KR20110001365U - 단위 전지의 온도 제어에 효율적인 방열 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 고안은 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성하는 경우 단위 전지의 온도 제어에 효율적인 이차 전지 용 방열 플레이트 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것이다.

이차 전지, 모듈, 방열

Description

단위 전지의 온도 제어에 효율적인 방열 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE CONTAINING HEAT PLATE OF EFFECTIVE TEMPERATURE CONTROL}

본 고안은 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성하는 경우 단위 전지의 온도 제어에 효율적인 이차 전지 용 방열 플레이트 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 저용량 전지의 경우 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지의 경우 하이브리드 전기 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 어셈블리(이하 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 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, 나사 가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

여기서 상기한 전지모듈은 적게는 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 따라 각 단위 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야 한다. 이차 전지 모듈의 열 방출 특성은 전지의 성능을 좌우할 정도로 매우 중요하다.

열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우 단위 전지에서 발생되는 열은 전지 내부의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 전지의 성능이 저하되며 심한 경우 폭발의 위험을 초래하게 된다. 특히, 상기 이차 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터나 자동차용(전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차)의 모터 구동용의 대용량 이차 전지로서 적용되는 경우 대전류로 충방전되므로 사용 상태에 따라서 이 차 전지의 내부 반응에 의해 열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 된다. 이중에서 특히 차량용으로 사용되는 HEV용 전지 모듈의 경우 대전류로 충방전되므로 사용 상태에 따라서 이차 전지의 내부 반응에 의해 열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 되고, 열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우 예컨대, 각 단위전지에서 발생되는 열은 전지모듈의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 상기 전지모듈이 적용된 기기의 오작동을 발생시키게 되어, 전지의 고유 특성에 영향을 주어 전지 고유의 성능을 저하시키게 된다. 따라서 열 방출은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.

도 1에 종래 배터리에 사용되는 방열판의 구조를 나타내었다. 전지 내부에서 발생되는 열을 방출시키기 위해 전지의 모듈에는 단위 전지와 단위 전지 사이에 이러한 방열판을 사용한다. 도 1에 나타낸 대용량의 전지 모듈을 살펴보면, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체를 구비하여 전력을 생산하는 단위 전지(10)가 간격을 두고 다수개 배치되고 단위 전지(10)와 단위 전지(10) 사이에 단위 전지에서 발생되는 열을 외부로 방열시키기 위한 방열 플레이트(30)가 개재되어 단위 전지(10) 전면에 밀착되는 구조로 되어 있다.

상기 전지 모듈은 외부 케이스를 이루는 별도의 하우징(도시되지 않음) 내에 설치될 수 있으며, 이 경우 상기 하우징으로 공급된 냉각용 공기는 단위 전지(10)와 단위 전지(10) 사이에 개재된 방열 플레이트(30)를 지나게 되며 이 과정에서 단위 전지에서 발생된 열이 교환되고, 교환된 공기는 하우징 외부로 배출됨으로써 최 종적으로 단위 전지에서 발생된 열을 외부로 방출시키게 된다.

상기한 구조의 전지 모듈에 있어서 상기 방열 플레이트(30)는 단위 전지(10)의 전면과 대응되는 크기를 갖는 판 구조물로 전면이 단위 전지(10)의 일측 전면과 접하고, 일 측단은 상기 단위 전지의 외측을 지나 소정길이 연장되며, 일측 전면에는 홈 형태로 가공된 냉각 채널(31)이 일정간격을 두고 형성된 구조로 되어 있다. 상기 방열 플레이트(30)는 냉각 채널(31)이 형성된 면이 단위 전지(10)의 일측 전면과 접하면서 하나의 유통로를 이루게 되고 이 유통로를 통해 냉각용 공기가 지나가면서, 쿨링 플레이트(30)는 자체의 열 발산과 더불어 쿨링 채널(31)을 통과하는 냉각용 공기에 의한 방열작용으로 단위 전지의 냉각 효과를 나타내게 되는 것이다.

