KR20230020736A - 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로 이종의 이차전지를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 복수의 제1 이차전지가 적층되는 제1 배터리 세트; 및 복수의 제2 이차전지가 적층되는 제2 배터리 세트를 포함하고, 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트는 각각 복수 개를 포함하고, 복수의 상기 제1 배터리 세트 및 복수의 상기 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 일 방향으로 적층되는 배치 구조를 갖는다.
Description
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로 이종의 이차전지가 서로 교번적으로 배열되는 배치 구조를 갖는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 이용되고 있다. 이러 중대형 장치에 이용되는 경우 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차전자가 전기적으로 연결된다.
더욱이 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지를 구비한 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 보다 작은 부피에 고전류, 고용량의 배터리 팩을 구성하기 위해서 전기적으로 연결 확장된 복수의 이차전지 사이 간격을 조밀하게 배열하는 경우가 많다.
특히, 이러한 배터리 팩은 특정 요인(단락 발생, 작동 불량 내지 구성 불량 등)에 의해 복수의 이차전지가 발화 내지 폭발하거나 외부 충격에 의해 이차전지가 발화 내지 폭발하는 사고가 발생될 수 있다. 배터리 팩 내의 복수의 이차전지들은 서로 매우 인접하게 배치되기 때문에 하나의 이차전지가 발화 내지 폭발한 경우에도 인접한 다른 이차전지에 고열의 가스나 화염을 통해 열 전파(thermal propagation)됨으로써 2차 폭발 내지 2차 발화가 발생하거나 소정의 임계 온도를 넘어서게 되면 열 폭주(Thermal runaway) 상황으로 나아갈 수 있다.
본 발명은 이종의 배터리가 구비된 배터리 팩으로서 상대적으로 에너지 밀도가 높은 이차전지들 사이에 열 폭주에 대한 안전성을 가진 이차전지가 배치되는 구조를 갖는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 이종의 이차전지를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 적어도 하나의 제1 이차전지를 포함하는 제1 배터리 세트; 및 상기 제1 이차전지의 양극재와 서로 다른 양극재를 갖는 적어도 하나의 제2 이차전지를 포함하는 제2 배터리 세트를 포함하고, 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트는 각각의 외면들 중 일면이 서로 인접하게 배치된다.
또한, 상기 제1 이차전지의 양극재는 리튬-금속 산화물을 포함하고, 상기 금속은 니켈, 코발트, 알루미늄 및 망간 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 이차전지의 양극재는 LFP(lithium iron phosphate, LiFePO4)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트가 서로 인접하게 배치되는 상기 일면은 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트 각각의 외면들 중에서 가장 넓은 면 일 수 있다.
또한, 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트는 각각 복수 개를 포함하고, 복수의 상기 제1 배터리 세트 각각 및 복수의 상기 제2 배터리 세트 각각은 서로 교번적으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 배터리 세트 및 상기 복수의 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 배치되는 제1 행 및 상기 복수의 제1 배터리 세트 및 상기 복수의 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 배치되는 제2 행을 포함하고, 상기 제1 행의 외면들 중 제1 면 및 상기 제2 행의 외면들 중 제2 면이 서로 인접하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 서로 인접할 수 있다.
또한, 상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제2 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 적어도 부분적으로 서로 인접할 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 배터리 세트는 서로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 상기 제2 배터리 세트는 서로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 제1 배터리 세트와 상기 복수의 제2 배터리 세트는 스위칭 방식에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 배터리 세트의 외면 및 상기 제2 배터리 세트의 외면이 서로 인접하는 면에서 다른 구성의 개재됨이 없이 상기 제1 배터리 세트의 외면 및 상기 제2 배터리 세트의 외면이 서로 직접적으로 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 이종의 이차전지를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 복수의 제1 이차전지가 적층되는 제1 배터리 세트; 및 복수의 제2 이차전지가 적층되는 제2 배터리 세트를 포함하고, 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트는 각각 복수 개를 포함하고, 복수의 상기 제1 배터리 세트 및 복수의 상기 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 일 방향으로 적층되는 배치 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 이차전지는 상기 복수의 제2 이차전지에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 높고, 상기 복수의 제2 이차전지는 상기 복수의 제1 이차전지에 비해 상대적으로 열 폭주에 대한 안전성이 우수할 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 배터리 세트 및 상기 복수의 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 상기 일 방향으로 적층되는 면은 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트 각각의 외면들 중에서 가장 넓은 면일 수 있다.
