KR20060060804A - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단위 전지의 효율적인 배치를 통해 온도 제어 효과가 우수하면서도 전지 모듈의 크기를 최소화할 수 있도록, 다수개의 단위 전지가 적층 배열된 적어도 하나 이상의 전지열과, 상기 전지열이 내장되고 온도 제어용 냉각매체가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 전지열은 상기 하우징의 냉각매체 진행방향에 대해 어긋나게 배치된 이차 전지 모듈을 제공한다.

하우징, 전지열, 단위전지, 각도

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

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

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 작용을 설명하기 위한 개략적인 평단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성함에 있어서, 단위 전지의 배열 구조를 개선하여 전체적인 부피를 최소화하고 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 위한 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 결과적으로 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 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단위 전지의 효율적인 배치를 통해 온도 제어 효과가 우수하면서도 전지 모듈의 크기를 최소화할 수 있도록 된 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배열된 다수개의 단위전지가 이루는 전지 열이 서로 각도를 두고 배치된 구조로 되어 있다.

이를 위해 본 발명은 일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 냉각매체가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 간격을 두고 배열된 다수개의 단위 전지가 이루는 전지 열이 적어도 둘 이상 구비되고 상기 각 전지 열은 상기 하우징 내에서 서로 각도를 두고 배치된 구조로 되어 있다.

이에 따라 전지열을 복층구조로 하지 않고 동일 평면상에 배치시켜 팩 높이를 최소화하면서도 냉각매체를 서로 각도를 두고 어긋나있는 전지열 사이로 유통시킬 수 있게 되어 각 전지열로 동일한 조건의 냉각매체가 유입됨으로써 냉각효율을 높이고 각 단위 전지를 균일하게 냉각시킬 수 있게 되는 것이다.

여기서 상기 전지열은 일정간격으로 배열되는 단위 전지와 단위 전지의 단자쪽에 연결설치되는 시스템회로부를 포함하는 구조로 되어 있다.

또한, 상기 전지열은 단위 전지와 단위 전지 사이에 단위 전지 사이의 간격을 유지하고 냉각매체를 유통시키기 위한 전지격벽이 더욱 설치될 수 있다.

또한, 상기 전지열은 상기 하우징의 냉각매체 진행라인 상에 길이방향으로 배치되고 상기 진행라인에 대해 일정각도 어긋나게 설치된 구조로 되어 있다.

여기서 상기 냉각매체 진행라인에 대한 상기 전지열의 배치각도는 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 5°이상으로 배치한다.

또한, 상기 전지열은 두 개가 한 쌍을 이루어 상기 하우징의 유입구를 향해 벌어지도록 서로 대향되게 배치됨이 바람직하다.

따라서 유입구를 통해 들어온 냉각매체는 유입구를 향해 벌어져 있는 한 쌍의 전지열 사이로 들어가 각 전지열의 단위 전지 사이를 용이하게 통과한 후 각 전지열과 하우징의 내측면 사이를 통해 배출구로 빠져나가게 된다.

여기서 상기 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.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이하 설명에서는 전지모듈의 냉각방식으로 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 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 전지모듈(10)을 살펴보면, 다수개의 단위 전지(11)가 일정간격을 두고 연속적으로 배열되어 이루어지는 전지열(12), 내부에 다수개의 전지열(12)이 배열설치되고 상기 각 전지열(12)의 단위 전지(11)로 냉각용 공기를 유통시키기 위해 유입구(21)와 배출구(22)가 형성된 하우징(20)을 포함한다.

여기서 상기 전지열(12)은 두 개가 한 쌍을 이뤄 구비되며, 상기 각 전지열(12)은 상기 유입구(21)와 배출구(22)를 연결하는 상기 하우징(20)의 냉각용 공기 진행라인에 각각 길이방향으로 놓여지고 상호간에는 상기 진행라인에 대해 직각방향으로 나란하게 배치되며, 상기 진행라인에 대해 일정각도 어긋난 상태로 서로 대향되게 배치되어 상기 한쌍의 전지열(12) 사이가 유입구(21)를 향해 벌어지는 구조로 되어 있다.

이하 설명에서 상기 전지열(12)은 전지가 일정간격으로 배치되어 하나의 열을 이룬 구조를 의미하는 것으로 정의한다.

그리고 상기 각 전지열(12)의 단위 전지(11) 사이에는 전지격벽(13)이 더욱 설치된다.

또한, 상기 전지열(12)은 적층된 단위 전지(11)의 각 단자를 전기적으로 연결하는 시스템회로부(14)가 하나의 몰드 구조물 형태로 단위 전지(11)의 단자쪽에 설치된다.

한편, 상기 하우징(20)은 전지 모듈의 외형을 이루는 박스형태의 구조물로, 양 선단에 냉각용 공기가 유입되고 배출되는 유입구(21)와 배출구(22)가 형성되며, 내부에는 두 개의 전지열(12)이 일정각도로 배치된다.

