KR20060061486A - 이차 전지의 케이스와, 이를 이용한 이차 전지 및 이차전지 모듈 - Google Patents

이차 전지의 케이스와, 이를 이용한 이차 전지 및 이차전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차 전지 모듈의 부피를 최소화 하면서 냉각효율을 향상시키기 위하여 외형을 이루는 케이스의 외측면 중 적어도 한 면이 내측으로 함입되어 오목부를 이루는 단위 전지들 및 상기 단위 전지들이 적층 배열되고 내부로 냉각 매체가 유통되는 하우징을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.
이차 전지, 이차 전지 모듈, 냉각 효율, 케이스

Description

이차 전지의 케이스와, 이를 이용한 이차 전지 및 이차 전지 모듈{CASE FOR SECONDARY BATTERY AND, SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY MODULE USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 실시예와 다른 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 평면도이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 실시예와 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 막대부재를 도시한 사시도이다.
본 발명은 이차 전지 및 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 형태를 개선한 이차전지의 케이스에 관한 것이다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되 고 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.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 등의 형상이 있으며, 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 이루어진다.
상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 부터 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
그리고 각각의 단위전지를 일렬로 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.
그런데 각각의 단위전지는 작동 시에 내부에서 열이 발생하고, 다수의 단위 전지로 구성된 상기 전지 모듈의 경우 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야 원활하게 기능을 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이 전지 모듈내의 열을 방출하기 위해서 종래의 전지 모듈은 하우징 내에 수개의 단위 전지를 나란히 배열하고 각 단위 전지 사이에는 냉매가 유통할 수 있는 통로가 형성된 전지격벽을 설치하여 격벽사이에 냉매를 유통시킴으로써 단위 전지를 냉각시키고 단위 전지 사이의 간격을 유지시키는 구조로 되어있다.
그런데 상기 격벽을 단위 전지 사이에 삽입한 구조의 경우 격벽을 새로이 제작하므로 비용이 추가적으로 발생하고, 격벽의 크기로 인하여 전지 모듈의 부피가 확대되는 문제점이 있다.
전지 모듈의 부피가 커지는 경우 전지 모듈 자체의 무게가 늘어날 뿐 아니라 전지 모듈이 탑재되는 기기 특히 HEV 차량의 경우 설계가 곤란해지게 된다.
또한, 열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우 예컨대, 각 단위전지에서 발생되는 열은 전지모듈의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 상기 전지모듈이 적용된 기기의 오작동을 일으키게 된다.
따라서 HEV용과 같이 대용량이 요구되는 이차 전지의 경우 전지 모듈의 크기를 최소화하면서 방열 특성을 향상시킬 수 있도록 된 전지 모듈의 개발이 절실한 실정이다.
또한, 전지 사용 중 보호회로가 정상적으로 동작하지 않거나 전지의 예기치 못한 이상 반응이 일어나는 경우에는 전지내부의 화학 반응에 따라 가스가 발생하는데, 종래의 단위 전지의 경우 가스를 수용할 수 있는 공간이 부족하여 전지 내부에서 압력이 상승하게 되므로 전지 케이스가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있다.
또한 상기 스웰링 현상으로 인하여 전지 케이스가 팽창하여 전지 모듈에서 단위 전지들을 고정시키는 체결구를 압박하여 체결구가 파손될 위험이 있으며, 심각한 경우에는 단위 전지가 폭발할 수 있다는 문제점이 있다.
그리고 종래와 같이 밴트를 설치하여 소정의 압력조건 하에서 가스를 방출하는 구조로 되어 있다고 하더라도 밴트가 개방되면 다시 복구할 수 없어 전지를 폐기해야 하므로 가스를 수용할 수 있는 공간이 부족하여 전지의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이차전지의 케이스의 구조를 개선하여 격벽없이 냉매의 유동 통로를 형성하여 이차 전지 모듈의 부피를 최소화할 수 있는 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.
또한 단위 전지 내부에 여유 공간을 확보하여 스웰링 현상을 방지할 수 있는 이차전지 및 이차전지의 케이스와 이차전지 모듈을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 단위 전지는 케이스의 외측면 중 적어도 한 면이 오목하게 함입된 구조로 되어 있다.
여기서 상기 단위 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극 조립체 및, 상기 전극 조립체가 내장되며 외측면 중 적어도 한면이 오목하게 함입된 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체를 포함할 수 있다.
상기 캡 조립체에는 전극 단자가 구비되는 캡 플레이트가 구비되며 상기 캡 플레이트에는 가스가 발생하여 스웰링 현상으로 케이스의 형상이 변형되는 것을 방지하기 위하여 그 중심에는 일정한 압력에서 개방되는 밴트를 포함할 수 있다.
