KR102480979B1 - 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 관한 것으로, 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들이 서로 정면과 후면이 마주하도록 일렬로 배열 장착되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 있어서, 상기 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 정면 또는 후면 중 일면에 부착되어 전류를 전달하는 전기전도성 소재의 전극 플레이트; 상기 전극 플레이트의 외측 둘레에 형성되도록 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 일면에 부착되어 열을 전달하는 열전도성 소재의 열 전달 플레이트 및 상기 열 전달 플레이트가 삽입 장착되되, 냉각수가 내부로 유동하도록 형성되고, 유동하는 냉각수의 냉각열을 상기 열 전달 플레이트로 전달하는 히트싱크를 포함하는 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 관한 것으로, 특히 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 관한 것이다.
전기 에너지 저장 수단 중 하나인 슈퍼 캐패시터는 활성탄소 표면에 전하를 물리적으로 흡착하고 탈착함으로써, 순간적으로 많은 전기에너지를 저장한 후에 높은 전류를 순간적 또는 연속적으로 공급하는 전기 에너지 저장 수단이다. 슈퍼 캐패시터는 리튬 이온 이차 전지와 비교하여, 높은 출력 밀도, 높은 충방전 효율, 넓은 동작 온도 범위, 장수명을 가진다.
슈퍼 캐패시터는 주 전원이 끊어졌을 때, 보조로 전력을 공급하는 보조전원장치로 사용되고 있으며, 고출력과 장수명이라는 장점을 바탕으로 순간적으로 높은 출력을 내는 다양한 산업에 사용되고 있다.
슈퍼 캐패시터 시장은 핸드폰, 소형 가전기기의 메모리 백업용인 소형 제품을 중심으로 성장해 왔으나, 점차 전극재료와 제조기술의 발달로 스마트미터(스마트그리드), SSD(Solid State Drive), GPS 트래킹 시스템, 자동차(전기차), UPS(Uninterruptible Power System, 무정전 전원 장치), 신재생에너지(풍력/태양광에너지, ESS) 등의 중/대형으로 시장성이 확대되고 있다.
또한, 전기 에너지 저장 수단 중 하나인 리튬 이온 이차 전지는 슈퍼 캐패시터 보다는 출력 밀도와 수명 등은 낮으나, 긴 시간 동안 전력을 충방전하여 저장할 수 있는 에너지가 많아 에너지 밀도가 높고 비교적 큰 용량으로 오랜 시간 출력을 낼 수 있는 장점을 가진다.
이러한 슈퍼 캐패시터나 리튬 이온 이차 전지 등의 전기 에너지 저장 수단은, 개별 단위 셀로 사용됨은 물론 필요한 용량에 따라 수 십 개 또는 수 백 개 이상의 단위 셀(Unit cell)이 집합된 전기 에너지 저장 모듈로 구성되어 사용되며, 보다 상세하게는 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전기 에너지 저장 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전기 에너지 저장 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전기 에너지 저장 모듈이 사용된다.
중대형 전기 에너지 저장 모듈은 가능하면 작은 크기와 적은 중량으로 고효율을 갖도록 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전기 에너지 저장 셀, 파우치형 전기 에너지 저장 셀, 원통형 전기 에너지 저장 셀 등이 중대형 전기 에너지 저장 모듈의 단위 전기 에너지 저장 셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전기 에너지 저장 셀은 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 전기 에너지 저장 모듈을 구성하는 전기 에너지 저장 셀들은 충방전이 가능하도록 구성되어 있으며, 충방전 과정에서는 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전기 에너지 저장 모듈에 널리 사용되는 파우치형 전기 에너지 저장 셀의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전기 에너지 저장 셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
충방전 과정에서 발생한 전기 에너지 저장 셀의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전기 에너지 저장 셀의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 고용량의 전기 에너지 저장 모듈에는 그것이 내장되어 있는 전기 에너지 저장 셀들을 냉각시키는 냉각시스템이 필요하다.
한편, 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들은 전기전도성과 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 전기전도와 열전도에 있어 불리함을 갖는 바, 최근 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 표면에 금속재질의 플레이트를 부착하여 전기전도와 열전도를 보완하도록 하는 노력이 이루어지고 있다.
