KR100866768B1 - 높은 열전도성의 전지팩 케이스 - Google Patents

높은 열전도성의 전지팩 케이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 열전도성을 가진 전지팩 케이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 둘 이상의 단위전지들이 팩 케이스에 내장되어 있는 구성의 중형 디바이스용 전지팩으로서, 상기 디바이스에 접하지 않는 팩 케이스 부위가 상대적으로 높은 열전도성 소재로 되어 있고, 바람직하게는 케이스의 내면 또는 외면에 소정의 열발산 보조부재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 케이스를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 높은 열전도성의 전지팩 케이스는 충방전시 단위전지로부터 발생하는 열을 높은 열전도성의 하부 케이스를 통해 발산함으로써 별도의 장치없이 열 축적에 의한 단위전지의 열화를 억제하고, 상부 케이스를 통한 열전달을 억제하여 디바이스의 작동소자가 고장 내지 열화되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Description

높은 열전도성의 전지팩 케이스 {Battery Pack Case of High Heat Conductivity}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 케이스에서 하부 케이스만을 분리하여 그것의 내면을 부분적으로 도시한 사시도이고, 도 2에는 그것에 원통형 전지가 장착된 상태의 모식도이다;
도 3은 도 1의 하부 케이스의 외면 사시도이다;
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따른 결과를 보여주는 그래프이다;
도 5는 본 발명의 실험예 2에 따른 결과를 보여주는 그래프이다;
도 6 내지 9는 본 발명의 실험예 3에 따른 결과를 보여주는 그래프들이다.
본 발명은 높은 열전도성의 전지팩 케이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 둘 이상의 단위전지들이 팩 케이스에 내장되어 있는 구성의 중형 디바이스용 전지팩으로서, 상기 디바이스에 접하지 않는 팩 케이스 부위가 상대적으로 높은 열전도성 소재로 되어 있고, 바람직하게는 케이스의 내면 또는 외면에 소정의 열발산 보 조부재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 케이스를 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 발전은 데스크 탑 컴퓨터에 필적하는 성능을 발휘할 수 있는 노트북 컴퓨터를 제공하기 이르렀고, 최근에는 노트북 컴퓨터에 대한 수요가 매우 높은 실정이다.
노트북 컴퓨터는 기존의 데스크탑 PC에 비해 휴대하기가 편리한 것이 최대 장점이라 할 수 있으며, 이러한 휴대를 가능케 하는데 가장 큰 역할을 하는 것 중의 하나는 노트북 컴퓨터의 에너지원인 전지팩이라 할 수 있다.
일반적으로 전지팩은 기계적 강도가 우수하지만 열전도도이 낮은 폴리카보네이트 소재로 케이스가 구성되어 있다. 따라서, 전지팩을 디바이스에 장착한 상태에서 충방전을 행할 때, 전지팩에 내장되어 있는 단위전지에서 발생되는 열은 케이스를 통해 외부로 배출되지 못하고 전지팩 내부에 그대로 축적되어 단위전지의 열화를 초래할 뿐만 아니라, 디바이스에 전달되어 디바이스의 성능을 저하시키기는 경향이 있다.
한편, 전지팩에서는 온도 상승시 안전성 문제를 해결하기 위한 방안으로서 충방전 FET가 차단되거나 휴즈가 절단되도록 하는 방법 등이 사용되고 있다. 즉, 노트북 컴퓨터용 전지팩에는 써미스터(thermistor)라는 온도 센싱(sensing) 소자가 설치되어 있어서, 온도가 설정값 이상으로 올라갈 경우 충전/방전 FET를 차단되고, 극단적인 온도 상승시에는 휴즈가 절단되도록 함으로써 이상 온도상승에 따른 전지셀의 발화 및 폭발의 위험을 방지하고 있다. 특히, 휴즈가 절단되는 경우는 전지팩을 영구적으로 사용할 수 없게 되는 것을 의미하므로, 사용자는 새로운 전지팩을 구입해야 하는 손실을 감수해야 한다. 더욱이, 상기 안전장치들은 그 자체로서 배터리에 축적된 열을 제거하는 수단을 제공하지는 못하므로, 사용자는 여전히 배터리의 발화 및 폭발의 위험성에 노출될 수 밖에 없다.
