KR102410758B1 - 충격에 대한 내구성 및 냉각 효율이 향상된 전지팩 - Google Patents

충격에 대한 내구성 및 냉각 효율이 향상된 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지셀들; 전극단자가 형성된 상단과 하단을 제외한 전지셀의 나머지 외면을 감싸도록 내부 중공 구조로 이루어져 있으며, 상기 전지셀들 각각이 독립적으로 장착되는 제 1 하우징들; 상기 제 1 하우징들에 장착된 전지셀들을 전기적으로 연결하는 버스 바 어셈블리; 상기 제 1 하우징들에 장착된 전지셀들과 버스 바 어셈블리를 모두 수용하도록 구성되어 있는 제 2 하우징; 및 전지팩의 충방전 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로부;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

충격에 대한 내구성 및 냉각 효율이 향상된 전지팩 {Battery Pack with Improved Cooling Efficiency and Durability against External Impact}
본 발명은 충격에 대한 내구성 및 냉각 효율이 향상된 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 전지팩의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지셀 1 개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 전지팩의 사용이 요구된다.
전지팩은 다수의 전지셀들을 직렬 및/또는 병렬로 배열하여 연결한 전지셀 조립체에 냉각 장치, 각종 회로들과 보호 케이스 등을 조립하여 제조된다.
전지셀로서 각형 또는 파우치형 전지셀을 사용하는 경우에는 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층한 후 전극단자들을 버스 바 등의 접속부재에 의해 연결하여 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 육면체 구조의 입체형 전지팩을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 전지셀이 단위 전지로서 유리하다.
반면에, 원통형 전지셀은 일반적으로 각형 및 파우치형 전지보다 큰 전기용량을 가지지만, 원통형 전지의 외형적 특성상 적층구조로의 배열이 용이하지 않다. 그러나, 전지팩의 형상이 전체적으로 선형 또는 판상형 구조일 때 각형 또는 파우치형 보다 구조적으로 이점이 있다.
따라서, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD, 소형 PC 등의 경우에는 다수의 원통형 전지로 구성된 전지팩이 많이 사용되고 있으며, 특히, 큰 전기용량이 요구되는 중형 또는 대형 디바이스의 전원으로서 광범위하게 적용되고 있다.
한편, 도 1에는 원통형 전지셀들을 포함하는 종래 기술의 전지팩에 대한 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(10)은 복수의 전지셀들(1)이 접속 부재(3)와 셀 프레임(2)을 포함하는 버스 바 어셈블리에 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
다만, 이러한 구조의 전지팩(10)은, 하기와 같은 기술적 문제를 포함하고 있다.
첫 번째는 전지셀들이 서로에 대해 접촉되는 형태로 집적된 구조로 이루어져 있는 바, 냉각을 위한 공기와 전지셀 표면이 서로 열교환될 수 있는 표면적이 적어 공기 유통에 따른 냉각 효과가 전지셀 각각에서 매우 낮은 점이다.
전지팩의 경우, 반복적인 충방전 과정에서 필연적으로 발열되며, 이러한 발열은 전지셀 내부에서 전해액과 전극간 부 반응을 급속하게 유발하여, 셀 성능 저하, 가스로 인한 전지셀 부피와 형태 변화 및 발화와 폭발 등의 안전성 문제를 야기할 수 있다.
두 번째는, 전지셀들의 외면이 노출되어 있는 구조이므로, 외부 충격이나 진동이 전지셀들 각각에 직접 인가되는 점이다.
특히, 전지셀들이 서로에 대해 접촉된 상태에서의 충격과 진동은 서로 접하는 전지셀들이 서로에 대해 외력을 전가하도록 하기 때문에, 전지셀 변형, 파손을 유발하는 직접적인 원인으로 작용하며, 이와 같이 변형 및 파손된 전지셀은 발화와 폭발 등을 유발하여 안전성을 위협하는 또 다른 원인이 될 수 있다.
