KR20070105114A

KR20070105114A - 전지 모듈

Info

Publication number: KR20070105114A
Application number: KR1020060037168A
Authority: KR
Inventors: 전윤철; 김태용; 변상원
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-10-30
Also published as: KR100805108B1

Abstract

본 발명에 따른 전지 모듈은 단위전지들을 효율적으로 냉각할 수 있도록, 복수 개의 단위전지들과 상기 단위전지들이 내장되며, 냉각매체가 유입되는 냉각매체 입구와 냉각매체가 배출되는 냉각매체 출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징 내에 설치되어 상기 단위전지들을 향해 상기 냉각매체를 공급하는 송풍장치를 포함하고, 상기 단위전지들은 상기 송풍장치의 둘레를 따라 배치된다.

전지 모듈, 하우징, 송풍장치, 냉각매체

Description

전지 모듈{BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 절개 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 종단면도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈의 단위전지와 도전체를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 횡단면도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 횡단면도이다.

본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이웃하는 이차 전지들의 전극 단자를 전기적으로 연결하는 구조를 개선한 전지 모듈에 관한 것이다.

이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 셀로 이루어진 저용량 이차 전지의 경우, 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 복수개의 셀이 팩 형태로 연결된 대용량 이차 전지는 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다.

그리고 이러한 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 직렬로 연결되어 대용량의 전지 모듈을 구성하게 된다.

상기 전지 모듈은 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하, 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위 전지라 칭한다)로 이루어진다.

상기 각각의 단위전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군과 상기 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 상기 케이스를 밀폐하는 캡 조립체를 포함한다.

그리고 통상 원통형 전지의 경우, 케이스에 전극군의 음극이 전기적으로 연결되고, 캡 조립체에 전극군의 양극이 전기적으로 연결되어 외부로 전류를 유도하게 된다.

그리고 상기 단위전지들은 서로 이웃하는 단위전지의 양극 단자와 음극 단자가 전기적으로 연결된 상태로 하우징에 내장되어 전지 모듈을 구성한다.

여기서 상기한 전지 모듈은 수개에서 많게는 수십개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지 모듈을 구성함에 따라 각 단위전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야 한다. 전지 모듈의 열 방출 특성은 전지의 성능을 좌우할 정도로 매우 중요하다.

열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우, 각 단위전지 간에 온도 편차가 발생하여 충, 방전 효율이 저하되고, 단위전지에서 발생되는 열에 의해 전지내부의 온도가 상승되어 결과적으로 전지의 성능이 저하되며 심한 경우 폭발의 위험을 초래하게 된다.

특히, 상기 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터나 자동차용(전기 자동차 또는 하이브리드 자동차)의 모터 구동용 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 열 방출은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 단위전지에서 발생된 열을 용이하게 방출할 수 있도록 구성된 전지 모듈을 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 전지 모듈을 구성하는 각 단위전지가 고르게 냉각되어 각 단위전지 간 온도 편차를 최소화할 수 있는 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 복수 개의 단위전지들과 상기 단위전지들이 내장되며, 냉각매체가 유입되는 냉각매체 입구와 냉각매체가 배출되는 냉각매체 출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징 내에 설치되어 상기 단위전지들을 향해 상기 냉각매체를 공급하는 송풍장치를 포함하고, 상기 단위전지들은 상기 송풍장치의 둘레를 따라 배치될 수 있다.

상기 송풍장치는 상기 하우징의 중앙에 배치될 수 있다.

상기 하우징은 상기 단위전지들이 내장 설치되는 내부 공간을 갖는 컨테이너 및 상기 컨테이너의 개구에 결합되는 덮개를 포함하고, 상기 냉각매체 입구는 상기 덮개에 형성될 수 있다.

상기 냉각매체 출구는 상기 컨테이너에 형성될 수 있다.

상기 송풍장치와 상기 단위전지 사이에는 상기 냉각매체가 유통되는 출구를 갖는 분리벽이 설치될 수 있다.

상기 단위전지는 상기 송풍장치의 둘레를 따라 복수의 열을 이루어 배치될 수 있다.

상기 복수의 열을 이루어 배치된 단위전지들 사이에 상기 냉각매체가 유통되는 출구를 갖는 분리벽이 설치될 수 있다.

상기 분리벽 또는/및 컨테이너에는 상기 단위전지들과 접하여 상기 단위전지들을 지지하는 안착대가 형성될 수 있다.

상기 복수의 열 중, 바깥쪽 열에 설치된 적어도 하나 이상의 상기 단위전지는 안쪽 열에 설치된 상기 단위전지와 엇갈리도록 배치될 수 있다.

상기 단위전지들은 상기 송풍장치를 중심으로 한 동심원을 따라 배치될 수 있다.