상기 케이스는 오목하게 함입된 형상으로 되어 있으며, 중앙부분에서 개구부의 폭은 상기 전극 조립체가 내장될 수 있을 정도이면 충분하다.
또한 상기 오목부의 단면 형상은 호(弧) 형태로 형성될 수 있으며, 케이스의 높이 방향으로 동일한 단면형상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 전지 케이스의 구조는 케이스의 강성을 확보할 수 있도록 케이스의 양쪽 끝단에 지지부가 형성되고 지지부 사이에서 함입되어 오목부가 형성 될 수 있으며, 또한 케이스의 양쪽 끝단부터 중앙쪽으로 함입된 구조로 될 수 있다.
또한 상기 오목부의 형상을 유지하기 위해서 상기 케이스를 구성하는 판재의 두께를 증가시키거나 또는 상기 단위 전지가 전지 모듈을 구성할 때 전지 사이에 막대 부재를 삽입함으로써 단위 전지의 내부 압력 등을 지지할 수 있다.
한편 본 발명은 각 단위전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.
상기 전지 모듈은 전지 케이스의 형상에 따라 단위전지 사이에 냉매 유동 통로가 형성되고, 상기 냉매 유동 통로에는 막대 부재를 삽입할 수 있다.
또한 상기 단위 전지가 맞닿는 부분에는 단위 전지간 절연을 확보하기 위하여 절연부재가 삽입될 수 있다.
또한 상기 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전도 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지를 도시한 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지모듈을 이루는 각 단위전지(10)의 구조를 살펴보면, 상기 단위전지(10)는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체(14)와, 상기 전극 조립체(14)가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스(20), 상기 케이스(20)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체(30), 상기 양,음극판(11,12)의 집전체와 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체(30) 외측으로 돌출되는 양,음극단자(31,32)를 포함한다.
여기서 상기 캡 조립체(30)는 가스가 발생하여 케이스(20) 내부에 압력이 과대하게 증가하는 것에 대비하여 일정한 압력 조건에서 개방되는 밴트(34)를 포함할 수 있다.
또한 상기 케이스(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극 조립체(14)가 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체의 각형 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 케이스(20)는 양쪽 끝단에 직선형태의 소정 길이로 형성되어 이웃하는 단위 전지(10)와 접하는 지지부가 구비되고, 상기 지지부(21) 사이는 중앙을 향하여 함입된 오목부(22)가 형성된다.
상기 오목부(22)는 상기 케이스(20)의 전면과 후면 중 적어도 어느 한 면에 형성되며, 바람직하게는 양면에 모두 형성되어 냉각효율을 최대화 시킬 수 있다.
또한 상기 오목부(22)는 중심을 향하여 직선으로 함입되거나, 또는 완만하게 포물선을 그리며 함입되는 등 다양한 형태로 함입될 수 있으며, 바람직하게는 외부의 힘을 균일하게 지지할 수 있도록 호(弧) 형상으로 함입될 수 있다.
떠힌 상기 오목부(22)의 단면 형상은 케이스(20)의 높이 방향으로 동일하게 형성된다.
상기 지지부(21)는 케이스 내부로 함입되지 않는 부분으로 단위 전지(10)가 전지 모듈(40)을 형성할 때 각 단위전지(10)들이 적층될 수 있도록 지지하는 역할을 할 뿐만 아니라 전지 내부에서 가스가 발생할 경우 증가하는 부피를 수용할 수 있는 공간으로서의 기능을 할 수 있다.
따라서 상기 지지부(21)의 길이는 전지 모듈(40)에서 단위 전지(10)들이 적층된 구조를 충분히 유지할 수 있을 뿐 아니라 냉매의 유동 통로(41)를 충분히 확보할 수 있도록 적절한 길이로 형성된다.
또한 상기 케이스(20)의 판재 두께는 단위 전지(10) 내부의 압력이 증가하거나 전지 모듈(40)을 구성할 때, 외부환경에 의하여 오목부(22)의 형상이 변형되지 않을 정도의 충분한 정도로 두껍게 될 수 있다.
또한 상기 오목부(22)는 상기 케이스(20)의 중앙부분에서 가장 많이 함입되는 바, 중앙부분에서의 상기 케이스(20)의 폭은 전극 조립체(14)가 삽입될 수 있을 정도의 너비로 형성된다.
