KR101715697B1 - 냉각부재로서 열전소자부를 갖는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

많은 부재들을 사용하지 않고, 전지셀의 온도 편차를 줄이고, 콤팩트한 구조에도 불구하고 냉각 효율성을 향상시킬 수 있는 전지모듈을 제공하고자 한다. 본 발명에 따른 전지모듈은, 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체 적어도 일면에 상기 전지셀들과 열적 접촉되어 있는 열전소자부를 포함한다. 상기 열전소자부는 흡열부와 발열부로 구성되며 그 흡열부가 상기 전지셀들과 열적 접촉되게 된다. 본 발명에 따르면, 다수의 전지셀들에 대응하여 열전소자부가 열적 접촉하므로 다수의 냉매유로를 확보하여야 하는 경우에 비하여 전지모듈의 전체 크기가 커지지 않고 부품 추가가 없으며 제조 공정이 복잡해지지 않는다. 또한, 모든 전지셀들에 대하여 일괄적인 냉각이 이루어지므로 온도 편차가 유발되지 않는다.

Description

냉각부재로서 열전소자부를 갖는 전지모듈{Battery module comprising thermoelectric module for cooling part}
본 발명은 전지모듈, 이를 포함하는 전지팩 및 디바이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체를 포함하는 전지셀들의 적층체 적어도 일면에 장착되어 있는 냉각부재를 통해 전지셀들을 냉각하는 전지모듈, 이를 포함하는 전지팩 및 디바이스에 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 각광받고 있다.
자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈 및 이를 단위모듈로 포함하는 중대형 전지팩이 사용된다. 이러한 전지모듈 및 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 밀집도로 적층할 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 전지모듈의 단위전지로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 많은 관심을 모으고 있다.
전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 고출력 대용량의 전지모듈 및 전지팩에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어렵다. 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 전지모듈 및 그것이 장착된 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각부재가 반드시 필요하다.
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, 냉각수와 같은 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
이차전지에서 발생한 열을 방출하는 다양한 방법 중 하나의 방법으로서, 대한민국 특허공개공보 제10-2013-0062056호에는 냉각수에 의한 냉각 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 많은 전지셀들을 적층할수록 냉각 구조와 관련하여 다수의 부품(탱크, 밸브, 펌프, 냉각기 등)이 추가되어 전지모듈의 체적이 커질 뿐만 아니라, 이로 인해 시스템의 가용 공간이 제약되고 제조 공정이 복잡해지며, 이에 따른 제조비용 역시 크게 상승하는 단점이 발생한다. 또한, 냉각 유로에 흐르는 냉매가 입구로 들어가서 출구로 나가게 되는 구조를 이용해야 하기 때문에 입구측에 가까운 쪽이 더 많이 냉각되고, 출구측에 가까운 쪽이 덜 냉각되는 문제점이 있다. 즉, 입구에서 멀고 출구에 가까울수록 냉각수의 온도가 상승하여 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 따라 이차전지의 온도 편차를 유발하고, 이차전지의 온도 편차는 이차전지의 성능 편차로 이어져 시스템의 성능 저하로 연결된다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 높은 냉각 효율성에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 많은 부재들을 사용하지 않고, 전지셀의 온도 편차를 줄이고, 콤팩트한 구조에도 불구하고 냉각 효율성을 향상시킬 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩 및 이 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체 적어도 일면에 상기 전지셀들과 열적 접촉되어 있는 열전소자부를 포함한다. 상기 열전소자부는 흡열부와 발열부로 구성되며 그 흡열부가 상기 전지셀들과 열적 접촉되게 된다.
상기 전지셀 적층체와 열전소자부 사이에 개재되는 냉각플레이트를 더 포함할 수 있고, 이 경우 써멀패드를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전지셀들의 계면에 개재되어 있고, 상기 전지셀 적층체의 일측 또는 양측 측면으로 단부가 돌출되어 있는 냉각핀들을 더 포함하고, 상기 열전소자부는 상기 냉각핀들의 돌출 단부에 장착되어 있을 수 있다.
