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WO2019221394A1 - 배터리 팩 - Google Patents

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Publication number
WO2019221394A1
WO2019221394A1 PCT/KR2019/004403 KR2019004403W WO2019221394A1 WO 2019221394 A1 WO2019221394 A1 WO 2019221394A1 KR 2019004403 W KR2019004403 W KR 2019004403W WO 2019221394 A1 WO2019221394 A1 WO 2019221394A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tank
cooling medium
tanks
cavity
battery cell
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/004403
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
장진성
김한호
김헌희
Original Assignee
삼성에스디아이주식회사
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
Application filed by 삼성에스디아이주식회사 filed Critical 삼성에스디아이주식회사
Priority to EP19803849.9A priority Critical patent/EP3796463B1/en
Priority to US17/041,426 priority patent/US11557818B2/en
Priority to PL19803849.9T priority patent/PL3796463T3/pl
Priority to CN201980032388.4A priority patent/CN112119535B/zh
Publication of WO2019221394A1 publication Critical patent/WO2019221394A1/ko
Priority to US18/155,574 priority patent/US20230163380A1/en

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    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
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    • H01M10/6568—Liquids characterised by flow circuits, e.g. loops, located externally to the cells or cell casings
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    • 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.
  • a secondary battery is a battery that can be charged and discharged, unlike a primary battery that is not rechargeable.
  • Secondary batteries are used as energy sources for mobile devices, electric vehicles, hybrid cars, electric bicycles, uninterruptible power supplies, etc., and may also be used in the form of a single battery, depending on the type of external devices. It is also used in the form of a module that connects the batteries of the unit into a unit.
  • a small mobile device such as a mobile phone can operate for a predetermined time with the output and capacity of a single battery.
  • the module type including the battery is preferred, and the output voltage or the output current can be increased according to the number of built-in batteries.
  • One embodiment of the present invention includes a battery pack having improved heat dissipation efficiency by using a liquid cooling medium accommodated to face different sides of a battery cell.
  • One embodiment of the present invention includes a battery pack capable of realizing high-efficiency heat dissipation at a relatively low cost while improving heat dissipation efficiency while simplifying the heat dissipation structure.
  • the battery pack of the present invention is the battery pack of the present invention.
  • a battery cell including a terminal surface having an electrode terminal, a bottom surface opposite to the terminal surface, and a side surface between the terminal surface and the bottom surface;
  • a first tank facing the terminal surface of the battery cell
  • a second tank extending from the first tank and facing the side of the battery cell
  • a third tank extending from the second tank and facing the bottom surface of the battery cell
  • the first and second tanks are formed to extend across the first and second tanks, and have a cavity filled with a first cooling medium and fluidly isolated from the outside,
  • the said 3rd tank is formed with the flow path for accommodating the flow of a 2nd cooling medium different from a 1st cooling medium.
  • the cooling medium of the first to third tanks arranged to surround the different sides of the battery cell by implementing water-cooled cooling using a liquid cooling medium having a relatively large heat capacity, the battery cell The cooling efficiency of can be improved.
  • the cooling medium naturally conducts condensation at a relatively low flow rate or performs heat dissipation in a static state where the flow rate is substantially close to zero.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery pack according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery pack shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of the battery cell shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 1.
  • FIG. 5 an enlarged view of a portion of FIG. 4 is shown.
  • the battery pack of the present invention is the battery pack of the present invention.
  • a battery cell including a terminal surface having an electrode terminal, a bottom surface opposite to the terminal surface, and a side surface between the terminal surface and the bottom surface;
  • a first tank facing the terminal surface of the battery cell
  • a second tank extending from the first tank and facing the side of the battery cell
  • a third tank extending from the second tank and facing the bottom surface of the battery cell
  • the first and second tanks are formed to extend across the first and second tanks, and have a cavity filled with a first cooling medium and fluidly isolated from the outside,
  • the said 3rd tank is formed with the flow path for accommodating the flow of a 2nd cooling medium different from a 1st cooling medium.
  • the cavity may extend through the boundary region of the first and second tanks to allow fluid movement between the first and second tanks.
  • the cavity of the said 1st, 2nd tank and the flow path of a 3rd tank are isolate
  • a heat conductive block may be interposed between the cavity of the first and second tanks and the flow path of the third tank.
  • the heat conduction block is not provided with a space for storing the fluid.
  • an inlet through which the second cooling medium flows in and an outlet through which the second cooling medium flows out are formed in the third tank.
  • the average flow rate of the first cooling medium is smaller than the average flow rate of the second cooling medium.
  • the first cooling medium may have a larger heat capacity than the second cooling medium.
  • first and second tanks may be connected to each other through the first bent portion, and may extend in different directions from the first bent portion to face terminal surfaces and side surfaces of the battery cells, respectively.
  • the cavity may extend to penetrate the first bent portion to fluidly connect the first and second tanks to each other.
  • the second and third tanks may be connected to each other through a second bent portion, and may extend in different directions at the second bent portion to face side and bottom surfaces of the battery cell, respectively.
  • a heat conduction block may be interposed between the cavity of the second tank and the flow path of the third tank, and the heat conduction block may include the second bent portion and extend across the second bent portion.
  • the first tank may be formed at an outer region of a pair of electrode terminals.
  • the cavity is
  • the first tank may have a predetermined width, but the second tank may have a variable width.
  • the cavity may be gradually narrowed from the upper position of the second tank close to the first tank to the lower position of the second tank close to the third tank.
  • the second tank includes an inner wall facing the side of the battery cell and an outer wall opposite the side of the battery cell,
  • the thickness of the second tank defined between the inner wall and the outer wall can be kept constant while going from an upper position close to the first tank to a lower position close to the third tank.
  • the first thickness between the cavity and the inner wall is maintained uniformly from the upper position close to the first tank to the lower position close to the third tank,
  • the second thickness between the cavity and the outer wall may increase gradually from the upper position close to the first tank to the lower position close to the third tank.
  • the cavity of the second tank is the cavity of the second tank
  • It may have a triangular cross-section so that the width of the cavity is gradually reduced from the upper position to the lower position, including the inclined surface extending in an inclined form from the upper position close to the first tank toward the vertex of the lower position close to the third tank.
  • first to third tanks may extend integrally.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery pack according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 2 is an exploded perspective view of the battery pack shown in FIG. 1.
  • 3 is a perspective view of the battery cell shown in FIG. 1.
  • 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 1. In FIG. 5 an enlarged view of a portion of FIG. 4 is shown.
  • the battery pack may include a plurality of battery cells 10 and first to third tanks T1, T2, and T3 formed to surround the battery cells 10.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 are disposed around the battery cell 10, and may radiate the battery cell 10 at different locations around the battery cell 10, and may discharge the battery cell.
  • a cooling medium with a large heat capacity can be accommodated for heat dissipation of (10).
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 refer to the first and second cooling media F1 and F2 of a liquid phase having a relatively large heat capacity instead of a gas such as air.
  • the heat dissipation of the battery cell 10 may be performed by using a water cooling method.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 may be integrally formed and may have a continuous structure.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 are provided in separate parts independent of each other, and are not formed in a manner of being coupled to each other, and the first to third tanks T1, T2 and T3 may be formed as one component and may be integrally formed through one process such as, for example, high pressure die casting.
  • the first and second tanks T1 and T2 share one cavity C (see FIG. 4) formed in succession, and the first cooling medium F1, FIG. 4 filled in the cavity C (see FIG. 4).
  • the first and second tanks T1 and T2 may be formed as a single component to maintain the airtightness of the cavity C (see FIG. 4). Since the first and second tanks T1 and T2 are located relatively close to the electrode terminal 15 where the charge and discharge currents are concentrated, a short circuit caused by the leakage of the first cooling medium F1 (see FIG. 4) is prevented. To prevent this, there is a great need to hermetically seal the first cooling medium F1 (see FIG. 4), whereby at least the first and second tanks T1, T2 are continuously connected to each other without couplings. It may be connected in a seamless form.
  • the first tank T1 and the second tank T2 may be connected to each other with the boundary of the first bent portion B1 and extend in different directions from the first bent portion B1 to extend the battery cell 10. It may be formed to face different sides of the).
  • the second tank T2 and the third tank T3 may be connected to each other with the boundary of the second bent portion B2, and extend in different directions from the second bent portion B2. It may be formed to face different sides of the cell 10.
  • the battery cell 10 may include a terminal surface 10U on which electrode terminals 15 are formed, and a bottom surface 10L opposite to the terminal surface 10U.
  • Main surface 10M extending between 10U and bottom surface 10L and having a relatively large area, and side surface 10S extending between terminal surface 10U and bottom surface 10L and having a relatively narrow area ) May be included.
  • the battery cell 10 may be formed in a substantially rectangular parallelepiped shape including a pair of a terminal surface 10U, a bottom surface 10L, a main surface 10M, and a pair of side surfaces 10S.
  • the battery cells 10 may be arranged in a plurality in one direction, and in this case, the battery cells 10 adjacent to each other may be arranged to face the main surface 10M.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 may have a terminal surface 10U and a bottom surface 10L of the battery cell 10, and side surfaces between the terminal surface 10U and the bottom surface 10L. It may be formed to surround 10S, and may be formed to surround four different surfaces 10U, 10S, and 10L except for the main surface 10M facing the arrangement direction of the battery cell 10.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 may be integrally formed, and may include first to third tanks surrounding four different surfaces 10U, 10S, and 10L of the battery cell 10.
  • T1, T2, and T3 By integrally forming T1, T2, and T3, a coupling structure for mutual coupling of members formed separately from each other is not required, and the structure can be simplified.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 integrally formed to surround four different surfaces 10U, 10S, and 10L except for the main surface 10M facing the arrangement direction of the battery cell 10.