또한, 상기 제1 이차전지의 양극재는 NCM(nickel cobalt manganese) 또는 NCMA(nickel cobalt manganese aluminum) 또는 NCA(nickel cobalt aluminum)를 포함하고, 상기 제2 이차전지의 양극재는 LFP(lithium iron phosphate, LiFePO4)를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 상기 제1 배터리 세트와 복수의 상기 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 일 방향으로 적층되는 배치 구조를 갖는 제1 행 및 복수의 상기 제1 배터리 세트와 복수의 상기 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 일 방향으로 적층되는 배치 구조를 갖는 제2 행을 포함하고, 상기 제1 행의 외면들 중 제1 면 및 상기 제2 행의 외면 들 중 제2 면이 서로 접하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제2 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 서로 접할 수 있다.
또한, 상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 서로 접할 수 있다.
또한, 상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제2 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 적어도 부분적으로 서로 접할 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 배터리 세트는 서로 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 복수의 상기 제2 배터리 세트는 서로 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 복수의 제1 배터리 세트와 상기 복수의 제2 배터리 세트는 스위칭 방식에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 에너지 밀도가 높은 이차전지들 사이에 열 및 폭발에 대해 안정성이 우수한 이차전지를 배치함으로써 부하에 전원 공급 가능한 에너지 밀도를 갖추고 있을 뿐만 비정상적인 상황의 열 전파에서 안정성을 보장할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 종래의 배터리 팩에 구비되던 열 폭주 방지 부재를 생략함으로써 배터리 팩 내부에 이차전지가 차지하는 부피 비율을 증가시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 이종의 이차전지를 포함한다. 여기서, 이종의 이차전지는 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(112)로 구분되는 두 종류의 이차전지를 포함하지만, 이에 한정하지 않고 이차전지의 종류의 수는 보다 다양할 수 있다. 본 실시 예에서 배터리 팩(100)은 적어도 하나의 제1 이차전지(111)를 포함하는 제1 배터리 세트(110) 및 적어도 하나의 제2 이차전지(112)를 포함하는 제2 배터리 세트(120)을 포함한다.
도시된 실시 예에서 제1 배터리 세트(110)는 일 방향으로 배열되는 적어도 하나의 제1 이차전지(111)를 포함하고, 세트(110) 내에 포함되는 제1 이차전지(111)는 동일한 외형, 즉, 육면체 형태를 갖는다. 제1 이차전지의 양극재는 리튬-금속 산화물을 포함하고, 상기 금속은 니켈, 코발트, 알루미늄 및 망간 중에서 적어도 하나를 포함한다. 일 예로, 제1 이차전지(111)는 리튬 이차전지로서 NCM(nickel cobalt manganese) 또는 NCMA(nickel cobalt manganese aluminum) 또는 NCA(nickel cobalt aluminum)의 양극재를 포함한다. 제1 이차전지(111)의 양극은 리튬-금속 산화물을 포함하고, 상기 금속에는 니켈, 코발트 및 망간을 포함하거나 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄을 포함하거나 니켈, 코발트 및 알루미늄을 포함한다.
