WO2020076067A1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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김선규
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery including a secondary battery, and more particularly, to a battery module having improved charging performance and / or heat control performance, and a battery pack and vehicle including the same.
  • lithium secondary batteries are free of charge and discharge because they have little memory effect compared to nickel-based secondary batteries, The self-discharge rate is very low, and it is spotlighted for its high energy density.
  • the lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate each coated with a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and an exterior material for sealingly storing the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • lithium secondary batteries may be classified into a can-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • the secondary battery may generate more heat when discharging than when charging. If the heat is not properly removed from the secondary battery during the discharge, the performance of the secondary battery is deteriorated due to a temperature higher than an appropriate temperature, and in severe cases, a ignition or explosion of the battery and problems may occur.
  • secondary batteries are widely used for driving and energy storage in not only small-sized devices such as portable electronic devices, but also medium-sized and large-sized devices such as automobiles and energy storage systems (ESSs).
  • ESSs automobiles and energy storage systems
  • the battery module in order to increase the capacity and output of the battery module, the battery module includes a large number of secondary cells and is electrically connected to each other.
  • the plurality of secondary cells may be accommodated in one module case to form one battery module.
  • thermal imbalance between secondary cells may occur in one module, depending on the location.
  • thermal imbalance may occur depending on the site. As described above, when thermal imbalance occurs between various secondary batteries or between various parts of one secondary battery, performance or safety of the battery module or pack or the secondary battery may be deteriorated.
  • the present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the same and a battery module capable of improving the performance of a secondary battery through effective thermal control.
  • Battery module for achieving the above object, one or more secondary cells; A module case in which an empty space is formed inside to accommodate the one or more secondary batteries in the interior space; And arranged to face the secondary battery in the interior space of the module case, absorbs and retains heat when the pressure applied from the secondary battery is below a reference value, and is retained when the pressure applied from the secondary battery exceeds the reference value. And one or more heat pressure exchange members configured to dissipate heat.
  • the heat pressure exchange member may be interposed in a space between the secondary batteries.
  • the secondary battery is a pouch type secondary battery, and is arranged in a horizontal direction in a form erected in the inner space of the module case, and the heat pressure exchange member is formed in a plate shape and erected in a space erected in a space between the secondary batteries Can be deployed.
  • the heat pressure exchange member may include a ceramic material that absorbs and retains heat when pressure is not applied and releases the heat retained when pressure is applied.
  • the heat pressure exchange member may include a heat exchange part made of a material that absorbs and releases heat depending on whether pressure is applied, and a body part made of a material different from the heat exchange part and supporting the heat exchange part.
  • the body portion may be configured in the form of an erected plate.
  • the heat exchange unit may have an erected plate shape, and a lower end may be configured to be coupled to the upper end of the main body side by side.
  • main body portion may be configured to be located on the outer circumference of the heat exchange portion to surround the heat exchange portion.
  • the heat exchange part may be configured in a form coated on at least a part of the surface of the body part.
  • the heat exchange part may be configured to protrude toward the secondary battery side than the main body part.
  • the heat exchange unit may be configured such that a portion having a different thickness exists in one heat pressure exchange member.
  • the heat exchange part may be configured such that at least a portion thereof becomes thinner as it goes from the central portion of the secondary battery to the edge portion.
  • the battery pack according to the present invention for achieving the above object includes the battery module according to the present invention.
  • the vehicle according to the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • thermal control can be effectively performed in a battery module including one or more secondary cells.
  • the volume of the secondary battery may change during charging and discharging, and the present invention may absorb heat from the secondary battery or release heat to the secondary battery using the volume change of the secondary battery.
  • the performance of the secondary battery can be improved.
  • heat is supplied to the secondary battery, so that charging performance may be further improved.
  • the charging performance of the secondary battery may be deteriorated in a low temperature situation such as in the winter, but when the present invention is applied, the charging performance of the secondary battery may be secured at a certain level or higher even in a low temperature situation.
  • thermal imbalance between secondary cells may be reduced or eliminated.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a combined perspective view in which some components of FIG. 1 are combined.
  • FIG 3 is a front cross-sectional view schematically showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration in which a heat pressure exchange member releases or absorbs heat according to application of pressure by a secondary battery.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a front cross-sectional view schematically showing a configuration of a battery module including a plurality of heat pressure exchange members of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a state of flow of heat that may occur in the heat-pressure exchange member and the secondary battery of FIG. 7 when the secondary battery is discharged.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a state of flow of heat that may occur in the heat-pressure exchange member and the secondary battery of FIG. 9 when the secondary battery is discharged.
  • FIG. 11 is a sectional front view schematically showing the configuration of a heat pressure exchange member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view schematically showing a configuration of only the main body portion of the heat pressure exchange member of FIG. 11.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing a main body configuration of a heat pressure exchange member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a front cross-sectional view schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member and a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • 15 and 16 are front cross-sectional views schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member according to another embodiment of the present invention.
  • 17 is a front cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a combined perspective view in which some components of FIG. 1 are combined
  • Figure 3 is a front cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 may be a view schematically showing a cross-sectional configuration of line A1-A1 'of FIG. 2.
  • the battery module according to the present invention may include a secondary battery 100, a module case 200, and a heat pressure exchange member 300.
  • the secondary battery 100 may be provided with an electrode assembly, an electrolyte, and an exterior material as a component capable of retaining and discharging electrical energy by repeatedly performing charging and discharging.
  • the electrode assembly as an assembly of an electrode and a separator, may be configured in a form in which one or more positive electrode plates and one or more negative electrode plates are disposed with a separator therebetween.
  • an electrode tab may be provided on each electrode plate of the electrode assembly to be connected to the electrode lead.
  • one or more electrode tabs may be connected to the electrode leads, and the electrode leads may be interposed between the pouch case and one end exposed to the outside to function as an electrode terminal.
  • the exterior material has an empty space therein to accommodate the electrode assembly and the electrolyte, and may be configured in a closed form.
  • the exterior material may be formed of a metal material in the case of a can-type secondary battery, and may be formed in a form having an external insulating layer, a metal layer, and an internal adhesive layer in the case of a pouch-type secondary battery.
  • the configuration of the secondary battery is a matter obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains, and thus detailed description thereof will be omitted. And, in the battery module according to the present invention, various secondary cells known at the time of filing of the present invention may be employed.
  • the secondary battery 100 may be included in one or more battery modules.
  • a plurality of secondary cells 100 may be provided in the battery module.
  • they may be electrically connected to each other in series and / or in parallel.
  • the module case 200 has an empty space formed therein, and may store one or more secondary batteries 100 in the empty space, that is, the internal space.
  • the module case 200 some components (main body, 201) may be configured to open at least one side, in order to accommodate the secondary battery 100.
  • the main body 201 of the module case 200 is formed in the shape of a substantially rectangular tube, and the front side and / or the rear side may be configured in an open shape.
  • the module case 200 may be further provided with a cover 202 that is coupled to the opening of the main body 201 and seals the interior space of the module case 200.
  • the module case 200 may be made of various materials such as plastic or metal.
  • the present invention is not limited by the specific material or shape of the module case 200, and various module cases 200 known at the time of filing of the present invention can be employed in the present invention.
  • the thermal pressure exchange member 300 may include one or more, and may be disposed to face the secondary battery 100 in the interior space of the module case 200. That is, the thermal pressure exchange member 300 may be disposed such that at least one surface faces the surface of the secondary battery 100.
  • the heat pressure exchange member 300 may be configured in a plate shape or a sheet shape having two large surfaces.
  • the secondary battery 100 particularly the pouch-type secondary battery, may be configured in a substantially plate-like or rectangular parallelepiped shape. In this case, the heat pressure exchange member 300 is arranged side by side with the secondary battery 100, so that one or two surfaces of the heat pressure exchange member 300 are wide of the secondary battery 100 located on one side or both sides. It may be configured to face the surface (the surface of the storage portion).
  • the heat pressure exchange member 300 may absorb or release heat depending on whether pressure is applied by the secondary battery 100 or pressure is applied. This will be described in more detail with reference to FIG. 4 in addition to FIG. 3.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration in which the heat pressure exchange member 300 discharges or absorbs heat according to application of pressure by the secondary battery 100.
  • the direction of movement of the column indicated by the arrow or the direction of expansion of the secondary battery is shown for some objects only for the sake of simplicity.
  • the thermal pressure exchange member 300 may be configured to absorb and retain surrounding heat. For example, as illustrated in FIG. 3, when pressure is not applied from the secondary battery 100 to the thermal pressure exchange member 300, heat generated on the secondary battery 100 side is the thermal pressure exchange member 300 ) And can be absorbed (dashed arrow). In addition, the heat absorbed as described above may be retained inside the heat pressure exchange member 300.
  • the heat pressure exchange member 300 when the pressure applied from the secondary battery 100 exceeds a reference value, may be configured to discharge the heat previously held to the surroundings. For example, as shown in FIG. 4, when pressure is applied from the secondary battery 100 to the heat pressure exchange member 300 (solid arrow), heat retained inside the heat pressure exchange member 300 It may be supplied to the secondary battery 100 side (dashed arrow).
  • the heat pressure exchange member 300 may be configured to absorb or release heat depending on whether the applied pressure exceeds a reference value.
  • the reference value is variously designed according to the type of material constituting the heat pressure exchange member 300, the shape of the heat pressure exchange member 300, the distance between the heat pressure exchange member 300 and the secondary battery 100, and the like. Can be.
  • the reference value may be 0.
  • the thermal pressure exchange member 300 absorbs and retains the surrounding heat when pressure is not applied from the secondary battery 100 and releases heat to the surroundings when pressure is applied from the secondary battery 100. can do.
  • the reference value may be set to a value higher than 0, such as 10 MPa. In this case, when the pressure applied from the secondary battery 100 is 10 MPa or less, the thermal pressure exchange member 300 absorbs and retains surrounding heat, and the pressure applied from the secondary battery 100 exceeds 10 MPa. In this case, the retained heat can be released to the surroundings.
  • the thermal pressure exchange member 300 may be configured such that at least one surface faces the surface of the secondary battery 100. Accordingly, in a state in which no pressure is applied from the secondary battery 100 or only a pressure below a reference value is applied, the heat pressure exchange member 300 absorbs heat from the secondary battery 100 to cool the secondary battery 100 I can do it. Then, when pressure is applied from the secondary battery 100 or when a pressure exceeding a reference value is applied, heat may be supplied to the secondary battery 100 to heat the secondary battery 100.
  • the heat pressure exchange member 300 may be configured to absorb or discharge heat depending on the state of charge and discharge of the secondary battery 100.
  • the secondary battery 100 may expand in volume during charging and decrease in volume during discharge.
  • the configuration shown in FIG. 3 may be a view showing a situation when the secondary battery 100 is discharged, and the configuration shown in FIG. 4 represents a situation when the secondary battery 100 is charged It can be called a drawing.
  • the battery module of the present invention does not apply pressure from the secondary battery 100 to the heat pressure exchange member 300 when the secondary battery 100 is discharged, and the secondary battery When charging the (100) it may be configured to apply pressure from the secondary battery 100 to the heat pressure exchange member 300.
  • the battery module according to an embodiment of the present invention when the secondary battery 100 is discharged, the secondary battery 100 and the heat pressure exchange member 300 may be configured to be spaced apart a predetermined distance without contacting each other have.
  • the battery module according to this embodiment of the present invention when the secondary battery 100 is charged, the secondary battery 100 and the heat pressure exchange member 300 come into close contact with each other, thereby expanding the secondary battery 100. Pressure may be configured to be applied to the heat pressure exchange member 300.
  • a pressure equal to or less than a reference value is applied from the secondary battery 100 to the heat pressure exchange member 300, and secondary when the secondary battery 100 is charged It may be configured to apply a pressure exceeding the reference value from the battery 100 to the heat pressure exchange member 300.
  • the reference value may be a minimum value of a temperature at which the heat pressure exchange member 300 releases heat.
  • the battery module according to this embodiment may be configured such that when charging the secondary battery 100, the secondary battery 100 expands and the pressure applied to the thermal pressure exchange member 300 exceeds a reference value.
  • the pressure applied from the secondary battery 100 to the heat pressure exchange member 300 is equal to or less than a reference value, and when the secondary battery 100 is charged, the secondary battery 100
  • the configuration to ensure that the pressure applied from the heat pressure exchange member 300 to exceed the reference value is designed or selected by appropriately designing and selecting the type and shape of the secondary battery 100, the material and shape of the heat pressure exchange member 300, and the like. Can be implemented.
  • the heat pressure exchange member 300 may absorb and retain heat on the secondary battery 100 side during discharge of the secondary battery 100. In addition, the heat pressure exchange member 300 may supply the retained heat to the secondary battery 100 when the secondary battery 100 is charged.
  • the reaction that is performed internally during charging may be an endothermic reaction
  • the reaction that is performed internally during discharging may be an exothermic reaction.
  • the lithium secondary battery 100 may expand in volume during charging and decrease in volume during discharge. Therefore, according to an aspect of the present invention, when the secondary battery 100 is being charged, the volume of the thermal expansion member 300 can be pressed while expanding (solid line arrow in FIG. 4). And, due to the pressurization, the heat pressure exchange member 300 can supply the retained heat to the secondary battery 100 (dotted arrow in FIG. 4). Then, in the secondary battery 100 supplied with heat, the charging process, which is an endothermic reaction, is further activated, so that the charging performance can be further improved. In particular, considering this effect, the present invention can be said to be more advantageously applied to rapid charging of the battery module.
