WO2024128414A1 - 배터리 팩 - Google Patents

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WO2024128414A1
WO2024128414A1 PCT/KR2023/002574 KR2023002574W WO2024128414A1 WO 2024128414 A1 WO2024128414 A1 WO 2024128414A1 KR 2023002574 W KR2023002574 W KR 2023002574W WO 2024128414 A1 WO2024128414 A1 WO 2024128414A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery pack
metal plate
heat transfer
present
insulating
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/002574
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English (en)
French (fr)
Inventor
김구용
Original Assignee
주식회사 엠디엠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020220175951A external-priority patent/KR20240093048A/ko
Application filed by 주식회사 엠디엠 filed Critical 주식회사 엠디엠
Publication of WO2024128414A1 publication Critical patent/WO2024128414A1/ko

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack, and more specifically to a battery pack with improved heat dissipation performance.
  • Prior document 001 is an invention related to a battery pack
  • Prior document 002 is an invention regarding a battery pack whose lifespan can be estimated
  • Prior document 003 is an invention related to a battery pack fixing structure
  • Prior document 004 is a paper on thermal modeling of a lithium-ion battery pack system.
  • Prior documents 001 to 004 are similar to the present invention in that they relate to a battery pack, but differ in that the metal plate included in the battery pack is not structured.
  • Patent Document 1 Prior Document 001: KR 10-2014-0017837 A (2014.02.12)
  • Patent Document 2 KR 10-2004-0087162 A (2004.10.13)
  • Patent Document 3 Prior Document 003: CN 114024084 A (2022.02.08)
  • Patent Document 4 Thermal modeling of lithium-ion battery pack system (Korean Society of Mechanical Engineers 2013 conference, pages 939-941, Jihyung Yoon, Kwansu Lee)
  • the present invention relates to a battery pack, and more specifically to a battery pack with improved heat dissipation performance.
  • the battery pack according to the present invention to solve the problems of the prior art includes a plurality of battery cells 210 arranged on one side, a metal plate 220 in contact with both ends of the battery cells 210, and the battery cell 210. and an insulating case 230 that accommodates the metal plate 220 therein.
  • the metal plate 220 of the battery pack according to the present invention to solve the problems of the prior art includes a first member 11 formed in a plate shape, and a second member disposed at a predetermined distance from the first member 11.
  • Member 12 a third member 13 connecting one end of the first member 11 and one end of the second member 12, the other end of the first member 11 and the second member 12 ), a fourth member 14 connecting the other end, one end of which is in contact with the first member 11, and a heat transfer part 20 whose other end is in contact with the second member 12.
  • the metal plate 220 of the battery pack according to the present invention to solve the problems of the prior art includes the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the It includes a conductive material (30) filled in the internal space surrounded by the fourth member (14).
  • the metal plate is structured to include a first member, a second member, a third member, a fourth member, and a heat transfer portion, so that heat generated from one side, that is, the battery cell, Because it is quickly transferred to the outside of the battery pack, the heat dissipation performance of the battery pack according to the present invention can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the battery pack of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view when a depression is formed in the metal plate of the battery pack of the present invention.
  • Figure 3 is an exploded perspective view of the metal plate of the battery pack of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of a case where the heat transfer portion of the metal plate of the battery pack of the present invention is formed in a plate shape.
  • Figure 5 is a cross-sectional view when the heat transfer portion of the metal plate of the battery pack of the present invention is formed in a lattice shape.
  • Figure 6 is a cross-sectional view of the heat transfer portion of the metal plate of the battery pack of the present invention when the cross-section is wavy.
  • Figure 7 is a cross-sectional view of the heat transfer portion of the metal plate of the battery pack of the present invention when the cross-section is zigzag-shaped.
  • Figure 8 is a cross-sectional view of a case where the heat transfer portion of the metal plate of the battery pack of the present invention is formed at high density in a specific area.
  • Figure 9 is a cross-sectional view when the metal plate of the battery pack of the present invention is composed of a plurality of parts.
  • Figure 10 is a cross-sectional view when the metal plate of the battery pack of the present invention is composed of a plurality of parts, and the surfaces between them have an uneven shape that engages each other.
  • the present invention relates to a battery pack, comprising a plurality of battery cells 210 arranged on one side, a metal plate 220 in contact with both ends of the battery cells 210, and the battery cells 210. and an insulating case 230 that accommodates the metal plate 220 therein.
  • Example 1-2 The present invention relates to a battery pack.
  • the metal plate 220 has a depression 240 in which the portion in contact with the battery cell 210 is depressed. Includes.
  • Example 1-3 The present invention relates to a battery pack.
  • the metal plate 220 has the recessed portion 240 and a surface other than the recessed portion 240 connected to each other. It includes a connecting inclined portion 250.
  • Battery cells 210 included in the battery pack 200 are arranged on one side. At this time, if necessary, the terminals of the battery cells 210 may be located on one side and the other, respectively. At least two metal plates 220 may be positioned on one end and the other end of the battery cells 210, respectively, so as to contact the terminals of the battery cells 210. The metal plate 220 may not be separately coupled to the terminal of the battery cell 210, but may simply be placed in a contact manner.
  • the insulating case 230 serves as a housing for fixing the battery cells 210 and metal plates 220 that are placed in contact.
  • wiring connecting the battery cells 210 and an externally located electric motor may also be included in the battery pack 200.
  • the metal plate 220 contacts terminals on both sides of the battery cell 210 without a separate coupling means.
  • a depression 240 may be formed in the metal plate 220 at a portion that contacts the battery cell 210. That is, the depression 240 is a helpful part in aligning the position of the battery cell 210 and fixing the position of the battery cell 210 after the battery pack 200 is assembled.
  • the depression 240 formed in the metal plate 220 may be formed in a vertical direction on one surface of the metal plate 220. However, when the depression 240 is formed in a vertical direction, it may not be easy to align the battery cells 210, and for this purpose, an inclined portion 250 may be formed. Even if the position of the battery cell 210 is not in the correct position, the inclined portion 250 moves the battery cell (210) to the center of the recessed portion 240 through the inclined portion 250. 210) can be guided.
  • the present invention relates to a battery pack.
  • the metal plate 220 includes a first member 11 formed in a plate shape, and the first member 11 and a second member 12 disposed at a predetermined interval, a third member 13 connecting one end of the first member 11 and one end of the second member 12, and the first member 11.
  • a fourth member 14 connecting the other end of the second member 12 with the other end of the heat transfer unit 20, one end of which is in contact with the first member 11, and the other end of which is in contact with the second member 12. ) includes.
  • Example 2-2 The present invention relates to a battery pack.
  • the metal plate 220 is formed of at least one of aluminum, copper, aluminum alloy, and copper alloy.
  • Example 2-3 The present invention relates to a battery pack, and in Example 2-1, the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the third member
  • the thermal conductivity of the metal constituting the four members 14 is lower than that of the metal constituting the heat transfer part 20.
  • Example 2-4 The present invention relates to a battery pack.
  • the heat transfer unit 20 has an extended pillar shape.
  • Example 2-5 The present invention relates to a battery pack.
  • the heat transfer unit 20 has a plate shape.
  • Example 2-6 The present invention relates to a battery pack.
  • the heat transfer units 20 are plural and are formed in a grid shape.