상기 냉각핀은 열전도성을 가지는 박형의 부재라면 그것의 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재의 시트가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전지셀은 외주면의 일측에 양극 및 음극 단자가 돌출되어 있거나, 또는 외주면의 일측에 양극 단자가 돌출되어 있고 대향하는 반대측에 음극 단자가 돌출되어 있으며, 상기 냉각핀은 상기 양극 및 음극 단자가 돌출되는 방향과 수직인 방향으로 단부가 돌출되는 것일 수 있다.
상기 냉각핀들의 돌출 단부와 상기 열전소자부 사이에 개재되는 냉각플레이트를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 냉각핀들의 돌출 단부와 상기 냉각플레이트 사이에 개재되는 써멀패드를 더 포함할 수도 있다.
상기 냉각핀들의 돌출 단부는 상기 냉각플레이트에 밀착되도록 절곡되어 있는 것일 수 있다. 구체적으로, 돌출된 냉각핀들의 단부는 대략 90도 각도로 절곡되어 상기 냉각플레이트에 밀착될 수 있다.
상기 냉각플레이트는 구리, 금, 은, 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉각플레이트는 공냉식 부재로서, 공기와의 접촉면을 최대화한 구조이거나 공기 유로가 형성되도록 가공되어 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체를 형성하고 있을 수 있다. 특히, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스의 외주면을 열융착하여 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다. 이 경우, 상기 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면이 상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층체를 형성하는 카트리지들 사이에 고정되어 있을 수 있다.
구체적으로는, 상기 판상형 전지셀은 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층, 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층, 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다. 상기 파우치형 전지셀에서 전지케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈 및 전지팩의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 단위모듈로서 상기 전지모듈을 조합하여 제조될 수 있으며, 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따르면, 전기에너지를 열에너지로 변환시킬 수 있는 열전소자를 이용하여 전지셀 발열시 효율적인 냉각을 실시하는 냉각 시스템을 구축할 수 있다. 본 발명에 따르면, 다수의 전지셀들에 대응하여 열전소자부가 열적 접촉하므로, 전지셀마다 다수의 냉매유로를 확보하여야 하는 경우에 비하여 전지모듈의 전체 크기가 커지지 않고 부품 추가가 없으며 제조 공정이 복잡해지지 않는다. 또한, 모든 전지셀들에 대하여 일괄적인 냉각이 이루어지므로 온도 편차가 유발되지 않는다.
따라서, 콤팩트한 냉각 구조로 균일한 냉각 효과를 제공해 전지셀의 온도 편차 및 이에 따른 이차전지의 성능 편차를 낮추고 냉각 효율성을 향상시켜 발화 또는 폭발에 대한 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
특히 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀들 사이에 냉각핀을 개재하여 전지셀들의 발열시 냉각핀을 열전소자부에 의해 냉각시키는 구조를 포함함으로써, 간단한 냉각 구조로 냉각 효율성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 높은 냉각 효율성에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈, 전지팩 및 디바이스로의 확장이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지모듈에 사용될 수 있는 열전모듈을 개략적으로 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전지모듈에 사용될 수 있는 열전모듈의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 분해사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 전지모듈에서 전지셀들을 가로지르는 단면에서 취한 개략적인 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전지모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈(100)은, 전지셀 적층체(30) 및 열전소자부(60)를 포함한다.
전지셀 적층체(30)는 전지셀(10)들이 적층되어 있는 것이다. 상기 전지셀(10)은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀(10)에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체(30)를 형성하고 있을 수 있다.
전지셀(10)은 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체를 포함하며, 각 전지셀(10)의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 것일 수 있다.
