KR20140034351A - 펄스 형태의 핀을 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 둘 이상의 전지셀들, 상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들, 및 상기 전지셀들 사이에 냉매 유로가 형성되도록 전지셀들 사이에 개재된 상태로 카트리지 내에 장착되며, 반복적으로 절곡되어 있는 형상을 가진 펄스 핀(pulse pin)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

펄스 형태의 핀을 포함하는 전지모듈 {Battery Module Having Pulse-type Pin}
본 발명은 펄스 형태의 핀을 포함하는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 둘 이상의 전지셀들, 상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들, 및 상기 전지셀들 사이에 냉매 유로가 형성되도록 전지셀들 사이에 개재된 상태로 카트리지 내에 장착되며, 반복적으로 절곡되어 있는 형상을 가진 펄스 핀(pulse pin)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어렵다.
충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지모듈에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
이러한 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 전지셀들에서 비정상적인 작동에 의한 스웰링(swelling) 현상이 발생하면 전지셀들 사이의 냉매 유로가 좁아지거나 막히게 되고, 이에 따라 전지셀들 사이에 냉매가 정상적으로 유동이 되지 않아서 전지셀의 온도가 상승되며, 이러한 전지셀은 발화 또는 폭발로 이어지게 되는 문제점이 발생한다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도, 높은 냉각 효율성에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀들에서 비정상적인 작동에 의한 스웰링현상이 발생하더라도 전지셀들 사이의 냉매 유로가 차단되는 것을 방지할 수 있는 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구조적 강성을 향상시킬 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 둘 이상의 전지셀들;
상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들; 및
상기 전지셀들 사이에 냉매 유로가 형성되도록 전지셀들 사이에 개재된 상태로 카트리지 내에 장착되며, 반복적으로 절곡되어 있는 형상을 가진 펄스 핀(pulse pin);
을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 전지셀들 사이에 반복적으로 절곡되어 있는 형상의 펄스 핀이 개재됨으로써, 전지셀들이 소정의 간격을 두고 적층된 구조가 펄스 핀에 의해 지지되며, 따라서 전지셀들에서 비정상적인 작동에 의한 스웰링현상이 발생하더라도 전지셀들 사이의 냉매 유로가 차단되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전지셀들 사이에 펄스 핀이 개재된 구조에 의하여 전지셀 적층 구조의 구조적인 강성을 향상시키는 효과가 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀로 이루어지며, 상기 판상형 전지셀은 양극 및 음극 단자들이 전지셀의 본체 일측에 돌출되어 있는 구조, 또는 하나의 전극단자가 전지셀의 본체 일측으로 돌출되어 있고, 다른 하나의 전극단자가 그것에 대향하는 반대측에 돌출된 구조로도 이루어질 수 있다.
상기 판상형 전지셀은, 예를 들어, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다.
