WO2017209423A1 - 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 - Google Patents

방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 Download PDF

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WO2017209423A1
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heat dissipation
guide members
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heat
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황승재
정상동
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주식회사 아모그린텍
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a heat dissipation cartridge, and more particularly, to a heat dissipation cartridge that improves heat dissipation ability, does not generate deformation, and has excellent rigidity, and an electric vehicle battery pack using the same.
  • a secondary battery As the thin energy storage device, a secondary battery is used, and the use of a lithium secondary battery capable of driving high energy density and high output among secondary batteries is increasing.
  • Lithium secondary battery is made of a pouch-type battery to achieve a thin structure, the pouch-type battery has the advantage of obtaining a high capacity battery in a small area by connecting a large number.
  • Patent Document 1 Korean Laid-Open Patent Publication No. 2009-0107443
  • Patent Document 1 is a heat dissipation plate inserted between layers of battery cells, a composite sheet in which a matrix resin is filled with a thermally conductive filler, and carbon fibers inserted into the composite sheet.
  • the heat dissipation plate for a battery cell module is disclosed, characterized in that the carbon fibers are inserted so as to extend from the inside of the composite sheet to the edge of the heat dissipation plate.
  • the heat dissipation plate of Patent Literature 1 is inserted between layers between batteries to stack batteries, and as the thickness of the heat dissipation plate is added, the thickness of the stacked modules becomes thick, so that a large number of batteries cannot be stacked in the same area. There is a drawback to being reduced.
  • the present invention has been made in view of the above, the object is to provide a heat dissipation cartridge and a battery pack for an electric vehicle using the same that can be installed a large number of batteries in the same area and maximize the heat dissipation efficiency There is.
  • Still another object of the present invention is to provide a heat dissipation cartridge capable of stacking and assembling a large number of batteries in the same area, and insulating an electrode terminal and a conductive connection member connected to the electrode terminal of the battery, and an electric vehicle battery pack using the same. There is.
  • Another object of the present invention is to provide a heat dissipation cartridge capable of efficiently dissipating heat generated from a battery and a battery pack for an electric vehicle using the same.
  • Another object of the present invention to provide an assembled heat dissipation cartridge that can be assembled by simply combining a large number of batteries in the same area, and an electric vehicle battery pack using the same.
  • Another object of the present invention is to provide an assembly type heat dissipation cartridge and an electric vehicle battery pack using the same that can maximize heat dissipation efficiency.
  • a heat dissipation cartridge in order to achieve the above object, the first and second guide members spaced apart from each other at intervals to support both sides in the longitudinal direction of the battery; Third and fourth guide members respectively connected to both ends of the first and second guide members and in contact with both electrode terminals of the battery; And a seating portion formed on a sidewall of the battery accommodating through hole formed in the central region by the first to fourth guide members to seat the battery, wherein the seating portion accommodates the battery to horizontally divide the battery accommodating through hole. It protrudes from the side wall of the through-hole.
  • first and second guide members are made of a metal material having excellent thermal conductivity
  • third and fourth guide members are made of plastic material, and both ends of the first and second guide members are formed by insert injection molding. Can be connected in one piece.
  • first guide member may be polished on a side contacting the heat exchanger, and an exposed outer surface of the second guide member may be provided with heat-emitting unevenness.
  • the heat dissipation cartridge may further include a radiation coating layer formed on an outer surface of the thermal interface material (TIM) coated on the polished side of the first guide member and the heat dissipation irregularities of the second guide member to increase thermal radiation. can do.
  • TIM thermal interface material
  • the first and second guide members may be formed of a thermally conductive non-insulating plastic, and the third and fourth guide members may be formed of a thermally conductive insulating plastic.
  • the third and fourth guide members are partially formed only in an area in contact with the electrode terminals of the battery, and the first to fourth guide members are heterogeneous injections of the thermally conductive non-insulating plastic and the thermally conductive insulating plastic. Can be formed in a manner.
  • the thermally conductive non-insulating plastic may have an electrically conductive heat dissipating filler dispersed therein, and the thermally conductive insulating plastic may have an insulating heat dissipating filler dispersed therein.
  • the heat dissipation cartridge may further include a conductive connection member installed at a portion of the third and fourth guide members contacting the electrode terminals of the batteries for electrical connection with the battery seated between adjacent heat dissipation cartridges.
  • the heat dissipation cartridge may further include a thermal interface material (TIM) formed on a surface of the seating portion.
  • TIM thermal interface material
  • the first and second guide members may be made of aluminum.
  • first and second guide members and the third and fourth guide members may be detachably coupled between the first and second guide member and the third and fourth guide member.
  • first and second guide members and the third and fourth guide members may be coupled using a coupling groove and a coupling bar.
  • an electric vehicle battery pack includes a plurality of heat dissipation cartridges stacked in a vertical direction or disposed adjacent to a horizontal direction; And a plurality of batteries inserted and disposed between the plurality of heat dissipation cartridges, wherein each of the plurality of heat dissipation cartridges supports both sides in the longitudinal direction of the battery and is spaced apart from each other at intervals.
  • Third and fourth guide members respectively connected to both ends of the first and second guide members and in contact with both electrode terminals of the battery; And a seating portion formed on a sidewall of the battery accommodating through hole formed in the central region by the first to fourth guide members to seat the battery, wherein the seating portion accommodates the battery to horizontally divide the battery accommodating through hole. It may protrude from the side wall of the through hole.
  • the battery pack for the electric vehicle may further include a heat exchanger in contact with the polished side surface of the first guide member to perform heat exchange.
  • the battery may be a pouch type.
  • the heat dissipation cartridge may be the third and fourth guides molded from engineering plastic.
  • the member may be provided to improve rigidity, and deformation may not be generated to have excellent reliability.
  • the heat dissipation cartridge includes the first and second guide members having excellent thermal conductivity, there is an advantage in that the heat generated from the battery can be efficiently discharged.
  • the outer surface of the first guide member constituting the heat dissipation cartridge may be polished, and heat dissipation irregularities may be formed on the outer surface of the second guide member to maximize heat dissipation capability.
  • one heat dissipation cartridge has a thickness substantially the same as one battery thickness
  • a plurality of heat dissipation cartridges may be built in a battery pack in which a plurality of heat dissipation cartridges are stacked, so that a large number of batteries may be built in the battery pack. Slimming, thinning, and high capacity are possible.
  • the conductive terminal connected to the electrode terminal and the electrode terminal of the battery is in contact with the heat dissipating plastic. Even if it can be electrically insulated.
  • the electrode terminal and the conductive connecting member of the battery may be in contact with the thermally conductive insulating member to maintain the insulating state.
  • the heat dissipation cartridge is made of a thermally conductive non-insulating plastic and a thermally conductive insulating plastic, which has the advantage of quickly dissipating heat generated from the battery through the heat dissipation cartridge.
  • the manufacturing process can be simplified and a reproducible product can be obtained. can do.
  • FIG. 1 is a plan view of a heat radiation cartridge according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic view for explaining a state in which a heat exchanger is in contact with a heat dissipation cartridge equipped with a battery according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing a state in which the TIM is formed on the first guide member of the heat dissipation cartridge according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view of a heat radiation cartridge according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of a heat radiation cartridge according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view of a battery mounted state in a heat radiation cartridge according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a state in which a battery is mounted in a heat radiation cartridge stacked according to the first and second embodiments of the present invention.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view illustrating a state in which batteries are electrically connected in a heat dissipation cartridge in which batteries are stacked according to first and second embodiments of the present invention
  • FIG. 9 is a conceptual view illustrating a state in which batteries are connected to a conductive connection member according to the first and second embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual perspective view of a battery pack for an electric vehicle according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual perspective view of a battery pack for an electric vehicle according to a second embodiment of the present invention.
  • 12A and 12B are partial cross-sectional views of a state in which a TIM is coupled to a seating portion of a heat radiation cartridge according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a conceptual plan view for explaining an assembly process of the assembled heat dissipation cartridge according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a plan view of the assembled state of the assembled heat dissipation cartridge according to the third embodiment of the present invention.
  • 15A and 15B are partial cross-sectional views illustrating a method of assembling the assembled heat dissipation cartridge according to the third embodiment of the present invention.
  • 16 is a partial cross-sectional view for explaining a method of assembling an assembled heat dissipation cartridge by a coupling groove and a coupling bar according to a third embodiment of the present invention
  • 17 is a plan view of a battery mounted state in the assembled heat dissipation cartridge according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a plan view of a state in which a battery is mounted in an assembled heat dissipation cartridge having different types of thermally conductive insulating members according to a third embodiment of the present invention.
  • the heat dissipation cartridge according to the present invention has a battery accommodating through-hole formed in the center to accommodate the pouch-type battery, and the battery accommodating through-hole has a rectangular shape corresponding to the pouch-type battery, and has a rectangular accommodating battery through-hole.
  • Four guide members are used to form a square ring shape in one piece or assembly.
  • the pouch-type battery generally has electrode terminals protruding from both end portions having shorter lengths among the four sides of the rectangular shape, and the heat dissipation cartridge includes first and second guide members contacting both sides of the pouch-type battery in the longitudinal direction; It includes a third and fourth guide member in the longitudinal direction in contact with the electrode terminal of the pouch-type battery is connected or coupled to both ends of the first and second guide member.
  • the first to fourth guide member constituting the heat dissipation cartridge according to the present invention is preferably made of a thermally conductive material so as to efficiently discharge the heat generated from the battery, it is lightweight and can maintain the strength and injection moldability This excellent material is preferred.
  • the first and second guide members contacting both sides of the pouch-type battery in the longitudinal direction may be formed of an engineering plastic, a thermally conductive non-insulating plastic, or a metal having excellent thermal conductivity, and may contact the electrode terminals of the pouch-type battery.
  • the third and fourth guide members in the longitudinal direction may be formed of an engineering plastic or a thermally conductive insulating plastic.
  • the heat dissipation cartridge according to the present invention is composed of a plurality of heat dissipation cartridges are stacked in the case of constituting a high capacity battery pack, such as an electric vehicle battery pack, the pouch-type battery is inserted between the stacked heat dissipation cartridges are accommodated.
  • the pouch-type battery accommodated between the adjacent heat dissipation cartridges is accommodated in the battery accommodating through holes of the adjacent heat dissipation cartridges by 1/2, and in consideration of this, the battery accommodating through holes are provided on the inner wall of the battery accommodating through holes of the heat dissipation cartridges.
  • the mounting portion for accommodating the battery protrudes while dividing horizontally.
  • the thickness of the heat dissipation cartridge is substantially the same as that of the battery, so that the thickness of the stacked battery is almost the same.
