KR20070099066A - 이중 온도조절 시스템의 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 단위전지들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 열전달 매체가 단위전지들 사이를 유동하여 전지팩 전체의 전반적인 온도를 최적 작동을 위한 소정의 온도범위로 조절하고, 상기 열전달 매체가 접촉하는 단위전지들 각각의 외면에는 상변환물질을 포함하는 층('상변환층')이 부가되어 있어서 단위전지들의 개별적인 온도 편차를 최소화하는 것으로 구성되어 있는 중대형 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 전지팩 전체의 전반적인 온도제어와 단위전지들 간의 개별적인 온도제어가 가능하고, 전지팩의 비작동 상태 또는 급격한 외부 환경을 변화시에도 단위전지의 급격한 온도변화를 억제하여 전지의 열화를 방지할 수 있으며, 외부물질이 단위전지에 접촉하게 되더라도 그러한 외부물질로 인한 단위전지의 손상을 최소화할 수 있는 특징이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 전지팩 전체의 온도 편차를 줄일 수 있으며, 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 전지팩의 제조가 가능하다.

Description

이중 온도조절 시스템의 전지팩 {Battery Pack Comprising Combined Temperature-controlling System}
도 1은 종래기술의 전지팩 냉각 시스템을 일부 투시 상태로 보여주는 모식도이다;
도 2는 본 발명의 전지팩에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 단위전지의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 전지팩을 구성하기 위한 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 전지팩을 구성하기 위하여 도 3의 전지 카트리지를 다수 개 적층한 구조의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 전지팩에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 열전달 매체의 유도 부재의 사시도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전지팩을 구성하기 위한 분해 사시도이다;
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따라 전지팩을 구성하기 위한 분해 사시 도이다.
본 발명은 이중 온도조절 시스템을 갖춘 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지팩 전체의 전반적인 온도 조절은 단위전지들 사이를 유동하는 열전달 매체에 의해 제어하고, 단위전지들 개개의 온도 조절은 단위전지의 외면에 부가되어 있는 상변환층에 의해 제어하는 이중 온도조절 시스템의 중대형 전지팩을 제공한다.
가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중의 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 있다. 따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지 등의 사용도 시도되고 있다.
이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 전지모듈을 형성하고 이러한 전지모듈들을 다수 병렬 및/또는 직 렬로 연결하여 하나의 중대형 전지팩으로 형성하여 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다는 문제점을 가지고 있다. 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다. 더욱이, 이러한 과정에서 다양한 원인에 의해 일부 단위전지들이 과열될 경우에는 발화 또는 폭발할 가능성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 중대형 전지팩에서 냉각 시스템은 필수적이다.
중대형 전지팩의 냉각은 일반적으로 냉매의 유동에 의한 수행된다. 예를 들어, 공기 등과 같은 냉매를 냉각 팬에 의해 전지팩의 단위전지들 사이 또는 전지모듈 사이로 유동시키는 냉매-유동 냉각 시스템이 이용되고 있다. 그러나, 이러한 방식은 몇가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 단위전지들 간의 온도 편차가 매우 크다는 문제점을 가지고 있다. 전지팩은 다수의 단위전지들로 구성되어 있고, 이들 단위전지들 각각이 최적의 작동 상태에 놓여 있을 때, 전체 전지팩의 작동 또한 최적의 작동 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 단위전지들 간의 큰 온도 편차는 전지의 열화를 촉진할 뿐만 아니라 전지팩 전체의 작동 상태를 최적화시키는데 큰 장애 요인이 된다.
둘째, 종래의 냉각 시스템 구조는 전지팩의 대형화를 초래하는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, EV, HEV 등에 탑재될 수 있는 전지팩의 크기는 일정한 한계를 가지고 있으므로, 대형화된 전지팩은 이에 부합하지 못한다. 도 1에는 종래의 대표적인 전지팩 냉각 시스템의 모식도가 도시되어 있다.
