WO2020231071A1 - 전지 모듈 - Google Patents

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heating
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조우식
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more particularly, to a battery module capable of controlling the cooling and heating of the module more uniformly and efficiently.
  • Rechargeable batteries are attracting a lot of interest as an energy source for power devices such as electric magnets, electric vehicles, and hybrid electric vehicles, as well as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, and laptops.
  • a small battery pack packed with one battery cell is used for small devices such as mobile phones and cameras, but a battery pack in which two or more battery cells are connected in parallel and/or series is used for medium and large devices such as laptops and electric vehicles. Packed medium or large battery packs are being used. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage or charge/discharge capacity.
  • a battery module consisting of at least one battery cell is first configured, and other components are added to the battery pack using at least one battery module. How to configure is common.
  • the battery cell included in such a battery module has an optimum operating performance in a predetermined temperature range, and has a characteristic that the operating performance is deteriorated when the ambient temperature is too low or too high outside this temperature range.
  • a battery cell when used outdoors, such as a battery pack used in a car or an ESS (Energy Storage System), it may be exposed to extreme temperature conditions according to seasonal changes such as summer or winter, and a number of battery cells When used, the temperature may be increased due to the amount of heat generated by the battery cell itself. Therefore, it is necessary to appropriately control the cooling and heating of the battery module in order to maintain the optimal operating performance of the battery cell.
  • ESS Electronicgy Storage System
  • the present invention is to solve this problem, and provides a structure of a battery module capable of uniformly and efficiently heating the battery module so that it can be operated normally even in a cryogenic environment, and also efficiently cooling the battery module. For.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked side by side and adjacent to each other, and a heating-cooling composite pin interposed between adjacent battery cells among the plurality of battery cells.
  • a battery module comprising a, wherein the heating-cooling composite pin includes a compression pad positioned between the adjacent battery cells, a cooling pin positioned between the compression pad and the battery cell, and between the compression pad and the cooling fin It includes a heated film located.
  • the heating-cooling composite fin may further include a coating film positioned between the cooling fin and the battery cell.
  • the heating film may include a heating element connected to an external power source to generate heat, and a base film on which the heating element is formed.
  • the heating-cooling composite fin is a pair of cooling fins facing each of the battery cells positioned on both sides between the adjacent battery cells, and a pair of heating fins facing each cooling fin between the pair of cooling fins It may include a film, and a compression pad interposed between the pair of heating films.
  • the heating-cooling composite fins may include a pair of coating films positioned between each of the pair of cooling fins and each of the battery cells.
  • a resin layer disposed between the battery cell stack and the module frame may be further included, and the cooling fins may contact the resin layer.
  • the cooling fin may be made of aluminum.
  • the compression pad may include polyurethane or Ethlene PropyleneDiene Monomer (EDPM).
  • EDPM Ethlene PropyleneDiene Monomer
  • the coating film may be a graphite coating.
  • the heating-cooling composite pin may be positioned to correspond to a partial area of the battery cell.
  • the compression pad, the cooling fin, and the heating film may be positioned to correspond to a partial area of the battery cell, and the coating film may be formed on one surface of the battery cell to correspond to the total area of the battery cell.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention may include the at least one battery module described above, and a pack case for packaging the at least one battery module.
  • a device may include the at least one battery pack described above.
  • a battery module having a can be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II' in FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of part A of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a view showing a result of simulation and analysis of a temperature change in a heating process of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a result of simulation and analysis of a temperature change in an overheating process of a battery module according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a part of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • this includes not only “directly over” another part, but also a case where another part is in the middle.
  • another part when one part is “directly above” another part, it means that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and must be “above” or “on” toward the direction opposite to the gravity. no.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 110 in which the battery cells 112 are stacked and at least one surface in which the battery cell stack 110 is accommodated. It is configured to include a module frame 120 having.
  • the battery cell stack 110 is an assembly of secondary batteries including a plurality of battery cells 112.
  • the battery cell stack 110 may include a plurality of battery cells 112, and each battery cell includes an electrode lead 114.
  • the battery cell 112 may be a pouch-type battery cell having a plate shape, but is not limited thereto.
  • the electrode lead 114 is a positive electrode lead or a negative electrode lead, and the end of the electrode lead 114 of each battery cell 112 can be bent in one direction, whereby the electrode lead of another battery cell 112 adjacent thereto. Can be in contact with the end of.
  • the two electrode leads 114 in contact with each other may be fixed through welding or the like via the bus bar 116, through which electrical connection between the battery cells 112 inside the battery cell stack 110 may be made. . In addition, it may be configured to electrically connect the electrode lead 114 to the outside through the bus bar 116.
  • the plurality of battery cells 112 are vertically stacked so that the electrode leads 114 are aligned in one direction to form a battery cell stack 110.