그러나, 전지에 있어서 각각의 부위에 따른 열 발생 정도에 차이가 남에도 불구하고, 종래의 방열판의 경우 전지 전면에 걸쳐 쿨링 채널이 모두 동일한 간격으로 형성되어 열이 많이 발생되는 부분과 열이 적게 발생되는 부분의 냉각 효과가 다르다는 문제점이 있었다.

본 고안은 상기한 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 이차 전지 모듈을 구성하는 단위 전지의 온도 제어에 효율적인 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 이차 전지 모듈은 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위 전지를 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 단위 전지 사이에 이 단위 전지에서 발생되는 열을 방열시키는 방열 플레이트가 설치되고, 상기 방열 플레이트는 일측에 냉각 매체가 유통되는 적어도 하나 이상의 냉각 채널이 형성되어 있다.

상기 본 발명의 방열 플레이트는 판 구조물로 전면이 단위 전지의 일측면과 접하고, 측단은 단위 전지의 외측을 지나 소정 길이 연장된 구조로 되어 단위 전지에서 발생된 열을 외측으로 방열시키는 구조로 되어 있다.

상기 본 발명의 방열 플레이트의 냉각 채널의 폭은, 발열이 많이 되는 부분에서의 길이가 발열이 적게 되는 부분에서의 길이보다 짧게 구성된다.

상기 본 발명의 방열 플레이트의 냉각 채널의 폭은 전지 탭이 돌출되는 전지 상부에서부터 전지 바닥부로 갈수록 점점 길어지도록 구성되며, 구체적으로 상기 냉각 채널의 폭은 전지 탭이 돌출되는 전지 상부에서는 1 mm 내지 5 mm 이고, 전지 바닥부는 15 mm 내지 20 mm 이며, 상기 전지 탭이 돌출되는 전지 상부에서부터 상기 전지 바닥부까지 냉각 채널의 폭이 점진적으로 길어지도록 구성된다.

또한, 상기 방열 플레이트는 단위전지로부터 열을 전달받아 이를 외부로 방열시킬 수 있도록 열전도성이 높은 재질이면 특별히 한정되지 않으며 바람직하게는 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 금속복합재가 사용될 수 있다.

한편, 상기 방열 플레이트는 적층되어 있는 다수개의 단위 전지에 있어서 각 단위 전지 사이마다 개재될 수 있으며 적어도 두 개 이상의 단위 전지 사이마다 개재될 수 있다.

여기서 상기 방열 플레이트로 공급되는 냉각매체는 공기로 이루어지거나, 냉각수로 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 에너지원으로서 사용될 수 있다.

본 고안에 따른 방열 플레이트의 경우 단전지 내에서의 열 발생 정도를 고려 하여 열이 많이 발생하는 탭이 돌출되는 전지 상부는 냉각 채널간 간격을 적게 하고, 열이 적게 발생하는 전지 바닥부는 냉각 채널간 간격을 넓게 함으로써 단전지 내에서의 냉각 효율을 높이는 효과가 있다.

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

도 2는 전지 표면에서의 열 발생 정도를 시뮬레이션 한 결과이다. 도 2에서 보는 바와 같이 전지탭이 돌출되는 부분에서의 열 발생이 가장 많고, 전지의 바닥부로 갈수록 열 발생이 적어진다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3과 같이 전지를 개략적으로 도시하였을 경우 전지 표면에서는 탭이 돌출되는 전지 상부인 A 부분에서 가장 많이 열이 방출되며, 전지의 바닥부인 E 부분으로 갈수록 발생되는 열이 적어지게 된다. 따라서, 상기 방열 플레이트에 형성되는 상기 냉각 채널은 전지 표면의 열 발생 정도에 따라 차이를 두어, 열이 많이 발생하는 탭이 형성된 상부에는 좁은 간격으로 형성되고, 열이 적게 발생하는 바닥부로 갈수록 간격을 넓게 하는 것이 방열 효율을 높이기 위해 바람직하다.

