KR20180047383A - 배터리의 엣지 면에 직접 냉각 방식이 적용된 배터리 팩 - Google Patents

배터리의 엣지 면에 직접 냉각 방식이 적용된 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 엣지 면에 직접 냉각 방식을 적용하는 배터리 팩을 개시한다. 본 발명에 따르는 배터리 팩은, 배터리 셀의 엣지 면에 냉각 면을 형성하여 스웰링에 의한 누수가 방지되고 양방향 셀에 적용이 가능한 직접 냉각 방식의 배터리 팩에 있어서, 복수개의 배터리 셀이 적층된 배터리 모듈; 배터리 모듈을 내장하는 케이스에 해당되고, 배터리 셀이 적층되는 적층면으로부터 90도 방향의 엣지 면에 냉각 면을 형성하는 냉각 프레임; 냉각 면의 하부에 위치하고, 배터리 모듈을 내장한 냉각 프레임이 상부에 마운팅되어 결합되고, 내부에 냉매를 보관하고, 보관된 냉매를 상부의 냉각 면으로 공급하는 히트 싱크(heat sink)를 포함하여 구성된다. 본 발명에 따르면, 배터리 팩의 양방향 전극 면 및 스웰링 면을 제외한 일측의 엣지 면에 직접 냉각 방식의 냉각 면을 형성하여 스웰링에 의한 냉매의 누수가 방지되고 양방향 셀에 적용이 가능한 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리의 엣지 면에 직접 냉각 방식이 적용된 배터리 팩{Battery pack for providing direct cooling means to edge side of battery}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩의 엣지 면에 냉각 면을 형성하여 배터리의 스웰링으로부터 누수가 차단되고 양방향 배터리에 적용이 가능한 직접 냉각 방식의 배터리 팩에 관한 것이다.
배터리의 냉각은 배터리의 안정적인 충방전 기능 및 수명과 직결된다. 배터리의 냉각 방식은 직접 냉각 방식과 간접 냉각 방식이 있다. 직접 냉각 방식은 냉매가 흐르는 유로를 형성하고, 형성된 냉각 유로가 배터리 셀을 직접 냉각하는 것이다. 간접 냉각 방식은 유로없이 열 전도 부재가 배터리 셀에 접하고, 열 전도 부재의 열 전도 방식에 의해 배터리 셀을 간접 냉각하는 것이다.
도 1 및 도 2는 종래 배터리 팩의 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 직접 냉각 방식이 적용되는 배터리 팩(100)은 6면체를 형성한다. 설명의 편의상, 상기 6면체는 배터리 셀(102)의 리드(103)가 위치하는 상면을 제 ①면, 제 ①면의 대향 면으로서 팩 레벨 쿨링 시스템(104)이 위치하는 하면을 제 ②면, 배터리가 적층되는 방향인 제 ③면과 제 ④면, 그리고 나머지 제 ⑤면 및 제 ⑥면으로 구성된다.
배터리 팩(100)은 쿨링 파이프를 갖는 쿨링 플레이트(101)가 배터리 셀(102)의 바디 사이에 위치하고, 쿨링 플레이트(101)가 배터리 셀(102)을 냉각시킨다. 인접한 배터리 셀(102)의 사이마다 쿨링 플레이트(101)가 위치할 경우, 3개의 배터리 셀(102) 사이에는 쿨링 플레이트 1 + 배터리 1 + 쿨링 플레이트 2 + 배터리 2 + 쿨링 플레이트 3 + 배터리 3 + 쿨링 플레이트 4에 의해 최대 4개 쿨링 플레이트가 위치할 수 있다. 배터리 팩(100)의 상면인 제 ①면은 전극의 리드(103)가 위치하여 상부에 덮개가 씌워진다. 배터리 팩(100)의 하면인 제 ②면에는 상측의 쿨링 플레이트(101)로 냉매(냉각수)를 공급하는 팩 레벨 쿨링 시스템(104)이 위치한다.
여기서, 팩 레벨 쿨링 시스템(104)은 리드(103)가 위치한 제 ①면의 대향 면인 제 ②면에 위치하기 때문에 단방향 셀에 대해서만 팩 레벨 쿨링 시스템(104)이 적용될 수 있고, 양방향 셀에 대해서는 팩 레벨 쿨링 시스템(104)의 적용이 불가하다. 단방향 셀에만 적용이 가능한 시스템(104)의 냉각 방식 구조는 한정적이라서 배터리의 팩/모듈 설계의 자유도가 낮아진다.
도 2를 참조하면, 배터리의 운용 중에 배터리는 스웰링에 의해 부풀어 오르게 된다. 그러면, 셀 스웰링 방향이 제 ③면과 제 ④면의 방향으로 형성된다. 이때, 쿨링 플레이트(101)는 하단 제 ②면에서 팩 레벨 쿨링 시스템(104)에 고정된 상태에서 플레이트(101)의 상단은 제 ③면과 제 ④면의 스웰링 방향으로 이격된다. 그러면, 셀 스웰링에 의한 플레이트(101) 상단의 이격에 의해 하단의 플레이트(101) 및 시스템(104)의 결합 부위인 제 ②면에서 냉매의 누수가 발생된다. 냉매의 누수는 배터리의 수명을 단축하고, 배터리의 불능을 야기하므로 배터리의 전원을 공급받는 장치(예 : 전기 자동차)에 해가 된다.
