KR101624494B1 - 이차전지 모듈의 냉각 시스템 - Google Patents

이차전지 모듈의 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차전지 모듈의 냉각 시스템에 관한 것으로서, 수납 공간이 형성된 컨테이너; 수납 공간에 수납된 하나 또는 그 이상의 이차전지 모듈들; 구조물과 연결된 레일에 결합될 수 있도록 컨테이너의 바닥에 설치된 후크 플레이트; 이차전지 모듈들로부터 발생되는 열을 후크 플레이트 및 레일을 통해 컨테이너 외부로 방열시킬 수 있도록 컨테이너의 내벽에 배치되고 후크 플레이트에 연결된 열전달부재를 구비한다.

Description

이차전지 모듈의 냉각 시스템{Cooling system for Secondary battery}
본 발명은 이차전지 모듈의 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 예를 들어, 잠수함과 같은 수중 이동체용 이차전지 모듈의 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력 장치 등을 위하여 충방전이 가능한 이차전지 예를 들어, 리튬 이온/폴리머 이차전지에 대한 연구 및 개발 활동이 전개되어 왔으며, 이러한 연구 또는 개발 활동은 소형 이차전지에 초점이 맞추어져 있었다.
그런데, 최근에는 고출력 대용량을 필요로 하는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차(이하, 통칭하여 '전기 자동차'라 한다)의 전원 또는 다양한 형태의 에너지 저장 시스템(ESS)에 대한 개발 및 상용화가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 중량을 감소시키기 위해 주로 파우치형 이차전지를 선호하고 있으며, 용량을 증대시키기 위해 다수의 셀들이 전기적으로 연결된 이차전지 모듈 또는 다수의 이차전지 모듈들이 전기적으로 연결된 이차전지 팩 형태로 사용된다.
지금까지 알려진 이차전지 모듈은 각각의 단위 셀(전극 조립체가 파우치 형태의 케이스의 내부에 전해액과 함께 수납되어 전원으로 기능할 수 있는 기본적인 이차전지)을 각각 수납할 수 있고, 서로 일정한 규격을 가진 다수의 셀 카트리지들이 전기적으로 서로 연결된 구조이다. 그런데, 각각의 이차전지 셀이 셀 카트리지 내부에 안정적으로 수납되지 못하기 때문에, 이차전지 모듈의 조립시 또는 이차전지 모듈의 사용시 이차전지 모듈에 충격이 가해지면 셀 카트리지와 셀 사이의 틈새 등에 의한 유동에 의해 셀의 파우치가 파손되는 등 전지 모듈의 안정성 유지에 많은 문제점이 대두 되고 있다. 또한, 다수의 셀들을 연결할 때 이차전지 모듈의 부피의 증가 없이 각각의 셀을 안정적으로 지지할 수 있는 셀 카트리지에 대한 구조적 설계가 요구되고 있으며, 이차전지 모듈의 제작시, 셀 카트리지들 사이의 연결(예, 자동 연결) 방식에 대한 연구 활동이 높아지고 있다.
또한, 지금까지 알려진 이차전지용 셀은 각각 하나의 카트리지에 수납되고, 그러한 방식으로 수납된 카트리지들을 적층시켜 이차전지 모듈을 조립하는 방식 즉, 이차전지 모듈은 "원-셀 원-카트리지(one-cell one cartridge)" 구조가 전부였으므로, 하나의 셀을 위해서는 반드시 일정한 높이 또는 폭을 가진 카트리지가 필연적으로 요구되었으므로, 이차전지 모듈의 부피 또는 용적에 한계가 있었다.
일반적으로, 수중 이동체(Underwater vehicle)는 배수량 및 잠수형태에 따라 잠수함, 잠수정 및 반잠수정으로 구분될 수 있다. 잠수함(Submarine)은 수상 배수량 300톤 이상이면서 어뢰 발사관이 장착되어 잠항이 가능한 함정을 말하며, 잠수정(Submersible)은 수상 배수량 300톤 미만이고 어뢰발사관 장착 여부와 무관하게 잠항이 가능한 함정이라고 정의할 수 있다. 반잠수정(Semi-Submersible craft)은 선체 구조상 잠항이 불가능하며 선체 상부 일부가 수상에 노출된 소형 수상 함정을 말한다.
