KR20220160302A - 배터리 팩용 단열시트 및 이를 구비한 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
배터리 팩이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 대향하는 주면을 가지며, 주면이 서로 마주보도록 배치되는 다수 개의 배터리 셀, 및 대향하는 주면을 가지며, 주면이 서로 마주보는 적어도 일부의 배터리 셀 사이에 배치되어 각각의 배터리 셀로부터 주면쪽으로 전달받은 열을 면방향으로 이동시켜서 주면에 접촉하는 배터리 셀의 온도 낮추되, 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 면방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 주면에 접촉하는 어느 일 배터리 셀에서 발생된 열이 다른 배터리 셀로 전달되는 것을 최소화시키기 위한 그라파이트 시트인 단열부재를 구비한 제1단열시트를 포함하여 구현된다. 이에 의하면, 발열원인 배터리 셀로부터 발생된 열이 빠르게 전달되면서도 인접한 배터리 셀 간에 열이 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
Description
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이며, 보다 상세하게는 고출력 및 고용량을 요구하는 전기자동차 용도의 배터리 팩으로도 적용이 가능한 배터리 팩에 관한 것이다.
최근, 전기자동차, 휴대용 전화기, 노트북, 디지털 카메라 등과 같은 장치 또는 기기들은 박형화 되면서 고용량화된 에너지 저장장치를 요구하고 있다.
위와 같은 장치나 기기에 많이 채용되고 있는 에너지 저장장치는 이차전지이며, 그 중에서도 리튬이차전지는 박형화를 달성하고 고에너지밀도와 고출력 구동이 가능한 장점이 있다.
한편, 박형화가 가능한 경우 한정된 면적 내 많은 개수로 리튬이차전지를 배치시킬 수 있음에 따라서 보다 고용량화된 배터리 팩을 구현하기에 적합하다.
다만, 리튬이차전지를 다수 개 연결하는 경우 용량은 증가하지만 각각의 배터리가 충방전될 때 발생된 열이 배터리와 배터리 사이에 축적되고 이로 인해서 배터리 성능을 저하시키는 문제가 있다.
또한, 다수 개의 배터리 중 어느 하나의 오작동, 불량 등으로 인해서 고온의 발열이 발생할 경우 인접하는 다른 배터리에 영향을 미쳐서 전체 배터리 팩의 성능을 저하시키고, 심할 경우 화재나 폭발의 우려가 있다.
이에 따라서 다수의 배터리가 연결된 상태에서 발생된 배터리의 열을 외부로 빠르게 추출함과 동시에 배터러 간의 열교환 또는 열전달을 최대한 방지시켜서 인접한 배터리로 인해 발생되는 성능저하, 폭발 및/또는 화재를 방지하는 방열 및 단열구조에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 한정된 공간 내 다수 개의 배터리 셀이 배치되는 배터리 팩에 있어서 인접하는 배터리 간의 열교환 또는 열전달을 방지하면서 배터리로부터 발생되는 열을 빠르게 공기나 냉각수단으로 방열시켜서 배터리 팩의 성능을 온전히 발현시킬 수 있는 배터리 팩용 단열시트 및 이를 구비한 배터리 팩을 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 대향하는 주면을 가지며 주면이 서로 마주보도록 배치되는 다수 개의 배터리 셀, 및 대향하는 주면을 가지며 주면이 서로 마주보는 적어도 일부의 배터리 셀 사이에 배치되어 각각의 배터리 셀로부터 주면쪽으로 전달받은 열을 면방향으로 이동시켜서 주면에 접촉하는 배터리 셀의 온도 낮추되, 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 면방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 주면에 접촉하는 어느 일 배터리 셀에서 발생된 열이 다른 배터리 셀로 전달되는 것을 최소화시키기 위한 그라파이트 시트인 단열부재를 구비한 제1단열시트를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 그라파이트 시트는 인조 그라파이트 시트, 천연 그라파이트 시트, 다층 그래핀 시트 또는 이들 중 어느 하나 이상의 적층시트일 수 있다.