상기 양극판의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극판은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차전지의 화학적 변화를 야기하지 않고 높은 도전성을 갖는 재질이라면 양극판으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 양극판의 일부 영역에는 양극 탭이 구비되는데 양극 탭은 상기 양극판이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 양극판의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 양극 재료를 상기 양극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하여 양극 탭을 형성하여도 무방하다.
상기 양극판에 대응되는 음극판은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 음극판 또한 일부 영역에 음극 탭이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭과 같이 상기 음극판에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다.
상기 양극 리드는 상기 양극판에 구비된 양극 탭에, 음극 리드는 상기 음극판에 구비된 음극 탭에 전기적으로 접속된다. 바람직하게, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 양극 탭 및 복수의 음극 탭과 접합된다.
상기 양극판과 상기 음극판에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 코팅되어 있다. 일 예로, 상기 양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질은 탄소 계열의 활물질이고, 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다.
상기 분리막은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 상기 분리막은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다.
상기 무기 입자는 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자가 바람직하며, 10 이상의 유전율 상수를 가지며 밀도가 낮은 무기 입자가 더욱 바람직하다. 이는 전지내에서 이동하는 리튬 이온을 용이하게 전달할 수 있기 때문이다. 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자의 비제한적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3(PLZT), Pb(Mg3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, HfO2, SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
상기 전지셀 적층체(30)는 전지셀(10)들 사이에 절연막을 개재시키면서 복수의 전지셀(10)을 단순 적층한 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 상기 전지셀 적층체(30)는 절연막의 상부 및/또는 하부에 전지셀(10)을 적절한 간격으로 배열한 후 절연막을 전지셀(10)과 함께 한쪽 방향으로 폴딩하여 폴딩된 절연막 사이 사이에 전지셀(10)이 삽입되어 있는 스택 폴딩 구조를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 상기 전지셀 적층체(30)는 파우치형 전지 조립체일 수 있다.
열전소자부(60)는 열전소자를 포함한다. 열전소자는 펠티어(Peltier) 효과를 이용하는 것으로, 2 종류의 금속 끝을 접속시키거나 서로 다른 N형과 P형으로 된 반도체 소자로 구성된 모듈에 전류를 흘려주면 네가티브(-)로 대전된 접점에서는 주위로부터 열에너지를 흡수한 전자가 열전소자 내부로 이동하여 흡열이 일어나며, 포지티브(+)로 대전된 접점에서는 전자의 열에너지 방출에 의해서 발열이 일어나게 되는 현상을 이용한다. 즉, 전기에너지를 열에너지로 변환시킬 수 있는 것이다. 이와 같이 본 발명에서는 전류 방향에 따라 열전소자부(60)의 한쪽은 흡열하고 다른 한쪽은 발열을 일으키도록 하여 열전소자부(60)의 양단에 나타나는 흡.발열 현상을 이용하여 전지셀 적층체(30)를 냉각하는 방식을 채용한다. 이 열전냉각방식은 냉매 순환 냉각 방식과는 달리 기계적인 작동부분이 필요 없는 환경문제를 야기하지 않는 냉각 방법이다.
