KR101370238B1 - 전지 모듈과 이를 이용한 전지 팩 - Google Patents

Abstract

전지 모듈은, 복수의 전지와, 복수의 전지가 배열되어 수납되는 하우징(50)과, 하우징(50) 내에서 복수의 전지를 따르도록 배치되며, 내부에 냉매를 갖는 냉각 파이프(70)를 구비하며, 냉각 파이프(70)는 전지가 소정의 온도 이상으로 상승했을 때에 용해하는 재료로 이루어진다.

Description

전지 모듈과 이를 이용한 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK USING THE SAME}

본 발명은 복수의 전지가 배열되어 하우징 내에 수납된 전지 모듈과 이를 이용한 전지 팩에 관한 것이다.

최근, 자원 절약이나 에너지 절감의 관점에서, 반복 사용이 가능한 니켈수소, 니켈카드뮴이나 리튬이온 등의 이차전지에 대한 수요가 높아지고 있다. 그 중에서도, 리튬이온 이차전지는 경량이면서 기전력이 높고, 고 에너지 밀도라는 특징을 갖는다. 이에 따라, 휴대전화기나 디지털카메라, 비디오카메라, 노트북 PC 등 다양한 종류의 휴대형 전자 기기나 이동통신 기기의 구동용 전원으로서 수요가 확대되고 있다.

한편, 화석연료의 사용량 저감이나 CO₂ 배출량을 삭감시키기 위해, 자동차 등의 모터 구동용 전원으로서 전지 팩에 대한 기대가 커지고 있다. 이 전지 팩은, 원하는 전압이나 용량을 얻기 위해, 1개 이상의 전지로 된 전지 모듈을 복수개 탑재하여 구성된다.

상기 전지 모듈의 개발에 있어서, 자동차 등의 한정된 공간에 소정의 전력을 축적하는 전지 모듈을 수납하므로, 전지 모듈의 소형화가 큰 과제가 되고 있다.

그래서, 복수의 전지로 이루어진 조(組)전지(전지 모듈)에서, 각 전지간의 접속이나 전압 또는 온도 등을 검출하는 배선을 프린트 기판에 형성한 패턴 배선에 의해 접속하는 구성이 개시되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 마찬가지로, 복수의 전원 모듈을 홀더 케이스에 수납하고, 엔드플레이트를 개재하여 연결하는 전원 장치(전지 팩)가 개시되어 있다(예를 들어 특허문헌 2 참조). 그리고 엔드플레이트에, 각 전원 모듈간을 접속하는 센서 리드나 전원 리드를 부착함으로써, 접속 불량의 저감과 소형화를 도모할 수 있다고 기재되어 있다.

또 전지 모듈에 수납하는 전지의 고 용량화가 진행됨에 따라, 이용 형태에 따라서는 전지 자체가 발열하여 고온이 되는 경우가 있다. 따라서 전지 자체의 안전성과 함께, 이들을 집합시킨 전지 모듈의 안전성이 보다 중요해지고 있다. 즉, 전지는 과충전, 과방전 또는 내부 단락이나 외부 단락으로 인해 발생하는 가스에 의해 내압 상승이 일어나, 경우에 따라서는 전지의 외장 케이스가 파열될 가능성이 있다. 그래서, 일반적으로, 전지에 가스를 배출시키기 위한 벤트 기구나 안전 밸브 등을 설치하여 내부의 가스를 방출시킨다. 이때, 배출되는 가스로의 인화 등으로 인해 발연하거나, 드물게 발화되는 경우가 있어, 신뢰성이나 안전성에 대한 문제가 있다.

또한 복수의 전지를 케이스내 전지실에 수납하고, 각 전지의 안전 밸브와 대향하는 구획벽에 개구부를 형성함으로써, 이상 상태시에 전지로부터 분사되는 가스를 배기실을 통해 배출구로부터 배출시키는 구성의 전원 장치(전지 모듈)가 개시되어 있다(예를 들어 특허문헌 3 참조).

일본 특허공개 제 2000-208118 호 공보 일본 특허공개 제 2000-223166 호 공보 일본 특허공개 제 2007-27011 호 공보

그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 전지 모듈은, 하나의 전지가 이상 발열하여 안전 밸브가 작동한 경우, 발열한 전지의 열량이나 분출하는 가스로의 인화로 인한 주위 전지로의 영향을 억제할 수 없으며, 연쇄적으로 각 전지가 열화된다는 문제가 있다. 특히, 복수의 전지를 탑재하는 전지 모듈에서는, 이상이 일어난 전지의 영향을 얼마나 주위 전지로의 확대를 최소한으로 억제하는지가 과제가 되고 있다.

또 특허문헌 3에 나타내진 전지 모듈은, 케이스의 구획벽에 전지의 안전 밸브에 대향하여 개구부를 형성하고, 분출된 가스를 전지실 내에 충만시키지 않고 외부로 배출하는 것이다. 그러나 수지 중에 내장된 회로 기판은 개시되어 있으나, 전지와의 접속방법 등에 대한 아무런 개시도 시사도 없다. 따라서, 전지의 안전 밸브측 면을 접속체에 의해 접속하는 경우, 구획벽과의 기밀성을 어떻게 유지하는가를 알 수 없다. 또한 전지의 안전 밸브와 구획벽 개방부와의 위치조정이 어려우며, 오목부에서 위치를 정하면 전지간에 공간이 생겨 소형화가 불가능하다는 문제가 있다. 또 전지나 회로 기판을 수지로 고정시켜 내장시키므로, 전지 모듈의 소형화에 대한 과제가 있다.

