KR20160034674A - 온도 조절을 위한 열전소자부를 포함하고 있는 전지팩 및 이를 이용한 전기자동차 냉시동 방법 - Google Patents

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Abstract

전지팩의 온도를 적정 수준에서 유지할 수 있도록 냉각 및 가열이 가열한 전지팩 및 이를 이용한 전기자동차의 냉시동 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체 일면에 상기 전지셀들과 열적 접촉되어 있는 열전소자부; 상기 전지셀들의 계면에 개재되어 있고 상기 전지셀 적층체의 일측으로 단부가 돌출되어 있으며, 상기 열전소자부가 방출하는 열을 상기 전지셀로 전달하고, 상기 전지셀의 열을 흡수하여 상기 열전소자부로 전달하는 방열판들; 상기 전지셀의 온도를 감지하여 출력하는 온도 측정부; 및 상기 온도 측정부가 감지한 온도가 일정값 이하이면 상기 열전소자부가 열을 방출하도록 하고, 일정값 이상이면 상기 열전소자부가 열을 흡수할 수 있도록 하는 제어부를 포함한다.

Description

온도 조절을 위한 열전소자부를 포함하고 있는 전지팩 및 이를 이용한 전기자동차 냉시동 방법{Battery pack containing thermoelectric devices for controlling temperature and cold-starting method for electric vehicle using the same}
본 발명은 전기자동차에 탑재될 수 있는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도 조절을 위한 열전소자를 포함하고 있는 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) 등의 동력원으로서도 각광받고 있다.
전기자동차는 전기에너지를 이용하여 전동기를 회전시켜 바퀴를 구동시키는 원리로 주행을 하도록 설계되며, 자동차의 주행을 위해서는 높은 전압의 배터리 에너지가 필수로 되고 있다. 때문에 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.
그런데, 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 따라서, 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉각수와 같은 냉매의 유로가 형성되는 구조로 이루어진다. 이와 같이 기존의 전지팩은 전지셀을 사용함에 따라 발생되는 고열을 적절히 방열시켜 그 성능과 수명이 유지되도록 하는 기술이 많이 발전되어 있다.
그러나, 반대로 열을 공급하여 전지셀을 가열하는 기술은 상대적으로 발전이 덜 되어 있다. 현재 전기자동차에서는 저온 상태일 때 시동을 걸 수 있어야 하는 냉시동 스펙이 점점 올라가고 있다. 따라서, 전지셀의 냉각뿐만 아니라 전지셀을 가열하여 냉시동시에도 필요한 출력을 낼 수 있게 도와주는 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전지팩의 온도를 적정 수준에서 유지할 수 있도록 냉각 및 가열이 가열한 전지팩 및 이를 이용한 전기자동차의 냉시동 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체 일면에 상기 전지셀들과 열적 접촉되어 있는 열전소자부; 상기 전지셀들의 계면에 개재되어 있고 상기 전지셀 적층체의 일측으로 단부가 돌출되어 있으며, 상기 열전소자부가 방출하는 열을 상기 전지셀로 전달하고, 상기 전지셀의 열을 흡수하여 상기 열전소자부로 전달하는 방열판들; 상기 전지셀의 온도를 감지하여 출력하는 온도 측정부; 및 상기 온도 측정부가 감지한 온도가 일정값 이하이면 상기 열전소자부가 열을 방출하도록 하고, 일정값 이상이면 상기 열전소자부가 열을 흡수할 수 있도록 하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 방열판들은 박판의 미세 구조를 가진 평판형 히트파이프(heat pipe)인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 평판형 히트파이프는 파이프 형태의 밀폐된 용기에 휘발성 유체가 주입된 후 진공 상태로 밀봉된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 상기 제어부를 통하여 상기 열전소자부에 전력을 공급하기 위한 보조 배터리; 및 상기 보조 배터리와 상기 제어부의 접속을 제어하는 스위치를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 측정부는 적어도 하나의 전지셀의 외면 또는 전지셀들 사이의 공간에 장착된 써미스터일 수 있다. 상기 제어부는 BMS(Battery Management System)일 수 있다.
