KR101778756B1 - 열전달 구조가 개선된 배터리 장치 및 이를 위한 컨덕터 부재 - Google Patents

열전달 구조가 개선된 배터리 장치 및 이를 위한 컨덕터 부재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀을 구비한 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하는 히트 싱크; 및 각각의 셀과 상기 히트 싱크 사이에 개재되어 상기 셀에서 발생하는 열을 상기 히트 싱크로 전도시키는 컨덕터 부재;를 포함하고, 상기 컨덕터 부재는, 금속 블록으로 이루어진 본체와 상기 본체의 셀 접촉면에 형성된 다수의 돌기부를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 장치를 개시한다.

Description

열전달 구조가 개선된 배터리 장치 및 이를 위한 컨덕터 부재{BATTERY APPARATUS IMPROVED IN HEAT TRANSFER STRUCTURE AND CONDUCTOR MEMBER FOR THE SAME}
본 발명은 배터리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀에서 발생하는 열을 히트 싱크로 전도시키기 위한 열전달 구조가 개선된 배터리 장치와 이를 위한 컨덕터 부재에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리 장치는 적정 동작전압 및 충전 용량이 확보되도록 다수의 셀들을 포함하는 어셈블리 형태로 제작된다.
이러한 배터리 장치에 있어서, 각 셀에서 발생하는 열은 배터리 장치의 효율과 수명에 직접적으로 영향을 주게 되는데, 충/방전용량이 클수록 더 많은 전기에너지가 열에너지로 소모되어 많은 열이 발생하므로 배터리 장치에서 발생되는 열을 효과적으로 방열하고 냉각하여 배터리 성능을 극대화시키는 기술이 필요하다.
배터리 장치의 냉각기술과 관련하여, 특허문헌 1에는 냉각팬이 배터리 팩의 양극 전극단자 및 음극 전극단자와 마주보도록 설치되어 냉각팬에 의해 유동되는 공기가 양극 전극단자 및 음극 전극단자를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배터리 장치가 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1과 같이 냉각팬을 배터리 팩에 장착하여 셀을 냉각시키는 구조는 유동영역에 대한 설계가 복잡할 뿐만 아니라 배터리 장치 내부를 강제대류를 통해 냉각시키기 위한 유동영역의 공간적인 제약이 많은 단점이 있다. 또한, 배터리 장치 내의 좁은 유로에서 냉각을 위한 충분한 유량을 확보하기 위해서는 고사양의 냉각팬이 필요하고, 배터리 장치가 0℃ 이하의 환경에서 동작하게 되는 경우 흡기 방식은 난방공기를 불어넣어 주지 못하므로 셀에 일정온도를 지속적으로 유지시키기가 어려운 문제가 있다.
한편, 배터리 장치에 포함된 각각의 셀에서 발생하는 열은 히트 싱크로 전달되어 방사되고, 셀과 히트 싱크 사이에는 전기와 열을 전달하기 위한 매체인 컨덕터가 구비된다. 통상적으로 컨덕터는 셀들 사이마다 개재된 소정의 지지부재 상단에 장착되어 셀과 연결되고 그 상단에 배치되는 히트 싱크와 열접촉을 이룬다. 또한, 컨덕터는 셀을 관통하는 볼트와 결합됨으로써 셀과 긴밀하게 체결된다.
그런데, 종래의 컨덕터는 셀과 접촉되는 면이 단순히 평면 형상으로 구성됨으로 인해 실제 접촉 시에는, 평탄도의 한계, 오차 등으로 인해 접촉계면에 많은 갭(Gap)이 존재하게 되고 이로 인해 갭에서의 전기접촉저항이 발생하여 열이 추가적으로 발생하는 취약점이 있다.
특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제10-2012-0100712호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 장치와 같은 전기장치에서의 도체 구성에 있어 셀과 컨덕터 간의 접촉계면에서의 접촉 갭을 최소화 함으로써 전기접촉저항을 감소시켜 추가적으로 발생하는 열을 방지할 수 있는 구조를 가진 배터리 장치 및 이를 위한 컨덕터 부재를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 컨덕터에 의해 히트 싱크로 전달된 열을 효율적으로 방사시킬 수 있는 구조를 가진 블로우 방식의 공조수단을 구비한 배터리 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀을 구비한 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하는 히트 싱크; 및 각각의 셀과 상기 히트 싱크 사이에 개재되어 상기 셀에서 발생하는 열을 상기 히트 싱크로 전도시키는 컨덕터 부재;를 포함하고, 상기 컨덕터 부재는, 금속 블록으로 이루어진 본체와 상기 본체의 셀 접촉면에 형성된 다수의 돌기부를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 장치를 제공한다.