또한, 상기 그라파이트 시트의 두께는 10 내지 2000㎛인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
또한, 상기 제1단열시트는 단열부재의 주면 및 네 측면을 봉지하는 접착부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착부재는 접착층 및 상기 접착층에 분산된 절연성 방열필러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착부재는 기재 및 상기 기재 양면에 접착층이 형성된 양면테이프일 수 있다.
또한, 다수 개의 배터리 셀의 적어도 어느 일측에 배치되는 냉각수단을 더 포함하며, 상기 제1단열시트는 상기 냉각수단에 직접 접촉하거나 또는 다른 열전도성 부재를 경유해 간접적으로 상기 냉각수단과 접촉될 수 있다.
또한, 하나 또는 연속하여 주면이 인접하는 2개 이상의 배터리 셀을 수용하는 배터리 카트리지 및 배터리 셀을 수용한 다수 개의 배터리 카트리지가 다단으로 적층 및 고정시키기 위한 체결수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 인접하는 배터리 카트리지 사이에는, 각각의 배터리 카트리지로부터 주면 쪽으로 전달받은 열을 주면 방향으로 이동시키되 상기 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 주면 방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 어느 일 배터리 카트리지에서 이동된 열이 다른 배터리 카트리지 측으로 전달되는 것을 최소화 시키기 위한 그라파이트 시트를 구비한 단열부재를 포함하는 제2단열시트가 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 대향하는 주면을 가지는 다수 개의 배터리 셀이 주면이 서로 마주보도록 적층된 배터리 팩에서 인접하는 어느 두 배터리 셀 사이에 배치되는 배터리 팩용 단열시트로서, 대향하는 주면을 가지며, 각각의 배터리 셀로부터 주면쪽으로 전달받은 열을 면방향으로 이동시켜서 주면에 접촉하는 배터리 셀의 온도 낮추되, 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 면방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 주면에 접촉하는 어느 일 배터리 셀에서 발생된 열이 다른 배터리 셀로 전달되는 것을 최소화시키기 위한 그라파이트 시트인 단열부재를 구비한 배터리 팩용 단열시트를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 단열부재의 주면 및 네 측면을 봉지하는 접착부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터릭 팩용 단열시트는 발열원인 배터리 셀로부터 열을 전달받아 배터리 셀의 발열 수준을 낮추면서도 전달받은 열이 인접하는 다른 배터리 셀로 전달되는 것을 최소화할 수 있어서 다수 개의 배터리 셀이 적층 배치되는 배터리 팩에서 배터리 셀 간에 열 교환 또는 열 전달을 최소화 또는 차단시키기에 매우 적합하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단열시트는 단열시트 내 층의 손상, 파괴로 인해 발생할 수 있는 분진이 비산되는 것을 방지할 수 있어서 분진으로 인한 배터리 팩의 화재, 폭발 등의 위험상황을 방지 할 수 있어서 배터리 팩을 채용하는 일반적인 전자기기에서부터 전기자동차에 이르기까지 널리 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면 모식도 및 부분 확대도,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따른 단열시트의 단면 모식도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면 모식도,
도 6은 도 5의 A부분의 확대도로써, 배터리 셀로부터 발생된 열의 이동 경로를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도,
도 8은 도 7의 X-X' 경계선에 따른 단면 모식도, 그리고
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따른 단열시트의 단면 모식도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면 모식도,
도 6은 도 5의 A부분의 확대도로써, 배터리 셀로부터 발생된 열의 이동 경로를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도,
도 8은 도 7의 X-X' 경계선에 따른 단면 모식도, 그리고
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 대향하는 주면을 가지며, 주면이 서로 마주보도록 배치되는 다수 개의 배터리 셀(10), 및 대향하는 주면을 가지며, 주면이 서로 마주보는 적어도 일부의 배터리 셀 사이에 배치되는 제1단열시트(20)를 포함한다.
