KR101283344B1 - 열전 필름을 포함하고 있는 전지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 판상형 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 각각의 전지셀 계면에는 하나 또는 둘 이상의 열전 필름이 개재되어 있으며, 상기 열전 필름은, 통전시 흡열 가능을 발휘한 면(흡열면)과 발열 기능을 발휘하는 면(발열면)을 가지는 열전소자, 및 상기 열전소자의 열을 전도하는 도전층을 포함하고 있고, 상기 열전소자의 흡열면은 전지셀에 대면해 있고, 발열면은 도전층에 접해 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

열전 필름을 포함하고 있는 전지모듈{Battery Module Containing Thermoelectric Film}

본 발명은 열전 필름을 포함하고 있는 전지모듈로서, 더욱 상게하게는, 판상형 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 각각의 전지셀 계면에는 열전 필름이 개재되어 있으며, 상기 열전 필름은, 통전시 흡열 가능을 발휘한 면과 발열 기능을 발휘하는 면을 가지는 열전소자, 및 상기 열전소자의 열을 전도하는 도전층을 포함하고 있고, 상기 열전소자의 흡열면은 전지셀에 대면해 있고, 발열면은 도전층에 접해 있는 구조로 이루어진 전지모듈에 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), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In 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 전지셀(단위전지)로서 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.

이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.

충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.

중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 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 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.

그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.

이와 관련하여, 본 발명에서는 이후 자세히 설명하는 바와 같이 전류의 인가시 양측의 온도 차이가 발생하는 열전소자를 사용하여 전지모듈의 온도 상승을 방지하고 동시에 적정한 온도범위에서 전지가 작동할 수 있도록 하는 기술을 제공하고 있다.

전지팩에 열전소자를 사용하는 예로서, 한국 특허공개출원 제2005-0096786호는, 전지팩의 외면을 감싸고 있는 하우징의 일면에 공기 유입구와 배출구가 형성되어 있고, 공기의 유동을 위한 구동팬이 상기 유로 상에 위치하며, 상기 공기 유입구에는 유입되는 공기의 온도를 제어하기 위한 펠티어 소자가 설치되어 있는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술은 펠티어 소자를 사용하여 전지의 냉각 효율을 높이고 있고 있으나, 유입구 및 배출구를 고려한 위치에 펠티어 소자를 설치하고, 별도의 구동팬을 설치하는 등 장치의 전반적인 구성이 번잡하여 조립 공정이 복잡하고, 설계상의 제약이 따를 수 있다.

따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 전지셀의 일면에 열전소자를 장착하여 열을 제거함으로써, 전지모듈 전체의 크기 증가를 억제하면서 전지모듈의 최적 작동온도를 용이하게 조절할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 필름을 포함하고 있는 전지모듈은, 다수의 판상형 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서,

상기 각각의 전지셀 계면에는 하나 또는 둘 이상의 열전 필름이 개재되어 있으며,

상기 열전 필름은, 통전시 흡열 가능을 발휘한 면(흡열면)과 발열 기능을 발휘하는 면(발열면)을 가지는 열전소자, 및 상기 열전소자의 열을 전도하는 도전층을 포함하고 있고,

상기 열전소자의 흡열면은 전지셀에 대면해 있고, 발열면은 도전층에 접해 있는 구조로 구성되어 있다.

즉, 전지모듈 내부에 장착되어 있는 전지셀이 다양한 원인에 의해 과열되는 경우, 열전 필름은 전지셀에 접해 있는 흡열면을 통해 열을 흡수하고 발열면에서 방열을 이룸으로써 전지모듈의 온도를 안전한 온도 범위로 저하시킨다. 따라서, 전지모듈의 유입구에 열전소자를 설치하고, 별도의 구동팬을 설치하는 종래의 냉각 시스템보다 간단하고 콤팩트한 구조로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 냉각 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 전지셀들을 적층할 수 있다.

