WO2020230998A1 - 신속한 예열이 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a battery module having a structure capable of rapid preheating, a battery pack including the same, and a vehicle, and more specifically, containing a material that causes a phase change according to the principle of crystal nuclei formation according to a physical shock. It relates to a battery module including a phase change preheater, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • the present invention has been invented in consideration of the above-described problems, and has an object of the present invention to quickly preheat a battery pack before use of a vehicle through very little power consumption to lead to normal performance of the battery pack.
  • a battery module for solving the above-described problems includes: a cell stack including a plurality of battery cells; And a phase change preheater disposed on the cell stack and containing a phase change material therein which causes a phase change according to the formation of crystal nuclei and thereby causes an exothermic reaction.
  • the phase change material may include at least one of a sodium hydroxide supersaturated solution, a sodium acetate supersaturation solution, and a sodium thiosulfate supersaturation solution.
  • the phase change preheater may include a pouch placed on the cell stack; The phase change material contained in the pouch; A first driving unit located in the pouch; A first friction plate attached to the first driving unit; And a second friction plate for forming metal crystal nuclei by causing friction with the first friction plate according to the driving of the first driving unit. It may include.
  • the phase change preheater may further include a connector positioned outside the pouch and electrically connected to the first driving unit.
  • the phase change preheater may further include a support frame penetrating the pouch and fixing the first driving part and the second friction plate.
  • the phase change preheater may include a pouch; The phase change material contained in the pouch; A first driving unit located in the pouch; A first friction plate attached to the first driving unit; A second driving unit located in the pouch; A second friction plate attached to the second driving unit and forming metal crystal nuclei by causing friction with the first friction plate according to the driving of the first driving unit and the second driving unit; It may include.
  • the phase change preheater may further include a connector positioned outside the pouch and electrically connected to the first driving unit and the second driving unit.
  • the phase change preheater may further include a support frame penetrating the pouch and fixing the first driving unit and the second driving unit.
  • the battery module is disposed above the phase change preheater, and is connected to an external power source to heat the phase change preheater, thereby further comprising a film heater that phase-changes the phase change material that caused the phase change to a solid state back into a liquid state.
  • the battery module includes a pair of busbar frames covering one side and the other side in the length direction of the cell stack, and a plurality of busbars fixed on the busbar frame and electrically connected to the battery cells. It may further include a pair of busbar frame assemblies.
  • the battery module may further include a module case covering the peripheries of the cell stack and the phase change preheater while the bus bar frame assembly is exposed to the outside.
  • the battery module may further include a pair of end plates covering the bus bar frame assembly.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes a battery module according to an embodiment of the present invention as described above.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes a battery module according to an embodiment of the present invention as described above.
  • FIG. 1 is a complete perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a cell stack applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view illustrating a cell stack and a busbar frame assembly applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a combination of a cell stack, a busbar frame assembly, and a phase change preheater applied to a battery module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a detailed view showing an embodiment of a phase change preheater applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a detailed view showing another embodiment of a phase change preheater applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing some components of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a battery module according to an embodiment of the present invention includes a cell stack 100, a bus bar frame assembly 200, an external terminal 300, a phase change preheater 400, Includes a module case 500 and an end plate 600.
  • the cell stack 100 includes a plurality of battery cells 110 stacked to face each other with wide surfaces facing each other.
  • the cell stack 100 may include at least one buffer pad P interposed between the outermost and/or adjacent battery cells 110.
  • the cell stack 100 may be inserted into the module case 500 in a state in which the bus bar frame assembly 200, the external terminal 300, and the phase change preheater 400 are combined.
  • a buffer pad P made of a material having elasticity such as a sponge may be additionally applied.
  • the pouch-type battery cell 110 includes a pair of electrode leads 111 that are respectively drawn out to both sides in the length direction.
  • the bus bar frame assembly 200 is fixed on the bus bar frame 210 and the bus bar frame 210 covering one side and the other side in the length direction of the cell stack 100. It may be implemented in a form including a plurality of bus bars 220 electrically connected to the battery cell 110.
  • the busbar frame 210 may be made of an insulating material such as resin.
  • the bus bar frame 210 and the bus bar 220 have slits formed at positions corresponding to each other so that the electrode leads 111 can be drawn out.
  • the electrode lead 111 drawn out through the slit is bent so as to be in close contact with the bus bar 220 and fixed to the bus bar 220 by welding or the like.