이때, 금속재질의 플레이트를 부착한 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀을 냉각하는 방법은, 금속재질의 플레이트를 직접 냉각하는 방법이나 전기 에너지 저장 셀들의 인접한 위치에 냉각시스템이 설치되어 전기 에너지 저장 셀을 간접적으로 냉각하는 방식이 있는데, 전자의 경우가 후자보다 냉각에 효율적이다.
이 때문에, 금속재질의 플레이트를 직접 냉각하는 방식을 채택함이 냉각시스템을 적용하는 목적에 더 부합한데, 금속재질의 플레이트는 쇼트 방지를 위해 파우치형 전기 에너지 저장 셀의 전극과 연결되는 전극부를 제외하고 절연처리 되어 개별적인 냉각이 필요하나 전극부와 절연처리된 부분들이 일체를 이루기 때문에 개별적인 냉각의 구현이 어려워 간접 냉각 방식만을 채택하고 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로, 본 발명은 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들로 구성된 전기 에너지 저장 모듈에 금속재질의 플레이트를 구성함에 있어, 금속재질의 플레이트를 전극부와, 절연처리되는 부분을 따로 분리하고, 절연처리되는 부분을 외측으로 돌출 후 돌출된 부분을 통해 히트싱크에 삽입 장착시켜 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀의 개별적인 냉각이 가능하도록 구성된 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조를 제공하는데 일 목적을 둔다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들이 서로 정면과 후면이 마주하도록 일렬로 배열 장착되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 있어서, 상기 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 정면 또는 후면 중 일면에 부착되어 전류를 전달하는 전기전도성 소재의 전극 플레이트; 상기 전극 플레이트의 외측 둘레에 형성되도록 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 일면에 부착되어 열을 전달하는 열전도성 소재의 열 전달 플레이트 및 상기 열 전달 플레이트가 삽입 장착되되, 냉각수가 내부로 유동하도록 형성되고, 유동하는 냉각수의 냉각열을 상기 열 전달 플레이트로 전달하는 히트싱크를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 상기 전극 플레이트와 열 전달 플레이트 사이에서 전극 플레이트를 감싸도록 상기 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 일면에 부착되는 테이프형 또는 밴드형의 절연체를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 플레이트는, 상단 일측에 전기 에너지 저장 셀의 전압을 측정할 수 있는 전압 센싱단자가 돌출될 수 있다.
또한, 상기 열 전달 플레이트는, 표면이 절연처리될 수 있다.
또한, 상기 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 상기 열 전달 플레이트의 일 측방 또는 양 측방에 배치되어 일단은 상기 히트싱크로 삽입되고 열 전달 플레이트의 높이를 따라 길이를 형성하고, 내면에 윅(wick) 구조를 형성하며, 내부에는 기화 또는 액화 상태로의 상변화에 따라 길이 방향으로 유동하면서 열 교환을 수행하는 휘발성 작동 유체가 마련되는 열 배출 촉진 파이프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 휘발성 작동 유체는, 온도상승률이 상기 열 배출 촉진 파이프보다 더 적게 형성될 수 있다.
또한, 상기 히트싱크는, 내부에 상기 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 배열 방향을 따라 길이를 형성하는 냉각수 유동관을 마련하여 냉각수를 유동시키며, 상기 열 전달 플레이트는, 상기 히트싱크로의 삽입 부위에 상기 냉각수 유동관이 삽입될 수 있는 장착홈을 마련하여, 상기 열 전달 플레이트를 히트싱크로 삽입 장착할 경우, 상기 냉각수 유동관이 장착홈을 통과하도록 냉각수 유동관에 열 전달 플레이트를 끼워 맞춰 고정시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들로 구성된 전기 에너지 저장 모듈에 금속재질의 플레이트를 구성함에 있어, 금속재질의 플레이트를 전극부와, 절연처리되는 부분을 따로 분리하고, 절연처리되는 부분을 외측으로 돌출 후 돌출된 부분을 통해 히트싱크에 삽입 장착시켜 전기 에너지 저장 셀의 개별적인 냉각이 가능하도록 구성됨으로써 냉각 효율을 향상시킨 장점이 있다.