  • the same battery pack for an electric vehicle may be manufactured. As a result, in the present invention, a slim, light and thin battery pack for an electric vehicle can be obtained.
  • FIG. 1 illustrates a heat dissipation cartridge according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a state in which a heat exchanger is in contact with a heat dissipation cartridge equipped with a battery according to the first embodiment of the present invention.
  • the heat dissipation cartridge 300 may be formed of, for example, third and fourth guide members 101 and 102 spaced apart from each other and formed of engineering plastics. ; A first guide member 103 inserted into the third and fourth guide members 101 and 102 and having a polished side surface in close contact with the heat exchanger; And a second guide member 104 inserted into the third and fourth guide members 101 and 102 and spaced apart from the first guide member 103.
  • the heat dissipation cartridge 300 is formed in a rectangular battery accommodating through hole 110 and a side wall of the battery accommodating through hole 110 provided in a central area to seat the battery 200 (see FIG. 2). 120.
  • the first and second guide members 103 and 104 are inserted into the third and fourth guide members 101 and 102 by injection molding, so that the third and fourth guide members 101 and 102 and the first and second guide members 101 and 102 are inserted.
  • the heat dissipation concave-convex 104a may be formed on a side surface exposed to the outside of the second guide member 104.
  • the heat dissipation cartridge according to the first embodiment of the present invention includes the third and fourth guide members 101 and 102 formed of engineering plastics, and thus has high rigidity and no deformation occurs, thereby having excellent reliability.
  • engineering plastics have excellent properties such as impact resistance, wear resistance, heat resistance, cold resistance, chemical resistance, electrical insulation, as well as strength and elasticity.
  • the third and fourth guide members 101 and 102 of the heat dissipation cartridge according to the first embodiment may be used as long as they are thermoplastic resins having thermal conductivity and insulation and moldability in addition to engineering plastics.
  • the heat dissipation cartridge according to the first embodiment of the present invention may be provided with the first and second guide members 103 and 104 having high thermal conductivity so as to have excellent heat dissipation characteristics, thereby efficiently dissipating heat generated from the battery.
  • the outer surface of the first guide member 103 may be polished so as to lower the surface roughness, and the outer surface of the polished first guide member 103 may be applied to the heat exchanger 500.
  • the heat of the battery 200 transferred to the first guide member 103 may be quickly dissipated through the heat exchanger 500.
  • the present invention by removing the fine irregularities formed on the surface of the outer surface of the first guide member 103 by a polishing process, the outer surface of the first guide member 103 more firmly than the heat exchanger 500. By being in close contact with each other, the ability to release heat generated from the battery 200 may be increased.
  • the first and second guide members 103 and 104 described above may be implemented with an aluminum material having excellent thermal conductivity and low cost.
  • heat dissipation irregularities 104a are formed on side surfaces of the second guide member 104 exposed to the outside.
  • the heat dissipation concave-convex 104a increases the contact area with the outside air to improve the efficiency of dissipation of heat transferred to the second guide member 104.
  • the battery 200 mounted on the heat dissipation cartridge 300 generates heat by charging and discharging when applied to an electronic device such as an electric vehicle or a mobile phone.
  • the second guide member 104 which is cooled by the heat exchanger 500 in close contact with the first guide member 103 of 300, and has a surface exposed to the outside, has a heat-emitting unevenness 104a (see FIG. 1). Since it is emitted through, it is possible to improve the heat release efficiency.
  • the radiation coating may be further performed with a material having excellent heat radiation to maximize the heat radiation efficiency on the outer surface of the second guide member 104 having the heat-emitting unevenness 104a.
  • the radiation coating is for maximizing the radiation of heat transferred to the second guide member 104, and coating the second guide member 104 with a ceramic material having thermal radiation and insulation or a material having thermal radiation and non-insulation. It is.
  • the ceramic material having thermal radiation and insulation may include at least one of boron nitride (BN), alumina, magnesia, silicon oxide, silicon carbide, titanium carbide, silicon nitride, and aluminum nitride.
  • BN boron nitride
  • alumina alumina
  • magnesia silicon oxide
  • silicon carbide titanium carbide
  • silicon nitride aluminum nitride.
  • the material having thermal radiation and non-insulation may include at least one material of graphite, carbon, CNT.
  • the battery 200 includes a pair of electrode terminals 201 and 202 protruding from both ends.
  • a side surface of the first guide member 103 to which the heat exchanger 500 (see FIG. 2) is in close contact may be coated with a thermal interface material (TIM) 130.
  • TIM thermal interface material
  • the polishing process may be performed on the side surface of the first guide member 103 or the polishing process may not be performed.
  • the TIM 130 coated on the side surface of the first guide member 103 reduces the contact thermal resistance with the heat exchanger 500, and provides an air layer between the heat exchanger 500 and the first guide member 103. By reducing as much as possible, it is possible to smooth heat release to the heat exchanger (500).
  • the type of TIM 130 may be coated with a heat dissipation grease or a thermally conductive adhesive.
  • the heat dissipation cartridge 300a includes a cartridge body 100 formed of a thermally conductive non-insulating plastic; And thermoelectrics that are heterogeneously injected into the cartridge body 100 with a thermally conductive insulating plastic so that the battery 200 may be insulated upon contact with the electrode terminals 201 and 202 (see FIG. 6) of the battery 200 and the conductive connection member connected to the electrode terminals. And conductive insulating members 105 and 106.
  • the heat dissipation cartridge 300a includes a rectangular battery accommodating through-hole 110 to accommodate the rectangular battery 200 (see FIG. 6) in a central region.
  • the side wall of the through hole 110 is formed with a mounting portion 120 for mounting the battery 200 (see FIG. 6).
  • the cartridge body 100 of the heat dissipation cartridge 300a has a rectangular ring shape for guiding the rectangular battery 200 seated on the seating part 120, and the electrode terminals 201 and 202 of the battery 200 ( 6, thermally conductive insulating members 105 and 106 are partially ejected to the short side region of the cartridge body 100 to which the cartridge body 100 is in contact.
  • the battery pack for an electric vehicle is a pouch-type battery is integrated and used, the pouch-type battery 200 is formed in a rectangular shape longer than the length of the other two sides opposing two sides as shown in Figure 6 rather than a square shape, A pair of electrode terminals 201 and 202 protrude from both ends.
  • the shape of the battery 200 and the battery receiving through-hole 110 of the cartridge body 100 may be implemented in a square shape instead of a rectangular shape, and the shape may be modified as necessary.
  • the cartridge body 100 is formed in a rectangular ring shape having a rectangular battery accommodating through-hole 110 in a central area to accommodate the battery 200, and the long side members facing each other in the longitudinal direction. Is formed of a thermally conductive non-insulating plastic, and opposite short side members, which are in contact with the pair of electrode terminals 201 and 202 of the battery 200, are formed of a thermally conductive insulating plastic.
  • the pair of short side members formed of the thermally conductive insulating plastic may be connected to be orthogonal to both ends of the pair of long side members formed of the thermally conductive non-insulating plastic.
  • the cartridge body 100 extends at right angles at both ends of the long side member, respectively, as shown in FIGS. 4 to 6, and then partially thermoelectrics only in an area where contact is made with the pair of electrode terminals 201 and 202 of the battery 200.
  • a pair of short side members formed of conductive insulating plastics may be arranged and connected, and the pair of short side members constitutes the thermally conductive insulating members 105 and 106.
  • the heat dissipation cartridge 300a in which the cartridge body 100 of the thermally conductive non-insulating plastic and the thermally conductive insulating members 105 and 106 of the thermally conductive insulating plastic are heterogeneously injected, the heat generated from the battery 200 is generated.
  • the heat dissipation cartridge 300a can rapidly dissipate heat, and the electrode terminals 201 and 202 of the battery 200 and the conductive connecting members 211 and 212 (see FIG. 6) connected to the electrode terminals 201 and 202 are brought into contact with the heat dissipation plastic. Even if it can be electrically insulated.
  • the battery accommodating through-hole 110 of the cartridge body 100 also has a rectangular shape, and the cartridge body 100 may also be implemented in a rectangular ring shape. Do.
  • thermally conductive insulating members 105 and 106 are preferably heterogeneously injected into the short side region L2 rather than the long side region L1 of the cartridge body 100.
  • the thermally conductive insulating members 105 and 106 are areas in which the electrode terminals 201 and 202 of the battery 200 are in contact with each other (short side regions of the heat dissipation cartridge), and regions in which the conductive connection members connected to the electrode terminals are wrapped and in contact with each other (as shown in FIG. 6). Heterogeneous injection into the short side region of the cartridge.
  • the seating part 120 is a protrusion protruding from the side wall of the battery accommodating through hole 110 so as to horizontally divide the side wall of the battery accommodating through hole 110.
  • the cartridge body 100 and the thermally conductive insulating members 105 and 106 are provided. ) Are connected to each other.
  • the battery is a thin energy storage device, preferably a pouch type battery which is electrochemically charged and discharged with high energy density and high power driving.
  • the pouch type battery is manufactured by sealing two electrodes, a separator, and an electrolyte in a rectangular pouch. do.
  • a thermally conductive non-insulating plastic is graphene, using the material electrically conductive radiating electrically non-insulating resin moldable by dispersing a filler made of such as carbon, and the heat-conductive insulating plastics BN, AlN, MgO, Al 2 O 3, SiO 2
  • distributed etc insulating insulating filler is used.
  • a thermally conductive non-insulating plastic and the thermally conductive insulating plastic for example, a LUCON 9000 series product of LG Chemical Co., Ltd. manufactured using a thermoplastic resin such as PPS, PC, PA, and PP as a base may be used.
  • the cartridge body 100 is a thermally conductive non-insulating plastic, and the thermally conductive insulating members 105 and 106 are heterogeneously injected into the thermally conductive insulating plastic to form the heat dissipation cartridge 300a.
  • the heat dissipation cartridge 300a containing the heat dissipation filler may dissipate heat generated by charging and discharging of the battery.
  • the heat transmitted to the heat dissipation cartridge 300a cools the heat exchanger 500 (see FIG. 2).
  • the heat exchanger 500 may use all possible heat exchangers capable of lowering the temperature of the heat dissipation cartridge 300a such as an air-cooled heat exchanger such as a cooling fan and a water-cooled heat exchanger using cooling water.
  • the battery 200 may be mounted on the heat dissipation cartridge 300a to efficiently dissipate heat generated from the battery.
  • FIG. 6 shows a state in which a battery is mounted in a heat radiation cartridge according to a second embodiment of the present invention.
