KR100949334B1 - 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전지 모듈은 열전도 방식으로 단위 전지들을 냉각하는 것으로서, 복수의 단위 전지들, 상기 단위 전지들 사이에 끼워져 상기 단위 전지들과 밀착되는 히트 싱크, 및 상기 히트 싱크에 연결되는 증발기를 포함한다.
히트 싱크, 증발기, 절연재

Description

전지 모듈 {BATTERY MODULE}
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전도 방식으로 단위 전지들을 냉각하는 전지 모듈에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 이차 전지(rechargeable battery)는 일차 전지와 달리 충전 및 방전이 가능하다. 이차 전지는 저용량 및 대용량으로 구분될 수 있다.
예를 들면, 저용량의 이차 전지는 단위 전지로 이루어져, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대용 소형 전자기기에 주로 사용된다. 단위 전지는 여러 가지 형상으로 제조되며, 원통형 및 각형이 대표적이다.
대용량의 이차 전지는 단위 전지를 복수의 팩 형태로 연결함으로써 전지 모듈을 형성하여, 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용된다.
일례를 들면, 전지 모듈은 필요한 전력을 얻기 위하여 복수의 단위 전지들을 직렬로 연결하고, 안정성을 위하여 복수의 단위 전지들을 하나로 체결함으로써 이루어진다.
단위 전지는 양극과 세퍼레이터 및 음극을 포함하는 전극군, 전극군을 내장하는 케이스, 및 케이스에 결합되어 케이스를 밀폐하며 전극군과 전기적으로 연결 되는 전극 단자를 구비하는 캡 조립체를 포함한다.
전지 모듈에서, 단위 전지들은 하우징 내에 일정 간격을 유지하면서 배열되고, 각 전극 단자들은 서로 연결된다.
전지 모듈은 복수의 단위 전지들에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 필요성을 가진다. 전지 모듈에서 열 방출은 단위 전지의 성능 및 전지 모듈을 채용하는 기기(하이브리드 전기 자동차를 예로 들 수 있다)의 성능에 영향을 미친다.
전지 모듈의 냉각 장치에는 공기 또는 물을 냉각 매체로 적용하는 에어 쿨링 방식 또는 워터 쿨링 방식이 있다.
에어 쿨링 방식은 전지 모듈의 부피를 증대시키므로 팬을 적용하여 부피를 줄인다. 팬은 자체의 구동 소음 및 공기의 유동 소음을 발생시킨다.
워터 쿨링 방식은 냉각수를 사용하여 공기에 비하여 우수한 냉각 성능을 가지나, 펌프 구동에 따른 소음을 발생시키고, 누수 시 전지 모듈의 안전성을 해치며, 기기 내에 추가적인 온도 조절 장치를 필요로 한다.
따라서 워터 쿨링 방식과 같은 우수한 냉각 성능을 가지며, 아울러 누수의 우려가 없는 쿨링 방식이 요구된다.
본 발명은 열전도 방식으로 단위 전지들을 냉각하는 전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 단위 전지들, 상기 단위 전지들 사이에 끼워져 상기 단위 전지들과 밀착되는 히트 싱크, 및 상기 히트 싱크에 연결되는 증발기를 포함할 수 있다.
상기 히트 싱크는, 상기 단위 전지의 길이와 나란한 방향에 대하여, 일측에 형성되어, 상기 단위 전지 연결 길이의 1/2 이하 범위에 밀착되는 제1 히트 싱크, 및 상기 제1 히트 싱크의 반대 측에 형성되어, 상기 단위 전지 연결 길이의 나머지 1/2 이하 범위에 밀착되는 제2 히트 싱크를 포함할 수 있다.
상기 단위 전지는 원통형으로 형성되고, 상기 히트 싱크는 상기 단위 전지의 원주면에 밀착하도록 상기 단위 전지 원주의 1/4 이하의 크기로 형성되는 오목 홈을 포함할 수 있다. 상기 오목홈은 상기 히트 싱크에서 최외곽부에 의하여 형성되는 원주의 1/4 범위 마다 하나씩 형성될 수 있다. 상기 히트 싱크는 알루미늄 및 강 중에 하나로 형성될 수 있다.
상기 증발기는, 상기 제1 히트 싱크에 연결되는 제1 증발기, 및 상기 제1 증발기의 반대 쪽에서 상기 제2 히트 싱크에 연결되는 제2 증발기를 포함할 수 있다.
