KR20160140478A

KR20160140478A - 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20160140478A
Application number: KR1020160065253A
Authority: KR
Inventors: 김수훈
Original assignee: 티에스 주식회사
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2016-12-07

Abstract

본 발명에 의하면, 케이스; 상기 케이스의 내부 공간에 채워지고 전기적 절연성을 갖는 절연 액체; 및 상기 케이스의 내부 공간에 수용되고 상기 절연 액체에 침지되어서 상기 절연 액체에 의해 냉각되는 적어도 하나의 배터리셀을 포함하는 배터리팩과 이를 구비하는 배터리 냉각 시스템이 제공된다.

Description

배터리팩 및 배터리 냉각 시스템 {BATTERY PACK AND BATTERY COOLING SYSTEM}

본 발명은 절연 액체에 의해 냉각되는 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절연 액체에 발열체를 침지함으로써 발열체가 냉각되도록 하여 저비용으로 고효율의 냉각이 가능한 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.

기존 화석연료를 사용하는 자동차는 환경오염 및 자원고갈 등의 많은 문제를 안고 있다. 이에 따라, 최근에는 화석연료 대신 전기를 동력원으로 사용하는 전기 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한, 전기 자동차의 동력원으로서 전기를 사용하기 위하여 이를 공급하는 2차 전지의 성능이 크게 향상되었으며, 이러한 2차 전지로 구성된 배터리팩이 개발되어 보급되고 있는 추세이다.

일반적으로 전기 자동차에서 승용차의 경우 배터리팩이 트렁크에 장착되고, 상용차의 경우 배터리팩이 차체 하부에 장착된다. 배터리팩이 차체의 하부에 장착되는 경우, 배터리팩의 위치가 노면과 가까운 열악한 환경에 처하게 되고, 배터리팩을 보호하는 장치가 배터리팩 케이스로만 되어 있기 때문에, 방수와 방진에 강건한 설계가 요구된다. 이와 같이 방수와 방진에 강건한 설계 조건에 부합하기 위하여 밀폐 구조의 배터리팩 설계가 이루어지고 있다. 그러나, 배터리팩에 구성되는 리튬이온전지와 같은 2차 전지의 특성상 충방전시 배터리팩에서 많은 열이 발생되며, 이는 배터리의 성능 저하 및 수명 감소 등의 문제로 이어진다. 따라서, 밀폐 구조의 배터리팩에서는 특히 방열 대책이 필수적이다.

배터리의 냉각을 위하여 기존 방법으로는 공냉식과 수냉식의 냉각 방법이 있다. 공냉식은 팬(fan)을 이용하여 공기 순환에 의하여 냉각하는 방식으로서 비교적 구조가 간단한 편이나, 대용량의 팬이 필요하고 완전한 밀폐 및 방수가 불가능하고 냉각 효율이 낮다. 한편, 수냉식은 공냉식에 비해 냉각 효과가 우수하고 완전한 밀폐 및 방수가 가능하지만, 배터리 셀과 접촉하는 복잡한 수냉 파이프 라인의 구조가 필요함에 따라 설계가 복잡하고 비용이 증가하며 물이 새는 경우 전기적 단락이 발생할 수 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2015-0102782 "자동차용 배터리 냉각 시스템 및 방법" (2015.09.08.) 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2012-0133872 "차량용 배터리 냉각시스템" (2012.12.11.)

전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 절연 액체에 발열체를 침지함으로써 발열체가 냉각되도록 하여 저비용으로 고효율의 냉각이 가능한 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템에 관한 것으로서, 절연 액체가 배터리팩 내부에 채워져 있어 배터리셀과 절연 액체의 접촉이 배터리셀의 형상에 무관하게 잘 이루어지므로 냉각 효과가 우수하고, 완전한 밀폐 및 방수가 가능하며, 저가의 절연 액체로 발열체를 침지하므로 비용의 감소를 달성할 수 있고, 절연 액체의 특성상 부식이 없어 배터리셀의 표면과 반응하지 않고 난연성이므로 배터리팩 내부의 화재를 예방할 수 있으며, 절연 액체에 의해 외부 진동을 흡수할 수 있어 배터리셀의 공진 문제를 해결할 수 있고, 절연 특성이 매우 우수하고 물의 유입을 차단할 수 있으므로 전기적 단락 문제를 해소할 수 있는 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

케이스; 상기 케이스의 내부 공간에 채워지고 전기적 절연성을 갖는 절연 액체; 및 상기 케이스의 내부 공간에 수용되고 상기 절연 액체에 침지되어서 상기 절연 액체에 의해 냉각되는 적어도 하나의 배터리셀을 포함하는 배터리팩이 제공된다.

