KR20060060458A - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단위 전지로부터 발산되는 열을 용이하게 방출시킬 수 있도록, 일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 냉매가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 단위전지가 전지 모듈의 하우징에 중앙통로의 길이방향으로 지그재그 형태로 배치되어 일부만이 중첩되는 전지 모듈을 제공한다.

단위 전지, 하우징, 전지 모듈, 냉각 효과

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성함에 있어서, 단위 전지의 배열 구조를 개선하여 냉각 효율을 향상시킨 전지 모듈에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지 복수 개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

이와 같이 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 밀폐하고 상기 극판과 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체를 포함한다.

그리고 각각의 단위전지는 통상 하우징 내에서 일정 간격으로 배열 장착되고 각 단위 전지의 단자를 연결하여 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 하며, 더욱이 하이브리드 전기 자동차를 포함하는 모터 구동용으로 이용되는 이차 전지의 경우 열 방출은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.

열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우 각 단위전지에서 발생되는 열은 전지모듈의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 상기 전지모듈이 적용된 기기의 오작동을 유발시키게 된다.

특히, 차량용으로 사용되는 하이브리드 전기 자동차용 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 전지의 성능을 저하시키게 된다.

이에 근거하여 종래의 전지 모듈은 하우징 내에 수개의 단위 전지를 나란히 배열하고 각 단위 전지 사이에는 냉매가 유통할 수 있는 통로가 형성된 전지격벽을 설치하여 단위 전지를 냉각시키고 단위 전지 사이의 간격을 유지시키는 구조로 되어있다.

그런데 상기한 종래의 전지 모듈은 격벽을 사이에 두고 이웃하는 단위전지가 나란하게 배열됨에 따라 단위 전지의 전면이 격벽에 접하게 되고 이에 따라 단위 전지의 냉각이 격벽을 지나는 냉매에 전적으로 의존하게 되어 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우, 각 단위전지에서 발생되는 열은 전지모듈의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 상기 전지모듈이 적용된 기기의 오작동을 발생시키게 된다.

따라서 하이브리드 전기 자동차용 전지와 같이 대용량이 요구되는 이차 전지의 경우 전지 모듈의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 된 전지 모듈의 개발이 절실한 실정이다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 상기 전지 모듈의 하우징에 장착되는 단위 전지의 배열 구조를 개선하여 냉각효율이 향상된 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 단위 전지가 전지 모듈의 하우징에 지그재그 형태로 배치된 구조로 되어 있다.

이를 위해 본 발명의 전지 모듈은 일정 간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 냉매가 유통되는 하우징을 포함하고, 상기 단위 전지는 지그재그 형태로 배치되는 구조로 되어 있다.

이때 상기 단위 전지 사이에 설치되는 전지격벽은 이웃하는 단위 전지의 중첩 영역과 대응되는 크기로 이루어져 상기 중첩영역에만 놓여질 수 있으며, 중첩되지 않는 부분까지 포함하여 넓게 구성될 수 있다.

또한 본 발명은 단위 전지의 적층 위치에 따라 단위전지 사이의 간격을 달리하여 냉각효율을 극대화할 수 있는 구조로 되어 있다.

즉, 상기 전지 모듈에서 중앙부분의 온도가 끝단의 온도보다 높으므로 중앙부분에 위치한 단위 전지 사이의 간격이 다른 위치의 단위 전지간 간격보다 상대적으로 넓게 배치되도록 하여, 더 많은 냉매가 유동될 수 있도록 한다. 또한 상기 전지 모듈은 단위 전지간 상이한 간격에 대응하여 전지 격벽의 크기를 달리할 수 있다.

이에 따라 전지 모듈의 중앙부에서의 냉각효과가 크게 증대되므로 전지 모듈의 중앙부분과 다른 부분 간의 온도 구배를 완화시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

먼저 상기한 도면을 참조하여 대용량의 전지모듈(10)을 살펴보면, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체를 구비하여 단위 전력을 생산하는 다수개의 단위 전지(11)와, 상기 단위 전지(11) 사이에 설치되는 전지격벽(15), 상기 적층된 다수의 단위전지(11)가 내장되고 전지 모듈(10)의 외형을 이루는 하우징(12)을 포함한다.

상기 하우징(12)은 내부에 단위 전지(11)가 내장될 수 있도록 된 금속재질의 박스 구조물로 일측에는 공기 등의 냉매가 내부로 유입될 수 있도록 유입구(도시되지 않음)가 형성되고, 반대쪽에는 단위 전지(11)와 열교환된 냉매가 배출되는 배출구(도시되지 않음)가 형성된다.

상기 하우징(12)의 구조와 유입구 및 배출구의 위치 및 하우징(12) 내부에서의 단위 전지(11)의 배열 구조에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.

본 실시예에서는 하우징의 중앙에 마련되는 중앙통로(16)를 중심으로 양쪽에 단위 전지(11)와 전지 격벽(15)이 연속적으로 적층되어 2개의 전지열(14)을 이루는 구조로 되어있다.

상기한 구조의 전지모듈(10)에 있어서, 하우징(12)에 놓여지는 각 단위 전지(11)는 전지 모듈(10)의 중앙통로(16)의 길이 방향을 따라 상기 각 단위 전지(11)들이 중첩되는 부분의 길이가 하나의 단우 전지(11)의 길이보다 짧은 형태로 배치된다.

또한 상기 단위 전지는 중앙통로(16)의 길이방향을 따라 지그재그 형태로 배치될 수 있다.

먼저, 일 전지열(14)에 있어서 적층되어 있는 단위 전지 중 일측 단위 전지 는 중앙통로(16)에 대하여 일정거리 만큼 안쪽으로 이격되어 배치된다.

