WO2021221223A1 - 전기히터가 내장된 전기자동차용 배터리 팩 - Google Patents

전기히터가 내장된 전기자동차용 배터리 팩 Download PDF

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battery
heater plate
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module
battery pack
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강국진
남상현
송대천
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에너테크인터내셔널 주식회사
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Definitions

  • a battery is basically a device made to make chemical energy compatible with electrical energy, and the use of a secondary battery capable of charging and discharging together is a basic premise due to the characteristics of a vehicle.
  • a plurality of battery cell units are closely coupled to each other to form a module in order to secure a stable capacity, and a plurality of modules are combined to form a battery pack having a sufficient capacity.
  • a small number of modules may be combined to form a sub-pack, and the sub-packs may be combined to form an entire battery pack, but even in this case, the sub-pack can be considered as a kind of battery pack.
  • the present invention is to reduce the problem of installing a heater for heating a battery cell in a battery pack for an electric vehicle, and it can simplify the internal structure of the battery pack as a whole, and it is possible to simplify the internal structure of the battery pack, and the terminal, sensor, wiring, etc. through the side or top surface
  • An object of the present invention is to provide a battery pack for an electric vehicle having a structure that makes it easier to check the status.
  • An object of the present invention is to provide a battery pack for an electric vehicle having a structure that is easy to increase thermal efficiency when a battery cell is heated to maintain an appropriate temperature of the battery in a low-temperature environment.
  • the heater plate may be connected in series with an output terminal for driving a vehicle power of a battery to receive electric energy to generate Joule heat.
  • FIG. 3 is a partial perspective front view and a side cross-sectional view of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a simplified battery module constituting an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic structural conceptual diagram for illustratively explaining the shape and arrangement of a battery cell and a heat sink in a battery module;
  • FIG. 7 is a perspective view of a heater plate substantially the same as a heater plate constituting an embodiment of the present invention, viewed from upper and lower sides.
  • the battery pack provided with a heater is schematically a case 600, a battery module 100, a heater having a heater plate 300 and a heater connector 803, a thermal pad 400, a module cover 804, It is made with a cover 800, and when viewed schematically, two battery modules are accommodated in a container-type case with an open upper portion and are covered with a cover.
  • FIG. 3 is a front view and a side cross-sectional view viewed from the side while perspectively showing a part from the front of this embodiment, and FIG. It is a partial enlarged view for explaining the position and relationship between 600 in more detail.
  • the heater plate also sags and may float between the battery module and the battery module. It is preferable to form a skeletal structure for preventing the bottom from sagging on the plate, and this skeletal structure may be formed by bending a part of the bottom or adding a bracket.
  • the heat generated from the heater plate 300 is transferred to the heat sink enlarged part 101 which is a module heating structure through the thermal pad 400 , and the heat sink 201 is arranged in surface contact with the cell 200 .
  • the transfer pattern is shown by arrows.
  • the thin peripheral portion or sealing portion of the individual pouch cell 200 is sandwiched and fixed between the left subframe 111 and the right subframe 113 constituting one individual frame in the form of a quadrangular frame, whereby the individual frame together with the pouch cell 200 forms a pouch assembly.
  • the pouch assembly both large-area surfaces of the pouch cell 200 are exposed, and the electrode terminals 202 of the pouch cell 200 are exposed through the gap between the left and right subframes in front and rear of the pouch cell.
  • heat transfer can be stably maintained by maintaining a close coupling relationship between the thermal pad, the heater plate, and the module without a separate configuration for solid coupling using the weight of the module itself, Since the heater plate is located at the bottom, the heat generated from the non-contact surface also rises while warming the surrounding air, and in the process of rising, it can serve to heat the battery cells in the battery module as a whole.