상기 배터리 셀(10)은 적어도 하나의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 전극조립체과 전해액 및 이들을 수용하는 케이스를 구비하는 공지된 배터리 셀의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 배터리 셀(10)은 일 예로 리튬-이온 셀일 수 있다. 또한, 상기 배터리 셀(10)은 외장재가 경화금속, 플라스틱 케이스, 또는 금속층과 고분자 수지 필름층이 복합화된 것일 수 있다. 또한, 상기 배터리 셀(10)의 양극 및 음극은 공지된 전극재료의 경우 제한 없이 사용할 수 있으며, 상기 양극 및 음극 상에는 공지된 양극활물질 및 음극활물질이 피복될 수 있다. 또한, 상기 배터리 셀(10)의 전해액은 리튬이온 전해액 또는 폴리머 전해액 등 공지된 전해액을 사용할 수 있으므로 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 배터리 셀(10)의 형상은 각기둥 형상이나, 전극조립체가 파우치 형태의 외장재 내부에 수용된 후 전극조립체를 둘러싸는 외장재 테두리 부분을 압착시키는 공지의 파우치형 배터리 형상을 가질 수 있다.
상기 배터리 셀(10)은 한정된 공간에 최대한 많은 개수로 배열될 수 있도록 대향하는 주면을 가질 수 있고, 배터리 팩(1000) 내 배터리 셀(10)들의 주면이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
상기 제1단열시트(20)는 주면이 서로 마주보도록 배치되는 배터리 셀(10) 사이에 배치된다.
또한, 상기 제1단열시트(20)의 주면은 배터리 셀(10) 주면의 전면 또는 일부와 접촉하도록 배치될 수 있다. 예를 들어 제1단열시트(20)는 배터리 셀(10)의 주면 면적보다 작은 면적을 가져서 배터리 셀(10)의 주면 일부에만 접촉되도록 배치될 수 있다. 또는 제1단열시트(20)는 주면의 일부가 배터리 셀(10) 주면의 일부 또는 전부와 접촉하며, 제1단열시트(20) 주면의 나머지 부분이 배터리 셀(10)의 측면이나 또는 배터리 팩에 구비될 수 있는 기타 부재에 접촉하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1단열시트(20)는 배터리 팩(1000)에 구비된 모든 배터리 셀(10) 사이에 배치되거나 또는 이들 중 일부 인접하는 배터리 셀(10) 사이에만 구비될 수도 있다.
또한, 상기 제1단열시트(20)는 대향하는 주면을 가지며, 제1단열시트(20)의 대향하는 주면에 각각 배치되는 배터리 셀(10)로부터 상기 주면 쪽으로 각각 전달받은 열을 면방향으로 이동시켜서 주면에 접촉하는 배터리 셀(10)의 온도 낮추는 방열효과를 발현하면서 동시에 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 면방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 어느 일 주면에 접촉하는 배터리 셀(10)에서 발생된 열이 대향하는 다른 주면에 접촉하는 배터리 셀(10)로 전달되는 것을 최소화시키는 단열효과를 발현하며, 이를 위해 상기 제1단열시트(20)는 그라파이트 시트인 단열부재(21)를 포함한다.
상기 제1단열시트(20)의 단열 및 방열 메커니즘에 대해서 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면, 제1단열시트(20) 대향하는 주면에 각각 배치되는 핫스팟인 배터리 셀(10)로부터 제1단열시트(20)의 접착부재(22)를 거쳐서 단열부재(21)로 도달한 열은 두께방향에 수직인 면방향으로 우세하게 발현되는 단열부재(21)의 열전도 특성에 의해 단열부재(21)의 열용량이 포화되기 전까지 두께방향보다는 면방향으로 더 많은 열을 이동시키게 된다. 이와 같은 열전도 경향은 단열부재(21)의 주면에 수직한 두께방향으로 열 이동을 최소화 시킴으로써 제1단열시트(20)의 어느 일 주면 상에 배치된 배터리 셀(10)로부터 대향하는 주면 상에 배치된 배터리 셀(10)을 향해서 열 전달을 최소화 또는 방지시키는 단열효과를 발현하면서도 발열체인 배터리 셀(10) 에 대해서는 온도를 감소시키는 방열효과를 발휘한다.