  • the heat pressure exchange member 300 can be switched to a state capable of absorbing heat.
  • the secondary battery 100 may generate an exothermic reaction during discharge, heat generated inside the secondary battery 100 may be transferred to and absorbed by the heat pressure exchange member 300 (dotted arrow in FIG. 3). Therefore, the discharge performance of the secondary battery 100 may be further improved due to this.
  • heat generated from the secondary cells 100 may be present inside the battery module.
  • heat may be generated in a BMS (battery management system), a bus bar, and various integrated circuit (IC) chips located inside or outside the battery module.
  • BMS battery management system
  • IC integrated circuit
  • the temperature inside the battery module may be increased due to heat supplied from the atmosphere or geothermal heat.
  • the temperature inside the battery module may be increased due to heat supplied from other components inside the vehicle, such as a motor or an engine, heat from the vehicle body, and road heat.
  • the thermal pressure exchange member 300 absorbs heat inside the battery module By doing so, the temperature inside the battery module can be lowered. Therefore, according to this aspect of the present invention, the performance of the secondary battery 100 is more stably secured, and the safety of the battery module can be improved.
  • the battery module often absorbs heat during discharge rather than during charging.
  • a battery mounted in a vehicle such as an electric vehicle
  • it is often operated on the road during discharge.
  • the temperature inside the battery module is likely to increase due to heat generated by the secondary battery 100, heat generated by a motor or other electronic equipment provided in the vehicle, external temperature, and geothermal heat.
  • the heat pressure exchange member 300 absorbs heat inside the battery module when the battery module is discharged, the performance and cooling efficiency of the battery module can be further improved.
  • the vehicle when charging, the vehicle is often in a stopped state.
  • the heat pressure exchange member 300 can dissipate heat to supply heat to the secondary battery 100. Therefore, in this case, the charging performance of the secondary battery 100 may be further improved.
  • the thermal pressure exchange member 300 may include a material that absorbs and retains heat when pressure is not applied and releases the retained heat when pressure is applied.
  • the heat pressure exchange member 300 may be provided with a ceramic material having such characteristics.
  • the heat pressure exchange member 300 may include trititanium-pentoxide (Ti 3 O 5 ) as a heat storage material that absorbs, retains, and releases heat according to pressure.
  • the heat pressure exchange member 300 may include lambda-trititanium-pentoxide ( ⁇ -Ti 3 O 5 ) as a heat storage material.
  • lambda tritium pentoxide can absorb and release about 230 kJ / L of thermal energy.
  • ⁇ -Ti 3 O 5 beta-trititanium-pentoxide
  • the beta trititanium pentoxide can retain the heat energy that can be released during the subsequent phase transition by absorbing thermal energy while phase-transferring to lambda tritium pentoxide again.
  • the thermal pressure exchange member 300 may be included in one or more battery modules. Particularly, as shown in FIGS. 1 to 4, the heat pressure exchange member 300 may be included in a plurality of modules inside the case 200.
  • the heat pressure exchange member 300 may be interposed between the secondary batteries 100. That is, the secondary battery 100 may be included in a plurality of battery modules, in this case, the heat pressure exchange member 300 may be interposed in the space between the secondary batteries 100.
  • the heat pressure exchange member 300 may include a secondary battery ( 100). Particularly, when three or more secondary batteries 100 are arranged in a stacked form, two or more thermal pressure exchange members 300 are included, and a thermal pressure exchange member 300 is interposed between each secondary battery 100. It can be configured as possible. For example, when three or more secondary batteries 100 are stacked in one direction, one thermal pressure exchange member 300 may be interposed between each secondary battery 100.
  • the heat pressure exchange member 300 when the heat pressure exchange member 300 is interposed in the space between the secondary batteries 100, pressure may be applied to the heat pressure exchange members 300 from the secondary batteries 100 located on both sides. Therefore, pressure application and release due to volume expansion and reduction of the secondary battery 100 can be more clearly transferred to the thermal pressure exchange member 300. Accordingly, heat dissipation and heat absorption of the heat pressure exchange member 300 may occur reliably during charging and discharging of the secondary battery 100. Therefore, according to this aspect of the present invention, the improvement of the charging performance and / or the cooling performance of the battery module by the heat pressure exchange member 300 can be more effectively expressed.
  • the secondary battery 100 is preferably a pouch-type secondary battery, as illustrated in the drawing.
  • a pouch type secondary battery it can be said that the degree of volume change during charging and discharging is greater than that of the can type secondary battery. Therefore, heat absorption and discharge of the heat pressure exchange member 300 due to whether the secondary battery 100 is pressurized can be formed more effectively.
  • the secondary battery 100 may be arranged in a horizontal direction in a form erected in the interior space of the module case 200.
  • a plurality of pouch-type secondary cells are arranged in the horizontal direction in the form erected in the vertical direction (z-axis direction of the drawing), respectively You can.
  • the vertical direction may be a direction perpendicular to the bottom surface or the ground of the module case 200.
  • the horizontal direction may be referred to as a direction parallel to the bottom surface or the ground of the module case 200.
  • the wide outer surfaces of the storage unit 110 are directed to the left and right directions (x-axis direction of the drawing), respectively, and the sealing unit 120 is provided at the upper, lower, front, and rear sides. It may be of a type that is erected so that it is located.
  • the pouch-shaped secondary battery of the erected form may be arranged in parallel in the left and right directions in a form in which a wide surface faces each other.
  • the heat pressure exchange member 300 may be disposed in an erected form in a space between the secondary cells 100.
  • the heat pressure exchange member 300 may be configured in a plate shape.
  • the large both surfaces of the heat pressure exchange member 300 are located on the left and right sides, and face the wide surface of the storage 110 of the secondary battery 100 disposed on the left and right sides of the heat pressure exchange member 300. Can be.
  • the volume change when the volume of the pouch type secondary battery is expanded or contracted, the volume change can be reliably transferred to the heat pressure exchange member 300. That is, in the case of the pouch-type secondary battery, it is often the case where the storage unit 110 expands in a horizontal outer direction (in the x-axis direction of the drawing) when expanding, and the degree of expansion is also the largest in the storage unit. Therefore, when the plate-shaped heat pressure exchange member 300 is interposed between the pouch-type secondary batteries in an erected form, the effect of volume change by the secondary battery 100 during charging / discharging of the secondary battery 100 can be most greatly received. Therefore, the heat absorption and discharge effect by the heat pressure exchange member 300 can be further increased. Moreover, the thermal pressure exchange member 300 is configured in a plate shape, so that the volume of the battery module in the stacking direction (x-axis direction of the drawing) of the secondary battery 100 can be prevented from being unnecessarily increased.
  • the heat pressure exchange member 300 may be located outside the secondary battery 100 stacked on the outermost side.
  • a heat pressure exchange member 300 may be stacked on the right side of the secondary battery 100 stacked on the rightmost side.
  • the thermal pressure exchange member 300 may be stacked on the left side of the secondary battery 100 stacked on the leftmost side. According to this configuration of the present invention, even in the secondary battery 100 located at the outermost in the stack of the secondary battery 100, the absorption and discharge of heat by expansion can be made equal to other secondary batteries 100. .
  • the heat pressure exchange member 300 may be made of the same material as a whole.
  • the heat pressure exchange member 300 may be entirely composed of a ceramic material.
  • the heat pressure exchange member 300 may be composed of only tritium pentoxide (Ti 3 O 5 ).
  • the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and the heat pressure exchange member 300 may be configured in various other forms.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member 300 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a front cross-sectional view schematically showing a configuration of a battery module including a plurality of heat pressure exchange members 300 of FIG. 5.
  • the heat pressure exchange member 300 may include a heat exchange part 310 and a body part 320.
  • the heat exchange part 310 may be formed of a material that absorbs and releases heat depending on whether pressure is applied. That is, the heat exchange unit 310 absorbs and retains heat from the surroundings (eg, the secondary battery 100), and when pressurized by expansion of the secondary battery 100 or the like, the surroundings (secondary battery ( 100)).
  • the heat exchange unit 310 may be made of a heat storage ceramic material such as tritium pentoxide.
  • the heat exchange part 310 may be provided at a position where a change in volume according to charging and discharging of the secondary battery 100 is well transmitted in the heat pressure exchange member 300.
  • the body part 320 may be configured to support the heat exchange part 310.
  • the body portion 320 while complementing the mechanical stiffness of the heat exchanger 310, may be configured to stably position the heat exchanger 310 inside the module case 200 in an appropriate position.
  • the main body portion 320 may be configured such that the heat exchange portion 310 is located at a position where the volume change of the secondary battery 100 is best performed.
  • the body portion 320 may be made of a different material from the heat exchange portion 310. Particularly, unlike the heat exchange part 310, the main body part 320 may be configured not to retain heat storage performance according to a change in volume of the secondary battery 100. On the other hand, the main body 320 may be made of a material having excellent strength, hardness, or moldability. For example, the body portion 320 may be formed of a metal or plastic material that is advantageous for securing mechanical rigidity.
  • the body portion 320 may be made of a foam material.
  • the body portion 320 may be made of a urethane foam material.
  • Such a foam material may have elasticity.
  • the foam material can be deformed when pressure is applied, and can easily return to its original shape when pressure is released. Therefore, according to this embodiment of the present invention, when the pressing force of the secondary battery 100 is transferred to the heat exchanger 310 due to the expansion of the secondary battery 100, the pressure transfer effect is blocked by the main body 320 Can be prevented or reduced.
  • the main body portion 320 may be configured in an erected plate shape. That is, the main body portion 320 is configured in a plate shape, but is not lying down, and may be configured in a form erected so that two wide surfaces face in a horizontal direction, such as a left-right direction (x-axis direction of the drawing).
  • the pouch-type secondary battery may be more useful in the configuration of the cell assembly stacked in the horizontal direction in the erected form.
  • the plate-shaped body portion 320 has a space between each pouch-type secondary battery and / or a pouch-type secondary battery It may be arranged in an erected form on the outside of the stack of cells.
  • the heat exchange part 310 has a standing plate shape, and a lower end may be configured in a form coupled to the upper end of the main body 320 side by side.
  • the heat pressure exchange member 300 may include a body portion plate made of polyurethane and a heat exchange portion plate made of ceramic material such as tritium pentoxide.
  • the bottom edge of the heat exchanger plate may be fixed to the top edge of the body plate.
  • the heat exchange part 310 located at the upper part and the body part 320 located at the lower part may be configured to be combined in parallel with corners abutting each other to form one plate.
  • the space occupied by the configuration for exchanging heat with the secondary battery 100 (heat exchange unit 310) and the configuration for supporting this heat exchange configuration (body unit 320) It can be made not to be large. Therefore, even if such a heat pressure exchange configuration is introduced inside the battery module, it is possible to prevent the volume of the battery module from being greatly increased.
  • a cooling configuration may be present at the bottom of the battery module, as indicated by C.
  • the cooling configuration is formed in the form of a pipe having a hollow, so that a cooling fluid such as air or water flows through the inner hollow.
  • the cooling configuration provided at the bottom of the battery module may be configured in a form in which air or the like directly contacts, without a separate member such as a pipe.
  • a battery module mounted on a vehicle it is mounted on a lower portion of the vehicle body and is configured to naturally cool the lower portion of the battery module by air or the like.
  • the temperature of the upper portion of the battery module may be relatively high compared to the lower portion of the battery module adjacent to the cooling configuration.
  • thermal imbalance may also occur in each secondary battery 100 in each part. That is, the temperature of the upper side than the lower side of the secondary battery 100 may be formed relatively high.
  • the thermal imbalance may cause performance degradation of the secondary battery 100 or the battery module.
  • a fire may occur if the temperature of a specific portion of the battery module becomes too high, a fire may occur.
  • the temperature of a specific part of the battery module is excessively high in a non-uniform state.
  • the top side of the battery module can be effectively cooled. That is, although the upper side of the battery module is positioned relatively far from a cooling configuration such as a cooling pipe, heat may be additionally absorbed by the heat exchange member. Therefore, cooling to the upper side of the secondary battery 100 having a high temperature may be additionally performed.
  • the heat of the secondary battery 100 can be absorbed when the secondary battery 100 is discharged. Therefore, when the battery module is installed in the vehicle, during the operation of the vehicle in which the discharge of the secondary battery 100 occurs mainly, the upper side of the secondary battery 100, which may have relatively poor cooling performance, is connected to the heat exchanger 310. Cooling performance can be compensated for.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member 300 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a flow state of heat that may occur in the heat pressure exchange member 300 and the secondary battery 100 of FIG. 7 when the secondary battery 100 is discharged.
  • the arrow in FIG. 8 generally represents a heat flow path.
  • the heat pressure exchange member 300 includes a heat exchange part 310 and a body part 320, but the body part 320 of the heat pressure exchange member 300 has a heat conduction part. 321 and a thermal barrier part 322 may be provided.
  • the heat-conducting part 321 is a part made of a heat-conductive material, and may be configured to transfer heat by itself.
  • the heat-conducting part 321 may be made of a metal material, such as aluminum, copper, or iron.
  • the thermal barrier part 322 may be formed of a material having substantially no thermal conductivity or relatively low thermal conductivity compared to the thermal conductive part 321.
  • a material having a thermal conductivity of 0.1 W / mK or less based on room temperature may be used as the thermal barrier part 322.
  • the thermal barrier part 322 may be made of a material having a thermal conductivity of 0.05 W / mK or less based on room temperature.
