KR101834846B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절연유를 이용하여 배터리셀을 냉각할 수 있는 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 배터리셀을 수용하는 본체 및 상기 본체의 내부에 수용되어 상기 배터리셀을 냉각하는 절연유를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈에 의해 달성된다. 이에 따라, 배터리셀의 온도가 일정온도 이상 상승하는 것을 방지하고, 배터리셀을 신속하게 냉각할 수 있으며, 배터리셀이 폭발 또는 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

배터리 모듈{Battery-module}
본 발명은 절연유를 이용하여 배터리셀을 냉각할 수 있는 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 대용량의 배터리 모듈은 작동시 배터리셀의 온도가 상승한다. 이로인하여 배터리셀의 사용수명에 영향을 주거나 가혹할 경우 폭발하거나 화재가 발생하는 문제가 있다.
배터리셀이 폭발하는 것을 과도한 부하로 인한 과전류 발생으로 인하여 온도가 급격하게 상승하고 배터리셀의 내부에 수용된 물질이 외부로 배출되면서 공기와의 접촉에 의해 발화되어 화재가 발생하는 것이다.
초기에는 공냉식을 이용하여 배터리셀을 냉각하거나 배터리의 수명을 고려하여 냉동공조 장치를 이용하여 배터리셀을 냉각하였지만, 냉각을 위한 과도한 에너지 소모로 인하여 그 효율이 저감되고, 배터리셀의 온도 유지를 위하여 그 사용목적에 맞게 이용하기 어려우며, 냉각속도 또한 현저하게 느린데다 일정 온도 이하로 낮출 수가 없는 문제점이 있었다.
상기 문제점으로 인하여 현재에는 배터리 시스템을 냉각하는 별도의 냉각장치가 특화되거나 고도화된 장치를 사용하고 있다.
하지만, 별도의 냉각장치를 배터리 시스템에 직접 장착하거나 연결해서 사용하기 때문에 전체적인 크기가 커지고, 효율성이 낮아져 협소한 공간이나 높은 에너지밀도가 요구되는 사용처나 옥외에 설치될 경우에는 기존과 동일한 냉각방식을 적용하기 곤란한 문제점이 있다.
또한, 냉각장치가 고장 나서 작동하지 않거나 오작동을 일으키면 배터리셀의 온도가 상승하고, 나아가 배터리 시스템의 보호장치 작동으로 인한 시스템 정지하며, 심각할 경우에는 배터리셀이 폭발하거나 손상되어 수명이 단축되는 문제가 발생한다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0128661호 (공개일자 2015. 11. 18)
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배터리셀의 온도가 일정온도 이상 상승하는 것을 방지하고, 배터리셀을 신속하게 냉각할 수 있으며, 배터리셀이 폭발 또는 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있는 배터리 시스템의 단위 구성체인 유입자냉방식을 이용한 배터리 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
다수의 배터리셀을 수용하는 본체 및 상기 본체의 내부에 수용되어 상기 배터리셀을 냉각하는 절연유를 포함하고 발생된 열량을 상변화 물질에 가두어 천천히 분산되거나 발산되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈에 의해 달성된다.
또, 상기 본체는,
일면이 개구되고 상기 절연유와 상기 배터리셀을 수용하는 몸체와, 상기 몸체의 개구를 개폐하는 커버 및 상기 몸체와 상기 커버 중 적어도 어느 한 곳에 상기 본체를 냉각하는 냉각핀을 포함하되, 상기 몸체와 상기 커버 사이가 밀폐될 수 있으며 내부열이 집중되는 부위에 상변화 물질을 포함한 다양한 구성체가 취부되어진 구조체이다.
또한, 상기 본체의 내부에 상기 배터리셀을 안내하고 일정한 간격으로 배치하는 가이드부를 더 포함할 수 있다.
또한, 일단은 상기 절연유에 잠기고 타단은 상기 본체와 연결되어 상기 절연유를 냉각하는 히트 파이프 및 열전도 구조물을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 본체의 내부에 상기 배터리셀들의 단자를 병렬로 접속시키는 접속부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 본체의 한 부분에 상기 본체의 내부 온도가 상승하여 내부공기가 팽창하면 팽창된 내부공기의 일부를 상기 본체 밖으로 배출하거나 본체의 내부 압력을 조정하는 공기배출부를 더 포함할 수 있다.
