WO2010131852A2 - 탄성 가압부재를 포함하는 전지 카트리지, 및 이를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery cartridge including an elastic pressing member, and a battery module including the same, and more particularly, a battery cartridge having a frame structure for mounting a plate-shaped battery cell therein, wherein at least one of both sides of the battery cell is provided.
  • One side is composed of a pair of plate-shaped frame for fixing the outer peripheral surface of the battery cell in the open state, the outer surface of the frame for fixing the heat dissipation member in close contact with the open side of the battery cell when the battery module
  • the present invention relates to a battery cartridge having a structure in which an elastic pressing member is mounted, and a battery module based on a structure in which battery cells are built in the battery cartridge.
  • lithium secondary batteries with high energy density, high operating voltage, and excellent storage and life characteristics are used for various mobile devices as well as various electronic products. It is widely used as an energy source.
  • Secondary batteries are classified into roughly cylindrical cells, square cells, and pouch cells according to external and internal structural features. Among them, rectangular batteries and pouch cells having a small width to length are particularly noticeable. I am getting it.
  • the secondary battery has attracted attention as an energy source of electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc. which are proposed as a solution for air pollution of conventional gasoline and diesel vehicles using fossil fuel. Therefore, the type of applications using the secondary battery is very diversified due to the advantages of the secondary battery, and it is expected that the secondary battery will be applied to many fields and products in the future.
  • small mobile devices such as mobile phones, PDAs, digital cameras, notebook computers, and the like are used with one or two or four small and light battery cells per device according to the miniaturization tendency of the products.
  • medium and large devices such as electric vehicles and hybrid electric vehicles, due to the need for high output capacity, a battery module (or referred to as a "medium and large battery pack") that is electrically connected to a plurality of battery cells are used, the battery module Since the size and weight of R are directly related to the accommodation space and output of the medium and large devices, manufacturers are trying to manufacture battery modules that are as small and lightweight as possible.
  • the lithium secondary battery generates heat during charging and discharging, when such heat is not effectively removed and accumulated, the lithium secondary battery may cause deterioration of the battery and greatly deteriorate safety.
  • a lot of heat is involved in a process of providing a high power instantaneously.
  • the water-cooled or air-cooled structure widely used as the cooling structure of the battery module is formed in a fixed form to the battery module, and has a problem in that it is difficult to use various cooling structures for the basic battery module as needed. .
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-031281 discloses placing a pair of laminate films having a metal layer and a resin layer on both sides of an electrode assembly in which an anode and a cathode are sandwiched between separators and laminated.
  • both surfaces of the electrode stacked battery are pressed by a pair of pressing members, and the pressing member is pressed around the electrode laminated battery.
  • the protruding portion discloses a cooling structure of the electrode stacked battery, characterized in that acts as a heat dissipation unit for radiating heat generated from the electrode stacked battery.
  • the above technique is cumbersome to manufacture a case for a battery cell of a complex structure and to be mounted on the battery, and is limited to the structure to apply the air cooling cooling fin when stacking the battery for manufacturing the battery module, cooling for water cooling There is a problem that it is difficult to apply a heat radiation member of various forms other than the plate or plate-like.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • An object of the present invention is to provide a battery module that can be applied to a variety of heat dissipation method by fixing the outer peripheral portion by a plate-shaped frame in the state in which the side of the battery cell is opened and by mounting an elastic pressing member on the outer surface of such a frame.
  • a battery cartridge according to the present invention for achieving the above object is a battery cartridge of a frame structure for mounting a plate-shaped battery cell therein, and at least one side of both sides of the battery cell to open the outer peripheral surface of the battery cell; Consists of a pair of plate-shaped frame to be fixed, the outer surface of the frame consists of a structure that is equipped with an elastic pressing member for fixing the heat dissipation member in close contact with the open side of the battery cell when the battery module is configured.
  • the elastic pressing member mounted on the outer surface of the frame increases the structural stability of the cartridge stack, The heat dissipation member can be effectively fixed to the cartridge stack.
  • such a battery cartridge may be interposed through a variety of heat dissipation member according to the thermal characteristics of the battery cell, or the use environment, it is possible to share the battery module.
  • the elastic pressing member is not particularly limited as long as it is mounted on the frame to fix the heat dissipation member when the battery module is configured.
  • an upper part, a lower part, a left part, and a right part of the outer surface of the frame are not particularly limited. It may be a structure mounted on at least one or more sites selected from the group consisting of sites, preferably a structure mounted on the upper and lower, and / or left and right.
  • the heat dissipation member is effectively pressed by the elastic pressing member mounted on the outer surface of the frame, thereby increasing the fixing force of the heat dissipation member to the frame, and thus does not require the use of an additional member for fixing the heat dissipation member.
  • the plate-shaped frame is fixed to the outer circumferential surface of the battery cell with at least one side of both sides of the battery cell open, and the heat dissipation member is in close contact with the open side, the heat generated from the battery cell to the heat dissipation member Inverted and effective heat dissipation can be achieved.
  • the plate-shaped frame can maximize the heat dissipation efficiency by fixing the outer peripheral surface of the battery cell in a state that both sides of the battery cell is open.
  • the battery cell is mounted on the frame with the open side protruding from the frame
  • the elastic pressing member may be a structure that is mounted on the outer surface of the frame to a height greater than the height of the protrusion of the battery cell open side. have.
  • the elastic pressing member mounted higher than the height of the protruding open side of the battery cell, when stacking a plurality of battery cartridges in which the battery cells are mounted to form a battery module, the elastic pressing is stable laminated structure When the heat dissipation member is interposed between the battery cartridges, it helps to install the heat dissipation member in a stable manner.
  • one or more structures selected from the group consisting of grooves, embossing and grooves may be formed on the surface of the elastic pressing member.
  • the elastic pressing member mounted on the outer surface of the frame is not particularly limited as long as it is a material that exerts an elastic pressing force when pressed.
  • the elastic pressing member may be a polymer resin having elastic properties.
  • the polymer resin may be a material that exhibits an elastic force in the characteristics of the material itself or exhibits an elastic force in structure or shape.
  • Typical examples of the former include rubber, and examples of the latter include a structure in which a polymer resin is foamed.
  • the method of mounting the elastic pressing member on the frame may vary, and for more efficient mounting, grooves are preferably formed on the outer surface of the frame, and the elastic pressing member may be a structure mounted on such groove. have.
  • the width of the elastic pressing member may have a width size of 10 to 80% based on the width of the frame.
  • the width of the elastic pressing member is too small based on the width of the frame, it may be difficult to exert an effect according to its mounting.
  • the width of the elastic pressing member is too large, the pressing member is elastically deformed when pressed. It is not preferable to cover many surfaces of the heat dissipation member to lower the heat dissipation effect, or to protrude out of the frame. Therefore, of course, the width of the elastic pressing member may exceed the above range unless it causes such a problem.
  • the frame may be made of various materials, and preferably, an insulating material or a material having an insulating surface treatment may be used.
  • Representative examples of the former include plastic resins, and representative examples of the latter include, but are not limited to, materials having an insulating coating formed on the surface of metals.
  • the structural stability of the cartridge stack is increased and the heat dissipation member can be effectively fixed to the cartridge stack.
  • the structure in which the elastic pressing member is located on the heat radiating member can also be considered.
  • the present invention also provides a heat dissipation member mounted between the battery cells or between the battery cartridges in which the battery cells are mounted, and is provided with an elastic pressing member such that the heat dissipation member is tightly fixed to the outer surface of the battery cells.
  • a heat radiating member Provide a heat radiating member.
  • the elastic pressing member of such a heat radiating member differs only in the elastic pressing member mounted on the battery cartridge as described above, and only a mounting object thereof, and the other configurations are substantially the same. Therefore, the configuration, action, and the like related to the elastic pressing member of the battery cartridge can be applied to the elastic pressing member of the heat dissipation member as it is.
