KR20130107653A

KR20130107653A - 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈

Info

Publication number: KR20130107653A
Application number: KR20120029590A
Authority: KR
Inventors: 곽진우; 송경화; 이한샘; 장영준; 최병삼
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-10-02
Also published as: KR101470066B1; US20130252040A1

Abstract

본 발명은 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정온도를 유지토록 하기 위한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로, 열전도도가 우수한 판상의 복합재 시트; 상기 복합재 시트에 관통한 형태로 삽입되고, 양단부가 복합재 시트의 좌우 양편으로 돌출되는 고열전도성의 방열리본들; 상기 복합재 시트의 상하 일면 또는 양면에 부착되고, 전압 인가에 의해 발열 가능한 면상발열층; 상기 면상발열층에 공급 전압을 인가하기 위한 전도성 스트랩;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제공한다.

Description

배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 {Heat control plate for battery cell module and battery cell module having the same}

본 발명은 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정온도를 유지토록 하기 위한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트에 관한 것이다.

전기자동차는 배터리 시스템의 신뢰성과 안정성이 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용함에 따라 외부 온도의 다양한 변화에 따른 배터리의 성능저하를 방지하기 위하여 배터리 시스템의 적정 온도범위인 35~40℃가 유지되어야 하며, 이를 위해 일반적인 기후 조건에서는 우수한 방열성능을 지니면서 낮은 온도 환경에서는 적정 온도범위를 유지할 수 있어야 한다.

일반적으로 리튬이온 배터리는 외부 온도가 영하 10℃ 이하로 떨어지면 에너지와 출력이 급격하게 저하된다. 일례로 18650 배터리의 경우 영하 40℃의 환경에서는 20℃인 환경에서의 에너지 밀도의 5%, 출력 밀도의 1.25% 정도 밖에 공급하지 못한다고 보고되고 있다(Ref, G. Nagasubramanian, J. Appl. Electrochem. 31 (2001) 99 참조).

또한, 리튬이온 배터리는 낮은 온도 환경에서 방전은 정상적으로 이루어지나 충전이 정상적으로 이루어지지 못하는 것으로 보고되고 있다(Ref, C. K. Huang, J. S. Sakamoto, J. Wolfenstine, S. Surampudi, J. Electrochem. Soc. 147 (2000) 2893; S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, Electrochim. Acta 48 (2002) 241 참조).

이와 같은 저온 환경에서의 배터리 성능저하는 배터리 내 전해질의 이온 전도도 저하와 그라파이트 표면에 형성되는 고체 전해질 막, 리튬이온의 그라파이트로의 낮은 확산성, 전해질과 전극부 계면에서의 전하전달의 저항 증가 등이 원인이 되며(Ref, S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, J of Power Sources 115 (2003) 137 참조), 이를 해결하기 위해서는 배터리 셀을 적정 온도범위(35~40℃)로 유지하기 위하여 별도의 히팅 시스템이 필요하다.

그러나, 전기자동차용 배터리는 고출력, 고속 및 반복 충전 등으로 인하여 발생하는 열로 인해 국부적인 온도 차이나 고열이 발생하게 되고, 이에 배터리의 효율 및 안정성을 저해하는 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생하게 된다.

상기의 열폭주 현상은 배터리 내부에서 발생되는 열보다 외부로의 열 방출 및 확산 능력이 부족하여 초래된다.

또한, 최근 널리 사용되고 있는 파우치형(pouched type) 배터리 셀에서는 충전 및 방전시 리튬이온의 전극물질로의 인터칼레이션(Intercalation)과 디-인터칼레이션(deintercalation)에 의해 부피 변화가 발생하게 된다.

또한, 배터리 셀 내 전극의 팽창으로 인한 전극 물질 사이의 세퍼레이터의 손상은 내부 저항의 발생과 함께 전압의 증가와 배터리 성능 및 최종 배터리 용량의 감소 등을 초래하게 되므로 배터리의 부피 팽창에 대응하기 위한 방열용 계면 부재(배터리의 셀과 셀 사이에 위치되는 부재)가 필요하다.

