KR101940577B1 - 히트싱크 및 파워 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

히트싱크 및 파워 배터리 시스템을 포함하되, 상기 히트싱크는 방열 플레이트와 커버 플레이트를 포함하되, 상기 방열 플레이트는 바닥 플레이트 및 상기 바닥 플레이트 상에 빗살 모양 패턴으로 형성된 복수개의 핀을 포함하고, 상기 커버 플레이트는 상기 방열 플레이트에 고정 연결되고, 상기 방열 플레이트의 핀은 상기 바닥 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에 배치되며, 통풍관이 상기 바닥 플레이트, 상기 핀 및 상기 커버 플레이트 사이에 형성된다.

Description

히트싱크 및 파워 배터리 시스템{HEATING SINK AND POWER BATTERY SYSTEM}
본 개시 내용은 파워 배터리 영역에 대한 것으로서, 특히 파워 배터리에 이용되는 히트싱크에 대한 것이다.
히트싱크는 많은 영역에서 이용된다. 일반적으로, 히트싱크는 빗살 모양 패턴 내의 복수개의 핀(fin)을 포함하고, 상기 핀은 냉각 매체와의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.
그러나, 파워 배터리 시스템 영역에서 사용되는 기존의 히트싱크에 몇 가지 결함이 존재한다. 히트싱크가 배터리 모듈에 설치되었을 때, 절연층을 통해서만 단일(single) 배터리의 금속 쉘(shell)과 접촉한다. 한편, 개방형 통풍관(air duct)은 파워 배터리 시스템 캐비닛(cabinet)의 내강 속(inner cavity)과 히트싱크 사이에 형성되고, 기존의 빗살 모양 패턴의 히트싱크는 구조적 강도가 낮아, 압력을 받았을 때 변형되기 쉬우며, 지탱 부품으로서 무게와 충격을 견딜 수 없다. 종래의 히트싱크의 핀은 두꺼운데, 그 두께는 일반적으로 5mm를 넘고, 핀 사이의 통풍관 너비는 10mm보다 크며, 통풍관의 양도 제한된다. 이상적인 열 분산 영역을 획득하기 위해, 히트싱크의 부피와 무게 모두가 비교적 클 필요가 있다. 에너지 저장 배터리 시스템 및 전기 자동차 영역에서 배터리 모듈은 무게가 많이 나가는데, 종래의 히트싱크는 배터리 모듈의 무게와 충격을 견딜 수 없으므로, 파워 배터리 시스템에 적용될 수 없다. 한편, 통풍관은 개방되고, 냉각 매체의 효과적 가동율이 낮으며, 방열 효과가 우수하지 못하다.
관련 영역에서의 종래의 히트싱크가 방열 효과가 우수하지 못하고, 부피가 크며, 배터리 모듈의 무게와 충격을 견딜 수 없다는 문제를 해결하기 위해, 본 개시 내용은 히트싱크 및 파워 배터리 시스템을 제공한다.
본 발명의 제1 형태는 히트싱크를 제공한다. 상기 히트싱크는 방열 플레이트와 커버 플레이트를 포함하되, 상기 방열 플레이트는 바닥 플레이트 및 상기 바닥 플레이트 상에 빗살 모양 패턴으로 형성된 복수개의 핀을 포함하고, 상기 커버 플레이트는 상기 방열 플레이트에 고정 연결되고, 상기 방열 플레이트의 핀은 상기 바닥 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에 배치되며, 통풍관이 상기 바닥 플레이트, 상기 핀 및 상기 커버 플레이트 사이에 형성된다.
일 실시예에서, 상기 방열 플레이트 및 상기 커버 플레이트는 용접, 열도전성 접착제를 통한 본딩 및 기계적 고정 중 적어도 하나를 통해 고정 연결된다. 이에 따라 방열 플레이트와 커버 플레이트 사이의 고정 연결의 신뢰성을 효율적으로 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버 플레이트는 내부면과 외부면을 포함하되, 상기 핀에 매칭되는 복수개의 홈이 상기 커버 플레이트의 상기 내부면 상에 형성되고, 상기 핀의 자유단은 상기 커버 플레이트의 상기 홈에 삽입된다. 고정 모드에서 고정 연결의 효과를 보다 더 높일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 바닥 플레이트의 좌측과 우측은 위쪽으로 구부러져 하측면을 형성하고, 상기 커버 플레이트의 좌측과 우측은 아래쪽으로 구부러져 상측면을 형성하며, 상기 방열 플레이트의 상기 좌측과 우측에 위치한 상기 하측면은 상기 커버 플레이트의 상기 좌측과 우측에 위치한 상기 상측면과 연결되어 중공 구조를 형성하며, 상기 방열 플레이트의 핀은 상기 중공 구조에 배치된다.
일 실시예에서, 복수의 열튜브가 상기 바닥 플레이트의 외측면 상에서 종방향으로 형성된다. 열튜브는 배터리 모듈의 공기 주입구와 배출구의 온도 일관성을 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 반도체 냉난방 칩이 상기 바닥 플레이트의 외측면상에 형성된다. 반도체 냉난방 칩은 저온에서 배터리를 따뜻하게 하고, 극도의 고온에서 공기 냉각 효과를 개선하는 제한된 조건에서 단일 배터리들의 온도를 조정할 수 있다.
일 실시예에서, 절연 보호 코팅층이 상기 바닥 플레이트의 외측면 상에 코팅되되, 상기 절연 보호 코팅층의 두께는 0.05-1mm이다.
