KR101757382B1 - 냉각 성능이 개선된 냉각부재와 이를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

냉각 성능을 개선시키면서 장기적으로 내구 신뢰성을 보장할 수 있는 냉각부재 및 이를 이용해 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 높은 냉각 성능에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈을 제공한다. 본 발명에 따른 냉각부재는 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체의 상부 및/또는 하부에 장착되어 충방전시 전지셀로부터 발생하는 열을 제거하는 냉각부재로서, 전지셀 적층체의 상부 및/또는 하부에 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트싱크; 및 상기 유로 안에 구비되고 상기 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 구조물을 하나 이상 포함한다.

Description

냉각 성능이 개선된 냉각부재와 이를 포함하는 전지모듈{Cooling member of improved cooling performance and battery module comprising the same}
본 발명은 냉각 성능이 개선된 냉각부재와 이를 포함하는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전이 가능한 판상형 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체에 장착되는 냉각부재 및 이를 포함하는 전지모듈에 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 각광받고 있다.
자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈 및 이를 단위모듈로 포함하는 중대형 전지팩이 사용된다. 이러한 전지모듈 및 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 밀집도로 적층할 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 전지모듈의 단위전지로서 주로 사용되고 있다.
전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지모듈 및 그것이 장착된 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각부재가 반드시 필요하다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 전지모듈을 도시한 것으로, 도 1a는 전지모듈의 사시도, 도 1b는 정면도, 도 1c는 측면도이다.
도시한 바와 같이, 종래에는 다수의 전지셀(10)들이 적층된 전지셀 적층체(20) 일측에 히트싱크(30)를 배치하여 적층된 전지셀(10)들 사이의 열을 제거하도록 하는데, 히트싱크(30)에는 냉각수의 유로(40)가 형성되어 있다.
그러나, 이러한 구조는 화살표로 표시한 바와 같이 유로(40)에 흐르는 냉각수가 입구로 들어가서 출구로 나가게 되는 구조를 이용해야 하기 때문에 입구측에 가까운 쪽이 더 많이 냉각되고, 출구측에 가까운 쪽이 덜 냉각되는 문제점이 있다. 즉, 입구에서 멀고 출구에 가까울수록 냉각수의 온도가 상승하여 냉각열이 감소되므로 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 따라 전지모듈내 전지셀의 냉각 시작점과 끝점에서의 온도 편차를 유발하고, 이 온도 편차는 전지셀의 성능 편차로 이어져 시스템의 성능 저하로 연결된다.
따라서, 냉각 성능을 개선시키면서 장기적으로 내구 신뢰성을 보장할 수 있는 냉각부재 및 이를 이용해 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 높은 냉각 성능에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 많은 부재들을 사용하지 않고, 전지셀의 온도 편차를 줄이고, 냉각 성능을 개선시키면서 장기적으로 내구 신뢰성을 보장할 수 있는 냉각부재를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 냉각부재를 포함함으로써 콤팩트한 구조에도 불구하고 높은 냉각 성능에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩 및 이 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 냉각부재는 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체의 상부 및/또는 하부에 장착되어 충방전시 전지셀로부터 발생하는 열을 제거하는 냉각부재로서, 전지셀 적층체의 상부 및/또는 하부에 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트싱크; 및 상기 유로 안에 구비되고 상기 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 구조물을 하나 이상 포함한다.
상기 냉매는 기체 또는 액체일 수 있다.
상기 구조물은 상기 히트싱크의 몸체 중 상기 전지셀 적층체에 가까운 곳에 장착되는 것일 수 있다.
상기 구조물은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 점차 높이가 커지는 상어 지느러미(shark fin) 모양의 냉각핀일 수 있다. 이 때, 상기 냉각핀은 단독으로 혹은 조를 이루어 열을 지어 배열될 수 있다. 그리고, 상기 냉각핀은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 연속적 또는 불연속적으로 형성될 수 있다.
