KR101713192B1 - 방열 특성이 향상된 에너지 저장 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방열 특성이 향상된 에너지 저장 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는, 적어도 2개 이상의 원통형의 에너지 저장 셀이 직렬 연결되어 형성된 셀 어셈블리; 상기 에너지 저장 셀의 외측면에 대응하는 형상의 수용부를 구비하여, 상기 셀 어셈블리를 수용하는 케이스; 및 상기 셀 어셈블리의 에너지 저장 셀의 외측면과 상기 수용부의 내측면의 사이에 설치되는 방열 패드;를 포함하고, 상기 케이스는 적어도 2개 이상의 케이스 블록을 포함하며, 상기 케이스 블록의 결합에 의해 상기 수용부가 형성된다.
Description
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방열 특성이 향상된 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
일반적으로 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해 콘덴서와 이차 전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장 장치이다. 울트라 캐패시터는 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 인해 이차 전지와 병용할 수 있고, 또한 이차 전지를 대체할 수 있는 차세대 전기 에너지 저장 장치이다.
울트라 캐패시터는 유지보수가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 어플리케이션에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다. 울트라 캐패시터는 빠른 충방전 특성을 가지며 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 사용될 수 있다. 또한 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하다.
이러한 울트라 캐패시터를 적용함에 있어서, 고전압용 전지로 사용되기 위해서는 수천 패럿(Farad) 또는 수백 볼트의 고전압 모듈(Module)이 필요하다. 고전압 모듈은 복수 개의 울트라 캐패시터를 필요한 수량만큼 연결하여 케이스 내에 연결함으로써 구성할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈은, 울트라 캐패시터 어레이(10), 울트라 캐패시터 어레이(10)를 수용하는 케이스(20) 그리고 케이스(20)의 상, 하면 입구를 덮개(30, 40)를 포함한다. 울트라 캐패시터 어레이(10)는 다수의 울트라 캐패시터가 부스바(11)에 의해 전극 터미널들이 연결되고 너트에 의해 결합되어 구성된다.
울트라 캐패시터 모듈은 다수의 울트라 캐패시터의 구동을 통해 에너지 저장 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 울트라 캐패시터 모듈의 구동시 발생되는 열도 함께 급격하게 증가되어 울트라 캐패시터 모듈의 신뢰성이나 안정성이 저하될 수 있다.
상기와 같은 종래 기술에 따른 울트라 캐패시터 모듈은, 이웃한 울트라 캐패시터를 연결하는 연결 부재인 부스바(11)와, 케이스(20)를 덮는 상, 하면의 금속 재질의 덮개(30, 40)를 통해 주로 방열을 한다. 그런데 케이스(20)의 측면은, 울트라 캐패시터 모듈의 무게를 줄이고 생산 단가를 낮추기 위해 합성 수지로 제작되고, 판 형상으로 되어 있어, 울트라 캐패시터와의 접촉 면적이 작아 방열이 거의 이루어지지 않는다.
또한, 상기와 같은 종래 기술에 따르면 울트라 캐패시터는 주로 부스바(11)를 통해 방열을 할 수 있는데, 부스바(11)는 방열 면적이 좁기 때문에 효율적으로 방열을 할 수 없어, 케이스 내부의 온도가 상승에 따라 울트라 캐패시터의 수명이 줄어드는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 울트라 캐패시터와 같은 에너지 저장 셀들을 케이스에 수용하는데 있어서 접촉 면적이 넒은 케이스 측면을 통해 방열이 이루어지게 하여 방열 특성을 향상시킨 에너지 저장 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 장치는, 적어도 2개 이상의 원통형의 에너지 저장 셀이 직렬 연결되어 형성된 셀 어셈블리; 상기 에너지 저장 셀의 외측면에 대응하는 형상의 수용부를 구비하여, 상기 셀 어셈블리를 수용하는 케이스; 및 상기 셀 어셈블리의 에너지 저장 셀의 외측면과 상기 수용부의 내측면의 사이에 설치되는 방열 패드;를 포함하고, 상기 케이스는 적어도 2개 이상의 케이스 블록을 포함하며, 상기 케이스 블록의 결합에 의해 상기 수용부가 형성된다.
상기 방열 패드와 접촉하는 상기 에너지 저장 셀의 중심각은, 30도 내지 60도일 수 있다.
상기 수용부가 형성하는 호(arc)의 길이는, 상기 방열 패드의 길이 이상일 수 있다.
상기 방열 패드는, 탄성을 가지며, 상기 수용부와 상기 에너지 저장 셀 간의 간격은, 상기 방열 패드의 압착 전 두께보다 작으면서 상기 에너지 저장 셀들의 직경 공차보다 클 수 있다.
상기 방열 패드는 상기 에너지 저장 셀에 부착될 수 있다.
상기 방열 패드는 열전도 필러일 수 있다.
상기 방열 패드의 일측면에는 접착층을 구비할 수 있다.
상기 에너지 저장 셀은 울트라 캐패시터일 수 있다.