일 실시예에서, 상기 핀의 두께는 0.8-1.5mm이고, 두 개의 근접 핀 간의 거리는 2-4mm이다.
본 발명의 두 번째 형태는 파워 배터리 시스템을 제공한다. 상기 파워 배터리 시스템은, 배터리 모듈 및 방열 모듈을 포함하되, 상기 방열 모듈은 앞서 언급된 히트싱크를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 배터리 모듈은 프레임 및 상기 프레임에 배치되는 복수개의 단일 배터리를 포함하고, 상기 배터리 모듈은 상부 대형면, 하부 대형면, 좌측면, 우측면, 전단면 및 후단면을 포함하고, 상기 방열 모듈은 상부 히트싱크와 하부 히트싱크를 포함하되, 상기 상부 히트싱크는 상기 배터리 모듈의 상기 상부 대형면 상에 배치되고, 상기 하부 히트싱크는 상기 배터리 모듈의 상기 하부 대형면 상에 배치된다.
일 실시예에서, 상기 방열 모듈은 상기 배터리 모듈의 상기 전단면 상에 배치되는 보호 커버를 더 포함하고, 냉각 팬은 상기 보호 커버 상에 배치된다.
일 실시예에서, 상기 프레임은 상기 배터리 모듈의 상기 좌측과 우측 상에 위치하는 두 측면 프레임, 및 상기 배터리 모듈의 상기 전단 및 후단에 위치하는 두 끝단 프레임을 포함하되, 서로 연결된 상기 측면 프레임과 끝단 프레임은 직사각형으로 형성되고, 상기 단일 배터리는 상기 두 측면 프레임 사이에 가로로 배열되고, 상기 단일 배터리의 전극단자는 상기 측면 프레임으로 연장된다.
일 실시예에서, 상기 방열 모듈은 좌측 통풍관 커버 및 우측 통풍관 커버를 더 포함하되, 상기 좌측 통풍관 커버 및 상기 우측 통풍관 커버는 상기 두 측면 프레임의 외측에 배치되고, 좌측 통풍관은 상기 좌측 통풍관 커버 및 상기 측면 프레임 사이에 형성되고, 우측 통풍관은 상기 우측 통풍관 커버 및 상기 측면 프레임 사이에 형성된다.
일 실시예에서, 상기 측면 프레임은 복수개의 접합 유닛을 접합하여 형성된다.
일 실시예에서, 수 버클단과 암 버클단은 각 접합 유닛에 형성되고, 근접한 상기 접합 유닛의 상기 수 버클단과 상기 암 버클단은 버클 연결방식으로 서로 연결된다.
일 실시예에서, 볼트 및 소켓이 각 접합 유닛에 형성되고, 근접한 상기 접합 유닛의 상기 볼트 및 상기 소켓은 서로 연결된다.
일 실시예에서, 상기 접합 유닛은 중심 대칭이다.
일 실시예에서, 상기 단일 배터리는 절연 보호 필름으로 코팅된다. 열전도 절연층은 상기 배터리 모듈의 상기 상부 대형면 및 상기 상부 히트싱크 사이에 배치되고, 상기 배터리 모듈의 상기 하부 대형면 및 상기 하부 히트싱크 사이에 더 배치된다.
본 발명에 따른 히트싱크는 배터리 시스템에 적용되는데 적합하다. 상기 방열 플레이트는 몰드(mold)에 의해 형성될 수 있고, 상기 핀의 너비는 더 줄어들 수 있으므로, 방열 플레이트의 방열 영역을 증가시키며, 히트싱크의 방열 영역 및 방열 효과가 제한된 부피 내에서 극대화되고, 배터리 모듈의 충전 및 방전율을 개선하며, 히트싱크의 부피도 효과적으로 줄어든다. 한편, 핀과 연결된 커버 플레이트가 제공되므로, 히트싱크에 가해지는 힘이 각 핀에 분배될 수 있고, 히트싱크의 구조적 강도가 효율적으로 증대된다. 무게의 지탱, 진동과 충격 조건에서 히트싱크는 파워 배터리 시스템의 쉘(shell)의 일부가 되어, 배터리 모듈이 손상되지 않도록 보호할 수 있다.
앞서 언급된 히트싱크를 포함하는 상기 파워 배터리 시스템은 높은 방열 효과를 가지고, 배터리 모듈의 충전 및 방전율을 개선하며, 히트싱크의 부피도 효과적으로 줄어든다. 한편, 커버 플레이트가 히트싱크에 제공되므로, 히트싱크에 가해지는 힘이 각 핀에 분배될 수 있고, 히트싱크의 구조적 강도가 효율적으로 증대된다. 무게의 지탱, 진동과 충격 조건에서 히트싱크는 파워 배터리 시스템의 쉘(shell)의 일부가 되어, 배터리 모듈이 손상되지 않도록 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예로 제공되는 히트싱크의 분해 사시도다.
도 2는 본 발명의 실시예로 제공되는 히트싱크의 사시도다.
도 3은 도 1의 A 부분의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 실시예로 제공되는 히트싱크의 정면도이다.
도 5는 도 4의 B 부분의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 실시예로 제공되는 히트싱크의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예로 제공되는 파워 배터리 시스템의 사시도다.
도 8은 본 발명의 실시예로 제공되는 파워 배터리 시스템의 배면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예로 제공되는 파워 배터리 시스템의 분해 사시도다.
도 10은 본 발명의 실시예로 제공되는 프레임의 사시도다.
도 11은 본 발명의 실시예로 제공되는 접합 유닛의 사시도다.