Abstract

복수의 배터리셀로 이루어진 배터리 모듈과, 복수의 배터리 모듈이 내장되는 케이스와, 배터리 모듈을 콘트롤하기 위한 조절회로부와, 배터리 모듈의 배터리 셀을 가열하기 위하여 배터리 셀에 직접 혹은 간접으로 접촉되는 히터 플레이트를 구비하는 전기자동차 배터리팩에 있어서, 히터 플레이트는 케이스 저면과 배터리 모듈 사이에 위치하며 히터 플레이트와 배터리 모듈은 배터리 모듈 자체 하중을 이용하여 열적 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리팩이 개시된다. 히터 플레이트와 배터리 모듈의 사이에는 열적 접촉시 밀착성을 높일 수 있도록 열전도성 써멀 패드가 설치될 수 있다.

Description

전기히터가 내장된 전기자동차용 배터리 팩
본 발명은 전기자동차용 배터리에 관한 것으로, 저온 환경에서 배터리 성능을 안정화시키기 위해 배터리 셀을 가열할 수 있는 히터를 내장하는 배터리 팩에 관한 것이다.
자동차 배기가스에 대한 국제 환경규제 강화, 석유의 고갈 가능성, 고유가 지속 등으로 세계 자동차시장은 내연기관 자동차에서 전기자동차로 눈을 돌리고 있다. 특히 순수 전기자동차(EV)는 효과적인 글로벌 온실가스 감축수단이자, 지속가능한 환경을 위한 유력한 대안으로 부상하고 있다. 한편, 연료비 상승에 대한 부담으로 저가 연료 자동차에 대한 소비자들의 선호가 높아짐에 따라 전기 자동차(EV) 및 하이브리드자동차(HEV)등에 대한 판매가 대폭 증가하고 있다. 이에 따라 선진국들은 전기 자동차 보급 정책을 강력하게 추진하고 있다.
따라서 전기자동차를 운영하기 위한 핵심 부품인 배터리의 용량과 효율은 전기자동차의 가장 중요한 관건이 되고, 성능에 따른 주행 가능 거리가 큰 이슈가 되고 있으며, 이로 인해 자동차 제조 회사 및 소비자의 배터리에 대한 관심이 높아지고 있다.
종래 차량 전장용 배터리는 주로 납축전지가 사용되었지만 차량의 동력원으로 사용하기에 납축전지는 무게 및 부피 대비 축적 가능한 전기량, 즉 충전용량이 낮아 전기자동차용 배터리로는 무게 대비 충전용량을 높일 수 있는 리튬 계열의 배터리가 주로 사용되고 있다.
배터리는 기본적으로 화학적 에너지를 전기 에너지와 호환시킬 수 있도록 이루어진 장치이며, 차량의 특성상 충전과 방전이 함께 이루어질 수 있는 이차전지의 사용이 기본적인 전제가 되고 있다.
그런데, 배터리 내부에서 이루어지는 화학 반응은 일반적 화학 반응과 같이 주변 환경 조건의 영향을 받으며, 특히 온도의 영향을 많이 받게 된다. 가령, 이상 반응으로 자체 안정성이 떨어지고 자체 손상이 발생할 수 있는 높은 온도 대역에서는 배터리 자체 손상이 발생하고 차량 화재 등이 유발될 수 있다.
반대로, 화학 반응이 저하되는 저온 혹한기 환경에서는 배터리가 충분한 효율을 발휘할 수 없고, 결국 차량 운행 자체가 어렵게 될 수 있다.
전기자동차용으로 가장 많이 사용되는 리튬 이온 배터리팩은 4계절이 뚜렷한 국내와 같은 조건에서는 동절기 저온에서 성능이 저하되어 자동차에 충분한 파워를 제공하기 힘들고, 충전 효율도 떨어지게 되어 기대하는 배터리 용량만큼 충전되지 않게 되고 충전 시간도 증가한다. 가령 영하 6℃ 정도만 되어도 배터리 충전시 저항의 증대로 완전 충전이 되지 않으며, 출력 저하 현상으로 인해 50% 이하의 출력 성능 밖에 내지 못하고, 배터리가 계속 저온에서 사용되면 수명이 감소하여 교체 시기가 빨리 도래하므로 배터리 유지 비용 증가의 문제도 발생한다.
이러한 문제는 러시아나 캐나다, 북유럽과 같은 높은 위도 국가에서 영하 수십도를 넘나드는 겨울에 더욱 문제가 되며, 언제라도 사용이 가능해야 하는 자동차에 있어서 이런 문제는 사용 가능성 여부에 치명적인 단점이 될 수 있다.
