KR102377870B1 - 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

배터리 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀이 적층되는 배터리 셀 적층체; 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및 배터리 셀 적층체의 어느 하나의 배터리 셀과, 상기 어느 하나의 배터리 셀에 이웃하는 다른 배터리 셀 사이에 배치되어 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키는 열전달부재를 포함하며, 열전달부재는 배터리 셀로부터 이격되도록 설치되며 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키기 위해 배터리 셀에 접촉되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME AND VEHICLE}
본 발명은, 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 냉각과 가열이 모두 가능한 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB), 리튬 폴리머 전지(Polymer Lithium Ion Battery, PLIB) 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차 전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 시트(sheet), 메시(mesh), 필름(film), 호일(foil) 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 도포한 후 건조시킴으로써 형성된다.
이차 전지는 온도에 따라 거동이 달라진다. 즉, 이차 전지의 온도가 상승하면 스웰링(swelling)이 발생하거나 폭발할 수도 있고, 이차 전지의 온도가 하강하면 성능이 퇴화하여 수명이 단축되는 문제점이 있으므로, 이차 전지의 온도를 미리 설정된 범위 내에서 유지시킬 필요가 있다.
하지만, 종래 이차 전지는 냉각 또는 가열 중 어느 하나만이 가능하도록 마련되므로 온도가 변화되는 상황에서 대처할 수 없는 문제점이 있다. 즉, 예를 들어, 냉각 기능만 구비된 이차 전지의 경우 추운 날씨에서, 또는, 온도가 극히 낮은 지방에서 사용하면 이차 전지를 원활하게 사용할 수 없거나 수명이 단축되는 문제점이 있고, 가열 기능만 구비된 이차 전지 역시 이차 전지로부터 발생된 열에 의해 스웰링 또는 폭발이 발생하여 사용하기 힘든 문제점이 있다.
한국 공개특허 공개번호 제10-2016-0034674호(공개일자:2016년03월30일)
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 냉각과 가열이 모두 가능한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀이 적층되는 배터리 셀 적층체; 상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및 상기 배터리 셀 적층체의 어느 하나의 배터리 셀과, 상기 어느 하나의 배터리 셀에 이웃하는 다른 배터리 셀 사이에 배치되어 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키는 열전달부재를 포함하며, 상기 열전달부재는 상기 배터리 셀로부터 이격되도록 설치되며 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키기 위해 상기 배터리 셀에 접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 상기 열전달부재는, 상이한 열팽창계수를 가지는 복수의 금속이 서로 결합된 바이메탈; 및 상기 바이메탈의 양 단부 중 적어도 하나에 결합된 열전소자를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 열전소자에는 방열판과 방열팬 중 적어도 하나가 결합될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀로부터 발생된 열의 대류에 의해 상기 바이메탈이 상기 배터리 셀측으로 휘어지도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 바이메탈의 일측 단부에는 펠티에소자인 제1 열전소자가 결합되고, 상기 바이메탈의 일측 단부의 반대 방향인 타측 단부에는 펠티에소자인 제2 열전소자가 결합될 수 있다.
또한, 상기 제1 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며, 상기 제1 열전소자의 발열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제1 열전소자의 흡열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 증가시 상기 배터리 셀에 접촉되게 마련되고, 상기 제2 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며, 상기 제2 열전소자의 흡열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제2 열전소자의 발열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 감소시 상기 배터리 셀에 접촉되게 마련될 수 있다.
그리고, 상기 바이메탈의 양측 단부 중 어느 하나의 단부에만 펠티에소자인 제3 열전소자 또는 제4 열전소자가 결합될 수 있다.
