KR20150045245A - 공통 출입구가 형성된 2이상의 분리된 유로를 가진 히트싱크 - Google Patents

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KR20150045245A
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정승훈
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Abstract

본 발명은 2이상의 분리된 유로를 가진 히트싱크를 개시한다. 본 발명에 따른 히트싱크는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위 셀이 적어도 2개 이상 적층되어 있으며, 각 단위 셀의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극탭 및 음극탭에 각 각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리를 포함하는 이차전지를 간접 냉각 방식에 의해 냉각시키기 위해 냉매가 통과하는 냉각 유로를 가진 히트싱크로서, 상기 냉각 유로는 2이상 분리된 유로를 가지며, 상기 분리된 2이상의 유로는, 공통 입구 및 공통 출구를 가진다. 본 발명에 따르면, 균일한 냉각 효과를 제공할 수 있는 히트싱크의 제공이 가능하다.

Description

공통 출입구가 형성된 2이상의 분리된 유로를 가진 히트싱크{HEAT SINK HAVING 2 OR MORE SEPARATED COOLING WAY WITH COMMON GATEWAY}
본 발명은 히트싱크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공통 출입구가 형성된 2이상의 분리된 유로를 가진 히트싱크에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지에서 발생한 열을 방출하는 다양한 방법 중 하나의 방법으로서, 대한민국 특허공개공보 10-2013-0062056에는 냉각수에 의한 냉각 방법을 개시하고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 냉각 유로(10)가 배치된 구성도이다.
도 1을 참고하면, 이차전지를 냉각시키기 위한 냉각 유로(10)가 도시되어 있다. 상기 냉각 유로(10)에 흐르는 냉매는 입구(11)로 들어가서 출구(12)로 나가게 된다. 상기와 같은 구조의 냉각 유로(10)에서는 이차전지는 입구(11)측에 가까운 쪽이 더 많이 냉각되고, 출구(12)측에 가까운 쪽이 덜 냉각되는 문제점이 있다. 즉, 입구(11)에서 멀고 출구(12)에 가까울 수록 냉각수의 온도가 상승하여 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점은 이차전지의 온도편차를 유발하고, 이차전지의 온도편차는 이차전지의 성능 편차로 이어진다. 결국 이차전지를 포함한 배터리 팩 등 시스템의 성능 저하로 연결된다. 따라서, 균일한 냉각 효과를 낼 수 있는 냉각 유로의 설계가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 인식하여 안출된 것으로서, 2이상의 분리된 유로를 가진 히트싱크를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트싱크는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위 셀이 적어도 2개 이상 적층되어 있으며, 각 단위 셀의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극탭 및 음극탭에 각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리를 포함하는 이차전지를 간접 냉각 방식에 의해 냉각시키기 위해 냉매가 통과하는 냉각 유로를 가진 히트싱크로서, 상기 냉각 유로는 2이상 분리된 유로를 가지며, 상기 분리된 2이상의 유로는, 공통 입구 및 공통 출구를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분리된 2이상의 유로는, 각각의 유로로 냉각수가 흐르기 위한 내부에서 분기점을 가지고 있으며, 상기 분기점은 수평으로 배치된다.
본 발명에 따른 히트싱크는 히트싱크 및 이차전지의 일면과 접하는 냉각핀을 포함하는 이차전지 간접냉각 장치의 일 구성요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 간접냉각 장치는 상기 이차전지 간접냉각 장치 및 2이상의 이차전지를 포함하는 배터리 모듈의 일 구성요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈의 충방전을 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 일 구성요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 팩과 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다. 이때, 상기 부하는 전기 구동 수단 또는 휴대용 기기일 수 있다.
본 발명에 따르면, 균일한 냉각 효과를 제공할 수 있는 히트싱크의 제공이 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 의한 냉각 유로가 배치된 구성도이다.
도 2 및 도 3은 2이상 분리된 냉각 유로가 형성된 히트싱크의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉각 유로가 형성된 히트싱크의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유로 내부의 분기점을 도시한 투시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 및 도 3은 2이상 분리된 냉각 유로가 형성된 히트싱크(100, 200)의 단면도이다.
본 발명에 따른 히트싱크(Heat Sink)는 이차전지에서 발생하는 열을 냉각시키기 위해 간접 냉각 방식을 사용된다. 간접 냉각 방식이란, 이차전지의 표면과 냉각핀이 접하여 이차전지에서 발생하는 열이 냉각핀에 전달이 된다. 상기 냉각핀은 열을 발산시키기 위해 표면적이 넓은 히트싱크와 연결되어 있어, 상기 열은 냉각핀에서 상기 히트싱크로 전달된다. 그리고, 상기 히트싱크는 냉각수에 의해 다시 냉각된다. 따라서, 냉각수가 직접 이차전지를 거치지 않고, 냉각핀 및 히트싱크를 통해 이차전지를 냉각시키는 방식이다. 도 2 및 도 3은 상술한 히트싱크 내부에 형성된 냉각 유로로서, 히트싱크의 단면적으로 이해하면 된다.
본 발명은 종래 기술과 달리, 분리된 2이상의 냉각 유로를 특징으로 한다. 2이상 분리된 냉각 유로는 종래 기술에 비해 이동 거리가 짧다. 따라서, 종래 기술에 비해 냉각 유로의 입구에서 멀어질 수록 온도가 상승하는 비율이 상대적으로 낮다. 즉, 종래 기술의 문제점이 가지고 있었던 즉, 냉각 유로의 입구 측에서 멀어질 수록 냉각 효율이 떨어지는 문제점을 낮출 수 있다.
하지만, 도 2 및 도 3에 도시된 히트싱크(100, 200)의 경우 분리된 냉각 유로의 개수만큼 냉각 유로의 출입구 및 출구의 개수가 증가하게 된다. 따라서, 냉각수 공급장치와 연결해야 할 체결점 및 작업량 그 만큼 증가하는 되는 문제점이 있다.
도 4는 본 발명에 따른 냉각 유로가 형성된 히트싱크(300)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예와 달리 유로의 입구(301) 및 출구(302)가 하나로 합쳐진 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 히트싱크(300)는 공통 입구 및 공통 출구를 가진 것을 특징으로 한다.
