KR101240961B1 - 신규한 구조의 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도를 제어할 수 있는 전지팩으로서, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개를 포함하고 있는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈; 상기 전지모듈의 냉각 또는 가열을 위한 유체가 전지모듈을 통과하도록 형성되어 있는 유체 유로; 상기 유체 유로 상에 위치하고, 전지모듈의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키는 유동 변환부; 및 전지모듈의 온도에 대한 정보를 바탕으로 상기 유동 변환부의 작동을 제어하는 작동 제어부;를 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.

Description

신규한 구조의 전지팩 {Battery Pack Having Novel Structure}
본 발명은 신규한 구조의 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 온도를 제어할 수 있는 전지팩으로서, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개를 포함하고 있는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈; 상기 전지모듈의 냉각 또는 가열을 위한 유체가 전지모듈을 통과하도록 형성되어 있는 유체 유로; 상기 유체 유로 상에 위치하고, 전지모듈의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키는 유동 변환부; 및 전지모듈의 온도에 대한 정보를 바탕으로 상기 유동 변환부의 작동을 제어하는 작동 제어부;를 포함하고 있는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
또한, 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
한편, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 판상형 전지셀로 구성된 전지모듈 또는 전지팩을 HEV, PHEV, EV 등과 같이 자동차용 배터리로서 사용하기 위해서는 긴 수명이 보장되어야 한다. 이를 위해서는 전지들을 특정 온도 이하로 유지시키기 위한 냉각 시스템이 매우 중요한 요소이다. 뿐만 아니라, 전지간 온도 편차를 특정 범위 이하로 하여 전지간의 퇴화 편차를 감소시켜야만 전지팩의 성능이 급격히 감소되는 것을 방지할 수 있다.
반면에, 공기와 같이 기체를 이용한 냉각 방식의 경우, 냉각 경로가 길어지므로 냉각 과정에서 공기의 온도가 상승하여 전지팩의 전방부에 위치한 전지와 후방부에 위치한 전지 간에 온도 차이가 크게 발생하는 문제점이 있다. 특히, 최근 외부 디바이스의 장착 조건에 따라 다양한 형태의 전지팩이 요구되는 추세인 바, 2 개 이상의 전지모듈을 적층하는 형태로 구성된 전지팩의 경우, 종래의 전지팩과 같이 동일한 냉각 경로를 사용하는 경우 전지간 온도 편차가 매우 커지는 문제점이 있다.
또한, 냉각 경로를 따라 전지들이 적층된 경우, 그 길이가 길어짐에 따라 전지팩에 유입된 공기가 전지 표면을 냉각시키면서 점점 상승하게 되고, 이는 전지팩의 전방부에 위치한 전지와 후방부에 위치한 전지 간의 온도차를 유발시키는 문제점이 있다. 즉, 온도차에 의한 전지의 내부 저항 및 퇴화 정도의 차이를 유발함으로써 전체적인 전지팩 성능에 매우 큰 영향을 미치는 문제점이 있다. 또한, 전지팩 전체의 성능은 가장 많이 퇴화된 전지의 성능에 의해 좌우된다.
따라서, 냉각 시스템을 설계하는 데 있어서 유체의 유동 균일화 뿐만 아니라 필요에 따라 온도 편차를 감소시킬 수 있는 냉각 시스템을 적용한 특정 구조의 전지팩이 매우 필요한 실정이다.
이러한 온도 제어는 비단 열을 제거하는 냉각 뿐만 아니라 과냉각 상태를 해소하기 위해 열을 제공하는 가열 시스템에도 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 전지팩에 대한 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 전지모듈의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키는 유동 변환부를 유체 유로 상에 위치시킬 경우, 놀랍게도, 전지팩의 구조를 크게 변경함이 없이 유동 변환부 만으로 전지팩의 온도를 균일하게 유지하여 전지팩의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 온도를 제어할 수 있는 전지팩으로서,
충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개를 포함하고 있는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈;
상기 전지모듈의 냉각 또는 가열을 위한 유체가 전지모듈을 통과하도록 형성되어 있는 유체 유로;
상기 유체 유로 상에 위치하고, 전지모듈의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키는 유동 변환부; 및
전지모듈의 온도에 대한 정보를 바탕으로 상기 유동 변환부의 작동을 제어하는 작동 제어부;를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩에서, 유동 변환부가 전지모듈의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키기 위해 유체 유로 상에 위치하고 있으므로, 전지팩의 구조를 크게 변경함이 없이 유동 변환부 만으로 전지팩의 온도를 균일하게 유지할 수 있다.
