KR20120048938A - 전지모듈 및 이를 포함하는 리튬이차 전지팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전지모듈 및 이를 포함하는 리튬이차 전지팩에 관한 것으로, 구체적으로는 둘 또는 그 이상의 파우치형 단위셀들 및 상기 단위셀들을 수납하는 모듈케이스로 구성된 전지모듈에 있어서, 상기 모듈케이스 자체가 방열 기능을 수행할 수 있도록, 상기 모듈케이스 내부에 상기 단위셀의 대면적 면 및 상기 모듈케이스와 맞닿는 것으로서 하나 이상의 방열판을 포함하는 열전도성 방열유닛이 삽입되어 있고, 상기 모듈케이스는 완전 밀봉된 것을 특징으로 하는 전지모듈 및 이를 포함하는 리튬이차 전지팩에 관한 것이다.
본 발명은 간단한 구조를 통해 충방전시에 셀 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있고, 외부충격 특성 및 에너지밀도를 향상시킬 수 있으며, 파우치형 전지의 라미네이트 시트 외장재에서 필수적으로 포함되던 금속층 자체를 배제할 수 있고, 전지모듈 제조에 있어서 외부 캔의 용접 실링면을 최소화할 수 있는 등 그 장점이 현저하다.
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Description
본 발명은 방열유닛이 구비된 전지모듈 및 이를 포함하는 리튬이차 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지밀도 및 작동전압이 높고 수명특성이 우수한 리튬이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 또한, 리튬이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 환경오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 큰 주목을 받고 있으며 일부 상용화 단계에 있다.
상기 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력, 대용량의 필요성으로 인해 다수의 단위셀을 전기적으로 연결한 전지모듈이 사용되고 있다. 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스의 수용공간 및 출력 등과 직접적 관련성이 있으므로, 제조업체들은 고출력을 담보하면서도 소형화, 경량화가 가능한 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있는 실정이다.
한편, 이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 길이 대비 작은 폭을 가지며 무게 또한 가벼운 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
충방전이 가능한 다수의 단위셀을 포함하고 있는 전지모듈에 있어서, 가장 문제가 되는 사항 중 하나는 안전성이다. 전지모듈의 안전성 문제는 발열, 외부충격 등에 의한 모듈 구성요소들의 열화 및 내부단락 등으로부터 유발된다.
즉, 다수의 단위셀을 적층하면 높은 충적도를 가지지만 충방전시 발생하는 열을 제거하는 것이 어렵다는 단점이 있으며, 방열이 제대로 이루어지지 못하고 축적되면 전지의 열화가 초래되어 수명이 저하될 뿐 아니라 안전성이 크게 훼손될 수 있다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원과 같이 고속 충방전 특성이 요구되는 전지에서는 순간적으로 고출력을 제공하는 과정에서 많은 발열이 수반되므로 효과적인 방열의 필요성이 더욱 크다.
전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트 외장재는 각형 전지와 달리 고분자 수지층을 포함하고 있는데, 이러한 고분자 수지층의 재질들은 대부분 열전도성이 낮아 전지 내부에서 발생한 열을 빠르게 외부로 방출할 수 없고, 외부충격에 약해 안전성 확보를 위해서는 추가적인 구성물을 필요로 한다.
또한, 파우치형 전지에서는 수분 및 가스 차단을 위해 라미네이트 시트에 알루미늄(Al) 등의 금속층을 포함시키고 있는데, 상기 금속층은 고분자 수지층에 비하여 고가의 재료를 요구하므로 전체적인 전지의 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.
이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2001-297741호에서는 각각의 전지 사이에 열전도성이 우수한 금속 집열판을 개재하고, 집열판에 부착되어 있는 열파이프를 전지팩 케이스의 외면에 설치되어 있는 방열유닛과 연결하여 전지팩 내부의 열을 방출하는 구조에 대한 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 구조의 전지팩은 열파이프와 방열유닛을 연결하는 부위의 단면적이 작으므로 전지팩 케이스 내부의 열을 방열유닛으로 효율적으로 전달되지 못하고, 방열을 위한 추가적인 구성물로 인하여 전체 전지팩의 구조가 복잡해지며, 공간을 많이 차지하는 단점이 있다.
