WO2016182170A1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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WO2016182170A1
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secondary battery
battery module
heat
battery
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권기영
성다영
이영진
장민철
정병효
임예훈
양두경
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more particularly, to a battery module capable of securing a certain level or more of the ambient temperature conditions of the secondary battery.
  • a secondary battery unlike a primary battery that cannot be charged, means a battery that can be charged and discharged, and is widely used in various fields and devices such as an electronic device or an electric vehicle such as a mobile phone, a notebook computer, a camcorder, and the like.
  • commercialized secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, nickel zinc batteries, lithium secondary batteries and the like, and metal air batteries, all-solid-state batteries, sodium-based batteries, magnesium batteries, and the like have increased interest and development as next-generation batteries. have.
  • lithium secondary batteries are in the spotlight for advantages such as free charge and discharge, very low self-discharge rate, and high energy density compared to nickel-based secondary batteries.
  • Such lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery has a form in which an electrolyte is housed in a case together with a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with the positive electrode active material and the negative electrode active material, respectively, where an electrolyte in a liquid state is typically used, which is also called an electrolyte solution. .
  • Secondary batteries made of a liquid electrolyte have been widely used due to various advantages, such as easy handling and manufacturing, good electrical conductivity at room temperature, and stable performance at room temperature.
  • a liquid electrolyte battery may cause a problem such as leakage of electrolyte or generation of gas, which may greatly reduce the safety of a secondary battery such as explosion, fire, and harmful gas leakage.
  • the liquid electrolyte battery since the liquid electrolyte battery is generally targeted, it has an unsuitable structure when using a solid electrolyte battery.
  • a cartridge in the case of a battery module, a cartridge is often used as a structure for easily stacking and storing a large number of pouch type secondary batteries, protecting the secondary batteries from external shocks, and preventing flow.
  • a cartridge may be expressed in various other terms such as a stacking frame, and is generally configured to be stacked in one direction, for example, an up and down direction, and may be configured to accommodate a secondary battery in an inner space formed at the time of stacking.
  • the cartridge may include a cooling fin configured in the form of a plate, or an opening may be formed to allow external air to flow in when stacked.
  • the reason why the cartridge includes a configuration for cooling the secondary battery is that, in the case of the liquid electrolyte secondary battery included in the battery module, when the temperature is significantly higher than the normal temperature, the performance is not only degraded, but also serious safety such as explosion or ignition. This is because problems can occur.
  • the performance of the battery may not be properly exhibited at room temperature, and the performance of the battery may be improved at a temperature higher than room temperature. Therefore, it is not suitable to borrow the structure of the conventional battery module, such as a conventional cartridge, as it is, using such an all-solid-state battery.
  • An object of the present invention is to provide a battery module and a vehicle including a cartridge of a novel structure.
  • Battery module for achieving the above object, at least one secondary battery; And a cartridge on which at least a portion of the secondary battery is seated, is configured to be stacked in at least one direction, and has a heat insulating member.
  • the secondary battery is an all-solid battery.
  • the cartridge includes a seating portion on which the lower portion of the secondary battery is seated, and a side portion configured in a form standing on the edge of the seating portion.
  • the said heat insulation member is provided in the said side part part.
  • At least a part of the insulating material and further comprises a lower cover coupled to the lower portion of the cartridge stacked on the bottom.
  • the heat insulating member is further provided in the seating portion.
  • the insulating material also comprises a top cover coupled to the top of the cartridge stacked on the top.
  • the cartridge further includes a lower cover part configured to at least partially surround the outer side of the side of the cartridge stacked below when stacked.
  • the cartridge may include a plurality of secondary batteries arranged in a horizontal direction, and include a partition wall portion formed in a vertical direction between the plurality of secondary batteries arranged in the horizontal direction, wherein the partition wall portion is a heat insulating member. It is provided.
  • the heat insulating member is configured to be detachable from at least a portion of the cartridge.
  • the cartridge is composed of only a heat insulating member.
  • the heat insulating member may include at least one material of glass wool, EPS, XPS, polyurethane foam, aqueous soft foam, urea foam, vacuum heat insulating panel, PVC, and heat reflecting heat insulating material.
  • the cartridge may further include a heating member for supplying heat to the secondary battery side.
  • the battery module according to the present invention may further include a temperature measuring unit for measuring the ambient temperature and a control unit for controlling the operation of the heating member according to the temperature measured by the temperature measuring unit.
  • the battery module according to the present invention may include two or more kinds of secondary batteries having different ionic conductivity at room temperature.
  • the cartridge may further include a thermally conductive member extending from an upper end portion to a lower end portion.
  • the thermally conductive member may be configured such that the upper and lower ends of the thermally conductive members contact each other with the thermally conductive members of the other cartridges.
  • the vehicle according to the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • the power storage device according to the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • a battery module using a secondary battery having a stable operating performance at a higher temperature than the conventional nonaqueous electrolyte lithium battery may be provided.
  • the heat insulating member is provided in the cartridge itself, so that the heat insulating member is naturally positioned around the secondary battery as long as the secondary battery is accommodated in the inner space while the cartridges are stacked. It does not require a separate configuration for thermal insulation, and may not undergo other mounting and assembly processes to provide a configuration for such thermal insulation.
  • the heat generated in the secondary battery does not escape to the outside of the cartridge, it may exist almost as it is in the internal space in which the cartridge is stacked. Therefore, the temperature around the secondary battery can be stably maintained at a high state, whereby the operating performance of the secondary battery such as an all-solid-state battery can be secured. Furthermore, according to this aspect of the present invention, since the secondary battery is kept warm using heat generated by itself, it may not be provided with a separate device for supplying heat.
  • the battery module according to the present invention may be applied to various secondary batteries in which the electrolyte is operated at a temperature higher than room temperature or the performance is improved, in addition to the all-solid lithium secondary battery in which the electrolyte is in a solid state.
  • the driving temperature can be adjusted according to the insulating material, it is possible to provide a stable performance by providing the optimum temperature conditions according to the secondary battery.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing one cartridge configuration in the battery module shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration in which two cartridges shown in FIG. 3 are stacked in a vertical direction and a secondary battery is accommodated in an inner space thereof.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a mode in which heat moves in a battery module in which a plurality of cartridges of FIG. 3 are stacked.
  • FIG. 7 is a sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a mode in which heat moves in a battery module in which a plurality of cartridges of FIG. 7 are stacked.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a sectional view schematically showing a configuration in which the cartridge of FIG. 9 is stacked in the vertical direction.
  • FIG. 10 is a sectional view schematically showing a configuration in which the cartridge of FIG. 9 is stacked in the vertical direction.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • 15 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • 17 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • 19 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • 20 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • a battery module according to the present invention includes a secondary battery 200 and a cartridge 100.
  • the secondary battery 200 is included in at least one battery module.
  • the secondary battery 200 may be included in a plurality of battery modules, in this case, the plurality of secondary batteries 200 may be configured in a stacked form in one direction, for example, as shown in the figure.
  • the secondary battery 200 may be configured in various forms.
  • the secondary battery 200 may be configured in a square shape as viewed from the top to the bottom direction.
  • the case of the secondary battery 200 may be configured in the form of a pouch interposed between the metal layer and the polymer layer, and may be configured in a form in which the edge portion is sealed and sealed in a state where the electrode assembly and the electrolyte are accommodated in the center portion.
  • the case of the secondary battery 200 may be configured in the form of a metal can, and may be configured in a cap assembly coupled and sealed in a state in which an electrode assembly and an electrolyte are accommodated in an inner space of the can.
  • the secondary battery 200 may be operated at a temperature higher than room temperature or optimized in performance.
  • the secondary battery 200 is an all-solid battery.
  • the all-solid-state battery is a battery composed of an electrolyte in a solid state, and can be referred to as a concept in contrast to a secondary battery composed of an ordinary liquid electrolyte.
  • the secondary battery 200 may be a lithium all-solid battery.
  • lithium ions can migrate between the positive electrode and the negative electrode through the electrolyte in the solid state.
  • the all-solid-state battery compared to a liquid electrolyte secondary battery, has no problems of leakage, fire, and explosion, and thus has excellent safety and may be easy to implement a flexible shape.
  • the all-solid-state battery may be easy to minimize the thickness of the secondary battery and to implement a high voltage and high density battery.
  • the all-solid-state battery due to the nature of the electrolyte in the solid state, does not have high ionic conductivity at room temperature and may not work properly or exhibit poor performance. Therefore, in order for an all-solid-state battery to exhibit its performance, it is preferable to operate in a high temperature environment of temperature higher than normal temperature.
  • an all-solid-state battery can operate in a temperature environment of 50 ° C. to 200 ° C. or exhibit optimal performance. Due to such a characteristic, the all-solid-state battery may not be easily used in the battery module in a normal state, but may be used in the battery module according to the present invention.
  • the battery module according to the present invention includes a cartridge 100 in the form of the use of such an all-solid-state battery.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating the configuration of one cartridge 100 in the battery module illustrated in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2.
  • the cartridge 100 may accommodate and hold the secondary battery 200 to prevent the flow thereof, and guide assembly of the secondary battery 200.
  • the cartridge 100 may have an internal space formed therein and may accommodate the secondary battery 200 in the internal space.
  • the cartridge 100 may have an inner space in a form in which the lower part and the side part are restricted and the upper part is open.
  • the secondary battery 200 may be inserted and accommodated in the internal space through the upper portion of the upper portion.
  • the cartridge 100 may be configured such that at least a portion of the stored secondary battery 200 is seated.
  • the sealing portion of the secondary battery 200 that is, the edge portion is seated on the cartridge 100, or a flat portion located under the secondary battery 200 as a whole. It may be seated in the cartridge 100.
  • the cartridge 100 may be configured to be stacked in at least one direction as a component used to stack one or more secondary batteries 200.
  • the cartridge 100 may be configured to be stacked in the vertical direction.
  • the cartridge 100 may be formed to be generally flat in contact with the adjacent cartridge 100 when stacked. Then, the flat portions formed in such a way to contact each other, the cartridge 100 can be easily stacked in a direction perpendicular to the ground.
  • the cartridge 100 includes a heat insulating member 110.
  • the heat insulating member 110 may be formed of a material or a structure that blocks or reduces the movement of heat.
  • the heat insulating member 110 may be configured to reduce or eliminate heat loss from the inside of the cartridge 100 where the secondary battery 200 is located to the outside. Therefore, the cartridge 100 may be configured to maintain the temperature of the internal space within a certain range, in particular within a temperature range higher than room temperature due to the heat insulating member 110.
  • the cartridge 100 may be configured such that the temperature of the internal space is maintained at a temperature of 50 °C to 200 °C.
  • the battery module according to the present invention can be adopted a secondary battery that operates at a temperature higher than room temperature or improves performance.
  • the secondary battery 200 according to the present invention may be an all-solid battery.
  • Such an all-solid-state battery has a low electrical conductivity at room temperature, which makes it difficult to achieve its performance.
  • the battery module according to the present invention includes a cartridge 100 provided with the heat insulating member 110 as described above, and since the all-solid-state secondary battery is accommodated in the internal space of the cartridge 100, Compared to the battery module, the temperature around the secondary battery may be maintained relatively high.
  • the secondary battery 200 may generate heat during operation, and such heat does not escape to the outer space of the cartridge 100 by the heat insulating member 110, and the heat of the cartridge 100 in which the secondary battery 200 is located. It can be held in the interior space. Therefore, the temperature of the interior space of the cartridge 100 can be maintained above a certain level. Therefore, the battery module according to the present invention can be easily applied to a secondary battery including improved performance at a higher temperature than a conventional secondary battery, including an all-solid battery.
  • the heat insulation member has a thermal conductivity of 0.1 W / mk or less based on room temperature.
  • the heat insulating member may have a thermal conductivity of 0.05 W / mk or less.
  • the heat insulating member may include glasswool, expanded polystyrene (EPS), extruded polystyrene sheet (XPS), polyurethane foam, polyurethane flexible, aqueous urea foam, urea foam, and vacuum insulation. It may include at least one material of a panel (Vacuum Insulation Panel), polyvinyl chloride (PVC) and heat reflection insulation. In particular, in the case of such heat insulating members 110, it may be easier to keep warm in the operating temperature range of the all-solid-state battery.
  • temperature control of the interior space of the cartridge 100 may be possible by adjusting the type, arrangement, thickness, and the like of the heat insulating member 110.
  • the cartridge 100, the internal space may be limited by the lamination.
  • the secondary battery 200 may be stored in the limited internal space. This will be described in more detail with reference to FIG. 4.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration in which two cartridges 100 shown in FIG. 3 are stacked in the vertical direction and a secondary battery 200 is accommodated in an inner space thereof.
  • the inner space of the cartridge 100 stacked on the lower portion may be blocked by an open portion of the upper portion by stacking another cartridge 100 on the upper portion thereof, and thus, the inner space of the lower cartridge 100 may be blocked.
  • the upper portion may be defined. That is, referring to the configuration shown in FIG. 3, the inner space I of the cartridge 100 is formed in an open shape, and as shown in FIG. 4, another cartridge 100 is stacked in the upper direction. If so, the open portion of the top of the interior space of such a cartridge 100 may be covered.
  • the up, down, left, and right directions of the secondary battery 200 may be entirely covered, and heat transfer from the internal space of the cartridge 100 to the external space may be reduced. .
  • the cartridge 100 may be provided with a mounting portion 130 and the side portion 120.
  • the seating part 130 is a component in which at least a portion of the secondary battery 200 is seated in the cartridge 100.
  • the seating unit 130 may have a lower portion of the secondary battery 200 mounted thereon, and an upper surface thereof may be formed in a shape corresponding to the lower portion of the secondary battery 200.
  • the upper surface of the seating part 130 may also be formed in a flat shape.
  • the seating unit 130 may be formed in a shape in which a semicircular groove is recessed so that the cylindrical secondary battery may be seated. It may be.
  • the side part 120 may be formed in a shape of the edge of the seating part 130, ie, the outer circumferential part of the side part.
  • the side portion 120 when the cartridge 100 is formed in a substantially rectangular shape as viewed from top to bottom, the side portion 120 may be grounded at a portion corresponding to a rectangular side. It can be formed in a vertical form.
  • the side surface part 120 When the secondary battery 200 is accommodated in the internal space of the cartridge 100, the side surface part 120 may be positioned on the side of the secondary battery 200 to cover the side surface of the secondary battery 200.
  • the upper and lower ends of the side portion 120, the coupling portion, in particular uneven portion may be formed in a form that can be mutually coupled.
  • a convex protrusion may be formed on the upper side surface portion 120.
