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KR100709252B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

이차 전지 모듈 Download PDF

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KR100709252B1
KR100709252B1 KR1020050061122A KR20050061122A KR100709252B1 KR 100709252 B1 KR100709252 B1 KR 100709252B1 KR 1020050061122 A KR1020050061122 A KR 1020050061122A KR 20050061122 A KR20050061122 A KR 20050061122A KR 100709252 B1 KR100709252 B1 KR 100709252B1
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battery module
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housing
present
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황덕철
김근배
박용철
정원일
이종화
김점수
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 표면에 요철부를 갖는 케이스로 각 단위 전지를 구성하여 모듈의 전체적인 방열 효과를 향상시킬 수 있도록, 내부에 공간부를 형성하며, 냉각공기가 흡입 및 배출되도록 흡입구와 배출구를 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 흡입구 일측에 구성되어 하우징의 공간부 내부로 냉각공기를 흡입시키는 송풍 팬과, 상기 하우징의 공간부 내부에 내장되며, 그 케이스의 외표면에는 요철부가 형성되는 다수개의 단위 전지, 및 상기 각 단위 전지 사이사이에 설치되어 상기 케이스와의 사이에 공기통로를 형성하는 격벽을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.
이차 전지 모듈, 케이스, 요철부, 굴곡부, 돌기, 방열면적

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 각형 이차 전지의 케이스를 상세하게 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 원통형 이차 전지의 케이스를 상세하게 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 각형 이차 전지의 케이스를 상세하게 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 원통형 이차 전지의 케이스를 상세하게 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 각형 이차 전지의 케이스를 상세하게 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 원통형 이차 전지의 케이스를 상세하게 도시한 사시도이다.
본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지 케이스의 구조를 개선하여 모듈의 전체적인 방열 효과를 높일 수 있도록 한 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 즉, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우, 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결한 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우, 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 그 대표적인 형상으로는 원통형과 각형을 들 수 있으며, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용하기 위해서는 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지로 구성하게 된다.
상기한 대용량 이차 전지(이하, 이차 전지 모듈이라고 함)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하, 단위 전지라 함)로 이루어지며, 상기 각각의 단위 전지는 양극판과 음극판 사이에 격리판을 배치하여 형성되는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체를 통하여 외측으로 돌출되고 상기 전극군에 구비된 양극판과 음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양극 단자 및 음극 단자를 포 함한다.
여기서, 상기 단위 전지가 통상 각형인 경우의 이차 전지 모듈은 캡 조립체 상부로 돌출된 양극 단자 및 음극 단자가 이웃하는 단위 전지의 양극 단자 및 음극 단자와 엇갈리도록 교차 배열하고, 나사 가공된 음극 단자와 양극 단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결하여 구성된다.
이러한 이차 전지 모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 모듈을 구성함에 따라 각 단위 전지에서 발생되는 반응열을 용이하게 방출할 수 있어야 하며, 더욱이 HEV(Hybrid Electric Vehicle)에 적용되는 이차 전지 모듈의 경우에는 방열 기능이 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
즉, 이차 전지 모듈의 방열 특성은 전지 모듈의 성능을 결정하는 주요 인자로써, 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우, 그 열로 인하여 단위 전지는 내부의 온도가 상승하게 되고, 심한 경우에는 상기 이차 전지 모듈이 적용된 기기의 오작동을 발생시키거나, 과열로 인한 폭발의 위험을 내포하고 있다.
특히, 차량용으로 사용되는 HEV용 이차 전지 모듈의 경우에는 대전류로 충방전되므로 사용 상태에 따라서 단위 전지의 내부 반응에 의해 반응열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 되고, 이는 전지의 고유 특성에 영향을 주어 이차 전지 모듈 고유의 성능을 저하시키게 된다.
또한, 각 단위 전지는 그 내부의 화학반응으로 인하여 내부 압력이 상승하며, 이에 따라 전지의 형상이 변하여 전지 성능에 나쁜 영향을 주게 된다. 특히 각형의 이차 전지와 같이 폭과 길이의 비율이 큰 경우에는 상기 위험이 더욱 커지게 된다.
