KR20230042804A - 원통형 배터리 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차전지 원통형 배터리가 발열될 때의 열을 방열하고 원통형 배터리가 흔들리거나 움직임에 의한 제품의 파손을 방지하고자 고정함으로써 기능적으로 방열과 구조적으로 안정성을 확보할 수 있도록 하기 위한 원통형 배터리 냉각장치에 관한 것으로, 이를 구현하기 위한 특징적인 구성은, 단면이 사각의 파이프 형상으로 사각 형상 중 양측판과 하판이 냉각수 또는 냉매가 흐르는 유로를 하나 이상 형성한 것으로 이루어지고, 사각 형상 중 상판이 원통형 배터리 셀을 상부로부터 삽입할 수 있도록 한 관통홀을 길이 방향을 따라 하나 이상 형성한 것으로 이루어지고, 상기 상판과 양측판 및 하판이 일체로 이루어진 원통형 배터리 냉각유닛; 및 상기 원통형 배터리 냉각유닛이 하나 이상 배열한 상태에서 이웃하는 원통형 배터리 냉각유닛의 유로를 연결하는 연결수단;을 포함하는 이루어진다.

Description

원통형 배터리 냉각장치 {CYLINDRICAL BATTERY COOLING DEVICE}

본 발명은 원통형 배터리 냉각장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 2차전지 원통형 배터리가 발열될 때의 열을 방열하고 원통형 배터리가 흔들리거나 움직임에 의한 제품의 파손을 방지하고자 고정함으로써 기능적으로 방열과 구조적으로 안정성을 확보할 수 있도록 하기 위한 원통형 배터리 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 발생하지 않는다는 점에서 친환경및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 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 셀의 작동 전압은 약 25V~42V이기 때문에 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우에는 다수의 이차전지 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다.

또한, 이차전지 셀의 작동 전압은 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 이차전지 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 하는 등, 배터리 팩에 포함되는 이차전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

한편, 차량 등 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 배터리 모듈 및 이를 단위 모듈로 포함하는 중대형 팩이 사용된다.

배터리 모듈은 일반적으로 다수의 배터리 셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다.

충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다.

따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 배터리 팩에는 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각부재가 필요하다.

한국 공개특허공보 제2015-0100529호에는 냉각 효율이 향상된 자동차용 배터리 팩이 개시되어 있으나, 상기 선행특허는 대략 육면체의 이차전지들 사이에 평판 냉각핀이 서로 인접하도록 개재시키고, 이들 냉각핀이 이차전지들로부터 발생하는 열을 발산시키기 때문에 원통형 배터리에 적용하기가 어려운 문제점이 있었다.

도 1a와 도 1b는 종래 원통형 배터리 냉각모듈을 나타내는 개요도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이 종래 원통형 배터리 냉각모듈은 다수의 원통형 배터리 셀(10)이 상하와 좌우로 배열되고 튜브 타입의 플레이트(14)를 일체형으로 벤딩하여 상기 상하 원통형 배터리 셀(12) 사이에 냉각수나 냉매가 흐르는 유로(14)가 형성된다.

이때 유로(14)는 상하 2층 원통형 배터리 셀(12) 사이를 횡으로 가로질러 형성되며 양측은 일체형으로 밴딩되어 서로 연결된다.

이에 따라 유로(14)의 일단에 냉각수나 냉매를 투입하면 냉각수나 냉매가 지그재그의 유로를 따라 흐르면서 배터리의 발열을 냉각하고 유로의 타단을 통해 배출된다.

이때 냉각수 흐름의 끝 부분에 열화가 높아서 유로(14)의 타단의 열교환 효율이 저하된다.

또한, 도 1b에 도시된 바와 같이 또 다른 종래 원통형 배터리 냉각모듈은 다수의 원통형 배터리 셀(12)이 상하와 좌우로 배열되고, 그 원통형 배터리 셀(12) 양측에 상하로 배치된 튜브 타입의 플레이트(16)를, 상하 2층 원통형 배터리 셀 사이를 횡으로 가로지르는 튜브 타입의 플레이트(18)로 연결하여 냉각수나 냉매가 흐르는 유로가 형성된다.