  • the present invention also provides a battery module that can be achieved by the battery cartridge is sequentially stacked, and through the heat dissipation member at one or more of the interfaces between the battery cartridge, through the heat dissipation member do.
  • the heat dissipation member is preferably a plate-shaped member, and may be a structure in which at least a portion thereof is interposed between the battery cartridges while being exposed to the outside of the stacked battery cartridges. That is, since a part of the heat dissipation member is exposed to the outside of the cartridge stack, heat generated in the battery cell is transferred to the heat dissipation member interposed between the cartridges, and can be effectively removed through a part of the heat dissipation member exposed to the outside of the cartridge stack.
  • the portion of the heat dissipation member located inside the cartridge stack may be a size that completely covers the interface between the cartridges, or may be a size that partially covers.
  • the heat dissipation member is not particularly limited as long as the heat dissipation member is interposed between the cartridges and a part of the heat dissipation member may be exposed to the outside.
  • the heat dissipation member may be an air cooling pin or a water cooling plate.
  • the battery module of the present invention may be configured as an air-cooled structure, or may be configured as a water-cooled structure, if necessary without large changes in the process. Therefore, the battery module is easy to apply the heat radiation member of various structures according to the heat radiation method.
  • the battery module of the present invention is very easy to interpose a heat dissipation member other than the plate-shaped heat dissipation member, it is possible to achieve an effective heat dissipation effect through the heat dissipation member of the desired form.
  • the first heat dissipation member extends such that one end thereof surrounds at least a part of the outermost battery cartridge a of the battery module and the opposite end is interposed between the inner battery cartridges.
  • the second heat dissipation member has a structure in which one end portion surrounds at least a portion of the outermost battery cartridge a and the opposite end portion extends between the inner battery cartridges in a range not overlapping with the first heat dissipation member. It may be made of.
  • the battery module of this structure wraps the battery cartridges so that two or more heat dissipation members are in contact with at least one surface of the plurality of battery cartridges so that they do not overlap, and at least a portion thereof is exposed to the outer surface of the outermost battery cartridge, thereby providing a battery cartridge ( Precisely, heat generated from the battery cell mounted inside the cartridge can be effectively released by conduction through the heat radiating member.
  • both surfaces of the battery cartridges are stacked in close contact with each other by the elastic pressing member while the heat dissipation member is mounted, heat transfer is easy to achieve cooling of the battery cells more effectively and / or temperature deviation of the battery cells.
  • the increase in the size of the battery module including the same can be suppressed, and battery cartridges can be stacked with a higher density than battery cartridges using a conventional cooling system.
  • the second heat dissipation member is mounted on the battery module in a range not overlapping with the first heat dissipation member
  • the heat dissipation members are mounted on the battery module while satisfying the conditions described above in a state where these heat dissipation members do not overlap each other. It means. Therefore, the first heat dissipation member and the second heat dissipation member form a structure that is mounted on the battery module in the opposite position as a whole.
  • the heat dissipation members may be mounted to the battery module in a bent state to surround the side surface of the battery cartridge.
  • the heat dissipation members may have a structure bent in a 'c' shape.
  • the heat dissipation member may be formed in the mounting structure as described above in the battery module using the battery cartridges according to the present invention, even if the heat dissipation member is bent according to the shape and stacking thickness of the battery cartridges, the elasticity of the elastic pressing member
  • the mounting structure can be flexibly formed in a desired shape by the pressing force.
  • the first heat dissipation member has one end portion covering an area of 1/3 to 1/2 of the outer surface of the outermost battery cartridge (a), and the second heat dissipation member is disposed on the opposite side of the first heat dissipation member ( On the opposite side), one end portion may have a structure that covers an area of 1/3 to 1/2 of the outer surface of the outermost battery cartridge (a). Accordingly, one end portions of the first and second heat dissipation members facing each other cover an entire area of 2/3 of the outer surface of the outermost battery cartridge.
  • the area of the outermost battery cartridge outer surface wrapped by the first and second heat dissipation members is smaller than 2/3, it may be difficult to exert a heat dissipation effect due to its mounting, and therefore, at least 2/3 or more of the outermost battery cartridge outer surface. It is desirable to surround the.
  • one end of the first heat dissipation member surrounds an area 1/2 of the outer surface of the outermost battery cartridge a, and one end of the second heat dissipation member is half the area of the outer surface of the outermost battery cartridge a.
  • the structure surrounding the is more preferable.
  • one end of the first heat dissipation member covers an area 2/3 of the outer surface of the outermost battery cartridge (a)
  • one end of the second heat dissipation member covers an area 1/3 of the outer surface of the outermost battery cartridge (a).
  • the structure is also possible.
  • the opposite end portions of the first and second heat dissipation members interposed between the battery cartridges may preferably extend to a size interposing the entire interface between the battery cartridges. That is, by forming a structure covering the entire interface of the battery cartridges in which opposite ends of the first and second heat dissipation members are stacked, heat generated in the battery cartridge can be effectively conducted.
  • the heat dissipation member may be mounted to the battery module such that the opposite end of the heat dissipation member is located on only one surface of both surfaces of the battery cartridge. Even if the heat dissipation member is located on only one surface of both sides of the battery cartridge, the desired heat transfer can be achieved by conduction, so that heat generated in the battery cartridge can be easily removed.
  • the battery cartridges stacked on the basis of the outermost battery cartridge (a) are defined as a first battery cartridge, a second battery cartridge, a third battery cartridge ... p battery cartridge
  • the opposite end of the first heat dissipation member may be located between the first battery cartridge and the second battery cartridge, and the opposite end of the second heat dissipation member may be located between the third battery cartridge and the fourth battery cartridge.
  • the second battery cartridge is attached to the first heat dissipation member interposed between the first battery cartridge and the first battery cartridge. Since one surface is in contact, heat dissipation may be achieved, and the third battery cartridge may be in contact with a second heat dissipation member interposed between the fourth battery cartridge and heat dissipation.
  • the opposite end of the second heat dissipation member is located between the second battery cartridge and the third battery cartridge. Therefore, one surface of the second battery cartridge is in contact with the first heat dissipation member and the other surface is in contact with the second heat dissipation member, so that the two heat dissipation members may exert a high heat dissipation effect.
  • the third heat dissipation member and the fourth heat dissipation member mounted to another outermost battery cartridge (b) of the battery module, wherein the third heat dissipation member has one end of the outermost of the battery module At least a portion of the outer battery cartridge (b) surrounds and extends such that an opposite end portion is interposed between the inner battery cartridges, and the fourth heat dissipation member has one end portion within a range not overlapping with the third heat dissipation member.
  • the outermost battery cartridge (b) may be formed to surround at least a portion and the opposite end portion extends to be interposed between the inner battery cartridges.
  • the outermost battery cartridge (b) refers to a battery cartridge positioned opposite to the outermost battery cartridge (a) in a battery module having a structure in which a plurality of battery cartridges are stacked. That is, the outermost battery cartridge a and the outermost battery cartridge b are positioned on both sides of the battery module, respectively. Therefore, in the above preferred embodiment, the third and fourth heat dissipation members may be mounted in the outermost battery cartridge b in the same or similar form as the first and second heat dissipation members of the outermost battery cartridge a. Means.
  • the third heat dissipation member and the fourth heat dissipation member are of course mounted on the battery module in a position not overlapping with the first heat dissipation member and the second heat dissipation member.
  • Mounting of the third heat dissipation member and the fourth heat dissipation member may include, for example, the nth battery cartridge, the n-1 battery cartridge, and the first battery cartridge stacked in the order of the outermost battery cartridge b. n-2 battery cartridge ...
  • an opposite end portion of the third heat dissipation member is located between the nth battery cartridge and the n-1 th battery cartridge, and the opposite side of the fourth heat dissipation member.
