KR20190095047A - 배터리 모듈의 온도 측정 장치, 이를 구비한 배터리 모듈 및 배터리 팩 - Google Patents

배터리 모듈의 온도 측정 장치, 이를 구비한 배터리 모듈 및 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈의 온도 측정 장치는, 배터리 모듈에서 특정 위치의 온도를 측정하기 위한 장치로서, 배터리 모듈에서 특정 위치 이외의 위치에 구비되는 온도 센서와; 특정 위치에서 온도 센서로 연결되어 특정 위치의 온도를 온도 센서에 전달하는 열전도 부재를 포함하여 구성됨으로써, 특정 위치에 온도 센서를 직접 설치하지 않더라도 정확한 온도 측정이 가능하여 배터리 모듈의 설계 자유도를 높이고, 배터리 모듈의 안정성, 수명, 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

배터리 모듈의 온도 측정 장치, 이를 구비한 배터리 모듈 및 배터리 팩{Temperature measuring device, and battery module and battery pack having the same}
본 발명은 전기 자동차 등에 사용되는 배터리에 관한 것으로서, 특히 배터리 모듈의 온도를 측정하기 위한 배터리 모듈의 온도 측정 장치 및 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 팩은 전기 자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거 등과 같이 전기를 필요로 하는 다양한 장치에 설치되어 전기를 공급할 수 있도록 구성된다.
배터리 팩은 내부에 여러 개의 배터리 모듈이 탑재되고, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템이 추가로 구성된다.
배터리 모듈은 배터리의 기본 단위인 배터리 셀들을 하나로 묶어서 구성하고, 여기서 배터리 셀은 일반적으로 충전이 가능한 2차 전지를 사용한다.
이러한 배터리 모듈은 주로 화학 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 과정에서 열이 발생하고, 이러한 열은 배터리 셀을 열화시키는 등 배터리의 성능, 수명, 안전성에 영향을 미치게 되므로 배터리의 과열을 방지하고 적정한 온도로 유지시키기 위해 냉각 시스템이 구성된다.
냉각 시스템을 이용하여 배터리 모듈의 온도를 적정하게 조절하기 위해서는 배터리 모듈의 온도를 측정하면서 냉각하여야 하는 바, 배터리 모듈에는 온도 센서가 구비된다. 이때, 온도 센서는 배터리 모듈의 과열 방지를 위해 가장 높은 온도 즉, 최대 온도를 감지할 수 있는 위치(Hot zone)에 부착되는 것이 바람직하다.
그러나, 배터리가 더욱 소형화되고 구성 밀도가 높아짐에 따라 온도 센서를 온도가 가장 높은 부분에 구성하기 어렵고, 이 때문에 온도 센서를 다른 위치에 부착하여 온도를 측정하고 있다. 하지만, 배터리의 최대 온도를 정확히 감지하지 못한 상태에서 냉각 시스템을 구동할 경우에 적절한 냉각이 이루어지지 않게 되어 배터리 성능은 물론 안전성 및 수명 등에 심각한 영향을 줄 수 있는 문제점이 있다.
한편, 일본 특개 제1995-307171호에 기재된 배터리 모듈의 온도감지장치는 열전도체를 통해 모든 배터리 셀들의 평균 온도를 감지할 수 있도록 구성되므로, 배터리 모듈에서 최대 온도가 발생하는 부분과 같은 특정 위치의 온도를 감지하는 것은 불가능한 문제점이 있다.
일본 특개 제1995-307171호 한국 공개특허 제10-2013-0091506호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 최고 온도 영역과 같은 특정 위치의 온도를 열전도 부재를 통해 전달받아 감지할 수 있도록 함으로써 최대 온도 부분에 온도 센서를 설치하지 않더라도 정확한 온도 측정이 가능하여 배터리 모듈의 설계 자유도를 높이고, 배터리 모듈의 안정성, 수명, 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈의 온도 측정 장치, 이를 구비한 배터리 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈의 온도 측정 장치는, 배터리 모듈에서 특정 위치의 온도를 측정하기 위한 장치로서, 상기 배터리 모듈에서 상기 특정 위치 이외의 위치에 구비되는 온도 센서와; 상기 특정 위치에서 상기 온도 센서로 연결되어 특정 위치의 온도를 온도 센서에 전달하는 열전도 부재를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 특정 위치는 상기 배터리 모듈에서 다른 부분의 온도보다 상대적으로 온도가 높은 부분으로 설정될 수 있다.
