KR20180112307A - 원통형 배터리 셀의 방열 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통형 배터리 셀의 방열 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 전류로 배터리 셀이 방전되는 경우 발생하는 배터리 셀과 플레이트의 발열문제를 해결하기 위하여 전기 전도도가 다른 복수의 플레이트를 구성하여 전류를 분산시키고, 상기 플레이트의 하부에 방열구조를 구성하는 원통형 배터리 셀의 방열 구조에 관한 것이다.

Description

원통형 배터리 셀의 방열 구조{Heat-radiating structure of cylindrical battery cell}
본 발명은 원통형 배터리 셀의 방열 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀 방전 시 발생하는 발열 문제를 감소시키기 위한 원통형 배터리 셀의 방열 구조에 관한 것이다.
리튬이온 배터리는 형태에 따라서 크게 원통형, 각형, 폴리머로 나눌 수 있다. 여기서, 원통형 배터리는 원통형의 형태로 형성된 배터리로서 고용량, 고출력의 특징을 가지고 있다. 따라서, 원통형 배터리는 주로 전력을 많이 필요로 하는 제품 및 분야에 사용된다. 예를 들어, 순간적으로 큰 힘이 요구되는 전동공구, 전기 자동차, 전기 자전거 등에 적용될 수 있다.
원통형 배터리는, 일반적으로 다수 개의 원통형 배터리 셀로 구성된다. 원통형 배터리를 제작하기 위해서는 다수 개의 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 과정이 필요하다. 이와 같이 다수 개의 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 방식은, 일반적으로 셀의 상부 부분과 니켈 플레이트를 저항 용접하는 방법으로 이루어진다. 즉, 스트립 형상을 갖는 니켈 플레이트의 한 부분은 배터리 셀의 상부 부분과 연결되고, 반대쪽 부분과 다른 배터리 셀과 연결된 니켈 플레이트와 용접 연결함으로써 배터리 셀들이 전기적으로 연결된다.
그러나, 이와 같은 방식을 이용하는 경우, 배터리 셀의 상부 부분과 니켈 플레이트가 연결되는 부분은 일부분이므로, 즉 배터리 셀에서 니켈 플레이트로 전류가 이동하는 접촉 면적이 일부분만 형성되는 것이라고 할 수 있다. 또한, 니켈 플레이트는 재질 특성상 전기 전도성의 한계를 가지고 있다. 따라서, 배터리 셀이 높은 전류로 방전하는 경우, 높은 전류가 니켈 플레이트로 흐르게 되므로, 전류가 이동하는 면적과 니켈 플레이트의 전기 전도성의 한계로 인하여 니켈 플레이트와 배터리 셀에 많은 열이 발생하게 된다.
본 발명은 배터리 셀이 높은 전류로 방전하는 경우, 배터리 셀과 니켈 플레이트의 발열 문제를 해결하고자 하는 것이다.
원통형 배터리 셀의 방열 구조는,
배터리 셀의 상부 일부 영역과 접촉하며, 상기 배터리 셀의 전류가 방전되는 제 1 플레이트; 상기 제 1 플레이트와 배터리 셀의 사이에 위치하되, 상기 배터리 셀과는 접촉하지 않도록 배치된 제 2 플레이트; 상기 제 2 플레이트와 상기 배터리 셀의 사이에 구비되며, 상기 배터리 셀에 접촉하여 배터리 셀에서 발생하는 열을 제 2 플레이트로 전달하는 열 전달부; 를 포함하여 구성되며,
상기 제 2 플레이트는, 상기 제 1 플레이트에서 배터리 셀과 접촉되지 않은 영역에 접촉되어 제 1 플레이트에서 방전되는 전류가 추가적으로 방전되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 플레이트는, 상기 제 1 플레이트보다 전기 전도도가 높은 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 플레이트는, 니켈로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제 2 플레이트는, 구리로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열 전달부는, 열 전달물질(TIM)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
원통형 배터리 셀의 방열 시스템은, 배터리 셀의 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 전류 측정부에서 측정된 배터리 셀의 전류가 소정의 값 이상일 경우, 배터리 셀의 전류가 방전되도록 제어하는 제어부; 상기 배터리 셀의 상부 일부 영역과 접촉하며, 상기 제어부의 제어에 따라 배터리 셀의 전류가 방전되는 제 1 플레이트; 상기 배터리 셀과 제 1 플레이트 사이에 위치하되 상기 배터리 셀과는 접촉하지 않도록 배치되며, 상기 1 플레이트에서 배터리 셀과 접촉되지 않은 영역에 접촉되어 상기 제 1 플레이트에서 방전되는 전류가 추가적으로 방전되는 제 2 플레이트; 상기 제 2 플레이트와 상기 배터리 셀의 사이에 구비되며, 상기 배터리 셀에 접촉하여 배터리 셀에서 발생하는 열을 제 2 플레이트로 전달하는 열 전달부; 를 포함하여 구성된다.
