KR20060063173A - 이차 전지 모듈 - Google Patents

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KR20060063173A
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Abstract

본 발명은 전지 모듈의 무게를 최소화하여 무게 대비 출력을 증대시킬 수 있도록, 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지들이 배열설치되고 내부로 냉각매체가 유통되는 하우징, 상기 하우징에 설치되어 상기 하우징 양 측면 사이에 놓여진 상기 단위전지를 고정하는 연결부를 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.
단위전지, 하우징, 연결로드, 베인

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 측단면도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 단위 전지를 연결하여 구성되는 전지 모듈의 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 저용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연 결하여 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 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
그리고 각각의 단위전지는 통상 각형 전지의 경우 캡 조립체 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 각 단위전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결설치하여 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 HEV(Hybrid Electric Vehicle)에 적용되는 이차 전지의 경우 열 방출은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
이에 종래기술에 따른 전지 모듈은 냉각매체가 유통되는 하우징을 구비하여 상기 하우징 내부에 다수개의 단위 전지를 간격을 두고 배치함으로써 냉각매체에 의해 단위 전지가 냉각되는 구조로 되어 있다.
이때 상기 단위 전지는 하우징 내에 배치될 수 있도록 다수개를 하나로 연결 시켜 전지 조립체를 이루게 되는 데, 이를 위해 상기 적층된 단위 전지 외측에 앤드플레이트를 설치하고 앤드플레이트를 조이는 연결로드를 이용하여 단위 전지들을 연결고정시키게 된다.
그런데, 상기한 종래의 구조는 전지모듈을 구성함에 있어서 전지 조립체를 고정시키기 위한 앤드플레이트 등의 구성요소가 불가피하게 사용됨에 따라 전지모듈의 중량이 커지는 문제점이 있다.
이에 따라 전지모듈의 경량화가 어렵고 크기가 커지는 문제점이 발생되며, 무게 대비 출력이 떨어지는 요인이 된다.
따라서 본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 그 목적은 전지 모듈의 무게를 최소화하여 무게 대비 출력을 증대시킬 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 모듈의 크기를 최소화할 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함을 또다른 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전지 모듈은 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지들이 배열설치되고 내부로 냉각매체가 유통되는 하우징, 상기 하우징의 양 측면 사이에 설치되어 상기 하우징 양 측면 사이에 놓여진 상기 단위전지를 고정하는 연결부를 포함한다.
이에 따라 단위 전지들을 고정하기 위한 별도의 앤드플레이트를 구비할 필요 없이 바로 하우징 내부에 단위 전지를 배열하고 고정시킬 수 있게 되는 것이다.
여기서 상기 하우징은 내부에 단위 전지가 적재되는 공간부를 구비하며 상기 공간부와 연통되어 공간부 내부로 냉각매체를 유입시키기 위한 유입부와, 상기 공간부와 연통되어 단위전지를 거친 냉각매체를 배출시키기 위한 유출부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 전지 모듈은 상기 각 단위 전지 사이에 이들 단위 전지를 이격시키고 냉각매체를 유통시키기 위한 전지 격벽을 더욱 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결부는 하우징의 양 측면을 관통하는 볼트 형태의 연결로드와, 이 연결로드에 체결되어 하우징을 조이는 너트를 포함할 수 있다.
따라서 단위 전지들은 하우징의 양 측면 사이에 놓여진 상태에서 연결로드의 볼트머리와 너트에 의해 조여져 고정될 수 있는 것이다.
상기 연결로드는 하우징에 배치되는 단위 전지 상부와 하부의 중간지점 또는 이 중간지점을 기준으로 양쪽으로 일정거리 이격되어 설치될 수 있다.
바람직하게는 상기 하우징의 공간부 각 모서리에 연결로드가 관통설치되도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 전지 모듈은 상기 각 단위 전지로 균일한 양의 냉각매체가 통과되도록 하여 각 단위전지가 균일하게 냉각될 수 있도록 함이 바람직하다.
이를 위해 본 발명은 상기 유입부 또는/및 상기 유출부 내측에 하우징 내부로 유입 또는 외부로 유출되는 냉각매체의 흐름을 제어하기 위한 베인이 설치된 구조로 되어 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 모듈에 있어서, 상기 유입부는 상기 온도 제어용 냉각매체의 유입구가 형성되고 이 유입구로부터 상기 단위 전지들 사이에는 냉각매체를 각 단위 전지에 균일하게 유도하기 위한 경사가이드면이 형성되며 상기 베인은 상기 경사가이드면에 간격을 두고 적어도 하나 이상 형성됨이 바람직하다.
여기서 상기 유입구는 단위 전지에 대해 직각방향으로 배치되어 상기 경사가이드면은 상기 유입구에서 상기 단위 전지의 끝쪽을 향해 상기 경사가이드면과 상기 단위 전지가 이루는 각도 사이에서 적절히 배열 형성되도록 한다.