  • the electrode terminals 201 and 202 of the battery 200 are in contact with the thermally conductive insulating members 105 and 106, thereby forming a cartridge made of a thermally conductive non-insulating plastic. Maintaining an electrical insulation state with the main body 100.
  • the electrode terminals 201 and 202 are electrically connected to the conductive connection members 211 and 212 for connecting with the electrode terminals of the battery 200 mounted in the neighboring heat dissipation cartridge.
  • the conductive connecting members 211 and 212 are wrapped in contact with the thermally conductive insulating members 105 and 106 in order to maintain an electrically insulated state with the heat dissipation cartridge.
  • FIG. 7 illustrates a battery pack in which batteries are mounted in heat dissipation cartridges stacked according to the first and second embodiments of the present invention.
  • the plurality of batteries 200a and 200b have upper and lower seating portions formed on inner walls of the battery receiving through-holes of the plurality of heat dissipation cartridges 301, 302, 303 and the heat dissipation cartridges 301, 302, 303. 121,122,123,124,125,126.
  • each of the plurality of heat dissipation cartridges 301, 302, and 303 has upper and lower seating parts 121, 122, 123, 124, 125, and 126 formed on the inner wall of the battery accommodating through hole.
  • each of the batteries 200a and 200b is mounted while being inserted and stacked between adjacent heat dissipation cartridges 301, 302 and 303.
  • 7 illustrates a large capacity battery pack in which batteries 200a and 200b and heat dissipation cartridges 301, 302 and 303 are stacked in a horizontal state.
  • the lower edge of the battery 200b is seated on the upper seating portion 125 of the heat dissipation cartridge 301, and then the lower seating portion 124 of the heat dissipation cartridge 302 is contacted with the upper edge of the battery 200a.
  • the method of laminating the heat dissipation cartridge 302 on the heat dissipation cartridge 301 is used. That is, each of the batteries 200a and 200b is mounted between the heat dissipation cartridges 301, 302 and 303 while stacking a plurality of heat dissipation cartridges 301, 302 and 303.
  • one heat dissipation cartridge has a thickness substantially the same as one battery thickness
  • a plurality of heat dissipation cartridges can be built in a battery pack in which a plurality of heat dissipation cartridges are stacked so that the battery pack can be made slimmer,
  • the electrode terminals 201, 202, 203, and 204 disposed at both ends of the plurality of batteries 200a and 200b are positioned between the heat dissipation cartridges 301 and 302.
  • the electrode terminals 201 and 203 formed on one side of the plurality of batteries 200a and 200b are electrically connected to the conductive connection member 210 disposed to surround the heat dissipation cartridge 302.
  • the heat dissipation cartridges 301 and 302 surrounding the conductive connection member 210 correspond to the third and fourth guide members 101 and 102 (see FIG. 1) formed of engineering plastic having electrical insulation in the first embodiment. Even if the connection member 210 is in contact with the third and fourth guide members 101 and 102, the electrical short state does not occur.
  • the heat dissipation cartridges 301 and 302 surrounding the conductive connection member 210 correspond to the thermally conductive insulating members 105 and 106. Even if the conductive connecting member 210 is in contact with the thermally conductive insulating members 105 and 106, an electrical short condition does not occur.
  • FIG. 9 conceptually illustrates a state in which batteries are connected to a conductive connection member according to the first and second embodiments of the present invention.
  • the plurality of batteries 200a, 200b, and 200c may be connected to the electrode terminals 201, 202, 203, and 204 in series using conductive connecting members 211 and 212 before being mounted on the plurality of heat dissipation cartridges 301 to 303. To be mounted on a plurality of heat radiation cartridges.
  • the conductive connection members 211 and 212 may be implemented as conductive lines made of metal such as Cu having excellent electrical conductivity or electrical connection parts including the same.
  • a Cu electrode line film, a flexible PCB, or the like may be used.
  • the heat dissipation cartridge 300 according to the first embodiment of the present invention by inserting the battery 200 between the adjacent heat dissipation cartridge 300 by stacking a plurality of electric vehicle battery pack 510 Can be implemented.
  • the battery pack 510 of FIG. 10 shows a state in which a plurality of heat dissipation cartridges 300 and batteries 200 are stacked and assembled in a horizontal direction as shown in FIG.
  • a plurality of heat dissipation cartridges 300a according to the second embodiment are stacked while inserting the batteries 200 between adjacent heat dissipation cartridges 300a. 510 may be implemented.
  • FIGS. 10 and 11 are views for explaining the battery pack 510 schematically, and an illustration of the conductive connection member connected to the electrode line of the battery 200 is omitted, and the electrode terminal of the battery 200 is vertical.
  • the battery pack 510 is shown.
  • the battery pack 510 for the electric vehicle may be implemented by repeating the assembly process of mounting the battery 200 on the heat dissipation cartridges 300 and 300a and stacking the heat dissipation cartridges 300 and 300a. Therefore, a battery pack 510 for an electric vehicle almost identical to the stacked battery thickness (that is, the thickness t of the heat dissipation cartridge 300 of FIG. 10 is substantially the same as the thickness of the battery 200) is manufactured and slim. It is thin and has the advantage of obtaining a battery pack 510 for a high capacity electric vehicle.
  • 149 heat dissipation fins or a heat dissipation plate are required between the batteries. It cannot be made thinner and battery capacity can not be assembled as much as 149 heat dissipation fins or heat dissipation plates in the battery pack.
  • the thermal interface material (TIM) (130) may be inserted into the mounting portion 120 of the cartridge body 100 of the heat dissipation cartridge.
  • a coupling groove 127 may be formed in the seating part 120 of the cartridge body 100, and the TIM 130 may be coupled to the coupling groove 127.
  • the contact thermal resistance is reduced, and the air layer between the pair of batteries is reduced to the external heat exchanger. Heat dissipation can be made smooth.
  • the type of TIM 130 is various, such as a heat dissipation grease, a heat dissipation sheet, a metal plate, and a heat conductive adhesive.
  • the cartridge body 100 plays substantially the same role as the first and second guide members 101 and 102 of the first embodiment, and the thermally conductive insulating members 105 and 106 are the third and the first embodiments of the first embodiment. 4 serves substantially the same as the guide members (103, 104). There is a difference in the manufacturing method and characteristics only depending on the difference in the material constituting the first to fourth guide member.
  • a technique for manufacturing a heat dissipation cartridge capable of mounting a battery and efficiently dissipating heat generated from a battery in a simple assembly process is disclosed.
  • FIG. 13 is an exploded view for explaining the assembly process of the assembled heat dissipation cartridge according to the third embodiment of the present invention
  • Figure 14 shows the assembled state of the assembled heat dissipation cartridge.
  • the assembled heat dissipation cartridge according to the third embodiment of the present invention may include, for example, third and fourth guide members 101 and 102 formed of plastic and spaced apart from each other; And first and second guide members 103 and 104 coupled to both ends of the third and fourth guide members 101 and 102.
  • the assembled heat dissipation cartridge 300b according to the third embodiment of the present invention is compared with the heat dissipation cartridge 300 according to the first embodiment, whether the assembled type or the integrated type.
  • the third and fourth guide members 101 and 102 and the first and second guide members 103 and 104 are manufactured and integrated by an insert injection molding method, and in the third embodiment, the third and fourth guide members.
  • the 101 and 102 and the first and second guide members 103 and 104 are separately manufactured to form a heat dissipation cartridge by assembling.
  • the third and fourth guide members 101 and 102 and the first and second guide members 103 and 104 are manufactured separately, respectively, and then the third and the third molded parts are made of plastic. 4 Assemble the heat dissipation cartridge by locating the guide members 101 and 102 spaced along the longitudinal direction, and combining the first and second guide members 103 and 104 in the longitudinal direction between both ends of the third and fourth guide members 101 and 102. Complete 300b.
  • coupling grooves 101a, 101b, 102a, and 102b may be formed in the third and fourth guide members 101 and 102, and coupling grooves 101a, 101b and 102a of the third and fourth guide members 101 and 102 may be formed.
  • Coupling bars 103a, 103b, 104a, and 104b inserted into and coupled to 102b may be formed at both ends of the first and second guide members 103 and 104.
  • the engaging bars 103a, 103b, 104a and 104b of the first and second guide members 103 and 104 are coupled to the engaging grooves 101a and 101b of the third and fourth guide members 101 and 102. Inserted into and coupled to the 102a and 102b, the assembled heat dissipation cartridge 300b may be completed.
  • coupling grooves 101a, 101b, 102a, and 102b are provided in the first and second guide members 103 and 104, and coupling bars 103a, 103b, 104a and 104b to the third and fourth guide members 101 and 102. It is also possible to form a projection-groove coupling.
  • the assembled heat dissipation cartridge 300b includes a battery accommodating through hole 110 for accommodating a battery in a central area after assembling as shown in FIG. 14, and a battery is provided on the sidewall of the battery accommodating through hole 110.
  • a seating part 120 for seating the 200 is formed.
  • partial seating portions 120a to 120d necessary for forming the seating portion 120 are integrally formed on the third and fourth guide members 101 and 102 and the first and second guide members 103 and 104, respectively.
  • first and second guide members 103 and 104 may preferably be made of aluminum having excellent thermal conductivity and low cost.
  • the assembled heat dissipation cartridge 300b has a rectangular shape when the first and second guide members 103 and 104 are assembled to the third and fourth guide members 101 and 102.
  • a ring-shaped assembled heat dissipation cartridge 300 is obtained.
  • a battery accommodating through hole 110 is formed in a central region, and partial seating portions 120a to 120d are formed on a sidewall of the battery accommodating through hole 110. Assembled is provided with a seating portion 120 to seat the battery 200 at the same time.
  • the first and second guide members 103 and 104 are detachably coupled to the third and fourth guide members 101 and 102, so that the square type heat dissipation cartridge 300 is assembled.
  • the battery 200 may be mounted on the seating part 120 of the battery accommodating through hole 110 of the assembled heat dissipation cartridge 300b.
  • the plastics for forming the third and fourth guide members 101 and 102 may use a thermally conductive non-insulating plastic or a thermally conductive insulating plastic, and may also use engineering plastics.
  • the thermally conductive non-insulating plastic uses the moldable non-insulating resin in which the electrically conductive heat dissipating filler made of a material such as graphene or carbon is dispersed to form the third and fourth guide members 101 and 102 having excellent thermal conductivity and conductivity. Can be implemented.
  • thermally conductive insulating plastics include moldable insulating resins in which insulating heat dissipating fillers such as BN, AlN, MgO, Al 2 O 3 , and SiO 2 are dispersed, thereby providing third and fourth insulating materials having excellent thermal conductivity and electrical insulating properties.