구체적으로, 전지팩의 최종 유입구와 최종 배출구의 경로는 변화시키지 않고 유동 변환부만 추가하여 전지팩 내부의 냉각 경로 방향을 전환하는 전지팩 냉각 시스템을 구성함으로써 전지간의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
또한, 전지모듈의 전방부에 위치한 전지와 전지모듈의 후방부에 위치한 전지의 온도 차이에 따라 냉각 방향을 유연하게 변경할 수 있기 때문에 소망하는 전지 간의 온도 편차를 매우 정확도 높게 유지할 수 있다.
더욱이, 일반적으로 전지팩 설계시 전지모듈을 적층하는 방법은 기계적으로 안정한 시스템 구성 및 신뢰성 있는 냉각 시스템 구성 측면에서 제약을 가지는 바, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈의 적층 구조에 관계없이 신뢰성 있는 냉각 시스템을 구성할 수 있으므로 전지팩 설계의 유연성을 용이하게 확보할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩을 구성하는 전지모듈은 다수의 단위 셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거하거나 및/또는 과냉각된 전지모듈을 적정하게 가열할 수 있도록 인접한 단위 셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 소정의 장착부재에 내장하고 이러한 장착부재들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 후자의 경우를 본 발명에서는 '단위모듈'로 칭한다.
다수의 단위모듈들을 적층하여 전지모듈을 구성하는 경우에는, 적층된 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거하거나 과냉각 상태를 해소할 수 있도록, 유체의 유로가 전지셀들 사이 및/또는 단위모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 유체 유로는, 외부로부터 유동 변환부로 유체가 유입되는 제 1 유로, 유동 변환부로부터 외부로 유체가 배출되는 제 2 유로, 유동 변환부로부터 전지모듈로 유체가 유입되는 제 3 유로, 및 전지모듈로부터 유동 변환부로 유체가 배출되는 제 4 유로를 포함하고 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 구조에서, 제 3 유로와 제 4 유로는 전지모듈을 중심으로 서로 대향하고 있는 구조로 이루어져 있어서, 제 3 유로로 유입된 유체가 전지모듈을 통과하며 냉각 또는 가열시킨 후 제 4 유로를 통해 배출되거나, 제 4 유로로 유입된 유체가 전지모듈을 통과하며 냉각 또는 가열시킨 후 제 3 유로를 통해 배출될 수 있다.
상기 유동 변환부는, 바람직하게는, 제 1 유로와 제 3 유로의 연결 및 제 2 유로와 제 4 유로의 연결을 위한 연결 상태(a), 또는 제 1 유로와 제 4 유로의 연결 및 제 2 유로와 제 3 유로의 연결을 위한 연결 상태(b)를 선택하여 유체의 유동 방향을 결정하는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적인 예로서, 평상시에는 유동 변환부가 연결 상태(a)를 유지하여 유체가 전지모듈의 전방부로 유입되어 전지모듈의 후방부로 흐르다가, 전지모듈의 후방부에 위치한 전지의 온도가 전지모듈의 전방부에 위치한 전지의 온도 보다 소정 범위를 벗어나는 경우 유동 변환부가 연결 상태(b)를 선택함으로써 유체가 전지모듈의 후방부로 유입되어 전지모듈의 전방부로 흐르도록 유체의 유동 방향을 변경할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 유동 변환부는, 제 1 유로에 연결되는 외부 유입구, 제 2 유로에 연결되어 있는 외부 배출구, 제 3 유로에 연결되어 있는 내부 유입구, 및 제 4 유로에 연결되어 있는 내부 배출구를 포함하고 있는 고정부; 및 상기 고정부의 내부에 회전 가능하게 장착에 되어 있고, 외부 유입구 및 내부 유입구와 연통할 수 있는 제 1 연통구, 외부 배출구 및 내부 배출구를 연통할 수 있는 제 2 연통구, 외부 유입구 및 내부 배출구와 연통할 수 있는 제 3 연통구, 및 외부 배출구 및 내부 유입구와 연통할 수 있는 제 4 연통구를 포함하며, 연결 상태(a)에서 제 1 연통구와 제 2 연통구 만이 유입구 및 배출구에 연통되고, 연결 상태(b)에서 제 3 연통구와 제 4 연통구 만이 유입구 및 배출구에 연통되는 구조로 이루어진 회전부;를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 회전부는 바람직하게는 원통 구조로서, 고정부의 상부로부터 수직으로 삽입된 형태로 장착되어 있는 구조일 수 있으며, 구체적인 예로서, 제 1 연통구와 제 2 연통구는 상기 회전부를 수평으로 관통하는 관통구의 형태로 형성되어 있고, 제 3 연통구와 제 4 연통구는 회전부와 고정부의 계면에서 회전부의 외면에 그루브의 형태로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기 외부 유입구와 외부 배출구는 고정부의 일측에 형성되어 있고, 상기 내부 유입구와 내부 배출구는 고정부의 대향측에 형성되어 있으며, 회전부의 90도 회전시 연결 상태(a)가 연결 상태(b)로 변환되는 구조일 수 있다.