  • the end portion may have a structure located between the n-2 th battery cartridge and the n-3 th battery cartridge.
  • an insulating member may be mounted between an interface of the outermost battery cartridge a and the heat dissipation members, and may be equally applied to an interface of the outermost battery cartridge b.
  • the outermost battery cartridge (a) and the outermost battery cartridge (b) are battery cartridges directly exposed to the external environment via the heat dissipation member, and thus have a relatively high cooling rate compared to the battery cartridges stacked therein. Therefore, by mounting the insulating member as described above, the outermost battery cartridges may also radiate heat through the heat radiating member, thereby reducing the temperature variation between the battery cartridges.
  • the battery module is not particularly limited as long as it stacks a plurality of battery cartridges and forms a battery module between the heat dissipation members therebetween, and may be formed of, for example, 6 to 12 battery cartridges.
  • the refrigerant passage for cooling can be configured to pass through only the heat radiating members, thereby substantially reducing the number of refrigerant passages.
  • the coolant flow path may be formed so as to pass only through the heat radiating member portion on the outermost battery cartridge.
  • the coolant flow path may be formed to pass only through the heat dissipation member portion on the outermost battery cartridge and the heat dissipation member portion on the upper and / or lower surface of the battery module. Therefore, the battery module of the present invention can realize a thermally stable structure without a plurality of cooling passages.
  • the battery module of the present invention can interpose various types of heat dissipation members through a battery cartridge equipped with an elastic pressing member, so that a desired cooling structure can be configured as necessary.
  • the battery module of the present invention is required as a high-power, large-capacity electricity, preferably as a power source for a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or an electric vehicle that is a power source of a device to which many external forces such as vibration and shock are applied. Can be used.
  • the battery cartridge according to the present invention is fixed to the outer periphery by the plate-shaped frame in the state that the side of the battery cell is open, the elastic pressing member is mounted on the outer surface of such a frame, the heat dissipation member between the battery cartridge
  • the intervening method it is possible to apply a variety of cooling methods, it is possible to manufacture a battery module that is compact overall and flexible in design changes.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a battery cartridge according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a vertical sectional view of the electrode cartridge of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery module having a heat dissipation member interposed between the battery cartridges of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a perspective view of a battery module completed in a state in which a plurality of battery cartridges of FIG. 1 are stacked;
  • FIG. 5 is a front view of a part of the battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of the heat dissipation members of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a front view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of the battery module of FIG. 7;
  • FIG. 9 is a perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a battery cartridge according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view along the A direction of the electrode cartridge of Figure 1 schematically.
  • the battery cartridge 100 has a plate-shaped battery cell 300 mounted therein, and the positive electrode terminal 330 and the negative electrode terminal 340 of the battery cell 300 protrude outside.
  • the battery cartridge 100 is composed of a pair of plate-shaped frames 200 and 200 ′ fixing both sides of the outer circumference of the battery cell 300 in a state where the side of the battery cell 300 is open.
  • Elastic pressing members 210, 220, 210 ', and 220' are mounted on the left and right sides of the outer surfaces of the frames 200 and 200 'in parallel in the longitudinal direction.
  • the battery cell 300 is mounted on the frames 200, 200 'with the open side protruding from the frames 200, 200', and the elastic pressing members 210, 220, 210 ', 220'.
  • the elastic pressing members 210, 220, 210 ′ and 220 ′ are provided.
  • the interposed heat dissipation member may have a stable mounting structure without causing an increase in size of the battery module by the elastic pressing members 210, 220, 210 ′ and 220 ′.
  • FIG. 3 a perspective view of the battery module 400 in which the heat dissipation member 500 is interposed between the battery cartridges 100 of FIG. 1 is schematically illustrated.
  • the heat dissipation member 500 has a plate shape, represents an air cooling cooling fin, and is interposed between the battery cartridges 100.
  • the heat dissipation members 500 may be interposed at all interfaces of the battery cartridges 100 or may be interposed only at some interfaces.
  • the battery module 400 stacks a plurality of battery cartridges 100 in a state where the heat dissipation member 500 is interposed, and fastening members (not shown) in fastening through holes (not shown) drilled in the battery cartridge 100. 451, 452, 453 and 454 by inserting and fastening.
  • the elastic pressing members 210 and 220 mounted on the outer surface of the frame 200 in the battery cartridge 100 help the heat dissipation member 500 to be stably mounted and fixed to the frame 200.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a perspective view of a battery module completed in a state in which a plurality of battery cartridges of FIG. 1 are stacked.
  • the battery cartridge 100 of the present invention has a structure in which the elastic pressing members 210 and 220 are mounted on the outer surface of the frame 200, thereby enabling application of various heat dissipation methods to the battery module 400. do.
  • FIG. 5 is a front view schematically showing a part of the battery module according to another embodiment of the present invention.
  • battery cartridges are briefly illustrated with other members for the construction of the battery module, such as electrode terminals and elastic pressing members, omitted.
  • four battery cartridges 110, 120, 130, and 140 are stacked on a portion of the battery module 600, and two heat dissipation members 510 and 520 are disposed at a predetermined position. It is mounted on.
  • first heat dissipation member 510 surrounds about 1/2 the area W of the outer surface of the first battery cartridge 110, and the second heat dissipation member 520 is formed of the first heat dissipation member 510. On the opposite side, one end thereof surrounds about half the area W ′ of the outer surface of the first battery cartridge 110.
  • the first battery cartridge 110 which is the outermost battery cartridge, has a structure in which the entire outer surface thereof is substantially surrounded by the first heat dissipation member 510 and the second heat dissipation member 520.
  • the opposite end of the first heat dissipation member 510 is bent to be positioned between the first battery cartridge 110 and the second battery cartridge 120, and the opposite end of the second heat dissipation member 520 is a third battery. It is bent to be positioned between the cartridge 130 and the fourth battery cartridge 140, and extends to a size interposed in the entire interface of the battery cartridge (130, 140).
  • the first heat dissipation member 510 and the second heat dissipation member 520 are mounted on the battery module 600 without overlapping each other.
  • an insulating member 101 is mounted between the outer surface of the first battery cartridge 110 and the first heat dissipation member 510 and the second heat dissipation member 520 to prevent overcooling of the first battery cartridge 110. do.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically illustrating the heat dissipation member of FIG. 5.
  • the heat dissipation members are shown in the same arrangement shape rather than being mounted on the battery module of FIG. 5.
  • the heat dissipation members 510 and 520 are bent metal plates having high thermal conductivity, and are bent in a '-' shape to surround side surfaces of battery cartridges (not shown).
  • one end of the heat dissipation members 510 and 520 has a relatively short length h so as to partially surround the outer surface of the outermost battery cartridge (not shown), and the opposite end is an interface between the battery cartridges. It is composed of a relatively long length (H) to be interposed throughout.
  • the bending width D of the second heat dissipation member 520 is relatively large with respect to the bending width d of the first heat dissipation member 510. This is because the end of the first heat dissipation member 510 is interposed between the first battery cartridge 110 and the second battery cartridge 120 in Figure 5, the thickness of the insulating member 101 and the first battery cartridge 110 While the bending width d corresponding to the bending width d is required, the end portion of the heat dissipation member 520 is interposed between the third battery cartridge 130 and the fourth battery cartridge 140 in FIG. 5, so that the insulating member 101, This is because the bending width D corresponding to the thickness of the first battery cartridge 110, the second battery cartridge 120, and the third battery cartridge 130 is required.
  • FIG. 7 is a front view schematically showing a battery module according to another embodiment of the present invention
  • Figure 8 is a perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module 700 is configured by stacking eight battery cartridges in close contact with each other without an air gap and mounting four heat dissipation members.
  • each of the first heat dissipation member 530 and the second heat dissipation member 540 surrounds the outer surface of the first battery cartridge 110, which is the outermost battery cartridge, by about 1/2 area, and the third heat dissipation member 550.
