KR100696669B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차 전지 모듈은 열전달 효율을 향상시키고 제작공정을 단순화할 수 있도록, 적층 배열되는 복수개의 단위 전지와 상기 단위 전지 사이에 배치되고, 적어도 일면에 두께 방향으로 함몰된 열전달 매체의 유통로가 형성되는 판부재를 포함한다.

이차 전지 모듈, 전지 격벽, 유통로, 판부재

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

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

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 격벽을 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 격벽을 제작하는 과정을 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 격벽을 도시한 사시도이다.

본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게는 열전달 매체의 유통로를 형성하는 전지 격벽의 구조를 개선한 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이러한 이차 전지는 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결한 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로 는 원통형, 각형 등의 형상이 있다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 전지를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지로 구성된다.

또한, 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 단위 전지라 칭한다)로 이루어진다.

상기 각각의 단위 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군과 상기 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트, 및 상기 캡 플레이트를 관통하여 돌출되고 상기 전극군에 구비된 양,음극의 집전체와 전기적으로 연결되는 양극 단자와 음극 단자를 포함한다.

그리고 각각의 단위 전지는 통상 각형 전지의 경우 캡 조립체의 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위 전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 교차 배열되고, 나사가공된 양극단자와 음극단자 간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

여기서 상기한 전지 모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위 전지들이 연결되어 형성되므로, 각 단위 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야하며, 더욱이 HEV(하이브리드 전기 자동차)에 적용되는 이차 전지의 경우 열 방출은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.

열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우, 각 단위 전지에서 발생되는 열은 전지 모듈의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 상기 전지모듈이 적용된 기기의 오작동을 발생시키게 된다.

특히, 차량용으로 사용되는 하이브리드 전기 자동차용 전지 모듈의 경우 대전류로 충,방전되므로 사용 상태에 따라서 이차 전지의 내부 반응에 의해 열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 되고, 이는 전지의 고유 특성에 영향을 주어 전지 성능을 저하시키게 된다.

이에 따라 통상 다수개의 이차 전지가 내장되는 전지 모듈, 특히 각형의 이차 전지로 전지 모듈을 구성하는 경우, 단위 전지와 단위 전지 사이에 전지 격벽을 설치함으로써 단위 전지간의 냉각용 공기 유통을 위한 간격을 확보하고 구조적으로 단위 전지의 변형을 방지하게 된다.

따라서 충분한 강성을 확보하고 단위 전지들을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전지 격벽의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

또한, 종래에는 전지 격벽이 단위 전지의 표면에 밀착되어 열전달 매체가 간접적으로 전지 격벽을 통하여 단위 전지를 냉각하는 구조로 이루어졌으나, 이는 냉각매체가 단위 전지를 직접 냉각시키는 구조보다 열전달 효율이 낮다는 문제점이 있다.

그리고 전지모듈은 적용되는 기기의 내부에 장착되므로, 그 부피와 무게가 작을수록 적용된 기기의 성능을 향상시킬 수 있으며, 전지모듈의 부피는 최소화되 어야 한다. 또한, 상기 전지 격벽의 형상이 복잡한 경우, 작업 공수가 많아서 제작에 많은 비용이 소모되므로, 전지 격벽의 구조를 단순화하여 작업 공정을 단순화함으로써 제작원가를 절감할 필요가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제작이 용이한 이차 전지 모듈을 제공함에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전지 모듈은 일면에 적어도 하나 이상의 냉각 매체의 유통로가 형성된 판부재를 포함한다.

본 발명에 따른 전지 모듈은 적층 배열되는 복수 개의 단위 전지와, 상기 단위 전지 사이에 배치되고 적어도 일면에 두께 방향으로 함몰되어 열전달 매체의 유통로를 이루는 판부재, 상기 단위 전지들의 최외측에 배치되어 상기 단위 전지들을 고정하는 엔드 플레이트, 및 상기 엔드 플레이트들을 연결하여 고정시키는 연결부재를 포함할 수 있다.