  • a groove may be formed at a lower end of the side portion 120 of the cartridge 100 in a position and shape corresponding to the protrusion of the upper end. Therefore, when the cartridge 100 is stacked up and down, as shown in FIG. 4, the protrusions of the side parts 120 stacked below may be inserted into the grooves of the side parts 120 stacked on the top.
  • the projection and the groove guides the vertical stacking between the cartridge 100 to easily know the stacking position between the cartridge 100, and prevent the horizontal flow of the stacked cartridge 100 Can be.
  • the heat insulating member 110 may be provided on the inner surface of the cartridge 100.
  • the inner surface means a side surface on which the secondary battery 200 is located, and may be referred to as a surface forming an internal space.
  • the process of providing the heat insulating member 110 in the cartridge 100 can be easily performed.
  • the heat insulating member 110 may be provided to the inner surface of the cartridge 100 in a manner of being attached through a fastening member such as an adhesive or a bolt. Further, according to this embodiment, since heat is blocked from being transferred to the cartridge itself, the heat retention capability in the internal space can be improved.
  • the heat insulating member 110, the inner side of the seating portion 130 and / or side portion 120 may be provided on the surface as a whole.
  • the heat insulating member 110 may be provided on the side portion 120 of the cartridge 100. Even if a plurality of cartridges 100 are stacked in the vertical direction, no other cartridge 100 is located outside of the side part 120, and the external space of the side part 120 may be an external space of the battery module. Therefore, since the heat transfer from the inside of the cartridge 100 to the outside through the side portion 120 immediately leads to heat loss, when the heat insulating member 110 is provided on the side portion 120, the heat through the side portion 120 is reduced. The loss can be prevented.
  • the heat insulating member 110 may be provided only in the side portion 120 of the cartridge 100 and may not be provided in the seating portion 130 of the cartridge 100.
  • an inner space by another cartridge 100 may be located outside the seating portion 130 of the cartridge 100. Therefore, even if the heat insulating member 110 is not provided in the seating part 130 and heat of the cartridge 100 internal space passes through the seating part 130 to the outside space of the cartridge 100, it is leaked as described above. The heat may enter the other cartridge 100 stacked below. Therefore, from the overall perspective of the battery module, since it is only heat transfer inside, it can be said that it is not heat loss.
  • the heat exchange between the cartridge 100 stacked in the vertical direction is possible, it is possible to solve the ambient temperature imbalance for the entire secondary battery 200 included in the battery module. That is, among the plurality of secondary batteries 200 included in the battery module, when the ambient temperature of some of the secondary batteries is relatively low, heat exchange between the upper and lower portions through the seating portion 130 becomes possible, and thus, the cartridge 100 of a specific layer. When the ambient temperature of the secondary battery located in the low, the heat from the secondary battery located in the various cartridges 100 of the different layer may move the ambient temperature of the secondary battery.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge 100 according to another embodiment of the present invention.
  • a description will be given mainly of a part different from the cartridge 100 shown in FIG. 2, and a detailed description of the parts to which the description of the configuration of FIG. 2 can be similarly applied will be omitted.
  • the cartridge 100 includes a seating portion 130 and a side portion 120.
  • the mounting part 130 is comprised by the form which the at least one part, especially the center part perforated as shown by V.
  • the edge portion of the secondary battery 200 may be seated on the seating portion 130, and heat may move through the center portion of the seating portion 130. Therefore, thermal movement between the cartridges 100 stacked up and down may be more freely, and thus, thermal equilibrium between ambient temperatures of the secondary batteries 200 stacked up and down may be more easily achieved.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a mode in which heat moves in a battery module in which a plurality of cartridges 100 of FIG. 3 are stacked.
  • a plurality of cartridges 100 are stacked in a vertical direction, and secondary batteries 200 are accommodated in an inner space of the stacked cartridges 100.
  • the side part 120 of each cartridge 100 is provided with a heat insulating member 110, the heat can be substantially blocked without passing through the side part 120 up to a predetermined temperature. Therefore, heat leakage through the side part 120 may not be achieved.
  • the heat insulating member 110 is not provided in the seating part 130 of the cartridge 100, heat may be transferred between the cartridges 100 stacked up and down.
  • the columns may exhibit a flow pattern as indicated by the arrow.
  • This form of thermal movement can be similarly achieved even when a plurality of cartridges 100 shown in FIG. 5 are stacked.
  • the battery module according to the present invention may further include a lower cover 300, as shown in FIG.
  • the lower cover 300 is a component coupled to a lower portion of the cartridge 100 positioned at the bottom of the plurality of cartridges 100 stacked in the vertical direction.
  • the lower cover 300 may have a protrusion provided at an upper portion thereof, such that the protrusion may be coupled to a lower groove H of the cartridge 100 positioned at the lowermost layer.
  • the lower cover 300 at least a portion may be composed of a heat insulating material.
  • the lower cover 300 may be made of a heat insulating material such as glass wool, EPS, or XPS as a whole.
  • the lower cover 300 may be provided with a heat insulating member 110 of a material such as glass wool, EPS, XPS on at least an upper surface.
  • the heat of the lowermost cartridge 100 may be located in the inner space of the lower layer cartridge 100 without being leaked to the outside.
  • the battery module according to the present invention may further include an upper cover 400 as shown in FIG. 6.
  • the upper cover 400 is a component coupled to the upper portion of the cartridge 100 located at the top of the plurality of cartridges 100 stacked in the vertical direction.
  • the upper cover 400 may have a groove formed at a lower portion thereof, such that the protrusion P of the cartridge 100 positioned on the uppermost layer may be coupled to the groove.
  • the upper cover 400 at least a portion may be made of a heat insulating material.
  • the upper cover 400 as a whole, or the lower surface may be made of a heat insulating material such as glass wool, EPS, or XPS.
  • the cartridge 100 may be configured in such a manner that an upper portion of the inner space is opened for insertion of the secondary battery 200.
  • the cartridge 100 is opened.
  • the heat of the secondary battery 200 accommodated in the cartridge 100 can be easily leaked to the outside.
  • the heat leakage through the open portion of the uppermost layer may be caused by the secondary battery 200 housed in the other cartridge 100.
  • the ambient temperature can also be lowered.
  • the cartridge located on the uppermost layer is prevented from leaking heat from the upper portion of the battery module.
  • the internal space temperature of the cartridge 100 located on another layer may not be lowered below a predetermined temperature.
  • the heat insulating member 110 may be provided at an upper portion of the side portion 120, in particular, an uneven portion.
  • the upper portion of the side portion 120 is a portion which is coupled to contact with the other cartridge 100, the heat can be easily released compared to the other portion, according to this embodiment, the sealing member and through the insulating member 110 Insulation can be enhanced. Therefore, the heat retention of the interior space of the cartridge 100 can be further improved.
  • two or more of the uneven parts may be formed in the side part 120. According to this configuration of the present invention, since the heat outflow path by the plurality of concave-convex coupling structures becomes longer and more complicated, the heat outflow can be blocked more effectively.
  • the heat insulating member 110 has been described mainly for the configuration provided only in the side portion 120, the heat insulating member 110 may be provided in the seating portion (130).
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge 100 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a form in which heat moves in a battery module in which a plurality of cartridges 100 of FIG. 7 are stacked.
  • the insulating member 110 may be provided on the seating portion 130 together with the side portion 120.
  • heat movement in the horizontal direction through the side part 120 may be blocked, and heat movement in the vertical direction through the seating part 130 may be blocked.
  • thermal movement between the stacked cartridges 100 is blocked, so that the internal spaces of the respective cartridges 100 are thermally separated from each other. Can be. Therefore, the thermal movement may be made in a form separated from each other inside each cartridge 100, as indicated by the arrow in the figure.
  • this configuration of the present invention even if the temperature of some of the cartridge 100 is drastically lowered so that the performance of the secondary battery 200 housed in the cartridge 100 is not properly exhibited, the other housed in the other cartridge 100 The ambient temperature of the secondary battery 200 may not drop. Therefore, heat leakage due to damage or destruction of some cartridges 100 may be prevented from affecting other cartridges 100. In particular, this embodiment may be more usefully applied when the risk of damage or breakage of the battery module is high.
  • the thickness of the heat insulating member 110 of the side portion 120 is thicker than the seating portion 130.
  • the insulating member 110 of the side portion 120 may be configured to use a material having a higher heat insulating performance than the seating portion 130, for example, a low thermal conductivity. This is because heat transfer through the side portion 120 may directly lead to heat loss of the battery module as compared with heat transfer through the seating unit 130.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge 100 according to another embodiment of the present invention.
  • 10 is a sectional view schematically showing a configuration in which the cartridge 100 of FIG. 9 is stacked in the vertical direction.
  • the cartridge 100 of the battery module according to the present invention may further include a lower cover part 140.
  • the lower cover part 140 may be configured to at least partially surround the outer side of the side of the cartridge 100 stacked on the lower side when the upper cover 140 is stacked on the other cartridge 100.
  • the lower cover portion 140 of the cartridge 100, the length of the inner space by it may be configured to be larger than the length of the inner space by the side portion 120.
  • the lower cover portion 140 of the cartridge 100 stacked on the upper layer side portion 120 of the cartridge 100 stacked on the lower layer It may be configured to cover the outside. Therefore, when looking at the inner space of the lower cartridge 100 as a reference, since the lower cover portion 140 again exists outside the side portion 120 of the inner space, heat leakage from the inner space in the horizontal direction can be more reliably blocked. Can be.
  • the lower cover part 140 may be provided with a heat insulating member 110.
  • the inner space of the cartridge 100 stacked on the lower layer includes the heat insulating member 110 provided on the side portion 120 of the cartridge 100 stacked on the lower layer, and the lower cover portion of the cartridge 100 stacked on the upper layer. Since the heat insulating member 110 provided in the 140 is present, the heat insulating member 110 may have a plurality of layers in the horizontal direction. Therefore, according to this embodiment of the present invention, heat loss in the lateral direction can be effectively prevented.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge 100 according to another embodiment of the present invention.
  • the cartridge 100 may accommodate a plurality of secondary batteries 200, and each of the secondary batteries 200 may be arranged to be spaced apart from each other in a horizontal shape.
  • the cartridge 100 may include a partition wall 150 between two secondary batteries 200.
  • the partition wall 150 is configured in a vertical shape as in the side portion 120 in one cartridge 100, but unlike the side portion 120 may be located in the central portion of the cartridge 100. .
  • the barrier rib 150 may be located in a space between the secondary batteries 200 spaced apart from each other by a predetermined distance. That is, with respect to the cartridge 100 provided with the partition wall part 150, the plurality of secondary batteries 200 are arranged in a horizontal direction in an internal space defined by the partition wall part 150 and / or the side part part 120. Can be stored.
  • the partition 150 may be provided with a heat insulating member 110.
  • the insulating member 110 when the insulating member 110 is provided in the partition 150, heat exchange between the plurality of internal spaces defined by the partition 150 and / or the side part 120 may be reduced or blocked. Can be. Therefore, the heat of each internal space may not flow out to the other internal space.
  • the heat insulating member 110 is shown based on the form provided on the inner surface of the cartridge 100.
  • the heat insulating member 110 is shown in such a manner as to be attached to the inner surface of the side portion 120 and / or the seating portion 130 where the secondary battery 200 is located. It is.
  • the heat radiated from the secondary battery 200 side or the heat present in the internal space of the cartridge 100 mainly touches only the heat insulating member 110 and the cartridge 100 other than the heat insulating member 110. It may hardly touch the part, ie the substrate. Therefore, in this case, it is possible to block the movement of heat through the substrate of the cartridge 100 to enhance the warming effect of the interior space of the cartridge 100.
  • the present invention is not necessarily limited to these examples.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a rechargeable battery cartridge 100 according to another embodiment of the present invention.
  • the heat insulating member 110 may be provided inside the cartridge 100.
  • the cartridge 100 is composed of a seating portion 130 and the side portion 120, and the heat insulating member 110 is provided on the side portion 120, such a heat insulating member 110 ) May be provided to the outside of the side portion 120, that is, is not exposed to the inside or the outside of the side portion 120, embedded in the interior.
  • the heat insulating member 110 since the heat insulating member 110 is not exposed to the outside of the cartridge 100, the risk of breakage or damage of the heat insulating member 110 can be reduced.
  • the secondary battery 200 is shown in a configuration that accommodates only one layer in one cartridge 100, the present invention is not necessarily limited to this embodiment.
  • FIG. 13 is a sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge 100 according to another embodiment of the present invention.
  • the cartridge 100 has side portions 120 and seating portions 130 as in the previous several embodiments.
  • the side part 120 is provided with a heat insulating member 110.
  • the seating portion 130 is located in the center portion of the side portion 120, not the bottom of the side portion 120. Accordingly, as indicated by I1 and I2 in the drawing, two internal spaces are provided in one cartridge 100, and different secondary batteries 200 may be accommodated in the two internal spaces.
  • a plurality of secondary batteries may be stored even with a smaller number of cartridges 100 and fewer cartridges 100 stacked. Stacking of the battery 200 may be possible.
  • the heat insulating member 110 may be configured to be detachable from the cartridge 100 with respect to at least a portion. This will be described in more detail with reference to FIG. 14.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge 100 according to another embodiment of the present invention.
  • the heat insulating member 110 may be provided on both the inner surface and the outer surface of the side portion 120, but at least a portion thereof may be detachable.
  • the heat insulating member 110 of the outer surface may be configured to be fixed to the form attached to the outer surface of the side portion 120.
  • the heat insulating member 110 may be configured to be detached later.
  • the economical and easy of the cartridge 100 It is possible to recover and thereby prevent the thermal insulation effect of the cartridge 100 from dropping.
  • the cartridge 100 it is possible to adjust the internal temperature of the cartridge 100 through the attachment or detachment of the heat insulating member 110.
  • the cartridge 100 may be attached to the outer heat insulating member 110. Can increase the internal temperature.
  • the heat insulating member 110 has been described centering on the form provided on the surface or inside of the cartridge 100, the present invention is not necessarily limited to these embodiments.
  • the cartridge 100 may be composed of only the heat insulating member 110.
  • both the side portion 120 and the seating portion 130 of the cartridge 100 may be composed of only EPS.
  • the cartridge 100 since the cartridge 100 has a heat insulating property as a whole, the thermal insulation by the cartridge 100 can be improved, and the manufacture of the cartridge 100 can be made easier.
  • any one of the components, such as the seating portion 130 is composed of only the heat insulating member 110, the other side portion 120 ) May be configured in a form in which the insulating member 110 is attached or embedded in the substrate.
  • the side portion 120 to be accompanied by a strong bearing force is configured such that a relatively high strength material is present as a substrate, the corresponding cartridge 100
  • the mounting portion 130 which only needs to support the secondary battery 200 may be made of a heat insulating material having high thermal insulation rather than strength.
