KR20060037605A - 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

각 단위 전지 내에서의 온도 편차를 최소화하는 것이 가능하도록, 한쪽면에는 공기가 유입되는 유입부가 형성되고 이웃하는 양쪽 측면에는 공기가 배출되는 배출부가 형성되는 하우징과, 하우징의 내부에 적층되어 설치되는 복수의 단위 전지와, 적층되는 단위 전지 사이의 간격을 일정하게 유지하며 하우징의 유입부로부터 유입되는 공기를 각 단위 전지의 중간지점에서 양쪽으로 나누어 하우징의 양쪽 측면에 형성된 배출부로 배출되도록 안내하는 하나이상의 유로형성부재를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
이차 전지, 전지 모듈, 냉각, 공기, 유로, 유동방향, 격벽, 단위 전지, 경사, 온도 분포

Description

전지 모듈 {Secondary Battery Module}
도 1은 본 발명에 따른 전지 모듈의 일실시예를 개략적으로 나타내는 부분단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전지 모듈의 일실시예에 있어서 단위 전지와 유로형성부재의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전지 모듈의 일실시예에 있어서 단위 전지와 유로형성부재의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전지 모듈의 일실시예에 있어서 유로형성부재의 다른 실시예를 나타내는 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전지 모듈의 다른 실시예에 있어서 단위 전지와 유로형성부재의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전지 모듈의 다른 실시예에 있어서 유로형성부재의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전지 모듈의 다른 실시예에 있어서 유로형성부재의 또 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 전지 모듈의 다른 실시예에 있어서 유로형성부재의 또 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 종래 전지 모듈에 있어서 공기의 이동거리를 나타내는 단위 전지의 측면도이다.
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 단위 전지를 연결하여 구성하고 전체적으로 고르게 냉각이 이루어지도록 냉각 공기의 흐름을 형성하는 전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전 및 방전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지로, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 카메라, 캠코더 등의 휴대용 소형 전자기기에는 하나의 전지 셀로 이루어지는 이차전지를 주로 사용하며, 하이브리드 전기 자동차(HEV), 전기 자동차(EV) 등의 모터 구동용 전원으로는 다수의 전지 셀(이하 "단위 전지"라 한다)을 연결하여 이루어지는 대용량 이차전지(이하 "전지 모듈"이라 한다)를 주로 사용한다.
상기 전지 모듈을 이루는 각각의 단위 전지는 양극판과 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 삽입하여 이루어지는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 밀폐하는 캡 조립체와, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체의 양극판 및 음극판과 각각 전기적으로 연결되는 양극단자 및 음극단자로 구성된다.
그리고 각각의 단위 전지는 통상 각형 전지의 경우 캡 조립체 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위 전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 각 단위 전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자 사이에 너트를 이용하여 도전체를 연결하여 전지 모듈을 구성한다.
상기 전지 모듈은 수∼수십개의 단위 전지를 연결시켜 하나의 전지 모듈을 구성하므로, 각 단위 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있도록 구성하는 냉각구조와 안전수단, 시스템 회로 등이 구비되어 전체적인 부피가 커지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 전지 모듈을 구성하는 단위 전지의 간격을 줄여 크기를 줄이는 방법이 사용되지만, 이 경우 단위 전지에서 발생되는 열을 방열시키기 힘들다는 또 다른 문제가 발생한다.
따라서 전지 모듈을 설계하는 데 있어서는 부피를 최소화하여야 함은 물론 각 단위 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야 한다. 각 단위 전지에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하지 못하는 경우에는 전지 모듈의 온도 상승을 초래하게 되고, 각 단위 전지의 성능을 저하시키고, 결과적으로 전지 모듈이 적용되는 기기의 오작동을 초래하게 된다.
특히, HEV(Hybrid Electric Vehicle)용, EV(Electric Vehicle)용 등의 고출력 대용량 전지 모듈의 경우에는 열의 방출이 무엇보다 중요하며, 전지 모듈의 크기가 커지는 경우에는 자체의 무게가 증가될 뿐 아니라 전지 모듈이 탑재되는 기기(특히 차량)의 설계가 곤란해지는 문제가 있다.
따라서 고출력 대용량이 요구되는 전지 모듈의 경우에는 크기를 최소화하면 서 방열 특성을 향상시킬 수 있는 전지 모듈의 개발이 매우 필요한 실정이다.
