KR101675013B1 - 냉각 효율이 향상된 자동차용 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 배터리 팩을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 팩은 음극판, 세퍼레이터 및 양극판을 포함하는 적어도 하나 이상의 이차전지; 및 상기 이차전지의 외장재와 접하여 상기 이차전지를 냉각시키는 적어도 하나 이상의 냉각핀;을 포함하는 자동차용 배터리 팩으로서, 상기 냉각핀의 적어도 어느 일단은, 차체와 접한다. 상기 냉각핀은 상기 이차전지에 발생한 열을 차체를 통해 발산시킨다. 따라서, 별도의 냉매, 냉매의 이동 유로, 펌프 등이 필요하지 않다.

Description

냉각 효율이 향상된 자동차용 배터리 팩{BATTERY PACK FOR VEHICLE WITH IMPROVED COOLING EFFICIENCY}
본 발명은 자동차용 배터리 팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적은 비용으로도 높은 냉각 효율을 얻을 수 있는 자동차용 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2014년 02월 24일 자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2014-0021283호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
이러한 기본적 구조에 더하여, 상기 배터리 팩은 모터 등의 구동부하에 대한 전력 공급 제어, 전류 또는 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 위한 알고리즘이 적용되어 이차전지의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS(Battery Management System) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지에서 발생한 열을 방출하는 다양한 방법 중 하나의 방법으로서, 일본 특허공개공보 2009-301877에는 간접 냉각 방법을 개시하고 있다.
도 1은 냉각핀과 이차전지(1)를 포함한 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
간접 냉각 방법이란, 이차전지(1)의 포장재와 접하는 냉각핀(2)을 냉매를 통해 냉각시키는 방법이다. 이차전지(1)에서 발생한 열이 냉각핀(2)을 통해 전달되며, 상기 냉각핀(2)은 다시 냉매에게 열을 전달한다. 상기 냉각핀(2)의 상단 또는 하단에는 냉매와 빠른 열 교환을 위해 히트싱크(3)가 형성되어 있는 것이 일반적이다.
한편, 상기와 같이 냉매를 이용한 냉각 방식의 경우, 냉매가 이동하기 위한 통로 등과 같이 별도의 공간을 필요로 한다. 또한 냉매를 이용한 냉각 방식의 경우, 냉매를 이동시키기 위한 펌프 등 별도의 장치도 필요하다. 따라서, 냉매를 이용한 냉각 방식을 채택한 배터리 팩의 경우, 이차전지가 차지하는 공간 외에 추가적인 공간이 필요하며, 부가적인 냉각 시스템의 탑재로 인해 전체 배터리 팩의 크기가 증가하게 되어 배터리 팩의 단위 부피당 에너지밀도가 낮아지게 된다. 또한, 냉각 시스템의 복잡성으로 인해 냉각수의 누액, 냉매가 이동하는 유로의 막힘 현상(clogging), 냉매를 이동시키기 위한 펌프 내지 모터의 고장 등과 같은 고장요인이 증가하게 된다. 뿐만 아니라, 부가적인 냉각 시스템이 탑재되어야 하므로 이차전지를 제조하는 비용 외에 추가적인 비용 필요하다. 이로 인해, 배터리 팩의 가격이 상승하게 되는 문제가 있다.
본 출원인은 배터리 팩에 사용되는 간접 냉각 방식의 냉각 시스템의 문제점을 인식하였다. 본 출원인은 기존의 냉각 시스템의 복잡성을 제거하고, 적은 공간을 필요로 하는 냉각 시스템에 대한 연구가 필요하다는 것을 인식하였다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 인식하여 안출된 것으로서, 간단한 구조 및 적은 비용으로도 높은 냉각 효율을 얻을 수 있는 자동차용 배터리 팩을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차 용 배터리 팩은 음극판, 세퍼레이터 및 양극판을 포함하는 적어도 하나 이상의 이차전지; 및 상기 이차전지의 외장재와 접하여 상기 이차전지를 냉각시키는 적어도 하나 이상의 냉각핀;을 포함하는 자동차용 배터리 팩으로서, 상기 냉각핀의 적어도 어느 일단은, 차체와 접한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각핀과 상기 차체 사이에 개재된 열전도물질;을 더 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기 이차전지를 감싸는 팩 케이스;를 더 포함한다. 이때, 상기 냉각핀은 상기 팩 케이스의 외부로 노출된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각핀의 일단은 상기 차체와 접촉면을 넓히기 위해 꺽인 형상을 가진다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 자동차용 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 구동하는 모터;를 포함하는 자동차의 일 구성요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 냉매가 이동하기 위한 별도의 유로, 냉매를 이동시키기 위한 별도의 펌프가 필요 없다. 따라서, 종래 기술에 비해 배터리 팩의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 냉매가 유출되는 문제, 펌프에 고장이 발생하는 문제 등이 발생할 일이 없다. 나아가, 항상 외부 공기와 접촉하는 자동차의 차체(car body)를 통해 열을 발산하므로 높은 냉각 효율을 얻을 수 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 냉각핀과 이차전지를 포함한 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩이 자동차에 탑재된 모습을 개략적으로 도시한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩(10)의 구성을 개략적으로 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 이차전지(11) 및 냉각핀(12)을 포함한다. 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 자동차에 탑재되는 자동차용 배터리 팩일 수 있다. 이하 설명은 상기 배터리 팩(10)이 자동차에 탑재된 것을 전제로 한다.