  • the battery cell stack 110 is accommodated in a module frame 120 having at least one surface accommodating the battery cell stack 110.
  • the module frame 120 is not particularly limited as long as it has a structure accommodating the battery cell stack 110, and an integral structure covering the remaining surfaces of the battery cell stack 110 except for the exposed surface of the electrode leads 114 It may have, or may be formed by combining separate plates covering each side.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II' in FIG. 1
  • FIG. 3 is an enlarged view of part A of FIG. 2
  • FIG. 4 is an enlarged view of part B of FIG. 2.
  • the battery module 100 is between adjacent battery cells 112 among a plurality of battery cells 112 included in the battery cell stack 110. It includes a heating-cooling composite fin 200 interposed.
  • the heating-cooling composite fin 200 includes a pair of cooling fins 230 facing each other with a compression pad 210 therebetween, and a pair of cooling fins 230 and a pair of cooling fins positioned between the compression pad 210. It includes a heating film 220.
  • the heating-cooling composite fin 200 further includes a coating film 240 positioned between the cooling fin 230 and the battery cell 112.
  • the battery module 100 further includes a resin layer 140 positioned between the battery cell stack 110 and the module frame 120 as shown in FIG. 2.
  • the resin layer 140 is made of a heat conductive material so as to discharge heat generated from the battery cell stack 100 to the outside, and may be made of, for example, a thermal resin. Examples of such thermal resins include silicone, urethane, and epoxy.
  • the heating-cooling composite pin 200 interposed between the battery cells 112 extends along one side of the battery cell 112 and contacts the resin layer 140, thereby simply The heat from the battery cell 112 can be more effectively discharged compared to the case where only the resin layer 140 is provided.
  • the cooling fin 230 may be made of a metal having high thermal conductivity, such as aluminum, silver, or copper, and is not particularly limited.
  • a cooling fin made of aluminum may be used.
  • the cooling fin 230 and the battery cell 112 further includes an additional coating film 240 between the heat generated from the battery cell 112 while improving the cooling effect. It is possible to prevent this locally accumulating and causing temperature deviation.
  • the coating film 240 may be formed of, for example, a graphite coating having high thermal conductivity, thereby dispersing heat without causing a local temperature deviation due to heat generated by the cell and heat escaping during cooling.
  • the coating film 240 may be formed to a thickness of 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m. The thicker the coating film 240 is, the more advantageous it is in terms of heat transfer, but the above range is appropriate in consideration of manufacturing cost and design aspects. Preferably it may be 50 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the description is made in the form of a coating film, but it may be applied in a form in which a graphite sheet is inserted instead of a coated form.
  • a heating film 220 is positioned between the cooling fins 230 and the compression pad 210.
  • the heating film 220 heats the battery module 100 when the total temperature of the battery module 100 is lowered in a cryogenic environment by self-heating through means such as receiving power from the outside. It can be configured. In a low-temperature situation, safety problems such as lithium plating (a phenomenon in which lithium is deposited on the electrode surface) that may occur during charging may occur, so a means for raising the temperature of the battery cell 112 within a short time is required. For this, a heating film 220 is provided.
  • the heating film 220 is positioned so as to face one surface of the battery cell 112 with the cooling fin 230 therebetween at a location between the battery cells 112.
  • a heating means when a heating means is placed in direct contact with one surface of the battery cell 112, safety, etc. may be a problem as heat is directly applied to the battery cell 112, so the bottom or the bus of the battery module 100 A heating means was placed on the side where the bar 116 is located, and in this case, heat is indirectly applied to the battery cell 112, so it takes a long time to heat and the temperature deviation within the battery module 100 Because it appears large, problems of deterioration and safety of the battery module could occur.
  • the heating film 220 is positioned so as to face one surface of the battery cell 112 with the cooling fin 230 interposed therebetween, as described above, at the position between the battery cells 112 Therefore, when heating the battery cell 112 to a temperature at which the battery cell 112 can operate normally in a low temperature situation, heat can be evenly transferred to the battery cell 112. In addition, since it is located opposite to one surface of the battery cell 112, the temperature can be increased to an appropriate temperature within a faster time.
  • the cooling fin 230 and the coating film 240 are positioned between the battery cell 112 and the heating film 220, the heat transferred by the heating film 220 is transferred to the entire battery cell 112. Because it is evenly distributed, it is possible to prevent the occurrence of danger due to local accumulation of heat, and even if the battery module 100 is directly used, the temperature rises evenly throughout the battery module 100, causing deterioration and safety problems. Can be prevented.
  • the heating film 220 may be formed of a heating element that generates heat by being connected to an external power source, and a base film on which the heating element is formed, and is not particularly limited.
