KR100709264B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제작이 용이하고, 열전달 효율을 향상시킬 수 있도록, 복수개의 단위 전지 및 상기 단위 전지에 결합되는 코일형태의 전지격벽을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.

전지격벽, 빔, 코일, 라인

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

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

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 전지격벽을 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 측면을 도시한 일부 구성 사시도이다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 전지격벽을 도시한 사시도이다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 전지격벽을 도시한 사시도이다.

도 6 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전지격벽의 단면상태를 도시한 단면도이다.

본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전지 사이에 설치되는 전지격벽의 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 형상으로는 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 전지들이 직렬로 연결된 구조로 이루어진다.

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 돌출 된 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 복수개의 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, 종래의 전지 격벽은 형상이 복잡하여 일반적으로 사출 성형으로 제작되는데, 이러한 사출 성형 과정에서 많은 비용이 발생하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제작이 용이한 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 전지 격벽을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전지 모듈은 복수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지 사이에 배치되어 열전달매체의 유통로를 형성하는 전지격벽을 포함한다. 그리고 상기 전지격벽은 상기 단위 전지의 외면에 결합되는 코일형태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전지격벽은 적어도 하나의 빔이 코일형태로 감겨진 구조일 수 있다.

이에 따라 단순히 길게 연장된 빔을 단위 전지의 외형을 따라 코일 형태로 감는 것으로 전지격벽을 제조할 수 있게 되어 보다 용이하게 전지격벽을 제조할 수 있게 되는 것이다.

여기서 상기 빔은 서로 겹쳐지지 않도록 소정의 간격을 두고 감겨짐이 바람직하며, 단위 전지의 하단에서부터 상단까지 또는 상단에서부터 하단까지 연속적으로 감겨진 구조로 되어 있다.

또한, 상기 빔은 이웃하는 단위 전지간에 마주보는 전면에 위치하는 각 라인이 서로 평행하게 배치되도록 단위 전지에 감겨질 수 있다.

또한, 상기 빔은 이웃하는 단위 전지간에 마주보는 전면에 위치하는 각 라인이 상기 단위 전지의 전면으로 유통되는 열전달매체의 유통방향과 수평을 이루도록 단위 전지에 감겨질 수 있다.

이에 따라 단위 전지에 감겨져 다수의 라인을 이루는 빔이 단위 전지와 단위 전지 사이를 지지하게 되고, 이웃하는 단위 전지와 빔에 의해 통로가 만들어지게 되어 열전달매체가 원활하게 유통될 수 있게 된다.

또한, 상기 빔은 내부가 빈 중공형 구조 또는 속이 채워진 중실형구조로 이루어질 수 있으며, 상기 빔의 단면은 원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 빔은 강성을 갖고 열전도성이 우수한 재질이면 그 재질에 있어서 한정되지 않으며 바람직하게는 강재로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 전지격벽은 코일형태로 감겨진 빔의 간격과 그 형태를 유지할 수 있도록 각 라인에 가로질러 놓여져 각 라인이 부착되는 지지부재를 포함할 수 있다.

상기 지지부재는 판 형태 막대 형태로 이루어질 수 있다. 상기 지지부재가 막대 형태로 이루어질 경우, 상기 지지부재는 원형 또는 다각형의 단면 구조로 이루질 수 있다.

또한, 상기 지지부재는 상기 단위 전지에 있어서 상기 열전달매체가 유통되는 면을 제외한 면에 설치됨이 바람직하다.

또한, 상기 지지부재는 상기 빔과 동일한 재질로 이루어질 수 있다.

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, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이하, 본 발명은 전지 모듈을 이루는 단위 전지가 각형인 구조에 대해서 설명한다.

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

상기한 도면에 의하면, 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 단위 전지간 간격을 유지하고 상기 단위 전지(10) 사이로 열전달 매체가 유통되는 통로를 형성하는 전지격벽(20)을 포함한다.

또한, 상기 단위 전지(10)는 각형으로 이루어지고 상단에는 양극 단자(11)와 음극 단자(12)로 이루어진 외부 단자가 돌출된 구조로 되어 있다. 그리고 이웃하는 단위전지들은 서로 직렬로 연결되어 이차 전지 모듈(100)을 이루게 된다.

그리고 이러한 전지 모듈은 열전달 매체의 유입구와 배출구가 형성된 하우징 (도시되지 않음) 내에 배치될 수 있다. 상기 하우징의 유입구로 들어온 열전달 매체는 단위 전지(10) 사이를 통과하면서 냉각작용을 일으킨 후, 하우징의 배출구를 통해서 빠져나가게 된다.

그리고 본 실시예에 따른 전지격벽(20)은 도 2에 도시한 바와 같이, 하나로 길게 연장된 빔(21)이 상기 단위 전지(10)의 외측면을 따라 코일형태로 감겨진 구조로 되어 있다.

