WO2021025293A1 - 히팅 부재를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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WO2021025293A1
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battery
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cell stack
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이종철
허근회
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack including a heating member, and specifically, to a battery pack comprising a heating member attached to and arranged on three of the outer surfaces of the battery cell stack in order to reduce the temperature deviation of the battery cell stack.
  • Secondary batteries used in devices requiring a large capacity and high voltage, such as the electric vehicle, are used in the form of a battery cell assembly or a battery pack having a structure in which a plurality of battery cells are arranged.
  • the battery cell assembly or the battery pack may be affected by various operating environments of the device. For example, a difference in charge amount and output of the battery pack or the like may appear large depending on temperature conditions.
  • a battery pack charging at a sub-zero temperature has a lower temperature. Due to this, a significant limitation is placed on the amount of charge, so a longer charging time is required than a battery pack charged at the temperature of the image.
  • FIG. 1 schematically shows an exploded perspective view of a battery pack including a conventional heating member.
  • the battery pack 100 includes a battery cell stack 110 formed by closely arranging a plurality of battery cells 111, a heating member 120 positioned under the battery cell stack 110, and It includes a battery pack case 130 accommodating the battery cell stack 110 and the heating member 120.
  • the heating member 120 is applied to the lower surface of the battery cell stack 110 accommodated in the battery pack case 130, and the battery cell stack 110 may be heated at the lower side of the battery cell stack 110.
  • the heating member 120 has a flat structure and contacts only the lower surface of the battery cell stack 110, the time required to increase the temperature of the entire battery cell stack 110 is lengthened.
  • the battery cells on the outside of the battery cell stack 110 are in close contact with the battery pack case 130 made of a metal material to provide good heat dissipation, whereas the battery cells in the center of the battery cell stack 110 have a heating element property. Since the battery cells are arranged in close contact, the temperature rises faster, so that the temperature deviation between individual battery cells increases.
  • This not only causes a difference in the amount of charge between the battery cells, but also causes a difference in lifespan of individual battery cells.
  • Patent Document 1 includes a heat dissipation and heating film including a carbon nanotube heating element in a battery module and/or an exterior case, and the heat dissipation film is formed of a thermally conductive material to release heat of the unit battery.
  • a battery assembly comprising a heat-dissipating layer and an adhesive layer formed between the first and second heat-dissipating layers to bond the first and second heat-dissipating layers
  • the structure of the heat-dissipating film itself is specifically presented. It has not been able to propose a method to reduce the temperature deviation between cells.
  • Patent Document 2 discloses that a heating pad and a foam insulation material are inserted and filled in a cell module assembly including a plurality of battery cells, and the temperature condition for the use environment of the battery pack is out of the guaranteed temperature range of the battery cell by controlling the operation of the heating pad.
  • foam insulation is used in addition to a heating pad to increase the temperature of the battery pack.
  • Patent Document 3 relates to a pack battery including an inner case for storing a plurality of batteries in a parallel position, an outer case for storing the inner case, and a seat heater disposed between the inner case and the outer case to heat the battery.
  • a resistance wire is fixed to a flexible insulating sheet.
  • the seat heater is bent to bend the resistance line along the corner of the inner case and fixed to the two sides of the inner case, and the seat heater has a convex portion or a concave portion in the direction of the bending line at the bent portion located at the corner of the inner case. It is characterized in that it is fixed to the insulating sheet as a curved portion to be formed.
  • Patent Document 1 Korean Patent Application Publication No. 2012-0053476 (2012.05.25)
  • Patent Document 2 Korean Patent Application Publication No. 2018-0085123 (2018.07.26)
  • Patent Document 3 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2007-213939 (2007.08.23)
  • the present invention is to solve the above problems, in a battery cell stack having a structure in which a plurality of battery cells are stacked in close contact, heating in a form surrounding the outer surface of the battery cell stack in order to reduce temperature deviation between battery cells. It is an object of the present invention to provide a battery pack including a member.
  • the battery pack according to the present invention for achieving this purpose is a battery cell stack having a structure in which a plurality of battery cells are in close contact, and heating arranged in close contact with three outer surfaces of the battery cell stack.
  • Member and a battery pack case for accommodating the battery cell stack and the heating member, and the heating member may have an integral structure including a first surface, a second surface, and a third surface.
  • the heating member may be in a form in which energy is supplied from an external power source to generate heat.
  • the battery cell stack may be arranged such that a side surface of the storage portion is parallel to the ground while the storage portions of the plurality of pouch-type battery cells are stacked to face each other.
  • the heating member has a first bent portion formed between the first surface and the second surface, a second bent portion is formed between the second surface and the third surface, and a first battery cell positioned at the outermost side of the battery cell stack
  • the first and third surfaces may be respectively positioned on outer surfaces of the and second battery cells.
  • the area of the second surface of the heating member may have the same size as the outer surface of the battery cell stack facing each other.
  • the first and second surfaces of the heating member may have a shape in which at least a portion of a portion adjacent to the electrode tab is removed.
  • the heating member may include a metal or non-metal resistance heating element.
  • the heating member may have a form in which a resistance heating element is accommodated in an insulating pad.
  • the insulating pad includes a first surface facing the battery cell stack and a second surface facing the battery pack case, the first surface is made of a material having high thermal conductivity, and the second surface is thermally insulating. Can be made of this high material
  • the heating member may be a first heating member, and may further include a second heating member disposed symmetrically in a direction opposite to the first heating member and arranged to be attached to the outer surface of the battery cell stack.
  • a temperature sensor is connected to each of the battery cells, and a control member for adjusting the heating temperature of the heating member according to the temperature of the individual battery cells measured by the temperature sensor may be further included.
