KR20070013455A - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 다수 개의 단위 전지를 적층 배열하여 이루어지는 적어도 1의 전지 집합체와, 상기 전지 집합체를 내장시키고 온도 제어용 냉각매체를 유통시키는 하우징을 포함하며,

상기 전지 집합체는 상기 하우징의 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 하우징은 상기 냉각매체가 상기 전지 집합체의 상측에서 상기 하우징의 길이 방향을 따라 진행하면서 이 전지 집합체의 각 단위 전지 사이를 통과하여 상기 하우징의 내벽 쪽으로 배출되는 구조로 이루어진다.

전지모듈, 전지집합체, 단위전지, 전지격벽, 유통로, 돌기, 하우징, 유입부, 배출부

Description

이차 전지 모듈 {SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시한 전지 격벽을 개략적으로 나타내 보인 정면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 평단면 구성도이다.

도 4는 도 3에 도시한 전지 격벽을 나타내 보인 사시도이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 평단면 구성도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성함에 있어서, 단위 전지의 냉각효율을 높인 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

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 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 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 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

여기서 상기한 전지모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 따라 단위 전지들로부터 발생되는 열을 방열시키기 위 한 냉각구조와 안전수단 그리고 시스템 회로 등이 구비되어 전지 모듈의 부피가 커지게 된다.

더욱이 상기 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터나 자동차용(전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차)의 모터 구동용의 이차 전지로서 적용되는 경우에는 단위 전지의 개수가 더욱 늘어나 다수의 열로 배치되는 데, 이 경우 전지 모듈의 크기를 최소화하면서 단위 전지의 냉각효율을 높이는 데 어려움이 따른다.

즉, 종래의 전지모듈의 경우에는 다수의 전지 열을 갖춘 경우 각 전지열을 복층구조로 하거나 같은 평면 상에 나란하게 배치하게 되는 데, 복층구조로 하는 경우에는 전지 모듈의 높이가 커지는 문제점이 있으며, 나란하게 배치한 경우에는 전지 모듈의 크기를 최소화할 수는 있으나 단위 전지의 냉각효율이 저하되고 특히, 단위 전지간에 온도 편차가 발생되어 균일한 냉각이 어려운 문제점이 있다.

이는 단위 전지로 이루어지는 전지열이 나란하게 배치된 경우 냉각매체는 일측 전지열의 단위 전지를 거친 후 나란하게 놓여진 다음 전지열의 단위 전지를 지나가기 때문으로 각 전지열로 유입되는 냉각매체의 온도가 상이하기 때문이다.

따라서 하우징으로 유입된 냉각매체는 냉각매체의 진행방향을 따라 먼저 놓여져 있는 전지열을 지나면서 온도가 상승된 상태로 다음 전지열을 지남에 따라 최초 전지열의 단위 전지 온도와 다음 전지열의 단위 전지 온도는 상당한 차이가 나게 되는 것이다.

이와같이 각 단위 전지간에 온도 편차가 발생됨으로써 충/방전 효율을 떨어뜨리게 되고, 단위 전지에서 발생되는 열에 의해 전지내부의 온도가 상승되어 결과 적으로 전지의 성능이 저하되며, 특히, 상기 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터나 자동차용(전기 자동차 또는 하이브리드 자동차)의 모터 구동용의 대용량 이차 전지로서 적용되는 경우 대전류로 충,방전되므로 사용 상태에 따라서 이차 전지의 내부 반응에 의해 열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 되고, 이는 전지 특성에 영향을 주어 전지 고유의 성능을 저하시키게 된다.

따라서 크기를 최소화하면서 방열 특성을 향상시킬 수 있도록 된 전지 모듈의 개발이 절실한 실정이다.

따라서 본 발명은 상기한 제반 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 그 목적은 냉각매체의 유통 구조를 개선하고 단위 전지의 효율적인 배치를 통해 단위 전지의 온도 제어 효과가 우수하면서도 전지 모듈의 크기를 최소화할 수 있도록 된 전지 모듈을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 다수 개의 단위 전지를 적층 배열하여 이루어지는 적어도 1의 전지 집합체와, 상기 전지 집합체를 내장시키고 온도 제어용 냉각매체를 유통시키는 하우징을 포함하며,

상기 전지 집합체는 상기 하우징의 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 하우징은 상기 냉각매체가 상기 전지 집합체의 상측에서 상기 하우징의 길이 방향을 따라 진행하면서 이 전지 집합체의 각 단위 전지 사이를 통과하여 상기 하우징의 내벽 쪽으로 배출되는 구조로 이루어진다.