또한, 상기 제3 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며, 상기 제3 열전소자의 발열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제3 열전소자의 흡열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 증가시 상기 배터리 셀에 접촉되도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 제4 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며, 상기 제4 열전소자의 흡열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제4 열전소자의 발열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 감소시 상기 배터리 셀에 접촉되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제3 열전소자가 결합된 바이메탈이 복수로 마련되어 상기 배터리 셀 각각의 사이에 배치되며, 상기 배터리 셀의 온도 증가시 상기 제3 열전소자의 흡열부가 상기 배터리 셀에 접촉되고, 상기 배터리 셀의 온도 감소시 상기 바이메탈이 상기 배터리 셀에 접촉되어 상기 제3 열전소자의 발열부로부터 발생된 열이 상기 바이메탈을 통해 상기 배터리 셀로 전달될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀이 적층되는 배터리 셀 적층체와, 상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱을 포함하는 배터리 모듈; 및 상기 배터리 모듈이 복수로 마련되며, 복수의 상기 배터리 모듈 중 어느 하나의 배터리 모듈과, 상기 어느 하나의 배터리 모듈에 이웃하는 다른 배터리 모듈 사이에 배치되어 상기 배터리 모듈을 냉각 또는 가열시키는 열전달부재를 포함하며, 상기 열전달부재는 상기 배터리 모듈로부터 이격되도록 설치되며 상기 배터리 모듈을 냉각 또는 가열시키기 위해 상기 배터리 모듈에 접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 또다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있고, 또한, 상기 배터리 모듈을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 배터리로부터 이격된 열전달부재가 배터리측으로 이동할 수 있으며, 이에 의해 냉각과 가열이 모두 가능한 효과가 있다.
또한, 이동가능하게 설치된 열전달부재에 의해 간편하고 용이하게 냉각과 가열이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 열전소자가 배터리 셀로부터 이격되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제1 열전소자의 흡열부가 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제2 열전소자의 발열부가 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 열전소자에 결합되는 방열판과 방열팬이 분리된 모습의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제3 열전소자가 배터리 셀로부터 이격되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제3 열전소자의 흡열부가 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 바이메탈이 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 열전달부재가 배터리 모듈로부터 이격되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 열전소자가 배터리 셀로부터 이격되어 있는 모습의 개략적인 단면도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제1 열전소자의 흡열부가 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제2 열전소자의 발열부가 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 열전소자에 결합되는 방열판과 방열팬이 분리된 모습의 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀 적층체(100)와, 케이싱(200)과, 열전달부재(300)를 포함한다.
배터리 셀 적층체(100)는 복수의 배터리 셀(110)이 적층되도록 마련된다. 여기서, 배터리 셀(110)은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한, 복수의 배터리 셀(110)은 다양한 방식으로 적층될 수 있다. 그리고, 배터리 셀 적층체(100)에는 전극 리드가 구비되는 배터리 셀(110)이 복수로 마련된다. 배터리 셀(110)에 구비되는 전극 리드는 외부로 노출되어 외부 기기에 연결되는 일종의 단자로서 전도성 재질이 사용될 수 있다. 전극 리드는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 또는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드가 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다. 전극 리드는 버스바에 전기적으로 결합될 수 있다. 배터리 셀(110)은 양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열되는 단위 셀(Unit Cell) 또는 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터-양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열된 바이 셀(Bi-Cell)을 전지 용량에 맞게 복수개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
배터리 셀 적층체(100)는 각각의 배터리 셀(110)을 수납하는 카트리지(미도시)가 복수로 구비될 수 있다. 각각의 카트리지(미도시)는 플라스틱의 사출 성형으로 제조될 수 있고, 배터리 셀(110)을 수납할 수 있는 수납부가 형성된 복수의 카트리지들(미도시)이 적층될 수 있다. 복수의 카트리지들(미도시)이 적층된 카트리지 조립체에는 커넥터 요소 또는 단자 요소가 구비될 수 있다. 커넥터 요소는, 예를 들어, 배터리 셀(110)의 전압 또는 온도에 대한 데이터를 제공할 수 있는 BMS(Battery Management System, 미도시) 등에 연결되기 위한 다양한 형태의 전기적 연결 부품 내지 연결 부재가 포함될 수 있다. 그리고, 단자 요소는 배터리 셀(110)에 연결되는 메인 단자로서 양극 단자와 음극 단자를 포함하며, 단자 요소는 터미널 볼트가 구비되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 배터리 셀(110)은 다양한 형상을 가질 수 있다.