  • One end of the fourth heat dissipation member 560 surrounds an outer surface of the eighth battery cartridge 180, which is the outermost battery cartridge, by about 1/2 area.
  • the opposite end of the first heat dissipation member 530 is positioned between the third battery cartridge 130 and the fourth battery cartridge 140, and the opposite end of the second heat dissipation member 540 is the second battery cartridge 120. And bent to be positioned between the third battery cartridge 130.
  • the opposite end of the third heat dissipation member 550 is positioned between the fifth battery cartridge 150 and the sixth battery cartridge 160, and the opposite end of the fourth heat dissipation member 560 is the sixth battery cartridge ( It is bent so that it may be located between 160 and the 7th battery cartridge 170.
  • the plurality of battery cartridges 110, 120, 140, 150, 170, and 180 may be configured such that one surface thereof is in direct or indirect contact with the heat dissipation members 530, 540, 550, and 560.
  • 130 and 160 are both sides are configured to be in direct contact with the heat dissipation members (530, 540, 550, 560), but the arrangement may be very diverse if the structure is pressed close by the elastic pressing member (not shown) Of course.
  • both surfaces thereof may be configured to contact the heat radiating member, respectively.
  • the insulating members 102 and 103 are disposed between the first battery cartridge 110 and the first heat dissipation member 530 and between the eighth battery cartridge 180 and the fourth heat dissipation member 560. Is equipped.
  • the battery module including the battery cartridge of the present invention is formed to be interposed through various types of heat dissipation member, thereby achieving efficient heat dissipation.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the battery cells 300a have a structure in which both of the positive electrode terminal 330 and the negative electrode terminal 340 protrude upward from the battery cells 300a.
  • the battery cartridges 100 may have the positive electrode terminal 330 as well as the battery cells 300 in which the positive electrode terminal 330 and the negative electrode terminal 340 protrude in opposite directions as in the battery module 400 of FIG. 4.
  • the negative electrode terminal 340 is also applicable to the battery cells 300a protruding in the same direction.
  • other structures are the same as the battery module 400 of FIG. 4, and thus a detailed description thereof will be omitted.

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Abstract

본 발명은 판상형 전지셀을 내부에 장착하기 위한 프레임 구조의 전지 카트리지로서, 상기 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 전지모듈의 구성시 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 전지 카트리지를 제공한다.

Description

탄성 가압부재를 포함하는 전지 카트리지, 및 이를 포함하는 전지모듈
본 발명은 탄성 가압부재를 포함하는 전지 카트리지, 및 이를 포함하는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 판상형 전지셀을 내부에 장착하기 위한 프레임 구조의 전지 카트리지로서, 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 전지모듈의 구성시 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 구조로 이루어진 전지 카트리지와, 이러한 전지 카트리지에 전지셀을 내장한 구조를 기반으로 한 전지모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 당해 분야 및 제품들에 적용되는 전지들은 소형 경량화가 강력히 요구되고 있다.
예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량을 가진 전지셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈(또는 "중대형 전지팩"으로 칭하기도 함)이 사용되고 있는데, 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
한편, 전지모듈의 대용량화를 위해 전지셀들을 연결하여 적층하는 경우가 늘어남에 따라, 전지셀의 방열 문제가 심각하게 대두되고 있다. 리튬 이차전지는 충방전시 열이 발생하는 바, 이러한 열이 효과적으로 제거되지 못하고 축적되는 경우, 전지의 열화가 초래되고 안전성도 크게 훼손될 수 있다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원과 같이 고속 충방전 특성이 요구되는 전지에서는 순간적으로 고출력을 제공하는 과정에서 많은 발열이 수반된다.
또한, 이러한 전지모듈의 냉각 구조로서 널리 이용되는 수냉식 또는 공냉식 구조는 전지모듈에 고정되어 있는 형태로 이루어져 있는 바, 기본적인 전지모듈에 필요에 따라 다양한 냉각 구조를 사용할 수 있는 공용화가 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2004-031281호는 양극과 음극을 분리막 사이에 끼워 적층한 전극조립체의 양면에, 금속층과 수지층을 구비한 한 쌍의 라미네이트 필름을 위치시키고, 상기 한 쌍의 라미네이트 필름의 주변을 서로 밀착 고정하고 내부를 포장하는 전극 적층형 전지의 냉각 구조에 있어서, 상기 전극 적층형 전지의 양면을 한 쌍의 누름부재로 누르고, 상기 누름부재를 전극 적층형 전지의 주변보다 외측에 돌출시키며, 상기 돌출된 부위는 전극 적층형 전지로부터 발생하는 열을 방열하는 방열부로 작동하는 것을 특징으로 하는 전극 적층형 전지의 냉각 구조를 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술은 복잡한 구조의 전지셀용 케이스를 제조하여 전지에 장착해야 하는 번거로움이 있으며, 전지모듈의 제조를 위한 전지의 적층시 공냉용 냉각핀을 적용하는 구조로 국한되어 있으므로, 수냉용 냉각판이나 판상형이 아닌 다양한 형태의 방열부재를 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 전지셀의 측면이 개방된 상태에서 외주부를 판상형 프레임에 의해 고정하고 그러한 프레임의 외면에 탄성 가압부재를 장착함으로써, 다양한 방열 방식을 적용할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 카트리지는, 판상형 전지셀을 내부에 장착하기 위한 프레임 구조의 전지 카트리지로서, 상기 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 전지모듈의 구성시 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지 카트리지는 전지셀이 내장된 다수 개의 카트리지들을 적층하고 상기 카트리지 사이에 방열부재를 개재하였을 때, 프레임 외면에 장착된 상기 탄성 가압부재가 카트리지 적층체의 구조적 안정성을 높이고, 방열부재가 카트리지 적층체에 효과적으로 고정될 수 있도록 해 준다.
또한, 이러한 전지 카트리지의 구조는 전지셀의 열적 특성, 또는 사용 환경 등에 따라 다양한 방열부재를 개재할 수 있으므로, 전지모듈의 공용화가 가능하다.
상기 탄성 가압부재는 상기 프레임 상에 장착되어 전지모듈의 구성시 방열부재를 고정할 수 있는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 프레임의 외면 중 상측 부위, 하측 부위, 좌측 부위 및 우측 부위로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 부위 상에 장착되는 구조일 수 있으며, 바람직하게는 상측과 하측, 및/또는 좌측과 우측 상에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 방열부재가 상기 프레임 외면에 장착된 탄성 가압부재에 의해 효과적으로 밀착 가압되어, 프레임에 대한 방열부재의 고정력을 높여주는 역할을 하므로, 방열부재의 고정을 위한 추가적인 부재의 사용을 필요로 하지 않는다.
앞서의 설명과 같이, 판상형 프레임은 전지셀의 양 측면 중 적어도 일측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하고, 그러한 개방 측면에 방열부재가 밀착되므로, 전지셀에서 발생한 열은 방열부재로 전도되고 효과적인 방열을 이룰 수 있다. 바람직하게는, 판상형 프레임이 전지셀의 양 측면이 모두 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하여 방열 효율성을 극대화할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지셀은 개방 측면이 프레임으로부터 돌출된 상태로 프레임에 장착되고, 상기 탄성 가압부재는 전지셀 개방 측면의 돌출 높이보다 큰 높이로 프레임의 외면에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 전지셀의 돌출된 개방 측면의 높이보다 높게 장착된 탄성 가압부재는, 전지셀이 장착된 전지 카트리지 다수 개를 적층하여 전지모듈을 구성할 때, 탄력적으로 가압되어 안정적인 적층 구조를 이루며, 전지 카트리지들 사이에 방열부재가 개재되어 있는 경우, 방열부재의 안정적인 장착을 돕는다.
경우에 따라서는, 상기 탄성 가압부재의 표면에는 홈, 엠보싱 및 그루브로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 구조가 형성되어 있을 수도 있다.