따라서, 노트북 컴퓨터용 전지팩에 효과적으로 적용할 수 있는 냉각기술의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 둘 이상의 단위전지들이 내장되는 중형 디바이스용 전지팩 케이스에서, 디바이스에 접하지 않는 하부 케이스를 상대적으로 높은 열전도성 소재로 구성하고 바람직하게는 케이스의 내면 또는 외면에 소정의 열발산 보조부재를 형성하는 경우, 충방전시 단위전지로부터 발생하는 열을 높은 전도율로 하부 케이스를 통해 발산함으로써 별도의 장치없이 열 축적에 의한 단위전지의 열화를 억제하고, 상부 케이스를 통한 열전달을 억제하여 디바이스의 작동소자가 고장 내지 열화되는 것을 방지하는 잇점을 확인하였고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩 케이스는 둘 이상의 단위전지들이 팩 케이스 에 내장되어 있는 구성의 중형 디바이스용 전지팩으로서, 상기 디바이스에 접하지 않는 팩 케이스 부위가 상대적으로 높은 열전도성 소재로 되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩 내부에서 단위전지의 충방전 등에 의해 발생되는 열이 디바이스로 전달되지 않고 열전도성이 높은 케이스의 해당 부위를 통해 외부로 배출되므로, 별도의 장치없이 효과적으로 전지팩의 열화를 억제하고 궁극적으로 안전성을 확보할 수 있다.
하나의 바람직한 실시예에서, 본 발명의 전지팩 케이스는 필요시에 분리될 수 있는 상부 케이스와 하부 케이스로 구성되어 있으며, 상기 전지팩이 디바이스에 장착될 때, 상기 케이스들 중 하나는 상기 디바이스에 접하고 나머지 하나는 상기 디바이스 외면의 일부로서 외부로 노출되어 있다.
상기 예에서, 상기 디바이스에 접하는 케이스는 상부 케이스이고 외부로 노출되는 케이스를 하부 케이스라 할 때, 상기 하부 케이스는 상기 상부 케이스에 비해 높은 열전도성 소재로 이루어져 있다.
바람직하게는, 상기 상부 케이스는 1 W/m·k 이하의 열전도율을 가지는 소재로 되어 있으며, 상기 하부 케이스는 25 W/m·k 이상의 열전도율을 가지는 소재로 되어 있다.
상기와 같은 열전도율을 가지는 소재의 구체적인 예로서, 상부 케이스는 폴리카보네이트를 기반으로 한 소재로 이루어져 있고, 하부 케이스는 높은 열전도성 세라믹 고체를 포함하고 있는 열방성 액정고분자 복합체로 이루어진 경우를 들 수 있다. 상기 폴리카보네이트를 기반으로 한 소재의 구체적인 예로는 폴리카보네이트와 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)의 블랜딩 소재를 들 수 있다.
상기 열방성 액정고분자 복합체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허등록 제450229호에 개시되어 있으며, 이는 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다. 그 중에서도, 에스테르계 열방성 액정고분자와 필러로서 실리콘카바이드 고체를 포함하고 있는 열방성 액정고분자 복합체가 특히 바람직하다. 상기 복합체에서 두 성분의 바람직한 함량비는 중량비로 3 : 7이다. 특히 바람직하게는, 상기 복합체에 유리섬유 또는 카본섬유의 충전재를 전체 중량을 기준으로 5 내지 15 중량%로 첨가할 수 있다. 상기 함량으로 첨가된 유리섬유 또는 카본섬유의 충전재는 복합물의 기계적 강도를 더욱 높일 뿐만 아니라 우수한 열전도율을 제공한다.
이러한 하부 케이스의 구조는 다양할 수 있으며, 단위전지들의 방열을 더욱 높이기 위한 바람직한 구조로서, 상기 하부 케이스의 내면 중 단위전지와 접하는 부위에 열발산 보조부재로서 미세 돌기가 형성되어 있는 구조와, 상기 하부 케이스의 외면에 열발산 보조부재로서 미세 요철이 형성되어 있는 구조를 들 수 있다.
상기 첫 번째 구조와 관련하여, 상부 케이스의 내면에는 원통형 전지들이 장착되기 위한 수납부가 형성되어 있고, 수납부에 사이에는 낮은 높이의 격벽이 형성되어 있으며, 격벽의 양면에는 수납부에 위치하는 원통형 전지의 외면 일부를 감싸도록 하향 테이퍼된(경사진) 다수의 미세 돌기들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 첫 번째 구조와 관련하여, 하부 케이스의 외면에는, 그것의 상단 내면에 장착되어 있는 전지열의 길이방향으로 다수의 막대형 요철들과, 외면 전반에 걸 쳐 반구형 요철들로 이루어진 미세 요철들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에서 상기 디바이스는 중형 디바이스로, 이동이 잦아 별도의 냉각 장치의 장착이 용이하지 않는 노트북 컴퓨터가 바람직하고, 사용되는 단위전지로는 원통형 전지가 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩 케이스를 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 케이스에서 하부 케이스만을 분리하여 그것의 내면을 도시한 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 그것에 원통형 전지가 장착된 상태의 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩 케이스 중 하부 케이스(100)에는 단위전지로서 원통형 전지들(200)이 장착되는 2 개 열의 수납부(110)가 형성되어 있다. 각각의 수납부(110, 112)에는 3 개의 원통형 전지들이 직렬로 연결되어 배열되므로, 전체적으로 3 × 2 구조(직렬 병렬 연결 구조)로 원통형 전지(200)들이 장착된다.