케이싱(200)에는 배터리 셀 적층체(100) 또는, 배터리 셀 적층체(100)가 수납된 카트리지 조립체가 수납될 수 있다. 즉, 케이싱(200)은 배터리 셀 적층체(100) 또는 복수의 카트리지 조립체들의 전체를 둘러싸며 이에 의해 외부의 진동이나 충격으로부터 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체를 보호한다.
케이싱(200)은 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체가 육면체 형상으로 마련되는 경우 케이싱(200)도 이에 대응되도록 육면체 형상으로 마련될 수 있다. 케이싱(200)은 예를 들어, 금속 재질의 플레이트를 절곡하여 제조될 수 있고 또는 플라스틱 사출물에 의해 제조될 수도 있다. 그리고, 케이싱(200)은 일체형으로 제조될 수도 있고, 또는 분리형으로 제조될 수도 있다. 케이싱(200)에는 전술한 커넥터 요소 또는 단자 요소가 외부로 노출될 수 있는 관통부(미도시)가 형성될 수 있다. 즉, 커넥터 요소 또는 단자 요소는 외부의 소정 부품 내지 부재와 전기적으로 연결될 수 있는데, 이러한 전기적 연결이 케이싱(200)에 의해 방해되지 않도록 케이싱(200)에 관통부가 형성될 수 있다.
열전달부재(300)는 배터리 셀 적층체(100)의 어느 하나의 배터리 셀(110)과, 어느 하나의 배터리 셀(110)에 이웃하는 다른 배터리 셀(110) 사이에 배치되어 배터리 셀(110)을 냉각 또는 가열시킨다. 여기서, 열전달부재(300)는 배터리 셀(110)로부터 이격되도록 설치되며 배터리 셀(110)의 온도가 상승하거나 하강하면 열전달부재(300)가 배터리 셀(110)에 접촉되어 배터리 셀(110)을 냉각 시키거나, 또는 가열시킨다.
열전달부재(300)는 바이메탈(310)과 열전소자(320)를 포함할 수 있다. 이하, 바이메탈(310)과 열전소자(320)에 대해 설명한다. 한편, 도면에서는 설명의 편의를 위해 과장되도록 도시되어 있지만, 바이메탈(310)과 열전소자(320)는 충분히 작은 크기를 가질 수 있으며, 또한, 어느 하나의 배터리 셀(110)과, 어느 하나의 배터리 셀(110)에 이웃하는 다른 배터리 셀(110) 사이의 간격 역시 필요에 따라 작게 형성될 수 있다.
바이메탈(310)은 상이한 열팽창계수를 가지는 복수의 금속이 서로 결합되도록 제작되며, 바이메탈(310)로 열이 제공되거나, 바이메탈(310)로부터 열이 방출되면 바이메탈(310)이 휘어진다. 예를 들어, 도 2 내지 도 4에서와 같이, 열팽창계수가 다른 제1 금속(311)과 제2 금속(312)이 서로 결합된 바이메탈(310)로 열이 제공되면 도 3에서와 같이 도 3을 기준으로 좌측으로 바이메탈(310)이 휘어지게 된다. 그리고, 열팽창계수가 다른 제1 금속(311)과 제2 금속(312)이 서로 결합된 바이메탈(310)로부터 열이 방출되면 도 4에서와 같이 도 4를 기준으로 우측으로 바이메탈(310)이 휘어지게 된다. 여기서, 바이메탈(310)은 배터리 셀(110)로부터 발생된 열의 대류에 의해 배터리 셀(110)측으로 휘어지도록 마련될 수 있다. 그리고, 바이메탈(310)은 추운 날씨 등과 같이 외부의 낮은 온도에 의해 배터리 셀(110)측으로 휘어지도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(110)의 계속적 사용에 의해 배터리 셀(110)로부터 발생되는 열이 대류에 의해 바이메탈(310)로 이동하며, 배터리 셀(110)로부터 발생되어 바이메탈(310)로 이동된 열에 의해 바이메탈(310)이 어느 한 방향으로 휘어지도록 마련될 수 있다. 그리고, 날씨가 춥거나 극지방에서와 같이 외부 온도가 낮은 경우 바이메탈(310)은 배터리 셀(110)로부터 열이 발생되어 바이메탈(310)이 휘어진 방향과 반대 방향으로 휘어지도록 마련될 수 있다.
