KR20230074001A

KR20230074001A - 하부 냉각팬을 포함하는 전지셀 충방전장치

Info

Publication number: KR20230074001A
Application number: KR1020220154858A
Authority: KR
Inventors: 강정남; 김동현
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-05-26

Abstract

본원발명에 따른 전지셀 충방전장치는, 복수의 전지셀들이 장착되는 트레이, 상기 트레이에 배치되는 복수의 하부 냉각팬들, 상기 전지셀들과 상기 하부 냉각팬들에 전원공급을 위한 단자를 포함하는 전원지그, 및 상기 트레이의 상부에 배치되는 상부 냉각팬들을 포함하는 바, 전지셀들 간에 온도 편차가 발생하는 것을 최소화할 수 있다.

Description

하부 냉각팬을 포함하는 전지셀 충방전장치 {Battery Cell Charging and Discharging Device Comprising Lower Cooling Fan}

본원발명은 하부 냉각팬을 포함하는 전지셀 충방전장치에 대한 것이다. 구체적으로, 전지셀을 충방전하는 과정에서 전지셀의 과열을 방지할 수 있도록 하부 냉각팬을 포함하는 전지셀 충방전장치에 대한 것이다.

충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 신체에 착용하는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 대기 오염을 유발하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로도 사용되고 있다.

상기 리튬 이차전지는 전지케이스의 소재 및 형태에 따라 금속 캔에 전극조립체를 내장하는 원통형 전지셀과 각형 전지셀, 그리고 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스에 전극조립체를 내장하는 파우치형 전지셀로 분류될 수 있으며, 상기 파우치형 전지셀은 형태 변형이 자유롭고 에너지 밀도가 높은 장점이 있다.

리튬 이차전지는 전극판을 제조하여 분리막과 함께 적층 또는 권취하여 전극조립체를 만드는 극판 공정, 상기 전극조립체를 전지케이스에 수납하고 전해액을 주액한 후 밀봉하는 조립 공정을 통해 제조된다. 이렇게 조립된 리튬 이차전지는 충방전 과정 및 에이징 과정 등을 포함하는 화성 공정을 거치면서 불량 제품을 선별하고 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 충방전 과정을 위해 복수의 전지셀들이 트레이에 장착된 상태로 충방전 지그에 배치되어 충전과 방전을 반복하여 진행하는 과정을 거치게 된다.

리튬 이차전지는 충전과 방전 과정에서 발열이 생기는데, 이는 전지의 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있으므로, 전지셀들의 상부에서 냉각팬을 배치하는 구조를 사용하였다. 그러나, 이와 같은 구조에서는 상승하는 고온의 기체가 다시 하강하면서 대류가 일어나기 때문에, 전지셀의 냉각 효과가 낮은 문제가 있다.

이와 관련하여, 특허문헌 1은 충방전장치에 대한 것으로, 모든 전지셀들의 온도를 측정하여 전지셀들 간의 온도 편차를 용량 계산시 고려할 수 있으며, 비접촉식 온도 센서부를 이용하여 전지셀에 영향을 주지 않으면서 빠른 온도 측정이 가능하다.

특허문헌 1은 전지셀들의 온도 편차를 줄이기 위한 냉각팬들을 구비하고, 상기 냉각팬들의 풍향 및 출력을 조절할 수 있으나, 상기 냉각팬들이 전지셀들이 수납된 트레이의 상부에 설치되고 직하방 이차전지들에 대해 송풍하도록 배치되는 바, 전지셀들이 배출하는 뜨거운 공기가 바깥으로 빠져나가지 못하고 안에서 순환하게 되는 문제가 있다.

특허문헌 2는 전지셀의 활성화 공정시 전지셀들을 충방전 하기 위한 이차전지의 충방전 장치에 대한 것으로, 둘 이상의 트레이들 각각에 탑재되는 전지셀들이 동시에 충방전 가능하도록, 트레이들이 상호 적층된 상태에서 전지셀들을 충방전시키며, 전지셀들과 접속되는 충방전 접속 모듈에 구비되는 제1냉각부재, 및 트레이에 탑재된 전지셀들의 상부 측에 위치하는 제2냉각부재를 포함하는 구성을 개시하고 있다.

특허문헌 2는 충방전이 이루어지는 전지셀들을 냉각하여 전지셀들의 온도를 조절하기 위한 냉각부재들을 포함하고 있으나, 제1냉각부재는 전지셀들의 측면방향으로 공기를 송풍시키며, 제2냉각부재는 전지셀들의 하부 방향으로 공기를 송풍한다.