상기 배터리팩은 상기 케이스의 외면에 설치되는 펠티어 소자를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리팩은 상기 케이스로부터 외부로 돌출되는 다수의 방열 핀을 더 포함하며, 상기 방열 핀 내부에는 상기 케이스의 내부 공간과 연결되어서 상기 절연 액체가 흐를 수 있는 유로가 형성될 수 있다.

상기 케이스에는 상기 절연 액체의 유입을 위한 유입구와, 상기 절연 액체의 배출을 위한 배출구가 형성되며, 상기 배터리셀은 판상으로서, 상기 케이스의 내부 공간에 다수 개가 일렬로 배치될 수 있다.

상기 다수의 배터리셀은 상기 케이스의 내부 공간에서 격벽을 형성하도록 고정되며, 상기 배터리셀의 단부에는 상기 절연 액체가 유동할 수 있는 개구부가 형성되며, 상기 개구부는 상기 다수의 배터리셀이 배열되는 방향을 따라서 교대로 반대측에 위치할 수 있다.

전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면,

케이스와, 상기 케이스의 내부 공간에 채워지고 전기적 절연성을 갖는 절연 액체와, 상기 케이스의 내부 공간에 수용되고 상기 절연 액체에 침지되어서 상기 절연 액체에 의해 냉각되는 적어도 하나의 배터리셀을 구비하는 배터리팩; 및 상기 케이스의 내부 공간으로 공급되는 상기 절연 액체를 저장하는 절연 액체 저장 탱크를 포함하는 배터리 냉각 시스템이 제공된다.

상기 배터리팩은 다수 개이며, 상기 다수터리팩은 절연 액체가 순환되도록 직렬 형태로 연결될 수 있다.

상기 케이스의 내부 공간에는 하나의 배터리셀이 수용될 수 있다.

상기 배터리 냉각 시스템은 상기 절연 액체에서 수분을 제거하는 수분 제거부를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 냉각 시스템은 상기 절연 액체의 상기 케이스 내부로의 유입을 제어하는 공급 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 냉각 시스템은 상기 절연 액체의 상기 케이스 외부로의 배출을 제어하는 배출 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 냉각 시스템은 상기 케이스로부터 배출되는 상기 절연 액체를 냉각하기 위한 절연 액체 냉각부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 개시된 기술은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에 따른 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템은, 절연 액체가 배터리팩 내부에 채워져 있어 배터리셀과 절연 액체의 접촉이 배터리셀의 형상에 무관하게 잘 이루어지므로 냉각 효과가 우수하고, 완전한 밀폐 및 방수가 가능하며, 저가의 절연 액체로 발열체를 침지하므로 비용의 감소를 달성할 수 있고, 절연 액체의 특성상 부식성이 없어 배터리셀의 표면과 반응하지 않고 난연성이므로 배터리팩 내부의 화재를 예방할 수 있으며, 절연 액체에 의해 외부 진동을 흡수할 수 있어 배터리셀의 공진 문제를 해결할 수 있고, 절연 특성이 매우 우수하고 물의 유입을 차단할 수 있으므로 전기적 단락 문제를 해소할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템의 개념도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리팩의 내부가 보이도록 케이스와 방열 핀을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 다른 배터리 냉각 시스템의 개념도를 도시한 것이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서는 중복된 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩은, 서로 소정의 간격을 두고 배열되며 전기적으로 연결된 복수의 배터리 셀과, 복수의 배터리 셀을 제어하기 위한 회로가 구현된 복수의 인쇄회로기판과, 복수의 배터리 셀 및 복수의 인쇄회로기판을 고정하기 위한 고정틀과, 복수의 배터리 셀, 복수의 인쇄회로기판, 및 고정틀을 내부에 수용하는 케이스와, 케이스 내부를 채워 케이스 내부의 발열체를 침지하여 냉각시키는 절연 액체를 포함한다.

