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KR102028916B1 - 이차 전지용 배터리 팩 - Google Patents

이차 전지용 배터리 팩 Download PDF

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KR102028916B1
KR102028916B1 KR1020120158392A KR20120158392A KR102028916B1 KR 102028916 B1 KR102028916 B1 KR 102028916B1 KR 1020120158392 A KR1020120158392 A KR 1020120158392A KR 20120158392 A KR20120158392 A KR 20120158392A KR 102028916 B1 KR102028916 B1 KR 102028916B1
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heat exchange
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battery
cell
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심일석
김영만
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에스케이이노베이션 주식회사
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Abstract

본 발명은 이차 전지용 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 팩 내부에 구비되는 배터리 셀을 열교환기와 열교환시키기 위한 열교환 구조를 갖는 이차 전지용 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

이차 전지용 배터리 팩{Battery Pack for Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지용 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 팩 내부에 구비되는 배터리 셀을 열교환기와 열교환시키기 위한 열교환 구조를 갖는 이차 전지용 배터리 팩에 관한 것이다.
통상적으로 2차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 이 중에서, 리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.
상기 리튬 2차 전지는 다양한 형태로 제조 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치 형(pouched type)으로 제조되어, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다.
위와 같은 구성의 파우치 형으로 되는 배터리 셀은 다수 개가 적층되어 사용되는 경우가 대부분인데 적층되는 배터리 셀 간의 연결을 위해 전지부와 통전되는 전극탭이 형성되며, 각각의 전극탭을 직렬 또는 병렬 연결하여 대용량의 전압 또는 전류를 공급하게 된다. 상기와 같이 다수 개가 적층되는 배터리 셀은 케이스에 수용되며, 이를 배터리 팩이라고 한다.
배터리 셀은 동작 시 적정 온도에서 벗어나는 열이 발생하는 데 케이스로 인해 대기와의 열교환이 떨어져 성능 저하의 요인이 되고 있다. 이를 극복하기 위해 종래에는 배터리 셀 각각에 히트 싱크를 구비하고, 히트 싱크의 끝단이 케이스 외측으로 노출되도록 하여 배터리 팩에 인접 배치되는 수냉식 열교환기에 면접촉을 통해 배터리 셀을 냉각시키도록 구성되었다.
상기와 같은 구성의 종래의 배터리 팩 냉각구조는 각각의 히트 싱크를 열교환기에 접촉시키기가 어렵고, 히트 싱크 각각의 단차로 인해 열교환기와의 접촉력에 차이가 발생하여 열교환 효율이 떨어지고, 외압이나 진동 발생 시 히트 싱크의 변형 및 파손이 발생될 수 있는 문제점이 있었다.
한국공개특허공보 제10-2009-0062965호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 배터리 팩의 하부케이스를 열교환케이스로 구성하여 열교환 케이스 조립 시 열교환케이스에 히트 싱크가 일정한 접촉력을 유지하도록 밀착되어 케이스 내부에 수용되고, 열교환케이스를 수냉식 열교환기에 밀착시켜 배터리 셀을 냉각시키는, 이차 전지용 배터리 팩을 제공함에 있다.
본 발명의 이차 전지용 배터리 팩은, 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일면 또는 타면 둘레에 결합되는 프레임을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위 셀; 상기 배터리 셀의 일면 또는 타면 중 하나 이상과 접하며 형성되는 셀 열교환면과, 상기 셀 열교환면의 끝단에서 절곡되어 상기 배터리 셀의 하면과 접하며 형성되는 케이스 열교환면을 포함하는 히트 싱크; 상기 단위 셀 및 상기 히트 싱크가 수용되고, 하측에 개방면이 형성되는 상부 케이스; 및 외부에 위치되는 열교환기와 일단에서 접하는 제1 열교환면과, 상기 히트 싱크와 타단에서 접하는 제2 열교환면을 포함하는 열교환 케이스;를 포함한다.
