KR20220057047A - 관통홀이 형성된 절연 시트를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 원통형 배터리 셀, 복수의 원통형 배터리 셀의 하부에 위치하여 원통형 배터리 셀에서 발생하는 열을 방출하는 히트 싱크, 원통형 배터리 셀과 히트 싱크 사이에 위치하여 원통형 배터리 셀과 히트 싱크의 전기적 연결을 차단하는 절연 시트 및 절연 시트 상에 도포되어 원통형 배터리 셀과 절연 시트를 접착하기 위한 접착제층을 포함하는 배터리 팩에 있어서, 절연 시트는 복수의 원통형 배터리 셀 사이의 빈 공간에 복수의 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

관통홀이 형성된 절연 시트를 포함하는 배터리 팩{Battery pack including an insulating sheet with through-holes formed}

본 발명은 복수의 관통홀이 형성된 절연 시트를 적용하여 절연 시트와 히트 싱크의 접착력을 개선한 배터리 팩에 관한 것이다.

스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.

현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 셀 모듈 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.

이러한 배터리 팩은 에너지 밀도 등을 고려하여 배터리 셀이 밀집된 형태로 제조하기 때문에, 각 배터리 셀에서 발생한 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다.

따라서, 배터리 팩에는 히트 싱크 등의 냉각 장치를 구비하는 것이 일반적이고, 이러한 히트 싱크의 표면에는 부식 방지 등을 위하여 산화 피막을 형성하는 것이 일반적이다.

특히, 원통형 배터리 셀로 구성된 배터리 팩의 경우 열전도성 접착제를 히트 싱크 상에 도포하고, 원통형 배터리 셀을 안착시킨 후 경화하는 과정을 통하여 히트 싱크와 원통형 배터리 셀이 접착된다.

그러나, 열전도성 접착제의 도포 불량이나 기포 발생에 의하여 공극이 형성될 수 있고, 이 경우 배터리 셀과 히트 싱크 사이가 직접 접촉하여 쇼트가 발생할 수 있는 문제가 있다.

이러한 쇼트가 발생하는 문제를 방지하기 위하여 히트 싱크와 원통형 배터리 셀 사이에 절연 시트를 구비하기도 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 원통형 배터리 셀과 절연 시트를 포함하는 배터리 팩의 단면 일부를 도시한 단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 절연 시트를 적용한 배터리 팩에서 히트 싱크와 절연 시트의 접착이 분리된 현상을 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 살펴보면, 종래 기술의 배터리 팩은 히트 싱크(4) 상에 구비된 열전도성의 절연 시트(3), 절연 시트(3) 상에 형성된 열전도성 접착제층(2) 및 열전도성 접착제층(2)에 고정된 복수의 원통형 배터리 셀(1)을 포함한다.

이와 같이 형성된 배터리 팩은 원통형 배터리 셀(1)과 히트 싱크(4) 사이에 절연성을 확보할 수 있는 장점이 있으나, 히트 싱크(4) 상에 절연 시트(3)를 접착 시 열전도성을 고려하여 대략 0.1mm정도의 매우 얇은 두께를 가진 접착 테이프 형태의 접착제를 사용하고, 이와 같은 접착 테이프는 고분자 소재로 형성되는 절연 시트(3)에 비하여 금속 소재로 형성되는 히트 싱크(4)와의 접착력이 상대적으로 낮은 것이 일반적이다.