  • 15 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module according to the present invention may further include a case 500 in addition to the secondary battery 200 and the cartridge 100.
  • the case 500 includes an empty space therein and accommodates the plurality of secondary batteries 200 and the plurality of cartridges 100 in the interior space.
  • the case 500 may be made of at least a portion of a heat insulating material.
  • the case 500 may be configured in a form in which the heat insulating member 110 is attached to the inner surface.
  • the case 500 may be configured such that the heat insulating member 110 is attached to the outer surface of the case 500 or embedded in the case 500.
  • the case 500 may be made of a heat insulating material as a whole.
  • the thermal insulation effect of the inner space of the cartridge 100 by the case 500 can be further improved, the temperature can be further increased.
  • the cartridge may further include a heating member.
  • 16 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • the cartridge may further include a heating member 130 in addition to the heat insulating member 110.
  • the heating member 160 may be configured to supply heat from a cartridge to a secondary battery side accommodated in an internal space. According to this configuration of the present invention, in maintaining the temperature around the secondary battery above a certain level, not only the heat generated from the secondary battery but also the heat generated from the heating member 160 can be used.
  • the temperature of the cartridge internal space that is, the temperature around the secondary battery can be raised to a higher temperature and more quickly. Furthermore, since there is little or no heat generated from the secondary battery before the secondary battery is driven or at the beginning of the secondary battery, the temperature in the cartridge internal space is raised to a certain level by using the heat generated from the secondary battery. There may be limits to the height. However, according to the above configuration of the present invention, even when there is little heat generated from the secondary battery can use the heat generated through the heating member 160, even when the secondary battery is initially driven or when the external temperature is low secondary The battery performance can be secured. In addition, the performance of the secondary battery may be secured by compensating for the temperature difference depending on the stacking position.
  • the heating member 160 may be implemented in a form of generating heat by receiving power.
  • the heating member 160 may include a power supply terminal for receiving power.
  • the power supplied to the heating member 160 may be supplied from a secondary battery housed in an inner space of the cartridge or from a separate battery outside the cartridge.
  • the configuration of generating heat using such a power source may be implemented in various ways.
  • the heating member 160 may be implemented in the form of resistance heating using joule heat generated through current, or infrared heating through thermal infrared radiation.
  • the heating member 160 may be provided on at least one of the seating part 130 and the side part 120.
  • the heating member 160 as shown in Figure 16, may be provided in the mounting portion 130 of the cartridge.
  • the efficiency of the heat generated by the heating member 160 is transferred to the secondary battery 200 can be improved.
  • the seating portion 130 in the cartridge may be formed to have a larger surface area than the side portion 120.
  • the pouch-type secondary battery 200 may be configured to have a shape having approximately two wide surfaces.
  • the cartridge is configured such that one surface of two wide surfaces of the secondary battery 200 is seated on the seating part 130. Can be. Therefore, according to the configuration in which the heating member 160 is provided in the seating unit 130, since the heat generated by the heating member 160 may be transferred to the wide surface of the secondary battery 200, more heat is secondary.
  • the battery 200 is transferred to the battery 200, and the rate of temperature increase around the secondary battery 200 may be higher.
  • the heating member 160 may be configured in a plate shape and provided to the seating part 130.
  • the heating member 160 may cover at least a portion of the wide lower surface of the secondary battery 200 seated on the seating portion 130 in a form lying down on the ground. More preferably, the heating member 160 may be configured to cover the entire lower surface of the secondary battery 200 seated on the seating part 130.
  • the heating member 160 may be provided on the upper surface of the mounting portion 130, as shown in FIG.
  • the present invention since the secondary battery is in direct contact with the upper portion of the heating member 160, it is possible to increase the efficiency of the heat generated from the heating member 160 is transferred to the secondary battery.
  • the heating member 160 may be provided in the seating portion 130 of the cartridge in various forms.
  • 17 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • the heating member 160 may be configured such that at least a portion of the lower portion of the heating member 160 is exposed to the outside, that is, the lower portion thereof.
  • the cartridge includes a side part 120 and a seating part 130, but the seating part 130 may be provided only at the edge of the cartridge in a form in which the center part is empty when viewed from the top.
  • the heating member 160 may be provided in the empty portion of the seating part 130 and may be configured to be exposed in the upper direction as well as the lower direction.
  • the heating member 160 provided in the particular cartridge when stacking two or more cartridges in the vertical direction, the heating member 160 provided in the particular cartridge is exposed to the internal space of the cartridge as well as the cartridges stacked thereunder It can also be exposed to the interior space. Therefore, in this case, the heat generated from the heating member 160 provided in the specific cartridge, as well as the secondary battery housed in the cartridge, the heat is radiated to the secondary battery housed in the cartridges stacked below. It can be delivered effectively in the form. Therefore, when a plurality of cartridges are stacked, the lower part of the secondary battery receives heat directly from the heating member 160 of the cartridge in which the cartridge is housed, and the upper part of the secondary battery is from the heating member 160 of the other cartridge stacked on the upper side. Since the heat can be directly supplied, the heat transfer efficiency of the secondary battery can be greatly improved.
  • the heating member 160 may be provided on at least one of the seating portion 130 and the side surface portion 120 together with the heat insulating member 110.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • the heat insulating member 110 and the heating member 160 may be configured to be included together in the side portion 120.
  • the heating member 160 may be located on the inner side (the right side of the left side portion, the left side of the right side portion in FIG. 18) than the heat insulating member 110.
  • the heat supplied by the heating member 160 may be cut outwardly by the heat insulating member 110 and supplied only to the internal space of the cartridge, so that the heating and thermal insulation efficiency may be further improved.
  • the heating member 160 may be provided on at least one of the top and bottom of the side portion 120.
  • the sealing portion of the secondary battery 200 may be located at the central portion of the side portion 120, according to the embodiment configured such that the heating member 160 is positioned above and / or below the side portion 120. The space can be used efficiently to reduce the volume of the cartridge.
  • the heating member 160 is provided only on a part of the inner surface of the heat insulating member 110, but the heating member 160 may be provided on the entire inner surface of the heat insulating member 110. Do.
  • the heating member 160 may be configured to be included together with the heat insulating member 110 in the seating portion 130.
  • the heating member 160 may be implemented in the form of a hot wire.
  • the heating member 160 in the form of a hot wire may be attached to an upper portion of the inner surface of the heat insulating member 110.
  • the heating member 160 having a hot wire shape may be provided to be embedded in the heat insulating member 110.
  • the heating member 160 is configured in the form of a hot wire, it is easy to achieve the weight reduction of the cartridge by reducing the weight increase by the heating member 160, and reduces the space occupied by the heating member 160 to reduce the The volume may be reduced or the storage capacity of the secondary battery 200 may be increased.
  • 19 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • the heating member 160 may constitute a seating unit 130. That is, in the cartridge for a secondary battery according to the present invention, the seating unit 130 may be configured as the heating member 160. In this case, the seating unit 130 may be implemented in a form such as a hot plate, and the secondary battery may be mounted in contact with the seating unit 130 having a hot plate shape.
  • the mounting portion 130 itself is a heating member 160
  • there is no need to provide a separate substrate as the mounting portion 130 in addition to the heating member 160 the production of the cartridge more It can be facilitated, and the volume and weight of the cartridge can be reduced.
  • the cartridge located in the upper layer may not only supply heat to the secondary battery stored in its internal space, but also may supply heat to the secondary battery stored in the cartridge located in the lower layer, thereby enabling efficient heat supply.
  • the battery module according to the present invention may further include a temperature measuring unit and a controller.
  • the temperature measuring unit is a component that measures the ambient temperature, for example, may be attached to the inside or outside of the cartridge 100 to measure the temperature around the secondary battery.
  • the control unit may control the operation of the heating member 160 based on the temperature measured by the temperature measuring unit.
  • the controller may store a reference temperature range as a reference for operating the heating member 160. For example, if the temperature range in which the secondary battery housed in the battery module is capable of performing optimal performance is 70 ° C to 150 ° C, the controller may store this temperature range as a reference range.
  • the control unit may increase the temperature around the secondary battery to 70 ° C. or higher by operating the heating member 160.
  • the controller may operate the heating member 160 at the time when the driving of the battery module starts. For example, the controller may allow the heating member 160 to operate when the battery module is in an unused state and then enters the use state, that is, when charging or discharging is started. Since a secondary battery such as an all-solid-state battery has a small amount of heat generated by itself during driving, performance may decrease during initial driving, but according to the embodiment, even when the secondary battery is driven by the operation of the heating member 160, It can have a high ambient temperature to achieve stable performance.
  • the control unit may be implemented by a battery management system (BMS) of the battery module.
  • BMS battery management system
  • the BMS is a component generally provided in the battery module, and is a component that manages the overall operation of the battery module such as charging or discharging.
  • the control unit is implemented by the BMS, it is not necessary to separately prepare the control unit for the operation of the heating member 160 as another component, thereby reducing costs and increasing space efficiency of the battery module. Can be.
  • the heating member 160 may receive power from at least a portion of the secondary battery accommodated in the cartridge 100.
  • the battery module includes 10 secondary batteries and 10 cartridges 100, and each secondary battery is stored in different cartridges 100, the heating member 160 provided in each cartridge 100 is provided.
  • the power supply may be configured to generate heat by receiving power from a secondary battery housed in the cartridge 100.
  • the secondary battery for supplying power to the heating member 160 does not need to be provided separately in the battery module.
  • the control unit compares the state of charge (SOC) of each secondary battery and heats it from the secondary battery having the highest SOC. Power may be supplied to the member 160. According to this embodiment of the present invention, it is possible to secure the supply power to the heating member 160 and to perform inter-cell balancing.
  • SOC state of charge
  • the battery module according to the present invention may include two or more kinds of secondary batteries having different ionic conductivity at room temperature. That is, the battery module according to the present invention may include a plurality of secondary batteries, but the plurality of secondary batteries may be configured of different types of secondary batteries rather than all of the same type of secondary batteries. In this case, the different kinds may mean that the ionic conductivity is different from each other at least at room temperature.
  • the battery module according to the present invention may allow power to be supplied to the heating member 160 from the secondary battery having high ion conductivity at room temperature.
  • the battery module according to the present invention may include both a liquid electrolyte lithium battery and an all-solid lithium battery having different ionic conductivity at room temperature as a secondary battery.
  • the battery module may include a plurality of all-solid-state cells and a few liquid electrolyte cells.
  • the main energy storage and output source of the battery module may be in charge of the all-solid-state battery, and the supply of power to the heating member 160 may be in charge of the liquid electrolyte secondary battery.
  • the controller supplies the liquid electrolyte cell to operate first to supply power to the heating member 160. You can do that. Then, the heating member 160 generates heat so that the temperature inside the battery module may rise to a temperature at which the operation of the all-solid-state battery can be activated. In addition, when the ambient temperature of the all-solid-state battery rises to an appropriate temperature due to the heat supplied by the heating member 160, the controller may allow the all-solid-state battery to operate so that the battery module can be stably operated.
  • 20 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery cartridge according to another embodiment of the present invention.
  • the cartridge may further include a heat conductive member 170.
  • the thermally conductive member 170 may be made of a thermally conductive material having a thermal conductivity of a predetermined level or more, and may enable heat transfer from one side to the other side, that is, from the high temperature side to the low temperature side.
  • the thermally conductive member 170 may be formed of a material having a thermal conductivity of 100 W / mK or more at room temperature.
  • the thermally conductive member 170 may be made of a material having a thermal conductivity of 200 W / mK, particularly 300 W / mK or more at room temperature.
  • the heat conductive member 170 may be made of a metal material such as silver, copper, platinum, and aluminum.
  • a metal material such as silver, copper, platinum, and aluminum.
  • Such a metal material may have advantages of high thermal conductivity and easy molding.
  • copper or aluminum can be said to be a material having high application value in terms of cost-effectiveness.
  • the heat conductive member 170 may be configured to extend from the upper end to the lower end of the cartridge 100. That is, the heat conductive member 170, as shown in Figure 3, is formed extending in the vertical direction from the upper end to the lower end of the cartridge, it may be configured so that both the upper and lower ends.
  • the thermally conductive member 170 may be configured such that the upper and lower ends of the thermally conductive member 170 contact each other with the thermally conductive member 170 of another cartridge.
  • the cartridge 100 may be configured to be stacked on top of each other in a vertical direction, and when the stacking is performed, the heat conductive members 170 provided in the cartridge may be configured to be connected to each other. That is, the upper ends of the thermally conductive members 170 of the cartridges stacked on the lower side may be connected to each other by contacting the lower ends of the thermally conductive members 170 of the cartridges stacked on the upper side.
  • heat transfer between the cartridges stacked in the vertical direction by the heat conductive member 170 can easily occur. Therefore, even if the internal temperature of some cartridges is relatively low, heat transfer from the relatively high cartridge to the low temperature cartridge can be transferred by the heat conduction member 170 so that thermal imbalance between cartridges does not easily occur, and it is easily solved.
  • the heat of the lower cartridge may cause the thermal conductive member 170 of the lower cartridge and the thermal conductive member 170 of the upper cartridge to be stacked. By way of passage, it can be supplied to the inner space of the upper cartridge.
  • the heat of the cartridge stacked at the bottom can be transferred to the cartridge stacked at the top. Therefore, heat transfer between all the cartridges stacked in the vertical direction in the battery module becomes possible, so that an overall thermal equilibrium state can be achieved.
  • a battery pack for a power storage device or a battery pack for an automobile is often placed outdoors, but when the ambient temperature is low, such as in winter, the temperature of the cartridge 100 stacked on the top or bottom is relatively Can be as low as Therefore, as in the above embodiment, when the heat exchange between the stacked cartridges 100 occurs easily, it is possible to prevent the performance of the secondary battery having a low ambient temperature from being greatly reduced.
  • the heat conductive member 170 may be provided inside the heat insulating member 110. Therefore, by the said heat insulating member, the outflow of the heat on the heat conductive member side can be interrupted.
  • the heat conductive member 170 may be configured in the form of a plate.
  • the area of the heat conducting member 170 can be ensured as wide as possible, it is possible to more easily heat exchange with the peripheral portion.
  • the thermally conductive member 170 formed in a plate shape can easily absorb heat from the surrounding high temperature portion or easily release heat to the surrounding low temperature portion through a large surface area.
  • heat transfer between the heat conductive members 170 can be made more smoothly.
  • the heat conductive member 170 may be configured to be in contact with a part of the exterior member of the secondary battery.
  • the exterior material of the secondary battery may be composed of an upper pouch and a lower pouch.
