KR20230073508A - Cylindarical battery module and cylindarical battery pack including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원통형 전지 모듈 및 이를 포함하는 원통형 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 냉각 성능이 향상된 원통형 전지 모듈 및 이를 포함하는 원통형 전지 팩에 관한 것이다.The present invention relates to a cylindrical battery module and a cylindrical battery pack including the same, and more particularly, to a cylindrical battery module having improved cooling performance and a cylindrical battery pack including the same.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Accordingly, a lot of research on secondary batteries that can meet various needs has been conducted.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.Secondary batteries are attracting much attention as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles as well as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, and laptop computers.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.Typically, there is a high demand for lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries having advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.In addition, secondary batteries are also classified according to the structure of the electrode assembly having a laminated structure of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. Typically, a jelly roll-type electrode assembly having a structure in which long sheet-type positive and negative electrodes are wound with a separator interposed therebetween, and a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween. and stacked electrode assemblies. Recently, in order to solve the problems of the jelly roll-type electrode assembly and the stack-type electrode assembly, as a mixture of the jelly roll type and the stack type, unit cells in which positive electrodes and negative electrodes of a predetermined unit are stacked with a separator interposed therebetween are separated. A stack/folding type electrode assembly having a structure in which it is sequentially wound while being positioned on a film has been developed.
또한, 이차전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 케이스에 내장된 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 케이스에 내장된 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.In addition, depending on the shape of the case, the secondary battery is a cylindrical battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical case, a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a prismatic case, and a pouch in which the electrode assembly is embedded in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet can be classified as type batteries.
한편, 이차전지는 사용 용도에 적합한 성능을 만족시키는 동시에 안전성을 갖추어야 시장에서 적합하게 활용 가능하다. 이차전지를 설계할 때는 이러한 성능과 안전성 측면을 동시에 고려하여 설계 인자를 결정하게 된다. 설계 및 제작이 완료된 전지는 수명, 효율 특성, 고온/저온 특성 등의 성능 평가와 함께 과충전, 과방전, 충격(impact), 네일 테스트(Nail Test), 핫박스(hot box) 등의 안전성 평가를 진행하게 된다. On the other hand, a secondary battery can be suitably used in the market only when it satisfies the performance suitable for the purpose of use and at the same time has safety. When designing a secondary battery, design factors are determined by simultaneously considering these performance and safety aspects. For batteries that have been designed and manufactured, safety evaluations such as overcharge, overdischarge, impact, nail test, hot box, etc. are conducted along with performance evaluations such as lifespan, efficiency characteristics, and high/low temperature characteristics. will proceed
다양한 형태의 이차전지 중 원통형 이차전지는, 과충전 등의 비정상적인 상태에서 이차전지 내부에 가스가 급격히 발생하여 내압이 일정 수준 이상이 되면, 전극 단자와 전극탭 간의 전류를 차단하여 추가적인 반응이 일어나지 않도록 방지하는 전류 차단 부재(Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다.Among various types of secondary batteries, in the case of cylindrical secondary batteries, gas is rapidly generated inside the secondary battery in an abnormal state such as overcharging, and when the internal pressure exceeds a certain level, the current between the electrode terminal and the electrode tab is blocked to prevent additional reactions from occurring. A current interrupt device (CID) may be included.
리튬 이온 배터리의 성능이 증가함에 따라 원통형 이차 전지 내의 열 폭주에 따른 원통형 이차 전지 간의 열 전파 등의 안정성 문제가 중요해지고 있으며, 원통형 이차 전지를 탑재한 전지 모듈이나 전지 팩의 경우에도 원통형 이차 전지 간의 열 전파 억제가 요구되고 있다. 안정성을 향상시키기 위해, 히트 싱크를 이용하여 열을 냉각시키는 방법이 일반적이다.As the performance of lithium ion batteries increases, stability issues such as heat propagation between cylindrical secondary batteries due to thermal runaway within the cylindrical secondary batteries are becoming more important. Suppression of heat propagation is required. In order to improve stability, a method of cooling the heat using a heat sink is common.
종래에는, 다수의 원통형 이차전지에서 열이 발생하면, 이를 냉각시키기 위해 바닥 냉각 방식 또는 측면 냉각 방식을 적용하였다. Conventionally, when heat is generated in a plurality of cylindrical secondary batteries, a bottom cooling method or a side cooling method is applied to cool them.