또한, 상기 유출부는 상기 온도 제어용 냉각매체의 배출구가 형성되고 상기 배출구로부터 상기 단위 전지들 사이에는 단위 전지를 거친 냉각매체가 균일하게 빠져나갈 수 있도록 경사가이드면이 형성되며, 상기 베인은 상기 경사가이드면에 간격을 두고 적어도 하나 이상 형성됨이 바람직하다.
여기서 상기 유출구는 단위 전지에 대해 직각방향으로 배치되어 상기 경사가이드면은 상기 유출구에서 상기 단위 전지의 끝쪽을 향해 상기 경사가이드면과 상기 단위 전지가 이루는 각도 사이에서 적절히 배열 형성되도록 한다.
여기서 상기 이차 전지 모듈은 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.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
상기한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전지 모듈을 설명하면, 상기 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서, 일정 간격 이격되게 연속 배치되는 다수개의 단위 전지(11)를 포함한다.
상기 각각의 단위 전지(11)는 격리판을 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기 설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차 전지로 구성된다.
본 실시예에서는 각형의 단위 전지(11)가 사용되는 경우를 예로써 설명한다.
상기 단위 전지(11)들은 냉각매체인 공기가 유통되는 하우징(20) 내에 간격을 두고 배열설치되어 하나의 전지 모듈(10)을 이루게 된다.
상기 하우징(20)은 내부에 단위 전지(11)들이 배열되는 공간부(21)가 마련되어 상기 공간부(21)에 단위 전지(11)와 전지격벽(12)이 교대로 배치된다. 상기 전지격벽(12)은 자체적으로 냉각용 공기가 유통되는 채널이 간격을 두고 형성된 구조로 단위 전지(11) 사이의 간격을 유입함과 더불어 냉각용 공기를 유통시키는 역할을 수행하게 된다.
그리고 상기 하우징(20)은 도 1에서와 같이 도면상 상부에 하우징(20) 내부의 단위 전지(11) 사이로 냉각용 공기를 유입시키기 위한 유입부(22)가 일체로 형성되고, 하부에는 단위 전지(11)를 거친 냉각용 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출부(25)가 일체로 형성된 구조로 되어 있다.
상기 유입부(22)는 공간부(21)에 일정간격을 두고 배치된 단위 전지(11)에 대해 직각방향으로 개구되어 냉각용 공기를 단위 전지(11)의 직각방향으로 유입시키기 위한 유입구(23)와, 이렇게 유입된 냉각용 공기를 수직으로 배치된 단위 전지(11) 사이로 유도하기 위해 상기 유입구(23)에서 상기 공간부(21)를 향해 하향 경사지게 형성된 경사가이드면(24)을 포함한다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 전지 모듈은 유입구(23)를 통해 유입되는 공기는 일정 각도로 경사진 경사가이드면(24)에 닿으면서 상기 경사가이드면(24)의 경사진 방향으로 공기의 유동이 이루어지게 되고, 이 경사가이드면(24)을 따라 단위 전지(11)들의 상측 부근으로 지나가게 된다. 이 때 상기 경사가이드면(24)이 유입구(23)에서 멀어질수록 하향 경사지게 배치되고 있기 때문에, 공기의 유동 단면적이 유입구(23) 쪽에서 멀어질수록 점차 감소하게 되고, 이 과정에서 상기한 공기의 진행 속도는 유체 역학의 연속 방정식에 의하여 유입구(23)에서 멀어질수록 점차 빨라지게 된다. 이러한 유속의 증가는 베르누이 정리에 의해 알 수 있는 바와 같이, 유입구(23) 쪽에서 멀어질수록 공기의 점진적인 압력 강하를 발생시킨다.
따라서 상기 유입구(23)를 통해 유입되는 공기는 위와 같은 유체 역학적인 원리에 의하여 각 단위 전지(11) 사이로 일정한 유속으로 통과하게 된다. 이로써 본 실시예에서는 상기와 같이 각 단위 전지(11)를 통과하는 공기의 유속이 동일하게 된다.
또한, 상기 유출부(25)는 도 1에서와 같이 공간부(21)를 기준으로 상기 유입 부(22)의 맞은 편에 형성되어 단위 전지(11)를 거친 냉각용 공기를 배출시키기 위한 것으로, 상기 유입구(23)와는 반대방향으로 개구되고 냉각용 공기를 단위 전지(11)의 직각방향으로 배출시키기 위한 유출구(26)와, 상기 유출구(26)에서 상기 공간부(21) 사이에 공간부(21)를 향해 경사지게 형성된 경사가이드면(27)을 포함한다.