또한, 종래의 배터리 시스템에서 배터리 셀의 부피가 증가할 경우, 배터리 셀 모듈 내 형성된 공기 냉각 유로가 축소되어 냉각 효과가 감소하게 되고, 결국 주변 배터리 셀의 온도 상승에 의해 인접한 셀 간 발열 현상이 가속화되어 배터리 성능의 급격한 저하를 초래하게 된다.

또한, 배터리 셀의 부피팽창이 심할 경우 배터리 셀의 파우치형 케이스가 손상되어 내부의 전해액이 누수되거나 가스가 분출하는 등의 위험이 있다.

또한, 다수의 파우치형 배터리 셀을 적층하여 배터리 셀 모듈을 구성하므로, 배터리 셀의 부피팽창이나 가스 분출 혹은 폭발이 발생할 경우 인접한 셀에도 직접적인 손상이 가해지는 문제점이 있다.

또한, 배터리 셀 모듈의 셀 간 공기 냉각 유로는 효과적인 방열을 위해 필수적으로 형성되어야 하나, 통상 배터리 셀 사이마다 3㎜ 이상의 공간이 확보되어야 하므로 체적 대비 에너지밀도를 향상시키는데 한계가 있다.

현재 양산 혹은 진행되고 있는 연구의 대부분은 배터리 케이스 및 하우징의 소재 개발에 있어 방열의 관점에서만 접근하고 있는데, 통상 배터리의 작동온도가 지나치게 높거나(50℃ 이상) 낮은 경우(0℃ 이하) 배터리의 수명에 치명적인 악영향을 미치므로 배터리의 성능과 수명을 위해서는 적절한 온도 조절이 필수적이다.

일례로, 종래의 배터리 케이스 및 하우징 소재는 PC+ABS, PA, PP 등의 플라스틱 기질에 난연 필러인 미네랄 필러가 20 ~ 30 중량% 충전(充塡)된 소재로, 난연성, 내화학성, 절연성, 내구성 등의 기능을 보유하고 있지만 방열의 특성은 전혀 없는 것이 사실이다.

따라서, 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 성능을 유지하고 안정성을 확보하기 위해서는 적정온도를 유지하기 위한 별도의 배터리 셀 모듈용 열 제어 시스템이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 고안한 것으로서, 배터리 셀 사이에 개재되는 계면부품으로서 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정 온도를 유지함과 동시에 배터리 셀의 부피변화에 대응 가능한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로, 열전도도가 우수한 판상의 복합재 시트; 상기 복합재 시트에 관통한 형태로 삽입되고, 양단부가 복합재 시트의 좌우 양편으로 돌출되는 고열전도성의 방열리본들; 상기 복합재 시트의 상하 일면 또는 양면에 부착되고, 전압 인가에 의해 발열 가능한 면상발열층; 상기 면상발열층에 공급 전압을 인가하기 위한 전도성 스트랩;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제공한다.

구체적으로, 상기 전도성 스트랩은 면상발열층과 복합재 시트 사이에 부착되고, 복합재 시트의 좌우 양끝단에 각각 배치되어 전원공급부에 전기적으로 연결된다.

바람직하게, 상기 복합재 시트는 고열전도성의 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 수지로 성형되며, 구체적으로는 열가소성 엘라스토머 수지 50~80 중량% 와 필러 20~50 중량% 가 혼합된 조성물로 성형된다.

상기 방열리본은 복합재 시트의 좌우 양편으로 각각 5~20㎜ 돌출되게 구성되며, 열전도도가 우수한 금속재료로 형성된다.

바람직하게, 상기 면상발열층은 10~30㎛의 두께로 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 면상발열층에는 배터리 셀의 표면온도를 센싱하기 위한 온도센서가 연결되고, 이 온도센서에는 온도센서의 센싱신호에 따라 전도성 스트랩에 전원을 공급하는 전원공급부의 온/오프를 제어하는 온도제어유닛이 연결된다.