상기 단열부재(21)는 그라파이트 시트로 구현되는데, 1장의 그라파이트 시트 또는 다수 장의 그라파이트 시트가 적층된 것일 수 있다. 이때, 단열부재(21)가 1장의 그라파이트 시트로 이루어진 경우 상술한 단열부재(21)의 열전도 특성은 1장의 그라파이트 시트에 기인한 열전도 특성일 수 있다. 다만 도 3에 도시된 것과 같이 단열부재(21')가 여러 장의 그라파이트 시트(21a,21b)가 적층된 형태이거나 또는 그라파이트 시트(21a,21b) 이외에 접착층(21c)과 같은 다른 층을 포함하고 있는 경우 조합된 단열부재 전체로써 상술한 단열부재(21,21')의 열전도 특성을 만족하기만 하면 무방하다. 또한, 단열부재(21')가 여러 장의 그라파이트 시트(21a,21b)가 적층되되 이들 각각을 부착시키기 위한 접착층(21c)을 더 포함하는 경우 접착층(21c)으로 인해서 단열부재(21')의 두께 방향으로의 열전달은 더욱 최소화시킬 수 있다.
또한, 상기 단열부재(21,21')는 그라파이트 시트로써 천연 그라파이트 시트, 인조 그라파이트 시트 및 다층 그래핀 시트 중 어느 1종을 포함할 수 있다. 또한, 이들 중 2종 이상을 포함하는 다층의 적층체일 수 있다. 또는 이들 중 1종을 포함하는 경우에도 1종의 시트가 여러 장 적층된 적층체로 구비될 수 있다.
상기 단열부재(21,21')에 채용되는 낱 장의 그라파이트 시트는 두께가 10 내지 2000㎛일 수 있다. 만일 두께가 10㎛ 미만일 경우 단열부재(21,21')의 두께방향으로의 단열효과가 미약해 제1단열시트(20) 대향하는 주면에 각각 배치된 2개의 배터리 셀(10) 중 어느 일 배터리 셀(10)의 발열이 더 클 경우 발열이 큰 배터리 셀(10)로부터 다른 배터리 셀(10) 쪽으로 열 이동이 발생할 우려가 있다. 또한, 만일 두께가 2000㎛를 초과할 경우 개선되는 방열 및 단열효과가 미미할 수 있고, 제조가 용이하지 않을 수 있으며, 두께증가로 한정된 영역 내 배치되는 배터리 셀(10)의 개수 감소를 유발할 우려가 있다. 또한, 제1단열시트(20)가 부착되는 부분에 곡률이나 단차가 있을 경우 단열부재(21,21')에 크랙 등의 손상이 발생할 수 있는데, 발생하는 손상은 방열 및/또는 단열 효과를 감소시킬 수 있다. 더불어 손상으로 인해 발생된 분진의 비산으로 인해서 배터리 팩의 전기적 쇼트를 초래할 우려가 있다. 또한, 제1단열시트(20)를 구성하는 여러 부재 간 계면에서의 박리, 들뜸이 발생할 우려도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단열부재(21,21')는 제1단열시트(20)의 주면 상에 배치되는 두 배터리 셀(10)로부터 각각 전달받은 열이 두께방향으로 전달되어 서로 중첩되는 것을 최소화하기 위하여 두께방향 열전도도(b)에 대한 면방향의 열전도도(a) 비율(a/b)이 20 이상, 다른 일 예로 30 이상, 40 이상, 50 이상, 60 이상, 80 이상, 90이상, 100 이상, 또는 120 이상일 수 있고, 다른 일예로 200 이하인 것을 구비할 수 있다.
또한, 상기 단열부재(21,21')는 면 방향 열전도도가 일 예로 100 ~ 1700 W/m·k일 수 있고, 두께 방향 열전도도는 3 ~ 15W/m·k일 수 있다.