  • Example 2--7 The present invention relates to a battery pack.
  • the heat transfer units 20 are plural, and the gap between two adjacent heat transfer units 20 is , are different from each other, or are the same.
  • Example 2-8 The present invention relates to a battery pack.
  • the heat transfer portion 20 has a wavy cross-section or a zigzag bent shape.
  • Example 2-9 The present invention relates to a battery pack.
  • the metal plate 220 has an insulating layer 221 formed on the surface, and an insulating layer 221 on the surface of the insulating layer 221. It includes a circuit layer 222 that is formed and electrically connects the battery cells 210.
  • Example 2-10 The present invention relates to a battery pack.
  • the insulating case 230 includes a first member 11, a second member 12, and a third member 13. ), and is composed of a structure including a fourth member 14.
  • the purpose of the battery pack according to the present invention is to improve heat dissipation performance by transferring heat generated in the battery cell 210 to the outside.
  • the metal plate 220 in contact with the battery cell 210 was designed for this purpose, and includes a first member 11, a second member 12, a third member 13, and a fourth member 14 made of metal. It includes a heat transfer part 20 formed in the internal space formed by the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14, so that the battery cell can be structurally quickly The heat generated in 210 is transferred to the opposite side of the battery cell 210.
  • the insulating case 230 is located outside the metal plate 220, and the insulating case 230 is in contact with the spring-like protection part 300 described above, so the heat generated in the battery cell 210 is transferred to the metal plate 220. is quickly transferred structurally to the insulating case 230, and the heat transferred to the insulating case 230 is transferred to the frame 100 through the protective part 300.
  • the first member 11, the second member 12, the third member 13, the fourth member 14, and the heat transfer unit 20 must have high thermal conductivity and rigidity above a certain level.
  • the first member 11, the second member 12, the third member 13, the fourth member 14, and the heat transfer part 20 are made of metal, especially aluminum or aluminum alloy considering thermal conductivity and economic efficiency. , copper, copper alloy, etc. can be used.
  • Pure aluminum has a thermal conductivity of about 237W (K ⁇ m).
  • Aluminum used for heat dissipation is generally A1050, which is 99.5% pure aluminum. Since A1050 is a relatively soft material, aluminum alloy is manufactured using aluminum as the main material and copper, manganese, silicon, magnesium, zinc, nickel, etc. to meet the strength required for the battery pack 200 in the battery pack according to the present invention. can do.
  • the thermal conductivity of pure copper is about 401 W/(K ⁇ m). Since pure copper is a softer metal than pure aluminum, pure copper is generally used in the first member 11, the second member 12, the third member 13, the fourth member 14, and the heat transfer unit. Instead of using it to manufacture 20, the copper alloy can meet the strength required for the battery pack 200 in the battery pack according to the present invention even if the thermal conductivity is somewhat low.
  • copper alloys may include brass, bronze, etc.
  • the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14 themselves are members that make up the outer shape of the metal plate 220, so they are made of metal with a certain level of strength or higher. must be manufactured.
  • the heat transfer unit 20 itself is located in the internal space formed by the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14, and is located in the inner space of the first member 11. Since it serves to transfer heat to the second member 12, a metal different from the metal constituting the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14 This can be used. More specifically, the heat transfer unit 20 may be made of a metal with a higher heat transfer rate than the metal constituting the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14. there is.
  • the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14 are made of aluminum alloy, and the heat transfer part 20 is made of copper, Heat dissipation performance can be improved compared to the case where the first member 11, the second member 12, the third member 13, the fourth member 14, and the heat transfer part 20 are all made of aluminum alloy. .
  • the heat transfer unit 20 maximizes its function.
  • the structure of the metal plate 220 including the first member 11, the second member 12, the third member 13, the fourth member 14, and the heat transfer unit 20 of the present invention is structurally This method of increasing thermal conductivity has a higher thermal conductivity than a plate filled with a single metal, making it easy to efficiently discharge heat generated from the battery cell 210.
  • the metal plate 220 may itself function as a wire or bus bar that moves power of the battery cell 210. In this case, the metal plate 220 may be formed of a conductor.
  • the metal plate 220 itself may be used simply as a member for heat dissipation rather than as a wire or bus bar.
  • the metal plate 220 itself must be insulated, and an insulating layer 221 is formed on the surface of the metal plate 220, and an insulating layer 221 is formed on the surface of the insulating layer 221 to electrically connect the battery cells 210.
  • a circuit layer 222 may be formed. This is the part that contains the pattern formed on the surface of a typical PCB. of the metal plate 220 of the present invention
  • the circuit layer 222 is a part where the pattern formed on the surface of the PCB is formed and various electronic elements necessary for circuit construction are mounted or mounted.
  • the insulating layer 221 is a part that insulates the circuit layer 222, and may be formed by applying an insulating material and then curing it.
  • the heat transfer unit 20 is formed in the form of a fine pillar extending in the vertical direction and is located in the space formed by the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14. can be located One end of the heat transfer unit 20 may be coupled to the inner surface of the first member 11 and the other end may be coupled to the inner surface of the second member 12.
  • a plurality of fin-shaped heat transfer units 20 may be arranged at regular intervals.
  • the heat transfer unit 20 is formed in a plate shape and may be located in the space formed by the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14.
  • the plate-shaped heat transfer unit 20 has more parts in contact with the opposing surfaces of the first member 11 and the second member 12 compared to the fine column-shaped heat transfer unit 20, so the plate-shaped heat transfer unit 20 has a fine column-shaped heat transfer unit. It may be more robust than (20).
  • the plate-shaped heat transfer unit 20 is arranged to face each other in parallel in the space formed by the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14. Alternatively, it may be formed in a lattice form. When the heat transfer unit 20 is formed in a grid shape, the first member 11 and the second member 12 are supported in different directions crossing each other, so the plate-shaped heat transfer unit 20 described above is parallel.
  • the metal plate 220 can be more robust than when the heat transfer portions 20 are spaced apart from each other or are formed in the form of fins.
  • the heat transfer units 20 in the form of columns or plates may be arranged at a high density in certain areas and at lower densities in other areas. This is because when the metal plate 220 is used to dissipate heat from the battery cells 210, if the battery cells 210 are clustered and arranged in a specific part, heat dissipation from that part must be greater than heat dissipation from other parts.
  • high density means that the number of heat transfer units 20 located in a specific part on the same area is greater than the number of heat transfer units 20 located in other parts.
  • the width direction of the space between the first member 11 and the second member 12 is referenced.
  • the density of the heat transfer unit 20 in the center portion is formed to be higher than that of the heat transfer portion 20 in other portions, so that the heat dissipation performance of the center portion can be increased compared to the heat dissipation performance of the other portions.
  • the present invention may also have an embodiment in which a plurality of heat transfer units 20 are formed while maintaining a constant distance from each other.
  • the heat transfer portion 20 may have a wavy cross-section or a bent zigzag shape. This has the effect of increasing the heat dissipation effect because the area of the heat transfer unit 20 itself can be increased compared to the smooth plate-shaped heat transfer unit 20.
  • Example 3-1 The present invention relates to a battery pack.
  • the metal plate 220 includes the first member 11, the second member 12, and the inside. It includes a conductive material (30) filled in the internal space surrounded by the third member (13) and the fourth member (14).
  • Example 3-2 The present invention relates to a battery pack.