  • the thermal barrier part 322 includes polyethylene foam, XPS foam (Extruded Polystyrene Sheet foam), EPS foam (Expanded Polystyrene foam), polyurethane foam (Polyurethane Foam), water-based soft foam and It may be composed of at least one material of urea foam (Urea Foam) or may include at least one of these materials.
  • the heat exchange part 310 and the heat conduction part 321 may be configured to be spaced apart from each other in the thermal barrier part 322. That is, the heat exchange part 310 and the heat conducting part 321 may not be directly in contact with each other in the whole part, and may be configured to contact only the thermal barrier part 322, respectively.
  • the heat exchange part 310, the heat shield part 322, and the heat conduction part 321 are all formed in a plate shape, and the heat exchange part 310 ,
  • the thermal barrier part 322 and the heat conduction part 321 may be configured to be sequentially positioned in one direction.
  • the heat exchange part 310, the thermal barrier part 322, and the heat conduction part 321 may be configured to form one plate.
  • the heat exchange part 310 is located at the top and the body part 320 is located at the bottom, in the body part 320, the thermal barrier part 322 is located at the top and the heat conduction part 321 ) May be configured to be located at the bottom. In this configuration, it can be said that the heat exchange part 310 and the heat conduction part 321 are spaced apart from each other without directly contacting at any part.
  • heat exchange may not be performed between the heat exchange part 310 and the heat conduction part 321.
  • heat absorbed by the heat exchange part 310 may not be discharged to the outside through the heat conduction part 321.
  • the heat on the lower side of the secondary battery 100 may be absorbed into the heat conduction part 321 of the adjacent heat pressure exchange member 300.
  • the heat absorbed by the heat conducting part 321 is conducted in a downward direction inside the heat conducting part 321, as indicated by arrow d1 in FIG. 8, so that the outside of the heat pressure exchanging member 300 (bottom) Can be discharged.
  • the heat absorbed by the heat conducting part 321 may not be transmitted to the heat exchange part 310 by the heat blocking part 322.
  • heat on the upper side of the secondary battery 100 may be absorbed by the heat exchange unit 310 of the adjacent heat pressure exchange member 300. And, the heat absorbed by the heat exchanger 310 is not transmitted to the heat conducting part 321 by the heat shield part 322, and may be retained inside, as indicated by arrow d2 in FIG. 8. However, in the drawing, for convenience of explanation, as indicated by arrow d2, heat is circulated inside the heat exchanger 310, but this is not transferred to the heat transfer part by the thermal barrier part 322. This does not necessarily mean that heat is circulated.
  • the heat retained in the heat exchange unit 310 may be used to supply heat to the secondary battery 100 when charging the secondary battery 100, for example, when a pressure is applied. That is, according to the above configuration of the present invention, heat absorbed from the secondary battery 100 to the heat exchange part 310 may be retained in the heat exchange part 310 without being discharged to the outside through the heat conduction part 321. Therefore, when using this configuration, energy efficiency may be increased, and the performance of the heat pressure exchange member 300 may be more stably secured. In particular, according to the above configuration of the present invention, a part of the heat pressure exchange member 300 allows heat to be discharged to a cooling configuration outside the battery module, and the other part of the heat pressure exchange member 300 retains heat itself. You can.
  • the term when expressed as the upper side and the lower side of a specific object, it can be said that the term refers to the upper and lower parts when the specific object is divided in the vertical direction. Therefore, unless otherwise specified, the upper and lower sides of a specific object are only for distinguishing each position within the specific object, and are not intended to distinguish a position outside the specific object.
  • the lower side of the secondary battery 100 does not mean a position below the secondary battery 100, but when the secondary battery 100 itself is divided into upper and lower portions, a portion located at the lower portion It can be said to mean.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member 300 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a state of heat flow that may occur in the heat pressure exchange member 300 and the secondary battery 100 of FIG. 9 when the secondary battery 100 is discharged.
  • FIG. 10 for convenience of explanation, only one secondary battery 100 and one heat pressure exchange member 300 are illustrated.
  • the part differing from the previous embodiment is mainly described.
  • the heat pressure exchange member 300 includes a heat exchange part 310 and a body part 320, but the body part 320 is located at an outer circumference of the heat exchange part 310 to exchange heat It may be configured to surround the border of the portion 310.
  • the main body 320 may be formed in a square ring shape to surround the four corners of the heat exchanger 310.
  • the main body portion 320 may wrap the outer side of the entire surface of the edge portion except for both surfaces of the heat exchange part 310, that is, the surface facing the secondary battery 100.
  • the heat exchange unit 310 may directly face the secondary battery 100 through the central portion excluding the corner portion.
  • the heat exchange unit 310 faces the storage portion of the secondary battery 100 in the central portion of the secondary battery 100, and the main body portion 320 is an edge portion of the secondary battery 100 In the can be faced to the edge sealing portion of the secondary battery 100.
  • the body portion 320 may be made of a material having a low thermal conductivity.
  • a material having a thermal conductivity of 0.1 W / mK or less based on room temperature may be used as the body portion 320.
  • the body portion 320 may be made of a material having a thermal conductivity of 0.05 W / mK or less based on room temperature.
  • the main body part 320 may include polyethylene foam, extruded polystyrene sheet foam, expanded foam (EPS) foam, polyurethane foam, aqueous soft foam, and urea. It may be composed of at least one material among Urea Foam, or may include at least one of these materials.
  • heat exchanger 310 and the secondary battery 100 are directly faced, heat is directly exchanged from the secondary battery 100 in a state in which there is no pressing force by the secondary battery 100. It may be absorbed by the unit 310.
  • an expansion force may be directly transferred to the heat exchanger 310.
  • heat from the heat exchanger 310 may be directly transferred to the secondary battery 100. For example, in the configuration of FIG. 10, heat can be transferred directly in the x-axis direction.
  • the heat absorbed by the heat exchanger 310 is retained only inside the heat exchanger 310, and outside the heat pressure exchange member 300 by the main body 320, particularly the heat pressure exchange member 300 It may not be discharged to the edge of the.
  • heat may be discharged from the secondary battery 100, and this heat is absorbed by the heat exchanger 310 and retained only therein. , It may not be easily discharged to the upper or lower side of the heat exchange unit 310 (arrow d3).
  • the left and right directions in which the secondary battery 100 is located that is, the stacking direction of the secondary battery 100 (x-axis in the drawing) Direction
  • the heat of the heat exchange portion 310 is mainly discharged only in the left and right directions. Can be.
  • the heat dissipation performance to the secondary battery 100 by the heat exchange unit 310 is improved, and the charging performance of the secondary battery 100 due to temperature rise can be further improved.
  • the heat retention performance of the heat exchanger 310 is improved, and thus an excellent effect can be achieved in terms of energy efficiency.
  • the heat exchanger 310 has been mainly described in the form of a plate shape, but the present invention is not necessarily limited to this embodiment.
  • the main body 320 may also be configured in various forms different from the previous embodiment.
  • FIG. 11 is a front cross-sectional view schematically showing the configuration of the heat pressure exchange member 300 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is only the main body 320 with respect to the heat pressure exchange member 300 of FIG. It is a perspective view schematically showing the configuration. Also in this embodiment, parts different from the previous embodiments will be mainly described.
  • the heat exchange part 310 may be configured in a form coated on at least a part of the surface of the body part 320.
  • the body portion 320 is composed of a substantially plate-like, between the secondary battery 100, or is configured in a form erected on the outside of the secondary battery 100, the heat exchanger 310 of the body portion 320 It may be configured in a form coated on at least some surface.
  • the mechanical strength of the heat pressure exchange member 300 can be secured.
  • the body unit 320 may adopt a material having superior mechanical rigidity compared to the heat exchange unit 310.
  • the body portion 320 may be made of a material such as polymer or metal. Therefore, according to the above configuration, the main body part 320 having excellent mechanical rigidity constitutes a basic skeleton of the heat pressure exchange member 300 and the material exchanging heat by pressure is coated on the surface of the main body part 320. By doing so, the mechanical strength of the heat pressure exchange member 300 can be stably secured.
  • the body portion 320 a recess may be formed in at least a portion.
  • the heat exchanger 310 may be coated on the surface of the body 320 in such a manner that the heat exchanger 310 is filled in the grooves of the body 320.
  • the main body portion 320 as indicated by G1 in FIG. 12, may be formed with a concave groove in the form of a concave in the inner horizontal direction in the central portion.
  • the heat pressure exchange member 300 may be configured in such a manner that the heat exchange part 310 is filled in the concave groove G1 of the main body part 320.
  • the coating process of the heat exchange part 310 can be easily performed, and the bonding force between the heat exchange part 310 and the body part 320 can be more stably secured.
  • the heat exchanger 310 is blocked by the concave groove G1 before, after, and upward and downward, heat dissipation in these directions is prevented, and the heat retention performance by the heat exchanger 310 is more stable. Can be secured.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing a configuration of the main body 320 of the heat pressure exchange member 300 according to another embodiment of the present invention.
  • the configuration of FIG. 13 can be said to be a modified form of the body portion 320 shown in FIG. 12. Also in this embodiment, parts different from the previous embodiments will be mainly described.
  • the body portion 320 of the heat pressure exchange member 300 is formed in a substantially ring shape, and a central portion of the ring may be formed in a mesh shape.
  • the body part 320 may include a rim part R1 formed in a square ring shape and a mesh part M1 formed in a net shape in a central empty space of the rim part R1.
  • the heat exchange part 310 may be configured to be filled in the mesh part M1.
  • the mechanical rigidity of the edge part R1 can be supplemented by the mesh part M1.
  • the coupling force between the heat exchange unit 310 and the body unit 320 may be improved by the mesh part M1.
  • the ceramic material may be well attached to the mesh part M1 of the main body 320 during the manufacturing process.
  • the heat exchanger 310 due to the penetrating portion of the horizontal and horizontal direction (x-axis direction of the drawing) of the mesh part M1, the heat exchanger 310 can be completely filled in the horizontal direction. Therefore, it may be more advantageous to ensure that the heat absorption, retention, and release performance of the heat by the heat exchanger 310 is stably secured.
  • FIG. 14 is a front cross-sectional view schematically showing the configuration of the heat pressure exchange member 300 and the secondary battery 100 according to another embodiment of the present invention. In the following, the differences from the previous embodiments will be mainly described.
  • the heat exchange part 310 may be configured to protrude toward the secondary battery 100 than the body part 320. That is, looking at the left portion of the heat pressure exchange member 300 in the drawing as a reference, the heat exchanger 310 is compared to the main body portion 320, the direction in which the secondary battery 100 is located, that is, as indicated by e1 in the left direction It may be configured to protrude more. Therefore, the heat exchange unit 310 may be configured closer to the secondary battery 100 compared to the main body 320. In addition, the secondary battery 100 may be located on the right side of the heat pressure exchange member 300. To this end, the heat exchanger 310 may be configured to protrude compared to the main body 320 even in the right direction.
  • the heat exchanger 310 it is possible to improve the absorption, retention and / or release performance of heat by the heat exchanger 310.
  • the heat exchanger 310 when the secondary battery 100 absorbs heat, the heat exchanger 310 is configured to be closer to the secondary battery 100 compared to the main body 320, so the heat of the secondary battery 100 is the body portion 320 ) Can be transferred to the heat exchanger 310 better.
  • the material of the heat exchanger 310 to be present in a sufficient amount in the heat pressure exchange member 300, the heat retention performance by the heat exchanger 310 can be secured at a certain level or more.
  • the heat exchanger 310 is protruded toward the secondary battery 100 rather than the main body 320, so that the secondary battery 100 is expanded without being affected by the main body 320 when expanded.
  • the expansion force of the battery 100 can be smoothly transferred to the body portion 320. Therefore, the heat dissipation performance of the heat exchange part 310 by pressurization can be reliably guaranteed.
  • the heat exchange unit 310 is located close to the secondary battery 100, heat can be more easily transferred to the secondary battery 100 when heat is released.
  • 15 and 16 are front cross-sectional views schematically showing a configuration of a heat pressure exchange member 300 according to another embodiment of the present invention. In the following, the differences from the previous embodiments will be mainly described.
  • the heat exchanger 310 may be configured to have portions having different thicknesses.
  • the thickness of the heat exchanger 310 means the length or width of the heat exchanger 310 in the stacking direction of the secondary battery 100.
  • the heat exchanger 310 is in one direction on a plane (yz plane) perpendicular to the stacking direction (x-axis direction) of the secondary battery 100, for example, in the vertical direction (z-axis direction). It may be configured to form a step. That is, the heat exchange part 310 may be formed with a plurality of stages such that the thickness of the left and right portions is partially changed from the upper to the lower direction. In particular, in the configuration of FIG. 15, it can be said that the heat exchanger 310 is formed with portions having a thickness of f1, f2, and f3, respectively. At this time, it can be said that the values of f1, f2, and f3 are all different.
  • the heat exchanger 310 may include an inclined portion having a thickness that gradually changes toward the vertical direction. That is, due to such an inclined configuration, the heat exchanger 310 may be configured to have different thicknesses toward the vertical direction as indicated by f4 and f5 in the drawing.
  • heat absorption, retention and / or release performance of the heat exchanger 310 can be achieved more effectively. Therefore, for a secondary battery 100, if a portion requiring further cooling or heating exists, it is possible to intensively absorb and / or discharge heat through the heat pressure exchange member 300 for the portion. have.
  • the heat exchange part 310 may be configured such that at least a portion of the secondary battery 100 becomes thinner as it goes from the central portion to the edge portion.