또한, 이와 같이 다수의 전지를 이용한 전지 모듈을 전원으로서 대전력으로 운전(충방전)시키는 경우, 충방전에 따른 발열도 크며, 전지 모듈을 안전하게 구동시키기 위해서는 각 전지를 냉각시킬 필요가 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하는 것으로, 소형 및 박형화를 실현함과 더불어, 문제가 발생한 전지의 이상 발열로 인한 주위 전지로의 영향을 최소한으로 억제할 수 있음과 더불어, 복수의 전지를 냉각하기 위한 구조를 갖는 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전지 모듈은, 복수의 전지와, 복수의 전지가 배열되어 수납되는 하우징과, 하우징 내에서 복수의 전지를 따르도록 배치되고 내부에 냉매를 갖는 냉각 파이프를 구비하며, 냉각 파이프는, 전지가 소정의 온도 이상으로 상승했을 때에 용해하는 재료로 이루어지는 구성을 채용한다.

이와 같은 구성에 의해, 복수의 전지를 따르도록 배치된 냉각 파이프에 의해, 전지로의 접촉 면적을 크게 하여 냉각 효과를 크게 할 수 있다. 더욱이 전지에 이상이 발생하여 발열한 경우, 냉각 파이프가 녹아 내부로부터 유출된 냉매에 의해, 잠열 효과에 의해 신속하게 전지를 냉각할 수 있다. 그 결과, 통상 운전시에는 충방전에 의한 온도 상승을 억제함과 동시에, 만일 전지가 발화된 경우 등, 전지가 이상 고온이 된 경우에는 전지를 급속 냉각하여 다른 전지로의 열 영향을 억제할 수 있다.

여기서, 전지는 전지의 전극부에, 전지 내에서 발생한 가스를 전지 밖으로 배출하는 개방부를 가지며, 하우징은, 전지의 전극부 주위의 전지 케이스에 접하게 배치된 평판에 의해, 복수의 전지를 수납하는 수납부와, 전극부의 개방부로부터 배출되는 가스를 하우징 밖으로 배기하는 배기실로 구획되고, 전극부의 개방부는 평판에 형성된 관통공을 통해 배기실로 연통되는 것이 바람직하다. 이로써, 전지의 벤트 기구 개방에 의해 분출되는 가스의 배출 공간을 관통공 내로 제한할 수 있다. 따라서 전극부의 개방부로부터 배출되는 가스는 관통공을 통하여 배기실로 배출되고, 또 하우징 밖으로 배출되므로, 인접하는 전지로의 가스 침입을 방지할 수 있다. 그 결과, 전지와 동일 정도 높이인 박형·소형이며 안전성이 높고 신뢰성이 우수한 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또 본 발명에 관한 전지 팩은, 상기 전지 모듈이 복수개, 직렬 접속 및/또는 병렬 접속된다. 이 구성에 의해, 용도에 따라 임의의 전압이나 용량을 구비한 전지 팩을 실현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 소형, 박형화를 실현함과 더불어, 문제가 발생한 전지의 이상 발열에 의한 주위 전지로의 영향을 최소한으로 억제할 수 있으며, 더욱이 내부 전지의 온도 제어가 가능한 전지 모듈을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 모듈을 구성하는 전지의 단면도이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 모듈의 외관 사시도이며, 도 2의 (b)는 (a)의 2B-2B선 단면도이고, 도 2의 (c)는 (b)의 2C부의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 모듈에서 하나의 전지에 이상 발열 등이 발생한 경우에 분출하는 가스의 배기 과정을 설명하는 단면도이며, 도 4의 (b)는 (a)의 4B부의 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태의 전지 모듈의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태의 하우징의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태의 하우징의 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태의 하우징의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태의 배선 기판의 부분확대 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태의 냉각 파이프의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시형태의 전지 모듈을 구성하는 전지의 단면도이다.
도 12의 (a)는 도 11의 전지를 이용한 본 발명의 다른 실시형태의 전지 모듈 단면도이며, 도 12의 (b)는 (a)의 12B부의 확대 단면도이다.
도 13의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시형태의 전지 팩의 조립 사시도이다.

본 발명의 전지 모듈은, 복수의 전지와, 복수의 전지가 배열되어 수납되는 하우징과, 하우징 내에서 복수의 전지를 따르도록 배치되고, 내부에 냉매를 갖는 냉각 파이프를 구비하며, 냉각 파이프는, 전지가 소정의 온도 이상으로 상승했을 때에 용해하는 재료로 이루어진다.

이와 같은 구성에 의해, 복수의 전지를 따르도록 배치된 냉각 파이프에 의해 전지로의 접촉 면적을 크게 하여 냉각 효과를 크게 할 수 있다. 더욱이 전지에 이상이 발생하여 발열된 경우, 냉각 파이프가 녹아 내부로부터 유출된 냉매에 의해, 잠열 효과에 의해 신속하게 전지를 냉각할 수 있다. 그 결과, 통상 운전시에는 충방전에 의한 온도 상승을 억제함과 더불어, 만일 전지가 발화된 경우 등, 전지가 이상 고온이 된 경우에는 전지를 급속 냉각하여, 다른 전지로의 열 영향을 억제할 수 있다.

여기서, 전지는, 전지의 전극부에, 전지 내에서 발생한 가스를 전지 밖으로 배출하는 개방부를 가지며, 하우징은 전지의 전극부 주위의 전지 케이스에 접하게 배치된 평판에 의해, 복수의 전지를 수납하는 수납부와, 전극부의 개방부로부터 배출되는 가스를 하우징 밖으로 배기하는 배기실로 구획되고, 전극부의 개방부는 평판에 형성된 관통공을 통하여 상기 배기실로 연통되는 것이 바람직하다. 이로써, 전지의 벤트 기구 개방에 의해 분출되는 가스의 배출 공간을 관통공 내로 제한할 수 있다. 따라서 전극부의 개방부로부터 배출되는 가스는 관통공을 통하여 배기실로 배출되고, 또 하우징 밖으로 배출되므로, 인접하는 전지로의 가스 침입을 방지할 수 있다. 그 결과, 전지와 동일 정도 높이의 박형·소형이며, 안전성이 높고 신뢰성이 우수한 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또 냉각 파이프는 중공부를 갖는 수지 성형체로 구성되며, 복수의 전지는 중공부의 내벽에 밀착되어 고정되는 것이 바람직하다. 이로써, 냉각 파이프에 의한 냉각 효과를 보다 높일 수 있음과 더불어, 수납부에 수납된 복수의 전지를 냉각 파이프에 의해 용이하게 고정시킬 수 있다.