한편, 잠수함은 추진기관을 기준으로 크게 원자력 잠수함과 디젤 잠수함으로 구분된다. 먼저, 원자력 잠수함(Atomic-powered submarine, Nuclear powered submarine)은 핵연료를 연쇄 분열 반응시킬수 있는 원자로를 구동기관으로 탑재한 잠수함으로, 동력원의 구동에 산소가 필요 없기 때문에 소량의 핵연료를 이용하여 장시간 동안에 걸쳐 운용할 수 있는 장점을 가진다. 즉, 원자력 잠수함은 농축 우라늄을 연료로 사용하기 때문에 산소의 공급이 불필요하므로 잠항력에 제한을 받지 않고, 잠항 중에도 수상항해 때 사용하는 추진 기관을 그대로 이용할 수 있고, 수중에서는 조파저항(造波抵抗)이 없다는 점에서 수상 항해 때보다 오히려 수중에서 고속을 낼 수 있다. 또한, 원자력 잠수함은 해상의 기상이나 해면의 상태에 영향을 받지 않으므로, 폭풍상태의 대양(大洋)이나 극점(極點)의 빙산 밑에서도 자유로이 항행할 수 있고, 1회의 연료공급으로 지구를 일주할 수도 있다.
한편, 디젤 잠수함은 디젤 기관을 가동시켜 에너지저장장치를 충전하고, 충전된 에너지저장장치를 이용하여 구동기관을 동작시키는 것으로, 원자력 잠수함에 비해 잠행시간에 제한이 따르고, 추진속도가 낮은 단점을 가진다. 또한, 디젤 잠수함은 수중에서 대략 20노트 정도로 고속 항해를 할 경우, 한 순간에 배터리가 방전되는 단점이 있다. 특히, 선행기술에 따른 디젤 잠수함은 스노켈을 해상으로 노출시킨 상태에서 엔진을 작동하여 축전지를 충전하기 때문에 해상에 남은 엔진의 배기와 스노켈 항적은 대잠초계기에 있는 적외선 탐지센서의 수색대상이 되기도 한다. 그러나, 디젤 잠수함은 수중에서 축전지를 이용한 잠항시 원자력 잠수함에 비해 발생되는 소음의 정도가 작기 때문에 정숙성만큼은 원자력 잠수함보다 우위에 있는 실정이다.
또한, 수중 이동체는 추진 방식에 따라 원자력 추진 수중 이동체와, 재래식 추진 수중 이동체로 분류될 수 있다. 최근에는 재래식 추진 수중 이동체와 하이브리드 개념으로 운용할 수 있는 공기를 필요로 하지 않는 AIP(Air Independent Propulsion) 방식도 활발히 연구되고 있다. AIP 방식은 폐회로 디젤기관 추진(Closed cycle diesel propulsion), 연료전지 추진(Fuel cell propulsion), 스터링기관 추진(Sterling engine propulsion), 및 폐회로터빈 추진(Closed cycle turbine propulsion) 등이 있다.
이와 같이, 다양하게 개발되는 수중 이동체의 추진 방식은 대부분 회전동력을 발생시키는 기관에 직결되어 직접 추진되지 않고 회전 동력으로 전기를 생산하고, 이렇게 생산된 전기를 에너지저장장치에 충전한 후 필요할 때 모터를 회전시켜 추진하는 방식을 택하고 있다. 따라서, 수중 이동체는 전기를 충전하기 위한 에너지 저장장치를 구비하는 것이 일반적이다.
이러한 수중 이동체용 에너지 저장장치는 안전성이 검증된 납축전지가 주로 사용되고 있다. 그런데, 납축전지는 과산화납을 양극, 일반납을 음극에 두고 묽은 황산을 전해액으로 삼아 전기화학 반응을 이용하기 때문에, 충전하는 과정에서 불가피하게 발생되는 수소 가스를 제거하기 위해 공조 팬과 수소 제거기가 필요하다. 또한, 납축전지는 극주에서 발생하는 열을 제거하기 위한 청수 냉각설비와, 황산전해액의 농도 차이에 따른 충전효율의 저하를 방지하기 위하여 압축공기를 사용하여 황산전해액을 교반하는 교반 장치 등 다양한 부속설비가 필요한 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 예를 들어, 잠수함 등의 선체의 구조와 재질, 배터리 장치의 특수 구조에 상응하는 리튬 이차전지 모듈의 냉각 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 냉각 시스템은, 수납 공간이 형성된 컨테이너; 수납 공간에 수납된 하나 또는 그 이상의 이차전지 모듈들; 구조물과 연결된 레일에 결합될 수 있도록 컨테이너의 바닥에 설치된 후크 플레이트; 이차전지 모듈들로부터 발생되는 열을 후크 플레이트 및 레일을 통해 컨테이너 외부로 방열시킬 수 있도록 컨테이너의 내벽에 배치되고 후크 플레이트에 연결된 열전달부재를 구비한다.
