KR20150131759A - 열전 소자를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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KR20150131759A
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이형석
박진홍
홍순창
김보현
이진규
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은, 복수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 전지모듈로서, 상기 전지셀들이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조의 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 전도 방식으로 제거하는 하나 이상의 열전 소자; 상기 전지셀들 사이에 장착되어 있는 온도센서; 및 상기 모듈 케이스의 일측에 위치하고, 상기 온도센서로부터의 정보를 바탕으로 상기 열전소자의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

열전 소자를 포함하는 전지모듈 {Battery Module Having Thermoelectric Element}
본 발명은 열전 소자를 포함하는 전지팩에 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. 또한, 외부로부터 냉매를 공급받기 위한 냉각장치가 추가되고, 냉매를 유동시키기 위한 팬이나 펌프 구조가 추가될 수 있다. 이는, 전지모듈의 중량 및 크기를 증가시킬 뿐만 아니라, 팬이나 펌프의 작동으로 인해, 소음 및 진동이 발생하는 문제를 유발할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지모듈 전체의 중량 및 크기 증가를 억제하면서 냉각 효율이 우수한 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
복수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 전지모듈로서,
상기 전지셀들이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조의 전지셀 적층체;
상기 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 전도 방식으로 제거하는 하나 이상의 열전 소자;
상기 전지셀들 사이에 장착되어 있는 온도센서; 및
상기 모듈 케이스의 일측에 위치하고, 상기 온도센서로부터의 정보를 바탕으로 상기 열전소자의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System);
를 포함하는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈은, 별도의 냉각 장치의 추가 없이, 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 전도 방식으로 제거하는 열전 소자를 포함함으로써, 전지모듈 전체의 중량 및 크기 증가를 억제하면서 우수한 냉각 효율을 구현할 수 있다.
상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀일 수 있다.
또한, 상기 전지셀은, 내구성을 담보하기 위하여, 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있을 수 있다.
상기 전지셀은 용량 대비 출력이 우수한 리튬 이차 전지일 수 있고, 구체적으로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
본 발명에 따른 하나의 예에서, 상기 열전 소자는 전지셀들의 전력으로 작동될 수 있다. 즉, 열전 소자의 작동을 위해 외부로부터 별도의 전력을 끌어오지 않고, 열전 소자와 전지셀들을 전기적으로 연결하여, 열전 소자를 작동시킬 수 있다.
상기 온도센서와 상기 열전 소자는, 각각 구체적으로, 상기 온도센서는 써미스터(Thermistor)일 수 있고, 상기 열전 소자는 펠티어(Peltier) 소자일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 펠티어 소자는, 전류의 인가 방향에 따라 발열과 흡열 현상이 유발되는 제 1 열전도 부재 및 제 2 열전도 부재로 이루어져 있을 수 있다. 그에 따라, 전지셀의 냉각을 위하여, 상기 제 1 열전도 부재는 전지셀 적층체와 대면하는 방향으로 위치할 수 있고, 상기 제 2 열전도 부재는 제 1 열전도 부재의 대향 방향으로 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 예에서, 상기 열전 소자는 방열 부재를 경유한 간접 접촉 전도 방식에 의해 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 제거할 수 있다.
하나의 구체적인 실시예로서, 상기 방열 부재는,
전지셀들의 계면에 개재되는 냉각핀들;
일면에 상기 냉각핀들의 일측 단부들이 접해 있고 타면에 열전 소자가 부착되어 있는 제 1 방열 플레이트;
를 포함하고 있을 수 있다.
더욱, 구체적으로, 상기 열전 소자가 접해 있는 제 1 방열 플레이트의 양측 단부는 적어도 열전 소자의 높이 이상으로 연장되어 있을 수 있다.
상기한 구조와 더불어, 또 하나의 구체적인 실시예로서, 상기 방열 부재는 냉각핀들의 타측 단부들에 접해 있는 제 2 방열 플레이트를 추가로 포함하고 있을 수 있으며, 상기 제 2 방열 플레이트에도 열전 소자가 부착되어 있을 수 있다.
또한, 상기 냉각핀들과 제 1 방열 플레이트 및/또는 제 2 방열 플레이트는 일체로 형성되어 있을 수 있다.
상기한 구조와는 달리, 열전 소자가 방열 부재를 경유하지 않고 전지셀을 냉각하는 구조 또한 가능할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 열전 소자는 전지셀에 직접 접촉하는 전도 방식에 의해 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 제거할 수 있다.
구체적으로, 상기 열전 소자가 제 1 전지셀과 제 2 전지셀 사이에 위치할 때, 열전 소자의 일면이 제 1 전지셀과 직접 접촉하고 타면에 단열 부재가 부가되어 있을 수 있다. 상기 단열 부재가 제 1 전지셀로부터 전도된 열을 방열하는 타면에 부가되어 있음으로써, 제 2 전지셀로 열이 전도되는 것을 방지할 수 있다.