또한, 제2 배터리 세트(120)는 일 방향으로 배열되는 적어도 하나의 제2 이차전지(121)를 포함하고, 세트(120) 내에 포함되는 제2 이차전지(121)는 동일한 외형, 즉, 육면체 형태를 갖는다. 일 예로, 제2 이차전지(121)는 리튬 이차전지로서 LFP(리튬인산철(LiFePO4))를 포함하는 양극재를 포함한다. 다른 예로, 제2 이차전지(121)는 인접하게 배치되는 제1 이차전지(111)에 비해 열 폭주에 대한 안정성이 우수한 리튬 이차전지로서 제2 이차전지(121)의 양극재는 열적 안정성이 우수한 리튬 산화물을 포함하고, 상기 리튬 산화물은 망간(Mn), 니켈(Ni), 및 인(P) 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 리튬 산화물은 LNMO(LiNixMnyO4(여기서, y=2-x이고, Ni, Mn 비율은 가변적임)), LMO(LiMn2O4), 또는 LMPO(LiMnPO4) 일 수 있다.
제1 배터리 세트(110) 내의 제1 이차전지(111)는 제2 이차전지(121)에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 높고, 제2 배터리 세트(120) 내의 제2 이차전지(121)는 제1 이차전지(111)에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 낮으나 열 폭주에 대한 안정성이 우수하다. 제2 이차전지(121)는 자체적인 발열이 거의 없기 때문에 가연 및 폭발 등을 일으키지 않는다. 상기한 바는 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)가 서로 양극재의 차이로 인해 에너지 밀도 또는 안정성 특성이 달라지는 것을 예시하고 있다. 에너지 밀도 또는 열 폭주에 대한 안정성이 서로 다른 이종의 이차전지가 교번적 배치 구조를 갖는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)를 구분하는 기준은 다양하게 변형될 수 있다.
제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120) 각각에 포함되는 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)의 수는 배터리 팩(100)의 전체 용량 및 배터리 팩(100)이 부하에 공급해야 하는 공급 전압 등을 고려하여 적절하게 지정될 수 있다.
배터리 팩(100)이 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)로 구성될 때, 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)는 각각의 외면들 중 일면이 서로 인접하게 배치된다. 도시된 실시 예에서, 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)는, 각각 6 개의 외면을 가지는 직육면체의 외형을 가지고, 각각의 6 개의 외면 중에서 가장 넓은 면(C)이 서로 인접하게 배치된다.
도시된 실시 예에서, 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)는 직육면체의 외형을 가지고, 직육면체의 6 개의 외면 중에서 가장 넓은 면이 접하도록 일 방향으로 서로 밀접하게 배치된다. 복수의 제1 이차전지(111)들의 일 방향에 따른 배열 중에 적어도 하나의 제2 이차전지(121)가 개재된다. 복수의 제1 이차전지(111)들 사이의 열 전달이 개재된 제2 이차전지(121)에 의해 차단됨으로써 복수의 제1 이차전지(111)들이 내재적으로 갖는 발열 내지 폭발 등에 의한 불안정성이 개선된다.
또한, 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)가 인접하는 면(C)에서 단열판 등의 다른 구성의 개재됨이 없이 제1 이차전지(111)의 외면 및 제2 이차전지(121)의 외면이 서로 직접적으로 접촉한다. 제1 배터리 세트(110)의 외면 및 제2 배터리 세트(120)의 외면이 서로 인접하는 면에서 다른 구성의 개재됨이 없이 제1 배터리 세트(110)의 외면 및 제2 배터리 세트(120)의 외면이 서로 직접적으로 접촉한다. 이 때 제1 배터리 세트(110)의 외면 및 제2 배터리 세트(120)의 외면은 도시된 바와 같이 각각 제1 이차전지의 외면 및 제2 이차전지의 외면일 수 있으나, 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)가 각각 전지들을 둘러싸는 보호 부재를 포함하는 경우 제1 배터리 세트(110)의 외면 및 제2 배터리 세트(120)의 외면은 보호 부재의 외면일 수 있다.
복수의 제1 이차전지(111)만으로 배터리 팩이 구성되는 경우 전지들 사이에 단열판 등의 열 차단 또는 전달 부재(예를 들어, 열 폭주 방지 부재로서 세라믹 시트)가 개재되지만 서로 특성이 다른 이종의 이차전지를 섞어서 배열함으로써 단열판 등의 열 차단 또는 전달 부재가 배터리 팩 내에서 일부 또는 전부 생략될 수 있다.
