KR101827402B1 - 냉각 패드가 부착된 밀폐형 배터리팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리팩에 있어서, 케이스와, 상기 케이스 하부에 복수개가 일정 간격으로 배치되는 프레임과, 상기 프레임의 상부에 각 프레임과 교차되게 걸쳐서 결합되고 각각 일정 간격으로 배치되는 복수개의 트레이와, 상기 인접하는 한 쌍의 트레이의 상면에 안착, 고정되는 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈의 하부면에 부착되어 배터리 모듈 중앙에서 집중적으로 발생하는 열을 방출하는 냉각 패드와, 상기 케이스를 덮어 밀봉하는 커버를 포함하여 이루어지되, 상기 냉각 패드는 상부와 하부의 폭에 비해 중앙부의 폭이 상대적으로 좁은 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각 패드가 부착된 밀폐형 배터리팩을 개시한다.

Description

냉각 패드가 부착된 밀폐형 배터리팩{Hermetic battery pack that the cooling pad are attached}

본 발명은 밀폐형 배터리팩에 관한 것으로, 상세하게는 밀폐형 배터리팩에 발생하는 열의 냉각효율을 높이기 위해 냉각 패드가 부착된 밀폐형 배터리팩에 관한 것이다.

가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 2차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 있다. 따라서, 배터리만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서 2차 전지는 주로 니켈금속수소(Ni-MH) 전지가 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지 등의 사용도 시도되고 있다.

통상적으로 2차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이 중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 이 중에서, 리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.

상기 리튬 2차 전지는 다양한 형태로 제조 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한, 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다.

상기 파우치형으로 되는 배터리 셀은 다수 개를 적층하여 직렬 또는 병렬로 연결하는 배터리 모듈 형태로 구현될 수 있다. 상기 배터리 셀은 전지부와, 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스를 포함하며, 다수 개를 병렬 또는 직렬로 연결하기 위해 케이스 외부로 노출되는 양극탭과 음극탭을 구비하고, 상기 양극탭과 음극탭은 터미널을 통해 연결된다.

도 1은 종래 일반적인 밀폐형 배터리팩의 구조를 나타내는 도면이다.

밀폐형 배터리팩(1)은 방수와 방진을 위한 금속 케이스(2) 내부의 바닥에 금속 재질의 프레임(3)이 형성되고, 상기 프레임(3) 위에 다수개의 금속 재질의 트레이(4)가 구비된다. 그리고 상기 각 트레이의 상부면에 다수개의 배터리 모듈(5)을 각각 안착시켜 고정되어 있는 구조이며, 상부를 커버(미도시)로 덮은 후 밀봉한다.

여기서, 상기 배터리 모듈은 배터리 셀을 외부충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 배열한 후 조립한 조립체이고, 상기 배터리 셀은 전기에너지를 충, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리를 주로 사용하는데, 일반적으로 양극, 음극, 분리막, 전해질을 사각형 또는 원통형의 알루미늄 케이스에 넣어 만들어 진다.

상기와 같은 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들은 충방전이 가능한 2차 전지는 고출력 대용량이어서 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다.

이러한 열이 효과적으로 제거되지 못하면 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화하거나 폭발할 수 있다.

도 1에 도시된 구조에서는 배터리 모듈에서 발생하는 열은 트레이와 프레임을 통해 열전달 되어 외부로 자연방열 되는 구조이다. 이것은 강제냉각 방식이 아니고 자연냉각 방식이어서 냉각효율이 떨어진다. 이를 해결하기 위해, 보통 배터리 모듈과 트레이 사이에 판 형상의 냉각 부재를 삽입하기도 한다.

선행기술 중 대한민국 공개특허 10-2016-0101382(2016.8.25), 대한민국 등록특허 10-1262974(2013.5.2), 대한민국 공개특허 10-2016-0087082(2016.7.21) 등에는 이러한 냉각 부재가 '쿨링 플레이트', '열전도 부재' 등으로 기재되어 있다.

그러나 종래기술에 나타난 냉각 부재는 단순히 판 형상으로 이루어져 있어서 효과적인 방열이 이루어지기 어렵다.

도 2는 기존 배터리 모듈에 발생하는 열 분포 상태를 나타내는 시뮬레이션 이미지이다. 여기서, 도번 6은 배터리 모듈 내부에 배열된 원통형 배터리 셀이다.

도 2 이미지를 참조하면 배터리 모듈에 발생하는 열은 전체적으로 골고루 분포하는 것이 아니라 중앙에 집중된 형상을 가진다. 좀 더 설명하자면, 누에고치나 땅콩과 같은 형태로 열 분포가 발생함을 알 수 있다.

이와 같은 열 분포 현상 때문에 중앙에 있는 배터리 셀의 수명이 단축될 수 있고 냉각 효율의 불균형으로 인해 냉각효율이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 집중된 발열로 인한 열 분포를 확산시켜 냉각 효율을 높이는 것이 필요하다 할 것이다.