  • the conductive material 30 is in the form of liquid, cream, or powder.
  • Example 3-3 The present invention relates to a battery pack.
  • the conductive material 30 is in the form of a liquid or cream that hardens when heat is applied.
  • Example 3-4 The present invention relates to a battery pack.
  • the conductive material 30 is Sn-Ag-Cu or Sn-Ag.
  • Example 3-5 The present invention relates to a battery pack, and in Example 3-1, the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the third member The internal space surrounded by the four members 14 is empty.
  • Example 3-6 The present invention relates to a battery pack.
  • the internal space has a lower air pressure than the outside of the metal plate 220.
  • Example 3-7 The present invention relates to a battery pack, and in Example 3-5, the internal space is a vacuum.
  • the conductive material 30 functions as a type of solder paste or solder powder.
  • the conductive material 30 functions as a heat transfer material and at the same time has the inner surface of the space formed by the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14. It prevents fire and acts as a kind of bonding (adhesive) element.
  • the conductive material 30 is in the form of a liquid or cream that has thermosetting properties that hardens when heat is applied, and is an assembly composed of the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14. After forming the heat transfer part 20 with one part of the heat transfer part open, it is filled with the conductive material 30, and then the open part is closed. Thereafter, when the assembly consisting of the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14 is combined in a predetermined manner and heated at a predetermined temperature, the conductive material 30 is formed. This becomes solid. However, unlike this, the conductive material 30 may be in the form of powder, but the conductive material 30 in the powder form does not have thermosetting properties.
  • the heat transfer unit 20 It can be empty except for . Since air has a lower thermal conductivity than solids, when an electronic device that generates heat is disposed on the outer surface of the first member 11, the heat generated from the electronic device is dissipated from the first member 11 through the heat transfer unit 20. It is transmitted to the second member (12).
  • the space surrounded by the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14 may be vacuum or have lower air pressure than the outside.
  • Example 4-1 The present invention relates to a battery pack, and in Example 2-1, the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the third member
  • the assembly including the four members 14 is divided into a plurality of parts that are joined together.
  • Example 4-2 The present invention relates to a battery pack.
  • the plurality of parts are joined to each other by at least one of brazing, welding, and soldering.
  • Example 4-3 The present invention relates to a battery pack.
  • the surfaces where the plurality of parts face each other are formed in a zigzag or uneven shape that engages each other.
  • the metal plate 220 of the battery pack of the present invention may be divided into the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14 and assembled together. In this case, it may be inefficient because four members must be assembled together. Therefore, the assembly including the first member 11, the second member 12, the third member 13, and the fourth member 14 is divided into a plurality of parts that are coupled to each other, and each part can be coupled to each other. there is.
  • the first part 41 is composed of the intact first member 11, half of the third member 13, It may include half of the fourth member 14, and the second part 42 includes the intact second member 12, the remaining half of the third member 13, and the remaining half of the fourth member 14. can do.
  • the first part 41 and the second part 42 may be joined to each other by at least one of brazing, welding, and soldering while their opposing surfaces are in contact with each other.
  • Brazing is one of the joining methods of metal/non-metallic materials. It is a technology to join base materials by heating the joint at a temperature of 450 degrees Celsius or higher and below the melting point of the base material to melt only the filler metal without melting the filler material.
  • Brazing is performed by placing a filler metal at a joint and applying flux, then heating the base material (in the present invention, the first part 41 and the second part 42) to a temperature that does not melt, and melting the filler metal. Molten filler metal The metal seeps into the gap between the two objects to be joined, that is, between the first part (41) and the second part (42), and the seeped metal hardens and joins the first part (41) and the second part (42). do.
  • brazing may include furnace brazing, vacuum brazing, dip brazing, and torch brazing.
  • Furnace brazing is carried out in the same manner as described above, and is a semi-automated process widely used in the industry as it allows for mass production and does not require relatively skilled technicians.
  • Vacuum brazing is a joining method that uses vacuum rather than flux in the furnace brazing method described above.
  • Deep brazing is a method of joining the first part 41 and the second part, which are members to be joined, in molten filler metal or molten flux.
  • Torch brazing is a method used when parts that require brazing need to be joined. It is a method of partially joining only the area to be brazed by applying heat with a brazing torch using silver solder filler material. Torch brazing is the most widely used method and can be brazed using various gases as a heat source. Gases used in torch brazing may include acetylene, ethylene, propane, hydrogen, and natural gas.
  • the surfaces where the first part 41 and the second part 42 come into contact with each other do not simply face each other in a plane, but have cross-sections that are different from each other. It is formed in a zigzag shape that engages with each other, or a convex-convex shape that engages with each other, so that each joint surface can be increased.
  • increasing the bonding surface of the first part 41 and the second part 42 has the effect of increasing the adhesive force when combining the first part 41 and the second part 42, and the first part 41 When the part 41 and the second part 42 are aligned with each other, the uneven surfaces engage, which facilitates alignment of the first part 41 and the second part 42.
  • the first member 11, the second member 12, the third member 13, the fourth member 14, and the heat transfer unit 20 that constitute the metal plate 220 described above are only the metal plate 220. Additionally, it can also be applied to the insulating case 230. However, since the insulating case 230 itself must be insulated, a separate insulating layer may be formed on the surface of the insulating case 230.
  • Example 5-1 The present invention relates to a battery pack, and in Example 1-1, it includes cooling insulating oil charged inside the insulating case 230.
  • Example 5-2 The present invention relates to a battery pack.
  • the cooling insulating oil is mineral oil, synthetic oil, alkylbenzene, poly chlorinated biphenyl, mixed oil, and additives. It is at least one of added insulating oil, R-TEMP, papulfluorcarbon, and vegetable insulating oil.
  • the cooling insulating oil 400 is charged inside the insulating case 230 and can radiate heat generated from the battery cell 210 to the outside while simultaneously fixing the battery cell 210 itself.
  • Mineral oil is an insulating oil made by refining numerous mixtures of petroleum with a boiling point of about 250 to 400 degrees Celsius. Mineral oil may include naphthenic hydrocarbons, paraffinic hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons. Mineral oil-based insulating oil is called naphthenic insulating oil or paraffinic insulating oil depending on the proportion of naphthenic or paraffinic hydrocarbons in its composition.
  • Naphthenic hydrocarbons a type of mineral oil, are compounds that have at least one saturated hydrocarbon ring (naphthene ring) in the molecule.
  • Paraffins are saturated chain hydrocarbon compounds with the molecular formula of CnH2n+2, and include branched and unbranched types.
  • Aromatics refer to compounds that have at least one unsaturated hydrocarbon ring in the molecule.
  • mineral oil contains small amounts of sulfur compounds, nitrogen compounds, oxygen compounds, etc.
  • Synthetic oil is a product whose properties have been adjusted industrially through a chemical synthesis reaction. According to the classification of insulating oils, it belongs to types 2 to 6, and includes chlorinated vinyl (PCB), silicone, ester, and alkyl types. , It is widely used according to the special conditions required.
  • the general name for synthetic oil is also called Askarel.
  • Alkylbenzenes are of straight chain type (soft type) and branched type (hard type).