바닥 냉각 방식을 적용하는 경우, 원통형 이차전지를 촘촘하게 탑재할 수 있어 에너지 밀도 및 공간 활용 측면에서 유리하나, 히트 싱크와 접착이 잘 되지 않을 경우 냉각 성능이 급감할 수 있다. 또한, 다수의 이차전지로 구성된 전지 모듈 및 전지 팩에서 히트 싱크의 평면 면적이 증가하기 때문에 히트 싱크의 평탄도에 따라 원통형 이차전지 간 온도 편차가 증가할 우려가 있으며, 원통형 이차 전지의 바닥면에서만 냉각이 이루어지므로 원통형 이차전지 내에서 길이 방향에 따른 온도 편차가 크게 발생할 수 있다. In the case of applying the bottom cooling method, cylindrical secondary batteries can be densely mounted, which is advantageous in terms of energy density and space utilization. In addition, since the planar area of the heat sink increases in battery modules and battery packs composed of a plurality of secondary batteries, there is a concern that the temperature deviation between cylindrical secondary batteries increases according to the flatness of the heat sink, and only on the bottom surface of the cylindrical secondary battery. Since cooling is performed, a large temperature deviation may occur in the lengthwise direction within the cylindrical secondary battery.
측면 냉각 방식을 적용하는 경우, 원통형 이차 전지의 냉각 성능 측면에서 유리하다. 다만, 원통형 이차 전지 사이에 히트 싱크가 위치해야 하므로 에너지 밀도 및 공간 활용 측면에서 불리하며, 히트 싱크와 접착이 잘 되지 않을 경우 바닥 냉각 방식과 마찬가지로 냉각 성능이 급감할 수 있다. When the side cooling method is applied, it is advantageous in terms of cooling performance of the cylindrical secondary battery. However, since the heat sink must be located between the cylindrical secondary batteries, it is disadvantageous in terms of energy density and space utilization, and if the heat sink and the heat sink are not well bonded, the cooling performance may be rapidly reduced, similar to the bottom cooling method.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능이 향상된 원통형 전지 모듈 및 이를 포함하는 원통형 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.An object to be solved by the present invention is to provide a cylindrical battery module having improved cooling performance and a cylindrical battery pack including the same.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the problems to be solved by the embodiments of the present invention are not limited to the above problems and can be variously extended within the scope of the technical idea included in the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈은 복수의 원통형 전지셀이 적층되어 있는 원통형 전지셀 적층체; 상기 원통형 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 원통형 전지셀 적층체의 하면과 맞닿으며 위치하는 하부 히트 싱크; 및 상기 원통형 전지셀의 측면과 맞닿으며 위치하는 측면 히트 싱크를 포함하고, 상기 측면 히트 싱크는 병렬 유로 형태로, 적어도 하나 이상의 유로를 포함한다.A cylindrical battery module according to an embodiment of the present invention includes a cylindrical battery cell stack in which a plurality of cylindrical battery cells are stacked; a module frame accommodating the cylindrical battery cell stack; a lower heat sink positioned in contact with a lower surface of the cylindrical battery cell stack; and a side heat sink positioned while coming into contact with a side surface of the cylindrical battery cell, wherein the side heat sink has a parallel flow path type and includes at least one flow path.
상기 측면 히트 싱크는 상기 하부 히트 싱크와 연결되어 위치할 수 있다.The side heat sink may be positioned to be connected to the lower heat sink.
상기 측면 히트 싱크의 일부는 상기 하부 히트 싱크와 연결된 매니폴드 구조일 수 있다.A part of the side heat sink may have a manifold structure connected to the lower heat sink.
상기 매니폴드 구조는, 상기 측면 히트 싱크의 양단부가 상기 하부 히트 싱크로부터 수직으로 연장될 수 있다.In the manifold structure, both ends of the side heat sink may extend vertically from the lower heat sink.
상기 매니폴드 구조는, 상기 측면 히트 싱크의 양단부로부터 적어도 하나 이상의 유로로 분기되는 구조일 수 있다.The manifold structure may have a structure branching from both ends of the side heat sink to at least one flow path.
상기 측면 히트 싱크를 구성하는 유로들의 높이는 불균일할 수 있다.The heights of channels constituting the side heat sink may be non-uniform.
상기 유로들의 높이는, 상기 하부 히트 싱크로부터 멀어질수록 길어질 수 있다.Heights of the flow channels may increase as the distance from the lower heat sink increases.
상기 측면 히트 싱크는, 상기 원통형 전지셀 적층체의 사이에 위치할 수 있다.The side heat sink may be positioned between the cylindrical battery cell stacks.
상기 측면 히트 싱크는, 상기 원통형 전지셀 적층체의 길이 방향을 따라 상기 원통형 전지셀의 측면과 맞닿으며 위치할 수 있다.The side heat sink may be located in contact with the side surface of the cylindrical battery cell along the longitudinal direction of the cylindrical battery cell stack.