  • the thickness of a portion (stage) located in the center portion in the vertical direction in the heat exchanger 310 is referred to as f1, and the thickness of each stage increases from the center portion toward the outside direction.
  • f2 and f3 Is referred to as f2 and f3, and a relationship such as f1> f2> f3 can be established.
  • the thickness of a portion located in the central portion in the vertical direction in the heat exchange unit 310 is referred to as f4, and the thickness of the end in the vertical direction (outward direction) in the heat exchange unit 310 is referred to as f5.
  • f4> f5 a relationship such as f4> f5 can be established.
  • heat absorbing, retaining and / or discharging performance of the secondary battery 100 may be further improved.
  • the volume change in the central portion is most severe compared to the rim portion in general.
  • a lot of heat is often discharged from the central portion of each secondary battery 100.
  • charging performance may be further improved.
  • the expansion force can be well transmitted to the heat exchanger 310, and the heat generation performance of the heat exchanger 310 can be improved.
  • heat generated from the secondary battery 100 is easily transferred to the heat exchanger 310, and conversely, heat generated by the heat exchanger 310 can be easily transferred to the secondary battery 100.
  • the heat pressure exchange member 300, the module case 200 and at least a portion of the coupling can be fixed.
  • the heat pressure exchange member 300 the top and bottom may be fixed to the inner surface of the module case 200.
  • protrusions may be formed on the upper and lower surfaces of the interior space of the module case 200 in the form of stoppers that prevent movement in the left and right directions with respect to the upper and lower ends of the heat pressure exchange member 300.
  • an insertion groove is formed in the upper and lower surfaces of the interior space of the module case 200, and the upper and lower ends of the heat pressure exchange member 300 may be inserted and fastened.
  • the position of the heat pressure exchange member 300 can be stably fixed.
  • the pressing force due to expansion can be smoothly transferred to the thermal pressure exchange member 300. Therefore, the heat dissipation of the heat pressure exchange member 300 by pressure can be more reliably achieved.
  • the position of the heat pressure exchange member 300 can maintain its original position.
  • FIG. 17 is a front cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the differences from the previous embodiments will be mainly described.
  • the heat pressure exchange member 300 may be configured to be replaceable with respect to the module case 200. More specifically, the heat pressure exchange member 300 may be configured to be drawn out or drawn in the upper direction of the module case 200, as shown in the figure. To this end, the module case 200, at least one side, for example, an upper opening (O) for the withdrawal of the heat pressure exchange member 300 may be formed on the upper side.
  • an upper opening (O) for the withdrawal of the heat pressure exchange member 300 may be formed on the upper side.
  • the heat control performance by the heat pressure exchange member 300 is stable over a long period of time by being replaced with a new heat pressure exchange member 300. Can be maintained.
  • the amount of the heat-retaining material such as a heat storage ceramic material, may be replaced by a heat pressure exchange member 300 configured differently. . For example, when an already manufactured battery module is used in a low temperature polar region or the like, it can be replaced with a heat pressure exchange member 300 having high heat absorption, retention, and discharge performance.
  • the heat pressure exchange member 300 may be replaced with a heat pressure exchange member 300 having a different position of the heat exchanger 310. have. Therefore, according to this embodiment, it may be possible to provide a battery module capable of optimizing the performance of the heat pressure exchange member 300 by more adaptively coping with the surrounding situation or environment.
  • the secondary battery 100 is a lithium secondary battery 100
  • the negative electrode plate may include a silicon-based material. That is, the secondary battery 100 included in the battery module according to the present invention, a silicon-based material may be used as a negative electrode active material.
  • the silicon-based material is used as the negative electrode active material, the capacity can be significantly increased compared to the case where the carbon-based material is used.
  • the volume expansion coefficient has a very large characteristic. Therefore, the effect of the present invention in which heat is released and absorbed by expansion and contraction of the secondary battery 100 during charging and discharging can be further increased.
  • the silicon-based material is, for example, silicon, an alloy of silicon, SiB4, SiB6, Mg2Si, Ni2Si, TiSi2, MoSi2, CoSi2, NiSi2, CaSi2, CrSi2, Cu5Si, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2 , ZnSi2, SiC, Si3N4, Si2N2O, SiOv (0.5 ⁇ v ⁇ 1.2), LiSiO, SiO, and the like, but the present invention is not limited by a specific type of the silicon-based material.
  • the battery module of the present invention may include a secondary battery 100 in which various silicon-based materials known at the time of filing of the present invention are employed as the negative electrode active material.
  • the battery module according to the present invention may further include other components in addition to the secondary battery 100, the module case 200, and the heat pressure exchange member 300.
  • the battery module according to the present invention may further include a stacking frame.
  • the stacking frame is provided to facilitate the stacking of the pouch-type secondary battery, and is configured to be stackable, and can accommodate the pouch-type secondary battery in an inner space formed by stacking.
  • the stacking frame may be formed in a substantially rectangular ring shape, and may further include a component such as a cooling plate in the central portion.
  • Such a stacking frame may also be referred to as a cartridge. Since such a frame for lamination is already known at the time of filing of the present invention, detailed description thereof will be omitted.
  • the battery pack according to the present invention may include one or more battery modules according to the present invention.
  • the battery pack according to the present invention in addition to the battery module, a pack case for storing such a battery module, various devices for controlling charging and discharging of the battery module, such as BMS (Battery Management System), current sensor, fuse, etc. It may further include.
  • BMS Battery Management System
  • current sensor current sensor
  • fuse fuse
  • 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 the battery module according to the present invention.
  • the cooling performance and / or charging performance of the battery module is very important. Accordingly, when the battery module according to the present invention is applied to such a vehicle, a battery module that is stable and safe with effective cooling performance and / or charging performance, and has excellent charging performance, particularly rapid charging performance, may be provided.

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Abstract

본 발명은 효과적인 열 제어를 통해 이차 전지의 성능이 향상될 수 있는 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 이차 전지; 내부에 빈 공간이 형성되어 내부 공간에 상기 하나 이상의 이차 전지를 수납하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 이차 전지와 대면되도록 배치되며, 상기 이차 전지로부터 인가되는 압력이 기준값 이하인 경우 열을 흡수하여 보유하고 상기 이차 전지로부터 인가되는 압력이 상기 기준값을 초과하는 경우 보유된 열을 방출하도록 구성된 하나 이상의 열압력 교환 부재를 포함한다.

Description

배터리 모듈
본 출원은 2018년 10월 12일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2018-0122132호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 이차 전지가 포함된 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 충전 성능 및/또는 열제어 성능이 개선된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 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. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
통상적으로, 이차 전지는 적정 온도보다 높거나 낮은 온도 환경에서 사용되는 경우, 성능이 저하될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지가 적정 온도보다 낮은 온도에서 충전되는 경우 , 충전 성능이 저하될 수 있다. 더욱이, 최근에는 배터리의 충전에 소요되는 시간을 단축시키고자 급속 충전에 대한 요구가 증대되고 있다. 이때, 주변 온도가 적정 온도보다 낮으면, 이러한 급속 충전 성능이 제대로 발현되기 어렵다.
또한, 이차 전지는, 충전 시에 비해 방전 시, 보다 많은 열이 발생할 수 있다. 이러한 방전 시, 이차 전지로부터 열을 제대로 제거해주지 못하면, 적정 온도보다 높은 온도로 인해, 이차 전지의 성능이 저하될 뿐 아니라, 심한 경우 배터리의 발화나 폭발과 문제가 야기될 수 있다. 더욱이, 최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이 경우, 배터리 모듈의 용량 및 출력을 높이기 위해 배터리 모듈에는 많은 수의 이차 전지가 포함되어 상호 전기적으로 연결된다. 여기서, 다수의 이차 전지는 하나의 모듈 케이스 내부에 수납되어 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 이와 같은 상황에서는, 다수의 이차 전지로부터 생성되는 열로 인해, 배터리 모듈의 냉각이 보다 중요하다. 뿐만 아니라, 중대형 배터리 모듈의 경우, 하나의 모듈에서, 위치에 따라 이차 전지 간 열적 불균형이 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 하나의 이차 전지에서도, 부위에 따라 열적 불균형이 발생할 수 있다. 이처럼 여러 이차 전지 간, 또는 하나의 이차 전지의 여러 부위 간 열적 불균형이 발생하는 경우, 배터리 모듈이나 팩, 또는 이차 전지의 성능이나 안전성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 효과적인 열 제어를 통해 이차 전지의 성능이 향상될 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차를 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; 내부에 빈 공간이 형성되어 내부 공간에 상기 하나 이상의 이차 전지를 수납하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 이차 전지와 대면되도록 배치되며, 상기 이차 전지로부터 인가되는 압력이 기준값 이하인 경우 열을 흡수하여 보유하고 상기 이차 전지로부터 인가되는 압력이 상기 기준값을 초과하는 경우 보유된 열을 방출하도록 구성된 하나 이상의 열압력 교환 부재를 포함한다.
여기서, 상기 이차 전지는 복수 포함되고, 상기 열압력 교환 부재는, 상기 이차 전지의 사이 공간에 개재될 수 있다.
또한, 상기 이차 전지는, 파우치형 이차 전지로서, 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 세워진 형태로 수평 방향으로 배치되고, 상기 열압력 교환 부재는, 판상으로 구성되어 상기 이차 전지의 사이 공간에 세워진 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 열압력 교환 부재는, 압력이 인가되지 않을 때 열을 흡수하여 보유하고 압력이 인가될 때 보유된 열을 방출하는 세라믹 물질을 구비할 수 있다.
또한, 상기 열압력 교환 부재는, 압력 인가 여부에 따라 열을 흡수 및 방출하는 재질로 구성된 열교환부 및 상기 열교환부와 다른 재질로 구성되며 상기 열교환부를 지지하는 본체부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 본체부는 세워진 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 세워진 플레이트 형태를 가지며, 하단이 상기 본체부의 상단에 나란하게 결합된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 본체부는, 상기 열교환부의 외주부에 위치하여 상기 열교환부를 감싸도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 상기 본체부의 표면의 적어도 일부에 코팅된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 상기 본체부보다 상기 이차 전지 측으로 돌출되게 구성될 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 하나의 열압력 교환 부재에서 두께가 다른 부분이 존재하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 적어도 일부분이 상기 이차 전지의 중앙 부분에서 테두리 부분으로 갈수록 두께가 얇아지도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하나 이상의 이차 전지가 포함된 배터리 모듈에서 열 제어가 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.
특히, 이차 전지는 충전 및 방전시 부피가 변화할 수 있는데, 본 발명은, 이러한 이차 전지의 부피 변화를 이용하여 이차 전지로부터 열을 흡수하거나 이차 전지로 열을 방출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 이차 전지의 성능이 개선될 수 있다. 특히, 이차 전지의 급속 충전 시, 이차 전지로 열이 공급되어 충전 성능이 보다 향상될 수 있다. 또한, 겨울철과 같은 저온 상황에서 이차 전지의 충전 성능이 저하될 수 있으나, 본 발명이 적용되는 경우 저온 상황에서도 이차 전지의 충전 성능이 일정 수준 이상 확보될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 별도의 에너지가 공급되지 않더라도, 자체적으로 열을 흡수, 보유 및 방출하기 때문에, 열 제어를 위한 별도의 구성이 마련될 필요가 없으며, 관련 비용 또한 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 다수의 이차 전지가 배터리 모듈에 포함될 때, 이차 전지 간 열적 불균형이 감소되거나 해소될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 하나의 이차 전지를 기준으로, 부위 별 열적 불균형이 발생하는 것을 감소시킬 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 분리 사시도이다.
도 2는, 도 1의 일부 구성이 결합된 결합 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 4는, 이차 전지에 의한 압력 인가에 따라 열압력 교환 부재가 열을 방출하거나 흡수하는 구성을 개략적으로 도식화하여 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 도 5의 열압력 교환 부재가 다수 포함된 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 7은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은, 이차 전지의 방전 시, 도 7의 열압력 교환 부재와 이차 전지에서 발생할 수 있는 열의 흐름 상태를 개략적으로 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10은, 이차 전지의 방전 시, 도 9의 열압력 교환 부재와 이차 전지에서 발생할 수 있는 열의 흐름 상태를 개략적으로 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 11은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 12는, 도 11의 열압력 교환 부재에 대하여 본체부만의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재의 본체부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 14는, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재와 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 15 및 도 16은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 17은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
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 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 일부 구성이 결합된 결합 사시도이다. 또한, 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다. 예를 들어, 도 3은 도 2의 A1-A1'선에 대한 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이라 할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100), 모듈 케이스(200) 및 열압력 교환 부재(300)를 포함할 수 있다.
상기 이차 전지(100)는, 충전 및 방전을 반복적으로 수행하여, 전기적 에너지를 보유 및 방출할 수 있는 구성요소로서, 전극 조립체, 전해액 및 외장재를 구비할 수 있다. 여기서, 전극 조립체는, 전극과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되어 전극 리드와 연결될 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지의 경우, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드와 연결될 수 있으며, 전극 리드는, 파우치 외장재 사이에 개재되어 일단이 외부로 노출됨으로써 전극 단자로서 기능할 수 있다. 외장재는, 내부에 빈 공간을 구비하여 전극 조립체와 전해액을 수납하며, 밀폐된 형태로 구성될 수 있다. 외장재는, 캔형 이차 전지의 경우 금속 재질로 구성되며, 파우치형 이차 전지의 경우 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 이차 전지의 구성에 대해서는, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항이므로, 보다 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 모듈에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차 전지가 채용될 수 있다.