따라서, 전기자동차는 주변 온도 저하로 인한 효율성 감소 및 차량 운행 불능의 문제에 대응하기 위해 배터리 온도를 일정 대역으로 유지시킬 수 있는 수단으로 배터리를 가열할 수 있는 히터와 같은 수단을 사용하고 있다.
기존에 사용되는 배터리 가열 방식은 직접적 방법과 간접적 방법으로 이루어질 수 있고, 직접적 방법의 하나로는 주로 배터리에 직접 접촉되는 열매체의 상변환을 이용하면서 배터리를 가열하는 방법을, 간접적 방법으로는 열매체의 상변환을 이용하여 열원의 역할을 하는 배터리 부품를 가열하거나 혹은 배터리 열원을 배터리 방열판에 접촉시켜 열을 가하는 방법을 들 수 있다.
이런 방법들은 나름대로 빠르게 배터리를 가열할 수 있는 방법들이지만 열매체의 상변환을 이용할 때 상변환을 하는 물질이 액체 상태에 있는 경우를 포함하므로 유체의 흐름 또는 순환과 그 과정에서의 열 전달을 유도하는 부품을 사용하게 되어 전체적으로 배터리 팩의 부피 및 중량이 증가하고 구조가 복잡하게 되는 문제가 있었고, 또한 그 과정에서의 액상 물질의 누수가 문제될 수 있다. 누수는 배터리 팩 케이스 내의 노출된 단자 부분들에 작용하여 배터리팩 내에서 단락 등의 중대한 문제를 일으킬 수 있다.
한편, 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 안정적인 용량 확보를 위해 다수의 배터리 셀 유닛이 서로 밀접하게 결합되어 모듈 형태를 이루고, 복수의 모듈이 결합되어 충분한 용량을 가지는 배터리팩을 이루게 된다. 경우에 따라 적은 수의 모듈이 결합하여 서브팩을 형성하고, 서브팩을 결합하여 전체 배터리팩을 이룰 수 있으나, 이런 경우에도 서브팩은 일종의 배터리팩으로 생각할 수 있다.
이런 모듈 형태를 포함한 전기 자동차 배터리에서는 전체 중량이 증가되어 이를 안정적으로 수용하고 기계적으로 보호하기 위해 케이스 혹은 하우징이 사용된다.
또한 전기 자동차 배터리는 노면 상태와 같은 차량 주행 환경에 따른 진동 및 충격에 노출되므로 이러한 진동 및 충격에 대응 할 수 있도록 그 하우징에 대한 강성 설계가 필요하고, 진동 및 충격에 대한 충분한 강성을 확보하지 못할 경우 하우징 자체의 휨과 같은 변형의 문제가 발생할 수 있고, 그런 변형에 따른 하우징 내부의 부품의 고정상태 불량, 파손, 배터리 기능상의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 전기 자동차 배터리는 일단 차체에 안정적이고 견고하게 고정되어야 하면, 배터리팩 내에서 모듈과 회로 기타 부품들은 진동과 충격에 의해 쉽게 정위치에서 이탈되지 않도록 프레임, 브라켓, 볼트 너트 등의 고정 수단을 이용하여 견고하게 고정된다.
그런데 모듈에서 셀의 전기 단자는 배선의 용이성을 위해 대개 측방이나 상방으로 드러나도록 설치되는 경우가 많으며, 히터 등의 부품도 모듈의 측면 혹은 상면 방향에서 설치되는 경우가 많다. 케이스에 모듈을 설치하기 위해 브라켓 등에 나사로 모듈을 결합시킬 때에도 위쪽이나 측방에서 작업을 하도록 이루어진 경우가 많다.
통상적으로 배터리팩에서는 용기형 케이스의 상부쪽을 열어 개방할 수 있도록 커버를 설치하거나, 케이스의 측면쪽을 열어 개방함으로써 굳이 배터리팩에서 모듈이나 기타 내부 부품을 인출하지 않고 배터리 내부의 부품의 설치, 결선의 확인 보수를 할 수 있도록 만든다. 이런 구성은 모듈의 측면쪽이나 상면쪽에 배선 단자, 센서, 히터, 콘트롤 보드 기타 회로 관련 부분 등이 설치되는 것과 자연스럽게 상응하는 구성을 이룬다.