그리고 상기 판부재는 적어도 일측 가장자리가 절곡되어 절곡부를 형성할 수 있다. 또한, 상기 절곡부는 단위 전지에 설치된 외부단자가 상부에 위치하도록 상기 단위전지를 세웠을 때를 기준으로, 상기 단위 전지의 측부에 밀착되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 절곡부는 상기 판부재의 대칭되는 양측 가장자리에 형성될 수 있 으며, 이 경우 상기 유통로는 일측 절곡부에서 타측 절곡부까지 길게 이어져 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 유통로는 상기 절곡부가 굽어지질 때 기준이 되는 축보다 더 외측으로 이어져 형성되고, 상기 축과 상기 유통로의 측단부 사이의 거리는 상기 판부재의 두께보다 크고 상기 단위 전지의 두께보다 작게 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 판부재는 상기 절곡부가 양쪽 가장자리에서 직각으로 절곡되어 ㄱ자 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 판부재는 일측 가장자리에만 절곡부가 형성되고 타측 가장자리는 곧게 뻗은 구조로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 유통로는 상기 절곡부에서 타측 단부까지 길게 이어져 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 판부재는 상기 절곡부가 일측 가장자리에서 직각으로 절곡되어 L자 형태로 형성될 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 상기 유통로는 홈로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 유통로는 전면이 관통된 홀로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 유통로는 직사각형으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 이차 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 에너지원으로 사용될 수 있다.

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

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈(100)을 도시한 사시도이다.

상기한 도면들을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군을 구비하여 충전과 방전을 되풀이하는 복수개의 단위 전지(10)와 상기 단위 전지들(10) 사이에 설치되어 상기 단위 전지(10) 사이로 열전달 매체가 유통될 수 있도록 간격을 유지하는 판부재(20), 상기 단위 전지들(10)의 최외측에 배치되어 상기 단위 전지들(10)을 내측으로 가압하는 엔드 플레이트(14)를 포함한다.

도 1에서는 도시하지 않았지만, 상기 엔드 플레이트(14)에는 두 개의 엔드 플레이트들(14)을 연결하는 연결부재가 설치될 수 있다.

그리고 이러한 전지 모듈(100)은 열전달 매체의 유입구와 배출구가 형성된 하우징 내에 배치될 수 있다. 상기 하우징의 유입구로 들어온 열전달 매체는 단위 전지(10)와 단위 전지(10)의 사이를 통과하면서 단위 전지(10)를 냉각시킨 후, 하우징의 배출구를 통해서 빠져나가게 된다.

상기한 구조의 전지 모듈(100)에 있어서 본 실시예에 따른 판부재(20)는 도 2에 도시한 바와 같이, 양측 가장자리에 굽어진 절곡부(22)가 형성된다.

또한, 상기 절곡부(22)는 상기 단위 전지(10)에 설치된 외부 단자(12)가 상부에 위치하도록 상기 단위 전지(10)를 세웠을 때를 기준으로 단위 전지(10)의 양쪽 측면에 밀착될 수 있도록 상기 판부재(20)의 대칭되는 양쪽 가장자리에 형성된다. 여기서 상기 절곡부(22)는 단위 전지(10)의 두께와 대응되는 길이로 이루어진 다. 따라서 상기 절곡부(22)의 단부는 이웃하는 단위 전지(10)에 설치된 판부재(20)와 밀착되고, 양측 판부재(20)에 끼워진 단위 전지(10)는 안정적으로 고정된다.

그리고 상기 판부재의 표면에는 적어도 하나 이상의 유통로(21)가 형성되는데, 상기 유통로(21)는 일측 절곡부(22)에서 타측 절곡부(22)까지 길게 이어져 형성된다. 따라서 상기 유통로(21)는 열전달 매체가 유통될 수 있도록 상기 판부재(20)의 중앙면을 관통하여 형성된다.

한편, 도 2에서는 상기 판부재(20)에 복수개의 유통로(21)가 형성된 것으로 도시하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 유통로(21)는 상기 판부재(20)에 적어도 하나 이상 형성되면 족하다.