배터리팩의 케이스 내부에 수용되는 복수의 배터리 셀은 리튬이온전지와 같은 이차전지의 특성상 열이 발생하는 것이 일반적이고, 그 제어 회로가 구현되는 복수의 인쇄회로기판에는 회로를 구성하는 반도체 소자 부품들이 실장되고 이들 부품에서도 열이 발생하게 된다. 이러한 발열에 의해 배터리 셀과 인쇄회로기판 등의 성능이 저하되거나 수명이 감소하는 문제가 생길 수 있으므로 이와 같이 발열을 유발하는 발열체들을 냉각하기 위한 방열 대책은 필수적이다.

본 발명에서는 그 방열 대책으로 케이스 내부에 절연 액체를 채워 넣고 이를 밀봉함으로써 발열체들이 절연 액체에 침지됨으로써 냉각되도록 하는 방법을 이용한다. 이와 같이 케이스 내부에 채워진 절연 액체에 모든 발열체들이 침지됨에 따라 발열체의 형상에 무관하게 냉각 수단인 절연 액체와의 직접적인 접촉이 이루어짐에 따라, 보다 효과적으로 발열체를 냉각할 수 있게 된다. 이러한 절연 액체로는 고도로 정제된 저점도의 석유계 윤활유가 사용될 수 있으며, 광물성 오일, 실리콘 오일, 에스테르 함유 오일 등이 이용될 수 있으며, 이는 전기적 절연성이 높아 내부 회로의 단락 발생 가능성이 적으며 수분의 침입을 방지할 수 있으며, 열을 방산하는 냉각 특성이 좋고 난연성이므로 화재에 대한 소화 능력도 있다. 게다가, 산화 안정도가 좋아 부식성이 없어 장기간 사용에도 견딜 수 있으며 가격도 저렴한 편이므로 저가의 방열 수단을 구성하는 것이 용이한 편이다.

한편, 배터리팩의 케이스는 케이스 외부와 내부 간에 대해 단열성을 가지도록 구성할 수도 있으며, 이에 따라, 케이스 외부의 열이 전달되지 않도록 하여 배터리팩의 열 안정성을 보다 향상시킬 수 있고, 케이스 내부에서 발생된 열이 외부로 전달되지 않도록 하여 다른 부품에 영향을 주는 것을 방지할 수도 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩은, 복수의 배터리셀의 셀 밸런싱(cell balancing) 기능을 수행하는 배터리 매니지먼트 시스템(Battery Management System; BMS)을 더 포함할 수도 있다. BMS는 일반적으로 배터리의 제어 및 통신 등의 기능을 수행할 수 있는 장치로서, 특히 복수의 셀로 구성되는 배터리팩의 특성상 배터리 셀 내부 물질의 용량, 전압, 내부 저항이 동일하지 않음으로 인하여 복수의 배터리 셀을 연결시키는 경우 가장 약한 셀의 영향에 의해 출력 특성이 열악해지고 배터리 수명이 단축되는 것을 방지하기 위하여 셀 밸런싱 기능을 수행한다. 이러한 셀 밸런싱을 위하여 배터리 셀 각각에 저항기를 연결하여 구성될 수 있는데, 이들 저항기에 흐르는 전류로 인하여 저항기에서 열이 발생하고 이는 저항기 주변의 온도가 상승하는 문제를 초래할 수 있다. 셀 밸런싱은 배터리 셀 간의 편차를 줄여주기 위하여 필요한데, 셀 편차 발생시 밸런싱 전류를 지나치게 올려 주면 밸런싱 저항 소자에서 열이 심하게 발생하여 소손 및 PCB 내구성의 문제를 일으킬 수 있어, 밸런싱의 듀티(duty)를 조정하는 방법 등을 통해 전류를 제한하여 사용한다. 절연 액체에 침지하는 경우, 밸런싱 저항의 열이 효과적으로 확산될 수 있으므로, 밸런싱 전류를 기존보다 높게 설정하여 사용할 수 있어, 밸런싱을 개선하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩에서는 발열체를 침지하는 절연 액체가 케이스 내부에 채워져 있으므로, 배터리팩 내에 포함되는 BMS도 절연 액체에 침지되어 냉각될 수 있기 때문에, 상술한 바와 같은 BMS의 셀 밸런싱 기능 수행에 따른 발열로 인하여 온도가 상승하는 문제를 해결할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예로서 배터리 냉각 시스템을 구성할 수도 있는데, 이와 관련한 배터리 냉각 시스템의 개념도를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템(100)은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩(110)과, 절연 액체 저장 탱크(160)와, 절연 액체 냉각부(170)와, 수분 제거부(180)와, 공급 밸브(190a)와, 배출 밸브(190b)를 포함한다. 도시되지는 않았으나, 배터리 냉각 시스템(100)은 절연 액체의 순환을 위한 펌프를 더 포함한다.

