KR20230039267A - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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KR20230039267A
KR20230039267A KR1020210122357A KR20210122357A KR20230039267A KR 20230039267 A KR20230039267 A KR 20230039267A KR 1020210122357 A KR1020210122357 A KR 1020210122357A KR 20210122357 A KR20210122357 A KR 20210122357A KR 20230039267 A KR20230039267 A KR 20230039267A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체, 바닥면 및 양 측면을 포함하는 U자 형상을 가지고, 냉매가 내장된 히트 플레이트, 및 상기 히트 플레이트의 외측에 위치하고, 상기 히트 플레이트의 적어도 일부와 대응되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 히트 플레이트의 바닥면 및 양 측면은 상기 전지셀 적층체의 하면 및 양 측면과 대응되고, 상기 히트 플레이트의 측면은 상기 쿨링 플레이트와 대응된다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스{BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 냉각 성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.
한편, 소형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우, 주로 2-3개의 전지셀들이 사용되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우에는 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈 또는 전지 팩이 사용된다.
한편, 전지 모듈 또는 전지 팩에 복수개로 장착된 전지셀은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킬 수 있으며, 과충전 등의 이유로 그 온도가 적정 온도보다 높아지는 경우 성능이 저하될 수 있고, 온도 상승이 과도한 경우 폭발 또는 발화될 위험이 있다. 하나의 전지셀에 발화 현상이 발생하면, 방출된 열, 가스, 스파크 또는 화염 등은 전지 팩 또는 모듈 내에서 좁은 간격을 두고 인접한 다른 전지 셀로 전달될 수 있고, 이에 따라 연속적인 열폭주 현상이 발생할 수도 있다.
이러한 열폭주 현상을 방지하기 위해서 종래의 전지 모듈 또는 전지 팩에는 냉각 부재 또는 방열 부재등이 제공되기도 하였으며, 최근에는 냉각수를 주입한 수냉식 냉각 부재 또는 수냉식 방열 부재의 적용이 시도되고 있다.
도 1은 종래의 전지 팩을 도시한 도면이다. 도 2는 도 1에 포함된 히트 플레이트의 유로 및 이에 따른 전지 팩의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지 팩(10)의 하부에는 히트 플레이트(12)가 위치할 수 있다. 히트 플레이트(12)는 전지 팩(10)에 수용된 전지셀들의 하면을 커버함으로써, 각 전지셀로부터 방출되는 열을 흡수할 수 있다. 또한 히트 플레이트(12)의 유입구/유출구가 히트 플레이트(12)의 일 모서리에 위치할 수 있으며, 유입구를 따라 유입된 냉매는 복잡한 유로를 통과하여 유출구로 방출될 수 있다.
그러나, 히트 플레이트(12)의 냉매 중 유입구 근처의 냉매는 상대적으로 온도가 낮게 유지되는 반면, 유출구 근처의 냉매는 전지셀의 열을 흡수하여 온도가 상승된 상태이므로 위치에 따른 냉매 온도 편차가 발생할 수 있다. 도 2의 오른쪽에 도시된 것과 같이, 히트 플레이트(12)의 냉매가 균일한 온도구배를 가지지 않으면, 유출구 근처에 위치한 일부 전지셀들의 방열이 달성되기 어려우므로 상술한 열폭주 현상등이 방지되기 어려울 수 있다. 또한, 전체적인 전지 팩(10)의 냉각 효율이 저하될 수 있고, 전지 수명의 단축을 야기할 수 있다.
따라서, 종래 기술의 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀들의 온도 편차가 최소화된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체, 바닥면 및 양 측면을 포함하는 U자 형상을 가지고, 냉매가 내장된 히트 플레이트, 및 상기 히트 플레이트의 외측에 위치하고, 상기 히트 플레이트의 적어도 일부와 대응되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 히트 플레이트의 바닥면 및 양 측면은 상기 전지셀 적층체의 하면 및 양 측면과 대응되고, 상기 히트 플레이트의 측면은 상기 쿨링 플레이트와 대응된다.
상기 전지셀은 원통형 전지일 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 하면은 상기 히트 플레이트의 바닥면과 접촉할 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 하면과 상기 히트 플레이트의 바닥면 사이에는 열전달 부재가 위치할 수 있다.
상기 히트 플레이트의 냉매는 상기 바닥면의 가장자리 부분을 향해 흐를 수 있다.