한국등록특허 10-1218751(2012.12.28.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 인식 하에 창출된 것으로서, 본 발명은 배터리 팩의 스웰링으로부터 안전한 엣지 면 냉각 방식을 제공하여 누수가 방지되고 양방향 셀에 적용이 가능한 직접 냉각 방식의 배터리 팩을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 엣지 면에 형성된 쿨링 시스템의 프레임에 냉매 홀을 형성하고, 냉매 홀을 통한 냉매의 흐름으로 형성된 냉각 면이 배터리 셀을 직접 냉각하는 직접 냉각 방식을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 셀의 엣지 면에 냉각 면을 형성하여 스웰링에 의한 누수가 방지되고 양방향 셀에 적용이 가능한 직접 냉각 방식의 배터리 팩에 있어서, 복수개의 배터리 셀이 적층된 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 내장하는 케이스에 해당되고, 상기 배터리 셀이 적층되는 적층면으로부터 90도 방향의 엣지 면에 냉각 면을 형성하는 냉각 프레임; 및 상기 냉각 면의 하부에 위치하고, 배터리 모듈을 내장한 냉각 프레임이 상부에 마운팅되어 결합되고, 내부에 냉매를 보관하고, 보관된 냉매를 상부의 냉각 면으로 공급하는 히트 싱크(heat sink)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 있어서, 상기 엣지 면은, 배터리 셀의 4각형 바디 면에 형성된 4개이 선분 방향 중에서 양방향 셀의 전극 방향을 제외한 나머지 한 방향에서 형성되는 면이다.
여기서, 상기 배터리 모듈과 상기 냉각 프레임 사이에는 TIM(Thermal Interface Material)이 위치하고, TIM이 상부의 배터리 모듈로부터 하부의 냉각 프레임으로 열 방출을 전도한다.
또한, 상기 TIM은, 열 레진(Thermal resin)이다.
바람직하게, 상기 냉각 프레임의 냉각 면은, 히트 싱크로부터 공급되는 냉매가 흐르는 냉매 홀이 형성된다.
여기서, 상기 히트 싱크의 상부에 배터리 모듈을 내장한 냉각 프레임이 마운팅된 상태에서의 상기 냉각 면의 단면은, 배터리 셀의 엣지; 상기 엣지의 아래에서 접하는 TIM; 상기 TIM의 아래에서 접하는 냉매 홀이 형성된 냉각 프레임; 및 상기 냉각 프레임의 하부에서 결합되는 히트 싱크의 적층 구조를 형성한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 팩의 양방향 전극 면 및 스웰링 면을 제외한 일측의 엣지 면에 직접 냉각 방식의 냉각 면을 형성하여 스웰링에 의한 냉매의 누수가 방지되고 양방향 셀에 적용이 가능한 배터리 팩을 제공한다.
또한, 배터리 팩이 케이스에 해당되는 쿨링 프레임에 냉매 홀을 형성하고, 냉매가 흐르는 냉매 홀의 면이 배터리 셀의 엣지 면의 냉각 면을 형성하여 배터리 셀을 직접 냉각하므로 열 방출 효과가 크다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1 및 도 2는 직접 냉각 방식의 쿨링 시스템이 적용된 종래 단방향 배터리 팩의 개략적 예시도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적 예시도이다.
도 6 및 도 7은 도 4의 배터리 팩의 개략적 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 간접 냉각 방식의 배터리 팩의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)의 개략적 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 배터리 셀(301)이 적층된 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈이 내장되는 냉각 프레임(302)의 케이스를 포함하여 구성된다.
본 발명의 배터리의 냉각 시스템은 종래 배터리 팩(100)의 냉각 시스템과 다르게, 배터리 셀(301) 사이마다 위치하는 쿨링 플레이트(101)가 제거된다. 쿨링 플레이트(101)가 제거됨에 따라, 본 발명의 배터리 팩(300)은 부피가 줄어들어 배터리의 경량화/소형화를 제공할 수 있고 제조 원가를 절감할 수 있다.
여기서, 배터리 셀(301)을 4각형의 한 개 바디 면(③면 or ④면)이라 가정하면, 각 배터리 셀(301)의 바디 면이 적층됨에 따라서 배터리 모듈이 형성되므로 바디 면은 적층 면에 해당된다. 4각형 바디 면의 4개 선분 방향 중에서 양극 방향에서 제 ①, ②면을 형성하고, 스웰링 방향의 바디 면(적층 면)에 제 ③, ④면을 형성하고, 나머지 엣지 면인 제 ⑤, ⑥면을 형성한다. 여기서, 냉각 면은 제 ⑥면의 엣지 면에 형성된다. 즉, 적층 면인 ③면 또는 ④면으로부터 90도 방향의 엣지 면에 냉각 면인 ⑥면이 위치한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 배터리 모듈을 내장한 냉각 프레임(302)은 팩 레벨 쿨링 시스템에 해당되는 히트 싱크(401)에 올려져 4각 귀퉁이에서 도 5에 도시된 화살표 방향으로 볼트(501)에 의해 고정된다.