상기 작동 제어부는 제 3 유로에 인접한 단위셀의 온도와 제 4 유로에 인접한 단위셀의 온도 차이가 소정값 이상일 때 유동 변환부를 제어할 수 있다.
예를 들어, 제 3 유로에 인접한 단위셀의 온도와 제 4 유로에 인접한 단위셀의 온도 차이가 섭씨 3℃~7℃ 이상일 때, 작동 제어부가 유동 변환부를 제어하여 제 3 유로와 제 4 유로의 유체 방향을 변경시키도록 전지팩의 냉각 또는 가열시스템을 구성할 수 있다.
상기 구체예에서, 유체의 유동 구동력은 다양한 방식으로 제공될 수 있으며, 예를 들어, 펌프에 의해 제공될 수 있으며, 이러한 펌프는 임의의 유로 상에 선택적으로 위치할 수 있다.
상기 구체예의 구조는, 전지팩에 대한 유체의 유입 및 배출 방향은 변화가 없는 상태에서, 유동 변화부에서의 작동만으로 전지모듈에 대한 유체의 유입 및 배출 방향을 변경하는 방식이므로, 전지팩 전체에 대한 구조 변화가 초래되지 않아 종래의 전지팩에 유연하게 적용 가능하다는 효과도 갖는다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 유동 변환부는 유체의 유동 방향을 변경하는 가변 펌프를 포함하는 구조일 있다. 구체적으로, 제 1 유로와 제 3 유로가 연통되어 있고, 제 2 유로와 제 4 유로가 연통되어 있으며, 유체의 유동 구동력을 제공하는 가변 펌프는, 제 1 유로부터 제 3 유로로의 유체 유동과 제 4 유로부터 제 2 유로로의 유체 유동을 제공하는 가동 상태(c), 또는 제 2 유로부터 제 4 유로로의 유체 유동과 제 3 유로부터 제 1 유로로의 유체 유동을 제공하는 가동 상태(d)를 선택하여, 유체의 유동 방향을 결정하는 구조로 이루어질 수 있다.
제 1 유로와 제 3 유로 사이의 유체 유동 및 제 2 유로와 제 4 유로 사이의 유체 유동 중 하나의 유체 유동이 설정되면, 나머지 유체 유동은 자동적으로 설정되게 되므로, 가변 펌프는 제 1 유로와 제 3 유로 사이 설치되거나, 제 2 유로와 제 4 유로 사이에 설치될 수 있다. 경우에 따라서는 제 1 유로와 제 3 유로 사이와 제 2 유로와 제 4 유로 사이에 각각 설치될 수도 있다.
이러한 가변 펌프로 구성된 유동 변환부에서, 유체 유동 방향의 결정을 위한 조건은, 예를 들어, 상기에서 설명한 바와 같이, 제 3 유로에 인접한 단위셀의 온도와 제 4 유로에 인접한 단위셀의 온도 차이가 소정 크기 이상일 경우로 설정할 수 있다
본 발명에서, 유체는 냉각 또는 가열을 위한 열의 전달이 가능한 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 대표적으로는 공기, 물 등을 들 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 단위셀들은 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단위셀들은 측면으로 적층되어 있고, 상기 유체가 단위셀 적층방향에 수직한 방향으로 유동할 수 있도록 유체 유입구와 유체 배출구가 모듈 케이스의 상부 및 하부에 각각 위치하고 있는 구조일 수 있다.