아울러 본 발명은, 복수 층으로 적층되는 배터리 셀과 이 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 열 제어 플레이트를 포함하여 구성되며, 상기 열 제어 플레이트는 열전도도가 우수한 판상의 복합재 시트; 상기 복합재 시트에 관통한 형태로 삽입되고, 양단부가 복합재 시트의 좌우 양편으로 돌출되는 고열전도성의 방열리본들; 상기 복합재 시트의 상하 일면 또는 양면에 부착되고, 전압 인가에 의해 발열 가능한 면상발열층; 상기 면상발열층에 공급 전압을 인가하기 위한 전도성 스트랩;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈을 제공한다.

바람직하게, 상기 열 제어 플레이트는 복합재 시트의 외측으로 돌출된 전도성 스트랩의 전극부가 배터리 셀을 사이에 두고 전극연결부재에 의해 전기적으로 연결되게 된다.

이에 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트는 배터리 셀 사이에 층간 삽입되어, 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로 배터리 셀의 온도 상승시 방열 현상이 일어나고 온도 하강시 면상발열층 상에서 열에너지를 공급하여 배터리 셀 모듈의 내부 온도를 적정하게 유지할 수 있는 동시에, 배터리 셀의 충전 및 방전시 나타나는 부피변화에 대응할 수 있다.

이에 본 발명에 따른 열 제어 플레이트를 갖는 배터리 셀 모듈은 열 제어 성능이 개선됨은 물론, 체적 대비 에너지밀도가 향상된 컴팩트한 방열 및 히팅 시스템의 구현이 가능하며, 배터리 성능을 향상하는 동시에 배터리 수명 및 안정성, 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 도시한 평면도 및 정면도
도 2는 도 1의 A-A 및 B-B에서 바라본 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트에 전원공급부를 연결한 상태를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열 제어 플레이트를 가지는 배터리 셀 모듈을 도시한 정면도
도 5는 도 4를 부분 확대하여 나타낸 정면도
도 6은 도 4를 부분 확대하여 나타낸 측면도

전기자동차용 배터리 시스템의 성능 향상 및 안정성 확보를 위해서는 적정 온도 유지를 위해 히팅 및 방열 특성을 동시에 가지는 배터리 셀 모듈용 열 제어 시스템이 필요하다.

이에 본 발명에서는 배터리의 성능 저하를 방지하기 위해 배터리 셀 및 모듈을 적정 온도로 유지시킬 수 있는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제시한다.

본 발명의 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트는 적층된 배터리 셀 사이에 삽입되어 배터리 셀 모듈의 방열 및 히팅을 제어하기 위한 계면부품으로서, 배터리 셀 모듈의 성능 저하를 방지하고 수명 및 안정성을 확보하기 위하여 일반적인 기후 조건에서는 우수한 방열성능을 지니면서 낮은 온도 환경에서는 히팅을 통해 배터리 셀 모듈의 적정 온도를 유지시킬 수 있는 소재와 구조로 구성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트는 열전도도가 우수한 재료를 이용하여 방열 특성을 극대화시킬 수 있는 구조로 구성되고, 또한 내부에 충전된 방열 필러들이 효과적인 열전달 경로를 형성하여 높은 수준의 방열 특성을 가지게 된다.

또한 본 발명의 열 제어 플레이트는 배터리 셀들 사이에 층간 개재되는 계면부품으로서 방열 성능과 더불어 셀의 부피 변화(셀의 팽창/수축 등)에 대응 가능해야 하는바, 충전 및 방전 등에 의해 발생하는 배터리 셀의 부피 변화에 대응하기 위한 우수한 탄성(압축 및 복원성)을 가지도록 구성된다.