상기 이차전지(11)는 음극판, 세퍼레이터 및 양극판을 포함하는 음극판, 세퍼레이터 및 양극판을 포함하는 단위 셀을 반복적으로 적층시킨 구조를 가진다. 상기 배터리 팩(10)은 하나 이상의 이차전지(11)를 포함하는 것으로 이차전지(11)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 각각의 이차전지(11)은 재충전이 가능하고 충전 또는 방전 전압을 고려해야 하는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(10)에 포함되는 이차전지(11)의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이차전지(11)의 종류, 출력전압, 충방전 용량 등에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 상기 이차전지(11)의 전기적 연결 방법에 따라 제한되지 않는다.
한편, 상기 이차전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류된다. 이러한 이차전지들의 종류 중에서 파우치형 이차전지는 캔형 이차전지에 비해 제조가 용이하고 제조 원가가 낮으며 복수의 단위 셀을 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결하여 대용량의 이차전지 팩을 구성하기 쉽다는 장점이 있다.
상기 냉각핀(12)은 상기 이차전지(11)의 외장재와 접하여 상기 이차전지(11)를 냉각시키는 역할을 한다. 상기 냉각핀(12)의 개수는 상기 이차전지(11)의 개수와 동일하거나 적거나 많을 수 있다. 상기 냉각핀(12)은 금속 재질로서, 바람직하게는, 열전도성이 높은 알루미늄이나 구리 등일 수 이다.
한편, 상기 냉각핀(12)과 상기 이차전지(11)는 전기적으로 절연되어야 한다. 상기 이차전지(11)의 외장재는 절연재질로 형성되어 냉각핀(12)과 이차전지(11) 사이의 절연성을 확보하는데 도움을 줄 수 있다. 바람직하게는, 상기 냉각핀(12)과 이차전지(11) 사이의 절연성을 높이기 위해 냉각핀(12)과 이차전지(11) 사이에 절연재질의 플레이트 또는 박막필름 등이 개재될 수 있다. 이때, 상기 플레이트나 박막필름의 재질은 전기적 절연성이 높고, 열전도성이 높은 재질로 형성되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 상기 이차전지(11)를 감싸는 팩 케이스(13)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 냉각핀(12)은 상기 팩 케이스(13)의 외부로 노출된다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 상기 냉각핀(12)의 적어도 어느 일단이 차체와 접할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩(10)이 자동차에 탑재된 모습을 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 냉각핀(12)의 상단 및 하단이 차체(15)와 접한 것을 확인할 수 있다. 상기 냉각핀(12)은 이차전지(11)에서 발생한 열을 흡수한다. 그리고 상기 냉각핀(12)에 흡수된 열은 상기 차체(15)에게 전달된다. 상술하였듯이, 종래 기술은 냉각핀이 이차전지(11)로부터 발생한 열을 흡수하고, 냉각핀(12)이 흡수한 열을 별도의 냉매를 매개체로 하여 복잡한 냉각 시스템을 이용하여 외부로 방출한다. 그러나, 본 발명의 냉각 시스템은, 냉각핀(12)과 차체의 접촉을 통해 이차전지(11)로부터 발생한 열이 열전도현상에 의해 차체(15)를 통해 외부로 방출되도록 한다. 본 발명은 냉매가 이동하기 위한 별도의 유로, 냉매를 이동시키기 위한 별도의 펌프 등을 필요로 하지 않는다. 따라서, 종래 기술에 비해 배터리 팩의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 냉매가 유출되는 문제, 펌프에 고장이 발생하는 문제 등이 발생할 일이 없다. 나아가, 항상 외부 공기와 접촉하는 차체를 통해 열을 발산하므로 높은 냉각 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각핀(12)의 일단은 상기 차체(15)와 접촉면을 넓히기 위해 꺽인 형상을 가진다. 즉, 상기 냉각핀(12)은, 차체(15)와의 접촉면을 극대화하기 위해 적어도 1회 이상 절곡될 수 있다.
