KR20220096198A - 강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈 - Google Patents

강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈 Download PDF

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Abstract

접촉면적 확장이 가능한 냉각핀을 통해 냉각효율을 향상시킬 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈은, 복수개의 전지셀; 및 상기 전지셀들을 냉각시키는 복수개의 냉각핀을 포함하고, 상기 복수개의 냉각핀은 각각, 제1 면은 제1 전지셀에 접촉하고 상기 제1 면에 반대되는 제2 면은 제2 전지셀에 접촉하는 본체부; 상기 본체부의 상단에서 상기 제1 전지셀 측으로 연장되고, 요철을 갖도록 형성된 제1 열방출부재; 상기 본체부의 하단에서 상기 제2 전지셀 측으로 연장되고, 요철을 갖도록 형성된 제2 열방출부재; 및 상기 본체부의 상기 제1 면 제2 면 중 적어도 하나의 면에 부착되고 메시 구조로 형성된 강도보강부재를 포함하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

Description

강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈{Battery Module Including Cooling Pin for Intensity Improvement}
본 발명은 전지모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 충방전 가능한 전지모듈에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지가 다양한 어플리케이션에서 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 많은 전지셀들을 적층할수록 냉각 구조와 관련하여 다수의 부품이 추가되어 전지모듈의 부피가 커질 뿐만 아니라, 제조 공정이 복잡해지며, 이에 따른 제조비용 역시 크게 상승하는 단점이 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 접촉면적 확장이 가능한 냉각핀을 통해 냉각효율을 향상시킬 수 있는 강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 대용량의 전력을 제공하면서도 경량화가 가능한 강도향상을 위한 포함하는 전지모듈을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은면 강도보강부재를 이용하여 강도 향상이 가능한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈은, 복수개의 전지셀; 및 상기 전지셀들을 냉각시키는 복수개의 냉각핀을 포함하고, 상기 복수개의 냉각핀은 각각, 제1 면은 제1 전지셀에 접촉하고 상기 제1 면에 반대되는 제2 면은 제2 전지셀에 접촉하는 본체부; 상기 본체부의 상단에서 상기 제1 전지셀 측으로 연장되고, 요철을 갖도록 형성된 제1 열방출부재; 상기 본체부의 하단에서 상기 제2 전지셀 측으로 연장되고, 요철을 갖도록 형성된 제2 열방출부재; 및 상기 본체부의 상기 제1 면 제2 면 중 적어도 하나의 면에 부착되고 메시 구조로 형성된 강도보강부재를 포함하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 전지셀들 중 제1 전지셀 및 상기 제1 전지셀에 제 방향으로 인접한 제2 전지셀 사이에 배치되는 제1 냉각핀은 알루미늄 소재로 형성되고, 상기 제2 전지셀 및 상기 제2 전지셀에 상기 제1 방향으로 인접한 제3 전지실 사이에 배치되는 제1 냉각핀은 CFRP로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉각핀을 구성하는 제1 및 제2 열방출소재에 요철구조를 형성함으로써 냉각핀의 접촉면적을 증가시킬 수 있어 냉각효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 냉각핀들 중 적어도 일부를 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재로 형성함으로써 대용량 전력을 제공할 수 있고, 전지모듈의 경량화도 가능해진다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 냉각핀의 일면에 메쉬구조의 강도보강부재를 부착시킴으로써 냉각핀의 강도를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 전지모듈의 강도 또한 향상된다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지모듈의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각핀의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 냉각핀의 측면도이다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명의 핵심 구성과 관련이 없는 경우 및 본 발명의 기술분야에 공지된 구성과 기능에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3 항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미할 수 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지모듈의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전지 모듈(100)은 복수개의 전지셀(110) 및 복수개의 냉각핀(120)을 포함한다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 전지셀(110)과 냉각핀(120)을 커버하는 모듈 케이스를 생략하여 표시하였다.
본 발명에 따른 모듈 케이스는 상면 및 하면 중 적어도 하나가 개방되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 전지셀(110)들은 전지셀(110)의 양 측면이 모듈 케이스의 개방된 상면과 하면을 향하도록 적층구조를 형성항 상태로 모듈 케이스에 장착될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전지모듈(100) 내에서 전지셀(110)들은 각 전지셀(110)의 측면이 마주보도록 연속하여 배치되고, 전지셀(110)의 개수는 전지모듈(110)이 적용되는 어플리케이션에 따라 결정될 수 있다.