따라서, 상술한 기술적 문제점을 해소기하기 위한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지셀들 각각이 독립적으로 장착되는 제 1 하우징과, 이와 같이 장착된 전지셀들과 제 1 하우징을 감싸는 제 2 하우징을 포함하는 구조를 통해, 외부의 충격에 대한 내구성을 향상하면서도 냉각 효율이 우수한 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩,
원통형 형상이고, 원통의 상단과 하단에 각각 전극단자가 형성되어 있는 복수의 전지셀들;
상기 전극단자가 형성된 상단과 하단을 제외한 전지셀의 나머지 외면을 감싸도록 내부 중공 구조로 이루어져 있으며, 상기 전지셀들 각각이 독립적으로 장착되는 제 1 하우징들;
상기 제 1 하우징들에 장착된 전지셀들을 전기적으로 연결하는 버스 바 어셈블리;
상기 제 1 하우징들에 장착된 전지셀들과 버스 바 어셈블리를 모두 수용하도록 구성되어 있는 제 2 하우징; 및
전지팩의 충방전 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로부;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀 당 하나의 제 1 하우징에 장착된 구조로 이루어져 있고, 이와 같이 장착된 전지셀들이 제 2 하우징으로 이중패키징된 구조로 이루어져 있는 바, 외부 충격이 전지셀들에 직접적으로 인가되는 것을 방지할 수 있으며, 이로서, 전지셀 각각의 변형과 파손을 방지하여 보다 향상된 안전성을 가진다.
특히, 전지셀의 전극단자 부위를 제외한 나머지 외면 전부가 제 1 하우징에 의해 외부로부터 실링 되는 바, 외부 충격 시, 제 1 하우징이 전지셀 외면으로 직접적으로 인가되는 외력을 흡수 내지 완화함으로써, 전지셀의 파손과 변형을 방지할 수 있는 점에 주목해야 한다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 전지팩은, 이하 상술하는 제 1 하우징의 특별한 구조를 통해 전지셀들이 소정의 거리로 이격된 구조를 가지며, 이로 인해 서로 접하는 전지셀들이 서로에 대해 외력을 전가하지 않아 외부 충격에 대해 향상된 안정성을 가지면서도 공기 유통을 원활하게 하여 냉각 효율을 증대할 수 있다.
이를 위한 하나의 구체적인 예에서, 전지팩은, 인접하고 있는 제 1 하우징들 사이에 연결부가 형성되어 있고;
상기 제 1 하우징들이 연결부를 사이에 두고 서로 연결되어 있는 구조를 포함할 수 있다.
상기 연결부는, 서로 인접하고 있는 제 1 하우징들 사이로 공기가 유통되도록 이들을 소정의 거리로 이격시키면서, 이들과 일체를 이루는 형태로 연결되어 있는 구조일 수 있으며, 서로 인접하고 있는 제 1 하우징들 간의 간격을 소정 거리 이격시켜 공기가 유통되는 통풍구를 형성한다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은 제 1 하우징들이 연결부에 연결된 상태로 소정의 거리로 이격되어 있는 바, 연결부가 이격시킨 공간으로 공기의 유통이 가능하여 전지셀들의 냉각 효율성이 높으면서도, 서로 인접하고 있는 제 1 하우징들이 서로에 대해 간섭되지 않아 외부 충격의 인가 시, 전지셀에 가해지는 직접적인 충격이 복수의 제 1 하우징들과 연결부들을 경유하면서 매우 완화될 수 있다.
본 발명에서 연결부가 설정하는 상기 소정의 거리는 전지셀의 직경 대비 10% 내지 30%일 수 있다.
상기 범위의 최소값 미만의 거리에서는 전지셀의 체적 대비 공기 유통량이 적어지는 바, 본 발명이 의도한 냉각 효율 향상을 기대하기 어렵고, 상기 범위의 최대값 초과 거리에서는 전지셀들이 다소 과하게 이격되는 구조로 제 2 하우징에 장착되므로, 높은 직접도로 전지팩이 설계되기 어려운 바, 바람직하지 않다.
제 1 하우징은 그것 자체가 1 단위 부재로 이루어진 일체형 부재일 수 있다.
이러한 구조에서 제 1 하우징은 사출 성형에 의해 1 단위 부재로 제조될 수 있다.