  • the external terminals 300 are fixed on the bus bar frame 210, and electrode leads 111 located at the outermost sides of both sides along the width direction (X-axis direction of FIG. 3) of the cell stack 100 Connected.
  • the phase change preheater 400 is disposed above the cell stack 100 (above the Z-axis direction as viewed in FIG. 4), and forms crystal nuclei. It causes a phase change accordingly and thus contains a phase change material that causes an exothermic reaction.
  • the phase change preheater 400 prevents the battery module from deteriorating performance due to low temperature by preheating the cell stack 100 disposed below by an exothermic reaction according to the phase change.
  • the phase change preheater 400 includes a pouch 410, a phase change material (M), a support frame 420, a first driving unit 430, a first friction plate 440, and a second friction It includes a plate 460, a connection line 470 and a connector 480.
  • the pouch 410 accommodates the phase change material M therein, and is placed on the cell stack 100 to directly contact the cell stack 100. More specifically, the pouch 410 is in direct contact with the side portions of each battery cell 110 constituting the cell stack 100.
  • the phase change material (M) is a material that exists in the state of a supersaturated solution and causes a phase change to a solid state by progress of crystallization when crystal nuclei are provided by physical impact. An exothermic reaction occurs through this phase change process, and the heat generated by the exothermic reaction is conducted through the pouch 410 and is used to preheat the cell stack 100 disposed under the phase change preheater 400 .
  • phase change material (M) for example, a supersaturated solution including at least one of a sodium hydroxide supersaturated solution, a sodium acetate supersaturated solution, and a sodium thiosulfate supersaturated solution may be used.
  • a supersaturated solution including at least one of a sodium hydroxide supersaturated solution, a sodium acetate supersaturated solution, and a sodium thiosulfate supersaturated solution may be used.
  • the battery module may be used in vehicles such as HEVs, PHEVs, BEVs, and the like, and energy required to phase change the phase change preheater 400 in which the exothermic reaction has been completed back to its original state is It can be obtained through the heat generated by the use of the battery module while driving the vehicle.
  • the support frame 420 penetrates a part of the pouch 410, and accordingly, a part of the support frame 420 is located inside the pouch 410, and the other part is located outside the pouch 410.
  • the support frame 420 includes a first support frame 421 and a second support frame 422 formed by branching one end of the support frame 420 into both prongs.
  • the first and second support frames 421 and 422 are located inside the pouch 410.
  • the first driving part 430 is fixed to an end of the first support frame 421.
  • the first driving unit 430 may be a rotation motor.
  • the first friction plate 440 may be attached to the first driving unit 430 and rotated according to the driving of the first driving unit 430.
  • the second friction plate 460 is fixed to the end of the second support frame 422 and makes face-to-face contact with the first friction plate 440. Accordingly, the contact surfaces of the first friction plate 440 and the second friction plate 460 cause mutual friction when the first driving unit 430 is driven to form fine metal particles. That is, the first friction plate 440 and the second friction plate 460 are both made of a metal material, and the fine metal particles formed in this way act as metal crystal nuclei for causing a phase change.
  • the second friction plate 460 is not fixed to the second support frame 422, but a second driving part fixed to the second support frame 422. It is shown for the case attached to 450.
  • the second driving unit 450 may also be a rotation motor. In this way, when the first friction plate 440 and the second friction plate 460 are both rotated to cause friction, metal crystal nuclei can be formed more smoothly, and accordingly, the phase change is more rapid. Can lead to an exothermic reaction.
  • connection line 470 includes a first driving unit 430 and a second driving unit 450 located inside the pouch 410, which are located outside the pouch 410. It is electrically connected to the connector 480.
  • the connection line 470 may extend through the support frame 420.
  • the connector 480 is a component for connection with a power source for supplying power to the first driving unit 430 and the second driving unit 450, for example, a key-on of a vehicle It can be connected on a circuit line through which current flows.
  • the first driving unit 430 and the second driving unit are supplied by power supplied through the battery module or another separately installed battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 450 is driven to generate metal crystal nuclei, thereby enabling preheating of the battery module.
  • the exothermic reaction using such crystallization is not performed by external physical impact, and only reacts when the internal metal generates crystal nuclei.Because the generation of such metal crystal nuclei can be made with very little energy It is efficient because it consumes little power.