또한, 윅(wick)구조로써 주변 열의 작용에 따라 상변화하면서 내부를 유동하는 휘발성 작동 유체의 열교환을 통해 열의 배출을 촉진하는 열 배출 촉진 파이프를 더 구성하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 열 전달 플레이트의 히트싱크 삽입에 있어, 냉각수가 흐르는 냉각수 유동관에 고정되게 함으로써, 전기 에너지 저장 셀들의 고정력을 넓히면서도 열 냉각 면적을 보다 넓히고 냉각수와 보다 가까이 하도록 함으로써 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 위에서 언급된 본 발명의 실시 예에 따른 효과는 기재된 내용에만 한정되지 않고, 명세서 및 도면으로부터 예측 가능한 모든 효과를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각구조를 보여주는 사시도이다.
도 2는 일부 구성을 투영하여 바라본 도 1의 정면도이다.
도 3은 일부 구성을 투영하여 바라본 도 1의 우측면도이다.
도 4는 절연층이 형성된 열 전달 플레이트를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 구성되는 냉각수 유동관의 다양한 형태를 예시하는 도면이다.
도 6은 냉각수 유동관이 마련되지 않은 상태의 히트싱크의 일례를 보여주는 측단면도이다.
도 7은 열 배출 촉진 파이프가 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각구조를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 7의 정면도이다.
도 9의 (a) 내지 (c)는 도 7의 열 배출 촉진 파이프의 윅(wick) 구조의 다양한 형태를 예시하는 도면들이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 도 7의 열 배출 촉진 파이프의 열 배출 촉진 원리를 보여주는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 장착홈을 통해 열 전달 플레이트를 냉각수 유동관에 끼워 고정시키는 상태를 예시하는 도면이다.
도 2는 일부 구성을 투영하여 바라본 도 1의 정면도이다.
도 3은 일부 구성을 투영하여 바라본 도 1의 우측면도이다.
도 4는 절연층이 형성된 열 전달 플레이트를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 구성되는 냉각수 유동관의 다양한 형태를 예시하는 도면이다.
도 6은 냉각수 유동관이 마련되지 않은 상태의 히트싱크의 일례를 보여주는 측단면도이다.
도 7은 열 배출 촉진 파이프가 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각구조를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 7의 정면도이다.
도 9의 (a) 내지 (c)는 도 7의 열 배출 촉진 파이프의 윅(wick) 구조의 다양한 형태를 예시하는 도면들이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 도 7의 열 배출 촉진 파이프의 열 배출 촉진 원리를 보여주는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 장착홈을 통해 열 전달 플레이트를 냉각수 유동관에 끼워 고정시키는 상태를 예시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각구조를 보여주는 사시도이며, 도 2는 일부 구성을 투영하여 바라본 도 1의 정면도이고, 도 3은 일부 구성을 투영하여 바라본 도 1의 우측면도이다.
또한, 도 4는 절연층이 형성된 열 전달 플레이트를 개략적으로 보여주는 도면이며, 도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 구성되는 냉각수 유동관의 다양한 형태를 예시하는 도면이고, 도 6은 냉각수 유동관이 마련되지 않은 상태의 히트싱크의 일례를 보여주는 측단면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀(ESC)들이 서로 정면과 후면이 마주하도록 일렬로 배열 장착되는 전기 에너지 저장 모듈(1)의 냉각 구조에 관한 것이다.
여기서, 전기 에너지 저장 셀(ESC)들은 바람직하게는 음극재와 양극재 사이에 세퍼레이터를 구성하는 전극체(미도시) 복수개가 고밀도로 형성되어 높은 전력효율을 나타내는 슈퍼 캐패시터일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 리튬 이온 배터리 셀, 리튬 이온 커패시터 셀 등 전기 에너지 저장을 수행할 수 있는 다양한 전기 에너지 저장 셀을 사용할 수 있다.
상기와 같은 전기 에너지 저장 셀(ESC)로 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 전극 플레이트(10), 열 전달 플레이트(20) 및 히트싱크(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 전극 플레이트(10)는 파우치형 전기 에너지 저장 셀(ESC) 각각의 일면에 부착되어 전류를 전달하는 전기전도성 소재의 플레이트로서, 바람직하게는 금속재일 수 있으며, 보다 바람직하게는 알루미늄 소재로 형성되어 전류를 전달하도록 구성될 수 있다.