하나의 구체적인 전지팩 예에서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체를 형성하고 있는 것일 수 있다. 이 때, 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 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전기자동차의 냉시동 방법은, 상기와 같은 본 발명에 따른 전지팩을 포함하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 중 어느 하나에서, 상기 전기자동차의 키-온(key-on) 시에 냉시동 조건인지를 판단하고, 냉시동 조건인 것으로 판단되면 상기 열전소자부가 열을 방출하도록 하고, 상기 전지셀의 온도가 일정값 이상인지를 판단하여, 일정값 이상인 것으로 판단되면 상기 열전소자부가 열을 흡수하도록 하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제어부는 외기온도나 전지셀 온도 정보를 분석하여 냉시동을 판정하는 것일 수 있는데, 예를 들어, 외기온도나 전지셀 온도가 기준 온도 미만이면 냉시동 상황으로 인지하여 방열 제어신호를 출력하여 상기 열전소자부로 제1 방향을 갖는 전류를 공급함으로써 상기 열전소자부가 열을 방출하도록 하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 열전소자부를 이용하여 방열과 흡열을 조절할 수 있기 때문에 간단하게 전지팩의 온도 조절을 구현할 수 있는 효과가 있다. 전지팩의 사용 조건에 따라 열전소자부의 온/오프와 전류의 방향을 자동으로 제어하여 전지팩의 최적 온도를 만족시킴으로 전지팩이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 전지팩은 전지셀 적층체의 일면에 열전소자부를 장착하여, 전지팩의 크기 증가를 최대한 억제하고 적은 전류로 작동시키면서 전지팩의 최적 작동 온도를 용이하게 조절할 수 있고, 차량의 외부적인 온도 조건 변화 즉 저온이나 고온의 상황에 능동적으로 대처할 수 있다. 특히 전기자동차의 전지팩 내부의 전지셀을 직접 가열해 온도를 올려, 전지셀이 시동시 필요한 출력을 낼 수 있게 함으로써, 냉시동시의 시동 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 냉시동 방법을 설명하기 위한 플로우-차트이다.
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 발명의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다.
도 1의 전지팩(100)은 전지셀 적층체(20), 열전소자부(40), 온도 측정부(50) 및 제어부(60) 등을 포함하여 구성된다.
전지셀 적층체(20)는 전지셀(10)들이 적층되어 있는 것이다. 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(20)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.
전지셀 적층체(20)는 전지셀(10)들 사이에 절연막을 개재시키면서 복수의 전지셀(10)을 단순 적층한 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 전지셀 적층체(20)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, 전지셀(10)은 파우치형 전지셀이고 전지셀 적층체(20)는 파우치형 전지 조립체일 수 있다. 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 전지셀(10)들을 각각 고정하여 전지셀 적층체(20)를 형성하는 카트리지들 사이에 고정될 수 있다.
열전소자부(40)는 전지셀 적층체(20) 일면에 전지셀(10)들과 열적 접촉되어 있다. 열전소자부(40)는 열전 반도체 소자의 모듈로 이루어질 수 있으며, 열전 반도체 소자는 서로 다른 성질을 가진 2개의 금속이 접합되어 있는 구조를 하고 있으며, 전류가 흐르는 방향에 따라 방열 또는 흡열 작용을 하는 것으로 알려져 있다(이를 펠티어 효과라고 한다). 본 발명의 열전소자부(40)는 입력되는 전류의 제1 방향을 가지면 전지셀(10)로 열을 방출하고, 제2 방향을 가지면 전지셀(10)의 열을 흡수한다. 열전소자부(40)는 전지셀 적층체(20)의 온도를 최적의 작동 조건으로 조절할 수 있도록, 전지셀 적층체(20)의 적어도 일면에 접한 상태로 장착될 수 있다. 전지셀 적층체(20)와 열전소자부(40) 사이의 열적 계면을 개선하기 위해 높은 열전도성의 열전달 부재가 추가로 개재될 수 있는데, 예를 들어 금속판, 써멀패드(thermal pad) 등이 더 개재될 수도 있다.
전지셀(10)들의 계면에는 방열판(30)들이 개재되어 있다. 방열판(30)들은 전지셀 적층체(20)의 일측으로 단부가 돌출되어 있으며, 열전소자부(40)가 방출하는 열을 전지셀(10)로 전달하고, 전지셀(10)의 열을 흡수하여 열전소자부(40)로 전달하기도 한다.
방열판(30)들은 박판의 미세 구조를 가진 평판형 히트파이프인 것이 바람직하다. 특히, 상기 평판형 히트파이프는 파이프 형태의 밀폐된 용기에 휘발성 유체가 주입된 후 진공 상태로 밀봉된 것일 수 있다. 휘발성 유체로는 메탄올, 아세톤 등이 이용될 수 있으며, 파이프 내부에 충전된 유체가 증발 및 응축을 반복하는 과정에서 주변 물체를 냉각시키게 된다.