  • the temperature of the battery cell having the highest temperature in the battery cell stack may be within 1.5 times the temperature of the battery cell having the lowest temperature.
  • the present invention can provide a device including the battery pack as a power source.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery pack including a conventional heating member.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery pack including a heating member according to the first embodiment.
  • FIG 3 is a perspective view of a heating member according to a second embodiment.
  • FIG. 4 is a perspective view of a heating member according to a third embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view of a heating member according to a fourth embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a heating member according to a fifth embodiment.
  • Example 7 is a graph showing the temperature distribution of battery cells in the battery pack manufactured in Example.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery pack including a heating member according to the first embodiment.
  • the battery pack 200 includes a battery cell stack 210 having a structure in which a plurality of pouch-type battery cells 211 are stacked in close contact, and attached and arranged on a part of the outer surface of the battery cell stack 210.
  • the battery cell stack 210 includes the left side 210a of the battery cell stack, the lower side 210b of the battery cell stack, the right side 210c of the battery cell stack, except for the outer surfaces of both sides where the electrode tabs 212 protrude. It includes the upper side (210d) of the battery cell stack.
  • the heating member 220 is an integral structure including a first surface 221 of the heating member, a second surface 222 of the heating member, and a third surface 223 of the heating member, and the first surface 221 of the heating member ) Is attached and arranged on the outer surface of the left side 210a of the battery cell stack, and the second surface 222 of the heating member is attached and arranged on the outer surface of the lower side 210b of the battery cell stack, and the third side of the heating member 223 is attached and arranged on the outer surface of the right side 210c of the battery cell stack.
  • the heating member 220 is attached and arranged on three outer surfaces consisting of the left side 210a of the battery cell stack, the lower side 210b of the battery cell stack, and the right side 210c of the battery cell stack.
  • the contact surface between the stack 210 and the heating member 220 may be increased.
  • the temperature of the battery cells located outside the battery cell stack 210 is the temperature of the battery cells located at the center of the battery cell stack 210 It may show a lower temperature distribution.
  • the temperature of the unit cell by directly heating the battery cells located outside the low temperature. Because it can increase the temperature deviation caused by the location of the battery cells can be reduced.
  • the temperature inside the battery pack can be rapidly increased, and it is possible to maintain a heated state. It is advantageous, and the temperature inside the battery pack can be uniformly maintained. Therefore, the temperature distribution of the battery cells inside the battery pack may be uniform.
  • the battery pack according to the present invention is to reduce the temperature deviation between the battery cells constituting the battery cell stack.
  • heating members are arranged on the left side, the lower side, and the right side of the battery cell stack.
  • a first bent portion 227 is formed between the first surface 221 of the heating member and the second surface 222 of the heating member, and the second surface 222 of the heating member and the third surface of the heating member (
  • a second bent portion 228 is formed between the 223, the first battery cell 211 and the second battery cell 219 are located at the outermost side of the battery cell stack, and the outer surface of the first battery cell 211
  • the third surface 223 of the heating member is located, and the first surface 221 of the heating member is located on the outer surface of the second battery cell 219.
  • the area of the second surface 222 of the heating member is preferably made of the same size as the lower surface 210b of the battery cell stack.
  • the height of the first surface 221 of the heating member and the third surface 223 of the heating member is the height of the battery cell stack facing each of the first surface 221 of the heating member and the third surface 223 of the heating member. It may be of a size equal to or smaller than the height of the left side 210a and the right side 210c, and in detail, the area of the first side 221 and the third side 223 of the heating member is the battery cell.
  • the stack may have a size of 10% or more of the area of the left side 210a and the right side 210c.
  • the height of the first surface 221 and the third surface 223 of the heating member 220 may be formed to be greater than 50% of the area of the left surface 210a and the right surface 210c of the battery cell stack.
  • it may be made in a size of 50% to 100%, and more specifically, it may be made in a size of 80% to 100%.
  • the area of the first surface of the heating member and the third surface of the heating member is less than 50% of the area of each of the left and right surfaces of the battery cell stack, it is difficult to achieve the purpose of reducing the temperature deviation between the battery cells. If it is larger than 100%, it is not preferable because the size of the heating member may be larger than that of the battery pack case.
  • the heating method of the heating member is not particularly limited.
  • the heating member may generate heat by supplying energy from an external power source in order to heat the battery cells inside the battery pack by heating the heating member.
  • the heating member may include a metal resistance heating element or a non-metal resistance heating element, for example, iron, nickel, nickel chromium, iron chromium, platinum, and an alloy of platinum and rhodium may be used as the material of the metal resistance heating element.
  • the use temperature may be 1,200 °C to 2,500 °C in a vacuum or hydrogen stream.
  • Silicon carbide as a material of the non-metal resistance heating element; Or sodium nitrate, potassium nitrate, calcium deteriorated, sodium chloride, potassium chloride, sodium carbonate and barium chloride may be used alone or as a mixture, and carbon is a rod-shaped or tubular shape in a gas or vacuum other than oxidizing at a high temperature of 2,500 °C to 3,000 °C Can be used up to.
  • the battery pack 200 includes a temperature sensor 240 for adjusting the temperature of the heating member 220 when a temperature deviation occurs by measuring the temperature of individual battery cells.
  • the temperature sensor 240 is attached to the outer surface of the individual battery cells, and the battery pack further includes a control member (not shown) that adjusts the heating temperature of the heating member according to the temperature of the individual battery cells measured by the temperature sensor 240.
  • the control member increases the temperature of the heating member to increase the temperature of the battery cell located outside the battery cell stack. You can raise the temperature of the cells.