이와같이 상기 유입부(22)와 상기 유출부(25)는 공간부(21)를 기준으로 상호 대각선 방향으로 대칭된 구조로 되어 있다.
한편, 상기 전지모듈(10)은 냉각용 공기를 공급 순환시키기 위하여 상기 하우징(20)의 유출구(26)에 연결되어 소정의 회전력으로 공기를 흡입하고, 이 공기를 하우징(20)의 내부로 분출시키는 팬(50)을 포함한다. 대안으로서, 상기한 냉매 공급부는 위와 같은 팬을 구비하는 것에 국한되지 않고, 통상적으로 공기의 송풍이 가능한 펌프 또는 블로워 등을 포함할 수도 있다.
여기서 본 실시예에 따르면 상기 하우징(20)의 공간부(21)는 공간부(21)를 관통하는 연결로드(30)와 너트(31)를 매개로 상기 단위 전지(11)를 내부에 고정시키는 구조로 되어 있다.
즉, 본 실시예에 따른 상기 단위 전지(11) 고정구조는 상기 하우징(20)의 공간부(21)를 관통하여 연결로드(30)가 관통되고 이 연결로드(30)의 선단에 너트(31)가 체결되어 공간부(21) 내부에 배치된 단위 전지(11)를 고정하는 구조로 되어 있다.
이를 좀더 상세하게 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 단위 전지(11) 는 상기 공간부(21) 내부에서 전지격벽(12)을 사이에 둔 상태로 배열 설치되어 가장 외측에 놓여진 단위 전지(11)는 각각 상기 하우징(20)의 공간부(21) 내측면에 접하게 된다.
그리고 상기 연결로드(30)는 단위 전지(11)의 상부와 하부에서 상기 공간부(21)의 양 측면을 관통하여 체결되고 공간부(21)를 관통하여 하우징(20) 외측으로 돌출된 상기 연결로드(30) 선단에 너트(31)가 체결되어 고정된 구조로 되어 있다.
도 1은 공간부(21)의 상부에 두 개 그리고 하부에 두 개 총 4개의 연결로드(30)가 체결되어 내부에 배열된 단위 전지(11)를 고정하고 있음을 도시하고 있다.
물론, 상기 연결로드(30)의 개수나 설치 위치에 대해서는 상기와 같은 구조 이외에 다양한 구조가 적용될 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
여기서 상기 연결로드(30)는 볼트형태의 구조물로, 일단에는 볼트머리(32)가 형성되고 다른쪽 끝단에는 나사산이 형성되어 너트(31)를 매개로 조립되는 구조로 되어 있다.
따라서 상기 하우징(20)의 공간부(21)의 양 측면은 연결로드(30)의 볼트머리(32)와 연결로드(30)에 체결되는 너트(31) 사이에서 가압되고 이에 따라 공간부(21) 양 측면 사이에 배치된 단위 전지(11)가 가압되어 상호 밀착 고정될 수 있는 것이다.
이러한 구조는 각 단위 전지(11)를 앤드플레이트와 같은 별도의 구조물로 고정할 필요없이 하우징(20)에 배치하여 하우징(20)과 같이 고정하는 것으로 장착을 완료할 수 있게 되어 단위 전지(11)의 앤드플레이트 설치에 따른 수고를 덜수 있을 뿐아니라 전지 모듈의 부피를 줄일 수 있는 잇점을 제공하게 된다.
한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 상기 유입부(22)와 유출부(25) 내에 공기의 흐름을 각 단위 전지(11) 사이로 고르게 유도하기 위한 베인(40)이 더욱 설치된 구조로 되어 있다.
여기서 상기 유입구(23)와 유출구(26)에 설치되는 베인(40)은 동일한 구조로 이루어질 수 있으며, 이하 설명에서는 상기 유입구(23)에 설치되는 베인(40)에 대해서만 설명하도록 하며, 유출부(25)에 설치되는 베인(40) 또한 이하 설명과 동일한 것으로 이해할 수 있다.
상기 유입부(22)는 유입구(23)와 상기 공간부(21) 사이에 경사가이드면(24)이 형성되어 단위 전지(11)의 배치방향에 대해 직각방향으로 유입된 냉각용 공기를 단위 전지(11)와 같은 직각방향으로 유도하게 되며, 상기 베인(40)은 상기 유입구(23)와 상기 공간부(21) 사이에 설치되어 상기 경사가이드면(24)을 따라 유도되는 냉각용 공기를 균일하게 배치된 각 단위 전지(11) 사이로 유도하게 된다.
이를 위해 상기 베인(40)은 유입구(23)에서 상기 공간부(21)를 향해 연장되는 판 구조물로 이루어지며, 적어도 하나 이상이 간격을 두고 배열되고 각 베인(40)은 상기 경사가이드면(24)과 상기 단위 전지(11) 사이에 일정한 각도로 배치되는 구조로 되어 있다.