  • the guide members 101 and 102 can be molded.
  • the first and second guide members 103 and 104 are assembled to the third and fourth guide members 101 and 102 by using fastening pins and bonding resins.
  • Type heat dissipation cartridge can be assembled.
  • the coupling bars 103a, 103b, 104a and 104b of the first and second guide members 103 and 104 are coupled to the coupling grooves 101a, 101b, 102a and 102b of the third and fourth guide members 101 and 102, respectively.
  • the fastening pin 190 is assembled by fastening to the fastening grooves 101c and 104c of the third and fourth guide members 101 and 102 and the first and second guide members 103 and 104.
  • first and second guide members 103 and 104 and the third and fourth guide members 101 and 102 may be coupled in a snap coupling manner without using the fastening pin 190.
  • the coupling bars 103a, 103b, 104a, and 104b of the first and second guide members 103 and 104 are coupled to the coupling grooves 101a and the third and fourth guide members 101 and 102, respectively.
  • the first and second guide members 103 and 104 and the third and fourth guide members 101 and 102 may be sealed and assembled with the bonding resin 191.
  • first and second guide members 103 and 104 and the third and fourth guide members 101 and 102 may be adhered with the bonding resin 191
  • first and second guide members 103 and 104 may be bonded to each other.
  • the interface exposed to the outside of the third and fourth guide members 101 and 102 may be sealed with the bonding resin 191 to secure the bonding state.
  • a plurality of coupling bars 104a are formed at both ends of the first and second guide members 103 and 104, and the coupling grooves 101a corresponding to the plurality of coupling bars 104a are provided. Also formed in plural can improve the bonding strength.
  • the electrode terminals 201 and 202 of the battery 200 and as shown in FIG.
  • the thermally conductive insulating members 181 and 182 with the thermally conductive insulating plastic to the third and fourth guide members 101 and 102 so as to be insulated upon contact with the conductive connection members 211 and 212 connected to the electrode terminals 201 and 202.
  • the electrode terminals 201 and 202 of the battery 200 are in contact with the thermally conductive insulating members 181 and 182, whereby the thermally conductive insulating members 181 and 182 made of a thermally conductive non-insulating plastic. ) And electrical insulation.
  • the electrode terminals 201 and 202 are electrically connected to the conductive connection members 211 and 212 for connecting to the electrode terminals of the battery 200 mounted in the neighboring assembled heat dissipation cartridge.
  • the conductive connecting members 211 and 212 are wrapped around the thermally conductive insulating members 181 and 182 in order to maintain an electrically insulated state with the assembled heat dissipation cartridge.
  • the first guide member 103 is polished to the side close to the heat exchanger in the same manner as the first embodiment, and the second guide member 104 spaced apart from the first guide member 103.
  • Heat dissipation concave and convex (104a) may be formed on the side exposed to the outside.
  • the outer surface of the polished first guide member 103 is completely in contact with the heat exchanger, so that the heat of the battery transferred to the first guide member 103 is quickly dissipated through the heat exchanger.
  • the heat dissipation unevenness 104a is formed on the side surface exposed to the outside of the second guide member 104, and the heat dissipation unevenness increases the contact area with the outside air so that the second guide member 104) to improve the efficiency of heat release.
  • the battery 200 mounted on the assembled heat dissipation cartridge 300b generates heat by charging and discharging, and the heat is heat-exchanged 500 in close contact with the first guide member 103 of the assembled heat dissipation cartridge 300. ) And is discharged through heat dissipation irregularities of the second guide member 104, thereby improving heat dissipation efficiency.
  • the conductive connection members 211 and 212 are applied to the second embodiment.
  • the first and third embodiments are formed at portions in contact with electrode terminals of the batteries of the third and fourth guide members. It can be installed for electrical connection with a battery seated between the heat dissipation cartridges.
  • the present invention can be applied to a heat dissipation cartridge, a heat dissipation cartridge having excellent rigidity, and a high capacity electric vehicle battery pack.

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Abstract

본 발명은 열방출 능력을 향상시키고, 변형이 발생되지 않으며 강성이 우수한 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩에 관한 것으로, 방열 카트리지는 배터리의 길이방향 양 측면을 지지하며 간격을 두고 서로 이격되어 있는 제1 및 제2 가이드부재; 각각 상기 제1 및 제2 가이드부재의 양단부에 연결되며, 상기 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 제3 및 제4 가이드부재; 및 상기 제1 내지 제4 가이드부재에 의해 중앙 영역에 형성되는 배터리 수용 관통홀의 측벽에 형성되어 배터리를 안착시키기 위한 안착부;를 포함하며, 상기 안착부는 배터리 수용 관통홀을 수평 이분할하도록 배터리 수용 관통홀의 측벽으로부터 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩
본 발명은 방열 카트리지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 열방출 능력을 향상시키고, 변형이 발생되지 않으며 강성이 우수한 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩에 관한 것이다.
최근, 전기자동차, 휴대용 전화기, 노트북, 디지털 카메라 등 박형의 에너지 저장장치의 수요 또한 급격히 증가되고 있다.
이와 같은 박형의 에너지 저장장치는 이차전지가 사용되고 있으며, 이차전지 중에서 고에너지밀도와 고출력 구동이 가능한 리튬이차전지의 사용이 증가되고 있다.
리튬이차전지는 파우치 형태의 배터리로 제작되어 박형의 구조를 달성하고 있고, 파우치 형태의 배터리는 다수를 연결하여 작은 면적에 고용량 전지를 얻을 수 있는 잇점이 있다.
여기서, 파우치 형태의 배터리를 다수를 연결하는 경우 용량은 증가하지만 각각의 배터리가 충방전될 때 발생된 열이 작은 면적에 집중되어 안정적으로 장시간 구동하는데 어려움이 있다.
현재, 파우치 형태의 배터리의 열을 외부로 추출하는 기술 개발이 필요한 실정이다.
한국 공개특허공보 제2009-0107443호(특허문헌 1)는 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 방열 플레이트로서, 매트릭스 수지에 열전도성 필러가 충전되어 이루어진 복합재 시트와, 복합재 시트의 내부에 삽입된 탄소섬유들로 구성되고, 탄소섬유들이 복합재 시트의 내부에서 방열 플레이트의 가장자리부로 연장되도록 삽입된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 방열 플레이트가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 방열 플레이트는 배터리 셀들 사이에 층간에 삽입되어 배터리를 적층하는 경우 방열 플레이트의 두께가 추가된 만큼 적층된 모듈의 두께가 두꺼워져 동일면적에 많은 수의 배터리를 적층할 수 없어 용량이 감소되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 동일면적에 많은 수의 배터리의 장착이 가능하고 열방출 효율을 극대화할 수 있는 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 변형이 발생되지 않고 강성이 우수한 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 동일면적에 많은 수의 배터리를 적층 조립할 수 있고, 배터리의 전극 단자 및 전극 단자에 연결된 도전성 연결부재를 절연시킬 수 있는 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리에서 발생된 열을 효율적으로 방열할 수 있는 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 동일면적에 많은 수의 배터리를 간단하게 결합하여 조립할 수 있는 조립형 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열방출 효율을 극대화할 수 있는 조립형 방열 카트리지 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩을 제공하는 데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 방열 카트리지는, 배터리의 길이방향 양 측면을 지지하며 간격을 두고 서로 이격되어 있는 제1 및 제2 가이드부재; 각각 상기 제1 및 제2 가이드부재의 양단부에 연결되며, 상기 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 제3 및 제4 가이드부재; 및 상기 제1 내지 제4 가이드부재에 의해 중앙 영역에 형성되는 배터리 수용 관통홀의 측벽에 형성되어 배터리를 안착시키기 위한 안착부;를 포함하며, 상기 안착부는 배터리 수용 관통홀을 수평 이분할하도록 배터리 수용 관통홀의 측벽으로부터 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 가이드부재는 열전도도가 우수한 금속재로 이루어지고, 상기 제3 및 제4 가이드부재는 플라스틱재로 이루어지며, 인서트 사출 성형되면서 양단부를 상기 제1 및 제2 가이드부재와 일체로 연결할 수 있다.
또한, 상기 제1 가이드부재는 열교환기와 접촉되는 측면이 폴리싱 처리되고, 상기 제2 가이드부재의 노출되는 외측면은 열방출용 요철이 형성될 수 있다.
상기 방열 카트리지는 상기 제1 가이드부재의 폴리싱 처리된 측면에 코팅된 TIM(Thermal Interface Material) 및 상기 제2 가이드부재의 열방출용 요철이 형성된 외측면에 형성되어 열방사성을 높이는 방사 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 가이드부재는 열전도성 비절연 플라스틱으로 형성되고, 상기 제3 및 제4 가이드부재는 열전도성 절연 플라스틱으로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 제3 및 제4 가이드부재는 상기 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 영역에만 부분적으로 형성되며, 상기 제1 내지 제4 가이드부재는 열전도성 비절연 플라스틱과 열전도성 절연 플라스틱의 이종사출방식으로 형성될 수 있다.
상기 열전도성 비절연 플라스틱은 전기 전도성 방열 필러가 분산되어 있고, 상기 열전도성 절연 플라스틱은 절연성 방열 필러가 분산될 수 있다.
상기 방열 카트리지는 인접한 방열 카트리지 사이에 안착되는 배터리와의 전기적 연결을 위해 상기 제3 및 제4 가이드부재의 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 부분에 설치되는 도전성 연결부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방열 카트리지는 상기 안착부의 표면에 형성된 TIM(Thermal Interface Material)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 가이드부재는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 가이드부재와 제3 및 제4 가이드부재 사이에는 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 가이드부재와 제3 및 제4 가이드부재 사이에는 결합홈과 결합바를 이용하여 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기자동차용 전지팩은 수직방향으로 적층되거나 또는 수평방향으로 인접하여 배치되는 복수개의 방열 카트리지; 및 상기 복수개의 방열 카트리지 사이에 삽입되어 배치되는 복수개의 배터리;를 포함하며, 상기 복수개의 방열 카트리지 각각은 배터리의 길이방향 양 측면을 지지하며 간격을 두고 서로 이격되어 있는 제1 및 제2 가이드부재; 각각 상기 제1 및 제2 가이드부재의 양단부에 연결되며, 상기 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 제3 및 제4 가이드부재; 및 상기 제1 내지 제4 가이드부재에 의해 중앙 영역에 형성되는 배터리 수용 관통홀의 측벽에 형성되어 배터리를 안착시키기 위한 안착부;를 포함하며, 상기 안착부는 배터리 수용 관통홀을 수평 이분할하도록 배터리 수용 관통홀의 측벽으로부터 돌출 형성될 수 있다.