상기 열전 필름은 전지셀의 계면에서 보다 효율적으로 열전달을 이룰 수 있도록, 바람직하게는 상기 두 개의 열전 필름이 서로 대향하는 방향으로 개재되어 있을 수 있다. 경우에 따라서는, 전지셀의 계면에 하나의 열전 필름을 개재하거나, 또는 하나의 도전층에 서로 대향하는 방향으로 열전소자를 각각 포함할 수 있음은 물론이다.

상기 열전소자의 작동을 위한 회로는 전극부재를 경유하여 전지모듈의 작동을 위한 제어부에 연결되어 있을 수 있다. 즉, 상기 열전소자와 제어부의 연결에서 회로가 각각의 열전소자 마다 연결되어 있거나 일체로 연결되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 상기 제어부의 예로는 BMS(battery Management System)를 들 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 전극부재는 전지셀에 장착되어 전지모듈의 구성시 열전소자를 제어부와 연결할 수 있는 구조라면 특별히 한정되는 것을 아니며, 예를 들어, 상기 전지셀들의 상부, 측부, 및 하부 중 어느 한 부위에 위치하는 구조일 수 있다.

상기 열전소자는 다양한 형태로 도전층에 형성될 수 있으며, 하나의 예에서, 전지셀의 일면에 접할 수 있도록, 도전층 전면에 형성되어 있을 수 있다.

또 다른 예에서, 전류의 인가시 열전소자의 흡열 및 발열률의 효율성을 높이기 위하여, 상기 열전소자는 도전층에 둘 또는 그 이상의 독립적인 아일랜드 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 열전소자가 개재된 전지셀의 일면에서 흡열 및 발열 현상을 보다 빠르게 유도할 수 있다.

상기 구조에서, 아일랜드 형상의 열전소자들은 작동 효율성 및 냉각 효율성을 높일 수 있도록 바람직하게는, 규칙적인 패턴으로 형성되어 있을 수 있으며, 보다 균일한 냉각을 유도하기 위해서 허니컴 형상으로 패턴화되어 있을 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 아일랜드 형상의 열전소자들은 바람직하게는 직렬로 상호 연결되어 제어부와 연결된다.

한편, 상기 열전소자는 전류가 인가되면 양단에서 흡열 또는 방열 현상이 각각 발생하는 열전소자로, 예를 들어 펠티어 소자일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 열전소자는 높은 열전도성을 가지는 도전층에 접해 있어서 전지모듈 외부로의 효과적인 방열을 수행할 수 있다. 상기 도전층의 예로서, 질화알루미늄(AlN), 구리, 은, 스테인리스 중 어느 하나로 이루어진 금속층 또는 그라파이트(graphite) 층 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

또 다른 바람직한 예에서, 열전 필름에 구조적 안정성과 전지모듈의 조립 과정에서의 핸들성 및 기계적 강성을 높이기 위하여, 상기 열전 필름은 상기 도전층이 탑재되는 필름 기재를 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들어 고분자 필름일 수 있다. 이러한 고분자 필름의 소재는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 폴리프로필렌 필름, 폴리에스테르 필름 등을 들 수 있으며, 경우에 따라서는, 내열성이 우수한 고분자 수지가 사용될 수도 있다.

도전층은 이러한 필름 기재에 가열 융착되거나 증착 방식으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 전지모듈은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 전지셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원에 바람직하게 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 필름을 포함하고 있는 전지모듈은, 전지의 방열을 촉진하기 위한 열전 필름이 전지셀 계면들에 개재되어 있고, 열전소자가 도전층에 패턴화되어 있으므로, 전지모듈의 크기 증가를 최소화하면서 전지셀에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 모식도이다;
도 2는 도 1의 열전 필름의 측면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열전 필름과 제어부의 평면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전필름과 제어부의 평면도이다;
도 5는 필름 기재를 포함하는 열전필름의 부분 측면도이다.

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 전지모듈의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 열전 필름의 측면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈(300)은 다수의 판상형 전지셀(100)들이 팩 케이스(310)에 내장되어 순차적으로 적층되어 있고, 각각의 전지셀(100) 계면에는 열전 필름(200)이 개재되어 있다.