따라서, 간단하고 콤팩트한 구조를 통해서도 우수한 방열특성을 나타낼 수 있고, 외부충격 특성을 향상시킬 수 있으며, 기존 파우치형 전지의 라미네이트 시트 외장재에서 금속층을 배제할 수 있는 전지모듈에 대한 개발이 필요한 시점이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
본 출원의 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 모듈케이스 자체가 방열 기능을 수행할 수 있도록, 모듈케이스 내부에 단위셀의 대면적 면 및 모듈케이스와 맞닿는 열전도성 방열유닛을 삽입함과 더불어 상기 모듈케이스는 완전 밀봉된 것을 특징으로 하는 전지모듈을 개발하기에 이르렀고, 이 경우 간단한 구조를 통해 단위셀들로부터 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있고 전지모듈을 매우 콤팩트한 구조로 제작할 수 있으며, 금속층이 포함된 고가의 라미네이트 시트 외장재를 저가의 고분자 수지 필름만으로 대체할 수 있음을 확인하였다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 둘 또는 그 이상의 파우치형 단위셀들 및 상기 단위셀들을 수납하는 모듈케이스를 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 모듈케이스 자체가 방열 기능을 수행할 수 있도록, 상기 모듈케이스 내부에 상기 단위셀의 대면적 면 및 상기 모듈케이스와 맞닿는 것으로서 하나 이상의 방열판을 포함하는 열전도성 방열유닛이 삽입되는 전지모듈이 제공된다.
상기 방열유닛은 상기 방열판과 일체화되어 상기 방열판을 지지하는 것으로서 상기 모듈케이스와 맞닿는 지지판을 더 포함하며, 상기 방열판의 두께는 0.1 ~ 2mm인 것을 특징으로 한다.
상기 단위셀은 상기 방열판으로 구획되는 공간에 적어도 하나 이상 수납되고,상기 단위셀간 및 단위셀과 외부단자와의 연결은 외부에서 미리 접속되어 연결된 후 상기 모듈케이스에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
상기 단위셀의 외장재는 열융착되는 내부 수지층, 차단성 금속층 및 외부 수지층으로 구성될 수도 있고, 또는 열융착되는 내부 수지층 및 외부 수지층만으로 구성될 수도 있다.
상기 단위셀의 전극단자들은 일방향 또는 양방향으로 형성되고, 상기 전극단자들은 상기 전지모듈의 한 면 또는 두 면에서 직렬 또는 병렬로 전기적 연결된다.
상기 모듈케이스는 금속 소재로 이루어지고, 상기 방열유닛은 금속 소재 또는 카본 소재로 이루어진다.
상기 모듈케이스는 단위셀이 수납되도록 적어도 일면이 개구되며, 그 개구된 부분은 케이스덮개에 의해 밀봉된다.
또한, 본 발명에서는 상술한 바와 같은 전지모듈을 포함하는 리튬이차 전지팩이 제공된다.
상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템 등이 있다.
본 발명은 모듈케이스 내부에 단위셀 및 상기 모듈케이스와 맞닿는 방열유닛을 삽입함으로써, 간단한 구조를 통해 충방전시에 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있고, 파우치형 전지의 외부충격 특성을 향상시킬 수 있으며, 전지모듈을 매우 콤팩트한 구조로 제작할 수 있어 에너지밀도가 높아지는 장점이 있다.
또한, 전지모듈케이스를 완전 밀봉된 구조로 형성함으로써, 기존 파우치형 라미네이트 시트 외장재의 필수적 구성요소인 금속층 자체를 배제할 수 있는 이점이 있다.
아울러, 단위셀간 및 외부단자와의 연결은 외부에서 미리 접속하여 연결한 후 모듈케이스에 삽입함으로써, 외부 캔의 용접 실링면을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지모듈의 구조에 대한 분해 사시도.