  • the first and third tanks T1, T2, and T3 that are open may be closed.
  • the first tank T1 may be disposed to face the terminal surface 10U of the battery cell 10. Since the charging and discharging currents are concentrated on the terminal surface 10U of the battery cell 10, and the electrode terminal 15 connected to an electrode assembly (not shown) inside the battery cell 10 is formed, the battery cell In the terminal surface 10U of 10, intensive heat generation may be caused and heat dissipation demand may be concentrated.
  • the first tank T1 may be disposed to face the terminal surface 10U of the battery cell 10 to be responsible for heat dissipation of the terminal surface 10U at a close distance.
  • a pair of electrode terminals 15 may be formed on the terminal surface 10U of the battery cell 10 so as to face each other, and the first tank T1 may be disposed outside the pair of electrode terminals 15. Can be arranged.
  • the first tank T1 is not formed so as to cover the entire terminal surface 10U of the battery cell 10, and is partially formed of the terminal surface 10U, that is, relatively of the terminal surface 10U. It may be formed to cover only the outer region. In this way, the first tank T1 is formed to selectively cover the outer region of the terminal surface 10U, so that the pair of electrode terminals 15 are connected to the first tank T1 in the inner region of the terminal surface 10U.
  • a bus bar may be assembled to the exposed electrode terminal 15 to form an electrical connection with another neighboring battery cell 10.
  • the first tank T1 may extend between the inner position PI relatively to the electrode terminal 15 and the outer position PO relatively away from the electrode terminal 15, and the first tank T1.
  • C) may be formed to have a uniform width W1 (FIG. 5) from the inner position PI to the outer position PO.
  • the width W1 of the cavity C in the first tank T1 is a width measured in a direction perpendicular to the terminal surface 10U of the battery cell 10 facing the first tank T1. Can mean.
  • the first tank T1 is disposed to face the terminal surface 10U in which heat dissipation is concentrated, and is formed to have a short length limited to only an outer region of the battery cell 10 so as not to cover the electrode terminal 15. Therefore, it is preferable to secure a sufficient amount of the first cooling medium F1 so that the first cooling medium F1 inside the cavity C can meet the heat dissipation demand, and the inner position PI close to the electrode terminal 15. ),
  • the cavity C of the first tank T1 may be formed to have a uniform width W1 from the electrode terminal 15 to the outer position PO away from the electrode terminal 15. If the cavity C of the first tank T1 is formed with a variable width W1, the heat dissipation characteristics may be deteriorated because the first cooling medium F1 is not sufficient in a portion where the width W1 is relatively narrowed. Can be.
  • the first tank T1 is responsible for dissipating the terminal surface 10U at a position close to the terminal surface 10U of the battery cell 10.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 are thermally connected to each other to cooperate with each other for heat dissipation of the battery cell 10, and the row of the terminal surface 10U is connected to the terminal surface 10U.
  • the second tank T2 may be disposed to face the side surface 10S of the battery cell 10.
  • the second tank T2 may be connected to the side surface 10S of the battery cell 10 through the first bent portion B1 from the first tank T1 facing the terminal surface 10U of the battery cell 10. It can be extended to face.
  • the second tank T2 may be disposed to face the side surface 10S of the battery cell 10 and may be in charge of heat radiation to the side surface 10S of the battery cell 10 at a close distance.
  • the second tank T2 shares one cavity C with the first tank T1, and the cavity C extends across the first and second tanks T1 and T2.
  • First and second tanks T1 and T2 may be fluidically connected to each other.
  • the cavity C extends through the first bent portion B1 forming the boundary regions of the first and second tanks T1 and T2, and the first and second tanks T1,
  • the first and second tanks T1 and T2 may be fluidically connected to allow fluid movement between T2).
  • the cavity C extends across the first and second tanks T1 and T2 or that the cavity C extends through the first and second tanks T1 and T2. Both may mean that the cavity C fluidly connects the first and second tanks T1 and T2 through the boundary of the first and second tanks T1 and T2.
  • the first cooling medium F1 filled in the cavity C may allow direct heat transport between the first and second tanks T1 and T2 while moving along natural convection within the cavity C. .
  • the natural convection of the first tank T1 and the natural convection of the second tank T2 may affect each other. It may mean that the natural convection of the first tank (T1) and the natural convection of the second tank (T2) may be in direct contact with each other or mixed with each other to perform heat exchange, Means that heat transfer can be made between the first and second tanks T1 and T2 by natural convection of the first cooling medium F1 filled in the cavity C penetrating the two tanks T1 and T2. can do.
  • the first tank T1 may absorb heat from the terminal surface 10U at a close distance and absorb the heat of the terminal surface 10U.
  • the cooling medium F1 may transport heat to the second tank T2 along the flow of natural convection.
  • the first and second tanks T1 and T2 may be connected to each other through the first bent portion B1, and the first and second tanks T1 and T2 may be different from each other through the first bent portion B1. It may extend in the direction and may be disposed to face the terminal surface (10U) and the side surface (10S) of the battery cell 10, respectively.
  • the cavities C of the first and second tanks T1 and T2 may fluidly connect the first and second tanks T1 and T2 through the first bent portion B1. .
  • Natural convection may be generated in the first tank T1 and the second tank T2 according to thermal imbalance.
  • natural convection of the first tank T1 and natural convection of the second tank T2. May form a flow circulated in opposite directions, for example, in a clockwise direction and a counterclockwise direction, so that the first bent portion B1 may be engaged with and mixed with each other.
  • the cavity C passing through the first and second tanks T1 and T2 may form a flow of one natural convection, or may be interlocked and mixed with each other at the first bent portion B1.
  • natural convection flows circulated in opposite directions may be formed.
  • the cavity C penetrating the first and second tanks T1 and T2 is filled with a first cooling medium F1, and the cavity C is disposed in perspective with the electrode terminal 15 where heat generation is concentrated.
  • Local thermal imbalance can be caused at, whereby direct heat transport of the first cooling medium F1 by natural convection can occur.
  • heat transport may be performed between the first and second tanks T1 and T2 by natural convection in the cavity C passing through the first and second tanks T1 and T2. That is, heat transfer from the first tank T1 to the second tank T2 may be performed, whereby the heat of the terminal surface 10U passes through the first tank T1 and the second tank T2.
  • the battery may be finally discharged to the outside of the battery pack through the third tank T3 thermally connected to the second tank T2.
  • the second tank T2 may extend from an upper position PU close to the first tank T1 to a lower position PL close to the third tank T3.
  • the cavity C of the second tank T2 may be formed to have a width W2 (see FIG. 5) gradually decreasing from the upper position PU to the lower position PL.
  • the width W2 of the cavity C in the second tank T2 means a width measured in a direction perpendicular to the side surface 10S of the battery cell 10 facing the second tank T2. can do.
  • the second tank T2 is disposed to face the side surface 10S of the battery cell 10, and has an inner wall SI facing the battery cell 10 and an outer wall SO opposite the battery cell 10. ), And the width between the inner wall SI and the outer wall SO of the second tank T2 may be formed to have a constant width while going from the upper position PU to the lower position PL. have.
  • the width of the second tank T2 may mean a width measured in a direction perpendicular to the side surface 10S of the battery cell 10 facing the second tank T2.
  • the second tank (T2) itself is formed in a constant width while going from the upper position (PU) to the lower position (PL), the cavity (C) formed in the second tank (T2) is a lower position from the upper position (PU) It may be formed to the width (W2) that gradually decreases to the (PL).
  • This structure allows the cavity C of the second tank T2 to be approached as close as possible to the battery cell 10, more specifically to the side surface 10S of the battery cell 10.
  • the first thickness A1 between the cavity C and the cavity C (see FIG. 5) is limited to a constant thin thickness, while the width W2 of the cavity C is moved from the upper position PU to the lower position PL.
  • the second thickness A2 (see FIG. 5) between the outer wall SO and the cavity C of the second tank T2 is gradually thickened from the upper position PU to the lower position PL so as to vary variably. Can be provided by forming.
  • the cavity C of the second tank T2 may be formed to have a cross section of a right triangle, and the inclined surface of the second tank T2 is inclined toward the vertex of the lower position PL from the upper position PU.
  • the width W2 of the cavity C can be gradually reduced.
  • the interior of the cavity C may be filled with a first cooling medium F1, and by differentially designing the width W2 of the cavity C in the upper position PU and the lower position PL, the cavity ( The volume of the first cooling medium F1 filled in C) can be varied differentially.
  • the volume of the first cooling medium F1 may change from the maximum volume to the minimum volume while going from the upper position PU to the lower position PL, and according to the heat dissipation demand according to each position,
  • the volume of F1) can be designed differentially.
  • the cavity C of the second tank T2 has a relatively wide width in the upper position PU so as to provide differential heat dissipation at the upper position PU close to the electrode terminal 15. It may be formed to have (W2). That is, the upper position PU where the heat dissipation demand is concentrated may face the cavity C having a relatively wide width W2 and may face the first cooling medium F1 having the maximum volume. In addition, the lower position PL having a relatively low heat dissipation demand may face the cavity C having a relatively narrow width W2 and may face the first cooling medium F1 having a minimum volume.
  • the cavity C is formed to pass through the first and second tanks T1 and T2, and may be formed in different aspects in the first and second tanks T1 and T2. That is, the cavity C of the first tank T1 has a uniform width W1 from the inner position PI close to the electrode terminal 15 to the outer position PO away from the electrode terminal 15. Can be formed. In the terminal surface 10U where the heat dissipation demand is concentrated, the cavity C of the first tank T1 facing the terminal surface 10U has a uniform width so that a sufficient amount of the first cooling medium F1 can be secured. W1).