도 2a는 상기 케이스(20)의 전면과 후면 모두에 오목부(22)가 형성된 단위 전지(10)를 도시하고 있는데, 본 실시예는 케이스(20)의 중심으로 갈수록 냉매 유동 통로의 면적이 증가하여 발열량이 가장 많은 중심부분에서의 냉각 효율을 극대화할 수 있는 구조이다.
도 2b는 상기 케이스(20)의 전면에 오목부(22)가 형성된 단위 전지(10)를 도시하고 있는데, 본 실시예는 전지 모듈(40)의 부피를 최소화하면서 냉매 유동 통로(41)를 형성할 수 있으며 오목부(22)의 호 형상의 곡률 반경을 조정함으로써 냉매 유동 통로의 면적을 확대하거나 축소할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 단위 전지(10)를 도시하고 있는데, 상기 케이스(20)의 일면이 지지부(21)를 포함하지 아니하고 상기 케이스(20)의 양쪽 끝단에서 호 형상으로 함입된 구조로 오목부(22)가 형성되어 있으며 도 3a는 상기 케이스(20)의 전면과 후면 모두에 오목부가 형성된 구조이고, 도 3b는 상기 케이스(20)의 전면에 오목부가 형성된 구조이다.
상기 구조는 상기 단위전지(10)가 전지 모듈(40) 구성 시, 상기 케이스(20)의 옆면이 적층 구조를 지지하는 역할을 하며, 함입되는 면적을 증가시킴으로써 냉매의 유동 통로를 최대한으로 확보하여 냉각효율을 극대화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈(40)을 도시하고 있는데, 상기 전지 모듈(40)은 상기 단위 전지(10)들이 일렬로 적층되며, 상기 단위 전지(40) 사이에는 상기 케이스 오목부(22)의 형상으로 인하여 냉매가 유동할 수 있는 통로(41)가 형성된다.
상기 전지 모듈(40)은 격벽을 포함하지 아니하고 단위 전지 케이스(20)의 끝단이 이웃하는 단위 전지(10)의 끝단과 접하여 적층된 구조로 되어 있다.
상기 냉매의 유동 통로(41)에는 상기 오목부(22)의 형상을 유지하기 위하여 소정의 단면 형상의 막대부재(42)가 삽입된다.
상기 막대부재(42)의 단면 형상에는 제한이 없으며, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 바람직하게는 원형, 사각형 또는 육각각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다.
또한 상기 막대 부재(42)는 상기 단위 전지(10)의 높이와 동일한 길이를 가지면서 상기 냉매의 유동 통로에 삽입된다.
또한 상기 각각의 단위 전지(10)가 접하는 부분에는 단위전지(10) 사이의 절연을 유지할 수 있도록 절연부재(43)가 삽입될 수 있다.
이하 본 발명의 작용에 대해서 설명한다.
단위 전지의 케이스(20)의 전면 또는 후면 중 적어도 어느 한 면이 완만한 호 형상으로 함입된 오목부(42)를 구비하고 있어서, 상기 케이스(20)가 일렬로 적층될 경우 이웃하는 단위 전지(10)의 끝단부가 맞닿아 냉매의 유동 통로(41)가 형성되고, 별도의 격벽이 필요하지 않는다.
따라서 격벽이 제거되어 전지 모듈(40)의 부피를 감소시킬 수 있으며, 단위 전지의 케이스(20)가 격벽을 개재하지 아니하고 직접 냉매와 접촉하여 열전달 경로가 감소하여 효율적인 냉각을 기대할 수 있다.
또한 냉매와 접촉하는 케이스(20)의 면이 평면이 아닌 곡면으로 구성되어 접 촉 면적이 넓어지므로 열전달 면적이 확대되어 냉각 효율이 향상되고, 특히 발열량이 많은 중앙부분에서의 냉매 유동 통로가 넓은 구조로 되어 있어서 효율적으로 단위전지를 냉각시킬 수 있다.
또한 상기 케이스(20) 내부에는 상기 전극 조립체(14)가 내장되는 부분 외에 상기 케이스(20)의 좌, 우측으로 일정한 부피의 잉여 공간이 형성되어 전지의 예기치 못한 이상 반응으로 인하여 가스가 발생할 경우 상기 가스를 수용하는 기능을 수행하게 되어 스웰링 현상을 방지할 수 있다.
또한 상기 케이스와 결합하는 캡 조립체(30)에는 밴트(34)가 설치될 수 있어서 가스가 다량 발생하여 전지 케이스(20) 내부의 압력이 상승하는 경우 밴트(34)가 개방되어 가스를 방출시킬 수 있어 상기 케이스(20)의 형상을 유지시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의한 전지 모듈(40)은 냉매 유동 통로(41)에 막대 부재(42)가 삽입되어 전지 내부의 압력이 상승할 경우, 상기 오목부(22)에 작용하는 압력을 상기 막대 부재(42)가 지지함으로써 상기 오목부(22)의 곡률을 유지하여 냉각 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 이차전지는 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 있으며 반드시 그 용도가 이에 한정되는 것은 아니다.
