WO2021045376A1 - 배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치 - Google Patents

배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치 Download PDF

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WO2021045376A1
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battery module
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최지순
강달모
박재동
이상훈
조현기
최용석
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack, a battery rack including the same, and a power storage device, and more particularly, to a battery pack with improved stability against thermal runaway of a battery module.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are applied, respectively, are disposed with a separator therebetween, and a case material for sealing and receiving the electrode assembly together with an electrolyte solution, that is, a battery pouch case material.
  • secondary batteries are widely used not only in small devices such as portable electronic devices, but also in mid- to large-sized devices such as automobiles and power storage devices.
  • a large number of secondary batteries are electrically connected to increase capacity and output.
  • pouch-type secondary batteries are widely used in such medium-sized devices due to the advantage of easy stacking.
  • such a battery pack generally includes an outer housing made of a metal material to protect or store a plurality of secondary batteries from an external impact. Meanwhile, the demand for high-capacity battery packs is increasing in recent years.
  • the battery pack or battery rack of the prior art includes a plurality of battery modules, and when some of the plurality of secondary batteries of each battery module are thermally runaway and ignite or explode, heat or Since there is a case where a second explosion or the like occurs due to the transmission of flames, efforts to prevent the second ignition or explosion are increasing.
  • an object of the present invention is to provide a battery pack with improved stability against thermal runaway of a battery module, as invented to solve the above problems.
  • At least one battery module including a plurality of battery cells and a module housing for accommodating the plurality of battery cells;
  • At least one thermoelectric module configured to be positioned outside or inside the module housing of the battery module and generating a voltage when the battery module rises above a predetermined temperature
  • thermoelectric module configured to discharge the battery module when a voltage of a predetermined size or more is applied from the thermoelectric module.
  • the module housing may be provided with at least one exposed hole perforated to communicate inside and outside, and the thermoelectric module may be positioned to face the exposed hole.
  • thermoelectric module
  • thermoelectric leg consisting of a p-type leg and an n-type leg
  • a high-temperature side substrate and a low-temperature side substrate may be provided in a plate shape and disposed at the bottom and the top to electrically insulate the electrode from the outside.
  • thermoelectric module is located outside the module housing
  • At least a portion of the high temperature side substrate may be inserted into the exposure hole.
  • the module housing is provided with a receiving groove recessed in the inner direction to receive the thermoelectric module
  • the low-temperature-side substrate may be positioned above the receiving groove.
  • thermoelectric module When a voltage of a predetermined size or more is applied from the thermoelectric module, an external short circuit configured to be electrically connected to an external power terminal of the battery module to exhaust power of the battery module may be provided.
  • a drain unit configured to exhaust power supplied from the battery module
  • At least one operation switch configured to electrically connect the battery module and the resistor may be provided.
  • thermoelectric module When a predetermined voltage or more is supplied from the thermoelectric module, it is turned on, and a changeover switch may be further provided to turn on the operation switch by supplying power of the battery module to the operation switch.
  • a connection bar configured to be electrically connected between the positive connection part and the negative connection part
  • a moving member configured to move the connection bar so that the connection bar contacts between the positive connection part and the negative connection part when power of a predetermined voltage or more is supplied to the changeover switch.
  • a heating element whose temperature rises above a predetermined temperature by power supplied to the operation switch;
  • a phase change member having one end connected to the heating element, the other end connected to the connection bar, and changing a phase from a solid state to a liquid state at the predetermined temperature or higher;
  • connection bar One end is connected to the connection bar, the other end is connected to the heating element, and when the phase change member changes to a liquid state, a pressure spring configured to pressurize and move the connection bar may be provided.
  • a heating element whose temperature rises above a predetermined temperature by power supplied to the operation switch;
  • a volume expansion at a predetermined temperature or higher may include an expansion unit configured to move the connection bar.
  • An auxiliary battery capable of supplying a predetermined voltage or higher.
  • thermoelectric module When a predetermined voltage or higher is supplied from the thermoelectric module, a switching switch may be further provided to turn on the operation switch by supplying a predetermined or higher voltage of the auxiliary battery to the operation switch.
  • the operation switch may be a transistor switch configured to electrically connect the battery module and the resistor when electricity of a predetermined voltage or higher is supplied from the thermoelectric module.
  • the battery rack according to the present invention for achieving the above object includes a battery pack, and a rack case accommodating the battery pack.
  • the power storage device for achieving the above object includes at least one of the battery racks.
  • the battery pack of the present invention includes an energy consumption unit configured to discharge the battery module when the battery module is raised to a predetermined temperature or higher and a voltage of a predetermined size or higher is applied from the thermoelectric module.
  • an energy consumption unit configured to discharge the battery module when the battery module is raised to a predetermined temperature or higher and a voltage of a predetermined size or higher is applied from the thermoelectric module.
  • a passive method of consuming the energy of the battery module can be used by increasing the voltage of the thermoelectric module according to the temperature change of the battery module. have. Accordingly, in the present invention, since it is possible to use both an active method and a passive method, when a thermal runaway or an explosion of the battery module occurs, it is possible to cope with it with high reliability.
  • the battery pack of the present invention has an exposure hole so that the inside and the outside of the battery module communicate with each other, so that the thermoelectric module can effectively receive the internal heat of the battery module.
  • the energy consuming unit can be operated with a quick response to the temperature change of the battery module, thereby discharging the battery module. Accordingly, it is possible to effectively increase the safety of the battery pack.
  • the battery module of the present invention has a storage groove internally inserted to accommodate the thermoelectric module in the provided module housing, so that the thermoelectric module does not protrude to the outside of the battery module. , It is possible to avoid the thermoelectric module from interfering with or colliding with external objects. Accordingly, damage to the thermoelectric module can be prevented, and durability of the battery pack can be increased.
  • the energy consuming unit of the present invention includes an external short circuit having a drain portion for consuming power of the battery module and at least one operation switch, thereby The operation switch electrically connects the battery module and the drain part by voltage, so that the power of the battery module can be effectively consumed. Accordingly, it is possible to prevent the fire of the battery module of the battery pack from spreading or increasing.
  • the energy consuming unit of the present invention is turned on when a predetermined voltage or more is supplied from the thermoelectric module, and a changeover switch that turns on such an operation switch as the power of the battery module is supplied to the operation switch.
  • the operation switch electrically connects the battery module and the resistor by a predetermined or higher voltage transmitted from the battery module, thereby inducing an external short circuit with high reliability. Accordingly, it is possible to effectively exhaust the power of the battery module.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing internal configurations of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module which is a part of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a vertical cross-sectional view of a thermoelectric module, which is a part of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view schematically showing some configurations of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view schematically showing the battery pack of FIG. 6 taken along line C-C'.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 12 and 13 are views schematically showing an operation of an internal configuration of an operation switch of an external short circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS 14 and 15 are diagrams schematically showing an operation of an internal configuration of an operation switch of an external short circuit according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a front view schematically showing a power storage device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view schematically showing the state of the internal components of the battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 200 includes at least one battery module 100 including a plurality of battery cells 110a, at least one thermoelectric module 210, and an energy consumption unit 220.
  • the battery cell 110a may be a pouch-type secondary battery.
  • each of the two cell assemblies 110 may be configured in a form in which 21 pouch-type battery cells 110a are stacked side by side in the front-rear direction (y direction).
  • the pouch-type battery cell 110a may include an electrode assembly (not shown), an electrolyte solution (not shown), and a pouch.
  • each of the battery cells 110a When viewed in the F direction (shown in Fig. 1), each of the battery cells 110a is roughly ground so that the two wide surfaces are located in the front and rear directions, and the sealing parts are located in the up, down, left, and right directions. It may be arranged in a form that is erected perpendicular to (Z direction). In other words, each battery cell 110a may be configured to be erected in a vertical direction. On the other hand, unless otherwise specified, it is based on the case of looking in the F direction with respect to the up, down, front, back, left, and right directions.
  • the pouch may be configured as a pouch in which a concave-shaped receiving portion is formed.
  • an electrode assembly and an electrolyte may be accommodated in the accommodating portion.
  • each pouch includes an outer insulating layer, a metal layer, and an inner adhesive layer, and the inner adhesive layer adheres to each other at an edge portion of the pouch, so that a sealing portion may be formed.
  • a terrace portion may be formed at each end portion of the battery cell 110a in the left-right direction (X direction) on which the positive lead 111 and the negative lead (not shown) are formed.
  • the electrode assembly is an assembly of an electrode plate and a separator coated with an electrode active material, and may be configured in a form in which at least one positive electrode plate and at least one negative electrode plate are disposed with the separator interposed therebetween.
  • a positive electrode tab is provided on the positive electrode plate of the electrode assembly, and one or more positive electrode tabs may be connected to the positive electrode lead 111.
  • the positive lead 111 has one end connected to the positive electrode tab and the other end exposed to the outside of the pouch, and the exposed part is an electrode terminal of the battery cell 110a, for example, a battery cell 110a.
  • a negative electrode tab is provided on the negative electrode plate of the electrode assembly, and one or more negative electrode tabs may be connected to the negative electrode lead (not shown).
  • the negative lead has one end connected to the negative tab and the other end exposed to the outside of the pouch, and the exposed portion is an electrode terminal of the battery cell 110a, for example, a negative terminal of the battery cell 110a.
  • the positive lead 111 and the negative lead are left and right in opposite directions (X direction) with respect to the center of the battery cell 110a.
  • the negative lead may be provided at the other end (left end) with respect to the center of the battery cell 110a.
  • each battery cell 110a of the cell assembly 110 may be configured such that the positive lead 111 and the negative lead protrude in the left and right directions.
  • directions such as before, after, left, right, up, and down may vary depending on the position of the observer or the shape of the object.
  • directions such as front, rear, left, right, up, and down are shown separately based on when viewed in the F direction of FIG. 1.
  • the positive lead 111 and the negative lead may be formed in a plate shape.
  • the positive lead 111 and the negative lead may protrude in a horizontal direction (X direction) with a wide surface erected toward the front and rear directions.
  • the horizontal direction may be said to mean a direction parallel to the ground when the battery module 100 is placed on the ground, and may also be said to be at least one direction on a plane perpendicular to the vertical direction (Z direction).
  • the battery module 100 according to the present invention is not limited to the pouch-type battery cell 110a described above, and various battery cells 110a known at the time of filing of the present invention may be employed.
  • the at least two cell assemblies 110 may be arranged in a front-rear direction.
  • the two cell assemblies 110 are arranged in a front-rear direction, and the two cell assemblies 110 may have a predetermined distance apart.
  • the battery module 100 may further include a bus bar assembly 280.
  • the bus bar assembly 280 is configured to mount at least one bus bar 282 configured to electrically interconnect the plurality of battery cells 110a and the at least one bus bar 282 outside.
  • At least two or more busbar frames 286 may be provided.
  • the at least two busbar frames 286 may be provided on each side of the cell assembly 110 in the left-right direction.
  • the bus bar 282 may include a conductive metal, for example, copper, aluminum, nickel, or the like.
  • the busbar frame 286 may include an electrically insulating material.
  • the busbar frame 286 may be made of a plastic material. More specifically, the plastic material may be polyvinyl chloride.
  • the module housing 120 may have an inner space to accommodate the cell assembly 110 therein.
  • the module housing 120 may include an upper cover 122, a base plate 124, a front cover 125, and a rear cover 126.
  • Each of the upper cover 122, the base plate 124, the front cover 125, and the rear cover 126 may be bolted to each other.
  • the module housing 120 has a structure capable of stably protecting the plurality of battery cells 110a from external shocks, It can increase safety.
  • thermoelectric module 3 is a perspective view schematically illustrating a thermoelectric module, which is a part of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a vertical cross-sectional view of a thermoelectric module, which is a part of a battery pack according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the thermoelectric module 210 may be configured to be positioned outside or inside the module housing 120 of the battery module 100. That is, the thermoelectric module 210 may be configured to generate a predetermined voltage according to a change in an inner temperature or an outer temperature of the battery module 100. For example, when the battery module 100 rises above a predetermined temperature, the increased heat is transferred to the thermoelectric module 210 and may generate a voltage above a predetermined temperature.
  • the predetermined temperature may be 100 degrees Celsius or higher. Alternatively, the predetermined temperature may be 200 degrees Celsius or higher.
  • thermoelectric module 210 includes a thermoelectric leg 211, a lower electrode 213, an upper electrode 213, a lower substrate 215 as a high temperature side substrate, and an upper substrate 216 as a low temperature side substrate.
  • the thermoelectric leg 211 may be formed of a thermoelectric material, that is, a thermoelectric semiconductor.
  • Thermoelectric semiconductors may include various types of thermoelectric materials such as chalcogenide, skutterudite, silicide, clathrate, and half heusler. have.