대한민국 공개특허 10-2016-0101382(2016.8.25) 대한민국 등록특허 10-1262974(2013.5.2) 대한민국 공개특허 10-2016-0087082(2016.7.21)

따라서, 본 발명의 목적은 배터리 모듈에 발생하는 집중된 열 분포를 확산시켜 냉각 효율을 높일 수 있는 냉각 패드가 부착된 밀폐형 배터리팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각 패드가 부착된 밀폐형 배터리팩은, 배터리팩에 있어서, 케이스와, 상기 케이스 하부에 복수개가 일정 간격으로 배치되는 프레임과, 상기 프레임의 상부에 각 프레임과 교차되게 걸쳐서 결합되고 각각 일정 간격으로 배치되는 복수개의 트레이와, 상기 인접하는 한 쌍의 트레이의 상면에 안착, 고정되는 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈의 하부면에 부착되어 배터리 모듈 중앙에서 집중적으로 발생하는 열을 방출하는 냉각 패드와, 상기 케이스를 덮어 밀봉하는 커버를 포함하여 이루어지되, 상기 냉각 패드는 상부와 하부의 폭에 비해 중앙부의 폭이 상대적으로 좁은 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 냉각 패드가 배터리 모듈의 중앙에 발열이 집중되는 것을 방지하고, 배터리 모듈의 하부면에 전체적으로 균일하게 발열이 분포되도록 함으로써 냉각 효율을 높여 배터리팩의 수명을 연장하는 효과가 있다.

도 1은 종래 일반적인 밀폐형 배터리팩의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 기존 배터리 모듈에 발생하는 열 분포 상태를 나타내는 시뮬레이션 이미지.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 냉각 패드를 부착한 밀폐형 배터리팩의 저면도.
도 4는 본 발명의 냉각 패드의 다른 실시 예들을 나타내는 형상도.
도 5는 본 발명에 의한 발열 분포를 나타내는 시뮬레이션 이미지.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우, 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 냉각 패드를 부착한 밀폐형 배터리팩의 저면도를 나타내고, 도 4는 본 발명의 냉각 패드의 다른 실시 예들을 나타내는 형상도이다.

본 발명은 크게 케이스(50), 프레임(10), 트레이(20), 배터리 모듈(30), 냉각 패드(40) 및 커버(미도시)를 포함하여 이루어질 수 있다.

먼저, 케이스(50)와 커버는 내부에 수용 공간을 구비하여, 상기 프레임(10), 복수개의 트레이(20), 복수개의 배터리 모듈(30) 및 상기 각 배터리 모듈(30)에 부착되는 냉각 패드(40)를 내부에 수용한다.

상기 케이스(50)는 금속 등의 재질로 이루어질 수 있고, 별도의 커버로 덮어 방수나 방진을 위해 밀봉한다.

다음으로 상기 프레임(10)은 상기 케이스(50)의 바닥에 배치되어 설치되는 것으로, 빔 형상을 가질 수 있으며, 복수개가 일정 간격으로 병렬 배치될 수 있다.

상기 프레임(10)도 금속 재질로 이루어지는 것이 좋은데, 열전도율이 우수한 금속이 바람직할 것이다.

다음으로 상기 트레이(20)는 각 배터리 모듈(30)이 안착되어 고정되는 부분으로서, 도시된 바와 같이 빔 형상일 수 있으며, 복수개가 일정 간격으로 상기 프레임(10) 상부에 이격되게 병렬로 배치된다. 이때, 상기 프레임(10)이 놓인 방향과 교차 되도록 배치되어 상기 프레임(10)과 직각을 이루며 걸쳐지도록 고정된다.

바람직한 것은, 상기 트레이(20)는 단면이 '⊥'과 같은 빔 형상으로 이루어져 이격된 한 쌍의 상기 트레이(20) 사이에 상기 배터리 모듈(30)이 삽입되어 안착, 고정될 수 있을 것이다.

또 상기 트레이(20)는 배터리 모듈(30)과 접촉하기 때문에 열전도율이 우수한 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

다음으로 상기 배터리 모듈(30)은 내부에 다수개의 배터리 셀(32)이 배열된 것으로 상기 배터리 셀(32)은 원통형의 리튬이온 전지거나 직육면체 형태일 수 있다.

상기 다수개의 배터리 셀은 서로 양극과 음극이 전기적으로 연결되고 최종적으로 외측에 음극과 양극 단자가 형성될 수 있다.

상기 배터리 모듈(30)은 상기 트레이(20)에 고정되는데, 상기 배터리 모듈(30)의 양측이 인접하는 상기 한 쌍의 트레이(20) 각각에 걸치도록 볼트와 같은 체결수단에 의해 고정될 수 있다. 따라서, 상기 배터리 모듈(30)의 하부면 대부분은 외부로 노출되어 열 방사가 자연스럽게 일어나 자연 냉각될 수 있다.

다음은 본 발명의 핵심적 기술인 냉각 패드(40)에 대해 설명한다.