  • W1 When the cavity C is designed with a variable width W1 in the first tank T1 of a short length limited to the outer region of the terminal surface 10U, the first cooling medium F1 is not sufficient depending on the position. Therefore, since the heat dissipation characteristics may be degraded, the heat dissipation characteristics may be formed to have a uniform width W1.
  • the cavity C of the second tank T2 is formed in a relatively wide width W2 at the upper position PU where the heat dissipation demand is concentrated, and a narrow width at the lower position PL having a relatively low heat dissipation demand.
  • the volume of the first cooling medium F1 is differentially formed according to the width W2 of the cavity C that changes from the upper position PU to the lower position PL according to the heat radiation demand. It can be designed, and the first cooling medium F1 can be efficiently distributed according to the heat dissipation demand.
  • the cavity C penetrating the first and second tanks T1 and T2 is formed in a fluidically isolated form, and the first cooling medium F1 is accommodated in the cavity C.
  • the cavity C may mean that the cavity C does not have a structure such as a duct for inflow and outflow of the fluid. That is, the cavity C is formed in a fluidically isolated form, and the first cooling medium F1 filled in the cavity C flows out of the cavity C or outside of the cavity C. It does not flow from and can be filled in a static state inside the cavity (C).
  • the cavity C penetrating the first and second tanks T1 and T2 may be fluidically isolated from the surrounding environment and does not have a fluid connection with the surrounding environment, ie the outflow and inflow of the fluid.
  • the fluid isolation of the cavity C penetrating the first and second tanks T1 and T2 means that the first and second tanks T1 and T2 are thermally insulated from the surrounding environment.
  • the first and second tanks T1 and T2 are thermally connected to the third tank T3, and heat may be transferred to each other through the heat conductive block CB.
  • the first and second tanks T1 and T2 and the third tank T3 are not fluidly connected to each other, direct heat transport by convection does not occur, but through the heat conduction block CB. Since it is thermally connected, heat transfer may be performed by thermal conduction, and as described later, the first cooling medium F1 of the first and second tanks T1 and T2 and the third tank T3 may be formed.
  • a heat conduction block CB is interposed between the second cooling medium F2 to mediate heat transfer between the first and second cooling mediums F1 and F2, and the heat transferred from the first cooling medium F1 is
  • the second cooling medium F2 may be forced out of the battery pack by a fluid pump (not shown).
  • the first cooling medium F1 may naturally convection at a low flow rate or absorb heat in a state in which the flow rate is almost zero. have.
  • the first cooling medium F1 naturally convections at a low flow rate in the cavity C or absorbs heat in a state in which the flow rate is almost zero, thus providing a fluid having a large heat capacity.
  • the first cooling medium F1 of the first and second tanks T1 and T2 is a fluid having a relatively larger heat capacity than the second cooling medium F2 of the third tank T3. Can be prepared. This will be described later in more detail.
  • the first cooling medium F1 does not flow in and out of the cavity C, is not forced convection by the fluid pump, and is simply filled in the cavity C in a static state. That is, the first and second tanks T1 and T2 have a duct structure for flowing in and out of the first cooling medium F1 in the cavity C, or the first cooling medium F1 in the cavity C. It is not necessary to provide a fluid pump or the like for forced convection, so that the water-cooled cooling by the first cooling medium (F1) can be implemented by a relatively simple structure.
  • the first and second tanks T1 and T2 in which the first cooling medium F1 is stored are disposed at positions relatively adjacent to the electrode terminals 15 when compared with the third tank T3.
  • the first cooling medium F1 stored in the first and second tanks T1 and T2 by that amount.
  • the risk of leakage increases, and when the first cooling medium F1 leaks toward the electrode terminal 15 where the charge and discharge currents are concentrated, the risk of an accident such as an electrical short circuit increases.
  • the first cooling medium F1 having a relatively large heat capacity, but the first cooling is performed to block the risk of leakage to the electrode terminal 15 side.
  • a duct or a first cooling medium for inflow and outflow of the first cooling medium F1 is provided in the first and second tanks T1 and T2 in which the medium F1 is stored.
  • a fluid pump or the like for forced convection of the sieve F1 is not provided, and the first cooling medium F1 absorbs heat at natural convection or at a low flow rate, thereby providing heat radiation to the electrode terminal 15. Can be.
  • the first cooling medium F1 is a fluid having a large heat capacity and may be provided as a fluid having an electrically insulating property.
  • the first cooling medium F1 is filled in the cavity C of the first and second tanks T1 and T2 located near the electrode terminal 15. In this case, the first cooling medium F1 may leak to the electrode terminal 15 in the process of injecting the first cooling medium F1 into the cavity C of the first and second tanks T1 and T2.
  • the first cooling medium F1 leaked toward the electrode terminal 15 accumulates on the terminal surface 10U, an electrical short may occur between the electrode terminal 15 and the other conductive member, and thus, the first cooling medium
  • (F1) has electrically insulating characteristics.
  • the first cooling medium F1 may be formed of a fluid having better electrical insulating properties than the second cooling medium F2 of the third tank T3 positioned relatively away from the electrode terminal 15.
  • it may be provided as a fluid having a lower electrical conductivity than the second cooling medium F2.
  • the third tank T3 may be disposed to face the bottom surface 10L of the battery cell 10.
  • the third tank T3 is connected to the bottom surface 10L of the battery cell 10 through the second bent portion B2 from the second tank T2 facing the side surface 10S of the battery cell 10. It can be extended to face.
  • the third tank T3 may be disposed to face the bottom surface 10L of the battery cell 10 and may be responsible for heat dissipation to the bottom surface 10L of the battery cell 10 at a close distance.
  • the third tank T3 may have a flow path D for receiving a flow of the second cooling medium F2 different from the first cooling medium F1.
  • the flow path D of the third tank T3 is isolated from the cavity C passing through the first and second tanks T1 and T2 and is not fluidly connected. That is, in the flow path D of the third tank T3, a fluid different from the cavity C of the first and second tanks T1 and T2, that is, the first and second tanks T1 and T2.
  • a second cooling medium F2 which is different from the first cooling medium F1 penetrating through may be accommodated, and the first and second cooling mediums F1 and F2 are not mixed with each other and are isolated from each other and separated from each other. Heat dissipation can be performed in different areas.
  • the cavity C passing through the first and second tanks T1 and T2 may be fluidically isolated from the outside of the cavity C, and may be in fluid communication with the third tank T3. May not be connected.
  • the cavity C penetrating the first and second tanks T1 and T2 is not fluidly connected to the flow path D of the third tank T3, but the first and second tanks T1, T2 and the third tank T3 are thermally connected to each other, and the first cooling medium F1 of the first and second tanks T1 and T2 and the second cooling medium of the third tank T3 ( A heat conduction block CB is interposed between F2) to allow heat transfer therebetween.
  • the thermally conductive block CB may be formed between the cavity C passing through the first and second tanks T1 and T2 and the flow path D of the third tank T3, and may be a fluid. It may be provided in the form of a metal block does not have a space to accommodate the.
  • the said heat conductive block CB contains the solid part in which the cavity C is not provided in the 2nd tank T2, and the solid part in which the flow path D is not provided in the 3rd tank T3. Can be formed.
  • the thermally conductive block CB may include a second bent portion B2 that mediates a connection between the second and third tanks T2 and T3.
  • the second and third tanks T2 and T3 may be connected to each other through a second bent portion B2, and face side surfaces 10S of the battery cell 10 through the second bent portion B2.
  • the second tank T2 and the third tank T3 facing the bottom surface 10L of the battery cell 10 may be connected to each other, and the second and third tanks T2 and T3 may be connected to each other. It extends in different directions from the bent portion B2 and may be formed to face the side surface 10S and the bottom surface 10L of the battery cell 10, respectively.
  • the heat transfer between the second and third tanks T2 and T3 is performed by the heat conduction block CB, and is different from the heat transport by natural convection between the first and second tanks T1 and T2. have. That is, since the second and third tanks T2 and T3 are not fluidly connected, heat transfer by convection is not performed between the second and third tanks T2 and T3.
  • the second and third tanks T2 and T3 may be thermally connected to each other so that heat transfer may be performed through the heat conduction block CB. That is, the first cooling medium F1 of the second tank T2 and the second cooling medium F2 of the third tank T3 are not in direct contact with each other or mixed with each other. Heat transfer may be achieved by heat conduction by the heat conduction block CB between the second cooling medium F2.
  • the third tank T3 may include a flow path D through which the second cooling medium F2 flows, and the second cooling medium F2 is forcedly flowed at a predetermined flow rate by a fluid pump not shown. As a result, the heat introduced from the second tank T2 or the heat introduced from the bottom surface 10L of the battery cell 10 may be discharged to the outside of the battery pack.
  • the second cooling medium F2 is preferably provided with a fluid having a relatively large heat capacity in consideration of cooling efficiency. That is, it is preferable that both the first cooling medium F1 of the first and second tanks T1 and T2 and the second cooling medium F2 of the third tank T3 are made of a fluid having a relatively large heat capacity. Do.
  • the first cooling medium F1 absorbs heat in a stationary state in which the heat is transported while the natural convection is carried out at low flow rate in the cavity C of the first and second tanks T1 and T2 or the flow rate is almost zero.
  • the flow rate can be adaptively adjusted according to the heat dissipation demand. It may be provided as a fluid having a smaller heat capacity than the first cooling medium F1.
  • the average flow rate of the first cooling medium F1 may be smaller than the average flow rate of the second cooling medium F2, and the first cooling medium F1 may be compensated for the cooling efficiency according to the difference in flow rates. May be provided as a fluid having a relatively larger heat capacity than the second cooling medium F2.
