KR20080072111A - 냉매 순환식 노트북 컴퓨터용 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 전기적 연결을 이루며 일렬로 배열되어 있는 전지열(row)이 팩 케이스에 내장되어 있는 구조의 노트북 컴퓨터용 전지팩으로서, 둘 또는 그 이상의 전지열들이 인접하여 배열되어 있고, 상기 전지열의 외주면을 따라 냉매의 순환을 위한 배관이 형성되어 있으며, 상기 배관은 전지열들 사이인 내측과 전지열의 외측을 따라 연속적으로 연결되어 있어서, 상기 냉매는 팩 케이스의 일측 내면에 설치되어 있는 펌프에 의해 상기 배관을 따라 순환됨으로써, 전지셀의 충방전시 발생하는 열을 제거하는 것으로 구성된 전지팩을 제공한다.

Description

냉매 순환식 노트북 컴퓨터용 전지팩 {Secondary Battery Pack of Coolant Circulation Structure for Notebook Computer}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉매 순환식 전지팩의 분해 사시도이다;

도 2는 도 1의 전지팩의 냉매가 순환되는 구조를 나타내는 모식도이다;

도 3은 도 1의 냉매 순환식 전지팩이 완성된 모식도이다.

본 발명은 냉매 순환식 노트북 컴퓨터용 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 전기적 연결을 이루며 팩 케이스에 내장되어 있는 구조의 노트북 컴퓨터용 전지팩으로서, 둘 또는 그 이상의 전지열들이 인접하여 배열되어 있고, 상기 전지열의 외주면을 따라 냉매의 순환을 위한 배관이 형성되어 있어서, 전지셀의 충방전시 발생하는 열을 제거하는 노트북 컴퓨터용 전지팩에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 발전은 데스크 탑 컴퓨터의 성능을 능가하는 노트북 컴퓨터를 제공하기에 이르렀고, 최근에는 편의성과 성능 때문에 노트북 컴퓨터에 대한 수요가 매우 높은 실정이다.

노트북 컴퓨터는 기존의 데스크 탑 컴퓨터에 비해 휴대하기가 편리한 것이 최대 장점이라 할 수 있으며, 이러한 휴대를 가능케 하는데 가장 큰 역할을 하는 것 중의 하나는 노트북 컴퓨터의 전원인 전지팩이라 할 수 있다.

일반적으로 노트북 컴퓨터용 전지팩은 원통형 이차전지 등의 단위전지를 다수 개 전기적으로 연결하고 보호회로소자 등을 탑재한 상태에서 팩 케이스에 장착한 구조로 이루어져 있다. 이러한 노트북 컴퓨터용 전지팩의 팩 케이스로는 기계적 강도가 우수하지만 열전도도가 낮은 폴리카보네이트 소재가 주로 사용되고 있다.

따라서, 전지팩을 디바이스에 장착한 상태에서 충방전을 행할 때, 전지팩에 내장되어 있는 단위전지들에서 발생되는 열은 케이스를 통해 외부로 배출되지 못하고 전지팩 내부에 그대로 축적되어 단위전지의 열화를 초래할 뿐만 아니라, 디바이스에 전달되어 디바이스의 성능을 저하시키기는 경향이 있다.

한편, 전지팩에서는 온도 상승시 안전성 문제를 해결하기 위한 방안으로서, 충방전 FET 소자가 차단되거나 퓨즈가 절단되도록 하는 방법 등이 사용되고 있다. 즉, 노트북 컴퓨터용 전지팩에는 써미스터(Thermistor)라는 온도 센싱(Sensing) 소자가 설치되어 있어서, 온도가 설정값 이상으로 올라갈 경우, 충전/방전 FET 소자가 차단되고, 극단적인 온도 상승시에는 퓨즈가 절단되도록 함으로써, 이상 온도상 승에 따른 전지셀의 발화 및 폭발의 위험을 방지하고 있다. 그러나, 퓨즈가 절단되는 경우, 전지팩을 수리하기 전까지는 다시 사용할 수 없게 되는 것을 의미하므로, 사용자는 새로운 전지팩을 구입해야 하는 손실을 감수해야 한다. 더욱이, 상기 안전장치들은 그 자체로서 배터리에 축적된 열을 제거하는 수단을 제공하지는 못하므로, 사용자는 여전히 배터리의 발화 및 폭발의 위험성에 노출될 수 밖에 없다.