도 12는 본 발명의 실시예로 제공되는 접합 유닛의 개략도이다.
도 13는 본 발명의 실시예로 제공되는 끝단 프레임의 사시도다.
도 14는 본 발명의 실시예로 제공되는 끝단 프레임의 개략도이다.
이하 설명 및 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예 및 다른 실시예들이 분명해질 것이다. 설명 및 도면에서 일부 특정 실시예는 본 발명에 따른 원칙적인 실시예를 보여주기 위한 것이다. 다만, 본 발명에 다른 실시예의 범위는 이에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 반대로, 실시예에서, 첨부된 청구항의 취지, 원칙 및 범위를 벗어나지 않는 변경, 선택 및 개선이 이루어질 수 있다.
실시예 1
본 실시예는 특히 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 개시 내용의 히트싱크(1)을 설명하기 위한 것으로서, 히트싱크(1)은 방열 플레이트(12)와 커버 플레이트(11)를 포함하되, 상기 방열 플레이트(12)는 바닥 플레이트(120) 및 상기 바닥 플레이트(120) 상에 빗살 모양 패턴으로 형성된 복수개의 핀(12a)을 포함한다. 상기 커버 플레이트(11)는 상기 방열 플레이트(12)에 고정 연결되고, 상기 방열 플레이트(12)의 핀(12a)은 상기 바닥 플레이트(120)와 상기 커버 플레이트(11) 사이에 배치된다. 통풍관이 상기 바닥 플레이트(120), 상기 핀(12a) 및 상기 커버 플레이트(11) 사이에 형성된다.
냉각 매체가 통풍관을 통해 흘러, 냉각 매체가 히트싱크(1)와 열을 교환할 수 있다.
커버 플레이트(11)와 방열 플레이트(12) 간에 몇 가지 고정 연결 방식이 적용될 수 있다. 예를 들어, 방열 플레이트(12)와 커버 플레이트(11)는 용접, 열도전성 접착제를 통한 본딩 및 기계적 고정 중 적어도 하나를 통해 고정 연결될 수 있다. 용접 방식은 경납땜, 폴리머 확산 용접 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 열도전성 접착제를 통한 본딩은, 열 규소 수지와 같이, 열 전도성, 본딩 강도, 노화 저항 성능 등과 같은 요건들을 만족시키는 모든 종류의 열 본딩 물질이 사용될 수 있다. 기계적 고정 방식은 나사 연결, 리벳 연결 및 죔쇠 끼워맞춤 등 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 따라 방열 플레이트(12)와 커버 플레이트(11) 간의 고정 연결의 신뢰성을 보장할 수 있다.
상기 핀의 두께는 0.8-1.5mm이고, 두 개의 근접한 핀 사이의 거리인 통풍관의 너비는 2~4mm이며, 핀(12a)의 높이-너비 비는 약 25이다. 공기 저항 요건이 만족되는 상황에서, 핀(12a)의 열 분산 영역이 최대화된다. 히트싱크 플레이트(1)는 고밀도 핀을 갖춘 중공 구조를 가짐으로써 제한된 공간에서 방열 효과를 최대화한다.
일반적으로 히트싱크(1)의 전체 크기는 제한되지 않으나, 히트싱크(1)의 두께는 약 30-60mm이고, 히트싱크(1)의 길이와 너비는 배터리 모듈(2)의 크기에 따라 결정된다.
본 개시 내용의 기술적 의도를 이해한 이후, 본 분야의 당업자라면 제한된 공간에서의 열 분산 효율을 최대화하기 위해 창조적 노력을 들이지 않고서도 핀(12a)과 통풍관의 크기 이외에도 히트싱크(1)의 모양을 합리적으로 설계할 수 있을 것이다.
연결 강도를 보다 더 개선하기 위해, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 커버 플레이트(11)는 내부면과 외부면을 포함하되, 복수개의 홈(11a)이 커버 플레이트(11)의 내부면 상에 형성되어 핀(12a)과 매칭된다.
핀(12a)의 자유단은 커버 플레이트의 홈들에 삽입된다. 바닥 플레이트(120)와 연결되는 핀(12a)의 끝단은 고정된 끝단이고, 이 고정된 끝단의 반대측 끝단이 자유단이다.
홈(11a)을 핀(12a)과 연결하는 고정 방식을 채택하면, 방열 플레이트(12)와 커버 플레이트(11) 간의 고정 연결 효과가 보다 개선될 수 있다. 핀(12a)이 홈(11a)에 삽입될 때, 선택적으로 열전도 접착제로 더 본딩되면, 홈(11a)은 열전도 접착제의 접착을 개선하는데 기여하여, 커버 플레이트(11)와 핀(12a) 간 본딩의 신뢰성을 보다 더 개선한다.
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 방열 플레이트(12)의 바닥 플레이트(120) 좌측과 우측은 위쪽으로 구부러져 두 하측면(121)을 형성한다. 즉, 하측면(121)은 바닥 플레이트(120)의 일부가 되어, 방열 플레이트(12) 전체가 완전하게 형성된다. 바닥 플레이트(120)는 하나의 평평한 플레이트와 두 개의 하측면(121)을 포함하되, 이들은 평평한 플레이트의 양측으로부터 위쪽으로 구부러진다.