이와는 달리, 2 단위의 부재들이 상호 계합하면서 제 1 하우징을 이루는 구조 역시 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.
이때, 상기 2 단위의 부재들은 각각 전극단자 부위를 제외한 전지셀의 외면 형상에 대응하는 내면 형상을 가지는 중공형 구조이며; 상기 2 단위의 부재들 중 적어도 하나에 연결부가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 2 단위 부재들은 서로에 대해 계합하기 위한 잠금 수단을 포함할 수 있으며, 상기 잠금 수단은 예를 들어 암수 체결 구조, 고리 체결 구조 등일 수 있으나 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 하우징의 외면에는 그것의 길이방향과 대응하는 방향으로 복수의 비드들이 형성되어 있을 수 있다.
상기 비드는 제 1 하우징의 외면을 따라 유동하는 공기의 흐름을 전지셀의 양단에 형성된 전극단자들 사이에서 유도할 수 있으며, 이 과정에서 전지셀로부터 전도되는 열을 외부로 방열시킬 수 있다.
즉, 본 발명에서 제 1 하우징은, 공기가 그것의 외면으로 유동하도록 구성되어 있는 바, 전지셀의 냉각을 극대화할 수 있다.
또한, 상기 비드는 제 1 하우징의 외면을 따라 유동하는 공기의 흐름을 전지셀의 양단에 형성된 전극단자들 사이에서 유도하는 공기 흐름 유도경로를 형성한다.
이를 위해, 제 1 하우징은 열전도성이 높은 소재로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 열전도성 고분자 또는 열전도성 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 열전도성 고분자는 예를 들어, PBT(polybutylene terephthalate), PTFE(polytetrafluorethylene), 폴리이미드(polyimide) 등일 수 있으며, 경우에 따라서는 이들 수지에 그라파이트, 알루미늄, 마그네슘 등의 입자가 첨가된 복합체일 수 있다.
상기 열전도성 금속은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 니켈, 아연, 납, 및 철에서 선택되는 단일 금속, 또는 2종 이상의 합금 소재일 수 있으나 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비드들은, 소정의 거리로 이격된 상태에서, 제 1 하우징의 외경을 따라 배열되어 있을 수 있다.
상기 비드들의 개수는 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 비드 4개가 제 1 하우징의 외경을 따라 배열되되 서로 인접한 비드들은, 이들의 형성 위치가 90도의 각도를 이루는 제 1 하우징 외면에 배열된 구조일 수 있다.
이 구조에서 확장되어, 인접한 비드들의 형성 위치가 45도의 각도를 이루는 구조도 가능하고, 제 1 하우징의 수직 단면상으로 비드들은 규칙적이면서도 좌우 및 상하 대칭적인 위치에서 형성되어 있을 수 있다.
나아가, 상기 비드들은, 제 1 하우징에 장착된 전지셀의 열을 전도받은 상태에서, 비드들 사이로 유동하는 가스 냉매와 열교환하는 방열 핀들일 수 있으며, 이 구조를 위해, 상기 소정의 거리가 비드의 폭 대비 100% 내지 500%일 수 있다.
상기 구조에서는 상대적으로 촘촘하게 인접한 비드들 사이에서 열 확산이 용이하게 진행되어, 비드들이 방열 핀으로서의 기능하게 될 수 있다.
한편, 상기 제 2 하우징은, 제 1 하우징에 장착된 전지셀들, 보호회로부 및 버스 바 어셈블리를 내부에 수용하도록 일측면이 개방되어 있는 장착부; 및
상기 장착부의 개방된 일측면을 밀폐하도록, 상기 장착부의 개방면에 장착되는 커버; 를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
상기 장착부에는 보호회로부가 슬라이딩되는 형태로 장착되는 보호회로 장착용 슬롯이 형성되어 있고, 상기 슬롯과 제 1 하우징에 장착된 전지셀들이 장착되는 부위를 구획하는 파티션이 장착부에 장착되어 있을 수 있다.
상기 파티션은 외력에 대해 보다 탄력적으로 충격을 흡수하기 위하여, 수직 단면상으로 오목부와 볼록부를 포함하는 요철 구조로 이루어져 있을 수 있다.
