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KR20160046474A - 수냉식 배터리모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

수냉식 배터리모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20160046474A
KR20160046474A KR1020140142369A KR20140142369A KR20160046474A KR 20160046474 A KR20160046474 A KR 20160046474A KR 1020140142369 A KR1020140142369 A KR 1020140142369A KR 20140142369 A KR20140142369 A KR 20140142369A KR 20160046474 A KR20160046474 A KR 20160046474A
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KR
South Korea
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heat sink
battery
frame
flow path
groove
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KR1020140142369A
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정대택
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주식회사 피앤이솔루션
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Publication date
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Abstract

수냉식 배터리모듈이 개시된다. 수냉식 배터리모듈은 냉각수가 소통하는 유로가 형성된 제1 영역 및 상기 유로의 제1 단부와 연결된 주입구 및 상기 제1 단부와 대향하는 상기 유로의 제2 단부와 연결된 배출구가 형성되어 있고 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역을 포함하는 히트싱크; 및 가운데 부분에 상기 제1 영역을 노출시키는 개구부를 구비하고 상기 개구부를 형성하는 내부 측면에는 상기 제2 영역이 삽입되는 체결홈이 형성된 히트싱크 프레임을 각각 구비하는 복수 개의 배터리 트레이들; 및 상기 배터리 트레이들 사이에 배치되어 상기 히트싱크의 제1 영역과 접촉하는 하나 이상의 배터리를 포함한다.

Description

수냉식 배터리모듈 및 이의 제조방법{WATER COOLING BATTERY MODULE AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
본 발명은 배터리모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리모듈을 제조하는 공정이 간단하고, 냉각수를 대류시켜 배터리에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있는 수냉식 배터리모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 수냉식 배터리 모듈은 히트싱크와 히트싱크 프레임을 각각 별도로 제작하고 이를 결합하여 하나의 배터리 트레이를 제조하고, 이렇게 제조된 두 개의 배터리 트레이들 사이에 하나의 배터리를 배치한 후 배터리 트레이들을 밴드 클램프(band clamp)로 결박함으로써 배터리모듈을 제작하였다.
대용량의 수냉식 배터리모듈을 제작하기 위하여는 복수 개의 배터리들이 반드시 필요하였기 때문에 상기와 같은 방법을 통하여 배터리모듈을 제작하는 것은 매우 번거롭다는 문제가 있다. 이는 배터리 트레이들 사이에 하나의 배터리를 배치하고 배터리 트레이들을 결박하고, 다시 새로운 배터리를 결박된 배터리 트레이와 새로운 배터리 트레이 사이에 배치하고 결박된 배터리 트레이와 새로운 배터리 트레이를 결박하는 과정을 반복함으로써 배터리모듈을 제작하였기 때문이다.
또한, 종래의 수냉식 배터리모듈은 히트싱크와 히트싱크 프레임을 별도로 제작하고 이들을 각각 결합시켜 하나의 배터리 트레이를 제조하였기 때문에 하나의 배터리 트레이를 제작하는 공정에 번거롭고 시간이 많이 소요된다는 문제가 있다.
또한, 종래의 수냉식 배터리모듈은 배터리에서 발생하는 열을 냉각시키기 위하여 외부에서 압력을 가하여 냉각수를 순환시키는 방식을 사용하고 있기 때문에 냉각수를 배출하기 위한 압력을 가하게 요구하는 문제가 있다.