또한 본 발명의 열 제어 플레이트는 배터리 셀에 직접 접합되는 계면부품이므로 셀과의 평탄도 문제를 해결할 수 있는, 그리고 부착성과 그립성을 증대시킬 수 있는 소재(후술하는 바와 같은 엘라스토머 타입의 소재)를 사용하는바, 배터리 셀과 열 제어 플레이트 사이의 계면에서 발생하는 열전도 계면저항을 최소화할 수 있도록 구성된다.

이에 본 발명의 열 제어 플레이트(10)는 우수한 탄성을 가지는 고분자 수지에 열전도도가 높은 필러를 첨가한 복합재료로 성형된 판상의 복합재 시트(11)를 포함하여 구성된다.

상기 고분자 수지로는 충전 및 방전 등에 의해 발생되는 배터리 셀의 부피변화에 대응할 수 있도록 하기 위하여 열가소성 엘라스토머 수지를 사용할 수 있다.

그리고, 상기 열가소성 엘라스토머 수지로는 TPU(thermoplastic polyurethane)와 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 중 선택된 하나가 사용될 수 있다.

부피 대비 에너지 밀도의 향상을 위한 콤팩트한 배터리 시스템에 도달하기 위해서는 배터리 셀의 부피 변화에 대응할 수 있는 소재의 탄성과 방열 성능 모두가 우수해야 한다.

이에, 상기 복합재 시트(11)에는 방열 성능의 향상을 위해 열전도성이 우수한 방열리본(12)이 복수 개(15~40개 정도)로 삽입된다.

상기 방열리본(12)은 오버몰드 사출성형을 통해 복합재 시트(11)를 관통한 형태로 복합재 시트(11)와 일체로 구성되며, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 그 양단부가 복합재 시트(11)를 관통하여 복합재 시트(11)의 좌우 양편으로 돌출되게 구성된다.

여기서, 상기 방열리본(12)은 복합재 시트(11)의 사출 성형시 복합재 시트(11) 내에 평판방향(혹은 길이방향)으로 나란하게 삽입되어 이격 배열된 형태로 형성된다.

이때, 상기 복합재 시트(11)는 파우치형 배터리 셀과 동일한 너비 및 길이를 가지는 크기로 구성되며, 방열리본(12)은 2~8㎜의 너비를 가지고 복합재 시트(11)의 좌우 양편으로 각각 5~20㎜ 정도 돌출되게 구성되어 방열핀의 역할을 하게 된다.

이에 상기 열 제어 플레이트(10)는 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 경우 비표면적이 최대화된 방열핀으로 형성된 히트싱크와 같은 구조를 가지게 된다.

이와 같이 열 제어 플레이트(10)는 복합재 시트(11)의 한쪽이 아닌 좌우 양쪽에 공기냉각에 의한 방열 효과를 얻을 수 있는 방열핀으로서 히트싱크와 동일한 구조를 형성하게 되는 방열리본(12)을 구비함으로써 배터리 셀 전체 면적에서 발생하는 열을 양방향(방열리본이 돌출되어 있는 양측임)으로 이동시켜 열 이동 경로를 최소화하여 배터리 내 국부적 온도 차를 최소화할 수 있다.

여기서 상기 방열리본(12)은 금속 재료, 특히 열전도도가 높은 알루미늄 소재로 된 것이 사용될 수 있다.

그리고, 배터리 셀에서 발생한 열을 방열리본(12)에 효과적으로 전달하기 위하여, 복합재 시트(11)의 열전도 특성은 3~5 W/mK 수준으로 높아야 한다.

이에 상기 고분자 수지에는 복합재 시트(11) 내에 효과적인 열전달 경로를 형성하기 위하여, 앞서 언급한 고열전도성의 필러가 충전된다.

상기 고분자 수지에 충전되는 필러로는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 스틸파이버, 실버 파우더 중 선택된 어느 하나가 사용되거나 혹은 선택된 둘 이상이 혼합된 혼합물이 사용될 수 있다.