각각의 수납부(110, 112)에는 원통형 전지들(200)이 한쪽 방향으로 쏠림으로써 초래될 수 있는 전기적 연결부위의 단전 등을 방지할 수 있도록, 3 개의 원통형 전지들(200) 중 1 개를 고립시키는 낮은 높이의 고정턱(120)이 형성되어 있다. 원통형 전지들(200)의 전기적 연결은 다양한 방식으로 달성될 수 있으며, 바람직하게는 니켈 플레이트를 해당 전극단자에 용접하는 구조로 이루어져 있다.
수납부(110, 112)에 사이에는 낮은 높이의 격벽(120)이 형성되어 있고, 격벽(130)의 양면에는 미세돌기들(140)이 형성되어 있다. 이들 미세돌기들(140)은 수납부(110, 112)에 위치하는 원통형 전지(200)의 외면 일부를 감싸도록 하향 테이퍼 구조(경사 구조)의 형태를 이루고 있다.
이러한 형태의 미세돌기들(101)은 단위전지들(200)이 각각의 수납부(110, 112)에 안착되는 것을 돕고, 소정의 이격 거리를 유지시켜 충방전시 단위전지들(200)로부터 발생한 열의 국부적인 열 축적을 방지하며, 상기 열이 하부 케이스(100)로 빠르게 절단되는 것을 돕는다.
도 3에는 하부 케이스의 외면 사시도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 하부 케이스(100)의 외면은 전지팩이 장착된 디바이스(도시하지 않음)를 하면 일부를 형성하는 부위로서, 디바이스를 바닥에 놓았을 때 바닥과 접하는 부위이다. 이러한 하부 케이스(100)의 외면에는 다수의 미세 요철들(140)이 형성되어 있는 바, 이러한 미세 요철들(140)은 하부 케이스(100)의 표면 계면적을 넓혀 열의 빠른 발산을 높고, 하부 케이스(100)가 예를 들어 바닥(도시하지 않음)과 직접 접하는 것을 방지함으로써 발산된 열이 공기에 의해 용이하게 제거될 수 있는 유로로서도 작용한다.
이러한 미세 요철들(150)은, 하부 케이스(100) 상단 내면에 장착되어 있는 전지열의 길이방향으로 형성되어 있고 일정한 간격으로 상호 이격되어 있는 다수의 막대형 요철(150a)과, 하부 케이스(100)의 외면 전반에 걸쳐 형성되어 있는 반구형 요철(150b)로 이루어져 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
0.21 W/m·k 의 열전도율을 가진 PC/ABS를 사용하여 상부 케이스를 제조하였다. 상온에서 열전도율이 500 W/m·k인 실리콘카바이드 30 중량%와 에스테르계 열방성 액정고분자 30 중량%를 메인호퍼에 투입한 후, 실리콘 카바이드 40 중량%를 사이드피더로 투입하여 200 rpm에서 30 W/m·k의 열전도율을 가진 조성물을 제조한 뒤, 상기 조성물을 기준으로 10 중량%의 유리섬유(또는 카본섬유)를 첨가한 복합체를 사용하여 하부 케이스를 제조하였다. 상기 하부 케이스에 원통형 전지들을 장착하고 상기 상부 케이스를 하부 케이스에 조립하는 것으로 노트북 컴퓨터용 전지팩을 제조하였다.
[비교예 1]
0.21 W/m·k 의 열전도율을 가진 PC/ABS를 사용하여 하부 케이스를 제조하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지팩을 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1의 전지팩들을 25℃의 챔버 내에서 각각 자연 대류 및 강제 대류로 1C 방전 테스트를 실시하였고, 시간에 따른 전지팩 내부의 온도를 측정하여 도 4에 나타내었다. 도 4에서의 약어들은 하기와 같다.