그리고 본 실시예에 따른 상기 유통로(21)는 열전달 매체가 상기 단위 전지(10)와 직접 접할 수 있도록 관통 홀로 형성된다.

본 실시예에서와 같이 단위 전지(10) 사이에 설치되는 전지 격벽이 위에서 설명한 판부재(20)로 이루어짐으로써, 상기 유통로(21)를 통해서 열전달 매체가 유통될 수 있다. 또한 열전달 매체는 이웃하는 양측의 단위 전지(10)와 직접 접하여 상기 단위 전지들(10)을 냉각시킴으로써 단위 전지들(10)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 그리고 상기 유통로(21) 사이의 간격은 필요에 따라 자유롭게 조절 할 수 있으며, 유통로(21) 사이의 간격이 좁을 수록, 열전달 면적이 증가되어 열전달 효율은 더욱 향상되게 된다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 격벽을 제작하는 과정을 도시한 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 전지 격벽의 제작과정을 설명한다. 먼저 타공하는 공정을 통하여 직사각형 형태의 판부재(20)에 직사각형 형태로 관통된 유통로를 형성한다. 상기 유통로(21)의 개수에 대해서는 제한하지 않으며, 적어도 하나 이상 형성되면 족하다. 따라서 상기 유통로(21)는 상기 단위 전지(10)의 크기 및 적용 환경에 따라서 적정한 수로 이루어질 수 있다.

그리고 유통로(21)가 형성된 상기 판부재(20)는 양측 가장자리에서 소정의 축(A, B)을 기준으로 화살표 방향으로 절곡되어 양측 가장자리에 절곡부(22)가 형성된다. 여기서 상기 판부재(20)는 단위 전지(10)에 전체적으로 밀착될 수 있도록 90°만큼 절곡되는 것이 바람직하다.

그리고 양측 가장자리가 절곡될 때 기준이 되는 축(A, B) 사이의 거리 L은 외부 단자(12)가 상부에 위치하도록 상기 단위 전지(10)를 세웠을 때를 기준으로 상기 단위 전지(10)의 전면 가로의 길이와 대응되는 크기로 이루어진다. 따라서, 상기 판부재(20)에 상기 단위 전지(10)가 끼워져 밀착되고, 상기 단위 전지(10)와 상기 판부재(20) 사이에 열전달이 활발하게 일어날 수 있다. 그리고 열전달 매체가 상기 단위 전지(10)뿐만 아니라, 상기 판부재(20)까지 냉각시킴으로써, 냉각 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 상기 유통로(21)는 상기 축들(A, B)보다 더 외측으로 연장되어 형성되는데, 여기서 상기 축(A, B)과 유통로(21)의 측단까지의 거리 X는 상기 판부재(20)의 두께 T보다 크고, 단위 전지(10)의 두께보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 축(A, B)에서 유통로(21)의 측단까지의 거리 X가 상기 판부재(20)의 두께 T보다 작으면, 상기 절곡된 부분이 유통로를 막아서 열전달 매체가 자유롭게 유통되지 못하는 문제점이 있으며, X가 단위 전지(10)의 두께보다 크게 되면, 상기 유통로(21)의 양측단이 개방되어 상기 판부재(20)의 형상을 유지할 수 없는 문제가 발생한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 격벽을 도시한 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 상기 전지 격벽은 판부재(30)로 이루어지고, 상기 판부재(30)는 일측 가장자리에 절곡된 절곡부(32)가 형성된다. 상기 절곡부(32)는 상기 단위 전지(10)의 외부단자(12)가 상부에 위치하도록 상기 단위 전지(10)를 세웠을 때를 기준으로 상기 단위 전지(10)의 측면에 위치되도록 형성된다. 또한, 상기 절곡부(20)는 상기 단위 전지의 측면에 밀착될 수 있도록 90°의 각도로 절곡된다.