프레임의 외면에 장착되는 탄성 가압부재는 압박시 탄성 가압력을 발휘하는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 탄성적 물성의 고분자 수지일 수 있다. 상기 고분자 수지는 소재 자체의 특성상 탄성력을 발휘하거나 또는 구조 내지 형태 상으로 탄성력을 발휘하는 소재일 수 있다. 전자의 대표적인 예로는 고무를 들 수 있으며, 후자의 예로는 고분자 수지를 발포한 구조 등을 들 수 있다.
상기 프레임 상에 탄성 가압부재를 장착하는 방식은 다양할 수 있으며, 더욱 효율적인 장착을 위해, 바람직하게는 상기 프레임의 외면에 그루브가 형성되어 있고, 탄성 가압부재는 그러한 그루브 상에 장착되는 구조일 수 있다.
탄성 가압부재의 폭은 프레임의 폭을 기준으로 10 내지 80%의 폭 크기를 가질 수 있다. 프레임의 폭을 기준으로 탄성 가압부재의 폭이 너무 작은 경우에는 그것의 장착에 따른 효과를 발휘하기 어려울 수 있으며, 이와는 반대로, 탄성 가압부재의 폭이 너무 큰 경우에는, 압박시 탄성 변형된 가압부재가 방열부재의 많은 면을 커버하여 방열 효과를 저하시킬 수 있으며, 또는 프레임 외부로 돌출될 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 문제점을 유발하지 않는다면 탄성 가압부재의 폭이 상기 범위를 넘어설 수도 있음은 물론이다.
프레임은 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 절연성 소재가 사용되거나 절연성 표면처리 등을 행한 소재가 사용될 수 있다. 전자의 대표적인 예로는 플라스틱 수지를 들 수 있고, 후자의 대표적인 예로는 금속의 표면에 절연성 코팅을 형성한 소재를 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기에서 설명한 바와 같이, 전지셀이 내장된 다수 개의 카트리지들을 적층하고 상기 카트리지 사이에 방열부재를 개재할 때, 카트리지 적층체의 구조적 안정성을 높이고 방열부재가 카트리지 적층체에 효과적으로 고정될 수 있도록 해 주는 탄성 가압부재가, 방열부재 상에 위치하는 구조도 고려할 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한, 전지셀들 사이에 또는 전지셀이 장착된 전지 카트리지들 사이에 장착되는 방열부재로서, 상기 전지셀의 외면에 방열부재가 밀착 고정될 수 있도록 탄성 가압부재가 장착되어 있는 방열부재를 제공한다.
이러한 방열부재의 탄성 가압부재는, 앞서 설명한 바와 같은 전지 카트리지에 장착된 탄성 가압부재와, 그것의 장착 대상만이 차이가 있을 뿐이고, 기타 구성은 실질적으로 동일하다. 따라서, 전지 카트리지의 탄성 가압부재와 관련한 구성 및 작용 등은 방열부재의 탄성 가압부재에도 그대로 적용될 수 있다.
한편, 사용 목적에 따라 고출력 및/또는 대용량의 전지모듈이 필요한 경우, 이를 위해 다수의 전지셀들을 적층한 구조가 필요할 수 있으며, 안전성 확보를 위해 더욱 높은 방열 특성이 요구된다. 따라서, 본 발명은 또한 전지 카트리지들이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 전지 카트리지들 사이의 각각의 계면들 중 하나 이상의 계면에는 방열부재를 개재함으로써, 전지셀의 효과적인 방열을 달성할 수 있는 전지모듈을 제공한다.
이러한 구조에서, 상기 방열부재는 바람직하게는 플레이트 형상의 부재로서, 그것의 적어도 일부가 적층된 전지 카트리지들의 외부로 노출된 상태로 전지 카트리지들 사이에 개재되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 방열부재의 일부가 카트리지 적층체 외부로 노출됨으로써, 전지셀에서 발생한 열이 카트리지 사이에 개재된 방열부재로 전달되고, 카트리지 적층체 외부로 노출된 방열부재의 일부를 통해 효과적으로 제거될 수 있다. 여기서, 카트리지 적층체의 내부에 위치하는 방열부재의 부위는 카트리지들 상호간의 계면을 완전히 커버하는 크기일 수도 있고, 부분적으로 커버하는 크기일 수도 있다.
상기 방열부재는 카트리지들 사이에 개재되면서 그것의 일부가 외부로 노출될 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 공냉용 냉각핀 또는 수냉용 냉각판일 수 있다.
즉, 본 발명의 전지모듈은 공정상의 큰 변화를 주지 않으면서 필요에 따라 공냉식 구조로 구성될 수도 있고, 수냉식 구조로 구성될 수도 있다. 따라서, 상기 전지모듈은 방열방식에 따른 다양한 구조의 방열부재의 적용이 용이하다.
또한, 본 발명의 전지모듈은 판상형의 방열부재가 아닌 다른 형태의 방열부재를 개재하기에도 매우 용이하므로, 소망하는 형태의 방열부재를 개재하여 효율적인 방열효과를 달성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 방열부재들 중, 제 1 방열부재는 일측 단부가 전지모듈의 최외측 전지 카트리지(a)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있으며; 제 2 방열부재는, 상기 제 1 방열부재와 중복되지 않는 범위에서, 일측 단부가 상기 최외측 전지 카트리지(a)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조의 전지모듈은 둘 또는 그 이상의 방열부재가 다수의 전지 카트리지의 적어도 일 면과 접하면서 중복되지 않도록 전지 카트리지들을 감싸고, 그것의 적어도 일부가 최외측 전지 카트리지의 외면으로 노출됨으로써, 전지 카트리지(정확하게는 카트리지 내부에 장착된 전지셀)로부터 발생한 열을 방열부재를 통한 전도에 의해 효과적으로 방출할 수 있다.
더욱이, 상기 방열부재가 장착된 상태에서 전지 카트리지들의 양면이 탄성 가압부재에 의해 상호 밀착한 구조로 적층되어 있어서, 열전달이 용이하여 더욱 효과적으로 전지셀의 냉각을 달성하거나 및/또는 전지셀들의 온도편차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 이를 포함하는 전지모듈 크기의 증가를 억제할 수 있고, 종래의 냉각시스템을 사용하는 전지 카트리지들에 비해 높은 집적도로 전지 카트리지들을 적층할 수 있다.
상기에서 "제 2 방열부재가 상기 제 1 방열부재와 중복되지 않는 범위에서 전지모듈 상에 장착된다"는 것은, 이들 방열부재들이 서로 중첩되지 않는 상태에서 앞서 설명한 조건들을 만족하면서 전지모듈 상에 장착된다는 것을 의미한다. 따라서, 제 1 방열부재와 제 2 방열부재는 전체적으로 대향 위치에서 전지모듈 상에 장착되는 구조를 이룬다.
상기 방열부재들은 전지 카트리지의 측면을 감싸도록 절곡된 상태로 전지모듈에 장착되어 있을 수 있으며, 예를 들어, 'ㄷ'자 형상으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 방열부재는 본 발명에 따른 전지 카트리지들을 사용한 전지모듈에서 앞서 설명한 바와 같은 장착 구조의 형성이 가능하며, 이러한 방열부재는 전지 카트리지들의 형태 및 적층 두께에 따라 절곡하더라도, 탄성 가압부재의 탄성 가압력에 의하여 소망하는 형상으로 유연하게 장착 구조를 형성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 방열부재는 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 1/3 내지 1/2 면적을 감싸고 있고, 상기 제 2 방열부재는 제 1 방열부재의 대향측(반대쪽)에서 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 1/3 내지 1/2 면적을 감싸는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 서로 대향하고 있는 상기 제 1 및 제 2 방열부재의 일측 단부들은, 최외측 전지 카트리지 외면의 전체 내지 2/3 면적을 감싸게 된다. 상기 제 1 및 제 2 방열부재들이 감싸는 최외측 전지 카트리지 외면의 면적이 2/3보다 작은 경우에는 그것의 장착에 따른 방열 효과를 발휘하기 어려울 수 있으므로, 적어도 최외측 전지 카트리지 외면의 2/3 이상을 감싸는 것이 바람직하다.