  • the module case 500 is disposed around the cell stack 100 and the phase change preheater 400 with the busbar frame assembly 200 exposed to the outside. Cover.
  • the end plate 600 is provided with a pair, and each end plate 600 covers the bus bar frame assembly 200.
  • the battery module according to another embodiment of the present invention differs from the battery module according to the embodiment of the present invention described above in that it further includes a film heater 700, and other components are substantially There is no difference.
  • the film heater 700 includes a film 710 disposed above the phase change preheater 400 to cover the phase change preheater 400 and a heating wire ( 720).
  • the film heater 700 is connected to an external power source to heat the phase change preheater 400. That is, the film heater 700 causes a phase change from a liquid phase to a solid phase and heats the phase change preheater 400 in which the exothermic reaction is completed to a phase change to a liquid phase at a certain temperature or higher (about 59° C. or higher).
  • phase change preheater 400 Since the battery module is in use while the vehicle is in use, sufficient heat is usually generated, so that the phase change preheater 400 that caused a phase change from liquid to solid before starting the vehicle is re-phased to liquid during the driving process of the vehicle. It will change. However, when the driving distance of the vehicle is insufficient or when driving and starting-off are repeated at short intervals, the temperature of the battery module does not rise sufficiently, so that the phase change preheater 400 remains in a solid state. I can.
  • the film heater 700 is connected to a charger when charging the vehicle, that is, when charging the battery module, and is driven to receive power, thereby applying heat to the phase change preheater 400 to provide heat to the phase change preheater 400.
  • the temperature of the phase change material (M) of may be increased to approximately 59°C or higher.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention may be implemented in a form including at least one or more battery modules according to an embodiment of the present invention as described above.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention may be implemented in a form including the battery pack according to an embodiment of the present invention as described above.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체의 상부에 배치되며, 결정핵 형성에 따라 상변화를 일으키고 이에 따라 발열 반응을 일으키는 상변화 물질을 내부에 함유하는 상변화 예열체; 를 포함한다.

Description

신속한 예열이 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은, 신속한 예열이 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 물리적 충격에 따른 결정핵 형성의 원리에 따라 상변화를 일으키는 물질을 함유하는 상변화 예열체를 구비하는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 5월 15일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2019-0057047호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 이차전지는, 일정온도 이하 조건에서 성능이 급격하게 줄어든다. 이는 겨울이 존재하는 국가나, 상대적으로 극지방에 가까운 국가에서 HEV, PHEV, BEV 등과 같이 이차전지를 사용하는 차량을 이용하는 경우에 있어서 문제를 발생시킨다.
즉, 기온이 낮은 경우에 있어서, 밤새 주차되어 있던 차량의 온도가 낮아지게 되면 차량의 내부에 있는 이차전지의 온도 역시 낮아지게 되는데, 이로 인해 다음날 아침에 시동을 거는 경우에 있어서 시동성의 저하를 유발하게 되고 또한 주행 시에도 전지의 수명이나 성능에 큰 영향을 미치게 된다.
히터 등을 이용하여 차량의 사용 이 전에 미리 이차전지를 가열해 두는 방법도 생각해 볼 수는 있지만, 히터에 공급되는 전원 역시 이차전지를 통해 공급되는 것이기 때문에 이차전지의 성능이 저하되어 있는 저온 환경에서는 여전히 이차전지의 성능 저하라는 문제가 남아 있는 것이다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 매우 적은 전력 소모를 통해 자동차의 사용 전에 배터리 팩을 신속하게 미리 예열시켜 배터리 팩의 정상적인 성능을 이끌어 낼 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체의 상부에 배치되며, 결정핵 형성에 따라 상변화를 일으키고 이에 따라 발열 반응을 일으키는 상변화 물질을 내부에 함유하는 상변화 예열체; 를 포함한다.
상기 상변화 물질은, 수산화나트륨 과포화 용액, 아세트산나트륨 과포화 용액 및 티오황산나트륨 과포화 용액 중 적어도 하나의 용액을 포함할 수 있다.
상기 상변화 예열체는, 상기 셀 적층체의 상부에 놓여지는 파우치; 상기 파우치 내에 함유되는 상기 상변화 물질; 상기 파우치 내에 위치하는 제1 구동부; 상기 제1 구동부에 부착되는 제1 마찰 플레이트; 및 상기 제1 구동부의 구동에 따라 상기 제1 마찰 플레이트와 마찰을 일으켜 금속 결정핵을 형성하는 제2 마찰 플레이트; 를 포함할 수 있다.
