KR20140132132A

KR20140132132A - 서로 다른 지름을 가진 원통형 이차전지 셀을 포함하는 이차전지 팩

Info

Publication number: KR20140132132A
Application number: KR1020130051257A
Authority: KR
Inventors: 심혜림; 이관수
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-17

Abstract

본 발명은 서로 다른 지름을 가진 원통형 이차전지 셀을 포함하는 이차전지 팩을 개시한다. 본 발명에 따른 서로 다른 지름을 가진 2이상의 원통형 이차전지 셀들;을 포함하는 이차전지 팩에 있어서, 상기 원통형 이차전지 셀들은, 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되거나, 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되어 기하학적 모양을 이루는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 원통형 이차전지를 사용하여 이차전지 팩을 구성할 때, 이차전지 사이에 발생하는 공간을 최소화 할 수 있다. 따라서, 공극률을 줄이고, 이차전지 팩의 부피에 따른 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

서로 다른 지름을 가진 원통형 이차전지 셀을 포함하는 이차전지 팩{BATTERY PACK COMPRISING CYLINDER TYPE SECONDARY BATTERY CELLS HAVING DIFFERNET DIAMETERS}

본 발명은 서로 다른 지름을 가진 원통형 이차전지 셀을 포함하는 이차전지 팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공극률을 줄여서 에너지 밀도가 향상된 이차전지 팩에 관한 것이다.

모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

이차전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류되는데, 이 중 원통형 이차전지는 주로 금속 재질의 케이스를 사용하여 다른 형태의 이차전지에 비해 안전성이 뛰어나다는 장점이 있다. 또한, 전극 조립체를 둥글게 말아서 제조하기 때문에, 부피당 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 나아가, 복수의 단위 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 대용량의 전력 저장 장치를 구성하기 쉽다는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 원통형 이차전지(100)의 부분의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차전지(100)는 원통형 전지 캔(20), 전지 캔(20)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(30), 전지 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 조립체(10), 캡 조립체(10)를 장착하기 위해 전지 캔(20)의 선단에 마련된 비딩부(40) 및 전지를 밀봉하기 위한 클림핑 부위(50)를 구비한다.

전극 조립체(30)는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 젤리-롤 형태로 권취된 구조이며, 양극에는 양극 리드(31)가 부착되어 캡 조립체(10)에 접속되어 있고, 음극에는 음극 리드(미도시)가 부착되어 전지 캔(20)의 하단에 접속되어 있다.

캡 조립체(10)는 양극 단자를 형성하는 탑 캡(11), 전지 내부의 온도 상승시 저항이 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element)와 같은 안전 소자(12), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 및/또는 가스를 배기하는 안전 벤트(13), 특정 부분을 제외하고 안전 벤트(13)를 전류차단부재(15)로부터 전기적으로 분리시키는 제1 가스켓(14), 양극에 연결된 양극 리드(31)가 접속되어 있는 전류차단부재(15)가 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 그리고, 이러한 캡 조립체(10)는 제2 가스켓(16)에 장착된 상태로 전지 캔(20)의 비딩부(40)에 장착된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(30)의 양극은 양극 리드(31), 전류차단부재(15), 안전 벤트(13) 및 안전 소자(12)를 경유하여 탑 캡(11)에 연결되어 통전을 이룬다. 그러나, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극 조립체(30) 쪽으로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하면, 안전 벤트(13)는 그 형상이 역전되면서 상향 돌출되게 되고, 이때, 안전 벤트(13)가 전류차단부재(15)로부터 분리되어 전류가 차단되게 된다. 따라서, 충방전이 더 이상 진행되지 않게 되어 이차전지의 안전성이 확보된다.

도 2는 이차전지 팩(200)내에 배치된 원통형 이차전지(100)들의 평면도이다.

도 2를 참조하면, 동일한 지름을 가진 복수의 원통형 이차전지(100)를 사용하여 이차전지 팩(200)을 구성한 것을 확인할 수 있다. 원통형 이차전지는 원통이라는 형상의 특징 때문에 원통형 이차전지들 사이에 공간(빗금 친 부분)이 형성된다. 즉, 다른 형태의 이차전지로 이차전지 팩을 구성했을 때보다, 원통형 이차전지로 이차전지 팩을 구성했을 때 이차전지 팩의 공극률이 상대적으로 높다.

그러므로, 원통형 이차전지로 이차전지 팩을 구성할 때 공극률을 줄이고, 높은 밀도의 에너지 충전량을 가진 이차전지 팩에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 인식하여 안출된 것으로서, 공극률을 줄여서 에너지 밀도가 향상된 이차전지 팩을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 서로 다른 지름을 가진 2이상의 원통형 이차전지 셀들;을 포함하는 이차전지 팩에 있어서, 상기 원통형 이차전지 셀들은, 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되거나, 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되어 기하학적 모양을 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이차전지 셀들은 사각형 모양이 되도록 배치된다.

