WO2025211602A1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치 - Google Patents

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치

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WO2025211602A1
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battery
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cells
module
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PCT/KR2025/003219
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정현옥
강수원
천용호
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LG Energy Solution Ltd
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LG Energy Solution Ltd
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery device including the same.
  • secondary batteries are used as an energy source for mobile devices, electric vehicles, hybrid vehicles, electric bicycles, etc., and depending on the type of external device to which they are applied, they are sometimes used in the form of a single battery, or in the form of a module in which multiple batteries are connected to form a single unit.
  • Small mobile devices such as cell phones can operate for a certain period of time with the output and capacity of a single battery, but in cases such as electric vehicles and hybrid vehicles that require high power consumption, long-term operation, and high-power operation, a module form that includes multiple batteries is preferred due to issues with output and capacity, and the output voltage or output current can be increased depending on the number of built-in batteries.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery module and a battery device including the same, which can minimize temperature deviation according to location within a battery module by arranging heterogeneous battery cells within the battery module based on the thermal characteristics of the heterogeneous battery cells.
  • the present invention provides a battery module and a battery device including the same, which can minimize heat accumulation at a specific location within the battery module by minimizing thermal deviation between battery cells.
  • a battery module includes battery cells of a first type and battery cells of a second type having different thermal characteristics from those of the battery cells of the first type, wherein the battery cells of the first type and the battery cells of the second type are arranged irregularly and alternately within the battery module based on the thermal characteristics so that the temperature difference between locations is minimized.
  • a battery device includes first to n-th battery modules, each of the first to n-th battery modules having first type battery cells and second type battery cells having different thermal characteristics from the first type battery cells, and the first type battery cells and the second type battery cells are electrically connected to each other independently in the first to n-th battery modules.
  • thermal runaway of specific battery cells can be prevented.
  • Figure 7 illustrates a battery module according to a third embodiment of the present invention.
  • heterogeneous battery cells may be defined as battery cells of different types with different thermal characteristics and battery performance.
  • Homogeneous battery cells may be defined as battery cells of the same type with identical thermal characteristics and battery performance.
  • the thermal characteristics of a battery cell may include the heat generated during cell operation and the thermal conduction between cells.
  • Battery performance may include the operating range and battery capacity.
  • Battery cells dissipate heat more easily at the periphery of the module than at the center. Therefore, cells located at the center of the module tend to maintain higher temperatures than those located at the periphery. Consequently, differences in operating temperature can occur depending on the location of the battery cells, potentially affecting cell performance and degradation (or lifespan), leading to variations among battery cells.
  • a battery module (100) includes first type battery cells (CELA) and second type battery cells (CELB).
  • CELA first type battery cells
  • CELB second type battery cells
  • At least one first type battery cell (CELA) may be arranged in the center, at least one second type battery cell (CELB) may be arranged on both sides of at least one first type battery cell (CELA), and at least one first type battery cell (CELA) may be arranged on both sides of the next.
  • the number of different cells may be the same or different.
  • the first type battery cell (CELA) and the second type battery cell (CELB) may be positive (+) or negative (-) cells.
  • at least one of the first type battery cell (CELA) and the second type battery cell (CELB) may be used as a connector terminal (CNT).
  • At least one second type of battery cell (CELB) and at least one first type of battery cell (CELA) may be irregularly alternately arranged on both sides of at least one of the first type of battery cells (CELA).
  • one first type battery cell (CELA) may be arranged on both sides of one second type battery cell (CELB), two second type battery cells (CELB) may be arranged next, and one first type battery cell (CELA) may be arranged next.
  • the first type battery cell (CELA) and the second type battery cell (CELB) may be positive (+) or negative (-) cells.
  • the battery device does not have a structure in which heterogeneous battery cells (CELA, CELB) are simply alternately arranged within a battery module (100), but has a structure in which heterogeneous battery cells (CELA, CELB) are irregularly arranged within the battery module (100) so as to secure temperature uniformity of the battery module (100) by considering thermal characteristics according to the type of heterogeneous battery cells (CELA, CELB), that is, heat generation and heat conduction of cells according to the type. This makes it possible to minimize temperature deviation according to location within the battery module (100).
  • the battery device has a structure in which battery cells of the same type (CELA or CELB) are electrically connected within a battery module (100), and battery cells of different types (CELA, CELB) within the battery module (100) are connected to operate independently. This enables performance and lifespan deviations between battery cells to be reduced.