특허문헌 2는 수직 방향으로 적층된 둘 이상의 트레이들의 측면 중 하부, 및 상면 각각에 냉각부재들이 배치된 구조인 바, 냉각부재가 배출한 바람이 직각을 이루며 서로 만나서 충돌이 일어나기 쉬운 구조이다. 따라서, 가열된 공기를 쉽게 배출하기 어려운 형태이다.

이와 같이, 복수의 전지셀들을 트레이에 장착하고 충전과 방전을 진행하는 전지셀 충방전장치에서 전지셀들이 배출하는 뜨거운 공기를 효율적으로 배출하여 전지셀들의 온도 편차를 줄일 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

한국 공개특허공보 제2020-0078207호 (2020.07.01) 한국 등록특허공보 제2089264호 (2020.03.10)

본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전지셀 충방전 과정에서 가열된 공기를 효율적으로 배출하고 전지셀들의 온도 편차를 관리할 수 있는 전지셀 충방전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 전지셀 충방전장치는, 복수의 전지셀들이 장착되는 트레이, 상기 트레이에 배치되는 복수의 하부 냉각팬들, 상기 전지셀들과 상기 하부 냉각팬들에 전원공급을 위한 단자를 포함하는 전원지그, 및 상기 트레이의 상부에 배치되는 상부 냉각팬들을 포함할 수 있다.

상기 전지셀들의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함할 수 있다.

상기 온도센서의 온도 정보를 수집하고, 상기 하부 냉각팬들의 속도를 제어하는 PCB를 더 포함할 수 있다.

상기 PCB는 상기 온도센서를 통해 얻은 복수의 전지셀들의 온도 정보를 상위 서버로 전송할 수 있다.

상기 전원지그의 단자핀은 상기 트레이와 연결될 수 있다.

상기 전지셀들은 전장 방향 양측 끝단에서 양극리드와 음극리드가 각각 돌출되는 파우치형 전지셀이고, 상기 하부 냉각팬들은, 상기 전지셀들의 전장 방향 양측 끝단 각각과 상기 전지셀들의 전장 방향 중심부에 배치될 수 있다.

상기 하부 냉각팬들은 상기 전지셀들을 향해 배치되어 상승하는 공기의 흐름을 만들고, 상기 상부 냉각팬들은 상승된 공기를 배출시킬 수 있다.

상기 전원지그는 상면에 상기 트레이가 배치되는 베이스부, 및 상기 전지셀들의 양극리드 및 음극리드 각각과 대향하도록 배치하는 제1측면부와 제2측면부를 포함하고, 상기 제1측면부와 제2측면부는 서로 간의 거리가 가까워지도록 이동하거나, 또는 서로 간의 거리가 멀어지도록 이동가능한 형태로 이루어질 수 있다.

상기 제1측면부는 하부 냉각팬 및 PCB에 전원을 공급하기 위한 단자핀을 포함하고, 상기 제1측면부와 제2측면부에는 복수의 전지셀들의 양극리드 및 음극리드와 결합하는 그리퍼를 포함할 수 있다.

상기 상부 냉각팬들은, 상기 복수의 전지셀들 중 양측 최외측에 배치된 전지셀들과 인접한 상부에서 전지셀들의 전장 방향을 따라 2열로 배치되고, 상기 복수의 전지셀들이 배출하는 열에너지를 상기 복수의 전지셀들이 장착된 트레이 외측으로 배출할 수 있다.

상기 트레이는 상하방향으로 적층되는 복수의 트레이들을 포함할 수 있다.

상기 트레이는 각각의 트레이들에 장착된 전지셀들의 열에너지가 하부 냉각팬의 바람에 의해 상향 이동할 수 있도록 열이동 통로가 형성될 수 있다.

본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 전지셀 충방전장치는 하부 냉각팬에 의해 공기가 상승하고, 상승된 공기는 상부 냉각팬에 의해 전원지그 외측으로 배출될 수 있는 바, 전지셀들의 냉각이 효율적으로 이루어질 수 있다.

또한, 온도 센서들을 전지셀들과 인접하게 배치함으로써 전지셀들의 온도를 정확하게 측정하고 전지셀들 간의 온도 편차를 줄일 수 있다.

또한, 하나의 전지셀에 적어도 3개 이상의 냉각팬이 배치되고, 냉각팬들은 개별적인 온도 제어가 가능하기 때문에, 하나의 전지셀 내에서도 온도 편차가 일어나는 것을 최소화할 수 있다.