이 경우, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 사각형 모양의 모서리 부분에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 사각형의 중심에 배치될 수 있다. 반면에, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 사각형 모양의 모서리 부분에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 사각형의 중심에 배치될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 이차전지 셀들은 육각형 모양이 되도록 배치된다.

일 예에 따르면, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 육각형의 중심에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 육각형의 모서리 부분에 배치될 수 있다. 반면, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 육각형의 중심에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 육각형의 모서리 부분에 배치될 수도 있다.

다른 예에 따르면, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 육각형에서 마주보는 두 변에 각각 닿도록 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치될 수 있다. 반면, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 육각형에서 마주보는 두 변에 각각 닿도록 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명에 따른 이차전지 팩은, 복수의 이차전지 팩; 및 상기 이차전지 팩의 충전 및 방전을 제어하는 제어부;를 포함하는 전력 저장 장치의 일 구성요소가 될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지 팩은, 이차전지 팩; 및 상기 이차전지 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하;를 포함하는 이차전지 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다. 이때, 상기 부하는 전기 구동 수단 또는 휴대용 기기가 될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 원통형 이차전지를 사용하여 이차전지 팩을 구성할 때, 이차전지 사이에 발생하는 공간을 최소화 할 수 있다. 따라서, 공극률을 줄이고, 이차전지 팩의 부피에 따른 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 원통형 이차전지의 배치에 따라 다양한 모양의 이차전지 팩을 구성할 수 있다. 따라서, 복수의 이차전지 팩을 포함하는 전력 저장 장치를 구성할 때에도, 이차전지 팩 사이에 발생하는 공간을 최소화 할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 부분의 단면도이다.
도 2는 이차전지 팩내에 배치된 원통형 이차전지들의 평면도이다.
도 3 내지 도 8은 원통형 이차전지 셀의 배치를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치에 배치된 원통형 이차전지 셀들의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 저장 장치에 배치된 원통형 이차전지 셀들의 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 이차전지 팩은 서로 다른 지름을 가진 2이상의 원통형 이차전지 셀들을 포함한다. 이때, 상기 원통형 이차전지 셀들은, 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되거나, 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되어 기하학적 모양을 이룬다.

도 3 및 도 4는 원통형 이차전지 셀의 배치를 나타낸 평면도이다.

본 명세서에는 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀을 도면 부호 310으로, 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀을 도면 부호 320으로 표현했다.

도 3에 도시된 실시예처럼, 본 발명에 따른 원통형 이차전지 셀들 중에서 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀(310)들이 사각형 모양의 모서리 부분에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀(320)이 사각형의 중심에 배치될 수 있다.

도 4에 도시된 실시예처럼, 본 발명에 따른 원통형 이차전지 셀들 중에서 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀(320)들이 사각형 모양의 모서리 부분에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀(310)이 사각형의 중심에 배치될 수 있다.

도 5 내지 도 8은 원통형 이차전지 셀의 배치를 나타낸 평면도이다.

도 5에 도시된 실시예처럼, 본 발명에 따른 원통형 이차전지 셀들 중에서 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀(310)이 육각형의 중심에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀(320)들이 육각형의 모서리 부분에 배치될 수 있다.

도 6에 도시된 실시예처럼, 본 발명에 따른 원통형 이차전지 셀들 중에서 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀(320)이 육각형의 중심에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀(310)들이 육각형의 모서리 부분에 배치될 수 있다.

도 7에 도시된 실시예처럼, 본 발명에 따른 원통형 이차전지 셀들 중에서 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀(310)들이 육각형에서 마주보는 두 변에 각각 닿도록 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀(320)들이 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀(310)들 사이에 배치될 수 있다.

도 8에 도시된 실시예처럼, 본 발명에 따른 원통형 이차전지 셀들 중에서 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀(320)들이 육각형에서 마주보는 두 변에 각각 닿도록 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀(310)들이 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 원통형 이차전지 셀들이 배치되어 이루는 기하학적 모양은 반드시 정사각형 또는 정육각형처럼 각 변의 길이가 모두 같은 도형을 의미하지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지 팩(300)을 설명함에 있어서, 서로 지름이 다른 2종류의 원통형 이차전지 셀(310, 320)만 사용하여 설명하였으나, 본 발명이 상기 예시에 한정되지 않는다. 지름이 서로 다른 3종류의 원통형 이차전지 셀들이 사용될 수 있으며, 지름이 서로 다른 4 종류의 원통형 이차전지 셀들, 지름이 서로 다른 5종류의 원통형 이차전지 셀들이 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 이차전지 팩(300)은, 복수의 이차전지 팩(300)과 복수의 이차전지 팩(300)의 충전 및 방전을 제어하는 제어부를 포함하는 전력 저장 장치의 일 구성요소가 될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치(400)에 배치된 원통형 이차전지 셀들의 평면도이다.