도 6은 도 4의 배터리 팩(300)의 개략적 단면도이고, 도 7은 도 6의 부분 확대도이다.
도 6을 참조하면, 배터리 팩(300)의 제 ①면의 단면도가 도시된다. 배터리 셀(301)의 열은 하단의 냉각 면을 형성하는 히트 싱크(401)의 방향으로 열이 방출된다. 냉각 프레임(302)의 하단의 냉각 면에는 냉매 홀(601)이 형성된다.
도 7을 참조하면, 하단의 배터리 셀(301)과 냉각 프레임(302) 사이에는 열 전도 물질인 TIM(Thermal Interface Material)(701)이 위치한다. TIM(701)은 열 레진(Thermal resin)에 해당된다. 레진은 프레임(302)과 배터리 셀(301) 사이에 형성되는 갭을 채워서 빈 공간을 제거한다. 갭의 빈 공간을 채우는 레진은 열 전도율을 향상시키고, 배터리 셀(301)로부터 발생된 열이 하단의 히트 싱크(401)의 방향으로 빨리 배출될 수 있게 도와준다. 히트 싱크(401)에 내장된 냉매(711)는 냉각 프레임(302)으로 유입되고, 유입된 냉매(711)가 냉매 홀(601)에 의해 형성된 유로를 따라 흘러서 제 ⑥면에 냉각 면을 형성한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 간접 냉각 방식의 배터리 팩(800)의 예시도이다.
도 8을 참조하면, 배터리 팩(800)의 제 ①면의 단면도가 도시된다. 배터리 셀(801)의 열은 하단의 냉각 면을 형성하는 히트 싱크(811)의 방향으로 열이 방출된다. 도 6과 달리, 냉각 프레임(802)의 하단에는 냉매 홀(601)이 형성되지 않는다. 냉각 프레임(802)의 하면에 부착된 히트 싱크(811)에 보관된 냉매(813)는 냉각 프레임(802)으로 유입되는 않고 배터리 셀(801)의 열을 냉각시킨다.
도 9를 참조하면, 배터리 팩(800)은 배터리 셀(801), TIM(701), 냉각 프레임(802), 열 접착 물질(901), 히트 싱크(811) 및 냉매(813)의 순서로 단면이 형성된다. 히트 싱크(811)의 냉매(813)는 냉각 프레임(802)으로 유입되지 않아서 제 ⑥면에 간접 냉각 방식의 냉각 면을 형성한다.
도 7의 직접 냉각 방식과 비교하면, 도 7의 단면 구조는 열 접착 물질(901)이 제거되어 냉각 구간이 감소하므로 냉각 효율의 증가가 예상된다. 또한, 도 7의 단면 구조는 냉각 프레임(302)의 냉매 홀(601)로 냉매(711)가 유입되어 흐르므로 직접 냉각 방식으로 냉각 효율이 증가한다.
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.
1 : 배터리 팩 2 : 배터리 셀
3 : 냉각 프레임 4 : 히트 싱크
31 : 냉매 홀 41 : 냉매

Claims (6)

  1. 배터리 셀의 엣지 면에 냉각 면을 형성하여 스웰링에 의한 누수가 방지되고 양방향 셀에 적용이 가능한 직접 냉각 방식의 배터리 팩에 있어서,
    복수개의 배터리 셀이 적층된 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈을 내장하는 케이스에 해당되고, 상기 배터리 셀이 적층되는 적층면으로부터 90도 방향의 엣지 면에 냉각 면을 형성하는 냉각 프레임;
    상기 냉각 면의 하부에 위치하고, 배터리 모듈을 내장한 냉각 프레임이 상부에 마운팅되어 결합되고, 내부에 냉매를 보관하고, 보관된 냉매를 상부의 냉각 면으로 공급하는 히트 싱크(heat sink)
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩;
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엣지 면은,
    배터리 셀의 4각형 바디 면에 형성된 4개이 선분 방향 중에서 양방향 셀의 전극 방향을 제외한 나머지 한 방향에서 형성되는 면인 것을 특징으로 하는 배터리 팩;
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 냉각 프레임 사이에는 TIM(Thermal Interface Material)이 위치하고, TIM이 상부의 배터리 모듈로부터 하부의 냉각 프레임으로 열 방출을 전도하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩;
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 TIM은,
    열 레진(Thermal resin)인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각 프레임의 냉각 면은,
    히트 싱크로부터 공급되는 냉매가 흐르는 냉매 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 히트 싱크의 상부에 배터리 모듈을 내장한 냉각 프레임이 마운팅된 상태에서의 상기 냉각 면의 단면은,
    배터리 셀의 엣지;
    상기 엣지의 아래에서 접하는 TIM;
    상기 TIM의 아래에서 접하는 냉매 홀이 형성된 냉각 프레임; 및
    상기 냉각 프레임의 하부에서 결합되는 히트 싱크
    의 적층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩;
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