  • FIG 3 is a perspective view of a heating member according to a second embodiment.
  • the heating member 320 is an integral structure including a first surface 321 of the heating member, a second surface 322 of the heating member, and a third surface 323 of the heating member.
  • the first surface 321 and the third surface 323 of the heating member have a structure in which both ends are concave inward.
  • the first surface 321 of the heating member and the third surface 323 of the heating member are formed in a form in which a part adjacent to the electrode tab has been removed, so that temperature deviation occurs in individual battery cells. By minimizing it, the capacity reduction rate of individual battery cells can be reduced.
  • FIG. 4 is a perspective view of a heating member according to a third embodiment.
  • the heating member 420 is an integral structure including a first surface 421 of the heating member, a second surface 422 of the heating member, and a third surface 423 of the heating member.
  • the first surface 421 of the heating member and the third surface 423 of the heating member have a structure having a shorter length in the longitudinal direction (a) of the battery cell than the second surface 422.
  • the heating member 420 has a shape in which a portion adjacent to the electrode tab has been removed. It is possible to prevent a difference in life span for each battery cell.
  • FIG. 5 is a perspective view of a heating member according to a fourth embodiment.
  • the heating member includes a first heating member 520 and a second heating member 530 in two separate forms.
  • the first heating member 520 and the second heating member 530 are attached and arranged on the outer surface of the battery cell stack while being positioned so that the second surfaces 522 and 532 face each other.
  • the first heating member The sum of the height of the first surface 521 of the 520 and the height of the first surface 531 of the second heating member 530 or the height of the third surface 523 of the first heating member 520 and the second heating member
  • the sum of the heights of the third surface 533 of 530 may be a size corresponding to the height of the battery cell stack.
  • the heating member 520 and the second heating member 530 since the heating member is located up to the upper side of the battery cell stack, the effect of improving the temperature of the battery cell stack may increase, and the battery pack Since it is only necessary to add the process of covering the battery cell stack with the second heating member 530 to the assembly process of 200, it is possible to prevent a problem of difficulty in the assembly process.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a heating member according to a fifth embodiment.
  • the heating member 620 may be in a form in which a resistance heating element is accommodated in an insulating pad, and the insulating pad has a first surface 631 facing the battery cell stack and a battery pack case.
  • a second surface 632 may be included, the first surface 631 may be made of a material having high thermal conductivity, and the second surface 632 may be made of a material having high thermal insulation.
  • the first surface facing the battery cell stack is made of a material having high thermal conductivity to quickly transfer heat generated from the resistance heating element 633 inside the insulating pad to the battery cell stack without loss, and facing the battery pack case. It is preferable that the second surface is made of a material having high thermal insulation properties so that heat generated from the resistance heating element 633 inside the insulating pad cannot be discharged to the outside of the battery pack.
  • a flat heating pad was attached to the lower side of the battery cell stack as in the heating pad of FIG. 1, and the battery cell stacked on the battery pack case. And a heating pad were stored.
  • a temperature sensor was attached to each of the 12 pouch-type battery cells so that the temperature of individual battery cells could be measured.
  • a temperature sensor was attached to each of the 12 pouch-type battery cells so that the temperature of individual battery cells could be measured.
  • the battery packs prepared in Examples and Comparative Examples were accommodated in a chamber at -30° C., the heating member was heated for 1 hour, and then the temperature distribution of the battery cells was measured, and the temperature distribution of the Example is shown in FIG. The temperature distribution of the example is shown in FIG. 8.
  • the numbers on the horizontal axis are numbers attached to the battery cells constituting the battery cell stack in one direction.
  • the graph of FIG. 7 shows the highest temperature of battery cell 6, and the graph of FIG. 8 shows the highest temperature of battery cell 7, and the overall temperature of the central battery cells is high, and battery 1 and battery 12 located at both ends. It appears that the cell's temperature belongs to the lowest side.
  • the temperature difference between the 12 battery cells is not large, and the temperature of the battery cell 6 with the highest temperature is approximately 1.3 times higher than that of the battery cell 3 with the lowest temperature, whereas in FIG.
  • the temperature of the battery cell is about 5.5 times the temperature of the 1st battery cell and about 11 times the temperature of the 12th battery cell.
  • the battery cells of the comparative example have a very large temperature deviation, but the battery cells of the embodiment exhibit a uniform temperature distribution.
  • the battery pack according to the present invention prevents a difference in lifespan of the battery cells, thereby providing a high-efficiency and high-life battery pack.
  • the battery pack according to the present invention can reduce the temperature deviation between battery cells, it is installed inside a device used in a sub-zero temperature area or a device such as a freezer and used as a power source for these devices. It is desirable to do.
  • the battery pack according to the present invention uses a heating member having a structure attached and arranged on the three outer surfaces of the battery cell stack to surround the outer surface of the battery cell stack, additional heat is generated from the outside of the battery cell stack. As the area of the member is increased, temperature variation between the battery cells constituting the battery cell stack can be significantly reduced.
  • the heating member does not directly contact the electrode tab portion having a relatively high temperature in the individual battery cells, it is possible to minimize the temperature deviation within the individual battery cells.