상기 전기자동차용 전지팩은 제1 가이드부재의 폴리싱 처리된 측면에 접촉되어 열교환이 이루어지는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리는 파우치형일 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔지니어링 플라스틱으로 성형된 제3 및 제4 가이드부재에 제1 및 제2 가이드부재를 인서트 사출성형하여 방열 카트리지를 구현함으로써, 방열 카트리지는 엔지니어링 플라스틱으로 성형된 제3 및 제4 가이드부재를 구비하여 강성을 향상시키고, 변형이 발생되지 않아 우수한 신뢰성을 가질 수 있다.
또한, 방열 카트리지는 열전도도가 우수한 제1 및 제2 가이드부재를 포함하고 있어, 배터리에서 발생된 열을 효율적으로 방출시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 방열 카트리지를 구성하는 제1 가이드부재의 외측면을 폴리싱 가공하고, 제2 가이드부재의 외측면에 열방출용 요철을 형성하여 열 방출 능력을 극대화할 수 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 하나의 방열 카트리지는 하나의 배터리 두께와 실질적으로 동일한 두께를 가지므로, 다수의 방열 카트리지가 적층된 전지팩에 동일면적 대비 많은 수의 배터리를 내장할 수 있어 전지팩의 슬림화, 경박화 및 고용량화가 가능한 잇점이 있다.
본 발명에 의하면, 열전도성 비절연 플라스틱의 카트리지 본체 및 열전도성 절연 플라스틱의 열전도성 절연부재를 이종 사출하여 방열 카트리지를 구현함으로써, 배터리의 전극 단자 및 전극 단자에 연결된 도전성 연결부재가 방열 플라스틱에 접촉되더라도 전기적으로 절연시킬 수 있다.
즉, 배터리가 방열 카트리지에 장착되는 동시에 배터리의 전극 단자 및 도전성 연결부재는 열전도성 절연부재에 접촉되어 절연 상태를 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 방열 카트리지가 열전도성 비절연 플라스틱 및 열전도성 절연 플라스틱으로 이루어져 배터리에서 발생된 열을 방열 카트리지를 통하여 신속하게 방열할 수 있는 장점이 있다.
더욱이 본 발명에 의하면, 플라스틱으로 성형된 제3 및 제4 가이드부재에 제1 및 제2 가이드부재를 결합하여 조립형 방열 카트리지를 조립함으로써, 제조 공정을 단순하게 할 수 있고 재현성이 있는 제품을 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 카트리지의 평면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따라 배터리가 장착된 방열 카트리지에 열교환기가 접촉된 상태를 설명하기 위한 모식적인 도면,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 카트리지의 제1 가이드부재에 TIM이 형성된 상태를 도시한 모식적인 일부 단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 카트리지의 사시도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 카트리지의 평면도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 카트리지에 배터리가 장착된 상태의 평면도,
도 7은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 적층된 방열 카트리지에 배터리가 장착된 상태의 단면도,
도 8은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 배터리들이 적층된 방열 카트리지에서 전기적으로 연결된 상태를 설명하기 위한 일부 단면도,
도 9는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 배터리들이 도전성 연결부재에 연결된 상태를 설명하기 위한 개념도,
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기자동차용 전지팩의 개념적인 사시도,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 전기자동차용 전지팩의 개념적인 사시도,
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 카트리지의 안착부에 TIM이 결합된 상태의 일부 단면도,
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지의 조립 공정을 설명하기 위한 개념적인 평면도,
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지의 조립된 상태의 평면도,
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제3실시예에 따라 조립형 방열 카트리지의 조립 방법을 설명하기 위한 일부 단면도,
도 16은 본 발명의 제3실시예에 따라 결합홈 및 결합바에 의하여 조립형 방열 카트리지의 조립 방법을 설명하기 위한 일부 단면도,
도 17은 본 발명의 제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지에 배터리가 장착된 상태의 평면도,
도 18은 본 발명의 제3실시예에 따라 열전도성 절연부재가 이종사출된 조립형 방열 카트리지에 배터리가 장착된 상태의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명에 따른 방열 카트리지는 중앙부에 파우치형 배터리를 수용하도록 배터리 수용 관통홀이 형성되고, 배터리 수용 관통홀은 파우치형 배터리에 대응하여 직사각 형상을 이루고 있으며, 직사각 형상의 배터리 수용 관통홀을 형성하도록 4개의 가이드부재를 사용하여 일체형 또는 조립형으로 사각링 형상을 구현하고 있다.
파우치형 배터리는 일반적으로 직사각 형상의 4측면 중 짧은 길이를 갖는 양측 단부에 전극단자가 돌출되어 있으며, 방열 카트리지는 이러한 파우치형 배터리의 길이방향의 양측면과 접촉하는 제1 및 제2 가이드부재와, 파우치형 배터리의 전극단자와 접촉하며 제1 및 제2 가이드부재의 양단부와 연결 또는 결합이 이루어지는 종방향의 제3 및 제4 가이드부재를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 방열 카트리지를 구성하는 제1 내지 제4 가이드부재는 배터리에서 발생된 열을 효율적으로 방출할 수 있도록 열전도성 물질로 이루어지는 것이 바람직하고, 가벼우면서 강도를 유지할 수 있고 사출 성형성이 우수한 재료가 바람직하다.
이 경우, 파우치형 배터리의 길이방향의 양측면과 접촉하는 제1 및 제2 가이드부재는 엔지니어링 플라스틱, 열전도성 비절연 플라스틱 또는 열전도도가 우수한 금속재로 형성될 수 있고, 파우치형 배터리의 전극단자와 접촉하는 종방향의 제3 및 제4 가이드부재는 엔지니어링 플라스틱 또는 열전도성 절연 플라스틱으로 형성될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 방열 카트리지는 전기자동차용 전지팩과 같이 고용량의 전지팩을 구성하는 경우는 다수의 방열 카트리지가 적층되어 구성되며, 적층된 방열 카트리지 사이에 파우치형 배터리가 삽입되어 수용된다.
이 경우, 인접한 방열 카트리지 사이에 수용되는 파우치형 배터리는 인접한 방열 카트리지의 배터리 수용 관통홀에 1/2씩 수용이 이루어지며, 이를 고려하여 각 방열 카트리지의 배터리 수용 관통홀의 내측벽에는 배터리 수용 관통홀을 수평 이분할하면서 배터리를 수용하기 위한 안착부가 돌출되어 있다.
본 발명에서는 방열 카트리지에 배터리를 장착하고 다수의 방열 카트리지를 적층하는 조립 공정을 반복하여 전기자동차용 전지팩을 구현할 때, 방열 카트리지의 두께가 배터리의 두께와 실질적으로 동일하므로 적층된 배터리 두께와 거의 동일한 전기자동차용 전지팩이 제작될 수 있다. 그 결과, 본 발명에서는 슬림하고 경박화되며, 고용량의 전기자동차용 전지팩을 얻을 수 있다.
도 1에는 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 카트리지가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 제1실시예에 따라 배터리가 장착된 방열 카트리지에 열교환기가 접촉된 상태가 도시되어 있다.
먼저, 도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 카트리지(300)는 예를 들어, 엔지니어링 플라스틱(engineering plastics)으로 성형되고 서로 이격되어 있는 제3 및 제4 가이드부재(101,102); 상기 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 인서트 사출성형되고 열교환기에 밀착되는 측면이 폴리싱되어 있는 제1 가이드부재(103); 및 상기 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 인서트 사출성형되고 상기 제1 가이드부재(103)와 이격되어 있는 제2 가이드부재(104);를 포함하여 구성된다.
그리고, 방열 카트리지(300)는 중앙 영역에 마련된 직사각 형상의 배터리 수용 관통홀(110) 및 상기 배터리 수용 관통홀(110)의 측벽에 형성되어 배터리(200)(도 2 참조)를 안착시키는 안착부(120)를 포함한다.
즉, 본 발명의 제1실시예에서는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 제1 및 제2 가이드부재(103,104)를 인서트 사출성형하여, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)와 제1 및 제2 가이드부재(103,104)로 이루어진 사각링 형상의 방열 카트리지(300)를 구현함으로써, 방열 카트리지(300)의 배터리 수용 관통홀(110)의 안착부(120)에 직사각 형상의 배터리(200)(도 2 참조)를 장착할 수 있는 것이다.
여기서, 제2 가이드부재(104)의 외부에 노출되는 측면에 열방출용 요철(104a)이 형성될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 카트리지는 엔지니어링 플라스틱으로 성형된 제3 및 제4 가이드부재(101,102)를 포함하고 있어 강성이 높고 변형이 발생되지 않아 우수한 신뢰성을 가질 수 있다.
또한, 엔지니어링 플라스틱은 강도 및 탄성뿐만 아니라, 내충격성, 내마모성,내열성, 내한성, 내약품성, 전기절연성 등이 뛰어난 특성이 있다.
그러나, 제1실시예에 따른 방열 카트리지의 제3 및 제4 가이드부재(101,102)는 엔지니어링 플라스틱 이외에 열전도성과 절연성을 가지며 성형성을 갖는 열가소성 수지라면 모두 사용 가능하다.
그리고, 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 카트리지는 우수한 방열 특성을 갖도록 열전도도가 높은 제1 및 제2 가이드부재(103,104)가 구비되어 배터리에서 발생되는 열을 효율적으로 방출할 수 있다.
또한, 본 발명의 방열 카트리지는 표면 거칠기를 낮추도록 제1 가이드부재(103)의 외측면이 폴리싱되어 있을 수 있고, 이 폴리싱된 제1 가이드부재(103)의 외측면이 열교환기(500)에 완전히 밀착됨으로써, 제1 가이드부재(103)로 전달된 배터리(200)의 열이 열교환기(500)를 통하여 신속하게 방열될 수 있는 잇점이 있다.
즉, 폴리싱되기 전의 제1 가이드부재(103)의 외측면의 표면에는 미세한 요철들이 존재하여 제1 가이드부재(103)의 외측면이 열교환기(500)에 밀착되더라도 열교환기와 제1 가이드부재(103) 사이에 형성된 공기층에 의하여 제1 가이드부재(103)의 냉각 효율이 저하된다.
그러므로, 본 발명에서는 제1 가이드부재(103)의 외측면의 표면에 형성된 미세한 요철들을 폴리싱 공정에 의해 제거함으로써, 제1 가이드부재(103)의 외측면이 열교환기(500)에 보다 더 확고하게 밀착되도록 하여 배터리(200)에서 발생된 열의 방출 능력을 증대시킬 수 있는 것이다.
