KR20200104616A - 히트 파이프가 적용된 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

히트 파이프가 적용된 배터리 팩이 개시된다. 배터리 팩에 있어서, 다수의 배터리 셀의 각 사이마다 히트 파이프가 배치되며, 상기 히트 파이프는 상단이 흡열이고 하단이 방열인 역방향 히트 파이프인 것을 특징으로 한다.

Description

히트 파이프가 적용된 배터리 팩{Battery pack having heat pipe}
본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 더 상세하게는 역방향 히트 파이프를 적용한 배터리 팩에 대한 것이다.
배터리의 냉각 방식은 크게 공냉식과 수냉식으로 구분이 된다. 이는 다시 직접공냉, 간접공냉, 직접수냉, 간접수냉으로 구분이 된다. 배터리 고정 및/또는 강건성 확보를 위해 외부에 구조물을 적용하게 되며, 배터리의 냉각을 위해 외부 구조물은 알루미늄 재질을 사용하고 있다.
일반적으로, 전기 차량의 에너지가 높아지면서 수냉방식을 적용하고 있으며, 급속충전 시간을 단축시키기 위해 충전 전류가 높아지면서 배터리의 열 관리가 더욱 필요한 사항이다.
이를 위해 히트 파이프를 적용하여 냉각 성능을 높이고 있다. 그러나, 히트파이프의 특성상 열원(셀, 하단 위치 필요)과 냉각부(상단 위치 필요)의 위치가 정해져 있다.
따라서, 냉각부의 경우 셀보다 상단에 있을 경우 냉각수가 누수되면 하단으로 쏟아지며 셀 쇼트가 발생되고, 이는 곧 안전성에 문제가 된다.
따라서, 열원은 상단, 냉각부는 하단에 위치를 해야하며, 상단에 있는 열을 하단으로 빠르게 이동시키는 구조물이 요구되고 있다.
1. 일본공개특허 제2013-157111호 2. 한국공개특허 제2018-0116230호 3. 한국공개특허 제2015-0085310호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 열원은 상단, 냉각부는 하단에 위치하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상단에 있는 열을 하단으로 빠르게 이동시키는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 열원은 상단, 냉각부는 하단에 위치하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩를 제공한다.
상기 배터리 팩은, 히트 파이프가 적용된 배터리 팩으로서,
다수의 배터리 셀의 각 사이마다 히트 파이프가 배치되며, 상기 히트 파이프는 상단이 흡열이고 하단이 방열인 역방향 히트 파이프인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 히트 파이프는 단면이 역 "T"자 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상단은 상기 하단으로부터 위쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수의 배터리 셀 중 상기 히트 파이프가 배치되지 않은 다수의 배터리 셀의 각 사이마다 패드가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트 파이프는 하단이 냉각 라인과 맞닿게 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단의 표면상에는 냉각 물질이 도포되며, 상기 냉각 물질은 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열전도율이 높은 히트 파이프를 적용함으로써 기존 알루미늄(Al) 원소재 대비 냉각 성능을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 열원은 상단, 냉각부는 하단에 위치함으로써, 상단에 있는 열을 하단으로 빠르게 이동시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 A부분을 확대한 부분 확대도이다.
도 3은 도 2에 도시된 히트 파이프의 측면 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 히트 파이프 및 냉각 라인으로 구성된 냉각 구조이다.
도 5는 도 4에 도시된 냉각 구조를 어레이로 적용한 간접 수냉식 냉각 방식의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 히트 파이프가 적용된 배터리 팩을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩(100)의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은, 다수의 배터리 셀을 적층한 배터리 셀 적층 어레이(110), 배터리 셀 적층 어레이(110)의 양측면에 조립되는 제 1 및 제 2 단자 연결 플레이트(140-1,140-2), 배터리 셀 적층 어레이(110)의 양측면에 조립되는 제 1 및 제 2 측면 하우징(150-1,150-2), 배터리 셀 적층 어레이(110)의 상단면에 조립되는 상단면 고정 플레이트(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 셀 적층 어레이(110)는 배터리 셀, 이 배터리 셀을 담는 카트리지 등으로 구성되는 배터리 셀 조립체가 다수개 적층된다. 이를 보여주는 도면이 도 2에 도시되며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 1을 계속 참조하면, 배터리 셀 적층 어레이(110)의 네 귀퉁이 각각에 제 1 내지 제 4 고정봉(120-1 내지 120-4)이 삽입 고정된다. 물론, 이를 위해, 배터리 셀 적층 어레이(110)의 네 귀퉁에는 관통홀이 형성된다.
또한, 배터리 셀 적층 어레이(110)내의 배터리 셀 조립체의 전극을 연결 및/또는 고정하기 위해 제 1 및 제 2 단자 연결 플레이트(140-1,140-2)가 구성된다. 부연하면, 제 1 단자 연결 플레이트(140-1)는 배터리 셀 적층 어레이(110)의 좌측면에 조립되고, 제 2 단자 연결 플레이트(140-2)는 배터리 셀 적층 어레이(110)의 우측면에 조립된다.