상기 히트 싱크는 상기 증발기에 일체로 연결될 수 있다.
상기 히트 싱크는 상기 증발기 쪽에 확장 형성되어 상기 증발기에 밀착되는 확장부를 더 포함할 수 있다.
상기 증발기는 상기 히트 싱크 쪽에 배치되어, 상기 확장부를 사이에 두고, 상기 증발기에 체결되는 고정 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 고정 플레이트는 상기 히트 싱크를 관통시켜 지지하는 관통홀을 구비할 수 있다. 상기 증발기는 상기 확장부를 수용하는 수용홈을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 상기 단위 전지와 상기 히트 싱크 사이에 배치되는 절연재를 더 포함할 수 있다. 상기 절연재는 수지 및 써멀 콤파운드 중 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 상기 단위 전지들, 상기 히트 싱크 및 상기 증발기를 내장하는 하우징을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징은 질소 가스로 채워질 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 단위 전지들 사이에 끼워지는 히트 싱크를 증발기에 연결함으로써, 단위 전지에서 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 전지 모듈은 팬 및 냉각수를 사용하지 않으므로 팬 구동에 따른 소음을 발생시키지 않고, 누수에 따른 우려를 제거할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이고, 도2는 도1의 정면도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 단위 전지들(10), 히트 싱크(20), 증발기(30) 및 하우징(40)을 포함한다.
예를 들면, 단위 전지들(10)은 원통형으로 형성될 수 있다. 단위 전지들(10)은 각형 및 그 외의 형상으로 형성될 수 있다. 단위 전지들(10)은 직렬로 연결되어 대용량의 전력을 출력하게 된다.
단위 전지들(10)은 전력을 발생시킬 수 있도록 구성되며, 공지의 전지들로 이루어질 수 있다. 여기서 단위 전지(10)의 구체적인 구성에 대한 설명을 생략한다.
히트 싱크(20)는 서로 이웃하여 배치되는 단위 전지들(10) 사이에 끼워져 단위 전지들(10)과 서로 밀착된다. 단위 전지(10)에서 발생된 열은 히트 싱크(20)를 통하여 전도된다.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발기와 히트 싱크의 사시도이다.
도3을 참조하면, 히트 싱크(20)는 단위 전지들(10) 사이에 배치되고, 단위 전지들(10)을 외곽에서 둘러쌀 수 있도록 복수로 형성된다.
히트 싱크(20)는 단위 전지(10)의 길이와 나란한 방향으로 배치된다. 다시 도1 및 도2를 참조하면, 히트 싱크는 1개의 단위 전지에 대하여 1개 또는 2개로 형성될 수 있다(미도시). 또한 히트 싱크는 연결된 단위 전지들(10)에 대하여 1개(미도시) 또는 2개로 형성될 수 있다.
본 실시예에는, 2개의 단위 전지(10)는 직렬로 연결되고, 히트 싱크(20)는 연결된 2개의 단위 전지들(10)에 대하여 양측에 각각 배치되는 2개로 형성된다. 즉 히트 싱크(20)는 단위 전지(10)의 길이와 나란한 방향에 대하여, 양쪽에 배치되는 제1 히트 싱크(21)와 제2 히트 싱크(22)를 포함한다.
단위 전지(10)의 길이와 나란한 방향에 대하여, 제1 히트 싱크(21)는 연결된 단위 전지(10)의 일측에 형성되고, 제2 히트 싱크(22)는 제1 히트 싱크(12)의 반대 측에서 단위 전지(10)의 다른 일측에 형성된다.
이 경우, 제1 히트 싱크(21)와 제2 히트 싱크(22)의 길이(L21, L22)의 합(L20=L21+L22)은 단위 전지(10)들의 길이(L11, L12)의 합(L10=L11+L12)보다 클 수 없다.
따라서 제1 히트 싱크(21)는 2개의 단위 전지(10) 연결 길이(L10)의 1/2 이하 범위(L21≤1/2*L10)의 길이(L21)로 형성되어 단위 전지(10)에 밀착된다.
또한, 제2 히트 싱크(22)는 단위 전지(10) 연결 길이(L10)의 나머지 1/2 이하 범위(L22≤1/2*L10)의 길이(L22)로 형성되어 단위 전지(10)에 밀착된다.