상기 상변화 예열체는, 상기 파우치의 외부에 위치하며, 상기 제1 구동부와 전기적으로 연결되는 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 상변화 예열체는, 상기 파우치를 관통하며, 상기 제1 구동부 및 제2 마찰 플레이트를 고정시키는 지지 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 상변화 예열체는, 파우치; 상기 파우치 내에 함유되는 상기 상변화 물질; 상기 파우치 내에 위치하는 제1 구동부; 상기 제1 구동부에 부착되는 제1 마찰 플레이트; 상기 파우치 내에 위치하는 제2 구동부; 상기 제2 구동부에 부착되며, 상기 제1 구동부 및 제2 구동부의 구동에 따라 상기 제1 마찰 플레이트와 마찰을 일으켜 금속 결정핵을 형성하는 제2 마찰 플레이트; 를 포함할 수 있다.
상기 상변화 예열체는, 상기 파우치의 외부에 위치하며, 상기 제1 구동부 및 제2 구동부와 전기적으로 연결되는 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 상변화 예열체는, 상기 파우치를 관통하며, 상기 제1 구동부 및 제2 구동부를 고정시키는 지지 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 상변화 예열체의 상부에 배치되며, 외부 전원과 연결되어 상기 상변화 예열체를 가열함으로써 고상으로 상변화를 일으킨 상기 상변화 물질을 다시 액상으로 상변화시키는 필름 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체의 길이 방향 일 측 및 타 측을 커버하는 한 쌍의 버스바 프레임 및 상기 버스바 프레임 상에 고정되어 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 복수의 버스바를 포함하는 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 버스바 프레임 어셈블리가 외부로 노출된 상태로 상기 셀 적층체 및 상변화 예열체의 둘레를 커버하는 모듈 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 버스바 프레임 어셈블리를 커버하는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 매우 적은 전력 소모로도 자동차의 사용 전에 배터리 모듈을 신속하게 미리 예열시킬 수 있으며, 이로써 자동차에 탑재된 배터리 모듈의 정상적인 성능을 이끌어 낼 수 있게 된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 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 완성 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 적층체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 적층체 및 버스바 프레임 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 적층체, 버스바 프레임 어셈블리 및 상변화 예열체가 결합된 형태를 나타내는 사이도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 상변화 예열체의 일 실시 형태를 나타내는 상세도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 상변화 예열체의 다른 실시 형태를 나타내는 상세도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성요소들을 나타내는 사시도이다.
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 아니 되며, 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 셀 적층체(100), 버스바 프레임 어셈블리(200), 외부 단자(300), 상변화 예열체(400), 모듈 케이스(500) 및 엔드 플레이트(600)를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 셀 적층체(100)는 서로 넓은 면끼리 대면하여 적층된 복수의 배터리 셀(110)을 포함한다. 상기 셀 적층체(100)는, 최 외측 및/또는 인접한 배터리 셀(110) 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 완충 패드(P)를 포함할 수 있다.
즉, 상기 셀 적층체(100)는, 버스바 프레임 어셈블리(200), 외부 단자(300) 및 상변화 예열체(400)와 결합된 상태에서 모듈 케이스(500)에 삽입될 수 있는데, 이 때 셀 적층체(100)의 부피를 최대로 하면서도 삽입이 용이하게 이루어질 수 있도록 하기 위해서 스폰지 등과 같이 탄성을 갖는 재질로 이루어진 완충 패드(P)가 추가로 적용될 수 있는 것이다.
상기 배터리 셀(110)로는 파우치 타입의 배터리 셀이 적용될 수 있다. 이러한 파우치 타입의 배터리 셀(110)은, 길이 방향 양 측으로 각각 인출되는 한 쌍의 전극 리드(111)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 상기 버스바 프레임 어셈블리(200)는, 셀 적층체(100)의 길이 방향 일 측 및 타 측을 커버하는 버스바 프레임(210) 및 버스바 프레임(210) 상에 고정되어 배터리 셀(110)과 전기적으로 연결되는 복수의 버스바(220)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 버스바 프레임(210)은, 예를 들어 수지와 같은 절연성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 상기 버스바 프레임(210)과 버스바(220)는 전극 리드(111)가 인출될 수 있도록 서로 대응되는 위치에 형성된 슬릿을 구비한다. 상기 슬릿을 통해 인출된 전극 리드(111)는 버스바(220) 상에 밀착되도록 절곡되어 버스바(220)에 용접 등에 의해 고정된다.