배터리팩에 모듈을 설치할 때 외부에서 보이기 쉬운 특정 측면이나 상면쪽은 이런 설치상의 이유로 배터리팩 구성 요소들 사이의 번잡한 구성을 보이기 쉽고, 상호 간섭의 문제를 일으키기 쉽다. 특히 전기자동차용 배터리의 경우 배터리 팩 내에서 모듈의 갯수와 모듈을 이루는 셀의 갯수가 많아지면 이들의 전기적 결합을 통해 차량 동력을 인출하기 위한 전기적 배선과, 셀과 모듈의 상태를 확인하기 위한 각종 센서를 위한 배선, 셀과 모듈의 동작을 제어하기 위한 콘트롤 회로와 배선이 많아지고, 이들 사이의 간섭이 발생하기 쉽다.
본 발명은 전기 자동차용 배터리팩에서 배터리 셀을 가열하기 위한 히터 설치상의 문제점을 경감하기 위한 것으로, 전체적으로 배터리팩의 내부 구조를 간단하게 할 수 있고, 측면이나 상면을 통한 단자, 센서, 배선 등의 상태 확인을 보다 쉽게 할 수 있도록 하는 구조를 가지는 전기 자동차용 배터리팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 저온 환경에서 배터리의 적정 온도를 유지하기 위해 배터리 셀을 가열할 때 열효율을 높이기 쉬운 구조를 가지는 전기자동차용 배터리팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은
복수의 배터리셀이 결합되어 이루어지는 배터리 모듈과, 복수의 배터리 모듈이 내장되는 케이스와, 배터리 모듈을 콘트롤하기 위한 조절회로부와, 배터리 모듈의 배터리 셀을 가열하기 위하여 배터리 셀에 직접 혹은 간접으로 접촉되는 히터 플레이트를 구비하는 전기자동차용 배터리팩에 있어서,
히터 플레이트는 케이스 저면과 모듈 사이에 위치하고, 히터 플레이트와 모듈은 모듈 자체 하중을 이용하여 접촉을 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 히터 플레이트와 모듈의 사이에는 열적 접촉시 밀착성을 높일 수 있도록 점착성을 가지는 열전도성 실리콘 등 재질의 써멀 패드가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 히터 플레이트와 모듈 사이의 접촉을 유지하기 위해 자중을 이용하는 것 외에 고무밴드나 스프링 형태의 단순한 탄성적 결합수단이 더 구비될 수 있다.
본 발명에서 히터 플레이트는 배터리의 차량용 동력을 구동하기 위한 출력 단자와 직렬로 연결되어 전기에너지를 받아 주울열을 발생시키는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면 기존에 전기 배선과 센서, 조절 회로, 고정 수단 등의 연결, 설치를 위해 복잡한 형태를 이루는 배터리 모듈 측면과 상면을 회피한 저면에 히터를 설치하여 전체적으로 배터리팩의 내부 구조를 간단하게 할 수 있고, 측면이나 상면을 통한 단자, 센서, 배선 등의 상태 확인을 기존 보다 쉽게 할 수 있다.
본 발명에 따르면 배터리 모듈 자체 중량에 의해, 별다른 부착을 위한 복잡한 장치나 수단이 없이도 히터와 배터리 셀 사이의 열전달을 위한 접촉을 경향적으로 자연스럽게 유지할 수 있고, 온도가 높은 공기가 상승하는 현상을 이용하여 배터리 전반적 가열 효율을 높일 수 있다.