상기 히트 플레이트의 냉매가 기화하면, 상기 기화된 냉매는 상기 히트 플레이트의 양 측면에서 중력 반대방향으로 상승할 수 있다.
상기 쿨링 플레이트는 판상형일 수 있다.
상기 쿨링 플레이트는 두개이고, 상기 히트 플레이트의 양 측면과 각각 대응되도록 배치될 수 있다.
상기 히트 플레이트의 측면은 상기 쿨링 플레이트와 접촉할 수 있다.
상기 히트 플레이트와 상기 쿨링 플레이트 사이에는 열전달 부재가 위치할 수 있다.
상기 쿨링 플레이트의 내부에는 냉각수가 수용될 수 있다.
상기 쿨링 플레이트는 상기 전지 팩이 장착되는 디바이스의 냉각 시스템과 연결되고, 상기 쿨링 플레이트는 냉각 시스템으로부터 냉각수를 공급받을 수 있다.
상기 전지셀 적층체로부터 발생한 열은 상기 히트 플레이트 내부의 냉매를 기화시키고, 상기 기화된 냉매는 상기 쿨링 플레이트에 의해 냉각될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 디바이스는 상술한 전지 팩을 적어도 하나 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명의 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스는 전지셀들을 고르게 냉각시킬 수 있는 히트 플레이트를 포함함으로써, 전지 팩 내부의 열을 효과적으로 제거할 수 있고, 전지셀의 수명 단축 및 연쇄적인 열폭주 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 팩을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 포함된 히트 플레이트의 유로 및 이에 따른 전지 팩의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 사시도이다.
도 5는 도 4에 따른 전지 팩의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 측면도이다.
도 7은 도 6에 포함된 히트 플레이트 내부의 냉매의 순환을 단순화한 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 특정 부재의 상면/하면은 어느 방향을 기준으로 하느냐에 따라서 상이하게 판단될 수 있으므로, 명세서 전체에서, ‘상면’ 또는 ‘하면’은 해당 부재에서 z축상 마주보는 두 면을 의미하는 것으로 정의한다. 또, 측면이란 상면 또는 하면과 수직하는 면을 의미할 수 있다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 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.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 사시도이다. 도 5는 도 4에 따른 전지 팩의 상면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 측면도이다.
한편, 통상적인 전지 팩은 도 1에서 도시된 것과 같이 구성 요소들을 보호하는 팩 프레임을 포함하는 바, 본 명세서의 일 실시예의 전지 팩 또한 팩 프레임과 같은 구성을 포함할 수 있으나, 설명의 편의를 위해 상술한 도면 들에서 팩 프레임은 생략되었음을 미리 밝혀 둔다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(100)은 적어도 하나의 전지셀들을 포함하는 전지셀 적층체(110), 히트 플레이트(120) 및 쿨링 플레이트(130)를 포함할 수 있다. 그러나, 전지 팩(100)이 포함하는 구성 요소가 이에 한정되는 것은 아니며, 팩 프레임과 같이 언급되지 않은 다른 구성 요소가 추가된 상태로 제공될 수도 있다.
전지셀은 원통형 전지셀로 제공될 수 있다. 원통형 전지셀은 전극 조립체, 전극 조립체와 함께 전해액이 수용되는 원통형의 전지 케이스를 포함할 수 있다. 전지 케이스의 상부 및 하부에는 단자가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부에는 양극 단자가 형성되고, 하부에는 음극 단자가 형성될 수 있다. 전극 조립체는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재된 상태로 적층되어 젤리-롤 형태로 감긴 구조일 수 있으며, 양극에는 양극 리드가 부착되어 전지 케이스의 예를 들어 상부의 양극 단자에 접속되고, 음극에는 음극 리드가 부착되어 전지 케이스의 예를 들어 하부의 음극 단자에 접속될 수 있다. 그러나, 이러한 설명이 본 실시예의 전지셀의 형태를 제한하는 것은 아니며, 전지셀이 원통형이 아닌 각형, 파우치형 또는 그 외 다른 전지셀의 형태로 제공될 수 있음은 자명하다.
전지셀은 복수개로 제공되어 전지셀 적층체(110)를 형성할 수 있다. 전지셀이 원통형인 경우, 전지셀 적층체(110)에서 전지셀들은 동일 극성의 전극 단자들이 같은 방향으로 배향되도록 정렬될 수 있다. 이때, 전지셀들은 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 6에서 전지셀들은 모듈화 되지 않고 바로 전지 팩에 장착되는 모듈-리스(Module-less)구조로 도시되었으나, 반드시 그러한 것은 아니고, 모듈화 된 후 전지 팩(100)에 장착되는 것도 가능할 것이다.