전지팩 냉각 시스템(10)은, 다수의 전지들로 구성된 전지팩(20), 전지팩(20)의 하단면에 설치된 냉매 유입부(30), 및 전지팩(20)의 상단면에 설치된 냉매 배출부(40)로 구성되어 있다. 전지팩(20)은 전기적으로 연결되어 있는 다수의 전지군(50)으로 이루어져 있고, 각각의 전지군(50)은 전기적으로 연결되어 있는 다수의 단위전지들(60)로 이루어져 있다. 각 전지군(50)의 단위전지들(60) 사이에는 냉매가 이동할 수 있을 수는 작은 틈이 형성되어 있어서, 유입부(30)로부터 들어온 냉매가 상기 틈을 통해 이동하면서 단위전지(60)에서 발생한 열을 제거한 후 전지팩(20) 상부의 배출부(40)를 통해 배출되게 된다.
이러한 구조에서는, 냉매 유입부(30)와 배출부(40)가 전지팩(20)의 상부와 하부에 각각 설치되므로, 그러한 냉매 유도 부재들의 설치를 위한 공간이 전지팩(20)의 상부와 하부에 각각 요구되며, 이는 전지팩 전체의 크기를 더욱 커지게 만드는 주요 요인이다.
이와는 별도로, EV, HEV 등과 같은 차량은 가혹한 조건에서 작동하는 상황에 자주 놓이게 된다. 전지팩을 구성하는 단위전지의 최적 작동 조건은 다양한 요인들에 의해 달라질 수 있지만, 일반적으로 특정한 온도범위에서 결정된다. 반면에, 차량은 겨울철에는 저온 상태에서 작동하게 되므로 전지팩을 상기와 같은 최적 작동 온도범위로 조절할 필요가 있다. 이 경우, 냉각 시스템의 작동을 정지시키거나 시스템으로 유입되는 냉매(e.g., 공기)의 온도를 높여 냉각 대신 승온 작동을 행할 수도 있다. 그러나, 그 이전에 단위전지가 매우 낮은 온도 상태에 놓이게 될 경우에는 전지 구성요소들의 손상이 유발될 수 있고, 또한 갑작스러운 승온 작동에 의 해 열화가 촉진될 수도 있다.
한편, 냉매의 필터링에 의한 외부물질의 제거에도 불구하고 일부의 외부물질들이 유입되어 단위전지에 접촉하는 경우에는 또다른 문제점을 야기시킬 수 있다. 전지팩을 구성하는 단위전지들은 일반적으로 각형 캔, 파우치형 라미네이트 시트 등으로 외형이 포장되어 있는데, 외부물질의 종류에 따라서는 단위전지의 외면에 물리적 또는 화학적 손상을 가할 수도 있다. 전기화학적 반응이 일어나는 전지에서 이러한 손상은 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다.
따라서, 이러한 다양한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 첫번째 목적은 전지팩 전체의 전반적인 온도제어와 단위전지들 간의 개별적인 온도제어가 가능한 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 전지팩의 비작동 상태 또는 급격한 외부 환경을 변화시에도 단위전지의 급격한 온도변화를 억제하여 전지의 열화를 방지할 수 있는 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 세번째 목적은 외부물질이 단위전지에 접촉하게 되더라도 그러한 외부물질로 인한 단위전지의 손상을 최소화할 수 있는 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 네번째 목적은 전지팩 전체의 온도 편차를 줄일 수 있는 온도조절 시스템을 갖춘 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다섯번째 목적은 상기와 같은 목적들을 실현하면서도 최소한의 크기를 가진 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 다수의 단위전지들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 열전달 매체가 단위전지들 사이를 유동하여 전지팩 전체의 전반적인 온도를 최적 작동을 위한 소정의 온도범위로 조절하고, 상기 열전달 매체가 접촉하는 단위전지들 각각의 외면에는 상변환물질을 포함하는 층('상변환층')이 부가되어 있어서 단위전지들의 개별적인 온도 편차를 최소화하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 단위전지들 사이를 유동하는 열전달 매체에 의해 전지팩 전체의 전반적인 온도를 제어하며, 단위전지들의 외면에 부가되어 있는 상변환층에 의해 단위전지들의 개별적인 온도를 제어할 수 있다. 즉, 전지팩의 작동 중에 단위전지로부터 발생한 열은 일차적으로 단위전지 외면의 상변환층으로 전달되어 냉각되며, 그러한 상변환층은 단위전지들 사이를 유동하는 열전달 매체에 의해 이차적으로 냉각된다. 또한, 전지팩의 비작동 상태에서 외부 온도가 급격히 저하될 경우에는 상변환층에 저장된 열에 의해 단위전지의 온도는 일정한 수 준으로 유지될 수 있다. 더욱이, 이러한 상변환층은 열전달 매체 등에 포함되어 전지팩 내부로 유입된 외부물질로부터 단위전지를 보호하는 역할도 병행한다.