상기 케이스 블록은, 상기 에너지 저장 셀의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 갖는 복수의 볼록부; 상기 복수의 볼록부들을 연결하는 볼록부 연결부; 및 상기 볼록부와 상기 볼록부 연결부 사이에 형성된 오목부;를 포함할 수 있다.
상기 오목부에는 적어도 하나 이상의 방열판이 수직하게 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 케이스 블록은, 'L'자 형상 또는 'ㄷ'자 형상 중 어느 하나일 수 있다.
상기 케이스 블록이 'L'자 형상인 경우, 상기 복수의 볼록부의 최외측 볼록부 중 하나는, 볼록부의 호(arc) 형상이 이어지도록 연결될 수 있다.
상기 케이스 블록은, 상기 최외측 볼록부 중 하나로부터 연장되어 상기 케이스 블록의 길이 방향으로 절곡된 케이스 블록 연결부;를 더 포함할 수 있다.
상기 케이스 블록이 'ㄷ'자 형상인 경우, 상기 복수의 볼록부 중 최외측 볼록부들은, 볼록부의 호(arc) 형상이 이어지도록 연결될 수 있다.
상기 케이스 블록은, 상기 최외측 볼록부들 각각으로부터 연장되어 상기 케이스 블록의 길이 방향으로 절곡된 케이스 블록 연결부;를 더 포함할 수 있다.
상기 볼록부 연결부에는 덮개를 고정하기 위한 탭이 형성될 수 있다.
상기 에너지 저장 셀과 상기 케이스 간의 거리는, 상기 방열 패드의 끝단 지점부터 점진적으로 멀어져 상기 에너지 저장 셀과 상기 케이스 사이를 절연할 수 있다.
상기 에너지 저장 셀과 상기 케이스 간의 거리는, 상기 방열 패드의 끝단 지점부터 점진적으로 멀어져 상기 에너지 저장 셀과 상기 케이스 사이를 절연할 수 있다.
삭제
상기 에너지 저장 셀의 외면에 절연 필름이 더 형성될 수 있다.
본 발명은, 너트 및 부스바와 같은 연결 부재를 통한 방열뿐만 아니라, 케이스와 에너지 저장 셀 사이에 방열 패드를 설치함으로써 에너지 저장 셀과 케이스의 접촉 면적을 넓혀 방열 특성을 향상시킨다.
본 발명은, 여러 에너지 저장 셀을 수용하는 케이스를 복수의 케이스 블록의 결합으로 제조함으로써 상기 방열 패드의 설치를 용이하게 하고 케이스를 제조하는데 드는 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은, 방열 특성을 향상시키면서 동시에 에너지 저장 장치의 제품 질량을 최적화한다.
본 발명은, 방열 패드의 양 첨단에서부터 에너지 저장 셀과 케이스 간의 거리를 멀어지게 하여 케이스와 에너지 저장 셀 사이를 자연스럽게 절연하여 제품 안정성을 향상시킨다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 저장 장치 모듈을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 셀 간의 연결을 도시한 도면,
도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패드와 에너지 저장 셀이 접촉할 때의 중심각을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패드와 에너지 저장 셀의 접촉 형상과 방열 효율 및 제품 질량을 각도에 따라 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각에 따른 방열 효율 및 제품 질량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 4의 A 부분을 확대한 도면이다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 저장 장치 모듈을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 셀 간의 연결을 도시한 도면,
도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패드와 에너지 저장 셀이 접촉할 때의 중심각을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패드와 에너지 저장 셀의 접촉 형상과 방열 효율 및 제품 질량을 각도에 따라 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각에 따른 방열 효율 및 제품 질량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 4의 A 부분을 확대한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 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.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 셀 간의 연결을 도시한 도면, 도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는, 적어도 2개 이상의 에너지 저장 셀(110)이 직렬로 연결된 셀 어셈블리(100), 셀 어셈블리(100)를 수용하는 케이스(200)를 포함한다.
셀 어셈블리(100)는 적어도 2개 이상의 에너지 저장 셀(110)이 직렬 연결되어 형성될 수 있다. 에너지 저장 셀(110)은 울트라 캐패시터일 수 있으며, 본 실시 예를 설명함에 있어서 에너지 저장 셀은 울트라 캐패시터로 설명한다. 하지만 이에 한하지 않으며 상기 에너지 저장 셀은 이차 전지, 배터리 등 전기 에너지를 저장할 수 있는 셀이면 관계없다.
울트라 캐패시터(110)는 빠른 충방전 특성을 가지며 이에 따라 이동통신 정보기기인 휴대폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기 자동차나 하이브리드 자동차, 태양전지용 전원 장치, 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply : UPS) 등의 주전원 또는 보조전원으로 사용될 수 있다.