열전소자(320)는 다양하게 마련될 수 있으며, 예를 들어, 두 종류의 금속 끝을 접속시키고 여기에 전류를 흘려보내면 전류 방향에 따라 일측에서는 열을 흡수하고 타측에서는 열을 방출하는 펠티에효과가 발생될 수 있는 펠티에소자일 수 있다. 여기서, 도 5를 참조하면, 열전소자(320)에는 방열판(400)과 방열팬(500) 중 적어도 하나가 결합될 수 있다. 이하에서는 열전소자(320)가 펠티에소자인 경우를 중심으로 설명한다. 열전소자(320)는 바이메탈(310)의 양 단부 중 적어도 하나에 결합될 수 있다. 도 2를 참조하면, 바이메탈(310)의 양 단부 모두에 열전소자(320)가 결합된 경우 바이메탈(310)의 양 단부 각각에는 제1 열전소자(321)와 제2 열전소자(322)가 결합될 수 있다. 여기서, 제1 열전소자(321)는 바이메탈(310)의 일측 단부, 예를 들어, 도 2를 기준으로 바이메탈(310)의 좌측에 결합될 수 있고, 제2 열전소자(322)는 바이메탈(310)의 일측 단부의 반대 방향인 타측 단부, 예를 들어, 도 2를 기준으로 바이메탈(310)의 우측에 결합될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제1 열전소자(321)는 발열부(321a)와 흡열부(321b)를 포함하며, 제1 열전소자(321)의 발열부(321a)가 바이메탈(310)에 결합되고, 제1 열전소자(321)의 흡열부(321b)가 배터리 셀(110)로부터 이격되어 배터리 셀(110)을 향하도록 배치될 수 있다. 그리고, 도 3에서와 같이 배터리 셀(110)의 온도 증가시 배터리 셀(110)로부터 발생된 열에 의해 도 3을 기준으로 좌측으로 바이메탈(310)이 휘어지면 바이메탈(310)에 결합된 제1 열전소자(321)가 배터리 셀(110) 측으로 이동하고 제1 열전소자(321)의 흡열부(321b)가 배터리 셀(110)에 접촉되도록 마련될 수 있다. 이에 의하면, 제1 열전소자(321)의 흡열부(321b)가 온도 상승한 배터리 셀(110)에 접촉되어 배터리 셀(110)의 열을 방출시키며 배터리 셀(110)의 냉각이 가능한 효과가 있다. 그리고, 도 2를 참조하면, 제2 열전소자(322)도 발열부(322a)와 흡열부(322b)를 포함하며, 제2 열전소자(322)의 흡열부(322b)가 바이메탈(310)에 결합되고, 제2 열전소자(322)의 발열부(322a)가 배터리 셀(110)로부터 이격되어 배터리 셀(110)을 향하도록 배치될 수 있다. 그리고, 도 4에서와 같이 배터리 셀(110)의 온도 감소시 도 4를 기준으로 우측으로 바이메탈(310)이 휘어지면 바이메탈(310)에 결합된 제2 열전소자(322)가 배터리 셀(110) 측으로 이동하고 제2 열전소자(322)의 발열부(322a)가 배터리 셀(110)에 접촉되도록 마련될 수 있다. 이에 의하면, 제2 열전소자(322)의 발열부(322a)가 온도 감소된 배터리 셀(110)에 접촉되어 배터리 셀(110)로 열을 전달하며 배터리 셀(110)의 가열이 가능한 효과가 있다. 이와 같이, 바이메탈(310)의 양 단부에 제1 열전소자(321)와 제2 열전소자(322)가 결합되고, 배터리 셀(110)에서 열이 발생되는 경우 제1 열전소자(321)가 배터리 셀(110)을 냉각하고, 추운 날씨 등에서 사용시 제2 열전소자(322)가 배터리 셀(110)에 열을 전달하여 가열하므로, 배터리 모듈(10)은 미리 설정된 최적의 온도 범위에서 사용될 수 있으며, 이에 의해 배터리 모듈(10)의 수명 단축을 방지하는 효과가 있다. 