이때, 전극 플레이트(10)는 파우치형 전기 에너지 저장 셀(이하, '전기 에너지 저장 셀'이라 함)의 정면과 후면 중 하나의 일면에 부착될 수 있고, 전기 에너지 저장 셀(ESC)은 전극 플레이트(10)간 마주하지 않도록 일렬로 배열 장착되어 전기 에너지 저장 모듈(1)을 구성할 수 있다.
전극 플레이트(10)는 전기 에너지 저장 셀(ESC)의 일면에 부착될 경우, 전기 에너지 저장 셀(ESC) 내부에 마련된 전극 리드가 위치한 부분에 부착될 수 있고, 전기 에너지 저장 셀(ESC) 내부에 위치한 전극 리드로부터 공급되는 전류를 전달 받아 타 전기 에너지 저장 셀로 전달할 수 있다.
여기서, 전극 플레이트(10) 상단 일측에는 각 전기 에너지 저장 셀(ESC)의 전압을 측정할 수 있도록 전압 센싱단자(15)가 돌출될 수 있고, 전압 센싱단자(15)에 접속하여 각 전기 에너지 저장 셀(ESC)의 전압을 개별적으로 측정하거나 전기 에너지 저장 모듈(1) 전체의 전기 용량 등을 측정하도록 구성될 수 있다.
열 전달 플레이트(20)는 전극 플레이트(10)의 외측 둘레에 형성되도록 파우치형 전기 에너지 저장 셀(ESC) 각각의 일면에 부착될 수 있다. 즉, 열 전달 플레이트(20)는 전극 플레이트(10)가 부착되는 일면에 동일하게 부착되어 전극 플레이트(10)의 외측 둘레에 형성될 수 있다.
이때, 열 전달 플레이트(20)는 전극 플레이트(10)에 형성되는 전압 센싱단자(15)를 간섭하지 않기 위해 도면에 도시된 바와 같이 전극 플레이트(10)의 양측과 하측 부분만 둘러싸도록 'U' 형태로 형성될 수가 있다.
또한, 열 전달 플레이트(20)는 하측부가 전기 에너지 저장 셀(ESC)보다 더 돌출되도록 형성되어 후술하는 히트싱크(30)에 삽입 장착되도록 구성될 수가 있다. 즉, 열 전달 플레이트(20)의 하측부는 히트싱크(30)에 전기 에너지 저장 셀(ESC)을 장착할 수 있는 결합부로서의 작용을 할 수가 있다.
이러한, 열 전달 플레이트(20)는 바람직하게는 금속재, 보다 바람직하게는 알루미늄 소재 등의 열전도성 소재로 형성되어 히트싱크(30)로부터 냉각열을 전달 받을 수 있고, 이를 내측에 위치된 전극 플레이트(10)로 전달하도록 구성될 수 있다. 즉, 열 전달 플레이트(20)가 전극 플레이트(10)를 통해 전기 에너지 저장 셀(ESC)과 히트싱크(30) 사이에서 열 교환을 수행할 수 있는 것이다.
여기서, 열 전달 플레이트는 쇼트를 방지하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 표면에 절연처리가 될 수 있다.
구체적으로, 열 전달 플레이트(20)는 표면에 절연층(25)을 형성하도록 절연처리 될 수 있고, 표면에 절연층(25)이 형성되도록 절연처리된 열 전달 플레이트(20)는 냉각 시 발생할 수 있는 결로 등의 수분으로 인한 쇼트 발생 등을 미연에 방지할 수가 있다.
여기서, 열 전달 플레이트(20)가 알루미늄 소재로 마련될 경우, 열 전달 플레이트(20)는 하드 아노다이징(Hard Anodizing) 공정으로 절연처리될 수 있다. 하드 아노다이징 공정으로 절연처리되는 열 전달 플레이트(20)는 표면에 산화알루미늄(Al2O3) 피막층을 형성하게 되는데 이 산화알루미늄 피막층이 절연층(25)의 역할을 할 수 있다.