상기 이차 전지(100)는, 배터리 모듈에 하나 이상 포함될 수 있다. 특히, 배터리 모듈의 출력 및/또는 용량을 증대시키기 위하여, 배터리 모듈에는 다수의 이차 전지(100)가 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 이차 전지(100) 사이는, 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되어 있으며, 이러한 빈 공간, 즉 내부 공간에 하나 이상의 이차 전지(100)를 수납할 수 있다. 상기 모듈 케이스(200)는, 일부 구성요소(본체, 201)가 이차 전지(100)를 수납하기 위해, 적어도 일측이 개방된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 본체(201)는, 대략 직사각형의 관 형태로 형성되며, 전방 측 및/또는 후방 측이 개방된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 모듈 케이스(200)는, 이러한 본체(201)의 개방부에 결합되어, 모듈 케이스(200)의 내부 공간을 밀폐시키는 커버(202)를 더 구비할 수 있다.
한편, 상기 모듈 케이스(200)는, 플라스틱이나 금속 등 다양한 재질로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은, 이러한 모듈 케이스(200)의 구체적인 재질이나 형태 등에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 모듈 케이스(200)가 본 발명에 채용될 수 있다.
상기 열압력 교환 부재(300)는, 하나 이상 포함되어, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 이차 전지(100)와 대면하도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 적어도 일 표면이 이차 전지(100)의 표면과 마주보도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 2개의 넓은 표면을 갖는 판 형태, 또는 시트 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이차 전지(100), 특히 파우치형 이차 전지는, 대략 판상 또는 직육면체 형상으로 구성될 수 있다. 이 경우, 열압력 교환 부재(300)는 이차 전지(100)와 나란하게 배치되어, 열압력 교환 부재(300)의 1개 또는 2개의 표면이, 일측 또는 양측에 위치한 이차 전지(100)의 넓은 표면(수납부 표면)에 대면되도록 구성될 수 있다.
상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)에 의한 압력 인가 여부 또는 압력 인가 정도에 따라 열을 흡수하거나 방출할 수 있다. 이에 대해서는 앞선 도 3과 함께 추가로 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는, 이차 전지(100)에 의한 압력 인가에 따라 열압력 교환 부재(300)가 열을 방출하거나 흡수하는 구성을 개략적으로 도식화하여 나타내는 도면이다. 다만, 도 3 및 도 4에서, 화살표로서 나타내는 열의 이동 방향이나 이차 전지의 팽창 방향에 대해서는, 간단한 도시를 위해, 일부 대상에 대해서만 나타내도록 한다.
먼저, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)로부터 인가되는 압력이 기준값 이하인 경우, 주변의 열을 흡수하여 보유하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 압력이 인가되지 않는 경우, 이차 전지(100) 측에서 생성된 열은 열압력 교환 부재(300)로 전달되어 흡수될 수 있다(점선 화살표). 그리고, 이와 같이 흡수된 열은, 열압력 교환 부재(300) 내부에 보유될 수 있다.
다음으로, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)로부터 인가되는 압력이 기준값을 초과하는 경우, 미리 보유하고 있던 열을 주변으로 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 압력이 인가되는 경우(실선 화살표), 열압력 교환 부재(300) 내부에 보유되고 있던 열이 이차 전지(100) 측으로 공급될 수 있다(점선 화살표).
상기 열압력 교환 부재(300)는 인가된 압력이 기준값을 넘는지에 따라 열을 흡수하거나 방출하도록 구성될 수 있다. 여기서, 기준값은, 열압력 교환 부재(300)를 구성하는 재료의 종류나 열압력 교환 부재(300)의 형태, 열압력 교환 부재(300)와 이차 전지(100) 사이의 거리 등에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준값은, 0일 수 있다. 이 경우, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)로부터 압력이 인가되지 않을 때에는 주변의 열을 흡수하여 보유하고, 이차 전지(100)로부터 압력이 인가될 때에는 주변으로 열을 방출할 수 있다. 또는, 상기 기준값은, 0보다 높은 값, 이를테면 10MPa로 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)로부터 인가되는 압력이 10MPa 이하인 경우에는 주변의 열을 흡수하여 보유하고, 이차 전지(100)로부터 인가되는 압력이 10MPa을 초과하는 경우 보유된 열을 주변으로 방출할 수 있다.
더욱이, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 적어도 일 표면이 이차 전지(100)의 표면과 마주보도록 구성될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)로부터 어떠한 압력도 인가되지 않거나 기준값 이하의 압력만 인가되는 상태에서는, 상기 열압력 교환 부재(300)는 이차 전지(100)로부터 열을 흡수하여 이차 전지(100)를 냉각시킬 수 있다. 그리고, 이후에 이차 전지(100)로부터 압력이 인가되거나 기준값을 넘는 압력이 인가되는 경우 이차 전지(100)로 열을 공급하여 이차 전지(100)를 가열시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)의 충전 및 방전 상태에 따라 열을 흡수하거나 방출하도록 구성될 수 있다. 이차 전지(100)는, 충전 시 부피가 팽창되고, 방전 시 부피가 감소될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 구성은 이차 전지(100)가 방전될 때의 상황을 나타내는 도면이라 할 수 있고, 도 4에 도시된 구성은 이차 전지(100)가 충전될 때의 상황을 나타내는 도면이라 할 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈은, 이러한 이차 전지(100)의 성질을 고려하여, 이차 전지(100)의 방전 시에는 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 압력이 인가되지 않고, 이차 전지(100)의 충전 시에는 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 압력이 인가되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100)의 방전 시에는 이차 전지(100)와 열압력 교환 부재(300)가 서로 접촉하지 않고 소정 거리 이격되도록 구성될 수 있다. 그리고, 본 발명의 이러한 실시예에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100)의 충전 시에는 이차 전지(100)와 열압력 교환 부재(300)가 서로 밀착 접촉하여, 이차 전지(100)의 팽창에 의한 압력이 열압력 교환 부재(300)로 인가되도록 구성될 수 있다.
또는, 본 발명의 배터리 모듈은, 이차 전지(100)의 방전 시에는 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 기준값 이하의 압력이 인가되고, 이차 전지(100)의 충전 시에는 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 기준값 초과의 압력이 인가되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100)의 방전 시에도 이차 전지(100)와 열압력 교환 부재(300)가 서로 접촉하되, 미리 설정된 기준값 이하의 압력이 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 인가되도록 구성될 수 있다. 여기서, 기준값이란 열압력 교환 부재(300)가 열을 방출시키는 온도의 최소값이라 할 수 있다. 그리고, 이러한 실시예에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100)의 충전 시 이차 전지(100)가 팽창되어 열압력 교환 부재(300)로 인가되는 압력이 기준값을 초과하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 구성에서, 이차 전지(100)의 방전 시 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 인가되는 압력이 기준값 이하가 되도록 하고, 이차 전지(100)의 충전 시 이차 전지(100)로부터 열압력 교환 부재(300)로 인가되는 압력이 기준값 초과가 되도록 하는 구성은, 이차 전지(100)의 종류 및 형태, 열압력 교환 부재(300)의 재질 및 형태 등을 적절하게 설계 내지 선택함으로써 구현되도록 할 수 있다.
본 발명의 상기와 같은 실시 구성에서, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)의 방전 시에는 이차 전지(100) 측의 열을 흡수하여 내부에 보유할 수 있다. 그리고, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)의 충전 시에는 보유열을 이차 전지(100) 측으로 공급할 수 있다.
특히, 리튬 이차 전지(100)의 경우, 충전 시 내부에서 이루어지는 반응은 흡열 반응일 수 있고, 방전 시 내부에서 이루어지는 반응은 발열 반응일 수 있다. 그리고, 리튬 이차 전지(100)는, 앞서 언급한 바와 같이, 충전 시 부피가 팽창되고, 방전 시 부피가 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지(100)가 충전 중일 때에는, 부피가 팽창하면서 열압력 교환 부재(300)를 가압할 수 있다(도 4의 실선 화살표). 그리고, 이러한 가압으로 인해, 열압력 교환 부재(300)는, 보유된 열을 이차 전지(100)로 공급할 수 있다(도 4의 점선 화살표). 그러면, 열을 공급받은 이차 전지(100)는, 흡열 반응인 충전 과정이 더욱 활성화되어, 충전 성능이 보다 향상될 수 있다. 특히, 이러한 효과를 고려하면, 본 발명은 배터리 모듈의 급속 충전에 보다 유리하게 적용된다고 할 수 있다.
또한, 이차 전지(100)가 방전 중일 때에는, 부피가 감소하면서 열압력 교환 부재(300)를 가압하는 압력이 해제되거나 기준값 이하로 떨어질 수 있다. 따라서, 열압력 교환 부재(300)는 열을 흡수할 수 있는 상태로 전환될 수 있다. 여기서, 이차 전지(100)는 방전 시 발열 반응이 일어날 수 있으므로, 이차 전지(100) 내부에서 발생된 열은 열압력 교환 부재(300)로 전달되어 흡수될 수 있다(도 3의 점선 화살표). 따라서, 이로 인해 이차 전지(100)의 방전 성능은 더욱 향상될 수 있다.
더욱이, 배터리 모듈 내부에는, 이차 전지(100) 뿐 아니라 배터리 모듈 내부 또는 외부에 존재하는 다른 여러 구성들로부터 생성된 열이 존재할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈 내부 또는 외부에 위치하는 BMS(배터리 관리 장치, Battery Management System), 버스바 및 각종 IC(Integrated Circuit) 칩 등에서 열이 발생할 수 있다. 또는, 여름철과 같이 외부의 기온이 높은 경우, 대기나 지열 등으로부터 공급된 열로 인해 배터리 모듈 내부의 온도가 높아질 수도 있다. 특히, 배터리 모듈이 자동차에 장착되는 경우, 모터나 엔진 등 차량 내부의 다른 구성요소로부터 공급되는 열, 태양광에 의한 차체열 및 도로의 열 등으로 인해 배터리 모듈 내부의 기온이 상승될 수 있다. 그리고, 이처럼 배터리 모듈 내부의 기온이 적정 수준보다 높아지는 경우, 이차 전지(100)의 성능은 저하되고, 심한 경우 이차 전지(100) 등에서 발화 등이 발생하는 문제가 야기될 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 열압력 교환 부재(300)로 압력이 인가되지 않거나 인가되더라도 일정 수준 이하의 압력만 인가된다면, 열압력 교환 부재(300)는 배터리 모듈 내부의 열을 흡수하여 배터리 모듈 내부의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 이차 전지(100)의 성능이 보다 안정적으로 확보되고, 배터리 모듈의 안전성이 향상될 수 있다.
특히, 배터리 모듈은 충전 시보다는 방전 시에 열을 흡수하는 것이 바람직한 경우가 많다. 대표적으로, 전기 자동차와 같은 차량에 탑재된 배터리의 경우, 방전 시에는 주로 도로에서 운행 중인 경우가 많다. 이때, 이차 전지(100)에 의한 발열, 차량에 구비된 모터나 다른 전자 장비에 의한 발열, 외부의 기온, 지열 등에 의해 배터리 모듈 내부의 온도는 높아지기 쉽다. 본 발명의 일 측면에 의하면, 열압력 교환 부재(300)가 배터리 모듈의 방전 시 배터리 모듈 내부의 열을 흡수하게 되므로, 배터리 모듈의 성능 및 냉각 효율은 보다 향상될 수 있다. 반면, 충전 시에는 차량의 운행이 종료된 상태인 경우가 많다. 이때에는, 배터리 모듈 내부로 열을 공급하는 소스가 줄어들게 되므로, 방전 시와 달리 열압력 교환 부재(300)가 열을 발산하여 이차 전지(100)로 열이 공급되도록 할 수 있다. 따라서, 이 경우 이차 전지(100)의 충전 성능이 보다 향상될 수 있다.
상기 열압력 교환 부재(300)는, 압력이 인가되지 않을 때 열을 흡수하여 보유하고 압력이 인가될 때 보유된 열을 방출하는 물질을 구비할 수 있다. 특히, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이와 같은 특성을 갖는 세라믹 물질을 구비할 수 있다.
대표적으로, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 압력에 따라 열을 흡수, 보유 및 방출하는 축열 재료로서 오산화삼티탄(trititanium-pentoxide, Ti 3O 5)을 구비할 수 있다. 특히, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 람다 오산화삼티탄(Lambda-trititanium-pentoxide, λ-Ti 3O 5)을 축열 재료로서 구비할 수 있다. 이러한 람다 오산화삼티탄은, 약 230 kJ/L의 열에너지를 흡수 및 방출할 수 있다. 특히, 람다 오산화삼티탄은 약 60MPa의 압력을 받는 경우 베타 오산화삼티탄(Beta-trititanium-pentoxide, β-Ti 3O 5)으로 상전이하면서 열에너지를 방출할 수 있다. 그리고, 베타 오산화삼티탄은, 압력이 일정 수준 이하로 해제되는 경우 다시 람다 오산화삼티탄으로 상전이하면서 열에너지를 흡수함으로써, 추후 상전이 시 방출 가능한 열에너지를 보유할 수 있다.
상기 열압력 교환 부재(300)는, 배터리 모듈에 하나 이상 포함될 수 있다. 특히, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 내부에 복수 포함될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 이차 전지(100)는 배터리 모듈에 복수 포함될 수 있는데, 이 경우 열압력 교환 부재(300)는 이차 전지(100)의 사이 공간에 개재될 수 있다.