그리고 종래 전지 모듈은 각 단위 전지 사이에 냉각용 공기의 유통을 위한 공간을 확보하고 구조적으로 단위 전지의 변형을 방지하기 위하여 격벽을 설치하며, 상기 단위 전지와 격벽의 조립체를 하우징에 내장시키고, 단위 전지의 온도를 제어하기 위한 냉각 공기를 하우징의 내부에 공급하여 상기 격벽을 통하여 냉각 공기를 유통시키므로 각각의 단위 전지에서 발생하는 열을 냉각시키도록 구성된다.
그러나 종래 전지 모듈의 냉각방식에 있어서는 도 10에 나타낸 바와 같이, 단위 전지나 격벽의 한쪽으로부터 가로질러 냉각 공기가 이동하므로 유입되는 쪽의 온도(Ti)와 배출되는 쪽의 온도(Tf) 사이에 차이가 발생하게 되고, 하나의 단위 전지 내에서도 공기의 이동거리(L)에 따른 온도 편차가 발생하며, 전체적인 전지 모듈의 충, 방전 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공기를 각 단위 전지의 한쪽면에서 유입하고 이웃하는 양쪽 측면으로 배출하도록 구성하여 각 단위 전지 내에서의 온도 편차를 최소화하는 것이 가능한 전지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 전지 모듈은 한쪽면에는 공기가 유입되는 유입부가 형성되고 이웃하는 양쪽 측면에는 공기가 배출되는 배출부가 형성되는 하우징과, 하우징의 내부에 적층되어 설치되는 복수의 단위 전지와, 상기 적층되는 단위 전지 사 이의 간격을 일정하게 유지하며 상기 하우징의 유입부로부터 유입되는 공기를 각 단위 전지의 중간지점에서 양쪽으로 나누어 상기 하우징의 양쪽 측면에 형성된 배출부로 배출되도록 안내하는 하나이상의 유로형성부재를 포함하여 이루어진다.
상기 유로형성부재는 적층되는 상기 단위 전지가 서로 마주하는 측면 중 적어도 한쪽 측면에 일체로 설치하는 것도 가능하고, 적층 되는 상기 단위 전지 사이에 별도의 부재로 형성하여 설치하는 것도 가능하다.
상기 유로형성부재에 의하여 형성되는 유로는 직선형상을 이루도록 구성하는 것도 가능하고, 곡선형상을 이루도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 유로형성부재에 의하여 형성되는 유로는 상기 단위 전지의 모서리와 소정의 각도를 갖도록 경사지게 구성한다.
다음으로 본 발명에 따른 전지 모듈의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 전지 모듈의 일실시예는 도 1∼도 4에 나타낸 바와 같이, 한쪽면에는 공기가 유입되는 유입부(12)가 형성되고 이웃하는 양쪽 측면에는 공기가 배출되는 배출부(14)가 형성되는 하우징(10)과, 하우징(10)의 내부에 적층되어 설치되는 복수의 단위 전지(20)와, 상기 적층되는 단위 전지(20) 사이의 간격을 일정하게 유지하며 상기 하우징(10)의 유입부(12)로부터 유입되는 공기를 각 단위 전지(20)의 중간지점에서 양쪽으로 나누어 상기 하우징(10)의 양쪽 측면에 형성된 배출부(14)로 배출되도록 안내하는 하나이상의 유로형성부재(30)를 포함하여 이루어진다.
상기 유로형성부재(30)는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 적층되는 상기 단위 전지(20)가 서로 마주하는 측면 중 적어도 한쪽 측면에 일체로 설치하여 이루어진다.
상기 유로형성부재(30)는 상기 단위 전지(20)의 측면에 유로(32)를 형성하도록 소정의 높이로 돌출되는 돌기형상으로 형성 설치한다.
상기 유로형성부재(30)는 상기 하우징(10)의 유입부(12)쪽에 위치하는 상기 단위 전지(20)의 양쪽 꼭지점을 중심으로 소정의 간격을 두고 배열하여 설치한다.
상기 유로형성부재(30)에 의하여 형성되는 유로(32)는 상기 단위 전지(20)의 모서리(상기 하우징(10)의 유입부(12) 및/또는 배출부(14)쪽에 위치하는 모서리)와 소정의 각도를 갖도록 경사지게 구성한다.
상기 유로형성부재(30)는 이웃하여 위치하는 단위 전지(20) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연물질(비도전성 재료)을 이용하여 형성한다.