상기 외부 단자(300)는 버스바 프레임(210) 상에 고정되며, 셀 적층체(100)의 폭 방향(도 3의 X축 방향)을 따라 양 측 최 외각에 위치하는 전극 리드(111)와 연결된다.
도 4 및 도 5를 참조 하면, 상기 상변화 예열체(400)는, 셀 적층체(100)의 상부(도 4를 기준으로 볼 때, Z축 방향을 따라 윗쪽)에 배치되며, 결정핵 형성에 따라 상변화를 일으키고 이에 따라 발열 반응을 일으키는 상변화 물질을 내부에 함유한다.
상기 상변화 예열체(400)는, 이러한 상변화에 따른 발열 반응에 의해 하부에 배치된 셀 적층체(100)를 예열하여 배터리 모듈이 저온으로 인한 성능 저하를 일으키는 것을 방지한다.
좀 더 구체적으로, 상기 상변화 예열체(400)는 파우치(410), 상변화 물질(M), 지지 프레임(420), 제1 구동부(430), 제1 마찰 플레이트(440), 제2 마찰 플레이트(460), 연결 라인(470) 및 커넥터(480)를 포함한다.
상기 파우치(410)는, 내부에 상변화 물질(M)을 수용하며, 셀 적층체(100)의 상부에 놓여져 셀 적층체(100)와 직접 접촉한다. 좀 더 구체적으로, 상기 파우치(410)는, 상기 셀 적층체(100)를 구성하는 각각의 배터리 셀(110)의 측부와 직접 접촉하게 된다.
상기 상변화 물질(M)은, 과포화 용액 상태로 존재하다가 물리적인 충격에 의해 결정핵이 제공되면 결정화의 진행에 의해 고상으로 상변화를 일으키는 물질이다. 이러한 상변화 과정을 통해 발열 반응이 일어나며, 발열 반응에 따라 발생된 열은 파우치(410)를 통해 전도되어 상변화 예열체(400)의 하부에 배치된 셀 적층체(100)를 예열 하는데 이용된다.
상기 상변화 물질(M)로는, 예를 들어, 수산화나트륨 과포화 용액, 아세트산나트륨 과포화 용액 및 티오황산나트륨 과포화 용액 중 적어도 어느 하나를 포함하는 과포화 용액이 이용될 수 있다. 후술할 바와 같이, 물리적인 충격에 의해 미세한 금속 입자가 과포화 용액 내에 제공되면 이러한 금속 입자를 결정핵으로 이용하여 과포화 용액 내에서 결정화가 진행되며, 이에 따라 결정이 생성되면서 파우치 내의 과포화 용액은 고상으로 상변화를 일으키게 된다.
또한, 고상으로 상변화를 일으킨 과포화 용액은 대략 59℃ 이상의 온도로 가열되는 경우 흡열 반응에 의해 다시 과포화 용액으로 상변화 되어 셀 적층체(100)를 예열 할 수 있는 상태로 돌아가게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, HEV, PHEV, BEV 등과 같은 차량에 이용될 수 있는데, 이처럼 발열 반응이 완료된 상변화 예열체(400)를 다시 원래의 상태로 상변화 시키는데 필요한 에너지는 차량을 운행하는 과정에서 배터리 모듈의 사용으로 인해 발생된 열을 통해 얻을 수 있다. 또한, 차량의 운행 거리가 비교적 짧아서 발열 반응을 완료하고 고상으로 상변화를 일으킨 상변화 예열체(400)를 원래의 상태로 상변화 시키는데 필요한 열을 충분히 얻을 수 없는 경우에는 추가적인 열원이 필요한데, 이에 대해서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 대한 설명을 통해 상세히 후술하기로 한다.
상기 지지 프레임(420)은, 파우치(410)의 일부를 관통하며, 이에 따라 일부는 파우치(410)의 내측에, 나머지 일부는 파우치(410)의 외측에 위치한다. 상기 지지 프레임(420)은, 그 일 측 단부가 양 갈래로 분기되어 형성된 제1 지지 프레임(421) 및 제2 지지 프레임(422)을 구비한다. 상기 제1 지지 프레임(421) 및 제2 지지 프레임(422)은 파우치(410)의 내측에 위치한다.
