KR101865940B1 - 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 우수한 열전도도를 가지는 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 이용해 배터리 내에 축적되는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 파우치 타입의 배터리 셀의 층간에 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 삽입하여 엘라스토머의 탄성을 이용하여 배터리의 충·방전 시 발생하는 부피변화에 대응할 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 배터리 셀 간에 별도의 유로공간 없이 셀 간격을 줄일 수 있어 동일 체적 대비 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치는 냉각 유로를 가지며, 냉각 유로를 통해 냉각공기를 통과시켜 배터리 셀에서 발생된 열을 방출시킬 수 있도록 된 외부케이스; 상기 외부케이스의 내부에 설치되고, 서로 면접촉가능하게 교대로 적층되는 배터리 셀 및 계면 플레이트;를 포함하고, 상기 계면 플레이트는 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 이용하여 배터리 셀에 축적된 열을 방출할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 파우치 타입의 배터리 셀의 층간에 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 삽입하여 엘라스토머의 탄성을 이용하여 배터리의 충·방전 시 발생하는 부피변화에 대응할 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 배터리 셀 간에 별도의 유로공간 없이 셀 간격을 줄일 수 있어 동일 체적 대비 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치는 냉각 유로를 가지며, 냉각 유로를 통해 냉각공기를 통과시켜 배터리 셀에서 발생된 열을 방출시킬 수 있도록 된 외부케이스; 상기 외부케이스의 내부에 설치되고, 서로 면접촉가능하게 교대로 적층되는 배터리 셀 및 계면 플레이트;를 포함하고, 상기 계면 플레이트는 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 이용하여 배터리 셀에 축적된 열을 방출할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 셀에서 발생된 열을 효과적으로 방출할 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기자동차 및 하이브리드 차량의 배터리 시스템을 구성하는 배터리 셀은 배터리부와, 상기 배터리부가 수용되는 공간을 갖는 파우치형(pouched type) 케이스를 포함하고 있다.
상기 배터리부는 보통 양극판, 세퍼레이터(separator), 음극판 순으로 배치되어서 일방향으로 와인딩되거나, 다수 장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 복층 구조로 적층되어 구성된다.
상기 파우치형 케이스는 필름 형태로 성형성이 우수하여 자유자재로 구부림이 가능하게 구성된다.
상기 배터리 케이스 및 하우징 소재로 PC+ABS, PA, PP 등의 플라스틱 기질에 난연 필러인 미네랄 필러가 20~30 중량% 충진된 소재로 난연성, 내화학성, 절연성, 내구성 등의 기능을 보유하고 있다.
그러나, 전기자동차용 배터리는 고출력, 고속 및 반복 충전으로 배터리 내부에서 발생하는 열보다 외부로 열을 방출 및 확산시키는 능력이 부족하여 국부적인 온도 차이나 고열 등의 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생하고, 상기 배터리 케이스 및 하우징 소재는 방열기능을 가지지 않기 때문에, 배터리의 효율 및 안정성을 저해하는 문제점이 있다.
상기 리튬이차 배터리의 충전 및 방전시 리튬 이온이 전극물질로 층간 삽입(intercalation)과 층간 탈리(deintercalation)됨으로써, 상기 파우치 타입의 배터리 셀의 부피가 도 1의(a)에 도시한 바와 같이 충·방전 전압에 따라 변하게 된다(J.H. Lee et al. / Journal of Power Sources 119-121 (2003) 833-837 참조).
이와 같이 배터리 셀 내 전극판의 팽창으로 인한 세퍼레이터의 손상은 내부 저항의 발생과 함께 전압의 증가와 최종 배터리 용량의 감소 등을 초래하는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 배터리 셀의 부피팽창이 심할 경우 케이스가 손상되어 내부의 전해액 누수 및 가스 분출 등의 위험이 있다.
따라서, 다수의 배터리 셀(혹은 단위셀)을 적층시켜 구성되는 파우치형 배터리 팩 모듈의 경우에, 배터리 셀 내부에서 부피팽창이나 가스 분출 혹은 폭발이 발생함으로 인해 인접한 셀에도 직접적인 손상을 가하게 되는 문제점이 있다.