상술한 제1 및 제2 가이드부재(103,104)는 열전도도가 우수하고 가격이 저렴한 알루미늄 재질로 구현하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 제2 가이드부재(104)의 외부에 노출되는 측면에 열방출용 요철(104a)을 형성한다. 이 열방출용 요철(104a)은 외기와의 접촉면적을 증가시켜 제2 가이드부재(104)로 전달되는 열의 방출 효율을 향상시킨다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 방열 카트리지(300)에 장착된 배터리(200)는 전기자동차나 휴대 전화기 등의 전자기기에 적용될 때 충방전에 의해 열이 발생되고, 이 열은 방열 카트리지(300)의 제1 가이드부재(103)에 밀착된 열교환기(500)에 의해 냉각되고, 외부에 노출되는 표면을 갖는 제2 가이드부재(104)는 열방출용 요철(104a)(도 1 참조)을 통하여 방출되므로, 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 열방출용 요철(104a)이 형성된 제2 가이드부재(104)의 외측면에 열방사 효율을 극대화할 수 있도록 열방사성이 우수한 물질로 방사코팅을 더 수행할 수 있다.
방사코팅은 제2 가이드부재(104)로 전달된 열의 방사성을 더욱 극대화하기 위한 것으로, 열방사성과 절연성을 갖는 세라믹 물질 또는 열방사성과 비절연성을 가지는 물질을 제2 가이드부재(104)에 코팅 처리하는 것이다.
열방사성과 절연성을 갖는 세라믹 물질은 질화붕소(BN), 알루미나, 마그네시아, 실리콘 옥사이드, 실리콘 카바이드, 티타늄 카바이드, 실리콘 나이트라이드 및 알루미늄 나이트라이드 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 열방사성과 비절연성을 가지는 물질은 그라파이트, 카본, CNT 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
배터리(200)는 양단에 돌출된 한쌍의 전극단자(201,202)를 구비하고 있다.
도 3을 참고하면, 열교환기(500)(도 2 참조)가 밀착되는 제1 가이드부재(103)의 측면에는 TIM(Thermal Interface Material)(130)이 코팅되어 있을 수 있다.
여기서, 제1 가이드부재(103)의 측면에 폴리싱 공정을 수행할 수도 있고, 또는 폴리싱 공정을 수행하지 않을 수 있다.
이와 같이, 제1 가이드부재(103)의 측면에 코팅된 TIM(130)은 열교환기(500)와의 접촉 열저항을 감소시키고, 열교환기(500)와 제1 가이드부재(103) 사이의 공기층을 최대한 감소시켜 열교환기(500)로 열방출을 원활하게 할 수 있다.
TIM(130)의 종류는 방열그리스, 열전도성 접착제 등 코팅이 가능한 것을 사용할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 카트리지(300a)는 열전도성 비절연 플라스틱으로 성형된 카트리지 본체(100); 및 배터리(200)의 전극단자(201,202)(도 6 참조) 및 상기 전극단자에 연결된 도전성 연결부재와의 접촉시 절연될 수 있도록, 상기 카트리지 본체(100)에 열전도성 절연 플라스틱으로 이종사출되는 열전도성 절연부재(105,106);를 포함한다.
그리고, 제2실시예에 따른 방열 카트리지(300a)는 중앙 영역에 직사각 형상의 배터리(200)(도 6 참조)를 수용하도록 직사각 형상의 배터리 수용 관통홀(110)을 구비하고 있으며, 상기 배터리 수용 관통홀(110)의 측벽에는 배터리(200)(도 6 참조)를 안착시키는 안착부(120)가 형성되어 있다.
이를 위해 방열 카트리지(300a)의 카트리지 본체(100)는 안착부(120)에 안착된 직사각 형상의 배터리(200)를 가이드하는 사각링 형상으로 이루어지며, 배터리(200)의 전극단자(201,202)(도 6 참조)가 접촉되는 카트리지 본체(100)의 단변(短邊)영역에는 부분적으로 열전도성 절연부재(105,106)가 이종사출된다.
전기자동차용 전지팩에는 파우치형 배터리가 집적되어 사용되며, 파우치형 배터리(200)는 정사각 형상보다는 도 6과 같이 대향한 2변의 길이가 대향한 다른 2변의 길이보다 더 긴 직사각 형상으로 이루어지고, 양단부에 한쌍의 전극단자(201,202)가 돌출되어 있다.
그러나, 배터리(200)와 카트리지 본체(100)의 배터리 수용 관통홀(110)의 형상은 직사각 형상 대신에 정사각 형상으로 구현될 수 있으며, 형상은 필요에 따라 변형될 수 있다.
상기 카트리지 본체(100)는 이러한 배터리(200)를 수용하도록 중앙 영역에 직사각 형상의 배터리 수용 관통홀(110)을 구비하는 사각링 형상으로 이루어지며, 길이방향으로 대향한 양측 장변(長邊)부재는 열전도성 비절연 플라스틱으로 형성되고, 배터리(200)의 한쌍의 전극단자(201,202)와 접촉이 이루어지는 대향한 양측 단변(短邊)부재는 열전도성 절연 플라스틱으로 형성된다.
이 경우, 열전도성 절연 플라스틱으로 형성되는 한쌍의 단변부재는 열전도성 비절연 플라스틱으로 형성되는 한쌍의 장변부재의 양 단부와 직교하도록 연결될 수 있다.
또한, 카트리지 본체(100)는 도 4 내지 도 6과 같이 장변부재의 양 단부에서 각각 직각방향으로 연장된 후, 배터리(200)의 한쌍의 전극단자(201,202)와 접촉이 이루어지는 영역에만 부분적으로 열전도성 절연 플라스틱으로 형성되는 한쌍의 단변부재가 배치되어 연결될 수 있으며, 상기 한쌍의 단변부재는 열전도성 절연부재(105,106)를 구성한다.
그러므로, 본 발명에서는 열전도성 비절연 플라스틱의 카트리지 본체(100) 및 열전도성 절연 플라스틱의 열전도성 절연부재(105,106)가 이종 사출된 방열 카트리지(300a)를 구현함으로써, 배터리(200)에서 발생된 열이 방열 카트리지(300a)를 통하여 신속하게 방열될 수 있으며, 배터리(200)의 전극 단자(201,202) 및 전극 단자(201,202)에 연결된 도전성 연결부재(211,212)(도 6 참조)를 방열 플라스틱에 접촉시키더라도 전기적으로 절연시킬 수 있는 것이다.
배터리가 직사각형 형상을 가지는 경우, 도 4 및 도 5와 같이 카트리지 본체(100)의 배터리 수용 관통홀(110)도 직사각형 형상을 가지게 되고, 카트리지 본체(100) 역시 직사각형의 링 형상으로 구현되는 것이 바람직하다.
여기서, 열전도성 절연부재(105,106)는 카트리지 본체(100)의 장변영역(L1)보다는 단변영역(L2)에 이종사출되는 것이 바람직하다.
이때, 열전도성 절연부재(105,106)는 도 6과 같이 배터리(200)의 전극 단자(201,202)가 접촉되는 영역(방열 카트리지의 단변영역) 및 전극 단자와 연결된 도전성 연결부재가 감싸 접촉되는 영역(방열 카트리지의 단변영역)에 이종사출된다.
그 결과, 전극 단자(201,202) 및 도전성 연결부재(211,212)가 열전도성 절연부재(105,106)에 접촉되더라도 열전도성 절연부재(105,106)의 절연성에 의해 전기적인 쇼트(short-circuit)는 발생되지 않는다.
그리고, 안착부(120)는 배터리 수용 관통홀(110)의 측벽을 수평 이분할하도록 상기 배터리 수용 관통홀(110)의 측벽으로부터 돌출된 돌기로, 카트리지 본체(100) 및 열전도성 절연부재(105,106) 각각에 연결되어 형성되어 있다.
배터리는 박형의 에너지 저장장치로 고에너지밀도와 고출력 구동이 가능한 전기화학적으로 충방전되는 파우치형 배터리가 바람직하고, 이 파우치형 배터리는 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 직사각 형상의 파우치에 넣고 실링하여 제조한다.
열전도성 비절연 플라스틱은 그래핀, 카본 등의 소재로 이루어진 전기 전도성 방열 필러를 분산시킨 성형가능한 전기적 비절연 수지를 사용하고, 열전도성 절연 플라스틱은 BN, AlN, MgO, Al2O3, SiO2 등 절연성 방열 필러를 분산시킨 성형가능한 전기적 절연 수지를 사용한다. 상기한 열전도성 비절연 플라스틱과 열전도성 절연 플라스틱은 예를 들어, PPS, PC, PA, PP와 같은 열가소성 수지를 베이스로 사용하여 제조되는 LG 화학(주)의 LUCON 9000계열 제품을 사용할 수 있다.
그러므로, 카트리지 본체(100)는 열전도성 비절연 플라스틱으로, 열전도성 절연부재(105,106)는 열전도 절연 플라스틱으로 이종사출하여 방열 카트리지(300a)를 성형한다.
따라서, 방열 필러를 함유하고 있는 방열 카트리지(300a)는 배터리의 충방전으로 발생된 열을 방열할 수 있다. 이때, 방열 카트리지(300a)에 전달된 열을 열교환기(500)(도 2 참조)가 냉각시킨다. 열교환기(500)는 냉각팬과 같은 공랭식 열교환기, 냉각수를 이용한 수랭식 열교환기 등 방열 카트리지(300a)의 온도를 낮출 수 있는 가능한 모든 열교환기를 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 배터리(200)를 방열 카트리지(300a)에 장착하여 배터리에서 발생된 열을 효율적으로 방열할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 카트리지에 배터리가 장착된 상태를 나타낸다.
도 6을 참고하면, 배터리(200)가 카트리지 본체(100)에 안착됨과 동시에 배터리(200)의 전극 단자(201,202)는 열전도성 절연부재(105,106)에 접촉됨으로써, 열전도성 비절연 플라스틱으로 이루어진 카트리지 본체(100)와 전기적인 절연상태를 유지하게 된다.
그리고, 전극 단자(201,202)는 이웃 방열 카트리지에 장착된 배터리(200)의 전극 단자와 연결하기 위한 도전성 연결부재(211,212)와 전기적으로 연결되어 있다. 이때, 도전성 연결부재(211,212)는 방열 카트리지와 전기적으로 절연 상태를 유지하게 위해 열전도성 절연부재(105,106)를 감싸서 접촉된다.
도 7에는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 적층된 방열 카트리지에 배터리가 장착된 전지팩을 나타내고 있다.