또한, 상기 배터리 팩은, 상기 상부 케이스의 개방면과 상기 열교환 케이스의 제2 열교환면이 접하며 결합되되,상기 개방면 및 상기 제2 열교환면의 접촉면에 수직한 방향으로 가압하며 결합시키는 체결수단을 더 포함한다.
또한, 상기 배터리 팩은, 상기 케이스 열교환면과, 상기 열교환케이스의 제2 열교환면 사이에 구비되는 전도성 접착 부재를 더 포함한다.
또한, 상기 단위 셀은, 상기 배터리 셀의 일측 둘레를 감싸는 제1 프레임과 상기 배터리 셀의 타측 둘레를 감싸는 제2 프레임을 포함하고, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임과 전지가 접하는 면에서 하측방향으로의 길이를 가지며 형성되는 형상유지부가 삽입된다.
아울러, 상기 열교환케이스의 제2 열교환면에는, 상기 케이스 열교환면이 수용되도록 열교환홈이 함몰 형성된다.
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상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 이차전지용 배터리 팩은 각각의 히트 싱크와 열교환 케이스의 접촉력이 일정하기 유지되어 열교환 효율이 우수한 효과가 있다. 또한, 히트 싱크가 열교환케이스에 조립된 상태에서 수냉식 열교환기에 결합되기 때문에 조립이 용이하여 생산 비용 절감 및 생산성이 우수한 효과가 있다.
아울러 히트 싱크가 케이스 내에 수용되어 외압이나 진동 발생 시 강성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 팩 사시도
도 2는 도 1의 AA' 단면도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 단위 셀 분해사시도
도 4a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 팩 부분단면도
도 4b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 팩 부분분해단면도
도 5a는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 팩 부분단면도
도 5b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 팩 부분분해단면도
본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 팩 내부에 구비되는 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 열교환을 위해 배터리 팩과 별도로 구비되는 수냉식 열교환기의 효율적인 열교환을 위해 발명된 것으로, 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀을 감싸는 케이스 중 하부에 위치한 열교환케이스의 외측면이 열교환기에 맞닿도록 하고, 내측면이 배터리 셀의 열을 전달하는 히트 싱크에 맞닿도록 구성한다. 특히 복수 개가 구비되는 각각의 히트 싱크와, 열교환케이스의 접촉력을 열교환케이스의 체결 방식을 통해 일정하게 유지시키도록 하여 열교환 효율이 우수한 배터리 팩을 제공하고자 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 팩(1000)에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 팩(1000)의 전체 사시도와, 배터리 팩(1000)에 결합된 수냉식 열교환기(2000)가 도시되어 있다. 또한, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 팩(1000)의 단면도가 도시되어 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 팩(1000)은 단위 셀(200)과, 단위 셀(200)을 수용하는 상부케이스(110), 상부케이스(110)의 상측을 밀폐하는 상부케이스 커버(120) 및 상부케이스(110)의 하단을 밀폐하는 열교환케이스(150)로 구성된다. 열교환케이스(150)의 하면에는 수냉식 열교환기(2000)가 배치되고, 수냉식 열교환기(2000)의 내부에는 냉각수(coolant)가 유동하도록 구성된다.
수냉식 열교환기(2000)의 상면에는 배터리 팩 열교환면(2100)이 형성되고, 배터리 팩 열교환면(2100)에 배터리 팩(1000)의 열교환케이스(150) 외측면이 맞닿아 배터리 팩(1000)과, 수냉식 열교환기(2000)가 열교환 되도록 구성된다.
상부케이스(110)는 상하 개방된 함체상으로 이루어지며, 하측 외면에는 열교환케이스(150)와의 결합을 위한 제1 체결부(111)가 형성되고, 상측 외면에는 상부케이스 커버(120)와의 결합을 위한 제2 체결부(112)가 형성된다. 상부케이스(110)에는 다수 개가 적층되는 단위 셀(200)이 수용되도록 구성된다.