또한 냉각 파이프는 금속 필름의 양면에 수지층을 형성한 적층 구조로 구성되는 것이 바람직하다. 이로써 냉각 파이프 중으로 공급되는 냉매를 안정되게 유지하여, 장기간에 걸쳐 높은 안전성을 갖는 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또 냉각 파이프는 시트형상인 것이 바람직하다. 이로써, 전지 모듈을 구성하는 각 전지에 냉각 파이프를 넓은 면적에서 접촉시킬 수 있으므로, 효율적으로 전지를 냉각할 수 있다.

여기서, 평판은 배선 기판으로 이루어지며, 전지의 전극부는 배선 기판에 형성된 접속체에 접속되는 것이 바람직하다. 이로써 전원 배선이나 제어 배선 등의 배선 배치에 필요한 공간을 배선 기판에 의해 대폭으로 삭감할 수 있다.

또한 전지의 전극부는 평판의 관통공으로 삽입되는 것이 바람직하다. 이로써, 전극부의 개방부로부터 배출되는 가스를 관통공을 통하여 효율적으로 하우징 밖으로 배출할 수 있다.

또 수납부는 평판에 의해 밀폐 상태로 된다. 이로써, 전극부의 개방부로부터 배출되는 가스를, 다른 전지에 영향을 미치는 일없이 관통공 및 배기실을 통하여 하우징 밖으로 확실하게 배출할 수 있다. 여기서 "밀폐 상태"는, 반드시 완전하게 밀폐된 상태를 의미하는 것이 아니라, 영향을 미치지 않을 정도의 가스가 배기실로부터 수납부로 되돌아가는 식의 밀폐 상태도 포함한다.

본 발명의 전지 팩은, 상기 전지 모듈이 복수개 직렬 접속 및/또는 병렬 접속된다. 이 구성에 의해, 용도에 따라 임의의 전압이나 용량을 구비한 전지 팩을 실현할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 동일부분에는 동일부호를 부여하여 설명한다. 또 본 발명은 본 명세서에 기재된 기본적인 특징에 기초하는 한, 이하에 기재하는 내용에 한정되는 것은 아니다. 또한 이하에서는 전지로서 원통형 리튬이온 등의 비수성 전해질 이차전지(이하, "전지"로 기재함)를 예로 설명하나, 물론 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 모듈을 구성하는 전지의 단면도이다. 그리고 이하에서는 복수의 전지를 병렬로 접속한 전지 모듈을 예로 설명하나, 전지 모듈로서 직렬 접속이라도 된다.

도 1에 나타내는 바와 같이 원통형의 전지는, 예를 들어 알루미늄제 양극 리드(8)를 구비한 양극(1)과, 그 양극(1)과 대향하는, 예를 들어 구리제 음극 리드(9)를 일단에 구비한 음극(2)을 세퍼레이터를 개재하여 감은 전극군(4)을 갖는다. 그리고, 전극군(4)의 상하에 절연판(10a, 10b)을 장착하여 전지 케이스(5)로 삽입하고, 양극 리드(8)의 다른 쪽 단부를 밀봉판(6)에, 음극 리드(9)의 다른 쪽 단부를 전지 케이스(5)의 바닥부에 용접한다. 또한, 리튬이온을 전도하는 비수성 전해질(도시 생략)을 전지 케이스(5) 내로 주입하고, 전지 케이스(5)의 개방 단부를 가스켓(7)을 개재하여 양극 캡(16), PTC 소자 등의 전류 차단 부재(18) 및 밀봉판(6)을 크림핑한 구성을 갖는다. 그리고 양극(1)은 양극 집전체(1a)와 양극활물질을 포함한 양극층(1b)으로 구성된다.

이때, 양극 캡(16)은 전지 케이스(5)의 개방 단부 상면(5A)에서 돌출되어 형성되며, 전극군(4)의 불량으로 인한 안전 밸브 등 벤트 기구(19)의 개방에 의해 발생하는 가스를 배출시키기 위한 개방부(17)가 양극 캡(16)의 측면에 형성된다. 여기서 양극 캡(16)의 상면(5A)으로부터의 돌출량은, 예를 들어 후술하는 배선 기판의 두께 정도이다. 또 이하에서는 양극 캡(16)을 전지 케이스(5) 상면(5A)에서 돌출시켜 형성한 예로 설명하나, 전지 케이스(5)의 상면(5A)과 거의 동일 면에 형성한 전지라도 된다.

여기서 양극층(1b)은, 예를 들어 LiCoO₂나 LiNiO₂, Li₂MnO₄, 또는 이들의 혼합 혹은 복합화합물 등의 리튬함유 복합산화물을 양극활물질로서 포함한다. 또 양극층(1b)은, 추가로 도전제와 결착제를 포함한다. 도전제로서, 예를 들어 천연흑연이나 인조흑연 등의 그라파이트류, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙 및 서머 블랙 등의 카본블랙류를 포함하며, 또 결착제로서, 예를 들어 PVDF, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아라미드 수지, 폴리아미드, 폴리이미드 등을 포함한다.