  • various types of thermoelectric semiconductors known at the time of filing of the present invention may be used as a material of the thermoelectric leg 211.
  • the thermoelectric leg 211 may include an n-type leg 211n and a p-type leg 211p.
  • the n-type leg 211n may move heat energy by moving electrons
  • the p-type leg 211p may transfer heat energy by moving a hole.
  • the n-type leg 211n may be configured to include an n-type thermoelectric material
  • the p-type leg 211p may be configured to include a p-type thermoelectric material. That is, the n-type leg 211n may be formed by using an n-type dopant in the thermoelectric material as described above.
  • the p-type leg 211p may be formed by using a p-type dopant in the thermoelectric material as described above.
  • thermoelectric leg 211 may use a scuterdite-based thermoelectric material having CoSb 3 as a basic configuration.
  • n-type dopant Ni, Pd, Pt, Te, Se, or the like may be used.
  • Fe, Mn, Cr, Sn, etc. may be used as the p-type dopant.
  • the n-type dopant may be substituted at the Sb site of CoSb 3 to create an excess electron
  • the p-type dopant may be substituted at the Sb site of CoSb 3 to create a hole.
  • thermoelectric leg 211 In the thermoelectric leg 211 according to the present invention, a pair of a p-type leg 211p and an n-type leg 211n may be a basic unit.
  • the thermoelectric leg 211 may be formed in a form in which a thermoelectric material is sintered in a bulk form.
  • the thermoelectric leg 211 may be configured in a rod shape, such as a rectangular parallelepiped shape.
  • the present invention is not limited to a specific form of the thermoelectric leg 211.
  • the p-type leg 211p and the n-type leg 211n may be manufactured in such a manner as to undergo a mixing step of each raw material, a synthesis step through heat treatment, and a sintering step.
  • the present invention is not necessarily limited by a specific manufacturing method of the thermoelectric leg 211.
  • the thermoelectric module 210 may include a plurality of thermoelectric legs 211, that is, a plurality of p-type legs 211p and a plurality of n-type legs 211n, as shown in FIG. 3.
  • the plurality of p-type legs 211p and the plurality of n-type legs 211n may be configured such that different types of thermoelectric elements are alternately disposed and interconnected.
  • the p-type leg 211p and the n-type leg 211n may be disposed to be spaced apart a predetermined distance in the horizontal direction on one plane (the X-Y plane in the drawing).
  • thermoelectric legs 211p and the n-type leg 211n may be connected to each other through the electrode 213. That is, the upper electrode 213 may be bonded to the upper end of each thermoelectric leg 211, and the lower electrode 213 may be bonded to the lower end of each thermoelectric leg 211.
  • most of the thermoelectric legs 211 may have different types of thermoelectric legs 211 adjacent to each other, and upper and lower ends thereof may be connected to each other through the upper electrode 213 and the lower electrode 213.
  • the upper electrode 213 and the lower electrode 213 may be made of an electrically conductive material, particularly a metal material.
  • the upper electrode 213 and the lower electrode 213 may include Cu, Al, Ni, Au, Ti, or the like, or an alloy thereof.
  • the upper electrode 213 and the lower electrode 213 may be formed in a plate shape.
  • both the upper electrode 213 and the lower electrode 213 may be formed in the form of a copper plate.
  • the upper electrode 213 and the lower electrode 213 are provided between the p-type leg 211p and the n-type leg 211n, and may interconnect them. That is, the lower electrode 213 may have one end bonded to the lower end of the n-type leg 211n and the other end bonded to the lower end of the p-type leg 211p. In addition, the upper electrode 213 may have one end bonded to the upper end of the n-type leg 211n and the other end bonded to the upper end of the p-type leg 211p. That is, different types of thermoelectric legs 211 may be bonded to both ends of the upper electrode 213 and the lower electrode 213, respectively.
  • thermoelectric legs 211 can be bonded to both ends of the upper electrode 213 and the lower electrode 213, the thermoelectric legs 211 at both ends of the upper electrode 213 and the lower electrode 213 are easy.
  • one direction may be configured in the form of a relatively long rectangular plate.
  • thermoelectric module 210 a plurality of upper electrodes 213 and 213 may be included, respectively.
  • the thermoelectric module 210 may include a plurality of thermoelectric legs 211, and in this case, different upper and lower electrodes 213 and 213 are provided at the top and bottom of each thermoelectric leg 211, respectively. Can be provided. Therefore, a large number of upper electrodes 213 and lower electrodes 213 may be included in one thermoelectric module 210, respectively. Therefore, in this case, it can be said that the thermoelectric module 210 includes an electrode array.
  • thermoelectric module 210 may employ various thermoelectric legs 211 and/or electrodes 213 known at the time of filing of the present invention.
  • the lower substrate 215 may include an electrically insulating material. Accordingly, the lower substrate 215 may electrically insulate between the lower outer side of the thermoelectric module 210 and the lower electrode 213.
  • the lower substrate 215 may be made of a ceramic material having high thermal conductivity.
  • the lower substrate 215 may partially include alumina (Al 2 O 3 ) material or may be entirely made of alumina material.
  • the lower substrate 215 may be made of a ceramic material having a thermal conductivity of 10 W/mK or more at 20°C.
  • the lower substrate 215 may be formed in a form in which the base layer is made of an electrically conductive material, such as a metal material, and an electrically insulating material is coated on the surface thereof.
  • the present invention is not limited by the specific material of the lower substrate 215, and various substrate materials known at the time of filing of the present invention may be employed.
  • the lower substrate 215 may be configured in a plate shape. That is, the lower substrate 215 may have a shape having two wide surfaces.
  • the lower substrate 215 may be formed of an alumina plate.
  • the lower substrate 215 may be positioned under the lower electrode 213 and attached to the lower surface of the lower electrode 213. That is, the lower substrate 215 may be laid down such that two wide surfaces are positioned at the upper and lower portions, and the upper surface may be attached to the lower surface of the lower electrode 213.
  • the lower substrate 215 may be attached to a lower surface of at least one lower electrode 213 among a plurality of lower electrodes 213 included in one thermoelectric module 210.
  • one lower substrate 215 may be provided on the thermoelectric module 210, and the lower surfaces of all lower electrodes 213 may be bonded to the upper surface.
  • a plurality of the lower substrates 215 may be provided on the thermoelectric module 210 and may be configured such that the lower surfaces of some lower electrodes 213 are bonded to the upper surface.
  • the upper substrate 216 may include an electrically insulating material. Accordingly, the upper substrate 216 may electrically insulate the upper outer side of the thermoelectric module 210 and the upper electrode 213.
  • the upper substrate 216 is made of a ceramic material having high thermal conductivity, such as alumina (Al 2 O 3 ) material, or the base layer is made of an electrically conductive material, but the surface is coated with an electrical insulating material. Can be configured.
  • the present invention is not limited by the specific material of the upper substrate 216, and various substrate materials known at the time of filing of the present invention may be employed.
  • the upper substrate 216 may be configured in a plate shape like the lower substrate 215. That is, the upper substrate 216 may have a shape having two large surfaces.
  • the upper substrate 216 may be formed of an alumina plate.
  • the upper substrate 216 may be positioned above the upper electrode 213 and attached to the upper surface of the upper electrode 213. That is, the upper substrate 216 may be laid down such that two wide surfaces are positioned at the upper and lower portions, and the lower surface may be attached to the upper surface of the upper electrode 213.
  • the upper substrate 216 may be attached to an upper surface of at least two or more of the upper electrodes 213 included in one thermoelectric module 210.
  • one upper substrate 216 may be provided on the thermoelectric module 210, and the upper surfaces of all upper electrodes 213 may be bonded to the lower surface.
  • two or more of the upper substrates 216 may be provided on the thermoelectric module 210, and the upper surfaces of the two or more upper electrodes 213 may be bonded to the lower surface as part of the entire upper electrode 213.
  • the thermoelectric module 210 is generally disposed between a hot side and a cold side. Accordingly, one of the upper substrate 216 and the lower substrate 215 may be configured to be disposed on the high temperature side and the other may be disposed on the low temperature side.
  • the terms'upper' and'lower' may vary depending on the placement position of the thermoelectric module 210 or the position of the observer. In this specification, for convenience of explanation, the upper substrate 216 is located on the low temperature side and the lower substrate ( 215) will be described centering on the location on the high-temperature side. That is, in the present specification, the upper substrate 216 may be a low temperature side substrate, and the lower substrate 215 may be a high temperature side substrate.
  • the energy consumption unit 220 is configured to discharge the battery module 100 when the battery module 100 is raised to a predetermined temperature or higher and a voltage of a predetermined size or higher is applied from the thermoelectric module 210. Can be.
  • the voltage greater than or equal to the predetermined level may be greater than or equal to 1.2V.
  • the energy consumption unit 220 may be configured to apply power to the resistor 225a, a power resistor, or an electric motor to consume power of the battery module 100.
  • the battery pack 200 of the present invention is the battery module (by providing the energy consumption unit 220 configured to discharge 100), unlike an active method of consuming energy of the battery module 100 using a temperature sensor or a smoke sensor, the battery module 100 A passive method of consuming energy of the battery module 100 may be used by increasing the voltage of the thermoelectric module 210 according to the temperature change of.
  • the battery pack 200 of the prior art uses an active method of consuming energy of the battery module 100 after detecting an abnormal state of the battery module 100 using a BMS (battery management system).
  • BMS battery management system
  • the present invention can cope with fire or explosion of the battery module 100 in a passive manner by using the thermoelectric module 210 configuration that responds to the temperature change of the battery module 100, not an active method such as BMS.
  • the thermoelectric module 210 configuration that responds to the temperature change of the battery module 100, not an active method such as BMS.
  • BMS active method
  • FIG. 5 is an exploded perspective view schematically showing some configurations of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the module housing 120 may be provided with at least one exposed hole 125h perforated so that the inside and the outside communicate with each other.
  • the module housing 120 of the battery module 100 may be provided with four exposure holes 125h.
  • the thermoelectric module 210 may be positioned to face the exposure hole 125h. The size of the exposure hole 125h may be smaller than that of the lower substrate 215 of the thermoelectric module 210.
  • thermoelectric module 210 may be positioned outside the module housing 120, and at least a portion of the high temperature side substrate 215 (lower substrate) may be inserted into the exposure hole 125h.
  • the size of the exposure hole 125h may have the same or similar planar size as the lower substrate 215 so that the lower substrate 215 of the thermoelectric module 210 can be inserted.
  • the battery pack 200 of the present invention is provided with an exposure hole 125h so that the inside and the outside of the battery module 100 communicate with each other, so that the thermoelectric module 210 is Since the internal heat of 100 can be effectively transmitted, the energy consuming unit 220 can be operated in a fast response to a temperature change of the battery module 100 to discharge the battery module 100. Accordingly, it is possible to effectively increase the safety of the battery pack 200.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view schematically showing a state of the battery pack of FIG. 6 cut along line C-C'.
  • the module housing 120A of the battery pack 200A according to another embodiment of the present invention is compared with the battery pack 200 of FIG. 1, the thermoelectric module 210 A receiving groove 218h inserted in an inner direction (inside of the battery module) to be accommodated may be further provided.
  • Other configurations may be the same.
  • thermoelectric module 210 may be embedded in each of the four receiving grooves 218h.
  • the low-temperature side substrate 216 upper substrate
  • the receiving groove 218h may be positioned above the receiving groove 218h.
  • the module housing 120A is provided with a receiving groove 218h inserted in an inward direction to accommodate the thermoelectric module 210, so that the thermoelectric module is external to the battery module 100. Since 210 does not protrude, interference with external objects can be avoided. Accordingly, damage to the thermoelectric module 210 may be prevented.
  • thermoelectric module 210 By placing the thermoelectric module 210 closer to the inside of the battery module 100 and surrounding the thermoelectric module 210 with an inner wall of the receiving groove 218h, the inside of the battery module 100 There is an effect that heat can be more effectively transferred to the thermoelectric module 210. Accordingly, when the battery module 100 rises above a predetermined temperature, the energy consumption unit 220 can quickly exhaust the power of the battery module 100.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the energy consumption unit 220 may include an external short circuit 221.
  • the external short circuit 221 is electrically connected to an external power terminal of the battery module 100 when a voltage of a predetermined size or more is applied from the thermoelectric module 210 to exhaust power of the battery module 100.
  • the external short circuit 221 has a short circuit A1 electrically connecting the positive terminal and the negative terminal of the battery module 100, and an operation path A2 configured to allow the current of the thermoelectric module to flow to the operation switch. ) May be provided.
  • a drain part 225 and at least one operation switch 223 may be provided on the short-circuit path A1.