또한 제1단열시트(20)는 대향하는 주면에 배치되는 배터리 셀(10)에 고정되기 위한 접착부재(22)를 더 포함할 수 있다. 상기 접착부재(22)는 단열부재(21,21')의 대향하는 주면 상에 각각 형성될 수 있고, 바람직하게는 단열부재(21,21')인 그라파이트 시트가 손상되어 발생되는 분진에 따른 배터리 팩의 전기적 쇼트를 방지하기 위하여 주면 및 네 측면이 모두 봉지되도록 도 2에 도시된 것과 같은 형태로 구비될 수 있다.
상기 접착부재(22)는 접착층(23)으로 이루어질 수 있다. 상기 접착층(23)은 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 접착층이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아크릴수지, 우레탄수지, 에폭시수지, 실리콘 고무, 아크릴 고무, 카르복실 니트릴 엘라스토머, 페녹시 및 폴리이미드수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 구비하는 접착성분을 포함하는 접착층 형성 조성물로 형성될 수 있다. 또한, 상기 접착층 형성 조성물은 상기 접착성분이 경화형 수지인 경우 경화제를 더 포함할 수 있으며, 목적에 따라서 경화촉진제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 경화제는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 경화제라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에폭시계 경화제, 디이소시아네이트계 경화제, 2차 아민계 경화제, 3차 아민계 경화제, 멜라민계 경화제, 이소시안계 경화제 및 페놀계 경화제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착층(23)은 두께가 7 ~ 55㎛일 수 있으며, 바람직하게는 10 ~ 50㎛일 수 있다. 만일 상기 접착층의 두께가 7㎛ 미만이면 층간 접착력이 저하될 수 있고, 두께가 55㎛를 초과하면 박막화 측면에서 바람직하지 않으며, 제1단열시트(20)의 한정된 두께를 고려했을 때 접착층의 두께 증가로 인해서 단열부재의 두께가 상대적으로 얇아 지게 됨에 따라 방열 및/또는 단열 특성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 접착부재(22)는 접착층(23) 내에 절연성 방열필러(24)를 더 구비한 것일 수 있으며, 이를 통해서 제1단열시트(20)는 배터리 셀(10)로부터 열을 보다 효율적으로 전달받을 수 있다. 상기 절연성 방열필러(24)는 열전도성이 있으나 전기전도성은 미약한 것으로 알려진 공지된 것을 사용할 수 있으며, 형상, 크기는 제한이 없고, 구조에 있어서도 다공질이거나 비다공질일 수 있다. 또한, 상기 절연성 방열필러(24)는 탄화규소, 산화마그네슘, 이산화티타늄, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 산화알루미늄, 실리카, 산화아연, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 산화베릴륨, 산화망간, 산화지르코니아 및 산화붕소 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 절연성 방열필러(24)의 경우 표면이 실란기, 아미노기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기 등의 관능기로 개질시킨 필러를 사용할 수 있고, 이때, 상기 관능기는 직접 필러의 표면에 결합되어 있을 수 있고, 또는 탄소수 1 ~ 20개의 치환 또는 비치환의 지방족 탄화수소나 탄소수 6 ~ 14개의 치환 또는 비치환의 방향족 탄화수소를 매개로 필러에 간접적으로 결합되어 있을 수 있다.
또한, 상기 절연성 방열필러(24)는 카본계, 금속 등의 공지된 전도성 방열필러를 코어로 하고, 절연성 성분이 상기 코어를 둘러싸는 코어쉘 타입의 필러일 수도 있다.
한편, 도 4에 도시된 것과 같이 접착부재(22')는 기재(25) 및 상기 기재 양면에 접착층(23)이 형성된 양면테이프 타입일 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이 접착부재(22)가 접착층(23)으로만 이루어진 경우 고온의 발열조건에서 단열부재(21,21')의 측면을 장시간 봉지하기 어려울 수 있다. 이에 상기 접착부재(22')는 기재(25)를 구비한 양면테이프 타입일 수 있고 이를 통해서 배터리 셀(10)이 충방전 중 발열이 발생하는 경우에도 단열부재(21,21')의 측면을 장시간 봉지하기 보다 유리할 수 있다.