또, 상기 가이드부는,
상기 배터리셀들이 삽입되면서 상기 배터리셀들을 동일 선상에 정렬시킬 수 있다.
또, 상기 본체는,
상기 본체의 바닥 및 상기 본체의 벽 중 적어도 어느 한 곳이 이중 벽으로 형성되되, 이중 벽에 상기 절연유를 주입하는 주입구와, 이중 벽에 채워진 절연유를 배출하는 배출구가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 본체의 한 부분에 상기 절연유를 냉각하는 상변화물질이 구비된 냉각부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리셀이 일정온도 이상 상승하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 배터리셀의 성능과 수명이 하락하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리셀이 외부공기와 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 배터리셀이 폭발하거나 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리셀의 삽입이 용이하고, 일정한 위치에 정렬시킬 수 있다.
또한, 배터리셀을 단자에 자동으로 접속시킬 수 있다.
또한, 본체의 내부압력이 상승하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리셀을 신속하게 냉각시킬 수 있다.
또한, 배터리셀간 절연간격을 현격히 줄여 전체 사이즈를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈에서 커버 및 절연유를 생략한 평면도.
도 3은 도 1의 III-III선 단면도.
도 4는 도 1의 IV-IV선 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈에 절연유가 채워진 상태를 개략적으로 나타낸 정단면도.
본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈은, 본체(1) 및 절연유(O)를 포함한다. 여기에, 가이드부(14), 히트 파이프(15), 접속부(16), 공기배출부(17) 및 냉각부(2)를 더 포함한다.
본체(1)는, 절연유(O) 및 다수의 배터리셀(B)을 수용하는 것으로, 몸체(11), 커버(12) 및 냉각핀(13)을 포함한다.
몸체(11)는, 대략 기다란 직육면체의 박스모양으로 형성되고, 상단은 개구되며, 전면에 후술할 접속부(16)와 연결되는 한 쌍의 외부단자(111)가 마련된다.
또한, 몸체(11)는 모든 벽과 바닥이 이중 벽으로 형성되고, 일측에 이중 벽의 내부에 절연유(O)를 주입하는 주입구(112)와, 이중 벽에 채워진 절연유를 배출하는 배출구(113)가 형성된다.
또한, 몸체(11)는 하부 양측에 본체(1)의 탈착이 용이하도록 가이드레일(114)이 설치된다.
커버(12)는, 몸체(11)의 상단 개구를 개폐하는 것으로, 덮개(121) 및 방열블록(122)을 포함한다.
덮개(121)는, 직사각의 플레이트 형태로, 몸체(11)의 상단에 나사결합 되고, 몸체(11)의 개구를 개폐한다.
여기서, 덮개(121)와 몸체(11) 사이에는 패킹(P)이 설치될 수 있다. 이에 따라, 덮개(121)와 몸체(11)가 결합하면 덮개(121)와 몸체(11) 사이가 밀폐된다.
방열블록(122)은, 후술할 히트 파이프(15)를 통해서 절연유(O)를 냉각하기 위한 것으로, 대략 기다란 직육면체로 형성되되, 사이드 둘레의 길이가 덮개(121)의 사이드 둘레 길이보다 작게 형성되고, 높이는 덮개(121)의 높이보다 크게 형성된다.
또한, 방열블록(122)은 덮개(121)의 상부 및 하부로 돌출되도록 덮개(121)를 관통하여 덮개(121)와 결합한다. 이때, 방열블록(122)과 덮개(121) 사이는 밀폐된다.
냉각핀(13)은, 대략 다수의 얇은 플레이트 또는 핀 형태로, 몸체(11)의 양 측면 및 방열블록(122)의 상면 중 적어도 어느 한 면에 돌출 형성된다. 이에 따라, 냉각핀(13)이 대기에 노출됨으로써 몸체(11) 및 방열블록(122)을 공랭한다.
상술한 방열블록(122) 및 냉각핀(13)은 열전도율이 뛰어난 금속재질로 형성되고, 주지 또는 공지된 제품을 이용하는바 상세한 설명은 생략하기로 한다.
절연유(O)는, 배터리셀(B)을 냉각하면서 배터리셀(B)이 공기 중에 노출되는 것을 방지하는 것으로, 몸체(11)의 내부에 주입된다.