또한, 종래의 수냉식 배터리모듈은 용접 공정을 통하여 제작되었기 때문에 용접을 위한 별도의 용접 라인이 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 제조하는 공정이 간단하고, 냉각수를 대류시켜 배터리에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있는 수냉식 배터리모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈은 냉각수가 소통하는 유로가 형성된 제1 영역 및 상기 유로의 제1 단부와 연결된 주입구 및 상기 제1 단부와 대향하는 상기 유로의 제2 단부와 연결된 배출구가 형성되어 있고 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역을 포함하는 히트싱크; 및 가운데 부분에 상기 제1 영역을 노출시키는 개구부를 구비하고 상기 개구부를 형성하는 내부 측면에는 상기 제2 영역이 삽입되는 체결홈이 형성된 히트싱크 프레임을 각각 구비하는 복수 개의 배터리 트레이들; 및 상기 배터리 트레이들 사이에 배치되어 상기 히트싱크의 제1 영역과 접촉하는 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 주입구와 상기 배출구는 상기 히트싱크의 상부 양 단부에서 서로 이격된 상태로 형성되어 있을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 히트싱크 프레임은 복수 개의 체결홀들을 더 포함할 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈은 상기 체결홀들을 각각 관통하여 상기 배터리 트레이들과 상기 배터리를 서로 밀착시키는 복수 개의 체결부재들을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 히트싱크는, 유로를 형성하는 제1 홈이 형성되어 있는 제1 플레이트; 상기 제1 홈과 결합하여 상기 유로를 형성하도록 상기 제1 홈이 형성된 위치에 대응하는 위치에 제2 홈이 형성되어 있는 제2 플레이트; 및 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트를 서로 접착시키는 접착층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈 제조방법은 히트싱크 프레임을 사출하는 금형틀 내부에 히트싱크가 삽입되는 단계; 상기 금형틀 내부로 수지가 주입되고, 상기 수지가 상기 히트싱크 모서리 부분을 따라 형성되어 있는 복수 개의 삽입개구들에 삽입된 후 경화되어 상기 히트싱크와 상기 히트싱크 프레임이 서로 결합된 배터리 트레이를 제조하는 단계; 복수 개의 배터리 트레이들 사이에 하나 이상의 배터리를 배치한 후 상기 배터리 트레이들과 상기 배터리를 서로 밀착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 히트싱크 프레임을 사출하는 금형틀 내부에 히트싱크가 삽입된 상태에서 인서트 사출을 통하여 히트싱크와 히트싱크가 결합된 배터리 트레이가 제조되기 때문에 별도로 제작된 히트싱크와 히트싱크 프레임을 각각 결합시킬 필요가 없어 배터리 트레이를 제조하는 공정이 간단한 효과가 있다.
배터리 트레이 상부에 냉각수 공급개구와 냉각수 배출개구가 형성되어 있기 때문에 유로로 공급된 냉각수가 배터리로부터 발생하는 열을 흡수하는 경우 대류 현상에 따라 자연히 냉각수 배출개구로 배출될 수 있고, 냉각수를 강제로 배출시키기 위하여 냉각수에 과도한 압력을 가할 필요가 없는 효과가 있다.
복수 개의 배터리 트레이들 사이에 하나 이상의 배터리를 삽입한 상태에서 배터리 트레이들마다 형성된 관통홀에 배터리 트레이 체결체를 삽입하여 배터리 트레이들과 배터리를 서로 밀착시킴으로써 배터리모듈을 간단히 조립할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'영역을 B-B'를 기준으로 절단한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 히트싱크를 설명하기 위한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 트레이를 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명은 지식경제부와 한국산업기술평가관리원의 "SW 융합형 부품 기술 개발 사업"의 지원을 받아 수행된 연구결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'영역을 B-B'를 기준으로 절단한 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 히트싱크를 설명하기 위한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 트레이를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈(1000)은 복수 개의 배터리 트레이(100)들, 하나 이상의 배터리(200) 및 복수 개의 체결부재(미도시)들을 포함할 수 있고, 복수 개의 배터리 트레이(100)들은 각각 히트싱크(120) 및 히트싱크 프레임(140)을 포함할 수 있다.
히트싱크(120)는 냉각수가 소통하는 유로(122)가 형성된 제1 영역 및 상기 유로의 제1 단부와 연결된 주입구(124) 및 상기 제1 단부와 대향하는 상기 유로(122)의 제2 단부와 연결된 배출구(126)가 형성되어 있고 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역을 포함할 수 있다.