이하에서는, 본 발명의 전지모듈 및 이차전지에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 둘 또는 그 이상의 파우치형 단위셀(1)들 및 상기 단위셀들을 수납하는 모듈케이스(10)로 구성된 전지모듈을 제공한다. 상기 모듈케이스(10)는 그 자체로 방열 기능을 수행할 수 있도록, 상기 모듈케이스(10) 내부에 상기 단위셀의 대면적 면 및 상기 모듈케이스(10)와 맞닿는 것으로서 하나 이상의 방열판(21)을 포함하는 열전도성 방열유닛(20)이 삽입되고, 상기 모듈케이스(10)는 완전 밀봉된다.
전지모듈(특히, 중대형 전지모듈)을 구성하는 단위셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 작동 과정에서 필연적으로 많은 열이 발생하는바, 이러한 열이 효율적으로 제거되지 않으면 단위셀의 열화를 촉진하고 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수도 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 일반적 전지모듈에서는 열교환 매체 유로의 형성을 위해 단위셀들을 소정 거리만큼 이격된 상태로 적층하여 구성하고 이러한 이격된 공간으로 공기를 유동('공냉식')시키거나, 적층된 단위셀들의 측면 등에 추가적인 열전도성 부재를 포함시킴으로써 단위셀들의 과열을 방지하고 있다.
그러나, 상기 공냉식 냉각은 사실상 충분한 방열 효과를 발휘하지 못하는 실정이고, 별도의 유로 확보가 필요하므로 전지모듈의 크기 증가를 유발하는 요인 중 하나가 된다. 반면, 추가적인 열전도성 부재를 적층된 단위셀들의 측면 등에 별도로 포함시키는 경우 전체 전지모듈의 부피 및 중량이 커지고, 구조 또한 복잡해져서 전지의 소형화, 경량화를 추구하는 업계의 현 추세에 부합하지 않게 된다.
이에, 본 발명은 모듈케이스(10) 자체가 방열 기능을 수행할 수 있도록, 상기 모듈케이스(10) 내부에 상기 단위셀의 대면적 면 및 상기 모듈케이스(10)와 맞닿는 것으로서 하나 이상의 방열판을 포함하는 열전도성 방열유닛(20)을 삽입한 것이다. 즉, 본 발명에 적용되는 모듈케이스(10)는 그 내부로 셀을 투입하기 위해 도면상 좌측면과 우측면 또는 그 중 어느 일면만 개구된 육면체 형상으로 이루어지며, 그 내부에는 소정 간격을 두고 복수의 방열판을 포함하는 열전도성 방열유닛(20)이 개재되어 모듈케이스(10) 내부를 복수의 영역으로 구획하도록 구성된다.
이에 따라, 전지의 충방전시 양극활물질과 음극활물질 사이에서 이온이 흡장/방출될 때 발생되는 열을 단위셀의 대면적 면에 밀착된 상기 방열판이 1차적으로 흡수하고, 이렇게 흡수된 열은 2차적으로 상기 방열판과 밀착된 모듈케이스(10)를 통해 외부로 방출되게 된다. 단위셀의 대면적 면에 상기 방열판을 밀착함으로써, 접하는 면적을 최대로 함과 더불어 열전달 매체 간에 공간이 생기지 않도록 하여 방열 성능을 극대화한 것이다. 단위셀과 방열판이 이격되어 있을 경우, 공기의 낮은 열전도도(약 0.02 W/mㆍK)로 인해 단위셀 내부에서 발생한 열이 방열판으로 원활하게 전달되지 못하고, 전지모듈의 전체 부피도 커지기 때문이다.
구체적으로, 상기 방열유닛(20)은 상기 방열판(22)과 일체화되어 상기 방열판을 하측으로부터 지지하는 것으로서 상기 모듈케이스(10)와 맞닿는 지지판(21)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 단위셀로부터 방열판에 전달된 열은 다시 상기 지지판(21)으로 전달되고, 최종적으로 상기 지지판(21)과 맞닿아있는 상기 모듈케이스(10)를 통해 외부로 방출된다.