상술한 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서는 냉각수를 공급하는 장치와 체결점이 최소 4개 이상이다. 따라서, 도 4에 도시된 실시예와 같이 유로의 입구(301) 및 출구(302)를 공통으로 형성하면 냉각수를 공급하는 장치와 체결점이 줄어든다. 따라서, 작업자의 조립을 용이하게 하면, 냉각수의 누출될 수 있는 부분도 줄어들게 된다. 한편, 도 4에 도시된 냉각 유로 역시 다양하게 형성될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 유로 내부의 분기점(311, 321)은 수평으로 배치될 수 있다.
도 4에 도시된 실시예처럼 공통 입구 및 공통 출구를 가진 유로라 하여도 유로의 내부에는 분리된 2이상의 유로에 냉각수가 흐르는 분기점이 필요하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유로 내부의 분기점(311, 321)을 도시한 투시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 분리된 2이상의 유로는 각각의 유로로 냉각수가 흐르기 위한 내부에서 분기점(311, 321)을 가지고 있으며, 상기 분기점(311, 321은 수평으로 배치될 수 있다.
도 4에서는, 이해의 편의 및 도면의 간소화를 위해 2개의 분리된 유로가 형성된 히트싱크를 예시로 제시하였지만, 상술하였듯이, 본 발명에 따른 히트싱크는 2이상의 분리된 냉각 유로를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 히트싱크는 히트싱크 및 이차전지의 일면과 접하는 냉각핀을 포함하는 이차전지 간접냉각 장치의 일 구성요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 간접냉각 장치는 상기 이차전지 간접냉각 장치 및 2이상의 이차전지를 포함하는 배터리 모듈의 일 구성요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈의 충방전을 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 일 구성요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 팩과 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템의 일예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일예로는 배터리 팩이 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 배터리 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
본 발명에 따른 히트싱크는 냉각되는 이차전지에 의해 그 발명의 범위가 제한되지 않는다. 상기 이차전지는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위 셀이 적어도 2개 이상 적층되어 있으며, 각 단위 셀의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리를 포함하는 이차전지이다.
상기 양극판의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극판은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차 전지의 화학적 변화를 야기시키지 않고 높은 도전성을 갖는 재질이라면 양극판으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 양극판의 일부 영역에는 양극 탭이 구비되는데 양극 탭은 상기 양극판이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 양극판의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 또한 양극 재료를 상기 양극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하여 양극 탭을 형성하여도 무방하다.
상기 양극판에 대응되는 음극판은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 음극판 또한 일부 영역에 음극 탭이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭과 같이 상기 음극판에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다.
상기 양극 리드는 상기 양극판에 구비된 양극 탭에, 음극 리드는 상기 음극판에 구비된 음극 탭에 전기적으로 접속된다. 바람직하게, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 양극 탭 및 복수의 음극 탭과 접합된다.
상기 양극판과 상기 음극판에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 코팅되어 있다. 일 예로, 상기 양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤Z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질은 탄소 계열의 활물질이고, 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차 전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다.
상기 분리막은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 상기 분리막은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드로, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다.
상기 무기 입자는 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자가 바람직하며, 10 이상의 유전율 상수를 가지며 밀도가 낮은 무기물 입자가 더욱 바람직하다. 이는 전지내에서 이동하는 리튬 이온을 용이하게 전달할 수 있기때문이다. 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자의 비제한적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1 -xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
상기 셀 어셈블리는 단위 셀과 단위 셀 사이에 절연막을 개재시키면서 복수의 단위 셀을 단순 적층한 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 상기 셀 어셈블리는 절연막의 상부 및/또는 하부에 단위 셀을 적절한 간격으로 배열한 후 절연막을 단위 셀과 함께 한쪽 방향으로 폴딩하여 폴딩된 절연막 사이 사이에 단위 셀이 삽입되어 있는 스택 폴딩 구조를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 상기 셀 어셈블리는 띠 형태로 연장된 구조를 가진 단위 셀을 절연막 상에 마운트하고 단위 셀을 절연막과 함께 한쪽 방향으로 연속적으로 말아서 형성한 젤리 롤 구조를 가질 수 있다. 상기 절연막은 상기 분리막으로 채용 가능한 물질로 이루어질 수 있다. 경우에 따라, 상기 절연막은 상기 분리막과 동일한 물질막 및/또는 동일한 구조로 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 히트싱크
101 : 입구
102 : 출구
111 : 입구
112 : 출구
200 : 히트싱크
201 : 입구
202 : 출구
211 : 입구
212 : 출구
300 : 히트싱크
301 : 입구
302 : 출구
311, 321 : 분기점