일 실시 예에서, 배터리 팩(100)은 복수의 제1 배터리 세트(110), 복수의 제2 배터리 세트(120) 및 케이스를 포함한다. 도시된 바와 같이 배터리 팩(100)은 케이스 내에 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 배치되도록 구성된다. 이 때, 제1 배터리 세트(110)가 케이스 내의 양단에 배치되고, 제2 배터리 세트(120)가 제1 배터리 세트(110) 사이에 개재된다. 이로써 제1 배터리 세트(110)의 수가 제2 배터리 세트(120)의 수보다 하나 더 많다.
제1 배터리 세트(110)는 복수의 제1 이차전지(111)가 일 방향으로 적층되는 구조를 갖는다. 제2 배터리 세트(120)는 복수의 제2 이차전지(121)가 일 방향으로 적층되는 구조를 갖는다. 복수의 제1 이차전지(111) 및 복수의 제2 이차전지(121)는 각각 육면체의 동일한 외형을 가지며, 육면체의 내벽을 갖는 케이스에 일 방향으로 적층된다. 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)도 전체적으로 육면체의 외형을 가진다.
도시된 실시 예에서 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120) 각각에 적층되는 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)의 수는 동일하게 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120) 각각에 적층되는 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)의 수는 배터리 팩(100)의 전체 용량 및 배터리 팩(100)이 부하에 공급해야 하는 공급 전압 등을 고려하여 적절하게 지정될 수 있다.
복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 일 방향으로 케이스 내에서 적층될 때 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 인접하는 적층면은 제1 배터리 세트(110)와 제2 배터리 세트(120) 각각의 외면들 중에서 가장 넓은 면에 해당한다. 상기 적층면은 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)가 인접하는 면(C)에 해당한다.
복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 케이스 내에서 배치된 배터리 팩(100)은 일정한 부하, 예를 들어 하이브리드 전기 자동차, 전기차 등의 모터 구동 부하에 전원을 공급할 수 있다. 이 때, 배터리 팩(100) 내의 복수의 제1 배터리 세트(110)는 서로 전기적으로 연결되고, 복수의 제2 배터리 세트(120)는 서로 전기적으로 연결되고, 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)는 스위칭 방식에 의해 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결되거나 전기적 연결되지 않을 수 있다. 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)는 각각 별도의 스위칭 동작에 의해 충전 및 방전된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(101)은 복수의 제1 배터리 세트(110) 및 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 배치되는 복수의 행을 포함한다. 도시된 바와 같이 배터리 팩(101)은 복수의 제1 배터리 세트(110) 및 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 배치되는 제1 행 및 제1 행과 동일한 배치 구조를 갖는 제2 행을 포함한다. 행의 수는 도시된 것에 한정하지 않으며 행의 추가가 가능하다.
복수의 제1 배터리 세트(110) 및 복수의 제2 배터리 세트(120)는, 각각 복수의 제1 이차전지 및 복수의 제2 이차전지를 포함하고, 포함된 전지들을 수용하는 케이스를 포함함으로써 모듈화되고, 배터리 팩을 구성하는 일 단위인 배터리 모듈에 해당된다.
복수의 제1 배터리 세트(110)는 복수의 제1 이차전지가 일 방향으로 적층된 내부 구조를 가지고, 복수의 제1 이차전지는 복수의 제2 이차전지에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 높고, 상기 일 실시 예에 대한 설명과 마찬가지로 에너지 밀도가 높은 특성을 갖는 리튬 이차전지이다. 예를 들어, 복수의 제1 이차전지의 양극재는 NCM(nickel cobalt manganese) 또는 NCMA(nickel cobalt manganese aluminum) 또는 NCA(nickel cobalt aluminum)를 포함한다. 즉, 제1 이차전지의 양극재는 리튬-금속 산화물을 포함하고, 금속은 니켈 및 코발트를 포함하고 알루미늄 및 망간 중에서 적어도 하나를 더 포함한다.