울트라 캐패시터(110)는 원통 형상의 형태일 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 전극이 형성된 길이 방향으로 다른 울트라 캐패시터와 직렬 연결되어 셀 어셈블리(100)를 구성할 수 있다. 이때, 이웃한 울트라 캐패시터의 연결은 연결 부재, 예를 들어 너트 및 부스바에 의해 연결될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 울트라 캐패시터(110)를 병렬로 위치시킨 상태에서, 제 1 울트라 캐패시터의 양극 단자와 제 2 울트라 캐패시터의 음극 단자를 부스바(130) 및 너트(150) 등과 같은 연결 부재를 이용하여 직렬로 연결시켜 셀 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 이때, 다수의 울트라 캐패시터(110)는 부스바(130)에 의해 양극 단자와 음극 단자가 연결되고, 너트(150)에 의해 결합되어 셀 어셈블리(100)를 구성한다. 셀 어셈블리(100)는 케이스(200)에 수용되어 울트라 캐패시터 모듈을 구성할 수 있다.
케이스(200)는 울트라 캐패시터(110)가 직렬 연결되어 형성된 셀 어셈블리(100)를 수용할 수 있다. 케이스(200)는 울트라 캐패시터(110)의 외측면에 대응되는 형상의 수용부를 구비하여 울트라 캐패시터(110)가 직렬 연결되어 형성된 셀 어셈블리(100)를 수용할 수 있다.
케이스(200)는 동일한 형태의 적어도 2개 이상의 케이스 블록(도 5의 510 또는 도 6의 610)이 결합되어 형성될 수 있다. 케이스 블록(도 5의 510 또는 도 6의 610)의 결합에 의해 셀 어셈블리(100)를 수용하는 수용부가 형성될 수 있다. 케이스 블록(도 5의 510 또는 도 6의 610)은 도 5 및 도 6을 참조하여 이하에서 자세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 케이스 블록(510)은 'L'자 형상일 수 있으며, 울트라 캐패시터(110)의 외측 형상에 대응하는 형태의 수용부(518)를 갖는다. 울트라 캐패시터(110)가 원통 형상인 경우, 울트라 캐패시터(110)의 외측면과 접하는 케이스 블록(510)의 내측면은 원통 형상의 둥근 모양일 수 있다. 상기 'L'자 형상의 케이스 블록 4개를 결합하여 케이스(200)를 완성할 수 있고 이에 따라 수용부(518)가 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 케이스 블록(510)은, 울트라 캐패시터(110)의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 갖는 복수의 볼록부(511), 볼록부(511)를 연결하는 볼록부 연결부(513), 볼록부(511)와 볼록부 연결부(513) 사이에 형성된 오목부(512), 케이스 블록(510)을 연결하는 케이스 블록 연결부(514, 515)를 포함한다.
복수의 볼록부(511)는 울트라 캐패시터(110)의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 가져 울트라 캐패시터(110)를 수용하는 수용부(518)를 형성하고 그 내측에 방열 패드(210)가 부착된다. 방열 패드(210)는 울트라 캐패시터(110)에서 발생한 열을 볼록부(511)로 방출하고, 또한 울트라 캐패시터(110)와 볼록부(511)(즉 케이스(200)) 간의 절연 기능을 한다. 이러한 볼록부(511)들은 볼록부 연결부(513)에 의해 연결되고 볼록부 연결부(513)에는 케이스(200)를 덮는 상부 덮개와 하부 덮개를 고정하기 위한 탭이 형성되어 있다. 탭은 볼팅(bolting) 처리를 위한 구조물로서 케이스(200)와 덮개를 고정하기 위한 볼트가 삽입된다.
복수의 볼록부(511)들이 연결되어 형성되는 케이브 블록(510)이 'L'자 형상을 갖는다. 폭 방향으로 케이스 블록(510)을 연결하기 위해, 최외측 볼록부 중 하나는 폭 방향으로 배치되어 연결되고, 나머지 볼록부들은 길이 방향으로 배치되어 연결된다. 즉 복수의 볼록부(511)의 길이 방향의 최외측 볼록부 중 하나는, 볼록부(511)의 호(arc) 형상이 이어지도록 연결된다.
오목부(512)는 볼록부(511)와 볼록부 연결부(513) 사이에 형성된다. 오목부(512)는 볼록부(511)의 일부를 바깥쪽으로 되접어 꺾음으로써 형성되는데, 이는 절연거리 확보를 위한 것으로 자세한 내용은 후술하기로 한다. 오목부(512)에는 일정한 간격으로 복수의 방열판(517)이 수직으로 설치되어 울트라 캐패시터(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출한다. 즉 방열판(517) 사이의 공기 흐름을 통한 방열 효율을 높이기 위해 일정한 간격으로 방열판(517)이 수직으로 설치된다. 그리고 방열 면적을 넓히기 위해 복수의 방열판(517)이 설치된다. 이때 방열판(517)의 높이는 볼록부 연결부(513)의 높이와 동일하게 형성된다. 도 5에서 길이 방향의 가장 좌측에 위치하는 볼록부 연결부(513)의 양측에는 오목부(512)가 형성되어 있지 않은 것으로 도시되어 있지만 다른 볼록부 연결부(513)와 마찬가지로 양측에 오목부(512)를 형성할 수 있다.