전지셀(110)들의 사이에는 냉각핀(120)들이 각각 배치된다. 일 실시예에 있어서, 냉각핀(120)들 중 일부는 알루미늄 소재로 형성되고, 나머지 일부는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재로 형성함으로써 전지모듈의 경량화를 구현할 수 있다.
구체적으로, 제1 전지셀(110a)과 제2 전지셀(110b) 사이에 배치된 냉각핀(120)은 알루미늄 소재로 형성되고, 제2 전지셀(110b)과 제3 전지셀(110c) 사이에 배치된 냉각핀(120)은 탄소섬유강화플라스틱 소재로 형성될 수 있다. 즉, 알루미늄 소재로 형성된 냉각핀(120)과 탄소섬유강화플라스틱 소재로 형성된 냉각핀(120)을 전지모듈(100) 내에 교번하여 배치시킬 수 있다.
한편, 냉각핀(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 전체적으로 "Z"자 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 최외곽에 배치된 2개의 냉각핀(120)은 "L"자 또는 "ㄱ"자 형상으로 형성될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각핀에 대해 구체적으로 설명한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 "Z"자 형상으로 형성된 냉각핀을 기준으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각핀의 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각핀(120)은 본체부(200), 제1 열방출부재(210), 및 제2 열방출부재(220)를 포함한다.
본체부(200)의 제1 면은 도 1에 도시된 제1 전지셀(110a)에 접촉하고 본체부(200)의 제2 면은 도 1에 도시된 제2 전지셀(110b)에 접촉한다.
제1 열방출부재(210)는 본체부(200)의 상단에서 제1 전지셀(110a) 측으로 연장되도록 형성된다. 일 실시예에 있어서, 제1 열방출부재(210)에는 요철구조가 형성되어 있다. 본 발명에 따르면 제1 열방출부재(210)가 요철구조를 갖도록 형성함으로써 제1 열방출부재(210)가 공기와 접촉할 수 있는 면적이 증대됨으로써 냉각핀(120)에 의한 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
제2 열방출부재(220)는 본체부(200)의 하단에서 제2 전지셀(110b) 측으로 연장되도록 형성된다. 일 실시예에 있어서, 제2 열방출부재(220)에는 요철구조가 형성되어 있다. 본 발명에 따르면 제2 열방출부재(220)가 요철구조를 갖도록 형성함으로써 제2 열방출부재(220)가 공기와 접촉할 수 있는 면적이 증대됨으로써 냉각핀(120)에 의한 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 냉각핀(120)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 강도보강부재(230)를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 강도보강부재(230)는 본체부(200)의 제1 면 제2 면 중 적어도 하나의 면에 부착되어 냉각핀(120)의 강도를 향상시킨다. 일 실시예에 있어서, 강도보강부재(230)는 메시 구조로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 이렇나 강도보강부재(230)는 복수개의 연결라인들이 바둑판 모양으로 배치되고, 각 연결라인들에 의해 홀들이 형성됨으로써 메쉬구조로 형성될 수 있다. 이때, 홀의 모양이 육각형 모양이 되도록 연결라인들이 배치될 수 있고, 연결라인은 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스스틸, 구리, 은, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic), 및 산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
상술한 설명에서는 냉각핀이 "Z"자 형상으로 형성된 것으로 기준으로 설명하였지만, "Z"자 형상의 냉각핀에 적용된 특징은 최외곽에 배치된 "L"자 또는 "ㄱ"자 형상의 냉각핀에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, "L"자 형상의 냉각핀은 제1 열방출소재를 제외한 나머지 특징은 "Z"자 형상의 냉각핀과 동일하고, "ㄱ"자 형상의 냉각핀은 제2 열방출소재를 제외한 나머지 특징은 "Z"자 형상의 냉각핀과 동일하다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 전지모듈 110: 전지셀
120: 냉각핀 200: 본체부
210: 제1 열방출부재 220: 제2 열방출부재
230: 강도보강부재

Claims (2)

  1. 복수개의 전지셀; 및
    상기 전지셀들을 냉각시키는 복수개의 냉각핀을 포함하고,
    상기 복수개의 냉각핀은 각각,
    제1 면은 제1 전지셀에 접촉하고 상기 제1 면에 반대되는 제2 면은 제2 전지셀에 접촉하는 본체부;
    상기 본체부의 상단에서 상기 제1 전지셀 측으로 연장되고, 요철을 갖도록 형성된 제1 열방출부재;
    상기 본체부의 하단에서 상기 제2 전지셀 측으로 연장되고, 요철을 갖도록 형성된 제2 열방출부재; 및
    상기 본체부의 상기 제1 면 제2 면 중 적어도 하나의 면에 부착되고 메시 구조로 형성된 강도보강부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    복수개의 전지셀들 중 제1 전지셀 및 상기 제1 전지셀에 제 방향으로 인접한 제2 전지셀 사이에 배치되는 제1 냉각핀은 알루미늄 소재로 형성되고,
    상기 제2 전지셀 및 상기 제2 전지셀에 상기 제1 방향으로 인접한 제3 전지실 사이에 배치되는 제1 냉각핀은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic)소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 강도향상을 위한 냉각 핀을 포함하는 전지모듈.
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