  • the upper pouch and the lower pouch may have an edge portion in a state in which an electrode assembly is accommodated in an internal space.
  • the sealing part can be comprised by joining together by the method of thermofusion etc.
  • the heat conductive member 170 may be configured to directly contact the sealing portion of the secondary battery.
  • the heat conductive member 170 may be configured to be in direct contact with the end portion of the sealing portion of the secondary battery.
  • heat exchange between the heat conductive member 170 and the secondary battery can be made more smoothly and quickly. Therefore, when the heat conductive member 170 absorbs heat from the secondary battery or supplies heat to the secondary battery, the amount of heat exchange or heat exchange rate may be improved.
  • the heat conductive member 170 may be configured to be in contact with the folded sealing part of the secondary battery.
  • the sealing part of the secondary battery may be folded upward.
  • the outer surface of the folded sealing portion may be in contact with the inner surface of the heat conductive member 170.
  • the contact area between the secondary battery 200 and the heat conductive member 170 may increase. That is, the secondary battery 200 and the heat conductive member 170 may be in contact with each other in a face-to-face, and thus the heat transfer efficiency between the secondary battery 200 and the heat conductive member 170 may be further improved.
  • the distance between the electrode assembly and the main body of the secondary battery 200 in which the electrolyte is accommodated and the heat conductive member 170 may be closer, heat supply to the electrolyte may be more smoothly performed.
  • due to the folding configuration of the secondary battery it may be more advantageous for miniaturization of the battery module.
  • the thermally conductive member 170 may be provided at the side portion 120 of the cartridge. Since the side portion 120 may be configured to be vertically erect from the ground, when provided in the side portion 120, the heat conducting member 170 is formed to extend from the upper end to the lower end of one cartridge more easily Can be implemented. Further, according to this configuration of the present invention, since the structural support force of the side portion 120 can be used, it prevents deformation or breakage of the heat conductive member 170, and maintains the contactability and shape, etc. between the heat conductive members 170 as it is. May be easy to do.
  • the heat conductive member 170 may be provided on the inner surface of the side portion 120.
  • the thermally conductive member 170 located on the left side may be provided on the right surface where the secondary battery is located at the left side portion 120 of the cartridge, and the thermally conductive member 170 located on the right side of the cartridge may be provided.
  • the right side portion 120 of the secondary battery may be provided on the left surface.
  • the secondary battery and the heat conductive member 170 may directly face each other so that no other object exists between them, and the secondary battery and the heat conductive member 170 may be configured as close as possible. have. Therefore, heat transfer between the secondary battery and the heat conductive member 170 can be made more easily, so that heat absorption from the secondary battery or heat supply to the secondary battery can be smoothly performed.
  • heat conductive member 170 may be further provided on the seating portion 130.
  • the cartridge according to the present invention is composed of a mounting portion 130 and the side portion 120, the heat conductive member 170, both the side portion 120 and the mounting portion 130 may be provided.
  • the heat conductive member 170 can constitute the mounting portion 130 as such.
  • the thermally conductive member 170 provided in the seating part 130 may face the secondary battery in a larger area than the thermally conductive member 170 provided in the side surface part 120.
  • the pouch-type secondary battery is configured in a shape having approximately two wide surfaces so that one wide surface can be seated on the seating portion 130. According to the above configuration, the thermally conductive member 170 positioned on the seating portion 130 is provided. ) And the secondary battery may be in contact with a large area. Therefore, heat exchange between the secondary battery and the heat conductive member 170 may occur more effectively.
  • thermally conductive member 170 provided in the seating part 130 may be configured to be in contact with each other with the thermally conductive member 170 provided in the side part 120.
  • thermally conductive member 170 of the side part 120 may be configured to be integral with each other with the thermally conductive member 170 of the seating part 130.
  • the heat when heat is supplied from the secondary battery to the heat conductive member 170 of the seating part 130, the heat is transferred to the heat conductive member 170 of the other cartridge via the heat conductive member 170 of the side part 120.
  • the heat supplied to the thermally conductive member 170 of the side portion 120 may be supplied to the secondary battery side through the thermally conductive member 170 of the seating portion 130.
  • the heat transfer performance between the heat conductive member 170 and the secondary battery can be further improved.
  • the partition wall part 103 may include the heat conductive member 170.
  • the thermally conductive member 170 provided in the partition wall 103 may also be formed to extend from the upper end to the lower end of the cartridge. Therefore, when the cartridges are stacked in the vertical direction, the thermal conductive members 170 provided in the partition wall 103 between the upper and lower cartridges may contact each other. Therefore, heat transfer occurs in the vertical direction also through the heat conduction member 170 of the partition 103, so that the thermal imbalance as a whole of the battery module can be more effectively resolved.
  • the heat conductive member 170 may be provided at both side surfaces of the partition wall 103. In this case, heat exchange may be performed with both of the secondary batteries located at both sides of the partition wall by the heat conductive member 170 provided in the partition wall 103. Alternatively, in such a configuration, the partition wall portion may be formed only by the heat conductive member 170.
  • the battery module according to the present invention can be applied to an automobile such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. That is, the vehicle according to the present invention may include a battery module according to the present invention.
  • the battery module according to the present invention may be applied to a power storage device. That is, the power storage device according to the present invention may include a battery module according to the present invention. Such a power storage device may be applied to various fields and places, such as a smart grid system for controlling power supply and demand or a charging station of an electric vehicle.

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Abstract

본 발명은 높은 온도에서 작동하거나 그 성능이 향상되는 이차 전지의 안정적인 작동 성능을 확보할 수 있는 신규한 구조의 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 이차 전지; 및 상기 이차 전지의 적어도 일부분이 안착되고, 적어도 일 방향으로 적층 가능하게 구성되며, 단열 부재를 구비하는 카트리지를 포함한다.

Description

배터리 모듈
본 출원은 2015년 5월 14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2015-0067610호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 주변 온도 조건을 일정 수준 이상으로 확보할 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등 다양한 분야 및 장치에 널리 사용되고 있다. 현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있으며, 금속 공기 전지나 전고체 전지, 나트륨 계열 전지, 마그네슘 전지 등이 차세대 전지로서 관심 및 개발이 증대되고 있다.
이러한 여러 이차 전지 중, 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 그리고, 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판 및 음극판과 함께 전해질을 케이스에 수납하는 형태로 구성되는데, 여기서 전해질은 액체 상태의 전해질이 대표적으로 이용되며, 이를 전해액이라고도 한다.
액체 상태의 전해질로 이루어진 이차 전지의 경우, 취급 및 제조가 용이하고, 상온에서의 전기 전도도가 양호하여 상온에서도 안정적인 성능이 확보되는 등, 여러 장점으로 인해 널리 이용되고 있다. 그러나, 이러한 액체 전해질 전지의 경우, 전해액이 누액되거나 가스가 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 이로 인해 폭발이나 발화, 유해 가스 유출과 같은 이차 전지의 안전성을 크게 떨어뜨릴 수 있다.
이러한 상황에서, 고체 상태의 전해질을 이용함으로써, 전해액의 누액이나 가스 발생과 같은 문제를 방지하고, 안전성이 확보될 수 있는 전고체 전지에 대한 관심 및 개발이 증대되고 있다. 특히, 전기 자동차나 전력 저장 장치, 이를테면 전기 자동차의 전기 충전소나 스마트 그리드에 이용되는 전력 저장 장치 등의 경우, 대량의 이차 전지가 사용될 수 있다는 점에서, 안정적인 전고체 전지에 대한 기대감은 더욱 높다고 할 수 있다. 그런데, 이와 같은 전고체 전지의 경우, 상온에서 이온 전도도가 낮으므로 액체 전해질 전지에 비해 작동 온도가 상대적으로 높다고 할 수 있다. 따라서, 전고체 전지를 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 온도 조건을 액체 전해질 전지에 비해 높여 주어야 할 필요가 있다.
하지만, 종래 배터리 모듈의 경우, 대체로 액체 전해질 전지를 대상으로 하고 있기 때문에, 고체 전해질 전지를 이용하는 경우에는 적합하지 않은 구조를 갖고 있다.
특히, 배터리 모듈의 경우, 다수의 파우치형 이차 전지를 용이하게 적층 및 수납하고, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하며 유동을 방지하기 위한 구성으로서, 카트리지를 이용하는 경우가 많다. 이러한 카트리지는, 적층용 프레임과 같은 다른 다양한 용어로 표현될 수 있는데, 대체로 일방향, 이를테면 상하 방향으로 적층 가능하게 구성되며, 적층 시 형성된 내부 공간에 이차 전지가 수납되도록 구성될 수 있다. 그런데, 이러한 카트리지는, 수납된 이차 전지의 온도를 낮추기 위한 여러 구성을 구비하는 경우가 많다. 예를 들어, 카트리지는, 플레이트 형태로 구성된 냉각 핀을 구비하거나, 상호 적층 시 외부 공기가 유입될 수 있도록 개구부가 형성될 수 있다. 이처럼, 카트리지가 이차 전지를 냉각시키기 위한 구성을 포함하는 이유는, 배터리 모듈에 포함된 액체 전해질 이차 전지의 경우, 상온보다 온도가 크게 높아지면 성능이 저하될 뿐 아니라, 폭발이나 발화와 같은 안전성 심각한 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
하지만, 전고체 전지와 같은 이차 전지의 경우, 오히려 상온에서는 전지의 성능이 제대로 발휘되지 않고, 상온보다 높은 온도에서 전지의 성능이 향상될 수 있다. 따라서, 이러한 전고체 전지를 이용하면서 종래 카트리지 등 종래 배터리 모듈의 구성을 그대로 차용하기에는 적합하지 않다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 비수 전해액 리튬 전지와 같은 액체 전해질 이차 전지에 비해 높은 온도에서 작동하거나 그 성능이 향상되는 이차 전지의 안정적인 작동 성능을 확보할 수 있는 신규한 구조의 카트리지를 포함하는 배터리 모듈과 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 이차 전지; 및 상기 이차 전지의 적어도 일부분이 안착되고, 적어도 일 방향으로 적층 가능하게 구성되며, 단열 부재를 구비하는 카트리지를 포함한다.
바람직하게는, 상기 이차 전지는, 전고체 전지이다.
또한 바람직하게는, 상기 카트리지는, 상기 이차 전지의 하부가 안착되는 안착부, 및 상기 안착부의 테두리에 세워진 형태로 구성된 측면부를 구비한다.
또한 바람직하게는, 상기 단열 부재는, 상기 측면부에 구비된다.
또한 바람직하게는, 적어도 일부가 단열 재질로 구성되며, 가장 하부에 적층된 카트리지의 하부에 결합되는 하부 커버를 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 단열 부재는, 상기 안착부에 더 구비된다.
또한 바람직하게는, 적어도 일부가 단열 재질로 구성되며, 가장 상부에 적층된 카트리지의 상부에 결합되는 상부 커버를 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 카트리지는, 적층 시 하부에 적층된 카트리지의 측면 외부를 적어도 일부 감싸도록 구성된 하층 커버부를 더 구비한다.
또한 바람직하게는, 상기 카트리지는, 수평 방향으로 배치된 다수의 이차 전지를 수납하고, 상기 수평 방향으로 배치된 다수의 이차 전지 사이에 상하 방향으로 세워진 형태의 격벽부를 구비하며, 상기 격벽부는 단열 부재를 구비한다.
또한 바람직하게는, 상기 단열 부재는, 적어도 일부 상기 카트리지에서 착탈 가능하게 구성된다.
또한 바람직하게는, 상기 카트리지는, 단열 부재로만 구성된다.
또한 바람직하게는, 상기 단열 부재는, 글라스울, EPS, XPS, 폴리우레탄 폼, 수성 연질 폼, 우레아 폼, 진공 단열 패널, PVC 및 열반사 단열재 중 적어도 하나의 재질을 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 카트리지는, 상기 이차 전지 측으로 열을 공급하는 가열 부재를 더 구비할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 주변 온도를 측정하는 온도 측정부 및 상기 온도 측정부에 의해 측정된 온도에 따라 상기 가열 부재의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상온에서 이온 전도도가 서로 다른 두 종류 이상의 이차 전지를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 카트리지는, 상단부에서 하단부까지 연장 형성된 열전도 부재를 더 구비할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 열전도 부재는, 상기 카트리지의 적층에 의해 상단과 하단이 다른 카트리지의 열전도 부재와 서로 접촉되게 구성될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 저장 장치는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기존의 비수 전해액 리튬 전지보다 높은 온도에서 안정적인 작동 성능을 갖는 이차 전지를 활용한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지를 이용하여 배터리 모듈을 구성할 때, 전고체 전지의 주변 온도를 높여 전고체 전지의 작동 성능이 향상되도록 할 수 있다.
더욱이, 이러한 전고체 전지의 경우 전해질 누출 및 가스 발생 염려가 적기 때문에, 이를 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우 발화나 폭발, 유해 가스 발생과 같은 문제가 발생하지 않을 수 있으며, 이로 인해 안전성이 크게 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 카트리지 자체에 단열 부재가 구비됨으로써, 카트리지를 적층하면서 그 내부 공간에 이차 전지를 수용시키기만 하면, 이차 전지 주변에 단열 부재가 자연스럽게 위치하게 되며, 이차 전지의 단열을 위한 별도의 구성을 필요로 하지 않으며, 이러한 단열을 위한 구성을 마련하기 위해 다른 장착 및 조립 공정을 거치지 않을 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지에서 발생하는 열이 카트리지 외부로 빠져 나가지 않고, 카트리지가 적층된 내부 공간에 거의 그대로 존재할 수 있다. 따라서, 이차 전지 주변의 온도가 높은 상태로 안정적으로 유지될 수 있으며, 이로 인해 전고체 전지와 같은 이차 전지의 작동 성능이 안정적으로 확보될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 이차 전지에서 자체적으로 발생된 열을 이용하여 보온하므로, 열을 공급하기 위한 별도의 장치를 구비하지 않을 수 있다.
그러므로, 본 발명에 의하면, 별도의 단열 및 가열을 위한 구성으로 인한 공간 증가나 하중 증대를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전해질이 고체 상태인 전고체 리튬 이차 전지 이외에도 상온보다 높은 온도에서 작동하거나 성능이 향상되는 다른 다양한 이차 전지에도 적용될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 측면에 의하면, 단열재 재질에 따라 구동 온도 조절이 가능하므로, 이차 전지에 따라 최적의 온도 조건을 제공하여 안정적인 성능을 발휘하도록 할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 하나의 카트리지 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 도 2의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 4는, 도 3에 도시된 카트리지가 2개 상하 방향으로 적층되고, 그 내부 공간에 이차 전지가 수납된 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 도 3의 카트리지가 다수 적층된 배터리 모듈에서 열이 이동하는 형태를 개략적으로 도식화하여 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은, 도 7의 카트리지가 다수 적층된 배터리 모듈에서 열이 이동하는 형태를 개략적으로 도식화하여 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 도 9의 카트리지를 상하 방향으로 적층한 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 16은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 17은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 19는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 20은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(200) 및 카트리지(100)를 포함한다.