여기서, 상기 고분자 수지와 고열전도성의 필러로 혼합 조성된 복합재 시트(11)의 재료로는 고분자 수지 50~80 중량% 와 필러 20~50 중량% 가 혼합된 조성물이 사용될 수 있다.

상기 복합재 시트(11)의 재료에 필러가 20 중량% 미만으로 함유되면 원하는 열전도 특성을 얻을 수 없고, 필러가 50 중량% 를 초과하여 함유되면 소재의 물성 저하 및 그립성(탄성) 저하 등이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다.

상기 복합재 시트(11)는 그립성이 우수한 엘라스토머 소재를 매트릭스 소재로 이용함으로써 열원인 배터리 셀과의 계면에서 열전달 저항요인인 공극을 최소화하여 우수한 열전도 특성을 기대할 수 있으며, 또한 충격이나 진동으로부터의 안정성 및 내구성 향상을 기대할 수 있다.

이와 같이 구성되는 열 제어 플레이트(10)를 포함하는 배터리 셀 모듈(도 4 참조)은 배터리 케이스 내에 장착되는 경우 모듈과 모듈 사이에 열 제어 플레이트(10)의 평판방향과 직각을 이루는 냉각풍의 유로가 형성되며, 이때 냉각풍은 상기 유로에서 방열리본(12)과 직각이 되는 방향으로 흐르게 되어 컨벡션(convection)에 의한 방열 효과를 높일 수 있게 된다.

즉, 본 발명의 열 제어 플레이트(10)는 적층된 배터리 셀(도 4의 20) 사이에 삽입됨에 있어 모듈 가장자리에 형성되는 냉각풍의 유로 공간이 열 제어 플레이트(10)의 평판방향과 직각을 이룸(혹은 배터리 셀 및 열 제어 플레이트의 적층방향과 냉각풍의 흐름방향이 직각을 이룸)으로써 기존의 공냉식 방열 시스템 대비 동일체적 내 배터리 셀 모듈의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 저온의 환경에서 배터리가 정상적으로 작동하기 위해서는 별도의 히팅 시스템이 필요하다.

이에 본 발명에서는 소재의 탄성과 방열 성능이 모두 우수한 복합재 시트(11)의 표면에 면상발열층(13)을 적층 구성하여 방열과 히팅이 동시에 가능한 열 제어 플레이트(10)를 구성하게 된다.

상기 면상발열층(13)은 인가되는 전압에 의해 발열 가능한 일종의 폴리머 저항체(polymer resistor)로서, 12~24V 정도의 저전압에서 단시간에 원하는 온도로 발열 가능한 코팅액을 복합재 시트(11)의 표면에 코팅하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 코팅액은 상업적으로 이용가능한 재료를 사용함이 바람직하다.

상기 면상발열층(13)은 전압이 인가됨에 따라 발열되어 복합재 시트(11)에 접합되는 배터리 셀을 승온시키는 역할을 하게 되며, 특히 도 1 및 도 2와 같이 복합재 시트(11)의 상하 양표면에 모두 코팅되어 구성됨으로써 복합재 시트(11)의 양표면에 접합되는 배터리 셀에 효율적으로 열 전달이 이루어져 저온에서 배터리의 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

또한, 배터리 시스템에서는 배터리 셀의 표면 전구간에서 온도 편차 없이 균일하게 온도를 유지하는 것이 중요하다.

이에 상기 면상발열층(13)은 열 제어 플레이트(10)와 접합된 배터리 셀(20)의 전면적에서 균일한 온도상승을 유도해야 하며, 이를 위해 복합재 시트(11)의 표면에 10~30㎛의 두께로 코팅되는 바람직하다.

즉, 상기 면상발열층(13)은 10~30㎛의 두께로 된 얇은 박판 형상을 가짐으로써 전압 인가시 핫스팟이 생기지 않고 균일하게 발열될 수 있다.