도 2와 도 3에는 배터리팩(110)의 구체적인 구성이 도시되어 있다. 도 2와 도 3을 참조하면, 배터리팩(110)은 내부 공간(120a)을 제공하는 케이스(120)와, 케이스(120)의 내부 공간(120a)에 채워진 절연 액체와, 케이스(120)의 내부 공간(120a)에서 절연 액체에 침지되는 다수의 배터리 셀(130a, 130b)과, 다수의 배터리 셀을 제어하기 위한 회로를 구현하고 케이스(120)의 내부 공간(120a)에서 절연 액체에 침지되는 다수의 인쇄회로기판(미도시)과, 케이스(120)의 내부 공간(120a)에서 다수의 배터리 셀(130a, 130b)과 다수의 인쇄회로기판(미도시)을 고정시키는 고정틀(미도시)과, 펠티어(peltier device) 소자(150)와, 케이스(120)로부터 외부로 돌출되는 다수의 방열 핀(150)을 구비한다. 발열체인 다수의 배터리 셀(130a, 130b)와 다수의 인쇄회로기판(미도시)은 절연 액체에 의해 냉각된다. 설명의 편의를 위하여 직선으로 연장되는 기준축선(A)을 도입한다.

케이스(120)는 내부에 다수의 배터리 셀(130a, 130b)과, 다수의 인쇄회로기판(미도시)과, 고정틀(미도시)이 수용되고 절연 액체로 채워지는 내부 공간(120a)을 제공한다. 케이스(120)는 기준선(A)과 대체로 평행한 상판(121)과, 기준축선(A)과 대체로 평행하고 기준축선(A)을 사이에 두고 상판(121)과 이격되어서 대향하는 바닥판(122)과, 상판(121)과 바닥판(122)을 빙 둘러서 연결하는 벽부(123)를 구비한다. 상판(121)에는 기준축선(A) 방향 일단에 인접하여 유입구(128)가 위치하고, 하판(122)에는 기준축선(A) 방향 타단에 인접하여 배출구(129)가 위치한다. 그에 따라, 유입구(128)와 배출구(129)는 기준축선(A) 방향을 따라서 서로 멀리 이격되어서 위치한다. 유입구(128)를 통해서는 절연 액체가 케이스(120)의 내부 공간(120a)으로 유입되고, 배출구(129)를 통해서는 케이스(120)의 내부 공간(120a)에 채워진 절연 액체가 외부로 배출된다. 벽부(123)에는 다수의 슬릿 쌍이 벽부(123)를 빙 둘러서 배치된다. 하나의 슬릿 쌍은 상하 방향을 따라서 위치하고 상대적으로 상판(121)에 가까운 제1 슬릿(124a)과 상대적으로 바닥판(122)에 가까운 제2 슬릿(124b)을 구비한다. 두 슬릿(124a, 124b) 모두 상하 방향을 따라서 길게 연장되는 관통 구멍이다. 하나의 슬릿 쌍에 하나의 방열 핀(150)이 대응하여 결합된다.