케이스 블록 연결부(514, 515)는 케이블 블록(510)을 연결한다. 케이스 블록 연결부(514, 515) 중 케이스 블록 연결부(514)는, 볼록부(511)에서 연장되어 길이 방향으로 절곡되어 있고, 폭 방향으로 케이스 블록(510)을 연결한다. 케이스 블록 연결부(514, 515) 중 케이스 블록 연결부(515)는, 볼록부(511)에서 연장되어 폭 방향으로 절곡되어 있고, 길이 방향으로 케이스 블록(510)을 연결한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 케이스 블록의 구성을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 케이스 블록(610)은 'ㄷ'자 형상일 수 있고, 울트라 캐패시터(110)의 외측 형상에 대응하는 형태의 수용부(618)를 갖는다. 울트라 캐패시터가 원통 형상인 경우, 울트라 캐패시터(110)의 외측면과 접하는 케이스 블록(610)의 내측면은 원통 형상의 둥근 모양일 수 있다. 상기 'ㄷ'자 형상의 케이스 블록 2개를 결합하여 케이스(200)를 완성할 수 있고 이에 따라 수용부(618)가 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 케이스 블록(610)은, 울트라 캐패시터(110)의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 갖는 복수의 볼록부(611), 볼록부(611)를 연결하는 볼록부 연결부(613), 볼록부(611)와 볼록부 연결부(613) 사이에 형성된 오목부(612), 케이스 블록(610)을 연결하는 케이스 블록 연결부(614)를 포함한다.
복수의 볼록부(611)는 울트라 캐패시터(110)의 외측 형성과 동일한 호(arc) 형상을 가져 울트라 캐패시터(110)를 수용하는 수용부(618)를 형성하고 그 내측에 방열 패드(210)가 부착된다. 방열 패드(210)는 울트라 캐패시터(110)에서 발생한 열을 볼록부(611)로 방출하고, 또한 울트라 캐패시터(110)와 볼록부(611)(즉 케이스(200)) 간의 절연 기능을 한다. 이러한 볼록부(611)들은 볼록부 연결부(613)에 의해 연결되고 볼록부 연결부(613)에는 케이스(200)를 덮는 상부 덮개와 하부 덮개를 고정하기 위한 탭이 형성되어 있다. 탭은 볼팅(bolting) 처리를 위한 구조물로서 케이스(200)와 덮개를 고정하기 위한 볼트가 삽입된다.
복수의 볼록부(611)들이 연결되어 형성되는 케이브 블록(610)은 'ㄷ'자 형상을 갖는다. 폭 방향으로 두 개의 케이스 블록(610)을 연결하기 위해, 최외측 볼록부는 폭 방향으로 배치되어 연결되고, 나머지 볼록부들은 길이 방향으로 배치되어 연결된다. 즉 복수의 볼록부(611)의 최외측 볼록부들은 볼록부(611)의 호(arc) 형상이 이어지도록 연결된다.
오목부(612)는 볼록부(611)와 볼록부 연결부(613) 사이에 형성된다. 오목부(612)는 볼록부(611)의 일부를 바깥쪽으로 되접어 꺾음으로써 형성되는데, 이는 절연거리 확보를 위한 것으로 자세한 내용은 후술하기로 한다. 오목부(612)에는 일정한 간격으로 복수의 방열판(617)이 수직으로 설치되어 울트라 캐패시터(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출한다. 즉 방열판(617) 사이의 공기 흐름을 통한 방열 효율을 높이기 위해 일정한 간격으로 방열판(617)이 수직으로 설치된다. 그리고 방열 면적을 넓히기 위해 복수의 방열판(617)이 설치된다. 이때 방열판(617)의 높이는 볼록부 연결부(613)의 높이와 동일하게 형성된다. 도 6에서 길이 방향의 최외측에 위치하는 볼록부 연결부(613)의 양측에는 오목부(612)가 형성되어 있지 않은 것으로 도시되어 있지만 다른 볼록부 연결부(613)와 마찬가지로 양측에 오목부(612)를 형성할 수 있다.
케이스 블록 연결부(614)는 케이블 블록(610)을 연결한다. 케이스 블록 연결부(614)는 볼록부(611)에서 연장되어 길이 방향으로 절곡되어 있고, 폭 방향으로 케이스 블록(610)을 연결한다.