열전소자부(60)를 구동하는 전류는 전지셀(10)로부터 공급받을 수 있도록 회로부를 구성하거나 별도의 전원을 더 추가할 수도 있다. 열전소자부(60)는 전지셀 적층체(30) 적어도 일면에 상기 전지셀(10)들과 열적 접촉되어 있다. 열전소자부(60)는 흡열부와 발열부로 구성되며, 흡열부가 상기 전지셀(10)들과 열적 접촉되도록 하여, 전지셀(10)들에서 발생한 열을 상기 발열부로 전달하는 기능을 수행할 수 있다. 열전소자부(60)는 바람직하게 열전모듈로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전지모듈에 사용될 수 있는 열전모듈을 개략적으로 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전지모듈에 사용될 수 있는 열전모듈의 정면도이다. 열전모듈은 이와 같이 판형으로 제작할 수 있어 전지셀 적층체(30) 일면에 장착하기가 용이하다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 열전모듈(60')은 상부 기판(61) 및 하부 기판(62), 그리고 상기 상부 기판(61) 및 하부 기판(62)의 일면에 구비되는 금속 전극(63)과, 상기 금속 전극(63) 사이에 이격된 다수의 P형 열전 반도체(64) 및 N형 열전 반도체(65)를 포함할 수 있다. 상기 금속 전극(63)은 열전모듈(60')에 전원이 인가되면 상기 P형 열전 반도체(64) 및 N형 열전 반도체(65)에 전류가 흐를 수 있도록 하는 것으로, 보다 구체적으로 살펴 보면 상기 상부 기판(61)의 하면에 구비되는 상부 금속 전극과, 상기 하부 기판(62)의 상면에 구비되는 하부 금속 전극으로 구성될 수 있다. 상기 금속 전극(63)은 열전모듈(60')에 공급되는 전원의 손실을 최소화하기 위하여 전기전도성이 높은 재질로 형성될 수 있고, 보다 상세하게는, 은이나 구리 등 전도성이 우수한 소재로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 상부 금속 전극과 하부 금속 전극의 일면에는 P형 열전 반도체(64) 및 N형 열전 반도체(65)가 각각 한 개씩 이격되도록 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 상부 전극의 하면 좌측에는 P형 열전 반도체(64)가 구비될 수 있고, 상기 P형 열전 반도체(64)로부터 우측으로 이격된 곳에는 N형 열전 반도체(65)가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 하부 전극의 상면 좌측에는 N형 열전 반도체(65)가 구비될 수 있고, 상기 N형 열전 반도체(65)로부터 우측으로 이격된 곳에는 P형 열전 반도체(64)가 구비될 수 있다.
상기 열전모듈(60')에 전원이 공급되면 상기 P형 열전 반도체(64) 및 N형 열전 반도체(65)가 전기적으로 직렬 연결되어 전류가 흐르게 되고, 펠티에 효과에 의해 상기 P형 열전 반도체(64) 내의 정공은 (-)쪽으로 열을 갖고 이동하고, 상기 N형 열전 반도체(65)의 내의 전자는 (+)쪽으로 열을 갖고 이동하여 상기 상부 기판(61)은 가열되고, 상기 하부 기판(62)은 냉각된다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 상기 열전모듈(60')의 하부 기판(62)은 본 발명에 따른 전지모듈(100)의 흡열부로 작동할 수 있고, 상기 상부 기판(61)은 발열부로 작동할 수 있으며, 이에 따라, 상기 하부 기판(62) 쪽이 전지셀(10)들과 열적 접촉할 수 있도록 구성함이 바람직하다.
이와 같이, 전지모듈(100)에서는 다수의 전지셀(10)들에 대응하여 열전소자부(60)가 열적 접촉하므로 다수의 냉매유로를 확보하여야 하는 경우에 비하여 전지모듈(100)의 전체 크기가 커지지 않고 부품 추가가 없으며 제조 공정이 복잡해지지 않는다. 또한, 모든 전지셀(10)들에 대하여 일괄적인 냉각이 이루어지므로 온도 편차가 유발되지 않는다. 열전소자부(60)의 구조가 간단하고 추가적인 부대 장치가 없기 때문에 매우 콤팩트한 전지모듈(100) 제작이 가능해진다. 따라서, 시스템의 가용 공간이 확보된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4에 도시한 전지모듈(100')은 도 1에 도시한 전지모듈(100)의 변형예로서, 전지셀 적층체(30)와 열전소자부(60) 사이에 냉각플레이트(70) 및 써멀패드(80)를 더 포함한 경우이다.
상기와 같은 구조에 따라, 상기 전지셀 적층체(30)에서 발생한 열은 상기 냉각플레이트(70)를 통하여 상기 열전소자부(60)의 흡열부에서 발열부로 전달되어 외부로 방출하게 된다.