상기 측면 히트 싱크는, 상기 원통형 전지셀 적층체에 대해 두 줄 간격으로 위치할 수 있다.The side heat sinks may be positioned at intervals of two rows with respect to the cylindrical battery cell stack.
상기 측면 히트 싱크의 폭은, 상기 원통형 전지셀의 지름보다 작을 수 있다.A width of the side heat sink may be smaller than a diameter of the cylindrical battery cell.
상기 측면 히트 싱크의 폭은, 상기 원통형 전지셀의 반지름보다 작을 수 있다.A width of the side heat sink may be smaller than a radius of the cylindrical battery cell.
상기 측면 히트 싱크의 폭은, 2mm 이하일 수 있다.A width of the side heat sink may be 2 mm or less.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈은 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임의 사이에 위치하고, 상기 원통형 전지셀 적층체의 측면을 감싸는 측면 프레임을 더 포함한다.Cylindrical battery module according to another embodiment of the present invention is located between the upper frame and the lower frame, and further includes a side frame surrounding the side surface of the cylindrical battery cell stack.
상기 측면 프레임은, 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임의 가장자리와 접하면서 위치할 수 있다.The side frame may be positioned while contacting edges of the upper frame and the lower frame.
상기 측면 프레임의 내부에 난연 부재가 위치할 수 있다.A flame retardant member may be positioned inside the side frame.
상기 난연 부재는, 상기 원통형 전지셀 적층체와 상기 측면 히트 싱크를 제외한 상기 측면 프레임의 내부 공간에 위치할 수 있다.The flame retardant member may be located in an inner space of the side frame except for the cylindrical battery cell stack and the side heat sink.
상기 난연 부재는, 난연 실리콘일 수 있다.The flame retardant member may be flame retardant silicon.
상기 측면 프레임은, 상기 측면 히트 싱크의 양 단부의 위치와 대응되는 영역이 패여 있는 형태일 수 있다.The side frame may have a shape in which regions corresponding to positions of both ends of the side heat sink are depressed.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지 팩은 상기에서 설명한 원통형 전지 모듈을 포함한다.A cylindrical battery pack according to another embodiment of the present invention includes the above-described cylindrical battery module.
실시예들에 따르면, 하부 히트 싱크 및 측면 히트 싱크를 통해 하이브리드 냉각 시스템을 구성하여, 원통형 전지 모듈 및 원통형 전지 팩의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.According to embodiments, cooling performance of the cylindrical battery module and the cylindrical battery pack may be improved by constructing a hybrid cooling system through a lower heat sink and a side heat sink.
또한, 측면 히트 싱크 및 난연 부재로 원통형 전지셀 간 열 전파를 억제하여 안전성을 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to improve safety by suppressing heat propagation between cylindrical battery cells with a side heat sink and a flame retardant member.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 원통형 전지 모듈을 구성하는 원통형 전지셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 원통형 전지셀에 포함된 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈을 z축 방향에서 -z축 방향으로 바라본 상면도이다.
도 6은 도 5의 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 원통형 전지 모듈을 z축 방향에서 -z축 방향으로 바라본 상면도이다.
도 9는 도 8의 A-A’를 따라 자른 단면도이다.1 is a perspective view of a cylindrical battery module according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view of a cylindrical battery module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a cylindrical battery cell constituting the cylindrical battery module of FIG. 2 .
FIG. 4 is an exploded perspective view showing an electrode assembly included in the cylindrical battery cell of FIG. 3 before being wound.
5 is a top view of the cylindrical battery module according to an embodiment of the present invention viewed from the z-axis direction to the -z-axis direction.
6 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 5;
7 is an exploded perspective view of a cylindrical battery module according to another embodiment of the present invention.
8 is a top view of the cylindrical battery module of FIG. 7 viewed from the z-axis direction to the -z-axis direction.