보다 구체적으로, 알루미늄 소재로 마련되는 열 전달 플레이트(20)에 양극(Anode)으로 걸쳐 희석-산의 액으로 전해하면, 양극에서 발생하는 산소에 의해 열 전달 플레이트(20)의 표면에 강하게 밀착되는 산화알루미늄 피막층이 형성된다. 이 산화알루미늄 피막층은, 내식성, 내마모성, 전기적 절연성 등의 특성을 가져 쇼트 방지를 수행하는 절연층(25)의 역할을 할 수 있는 것이다.
더불어, 알루미늄 소재에 하드 아노다이징 공정을 수행할 경우, 열 전달 플레이트(20)의 경도가 강화될 수 있고, 염수를 포함한 수분에 매우 강한 성질을 지닐 수도 있다.
히트싱크(30)는 열 전달 플레이트(20)가 삽입 장착되되, 냉각수가 내부로 유동하도록 형성되어 유동하는 냉각수의 냉각열을 열 전달 플레이트(20)로 전달하도록 구성될 수 있다.
또한, 히트싱크(30)는 함체로 구성되며 그 내부로 냉각수 유동관(31)을 마련하여 냉각수가 유동할 통로를 마련하여 냉각수가 유동할 통로를 마련해 줄 수 있고, 함체형의 히트싱크(30)에는 냉각수 유입구(32) 및 냉각수 유출구(33)가 형성되어 냉각수 유동관(31)과 연결될 수 있다.
이때, 냉각수 유동관(31)은 도 5의 (a)에 도시된 통상의 배관형 히트싱크와 같이 좌측과 우측 방향을 교번하여 유동하도록 지그재그로 길이를 형성할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 냉각수 유동관(31)은 도 5의 (b)에 도시된 매니폴드형과 같이 냉각수 유입구(32)로부터 다수의 배관으로 분기되고 열 전달 플레이트(20)의 장착 배열을 따라 길이를 형성 후, 냉각수 유출구(33)로 합쳐지는 형태일 수 있다.
상기의 냉각수 유동관(31)은 히트싱크(30) 내에서 히트싱크(30)로 삽입 장착된 열 전달 플레이트(20)에 인접하여 길이를 형성하여 열 전달 플레이트(20)로 냉각열을 전달하도록 구성될 수 있다.
한편으론, 냉각수 유동관(31)은 열 전달 플레이트(20)가 고정되는 고정체로서의 작용을 하여 고정되는 열 전달 플레이트(20)를 통과하도록 형성될 수 있고, 보다 냉각수 유동관(31)이 열 전달 플레이트(20) 가까이에 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.
또한, 상술한 히트싱크(30)의 형태는 일례에 불과한 것으로, 함체형의 히트싱크(30)는 다른 예로써 냉각수 유동관(31)이 따로 구비되지 않고 도 6에 도시된 바와 같이 냉각수(CW)로 채워지는 형태일 수도 있다.
이 경우, 냉각수 유입구(32) 및 냉각수 유출구(33)는 히트싱크(30) 내부와 연결되어 히트싱크(30) 내부로 냉각수를 채우고, 열 전달 플레이트(20)와 열교환이 수행된 냉각수를 배출하도록 구성될 수 있다.
또한, 냉각수 유입구(32)는 배열 방향 전방에 위치될 수 있고, 냉각수 유출구(33)는 배열 방향 후방에 위치되어 냉각수의 흐름이 배열 방향을 따라 흐르도록 형성될 수 있다. 또한, 냉각수 유출구(33)의 직경은 냉각수 유입구(32)의 직경보다 크게 형성되도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 냉각수 유출구(33)로의 역류 가능성을 낮추고 열교환을 수행한 냉각수의 배출이 보다 원활할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 전극 플레이트(10)와 열 전달 플레이트(20) 사이에서 전극 플레이트(10)를 감싸도록 파우치형 전기 에너지 저장 셀(ESC)들의 일면에 부착되는 절연체(40)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 절연체(40)는 테이프형 또는 밴드형일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다른 형태로도 형성될 수 있다.
절연체(40)는 전류가 열 전달 플레이트(20)로 전도되는 것을 방지하며, 냉각수의 수분 등이 전극 플레이트(10)로 유입되는 것을 방지하여, 전기 에너지 저장 모듈(1)의 화재의 위험성을 낮추며, 보다 안전한 사용이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 열 배출 촉진 파이프(50)를 더 포함하여 전기 에너지 저장 셀(ESC)의 열 배출을 촉진할 수도 있다.