또한, 도 2에 도시한 기존의 배터리 시스템은 적층된 배터리 셀(1) 사이에 냉각 유로(2)를 형성하여, 냉각 유로(2)를 통해 냉각풍을 통과시키는 방식으로 배터리 셀 내부에서 발생하는 열을 냉각시키는데, 리튬이온의 층간 삽입 및 층간 탈리로 인해 배터리 셀의 부피가 증가할 경우, 배터리 팩 단위에서 배터리 셀 모듈과 모듈 사이에 형성된 냉각 유로(2)의 축소로 인해 냉각 효과가 줄어들고, 주변 배터리 셀(1)의 온도 상승으로 인해 인접한 배터리 셀 간 발열 현상이 가속화되어 배터리 성능이 급격히 저하된다.
아울러, 상기와 같이 배터리 셀 간 냉각 유로의 방열특성의 효율을 향상시키기 위해 냉각 유로 공간을 확장하거나 쿨링팬의 크기 및 용량을 증대시키게 되는데, 이는 전체 배터리 시스템의 부피나 중량을 증가시킨다.
그리고, 방열특성의 향상을 위해 제안된 등록특허 10-1029021에는 다수의 단위전지들이 적층되어 있는 전지모듈로서, 단위전지들 사이의 이격 틈("유로")을 통해 냉매가 유동하면서 접촉식 냉각이 이루어지는 냉각 시스템을 구비하고, 상기 단위전지들 사이의 유로는 상기 유로의 유입구에서의 냉매의 진행방향에 대해 소정의 각도로 기울어지며, 단위전지에 대한 냉매의 접촉율을 높이고 많은 와류를 생성함으로써 단위전지들 사이의 유로에서 냉매의 유속 구배를 없애 높은 냉각 효율성을 나타내는 것을 특징으로 하는 전지모듈이 개시되어 있다.
그런데, 통상 배터리 셀 모듈에서 방열효율을 증대시키기 위해 유로공간을 확장하여 유량을 늘리거나 유속을 높이는데, 상기 등록특허에 개시된 전지모듈의 경우 쿨링 팬의 크기, 용량의 증대 없이 유로채널의 각도조절을 통해 효과적으로 방열효율을 증대시킬 수 있지만, 각도조절을 위해서는 불가피하게 모듈 전체의 부피 증가가 예상되며, 배터리 셀 사이에 유로공간이 일정 간격 이상 유지되어야만 한다는 측면에서 단위체적당 에너지 밀도를 향상시키는데 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 우수한 열전도도를 가지는 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 이용해 배터리 내에 축적되는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 파우치 타입의 배터리 셀의 층간에 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 삽입하여 엘라스토머의 탄성을 이용하여 배터리의 충·방전 시 발생하는 부피변화에 대응할 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 배터리 셀 간에 별도의 유로공간 없이 셀 간격을 줄일 수 있어 동일 체적 대비 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치는 냉각 유로를 가지며, 냉각 유로를 통해 냉각공기를 통과시켜 배터리 셀에서 발생된 열을 방출시킬 수 있도록 된 외부케이스; 상기 외부케이스의 내부에 설치되고, 서로 면접촉가능하게 교대로 적층되는 배터리 셀 및 계면 플레이트;를 포함하고, 상기 계면 플레이트는 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 이용하여 배터리 셀에 축적된 열을 방출할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 계면 플레이트는 배터리 셀의 길이보다 양측방향으로 더 길게 형성된 돌출부를 가지고, 상기 돌출부 사이에 냉각 유로가 형성되어, 상기 냉각 유로를 따라 이동하는 냉각공기가 배터리 셀에서 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 외부케이스는 앞쪽 면 양단부에 각각 형성된 유입구와, 뒤쪽면 양단부에 각각 형성된 배출구를 가지고, 외부로부터 냉각공기가 상기 유입구를 통해 유입되어 그 반대편에 있는 배출구로 배출되는 것을 특징으로 한다.