상기 유로형성부재(30)는 별도의 부재로 형성하여 접착제 등을 이용하여 각 단위 전지(20)의 한쪽 측면에 설치하는 것도 가능하다.
상기 유로형성부재(30)는 상기 하우징(10)의 유입부(12)쪽에 위치하는 단위 전지(20) 모서리의 중간지점에는 양쪽으로 나누어 유입되는 공기를 이동시키도록 돌출 설치하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 유로형성부재(30)는 가능하면 단위 전지(20)의 모서리까지 연장되지 않도록 각 단위 전지(20)의 측면 내부 영역에 돌출 설치하는 것이 유입부(12)와 배출부(14)쪽에서 공기의 흐름을 서로 구분하여 단절시키지 않게 되므로 바람직 하다.
상기 유로형성부재(30)에 의하여 형성되는 유로(32)는 직선형상을 이루도록 구성하는 것도 가능하고, 곡선형상을 이루도록 구성하는 것도 가능하다. 즉 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 유로형성부재(30)를 원호형상으로 형성하여 설치하는 것에 의하여 유로(32)를 곡선형상으로 형성하는 것도 가능하고, 도 5에 나타낸 바와 같이 상기 유로형성부재(30)를 직선형상으로 형성하여 설치하는 것에 의하여 유로(32)를 직선형상으로 형성하는 것도 가능하다.
상기와 같이 유로(32)를 형성하게 되면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 한쪽 꼭지점을 중심으로 단위 전지(20) 폭(L)의 반(1/2)을 반지름으로 하는 사분원형상으로 형성되는 유로(32)의 경로(R) 길이가 π x L/4 ≒ 0.78L로 이루어지며, 도 10에 나타낸 종래 공기의 이동거리(L)에 비하여 작아진다. 특히 상기의 경우는 유로(32)의 길이가 긴 경로(R)를 예로 들어 설명한 것으로, 실제 전체 유로(32)의 길이를 적분하여 평균하면 종래에 비하여 유로(32)의 평균 길이가 더 작아지게 된다. 따라서 상기 하우징(10)의 유입부(12)에 근접한 부분의 온도와 상기 하우징(10)의 배출부(14)에 근접한 부분의 온도 사이의 차이가 크게 감소한다.
그리고 본 발명에 따른 전지 모듈의 다른 실시예는 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 하우징(10)에 내장되는 단위 전지(20) 사이에 유입부(12)로 유입된 공기를 배출부(14)쪽으로 안내하며 단위 전지(20) 사이의 간격을 일정하게 유지하도록 판형상의 유로형성부재(31)를 설치한다.
상기 유로형성부재(31)는 이웃하여 위치하는 단위 전지(20) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연물질(비도전성 재료)을 이용하여 형성한다.
상기 유로형성부재(31)는 일종의 격벽으로 기능하며, 도 6에 나타낸 바와 같이, 판형상의 유로판(33)에 유로(32)를 형성하기 위한 하나이상의 안내돌기(34)를 돌출하여 형성하여 이루어진다.
상기에서 안내돌기(34)의 구체적인 형상 및 설치구조는 상기한 일실시예의 유로형성부재(30)와 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 안내돌기(34)는 상기 하우징(10)의 유입부(12)쪽에 위치하는 상기 유로판(33)의 양쪽 꼭지점을 중심으로 소정의 간격을 두고 배열하여 설치한다.
상기 안내돌기(34)는 형성되는 유로(32)가 곡선형상을 이루도록 원호형상으로 형성하여 상기 하우징(10)의 유입부(12)쪽에 위치하는 상기 유로판(33)의 양쪽 꼭지점을 중심으로 일정한 간격을 두고 설치한다.
상기 안내돌기(34)는 유로판(33)에 일체로 형성하는 것도 가능하고, 별도의 부재로 형성하여 유로판(33)에 접착제 등을 이용하여 설치하는 것도 가능하다.
상기 안내돌기(34)는 도 6에 나타낸 바와 같이 유로판(33)의 한쪽면에만 설치하는 것도 가능하고, 도 7에 나타낸 바와 같이 유로판(33)의 양쪽면에 설치하는 것도 가능하다.
그리고 상기 유로형성부재(31)는 도 8에 나타낸 바와 같이, 유로판(33)의 내부에 형성하는 안내구멍(35)으로 유로를 형성하는 것도 가능하다.
또 상기 유로형성부재(31)는 도 9에 나타낸 바와 같이, 유로판(33)의 한쪽 또는 양쪽 측면에 형성하는 안내홈(36)으로 유로를 형성하는 것도 가능하다.