상기 제 2 플레이트는, 상기 제 1 플레이트보다 전기 전도도가 높은 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 플레이트는, 니켈로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제 2 플레이트는, 구리로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열 전달부는, 열 전달물질(TIM)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전기 전도도가 다른 복수 개의 플레이트를 구성하여 전류를 분산시킴으로써 전기 전도도 향상 효과로 인해 플레이트의 발열량을 감소시킬 수 있다. 또한, 배터리 셀과 플레이트 사이에 열 전달 물질을 구성하여 셀에서 발생하는 열을 플레이트로 전달함으로써 셀의 온도를 감소시키는 방열 효과를 가지고 있다.
도 1은 종래의 배터리 셀의 전기적 연결 구조의 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 셀의 방열 구조의 정면도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함된다. 또한 어떤 부분이 다른 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ (하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 배터리 팩 제작 시 배터리 셀 간의 연결 구조를 간략히 도시한 도면이다.
상기 도 1을 참조하면, 종래의 원통형 배터리 팩을 제작하기 위한 다수 개의 배터리 셀(10)을 전기적으로 연결하는 방식은, 배터리 셀(10)의 상부 일부 영역(A)과 니켈 플레이트(20)를 저항 용접하는 것으로 이루어졌다.
이러한 방식으로 연결된 배터리 팩에서, 배터리 셀의 전류가 일정 기준 값 이상인 경우 배터리 셀의 전류가 방전되도록 제어된다. 이 때, 배터리 셀의 전류가 방전되는 것은, 배터리 셀(10)의 전류가 배터리 셀과 니켈 플레이트가 접촉한 배터리 셀의 상부 일부 영역(A)을 통하여 니켈 플레이트(20)로 이동하게 된다. 즉, 배터리 셀 방전 시, 배터리 셀의 전류는 니켈 플레이트(20)로 이동하여 니켈 플레이트(20)에서 방전되는 것이다.
그러나, 상기 니켈 플레이트(20)는 재질 특성상 전기 전도성의 한계가 있으므로 높은 전류로 배터리 셀이 방전되는 경우, 배터리 셀(10)에서 이동되는 전류에 의해 많은 열이 발생하게 된다. 또한, 배터리 셀(10)의 전류가 니켈 플레이트(20)로 이동하는 영역(A)은 배터리 셀의 일부 영역에 불과하므로 전류의 이동에도 한계가 있으므로 배터리 셀 또한 많은 열이 발생하게 된다. 이러한 배터리 셀과 니켈 플레이트의 발열 문제는 배터리 셀이 손상되는 등과 같은 여러 가지 문제를 야기 시키는 요인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 배터리 셀과 니켈 플레이트의 발열 문제를 해결하기 위한 원통형 배터리 셀의 방열 구조를 제안하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 원통형 배터리 셀의 방열 구조의 정면도이다.
상기 도 2를 참조하면, 원통형 배터리 셀의 방열 구조를 설계하기 위해서는 배터리 셀(100), 제 1 플레이트(200), 제 2 플레이트(300), 열 전달부(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 플레이트(200)의 한쪽 부분은 배터리 셀의 상부 일부 영역(F)과 연결된다. 배터리 셀이 방전되는 경우, 배터리 셀의 전류는 배터리 셀(100)과 제 1 플레이트(200)가 접촉하는 영역(F)를 통하여 제 1 플레이트(200)로 이동하게 되고, 이동한 전류는 제 1 플레이트(200)에서 방전되는 것이다.
즉, 배터리 셀(100)과 제 1 플레이트(200)가 접촉하는 영역 ‘F’는, 배터리 셀의 전류가 제 1 플레이트(200)로 이동하는 이동 영역이 되는 것이다. 따라서, 배터리 셀(100)의 전류가 제 1 플레이트(200)로 이동함으로써 제 1 플레이트에서 배터리 셀의 전류가 방전된다.