  • the second cooling medium F2 may be provided as a fluid having lower electrical insulating properties than the first cooling medium F1. That is, the second cooling medium F2 may be formed of a fluid having a lower heat capacity and electrical insulating property than the first cooling medium F1, and a relatively inexpensive fluid, eg, the first cooling medium F1. For example, it may be provided with a relatively inexpensive fluid such as water.
  • the second cooling medium F2 may flow through the flow path D of the third tank T3, and the second cooling medium F2 having a low temperature flows into the third tank T3, or a second high temperature is introduced into the third tank T3.
  • An inlet / outlet IO from which the cooling medium F2 is discharged may be formed.
  • the second cooling medium F2 circulates along a closed loop path including the flow path D of the third tank T3 or passes through an open loop path including the flow path D of the third tank T3.
  • a cooling unit (not shown) for cooling the second cooling medium F2 may be provided on a path through which the second cooling medium F2 circulates along the closed loop.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 have excellent heat conduction characteristics, and have molding characteristics so as to easily form a space for storing fluid, such as a cavity C or a flow path D. It can be formed of an excellent metal material.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 may be formed to surround four different surfaces 10U, 10S, and 10L of the battery cell 10 to remove heat from the battery cell 10.
  • the first and second cooling media F1 and F2 may be formed of a metal material having excellent thermal conductivity so as to be efficiently transferred to the second cooling medium F1 and F2.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 may be formed of aluminum.
  • the first to third tanks T1, T2, and T3 may be integrally formed, and the second bent portion B2 may be formed from the first tank T1 facing the bottom surface 10L of the battery cell 10.
  • the second tanks T2 connected through) may be formed in pairs at positions facing each other, and may be formed to face side surfaces 10S of the battery cell 10.
  • the first tanks T1 connected through the first bent portion B1 from the second tanks T2 facing the side surface 10S of the battery cell 10 may be formed in pairs and have a battery cell. It may be formed to face the terminal surface 10U of (10).
  • the present invention can be applied to a battery pack as an energy source capable of charging and discharging and various devices using the battery pack as a driving power source.

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Abstract

본 발명의 배터리 팩은, 전극 단자가 형성된 단자면, 단자면과 반대되는 바닥면, 단자면과 바닥면 사이의 측면을 포함하는 배터리 셀과, 배터리 셀의 단자면과 마주하는 제1 탱크와, 제1 탱크로부터 연장되어 배터리 셀의 측면과 마주하는 제2 탱크와, 제2 탱크로부터 연장되어 배터리 셀의 바닥면과 마주하는 제3 탱크를 포함하되, 제1, 제2 탱크에는, 제1, 제2 탱크를 가로질러 연장되는 것으로, 제1 냉각 매체가 채워지며 외부와 유체적으로 고립되어 있는 공동이 형성되어 있고, 제3 탱크에는, 제1 냉각 매체와 다른 제2 냉각 매체의 흐름을 수용하기 위한 유로가 형성되어 있다. 본 발명에 의하면, 배터리 셀의 서로 다른 면과 마주하도록 수용된 액상의 냉각 매체를 이용하여 방열 효율이 향상되면서도, 방열 구조의 단순화를 통하여 상대적으로 낮은 비용으로 고효율의 방열을 구현할 수 있는 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 모듈 형태로 사용되기도 한다.
휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 소정시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지를 포함하는 모듈 형태가 선호되며, 내장된 전지의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 배터리 셀의 서로 다른 면과 마주하도록 수용된 액상의 냉각 매체를 이용하여 방열 효율이 향상된 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태는, 방열 효율이 향상되면서도 방열 구조의 단순화를 통하여 상대적으로 낮은 비용으로 고효율의 방열을 구현할 수 있는 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 배터리 팩은,
전극 단자가 형성된 단자면, 상기 단자면과 반대되는 바닥면, 상기 단자면과 바닥면 사이의 측면을 포함하는 배터리 셀;
상기 배터리 셀의 단자면과 마주하는 제1 탱크;
상기 제1 탱크로부터 연장되어 상기 배터리 셀의 측면과 마주하는 제2 탱크; 및
상기 제2 탱크로부터 연장되어 상기 배터리 셀의 바닥면과 마주하는 제3 탱크를 포함하되,
상기 제1, 제2 탱크에는, 상기 제1, 제2 탱크를 가로질러 연장되는 것으로, 제1 냉각 매체가 채워지며 외부와 유체적으로 고립되어 있는 공동이 형성되어 있고,
상기 제3 탱크에는, 제1 냉각 매체와 다른 제2 냉각 매체의 흐름을 수용하기 위한 유로가 형성되어 있다.
본 발명에 의하면, 배터리 셀의 서로 다른 면을 둘러싸도록 마련된 제1 내지 제3 탱크의 냉각 매체를 이용하고, 상대적으로 큰 열 용량을 갖는 액상의 냉각 매체를 이용하여 수냉식 냉각을 구현함으로써, 배터리 셀의 냉각 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극 단자와 상대적으로 인접한 제1 및 제2 탱크에서는 냉각 매체가 상대적으로 낮은 유속으로 자연 대류하거나 또는 실질적으로 유속이 제로에 가까운 정적인 상태에서 방열을 수행하며, 냉각 매체의 유출입을 위한 덕트 구조나 냉각 매체의 강제 대류를 위한 유체 펌프 등이 마련될 필요가 없으므로, 상대적으로 열 용량이 큰 냉각 매체를 이용하여 방열 효율을 높이면서도 냉각 매체의 리크 내지는 냉각 매체의 누적에 따라 전극 단자의 단락이 야기될 위험이 줄어들게 되고, 구조의 단순화에 따라 상대적으로 낮은 비용으로 고효율의 방열을 구현할 수 있다.
도 1에는, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 배터리 팩의 사시도가 도시되어 있다.
도 2에는, 도 1에 도시된 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 3에는, 도 1에 도시된 배터리 셀의 사시도가 도시되어 있다.
도 4에는, 도 1의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 5에는, 도 4의 일부에 대한 확대 도면이 도시되어 있다.
본 발명의 배터리 팩은,
전극 단자가 형성된 단자면, 상기 단자면과 반대되는 바닥면, 상기 단자면과 바닥면 사이의 측면을 포함하는 배터리 셀;
상기 배터리 셀의 단자면과 마주하는 제1 탱크;
상기 제1 탱크로부터 연장되어 상기 배터리 셀의 측면과 마주하는 제2 탱크; 및
상기 제2 탱크로부터 연장되어 상기 배터리 셀의 바닥면과 마주하는 제3 탱크를 포함하되,
상기 제1, 제2 탱크에는, 상기 제1, 제2 탱크를 가로질러 연장되는 것으로, 제1 냉각 매체가 채워지며 외부와 유체적으로 고립되어 있는 공동이 형성되어 있고,
상기 제3 탱크에는, 제1 냉각 매체와 다른 제2 냉각 매체의 흐름을 수용하기 위한 유로가 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 공동은, 제1, 제2 탱크 사이에서 유체 이동이 가능하도록 제1, 제2 탱크의 경계 영역을 관통하여 연장될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 탱크의 공동과 제3 탱크의 유로는 서로로부터 격리되어 있다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 탱크의 공동과 제3 탱크의 유로 사이에는 열전도 블록이 개재될 수 있다.
예를 들어, 상기 열전도 블록에는, 유체를 저장할 수 있는 공간이 마련되어 있지 않다.
예를 들어, 상기 제3 탱크에는, 제2 냉각 매체가 유입되는 인렛 및 제2 냉각 매체가 유출되는 아웃렛이 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 제1 냉각 매체의 평균 유속은, 제2 냉각 매체의 평균 유속 보다 작다.
예를 들어, 상기 제1 냉각 매체는, 제2 냉각 매체 보다 열 용량이 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 탱크는, 제1 절곡부를 통하여 서로 연결되며, 제1 절곡부에서 서로 다른 방향으로 연장되어 각각 배터리 셀의 단자면 및 측면과 마주할 수 있다.
예를 들어, 상기 공동은, 상기 제1 절곡부를 관통하도록 연장되어, 제1, 제2 탱크를 유체적으로 서로 연결할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2, 제3 탱크는 제2 절곡부를 통하여 서로 연결되며, 제2 절곡부에서 서로 다른 방향으로 연장되어 각각 배터리 셀의 측면 및 바닥면과 마주할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 탱크의 공동과 제3 탱크의 유로 사이에는 열전도 블록이 개재되며, 상기 열전도 블록은, 상기 제2 절곡부를 포함하고 제2 절곡부를 가로질러 연장될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 탱크는, 쌍을 이루는 전극 단자의 외측 영역에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 공동은,
상기 제1 탱크에서는 일정한 폭으로 형성되되, 상기 제2 탱크에서는 가변적인 폭으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 공동은, 제1 탱크와 가까운 제2 탱크의 상측 위치로부터 제3 탱크와 가까운 제2 탱크의 하측 위치로 가면서 점진적으로 폭이 좁아질 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 탱크는, 배터리 셀의 측면과 마주하는 내측 벽과 배터리 셀의 측면과 반대 편의 외측 벽을 포함하고,
상기 내측 벽과 외측 벽 사이로 정의되는 제2 탱크의 두께는, 제1 탱크와 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크에 가까운 하측 위치로 가면서 일정하게 유지될 수 있다.