상부케이스 커버(120)는 하측이 개방된 함체상으로 이루어지며, 상부케이스(110)의 상측 개방면에 결합되어 상부케이스(110)의 상측을 밀폐하도록 구성된다. 상부케이스 커버(120) 상에는 배터리 팩(1000) 내부를 공기를 통해 열교환 시키기 위한 공랭라인(121)이 형성되고, 상부케이스(110)와의 결합을 위한 제3 체결부(122)가 형성된다. 제2 체결부(112)와 제3 체결부(122)는 나사 또는 볼트를 통해 결합될 수 있다.
열교환케이스(150)는 상측이 개방된 함체상으로 이루어지며, 상부케이스(110)의 하측 개방면에 결합되어 상부케이스(110)의 하측을 밀폐하도록 구성된다. 열교환케이스(150)의 외측면에는 수냉식 열교환기(2000)의 배터리 팩 열교환면(2100)에 맞닿도록 제1 열교환면(150a)이 형성되고, 열교환케이스(150) 의 내측면에는 단위 셀(200)의 열을 수냉식 열교환기(2000)로 전달하기 위한 제2 열교환면(150b)이 형성된다. 열교환케이스(150)의 둘레면에는 상부케이스(110) 와의 결합을 위한 제4 체결부(151)가 형성된다. 제1 체결부(111)와 제4 체결부(151)는 볼트(B)를 통해 결합될 수 있다. 도면 상에는 제1 체결부(111)와 제4 체결부(151)가 볼트(B)를 통해 결합되는 것으로 도시되어 있으나, 상부케이스(110)와 열교환케이스(150)를 견고히 결합시킬 수 있는 구성이면 어떠한 체결 수단이 적용되어도 무방함은 자명하다.
단위 셀(200)은 상부케이스(110) 내부에 수용되며, 측 방향으로 다단 적층되어 구성될 수 있다. 이하 단위 셀(200)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 단위 셀(200)과, 열교환케이스(150)의 열전달을 위한 세부 구성은 도 4 및 도 5를 참조하여 후술한다.
도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 단위 셀(200)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 단위 셀(200)은 배터리 셀(210)과, 배터리 셀(210)의 일면에 구비되는 제1 프레임(220)과, 배터리 셀(210)의 타면에 구비되는 제2 프레임(230)과, 제2 프레임(230)의 타측에 구비되는 히트 싱크(250)를 포함한다.
배터리 셀(210)은 전지부(211)와, 전지부(211)가 수용되는 공간을 제공하는 셀 케이스(212)를 포함하고 있다. 전지부(211)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판 순으로 배치되어서 일 방향으로 와인딩 되거나, 다수 장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 적층된 형상이다. 전지부(211)의 각 극판은 전극탭(213)과 전기적으로 연결되어 있다. 전극탭(213)의 일단부는 셀 케이스(212)의 밀폐면을 통하여 외부로 돌출되어 있다. 돌출된 전극탭(213)의 일단부는 도시되지 않은 보호 회로기판의 단자와 접속된다. 셀 케이스(212)는 후막의 금속소재로 성형한 원통형이나 각형으로 된 캔 구조와는 달리, 중간층이 금속 호일이고, 금속 호일의 양면에 부착되는 내외피층이 절연성 필름으로 이루어진 파우치형 케이스이다. 파우치 형 케이스는 성형성이 우수하여 자유자재로 구부림이 가능하다. 셀 케이스(212)에는 상술한 바와 같이 전지부(211)가 수용 가능한 공간이 형성되어 있으며, 상기 공간의 가장자리를 따라서 열융착 되는 밀폐면이 형성되어 있다. 상기와 같은 구성의 배터리 셀(210)은 다수 개가 병렬 또는 직렬로 연결되어 배터리 팩(1000)에 수용되는데 배터리 팩(1000)에 조립되기 전에 배터리 셀(210)을 보호하기 위해 제1 및 제2 프레임(220, 230)의 구성을 포함하게 된다.