상기 커버 플레이트의 좌측과 우측은 아래쪽으로 구부러져 양측에 두 상측면(112)을 형성하되, 상측면(112)은 커버 플레이트(11)의 일부이고, 커버 플레이트(11)는 일체로 구성된다. 도 1 및 도 2에서 도시되는 바와 같이, 커버 플레이트(11)는 하나의 평평한 플레이트와 두 상측면(112)를 포함하되, 이들은 평평한 플레이트의 양측으로부터 아래쪽으로 구부러진다. 바닥(120)의 평평한 플레이트를 커버 플레이트(11)의 평평한 플레이트와 구분하기 위해, 커버 플레이트(11)의 평평한 플레이트를 탑 플레이트(111)로 칭하기로 한다. 즉, 앞서 언급한 두 상측면(112)은 탑 플레이트(111)의 양측에 위치한다.
방열 플레이트(12)의 좌측과 우측에 위치한 상기 하측면(121)은 커버 플레이트의 좌측과 우측에 위치한 상측면(112)과 연결되어 중공 구조를 형성하며, 방열 플레이트(12)의 핀(12a)은 상기 중공 구조에 배치된다.
한편, 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(2)과 함께 작동하게 하는데 이용되는 회피 노치(avoiding notch, 122)가 방열 플레이트(12)의 네 모서리에 형성된다.
도 6에서 도시되는 바와 같이, 방열 효과를 더 개선하기 위해, 일부 실시예에서는, 복수의 열튜브(12c)가 방열 플레이트(12)의 바닥 플레이트(120) 외측면 상에서 종방향으로 형성된다. 배터리 모듈(2)의 공기 주입구 및 배출구의 온도가 일관되게 유지된다. 특히, 복수의 열튜브(12c)는 도 6의 좌, 우 방향을 따라 연장되고, 방열 플레이트(12)의 바닥 플레이트(120)의 외측면상에서 서로 평행하게 배치된다.
방열 효과를 더 개선하고, 극한 조건에서 단일 배터리(20)의 온도를 보조적으로 조절하기 위해, 예를 들어, 저온 조건에서 배터리의 열을 가하고, 극한 고온 조건에서 공개 냉각 기능을 강화한다. 도 6에서 도시하는 바와 같이, 복수의 반도체 냉난방 칩(12d)이 방열 플레이트(12)의 바닥 플레이트(120) 외측면상에 배열될 수 있다. 앞서 언급된 반도체 냉난방 칩(12d)은 본 분야의 당업자에 의해 잘 알려져 있다. 반도체 냉난방 칩은 바닥 플레이트(120)의 외측면에 어레이 분포(array distribution) 방식으로 배열되는데, 이 배열은 배터리 모듈의 온도 분배에 따라 조정될 수 있다. 반도체 냉난방 칩(12d)의 전력은 단일 배터리(20)에 의해 공급될 수 있거나, 또는 BMS (배터리 관리 시스템)의 보조 전력에 의해 공급될 수 있고, 반도체 냉난방 칩은 BMS에 의해 시작 또는 중단 및 난방 및 냉방 전력이 제어될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 도 9에서 도시되는 바와 같이, 절연 보호 코팅층(13)이 히트싱크(1)의 바닥 플레이트(120)의 배면상에 코팅되되, 절연 보호 코팅층의 두께는 0.05-1mm이고, 바람직하게는 0.1~0.5mm이다. 절연 보호 코팅층(13)은 소결된 세라믹층, 열절연 접착제의 분무층(열 분무 또는 상온 분무), 및 열절연 접착 침전 등일 수 있다. 본 실시예에서 바닥 플레이트(120)는 바닥 플레이트의 양 측으로부터 위쪽으로 구부러진 하측면(121)을 포함한다. 따라서, 바닥 플레이트(120)의 후면은 하측면(121)의 후면을 더 포함한다. 즉, 핀(12a)에 연결된 바닥 플레이트(120)의 면은 내부면이고, 내부면에 반대되는 바닥 플레이트(120)의 다른 면은 외부면이며, 바닥 플레이트(120)의 후면으로도 알려진다. 방열 플레이트(12)의 바닥 플레이트(120) 후면은 단일 배터리(20)의 쉘(shell)과 연결될 수 있기 때문에, 단락 또는 누전 현상이 일어나기 쉽다. 그러므로 바닥 플레이트(120)의 뒷면에서 세라믹 분무 및 소결 공정을 거쳐 소결된 세라믹층으로 형성되거나, 열 절연 접착 분무(열 분무 또는 상온 분무) 공정 또는 열 절연 접착 침전 공정을 거쳐 높은 열 전도성, (좋은 성능의 내마멸성, 접착력, 충격 강도, 노화 저항성 등과 같은) 높은 강도를 가진 절연 보호 코팅층(13)으로 형성될 수 있다. 이로써 히트싱크(1)과 단일 배터리(20) 쉘 사이의 충분히 신뢰할만한 절연 성능을 보장하고, 열 저항을 최소화하며 열 분산 효과를 개선한다. 배터리 모듈(2)의 누출 위험과 히트싱크(1)의 단락을 효율적으로 방지하고, 파워 배터리 시스템의 신뢰성을 개선한다. 바람직하게, 절연 보호 코팅층의 두께는 0.2-1mm이고, 열 전도성은 4w/mK보다 크고, 내전압은 AC5000V보다 크다.