이에 따라, 배터리셀(B)이 절연유(O)에 완전히 잠겨있기 때문에 배터리셀(B)의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배터리셀(B)의 내부에서 전해질이 누출되더라도 절연유(O)가 공기와의 접촉을 차단하기 때문에 배터리셀(B)이 폭발하거나 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상술한 절연유(O)는, 발화점이 350℃ 이상의 주지 또는 공지된 절연유(O)를 이용하는바 상세한 설명은 생략하기로 한다.
가이드부(14)는, 배터리셀(B)을 일정한 간격으로 배치하면서 배터리셀(B)의 유동을 방지하는 것으로, 기다란 바(bar) 모양으로 형성되되 단면의 형상이 대략 "ㄱ"자 모양 및 "T"자 모양 중 적어도 어느 하나의 모양으로 형성된다.
또한, 가이드부(14)는 몸체(11)의 내부에 일정한 간격으로 배치되고, 몸체(11)의 바닥에 세워져서 고정된다.
이에 따라, 배터리셀(B)을 가이드부(14) 사이에 삽입함으로써, 배터리셀(B)을 손쉽게 일정한 간격으로 배치할 수 있고, 외부에서 충격이 본체(1)에 가해져도 배터리셀(B)이 유동하는 것을 방지할 수 있다.
히트 파이프(15)는, 절연유(O)의 열기를 흡수하여 방열블록(122)으로 전달하는 것으로, 주지 또는 공지된 기술이 적용된 제품을 이용하고, 대략 납작한 파이프 형태로 형성되되 하단이 개구된 역 "U"자 모양으로 형성된다.
또한, 히트 파이프(15)는 다수가 마련되고, 상단이 방열블록(122)의 하부에 끼워지되 등간격으로 설치된다. 즉, 히트 파이프(15)는 배터리셀(B)이 몸체(11)에 삽입된 후 배터리셀(B)들 사이에 삽입되어 배치되고, 히트 파이프(15)의 상단을 제외한 나머지부분은 절연유(O)에 잠긴다.
이에 따라, 절연유(O)의 온도가 상승하면, 절연유(O)의 열기를 히트 파이프(15)가 신속하게 흡수하고, 흡수된 열기는 상승하여 방열블록(122)으로 전달된다. 방열블록(122)으로 전달된 열기는 냉각핀(13)을 통해서 방출되고, 히트 파이프(15)의 온도가 떨어져서 절연유(O)가 냉각된다.
또한, 히트 파이프(15)와 배터리셀(B)이 근접 또는 인접하기 때문에 배터리셀(B)에서 발생하는 열기가 히트 파이프(15)로 직접 전달될 수 있다. 따라서, 배터리셀(B)을 더욱 신속하게 냉각할 수 있어서 배터리셀(B)이 과열되는 것을 방지할 수 있다.
접속부(16)는, 배터리셀 단자(B1)와 몸체(11)의 외부단자(111)와 연결하는 것으로, 소켓부(161), 단자부(162) 및 고정편(163)을 포함한다.
소켓부(161)는, 대략 기다란 직육면체로, 상단 및 양측면이 절개되어 다수의 소켓홈(161a)이 일정간격으로 형성되고, 소켓홈(161a)의 내면에는 단자부(162)가 삽입되는 수용홈(161b)이 각각 형성되며, 일측은 절연체로 형성된다.
또한, 소켓부(161)는 배터리셀 단자(B1)가 용이하게 삽입되도록 소켓홈(161a)의 상단이 외측으로 경사져 확장된다.
또한, 소켓부(161)는 몸체(11)의 내부 양측에 배치되되 절연체가 몸체(11)의 측벽에 밀착되도록 배치되고, 하부에 바(bar) 형태의 고정편(163)이 끼워져 고정되며, 고정편(163)이 몸체(11)에 끼워져 고정된다. 이때, 소켓부(161)와 고정편(163)은 전기적으로 연결되고, 고정편(163)은 몸체(11)의 외부단자(111)와 전기적으로 연결된다.
단자부(162)는, 호 모양의 얇은 플레이트 형태로, 탄성력을 가지며, 소켓부(161)의 수용홈(161b)에 삽입되되 볼록한 일 부분이 수용홈(161b)으로부터 돌출되도록 각각 삽입된다. 이때, 단자부(162)는 소켓부(161)와 전기적으로 연결된다.
