KR101515114B1 - 냉매로서 퍼플루오르화 물질을 사용하는 전지팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지팩으로서, 상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체, 상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키는 팩 케이스, 상기 팩 케이스의 내부에서 유동되면서 단위셀로부터 발생하는 열을 제거하며 상온에서 액상인 특성을 가진 퍼플루오르화(perfluorinated) 물질의 냉매, 및 상기 냉매와 열적으로 연결되어, 상기 냉매의 열을 전도에 의해 팩 케이스의 외부로 방출하는 냉각핀을 포함하는 전지팩을 제공한다.
Description
본 발명은 냉매로서 퍼플루오르화 물질을 사용하는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지팩으로서, 상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체, 상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키는 팩 케이스, 상기 팩 케이스의 내부에서 유동되면서 단위셀로부터 발생하는 열을 제거하며 상온에서 액상인 특성을 가진 퍼플루오르화(perfluorinated) 물질의 냉매, 및 상기 냉매와 열적으로 연결되어, 상기 냉매의 열을 전도에 의해 팩 케이스의 외부로 방출하는 냉각핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지팩이 사용된다.
전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
전지팩이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
또한, 전지팩을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다.
따라서, 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하며, 기존의 전지팩 냉각 시스템으로 공냉식 또는 수냉식 냉각 구조가 사용되었다.
그러나, 공냉식의 경우, 팬을 이용하여 전지팩 내부에 기체 상태의 냉매를 유동시켜 내부의 전지셀을 냉각시키는 냉각방식으로서, 기본적인 냉각 성능이 미흡하며, 전지팩 내부의 구조에 의한 압력 강하나 유동에 의해 냉각 성능이 상당히 좌우되는 문제점이 있다.
수냉식의 경우, 냉매 유로가 형성된 냉각부재를 전지셀에 접촉시키고 펌프를 이용하여 냉매 유로에 냉각수를 유동시켜 전지셀을 냉각시키는 방식으로서, 역시 냉각 효율이 높지 않고, 물에 의해 전지셀의 안전성이 위협받을 수 있다는 단점이 있다.
따라서, 상기의 문제점들을 해결하면서 보다 안정성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 종래의 전지팩의 냉각 구조, 즉 수냉식 또는 공냉식 냉각 구조에서 발생하는 여러가지 문제점을 해결할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전지셀들의 균일한 냉각을 달성할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지팩으로서,
상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체;
상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키는 팩 케이스;
상기 팩 케이스의 내부에서 유동되면서 단위셀로부터 발생하는 열을 제거하며, 상온에서 액상인 특성을 가진 퍼플루오르화(perfluorinated) 물질의 냉매; 및
상기 냉매와 열적으로 연결되어, 상기 냉매의 열을 전도에 의해 팩 케이스의 외부로 방출하는 냉각핀;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 퍼플루오르화 물질은 뛰어난 열전도성 및 절연성을 가지는 물질로서, 팩 케이스 내부에 퍼플루오르화 물질의 냉매를 주입하여도 쇼트 또는 방전 등의 위험이 없다.
이와 관련하여, 종래의 수냉식 냉각방식은 냉매 유로가 형성된 냉각부재를 전지셀에 접촉시키고, 상기 냉매 유로에 냉각수를 유동시키는 구조의 간접 냉각 방식이므로 냉각 효율이 낮고, 냉각수의 누수에 의해 쇼트 또는 방전이 발생하는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 전지팩은 냉매가 직접 전지셀과 접촉하여 전지셀의 열이 냉매로 전도되는 구조로 이루어지므로 냉각 효율이 뛰어나며, 냉매가 절연성을 가지고 있기 때문에 일반적인 수냉식 구조에서 발생하는 쇼트 또는 방전의 위험이 없다.
또한, 팩 케이스 내에 열전도성이 높은 냉매를 주입하는 구조에 의하여 전지셀들의 균일한 냉각을 달성할 수 있는 효과가 있다.
상기 퍼플루오르화 물질은, 바람직하게는, 비점이 110 내지 210℃, 비열이 0.20 내지 0.25J/g, 분자량이 500 내지 1000, 및 열전도율이 0.05 내지 0.08인 특성을 가진 물질일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 퍼플루오르화 물질은 하기 화학식으로 표현되는 화합물일 수 있다.
상기 식에서, n은 1 < n <100 이고, m은 1 < m < 100이다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 팩 케이스에는 냉매 유입구 및 냉매 배출구가 형성되어 있고, 냉매가 상기 냉매 배출구로 배출된 후 냉매 유입구로 재유입 되는 냉매 순환 구조를 이루며, 냉매의 순환 구동력을 제공하기 위하여 냉매 순환 구조 상에 펌프가 추가되어 있는 구조일 수 있다.