상기 셀을 사이에 두고 상기 컨덕터 부재의 반대편에는 체결 보조 플레이트가 배치되고, 상기 체결 보조 플레이트 및 상기 셀을 관통하여 상기 컨덕터 부재에 체결되는 볼트에 의해 상기 셀과 상기 컨덕터 부재가 서로 밀착 결합될 수 있다.
상기 돌기부는 상기 본체의 길이방향을 따라 길게 연장되고 단면이 각형인 바형 돌기로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 돌기부는 상기 본체의 높이방향을 따라 일정 간격으로 구비되어 상기 셀 접촉면에 요철 패턴을 형성할 수 있다.
상기 복수개의 셀 각각의 사이에는 판상의 지지부재가 개재되고, 상기 컨덕터는 상기 지지부재의 상단에 장착될 수 있다.
본 발명은 상기 히트 싱크를 커버링하도록 상기 셀 어셈블리의 상부에 배치되고, 외부로부터 공급되는 공기를 유동시켜 상기 히트 싱크와 열교환이 이루어질 수 있게 하는 유로가 길이방향으로 형성되어 있는 에어 덕트;를 더 포함할 수 있다.
상기 에어 덕트는 길이방향으로 가면서 상면에 유로의 크기를 조절하기 위한 굴곡부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀을 구비한 셀 어셈블리와, 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하는 히트 싱크를 구비한 배터리 장치에 설치되어 상기 셀에서 발생하는 열을 상기 히트 싱크로 전도시키는 컨덕터 부재에 있어서, 상기 컨덕터 부재는, 금속 블록으로 이루어진 본체와 상기 본체의 셀 접촉면에 형성된 다수의 돌기부를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 장치의 컨덕터 부재가 제공된다.
본 발명에 따르면 셀과 컨덕터 간의 접촉계면에 마련된 돌기부에 의해 갭이 감소하고 체결력이 돌기부에 집중되어 열전도율을 높임으로써 전기접촉저항을 줄일 수 있고 추가적인 열 발생을 방지할 수 있다.
또한, 돌기부가 단면이 각형인 사각돌기 형태로 이루어짐으로써 동일 체결력하에서 균일한 접촉저항 특성을 가지는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 컨덕터 부재를 이용해 셀 어셈블리에서 발생하는 열을 높은 전도율로 히트 싱크에 집중시켜 방사하고, 히트 싱크에서 방사되는 열은 에어 덕트를 이용하여 찬 공기를 흘려서 냉각시킴으로써 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 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 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 장치의 외관을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에서 셀 어셈블리의 일부 구성을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에서 컨덕트 부재의 구성을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 단면도이다.
도 6은 도 1에서 셀과 컨덕터 부재 간의 결합관계를 나타낸 단면도이다.
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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 장치의 외관을 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 장치는 복수개의 셀(101)을 구비한 셀 어셈블리(100)와, 셀 어셈블리(100)의 상부에 배치되는 히트 싱크(110)와, 셀(101)과 히트 싱크(110) 사이에 개재되어 열을 전도시키는 컨덕터 부재(104)를 포함한다.
셀 어셈블리(100)를 이루는 각각의 셀(101)은 얇은 판상 몸체를 갖는 것으로서, 바람직하게 파우치형 이차전지에 의해 구성된다. 복수개의 셀(101)은 정해진 간격을 두고 일방향으로 배열되어 실질적으로 적층 구조를 이룬다.
히트 싱크(110)는 셀 어셈블리(100)의 상부에 배치되어 셀(101)에서 발생하는 열을 공기중으로 방사한다. 히트 싱크(110)는 예컨대, 알루미늄과 같은 금속 블럭으로 이루어지되 복수개의 금속 블럭 유닛들이 셀 어셈블리(100)의 길이방향으로 반복 배열됨으로써 구현될 수 있다.