예를 들어, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 이차 전지(100)가 수평 방향(도면의 x축 방향)으로 적층되게 배치되는 경우, 열압력 교환 부재(300)는 이차 전지(100) 사이에 배치될 수 있다. 특히, 3개 이상의 이차 전지(100)가 적층된 형태로 배열되는 경우, 열압력 교환 부재(300)는 2개 이상 포함되어, 각 이차 전지(100) 사이마다 열압력 교환 부재(300)가 개재되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 3개 이상의 이차 전지(100)가 일 방향으로 적층된 경우, 각 이차 전지(100) 사이마다 1개의 열압력 교환 부재(300)가 삽입 개재될 수 있다.
이처럼, 열압력 교환 부재(300)가 이차 전지(100) 사이 공간에 개재되는 경우, 열압력 교환 부재(300)는, 양측에 위치하는 이차 전지(100)로부터 각각 압력이 인가될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 부피 팽창 및 감소로 인한 압력 인가 및 해제가 열압력 교환 부재(300)로 보다 명확하게 전달될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 충방전 시 열압력 교환 부재(300)의 열 방출 및 열 흡수가 확실하게 일어날 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 열압력 교환 부재(300)에 의한 배터리 모듈의 충전 성능 및/또는 냉각 성능의 향상이 보다 효과적으로 발현될 수 있다.
한편, 상기 이차 전지(100)는, 도면에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지인 것이 바람직하다. 이러한 파우치형 이차 전지의 경우, 캔형 이차 전지에 비해, 충방전 시 부피 변화 정도가 크다고 할 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 가압 여부에 의한 열압력 교환 부재(300)의 열흡수 및 방출이 보다 효과적으로 형성될 수 있다.
특히, 상기 이차 전지(100)는, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 세워진 형태로 수평 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 다수의 파우치형 이차 전지가 각각 상하 방향(도면의 z축 방향)으로 세워지는 형태로 수평 방향으로 배열될 수 있다. 여기서, 상하 방향이란 배터리 모듈의 모듈 케이스(200)를 지면에 놓았을 때, 모듈 케이스(200)의 바닥면 또는 지면에 대하여 수직인 방향이라 할 수 있다. 반면, 본 명세서에서 수평 방향이란 모듈 케이스(200)의 바닥면 또는 지면에 평행한 방향이라 할 수 있다.
이와 같이, 파우치형 이차 전지가 세워진 상태에서, 수납부(110)의 넓은 외측 표면은 각각 좌우 방향(도면의 x축 방향)을 향하도록 하고, 상부, 하부, 전방 및 후방 측에는 실링부(120)가 위치하도록 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 파우치형 이차 전지는, 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 좌우 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.
이와 같이 파우치형 이차 전지가 세워진 상태로 수평 방향으로 배열된 경우, 열압력 교환 부재(300)는, 이차 전지(100)의 사이 공간에 세워진 형태로 배치될 수 있다. 특히, 열압력 교환 부재(300)는, 판상으로 구성될 수 있다. 이 경우, 열압력 교환 부재(300)의 넓은 양 표면은 좌우 측에 위치하며, 열압력 교환 부재(300)의 좌우 측에 배치된 이차 전지(100)의 수납부(110)의 넓은 표면과 대면될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 파우치형 이차 전지의 부피가 팽창되거나 축소될 때, 부피 변화가 열압력 교환 부재(300)로 확실하게 전달되도록 할 수 있다. 즉, 파우치형 이차 전지는, 팽창 시 수납부(110)가 수평 외측 방향(도면의 x축 방향)으로 확장되는 경우가 많으며, 팽창 정도도 수납부에서 가장 크다고 할 수 있다. 따라서, 판상의 열압력 교환 부재(300)가 세워진 형태로 파우치형 이차 전지 사이에 개재되면, 이차 전지(100)의 충방전 시 이차 전지(100)에 의한 부피 변화 효과를 가장 크게 받을 수 있다. 따라서, 열압력 교환 부재(300)에 의한 열흡수 및 방출 효과가 보다 증대될 수 있다. 더욱이, 열압력 교환 부재(300)는, 판상으로 구성됨으로써, 이차 전지(100)의 적층 방향(도면의 x축 방향)으로 배터리 모듈의 부피가 불필요하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도면에 도시된 바와 같이, 다수의 열압력 교환 부재(300)가 다수의 이차 전지(100) 사이에 개재되는 경우, 파우치형 이차 전지와 열압력 교환 부재(300)의 적층 방향은 수평 방향일 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 복수의 열압력 교환 부재(300) 각각에 최대한 균일하게 압력이 인가되도록 할 수 있다. 따라서, 각각의 열압력 교환 부재(300)에 의한 열흡수 및 방출이 배터리 모듈 내의 전체 이차 전지(100)에 대하여 최대한 균일하게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 다수의 이차 전지(100)가 적층될 때, 최외곽에 적층된 이차 전지(100)의 외측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바를 참조하면, 가장 우측에 적층된 이차 전지(100)의 우측에 열압력 교환 부재(300)가 적층될 수 있다. 또한, 가장 좌측에 적층된 이차 전지(100)의 좌측에도 열압력 교환 부재(300)가 적층될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)의 적층체에서 최외곽에 위치한 이차 전지(100)에 대해서도 팽창에 의한 열의 흡수 및 방출이 다른 이차 전지(100)와 균등하게 이루어지도록 할 수 있다.
상기 열압력 교환 부재(300)는, 전체적으로 동일한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 전체적으로 세라믹 재질로만 구성될 수 있다. 특히, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 오산화삼티탄(Ti 3O 5)으로만 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 열압력 교환 부재(300)는, 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 6은, 도 5의 열압력 교환 부재(300)가 다수 포함된 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 열교환부(310) 및 본체부(320)를 구비할 수 있다.
상기 열교환부(310)는, 압력 인가 여부에 따라 열을 흡수 및 방출하는 재질로 구성될 수 있다. 즉, 상기 열교환부(310)는, 주변(예를 들어, 이차 전지(100))으로부터 열을 흡수하여 보유하고 있다가, 이차 전지(100)의 팽창 등에 의해 가압되는 경우, 주변(이차 전지(100))으로 열을 방출하는 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열교환부(310)는, 오산화삼티탄 등의 축열 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 열교환부(310)는, 열압력 교환 부재(300)에서 이차 전지(100)의 충방전에 따른 부피 변화가 잘 전달되는 위치에 구비될 수 있다.
상기 본체부(320)는, 열교환부(310)를 지지하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 본체부(320)는, 열교환부(310)의 기계적 강성을 보완하는 한편, 모듈 케이스(200) 내부에서 열교환부(310)가 적절한 위치에 안정적으로 위치하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 본체부(320)는, 열교환부(310)가 이차 전지(100)의 부피 변화가 가장 잘 이루어지는 위치에 위치하도록 구성될 수 있다.
상기 본체부(320)는, 열교환부(310)와는 다른 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상기 본체부(320)는, 열교환부(310)와 달리, 이차 전지(100)의 부피 변화에 따른 축열 성능을 보유하지 않도록 구성될 수 있다. 반면, 상기 본체부(320)는, 강도나 경도 등이 우수하거나, 성형성이 우수한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 본체부(320)는, 기계적 강성 확보에 유리한 금속 또는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 본체부(320)는, 폼 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 본체부(320)는, 우레탄 폼 재질로 구성될 수 있다. 이와 같은 폼 재질은, 탄성을 가질 수 있다. 따라서, 폼 재질은, 압력이 인가될 때 축소 변형될 수 있으며, 압력 인가가 해제될 때 원래의 형태로 용이하게 복귀할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지(100)의 팽창으로 이차 전지(100)의 가압력이 열교환부(310)로 전달될 때, 압력 전달 효과가 본체부(320)에 의해 저지되는 것을 방지 또는 감소시킬 수 있다.
상기와 같이 본체부(320)가 열압력 교환 부재(300)에 포함되는 구성에서, 본체부(320)는 세워진 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 본체부(320)는 판상으로 구성되되, 눕혀져 있지 않고, 넓은 2개의 표면이 수평 방향, 이를테면 좌우 방향(도면의 x축 방향)을 향하도록 세워진 형태로 구성될 수 있다.
특히, 이러한 실시예의 경우, 파우치형 이차 전지가 세워진 형태로 수평 방향으로 적층된 셀 어셈블리의 구성에 보다 유용할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지가 세워진 형태로 좌우 방향으로 배치되는 경우, 판상의 본체부(320)가 각각의 파우치형 이차 전지의 사이 공간 및/또는 파우치형 이차 전지의 적층체 외측에 세워진 형태로 배치될 수 있다.
이러한 구성에서, 상기 열교환부(310)는, 세워진 플레이트 형태를 가지며, 하단이 본체부(320)의 상단에 나란하게 결합된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 열압력 교환 부재(300)는, 폴리우레탄 재질의 본체부 플레이트와 오산화삼티탄과 같은 세라믹 재질의 열교환부 플레이트를 구비할 수 있다. 이때, 열교환부 플레이트의 하단 모서리는 본체부 플레이트의 상단 모서리에 결합 고정될 수 있다. 더욱이, 상부에 위치한 열교환부(310)와 하부에 위치한 본체부(320)는, 서로 모서리가 맞닿은 채로 평행하게 결합되어, 하나의 플레이트를 형성하도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈 내부에서, 이차 전지(100)와 열을 교환하는 구성(열교환부(310)) 및 이러한 열교환 구성을 지지하는 구성(본체부(320))의 점유 공간이 크지 않도록 할 수 있다. 따라서, 이러한 열압력 교환 구성을 배터리 모듈 내부에 도입시키더라도 배터리 모듈의 부피가 크게 증대되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈 내부에서, 열의 불균형을 해소하는데 유리할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 하부에는, C로 표시된 바와 같이, 냉각 구성이 존재할 수 있다. 여기서, 냉각 구성은, 중공을 갖는 파이프 형태로 형성되어, 내부 중공에 공기나 물과 같은 냉각용 유체가 흐르도록 할 수 있다. 또는, 배터리 모듈의 하부에 구비된 냉각 구성은, 파이프와 같은 별도의 부재 없이, 공기 등이 직접 접촉하는 형태로 구성될 수도 있다. 특히, 자동차에 탑재되는 배터리 모듈의 경우, 차체의 하부에 탑재되어 배터리 모듈의 하부가 공기 등에 의해 자연 냉각되도록 구성되는 경우가 있다.
이와 같이, 배터리 모듈의 하부가 냉각되도록 구성된 경우, 냉각 구성에 인접한 배터리 모듈의 하부에 비해 배터리 모듈의 상부의 온도가 상대적으로 높게 형성될 수 있다. 이때에는, 여러 이차 전지(100) 사이에 열적 불균형이 발생할 수 있는 것은 물론이고, 하나의 이차 전지(100)에서도 부위마다 열적 불균형이 발생할 수 있다. 즉, 이차 전지(100)의 하부 측보다 상부 측의 온도가 상대적으로 높게 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 열적 불균형은, 이차 전지(100) 또는 배터리 모듈의 성능 저하를 일으킬 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 특정 부위의 온도가 지나치게 높아지게 되면, 화재가 발생할 가능성도 있다.
하지만, 본원발명의 상기 구성에 의하면, 배터리 모듈에서 특정 부위의 온도가 불균일한 상태로 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 도 6의 구성에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 상부에 열교환부(310)가 위치하도록 구성된 열교환 부재로 인해, 배터리 모듈의 상부 측은 효과적으로 냉각될 수 있다. 즉, 배터리 모듈의 상부 측은 비록 냉각 파이프와 같은 냉각 구성과의 거리가 상대적으로 멀게 위치하고 있으나, 열교환 부재에 의해 추가적으로 열이 흡수될 수 있다. 따라서, 온도가 높은 이차 전지(100)의 상부 측에 대한 냉각이 추가적으로 이루어질 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환부(310)의 경우, 이차 전지(100)의 방전 시 이차 전지(100)의 열을 흡수할 수 있다. 따라서, 자동차에 배터리 모듈이 장착된 경우, 이차 전지(100)의 방전이 주로 일어나는 자동차의 운행 중에, 상대적으로 냉각 성능이 취약할 수 있는 이차 전지(100)의 상부 측은, 열교환부(310)에 의해 냉각 성능이 보완될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 8은, 이차 전지(100)의 방전 시, 도 7의 열압력 교환 부재(300)와 이차 전지(100)에서 발생할 수 있는 열의 흐름 상태를 개략적으로 도식화하여 나타낸 도면이다. 참고로, 도 8에서는, 설명의 편의를 위해 하나의 이차 전지(100)와 하나의 열압력 교환 부재(300)만 도시되도록 한다. 또한, 도 8에서 화살표는 대체로 열의 흐름 경로를 나타낸다고 할 수 있다. 이러한 실시예에 대해서는, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하며, 앞선 실시예들에 대한 설명이 공통적으로 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
먼저, 도 7을 참조하면, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 열교환부(310)와 본체부(320)를 구비하되, 열압력 교환 부재(300)의 본체부(320)는, 열전도 파트(321)와 열차단 파트(322)를 구비할 수 있다.
여기서, 열전도 파트(321)는, 열전도성 재질로 구성된 부분으로서, 자체적으로 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전도 파트(321)는, 금속 재질, 이를테면 알루미늄이나 구리, 철과 같은 재질로 구성될 수 있다.
