KR20240039320A - 냉각 구조를 갖는 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 히트 파이프를 이용하여 배터리 셀에서 발생된 열을 하우징 외부로 방열시킬 수 있는 배터리 팩 및 배터리 모듈에 관한 것으로, 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈은, 길이 방향으로 일정한 간격으로 홀더에 의해 묶여 전체적으로 단면이 격자 구조를 이루는 다수의 배터리 셀들; 다수의 배터리 셀들의 모두와 적어도 일부에서 근접할 수 있도록 격자 구조가 이루는 빈 공간에 배치되는 다수의 히트 파이프들; 다수의 히트 파이프들의 일단에 결합되어 히트 파이프들을 고정시키는 고정부; 및 고정부에 결합되어 고정부를 통해 전달되는 다수의 히트 파이프들의 열을 방열시키는 방열판;을 포함하여 구성된다.

Description

냉각 구조를 갖는 배터리 팩{A battery pack with a cooling structure}

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각 구조를 갖는 배터리 팩에 관한 것이다.

배터리 팩은 여러 배터리 셀을 하나로 합쳐 외부 환경의 물리적 충격으로부터 보호하며 특정한 역할을 수행할 수 있도록 만든 것이다.

고성능 배터리는 충격이나 환경에 민감하고 문제가 발생할 경우 담을 수 있는 에너지의 크기만큼 큰 에너지를 방출한다. 이런 배터리를 그냥 여러개 줄줄이 연결해서 외부로 노출된 상태로 쓴다면 지속적인 충격과 진동에 의해 연결이 분리되거나 충격, 쇼트라도 발생하는 날에는 화재나 폭발이 일어날 가능성이 있다. 이러한 이유에서 특정 환경에 대응하거나 기능을 발휘해야 하는 특수한 경우에 배터리를 팩으로 제조하는 것이다.

또한, 대형 배터리는 부피에 비해 표면적이 작아 충/방전시 열 배출에 있어 훨씬 취약하다. 따라서 공간 활용이 효율적인 매우 큰 배터리를 만들지 않고 작은 배터리를 다닥다닥 붙이고 다양한 냉각 구조가 적용된 배터리 팩을 만드는 것이다.

그런데 종래의 기술에 의한 수냉식 배터리 팩에서는 냉각수를 배터리 팩 내부로 투입시키기 위하여 별도의 동력이 필요하고 그 구조가 너무 복잡하다는 문제점이 있다.

등록특허공보 제10-2409706호 (2022.06.16.) 등록특허공보 제10-2371850호 (2022.03.08.) 등록특허공보 제10-2002861호 (2019.07.25.)

본 발명은 히트 파이프를 이용하여 배터리 셀에서 발생된 열을 하우징 외부로 방열시킬 수 있는 배터리 팩 및 배터리 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈은, 길이 방향으로 일정한 간격으로 홀더에 의해 묶여 전체적으로 단면이 격자 구조를 이루는 다수의 배터리 셀들; 상기 다수의 배터리 셀들의 모두와 적어도 일부에서 근접할 수 있도록 상기 격자 구조가 이루는 빈 공간에 배치되는 다수의 히트 파이프들; 상기 다수의 히트 파이프들의 일단에 결합되어 히트 파이프들을 고정시키는 고정부; 및 상기 고정부에 결합되어 상기 고정부를 통해 전달되는 상기 다수의 히트 파이프들의 열을 방열시키는 방열판;을 포함하여 구성된다.

상기의 배터리 모듈에 있어서, 상기 격자 구조 중 배터리 셀과 히트 파이프가 근접하는 공간에는 열전달 물질을 채우고, 그 이외의 공간에는 열차단 물질을 채우는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 냉각 구조를 갖는 배터리 팩은, 상기의의 구조를 갖는 다수의 배터리 모듈들; 및 배터리 모듈의 배터리 셀들, 히트 파이프들 및 고정부는 내부에 위치시키고, 배터리 모듈의 방열판은 외부에 위치시킨 상태에서 상기 다수의 배터리 모듈들을 수용하는 하우징;을 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면, 기존의 수냉식 배터리 팩에 비하여 별도의 동력을 필요로 하지 않고, 중량과 공간을 많이 차지하지 않고도 월등히 우수한 냉각 효과를 얻을 수 있으며 반영구적으로 사용 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 배터리 모듈을 도시한 사시도이다.
도 1a는 본 발명에 의한 배터리 모듈에 히트 파이프가 내재된 모습을 도시한 사시도이다, 도 1b는 본 발명에 의한 배터리 모듈에 히트 파이프가 내재된 모습을 도시한 정면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 배터리 모듈의 단면 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 배터리 모듈 냉각 구조를 확대하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 배터리 팩을 하우징의 상부가 개방된 상태로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 배터리 팩을 하우징의 상부가 닫힌 상태로 도시한 사시도이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