  • the drain part 225 may include an element configured to exhaust power supplied from the battery module 100, such as a power resistor, a resistance element, or a shunt resistor.
  • the operation switch 223 may be configured to electrically connect the battery module 100 and the drain unit 225 when a predetermined voltage or more is supplied along the operation path A2.
  • the operation switch 223 may be turned on reversibly or irreversibly.
  • the energy consuming unit 220 includes a drain part 225 and an external short circuit 221 having at least one operation switch 223, so that the thermoelectric module 210
  • the operation switch 223 electrically connects the battery module 100 and the drain unit 225 by a predetermined or higher voltage transmitted, so that the power of the battery module 100 can be effectively exhausted.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the external short circuit 221A of the present invention may include a transistor switch 223a as an operation switch 223.
  • the transistor switch 223a may be configured to electrically connect the battery module 100 and the resistor 225a when receiving electricity of a predetermined voltage or higher from the thermoelectric module 210.
  • the transistor switch 223a may be a bipolar junction transistor (BJT).
  • the operation switch 223 of FIG. 9 may be provided as a transistor switch.
  • each of the positive and negative terminals of the thermoelectric module 210 may be connected to each of the base B and the emitter E of the transistor switch 223a.
  • Each of the positive terminal and the negative terminal of the battery module 100 may be connected to the collector (C) and the emitter (E) of the transistor switch 223a, respectively.
  • the transistor switch 223a is cut off when a voltage of less than a predetermined value is applied to the base (B) terminal (blocking mode) so that the switch does not flow from the collector (C) terminal to the emitter (E). It can remain turned off.
  • the switch when a predetermined voltage or more is applied to the base (B) of the transistor switch 223a, the switch is turned on so that current flows from the collector (C) to the emitter (E).
  • the power of the battery module 100 may be electrically connected to the resistor 225a located on the short-circuit path A1. Accordingly, power of the battery module 100 may be rapidly consumed by the resistor 225a of the drain part 225.
  • thermoelectric module 210 may generate a voltage higher than a predetermined level.
  • a voltage higher than a predetermined generated by the thermoelectric module 210 is applied to the base of the transistor switch 223a to reach a saturation state, and the switch may be turned on so that a current flows from the collector C to the emitter E. Accordingly, current flows through the short-circuit path A1, and power of the battery module 100 may be rapidly consumed through the resistor 225a.
  • the transistor switch 223a may be provided in plural according to the current level of the power of the battery module 100.
  • the external short circuit 221A may include two transistor switches having a use current of 200A when the power supply current of the battery module 100 is 400A.
  • the operation switch 223 when the operation switch 223 is supplied with electricity of a predetermined voltage or higher from the thermoelectric module 210, the battery module 100 and the resistor 225a are electrically connected to each other.
  • the transistor switch When the transistor switch is configured to be connected, the switch operation is fast, and the power of the battery module 100 can be consumed more quickly.
  • the transistor switch does not wear out the switch, and it is possible to prevent switch failure from occurring.
  • the transistor switch is described based on the BJT, but the structure is not limited thereto, and the transistor switch may use other switch elements such as field effect transistors (FETs).
  • FETs field effect transistors
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the positive terminal and the negative terminal of the battery module 100 are connected to the operation switch 223.
  • a conversion path A3 to connect may be further provided.
  • the external short circuit of FIG. 10 may further include a changeover switch 227 located on the changeover path A3.
  • the changeover switch 227 may be configured to be turned on when a predetermined voltage or more is supplied from the thermoelectric module 210.
  • the changeover switch 227 may be a transistor switch in which the switch is turned on when a predetermined voltage or higher is applied.
  • the changeover switch 227 may be provided as a transistor switch.
  • each of the positive terminal and the negative terminal of the thermoelectric module 210 may be connected to each of the base (B) and the emitter (E) of the transistor switch 227a.
  • Each of the positive terminal and the negative terminal of the battery module 100 may be connected to a collector (C) and an emitter (E) of the transistor switch 227a.
  • the operation switch 223 may include a driving unit 223a and an opening/closing unit 223b positioned on the switching path A3 and the shorting path A1, respectively. That is, the driving unit 223a may be configured to drive the opening and closing of the opening/closing unit 223b.
  • the driving unit 223a may be located on the conversion path A3 so as to receive a predetermined voltage or higher from the battery module 100.
  • the opening/closing part 223b of the operation switch 223 is maintained in an open state in a normal state, so that the operation switch 223 may maintain a turn-off state in which no current flows through the short-circuit path A1.
  • the opening/closing part 223b may be turned on when a predetermined voltage or higher is applied to the driving part 223a. Accordingly, a current may be configured to flow through the short-circuit path A1.
  • the operation switch 223 when the power of the battery module 100 applied to the operation switch 223 is equal to or higher than a predetermined voltage, the operation switch 223 may be turned on. When the operation switch 223 is turned on, the battery module 100 and the resistor 225a may be electrically connected. Accordingly, the power of the battery module 100 can be quickly consumed by the resistor 225a.
  • the operation switch 223 is turned on even if a predetermined or higher voltage is applied only once, and the turned-on state can be continuously maintained. That is, the operation switch 223 may be a safety switch that operates irreversibly.
  • the operation switch 223 may be a pyro fuse (autoliv).
  • the external short circuit 221B is turned on when a predetermined voltage or more is supplied from the thermoelectric module 210, and the power of the battery module 100 is supplied to the operation switch 223.
  • a changeover switch 227 for turning on the operation switch 223 is further provided by supplying a bar, and the operation switch 223 is connected to the battery module 100 by a predetermined or higher voltage transmitted by the battery module 100.
  • the operation switch 223 and the changeover switch 227 can be composed of two different types of switches.
  • the range of the operating voltage that can be turned on of the switch can be varied. That is, the range of the voltage at which the switch of the changeover switch 227 electrically connected to the thermoelectric module 210 is turned on may be set to be low.
  • the operation switch 223 by configuring the operation switch 223 to have a high use voltage or current range, there is an advantage that the number of operation switches 223 can be reduced even when a high voltage or current of the battery module 100 flows.
  • thermoelectric module 210 by dividing a switch that can be turned on by the voltage of the thermoelectric module 210 and a switch that can be turned on by the power of the battery module 100, a more efficient design is possible, manufacturing cost is reduced, and the Operation reliability can be improved.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing an external short circuit of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the external short circuit 221C when compared with the external short circuit 221B of FIG. 10, the external short circuit 221C according to another embodiment is configured to supply a predetermined or higher voltage to the operation switch 223 ( An auxiliary battery 228 located on A3) may be further provided.
  • the auxiliary battery 228 may be configured to supply a predetermined voltage or higher to the operation switch 223.
  • the voltage greater than or equal to the predetermined level may be a level at which the operation switch 223 can be turned on.
  • the external short circuit 221C includes a changeover switch 227 configured to be turned on by receiving a predetermined voltage or higher from the thermoelectric module 210 when the temperature of the battery module 100 rises above a predetermined level. I can.
  • the operation switch 223 may include a driving unit 223a and an opening/closing unit 223b positioned on the switching path A3 and the shorting path A1, respectively.
  • the driving part 223a may be configured to drive opening and closing of the opening/closing part 223b.
  • the driving unit 223a may be located on the conversion path A3 so as to receive a predetermined voltage or higher from the auxiliary battery 228.
  • the actuating switch 223 may maintain a turned-off state so that no current flows through the short-circuit path A1. Further, when a predetermined voltage or more is applied from the auxiliary battery 228 to the driving unit 223a, the opening/closing unit 223b turns on the switch of the opening/closing unit 223b. ) Can be configured to flow along. Accordingly, the power of the battery module 100 may be rapidly consumed by the resistor 225a.
  • a transistor switch 227a may be applied as the changeover switch 227.
  • the transistor switch 227a is cut off when a voltage of a predetermined value or less is applied (blocking mode), and the switch is turned off so that a current flows from the base B to the emitter E.
  • the transistor switch 227a When a predetermined voltage or more is applied to the base B, the transistor switch 227a is turned on so that current flows from the collector C to the emitter E. In this case, the power of the auxiliary battery 228 may be supplied to the driving unit 223a of the operation switch 223 located on the conversion path A3.
  • each of the positive terminal and the negative terminal of the thermoelectric module 210 may be connected to each of the base (B) and the emitter (E) of the transistor switch 227a.
  • Each of the positive terminal and the negative terminal of the auxiliary battery 228 may be connected to a collector (C) and an emitter (E) of the transistor switch 227a.
  • the operation switch 223 may be turned on when a predetermined voltage or more is applied from the auxiliary battery 228.
  • the operation switch 223 When the operation switch 223 is turned on, the battery module 100 and the resistor 225a may be electrically connected. Accordingly, the power of the battery module 100 can be quickly consumed by the resistor 225a.
  • FIG 12 and 13 are diagrams schematically showing an operation of an internal configuration of an operation switch of an external short circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the operation switch 223 includes a positive connection part 223a1, a negative connection part 223a2, a connection bar 223c, and a moving member 223d. ) Can be included.
  • connection bar 223c may be configured to be electrically connected between the positive connection part 223a1 and the negative connection part 223a2.
  • one end of the connection bar 223c may be configured to be in contact with the positive connection part 223a1, and the other end may be configured to be in contact with the negative connection part 223a2.
  • the positive electrode connection part 223a1, the negative electrode connection part 223a2, and the connection bar 223c may include an electrically conductive metal.
  • the metal may be an alloy including aluminum, nickel, or copper.
  • the moving member 223d may be configured to move the connection bar 223c.
  • the moving member 223d may be configured such that when power is supplied to the changeover switch 227 of a predetermined voltage or higher, the connection bar 223c is in contact between the positive connection part 223a1 and the negative connection part 223a2. have.
  • the moving member 223d will be described in more detail later.
  • the operation switch 223 includes a positive connection part 223a1, a negative connection part 223a2, a connection bar 223c, and a moving member 223d, so that the above The battery module 100 and the resistor 225a may be electrically connected. Accordingly, it is turned on only by applying a predetermined voltage or higher to the operation switch 223 without separate BMS control, so that the power of the battery module 100 can be quickly exhausted.
  • the moving member 223d may include a heating element 223d1, a phase change member 223d2, and a pressure spring 223d3.
  • the heating element 223d1 may be configured to increase the temperature above a predetermined temperature by power supplied to the operation switch 223.
  • the heating element 223d1 may be a heater having a resistance coil that converts electricity into heat.
  • the phase change member 223d2 may change a phase from a solid state to a liquid state above the predetermined temperature.
  • the phase change member 223d2 may have one end connected to the heating element 223d1 and the other end connected to the connection bar 223c.
  • the upper end of the phase change member 223d2 is connected to the lower surface of the heating element 223d1
  • the lower end of the phase change member 223d2 is the upper surface of the connection bar 223c.
  • the phase change member 223d2 may be formed of a phase change material that phase changes from a solid state to a liquid state at the predetermined temperature, for example, 100 degrees or more.
  • phase change material examples include paraffin, polyethylene glycol, inorganic hydrates (e.g., Na 2 HPO 4 ⁇ 12H 2 O, Na 2 SO 4 ⁇ 10H 2 O, Zn(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O, etc.) etc. are mentioned, but it is not limited only to these. Among them, paraffin, which is inexpensive and easy to control the phase change temperature according to the molecular weight, is particularly preferred.
  • the pressure spring 223d3 may have one end connected to the connection bar 223c and the other end connected to the heating element 223d1.
  • the pressure spring 223d3 may be maintained in a compressed state by the heating element 223d1 and the phase change member 223d2 connected to the connection bar 223c.
  • the pressure spring 223d3 may pressurize and move the connection bar 223c when the phase change member 223d2 changes to a liquid state.
  • connection bar 223c when the phase change member 223d2 is phase-changed to a liquid state, it can be separated from the connection bar 223c, and the connection bar 223c, which was constrained by the phase change member 223d2, is released and the pressure is applied.
  • the connection bar 223c may move by the compressive force of the spring 223d3.
  • the connection bar 223c may be moved in position to contact each of the positive connection part 223a1 and the negative connection part 223a2.
  • the moving member 223d includes a heating element 223d1, a phase change member 223d2, and a pressure spring 223d3, so that the battery module 100 and the resistor 225a It can be electrically connected between. Accordingly, it is turned on only by applying a predetermined voltage or higher to the operation switch 223 without separate BMS control, so that the power of the battery module 100 can be quickly exhausted.
  • FIGS 14 and 15 are diagrams schematically showing an operation of an internal configuration of an operation switch of an external short circuit according to another embodiment of the present invention.
  • an operation switch 223A of an external short circuit includes a heating element 223d1 and a moving member 223d having an expansion portion 223d4. can do.