상기 구조물은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 점차 표면적이 넓게 형성되거나 돌출 치수가 커지는 복수의 돌출부일 수 있다. 상기 돌출부는 반구상의 돔, 다각형 기둥 또는 사각형 핀일 수 있으며, 상기 돌출부는 열을 지어 배열될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 냉각부재는 상기 전지셀들 사이에 개재되는 흡열판을 더 포함하고 상기 히트싱크는 상기 흡열판으로부터 전도된 열을 방열하도록 흡열판과 연결되어 있다. 상기 흡열판은 수직단면상 "ㄱ"자형 또는 "T"자형일 수 있다. 상기 흡열판은 열도전성 금속 판재일 수 있다. 상기 히트싱크와 흡열판은 접촉 열저항 감소 접합으로 결합되어 있을 수 있다. 상기 접촉 열저항 감소 접합은 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것에 의해 달성될 수 있다.
상기 전지셀은 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체를 형성하고 있을 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스의 외주면을 열융착하여 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면이 상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층체를 형성하는 카트리지들 사이에 고정되어 있다.
본 발명은 또한 위와 같은 냉각부재를 포함하고 있는 전지모듈과, 이러한 전지모듈들 다수 개가 측면으로 배열되어 있는 전지팩도 제공한다.
상기 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 단위모듈로서 상기 전지모듈을 조합하여 제조될 수 있으며, 장착 효율성, 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 냉각부재는 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 구조물을 구비함으로써 하류측의 방열량을 상류측의 방열량보다 크게 한다. 이것에 의해, 냉매 흐름의 하류측으로 갈수록 전지셀로부터의 수열에 의해 냉매 온도가 상승하여도 전지모듈 전체를 균일하게 냉각할 수 있다.
본 발명에 따르면 히트싱크 내부에 상기와 같은 구조물을 포함시킴으로써 전지팩의 콤팩트함을 달성하고, 추가적인 냉각 장치가 필요치 않도록 하여 전지모듈의 크기를 증가시키지 않고, 전지모듈 내 전지셀의 냉각 시작점과 끝점에서의 온도 편차를 줄여 전지셀 온도의 불균일을 억제하면서 전지셀들로부터 발생한 열을 효과적으로 냉각하는 것이 가능하다. 따라서, 개선된 제조 공정 및 개선된 냉각 성능을 갖는 전지팩을 제공할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 전지모듈을 도시한 것이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 냉각부재와 전지모듈을 도시한 것으로, 가 도면의 a는 전지모듈의 사시도, b는 정면도, c는 측면도이다.
도 8a 및 도 8b는 비교예와 본 발명 실시예들에 따른 전지셀 냉각 효과를 시뮬레이션하기 위한 셀 설계 관련도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8b에 도시한 예에 대해 전지셀 냉각 효과를 시뮬레이션한 결과로서, 냉매 흐름 방향을 따라 전지셀 면적에 따른 온도 분포를 도시한 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 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.
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 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부재와 전지모듈을 도시한 것으로, 도 2a는 전지모듈의 사시도, 도 2b는 정면도, 도 2c는 측면도이다. 도 2a에서는 내부 구조를 보이기 위해 윗면을 제거하고 도시하였다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀 적층체(120)와 냉각부재(200)를 포함한다. 전지셀 적층체(120)는 전지셀(110)이 적층된 것이다. 냉각부재(200)는 전지셀 적층체(120)의 상부 및/또는 하부에 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로(140)가 형성된 중공 구조의 히트싱크(130), 및 상기 유로(140) 안에 구비되고 상기 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 구조물로서 냉각핀(150)을 하나 이상 포함한다.
전지셀(110)은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀(110)에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체(120)를 형성하고 있을 수 있다.
전지셀(110)은 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체를 포함하며, 각 전지셀(110)의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 것일 수 있다.
상기 양극판의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극판은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차전지의 화학적 변화를 야기하지 않고 높은 도전성을 갖는 재질이라면 양극판으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 양극판의 일부 영역에는 양극 탭이 구비되는데 양극 탭은 상기 양극판이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 양극판의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 양극 재료를 상기 양극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하여 양극 탭을 형성하여도 무방하다.
상기 양극판에 대응되는 음극판은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 음극판 또한 일부 영역에 음극 탭이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭과 같이 상기 음극판에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다.