상기 기재(25)는 PET 필름 등 고분자 수지로 형성된 필름이거나 금속성의 필름일 수 있다. 다만, 고분자 수지로 형성된 필름의 경우 배터리 셀(10)로부터 전달되는 높은 열로 인해서 주름, 수축 등이 발생할 수 있고, 이 경우 접착부재(22')와 배터리 셀(10) 및/또는 단열부재(21,21') 간의 계면에 들뜸, 박리가 발생할 수 있고, 이로 인해 배터리 셀로부터 열 전달이 현격히 저하될 우려가 있다. 이에 따라서 상기 기재(25)를 금속성 필름으로 구비 시 고온의 배터리 셀로 인한 주름, 수축이 방지되어 제1단열시트의 고온 신뢰성을 보다 개선시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 단열부재(21,21')의 측면을 보다 오랫동안 봉지시키기에 유리할 수 있다. 더불어 배터리 셀(10)로부터 열을 빠르게 전달받기 유리해 짐에 따라서 배터리 팩의 방열효과를 개선할 수 있다.
상기 금속성 필름은 당업계에서 통상적으로 사용되는 금속기재라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 동박, 알루미늄박, 은박, 니켈박 및 금박 중 어느 하나이거나 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 합금, 이들 중 2종 이상이 혼합되거나 2종이 각각의 층을 이루어 적층된 금속막일 수 있다. 바람직하게는 금속성 필름은 동박 및 알루미늄박 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속박일 수 있다.
한편, 상기 금속성 필름의 두께는 7 ~ 75㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 ~ 70㎛일 수 있다. 상기 금속성 필름의 두께가 7㎛ 미만이면 목적하는 수준의 방열특성을 발현할 수 없고 찢김 현상이 발생할 수 있으며, 두께가 75㎛를 초과하면 제1단열시트의 박막화가 어려워지고 가요성이 저하됨에 따라 벤딩 시 층간 들뜸 및 박리가 발생할 수 있어서 신뢰성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 기재(25)는 접착층(23)과의 부착특성 향상을 위해서 표면에 요철이 형성되어 소정의 표면 조도를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 도 5에 도시된 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000')은 배열된 다수 개의 배터리 셀(10) 일측에 냉각 플레이트와 같은 냉각수단(30)을 더 포함할 수 있다. 이때, 제1단열시트(20)는 상기 냉각수단(30)에 직접 접촉하도록 배치되거나 또는 도 5에 도시된 것과 같이 배터리 셀(10)의 일 측과 냉각수단(30) 사이의 열 전달 계면을 개선시키기 위한 열전도성 부재(40)를 개재해 상기 냉각수단(30)에 간접적으로 접촉할 수 있다. 상기 열전도성 부재(40)는 공지된 갭 필러, 갭 패드 등으로 통칭되는 TIM(Thermal interface material) 소재일 수 있다. 또는 상기 열전도성 부재(40)는 자동차와 같은 진동이 잦은 사용환경에서 배터리 셀(10)들의 손상을 방지하기 위한 탄성력을 갖는 방열탄성체일 수 있다.
또는 상기 열전도성 부재(40)는 도 8에 도시된 것과 같이 배터리 셀(10)을 지지하기 위한 배터리 카트리지(100)일 수도 있음을 밝혀둔다.
이때, 제1단열시트(20)는 도 5에 도시된 것과 같이 끝단이 열전도성 부재(40)에 접촉하도록 배치될 수 있으나, 제1단열시트(20) 일 측이 배터리 셀(10) 보다 길게 형성되어 배터리 셀(10)의 측면을 감싸도록 배치될 수도 있음을 밝혀둔다.