이상의 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 케이스 블록(510, 610)의 결합으로 형성되는 케이스(200)는 금속 재질로 형성할 수 있다. 케이스(200)의 내부에 형성되는 수용부(518, 618)는 울트라 캐패시터(110)의 외측면과 대응하는 형태로 울트라 캐패시터(110)의 형상을 최대한 살려 제작한다. 따라서 케이스(200)와 울트라 캐패시터(110) 간의 접촉면을 최대화하여 열이 방출되는 면적을 증가시킴으로써 방열 효과를 높일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시 예에 따르면 방열 효과를 더욱 향상시키기 위해 수용부(518, 618)의 내측면에 방열 패드(210)가 부착된다. 즉, 셀 어셈블리(100)가 수용부(518, 618)에 삽입되었을 때, 셀 어셈블리(100)와 수용부(518, 618) 사이에 방열 패드(210)가 위치할 수 있도록, 수용부(518, 618)의 내측면에 방열 패드(210)를 부착할 수 있다. 방열 패드(210)는 울트라 캐패시터(110)의 전극 길이 방향으로 수용부(518, 618)의 내측면에 부착될 수 있다. 방열 패드(210)의 폭은 수용부(518, 618)가 형성하는 호(arc)의 길이보다 작다. 방열 패드(210)의 폭이 수용부(518, 618)가 형성하는 호(arc)의 길이보다 큰 경우 방열 패드(210)의 일부는 수용부(518, 618)에 맞닿지 않게 되어 방열을 할 수 없기 때문이다. 반대로 얘기하면, 수용부(518, 618)는 방열 패드(210)의 폭보다 긴 길이의 호(arc)를 가져야 한다.
방열 패드(210)는 열 전달을 위한 열전도 필러, 예컨대, 금속 파우더 또는 세라믹 분말을 포함할 수 있다. 금속 파우더의 예로서는 알루미늄, 은, 구리, 니켈 및 텅스텐 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 또한, 세라믹 분말의 예로서는 실리콘(silicone), 그라파이트(graphite) 및 카본 블랙(carborn black)일 수 있다. 본 발명의 실시예에서 방열 패드(210)의 재질에 대해 한정하는 것은 아니다. 또는 방열 패드(210)의 재질은 실리콘 합성고무일 수 있다.
방열 패드(210)는 케이스(200) 내부에 수용되는 울트라 캐패시터(110)를 고정하는 역할을 할 수 있다. 즉, 방열 패드(210)는, 케이스(200) 내부에 울트라 캐패시터(110)가 수용될 경우, 울트라 캐패시터(110)와 직접적으로 맞닿아 울트라 캐패시터(110)의 움직임을 방지하여 고정할 수 있다. 수용부(518, 618)는 울트라 캐패시터(110)의 외측면에 대응하는 형태로 제작되더라도, 울트라 캐패시터(110)와 긴밀한 접촉면이 형성되지 않을 수 있고, 이에 따라 적절한 방열이 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 방열 패드(210)를, 울트라 캐패시터(110)와 접촉하는 수용부(518, 618)의 내측면에 부착함으로써, 울트라 캐패시터(110)를 케이스(200) 내에 고정시켜주면서, 케이스(200)와 울트라 캐패시터(110) 간의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 높일 수 있다.
또한, 방열 패드(210)는 탄성을 가질 수 있다. 케이스(200)에는 복수의 울트라 캐패시터(110)가 삽입되는데 각 울트라 캐패시터(110)마다 직경 차이가 있을 수 있다. 이에 따라 울트라 캐패시터(110)가 방열 패드(210)에 완벽하게 압착되지 않을 수 있다. 따라서 이러한 울트라 캐패시터(110) 간의 직경 차이를 고려하여 탄성을 갖는 방열 패드(210)를 이용함으로써 모든 울트라 캐패시터(110)들이 방열 패드(210)에 충분히 압착될 수 있도록 한다. 이때 방열 패드(210)의 압착 전 두께는 울트라 캐패시터(110)들의 직경 공차보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 울트라 캐패시터(110)들의 표준 직경이 60.7mm이고 공차가 ±0.7mm인 경우 방열 패드(210)의 압착 전 두께는 1.4mm(0.7mm×2) 보다 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 2mm의 두께를 갖도록 한다.
방열 패드(210)가 탄성을 가질 경우, 케이스(200)에 울트라 캐패시터(110)가 삽입되면, 방열 패드(210)는 울트라 캐패시터(110)의 외형에 맞게 변형이 되고 따라서 울트라 캐패시터(110)와의 밀착력을 높일 수 있어 결국 접촉 면적이 증가하게 된다. 따라서 접촉 면적의 증가에 따라 방열 효율을 더 높일 수 있다.