이렇게 코팅을 통해 형성되는 면상발열층(13)은 그 코팅 두께가 얇고 유연하여 복합재 시트(11)의 그립성 및 탄성에 큰 영향을 미치지 못하므로, 복합재 시트(11)에 의한 열 제어 플레이트(10)의 방열 특성 및 안정성은 유지될 수 있다.

이러한 면상발열층(13)에는 전원공급부(도 3의 19)에서 공급하는 전원을 전달하기 위해 전도성 스트랩(14)이 연결 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전도성 스트랩(14)은 얇고 긴 띠 형상으로 형성되어 면상발열층(13)과 복합재 시트(11) 사이에 개재되는데, 복합재 시트(11)의 상하 양면에서 각각 좌우 양끝단에 배치되며, 복합재 시트(11)의 상하 양면에 부착된 전도성 스트랩(14)의 일단부가 복합재 시트(11)의 바깥쪽에서 상호 접합되어 전극부(15)로 구성된다.

이렇게 접합된 좌우 양편의 전도성 스트랩(14)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 전극부(15)가 모듈 단위로 배터리 셀(20)의 외측 및 열 제어 플레이트(10)의 전방으로 돌출되어 각각 전원공급부(19)의 양극과 음극에 연결되는 전극 역할을 하게 되는데, 모듈 단위로 각각의 전도성 스트랩(14)의 전극부(15)가 버스바(busbar)나 와이어(wire) 같은 전극연결부재(16)에 의해 일체로(혹은 전기적으로) 연결되어 각각 전원공급부(19)의 양극과 음극에 연결되는 전극 역할을 하게 된다.

이에 상기 전도성 스트랩(14)을 통해 전원공급부(19)의 전압이 면상발열층(13)에 인가될 수 있게 된다.

이러한 전도성 스트랩(14)은 면상발열층(13)을 코팅하기 전에 먼저 복합재 시트(11) 상에 부착되며, 전도성 스트랩(14)의 접착 후 바 코터(bar coater) 등을 이용한 코팅공정을 통하여 면상발열층(13)을 형성하게 된다.

이와 같이 구성되는 열 제어 플레이트(10)에는 배터리 셀의 적정온도를 유지하기 위하여, 도 3과 같이 면상발열층(13)의 표면에 부착되는 온도센서(17)가 연결 구성되고, 이 온도센서(17)에는 온도센서(17)의 센싱신호에 따라 전도성 스트랩(14)에 전원을 공급하는 전원공급부(19)를 온/오프하는 온도제어유닛(18)이 연결된다.

상기 온도센서(17)는 면상발열층(13)과 접하고 있는 배터리 셀의 표면온도를 센싱하는 역할을 하고, 이 온도센서(17)의 센싱신호를 수신한 온도제어유닛(18)은 온도센서(17)의 신호에 따라 전원공급부(19)를 온/오프하여 면상발열층(13)의 발열 여부를 제어하게 된다.

여기서, 상기 온도센서(17)로는 추가 구성할 필요없이 배터리 시스템에 구비되어 있는 온도센서를 이용할 수 있다.

본 발명의 열 제어 플레이트(10)에서 방열리본(12)의 두께 및 폭, 방열리본(12) 간에 간격 등은 적용되는 배터리 시스템의 발열량에 따라 요구되는 방열특성을 기준으로 하여 변경될 수 있으나, 복합재 시트(11), 방열리본(12) 및 면상발열층(13) 등으로 구성된 열 제어 플레이트(10)의 최종 두께는 기존 배터리 시스템의 모듈 간 유로 공간보다 얇게 형성됨이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 열 제어 플레이트(10)는 배터리의 성능 저하를 방지하기 위한 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로, 배터리 셀의 온도 상승시 열을 방출하고 온도 하강시 열을 발생하여 히팅함으로써 배터리 셀 모듈의 온도를 적정하게 유지할 수 있게 된다.