상기 상변환층은 단위전지의 외면에 직접 도포된 박막의 형태이거나 또는 단위전지의 외면에 부착된 필름의 형태일 수 있다.
상기 상변환층에 포함되어 있는 상변환 물질은, 상기 소정의 온도에서 상변환이 일어나며, 바람직하게는 고상에서 액상 또는 액상에서 고상으로의 상변환이 일어나는 바, 이러한 상변환시 큰 잠열을 가지는 물질이다. 상기 상변환 물질은 단일 화합물, 혼합물 또는 복합체 등일 수 있다. 이들 물질의 상변환은 상기 소정의 온도에서 물리적으로 상변환하는 경우 뿐만 아니라, 둘 또는 그 이상의 물질의 혼합물이 상기 소정의 온도에서 가역적인 물리적 또는 화학적 반응에 의해 상변환하는 경우를 또한 포함한다.
상기 상변환 물질의 대표적인 예로는, 파라핀(paraffin), 폴리에틸렌 글리콜, 무기 수화물(예를 들어, Na2HPO4·12H2O, Na2SO4·10H2O, Zn(NO3)2·6H2O 등) 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 그 중에서, 상대적으로 높은 잠열을 가지고 저렴하며 분자량에 따라 상변환 온도의 조절이 용이한 파라핀이 특히 바람직하다.
또한, 상변환 물질의 열전도성을 높이기 위하여 높은 열전도율의 물질을 더 포함시킬 수 있는 바, 이러한 물질의 예로는 금속분말, 그라파이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상변환층의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 단위전지의 방열시 열전달 매체로의 열 전도율을 크게 저하시키지 않으면서, 단위전지의 온도를 일정한 수준으로 유지하기에 충분한 상변환 열량을 함유할 수 있는 크기로서 결정될 수 있다.
상변환 물질이 상변환되는 온도는 바람직하게는 단위전지의 최적 작동 온도범위의 상한 값에 근접한 온도일 수 있다. 단위전지의 최적 작동 온도범위는 단위전지의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 25 내지 40℃의 범위일 수 있다. 상변환 온도가 상기 범위 이상이면서 동시에 이에 근접한 온도일 때, 단위전지의 온도를 적어도 상변환 온도 이하로 유지할 수 있다. 특히, 상변환 물질은 일부 단위전지들의 온도가 상대적으로 높을 때 당해 단위전지의 온도 상승을 억제함으로써 안전성을 확보할 수 있다. 따라서, 단위전지들 간의 온도 편차를 최소화하는 작용을 한다.
상기 열전달 매체는 전지팩의 온도를 낮추는 작용을 할 때에는 냉매로서 칭할 수 있다. 열전달 매체는 단위전지들 사이를 유동하는 유체라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 공기, 물 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 공기가 특히 바람직하다. 열전달 매체는 예를 들어 팬과 같은 별도의 장치에서 유동을 위한 구동력을 제공받을 수 있다.
고출력 대용량의 전지팩을 제조하기 위해서는 다수의 단위전지들이 필요하며, 전체적으로 콤팩트한 전지팩으로 제조하기 위해서는 높은 집적도로 단위전지들을 충적한 구조이어야 한다. 이와 동시에 전지팩의 온도 조절을 위해서는 단위전 지들이 일정한 이격 간격으로 충적되어야 하고 그러한 이격 간격으로 열전달 매체가 유동할 수 있어야 한다.