본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 전지 집합체는 두 개가 한쌍을 이루어 서로 대향하게 배치될 수 있다. 이러한 경우 상기 전지 집합체는 상기 하우징 내부의 동일 평면 상에 배치될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 전지 집합체는 단위 전지와 단위 전지 사이에 전지격벽을 설치하고 있다. 이 경우 상기 각 단위 전지는 각형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 전지격벽은 상기 전지 집합체의 상측에서 상기 하우징의 내벽을 향하는 채널 형태의 유통로를 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 전지격벽은 표면에 다수개의 돌기가 돌출 형성되어 상기 전지 집합체의 상측에서 상기 하우징의 내벽을 향하는 유통로를 형성할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 하우징은 상기 전지 집합체의 상측을 향해 형성되는 유입부와, 상기 전지 집합체와 내벽 사이의 틈새로서 형성되는 배출부를 포함하여 구성된다. 이 경우 상기 배출부는 상기 유입부를 통해 유입되는 냉각매체의 유입 방향에 반대되는 방향으로 상기 냉각매체를 배출시키도록 구성될 수 있다. 대안으로서, 상기 배출부는 상기 유입부를 통해 유입되는 냉각매체의 유입 방향과 동일한 방향으로 상기 냉각매체를 배출시키도록 구성될 수도 있다.

여기서 상기와 같은 이차 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전 기 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.

이하 설명에서는 전지모듈의 냉각체로서 공기를 이용한 경우를 예로써 설명한다. 물론, 본 발명이 공기에 의한 냉각방식으로 한정되는 것은 아니며 냉각매체로써 냉각수나 기타 유체가 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 본 실시예에 의한 이차 전지 모듈(10)을 살펴보면, 이 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서, 다수 개의 단위 전지(12)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되어 이루어지는 전지 집합체(11)와, 이 전지 집합체(11)를 내장시키고 상기 각 단위 전지(12)로 온도 제어용 공기를 유통시키기 위한 하우징(20)을 포함한다.

여기서 상기 각 단위 전지(12)는 격리판을 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차전지로서 구성된다. 상기 전지 집합체(11)는 언급한 바와 같이 단위 전지(12)가 일정 간격으로 배치되어 하나의 열을 이룬 구조를 의미하는 것으로 정의한다.

본 실시예에 따르면, 상기 전지 집합체(11)는 각각의 단위 전지(12)들이 대략 사각형(본 실시예에서는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 가로 폭이 넓은 직사각형)의 외형을 가지면서 직립되게 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 전지 집합체(11)는 적어도 하나 이상으로 구비되며, 바람직하게는 도면에 도시한 바와 같이 두 개가 한 쌍을 이뤄 하우징(20) 내에서 동일 평면 상에 상호 이격되게 배치된다. 이와 같이 상기 전지 집합체(11)를 하우징(20) 내부의 동일 평면 상에 배치하는 이유는 전지 모듈(10)의 전체 높이를 최소화 하기 위함이다.

이러한 전지 집합체(11)는 각 단위 전지(12) 사이 및 최 외측의 단위 전지(12)에 전지 격벽(13)을 설치하고 있는 바, 이 전지 격벽(13)은 각 단위 전지(12)의 간격을 일정하게 유지시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 단위 전지(12)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.

이를 위해 상기 각각의 전지 격벽(13)에는 이들 단위 전지(12) 사이로 온도 제어용 공기 즉, 단위 전지(12)의 온도를 제어하기 위한 비교적 낮은 온도의 냉각 공기를 유통시키는 유통로(14)를 형성하고 있다.

본 실시예에서, 상기한 유통로(14)는 도 2에 가상선으로 도시한 바와 같이, 전지 격벽(13)에 관통 형성되는 바, 이 전지 격벽(13)의 상단에서 일측벽을 관통하여 형성되고 있다. 이 때 상기 전지 격벽(13)의 측벽은 뒤에서 더욱 설명하는 하우 징(20)의 내벽과 대향하는 벽면을 의미한다.

이러한 전지 모듈(10)에 있어, 언급한 바 있는 하우징(20)은 상기한 전지 집합체(11)를 장착함은 물론 이 전지 집합체(11)의 각 단위 전지(12) 사이의 유통로(14)로 온도 제어용 공기를 유통시켜 각각의 단위 전지(12)에서 발생되는 열을 냉각시키는 기능을 하게 된다.