이차전지를 기반으로 하는 전지팩의 안전성과 관련하여, 일본 특허출원공개 제1997-266016호에는 팩 케이스와 팩 케이스 내부에 수납되는 다수의 원통형 전지들 사이에 냉각용 액체를 순환시켜 중대형 전지팩을 냉각시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 기술은 냉각 신뢰성이 상대적으로 높은 액상 냉매와 단위전지들이 직접 접촉하는 구조이므로 냉각 효율성은 우수하지만, 액상 냉매와 단위전지의 직접적인 접촉으로 인해 전지의 부식 및 산화 등의 위험이 있고, 그에 따른 내부 단락 또는 폭발이 발생할 가능성이 커지는 문제점이 있다. 또한, 상기 기술은 구조적 측면에서 전기자동차, 하이브리드 자동차 등과 같은 대형 디바이스의 중대형 전지팩에는 적용 가능할 수 있지만, 상대적으로 소형인 노트북 컴퓨터용 전지팩에 적용하기에는 한계가 있다.

또한, 일본 특허등록 제3312852호에는 팩 케이스에 냉매 유동 경로가 형성되어 있는 중대형 전지팩에 대한 기술이 개시되어 있다. 즉, 상기 특허는 팩 케이스에 소정의 유동 경로를 형성하고, 상기 경로를 통해 냉매를 유동시켜 냉각을 달성하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술 역시 대형 디바이스의 중대형 전 지팩에나 적용 가능하고 노트북 컴퓨터용 전지팩에는 적용하기 어렵다. 팩 케이스에 냉매 유로를 형성하기 위해서는 그것의 두께가 적어도 소정 크기 이상이어야 하므로, 이러한 구조로 인해 팩 케이스의 크기가 증가하는 문제점이 발생한다. 또한, 노트북 컴퓨터용 전지팩의 특성상, 사용 중에 많은 외력이 가해지게 되는 바, 냉매 유동 경로의 형성은 팩 케이스의 기계적 강도는 저하시켜 오히려 안전성을 문제를 유발할 수 있다.

따라서, 노트북 컴퓨터용 전지팩에 효과적으로 적용할 수 있는 냉각기술의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 예의 주시하고 심도 있는 연구와 실험을 반복한 끝에, 팩 케이스의 일측 내면에 펌프를 설치하고, 펌프에 의해 전지열들 사이에 설치된 배관을 따라 냉매를 순환시키는 구조로 노트북 컴퓨터용 전지팩을 제조하는 경우, 전지팩을 구성하는 단위전지인 원통형 전지셀의 구조적 특징을 최대한 활용하여 전지팩의 크기 증가를 유발하지 않으면서, 전지셀의 충방전시 발생하는 열을 효과적으로 제거하여 전지의 안전성이 크게 향상시킬 수 있는 이점을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 전기적 연결을 이루며 일렬로 배열되어 있는 전지열(row)이 팩 케이스에 내장되어 있는 구조의 노트북 컴퓨터용 전지팩으로서, 둘 또는 그 이상의 전지열들이 인접하여 배열되어 있고, 상기 전지열의 외주면을 따라 냉매의 순환을 위한 배관이 형성되어 있으며, 상기 배관은 전지열들 사이인 내측과 전지열의 외측을 따라 연속적으로 연결되어 있고, 상기 냉매는 팩 케이스의 일측 내면에 설치되어 있는 펌프에 의해 상기 배관을 따라 순환됨으로써, 전지셀의 충방전시 발생하는 열을 제거하도록 구성되어 있다.

따라서, 본 발명의 전지팩은, 전지팩 내부에 냉매가 흐를 수 있도록 팩 케이스의 내부 공간에 일렬로 배열된 전지셀들의 외주면 인근을 따라 냉매를 순환시키는 배관을 설치하고, 팩 케이스의 일측 내부에 펌프를 설치하여 냉매를 배관을 따라 순환시킴으로써, 전지셀들의 인접 부위에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수하여 열이 내부에 축적되는 것을 방지하고, 궁극적으로 전지팩 및 노트북 컴퓨터 본체의 오작동, 열화 등과 같은 고장을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 냉매의 순환을 위한 배관이 원통형 전지의 전지열에 인접하여 설치되므로, 냉매 순환용 배관의 설치에 따른 크기 증가가 발생하지 않고, 원통형 전지의 구조적 특성으로 발생하는 사공간(dead space)을 효과적으로 이용할 수 있으므로, 콤팩트한 구조의 전지팩으로 제조될 수 있다.