본 실시예의 상기 히트싱크(1)가 파워 배터리 시스템에 적용될 때, 방열 플레이트(12)는 몰드에 의해 형성될 수 있고, 핀(12a)의 두께는 더 감소되고, 방열 플레이트(12)의 방열 면적을 넓힐 수 있어, 히트싱크(1)의 내부는 핀의 밀도가 높은 중공 구조로 형성되게 하여, 방열 효율을 높인다. 배터리 모듈(2)의 충전 및 방전율을 개선하도록 히트싱크(1)의 방열 면적 및 방열 효과는 제한된 부피 내에서 최대화되고, 히트싱크(1)의 부피 또한 효과적으로 감소된다. 한편, 커버 플레이트(11)가 제공되므로, 히트싱크(1)에 가해지는 힘은 각 핀(12a)으로 분산될 수 있고, 히트싱크(1) 전체의 구조적 강도가 효과적으로 개선된다. 무게의 지탱, 진동과 충격 조건에서 히트싱크(1)는 파워 배터리 시스템의 쉘(shell)의 일부가 되어, 배터리 모듈(2)이 손상되지 않도록 보호할 수 있다.
실시예 2
이하는 본 발명의 실시예에 따른 파워 배터리 시스템을 설명한다. 파워 배터리 시스템은 배터리 모듈(2) 및 방열 모듈을 포함하되, 방열 모듈은 실시예 1에서 설명된 히트싱크(1)를 포함한다.
특히, 배터리 모듈(2)은 프레임 및 상기 프레임에 배치되는 복수개의 단일 배터리(20)를 포함한다. 배터리 모듈은 상부 대형면(big surface), 하부 대형면, 좌측면, 우측면, 전단면 및 후단면을 포함한다. 배터리 모듈(2)의 상부 대형면과 하부 대형면에 각각 히트싱크(1)가 제공되고, 이들은 각각 상부 히트싱크(1a)와 하부 히트싱크(1b)으로 칭한다. 방열 모듈은 배터리 모듈(2)의 전단면 상에 배치되는 보호 커버(3)를 더 포함하고, 냉각 팬(31)은 보호 커버(3) 상에 배치된다.
방열 효율을 높이기 위해, 히트싱크(1)의 물질은 AL6061이나 AL6063 형 알루미늄 합금 또는 구리와 같은 금속이다.
선택적으로, 전술한 단일 배터리(20)는 리튬 이온배터리일 수 있고, 더 나아가 리튬 이온 인산염 배터리일 수 있다.
상부 히트싱크(1a)의 통풍관은 팬 보호 커버(3) 내부를 통해 하부 히트싱크(1b)의 통풍관과 연결되고, 냉각 매체는 상부 히트싱크(1a)의 통풍관으로부터 하부 히트싱크(1b)의 통풍관으로 흐를 수 있다.
도 7에서 도시되는 바와 같이, 팬 보호 커버(3)는 배터리 모듈(2)의 전단면에 장착되고, 전단면의 반대면은 후단면이며, 도 7에서의 배터리 모듈(2)의 상부면은 상부 대형면이고, 상부 대형면의 반대면은 하부 대형면이며, 배터리 모듈(2)의 전단면의 좌면은 좌측면이고, 배터리 모듈(2)의 전단면의 우면은 우측면이다.
전술한 상부 히트싱크(1a) 및 하부 히트싱크(1b)은 배터리 모듈(2)의 단일 배터리(20)에 의해 생성된 열을 제거할 수 있고, 냉각 팬(31)을 통해 히트싱크(1) 내의 공기를 움직이게 하여 열교환을 형성하며, 단일 배터리(20)에 의해 생성된 열의 대부분은 분산될 수 있어 냉각 효과가 우수해진다.
단일 배터리(20)는 전극 단자, 즉 양극 단자와 음각 단자를 포함한다. 전극 단자는 또한 작업 도중 상당한 열을 발생하는데, 이 열은 방출될 필요가 있으며, 이에 따라 냉각 통풍관은 배터리 모듈(2)의 좌측과 우측에 형성되어, 전극 단자는 좌측 통풍관과 우측 통풍관 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 좌, 우 통풍관은 전극 단자의 위치에 따라 결정된다. 도 7에서 도시되는 바와 같이, 복수의 단일 배터리(20)는 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결되어, 결국 배터리 모듈(2)의 제1 전극(2a) 및 제2 전극(2b)은 팬 보호 커버(3)의 적어도 한 면으로부터 연장된다. 제1 전극(2a)은 양의 전극이고, 제2 전극(2b)은 음의 전극이다. 반대로, 제1 전극(2a)은 음의 전극이고, 제2 전극(2b)은 양의 전극이다.
도 8에 도시되는 바와 같이, (바람과 같은) 냉각 매체가 흐르는 방향은 제한이 없고, 이는 냉각 팬(31)의 작동 모드에 따라 결정되며, 바람은 배터리 모듈(2)로 공급될 수 있다. 또는 냉각 팬(31)의 회전 방향을 통해 배터리 모듈(2) 내에 음압이 형성될 수 있고, 냉각 매체는 배터리 모듈(2)의 후단면 상에 배치된 공기 주입구를 통해 열 교환을 위해 통풍관으로 빨아들여진다. 예를 들어, 좌측 공기 주입구(41)는 좌측 통풍관 커버(4) 상에 형성되고, 우측 공기 주입구(51)는 우측 통풍관 커버(5) 상에 형성된다. 상부 공기 주입구는 상부 히트싱크(1a)의 후면에 형성되고, 하부 공기 주입구는 하부 히트싱크(1b)의 후면에 형성된다.
도 9에 도시되는 것처럼, 단일 배터리(20)는 절연 보호 필름(2c)에 의해 덮인다. 열전도 절연층(2d)는 상부 히트싱크(1a)과 배터리 모듈(2)의 상부 대형면 사이 및 하부 히트싱크(1b)과 배터리 모듈(2)의 하부 대형면 사이에 모두 배치된다.