도 9는 앞서 도 4에 도시된 사각형 모양의 이차전지 팩(300)으로 구성된 전력 저장 장치이다. 도 9에 도시되어 있듯이, 이차전지 팩(300)과 이차전지 팩(300)이 접하는 부분에는 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지(320)가 상기 상호 접하는 두 개의 이차전지 팩(300)에 공통으로 포함될 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 저장 장치(400)에 배치된 원통형 이차전지 셀들의 평면도이다.

도 10은 앞서 도 5에 도시된 육각형 모양의 이차전지 팩(300)으로 구성된 전력 저장 장치이다. 육각형은 한정된 공간을 효율적으로 분할하기 위해 자연계에서 자주 사용되는 방법이다. 대표적으로 벌집의 경우, 육각형으로 구분된 방이 밀집된 구조이다. 본 발명에 따른 전력 저장 장치(400)도 이에서 착안하여, 공극률을 줄이고 공간을 효율적으로 사용하기 위해 육각형 모양의 이차전지 팩(300)을 사용하여 전력 저장 장치(400)를 구성한 것이다.

한편, 상기 제어부(도면 미도시)는 각 원통형 이차전지 셀(310, 320)의 전압 또는 전류를 포함한 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 포함하여 당업자 수준에서 적용 가능한 다양한 제어 기능을 수행한다.

또한, 상기 제어부는 외부 기기와 통신망을 통해서 연결될 수 있다. 상기 제어부는 자신이 담당하는 이차전지 팩(300)의 상태에 관한 데이터를 통신망을 통해서 상기 외부 기기에게 송신하거나, 상기 외부 기기로부터 상기 이차전지 팩(300)의 충방전과 관련된 제어 신호를 수신할 수 있다. 이를 위해 상기 제어부는 이차전지 팩(300)의 충방전과 다양한 상기 제어 기능을 수행할 수 있는 제어 로직을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지 팩(300)은, 상기 이차전지 팩(300)과 이차전지 팩(300)으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 이차전지 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.

상기 이차전지 구동 시스템의 일예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일예로는 이차전지 팩이 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 이차전지 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.

본 발명에 따르면, 원통형 이차전지를 사용하여 이차전지 팩을 구성할 때, 이차전지 사이에 발생하는 공간을 최소화 할 수 있다. 따라서, 공극률을 줄이고, 이차전지 팩의 부피에 따른 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 원통형 이차전지의 배치에 따라 다양한 모양의 이차전지 팩을 구성할 수 있다. 따라서, 복수의 이차전지 팩을 포함하는 전력 저장 장치를 구성할 때에도, 이차전지 팩 사이에 발생하는 공간을 최소화 할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

300 : 이차전지 팩
310 : 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지
320 : 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지
400 : 전력 저장 장치

Claims

서로 다른 지름을 가진 2이상의 원통형 이차전지 셀들;을 포함하는 이차전지 팩에 있어서,
상기 원통형 이차전지 셀들은, 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되거나, 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치되어 기하학적 모양을 이루는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제1항에 있어서,
상기 이차전지 셀들은, 사각형 모양이 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제2항에 있어서,
상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 사각형 모양의 모서리 부분에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 사각형의 중심에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제2항에 있어서,
상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 사각형 모양의 모서리 부분에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 사각형의 중심에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제1항에 있어서,
상기 이차전지 셀들은, 육각형 모양이 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제5항에 있어서,
상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀이 육각형의 중심에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 육각형의 모서리 부분에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제5항에 있어서,
상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀이 육각형의 중심에 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 육각형의 모서리 부분에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제5항에 있어서,
상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 육각형에서 마주보는 두 변에 각각 닿도록 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제5항에 있어서,
상기 상대적으로 지름이 작은 원통형 이차전지 셀들이 육각형에서 마주보는 두 변에 각각 닿도록 배치되고, 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들이 상기 상대적으로 지름이 큰 원통형 이차전지 셀들 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 복수의 이차전지 팩; 및
상기 이차전지 팩의 충전 및 방전을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 이차전지 팩; 및
상기 이차전지 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 구동 시스템.
제11항에 있어서,
상기 부하는 전기 구동 수단 또는 휴대용 기기임을 특징으로 하는 이차전지 구동 시스템.