냉각플레이트(70)는 전지셀 적층체(30)에서 발생하는 열을 상기 열전소자부(60)로 전달하는 기능을 수행하는 것으로, 보다 효율적인 열 전달을 위해 열전도도가 우수한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 냉각플레이트(70)는 열전도성을 가지는 부재라면 그것의 소재가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 냉각플레이트(70)는, 구리, 금, 은, 질화알루미늄, 탄화규소, 알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함하는 것으로 이루어질 수 있다.
아래 표 1은 상기 냉각플레이트(70)를 이룰 수 있는 각 소재들의 열전도도로써, 표 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 구리의 경우 약 400 W/m.K의 열전도도를 가진다. 따라서, 상기 냉각플레이트(70)가 구리로 이루어지는 경우, 충, 방전시에 상기 전지셀 적층체(30)에서 발생되는 열을 상기 열전소자부(60)로 빠르게 전달하여 냉각 효율을 높일 수 있다.
Figure 112014095520235-pat00001
써멀패드(80)는 전지셀 적층체(30)의 열을 상기 냉각플레이트(70) 및 열전소자부(60)에 효율적으로 전달하게 하는 부재로서, 전지셀 적층체(30)와 냉각플레이트(70) 사이에서 밀착성을 향상시키기 위하여 탄성 소재로 이루어질 수 있다. 하나의 예로, 실리콘에 열전도성 물질을 조합한 열전달 패드를 제조함으로써 탄성과 열전도성이 동시에 발휘되는 구조로 이루어질 수 있다. 써멀패드(80)는 부품에서 발생되는 열로 인해 기기 장애를 일으키는 곳에 사용되어 내부의 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 고안되어 여러 제조업체에서 생산되고 있으며 시판되는 써멀패드를 구입하여 적용하여도 좋다. 열전도성, 신축성과 유연성, 절연성이 뛰어난 써멀패드를 선택하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 분해사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 전지모듈에서 전지셀들을 가로지르는 단면에서 취한 개략적인 단면도이다.
도 5 및 도 6의 전지모듈(200)은 특히 전지셀(110)이 파우치형 전지셀인 경우이다. 파우치형 전지셀은 양극판, 분리막 및 음극판 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층, 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층, 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다. 상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 파우치형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스의 외주면을 열융착하여 밀봉한 구조일 수 있다. 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면은 상기 전지셀(110)들을 각각 고정하여 전지셀 적층체(130)를 형성하는 카트리지들 사이에 고정될 수 있다.
전지모듈(200)은 이와 같은 파우치형 전지셀을 단위 전지셀(110)로 포함하는 전지셀 적층체(130), 냉각플레이트(170) 및 열전소자부(160)를 포함하는 구조로 이루어져 있다. 냉각플레이트(170)는 도 4를 참조하여 설명한 냉각플레이트(70)와 유사하고 특히 공냉식 부재로서, 공기와의 접촉면을 최대화한 구조이거나 공기 유로가 형성되도록 가공되어 있을 수 있다. 열전소자부(160)는 도 1을 참조하여 설명한 열전소자부(60)와 유사하며 특히 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 열전모듈(60')일 수 있다.
도 6에 상세히 도시한 바와 같이, 전지셀 적층체(130)는 전지셀(110)들의 계면에 개재되어 있고, 상기 전지셀 적층체(130)의 일측 또는 양측 측면으로 단부가 돌출되어 있는 냉각핀(120)들을 더 포함한다.
전지셀(110)은 도시한 바와 같이 외주면의 일측에 양극 단자가 돌출되어 있고 대향하는 반대측에 음극 단자가 돌출되어 있으나, 외주면의 일측에 양극 및 음극 단자가 돌출되어 있을 수도 있고, 어느 경우이든 냉각핀(120)은 상기 양극 및 음극 단자가 돌출되는 방향과 수직인 방향으로 단부가 돌출되어 있을 수 있다.