전술한 것처럼, 세 절연 구조가 히트싱크(1)과 단일 배터리 모듈(20) 사이에 배치된다. 즉 절연 보호 필름(2c)이 단일 배터리 모듈(20)의 외부에 코팅되고, 열전도 전열층(2d)은 히트싱크(1)와 배터리 모듈(2) 사이에 배치되며, 절연 보호 코팅층(13)은 히트싱크(1)의 바닥 플레이트(120)의 뒷면에 배치된다. 각 절연 구조의 내전압은 AC5000V보다 크고, 배터리 모듈(2)를 최대로 보호할 수 있다.
도 10에서 도시되는 바와 같이, 프레임은 배터리 모듈(2)의 좌측과 우측 상에 위치하는 두 측면 프레임(22), 및 배터리 모듈(2)의 전단 및 후단에 위치하는 두 끝단 프레임(21)을 포함한다. 측면 프레임(22)과 끝단 프레임(21)은 서로 연결되어 직사각형으로 형성된다. 단일 배터리(20)는 두 측면 프레임(22) 사이에 가로로 배열되고, 단일 배터리의 전극단자는 상기 측면 프레임(22)으로 연장된다.
도 7에서 도시되는 것처럼, 방열 모듈은 또한 좌측 통풍관 커버(4)와 우측 통풍관 커버(5)를 더 포함하고, 좌측 통풍관 커버(4) 및 우측 통풍관 커버(5)는 두 측면 프레임의 외측에 배치되고, 좌측 통풍관은 좌측 통풍관 커버 및 측면 프레임(22) 사이에 형성되고, 우측 통풍관은 우측 통풍관 커버 및 측면 프레임(22) 사이에 형성된다.
특히, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 측면 프레임(22)은 복수개의 접합 유닛(220)을 접합하여 형성된다. 수 버클단 a와 암 버클단 b는 접합 유닛(220)에 형성되고, 근접한 접합 유닛의 수 버클단 a와 암 버클단 b는 버클 연결방식으로 서로 연결된다. 볼트 c 및 소켓 d가 접합 유닛(220)에 배치되고, 근접한 상기 접합 유닛의 볼트 c 및 소켓 d는 서로 연결된다. 볼트 c 및 소켓 d는 주로 위치결정 및 회전 방지 역할을 수행한다.
측면 프레임(22)은 복수의 접합 유닛(220)에 의해 형성되고, 측면 프레임의 접합 유닛(220)의 개수는 제한되지 않으므로, 구조적 부품의 추가 없이 몰드(mold)를 변형하지 않는 경우에 다른 크기의 측면 프레임(22)이 형성될 수 있다.
특히, 도 13에서 도시된 바와 같이, 수 버클단 a와 암 버클단 b, 볼트 c 및 소켓 d도 끝단 프레임(21) 상에 배치된다. 끝단 프레임(21)의 수 버클단 a는 접합 유닛(220)의 암 버클단 b와 연결되고, 끝단 프레임(21)의 암 버클단 b는 접합 유닛(220)의 수 버클단 a와 연결된다. 끝단 프레임(21)의 볼트 c는 접합 유닛(220)의 소켓 d와 연결되고, 끝단 프레임(21)의 소켓 d는 접합 유닛(220)의 볼트 c와 연결된다.
전술한 끝단 프레임(21)과 측면 프레임(22)은 몇 개의 접합 유닛(220)을 접합하여 형성되고, 모든 부품이 버클 연결 및 삽입 연결로 서로 조립될 수 있어, 결국 측면 프레임(22)과 끝단 프레임(21)을 줄로 고정하여, 단일 배터리들이 서로 확실하게 고정될 수 있다.
버클 연결의 효과를 보다 강화하기 위해, 버클 홈 a1은 수 버클단 a 상에 형성되고, 블록 b1은 암 버클단 b 상에 형성될 수 있으며, 버클 홈 a1은 블록 b1과 함께 작동한다.
도 12에 도시되는 바와 같이, 접합 유닛(220)은 중심 대칭이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 끝단 프레임(21) 역시 중심 대칭이다. 측면 프레임(22)과 끝단 프레임(21)은 모두 중심 대칭 구조이고, 이 구조는 주구조(main structure) 부품의 개수를 최소화할 수 있고, 교환성이 뛰어나다. 측면 프레임(22)과 끝단 프레임(21) 사이 및 측면 프레임(21)에서의 두 개의 근접한 접합 유닛(220) 사이의 접합면은 모두 한 쌍의 버클 고정 구조(수 버클단 a 와 암 버클단 b) 및 한 쌍의 회전 방지(anti-rotation) 구조의 위치결정 핀(볼트와 소켓)을 가지며, 네 점 위치고정 방식이 이루어져, 배터리 모듈이 운반 및 전복으로 인해 떨어져 나가는 것을 방지한다.
이하는 방열 모듈의 작업 공정을 설명한다.
도 8에서 도시되는 바와 같이, 냉각 팬(31)은 고속으로 회전하고 팬 보호 커버(3) 내 음압을 형성하며, 팬 보호 커버(3)와 공개 주입구 사이의 압력 차이는 외부의 찬 공기를 네 개의 통풍관 주입구로부터 들어오게 만들어, 찬 공기는 각각 상부 히트싱크(1a)과 하부 히트싱크(1b) 및 좌측 통풍관 및 우측 통풍관을 통해 흐른다. 좌측 통풍관 및 우측 통풍관의 냉각 매체는 전극 연결 부품과 열을 교환하고, 단일 배터리(20)의 금속 쉘이 히트싱크(1)의 통풍관 내 냉각 매체와 열을 교환하는 동안, 적절한 열 교환 효과를 달성하고, 전극 연결 부품의 샘플링 지점 온도가 단일 배터리(20)의 실제 온도에 가깝게 하도록 보장하여, 온도 데이터의 유효성을 보장한다.