  • the heating element 223d1 may be configured to increase the temperature above a predetermined temperature by power supplied to the operation switch 223.
  • the heating element 223d1 may be a heater having a resistance coil that converts electricity into heat.
  • the expansion part 223d4 may be configured such that one end is connected to the heating element 223d1 and the other end is connected to the connection bar 223c.
  • the expansion part 223d4 may be configured such that an upper end is connected to a lower surface of the heating element 223d1 and a lower end is connected to an upper surface of the connection bar 223c.
  • the expansion part 223d4 may be configured to expand in volume at a predetermined temperature or higher.
  • the expansion part 223d4 may include an expansion material that expands in volume at a predetermined temperature or higher.
  • the predetermined temperature may, for example, be made of a material that expands at a temperature of 100 degrees Celsius or higher.
  • the expandable material may be a polymer material or a metal.
  • the expandable material may be polyethylene, nylon, or aluminum alloy.
  • the expansion part 223d4 may be configured to expand in volume and move the connection bar 223c.
  • the expansion part 223d4 may be moved so that the connection bar 223c contacts each of the positive connection part 223a1 and the negative connection part 223a2.
  • the moving member 223d includes a heating element 223d1 and an expansion portion 223d4, so that when the heating element 223d1 is heated by the applied power, the heating element 223d1 ) And the expansion part (223d4) connected to the bar expands in volume to move the connection bar (223c), the moved connection bar (223c) can electrically connect the battery module 100 and the resistor (225a). have. Accordingly, it is turned on only by applying a predetermined voltage or higher to the operation switch 223 without separate BMS control, so that the power of the battery module 100 can be quickly exhausted.
  • 16 is a front view schematically showing a power storage device according to an embodiment of the present invention.
  • a battery rack 500 may include a rack case 510 accommodating a plurality of battery packs 200.
  • the rack case 510 may be configured to accommodate the plurality of battery packs 200 in a vertically stacked form. Inside the rack case 510, the lower surface of the battery pack 200 may be mounted in a form parallel to a horizontal surface.
  • the horizontal direction may be said to mean a direction parallel to the ground when the battery pack 200 is placed on the ground, and may also be referred to as at least one direction on a plane perpendicular to the vertical direction.
  • the rack case 510 is configured to have at least one side openable, so that the battery pack 200 may be introduced into the inner space through the open side.
  • the rack case 510 may be configured such that such an open side can be closed.
  • the battery rack 500 may further include other components such as a central battery management device 300 configured to control charging and discharging of the plurality of battery packs 200.
  • the battery management device may be disposed inside or outside the rack case 510.
  • the power storage device 600 may include at least two or more battery racks 500.
  • the two or more battery racks 500 may be arranged to be arranged in one direction.
  • the power storage device 600 may be configured such that three battery racks 500 are arranged in one direction.
  • the power storage device 600 may include a central control unit (not shown) capable of controlling charging and discharging of the three battery racks 500.
  • 110a battery cell 110: cell assembly
  • thermoelectric module 211, 211p, 211n thermoelectric leg
  • electrode 215 high temperature side substrate (lower substrate)
  • operation switch 225 drain
  • heating element 223d2 phase change member
  • the present invention relates to a battery pack.
  • the present invention can be used in an industry related to a battery rack including the battery pack and a power storage device.

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Abstract

본 발명은 터리 모듈의 열폭주에 대한 안정성을 높인 배터리 팩을 개시한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 복수 개의 배터리 셀들, 및 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하기 위한 모듈 하우징을 구비한 적어도 하나 이상의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈의 모듈 하우징의 외측 또는 내측에 위치하도록 구성되고 상기 배터리 모듈이 소정 온도 이상으로 상승 시, 전압을 발생시키는 적어도 하나 이상의 열전 모듈, 및 상기 열전 모듈로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 상기 배터리 모듈을 방전 시키도록 구성된 에너지 소비 유닛을 포함한다.

Description

배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치
본 발명은 배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 모듈의 열폭주에 대한 안정성을 높인 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 09월 03일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0109047호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 파우치 외장재를 구비한다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차전지가 많이 이용된다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지, 및 이러한 이차전지를 내부에 수용한 배터리 모듈 및 배터리 관리 시스템(BMS)을 구비한 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
또한, 이러한 배터리 팩은, 복수의 이차전지를 외부 충격으로부터 보호하거나 수납 보관하기 위해서 금속 재질의 외부 하우징을 구비하는 것이 일반적이었다. 한편, 최근 고용량의 배터리 팩이 수요가 높아지고 있다.
그러나, 종래기술의 배터리 팩 또는 배터리 랙은, 복수의 배터리 모듈을 구비하고, 각각의 배터리 모듈의 복수의 이차전지 중 일부가 열폭주가 발생되어, 발화 내지 폭발할 경우, 인접한 이차전지로 열 또는 화염이 전달되어 2차 폭발 등이 일어나는 경우가 있어, 2차 발화 내지 폭발을 방지하기 위한 노력이 가중되고 있다.
이에 따라, 배터리 팩 또는 배터리 랙에서 일부 이차전지가 열폭주가 발생될 경우, 즉각적인 조치를 취할 수 있도록 빠르고 완전한 소화 기술이 필요하다. 이에 대해, 종래기술에서는 배터리 모듈의 열폭주에 대한 대비책으로 배터리관리시스템(BMS)의 제어를 통해 배터리 모듈을 냉각하거나, 소화하는 방식을 사용했다.
그러나, 이러한 BMS의 제어를 통한 냉각 또는 소화하는 방식은, BMS에 외부 전원이 공급되지 않거나, BMS 불량이나 오작동으로 인해 열폭주가 발생된 배터리 모듈의 냉각 또는 소화가 작동되지 않는 경우가 발생되었다. 따라서, BMS 작동 불능 상태일 경우에, 화재 대비책이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 열폭주에 대한 안정성을 높인 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은,
복수 개의 배터리 셀들, 및 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하기 위한 모듈 하우징을 구비한 적어도 하나 이상의 배터리 모듈;
상기 배터리 모듈의 모듈 하우징의 외측 또는 내측에 위치하도록 구성되고 상기 배터리 모듈이 소정 온도 이상으로 상승 시, 전압을 발생시키는 적어도 하나 이상의 열전 모듈; 및
상기 열전 모듈로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 상기 배터리 모듈을 방전 시키도록 구성된 에너지 소비 유닛을 포함한다.
또한, 상기 모듈 하우징에는 내부와 외부가 연통되도록 천공된 적어도 하나 이상의 노출구가 구비되고, 상기 열전 모듈은 상기 노출구와 대면하도록 위치될 수 있다.
더욱이, 상기 열전 모듈은,
p형 레그 및 n형 레그로 구성된 열전 레그;
상기 p형 레그 및 상기 n형 레그 사이를 연결하는 전극; 및
판상으로 구성되며 하부와 상부에 배치되어 상기 전극을 외부와 전기적으로 절연시키는 고온측 기판 및 저온측 기판을 구비할 수 있다.
그리고, 상기 열전 모듈은 상기 모듈 하우징의 외측에 위치하고,
상기 고온측 기판은 적어도 일부분이 상기 노출구에 삽입될 수 있다.
나아가, 상기 모듈 하우징에는 상기 열전 모듈을 수납하도록 내부 방향으로 내입된 수납홈이 구비되고,
상기 수납홈에 탑재된 열전 모듈은 상기 저온측 기판이 수납홈의 상부에 위치될 수 있다.
또한, 상기 에너지 소비 유닛은,
상기 열전 모듈로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 상기 배터리 모듈의 외부 전력 단자와 전기적으로 연결되어 상기 배터리 모듈의 전력을 소진 시키도록 구성된 외부단락 회로를 구비할 수 있다.
더욱이, 상기 외부단락 회로는,
상기 배터리 모듈로부터 공급된 전력을 소진하도록 구성된 드레인부; 및
소정 이상의 전압이 공급될 경우, 상기 배터리 모듈과 저항체 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 적어도 하나 이상의 작동 스위치를 구비할 수 있다.
그리고, 상기 외부단락 회로는,
상기 열전 모듈로부터 소정 이상의 전압이 공급될 경우 턴온되어, 상기 작동 스위치에 상기 배터리 모듈의 전원이 공급되도록 함으로써 상기 작동 스위치를 턴온 시키는 전환 스위치를 더 구비할 수 있다.
나아가, 상기 작동 스위치는,
상기 배터리 모듈의 양극 단자와 전기적으로 연결된 양극 접속부;
상기 배터리 모듈의 음극 단자와 전기적으로 연결된 음극 접속부;
상기 양극 접속부와 상기 음극 접속부 사이를 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 연결 바; 및
상기 전환 스위치에 소정 전압 이상의 전원이 공급되는 경우 상기 연결 바가 상기 양극 접속부와 상기 음극 접속부 사이에 접촉되도록 상기 연결 바를 이동시키도록 구성된 이동 부재를 구비할 수 있다.
또한, 상기 이동 부재는,
상기 작동 스위치로 공급되는 전원에 의해 소정 온도 이상으로 온도가 상승되는 발열체;
일단이 상기 발열체와 연결되고 타단이 상기 연결 바와 연결되며 상기 소정 온도 이상에서 고체 상태에서 액체 상태로 상변화하는 상변화부재; 및
일단이 상기 연결 바와 연결되고 타단이 상기 발열체와 연결되며 상기 상변화부재가 액체 상태로 상변화하면 상기 연결 바를 가압 이동시키도록 구성된 가압 스프링을 구비할 수 있다.
더욱이, 상기 이동 부재는,
상기 작동 스위치로 공급되는 전원에 의해 소정 온도 이상으로 온도가 상승되는 발열체; 및
일단이 상기 발열체와 연결되고 타단이 상기 연결 바와 연결되며 소정 온도 이상에서 부피 팽창되어 상기 연결 바를 이동 시키도록 구성된 팽창부를 구비할 수 있다.
그리고, 상기 외부단락 회로는,
소정 이상의 전압을 공급할 수 있는 보조 배터리; 및
상기 열전 모듈로부터 소정 이상의 전압이 공급될 경우 턴온되어, 상기 작동 스위치에 상기 보조 배터리의 소정 이상의 전압이 공급되도록 함으로써 상기 작동 스위치를 턴온 시키는 전환 스위치를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 작동 스위치는, 상기 열전 모듈로부터 소정 이상의 전압의 전기를 공급 받을 경우, 상기 배터리 모듈과 저항체 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 트랜지스터 스위치일 수 있다.
더욱이, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 랙은, 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩을 수용하는 랙 케이스를 포함한다.
그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 저장 장치는, 적어도 하나 이상의 상기 배터리 랙을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 본 발명의 배터리 팩은, 배터리 모듈이 소정 온도 이상으로 상승되어 열전 모듈로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우 배터리 모듈을 방전 시키도록 구성된 에너지 소비 유닛을 구비함으로써, 온도 센서 또는 연기 센서 등을 이용하여 배터리 모듈의 에너지를 소비시키는 능동적인 방식과 달리, 배터리 모듈의 온도 변화에 따른 열전 모듈의 전압 상승에 의해 배터리 모듈의 에너지를 소모를 작동시키는 수동적인 방식을 이용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은, 능동적인 방식과 수동적인 방식 모두를 사용하는 것이 가능함으로, 배터리 모듈의 열폭주나, 폭발 등이 발생될 경우, 높은 신뢰도로 대처가 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 일측면에 의하면, 본 발명의 배터리 팩은, 배터리 모듈의 내부와 외부가 연통되도록 노출구가 구비함으로써, 열전 모듈이 배터리 모듈의 내부 열을 효과적으로 전달 받을 수 있는 바, 에너지 소비 유닛이 배터리 모듈의 온도 변화에 빠른 반응성으로 에너지 소비 유닛이 작동되어 배터리 모듈을 방전 시킬 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩의 안전성을 효과적으로 높일 수 있다.