이에 따라, 통상, 다수개의 단위 전지가 내장되는 이차 전지 모듈의 경우, 단위 전지와 단위 전지 사이에 격벽을 설치함으로써 단위 전지간의 냉각용 공기유통을 위한 간격을 확보하고, 구조적으로 단위 전지의 변형을 방지하고는 있으나, 종래의 이차 전지 모듈에서 제공되는 격벽의 경우, 이차 전지 모듈의 전체적인 냉각효율을 높이기에는 구조적 한계가 있다는 문제점을 내포한다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 표면에 요철부를 갖는 케이스로 각 단위 전지를 구성하여 모듈의 전체적인 방열 효과를 향상시킬 수 있도록 한 이차 전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차 전지 모듈은 내부에 공간부를 형성하며, 냉각공기가 흡입 및 배출되도록 흡입구와 배출구를 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 흡입구 일측에 구성되어 하우징의 공간부 내부로 냉각공기를 흡입시키는 송풍 팬과, 상기 하우징의 공간부 내부에 내장되며, 그 케이스의 외표면에는 요철부가 형성되는 다수개의 단위 전지, 및 상기 각 단위 전지 사이사이에 설치되어 상기 케이스와의 사이에 공기통로를 형성하는 격벽을 포함한다.
즉, 상기 단위 전지의 케이스 외표면에 형성되는 요철부는 케이스 표면적을 확대하여 방열 면적을 넓히도록 형성된다.
상기 요철부는 상기 케이스 표면에 불규칙한 미세 굴곡부로 형성되거나, 다수개의 돌기가 일정간격으로 형성되어 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 돌기는 원형 단면으로 이루어질 수 있으며, 중앙부가 돌출된 삼각면의 사면체로 상기 케이스 외부면 전체에 일체로 형성될 수 있다.
이에 따라, 굴곡부나 돌기에 의해 늘어나는 표면적만큼 케이스 전체의 표면적이 증대되어 열 방출량을 높일 수 있게 된다.
여기서, 상기 이차 전지의 케이스는 각형 또는 원통형으로 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
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성도이다.
상기 도면을 참조해서 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)은, 내부에 공간부(S)를 형성하는 하우징(11)을 구비하며, 상기 하우징(11)에는 냉각공기가 흡입 및 배출되도록 흡입구(13)와 배출구(15)를 포함한다.
상기 하우징(11)의 흡입구(13) 일측에는 하우징(11)의 공간부(S) 내부로 냉각공기를 흡입시키는 송풍 팬(17)이 구비된다.
그리고 상기 하우징(11)의 공간부(S) 내부에는 다수개의 단위 전지(20)가 내장되는데, 상기 단위 전지(20)는 그 케이스(21)의 외표면에 요철부가 형성되며, 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극군을 상기 케이스(21) 내부에 구비하여 전력을 생산하게 된다.
또한, 상기 각 단위 전지(20) 사이사이에는 격벽(30)이 설치되어 상기 케이스(21)와의 사이에 공기통로(31)를 형성한다.
즉, 상기 격벽(30)은 각 단위 전지(20) 사이에 설치되어 단위 전지(20) 사이로 냉각공기가 흐를 수 있도록 간격을 유지하여 상기 공기통로(31)를 형성하게 되며, 각 단위 전지(20)의 측면을 지지하게 된다.
이러한 구성의 이차 전지 모듈(10)은 상기 하우징(11)의 일측면 상단에 형성되는 흡입구(13)를 통하여 상기 단위 전지(20)의 온도를 제어하기 위한 냉각공기를 유입하게 되며, 그 반대쪽 측면 하단에 형성되는 배출구(15)를 통하여 단위 전지(20)를 냉각시킨 공기를 배출시키게 된다.
즉, 상기 송풍 팬(17)의 작동에 의해 냉각공기가 흡입구(13)를 통하여 하우징(11) 내부로 흡입되어 단위 전지(20)와 단위 전지(20)의 측면 사이에 설치된 격벽(30)의 공기통로(31)를 통하여 하부로 유동하며, 이 과정에서 냉각공기는 단위 전지(20)에서 발생된 반응열을 흡수하여 하우징(11)의 하부 배출구(15)를 통해 빠져나가게 된다.
여기서, 상기 하우징(11)의 구조와, 그 흡입구(13) 및 배출구(15)의 위치, 그리고 상기 하우징(11) 내부에서의 단위 전지(20)의 배열 구조에 대해서는 상기 구조를 만족하는 한 특별히 한정되지 않는다.
그리고 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 상기 단위 전지(20)의 케이스(21)는 상기 격벽(30)과의 사이에 형성되는 공기통로(31)와 면하는 그 외표면의 방열 면적을 확대하기 위하여 일면에 상기한 바와 같은 요철부가 형성되는 열전도 소재로 이루어진다.