상기 이차 전지(200)는, 배터리 모듈에 하나 이상 포함된다. 특히, 상기 이차 전지(200)는 배터리 모듈에 다수 포함될 수 있는데, 이 경우, 다수의 이차 전지(200)는 일 방향, 이를테면 도면에 도시된 바와 같이 상하 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있다.
상기 이차 전지(200)는, 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 이차 전지(200)는 상부에서 하부 방향으로 바라본 형태가 사각 형태로 구성될 수 있다. 이때, 이차 전지(200)의 케이스는 금속층이 폴리머층 사이에 개재된 파우치 형태로 구성될 수 있으며, 중앙 부분에 전극 조립체 및 전해질이 수납된 상태에서 테두리부가 실링되어 밀봉되는 형태로 구성될 수 있다. 또는, 이차 전지(200)의 케이스는 금속 재질의 캔 형태로 구성될 수 있으며, 그러한 캔의 내부 공간에 전극 조립체 및 전해질이 수납된 상태에서 캡 조립체가 결합되어 밀봉되는 형태로 구성될 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서, 이차 전지(200)는 상온보다 높은 온도에서 작동하거나 성능이 최적화되는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 이차 전지(200)는 전고체 전지이다. 여기서, 전고체 전지는, 전해질이 고체 상태로 구성된 전지로서, 통상적인 액체 상태의 전해질로 구성된 이차 전지와 대비되는 개념이라 할 수 있다. 예를 들어, 상기 이차 전지(200)는, 리튬 전고체 전지일 수 있다. 이 경우, 리튬 이온은 고체 상태의 전해질을 통해 양극과 음극 사이에서 이동할 수 있다. 이러한 전고체 전지는, 액체 전해질 이차 전지에 비해, 누액, 발화 및 폭발의 문제가 없어 안전성이 우수하고, 플렉서블 형상을 구현하는데 용이할 수 있다. 또한, 전고체 전지는, 이차 전지의 두께를 최소화하고 고전압 및 고밀도 배터리를 구현하는데 용이할 수 있다.
이러한 전고체 전지는, 고체 상태의 전해질이라는 특성 상, 상온에서 이온 전도도가 높지 않아 작동이 제대로 이루어지지 않거나 제 성능이 발휘되지 않을 수 있다. 따라서, 전고체 전지가 제 성능을 발휘하기 위해서는 상온보다 높은 온도의 고온 환경에서 구동되는 것이 좋다. 예를 들어, 전고체 전지는 50℃ 내지 200℃의 온도 환경에서 작동이 가능하거나 최적의 성능을 발휘할 수 있다. 이와 같은 특성 상, 전고체 전지는 통상적인 상태의 배터리 모듈에서는 쉽게 사용되기 어렵겠지만, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서는 사용 가능할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이러한 전고체 전지의 사용이 가능한 형태의 카트리지(100)를 포함하고 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 하나의 카트리지(100) 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 카트리지(100)는, 이차 전지(200)를 수납하고 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 이차 전지(200)의 조립을 가이드할 수 있다. 특히, 상기 카트리지(100)는, 내부 공간이 형성될 수 있으며, 이러한 내부 공간에 이차 전지(200)를 수납할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 I로 표시된 바와 같이, 카트리지(100)는 하부 및 측부가 제한되고 상부가 개방된 형태로 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 상부의 개방 부분을 통해 이러한 내부 공간에 이차 전지(200)가 삽입되어 수용될 수 있다.
또한, 상기 카트리지(100)는, 수납된 이차 전지(200)의 적어도 일 부분이 안착되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 실링부를 구비하는 파우치형 이차 전지의 경우, 이차 전지(200)의 실링부, 즉 테두리 부분이 카트리지(100)에 안착되거나, 이차 전지(200)의 하부에 위치하는 평평한 부분이 전체적으로 카트리지(100)에 안착될 수 있다.
상기 카트리지(100)는, 하나 이상의 이차 전지(200)를 적층하는데 이용되는 구성요소로서 적어도 일 방향으로 적층 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 카트리지(100)는 상하 방향으로 적층 가능하게 구성될 수 있다. 이 경우, 카트리지(100)는 적층 시 인접하는 카트리지(100)와 접촉되는 부분이 대체로 평평하게 형성될 수 있다. 그러면, 이와 같이 평평하게 형성된 부분이 상호 접촉하여, 카트리지(100)는 지면에 수직한 방향으로 용이하게 적층될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 카트리지(100)는, 단열 부재(110)를 구비한다.
상기 단열 부재(110)는, 열의 이동을 차단 내지 감소시키는 재질 또는 구조로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 단열 부재(110)는, 이차 전지(200)가 위치한 카트리지(100) 내부에서 외부로의 열손실을 줄이거나 없애도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 카트리지(100)는, 이러한 단열 부재(110)로 인해 내부 공간의 온도를 일정 범위 이내, 특히 상온보다 높은 온도 범위 이내로 유지시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어 상기 카트리지(100)는 내부 공간의 온도를 50℃ 내지 200℃의 온도가 유지되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 카트리지(100) 구성에 의해, 본 발명에 따른 배터리 모듈에는 상온보다 높은 온도에서 작동하거나 성능이 향상되는 이차 전지가 채용될 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 이차 전지(200)는, 전고체 전지일 수 있다. 이러한 전고체 전지는 상온에서의 전기 전도도가 낮아 제 성능을 내기 어렵기 때문에 통상적인 배터리 모듈에 채용되기는 어렵다. 하지만, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 상기와 같이 단열 부재(110)가 구비된 카트리지(100)를 포함하고 있으며, 이러한 카트리지(100)의 내부 공간에 전고체 이차 전지가 수납됨으로써, 통상적인 배터리 모듈에 비해 이차 전지 주변의 온도가 상대적으로 높게 유지될 수 있다.
특히, 이차 전지(200)는 동작 중에 열이 발생할 수 있으며, 이러한 열은 단열 부재(110)에 의해 카트리지(100)의 외부 공간으로 빠져나가지 않고, 이차 전지(200)가 위치한 카트리지(100)의 내부 공간에 보유될 수 있다. 따라서, 카트리지(100) 내부 공간의 온도는, 일정 수준 이상으로 유지될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 배터리 모듈에는 전고체 전지를 비롯하여 통상적인 이차 전지보다 높은 온도에서 성능이 향상되는 이차 전지에 용이하게 적용될 수 있다.
여기서, 상기 단열 부재는, 열 전도율이 상온 기준으로 0.1 W/mk 이하인 것이 좋다. 바람직하게는, 상기 단열 부재는, 열 전도율이 0.05 W/mk 이하일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 단열 부재는, 글라스울(glasswool), EPS(Expanded Polystyrene), XPS(Extruded Polystyrene Sheet), 폴리우레탄 폼(Polyurethane Foam), 수성 연질 폼, 우레아 폼(Urea Foam), 진공 단열 패널(Vacuum Insulation Panel), PVC(Polyvinyl chloride) 및 열반사 단열재 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다. 특히, 이러한 단열 부재(110)들의 경우, 전고체 전지의 작동 온도 범위에서의 보온에 보다 용이할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 이러한 단열 부재(110)의 종류나 배치 형태, 두께 등을 조절함으로써 카트리지(100) 내부 공간의 온도 제어가 가능할 수 있다.
바람직하게는, 상기 카트리지(100)는, 적층에 의해 내부 공간이 한정될 수 있다. 그리고, 이러한 한정된 내부 공간에는 이차 전지(200)가 수납될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는, 도 3에 도시된 카트리지(100)가 2개 상하 방향으로 적층되고, 그 내부 공간에 이차 전지(200)가 수납된 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 하부에 적층된 카트리지(100)의 내부 공간은 다른 카트리지(100)가 상부에 적층됨으로써 상부의 개방 부분이 막혀질 수 있으며, 이로 인해 하층의 카트리지(100) 내부 공간은, 하면부 및 측면부 뿐 아니라, 상부가 한정될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 구성을 살펴보면, 카트리지(100)의 내부 공간(I)은, 상부가 개방된 형태로 형성되어 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이 상부 방향에 다른 카트리지(100)가 적층되는 경우, 이러한 카트리지(100)의 내부 공간 상부의 개방된 부분은 커버될 수 있다. 그리고, 이와 같이 한정된 공간에 이차 전지(200)가 수납됨으로써 이차 전지(200)의 상하, 좌우 및 전후 방향은 전체적으로 커버되고 카트리지(100)의 내부 공간에서 외부 공간으로의 열 전달이 감소될 수 있다.
바람직하게는, 상기 카트리지(100)는, 도면에 도시된 바와 같이, 안착부(130) 및 측면부(120)를 구비할 수 있다.
상기 안착부(130)는, 카트리지(100)에서 이차 전지(200)의 적어도 일부분이 안착되는 구성요소이다. 특히, 상기 안착부(130)는, 이차 전지(200)의 하부가 안착될 수 있으며, 이를 위해 상면은 이차 전지(200)의 하부에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(200)의 하부가 평평한 형태로 형성되는 경우, 안착부(130)의 상면 역시 평평한 형태로 형성될 수 있다. 다른 예로, 원통형 이차 전지와 같이 이차 전지(200)의 하부가 곡선 형태로 형성되는 경우, 안착부(130)는 이러한 원통형 이차 전지가 안착될 수 있도록 반원 형태의 홈이 오목하게 형성된 형태로 구성될 수도 있다.
상기 측면부(120)는, 안착부(130)의 테두리, 즉 외주부에 상하 방향으로 세워진 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바를 참조하면, 카트리지(100)가 상부에서 하부 방향으로 바라본 형태로 대략 직사각형 형태로 형성된 경우, 측면부(120)는 직사각형의 변에 해당하는 부분에 지면에서 수직한 형태로 형성될 수 있다. 이러한 측면부(120)는, 카트리지(100)의 내부 공간에 이차 전지(200)가 수납되는 경우, 이차 전지(200)의 측면에 위치하여, 이차 전지(200)의 측면을 커버할 수 있다.
여기서, 상기 측면부(120)의 상단 및 하단에는, 상호 결합 가능한 형태로 결합부, 특히 요철부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 P로 표시된 바와 같이, 측면부(120)의 상부에는 볼록한 형태의 돌기가 형성될 수 있다. 그리고, 도 3에서 H로 표시된 바와 같이, 카트리지(100)의 측면부(120) 하단에는, 상단의 돌기에 대응되는 위치 및 형태로 홈이 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 카트리지(100)를 상하 적층하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 하부에 적층된 측면부(120)의 돌기는 상부에 적층된 측면부(120)의 홈에 삽입될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 돌기 및 홈이 카트리지(100) 간 상하 방향 적층을 가이드하여 카트리지(100) 간 적층 위치를 쉽게 알 수 있고, 적층된 카트리지(100)의 수평 방향 유동을 방지할 수 있다.
한편, 상기 단열 부재(110)는, 카트리지(100)의 내측 표면에 구비될 수 있다. 여기서, 내측 표면이란 이차 전지(200)가 위치하는 측 표면을 의미하는 것으로, 내부 공간을 형성하는 표면이라 할 수도 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지(100)에 단열 부재(110)를 구비하는 공정이 쉽게 수행될 수 있다. 예를 들어, 단열 부재(110)는, 카트리지(100)의 내측 표면에 접착제나 볼트와 같은 체결 부재 등을 통해 부착되는 방식으로 구비될 수 있다. 또한, 이러한 실시예에 의하면, 열이 카트리지 자체로 전달되는 것을 차단하기 때문에, 내부 공간에서의 열 보유 능력이 향상될 수 있다.
특히, 상기 실시예와 같이, 카트리지(100)가 안착부(130) 및 측면부(120)를 구비하는 경우, 단열 부재(110)는, 이러한 안착부(130) 및/또는 측면부(120)의 내측 표면에 전체적으로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 단열 부재(110)는, 카트리지(100)의 측면부(120)에 구비될 수 있다. 다수의 카트리지(100)가 상하 방향으로 적층된다 하더라도, 측면부(120)의 외부에는 다른 카트리지(100)가 위치하지 않고, 측면부(120)의 외부 공간은 곧 배터리 모듈의 외부 공간이 될 수 있다. 따라서, 측면부(120)를 통한 카트리지(100) 내부에서 외부로의 열 이동은 곧바로 열 손실을 가져오므로, 이러한 측면부(120)에 단열 부재(110)를 구비하는 경우 측면부(120)를 통한 열 손실을 방지할 수 있다.
더욱이, 단열 부재(110)는, 카트리지(100)의 측면부(120)에만 구비되고 카트리지(100)의 안착부(130)에는 구비되지 않을 수 있다. 다수의 카트리지(100)가 상하 방향으로 적층되는 경우, 카트리지(100)의 안착부(130) 외부에는 다른 카트리지(100)에 의한 내부 공간이 위치할 수 있다. 따라서, 안착부(130) 부분에 단열 부재(110)가 구비되지 않아 카트리지(100) 내부 공간의 열이 안착부(130)를 통과하여 카트리지(100)의 외부 공간으로 유출된다 하더라도, 이와 같이 유출된 열은 그 하부에 적층된 다른 카트리지(100)로 유입될 수 있다. 그러므로, 배터리 모듈의 전체 관점에서 볼 때는, 내부에서의 열 이동일 뿐이므로, 열 손실은 아니라고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 단열 부재(110)의 형성 공간을 줄여 구조를 간단하게 하고, 공정의 편의성을 증대시키며 비용을 감소시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 상기와 같은 실시예에 의하면, 상하 방향으로 적층된 카트리지(100) 간 열 교환이 가능하므로, 배터리 모듈에 포함된 전체 이차 전지(200)에 대한 주변 온도 불균형을 해소할 수 있다. 즉, 배터리 모듈에 포함된 다수의 이차 전지(200) 중, 일부 이차 전지에 대한 주변 온도가 상대적으로 낮은 경우, 안착부(130)를 통한 상하부 간 열교환이 가능해지므로, 특정 층의 카트리지(100)에 위치한 이차 전지의 주변 온도가 낮은 경우, 다른 층의 여러 카트리지(100)에 위치한 이차 전지로부터 열이 이동하여 해당 이차 전지의 주변 온도는 상승할 수 있다.