상기 특정 위치는 상기 배터리 모듈의 가장자리 쪽에 위치되고, 상기 온도 센서는 상기 배터리 모듈의 가운데 쪽에 위치될 수 있다.
상기 열전도 부재는 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 열전도율보다 높은 소재로 이루어질 수 있다.
상기 열전도 부재는 그라파이트 시트(Graphite sheet)로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 열전도 부재는 상기 배터리 모듈에 선형 구조로 배치되어 구성되는 것이 바람직하다.
상기 열전도 부재는 단열 소재로 피복되어 구성되고, 상기 특정 위치에서 상기 배터리 모듈에 밀착되는 부분은 노출되게 구성되는 것이 바람직하다.
상기 배터리 모듈의 온도 측정 장치는, 상기 온도 센서의 측정 결과가 입력되는 제어부를 포함하고, 상기 제어부에는 측정 결과를 보정해주는 보정부가 포함될 수 있다.
이때, 상기 보정부는 상기 열전도 부재의 길이, 두께, 열전도도, 외부 노출에 따른 열손실율 중 적어도 어느 하나를 고려하여 온도를 보정하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 배터리 모듈에 특정 위치가 복수개가 선정되고, 상기 열전도 부재도 복수개가 구비되어 상기 각각의 특정 위치에서 상기 온도 센서에 연결될 수 있다.
상기 온도 센서는 상기 복수개의 열전도 부재를 통해 전달되는 온도 중 최고의 온도를 측정하거나 산출할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상기한 온도 측정 장치를 포함하여 구성된다.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 온도 측정 장치, 이를 구비한 배터리 모듈 및 배터리 팩은, 배터리 모듈에서 가장 온도가 높은 최고 온도 위치(hot zone)에 온도 센서를 부착하지 않더라도 열전도 부재를 통해 열을 전달받아 온도를 측정하기 때문에 온도 측정 오차를 최소화하면서 최고 온도를 정확하게 측정할 수 있게 되어, 배터리 모듈의 안정성을 향상시키고, 성능 저하 및 수명 단축을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 열전도 부재를 이용하여 원하는 곳의 온도를 측정할 수 있도록 구성되기 때문에 배터리 모듈 및 온도 측정 장치의 설계가 자유롭게 되어 보다 효율적이고 경제적인 배터리 모듈의 구성이 가능해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 열전도 부재로 열전도도가 매우 높은 그라파이트 시트(Graphite sheet)를 이용할 경우에 실제 온도 측정 위치로부터 온도 센서가 위치한 곳 까지 열손실 및 오차를 최소화한 상태에서 온도 측정이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 장치가 구비된 배터리 모듈이 도시된 주요부 사시도이다.
도 2는 배터리 모듈의 열발생 상태 및 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 장치의 설치 상태가 도시된 도면이다.
도 3은 배터리 셀의 열발생 상태 및 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 장치의 설치 구조가 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 장치를 구성하는 열전도 부재의 구성을 보여주기 위한 배터리 셀의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 온도 측정 장치가 구비된 배터리 모듈이 도시된 주요부 사시도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 장치가 구비된 배터리 모듈이 도시된 도면들로서, 도 1은 배터리 모듈의 주요부 사시도, 도 2는 배터리 모듈의 열발생 상태 및 온도 측정 장치의 설치 상태도, 도 3은 배터리 셀의 열발생 상태 및 온도 측정 장치의 설치 구조도, 도 4는 열전도 부재의 상세도, 도 5는 온도 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 모듈(10)은 서로 겹치게 배열된 다수의 배터리 셀(15)과 이 배터리 셀(15)들을 지지하는 지지체를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 셀(15)들 사이 또는 가장 바깥쪽 면에는 냉각 핀(20)들이 구성되고, 이 냉각 핀(20)들은 냉각 플레이트(25)에 연결되어 각각의 배터리 셀(15)에 열을 전달할 수 있도록 구성될 수 있다.