한편 방열 패드(210)의 사용과 관련하여, 케이스(200)의 수용부(518, 618)와 울트라 캐패시터(110) 간의 간격은 방열 패드(210)의 압착 전 두께보다 작으면서 상기 울트라 패캐시터(110)들의 직경 공차보다 큰 것이 바람직하다. 여기서 수용부(518, 618)와 울트라 캐패시터(110) 간의 간격은, 방열 패드(210)를 사용하지 않고 에너지 저장 장치의 조립을 완료했을 때의 간격이다. 상기 간격이 울트라 캐패시터(110)들의 직경 공차보다 커야 하는 이유는, 만약 상기 간격이 상기 직경 공차보다 작을 경우 케이스 조립이 불완전하게 되어 틈이 발생할 수 있기 때문이다. 그리고 상기 간격이 방열 패드(210)의 압착 전 두께보다 작아야 하는 이유는, 울트라 캐패시터(110)들이 방열 패드(210)에 충분히 압착될 수 있도록 하기 위함이다. 상기 간격이 방열 패드(210)의 압착 전 두께보다 작게 되면, 케이스 조립시 울트라 캐패시터(110)들이 방열 패드(210)를 압착하게 되고, 따라서 울트라 캐패시터(110)를 케이스(200) 내에 고정시켜주면서 울트라 캐패시터(110)와 방열 패드(210) 간의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 높일 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 방열 패드(210)의 일측면에는 접착층을 구비하여 케이스(200)의 수용부(518, 618)에 상기 방열 패드를 용이하게 접합시킬 수 있다. 여기서 상기 접착층은 열전도 필러, 예컨대 금속 파우더 또는 세라믹 분말을 더 포함하여, 접착층을 통해 열전도율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시 예에 따르면 방열 패드(210)를 케이스(200)의 내측면 즉, 울트라 캐패시터(110)의 외측면과 대응하는 수용부(518, 618)의 내측면에 부착함으로써 케이스(200)의 측면을 통한 방열을 수행하여 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 상기 케이스(200)는 구리 또는 알루미늄과 같이 열전도성이 뛰어난 재질을 사용함으로써 케이스(200) 내부에서 발생된 열을 효과적으로 외부로 전달하여 방출시킬 수 있다.
종래에는 서로 이웃한 울트라 캐패시터(110)를 연결하는 연결 부재 즉, 부스바에 의해 주로 열을 방출하였지만, 상기 부스바는 열을 방출할 수 있는 면적이 좁아 그 효과가 미미하였다. 예컨대, 상기 부스바는 가로 길이가 100(mm), 세로 길이가 28(mm)일 경우, 울트라 캐패시터 하나당 부스바를 통해 방열을 할 수 있는 면적은 100*28/2(울트라 캐패시터 하나당 부스바의 면적)*2(Top & Bottom side)=2800(mm2)일 수 있다.
하지만, 상술한 바와 같이 본 실시 예에 따르면 케이스(200)의 측면을 통해 즉, 방열 면적을 증가시켜 열을 방출함으로써 보다 효율적으로 케이스(200) 내부의 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 또한, 울트라 캐패시터(110)가 접촉하는 케이스(200)의 내측면에 열전도성이 뛰어난 방열 부재 즉, 방열 패드(210)를 부착함으로써 보다 더 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시한 바와 같이 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터의 접촉각, 즉 중심각이 60도인 경우, 울트라 캐패시터 하나당 방열 면적은 2*3.14*(60(울트라 캐패시터의 직경)/2)*130(방열 패드의 길이)(mm)*60(각도)*2/360=8164(mm2)일 수 있다. 이때, 각도에 2를 곱하는 이유는 본 실시 예에서 두 곳에 방열 패드(210)가 부착되어 있기 때문이다. 일반적으로 중심각은 원이나 부채꼴에서 두 반지름이 만드는 각도로서, 본 발명의 실시예에서 중심각은 방열 패드(210)와 울트라 캐패시터(110)가 접촉할 때 울트라 캐패시터(110)의 중심으로부터 그 접촉하는 부분의 양 끝단을 잇는 두 반지름이 만드는 각도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패드(210)와 울트라 캐패시터(110)가 접촉할 때의 중심각을 나타낸 도면으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 중심각(α)은 방열 패드(210)와 울트라 캐패시터(110)가 접촉할 때 울트라 캐패시터(110)의 중심으로부터 그 접촉하는 부분의 양 끝단을 잇는 두 반지름이 만드는 각도이다. 그리고, 상기 양 끝단은 울트라 캐패시터(110)와 케이스(200)의 사이에서 방열 패드(210)가 압착되었을 때의 양 끝단을 의미한다.
한편, 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 접촉각, 즉 중심각(α)은 30도 내지 60도인 것이 바람직하다. 중심각(α)이 30도 이상일 때의 방열 효율은 중심각(α)이 30도 미만일 때의 방열 효율보다 훨씬 크다. 그리고 방열 패드(210)와 울트라 캐패시터(110)의 접촉 면적이 넓을수록, 즉 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 중심각(α)이 커질수록, 방열 효율이 좋아지지만, 그만큼 에너지 저장 장치의 제품 질량은 커지게 된다. 상기 중심각(α)이 30도 내지 60도인 경우 제품 질량은 완만하게 증가하지만, 중심각(α)이 60도 보다 커지게 되면 제품 질량이 급격히 증가하게 된다. 따라서 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 중심각(α)은 30도 내지 60도인 것이 바람직하다. 이를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패드와 에너지 저장 셀의 접촉 형상과 방열 효율 및 제품 질량을 각도에 따라 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉각에 따른 방열 효율 및 제품 질량의 변화를 나타낸 그래프이다.