  • Straight-chain alkylbenzene is made by dehydrating n-paraffin with a platinum catalyst and combining it with benzene using a catalyst such as HF, and branched alkylbenzene is obtained by polymerizing propylene over a phosphoric acid catalyst and combining it with HF to propylene tetramer. It is made by combining with benzene as a catalyst.
  • Alkylbenzene has excellent electrical properties and oxidation stability, so it is used by mixing with mineral oil-based insulating oil for power transformers.
  • Polychlorinated biphenyl is a type of synthetic insulating oil made by replacing hydrogen in aromatic compounds such as Biphenyl, Biphenyl Ether, Bip-henyl Ketone, and Biphenyl Methane with chlorine.
  • Polychlorinated biphenyls have superior electrical and chemical properties to ordinary mineral oils, and are used in insulating oils, heat transfer oils, paints, inks, adhesives, etc.
  • Polychlorinated biphenyls have a slow decomposition rate by microorganisms, so they remain as environmental pollutants for a long time, and when consumed by humans or animals, they cause problems in the liver, pancreas, stomach, and reproductive organs.
  • the structure of PCB is similar to that of organic chlorine agents or disinfectants such as DDT or BHC, and the properties of PCB are non-flammable or flame retardant, have a large heat capacity, excellent electrical insulation, and have a greater specific gravity than mineral oil.
  • Mixed oil is a mixture of mineral oil-based insulating oil and alkylbenzene. It belongs to the 7 types of insulating oils and has excellent electrical properties and oxidation stability. Among mineral oil-based insulating oils, paraffin-based insulating oil mixed with alkylbenzene compensates for the above-mentioned defects and improves electrical properties and oxidation stability.
  • Additive-added insulating oil is insulating oil to which benzotriazole has been added to prevent a phenomenon called floating charging.
  • R-TEMP is a type of flame retardant insulating oil and is a product of COOPER POWER SYSTEM, USA. It is mainly used in transformers. It is a non-toxic insulating oil that replaces polychlorinated biphenyl. It has biochemical and environmental stability and is also easy to mix with general mineral oil. R-TEMP has good fire resistance characteristics as its flash point is higher than that of general mineral oil (144 degrees Celsius), and its combustion point is also higher than that of general mineral oil. Among the electrical characteristics of R-TEMP, the breakdown voltage is also good, and the cost of disposal is also lower than that of mineral oil.
  • Papulfluorcarbon is a type of non-flammable insulating oil and is a very expensive insulating oil used for insulating and cooling purposes. It is a fluorine compound expressed as C8F16O with C8 as its main component, but it does not volatilize at room temperature and is a very stable substance that does not destroy the ozone layer in the atmosphere. Its relative dielectric constant is similar to that of insulating paper, making it an ideal insulating oil that improves the electric field distribution inside applied devices. It is not only suitable for resolving the flow electrification phenomenon in ultra-high-voltage devices, but also has excellent cooling performance, so it is also used for cooling supercomputers.
  • Vegetable insulating oil is a natural ester extracted from plant seeds such as soybeans and corn. It was developed in the mid-1990s and is mainly used by electric power companies in North America. Compared to existing mineral oil, it is environmentally friendly due to its higher biodegradability and is flame retardant due to its high ignition point. Performance is excellent. As a result of evaluating the deterioration characteristics of mineral oil and vegetable insulating oil, the viscosity of vegetable insulating oil was found to be about three times higher than that of mineral oil, and after deterioration, the viscosity of vegetable oil increases significantly compared to mineral oil. Therefore, since the viscosity of vegetable insulating oil increases as it deteriorates, overheating must be avoided when designing the winding. In addition, mineral oil accelerates the deterioration of enamel copper wire and insulating paper compared to vegetable insulating oil, and vegetable oil has an advantage over mineral oil in terms of deterioration of copper wire and insulating paper.
  • first member 12 second member
  • heat transfer unit 30 conductive material
  • metal plate 221 insulating layer
  • circuit layer 230 insulation case

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 방열성능을 향상시킨 배터리 팩에 관한 것으로, 일측으로 배열되는 다수개의 배터리 셀(210), 상기 배터리 셀(210)의 양단과 맞닿는 메탈 플레이트(220), 상기 배터리 셀(210)과 상기 메탈 플레이트(220)를 내부에 수용하는 절연 케이스(230)를 포함한다.

Description

배터리 팩
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세히는 방열성능을 향상시킨 배터리 팩에 관한 것이다.
- (본 과제(결과물)는 2023년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학협력기반 지역혁신사업의 결과입니다(2022RIS-006))
선행문헌 001 내지 선행문헌 004는 본 발명과 기술적 관련성이 존재하는 발명 또는 논문이며,
선행문헌 001은 배터리 팩에 관한 발명이고,
선행문헌 002는 수명 추정이 가능한 배터리팩에 관한 발명이며,
선행문헌 003은 배터리 팩 고정 구조에 관한 발명이고,
선행문헌 004는 리튬 이온 배터리 팩 시스템의 열적 모델링에 관한 논문이다.
선행문헌 001 내지 004는 배터리 팩에 관한 것이라는 점에서 본 발명과 유사점이 존재하나, 배터리 팩에 포함되는 메탈 플레이트가 구조화되지 않았다는 점에서 차이가 있다.
(특허문헌 1) 선행문헌 001 : KR 10-2014-0017837 A (2014.02.12)
(특허문헌 2) 선행문헌 002 : KR 10-2004-0087162 A (2004.10.13)
(특허문헌 3) 선행문헌 003 : CN 114024084 A (2022.02.08)
(특허문헌 4) 선행문헌 004 : 리튬 이온 배터리 팩 시스템의 열적 모델링(대한기계학회 2013년도 학술대회 939-941 page, 윤지형, 이관수)
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세히는 방열성능을 향상시킨 배터리 팩에 관한 것이다.
종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 배터리 팩은, 일측으로 배열되는 다수개의 배터리 셀(210), 상기 배터리 셀(210)의 양단과 맞닿는 메탈 플레이트(220), 상기 배터리 셀(210)과 상기 메탈 플레이트(220)를 내부에 수용하는 절연 케이스(230)를 포함한다.
종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 배터리 팩의 상기 메탈 플레이트(220)는, 판형으로 형성되는 제1부재(11), 상기 제1부재(11)와 일정간격 이격되어 배치되는 제2부재(12), 상기 제1부재(11)의 일단과 상기 제2부재(12)의 일단을 연결하는 제3부재(13), 상기 제1부재(11)의 타단과 상기 제2부재(12)의 타단을 연결하는 제4부재(14), 일단이 상기 제1부재(11)와 맞닿고, 타단이 상기 제2부재(12)와 맞닿는 열전달부(20)를 포함한다.
종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 배터리 팩의 상기 메탈 플레이트(220)는, 내부에 상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13) 및 상기 제4부재(14)로 둘러싸인 내부공간에 채워지는 전도물질(30)을 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의한 배터리 팩에 의하면, 메탈 플레이트가 제1부재, 제2부재, 제3부재, 제4부재, 열전달부를 포함해 구조화되어 일측, 즉 배터리 셀에서 발생한 열을 배터리 팩의 외측으로 빠르게 전달하기 때문에, 본 발명에 의한 배터리 팩의 방열성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 배터리 팩의 단면도.
도 2는 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트에 함몰부가 형성될 때의 단면도.
도 3은 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트의 열전달부가 판 형상으로 형성된 경우의 단면도.