상기 냉각 패드(40)는 일정한 두께는 가지는 시트 형태일 수 있으며 상기 배터리 모듈(30)의 하부면에 부착되어 배터리 모듈(30) 중앙에 집중적으로 발생하는 열을 빠른 속도로 방출하기 위한 구성이다.

상기 냉각 패드(40)의 형상은 종래 기술에서 문제되었던 것을 해결하기 위한 형상으로, 발열이 심한 부분과 유사한 형상, 즉 상부측과 하부측의 폭에 비해 상대적으로 중앙부측의 폭이 좁은 형상을 이루는 것이 특징이다.

왜냐하면, 단순히 냉각을 위해 배터리 모듈(30) 하부면 전체에 냉각 부재를 붙이는 것이 아니라 열이 집중적으로 발생하는 곳과 유사한 형상의 냉각 패드(40)를 부착하는 것이 효율적이기 때문이다.

따라서, 도 2의 열분포 이미지를 참조하여, 발열이 집중된 곳의 형상과 유사하도록 도 3에 도시된 바와 같이 중간이 좁은 형태의 냉각 패드(40)를 부착할 수 있다.

도 4에는 다른 형태의 냉각 패드가 도시된다.

(a)는 삼각형 위에 역삼각형이 놓여진 형태, 구체적으로 역사다리꼴의 상부 패드(40a)와 사다리꼴의 하부 패드(40b)가 결합된 형상일 수 있다. 상호 결합되는 부분인 중앙부(40c)는 내측으로 오목하게 형성되어 상기 상부 패드(40a)와 하부 패드(40b)에 비해 상대적으로 폭이 좁게 형성된다.

또 다르게 (b)와 같이 원형의 상부 패드(40a)와 원형의 하부 패드(40b)가 결합되어 중앙부(40c)가 오목하게 들어간 '8'과 같은 형상 또는 눈사람 혹은 누에고치와 같은 형상으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 냉각 패드(40)의 재질은 열전도율이 우수한 금속재질이 좋은데, 알루미늄, 구리 등이 사용될 수 있다.

다르게, 상기 냉각 패드(40)는 열전도층(미도시)과 발포층(미도시)으로 구성될 수 있다.

상기 열전도층은 겔형 수지와 열전도성 입자를 포함할 수 있는데, 겔형 수지는 실리콘 및 아크릴로 이루어질 수 있으며, 열전도성 입자는 금속 분말이나 탄소 분말 또는 이들을 혼합한 것일 수 있다.

그리고 상기 발포층은 상기 열전도층은 상기 열전도층의 양면에 형성될 수 있고, 내부에 다수의 기공들이 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 발열 분포를 나타내는 시뮬레이션 이미지이다.

도시된 바를 참조하면, 본 발명의 냉각 패드(40)를 부착해서 배터리 모듈(30)의 열분포를 시뮬레이션한 결과를 보면, 중앙에 집중된 열분포가 확산되어 전체적으로 균일하게 퍼져 분포하고 있음을 알 수 있다.

이러한 상태에서 자연 냉각이 이루어지면 배터리 셀 전체적으로 균일한 냉각이 이루어져 발열 집중에 의한 배터리 셀 수명 감소, 폭발 위험 등이 줄어든다.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

10 : 프레임
20 : 트레이
30 : 배터리 모듈 32 : 배터리 셀
40 : 냉각 패드 40a : 상부 패드
40b : 하부 패드
50 : 케이스

Claims (3)

1. 배터리팩에 있어서,
   케이스와,
   상기 케이스 하부에 복수개가 일정 간격으로 배치되는 프레임과,
   상기 프레임의 상부에 각 프레임과 교차되게 걸쳐서 결합되고 각각 일정 간격으로 배치되는 복수개의 트레이와,
   상기 인접하는 한 쌍의 트레이의 상면에 안착, 고정되는 배터리 모듈과,
   상기 배터리 모듈의 하부면에 부착되어 배터리 모듈 중앙에서 집중적으로 발생하는 열을 방출하는 냉각 패드와,
   상기 케이스를 덮어 밀봉하는 커버를 포함하여 이루어지되,
   상기 냉각 패드는 상기 배터리 모듈의 하부면 중 발열이 집중된 곳의 형상과 유사하도록 상부와 하부의 폭에 비해 중앙부의 폭이 상대적으로 좁은 형상인 역사다리꼴의 상부패드와 사다리꼴의 하부패드가 결합된 형상 또는 원형의 상부패드와 원형의 하부패드가 결합되어 '8'과 같은 형상을 갖되, 겔형 수지와 열전도성 입자를 포함하는 열전도층 및 상기 열전도층의 양면에 형성되며 내부에 다수의 기공들이 형성된 발포층으로 이루어져 상기 배터리 모듈 중앙에 집중적으로 발생하는 열을 빠른 속도로 방출하는 것을 특징으로 하는 냉각 패드가 부착된 밀폐형 배터리팩.
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