도 1은 제1실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 정면도이다.
도 2는 제2실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 분해 사시도이다.
도 3은 제2실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 정면도이다.
도 4는 전지셀 충방전장치의 전원지그의 이동 전과 후를 나타내는 정면도이다.
도 5는 제2실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 평면도이다.
도 6은 제3실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 정면도이다.
도 7은 전원지그 일부의 정면도와 측면도이다.
도 8은 트레이 일부의 정면도와 측면도이다.
도 9는 온도기록계를 통해 측정한 파우치형 전지셀들의 평균 온도 그래프이다.
도 10은 온도 센서를 통해 측정한 파우치형 전지셀들의 평균 온도 그래프이다.
도 11은 비교예에 따라 온도센서에서 측정한 파우치형 전지셀들의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에 따라 온도센서에서 측정한 파우치형 전지셀들의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 13은 참고예에서 비교예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 참고예에서 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

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.

또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.

본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.

도 1은 제1실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 정면도이다.

도 1을 참조하면, 본원발명에 따른 전지셀 충방전장치는 복수의 전지셀들(10)이 장착되는 트레이(100), 트레이(100)에 배치되는 복수의 하부 냉각팬들(210), 전지셀들(10)과 하부 냉각팬들(210)에 전원공급을 위한 단자를 포함하는 전원지그(300), 및 트레이의 상부에 배치되는 상부 냉각팬들(220)을 포함한다.

리튬 이차전지의 조립 후 전지의 성능을 향상시키는 활성화 과정, 및 전지셀의 성능 검사 과정 등에서 전지셀의 충방전의 실시가 필요한 바, 본원발명과 같은 전지셀 충방전장치를 사용할 수 있다.

전지셀을 충방전하는 과정에서 전지셀의 온도가 올라가는 발열 현상이 발생할 수 있는데, 이는 전지셀의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 전지셀 충방전장치는 고온의 전지셀의 온도를 냉각하기 위한 하부 냉각팬들과 상부 냉각팬들을 구비하고 있다.

하부 냉각팬들(210)은 전지셀들(10)을 향해 공기를 분사하기 때문에 상승하는 공기의 흐름을 만든다. 이와 같이 상승한 공기가 다시 하강하는 것을 방지하기 위하여, 상부 냉각팬들(220)은 전원지그(300)와 대면하지 않도록 배치되며, 상승된 공기를 트레이 및 전원지그 바깥으로 배출시키는 공기의 흐름을 만든다.

이와 같이 가열된 공기를 상승시켜서 배출시킬 수 있는 바, 가열된 공기가 다시 하강하여 전지셀의 온도를 증가시키는 문제를 방지할 수 있다.

전원지그(300)는 하부 냉각팬들(210) 및 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄 회로 기판)(160)에 전원을 공급하기 위한 단자핀(330)과 전지셀들(10)을 충방전하기 위해 전지셀들(10)의 전극리드(11)와 결합하는 그리퍼(340)를 포함한다.

상부 냉각팬들(220)의 작동을 위한 전원은 전원지그(300) 외의 별도로 배치되는 전원을 통해 공급될 수 있다.

도 2는 제2실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 분해 사시도이고, 도 3은 제2실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 정면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본원발명에 따른 전지셀 충방전장치는 전지셀들(10)의 온도를 측정하는 온도센서(150)를 더 포함한다. 또한, 온도센서의 온도 정보를 수집하고, 하부 냉각팬들(210)의 속도를 제어하는 PCB(160)를 더 포함한다.

온도센서(150)는 모든 전지셀들(10)의 전장 방향(x) 양 끝단부에 각각 위치하고, 전지셀(10)과 밀착되도록 배치될 수 있는 바, 전지셀들(10)의 온도 변화를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 온도센서(150)는 전지셀에서 가장 발열이 심하게 나타나는 부분인 전극 탭 및 전극리드와 인접하게 배치되기 때문에, 전지셀의 최고 온도가 기준 온도를 넘지 않도록 관리할 수 있다.

또한, 모든 전지셀들과 인접하게 온도센서가 배치되기 때문에, 전지셀들 중 온도 편차가 발생한 것을 센싱한 경우, 온도 편차가 생긴 전지셀의 온도를 평균 온도가 되도록 하부 냉각팬의 속도를 조절할 수 있다. 따라서, 전지셀들 간에 온도 편차가 일어나는 경우 빠르게 조절할 수 있다.

