WO2021071055A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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WO2021071055A1
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bus bar
battery module
battery
electrode lead
temperature control
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윤선우
김민준
이창복
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module having improved temperature control performance and a battery pack including the same.
  • rechargeable rechargeable batteries are a way to solve air pollution, such as conventional gasoline vehicles that use fossil fuels, as well as electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV) is used as a power source, and the need for development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • 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 an exterior material, that is, a battery case, for sealing the electrode assembly together with an electrolyte.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • a battery module electrically connecting a plurality of battery cells Is used.
  • a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a plurality of battery cells generate heat during a charging or discharging process. If such heat is not rapidly discharged in a dense state, deterioration of the battery cells may be accelerated, and ignition or explosion may occur. Meanwhile, when a plurality of battery cells are exposed to a low-temperature environment, charging and discharging are not smoothly performed due to an increase in resistance, and output voltage and current are rapidly decreased.
  • Embodiments of the present invention have been proposed to solve the above-described problems of the previously proposed methods, and include a battery module capable of effective cooling and heating by having a temperature control device in contact with an electrode lead, and a battery pack including the same. It aims to provide.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells including electrode leads are stacked; A bus bar connecting the electrode leads; And a temperature control device in contact with the electrode lead, wherein the temperature control device includes a heat transfer member in contact with the electrode lead and a thermoelectric element capable of heating and cooling, wherein the heat transfer member comprises a metal layer and the metal layer And a metal oxide layer positioned between the electrode leads.
  • the metal layer may include aluminum, and the metal oxide layer may include aluminum oxide.
  • thermoelectric element may be cooled or heated according to a direction of applied power.
  • the electrode leads include a welding portion bonded to the bus bar or another electrode lead, and a connection portion connecting the welding portion to the battery cell, and at least one of the welding portions has one surface of the bus bar or the other electrode lead The other surface bonded to and facing the one surface may contact the temperature control device.
  • the temperature control device may include a first bolt fixing the thermoelectric element to the heat transfer member.
  • a bus bar frame having a slit through which the electrode lead passes may be further included, and the bus bar may be mounted on the bus bar frame.
  • the temperature control device may include a second bolt fixing the heat transfer member to the bus bar frame.
  • the temperature control device may include a third bolt fixing the thermoelectric element and the heat transfer member to the bus bar frame.
  • the electrode lead may be located on one side of the battery cell stack and on the other side opposite to the one side, and the bus bar frame may be located on the one side and the other side of the battery cell stack.
  • the temperature control device can directly contact the electrode lead through the metal oxide layer, it is possible to effectively cool and heat the battery module.
  • the temperature control device can be directly fixed through the metal layer and the metal oxide layer, it can be in close contact with the electrode lead.
  • the temperature control device includes a thermoelectric element, both cooling and heating of the battery module are possible according to the direction of the applied power.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cut line A-A' of FIG. 1.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a battery module according to a comparative example of the present invention.
  • a part such as a layer, film, region, or plate
  • another part when one part is “directly above” another part, it means that there is no other part in the middle.
  • the reference part means that it is located above or below the reference part, and means that it is located “above” or “on” in the direction opposite to the gravity. no.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 connects a battery cell stack 200 in which a plurality of battery cells 210 including an electrode lead 300 are stacked, and the electrode leads 300 And a temperature control device 400 in contact with the bus bar 710 and the electrode lead 300.
  • the temperature control device 400 in contact with the electrode lead 300 is one side and the other side of the battery cell stack 200 It may be located on at least one of, and may be located on both one side and the other side of the battery cell stack 200 as shown in FIG. However, in FIG. 1, for convenience of description, one temperature control device 400 is shown to be spaced apart from the battery cell stack 200.
  • the bus bar 710 connecting the electrode leads 300 may be mounted on the bus bar frame 700.
  • the bus bar frame 700 is disposed on one side and the other side of the battery cell stack 200 according to the direction in which the electrode lead 300 is positioned, and the electrode lead 300 is formed on the bus bar frame 700. After passing through the slit 720 and the bus bar slit 711 formed on the bus bar 710, it is bent and connected to the bus bar 710.