예를 들어, 상기 공동과 내측 벽 사이의 제1 두께는, 제1 탱크와 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크에 가까운 하측 위치로 가면서 균일하게 유지되되,
상기 공동과 외측 벽 사이의 제2 두께는, 제1 탱크에 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크에 가까운 하측 위치로 가면서 점진적으로 증가할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 탱크의 공동은,
상기 제1 탱크와 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크와 가까운 하측 위치의 꼭지점을 향하여 경사진 형태로 연장되는 빗면을 포함하여 상측 위치로부터 하측 위치로 가면서 공동의 폭이 점진적으로 축소되도록 삼각형 단면을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 내지 제3 탱크는, 일체적으로 연장될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 배터리 팩에 대해 설명하기로 한다.
도 1에는, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 배터리 팩의 사시도가 도시되어 있다. 도 2에는, 도 1에 도시된 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 3에는, 도 1에 도시된 배터리 셀의 사시도가 도시되어 있다. 도 4에는, 도 1의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다. 도 5에는, 도 4의 일부에 대한 확대 도면이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 상기 배터리 팩은, 다수의 배터리 셀(10)과, 상기 배터리 셀(10)을 둘러싸도록 형성된 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는, 배터리 셀(10) 주위에 배치되며, 배터리 셀(10) 주변의 서로 다른 위치에서 배터리 셀(10)을 방열할 수 있고, 배터리 셀(10)의 방열을 위해 열 용량이 큰 냉각 매체를 수용할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는, 공기와 같은 기체가 아닌 상대적으로 열 용량이 큰 액상의 제1, 제2 냉각 매체(F1,F2, 도 4 참조)를 이용하는 수냉 방식으로 배터리 셀(10)을 방열할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는 일체적으로 형성될 수 있으며 서로 연속적인 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는, 서로 독립적인 개별 부품으로 제공된 후에, 서로에 대해 결합되는 방식으로 형성되지 않고, 상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는 하나의 부품으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 고압 다이 캐스팅과 같은 하나의 공정을 통하여 일체로 형성될 수 있다.
특히, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)는 연속적으로 형성된 하나의 공동(C, 도 4 참조)을 공유하며, 공동(C, 도 4 참조) 내에 채워진 제1 냉각 매체(F1, 도 4 참조)의 리크를 방지하기 위해, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)는 하나의 부품으로 형성되어 공동(C, 도 4 참조)의 기밀성을 유지할 수 있다. 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)는, 충, 방전 전류가 집중되는 전극 단자(15)와 상대적으로 가깝게 위치되므로, 제1 냉각 매체(F1, 도 4 참조)의 리크에 의한 단락을 방지하기 위해, 제1 냉각 매체(F1, 도 4 참조)를 기밀하게 밀봉할 필요성이 크며, 이에 따라, 적어도 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)는 결합부가 없이 서로 연속적으로 연결된 심-리스(seamless) 형태로 연결될 수 있다.
상기 제1 탱크(T1) 및 제2 탱크(T2)는, 제1 절곡부(B1)를 경계로 하여 서로 연결될 수 있으며, 제1 절곡부(B1)로부터 서로 다른 방향으로 연장되어 배터리 셀(10)의 서로 다른 면과 마주하도록 형성될 수 있다. 유사하게, 상기 제2 탱크(T2) 및 제3 탱크(T3)는, 제2 절곡부(B2)를 경계로 하여 서로 연결될 수 있으며, 제2 절곡부(B2)로부터 서로 다른 방향으로 연장되어 배터리 셀(10)의 서로 다른 면과 마주하도록 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 배터리 셀(10)은, 전극 단자(15)가 형성된 단자면(10U)과, 상기 단자면(10U)과 반대되는 바닥면(10L)을 포함할 수 있으며, 단자면(10U)과 바닥면(10L) 사이에서 연장되며 상대적으로 넓은 면적을 갖는 주된 면(10M)과, 단자면(10U)과 바닥면(10L) 사이에서 연장되며 상대적으로 좁은 면적을 갖는 측면(10S)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(10)은, 단자면(10U), 바닥면(10L), 주된 면(10M)의 쌍과, 측면(10S)의 쌍을 포함하는 대략 직육면체 형상으로 형성될 수 있다. 상기 배터리 셀(10)은, 일 방향을 따라 다수로 배열될 수 있으며, 이때 서로 이웃한 배터리 셀(10)끼리 주된 면(10M)을 서로 마주하도록 배열될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는, 배터리 셀(10)의 단자면(10U) 및 바닥면(10L)과, 단자면(10U)과 바닥면(10L) 사이의 측면(10S)을 둘러싸도록 형성될 수 있고, 배터리 셀(10)의 배열 방향을 바라보는 주된 면(10M)을 제외한 서로 다른 4 면(10U,10S,10L)을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는 일체적으로 형성될 수 있으며, 배터리 셀(10)의 서로 다른 4 면(10U,10S,10L)을 둘러싸는 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)가 일체적으로 형성됨으로써, 서로 개별적으로 형성된 부재의 상호 결합을 위한 결합 구조가 요구되지 않으며, 구조의 단순화가 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하여 배터리 팩의 조립에 대해, 설명하면 이하와 같다. 즉, 배터리 셀(10)의 배열 방향을 바라보는 주된 면(10M)을 제외한 서로 다른 4 면(10U,10S,10L)을 둘러싸도록 일체적으로 형성된 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)를 준비하고, 일 방향(배열 방향에 해당됨)을 따라 개방되어 있는 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)에 대해, 상기 일 방향(배열 방향에 해당됨)을 따라 다수의 배터리 셀(10)을 슬라이딩 시키는 방식으로 조립할 수 있으며, 상기 일 방향(배열 방향에 해당됨)을 따라 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)의 일단과 타단에는 엔드 플레이트(미도시)의 쌍이 배치되어, 개방되어 있는 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)의 일단과 타단을 마감할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 제1 탱크(T1)는, 상기 배터리 셀(10)의 단자면(10U)과 마주하게 배치될 수 있다. 상기 배터리 셀(10)의 단자면(10U)에는 충, 방전 전류가 집중되며, 배터리 셀(10) 내부의 전극 조립체(미도시)와 연결되어 있는 전극 단자(15)가 형성되어 있으므로, 배터리 셀(10)의 단자면(10U)에서는 집중적인 발열이 야기될 수 있고 방열 수요가 집중될 수 있다. 상기 제1 탱크(T1)는 배터리 셀(10)의 단자면(10U)과 마주하게 배치되어 근접한 거리에서 단자면(10U)의 방열을 담당할 수 있다.
상기 배터리 셀(10)의 단자면(10U)에는 서로 마주하게 배치되는 한 쌍의 전극 단자(15)가 형성될 수 있고, 쌍을 이루는 전극 단자(15)의 외측으로 상기 제1 탱크(T1)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 탱크(T1)는, 배터리 셀(10)의 단자면(10U)을 전부 덮도록 형성되지 않고, 단자면(10U) 중 일부, 그러니까, 상대적으로 단자면(10U)의 외측 영역만을 덮도록 형성될 수 있다. 이와 같이, 제1 탱크(T1)가 단자면(10U)의 외측 영역을 선택적으로 덮도록 형성됨으로써, 단자면(10U)의 내측 영역에서 한 쌍의 전극 단자(15)가 제1 탱크(T1)로부터 노출될 수 있으며, 노출된 전극 단자(15)에는 미도시된 버스 바가 조립되어 이웃한 다른 배터리 셀(10)과의 전기적인 연결을 형성할 수 있다.
상기 제1 탱크(T1)는, 상대적으로 전극 단자(15)와 인접한 내측 위치(PI)와 상대적으로 전극 단자(15)로부터 떨어진 외측 위치(PO) 사이에서 연장될 수 있으며, 제1 탱크(T1)의 공동(C)은 내측 위치(PI)로부터 외측 위치(PO)로 가면서 균일한 폭(W1, 도 5)으로 형성될 수 있다. 이때, 제1 탱크(T1)에서 공동(C)의 폭(W1)이란, 제1 탱크(T1)가 마주하는 배터리 셀(10)의 단자면(10U)에 대해 수직한 방향으로 측정된 폭을 의미할 수 있다.
상기 제1 탱크(T1)는, 상대적으로 방열이 집중되는 단자면(10U)과 마주하게 배치되며, 전극 단자(15)를 가리지 않도록 상대적으로 배터리 셀(10)의 외측 영역에만 제한된 짧은 길이로 형성되므로, 공동(C) 내부의 제1 냉각 매체(F1)가 방열 수요를 감당할 수 있도록 충분한 양의 제1 냉각 매체(F1)를 확보하는 것이 바람직하며, 전극 단자(15)와 가까운 내측 위치(PI)에서 전극 단자(15)로부터 떨어진 외측 위치(PO)까지 제1 탱크(T1)의 공동(C)은 균일한 폭(W1)으로 형성될 수 있다. 만일 제1 탱크(T1)의 공동(C)이 가변적인 폭(W1)으로 형성될 경우, 상대적으로 폭(W1)이 좁아지는 부분에서 제1 냉각 매체(F1)가 충분하지 않아서 방열 특성이 떨어질 수 있다.
상기 제1 탱크(T1)는, 배터리 셀(10)의 단자면(10U)과 근접한 위치에서 단자면(10U)의 방열을 담당하게 된다. 후술하는 바와 같이, 상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는 서로 열적으로 연결되어 배터리 셀(10)의 방열을 위해 서로 협력하며, 단자면(10U)의 열은 단자면(10U)과 가장 근접한 거리의 제1 탱크(T1)를 경유하여 제2, 제3 탱크(T2,T3)로 전달될 수 있고, 최종적으로 제3 탱크(T3)를 통하여 배터리 팩의 외부로 배출될 수 있다.