상기 계면 플레이트는 배터리 셀에 적층되어 배터리 셀로부터 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있도록 된 열전달 부재; 및 상기 열전달 부재의 외표면을 감싸는 구조로 형성되고, 탄성을 이용하여 배터리 셀의 부피변화에 대응할 수 있도록 된 탄성층;로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 열전달 부재는 열전도도가 우수한 알루미늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 탄성층은 그라파이트(graphite), 보론나이트라이드(boron nitride), 및 알루미늄 나이트라이드(aluminium nitride), 카본 블랙(carbon black) 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물질로 구성된 방열필러를 함유한 엔지니어링 플라스틱 재질로 오버몰딩에 의해 형성되어, 배터리 셀에서 발생된 열을 열전달 부재로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 열전달 부재의 양단부에 배터리 셀의 단부로부터 길이방향으로 돌출부가 더 돌출형성되고, 상기 탄성층은 돌출부를 제외한 나머지 열전달 부재에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 돌출부는 외부케이스의 벽면과 일정한 간격으로 이격 설치되어, 냉각 유로 간에 유체가 이동하는 방식으로 배터리 셀 간의 온도편차를 줄여줄 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 돌출부는 외부케이스의 벽면과 밀착되게 설치되어, 각 배터리의 방열효율성을 증대시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 돌출부에 요철부를 가지며, 냉각 공기가 냉각 유로를 따라 이동할 경우 상기 요철부에 의해 난류를 형성하는 방식으로 방열특성을 향상시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 배터리 셀 사이에 열전도도가 우수한 알루미늄-엘라스토머 재질의 계면 플레이트를 적층 설치하되, 계면 플레이트의 양단부를 배터리 셀보다 더 길게 돌출형성하고, 돌출부 사이에 냉각 유로를 형성하며, 각 계면 플레이트를 통해 각 배터리 셀에서 발생된 열을 전도하는 방식으로 냉각 유로에 열을 전달하고, 냉각 유로에 흐르는 냉각 공기에 의해 각 배터리 셀에서 발생된 열을 효율적으로 방출시킴으로써, 기존의 열 폭주 현상을 방지할 수 있다.
둘째로, 계면 플레이트의 소재로 알루미늄 플레이트에 열가소성 엘라스토머를 오버몰딩한 구조복합재를 형성하고, 엘라스토머의 탄성을 이용하여 배터리 셀의 열에 의해 발생된 배터리 셀의 부피변화에 적극 대응할 수 있다.
세째로, 계면 플레이트를 배터리 셀 사이에 별도의 유로 공간 없이 층간 삽입함으로써, 셀 간격을 줄여 동일 체적 대비 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
넷째로, 계면 플레이트의 돌출부에 요철을 형성하고 냉각공기가 돌출부 사이를 통과하면서 요철을 통해 난류를 발생시켜 방열 효율을 저해하는 유체의 속도 구배를 방지할 수 있고, 유입구를 통해 유입되는 냉각 유체의 유량이 적고 유속이 낮아 요철을 이용하여 마찰에 의한 소음이나 열 발생의 문제점을 해소할 수 있다.