상기 양극 리드는 상기 양극판에 구비된 양극 탭에, 음극 리드는 상기 음극판에 구비된 음극 탭에 전기적으로 접속된다. 바람직하게, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 양극 탭 및 복수의 음극 탭과 접합된다.
상기 양극판과 상기 음극판에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 코팅되어 있다. 일 예로, 상기 양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질은 탄소 계열의 활물질이고, 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다.
상기 분리막은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 상기 분리막은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다.
상기 무기 입자는 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자가 바람직하며, 10 이상의 유전율 상수를 가지며 밀도가 낮은 무기 입자가 더욱 바람직하다. 이는 전지내에서 이동하는 리튬 이온을 용이하게 전달할 수 있기 때문이다. 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자의 비제한적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3(PLZT), Pb(Mg3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, HfO2, SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
상기 전지셀 적층체(120)는 전지셀(110)들 사이에 절연막을 개재시키면서 복수의 전지셀(110)을 단순 적층한 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 상기 전지셀 적층체(120)는 절연막의 상부 및/또는 하부에 전지셀(110)을 적절한 간격으로 배열한 후 절연막을 전지셀(110)과 함께 한쪽 방향으로 폴딩하여 폴딩된 절연막 사이 사이에 전지셀(110)이 삽입되어 있는 스택 폴딩 구조를 가질 수 있다.
또 다른 예로, 상기 전지셀 적층체(120)는 파우치형 전지 조립체일 수 있다. 이 때, 전지셀(110)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스의 외주면을 열융착하여 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면이 상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층체를 형성하는 카트리지들 사이에 고정되어 있는 것일 수 있다.
냉각부재(200)는 전지셀 적층체(120)의 상부 및/또는 하부에 장착되어 충방전시 전지셀(110)로부터 발생하는 열을 제거한다. 히트싱크(130)는 열 접촉에 의해 다른 물체로부터 열을 흡수하고 발산하는 물체를 의미한다. 히트싱크(130)는 내부에 유로(140)를 포함하는 중공구조이다. 히트싱크(130) 내부 유로(140)에 흐르는 냉매는 유로(140)에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없으며, 기체 또는 액체일 수 있다. 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나 이것에 한정하지 않고, 흐름이 발생하는 것이면, 부동액, 가스 냉매, 공기 등이어도 좋다.
냉각핀(150)은 히트싱크(130)의 몸체 중 전지셀 적층체(120)에 가까운 곳, 본 실시예에서는 히트싱크(130) 내부 하면에 장착되어 있다. 본 실시예에서 냉각핀(150)은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 점차 높이가 커지는 상어 지느러미 모양의 냉각핀이다. 냉각핀(150)은 전지셀(110)의 길이를 따라 신장하는 길이를 가질 수 있다. 즉, 냉매 흐름 방향을 따라 전지셀(110)의 냉각이 시작되는 시작점과 냉각이 종료되는 끝점 사이에서 신장하는 길이를 가질 수 있다. 냉각핀(150)의 최고 높이는 유로(140) 높이보다 작다. 따라서, 냉각핀(150)이 있어도 냉매의 흐름이 방해를 받지 않는다. 냉각핀(150)은 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하게 되므로 하류측의 방열량을 상류측의 방열량보다 크게 한다. 이것에 의해, 냉매 흐름의 하류측으로 갈수록 전지셀(110)로부터의 수열에 의해 냉매 온도가 상승하여도 전지모듈 전체를 균일하게 냉각할 수 있다. 냉각핀(150)은 히트싱크(130)의 몸체 재질과 동일하거나 유사한 재질일 수 있으며, 열전도성이 높은 재질이면 좋다.
이 때, 냉각핀(150)은 도 2a나 도 2b에서 보는 바와 같이 단독으로 소정 간격 열을 지어 배열될 수 있고, 도 3a나 도 3b에서 보는 바와 같이 한 라인에 복수개의 냉각핀(150)을 설치하는 바와 같이 조를 이루어 열을 지어 배열될 수도 있다. 도시한 예는 2개가 한조를 이루는 경우인데 필요에 따라 한조를 이루는 개수는 더 증가할 수도 있다.