즉, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 각형 이차 전지의 케이스(21)를 상세하게 도시한 사시도로써, 본 발명의 이차 전지 모듈(10)에 적용되는 각형 단위 전지(20)는 세로(도면의 X 축 방향)로 긴 육면체 형상을 가지며 표면이 거칠게 가공되어 미세한 굴곡부(E)가 형성된 케이스(21)에, 절연 물질인 격리판을 사이에 두고 양극판 및 음극판을 권취해서 형성한 각형의 전극군을 삽입하고, 케이스(21)의 개방된 부분을 캡 플레이트(23)로 밀봉한 형태로 이루어진다.
즉, 상기 전극군(미도시)은 양극판과 음극판 사이에 격리판을 순차적으로 개재하고, 이를 횡권축을 중심으로 말아서 젤리롤 형태로 형성한 다음에, 이를 프레스와 같은 가압 수단으로 프레싱해서 각형으로 형성하게 되며, 이에 대해서는 당업자 수준에서 이미 많은 기술이 개시되어 있으므로 이하 설명을 생략하도록 한다.
이와 같은 전극군의 양극판 및 음극판은 상기 캡 플레이트(23)에 설치된 양극 단자 및 음극 단자(25,27)에 각각 전기적으로 연결되어 있다.
이에 추가해서, 상기 캡 플레이트(23)는 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출하는 것으로 전지의 폭발을 방지하는 벤트부(29)를 더 포함할 수도 있다.
그리고 상기 케이스(21)는 외표면에 연속적으로 소정의 거칠기로 굴곡부(E)가 형성되어 외기와 접하는 케이스(21)의 표면적을 증대시키는 구조로 되어 있다.
이하, 설명에서 상기 굴곡부(E)는 표면이 울퉁불퉁하게 형성되어 요부와 철부가 불규칙적인 크기와 형태로 형성된 것을 의미하는 것으로 정의한다.
이러한 상기 케이스(21)의 요철부인 굴곡부(E)는 그 거칠기의 정도를 특별히 한정하지 않는다.
이에 따라, 상기 케이스(21)의 표면적은 굴곡부(E)에 의해 증대되어 케이스(21)와 냉각공기와의 접촉면적이 확대되며, 전극군으로부터 발생된 반응열은 대기중으로 보다 효율적으로 방열시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 원통형 이차 전지의 케이스(121)를 상세하게 도시한 사시도로써, 본 발명의 이차 전지 모듈에 적용되는 원통형 단위 전지(120)를 예시하고 있다.
즉, 상기 원통형 이차 전지는 각형 이차 전지와 비교하여 케이스(121)의 형상에 있어 차이가 있으나, 케이스(121) 표면의 굴곡부(E)를 형성한다는 점에서 동일하며, 그 외 절연 물질인 격리판을 사이에 두고 양극판 및 음극판을 권취해서 형성한 원통형의 전극군을 삽입하고, 원통형 케이스(121)의 개방된 부분을 캡 조립체(123)로 밀봉한 형태로 이루어지는 기본적인 구성 원리는 동일하다.
즉, 상기 원통형 케이스(121)의 외주 표면적은 굴곡부(E)에 의해 증대되어 케이스(121)와 냉각공기와의 접촉면적이 확대되며, 전극군으로부터 발생된 반응열을 대기중으로 보다 효율적으로 방열시킬 수 있는 효과는 각형의 이차 전지와 동일하다.
그리고 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)은 그 기본적인 구성이 본 발명의 제1실시예와 동일하여 그 구체적인 구성의 설명은 생략하고, 상기 본 발명의 제1실시예에 적용된 각형 이차 전지 및 원통형 이차 전지와, 본 발명의 제2실시예에 따른 각형 이차 전지 및 원통형 이차 전지의 세부 구성에서 각형 케이스(21)와 원통형 케이스(121)의 형상의 차이점에 대해서만 구체적으로 설명한다.
즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 모듈에 적용되는 상기 단위 전지(20)의 케이스(21)는 상기 격벽(30)과의 사이에 형성되는 공기통로(31)와 면하는 그 외표면의 방열 면적을 확대하기 위하여 일면에 요철부를 형성하되, 도 5에서 도시한 바와 같이, 이차 전지 모듈(10)에 적용되는 각형 단위 전지(20)는 그 각형 케이스(21)의 냉각공기와 접하는 표면적을 증대시키기 위하여 케이스(21) 표면에 미세한 돌기(P1)가 규칙적으로 배열 형성되며, 상기 돌기(P1)는 전지의 수직방향 또는 수평방향으로 길게 연장되고 중앙부가 돌출되도록 4개의 삼각면의 사면체로 형성되어 이루어진다.