  • a heating element sus thin plate, nichrome wire, carbon, copper thin plate, aluminum thin plate, etc. may be used, and a film including polyimide, silicon, Teflon, etc. may be used as the base film, but is not particularly limited. That is, a film-type heater in which the heating element is wrapped with a base film may be used.
  • the thickness of the heating film 220 is preferably thinner in order to minimize an increase in the volume of the module, but is not particularly limited. For example, it may be 0.05mm to 0.4mm.
  • the coating film 240, the cooling fins 230, and the heating film 220 are located between the neighboring battery cells 112 in a near order from the battery cells 112, and the compression pad 210 is adjacent to the heating film 220 Is located. That is, the compression pad 210 is located in the middle of the heating-cooling composite fin 200 located between the battery cells 112, and the heating film 220 and cooling fins are placed on both sides with the compression pad 210 interposed therebetween. (230), the coating film 240 is positioned in a symmetrical structure.
  • the compression pad 210 buffers the heating film 220, the cooling fin 230, and the coating film 240 positioned on both sides thereof so that the corresponding components can be stably positioned between the battery cells 112. do.
  • the battery cell 112 expands later, it is compressed and serves to absorb a change in the thickness of the battery cell 112, thereby controlling the swelling of the battery cell 112. Accordingly, damage to the battery module 100 due to expansion of the battery cell 112 can be prevented.
  • the compression pad 210 is positioned between the heating films 220, the spacing between the heating films 220 can be properly maintained, so that rapid temperature changes due to the heating film 220 can be prevented. I can.
  • the compression pad 210 may include a material including a soft elastic material such as polyurethane (PU) or EDPM (Ethlene PropyleneDiene Monomer). Since this material has excellent vibration absorption and repulsion force due to compression, it can be guided to provide a battery module 100 having excellent dimensional stability even if a cell swelling phenomenon occurs in the plurality of battery cells 112. have.
  • the thickness of the compression pad 210 may be appropriately designed in consideration of the configuration of a battery cell, a compression pad, a heating film, and a cooling fin in the battery module.
  • the degree of expansion of the battery cell may vary depending on the chemical characteristics of the battery cell and the environment of use, and in consideration of this, the maximum compressible thickness of the compression pad 210 is a range in which the expansion thickness of the battery cell can be digested. Can be chosen from
  • the heating-cooling composite fin 200 including the compression pad 210, the heating film 220, the cooling fin 230, and the coating film 240 described above is of the battery cell 112 as shown in FIG. It may be formed to have a corresponding area by a slightly lower height than the total height.
  • the compression pad 210, the heating film 220, and the cooling fin 230 have a lower height than the battery cell 112, and the coating film 240 ') may be formed to correspond to the entire surface of the battery cell 112.
  • the coating film 240 ′ may be directly coated on one surface of the battery cell 112.
  • a double-sided tape may be further used for stable coupling between each component. That is, by applying a double-sided tape between the heating-cooling composite pin 200 and the battery cell 112, even if external vibrations occur, the flow of parts can be prevented and the configuration of the battery module can be more stably maintained. .
  • both sides Tape can be applied when a vulnerability to vibration is found not only between the heating-cooling composite fin 200 and the battery cell 112, but also between the compression pad 210 and the heating film 220, or in other parts.
  • FIG 5 is a view showing a result of measuring the temperature change during the heating process of the battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a result of measuring the temperature change during the overheating process of the battery module according to a comparative example of the present invention It is a view showing.
  • one configuration of the present invention that is, as shown in FIG. 2, is inserted into the heating-cooling composite pin 200 whenever four battery cells 112 are positioned, and the outermost side of the battery module 100
  • the coating film 240, the cooling fins 230, the heating film 220, and the compression pad 210 are arranged in order to simulate a temperature change in the heating process. That is, a total of six heating films 220 are arranged.
  • Each heating film 220 is configured to generate 15W of heat, and 90W of heat is applied to the entire battery module 100. Meanwhile, in FIG.
  • a configuration of a comparative example that is, a heater is attached to a portion where the bus bar 116 of the battery module 100 is located as shown in the left drawing, and a heater is attached to the bottom surface of the battery module 100 as shown in the right drawing.
  • the result of simulating the temperature change for the attached configuration is shown.
  • the simulation was analyzed by the CFD (Computer Fluid Dynamic) method.
  • the temperature of the battery module can be quickly and uniformly increased to a temperature capable of normal driving even in a low-temperature environment, and heat generated in the battery module during operation can be efficiently discharged to the outside.
  • heat can be evenly distributed throughout the battery module during the heating and cooling process, deterioration of the battery module can be prevented and the battery module can be safely driven.
  • one or more of the battery modules may be packaged in a pack case to form a battery pack.