그리고, 냉각핀(150)은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 도 2a 내지 도 2c에서 보는 바와 같이 연속적으로 형성될 수도 있고, 도 4a 내지 도 4c에서 보는 바와 같이 불연속적으로 형성될 수도 있다. 냉각핀(150)이 불연속적으로 형성되는 경우에는 냉각핀(150) 사이 사이에서 냉매가 섞이며 순환할 수 있어 냉매 온도 불균일을 어느 정도 완화할 수 있다.
전지셀 적층체(120) 하나 이상이 모여 전지모듈을 구성할 수 있다. 그리고 이러한 전지모듈을 단위모듈로 삼아 이를 측면으로 배열함으로써 전지팩을 구성할 수도 있다. 히트싱크(130)는 다양한 형태 및 배열이 가능한 바, 예를 들어, 각각의 전지모듈 또는 전지팩 단위로 이루어질 수 있다. 즉, 히트싱크(130)는 전지모듈 단위로 분리형이거나 전지팩 단위로 일체형을 가질 수 있다.
냉각부재(200)는 전지셀(110)들 사이에 개재되는 흡열판(160)을 더 포함하고, 히트싱크(130)는 흡열판(160)으로부터 전도된 열을 방열하도록 흡열판(160)과 연결되어 있다.
한편, 흡열판(160)은 양면이 전지셀(110)들에 각각 밀착된 상태로 전지셀(110)들 사이에 개재되어 있고, 히트싱크(130)에 면 접촉하는 형상으로 절곡되어 있다. 즉, 전지셀(110)들 사이에 흡열판(160)을 개재하였을 때, 흡열판(160)이 히트싱크(130)에 면접촉하고 있으므로, 열전도에 의한 방열 효과를 극대화할 수 있다. 도시한 흡열판(160)은 수직단면상 "T"자형인데 절곡 방향에 따라서는 "ㄱ"자형이 될 수도 있다. 흡열판(160)은 열도전성 금속 판재일 수 있다. 흡열판(160)은 열전도성을 가지는 박형의 부재라면 그것의 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재의 시트형 판재가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 구리, 금, 은도 가능하다. 금속 이외의 질화알루미늄, 탄화규소와 같은 세라믹 물질도 가능하다.
흡열판(160)은 0.1 내지 5.0 mm의 두께를 가질 수 있다. 열도전성 금속 판재로 형성하는 흡열판(160)은 소정의 자체 기계적 강성 특성을 포함하고 있는 바, 우수하지 못한 전지셀 외장재 자체의 기계적 강성을 보강할 수 있는 구조이다. 또한, 이러한 구조의 흡열판(160)으로 인해 기계적 강성을 보강할 수 있도록 추가적인 부재가 필요치 않게 되므로 컴팩트한 전지팩을 제조할 수 있다.
방열 문제는 제품의 신뢰성뿐만 아니라 수명을 단축시키는 주요한 원인으로 고려되고 있다. 일반적으로 제품의 온도가 높아지면 다음과 같은 영향을 일으킨다. 고온환경에서는 수명이 단축된다. 온도에 따른 부품의 특성이 변한다. 절연물과 같은 유기질의 부품은 고온에서 노화를 일으킨다. 기계적 측면에서는 온도 상승으로 인해 기계적 강도 변화 및 열응력이 발생한다. 그리고, 열팽창에 의한 치수 변화가 발생한다. 대인적 측면으로는 온도의 상승, 배출 공기로 인한 불쾌감을 초래한다.
흡열판(160)과 히트싱크(130) 사이의 방열이 문제가 되면 이러한 온도 증가의 원인이 될 수 있으므로 이 부분의 방열 기술도 성능이 우수한 냉각부재(200)를 제조하는 데 크게 필요한 기술이다.