따라서, 하나의 바람직한 예에서, 전지팩은 다수의 단위전지들이 소정의 간격으로 이격된 상태로 적층되어 하나의 전지군을 형성하고, 이러한 전지군들 다수를 측면 배열한 구조로 이루어져 있으며, 그 외부가 팩 케이스로 감싸여 있는 구조이다. 이러한 구조에서 열전달 매체는 전지팩의 일 측부에 위치하는 유입부로부터 도입되어 단위전지들 사이를 유동한 후 다른 측부에 위치한 배출부로 배출되게 된다.
상기와 같은 구조에서 단위전지들의 적층 및 전지군의 측면 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 단위전지들은 상하 개방형의 카트리지에 측면 배열되어 장착되고, 이러한 카트리지들을 적층하여 전지팩을 구성할 수 있다. 이 때, 카트리지들은 소정의 간격으로 이격되어 있어서 그 사이로 열전달 매체가 유동함으로써 단위전지들의 온도를 조절하게 된다.
바람직하게는, 열전달 매체의 유입부와 배출부가 전지팩의 동일한 면에 위치하고, 상기 유입부와 배출부 간의 유로(열전달 매체의 유로)는 유입부를 통해 유입된 열전달 매체가 각각 특정한 전지군 만을 유동한 후 배출부를 통해 배출될 수 있도록 유로가 분할되어 있는 구조이다.
상기와 같은 전지팩 구조는 전지팩의 동일 면에 열전달 매체의 유입부와 배출부가 함께 형성되어 있으므로 전지팩의 전체 크기를 최소화할 수 있다. 또한, 전지군 별로 냉각이 수행될 수 있도록, 하나의 전지군에 하나의 유로(flow channel)가 특정되어 있어서 유로의 열전달 매체 유량을 균일하게 만들고, 그로 인해 단위전지들 간의 온도편차를 최소화할 수 있다.
각 전지군에 유로가 할당되도록 구성하는 방법은 다양할 수 있는데, 하나의 바람직한 예에서, 열전달 매체가 전지군 별로 유입되어 순환된 후 배출될 수 있도록, 유입부에는 각 전지군을 인접 전지군들로부터 격리시키기 위한 격벽이 형성되어 있다. 바람직하게는 그러한 격벽이 배출부에도 형성되어 있다.
유입부와 배출부를 포함하는 열전달 매체의 유도 부재는 전지팩의 상부, 하부 또는 한쪽 측부에 형성되어 있을 수 있다. 경우에 따라서는 상기 유도 부재가 전지팩의 중앙에 위치하고 그것의 상부와 하부에 각각 전지군을 배열한 구조도 가능하다. 바람직하게는, 상기 유도 부재가 전지팩의 상부 또는 하부에 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
하나의 바람직한 예에서, 유입부와 배출부는 전지팩의 상부에 형성되어 있고, 열전달 매체의 유로는 유입구로부터 유입된 열전달 매체가 전지팩의 한쪽 측면쪽으로 이동한 후 전지팩의 측벽(a)을 따라 하향 이동하고, 단위전지들 간의 틈을 통해 대향 측면쪽으로 이동한 뒤, 측벽(b)를 따라 상향 이동하여 배출구를 통해 배출되는 경로를 거치도록 구성되어 있다.