그러한 측면에서, 제 1 방열부재의 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 1/2 면적을 감싸고 있고, 제 2 방열부재의 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 1/2 면적을 감싸고 있는 구조가 더욱 바람직하다. 그러나, 제 1 방열부재의 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 2/3 면적을 감싸고 있고, 제 2 방열부재의 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 1/3 면적을 감싸고 있는 구조도 가능함은 물론이다.
한편, 전지 카트리지들 사이에 개재되는 상기 제 1 및 제 2 방열부재들의 대향측 단부는 바람직하게는 전지 카트리지들 사이의 계면 전체에 개재되는 크기로 연장되어 있을 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 방열부재들의 대향측 단부들이 적층되어 있는 전지 카트리지들의 계면 전체를 커버하는 구조를 이룸으로써, 전지 카트리지에서 발생한 열을 효과적으로 전도시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지 카트리지의 양면 중 일면에만 방열부재의 대향측 단부가 위치하도록 방열부재들이 전지모듈에 장착되어 있을 수 있다. 상기 방열부재가 전지 카트리지의 양면 중 일면에만 위치하더라도, 전도에 의해 소망하는 열전달을 이룰 수 있으므로, 상기 전지 카트리지에서 발생한 열을 용이하게 제거할 수 있다.
구체적으로, 상기 최외측 전지 카트리지(a)를 기준으로 적층된 전지 카트리지들을 순서에 따라 제 1 전지 카트리지, 제 2 전지 카트리지, 제 3 전지 카트리지 ... 제 p 전지 카트리지로 정의할 때, 상기 제 1 방열부재의 대향측 단부는 제 1 전지 카트리지와 제 2 전지 카트리지 사이에 위치하고, 상기 제 2 방열부재의 대향측 단부는 제 3 전지 카트리지와 제 4 전지 카트리지 사이에 위치할 수 있다.
따라서, 상기 1 및 제 2 방열부재들의 대향측 단부가 제 2 전지 카트리지와 제 3 전지 카트리지 사이에 위치하지 않더라도, 제 2 전지 카트리지는 제 1 전지 카트리지와의 사이에 개재되어 있는 제 1 방열부재에 일 면이 접하므로 방열을 이룰 수 있고, 제 3 전지 카트리지는 제 4 전지 카트리지와의 사이에 개재되어 있는 제 2 방열부재에 일면이 접하므로 방열을 이룰 수 있다.
경우에 따라서는, 전지모듈 중앙 부위에 위치한 전지 카트리지들의 발열량이 많은 점을 고려하여, 제 2 방열부재의 대향측 단부가 제 2 전지 카트리지와 제 3 전지 카트리지 사이에 위치하는 경우도 가능함은 물론이다. 따라서, 제 2 전지 카트리지의 일 면은 제 1 방열부재에 접하고 다른 면은 제 2 방열부재에 접하므로, 두 개의 방열부재들에 의해 높은 방열 효과를 발휘할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈의 또 다른 최외측 전지 카트리지(b)에 장착되는 제 3 방열부재와 제 4 방열부재를 포함하고 있고, 상기 제 3 방열부재는 일측 단부가 전지모듈의 상기 최외측 전지 카트리지(b)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있으며, 상기 제 4 방열부재는, 상기 제 3 방열부재와 중복되지 않는 범위에서, 일측 단부가 상기 최외측 전지 카트리지(b)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기에서 최외측 전지 카트리지(b)는 다수의 전지 카트리지들이 적층된 구조의 전지모듈에서 최외측 전지 카트리지(a)의 반대쪽에 위치하는 전지 카트리지를 의미한다. 즉, 전지모듈의 양측에 최외측 전지 카트리지(a)와 최외측 전지 카트리지(b)가 각각 위치하는 형태이다. 따라서, 상기 바람직한 예는, 이러한 최외측 전지 카트리지(b)에도 최외측 전지 카트리지(a)의 제 1 및 제 2 방열부재들과 동일 또는 유사한 형태로 제 3 및 제 4 방열부재들이 장착될 수 있음을 의미한다.
상기 구조에서, 상기 제 3 방열부재 및 제 4 방열부재는 제 1 방열부재 및 제 2 방열부재와 중복되지 않는 위치로 전지모듈에 장착됨은 물론이다.
이러한 제 3 방열부재와 제 4 방열부재의 장착은, 예를 들어, 상기 최외측 전지 카트리지(b)를 기준으로 적층된 전지 카트리지들을 순서에 따라 제 n 전지 카트리지, 제 n-1 전지 카트리지, 제 n-2 전지 카트리지 ... 제 p 전지 카트리지로 정의할 때, 상기 제 3 방열부재의 대향측 단부는 제 n 전지 카트리지와 제 n-1 전지 카트리지 사이에 위치하고, 상기 제 4 방열부재의 대향측 단부는 제 n-2 전지 카트리지와 제 n-3 전지 카트리지 사이에 위치하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기와 같이 소망하는 개수에 따라 다수의 전지 카트리지들을 서로 중복되지 않는 범위에서 다수의 방열부재들로 감싸는 구조로 적층함으로써, 종래와 비교하여 별도의 냉매 유로 없이 고출력 대용량의 전지모듈을 달성할 수 있다.
경우에 따라서는, 과냉각을 방지하기 위하여, 상기 최외측 전지 카트리지(a)의 계면과 상기 방열부재들 사이에 절연성 부재가 장착되어 있을 수 있으며, 최외측 전지 카트리지(b)의 계면에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다. 최외측 전지 카트리지(a)와 최외측 전지 카트리지(b)는 방열부재를 경유하여 외부 환경에 직접 노출되는 전지 카트리지이므로, 내부에 적층된 전지 카트리지들과 비교하여 상대적으로 냉각률이 크다. 따라서, 상기와 같은 절연성 부재가 장착됨으로써 최외측 전지 카트리지들 역시 방열부재를 통해 방열이 일어나 전지 카트리지들 간의 온도 편차를 줄일 수 있다.
상기 전지모듈은 다수의 전지 카트리지들을 적층하고 그것의 사이에 상기 방열부재들을 개재하여 전지모듈을 이룰 수 있는 구조하면 특별히 제한되는 것을 아니며, 예를 들어 6 내지 12개의 전지 카트리지들로 이루어질 수 있다. 다수의 전지 카트리지들이 적층된 구조임에도 불구하고, 냉각을 위한 냉매 유로는 방열부재들 만을 경유하도록 구성할 수 있으므로, 실질적으로 냉매 유로의 수를 크게 줄일 수 있다. 예를 들어, 최외측 전지 카트리지 상의 방열부재 부위 만을 경유하도록 냉매 유로를 형성할 수 있다. 또는, 최외측 전지 카트리지 상의 방열부재 부위와, 전지모듈의 상면 및/또는 하면 상의 방열부재 부위 만을 경유하도록 냉매 유로를 형성할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 전지모듈은 다수의 냉각 유로 없이도 열적으로 안정적인 구조를 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 전지모듈은 탄성 가압부재를 장착한 전지 카트리지를 통하여 다양한 형태의 방열부재를 개재할 수 있으므로, 필요에 따라 소망하는 냉각구조를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 전지모듈은 고출력, 대용량의 전기가 요구되며, 진동, 충격 등과 같은 많은 외력이 가해지는 디바이스의 동력원인 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전기자동차의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 카트리지는 전지셀의 측면이 개방된 상태에서 외주부를 판상형 프레임에 의해 고정하고 그러한 프레임의 외면에 탄성 가압부재를 장착하며, 전지 카트리지들 사이에 방열부재를 개재하는 방식에 의해 전지모듈을 구성함으로써, 다양한 냉각 방식을 적용할 수 있고, 전체적으로 콤팩트하며 설계 변경에 유연성이 있는 전지모듈의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 평면 모식도이다;
도 2는 도 1의 전극 카트리지의 수직 단면도이다;
도 3은 도 1의 전지 카트리지 사이에 방열부재가 개재된 전지모듈의 사시도이다;
도 4는 도 1의 전지 카트리지 다수 개가 적층된 상태로 완성된 전지모듈의 사시도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 일부 부위에 대한 정면도이다;
도 6은 도 5의 방열부재들의 사시도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 정면도이다;
도 8은 도 7의 전지모듈의 사시도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 평면 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전극 카트리지의 A 방향에 따른 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지 카트리지(100)는 판상형 전지셀(300)을 내부에 장착하고 있고, 전지셀(300)의 양극단자(330)와 음극단자(340)가 외부로 돌출되어 있다.