바람직하게는, 배터리 팩(10)에 포함된 다수의 냉각핀(12)들 각각의 일단은 동일한 방향으로 절곡될 수 있다. 즉, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 냉각핀(12)들은 우측방향으로 나란하게 절곡될 수 있다. 이와 같이 냉각핀(12)들은, 동일한 방향으로 나란히 절곡되어 차체(15)에 용이하게 접촉하고, 차체(15)와 접촉된 상태를 장기간 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각핀(12)과 상기 차체(15) 사이에는 열전도물질(Thermal Interface Material: TIM, 14)이 개재될 수 있다. 상기 열전도물질(14)은, 열 전도 계수가 상기 냉각핀(12)에 비해 높은 물질인 것이 좋으며, 상기 열전도물질(14)은 열전도율을 극대화하기 위해 접촉면적이 넓은 플레이트 또는 박막필름의 형태일 수 있다. 상기 열전도물질의 일 예로, PC(Personal Computer)의 마이크로프로세서와 히트싱크 사이에 개재되는 물질이 있다.
바람직하게는, 상기 열전도물질(14)은, 상기 냉각핀(12)과 상기 차체(15) 사이에 개재되되, 일 단위(unit)로 이루어져 다수의 냉각핀(12)들과 차체(15)와 동시에 접촉할 수 있다. 차체(15)는, 부위 내지 위치 별로 온도가 다를 수 있으므로, 냉각핀(12)들이 차체(15)의 어느 부위와 접촉하느냐에 따라서 냉각핀(12)의 냉각 온도가 달라질 수 있다. 따라서, 다수의 냉각핀(12)들과 차체(15) 사이에 하나의 열전도물질(14)을 개재시켜 냉각핀(12)들이 균일한 온도로 각 이차전지(11)들을 냉각시키도록 하는 것이 좋다. 이를 통해, 배터리 팩(11)이 차체(15)의 어느 부위에 설치되더라도 이차전지(11)를 균일하게 냉각시킬 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 냉각핀(12)과 차체(15)는 접착 또는 볼트 결합 등에 의해 결합될 수 있다. 그리고, 냉각핀(12)과 차체(15) 사이에 열전도물질이 개재될 경우, 냉각핀(12)과 열전도물질(14) 또는 열전도물질(14)과 차체(15)는 접착 또는 볼트 결합 등에 의해 결합될 수 있다. 열전도물질(14)이 개재될 경우, 열전도물질(14)의 양면에 접착제를 도포하여 냉각핀(12), 열전도물질(14) 및 차체(15)를 결합시킬 수도 있고, 냉각핀(12), 열전도물질(14) 및 차체(15)를 일체로 볼트 결합하여 접촉상태를 유지할 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 상기 배터리 팩(100)과 배터리 팩(100)으로부터 전력을 공급받는 구동하는 모터를 포함하는 자동차의 일 구성요소가 될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배터리 팩
11 : 이차전지
12 : 냉각핀
13 : 팩 케이스
14 : 열전도물질
15 : 차체

Claims (5)

  1. 음극판, 세퍼레이터 및 양극판을 포함하는 적어도 하나 이상의 이차전지; 및
    상기 이차전지의 외장재와 접하여 상기 이차전지를 냉각시키는 적어도 하나 이상의 냉각핀;을 포함하는 자동차용 배터리 팩에 있어서,
    상기 냉각핀의 양단은, 모두, 차체와 접하며, 상기 차체와 접촉면을 넓힐 수 있게 꺽인 형상을 가지며,
    상기 냉각핀의 양단은, 각각, 서로 동일한 일 방향으로 절곡되어 상기 차체와 면 접촉되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각핀과 상기 차체 사이에 개재된 열전도물질;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지를 감싸는 팩 케이스;를 더 포함하고,
    상기 냉각핀은, 상기 팩 케이스의 외부로 노출된 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 팩.
  4. 삭제
  5. 제1항에 따른 자동차용 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 구동하는 모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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