전지팩은 앞서 설명한 바와 같이 다수의 소형 전지(단위전지)들이 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다. 상기 전기적 연결은 소망하는 출력과 용량, 바람직하게는 고출력과 대용량의 전지를 제공할 수 있도록 해당 전지군들 및 단위전지들이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 것을 의미한다. 상기 단위전지 는 충방전이 가능한 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 양극, 음극, 분리막 및 전해액이 충방전이 가능한 구조로 밀폐된 용기에 내장되어 있는 이차전지이다. 본 발명에서의 바람직한 단위전지로는 리튬이온 이차전지, 리튬이온 폴리머 이차전지, 니켈 금속수소 전지 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은, 바람직하게는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차, 특히 바람직하게는 하이브리드 전기자동차의 동력원으로 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위전지로서 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
파우치형 전지(100)는 두 개의 전극탭(110, 120)이 서로 대향하여 전지 본체(130)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 경우에 따라서는, 전극탭들(110, 120)이 상단부에 함께 돌출될 수도 있다. 전지 케이스로서의 외장부재(140)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내부에 전극조립체(도시하지 않음)를 수납한 상태로 접촉부위인 양측면(142)과 상단부 및 하단부(144, 146)를 접착시킴으로써 전지(100)가 만들어진다. 외장부재(140)는 하단부가 일체로 연결되어 있는 1 단위로 만들어질 수도 있다. 외장부재(140)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(142)과 상단부 및 하단부(144, 146)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 접착 시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 접착할 수도 있다. 양측면(142)은 상하 외장부재(140)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(144)와 하단부(146)에는 전극탭(110, 120)이 돌출되어 있으므로 전극탭(110, 120)의 두께 및 외장부재(140) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극탭(110, 120)과의 사이에 필름상의 실링부재(160)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
외장부재(140)의 상단면 및/또는 하단면에는 상변환 물질을 포함하는 상변환층(150)이 부가되어 있다. 상변환층(150)의 역할을 앞서 설명한 바와 같다. 상변환층(150)은 외장부재(140)의 상단면 및/또는 하단면 전체에 고르게 부가될 수도 있고, 외장부재(140)의 일부가 노출될 수 있도록 부분적으로 부가될 수도 있다.
전지(100)는 바람직하게는 도 3에서와 같은 카트리지를 사용하여 전지팩으로 구성된다. 도 3에는 4 개의 단위전지들이 내장된 상태에서의 카트리지의 하나의 예시적인 구조가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 카트리지(200)는 상호 결합될 수 있는 1 쌍의 프레임들(220, 222)로 이루어져 있다. 표면에 상변환층(150)이 부가되어 있는 단위전지들(100, 101)은 형개된 프레임(220, 222)의 셀 구획부(230) 내에 안착되며, 프레임들(220, 222)을 상호 결합시켰을 때 그곳에 고정된다. 단위전지(100)의 전극탭(도시하지 않음)은 카트리지(200) 상부의 버스(240)를 통해 인접한 단위전지(101)와 전기적으로 연결된다. 도 3에서는 단위전지들(100, 101)이 직렬로 연결되어 있는 구조가 예시되어 있지만, 경우에 따라서는 병렬의 연결도 가능하다. 그러한 구성 을 바탕으로, 카트리지(200)의 좌우 상단에 각각 돌출되어 있는 양극단자(250)와 음극단자(260)에 전기적으로 연결된다.
도 4에는 중대형 전지팩을 구성하기 위하여 도 3의 카트리지들을 특정한 방식으로 적층한 구조의 사시도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 효과적인 직렬 연결을 위해 10 개의 카트리지들이 180 도로 교번 배향 방식에 적층되어 있다. 상세하게는, 제 1 카트리지(201)의 전극단자들(251, 261)과 제 2 카트리지(202)의 전극단자들(252, 262)은 서로 반대로 배향되어 있으며, 제 3 카트리지(203)의 전극단자들(253, 263)은 제 1 카트리지(201)의 전극단자들(251, 261)과 동일한 배향으로 위치되어 있다. 제 4 카트리지(204)의 전극단자들(254, 264)은 다시 제 2 카트리지(202)의 전극단자들(252, 262)과 동일한 배향으로 위치되어 있다. 이러한 전극단자의 교번 배향은 모든 카트리지들에서 동일하다. 따라서, 홀수 번째 카트리지들(201, 203, 205 …)의 전극단자들과 짝수 번째 카트리지들(202, 204, 206 …)의 전극단자들은 서로 180 도의 대향 방향으로 배향되어 있다.
제 1 카트리지(201)의 음극단자(261)는 예를 들어 BMS(도시하지 않음)에 연결되어 있고, 양극단자(251)는 버스 바(도시하지 않음)를 경유하여 제 3 카트리지(203)의 음극단자(263)에 연결되어 있고 그것의 양극단자(253)는 제 5 카트리지(205)의 음극단자(265)에 연결되어 있다. 따라서, 전극단자들(예를 들어, 251과 263) 간의 연결 길이가 적어도 카트리지 1 개의 두께 만큼 길어져서, 조립 작업이 용이하고 버스 바 상호간에 간섭을 최소화할 수 있다.