특히, 전력 저장 장치용 배터리 모듈이나 자동차용 배터리 모듈의 경우, 실외에 놓여지는 경우가 많은데, 겨울철과 같이 주변 온도가 많이 낮은 경우, 가장 상부 또는 가장 하부에 적층된 카트리지(100)의 온도가 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 상기 실시예와 같이, 적층된 카트리지(100) 간 열교환이 용이하게 일어나도록 하는 경우, 주변 온도가 낮은 이차 전지(200)의 성능이 크게 저하하는 것을 방지할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 이하에서는, 도 2에 도시된 카트리지(100)와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하고, 도 2의 구성에 대한 설명이 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 카트리지(100)와 마찬가지로, 카트리지(100)가 안착부(130) 및 측면부(120)를 구비한다. 다만, 도 5의 구성에 있어서, 안착부(130)는, V로 표시되어 있는 바와 같이, 적어도 일부분, 특히 중앙 부분이 뚫려 있는 형태로 구성되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(200)의 테두리 부분이 안착부(130)에 안착될 수 있고, 안착부(130)의 중앙 부분을 통해서는 열이 이동할 수 있다. 따라서, 상하로 적층된 카트리지(100) 간 열 이동이 보다 자유롭게 이루어질 수 있으며, 이로 인해 상하로 적층된 이차 전지(200)의 주변 온도 간 열적 평형이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
도 6은, 도 3의 카트리지(100)가 다수 적층된 배터리 모듈에서 열이 이동하는 형태를 개략적으로 도식화하여 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 다수의 카트리지(100)가 상하 방향으로 적층되며, 적층된 카트리지(100)의 내부 공간에는 이차 전지(200)가 수납되어 있다. 그리고, 각 카트리지(100)의 측면부(120)에는 단열 부재(110)가 구비되어, 소정 온도까지는 열이 측면부(120)를 거의 통과하지 않고 실질적으로 차단될 수 있다. 따라서, 측면부(120)를 통한 열 유출은 이루어지지 않을 수 있다. 반면, 카트리지(100)의 안착부(130)에는 단열 부재(110)가 구비되어 있지 않으므로, 상하 적층된 카트리지(100) 간에는 열이 이동될 수 있다. 따라서, 이러한 구성에 있어서, 열은 화살표로 표시된 바와 같은 흐름 양상을 보일 수 있다.
이러한 열 이동의 형태는, 도 5에 도시된 카트리지(100)를 다수 적층하는 경우에도 유사하게 이루어질 수 있다.
한편, 최하부에 적층된 카트리지(100)의 경우, 카트리지(100)의 안착부(130)를 통해 외부로 열이 유출되면, 이는 곧 배터리 모듈 외부로 열이 유출되는 것일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부 커버(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 커버(300)는, 상하 방향으로 적층된 다수의 카트리지(100) 중, 가장 하부에 위치하는 카트리지(100)의 하부에 결합되는 구성요소이다. 예를 들어, 상기 하부 커버(300)는 상부에 돌기가 구비되어, 최하층에 위치한 카트리지(100)의 하부 홈(H)에 이러한 돌기가 결합되도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 하부 커버(300)는, 적어도 일부가 단열 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 커버(300)는 전체적으로 글라스울이나 EPS, 또는 XPS와 같은 단열 재질로 구성될 수 있다. 또는, 상기 하부 커버(300)는 적어도 상부면에 글라스울이나 EPS, XPS와 같은 재질의 단열 부재(110)를 구비할 수 있다.
이처럼, 적어도 일부가 단열 재질로 구성된 하부 커버(300)의 존재로 인해, 최하층 카트리지(100)의 열은 안착부(130)를 통해 외부로 유출되지 않고 그 내부 공간에 위치할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 커버(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 커버(400)는, 상하 방향으로 적층된 다수의 카트리지(100) 중, 가장 상부에 위치하는 카트리지(100)의 상부에 결합되는 구성요소이다. 예를 들어, 상기 상부 커버(400)는, 하부에 홈이 형성되어, 이러한 홈에 최상층에 위치한 카트리지(100)의 돌기(P)가 결합되도록 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 상부 커버(400)는, 적어도 일부가 단열 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 커버(400)는 전체적으로, 또는 하부 표면이 글라스울이나 EPS, 또는 XPS와 같은 단열 재질로 구성될 수 있다.
카트리지(100)는, 이차 전지(200)의 삽입을 위해 내부 공간의 상부가 개방된 형태로 구성될 수 있는데, 최상층에 위치한 카트리지(100)에 대하여, 이러한 개방 부분이 그대로 노출되면, 이 부분을 통해 해당 카트리지(100)에 수납된 이차 전지(200)의 열이 외부로 쉽게 유출될 수 있다. 더욱이, 도 6에 도시된 바와 같이, 적층된 카트리지(100) 간 열 이동이 용이하게 이루어지도록 구성된 경우, 이러한 최상층의 개방 부분을 통한 열 유출은 다른 카트리지(100)에 수납된 이차 전지(200)의 주변 온도도 낮출 수 있게 된다. 하지만, 상기 실시예와 같이 최상층에 위치한 카트리지(100)의 상부에 적어도 일부가 단열 재질로 구성된 상부 커버(400)가 결합되는 경우, 배터리 모듈의 상부에서의 열 유출을 방지함으로써, 최상층에 위치한 카트리지(100)는 물론, 다른 층에 위치한 카트리지(100)의 내부 공간 온도가 소정 온도 이하로 낮아지지 않도록 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 단열 부재(110)는, 측면부(120)의 상부 특히, 요철부에 구비될 수 있다. 이러한 측면부(120)의 상부는 다른 카트리지(100)와 접촉하여 결합되는 부분으로서 다른 부분에 비해 상대적으로 열이 쉽게 유출될 수 있으나, 이러한 실시예에 의하면, 단열 부재(110)를 통해 실링성 및 단열성이 강화될 수 있다. 따라서, 카트리지(100) 내부 공간의 열 보유성이 보다 향상될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 요철부는, 측면부(120)에 둘 이상 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 다수의 요철부 결합 구조에 의한 열 유출 경로가 길어지면서 복잡해지므로, 열 유출을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 단열 부재(110)가 측면부(120)에만 구비되는 구성을 위주로 설명되었으나, 단열 부재(110)는 안착부(130)에 구비될 수도 있다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 이차 전지용 카트리지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 또한, 도 8은 도 7의 카트리지(100)가 다수 적층된 배터리 모듈에서 열이 이동하는 형태를 개략적으로 도식화하여 나타내는 도면이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 측면부(120)와 함께 안착부(130)에도 단열 부재(110)가 구비될 수 있다. 이러한 카트리지(100)의 경우, 측면부(120)를 통한 수평 방향으로의 열 이동이 차단되는 것은 물론, 안착부(130)를 통한 상하 방향으로의 열 이동이 차단될 수 있다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 다수의 카트리지(100)를 상하 방향으로 적층하는 경우, 적층된 카트리지(100) 간 열 이동이 차단됨으로써, 각 카트리지(100)의 내부 공간은 서로 열적으로 분리될 수 있다. 그러므로, 열 이동은 도면에서 화살표로 표시된 바와 같이, 각 카트리지(100) 내부에서 서로 분리된 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 일부 카트리지(100)의 온도가 급격하게 낮아져 해당 카트리지(100)에 수납된 이차 전지(200)의 성능이 제대로 발휘되지 않는다 하더라도, 다른 카트리지(100)에 수납된 다른 이차 전지(200)의 주변 온도는 떨어뜨리지 않을 수 있다. 따라서, 일부 카트리지(100)의 손상이나 파괴로 인한 열 유출이 다른 카트리지(100)에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다. 특히, 이러한 실시예는 배터리 모듈의 손상이나 파손 위험이 높은 경우에 보다 유용하게 적용될 수 있다.
한편, 이러한 구성에 의하면, 최상층에 위치한 카트리지(100)에 대해서는 상부 개방된 부분을 열적으로 차단시키기 위해, 도 6의 실시예에서와 마찬가지로 적어도 일부가 단열 재질로 구성된 상부 커버(400)가 결합될 수 있다.
상기 실시예와 같이, 측면부(120)와 안착부(130)에 모두 단열 부재(110)가 구비되도록 하는 구성에 있어서, 안착부(130)보다는 측면부(120)의 단열 부재(110) 두께를 두껍게 구성하거나, 측면부(120)의 단열 부재(110)에 대하여 안착부(130)보다 단열 성능이 높은, 이를테면 열전도율이 낮은 재질을 이용하도록 구성할 수 있다. 안착부(130)를 통한 열 이동에 비해 측면부(120)를 통한 열 이동은, 곧바로 배터리 모듈의 열 손실을 가져올 수 있기 때문이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 그리고, 도 10은, 도 9의 카트리지(100)를 상하 방향으로 적층한 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 카트리지(100)는, 하층 커버부(140)를 더 구비할 수 있다. 상기 하층 커버부(140)는, 다른 카트리지(100)의 상부에 적층 시, 하부에 적층된 카트리지(100)의 측면 외부를 적어도 일부 감싸도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 카트리지(100)의 하층 커버부(140)는, 그에 의한 내부 공간의 길이가 측면부(120)에 의한 내부 공간의 길이보다 크게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지(100)를 상하 방향으로 적층할 때, 상층에 적층된 카트리지(100)의 하층 커버부(140)가 하층에 적층된 카트리지(100)의 측면부(120) 외부를 덮도록 구성될 수 있다. 따라서, 하층 카트리지(100)의 내부 공간을 기준으로 살펴보면, 내부 공간의 측면부(120) 외측에 다시 하층 커버부(140)가 존재하므로, 내부 공간으로부터 수평 방향으로의 열 유출이 더욱 확실하게 차단될 수 있다.
특히, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 하층 커버부(140)의 적어도 일부에는 단열 부재(110)가 구비될 수 있다. 이 경우, 하층에 적층된 카트리지(100)의 내부 공간은 하층에 적층된 카트리지(100)의 측면부(120)에 구비된 단열 부재(110)와, 상층에 적층된 카트리지(100)의 하층 커버부(140)에 구비된 단열 부재(110)가 존재하므로, 수평 방향으로 단열 부재(110)가 복수 층을 이루는 형태가 될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 측면 방향으로의 열 손실이 효과적으로 방지될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 상기 카트리지(100)는, 다수의 이차 전지(200)를 수납할 수 있으며, 이러한 각각의 이차 전지(200)는 수평 방형으로 상호 간 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다. 그리고, 상기 카트리지(100)는, 2개의 이차 전지(200) 사이에 격벽부(150)를 구비할 수 있다.
여기서, 격벽부(150)는, 하나의 카트리지(100) 내에서 측면부(120)와 마찬가지로 상하 방향으로 세워진 형태로 구성되되, 측면부(120)와는 달리 카트리지(100)의 중앙 부분에 위치할 수 있다. 그리고, 격벽부(150)는, 상호 소정 거리 이격된 이차 전지(200)의 사이 공간에 위치할 수 있다. 즉, 격벽부(150)가 구비된 카트리지(100)에 대해서는, 격벽부(150) 및/또는 측면부(120)로 한정되는 내부 공간에 다수의 이차 전지(200)가 수평 방향으로 배치된 형태로 수납될 수 있다.
특히, 상기 격벽부(150)는, 단열 부재(110)를 구비할 수 있다. 이러한 실시예와 같이, 격벽부(150)에 단열 부재(110)가 구비된 경우, 격벽부(150) 및/또는 측면부(120)에 의해 한정된 다수의 내부 공간 사이에서는 열 교환이 감소되거나 차단될 수 있다. 따라서, 각 내부 공간의 열이 다른 내부 공간으로 유출되지 않을 수 있다.
한편, 상기 여러 도면에서는, 단열 부재(110)가 카트리지(100)의 내측 표면에 구비된 형태를 기준으로 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 7의 구성에서, 단열 부재(110)는 이차 전지(200)가 위치하는 측면부(120) 및/또는 안착부(130)의 내측 표면에 부착되는 것과 같은 형태로 도시되어 있다. 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지(200) 측에서 발산된 열이나 카트리지(100)의 내부 공간에 존재하는 열이 주로 단열 부재(110)에만 닿게 되고 단열 부재(110) 이외의 다른 카트리지(100) 부분, 즉 기재에는 거의 닿지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우, 카트리지(100)의 기재를 통한 열의 이동을 차단하여 카트리지(100) 내부 공간의 보온 효과를 강화시킬 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 단열 부재(110)는 카트리지(100)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 카트리지(100)가 안착부(130) 및 측면부(120)로 구성되고, 측면부(120)에 단열 부재(110)가 구비된 경우, 이러한 단열 부재(110)는 측면부(120)의 외부로, 즉 측면부(120)의 내측이나 외측으로 노출되지 않고, 내부에 매립되는 형태로 구비될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 단열 부재(110)가 카트리지(100)의 외부로 노출되지 않으므로, 단열 부재(110)의 파손 내지 손상 위험이 줄어들 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 하나의 카트리지(100)에 이차 전지(200)가 1개의 층만 수용되는 구성을 위주로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다.
도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 앞선 여러 실시예에서와 마찬가지로 카트리지(100)는 측면부(120) 및 안착부(130)를 구비한다. 그리고, 측면부(120)에는 단열 부재(110)가 구비된다. 다만, 앞선 실시예들과 달리, 안착부(130)는 측면부(120)의 하단이 아닌 측면부(120)의 중앙 부분에 위치한다. 따라서, 도면에서 I1 및 I2로 표시된 바와 같이, 하나의 카트리지(100)에 2개의 내부 공간이 마련되며, 이러한 2개의 내부 공간에는 각각 서로 다른 이차 전지(200)가 수납될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 하나의 카트리지(100)만으로 2개 층의 이차 전지(200)가 수납되므로, 적은 개수의 카트리지(100) 및 보다 적은 카트리지(100) 적층 공정으로도 다수의 이차 전지(200)의 적층이 가능할 수 있다.
한편, 상기 단열 부재(110)는, 적어도 일부에 대하여 카트리지(100)에서 착탈 가능하게 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 14를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 단열 부재(110)는 측면부(120)의 내측 표면과 외측 표면에 모두 구비될 수 있되, 적어도 일부는 착탈 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 화살표로 표시된 바와 같이, 외측 표면의 단열 부재(110)는 측면부(120)의 외측 표면에 부착되는 형태로 고정 가능하도록 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 단열 부재(110)는, 추후에 떼어내는 것이 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 외측 단열 부재(110)가 손상되거나 파손되는 경우, 카트리지(100) 전체를 교체하지 않고 외측 단열 부재(110)만 교체함으로써, 경제적이면서도 용이하게 카트리지(100)의 복구가 가능하고 이로 인해 카트리지(100)의 보온 효과가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 이러한 실시예에 의하면, 단열 부재(110)의 착탈이나 변경을 통한 카트리지(100)의 내부 온도 조절이 가능할 수 있다. 예를 들어, 평소에는 카트리지(100)에 외측 단열 부재(110)를 구비하지 않다가 카트리지(100)의 내부 온도가 낮다고 판단되는 경우, 외측 단열 부재(110)가 부착되도록 함으로써, 카트리지(100)의 내부 온도를 높일 수 있다. 또는, 카트리지(100)의 내부 온도가 낮다고 판단되는 경우, 보온력이 높은 재질의 단열 부재(110)로 교체함으로써 카트리지(100)의 내부 온도 상승을 꾀할 수도 있다.