이에 따라 일단의 유로(16)에 냉각수나 냉매를 투입하면 냉각수나 냉매가 일단에서 타단으로 횡으로 형성된 유로(18)를 따라 흐르면서 배터리의 발열을 냉각하고 타단의 유로(16)를 통해 배출된다.

여기서 튜브 타입의 플레이트(14,16,18)는 압출 공정으로 제작되며 입/출구 포트는 별도 부품으로 용접되어 이루어진다.

그런데 이와 같은 종래의 원통형 배터리 냉각모듈은 측면에 원통형 배터리 셀(12)을 고정할 수 있는 부분이 없어 하판에 위치 고정후 본딩(실리콘 등)을 하는 것으로 고정하며 모듈 측면 냉각 장치와 모듈 상/하가 분리되어 별도 부품으로 조립되어 부품 수와 중량, 가격 모두 증가시키는 요인이 된다.

또한, 원통형 배터리 셀과 유로와의 접촉 면적이 작고 유로하고만 열교환이 이루어지며, 도 1b보다 도 1a가 열교환이 더욱더 효과적이지만 상하 2층의 원통형 배터리 셀 사이로 열이 방열되지 못하고 축적되어 방열 효과가 여전히 떨어지는 문제점이 있었다.

한국 공개특허공보 제2015-0300529호(2015.09.02. 공고)

본 발명은 종래 기술의 문제점 해결과 필요성을 충족하기 위하여 안출한 것으로, 원통형 배터리 셀의 충방전시 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 하기 위한 원통형 배터리 냉각장치를 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 부품 수와 중량, 가격을 줄이면서 원통형 배터리 셀을 안정적으로 고정할 수 있도록 하기 위한 원통형 배터리 냉각장치를 제공함을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 원통형 배터리 냉각장치의 특징적 구성은, 냉각수나 냉매가 흐르는 미세유로가 하나 이상 형성되는 양측판과, 원통형 배터리 셀이 상부에 삽입될 수 있도록 원형의 관통홀이 하나 이상 형성되는 상판과, 상기 관통홀을 통해 삽입된 원통형 배터리 셀이 위치되고 미세유로가 하나 이상 형성되는 하판이 일체로 형성되어 이루어지는 원통형 배터리 냉각유닛을 하나 이상 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원통형 배터리 냉각유닛은 금속재질의 소재를 압출하여 제조한 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 관통홀이 형성된 상판에서 수직 하부로 버링 가공에 의해 원통형 접촉홀더가 형성되어 원통형 배터리 셀의 외측면과 면접촉되는 것을 특징으로 한다.

더불어 상기 원통형 배터리 셀이 점유하지 않은 원통형 배터리 냉각유닛의 내부 공간에는 열전도성 금속을 함유한 수지(분말)의 절연충전물로 채워지는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 원통형 배터리 셀이 상판의 상부로 일부 돌출되어 전기적으로 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원통형 배터리 냉각유닛의 전단부와 후단부 중 일단부의 미세유로에서 타단부의 미세유로로 냉각수나 냉매가 일방향으로 흐르는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 원통형 배터리 냉각유닛이 냉각유닛 단위로 나란히 배열되도록 서로 다른 방향으로 벤딩되어 미세유로가 서로 연결된 원통형 배터리 냉각유닛이 다수 배열된 상태에서 원통형 배터리 냉각유닛의 끝단부에 밀폐된 구조의 헤더가 형성되고, 상기 헤더의 어느 하나에는 냉각수나 냉매의 투입과 배출을 위한 입구와 출구가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 구성에 의하면, 배터리 셀 고정을 위해 본딩으로 조립하던 것과 달리 물리적으로 버링을 이용하여 고정하므로 고정을 위한 본딩 공정을 삭제하고 하판이 있던 구조에 마이크로 튜브를 통해 유체가 흐르면서 배터리를 충분히 냉각하며 이를 통해 배터리 수명과 사용량을 늘릴 수 있는 효과가 있다.