상기 빔(21)에 의해 만들어지는 코일 형태의 전지격벽(20)은 단위 전지(10)의 각 면과 대응되는 부위는 직선 형태를 이루고 단위 전지의 모서리에 대응되는 부위는 절곡되어 전체적으로 단위 전지와 대응되는 크기를 갖는 각형의 코일형태를 이루게 된다.

따라서 상기 전지격벽(20)을 단위 전지(10)에 끼워주게 되면 빔(21)이 단위 전지의 외측면에 밀착되면서 단위 전지의 상단에서 하단까지 빔(21)이 단위 전지(10)를 감싼 구조가 된다.

상기 빔(21)의 양 선단은 각각 단위 전지(10)의 상부와 하부에 위치하게 되며 본 실시예에서는 상기 빔(21)의 양 선단부를 단위 전지의 외측면에 용접으로 부착하여 단위 전지에 고정시키는 구조로 되어 있다.

이하 설명의 편의를 위해 상기 단위 전지의 각 면에 빔(21)이 간격을 두고 적층된 형태로 놓여지는 것을 각 라인이라고 하고, 단위 전지(10)간에 마주보는 전면에 위치하는 라인은 전면라인이라 정의하고 하고 단위 전지의 측면에 위치하는 라인을 측면라인이라고 정의한다.

여기서 상기 단위 전지(10)의 외부단자가 상부를 향하도록 단위 전지를 세웠을 때를 기준으로 상기 전면라인(22)은 단위전지(10)에 수평방향으로 놓여지며 각 전면라인(22) 간에는 일정한 간격으로 배치된다.

그리고 상기 측면라인(23)은 빔(21)이 코일형태로 감겨짐에 따라 높이차를 두고 소정 간격 이격되어 있는 단위 전지의 양쪽 전면의 전면라인(22)을 최단거리로 연결하고 있는 구조로 되어 있다.

이에 상기 측면라인(23)은 도 3에 도시된 바와 같이 전면라인(22)과는 달리 단위 전지(10)의 측면에 경사진 형태로 배치된다.

상기와 같이 전면라인(22)과 측면라인(23)을 이루면서 빔(21)은 단위 전지(10)의 외형과 대응되는 크기로 감겨져 코일형태의 전지격벽(20)을 이루게 되는 것이다.

상기 전지격벽(20)의 전면라인(22) 간의 간격은 특별히 한정되지 않으며, 전면라인(22)과 단위 전지(10)의 전면 사이에 형성되는 열전달매체 유통 공간이 충분히 확보될 수 있는 정도면 가능하다 할 것이다.

본 실시예에서 복수개의 단위 전지가 적층 배열되는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 이웃하는 단위 전지(10)에 각각 설치되는 전지격벽(20)은 모두 동일한 형태를 이룸에 따라 일측 전지격벽(20)의 전면라인(22) 사이에 이웃하는 전지격벽(20)의 전면라인(22)이 위치하여 이웃하는 전면라인(22) 간에 서로 교대로 놓여지게 된다.

따라서 실질적으로 열전달매체가 유통되는 유통로는 이웃하는 단위 전지(10) 의 전면과 이웃하는 전지격벽(20)의 전면라인(22) 사이의 공간이 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 4에 도시된 바와 같이 전지격벽(30)은 하나로 길게 연장된 빔(31)이 상기 단위 전지의 외측면을 따라 코일형태로 감겨진 구조로 되어 있고, 상기 전지격벽(30)의 측면라인(33)에 코일형태의 빔(31)을 지지하여 그 형태를 유지시키기 위한 판재 형태의 지지판(40)이 부착설치된다.

상기 지지판(40)은 양쪽의 측면라인(33)에 모두 설치되거나 적어도 하나의 측면라인(33)에 설치될 수 있으며, 설치 위치에 있어서 측면라인(33)의 내측 또는 외측에 설치될 수 있다.

여기서 상기 지지판(40)은 측면라인(33)에 부착설치됨으로서 열전달매체가 유통되는 전면라인(32)은 지지판(40)과 간섭되지 않아 열전달매체의 유통에 지장을 초래하지 않게 된다.

상기 지지판(40)은 대략 단위 전지(10)의 측면과 대응되는 크기로 이루어져 측면라인(33) 전체에 접하여 부착된다.

상기한 구조 이외에 도 5에서와 같이 막대형태로 이루어진 지지대(41)가 측면라인(33) 중앙을 따라 부착되어 코일형태로 감긴 빔(31)을 지지할 수 있다.