도 6을 참조하여 도 5에 도시된 배터리 팩(1000')에서의 열전달 메커니즘을 구체적으로 살펴보면, 제1단열시트(20)의 주면에 각각 배치된 배터리 셀(10)은 핫스팟(H)으로써, 발생된 열은 접착부재(22)를 거쳐서 단열부재(21)로 이동하며, 단열부재(21)의 열적특성 즉, 면방향으로 열 스프레딩(H1)이 두께방향 열 스프레딩(H2) 보다 우세함에 따라서 전달 받은 열은 면방향으로 빠르게 스프레딩 되며, 일부의 열만이 두께방향으로 열 스프레딩(H2)되고, 두께방향으로 스프레딩 되는 열은 두께방향으로 스프레딩이 진행되는 지점마다 다시 면방향으로 우세하게 열 스프레딩(H1)이 발생함에 따라서 열을 빠르게 냉각수단(30)으로 전달시킬 수 있고, 이를 통해 배터리 셀(10)로부터 열을 냉각수단(30)으로 전달되는 방열효과 및 상대적으로 제1단열시트(20) 주면에 각각 배치된 2개의 배터리 셀(10) 간에는 단열효과를 발현할 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6은 냉각수단(30)이 배터리 팩(1000')의 일 구성으로 도시했으나, 이에 제한되는 것은 아니며 배터리 팩의 구성이 아닌 열교환기, 냉각챔버 등과 같은 냉각수단이 배터리 팩의 일 측에 배치되어 전기자동차와 같은 물품의 방열구조로 구현될 수 있음을 밝혀둔다.
또한, 도 7 및 도 8에 도시된 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000")은 하나 또는 연속하여 주면이 인접하는 2개 이상의 배터리 셀(10)을 수용하는 배터리 카트리지(100)를 더 포함하며, 배터리 셀(10)이 수용된 배터리 카트리지(100)가 다단으로 적층되어 배터리 팩(1000")을 구현할 수 있다.
상기 배터리 카트리지(100)는 통상적인 배터리 팩에 구비되어 몇 개의 배터리 셀(10)을 하나의 유닛으로 조립하고, 배터리 셀(10)을 보호하는 기능을 가지는 공지의 카트리지 일 수 있다. 일 예로 상기 배터리 카트리지(100)는 하나 이상의 배터리 셀(10)을 수용할 수 있는 수용공간을 구비하며, 일면 또는 양면이 개방되고, 배터리 셀(10)의 측면과 대면하는 일체의 프레임 또는 몇 개의 가이드 부재로 조립되는 프레임에 해당하는 카트리지 본체와 배터리 셀(10)들의 단자와 연결될 수 있도록 카트리지 본체에 결합된 한 쌍의 버스바(도 9의 130)를 포함할 수 있다. 또한, 다단으로 적층되는 배터리 카트리지(100)를 고정시킬 수 있는 체결공을 구비할 수 있다. 또한, 카트리지 본체의 개방된 일면을 덮도록 카트리지 본체와 결합되는 방열플레이트(미도시)를 더 구비할 수 있다.
또한, 배터리 팩은 배터리 셀(10)을 수용하여 다단으로 적층된 다수 개의 배터리 카트리지(100)를 고정시키기 위한 체결수단을 더 포함할 수 있다. 도 9를 참조하여 설명하면, 다수 개의 배터리 카트리지(100) 선단과 후단에 배치된 하 쌍의 지지판(310,320)과 상기 한 쌍의 지지판(310,320)을 서로 연결하는 하나의 고정부재(330) 및 다수 개의 배터리 카트리지(100)를 동시에 체결하는 적어도 하나의 체결바(340)를 포함할 수 있다.