도 1a와 도 1b는 종래 원통형 배터리 냉각모듈을 나타내는 개요도이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리 냉각장치에 적용되는 냉각유닛의 사시도와 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 냉각유닛의 제조과정과 그에 따른 완성 과정을 설명하기 위해 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4a와 도 4b는 냉각유닛의 유로를 통한 냉각수 또는 냉매의 순환과 냉각유닛들의 복수 연결 관계를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 사시도이다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석될 것이 아니라, '발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다.'라는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시한 구성은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과한 것일 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물에 해당하는 변형 예들이 있을 수 있음을 이해해야 하며, 이는 본 발명의 권리범위에 속할 수 있음을 인지해야 한다.

그리고 본 발명을 설명함에 있어, 일단의 표현은 본 발명이 압출 방식에 기인한 것이기에 그 압출 방향을 길이 방향이라 하고, 그 길이 방향 중 길이 방향 중간 위치를 기준으로 한 어느 한 길이 방향 또는 그 방향에 있는 부위를 지칭하는 것으로 하고, 타단은 길이 방향의 중간을 기준으로 상기 일단의 반대 방향 또는 그 방향에 있는 부위를 지칭하는 것으로 하여 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 살펴보기로 한다.

도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리 냉각장치에 적용되는 냉각유닛의 사시도와 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리 냉각장치에 적용되는 냉각유닛(600)은, 도 2a와 도 2b에 도시한 바와 같이, 압출에 의해 단면이 대체로 사각 파이프 형상으로 이루어진다.

냉각유닛(600)의 각 면은 원통형 배터리 셀(200)에 대응하는 상판(600a)과 상판(600a)의 폭 방향 양측에서 각각 하측으로 연장한 형상을 이루는 양측판(600b) 및 이들 양측판(600b)의 하단 부위를 연속하여 연결한 하판(600c)으로 구분할 수 있다.

그리고 냉각유닛(600)은 수직 단면의 중심 부위가 상판(600a)과 양측판(600b) 및 하판(600c)으로 둘러싸인 중간의 빈 공간은 원통형 배터리 셀(200)의 대부분을 수용하기 위한 수용부(608)를 이루고, 길이 방향에 대하여 이미 설정한 길이 단위로 절단하는 과정을 거치며, 상술한 상판(600a)과 양측판(600b)과 하판(600c) 및 수용부(608)의 형상은 크롬, 알루미늄, 구리 내지 이들 중 둘 이상을 혼합한 합금 등을 포함한 열전도도가 높은 금속재질을 압출 방식으로 단면이 길이 방향을 따라 일정한 형상을 이룬다.

이중 상판(600a)은 폭 방향 중간 부위를 통해 드릴링 또는 펀칭 가공 등의 홀가공을 실시하여 원통형 배터리 셀(200)의 삽입 가능한 원형의 관통홀(602)을 길이 방향을 따라 간격을 두고 하나 이상 형성하고 있다.

여기서, 관통홀(602)은 외부로부터 원통형 배터리 셀(200)이 삽입 가능한 사이즈로 이루어질 수 있고, 이러한 관통홀(602)을 통해 원통형 배터리 셀(200)이 수용부(608) 내부로 삽입이 이루어지도록 하여 장착하게 할 수 있으며, 이때 관통홀(602)을 통해 삽입이 이루어지는 원통형 배터리 셀(200)의 외주면은 대응하는 양측벽(600b)에 근접하는 상태로 놓인다.