또, 양극(1)에 이용하는 양극 집전체(1a)로서 알루미늄(Al), 탄소(C), 도전성 수지 등이 사용 가능하다.

비수성 전해질로는, 유기용매에 용질을 용해시킨 전해질 용액이나, 이들을 포함하며 고분자로 비유동화된, 이른바 폴리머 전해질층이 적용 가능하다. 비수성 전해질의 용질로는, LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiAlCl₄, LiSbF₆, LiSCN, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃CO₂), LiN(CF₃SO₂)₂ 등을 이용할 수 있다. 또한 유기용매로는, 예를 들어 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC) 등을 이용할 수 있다.

또, 음극(2)의 음극 집전체(11)는, 스테인리스 스틸, 니켈, 구리, 티타늄 등의 금속박, 탄소나 도전성 수지의 박막 등이 이용된다.

또한, 음극(2)의 음극층(15)으로는 흑연 등의 탄소재료나 규소(Si), 주석(Sn) 등과 같이 리튬이온을 가역적으로 흡장 및 방출하는 이론 용량밀도가 833mAh/㎤를 초과하는 음극활물질을 이용할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에서의 전지 모듈에 대해, 도 2 내지 도 5를 이용하여 상세하게 설명한다.

도 2에서 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 모듈의 외관 사시도이며, 도 2의 (b)는 (a)의 2B-2B선 단면도이고, 도 2의 (c)는 (b)의 2C부 확대 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 모듈의 분해 사시도이다.

도 2의 (a)와 도 3에 나타내는 바와 같이, 전지 모듈(100)은, 예를 들어 폴리카보네이트 수지 등의 절연성 수지재료로 된 하우징(50) 및 이와 끼움결합되는 덮개체(20)를 갖는다.

그리고 도 2의 (a)와 도 3에 나타내는 바와 같이, 하우징(50) 내부에, 복수 전지의 양극 캡(16)을 동일방향으로 나열시켜, 배선 기판(30)의 접속체(32, 34)에 의해 전기적으로 병렬로 접속하여 구성한 전지 유닛(40)이 수납된다. 또 전지의 한쪽 전극부(음극측)인 바닥부를 병렬로 접속한 접속판(33)의 일부로부터 연장시킨 연장부(33A)를 개재하여, 배선 기판(30)에 형성된 접속체(34)와 접속된다.

또한 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 전지 케이스(5)에서 돌출된 양극 캡(16)은, 배선 기판(30)의 각 전지에 대응하여 형성한 관통공(36) 내로 삽입되어, 배선 기판(30)의 접속체(32)와 접속된다. 이때 배선 기판(30)은 전지 케이스(5)와 접하게 밀착되며, 관통공(36)은 양극 캡(16)의 측면에 형성한 개방부(17)를 막지 않도록 틈새(36A)를 갖는다. 이 틈새(36A)에 의해, 전지에 이상이 발생하여 양극 캡(16)의 개방부(17)로부터 분출된 가스를 배출시키는 공간을 형성한다.

그리고 분출된 가스는, 도 2의 (b)와 도 3에 나타내는 바와 같이, 배선 기판(30)의 접속체(32)와 관통공(36)과의 틈새(36A)를 통하여, 하우징(50)의 배기실(24) 공간을 통해 외부와 연통하는 개구부(26)로부터 배출된다.

또 도 2의 (b), 도 3에 나타내는 바와 같이, 전지 모듈(100)을 구성하는 각 전지를 따르도록 냉각 파이프(70)가 배치된다. 그리고 도 2의 (a), 도 3에 나타내는 바와 같이, 하우징(50)에는 냉각 파이프 삽입구(71)가 형성된다. 여기서, 도 2의 (a), 도 3에서는 냉각 파이프(70)를 각 전지 사이에 지그재그로 배치한 구성을 예시하나, 본 발명은 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어 전지 유닛(40)의 전지를 정렬시킨 방향을 따라 한면 또는 양면에 접촉하도록 배치해도 된다.

이하, 도면을 이용하여, 전지 모듈(100)을 구성하는 각 구성요소에 대하여 설명한다.

먼저, 하우징(50)은 도 3에 나타내는 바와 같이, 덮개체(20)와 결합되는 쪽에 개구단을 구비하며, 개구단 쪽에서 복수의 전지를 수납하는 수납부(54)를 갖는다. 이때, 전지가 예를 들어 바깥지름 18㎜, 높이 65㎜인 경우, 수납부(54)의 높이는 65㎜에 접속판(33)의 두께를 가한 정도가 된다.

또 덮개체(20)는, 도 2의 (b)와 도 3에 나타내는 바와 같이, 외주벽(22)에 의해 형성되는 배기실(24)과 외주벽(22) 일부에 형성된 개구부(26)를 구비한다.

또한 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 배선 기판(30)은 예를 들어 유리-에폭시 기판이나 폴리이미드로 이루어지는 내열성 부재(30a)와, 예를 들어 고무 탄성을 갖는 탄성 부재(30b)의 적어도 2층 적층 구조를 갖는다. 그리고 탄성 부재(30b)는 전지 케이스(5)의 상면(5A)과 탄성 변형에 의해 밀착되어 접하므로, 높은 기밀성을 확보할 수 있다. 여기서, 높은 기밀성을 확보할 수 있는 경우에는 특별히 적층 구조의 배선 기판(30)으로 할 필요는 없다. 또 배선 기판(30)은, 관통공(36)으로 삽입된 각 전지의 양극 캡(16)과 접속되는 접속체(32)와, 각 전지의 다른 쪽 전극(예를 들어 음극)을 병렬로 접속하는 접속판(33)의 연장부(33A)를 접속하는 접속체(34)를 가지며, 접속체(32)는 관통공(36)을 완전히 막지 않도록 형성된다. 그리고 접속체(32)나 접속판(33)은, 예를 들어 니켈판이나 구리판, 알루미늄판, 리드선 등으로 구성되며, 구리박 등으로 형성된 접속체(34)와, 예를 들어 납땜을 개재하여 접속된다. 또 양극 캡(16)과 접속체(32)나, 음극과 접속판(33)은, 예를 들어 전기 용접이나 스폿 용접 등에 의해 접속된다.