그리고 상기 판부재(30)에는 적어도 하나 이상의 유통로(31)가 형성되는데, 이러한 유통로(31)는 상기 절곡부(32)에서 맞은편 단부까지 길게 이어져 형성된다. 따라서, 상기 판부재(30)에는 상기 단위 전지(10)의 넓은 전면과 접하는 면을 관통하는 유통로(31)가 형성되고, 상기 유통로(31)는 한쪽 측단부가 개방된 구조로 이루어진다.

따라서, 본 실시예에 따른 상기 판부재(30)가 단위 전지(10) 사이에 설치되고, 상기 판부재(30)에 형성된 유통로를 통해서 열전달 매체가 유통되면, 상기 판부재(30)의 양측에 배치된 단위 전지들(10)이 열전달 매체와 직접 접촉하여 냉각될 수 있다.

또한, 상기 판부재(30)는 절곡부(32)가 일측에만 형성되어 양측에 절곡부(32)가 형성된 구조보다 부피 및 무게가 감소되므로, 전지 모듈의 전체적인 부피 및 무게를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 이차 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 발명이 이에 한정되는 것이 아니며 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 발명에 따르면, 판부재에 유통로가 형성되고 유통로를 통해서 냉각매체가 양측의 단위 전지와 모두 접하면서 냉각작용을 일으켜 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고 전지 격벽의 구조를 단순화할 수 있어서, 제작이 용이하고 생산 원가를 절감할 수 있다.

Claims (15)

1. 적층 배열되는 복수개의 단위 전지;

   상기 단위 전지 사이에 배치되고, 적어도 일면에 두께 방향으로 함몰된 열전달 매체의 유통로가 형성되는 판부재;

   를 포함하는 이차 전지 모듈.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 판부재는 적어도 하나 이상의 가장자리에 상기 단위 전지의 외주면 모서리에 걸려지도록 굽어진 절곡부가 형성된 이차 전지 모듈.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 절곡부는 단위 전지에 설치된 외부단자가 상부에 위치하도록 상기 단위 전지를 세웠을 때를 기준으로, 상기 단위 전지의 측부에 밀착되도록 형성되는 이차 전지 모듈.
4. 제2 항에 있어서,

   상기 절곡부는 상기 판부재의 대칭되는 양측 가장자리에 형성되는 이차 전지 모듈.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 유통로는 일측 절곡부에서 타측 절곡부까지 길게 이어져 형성되는 이차 전지 모듈.
6. 제2 항에 있어서,

   상기 유통로는 상기 절곡부가 굽어질 때 기준이 되는 축보다 더 외측으로 이어져 형성되고, 상기 축과 상기 유통로의 측단부 사이의 거리는 상기 판부재의 두께보다 크고 상기 단위 전지의 두께보다 작게 이루어지는 이차 전지 모듈.
7. 제2 항에 있어서,

   상기 판부재는 상기 절곡부가 양측 가장자리에서 직각으로 절곡되는 이차 전지 모듈.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 판부재는 일측 가장자리에만 상기 단위 전지의 외주면 모서리에 걸려지도록 굽어진 절곡부가 형성되고 타측 가장자리는 곧게 뻗은 구조로 이루어지는 이차 전지 모듈.
9. 제8 항에 있어서,

   상기 유통로는 상기 절곡부에서 타측 단부까지 이어져 형성되는 이차 전지 모듈.
10. 제8 항에 있어서,

    상기 판부재는 상기 절곡부가 일측 가장자리에서 직각으로 절곡되는 이차 전지 모듈.
11. 제1 항에 있어서,

    상기 유통로는 관통 홀로 이루어지는 이차 전지 모듈.
12. 제1 항에 있어서,

    상기 유통로는 홈으로 이루어지는 이차 전지 모듈.
13. 제1 항에 있어서,

    상기 유통로는 직사각형으로 이루어지는 이차 전지 모듈.
14. 제1 항에 있어서,

    상기 판부재는 평판에 타공하여 유통로를 형성한 후, 가장자리가 상기 단위 전지의 외주면 모서리에 걸려지도록 절곡하여 형성된 이차 전지 모듈.
15. 제1 항에 있어서,

    상기 이차 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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