또한, 요철 구조로 인하여, 공기의 유동은 와류되면서 보다 빠른 속도로 유동될 수 있고, 그만큼, 전지팩의 냉각 효율이 증대될 수 있다.
상기 제 2 하우징은, 상기 장착부의 일측에 장착부 내부로의 공기 유입 및 외부로의 공기 배출을 위한 복수의 슬릿이 형성된 제1 슬릿부;
상기 커버의 일측에 커버 내부로의 공기 유입 및 외부로의 공기 배출을 위한 복수의 슬릿이 형성된 제2 슬릿부; 및 전지팩의 파지를 위한 핸들; 을 더 포함하여 구성되고,
상기 제1 슬릿부에서 공기가 유입되는 경우, 제2 슬릿부로 공기가 배출되는 제1 공기 배출경로를 형성하거나 상기 제2 슬릿부에서 공기가 유입되는 경우, 제1 슬릿부로 공기가 배출되는 제2 공기 배출경로를 형성한다.
또한, 상기 핸들은, 내부가 중공 구조로 형성되고, 외부가 하나 이상의 홀이 천공되어 상기 제1 슬릿부 또는 제2 슬릿부에서 유입된 공기가 핸들을 통해 외부로 배출되는 제3 공기 배출경로를 형성한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전력원으로 사용하는 디바이스를 제공하며, 이러한 디바이스는 예를 들어, 무선 청소기, 전동 공구, 전기 자전거 및 무인 비행기일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 정의하는 전지셀은 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차 전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 앞선 전극조립체의 구성들인 양극, 음극, 분리막과 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있는 전지를 칭한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리 한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x= 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3NLiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2,LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀 당 하나의 제 1 하우징에 장착된 구조로 이루어져 있고, 이와 같이 장착된 전지셀들이 제 2 하우징으로 이중 패키징된 구조로 이루어져 있는 바, 외부 충격이 전지셀들에 직접적으로 인가되는 것을 방지할 수 있으며, 이로서, 전지셀 각각의 변형과 파손을 방지하여 보다 향상된 안전성을 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 측면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 수직 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩(100)의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩(100)은 원통형 형상이고, 원통의 상단과 하단에 각각 전극단자가 형성되어있는 복수의 전지셀들(101), 전극단자가 형성된 상단과 하단을 제외한 전지셀(101)의 나머지 외면을 감싸도록 내부 중공 구조로 이루어져 있으며, 전지셀들(101) 각각이 독립적으로 장착되는 제 1 하우징(110)들, 제 1 하우징(110)들에 장착된 전지셀들(101)을 전기적으로 연결하는 버스 바 어셈블리(130), 제 1 하우징(110)들에 장착된 전지셀들(101)과 버스 바 어셈블리(130)를 모두 수용하도록 구성되어 있는 제 2 하우징(120) 및 전지팩(100)의 충방전 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로(140)부를 포함하고 있다.
전지팩(100)은 또한, 제 1 하우징(110)들 사이에는 연결부(102)가 형성되어 있고, 제 1 하우징(110)들이 연결부(102)를 사이에 두고 서로 연결되어 있는 구조를 포함한다.
또한, 제 1 하우징(110)에 장착되어 있는 전지셀들(101)을 서로 연결하는 버스 바 어셈블리(130)는 복수의 접속 부재들(131)과 접속 부재들(131)이 삽입 및 장착되는 버스 바 플레이트(132)로 구성되어 있으며, 전지셀들(101)의 전극단자 부위와 대면하는 위치에서 장착되어 있다.
따라서, 제 2 하우징(120) 내에 장착된 전지셀들(101)은 그것의 외면 전부가 제 1 하우징(110)과 버스 바 어셈블리(130)에 의해 감싸지는 형태로 배열되어 있으며, 더욱 상세하게는 제 1 하우징(110)에 의해 전극단자를 제외한 외면이 감싸져 있고, 전극단자 부위가 버스 바 어셈블리(130)에 밀착되어 있다. 이로서, 외부로부터의 충격이 제 2 하우징(120), 제 1 하우징(110), 버스 바 어셈블리(130)에서 완충 및 완화되면서 전지셀(101)에 인가되는 실질적인 충격은 매우 감소될 수 있다.