도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도 및 분해 사시도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 투시적 정면도 및 일 측단면도,
도4는 도3의 측단면도에서 모듈과 히터 플레이트의 배치 및 결합 관계와 열 이동의 양상을 보다 상세히 나타내는 부분 확대도,
도5는 본 발명의 일 실시예를 이루는 배터리 모듈을 단순화하여 개략적으로 도시한 사시도,
도6은 배터리 모듈 내에서의 배터리 셀과 히트 싱크의 형태 및 배치 방식을 예시적으로 설명하기 위한 개략적 구성 개념도,
도7은 본 발명의 일 실시예를 이루는 히터 플레이트와 실질적으로 동일한 히터 플레이트를 상측과 하측에서 본 사시도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도 및 분해 사시도이다.
여기서 히터가 구비된 배터리팩은 개략적으로 케이스(600), 배터리 모듈(100)과, 히터 플레이트(300)와 히터 커넥터(803)를 구비한 히터, 써말 패드(400), 모듈 커버(804), 커버(800)를 구비하여 이루어지며, 개략적으로 볼 때 상부가 개방된 용기형 케이스 내에 배터리 모듈 2개가 수용되고 커버로 덮인 형태를 이룬다.
도3은 이 실시예의 정면에서 일 부분을 투시적으로 나타내면서 본 정면도와 측방에서 일 측단면을 본 일 측단면도이며, 도4는 도3의 측단면도에서 모듈의 저면과 히터 플레이트(300), 케이스(600) 사이의 위치 및 관계를 더욱 상세히 설명하기 위한 부분 확대도이다.
이들 도면을 참조하면, 케이스 바닥부(601) 혹은 저면 위로 히터 플레이트(300)가 설치되고, 히터 플레이트(300) 위로 써멀 패드(400)가 설치되고, 그 위로 배터리 모듈(100)이 설치되며, 써멀 패드(400)에는 배터리 모듈의 히트 싱크 확대부(101)가 직접 접촉됨을 볼 수 있다.
히터 플레이트(300)의 열원부(302, 303)와 써말 패드(400), 그리고 배터리 모듈(100)의 하단부 표면 드러난 히트 싱크의 확대부(101)가 배터리 모듈의 자중에 의해 자연적으로 가압된 밀착 상태를 유지 하도록 하기 위해 케이스에는 이 케이스의 바닥부(601)를 이루는 받침 플레이트가 구비되는 것이 필요하다.
바닥부가 처지는 현상이 발생하면 히터 플레이트도 함께 처져 배터리 모듈과의 사이에 들뜸이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해서는 바닥부나 히터 플레이트를 강성을 가진 두꺼운 강체로 형성할 수도 있지만 이런 경우 무게가 증가하므로 받침 플레이트에는 바닥부 처짐을 방지하기 위한 뼈대 구조를 형성하는 것이 바람직하며 이 뼈대 구조는 바닥부 일부를 절곡 형성하거나 브라켓을 덧대는 방식으로 이루어질 수 있다.
히터 플레이트 배면(하면) 부분에는 케이스 바닥부(601)를 통해 히터 열원부(302, 303)의 열이 누출되는 것을 방지하여 모듈의 배터리 셀((200)) 가열 효율을 높이기 위한 단열 스폰지(301) 혹은 단열 폼 패드가 부착된다.
히터 전원선(501)은 절연 슬리브로 이중으로 절연되어 조립되어 있으며, 슬리브는 내열, 내 전압성이 우수한 실리콘 코팅된 화이바 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 케이스(600)와 배터리 모듈(500) 사이의 공간에 슬리브로 덮여진 히터 전원선(501)이 배선되어 있다.
배터리팩 최상부에 모듈 커버(804)와 배터리팩 커버(800) 사이의 개구부를 통하여 외부로 인출되는 커넥터(803)가 히터 전원선의 말단에 설치되어 간단하게 전원 입력이 가능하도록 구성된다.
도 4에서는 히터 플레이트(300)에서 발생되는 열이 써말 패드(400)를 거처 모듈 가열 구조인 히트싱크 확대부(101)에 전달되어, 셀(200)과 면접촉 되어 배열된 히트싱크(201)로 전달되는 양상이 화살표를 통해 나타나 있다.
이하 도5 내지 도7을 더 참조하면서 모듈과 히터 플레이트 사이의 열 전달 구조에 대해 좀 더 살펴본다.