구체적으로, 본원발명은 트레이의 전체 부분에 걸쳐서 복수의 하부 냉각팬이 배치되고 있는 바, 온도가 높은 전지셀의 하부에 있는 하부 냉각팬은 속도를 빠르게 하고, 온도가 낮은 전지셀의 하부에 있는 하부 냉각팬은 속도를 느리게 제어함으로써, 전체 전지셀들의 온도가 균일해지도록 관리할 수 있다.

또한, 전지셀들은 전장 방향(x) 양측 끝단에서 양극리드와 음극리드가 각각 돌출되는 파우치형 전지셀이고, 하부 냉각팬들(210)은 전지셀들(10)의 전장 방향(x) 양측 끝단 각각과 상기 전지셀들의 전장 방향(x) 중심부에 배치된다. 따라서, 하나의 전지셀 내에서도 온도 편차가 발생하는 경우, 하부 냉각팬의 속도를 조절하여 단일 전지셀 내에서 온도 편차가 생기는 것을 방지할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 온도센서들(150)은 트레이(100)의 상면에 부착될 수 있는 바, 온도센서가 전지셀의 온도를 정확하게 측정하는 데에 장애가 되지 않도록, 하부 냉각팬과 온도센서가 수직 방향(y)으로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.

또한, 트레이(100)의 상면에는 전지셀들(10)이 장착되는 바, 전지셀들(10)이 하부 냉각팬들(210)의 동작에 장애물이 되지 않도록 전지셀들과 하부 냉각팬들 사이에 이격 공간이 형성될 수 있다. 상기 이격 공간은 망상 구조체(170)가 배치됨으로써 하부 냉각팬에서 분사되는 냉각풍이 상승하는 데에 장애가 되지 않도록 할 수 있다.

PCB(160)는 온도센서(150)를 통해 얻은 복수의 전지셀들의 온도 정보를 상위 서버로 전송할 수 있는 바, 무선 통신을 통한 전송이 이루어질 수 있다.

도 4는 전지셀 충방전장치의 전원지그의 이동 전과 후를 나타내는 정면도이다.

도 4를 참조하면, 전원지그(300)는 상면에 트레이(100)가 배치되는 베이스부(311), 및 전지셀들의 양극리드 및 음극리드 각각과 대향하도록 배치하는 제1측면부(310)와 제2측면부(320)를 포함하고, 제1측면부(310)와 제2측면부(320)는 서로 간의 거리가 가까워지도록 이동하거나, 또는 서로 간의 거리가 멀어지도록 이동가능한 형태로 이루어질 수 있다.

제1측면부(310)는 하부 냉각팬(210) 및 PCB(160)에 전원을 공급하기 위한 단자핀(330)을 포함하고, 제1측면부(310)와 제2측면부(320)에는 복수의 전지셀들(10)의 양극리드 및 음극리드와 결합하는 그리퍼(340)를 포함한다. 또한, 상기 복수의 전지셀들의 충방전을 위한 전원이 제1측면부와 제2측면부를 통해 공급될 수 있으며, 그리퍼가 양극리드 및 음극리드와 결합한 상태에서 충방전이 진행될 수 있다. 한편, 복수의 전지셀들의 충방전이 안정적으로 이루어질 수 있도록, 상기 전원은 보조 전원을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1측면부(310)와 제2측면부(320)가 서로 간의 거리가 가까워지도록 이동하여, 그리퍼(340)가 전극리드들(11)과 결합하여 전지셀들의 충방전이 이루어질 수 있고, 단자핀(330)이 트레이(100)와 연결되어 하부 냉각팬들(210) 및 PCB(160)에 전원 공급이 이루어질 수 있다.

도 5는 제2실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 평면도이다. 따라서, 도 5에 표시된 도면 부호는 도 2 및 도 3에 표시된 도면 부호와 동일한 구성에 해당한다.

도 5를 참조하면, 전원지그는 전지셀들의 장축 방향(x) 양측 끝단 각각에 배치되는 제1측면부(310) 및 제2측면부(320)를 포함하고, 복수의 전지셀들(10)은 온도센서(150)와 밀착되도록 트레이에 장착되어 있다.

트레이에 배치된 하부 냉각팬들(210)은 전지셀들(10)을 향해 배치되는 바, 상승하는 공기의 흐름을 만든다. 상부 냉각팬들(220)은 트레이 외주변의 상부 또는 트레이 외주변의 외측 상부에 배치되고, 복수의 전지셀들(10)의 반대 방향 하측을 향하도록 배치된다. 따라서, 상부 냉각팬들이 작동하면 하부 냉각팬에 의해 상승된 공기를 트레이 외측으로 배출시킬 수 있다.