한편, 도 2에서와 같이, 예를 들어, 양측 끝부분에 위치한 바이메탈(310)에는 바이메탈(310)의 양측 단부 중 어느 하나의 단부에만 열전소자(320)가 결합될 수 있다. 여기서, 도 2를 기준으로 우측 끝부분에는 제3 열전소자(323)가 결합된 바이메탈(310)이 위치할 수 있고, 좌측 끝부분에는 제4 열전소자(324)가 결합된 바이메탈(310)이 위치할 수 있다. 제3 열전소자(323)와 제4 열전소자(324)는 펠티에소자이며, 제3 열전소자(323)는 제1 열전소자(321)와 마찬가지로 발열부(323a)와 흡열부(323b)를 포함할 수 있다. 그리고, 제3 열전소자(323)의 발열부(323a)가 바이메탈(310)에 결합되고, 제3 열전소자(323)의 흡열부(323b)가 배터리 셀(110)로부터 이격되어 배터리 셀(110)을 향하도록 배치될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(110)의 온도 증가시 제3 열전소자(323)의 흡열부(323b)가 배터리 셀(110)에 접촉될 수 있다. 그리고, 제4 열전소자(324)는 제2 열전소자(322)와 마찬가지로 제4 열전소자(324)의 흡열부(324b)가 바이메탈(310)에 결합되고, 제4 열전소자(324)의 발열부(324a)가 배터리 셀(110)로부터 이격되어 배터리 셀(110)을 향하도록 배치될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(110)의 온도 감소시 제4 열전소자(324)의 발열부(324a)가 배터리 셀(110)에 접촉될 수 있다. 제3 열전소자(323) 및 제4 열전소자(324)의 작동은 기본적으로 제1 열전소자(321) 및 제2 열전소자(322)와 각각 공통되므로, 상세한 설명은 제1 열전소자(321) 및 제2 열전소자(322)에 대한 전술한 설명으로 대체한다. 한편, 양측 끝부분에 위치한 바이메탈(310)에 제1 열전소자(321) 및 제2 열전소자(322)가 모두 구비되도록 마련될 수 있음은 자명한 사실이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
도 2를 참조하면, 도 2를 기준으로 바이메탈(310)의 좌측에 제1 열전소자(321)가 결합되고, 바이메탈(310)의 우측에 제2 열전소자(322)가 결합된다. 여기서, 제1 열전소자(321)는 발열부(321a)가 바이메탈(310)에 결합되고, 흡열부(321b)가 배터리 셀(110)로부터 이격되어 배치된다. 그리고, 제2 열전소자(322)는 흡열부(322b)가 바이메탈(310)에 결합되고, 발열부(322a)가 배터리 셀(110)로부터 이격되어 배치된다. 배터리 셀(110)로부터 열이 발생되는 경우 대류에 의해 배터리 셀(110)로부터 발생된 열이 바이메탈(310)로 이동하여 바이메탈(310)이 도 3에서와 같이 휘어지며, 바이메탈(310)에 결합된 제1 열전소자(321)의 흡열부(321b)가 배터리 셀(110)에 접촉되어 배터리 셀(110)을 냉각시킨다. 그리고, 추운 날씨 등에서 배터리 셀(110)의 온도가 낮아지는 경우 바이메탈(310)이 도 4에서와 같이 휘어지며, 바이메탈(310)에 결합된 제2 열전소자(322)의 발열부(322a)가 배터리 셀(110)에 접촉되어 배터리 셀(110)을 가열시킨다. 그리고, 도 2에서와 같이, 복수의 배터리 셀(110) 사이마다 열전달부재(300)가 배치되므로, 모든 배터리 셀(110)을 냉각시키거나 가열시킬 수 있으며, 이에 의해, 배터리 셀(110)의 냉각과 가열이 모두 가능한 효과가 있다.
