소할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 단위 전지(236)는 단위 전지(236)를 지나는 냉각 매체의 진행방향과 나란하게 설치된다. 즉, 냉각 매체는 중앙으로 유입되어 프레임(230)에 형성된 홀(232)을 따라 측방향(도 3에서 x축 방향)으로 이동하는데, 단위 전지(236)의 길이 방향은 x축 방향과 평행하게 설치된다.
이에 따라 단위 전지(236)와 냉각 매체가 접촉하는 시간이 증가되어 단위 전지들(236)이 보다 잘 냉각된다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 프레임(230)에는 단위 전지(236)가 끼워지는 복수 개의 홀(232)이 형성되어 있으며, 이 홀(232)에는 단위 전지(236)를 지지하는 서포터(234)가 형성되어 있다. 단위 전지(236)와 홀(232) 내면 사이의 간격은 홀(232)의 내경과 서포터(234)의 높이에 의하여 결정되는데, 본 실시예에 따른 서포터(234)는 유입구(210) 측에서 유출구(220) 측으로 갈수록 그 높이가 감소한다.
이에 따라 유입구(210) 쪽에 위치한 단위 전지(236)로 많은 양의 공기가 유입되므로 유입구(210) 측에 위치한 단위 전지(236)의 온도와 유출구(220) 측에 위치한 단위 전지(236)의 온도 차이를 해소할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다. 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 외형을 이루는 하우징(300)과 하우징(300) 내에 설치되며 단위 전지들(236)이 끼워지는 홀(232)이 형성된 프레임(340), 및 홀(342)에 끼워지는 단위 전지(346)를 포함한다.
본 제3 실시예에 따른 하우징(300)은 중앙에 냉각매체가 유입되는 유입구(310)가 형성되어 있으며, 양측 가장자리에 냉각 매체가 배출되는 두 개의 유출구(320)가 형성되어 있다. 하우징(300)의 중앙에는 유입구(310)로 유입된 공기가 단위 전지(346) 사이로 유입될 수 있도록 유동하는 통로가 형성되어 있으며, 하우징(300)의 가장자리에는 단위 전지(346)를 통과한 냉각 매체가 유출구(320)로 배출 될 수 있도록 냉각 매체가 유통하는 통로가 형성되어 있다.
본 실시예에서 유입구(310)와 유출구(320)는 동일한 면에 형성되어 있다. 이에 따라 유입구(310)로 유입된 냉각 매체는 단위 전지(346)를 냉각시킨 후, 가장자리에 형성된 통로를 통해서 유출구(320)로 배출된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 프레임(340)은 홀(342)에 단위 전지를 지지하는 서포터(345)를 구비하고 있다. 이 서포터(345)는 단위 전지(346)와 홀(342)의 내면 사이를 이격시키는 역할을 하며, 단위 전지(346)와 홀(342) 내면 사이의 공간을 통해서 냉각 매체가 유통하면서 단위 전지들(346)을 냉각시킨다.
본 실시예에서는 유입구(310)와 인접하게 배치된 단위 전지(346)와 홀(342) 사이의 간격이 유입구(310)의 반대편에 배치된 단위 전지(346)와 홀(342) 사이의 견격 보다 작게 형성된다. 즉, 홀(342)의 내경은 유입구(310) 쪽에서 유출구(320) 쪽으로 갈수록 점진적으로 감소한다.
본 실시예와 같이 유입구(310)와 유출구(320)가 동일한 면에 형성된 경우에는, 유입구(310)로 유입된 냉각 매체가 유입구(310)에 인접한 단위 전지(346)로 많이 흐르게 된다. 이는 유출구(320)가 형성된 쪽의 압력이 반대쪽의 압력보다 상대적으로 낮기 때문이다.
이와 같이 냉각 매체가 유입구(310)에 인접한 단위 전지(346)로 많이 흐르게 되면 단위 전지(346) 사이의 온도 편차가 크게 나타나는 문제가 발생한다. 그러나 본원과 같이 유입구(310)에 인접한 단위 전지(346)와 홀(342) 사이의 간격 보다 반대쪽에 배치된 단위 전지(346)와 홀(342) 사이의 간격을 크게 형성하면 간격이 동 일한 경우보다 유통 공간이 넓은 유입구(310)의 반대편으로 많은 양의 공기가 유통되므로 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전지 모듈의 일부를 도시한 절개 사시도이다. 상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 홀(440)이 형성된 프레임(400)과 홀(440)에 끼워지는 가이드 관(420), 가이드 관(420)에 끼워지는 단위 전지(미도시), 및 가이드 관(420)과 단위 전지 사이에 설치되어 단위 전지를 지지하는 서포터(430)를 포함한다.