구체적으로는, 상기 판상형 전지셀은 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 케이스 외주면의 상하부 접촉부위를 열융착하여 밀봉하는 구조 등을 들 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기 펄스 핀의 소재는 소정의 강도와 열전도성을 가지는 소재라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재가 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 금속 소재의 펄스 핀은 시트 형태의 금속이 절곡되어 형성될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 펄스 핀은 수직 단면 상으로 ‘ㄷ’자 형상의 둘 또는 그 이상의 홈들이 교번 배열되도록 반복적으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다. 상기 ‘ㄷ’자 홈들에 의해 전지셀들 사이에 냉매 유로가 확보되며, 상기 홈들은 전지셀의 크기 또는 용량 등에 의하여 다양한 개수로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 펄스 핀의 홈들은 하나의 홈의 너비에 대응하는 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
이러한 홈의 깊이는 전지셀들 사이에서 냉매 유로를 확보하면서도 전지셀 적층 구조의 부피 증가를 최소화하는 깊이로 형성될 수 있다. 즉, 상기 홈의 깊이가 너무 낮으면 전지셀들의 스웰링 시 냉매 유로 확보가 용이하지 않으며, 반대로 홈의 깊이가 너무 높으면 전지셀 적층 구조의 부피가 증가하는 단점이 있다. 바람직하게는, 상기 홈의 깊이는 1 내지 5 mm의 깊이로 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 펄스 핀은 평면상 장방형으로 형성되어 있고, 상기 펄스 핀의 폭 방향으로 둘 또는 그 이상이 홈들이 배열되어 있으며, 각각의 홈들은 상기 펄스 핀의 길이 방향의 일측 단부 부위로부터 반대측 단부 부위까지 연장된 구조로 형성될 수 있다. 그러나, 상기 펄스 핀이 전지셀들 사이에 개재되어 냉매 유로가 형성되도록 반복적으로 절곡되어 있는 형상을 가진 구조라면 이에 한정되지 않고 다양한 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 전지셀은 외주면의 일측에 양극 및 음극 단자가 돌출되어 있거나, 또는 외주면의 일측에 양극 단자가 돌출되어 있고 대향하는 반대측에 음극 단자가 돌출되어 있는 구조일 수도 있다
상기 펄스 핀에 형성된 냉매 유로에서 유동하는 냉매는 바람직하게 공기일 수 있지만, 그것만으로 한정되지 않으며, 상기 냉매 유로를 통과하도록 냉매를 유동시키는 냉각팬이 추가로 포함될 수 도 있다.
상기 펄스 핀의 외주면은 상기 카트리지와 결합되어 고정될 수 있으며, 이러한 결합 구조는 체결, 조립, 융착, 접착 등 다양한 방법으로 형성이 가능하다. 바람직하게는 상기 펄스 핀의 외주면은 상기 카트리지와 인서트 사출 성형에 의하여 일체로 결합될 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 단위모듈로서 상기 전지모듈을 조합하여 제조될 수 있으며, 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀들에서 비정상적인 작동에 의한 스웰링현상이 발생하더라도 전지셀들 사이의 냉매 유로가 차단되는 것을 방지할 수 있으므로 높은 냉각 효율성과 우수한 수명 특성 및 안전성을 제공하는 효과가 있다.
또한, 전지셀들 사이에 펄스 핀을 개재한 구조에 의하여 전지셀 적층 구조의 구조적인 강성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈에서 전지셀들 사이에 펄스 핀이 개재되어 있는 구조의 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지셀의 사시도이다;
도 3은 도 1의 펄스 핀의 사시도이다;
도 4는 도 1의 카트리지의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 전지모듈의 구조 중에서 전지셀 적층 구조를 모식적으로 도시하였다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈에서 전지셀들 사이에 펄스 핀이 개재되어 있는 구조의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(100)은 전지셀들(110a, 110b, 110c), 카트리지들(130a, 130b, 130c), 및 펄스 핀(120a, 120b, 120c)을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
전지셀들(110a, 110b, 110c)은 충방전이 가능한 파우치형 전지셀들(110a, 110b, 110c)로서, 이러한 파우치형 전지셀들(110a, 110b, 110c)이 적층 배열되어 있고, 카트리지들(130a, 130b, 130c)은 파우치형 전지셀들(110a, 110b, 110c)의 외주면 실링부를 각각 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하고 있다.
펄스 핀(120a, 120b, 120c)은 전지셀들(110a, 110b, 110c) 사이에 각각 개재되어 있으며, 전지셀들(110a, 110b, 110c)의 이격된 구조를 지지하여 냉매 유로(150)를 확보하기 위하여 반복적으로 절곡되어 있는 형상으로 이루어져 있다. 이러한 펄스 핀(120a)은 상측에 위치한 전지셀(110a)과 접촉되어 있으며, ‘ㄷ’자 형태로 절곡된 부위는 하측에 위치한 전지셀(110b)과 접촉되어 있다. 따라서, 전지셀들(110a, 110b, 110c) 사이가 펄스 핀(120a, 120b, 120c)에 의해서 지지되며, 전지셀들(110a, 110b, 110c)이 비정상적인 작동에 의하여 스웰링 현상이 발생하더라도 전지셀들(110a, 110b, 110c) 사이의 냉매 유로(150)가 좁아지거나 차단되는 것을 방지하는 구조로 이루어져 있다.