본 실시예에서, 하우징(20)은 상기한 전지 집합체(11)를 정착시키기 위한 정착부(21)와, 이 정착부(21)로 온도 제어용 공기를 유입시키기 위한 유입부(23)와, 각 단위 전지(12) 사이의 유통로(14)를 거친 공기를 배출시키기 위한 배출부(25)를 포함하여 구성된다.

상기 정착부(21)는 전지 집합체(11)를 수용하면서 이 전지 집합체(11)를 고정시키기 위한 수용 공간을 형성하는 바, 이 수용 공간에는 서로 이격되게 위치하는 한 쌍의 전지 집합체(11)가 하우징(20)의 길이 방향을 따라 배치된다. 이 때 상기 정작부(21)는 전지 집합체(11)의 상측에 소정 공간을 형성하고, 전지 집합체(11)의 측벽과 하우징(20) 내벽 사이에 소정의 틈새를 형성할 수 있는 정도의 크기로서 형성된다.

상기 유입부(23)는 하우징(20)의 폭 방향에 상응하는 일측면에 배치되며, 정착부(21)의 수용 공간으로 온도 제어용 공기를 유입시키도록 전지 집합체(11)의 상측을 향하여 수용 공간과 연통하는 구멍을 형성하고 있다. 즉, 상기한 유입부(23)는 하우징(20)의 일측면에 대하여 전지 집합체(11)의 상측에 상응하는 위치에 형성된다.

그리고 상기 배출부(25)는 하우징(20)의 길이 방향에 상응하는 정착부(21)의 양측 즉, 전지 집합체(11)와 하우징(20) 내벽 사이의 틈새로서 형성될 수 있다. 여기서 상기 하우징(20)의 내벽은 유통로(14)를 형성하는 전지 격벽(13)의 일측면과 대향하는 벽면으로서, 이 하우징(20)의 길이 방향에 상응하는 양측면을 의미한다.

이와 같은 배출부(25)는 유입부(23)로 유입되는 온도 제어용 공기의 유입 방향에 대해 평행하게 배치됨이 바람직하다. 그리고 상기 배출부(25)는 전지 격벽(13)의 유통로(14)를 거친 공기를 상기한 공기의 유입 방향에 반대되는 방향으로 배출시키는 구멍을 유입부(23)의 양측에 형성하고 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)의 작용시, 하우징(20)의 유입부(23)를 통해 정착부(21) 내부로 들어온 온도 제어용 공기는 도 1에 도시된 바와 같이, 전지 집합체(11)의 상측을 따라 유동하면서 분산되어 전지 집합체(11)의 각 단위 전지(12) 사이의 유통로(14)를 지나게 된다.

여기서 온도 제어용 공기는 전지 격벽(13)의 상단에서 일측벽을 관통하여 형성되고 있는 유통로(14)를 지나면서 전지 집합체(11)의 단위 전지(12)를 냉각시키게 된다. 그리고 상기 단위 전지(12)를 통과한 공기는 배출부(25) 즉, 전지 집합체(11)와 하우징(20) 내벽 사이의 틈새를 통해 유입부(23)로 유입되는 온도 제어용 공기의 유입 방향과 반대되는 방향으로 하우징(20)을 빠져나가게 된다.

이에 따라 한 쌍의 전지 집합체(11)를 나란하게 배치하여 전지 모듈의 높이 를 최소화함에도 불구하고 전지 집합체(11)의 각 단위 전지(12) 사이의 유통로(14)를 전지 격벽(13)의 상단에서 일측벽을 관통하도록 형성함으로써 냉각효율을 극대화시키고 각 전지 집합체(11)의 단위 전지(12)가 균일하게 냉각될 수 있게 된다.

상기한 본 발명의 전지 모듈(10)은, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 평단면 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시한 전지 격벽을 나타내 보인 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈(10A)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 전지 격벽(13A)이 단위 전지(12)의 측면과 대응되는 크기를 갖는 판재로 이루어지며, 표면에는 다수개의 돌기(31)가 일정 간격을 두고 한 방향으로 돌출 형성된 구조로 되어 있다.

여기서 본 실시예에 따르면 상기 돌기(31)의 형태는 측단면이 경사진 사다리꼴을 이루고 상단은 원형을 이루는 사다리꼴 형태로 이루어지며, 저부에서 상단까지의 높이는 전지 격벽(13A)의 높이 즉, 단위 전지(12)와 단위 전지(12) 사이의 간격이 되므로 전지 모듈의 설계에 따라 알맞은 높이로 형성시킨다.