상술한 배터리 카트리지 및 배터리 카트리지를 포함하여 구현된 배터리 팩은 본 발명의 출원인에 의한 출원번호 제2016-0066616호, 제2016-0066619호, 제2018-0135195호, 제2019-0150371호가 참조로 삽입될 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 것과 같이 배터리 팩(1000")은 인접하는 배터리 카트리지(100) 사이에 각각의 배터리 카트리지(100)로부터 주면 쪽으로 전달받은 열을 주면 방향으로 이동시키되 상기 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 주면 방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 어느 일 배터리 카트리지(100)에서 이동된 열이 다른 배터리 카트리지(100) 측으로 전달되는 것을 최소화 시키기 위한 그라파이트 시트를 구비한 단열부재를 포함하는 제2단열시트(200)가 더 포함될 수 있다. 상기 제2단열시트(200)는 상술한 제1단열시트(20)에 대한 설명과 동일한 바 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 배터리 셀
20: 제1단열시트
21,21': 단열부재 22,22':접착부재
30: 냉각수단 40: 열전도성 부재
100: 배터리 카트리지 200: 제2단열시트
1000,1000;,1000",2000: 배터리 팩
21,21': 단열부재 22,22':접착부재
30: 냉각수단 40: 열전도성 부재
100: 배터리 카트리지 200: 제2단열시트
1000,1000;,1000",2000: 배터리 팩
Claims (11)
- 대향하는 주면을 가지며, 주면이 서로 마주보도록 배치되는 다수 개의 배터리 셀; 및
대향하는 주면을 가지며, 주면이 서로 마주보는 적어도 일부의 배터리 셀 사이에 배치되어 각각의 배터리 셀로부터 주면쪽으로 전달받은 열을 면방향으로 이동시켜서 주면에 접촉하는 배터리 셀의 온도 낮추되, 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 면방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 주면에 접촉하는 어느 일 배터리 셀에서 발생된 열이 다른 배터리 셀로 전달되는 것을 최소화시키기 위한 그라파이트 시트인 단열부재를 구비한 제1단열시트;를 포함하는 배터리 팩. - 제1항에 있어서,
상기 그라파이트 시트는 인조 그라파이트 시트, 천연 그라파이트 시트, 다층 그래핀 시트 또는 이들 중 어느 하나 이상의 적층시트인 배터리 팩. - 제1항에 있어서,
상기 그라파이트 시트의 두께는 10 내지 2000㎛인 것을 특징으로 하는 배터리 팩. - 제1항에 있어서,
상기 제1단열시트는 단열부재의 주면 및 네 측면을 봉지하는 접착부재를 더 포함하는 배터리 팩. - 제4항에 있어서,
상기 접착부재는 접착층 및 상기 접착층에 분산된 절연성 방열필러를 포함하는 배터리 팩. - 제4항에 있어서,
상기 접착부재는 기재 및 상기 기재의 양면에 접착층이 형성된 양면테이프인 배터리 팩. - 제1항에 있어서,
다수 개의 배터리 셀의 적어도 어느 일측에 배치되는 냉각수단을 더 포함하며, 상기 제1단열시트는 상기 냉각수단에 직접 접촉하거나 또는 다른 열전도성 부재를 경유해 간접적으로 상기 냉각수단과 접촉된 배터리 팩. - 제1항에 있어서,
하나 또는 연속하여 주면이 인접하는 2개 이상의 배터리 셀을 수용하는 배터리 카트리지 및
배터리 셀을 수용한 다수 개의 배터리 카트리지가 다단으로 적층 및 고정시키기 위한 체결수단을 더 포함하는 배터리 팩. - 제8항에 있어서,
인접하는 배터리 카트리지 사이에는, 각각의 배터리 카트리지로부터 주면 쪽으로 전달받은 열을 주면 방향으로 이동시키되 상기 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 주면 방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 어느 일 배터리 카트리지에서 이동된 열이 다른 배터리 카트리지 측으로 전달되는 것을 최소화 시키기 위한 그라파이트 시트를 구비한 단열부재를 포함하는 제2단열시트가 더 포함된 배터리 팩. - 대향하는 주면을 가지는 다수 개의 배터리 셀이 주면이 서로 마주보도록 적층된 배터리 팩에서 인접하는 어느 두 배터리 셀 사이에 배치되는 배터리 팩용 단열시트로서,
대향하는 주면을 가지며, 각각의 배터리 셀로부터 주면쪽으로 전달받은 열을 면방향으로 이동시켜서 주면에 접촉하는 배터리 셀의 온도 낮추되, 주면에 수직한 두께방향 보다 상기 면방향으로 열을 우세하게 이동시켜서 주면에 접촉하는 어느 일 배터리 셀에서 발생된 열이 다른 배터리 셀로 전달되는 것을 최소화시키기 위한 그라파이트 시트인 단열부재를 구비한 배터리 팩용 단열시트. - 제10항에 있어서,
단열부재의 주면 및 네 측면을 봉지하는 접착부재를 더 포함하는 배터리 팩용 단열시트.
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