그리고, 열차단 파트(322)는, 실질적으로 열전도성이 없거나 열전도성이 열전도 파트(321)에 비해 상대적으로 낮은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열차단 파트(322)는, 열전도율이 상온 기준으로 0.1 W/mK 이하인 재질이 이용될 수 있다. 특히, 상기 열차단 파트(322)는, 열전도율이 상온 기준으로 0.05 W/mK 이하인 재질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 열차단 파트(322)는, 폴리에틸렌 폼(polyethylene foam), XPS 폼(Extruded Polystyrene Sheet foam), EPS 폼(Expanded Polystyrene foam), 폴리우레탄 폼(Polyurethane Foam), 수성 연질 폼 및 우레아 폼(Urea Foam) 중 적어도 하나 이상의 재질로 구성되거나 이들 재질 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 구성에서, 열교환부(310)와 열전도 파트(321)는 열차단 파트(322)에 서로 이격되도록 구성될 수 있다. 즉, 열교환부(310)와 열전도 파트(321)는 전체 부분에서 서로 직접 접촉되지 않고, 각각 열차단 파트(322)에만 접촉하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 구성을 참조하면, 열압력 교환 부재(300)에서 열교환부(310), 열차단 파트(322) 및 열전도 파트(321)는 모두 판상으로 구성되되, 열교환부(310), 열차단 파트(322) 및 열전도 파트(321)가 일 방향으로 순차적으로 위치하도록 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 열교환부(310), 열차단 파트(322) 및 열전도 파트(321)는, 하나의 플레이트를 형성하도록 구성될 수 있다. 일례로, 도면에 도시된 바와 같이, 열교환부(310)는 상부에 위치하고 본체부(320)는 하부에 위치하되, 본체부(320)에서 열차단 파트(322)는 상부에 위치하고 열전도 파트(321)는 하부에 위치하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성의 경우, 열교환부(310)와 열전도 파트(321)는 어느 부분에서도 직접 접촉하지 않고 서로 이격되어 있다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열교환부(310)와 열전도 파트(321) 사이에 열교환이 이루어지지 않을 수 있다. 특히, 이 경우, 열교환부(310)로 흡수된 열은 열전도 파트(321)를 통해 외부로 배출되지 않을 수 있다. 이와 관련하여, 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 이차 전지(100) 하부 측의 열은 인접한 열압력 교환 부재(300)의 열전도 파트(321)로 흡수될 수 있다. 그리고, 이와 같이 열전도 파트(321)로 흡수된 열은, 도 8에서 화살표 d1으로 표시된 바와 같이, 열전도 파트(321) 내부에서 하부 방향으로 전도되어, 열압력 교환 부재(300)의 외부(하부)로 배출될 수 있다. 이때, 열전도 파트(321)로 흡수된 열은, 열차단 파트(322)에 의해, 열교환부(310)로는 전달되지 않을 수 있다.
반면, 이차 전지(100) 상부 측의 열은 인접한 열압력 교환 부재(300)의 열교환부(310)로 흡수될 수 있다. 그리고, 열교환부(310)로 흡수된 열은, 열차단 파트(322)에 의해 열전도 파트(321)로는 전달되지 않고, 도 8에서 화살표 d2로 표시된 바와 같이, 내부에 자체적으로 보유될 수 있다. 다만, 도면에서는, 설명의 편의를 위해, 화살표 d2로 표시된 바와 같이, 열교환부(310) 내부에서 열이 순환하는 것처럼 도시되어 있으나, 이는 열이 열차단 파트(322)에 의해 열전달 파트로 전달되지 않는다는 점을 나타내는 것일 뿐, 반드시 열이 순환됨을 의미하는 것은 아니다.
그리고, 이와 같이 열교환부(310)에 보유된 열은, 추후에, 압력을 받는 경우, 이를테면 이차 전지(100)의 충전 시에 이차 전지(100) 측으로 열을 공급하는데 이용될 수 있다. 즉, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 이차 전지(100)로부터 열교환부(310)로 흡수된 열은 열전도 파트(321)를 통해 외부로 배출되지 않고 열교환부(310)에 보유될 수 있다. 따라서, 이러한 구성에 의할 경우, 에너지 효율이 증대될 수 있으며, 열압력 교환 부재(300)의 성능이 보다 안정적으로 확보될 수 있다. 특히, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 열압력 교환 부재(300)의 일부분은 열을 배터리 모듈 외부의 냉각 구성으로 배출되도록 하고, 열압력 교환 부재(300)의 다른 일부분은 열을 자체적으로 보유할 수 있다.
한편, 본 명세서에서, 특정 대상의 상부 측 및 하부 측이라 표현하는 경우, 이는 특정 대상을 상하 방향으로 나누었을 때 윗부분과 아랫 부분을 지칭하는 용어를 의미한다고 할 수 있다. 따라서, 특별한 설명이 없는 한, 특정 대상의 상부 측 및 하부 측은, 특정 대상의 내부에서 각 위치를 구분하기 위한 것일 뿐, 특정 대상의 외부에 있는 위치를 구분하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 이차 전지(100)의 하부 측이란, 이차 전지(100)보다 아래에 있는 위치를 의미하는 것이 아니라, 이차 전지(100) 자체를 상부와 하부로 나누었을 때, 하부에 위치한 부분을 의미한다고 할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 10은, 이차 전지(100)의 방전 시, 도 9의 열압력 교환 부재(300)와 이차 전지(100)에서 발생할 수 있는 열의 흐름 상태를 개략적으로 도식화하여 나타낸 도면이다. 도 10에서도 설명의 편의를 위해 하나의 이차 전지(100)와 하나의 열압력 교환 부재(300)만 도시되도록 한다. 또한, 본 실시예에 대해서도, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
먼저, 도 9를 참조하면, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 열교환부(310)와 본체부(320)를 구비하되, 본체부(320)는 열교환부(310)의 외주부에 위치하여 열교환부(310)의 테두리를 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 열교환부(310)가 사각 플레이트 형태로 구성된 경우, 본체부(320)는 사각 링 형태로 형성되어 열교환부(310)의 네 모서리를 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 이러한 구성에 있어서, 상기 본체부(320)는 상기 열교환부(310)의 양 표면, 즉 이차 전지(100)와 대면하는 표면을 제외한 모서리 부분의 전체에 대하여 외측을 감쌀 수 있다. 이 경우, 열교환부(310)는 모서리 부분을 제외한 중앙 부분을 통해 이차 전지(100)와 직접 대면할 수 있다. 즉, 상기와 같은 구성에 의하면, 열교환부(310)는 이차 전지(100)의 중앙 부분에서 이차 전지(100)의 수납부에 대면되고, 본체부(320)는 이차 전지(100)의 테두리 부분에서 이차 전지(100)의 테두리 실링부에 대면될 수 있다.
특히, 이러한 구성에서, 본체부(320)는, 열전도율이 낮은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 본체부(320)는 열전도율이 상온 기준으로 0.1 W/mK 이하인 재질이 이용될 수 있다. 특히, 상기 본체부(320)는, 열전도율이 상온 기준으로 0.05 W/mK 이하인 재질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 본체부(320)는, 폴리에틸렌 폼(polyethylene foam), XPS 폼(Extruded Polystyrene Sheet foam), EPS 폼(Expanded Polystyrene foam), 폴리우레탄 폼(Polyurethane Foam), 수성 연질 폼 및 우레아 폼(Urea Foam) 중 적어도 하나 이상의 재질로 구성되거나 이들 재질 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열교환부(310)와 이차 전지(100) 사이는 직접 대면되어 있기 때문에, 이차 전지(100)에 의한 가압력이 없는 상태에서는, 이차 전지(100)로부터 열이 직접 열교환부(310)로 흡수될 수 있다. 또한, 이차 전지(100)의 팽창 시, 팽창력이 열교환부(310)로 직접 전달될 수 있다. 그리고, 이와 같이 이차 전지(100)가 팽창된 경우, 열교환부(310)의 열은 이차 전지(100)로 직접 전달될 수 있다. 예를 들어, 도 10의 구성에서, 열은 x축 방향으로 직접 전달될 수 있다.
한편, 열교환부(310)에 흡수된 열은, 열교환부(310)의 내부에만 보유될 뿐, 본체부(320)에 의해 열압력 교환 부재(300)의 외측, 특히 열압력 교환 부재(300)의 모서리 부분으로는 배출되지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바를 참조하면, 이차 전지(100)의 방전 시 이차 전지(100)로부터 열이 배출될 수 있는데, 이러한 열은 열교환부(310)로 흡수되어 그 내부에만 보유되며, 열교환부(310)의 상부나 하부 측으로는 쉽게 배출되지 않을 수 있다(화살표 d3). 그리고, 이와 같이 열교환부(310)의 내부에 보유된 열은 압력이 인가되어 열을 배출하는 경우, 이차 전지(100)가 위치한 좌우 방향, 즉 이차 전지(100)의 적층 방향(도면의 x축 방향)으로 주로 배출되고, 이차 전지(100)의 적층 방향에 수직하는 방향(도면의 y축 방향 및 z축 방향)으로는 쉽게 배출되지 않을 수 있다. 다시 말해, 열교환부(310)를 기준으로 상부, 하부, 전방부 및 후방부에는 열전도성이 낮은 재질의 본체부(320)가 존재하므로, 열교환부(310)의 열은 주로 좌우 방향으로만 배출될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열교환부(310)에 의한 이차 전지(100)로의 열 배출 성능이 향상되어, 온도 상승으로 인한 이차 전지(100)의 충전 성능이 보다 향상될 수 있다. 더욱이, 이 경우, 열교환부(310)의 열 보유 성능이 향상되어, 에너지 효율 측면에서도 우수한 효과가 달성될 수 있다.
한편, 앞선 여러 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)의 경우, 열교환부(310)가 판상으로 구성된 형태를 중심으로 설명되었으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본체부(320) 역시 앞선 실시예와 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이고, 도 12는 도 11의 열압력 교환 부재(300)에 대하여 본체부(320)만의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 본 실시예에 있어서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 열교환부(310)는 본체부(320)의 표면의 적어도 일부에 코팅된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본체부(320)는 대략 판상으로 구성되어, 이차 전지(100) 사이, 또는 이차 전지(100) 외측에 세워진 형태로 구성되되, 열교환부(310)는 이러한 본체부(320)의 적어도 일부 표면에 코팅된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열압력 교환 부재(300)의 기계적 강도가 안정적으로 확보될 수 있다. 특히, 열을 흡수, 보유 및 방출하는 성능이 중요한 열교환부(310)와 달리, 본체부(320)는 열교환부(310)에 비해 기계적 강성이 우수한 재질을 채용할 수 있다. 예를 들어, 본체부(320)는 폴리머나 금속과 같은 재질로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 구성에 의하면, 기계적 강성이 우수한 본체부(320)가 열압력 교환 부재(300)의 기본적인 골격을 구성하고 압력에 의해 열을 교환하는 물질이 이러한 본체부(320)의 표면에 코팅되도록 함으로써, 열압력 교환 부재(300)의 기계적 강도가 안정적으로 확보될 수 있다.
특히, 본체부(320)는, 적어도 일부분에 오목홈이 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같은 본체부(320)의 홈에 열교환부(310)가 채워진 형태로 열교환부(310)가 본체부(320)의 표면에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 본체부(320)는, 도 12에서 G1으로 표시된 바와 같이, 중앙 부분에 내측 수평 방향으로 오목하게 형성된 형태의 오목홈이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 본체부(320)의 오목홈(G1)에 열교환부(310)가 채워지는 형태로 열압력 교환 부재(300)가 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열교환부(310)의 코팅 공정이 용이하게 수행될 수 있으며, 열교환부(310)와 본체부(320) 사이의 결합력이 보다 안정적으로 확보될 수 있다. 또한, 열교환부(310)가 오목홈(G1)에 의해 전, 후, 상, 하 방향이 차단되므로, 이들 방향으로의 열방출이 저지되어 열교환부(310)에 의한 열 보유 성능이 보다 안정적으로 확보될 수 있다.
도 13은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)의 본체부(320) 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 13의 구성은, 도 12에 도시된 본체부(320)의 변형된 형태라 할 수 있다. 본 실시예에 있어서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 13을 참조하면, 열압력 교환 부재(300)의 본체부(320)는, 대략 링 형태로 형성되되, 링의 중앙 부분은, 메쉬 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본체부(320)는, 사각 링 형태로 형성된 테두리 파트(R1)와 이러한 테두리 파트(R1)의 중앙 빈 공간에 그물 형태로 형성된 메쉬 파트(M1)를 구비할 수 있다. 이러한 본체부(320) 구성에서, 열교환부(310)는 메쉬 파트(M1)에 채워지는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 메쉬 파트(M1)에 의해 테두리 파트(R1)의 기계적 강성이 보완될 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 메쉬 파트(M1)에 의해 열교환부(310)와 본체부(320) 사이의 결합력이 향상될 수 있다. 특히, 열교환부(310)가 세라믹 재질인 경우, 제조 과정에서 세라믹 재질이 본체부(320)의 메쉬 파트(M1)에 잘 결착되도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 메쉬 파트(M1)의 좌우 수평 방향(도면의 x축 방향)의 관통 부분으로 인해, 열교환부(310)가 수평 방향으로 완전하게 채워질 수 있다. 따라서, 열교환부(310)에 의한 열의 흡수, 보유 및 방출 성능이 안정적으로 확보되기에 보다 유리할 수 있다.