일반적으로, 단위셀들이 측면으로 적층된 전지모듈의 경우, 적층 길이가 증가함에 따라, 전지모듈의 냉각 측면에서, 전지모듈의 후방부에 위치한 단위셀의 온도가 전지모듈의 전방부에 위치한 단위셀의 온도보다 높아지는 문제점이 있다.
이와는 달리, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈에 유입 및 배출되는 유체의 유로를 필요에 따라 변경할 수 있는 유동 변환부를 포함하고 있으므로 상기와 같이 종래 구조의 전지팩에서 발생하는 문제점을 용이하게 해결할 수 있다.
상기 구조의 바람직한 예로서, 상기 유체 유입구로부터 단위셀 적층체에 이르는 유동 공간('유체 유입부')과 단위셀 적층체로부터 유체 배출구에 이르는 유동 공간('유체 배출부')이 모듈 케이스에 각각 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 유체 유입부 및 유체 배출부는 전지셀들의 충방전에 따른 열의 발생을 효과적으로 냉각 또는 가열시키기 위한 유체가 유입 및 배출될 수 있는 유동 공간으로서, 상호 반대방향으로 모듈 케이스의 상부와 하부에 각각 형성되어 있다. 경우에 따라서는, 유체 유입부와 유체 배출부가 모듈 케이스의 하부와 상부에 각각 형성될 수도 있다.
상기 전지셀은 이차전지로서, 대표적으로 니켈 수소 이차전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도가 높고 방전 전압이 큰 리튬 이차전지가 특히 바람직하다. 전지모듈을 구성하는 충방전 단위셀로서 형상 면에서는 각형 전지와 파우치형 전지가 바람직하다.
참고로, 본 명세서에서 사용된 용어 "전지모듈"은 둘 또는 그 이상의 충방전 전지셀들 또는 단위모듈들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 소형 전지모듈을 다수 개 연결한 대형 전지모듈의 구성도 가능하고, 전지셀들을 소수 연결한 단위모듈을 다수 개 연결한 구성도 가능하다.
한편, 상기 단위모듈의 구조는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예를 하기에서 설명한다.
단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되거나 일측에 모두 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 직렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 2 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 결합되는 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 전지셀이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
이러한 전지셀들은 2 또는 그 이상의 단위로 합성수지 또는 금속 소재의 고강도 셀 커버에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성할 수 있는 바, 상기 고강도 셀 커버는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 따라서, 궁극적으로 더욱 안전성이 우수한 중대형 전지모듈의 제조가 가능해 진다.
단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 전극단자들을 결합시킨 뒤, 2 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되게 접고 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 단위모듈들을 제조할 수 있다.
상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.
전극단자들이 상호 연결되어 있고 높은 밀집도로 충적된 다수의 전지셀 또는 단위모듈들은, 바람직하게는, 조립식 체결구조로 결합되는 상하 분리형의 케이스에 수직으로 장착되어 전지모듈을 구성할 수 있다.
단위모듈과 이러한 단위모듈 다수 개를 사용하여 제조되는 전지모듈의 더욱 구체적인 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-45443호와 제2006-45444호에 개시되어 있으며, 상기 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
본 발명에 따른 전지팩은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 전지셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되고, 과냉각 상태에서 작동 효율성을 높이기 위해 가열이 필요한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등의 전원에 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키기 위해 유체 유로 상에 위치하고 있는 유동 변환부를 포함하고 있으므로, 전지팩의 구조를 크게 변경함이 없이 유동 변환부 만으로 전지팩의 온도를 균일하게 유지하여 전지팩의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 3 및 도 4는 도 1의 유동 변환부에 대한 하나의 실시예에 따른 사시도들이다;
도 5 및 도 6은 도 2의 유동 변환부에 대한 하나의 실시예에 따른 사시도들이다;
도 7은 본 발명의 전지팩에서 또 다른 실시예에 따른 유동 변환부의 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(200)은 온도를 제어하는 전지팩으로서, 전지모듈(100), 유체 유로(270), 유동 변환부(250), 및 작동 제어부(260)로 구성되어 있다.