히트 플레이트(120)는 전지셀 적층체(110)의 방열을 위한 것일 수 있다. 히트 플레이트(120)는 전지셀 적층체(110)의 외측에 위치할 수 있다. 히트 플레이트(120)의 내측면은 전지셀 적층체(110)의 외측면과 대응될 수 있다.
히트 플레이트(120)는 양단이 위를 향하도록 접힌 U자 형상으로 제공될 수 있다. 히트 플레이트(120)는 판상형 플레이트의 양단이 접힌 것일 수 있다. 여기서, 판상형 플레이트는 납작한 사각관 형상일 수 있다. 히트 플레이트(120)는 바닥면 및 양 측면을 포함할 수 있다. 여기서, 히트 플레이트(120)의 바닥면은 전지셀 적층체(110)의 하면과 대응되고, 히트 플레이트(120)의 양 측면은 전지셀 적층체(110)의 측면과 대응될 수 있다.
히트 플레이트(120)는 전지셀 적층체(110)와 접촉할 수 있다. 또는, 히트 플레이트(120)는 전지셀 적층체(110)와 별도의 열전달 부재를 사이에 두고 배치되거나, 이를 통해 연결될 수 있다. 여기서 열전달 부재의 예로는 열전도성 수지의 도포 및 경화를 통해 형성된 열전도성 수지층을 들 수 있다. 열전도성 수지층은 접착성 또는 난연성을 가지는 것으로 제공될 수도 있다. 열전달 부재가 접착성을 가지면 전지셀 적층체(110)와 히트 플레이트(120)가 서로 고정될 수 있다. 또한, 열전달 부재가 난연성을 가지면, 전지 팩 내부에서 전지셀 발화 시, 열폭주 현상을 지연하는 효과가 발휘될 수 있다.
도면을 통해, 히트 플레이트(120)의 양 측면은 y축상 마주보는 두 면으로 도시되었으나, 반드시 그러한 것은 아니며 양 측면이 x축상 마주보는 두 변으로 배치되는 것도 가능하다. 또한, 히트 플레이트(120)의 양 측면이 x축상 배치되는 경우에는 이에 대응되도록 후술할 쿨링 플레이트(130)의 배치도 달라질 수 있음을 미리 밝혀 둔다.
히트 플레이트(120) 내부에는 냉매가 채워질 수 있다. 히트 플레이트(120)는 진공 상태로 제조될 수 있고, 히트 플레이트(120)의 내부에 채워진 냉매는 외부와 차단된 상태일 수 있다. 이 때, 히트 플레이트(120)에 사용되는 냉매는 전지셀 적층체(110)의 열을 흡수할 수 있는 것, 히트 플레이트(120) 내부의 냉매는 열을 흡수함으로써 기화되고 액화를 통해 열을 방출할 수 있는 것이라면 어느 것을 사용하여도 무방하다.
히트 플레이트(120)의 내부의 냉매는 히트 플레이트(120) 내부에 가득 채워진 상태가 아닐 수 있다. 냉매는 진공 상태인 히트 플레이트(120)의 내부에서 이동하거나 흐를 수 있다. 또한, 냉매는 열 에너지를 흡수함으로써 기화되어 중력 반대방향으로 이동할 수 있고, 냉각 후 액화되어 다시 중력 방향으로 이동될 수 있다. 냉매의 이동에 따라 히트 플레이트(120) 내부의 온도 구배가 최소화되고, 히트 플레이트(120)와 인접한 전지셀들을 균일하게 냉각할 수 있다.
히트 플레이트(120)에는 냉매의 흐름을 조절하기 위한 유로가 형성될 수 있다. 유로는 관 또는 격벽의 형상으로 제공될 수 있다. 관 또는 격벽은 히트 플레이트(120)의 폭 방향(y축 방향)상 연장되어 형성될 수 있다.