바람직하게는, 상기 전지셀 적층체의 상면 및 하면과 팩 케이스의 상면 및 하면 사이는 냉매 유로를 형성할 수 있도록 이격되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 재유입 된 냉매가 각각의 단위셀들을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 매출부를 통해 배출되는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조에 의해, 냉매가 상기 냉매 유입구로 유입되어 전지셀 적층체의 상면 또는 하면을 따라 흐르면서 냉매의 일부들이 단위셀들 사이로 각각 통과하면서 단위셀들을 냉각시키고, 상기 단위셀들 사이를 통과한 냉매는 전지셀들의 하면 또는 상면을 통해 흐르다가 냉매 배출구로 배출될 수 있다.
상기 냉매 유입구와 냉매 배출구의 위치는 냉매가 팩 케이스 내부의 전지셀 적층체를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 흐름을 가질 수 있는 위치로서 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 상기 팩 케이스의 상단 또는 하단 일측 측면에 냉매 유입구가 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구가 형성된 측의 대향측에 냉매 배출구가 형성될 수 있다.
한편, 상기 냉매 배출구로부터 배출된 냉매를 냉각할 수 있도록, 냉각핀이 팩 케이스의 냉매 배출구 외측에 위치할 수 있다.
따라서, 냉매는 팩 케이스의 냉매 유입구로 유입되어 전지셀 적층체를 냉각시키고, 냉매 배출구로 배출되어 냉각핀을 통해 냉매의 열을 외부로 배출한 후 다시 냉매 유입구로 유입되는 구조로 이루어질 수 있다. 냉매의 순환 경로 상에 위치한 펌프는 상기와 같은 냉매의 흐름을 위한 순환 구동력을 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 냉각핀은 팩 케이스 외측에 결합되어 있으며, 상기 팩 케이스 내부의 냉매의 열이 상기 팩 케이스를 통해 냉각핀으로 전도되어 냉각되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 냉각핀의 위치는 상기 팩 케이스의 외측이라면 특별히 한정되지 않고 다양한 위치에 결합될 수 있으며, 예를 들어, 팩 케이스의 상면, 또는 하면, 또는 상면 및 하면에 결합되어 있는 구조일 수 있다.
상기 팩 케이스는, 예를 들어, 금속 소재로 이루어져 있고, 내측에 상기 단위셀 적층체를 고정하는 절연성의 고정부재가 위치하는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 금속 소재의 팩 케이스와 단위셀 적층체는 절연성의 고정부재에 의하여 절연되는 구조로 이루어진다.
상기 팩 케이스의 소재는 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하게 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전지셀은 전지모듈 및 전지팩의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 전지팩은 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 냉매가 직접 전지셀과 접촉하여 전지셀의 열이 냉매로 전도되는 구조로 이루어지므로 냉각 효율이 뛰어나며, 냉매가 절연성을 가지고 있기 때문에 일반적인 수냉식 구조에서 발생하는 쇼트 또는 방전의 위험이 없다. 또한, 팩 케이스 내에 열전도성이 높은 냉매를 주입하는 구조에 의하여 전지셀들의 균일한 냉각을 달성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 2는 도 1의 팩 케이스 내부 구조의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다.
도 2는 도 1의 팩 케이스 내부 구조의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 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 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 단위셀 적층체(110), 팩 케이스(120), 냉매(130), 및 냉각핀(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
단위셀 적층체(110)는 전지셀 또는 단위모듈들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 적층된 구조로 구성되고, 팩 케이스(120)는 단위셀 적층체(110)를 수납하여 외부로부터 밀폐시킨다. 팩 케이스(120) 내부에는 퍼플루오르화(perfluorinated) 물질의 냉매(130)가 유입되어 단위셀 적층체(110)를 냉각시킨 후 배출된다. 냉매(130)의 열은 냉각핀(140)을 통해 외부로 방출하는 구조로 이루어져 있다.
이러한 과정들이 냉매(130)가 순환되면서 이루어지고, 냉매(130)의 순환 구동력을 제공하기 위한 펌프(150)가 냉매 순환 구조 상에 위치하고 있다.
팩 케이스(120)의 상단 측면에는 냉매 유입구(122)가 형성되어 있고, 냉매 유입구(122)가 형성된 대향측에 냉매 배출구(124)가 형성되어 있다.
즉, 냉매(130)가 팩 케이스(120)의 냉매 유입구(122)로 유입되어 단위셀 적층체(110)를 냉각시킨 후 냉매 배출구(124)로 배출되어 냉각핀(140)을 통해 외부로 열을 방출시키고 다시 냉매 유입구(122)로 유입되는 순환 구조로 이루어져 있으며, 이러한 순환은 펌프(150)에 의하여 유지된다.
퍼플루오르화 물질은 점도가 낮고 높은 비열과 우수한 열전도성 및 전기 절연성을 지니고 있는 유체로서, 팩 케이스 내부에 퍼플루오르화 물질의 냉매를 주입하여도 쇼트 또는 방전 등의 위험이 없다.
도 2에는 도 1의 팩 케이스 내부 구조의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 단위셀 적층체(110)의 상면 및 하면과 팩 케이스(120)의 상면 및 하면 사이에는 냉매 유로를 형성할 수 있도록 이격된 구조로 이루어져 있고, 이러한 냉매 유로는 냉매 유입부(122)를 통해 유입된 냉매(130)가 각각의 단위셀들을 통과하면서 단위셀 적층체(110)를 냉각시킨 후, 냉매 매출부(124)를 통해 배출되는 구조로 이루어진다.