도 5는 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트의 열전달부가 격자 형상으로 형성된 경우의 단면도.
도 6은 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트의 열전달부의 단면이 물결 형상인 경우의 단면도.
도 7은 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트의 열전달부의 단면이 지그재그 형상인 경우의 단면도.
도 8은 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트의 열전달부가 특정 영역에 높은 밀도로 형성된 경우의 단면도.
도 9는 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트가 복수의 파트로 구성될 때의 단면도.
도 10은 본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트가 복수의 파트로 구성되되, 그 사이의 면이 서로 맞물리는 요철 형상일 때의 단면도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 다양한 실시예에 의한 배터리 팩에 관하여 상세히 설명한다.
(실시예 1-1) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 일측으로 배열되는 다수개의 배터리 셀(210), 상기 배터리 셀(210)의 양단과 맞닿는 메탈 플레이트(220), 상기 배터리 셀(210)과 상기 메탈 플레이트(220)를 내부에 수용하는 절연 케이스(230)를 포함한다.
(실시예 1-2) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 1-1에 있어서, 상기 메탈 플레이트(220)는, 상기 배터리 셀(210)과 맞닿는 부분이 함몰되는 함몰부(240)를 포함한다.
(실시예 1-3) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 1-2에 있어서, 상기 메탈 플레이트(220)는, 상기 함몰부(240)와 상기 함몰부(240)가 아닌 표면을 서로 연결하는 경사부(250)를 포함한다.
배터리 팩(200)에 포함되는 배터리 셀(210)들은, 일측으로 배열된다. 이때 필요에 따라 배터리 셀(210)들의 단자는 일측과 타측에 각각 위치할 수 있다. 메탈 플레이트(220)는 배터리 셀(210)들의 단자와 접촉하도록, 적어도 두 개가 배터리 셀(210)의 일단과 타단에 각각 위치할 수 있다. 메탈 플레이트(220)는 배터리 셀(210)의 단자와 별도로 결합되지는 않고, 단순히 접촉식으로 배치될 수 있다.
절연 케이스(230)는 접촉식으로 배치되는 배터리 셀(210)들과 메탈 플레이트(220)들을 고정시키는 하우징 역할을 한다. 또한 별도로 도면에는 도시되지 않지만, 배터리 셀(210)들과 외부에 위치하는 전기모터를 연결하는 배선 또한 배터리 팩(200)에 포함될 수 있다.
메탈 플레이트(220)는 별도의 결합수단이 없이 배터리 셀(210)의 양측 단자와 접촉한다. 이러한 경우, 배터리 팩(200)의 조립시 메탈 플레이트(220)과 배터리 셀(210)의 상대적 위치가 어긋날 수 있는 문제점 등이 있을 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해, 메탈 플레이트(220)에는 배터리 셀(210)과 접촉되는 부분에 함몰부(240)가 형성될 수 있다. 즉, 함몰부(240)는 배터리 셀(210)의 위치의 정렬과 배터리 팩(200)이 조립된 이후 배터리 셀(210)의 위치를 고정하는데 있어서 도움이 되는 부분이다.
메탈 플레이트(220)에 형성되는 함몰부(240)는 메탈 플레이트(220)의 일면에서 수직한 방향으로 함몰 형성될 수 있다. 그러나 함몰부(240)가 수직한 방향으로 형성될 경우 배터리 셀(210)의 정렬이 용이하지 않을 수 있으며, 이를 위해 경사부(250)가 형성될 수 있다. 경사부(250)는 배터리 셀(210)의 위치가 정위치에 위치하지 않더라도, 경사부(250)를 통해 배터리 셀(210)의 위치가 함몰부(240)의 가운데 부분으로 이동하도록 배터리 셀(210)을 가이드할 수 있다.
(실시예 2-1) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 1-1에 있어서, 상기 메탈 플레이트(220)는, 판형으로 형성되는 제1부재(11), 상기 제1부재(11)와 일정간격 이격되어 배치되는 제2부재(12), 상기 제1부재(11)의 일단과 상기 제2부재(12)의 일단을 연결하는 제3부재(13), 상기 제1부재(11)의 타단과 상기 제2부재(12)의 타단을 연결하는 제4부재(14), 일단이 상기 제1부재(11)와 맞닿고, 타단이 상기 제2부재(12)와 맞닿는 열전달부(20)를 포함한다.
(실시예 2-2) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 메탈 플레이트(220)는 알루미늄, 구리, 알루미늄 합금, 구리 합금 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
(실시예 2-3) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13), 상기 제4부재(14)를 구성하는 금속의 열전도율은, 상기 열전달부(20)를 구성하는 금속의 열전도율보다 낮다.
(실시예 2-4) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 열전달부(20)는 연장된 기둥 형태이다.
(실시예 2-5) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 열전달부(20)는 판 형태이다.
(실시예 2-6) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 열전달부(20)는 복수개이며, 격자 형태로 형성된다.
(실시예 2-7) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 열전달부(20)는 복수개이며, 복수개의 상기 열전달부(20) 중 인접한 두 개 사이의 간격은, 서로 다르거나, 같다.
(실시예 2-8) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 열전달부(20)는 단면이 물결 형태이거나, 지그재그로 절곡된 형태이다.
(실시예 2-9) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 메탈 플레이트(220)는 표면에 형성되는 절연층(221), 상기 절연층(221)의 표면에 형성되어 상기 배터리 셀(210)들을 전기적으로 연결하는 회로층(222)을 포함한다.
(실시예 2-10) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 절연 케이스(230)는 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)를 포함하는 구조로 구성된다.
본 발명에 의한 배터리 팩은, 배터리 셀(210)에서 발생하는 열을 외부로 전달하여 방열성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 배터리 셀(210)과 맞닿는 메탈 플레이트(220)는 이를 위해 안출된 것으로, 금속으로 이루어진 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)를 포함하고, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)가 형성하는 내부 공간에 열전달부(20)가 형성되어, 구조적으로 빠르게 배터리 셀(210)에서 발생하는 열을 배터리 셀(210)의 반대측으로 전달한다. 메탈 플레이트(220)의 외측에는 절연 케이스(230)가 위치하고, 절연 케이스(230)는 앞서 설명한 스프링과 같은 보호부(300)와 접촉하므로, 배터리 셀(210)에서 발생한 열은 메탈 플레이트(220)를 통해 구조적으로 빠르게 절연 케이스(230)로 전달되고, 절연 케이스(230)로 전달된 열은 보호부(300)를 통해 프레임(100)으로 전달된다.
제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14), 열전달부(20)는 높은 열전도율을 가지면서, 일정 정도 이상의 강성을 가져야 한다. 이를 위해 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14), 열전달부(20)는 금속, 그 중에서도 열전도율과 경제성을 고려하면 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등이 사용될 수 있다.
순수한 알루미늄은 열전도율이 약 237W(K·m)이다. 방열용도로 사용되는 알루미늄은 일반적으로 A1050로, 99.5% 순도의 알루미늄이다. A1050는 상대적으로 무른 재질이므로, 알루미늄을 주재료로 구리, 망간, 규소, 마그네슘, 아연, 니켈 등을 이용해 알루미늄 합금을 제조하여, 본 발명에 의한 배터리 팩에서 배터리 팩(200)에 요구하는 강도를 충족할 수 있다.