이차전지는 충/방전이 가능한 배터리로 현재 리튬이온배터리가 널리 사용되고 있다. 이차전지의 4대요소로는 양극, 음극, 분리막, 전해액이 있다. 양극과 음극은 전기화학 반응에 직접적으로 참여하여 에너지를 저장하거나 소비하는 역할을 하고, 전해액은 양극과 음극이 서로 반응할 수 있게 이온통로를 제공한다. 그리고 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 닿는 것을 막아주는 역할을 한다.

이차전지의 구성요소로 양극, 음극, 분리막, 전해액을 물리적으로 특정 형태로 조립한 단위를 셀(배터리 셀)이라고 한다. 배터리 셀은 크게 파우치 셀, 원통형 셀, 각형 셀 등이 있다.

이러한 셀들을 수십 개 묶어 결합한 것을 배터리 모듈이라 하고, 다수의 배터리 모듈을 하우징에 수용한 것을 배터리 팩이라 한다.

도 1 내지 도 1b에 의하면, 본 발명에 의한 배터리 모듈(5)은 다수의 배터리 셀들(10), 다수의 히트 파이프들(20), 고정부(30) 및 방열판(40)으로 구성된다.

우선, 배터리 셀(10)은 다수 개가 길이 방향으로 일정한 간격으로 홀더(12)에 의해 묶여 전체적으로 단면이 도 2에 도시된 바와 같은 격자 구조를 이룬다.

도 1a와 도 1b는 본 발명에 의한 배터리 모듈(5)에 히트 파이프(20)가 내재된 모습을 도시한다.

히트 파이프(Heat Pipe)(20)는 특수한 내부구조와 냉매를 사용하는 밀폐된 금속관 모양 열전도체이다. 즉, 히트 파이프(20)는 특수한 내부모양을 가진 금속 파이프와 내부를 진공 상태로 만들고 소량의 냉매를 추가해서 만들어지는데, 사용될 온도에 따라 냉매(일반적으로 물)가 결정되며, 이 냉매에 따라 냉매와 반응하지 않는 금속(일반적으로 구리)을 선택하여 파이프로 만든다.

히트 파이프(20)의 내부 벽면은 스펀지 구조 혹은 금속 핀이 촘촘히 새겨져 부피 대비 접촉 면적이 굉장히 커지도록 설계되어 있다. 파이프 내부는 진공 상태이며, 여기에 냉매 물질을 냉매가 기체 상태로 유지될 만큼만 채워 넣는다. 이렇게 만들어진 히트 파이프(20) 속에서 냉매는 냉각되어 액화되었을 때는 가장자리의 스펀지 구조를 적시면서 모세관 현상의 도움을 받아 흐르게 되고, 가열되어 기체 상태일 때에는 뻥 뚫린 관 중앙의 공간을 통해 움직이게 된다. 기기가 작동하고 히트 파이프(20)의 양 끝이 각각 가열되는 부분과 냉각되는 부분으로 온도차이가 나게 되면, 히트 파이프(20) 내의 냉매가 열을 품은 채 히트 파이프(20)의 양 끝을 대류하면서 열을 전달하기 시작한다.

히트 파이프(20)는 열 전달 효율이 일반 동 제품에 비해 수백 배 이상 빠르다. 또한, 히트 파이프(20)는 가볍고 부피를 많이 차지하지 않으면서도 별도의 동력 없이 높은 열 전달 능력을 가지고 있으며, 반영구적으로 사용 가능하다.

히트 파이프(20)는 다수의 배터리 셀(10)들의 모두와 적어도 일부에서 근접할 수 있도록 격자 구조가 이루는 빈 공간에 각각 다수 개가 배치된다.

도 2를 참조하면, 행으로 4개의 셀(10), 열로 9개의 셀(10), 즉 36개의 셀(10)이 격자 구조로 배치되어 있는데, 이웃하는 4개의 셀(10)이 이루는 빈 공간에 히트 파이프(20)가 배치되어 각각 근접된 4개의 셀(10)로부터 전달된 열을 전달한다.