또한, 상술한 관통홀(602)은 원통형 배터리 셀(200)보다 작은 사이즈로 형성할 수 있고, 이러한 관통홀(602)을 형성한 후 버링(burring) 가공으로 그 사이즈를 확대하거나 또는 버링과 드로잉(drawing) 가공을 병행하여 원통형 배터리 셀(200)을 삽입 가능한 사이즈로 형성함이 바람직하다.

이때 관통홀(602)은, 도 3c에 도시한 바와 같이, 그 주연 부위가 버링 또는 버링과 드로잉 가공을 통해 상판(600a) 위치에서 수용부(608)의 수직한 내측 방향으로 연장 돌출하여 삽입이 이루어져 대응하는 원통형 배터리 셀(200)의 외주면에 접촉이 이루어지는 접촉부(604)를 이루도록 함이 바람직하다.

이렇게 관통홀(602) 주연이 접촉부(604)를 이루도록 가공하는 과정에 있어, 냉각유닛(600)은 버링에 따른 물리적인 힘에 대응하여 변형이 없도록 외측 다이(402a)와 그 양측벽(600b)을 대응하여 내측 다이(400b)로 지지하는 상태에서 펀치(400) 등을 이용하여 실시할 수 있으며, 버링 가공의 종료 후 냉각유닛(600)을 내외측 다이(402a, 402b)로부터 분리하는 것으로 이루어질 수 있다.

그리고 접촉부(604)는 가능한 양측벽(600b)의 내벽에 가능한 근접하게 형성함이 더욱 효과적이며, 그 내부로 삽입이 이루어진 원통형 배터리 셀(200)의 외주면과 접촉하여 원통형 배터리 셀(200)이 움직이지 않도록 고정함과 동시에 원통형 배터리 셀(200)에서 발생하는 열을 금속 재질의 냉각유닛(600)을 통해 분산 방출하는 기능을 담당한다.

또한, 상판(600a)의 상면 높이는 장착이 이루어진 원통형 배터리 셀(200)의 일부가 상부로 돌출할 수 있도록 하판(600c)의 상면으로부터 원통형 배터리 셀(200)의 높이보다 이미 설정한 간격만큼 낮을 수 있고, 이를 통해 장착이 이루어지는 원통형 배터리 셀(200)은 상부로부터 전도성 플레이트(미도시) 등으로 전기적으로 연결될 수 있는 것이다.

그리고 양측판(600b)과 하판(600c)은, 두께 내부에 도 3b에 참조한 바와 같이, 압출 공정시 원통형 배터리 셀(200)을 충전하거나 방전시 발생하는 열의 방출 효율을 더욱 높이기 위해 즉, 열교환 효율을 더욱 높이기 위해 냉각수 또는 냉매가 흐르는 하나 이상의 유로(606)를 형성한 것으로 이루어진다.

이러한 유로(606)는, 도 3d에 도시한 바와 같이, 양측판(600b)과 하판(600c)에 대하여 복수의 개수로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 판(600b, 600c)체 내에 각각 하나 또는 둘 이상의 개수를 랜덤한 간격을 두고 형성할 수도 있음은 당연한 것이다.

또한, 원통형 배터리 셀(200)이 점유하지 않은 원통형 배터리 냉각유닛(600)의 내부 공간 즉, 수용부(608)에는, 도 3d에 도시한 바와 같이, 크롬(Cr)과 구리(Cu)와 같은 열전도성 금속을 포함하며 냉각유닛(600)의 내벽에 접촉하여 열을 전도할 수 있도록 하는 절연충전물(500a)을 더 구비토록 할 수 있으며 이들 절연충전물(500a)은 냉각유닛(600)의 원통형 접촉홀더(604)를 형성한 후 원통형 접촉홀더(604)와 간섭이 없는 범위 내에서 수용부(608)에 끼우고 원통형 배터리 셀(200)의 외주면과 접촉하는 장착홀(500b)을 형성한 것으로 이루어지며, 이때 절연충전물(500a)의 외면은 냉각유닛(600)의 양측벽과 접촉하는 상태에 있도록 함이 바람직하다.