이로써, 전지 모듈을 구성하는 복수의 전지를 배선 기판을 개재하여 접속할 수 있으므로, 전원 배선이나 제어 배선 등의 배선 배치에 필요한 공간을 대폭으로 삭감할 수 있다. 또 각 전지의 양극 캡의 개방부가, 배선 기판의 관통공에 수납된다. 그 결과, 이상발생 시, 전지로부터 분출된 가스가, 인접하는 전지로 침입할 수 없으므로, 만일 가스가 인화되어 발화되어도, 불꽃의 침입을 방지하여, 그 영향을 확실하게 저지할 수 있다.

냉각 파이프(70)는 변형 가능한 소재로 형성된다. 따라서 각 전지와의 접촉 면적을 크게 할 수 있다. 냉각 파이프(70) 내부에는 물 등의 냉매가 충전되어 있으나, 냉각 효과를 보다 크게 하기 위하여 냉매를 냉각 파이프(70) 내를 유통시켜도 된다.

이하, 본 실시형태의 전지 모듈(100)에서, 병렬로 접속된 복수의 전지 중에서 하나의 전지에 이상 발열 등이 발생한 경우의 전지 모듈(100)의 작용이나 효과에 대하여 도 4를 이용하여 설명한다.

도 4의 (a)는 본 실시형태의 전지 모듈(100)에 있어서, 복수의 전지 중에서 하나의 전지에 이상 발열 등이 발생한 경우에 분출되는 가스의 배기 과정을 설명하는 단면도이며, 도 4의 (b)는 (a)의 4B부의 확대 단면도이다.

먼저, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 하나의 전지가 이상 발열되어 전지 내에 발생한 가스의 가스압 상승에 의해 벤트 기구(예를 들어 안전 밸브)가 작동하여 전지로부터 가스(45)가 분출된다. 그리고 분출된 가스(45)는, 양극 캡(16)의 개방부(17)로부터, 양극 캡(16)이 삽입된 관통공(36)의 틈새(36A)로 분출된다.

다음에, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이 가스(45)는, 틈새(36A)를 충만시키는 일없이, 배선 기판(30)의 접속체(32)에 의해 막히지 않은 관통공(36) 사이로부터 덮개체(20)의 배기실(24)로 배기된다. 그리고 마지막에, 덮개체(20)에 형성된 개구부(26)로부터 전지 모듈(100) 외부로 배출된다.

이때, 이상 전지로부터 가스(45)가 급격히 분출되는 경우, 일반적으로 인화 등으로 인한 발화의 위험성이 높아진다.

그러나 본 발명의 상기 구성의 전지 모듈(100)에 의하면, 관통공(36) 내의 틈새(36A) 내 산소량은 한정되어 있으며, 또 외부로부터 산소가 공급되지 않으므로, 가스로 인화될 가능성은 매우 낮아진다. 그 결과, 배선 기판(30)의 관통공(36)으로부터 가스(45) 상태에서 배기된다. 따라서 가스의 인화로 인한 폭발적인 팽창이 발생하지 않으므로, 전지 모듈이 파열되는 일은 전혀 없다.

본 실시형태에 의하면, 적어도 배선 기판과 하우징에 의해, 전지 모듈을 구성하는 복수의 전지를, 하우징 수납부 내에 밀폐 상태에서 수납하며, 이상이 있는 전지로부터 분출하는 가스는 배선 기판의 관통공 틈새로부터 가스 상태에서 전지 모듈 외부로 배출시킬 수 있다. 그 결과, 가스로의 인화로 인한 발화나 발연 등이 발생하지 않는 안전성이 우수한 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또 적어도 배선 기판과 하우징에 의해, 전지 모듈을 구성하는 복수의 전지를 하우징 수납부 내에 밀폐 상태로 수납할 수 있으므로, 전지를 개별로 수납할 필요는 없다. 그 결과, 전지 모듈을 용이하게 소형화할 수 있다. 또한 전원 배선이나 제어 배선 등의 배선 배치에 필요한 공간을 배선 기판에 의해 대폭으로 삭감할 수 있다. 그 결과, 보다 소형이며 안전성이 높고 신뢰성이 우수한 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는 배선 기판(30)에 의해, 하우징(50)을, 복수의 전지를 수납하는 수납부(54)와, 양극 캡(16)의 개방부(17)로부터 배출되는 가스를 하우징(50) 밖으로 배기하는 배기실(24)로 구획하나, 이에 한정되지 않으며, 접속체(32)가 형성되지 않은 평판에 의해 수납부(54)와 배기실(24)을 구획하도록 해도 된다.

또 본 실시형태에서는 하우징(20)을 폴리카보네이트 수지 등의 절연성 재료로 구성한 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 알루미늄 등의 금속 재료나, 이를 절연성 수지로 피복한 구성으로 해도 된다. 이로써, 기계적 강도를 향상시키고 보다 얇은 덮개체로 하여, 전지 모듈을 더욱 소형화할 수 있다. 또한 금속 재료의 높은 열 전도성에 의해, 분출하는 가스의 냉각성을 높여, 더욱 인화 등이 발생하기 어려운 신뢰성 높은 전지 모듈이 얻어진다. 또 분출하는 고온 가스로 인한 덮개체의 용융에 의한 구멍 발생을 방지하고, 구멍으로부터의 산소 공급으로 인한 인화 등을 방지하여, 배기실을 통하여 확실하게 가스를 배기시킬 수 있다.