한편, 도 2에서는 제1 열전소자(321)가 바이메탈(310)의 좌측에 결합되고, 제2 열전소자(322)가 바이메탈(310)의 우측에 결합되지만, 제1 열전소자(321)가 바이메탈(310)의 우측에 결합되고, 제2 열전소자(322)가 바이메탈(310)의 좌측에 결할될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제3 열전소자가 배터리 셀로부터 이격되어 있는 모습의 개략적인 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 제3 열전소자의 흡열부가 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이며, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 바이메탈이 배터리 셀에 접촉되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 작용 및 효과에 대해 설명하되, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에서 설명한 내용과 공통되는 부분은 전술한 설명으로 대체한다.
본 발명의 제2 실시예의 경우 배터리 셀(110)의 온도 증가시 제3 열전소자(323)가 배터리 셀(110)에 접촉되지만, 배터리 셀(110)의 온도 감소시 바이메탈(310)이 배터리 셀(110)에 접촉된다는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다.
도 6을 참조하면, 제3 열전소자(323)만 결합된 바이메탈(310)이 복수로 마련되어 배터리 셀(110) 각각의 사이에 배치되어 있다. 즉, 제1 실시예의 경우 제1 열전소자(321)와 제2 열전소자(322)가 모두 결합된 바이메탈(310)이 배터리 셀(110) 사이에 배치되고, 양측 끝부분에 위치한 바이메탈(310), 예를 들어, 도 2를 기준으로 우측 끝부분에는 제3 열전소자(323)가 위치하고, 좌측 끝부분에는 제4 열전소자(324)가 위치한다. 하지만, 제2 실시예에서는 모든 바이메탈(310)에 제3 열전소자(323)만이 결합되어 있다. 여기서, 도 7에서와 같이, 배터리 셀(110)에 열이 발생되어 바이메탈(310)이 도 7을 기준으로 좌측의 배터리 셀(110)측으로 휘어지면, 제3 열전소자(323)의 흡열부(323b)가 배터리 셀(110)에 접촉되어 배터리 셀(110)을 냉각시킨다. 이러한 제3 열전소자(323)의 작동은 제1 실시예에서 설명한 바와 동일하므로 전술한 설명으로 대체한다. 그리고, 추운 날씨 등에서 배터리 셀(110)의 온도가 감소하는 경우 도 8에서와 같이 바이메탈(310)이 도 8을 기준으로 우측의 배터리 셀(110)측으로 휘어지면 바이메탈(310)이 배터리 셀(110)에 접촉되며, 제3 열전소자(323)의 발열부(323a)로부터 발생된 열이 바이메탈(310)을 통해 배터리 셀(110)로 전달된다. 즉, 제3 열전소자(323)의 발열부(323a)로부터 발생된 열이 바이메탈(310)을 거쳐서 배터리 셀(110)로 전달되며, 이에 의해, 배터리 셀(110)을 가열시킬 수 있다. 제2 실시예의 경우 제1 실시예와 비교시 추운 날씨 등에서 가열 효과가 떨어질 수 있지만, 제1 실시예보다 두께를 얇게 제작할 수 있으므로, 필요에 따라 제1 실시예와 제2 실시예를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 열전달부재가 배터리 모듈로부터 이격되어 있는 모습의 개략적인 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 작용 및 효과에 대해 설명하되, 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에서 설명한 내용과 공통되는 부분은 전술한 설명으로 대체한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 경우 배터리 모듈(10)들 사이에 열전달부재(300)가 배치된다는 점에서 배터리 셀(110)들 사이에 열전달부재(300)가 배치되는 제1 실시예 및 제2 실시예와 차이가 있다.