일반적으로 온도를 낮추는 방법에는 열전도도, 방열면적, 대류효과, 방사율을 증가시키는 방법과 접촉 열저항을 낮추는 방법으로 나눠진다. 본 발명에서는 흡열판(160)과 히트싱크(130) 사이의 온도를 낮추기 위해 접촉 열저항을 낮추는 방법을 이용한다. 접촉 열저항이란 서로 다른 물체가 접촉을 하게 되면 발생되는 문제로 표면 조도로 인하여 원활하게 열이 이동되는 것을 저해하는 요인으로 작용하게 된다. 따라서, 접촉 열저항을 최소화할 수 있는 재료를 사용하여 전체 시스템의 열성능을 개선시킬 필요가 있다. 접촉 열저항을 줄이기 위한 제품들을 `TIM(Thermal interface material)`이라고 하며, 그 종류는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 시트, 방열 패드, 열전도성 접착제, pcm(상변화물질) 등 다양하다.
본 실시예에서 히트싱크(130)와 흡열판(160)은 접촉 열저항 감소 접합으로 결합되어 있을 수 있다. 이를 위해 히트싱크(130)와 흡열판(160) 사이에 TIM(170)을 더 포함한다. 상기 접촉 열저항 감소 접합은 TIM(170)으로서 방열 그리스, 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용함에 의해 달성될 수 있다. 이러한 TIM(170)의 사용 두께는 0.1 내지 1mm일 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시한 냉각부재(200)는 상어 지느러미 모양의 냉각핀(150)을 포함한다. 이러한 냉각핀(150)은 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 구조물이다. 본 발명의 전지모듈 또는 전지팩은 이러한 냉각핀(150)을 포함함으로써 온도 편차 없이 전지셀(110)들을 냉각할 수 있다.
냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 구조물로는 냉각핀(150) 대신에 돌출부가 포함될 수도 있다. 도 5a 내지 도 5c에 도시한 냉각부재(200)는 반구상의 돔(152)을 포함한다. 도 6a 내지 도 6c의 냉각부재(200)는 다각형 기둥(154)를 포함한다. 도 7a 내지 도 7c의 냉각부재(200)는 사각형 핀(156)을 포함한다.
도 5 내지 도 7에 도시한 냉각부재(200)는 상기 냉매 흐름 방향을 따라 점차 표면적이 넓게 형성되거나 돌출 치수가 커지는 복수의 돌출부(152, 154, 156)를 포함하는 것을 제외하고는 도 2에 도시한 냉각부재(200)와 동일하다.
도 8a와 도 8b는 비교예와 본 발명 실시예들에 따른 전지셀 냉각 효과를 시뮬레이션하기 위한 셀 설계 관련도면이다.
먼저 도 8a와 같이 전지셀(110) 사이에 T자형 흡열판(160)이 개재되고, 전지셀 적층체(120) 상부에 흡열판(160)과 열 접촉되는 상태로 히트싱크(130)가 장착되는 전지모듈을 가정한다. 흡열판(160)과 히트싱크(130) 사이에는 TIM(170)이 사용된다. 도 8b는 실제 시뮬레이션에 사용된 해석 형상이다. 2개의 전지셀(110)과 그 사이의 흡열판(160)으로 이루어진 유니트에 대해서 해석하였다. 전지셀(110) 두께는 5mm, 흡열판(160) 두께는 0.8mm, TIM(170) 두께는 0.5mm이며, 히트싱크(130)에서는 몸체 벽 두께가 3mm이고 유로(140) 높이는 9mm라고 가정하였다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8b에 도시한 예에 대해 전지셀 냉각 효과를 시뮬레이션한 결과로서, 냉매 흐름 방향을 따라 전지셀 면적에 따른 온도 분포를 도시한 그래프이다. 도 9a는 비교예의 경우는 도 8a와 같이 유로(140) 안에 아무것도 없는 경우이다. 도 9b와 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 경우로서, 도 9b는 도 2a 내지 도 2c에 도시한 것과 같은 상어 지느러미 모양의 냉각핀(150)을 구비하는 경우이고, 도 9c는 도 5a 내지 도 5c에 도시한 것과 같은 반구상의 돔(152)을 구비한 경우이다. 파란색에 가까울수록 저온의 상태를 나타내고, 빨간색에 가까울수록 고온의 상태를 나타낸다.