제1 프레임(220)은 배터리 셀(210)의 일면 둘레 즉 일면에 형성되는 밀폐면을 감싸도록 구성된다. 제1 프레임(220)은 수지재 또는 절연성 있는 재질로 이루어지며, 중앙에 배터리 셀(210)의 전지부(211)가 수용되는 전지부 수용공간(221)이 형성되는 사각 틀(222)의 형상을 이룬다. 제1 프레임(220)은 상기 배터리 셀(210)의 둘레에 접합되어 유연한 재질로 이루어지는 배터리 셀(210)의 강도를 보장하고, 배터리 셀(210)을 충격으로부터 보호하게 된다.
제2 프레임(230)은 배터리 셀(210)의 타면 둘레 즉 타면에 형성되는 밀폐면을 감싸도록 구성된다. 제2 프레임(230)은 수지재 또는 절연성 있는 재질로 이루어지며, 중앙에 배터리 셀(210)의 전지부(211)가 수용되는 전지부 수용공간(231)이 형성되는 사각 틀(232)의 형상을 이룬다. 제2 프레임(230)도 제1 프레임(220)과 마찬가지로, 배터리 셀(210)의 둘레에 접합되어 유연한 재질로 이루어지는 배터리 셀(210)의 강도를 보장하고, 배터리 셀(210)을 충격으로부터 보호하게 된다.
히트 싱크(250)는 판상의 알루미늄 재질로 이루어지며, 제2 프레임(230)의 타측에 구비된다. 히트 싱크(250)는 배터리 셀(210)의 전지부(211) 타면에 맞닿아 전지부(211)의 열을 전달하는 셀 열교환면(251)과, 셀 열교환 면(251)의 하단에서 배터리 셀(210)을 향해 절곡 형성되는 케이스 열교환면(252)으로 구성된다. 케이스 열교환면(252)은 제2 열교환면(150b)에 맞닿아 배터리 셀(210)의 열을 열교환케이스(150)에 전달하도록 구성된다.
이하 단위 셀(200)과, 열교환케이스(150)의 열전달을 위한 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 4에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 단위 셀(200)과, 열교환케이스(150)의 결합구조가 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 단위 셀(200)과, 열교환케이스(150)의 결합구조가 도시되어 있다.
- 실시 예 1
도 4를 참조하면, 배터리 셀(210)의 일면과 타면에 제1 및 제2 프레임(220, 230)이 구비되며, 제2 프레임(230)의 타면에 히트 싱크(251, 252)가 배치된다. 단위 셀(200)은 복수 개가 측면 방향으로 적층되는 형태를 이룰 수 있다. 히트 싱크(251, 252)의 셀 열교환면(251)은 배터리 셀(210)의 타면이 맞닿도록 상하 길이 방향으로 형성되며, 케이스 열교환면(252)은 열교환케이스(150)의 제2 열교환면(150b)에 맞닿도록 구성된다. 이때, 히트 싱크(251, 252)는 배터리 셀(210)의 수 만큼 구비되며 각각의 히트 싱크의 케이스 열교환면(252)이 제2 열교한면(150b)에 일정한 접촉력을 유지하며 맞닿을 수 있도록 본 발명은 다음과 같은 구성을 갖는다. 열교환케이스(150)는 상부케이스(110)에 결합 시 체결수단(B)을 통해서 결합되되 체결수단(B)은 케이스 열교환면(252)과 제2 열교환면(150b)이 맞닿는 접촉면에 수직한 방향으로 하중을 가하여 열교환케이스(150)를 상부케이스(110)에 결합시킨다. 따라서 각각의 히트 싱크의 케이스 열교환면(252) 높이에 약간의 오차가 발생 하더라도, 제2 열교환면(150b)에 일정한 접촉력을 유지하며 맞닿을 수 있게 된다. 또한, 케이스 열교환면(252)과, 제2 열교환면(150b)은 전도성 접착 부재를 통해 결합되도록 하여 케이스 열교환면(252)과 제2 열교환면(150b)의 접촉력을 일정하게 유지할 수 있다.