구체적으로, 상부 냉각팬들(220)은 복수의 전지셀들(10) 중 양측 최외측에 배치된 전지셀들과 인접한 상부에서 전지셀들의 전장 방향(x)을 따라 2열로 배치되고, 복수의 전지셀들(10)이 배출하는 열에너지를 도 5의 점선 화살표 방향과 같이 복수의 전지셀들(10)이 장착된 트레이 외측으로 배출한다.

따라서, 트레이에 장착된 복수의 전지셀들의 냉각 효과가 향상될 수 있다.

도 6은 제3실시예에 따른 전지셀 충방전장치의 정면도이다.

도 6을 참조하면, 전지셀 충방전장치는 상하방향으로 적층되는 복수의 트레이들(100)을 포함하는 형태로 이루어진다.

복수의 트레이들(100) 각각의 상부에는 충방전을 하기 위한 복수의 전지셀들(10)이 배치되고, 트레이들(100)에는 하부 냉각팬(210)과 PCB(160)가 배치된다. 최상단에 위치하는 트레이에 장착된 전지셀의 상부에는 복수의 상부 냉각팬들(220)이 배치된다.

복수의 트레이들이 적층되도록 배치되기 때문에 전원지그의 제1측면부(310)와 제2측면부(320)의 높이도 높아지게 되나, 제1측면부(310)와 제2측면부(320)는 트레이들(100)에 가까워지거나 멀어지도록 이동하는 형태이다.

제1측면부(310)는 각각의 트레이들(100)에 전원을 공급하기 단자핀들(330)이 트레이(100)의 측면에 결합하도록 복수의 개수로 포함하고, 전지셀들(10)의 충방전을 위해 전극리드와 결합하는 그리퍼들(340)은 상하 방향으로 적층된 전지셀들의 전극리드와 대응되는 위치에 배치된다.

이와 같이 복수의 트레이들이 적층되더라도 각각의 트레이들에 장착된 전지셀들의 열에너지가 하부 냉각팬의 바람에 의해 상향 이동할 수 있도록, 열이동 통로가 형성될 수 있다.

구체적으로, 트레이들은 망상 구조체로 구성되거나, 또는 바람이 통과할 수 있는 복수의 관통구가 형성된 형태일 수 있다.

도 7은 전원지그 일부의 정면도(a)와 측면도(b)이다.

도 7 (a)는 도 4의 A 위치에서 제1측면부를 바라봤을 때, 제1측면부의 단자핀(330) 부분을 확대하여 도시하고 있고, 도 7 (b)는 도 7 (a)를 측면에서 바라본 상태를 도시하고 있다.

도 7을 참조하면, 단자핀(330)의 외측면에 보드(360)가 위치하고, 보드(360)의 상단에는 3개의 단자들(331)이 배치하고 있다. 3개의 단자(331)들은 PCB에서 취합된 온도 정보를 상위 서버로 전송하기 위한 통신 단자일 수 있다. 예를 들어, 상기 통신 단자는 RS-232 통신의 Rx, Tx, GND선 일 수 있다. 3개의 단자들(331) 각각에는 리노핀(361)이 결합되어 있으며, 리노핀(361)은 제1결합면에서 보드(360)가 부착된 면의 반대쪽 외면으로 돌출되도록 단자들(331)과 연결되어 있다.

보드(360)의 하단에는 2개의 단자들(332)이 배치되고 있는 바, 이들은 PCB와 하부 냉각팬에 전원을 공급하기 위한 전원단자이다. 상기 전원단자는 예를 들어, DC 24V의 전원단자일 수 있다. 단자들(332) 각각에는 리노핀(362)이 결합되어 있으며, 리노핀(362)은 제1결합면에서 보드(360)가 부착된 면의 반대쪽 외면으로 돌출되도록 단자들(332)과 연결되어 있다.

도 8은 트레이 일부의 정면도와 측면도이다.

도 8 (a)는 도 4의 A 위치에서 트레이(100)를 바라봤을 때, 트레이(100)에서 단자핀(330)과 결합하는 부분을 확대하여 도시하고 있고, 도 8 (b)는 도 8 (a)를 측면에서 바라본 상태를 도시하고 있다.