이에 따라, 배터리셀 단자(B1)가 소켓홈(161a)에 삽입되면, 배터리셀 단자(B1)가 단자부(162) 사이에 끼워져서 배터리셀 단자(B1)와 단자부(162)가 전기적으로 자동연결된다. 즉, 단자부(162)가 탄성을 가짐으로써 외부충격이 발생하더라도 배터리셀 단자(B1)와 단자부(162)는 전기적으로 연결상태를 유지할 수 있다.
공기배출부(17)는, 본체(1)의 내부에서 온도상승으로 인해 팽창하는 공기 또는 절연유(O)의 일부를 자동으로 배출시키는 것으로, 개폐볼(171), 스프링(172) 및 이탈방지편(173)을 포함하고, 방열블록(122)의 한 부분에 설치된다.
즉, 방열블록(122)의 한 부분에 상단에서 하단으로 관통하되 하부로 갈수록 좁게 단차지는 장착홀(122a)이 형성되고, 장착홀(122a)에 공기배출부(17)가 설치된다.
더욱 상세하게는, 장착홀(122a)에 개폐볼(171)이 삽입되고, 개폐볼(171)의 상부에 스프링(172)을 삽입한다. 이후 배출구(173a)가 형성된 이탈방지편(173)을 스프링(172)의 상부에 배치하고, 이탈방지편(173)을 장착홀(122a)에 나사결합 한다.
이에 따라, 이탈방지편(173)이 스프링(172)을 밀고 있고, 스프링(172)이 개폐볼(171)을 밀고 있어서, 평상시에는 개폐볼(171)이 장착홀(122a)을 차단한 상태를 유지하고, 본체(1)의 내부압력이 일정압력을 초과하면 개폐볼(171)이 상승하면서 장착홀(122a)이 개방되어 이탈방지편(173)의 배출구(173a)를 통해서 본체(1)의 내부공기 또는 절연유(O)가 배출된다.
예를 들면, 배터리셀(B)의 온도가 상승하여 절연유(O)의 온도가 상승하면, 절연유(O)의 부피가 팽창하면서 본체(1)의 내부에 수용된 공기 또한 온도가 상승하면서 팽창한다. 이에 따라, 본체(1)의 내부압력이 상승하여 본체(1)가 변형될 수 있는데 본체(1)의 내부압력이 일정압력을 초과하면 공기배출부(17)가 개방되면서 본체(1)의 공기가 외부로 배출되어 본체(1)의 내부압력이 상승하는 것을 방지할 수 있다.
냉각부(2)는, 대략 납작한 직육면체로 내부에 상변화물질(미도시)(PCM : Phase Change Material)을 포함하고, 커버(12)의 냉각핀(13)과 결합한다.
이에 따라, 외기온도가 상승하여 절연유(O)의 온도가 상승하면, 냉각부(2)가 냉각핀(13)을 냉각함으로써 절연유(O)의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 냉각부(2)의 상변화물질은 주지 또는 공지된 기술을 이용하는바 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 작동상태를 설명하기로 한다.
몸체(11)의 벽과 내부에 절연유(O)를 채우고 커버(12)와 몸체(11)를 결합한다.
배터리셀(B)이 작동하면, 배터리셀(B)에서 열이 발생하고, 절연유(O)의 온도가 서서히 상승한다.
몸체(11)의 내부에 채워진 절연유(O)의 온도가 상승하면, 절연유(O)의 열기가 히트 파이프(15) 및 방열블록(122)으로 전달되고, 전달된 열기는 냉각핀(13)을 통해서 지속적으로 방출된다.
또한, 몸체(11)의 내부에 채워진 절연유(O)의 열기는 몸체(11)의 벽에 채워진 절연유(O)로 전달되고, 전달된 열기는 몸체(11)의 외면에 설치된 냉각핀(13)을 통해서 지속적으로 방출된다.
만약, 외기온도가 절연유(O)의 온도보다 높을 경우에는 냉각부(2)의 상변화물질이 작동하여 절연유(O)의 온도가 상승하는 것을 방지한다.