상기 제2 탱크(T2)는 배터리 셀(10)의 측면(10S)과 마주하도록 배치될 수 있다. 상기 제2 탱크(T2)는, 배터리 셀(10)의 단자면(10U)과 마주하는 제1 탱크(T1)로부터 제1 절곡부(B1)를 통하여 배터리 셀(10)의 측면(10S)과 마주하도록 연장될 수 있다. 상기 제2 탱크(T2)는, 배터리 셀(10)의 측면(10S)과 마주하게 배치되어 근접한 거리에서 배터리 셀(10)의 측면(10S)에 대한 방열을 담당할 수 있다.
상기 제2 탱크(T2)는 제1 탱크(T1)와 함께 하나의 공동(C)을 공유하며, 상기 공동(C)은, 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 가로질러 연장되면서 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 서로 유체적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 상기 공동(C)은, 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 경계 영역을 형성하는 제1 절곡부(B1)를 관통하여 연장되면서, 제1, 제2 탱크(T1,T2) 사이에서 유체 이동이 가능하도록 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 유체적으로 연결할 수 있다. 본 명세서를 통하여, 공동(C)이 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 가로질러 연장된다거나 또는 공동(C)이 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하여 연장된다는 것은, 모두 공동(C)이 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 경계를 관통하여 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 유체적으로 연결한다는 것을 의미할 수 있다.
상기 공동(C) 내에 채워진 제1 냉각 매체(F1)는, 공동(C) 내부에서 자연 대류를 따라 이동하면서 제1, 제2 탱크(T1,T2) 사이에서 직접적인 열 수송이 이루어지도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)가 서로 유체적으로 연결되어 있다는 것은, 제1 탱크(T1)의 자연 대류와 제2 탱크(T2)의 자연 대류가 서로 영향을 줄 수 있으며, 제1 탱크(T1)의 자연 대류와 제2 탱크(T2)의 자연 대류가 서로 직접 접촉하거나 또는 서로에 대해 혼합되면서 열 교환을 수행할 수 있다는 것을 의미할 수 있고, 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C) 내부에 채워진 제1 냉각 매체(F1)의 자연 대류에 의해 제1, 제2 탱크(T1,T2) 사이에서 열 수송이 이루어질 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
상기 제1 탱크(T1)는 발열이 집중되는 단자면(10U)과 마주하게 배치되므로 근접한 거리에서 단자면(10U)의 열을 흡수할 수 있고, 단자면(10U)의 열을 흡수한 제1 냉각 매체(F1)는 자연 대류의 흐름을 따라 제2 탱크(T2)로 열을 수송할 수 있다. 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)는 제1 절곡부(B1)를 통하여 서로 연결될 수 있으며, 제1 절곡부(B1)를 통하여 제1, 제2 탱크(T1,T2)는 서로 다른 방향으로 연장되면서 배터리 셀(10)의 단자면(10U) 및 측면(10S)과 각각 마주하게 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 공동(C)은, 상기 제1 절곡부(B1)를 관통하여 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 유체적으로 연결할 수 있다.
상기 제1 탱크(T1)와 제2 탱크(T2)에는 열적 불균형에 따라 자연 대류가 생성될 수 있으며, 예를 들어, 제1 탱크(T1)의 자연 대류와 제2 탱크(T2)의 자연 대류는 제1 절곡부(B1)에서 서로 맞물리며 혼합되도록 서로 반대 방향, 예를 들어, 시계방향 및 반시계 방향을 따라 각각 순환되는 흐름을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)은, 하나의 자연 대류의 흐름을 형성할 수 있고, 또는 제1 절곡부(B1)에서 서로 맞물리며 혼합되도록 제1, 제2 탱크(T1,T2)에서 서로 반대 방향으로 순환되는 자연 대류의 흐름을 형성할 수도 있다.
상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)에는, 제1 냉각 매체(F1)가 채워져 있으며, 발열이 집중되는 전극 단자(15)와의 원근에 따라 공동(C) 내부에서 국부적인 열 불균형이 야기되어, 자연 대류에 의한 제1 냉각 매체(F1)의 직접적인 열 수송이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C) 내부의 자연 대류에 의해 제1, 제2 탱크(T1,T2) 사이에서 열 수송이 이루어질 수 있다. 즉, 제1 탱크(T1)로부터 제2 탱크(T2)로의 열 수송이 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 단자면(10U)의 열이 제1 탱크(T1)와 제2 탱크(T2)를 경유하고, 제2 탱크(T2)와 열적으로 연결되어 있는 제3 탱크(T3)를 통하여 최종적으로 배터리 팩의 외부로 배출될 수 있다.
상기 제2 탱크(T2)는, 상기 제1 탱크(T1)와 가까운 상측 위치(PU)로부터 제3 탱크(T3)와 가까운 하측 위치(PL)로 연장될 수 있다. 이때, 상기 제2 탱크(T2)의 공동(C)은, 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)로 가면서 점진적으로 감소되는 폭(W2, 도 5 참조)으로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 탱크(T2)에서 공동(C)의 폭(W2)이란, 제2 탱크(T2)가 마주하는 배터리 셀(10)의 측면(10S)에 대해 수직한 방향으로 측정한 폭을 의미할 수 있다.
상기 제2 탱크(T2)는, 배터리 셀(10)의 측면(10S)과 마주하도록 배치되며, 배터리 셀(10)을 향하는 내측 벽(SI)과 배터리 셀(10)과 반대 편의 외측 벽(SO)을 포함할 수 있고, 상기 제2 탱크(T2)의 내측 벽(SI)과 외측 벽(SO) 사이의 폭은, 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)로 가면서 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 탱크(T2)의 폭이란 제2 탱크(T2)가 마주하는 배터리 셀(10)의 측면(10S)에 대해 수직한 방향으로 측정한 폭을 의미할 수 있다.
상기 제2 탱크(T2) 자체는 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)로 가면서 일정한 폭으로 형성되되, 상기 제2 탱크(T2)에 형성된 공동(C)은 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)로 가면서 점진적으로 감소되는 폭(W2)으로 형성될 수 있다. 이러한 구조는, 제2 탱크(T2)의 공동(C)을 배터리 셀(10, 보다 구체적으로 배터리 셀 10의 측면 10S)에 대해 최대한 가까운 위치로 접근시키도록 제2 탱크(T2)의 내측 벽(SI)과 공동(C) 사이의 제1 두께(A1, 도 5 참조)는 일정한 박형 두께로 제한하면서, 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)로 가면서 공동(C)의 폭(W2)을 가변적으로 변화시키도록 제2 탱크(T2)의 외측 벽(SO)과 공동(C) 사이의 제2 두께(A2, 도 5 참조)는 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)로 가면서 점차 두꺼워지도록 형성함으로써, 제공될 수 있다.
예를 들어, 제2 탱크(T2)의 공동(C)은 직각 삼각형의 단면을 갖도록 형성될 수 있으며, 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)의 꼭지점을 향하여 경사진 형태의 빗면이 연장되면서 공동(C)의 폭(W2)이 점진적으로 축소될 수 있다. 상기 공동(C)의 내부에는 제1 냉각 매체(F1)가 채워질 수 있으며, 상측 위치(PU)와 하측 위치(PL)에서 공동(C)의 폭(W2)을 차등적으로 설계함으로써, 공동(C)에 채워지는 제1 냉각 매체(F1)의 부피가 차등적으로 변화될 수 있다. 즉, 상측 위치(PU)에서 하측 위치(PL)로 가면서 제1 냉각 매체(F1)의 부피는 최대 부피로부터 최소 부피로 변화할 수 있고, 각각의 위치에 따른 방열 수요에 따라 제1 냉각 매체(F1)의 부피를 차등적으로 설계할 수 있다.
상기 배터리 셀(10)에서는 충, 방전 전류가 집중되는 전극 단자(15)에서 집중적인 발열이 야기될 수 있다. 이러한 고려로부터, 상기 전극 단자(15)와 가까운 상측 위치(PU)에서 차등적인 방열을 제공할 수 있도록, 상기 제2 탱크(T2)의 공동(C)은 상부 위치(PU)에서는 상대적으로 넓은 폭(W2)을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 방열 수요가 집중되는 상측 위치(PU)는 상대적으로 넓은 폭(W2)의 공동(C)과 마주하게 되며, 최대 부피의 제1 냉각 매체(F1)와 마주할 수 있다. 그리고, 상대적으로 방열 수요가 적은 하측 위치(PL)는 상대적으로 좁은 폭(W2)의 공동(C)과 마주하게 되며, 최소 부피의 제1 냉각 매체(F1)와 마주할 수 있다.
상기 공동(C)은, 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하도록 형성되며, 제1, 제2 탱크(T1,T2)에서 서로 다른 양상으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 탱크(T1)의 공동(C)은, 전극 단자(15)와 가까운 내측 위치(PI)로부터 전극 단자(15)로부터 떨어진 외측 위치(PO)로 가면서 균일한 폭(W1)으로 형성될 수 있다. 방열 수요가 집중되는 단자면(10U)에서는 충분한 양의 제1 냉각 매체(F1)가 확보될 수 있도록 단자면(10U)과 마주하는 제1 탱크(T1)의 공동(C)은 균일한 폭(W1)으로 형성될 수 있다. 단자면(10U)의 외측 영역으로 짧게 제한된 길이의 제1 탱크(T1)에 있어서 가변적인 폭(W1)으로 공동(C)을 설계할 경우, 위치에 따라 제1 냉각 매체(F1)가 충분하지 않아서 방열 특성이 떨어질 수 있으므로, 균일한 폭(W1)으로 형성될 수 있다.