또한 냉각 파이프(70)는 금속 필름 양면에 수지층을 형성한 적층 구조로 구성되는 것이 바람직하다. 이로써, 냉각 파이프(70) 중으로 공급되는 냉매를 안정되게 유지하여, 장기간에 걸쳐 높은 안전성을 갖는 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또 냉각 파이프는 시트형상인 것이 바람직하다. 이로써, 전지 모듈(100)을 구성하는 각 전지에 냉각 파이프(70)를 넓은 면적에서 접속시킬 수 있으므로, 효율적으로 전지를 냉각할 수 있다.

또한 냉각 파이프(70)를 구성하는 재료는, 전지가 이상 발열되었을 때의 열에 의해 용해되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 전지에 이상이 발생하여 발열(30℃ 이상)된 경우에는 냉각 파이프(70)가 녹아 내부의 냉매가 유출된다. 유출된 냉매는 잠열 효과에 의해 신속히 전지를 냉각할 수 있다. 이로써, 통상 운전시에는 충방전에 의한 온도 상승을 억제함과 더불어, 만일 전지가 발화된 경우 등 전지가 이상 고온이 된 경우에는 전지를 급속 냉각하여, 다른 전지로의 열 영향을 억제할 수 있다.

이와 같은 재료로서, 알루미늄박 양면에 변성 폴리에틸렌(융점: 60℃∼120℃) 등을 라미네이트 가공한 시트를 주머니형으로 한 것을 들 수 있다. 이상시에 용해되어 파막(破膜)하는 것을 고려하면, 알루미늄박 두께는 90㎛∼120㎛ 범위가 바람직하다.

또 본 실시형태에서는, 하우징(50)과 덮개체(20)의 결합에 의해, 덮개체(20)의 외주벽(22)과 하우징(50) 및 각 전지 케이스(5) 상면(5A)에 의해 배선 기판(30)을 유지하는 구조를 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 5의 전지 모듈 분해 사시도에 나타낸 바와 같이, 덮개체(20)와 배선 기판(30) 사이에, 배선 기판(30)을 지지하는 지지 부재(65)를 개재시켜도 된다. 여기서, 도 5에는 냉각 파이프(70)를 도시하지 않는다.

이때, 지지 부재(65)는 적어도 배선 기판(30)의 외주부를 지지하는 외주 프레임(66)과, 하우징(50) 및 각 전지 케이스(5) 상면(5A)과의 접촉위치와 대향하는 위치에 형성한 지지부(68)로 구성된다. 이때, 지지 부재(65)의 지지부(68)에 의해 덮개체(20)의 배기실 공간이 좁아지는 경우에는, 지지부(68)의 일부에 덮개체(20)의 개구부로 연통되도록 오목부 또는 구멍 등을 형성해도 된다. 이로써, 하우징(50) 및 각 전지 케이스(5) 상면(5A)과 지지 부재(65)의 지지부(68)에 의해 배선 기판(30)을 확실하게 고정시킬 수 있다. 그 결과, 분출하는 가스의 압력에 의한 배선 기판의 변형을 억제하여, 인접하는 전지의 전지 본체로의 열이나 가스의 침입을 더 효율적으로 억제하며, 신뢰성 및 안전성을 더욱 향상시킨 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또 상기 지지 부재(65)를 형성하는 대신, 도 6에 나타내는 바와 같이, 하우징(20)의 배기실(24)에, 하우징(50) 및 각 전지 케이스(5) 상면(5A)과 대향하는 위치에, 개구공(28A)을 갖는 리브부(28)를 형성해도 된다. 여기서, 도 6에서 냉각 파이프(70)는 도시하지 않는다. 이로써, 하우징(50) 및 각 전지 케이스(5) 상면(5A)과 덮개체(20) 리브부(28)에 의해 배선 기판(30)을 고정할 수 있음과 동시에, 전지 모듈을 보다 소형으로 또는 박형으로 할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는, 배선 기판에 접속체 등의 전원 배선을 형성한 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 각 전지의 전압을 검출하는 전압 검출 배선이나, 온도를 검출하는 온도 검출 배선을 배선 기판에 배치해도 된다. 이때, 온도 검출 배선에는, 예를 들어 서미스터 등의 온도 검출 소자가 접속되며, 온도 검출 소자를 각 전지와 접촉시켜 온도를 검출할 수 있다. 이로써 복수 전지의 전압 및 온도를 개별로 검출하여 제어할 수 있다. 그 결과, 전지특성의 차나 경시적 변화 등을 고려하여 제어할 수 있으므로, 신뢰성이나 안전성을 더욱 높일 수 있다. 여기서, 전압 검출 배선이나 온도 검출 배선의 배선 기판 상에서의 패턴 폭은, 전원 배선의 패턴 폭에 비해 대폭으로 좁게 할 수 있다. 이는, 전원 배선은 커다란 전류가 흐르므로 배선저항에 의한 전력 손실을 저감시킬 필요가 있으나, 전압 검출 배선이나 온도 검출 배선은 미세한 전류에 의해 검출할 수 있기 때문이다. 따라서 전원 배선과, 복수 쌍의 전압 검출 배선과 온도 검출 배선을 효율적으로 배치하여 배선 기판에 형성할 수 있으므로, 배선에 필요한 공간을 대폭으로 삭감할 수 있다.

또 본 실시형태에서는 하우징 한쪽에 개구단을 갖는 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 7에 나타내는 바와 같이 하우징(50)으로서, 복수의 전지를 수납하는 양단에 개구단을 갖는 프레임체(50A)와, 그 한쪽 개구단을 막는 폐색 부재(50B)로 구성해도 된다. 이 경우도, 냉각 파이프 삽입구(70)는 도시하지 않는다.