배터리 모듈(10)의 하부에는 배터리 셀(15)들을 냉각하기 위해 냉각 플레이트(25)가 설치된다.
냉각 플레이트(25)는 냉각 시스템의 열교환장치로부터 열을 전달하는 매체일 수 있다. 이때 냉각 플레이트(25)는 배터리 모듈(10)과 열교환장치 사이에 밀착되게 구성되어 열을 전달하는 기능을 한다.
배터리 모듈(10)의 상부에는 배터리 모듈에서 특정 위치(P)의 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치(30)가 구성된다.
온도 측정 장치(30)는, 배터리 모듈(10)에서 특정 위치(P) 이외의 위치에 구비되는 온도 센서(31)와, 특정 위치(P)에서 온도 센서(31)로 연결되어 특정 위치(P)의 온도를 온도 센서(31)에 전달하는 열전도 부재(35)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 배터리 모듈(10)의 특정 위치(P)는 배터리 모듈(10)에서 온도 센서(31)가 설치되는 위치보다 상대적으로 온도가 높은 위치 즉, 배터리 모듈(10)에서 다른 위치의 온도보다 상대적으로 온도가 높은 최고 온도가 발생하는 위치로 설정되는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 특정 위치(P)는 온도가 가장 높은 배터리 모듈(10)의 가장자리 위치 쪽에 설정되는 것이 바람직하고, 온도 센서(31)는 상대적으로 다른 부품들이 설치되지 않은 위치, 예를 들면 배터리 모듈(10)의 가운데 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 특정 위치(P) 및 온도 센서(31)는 상기한 바와 같은 위치에 한정되지 않고, 실시 조건에 따라 그 위치를 적절하게 선택하여 구성할 수 있다. 즉, 상기와 반대로 특정 위치(P)를 배터리 모듈(10)의 가운데 부분에 설정하고, 온도 센서(31)는 배터리 모듈(10)의 가장자리 부분에 설치하는 것도 가능하다.
상기 온도 센서(31)는 열전도 부재를 통해 전달받은 열을 저항값 등에 의해 온도를 산출할 수 있는 서미스터(thermistor)로 구성될 수 있다. 물론, 다른 종류의 온도 센서를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.
상기 열전도 부재(35)는 특정 위치(P)의 온도를 온도 센서(31)에 전달할 수 있는 구성이면, 공지의 열전달 부재를 이용하여 다양하게 구성할 수 있다.
다만, 열전도 부재(35)는 배터리 모듈(10)을 구성하는 배터리 셀(15)의 열전도율보다 높은 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 특정 위치(P)의 온도를 배터리 셀(15)의 다른 부분에 의해 영향이 최소화되도록 하여 보다 정확하게 전달하기 위한 것이다.
이를 위해 열전도 부재(35)는 열전도율이 높은 그라파이트 시트(Graphite sheet)로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 열전도 부재(35)는 배터리 모듈(10)에 선형 구조로 길게 배치되어 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 열전도 부재(35)는 도 4에 도시된 바와 같이 단열 소재(37)로 피복되어 구성될 수 있다. 이는 열전도 부재(35)를 통해 열을 전달할 때 발생할 수 있는 열손실을 최소화하기 위한 것이다.
열전도 부재(35)의 끝단에는 특정 위치(P)에 밀착되는 접촉부(38)가 구성되는데, 접촉부(38)는 배터리 셀(15)에 밀착되는 부분이 노출되게 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 접촉부(38)는 배터리 셀(15)에 부착되는 방법으로 밀착될 수 있는데, 열전도용 접착 부재에 의해 배터리 셀(15)에 부착되는 것이 바람직하다.