이와같이 빔(31)에 의해 형성되는 측면라인(33)이 각각 간격을 유지한 상태로 지지판(40) 또는 지지대(41)에 부착됨으로서 전면라인(32) 역시 그 간격이 유지되고, 코일형태태로 감겨진 전지격벽(30)의 형태가 보다 잘 유지될 수 있다.

한편, 상기 전지격벽(20,30)을 이루는 빔(21,31)은 그 단면 형상에 있어서 특별히 한정되지 않으며, 도 6 내지 8에 도시된 바와 같이 속이 꽉찬 중실 구조의 원형단면형 또는 사각형이나 삼각형 등 다각형 단면형태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 빔(21,31)은 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이 속이 비어 있는 중공 형태로 이루어질 수 있으며, 그 단면 형상은 원형으로 이루어지거나, 삼각형 또는 사각형 등의 다각형으로 이루어질 수 있다.

상기 전지격벽(20,30)의 제작 과정을 살펴보면, 일자 형태로 펴진 빔(21,31)을 단위 전지의 형태와 동일한 형태를 갖는 구조물 또는 단위 전지 그 자체에 대해 그 외측면 일측 선단에서부터 차례로 그 외측면을 따라 감는다.

이에 빔(21,31)은 간격을 두고 구조물에 감겨지게 된다. 이때 상기 간격을 두고 위치하는 각 라인(22,23,32,33)은 서로 평행하도록 한다.

최종적으로 빔(21,31)의 선단이 구조물의 끝에 다다르고 빔으로부터 구조물을 제거하게 되면 단위 전지와 대응되는 형태로 코일처럼 감아진 전지격벽(20,30)을 제조할 수 있게 된다.

상기와 같이 빔을 감는 것으로 간단히 전지격벽을 제조할 수 있으며, 이렇게 제조된 전지격벽을 단위 전지에 끼워주게 되면 코일형태로 감겨진 빔이 단위 전지와 단위 전지 사이를 이격시키게 되면 이격된 공간 사이로 열전달매체가 유통될 수 있게 된다.

그리고 본 실시예에서와 같이 상기 빔(21,31)의 단면 형상이 원형으로 이루어지면, 상기 빔(21,31)과 단위 전지(10)는 선접촉을 하게되고 열전달 매체와 단위 전지(10)가 접촉하는 면적은 극대화되어 냉각 효율은 더욱 향상된다.

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 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.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전지격벽의 구조가 간단하고 제조가 용이하여 양산성을 높일 수 있고 생산 원가를 절감할 수 있게 된다.

또한, 단위 전지와 열전달매체와의 접촉면적을 극대화하여 냉각효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

1. 복수개의 단위 전지 및

   상기 단위 전지에 코일 형태로 감싸서 결합되는 적어도 하나의 빔을 포함하는 전지격벽

   을 포함하는 이차 전지 모듈.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,

   상기 빔은 단위 전지의 외형과 대응되는 형태로 감겨진 이차 전지 모듈.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 빔은 간격을 두고 서로 겹쳐지지 않도록 배치된 이차 전지 모듈.
5. 제1 항에 있어서,

   서로 마주하는 상기 복수개의 단위 전지의 전면에 위치하는 상기 빔의 각 라인이 평행하게 배치되는 이차 전지 모듈.
6. 제1 항 또는 제5 항에 있어서,

   서로 마주보는 상기 복수개의 단위 전지의 전면에 위치하는 상기 빔의 각 라인이 상기 복수개의 단위 전지의 사이로 유통되는 열전달매체의 유통방향과 수평을 이루도록 배치된 이차 전지 모듈.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 빔은 내부가 빈 중공형 구조인 이차 전지 모듈.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 빔은 속이 채워진 중실형 구조인 이차 전지 모듈.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 빔의 단면구조가 원형 또는 다각형인 이차 전지 모듈.
10. 제1 항에 있어서,

    상기 빔은 상기 단위 전지 외측면에 용접으로 부착되는 이차 전지 모듈.
11. 제10 항에 있어서,

    상기 용접은 상기 빔의 양 선단부에서 이루어지는 이차 전지 모듈.
12. 제1 항에 있어서,

    상기 빔에 가로질러 놓여지고 상기 빔에 부착되어 상기 빔을 지지하는 지지부재를 포함하는 이차 전지 모듈.
13. 제12 항에 있어서,

    상기 지지부재는 상기 단위 전지 사이로 유통되는 열전달매체의 유통로와 간섭되지 않는 영역에 부착되는 이차 전지 모듈.
14. 제12 항에 있어서,

    상기 지지부재는 판 구조물인 이차 전지 모듈.
15. 제12 항에 있어서,

    상기 지지부재는 막대 구조물인 이차 전지 모듈.
16. 제1 항에 있어서,

    상기 이차 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.
17. 제1 항에 있어서,

    상기 단위 전지가 각형인 이차 전지 모듈.

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