각각의 셀(101)에서 발생하는 열을 효율적으로 히트 싱크(110)로 전달하기 위해, 셀 어셈블리(100)를 이루는 각 셀(101)들 사이에는 플라스틱 등의 소재로 이루어진 판상의 지지부재(102)가 개재되고, 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 지지부재(102) 상단에는 열전달을 매개하는 컨덕터 부재(104)가 장착되어 있다. 컨덕터 부재(104)는 셀(101)에서 발생하는 열을 히트 싱크(110)로 전도시킬 수 있는 금속 블럭으로 이루어진다. 컨덕터 부재(104)는 셀(101)을 사이에 두고 대향하는 체결 보조 플레이트(103)와 체결되어 셀(101)과 긴밀히 결합됨으로써 열접촉을 이룬다.
도 4 및 도 5에는 컨덕터 부재(104)의 구성이 보다 상세히 도시되어 있다. 도면에 나타난 바와 같이 컨덕터 부재(104)는 금속 블럭으로 이루어진 본체(104a)와, 본체(104a)의 셀 접촉면쪽에 형성되어 있는 다수의 돌기부(104b)를 포함한다.
본체(104a)는 단면이 실질적으로 'ㄱ'자 형상을 갖도록 수직부(106)와 상기 수직부(106)의 상단에 일체화되어 있는 수평부(105)로 이루어져 있다. 수직부(106)에는 셀 접촉면에 다수의 돌기부(104b)가 형성되어 있고 셀(101)과의 체결을 위한 제1 체결공(104c)이 두께방향으로 형성되어 있다. 또한, 수평부(105)에는 히트 싱크(110)를 마운트하기 위한 제2 체결공(104d)이 상면으로부터 하방으로 연장되게 형성되어 있다.
돌기부(104b)는 본체(104a)의 길이방향을 따라 길게 연장되고 단면이 각형인 바형 돌기에 의해 구현된다. 또한, 돌기부(104b)는 본체(104a)의 높이방향을 따라 일정 간격으로 반복 형성되어 상기 셀 접촉면에 요철 패턴을 형성한다.
도 6에는 셀(101)과 컨덕터 부재(104) 간의 결합관계가 도시되어 있다. 도면에 나타난 바와 같이 셀(101)을 사이에 두고 컨덕터 부재(104)의 반대편에는 체결 보조 플레이트(103)가 배치되고, 볼트(107)가 체결 보조 플레이트(103) 및 셀(101)을 차례대로 관통하여 컨덕터 부재(104)의 제1 체결공(104c)에 체결됨으로써 셀(101)과 컨덕터 부재(104)가 서로 긴밀하게 밀착 결합된다. 이때, 셀(101)과 컨덕터 부재(104) 간의 접촉계면에서는 단면이 각형인 다수의 돌기부(104b)에 의해 갭이 감소되고 체결력이 돌기부(104b)에 집중되어 전기접촉저항을 줄이고 열전도율을 높일 수 있다.
셀 어셈블리(100)의 상부에는 히트 싱크(110)를 커버링하도록 배치되는 에어 덕트(120)가 구비된다. 에어 덕트(120)는 외부로부터 공급되는 공기를 유동시켜 히트 싱크(110)에서 방사되는 열을 냉각시킨다. 에어 덕트(120)는 유로가 길이방향으로 연장되고 양단과 하부가 개방되어 있는 관형 커버 구조물에 의해 구현될 수 있다. 이러한 에어 덕트(120)는 히트 싱크(110)를 커버링(Covering) 하도록 셀 어셈블리(100)의 상부에 조립된다.
에어 덕트(120)는 외부로부터 공급되는 공기를 유로를 따라 유동시켜 히트 싱크(110)와 열교환이 이루어지도록 하는 역할을 한다. 에어 덕트(120)의 상면에는 유속 증가를 유도할 수 있도록 유로 크기를 조절하여 빠른 열교환이 이루어지도록 작용하는 굴곡부(121)가 형성되어 있다.
굴곡부(121)는 에어 덕트(120)의 길이방향으로 가면서 반복적으로 형성된 요철 패턴을 갖는다. 굴곡부(121)에 있어서 볼록한 부분의 굴곡점(정점)과 오목한 부분의 굴곡점은 경사면으로 연결되어 있고 모든 경사면들은 연속적으로 이어져 있다.