열전 필름(200)은 통전시 흡열 가능을 발휘한 흡열면(211)과 발열 기능을 발휘하는 발열면(212)을 가지는 펠티어 소자(210), 및 펠티어 소자(210)의 열을 전도하는 도전층(220)을 포함하고 있다.

펠티어 소자(210)의 흡열면(211)은 전지셀(100)에 대면해 있고, 발열면(212)은 도전층(220)에 접해 있다.

이러한 열전 필름(200)은 두 개의 열전 필름이 서로 대향하는 방향으로 개재(A)되어 있거나, 하나의 도전층(220)에 서로 대향하는 방향으로 펠티어 소자(210)를 각각 포함(B)하여 개재하거나, 전지셀(100)의 계면에 하나의 열전 필름(200)을 개재(C)하는 구조 등 다양하게 형성될 수 있다.

한편, 도전층(220)은 질화알루미늄(AlN), 구리, 은, 스테인리스 중 어느 하나로 이루어진 금속층 또는 그라파이트(graphite) 층일 수 있다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열전 필름과 제어부의 평면도가 도시되어 있다.

도 3을 도 1과 함께 참조하면, 펠티어 소자(210a)의 작동을 위한 회로(230)가 전지셀(100)의 측부에 위치한 전극부재(110)를 경유하여 전지모듈(300)의 작동을 위한 제어부(320)에 연결되어 있으며, 펠티어 소자(210a)와 제어부(320)의 연결에서 회로(230)가 각각의 펠티어 소자(210a) 마다 직렬로 연결되어 있다.

또한, 펠티어 소자(210a)는 도전층(220)에 6 개의 독립적인 아일랜드 형상으로 형성되어 있어서, 전류의 인가에 의해 펠티어 소자(210a)가 개재된 전지셀의 일면에서 흡열 및 발열 현상을 보다 빠르게 유도할 수 있다.

도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 필름과 제어부의 평면도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 펠티어 소자(210b)는 아일랜드 형상의 허니컴 형상으로 패턴화되어 있는 점을 제외하고는 도 3과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 도 3의 열전 필름에 필름 기재를 포함한 부분 측면도를 모식적으로 도시하고 있다.

도 5를 도 3과 함께 참조하면, 열전필름(200')은 도전층(220)이 탑재되는 고분자 필름(240)을 추가로 포함하고 있어서, 열전 필름에 보다 높은 기계적 강성과 구조적 안정성 및 핸들링성을 부여할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

1. 다수의 판상형 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서,
   상기 각각의 전지셀 계면에는 하나 또는 둘 이상의 열전 필름이 개재되어 있으며,
   상기 열전 필름은, 통전시 흡열 가능을 발휘한 면(흡열면)과 발열 기능을 발휘하는 면(발열면)을 가지는 열전소자, 및 상기 열전소자의 열을 전도하는 도전층을 포함하고 있고,
   상기 열전소자의 흡열면은 전지셀에 대면해 있고, 발열면은 도전층에 접해 있으며,
   상기 열전소자의 작동을 위한 회로는 전극부재를 경유하여 전지모듈의 작동을 위한 제어부에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 계면에는 두 개의 열전 필름이 서로 대향하는 방향으로 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극부재는 상기 전지셀들의 상부, 측부, 및 하부 중 어느 한 부위에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 열전소자는 도전층 전면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 열전소자는 도전층에 둘 또는 그 이상의 독립적인 아일랜드 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 아일랜드 형상의 열전소자들은 규칙적인 패턴으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 아일랜드 형상의 열전소자들은 허니컴 형상으로 패턴화되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 아일랜드 형상의 열전소자들은 직렬로 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 열전소자는 펠티어 소자인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 도전층은 질화알루미늄(AlN), 구리, 은, 스테인리스 중 어느 하나로 이루어진 금속층 또는 그라파이트(graphite) 층인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 열전 필름은 도전층이 탑재되는 필름 기재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 필름 기재는 고분자 필름인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 필름 기재는 도전층에 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.

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