바람직하게, 열전달부재는 다수의 열전도성 박판들을 구비한다.
바람직하게, 각각의 열전도성 박판은 컨테이너의 내벽에 각각 부착되는 다수의 제1 박판들과, 컨테이너의 바닥면에 함몰되면서 대응되는 제1 박판에 각각 연결되는 다수의 제2 박판들을 구비한다.
바람직하게, 열전달부재의 일단과 후크 플레이트를 연결하는 인서트부재를 더 구비한다.
바람직하게, 인서트부재는 컨테이너의 바닥에 함몰되도록 컨테이너의 바닥과 함께 인서트 사출 성형된다.
바람직하게, 구조물은 수중 이동체의 금속성 선체를 구비한다.
바람직하게, 수중 이동체는 잠수함이다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 이차전지 모듈의 냉각 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 예를 들어, 선체의 레일에 결합되는 후크 플레이트를 가진 이차전지 팩용 컨테이너의 경우, 컨테이너의 내벽 및/또는 바닥에 배치되어 후크 플레이트와 연결되는 열전달부재를 설치함으로써, 컨테이너 내부에서 발생되는 열이 열전달부재, 후크 플레이트, 레일, 금속성 선체로 자연스럽게 전달시킬 수 있는 효과를 가진다.
둘째, 셀에 의해 발생되는 열에 의한 온도를 감소시키기 위한 별도의 장치를를 마련하지 않아도 되기 때문에 설비비 또는 유지 운용비가 절감되고, 시스템이 간소화된다.
본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 냉각 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 컨테이너의 투시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 냉각 시스템의 개략적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 냉각 시스템의 열전달 과정을 도시하는 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 예시적 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예들과 도면들에 도시된 구성요소들은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 냉각 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 분리 사시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 컨테이너의 투시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 냉각 시스템의 개략적 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 이차전지 모듈의 냉각 시스템(500)은, 하나 또는 그 이상의 이차전지 모듈(300)이 수납될 수 있는 수납 공간(402)이 형성된 컨테이너(410), 레일(502)에 결합될 수 있도록 컨테이너(410)의 바닥(412)에 설치된 후크 플레이트(430), 이차전지 모듈(300)로부터 발생되는 열을 후크 플레이트(430)와 레일(502)을 통해 컨테이너(410)의 외부로 방열시킬 수 있도록 컨테이너(410)의 내벽(414)에 배치되고 후크 플레이트(430)에 연결된 열전달부재(440)를 구비한다.
이차전지 모듈(300)은 다수의 셀 카트리지에 각각의 셀이 수납된 상태에서 다수의 카트리지들이 적층 연결된 구조로서, 예를 들어, 인용에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 합체되고, 본 출원인에 의해 2012. 9. 27.자로 출원되어 2014. 5. 2.자로 등록된 대한민국 등록특허 제10-1393436호에 개시된 카트리지 조립체 등과 같이, 이차전지 셀이 소정의 카트리지에 수납된 상태에서 카트리지들이 적층된 구조라면 그 어떤 형태의 카트리지들을 모두 포함할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
컨테이너(410)는 이차전지 팩을 구성하기 위해 이차전지 모듈(300)을 둘러싸기 위한 용기로서, 예를 들어, 강화 플라스틱으로 제조될 수 있다. 컨테이너(410)는 바닥(412)과 4개의 벽면들에 의해 형성되는 수납 공간(402)을 구비하고 일단의 개방단은 이차전지 모듈(300)이 수납된 후에 밀폐되는 구조이다.
후크 플레이트(430)는 금속성 선체(미도시)에 연결되거나 일체로 설치된 레일(502)에 선택적으로 결합될 수 있도록 컨테이너(410)의 바닥(412)에 부착된다. 즉, 잠수함용 이차전지 팩들은 선체 내부에 설비된 다수의 레일(502)에 결합될 수 있도록 컨테이너(410)의 바닥(412)에 후크 플레이트(430)가 마련된다. 후크 플레이트(430)는 레일(502)과 동일한 금속 재질로 제조되고, 레일(502)에 결합될 수 있는 후크부(432)와 컨테이너(410)의 바닥(412)에 부착되는 편평한 후크 본체(434)를 구비한다.