한편, 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈은 복수 층으로 적층되는 배터리 셀(20)과, 상기 배터리 셀(20)들 사이에 층간 삽입되는 열 제어 플레이트(10)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 배터리 셀 모듈은 배터리 셀(20)들 사이에 개재된 열 제어 플레이트(10)에 의해 정상적인 작동을 위한 적정 온도범위를 유지하게 되는 동시에, 충전 및 방전 등에 의한 배터리 셀(20)의 부피팽창에 대응가능하게 된다.

상기와 같은 본 발명의 열 제어 플레이트(10)는 다음과 같이 제작될 수 있다.

먼저, 열전도도가 높은 알루미늄을 이용하여 너비 2~8㎜, 길이 280~290㎜, 두께 1㎜ 미만인 방열리본(12)을 15~40개 정도 마련한다.

상기 방열리본(12)들을 일정 간격을 두고 몰드에 삽입하고 오버몰드 사출을 통해 방열리본(12)이 삽입된 복합재 시트(11)를 제조한다.

이때 상기 방열리본(12)을 배터리 셀(20)보다 길게 마련하여 모듈 구성시 배터리 셀(20)의 양측으로 방열리본(12)이 5~20㎜ 정도 돌출되게 한다.

여기서, 상기 복합재 시트(11)의 고분자 수지로는 열가소성 엘라스토머 수지인 SEBS(styrene-ethylene-butadiene-styrene)를 사용할 수 있으며, 선택한 고분자 수지에 고열전도성의 그라파이트를 20~50 중량% 정도 첨가하여 복합재 시트의 열전도 특성이 3~5W/mK 수준이 되도록 한다.

다음, 상기 복합재 시트(11)의 상하 표면에 히팅 기능을 부여하기 위하여, 먼저 전원공급부(19)가 연결되는 스트랩 타입의 전도체(전도성 스트랩)(14)를 복합재 시트의 상하 표면의 좌우 양끝단(총 4군데)에 부착한 후, 복합재 시트(11)의 상하 표면 및 전도성 스트랩(14) 위에 바 코터를 이용하여 면상발열체용 전도성 코팅액을 10~30㎛의 균일한 두께로 전체적으로 도포한다.

상기 코팅액으로는 상업적으로 이용가능한 Future Carbon 사의 Carbo e-therm ACR-100 1W를 이용할 수 있다.

복합재 시트(11)의 상하 표면의 좌우 양끝단에 부착된 4개의 전도성 스트랩(14) 중 상하 양편의 전도성 스트랩들을 복합재 시트(11)를 사이에 두고 각각 접합하여 전극부(15)를 형성한다.

상호 접합된 전도성 스트랩(14)의 전극부(15)는 각기 복합재 시트(11)의 좌우 양편에서 전방으로 돌출되어 전원공급부(19)의 전극에 연결가능한 양극 및 음극 역할을 하게 한다.

이렇게 제조한 열 제어 플레이트(10)를 적층된 복수 개의 배터리 셀(20) 사이에 각각 층간 삽입하여 하나의 배터리 셀 모듈을 형성하고, 각 배터리 셀(20)의 전극부(21)는 폴딩하여 상호 접합되게 한다(도 5 참조).

상기 배터리 셀 모듈에서 배터리 셀(20) 사이에 개재한 열 제어 플레이트(10)의 방열리본(12)은 배터리 셀(20)의 좌우 양편으로 돌출되게 된다.

계속해서, 상하로 적층된 상기 전도성 스트랩(14)의 전극부(15)를 각각 버스바(16)를 이용하여 전기적으로 일체로 연결한다.

그리고, 상기 열 제어 플레이트(10)의 코팅된 표면(면상발열층)(13)에 온도센서(17)를 부착하여 연결하고, 이 온도센서(17)에 상기 전원공급부(19)와 연결되는 온도제어유닛(18)을 연결한다.

상기 온도센서(17)는 배터리 셀(20)의 표면온도를 센싱하여 온도제어유닛(18)으로 신호를 송출하고, 상기 온도제어유닛(18)은 수신한 온도신호에 따라 전원공급부(19)를 온/오프 제어함으로써, 배터리 셀(20)의 표면온도가 35~40℃ 수준의 적정 온도범위로 유지될 수 있도록 한다.