먼저 방열 효율의 산출 조건은 다음 [표1]과 같고, 에너지 저장 셀로서 울트라 캐패시터 18개를 사용한다.
| 구분 | 물질명 | 밀도 [kg/m3] |
열전도도 [W/m·k] |
비열 [kj/kg·K] |
점도 [Pa·s] |
| 공기 | air | 비압축성 이상기체 |
0.0242 | 1006.43 | 1.7894×10-5 |
| 케이스/셀 | Al-6063-O | 2,700 | 218 | 871 | - |
| 방열 패드 | SB-7100 S/TUTG-E | 1540 | 1.4 | 871 | - |
방열 효율은 다음과 같은 수식을 이용하여 계산한다.
제품 질량은 울트라 캐패시터들의 총 무게와, 케이스의 질량과, 방열 패드의 질량 그리고 기타 부품의 질량을 더한다.
도 8을 참조하면, 케이스 블록 사이에 형성된 수용부(518, 618)에 에너지 저장 셀, 즉 울트라 캐패시터(110)가 삽입되고, 수용부(518, 618)의 내측면에는 울트라 캐패시터(110)와 접촉하는 방열 패드(210)가 부착되어 있다. 울트라 캐패시터(110)와 방열 패드(210) 간의 접촉 면적을 크게 하기 위해서는 방열 패드(210)의 폭이 증가해야 하고 이에 따라 수용부(518, 618)의 호(arc)의 길이도 동시에 증가해야 한다. 이와 같이 울트라 캐패시터(110)와 방열 패드(210) 간의 접촉 면적이 커지면 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 중심각은 커진다. 그리고 인접한 울트라 캐패시터(110) 사이의 케이스(200) 외측면에 형성되는 오목부(512, 612)는 그 깊이가 증가한다.
도 9에서 좌측 Y 축은 방열 효율을 나타내고 우측 Y 축은 제품 질량을 나타낸다. 도 9에서 참조번호 910은 방열 효율 그리고 참조번호 920은 제품 질량의 그래프이다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 중심각(α)이 커지면 에너지 저장 장치의 방열 효율은 좋아진다. 특히 중심각(α)이 30도 이상이 되면 중심각(α)이 30도 미만일 때보다 방열 효율이 급격히 좋아진다. 예를 들어 중심각(α)이 10도일 때의 방열 효율은 90.66%인데 중심각(α)이 30도일 때 방열 효율은 97.28%로, 중심각(α)이 30도가 되면 방열 효율이 매우 좋아진다. 도 9에서 방열 효율 그래프를 따라 표기된 숫자는, 1도당 방열 효율의 증가폭을 나타낸다. 예를 들면, 중심각(α)이 10도에서 20도로 증가할 때, 평균적으로 1도당 0.36% 포인트(3.6% ÷ 10)만큼 방열 효율이 증가한다. 중심각(α)이 20도에서 25도로 증가할 때, 평균적으로 1도당 0.30% 포인트만큼 방열 효율이 증가한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 중심각(α) 30도까지 방열 효율이 큰 폭으로 증가하고 그 이상의 중심각(α)에서는 방열 효율의 증가폭이 둔화된다. 따라서 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 중심각(α)은 30도 이상인 것이 바람직하다.
그러나 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 중심각(α)이 30도 이상으로 커지면 그만큼 에너지 저장 장치의 제품 질량은 증가하게 된다. 그 이유는, 방열 패드(210)의 폭이 증가하여 방열 패드(210)의 질량이 증가하고 또한 수용부(518, 618)의 호(arc)의 길이도 동시에 증가하면서 인접한 울트라 캐패시터(110) 사이의 케이스(200) 외측면에 형성되는 오목부(512, 612)는 그 깊이가 증가하여 케이스(200)의 질량도 증가하게 된다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 중심각(α)이 60도가 될 때까지는 제품 질량이 완만하게 증가하는데 중심각(α)이 60도를 초과하게 되면 제품 질량이 급격하게 증가한다. 즉 60도를 초과하는 중심각(α)에서의 제품 질량 증가율이 60도 이하 중심각(α)에서의 제품 질량 증가율보다 더 커진다. 도 9에서 제품 질량 그래프를 따라 표기된 숫자는, 1도당 제품 질량의 증가폭을 나타낸다. 예를 들면, 중심각(α)이 10도에서 20도로 증가할 때, 평균적으로 1도당 0.25% 포인트(2.5% ÷ 10)만큼 제품 질량이 증가한다. 중심각(α)이 20도에서 22.5도로 증가할 때, 평균적으로 1도당 0.23% 포인트만큼 제품 질량이 증가한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 중심각(α) 60도까지 제품 질량은 완만하게 증가하는데 중심각(α)이 60도를 초과하게 되면 제품 질량이 급격하게 증가한다. 예를 들어, 중심각(α)이 55도에서 60도로 증가할 때 1도당 0.34% 포인트만큼 제품 질량이 증가하는 반면, 중심각(α)이 60도에서 65도로 증가하면 1도당 0.45% 포인트만큼 제품 질량이 대폭 증가한다. 그러므로, 방열 패드(210)와 접촉하는 울트라 캐패시터(110)의 중심각(α)은 30도 내지 60도인 것이 바람직하다.