일반적으로, 노트북 컴퓨터용 전지팩은 다수의 원통형 전지셀들을 소정의 팩 케이스에 콤팩트하게 장착하여 전기적 연결을 이루는 구조로서, 6개의 원통형 전지셀들을 3S2P(3 Serial 2 Parallel) 방식으로 연결한 2열 배열 구조로 형성된다.

하나의 바람직한 예에서, 다수의 원통형 전지셀들로 구성된 2 개의 전지열들(a, b)이 상호 인접하여 배열되어 있고, 냉매는 펌프로부터 전지열(a)의 외측 배관으로 배출되고, 전지열들(a, b) 사이의 제 1 배관을 통과한 후 상기 제 1 배관에 인접한 제 2 배관을 통해 반대 순환된 뒤, 전지열(b) 외측 배관을 따라 상기 펌프로 되돌아 오는 구조로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 구조에서, 전지열의 일측 단부(A)에 위치하는 펌프로부터 시작된 배관은 첫 번째 전지열(a)의 외측면을 따라 타측 단부(B)까지 연장된 후, 첫 번째 전지열(a)과 두 번째 전지열(b) 사이의 공간에서 단부(A) 부근까지 연장된 후 다시 단부(B)까지 되돌아오는 구조에 의해 제 1 배관과 제 2 배관을 형성하며, 두 번째 전지열(b)의 외측면을 따라 다시 펌프로 연결되는 구조를 이룬다.

따라서, 펌프로부터 배출되는 냉매는 배관을 따라 각각 전지열(a)와 전지열(b)의 양측 외주면을 거친 이후에 펌프로 되돌아오므로, 각 전지열을 구성하는 모든 전지셀들에서 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있다.

냉매의 순환은 전지팩의 작동 중에 항상 이루어질 수 있도록 구성할 수도 있지만, 적은 회수의 냉매 순환으로도 효과적인 냉각을 이룰 수 있도록, 소정의 제어부재에 의해 냉매 순환을 조절하는 구조가 바람직할 수 있다. 구체적으로, 상기 전지셀들 중의 적어도 하나에는 써미스터가 설치되어 있고, 상기 써미스터로부터 측정된 온도가 소정 값 이상일 때 펌프의 작동을 제어하는 제어부재가 팩 케이스의 일측 내면에 설치되는 구조일 수 있다.

상기 써미스터는 미세한 온도변화에도 저항이 크게 변화되는 원리를 이용한 온도 측정용 센서를 의미하며, 전지셀의 외면에 설치된 써미스터를 통해 전지셀의 온도를 실시간으로 측정하여 전지셀 내부의 온도가 소정 값을 초과하면 제어부재는 펌프를 작동시켜 배관을 따라 냉매를 순환시킴으로써 전지셀의 온도를 강하시킨다. 반면에, 전지셀이 충방전 중이라 하더라도 작동 상태, 외부 조건 등으로 인해 발열량이 많지 않은 경우에는 펌프가 작동되지 않도록 유지함으로써, 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있다.

상기 제어부재는 독립된 부재로서 전지팩에 추가적으로 부가되는 형태일 수도 있지만, 바람직하게는 전지팩의 작동을 제어하는 일반적인 BMU(Battery Management Unit)가 그것의 일부 기능으로서 제어부재의 역할을 병행하게 할 수 있다. 상기 BMU는 노트북 컴퓨터 전지팩에 사용되는 안전 소자로서, 소형 전지팩의 PCM(Protective Circuit Module), 대형 전지팩의 BMS(Battery Management System)와 같은 기능을 수행한다.