상기한 안내구멍(35) 및 안내홈(36)의 구체적인 구성은 상기한 일실시예의 유로형성부재(30)에 의하여 형성되는 유로(32)에 대응하는 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 안내구멍(35) 및 안내홈(36)은 상기 하우징(10)의 유입부(12)쪽에 위치하는 상기 유로판(33)의 양쪽 꼭지점을 중심으로 소정의 간격을 두고 배열하여 형성한다.
상기 안내구멍(35) 및 안내홈(36)은 형성되는 유로가 곡선형상을 이루도록 원호형상으로 형성하여 상기 하우징(10)의 유입부(12)쪽에 위치하는 상기 유로판(33)의 양쪽 꼭지점을 중심으로 일정한 간격을 두고 설치한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어서, 모터를 구동하기 위한 에너지원(모터 구동용)으로 사용하는 것이 가능하며, 이외에도 고출력/대용량을 요구받는 다양한 용도로 사용하는 것이 가능하다.
상기에서는 본 발명에 따른 전지 모듈의 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 속한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 전지 모듈에 의하면, 단위 전지를 냉각하기 위하여 유입되는 공기가 배출되기까지의 이동거리가 크게 단축되므로 유입부와 배출부의 온도 편차가 작다. 따라서 전체적인 전지 모듈의 충, 방전 효율이 효과적으로 유지하는 것이 가능하다.

Claims (10)

  1. 한쪽면에는 공기가 유입되는 유입부가 형성되고 이웃하는 양쪽 측면에는 공기가 배출되는 배출부가 형성되는 하우징과,
    하우징의 내부에 적층되어 설치되는 복수의 단위 전지와,
    상기 적층되는 단위 전지 사이의 간격을 일정하게 유지하며 상기 하우징의 유입부로부터 유입되는 공기를 각 단위 전지의 중간지점에서 양쪽으로 나누어 상기 하우징의 양쪽 측면에 형성된 배출부로 배출되도록 안내하는 하나이상의 유로형성부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로형성부재는 적층되는 상기 단위 전지가 서로 마주하는 측면 중 적어도 하나의 측면에 유로를 형성하도록 소정의 높이로 돌출하여 일체로 설치하는 전지 모듈.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 유로형성부재는 상기 하우징의 유입부쪽에 위치하는 상기 단위 전지의 양쪽 꼭지점을 중심으로 소정의 간격을 두고 배열하여 설치하는 전지 모듈.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 유로형성부재는 형성되는 유로가 곡선형상을 이루도록 원호형상으로 형성하여 상기 하우징의 유입부쪽에 위치하는 상기 단위 전지의 양쪽 꼭지점을 중심으로 일정한 간격을 두고 설치하는 전지 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 유로형성부재는
    상기 단위 전지 사이에 격벽으로 설치하며,
    판형상의 유로판과, 상기 유로판에 유입부로 유입된 공기가 양쪽으로 나뉘어 배출부로 배출되도록 유로를 형성하기 위하여 돌출하여 형성하는 하나이상의 안내돌기로 이루어지는 전지 모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 안내돌기는 유로판의 한쪽 또는 양쪽 측면에 설치하는 전지 모듈.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 안내돌기는 상기 하우징의 유입부쪽에 위치하는 상기 유로판의 양쪽 꼭지점을 중심으로 소정의 간격을 두고 배열하여 설치하는 전지 모듈.
  8. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 안내돌기는 형성되는 유로가 곡선형상을 이루도록 원호형상으로 형성하여 상기 하우징의 유입부쪽에 위치하는 상기 유로판의 양쪽 꼭지점을 중심으로 일 정한 간격을 두고 설치하는 전지 모듈.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 유로형성부재는
    상기 단위 전지 사이에 격벽으로 설치하며,
    판형상의 유로판 내부에 유입부로 유입된 공기가 양쪽으로 나뉘어 배출부로 배출되도록 유로를 형성하기 위한 하나이상의 안내구멍을 형성하여 이루어지는 전지 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 유로형성부재는
    상기 단위 전지 사이에 격벽으로 설치하며,
    판형상의 유로판 내부에 유입부로 유입된 공기가 양쪽으로 나뉘어 배출부로 배출되도록 유로를 형성하기 위한 하나이상의 안내홈을 형성하여 이루어지는 전지 모듈.
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