9 is a cross-sectional view taken along A-A' of FIG. 8;
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to the shown bar. In the drawings, the thickness is shown enlarged to clearly express the various layers and regions. And in the drawings, for convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" or "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where another part is in the middle. . Conversely, when a part is said to be "directly on" another part, it means that there is no other part in between. In addition, to be "on" or "on" a reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily be located "above" or "on" in the opposite direction of gravity does not mean no.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.In addition, throughout the specification, when it is referred to as "planar image", it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as "cross-sectional image", it means when a cross section of the target part cut vertically is viewed from the side.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈의 분해 사시도이다.1 is a perspective view of a cylindrical battery module according to an embodiment of the present invention. 2 is an exploded perspective view of a cylindrical battery module according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈(100)은 복수 개의 원통형 전지셀(110)이 적층된 원통형 전지셀 적층체(120), 원통형 전지셀 적층체(120)가 수납되는 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)을 포함하고, 원통형 전지셀 적층체(120)는 히트 싱크(500)와 접하면서 위치한다. 1 and 2, the
원통형 전지셀(110)은 길쭉한 막대 모양으로 형성되어 있고, 본 실시예에서는 원통 모양의 전지셀(110)을 예시한다. 복수 개의 원통형 전지셀(110)인 원통형 전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임에 수납될 수 있다. The
원통형 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임은 상부 프레임(300) 및 하부 프레임(200)을 포함할 수 있다. 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)은 원통형 전지셀 적층체(120)를 수납한 상태에서 서로 결합되는 구조일 수 있다. 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)은 원통형 전지셀 적층체(200)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)은 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다. A module frame accommodating the cylindrical
본 발명의 일 실시예에 따른 상부 프레임(300)은 원통형 전지셀 적층체(120)의 상면(z축 방향)을 감싸면서 일부 개방되어 있는 형태일 수 있다. 구체적으로, 상부 프레임(500)은 원통형 전지셀(110) 각각의 형상과 대응되도록 개방되어 있는 구조일 수 있다. 이 경우, 상부 프레임(300)은 중앙이 뚫린 다수의 원이 서로 연결된 구조일 수 있다. 이 경우, 상부 프레임(300)의 일부를 구성하는 원의 둘레는 원통형 전지셀(110)의 둘레와 대응될 수 있다. The
본 발명의 일 실시예에 따른 하부 프레임(200)은 원통형 전지셀 적층체(120)의 하면(-z축 방향)을 감싸면서 일부 개방되어 있는 형태일 수 있다. 구체적으로, 하부 프레임(200)은 원통형 전지셀(110) 각각의 형상과 대응되도록 개방되어 있는 구조일 수 있다. 이 경우, 하부 프레임(200)은 중앙이 뚫린 다수의 원이 서로 연결된 구조일 수 있다. 이 경우, 하부 프레임(200)의 일부를 구성하는 원의 둘레는 원통형 전지셀(110)의 둘레와 대응될 수 있다. The
상부 프레임(300) 및 하부 프레임(200)에 수납된 원통형 전지셀 적층체(120)는 히트 싱크(500)와 맞닿으며 위치할 수 있다. 히트 싱크(500)는 원통형 전지셀 적층체(120)에서 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다. The cylindrical
구체적으로, 원통형 전지 모듈(100)은 원통형 전지 팩의 팩 하우징에 위치하는 히트 싱크(500)상에 장착된다. 히트 싱크(500)는 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있고, 냉매가 이동할 수 있는 유로를 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 아니하고, 원통형 전지 모듈(100)에서 발생되는 열을 충분히 냉각시킬 수 있는 냉각 성능을 가진 물질을 포함하는 형태라면 적용 가능하다. 냉매는 상변화 유체일 수 있고 단상 유체일 수도 있다. 예를 들면, 냉매는 물이나 물과 에틸렌 글리콜 혼합물 등일 수 있다. Specifically, the