도 14는, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)와 이차 전지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다. 이하에서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 14를 참조하면, 열압력 교환 부재(300)에서, 열교환부(310)는 본체부(320)보다 이차 전지(100) 측으로 돌출되게 구성될 수 있다. 즉, 도면에서 열압력 교환 부재(300)의 좌측 부분을 기준으로 살펴보면, 열교환부(310)는 본체부(320)에 비해, 이차 전지(100)가 위치한 방향, 즉 좌측 방향으로 e1으로 표시된 만큼 더 돌출되게 구성될 수 있다. 따라서, 열교환부(310)는 본체부(320)에 비해, 이차 전지(100)에 보다 가깝게 구성될 수 있다. 또한, 열압력 교환 부재(300)의 우측에도 이차 전지(100)가 위치할 수 있는데, 이를 위해, 열교환부(310)는 우측 방향으로도 본체부(320)에 비해 돌출되게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열교환부(310)에 의한 열의 흡수, 보유 및/또는 방출 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100)가 열을 흡수할 때 열교환부(310)가 본체부(320)에 비해 이차 전지(100)에 가깝게 구성되므로, 이차 전지(100)의 열은 본체부(320)보다 열교환부(310)로 잘 전달할 수 있다. 또한, 열교환부(310)의 물질이 열압력 교환 부재(300)에 충분한 양으로 존재하도록 함으로써, 열교환부(310)에 의한 열보유 성능이 일정 수준 이상 확보될 수 있다. 뿐만 아니라, 이와 같은 구성에 의하면, 본체부(320)보다 열교환부(310)가 이차 전지(100) 측으로 돌출된 만큼, 이차 전지(100)의 팽창 시 본체부(320)의 간섭을 받지 않고 이차 전지(100)의 팽창력이 본체부(320)로 원활하게 전달될 수 있다. 따라서, 가압에 의한 열교환부(310)의 열 방출 성능이 확실하게 보장될 수 있다. 또한, 열교환부(310)가 이차 전지(100)에 가깝게 위치하므로, 열 방출 시 이차 전지(100) 측으로 보다 쉽게 열이 전달될 수 있다.
도 15 및 도 16은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열압력 교환 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다. 이하에서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 하나의 열압력 교환 부재(300)에서, 열교환부(310)는 두께가 다른 부분이 존재하도록 구성될 수 있다. 여기서, 열교환부(310)의 두께란, 이차 전지(100)의 적층 방향으로 열교환부(310)의 길이 내지 폭을 의미한다고 할 수 있다.
예를 들어, 도 15를 참조하면, 열교환부(310)는 이차 전지(100)의 적층 방향(x축 방향)에 수직하는 평면(y-z 평면) 상의 한 방향, 이를테면 상하 방향(z축 방향)으로 단차가 형성되도록 구성될 수 있다. 즉, 열교환부(310)는, 상부에서 하부 방향으로 갈수록 좌우 두께가 부분적으로 달라지도록 다수의 단이 형성될 수 있다. 특히, 도 15의 구성에서, 열교환부(310)는 두께가 f1, f2 및 f3를 갖는 부분으로 각각의 단이 형성된다고 할 수 있다. 이때, f1, f2 및 f3의 값은 모두 다르다고 할 수 있다.
다른 예로, 도 16을 참조하면, 열교환부(310)는 상하 방향으로 갈수록 두께가 점진적으로 달라지는 형태의 경사부를 구비할 수 있다. 즉, 이러한 경사 구성으로 인해, 열교환부(310)는, 도면에서 f4 및 f5로 표시된 바와 같이 상하 방향으로 갈수록 서로 다른 두께를 갖도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열교환부(310)에서 열의 흡수, 보유 및/또는 방출 성능이 보다 효과적으로 달성되도록 할 수 있다. 따라서, 하나의 이차 전지(100)에 대하여, 냉각이나 가열이 더 필요한 부분이 존재한다면, 해당 부분에 대하여 열압력 교환 부재(300)를 통해 집중적으로 열의 흡수 및/또는 방출 등이 이루어지도록 할 수 있다.
특히, 상기 열교환부(310)는, 적어도 일부분이 이차 전지(100)의 중앙 부분에서 테두리 부분으로 갈수록 두께가 얇아지도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 15의 구성에 도시된 바와 같이, 열교환부(310)에서 상하 방향으로 중앙 부분에 위치하는 부분(단)의 두께를 f1이라 하고, 중앙 부분에서 외측 방향으로 갈수록 각 단의 두께를 f2 및 f3라 하며, f1>f2>f3와 같은 관계가 성립될 수 있다.
또한, 도 16의 구성을 참조하면, 열교환부(310)에서 상하 방향으로 중앙 부분에 위치하는 부분의 두께를 f4라 하고, 열교환부(310)에서 상하 방향(외측 방향) 단부의 두께를 f5라 할 때, f4>f5와 같은 관계가 성립될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)에 대한 열의 흡수, 보유 및/또는 방출 성능이 보다 향상될 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지의 경우, 일반적으로 테두리 부분에 비해 중앙 부분의 부피 변화가 가장 심하다고 할 수 있다. 또한, 다수의 파우치형 이차 전지가 배터리 모듈에 수납될 때, 각 이차 전지(100)의 중앙 부분에서 열이 많이 배출되는 경우가 많다. 뿐만 아니라, 이차 전지(100)의 충전 시 수납부가 위치한 부분에서 화학 반응이 활발하게 이루어진다면, 충전 성능이 보다 향상될 수 있다. 그러므로, 상기 구성에 의하면, 파우치형 이차 전지의 팽창 시 팽창력이 열교환부(310)로 잘 전달될 수 있고, 이로 인한 열교환부(310)의 발열 성능이 향상될 수 있다. 또한, 이차 전지(100)로부터 발생된 열이 열교환부(310)로 쉽게 전달되고, 반대로 열교환부(310)에 의한 열이 이차 전지(100)로 쉽게 전달될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 모듈 케이스(200)와 적어도 일부분이 결합 고정될 수 있다.
예를 들어, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 상단과 하단이 모듈 케이스(200)의 내면에 결합 고정될 수 있다. 보다 구체적으로, 모듈 케이스(200)의 내부 공간 중 상면과 하면에는, 열압력 교환 부재(300)의 상단과 하단에 대하여 좌우 방향 이동을 저지하는 스토퍼 형태로 돌기가 형성될 수 있다. 다른 예로, 모듈 케이스(200)의 내부 공간 중 상면과 하면에는 삽입홈이 형성되어, 열압력 교환 부재(300)의 상단과 하단이 삽입 체결될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부에서, 열압력 교환 부재(300)의 위치가 안정적으로 고정될 수 있다. 또한, 이차 전지(100)의 팽창 시, 팽창에 의한 가압력이 열압력 교환 부재(300)로 원활하게 전달될 수 있다. 따라서, 압력에 의한 열압력 교환 부재(300)의 열 방출이 보다 확실하게 이루어질 수 있다. 뿐만 아니라, 이차 전지(100)가 축소되는 경우에도, 열압력 교환 부재(300)의 위치는 원래의 위치를 그대로 유지할 수 있다.
도 17은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다. 여기서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 17을 참조하면, 상기 열압력 교환 부재(300)는, 모듈 케이스(200)에 대하여 교체가 가능하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 열압력 교환 부재(300)는, 도면에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 상부 방향으로 인출되거나 인입되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 모듈 케이스(200)는, 적어도 일측, 이를테면 상측에 열압력 교환 부재(300)의 인출입을 위한 출입구(O)가 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열압력 교환 부재(300)의 성능이 저하되는 경우, 새로운 열압력 교환 부재(300)로 교체되도록 하여, 열압력 교환 부재(300)에 의한 열 제어 성능이 장기간 안정적으로 유지되도록 할 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 열압력 교환 부재(300)의 성능에 변화를 주어야 할 경우가 있는데, 축열 세라믹 물질과 같은 열보유 물질의 양이 다르게 구성된 열압력 교환 부재(300)로 교체되도록 할 수 있다. 예를 들어, 이미 제조된 배터리 모듈이 온도가 낮은 극지방 등에서 이용되는 경우, 열의 흡수, 보유 및 방출 성능이 높은 열압력 교환 부재(300)로 교체되도록 할 수 있다. 또는, 배터리 모듈이 장착되는 위치에 따라 배터리 모듈 내부에서 온도 분포가 달라질 수 있으므로, 열압력 교환 부재(300)는, 열교환부(310)의 위치가 다른 열압력 교환 부재(300)로 교체될 수 있다. 그러므로, 이러한 실시예에 의하면, 주변 상황이나 환경에 보다 적응적으로 대처하여 열압력 교환 부재(300)의 성능이 최적화될 수 있는 배터리 모듈의 제공이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 상기 이차 전지(100)는 리튬 이차 전지(100)로서, 내부의 음극판은 규소계 물질을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 포함되는 이차 전지(100)는, 음극 활물질로서 규소계 물질이 사용될 수 있다. 이처럼 규소계 물질이 음극 활물질로서 이용된 경우, 탄소계 물질이 이용된 경우에 비해 용량이 크게 증대될 수 있다. 더욱이, 이러한 규소계 물질이 적용된 이차 전지(100)의 경우, 부피 팽창률이 매우 큰 특성을 갖고 있다. 따라서, 충방전 시 이차 전지(100)의 팽창 및 축소에 의한 열의 방출 및 흡수가 이루어지는 본 발명의 효과가 더욱 증대될 수 있다.
여기서, 규소계 물질은, 예를 들어, 규소, 규소의 합금, SiB4, SiB6, Mg2Si, Ni2Si, TiSi2, MoSi2, CoSi2, NiSi2, CaSi2, CrSi2, Cu5Si, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2, ZnSi2, SiC, Si3N4, Si2N2O, SiOv(0.5≤v≤1.2), LiSiO, SiO 등일 수 있으나, 본 발명이 이러한 규소계 물질의 특정 종류에 의해 한정되는 것은 아니다. 그리고, 이러한 규소계 물질이 음극 활물질로서 적용된 이차 전지(100)에 대해서는, 본 발명의 출원 시점에 이미 공지되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명의 배터리 모듈은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 규소계 물질이 음극 활물질로서 채용된 이차 전지(100)를 포함할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 여러 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100), 모듈 케이스(200) 및 열압력 교환 부재(300) 이외에 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적층용 프레임을 더 포함할 수 있다. 이러한 적층용 프레임은, 파우치형 이차 전지의 적층을 용이하게 하기 위해 마련되는 것으로서, 상호 적층 가능하게 구성되며, 적층에 의해 형성된 내부 공간에 파우치형 이차 전지를 수용할 수 있다. 이러한 적층용 프레임은, 대략 사각 링 형태로 형성될 수 있으며, 중앙 부분에 냉각 플레이트와 같은 구성요소를 더 구비할 수 있다. 이러한 적층용 프레임은 카트리지라고도 지칭될 수 있다. 이러한 적층용 프레임은, 본 발명의 출원 시점에 이미 공지되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 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. 특히, 전기 자동차와 같이 배터리로부터 구동력을 얻는 자동차의 경우, 배터리 모듈의 냉각 성능 및/또는 충전 성능은 매우 중요하다. 따라서, 이러한 자동차에 본 발명에 따른 배터리 모듈이 적용되는 경우, 효과적인 냉각 성능 및/또는 충전 성능으로 안정적이고 안전하며, 충전 성능, 특히 급속 충전 성능이 우수한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 명세서에서는 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.
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.
[부호의 설명]
100: 이차 전지
200: 모듈 케이스
201: 본체, 202: 커버
300: 열압력 교환 부재
310: 열교환부, 320: 본체부
321: 열전도 파트, 322: 열차단 파트

Claims (14)

  1. 하나 이상의 이차 전지;
    내부에 빈 공간이 형성되어 내부 공간에 상기 하나 이상의 이차 전지를 수납하는 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 이차 전지와 대면되도록 배치되며, 상기 이차 전지로부터 인가되는 압력이 기준값 이하인 경우 열을 흡수하여 보유하고 상기 이차 전지로부터 인가되는 압력이 상기 기준값을 초과하는 경우 보유된 열을 방출하도록 구성된 하나 이상의 열압력 교환 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 복수 포함되고,
    상기 열압력 교환 부재는, 상기 이차 전지의 사이 공간에 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 파우치형 이차 전지로서, 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 세워진 형태로 수평 방향으로 배치되고,
    상기 열압력 교환 부재는, 판상으로 구성되어 상기 이차 전지의 사이 공간에 세워진 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열압력 교환 부재는, 압력이 인가되지 않을 때 열을 흡수하여 보유하고 압력이 인가될 때 보유된 열을 방출하는 세라믹 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열압력 교환 부재는, 압력 인가 여부에 따라 열을 흡수 및 방출하는 재질로 구성된 열교환부 및 상기 열교환부와 다른 재질로 구성되며 상기 열교환부를 지지하는 본체부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 본체부는 세워진 플레이트 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열교환부는, 세워진 플레이트 형태를 가지며, 하단이 상기 본체부의 상단에 나란하게 결합된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 본체부는, 상기 열교환부의 외주부에 위치하여 상기 열교환부를 감싸도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 열교환부는, 상기 본체부의 표면의 적어도 일부에 코팅된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 열교환부는, 상기 본체부보다 상기 이차 전지 측으로 돌출되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 열교환부는, 하나의 열압력 교환 부재에서 두께가 다른 부분이 존재하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열교환부는, 적어도 일부분이 상기 이차 전지의 중앙 부분에서 테두리 부분으로 갈수록 두께가 얇아지도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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