이러한 전지 격벽(13A)은 돌기(31)와 돌기(31) 사이로 온도 제어용 공기를 유통시키는 유통로(14A)를 형성하는 바, 이 유통로(14A)를 통해 전지 격벽(13A)의 상단에서 전지 집합체(11A)와 하우징(20) 내벽 사이의 틈새로 공기가 원활하게 빠져나갈 수 있게 되는 것이다.

따라서 하우징(20)의 유입부(23)를 통해 전지 집합체(11A)의 상측으로 유입되는 온도 제어용 공기는 하우징(20)의 길이 방향을 따라 유동하면서 분산되고, 전지 격벽(13A)의 유통로(14A)를 지나면서 전지 집합체(11A)의 단위 전지(12)를 냉각시키게 된다. 이 때 상기한 온도 제어용 공기는 전지 격벽(13A) 상단의 각 돌기(31) 사이로 유입되어 전지 집합체(11A)와 하우징(20) 내벽 사이의 틈새로 빠져 나와 하우징(20)의 배출부(25)를 통해 배출된다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 평단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈(10B)은 온도 제어용 공기의 유입 방향과 동일한 방향으로 상기 공기를 배출시키는 배출부(25B)를 갖춘 하우징(20B)을 구성한다.

이러한 배출부(25B)는 유입부(23)를 형성하고 있는 하우징(20B)의 일측면에 대응되는 다른 일측면에 형성되는 바, 하우징(20B)의 길이 방향에 상응하는 정착부(21B)의 양측 즉, 전지 집합체(11)와 하우징(20B) 내벽 사이의 틈새로서 형성될 수 있다.

따라서 본 실시예에 의하면, 온도 제어용 공기의 유입 방향과 동일한 방향으로 온도 제어용 공기를 배출시키는 배출부(25B)를 형성함에 따라, 전지 집합체(11)의 각 단위 전지(12)를 거친 공기를 상기한 배출부(25B)를 통해 원활하게 배출시킬 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 이차 전지 모듈(10B)의 나머지 구성 및 작용 은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

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 실시예에 따르면, 전지 모듈을 이루는 단위 전지의 배열 구조를 개선함으로써 전지 모듈의 부피를 최소화할 수 있게 된다.

또한, 온도 제어용 공기의 유통 구조를 개선함으로써 전지 모듈의 냉각효율을 높일 수 있고, 온도 제어용 공기가 단위 전지 사이로 고르게 유통되므로 전지 모듈 전체에 있어서 국부적인 열적 불균형을 해소할 수 있게 된다.

Claims (11)

1. 다수 개의 단위 전지를 적층 배열하여 이루어지는 적어도 1의 전지 집합체; 및

   상기 전지 집합체를 내장시키고 온도 제어용 냉각매체를 유통시키는 하우징

   을 포함하며,

   상기 전지 집합체는 상기 하우징의 길이 방향을 따라 배치되고,

   상기 하우징은 상기 냉각매체가 상기 전지 집합체의 상측에서 상기 하우징의 길이 방향을 따라 진행하면서 이 전지 집합체의 각 단위 전지 사이를 통과하여 상기 하우징의 내벽 쪽으로 배출되는 구조로 이루어진 이차 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전지 집합체는 두 개가 한쌍을 이루어 서로 대향 배치되는 이차 전지 모듈.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 전지 집합체가 상기 하우징 내부의 동일 평면 상에 배치되는 이차 전지 모듈.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전지 집합체는 단위 전지와 단위 전지 사이에 전지격벽이 설치되는 이차 전지 모듈.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전지격벽은 상기 전지 집합체의 상측에서 상기 하우징의 내벽을 향하는 채널 형태의 유통로를 형성하는 이차 전지 모듈.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 전지격벽은 표면에 다수개의 돌기가 돌출 형성되어 상기 전지 집합체의 상측에서 상기 하우징의 내벽을 향하는 유통로를 형성하는 이차 전지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 하우징은, 상기 전지 집합체의 상측을 향해 형성되는 유입부와, 상기 전지 집합체와 내벽 사이의 틈새로서 형성되는 배출부를 포함하는 이차 전지 모듈.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 배출부는 상기 유입부를 통해 유입되는 냉각매체의 유입 방향에 반대되는 방향으로 상기 냉각매체를 배출시키도록 된 이차 전지 모듈.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 배출부는 상기 유입부를 통해 유입되는 냉각매체의 유입 방향과 동일한 방향으로 상기 냉각매체를 배출시키도록 된 이차 전지 모듈.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 각 단위 전지는 각형으로 이루어진 이차 전지 모듈.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 전지 모듈이 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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