도 7은 열 배출 촉진 파이프가 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각구조를 보여주는 사시도이며, 도 8은 도 7의 정면도이고, 도 9의 (a) 내지 (c)는 도 7의 열 배출 촉진 파이프의 윅(wick) 구조의 다양한 형태를 예시하는 도면들이며, 도 10의 (a) 및 (b)는 도 7의 열 배출 촉진 파이프의 열 배출 촉진 원리를 보여주는 예시도이다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 열 배출 촉진 파이프(50)는 밀폐형의 파이프로서 열 전달 플레이트(20)의 일 측방 또는 양 측방에 배치될 수 있다. 또한, 열 배출 촉진 파이프(50)는 배치된 위치에서 일단은 히트싱크(30)로 삽입되어 히트싱크(30)에 고정되고 열 전달 플레이트(20)의 높이를 따라 길이를 형성할 수 있다.
이때, 열 배출 촉진 파이프(50)는 내면에 후술할 액상의 휘발성 작동 유체의 유동을 위하여 윅(wick, 50a) 구조를 형성할 수 있다. 윅(50a) 구조는 액상의 휘발성 작동 유체의 모세관력을 높이기 위한 구조로서, 도 9에 도시된 바와 같이 그루브 타입, 편조 타입, 환형 타입 등으로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 그루브 타입은 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 열 배출 촉진 파이프(50)의 길이방향과 교차하는 방향으로 복수의 홈이 형성되는 타입으로서, 액상의 휘발성 작동 유체는 홈을 타고 열 배출 촉진 파이프(50)의 타단부로 이동할 수 있다.
또한, 편조 타입은 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 열 배출 촉진 파이프(50)의 내부에 다수의 가는 선재가 나선 방향으로 편조되어 형성된 윅을 인입하여 형성하는 것으로 이를 통해 모세관력이 향상되어 액상의 휘발성 작동 유체가 열 배출 촉진 파이프(50)의 타단부로 이동하는 힘이 증가하게 된다.
또한, 환형 타입 윅은 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 열 배출 촉진 파이프(50)의 내주면을 따라 환형의 형태로 이루어진 직관형 윅이 일정간격으로 구비되는 형태로서, 환형의 직관형 윅은 여러 가닥의 세선들이 다발형태로 구성될 수 있다. 이에 따라, 세선들 사이에 삼각형상의 미소한 코너들이 형성되고, 코너들은 원형단면의 세선들이 접촉해 이루는 것으로 날카로운 모서리를 가짐으로써 모세관력이 향상되어 액상의 휘발성 작동 유체가 열 배출 촉진 파이프(50)의 타단부로 이동하는 힘이 증가하게 된다.
그러나, 이는 예시적인 것들로서 이들에 한정되는 것은 아니며 윅 구조는 이 외에도 다양한 구조를 이루어 형성될 수도 있다.
상기와 같이 윅(50a) 구조를 형성하는 열 배출 촉진 파이프(50) 내에는 기화 또는 액화 상태로의 상변화에 따라 열 배출 촉진 파이프(50)의 길이 방향으로 유동하는 휘발성 작동 유체(WF)가 마련될 수 있다.
휘발성 작동 유체(WF)는 열 배출 촉진 파이프(50)의 온도에 따라 열 배출 촉진 파이프(50)와 열 교환을 수행하면서 기화 또는 액화 될 수 있는데, 여기서 열 배출 촉진 파이프(50)는 히트싱크(30)에 삽입된 일단부가 휘발성 작동 유체(WF)의 열을 배출시키는 응축부(52)로서의 작용을 하고, 히트싱크(30)에서 먼 타단부가 휘발성 작동 유체(WF)로 열을 흡수시키는 증발부(51)로서의 작용을 하여, 휘발성 작동 유체(WF)가 기화되어 응축부(52)로 이동하고, 응축부(52)에서 액화되어 윅 구조의 모세관력에 따라 다시 증발부(51)로 이동함을 반복하면서 열 교환을 수행할 수 있다.