본 발명에 의할 경우 종래처럼 적층된 단위셀들(또는 전지모듈)의 외부에 별도의 방열부재를 추가 구성할 필요가 없어, 단순하고 콤팩트한 구조의 전지모듈을 제공할 수 있으며 에너지밀도도 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 단위셀의 대면적 면과 맞닿아있는 상기 방열판(22)은 방열 기능을 수행함과 동시에 파우치형 단위셀에 가해지는 외력을 지탱해 주는 구조물 역할도 함께 수행하는 것이다. 따라서, 고분자 수지층을 포함한 라미네이트 시트 외장재로 구성되어 원통형 내지 각형 전지보다 외력에 약한 문제를 지닌 파우치형 전지의 외부충격 특성을 간단한 구조의 방열판 하나의 부품만으로 보완할 수 있다.
본 발명에서 상기 단위셀은 충방전이 가능한 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 리튬이차전지, 니켈-수소(Ni-MH)이차전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd)이차전지 등을 들 수 있으나, 그 중에서도 중량 대비 고출력을 제공하는 리튬이차전지가 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 단위셀(1)은 파우치형 단위셀로서, 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(1a)가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극단자들과 연결된 상태로 내장되어 있다.
즉, 상기 단위셀 외장재의 외부로 상기 전극조립체와 전기적으로 연결된 전극단자(양극단자 및 음극단자)가 돌출되어 있다. 상기 전극단자들은 도면상 상기 단위셀 외장재의 좌측 또는 우측에서 일방향으로만 돌출 형성될 수도 있고, 좌측 및 우측 모두에서 양방향으로 돌출 형성될 수도 있다. 결국, 상기 전극단자들은 육면체 전지모듈의 한 면 또는 두 면에서 직렬 또는 병렬로 전기적 연결되며, 최종 양/음극 단자가 전지모듈의 외부로 연결되는 구조이다.
한편, 본 발명에서는 외장재의 좌측 또는/및 우측으로 전극단자가 돌출된 상태를 일예로 설명하였으나, 본 발명은 이에 국한되지 않고 외장재의 상측 또는/및 하측으로 전극단자가 돌출될 수도 있다.
이때, 전극단자들이 외장재로부터 일방향으로만 돌출된 경우에는 본 발명의 모듈케이스(10)는 일측면만 개방되고, 양방향으로 각각 돌출된 경우에는 모듈케이스(10)는 양측면이 개방되어야 한다. 도 1은 모듈케이스(10)의 양측면이 개방된 일예가 도시된 것이다.
상기 단위셀 외장재는 통상적인 경우처럼, 열융착을 위한 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 향상을 위한 외부 수지층을 모두 포함할 수 있지만, 후술하는 바와 같이 본 발명에 있어서는 완전 밀봉된 모듈케이스(10) 자체가 종래의 차단성 금속층 역할을 대신 수행할 수 있는바, 상기 셀 외장재에 있어 금속층을 생략한 채 내부 수지층 및 외부 수지층만으로 구성할 수 있는 이점이 있다.
상기 방열유닛(20)으로는 열전도성이 우수한 소재라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 바람직하게는, 열전도성과 기계적 강도가 다른 소재들에 비해 높은 금속 소재 또는 카본 소재로 이루어질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 열전도성과 기계적 강도는 높으면서 전기전도성은 낮은 소재를 채택함으로써, 방열특성 및 외부충격 특성은 높게 유지하면서 동시에 절연성을 향상시켜 전지모듈의 전기적 안전성을 더욱 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 상기 방열유닛(20)과 상기 모듈케이스(10)는 서로 맞닿아있는 것으로 그 전체로서 방열 기능을 수행하는 것이므로, 양자 모두 금속 등의 열전도성 소재이어야 한다. 바람직하게는, 같은 재질의 열전도성 소재로 형성하여 방열유닛(20)과 모듈케이스(10)를 거치는 동안 균일한 열전달이 이루어지도록 한다. 이러한 방열유닛(20) 및 모듈케이스(10)의 재질은 모든 금속 또는 카본소재가 가능하지만, 열전도성 가공성, 용접성 등을 고려하였을 때 SUS계열 또는 Al계열이 사용되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 방열유닛(20)의 크기가 너무 크면 전지모듈의 부피 및 중량이 증가하고, 반대로 너무 작으면 방열특성이 저하되므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 방열유닛(20)의 크기는 단위셀들의 열을 효과적으로 흡수하여 배출할 수 있는 적정한 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 방열판(22)의 두께 역시 방열 효율성과 전지의 용량을 고려하여 0.1 ~ 2 mm 정도로 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 방열판의 두께가 0.1 mm 미만일 경우에는 방열 특성이 저하될 우려가 있고, 2 mm 초과할 경우에는 전지모듈의 부피가 증대될 수 있다. 아울러, 상기 방열판(22)은 상기 단위셀을 구성하는 극판의 면적과 같거나 그 이하로 구성하는 것이, 단위셀로부터 돌출된 전극단자와의 단락 방지에 유리하다. 또한 방열판은 단위셀들의 열을 원활하게 방출시키고 더불어 모듈케이스 내를 구획할 수 있다면 판상형, 메쉬형 등 그 형상에 제한은 없다.