도 4에서와 같은 카트리지들(201, 202, 203 …)의 적층에 의해, 예를 들어, 제 1 단위전지(100)의 하부에 수직으로 배열된 다수의 단위전지들은 하나의 전지군(GD)을 형성하며, 이러한 전지군 형성은 나머지 단위전지들(101, 102 …)에서도 마찬가지이다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구조가 부분 투시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전지팩(1000)은 도 4에서와 같은 카트리지 적층군(300)과, 그러한 적층군(300)의 상단면에 설치되어 있는 열전달 매체 유도 부재(500)로 구성되어 있다. 카트리지 적층군(300)은 단위전지들(400)의 수직 배열 구조에 따라 4 개의 전지군(GA, GB, GC, GD)으로 구별된다.
유도 부재(500)는 열전달 매체의 유입부(510)와 배출부(520) 모두 카트리지 적층군(300)의 상부에 형성되어 있다. 유입부(510)는 별도의 열전달 매체 공급장치(도시하지 않음)로부터 공급된 열전달 매체가 밀폐된 시스템 내로 도입되기 위한 입구(512)와, 각 전지군(GA, GB, GC, GD)으로 향하는 유로를 분할하기 위한 격벽(514)을 포함하고 있다. 배출부(520)는 각 전지군(GA, GB, GC, GD) 별로 통과한 열전달 매체(상대적으로 높은 온도의 열전달 매체)가 이동하기 위한 격벽(524)과 그러한 열전달 매체가 시스템(100)의 외부로 배출되는 출구(522)를 포함하고 있다.
전지팩(1000)의 외면은, 입구(512)와 출구(522)를 제외하고, 열전달 매체가 분산되지 않고 유로를 통해서만 이동할 수 있도록 케이스(600)로 밀봉되어 있다.
입구(512)를 통과하여 유입된 열전달 매체는 격벽(514)에 의해 각각의 유로 로 진행 경로가 특정되므로 유로별로 유량은 일정하다. 따라서, 제 1 전지군(GA)으로 향하는 유로(FC1)의 열전달 매체 유량은, 제 2 전지군(GB)으로 향하는 유로의 열전달 매체 유량(FC2), 제 3 전지군(GC)으로 향하는 유로의 열전달 매체 유량(FC3), 제 3 전지군(GD)으로 향하는 유로의 열전달 매체 유량(FC3) 등과 모두 동일하다. 유입부(510)의 격벽(514)은 제 1 측벽(110)을 따라 하단면까지 하향 연장되어 있다. 따라서, 입구(512)를 통해 유입된 열전달 매체는 제 1 측벽(110)을 따라 단위전지들(400) 사이의 틈을 통해 반대쪽 제 2 측벽(120)쪽으로 이동한다. 각 전지군(GA, GB, GC, GD)은 서로 격리되어 있으므로, 열전달 매체가 제 1 측벽(110)으로부터 제 2 측벽(120)으로 이동하는 과정에서 특정 전지군(e.g., GA)의 열전달 매체가 다른 전지군(e.g., GB)을 통과하지는 못한다. 이러한 과정을 통해, 단위전지들(400)에서 발생한 열은 열전달 매체로 전달된다.
제 2 측벽(120)으로 이동한 열전달 매체는 격벽(524)에 의해 분할된 경로(유로)를 따라 배출부(520) 쪽으로 상향 이동되어 출구(522)를 거쳐 배출된다. 열전달 매체가 제 2 측벽(120)을 따라 일단 상승하게 되면, 단위전지들(400)을 통과하는 유량에는 변화가 없으므로, 격벽(524)은 배출부(520)의 제 2 측벽(120)에만 형성되어 있는 구조도 가능하다.
도 6에는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전달 매체의 유도 부재의 구조가 도시되어 있다.
도 6의 유도 부재(700)는 그것의 유입부(710)와 배출부(720)의 유로가 도 5 의 열전달 매체 유로와 전반적으로 동일하지만, 격벽(714, 724)의 형상에서 차이가 있다. 즉, 유입부(710)의 격벽(714)은 입구(도시하지 않음)까지 연장되어 있고 제 1 측벽(110)을 향해 완만히 기울어져 있으며, 배출부(720)의 격벽(724) 역시 출구(도시하지 않음)까지 연장되어 있고 제 2 측벽(120)을 향해 완만히 기울어져 있다.