상기 제2 탱크(T2)의 공동(C)은, 방열 수요가 집중되는 상측 위치(PU)에서는 상대적으로 넓은 폭(W2)으로 형성되고, 상대적으로 방열 수요가 적은 하측 위치(PL)에서는 좁은 폭(W2)으로 형성됨으로써, 방열 수요에 따라 상측 위치(PU)로부터 하측 위치(PL)로 가면서 변화하는 공동(C)의 폭(W2)에 따라 제1 냉각 매체(F1)의 부피가 차등적으로 설계될 수 있고, 방열 수요에 따라 제1 냉각 매체(F1)가 효율적으로 배분될 수 있다.
상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)은, 유체적으로 고립된 형태로 형성되며, 상기 공동(C) 내부에는 제1 냉각 매체(F1)가 수용된다. 상기 공동(C)이 유체적으로 고립된 형태로 형성된다는 것은, 상기 공동(C)에는 유체의 유출입을 위한 덕트와 같은 구조가 형성되지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 상기 공동(C)은 유체적으로 고립된 형태로 형성되며, 상기 공동(C) 내부에 채워진 제1 냉각 매체(F1)는, 공동(C)의 외부로 유출되거나 공동(C)의 외부로부터 유입되지 않으며, 공동(C)의 내부에서 정적인 상태로 채워질 수 있다. 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)은, 주위 환경으로부터 유체적으로 고립될 수 있고, 주위 환경과의 유체적인 연결, 그러니까, 유체의 유출입을 갖지 않는다.
상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)이 유체적으로 고립된다는 것은, 제1, 제2 탱크(T1,T2)가 주위 환경으로부터 열적으로 절연된다는 것을 의미하는 것은 아니며, 후술하는 바와 같이, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)는, 제3 탱크(T3)와 열적으로 연결되어 있으며, 열전도 블록(CB)을 통하여 서로 열 전달이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)와 제3 탱크(T3)는 서로 유체적으로 연결되어 있지 않으므로 대류에 의한 직접적인 열 수송은 일어나지 않으나, 열전도 블록(CB)을 통하여 서로 열적으로 연결되어 있으므로, 열 전도에 의해 열 전달이 이루어질 수 있고, 후술하는 바와 같이, 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 제1 냉각 매체(F1)와, 제3 탱크(T3)의 제2 냉각 매체(F2) 사이에는 열전도 블록(CB)이 개재되어 제1, 제2 냉각 매체(F1,F2) 간의 열 전달을 매개할 수 있고, 제1 냉각 매체(F1)로부터 전달된 열은, 유체 펌프(미도시)에 의해 강제 대류 되는 제2 냉각 매체(F2)에 의해 배터리 팩의 외부로 배출될 수 있다.
상기 공동(C) 내부에서는, 열적 불균형에 따라 자연 대류가 생성될 수 있으며, 제1 냉각 매체(F1)는 낮은 유속으로 자연 대류 하거나 또는 거의 유속이 제로에 가까운 정지된 상태에서 열을 흡수할 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 냉각 매체(F1)는 공동(C) 내에서 낮은 유속으로 자연 대류 하거나 또는 거의 유속이 제로에 가까운 정지된 상태에서 열을 흡수하게 되므로, 열 용량이 큰 유체로 마련되는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 제1 냉각 매체(F1)는, 제3 탱크(T3)의 제2 냉각 매체(F2) 보다는 상대적으로 큰 열 용량을 갖는 유체로 마련될 수 있다. 이에 대해서는 후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 제1 냉각 매체(F1)는, 공동(C) 외부와 유출입되지 않고, 유체 펌프에 의해 강제 대류 되지 않으며, 단순히 공동(C) 내부에 정적인 상태로 채워지게 된다. 즉, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)에는, 공동(C) 내부의 제1 냉각 매체(F1)를 유출입 시키기 위한 덕트 구조, 또는 공동(C) 내부의 제1 냉각 매체(F1)를 강제 대류 시키기 위한 유체 펌프 등이 마련될 필요가 없으며, 이에 따라 상대적으로 단순한 구조에 의해 제1 냉각 매체(F1)에 의한 수냉식 냉각을 구현할 수 있다.
상기 제1 냉각 매체(F1)가 저장된 제1, 제2 탱크(T1,T2)는, 제3 탱크(T3)와 비교할 때, 전극 단자(15)와 상대적으로 인접한 위치에 배치되므로, 전극 단자(15)와 인접한 위치의 제1, 제2 탱크(T1,T2)에 덕트 구조나 유체 펌프 등이 마련되면, 그 만큼 제1, 제2 탱크(T1,T2)에 저장된 제1 냉각 매체(F1)의 누출 위험이 증가하며, 충, 방전 전류가 집중되는 전극 단자(15) 측으로 제1 냉각 매체(F1)가 누출될 경우, 전기적 단락과 같은 사고 위험이 증가하게 되므로, 본 발명에서는, 방열 수요가 집중되는 전극 단자(15)의 방열 효율을 높이기 위해, 상대적으로 열 용량이 큰 제1 냉각 매체(F1)에 의한 수냉식 방열을 구현하되, 전극 단자(15) 측으로의 누출 위험을 차단하도록 제1 냉각 매체(F1)가 저장되는 제1, 제2 탱크(T1,T2)에는, 제1 냉각 매체(F1)의 유출입을 위한 덕트 또는 제1 냉각 매체(F1)의 강제 대류를 위한 유체 펌프 등이 마련되지 않고, 상기 제1 냉각 매체(F1)는 자연 대류 또는 낮은 유속에서 열을 흡수하는 방식으로, 전극 단자(15)에 대한 방열을 제공할 수 있다.
상기 제1 냉각 매체(F1)는 열 용량이 큰 유체로서, 전기적으로 절연 특성을 갖는 유체로 마련될 수 있다. 상기 제1 냉각 매체(F1)는 전극 단자(15)와 가까운 위치의 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 공동(C)에 채워진다. 이때, 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 공동(C) 내부에 제1 냉각 매체(F1)를 주입하는 과정에서 전극 단자(15) 측으로 제1 냉각 매체(F1)가 누출될 수 있으며, 전극 단자(15) 측으로 누출된 제1 냉각 매체(F1)가 단자면(10U) 상에 누적되면, 전극 단자(15)와 다른 도전성 부재 간에 전기적인 단락이 야기될 수 있으므로, 제1 냉각 매체(F1)는 전기적으로 절연 특성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1 냉각 매체(F1)는, 전극 단자(15)로부터 상대적으로 떨어져 위치되는 제3 탱크(T3)의 제2 냉각 매체(F2) 보다는 전기적인 절연 특성이 우수한 유체로 마련될 수 있으며, 예를 들어, 제2 냉각 매체(F2) 보다는 전기적인 도전성이 낮은 유체로 마련될 수 있다.
상기 제3 탱크(T3)는, 배터리 셀(10)의 바닥면(10L)과 마주하게 배치될 수 있다. 상기 제3 탱크(T3)는, 배터리 셀(10)의 측면(10S)과 마주하는 제2 탱크(T2)로부터 제2 절곡부(B2)를 통하여 배터리 셀(10)의 바닥면(10L)과 마주하도록 연장될 수 있다. 상기 제3 탱크(T3)는, 배터리 셀(10)의 바닥면(10L)과 마주하게 배치되어 근접한 거리에서 배터리 셀(10)의 바닥면(10L)에 대한 방열을 담당할 수 있다.
상기 제3 탱크(T3)에는 제1 냉각 매체(F1)와는 다른 제2 냉각 매체(F2)의 흐름을 수용하기 위한 유로(D)가 형성될 수 있다. 상기 제3 탱크(T3)의 유로(D)는, 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)과는 격리되어 있으며, 유체적으로 연결되어 있지 않다. 즉, 상기 제3 탱크(T3)의 유로(D)에는, 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 공동(C)과는 다른 유체, 그러니까, 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 제1 냉각 매체(F1)와는 다른 제2 냉각 매체(F2)가 수용될 수 있고, 상기 제1, 제2 냉각 매체(F1,F2)는 서로 혼합되지 않고 서로로부터 격리되어 배터리 팩의 서로 다른 영역에서 방열을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)은, 공동(C)의 외부와는 유체적으로 고립되어 있을 수 있고, 제3 탱크(T3)와 유체적으로 연결되어 있지 않을 수 있다.
상기 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)은, 제3 탱크(T3)의 유로(D)와 유체적으로 연결되어 있지 않지만, 제1, 제2 탱크(T1,T2)와 제3 탱크(T3)는 서로 열적으로 연결되어 있으며, 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 제1 냉각 매체(F1)와, 제3 탱크(T3)의 제2 냉각 매체(F2) 사이에는 열전도 블록(CB)이 개재되어 이들 사이에 열 전달이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 열전도 블록(CB)은, 제1, 제2 탱크(T1,T2)를 관통하는 공동(C)과 제3 탱크(T3)의 유로(D) 사이에 형성될 수 있으며, 유체를 수용할 수 있는 공간을 갖추지 않은 금속 블록 형태로 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전도 블록(CB)은, 제2 탱크(T2) 중에서 공동(C)이 마련되어 있지 않은 솔리드 부분과, 제3 탱크(T3) 중에서 유로(D)가 마련되어 있지 않은 솔리드 부분을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 열전도 블록(CB)은, 제2, 제3 탱크(T2,T3) 간의 연결을 매개하는 제2 절곡부(B2)를 포함할 수 있다. 상기 제2, 제3 탱크(T2,T3)는 제2 절곡부(B2)를 통하여 서로 연결될 수 있으며, 상기 제2 절곡부(B2)를 통하여 배터리 셀(10)의 측면(10S)을 마주하는 제2 탱크(T2)와 배터리 셀(10)의 바닥면(10L)을 마주하는 제3 탱크(T3)가 서로 연결될 수 있고, 상기 제2, 제3 탱크(T2,T3)는, 상기 제2 절곡부(B2)로부터 서로 다른 방향으로 연장되어, 각각 배터리 셀(10)의 측면(10S) 및 바닥면(10L)과 마주하도록 형성될 수 있다.