상기 파우치형 단위셀(1)들은 상기 방열판(22)으로 구획되는 공간에 하나 또는 그 이상 수납될 수 있다. 바람직하게는, 상기 방열판으로 구획되는 공간에 상기 단위셀을 하나씩만 수납함으로써, 각 단위셀에서 발생하는 열을 신속하게 제거함과 더불어 특정 단위셀들만 과열되어 단위셀들간 온도 편차가 발생하는 것을 방지하도록 한다.
한편, 본 발명에 있어서의 상기 모듈케이스(10)는 완전 밀봉된 것을 특징으로 한다. 즉, 모듈케이스(10)의 개구된 부분에는 케이스덮개(60)가 결합된 후 용접 등을 이용하여 실링하게 된다. 이에 따라, 라미네이트 시트 외장재에 수납된 전극조립체로 이루어진 파우치형 단위셀을, 2차적으로 포장하는 역할을 하는 부재인 모듈케이스(10) 자체가 완전히 밀봉되는 것이다.
이로써, 종래 수분 및 가스가 전극조립체로 유입 내지 유출되는 것을 막기 위한 차단층으로서, 라미네이트 시트 외장재에 필수적으로 포함되었던 알루미늄 등의 금속층을 배제할 수 있게 된다.
즉, 모듈케이스(10) 자체가 수분 및 가스의 차단층 역할을 대신 수행함으로써 종래의 값비싼 라미네이트 시트 외장재를 저렴한 가격의 고분자 수지 필름으로 대체할 수 있으며, 단위셀 또한 가볍게 제조할 수 있다. 또한, 전지모듈 외부로부터 전지모듈 내부로 수분 등의 이물질이 침투되는 것을 근본적으로 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 단위셀간 및 단위셀과 외부단자와의 연결은 외부에서 미리 접속되어 연결된 후 상기 모듈케이스(10)에 삽입될 수 있다.
구체적으로, 단위셀을 모듈케이스(10)에 삽입하기 전에 단위셀의 전극단자들간 및 단위셀과 외부단자의 전기적 연결을 미리 해놓은 다음, 연결이 다 된 상태에서 비로소 모듈케이스(10)에 삽입하면 단자들의 전기적 체결을 위한 추가적인 부품이 용접되지 않아도 되므로 외부 캔의 용접 실링면을 최소화할 수 있다.
한편, 모듈케이스(10)의 외부와 연결되는 단자를 포함하는 면은 하나의 어셈블리(assembly) 부품으로 구성될 수도 있다.
다수의 단위셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 내지 디바이스의 공간상의 한계 측면에서 바람직하지 않으며, 차량 등과 같이 한정된 내부공간에 효율적으로 장착되기 위해서는 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 전지모듈이 요구된다.