여기서, 관 또는 격벽은 히트 플레이트(120)의 바닥면에도 형성될 수 있고, 히트 플레이트(120)의 양 측면에도 형성될 수 있으며, 양 측면에 형성되는 경우 격벽은 중력 방향(z축 방향)상 연장되어 형성될 수 있다. 관 또는 격벽은 히트 플레이트(120)의 바닥면으로부터 양 측면으로 연장되도록 형성될 수 있으며, 냉매는 관의 내부 또는 격벽 사이에서 이동할 수 있다. 히트 플레이트(120)의 유로에 의해 냉매는 히트 플레이트(120)의 중앙 부분과 가장자리 부분 사이에서 폭 방향을 따라 흐를 수 있다. 또, 냉매는 바닥면과 양 측면 사이에서 중력 반대방향 또는 중력 방향으로 이동할 수 있다. 냉매의 온도가 상승함으로써, 냉매는 바닥면보다 상대적으로 높은 위치의 양 측면으로 이동할 수 있고, 다시 냉각되면 양 측면에서 바닥면을 향해 중력방향으로 이동할 수 있다.
또, 여기서, 히트 플레이트(120)의 중앙 부분이란 히트 플레이트(120)의 바닥면에서, 히트 플레이트(120)의 폭 방향(y축) 상 중심을 포함하는 부분일 수 있고, 가장자리 부분이란 히트 플레이트(120)의 폭 방향상(y축) 상 양단을 포함하는 부분일 수 있다.
히트 플레이트(120)는 열전달율이 높은 소재로 제조될 수 있다. 히트 플레이트(120)가 열전달율이 높은 소재로 제조되면, 전지셀 적층체(110)로부터 열을 빠르게 흡수할 수 있어 히트 플레이트(120)에 의한 전지 팩의 냉각 성능이 향상될 수 있다. 여기서, 히트 플레이트(120)를 형성하는 소재는 열전달율이 3,000w/mk이상일 수 있다. 히트 플레이트(120)를 형성하는 소재는 열전달율이 4,000w/mk이상일 수 있다. 히트 플레이트(120)를 형성하는 소재의 열전달율은 구리의 열전도율의 10배, 알루미늄의 열전달율의 17배 수준일 수 잇다.
쿨링 플레이트(130)는 히트 플레이트(120)의 온도 구배를 최소하기 위한 것일 수 있다. 쿨링 플레이트(130)는 히트 플레이트(120)의 외측에 위치할 수 있다. 쿨링 플레이트(130)의 내측면은 히트 플레이트(120)의 외측면과 대응될 수 있다. 쿨링 플레이트(130)는 히트 플레이트(120)와 접촉할 수 있다. 또, 쿨링 플레이트(130)와 히트 플레이트(120)는 별도의 열전달 부재를 사이에 두고 배치되거나, 이를 통해 연결될 수 있다. 열전달 부재의 예로는 상술한 것과 같이 열전도성 수지층을 들 수 있으나, 열전도성 수지층이 아닌 다른 형태의 열전달 부재가 쿨링 플레이트(130)와 히트 플레이트(120) 사이에 제공되는 것 또한 가능할 것이다.
쿨링 플레이트(130)는 다양한 형상으로 제공될 수 있다. 일 예로, 쿨링 플레이트(130)는 도 3과 같이 판상형으로 제공될 수 있다. 쿨링 플레이트(130)는 두 개의 판상형 부재로 제공될 수 있으며, 각 쿨링 플레이트(130)는 히트 플레이트(120)의 양 측면과 각각 대응되도록 배치될 수 있다.
다른 예로, 쿨링 플레이트(130)는 도 4와 같이 양단이 접힌 U자 형상을 가질 수 있다. 히트 플레이트(120)는 그 중앙 부분이 바닥(-z축)과 평행하게 배치됨으로써 양단이 위를 향하는 U자 형상을 가지나, 쿨링 플레이트(130)는 전체적으로 바닥(-z축상)과 수직을 이루도록 배치될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 쿨링 플레이트(130)는 세 개의 측면을 가지는 것으로 설명될 수 있다. 여기서 쿨링 플레이트(130)의 측면은 히트 플레이트(120)의 측면과 대응될 수 있다. 쿨링 플레이트(130)의 양단에 위치한 두 측면은 히트 플레이트(120)의 양 측면과 대응될 수 있다. 도 4와 같이, 히트 플레이트(120)의 양 측면이 y축상 마주보는 두 면인 경우에는, 쿨링 플레이트(130)의 두 측면 또한 y축상 마주보도록 배치될 수 있고, 히트 플레이트(120)의 양 측면이 x축상 마주보는 두 면인 경우에는, 쿨링 플레이트(130)의 두 측면 또한 x축상 마주보도록 배치될 수 있다.