  • the battery module and the battery pack including the same may be applied to various devices.
  • a device may be applied to a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto, and the present invention is applicable to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same. It belongs to the scope of the invention.

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이, 나란하게 서로 인접하여 적층된 전지 셀 적층체, 상기 복수의 전지 셀 중 서로 이웃하는 전지 셀 사이에 개재되어 있는 가열-냉각 복합핀을 포함하는 전지 모듈로서, 상기 가열-냉각 복합핀은 상기 이웃하는 전지 셀 사이에 위치하는 압축 패드, 상기 압축 패드와 상기 전지 셀 사이에 위치하는 냉각핀, 및 상기 압축 패드와 상기 냉각핀 사이에 위치하는 가열 필름을 포함한다.

Description

전지 모듈
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 5월 10일자 한국 특허 출원 제10-2019-0055223호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로 보다 상세하게는 모듈의 냉각 및 히팅을 보다 균일하고 효율적으로 제어할 수 있는 전지 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전기, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 전지 셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용되나, 노트북, 전기 자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 전지 셀들을 병렬 및/또는 직렬로 연결한 전지팩이 팩킹되어 있는 중형 또는 대형 전지팩이 사용되고 있다. 따라서, 상기 전지 팩에 포함되는 전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
그런데, 이와 같은 전지 모듈에 포함된 전지 셀은 소정 온도 범위에서 최적의 작동 성능을 가지며, 이러한 온도 범위를 벗어나 주변 온도가 너무 낮거나 너무 높으면 작동 성능이 떨어지는 특성을 갖고 있다.
특히, 자동차 또는 ESS(Energy Storage System)에 이용되는 전지 팩과 같이, 전지 셀이 실외에서 사용되는 경우, 여름이나 겨울 등의 계절 변화에 따라 극한 온도 상황에 노출될 수 있고, 다수의 전지 셀이 이용되는 경우 전지 셀 자체에서 발생하는 열량으로 인해 온도가 높아지는 상황에 처할 수 있는바, 전지 셀의 최적의 작동 성능을 유지하기 위해서 전지 모듈의 냉각 및 히팅을 적절하게 제어할 필요가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지 모듈이 극저온의 환경에서도 정상적으로 구동 가능하도록 가열함에 있어서 균일하고 효율적으로 가열함과 아울러 전지 모듈의 냉각 역시 효율적으로 행할 수 있는 전지 모듈의 구조를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이, 나란하게 서로 인접하여 적층된 전지 셀 적층체, 상기 복수의 전지 셀 중 서로 이웃하는 전지 셀 사이에 개재되어 있는 가열-냉각 복합핀을 포함하는 전지 모듈로서, 상기 가열-냉각 복합핀은 상기 이웃하는 전지 셀 사이에 위치하는 압축 패드, 상기 압축 패드와 상기 전지 셀 사이에 위치하는 냉각핀, 및 상기 압축 패드와 상기 냉각핀 사이에 위치하는 가열 필름을 포함한다.
상기 가열-냉각 복합핀은 상기 냉각핀과 상기 전지 셀 사이에 위치하는 코팅막을 더욱 포함할 수 있다.
상기 가열 필름은 외부의 전원과 연결되어 발열하는 발열체 및 상기 발열체가 형성된 기재 필름을 포함할 수 있다.
상기 가열-냉각 복합핀은 상기 서로 이웃하는 전지 셀 사이에서 양측에 위치하는 전지 셀 각각과 대향하는 한 쌍의 냉각핀, 상기 한 쌍의 냉각핀 사이에서 각각의 냉각핀과 대향하는 한 쌍의 가열 필름, 및 상기 한 쌍의 가열 필름 사이에 개재되는 압축 패드를 포함할 수 있다.
상기 가열-냉각 복합핀은 상기 한 쌍의 냉각핀 각각과 상기 전지 셀 각각 사이에 위치하는 한 쌍의 코팅막을 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 적층체를 수용하는 적어도 일면을 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 적층체와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 수지층을 더욱 포함하고, 상기 냉각핀은 상기 수지층과 접촉할 수 있다.
상기 냉각핀은 알루미늄 재질일 수 있다.
상기 압축 패드는 폴리우레탄 또는 EDPM(Ethlene PropyleneDiene Monomer)를 포함할 수 있다.
상기 코팅막은 그라파이트 코팅일 수 있다.
상기 가열-냉각 복합핀은 상기 전지 셀의 일부 면적에 대응하여 위치할 수 있다.