  • the electrode lead 300 and the bus bar 710 are physically and electrically connected to each other, there is no limitation on the connection method, but it is preferable that the electrode lead 300 and the bus bar 710 are connected by welding.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cut line A-A' of FIG. 1.
  • the temperature control device 400 includes a heat transfer member 500 in contact with the electrode lead 300 and a thermoelectric element 600 capable of heating and cooling.
  • the thermoelectric element 600 is a device using a thermoelectric effect, and is a device capable of reversible and direct energy conversion between a temperature difference and an electric voltage. In other words, it is a device capable of both cooling and heating depending on the direction of the applied power. Accordingly, the thermoelectric element 600 includes a signal line 610 connected to a battery management system (BMS) or a battery disconnected unit (BDU), and can be cooled or heated according to the direction of power applied through the signal line 610 Do.
  • BMS battery management system
  • BDU battery disconnected unit
  • the heat transfer member 500 includes a metal layer 510 and a metal oxide layer 520 formed on one surface of the metal layer 510.
  • the metal oxide layer 520 is positioned between the metal layer 510 and the electrode lead 300 and directly contacts the electrode lead 300.
  • the metal layer 510 may include at least one of aluminum and copper, and the metal oxide layer 520 may include at least one of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), and boron nitride (BN). have. However, it is preferable that the metal layer 510 includes aluminum and the metal oxide layer 520 includes aluminum oxide. Furthermore, the heat transfer member 500 may be a metal member whose one surface is anodized.
  • thermoelectric element 600 Since the metal layer 510 has excellent thermal conductivity, both the heat flow from the thermoelectric element 600 to the electrode lead 300 and the heat flow in the opposite direction can be smoothly transferred.
  • the metal oxide layer 520 is a ceramic material exhibiting electrical insulation, direct contact with the electrode lead 300 is possible.
  • the thickness of the metal oxide layer 520 may be 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the thickness of the metal oxide layer 520 is less than 10 ⁇ m, the electrical insulation performance is insufficient, and there is a risk of current flow between the electrode lead 300 and the metal layer 510.
  • the thickness of the metal oxide layer 520 exceeds 1000 ⁇ m, heat transfer performance is deteriorated, and thus heat flow between the thermoelectric element 600 and the electrode lead 300 may be obstructed.
  • the thickness of the metal layer 510 is not limited, but it is preferably 1 mm or more for fixing the heat transfer member 500 to be described later.
  • the electrode lead 300 of the battery cell 210 may be bent after passing through the slit 720 and the bus bar slit 711 of the bus bar frame 700.
  • the electrode lead 300 may include a bus bar 710 or a welding portion 310 bonded to another electrode lead, and a connection portion 320 connecting the welding portion 310 and the battery cell.
  • the welding portion 310 in contact with the metal oxide layer 520 may be directly bonded to the bus bar 710 rather than another electrode lead.
  • the heat transfer member 500 may directly contact the electrode lead 300 through the metal oxide layer 520. Since the electrode lead 300 that generates heat intensively and the heat transfer member 500 are in direct contact, the heat generated from the electrode lead 300 is effectively discharged to the thermoelectric element 600 through the heat transfer member 500 Can be.
  • thermoelectric element 600 generates heat
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a battery module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a battery module according to a comparative example of the present invention.
  • the temperature control device 400 may include one or more first bolts 810 for fixing the thermoelectric element 600 to the heat transfer member 500, and the heat transfer member 500 )
  • To the bus bar frame 700 may include one or more second bolts 820.
  • thermoelectric element 600 and the heat transfer member 500 may be directly fixed to the bus bar frame 700 through the first bolt 810 and the second bolt 820.
  • first bolt 810 and the second bolt 820 there is no particular limitation on the number of the first bolt 810 and the second bolt 820, it is preferable that there are two or more each for stable fixing.
  • the temperature control device 400a may include one or more third bolts 830 fixing the thermoelectric element 600a and the heat transfer member 500 to the bus bar frame 700. .