여기서, 상기 전원공급부(19)는 다수의 모듈을 포함하여 구성되는 배터리 팩 전체의 출력량을 고려하여 배터리 셀(20)들 사이에 개재되는 열 제어 플레이트(10)의 개수에 맞게 적정 전원을 공급하도록 구비한다.

또한, 면상발열층(13)의 히팅을 위한 전원공급을 위해 별도로 전원공급부를 두지 않고, 배터리 셀(20)의 전극부(21)와 연결하여 배터리의 전원을 사용하는 것도 가능하다.

10 : 열 제어 플레이트
11 : 복합재 시트
12 : 방열리본
13 : 면상발열층
14 : 전도성 스트랩
15 : 전도성 스트랩의 전극부
16 : 전극연결부재
17 : 온도센서
18 : 온도제어유닛
19 : 전원공급부
20 : 배터리 셀
21 : 배터리 셀의 전극부

Claims

배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로,
열전도도가 우수한 판상의 복합재 시트(11);
상기 복합재 시트에 관통한 형태로 삽입되고, 양단부가 복합재 시트의 좌우 양편으로 돌출되는 고열전도성의 방열리본(12)들;
상기 복합재 시트의 상하 일면 또는 양면에 부착되고, 전압 인가에 의해 발열 가능한 면상발열층(13);
상기 면상발열층에 공급 전압을 인가하기 위한 전도성 스트랩(14);
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 1에 있어서,
상기 복합재 시트(11)는 고열전도성의 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 수지로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 1에 있어서,
상기 복합재 시트(11)는 열가소성 엘라스토머 수지 50~80 중량% 와 필러 20~50 중량% 가 혼합된 조성물로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 열가소성 엘라스토머 수지는 TPU(thermoplastic polyurethane)와 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 필러는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 스틸파이버, 실버 파우더 중 선택된 어느 하나 혹은 선택된 둘 이상이 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 1에 있어서,
상기 방열리본(12)은 복합재 시트(11)의 좌우 양편으로 각각 5~20㎜ 돌출되게 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 1에 있어서,
상기 방열리본(12)은 열전도도가 우수한 금속재료로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 1에 있어서,
상기 면상발열층(13)은 10~30㎛의 두께로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 1 또는 8에 있어서,
상기 면상발열층(13)에는 배터리 셀의 표면온도를 센싱하기 위한 온도센서(17)가 연결되고, 이 온도센서에는 온도센서의 센싱신호에 따라 전도성 스트랩(14)에 전원을 공급하는 전원공급부(19)의 온/오프를 제어하는 온도제어유닛(18)이 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
청구항 1에 있어서,
상기 전도성 스트랩(14)은 면상발열층(13)과 복합재 시트(11) 사이에 부착되고, 복합재 시트(11)의 좌우 양끝단에 각각 배치되어 전원공급부(19)에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
복수 층으로 적층되는 배터리 셀(20)과 이 배터리 셀(20)들 사이에 층간 삽입되는 열 제어 플레이트(10)를 포함하여 구성되며, 상기 열 제어 플레이트는
열전도도가 우수한 판상의 복합재 시트(11); 상기 복합재 시트에 관통한 형태로 삽입되고, 양단부가 복합재 시트의 좌우 양편으로 돌출되는 고열전도성의 방열리본(12)들; 상기 복합재 시트의 상하 일면 또는 양면에 부착되고, 전압 인가에 의해 발열 가능한 면상발열층(13); 상기 면상발열층에 공급 전압을 인가하기 위한 전도성 스트랩(14);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
청구항 11에 있어서,
상기 열 제어 플레이트(10)는 복합재 시트(11)의 외측으로 돌출된 전도성 스트랩(14)의 전극부(15)가 배터리 셀(20)을 사이에 두고 전극연결부재(16)에 의해 전기적으로 연결되게 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.