상기 압축 패드, 상기 냉각핀, 및 상기 가열 필름은 상기 전지 셀의 일부 면적에 대응하여 위치하고, 상기 코팅막은 상기 전지 셀의 전체 면적에 대응하여 상기 전지 셀의 일면에 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은, 상기한 적어도 하나의 전지 모듈, 및 상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기한 적어도 하나의 전지 팩을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 전지 모듈이 극저온의 환경에서도 정상적으로 구동할 수 있도록 전지 모듈을 전체적으로 균일하면서도 빠른 시간 내에 가열할 수 있으며, 아울러 전지 모듈의 발열시 외부로 열을 보다 효율적으로 방출하여 우수한 냉각효율을 갖는 전지 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 II-II' 선을 따른 단면도이다.
도 3은 도 2의 A부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 2의 B부분을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 모듈의 가열 과정에서 온도 변화를 시뮬레이션 하여 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈의 과열 과정에서 온도 변화를 시뮬레이션 하여 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈의 일부를 확대 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에"있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지 셀(112)이 적층된 전지 셀 적층체(110) 및 상기 전지 셀 적층체(110)가 수납되는 적어도 일면을 갖는 모듈 프레임(120)을 포함하여 구성된다.
상기 전지 셀 적층체(110)는 복수의 전지 셀(112)을 포함하는 이차 전지의 집합체이다. 전지 셀 적층체(110)는 복수의 전지 셀(112)을 포함할 수 있고, 각각의 전지 셀은 전극 리드(114)를 포함한다. 전지 셀(112)은 판상 형태를 갖는 파우치형 전지 셀일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전극 리드(114)는 양극 리드 또는 음극 리드이며, 각 전지 셀(112)의 전극 리드(114)는 단부가 한쪽 방향으로 구부러질 수 있고, 이에 의해 인접한 다른 전지 셀(112)이 갖는 전극 리드의 단부와 맞닿을 수 있다. 서로 맞닿은 2개의 전극 리드(114)는 버스바(116)를 매개로 용접 등을 통해 고정될 수 있고, 이를 통해 전지 셀 적층체(110) 내부의 전지 셀(112) 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 또한 버스바(116)를 통해 전극 리드(114)를 외부와 전기적으로 연결하도록 구성할 수 있다.
복수의 전지 셀(112)은 전극 리드(114)들이 일측 방향으로 정렬되도록 수직 적층되어 전지 셀 적층체(110)를 이룬다. 상기 전지 셀 적층체(110)는 전지 셀 적층체(110)를 수용하는 적어도 일면을 갖는 모듈 프레임(120)에 수납된다. 모듈 프레임(120)은 전지 셀 적층체(110)를 수용하는 구조라면 특별히 한정되지 않고, 전지 셀 적층체(110)의 전극 리드(114)가 노출되는 면을 제외한 나머지 면을 덮는 일체의 구조를 가질 수도 있고, 또는 각 면을 덮는 별개의 플레이트들이 결합되어 형성될 수도 있다.
도 2는 도 1에서 II-II' 선을 따른 단면도이고, 도 3은 도 2의 A부분을 확대한 도면이며, 도 4는 도 2의 B부분을 확대한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지 셀 적층체(110)에 포함된 복수의 전지 셀(112) 중 이웃하는 전지 셀(112) 사이에 개재되어 있는 가열-냉각 복합핀(200)을 포함한다. 또한 가열-냉각 복합핀(200)은 압축 패드(210)를 사이에 두고 서로 대향하는 한 쌍의 냉각핀(230), 및 냉각핀(230)과 압축 패드(210) 사이에 위치하는 한 쌍의 가열 필름(220)을 포함한다. 또한, 가열-냉각 복합핀(200)은 냉각핀(230)과 전지 셀(112) 사이에 위치하는 코팅막(240)을 더욱 포함한다.