- TPF: 비교예 1의 전지팩에 대한 강제 대류
- TNF: 실시예 1의 전지팩에 대한 강제 대류
- TPN: 비교예 1의 전지팩에 대한 자연 대류
- TNN: 실시예 1의 전지팩에 대한 자연 대류
도 4에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 전지팩과 비교예 1의 전지팩을 25℃ 챔버 내에서 방전 테스트를 실시한 결과, 두 전지팩은 자연 대류 하에서는 최대 4℃, 강제 대류 하에서는 최대 7℃까지 온도차가 나는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 2]
상기 실시예 1과 비교예 1의 전지팩들을 25℃의 챔버 내에서 종이 박스에 넣은 상태와 그렇지 않은 상태에서 강제 대류로 1C 방전 테스트를 실시하였고, 시간에 따른 전지팩 내부의 온도를 측정하여 도 5에 나타내었다. 도 5에서의 약어들은 하기와 같다.
- nobox_pre: 박스에 넣지 않은 상태에서의 비교예 1의 전지팩
- nobox_new: 박스에 넣지 않은 상태에서의 실시예 1의 전지팩
- box_pre: 박스에 넣은 상태에서의 비교예 1의 전지팩
- box_new: 박스에 넣은 상태에서의 실시예 1의 전지팩
도 5에서 보는 바와 같이, 전지팩을 종이 박스에 넣은 상태에서의 온도는 전반적으로 높지만, 그 경우에도 본 발명에 따른 실시예 1의 전지가 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다.
[실험예 3]
상기 실시예 1의 방법으로 전지팩을 추가로 제조하고 상기 비교예 1의 방법으로 전지팩을 추가로 제조하여, 상기 실험예 1을 각각 6 회씩 반복하여 그 결과를 도 6 내지 9에 각각 나타내었다.
도 6 및 도 7은 비교예 1 및 실시예 1에 따른 방법으로 각각 제조된 6 개의 전지팩을 자연 대류 하에서 실험한 결과를 나타낸 그래프이며, 도 8 및 도 9는 비교예 1 및 실시예 1에 따른 방법으로 각각 제조된 6 개의 전지팩을 강제 대류 하에서 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
이들 도면에서도 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 동일한 조건하에서 종래의 전지팩에 비해 전반적으로 낮은 온도를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 높은 열전도성의 전지팩 케이스는 충방전시 단위전지로부터 발생하는 열을 높은 열전도성의 하부 케이스를 통해 발산함으로써 별도의 장치없이 열 축적에 의한 단위전지의 열화를 억제하고, 상부 케이스를 통한 열전달을 억제하여 디바이스의 작동소자가 고장 내지 열화되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 둘 이상의 단위전지들이 팩 케이스에 내장되어 있는 구성의 중형 디바이스용 전지팩으로서, 상기 디바이스에 접하는 팩 케이스 부위는 1 W/m·k보다 작은 열전도율을 가진 소재로 되어 있고, 상기 디바이스에 접하지 않는 팩 케이스 부위는 25 W/m·k보다 큰 열전도율을 가진 열전도성 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스로 구성되어 있고, 상기 상부 케이스가 디바이스에 접하는 부분일 때, 하부 케이스는 25 W/m·k보다 큰 열전도율을 가진 열전도성 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전지는 원통형 전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 디바이스에 접하는 팩 케이스 부위는 폴리카보네이트를 기반으로 한 소재로 되어 있고, 상기 디바이스에 접하지 않는 팩 케이스 부위는 열전도성 세라믹 고체를 포함하고 있는 열방성 액정고분자 복합체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 열방성 액정고분자는 에스테르계 열방성 액정고분자이고, 상기 열전도성 세라믹 고체는 실리콘카바이드 고체인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 에스테르계 열방성 액정고분자와 실리콘카바이드 고체는 3 : 7의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 복합체에 충전재로서 유리섬유 또는 카본섬유를 5 내지 15 중량% 첨가하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 하부 케이스의 내면에는 단위전지와 접하는 부위에 미세 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 하부 케이스의 외면에는 미세 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 10 항에 있어서, 상부 케이스의 내면에는 원통형 전지들이 장착되기 위한 수납부가 형성되어 있고, 수납부에 사이에는 낮은 높이의 격벽이 형성되어 있으며, 격벽의 양면에는 수납부에 위치하는 원통형 전지의 외면 일부를 감싸도록 하향 테이퍼된(경사진) 다수의 미세 돌기들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 11 항에 있어서, 하부 케이스의 외면에는, 그것의 상단 내면에 장착되어 있는 전지열의 길이방향으로 다수의 막대형 요철들과, 외면 전반에 걸쳐 반구형 요철들로 이루어진 미세 요철들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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