도 8을 참조하면, 제1측면부가 트레이와 가까워지도록 이동하면, 단자핀(330)의 리노핀들(361, 362)은 트레이(100)의 결합부(180)에 있는 커넥터들(181, 182)과 접촉하게 된다. 즉, 커넥터들(181)에 도 7의 리노핀들(361)이 결합되면서 전기적인 연결이 이루어지는 바, PCB에서 취합된 온도 정보를 상위 서버로 전송할 수 있게 된다. 또한, 커넥터들(182)은 도 7의 리노핀들(362)이 결합되면서 전기적인 연결이 이루어지는 바, PCB와 하부 냉각팬에 전원이 공급될 수 있다.

이와 같이, 본원발명은 복수의 전지셀들이 장착되는 트레이에 복수의 하부 냉각팬들이 장착되어 전지셀들 간에 온도 편차가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 상기 트레이의 상부에 상부 냉각팬이 장착되어 상승한 뜨거운 공기를 트레이와 전원지그 외부로 배출할 수 있는 바, 전지셀들의 냉각 효율성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는, 본원 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

<온도기록계와 온도 센서를 이용한 전지셀의 온도 측정 결과>

20개의 파우치형 전지셀의 전장 방향 양 끝단부 각각에 온도기록계를 부착하고, 충방전 과정에서 상기 파우치형 전지셀들의 온도 변화를 실시간으로 측정하였다.

상기 20개의 파우치형 전지셀이 장착되는 트레이에 위치하되, 상기 파우치형 전지셀들의 양 끝단부 각각에서 상기 파우치형 전지셀과 밀착되도록 온도센서를 배치하고, 충방전 과정에서 상기 파우치형 전지셀들의 온도 변화를 실시간으로 측정하였다.

상기와 같이 온도기록계와 온도 센서 각각에서 측정된 온도를 상호 비교하였다.

도 9는 온도기록계를 통해 측정한 파우치형 전지셀들의 평균 온도 그래프이고, 도 10은 온도 센서를 통해 측정한 파우치형 전지셀들의 평균 온도 그래프이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 가로축은 20개의 파우치형 전지셀들을 나타내고, 세로축은 측정된 온도를 나타낸다. 그래프를 구성하는 복수의 선들은 파우치형 전지셀들의 온도를 7회에 걸쳐 측정한 결과로서, 각 회차별 충전과 방전 전체 과정의 평균 온도를 기재하고 있다.

온도기록계를 통해 측정한 전지셀들의 평균 온도와 온도 센서를 통해 측정한 전지셀들의 평균 온도의 변화 추이는 동일하게 나타나는 것으로 확인된다.

온도기록계와 온도 센서에서 측정한 결과에서, 평균 온도 차이가 ±1 ℃ 이내로 나타나고 있다.

따라서, 트레이에 설치된 온도 센서를 이용하여 측정한 파우치형 전지셀들의 온도와 전지셀들에 직접 부착한 온도기록계에서 측정한 결과는 거의 차이가 없는 유사한 값으로 측정되는 것을 알 수 있다.

따라서, 모든 전지셀들의 외면에 온도기록계를 부착하는 과정을 생략하고, 본원발명과 같이 트레이에 구비된 온도 센서에 파우치형 전지셀들을 밀착되게 배치하는 간단한 과정만으로, 온도기록계로 측정한 것과 유사한 수준의 온도 변화 추이를 얻을 수 있다.

<비교예>

트레이의 상부에만 상부 냉각팬들을 장착하고, 상기 트레이 상에 20개의 파우치형 전지셀들을 배치한 후, 상기 파우치형 전지셀들에 대해 충전 및 방전을 진행하였다.

상기 20개의 파우치형 전지셀들의 양극 탭과 음극 탭 부근에 온도센서를 부착하고, 실시간으로 온도를 측정하는 과정을 5회 진행했다.

상기 상부 냉각팬들은 상기 복수의 파우치형 전지셀들의 상부에 일정한 간격으로 이격되도록 복수의 상부 냉각팬들이 배치되었고, 상기 복수의 파우치형 전지셀들을 향해 아래 방향으로 5 m/s의 속도로 바람을 불어주도록 설치되었다.

도 11은 비교예에 따라 온도센서에서 측정한 파우치형 전지셀들의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.

<실시예>

트레이의 측면에 하부 냉각팬들을 장착하고, 상기 트레이 상에 20개의 파우치형 전지셀들을 배치한 후, 상기 파우치형 전지셀들에 대해 충전 및 방전을 진행하였다.

상기 20개의 파우치형 전지셀들의 양극 탭과 음극 탭 부근에 온도센서를 부착하여 실시간으로 온도를 측정하는 과정을 5회 진행했다.