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Abstract

본 발명은 전지팩을 구성하는 전지셀 스택에서, 전지셀들 간의 온도 편차가 발생하는 것을 억제하기 위하여, 복수의 전지셀들이 밀착되도록 적층된 구조의 전지셀 스택(battery cell stack), 상기 전지셀 스택의 외면 중 세 개의 외면에 부착 배열되는 히팅(heating) 부재, 상기 전지셀들 각각에 연결되는 온도 센서 및 상기 전지셀 스택, 상기 히팅 부재 및 상기 온도 센서를 수용하는 전지팩 케이스를 포함하고, 상기 히팅 부재는 제1면, 제2면 및 제3면을 포함하는 일체형 구조로 이루어지는 전지팩에 대한 것이다. (대표도) 도 2

Description

히팅 부재를 포함하는 전지팩
본 출원은 2019년 8월 8일자 한국 특허 출원 제2019-0096973호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원 발명은 히팅 부재를 포함하는 전지팩에 대한 것으로서, 구체적으로, 전지셀 스택의 온도 편차를 줄이기 위하여 전지셀 스택의 외면 중 세개의 외면에 부착 배열되는 히팅 부재를 포함하는 구조로 이루어진 전지팩에 대한 것이다.
화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량이 주요 대기오염원으로 지적됨에 따라, 이에 대한 방안으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 대한 에너지원으로서 이차전지에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
상기 전기자동차 등과 같이 대용량 및 고전압을 필요로 하는 디바이스에 사용되는 이차전지는 다수의 전지셀들이 배열된 구조의 전지셀 어셈블리 내지 전지팩 등의 형태로 사용된다.
상기 전지셀 어셈블리 또는 전지팩 등은 디바이스의 다양한 운용 환경의 영향을 받을 수 있는 바, 예를 들어, 온도 조건에 따라 전지팩 등의 충전량과 출력에 차이가 크게 나타날 수 있다.
구체적으로, 동일한 충전용량으로 충전을 하기 위하여 리튬 이차전지를 포함하는 전지팩을 영하의 온도에서 충전하는 경우와 영상의 온도에서 충전하는 경우를 비교할 때, 영하의 온도에서 충전하는 전지팩은 낮은 온도로 인하여 충전량에 상당한 제한이 발생하기 때문에 영상의 온도에서 충전하는 전지팩보다 긴 충전 시간이 필요하다.
이에, 전지팩의 온도를 일정정도 이상으로 유지하기 위하여 발열 패드를 전지팩 내부에 부가하여 사용하는 등 다양한 시도가 이루어지고 있다.
구체적으로 도 1은 종래의 히팅 부재를 포함하는 전지팩의 분해 사시도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 복수의 전지셀(111)들이 밀착 배열되어 형성한 전지셀 스택(110), 전지셀 스택(110)의 하부에 위치하는 히팅 부재(120), 및 전지셀 스택(110)과 히팅 부재(120)를 수용하는 전지팩 케이스(130)를 포함한다.
히팅 부재(120)는 전지팩 케이스(130)에 수용되는 전지셀 스택(110)의 하면에 적용되는 바, 전지셀 스택(110)의 하부측에서 전지셀 스택(110)이 가열될 수 있다.
그러나, 히팅 부재(120)가 평면 구조로 이루어져서 전지셀 스택(110)의 하면과만 접촉되기 때문에 전지셀 스택(110) 전체의 온도를 증가시키는데 필요한 시간이 길어진다.
또한, 전지셀 스택(110)에서 외측에 있는 전지셀은 금속소재의 전지팩 케이스(130)에 밀착되어 방열이 잘 이루어지는 반면, 전지셀 스택(110)에서 중심부에 있는 전지셀들은 발열체 성질을 갖는 전지셀들이 밀착 배열된 상태이기 때문에 더 빠르게 온도가 올라가는 바, 개별 전지셀들 간에 온도 편차가 커지게 된다.
이는, 전지셀들 간의 충전량의 편차를 유발할 뿐 아니라, 개별 전지셀들의 수명 차이가 발생하는 원인이 된다.
한편, 특허문헌 1은 전지 모듈 및/또는 외장 케이스에 탄소나노튜브 발열체를 포함하는 방열 및 발열 필름을 포함하고, 상기 방열 필름은 열전도성 재질로 형성되어 단위 전지의 열을 방출하는 제1 및 제2방열층 및 상기 제1 및 제2방열층 사이에 형성되어 상기 제1 및 제2방열층을 접착시키는 접착층을 포함하는 전지조립체에 대한 것으로서, 방열 필름 자체의 구조를 구체적으로 제시하고 있으나, 전지셀들 간의 온도 편차를 줄이기 위한 방법을 제시하지 못하고 있다.
특허문헌 2는 다수의 배터리 셀을 포함하는 셀 모듈 조립체에 온열 패드 및 발포 단열재를 삽입 충진하고, 상기 온열 패드를 동작 제어하여 배터리 팩의 사용 환경에 대한 온도 조건이 배터리 셀의 보증 온도 범위를 벗어난 경우에도 안정적으로 사용할 수 있는 구조의 배터리 팩에 대한 것으로서, 배터리 팩의 온도 증가를 위하여 온열 패드 이외에 발포 단열재를 사용하고 있다.
특허문헌 3은 복수의 전지를 평행한 자세로 수납하는 내부 케이스와 상기 내부 케이스를 수납하는 외부 케이스와, 상기 내부 케이스 및 외부 케이스 사이에 배설되어 전지를 가온하는 시트 히터를 구비하는 팩전지에 대한 것으로서, 상기 시트 히터는 가요성 절연 시트에 저항선을 고정한 것으로. 상기 시트 히터는 내부 케이스의 코너를 따라 저항선을 절곡하도록 절곡해 내부 케이스의 2면에 고정되고, 시트 히터는 내부 케이스의 코너에 위치하는 절곡 부분에서 저항선을 절곡 라인의 방향으로 볼록부 또는 오목부가 되는 만곡부로서 절연 시트에 고정하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 종래의 기술들은 전지팩 내부 온도를 증가시키기 위하여, 방열 필름, 온열 패드 및 시트 히터 등을 사용하고 있으나, 전지팩을 구성하는 전지셀 스택들 사이에 온도 분포가 불균일한 문제를 해결하기 위한 해결책을 제시하지 못하고 있다.