특히, 제 1 및 제 2 단자 연결 플레이트(140-1,140-2)는 배터리 셀 조립체에 구성되는 전극 단자를 연결하는 기능을 수행한다. 물론, 배터리 셀을 감싸는 카트리지의 측면 홈에 삽입되어 배터리 셀을 고정하는 역할도 수행할 수 있다.
제 1 및 제 2 측면 하우징(150-1,150-2)은 제 1 및 제 2 단자 연결 플레이트(140-1,140-2)이 조립된 이후, 배터리 셀 적층 어레이(110)의 양측면에 조립되어 외관을 형성한다. 부연하면, 제 1 측면 하우징(150-1)은 배터리 셀 적층 어레이(110)의 좌측면에 조립되고, 제 2 측면 하우징(150-2)은 배터리 셀 적층 어레이(110)의 우측면에 조립된다.
상단면 고정 플레이트(130)는 배터리 셀 적층 어레이(110)의 상단면에 조립되어 배터리 셀 조립체들을 밀착되게 고정한다. 이를 위해 상단면 고정 플레이트(130)는 단면이 "Π"자 형상이 된다.
도 2는 도 1에 도시된 A부분을 확대한 부분 확대도이다. 도 2를 참조하면, 배터리 셀 조립체(200)는 배터리 셀(210), 패드(230), 및 카트리지(240) 등으로 구성된다. 배터리 셀(210)은 전극 조립체와, 전극 조립체에 전원을 연결하기 위한 단자, 단자가 외측으로 노출되도록 전극 조립체를 밀봉하는 케이스를 포함하여 구성된다. 이러한 배터리 셀의 구조에 대해서는 널리 공지되어 있으므로 본 발명의 이해를 위해 설명을 생략하기로 한다.
패드(230)는 배터리 셀(210)의 외측면에 배치된다. 이 패드(230)는 배터리 셀((210)이 카트리지(240)에 적층되는 경우, 배터리 셀간 전기적 물리적 절연을 수행한다. 물론, 배터리 셀간 완충 작용을 수행한다. 따라서, 플라스틱, 고무 등이 사용될 수 있다.
카트리지(240)는 가운데가 중공되어 있으며, 이러한 중공에 배터리 셀(210)이 조립된다. 즉, 이 카트리지(240)에 2개의 배터리 셀(210)이 조립된다. 물론, 2개의 배터리 셀(210) 사이에는 패드(230)가 삽입될 수 있다. 또한, 2개의 배터리 셀(210)의 일정한 간격을 위해 4개의 스페이서(250)가 구성될 수 있다. 4개의 스페이서(250)는 탄력성이 있는 재질로 단면이 "Π"자 형상이 된다.
카트리지(240)는 절연성의 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 히트 파이프(220)의 측면 사시도이다. 도 3을 참조하면, 히트 파이프(220)는 상단(310)이 흡열이고 하단(320)이 방열인 역방향 히트 파이프이다. 히트 파이프(220)는 단면이 역 "T"자 형상이다. 또한, 히트 파이프(220)는 열전도율이 약 2000W/mK 이상이 되는 금속 재질의 히트 파이프를 사용한다. 즉, 열전도율이 일반적인 금속 원소재 대비 높은 히트 파이프를 사용함으로써 냉각 성능을 증대시킬 수 있다. 일반적으로 히트 파이프는 알루미늄을 프레스하여 상용되는데, 이 경우, 알루미늄 열전도율은 약 140~200W/mK이다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 히트 파이프(220)를 열전도율이 약 2000W/mK 이상이 되는 금속 재질의 히트 파이프를 사용하여 냉각 성능을 향상시킨다.
부연하면, 배터리를 냉각시키기 위해서는 히트 파이프를 통해야 하는데, 이 히트 파이프의 성능에 따라 배터리의 냉각 성능이 달라진다.
또한, 히트 파이프(220)는 하단(320)으로부터 상단(310)쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상인 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 틸팅 각도(tilting angle)시 사용 가능하도록 하기 위한 것이다. 물론, 이에 한정되지 않으며, 일자도 가능하다.
도 4는 도 2에 도시된 히트 파이프(220) 및 냉각 라인(400)으로 구성된 냉각 구조이고, 도 5는 도 4에 도시된 냉각 구조를 어레이로 적용한 간접 수냉식 냉각 방식의 개념도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 배터리 셀(210)이 적층되며, 이 적층되는 배터리 셀(210)사이 마다 히트 파이프(220)가 배치된다. 특히, 히트 파이프(220)의 하단(320)과 맞닿게 냉각 라인(400)이 배열된다. 따라서, 히트 파이프(220)는 배터리 셀(210)과 셀 냉각을 실행할 수 있다. 즉, 배터리 셀(210)의 열을 하단(320)을 통해 냉각 라인(400)으로 전달한다. 물론, 냉각 라인(400)으로부터 냉각 열을 상단(310)을 통해 배터리 셀(210)에 전달할 수도 있다.
하단(320)의 표면상에 냉각 물질을 도포할 수 있다. 냉각 물질로는 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material) 등이 사용될 수 있다. 열 인터페이스 재료(TIM)는 일반적으로 두 가지의 주요 컴포넌트, 즉 금속 및/또는 비금속 입자 및/또는 섬유(fibers)와 같은 충진재(fillers)와, 오일 또는 단사슬(short chain) 중합체(올리고머)와 같은 비이클(vehicle)을 갖는다.
상기 비이클은 페이스트의 소스(source), 기대 특성, 사용처(application) 및 비용에 따라 실리콘 또는 비실리콘 기반 화합물 중 하나가 될 수 있다. 분산제 (dispersant), 경화제(curing agent), 산화 방지제(antioxidant) 등과 같은 추가적인 컴포넌트들도 있을 수 있다. 이러한 열 인터페이스 재료는 널리 사용되고 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
이러한 냉각 물질은 하단(320)과 냉각 라인(400) 사이에 도포하여 경화시킴으로써 냉각 라인(400)상에 흐르는 냉각수를 통해 하단(320)의 표면상에 도포된 냉각 물질이 냉각됨으로써 상하로 열교환이 발생한다. 즉, 배터리 셀(110)의 하단과 히트 파이프(220) 사이에 열교환이 이루어진다.
100: 배터리 팩
110: 배터리 셀 적층 어레이
120-1 내지 120-4: 제 1 내지 제 4 고정봉
130: 상단면 고정 플레이트
140-1,140-2: 제 1 및 제 2 단자 연결 플레이트
150-1,150-2: 제 1 및 제 2 측면 하우징
200: 배터리 셀 조립체
210: 배터리 셀
230: 패드
240: 카트리지