일반적인 히트파이프는 전열관(傳熱管)이라고도 불리는 것인데, 증발부(열원으로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기체상태로 증발하게 되는 부분), 단열부, 응축부(온도가 낮은 외부에 열을 빼앗기며 기체상태의 작동유체가 응축되는 부분)로 구성될 수 있고, 내부를 배기한 파이프로 작은 구멍이 많이 뚫려 있는 안쪽에 휘발성 액체를 가득 넣은 것이다. 이 파이프의 한쪽 끝에 열을 가하면 액체는 증발하여 열에너지를 가지면서 다른 끝으로 이동한다. 파이프의 다른 끝에서 방열하고, 속을 지나 본래의 위치로 돌아오는 구조로 되어 있다. 본체(외벽 또는 용기)의 재료는 구리, 스테인리스 강, 세라믹스, 텅스텐 등이 사용되고, 안벽(윅 또는 그루브)은 다공질의 파이버 등이 사용될 수 있된다. 작동유체(내부의 휘발성 물질)로는 메탄올 ·아세톤 ·물 ·수은 등이 사용될 수 있다. 열전도성은 상온에서 은이나 구리의 열전도계수인 400w/mk보다 수십~수백배 큰 값을 나타낼 수 있어 열전달에 효과적이다.
특히 히트파이프 안의 유체로 쓰이는 것들을 대체하여 나노유체를 사용한다면 그 효율은 다시 수십~수백배 증가하는데, 대표적인 것으로는 2005년 티티엠에서 개발한 소형 쿨러 MTRAN(제품명)이 있다. 이러한 MTRAN은 선형의 금속 튜브를 이용한 기존 제품과 달리 1.5㎜ 두께 박판의 미세 구조를 가진 평판형인 것이 특징이고, Al 본체에 에탄올 나노유체를 적용하며, 본 발명의 실시예에 바람직하게 적용될 수 있다. 이러한 방열판(30)은 전지셀(10)을 냉각하거나 가열하는 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
온도 측정부(50)는 전지셀(10)의 온도를 감지하여 출력한다. 온도 측정부(50)는 적어도 하나의 전지셀(10) 또는 전지셀(10)들을 포함하는 전지셀 적층체(20)의 온도를 측정하여 제어부(60)로 검출 온도 정보를 송부하게 된다. 예를 들어, 온도 측정부(50)는 적어도 하나의 전지셀(10)의 외면 또는 전지셀(10)들 사이의 공간에 장착된 써미스터일 수 있다.
열전소자부(40)의 온도 조절은 제어부(60)에서 전류의 방향을 역전시킴으로써 용이하게 달성될 수 있다. 제어부(60)는 전지셀 적층체(20)의 최적 작동 온도 범위에 관한 표준 온도 데이터를 저장하고 있고, 온도 측정부(50)로부터의 검출 온도가 상기 표준 온도 데이터의 범위를 벗어나는 경우에 열전소자부(40)에 작동 제어 신호를 송부하게 된다. 구체적으로, 온도 측정부(50)가 감지한 온도가 일정값 이하이면 방열 제어신호를 출력하여 열전소자부(40)로 제1 방향을 갖는 전류를 공급함으로써 열전소자부(40)가 열을 방출하도록 한다. 온도 측정부(50)가 감지한 온도가 일정값 이상이면 흡열 제어신호를 출력하여 열전소자부(40)로 제2 방향을 갖는 전류를 공급함으로써 열전소자부(40)가 열을 흡수할 수 있도록 한다.
전지팩(100) 내부에 장착되어 있는 전지셀(10)이 다양한 원인에 의해 과열되는 경우, 열전소자부(40)는 제어부(60)의 작동에 의해 전지셀 적층체(20)에 접해 있는 일면을 통해 열을 흡수하고 타면에서 방열을 이룸으로써 전지팩(100)의 온도를 안전한 온도 범위로 저하시킨다. 반면에, 전지팩(100)이 적정한 작동 온도 범위 이하로 저하되는 경우에는, 전지셀 적층체(20)에 접해 있는 면에서 발열이 일어나도록 하여 전지팩(100)의 온도를 상승시킬 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 전지팩(100)의 열전소자부(40)는 전지셀 적층체(20) 일측에 모든 전지젤(10)에 접한 상태로 장착되어 있으므로, 온도에 민감하게 반응하여 온도 조절에 즉각적으로 반응할 수 있으므로 매우 바람직하며, 방열판(30)에 의해 온도 조절에 필요한 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.