  • the thermoelectric element 600a in FIG. 3 may be expanded to have a horizontal width equal to that of the heat transfer member 500.
  • the battery module according to the comparative example of the present invention may include an insulating sheet 50.
  • the configurations of the electrode lead 30, the bus bar 71, and the bus bar frame 70 including the welding portion 31 and the connection portion 32 are the same or similar to those of the battery modules of FIGS. 2 and 3.
  • thermoelectric element 60 is interposed between the thermoelectric element 60 and the electrode lead 30.
  • the insulating sheet 50 is a sheet-shaped member having electrical insulation and thermal conductivity, and corresponds to a medium through which heat flows from the thermoelectric element 60 to the electrode lead 30 or in the opposite direction.
  • the insulating sheet 50 must be in close contact so that a fine air layer between the insulating sheet 50 and the electrode lead 30 or between the insulating sheet 50 and the thermoelectric element 60 is minimized. ) Cannot be fixed directly.
  • an additional contact member 90 for pressing the thermoelectric element 60 from the outside and a bolt 80 for fixing the contact member 90 to the bus bar frame 70 are required. That is, unlike the embodiments of the present invention in which the temperature control devices 400 and 400a can be directly fixed, in the case of the comparative example using the insulating sheet 50, an additional space for the arrangement of the additional contact member 90 is required. .
  • the battery module can be applied to transportation means such as electric vehicles and hybrids, which are liable to be subjected to mechanical vibration or shock from the outside, and the insulating sheet 50 has a problem that can be easily separated or dropped out by vibration or shock before mechanical vibration. .
  • the insulating sheet 50 may include silicon oxide, which is a fiber material, but its thermal conductivity is only a few W/m ⁇ K levels.
  • the heat transfer member 500 of the present invention is Compared to the case of using the insulating sheet 50, it has the advantage of excellent heat conduction properties.
  • thermoelectric element 60 since an air layer must be formed between the thermoelectric element 60 and the insulating sheet 50 to some extent, heat transfer is limited.
  • the temperature control device 400, 400a in this embodiment does not require an additional member because the heat transfer member 500 can be directly fixed, and is not subject to mechanical vibration or shock from the outside. More stable.
  • thermoelectric elements 600 and 600a are directly fixed to the heat transfer member 500 by the first bolt 810 or the third bolt 830, stable fixing is possible and close contact with each other without an air layer therebetween. Can be.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery module or battery pack can be applied to various devices.
  • a device may be applied to a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid, but is not limited thereto and may be applied to various devices capable of using a secondary battery.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전극 리드들을 연결하는 버스 바; 및 상기 전극 리드와 접촉하는 온도 조절 장치를 포함하고, 상기 온도 조절 장치는, 상기 전극 리드와 접촉하는 열 전달 부재 및 가열과 냉각이 가능한 열전 소자를 포함하며, 상기 열 전달 부재는, 금속층 및 상기 금속층과 상기 전극 리드 사이에 위치하는 산화금속층을 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 10월 10일자 한국 특허 출원 제10-2019-0125309호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 온도 조절 성능이 개선된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지 셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지 셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
이때, 다수의 전지셀들은 충전 또는 방전 과정에서 열이 발생하는데, 밀집된 상태에서 이러한 열이 신속하게 배출되지 않을 경우, 전지셀의 열화가 촉진되고, 발화 또는 폭발 등이 발생할 수 있다. 한편, 다수의 전지셀들이 저온 환경에 노출될 경우, 저항의 증가로 인해 충, 방전이 원활하게 이루어지지 않고, 출력 전압과 전류가 급격이 감소하는 특성을 가지고 있다.
따라서, 다수의 전지셀들을 구비한 전지 모듈에 대해 외부 환경 등에 따라 전지 모듈을 냉각하거나 가열하여, 그 온도를 제어할 필요가 있다. 이때, 전지셀들의 전극 리드나 이러한 전극 리드와 연결된 버스 바를 직접 냉각 또는 가열하기엔 단락 등의 위험이 있어, 내부 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트를 전극 리드의 반대편에 위치시킬 수 있다.