전지 카트리지(100)는 전지셀(300)의 측면이 개방된 상태에서 전지셀(300)의 외주부 양면을 고정하는 한 쌍의 판상형 프레임들(200, 200')로 구성되어 있다.
프레임들(200, 200')의 외면 중 좌측과 우측 상에는 탄성 가압부재들(210, 220, 210', 220')이 길이방향으로 평행하게 장착되어 있다.
또한, 전지셀(300)은 개방 측면이 프레임들(200, 200')로부터 돌출된 상태로 프레임들(200, 200')에 장착되고, 탄성 가압부재들(210, 220, 210', 220')은 전지셀(300) 개방 측면의 돌출 높이(l)보다 큰 높이(L)로 프레임들(200, 200')의 외면에 장착되어 있다. 따라서, 전지셀(300)이 장착된 다수의 전지 카트리지들(100)을 적층하고 그 사이에 방열부재(도시하지 않음)를 개재할 때, 탄성 가압부재들(210, 220, 210', 220')은 가압되면서 방열부재(도시하지 않음)에 대해 탄성 가압력을 발휘할 수 있다. 따라서, 개재된 방열부재(도시하지 않음)는 탄성 가압부재들(210, 220, 210', 220')에 의해, 전지모듈의 크기 증가를 유발하지 않으면서, 안정적인 장착 구조를 이루어질 수 있다.
도 3에는, 상기에서 설명한 바와 같이, 도 1의 전지 카트리지들(100) 사이에 방열부재(500)가 개재되는 전지모듈(400)의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 방열부재(500)는 플레이트 형상으로서, 공냉용 냉각핀을 나타내며, 전지 카트리지들(100) 사이에 개재된다. 방열부재들(500)은 모든 전지 카트리지들(100)의 계면에 개재될 수도 있고, 일부 계면에만 개재될 수도 있다.
전지모듈(400)은 방열부재(500)가 개재된 상태에서 다수의 전지 카트리지들(100)을 적층하고, 전지 카트리지(100)에 천공된 체결용 관통구들(도시하지 않음)에 체결부재들(451, 452, 453, 454)을 삽입하여 체결함으로써 제작된다.
전지 카트리지(100)에서 프레임(200)의 외면에 장착된 탄성 가압부재들(210, 220)은 방열부재(500)가 안정적으로 프레임(200)에 장착 및 고정되는 것을 돕는다.
도 4에는 도 1의 전지 카트리지 다수 개가 적층된 상태로 완성된 전지모듈의 사시도가 모식도가 도시되어 있다.
방열부재(500)는 그것의 일부가 외측 방향으로 노출되어 있어서, 충방전 과정에서 전지셀(300)로부터 발생한 열은 카트리지들(100) 사이에 개재된 방열부재(500)로 전달된 후 외부로 방출되므로, 높은 방열 효율을 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전지 카트리지(100)는 프레임(200)의 외면에 탄성 가압부재들(210, 220)이 장착되어 있는 구조에 의해, 전지모듈(400)에 대한 다양한 방열 방식의 적용을 가능하게 한다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 일부 부위에 대한 정면도가 모식적으로 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 전극단자, 탄성 가압부재 등 전지모듈의 구성을 위한 기타 부재들을 생략한 상태로 전지 카트리지들을 간략히 도시하였다.
도 5를 참조하면, 전지모듈(600)의 일부에는 4개의 전지 카트리지들(110, 120, 130, 140)이 상호 인접한 구조로 적층되어 있고, 2개의 방열부재들(510, 520)이 소정 위치에 장착되어 있다.
제 1 방열부재(510)는 그것의 일측 단부가 제 1 전지 카트리지(110) 외면의 약 1/2 면적(W)을 감싸고 있고, 제 2 방열부재(520)는 제 1 방열부재(510)의 반대쪽에서 그것의 일측 단부가 제 1 전지 카트리지(110) 외면의 약 1/2 면적(W')을 감싸고 있다. 결과적으로, 최외측 전지 카트리지인 제 1 전지 카트리지(110)는 그것의 외면 전체가 실질적으로 제 1 방열부재(510)와 제 2 방열부재(520)에 의해 감싸인 구조를 이룬다.
제 1 방열부재(510)의 대향측 단부는 제 1 전지 카트리지(110)와 제 2 전지 카트리지(120) 사이에 위치하도록 절곡되어 있고, 제 2 방열부재(520)의 대향측 단부는 제 3 전지 카트리지(130)와 제 4 전지 카트리지(140) 사이에 위치하도록 절곡되어 있으며, 전지 카트리지(130, 140)의 계면 전체에 개재되는 크기로 연장되어 있다.
결과적으로, 제 1 방열부재(510)와 제 2 방열부재(520)는 서로 중첩되지 않은 상태로 전지모듈(600) 상에 장착되어 있다.
또한, 제 1 전지 카트리지(110)의 외면과 제 1 방열부재(510) 및 제 2 방열부재(520) 사이에는 절연성 부재(101)가 장착되어 있어서, 제 1 전지 카트리지(110)의 과냉각을 방지한다.
도 6에는 도 5의 방열부재들의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 비교를 위하여, 방열부재들은 도 5의 전지모듈에 장착된 상태가 아닌 동일한 배열 형상으로 나타내었다.
도 6을 참조하면, 방열부재들(510, 520)은 높은 열전도성의 절곡 가능한 금속 판재로서, 전지 카트리지들(도시하지 않음)의 측면을 감싸도록 'ㄷ'자 형상으로 절곡되어 있다.
구체적으로, 방열부재들(510, 520)의 일측 단부는 최외측 전지 카트리지(도시하지 않음)의 외면을 부분적으로 감싸도록 상대적으로 짧은 길이(h)이고, 대향측 단부는 전지 카트리지들 사이의 계면 전체에 개재되도록 상대적으로 긴 길이(H)로 구성되어 있다.
한편, 제 2 방열부재(520)의 절곡 폭(D)은 제 1 방열부재(510)의 절곡 폭(d)에 대해 상대적으로 크다. 이는, 제 1 방열부재(510)의 단부가 도 5에서 제 1 전지 카트리지(110)와 제 2 전지 카트리지(120) 사이에 개재되므로, 절연성 부재(101)와 제 1 전지 카트리지(110)의 두께에 대응하는 절곡 폭(d)이 요구됨에 반하여, 방열부재(520)의 단부가 도 5에서 제 3 전지 카트리지(130)와 제 4 전지 카트리지(140) 사이에 개재되므로, 절연성 부재(101), 제 1 전지 카트리지(110), 제 2 전지 카트리지(120) 및 제 3 전지 카트리지(130)의 두께에 대응하는 절곡 폭(D)이 요구되기 때문이다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 정면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈(700)은 8개의 전지 카트리지들이 에어 갭(air gap) 없이 양면이 상호 밀착하여 적층되어 있고, 4 개의 방열부재들이 장착되어 구성되어 있다.