한편, 2번째 행의 셀(10)과 3번째 행의 셀(10) 사이 그리고 7번째 행의 셀(10)과 8번째 행의 셀(10) 사이의 공간(c)은 셀 간의 체결을 위해 유보된 홀이므로, 이 곳에는 히트 파이프(20)가 배치되지 않는다. 또한, 본 실시예에서는 2번째 열의 셀(10)과 3번째 열의 셀(10) 사이의 공간(d)에도 히트 파이프(20)를 배치하지 않는다.

하지만, 중요한 것은 본 발명에 의한 배터리 모듈(5)을 구성하는 모든 셀(10)들은 적어도 하나의 히트 파이프(20)와 근접된 구조를 이루어 발생된 열을 전달할 수 있다는 것이다.

또한, 도 2에 도시된 격자 구조 중 배터리 셀(10)과 히트 파이프(20)가 근접하는 공간(녹색으로 표시된 부분)(a)에는 열전달 물질을 채움으로써 접촉면적을 최대화하여 냉각효율을 높일 수 있고, 그 이외의 공간(노란색으로 표시된 부분)(b)에는 열차단 물질을 채움으로써 열 폭주를 방지할 수 있다.

여기서, 열전달 물질(Thermal conductivity grease)은 접촉되는 두 단면의 열의 이동을 쉽게 하기 위하여 도포하는 일종의 열전달 매개물질로서, ZINK OXIDE 계열과 AL2O3 계열이 있다. 또한, 열차단 물질로는 실리콘 재질이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

고정부(20)는 다수의 히트 파이프(20)들의 일단에 결합되어 히트 파이프(20)들을 고정시키고, 히트 파이프(20)로부터의 열을 전달한다.

방열판(40)은 히트 파이프(20)가 위치한 반대편에서 고정부(30)에 결합되고, 고정부(30)를 통해 전달되는 히트 파이프(40)들의 열을 방열시킨다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이상에서 설명된 바와 같은 배터리 모듈(5)이 다수 개 모아 하나의 하우징(50)에 수용함으로써 하나의 배터리 팩(1)을 구성할 수 있다. 본 발명에 의한 배터리 팩(1)에서 수용된 배터리 모듈(5)의 배터리 셀(10)들, 히트 파이프(20)들 및 고정부(30)는 하우징(50)의 내부에 위치하고, 수용된 배터리 모듈(5)의 방열판(40)은 하우징(50)의 외부에 위치한다.

도 4에 도시된 하우징(50)의 내부 우측 공간에는 빈 공간(e)으로 도시되어 있지만, BMS(Battery Management System)가 구현된 PCB 기판이 설치될 수 있다. 한편, 도 4에서는 하우징(50)의 상부가 개방된 것으로 도시되어 있지만, 실제 사용시에는 도 5에 도시된 바와 같이 하우징(50)의 상부도 닫힌 상태로 유지되고, 배터리 팩(1)을 구성하는 배터리 셀(10)에서 발생된 열은 히트 파이프(20)를 통해 하우징(50)의 외부에 위치한 방열판(40)으로 집중되어 수냉 또는 공냉의 방식을 통해 냉각될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. 길이 방향으로 일정한 간격으로 홀더에 의해 묶여 전체적으로 단면이 격자 구조를 이루는 다수의 배터리 셀들;
   상기 다수의 배터리 셀들의 모두와 적어도 일부에서 근접할 수 있도록 상기 격자 구조가 이루는 빈 공간에 배치되는 다수의 히트 파이프들;
   상기 다수의 히트 파이프들의 일단에 결합되어 히트 파이프들을 고정시키는 고정부; 및
   상기 고정부에 결합되어 상기 고정부를 통해 전달되는 상기 다수의 히트 파이프들의 열을 방열시키는 방열판;을 포함하여 구성되는 배터리 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 격자 구조 중 배터리 셀과 히트 파이프가 근접하는 공간에는 열전달 물질을 채우고, 그 이외의 공간에는 열차단 물질을 채우는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
3. 제1항 또는 제2항의 구조를 갖는 다수의 배터리 모듈들; 및
   배터리 모듈의 배터리 셀들, 히트 파이프들 및 고정부는 내부에 위치시키고, 배터리 모듈의 방열판은 외부에 위치시킨 상태에서 상기 다수의 배터리 모듈들을 수용하는 하우징;을 포함하여 구성되는 배터리팩.