도 1은 종래의 충·방전 전압에 따른 배터리 셀의 두께 변화를 보여주는 그래프
도 2는 종래기술에 따른 배터리 셀의 공냉식 방열 장치의 단면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 냉각 유로를 가지는 배터리 셀 방열장치의 분해도
도 4는 도 3의 조립도
도 5는 도 4의 평면도
도 6은 도 4의 정면도
도 7은 도 3에서 계면 플레이트의 사시도
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 밀폐형 냉각 유로를 가지는 배터리 셀 방열장치의 분해도
도 9는 도 8의 조립도
도 10은 도 9의 평면도
도 11은 도 9의 정면도
도 12은 도 3에서 계면 플레이트의 요철구조를 보여주는 사시도
도 13은 도 12에서 요철구조에 의한 난류 발생을 보여주는 개략도
도 2는 종래기술에 따른 배터리 셀의 공냉식 방열 장치의 단면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 냉각 유로를 가지는 배터리 셀 방열장치의 분해도
도 4는 도 3의 조립도
도 5는 도 4의 평면도
도 6은 도 4의 정면도
도 7은 도 3에서 계면 플레이트의 사시도
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 밀폐형 냉각 유로를 가지는 배터리 셀 방열장치의 분해도
도 9는 도 8의 조립도
도 10은 도 9의 평면도
도 11은 도 9의 정면도
도 12은 도 3에서 계면 플레이트의 요철구조를 보여주는 사시도
도 13은 도 12에서 요철구조에 의한 난류 발생을 보여주는 개략도
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 냉각 유로를 가지는 배터리 셀 방열장치의 분해도이고, 도 4는 도 3의 조립도이고, 도 5는 도 4의 평면도이고, 도 6은 도 4의 정면도이고, 도 7은 도 3에서 계면 플레이트의 사시도이다.
본 발명은 우수한 열전도도를 가지는 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 이용하여 배터리 내에 축적되는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 계면 플레이트(13)를 이용한 배터리 셀 방열 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀 방열 장치는 배터리 셀(14)의 양측단부에 냉각 유로(17)를 형성하여 배터리 셀(14) 내부에 축적되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
상기 배터리 셀 방열 장치는 복층 구조로 적층된 배터리 셀(14)과, 배터리 셀(14) 사이에 삽입되는 계면 플레이트(13)와, 배터리 셀(14) 및 계면 플레이트(13)의 외측 둘레를 감싸는 외부케이스(10)로 구성된다.
상기 배터리 셀(14)은 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 필름 형태의 파우치에 삽입하여 밀봉한 파우치형 이차전지이다.
상기 이차전지로 단위 중량당 에너지 밀도가 높고 급속충전가능한 리튬 이차전지를 직렬로 연결 사용함으로써, 고출력의 전기자동차 및 하이브리드 자동차의 배터리 시스템에 적용할 수 있다.
계면 플레이트(13)는 열전도도가 우수한 알루미늄 재질로 이루어진 판상의 열전달 부재(11)와, 상기 열전달 부재(11)를 감싸서 열전달 부재(11)에 탄성을 부여하기 위한 탄성층(12)로 구성된다.
상기 열전달 부재(11)는 배터리 셀(14)보다 약간 더 큰 면적을 가지고, 예를 들어 평면에서 보면 열전달 부재(11)가 배터리 셀(14)에 비해 양쪽 측방향으로 더 길고(예, 각각 약 6mm 씩) 폭방향으로 약간 더 길다(예, 각각 약 2mm 씩).
이에, 열전달 부재(11)의 양쪽 단부에 돌출부(11a)가 각각 형성되어 배터리 셀(14)의 양단부로부터 일정 길이(예, 약 6mm)로 돌출되며, 이 돌출부(11a)는 상하방향으로 배터리 셀(14) 및 탄성층(12)의 두께를 합한 두께만큼 일정한 간격을 두고 적층되어, 배터리 셀(14)의 양단부에 냉각 유로(17)가 형성되고, 외부로부터 냉각 유로(17)에 냉각공기가 통과함으로써 냉각공기에 의해 배터리 셀(14)에 축적된 열을 외부로 방출시킨다.
상기 탄성층(12)은 열전도도가 우수한 그라파이트(100~200W/mK)와 열가소성 엘라스토머 소재가 복합된 복합재(열전도도 10~20W/mK) 재질로 이루어지고, 이 복합재는 알루미늄 열전달 부재(11)에 오버몰드되어 일체로 형성되며, 구조복합재(계면 플레이트(13))를 형성한다.
상기 탄성층(12)은 열전달 부재(11)의 돌출부(11a)를 제외하고 나머지 배터리를 덮는 면에 형성되어, 탄성층(12)의 탄성에 의해 배터리 셀(14)의 충·방전시 나타나는 부피변화에 대응할 수 있다. 즉, 도 7에서 알 수 있듯이, 상기 탄성층(12)이 열전달 부재(11)의 적어도 일부인 상기 돌출부(11a)를 상기 냉각 유로(17)에서 노출시키는 상태가 되도록 하여 상기 열전달 부재(11)의 외표면을 감싸도록 형성된다.