상기 제1 구동부(430)는, 제1 지지 프레임(421)의 단부에 고정된다. 상기 제1 구동부(430)는, 회전 모터일 수 있다. 상기 제1 마찰 플레이트(440)는 제1 구동부(430)에 부착되어 제1 구동부(430)의 구동에 따라 회전될 수 있다.
상기 제2 마찰 플레이트(460)는, 제2 지지 프레임(422)의 단부에 고정되어 제1 마찰 플레이트(440)와 대면 접촉한다. 따라서, 상기 제1 마찰 플레이트(440)와 제2 마찰 플레이트(460)는 제1 구동부(430)의 구동에 따라 접촉면이 상호 마찰을 일으켜 미세한 금속 입자를 형성하게 된다. 즉, 상기 제1 마찰 플레이트(440)와 제2 마찰 플레이트(460)는 모두 금속 재질로 이루어지며, 이와 같이 형성된 미세한 금속 입자는 상변화를 일으키기 위한 금속 결정핵으로서 작용하게 된다.
한편, 도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 것과는 달리, 제2 마찰 플레이트(460)가 제2 지지 프레임(422)에 고정되어 있지 않고, 제2 지지 프레임(422)에 고정된 제2 구동부(450)에 부착된 경우에 대해서 도시되어 있다. 상기 제2 구동부(450) 역시 제1 구동부(430)와 마찬가지로 회전 모터일 수 있다. 이처럼, 상기 제1 마찰 플레이트(440)와 제2 마찰 플레이트(460)가 모두 회전하는 방식으로 마찰을 일으키는 경우, 좀 더 원활하게 금속 결정핵이 형성될 수 있으며, 이에 따라 좀 더 신속하게 상변화에 따른 발열 반응을 이끌어낼 수 있다.
계속해서 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 연결 라인(470)은 파우치(410)의 내부에 위치하는 제1 구동부(430) 및 제2 구동부(450)를 파우치(410)의 외부에 위치하는 커넥터(480)와 전기적으로 연결시킨다. 상기 연결 라인(470)은 지지 프레임(420)을 관통하여 연장될 수 있다.
상기 커넥터(480)는, 제1 구동부(430) 및 제2 구동부(450)에 전력에 전력을 공급하기 위한 전원과의 연결을 위한 구성요소로서, 예를 들어 자동차의 키-온(Key on) 시에 전류가 흐르는 회로 라인 상에 연결될 수 있다. 이 경우, 자동차의 사용자가 시동을 걸기 위해 키-온을 하는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 또는 별도로 설치된 다른 배터리를 통해 공급된 전력에 의해 제1 구동부(430) 및 제2 구동부(450)가 구동되어 금속 결정핵이 생성되고, 이에 따라 배터리 모듈에 대한 예열이 가능하게 된다. 이러한 결정화를 이용한 발열 반응은, 외부의 물리적인 충격에 의해서는 이루어지지 않고, 내부의 금속이 결정핵을 생성해야만 반응하는 것인데, 이러한 금속 결정핵의 생성은 매우 작은 에너지로도 만들어낼 수 있는 것이기에 소모되는 전력이 크지 않아 효율적이다.
다시 도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 상기 모듈 케이스(500)는, 버스바 프레임 어셈블리(200)가 외부로 노출된 상태로 셀 적층체(100) 및 상변화 예열체(400)의 둘레를 커버한다.
상기 엔드 플레이트(600)는, 한 쌍이 구비되며, 각각의 엔드 플레이트(600)는 버스바 프레임 어셈블리(200)를 커버한다.
다음은, 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈과 비교하여, 필름 히터(700)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있을 뿐, 그 밖의 구성요소들은 실질적으로 차이가 없다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명함에 있어서는, 앞선 실시예에서와 중복되는 설명에 대해서는 생략하기로 하며, 필름 히터(700)에 대해서 중점적으로 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 상기 필름 히터(700)는, 상변화 예열체(400)의 상부에 배치되어 상변화 예열체(400)를 커버하는 필름(710)과 필름(710)에 내장되는 열선(720)을 포함한다. 상기 필름 히터(700)는, 외부 전원과 연결되어 상변화 예열체(400)를 가열한다. 즉, 상기 필름 히터(700)는, 액상에서 고상으로 상변화를 일으키고 발열 반응이 완료된 상변화 예열체(400)를 다시 액상으로 상변화 시키기 위해 일정 온도 이상(대략 59℃ 이상)으로 가열한다.