따라서, 종래의 배터리 팩은 히트 싱크(4)와 절연 시트(3)의 접착력이 절연 시트(3)와 열전도성 접착제층(2)의 접착력 보다 매우 낮아 배터리 팩의 제조 및 이송 등의 과정에서 기계적인 충격에 의하여 도 2에 도시된 바와 같이 절연 시트(3)와 히트 싱크(4)의 접착이 분리되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 복수의 관통홀이 형성된 절연 시트를 적용하여 절연 시트와 히트 싱크의 접착력을 개선한 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은 복수의 원통형 배터리 셀, 상기 복수의 원통형 배터리 셀의 하부에 위치하여 원통형 배터리 셀에서 발생하는 열을 방출하는 히트 싱크, 상기 원통형 배터리 셀과 히트 싱크 사이에 위치하여 원통형 배터리 셀과 히트 싱크의 전기적 연결을 차단하는 절연 시트 및 상기 절연 시트 상에 형성되어 원통형 배터리 셀을 고정하기 위한 접착제층;을 포함하는 배터리 팩에 있어서, 상기 절연 시트는 복수의 원통형 배터리 셀 사이의 빈 공간에 복수의 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 접착제층이 열전도성 접착제층인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 열전도성 접착제층이 열전도성 에폭시 접착제, 열전도성 실리콘 접착제, 열전도성 우레탄 접착제 중 어느 하나로 형성된 층인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 절연 시트가 폴리카보네이트(Polycarbonate) 시트인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 히트 싱크가 알루미늄 플레이트인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 히트 싱크가 내부에 냉매의 유동을 위한 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 접착제층이 관통홀에 침투하여 절연 시트와 히트 싱크 사이의 접착을 강화하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩의 제조 방법은 히트 싱크에 복수의 관통홀이 형성된 절연 시트를 접착하는 단계, 절연 시트 상에 접착제를 도포하는 단계, 도포된 상기 접착제 상에 복수의 원통형 배터리 셀을 위치시킨 후 히트 싱크 방향으로 가압하여 안착시키는 단계 및 접착제를 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩의 제조 방법은 접착제가 열전도성 접착제인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩의 제조 방법은 접착제를 도포하는 단계에서 접착제는 관통홀에 충전되어, 경화 후 히트 싱크와 절연 시트의 접착력을 강화하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 디바이스는 본 발명의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배터리 팩은 관통홀을 구비한 절연 시트를 적용하여 관통홀에 열전도성 접착제가 충전됨으로써 절연 성능을 유지하면서 절연 시트와 히트 싱크 사이의 접착력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 배터리 팩은 관통홀에 충전된 열전도성 접착제로 인하여 접착제층이 히트 싱크와 직접적으로 접촉함으로써, 원통형 배터리 셀로부터 히트 싱크로의 방열이 향상되는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 원통형 배터리 셀과 절연 시트를 포함하는 배터리 팩의 단면 일부를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 절연 시트를 적용한 배터리 팩에서 히트 싱크와 절연 시트의 접착이 분리된 현상을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관통홀이 형성된 절연 시트를 포함하는 배터리 팩의 단면 일부를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관통홀이 형성된 절연 시트를 나타내는 평면도이다.

본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 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.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 배터리 팩에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관통홀이 형성된 절연 시트를 포함하는 배터리 팩의 단면 일부를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관통홀이 형성된 절연 시트를 나타내는 평면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 배터리 팩에 대하여 살펴보면, 본 발명의 배터리 팩은 복수의 원통형 배터리 셀(100), 접착제층(200), 절연 시트(300) 및 히트 싱크(400)를 포함한다.

먼저, 원통형 배터리 셀(100)은 일반적으로 젤리-롤형(권취형) 전극조립체를 원통형 케이스에 수납하고, 원통형 케이스 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 탑 캡을 결합하여 제작한다.

이러한 원통형 배터리 셀(100)은 요구되는 출력 및 용량에 따라 직렬 및/또는 병렬 연결하여 배터리 팩을 제작하여 각종 디바이스에 적용할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 배터리 팩은 원통형 배터리 셀(100)을 절연 시트(300) 상에 고정 및 접착하기 위한 접착제층(200)을 구비하고 있다.

접착제층(200)은 원통형 배터리 셀(100)을 접착하는 기능에 더하여 절연 시트(300)와 원통형 배터리 셀(100)의 접촉저항을 줄여 열전도가 용이하도록 열전도성 접착제로 형성하는 것이 일반적이다.

이와 같은 열전도성 접착제로는 열전도성 에폭시 접착제, 열전도성 실리콘 접착제, 열전도성 우레탄 접착제 등 다양한 유기 및/또는 무기 열전도성 접착제가 적용될 수 있으나, 이것들로 한정되는 것은 아니다.