Claims (6)

  1. 히트 파이프(220)가 적용된 배터리 팩(100)에 있어서,
    다수의 배터리 셀(210)의 각 사이마다 히트 파이프(220)가 배치되며, 상기 히트 파이프(220)는 상단(310)이 흡열이고 하단(320)이 방열인 역방향 히트 파이프인 것을 특징으로 하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(220)는 단면이 역 "T"자 형상인 것을 특징으로 하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상단(310)은 상기 하단(320)으로부터 위쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상인 것을 특징으로 하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀(210) 중 상기 히트 파이프(220)가 배치되지 않은 다수의 배터리 셀(210)의 각 사이마다 패드(230)가 배치되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(220)는 하단(320)이 냉각 라인(400)과 맞닿게 배열되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하단(320)의 표면상에는 냉각 물질이 도포되며, 상기 냉각 물질은 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material)인 것을 특징으로 하는 히트 파이프가 적용된 배터리 팩.
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KR20230094366A (ko) 2021-12-21 2023-06-28 주식회사 엘지에너지솔루션 냉각유체의 유입부와 배출부가 형성된 열전달부재를 포함하는 전지팩
WO2023121116A1 (ko) 2021-12-21 2023-06-29 주식회사 엘지에너지솔루션 냉각유체의 유입부와 배출부가 형성된 열전달부재를 포함하는 전지팩

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