다만, 냉각 플레이트의 내부에서 냉매가 새어 나오는 경우 원활한 냉각이 어려우며, 새어 나온 냉매로 인해 단락 현상 등의 위험이 발생할 가능성이 있다. 또, 실제 열이 발생하는 전극 리드를 직접 냉각하는 구조가 아니므로, 아무래도 냉각의 효율에 있어서 어느 정도 제한이 있을 수 밖에 없다.
본 발명의 실시예들은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 전극 리드와 접촉되는 온도 조절 장치를 구비하여 효과적인 냉각 및 가열이 가능한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전극 리드들을 연결하는 버스 바; 및 상기 전극 리드와 접촉하는 온도 조절 장치를 포함하고, 상기 온도 조절 장치는 상기 전극 리드와 접촉하는 열 전달 부재 및 가열과 냉각이 가능한 열전 소자를 포함하며, 상기 열 전달 부재는 금속층 및 상기 금속층과 상기 전극 리드 사이에 위치하는 산화금속층을 포함한다.
상기 금속층은 알루미늄을 포함할 수 있고, 상기 산화금속층은 산화알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 열전 소자는, 인가되는 전력 방향에 따라, 냉각 또는 가열될 수 있다.
상기 전극 리드들은, 상기 버스 바 또는 다른 전극 리드와 접합되는 용접부 및 상기 용접부와 상기 전지셀을 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 용접부들 중 적어도 하나는, 그 일면이 상기 버스 바 또는 상기 다른 전극 리드와 접합되고, 상기 일면과 대향하는 타면이 상기 온도 조절 장치와 접촉할 수 있다.
상기 온도 조절 장치는, 상기 열전 소자를 상기 열 전달 부재에 고정시키는 제1 볼트를 포함할 수 있다.
상기 전극 리드가 통과하는 슬릿이 형성된 버스 바 프레임을 더 포함하고, 상기 버스 바가 상기 버스 바 프레임에 장착될 수 있다.
상기 온도 조절 장치는, 상기 열 전달 부재를 상기 버스 바 프레임에 고정시키는 제2 볼트를 포함할 수 있다.
상기 온도 조절 장치는, 상기 열전 소자 및 상기 열 전달 부재를 상기 버스 바 프레임에 고정시키는 제3 볼트를 포함할 수 있다.
상기 전극 리드는, 상기 전지셀 적층체의 일측 및 상기 일측과 대향하는 타측에 위치하며, 상기 버스 바 프레임은 상기 전지셀 적층체의 상기 일측 및 상기 타측에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 온도 조절 장치가 산화금속층을 통해 전극 리드와 직접 접촉이 가능하여, 전지 모듈의 효과적인 냉각 및 가열이 가능하다.
한편, 온도 조절 장치는 금속층 및 산화금속층을 통한 직접 고정이 가능하여, 전극 리드와 밀착 되어 접촉될 수 있다.
한편, 온도 조절 장치는 열전 소자를 포함하기에, 인가되는 전력의 방향에 따라 전지 모듈의 냉각 및 가열이 모두 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전극 리드(300)를 포함하는 복수의 전지셀(210)이 적층된 전지셀 적층체(200), 전극 리드(300)들을 연결하는 버스 바(710) 및 전극 리드(300)와 접촉하는 온도 조절 장치(400)를 포함한다.
전극 리드(300)가 전지셀 적층체(200)의 서로 대향하는 일측 및 타측에 위치하므로, 전극 리드(300)와 접촉하는 온도 조절 장치(400)는 전지셀 적층체(200)의 일측 및 타측 중 적어도 하나에 위치할 수 있고, 도 1에서처럼 전지셀 적층체(200)의 일측 및 타측 모두에 위치할 수 있다. 다만, 도 1에서는 설명의 편의를 위해 어느 한 온도 조절 장치(400)를 전지셀 적층체(200)와 이격하여 도시하였다.