이에 따라, 절연유(O)의 온도가 상승하는 것을 방지함으로써 배터리셀(B)의 성능을 극대화시킬 수 있다.
한편, 본 발명을 극지방처럼 추운 환경에서 사용할 경우에는 몸체(11)의 벽에 채워진 절연유(O)를 모두 배출시킨다.
즉, 몸체(11)의 벽에 채워진 절연유(O)를 모두 배출시키면 몸체(11)의 벽에 공기층이 형성되어 단열효과가 발생하고, 이로 인하여 외기의 온도가 몸체(11)의 내부로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
이는, 배터리셀(B)의 온도가 너무 낮아도 배터리셀(B)의 성능이 떨어지기 때문이다. 따라서, 찬 외기가 몸체(11)의 내부로 전달되는 것을 차단함으로써 절연유(O)의 온도가 지속적으로 떨어지는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 배터리셀(B)의 온도가 지속적으로 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 전기적으로 작동하는 별도의 냉각시스템을 생략할 수 있어서 전체적인 크기를 줄일 수 있고, 절연유 및 히트 파이프를 적용함으로써 배터리셀이 과열되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 배터리셀이 공기와 접촉하는 것을 절연유가 차단함으로써, 배터리셀에 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명을 설명하는데 있어서, 그 실시 예가 상이하더라도 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 필요에 따라 그 설명을 생략할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 된다. 따라서 상기에서 설명한 것 외에도 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 본 발명의 실시 예에 대한 설명만으로도 쉽게 상기 실시 예와 동일 범주 내의 다른 형태의 본 발명을 실시할 수 있거나, 본 발명과 균등한 영역의 발명을 실시할 수 있을 것이다.
1; 본체
11; 몸체
111; 외부단자
112; 주입구
113; 배출구
114; 가이드레일
12; 커버
121; 덮개
122; 방열블록
122a; 장착홀
13; 냉각핀
14; 가이드부
15; 히트 파이프
16; 접속부
161; 소켓부
161a; 소켓홈
161b; 수용홈
162; 단자부
163; 고정편
17; 공기배출부
171; 개폐볼
172; 스프링
173; 이탈방지편
173a; 배출구
2; 냉각부
B; 배터리셀
B1; 배티리셀 단자
O; 절연유
P; 패킹

Claims (8)

  1. 다수의 배터리셀을 수용하는 본체;
    상기 본체의 내부에 수용되어 상기 배터리셀을 냉각하는 절연유;
    일단은 상기 절연유에 잠기고 타단은 상기 본체와 연결되어 상기 절연유를 냉각하는 히트 파이프; 및
    상기 본체의 한 부분에 발생된 열량을 가두어 천천히 분산되거나 발산되도록 상변화 물질이 구비되어 외기온도가 절연유의 온도 보다 높을 경우 상변화 물질이 작동하여 절연유의 온도가 상승되는 것을 방지하는 냉각부를 포함하며,
    상기 본체의 바닥 및 상기 본체의 벽 중 적어도 어느 한 곳이 이중 벽으로 형성되되, 이중 벽에 상기 절연유를 주입하는 주입구와, 이중 벽에 채워진 절연유를 배출하는 배출구가 형성되어, 추운 환경에서는 상기 이중 벽에 채워진 절연유를 모두 배출시켜 공기층이 형성되어 단열효과가 발생되도록 하여 외기의 온도가 내부로 전달되는 것을 차단할 수 있는 것을 특징으로 하는
    배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체는,
    일면이 개구되고 상기 절연유와 상기 배터리셀을 수용하는 몸체;
    상기 몸체의 개구를 개폐하는 커버; 및
    상기 몸체와 상기 커버 중 적어도 어느 한 곳에 상기 본체를 냉각하는 냉각핀;을 포함하되,
    상기 몸체와 상기 커버 사이가 밀폐되는 것을 특징으로 하는
    배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 내부에 상기 배터리셀을 안내하고 일정한 간격으로 배치하는 가이드부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 내부에 상기 배터리셀들의 단자를 병렬로 접속시키는 접속부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 한 부분에 상기 본체의 내부 온도가 상승하여 내부공기가 팽창하면 팽창된 내부공기의 일부를 상기 본체 밖으로 배출하거나 본체의 내부 압력을 조정하는 공기배출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 모듈.
  7. 삭제
  8. 삭제
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