이때, 휘발성 작동 유체(WF)는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이 증발부(51)에서 전기 에너지 저장 셀(ESC)의 열을 흡수하고, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 응축부(52)에서 열을 배출함으로써 전기 에너지 저장 셀(ESC)의 열 배출을 촉진할 수 있다.
이러한 휘발성 작동 유체(WF)는 암모니아, 메탄올, 에탄올, 물, 액체 헬륨, 수은, 나트륨, 인듐 등 다양한 유체 중 하나로 마련될 수 있으며, 이외에도 설명되지 아니한 유체 중 하나로 마련될 수도 있다.
이 중, 휘발성 작동 유체(WF)는 온도상승률이 열 배출 촉진 파이프(50)보다 더 적게 형성되는 유체로 마련됨이 바람직하다. 이를 통해, 보다 오랜 시간 열 배출 촉진 파이프(50)로 전달되는 열을 흡수할 수 있어 열 배출 촉진 효율을 높일 수가 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 장착홈을 통해 열 전달 플레이트를 냉각수 유동관에 끼워 고정시키는 상태를 예시하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 히트싱크(30)가 내부에 파우치형 전기 에너지 저장 셀(ESC)들의 배열 방향을 따라 길이를 형성하는 냉각수 유동관(31)을 마련하여 냉각수를 유동시키도록 구성될 경우에 있어, 열 전달 플레이트(20)가 냉각수 유동관(31)에 고정되도록 할 수 있다.
이를 위해, 열 전달 플레이트(20)는 히트싱크(30)로의 삽입 부위 즉, 하측부에 냉각수 유동관(31)이 삽입될 수 있는 하나 이상의 장착홈(60)을 마련할 수 있다. 이때, 장착홈(60)은 냉각수 유동관(31)의 개수에 맞춰 마련됨이 바람직하나, 한정되는 것은 아니다. 또한, 냉각수 유동관(31)은 아치형태일 수 있으나, 이도 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 열 전달 플레이트(20)는 히트싱크(30)로 삽입 장착될 경우, 냉각수 유동관(31)이 장착홈(60)을 통과하도록 냉각수 유동관(31)에 열 전달 플레이트(20)를 끼워 맞춰 고정시킬 수가 있으며, 냉각수 유동관(31)은 고정된 열 전달 플레이트(20)를 통과하도록 형성될 수가 있어, 보다 냉각수 유동관(31)에 가까이에 형성될 수가 있다.
이는, 냉각수 유동관(31)이 열 전달 플레이트(20)를 통과함으로써, 열 전달 플레이트(20)의 외측에 있는 것 대비 보다 많은 냉각열을 전달할 수 있고, 향상된 냉각 효율을 나타낼 수 있으며, 더불어 전기 에너지 저장 셀(ESC)의 정렬과 고정력을 향상 시킬 수가 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조는, 구성에 대한 이해를 돕기 위해 전기 에너지 저장 셀(ESC)을 지지 및 보호하는 프레임이나 하우징 등을 생략하여 내부 구성만을 도시하였으나, 프레임이나 하우징 등이 마련될 수도 있는 것으로 이해되어야 하며, 프레임이나 하우징 등의 형태는 특별히 한정되지는 않는다.