또한, 전지 모듈(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 전지 셀 적층체(110)와 모듈 프레임(120) 사이에 위치하는 수지층(140)을 더욱 포함한다. 이러한 수지층(140)은 전지 셀 적층체(100)로부터 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 열 전도 물질로 이루어지며, 예를 들면 써멀 레진으로 구성될 수 있다. 이러한 써멀 레진의 예로는 실리콘, 우레탄, 에폭시 등을 들 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전지 셀(112) 사이에 개재되어 있는 가열-냉각 복합핀(200)이 전지 셀(112)의 일면을 따라 연장하여, 수지층(140)과 접촉함으로써, 단순히 수지층(140)만을 구비한 경우에 비해 보다 효과적으로 전지 셀(112)로부터의 열을 방출할 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 기존에는 수지층(140)만을 구비하였기 때문에, X로 표시한 부분의 화살표를 따라서만 열이 방출될 수 있었으나, 본 발명의 일 실시예에서는, 가열-냉각 복합핀(200)에 구비된 냉각핀(230)을 따라, Y로 표시한 부분의 화살표와 같이 열이 추가로 방출되어, 추가의 냉각 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 냉각핀은(230)은 알루미늄, 은, 구리 등과 같이 열전도도가 높은 금속으로 이루어 질 수 있으며, 특별히 한정되지는 않는다. 바람직하게는 알루미늄 재질의 냉각핀을 사용할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에서는, 냉각핀(230)과 전지 셀(112) 사이에 추가로 코팅막(240)을 더욱 포함하고 있어서 이러한 냉각 효과를 향상시킴과 아울러 전지 셀(112)로부터 발생한 열이 국부적으로 축적되어 온도 편차를 발생시키는 것을 방지할 수 있다. 코팅막(240)은 예를 들면, 열 전도도가 높은 그라파이트 코팅으로 이루어질 수 있으며, 이에 의해 셀 발열과 냉각 시 빠져나가는 열에 의해 국부적인 온도 편차가 발생됨이 없이, 열을 분산시킬 수 있다. 또한 코팅막(240)은 10㎛ 내지 1000㎛의 두께로 형성될 수 있다. 코팅막(240)의 두께가 두꺼울수록 열전달 측면에서는 유리하나, 제조 단가 및 설계적 측면을 고려할 때, 상기 범위가 적절하다. 바람직하게는 50㎛ 내지 150㎛일 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 코팅막의 형태로 설명하였으나, 코팅된 형태가 아닌 그라파이트 시트가 삽입된 형태로 적용하여도 무방하다.
냉각핀(230)과 압축 패드(210) 사이에는 가열 필름(220)이 위치한다. 가열 필름(220)은 외부로부터 전원을 공급받는 등의 수단을 통해, 자체 발열을 하여 극저온의 환경 등에서 전지 모듈(100)의 전체 온도가 낮아졌을 때 전지 모듈(100)을 가열하여 온도를 상승시킬 수 있는 구성이다. 저온 상황에서는 충전시 발생될 수 있는 리튬 플레이팅(전극 표면에 리튬이 석출되는 현상) 등의 안전성 문제가 발생할 수 있으므로, 전지 셀(112)의 온도를 단시간 내에 상승시킬 수 있는 수단이 필요한 바, 이를 위해 가열 필름(220)을 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열 필름(220)은 전지 셀(112) 사이의 위치에서, 냉각핀(230)을 사이에 두고 전지 셀(112)의 일면과 대향하도록 위치한다. 종래에는 전지 셀(112)의 일면과 직접 접하여 가열 수단을 위치시킬 경우, 전지 셀(112)에 직접 열이 가해짐에 따라 안전성 등이 문제가 될 수 있어서 전지 모듈(100)의 바닥부 또는 버스바(116)가 위치하는 측면 등에 가열 수단을 위치시켰는데, 이 경우 전지 셀(112)에 간접적으로 열이 가해지게 되어 가열에 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 전지 모듈(100) 내에서 온도 편차가 크게 나타나기 때문에 전지 모듈의 열화 및 안전성의 문제가 발생할 수 있었다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 필름(220)은 상술한 바와 같이 전지 셀(112) 사이의 위치에서, 냉각핀(230)을 사이에 두고 전지 셀(112)의 일면과 대향하도록 위치하기 때문에, 온도가 낮은 상황에서 전지 셀(112)이 정상적으로 작동할 수 있는 온도가 되도록 가열할 때, 열을 전지 셀(112)에 고르게 전달할 수 있다. 또한, 전지 셀(112)의 일면과 대향하여 위치하므로 보다 빠른 시간 안에 적절한 온도까지 온도를 상승시킬 수 있다.
이 과정에서, 전지 셀(112)과 가열 필름(220) 사이에는 냉각핀(230)과 코팅막(240)이 위치하기 때문에, 가열 필름(220)에 의해 전달되는 열이 전지 셀(112) 전체에 고르게 분산되기 때문에, 열이 국부적으로 축적되는 것에 따른 위험 발생을 방지할 수 있고, 또한 전지 모듈(100) 전체적으로 고르게 온도가 상승하여 전지 모듈(100)을 바로 사용하여도 열화 및 안전성의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이러한 가열 필름(220)은 외부의 전원과 연결되어 발열하는 발열체 및 이러한 발열체가 형성된 기재 필름으로 이루어질 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다. 발열체로는 sus 박판, 니크롬선, 카본, 동박판, 알루미늄 박판 등이 이용될 수 있고, 기재 필름으로는 폴리이미드, 실리콘, 테프론 등을 포함하는 필름을 사용할 수 있으나 특별히 한정되지는 않는다. 즉, 발열체를 기재 필름이 감싼 형태의 필름형 히터를 사용할 수 있다. 가열 필름(220)의 두께는 모듈의 부피 증가를 최소화하기 위하여 얇을수록 좋겠으나, 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들면 0.05mm 내지 0.4mm일 수 있다.