즉, 도 2에서 도시된 바와 같이 상기 각 베인(40)은 도면상 유입구(23)의 상부에서 하부로 일정간격을 두고 배열되며 각 베인(40)의 각도는 상기 경사가이드면(24)과 상기 수직방향으로 놓여진 단위 전지(11) 사이의 각도를 균일하게 분할한 각도로 설정된다.
이에 따라 상기 유입구(23)의 가장 하부쪽에 위치한 베인(40)의 각도는 도면상 수평방향을 기준으로 가증 크게 되며 유입구(23)의 위쪽으로 갈수록 각 베인(40)의 각도는 점차적으로 낮아지게 된다.
이에 따라 유입구(23)로 들어온 냉각용 공기는 상기 베인(40)에 의해 유도되어 베인(40)의 하부에 놓여진 단위 전지(11) 사이로 원활하게 진입되고 상기 하우징(20)의 공간부(21) 전 영역에 대해 균일한 양의 냉각용 공기를 유통시키게 되고 이는 각 단위 전지(11)의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있게 되는 것이다.
위에서 언급하였듯이 상기 유출부(25) 또한 상기한 구조의 베인(40)이 역방향으로 설치되며 단위 전지(11)를 거친 냉각용 공기는 상기 베인(40)을 따라 유출구(26)쪽으로 유도되어 원활한 배출이 이루어지게 되는 것이다.
상기한 본 발명의 전지 모듈은, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 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.
이와 같이 본 발명에 따르면, 단위 전지를 하우징에 직접 고정시킴으로써 단 위 전지의 부피를 최소화할 수 있고 모듈을 구성하는 부품의 개수를 줄여 모듈의 무게를 최소화할 수 있게 된다.
이에 따라 전지 모듈의 무게 대비 출력을 증대시킬 수 있는 것이다.
또한, 냉각매체의 각 단위 전지로 원활하게 유통시킬 수 있게 되어 냉각효율을 극대화시키고 그에 따른 전지 모듈의 충,방전 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
또한, 각 단위 전지를 균일하게 냉각시킬 수 있게 된다.

Claims (15)

  1. 다수개의 단위 전지와,
    상기 단위 전지들이 배열설치되고 내부로 냉각매체가 유통되는 하우징,
    상기 하우징에 설치되어 상기 하우징 양 측면 사이에 놓여진 상기 단위전지를 고정하는 연결부
    를 포함하는 이차 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부는 상기 하우징의 양 측면을 관통하는 연결로드와, 이 연결로드의 선단에 체결되어 하우징의 양 측면을 조이는 너트를 포함하는 이차 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 내부에 단위 전지가 적재되는 공간부를 구비하며 상기 공간부와 연통되어 공간부 내부로 냉각매체를 유입시키기 위한 유입부와, 상기 공간부와 연통되어 단위전지를 거친 냉각매체를 배출시키기 위한 유출구를 포함하는 이차 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지 사이에 단위 전지를 이격시키고 냉각매체를 유통시키기 위한 전지 격벽이 설치되는 이차 전지 모듈.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 연결로드는 단위 전지의 상단 또는/및 하단에 적어도 하나 이상 간격을 두고 설치되는 이차 전지 모듈.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 유입부 내부에 냉각매체를 유도하기 위한 베인이 적어도 하나 이상 배열 설치되는 이차 전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 하우징은 일측에 상기 유입부가 형성되고 상기 고정부를 중심으로 대각선 방향으로 상기 유출부가 형성되는 이차 전지 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유입부는 냉각매체가 유입되는 유입구를 포함하고, 상기 유입구는 단위 전지에 대해 수직한 방향으로 개구된 이차 전지 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 유입구와 상기 공간부 사이에 상기 유입구에서 멀어질수록 하향 경사지게 배치되는 경사가이드면이 형성되는 이차 전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 베인은 상기 경사가이드면을 따라 연장되고 상기 경사가이드면과 단위 전지가 이루는 각도 사이에 균일한 각도로 배치되는 이차 전지 모듈.
  11. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 유출부 내부에 냉각매체를 유도하기 위한 베인이 적어도 하나 이상 배열 설치되는 이차 전지 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 유출부는 냉각매체가 유입되는 유출구를 포함하고, 상기 유출구는 단위 전지에 대해 수직한 방향으로 개구된 이차 전지 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 유출구와 상기 공간부 사이에 상기 유출구에서 멀어질수록 하향 경사지게 배치되는 경사가이드면이 형성되는 이차 전지 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 베인은 상기 경사가이드면을 따라 연장되고 상기 경사가이드면과 단위 전지가 이루는 각도 사이에 균일한 각도로 배치되는 이차 전지 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.
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