냉각핀(120)은 열전도성을 가지는 박형의 부재라면 그것의 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재의 시트가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
냉각핀(120)들의 돌출 단부에는 냉각플레이트(170)를 사이에 두고 열전소자부(160)가 배치됨으로써 전지셀 적층체(130)는 전지셀(110)들과 열전소자부(160)가 열적 접촉할 수 있다.
냉각핀(120)들의 돌출 단부는 상기 냉각플레이트(170)에 밀착되도록 절곡되어 있다. 구체적으로, 돌출된 냉각핀(120)들의 단부는 대략 90도 각도로 절곡되어 상기 냉각플레이트(170)에 밀착될 수 있다. 이러한 구조는 상기 냉각플레이트(170)와의 접촉 면적을 증가시켜 열전도 효율을 높여 냉각 효과를 더욱 향상시킨다. 냉각플레이트(170)는 도 6의 확대 그림에서 보는 바와 같이 열전소자부(160)와의 사이에 공기 유로를 형성하도록 골판지 모양처럼 골이 지게 가공이 되어 있어 효과적인 열전달 및 냉각이 가능하다.
도 6 확대그림에 붉은색 화살표로 도시한 것은 열의 흐름으로서, 냉각플레이트(170)는 전지셀(110)들의 열을 냉각핀(120)들을 통해 전도받아서 열전소자부(160)로 전도하여 냉각을 수행한다. 냉각핀(120)들의 돌출 단부와 상기 냉각플레이트(170) 사이에는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 써멀패드가 더 포함될 수도 있다.
이와 같이 전지모듈(200)은 전지셀(110)들 사이에 냉각핀(120)을 개재하여 전지셀(110)들의 발열시 냉각핀(120)을 열전소자부(160)에 의해 냉각시키는 구조를 포함함으로써, 간단한 냉각 구조로 냉각 효율성을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 전지모듈이 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 높은 냉각 효율성에 의해 수명 특성과 안전성이 우수하다. 이러한 전지모듈은 전지팩을 구성하고, 전지팩은 이를 사용하는 디바이스에 장착되어 우수한 전지 성능을 구현한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10, 110...전지셀 30, 130...전지셀 적층체
60, 160...열전소자부 60'...열전모듈
70, 170...냉각플레이트 80...써멀패드
100, 100', 200...전지모듈 120...냉각핀

Claims (14)

  1. 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀들의 계면에 개재되어 있고, 상기 전지셀 적층체의 일측 또는 양측 측면으로 단부가 돌출되어 있는 냉각핀들;
    상기 냉각핀들의 돌출 단부에 장착되어 상기 전지셀들과 열적 접촉되어 있는 열전소자부를 포함하고,
    상기 냉각핀들의 돌출 단부와 상기 열전소자부 사이에 개재되는 냉각플레이트를 더 포함하며,
    상기 냉각플레이트는 상기 열전소자부와의 사이에 공기 유로가 형성되도록 골이 지게 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 전지셀은 외주면의 일측 또는 양측에 양극 및 음극 단자가 돌출되어 있으며, 상기 냉각핀은 상기 양극 및 음극 단자가 돌출되는 방향과 수직인 방향으로 단부가 돌출되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 냉각핀들의 돌출 단부와 상기 냉각플레이트 사이에 개재되는 써멀패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 냉각핀들의 돌출 단부는 상기 냉각플레이트에 밀착되도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 냉각플레이트는 구리, 금, 은, 질화알루미늄, 탄화규소, 알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스의 외주면을 열융착하여 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀이고, 상기 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면이 상기 전지셀들을 각각 고정하여 전지셀 적층체를 형성하는 카트리지들 사이에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제1항, 제5항, 제7항 또는 제9항 내지 제12항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제13항에 따른 전지팩을 포함하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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