또한, 상기 단위전지에 이웃하는 단위 전지는 상기와는 반대 방향인 중앙통로에 대해 바깥쪽으로 이격되어 배치되고, 이와 같은 방식으로 이웃하는 단위 전지 간에 번갈아 가면서 중앙통로의 안쪽 바깥쪽으로 배치됨으로써 단위전지가 지그재그 형태로 배치되는 것이다.

여기서 이웃하는 상기 단위 전지(11)간에 이격된 거리에 대해서는 제한이 없지만, 각 이차전지의 용도에 따라, 전지 모듈(10)의 크기가 지나치게 확대되지 않고 냉각효율을 극대화 할 수 있도록 각 단우 전지의 길이의 5% 내지 50% 이내로 함이 바람직하다.

상기와 같이 단위 전지(11)가 지그재그 형태로 배치됨에 따라 각 전지열(14)에서 단위 전지(11)간에 중첩되는 면적은 줄어들고 각 단위 전지(11)의 한쪽 끝 부분은 중첩되지 않게 된다.

이러한 중첩되지 않는 부분은 전지 모듈(10) 내부에서 열원으로 작용하는 단위 전지(11)와 마주하고 있지 않으므로 냉각효율이 상당히 향상될 수 있다.

또한, 상기 단위 전지(11)의 간격을 유지하고 냉매의 통로가 되는 전지격벽(15)은 도 1에서 게시한 바와 같이 각 전지열(14)에 있어서 단위 전지(11) 사이에 중첩된 부분과 중첩되지 않는 부분을 합하여 이격되어 있는 단위 전지(11) 사이의 길이로 형성된다.

이에 따라 종래와 비교하여 보다 더 넓은 면적을 가진 전지격벽을 구비함으로써 냉매의 유통량을 증기시킬 수 있고 이에 따라 냉각효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전지모듈에 있어서, 상기 하우징(12)에 배열되는 각 단위 전지의 간격이 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 전지열을 따라 달리 설정되는 구조로 되어 있다.

즉, 일반적으로 전지열에 있어서 중앙쪽으로 갈수록, 상대적으로 높은 온도를 나타내는 점을 고려해서, 도 2에서 도시한 바와 같이 전지열 중앙부에서의 단위 전지(11)간의 간격을 전지열의 외측에 위치한 단위 전지간 간격보다 넓게 배열할 수 있다.

상기 단위 전지(11) 사이의 간격 비율은 제한이 없으며 전지 모듈의 용도에 따라 냉각효율을 최적화할 수 있도록 조정할 수 있다.

단위 전지(11)의 간격이 넓어지므로, 단위 전지(11) 사이에 설치되는 전지격벽(15)의 두께 또한 두꺼워지게 되어, 냉매의 유통량을 늘림에 따라 전지 모듈(10) 중앙부의 방열은 더욱 활성화될 수 있다.

상기한 바와 같이 각 열의 단위 전지(11) 사이의 간격을 조정함으로써 상기 전지 모듈(10)의 냉각효율이 더욱 향상 될 수 있을 뿐 아니라, 전지 모듈(10)의 내부 온도 구배를 완화시킬 수 있다.

또한, 전지 모듈(10)의 단위 전지(11)를 지그재그 형태로 하여 전지 모듈(10)의 냉각효율이 향상되어 각 전지열(14)의 전지 사이의 간격을 줄일 수 있으므로 전지모듈(10)의 부피를 최소화할 수 있다.

한편 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 전지 모듈의 하우징 내에 단위 전지가 지그재그로 배열되고 상기 단위전지 사이에 설치되는 전지격벽은 이웃하는 단위전지 간에 중첩되는 영역에 대응되는 크기로 이루어져 상기 중첩영역에 설치되는 구조로 되어 있다

이에 따라 단위전지의 일부가 완전히 노출되어 냉매에 직접 닿게되어 냉각효율을 더욱 극대화 시킬 수 있게 된다.

상기한 본 발명의 2차 전지는 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.

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 실시예에 따르면, 단위 전지를 지그재그 형태로 배치함으로써, 전지 모듈의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 단위 전지의 배열 간격을 조정함으로서 냉각효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 전지 모듈 내부의 온도의 구배를 완화시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 냉매가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 각 단위 전지들이 중첩되는 부분의 길이가 하나의 단위 전지의 길이보다 짧은 형태로 배치되는 전지 모듈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 단위전지는 지그재그 형태로 배치되어 일부만이 중첩되는 전지 모듈.
3. 제 1항에 있어서, 상기 단위 전지 사이에 설치되고, 단위 전지 간의 중첩 부분과 중첩되지 않는 부분을 포함하는 면적으로 형성되는 전지격벽을 포함하는 전지 모듈.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단위 전지가 적층된 전지열을 따라 단위전지간 간격이 상이한 전지 모듈.
5. 제 4항에 있어서, 상기 단위 전지의 간격은 전지열의 중앙부에서 외측으로 갈수록 좁아지는 전지 모듈.
6. 제 4항에 있어서, 상기 단위전지 사이에 설치되는 전지격벽은 전지열의 중앙부에서 외측으로 갈수록 좁아지는 전지 모듈
7. 제 1항에 있어서, 상기 단위 전지는 각형으로 이루어진 전지 모듈.
8. 제 1항에 있어서, 상기 단위 전지 사이에 설치되고, 단위 전지간 중첩된 부분과 대응되는 크기로 이루어져 중첩부분에 설치되는 전지격벽을 포함하는 전지 모듈
9. 제 1항에 있어서, 상기 전지 모듈은 모터 구동용인 전지 모듈

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