또한 상기 연결부(102)는 도 3을 들어 좀 더 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 측면도이다.
도 3을 참고하면, 도 3-(a)는 하나의 연결부(102)가 형성된 측면도이고, 도 3-(b)는 두개의 연결부(102)가 형성된 측면도이지만, 형태 및 개수는 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 연결부(102)는, 서로 인접하고 있는 제 1 하우징들(110) 사이로 공기가 유통되도록 이들을 소정의 거리로 이격시키면서, 이들과 일체를 이루는 형태로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.
즉, 상기 연결부(102)는, 서로 인접하고 있는 제 1 하우징들 간의 간격을 소정 거리 이격시켜 공기가 유통되는 통풍구(103)를 형성함에 따라 상기 전지셀(101)에서 발생되는 열을 상기 통풍구(103)에 흐르는 공기로 냉각시킬 수 있다.
또한, 외부에서 충격이 발생한 경우, 상기 통풍구(103)의 빈공간으로 충격력이 분산되어 전지셀(101)이 직접 받는 힘이 감소될 수 있도록 한다.
본 발명의 실시 형태 중 하나에서, 제 1 하우징(110)은 2 단위의 부재들(111, 112)이 상호 계합되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 본 발명에 따른 전지팩(100)은 제 1 하우징(110)들이 연결부(102)에 연결된 상태로 소정의 거리로 이격되어 있는 바, 연결부(102)가 이격시킨 공간으로 공기의 유통이 가능하여 전지 셀들(101)의 냉각 효율성이 높은 장점이 있다.
여기서, 2 단위의 부재들(111, 112)은 각각 전극단자 부위를 제외한 전지셀의 외면 형상에 대응하는 내면 형상을 가지는 중공형 구조로 이루어져 있으며, 2 단위의 부재들 중 적어도 하나에 연결부(102)가 형성되어 있다.
제 1 하우징(110)의 외면에는 그것의 길이 방향과 대응하는 방향으로 복수의 비드들(114)이 형성되어 있다.
비드들(114)은 제 1 하우징(110)의 외면을 따라 유동하는 공기의 흐름을 전지셀(101)의 양단에 형성된 전극단자들 사이에서 유도하는 공기 흐름 유도경로를 형성할 수 있으며, 이러한 경로를 통해 외부에서 유입되는 공기가 전지셀(101) 사이로 흘러 전지셀(101)에서 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있다.
제 2 하우징(120)은 제 1 하우징(110)에 장착된 전지셀들(101), 보호회로(140)부 및 버스 바 어셈블리(130)를 내부에 수용하도록 일측면이 개방되어 있는 장착부(121)와 장착부(121)의 개방된 일측면을 밀폐하도록, 상기 장착부(121)의 개방면에 장착되는 커버(122)를 포함한다.
상기 장착부(121) 및 커버(122)는 도4를 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 수직 단면도이다.
도 4를 참고하면, 상기 장착부(121)에는 보호회로(140)부가 슬라이딩되는 형태로 장착되는 보호회로(140) 장착용 슬롯(154)이 형성되어 있다.
슬롯(154)은, 보호회로(140)의 장착과 교체를 용이하게 하는 점에서 구조적 장점이 있으며, 본 발명에서는 슬롯(154) 상에서 보호회로(140)와 제 2 하우징(120)과 사이에 공간을 형성하고 있어, 외부 충격이 제 2 하우징(120)을 통해 보호회로(140)에 직접적으로 인가되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 구조에서 본 발명의 전지팩(100)은 슬롯(154)과 제 1 하우징(110)에 장착된 전지셀들(101)이 장착되는 부위를 구획하는 파티션(152)이 장착부(121)에 장착되어 있는 구조를 더 포함한다.
파티션(152)은 외력에 대해 보다 탄력적으로 충격을 흡수하기 위하여, 수직 단면상으로 오목부와 볼록부를 포함하는 요철 구조로 이루어져 있다.