즉, 냉매(130)가 냉매 유입구(122)로 유입되어 단위셀 적층체(110)의 상면을 따라 흐르면서 냉매(130)의 일부들이 단위셀들 사이로 각각 통과하면서 단위셀들을 냉각시키고, 단위셀들 사이를 통과한 냉매(130)는 단위셀들의 하면을 통해 흐르다가 냉매 배출구(124)로 배출된다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(200, 200')은 단위셀 적층체(210), 팩 케이스(220), 냉매(230), 및 냉각핀(240, 242)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
금속 소재의 팩 케이스(220)의 내측에는 단위셀 적층체(210)를 고정하는 절연성의 고정부재(260)가 위치하고 있고, 단위셀 적층체(210)는 절연성의 고정부재(260)에 장착된다. 즉, 팩 케이스(220)는 열전도율이 높은 금속 소재로 이루어져 있고, 내측에 단위셀 적층체(210)를 고정하기 위한 절연성 고정부재(260)가 장착되어 있어서, 내부의 단위셀 적층체(210)와 전기적으로 절연되는 구조로 이루어져 있다.
팩 케이스(220)의 내부에는 퍼플루오르화 물질의 냉매(230)가 주입되어 있어서 단위셀 적층체(210)에서 발생한 열이 냉매(230)에 전도되어 단위셀 적층체(210)가 냉각되는 구조로 이루어져 있다. 팩 케이스(220)의 외측에는 냉각핀(240, 242)이 결합되어 있어서, 냉매(230)의 열이 팩 케이스(220)를 통해 냉각핀(240, 242)으로 전도되어 외부로 방출된다.
도 3에는 냉각핀(240)이 팩 케이스(220)의 상면에 결합된 구조의 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 냉각핀(240, 242)이 팩 케이스(220)의 상면 및 하면에 결합된 구조의 모식도가 도시되어 있으나, 팩 케이스(220) 내부의 열을 효과적으로 전도받아서 외부로 방출할 수 있는 구조라면, 냉각핀의 위치, 개수, 및 형태는 특별히 한정되지 않고 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4의 팩 케이스(220)에 냉각핀(240, 242)이 형성된 전지팩(200, 200')의 구조는 저발열의 전지팩에 적합한 구조이며, 도 1의 냉매(130)가 펌프(150)에 의하여 순환되어 단위셀 적층체(110)를 냉각시키는 전지팩(100)의 구조는 단위셀 적층체(110)를 급속으로 냉각시킬 수 있기 때문에 고발열 전지팩에 적합한 구조이다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.
Claims (15)
- 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지팩으로서,
상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체;
상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키는 팩 케이스;
상기 팩 케이스의 내부에서 유동되면서 단위셀로부터 발생하는 열을 제거하며, 상온에서 액상인 특성을 가진 퍼플루오르화(perfluorinated) 물질의 냉매; 및
상기 냉매와 열적으로 연결되어, 상기 냉매의 열을 전도에 의해 팩 케이스의 외부로 방출하는 냉각핀;
을 포함하고,
상기 퍼플루오르화 물질은 하기 화학식으로 표현되는 화합물이며,
상기 냉각핀은 팩 케이스 외측에 결합되어 있으며, 상기 팩 케이스를 통해 냉매와 열적으로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩:
상기 식에서, n은 1 < n <100 이고, m은 1 < m < 100이다. - 제 1 항에 있어서, 상기 퍼플루오르화 물질은 비점이 110 내지 210℃, 비열이 0.20 내지 0.25J/g, 분자량이 500 내지 1000, 및 열전도율이 0.05 내지 0.08인 특성을 가진 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스에는 냉매 유입구 및 냉매 배출구가 형성되어 있고, 냉매가 상기 냉매 배출구로 배출된 후 냉매 유입구로 재유입 되는 냉매 순환 구조를 이루며, 냉매의 순환 구동력을 제공하는 펌프를 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 4 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체의 상면 및 하면과 팩 케이스의 상면 및 하면 사이에는 냉매 유로를 형성할 수 있도록 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 4 항에 있어서, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 재유입 된 냉매가 각각의 단위셀들을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 매출부를 통해 배출되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 4 항에 있어서, 상기 팩 케이스의 상단 또는 하단 일측 측면에 냉매 유입구가 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구가 형성된 측의 대향측에 냉매 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 4 항에 있어서, 상기 냉매 배출구로부터 배출된 냉매를 냉각할 수 있도록, 냉각핀이 팩 케이스의 냉매 배출구 외측에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 냉각핀은 상기 팩 케이스 상면, 또는 하면, 또는 상면 및 하면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 금속 소재로 이루어져 있고, 내측에 상기 단위셀 적층체를 고정하는 절연성의 고정부재가 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 11 항에 있어서, 상기 팩 케이스의 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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