더욱이, 본 발명의 다른 일측면에 의하면, 본 발명의 배터리 모듈은, 구비된 모듈 하우징에 열전 모듈을 수납하도록 내부 방향으로 내입된 수납홈을 구비함으로써, 배터리 모듈의 외부로 열전 모듈이 돌출되지 않아, 열전 모듈이 외부 물체와의 간섭되거나 충돌되는 것을 피할 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈의 손상을 방지할 수 있어, 배터리 팩의 내구성을 높일 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일측면에 의하면, 본 발명의 에너지 소비 유닛은 배터리 모듈의 전력을 소비시키는 드레인부 및 적어도 하나 이상의 작동 스위치를 구비한 외부단락 회로를 포함함으로써, 열전 모듈이 전달하는 소정 이상의 전압에 의해 작동 스위치가 배터리 모듈과 드레인부 사이를 전기적으로 연결함으로써, 배터리 모듈의 전력을 효과적으로 소진 시킬 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩의 배터리 모듈의 화재가 전파되거나 더 커지는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 일측면에 의하면, 본 발명의 에너지 소비 유닛은 열전 모듈로부터 소정 이상의 전압이 공급될 경우 턴온되어, 작동 스위치에 배터리 모듈의 전원이 공급됨에 따라 이러한 작동 스위치를 턴온 시키는 전환 스위치를 더 구비함으로써, 배터리 모듈이 전달하는 소정 이상의 전압에 의해 작동 스위치가 배터리 모듈과 저항체 사이를 전기적으로 연결함으로써, 높은 신뢰성으로 외부 단락을 유도할 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈의 전력을 효과적으로 소진 시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성들의 모습을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 열전 모듈의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 열전 모듈의 수직 단면도의 모습을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성들의 모습을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 도 6의 배터리 팩을 C-C'선을 따라 절단된 모습을 개략적으로 나타내는 부분 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 10은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 11은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 12 및 도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 외부단락 회로의 작동 스위치의 내부 구성의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 14 및 도 15는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 외부단락 회로의 작동 스위치의 내부 구성의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
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 안 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성들의 모습을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
본 발명에 따른 배터리 팩(200)은, 복수 개의 배터리 셀(110a)을 구비한 적어도 하나 이상의 배터리 모듈(100), 적어도 하나 이상의 열전 모듈(210), 및 에너지 소비 유닛(220)을 포함한다.
여기서, 상기 배터리 셀(110a)은 파우치형 이차전지일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 셀 어셈블리(110) 각각은 21개의 파우치형 배터리 셀(110a)이 전후 방향(y 방향)으로 나란하게 상호 적층된 형태로 구성될 수 있다.
특히, 이러한 파우치형 배터리 셀(110a)은, 전극 조립체(도시하지 않음), 전해액(도시하지 않음) 및 파우치를 구비할 수 있다.
상기 각각의 배터리 셀(110a)은, F 방향(도 1에 도시함)으로 바라봤을 때, 2개의 넓은 면이 전후방향에 각각 위치하고, 상, 하, 좌, 우 방향에는 실링부가 위치하도록 대략 지면에 수직하게(Z 방향) 세워지는 형태로 배치될 수 있다. 다시 말해, 각 배터리 셀(110a)은 상하 방향으로 세워진 형태로 구성될 수 있다. 한편, 본 명세서에서는, 특별한 설명이 없는 한, 상, 하, 전, 후, 좌, 우 방향에 대하여, F 방향으로 바라볼 때를 기준으로 한다.
여기서, 상기 파우치는 오목한 형태의 수용부가 형성되어 있는 파우치로 구성될 수 있다. 또한, 상기 수용부에는 전극 조립체 및 전해액이 수납될 수 있다. 그리고, 각각의 파우치는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하며, 파우치의 테두리 부위에는 내부 접착층이 서로 유착됨으로써, 실링부가 형성될 수 있다. 더욱이, 상기 배터리 셀(110a)의 양극 리드(111) 및 음극 리드(보이지 않음)가 형성된 좌우 방향(X 방향)의 단부 각각에 테라스부가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 전극 조립체는, 전극 활물질이 도포된 전극판과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체의 양극판에는 양극 탭이 구비되며, 하나 이상의 양극 탭이 양극 리드(111)와 연결될 수 있다.
여기서, 상기 양극 리드(111)는, 일단이 상기 양극 탭에 연결되고 타단이 파우치의 외부로 노출되며, 이와 같이 노출된 부분이 배터리 셀(110a)의 전극 단자, 예를 들면, 배터리 셀(110a)의 양극 단자로서 기능할 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체의 음극판에는 음극 탭이 구비되며, 하나 이상의 음극 탭이 음극 리드(보이지 않음)와 연결될 수 있다. 그리고, 상기 음극 리드는, 일단이 상기 음극 탭에 연결되고 타단이 파우치의 외부로 노출되며, 이와 같이 노출된 부분이 배터리 셀(110a)의 전극 단자, 예를 들면 배터리 셀(110a)의 음극 단자로서 기능할 수 있다.
더욱이, 도 2에서와 같이, 도 1의 F 방향으로 바로 보았을 때, 상기 양극 리드(111)와 상기 음극 리드는, 배터리 셀(110a)의 중심을 기준으로 서로 반대 방향(X 방향)의 좌우 방향의 단부에 형성될 수 있다. 즉, 상기 양극 리드(111)는 상기 배터리 셀(110a)의 중심을 기준으로 일단부(우단부)에 구비될 수 있다. 또한, 상기 음극 리드는 배터리 셀(110a)의 중심을 기준으로 타단부(좌단부)에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(110)의 각각의 배터리 셀(110a)은 양극 리드(111)와 음극 리드가 좌우 방향으로 돌출되게 구성될 수 있다.
여기서, 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어는 관측자의 위치나 대상의 놓여진 형태에 따라 달라질 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해, 도 1의 F 방향으로 바라볼 때를 기준으로 하여, 전, 후, 좌, 우, 상, 하 등의 방향을 구분하여 나타내도록 한다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 하나의 배터리 셀(110a)에서, 양극 리드(111)와 음극 리드 간의 간섭이 없게 되어, 전극 리드의 면적을 넓힐 수 있다.
또한, 상기 양극 리드(111) 및 상기 음극 리드는 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 양극 리드(111) 및 상기 음극 리드는, 넓은 면이 전후 방향을 향하도록 세워진 상태로 수평 방향(X 방향)으로 돌출될 수 있다.
여기서, 수평 방향이란, 배터리 모듈(100)을 지면에 놓았을 때 지면에 평행한 방향을 의미한다고 할 수 있으며, 상하 방향(Z 방향)에 수직하는 평면상의 적어도 한 방향이 라고도 할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)에는, 앞서 설명한 파우치형 배터리 셀(110a)로만 한정되는 것은 아니고 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 셀(110a)이 채용될 수 있다.
또한, 상기 적어도 둘 이상의 셀 어셈블리(110)는 전후 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 셀 어셈블리(110)는 전후 방향으로 배열되어 있고, 2개의 셀 어셈블리(110) 사이는 소정의 이격된 거리를 가질 수 있다.
상기 배터리 모듈(100)은 버스바 어셈블리(280)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 버스바 어셈블리(280)는 상기 복수의 배터리 셀(110a)을 전기적으로 상호 연결하도록 구성된 적어도 하나 이상의 버스바(282) 및 상기 적어도 하나 이상의 버스바(282)를 외측에 탑재하도록 구성된 적어도 둘 이상의 버스바 프레임(286)을 구비할 수 있다. 상기 적어도 둘 이상의 버스바 프레임(286)은 상기 셀 어셈블리(110)의 좌우 방향의 양측 각각에 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 버스바(282)는 전도성 금속을 구비할 수 있고, 예를 들면, 구리, 알루미늄, 니켈 등을 구비할 수 있다.
또한, 상기 버스바 프레임(286)은 전기 절연성 재료를 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 버스바 프레임(286)은 플라스틱 재료를 구비할 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 플라스틱 재료는 폴리염화 비닐일 수 있다.
한편, 상기 모듈 하우징(120)은, 상기 셀 어셈블리(110)를 내부에 수납하도록 내부 공간이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 모듈 하우징(120)은, 상부 커버(122), 베이스 플레이트(124), 전방 커버(125), 및 후방 커버(126)를 포함할 수 있다. 상기 상부 커버(122), 베이스 플레이트(124), 전방 커버(125), 및 후방 커버(126) 각각은 서로 볼트 결합될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 모듈 하우징(120)은 복수의 배터리 셀(110a)을 외부의 충격으로부터 안정적으로 보호할 수 있는 구조를 가지고 있어, 배터리 모듈(100)의 외부 충격에 대한 안전성을 높일 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 열전 모듈의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 열전 모듈의 수직 단면도의 모습을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1과 함께 도 3 및 도 4을 참조하면, 상기 열전 모듈(210)은 상기 배터리 모듈(100)의 모듈 하우징(120)의 외측 또는 내측에 위치하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 열전 모듈(210)은 상기 배터리 모듈(100)의 내측 온도 또는 외측 온도의 변화에 따라, 소정의 전압을 발생시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리 모듈(100)이 소정 온도 이상으로 상승 시, 상승된 열이 상기 열전 모듈(210)에 전달되고, 소정 이상의 전압을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 소정 온도는 섭씨 100도 이상일 수 있다. 또는, 상기 소정 온도는 섭씨 200도 이상일 수 있다.
여기서, 열전 모듈(210)은, 열전 레그(211), 하부 전극(213), 상부 전극(213), 고온측 기판으로 하부 기판(215) 및 저온측 기판으로 상부 기판(216)을 포함한다.
상기 열전 레그(211)는, 열전 재료, 즉 열전 반도체로 구성될 수 있다. 열전 반도체에는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 본 발명에 따른 열전 모듈(210)의 경우, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전 반도체가 열전 레그(211)의 재료로 이용될 수 있다.
이러한 열전 레그(211)는 n형 레그(211n)와 p형 레그(211p)를 구비할 수 있다. 상기 n형 레그(211n)는 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키고, 상기 p형 레그(211p)는 홀이 이동하여 열에너지를 이동시킬 수 있다.
여기서, n형 레그(211n)는 n형 열전 재료를 포함하는 형태로 구성되고, p형 레그(211p)는 p형 열전 재료를 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 즉, n형 레그(211n)는, 상기와 같은 열전 재료에 n형 도펀트를 사용하여 구성될 수 있다. 또한, p형 레그(211p)는, 상기와 같은 열전 재료에 p형 도펀트를 사용하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 열전 레그(211)는 CoSb 3를 기본 구성으로 하는 스쿠테루다이트계 열전 재료를 사용할 수 있다. n형 도펀트로는 Ni, Pd, Pt, Te, Se 등이 사용될 수 있다. 또한, p형 도펀트로는 Fe, Mn, Cr, Sn 등이 사용될 수 있다. 여기서, n형 도펀트는 CoSb 3의 Sb 자리에 치환되어 과잉 전자를 만들고, p형 도펀트는 CoSb 3의 Sb 자리에 치환되어 홀을 만들 수 있다.
본 발명에 따른 열전 레그(211)는, p형 레그(211p)와 n형 레그(211n) 한 쌍이 기본 단위가 될 수 있다.
상기 열전 레그(211)는, 열전 재료가 벌크 형태로 소결된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 레그(211)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 막대 형태, 이를테면 직육면체 형태로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 열전 레그(211)의 특정 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 p형 레그(211p) 및 상기 n형 레그(211n)는, 각 원료의 혼합 단계, 열처리를 통한 합성 단계 및 소결 단계를 거치는 방식으로 제조될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 열전 레그(211)의 특정 제조 방식에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 열전 모듈(210)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 열전 레그(211), 즉 다수의 p형 레그(211p) 및 다수의 n형 레그(211n)가 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 p형 레그(211p)와 다수의 n형 레그(211n)는, 서로 다른 종류의 열전 소자가 교호적으로 배치되어 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 특히, 이러한 p형 레그(211p)와 n형 레그(211n)는, 하나의 평면(도면의 X-Y 평면) 상에서 수평 방향으로 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다.
그리고, 이러한 p형 레그(211p) 및 n형 레그(211n)는 전극(213)을 통해 서로 연결될 수 있다. 즉, 각 열전 레그(211)의 상단에는 상부 전극(213)이 접합되고, 각 열전 레그(211)의 하단에는 하부 전극(213)이 접합될 수 있다. 그리고, 대부분의 열전 레그(211)는 인접하는 다른 종류의 열전 레그(211)와 이러한 상부 전극(213) 및 하부 전극(213)을 통해 상단 및 하단이 서로 연결될 수 있다.
상부 전극(213)과 하부 전극(213)은, 전기 전도성 재질, 특히 금속 재질로 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 상부 전극(213)과 하부 전극(213)은, Cu, Al, Ni, Au, Ti 등 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 상부 전극(213)과 하부 전극(213)은 판상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(213)과 하부 전극(213)은 모두, 구리판 형태로 구성될 수 있다.