여기서, 제 1 플레이트(100)는 스트립 형상으로 구성될 수 있다.
제 2 플레이트(300)는, 상기 배터리 셀(100)과 상기 제 1 플레이트(200) 사이에 위치하되, 상기 배터리 셀과는 접촉하지 않도록 배치된다. 즉, 배터리 셀의 전류가 제 1 플레이트(200)로 이동하는 이동 영역(F)이 아닌 제 1 플레이트의 부분과 배터리 셀 사이에 배치되는 것이다.
상기 제 2 플레이트(300)에서는, 상기 제 1 플레이트(200)에서 방전되는 배터리 셀의 전류가 추가적으로 방전될 수 있다.
이와 같은 방열 구조를 확대한 도 3을 참조하면, 고방전율로 배터리 셀 방전 시, 배터리 셀의 전류는 이동 영역(F)을 통하여 제 1 플레이트(200)로 이동하고, 제 1 플레이트(200)로 이동한 배터리 셀의 전류가 제 2 플레이트(300)로 이동하는 것이다. 즉, 배터리 셀의 전류가 하나의 플레이트로 이동하여 하나의 플레이트에서 배터리 셀의 전류가 방전되는 종래의 방식과는 달리 배터리 셀의 전류가 두 개의 플레이트로 분산되어 방전되는 구조이다.
따라서, 높은 전류로 배터리 셀이 방전되는 경우, 배터리 셀의 전류의 흐름은 제 1 플레이트(200)에서 제 2 플레이트(300)가 된다.
이와 같이 배터리 셀의 전류가 두 개의 플레이트에서 방전되도록 함으로써, 플레이트의 발열량을 감소시킬 수 있다.
여기서, 제 2 플레이트(300)는 제 1 플레이트(200)보다 전기 전도도가 높은 물질로 구성된다. 예를 들어, 제 1 플레이트(200)는 니켈(Ni)로 구성될 수 있으며, 제 2 플레이트(300)는 니켈보다 전기 전도도가 높은 구리(Cu)로 구성될 수 있다.
열 전달부(400)는, 상기 제 2 플레이트(300)와 상기 배터리 셀(100) 사이에 구비되며, 상기 배터리 셀에 접촉하여 배터리 셀에서 발생하는 열을 제 2 플레이트(300)로 전달하는 구성이다.
상기 열 전달부(400)는, 배터리 셀 방전 시 배터리 셀에서 발생하는 열을 제 2 플레이트로 전달함으로써 배터리 셀의 온도를 낮춰줄 수 있다. 상기 제 2 플레이트(300)는 열 전도도가 높은 물질인, 예를 들어 구리(Cu)로 구성되므로 열 전달부(400)를 통하여 전달 받은 배터리 셀에서 발생하는 열을 방열할 수 있다.
여기서 상기 열 전달부(400)는, 예를 들어, 열 전달/방출 물질(Thermal Interface Material)로 구성되며, 방열 그리스, 방열 시트, 방열 패드, 열전도성 접착제, PCM(상변화물질) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2의 방열 구조를 적용한 원통형 배터리 셀의 방열 시스템을 설명하도록 한다.
본 발명의 방열 구조를 적용하여 설계된 원통형 배터리 팩은 배터리 셀(100), 제 1 플레이트(200), 제 2 플레이트(300), 열 전달부(400), 전류 측정부(500) 및 제어부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
전류 측정부(500)는, 배터리 셀의 전류를 측정하는 구성이다.
제어부(600)는, 상기 전류 측정부(500)에서 측정된 배터리 셀의 전류가 소정의 값 이상일 경우, 배터리 셀(100)의 전류가 방전되도록 제어하는 구성이다. 상기 제어부(600)는, 배터리 셀이 과충전 또는 과방전 방지 역할을 수행하는 것이다. 즉, 상기 제어부(600)는 보호회로와 같은 구성으로 설명될 수 있다.