상기 하부 냉각팬들은 상기 복수의 파우치형 전지셀들의 양 측면에 일정한 간격으로 이격되도록 배치되고, 상기 복수의 파우치형 전지셀들을 향해 1 m/s의 속도로 바람을 불어주도록 설치되었다.

도 12는 실시예에 따라 온도센서에서 측정한 파우치형 전지셀들의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 복수의 파우치형 전지셀들에서 발생한 열기가 외부로 빠져나가지 못하고 트레이 내에 누적되는 바, 상기 파우치형 전지셀들과 트레이 내의 온도가 증가하게 된다. 따라서, 도 11의 그래프에서 도 12의 그래프 보다 상대적으로 온도가 높은 전지셀들의 개수가 많은 결과를 보여준다.

도 11의 비교예에서는 20개의 파우치형 전지셀들 간의 온도 편차가 39±3℃로 측정되어 상대적으로 온도차이가 심하게 나타나고 있으며, CH1, Ch5, CH11은 상부 냉각팬의 영향을 많이 받아서 온도가 낮게 측정된 것으로 판단된다.

도 12의 실시예에서는 20개의 파우치형 전지셀들 간의 온도 편차가 39±1℃로 측정되어 상대적으로 온도차이가 낮은 것으로 나타나고 있다.

이와 같이, 아래 방향으로 바람을 불어주는 상부 냉각팬들만 구비하는 경우 보다, 파우치형 전지셀들의 측면에 하부 냉각팬들을 배치하는 경우, 트레이 내부에서 공기 순환이 이루어지면서 전체적인 온도가 균일하게 형성되기 때문에, 복수의 파우치형 전지셀들 간의 온도 편차가 작아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예와 같은 하부 냉각팬들을 구비하고, 추가적으로 복수의 파우치형 전지셀들에서 배출하는 열을 트레이 외측으로 배출하도록 상부 냉각팬들을 더 구비하는 경우에는, 파우치형 전지셀들의 온도 증가를 더욱 억제하고 온도 편차도 작아질 수 있을 것으로 예상 가능하다.

<참고예>

상기 비교예 및 실시예에서 측정된 기류 시뮬레이션을 수행하기 위하여, 아래의 경계 조건 및 재료 물성을 반영하여 시뮬레이션을 진행하였다.

경계 조건

-Analysis Type: Steady State

-Turbulence: SST(Shear Stress Transport)

-Energy: Thermal Energy Model

-Front Inlet: Opening Condition (29 ℃ 유입)

-Rear Outlet: Velocity Outlet Condition (0.5 m/s)

-Wall: No slip Condition

-Fan: P-Q Curve(Momentum Source)

물성 정보

구분	밀도(kg/m³)	점성계수(kg/m·s)	열전도율(W/m·K)
공기	1.185	1.831 x10^-5	2.61x10^-2

시뮬레이션 모델 구성 정보

-비교예 절점/요소: 40,965,121EA / 132,988,707EA

-실시예 절점/요소: 39,104,3668EA/146,031,145EA

-격자 Type: Tetra, Wedge

-Pre/Post processor: Ansys Meshing 2021R2 / CFD Post 2021R2

-Solver: CFX2021R2

상기 시뮬레이션 조건에 따른 비교예 및 실시예의 시뮬레이션 결과를 도 13 및 도 14에 도시하였다.

도 13은 참고예에서 비교예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 도 14는 참고예에서 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.

도 13을 참조하면, 트레이 상부에 장착된 상부 냉각팬에서 토출되는 바람의 평균속도는 5 m/로 계산되며, 상부에서 하부로 바람이 불어오는 구조이기 때문에 바람이 먼저 닿는 파우치형 전지셀의 상부는 주변 보다 상대적으로 온도가 낮은 것으로 확인된다.

파우치형 전지셀들의 평균 온도는 34 ℃로 계산되었고, 파우치형 전지셀들 간 온도 편차는 평균 4.2 ℃이며, 최대 온도 편차는 14.1 ℃로 확인되었다.

도 14를 참조하면, 트레이 내부에서 외부로 공기를 불어주기 때문에 공기가 더 넓은 면적의 파우치형 전지셀과 접촉하여 열전달 효율을 높일 수 있으나, 하부 냉각팬의 유량이 상부 냉각팬의 유량 보다 약 6.8배 낮아 파우치형 전지셀의 전체 평균 온도가 10 ℃ 높은 것으로 계산된다.