상기 단위전지들은 방사형으로 배치될 수 있다.

상기 송풍장치는 원심형 팬(Centrifugal Fan)을 포함할 수 있다.

상기 전지 모듈은 모터 구동용일 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실 시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 분해 사시도이다.

본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수개의 단위전지들(10)(10')과 단위전지들(10)(10')이 수납되는 하우징(20), 및 하우징(20)의 중앙에 설치되어 단위전지들(10)(10')을 향하여 냉각매체를 공급하는 송풍장치(30)를 포함한다.

본 실시예에서는 단위전지(10)(10')가 원통형으로 이루어진 구조를 예로서 설명한다. 물론, 본 발명이 단위전지를 원통형으로 이루는 것으로 한정되는 것은 아니며, 각형 단위전지 등 다양한 형상으로 이루어진 단위전지를 적용하는 것이 가능하다.

하우징(20)은 단위전지들(10)(10')이 수용되는 공간을 갖는 컨테이너(26)와 이 컨테이너(26)의 개구에 착탈 가능하도록 설치되는 덮개(21)를 포함한다.

덮개(21)에는 냉각매체가 유입되는 냉각매체 입구(28)가 형성된다. 냉각매체 입구(28)는 복수의 관통구멍으로 이루어지며, 하우징(20)의 중앙에 설치된 송풍장치(30)에 냉각매체를 효율적으로 공급할 수 있도록, 덮개(21)의 중앙에 형성된다.

그리고 하우징(30)의 컨테이너(26)에는 냉각매체가 배출되는 냉각매체 출구(26a)가 형성된다. 냉각매체 출구(26a)는 복수개가 소정 간격으로 이격되어 컨테이너(26)의 둘레를 따라 고르게 배치되며 단위전지들(10)(10')이 컨테이너(26)에 내장된 상태를 기준하여, 각 단위전지(10) 사이에 적어도 하나 이상의 냉각매체 출 구(26a)가 배치된다.

본 실시예에서는 각 단위전지(10) 사이에 하나의 냉각매체 출구(26a)가 형성된 구조를 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 각 단위전지(10) 사이에 둘 이상의 냉각매체 출구(26a)가 형성될 수도 있다.

컨테이너(26) 내에 단위전지들(10)(10')은 송풍장치(30)를 중심으로 하여 이 송풍장치(30)의 주위에 형성되는 가상의 폐곡선을 따라 소정 간격을 두고 이격되면서 배열된다.

이때, 단위전지들(10)(10')은 복수의 열을 이루며 배치될 수 있는 바, 본 실시예에서 서로 다른 열에 배치되는 단위전지들(10)(10')과 송풍장치(30)는 서로 다른 공간에 배치된다.

이를 위해 컨테이너(26) 내에는 복수의 분리벽들(23, 24)이 형성된다. 이 분리벽들(23, 24)은 본 실시예에서 컨테이너(26)가 원통형 용기로 형성됨에 따라, 이에 대응하여 동심원을 이루면서 다른 직경을 가지는 제1분리벽(23)과 제2 분리벽(24)을 포함한다. 여기서 제1 분리벽(23) 및 제2 분리벽(24)에도 컨테이너(26)의 냉각매체 출구(26a)와 같은 냉각매체 출구들(23a, 24a)이 각기 형성된다. 이 분리벽들(23, 24)에 의해 컨테이너(26) 내에는 3개의 공간이 형성되며 제1 분리벽(23)에 의해 형성되는 공간에는 송풍장치(30)가 배치되고, 제1 분리벽(23)과 제2 분리벽(24)에 의해 형성되는 공간에는 제1 열의 단위전지들(10')이 배치되고, 제2 분리벽과 컨테이너(26)의 측벽에 의해 형성되는 공간에는 제2 열의 단위전지들(10)이 배치된다.

이때, 단위전지들(10), (10')은 송풍장치(30)를 중심으로 하여 방사상으로 배치되며, 상기한 각 공간에 배치될 때, 안정적인 고정과 효율적인 냉각을 고려하여 안착대(15)(15')에 지지되어 배치된다.

각 안착대(15)(15')는 단위전지들(10)(10')이 밀착되어 견고하게 지지될 수 있도록 이 단위전지들(10)(10')의 형상에 대응하여 하우징(20)의 중심축(Z) 방향에 수직한 단면을 기준할 때, 단위전지들(10)(10')의 밀착면이 호형상을 갖는다.

본 실시예에서 각 안착대(15)(15')는 각 단위전지(10)(10')에 대해 마주하는 상태로 배치되어 이 단위전지(10)(10')와 결합된다.

구체적으로 본 실시예에서 안착대(15)(15')는 컨테이너(26)의 내주면과 제2 분리벽(24)의 외주면 및 제2 분리벽(24)의 내주면과 제1 분리벽(23)의 외주면에 각기 대향배치되어 고정 설치된다.