이러한 BMU가 장착되는 위치는 특별히 제한되지는 않으나, 일 예로, 팩 케이스의 내측면에 인접한 위치에 설치될 수 있고, 상기 BMU의 외부 접속단자가 팩 케이스를 통해 외부로 노출되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 전지팩을 구성하는 전지셀의 온도를 써미스터가 실시간으로 검출하여 BMU에 정보를 송출할 때, 전지셀의 온도가 설정된 소정 값 이상인 경우에, BMU는 펌프를 일정시간 동안 가동하여 냉매를 전지팩 내부의 배관에 순환시킴으로써 팩 내부의 온도를 강하시키고, 팩 내부의 온도가 설정된 소정 값 이하로 떨어졌을 경우에는 펌프의 작동을 정지시킨다. 그러나, 이러한 펌프의 작동에도 불구하고 전지셀의 온도 저하가 확인되지 않고 계속적인 온도 상승이 진행되는 경우에는, 별도의 안전부재로서 충방전 FET를 차단하거나 휴즈를 절단하여 전지의 폭발을 방지할 수도 있다.

전지팩의 전지셀 내측은 일반적으로 팩 케이스와 접촉하는 면적이 큰 외측보다 열의 배출이 용이하지 않으므로, 외측보다 온도가 높아서 전지셀의 국부적인 열화를 초래할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 전지팩 내부의 열을 균등화 시키기 위하여, 상기 전지열들(a, b) 사이의 전지셀 내측에 적어도 하나의 써미스터(C1)가 설치되어 있고, 상기 전지열들(a 또는 b)의 전지셀 외측에 적어도 하나의 써미스터(C2)가 설치되어 있으며, 상기 써미스터들(C1, C2)의 온도차가 소정 값 이상일 때 펌프를 작동시키는 구조로 이루질 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 배관을 따라 순환되면서 온도가 상승한 냉매를 냉각시키기 위하여, 배관 또는 펌프에 인접한 팩 케이스의 해당 부위에 방열을 위한 부재(방열부재)가 추가로 설치될 수 있다. 이러한 방열부재는 그것의 적어도 일부가 팩 케이스의 외면으로 노출되도록 설치되어 팩 케이스 외부로 열을 방출하는 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 방열부재 중 팩 케이스 외면으로 노출된 부위에는 외부 공기와 접촉하는 단면적을 넓게 하여 냉각 효율을 향상시키는 방열핀이 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명의 전지팩을 구성하는 팩 케이스는 다양한 형태가 가능하며,예를 들 어, 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어질 수 있으며, 하부 케이스에 냉매를 순환시키는 배관과 펌프 및 BMU를 설치한 후 상부 케이스를 덮어 팩 케이스를 밀봉하는 구조일 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩은 중소형 모바일 디바이스나 전동 공구 등에 두루 쓰일 수 있지만, 콤팩트한 구조와 냉매 순환 방식의 특성상, 원통형 이차전지를 단위전지로 사용하는 노트북 컴퓨터용 전지팩에 특히 바람직하게 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 노트북 컴퓨터를 제공한다.

노트북 컴퓨터의 일반적인 구조와 그것의 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 이에 대한 추가적인 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉매 순환식 전지팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 6 개의 원통형 전지셀들(300, 310)이 3S2P 방식으로 전기적 연결을 이루고 있는 2 개의 전지열들(301, 302)이 팩 케이스(110)에 수납되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또한, 전지열들(301, 302)의 외주면을 따라 냉매를 순환시키기 위한 배관(200)이 형성되어 있고, 팩 케이스(110)의 일측 내면에는 배관(200)을 따라 냉매를 강제 순환시키는 펌프(220)가 설치되어 있다.

전지셀(300)의 표면에는 온도에 따라 저항이 변화하는 원리를 이용하여 전지셀의 온도를 검출하는 써미스터(240)가 부착되어 있고, 써미스터(240)로부터 측정된 온도가 소정 값 이상일 때 펌프(220)의 작동을 제어하는 BMU(250)가 팩 케이스(110)의 일측 내면에 설치되어 있다.

펌프(200)의 바깥면에는 방열부재(400)가 부착되어 있고, 그러한 방열부재(400)는 그 일부가 팩 케이스(110)의 외면으로 노출되도록 설치되어 있어서, 팩 케이스(110) 외부로 열을 방출하게 된다. 방열부재(400)의 팩 케이스(110) 외면으로 노출된 부위에는 방열핀(도시하지 않음)이 형성되어 있어서 냉각 성능을 보다 효율적으로 향상시킨다.