따라서, 본 발명의 원리를 실현할 수 있다는 다양한 구조의 열전달 매체 유도 부재가 가능할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
도 7 및 8에는 열전달 매체 유도 부재를 카트리지 적층군의 상부와 하부에 각각 설치하여 전지팩을 구성하는 예시적인 도면이 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 각각의 전지군(GA, GB, GC, GD)을 격리시키는 분리부재(800)가 카트리지 적층군(300)의 측면쪽으로 돌출되어 있고 이것이 케이스 덮개(610)와 밀착되므로, 격벽(714, 724)이 카트리지 적층군(300)의 측면까지 연장되어 있지는 않다.
도 8을 참조하면, 열전달 매체 유도 부재(700)가 카트리지 적층군(300)의 하부에 설치되므로 열전달 매체의 유로는 도 5에서와 반대로 진행된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은 전지팩 전체의 전반적인 온도제어와 단위전 지들 간의 개별적인 온도제어가 가능하고, 전지팩의 비작동 상태 또는 급격한 외부 환경을 변화시에도 단위전지의 급격한 온도변화를 억제하여 전지의 열화를 방지할 수 있으며, 외부물질이 단위전지에 접촉하게 되더라도 그러한 외부물질로 인한 단위전지의 손상을 최소화할 수 있는 특징이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 전지팩 전체의 온도 편차를 줄일 수 있으며, 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 전지팩의 제조가 가능하다.

Claims (14)

  1. 다수의 단위전지들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 열전달 매체가 단위전지들 사이를 유동하여 전지팩 전체의 전반적인 온도를 최적 작동을 위한 소정의 온도범위로 조절하고, 상기 열전달 매체가 접촉하는 단위전지들 각각의 외면에는 상변환물질을 포함하는 층('상변환층')이 부가되어 있어서 단위전지들의 개별적인 온도 편차를 최소화하는 것으로 구성되어 있는 중대형 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상변환층은 단위전지의 외면에 직접 도포된 박막의 형태이거나 또는 단위전지의 외면에 부착된 필름의 형태인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상변환 물질은 파라핀인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상변환층에는 높은 열전도율의 물질이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상변환 물질은 단위전지의 최적 작동 온도범위의 상한 값에 근접한 온도인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 최적 작동 온도범위는 25 내지 40℃인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 매체는 공기인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 다수의 단위전지들이 소정의 간격으로 이격된 상태로 적층되어 하나의 전지군을 형성하고, 이러한 전지군들 다수를 측면 배열한 구조로 이루어져 있으며, 그 외부가 팩 케이스로 감싸여 있는 구조인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 단위전지들은 상하 개방형의 카트리지에 측면 배열되어 장착되고, 이러한 카트리지들을 적층하여 전지팩을 구성하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  10. 제 8 항에 있어서, 열전달 매체의 유입부와 배출부가 전지팩의 동일한 면에 위치하고, 상기 유입부와 배출부 간의 유로(열전달 매체의 유로)는 유입부를 통해 유입된 열전달 매체가 각각 특정한 전지군 만을 유동한 후 배출부를 통해 배출될 수 있도록 유로가 분할되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  11. 제 8 항에 있어서, 열전달 매체가 전지군 별로 유입되어 냉각순환 후 배출될 수 있도록, 상기 유입부에는 각 전지군을 인접한 전지군들로부터 격리시키기 위한 격벽이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 유입부와 배출부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 열전달 매체의 유도 부재는 전지팩의 상부 또는 하부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 열전달 매체 유도 부재는 전지팩의 상부에 형성되어 있고, 열전달 매체의 유로는 유입구로부터 유입된 열전달 매체가 전지팩의 한쪽 측면쪽으로 이동한 후 전지팩의 측벽(a)을 따라 하향 이동하고, 단위전지들 간의 틈을 통해 대향 측면쪽으로 이동한 뒤, 측벽(b)를 따라 상향 이동하여 배출구를 통해 배출되는 경로를 거치도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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