이웃하는 전지 셀(112) 사이에서 전지 셀(112)로부터 가까운 순서대로 코팅막(240), 냉각핀(230), 가열 필름(220)이 위치하고, 가열 필름(220)과 인접하여 압축 패드(210)가 위치한다. 즉, 전지 셀(112) 사이에 위치하는 가열-냉각 복합핀(200)의 가운데 부분에 압축 패드(210)가 위치하고, 압축 패드(210)를 사이에 두고 양측으로 가열 필름(220), 냉각핀(230), 코팅막(240)이 대칭적 구조로 위치한다.
압축 패드(210)는 그 양측으로 위치하는 가열 필름(220), 냉각핀(230), 코팅막(240)에 대해 완충 작용을 하여 해당 구성들이 전지 셀(112)들 사이에서 안정적으로 위치할 수 있도록 한다. 또한, 추후 전지 셀(112)이 팽창할 경우 압축되어 전지 셀(112)의 두께 변화를 흡수하는 역할을 하는 것에 의해 전지 셀(112) 스웰링을 제어할 수 있다. 따라서, 전지 셀(112) 팽창에 따른 전지 모듈(100)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 가열 필름(220)들 사이에 압축 패드(210)가 위치하기 때문에, 가열 필름(220)들 사이의 간격을 적절히 유지할 수 있는바, 가열 필름(220)에 의한 급격한 온도 변화 등을 방지할 수 있다.
이러한 압축 패드(210)로는, 폴리우레탄(PU) 또는 EDPM(Ethlene PropyleneDiene Monomer) 등과 같은 소프트한 탄성 재질을 포함하는 소재를 포함할 수 있다. 이를 소재는 진동에 대한 흡수성 및 압축에 의한 반발력이 우수하기 때문에, 복수의 전지 셀(112)에 셀 스웰링 현상이 발생하더라도 우수한 치수 안정성을 갖는 전지 모듈(100)을 제공할 수 있도록 가이드할 수 있다. 또한 압축 패드(210)의 두께는 전지 모듈 내 전지 셀, 압축패드, 가열필름, 냉각핀 등 구성을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 즉, 전지 셀의 화학적 특성, 사용 환경에 따라 전지 셀이 팽창하는 정도는 달라질 수 있는바, 이를 고려하여 압축 패드(210)의 최대 압축 가능한 두께량이 전지 셀 등의 팽창 두께를 소화할 수 있는 범위에서 선택될 수 있다.
상술의 압축 패드(210), 가열 필름(220), 냉각핀(230) 및 코팅막(240)을 포함하는 가열-냉각 복합핀(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이 전지 셀(112)의 전체 높이에 비해 다소 낮은 높이만큼 대응하는 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 또는 본 발명의 다른 실시예에 관한 도 7에 도시된 바와 같이, 압축 패드(210), 가열 필름(220), 냉각핀(230)은 전지 셀(112)에 비해 낮은 높이를 갖고, 코팅막(240')은 전지 셀(112)의 전체 면에 대응하도록 형성될 수도 있다. 이 때, 코팅막(240')은 전지 셀(112)의 일면에 직접 코팅될 수도 있다. 이 경우, 코팅막(240')에 의해 가열 및 냉각 시 국부적으로 축적된 열이 전지 셀(112) 전체면에 고르게 분산될 수 있기 때문에, 압축 패드(210), 가열 필름(220), 냉각핀(230)의 면적을 작게 하더라도 균일한 열 분산 효과를 달성할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 각 구성간 안정적인 결합을 위하여, 양면테이프를 더욱 사용할 수도 있다. 즉, 가열-냉각 복합핀(200)과 전지 셀(112) 사이에 양면 테이프를 적용하여, 외부의 진동 등이 발생하더라도 부품들의 유동을 방지하고 보다 안정적으로 전지 모듈의 구성을 유지하도록 할 수 있다. 또한, 가열-냉각 복합핀(200)과 전지 셀(112) 사이뿐만 아니라, 압축 패드(210)와 가열 필름(220) 사이, 또는 다른 부분에서도 진동에 대한 취약점이 발견될 경우 이를 보완하기 위하여 양면 테이프를 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전지 모듈의 가열 과정에서 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈의 과열 과정에서 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의할 경우 균일한 열 분포 및 빠른 가열 효과를 확인할 수 있다.