이에, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 한국 공개특허공보 제2012-0053476호 (2012.05.25)
(특허문헌 2) 한국 공개특허공보 제2018-0085123호 (2018.07.26)
(특허문헌 3) 일본 공개특허공보 제2007-213939호 (2007.08.23)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 복수의 전지셀들이 밀착되도록 적층된 구조의 전지셀 스택에서, 전지셀들 간의 온도 편차를 줄이기 위하여, 상기 전지셀 스택의 외면을 감싸는 형태의 히팅 부재를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전지팩은 복수의 전지셀들이 밀착되도록 적층된 구조의 전지셀 스택(battery cell stack), 상기 전지셀 스택의 외면 중 세 개의 외면에 밀착 배열되는 히팅(heating) 부재 및 상기 전지셀 스택과 상기 히팅 부재를 수용하는 전지팩 케이스를 포함하고, 상기 히팅 부재는 제1면, 제2면 및 제3면을 포함하는 일체형 구조로 이루어질 수 있다.
상기 히팅 부재는 외부 전원으로부터 에너지가 공급되어 발열하는 형태일 수 있다.
상기 전지셀 스택은 복수의 파우치형 전지셀들의 수납부가 서로 마주보도록 적층된 상태에서, 상기 수납부의 측면이 지면과 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 히팅 부재는 제1면과 제2면 사이에 제1절곡부가 형성되고, 제2면과 제3면 사이에 제2절곡부가 형성되며, 상기 전지셀 스택의 최외각에 위치하는 제1전지셀과 제2전지셀의 외면에 상기 제1면 및 제3면이 각각 위치할 수 있다.
상기 히팅 부재의 제2면의 면적은 마주보는 전지셀 스택의 외면과 동일한 크기로 이루어질 수 있다.
상기 히팅 부재의 제1면 및 제2면은 전극 탭과 인접한 부분의 적어도 일부가 제거된 형태로 이루어질 수 있다.
상기 히팅 부재는 금속 또는 비금속의 저항 발열체를 포함할 수 있다.
상기 히팅 부재는 절연성의 패드 내부에 저항 발열체가 수용된 형태일 수 있다.
또한, 상기 절연성의 패드는 전지셀 스택과 대면하는 제1면과 전지팩 케이스와 대면하는 제2면을 포함하고, 상기 제1면은 열전도성이 높은 소재로 이루어지고, 상기 제2면은 단열성이 높은 소재로 이루어질 수 있다
상기 히팅 부재는 제1 히팅 부재이고, 상기 제1 히팅 부재와 반대 방향에서 대칭으로 위치하면서 상기 전지셀 스택의 외면에 부착 배열되는 제2 히팅 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전지셀들 각각에는 온도 센서가 연결되어 있고, 상기 온도 센서에서 측정된 개별 전지셀들의 온도에 따라 상기 히팅 부재의 발열 온도를 조절하는 조절 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전지셀 스택에서 가장 온도가 높은 전지셀의 온도는 가장 온도가 낮은 전지셀의 온도의 1.5배 이내일 수 있다.
본 발명은 상기 전지팩을 전력원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 히팅 부재를 포함하는 전지팩의 분해 사시도이다.
도 2는 제1실시예에 따른 히팅 부재를 포함하는 전지팩의 분해 사시도이다.
도 3은 하나의 제2실시예에 따른 히팅 부재의 사시도이다.
도 4는 하나의 제3실시예에 따른 히팅 부재의 사시도이다.
도 5는 하나의 제4실시예에 따른 히팅 부재의 사시도이다.
도 6은 하나의 제5실시예에 따른 히팅 부재의 단면도이다.
도 7은 실시예에서 제조된 전지팩에서 전지셀들의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 비교예에서 제조된 전지팩에서 전지셀들의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 2는 제1실시예에 따른 히팅 부재를 포함하는 전지팩의 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 전지팩(200)은 복수의 파우치형 전지셀(211)들이 밀착되도록 적층된 구조의 전지셀 스택(210), 전지셀 스택(210)의 외면 중 일부 상에 부착 배열되는 히팅 부재(220), 전지셀들(211) 각각에 연결되는 온도 센서(240) 및 전지셀 스택(210), 히팅 부재(220) 및 온도 센서(240)를 수용하는 전지팩 케이스(230)를 포함한다.
전지셀 스택(210)은 전극 탭(212)이 돌출된 양측 외면을 제외하면, 전지셀 스택의 좌측면(210a), 전지셀 스택의 하측면(210b), 전지셀 스택의 우측면(210c) 및 전지셀 스택의 상측면(210d)을 포함한다.
히팅 부재(220)는 히팅 부재의 제1면(221), 히팅 부재의 제2면(222) 및 히팅 부재의 제3면(223)을 포함하는 일체형 구조이고, 히팅 부재의 제1면(221)은 전지셀 스택의 좌측면(210a)의 외면에 부착 배열되고, 히팅 부재의 제2면(222)은 전지셀 스택의 하측면(210b)의 외면에 부착 배열되며, 히팅 부재의 제3면(223)은 전지셀 스택의 우측면(210c)의 외면에 부착 배열된다.