상기 최적 작동 온도 범위는 전지셀(10)의 구성 등 다양한 요인들에 의해 결정될 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 70℃, 더욱 바람직하게는 10 내지 60℃의 범위일 수 있다. 상기 검출 온도가 표준 온도 데이터보다 큰 경우에, 예를 들어 상기 검출 온도가 80℃인 경우에 제어부(60)는 열전소자부(40)에서 전지셀 적층체(20)에 접한 면이 흡열되고 대향 면이 발열되도록 하는 전류를 작동 제어 신호로서 열전소자부(40)에 송부하게 되는 것이다. 반대로, 상기 검출 온도가 표준 온도 데이터보다 작은 경우에, 예를 들어 상기 검출 온도가 0℃인 경우에 제어부(60)는 열전소자부(40)에서 전지셀 적층체(20)에 접한 면이 발열되고 대향 면이 흡열되도록 하는 전류를 작동 제어 신호로서 열전소자부(40)에 송부한다. 이와 같이 전지팩(100)의 사용 조건에 따라 열전소자부(40)의 온/오프와 전류의 방향을 자동으로 제어하여 전지팩(100)의 최적 온도를 만족시킴으로 전지팩(100)이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 한다. 이러한 기능의 제어부(60)의 예로는 BMS를 들 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
전지팩(100)은 제어부(60)를 통하여 열전소자부(40)에 전력을 공급하기 위한 보조 배터리(미도시) 및 상기 보조 배터리와 제어부(60)의 접속을 제어하는 스위치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 보조 배터리는 전지팩(100)이 전력을 제공하는 부분 이외의 장치에 저전력을 제공하기 위한 것으로 전지셀(10)의 외부에 설치되어 있는 것일 수 있다. 이와 같이, 열전소자부(40)를 구동하는 전류는 전지셀(10)로부터 공급받을 수 있도록 하거나 상기 보조 배터리로부터 공급받을 수 있도록 회로부를 구성하며, 이 때 회로부에 상기 스위치를 포함시킨다.
앞서 개시한 도 1 및 하기의 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 냉시동 방법을 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 냉시동 방법을 설명하기 위한 플로우-차트이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 본 발명에 따른 전지팩을 포함하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 중 어느 하나에서, 전기자동차의 키-온(key-on) 시(단계 S1), 전지팩(100)의 냉시동 조건을 판단한다(단계 S2).
상기한 냉시동 조건의 판단은 외기온도나 전지셀 온도 정보를 분석하여 이루어지는데, 이를 위해 전기자동차는 소정 온도 센서를 통해 외기온도를 감지하여 그 감지 신호를 제어부(60)로 출력하도록 하거나 전지팩(100)에 포함된 온도 측정부(50)를 이용할 수도 있다. 그러면, 제어부(60)는 온도 센서를 통해 감지된 외기온도나 온도 측정부(50)에서 측정한 전지셀(10) 온도가 예컨대 기준 온도인 0℃ 미만이면 냉시동 조건으로 판단한다. 기준 온도는 냉시동 조건에 따라 달라질 수 있다.
이렇게 전지팩(100)이 냉시동 조건인 것으로 판단되면, 제어부(60)는 방열 제어신호를 출력하여 열전소자부(40)로 제1 방향을 갖는 전류를 공급함으로써 열전소자부(40)가 열을 방출하도록 한다(단계 S3).
이에 따라 열전소자부(40)가 전지셀(10)을 즉각적으로 가열할 수 있으므로, 키-온과 거의 동시에 냉시동 특성이 개선되도록 할 수 있다.
다음, 전지셀(10)의 온도가 일정값 이상인지를 판단한다(단계 S4). 단계 S2에서 냉시동 조건이 아닌 경우에도 단계 S4를 수행한다. 여기서, 온도 기준값은 예를 들어 전지팩(100)의 최적 작동 온도 범위의 상한일 수 있으며, 바람직하게는 70℃, 더욱 바람직하게는 60℃일 수 있다.
단계 S4에서 전지셀(10)의 온도가 일정값 이상인 것으로 판단되면 제어부(60)는 흡열 제어신호를 출력하여 열전소자부(40)로 제2 방향을 갖는 전류를 공급함으로써 열전소자부(40)가 열을 흡수할 수 있도록 한다(단계 S5).