제 1 방열부재(530) 및 제 2 방열부재(540)의 일측 단부들은 각각 최외측 전지 카트리지인 제 1 전지 카트리지(110) 외면을 약 1/2 면적씩 감싸고 있고, 제 3 방열부재(550) 및 제 4 방열부재(560)의 일측 단부들은 각각 최외측 전지 카트리지인 제 8 전지 카트리지(180) 외면을 약 1/2 면적씩 감싸고 있다.
제 1 방열부재(530)의 대향측 단부는 제 3 전지 카트리지(130)와 제 4 전지 카트리지(140) 사이에 위치하고, 제 2 방열부재(540)의 대향측 단부는 제 2 전지 카트리지(120)와 제 3 전지 카트리지(130) 사이에 위치하도록 절곡되어 있다. 또한, 제 3 방열부재(550)의 대향측 단부는 제 5 전지 카트리지(150)와 제 6 전지 카트리지(160) 사이에 위치하고, 제 4 방열부재(560)의 대향측 단부는 제 6 전지 카트리지(160)와 제 7 전지 카트리지(170) 사이에 위치하도록 절곡되어 있다.
다수의 전지 카트리지들(110, 120, 140, 150, 170, 180)은 그 일면이 방열부재들(530, 540, 550, 560)에 직접 또는 간접적으로 접하도록 구성되어 있고, 일부 전지 카트리지들(130, 160)은 양면이 방열부재들(530, 540, 550, 560)에 직접 접하도록 구성되어 있지만, 배열 구성은 탄성 가압부재(도시하지 않음)에 의해 가압 밀착되는 구조라면 매우 다양할 수 있음은 물론이다. 경우에 따라서는, 열축적 현상이 심각할 수 있는 중앙 부위의 전지 카트리지들의 경우, 이들의 양면이 방열부재에 각각 접하도록 구성할 수도 있다.
또한, 과냉각을 방지하기 위하여, 제 1 전지 카트리지(110)와 제 1 방열부재(530) 사이 및 제 8 전지 카트리지(180)와 제 4 방열부재(560) 사이에 절연성 부재들(102, 103)이 장착되어 있다.
결과적으로, 전지 카트리지들의 균형 있는 방열을 이루어 전체적으로 온도편차를 줄이게 된다.
따라서, 본 발명의 전지 카트리지를 포함한 전지모듈은 다양한 형태의 방열 부재를 개재할 수 있도록 형성됨으로써, 효율적인 방열을 이루게 되다.
도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 도 9의 전지모듈(400a)에서 전지셀들(300a)은 양극단자(330)와 음극단자(340)가 모두 전지셀들(300a)의 상부 방향으로 돌출되어 있는 구조를 가지고 있다. 따라서, 전지 카트리지들(100)은 도 4의 전지모듈(400)과 같이 양극단자(330)와 음극단자(340)가 서로 반대 방향으로 돌출된 전지셀들(300) 뿐만 아니라 양극단자(330)와 음극단자(340)가 서로 동일한 방향으로 돌출된 전지셀들(300a)에도 적용이 가능함을 알 수 있다. 이하 기타 구조는 도 4의 전지모듈(400)과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 판상형 전지셀을 내부에 장착하기 위한 프레임 구조의 전지 카트리지로서, 상기 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 전지모듈의 구성시 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재는 상기 프레임의 외면 중 상측 부위, 하측 부위, 좌측 부위 및 우측 부위로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 부위 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 개방 측면이 프레임으로부터 돌출된 상태로 프레임에 장착되고, 상기 탄성 가압부재는 전지셀 개방 측면의 돌출 높이보다 큰 높이로 프레임의 외면에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재의 표면에는 홈, 엠보싱 및 그루브로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재는 압박시 탄성 가압력을 발휘하는 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재는 고무로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임의 외면에는 그루브가 형성되어 있고, 상기 탄성 가압부재는 상기 그루브 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재의 폭은 프레임의 폭을 기준으로 10 내지 80%인 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  9. 전지셀들 사이에 또는 전지셀이 장착된 전지 카트리지들 사이에 장착되는 방열부재로서, 상기 전지셀의 외면에 방열부재가 밀착 고정될 수 있도록 탄성 가압부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 방열부재.
  10. 전지셀이 내부에 장착된 상태에서 제 1 항에 따른 전지 카트리지들이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 전지 카트리지들 사이의 각각의 계면들 중 하나 이상의 계면에는 방열부재가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 방열부재는 플레이트 형상의 부재로서, 그것의 적어도 일부가 적층된 전지 카트리지들의 외부로 노출된 상태로 전지 카트리지들 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 방열부재는 공냉용 냉각핀 또는 수냉용 냉각판인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 방열부재들 중, 제 1 방열부재는 일측 단부가 전지모듈의 최외측 전지 카트리지(a)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있으며;
    제 2 방열부재는, 상기 제 1 방열부재와 중복되지 않는 범위에서, 일측 단부가 상기 최외측 전지 카트리지(a)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 방열부재들은 전지 카트리지들의 측면을 감싸도록 절곡된 상태로 전지모듈에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 방열부재는 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 1/3 내지 1/2 면적을 감싸고 있고, 상기 제 2 방열부재는 제 1 방열부재의 대향측(반대쪽)에서 일측 단부가 최외측 전지 카트리지(a) 외면의 1/3 내지 1/2 면적을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 13 항에 있어서, 전지 카트리지들 사이에 개재되는 상기 제 1 및 제 2 방열부재들의 대향측 단부는 전지 카트리지들 사이의 계면 전체에 개재되는 크기로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 판상형 전지 카트리지의 양면 중 일면에만 방열부재의 대향측 단부가 위치하도록 방열부재들이 전지모듈에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 최외측 전지 카트리지(a)를 기준으로 적층된 전지 카트리지들을 순서에 따라 제 1 전지 카트리지, 제 2 전지 카트리지, 제 3 전지 카트리지 ... 제 p 전지 카트리지로 정의할 때, 상기 제 1 방열부재의 대향측 단부는 제 1 전지 카트리지와 제 2 전지 카트리지 사이에 위치하고, 상기 제 2 방열부재의 대향측 단부는 제 3 전지 카트리지와 제 4 전지 카트리지 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 전지모듈의 또 다른 최외측 전지 카트리지(b)에 장착되는 제 3 방열부재와 제 4 방열부재를 포함하고 있고,
    상기 제 3 방열부재는 일측 단부가 전지모듈의 상기 최외측 전지 카트리지(b)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있으며;
    상기 제 4 방열부재는, 상기 제 3 방열부재와 중복되지 않는 범위에서, 일측 단부가 상기 최외측 전지 카트리지(a)의 적어도 일부를 감싸고 대향측 단부가 내측 전지 카트리지들 사이에 개재되도록 연장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제 3 방열부재 및 제 4 방열부재는 제 1 방열부재 및 제 2 방열부재와 중복되지 않는 위치로 전지모듈에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 최외측 전지 카트리지(b)를 기준으로 적층된 전지 카트리지들을 순서에 따라 제 n 전지 카트리지, 제 n-1 전지 카트리지, 제 n-2 전지 카트리지 ... 제 p 전지 카트리지로 정의할 때, 상기 제 3 방열부재의 대향측 단부는 제 n 전지 카트리지와 제 n-1 전지 카트리지 사이에 위치하고, 상기 제 4 방열부재의 대향측 단부는 제 n-2 전지 카트리지와 제 n-3 전지 카트리지 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  22. 제 13 항에 있어서, 과냉각을 방지하기 위하여, 상기 최외측 전지 카트리지(a)의 계면과 상기 방열부재들 사이에 절연성 부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  23. 제 13 항에 있어서, 상기 전지모듈은 6 내지 12개의 전지 카트리지들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  24. 제 10 항에 있어서, 상기 전지모듈은 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전기자동차의 동력원인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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