이러한 구조의 파디션은 기계적 강성이 있는 금속 소재 또는 탄성적인 고분자 소재로 이루어질 수 있으며, 제 1 하우징의 소재와 동일한 소재로도 이루어질 수 있다.
파티션의 형상은 단순 평판형이 아닌, 상보적인 오목부와 볼록부의 배열을 가지는 바, 외력에 대해 탄성적으로 휘어지면서 전지셀들(101)과 보호회로(140)에 인가되는 충격과 진동을 흡수할 수 있다.
또한, 오목부와 볼록부를 통해 공기의 유동을 유도하면서도 와류를 유도할 수 있어, 냉매의 균일한 유동성과 보다 빠른 유속의 냉매로 냉각 효율을 증대할 수 있는 점에 주목해야 한다.
또한, 상기 제 2 하우징은, 복수의 슬릿이 형성된 슬릿부(126a)가 형성되는데 이는 제2 하우징에 다수개 형성되어 공기 유로를 형성함에 따라 냉각 효율을 높인다.
예를 들면, 도 4에서 두개의 형태로 형성된 제1 슬릿부(126b) 및 제2 슬릿부(126c)가 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고 다수의 슬릿부를 가질 수 있으며 슬릿부의 형성 크기 및 슬릿부 내 슬릿의 형태도 다양하게 형성될 수 있다.
다만, 용이하게 설명하기 위하여 도 4의 상기 제1 슬릿부(126b) 및 제2 슬릿부(126c)를 들어 공기가 유통하여 내부의 전지팩을 냉각시키는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참고하면, 상기 제 2 하우징은 상기 장착부(121)의 일측에 장착부 내부로의 공기 유입 및 외부로의 공기 배출을 위한 복수의 슬릿이 형성된 제1 슬릿부(126b)와 상기 커버(122)의 일측에 커버 내부로의 공기 유입 및 외부로의 공기 배출을 위한 복수의 슬릿이 형성된 제2 슬릿부(126c) 및 전지팩의 파지를 위한 핸들(124)을 더 포함하여 구성된다.
따라서 상기 제 2 하우징은 상기 제1 슬릿부(126b)에서 공기가 유입되는 경우, 제2 슬릿부(126c)로 공기가 배출되는 제1 공기 배출경로가 형성되거나 상기 제2 슬릿부(126c)에서 공기가 유입되는 경우, 제1 슬릿부(126b)로 공기가 배출되는 제2 공기 배출경로가 형성될 수 있다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 하나의 슬릿부에서 유입되는 공기는 상기 연결부(102)로 이격된 전지셀들 (101) 사이를 통과하여 전지셀들(101)에서 발생되는 열을 흡열하여 다른 슬릿부로 배출시킨다.
상기에서는 제1 슬릿부(126b) 및 제2 슬릿부(126c) 두개의 구성을 통해 공기 유통을 설명하였으나, 공기 흐름은 이에 제한되지 않고, 다수의 슬릿부를 통해 진행될 수 있으며, 하나의 슬릿부를 통해서도 공기흐름이 발생하여 전지셀들(101)을 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 핸들(124)은, 내부가 중공 구조로 형성되고, 외부가 하나 이상의 홀이 천공되어 상기 제1 슬릿부 또는 제2 슬릿부에서 유입된 공기가 핸들을 통해 외부로 배출되는 제3 공기 배출경로를 형성할 수 있다.