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.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 전지 케이스의 형상에 의하여 냉매 유통 통로가 형성될 수 있도록 단위 전지의 케이스에 오목부가 형성됨으로써 열전달 면적이 확대되고, 격벽을 제거할 수 있으므로 전지 모듈의 부피를 줄일 수 있고 열전달 경로를 축소시킬 수 있어 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
또한 전지 케이스 내부에 잉여 공간이 형성되어 가스가 발생할 경우 이를 수용할 수 있어서 벤트가 개방되는 것을 막거나 파손되는 것을 지연시킬 수 있어서 이차전지의 수명을 연장할 수 있다.

Claims (26)

  1. 외형을 이루는 케이스의 외측면 중 적어도 한 면이 내측으로 함입되어 오목부를 이루는 단위 전지들; 및
    상기 단위 전지들이 적층 배열되고 내부로 냉각 매체가 유통되는 하우징;
    을 포함하는 이차 전지 모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 케이스는 이웃하는 단위 전지와 접하는 전면 또는 후면 중 어느 한 면에만 오목부가 형성된 이차 전지 모듈.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 케이스는 이웃하는 단위 전지와 접하는 전면과 후면 모두에 오목부가 형성된 이차 전지 모듈.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 케이스는 양쪽 끝단에 이웃하는 단위 전지와 접하는 지지부가 형성되고 상기 지지부 사이에 상기 오목부가 형성되는 이차 전지 모듈.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 케이스는 일면 전체에 상기 오목부가 형성되는 이차 전지 모듈.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부는 호(弧) 형상으로 함입된 이차전지 모듈.
  7. 제 1항에 있어서, 단위 전지 사이에 막대부재가 삽입된 이차 전지 모듈.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 막대부재는 그 단면 형상이 원형인 이차 전지 모듈.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 막대부재는 그 단면 형상이 사각형인 이차 전지 모듈.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 막대부재는 그 단면 형상이 육각형인 이차 전지 모듈.
  11. 제 1항에 있어서, 일렬로 배열된 상기 단위 전지가 맞닿아 접하는 부분에 절연부재가 삽입되는 이차 전지 모듈
  12. 제 1항에 있어서, 상기 단위 전지는 밴트를 포함하는 이차 전지 모듈.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 이차 전지는 각형인 이차 전지 모듈.
  14. 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함 하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 내장되며 외측면 중 적어도 어느 한 면이 오목하게 함입되어 오목부를 이루는 케이스; 및
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 양극판 및 음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체;
    를 포함하는 이차 전지.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 케이스는 이웃하는 단위 전지와 접하는 전면 또는 후면 중 어느 한 면에만 오목부가 형성된 이차 전지.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 케이스는 이웃하는 단위 전지와 접하는 전면과 후면 모두에 오목부가 형성된 이차 전지.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 케이스는 양쪽 끝단에 이웃하는 단위 전지와 접하는 지지부가 형성되고 상기 지지부 사이에 상기 오목부가 형성되는 이차 전지.
  18. 제 14항에 있어서, 상기 케이스는 일면 전체에 상기 오목부가 형성되는 이차 전지.
  19. 제 14항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부는 호(弧) 형상으로 함입된 이차 전지.
  20. 제 14항에 있어서, 상기 단위 전지는 밴트를 포함하는 이차 전지.
  21. 일측이 개구되어 전극 조립체가 내장되며, 외측면 중 적어도 한 면이 내측으로 함입되어 오목부를 이루는 이차 전지 케이스.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 케이스는 이웃하는 단위 전지와 접하는 전면 또는 후면 중 어느 한 면에만 상기 오목부가 형성된 이차 전지 케이스.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 케이스는 이웃하는 단위 전지와 접하는 전면과 후면 모두에 상기 오목부가 형성된 이차 전지 케이스.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 케이스는 양쪽 끝단에 이웃하는 단위 전지와 접하는 지지부가 형성되고 상기 지지부 사이에 상기 오목부가 형성되는 이차 전지 케이스.
  25. 제 21항에 있어서, 상기 케이스는 일면 전체에 상기 오목부가 형성되는 이차 전지 케이스.
  26. 제 21항 내지 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부는 호(弧) 형상으로 함입된 이차 전지 케이스.
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