도 5에서는 본 발명의 일 구성, 즉 도 2에 나타난 바와 같이 복수의 전지 셀(112)이 4개 위치할 때마다 가열-냉각 복합핀(200)을 삽입하고, 전지 모듈(100)의 최외측면에는 코팅막(240), 냉각핀(230), 가열 필름(220) 및 압축 패드(210)를 순서대로 배치하여 가열 과정에서의 온도 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시하였다. 즉, 총 6장의 가열 필름(220)이 배치된 구성이다. 각 가열 필름(220)은 15W의 발열이 되도록 구성되어, 전지 모듈(100) 전체에서 90W의 발열이 적용되도록 설계하였다. 한편, 도 6에서는 비교예의 구성, 즉 좌측 도면과 같이 전지 모듈(100)의 버스바(116)가 위치하는 부분에 히터를 부착한 것과, 우측 도면과 같이 전지 모듈(100)의 바닥면에 히터를 부착한 구성에 대해 온도 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시하였다. 시뮬레이션의 해석은 CFD(Computer Fluid Dynamic) 방법에 의해 이루어졌다.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 최초 영하 30℃에서 가열을 시작할 경우, 전지 모듈(100)의 온도가 0℃까지 상승하는데 약 3600초의 시간이 소요되었다. 또한, 가열 과정에 있어서도 전지 모듈(100) 전체에 걸쳐 균일하게 온도가 상승함을 확인할 수 있었다.
반면, 동일하게 3600초 동안 가열한 비교예에서는, 도 6에 나타난 바와 같이 히터가 위치하는 부근에서만 온도가 0℃에 도달하였고, 히터에서 먼 곳은 여전히 온도가 상승하지 않아, 모듈 내에서 온도 편차가 크게 발생하였음을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면 저온의 환경에서도 정상적인 구동이 가능한 온도까지 전지 모듈의 온도를 빠르고 균일하게 상승시킬 수 있으며, 작동시 전지 모듈에 발생한 열도 효율적으로 외부로 방출시킬 수 있을 뿐만 아니라 이러한 가열 및 냉각 과정에서 전지 모듈 전체에 열을 고르게 분산시킬 수 있는바, 전지 모듈의 열화를 방지하고 안전하게 전지 모듈을 구동할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 전지 모듈
110: 전지 셀 적층체
120: 모듈 프레임
140: 수지층
200: 가열-냉각 복합핀
210: 압축 패드
220: 가열 필름
230: 냉각핀
240: 코팅막

Claims (13)

  1. 복수의 전지 셀이, 나란하게 서로 인접하여 적층된 전지 셀 적층체,
    상기 복수의 전지 셀 중 서로 이웃하는 전지 셀 사이에 개재되어 있는 가열-냉각 복합핀을 포함하는 전지 모듈로서,
    상기 가열-냉각 복합핀은 상기 이웃하는 전지 셀 사이에 위치하는 압축 패드, 상기 압축 패드와 상기 전지 셀 사이에 위치하는 냉각핀, 및 상기 압축 패드와 상기 냉각핀 사이에 위치하는 가열 필름을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 가열-냉각 복합핀은 상기 냉각핀과 상기 전지 셀 사이에 위치하는 코팅막을 더욱 포함하는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 가열 필름은 외부의 전원과 연결되어 발열하는 발열체 및 상기 발열체가 형성된 기재 필름을 포함하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 가열-냉각 복합핀은 상기 서로 이웃하는 전지 셀 사이에서 양측에 위치하는 전지 셀 각각과 대향하는 한 쌍의 냉각핀, 상기 한 쌍의 냉각핀 사이에서 각각의 냉각핀과 대향하는 한 쌍의 가열 필름, 및 상기 한 쌍의 가열 필름 사이에 개재되는 압축 패드를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 가열-냉각 복합핀은 상기 한 쌍의 냉각핀 각각과 상기 전지 셀 각각 사이에 위치하는 한 쌍의 코팅막을 포함하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 전지 셀 적층체를 수용하는 적어도 일면을 포함하는 모듈 프레임,
    상기 전지 셀 적층체와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 수지층을 더욱 포함하고,
    상기 냉각핀은 상기 수지층과 접촉하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 냉각핀은 알루미늄 재질인 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 압축 패드는 폴리우레탄 또는 EDPM(Ethlene PropyleneDiene Monomer)를 포함하는 전지 모듈.
  9. 제2항에서,
    상기 코팅막은 그라파이트 코팅인 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 가열-냉각 복합핀은 상기 전지 셀의 일부 면적에 대응하여 위치하는 전지 모듈.
  11. 제2항에서,
    상기 압축 패드, 상기 냉각핀, 및 상기 가열 필름은 상기 전지 셀의 일부 면적에 대응하여 위치하고,
    상기 코팅막은 상기 전지 셀의 전체 면적에 대응하여 상기 전지 셀의 일면에 형성되어 있는 전지 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전지 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스
    를 포함하는 전지 팩.
  13. 제12항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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