히트 싱크(500)는 원통형 전지셀 적층체(120)의 하면(-z축 방향)과 맞닿으며 위치하는 하부 히트 싱크(510), 및 원통형 전지셀 적층체(120)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 원통형 전지셀(110)의 측면과 맞닿으며 위치하는 측면 히트 싱크(550)를 포함한다. 즉, 하부 히트 싱크(510)를 통한 바닥 냉각 방식과, 측면 히트 싱크(550)를 통한 측면 냉각 방식을 조합하여 하이브리드 냉각 시스템을 구성할 수 있다. The
하부 히트 싱크(510)는 원통형 전지 모듈(100)의 하면과 상이한 크기를 가지되, 원통형 전지 모듈(100)의 하면보다 큰 크기를 가질 수 있다. 따라서 하나의 하부 히트 싱크(510)에는 복수 개의 원통형 전지 모듈(100)이 위치할 수 있다. 또는, 하부 히트 싱크(510)는 원통형 전지 모듈(100)의 하면과 동일한 크기를 가질 수도 있다. 원통형 전지 모듈(100)의 에너지 밀도 및 차압 개선을 위해, 주 히트 싱크(500)는 하부 히트 싱크(510)일 수 있다. The
측면 히트 싱크(550)는 하부 히트 싱크(510) 상에 위치할 수 있다. 측면 히트 싱크(550)는 하부 히트 싱크(510) 상에 위치하면서, 원통형 전지셀 적층체(120)의 사이에 위치할 수 있다. 측면 히트 싱크(550)는 원통형 전지셀 적층체(120)를 구성하는 원통형 전지셀(110)의 측면과 맞닿으면서 위치할 수 있다. 예를 들어, 원통형 전지셀(110)은 x축 방향으로 배열되고 y축 방향으로 적층되어 원통형 전지셀 적층체(120)를 형성하고, 측면 히트 싱크(550)는 원통형 전지셀 적층체(120)에 대해 두 줄 간격으로 위치할 수 있다. 다만, 측면 히트 싱크(550)가 원통형 전지셀 적층체(120)에 대해 줄 간격을 가지면서 위치하는 것은, 본 도면에 한정되는 것은 아니고 변경 가능하다. The
측면 히트 싱크(550)는 하부 히트 싱크(510)의 냉각 성능을 향상시키는데 기여하고, 원통형 전지셀 적층체(120) 내의 온도 편차 저감을 위해 기능한다. 측면 히트 싱크(550)에 대해서는 도 5 및 도 6에서 자세히 후술한다.The
도 3은 도 2의 원통형 전지 모듈을 구성하는 원통형 전지셀을 나타내는 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 원통형 전지셀에 포함된 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타내는 분해 사시도이다.FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a cylindrical battery cell constituting the cylindrical battery module of FIG. 2 . FIG. 4 is an exploded perspective view showing an electrode assembly included in the cylindrical battery cell of FIG. 3 before being wound.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지셀(110)은, 도 3 및 도 4를 참고하면, 전극 조립체(120), 전극 조립체(120)가 수납되고 상부가 개방된 원통형 케이스(170), 및 원통형 케이스(170)의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체(180)를 포함한다.Referring to FIGS. 3 and 4, the
우선, 본 실시예에 따른 전극 조립체(120)는, 제1 전극(130), 제2 전극(140) 및 분리막(150)을 포함할 수 있다. 제1 전극(130), 제2 전극(140) 및 분리막(150)이 함께 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(120)가 형성될 수 있다. 분리막(150)은 제1 전극(130)과 제2 전극(140) 사이에 개재될 수 있다. 아울러, 젤리롤 형태로 권취되었을 때, 제1 전극(130)과 제2 전극(140)이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 제2 전극(140) 아래에 분리막(160)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.First, the
제1 전극(130)은, 제1 전극 집전체(131) 및 제1 전극 집전체(131) 상에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 활물질층(132)를 포함한다. 구체적으로, 제1 전극 집전체(131) 상에 전극 활물질이 도포되어 제1 활물질층(132)이 형성되고, 제1 전극 집전체(131) 중 전극 활물질이 도포되지 않아 제1 전극 집전체(131)가 노출되는 부분에 제1 전극탭(133)이 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다.The
제2 전극(140)은 제2 전극 집전체(141) 및 제2 전극 집전체(141) 상에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 활물질층(142)을 포함한다. 구체적으로, 제2 전극 집전체(141) 상에 전극 활물질이 도포되어 제2 활물질층(142)이 형성되고, 제2 전극 집전체(141) 중 전극 활물질이 도포되지 않아 제2 전극 집전체(141)가 노출되는 부분에 제2 전극탭(143)이 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다.The
이 때, 제1 전극(130)은 양극일 수 있고, 제2 전극(140)은 음극일 수 있다. 이에 따라, 제1 전극탭(133)은 양극탭일 수 있고, 제2 전극탭(143)은 음극탭일 수 있다. 한편, 권취된 전극 조립체(120)에 대해서, 제1 전극탭(133)과 제2 전극탭(143)은 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극탭(133)은 캡 조립체(180)가 위치한 방향으로 돌출될 수 있고, 제2 전극탭(143)은 원통형 케이스(170)의 바닥부를 향해 돌출될 수 있다.In this case, the
한편, 원통형 케이스(170)는 전해액이 함침된 전극 조립체(120)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있다. Meanwhile, the