제1 히트 싱크(21)는 단위 전지들(10)의 연결 길이(L10)에 대한 1/2 범위에서 열 전도 작용하고, 제2 히트 싱크(22)는 나머지 1/2 범위에서 열 전도 작용한다. 따라서 연결된 단위 전지들(10)은 양쪽으로 열 평형 상태를 유지한다.
도4는 히트 싱크와 단위 전지 및 절연재의 부분 사시도이다.
도4를 참조하여 설명하면, 단위 전지(10)는 원통형으로 형성된다. 히트 싱크(20)는 단위 전지(10)와 긴밀히 밀착되록 오목홈(20a)을 형성한다. 오목홈(20a) 은 단위 전지(10)의 원주면과 밀착되며, 단위 전지(10) 원주의 1/4 이하의 크기로 형성된다.
오목홈(20a)은 히트 싱크(20)에서 최외곽부에 의하여 형성되는 원주(미도시)의 1/4 범위 마다 하나씩 형성된다. 즉 1개의 히트 싱크(20)에 4개의 오목홈들(20a)이 형성될 수 있다. 이 경우, 1개의 히트 싱크(20)의 사방에 단위 전지(10)가 배치될 수 있다.
히트 싱크(20)는 열전도 효율이 우수한 알루미늄이나 강으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 히트 싱크(20)는 용접(미도시)에 의하여 증발기(30)에 일체로 형성될 수 있다(도3 참조).
또한, 단위 전지(10)와 히트 싱크(20)는 서로의 사이에 절연재(50)를 배치하여 밀착될 수 있다. 절연재(50)는 단위 전지들(10) 간의 단락을 방지하며, 수지로 형성될 수 있고, 열전도성이 우수한 써멀 콤파운드로 형성될 수 있다.
증발기(30)는 단위 전지들(10) 사이에서 길이 방향으로 돌출되는 히트 싱크(20)에 연결된다. 증발기(30)는 열을 전도하는 히트 싱크(20)의 끝을 냉각시킨다.
증발기(30)는 별도로 구비되는 응축기(미도시)에서 공급되는 저온 고압의 냉매를 경유시켜, 고온 고압으로 팽창시키면서 주변의 열을 흡수한다.
증발기(30)는 응축기에 연결되어 냉매를 유입 및 유출하는 유입구(30a)와 유출구(30b)를 구비한다. 하이브리드 전기 자동차를 예로 들면, 증발기(30)는 에어컨의 응축기(미도시)로부터 저온 고압의 냉매를 공급받는다.
즉 히트 싱크(20)는 증발기(30)에 의하여 높은 방열 성능을 발휘한다. 그리고 증발기(30)에 냉매를 순환시키므로, 단위 전지들(10) 쪽에서 냉각수의 누수에 따른 문제점이 제거될 수 있다.
증발기(30)는 히트 싱크(20)가 연결되는 부분이므로 히트 싱크(20)의 구조에 따라 적절히 대응하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 증발기(30)는 제1 증발기(31)와 제2 증발기(32)를 포함한다. 제1 증발기(31)는 제1 히트 싱크(21)에 연결되고, 제2 증발기(32)는 제1 증발기(31)의 반대 쪽에서 제2 히트 싱크(22)에 연결된다.
제1 증발기(31)와 제2 증발기(32)는 연결된 단위 전지들(10)의 양쪽에서 각각 제1 히트 싱크(21)와 제2 히트 싱크(22)를 냉각시킨다.
하우징(40)은 단위 전지들(10), 히트 싱크(20) 및 증발기(30)를 내장하여 전지 모듈을 형성한다.
전지 모듈은 하우징 내에 배치되는 증발기, 연결된 단위 전지들 및 증발기를 포함하는 세트 하나로 형성될 수 있다. 제1 실시예에서, 전지 모듈은 연결된 단위 전지들(10)을 사이에 두고 양측에 배치되는 제1 증발기(31)와 제2 증발기(32)를 포함하는 세트 2개로 형성되어 있다.
하우징(40)은 내부와 외부의 온도 차이에 따라 내부에서 발생될 수 있는 응결을 방지하기 위하여 질소(N2) 가스를 내장할 수 있다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발기와 히트 싱크의 사시도이고, 도6 은 도5의 분해 사시도이다.
도5 및 도6을 참조하면, 전체적인 구성 및 작용 효과에서, 제2 실시예는 제1 실시예와 유사 내지 동일하다. 따라서 여기서는 서로 다른 부분에 대해서 설명한다.