굴곡부(121)는 에어 덕트(120)의 길이방향 일단에서 타단으로 가면서 점차적으로 유로를 축소시키고, 공기의 유동방향을 히트 싱크(110) 쪽으로 하향 유도한다. 이를 위해, 굴곡부(121)는 에어 덕트(120)의 내부에서 아래로 볼록한 지점마다 위치한 굴곡점들의 높이가 에어 덕트(120)의 길이방향 일단에서 타단 쪽으로 가면서 점차적으로 낮아지게 형성된다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 장치는 셀 어셈블리(100)에서 발생하는 열을 히트 싱크(110)에 집중시켜 방사하고, 히트 싱크(110) 주변의 유동영역에 배치된 에어 덕트(120)를 이용하여 강제대류를 수행함으로써 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
셀 어셈블리(100)를 이루는 각각의 셀(101)에서 발생한 열은 컨덕터 부재(104)를 통해 히트 싱크(110)로 전도된다. 컨덕터 부재(104)의 셀 접촉면에 형성되어 있는 다수의 돌기부(104b)에 의해 셀(101)과 컨덕터 부재(104) 간의 접촉계면은, 종래의 평평한 컨덕터가 사용된 경우에 비해 갭이 감소하고 체결력이 사각돌기 형상의 돌기부(104b)에 집중되어 전기접촉저항을 줄임으로써 열전도율을 현저히 높일 수 있다.
셀(101)로부터 컨덕터 부재(104)로 전도된 열은 컨덕터 부재(104)의 상단에 설치된 히트 싱크(110)로 전달된다.
에어 덕트(120)에는 외부로부터 상대적으로 찬 공기가 유입되어 히트 싱크(110) 쪽으로 유동하게 된다. 이때, 공기는 에어 덕트(120)의 상면에 형성된 굴곡부(121)에 의해 일단에서 타단으로 가면서 점차적으로 축소되는 유로를 따라 이동함으로써 유속이 증가하여 히트 싱크(110)와 신속하게 열교환이 이루어짐으로써 냉각된다.
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.
100: 셀 어셈블리 101: 셀
102: 지지부재 103: 체결 보조 플레이트
104: 컨덕터 부재 104a: 본체
104b: 돌기부 104c: 제1 체결공
104d: 제2 체결공 105: 수평부
106: 수직부 107: 볼트
110: 히트 싱크 120: 에어 덕트
121: 굴곡부

Claims (10)

  1. 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀을 구비한 셀 어셈블리;
    상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하는 히트 싱크; 및
    각각의 셀과 상기 히트 싱크 사이에 개재되어 상기 셀에서 발생하는 열을 상기 히트 싱크로 전도시키는 컨덕터 부재;를 포함하고,
    상기 컨덕터 부재는, 금속 블록으로 이루어진 본체와 상기 본체의 셀 접촉면에 형성된 다수의 돌기부를 구비하고,
    상기 셀을 사이에 두고 상기 컨덕터 부재의 반대편에는 체결 보조 플레이트가 배치되고,
    상기 체결 보조 플레이트 및 상기 셀을 관통하여 상기 컨덕터 부재에 체결되는 볼트에 의해 상기 셀과 상기 컨덕터 부재가 서로 밀착 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 본체의 길이방향을 따라 길게 연장되고 단면이 각형인 바형 돌기로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 본체의 높이방향을 따라 일정 간격으로 구비되어 상기 셀 접촉면에 요철 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 셀 각각의 사이에는 판상의 지지부재가 개재되고,
    상기 컨덕터는 상기 지지부재의 상단에 장착되는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히트 싱크를 커버링하도록 상기 셀 어셈블리의 상부에 배치되고, 외부로부터 공급되는 공기의 유동방향을 상기 히트 싱크쪽으로 하향 유도하여 상기 히트 싱크와 열교환이 이루어질 수 있게 하는 유로가 형성되어 있는 에어 덕트;를 더 포함하는 배터리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에어 덕트는 길이방향으로 가면서 상면에 공기의 유동방향을 점차적으로 하향 유도하기 위한 굴곡부가 형성되어 있고,
    상기 굴곡부는 상기 에어 덕트의 길이방향 일단에서 타단으로 가면서 굴곡점들의 높이가 점차적으로 낮아지게 형성되어 공기의 유동방향을 점차 하향 유도하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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