상기 제어부(600)에서 배터리 셀이 방전되도록 제어하면, 상기 배터리 셀(100)의 전류는 배터리 셀과 제 1 플레이트(200)가 접촉하는 영역(F)를 통하여 제 1 플레이트(200)로 이동하게 된다. 또한, 제 1 플레이트(200)로 이동하여 방전되는 배터리 셀의 전류는 제 2 플레이트(300)로 이동하게 된다. 따라서, 상기 제 2 플레이트(300)에서는 상기 제 1 플레이트(200)에서 방전되는 전류가 추가적으로 방전되는 것이다.
즉, 배터리 셀 방전 시, 배터리 셀의 전류가 제 1 플레이트(200)와 제 2 플레이트(300)로 분산되어 방전되는 것으로 설명할 수 있다.
제 2 플레이트(300)는, 제 1 플레이트(200)보다 전기 전도도가 높은 물질로 구성된다. 예를 들어, 제 1 플레이트(200)는 니켈(Ni)로 구성되며, 제 2 플레이트(Cu)로 구성될 수 있다.
또한, 배터리 셀(100)과 제 2 플레이트(300) 사이에 구비된 열 전달부(400)는 배터리 셀에서 발생하는 열을 제 2 플레이트로 전달한다.
배터리 셀의 전류가 배터리 셀과 제 1 플레이트(200)가 접촉하는 일부 영역(F)을 통하여 이동하므로, 높은 전류로 배터리 셀이 방전하는 경우 배터리 셀에서는 열이 발생할 수 있다. 따라서, 열 전달부(400)는 이와 같이 발생하는 배터리 셀의 열을 제 2 플레이트(300)로 전달함으로써 배터리 셀의 온도를 낮춰줄 수 있다.
여기서 상기 열 전달부(400)는, 예를 들어, 열 전달/방출 물질(Thermal Interface Material)로 구성되며, 방열 그리스, 방열 시트, 방열 패드, 열전도성 접착제, PCM(상변화물질) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
100: 배터리 셀
200: 제 1 플레이트
300: 제 2 플레이트
400: 열 전달부

Claims (10)

  1. 원통형 배터리 셀의 방열 구조에 있어서,
    배터리 셀의 상부 일부 영역과 접촉하며, 상기 배터리 셀의 전류가 방전되는 제 1 플레이트;
    상기 제 1 플레이트와 배터리 셀의 사이에 위치하되, 상기 배터리 셀과는 접촉하지 않도록 배치된 제 2 플레이트;
    상기 제 2 플레이트와 상기 배터리 셀의 사이에 구비되며, 상기 배터리 셀에 접촉하여 배터리 셀에서 발생하는 열을 제 2 플레이트로 전달하는 열 전달부; 를 포함하여 구성되며,

    상기 제 2 플레이트는, 상기 제 1 플레이트에서 배터리 셀과 접촉되지 않은 영역에 접촉되어 제 1 플레이트에서 방전되는 전류가 추가적으로 방전되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 플레이트는,
    상기 제 1 플레이트보다 전기 전도도가 높은 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 플레이트는,
    니켈로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 구조.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 플레이트는,
    구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 전달부는,
    열 전달물질(TIM)로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 구조.
  6. 원통형 배터리 셀의 방열 시스템에 있어서,
    배터리 셀의 전류를 측정하는 전류 측정부;
    상기 전류 측정부에서 측정된 배터리 셀의 전류가 소정의 값 이상일 경우, 배터리 셀의 전류가 방전되도록 제어하는 제어부;
    상기 배터리 셀의 상부 일부 영역과 접촉하며, 상기 제어부의 제어에 따라 배터리 셀의 전류가 방전되는 제 1 플레이트;
    상기 배터리 셀과 제 1 플레이트 사이에 위치하되 상기 배터리 셀과는 접촉하지 않도록 배치되며, 상기 1 플레이트에서 배터리 셀과 접촉되지 않은 영역에 접촉되어 상기 제 1 플레이트에서 방전되는 전류가 추가적으로 방전되는 제 2 플레이트;
    상기 제 2 플레이트와 상기 배터리 셀의 사이에 구비되며, 상기 배터리 셀에 접촉하여 배터리 셀에서 발생하는 열을 제 2 플레이트로 전달하는 열 전달부;
    를 포함하여 구성되는 배터리 셀의 방열 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 2 플레이트는,
    상기 제 1 플레이트보다 전기 전도도가 높은 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1 플레이트는,
    니켈로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 2 플레이트는,
    구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 시스템.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 열 전달부는,
    열 전달물질(TIM)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 방열 시스템.




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