즉, 히팅 부재(220)는 전지셀 스택의 좌측면(210a), 전지셀 스택의 하측면(210b) 및 전지셀 스택의 우측면(210c)으로 구성되는 세 개의 외면에 부착 배열되는 바, 전지셀 스택(210)과 히팅 부재(220)의 접촉면을 증가시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전지팩(200)이 저온 환경에 노출되는 경우, 전지셀 스택(210)에서 외측에 위치하는 전지셀의 온도는 전지셀 스택(210)에서 중심부에 위치하는 전지셀의 온도 보다 낮은 온도 분포를 보일 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이 전지셀 스택의 하측면 뿐 아니라 전지셀 스택의 좌측면 및 우측면에도 부착 배열되는 히팅 부재를 사용하는 경우에는 온도가 낮은 외측에 위치하는 전지셀들을 직접 가열하여 단위셀의 온도를 증가시킬 수 있기 때문에 전지셀들의 위치에 따라 발생하는 온도 편차를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 히팅 부재를 포함하는 전지팩의 경우에는, 전지팩 내부에서 히팅 부재가 적용되는 면적이 늘어나기 때문에 전지팩 내부의 온도를 빠르게 증가시킬 수 있고, 가열된 상태를 유지하는 데 유리하며, 전지팩 내부 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 전지팩 내부에 있는 전지셀들의 온도 분포도 균일하게 될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀 스택을 구성하는 전지셀들 간의 온도 편차를 줄이기 위한 것인 바, 전지셀 스택을 구성하는 파우치형 전지셀들은 수납부가 서로 마주보도록 적층된 상태에서, 상기 수납부의 측면(213)이 지면과 평행하도록 배치되는 것이 바람직하다.
이와 같이 전지셀들이 배치된 상태에서 전지셀 스택의 좌측면, 하측면 및 우측면에 히팅 부재가 배열된다.
상기 히팅 부재의 제1면(221)과 히팅 부재의 제2면(222) 사이에 제1절곡부(227)가 형성되고, 히팅 부재의 제2면(222)과 히팅 부재의 제3면(223) 사이에 제2절곡부(228)가 형성되며, 전지셀 스택의 최외각에는 제1전지셀(211)과 제2전지셀(219)이 위치하고, 제1전지셀(211)의 외면에 히팅 부재의 제3면(223)이 위치하고 제2전지셀(219)의 외면에 히팅부재의 제1면(221)이 위치한다.
히팅 부재의 제2면(222)의 면적은 전지셀 스택의 하측면(210b)과 동일한 크기로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 히팅 부재의 제1면(221) 및 히팅 부재의 제3면(223)의 높이는 히팅 부재의 제1면(221) 및 히팅 부재의 제3면(223) 각각과 대면하는 전지셀 스택의 좌측면(210a) 및 우측면(210c)의 높이와 동일하거나 작은 크기로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 히팅 부재의 제1면(221) 및 히팅 부재의 제3면(223)의 면적이 상기 전지셀 스택의 좌측면(210a) 및 우측면(210c) 면적의 10% 이상이 되는 크기로 이루어질 수 있다.
또는, 히팅 부재(220)의 제1면(221) 및 제3면(223)의 높이는 전지셀 스택의 좌측면(210a) 및 우측면(210c) 면적의 50% 보다 크게 형성될 수 있는 바, 상세하게는, 50% 내지 100%의 크기로 이루어질 수 있고, 더욱 상세하게는 80% 내지 100%의 크기로 이루어질 수 있다.
상기 히팅 부재의 제1면 및 히팅 부재의 제3면의 면적이 전지셀 스택의 좌측면 및 우측면 각각의 면적의 50% 보다 작은 경우에는, 전지셀들 간의 온도 편차를 줄이기 위한 목적을 달성하기 어렵고 100% 보다 큰 경우에는 히팅 부재의 크기가 전지팩 케이스 보다 커질 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 히팅 부재의 발열 방법은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 상기 히팅 부재가 발열하여 전지팩 내부의 전지셀을 가열하기 위하여 외부 전원으로부터 에너지가 공급되어 발열하는 형태일 수 있다.
히팅 부재는 금속 저항 발열체 또는 비금속 저항 발열체를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 금속 저항 발열체의 소재로는 철, 니켈, 니켈크롬, 철크롬, 백금, 및 백금과 로듐의 합금이 사용될 수 있으며 사용 온도는 진공 중, 또는 수소 기류 중에서 1,200 ℃ 내지 2,500 ℃일 수 있다. 상기 비금속 저항 발열체의 소재로는 탄화규소; 또는 질산나트륨, 질산칼륨, 열화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨, 탄산나트륨 및 염화바륨 등이 단독 또는 혼합물로 사용될 수 있으며, 탄소는 막대 모양 또는 관 모양으로 산화성 이외의 기체나 진공 중에서 2,500 ℃ 내지 3,000℃의 고온까지 사용될 수 있다.
전지팩(200)은 개별 전지셀들의 온도를 측정하여 온도 편차가 발생하는 경우 히팅 부재(220)의 온도를 조절하기 위한 온도 센서(240)를 포함한다. 온도 센서(240)는 개별 전지셀들의 외면에 부착되는 바, 전지팩은 온도 센서(240)에서 측정된 개별 전지셀들의 온도에 따라 히팅 부재의 발열 온도를 조절하는 조절 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.
따라서, 전지셀 스택에서 외측에 위치하는 전지셀의 온도가 중심에 위치하는 전지셀의 온도와 편차가 크게 발생하면, 상기 조절 부재는 히팅 부재의 온도를 증가시켜서 전지셀 스택에서 외측에 위치하는 전지셀들의 온도를 올릴 수 있다.
도 3은 하나의 제2실시예에 따른 히팅 부재의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 히팅 부재(320)는 히팅 부재의 제1면(321), 히팅 부재의 제2면(322) 및 히팅 부재의 제3면(323)을 포함하는 일체형 구조로서, 히팅 부재의 제1면(321) 및 히팅 부재의 제3면(323)은 양측 끝단이 내측으로 오목한 구조이다.