전지모듈(100)은 충방전이 가능한 단위모듈 다수 개를 포함하고 있고, 유체 유로(270)는 전지모듈(100)의 냉각 또는 가열을 위한 유체가 전지모듈(100)을 통과하도록 형성되어 있다.
유동 변환부(250)는 전지모듈(100)의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키기 위해 유체 유로(270) 상에 위치하고 있고, 작동 제어부(260)는 전지모듈(100)의 온도에 대한 정보를 바탕으로 유동 변환부(250)의 작동을 제어하기 위해 유동 변환부(250)와 연결되어 있다.
또한, 유체 유로(270)는, 외부로부터 유동 변환부(250)로 유체가 유입되는 제 1 유로(210), 유동 변환부(250)로부터 외부로 유체가 배출되는 제 2 유로(220), 유동 변환부(250)로부터 전지모듈(100)로 유체가 유입되는 제 3 유로(230), 및 전지모듈(100)로부터 유동 변환부(250)로 유체가 배출되는 제 4 유로(240)를 포함하고 있고, 제 3 유로(230)와 제 4 유로(240)는 전지모듈(100)을 중심으로 서로 대향하고 있다.
또한, 유동 변환부(250)는 제 1 유로(210)와 제 3 유로(230)의 연결 및 제 2 유로(220)와 제 4 유로(240)의 연결을 위한 연결 상태(a)를 선택하여, 제 1 유로(210) 및 제 3 유로(230)를 경유하여 유입된 유체가 전지모듈(100)을 냉각 또는 가열한 후 제 4 유로(240) 및 제 2 유로(220)를 경유하여 외부로 배출되도록 하고 있다.
도 2에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 유동 변환부(250a)는 제 1 유로(210)와 제 4 유로(240)의 연결 및 제 2 유로(220)와 제 3 유로(230)의 연결을 위한 연결 상태(b)를 선택하여, 제 1 유로(210) 및 제 4 유로(240)를 경유하여 유입된 유체가 전지모듈(100)을 냉각 또는 가열한 후 제 3 유로(230) 및 제 2 유로(220)를 경유하여 외부로 배출되도록 하고 있다.
또한, 작동 제어부(260)는 제 4 유로(240)에 인접한 전지모듈(100)의 온도가 제 3 유로(230)에 인접한 전지모듈(100)의 온도보다 대략 섭씨 5도 이상 클 때 도 1 의 유동 변환부(250)를 도 2의 유동 변환부(250a)와 같이 제어함으로써, 유체의 유동 경로를 변환하고 있다.
도 3 및 도 4에는 도 1의 유동 변환부의 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다. 구체적으로, 도 3의 유동 변환부(250)는 회전부(252)가 고정부(254)에 삽입되기 전의 상태를 나타내고 있고, 도 4의 유동 변환부(250)는 회전부(252)가 고정부(254)에 삽입된 후의 상태를 나타내고 있다.
이들 도면을 도 1과 함께 참조하면, 유동 변환부(250)는 고정부(254) 및 회전부(252)로 구성되어 있다. 고정부(254)는, 제 1 유로(210)에 연결되는 외부 유입구(2542), 제 2 유로(220)에 연결되어 있는 외부 배출구(2544), 제 3 유로(230)에 연결되어 있는 내부 유입구(2546), 및 제 4 유로(240)에 연결되어 있는 내부 배출구(2548)를 포함하고 있다.
회전부(252)는 고정부(254)의 내부에 회전 가능하게 장착에 되어 있고, 고정부(254)의 외부 유입구(2542) 및 내부 유입구(2546)와 연통하는 제 1 연통구(2522), 및 고정부(254)의 외부 배출구(2544) 및 내부 배출구(2548)를 연통하는 제 2 연통구(2524)를 포함하고 있다.
또한, 회전부(252)는 원통 구조로서, 고정부(254)의 상부로부터 수직으로 삽입된 형태로 장착되어 있고, 연결 상태(a)에서 제 1 연통구(2522)와 제 2 연통구(2524) 만이 유입구(2542, 2546) 및 배출구(2544, 2548)에 연통되어 있다.