Cell 1과 Cell 20의 최고 온도가 높은 이유는 트레이의 전단과 후단이 막혀 있는 구조이고, 하부 냉각팬의 바람이 트레이의 양 끝단에 들어오기 어려운 구조이기 때문에 온도가 비정상적으로 높게 계산되었기 때문이다.

즉, 파우치형 전지셀들의 평균 온도는 44 ℃로 계산되었고, 파우치형 전지셀들 간 온도 편차는 평균 3.2 ℃이며, 최대 온도 편차는 64.7 ℃로 확인되었다.

따라서, 본원발명은 실시예와 같이 하부 냉각팬을 구비하여 바람의 흐름이 트레이 내부에서 외부로 전달되도록 구비함으로써, 트레이에 장착된 전지셀들의 온도 편차를 줄일 수 있음을 알 수 있다.

본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

10: 전지셀
11: 전극리드
100: 트레이
150: 온도센서
160: PCB
170: 망상 구조체
180: 결합부
181, 182: 커넥터
210: 하부 냉각팬
220: 상부 냉각팬
300: 전원지그
310: 제1측면부
311: 베이스부
320: 제2측면부
330: 단자핀
331, 332: 단자
340: 그리퍼
350: 보드
361, 362: 리노핀

Claims

복수의 전지셀들이 장착되는 트레이;
상기 트레이에 배치되는 복수의 하부 냉각팬들;
상기 전지셀들과 상기 하부 냉각팬들에 전원공급을 위한 단자를 포함하는 전원지그; 및
상기 트레이의 상부에 배치되는 상부 냉각팬들;
을 포함하는 전지셀 충방전장치.
제1항에 있어서,
상기 전지셀들의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하는 전지셀 충방전 장치.
제2항에 있어서, 상기 온도센서의 온도 정보를 수집하고, 상기 하부 냉각팬들의 속도를 제어하는 PCB를 더 포함하는 전지셀 충방전 장치.
제3항에 있어서, 상기 PCB는 상기 온도센서를 통해 얻은 복수의 전지셀들의 온도 정보를 상위 서버로 전송하는 전지셀 충방전장치.
제1항에 있어서, 상기 전원지그의 단자핀은 상기 트레이와 연결되는 전지셀 충방전 장치.
제1항에 있어서, 상기 전지셀들은 전장 방향 양측 끝단에서 양극리드와 음극리드가 각각 돌출되는 파우치형 전지셀이고,
상기 하부 냉각팬들은, 상기 전지셀들의 전장 방향 양측 끝단 각각과 상기 전지셀들의 전장방향 중심부에 배치되는 전지셀 충방전장치.
제1항에 있어서, 상기 하부 냉각팬들은 상기 전지셀들을 향해 배치되어 상승하는 공기의 흐름을 만들고,
상기 상부 냉각팬들은 상승된 공기를 배출시키는 전지셀 충방전장치.
제1항에 있어서, 상기 전원지그는 상면에 상기 트레이가 배치되는 베이스부; 및
상기 전지셀들의 양극리드 및 음극리드 각각과 대향하도록 배치하는 제1측면부와 제2측면부를 포함하고,
상기 제1측면부와 제2측면부는 서로 간의 거리가 가까워지도록 이동하거나, 또는 서로 간의 거리가 멀어지도록 이동가능한 형태로 이루어진 전지셀 충방전장치.
제8항에 있어서,
상기 제1측면부는 하부 냉각팬 및 PCB에 전원을 공급하기 위한 단자핀을 포함하고,
상기 제1측면부와 제2측면부에는 복수의 전지셀들의 양극리드 및 음극리드와 결합하는 그리퍼를 포함하는 전지셀 충방전장치.
제1항에 있어서, 상기 상부 냉각팬들은,
상기 복수의 전지셀들 중 양측 최외측에 배치된 전지셀들과 인접한 상부에서 전지셀들의 전장 방향을 따라 2열로 배치되고,
상기 복수의 전지셀들이 배출하는 열에너지를 상기 복수의 전지셀들이 장착된 트레이 외측으로 배출하는 전지셀 충방전장치.
제1항에 있어서, 상기 트레이는 상하방향으로 적층되는 복수의 트레이들을 포함하는 전지셀 충방전장치.
제11항에 있어서, 상기 트레이는 각각의 트레이들에 장착된 전지셀들의 열에너지가 하부 냉각팬의 바람에 의해 상향 이동할 수 있도록 열이동 통로가 형성되어 있는 전지셀 충방전장치.