도 9을 참조하면, 배터리 모듈(10)들 사이에 열전달부재(300)가 배치되며, 열전달부재(300)가 배터리 모듈(10)을 냉각 또는 가열시킨다. 여기서, 열전달부재(300)의 구체적인 작동 및 효과는 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예와 공통되므로, 전술한 설명으로 대체한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은, 전술한 바와 같은 배터리 모듈(10), 예를 들어, 배터리 셀(110)들 사이에 열전달부재(300)가 배치되도록 마련된 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 즉, 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(110)이 적층되는 배터리 셀 적층체(100)를 포함하며, 배터리 셀(110)들 사이에 열전달부재(300)가 배치되는 특징은 전술한 바와 같다. 또한, 상기 배터리 팩(미도시)은, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(미도시)는 전술한 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩(미도시)을 포함할 수 있으며, 상기 배터리 팩(미도시)에는 상기 배터리 모듈(10)이 포함될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 상기 자동차(미도시), 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 사용하도록 마련되는 소정의 자동차(미도시)에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배터리 모듈 100 : 배터리 셀 적층체
110 : 배터리 셀 200 : 케이싱
300 : 열전달부재 310 : 바이메탈
311 : 제1 금속 312 : 제2 금속
320 : 열전소자 321 : 제1 열전소자
322 : 제2 열전소자 323 : 제3 열전소자
324 : 제4 열전소자 400 : 방열판
500 : 방열팬

Claims (13)

  1. 복수의 배터리 셀이 적층되는 배터리 셀 적층체;
    상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및
    상기 배터리 셀 적층체의 어느 하나의 배터리 셀과, 상기 어느 하나의 배터리 셀에 이웃하는 다른 배터리 셀 사이에 배치되어 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키는 열전달부재를 포함하며,
    상기 열전달부재는 상기 배터리 셀로부터 이격되도록 설치되며 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키기 위해 상기 배터리 셀에 접촉되며,
    상기 열전달부재는,
    상이한 열팽창계수를 가지는 복수의 금속이 서로 결합된 바이메탈; 및
    상기 바이메탈의 양 단부 중 적어도 하나에 결합된 열전소자를 포함하고,
    상기 배터리 셀로부터 발생된 열의 대류에 의해 상기 바이메탈이 상기 배터리 셀측으로 휘어지도록 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자에는 방열판과 방열팬 중 적어도 하나가 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 복수의 배터리 셀이 적층되는 배터리 셀 적층체;
    상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및
    상기 배터리 셀 적층체의 어느 하나의 배터리 셀과, 상기 어느 하나의 배터리 셀에 이웃하는 다른 배터리 셀 사이에 배치되어 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키는 열전달부재를 포함하며,
    상기 열전달부재는 상기 배터리 셀로부터 이격되도록 설치되며 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키기 위해 상기 배터리 셀에 접촉되며,
    상기 열전달부재는,
    상이한 열팽창계수를 가지는 복수의 금속이 서로 결합된 바이메탈; 및
    상기 바이메탈의 양 단부 중 적어도 하나에 결합된 열전소자를 포함하고,
    상기 배터리 셀로부터 발생된 열의 대류에 의해 상기 바이메탈이 상기 배터리 셀측으로 휘어지도록 마련되고,
    상기 바이메탈의 일측 단부에는 펠티에소자인 제1 열전소자가 결합되고,
    상기 바이메탈의 일측 단부의 반대 방향인 타측 단부에는 펠티에소자인 제2 열전소자가 결합되며,
    상기 제1 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며,
    상기 제1 열전소자의 발열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제1 열전소자의 흡열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 증가시 상기 배터리 셀에 접촉되게 마련되고,
    상기 제2 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며,