제 1 연통구(2522)와 제 2 연통구(2524)는 회전부(252)를 수평으로 관통하는 관통구의 형태로 형성되어 있고, 제 3 연통구(2526)와 제 4 연통구(2528)는 회전부(252)와 고정부(254)의 계면에서 회전부(252)의 외면에 그루브의 형태로 형성되어 있다.
도 5 및 도 6에는 도 2의 유동 변환부의 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다. 구체적으로, 도 5의 유동 변환부(250a)는 회전부(252)가 고정부(254)에 삽입되기 전의 상태를 나타내고 있고, 도 6의 유동 변환부(250a)는 회전부(252)가 고정부(254)에 삽입된 후의 상태를 나타내고 있다.
이들 도면을 도 2와 함께 참조하면, 회전부(252)는 고정부(254)의 외부 유입구(2542) 및 내부 배출구(2548)와 연통하는 제 3 연통구(2526), 및 고정부(254)의 외부 배출구(2544) 및 내부 유입구(2546)와 연통하는 제 4 연통구(2528)를 포함하고 있다.
또한, 도 5 및 도 6의 유동 변환부(250a)는 도 3의 유동 변환부(250)를 우측 화살표 방향으로 90도 회전시켜, 회전부(252)가 연결 상태(b)에서 제 3 연통구(2526)와 제 4 연통구(2528) 만이 유입구(2542, 2546) 및 배출구(2544, 2548)에 연통되는 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 외부 유입구(2542)와 외부 배출구(2544)는 고정부(254)의 일측에 형성되어 있고, 내부 유입구(2546)와 내부 배출구(2548)는 고정부(254)의 대향측에 형성되어 있으며, 회전부(252)의 90도 회전시 연결 상태(a)가 연결 상태(b)로 변환된다.
도 7에는 본 발명의 전지팩에서 유동 변환부의 또 다른 예가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 유동 변환부(250')는 유체의 흐름 방향을 변경하는 가변 펌프(255)을 포함하고 있다. 구체적으로, 제 1 유로(210)와 제 3 유로(230)가 연통되어 있고, 제 2 유로(220)와 제 4 유로(240)가 연통되어 있고, 유체의 유동 구동력을 제공하는 가변 펌프(255)를 포함하고 있다.
따라서, 작동 제어부(260)는, 제 1 유로(210)부터 제 3 유로(230)로의 유체 유동과 제 4 유로(240)부터 제 2 유로(220)로의 유체 유동을 제공하는 가동 상태(실선 표시), 또는 제 2 유로(220)부터 제 4 유로(240)로의 유체 유동과 제 3 유로(230)부터 제 1 유로(210)로의 유체 유동을 제공하는 가동 상태(일점 쇄선 표시)를 선택하여, 유체의 유동 방향을 결정한다.
유체의 유동 방향을 결정하기 위한 조건은 도 1 내지 도 6에서 설명한 바와 동일할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, A 부분은 전지모듈의 내부에서 단위모듈들이 적층된 상태를 설명하기 위해 B 방향에서 바라 본 단위모듈들의 적층상태를 모식적으로 도시한 것이다.
도 8을 도 1과 함께 참조하면, 전지모듈(100a)은 단위모듈들(30) 다수 개가 측면으로 적층되어 전기적으로 연결되어 있는 단위모듈 적층체(32)와, 이러한 단위모듈 적층체(32)가 장착되는 모듈 케이스(70), 유체가 외부에서 전지모듈(100a)로 유입되는 유체 유입구(10)와 단위모듈 적층체(32)로부터 유체가 배출되는 유체 배출구(도시하지 않음)로 구성되어 있다.
유체 유입구(10)로부터 유입된 유체는 단위모듈들(30) 사이에 형성된 유로(50)를 통과하면서 단위모듈들(30)에서 발생한 열을 냉각 또는 가열시키고 유체 배출구를 지나 최종적으로 유동 변환부(250)를 통과하여 외부로 배출된다.