실질적으로 컨테이너(26) 내에 단위전지들(10)(10')의 내장은 단위전들(10)(10')이 안착대(15)(15')가 형성하는 공간으로 삽입되어 이 안착대(15)(15')의 구속력을 받아 고정되는 것으로 이루어진다(도 1 참조).

이러한 고정상태에 따라 단위전지들(10)(10')은 컨테이너(26)뿐만 아니라 제1, 2 분리벽들(23)(24)과 접촉되어 이어지는 결과를 가질 수 있다.

이러한 분리벽들(23)(24)은 열적으로 도체이고 전기적으로 부도체인 소재로 이루어진다. 이로 인해 단위전지(10)(10')에서 발생된 열은 분리벽(23, 24)으로 용이하게 전달될 수 있으며, 송풍장치(30)를 통해 제공되는 냉각매체에 의해 냉각되어 하우징(20) 외부로 방출될 수 있게 된다.

또한, 분리벽(23, 24)이 일체로 형성되어 각 단위전지들(10)은 열적으로 서로 연결되게 된다. 따라서 내부 온도가 높은 단위전지(10)는 분리벽(23, 24)으로 많은 양의 열을 전달하고, 내부 온도가 낮은 단위전지는 분리벽(23, 24)으로 적은 양의 열을 전달하게 되어 각 단위전지들(10)은 균일하게 냉각될 수 있다.

한편, 본 실시예서 단위전지(10)(10')는 전술한 바와같이 원통형으로 이루어지므로, 일측 단부에 양극 단자(11)(11')가 돌출 형성되고, 단위전지(10)(10')의 케이스(12)(12')가 음극 단자 역할을 하게 된다.

그리고 단위전지들(10)(10')은 이웃하는 단위전지(10)(10')에 형성된 양극 단자(11)(11')가 서로 다른 방향을 향하도록 배치된다. 즉, 하나의 단위전지(10)(10')가 양극 단자(11)(11')를 위를 향하도록 배치된 상태에서 이와 이웃하는 다른 단위전지(10)(10')는 양극 단자(11)(11')가 아래를 향하도록 배치된다.

이 상태에서 단위전지들(10)(10')에는 이웃하는 단위전지들(10)(10')과 전기적으로 연결되도록 하는 도전체(40)(40')가 설치되는데, 도전체(40)(40')는 이웃하는 단위전지들(10)(10')을 직렬로 연결할 수 있도록, 이웃하는 단위전지(10)(10')의 양극 단자(11)(11')와 음극단자인 케이스(12)(12')에 접하도록 설치된다. 그리고 도전체(40)(40')는 도 3에 도시된 바와 같이, 판 형태의 베이스(41)(41')에 단위전지(10)와 접하는 돌기(42)(42')가 형성된 구조로 이루어진다.

여기서 이 도전체(40)(40')는 동일한 열에 배치된 단위전지들(10)(10')을 연결하는 제1 도전체(40)와 다른 열에 배치된 단위전지들(10)(10')을 연결하는 제2 도전체(40')로 구분된다.

이러한 전지 모듈은 하이브리드 전기 자동차와 같은 기기에 적용되어 이의 모터를 구동하는 전원으로 사용될 때 냉각매체 입구(28)를 통해 제공되는 공기를 송풍기(30)를 통해 각 단위전지들(10)(10')로 제공하여 이 단위전지들(10)(10')에서 발산되는 열을 식힐 수 있도록 한다.

이때, 단위전지들(10)(10')은 송풍기(30)를 중심으로 하여 방사상으로 배열되어 있고, 여기에 하우징(20)의 각 구성요소가 열을 원할하게 전달할 수 있는 소재로 이루어져 있음은 물론 단위전지들(10)(10')이 하우징 분리벽들(23)(24) 및 컨테이너(26)에 밀착되어 고정되므로 송풍기(30)를 통해 제공받는 냉각용 공기에 의한 냉기를 더욱 받을 수 있어 그 냉각 효율을 증진시킬 수 있다.

한편, 하우징(20)의 중앙에 설치된 송풍장치(30)는 냉각 팬(34)과 냉각 팬(34)을 구동하는 모터(32)를 포함한다. 여기서 냉각 팬(34)은 원심형 팬(Centrifugal Fan)으로 이루어져 냉각매체 입구(28)를 통해 냉각매체를 방사상으로 밀어내어 각 단위전지들(10)(10')로 공급하는 역할을 한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 원통 형태로 이루어진 하우징(63)의 안쪽에 복수개의 단위전지들(51)(51')이 원을 이루며 배열된 구조로 이루어진다. 그리고 하우징(63)의 중앙에는 단위전지들(51)(51')을 향하여 냉각매체를 공급하는 송풍장치(70)가 설치된다.