본 실시예에 따른 캡 조립체(180)는 상단 캡(181), 안전 벤트(182) 및 전류 차단 부재(183, Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다. 상단 캡(181)과 안전 벤트(182)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있다. 안전 벤트(182)는 전류 차단 부재(183) 상에 위치하며, 전류 차단 부재(183)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(182)의 중심부와 전류 차단 부재(183)의 중심부가 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. 전류 차단 부재(183)의 하단부에는 제1 전극(130)으로부터 돌출된 제1 전극탭(133)이 연결될 수 있다.The
안전 벤트(182)는 전류가 통하는 박막 구조물로써, 그 중심부가 하부 방향, 즉, 전류 차단 부재(183)가 위치한 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 전류 차단 부재(183)는 전류가 통하는 판재 부재로써, 가스의 배출을 위한 다수의 관통구들이 형성될 수 있다. The
상단 캡(181), 안전 벤트(182), 전류 차단 부재(183) 및 제1 전극탭(133)들이 차례로 연결되어, 상단 캡(181)이 전극 조립체(120)의 전기적 연결을 안내하는 전극 단자로써 기능할 수 있다.The
밀봉용 가스켓(185)은 캡 조립체(180)와 원통형 케이스(170) 간의 밀봉력을 증대시킬 수 있다. 즉, 원통형 케이스(170)와 캡 조립체(180) 사이에 가스켓(185)을 위치시켜, 이차전지(110)를 밀봉할 수 있다. 가스켓(185)을 배치하여, 내부 전해액의 누액을 방지한다.The sealing
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈을 z축 방향에서 -z축 방향으로 바라본 상면도이다. 도 6은 도 5의 A-A’를 따라 자른 단면도이다.5 is a top view of the cylindrical battery module according to an embodiment of the present invention viewed from the z-axis direction to the -z-axis direction. 6 is a cross-sectional view taken along A-A′ of FIG. 5;
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈(100)은, 하부 히트 싱크(510) 상에 원통형 전지셀 적층체(120)가 위치하고, 원통형 전지셀 적층체(120)의 사이에 측면 히트 싱크(550)가 위치한다. 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)의 도시는 생략하였다. 5 and 6, in the
측면 히트 싱크(550)는 하부 히트 싱크(510)와 연결되어 위치할 수 있다. 측면 히트 싱크(550)의 일부는 하부 히트 싱크(510)와 연결된 매니폴드 구조일 수 있다. 여기서 매니폴드 구조는, 측면 히트 싱크(550)의 양단부가 하부 히트 싱크(510)로부터 수직으로 연장되고, 양단부로부터 적어도 하나 이상의 유로로 분기되는 구조일 수 있다. 즉, 측면 히트 싱크(550)는 병렬 유로 형태일 수 있다.The
측면 히트 싱크(550)는 구분되는 적어도 하나 이상의 유로를 포함할 수 있다. 이 경우, 측면 히트 싱크(550)를 구성하는 유로들의 높이(z축 방향)는 각각 상이할 수 있다. 측면 히트 싱크(550)를 구성하는 유로들의 높이는 불균일할 수 있다. 측면 히트 싱크(550)를 구성하는 유로들의 높이는 하부 히트 싱크(510)로부터 멀어질수록 길어질 수 있다. 즉, 원통형 전지셀(110)의 상단부로 갈수록 측면 히트 싱크(550)를 구성하는 유로의 높이를 넓게 형성하여, 상대적으로 더 많은 양의 냉매가 흐르게 할 수 있다. 이로 인해, 하부 히트 싱크(510)와 이격되어 위치하는 원통형 전지셀(110)의 상단부와 하부 히트 싱크(510)와 인접하게 위치하는 원통형 전지셀(110)의 하단부 사이의 거리 차이에 따른 원통형 전지셀(110)의 길이(z축 방향)에 따른 온도 편차를 감소시켜 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.The
측면 히트 싱크(550)의 폭(y축 방향)은, 종래의 전지 모듈에 통상적으로 적용되는 측면 히트 싱크의 폭보다 작을 수 있다. 측면 히트 싱크(550)의 폭은, 종래의 측면 히트 싱크의 폭의 절반 이하일 수 있다. 측면 히트 싱크(550)의 폭은, 원통형 전지셀(110)의 지름보다 작을 수 있다. 측면 히트 싱크(550)의 폭은, 원통형 전지셀(110)의 반지름보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 측면 히트 싱크(550)의 폭은 2mm 이하일 수 있다. 따라서, 측면 히트 싱크(550)의 폭이 종래에 비해 좁아짐에 의해 원통형 전지셀(110) 간의 간격이 최소로 될 수 있어, 원통형 전지 모듈(100)의 에너지 밀도가 증가할 수 있다. The width (y-axis direction) of the
또한, 측면 히트 싱크(550)와 접촉하는 원통형 전지셀(110)은, 측면 히트 싱크(550)가 물리적으로 인접한 원통형 전지셀(110)을 구분하고 있고, 측면 히트 싱크(550) 내부에 흐르는 냉매의 영향으로 인해, 원통형 전지셀(110) 간의 열 전파가 억제될 수 있다. 따라서, 원통형 전지 모듈(100)의 안정성이 개선될 수 있다. In addition, the
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 8은 도 7의 원통형 전지 모듈을 z축 방향에서 -z축 방향으로 바라본 상면도이다. 도 9는 도 8의 A-A’를 따라 자른 단면도이다.7 is an exploded perspective view of a cylindrical battery module according to another embodiment of the present invention. 8 is a top view of the cylindrical battery module of FIG. 7 viewed from the z-axis direction to the -z-axis direction. 9 is a cross-sectional view taken along A-A′ of FIG. 8 .