히트 싱크(60)는 증발기(70) 쪽에 확장 형성되는 확장부(61)를 포함한다. 확장부(61)는 히트 싱크(60)의 끝에 확장 형성되므로 히트 싱크(60)에서 증발기(70)로의 더욱 신속한 열 전도를 가능하게 한다.
증발기(70)는 고정 플레이트(71)를 더 포함한다. 고정 플레이트(71)는 히트 싱크(60) 쪽에 배치되어, 확장부(61)를 사이에 두고, 증발기(70)에 체결부재(72)로 체결된다(도7 참조).
고정 플레이트(71)는 히트 싱크들(60)의 배치에 대응하여 형성되는 관통홀(71a)을 구비한다. 관통홀(71a)은 히트 싱크(60)의 삽입을 가능하게 하고, 장착된 상태에서 히트 싱크(60)를 지지한다.
증발기(70)는 확장부(61)에 대응하여 형성되는 수용홈(70a)를 구비한다. 수용홈(70a)은 확장부(61)와의 넓은 접촉 면적을 형성하여 보다 신속한 열 전도를 가능하게 하도, 또한 히트 싱크(60)의 지지 구조를 더 견고하게 한다.
이상을 통해 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.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도2는 도1의 정면도이다.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발기와 히트 싱크의 사시도이다.
도4는 히트 싱크와 단위 전지 및 절연재의 부분 사시도이다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발기와 히트 싱크의 사시도이다.
도6은 도5의 분해 사시도이다.
도7은 도5의 Ⅶ-Ⅶ 선에 따른 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 단위 전지 20, 60 : 히트 싱크
21 : 제1 히트 싱크 22 : 제2 히트 싱크
30, 70 : 증발기 30a : 유입구
30b : 유출구 31 : 제1 증발기
32 : 제2 증발기 40 : 하우징
50 : 절연재 61 : 확장부
71 : 고정 플레이트 72 : 체결부재
71a : 관통홀 70a : 수용홈

Claims (15)

  1. 복수의 단위 전지들;
    상기 단위 전지들 사이에 끼워져 상기 단위 전지들과 밀착되는 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크에 연결되는 증발기를 포함하며,
    상기 히트 싱크는,
    상기 단위 전지의 길이와 나란한 방향에 대하여,
    일측에 형성되어, 상기 단위 전지의 연결 길이의 1/2 이하 범위에 밀착되는 제1 히트 싱크 및
    상기 제1 히트 싱크의 반대 측에 형성되어, 상기 단위 전지 연결 길이의 나머지 1/2 이하 범위에 밀착되는 제2 히트 싱크를 포함하는 전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 전지는 원통형으로 형성되고,
    상기 히트 싱크는 상기 단위 전지의 원주면에 밀착하도록 상기 단위 전지 원주의 1/4 이하의 크기로 형성되는 오목홈을 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 오목홈은,
    상기 히트 싱크에서 최외곽부에 의하여 형성되는 원주의 1/4 범위 마다 하나씩 형성되는 전지 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 알루미늄 및 강 중에 하나로 형성되는 전지 모듈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 증발기는,
    상기 제1 히트 싱크에 연결되는 제1 증발기 및
    상기 제1 증발기의 반대 쪽에서 상기 제2 히트 싱크에 연결되는 제2 증발기를 포함하는 전지 모듈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 상기 증발기에 일체로 연결되는 전지 모듈.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 상기 증발기 쪽에 확장 형성되어 상기 증발기에 밀착되는 확장부를 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 증발기는,
    상기 히트 싱크 쪽에 배치되어, 상기 확장부를 사이에 두고, 상기 증발기에 체결되는 고정 플레이트를 더 포함하는 전지 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 고정 플레이트는 상기 히트 싱크를 관통시켜 지지하는 관통홀을 구비하는 전지 모듈.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 증발기는 상기 확장부를 수용하는 수용홈을 구비하는 전지 모듈.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 전지와 상기 히트 싱크 사이에 배치되는 절연재를 더 포함하는 전지 모듈.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 절연재는 수지 및 써멀 콤파운드 중 하나인 전지 모듈.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 전지들, 상기 히트 싱크 및 상기 증발기를 내장하는 하우징을 더 포함하는 전지 모듈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 하우징은 질소 가스로 채워지는 전지 모듈.
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