이러한 접착제층(200)은 절연 시트(300) 상에 일정한 점도를 가진 액상 형태의 열전도성 접착제를 도포하고, 복수의 원통형 배터리 셀(100)을 안착시킨 후 열전도성 접착제를 경화시키는 과정을 거쳐 형성하는 것이 일반적이다.

여기서, 열전도성 접착제를 경화시키는 방법은 공지의 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들면 열, 자외선 또는 열과 자외선을 둘 다 사용하는 방법 등이 열전도성 접착제의 조성에 따라 다양하게 사용될 수 있고, 필요에 따라 열전도성 접착제에 열 개시제나 광 개시제를 더 부가할 수도 있다.

한편, 히트 싱크(400)는 충방전시 원통형 배터리 셀(100)에서 발생하는 열을 외부로 방출하여 원통형 배터리 셀(100)의 온도를 적절히 유지시키기 위한 장치이다.

일반적으로, 히트 싱크(400)는 알루미늄과 같은 열전도도가 우수한 금속 소재로 형성되고, 경우에 따라 냉각 성능을 향상시키기 위하여 내부에 냉매의 유동을 위한 유로가 형성될 수도 있다.

또한, 금속 소재의 부식 등을 방지하기 위하여 히트 싱크(400)의 표면에 아노다이징(Anodizing)과 같은 공지의 다양한 방법을 사용하여 산화 피막을 형성할 수도 있다.

아노다이징은 양극(Anode)과 산화(Oxidizing)의 복합어로 양극 산화처리라고도 하는 산화피막 형성 방법으로, 이를 통하여 금속의 표면을 처리함으로써 부식 방지 등의 효과를 가질 수 있다.

한편, 히트 싱크(400)는 본 발명에서 나타낸 바와 같이 독립적으로 구비될 수도 있으나, 경우에 따라 배터리 팩 케이스와 일체로 형성될 수도 있다.

또한, 본 발명의 배터리 팩은 히트 싱크(400)와 원통형 배터리 셀(100) 사이의 절연을 위하여 절연 시트(300)가 구비된다.

절연 시트(300)는 전기 절연성과 열전도성을 가진 소재를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 시트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 시트인 것이 더욱 바람직하다.

이러한 절연 시트(300)는 히트 싱크(400)의 일면에 접착제나 접착 테이프 등을 이용하여 접착하게 되는데, 이 경우 접착제 또는 접착 테이프의 두께는 배터리 셀에서 히트 싱크(400)로의 열전도에 최대한 영향을 끼치지 않도록 가능한 얇은 두께로 형성한다.

도 4를 참조하여 좀더 상세하게 본 발명의 절연 시트(300)를 살펴보면, 본 발명의 절연 시트(300)에는 다수의 관통홀(310)이 형성되어 있다.

관통홀(310)은 절연 시트(300) 상에 위치하는 원통형 배터리 셀(100)들 사이의 원통형 배터리 셀(100)이 위치하지 않는 빈 공간에 복수로 형성함으로써, 원통형 배터리 셀(100)과 히트 싱크(400) 사이에 항상 절연 시트(300)가 존재하게 된다.

즉, 관통홀(310)이 형성된 절연 시트(300)를 적용하는 경우에도 접착제층(200)에 공극 등이 발생하더라도, 관통홀을 형성하지 않은 절연 시트와 동일하게 원통형 배터리 셀(100)과 히트 싱크(400)의 절연은 유지될 수 있다.

이러한 관통홀(310)의 형상은 도 4에서와 같이 사각형 형태일 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 관통홀(310)이 형성될 공간의 크기나 형태 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.

또한, 열전도성 접착제를 도포하여 접착제층(200)을 형성 시 절연 시트(300)의 관통홀(310)로 열전도성 접착제가 충전되게 되고, 이후 경화됨으로써 접착제층(200)이 히트 싱크(400)와 직접 접촉하게 된다.

따라서, 히트 싱크(400)와 절연 시트(300)는 기존의 접착제나 접착 테이프에 의한 접착력과 관통홀(310)에 충전된 열전도성 접착제에 의한 접착력이 더해져 접착력이 강화되는 효과가 있다.

또한, 열전도성 접착제로 형성된 접착제층(200)이 히트 싱크(400)와 직접적으로 접촉함으로써 열전도에도 더욱 유리한 측면이 있다.