상기 열전달 부재(11)의 돌출부(11a)는 배터리 셀(14)의 부피변화와 상관없고 단지 냉각공기가 흐르는 냉각통로를 확보하여 냉각공기에 의한 냉각기능만을 담당하기 때문에 탄성층(12)이 덮여질 필요가 없고, 돌출부(11a) 사이의 냉각 유로(17)에 유입된 냉각공기를 통해 대류방열효과를 극대화시킬 수 있다.
예를 들어 배터리 셀(14)의 부피가 팽창되면 탄성층(12)이 배터리 셀(14)의 팽창압력을 흡수함으로써 배터리 셀 케이스의 손상을 방지할 뿐만 아니라, 배터리 셀(14)의 부피팽창으로 인해 열전달 부재(11)의 변형이 없으므로 열전달 부재(11)의 돌출부(11a) 사이에 형성된 인접한 냉각 유로(17)에 영향을 주지않아 인접한 냉각 유로(17)의 축소로 인한 냉각효과 저감을 방지할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 엘라스토머 소재의 그립성에 의해 셀과의 계면 공극이 없어 엘라스토머 소재를 통한 알루미늄 열전달 부재(11)로의 효과적인 열전달 특성을 확보할 수 있다.
즉, 배터리 셀(14) 내부에서 발생된 열이 엘라스토머 소재를 통해 알루미늄 열전달 부재(11)로 전달되고, 이는 다시 온도구배(고온에서 저온으로)를 따라 알루미늄 열전달 부재(11)의 가장자리부인 돌출부(11a)로 열전도되며, 상기 돌출부(11a) 사이의 냉각 유로(17)를 통과하는 냉각 공기에 의해 냉각되며 외부로 방출된다.
종래의 배터리 셀(14) 모듈의 방열 장치의 경우 파우치 셀 간의 유로 형성을 위해 3~5mm 정도의 일정한 간격을 유지하므로 디자인 자유도에 한계가 있는 반면, 본 발명에 따른 배터리 셀(14)과 계면 플레이트(13)는 별도의 공극없이 셀 간격을 3mm 이하로 줄일 수 있어 동일 체적 대비 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 외부케이스(10)는 외부 충격으로부터 배터리 셀(14)을 보호하기 위해 딱딱한 재질의 하드케이스로, 박스구조로 이루어진 본체부(15)와, 본체부(15)의 상부를 커버하기 위한 상부커버(16)로 구성되어 적층된 배터리 셀(14)의 외부 둘레면을 감싼다.
상기 외부케이스(10)는 열전도가 우수한 방열필러, 예를 들면 그라파이트(graphite), 보론나이트라이드(boron nitride), 및 알루미늄 나이트라이드(aluminium nitride), 카본 블랙(carbon black) 등을 함유한 엔지니어링 플라스틱으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 외부케이스(10)의 앞쪽면 양단부에는 유입구(10a)가 형성되고, 외부케이스(10)의 뒤쪽면 양단부에도 배출구(10b)가 형성되어, 외부로부터 냉각공기는 유입구(10a)를 통해 외부케이스(10) 내부로 유입되고, 계면 플레이트(13)의 돌출부(11a) 사이에 형성된 냉각 유로(17)를 통과하면서 배터리 셀(14)의 열을 배출구(10b)를 통해 외부로 배출시킨다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따라 외부케이스(10)의 수직 벽면과 계면 플레이트(13)의 돌출부(11a)의 끝단 사이에 간격을 두어(오픈형 냉각 유로(17)), 돌출부(11a) 위 아래의 냉각 유로(17) 사이로 유체의 이동이 가능하여 배터리 셀(14)간의 온도편차를 줄여 안정성을 도모할 수 있다.