도 9b 및 도 9c에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 온도변화 실험에서 냉매 흐름 방향을 따라 등온선이 분포하며 빨간색 영역이 없다. 즉, 본 발명의 경우 냉매 흐름 방향을 따라 냉각 정도가 차이가 없으며 전지셀의 발열을 효과적으로 낮출 수 있다. 반면, 도 9a는 상대적으로 빨간색의 고온을 나타내는 부분이 많이 확인되었다. 그리고, 냉매 흐름 방향을 따라 색상 차이가 나므로 냉각이 불균일한 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 9a를 참조하면 냉각 시작점(T1, T3)과 끝점(T2, T4) 사이의 온도차가 크지만, 냉각핀(150)을 구비한 본 발명 방법에 따른 도 9b를 보면 냉각 시작점과 끝점의 온도차이가 현저하게 줄어들고(2.64℃ -> 0.72℃), 전지셀의 최고 온도 역시 약 4℃ 감소시키는 효과를 볼 수 있다. 반구상의 돔(152)를 구비한 도 9c의 경우도 마찬가지의 효과를 볼 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 전지모듈은 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 구조물을 포함함으로써 온도 편차 없이 전지셀들을 냉각할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
110...전지셀 120...전지셀 적층체
130...히트싱크 140...유로
150...냉각핀 152, 154, 156...돌출부
160...흡열판 170...TIM

Claims (19)

  1. 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체의 상부 및/또는 하부에 장착되어 충방전시 전지셀로부터 발생하는 열을 제거하는 냉각부재로서,
    전지셀 적층체의 상부 및/또는 하부에 위치하고, 내부에 냉매가 입구로 들어가서 출구로 나가면서 일방향으로 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트싱크; 및
    상기 유로 안에 구비되고 상기 유로를 통한 냉매 흐름의 하류측을 향할수록 열전달 면적이 증가하는 열전도성 구조물을 하나 이상 포함하고,
    상기 구조물은 상기 히트싱크의 몸체 중 상기 전지셀 적층체에 가까운 곳에 장착되어,
    상기 냉매 흐름의 하류측의 방열량을 상류측의 방열량보다 크게 해, 상기 냉매 흐름의 하류측으로 갈수록 상기 전지셀로부터의 수열에 의해 냉매 온도가 상승하여도 상기 전지셀 적층체를 균일하게 냉각하는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉매는 기체 또는 액체인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 구조물은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 점차 높이가 커지는 상어 지느러미 모양의 냉각핀인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 냉각핀은 단독으로 혹은 조를 이루어 열을 지어 배열되는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  6. 제4항에 있어서, 상기 냉각핀은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구조물은 상기 냉매 흐름 방향을 따라 점차 표면적이 넓게 형성되거나 돌출 치수가 커지는 복수의 돌출부인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  8. 제7항에 있어서, 상기 돌출부는 반구상의 돔, 다각형 기둥 또는 사각형 핀인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  9. 제7항에 있어서, 상기 돌출부는 열을 지어 배열되는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  10. 제1항에 있어서, 상기 냉각부재는 상기 전지셀들 사이에 개재되는 흡열판을 더 포함하고 상기 히트싱크는 상기 흡열판으로부터 전도된 열을 방열하도록 흡열판과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  11. 제10항에 있어서, 상기 흡열판은 수직단면상 "ㄱ"자형 또는 "T"자형인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  12. 제10항에 있어서, 상기 흡열판은 열도전성 금속 판재인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  13. 제10항에 있어서, 상기 히트싱크와 흡열판은 접촉 열저항 감소 접합으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  14. 제13항에 있어서, 상기 접촉 열저항 감소 접합은 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  15. 제1항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  16. 제15항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스의 외주면을 열융착하여 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면이 상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층체를 형성하는 카트리지들 사이에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
  17. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제16항 중 어느 하나에 따른 냉각부재를 포함하고 있는 전지모듈.
  18. 제17항에 따른 전지모듈들 다수 개가 측면으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제18항에 따른 전지팩을 포함하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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