또한, 도 6에서 도시한 바와 같이, 이차 전지 모듈(10)에 적용되는 원통형 단위 전지(120)는 그 원통형 케이스(121)의 냉각공기와 접하는 외주 표면을 증대시키기 위하여 케이스(121) 외주 표면에 미세한 돌기(P1)가 규칙적으로 배열 형성되 며, 상기 돌기(P1)는 전지의 수직방향 또는 수평방향으로 길게 연장되고 중앙부가 돌출되도록 4개의 삼각면의 사면체로 형성되어 이루어진다.
한편 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성도이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)은 그 기본적인 구성이 본 발명의 제1실시예와 동일하여 그 구체적인 구성의 설명은 생략하고, 상기 본 발명의 제1실시예에 적용된 각형 이차 전지 및 원통형 이차 전지와 본 발명의 제3실시예에 따른 각형 이차 전지 및 원통형 이차 전지의 세부 구성에서 각형 케이스(21)와 원통형 케이스(121)의 형상의 차이점에 대해서만 구체적으로 설명한다.
즉, 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)에 적용되는 상기 단위 전지(20)의 케이스(21)는 상기 격벽(30)과의 사이에 형성되는 공기통로(31)와 면하는 그 외표면의 방열 면적을 확대하기 위하여 일면에 요철부를 형성하되, 도 8에서 도시한 바와 같이, 이차 전지 모듈(10)에 적용되는 각형 단위 전지(20)는 그 각형 케이스(21)의 냉각공기와 접하는 표면적을 증대시키기 위하여 케이스(21) 표면에 미세한 돌기(P2)가 규칙적으로 배열 형성되며, 상기 돌기(P2)는 전지의 수직방향 또는 수평방향으로 길게 연장되고 중앙부가 돌출되도록 원형의 단면을 갖는 기둥 형상으로 이루어진다.
또한, 도 9에서 도시한 바와 같이, 이차 전지 모듈에 적용되는 원통형 단위 전지(120)는 그 원통형 케이스(121)의 냉각공기와 접하는 외주 표면을 증대시키기 위하여 케이스(121) 외주 표면에 미세한 돌기(P2)가 규칙적으로 배열 형성되며, 상기 돌기(P2)는 전지의 수직방향 또는 수평방향으로 길게 연장되고 중앙부가 돌출되 도록 원형의 단면을 갖는 기둥 형상으로 이루어진다.
또한, 상기 돌기(P1,P2)의 구조에 대해서는 상기한 구조 이외에 사각단면형태나 사다리꼴 단면형태 등 다양한 형태로 이루어질 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
상기한 본 발명의 이차 전지 모듈(10)은, 고출력, 대용량을 필요로 하는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.
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.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 이차 전지 모듈의 공간부 내에서 격벽과의 사이에 공기통로에 면하는 각 단위 전지 케이스 표면의 방열면적을 극대화시켜 방열 특성을 개선할 수 있고, 전지 내부의 반응열을 신속하게 방열시킬 수 있게 된다.
이에 따라 전지의 신뢰성을 높이고 전지의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 내부에 공간부를 형성하며, 냉각공기가 흡입 및 배출되도록 흡입구와 배출구를 형성하는 하우징과,
    상기 하우징의 흡입구 일측에 구성되어 하우징의 공간부 내부로 냉각공기를 흡입시키는 송풍 팬과,
    상기 하우징의 공간부 내부에 내장되며, 그 케이스의 외표면에는 미세 요철부가 형성되는 다수개의 단위 전지와,
    상기 각 단위 전지 사이사이에 설치되어 상기 케이스와의 사이에 공기통로를 형성하는 격벽
    을 포함하는 이차 전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징의 공간부는 내부 중앙에 형성되며, 상기 흡입구는 상기 공간부와 연결되는 일측 상부에 형성되고, 상기 배출구는 상기 공간부와 연결되는 타측 하부에 각각 형성되는 이차 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 단위 전지의 케이스의 외표면 전면에 형성되는 이차 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 케이스 표면에 불규칙한 미세 굴곡부로 형성되는 이차 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 케이스 표면에 다수개의 돌기가 일정간격으로 형성되는 이차 전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 돌기는 원형 단면으로 이루어지는 이차 전지 모듈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 돌기는 중앙부가 돌출된 삼각면의 사면체로 형성되는 이차 전지 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 각형인 이차 전지 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 원통형인 이차 전지 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 모터 구동용인 이차 전지 모듈.
KR1020050061122A 2005-03-24 2005-07-07 이차 전지 모듈 KR100709252B1 (ko)

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