이로써, 전지 모듈을 구성하는 복수의 전지와, 배선 기판이나 접속판과의 접속 등의 조립성이나 작업성을 향상시켜, 생산성이 우수한 전지 모듈을 실현할 수 있다. 또 도 7에 나타낸 프레임체(50A) 대신, 도 8에 나타내는 바와 같이 각 전지를 개별 수납하는 격벽부(52)를 갖는 프레임체(50C)로 해도 된다. 이로써, 이상 전지의 이상 발열로 인한, 인접하는 전지로의 열 전달이나 방열을 격벽부(52)에 의해 더욱 억제할 수 있으므로, 보다 신뢰성이나 안전성이 우수한 전지 모듈을 실현할 수 있다.

또 본 실시형태에서는, 배선 기판에 형성한 관통공의 형상으로서, 두께방향에서 동일형상인 경우를 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 9에 나타내는 바와 같이, 전지 케이스의 상면과 밀착되는 관통공의 크기를, 접속체(32)측 관통공의 크기보다 작게 해도 된다. 이로써, 전지의 양극 캡 개방부로부터 분출하는 가스의 덮개체 배기실로의 배출 효율을 높일 수(배출저항을 저감할 수) 있다. 또한 전지 본체의 상면과의 밀착 면적을 확대하고, 전지 본체측으로의 가스 침입을 대폭으로 억제하여, 신뢰성이나 안전성을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 실시형태에서는 전지 모듈의 충방전이나 온도 또는 전압을 검출하여 제어하는 제어 회로에 대해서는 특별히 설명이나 도시를 하지 않으나, 제어 회로를 전지 모듈 외부나 내부에 형성해도 됨은 물론이다. 또 냉각 파이프(70)에 냉매를 공급 또는 순환시키는 장치를 설치해도 된다.

또한 본 실시형태에서는 전지 모듈을 구성하는 전지로서 원통형 전지를 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 각형 전지라도 된다.

또 본 실시형태에서는 복수의 전지를 병렬 접속한 전지 모듈을 예로 설명했으나, 직렬 접속으로 구성해도 된다. 양극 캡(16)이 동일 측이 되도록 배치하면서, 인접하는 전지와 직렬 접속되는 접속구조를 적용함으로써, 배기 경로에 관한 효과를 얻을 수 있다. 또한 냉각 파이프(70)에 의한 효과는, 양극 캡(16)이 교대로 배치되도록 각 전지를 배치한 경우에도 발휘할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는 금속 필름 양면에 수지층이 형성된 변형 가능한 적층 구조로 이루어진 냉각 파이프를, 전지를 내장시킨 하우징에 설치한 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 10에 나타내는 바와 같이 냉각 파이프(70A)는 중공부를 갖는 수지 성형체로 구성해도 된다. 이 경우, 전지 모듈을 구성하는 복수의 전지는 중공부의 내벽에 밀착시켜 고정시킬 수 있으며, 냉각 효과를 보다 높일 수 있다. 구체적으로 냉각 파이프(70A)는 폴리프로필렌(PP, 융점: 130℃∼170℃) 등, 블로우 성형이나 압공 성형으로 성형된 소정 형상의 수지 성형품으로 형성할 수 있다. 이 경우, 도 10에 나타내는 바와 같이 예를 들어 상하 2개의 부재(80A, 80B)를 형성하고, 그 계면을 예를 들어 진동 용착, 레이저 용착, 초음파 용착 또는 핫 와이어 용착 등에 의해 실링으로 밀폐하여 냉각 파이프(70A)를 형성해도 된다. 또 일체 성형에 의해 일괄 형성해도 되며, 이로써 냉각 파이프를 하우징과 겸용함으로써 소형화할 수 있다. 또한 하우징과 동일 크기로 하는 경우, 냉각 파이프에 충전 또는 순환시키는 냉매의 양을 많게 할 수 있으므로 냉각성능이 향상된다. 한편, 냉매의 양을 냉각 파이프(70A)와 동일 양으로 하는 경우, 전지 모듈을 소형화할 수 있다. 또 수지 성형품으로 된 냉각 파이프에 의해, 조립성이나 작업성이 향상되어, 생산성이 우수한 전지 모듈을 실현할 수 있다.

그리고 상기 실시형태에서는 전극부인 양극 캡(16)이 전지 케이스(5)의 상면(5A)에서 돌출된 전지 형상을 예로 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 11과 도 12를 이용하여 설명하는 바와 같이, 양극 캡(16)을 전지 케이스(5)의 상면(5A)과 거의 동일 면에 형성한 전지에 의해 전지 모듈을 구성해도 된다.

도 11은 본 발명의 다른 실시형태에 있어서 전지 모듈을 구성하는 전지의 형상을 설명하는 단면도이다. 도 12의 (a)는 도 11의 전지를 이용한 본 발명의 다른 실시형태의 전지 모듈 단면도이며, 도 12의 (b)는 도 12의 (a)의 12B부의 확대 단면도이다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 전지 케이스(5)의 상면(5A)과 거의 동일 면에 형성한 양극 캡(16)과, 양극 캡(16)과 대응하는 위치에 관통공(36)을 형성한 배선 기판(30)의, 아래방향으로 볼록부(32C) 형상을 갖는 접속체(32)를 접속시킨 점에서 상기 실시형태와 다르다. 또 다른 구성은 상기 실시형태와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

이로써 상기 실시형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또 전지의 전극부 양극 캡의 위치관계에 상관없이, 박형이며 소형의 전지 모듈(200)을 실현할 수 있다. 여기서, 상기 실시형태에서 설명한 다른 예를 적용할 수 있음은 물론이다.

다음에 본 발명의 일 실시형태의 전지 팩에 대하여 도 13을 이용하여 설명한다.