이와 같이 냉각유닛(600)은, 접촉홀더(604)와 원통형 배터리 셀(200)의 상부 측면이 면접촉하고, 원통형 배터리 셀(200)의 하부 측면과 절연충전물(500a)이 면접촉하기 때문에 각각의 원통형 배터리 셀(200)로부터 발생한 열이 냉각수나 냉매가 흐르는 유로(606)가 형성된 양측판(600b)과 하판(600c)을 경유하여 외부로 신속하게 방출할 수 있다.

그리고 도 4a와 도 4b에 도시한 냉각유닛(600)의 길이 방향 일단과 타단에는 상술한 유로(606)을 통한 냉각수나 냉매의 흐름을 통일하여 유도하기 위한 헤더(700a, 700b)의 연결이 이루어진다.

즉, 냉각유닛(600)의 일단에 연결한 헤더(700a, 700b)를 통해 냉각수 또는 냉매의 투입이 이루어지면, 헤더(700a, 700b) 내부에서 양측판(600b)과 하판(600c)에 형성한 각 유로(606)에 대응하여 냉각수 또는 냉매의 분산이 이루어지고, 이에 따라 유동하는 냉각수 또는 냉매는 양측판(600b)과 하판(600c)의 각 유로(606)를 통해 흐르다가 냉각유닛(600)의 타단에 연결한 헤더(700a, 700b)를 통해 다시 취합이 이루어져 다른 냉각유닛(600)으로 흐르거나 출구로 배툴되는 과정을 갖는다.

이러한 흐름 과정의 냉각수 또는 냉매는, 유동과정에서 냉각유닛(600)을 통해 열을 교환함으로 원통형 배터리 셀(200)의 과열을 방지하게 된다.

또한 유로(606)가 형성된 하판(600c)과 양측판(600b) 및 상판(600a)이 일체형으로 구성되어 부품 수를 줄이고 조립 공정을 줄일 수 있다.

200: 원통형 배터리 셀 600: 원통형 배터리 냉각유닛
600a: 상판 600b: 양측판
600c: 하판 602: 관통홀
604: 접촉홀더 606: 유로
608: 수용부 320: 헤더

Claims (4)

1. 단면이 사각의 파이프 형상으로 사각 형상 중 양측판과 하판이 냉각수 또는 냉매가 흐르는 유로를 하나 이상 형성한 것으로 이루어지고, 사각 형상 중 상판이 원통형 배터리 셀을 상부로부터 삽입할 수 있도록 한 관통홀을 길이 방향을 따라 하나 이상 형성한 것으로 이루어지고, 상기 상판과 양측판 및 하판이 일체로 이루어진 원통형 배터리 냉각유닛; 및
   상기 원통형 배터리 냉각유닛이 하나 이상 배열한 상태에서 이웃하는 원통형 배터리 냉각유닛의 유로를 연결하는 연결수단;
   을 포함하는 원통형 배터리 냉각장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 관통홀이 형성된 상판에서 수직 하부로 버링 가공에 의해 원통형 접촉부가 형성되어 원통형 배터리 셀의 외측면과 면접촉되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 냉각장치.
3. 제1항에 있어서,
   원통형 배터리 셀 주연의 원통형 배터리 냉각유닛의 내부 공간에는 열전도성 금속을 함유한 절연충전물로 채워지는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 냉각장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 연결수단은 원통형 배터리 냉각유닛의 양측판과 하판에 형성한 복수의 유로를 원통형 배터리 냉각유닛의 길이 방향 일단과 타단을 각각 입구와 출구로 정하고, 출구의 유로를 이웃하는 다른 원통형 배터리 냉각유닛의 입구의 유로에 대응하여 연결하는 유로를 형성한 것으로 이루어져 냉각수나 냉매가 원통형 배터리 냉각유닛의 배열을 따라 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 냉각장치.
   

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