또한, 전지모듈들(100a)은 폭방향(W)과 높이방향(H)으로 각각 2개씩 적층되어 있지만, 전지모듈의 적층 개수는 필요에 따라 증가할 수 있음은 물론이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 온도를 제어할 수 있는 전지팩으로서,
    충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개를 포함하고 있는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈;
    상기 전지모듈의 냉각 또는 가열을 위한 유체가 전지모듈을 통과하도록 형성되어 있는 유체 유로;
    상기 유체 유로 상에 위치하고, 전지모듈의 온도 상태에 따라 유체의 유동 방향을 변환시키는 유동 변환부; 및
    전지모듈의 온도에 대한 정보를 바탕으로 상기 유동 변환부의 작동을 제어하는 작동 제어부;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 유로는, 외부로부터 유동 변환부로 유체가 유입되는 제 1 유로, 유동 변환부로부터 외부로 유체가 배출되는 제 2 유로, 유동 변환부로부터 전지모듈로 유체가 유입되는 제 3 유로, 및 전지모듈로부터 유동 변환부로 유체가 배출되는 제 4 유로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 유로와 제 4 유로는 전지모듈을 중심으로 서로 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 유동 변환부는, 제 1 유로와 제 3 유로의 연결 및 제 2 유로와 제 4 유로의 연결을 위한 연결 상태(a), 또는 제 1 유로와 제 4 유로의 연결 및 제 2 유로와 제 3 유로의 연결을 위한 연결 상태(b)를 선택하여 유체의 유동 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 유동 변환부는,
    제 1 유로에 연결되는 외부 유입구, 제 2 유로에 연결되어 있는 외부 배출구, 제 3 유로에 연결되어 있는 내부 유입구, 및 제 4 유로에 연결되어 있는 내부 배출구를 포함하고 있는 고정부; 및
    상기 고정부의 내부에 회전 가능하게 장착에 되어 있고, 외부 유입구 및 내부 유입구와 연통할 수 있는 제 1 연통구, 외부 배출구 및 내부 배출구를 연통할 수 있는 제 2 연통구, 외부 유입구 및 내부 배출구와 연통할 수 있는 제 3 연통구, 및 외부 배출구 및 내부 유입구와 연통할 수 있는 제 4 연통구를 포함하며, 연결 상태(a)에서 제 1 연통구와 제 2 연통구 만이 유입구 및 배출구에 연통되고, 연결 상태(b)에서 제 3 연통구와 제 4 연통구 만이 유입구 및 배출구에 연통되는 구조로 이루어진 회전부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 회전부는 원통 구조로서, 고정부의 상부로부터 수직으로 삽입된 형태로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 제 1 연통구와 제 2 연통구는 상기 회전부를 수평으로 관통하는 관통구의 형태로 형성되어 있고, 제 3 연통구와 제 4 연통구는 회전부와 고정부의 계면에서 회전부의 외면에 그루브의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 외부 유입구와 외부 배출구는 고정부의 일측에 형성되어 있고, 상기 내부 유입구와 내부 배출구는 고정부의 대향측에 형성되어 있으며, 회전부의 90도 회전시 연결 상태(a)가 연결 상태(b)로 변환되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 작동 제어부는 제 3 유로에 인접한 단위셀의 온도와 제 4 유로에 인접한 단위셀의 온도 차이가 소정값 이상일 때 유동 변환부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유로와 제 3 유로가 연통되어 있고 제 2 유로와 제 4 유로가 연통되어 있으며, 상기 유동 변환부는 유체의 유동 구동력을 제공하는 가변 펌프를 포함하고 있고, 상기 가변 펌프는, 제 1 유로부터 제 3 유로로의 유체 유동과 제 4 유로부터 제 2 유로로의 유체 유동을 제공하는 가동 상태(c), 또는 제 2 유로부터 제 4 유로로의 유체 유동과 제 3 유로부터 제 1 유로로의 유체 유동을 제공하는 가동 상태(d)를 선택하여, 유체의 유동 방향을 결정하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 셀들은 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 단위 셀들은 측면으로 적층되어 있고, 상기 유체가 단위 셀 적층방향에 수직한 방향으로 유동할 수 있도록 유체 유입구와 유체 배출구가 모듈 케이스의 상부 및 하부에 각각 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 유체 유입구로부터 단위 셀 적층체에 이르는 유동 공간('유체 유입부')과 단위 셀 적층체로부터 유체 배출구에 이르는 유동 공간('유체 배출부')이 모듈 케이스에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 셀 커버;를 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 단위모듈은 금속 소재의 셀 커버 내부에 두 개의 전지셀들이 장착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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