복수의 제2 배터리 세트(120)는 복수의 제2 이차전지가 일 방향으로 적층된 내부 구조를 가지고, 복수의 제2 이차전지는 복수의 제1 이차전지에 비해 상대적으로 열 폭주에 대한 안전성이 우수하고, 상기 일 실시 예에 대한 설명과 마찬가지로 안정성이 우수한 특성을 갖는 리튬 이차전지이다. 예를 들어, 복수의 제2 이차전지의 양극재는 LFP(lithium iron phosphate, LiFePO4)를 포함한다.
제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120) 각각에 포함되는 제1 이차전지(111) 및 제2 이차전지(121)의 수는 배터리 팩(100)의 전체 용량 및 배터리 팩(100)이 부하에 공급해야 하는 공급 전압 등을 고려하여 적절하게 지정될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 복수의 제1 배터리 세트(110) 및 복수의 제2 배터리 세트(120)는 각각 육면체의 형태를 가지며, 육면체의 내벽을 갖는 배터리 팩(101)의 케이스에 배치된다. 이 때, 배터리 팩(101)은 케이스 내에 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 배치되는 제1 행 및 제2 행을 포함한다. 제1 행은 제1 배터리 세트(110)가 케이스 내의 양단에 배치되고, 제2 배터리 세트(120)가 제1 배터리 세트(110) 사이에 개재된다. 또한, 제2 행은 제1 배터리 세트(110)가 케이스 내의 양단에 배치되고, 제2 배터리 세트(120)가 제1 배터리 세트(110) 사이에 개재된다. 이로써 제1 배터리 세트(110)의 수가 제2 배터리 세트(120)의 수보다 더 많아진다.
제1 행 및 제2 행 각각이 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)로 구성될 때, 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)는 각각의 외면들 중 일면이 서로 인접하게 배치된다. 도시된 실시 예에서, 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)는, 각각 6 개의 외면을 가지는 직육면체의 외형을 가지고, 각각의 6 개의 외면 중에서 가장 넓은 면(C)이 서로 인접하게 배치된다.
제1 행 및 제2 행 각각이 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)로 구성될 때, 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)가 서로 인접하게 배치된 면, 즉 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120)가 서로 적층되어 맞닿는 면에는 다른 구성의 개재됨이 없이 제1 배터리 세트(110)의 외면 및 제2 배터리 세트(120)의 외면이 서로 직접적으로 접촉한다. 따라서, 제1 행 또는 제2 행 내의 어느 하나의 제1 배터리 세트(110)에서의 발열 또는 발화에 의한 열이 다른 제1 배터리 세트(110)로 전파되기 위해서는 반드시 이들 사이에 개재된 제2 배터리 세트(120)를 거치게 된다. 이 때 제1 배터리 세트 사이에 개재된 제2 배터리 세트는 제1 배터리 세트 사이의 열 전달을 막는 격벽인 단열판으로 작용한다.
본 실시 예에서 제1 행 및 제2 행이 배터리 팩(101)의 케이스 내에 배치될 때 제1 행 및 제2 행은 나란히 배치되고, 제1 행의 외면들 중 제1 면(T) 및 제2 행의 외면들 중 제2 면(T)이 서로 인접하게 배치된다. 도시된 바와 같이 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 제1 면의 일부와 제2 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 제2 면의 일부가 서로 인접하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(102)은 배터리 팩(101)과 마찬가지로 복수의 제1 배터리 세트(110) 및 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 배치되는 제1 행 및 복수의 제1 배터리 세트(110) 및 복수의 제2 배터리 세트(120)가 서로 교번적으로 배치되는 제2 행을 포함한다. 제1 행 및 제2 행이 배터리 팩(102)의 케이스 내에 배치될 때 제1 행 및 제2 행은 나란히 배치되고, 제1 행의 외면들 중 제1 면(T) 및 제2 행의 외면들 중 제2 면(T)이 서로 인접하게 배치된다.
도시된 바와 같이 배터리 팩(102)은 배터리 팩(101)과 달리 제1 행의 제1 면과 제2 행의 제2 면이 서로 인접하게 배치될 때 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 제1 면의 일부와 제2 행 내의 제2 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 서로 인접하는 배치 구조를 갖는다.