한편, 전극 리드(300)들을 연결하는 버스 바(710)는 버스 바 프레임(700)에 장착될 수 있다. 구체적으로, 버스 바 프레임(700)이 전극 리드(300)가 위치하는 방향에 따라 전지셀 적층체(200)의 일측 및 타측에 배치되고, 전극 리드(300)가 버스 바 프레임(700)에 형성된 슬릿(720)과 버스 바(710)에 형성된 버스 바 슬릿(711)을 통과한 뒤 절곡되어 버스 바(710)와 연결된다.
전극 리드(300)와 버스 바(710)는 서로 물리적 및 전기적으로 연결되면 연결 방법의 제한은 없으나, 용접 결합으로 연결되는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면도이다.
도 2를 도 1과 함께 참고하면, 온도 조절 장치(400)는 전극 리드(300)와 접촉하는 열 전달 부재(500) 및 가열과 냉각이 가능한 열전 소자(600)를 포함한다.
열전 소자(600)는 열전 효과(Thermoelectric Effect)를 이용한 소자로써, 온도의 차이와 전기 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환이 가능한 소자이다. 다시 말해, 인가되는 전력의 방향에 따라 냉각 및 가열이 모두 가능한 소자이다. 이에 따라 열전 소자(600)는, BMS(Battery Management System)나 BDU(Battery Disconnected Unit)와 연결된 신호선(610)을 포함하고, 신호선(610)을 통해 인가되는 전력의 방향에 따라 냉각 또는 가열이 가능하다.
열 전달 부재(500)는 금속층(510) 및 금속층(510)의 일면에 형성된 산화금속층(520)을 포함한다. 산화금속층(520)은 금속층(510)과 전극 리드(300) 사이에 위치하여, 전극 리드(300)와 직접 접촉한다.
금속층(510)은 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 산화금속층(520)은 산화알루미늄(Al 2O 3), 질화알루미늄(AlN) 및 질화붕소(BN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 금속층(510)이 알루미늄을 포함하고, 산화금속층(520)이 산화알루미늄을 포함하는 것이 바람직하다. 나아가, 열 전달 부재(500)는 일면이 양극산화(Anodizing) 처리된 금속 부재일 수 있다.
금속층(510)은 열 전도도가 우수하기에, 열전 소자(600)에서 전극 리드(300)까지의 열의 흐름이나 그 반대 방향의 열의 흐름이 모두 원활하게 전달할 수 있다.
산화금속층(520)은 전기절연성을 띄는 세라믹 소재이므로, 전극 리드(300)와 직접 접촉이 가능하다.
산화금속층(520)의 두께는 10μm 내지 1000μm일 수 있다. 산화금속층(520)의 두께가 10μm 미만인 경우, 전기 절연 성능이 충분치 못하여 전극 리드(300)와 금속층(510) 간의 전류 흐름이 발생할 위험이 있다. 한편, 산화금속층(520)의 두께가 1000μm 초과인 경우, 열 전달 성능이 저하되어, 열전 소자(600)와 전극 리드(300) 사이의 열 흐름에 장애가 될 수 있다.
금속층(510)의 두께에는 제한이 없으나, 후술하는 열 전달 부재(500)의 고정을 위해 1mm 이상인 것이 바람직하다.
한편, 앞서 설명한대로, 전지셀(210)의 전극 리드(300)는 버스 바 프레임(700)의 슬릿(720)과 버스 바 슬릿(711)을 통과한 후 절곡될 수 있다. 도 2에서처럼, 전극 리드(300)는, 버스 바(710) 또는 다른 전극 리드와 접합되는 용접부(310) 및 용접부(310)와 전지셀을 연결하는 연결부(320)를 포함할 수 있다.
이 때, 용접부(310)들 중 적어도 하나는 그 일면이 다른 전극 리드와 접합되고, 상기 일면과 대향하는 타면이 온도 조절 장치(400), 특히 열 전달 부재(500)의 산화금속층(520)과 접촉될 수 있다.
구체적으로 도시하지는 않았지만, 산화금속층(520)과 접촉하고 있는 용접부(310)가 다른 전극 리드가 아닌 버스 바(710)와 바로 접합될 수도 있다.