일 예로 히트싱크(120)는 플레이트 형상일 수 있고, 냉각수가 흐를 수 있는 유로(122)는 상기 제1 영역에서 히트싱크(120)의 양 측면에 돌출되어 있는 형상으로 형성되어 있을 수 있다. 또한, 히트싱크(120)는 열전도성이 우수한 알루미늄(Al) 재질로 이루어질 수 있다.
주입구(124)와 배출구(126)는 히트싱크(120)의 상부 양 단부에서 서로 이격된 상태로 형성되어 있을 수 있고, 주입구(124)를 통하여 냉각수는 유로(122)로 공급되고 유로(122)를 통과한 냉각수는 배출구(126)를 통하여 히트싱크(120) 외부로 배출될 수 있다. 배출구(126)가 히트싱크(120)의 상부에 형성되어 있기 때문에 유로(122)를 통과하면서 열을 흡수함으로 인하여 온도가 상승한 냉각수는 대류 현상에 의해 히트싱크(120)의 상부로 이동되어 배출구(126)를 통하여 배출될 수 있다.
일 예로 히트싱크(120)의 양 측면에 각각 돌출되어 있는 유로(122)는 복수 개일 수 있고, 각각의 유로(122)는 냉각수가 소통할 수 있도록 일 단부가 주입구(124)와 연결되어 있고, 타 탄부가 배출구(126)와 연결되어 있을 수 있다. 또한, 복수 개의 유로(122)는 각각 히트싱크(120)의 양 측면의 중앙부분을 감싸는 형태로 배치되어 있을 수 있다.
히트싱크(120)는 유로를 형성하는 제1 홈이 형성되어 있는 제1 플레이트, 상기 제1 홈과 결합하여 상기 유로를 형성하도록 상기 제1 홈이 형성된 위치에 대응하는 위치에 제2 홈이 형성되어 있는 제2 플레이트 및 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트를 서로 접착시키는 접착층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 플레이트는 알루미늄 재질의 플레이트를 프레스 금형하여 제조할 수 있고, 접착층을 제1 플레이트 및 제2 플레이트 사이에 삽입한 후 약 190℃의 온도로 약 200kgf의 힘을 가하여 약 120초간 가열 압착함으로써 히트싱크(120)를 제조할 수 있다.
히트싱크 프레임(140)은 가운데 부분에 상기 제1 영역을 노출시키는 개구부를 구비하고 상기 개구부를 형성하는 내부 측면에는 상기 제2 영역이 삽입되는 체결홈이 형성될 수 있다. 일 예로 히트싱크 프레임(140)은 히트싱크(120)의 양 측면이 외부로 노출될 수 있도록 히트싱크(120)의 둘레를 감싸는 형태로 히트싱크(120)와 결합될 수 있고, 히트싱크 프레임(140)의 상부 양 단부에는 히트싱크(120)에 형성된 주입구(124)와 배출구(126)가 형성된 위치에 대응하는 개구(142)가 각각 형성되어 있을 수 있다.
히트싱크 프레임(140)의 상기 체결홈에 히트싱크(120)의 상기 제2 영역이 삽입된 상태로 배터리 트레이가 제조될 수 있다. 예를 들면, 히트싱크(120)가 히트싱크 프레임(140)을 사출하는 금형틀 내부에 삽입된 상태에서, 수지가 상기 금형틀에 주입되고 상기 수지가 히트싱크(120) 모서리 부분을 따라 형성되어 있는 복수 개의 삽입개구(128)들에 삽입된 후 경화됨으로써 배터리 트레이(100)가 제조될 수 있다.
배터리(200)는 하나 이상일 수 있고, 복수 개의 배터리 트레이(100)들 사이에 배치되어 히트싱크(120)의 상기 제1 영역과 접촉할 수 있다.