먼저, 도5 및 도6을 참조하여 본 발명의 전기자동차용 배터리팩에 적합한 모듈 구성을 살펴보면, 여기서는 일반적인 형태와 같이 개별 파우치 셀이 결합되어 배터리 모듈을 형성하고 있다.
통상 배터리 제작을 위한 에너지를 가지고 있는 충전, 방전이 가능한 최소 구성 단위를 셀이라고 표현하고, 이러한 셀을 결합하는 구성을 통해 원하는 규격의 배터리, 즉, 배터리 팩을 만들게 된다. 여기서는 리튬 이온 폴리머 이차 전지의 일종인 파우치 셀 여러 개를 직렬, 병렬로 연결하여 배터리 팩을 만드는 것으로 하지만 모듈을 이루는 배터리 셀들의 구체적 배선 결합 관계는 여러 가지 형태로 이루어질 수 있고, 대개 기존에 잘 알려진 것이므로 생략하기로 한다.
배터리 모듈을 이루기 위해, 개별 파우치 셀(200)의 얇은 주변부 혹은 실링부가 4각 틀 형태로 하나의 개별 프레임을 이루는 좌측 서브프레임(111) 및 우측 서브프레임(113) 사이에 끼워져 고정됨으로써, 개별 프레임은 파우치 셀(200)과 함께 파우치 어셈블리를 이루게 된다. 이때 파우치 어셈블리에서 파우치 셀(200)의 양측 대면적면은 노출되고 파우치 셀(200)의 전극단자(202)는 파우치 셀의 전방 및 후방으로 좌우측 서브프레임 사이의 틈으로 노출된다.
두 개의 파우치 어셈블리 사이에는 열전도성이 우수한 알루미늄 플레이트로 이루어진 히트싱크(201)가 위치하며, 히트싱크(201)는 인접한 두 파우치 어셈블리의 파우치 대면적면(좌우측면)과 접촉하여 열을 교환할 수 있다. 알루미늄 플레이트의 하방 단부는 인접한 두 개별 프레임 사이의 틈새로 하방에 노출되며 히터와의 열교환 효율을 높이기 위한 면적이 확대된 히트싱크 확대부(101)를 가진다.
확대부는 전후 방향과 수직하게 절단한 측단면도에서 T자형 혹은 L자형으로 이루어질 수 있으며, 여기서는 T자형을 이룬다. 확대부는 파우치와 접하는 알루미늄 플레이트의 일부를 절곡하여 형성하거나, 알루미늄 플레이트를 사출성형 할 때 처음부터 그런 형상을 가지도록 형성할 수 있다.
복수 개의 파우치 어셈블리가 대면적면이 서로 마주보도록 좌우 측방으로 배열되고 겹쳐지고, 파우치 어셈블리의 개별 프레임도 복수 개가 좌우 측방으로 배열된 상태에서 개별 프레임에는 이 개별 프레임을 좌우 방향으로 관통하는 관통홀들이 설치되고, 이 홀들을 체결부(102)를 이루는 하나의 긴 볼트가 관통하고 볼트 끝단에는 너트가 채워져 복수 개의 파우치 어셈블리가 배터리 모듈을 형성하게 된다.
여기서 배터리 모듈을 보호하기 위해 복수의 배열된 파우치 어셈블리의 좌측단과 우측단에는 플레이트 형태의 보호패널이 설치된다. 보호패널에도 개별 프레임의 관통홀과 정렬되는 관통홀이 있어서 볼트 및 너트로 복수의 파우치 어셈블리와 함께 결합될 수 있다.
파우치셀의 전극 단자는 여기서 명확히 도시되지 않지만, 한편으로 배터리 동력 인출을 위한 배선과 연결되고, 한편으로 전압 모니터링을 위해 일반 도선이나 FPCB 형태의 도선을 통해 BMS와의 커넥터이면서 회로적으로 크게 볼 때 BMS를 이룬다고 볼 수 있는 배터리 모듈용 회로부 혹은 R-LEC(Remote Lithium-ion Energy Controler)에 연결되는 형태를 가질 수 있다. 배터리 모듈용 회로부는 배터리 모듈의 상부에서 복수의 파우치 어셈블리들을 전체적으로 혹은 일부에서 커버하는 커버 플레이트에 설치될 수 있다.