본 실시예에서는, 산화금속층(520)을 통해 열 전달 부재(500)가 전극 리드(300)와 직접 접촉할 수 있다. 열이 집중적으로 발생하는 전극 리드(300)와 열 전달 부재(500)가 직접 접촉하고 있기 때문에, 전극 리드(300)에서 발생한 열이 열 전달 부재(500)를 거쳐 열전 소자(600)로 효과적으로 배출될 수 있다.
반대로, 전지 모듈(100)이 저온 환경에 노출되어 열전 소자(600)가 열을 발생시키는 경우에도, 상기 원리가 마찬가지로 적용될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈의 단면도이다.
이하, 도 2 내지 도 4와 함께, 비교예에 비해 본 실시예에서의 온도 조절 장치가 고정 방식에 있어서 갖는 이점을 설명하도록 한다.
우선, 도 2를 다시 참고하면, 온도 조절 장치(400)는 열전 소자(600)를 열 전달 부재(500)에 고정시키는 하나 이상의 제1 볼트(810)를 포함할 수 있고, 열 전달 부재(500)를 버스 바 프레임(700)에 고정시키는 하나 이상의 제2 볼트(820)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 볼트(810) 및 제2 볼트(820)를 통해서 열전 소자(600) 및 열 전달 부재(500)를 버스 바 프레임(700)에 직접 고정할 수가 있다.
제1 볼트(810)와 제2 볼트(820)의 개수에는 특별한 제한이 없으나, 안정적인 고정을 위해 각각 둘 이상인 것이 바람직하다.
다음, 도 3을 참고하면, 온도 조절 장치(400a)는 열전 소자(600a) 및 열 전달 부재(500)를 버스 바 프레임(700)에 고정시키는 하나 이상의 제3 볼트(830)를 포함할 수 있다. 이를 위해, 도 3에서의 열전 소자(600a)는, 도 2에서의 열전 소자(600)와 달리, 가로 폭이 열 전달 부재(500)와 대등하도록 확장될 수 있다.
제3 볼트(830)의 개수에는 특별한 제한이 없으나, 안정적인 고정을 위해 둘 이상인 것이 바람직하다.
반면, 도 4를 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈은 절연 시트(50)를 구비할 수 있다.
용접부(31)와 연결부(32)를 포함하는 전극 리드(30), 버스 바(71) 및 버스 바 프레임(70)의 구성은 도 2 및 도 3의 전지 모듈과 상호 동일 내지 유사하다.
다만, 열전 소자(60)와 전극 리드(30) 사이에 열 전달 부재가 아닌 절연 시트(50)가 개재되는 점에서 본 발명의 실시예들과 차이가 있다.
이러한 절연 시트(50)는 전기적 절연성과 함께 열 전도성을 갖는 시트 형태의 부재로써, 열전 소자(60)에서 전극 리드(30)로 또는 그 반대 방향으로 열이 흐르도록 하는 매개물에 해당한다.
다만, 절연 시트(50)와 전극 리드(30) 사이 또는 절연 시트(50)와 열전 소자(60) 사이의 미세한 공기 층이 최소화되도록 절연 시트(50)가 밀착되어야 하나, 그 특성상 절연 시트(50)를 직접 고정시킬 수 없다.
이에 따라, 도 4에서와 같이 열전 소자(60)를 외측에서 가압하는 추가 밀착 부재(90) 및 밀착 부재(90)를 버스 바 프레임(70)에 고정시키는 볼트(80)가 필요하다. 즉, 온도 조절 장치(400, 400a)의 직접 고정이 가능한 본 발명의 실시예들과 달리, 절연 시트(50)를 활용하는 비교예의 경우 추가 밀착 부재(90)의 배치를 위한 추가 공간이 필요하다.
또한, 전지 모듈은 외부로부터 기계적 진동이나 충격이 가해지기 쉬운 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있는데, 절연 시트(50)는 기계전 진동이나 충격에 의해 쉽게 이탈 또는 탈락될 수 있는 문제가 있다.