도 13의 (a), (b)는 본 발명의 일 실시형태에 있어서 전지 팩의 조립 사시도이다. 도 13의 (a)는 상기 실시형태의 전지 모듈을 4개 나열 배치하고 접속 부재(450)에 의해 접속하여 전지 팩(400)을 구성한 것이다. 또 도 13의 (b)는 상기 실시형태의 전지 모듈을 2개 나열 배치함과 동시에, 그것을 세로로 2단 겹쳐 접속 부재(550)에 의해 접속하여 전지 팩(500)을 구성한 것이다. 이때, 접속 부재는, 각 전지 모듈을 병렬 접속 또는 직렬 접속, 혹은 직렬 접속과 병렬 접속을 조합하여 접속 부재를 개재하여 접속함으로써 전지 팩이 구성된다.

본 실시형태에 의하면, 용도에 따라, 필요한 전압이나 전기 용량을 갖는 범용성 높은 전지 팩을, 배치 공간을 고려하여 임의로 조합함으로써 용이하게 실현할 수 있다.

또 본 실시형태에 의하면, 어느 하나의 전지 모듈에 문제가 생겨도, 분출되는 가스가 인화되는 일없이, 가스 상태로 외부로 배기시킬 수 있다. 그 결과, 가스의 인화로 인한 폭발적인 팽창이 발생하지 않으므로, 전지 모듈이 파열되는 일이 전혀 없는, 안전하고 신뢰성이 우수한 전지 팩을 실현할 수 있다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명은, 자동차, 자전거나 전동공구 등, 특히 하이브리드 자동차나 전기자동차 등 고용량, 고전압이 필요하며, 더욱이 높은 신뢰성과 안전성이 요구되는 전지 모듈로서 유용하다.

1 : 양극 1a : 양극 집전체
1b : 양극층 2 : 음극
3 : 세퍼레이터 4 : 전극군
5 : 전지 본체 5A: 상면
6 : 밀봉판 7 : 가스켓
8 : 양극 리드 9 : 음극 리드
10a, 10b : 절연판 11 : 음극 집전체
15 : 음극층 16 : 양극 캡(전극부)
17 : 개방부 18 : 전류 차단 부재
19 : 벤트 기구 20 : 덮개체
22 : 외주벽 24 : 배기실
26 : 개구부 28 : 리브부
28A : 개구공 30 : 배선 기판(평판)
30a : 내열성 부재 30b : 탄성 부재
32, 34 : 접속체 32C : 볼록부
33 : 접속판 33A : 연장부
36 : 관통공 36A : 틈새
40 : 전지 유닛 45 : 가스
50 : 하우징 50A, 50C : 프레임체
50B : 폐색 부재 52 : 격벽부
54 : 수납부 65 : 지지 부재
66 : 외주 프레임 68 : 지지부
70, 70A : 냉각 파이프 71 : 냉각 파이프 삽입구
80A, 80B : 부재 100, 200 : 전지 모듈
400, 500 : 전지 팩 450, 550 : 접속 부재

Claims (10)

1. 복수의 전지와,
   상기 복수의 전지가 배열되어 수납되는 하우징과,
   상기 하우징 내에서 상기 복수의 전지를 따르도록 배치되며, 내부에 냉매를 갖는 냉각 파이프와,
   상기 전지의 전극부 주위의 전지 케이스에 접하게 배치된 평판을 구비하며,
   상기 냉각 파이프는 금속 필름의 양면에 수지층을 형성한 적층 구조를 가지며, 상기 수지층은 상기 전지가 소정의 온도 이상으로 상승했을 때에 용해하는 재료로 이루어지며,
   상기 전지의 전극부는 접속체를 통해 상기 평판에 접속되어 있는
   전지 모듈.
2. 복수의 전지와,
   상기 복수의 전지가 배열되어 수납되는 하우징과,
   상기 하우징 내에서 상기 복수의 전지를 따르도록 배치되며, 내부에 냉매를 갖는 냉각 파이프를 구비하며,
   상기 전지는 이 전지의 전극부에 상기 전지 내에서 발생한 가스를 전지 밖으로 배출하는 개방부를 가지며,
   상기 하우징은, 상기 전지의 전극부 주위의 전지 케이스에 접하게 배치된 평판에 의해, 상기 복수의 전지를 수납하는 수납부와, 상기 전극부의 개방부로부터 배출되는 가스를 상기 하우징 밖으로 배기하는 배기실로 구획되고, 상기 전극부의 개방부는 상기 평판에 형성된 관통공을 통해 상기 배기실로 연통되어 있고, 상기 냉각 파이프는 상기 전지가 소정의 온도 이상으로 상승했을 때에 용해하는 재료로 이루어지며,
   상기 전지의 전극부는 접속체를 통해 상기 평판에 접속되어 있는
   전지 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각 파이프는 중공부를 갖는 수지 성형체로 이루어지며,
   상기 복수의 전지는 상기 중공부의 내벽에 밀착하여 고정되는
   전지 모듈.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각 파이프는 시트형상인
   전지 모듈.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 평판은 배선 기판으로 이루어지며,
   상기 전지의 전극부는 상기 배선 기판에 형성된 접속체에 접속되는
   전지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전지의 전극부는 상기 평판의 관통공으로 삽입되는
   전지 모듈.
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 수납부는 상기 평판에 의해 밀폐 상태로 되는
   전지 모듈.
9. 제 1 항 내지 제 3 항, 또는 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 전지 모듈이 복수개 배열된 전지 팩으로서, 각 전지 모듈은 직렬 접속 또는 병렬 접속, 혹은 직렬 접속과 병렬 접속을 조합하여 접속되는
   전지 팩.
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 접속체는 상기 평판에 형성된 관통공을 통해 상기 전극부와 상기 평판을 접속하는
    전지 모듈.

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