쿨링 플레이트(130)의 내부에는 냉각수가 흐를 수 있다. 도시되지 않았으나, 쿨링 플레이트(130)에는 냉각수를 유입하기 위한 유입구 및 냉각수를 배출하기 위한 유출구가 구비될 수 있다. 쿨링 플레이트(130)에는 냉각수의 흐름을 안내하기 위한 유로가 형성될 수 있다.
한편, 쿨링 플레이트(130)는 디바이스의 냉각 시스템과 연결될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩(100)이 차량에 장착되는 경우, 쿨링 플레이트(130)는 차량의 냉각 시스템과 연결될 수 있다. 쿨링 플레이트(130)는 냉각 시스템이 포함하는 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 이 때, 쿨링 플레이트(130)에 공급되는 냉각수는 차량의 냉각 시스템으로부터 전달된 것일 수 있다. 쿨링 플레이트(130)에 공급되는 냉각수는 쿨링 플레이트(130) 내부에서 유로를 따라 이동함으로써 히트 플레이트(120)의 열을 방출할 수 있는 것이라면 어느 것을 사용하여도 무방하다.
쿨링 플레이트(130)가 U자 형상으로 제공되는 경우, 냉각수는 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이 쿨링 플레이트(130)의 양단 중 일단으로부터 타단으로 흐를 수 있다. 냉각수는 쿨링 플레이트(130)의 U자 형상을 따라, 일 측면으로부터 다른 측면을 향해 흐를 수 있다. 쿨링 플레이트(130)의 측면을 따라 흐르는 냉각수는 쿨링 플레이트(130)를 냉각하고, 쿨링 플레이트(130)는 쿨링 플레이트(130)의 내측면과 대응되는 히트 플레이트(120)의 외측면을 냉각할 수 있다. 이를 통해 히트 플레이트(120)의 측면 온도는 비교적 균일하게 유지될 수 있다.
이처럼, 본 실시예의 전지 팩(100)은 히트 플레이트(120) 및 쿨링 플레이트(130)를 포함하는 바, 전지셀 적층체(110)로부터 발생한 열은 히트 플레이트(120) 및 쿨링 플레이트(130)에 의해 이중으로 냉각 및 방열될 수 있다. 히트 플레이트(120)는 전지셀 적층체(110)로부터 발생한 열을 1차로 냉각하고, 히트 플레이트(120)의 방열 또는 냉각은 쿨링 플레이트(130)에 의해 달성됨으로써 2차로 냉각될 수 있다. 전지셀 적층체(110)는 히트 플레이트(120) 및 쿨링 플레이트(130)에 의한 2단 냉각에 의해 고른 온도 분포를 가질 수 있고, 특정 전지셀의 열폭주 현상이 방지될 수 있다.
도 7은 도 6에 포함된 히트 플레이트 내부의 냉매의 순환을 단순화한 모식도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 전지 팩(100)의 2단 냉각이 보다 자세하게 설명될 수 있다.
전지셀 적층체(110)는 히트 플레이트(120)에 의해 1차로 방열 또는 냉각될수 있다. 전지셀 적층체(110)에서 발생된 열은 히트 플레이트(120)로 전달될 수 있다. 히트 플레이트(120)는 열전도율이 높은 소재로 제조되므로, 전지셀 적층체(110)로부터 열을 빠르게 흡수할 수 있다. 종래에는 히트 플레이트가 주로 전지셀 적층체(110)의 하면에 위치하고, 유입구 및 유출구를 따라 냉매가 이동하므로 특정 해당 영역과 대응되는 전지셀의 방열이 달성되기 어려운 문제가 있었다. 그러나, 본 실시예의 히트 플레이트(120)에서는 냉매가 유로를 따라 히트 플레이트(120)의 바닥면에서 중앙 부분과 가장자리 부분 사이에서 흐름으로써(c1) 전지셀 적층체(110)를 고르게 냉각할 수 있다. 또한, 냉매는 그 온도가 상승하거나 기화되는 경우, 히트 플레이트(120)의 바닥면에서 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로, 히트 플레이트(120)의 바닥면에서 양 측면으로 흐를 수도 있다. 냉매는 양 측면 내에서 상측으로 이동하고, 다시 하측으로 이동함으로써 바닥면으로 유입될 수 있다. 상술한 냉매의 흐름에 의해 냉매는 일정한 온도를 가질 수 있고, 히트 플레이트(120)가 흡수한 열은 냉매에 의해 빠르게 해소될 수 있다.