도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 방열 플레이트(300)의 사시도이고, 도 5 는 본 고안의 일 실시예에 따른 방열 플레이트를 단위 전지(100)의 양면에 설치한 경우의 단면도이다. 도 4 및 도 5 에서 보는 바와 같이 본 고안의 방열 플레이트(300)는 도 2에서의 결과를 바탕으로 열발생이 많이 되는 탭(200)이 돌출되는 전지 상부에서는 냉각 채널(310)의 폭이 짧으며 전지 바닥부로 갈수록 냉각 채널의 폭이 길어지게 된다.

냉각 채널의 폭을 짧게 하면, 방열판의 단위 길이당의 차지하는 냉각 채널(310)의 개수가 늘어나게 되어, 방열 면적이 커지지만, 지나치게 좁게 하면 통풍 저항이 증대하고, 냉매의 흐름이 안좋아져 결과적으로 냉각 효율이 저하되어 버린다. 한편, 각 채널의 폭을 길게 하면, 통풍 저항은 저감되지만, 전지에 균일하게 하중을 가하기 어려워짐과 함께, 방열 면적이 적어지므로, 냉각 채널의 간격은 통풍 저항과 방열 면적등을 고려하여 적절하게 선택하는 것이 필요하다.

도 6에서 보는 바와 같이 본 고안에 있어서의 각 냉각 채널에 있어서 채널의 간격을 d, 채널의 높이를 h 라고 할 때, 각 채널의 폭 d 는 탭이 돌출되는 전지 상부로부터 전지 하부까지 점진적으로 증가하도록 구성한다.

열이 많이 발생되는 도 3에서의 A 부분의 경우 냉각 채널의 폭은 1 mm 내지 5 mm 로 하는 것이 바람직하다. 1 mm 이하일 경우 통풍 저항이 증대하여 냉매의 흐름이 안 좋아지고 결과적으로 냉각효율이 저하되어 버리고, 5 mm 이상일 경우 발생되는 열을 냉각시키기에 방열 면적이 적어지기 때문이다. 또한, 열 발생이 적은 도 3에서의 E 부분의 경우 15 mm 내지 20 mm 로 하는 것이 바람직하다. 15 mm 이 하로 할 경우 발생되는 열을 냉각시키기에는 방열 면적이 넓지만, 20 mm 이상으로 할 경우 냉각 효율이 떨어질 수 있다.

도 1은 종래 이차전지 모듈을 나타낸다.

도 2는 전지 표면에서의 열 발생 정도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.

도 3은 전지 표면에서의 열 발생 정도에 따라 전지 표면을 분리한 결과를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 방열 플레이트의 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 방열 플레이트를 전지 양면에 설치한 경우의 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 방열 플레이트의 냉각 채널을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

Claims (10)

1. 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위 전지를 포함하는 전지 모듈에 있어서,

   상기 단위 전지 사이에 이 단위 전지에서 발생되는 열을 방열시키는 방열 플레이트가 설치되고,

   상기 방열 플레이트는 일측에 냉각 매체가 유통되는 적어도 하나 이상의 냉각 채널이 형성된 이차 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각 채널의 폭은, 발열이 많이 되는 부분에서의 길이가 발열이 적게 되는 부분에서의 길이보다 짧은 것인 이차 전지 모듈.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 냉각 채널의 폭은 전지 탭이 돌출되는 전지 상부에서부터 전지 바닥부로 갈수록 점진적으로 길어지는 것인 이차 전지 모듈.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 냉각 채널의 폭은 전지 탭이 돌출되는 전지 상부에서는 1 mm 내지 5 mm 이고, 전지 바닥부는 15 mm 내지 20 mm 인 이차 전지 모듈.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열 플레이트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 금속복합재에서 선택되는 이차 전지 모듈.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열 플레이트는 각 단위 전지 사이마다 개재되는 이차 전지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열 플레이트는 두 개 또는 그 이상의 단위 전지 사이마다 개재되는 이차 전지 모듈.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열 플레이트로 공급되는 냉각매체는 공기인 이차 전지 모듈.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열 플레이트로 공급되는 냉각매체는 냉각수인 이차 전지 모듈.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

Images