한편, 상기 여러 실시예에서는, 단열 부재(110)가 카트리지(100)의 표면 또는 내부에 구비되는 형태를 중심으로 설명되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 카트리지(100)는 단열 부재(110)로만 구성될 수 있다. 예를 들어, 카트리지(100)의 측면부(120) 및 안착부(130)는 모두 EPS로만 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지(100)가 전체적으로 단열성을 갖게 되므로, 카트리지(100)에 의한 보온성이 향상될 수 있고, 카트리지(100)의 제조가 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
또는, 상기 카트리지(100)가 측면부(120) 및 안착부(130)를 구비하는 경우, 어느 하나의 구성, 이를테면 안착부(130)가 단열 부재(110)로만 구성되고, 다른 구성인 측면부(120)는 기재에 단열 부재(110)가 부착 또는 매립된 형태로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 다수의 카트리지(100)가 적층된 경우 강한 지지력이 수반되어야 하는 측면부(120)에 대해서는 상대적으로 강도가 높은 재질이 기재로서 존재하도록 구성하고, 해당 카트리지(100)의 이차 전지(200)만 지지하면 되는 안착부(130)에 대해서는 강도보다는 보온성이 높은 단열 재질로 구성할 수 있다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(200) 및 카트리지(100) 이외에, 케이스(500)를 더 포함할 수 있다.
상기 케이스(500)는, 내부에 빈 공간을 구비하여, 이러한 내부 공간에 다수의 이차 전지(200) 및 다수의 카트리지(100)를 수납한다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 케이스(500)는 적어도 일부가 단열 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 케이스(500)는, 도면에 도시된 바와 같이, 내측 표면에 단열 부재(110)가 부착되는 형태로 구성될 수 있다. 또는, 상기 케이스(500)는 단열 부재(110)가 케이스(500)의 외측 표면에 부착되거나 케이스(500)의 내부에 매립되는 형태로 구성될 수도 있다. 또는, 상기 케이스(500)는 전체적으로 단열 재질로 구성될 수도 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 케이스(500)에 의해 카트리지(100)의 내부 공간의 보온 효과는 더욱 향상될 수 있고, 온도 또한 보다 상승할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 상기 카트리지는, 가열 부재를 더 구비할 수 있다.
도 16은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 16을 참조하면, 상기 카트리지는, 단열 부재(110) 이외에 가열 부재(130)를 더 구비할 수 있다.
상기 가열 부재(160)는, 카트리지에서 내부 공간에 수납된 이차 전지 측으로 열을 공급하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지 주변의 온도를 일정 수준 이상으로 유지함에 있어서, 이차 전지로부터 발생한 열을 이용할 뿐 아니라, 가열 부재(160)로부터 발생한 열을 이용할 수 있다.
본 발명의 이러한 측면에 의하면, 카트리지 내부 공간의 온도, 즉 이차 전지 주변의 온도를 보다 높은 온도로, 보다 신속하게 상승시킬 수 있다. 더욱이, 이차 전지가 구동하기 전, 또는 이차 전지가 구동하기 시작하는 초기에는 이차 전지로부터 발생되는 열이 없거나 많지 않기 때문에, 이차 전지로부터 발생하는 열을 이용하여 카트리지 내부 공간의 온도를 일정 수준 이상으로 높이는 데에는 한계가 있을 수 있다. 하지만, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 이차 전지로부터 발생하는 열이 거의 없는 경우에도 가열 부재(160)를 통해 발생하는 열을 이용할 수 있으므로, 이차 전지의 초기 구동 시나 외부 온도가 낮은 경우에도 안정적인 이차 전지의 성능을 확보할 수 있다. 또한, 적층 위치에 따른 온도 차이를 보완함으로써 이차 전지의 성능을 확보할 수 있다.
특히, 상기 가열 부재(160)는, 전원을 공급받아 열을 발생하는 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 상기 가열 부재(160)는 전원을 공급받기 위한 전원 단자를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 가열 부재(160)로 공급되는 전원은, 카트리지의 내부 공간에 수납된 이차 전지로부터 공급받거나, 카트리지 외부의 별도의 전지로부터 공급받을 수 있다. 이러한 전원을 이용하여 열을 발생하는 구성은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 부재(160)는, 전류를 통하여 발생하는 줄열 등을 이용하는 저항 가열, 또는 열적외선 방사를 통한 적외선 가열 등의 형태로 구현될 수 있다.
상기 가열 부재(160)는, 안착부(130) 및 측면부(120) 중 적어도 하나에 구비될 수 있다. 특히, 상기 가열 부재(160)는, 도 16에 도시된 바와 같이, 카트리지의 안착부(130)에 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 가열 부재(160)에 의해 발생된 열이 이차 전지(200)로 전달되는 효율을 높일 수 있다. 카트리지에서 안착부(130)는 측면부(120)에 비해 넓은 표면적을 갖도록 형성될 수 있다. 그리고, 파우치형 이차 전지(200)는 대략 2개의 넓은 표면을 갖는 형태로 구성될 수 있는데, 카트리지는 이차 전지(200)의 2개의 넓은 표면 중 1개의 표면이 안착부(130)에 안착되도록 구성될 수 있다. 따라서, 안착부(130)에 가열 부재(160)가 구비되는 구성에 의하면, 이차 전지(200)의 넓은 표면으로 가열 부재(160)에 의해 생성된 열이 전달될 수 있으므로, 보다 많은 열이 이차 전지(200)에 전달되고, 이차 전지(200) 주변의 온도 상승 속도도 보다 높아질 수 있다.
특히, 상기 가열 부재(160)는, 플레이트 형태로 구성되어, 상기 안착부(130)에 구비될 수 있다. 이 경우, 가열 부재(160)는, 지면에 평행하게 눕혀진 형태로 안착부(130)에 안착된 이차 전지(200)의 넓은 하부 표면 중 적어도 일부를 커버할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 가열 부재(160)는, 안착부(130)에 안착된 이차 전지(200)의 하부 표면 전체를 커버하도록 구성되는 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 가열 부재(160)는, 도 16에 도시된 바와 같이, 안착부(130)의 상부 표면에 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 가열 부재(160)의 상부에 이차 전지가 직접적으로 접촉하게 되므로, 가열 부재(160)로부터 발생된 열이 이차 전지로 전달되는 효율을 높일 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 가열 부재(160)는 다양한 형태로 카트리지의 안착부(130)에 구비될 수 있다.
도 17은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 상기 가열 부재(160)는, B로 표시된 부분과 같이, 하부의 적어도 일부분이 외부, 즉 하부로 노출된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 카트리지는, 측면부(120) 및 안착부(130)를 포함하되, 안착부(130)는 상부에서 바라볼 때 중앙 부분이 비어 있는 형태로, 카트리지의 테두리 부분에만 구비될 수 있다. 그리고, 가열 부재(160)는, 이러한 안착부(130)의 비어 있는 부분에 구비되어 상부 방향으로는 물론, 하부 방향으로도 노출되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 카트리지를 둘 이상 상하 방향으로 적층하는 경우, 특정 카트리지에 구비된 가열 부재(160)는, 해당 카트리지의 내부 공간으로도 노출되는 것은 물론, 그 아래에 적층된 카트리지의 내부 공간으로도 노출될 수 있다. 따라서, 이 경우, 특정 카트리지에 구비된 가열 부재(160)로부터 생성된 열은, 해당 카트리지에 수납된 이차 전지는 물론이고, 그 아래에 적층된 카트리지에 수납된 이차 전지에까지, 열을 복사 등의 형태로 효과적으로 전달할 수 있다. 그러므로, 카트리지가 다수 적층된 경우, 이차 전지의 하부는 자신이 수납된 카트리지의 가열 부재(160)로부터 직접 열을 공급받고, 이차 전지의 상부는 상부에 적층된 다른 카트리지의 가열 부재(160)로부터 직접 열을 공급받을 수 있게 되어, 이차 전지에 대한 열 전달 효율이 크게 향상될 수 있다.
가열 부재(160)는, 단열 부재(110)와 함께 안착부(130) 및 측면부(120) 중 적어도 하나에 구비될 수 있다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 18을 참조하면, 단열 부재(110) 및 가열 부재(160)는, 측면부(120)에 함께 포함되도록 구성될 수 있다. 이때, 가열 부재(160)는 단열 부재(110)보다 내측(도 18에서 좌측 측면부의 우측, 우측 측면부의 좌측)에 위치할 수 있다. 이 경우, 가열 부재(160)에 의해 공급된 열이 단열 부재(110)에 의해 외측으로는 차단되고 카트리지의 내부 공간으로만 공급될 수 있어, 가열 및 보온 효율이 보다 향상될 수 있다.
여기서, 가열 부재(160)는, 도 18에 도시된 바와 같이, 측면부(120)의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 구비될 수 있다. 특히, 측면부(120)의 중앙 부분에는 이차 전지(200)의 실링부가 위치할 수 있으므로, 이처럼 가열 부재(160)가 측면부(120)의 상부 및/또는 하부에 위치하도록 구성되는 실시예에 의하면, 공간을 효율적으로 이용하여 카트리지의 부피를 줄일 수 있다.
한편, 도 18에서는 단열 부재(110)의 내측 표면 일부에만 가열 부재(160)가 구비되는 형태로 도시되어 있으나, 단열 부재(110)의 내측 표면 전체에 가열 부재(160)가 구비되는 형태도 가능하다.
상기 가열 부재(160)는, 안착부(130)에 단열 부재(110)와 함께 포함되도록 구성될 수 있다.
이때, 가열 부재(160)는 열선 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 열선 형태의 가열 부재(160)는, 단열 부재(110)의 내측 표면 상부에 부착될 수 있다. 또는, 열선 형태의 가열 부재(160)는 단열 부재(110)의 내부에 매립되는 형태로 구비될 수도 있다.
이와 같이 가열 부재(160)가 열선 형태로 구성되는 실시예에 의하면, 가열 부재(160)에 의한 무게 증가를 줄임으로써 카트리지의 경량화 달성에 용이하고, 가열 부재(160)가 차지하는 공간을 줄여 카트리지의 부피를 줄이거나 이차 전지(200)의 수납 용량을 늘릴 수 있다.
도 19는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 19를 참조하면, 가열 부재(160)는 안착부(130)를 구성할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 이차 전지용 카트리지는, 안착부(130) 자체가 가열 부재(160)로 구성될 수 있다. 이때, 안착부(130)는 열판과 같은 형태로 구현될 수 있으며, 이러한 열판 형태의 안착부(130)에 이차 전지가 접촉하여 안착될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 안착부(130) 자체가 가열 부재(160)이므로, 이러한 가열 부재(160) 이외에 별도의 기재를 안착부(130)로써 마련할 필요가 없어 카트리지의 제조가 보다 용이해질 수 있고, 카트리지의 부피 및 무게가 감소될 수 있다. 또한, 상층에 위치한 카트리지는 자체의 내부 공간에 수납된 이차 전지로 열을 공급함은 물론, 하층에 위치한 카트리지에 수납된 이차 전지로도 열을 공급할 수 있어, 효율적인 열 공급이 가능해질 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 온도 측정부 및 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 측정부는, 주변 온도를 측정하는 구성요소로서, 이를테면 카트리지(100)의 내부 또는 외부에 부착되어 이차 전지 주변의 온도를 측정할 수 있다.
상기 제어부는, 이러한 온도 측정부에 의해 측정된 온도를 바탕으로 가열 부재(160)의 작동을 제어할 수 있다. 이를 위해, 상기 제어부는 가열 부재(160)를 작동시키는 기준으로서 참조 온도 범위를 저장할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈에 수납된 이차 전지가 최적의 성능을 낼 수 있는 온도 범위가 70℃ 내지 150℃라면, 상기 제어부는 이러한 온도 범위를 참조 범위로서 저장할 수 있다. 그리고, 온도 측정부에 의해 측정된 온도가 70℃ 미만으로 내려가는 경우, 상기 제어부는, 가열 부재(160)가 작동되도록 함으로써 이차 전지 주변의 온도를 70℃ 이상으로 높일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 배터리 모듈의 구동이 시작되는 시점에서 가열 부재(160)를 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부는 배터리 모듈이 미사용 상태에 있다가, 사용 상태로 들어가는 경우, 즉 충전 또는 방전이 시작되는 경우, 가열 부재(160)가 작동되도록 할 수 있다. 전고체 전지와 같은 이차 전지는, 구동 시 자체적으로 발생되는 열량이 적기 때문에, 최초 구동 시에는 성능이 떨어질 수 있으나, 상기 실시예에 의하면, 가열 부재(160)의 작동으로 이차 전지가 구동 시에도 안정적인 성능을 낼 수 있도록 높은 주변 온도를 가질 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 배터리 모듈의 BMS(Battery Management System)에 의해 구현될 수 있다. 상기 BMS는, 배터리 모듈에 일반적으로 구비되는 구성요소로서, 충전 또는 방전과 같은 배터리 모듈의 동작을 전반적으로 관리하는 구성요소이다. 이처럼 BMS에 의해 제어부가 구현되도록 하는 실시예에 의하면, 가열 부재(160)의 작동을 위한 제어부를 물리적으로 다른 구성요소로서 별도로 마련할 필요가 없게 되어, 비용을 절감하고 배터리 모듈의 공간 효율성을 높일 수 있다.
한편, 상기 가열 부재(160)는, 카트리지(100)에 수납된 이차 전지의 적어도 일부로부터 전원을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈에 10개의 이차 전지 및 10개의 카트리지(100)가 포함되어, 각 이차 전지가 서로 다른 카트리지(100)에 수납된 경우, 각 카트리지(100)에 구비된 가열 부재(160)는, 해당 카트리지(100)에 수납된 이차 전지로부터 전원을 공급받아 열을 발생시키도록 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 가열 부재(160)에 전원을 공급하기 위한 이차 전지를 배터리 모듈에 별도로 구비할 필요가 없다.