동일한 테스트 조건에서, 방열 모듈을 갖는 파워 배터리 시스템과 방열 모듈을 갖지 않는 파워 배터리 시스템을 비교하면, 항온 23℃ 환경에서, 방열 모듈을 갖지 않는 220A의 파워 배터리 시스템은 무정전 사이클 1C에서 평형상태 온도의 최대값이 58℃이고, 방열 모듈을 갖는 220A의 파워 배터리 시스템은 무정전 사이클 2C에서 평형상태 온도의 최대값이 48℃이며, 무정전 사이클 2.5C에서 평형상태 온도의 최대값은 55℃이다. 충방전율은 두 배 이상 증가하여 2.5배에 이를 수 있고, 단일 배터리(20)의 최대 온도는 4C 주파수 변조 작업 조건에서 40℃를 유지하며, 동시에 이 모듈은 온도 일관성이 더 뛰어나다. 따라서, 방열 모듈은 고출력 주파수 변조 발전 영역에 바로 적용되어, 배터리가 통제된 온도 범위 내에서 작동하는 것을 보장하고, 에너지 저장 시스템의 사용 기한을 개선할 수 있다.
전술한 히트싱크(1)을 갖는 파워 배터리 시스템은 방열 효율이 높고, 파워 배터리 모듈(2)의 충방전율을 개선하며, 히트싱크(1)의 부피를 줄인다. 한편, 커버 플레이트(11)이 히트싱크(1)에 추가되므로, 각 핀(12a)으로 힘이 분산될 수 있고, 히트싱크(1)의 구조적 강도가 효율적으로 개선된다. 무게의 지탱, 진동과 충격 조건에서 히트싱크(1)은 파워 배터리 시스템 쉘의 일부가 되어, 배터리 모듈이 손상되지 않도록 보호할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 개시 내용은 앞서 설명된 특정의 구체적인 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 여러 가지 단순한 변형이 이루어질 수 있으나, 그러한 단순한 변형은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.
1: 히트싱크 1a: 상부 히트싱크 1b: 하부 히트싱크;
11: 커버 플레이트 111: 탑 플레이트 112: 상측면 11a: 홈;
12: 방열 플레이트 120: 바닥 플레이트 121: 하측면
122: 회피 노치(avoiding notch)
12a: 핀 12c: 열튜브 12d: 반도체 냉난방 칩;
13: 절연 보호 코팅층;
2: 배터리 모듈
2a: 제1 전극 2b: 제2 전극 2c: 절연 보호 필름 2d: 열전도 절연층;
20: 단일 배터리 21: 끝단 프레임 22: 측면 프레임 220: 접합 유닛;
3: 팬 보호 커버 31: 냉각 팬(fan);
4: 좌측 통풍관 커버 41: 좌측 공기 주입구;
5: 우측 통풍관 커버 51: 우측 공기 주입구;
a: 수 버클단 b: 암 버클단 c: 볼트 d: 소켓
a1: 버클 홈 b1: 버클 블록;

Claims (20)

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  4. 방열 플레이트와 커버 플레이트를 포함하되,
    상기 방열 플레이트는 바닥 플레이트 및 상기 바닥 플레이트 상에 빗살 모양 패턴으로 배열된 복수개의 핀을 포함하고,
    상기 커버 플레이트는 상기 방열 플레이트에 고정 연결되고,
    상기 방열 플레이트의 상기 핀은 상기 바닥 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에 배치되며,
    통풍관이 상기 바닥 플레이트, 상기 핀 및 상기 커버 플레이트 사이에 형성되며,
    상기 바닥 플레이트의 좌측과 우측은 위쪽으로 구부러져 하측면을 형성하고,
    상기 커버 플레이트의 좌측과 우측은 아래쪽으로 구부러져 상측면을 형성하며,
    상기 방열 플레이트의 상기 좌측과 우측에 위치한 상기 하측면은 상기 커버 플레이트의 상기 좌측과 우측에 위치한 상기 상측면과 연결되어 중공 구조를 형성하며,
    상기 방열 플레이트의 핀은 상기 중공 구조에 배치되는,
    히트싱크.
  5. 방열 플레이트와 커버 플레이트를 포함하되,
    상기 방열 플레이트는 바닥 플레이트 및 상기 바닥 플레이트 상에 빗살 모양 패턴으로 배열된 복수개의 핀을 포함하고,
    상기 커버 플레이트는 상기 방열 플레이트에 고정 연결되고,
    상기 방열 플레이트의 상기 핀은 상기 바닥 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에 배치되며,
    통풍관이 상기 바닥 플레이트, 상기 핀 및 상기 커버 플레이트 사이에 형성되며,
    복수의 열튜브가 상기 바닥 플레이트의 외측면 상에서 종방향으로 형성되는,
    히트싱크.
  6. 방열 플레이트와 커버 플레이트를 포함하되,
    상기 방열 플레이트는 바닥 플레이트 및 상기 바닥 플레이트 상에 빗살 모양 패턴으로 배열된 복수개의 핀을 포함하고,
    상기 커버 플레이트는 상기 방열 플레이트에 고정 연결되고,
    상기 방열 플레이트의 상기 핀은 상기 바닥 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에 배치되며,
    통풍관이 상기 바닥 플레이트, 상기 핀 및 상기 커버 플레이트 사이에 형성되며,
    복수의 반도체 냉난방 칩이 상기 바닥 플레이트의 외측면상에 형성되는,
    히트싱크.