여기서 히트 싱크는 두 파우치 셀 사이에 하나 꼴로 설치될 수 있지만 모든 파우치 셀 사이마다 하나씩 설치될 수도 있고, 주변 상황 및 가열 조건상의 필요에 따라 열을 전달하기에 적합한 숫자로 배치될 수 있다.
두 개의 배터리 모듈은 용기형태의 케이스에 넣어질 때 케이스 내의 고정용 브라켓이나 패널, 프레임과 결합 수단에 의해 케이스 내에 안정적으로 고정될 수 있다. 그 과정에서 배터리의 전극 단자는 잘 알려진 바와 같이 직렬 및 병렬로 집합적으로 배터리 팩의 외부 동력 공급용 전기단자, BMS의 전기 단자와 연결된다.
여기서는 명확히 도시되지 않지만 히터 플레이트의 열선은 배터리의 동력선에서 전력을 받아 발열할 수 있고, 이런 경우 히터 플레이트는 결국 배터리 셀의 전기 단자와 전기적으로 연결된다고 할 수 있다.
배터리 셀 가열 수단으로 이런 전기 발열식 히터 플레이트를 사용하는 것은 종래의 열매개체의 상변환을 이용하는 방식에 비해 내부 구조를 훨씬 간단하게 할 수 있고, 배터리 동력용 전원선을 직접 직렬로 히터 플레이트 가동에 사용하는 것은 히터 구조를 더욱 간편하게 하여 배터리팩의 전체 구성을 간단히 하고, 부품들로 인한 배터리팩 부피 및 무게 증가를 줄이는 결과를 가져올 수 있다.
물론, 이런 경우, 히터 플레이트의 과열을 방지할 수 있는 써멀 스탯, 퓨즈, 등과 같은 전류 차단수단, BMS와 연결되는 전류 센서와 같은 전류 모니터링 수단, BMS의 신호에 의해 혹은 써멀 스탯과 같은 수단과 연결되는 별도 과열 방지 회로에 의해 전류를 차단하거나 조절하도록 동작하는 스위칭 수단 등이 필요할 수 있다.
써멀 패드(400)의 사용과 관련하여, 대개 히터 플레이트(300)는 배터리 전류를 주울열로 전환하여 열을 내는 발열체를 포함한 열전도성 강체로 이루어진 것이며, 히트 싱크(201)를 이루는 알루미늄 플레이트의 확대부(101)도 강체이므로, 양 접촉면이 매우 고르지 않으면 접촉시 들뜨는 부분이 생기기 쉽고, 이런 부분에서는 미세한 공기층이 형성되어 열전도 효율을 떨어뜨리게 된다.
그러므로 확대부(101)와 히터 플레이트(300) 사이에는 약간의 압력이 가해질 때 부분적으로 변형되면서 틈을 매워 둘 사이의 열전도를 쉽게 하도록 밀착성을 보장하는 연질의 써멀 패드가 사용되는 것이 바람직하다. 써멀 패드는 열 전달 손실이 발생되지 않도록 적당한 밀도의 재질로 적용함이 바람직하며, 높은 난연성과 배터리 모듈(100)의 확대부(101)와의 밀착으로 인한 찟어짐이 없도록 내구성을 갖고, 일부 점착성을 가져 별도 수단 없이도 히터 플레이트(300)와 확대부(101)에 잘 결합되면서 표면의 밀착성이 우수한 실리콘 재질이 적합하다.
써멀 패드(400)는 열폭주를 방지하는 작용도 한다. 즉, 히터 플레이트가 열전달 물질(히트 싱크)에 접촉되지 않으면 히터 자체의 열폭주로 위험을 초래하기 때문에 고르지 못한 열전달 금속 물질의 면에는 유연하고 열전달 능력이 우수한 실리콘 재질의 써멀 패드(400)를 적용하여 열폭주를 방지한다.