구체적으로, 상기 문제를 해결하기 위해 모듈케이스(10)에 수납된 파우치형 단위셀간 및 파우치형 단위셀과 외부단자와의 연결이 하나의 어셈블리 부품에 의해 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 모듈케이스(10)와 케이스덮개(60) 사이에는 각 단위셀의 전극단자와 연결되는 접속부재(30)가 개재된다. 이와 같이, 모듈케이스(10) 바디에 단위셀들을 삽입하고, 단위셀간 연결 및 외부단자와의 연결은 이미 결합된 하나의 접속부재(30)를 통해 이루어지도록 하면 종래의 번거롭던 기계적 체결 및 전기적 접속 작업을 매우 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 상기 접속부재(30)와 케이스덮개(60) 사이에는 전극단자들이 직렬 또는 병렬 연결되도록 하는 버스바(40), 상기 접속부재(30)와 케이스덮개(60) 간의 절연을 위한 절연개스킷(50)이 개재된다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차 전지팩에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것이 적합하다. 중대형 전지팩의 경우 고출력, 대용량의 성능 확보를 위해 다수의 단위셀들이 적층되어 사용되는바, 이러한 전지팩을 구성하는 전지모듈들은 안전성의 확보를 위해 더욱 높은 방열 효율성이 요구되기 때문이다.
상기 중대형 디바이스의 구체적인 예로는, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있다.
중대형 전지팩의 구체적인 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 관한 설명을 생략하도록 한다.
이하, 실시예를 참고하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.
실시예
1
내부 수지층(폴리에틸렌 필름), 금속층(Al), 및 외부 수지층(나일론 필름)을 적층하여 라미네이트 시트 외장재 8장을 제조한 후, 하면 외장재에 딥 드로잉을 통해 수납부를 형성하였다.
다음으로, 드라이 룸에서 스택형 전극조립체 4개를 상기 하면 외장재에 각각 전극단자가 양방향으로 형성되도록 수납하고, 1M LiPF6 카보네이트계 전해액을 주입한 후, 상면 외장재를 덮은 다음 4곳의 외주면을 열융착함으로써 4개의 파우치형 단위셀을 제조하였다.
다음으로, 방열판(두께 0.5mm) 3개 및 하측 지지판으로 이루어진 Al 재질의 일체화된 방열유닛을 제작하고, 상기 제조된 4개의 단위셀을 그 대면적 면이 상기 방열판과 밀착되도록 방열판 사이에 하나씩 적층하였다.
다음으로, 모듈케이스에 삽입하기 전에 미리, 상기 단위셀간 및 단위셀과 외부단자를 버스 바 및 외부접속용 연결부재를 이용하여 전기적으로 연결해 놓았다.
다음으로, 상기 단위셀/방열유닛 결합체를 Al 재질로 된 모듈케이스 내부에 삽입하여, 상기 방열유닛의 지지판이 상기 모듈케이스의 하면 및 양 측면에 꽉 끼워지도록 밀착시켰다.
마지막으로, 케이스 바디와 외부 캔을 용접하여 모듈케이스가 완전 밀봉된 구조의 전지모듈을 제조하였다.
실시예
2
단위셀 외장재에 있어서 금속층(Al)을 뺀 것을 제외하고는, 실시예 1과 같다.
비교예
내부 수지층(폴리에틸렌 필름), 금속층(Al), 및 외부 수지층(나일론 필름)을 적층하여 라미네이트 시트 외장재 8장을 제조한 후, 하면 외장재에 딥 드로잉을 통해 수납부를 형성하였다.
다음으로, 드라이 룸에서 스택형 전극조립체 4개를 상기 하면 외장재에 각각 전극단자가 양방향으로 형성되도록 수납하고, 1M LiPF6 카보네이트계 전해액을 주입한 후, 상면 외장재를 덮은 다음 4곳의 외주면을 열융착함으로써 4개의 파우치형 단위셀을 제조하였다.
다음으로, Al 재질로 된 실시예 1과 같은 크기의 모듈케이스 내에 상기 제조된 4개의 단위셀을 동일 거리만큼 이격된 상태로 수납하여, 공기 유로가 형성되도록 하였다.
다음으로, 상기 4개 단위셀들의 전극단자들 각각을 버스 바를 이용하여 전기적으로 연결한 후, 상기 버스 바가 최종적으로 외부단자와 연결되도록 외부연결용 접속부재를 결합하여, 전지모듈을 제조하였다.(이때 모듈케이스는 완전 밀봉된 구조가 아니었다.)