그러면, 열전소자부(40)가 전지셀(10)로부터 열을 흡수하여 전지셀(10)을 냉각할 수 있게 되고(단계 S6), 이렇게 하여 충방전 등으로 전지셀(10)의 온도가 상승하더라도 이를 냉각하여 전지셀(10)을 최적의 온도에서 작동할 수 있도록 한다.
단계 S4에서 여기서, 온도 기준값은 예를 들어 전지팩(100)의 최적 작동 온도 범위의 상한일 수 있으며, 바람직하게는 70℃, 더욱 바람직하게는 60℃일 수 있다.
단계 S4에서 전지셀(10)의 온도가 일정값보다 작고, 특히 전지셀(10)의 온도가 전지팩(100)의 최적 작동 온도 범위의 하한보다 작으면 단계 S3을 수행하여 열전소자부(40)가 열을 방출하도록 해 전지셀(10)을 가열하고, 다시 전지셀(10)의 온도가 일정값 이상인지를 판단하는 과정 및 가열 혹은 냉각의 단계를 수행하도록 한다.
이와 같이 본 발명에 따른 전지팩은 전기자동차에 장착되어 시동 스위치를 온 시키기만 하면 제어부(60)가 온도 측정부(50)의 감지신호에 따라 냉시동 특성을 개선하고 적정 온도를 유지할 수 있도록 한 것이다. 가장 바람직한 사용예는 시동 키-온시 열전소자부(40)에 의해 전지셀(10)이 가열되어 냉시동이 가능하고, 주행 중에는 열전소자부(40)에 가해지는 전류의 방향이 반대가 되어 전지셀(10)을 냉각하여 최적의 작동 온도에서 전지셀(10)들이 사용될 수 있게 하는 양태이다. 이와 같이 열전소자부(40)만으로 전지셀(10)의 가열 및 냉각이 가능한 간단한 구조이면서 방열판(30)을 함께 사용함에 따라 냉각 및 가열 시간을 단축하도록 한 데 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 냉시동 방법은 비교적 간단하게 전지셀을 열전소자부로 가열함으로써 엄격한 냉시동 스펙, 예컨대 -30℃에서도 100% 시동을 걸 수 있다. 이러한 결과는 냉시동 실패에 대한 문제를 개선할 수 있으며, 전기자동차의 이용 및 보급을 확대시킬 수 있다.
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...전지셀 20...전지셀 적층체 30...방열판
40...열전소자부 50...온도 측정부 60...제어부
100...전지팩

Claims (10)

  1. 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체 일면에 상기 전지셀들과 열적 접촉되어 있는 열전소자부;
    상기 전지셀들의 계면에 개재되어 있고 상기 전지셀 적층체의 일측으로 단부가 돌출되어 있으며, 상기 열전소자부가 방출하는 열을 상기 전지셀로 전달하고, 상기 전지셀의 열을 흡수하여 상기 열전소자부로 전달하는 방열판들;
    상기 전지셀의 온도를 감지하여 출력하는 온도 측정부; 및
    상기 온도 측정부가 감지한 온도가 일정값 이하이면 상기 열전소자부가 열을 방출하도록 하고, 일정값 이상이면 상기 열전소자부가 열을 흡수할 수 있도록 하는 제어부를 포함하여 이루어진 전지팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방열판들은 박판의 미세 구조를 가진 평판형 히트파이프인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제2항에 있어서, 상기 평판형 히트파이프는 파이프 형태의 밀폐된 용기에 휘발성 유체가 주입된 후 진공 상태로 밀봉된 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부를 통하여 상기 열전소자부에 전력을 공급하기 위한 보조 배터리; 및
    상기 보조 배터리와 상기 제어부의 접속을 제어하는 스위치를 더 포함하여 이루어진 전지팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 온도 측정부는 적어도 하나의 전지셀의 외면 또는 전지셀들 사이의 공간에 장착된 써미스터인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부 BMS(Battery Management System)인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제7항에 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 전지팩.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전지팩을 포함하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 중 어느 하나에서,
    상기 전기자동차의 키-온(key-on) 시에 냉시동 조건인지를 판단하고,
    냉시동 조건인 것으로 판단되면 상기 열전소자부가 열을 방출하도록 하고,
    상기 전지셀의 온도가 일정값 이상인지를 판단하고,
    일정값 이상인 것으로 판단되면 상기 열전소자부가 열을 흡수하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉시동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는 외기온도나 전지셀 온도 정보를 분석하여 냉시동을 판정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉시동 방법.
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