순수한 구리의 열전도율은 약 401W/(K·m)이다. 순수한 구리는 순수한 알루미늄보다 무른 금속이므로, 일반적으로 순수한 구리만을 상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13), 상기 제4부재(14), 상기 열전달부(20)를 제조하는데 사용하지 않고, 구리합금을 통해, 열전도율은 다소 낮더라도 본 발명에 의한 배터리 팩에서 배터리 팩(200)에 요구하는 강도를 충족할 수 있다.
구리합금의 몇몇 예로는, 황동, 청동 등이 있을 수 있다.
제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14) 자체는 메탈 플레이트(220)의 외형을 구성하는 부재이므로, 일정 정도 이상의 강도를 가지는 금속으로 제조되어야 한다. 단 열전달부(20) 자체는 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)가 형성하는 내부 공간에 위치하여 제1부재(11)의 열을 제2부재(12)로 전달하는 역할을 하기 때문에, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)를 구성하는 금속과 다른 금속이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 열전달부(20)는 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)를 구성하는 금속보다 열전달율이 높은 금속으로 제조될 수 있다. 일예로, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)가 알루미늄 합금으로 구성되고, 열전달부(20)는 구리로 형성되는 경우는, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14), 열전달부(20) 모두가 알루미늄 합금으로 제조되는 경우 보다, 방열성능을 향상시킬 수 있다.
제1부재(11) 및 제2부재(12) 중 어느 하나에서 발생하는 열을 다른 하나로 전달하는데 있어서,
열전달부(20)는 그 기능을 극대화시킨다. 본 발명의 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14), 열전달부(20)를 포함하는 메탈 플레이트(220)의 구조는, 구조적으로 열전도율을 높인 방식으로 하나의 금속으로 채워진 형태의 플레이트보다 높은 열전도율을 가져, 배터리 셀(210)에서 발생하는 열을 효율적으로 배출하기 용이하다. 또한 본 발명에서 메탈 플레이트(220)는 그 자체로 배터리 셀(210)의 전력을 이동시키는 전선 또는 버스바(bus bar)의 역할을 할 수 있다. 이 경우, 메탈 플레이트(220)는 도체로 형성될 수 있다.
이와 달리, 메탈 플레이트(220) 자체가 전선 또는 버스바 역할이 아닌, 단순히 방열을 위한 부재로 사용될 수도 있다. 이를 위해서는 메탈 플레이트(220) 자체가 절연이 되어야 하며, 메탈 플레이트(220)의 표면에는 절연층(221)이 형성되고, 절연층(221)의 표면에는 배터리 셀(210)들을 전기적으로 연결시키기 위한 회로층(222)이 형성될 수 있다. 일반적인 PCB의 표면에 형성되는 패턴을 포함하는 부분이다. 본 발명의 메탈 플레이트(220)의
회로층(222)은 PCB의 표면에 형성된 패턴이 형성되면서, 회로 구성에 필요한 각종 전자소자들이 장착되거나 실장되는 부분이다. 절연층(221)은 회로층(222)을 절연시키는 부분으로, 절열물질이 도포된 후 경화되어 형성될 수 있다.
열전달부(20)는 상하 방향으로 연장된 미세한 기둥 형태로 형성되어 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)가 형성하는 공간상에 위치할 수 있다. 열전달부(20)는 일단이 제1부재(11)의 내면에 결합되고, 타단이 제2부재(12)의 내면에 결합될 수 있다. 핀 형태의 열전달부(20)는 다수개가 일정간격 이격되어 배치될 수 있다.
열전달부(20)는 판 형태로 형성되어, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)가 형성하는 공간상에 위치할 수 있다. 판 형태의 열전달부(20)는 미세한 기둥 형태의 열전달부(20)에 비해 제1부재(11)와 제2부재(12) 각각의 마주보는 면과 맞닿는 부분이 많아, 미세한 기둥 형태의 열전달부(20)에 비해 견고할 수 있다.
판 형태의 열전달부(20)는 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)가 형성하는 공간상에 서로 평행하게 마주본 형태로 배치되거나, 격자 형태로 형성될 수 있다. 열전달부(20)가 격자 형태로 형성될 경우, 제1부재(11)와 제2부재(12)를 서로 교차하는 다른 방향에서 지지하기 때문에, 앞서 설명했던 판 형태의 열전달부(20)가 평행하게 이격되어 배치되는 방식이나 핀 형태의 열전달부(20)로 형성되는 경우보다 메탈 플레이트(220)가 보다 견고해질 수 있다.
기둥 또는 판 형태의 열전달부(20)는 특정 부분에 몰려 높은 밀도로 배치되고, 나머지 부분에는 해당 부분보다 낮은 밀도로 배치될 수 있다. 이는 메탈 플레이트(220)가 배터리 셀(210)의 방열에 사용될 때, 배터리 셀(210)이 특정 부분에 몰려 배치된다면, 해당 부분에서의 방열이 다른 부분에서의 방열보다 더 이루어져야 하기 때문이다. 여기서 높은 밀도란, 동일한 면적상에 특정 부분에 위치하는 열전달부(20)의 개수가 다른 부분에 위치하는 열전달부(20)의 개수보다 많은 것을 의미한다.
일예로, 본 발명의 제1부재(11)의 외면 중 가운데 부분에 배터리 셀(210)들이 배치되는 경우, 제1부재(11)와 제2부재(12)의 사이 공간 중, 폭 방향을 기준으로 가운데부분에서 열전달부(20)의 밀도는 다른 부분에서 열전달부(20)의 밀도보다 높게 형성되어, 가운데 부분의 방열성능을 다른 부분에서의 방열성능보다 높일 수 있다.
이와 달리 본 발명은 복수개의 열전달부(20)가 서로 일정한 간격을 유지하면서 형성되는 등의 실시예 또한 있을 수 있음은 물론이다.
열전달부(20)는 단면이 물결 형태이거나, 절곡된 지그재그 형태일 수 있다. 이는 열전달부(20) 자체의 면적을 매끈한 판 형상의 열전달부(20)에 비해 증가시킬 수 있으므로, 방열효과가 증가할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 3-1) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 메탈 플레이트(220)는 내부에 상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13) 및 상기 제4부재(14)로 둘러싸인 내부공간에 채워지는 전도물질(30)을 포함한다.
(실시예 3-2) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 3-1에 있어서, 상기 전도물질(30)은, 액상, 크림 또는 파우더 형태이다.
(실시예 3-3) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 3-2에 있어서, 상기 전도물질(30)은 열이 가해지는 굳는 액상 또는 크림 형태이다.
(실시예 3-4) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 3-1에 있어서, 상기 전도물질(30)은 Sn-Ag-Cu 또는 Sn-Ag이다.
(실시예 3-5) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 3-1에 있어서, 상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13) 및 상기 제4부재(14)로 둘러싸인 내부공간은 비워진다.
(실시예 3-6) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 3-5에 있어서, 상기 내부공간은 상기 메탈 플레이트(220)의 외부보다 기압이 낮다.
(실시예 3-7) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 3-5에 있어서, 상기 내부공간은 진공이다.
전도물질(30)은 일종의 솔더 페이스트 또는 솔더 분말의 역할을 한다. 전도물질(30)은 열전달물질로 역할로 기능하면서 동시에, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)가 형성하는 공간 내부 표면을 재산화로부터 방지하고, 일종의 본딩(접착)요소의 역할을 한다.