일 예로 히트싱크 프레임(140)의 양 측면은 각각 히트싱크(120)의 양 측면보다 돌출되어 있기 때문에 배터리 트레이(100)에는 배터리(200)가 수용될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 따라서, 배터리(200)는 배터리 트레이(100)에 형성된 공간에 수용된 상태에서 배터리(200)의 일 측면이 히트싱크(120)의 상기 제1 영역과 접촉될 수 있다.
배터리(200)의 상부에는 양극(210)과 음극(220)이 각각 형성되어 있을 수 있고, 배터리(200)가 배터리 트레이(100)들 사이에 배치된 상태에서 양극(210) 및 음극(200)은 외부로 노출될 수 있다. 이는 배터리(200)와 배터리에 저장되어 있는 전력을 사용하는 설비간의 전기적 연결을 용이하게 하기 위함이다.
히트싱크 프레임(140)은 복수 개의 체결홀(144)들을 더 포함할 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈(1000)은 체결홀(144)들을 각각 관통하여 배터리 트레이들(100)과 배터리를 서로 밀착시킬 수 있는 복수 개의 체결부재들을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 배터리 트레이는, 상기 히트싱크 프레임의 양 측면에는 각각 상기 히트싱크의 양 측면보다 돌출되어 있을 수 있고, 상기 히트싱크 프레임의 양 측면이 각각 히트싱크의 양 측면보다 돌출되어 있기 때문에 상기 배터리가 수용될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 이와 같은 공간에 배터리가 삽입되어 히트싱크의 일 측면과 배터리의 일 측면이 서로 접촉할 수 있다.
일 예로 체결홀(144)들은 주입구(124)의 상·하부 및 배출구(126)의 상·하부 및 히트싱크 프레임(140)의 하부 양 단부에 형성될 수 있다. 배터리(200)가 상기 공간에 삽입된 후 배터리(200)가 배터리 트레이(100)들 사이에 배치된 상태에서, 복수 개의 체결부재들은 체결홀(142)에 각각 삽입되어 배터리 트레이(100)들과 배터리(200)를 서로 밀착시킬 수 있다. 체결부재로는 예를 들면 나사산이 형성되어 있는 볼트와 상기 볼트와 체결될 수 있는 나사홈이 내주면에 형성된 너트로 구성될 수 있고, 볼트와 너트가 체결됨으로써 배터리 트레이(100)들과 배터리(200)리가 서로 밀착될 수 있다.
하나 이상의 배터리(200)가 복수 개의 배터리 트레이(100)들 사이에 배치되어 하나의 배터리 모듈(1000)을 구성하는 경우, 각각의 배터리 프레임(140)들에 형성된 주입구, 배출구 및 체결홀은 하나의 긴 통로의 형상을 가질 수 있다.
배터리(200)에서 발생하는 열은 배터리(200)와 접촉된 히트싱크(120)로 전달될 수 있고, 전달된 열은 히트싱크(120)의 유로(122)를 통과하는 냉각수에 전달되고 전달된 열에 의하여 온도가 상승한 냉각수가 냉각수 배출개구를 통하여 배출됨으로써 배터리(200)를 냉각할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수냉식 배터리모듈 제조방법은 히트싱크 프레임을 사출하는 금형틀 내부에 히트싱크가 삽입되는 단계(S100), 상기 금형틀 내부로 수지가 주입되고, 상기 수지가 상기 히트싱크 모서리 부분을 따라 형성되어 있는 복수 개의 삽입개구들에 삽입된 후 경화되어 상기 히트싱크와 상기 히트싱크 프레임이 서로 결합된 배터리 트레이를 제조하는 단계(S200) 및 복수 개의 배터리 트레이들 사이에 하나 이상의 배터리를 배치한 후 상기 배터리 트레이들과 상기 배터리를 서로 밀착시키는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
수냉식 배터리모듈 제조하기 위하여 히트싱크를 준비한다. 히트싱크는 위에서 설명한 것과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
히트싱크가 준비되면 히트싱크를 히트싱크 프레임을 사출하는 금형틀 내부에 삽입한다(S100).