도 7을 참조하면, 이 실시예에서 전기를 열로 변환하는 장치인 히터 플레이트는 일 측면에 열원부(302, 303)를 포함하고 있는 히터 플레이트 바디부와, 반대 측면에 설치되면서 열원부에서 발생되는 열의 전달을 차단하는 한편 진동 충격과 소음을 방지, 흡수하는 역할도 담당하는 합성수지 폼 패드 혹은 방열 스폰지(301), 히터의 열원부(302, 303)부분의 반대 측면에 실리콘 몰딩을 매개로 부착되어 히터가 설정 온도 이상으로 상승되는 것을 차단 하는 장치인 써모 프로텍터 혹은 써모 커플러(305)를 구비하여 이루어진다.
히터 플레이트(300)의 장방향 중앙 측면 홈 형상부(308)에서 히터의 전원선(304)과 써모 커플러(305)로부터 인입되는 전원선(304)이 설치되어 있고, 끝단에는 커넥터(803)가 조립되어 상대물의 조립이 용이하고, 절연이 될 수 있도록 구성되어 있다.
이상 실시예에는 도시되지 않지만 실시예에 따라 케이스에는 배터리 모듈을 전체적으로 눌러 써멀 패드쪽으로 밀착시키기 위한 탄성체 밴드나 스프링과 같은 간단한 부가 구성이 더 설치될 수 있다. 이런 탄성체 구성은 볼트 너트와 같은 견고한 고정수단 및 고정을 위한 브라켓과 같은 구성에 비해 간이하고 간단한 체결을 이루도록 하며 중량 측면이나 내부 구성의 복잡성 방지 측면에서 유리하고, 써멀 패드나 히터 플레이트의 방열 스폰지와 함께 진동, 충격을 억제하는 역할도 할 수 있다.
이상과 같은 본 발명 실시예의 구성에 따르면, 모듈 자체의 중량을 이용하여 별도의 견고한 결합을 위한 구성이 없이도 써멀 패드와 히터 플레이트와 모듈의 밀접한 결합관계를 유지하여 열 전달을 안정적으로 할 수 있고, 히터 플레이트가 하부에 있으므로 비록 접촉하지 못하는 면에서 발생하는 열도 주변 공기를 데우면서 상승하고, 상승하는 과정에서 배터리 모듈 내의 배터리 셀들을 전반적으로 가열하는 역할을 할 수 있다.
히터의 사용은 대개 전기자동차가 시동을 거는 단계에서 별다른 이동에 의한 충격이나 진동 없이 이루어질 수 있으므로 견고한 나사 결합에 의해 히터와 써멀 패드와 모듈의 결합을 할 필요는 없고, 이런 경우 오히려 써멀 패드의 압착으로 인한 열화, 훼손이 발생할 수 있는데 본원 발명에서는 이런 문제를 줄일 수 있다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.
따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (5)

  1. 복수의 배터리셀이 결합되어 이루어지는 배터리 모듈과, 복수의 상기 배터리 모듈이 내장되는 케이스와, 상기 배터리 모듈을 콘트롤하기 위한 조절회로부와, 상기 배터리 모듈의 상기 배터리셀을 가열하기 위하여 상기 배터리셀에 직접 혹은 간접으로 접촉되는 히터 플레이트를 구비하는 전기자동차 배터리팩에 있어서,
    상기 히터 플레이트는 상기 케이스 저면과 상기 배터리 모듈 사이에 위치하고, 상기 히터 플레이트와 상기 배터리 모듈은 상기 배터리 모듈 자체 하중을 이용하여 열적 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터 플레이트와 상기 배터리 모듈의 사이에는 열적 접촉시 밀착성을 높일 수 있도록 점착성을 가지는 열전도성 실리콘 재질의 써멀 패드가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리팩.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히터 플레이트와 상기 배터리 모듈 사이의 접촉을 유지하기 위해 상기 배터리 모듈을 상기 히터 플레이트 방향으로 압력을 가하는 탄성적 결합수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리팩.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히터 플레이트는 차량 동력을 공급하는 출력 단자와 직렬로 연결되어 전기에너지를 받아 주울열을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리팩.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 케이스 저면은 상기 히터 플레이트의 처짐을 방지할 수 있는 뼈대 구조를 가지는 것임을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리팩.
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