전도물질(30)은 열이 가해지면 굳는 열경화성을 가지는 액상 또는 크림 형태로, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)로 이루어지는 어셈블리 중 어느 한 부분이 개방된 상태에서 열전달부(20)를 형성한 후, 전도물질(30)을 채운 후, 개방된 부분을 닫는다. 이후 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)로 이루어지는 어셈블리를 소정의 방식으로 결합시키면서, 소정 온도에서 가열하게 되면 전도물질(30)이 굳게 된다. 단, 이와 달리 전도물질(30)은 파우더 형태일 수 있는데, 파우더 형태의 전도물질(30)은 열경화성을 가지지 않는다.
앞서 설명한 전도물질(30)이 위치하는 공간, 즉 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)로 둘러싸인 공간에는, 열전달부(20)를 제외하고는 비어질 수 있다. 공기의 경우 고체보다 열전도율이 낮기 때문에, 발열하는 전자소자가 제1부재(11)의 외면에 배치된다고 했을 때, 전자소자에서 발생한 열은 제1부재(11)에서 열전달부(20)를 통해 제2부재(12)로 전달된다.
경우에 따라, 즉 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)로 둘러싸인 공간은 진공이나, 외부보다 기압이 낮을 수 있다.
(실시예 4-1) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 2-1에 있어서, 상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13), 상기 제4부재(14)를 포함하는 어셈블리는 서로 결합되는 복수의 파트로 나뉜다.
(실시예 4-2) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 4-1에 있어서, 상기 복수의 파트는 서로 브레이징, 용접, 솔더링 중 적어도 어느 하나의 방식으로 서로 접합된다.
(실시예 4-3) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 4-1에 있어서, 상기 복수의 파트가 서로 면접하는 면은 서로 맞물리는 지그재그 또는 요철 형상으로 형성된다.
본 발명의 배터리 팩의 메탈 플레이트(220)는, 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14) 각각으로 나뉘어 서로 조립될 수 있지만, 이 경우 4개의 부재를 서로 조립해야 하므로, 비효율적일 수 있다. 따라서 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14)를 포함하는 어셈블리는 서로 결합되는 복수의 파트로 나뉘고, 각각의 파트가 서로 결합될 수 있다.
일예로, 상기한 어셈블리가 제1파트(41)와 제2파트(42)로 나뉜다고 했을 때, 제1파트(41)는 온전한 제1부재(11), 제3부재(13)의 절반, 제4부재(14)의 절반을 포함할 수 있고, 제2파트(42)는 온전한 제2부재(12), 제3부재(13)의 나머지 절반, 제4부재(14)의 나머지 절반을 포함할 수 있다. 이때 제1파트(41)와 제2파트(42)는 각각의 대향면이 서로 맞닿은 상태에서 브레이징, 용접, 솔더링 중 적어도 어느 하나의 방식으로 서로 접합될 수 있다.
브레이징(Brazing)은 금속/비금속 재료의 접합방법의 하나로, 섭씨 450도 이상의 모재의 용융점 이하의 온도에서 접합부를 가열하여 보재는 녹이지 않고 용가재만 녹여, 모재를 접합하는 기술이다.
브레이징은 접합부에 용가재를 배치하고 플럭스를 도포한 후, 모재(본 발명에서는 제1파트(41) 및 제2파트(42)는 녹지 않을 정도의 온도로 가열해, 용가재를 용융시킨다. 용융된 용가재는 접합하고자 하는 두 물체 사이의 틈새, 즉 제1파트(41)와 제2파트(42) 사이로 스며들고, 스며든 금속은 굳으면서 제1파트(41)와 제2파트(42)를 접합하게 된다.
브레이징의 구체적인 방법으로는, 로 브레이징, 진공 브레이징, 딥 브레이징, 토치 브레이징 등이 있을 수 있다.
로 브레이징은 앞서 설명한 바와 같은 방식으로 진행되는 것으로, 대량 생산이 가능하고 비교적 숙련된 기술자를 필요로 하지 않아 산업계에서 널리 사용되는 반자동화된 공정이다.
진공 브레이징은 앞서 설명한 로 브레이징의 방식에서 플럭스가 아닌 진공을 사용해 접합하는 방법이다.
딥 브레이징은 용융된 용가재 또는 용융된 플럭스 속에 접합할 부재인 제1파트(41)와 제2파트를 적셔가며 접합하는 방식이다.
토치 브레이징은 브레이징이 필요한 부분을 접합해야 할 때 사용하는 방법으로, 브레이징할 부위만 부분적으로 은납봉 용가재를 사용해 브레이징 토치로 열을 가해 접합하는 방식이다. 토치 브레이징은 가장 널리 사용되는 방식으로, 다양한 가스를 열원으로 사용해 브렝이징할 수 있다. 토치 브레이징에 사용되는 가스는 아세틸렌, 에틸렌, 프로판, 수소, 천연가스 등이 있을 수 있다.
제1파트(41)와 제2파트(42)의 서로 맞닿는 면, 즉 제3부재(13)와 제4부재(14)가 서로 나뉜 부분은, 단순히 평면으로 서로 면접하는 것이 아니라, 단면이 서로 맞물리는 지그재그 형상이나, 서로 맞물리는 요철 모양으로 형성되어, 각각의 접합면을 증가시킬 수 있다. 이렇듯 제1파트(41)와 제2파트(42)의 접합면을 증가시키면, 제1파트(41)와 제2파트(42)를 결합할 때, 접착력이 보다 증가하는 효과가 있으며, 제1파트(41)와 제2파트(42)를 서로 면접시킬 때, 요철면이 맞물려 제1파트(41)와 제2파트(42)의 정렬이 용이한 효과가 있다.
상술한 메탈 플레이트(220)를 구성하는 제1부재(11), 제2부재(12), 제3부재(13), 제4부재(14), 열전달부(20)는 메탈 플레이트(220) 뿐 아니라, 절연 케이스(230)에도 적용될 수 있다. 단, 절연 케이스(230) 자체는 절연이 되어야 하므로, 절연 케이스(230)의 표면에는 별도의 절연층이 형성될 수 있다.
(실시예 5-1) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 1-1에 있어서, 상기 절연 케이스(230) 내부에 충전되는 냉각 절연유를 포함한다.
(실시예 5-2) 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 실시예 5-1에 있어서, 상기 냉각 절연유는, 광유, 합성유, 알킬벤젠, 폴리 염화 바이페닐(Poly cholrinated biphenyl), 혼합유, 첨가제 첨가 절연유, R-TEMP, 파플푸오르카본, 식물성 절연유 중 적어도 하나이다.
냉각 절연유(400)는 절연 케이스(230) 내부에 충전되어, 배터리 셀(210)에서 발생하는 열을 외부로 방출함과 동시에, 배터리 셀(210) 자체를 고정시키는 역할을 할 수 있다.
광유(Mineral oil)는 석유에서 비점(沸點)이 섭씨 250~400도 정도의 수많은 혼합물을 정제하여 만든 절연유이다. 광유는 나프텐계 탄화수소, 파라핀계 탄화 수소 및 방향족계 탄화수소 등이 있을 수 있다. 광유계 절연유는 그 성분 속에 나프텐계 또는 파라핀계 탄화수소가 차지하는 비율에 따라 나프텐계 절연유 또는 파라핀계 절연유라 부른다.