상부 전극(213)과 하부 전극(213)은, p형 레그(211p)와 n형 레그(211n) 사이에 구비되어, 이들 사이를 상호 연결할 수 있다. 즉, 하부 전극(213)은, 일단이 n형 레그(211n)의 하단에 접합 연결되고, 타단이 p형 레그(211p)의 하단에 접합 연결될 수 있다. 그리고, 상부 전극(213)은, 일단이 n형 레그(211n)의 상단에 접합 연결되고, 타단이 p형 레그(211p)의 상단에 접합 연결될 수 있다. 즉, 상부 전극(213)과 하부 전극(213)은 각각, 양단에 서로 다른 종류의 열전 레그(211)가 접합될 수 있다. 이처럼, 상부 전극(213)과 하부 전극(213)의 양단에는 열전 레그(211)가 접합될 수 있기 때문에, 상부 전극(213)과 하부 전극(213)은, 양단에 열전 레그(211)가 용이하게 접합될 수 있도록, 일방향이 상대적으로 긴 직사각형 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈(210)에 있어서, 상부 전극(213)과 하부 전극(213)은 각각 다수 포함될 수 있다. 예를 들어, 열전 모듈(210)에는 다수의 열전 레그(211)가 포함될 수 있으며, 이 경우, 각 열전 레그(211)의 상단과 하단에는 각각 서로 다른 상부 전극(213)과 하부 전극(213)들이 구비될 수 있다. 그러므로, 하나의 열전 모듈(210)에는, 많은 수의 상부 전극(213)과 하부 전극(213)이 각각 포함될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 열전 모듈(210)에는 전극 어레이가 포함되어 있다고 할 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈(210)에는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 열전 레그(211) 및/또는 전극(213)이 채용될 수 있다.
상기 하부 기판(215)은 전기 절연성 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 하부 기판(215)은 열전 모듈(210)의 하부 외측과 하부 전극(213) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 특히, 상기 하부 기판(215)은 열전도성이 높은 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(215)은 알루미나(Al 2O 3) 재질을 일부 포함하거나 전체적으로 알루미나 재질로 이루어질 수 있다. 더욱이, 상기 하부 기판(215)은, 20℃에서 열전도도가 10 W/mK 이상인 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 이 밖에, 상기 하부 기판(215)은 기재층이 전기적 전도성 재질, 이를테면 금속 재질로 이루어지되, 그 표면에 전기적 절연 물질이 코팅된 형태로 구성될 수도 있다. 본 발명은, 이러한 하부 기판(215)의 특정 재질에 의해 한정되지 않으며, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 기판 재질이 채용될 수 있다.
또한, 상기 하부 기판(215)은 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 하부 기판(215)은 2개의 넓은 표면을 가진 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(215)은 알루미나 플레이트로 구성될 수 있다.
상기 하부 기판(215)은 하부 전극(213)의 하부에 위치하여 하부 전극(213)의 하면에 부착될 수 있다. 즉, 하부 기판(215)은, 2개의 넓은 표면이 상부와 하부에 위치하도록 눕혀진 형태로, 상면이 하부 전극(213)의 하면에 부착된 형태로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 하부 기판(215)은, 하나의 열전 모듈(210)에 포함된 다수의 하부 전극(213) 중 적어도 하나 이상의 하부 전극(213)의 하면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하부 기판(215)은 열전 모듈(210)에 1개 구비되어, 상면에 모든 하부 전극(213)의 하면이 접합되도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 하부 기판(215)은, 열전 모듈(210)에 다수 구비되어, 상면에 일부 하부 전극(213)의 하면이 접합되도록 구성될 수도 있다.
상기 상부 기판(216)은 하부 기판(215)과 마찬가지로, 전기 절연성 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 상부 기판(216)은 열전 모듈(210)의 상부 외측과 상부 전극(213) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 또한, 상기 상부 기판(216)은, 열전도성이 높은 세라믹 재질, 이를테면 알루미나(Al 2O 3) 재질로 구성되거나, 기재층이 전기적 전도성 재질로 이루어지되 그 표면에 전기적 절연 물질이 코팅된 형태로 구성될 수 있다. 본 발명은, 이러한 상부 기판(216)의 특정 재질에 의해 한정되지 않으며, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 기판 재질이 채용될 수 있다.
또한, 상기 상부 기판(216)은, 하부 기판(215)과 마찬가지로 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 상부 기판(216)은 2개의 넓은 표면을 가진 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 기판(216)은 알루미나 플레이트로 구성될 수 있다.
상기 상부 기판(216)은, 상부 전극(213)의 상부에 위치하여, 상부 전극(213)의 상면에 부착될 수 있다. 즉, 상부 기판(216)은, 2개의 넓은 표면이 상부와 하부에 위치하도록 눕혀진 형태로, 하면이 상부 전극(213)의 상면에 부착된 형태로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 상부 기판(216)은, 하나의 열전 모듈(210)에 포함된 다수의 상부 전극(213) 중 적어도 둘 이상의 상부 전극(213)의 상면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 상부 기판(216)은 열전 모듈(210)에 1개가 구비되어, 하면에 모든 상부 전극(213)의 상면이 접합되도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 상부 기판(216)은, 열전 모듈(210)에 둘 이상 구비되어, 하면에 전체 상부 전극(213) 중 일부로서 2개 이상의 상부 전극(213)의 상면이 접합되도록 구성될 수도 있다.
상기 열전 모듈(210)은 고온 측(Hot)과 저온 측(Cold) 사이에 배치되는 것이 일반적이다. 따라서, 상부 기판(216)과 하부 기판(215) 중 하나는 고온 측에 배치되고 다른 하나는 저온 측에 배치되도록 구성될 수 있다. '상부'와 '하부'라는 용어는, 열전 모듈(210)의 배치 위치나 관측자의 위치에 따라 달라질 수 있는데, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 상부 기판(216)이 저온 측에 위치하고 하부 기판(215)이 고온 측에 위치하는 것을 중심으로 설명한다. 즉, 본 명세서에서는 상부 기판(216)이 저온 측 기판이고, 하부 기판(215)이 고온 측 기판일 수 있다.
그리고, 상기 에너지 소비 유닛(220)은, 배터리 모듈(100)이 소정 온도 이상으로 상승되어 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 상기 배터리 모듈(100)을 방전 시키도록 구성될 수 있다. 상기 소정 크기 이상의 전압은 1.2V 이상일 수 있다. 예를 들면, 상기 에너지 소비 유닛(220)은 상기 배터리 모듈(100)의 전력을 소비시키기 위해 저항체(225a), 파워 저항기, 또는 전기 모터 등에 전원을 인가하도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명의 배터리 팩(200)은 배터리 모듈(100)이 소정 온도 이상으로 상승되어 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우 상기 배터리 모듈(100)을 방전 시키도록 구성된 에너지 소비 유닛(220)을 구비함으로써, 온도 센서 또는 연기 센서 등을 이용하여 배터리 모듈(100)의 에너지를 소비시키는 능동적인(active) 방식과 달리, 배터리 모듈(100)의 온도 변화에 따른 열전 모듈(210)의 전압 상승에 의해 배터리 모듈(100)의 에너지를 소모를 작동시키는 수동적인(passive) 방식을 이용할 수 있다.
즉, 종래기술의 배터리 팩(200)은, BMS(배터리관리시스템)를 이용하여 배터리 모듈(100)의 이상 상태를 감지한 후, 배터리 모듈(100)의 에너지를 소비시키는 능동적인 방식을 사용하였으나, BMS에 외부전원을 공급 받지 못하거나, BMS의 고장으로 작동 불능한 상태일 경우, 배터리 모듈(100)의 화재나 폭발 등에 대한 대처를 자동으로 수행되기 어려웠다.
따라서, 본 발명은, BMS과 같은 능동적 방식이 아닌, 배터리 모듈(100)의 온도 변화에 반응하는 열전 모듈(210) 구성을 사용하여 수동적인 방식으로 배터리 모듈(100)의 화재나 폭발 등에 대처할 수 있도록 구성됨으로써, BMS 불능에 대한 대비를 갖출 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(200)의 안전성을 크게 높일 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성들의 모습을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 모듈 하우징(120)에는 내부와 외부가 연통되도록 천공된 적어도 하나 이상의 노출구(125h)가 구비될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 배터리 모듈(100)의 모듈 하우징(120)에는 4개의 노출구(125h)가 구비될 수 있다. 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 열전 모듈(210)은 상기 노출구(125h)와 대면하도록 위치될 수 있다. 상기 노출구(125h)의 크기는 상기 열전 모듈(210)의 하부 기판(215) 보다 작을 수 있다.
또한, 상기 열전 모듈(210)은 상기 모듈 하우징(120)의 외측에 위치하고, 상기 고온측 기판(215)(하부 기판)은 적어도 일부분이 상기 노출구(125h)에 삽입될 수 있다. 이때, 상기 노출구(125h)의 크기는 상기 열전 모듈(210)의 하부 기판(215)이 삽입될 수 있도록 하부 기판(215)과 동일하거나 유사한 평면 크기를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명의 배터리 팩(200)은, 배터리 모듈(100)의 내부와 외부가 연통되도록 노출구(125h)가 구비함으로써, 열전 모듈(210)이 상기 배터리 모듈(100)의 내부 열을 효과적으로 전달 받을 수 있는 바, 상기 에너지 소비 유닛(220)이 배터리 모듈(100)의 온도 변화에 빠른 반응성으로 작동되어 배터리 모듈(100)을 방전 시킬 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(200)의 안전성을 효과적으로 높일 수 있다.
도 6은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 7은, 도 6의 배터리 팩을 C-C'선을 따라 절단된 모습을 개략적으로 나타내는 부분 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩(200A)의 모듈 하우징(120A)은, 도 1의 배터리 팩(200)과 비교할 경우, 상기 열전 모듈(210)을 수납하도록 내부 방향(배터리 모듈의 내부)으로 내입된 수납홈(218h)이 더 구비될 수 있다. 그외 다른 구성들은 동일할 수 있다.
예를 들면, 도 6에 나타난 바와 같이, 상기 모듈 하우징(120A)에는 4개의 수납홈(218h)이 구비될 수 있다. 상기 4개의 수납홈(218h) 각각에는 열전 모듈(210)이 내장될 수 있다. 이때, 상기 수납홈(218h)에 탑재된 열전 모듈(210)은 상기 저온측 기판(216)(상부 기판)이 수납홈(218h)의 상부에 위치될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 모듈 하우징(120A)에 상기 열전 모듈(210)을 수납하도록 내부 방향으로 내입된 수납홈(218h)이 구비됨으로써, 배터리 모듈(100) 외부로 상기 열전 모듈(210)이 돌출되지 않아, 외부 물체와의 간섭을 피할 수 있다. 이에 따라, 상기 열전 모듈(210)의 손상을 방지할 수 있다.
더욱이, 상기 열전 모듈(210)을 상기 배터리 모듈(100)의 내부에 좀더 가깝고 배치되고 상기 수납홈(218h)의 내벽으로 상기 열전 모듈(210)을 둘러 쌈으로써, 상기 배터리 모듈(100)의 내부 열이 상기 열전 모듈(210)로 좀더 효과적으로 전달될 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(100)이 소정 온도 이상으로 상승될 경우, 에너지 소비 유닛(220)이 신속하게 배터리 모듈(100)의 전력을 소진 시킬 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 1과 함께 도 8을 참조하면, 상기 에너지 소비 유닛(220)은 외부단락 회로(221)를 구비할 수 있다. 상기 외부단락 회로(221)는 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 상기 배터리 모듈(100)의 외부 전력 단자와 전기적으로 연결되어 상기 배터리 모듈(100)의 전력을 소진 시키도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 외부단락 회로(221)는 배터리 모듈(100)의 양극 단자와 음극 단자를 전기적으로 연결하는 단락 경로(A1), 및 상기 열전 모듈의 전류가 작동 스위치로 흐르도록 구성된 작동 경로(A2)가 구비될 수 있다. 상기 단락 경로(A1) 상에는 드레인부(225) 및 적어도 하나 이상의 작동 스위치(223)가 구비될 수 있다. 상기 드레인부(225)는 상기 배터리 모듈(100)로부터 공급된 전력을 소진하도록 구성된 소자, 이를테면 전원 저항기, 저항 소자, 또는 션트 저항기를 구비할 수 있다.
상기 작동 스위치(223)는, 상기 작동 경로(A2)를 따라 소정 이상의 전압이 공급될 경우, 상기 배터리 모듈(100)과 드레인부(225) 사이를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 상기 작동 스위치(223)는 가역적 또는 비가역적으로 스위치가 턴온될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 에너지 소비 유닛(220)은 드레인부(225) 및 적어도 하나 이상의 작동 스위치(223)를 구비한 외부단락 회로(221)를 포함함으로써, 상기 열전 모듈(210)이 전달하는 소정 이상의 전압에 의해 상기 작동 스위치(223)가 상기 배터리 모듈(100)과 드레인부(225) 사이를 전기적으로 연결함으로써, 배터리 모듈(100)의 전력을 효과적으로 소진 시킬 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 외부단락 회로(221A)는 작동 스위치(223)로서 트랜지스터 스위치(223a)를 구비할 수 있다.
상기 트랜지스터 스위치(223a)는, 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 이상의 전압의 전기를 공급 받을 경우, 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 여기서, 트랜지스터 스위치(223a)는 바이폴라 접합 트래지스터(BJT)일 수 있다.