도 2에는 도 1의 전지팩의 일부분을 나타내는 모식도로서, 전지팩 내부에 냉매가 순환되는 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 냉매는 펌프(220)로부터 외측 배관(202)으로 배출되고, 외측 배관(202)과 연결되어 있는 제 1 배관(204)을 통과한 후 제 1 배관(204)에 인접한 제 2 배관(206)을 통해 반대방향으로 흐르고, 제 2 배관(206)과 연결되어 있는 반대측 외측 배관(208)을 따라 펌프(220)로 되돌아가는 구조로 이루어진다. 외측 배관(202)과 제 1 배관(204) 사이 및 제 2 배관(206)과 반대측 외측배관(208) 사이에는, 도 1에서와 같은 전지열들(301, 302)이 각각 위치하게 되는 바, 온도가 상승된 전지열(301, 302)을 배관(200)을 통하여 흐르는 냉매의 순환에 의해 냉각시키는 구조로 이루어져 있다.

도 3은 하부 케이스에 전지셀들과, 펌프, 배관, BMU, 써미스터, 방열부재 등을 설치하고 상부 케이스를 덮어 완성한 냉매 순환식 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 상부 케이스(114)와 하부 케이스(112)의 결합에 의해 전지팩(100)의 내부는 밀폐되어 있지만, 배관을 통해 순환되는 냉매가 전지팩(100)의 내부를 순환하면서, 전지팩(100)의 작동 중에 발생한 열을 흡수하여, 특정한 전지셀이 지나치게 가열되거나, 전지셀들로부터 발생한 열이 전지팩(100) 내부에 축적되는 것을 방지하여 준다.

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

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 노트북 컴퓨터용 전지팩은, 단위전지로서의 원통형 전지셀의 구조적 특징을 최대한 활용하여 전지팩의 크기 증가를 유발하지 않으면서, 냉각 순환장치를 이용해 냉각수를 순환시켜 내부에 축적되는 열을 외부로 분산시킴으로써 전지셀들의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하여, 전지팩 오동작으로 인한 사고로부터 사용자의 안전을 보호하고, 전지팩의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있어 전지팩의 안전성 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 둘 또는 그 이상의 원통형 전지셀들이 전기적 연결을 이루며 일렬로 배열되어 있는 전지열(row)이 팩 케이스에 내장되어 있는 구조의 노트북 컴퓨터용 전지팩으로서, 둘 또는 그 이상의 전지열들이 인접하여 배열되어 있고, 상기 전지열의 외주면을 따라 냉매의 순환을 위한 배관이 형성되어 있으며, 상기 배관은 전지열들 사이인 내측과 전지열의 외측을 따라 연속적으로 연결되어 있어서, 상기 냉매는 팩 케이스의 일측 내면에 설치되어 있는 펌프에 의해 상기 배관을 따라 순환됨으로써, 전지셀의 충방전시 발생하는 열을 제거하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 2 개의 전지열들(a, b)이 인접하여 배열되어 있고, 냉매는 펌프로부터 전지열(a) 외측 배관으로 배출되고, 전지열들(a, b) 사이의 제 1 배관을 통과한 후 상기 제 1 배관에 인접한 제 2 배관을 통해 반대 순환된 뒤, 전지열(b) 외측 배관을 따라 상기 펌프로 되돌아 오는 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들 중의 적어도 하나에는 써미스터가 설치되어 있고, 상기 써미스터로부터 측정된 온도가 소정 값 이상일 때 펌프의 작동을 제어하는 제어부재가 팩 케이스의 일측 내면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어부재는 전지팩의 작동을 제어하는 BMU(Battery Management Unit)인 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 BMU는 팩 케이스의 내측면에 인접한 위치에 설치되어 있고, 상기 BMU의 외부 접속단자가 팩 케이스를 통해 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지열들(a, b) 사이의 전지셀 내측에 적어도 하나의 써미스터(C1)가 설치되어 있고, 상기 전지열들(a 또는 b)의 전지셀 외측에 적어도 하나의 써미스터(C2)가 설치되어 있으며, 상기 써미스터들(A, B)의 온도차가 소정 값 이상일 때 펌프를 작동시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 배관 또는 펌프에 인접한 팩 케이스의 해당 부위에는 방열을 위한 부재(방열부재)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 방열부재는 그것의 적어도 일부가 팩 케이스의 외면으로 노출되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 방열부재 중 팩 케이스의 외면으로 노출된 부위에는 방열핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 노트북 컴퓨터.

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