광유의 종류인 나프텐계 탄화수소는 분자 속에 적어도 1개의 포화탄화수소링(나프텐 링)을 지닌 화합물이다. 파라핀계는 CnH2n+2의 분자식을 갖춘 포화쇄상 탄화수소 화합물로 분기되어 있는 것과 분기되어 있지 않은 것 등이 있다. 방향족계는 분자 속에 적어도 1개의 불포화 탄화수소 고리를 지닌 화합물을 말한다. 광유에는 상기한 나프탄계 탄화수소, 파라핀계 탄화수소 및 방향족계 탄화수소 외에, 소량의 유황화합물, 질소화합물, 산소화합물 등이 포함되어 있다.
합성유(Synthetic oil)는 화학적인 합성반응에 의하여 공업적으로 특성을 조절한 것으로, 절연유 분류상 2종부터 6종까지 속하고, 염소화폐닐계(PCB), 실리콘계, 에스테르계, 알킬계 등이 있으며, 요구되는 특수한 조건에 맞추어 널리 사용된다. 합성유의 총칭을 아스카렐(Askarel)이라고도 한다.
알킬벤젠은 직쇄형(소프트형)과 분기형(하드형)이 있다. 직쇄형의 알킬벤젠은 n-파라핀을 백금촉매로 탈수한 후, HF 등의 촉매로 벤젠과 결합시켜 만들고, 분기형의 알킬 벤젠은 프로필렌을 인산촉매를 바탕으로 중합시켜 얻은 프로필렌 테트라머에 HF 등을 촉매로 하여 벤젠과 결합시켜 만든다. 알킬벤젠은 전기적 성질, 산화 안정성 등이 우수하여 전력용 변압기용으로서는 광유계 절연유와 혼합하여 사용되고 있다.
폴리 염화 바이페닐은 방향족 화합물인 Biphenyl, Biphenyl Ether, Bip-henyl Ketone, Biphenyl Methane 등의 수소를 염소로 치환하여 만든 합성 절연유의 일종이다. 폴리 염화 바이페닐은 일반 광유보다 전기적, 화학적으로 우수한 특성을 갖고 있으며, 절연유, 열매체유, 도료, 잉크, 접착제 등에 사용되고 있다. 폴리 염화 바이페닐은 미생물에 의한 분해속도가 느려 장시간 환경오염물질로서 남게 되며, 사람이나 동물이 먹을 경우 간과 췌장, 위장, 생식기 등에 장애를 일으키게 된다. PCB의 구조는 DDT나 BHC와 같은 유기염소제 또는 살균제와 비슷하며, PCB의 성질은 不燃性 또는 난연성이며, 열용량이 크고, 전기절연성이 뛰어나며, 광유보다 비중이 크다.
혼합유는 광유계 절연유에 알킬벤젠을 혼합한 것으로 절연유 분류상 7종에 속하며 전기적 특성이나 산화 안정성이 우수하다. 광유계 절연유 중, 파라핀계 절연유에 알킬벤젠을 혼합한 것은 상기의 결점을 보완하는 동시에 전기특성, 산화 안정성도 향상된다.
첨가제 첨가 절연유는 유동대전이라는 현상을 방지하기 위해 벤조트리아졸이 첨가된 절연유이다.
R-TEMP는 난연성 절연유의 일종으로 미국 COOPER POWER SYSTEM사의 제품이다. 주로 변압기에 많이 사용되며, 무독성으로 폴리 염화 바이페닐을 대체하는 절연유로, 생화학적 안정성과 환경적인 안정성을 가지며 일반 광유와의 혼합 또한 용이하다. R-TEMP는 인화점이 일반적인 광유(섭씨 144도)보다 높아 내화특성이 좋고, 연소점 또한 일반 광유에 비하여 높은 편이다. R-TEMP는 전기적인 특성 중 절연파괴전압도 양호한 편이고, 폐기처리에 대한 비용 또한 광유보다 적게 든다.
파플푸오르카본은 불연절연유의 일종으로 절연, 냉각용도로 사용되는 매우 고가의 절연유이다. C8을 주성분으로 한 C8F16O 로 표현되는 불소 화합물이나 상온에서 휘발하지 않으며, 매우 안정적인 물질로서 대기중의 오존층을 파괴하지도 않는다. 비유전율이 절연지와 비슷하여 적용 기기 내부의 전계분포를 개선하는 매우 이상적인 절연유이며, 초고압기기의 유동대전현상을 해소하는데도 적합할 뿐만 아니라, 냉각 성능이 매우 뛰어나 슈퍼컴퓨터의 냉각에도 이용된다.
식물성 절연유는 콩, 옥수수 등 식물씨앗에서 추출한 천연 에스터로 90년대 중반부터 개발돼 주로 북미 지역 전력회사에서 사용 중에 있으며, 기존 광유(Mineral Oil)에 비해 생분해도가 높아 환경 친화적이며 발화정인화점이 높아 난연성능이 우수하다. 광유와 식물성 절연유 열화특성을 평가한 결과 광유에 비해 식물성 절연유의 점도가 3배 정도 높게 나타났으며, 열화 후 광유에 비해 식물유의 점도가 큰 폭으로 증가하는 특징이 있다. 따라서 식물성 절연유는 열화에 따라 점도가 증가하므로 권선 설계시 과열이 되지 않도록 해야 한다. 또한 광유는 식물성 절연유에 비해 에너멜 동선 및 절연지의 열화를 촉진하며, 식물유가 동선·절연지 열화측면에서 광유에 비해 유리하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
11 : 제1부재 12 : 제2부재
13 : 제3부재 14 : 제4부재
20 : 열전달부 30 : 전도물질
41 : 제1파트 42 : 제2파트
200 : 배터리 팩 210 : 배터리 셀
220 : 메탈 플레이트 221 : 절연층
222 : 회로층 230 : 절연 케이스
240 : 함몰부 250 : 경사부

Claims (4)

  1. 일측으로 배열되는 다수개의 배터리 셀(210);
    상기 배터리 셀(210)의 양단과 맞닿는 메탈 플레이트(220);
    상기 배터리 셀(210)과 상기 메탈 플레이트(220)를 내부에 수용하는 절연 케이스(230);
    를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 플레이트(220)는,
    판형으로 형성되는 제1부재(11);
    상기 제1부재(11)와 일정간격 이격되어 배치되는 제2부재(12);
    상기 제1부재(11)의 일단과 상기 제2부재(12)의 일단을 연결하는 제3부재(13);
    상기 제1부재(11)의 타단과 상기 제2부재(12)의 타단을 연결하는 제4부재(14);
    일단이 상기 제1부재(11)와 맞닿고, 타단이 상기 제2부재(12)와 맞닿는 열전달부(20);
    를 포함하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메탈 플레이트(220)는,
    내부에 상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13) 및 상기 제4부재(14)로 둘러싸인 내부공간에 채워지는 전도물질(30);
    을 포함하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1부재(11), 상기 제2부재(12), 상기 제3부재(13), 상기 제4부재(14)를 포함하는 어셈블리는 서로 결합되는 복수의 파트로 나뉘는 배터리 팩.
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