일반적으로, 전지셀은 전극 탭 주변 온도가 나머지 부분의 온도보다 상대적으로 높게 측정되는 바, 개별 전지셀 내부에서도 위치에 따라 온도 편차가 발생한다.
히팅 부재(320)에서 히팅 부재의 제1면(321) 및 히팅 부재의 제3면(323)은 전극 탭과 인접한 부분의 일부가 제거된 형태로 이루어지는 바, 개별 전지셀에서 온도 편차가 일어나는 것을 최소화하여 개별 전지셀의 용량 감소율을 저하시킬 수 있다.
도 4는 하나의 제3실시예에 따른 히팅 부재의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 히팅 부재(420)는 히팅 부재의 제1면(421), 히팅 부재의 제2면(422) 및 히팅 부재의 제3면(423)을 포함하는 일체형 구조로서, 히팅 부재의 제1면(421) 및 히팅 부재의 제3면(423)은 제2면(422) 보다 전지셀의 길이 방향(a) 길이가 짧은 구조이다.
도 3에 도시된 제2실시예에 따른 히팅 부재(320)와 같이 히팅 부재(420)는 전극 탭과 인접한 부분의 일부가 제거된 형태인 바, 개별 전지셀에서 온도 편차가 일어나는 것을 최소화하여 개별 전지셀마다 수명 차이가 생기는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 하나의 제4실시예에 따른 히팅 부재의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 히팅 부재는 2개의 분리된 형태의 제1 히팅 부재(520)와 제2 히팅 부재(530)로 구성된다.
제1 히팅 부재(520)와 제2 히팅 부재(530)는 제2면(522, 532)이 서로 바라보도록 위치하면서 전지셀 스택의 외면에 부착 배열된다.
상기 제1실시예 내지 제3실시예의 히팅 부재들(220, 320, 420)의 제1면 및 제3면의 높이는 전지셀 스택의 높이와 대응되는 크기로 이루어질 수 있는 것과 달리, 제1 히팅 부재(520)의 제1면(521) 높이와 제2 히팅 부재(530)의 제1면(531) 높이의 합 또는 제1 히팅 부재(520)의 제3면(523) 높이와 제2 히팅 부재(530)의 제3면(533) 높이의 합은 전지셀 스택의 높이와 대응되는 크기로 이루어질 수 있다.
제1 히팅 부재(520) 및 제2 히팅 부재(530)로 구성되는 경우에는 전지셀 스택의 상측면까지 히팅 부재가 위치하기 때문에 전지셀 스택의 온도 향상 효과가 증가할 수 있을 뿐 아니라, 전지팩(200)의 조립 과정에 제2 히팅 부재(530)로 전지셀 스택을 덮는 과정만을 추가하면 되기 때문에 조립 과정에 어려움이 생기는 문제를 방지할 수 있다.
도 6은 하나의 제5실시예에 따른 히팅 부재의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 히팅 부재(620)는 절연성의 패드 내부에 저항 발열체가 수용된 형태일 수 있는 바, 절연성의 패드는 전지셀 스택과 대면하는 제1면(631)과 전지팩 케이스와 대면하는 제2면(632)을 포함하고, 제1면(631)은 열전도성이 높은 소재로 이루어지고, 제2면(632)은 단열성이 높은 소재로 이루어질 수 있다.
즉, 전지셀 스택과 대면하는 제1면은 절연성의 패드 내부에 있는 저항 발열체(633)에서 발생한 열을 전지셀 스택에 빠르게 손실없이 전달하도록 열전도성이 높은 소재로 이루어지고, 전지팩 케이스와 대면하는 제2면은 절연성의 패드 내부에 있는 저항 발열체(633)에서 발생한 열을 전지팩 외부로 배출하지 못하도록 단열성이 높은 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본원 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<비교예>
12개의 파우치형 전지셀을 준비하고 도 1의 전지셀 스택과 같이 배치한 후, 전지셀 스택의 하측면에 도 1의 히팅 패드와 같이 평면 형상의 히팅 패드를 부착하고 전지팩 케이스에 전지셀 스택과 히팅 패드를 수납하였다.
상기 12개의 파우치형 전지셀들 각각에는 온도 센서를 부착하여 개별 전지셀들의 온도를 측정할 수 있게 하였다.
<실시예>
12개의 파우치형 전지셀을 준비하고, 도 2의 전지셀 스택과 같이 배치한 후, 도 2의 히팅 패드를 전지셀 스택의 하측면, 좌측면 및 우측면에 부착하여 전지팩 케이스에 수납하였다
상기 12개의 파우치형 전지셀들 각각에는 온도 센서를 부착하여 개별 전지셀들의 온도를 측정할 수 있게 하였다.
<실험예>
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전지팩을 영하 30 ℃의 챔버에 수납하고, 히팅 부재를 1시간 동안 가열한 후 전지셀들의 온도 분포를 측정하였고, 실시예의 온도 분포를 도 7에 나타내고, 비교예의 온도 분포를 도 8에 나타냈다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 가로축에 있는 숫자는 전지셀 스택을 구성하는 전지셀들에 대해 일 방향 순서대로 붙인 번호이다.
도 7의 그래프는 6번 전지셀의 온도가 가장 높고 도 8의 그래프는 7번 전지셀의 온도가 가장 높으며, 전체적으로 중심부 전지셀들의 온도가 높고 양측 끝단에 위치하는 1번 전지셀과 12번 전지셀의 온도가 제일 낮은 측에 속하는 것으로 나타난다.