배터리 팩(102)은 배터리 팩(101)보다 제1 배터리 세트의 외면 중 제2 배터리 세트의 외면과 인접하는 면의 수가 더 많다. 배터리 팩(101)은 배터리 팩(102)보다 에너지 밀도가 높은 제1 배터리 세트의 수가 더 많다.
배터리 팩(101 및 102)와 다른 예로서 제1 행의 제1 면과 제2 행의 제2 면이 서로 인접하게 배치될 때 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 제1 면의 일부와 제2 행 내의 제2 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 적어도 부분적으로 서로 인접하는 배치 구조를 갖는 배터리 팩도 가능하다.
배터리 팩(101 및 102) 및 상기 다른 예에서, 제1 행의 제1 면과 제2 행의 제2 면이 서로 인접하는 면에서 제1 배터리 세트의 외면은 제1 배터리 세트의 외면, 제2 배터리 세트의 외면, 및 제1 배터리 세트 및 제2 배터리 세트의 외면의 일부와 다른 구성의 개재됨이 없이 서로 직접적으로 접촉한다.
배터리 팩(101 및 102) 및 상기 다른 예에서, 제1 배터리 세트(110) 및 제2 배터리 세트(120) 각각에 포함되는 제1 이차전지 및 제2 이차전지의 수는 배터리 팩의 전체 용량 및 배터리 팩이 부하에 공급해야 하는 공급 전압 등을 고려하여 적절하게 지정될 수 있다.
배터리 팩(101 및 102) 및 상기 다른 예에 따른 배터리 팩은 일정한 부하, 예를 들어 하이브리드 전기 자동차, 전기차 등의 모터 구동 부하에 전원을 공급할 수 있다. 이 때, 배터리 팩 내의 복수의 제1 배터리 세트(110)는 서로 전기적으로 연결되고, 복수의 제2 배터리 세트(120)는 서로 전기적으로 연결되고, 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)는 스위칭 방식에 의해 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결되거나 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 복수의 제1 배터리 세트(110)와 복수의 제2 배터리 세트(120)는 각각 별도의 스위칭 동작에 의해 충전 및 방전된다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 배터리 팩은, 에너지 밀도가 높은 제1 이차전지 및 안정성이 우수한 제2 이차전지의 이종의 이차전지를 포함하고, 제1 배터리 세트 내에 포함되는 제1 이차전지의 수 및 제2 배터리 세트 내에 포함되는 제2 이차전지의 수를 조절함으로써 배터리 팩의 수명 면에서 종래의 에너지 밀도가 높은 제1 이차전지로만 이루어진 배터리 팩보다 개선될 수 있다. SOH(state of health)는 배터리 용량이 초기 배터리 용량보다 얼마나 감소하였는지를 나타내는 지표로서 시간 경과에 따른 배터리의 잔여 수명 내지 퇴화 전도를 나타내는 지표이며, % 단위로 표시된다.
| 1000 사이클 | 2000 사이클 | 3000 사이클 | |
| 제1 이차전지 및 제2 이차전지를 혼용한 배터리 팩 | 92.5% | 85% | 77.5% |
| 제1 이차전지로만 이루어진 종래의 배터리 팩 | 90% | 80% | 70% |
표 1은 에너지 밀도가 높은 제1 이차전지로만 이루어진 종래의 배터리 팩과 본 발명에 따른 배터리 팩에서 충방전 사이클 1000, 2000 및 3000회 후의 SOH를 나타낸다.
제1 이차전지 및 제2 이차전지를 혼용한 배터리 팩은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 배터리 팩 내의 이종의 이차전지 배치 구조를 가지고, 복수의 제1 배터리 세트가 배터리 팩 전체의 SOC의 70%를 차지하고, 복수의 제2 배터리 세트가 배터리 팩 전체의 SOC의 30%를 차지하도록 제1 배터리 세트 내에 포함되는 제1 이차전지의 수 및 제2 배터리 세트 내에 포함되는 제2 이차전지의 수를 조절한 본 발명의 일 실시 예에 해당한다.