예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 도 9의 작동 스위치(223)는 트랜지스터 스위치로 구비될 수 있다. 이때, 상기 열전 모듈(210)의 양극 단자 및 음극 단자 각각은 상기 트랜지스터 스위치(223a)의 베이스(B) 및 이미터(E) 각각에 연결될 수 있다. 상기 배터리 모듈(100)의 양극 단자 및 음극 단자 각각은 상기 트랜지스터 스위치(223a)는 컬렉터(C) 및 이미터(E) 각각에 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 트랜지스터 스위치(223a)는, 베이스(B) 단자로 소정 이하의 전압이 인가될 경우, 차단되어(차단모드) 컬렉터(C) 단자에서 이미터(E)로 전류가 흐르지 않도록 스위치가 턴 오프 된 상태로 유지될 수 있다.
그런데, 상기 트랜지스터 스위치(223a)는 베이스(B)에 소정 이상의 전압이 인가되면 컬렉터(C)에서 이미터(E)로 전류가 흐르도록 스위치가 턴 온 상태로 전환된다. 이때, 배터리 모듈(100)의 전원이 상기 단락 경로(A1) 상에 위치된 저항체(225a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(100)의 전력이 상기 드레인부(225)의 저항체(225a)에 의해 빠르게 소모될 수 있다.
따라서, 상기 열전 모듈(210)은 상기 배터리 모듈(100)이 소정 온도 이상으로 상승될 경우, 소정 이상의 전압이 발생될 수 있다. 상기 열전 모듈(210)의 발생된 소정 이상의 전압은 상기 트랜지스터 스위치(223a)의 베이스에 인가되어 포화 상태에 이르고 컬렉터(C)에서 이미터(E)로 전류가 흐르도록 스위치가 턴 온될 수 있다. 이에 따라, 상기 단락 경로(A1)에 전류가 흐르게 되고 배터리 모듈(100)의 전력이 상기 저항체(225a)를 통해 빠르게 소모될 수 있다.
상기 트랜지스터 스위치(223a)는 상기 배터리 모듈(100)의 전원의 전류 크기에 따라, 복수개 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 외부단락 회로(221A)는, 배터리 모듈(100)의 전원의 전류가 400A일 경우, 사용 전류가 200A인 트랜지스터 스위치를 2개 구비할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 작동 스위치(223)를, 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 이상의 전압의 전기를 공급 받을 경우, 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 트랜지스터 스위치로 구성할 경우, 스위치 동작이 빨라 배터리 모듈(100)의 전력을 좀더 빠르게 소모 시킬 수 있다. 또한, 트랜지스터 스위치는 스위치의 마모가 없어, 스위치 불능이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 도 9의 실시예에서는, 트랜지스터 스위치를 BJT 기준으로 설명했으나, 반드시, 그 구성으로만 한정되는 것은 아니고, 상기 트랜지스터 스위치는 전계 효과 트랜지스터(FETs) 등 다른 스위치 소자도 사용 가능하다.
도 10은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 10을 참조하면, 다른 일 실시예에 따른 외부단락 회로(221B)는, 도 9의 외부단락 회로(221A)와 달리, 작동 스위치(223)에 배터리 모듈(100)의 양극 단자와 음극 단자를 연결하는 전환 경로(A3)를 더 구비할 수 있다.
또한, 도 10의 상기 외부 단락 회로는 상기 전환 경로(A3) 상에 위치한 전환 스위치(227)를 더 구비할 수 있다. 상기 전환 스위치(227)는 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 이상의 전압이 공급될 경우 턴온되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전환 스위치(227)는 소정 이상의 전압이 인가될 경우, 스위치가 턴온되는 트랜지스터 스위치일 수 있다.
예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 전환 스위치(227)는 트랜지스터 스위치로 구비될 수 있다. 이때, 상기 열전 모듈(210)의 양극 단자 및 음극 단자 각각은 상기 트랜지스터 스위치(227a)는 베이스(B) 및 이미터(E) 각각에 연결될 수 있다. 상기 배터리 모듈(100)의 양극 단자 및 음극 단자 각각은 상기 트랜지스터 스위치(227a)는 컬렉터(C) 및 이미터(E) 각각에 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 전환 스위치(227)는 턴온될 경우, 상기 작동 스위치(223)에 상기 배터리 모듈(100)의 전원이 공급되도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 작동 스위치(223)는 상기 전환 경로(A3) 및 단락 경로(A1) 상 각각에 위치되는 구동부(223a) 및 개폐부(223b)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 구동부(223a)는 상기 개폐부(223b)의 개폐를 구동하도록 구성될 수 있다. 상기 구동부(223a)는 배터리 모듈(100)로부터 소정 이상의 전압을 공급받을 수 있도록 상기 전환 경로(A3) 상에 위치될 수 있다. 그리고, 상기 작동 스위치(223)의 개폐부(223b)는 정상적인 상태에서는 열린 상태로 유지되어, 상기 작동 스위치(223)가 단락 경로(A1)에 전류가 흐르지 않도록 하는 턴 오프 상태를 유지할 수 있다. 그러나, 상기 개폐부(223b)는 소정 이상의 전압이 상기 구동부(223a)에 인가될 경우, 턴 온될 수 있다. 이에 따라, 상기 단락 경로(A1)에 전류가 흐르도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 작동 스위치(223)에 인가된 상기 배터리 모듈(100)의 전원이 소정 전압 이상일 경우, 상기 작동 스위치(223)를 턴온시킬 수 있다. 상기 작동 스위치(223)가 턴온될 경우, 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(100)의 전력은 상기 저항체(225a)에 의해 빠르게 소모될 수 있다.
예를 들면, 상기 작동 스위치(223)는 소정 이상의 전압이 1회만 인가되더라도 턴온되고, 이러한 턴온된 상태를 지속적으로 유지할 수 있다. 즉, 상기 작동 스위치(223)는 비가역적으로 작동하는 안전 스위치일 수 있다. 예를 들면, 상기 작동 스위치(223)는 파이로 퓨즈(pyro fuse, autoliv 社)일 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 외부단락 회로(221B)는, 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 이상의 전압이 공급될 경우 턴온되어, 상기 작동 스위치(223)에 상기 배터리 모듈(100)의 전원을 공급함으로써 상기 작동 스위치(223)를 턴온시키는 전환 스위치(227)를 더 구비하는 바, 배터리 모듈(100)이 전달하는 소정 이상의 전압에 의해 작동 스위치(223)가 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결함으로써, 높은 신뢰성으로 외부 단락을 유도할 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(100)의 전력을 효과적으로 소진시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명의 도 10의 외부단락 회로(221B)는, 도 9의 외부단락 회로(221A)와 달리, 작동 스위치(223) 및 전환 스위치(227)는 다른 종류의 2개의 스위치로 구성할 수가 있어, 스위치의 턴온시킬 수 있는 작동 전압의 범위를 달리할 수 있다. 즉, 열전 모듈(210)과 전기적으로 연결되는 상기 전환 스위치(227)의 스위치가 턴온되는 전압의 범위를 낮게 설정할 수 있다. 반대로, 작동 스위치(223)는, 높은 사용 전압 또는 전류 범위를 갖도록 구성함으로써, 배터리 모듈(100)의 높은 전압 또는 전류가 흐르는 경우에도 작동 스위치(223) 개수를 적게 구비할 수 있는 이점이 있다.
다시 말해, 열전 모듈(210)의 전압에 의해 턴온시킬 수 있는 스위치와, 배터리 모듈(100)의 전원으로 턴온시킬 수 있는 스위치를 구분함으로써, 보다 효율적인 설계가 가능하고, 제조 비용을 절감하며 스위치의 작동 신뢰성을 높일 수 있다.
도 11은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외부단락 회로를 나타내는 개략도이다.
도 11을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 외부단락 회로(221C)는, 도 10의 외부단락 회로(221B)와 비교할 경우, 상기 작동 스위치(223)에 소정 이상의 전압을 공급하도록 구성된 전환 경로(A3) 상에 위치된 보조 배터리(228)를 더 구비할 수 있다.
상기 보조 배터리(228)는 소정 이상의 전압을 상기 작동 스위치(223)에 공급할 수 있도록 구성할 수 있다. 이때, 상기 소정 이상의 전압은 상기 작동 스위치(223)가 턴온될 수 있는 크기일 수 있다. 그리고, 상기 외부단락 회로(221C)는 상기 배터리 모듈(100)의 온도가 소정 이상으로 상승될 경우, 상기 열전 모듈(210)로부터 소정 이상의 전압을 인가 받아 턴온되도록 구성된 전환 스위치(227)를 구비할 수 있다.
즉, 상기 전환 스위치(227)는 턴온될 경우, 상기 작동 스위치(223)에 상기 보조 배터리(228)의 전원이 공급되도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 작동 스위치(223)는 상기 전환 경로(A3) 및 단락 경로(A1) 상 각각에 위치되는 구동부(223a) 및 개폐부(223b)가 구비될 수 있다. 상기 구동부(223a)는 상기 개폐부(223b)의 개폐를 구동하도록 구성될 수 있다. 상기 구동부(223a)는 보조 배터리(228)로부터 소정 이상의 전압을 공급받을 수 있도록 상기 전환 경로(A3) 상에 위치될 수 있다. 그리고, 상기 작동 스위치(223)의 개폐부(223b)는 정상 상태일 때, 단락 경로(A1)에 전류가 흐르지 않도록 상기 작동 스위치(223)가 턴 오프 상태를 유지할 수 있다. 나아가, 상기 개폐부(223b)는 보조 배터리(228)로부터 소정 이상의 전압이 상기 구동부(223a)에 인가 될 경우, 상기 개폐부(223b)의 스위치가 턴 온(close)되고, 이에 따라 상기 단락 경로(A1)를 따라 전류가 흐르도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(100)의 전력이 상기 저항체(225a)에 의해 빠르게 소모될 수 있다.
여기서, 상기 전환 스위치(227)는 트랜지스터 스위치(227a)가 적용될 수 있다. 또한, 상기 트랜지스터 스위치(227a)는, 소정 이하의 전압이 인가될 경우, 차단되어(차단모드) 베이스(B)에서 이미터(E)로 전류가 흐르도록 스위치가 턴 오프 된다.
상기 트랜지스터 스위치(227a)는 베이스(B)에 소정 이상의 전압이 인가되면 컬렉터(C)에서 이미터(E)로 전류가 흐르도록 스위치가 턴온된다. 이때, 보조 배터리(228)의 전원이 상기 전환 경로(A3) 상에 위치된 작동 스위치(223)의 구동부(223a)에 공급될 수 있다.
예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 열전 모듈(210)의 양극 단자 및 음극 단자 각각은 상기 트랜지스터 스위치(227a)의 베이스(B) 및 이미터(E) 각각에 연결될 수 있다. 상기 보조 배터리(228)의 양극 단자 및 음극 단자 각각은 상기 트랜지스터 스위치(227a)는 컬렉터(C) 및 이미터(E) 각각에 연결될 수 있다.
더욱이, 상기 작동 스위치(223)는, 상기 보조 배터리(228)로부터 소정 이상의 전압을 인가 받을 경우, 턴온될 수 있다. 상기 작동 스위치(223)가 턴온될 경우, 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(100)의 전력은 상기 저항체(225a)에 의해 빠르게 소모될 수 있다.
도 12 및 도 13는, 본 발명의 일 실시예에 따른 외부단락 회로의 작동 스위치의 내부 구성의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 8과 함께 도 12 및 도 13를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 스위치(223)는 양극 접속부(223a1), 음극 접속부(223a2), 연결 바(223c), 및 이동 부재(223d)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 양극 접속부(223a1)는 상기 배터리 모듈(100) 또는 상기 보조 배터리(228)의 양극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 음극 접속부(223a2)는 상기 배터리 모듈(100) 또는 상기 보조 배터리(228)의 음극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 연결 바(223c)는 상기 양극 접속부(223a1)와 상기 음극 접속부(223a2) 사이를 전기적으로 연결 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 연결 바(223c)의 일단부는 상기 양극 접속부(223a1)와 접촉 가능하도록 구성되고, 타단부는 상기 음극 접속부(223a2)와 접촉 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 양극 접속부(223a1), 음극 접속부(223a2), 및 연결 바(223c)는 전기 전도성의 금속을 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속은 알루미늄, 니켈, 또는 구리 등을 포함한 합금일 수 있다.