절연 액체는 냉각 수단으로서, 케이스(120)의 내부 공간(120a)에 채워져서, 케이스(120)의 내부 공간(120a)에 수용된 발열체(배터리 셀 및 인쇄회로기판의 회로 소자)가 절연 액체에 침지된다. 그에 따라, 발열체의 형상에 무관하게 냉각 수단인 절연 액체와의 직접적인 접촉이 이루어짐에 따라, 보다 효과적으로 발열체를 냉각할 수 있게 된다. 이러한 절연 액체로는 고도로 정제된 저점도의 석유계 윤활유가 사용될 수 있으며, 광물성 오일, 실리콘 오일, 에스테르 함유 오일 등이 이용될 수 있으며, 이는 전기적 절연성이 높아 내부 회로의 단락 발생 가능성이 적으며 수분의 침입을 방지할 수 있으며, 열을 방산하는 냉각 특성이 좋고 난연성이므로 화재에 대한 소화 능력도 있다. 게다가, 산화 안정도가 좋아 부식성이 없어 장기간 사용에도 견딜 수 있으며 가격도 저렴한 편이므로 저가의 방열 수단을 구성하는 것이 용이한 편이다. 유입구(128)를 통해 케이스(120)의 내부 공간(120a)으로 유입된 절액 액체는 발열체의 냉각에 사용되고 온도가 상승한 절연 액체는 배출구(129)를 통해 외부로 배출되어서, 케이스(120)의 내부 공간(120a)에 채워진 절연 액체는 교체될 수 있다.

다수의 배터리 셀(130a, 130b)은 대체로 편평한 판상으로서, 기준축선(A)과 대체로 직각을 이루며 차례대로 배치되어서 케이스(120)의 내부 공간(120a)에 수용되어서 격벽을 형성하고, 절연 액체에 침지된다. 다수의 배터리 셀(130a, 130b)은 기준축선(A)을 따라서 교대로 배치되는 다수의 제1 배터리 셀(130a)과 다수의 제2 배터리 셀(130b)을 구비한다. 제1 배터리 셀(130a)의 바닥판(122) 측 끝단은 바닥판(122)과 이격되어서 절연 액체가 통과하는 제1 개구부(131)가 마련되고, 제2 배터리셀(130b)의 상판(121) 측 끝단은 상판(121)과 이격되어서 절연 액체가 통과하는 제2 개구부(132)가 마련된다. 이와 같은 제1 배터리 셀(130a)과 제2 배터리 셀(130b)의 배치에 의해 케이스(120)의 내부 공간(120a)에는 모든 배터리 셀(130a, 130b)의 양면을 따라서 절연 액체가 흐르는 유로를 형성하게 된다. 그에 따라, 절연 액체는 모든 배터리 셀(130a, 130b)의 면과의 접촉을 최대한 유지하면서 유동하여 순환될 수 있으므로 배터리 셀(130a, 130b)의 냉각 효율은 더욱 향상된다.

다수의 인쇄회로기판(미도시)은 다수의 배터리 셀(130a, 130b)을 제어하기 위한 회로를 구현하며, 케이스(120)의 내부 공간(120a)에서 절연 액체에 침지된다.

고정틀(미도시)은 케이스(120)의 내부 공간(120a)에서 다수의 배터리 셀(130a, 130b)과 다수의 인쇄회로기판(미도시)을 고정시킨다.

펠티어 소자(140)는 케이스(120)의 상판(121)의 외면에 설치되어서, 배터리팩(110)의 냉각 효율을 더욱 향상시킨다.

다수의 방열 핀(150)은 케이스(120)의 벽부(123)로부터 외부로 돌출되어서 형성된다. 방열 핀(150)은 케이스(120)의 벽부(123)에 형성된 슬릿 쌍에 대응하여 설치된다. 방열 핀(150)의 내부에는 유로(151)가 형성되며, 유로(151)의 양단은 각각 슬릿 쌍의 두 슬릿(124a, 124b)과 연결되어서 유로(151)를 통해 케이스(120)의 내부 공간(120a)에 채워진 절연 액체가 통과하게 된다. 다수의 방열 핀(150)에 의해 배터리팩(110)의 냉각 효율이 더욱 향상된다.

절연 액체 저장 탱크(160)에는 배터리팩(110)으로 공급되는 절연 액체가 저장된다. 절연 액체 저장 탱크(160)에 저장된 절연 액체는 수분 제거부(180)를 거쳐서 배터리팩(110)으로 공급되고, 배터리팩(110)의 절연 액체는 절연 액체 냉각부(170)를 거쳐서 절연 액체 저장 탱크(160)로 유입된다.