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩의 SOH가 에너지 밀도가 높은 제1 이차전지로만 이루어진 종래의 배터리 팩에 비해 높다. 즉 제1 이차전지와 제2 이차전지(LFP 배터리)를 혼용함으로써 배터리 팩 전체의 수명이 개선된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구 범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 101, 102: 배터리 팩
110: 제1 배터리 세트
111: 제1 이차전지
120: 제2 배터리 세트
121: 제2 이차전지
110: 제1 배터리 세트
111: 제1 이차전지
120: 제2 배터리 세트
121: 제2 이차전지
Claims (12)
- 이종의 이차전지를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
적어도 하나의 제1 이차전지를 포함하는 제1 배터리 세트; 및
상기 제1 이차전지의 양극재와 서로 다른 양극재를 갖는 적어도 하나의 제2 이차전지를 포함하는 제2 배터리 세트를 포함하고,
상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트는 각각의 외면들 중 일면이 서로 인접하게 배치되는, 배터리 팩.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 이차전지의 양극재는 리튬-금속 산화물을 포함하고, 상기 금속은 니켈, 코발트, 알루미늄 및 망간 중에서 적어도 하나를 포함하고,
상기 제2 이차전지의 양극재는 LFP(lithium iron phosphate, LiFePO4)를 포함하는, 배터리 팩.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트가 서로 인접하게 배치되는 상기 일면은 상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트 각각의 외면들 중에서 가장 넓은 면인, 배터리 팩.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트는 각각 복수 개를 포함하고,
복수의 상기 제1 배터리 세트 각각 및 복수의 상기 제2 배터리 세트 각각은 서로 교번적으로 배치되는, 배터리 팩.
- 제4항에 있어서,
상기 복수의 제1 배터리 세트 및 상기 복수의 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 배치되는 제1 행 및 상기 복수의 제1 배터리 세트 및 상기 복수의 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 배치되는 제2 행을 포함하고,
상기 제1 행의 외면들 중 제1 면 및 상기 제2 행의 외면들 중 제2 면이 서로 인접하게 배치되는, 배터리 팩.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제2 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 서로 인접하는, 배터리 팩.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 서로 인접하는, 배터리 팩.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 행 내의 제1 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제1 면의 일부와 상기 제2 행 내의 제2 배터리 세트의 외면에 해당하는 상기 제2 면의 일부가 적어도 부분적으로 서로 인접하는, 배터리 팩.
- 제4항에 있어서,
상기 복수의 제1 배터리 세트는 서로 전기적으로 연결되고,
상기 복수의 상기 제2 배터리 세트는 서로 전기적으로 연결되고,
상기 복수의 제1 배터리 세트와 상기 복수의 제2 배터리 세트는 스위칭 방식에 의해 전기적으로 연결되는, 배터리 팩.
- 제4항 내지 제8항에 있어서,
상기 제1 배터리 세트의 외면 및 상기 제2 배터리 세트의 외면이 서로 인접하는 면에서 다른 구성의 개재됨이 없이 상기 제1 배터리 세트의 외면 및 상기 제2 배터리 세트의 외면이 서로 직접적으로 접촉하는, 배터리 팩.
- 이종의 이차전지를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
복수의 제1 이차전지가 적층되는 제1 배터리 세트; 및
복수의 제2 이차전지가 적층되는 제2 배터리 세트를 포함하고,
상기 제1 배터리 세트 및 상기 제2 배터리 세트는 각각 복수 개를 포함하고,
복수의 상기 제1 배터리 세트 및 복수의 상기 제2 배터리 세트가 서로 교번적으로 일 방향으로 적층되는 배치 구조를 갖는, 배터리 팩.
- 제11항에 있어서,
상기 복수의 제1 이차전지는 상기 복수의 제2 이차전지에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 높고,
상기 복수의 제2 이차전지는 상기 복수의 제1 이차전지에 비해 상대적으로 열적 안정성이 안전성이 우수한, 배터리 팩.
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