차량의 주행 중에는 배터리 모듈이 사용 상태에 있기 때문에 통상적으로는 충분한 열이 발생하므로, 자동차의 시동 전에 액상에서 고상으로 상변화를 일으켰던 상변화 예열체(400)는 자동차의 주행 과정에서 다시 액상으로 상변화 하게 된다. 그러나, 차량의 주행 거리가 충분하지 못하거나 주행과 시동 오프(off)가 짧은 간격으로 반복되는 경우에는 배터리 모듈의 온도가 충분히 올라가지 않아 상변화 예열체(400)가 그대로 고상을 유지하는 경우도 발생할 수 있다.
따라서, 상기 필름 히터(700)는, 자동차의 충전, 즉 배터리 모듈의 충전 시에 충전기와 연결되어 전력을 공급 받아 구동됨으로써 상변화 예열체(400)에 열을 가하여 상변화 예열체(400) 내부의 상변화 물질(M)의 온도를 대략 59℃ 이상으로 상승시킬 수 있다. 이처럼 온도가 상승되면, 상기 상변화 예열체(400)는 다시 액상으로 상변화를 일으키게 되고, 배터리 모듈을 예열시킬 준비가 완료된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
이상에서 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.

Claims (14)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및
    상기 셀 적층체의 상부에 배치되며, 결정핵 형성에 따라 상변화를 일으키고 이에 따라 발열 반응을 일으키는 상변화 물질을 내부에 함유하는 상변화 예열체;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상변화 물질은,
    수산화나트륨 과포화 용액, 아세트산나트륨 과포화 용액 및 티오황산나트륨 과포화 용액 중 적어도 하나의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상변화 예열체는,
    상기 셀 적층체의 상부에 놓여지는 파우치;
    상기 파우치 내에 함유되는 상기 상변화 물질;
    상기 파우치 내에 위치하는 제1 구동부;
    상기 제1 구동부에 부착되는 제1 마찰 플레이트; 및
    상기 제1 구동부의 구동에 따라 상기 제1 마찰 플레이트와 마찰을 일으켜 금속 결정핵을 형성하는 제2 마찰 플레이트;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상변화 예열체는,
    상기 파우치의 외부에 위치하며, 상기 제1 구동부와 전기적으로 연결되는 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상변화 예열체는,
    상기 파우치를 관통하며, 상기 제1 구동부 및 제2 마찰 플레이트를 고정시키는 지지 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상변화 예열체는,
    파우치;
    상기 파우치 내에 함유되는 상기 상변화 물질;
    상기 파우치 내에 위치하는 제1 구동부;
    상기 제1 구동부에 부착되는 제1 마찰 플레이트;
    상기 파우치 내에 위치하는 제2 구동부;
    상기 제2 구동부에 부착되며, 상기 제1 구동부 및 제2 구동부의 구동에 따라 상기 제1 마찰 플레이트와 마찰을 일으켜 금속 결정핵을 형성하는 제2 마찰 플레이트;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상변화 예열체는,
    상기 파우치의 외부에 위치하며, 상기 제1 구동부 및 제2 구동부와 전기적으로 연결되는 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상변화 예열체는,
    상기 파우치를 관통하며, 상기 제1 구동부 및 제2 구동부를 고정시키는 지지 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 상변화 예열체의 상부에 배치되며, 외부 전원과 연결되어 상기 상변화 예열체를 가열함으로써 고상으로 상변화를 일으킨 상기 상변화 물질을 다시 액상으로 상변화시키는 필름 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 셀 적층체의 길이 방향 일 측 및 타 측을 커버하는 한 쌍의 버스바 프레임 및 상기 버스바 프레임 상에 고정되어 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 복수의 버스바를 포함하는 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 버스바 프레임 어셈블리가 외부로 노출된 상태로 상기 셀 적층체 및 상변화 예열체의 둘레를 커버하는 모듈 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 버스바 프레임 어셈블리를 커버하는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함하는 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.
PCT/KR2020/003957 2019-05-15 2020-03-23 신속한 예열이 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 WO2020230998A1 (ko)

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