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
1 : 전기 에너지 저장 모듈
10 : 전극 플레이트
15 : 전압 센싱단자
20 : 열 전달 플레이트
25 : 절연층
30 : 히트싱크
31 : 냉각수 유동관
32 : 냉각수 유입구
33 : 냉각수 유출구
40 : 절연체
50 : 열 배출 촉진 파이프
51 : 증발부
52 : 응축부
60 ; 장착홈
ESC : 전기 에너지 저장 셀
CW : 냉각수
WF : 휘발성 작동 유체
10 : 전극 플레이트
15 : 전압 센싱단자
20 : 열 전달 플레이트
25 : 절연층
30 : 히트싱크
31 : 냉각수 유동관
32 : 냉각수 유입구
33 : 냉각수 유출구
40 : 절연체
50 : 열 배출 촉진 파이프
51 : 증발부
52 : 응축부
60 ; 장착홈
ESC : 전기 에너지 저장 셀
CW : 냉각수
WF : 휘발성 작동 유체
Claims (7)
- 터미널이 없는 파우치형 전기 에너지 저장 셀들이 서로 정면과 후면이 마주하도록 일렬로 배열 장착되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조에 있어서,
상기 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 정면 또는 후면 중 일면에 부착되어 전류를 전달하는 전기전도성 소재의 전극 플레이트;
상기 전극 플레이트의 외측 둘레에 형성되도록 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 일면에 부착되어 열을 전달하는 열전도성 소재의 열 전달 플레이트 및
상기 열 전달 플레이트가 삽입 장착되되, 냉각수가 내부로 유동하도록 형성되고, 유동하는 냉각수의 냉각열을 상기 열 전달 플레이트로 전달하는 히트싱크를 포함하고,
상기 전극 플레이트와 열 전달 플레이트 사이에서 전극 플레이트를 감싸도록 상기 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 일면에 부착되는 테이프형 또는 밴드형의 절연체를 더 포함하는 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극 플레이트는,
상단 일측에 전기 에너지 저장 셀의 전압을 측정할 수 있는 전압 센싱단자가 돌출되는 것을 특징으로 하는 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열 전달 플레이트는,
표면이 절연처리된 것을 특징으로 하는 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열 전달 플레이트의 일 측방 또는 양 측방에 배치되어 일단은 상기 히트싱크로 삽입되고 열 전달 플레이트의 높이를 따라 길이를 형성하고, 내면에 윅(wick) 구조를 형성하며, 내부에는 기화 또는 액화 상태로의 상변화에 따라 길이 방향으로 유동하면서 열 교환을 수행하는 휘발성 작동 유체가 마련되는 열 배출 촉진 파이프를 더 포함하는 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조.
- 제 5 항에 있어서,
상기 휘발성 작동 유체는,
온도상승률이 상기 열 배출 촉진 파이프보다 더 적게 형성되는 것을 특징으로 하는 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조.
- 제 1 항에 있어서,
상기 히트싱크는,
내부에 상기 파우치형 전기 에너지 저장 셀들의 배열 방향을 따라 길이를 형성하는 냉각수 유동관을 마련하여 냉각수를 유동시키며,
상기 열 전달 플레이트는,
상기 히트싱크로의 삽입 부위에 상기 냉각수 유동관이 삽입될 수 있는 장착홈을 마련하여,
상기 열 전달 플레이트를 히트싱크로 삽입 장착할 경우, 상기 냉각수 유동관이 장착홈을 통과하도록 냉각수 유동관에 열 전달 플레이트를 끼워 맞춰 고정시키는 것을 특징으로 하는 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210079613A KR102480979B1 (ko) | 2021-06-18 | 2021-06-18 | 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210079613A KR102480979B1 (ko) | 2021-06-18 | 2021-06-18 | 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조 |
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| KR102480979B1 true KR102480979B1 (ko) | 2022-12-23 |
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ID=84536513
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210079613A KR102480979B1 (ko) | 2021-06-18 | 2021-06-18 | 터미널이 없는 전기 에너지 저장 셀들로 구성되는 전기 에너지 저장 모듈의 냉각 구조 |
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| KR (1) | KR102480979B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130001993U (ko) * | 2010-05-21 | 2013-03-27 | 그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드 | 각형 리튬 이온 배터리 팩용 서멀 솔루션 |
| KR20140144330A (ko) * | 2013-06-10 | 2014-12-19 | 현대자동차주식회사 | 친환경 차량의 배터리모듈 간접 냉각 및 가열 장치 |
| KR20190074796A (ko) * | 2017-12-20 | 2019-06-28 | 주식회사 엘지화학 | 냉각 효율이 향상된 배터리 모듈 |
| KR20200072458A (ko) * | 2020-06-12 | 2020-06-22 | 에스케이이노베이션 주식회사 | 파우치형 이차전지 |
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2021
- 2021-06-18 KR KR1020210079613A patent/KR102480979B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (4)
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|---|
| 인용발명 1: 공개특허공보 제10-2019-0074796호(2019.06.28.) 1부.* |
| 인용발명 2: 공개실용신안공보 제20-2013-0001993호(2013.03.27.) 1부.* |
| 인용발명 3: 공개특허공보 제10-2020-0072458호(2020.06.22.) 1부.* |
| 인용발명 4: 공개특허공보 제10-2014-0144330호(2014.12.19.) 1부.* |
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