절연 액체 냉각부(170)는 배터리팩(110)으로부터 배출된 온도가 상승한 절연 액체를 냉각시킨 후 절연 액체 저장 탱크(160)로 공급한다. 절연 액체 냉각부(170)에는 펠티어 효과를 이용한 냉각 방식이나 히트 싱크를 통하여 외부 접촉 면적을 늘려 냉각하는 방식이 이용될 수 있다. 또한, 절연 액체 냉각부(170)는 배출관로(175)에 접하도록 배치함으로써 배출관로 내부의 절연 액체를 냉각할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 절연 액체 냉각부(170)와의 접촉 면적을 크게 하기 위하여 배출관로(175)의 형상을 직선이 아닌 굽은 형태가 반복되는 형상이 되도록 할 수도 있다.

수분 제거부(180)는 절연 액체가 순환하는 과정에서 절연 액체 내에 포함된 수분을 제거한다. 절연 액체에 수분이 포함되어 있으면, 배터리팩(110)의 내부에서 단락이 발생할 수 있고 부식을 유발할 수 있으므로, 절연 액체 내 수분은 제거되는 것이 바람직하다. 수분 제거부(180)는 필터 방식 또는 가열 방식 등 가능한 모든 방식이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 수분 제거부(180)가 배터리팩(110)과 절연 액체 저장부(160)를 순환하는 과정에 위치하는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 절연 액체 저장부(160)와 별도로 연결되는 순환 관로 또는 배터리팩(110)과 별도로 연결되는 순환 관로에 위치할 수도 있다.

공급 밸브(190a)는 배터리팩(110)의 유입구(128)와 연결되는 공급관(191)에 장착되어서 배터리팩(110)으로 공급되는 절연 액체의 유동을 제어한다.

배출 밸브(190b)는 배터리팩(110)의 배출구(129)와 연결되는 배출관(192)에 장착되어서 배터리팩(110)으로부터 배출되는 절연 액체의 유동을 제어한다. 공급 밸브(190a)와 배출 밸브(190b)의 조절에 의하여 절연 액체의 공급, 순환, 배출 등의 제어가 가능하게 된다. 이로써 절연 액체의 초기 공급과 사용 중 순환, 그리고 배터리팩(110) 교체시 절연 액체가 배출될 수 있도록 제어하는 것이 가능하다.

도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 다른 배터리 냉각 시스템의 개념도가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템(200)은 다수의 배터리팩(210)과, 절연 액체 저장 탱크(160)와, 절연 액체 냉각부(170)와, 수분 제거부(180)와, 공급 밸브(190a)와, 배출 밸브(190b)를 포함한다. 절연 액체 저장 탱크(160)와, 절연 액체 냉각부(170)와, 수분 제거부(180)와, 공급 밸브(190a)와, 배출 밸브(190b)는 도 1에 도시된 실시예와 동일하므로, 여기서는 다수의 배터리팩(210)의 구성만을 상세히 설명한다. 다수의 배터리팩(210) 각각은 케이스(220)와, 케이스(220)의 내부에 채워지는 절연 액체와, 케이스(220)의 내부에 수용되어서 절연 액체에 침지되는 하나의 배터리셀(230)을 구비한다. 다수의 배터리팩(210)은 절연 액체가 순환하도록 직렬 형태로 연결되어 있다.

한편, 본 발명에 따른 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템에서, 복수의 배터리 셀은 보통 판 형상이 될 수 있으나, 이에 국한되지 않고, 건전지 형태를 띄는 원통형 전지 혹은 각형 전지에도 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 원통형 전지를 배열하게 되면, 원통들이 배열되었을 때, 자연스럽게 인접한 원들끼리 틈이 형성되는데, 그 틈 사이를 절연 액체로 채우게 되면, 뛰어난 냉각 효과를 만들어 낼 수 있으며, 각형 전지의 경우, 외부 케이스가 알루미늄 라미네이팅 필름으로 되어 있는 파우치 전지와는 달리, 금속재질의 기타 재질의 케이스로 되어 있어, 자체적으로 강성을 갖추고 있으며, 본 발명에 따른 절연 액체를 이용한 배터리 냉각 시스템을 적용하면 동일한 냉각 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템은, 절연 액체가 배터리팩 내부에 채워져 있어 배터리셀과 절연 액체의 접촉이 배터리셀의 형상에 무관하게 잘 이루어지므로 냉각 효과가 우수하고, 완전한 밀폐 및 방수가 가능하며, 저가의 절연 액체로 발열체를 침지하므로 비용의 감소를 달성할 수 있고, 절연 액체의 특성상 부식성이 없어 배터리셀의 표면과 반응하지 않고 난연성이므로 배터리팩 내부의 화재를 예방할 수 있으며, 절연 액체에 의해 외부 진동을 흡수할 수 있어 배터리셀의 공진 문제를 제거할 수 있고, 절연 특성이 매우 우수하고 물의 유입을 차단할 수 있으므로 전기적 단락 문제를 해소할 수 있다.