Claims (7)

  1. 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위 셀이 적어도 2개 이상 적층되어 있으며, 각 단위 셀의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극탭 및 음극탭에 각 각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리를 포함하는 이차전지를 간접 냉각 방식에 의해 냉각시키기 위해 냉매가 통과하는 냉각 유로를 가진 히트싱크에 있어서,
    상기 냉각 유로는 2이상 분리된 유로를 가지며,
    상기 분리된 2이상의 유로는, 공통 입구 및 공통 출구를 가진 것을 특징으로 하는 히트싱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리된 2이상의 유로는, 각각의 유로로 냉각수가 흐르기 위한 내부에서 분기점을 가지고 있으며, 상기 분기점은 수평으로 배치된 것을 특징으로 하는 히트싱크.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 따른 히트싱크; 및
    상기 이차전지의 일면과 접하는 냉각핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 간접냉각 장치.
  4. 제3항에 따른 이차전지 간접냉각 장치; 및
    2이상의 이차전지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 따른 복수의 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈의 충방전을 제어하는 배터리 관리 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 따른 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부하는 전기 구동 수단 또는 휴대용 기기임을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200067100A (ko) * 2018-12-03 2020-06-11 포르시아 쥐스뗌 데샤피망 전기 저장 배터리 및 해당 온도 조절 요소
KR20200098841A (ko) * 2019-02-13 2020-08-21 주식회사 세광정밀 작동유체 유동저항 감소를 위한 수냉식 배터리팩 냉각장치

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