    상기 제2 열전소자의 흡열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제2 열전소자의 발열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 감소시 상기 배터리 셀에 접촉되게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 복수의 배터리 셀이 적층되는 배터리 셀 적층체;
    상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및
    상기 배터리 셀 적층체의 어느 하나의 배터리 셀과, 상기 어느 하나의 배터리 셀에 이웃하는 다른 배터리 셀 사이에 배치되어 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키는 열전달부재를 포함하며,
    상기 열전달부재는 상기 배터리 셀로부터 이격되도록 설치되며 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열시키기 위해 상기 배터리 셀에 접촉되며,
    상기 열전달부재는,
    상이한 열팽창계수를 가지는 복수의 금속이 서로 결합된 바이메탈; 및
    상기 바이메탈의 양 단부 중 적어도 하나에 결합된 열전소자를 포함하고,
    상기 배터리 셀로부터 발생된 열의 대류에 의해 상기 바이메탈이 상기 배터리 셀측으로 휘어지도록 마련되고,
    상기 바이메탈의 양측 단부 중 어느 하나의 단부에만 펠티에소자인 제3 열전소자 또는 제4 열전소자가 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며,
    상기 제3 열전소자의 발열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제3 열전소자의 흡열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 증가시 상기 배터리 셀에 접촉되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제4 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며,
    상기 제4 열전소자의 흡열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제4 열전소자의 발열부가 상기 배터리 셀로부터 이격되어 상기 배터리 셀의 온도 감소시 상기 배터리 셀에 접촉되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제3 열전소자가 결합된 바이메탈이 복수로 마련되어 상기 배터리 셀 각각의 사이에 배치되며,
    상기 배터리 셀의 온도 증가시 상기 제3 열전소자의 흡열부가 상기 배터리 셀에 접촉되고, 상기 배터리 셀의 온도 감소시 상기 바이메탈이 상기 배터리 셀에 접촉되어 상기 제3 열전소자의 발열부로부터 발생된 열이 상기 바이메탈을 통해 상기 배터리 셀로 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 복수의 배터리 셀이 적층되는 배터리 셀 적층체와, 상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱을 포함하는 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈이 복수로 마련되며, 복수의 상기 배터리 모듈 중 어느 하나의 배터리 모듈과, 상기 어느 하나의 배터리 모듈에 이웃하는 다른 배터리 모듈 사이에 배치되어 상기 배터리 모듈을 냉각 또는 가열시키는 열전달부재를 포함하며,
    상기 열전달부재는 상기 배터리 모듈로부터 이격되도록 설치되며 상기 배터리 모듈을 냉각 또는 가열시키기 위해 상기 배터리 모듈에 접촉되고,
    상기 열전달부재는,
    상이한 열팽창계수를 가지는 복수의 금속이 서로 결합된 바이메탈; 및
    상기 바이메탈의 양 단부 중 적어도 하나에 결합된 열전소자를 포함하고,
    상기 배터리 모듈로부터 발생된 열의 대류에 의해 상기 바이메탈이 상기 배터리 모듈측으로 휘어지도록 마련되고,
    상기 바이메탈의 일측 단부에는 펠티에소자인 제1 열전소자가 결합되고,
    상기 바이메탈의 일측 단부의 반대 방향인 타측 단부에는 펠티에소자인 제2 열전소자가 결합되며,
    상기 제1 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며,
    상기 제1 열전소자의 발열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제1 열전소자의 흡열부가 상기 배터리 모듈로부터 이격되어 상기 배터리 모듈의 온도 증가시 상기 배터리 모듈에 접촉되게 마련되고,
    상기 제2 열전소자는 발열부와 흡열부를 포함하며,
    상기 제2 열전소자의 흡열부가 상기 바이메탈에 결합되고, 상기 제2 열전소자의 발열부가 상기 배터리 모듈로부터 이격되어 상기 배터리 모듈의 온도 감소시 상기 배터리 모듈에 접촉되게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항, 제3항, 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  13. 제1항, 제3항, 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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