본 제4 실시예는 가이드 관(420)을 제외하고는 상기한 제1 실시예와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 가이드 관(420)은 양단이 개방된 관으로 이루어지며 단위 전지와 동일한 길이를 갖도록 형성된다.
서포터(430)는 길쭉한 막대 형상으로 이루어지는 바, 가이드 관(420)의 길이와 동일한 길이를 갖도록 이루어진다. 이러한 가이드 관(420)에 단위 전지가 끼워지면, 서포터(430)가 단위 전지와 가이드 관(420) 사이를 이격시키면서 단위 전지와 가이드 관(420) 사이의 공간을 분리한다.
본 실시예에 따른 가이드 관(420) 및 서포터(430)는 열전도성 소재로 이루어진다. 이에 따라 단위 전지에서 발생한 열이 서포터(430)를 통해서 가이드 관(420)으로 전달되고, 가이드 관(420) 및 서포터(430)는 냉각 매체에 의하여 냉각된다. 이러한 구조로 단위 전지는 냉각 매체에 의하여 직접 냉각될 뿐만 아니라, 서포터(430)와 가이드 관(420)을 통해서 간접적으로 냉각되므로 냉각 효율은 더욱 증가한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 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 발명에 따르면, 단위 전지와 홀 사이로 냉각 매체를 안정적으로 공급하여 단위 전지들의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
냉각 매체의 유입구와 유출구의 구조에 따라 단위 전지와 냉각 매체 사이의 간격을 조절하여 단위 전지 간의 온도 편차를 최소화할 수 있다.

Claims (16)

  1. 복수 개의 단위 전지들;
    상기 단위 전지들을 지지하며 상기 단위 전지들이 끼워지는 홀이 형성된 프레임; 및
    상기 홀과 상기 단위 전지 사이에 설치되어 상기 단위 전지들을 지지하는 돌기 형상의 서포터;
    를 포함하는 전지 모듈
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 서포터는 상기 홀의 일단에서 타단까지 이어져 형성된 전지 모듈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 프레임은 홀과 홀 사이가 막혀있는 전지 모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 홀은 상기 단위 전지의 길이와 동일한 길이로 형성된 전지 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 홀의 반경을 R2라 하고, 상기 단위 전지의 폭방향 반경을 R1이라 할 때, 0.03≤(R2-R1)/R1≤0.18인 전지 모듈
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 홀의 반경을 R2이라 하고, 상기 단위 전지의 폭방향 반경을 R1라하며, 상기 단위 전지의 길이를 L1이라 할 때, 0.001≤(R2-R1)/L1≤0.025인 전지 모듈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 전지는 원통형인 전지 모듈.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 전지의 길이 방향은 상기 단위 전지와 접하는 냉각 매체의 유동방향과 평행하게 배치된 전지 모듈.
  9. 제1 항에 있어서,
    냉각 매체가 유입되는 유입구와 냉각 매체가 배출되는 배출구가 형성된 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내에 프레임이 설치되는 전지 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 유출구는 상기 유입구가 형성된 면과 대향하는 면에 형성된 전지 모듈.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 유입구가 형성된 면과 측면이 만나는 모서리에는 경사면이 형성된 전지 모듈.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 단위 전지와 상기 홀 사이의 간격은 상기 유입구에 인접한 부분이 상기 유출구에 인접한 부분보다 더 큰 전지 모듈.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 단위 전지와 상기 홀 사이의 간격은 상기 유입구 측에서 상기 유출구 측으로 갈수록 점진적으로 감소하는 전지 모듈.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 유출구는 상기 유입구가 형성된 면과 동일한 면에 형성된 전지 모듈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 단위 전지와 상기 홀 사이의 간격은 상기 유출구에 인접한 부분이 상기 유출구에서 먼 부분보다 더 작게 형성된 전지 모듈.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 홀과 상기 서포터 사이에는 열전도성 소재로 이루어진 가이드 관이 설치되는 전지 모듈.
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