또한, 절연 시트(50)가 열 전도성을 갖는 소재를 포함하더라도, 금속만큼의 열 전도도를 가질 수 없으므로, 열 전도 특성이 상대적으로 떨어지는 문제도 있다. 구체적으로, 절연 시트(50)는 섬유(Fiber) 소재인 실리콘 옥사이드 등을 포함할 수 있으나, 그 열 전도도는 수 W/m·K 수준 밖에 되지 않는다. 반면, 산화알루미늄 등의 산화금속층은 열 전도도가 20 W/m·K 수준이며, 알루미늄 등의 금속층은 열 전도도가 수백 W/m·K 수준인 점에서, 본 발명의 열 전달 부재(500)는 절연 시트(50)를 활용하는 경우에 비해 열 전도 특성이 우수하다는 장점을 갖는다.
또한, 열전 소자(60)와 절연 시트(50) 사이에 공기 층이 어느 정도 형성될 수 밖에 없어 열 전달에 제한이 있다.
이러한 절연 시트(50)와 달리, 본 실시예에서의 온도 조절 장치(400, 400a)는, 열 전달 부재(500)가 직접 고정될 수 있어 추가 부재가 필요하지 않으며 외부로부터의 기계적 진동이나 충격에 보다 안정적이다.
또한, 금속층(510)과 얇은 산화금속층(520)을 포함하기 때문에 우수한 열 전도 특성을 가질 수 있다.
또한, 열전 소자(600, 600a)도 제1 볼트(810)나 제3 볼트(830)에 의해 열 전달 부재(500)에 직접 고정되므로, 안정적인 고정이 가능하고, 그 사이에 공기 층 없이 서로 밀착될 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 전지 모듈
200: 전지셀 적층체
300: 전극 리드
400: 온도 조절 장치
500: 열 전달 부재
510: 금속층
520: 산화금속층
600: 열전 소자
700: 버스 바 프레임
710: 버스 바

Claims (10)

  1. 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전극 리드들을 연결하는 버스 바; 및
    상기 전극 리드와 접촉하는 온도 조절 장치를 포함하고,
    상기 온도 조절 장치는, 상기 전극 리드와 접촉하는 열 전달 부재 및 가열과 냉각이 가능한 열전 소자를 포함하며,
    상기 열 전달 부재는, 금속층 및 상기 금속층과 상기 전극 리드 사이에 위치하는 산화금속층을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 금속층은 알루미늄을 포함하고,
    상기 산화금속층은 산화알루미늄을 포함하는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 열전 소자는, 인가되는 전력 방향에 따라, 냉각 또는 가열되는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 전극 리드들은, 상기 버스 바 또는 다른 전극 리드와 접합되는 용접부 및 상기 용접부와 상기 전지셀을 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 용접부들 중 적어도 하나는, 그 일면이 상기 버스 바 또는 상기 다른 전극 리드와 접합되고, 상기 일면과 대향하는 타면이 상기 온도 조절 장치와 접촉하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 온도 조절 장치는, 상기 열전 소자를 상기 열 전달 부재에 고정시키는 제1 볼트를 포함하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 전극 리드가 통과하는 슬릿이 형성된 버스 바 프레임을 더 포함하고,
    상기 버스 바가 상기 버스 바 프레임에 장착되는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 온도 조절 장치는, 상기 열 전달 부재를 상기 버스 바 프레임에 고정시키는 제2 볼트를 포함하는 전지 모듈.
  8. 제6항에서,
    상기 온도 조절 장치는, 상기 열전 소자 및 상기 열 전달 부재를 상기 버스 바 프레임에 고정시키는 제3 볼트를 포함하는 전지 모듈.
  9. 제6항에서,
    상기 전극 리드는, 상기 전지셀 적층체의 일측 및 상기 일측과 대향하는 타측에 위치하며,
    상기 버스 바 프레임은 상기 전지셀 적층체의 상기 일측 및 상기 타측에 위치하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 하나 이상 포함하는 전지 팩.
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