첨부한 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 밀폐형 냉각 유로를 가지는 배터리 셀 방열장치의 분해도이고, 도 9는 도 8의 조립도이고, 도 10은 도 9의 평면도이고, 도 11은 도 9의 정면도이다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따라 외부케이스(10)의 수직 벽면에 계면 플레이트(13)의 돌출부(11a)를 붙여(밀폐형 냉각 유로(17)), 밀폐된 냉각 유로(17)를 형성하여 각 배터리 셀(14)의 방열효율성을 증대시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 돌출부(11a)와 외부케이스(10)의 벽면 사이의 간격을 1~3mm 정도로 하여 방열의 안정성 및 효율성을 동시에 만족시킬 수 있다.
첨부한 도 12은 도 3에서 계면 플레이트의 요철구조를 보여주는 사시도이고, 도 13은 도 12에서 요철구조에 의한 난류 발생을 보여주는 개략도이다.
또한, 상기 돌출부(11a)의 상하 표면에 반원형상의 요철부(11b)를 형성하여, 냉각공기가 냉각 유로(17)를 따라 이동할 때 요철부(11b)에 의해 난류 및 와류를 발생시킴으로써 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 돌출부(11a)의 요철 구조에 의한 난류 형성을 통해 방열 효율을 저해시키는 유체의 속도 구배를 방지할 수 있고, 본 발명에 따른 요철부(11b)를 이용할 경우 유량과 유속이 낮아 마찰에 의한 소음이나 열 발생의 문제점을 개선할 수 있다.
상기와 같이 냉각 유로(17)를 통해 냉각공기가 흐를 경우에 유동 저항을 최소화하면서 효율적인 난류형성을 위해 요철부(11b)의 곡률반경을 적절히 조절할 수 있고, 공기의 유동 공간을 확보하기 위하여 돌출부(11a)의 상하면에 요철부(11b)를 교대로 엇갈리게 형성할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
배터리 셀(14) 방열장치의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
에탄올과 아세톤을 이용하여 시트 상의 알루미늄 플레이트(290mm x 156 mm x 1mm (W x L x H))의 표면에서 먼지와 유기 오염물을 제거하고, 5%의 NaOH 수용액에 4-6분간 프리 에칭(pre-etching)한 후 30%의 HNO3 용기(bath)에 침지(dipping)한 후 흐르는 물에 세척한다(표면전처리 공정).
그 다음, 30~40wt% 정도의 그라파이트 방열필러가 함유된 열가소성 엘라스토머 소재(styrene-ethylene/butadiene-styrene, SEBS)를 표면처리된 알루미늄 플레이트에 오버몰드 사출 통해 일체로 성형하여 계면 플레이트(13)를 제조한다.
여기서, SEBS 복합소재의 두께방향 열전도도는 1W/mK이상이 되도록 한다. 그리고, 알루미늄 플레이트의 양 끝단 부분은 10~30 mm정도를 남겨 방열을 위한 냉각 유로(17)를 형성한다.
냉각풍은 외부케이스(10)의 유입구(10a)를 통해 배터리의 적층 방향에 대하여 수직 방향으로 유입되고, 냉각풍은 수지가 덮이지 않은 알루미늄 돌출부(11a)와 외부케이스(10)의 벽면에 의해 둘러싸인 냉각 유로(17)를 통과하게 된다.
알루미늄 플레이트상에 코팅되는 SEBS 복합소재의 두께는 효과적인 열전달을 위해 충분히 얇아야 함과 동시에 그립성 증대와 부피변화에 대응할 수 있을 정도의 탄성을 지닐 수 있도록 조절되어야 함(0.3 mm~0.6 mm).
상기 외부케이스(10)는 30~50 wt%정도의 그라파이트 방열 필러를 함유한 폴리아마이드 46으로 제조되며, 직육면체 형상으로 앞면과 뒷면 각각 좌우측에 냉각풍을 위한 유로채널 인렛과 아웃렛이 위치하게 된다.