도 10은 도 4의 A 부분을 확대한 도면이다. 도 10을 참조하면, 케이스(200)를 되접어 꺽음으로써 형성되는 오목부(512, 612)부터, 케이스(200)와 울트라 캐패시터(110) 간의 거리(1010)는 점점 멀어진다. 즉, 오목부(512, 612)의 첨단을 기점으로 케이스(200)와 울트라 캐패시터(110) 간의 거리(1010)는 점점 멀어진다. 특정 셀의 인접 오목부(512, 612)부터 멀어지는 케이스(200)는, 이웃한 셀의 인접 오목부(512, 612)부터 멀어지는 케이스(200)와, 볼록부 연결부(513, 613)에서 만나 케이스를 이룬다. 앞서 설명한 바와 같이, 방열 패드(210)는 방열 기능 이외 케이스(200)와 울트라 캐패시터(110) 사이를 절연하는 기능을 한다. 방열 패드(210)가 없는 부분, 즉 방열 패드(210)가 끝나는 지점부터는, 케이스(200)와 울트라 캐패시터(110) 간의 거리(1010)를 멀어지게 함으로써 간접적으로 케이스(200)와 울트라 캐패시터(110) 간에 절연이 되도록 한다. 상기 절연 거리 확보 외의 절연 대책으로 각각의 셀의 외면에 절연 필름을 씌우거나, 절연 코팅을 할 수도 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 이웃하는 울트라 캐패시터(110)와 케이스(200) 사이에는 센싱 및 밸런싱을 위한 하네스가 설치될 수 있는 공간(1020)이 형성된다. 이 공간(1020)을 통해 하네스가 통과하고, 또한 이 공간(1020)에 존재하는 공기의 흐름으로 추가적인 방열을 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 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.
100 : 셀 어셈블리
110 : 에너지 저장 셀
200 : 케이스
210 : 방열 패드
430 : 방열 판
110 : 에너지 저장 셀
200 : 케이스
210 : 방열 패드
430 : 방열 판
Claims (18)
- 적어도 2개 이상의 원통형의 에너지 저장 셀이 직렬 연결되어 형성된 셀 어셈블리;
상기 에너지 저장 셀의 외측면에 대응하는 형상의 수용부를 구비하여, 상기 셀 어셈블리를 수용하는 케이스; 및
상기 셀 어셈블리의 에너지 저장 셀의 외측면과 상기 수용부의 내측면의 사이에 설치되는 방열 패드;를 포함하고,
상기 케이스는 적어도 2개 이상의 케이스 블록을 포함하며,
상기 케이스 블록의 결합에 의해 상기 수용부가 형성되고,
상기 케이스 블록은,
상기 에너지 저장 셀의 외측 형상과 동일한 호(arc) 형상을 갖는 복수의 볼록부;
상기 복수의 볼록부들을 연결하는 볼록부 연결부; 및
상기 볼록부와 상기 볼록부 연결부 사이에 형성된 오목부;를 포함하는, 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 방열 패드와 접촉하는 상기 에너지 저장 셀의 중심각은, 30도 내지 60도인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 수용부가 형성하는 호(arc)의 길이는, 상기 방열 패드의 길이 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 방열 패드는, 탄성을 가지며,
상기 수용부와 상기 에너지 저장 셀 간의 간격은, 상기 방열 패드의 압착 전 두께보다 작으면서 상기 에너지 저장 셀들의 직경 공차보다 큰 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방열 패드는 상기 에너지 저장 셀에 부착되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방열 패드는 열전도 필러인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방열 패드의 일측면에는 접착층을 구비하는 것을 특징으로 하는 방열 성능이 향상된 에너지 저장 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 저장 셀은 울트라 캐패시터인 것을 특징으로 방열 특성이 향상된 에너지 저장 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 오목부에는 적어도 하나 이상의 방열판이 수직하게 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 케이스 블록은,
'L'자 형상 또는 'ㄷ'자 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 케이스 블록이 'L'자 형상인 경우,
상기 복수의 볼록부의 최외측 볼록부 중 하나는, 볼록부의 호(arc) 형상이 이어지도록 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 케이스 블록은,
상기 최외측 볼록부 중 하나로부터 연장되어 상기 케이스 블록의 길이 방향으로 절곡된 케이스 블록 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 케이스 블록이 'ㄷ'자 형상인 경우,
상기 복수의 볼록부 중 최외측 볼록부들은, 볼록부의 호(arc) 형상이 이어지도록 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 케이스 블록은,
상기 최외측 볼록부들 각각으로부터 연장되어 상기 케이스 블록의 길이 방향으로 절곡된 케이스 블록 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 볼록부 연결부에는 덮개를 고정하기 위한 탭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지 저장 셀과 상기 케이스 간의 거리는,
상기 방열 패드의 끝단 지점부터 점진적으로 멀어져 상기 에너지 저장 셀과 상기 케이스 사이를 절연하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지 저장 셀의 외면에 절연 필름이 더 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
Applications Claiming Priority (4)
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