본 실시예에서 상기 전지열(12) 사이의 배열 각도는 10°이상으로 설정함이 바람직하다.

이와같이 두 개의 전지열(12)이 기울어져 서로 대향되게 배치됨으로써 도 2에 도시된 바와 같이 두 전지열(12)의 중앙부는 하우징(20)의 유입구(21)를 향해 벌어지고 두 전지열(12)의 양 측단은 하우징(20)의 배출구(22)를 향해 벌어진 상태가 된다.

이에 따라 하우징(20)의 유입구(21)를 통해 유입된 냉각용 공기는 일정 각도로 벌어져 있는 전지열(12)과 전지열(12) 사이로 유입되어 각 전지열(12)의 단위 전지(11) 사이를 지나면서 두 개의 전지열(12)을 동시에 냉각시키게 되고 전지열(12)의 단위 전지(11)를 통과한 냉각용 공기는 하우징(20)의 배출구(22)쪽을 향해 벌어진 전지열(12)과 하우징(20)의 내측면 사이를 통해 배출구(22)로 빠져나가게 되는 것이다.

여기서 바람직하게는 상기 하우징(20)에 형성되는 유입구(21)는 상기 하우징(20)의 상호 벌어져 있는 전지열(12)의 모서리 사이의 크기와 대응되도록 하여 상기 하우징(20)의 중앙부에 형성시킴이 바람직하며, 상기 배출구(22)는 상기 하우징(20)의 내측면과 상기 전지열(12)의 모서리 사이의 크기와 대응되도록 하여 상기 하우징(20)의 외측부에 형성함이 바람직하다.

이하, 본 발명의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

하우징(20)의 유입구(21)를 통해 하우징(20) 내부로 들어온 냉각용 공기는 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(20)의 유입구(21)쪽으로 벌어져 있는 한 쌍의 전지열(12) 사이로 모두 유입된다.

한 쌍의 전지열(12) 사이로 유입된 냉각용 공기는 양쪽으로 분산되어 각 전지열(12)의 단위 전지(11) 사이로 진행되어 단위 전지(11) 사이의 전지격벽(13)을 지나게 된다.

여기서 상기 전지열(12)은 냉각용 공기의 진행방향에 대해 일정각도 기울어져 있기 때문에 단위 전지(11) 또한 냉각용 공기의 진행방향에서 기울어진 상태로 냉각용 공기는 경사진 단위 전지(11) 사이의 전지격벽(13)을 따라 원활하게 유통될 수 있는 것이다.

전지격벽(13)을 따라 진행되는 냉각용 공기는 각 전지열(12)의 단위 전지(11)를 냉각시키게 되고 단위 전지(11)를 통과한 냉각용 공기는 전지열(12)과 하우징(20)의 내벽 사이의 틈새를 통해 배출구(22)로 진행되어 하우징(20)을 빠져나가게 된다.

상기와 같이 하우징(20)으로 유입된 냉각용 공기는 일정각도로 배열된 두 개의 전지열(12) 사이로 유입되어 일부는 일측 전지열(12)로 유통되고 일부는 나머지 전지열(12)로 유통되어 두 개의 전지열(12)을 동시에 지나게 된다.

이에 따라 한 쌍의 전지열(12)을 나란하게 배치하여 전지 모듈의 높이를 최소화함에도 불구하고 한 쌍의 전지열(12)에 냉각용 공기를 동시에 유통시킴으로써 내각효율을 극대화시키고 각 전지열(12)의 단위 전지(11)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.

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, 전지 모듈의 냉각효율을 높일 수 있고, 냉각매체가 단위 전지 사이로 고르게 유통되므로 전지 모듈 전체에 있어서 국부적인 열적 불균형을 해소할 수 있게 된다.

Claims (10)

1. 다수개의 단위 전지가 적층 배열된 적어도 하나 이상의 전지열과, 상기 전지열이 내장되고 온도 제어용 냉각매체가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서,

   상기 전지열은 상기 하우징의 냉각매체 진행방향에 대해 어긋나게 배치된 이차 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지열은 두 개가 한쌍을 이루어 서로 대향 배치되는 이차 전지 모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지열은 동일 평면상에 배치되는 이차 전지 모듈.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지열은 단위 전지와 단위 전지 사이에 전지격벽이 설치되는 이차 전지 모듈.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지열은 두 개가 한 쌍을 이루어 상기 하우징의 냉각매체 유입구를 향해 벌어지도록 배치되는 이차 전지 모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전지열 사이의 각도는 10°이상인 이차 전지 모듈.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 하우징에 형성되는 냉각매체 유입구는 상기 벌어져 있는 전지열 사이의 모서리 간 크기와 대응되는 이차 전지 모듈.
8. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 하우징에 형성되는 냉각매체 배출구는 상기 하우징의 내측면과 상기 전지열의 모서리 간 크기와 대응되는 이차 전지 모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지는 각형으로 이루어진 이차 전지 모듈.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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