또 하나의 예로서, 상기 열전 소자는 전지셀 적층체의 최외곽에 위치하는 전지셀들의 외면에 접하면서 장착되어 있을 수 있다. 따라서, 보다 콤팩트한 구조의 전지모듈을 구성할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 별도의 냉각 장치의 추가 없이, 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 전도 방식으로 제거하는 열전 소자를 포함함으로써, 전지모듈 전체의 중량 및 크기 증가를 억제하면서 우수한 냉각 효율을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 측면도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 측면도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 측면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 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 측면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(100)은 전지셀 적층체(110), 펠티어 소자(120), 방열 부재(130), 온도센서(도시하지 않음), 및 BMS(도시하지 않음)를 포함하고 있다.
전지셀 적층체(110)는 전지셀들(111)이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
방열 부재(130)는 전지셀들(111)의 계면에 개재되는 냉각핀들(131)과 냉각핀들(131)의 하측 단부에 접해 있는 제 1 방열 플레이트(132)로 이루어져 있다.
펠티어 소자(120)는 제 1 방열 플레이트(132)에 부착되어 있고, 그에 따라, 전지셀들(111)로부터 방열 부재(130)로 전도된 열은, 다시 펠티어 소자로(120)로 전도되어 냉각된다.
펠티어 소자(120)는 전지셀들(111)과 전기적으로 연결되어 전지셀들의 전력으로 작동된다. BMS는 온도센서로부터의 정보를 바탕으로 펠티어 소자의 작동을 제어한다.
구체적으로, 펠티어 소자(120)는 제 1 열전도 부재(121) 및 제 2 열전도 부재(122)로 이루어져 있고, 제 1 열전도 부재(121)는 방열 부재(130)에 부착되어 방열 부재(130)로부터 흡열 현상을 유발하고, 제 2 열전도 부재(122)는 제 1 열전도 부재의 대향 방향으로 부착되어 발열 한다.
도 2에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 측면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 방열 부재 (230)는 냉각핀들(231)의 상측 단부에 제 2 방열 플레이트(232)가 추가로 접해 있고, 제 2 방열 플레이트(232)에는 펠티어 소자(220)가 추가로 부착되어 있다. 이와 같은 구조를 제외한 나머지 구조는 도 1 의 전지모듈 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략 하기로 한다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 측면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 펠티어 소자(320)는 전지셀들(311)에 직접 접촉되어 있고, 전지셀들(311)과의 접촉면에 대향하는 타면에는 단열 부재(340)가 부가되어 있다. 이와 같은 구조를 제외한 나머지 구조는 도 1의 전지모듈 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략 하기로 한다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 측면도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 펠티어 소자(430)는 전지셀 적층체(410)의 최외곽에 위치하는 전지셀들(411)의 외면에 접하면서 장착되어 있다. 따라서, 보다 콤팩트한 구조의 전지모듈을 구성할 수 있다. 이와 같은 구조를 제외한 나머지 구조는 도 1의 전지모듈 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략 하기로 한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 전지모듈로서,
    상기 전지셀들이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조의 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 전도 방식으로 제거하는 하나 이상의 열전 소자;
    상기 전지셀들 사이에 장착되어 있는 온도센서; 및
    상기 모듈 케이스의 일측에 위치하고, 상기 온도센서로부터의 정보를 바탕으로 상기 열전 소자의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열전 소자는 전지셀들의 전력으로 작동되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 온도센서는 써미스터(Thermistor)이고, 상기 열전 소자는 펠티어(Peltier) 소자인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 펠티어 소자는, 전류의 인가 방향에 따라 발열과 흡열 현상이 유발되는 제 1 열전도 부재 및 제 2 열전도 부재로 이루어져 있고, 상기 제 1 열전도 부재는 전지셀 적층체와 대면하는 방향으로 위치하고, 상기 제 2 열전도 부재는 제 1 열전도 부재의 대향 방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 열전 소자는 방열 부재를 경유한 간접 접촉 전도 방식에 의해 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 제거하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 방열 부재는,
    전지셀들의 계면에 개재되는 냉각핀들;
    일면에 상기 냉각핀들의 일측 단부들이 접해 있고 타면에 열전 소자가 부착되어 있는 제 1 방열 플레이트;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 열전 소자가 접해 있는 제 1 방열 플레이트의 양측 단부는 적어도 열전 소자의 높이 이상으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 방열 부재는 냉각핀들의 타측 단부들에 접해 있는 제 2 방열 플레이트를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 2 방열 플레이트에도 열전 소자가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 냉각핀들과 제 1 방열 플레이트는 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 열전 소자는 전지셀에 직접 접촉하는 전도 방식에 의해 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 제거하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 열전 소자가 제 1 전지셀과 제 2 전지셀 사이에 위치할 때, 열전 소자의 일면이 제 1 전지셀과 직접 접촉하고 타면에 단열 부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 열전 소자는 전지셀 적층체의 최외곽에 위치하는 전지셀들의 외면에 접하면서 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 18 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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