또한, 제3 공기 배출경로는 상기 제1 공기 배출경로 또는 제2 공기 배출경로에 추가로 형성될 수 있으므로 전지셀들(101)을 냉각시키는 냉각효율이 증대될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 전지 팩
101: 복수의 전지셀들
102: 연결부
103: 통풍구
110: 제1 하우징
111, 112: 2 단위의 부재들
114: 복수의 비드들
120: 제2 하우징
121: 장착부
122: 커버
124: 핸들
126a: 슬릿부
126b: 제1 슬릿부
126c: 제2 슬릿부
130: 버스바 어셈블리
131: 복수의 접속 부재들
132: 버스 바 플레이트
140: 보호회로
152: 파티션
154: 슬롯

Claims (16)

  1. 이중구성으로 형성된 전지팩으로서,
    원통형 형상이고, 원통의 상단과 하단에 각각 전극단자가 형성되어있는 복수의 전지셀들;
    상기 전극단자가 형성된 상단과 하단을 제외한 전지셀의 나머지 외면을 감싸도록 내부 중공 구조로 이루어져 있으며, 상기 전지셀들 각각이 독립적으로 장착되는 제 1 하우징들;
    상기 제 1 하우징들에 장착된 전지셀들을 전기적으로 연결하는 버스 바 어셈블리;
    상기 제 1 하우징들에 장착된 전지셀들과 버스 바 어셈블리를 모두 수용하도록 구성되어 있는 제 2 하우징; 및
    전지팩의 충방전 전압 또는 전류를 제어하는 보호회로부;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제 2 하우징은,
    제 1 하우징에 장착된 전지셀들, 보호회로부 및 버스 바 어셈블리를 내부에 수용하도록 일측면이 개방되어 있는 장착부;
    상기 장착부의 개방된 일측면을 밀폐하도록, 상기 장착부의 개방면에 장착되는 커버;
    상기 장착부의 일측에 장착부 내부로의 공기 유입 및 외부로의 공기 배출을 위한 복수의 슬릿이 형성된 제1 슬릿부;
    상기 커버의 일측에 커버 내부로의 공기 유입 및 외부로의 공기 배출을 위한 복수의 슬릿이 형성된 제2 슬릿부; 및
    전지팩의 파지를 위한 핸들;을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 슬릿부에서 공기가 유입되는 경우, 제2 슬릿부로 공기가 배출되는 제1 공기 배출경로를 형성하거나,
    상기 제2 슬릿부에서 공기가 유입되는 경우, 제1 슬릿부로 공기가 배출되는 제2 공기 배출경로를 형성하는 것을 특징으로 하고,
    상기 핸들은,
    내부가 중공 구조로 형성되고, 외부가 하나 이상의 홀이 천공되어 상기 제1 슬릿부 또는 제2 슬릿부에서 유입된 공기가 핸들을 통해 외부로 배출되는 제3 공기 배출경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    인접하고 있는 제 1 하우징들 사이에 연결부가 형성되어 있고;
    상기 제 1 하우징들이 연결부를 사이에 두고 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 연결부는, 서로 인접하고 있는 제 1 하우징들 간의 간격을 소정 거리 이격시켜 공기가 유통되는 통풍구를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 소정의 거리는 전지셀의 직경 대비 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 하우징의 외면에는 그것의 길이 방향과 대응하는 방향으로 복수의 비드들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 비드는 제 1 하우징의 외면을 따라 유동하는 공기의 흐름을 전지셀의 양단에 형성된 전극단자들 사이에서 유도하는 공기 흐름 유도경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 비드들은, 소정의 거리로 이격된 상태에서, 제 1 하우징의 외경을 따라 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 비드들은, 제 1 하우징에 장착된 전지셀의 열을 전도 받은 상태에서, 비드들 사이로 유동하는 가스 냉매와 열교환하는 방열 핀들인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 소정의 거리는 비드의 폭 대비 100% 내지 500%인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 2 항에 있어서,
    2 단위의 부재들이 상호 계합하면서 제 1 하우징을 이루는 구조이고;
    상기 2 단위의 부재들은 각각 전극단자 부위를 제외한 전지셀의 외면 형상에 대응하는 내면 형상을 가지는 중공형 구조이며;
    상기 2 단위의 부재들 중 적어도 하나에 연결부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 장착부에는 보호회로부가 슬라이딩되는 형태로 장착되는 보호회로 장착용 슬롯이 형성되어 있고,
    상기 보호회로 장착용 슬롯과 제 1 하우징에 장착된 전지셀들이 장착되는 부위를 구획하는 파티션이 장착부에 장착되어 있는 것을 특징을 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 파티션은 수직 단면상으로 오목부와 볼록부를 포함하는 요철 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 1 항 내지 제 10 항, 제 12 항, 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전력원으로 사용하는 디바이스.
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