상기 냉각 유로(17)는 알루미늄 돌출부(11a) 끝단에서부터 외부케이스(10)의 벽면거리를 1-3mm 정도로 유지하여 방열특성의 안정성과 효율성을 동시에 만족시키도록 한다.
10 : 외부케이스 10a : 유입구
10b : 배출구 11 : 열전달 부재
11a : 돌출부 11b : 요철부
12 : 탄성층 13 : 계면 플레이트
14 : 배터리 셀 15 : 본체부
16 : 상부커버 17 : 냉각 유로
10b : 배출구 11 : 열전달 부재
11a : 돌출부 11b : 요철부
12 : 탄성층 13 : 계면 플레이트
14 : 배터리 셀 15 : 본체부
16 : 상부커버 17 : 냉각 유로
Claims (10)
- 냉각 유로(17)를 가지며, 냉각 유로(17)를 통해 냉각공기를 통과시켜 배터리 셀(14)에서 발생된 열을 방출시킬 수 있도록 된 외부케이스(10);
상기 외부케이스(10)의 내부에 설치되고, 서로 면접촉가능하게 교대로 적층되는 배터리 셀(14) 및 계면 플레이트(13);를 포함하고, 상기 계면 플레이트(13)는 알루미늄-엘라스토머 구조복합재를 이용하여 배터리 셀(14)에 축적된 열을 방출하고,
상기 계면 플레이트(13)는
배터리 셀(14)에 적층되어 배터리 셀(14)로부터 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있도록 된 열전달 부재(11); 및
상기 열전달 부재(11)의 적어도 일부가 상기 냉각 유로(17)에서 노출되도록 하여 상기 열전달 부재(11)의 외표면을 감싸는 구조로 형성되고, 탄성을 이용하여 배터리 셀(14)의 부피변화에 대응할 수 있도록 된 탄성층(12);으로 구성되며,
상기 탄성층(12)과 배터리 셀(14)이 직접 면접촉된 상태로 계면 플레이트(13)가 배터리 셀(14)들 사이에 적층 개재된 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 계면 플레이트(13)는 배터리 셀(14)의 길이보다 양측방향으로 더 길게 형성된 돌출부(11a)를 가지고, 상기 돌출부(11a) 사이에 냉각 유로(17)가 형성되어, 상기 냉각 유로(17)를 따라 이동하는 냉각공기가 배터리 셀(14)에서 발생된 열을 방출시키는 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 외부케이스(10)는 앞쪽 면 양단부에 각각 형성된 유입구(10a)와, 뒤쪽면 양단부에 각각 형성된 배출구(10b)를 가지고, 외부로부터 냉각공기가 상기 유입구(10a)를 통해 유입되어 그 반대편에 있는 배출구(10b)로 배출되는 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 열전달 부재(11)는 열전도도가 우수한 알루미늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄성층(12)은 열전도도가 우수한 그라파이트(100~200W/mK)와 열가소성 엘라스토머 소재가 복합된 복합재(열전도도 10~20W/mK) 재질로 오버몰딩에 의해 형성되어, 배터리 셀(14)에서 발생된 열을 열전달 부재(11)로 전달하는 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 열전달 부재(11)의 양단부에 배터리 셀(14)의 단부로부터 길이방향으로 돌출부(11a)가 더 돌출형성되고, 상기 탄성층(12)은 돌출부(11a)를 제외한 나머지 열전달 부재(11)에 형성되는 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 돌출부(11a)는 외부케이스(10)의 벽면과 일정한 간격으로 이격 설치되어, 냉각 유로(17) 간에 유체가 이동하는 방식으로 배터리 셀(14) 간의 온도편차를 줄여줄 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 돌출부(11a)는 외부케이스(10)의 벽면과 밀착되게 설치되어, 각 배터리의 방열효율성을 증대시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 돌출부(11a)에 요철부(11b)를 가지며, 냉각 공기가 냉각 유로(17)를 따라 이동할 경우 상기 요철부(11b)에 의해 난류를 형성하는 방식으로 방열특성을 향상시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 계면 플레이트를 이용한 배터리 셀 방열 장치.
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