열전달부재(440)는 컨테이너(410)의 내벽(414)과 바닥(412)에 배치되고 일단이 후크 플레이트(430)에 연결되는 것으로서, 밀봉된 컨테이너(410)의 내부에서 셀들에 의해 발생되는 열을 후크 플레이트(430)와, 후크 플레이트(430)에 접촉된 레일(502)을 통해 컨테이너(410)의 외부로 방열시키기 위한 것이다. 이를 위해, 열전달부재(440)는 컨테이너(410)의 내벽(414)과 바닥(412)에 배치되는 다수의 열전도성 박판들을 구비한다. 각각의 열전도성 박판은 컨테이너(410)의 내벽(414)에 각각 부착되는 다수의 제1 박판들(442)과, 컨테이너(410)의 바닥(412)에 삽입되어 대응되는 제1 박판(442)에 각각 연결되는 다수의 제2 박판들(444)을 구비한다. 제2 박판들(444)을 컨테이너(410)의 바닥(412)에 삽입시키는 기술은 후술하기로 한다. 또한, 변형된 실시예에 따르면, 제2 박판들(444)은 컨테이너(410)의 바닥(412)의 표면에 단순히 배치될 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다.
본 실시예에 따르면, 열전달부재(440) 즉, 제2 박판들(444)의 끝단과 후크 플레이트(430)는 인서트부재(450)에 의해 연결된다. 인서트부재(450)는 컨테이너(410)의 바닥(412)과 함께 인서트 사출 성형될 수 있고 열전도성이 우수한 재질을 가진 평판 인서트(452), 및 평판 인서트(452)에 연결되고 후크 플레이트(430)에 접촉되도록 전술한 바와 같은 인서트 사출에 의해 컨테이너(410)의 바닥(412)과 일체로 사출되는 다수의 돌기 인서트들(454)을 구비한다.
도 4는 본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 냉각 시스템을 주요 구성을 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따르면, 열전달부재(440)는 컨테이너(410)의 바닥과 내벽에 연결되어 구성되고, 인서트부재 역시 컨테이너(410)의 바닥에 분리된 조각들로 배치되어 있는 점에서 전술한 실시예와 구별된다.
본 실시예에 따르면, 컨테이너(410) 내부의 온도 상승에 의해 발생되는 열은 컨테이너(410)의 내벽(414)과 바닥에 배치된 열전달부재(440)를 통해 후크 플레이트(430)로 전도되고, 후크 플레이트(430)에 접촉 결합된 레일(502)로 전달됨으로써, 컨테이너(410) 내부의 열이 외부로 방출된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면들에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
402...수납 공간 410...컨테이너
412...바닥 414...내벽
430...후크 플레이트 440...열전달부재
442...제1 박판 444...제2 박판
450...인서트부재 452...평판 인서트
454...돌기 인서트 500...냉각 시스템
502...레일

Claims (7)

  1. 수납 공간이 형성된 컨테이너;
    수납 공간에 수납된 하나 또는 그 이상의 이차전지 모듈들;
    구조물과 연결된 레일에 결합될 수 있도록 컨테이너의 바닥에 설치된 후크 플레이트;
    이차전지 모듈들로부터 발생되는 열을 후크 플레이트 및 레일을 통해 컨테이너 외부로 방열시킬 수 있도록 컨테이너의 내벽에 배치되고 후크 플레이트에 연결된 열전달부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈의 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    열전달부재는 다수의 열전도성 박판들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈의 냉각 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    각각의 열전도성 박판은 컨테이너의 내벽에 각각 부착되는 다수의 제1 박판들과, 컨테이너의 바닥면에 함몰되면서 대응되는 제1 박판에 각각 연결되는 다수의 제2 박판들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈의 냉각 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    열전달부재의 일단과 후크 플레이트를 연결하는 인서트부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈의 냉각 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    인서트부재는 컨테이너의 바닥에 함몰되도록 컨테이너의 바닥과 함께 인서트 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈의 냉각 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    구조물은 수중 이동체의 금속성 선체를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈의 냉각 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    수중 이동체는 잠수함인 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈의 냉각 시스템.
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