한편, 본 발명에서는 구체적으로 개시하지는 않았으나, 배터리 팩은 배터리 셀들을 수납하는 케이스 및 배터리 셀을 제어하기 위한 각종 부품들을 포함하고 있는 것이 일반적이다.

이어서, 본 발명의 배터리 팩을 제조하는 방법을 살펴보면, 먼저 히트 싱크(400)에 복수의 관통홀(310)이 형성된 절연 시트(300)를 접착하고, 접착된 절연 시트(300) 상에 열전도성 접착제를 도포한다.

다음으로, 도포된 열전도성 접착제 상에 복수의 원통형 배터리 셀을 위치시킨 후 히트 싱크 방향으로 가압하여 안착시키고, 열전도성 접착제를 경화하여 접착제층(200)을 형성함으로써 배터리 팩을 제조하게 된다.

여기서, 안착되는 원통형 배터리 셀은 히트 싱크(400)와의 절연에 영향이 없도록 절연 시트(300)에 형성된 관통홀(310)이 위치하지 않는 곳에 배치하는 것이 바람직하다.

즉, 관통홀(310)은 원통형 배터리 셀의 배치를 고려하여 적절한 간격과 크기로 형성하는 것이 필요하다.

한편, 열전도성 접착제를 관통홀(310)까지 충전하고, 경화하여 접착제층(200)을 형성함으로써, 접착제층(200)은 복수의 원통형 배터리 셀(100)을 고정하는 역할에 더하여 절연 시트(300)와 히트 싱크(400)의 접착력을 보완하는 기능을 하게 된다.

또한, 본 발명의 배터리 팩은 전력원을 필요로 하는 각종 디바이스에 장착될 수 있는데, 예를 들어 디바이스는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등과 같이 대용량의 배터리를 포함하는 장치일 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

100 : 원통형 배터리 셀
200 : 열전도성 접착제
300 : 절연 시트
310 : 관통홀
400 : 히트 싱크

Claims (11)

1. 복수의 원통형 배터리 셀;
   상기 복수의 원통형 배터리 셀의 하부에 위치하여 상기 원통형 배터리 셀에서 발생하는 열을 방출하는 히트 싱크;
   상기 원통형 배터리 셀과 상기 히트 싱크 사이에 위치하여 상기 원통형 배터리 셀과 상기 히트 싱크의 전기적 연결을 차단하는 절연 시트; 및
   상기 절연 시트 상에 형성되어 상기 원통형 배터리 셀을 고정하기 위한 접착제층;을 포함하는 배터리 팩에 있어서,
   상기 절연 시트는 상기 복수의 원통형 배터리 셀 사이의 빈 공간에 복수의 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 접착제층은 열전도성 접착제층인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 열전도성 접착제층은 열전도성 에폭시 접착제, 열전도성 실리콘 접착제, 열전도성 우레탄 접착제 중 어느 하나로 형성된 층인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 절연 시트는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 시트인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 히트 싱크는 알루미늄 플레이트인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 히트 싱크는 내부에 냉매의 유동을 위한 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
   
7. 제2항에 있어서, 상기 접착제층은 상기 관통홀에 침투하여 상기 절연 시트와 상기 히트 싱크 사이의 접착을 강화하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
   
8. 절연 시트와 히트 싱크 사이의 접착력이 강화된 배터리 팩을 제조하는 방법으로서,
   상기 히트 싱크에 복수의 관통홀이 형성된 상기 절연 시트를 접착하는 단계;
   상기 절연 시트 상에 접착제를 도포하는 단계;
   도포된 상기 접착제 상에 복수의 원통형 배터리 셀을 위치시킨 후 상기 히트 싱크 방향으로 가압하여 안착시키는 단계;
   상기 접착제를 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 접착제는 열전도성 접착제인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
   
10. 제8항에 있어서, 상기 접착제를 도포하는 단계에서 상기 접착제는 상기 관통홀에 충전되어, 경화 후 상기 히트 싱크와 상기 절연 시트의 접착력을 강화하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
    
11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 배터리 팩을 포함하는 디바이스.
    

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