도 7을 참고하면, 다수의 배터리(200a,200b)는 다수의 방열 카트리지(301,302,303)가 적층된 상태에서, 다수의 방열 카트리지(301,302,303)의 배터리 수용 관통홀의 내측벽에 형성된 상부 및 하부 안착부(121,122,123,124,125,126)에 안착된다.
여기서, 다수의 방열 카트리지(301,302,303) 각각은 배터리 수용 관통홀의 내측벽에 상부 및 하부 안착부(121,122,123,124,125,126)가 형성되어 있다.
이때, 각각의 배터리(200a,200b)는 인접된 방열 카트리지(301,302,303) 사이에 삽입되어 적층되면서 장착된다. 도 7은 배터리(200a,200b)와 방열 카트리지(301,302,303)가 수평상태로 적층된 대용량용 전지팩을 나타낸다.
예컨대, 배터리(200b)의 하부 가장자리를 방열 카트리지(301)의 상부 안착부(125)에 안착시킨 후, 방열 카트리지(302)의 하부 안착부(124)를 배터리(200a)의 상부 가장자리에 접촉시키며, 방열 카트리지(302)를 방열 카트리지(301)에 적층시키는 방법을 사용한다. 즉, 다수의 방열 카트리지(301,302,303)를 적층하면서 방열 카트리지(301,302,303) 사이에 각각의 배터리(200a,200b)를 장착하는 것이다.
그러므로, 본 발명에서는 하나의 방열 카트리지는 하나의 배터리 두께와 실질적으로 동일한 두께를 가지므로, 다수의 방열 카트리지가 적층된 전지팩에 동일면적 대비 많은 수의 배터리를 내장할 수 있어 전지팩의 슬림화, 경박화 및 고용량화가 가능한 잇점이 있다.
그리고, 다수의 배터리(200a,200b)의 양단에 배치된 전극단자(201,202,203,204)는 방열 카트리지(301,302) 사이에 위치된다. 이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 다수의 배터리(200a,200b)의 일측에 형성된 전극 단자(201,203)는 방열 카트리지(302)를 감싸며 배치된 도전성 연결부재(210)에 전기적으로 연결된다.
여기서, 도전성 연결부재(210)가 감싸는 방열 카트리지(301,302) 영역은 제1실시예인 경우 전기절연성을 가지는 엔지니어링 플라스틱으로 성형된 제3 및 제4 가이드부재(101,102)(도 1 참조)에 해당되어 도전성 연결부재(210)가 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 접촉되더라도 전기적인 쇼트 상태는 발생되지 않는다.
또한, 제2실시예인 경우 도전성 연결부재(210)가 감싸는 방열 카트리지(301,302) 영역은 열전도성 절연부재(105,106)에 해당된다. 도전성 연결부재(210)가 열전도성 절연부재(105,106)에 접촉되더라도 전기적인 쇼트 상태는 발생되지 않는다.
도 9는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 배터리들이 도전성 연결부재에 연결된 상태를 개념적으로 나타낸 것이다.
도 9를 참고하면, 다수의 배터리(200a,200b,200c)는 다수의 방열 카트리지(301~303)에 장착되기 전에 도전성 연결부재(211,212)를 사용하여 직렬로 전극단자(201,202,203,204)를 연결한 다음, 다수의 방열 카트리지에 장착하는 것이다.
도전성 연결부재(211,212)는 전기전도성이 우수한 Cu와 같은 금속재질의 도전성 라인 또는 그가 포함된 전기적 연결부품으로 구현할 수 있다. 예컨대, Cu 전극라인필름, 플렉서블 PCB 등이 사용될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 카트리지(300)는 도 10과 같이, 인접한 방열 카트리지(300) 사이에 배터리(200)를 삽입하면서 다수개 적층하여 전기자동차용 전지팩(510)으로 구현할 수 있다. 도 10의 전지팩(510)은 다수의 방열 카트리지(300)와 배터리(200)를 도 7과 같이 수평방향으로 적층하여 조립한 후, 90도 회전시킨 상태를 나타낸다.
또한, 제2실시예에 따른 방열 카트리지(300a)도 제1실시예와 동일하게 도 11과 같이, 인접한 방열 카트리지(300a) 사이에 배터리(200)를 삽입하면서 다수개 적층하여 전기자동차용 전지팩(510)으로 구현할 수 있다.
참고로, 도 10 및 도 11은 전지팩(510)을 개략적으로 설명하기 위한 것으로 배터리(200)의 전극라인에 연결된 도전성 연결부재의 도시는 생략되었고, 배터리(200)의 전극단자가 수직방향으로 배치된 전지팩(510)을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 방열 카트리지(300,300a)에 배터리(200)를 장착하고 방열 카트리지(300,300a)를 적층하는 조립 공정을 반복하여 전기자동차용 전지팩(510)을 구현할 수 있다. 그러므로, 적층된 배터리 두께(즉, 도 10의 방열 카트리지(300)의 두께(t)는 배터리(200) 두께와 실질적으로 동일함)와 거의 동일한 전기자동차용 전지팩(510)이 제작되어 슬림하고 경박화되며, 고용량의 전기자동차용 전지팩(510)을 얻을 수 있는 잇점이 있다.
예컨대, 전기자동차용 전지팩에 150개의 배터리가 장착되는 경우, 배터리 사이에 알루미늄핀과 같은 방열핀 또는 선행기술의 방열 플레이트를 개재하여 전지팩을 구현하면 149개의 방열핀 또는 방열 플레이트가 필요하여 전지팩을 경박화할 수 없고, 전지팩에서 149개의 방열핀 또는 방열 플레이트만큼 배터리를 조립할 수 없어 전지용량이 감소된다.
또한, 본 발명에서는 도 12a와 같이, 방열 카트리지의 카트리지 본체(100)의 안착부(120)에는 TIM(Thermal Interface Material)(130)이 인서트 사출될 수 있다.
그리고, 도 12b에 도시된 바와 같이, 카트리지 본체(100)의 안착부(120)에 결합홈(127)을 형성하고, 이 결합홈(127)에 TIM(130)을 결합시킬 수 있다.
이와 같이, 카트리지 본체(100)의 안착부(120)에 TIM(130)이 인서트 사출되어 있거나 결합홈에 결합되어 있으면, 접촉 열저항이 감소되고, 한쌍의 배터리 사이의 공기층이 줄어들어 외부의 열교환기로 열방출을 원활하게 할 수 있다.
TIM(130)의 종류는 방열그리스, 방열시트, 금속판, 열전도성 접착제 등 다양하다.
상기 제2실시예에서 카트리지 본체(100)는 제1실시예의 제1 및 제2 가이드부재(101,102)와 실질적으로 동일한 역할을 하며, 열전도성 절연부재(105,106)는 제1실시예의 제3 및 제4 가이드부재(103,104)와 실질적으로 동일한 역할을 한다. 단지 제1 내지 제4 가이드부재를 구성하는 재료의 차이에 따라 제조방법과 특성의 차이가 있다.
본 발명에 따른 제3실시예에서는 배터리를 장착할 수 있고, 배터리에서 발생된 열을 효율적으로 방출할 수 있는 방열 카트리지를 간단한 조립 공정으로 제조하는 기술을 개시한다.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지의 조립 공정을 설명하기 위한 분해도이고, 도 14는 조립형 방열 카트리지의 조립된 상태를 나타낸다.
도 13 및 도 14를 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지는 예를 들어, 플라스틱으로 성형되고 서로 이격되어 있는 제3 및 제4 가이드부재(101,102); 및 상기 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 양단부에 결합되는 제1 및 제2 가이드부재(103,104);를 포함하여 구성된다.
본 발명의 제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지(300b)는 상기한 제1실시예에 따른 방열 카트리지(300)와 비교하여 차이점은 조립형인지 일체형인지 여부이다.
제1실시예에서는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)와 제1 및 제2 가이드부재(103,104)가 인서트 사출성형방법으로 제조되어 일체화된 것이고, 제3실시예에서는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)와 제1 및 제2 가이드부재(103,104)가 각각 별도로 제작된 후 조립에 의해 방열 카트리지를 형성하는 것이다.
즉, 제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지에서는 먼저 제3 및 제4 가이드부재(101,102)와 제1 및 제2 가이드부재(103,104)를 각각 별도로 제작한 후, 플라스틱으로 성형된 제3 및 제4 가이드부재(101,102)를 길이방향을 따라 이격되게 위치시키고, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 양단부 사이에 종방향으로 제1 및 제2 가이드부재(103,104)를 결합하여 조립형 방열 카트리지(300b)를 완성한다.
이때, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 결합홈(101a,101b,102a,102b)이 형성될 수 있고, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 결합홈(101a,101b,102a,102b)에 삽입 결합되는 결합바(103a,103b,104a,104b)가 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 양단에 형성될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 제3실시예에서는 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 결합바(103a,103b,104a,104b)를 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 결합홈(101a,101b,102a,102b)에 삽입 결합하여 조립형 방열 카트리지(300b)를 완성할 수 있다.
이 경우, 제1 및 제2 가이드부재(103,104)에 결합홈(101a,101b,102a,102b)을 구비하고, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 결합바(103a,103b,104a,104b)를 형성하여 돌기-요홈 결합이 이루어지는 것도 가능하다.
제3실시예에 따른 조립형 방열 카트리지(300b)는 도 14와 같이 조립 후에 중앙 영역에 배터리를 수용하기 위한 배터리 수용 관통홀(110)을 구비하며, 배터리 수용 관통홀(110)의 측벽에는 배터리(200)를 안착시키는 안착부(120)가 형성된다.
이를 위해 제3 및 제4 가이드부재(101,102)와, 제1 및 제2가이드부재(103,104)에는 안착부(120)를 형성하는 데 필요한 부분안착부(120a~120d)가 각각 일체로 형성되어 있다.
한편, 제1 및 제2 가이드부재(103,104)는 열전도도가 우수하고 가격이 저렴한 알루미늄 재질로 구현하는 것이 바람직하다.
도 14를 참고하면, 본 발명의 제3실시예에서 조립형 방열 카트리지(300b)는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 제1 및 제2 가이드부재(103,104)를 결합하여 조립할 때, 사각링 형상의 조립형 방열 카트리지(300)가 얻어지며, 그 결과 중앙 영역에는 배터리 수용 관통홀(110)이 형성되고, 상기 배터리 수용 관통홀(110)의 측벽에는 부분안착부(120a~120d)가 조립되어 배터리(200)를 안착시키는 안착부(120)가 동시에 구비된다.