배터리 셀(210)과, 케이스 열교환면(252)은 소정 거리 이격되며, 배터리 셀(210)과, 케이스 열교환면(252) 사이의 공간에는 제1 및 제2 프레임(220, 230)의 하측에 형성되는 제1 및 제2 형상유지부(222a, 232a)가 삽입된다. 즉 제1 프레임(220)의 하측에는 제1 형상유지부(222a)가 형성되고, 제2 프레임(230)의 하측에는 제2 형상유지부(232a)가 형성되어, 제1 프레임(220)과, 제2 프레임(230) 결합 시 제1 및 제2 형상유지부(222a, 232a)가 배터리 셀(210)과, 케이스 열교환면(252) 사이에 삽입되도록 하여 히트 싱크(250)의 하단부 변형을 방지한다.
- 실시 예 2
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예의 단위 셀(200)과, 열교환케이스(150)의 결합구조는, 상술된 제1 실시 예의 구성과 유사하며, 열교환케이스(150)의 구성에 차이가 있으므로, 이하 열교환케이스(150)의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도시된 바와 같이 열교환케이스(150)의 내측면에는 케이스 열교환면(252)이 수용되도록 열교환홈(150c)이 열교환케이스(150) 외측으로 함몰 형성될 수 있다. 따라서 각각의 히트싱크의 케이스 열교환면(252)이 각각의 열교환홈(150c)에 삽입되도록 구성하여 상술된 제1 실시 예보다 열교환 면적이 넓어지고, 열교환 효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 배터리 팩
100 : 케이스 110 : 상부케이스
120 : 하부케이스 150 : 열교환 케이스
150a : 제1 열교환면 150b : 제2 열교환면
150c : 열교환홈
200 : 단위 셀 210 : 배터리 셀
220 : 제1 프레임 230 : 제2 프레임
250 : 히트 싱크 251 : 셀 열교환면
252 : 케이스 열교환면
2000 : 수냉식 열교환기 2100 : 배터리 팩 열교환면

Claims (5)

  1. 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일면 또는 타면 둘레에 결합되는 프레임을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위 셀;
    상기 배터리 셀의 일면 또는 타면 중 하나 이상과 접하며 형성되는 셀 열교환면과, 상기 셀 열교환면의 끝단에서 절곡되어 상기 배터리 셀의 하면과 접하며 형성되는 케이스 열교환면을 포함하는 히트 싱크;
    상기 단위 셀 및 상기 히트 싱크가 수용되고, 하측에 개방면이 형성되는 상부 케이스; 및
    외부에 위치되는 열교환기와 일단에서 접하는 제1 열교환면과, 상기 히트 싱크와 타단에서 접하는 제2 열교환면을 포함하는 열교환 케이스;
    를 포함하는 이차 전지용 배터리 팩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 상부 케이스의 개방면과 상기 열교환 케이스의 제2 열교환면이 접하며 결합되되,
    상기 개방면 및 상기 제2 열교환면의 접촉면에 수직한 방향으로 가압하며 결합시키는 체결수단을 더 포함하는, 이차 전지용 배터리 팩.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 케이스 열교환면과, 상기 열교환케이스의 제2 열교환면 사이에 구비되는 전도성 접착 부재를 더 포함하는, 이차 전지용 배터리 팩.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 셀은,
    상기 배터리 셀의 일측 둘레를 감싸는 제1 프레임과 상기 배터리 셀의 타측 둘레를 감싸는 제2 프레임을 포함하고,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임과 전지가 접하는 면에서 하측방향으로의 길이를 가지며 형성되는 형상유지부가 삽입되는, 이차 전지용 배터리 팩.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환케이스의 제2 열교환면에는,
    상기 케이스 열교환면이 수용되도록 열교환홈이 함몰 형성되는, 이차 전지용 배터리 팩.
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