도 7에서는 12개의 전지셀들 간의 온도 편차가 크지 않고, 가장 온도가 높은 6번 전지셀의 온도가 가장 온도가 낮은 3번 전지셀의 온도보다 약 1.3배 높은 것으로 나타나는 반면, 도 8에서는 7번 전지셀의 온도는 1번 전지셀 온도의 약 5.5배이고 12번 전지셀 온도의 약 11배 높게 나타난다.
이와 같이, 비교예의 전지셀들은 온도 편차가 매우 크게 발생하고 있으나, 실시예의 전지셀들은 균등한 수준의 온도 분포를 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들의 수명 차이가 나는 것을 방지하여, 고효율 및 고수명의 전지팩을 제공할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들 간의 온도 편차를 낮출 수 있으므로, 영하의 온도인 지역에서 사용되는 디바이스, 또는 냉동고와 같은 디바이스 내부에 장착되어 이들 디바이스의 전력원으로 사용하는 것이 바람직하다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
100, 200: 전지팩
110, 210: 전지셀 스택
111, 211, 219: 전지셀
212: 전극 탭
120, 220, 320, 420, 520, 530, 620: 히팅 부재
130, 230: 전지팩 케이스
210a: 전지셀 스택의 좌측면
210b: 전지셀 스택의 하측면
210c: 전지셀 스택의 우측면
210d: 전지셀 스택의 상측면
213: 수납부의 측면
221, 321, 421, 521, 531: 히팅 부재의 제1면
222, 322, 422, 522, 532: 히팅 부재의 제2면
223, 323, 423, 523, 533: 히팅 부재의 제3면
227: 제1절곡부
228: 제2절곡부
240: 온도 센서
a: 전지셀의 길이 방향
631: 전지셀 스택과 대면하는 제1면
632: 전지팩 케이스와 대면하는 제2면
633: 저항 발열체
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지팩은 전지셀 스택의 외면을 감싸기 위하여 전지셀 스택의 세 개의 외면 상에 부착 배열되는 구조의 히팅 부재를 사용하기 때문에, 전지셀 스택의 외측에서 추가 발열하는 부재의 면적이 증가하는 바, 상기 전지셀 스택을 구성하는 전지셀들 간의 온도 편차를 현저히 줄일 수 있다.
또한, 개별 전지셀 내에서 상대적으로 온도가 높은 전극 탭 부분에는 히팅 부재가 직접 접촉하지 않는 구조를 사용함으로써 개별 전지셀 내부에서 온도 편차가 일어나는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 히팅 부재의 외측에는 단열성 소재를 적용하고 내측에는 방열성 소재를 사용함으로써, 전지팩 내부의 온도를 증가시킬 뿐 아니라, 증가된 전지셀 내부 온도가 전지팩 외부로 배출되는 것을 억제할 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 전지셀들이 밀착되도록 적층된 구조의 전지셀 스택(battery cell stack);
    상기 전지셀 스택의 외면 중 세 개의 외면에 밀착 배열되는 히팅(heating) 부재; 및
    상기 전지셀 스택과 상기 히팅 부재를 수용하는 전지팩 케이스;
    를 포함하고,
    상기 히팅 부재는 제1면, 제2면 및 제3면을 포함하는 일체형 구조로 이루어지는 전지팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히팅 부재는 외부 전원으로부터 에너지가 공급되어 발열하는 형태인 전지팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전지셀 스택은 복수의 파우치형 전지셀들의 수납부가 서로 마주보도록 적층된 상태에서, 상기 수납부의 측면이 지면과 평행하도록 배치되는 전지팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 히팅 부재는 제1면과 제2면 사이에 제1절곡부가 형성되고, 제2면과 제3면 사이에 제2절곡부가 형성되며,
    상기 전지셀 스택의 최외각에 위치하는 제1전지셀과 제2전지셀의 외면에 상기 제1면 및 제3면이 각각 위치하는 전지팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 히팅 부재의 제2면의 면적은 마주보는 전지셀 스택의 외면과 동일한 크기로 이루어지는 전지팩.
  6. 제1항에 있어서, 상기 히팅 부재의 제1면 및 제2면은 전극 탭과 인접한 부분의 적어도 일부가 제거된 형태로 이루어진 전지팩.
  7. 제1항에 있어서, 상기 히팅 부재는 금속 또는 비금속의 저항 발열체를 포함하는 전지팩.
  8. 제7항에 있어서, 상기 히팅 부재는 절연성의 패드 내부에 저항 발열체가 수용된 형태인 전지팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 절연성의 패드는 전지셀 스택과 대면하는 제1면과 전지팩 케이스와 대면하는 제2면을 포함하고,
    상기 제1면은 열전도성이 높은 소재로 이루어지고, 상기 제2면은 단열성이 높은 소재로 이루어진 전지팩.
  10. 제1항에 있어서, 상기 히팅 부재는 제1 히팅 부재이고, 상기 제1 히팅 부재와 반대 방향에서 대칭으로 위치하면서 상기 전지셀 스택의 외면에 부착 배열되는 제2 히팅 부재를 더 포함하는 전지팩.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전지셀들 각각에는 온도 센서가 연결되어 있고,
    상기 온도 센서에서 측정된 개별 전지셀들의 온도에 따라 상기 히팅 부재의 발열 온도를 조절하는 조절 부재를 더 포함하는 전지팩.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전지셀 스택에서 가장 온도가 높은 전지셀의 온도는 가장 온도가 낮은 전지셀의 온도의 1.5배 이내인 전지팩.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전지팩을 전력원으로 포함하는 디바이스.
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