  7. 방열 플레이트와 커버 플레이트를 포함하되,
    상기 방열 플레이트는 바닥 플레이트 및 상기 바닥 플레이트 상에 빗살 모양 패턴으로 배열된 복수개의 핀을 포함하고,
    상기 커버 플레이트는 상기 방열 플레이트에 고정 연결되고,
    상기 방열 플레이트의 상기 핀은 상기 바닥 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에 배치되며,
    통풍관이 상기 바닥 플레이트, 상기 핀 및 상기 커버 플레이트 사이에 형성되며,
    절연 보호 코팅층이 상기 바닥 플레이트의 외측면 상에 코팅된,
    히트싱크.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연 보호 코팅층의 두께는 0.05-1mm인,
    히트싱크.
  9. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀의 두께는 0.8-1.5mm이고, 두 개의 근접 핀 간의 거리는 2-4mm인,
    히트싱크.
  10. 배터리 모듈 및 방열 모듈을 포함하되,
    상기 방열 모듈은 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 히트싱크를 포함하는,
    파워 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 프레임 및 상기 프레임에 배치되는 복수개의 단일 배터리를 포함하고,
    상기 배터리 모듈은 상부 대형면, 하부 대형면, 좌측면, 우측면, 전단면 및 후단면을 포함하고,
    상기 방열 모듈은 상부 히트싱크와 하부 히트싱크를 포함하되, 상기 상부 히트싱크는 상기 배터리 모듈의 상기 상부 대형면 상에 배치되고, 상기 하부 히트싱크는 상기 배터리 모듈의 상기 하부 대형면 상에 배치되는,
    파워 배터리 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 방열 모듈은 상기 배터리 모듈의 전단면 상에 배치되는 보호 커버를 더 포함하고, 냉각 팬은 상기 보호 커버 상에 배치되는,
    파워 배터리 시스템.
  13. 배터리 모듈 및 방열 모듈을 포함하되,
    상기 방열 모듈은 히트싱크를 포함하고,
    상기 히트싱크는 방열 플레이트와 커버 플레이트를 포함하되, 상기 방열 플레이트는 바닥 플레이트 및 상기 바닥 플레이트 상에 빗살 모양 패턴으로 배열된 복수개의 핀을 포함하고, 상기 커버 플레이트는 상기 방열 플레이트에 고정 연결되고, 상기 방열 플레이트의 상기 핀은 상기 바닥 플레이트와 상기 커버 플레이트 사이에 배치되며, 통풍관이 상기 바닥 플레이트, 상기 핀 및 상기 커버 플레이트 사이에 형성되며,
    상기 배터리 모듈은 프레임 및 상기 프레임에 배치되는 복수개의 단일 배터리를 포함하고,
    상기 배터리 모듈은 상부 대형면, 하부 대형면, 좌측면, 우측면, 전단면 및 후단면을 포함하고,
    상기 방열 모듈은 상부 히트싱크와 하부 히트싱크를 포함하되, 상기 상부 히트싱크는 상기 배터리 모듈의 상기 상부 대형면 상에 배치되고, 상기 하부 히트싱크는 상기 배터리 모듈의 상기 하부 대형면 상에 배치되며,
    상기 프레임은 상기 배터리 모듈의 상기 좌측과 우측 상에 위치하는 두 측면 프레임, 및 상기 배터리 모듈의 상기 전단 및 후단에 위치하는 두 끝단 프레임을 포함하되,
    서로 연결된 상기 측면 프레임과 끝단 프레임은 직사각형으로 형성되고,
    상기 단일 배터리는 상기 두 측면 프레임 사이에 가로로 배열되고,
    상기 단일 배터리의 전극단자는 상기 측면 프레임으로 연장되는,
    파워 배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방열 모듈은 좌측 통풍관 커버 및 우측 통풍관 커버를 더 포함하되,
    상기 좌측 통풍관 커버 및 상기 우측 통풍관 커버는 상기 두 측면 프레임의 외측에 배치되고,
    좌측 통풍관은 상기 좌측 통풍관 커버 및 상기 측면 프레임 사이에 형성되고, 우측 통풍관은 상기 우측 통풍관 커버 및 상기 측면 프레임 사이에 형성되는,
    파워 배터리 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 측면 프레임은 복수개의 접합 유닛을 접합하여 형성되는,
    파워 배터리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    수 버클단과 암 버클단은 각 접합 유닛에 형성되고, 근접한 상기 접합 유닛의 상기 수 버클단과 상기 암 버클단은 버클 연결방식으로 서로 연결되는,
    파워 배터리 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    볼트 및 소켓이 각 접합 유닛에 형성되고, 근접한 상기 접합 유닛의 상기 볼트 및 상기 소켓은 서로 연결되는,
    파워 배터리 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 접합 유닛은 중심 대칭인,
    파워 배터리 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 단일 배터리는 절연 보호 필름으로 코팅된,
    파워 배터리 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    열전도 절연층은 상기 배터리 모듈의 상기 상부 대형면 및 상기 상부 히트싱크 사이에 배치되고, 상기 배터리 모듈의 상기 하부 대형면 및 상기 하부 히트싱크 사이에도 배치되는,
    파워 배터리 시스템.
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