냉매가 흡수한 열이 일정 온도 이상이면, 냉매는 기화될 수 있다. 기화된 냉매는 밀도가 낮아짐에 따라 위로 상승하게 되는데, 이 때, 기화된 냉매는 히트 플레이트(120)의 측면에서 중력 반대방향으로 상승할 수 있다(c2). 종래의 히트 플레이트는 바닥면만을 포함하므로, 기화된 냉매가 바닥면의 상부와 충돌 후 낙하함으로써 다시 액체 상태의 냉매에 열을 전달하여, 전체적인 냉매의 온도를 상승시키는 문제가 있었다. 그러나 본 실시예의 히트 플레이트(120)는 바닥면 외에 양 측면을 포함하므로, 기화된 냉매가 양 측면에서 상측으로 이동되어 전지셀의 하면과 접촉하는 바닥면의 냉매 온도를 보다 일정하게 유지할 수 있다.
전지셀 적층체(110)로부터 히트 플레이트(120)에 전달된 열은 쿨링 플레이트(130)에 의해 2차로 냉각 또는 방열될 수 있다. 히트 플레이트(120)의 측면은 이와 접하는 쿨링 플레이트(130)에 의해 냉각될 수 있고, 기화된 냉매는 히트 플레이트(120)의 측면에서 쿨링 플레이트(130)에 의해 열을 빼앗김으로써 다시 액화될 수 있다. 액화된 냉매는 중력방향으로 하강하게 되고(c3), 하강한 냉매는 히트 플레이트(120)의 바닥면에 위치하여, 다시 전지셀 적층체(110)의 방열을 위해 사용될 수 있다.
한편, 이상에서 구체적으로 언급되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 전지 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전지 팩
110: 전지셀 적층체
120: 히트 플레이트
130: 쿨링 플레이트

Claims (15)

  1. 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체,
    바닥면 및 양 측면을 포함하는 U자 형상을 가지고, 냉매가 내장된 히트 플레이트, 및
    상기 히트 플레이트의 외측에 위치하고, 상기 히트 플레이트의 적어도 일부와 대응되는 쿨링 플레이트를 포함하고,
    상기 히트 플레이트의 바닥면 및 양 측면은 상기 전지셀 적층체의 하면 및 양 측면과 대응되고,
    상기 히트 플레이트의 측면은 상기 쿨링 플레이트와 대응되는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀은 원통형 전지인 전지 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 하면은 상기 히트 플레이트의 바닥면과 접촉하는 전지 팩.
  4. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 하면과 상기 히트 플레이트의 바닥면 사이에는 열전달 부재가 위치하는 전지 팩.
  5. 제1항에서,
    상기 히트 플레이트의 냉매는 상기 바닥면의 가장자리 부분을 향해 흐르는 전지 팩.
  6. 제1항에서,
    상기 히트 플레이트의 냉매가 기화하면, 상기 기화된 냉매는 상기 히트 플레이트의 양 측면에서 중력 반대방향으로 상승하는 전지 팩.
  7. 제1항에서,
    상기 쿨링 플레이트는 U자 형상을 가지고, 상기 쿨링 플레이트의 각 면은 상기 바닥면과 수직하는 전지 팩.
  8. 제7항에서,
    상기 쿨링 플레이트의 양 측면은 상기 히트 플레이트의 양 측면과 각각 대응되도록 배치되는 전지 팩.
  9. 제1항에서,
    상기 히트 플레이트의 측면은 상기 쿨링 플레이트와 접촉하는 전지 팩.
  10. 제1항에서,
    상기 히트 플레이트와 상기 쿨링 플레이트 사이에는 열전달 부재가 위치하는 전지 팩.
  11. 제1항에서,
    상기 쿨링 플레이트의 내부에는 냉각수가 수용되는 전지 팩.
  12. 제11항에서,
    상기 쿨링 플레이트의 냉각수는 상기 쿨링 플레이트의 일단으로부터 타단으로 흐르는 전지 팩.
  13. 제1항에서,
    상기 쿨링 플레이트는 상기 전지 팩이 장착되는 디바이스의 냉각 시스템과 연결되고, 상기 쿨링 플레이트는 냉각 시스템으로부터 냉각수를 공급받는 전지 팩.
  14. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체로부터 발생한 열은 상기 히트 플레이트 내부의 냉매를 기화시키고, 상기 기화된 냉매는 상기 쿨링 플레이트에 의해 냉각되는 전지 팩.
  15. 제1항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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