다음으로, 상기 금형틀 내부로 수지가 주입되고, 상기 수지가 상기 히트싱크 모서리 부분을 따라 형성되어 있는 복수 개의 삽입개구들에 삽입된 후 경화되어 상기 히트싱크와 상기 히트싱크 프레임이 서로 결합된 배터리 트레이를 제조한다. 종래에는 히트싱크와 히트싱크 프레임을 각각 제조한 후 이를 결합하는 공정을 수행함으로써 결합 공정이 반드시 수행되어야 했으나, 본 발명은 히트싱크 프레임을 사출하는 공정에서 히트싱크와 히트싱크 프레임이 서로 결합될 수 있으므로 간단한 공정을 통하여 배터리 트레이를 제조할 수 있다.
배터리 트레이가 제조된 후, 복수 개의 배터리 트레이들 사이에 하나 이상의 배터리를 배치한 후 상기 배터리 트레이들과 상기 배터리를 서로 밀착시키켜 배터리모듈을 제조한다. 상기 배터리 트레이들과 상기 배터리는 예를 들면, 볼트와 너트를 서로 체결함으로써 서로 밀착될 수 있다.
이상과 같은 공정을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리모듈이 제조될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1000: 수냉식 배터리모듈 100: 배터리 트레이
120: 히트싱크 140: 히트싱크 프레임
200: 배터리

Claims (5)

  1. 냉각수가 소통하는 유로가 형성된 제1 영역 및 상기 유로의 제1 단부와 연결된 주입구 및 상기 제1 단부와 대향하는 상기 유로의 제2 단부와 연결된 배출구가 형성되어 있고 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역을 포함하는 히트싱크; 및 가운데 부분에 상기 제1 영역을 노출시키는 개구부를 구비하고 상기 개구부를 형성하는 내부 측면에는 상기 제2 영역이 삽입되는 체결홈이 형성된 히트싱크 프레임을 각각 구비하는 복수 개의 배터리 트레이들; 및
    상기 배터리 트레이들 사이에 배치되어 상기 히트싱크의 제1 영역과 접촉하는 하나 이상의 배터리를 포함하는, 수냉식 배터리모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주입구와 상기 배출구는 상기 히트싱크의 상부 양 단부에서 서로 이격된 상태로 형성되어 있는, 수냉식 배터리모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크 프레임은 복수 개의 체결홀들을 더 포함하고,
    상기 체결홀들을 각각 관통하여 상기 배터리 트레이들과 상기 배터리를 서로 밀착시키는 복수 개의 체결부재들을 더 포함하는, 수냉식 배터리모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는,
    유로를 형성하는 제1 홈이 형성되어 있는 제1 플레이트;
    상기 제1 홈과 결합하여 상기 유로를 형성하도록 상기 제1 홈이 형성된 위치에 대응하는 위치에 제2 홈이 형성되어 있는 제2 플레이트; 및
    상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트를 서로 접착시키는 접착층을 포함하는, 수냉식 배터리모듈.
  5. 히트싱크 프레임을 사출하는 금형틀 내부에 히트싱크가 삽입되는 단계;
    상기 금형틀 내부로 수지가 주입되고, 상기 수지가 상기 히트싱크 모서리 부분을 따라 형성되어 있는 복수 개의 삽입개구들에 삽입된 후 경화되어 상기 히트싱크와 상기 히트싱크 프레임이 서로 결합된 배터리 트레이를 제조하는 단계;
    복수 개의 배터리 트레이들 사이에 하나 이상의 배터리를 배치한 후 상기 배터리 트레이들과 상기 배터리를 서로 밀착시키는 단계를 포함하는, 수냉식 배터리모듈 제조방법.
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