상기 제2, 제3 탱크(T2,T3) 간의 열 전달은 열전도 블록(CB)에 의해 이루어진다는 점에서, 제1, 제2 탱크(T1,T2) 간의 자연 대류에 의한 열 수송과는 차이가 있다. 즉, 상기 제2, 제3 탱크(T2,T3)는 유체적으로는 연결되어 있지 않기 때문에, 이들 제2, 제3 탱크(T2,T3) 간에는 대류에 의한 열 수송이 이루어지지는 않지만, 제2, 제3 탱크(T2,T3)는 서로 열적으로 연결되어 열전도 블록(CB)을 통하여 열 전달이 이루어질 수 있다. 즉, 상기 제2 탱크(T2)의 제1 냉각 매체(F1)와 제3 탱크(T3)의 제2 냉각 매체(F2)는 서로 직접적으로 접촉하거나 혼합되지 않고, 제1 냉각 매체(F1)와 제2 냉각 매체(F2) 사이의 열전도 블록(CB)에 의한 열 전도에 의해 열 전달이 이루어질 수 있다.
상기 제3 탱크(T3)는, 제2 냉각 매체(F2)가 유동하는 유로(D)를 포함할 수 있으며, 제2 냉각 매체(F2)가 미도시된 유체 펌프에 의해 소정의 유속으로 강제 유동됨으로써, 제2 탱크(T2)로부터 유입된 열이나 배터리 셀(10)의 바닥면(10L)으로부터 유입된 열을 배터리 팩의 외부로 배출할 수 있다.
상기 제2 냉각 매체(F2)는, 냉각 효율을 고려하여 열 용량이 상대적으로 큰 유체로 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 제1 냉각 매체(F1)와 제3 탱크(T3)의 제2 냉각 매체(F2)는 모두 열 용량이 상대적으로 큰 유체로 마련되는 것이 바람직하다. 상기 제1 냉각 매체(F1)는 제1, 제2 탱크(T1,T2)의 공동(C) 내에서 낮은 유속으로 자연 대류 하면서 열 수송을 하거나 또는 거의 유속이 제로 가까운 정지된 상태에서 열을 흡수할 수 있으므로, 열 용량이 상대적으로 큰 유체로 마련되는 것이 바람직하며, 상기 제2 냉각 매체(F2)는 유체 펌프에 의해 조절되는 유속으로 강제 유동되므로, 방열 수요에 적응적으로 유속을 가감 조정할 수 있으며, 제1 냉각 매체(F1) 보다는 작은 열 용량을 갖는 유체로 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 냉각 매체(F1)의 평균 유속은, 제2 냉각 매체(F2)의 평균 유속 보다 작을 수 있으며, 유속의 차이에 따른 냉각 효율을 보상할 수 있도록 제1 냉각 매체(F1)는, 제2 냉각 매체(F2) 보다는 열 용량이 상대적으로 큰 유체로 마련될 수 있다.
상기 제3 탱크(T3)는, 제1, 제2 탱크(T1,T2) 보다는 상대적으로 전극 단자(15)로부터 떨어진 위치에 배치되므로, 제2 냉각 매체(F2)가 전극 단자(15)로 누출될 가능성이 상대적으로 적다. 이에 따라, 상기 제2 냉각 매체(F2)는, 제1 냉각 매체(F1) 보다는 전기적 절연 특성이 낮은 유체로 마련될 수 있다. 즉, 상기 제2 냉각 매체(F2)는, 제1 냉각 매체(F1) 보다 열 용량 및 전기적 절연 특성이 낮은 유체로 마련될 수 있으며, 제1 냉각 매체(F1) 보다는 상대적으로 저렴한 유체, 예를 들어, 물과 같은 상대적으로 저렴한 유체로 마련될 수 있다.
상기 제2 냉각 매체(F2)는 제3 탱크(T3)의 유로(D)를 유동할 수 있으며, 상기 제3 탱크(T3)에는 저온의 제2 냉각 매체(F2)가 유입되거나 고온의 제2 냉각 매체(F2)가 배출되는 인렛/아웃렛(IO)이 형성될 수 있다. 상기 제2 냉각 매체(F2)는, 제3 탱크(T3)의 유로(D)를 포함하는 폐루프 경로를 따라 순환하거나 또는 제3 탱크(T3)의 유로(D)를 포함하는 개루프 경로를 따라 유동할 수도 있으며, 제2 냉각 매체(F2)가 폐루프를 따라 순환하는 경로 상에는, 제2 냉각 매체(F2)를 냉각시키기 위한 냉각부(미도시)가 마련될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는, 열전도 특성이 우수하며, 내부에 공동(C)이나 유로(D)와 같이, 유체를 저장할 수 있는 공간을 형성하기 용이하도록 성형 특성이 우수한 금속 소재로 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는, 배터리 셀(10)의 서로 다른 4 면(10U,10S,10L)을 둘러싸도록 형성될 수 있으며, 배터리 셀(10)의 열을 제1, 제2 냉각 매체(F1,F2)로 효율적으로 전달할 수 있도록 열전도 특성이 우수한 금속 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는, 알루미늄 소재로 형성될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 탱크(T1,T2,T3)는 일체적으로 형성될 수 있으며, 배터리 셀(10)의 바닥면(10L)과 마주하는 제1 탱크(T1)로부터 제2 절곡부(B2)를 통하여 연결되는 제2 탱크(T2)는, 서로 마주하는 위치에서 쌍으로 형성될 수 있고, 배터리 셀(10)의 측면(10S)과 마주하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 배터리 셀(10)의 측면(10S)과 마주하는 제2 탱크(T2)로부터 제1 절곡부(B1)를 통하여 연결되는 제1 탱크(T1)는, 쌍으로 형성될 수 있고 배터리 셀(10)의 단자면(10U)과 마주하도록 형성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
본 발명은, 충전 및 방전이 가능한 에너지원으로서의 배터리 팩 및 배터리 팩을 구동 전원으로 사용하는 다양한 기기에 적용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 전극 단자가 형성된 단자면, 상기 단자면과 반대되는 바닥면, 상기 단자면과 바닥면 사이의 측면을 포함하는 배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 단자면과 마주하는 제1 탱크;
    상기 제1 탱크로부터 연장되어 상기 배터리 셀의 측면과 마주하는 제2 탱크; 및
    상기 제2 탱크로부터 연장되어 상기 배터리 셀의 바닥면과 마주하는 제3 탱크를 포함하되,
    상기 제1, 제2 탱크에는, 상기 제1, 제2 탱크를 가로질러 연장되는 것으로, 제1 냉각 매체가 채워지며 외부와 유체적으로 고립되어 있는 공동이 형성되어 있고,
    상기 제3 탱크에는, 제1 냉각 매체와 다른 제2 냉각 매체의 흐름을 수용하기 위한 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공동은, 제1, 제2 탱크 사이에서 유체 이동이 가능하도록 제1, 제2 탱크의 경계 영역을 관통하여 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 탱크의 공동과 제3 탱크의 유로는 서로로부터 격리되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 탱크의 공동과 제3 탱크의 유로 사이에는 열전도 블록이 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전도 블록에는, 유체를 저장할 수 있는 공간이 마련되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3 탱크에는, 제2 냉각 매체가 유입되는 인렛 및 제2 냉각 매체가 유출되는 아웃렛이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각 매체의 평균 유속은, 제2 냉각 매체의 평균 유속 보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각 매체는, 제2 냉각 매체 보다 열 용량이 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 탱크는, 제1 절곡부를 통하여 서로 연결되며, 제1 절곡부에서 서로 다른 방향으로 연장되어 각각 배터리 셀의 단자면 및 측면과 마주하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공동은, 상기 제1 절곡부를 관통하도록 연장되어, 제1, 제2 탱크를 유체적으로 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2, 제3 탱크는 제2 절곡부를 통하여 서로 연결되며, 제2 절곡부에서 서로 다른 방향으로 연장되어 각각 배터리 셀의 측면 및 바닥면과 마주하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 탱크의 공동과 제3 탱크의 유로 사이에는 열전도 블록이 개재되며, 상기 열전도 블록은, 상기 제2 절곡부를 포함하고 제2 절곡부를 가로질러 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탱크는, 쌍을 이루는 전극 단자의 외측 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 공동은,
    상기 제1 탱크에서는 일정한 폭으로 형성되되, 상기 제2 탱크에서는 가변적인 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공동은, 제1 탱크와 가까운 제2 탱크의 상측 위치로부터 제3 탱크와 가까운 제2 탱크의 하측 위치로 가면서 점진적으로 폭이 좁아지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 탱크는, 배터리 셀의 측면과 마주하는 내측 벽과 배터리 셀의 측면과 반대 편의 외측 벽을 포함하고,
    상기 내측 벽과 외측 벽 사이로 정의되는 제2 탱크의 두께는, 제1 탱크와 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크에 가까운 하측 위치로 가면서 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 공동과 내측 벽 사이의 제1 두께는, 제1 탱크와 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크에 가까운 하측 위치로 가면서 균일하게 유지되되,
    상기 공동과 외측 벽 사이의 제2 두께는, 제1 탱크에 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크에 가까운 하측 위치로 가면서 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 탱크의 공동은,
    상기 제1 탱크와 가까운 상측 위치로부터 제3 탱크와 가까운 하측 위치의 꼭지점을 향하여 경사진 형태로 연장되는 빗면을 포함하여 상측 위치로부터 하측 위치로 가면서 공동의 폭이 점진적으로 축소되도록 삼각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 탱크는, 일체적으로 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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