더욱이, 하나의 가열 부재(160)에 대하여, 다수의 이차 전지로부터 전원 공급이 가능하도록 구성된 경우, 상기 제어부는 각 이차 전지의 SOC(State Of Charge)를 비교하여, SOC가 가장 높은 이차 전지로부터 가열 부재(160)로 전원이 공급되도록 할 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 가열 부재(160)에 대한 공급 전원을 확보함과 동시에 셀 간 밸런싱을 수행할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상온에서 이온 전도도가 서로 다른 두 종류 이상의 이차 전지를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 다수의 이차 전지를 포함하되, 이러한 다수의 이차 전지가 모두 동일한 종류의 이차 전지로 구성되지 않고, 서로 다른 종류의 이차 전지로 구성되도록 할 수 있다. 이때, 서로 다른 종류라는 것은, 적어도 상온에서 이온 전도도가 서로 다르다는 것을 의미할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상온에서 이온 전도도가 높은 이차 전지로부터 가열 부재(160)로 전원이 공급되도록 할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지로서 상온에서 이온 전도도가 서로 다른 액체 전해질 리튬 전지 및 전고체 리튬 전지를 모두 포함할 수 있다. 특히, 배터리 모듈은, 다수의 전고체 전지 및 소수의 액체 전해질 전지를 포함할 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈의 주된 에너지 저장 및 출력원은 전고체 전지가 담당하고, 가열 부재(160)에 대한 전원 공급은 액체 전해질 이차 전지가 담당하도록 할 수 있다.
이러한 구성에서, 배터리 모듈의 초기 구동 시에는, 배터리 모듈 내부의 온도가 높지 않아 전고체 전지가 제대로 작동하기 어려울 수 있으므로, 제어부는 액체 전해질 전지가 먼저 작동되도록 하여 가열 부재(160)로 전원을 공급하도록 할 수 있다. 그러면, 이러한 가열 부재(160)가 열을 발생시켜 배터리 모듈 내부의 온도가 전고체 전지의 동작이 활성화될 수 있는 온도까지 상승할 수 있다. 그리고, 이처럼 가열 부재(160)에 의해 공급된 열로 인해 전고체 전지의 주변 온도가 적정 온도로 높아지면, 제어부는 비로소 전고체 전지가 작동되도록 함으로써 배터리 모듈이 안정적으로 동작하도록 할 수 있다.
도 20은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 카트리지 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 카트리지는, 열전도 부재(170)를 더 구비할 수 있다.
상기 열전도 부재(170)는, 열전도율이 소정 수준 이상을 갖는 열전도성 재질로 구성되어, 일측에서 타측, 즉 고온부 측에서 저온부 측으로 열전달이 가능하도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 열전도 부재(170)는, 상온에서 100 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 또는, 상기 열전도 부재(170)는, 상온에서 200 W/mK, 특히 300 W/mK 이상의 열 전도율을 갖는 재질로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전도 부재(170)는, 은, 구리, 백금, 알루미늄과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다. 이러한 금속 재질은, 열전도율이 매우 높으며, 성형이 용이한 장점을 가질 수 있다. 특히, 구리나 알루미늄의 경우, 비용 효율적인 측면에서 적용 가치가 높은 재질이라고 할 수 있다.
상기 열전도 부재(170)는, 카트리지(100)의 상단부에서 하단부까지 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 열전도 부재(170)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 카트리지의 상단부에서 하단부까지 상하 방향으로 연장 형성되며, 상단 및 하단이 모두 노출되도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 열전도 부재(170)는, 카트리지의 적층에 의해 상단과 하단이 다른 카트리지의 열전도 부재(170)와 서로 접촉되도록 구성될 수 있다. 카트리지(100)는 상하 방향으로 상호 적층 가능하게 구성될 수 있으며, 적층이 이루어진 경우, 카트리지에 구비된 열전도 부재(170)는 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 즉, 하부에 적층된 카트리지의 열전도 부재(170) 상단은, 상부에 적층된 카트리지의 열전도 부재(170) 하단에 접촉하여 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전도 부재(170)에 의해 상하 방향으로 적층된 카트리지 간 열전달이 쉽게 일어날 수 있다. 따라서, 일부 카트리지의 내부 온도가 상대적으로 낮다 하더라도, 열전도 부재(170)에 의해 상대적으로 온도가 높은 카트리지로부터 온도가 낮은 카트리지로 열이 전달될 수 있으므로 카트리지 간 열적 불균형이 잘 일어나지 않으며, 쉽게 해소될 수 있다. 예를 들어, 상부에 적층된 카트리지의 내부 공간 온도가 하부에 적층된 카트리지의 내부 공간 온도보다 낮은 경우, 하층 카트리지의 열은 하층 카트리지의 열전도 부재(170) 및 상층 카트리지의 열전도 부재(170)를 경유함으로써, 상층 카트리지의 내부 공간으로 공급될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 가장 하부에 적층된 카트리지의 열이 가장 상부에 적층된 카트리지까지 전달될 수 있다. 그러므로, 배터리 모듈에서 상하 방향으로 적층된 모든 카트리지 간 열전달이 가능하게 되어, 전체적인 열적 평형 상태가 달성될 수 있다.
특히, 전력 저장 장치용 배터리 팩이나 자동차용 배터리 팩의 경우, 실외에 놓여지는 경우가 많은데, 겨울철과 같이 주변 온도가 많이 낮은 경우, 가장 상부 또는 가장 하부에 적층된 카트리지(100)의 온도가 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 상기 실시예와 같이, 적층된 카트리지(100) 간 열교환이 용이하게 일어나도록 하는 경우, 주변 온도가 낮은 이차 전지의 성능이 크게 저하하는 것을 방지할 수 있다.
상기 열전도 부재(170)는, 상기 단열 부재(110)의 내측에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 단열 부재에 의해, 열전도 부재 측의 열이 외부 방향으로 유출되는 것이 차단될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전도 부재(170)는, 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전도 부재(170)의 면적이 최대한 넓게 확보될 수 있어, 주변부와 열교환을 보다 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 플레이트 형상으로 형성된 열전도 부재(170)는, 넓은 표면적을 통해, 주변의 고온부로부터 열을 용이하게 흡수하거나, 주변의 저온부로 열을 용이하게 방출할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전도 부재(170) 간 접촉이 용이해질 수 있으므로, 열전도 부재(170) 사이의 열 전달이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 열전도 부재(170)는, 이차 전지의 외장재 일부와 접촉되도록 구성될 수 있다.
특히, 이차 전지(200)가 파우치형 이차 전지인 경우, 이차 전지의 외장재는 상부 파우치와 하부 파우치로 구성될 수 있으며, 이러한 상부 파우치와 하부 파우치는 내부 공간에 전극 조립체가 수납된 상태에서 테두리부가 서로 열융착 등의 방식으로 접합됨으로써 실링부를 구성할 수 있다. 이때, 열전도 부재(170)는, 이차 전지의 실링부와 직접적으로 접촉되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전도 부재(170)는, 이차 전지의 실링부 끝 부분과 직접 접촉되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 열전도 부재(170)와 이차 전지 사이에 열교환이 보다 원활하고 신속하게 이루어질 수 있다. 따라서, 열전도 부재(170)가 이차 전지로부터 열을 흡수하거나 이차 전지로 열을 공급함에 있어서, 열 교환량이나 열 교환 속도가 향상될 수 있다.
또 다른 예로, 상기 열전도 부재(170)는, 이차 전지의 폴딩된 실링부와 접촉되게 구성될 수 있다. 이를테면, 이차 전지의 실링부는 상부 방향으로 폴딩될 수 있다. 이때, 폴딩된 실링부의 외측면은, 열전도 부재(170)의 내측면과 접촉될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(200)와 열전도 부재(170) 사이의 접촉 면적이 증가할 수 있다. 즉, 이차 전지(200)와 열전도 부재(170)는, 면 대 면으로 서로 접촉될 수 있으며, 이로 인해 이차 전지(200)와 열전도 부재(170) 사이의 열 전달 효율은 보다 향상될 수 있다. 또한, 전극 조립체 및 전해질이 수납된 이차 전지(200)의 본체와 열전도 부재(170) 사이의 거리가 더욱 가까워질 수 있으므로, 전해질로의 열 공급이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 뿐만 아니라, 이차 전지의 폴딩 구성으로 인해, 배터리 모듈의 소형화에 보다 유리할 수 있다.
상기 열전도 부재(170)는, 카트리지의 측면부(120)에 구비될 수 있다. 측면부(120)는 지면에서 수직하게 세워진 형태로 구성될 수 있기 때문에, 이러한 측면부(120)에 구비된 경우, 열전도 부재(170)는 하나의 카트리지의 상단부에서 하단부까지 연장 형성되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 측면부(120)의 구조적인 지지력을 이용할 수 있으므로, 열전도 부재(170)의 변형이나 파손을 방지하고, 열전도 부재(170) 간 접촉성 및 형상 등을 그대로 유지하는데 용이할 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전도 부재(170)는, 측면부(120)의 내측 표면에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 20의 구성에서, 좌측에 위치한 열전도 부재(170)는 카트리지의 좌측 측면부(120)에서 이차 전지가 위치하는 우측 표면에 구비될 수 있고, 우측에 위치한 열전도 부재(170)는 카트리지의 우측 측면부(120)에서 이차 전지가 위치하는 좌측 표면에 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지와 열전도 부재(170)가 직접 마주보게 되어 이들 사이에 다른 물체가 존재하지 않도록 할 수 있으며, 이차 전지와 열전도 부재(170)가 최대한 가깝게 구성되도록 할 수 있다. 따라서, 이차 전지와 열전도 부재(170) 사이의 열전달이 보다 용이하게 이루어질 수 있으므로, 이차 전지로부터의 열 흡수나 이차 전지로의 열 공급이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 열전도 부재(170)는, 안착부(130)에 더 구비될 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 카트리지가 안착부(130)와 측면부(120)로 구성되되, 열전도 부재(170)는, 측면부(120)와 안착부(130)에 모두 구비될 수 있다. 특히, 열전도 부재(170)는, 그 자체로서 안착부(130)를 구성할 수 있다. 여기서, 안착부(130)에 구비된 열전도 부재(170)는, 측면부(120)에 구비된 열전도 부재(170)에 비해 보다 넓은 면적에서 이차 전지와 대면할 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지는 대략 2개의 넓은 표면을 갖는 형태로 구성되어 1개의 넓은 표면이 안착부(130)에 안착될 수 있기 때문에, 상기 구성에 의하면 안착부(130)에 위치한 열전도 부재(170)와 이차 전지가 넓은 면적으로 접촉될 수 있다. 따라서, 이차 전지와 열전도 부재(170) 사이의 열교환이 보다 효과적으로 일어날 수 있다.
더욱이, 안착부(130)에 구비된 열전도 부재(170)는, 측면부(120)에 구비된 열전도 부재(170)와 서로 접촉하여 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 측면부(120)의 열전도 부재(170)는 안착부(130)의 열전도 부재(170)와 서로 일체가 되도록 구성될 수 있다.
이 경우, 이차 전지로부터 안착부(130)의 열전도 부재(170)로 열이 공급되면, 이러한 열은 측면부(120)의 열전도 부재(170)를 경유하여, 다른 카트리지의 열전도 부재(170)로 전달될 수 있다. 또한, 측면부(120)의 열전도 부재(170)로 공급된 열은 안착부(130)의 열전도 부재(170)를 통해 이차 전지 측으로 공급될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 열전도 부재(170)와 이차 전지 사이의 열전달 성능이 보다 개선될 수 있다.
한편, 도 11의 실시예와 같이, 본 발명에 따른 카트리지가 격벽부(150)를 구비하는 경우, 상기 격벽부(103)는, 열전도 부재(170)를 구비할 수 있다. 그리고, 이와 같이 격벽부(103)에 구비된 열전도 부재(170) 역시, 카트리지의 상단부에서 하단부까지 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 카트리지가 상하 방향으로 적층되는 경우, 상하 카트리지 간 격벽부(103)에 구비된 열전도 부재(170)끼리 접촉될 수 있다. 그러므로, 이러한 격벽부(103)의 열전도 부재(170)를 통해서도 상하 방향 열 전달이 일어나, 배터리 모듈 전체적으로 열적 불균형이 보다 효과적으로 해소될 수 있다.
여기서, 열전도 부재(170)는, 격벽부(103)의 양 측면에 구비될 수 있다. 이 경우, 격벽부(103)에 구비된 열전도 부재(170)에 의해 격벽부 양 측에 위치한 이차 전지와 모두 열 교환이 이루어질 수 있다. 또는, 이러한 구성에서, 열전도 부재(170)만으로 격벽부를 구성할 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전력 저장 장치에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전력 저장 장치는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 이러한 전력 저장 장치는, 전력 수급 조절을 위한 스마트 그리드 시스템이나 전기 자동차의 충전소 등 여러 분야 및 장소에 적용될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (19)

  1. 하나 이상의 이차 전지; 및
    상기 이차 전지의 적어도 일부분이 안착되고, 적어도 일 방향으로 적층 가능하게 구성되며, 단열 부재를 구비하는 카트리지
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 전고체 전지인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 상기 이차 전지의 하부가 안착되는 안착부, 및 상기 안착부의 테두리에 세워진 형태로 구성된 측면부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단열 부재는, 상기 측면부에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    적어도 일부가 단열 재질로 구성되며, 가장 하부에 적층된 카트리지의 하부에 결합되는 하부 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단열 부재는, 상기 안착부에 더 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 일부가 단열 재질로 구성되며, 가장 상부에 적층된 카트리지의 상부에 결합되는 상부 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 적층 시 하부에 적층된 카트리지의 측면 외부를 적어도 일부 감싸도록 구성된 하층 커버부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 수평 방향으로 배치된 다수의 이차 전지를 수납하고, 상기 수평 방향으로 배치된 다수의 이차 전지 사이에 상하 방향으로 세워진 형태의 격벽부를 구비하며,
    상기 격벽부는 단열 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단열 부재는, 적어도 일부 상기 카트리지에서 착탈 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 단열 부재로만 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단열 부재는, 글라스울, EPS, XPS, 폴리우레탄 폼, 수성 연질 폼, 우레아 폼, 진공 단열 패널, PVC 및 열반사 단열재 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 상기 이차 전지 측으로 열을 공급하는 가열 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    주변 온도를 측정하는 온도 측정부 및 상기 온도 측정부에 의해 측정된 온도에 따라 상기 가열 부재의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상온에서 이온 전도도가 서로 다른 두 종류 이상의 이차 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 상단부에서 하단부까지 연장 형성된 열전도 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열전도 부재는, 상기 카트리지의 적층에 의해 상단과 하단이 다른 카트리지의 열전도 부재와 서로 접촉된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 전력 저장 장치.
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