도 7 내지 도 9에서 설명하는 원통형 전지 모은 도 1 내지 도 6에 개시된 본 발명의 일 실시예에 대한 변형예로, 상기에서 설명한 구성과 동일한 구성에 대해 자세한 설명은 생략하도록 한다. The cylindrical batteries described in FIGS. 7 to 9 are modified examples of one embodiment of the present invention disclosed in FIGS. 1 to 6 , and detailed descriptions of the same components as those described above will be omitted.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈은 측면 프레임(400)을 더 포함한다. 즉, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지 모듈은 복수 개의 원통형 전지셀(110)이 적층된 원통형 전지셀 적층체(120), 원통형 전지셀 적층체(120)가 수납되는 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200), 및 원통형 전지셀 적층체(120)의 측면을 감싸는 측면 프레임(400)을 포함하고, 원통형 전지셀 적층체(120)는 히트 싱크(500)와 접하면서 위치한다. 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)의 도시는 생략하였다.7 to 9, the cylindrical battery module according to another embodiment of the present invention further includes a
측면 프레임(400)은 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)의 사이에 위치할 수 있다. 측면 프레임(400)은 상부 프레임(300)과 하부 프레임(200)의 가장자리와 접하면서 위치할 수 있다. 측면 프레임(400)의 상부 가장자리(z축 방향)는 상부 프레임(300)의 가장자리와 접하면서 결합될 수 있고, 측면 프레임(400)의 하부 가장자리(-z축 방향)는 하부 프레임(200)의 가장자리와 접하면서 결합될 수 있다. 다만, 도면에는 도시되지 않았지만 측면 프레임(400)은 측면 히트 싱크(550)의 양 단부의 위치와 대응되는 영역이 패여 있는 형태일 수도 있다. The
측면 프레임(400)은 원통형 전지셀 적층체(120)의 측면을 감싸면서 위치할 수 있다. 원통형 전지셀 적층체(120)가 수납된 측면 프레임(400)의 내부 공간에는 측면 히트 싱크(550)가 구비될 수 있고, 이외의 공간에는 레진 등과 같은 수지로 이루어진 난연 부재(600)가 위치할 수 있다. 난연 부재(600)는 난연성 소재일 수 있다. 예를 들어, 난연 부재(600)은 난연 실리콘일 수 있다. The
난연 부재(600)은 측면 프레임(400) 내부에 주입되어 위치할 수 있다. 난연 부재(600)은 측면 프레임(400)의 내부에 주입되어, 원통형 전지셀 적층체(120)와 측면 히트 싱크(550)가 위치하지 않는 측면 프레임(400)의 내부 공간에 위치할 수 있다. 따라서, 난연 부재(600)은 원통형 전지셀(110)과 인접한 원통형 전지셀(110)의 사이 영역에 위치할 수 있다. 따라서, 하나의 원통형 전지셀(110)에서 발화가 되더라도, 인접한 원통형 전지셀(110) 사이에 위치하는 난연 부재(600)으로 인해 인접한 원통형 전지셀(110)로 열이 전파되는 것을 방지할 수 있어, 안정성이 향상될 수 있다.The
앞에서 설명한 원통형 전지 모듈 및 이를 포함하는 원통형 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.The cylindrical battery module described above and the cylindrical battery pack including the same can be applied to various devices. Such a device may be applied to means of transportation such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto and is applicable to various devices capable of using a battery module and a battery pack including the battery module, which is also applicable to the present invention. It belongs to the scope of the rights of the invention.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also made according to the present invention. falls within the scope of the rights of
100: 원통형 전지 모듈
110: 원통형 전지셀
120: 원통형 전지셀 적층체
300: 상부 프레임
200: 하부 프레임
500: 히트 싱크
510: 하부 히트 싱크
550: 측면 히트 싱크
600: 난연 부재100: cylindrical battery module
110: cylindrical battery cell
120: cylindrical battery cell stack
300: upper frame
200: lower frame
500: heat sink
510: lower heat sink
550: side heat sink
600: flame retardant member
Claims (20)
상기 원통형 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임;
상기 원통형 전지셀 적층체의 하면과 맞닿으며 위치하는 하부 히트 싱크; 및
상기 원통형 전지셀의 측면과 맞닿으며 위치하는 측면 히트 싱크를 포함하고,
상기 측면 히트 싱크는 병렬 유로 형태로, 적어도 하나 이상의 유로를 포함하는 원통형 전지 모듈.A cylindrical battery cell stack in which a plurality of cylindrical battery cells are stacked;
a module frame accommodating the cylindrical battery cell stack;
a lower heat sink positioned in contact with a lower surface of the cylindrical battery cell stack; and
Including a side heat sink positioned in contact with the side surface of the cylindrical battery cell,
The side heat sink has a parallel flow path form and includes at least one or more cylindrical battery modules.