그리고, 열전도 부재(35)에서 접촉부(38)는 다른 부분보다 상대적으로 면적이 크게 형성되어 상기 배터리 셀(15)에 밀착되게 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 바와 같은 배터리 모듈(10)의 온도 측정 장치(30)는, 도 5에 도시된 바와 같이 온도 센서(31)의 측정 결과가 입력되는 제어부(40)를 포함하고, 이 제어부(40)에는 측정 결과를 보정해주는 보정부(45)가 포함되어 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 보정부(45)는 열전도 부재(35)의 길이, 두께, 열전도도, 외부 노출에 따른 열손실율 등 온도 보정에 필요한 여러 변수를 고려하여 실험이나 계산식 등을 통하여 특정 위치(P)의 측정 온도를 보정할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 제어부(40)는 배터리에서 온도를 이용하는 제반 장치에 출력하고 제어할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들면 배터리를 냉각하기 위한 냉각장치(53), 배터리의 온도를 표시하는 표시부(55), 배터리 측정 온도가 요구되는 각종 장치에 온도를 제공하는 출력부(51) 등으로 온도를 출력하거나 제어할 수 있도록 구성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 온도 측정 장치가 구비된 배터리 모듈이 도시된 주요부 사시도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 온도 측정 장치(30A)는 배터리 모듈(10)에서 복수의 위치에 특정 위치(P)를 선정하고 이를 바탕으로 온도를 측정할 수 있도록 구성된다.
즉, 본 실시예에 따른 온도 측정 장치(30A)는, 배터리 모듈(10)에 특정 위치(P)가 복수개가 선정되고, 열전도 부재(35)도 복수개가 구비되어 각각의 특정 위치(P)에서 하나의 온도 센서(31)에 연결되게 구성된다.
이때, 온도 센서(31)는 복수개의 열전도 부재(35)를 통해 전달되는 온도 중 최고의 온도를 측정하거나 산출할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 온도 측정 장치(30A)는, 배터리 모듈(10)에서 최고 온도 발생이 가능한 부분을 여러 곳 선정하고, 이렇게 선정된 각각의 특정 위치(P)에서 개별적으로 연결된 열전도 부재(35)를 통해 온도 센서(31)에 온도를 전달하여, 최고 온도를 산출할 수 있도록 구성되므로 배터리 모듈(10)에서 최고 온도의 측정이 보다 정확하게 이루어질 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기한 바와 같은 온도 측정 장치를 갖는 배터리 모듈을 하나 이상 포함되어 구성된다. 이러한 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치가 더 포함될 수 있다. 일 예로 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
그리고, 상기와 같은 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 배터리 모듈 15 : 배터리 셀
20 : 냉각 핀 25 : 냉각 플레이트
30 : 온도 측정 장치 31 : 온도 센서
35 : 열전도 부재 37 : 단열 소재
38 : 접촉부 40 : 제어부
45 : 보정부

Claims (13)

  1. 배터리 모듈에서 특정 위치의 온도를 측정하기 위한 장치로서,
    상기 배터리 모듈에서 상기 특정 위치 이외의 위치에 구비되는 온도 센서와;
    상기 특정 위치에서 상기 온도 센서로 연결되어 특정 위치의 온도를 온도 센서에 전달하는 열전도 부재를 포함한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 특정 위치는 상기 배터리 모듈에서 다른 부분의 온도보다 상대적으로 온도가 높은 부분으로 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 특정 위치는 상기 배터리 모듈의 가장자리 쪽에 위치되고,
    상기 온도 센서는 상기 배터리 모듈의 가운데 쪽에 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도 부재는 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 열전도율보다 높은 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도 부재는 그라파이트 시트(Graphite sheet)인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도 부재는 상기 배터리 모듈에 선형 구조로 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도 부재는 단열 소재로 피복되어 구성되고,
    상기 특정 위치에서 상기 배터리 모듈에 밀착되는 부분은 노출되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 온도 측정 장치는, 상기 온도 센서의 측정 결과가 입력되는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부에는 측정 결과를 보정해주는 보정부가 포함된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 보정부는 상기 열전도 부재의 길이, 두께, 열전도도, 외부 노출에 따른 열손실율 중 적어도 어느 하나를 고려하여 온도를 보정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 특정 위치가 복수개가 선정되고,
    상기 열전도 부재도 복수개가 구비되어 상기 각각의 특정 위치에서 상기 온도 센서에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 복수개의 열전도 부재를 통해 전달되는 온도 중 최고의 온도를 측정하거나 산출할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 온도 측정 장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 배터리 모듈의 온도 측정 장치를 포함하는 배터리 모듈.
  13. 청구항 12에 기재된 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
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