그러므로, 본 발명의 제3실시예에서는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 제1 및 제2 가이드부재(103,104)를 착탈 가능하게 결합하여, 사각링 형상의 조립형 방열 카트리지(300)를 구현함으로써, 도 17과 같이, 조립형 방열 카트리지(300b)의 배터리 수용 관통홀(110)의 안착부(120)에 배터리(200)를 장착할 수 있는 것이다.
여기서, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)를 성형하기 위한 플라스틱은 열전도성 비절연 플라스틱 또는 열전도성 절연 플라스틱을 사용할 수 있고, 아울러, 엔지니어링 플라스틱(engineering plastics)을 사용할 수도 있다.
그리고, 열전도성 비절연 플라스틱은 그래핀, 카본 등의 소재로 이루어진 전기 전도성 방열 필러를 분산시킨 성형가능한 비절연수지를 사용하여 열전도성이 우수하고 전도성을 가지는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)를 구현할 수 있다.
또, 열전도성 절연 플라스틱은 BN, AlN, MgO, Al2O3, SiO2 등 절연성 방열 필러를 분산시킨 성형가능한 절연수지를 사용함으로써, 열전도성이 우수하고 전기적으로 절연성을 가지는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)를 성형할 수 있다.
또, 엔지니어링플라스틱은 강도 및 탄성뿐만 아니라, 내충격성, 내마모성, 내열성, 내한성, 내약품성, 전기절연성 등이 뛰어난 특성이 있으므로, 강성이 높고 변형이 발생되지 않아 우수한 신뢰성을 가질 수 있는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)를 얻을 수 있다.
도 15a 및 도 15b를 참고하면, 본 발명의 제3실시예에서는 체결핀 및 본딩 수지를 사용하여 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 제1 및 제2 가이드부재(103,104)를 결합하여 조립형 방열 카트리지를 조립할 수 있다.
즉, 도 15a와 같이, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 결합홈(101a,101b,102a,102b)에 결합된 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 결합바(103a,103b,104a,104b) 각각을 수직관통하여 체결되도록, 제3 및 제4 가이드부재(101,102) 및 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 결합바(103a,103b,104a,104b)에 체결홈(101c,104c)이 형성된다.
그러므로, 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 결합홈(101a,101b,102a,102b)에 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 결합바(103a,103b,104a,104b) 각각이 결합된 상태에서, 체결핀(190)을 제3 및 제4 가이드부재(101,102) 및 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 체결홈(101c,104c)에 체결하여 조립하는 것이다.
또한, 제1 및 제2 가이드부재(103,104)와 제3 및 제4 가이드부재(101,102) 사이의 결합은 체결핀(190)을 사용하지 않고 스냅 결합방식으로 결합되는 것도 가능하다.
그리고, 도 15b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 결합바(103a,103b,104a,104b) 각각이 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 결합홈(101a,101b,102a,102b)에 결합된 후, 제1 및 제2 가이드부재(103,104)와 제3 및 제4 가이드부재(101,102) 사이를 본딩 수지(191)로 밀봉하여 조립할 수 있다.
이때, 본딩 수지(191)로 제1 및 제2 가이드부재(103,104)와 제3 및 제4 가이드부재(101,102)를 접착할 수도 있지만, 결합된 상태에서 제1 및 제2 가이드부재(103,104) 및 제3 및 제4 가이드부재(101,102)의 외측에 노출된 경계면을 본딩 수지(191)로 밀봉하여 결합상태를 견고하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 도 16과 같이, 제1 및 제2 가이드부재(103,104)의 양단에 결합바(104a)를 다수개로 형성하고, 이 다수의 결합바(104a)에 대응되는 결합홈(101a)도 다수개로 형성하여 결합강도를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에서는 제3 및 제4 가이드부재(101,102)가 열전도성 비절연 플라스틱으로 성형된 경우, 도 18과 같이, 배터리(200)의 전극단자(201,202) 및 상기 전극단자(201,202)에 연결된 도전성 연결부재(211,212)의 접촉시 절연될 수 있도록, 상기 제3 및 제4 가이드부재(101,102)에 열전도성 절연 플라스틱으로 열전도성 절연부재(181,182)를 이종사출하여 구성할 수 있다.
그러므로, 배터리(200)가 조립형 방열 카트리지에 안착됨과 동시에 배터리(200)의 전극단자(201,202)는 열전도성 절연부재(181,182)에 접촉됨으로써, 열전도성 비절연 플라스틱으로 이루어진 열전도성 절연부재(181,182)와 전기적인 절연상태를 유지하게 된다.
그리고, 전극단자(201,202)는 이웃 조립형 방열 카트리지에 장착된 배터리(200)의 전극단자와 연결하기 위한 도전성 연결부재(211,212)와 전기적으로 연결되어 있다. 이때, 도전성 연결부재(211,212)는 조립형 방열 카트리지와 전기적으로 절연 상태를 유지하게 위해 열전도성 절연부재(181,182)를 감싸서 접촉이 이루어진다.
본 발명의 제3실시예에서도 제1 가이드부재(103)는 제1실시예와 동일하게 열교환기에 밀착되는 측면이 폴리싱되어 있고, 제1 가이드부재(103)와 이격되어 있는 제2 가이드부재(104)의 외부에 노출되는 측면에 열방출용 요철(104a)이 형성될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 조립형 방열 카트리지는 이 폴리싱된 제1 가이드부재(103)의 외측면이 열교환기에 완전히 밀착됨으로써, 제1 가이드부재(103)로 전달된 배터리의 열이 열교환기를 통하여 신속하게 방열될 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명에서는 제2 가이드부재(104)의 외부에 노출되는 측면에 열방출용 요철(104a)이 형성되어 있으며, 이 열방출용 요철은 외기와의 접촉면적을 증가시켜 제2 가이드부재(104)로 전달되는 열의 방출 효율을 향상시킨다.
즉, 조립형 방열 카트리지(300b)에 장착된 배터리(200)는 충방전에 의해 열이 발생되고 이 열은 조립형 방열 카트리지(300)의 제1 가이드부재(103)에 밀착된 열교환기(500)에 의해 냉각되고, 제2 가이드부재(104)의 열방출용 요철을 통하여 방출되므로, 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 상세한 설명에서는 도전성 연결부재(211,212)가 제2 실시예에 적용된 것을 예시하였으나, 제1 및 제3 실시예에서도 제3 및 제4 가이드부재의 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 부분에 형성되어 인접한 방열 카트리지 사이에 안착된 배터리와의 전기적 연결을 위해 설치될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 열방출 능력을 향상시키고, 변형이 발생되지 않으며 강성이 우수한 방열 카트리지와 고용량의 전기자동차용 전지팩 등에 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 배터리의 길이방향 양 측면을 지지하며 간격을 두고 서로 이격되어 있는 제1 및 제2 가이드부재;
    각각 상기 제1 및 제2 가이드부재의 양단부에 연결되며, 상기 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 제3 및 제4 가이드부재; 및
    상기 제1 내지 제4 가이드부재에 의해 중앙 영역에 형성되는 배터리 수용 관통홀의 측벽에 형성되어 배터리를 안착시키기 위한 안착부;를 포함하며,
    상기 안착부는 배터리 수용 관통홀을 수평 이분할하도록 배터리 수용 관통홀의 측벽으로부터 돌출 형성되는 방열 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가이드부재는 열전도도가 우수한 금속재로 이루어지고,
    상기 제3 및 제4 가이드부재는 플라스틱재로 이루어지며, 인서트 사출 성형되면서 양단부를 상기 제1 및 제2 가이드부재와 일체로 연결하는 방열 카트리지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 가이드부재는 열교환기와 접촉되는 측면이 폴리싱 처리되고,
    상기 제2 가이드부재의 노출되는 외측면은 열방출용 요철이 형성되는 방열 카트리지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 가이드부재의 폴리싱 처리된 측면에 코팅된 TIM(Thermal Interface Material); 및
    상기 제2 가이드부재의 열방출용 요철이 형성된 외측면에 형성되어 열방사성을 높이는 방사 코팅층;을 더 포함하는 방열 카트리지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가이드부재는 열전도성 비절연 플라스틱으로 형성되고,
    상기 제3 및 제4 가이드부재는 열전도성 절연 플라스틱으로 형성되는 방열 카트리지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 가이드부재는 상기 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 영역에만 부분적으로 형성되며,
    상기 제1 내지 제4 가이드부재는 열전도성 비절연 플라스틱과 열전도성 절연 플라스틱의 이종사출방식으로 형성되는 방열 카트리지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열전도성 비절연 플라스틱은 전기 전도성 방열 필러가 분산되어 있고,
    상기 열전도성 절연 플라스틱은 절연성 방열 필러가 분산되어 있는 방열 카트리지.
  8. 제1항에 있어서,
    인접한 방열 카트리지 사이에 안착되는 배터리와의 전기적 연결을 위해 상기 제3 및 제4 가이드부재의 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 부분에 설치되는 도전성 연결부재를 더 포함하는 방열 카트리지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안착부의 표면에 형성된 TIM(Thermal Interface Material)을 더 포함하는 방열 카트리지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가이드부재는 알루미늄으로 이루어지는 방열 카트리지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가이드부재와 제3 및 제4 가이드부재 사이에는 착탈 가능하게 결합되는 방열 카트리지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가이드부재와 제3 및 제4 가이드부재 사이에는 결합홈과 결합바를 이용하여 결합되는 방열 카트리지.
  13. 수직방향으로 적층되거나 또는 수평방향으로 인접하여 배치되는 복수개의 방열 카트리지; 및
    상기 복수개의 방열 카트리지 사이에 삽입되어 배치되는 복수개의 배터리;를 포함하며,
    상기 복수개의 방열 카트리지 각각은
    배터리의 길이방향 양 측면을 지지하며 간격을 두고 서로 이격되어 있는 제1 및 제2 가이드부재;
    각각 상기 제1 및 제2 가이드부재의 양단부에 연결되며, 상기 배터리의 양단 전극단자와 접촉되는 제3 및 제4 가이드부재; 및
    상기 제1 내지 제4 가이드부재에 의해 중앙 영역에 형성되는 배터리 수용 관통홀의 측벽에 형성되어 배터리를 안착시키기 위한 안착부;를 포함하며,
    상기 안착부는 배터리 수용 관통홀을 수평 이분할하도록 배터리 수용 관통홀의 측벽으로부터 돌출 형성되는 전기자동차용 전지팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 가이드부재의 폴리싱 처리된 측면에 접촉되어 열교환이 이루어지는 열교환기를 더 포함하는 전기자동차용 전지팩.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 배터리는 파우치형인 전기자동차용 전지팩.
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