실험예
상기 실시예와 비교예에서 제조된 전지모듈에 대해 1C-rate로 만충전한 후 셀 내부 온도가 동일해지도록 충분한 시간 동안 기다린 후 2C-rate의 전류로 만방전하는 조건으로 충방전을 실시한 다음, 4개 단위셀들의 평균온도 변화를 시간에 따라 측정하였다.(비교예의 경우는 상기 이격된 공간으로 공기를 유동시켜 방열을 실시하였다.)
| 4개 단위셀들의 평균온도(℃) | |||
| 시간(min) | 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 |
| 0(방전 시작) | 25 | 25 | 25 |
| 10 | 26 | 26 | 28 |
| 20 | 29 | 28 | 32 |
| 30(방전 완료) | 34 | 32 | 40 |
| 40 | 29 | 29 | 32 |
| 60 | 25 | 25 | 27 |
상기 표 1에서 보듯이, 실시예의 경우 모듈케이스 내부에 단위셀의 대면적 면 및 모듈케이스와 맞닿는 방열유닛을 삽입함으로써 비교예보다 우수한 방열특성을 나타내고 셀 내부의 온도를 균일하게 제어할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 간단한 구조만으로도 단위셀에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있어, 궁극적으로 전지의 수명 및 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, 본 발명은 모듈케이스가 완전 밀봉된 결과, 파우치형 전지의 라미네이트 시트 외장재에 있어 금속층을 배제하더라도(실시예 2) 수분 및 가스 차단성이 보장되는 반면, 비교예의 경우는 모듈케이스가 밀봉되어 있지 않아 차단성 금속층이 반드시 필요하게 된다.
더불어, 실시예의 경우 단위셀간 및 단위셀과 외부단자와의 연결이 외부에서 미리 접속되어 연결된 후 모듈케이스에 삽입되므로, 비교예의 경우보다 외부 캔의 용접 실링면이 줄어들어 작업 용이성이 월등하였다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 ; 모듈케이스
20 ; 방열유닛
21 ; 지지판
22 ; 방열판
30 ; 접속부재
40 ; 버스바
50 ; 절연개스킷
60 ; 케이스덮개
20 ; 방열유닛
21 ; 지지판
22 ; 방열판
30 ; 접속부재
40 ; 버스바
50 ; 절연개스킷
60 ; 케이스덮개
Claims (15)
- 둘 또는 그 이상의 파우치형 단위셀들 및 상기 단위셀들을 수납하는 모듈케이스를 포함하는 전지모듈에 있어서,
상기 모듈케이스 내부에 상기 단위셀의 대면적 면 및 상기 모듈케이스와 맞닿는 것으로서 하나 이상의 방열판을 포함하는 열전도성 방열유닛이 삽입되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 방열유닛은 상기 방열판과 일체화되어 상기 방열판을 지지하는 것으로서 상기 모듈케이스와 맞닿는 지지판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 단위셀은 상기 방열판으로 구획되는 공간에 적어도 하나 이상 수납되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 방열판의 두께는 0.1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 단위셀간 및 단위셀과 외부단자와의 연결은 외부에서 미리 접속되어 연결된 후 상기 모듈케이스에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 단위셀의 외장재는 열융착되는 내부 수지층, 차단성 금속층 및 외부 수지층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 단위셀의 외장재는 열융착되는 내부 수지층 및 외부 수지층만으로 구성된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 단위셀의 전극단자들은 일방향 또는 양방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 전극단자들은 상기 전지모듈의 한 면 또는 두 면에서 직렬 또는 병렬로 전기적 연결되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 모듈케이스는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 방열유닛은 금속 소재 또는 카본 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 모듈 케이스는 단위셀이 수납되도록 적어도 일면이 개구되며, 그 개구된 부분은 케이스덮개에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차 전지팩.
- 제13항에 있어서,
상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬이차 전지팩.
- 제14항에 있어서,
상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 리튬이차 전지팩.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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