상기 측면 히트 싱크는 상기 하부 히트 싱크와 연결되어 위치하는 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
The side heat sink is a cylindrical battery module connected to the lower heat sink.
상기 측면 히트 싱크의 일부는 상기 하부 히트 싱크와 연결된 매니폴드 구조인 원통형 전지 모듈.In paragraph 2,
A portion of the side heat sink has a manifold structure connected to the lower heat sink.
상기 매니폴드 구조는, 상기 측면 히트 싱크의 양단부가 상기 하부 히트 싱크로부터 수직으로 연장되는 원통형 전지 모듈.In paragraph 3,
The manifold structure is a cylindrical battery module in which both ends of the side heat sink extend vertically from the lower heat sink.
상기 매니폴드 구조는, 상기 측면 히트 싱크의 양단부로부터 적어도 하나 이상의 유로로 분기되는 구조인 원통형 전지 모듈.In paragraph 3,
The manifold structure is a cylindrical battery module having a structure branching from both ends of the side heat sink to at least one flow path.
상기 측면 히트 싱크를 구성하는 유로들의 높이는 불균일한 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
A cylindrical battery module having non-uniform heights of channels constituting the side heat sink.
상기 유로들의 높이는, 상기 하부 히트 싱크로부터 멀어질수록 길어지는 원통형 전지 모듈.In paragraph 6,
A cylindrical battery module in which the heights of the passages increase as the distance from the lower heat sink increases.
상기 측면 히트 싱크는, 상기 원통형 전지셀 적층체의 사이에 위치하는 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
The side heat sink is a cylindrical battery module located between the cylindrical battery cell stack.
상기 측면 히트 싱크는, 상기 원통형 전지셀 적층체의 길이 방향을 따라 상기 원통형 전지셀의 측면과 맞닿으며 위치하는 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
The side heat sink is a cylindrical battery module located in contact with the side surface of the cylindrical battery cell along the longitudinal direction of the cylindrical battery cell stack.
상기 측면 히트 싱크는, 상기 원통형 전지셀 적층체에 대해 두 줄 간격으로 위치하는 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
The side heat sink is a cylindrical battery module located at intervals of two rows with respect to the cylindrical battery cell stack.
상기 측면 히트 싱크의 폭은, 상기 원통형 전지셀의 지름보다 작은 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
A cylindrical battery module in which the width of the side heat sink is smaller than the diameter of the cylindrical battery cell.
상기 측면 히트 싱크의 폭은, 상기 원통형 전지셀의 반지름보다 작은 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
The width of the side heat sink is smaller than the radius of the cylindrical battery cell module.
상기 측면 히트 싱크의 폭은, 2mm 이하인 원통형 전지 모듈.In paragraph 11,
A cylindrical battery module having a width of the side heat sink of 2 mm or less.
상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임의 사이에 위치하고, 상기 원통형 전지셀 적층체의 측면을 감싸는 측면 프레임을 더 포함하는 원통형 전지 모듈.In paragraph 1,
Cylindrical battery module further comprising a side frame positioned between the upper frame and the lower frame and surrounding a side surface of the cylindrical battery cell stack.
상기 측면 프레임은, 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임의 가장자리와 접하면서 위치하는 원통형 전지 모듈.In paragraph 14,
The side frame is a cylindrical battery module positioned while contacting the edges of the upper frame and the lower frame.
상기 측면 프레임의 내부에 난연 부재가 위치하는 원통형 전지 모듈.In paragraph 14,
A cylindrical battery module in which a flame retardant member is located inside the side frame.
상기 난연 부재는, 상기 원통형 전지셀 적층체와 상기 측면 히트 싱크를 제외한 상기 측면 프레임의 내부 공간에 위치하는 원통형 전지 모듈.In clause 16,
The flame retardant member is a cylindrical battery module located in the inner space of the side frame except for the cylindrical battery cell stack and the side heat sink.
상기 난연 부재는, 난연 실리콘인 원통형 전지 모듈.In clause 16,
The flame retardant member is a cylindrical battery module of flame retardant silicon.
상기 측면 프레임은, 상기 측면 히트 싱크의 양 단부의 위치와 대응되는 영역이 패여 있는 형태인 원통형 전지 모듈.In paragraph 14,
The side frame is a cylindrical battery module having a shape in which an area corresponding to the position of both ends of the side heat sink is depressed.
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