다만, 배터리팩 내부 공간에 절연 액체를 채울 경우, 열전도성이 높아질 수도 있으며, 외부 온도가 매우 낮은 경우, 절연 액체를 외부로 배출하여 배터리팩 내부 공간으로부터 제거하면 공기층이 형성되어, 절연 액체를 채운 경우보다, 외부 냉기에 의한 영향을 감소시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 배터리팩 및 배터리 냉각 시스템은, 앞서서 자동차에 장착되는 경우를 예로 들었으나, 이는 자동차는 물론 에너지 저장 시스템(ESS) 등 배터리가 활용될 수 있는 모든 분야에서 폭넓게 적용될 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 200 : 배터리 냉각 시스템 110, 120 : 배터리팩
120, 220 : 케이스 130a, 130b, 230 : 배터리셀
140 : 펠티어 소자 150 : 방열 핀
160 : 절연 액체 저장 탱크 170 : 절연 액체 냉각부
180 : 수분 제거부 190a : 공급 밸브
190b : 배출 밸브

Claims

케이스;
상기 케이스의 내부 공간에 채워지고 전기적 절연성을 갖는 절연 액체; 및
상기 케이스의 내부 공간에 수용되고 상기 절연 액체에 침지되어서 상기 절연 액체에 의해 냉각되는 적어도 하나의 배터리셀을 포함하는 배터리팩.
청구항 1에 있어서,
상기 케이스의 외면에 설치되는 펠티어 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
청구항 1에 있어서,
상기 케이스로부터 외부로 돌출되는 다수의 방열 핀을 더 포함하며,
상기 방열 핀 내부에는 상기 케이스의 내부 공간과 연결되어서 상기 절연 액체가 흐를 수 있는 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
청구항 1에 있어서,
상기 케이스에는 상기 절연 액체의 유입을 위한 유입구와, 상기 절연 액체의 배출을 위한 배출구가 형성되며,
상기 배터리셀은 판상으로서, 상기 케이스의 내부 공간에 다수 개가 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
청구항 4에 있어서,
상기 다수의 배터리셀은 상기 케이스의 내부 공간에서 격벽을 형성하도록 고정되며,
상기 배터리셀의 단부에는 상기 절연 액체가 유동할 수 있는 개구부가 형성되며,
상기 개구부는 상기 다수의 배터리셀이 배열되는 방향을 따라서 교대로 반대측에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
케이스와, 상기 케이스의 내부 공간에 채워지고 전기적 절연성을 갖는 절연 액체와, 상기 케이스의 내부 공간에 수용되고 상기 절연 액체에 침지되어서 상기 절연 액체에 의해 냉각되는 적어도 하나의 배터리셀을 구비하는 배터리팩; 및
상기 케이스의 내부 공간으로 공급되는 상기 절연 액체를 저장하는 절연 액체 저장 탱크를 포함하는 배터리 냉각 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 배터리팩은 다수 개이며,
상기 다수의 배터리팩은 절연 액체가 순환되도록 직렬 형태로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 케이스의 내부 공간에는 하나의 배터리셀이 수용되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 절연 액체에서 수분을 제거하는 수분 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 절연 액체의 상기 케이스 내부로의 유입을 제어하는 공급 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 절연 액체의 상기 케이스 외부로의 배출을 제어하는 배출 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 케이스로부터 배출되는 상기 절연 액체를 냉각하기 위한 절연 액체 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.