한편, 단위전지들(51)(51')은 송풍장치(70)의 둘레를 따라 복수의 열로 배열되는데, 단위전지(51)(51')의 열은 송풍장치(70)를 중심으로 한 동심원을 따라 배 치된다.

그리고 안쪽 열에 배치된 단위전지(51')와 바깥쪽 열에 배치된 단위전지(51) 사이에는 단위전지들(51)(51')을 지지하는 분리벽(61, 62)이 형성되고, 분리벽(61, 62)과 하우징(63)의 컨테이너(65)에는 냉각매체가 유통될 수 있도록 관통구멍(61a)(62a)(65a)이 형성된다.

한편, 단위전지들(51)(51')은 옆쪽에 배치된 단위전지들(51)(51')과 소정 간격으로 이격되어 배치되는데, 안쪽에 배치된 단위전지들(51')과 바깥쪽에 배치된 단위전지들(51)이 서로 일대일로 대응되는 구조로 배치되지 않고, 바깥쪽에는 안쪽보다 많은 수의 단위전지들이 배치된다.

이로 인해 이 제2 실시예에서는 안쪽에 배치된 단위전지들(51')과 각각 일대일 대응하여 바깥쪽에 단위전지들(51)이 송풍기(70)를 중심으로 하여 방사상으로 배치되고, 단위전지(51) 사이에 다시 단위전지들(51)이 배치된 구조로 이루어진다.

즉, 바깥쪽 열에 배열된 단위전지(51)는 안쪽 열에 배열된 단위전지(51')와 엇갈려 배치될 수 있다.

이처럼 본 발명을 통해 하우징 내에 복수 열로 배열되는 단위전지들은 예시한 실시예들의 배열구조에 국한되지 않고 적용 기기의 전원으로 최적화되어 사용될 수 있도록 다양하게 배열될 수 있다.

본 발명의 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.

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 송풍장치의 둘레를 따라 단위전지들이 배치되어 단위전지의 냉각 효율이 향상될 수 있다.

또한, 단위전지들을 향하여 균일한 양의 냉각매체를 공급할 수 있어서 단위전지들을 균일하게 냉각시킬 수 있다.

Claims

복수 개의 단위전지들;

상기 단위전지들이 내장되며, 냉각매체가 유입되는 냉각매체 입구와 냉각매체가 배출되는 냉각매체 출구가 형성된 하우징;

상기 하우징 내에 설치되어 상기 단위전지들을 향해 상기 냉각매체를 공급하는 송풍장치;

를 포함하고,

상기 단위전지들은 상기 송풍장치의 둘레를 따라 배치되는 전지 모듈.
제1 항에 있어서,

상기 송풍장치는 상기 하우징의 중앙에 배치되는 전지 모듈.
제1 항에 있어서,

상기 하우징은 상기 단위전지들이 내장 설치되는 내부 공간을 갖는 컨테이너; 및

상기 컨테이너의 개구에 결합되는 덮개;

를 포함하고,

상기 냉각매체 입구는 상기 덮개에 형성된 전지 모듈.
제3 항에 있어서,

상기 냉각매체 출구는 상기 컨테이너에 형성되는 전지 모듈.
제3 항에 있어서,

상기 송풍장치와 상기 단위전지 사이에는 상기 냉각매체가 유통되는 출구를 갖는 분리벽이 설치되는 전지 모듈.
제3 항에 있어서,

상기 단위전지는 상기 송풍장치의 둘레를 따라 복수의 열을 이루어 배치되는 전지 모듈.
제6 항에 있어서,

상기 복수의 열을 이루어 배치된 단위전지들 사이에 상기 냉각매체가 유통되는 출구를 갖는 분리벽이 설치되는 전지 모듈.
제5 항 또는 제7 항에 있어서,

상기 분리벽 또는/및 상기 컨테이너에는 상기 단위전지들과 접하여 상기 단위전지들을 지지하는 안착대가 형성되는 전지 모듈.
제6 항에 있어서,

상기 복수의 열 중, 바깥쪽 열에 설치된 적어도 하나 이상의 상기 단위전지는 안쪽 열에 설치된 상기 단위전지와 엇갈리도록 배치되는 전지 모듈.
제6 항에 있어서,

상기 단위전지들은 상기 송풍장치를 중심으로 한 동심원을 따라 배치되는 전지 모듈.
제6 항에 있어서,

상기 단위전지들은 방사형으로 배치되는 전지 모듈.
제1 항에 있어서,

상기 송풍장치는 원심형 팬(Centrifugal Fan)을 포함하는 전지 모듈.
제1 항에 있어서,

상기 전지 모듈은 모터 구동용인 전지 모듈.