도 2에는 도 1의 전지셀의 사시도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 파우치형 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전지셀 케이스(114)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(114b)과 상단부 및 하단부(114a, 114c)를 부착시킴으로써 전지셀(110)이 만들어진다. 전지케이스(114)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(114b)과 상단부 및 하단부(114a, 114c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다.
도 3 및 도 4에는 각각 도 1의 펄스 핀 및 카트리지의 사시도가 도시되어 있다.
먼저 도 3을 참조하면, 펄스 핀(120)은 평면상 장방형으로 형성되어 있고, 펄스 핀(120)의 폭(x) 방향으로 다수의 홈들(122, 124, 126)이 배열되어 있으며, 각각의 홈들(122, 124, 126)은 펄스 핀(120)의 길이(y) 방향의 일측 단부 부위로부터 반대측 단부 부위까지 연장된 구조로 형성되어 있다.
이러한 펄스 핀(120)은 수직 단면 상으로 ‘ㄷ’자 형상의 다수의 홈들(122, 124, 126)이 교번 배열되도록 반복적으로 절곡되어 있는 구조로 형성되어 있다. 그리고, 펄스 핀(120)의 홈들(122, 124, 126)은 하나의 홈(122)의 너비(w)에 대응하는 간격으로 이격되어 형성되어 있다.
따라서, 펄스 핀(120)의 ‘ㄷ’자 홈들에 의해 전지셀들 사이에 냉매 유로가 확보되며, 이러한 홈들(122, 124, 126)은 전지셀의 크기 또는 용량 등에 의하여 다양한 개수로 형성된다.
도 4를 도 3과 함께 참조하면, 카트리지(130)는 소정의 두께를 가지는 프레임 구조로 형성되어 있고, 적어도 펄스 핀(120)의 폭(x) 방향의 외주면 모서리 부위와 결합되며, 카트리지(130)와 펄스 핀(120)의 결합은 인서트 사출 성형에 의하여 일체로 결합되는 구조로 이루어져 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다. .

Claims (17)

  1. 적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 둘 이상의 전지셀들;
    상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들; 및
    상기 전지셀들 사이에 냉매 유로가 형성되도록 전지셀들 사이에 개재된 상태로 카트리지 내에 장착되며, 반복적으로 절곡되어 있는 형상을 가진 펄스 핀(pulse pin);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 셀 케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 핀는 금속 소재의 시트가 절곡되어 형성되는 것을 특징으로 전지모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전지모듈
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 핀은 수직 단면 상으로 ‘ㄷ’자 형상의 둘 또는 그 이상의 홈들이 교번 배열되도록 반복적으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 하는 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 펄스 핀의 홈들은 하나의 홈의 너비에 대응하는 간격으로 이격되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 홈의 깊이는 1 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 펄스 핀은 평면상 장방형으로 형성되어 있고, 상기 펄스 핀의 폭 방향으로 둘 또는 그 이상이 홈들이 배열되어 있으며, 각각의 홈들은 상기 펄스 핀의 길이 방향의 일측 단부 부위로부터 반대측 단부 부위까지 연장된 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 외주면의 일측에 양극 및 음극 단자가 돌출되어 있거나, 또는 외주면의 일측에 양극 단자가 돌출되어 있고 대향하는 반대측에 음극 단자가 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 공기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 핀의 외주면은 상기 카트리지에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 핀의 외주면은 상기 카트리지와 인서트 사출 성형에 의하여 일체로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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