더욱이, 상기 이동 부재(223d)는 상기 연결 바(223c)를 이동 시키도록 구성될 수 있다. 상기 이동 부재(223d)는 상기 전환 스위치(227)에 소정 전압 이상의 전원이 공급되는 경우, 상기 연결 바(223c)가 상기 양극 접속부(223a1)와 상기 음극 접속부(223a2) 사이에 접촉되도록 구성될 수 있다. 상기 이동 부재(223d)에 대해서는 이후 좀더 구체적으로 설명하도록 한다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 작동 스위치(223)가 양극 접속부(223a1), 음극 접속부(223a2), 연결 바(223c), 및 이동 부재(223d)를 구비함으로써, 수동적인 방식으로 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 별도의 BMS의 제어 없이 상기 작동 스위치(223)에 소정 이상의 전압을 인가시키는 것만으로 턴온되어 상기 배터리 모듈(100)의 전력을 빠르게 소진 시킬 수 있다.
또한, 다시 도 12 및 도 13를 참조하면, 상기 이동 부재(223d)는 발열체(223d1), 상변화부재(223d2), 및 가압 스프링(223d3)을 구비할 수 있다.
상기 발열체(223d1)는 상기 작동 스위치(223)로 공급되는 전원에 의해 소정 온도 이상으로 온도가 상승되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 발열체(223d1)는 전기를 열로 전환시키는 저항 코일을 구비한 히터일 수 있다.
상기 상변화부재(223d2)는 상기 소정 온도 이상에서 고체 상태에서 액체 상태로 상변화할 수 있다. 상기 상변화부재(223d2)는 일단이 상기 발열체(223d1)와 연결되고 타단이 상기 연결 바(223c)와 연결될 수 있다. 예를 들면, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 상변화부재(223d2)의 상단은 상기 발열체(223d1)의 하면과 연결되고 상기 상변화부재(223d2)의 하단은 상기 연결 바(223c)의 상면과 연결될 수 있다. 이를 위해, 상기 상변화부재(223d2)는 상기 소정 온도, 예로써, 100도 이상에서 고체 상태에서 액체 상태로 상변화하는 상변화물질로 마련될 수 있다.
상기 상변화 물질의 대표적인 예로는, 파라핀(paraffin), 폴리에틸렌 글리콜, 무기 수화물(예를 들어, Na 2HPO 4·12H 2O, Na 2SO 4·10H 2O, Zn(NO 3) 2·6H 2O 등) 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 그 중에서, 저렴하며 분자량에 따라 상변환 온도의 조절이 용이한 파라핀이 특히 바람직하다.
그리고, 상기 가압 스프링(223d3)은 일단이 상기 연결 바(223c)와 연결되고 타단이 상기 발열체(223d1)와 연결될 수 있다. 상기 가압 스프링(223d3)은 상기 발열체(223d1)와 상기 연결 바(223c)와 연결된 상기 상변화부재(223d2)에 의해 압축된 상태가 유지될 수 있다. 상기 가압 스프링(223d3)은 상기 상변화부재(223d2)가 액체 상태로 상변화하면 상기 연결 바(223c)를 가압 이동시킬 수 있다.
즉, 상기 상변화부재(223d2)가 액체 상태로 상변화하면 상기 연결 바(223c)와 분리될 수 있는 바, 상기 상변화부재(223d2)에 의해 구속되었던 연결 바(223c)가 풀려나면서 상기 가압 스프링(223d3)의 압축력에 의해 상기 연결 바(223c)가 이동할 수 있다. 상기 연결 바(223c)는 상기 양극 접속부(223a1)와 상기 음극 접속부(223a2) 각각에 접촉하도록 위치 이동될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 이동 부재(223d)는 발열체(223d1), 상변화부재(223d2), 및 가압 스프링(223d3)을 구비함으로써, 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 별도의 BMS의 제어 없이 상기 작동 스위치(223)에 소정 이상의 전압을 인가시키는 것만으로 턴온되어 상기 배터리 모듈(100)의 전력을 빠르게 소진 시킬 수 있다.
도 14 및 도 15는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 외부단락 회로의 작동 스위치의 내부 구성의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 외부단락 회로의 작동 스위치(223A)는, 발열체(223d1), 및 팽창부(223d4)를 구비하는 이동 부재(223d)를 포함할 수 있다. 상기 발열체(223d1)는 상기 작동 스위치(223)로 공급되는 전원에 의해 소정 온도 이상으로 온도가 상승되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 발열체(223d1)는 전기를 열로 전환시키는 저항 코일을 구비한 히터일 수 있다.
또한, 상기 팽창부(223d4)는 일단이 상기 발열체(223d1)와 연결되고 타단이 상기 연결 바(223c)와 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 팽창부(223d4)는 상단이 상기 발열체(223d1)의 하면과 연결되고 하단이 상기 연결 바(223c)의 상면과 연결되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 팽창부(223d4)는 소정 온도 이상에서 부피 팽창되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 팽창부(223d4)는 소정 온도 이상에서 부피 팽창되는 팽창 물질을 구비할 수 있다. 상기 소정 온도는, 예로써, 섭씨 100도 이상의 온도에서 팽창하는 재질로 마련될 수 있다. 예를 들면, 상기 팽창 물질은 고분자 재료 또는 금속일 수 있다. 바람직하게는, 상기 팽창 물질은 폴리에틸렌, 나일론, 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
그리고, 상기 팽창부(223d4)는 상기 발열체(223d1)로부터 열이 전도되어 소정 온도 이상으로 상승될 경우, 부피 팽창되어 상기 연결 바(223c)를 이동 시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 팽창부(223d4)는 상기 연결 바(223c)가 상기 양극 접속부(223a1)와 상기 음극 접속부(223a2) 각각에 접촉하도록 위치 이동시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 이동 부재(223d)는 발열체(223d1), 및 팽창부(223d4)를 구비함으로써, 인가된 전력에 의해 발열체(223d1)가 발열될 경우, 상기 발열체(223d1)와 연결된 팽창부(223d4)가 부피가 팽창하여 연결 바(223c)를 이동시키게 되는 바, 이동된 연결 바(223c)는 상기 배터리 모듈(100)과 저항체(225a) 사이를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이에 따라, 별도의 BMS의 제어 없이 상기 작동 스위치(223)에 소정 이상의 전압을 인가시키는 것만으로 턴온되어 상기 배터리 모듈(100)의 전력을 빠르게 소진 시킬 수 있다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(500)은 복수의 배터리 팩(200)을 수용하는 랙 케이스(510)를 포함할 수 있다. 상기 랙 케이스(510)는 상기 복수의 배터리 팩(200)을 상하 방향으로 적층된 형태로 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 랙 케이스(510) 내부에서는 배터리 팩(200)의 하부면이 수평면에 평행한 형태로 탑재될 수 있다.
여기서 수평 방향이란, 상기 배터리 팩(200)을 지면에 놓았을 때 지면에 평행한 방향을 의미한다고 할 수 있으며, 상하 방향에 수직하는 평면상의 적어도 한 방향이 라고도 할 수 있다.
더욱이, 상기 랙 케이스(510)는 적어도 일측이 개방 가능한 형태로 구성되어, 개방된 측면을 통해 배터리 팩(200)이 내부 공간으로 인입될 수 있다. 다만, 상기 랙 케이스(510)는, 이러한 개방된 측면이 폐쇄 가능하도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기 배터리 랙(500)은, 복수의 배터리 팩(200)의 충방전을 제어하도록 구성된 중앙 배터리 관리 장치(300) 등 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리 장치는, 랙 케이스(510)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.
한편, 다시 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치(600)는 상기 배터리 랙(500)을 적어도 둘 이상 포함할 수 있다. 상기 둘 이상의 배터리 랙(500)은 일방향으로 배열되도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 전력 저장 장치(600)는 3개의 배터리 랙(500)이 일방향으로 배열되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 저장 장치(600)는 3개의 배터리 랙(500)의 충방전을 제어할 수 있는 중앙 제어부(도시하지 않음)를 구비할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
200: 배터리 팩
100: 배터리 모듈 120: 모듈 하우징
110a: 배터리 셀 110: 셀 어셈블리
125h: 노출구
210: 열전 모듈 211, 211p, 211n: 열전 레그
213: 전극 215: 고온측 기판(하부 기판)
216: 저온측 기판(상부 기판)
218h: 수납홈
220: 에너지 소비 유닛 221: 외부단락 회로
223: 작동 스위치 225: 드레인부
227: 전환 스위치 223a1, 223a2: 양극 접속부, 음극 접속부
223c: 연결 바 223d: 이동 부재
223d1: 발열체 223d2: 상변화부재
223d3: 가압 스프링 223d4: 팽창부
228: 보조 배터리
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 배터리 팩을 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치와 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (15)

  1. 복수 개의 배터리 셀들, 및 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하기 위한 모듈 하우징을 구비한 적어도 하나 이상의 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 모듈 하우징의 외측 또는 내측에 위치하도록 구성되고 상기 배터리 모듈이 소정 온도 이상으로 상승 시, 전압을 발생시키는 적어도 하나 이상의 열전 모듈; 및
    상기 열전 모듈로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 상기 배터리 모듈을 방전 시키도록 구성된 에너지 소비 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징에는 내부와 외부가 연통되도록 천공된 적어도 하나 이상의 노출구가 구비되고,
    상기 열전 모듈은 상기 노출구와 대면하도록 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전 모듈은,
    p형 레그 및 n형 레그로 구성된 열전 레그;
    상기 p형 레그 및 상기 n형 레그 사이를 연결하는 전극; 및
    판상으로 구성되며 하부와 상부에 배치되어 상기 전극을 외부와 전기적으로 절연시키는 고온측 기판 및 저온측 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 상기 모듈 하우징의 외측에 위치하고,
    상기 고온측 기판은 적어도 일부분이 상기 노출구에 삽입된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 모듈 하우징에는 상기 열전 모듈을 수납하도록 내부 방향으로 내입된 수납홈이 구비되고,
    상기 수납홈에 탑재된 열전 모듈은 상기 저온측 기판이 수납홈의 상부에 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 소비 유닛은,
    상기 열전 모듈로부터 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 상기 배터리 모듈의 외부 전력 단자와 전기적으로 연결되어 상기 배터리 모듈의 전력을 소진 시키도록 구성된 외부단락 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부단락 회로는,
    상기 배터리 모듈로부터 공급된 전력을 소진하도록 구성된 드레인부; 및
    소정 이상의 전압이 공급될 경우, 상기 배터리 모듈과 저항체 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 적어도 하나 이상의 작동 스위치
    를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 외부단락 회로는,
    상기 열전 모듈로부터 소정 이상의 전압이 공급될 경우 턴온되어, 상기 작동 스위치에 상기 배터리 모듈의 전원이 공급되도록 함으로써 상기 작동 스위치를 턴온시키는 전환 스위치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 작동 스위치는,
    상기 배터리 모듈의 양극 단자와 전기적으로 연결된 양극 접속부;
    상기 배터리 모듈의 음극 단자와 전기적으로 연결된 음극 접속부;
    상기 양극 접속부와 상기 음극 접속부 사이를 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 연결 바; 및
    상기 전환 스위치에 소정 전압 이상의 전원이 공급되는 경우 상기 연결 바가 상기 양극 접속부와 상기 음극 접속부 사이에 접촉되도록 상기 연결 바를 이동 시키도록 구성된 이동 부재
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이동 부재는,
    상기 작동 스위치로 공급되는 전원에 의해 소정 온도 이상으로 온도가 상승되는 발열체;
    일단이 상기 발열체와 연결되고 타단이 상기 연결 바와 연결되며 상기 소정 온도 이상에서 고체 상태에서 액체 상태로 상변화하는 상변화부재; 및
    일단이 상기 연결 바와 연결되고 타단이 상기 발열체와 연결되며 상기 상변화부재가 액체 상태로 상변화하면 상기 연결 바를 가압 이동시키도록 구성된 가압 스프링
    을 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 이동 부재는,
    상기 작동 스위치로 공급되는 전원에 의해 소정 온도 이상으로 온도가 상승되는 발열체; 및
    일단이 상기 발열체와 연결되고 타단이 상기 연결 바와 연결되며 소정 온도 이상에서 부피 팽창되어 상기 연결 바를 이동 시키도록 구성된 팽창부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 외부단락 회로는,
    소정 이상의 전압을 공급할 수 있는 보조 배터리; 및
    상기 열전 모듈로부터 소정 이상의 전압이 공급될 경우 턴온되어, 상기 작동 스위치에 상기 보조 배터리의 소정 이상의 전압이 공급되도록 함으로써 상기 작동 스위치를 턴온시키는 전환 스위치
    를 더 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 작동 스위치는, 상기 열전 모듈로부터 소정 이상의 전압의 전기를 공급 받을 경우, 상기 배터리 모듈과 저항체 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 트랜지스터 스위치인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩을 수용하는 랙 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  15. 제14항에 따른 적어도 하나 이상의 배터리 랙을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
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