  • CELA battery cells of the same type
  • CELB battery cells of different types
  • Figure 2 illustrates that the battery module operates based on a type B battery cell, which has a smaller operating range than a type A battery cell.
  • Figure 3 illustrates that the battery module operates based on a type A battery cell, which has a larger operating range than a type B battery cell.
  • the first bus bar (B1) can electrically connect two first type battery cells (CELA) of positive and negative polarity.
  • the first bus bar (B1) can be connected in series between two first type battery cells (CELA) independently from the second type battery cells (CELB) on at least one of the front and rear sides of the battery module (100).
  • the first bus bar (B1) can electrically connect two first type battery cells (CELA) of positive and negative polarity.
  • the first bus bar (B1) can be connected in series between two first type battery cells (CELA) independently from the second type battery cells (CELB) on at least one of the front and rear sides of the battery module (100).
  • At least one of the first type of battery cells (CELA) and the second type of battery cells (CELB) may be connected to at least one connector terminal for electrically connecting with another battery module.
  • positive and negative first connector terminals may be positioned at the front of the first type of battery cells (CELA)
  • a negative second connector terminal may be positioned at the front of the second type of battery cells (CELB)
  • a negative second connector terminal may be positioned at the rear of the second type of battery cells (CELB).
  • FIG. 8 illustrates a battery device including a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • the first type of battery cells (CELA) and the second type of battery cells (CELB) can be independently connected in series within and between the first to nth battery modules (100).
  • the controller (300) can output a control signal (CS) to the relay for controlling the relay according to an event signal (EVS).
  • CS control signal
  • EVS event signal
  • CELB second type of battery cells
  • the controller (300) can compare the level of the charge voltage of the second type of battery cells (CELB) with a reference value through a sensing signal received from a sensor (not shown), and if the level of the charge voltage of the second type of battery cells (CELB) reaches the reference value as a result of the comparison, the relay (110) can be turned off.
  • CELB second type of battery cells
  • the battery device does not require design constraints for maintaining balance within the battery module, and its performance can be maintained due to its separated structure.
  • the first type of battery cells (CELA) and the second type of battery cells (CELB) can be arranged irregularly and alternately within the first to nth battery modules (100) based on thermal characteristics so that the temperature difference between locations is minimized, as illustrated in FIGS. 4 to 7.
  • the first type of battery cells (CELA) and the second type of battery cells (CELB) may be arranged in an irregular manner, with at least one second type of battery cell and at least one first type of battery cell being arranged alternately on either side of at least one first type of battery cell (CELA) or at least one second type of battery cell (CELB).
  • the first type of battery cells can be electrically connected independently to the second type of battery cells (CELB) through the first bus bar (B1) on at least one of the front and rear sides of the first to nth battery modules (100).
  • the second type of battery cells can be electrically connected independently to the first type of battery cells (CELA) through a second bus bar (B2) on at least one of the front and rear sides of the first to nth battery modules (100).
  • first type of battery cells (CELA) and the second type of battery cells (CELB) can be independently connected in series among battery cells of the same type within the first to nth battery modules (100).
  • first type of battery cells (CELA) and the second type of battery cells (CELB) may not be electrically connected to other types of battery cells within the first to nth battery modules (100). Additionally, the first type of battery cells (CELA) and the second type of battery cells (CELB) may be independently charged and discharged within one battery module (100).
  • At least one first connector may be arranged on at least one side of the front and the rear of the first type of battery cells (CELA), and at least one second connector may be arranged on at least one side of the front and the rear of the second type of battery cells (CELA).
  • the first connector may be used to electrically connect with the first type of battery cells (CELA) of another battery module
  • the second connector may be used to electrically connect with the second type of battery cells (CELB) of another battery module.
  • battery cells may exhibit different heat dissipation effects depending on their placement and the location of surrounding cooling devices, even if they are identical.
  • the central cell may be hotter than the outer cells.
  • the present invention aims to minimize temperature deviations by location within a module (100) by arranging the cells based on the thermal characteristics of the battery cells when configuring a battery module by mixing LFP (lithium, phosphate, iron) series battery cells or NCM (nickel, cobalt, manganese) series battery cells having different thermal characteristics.
  • LFP lithium, phosphate, iron
  • NCM nickel, cobalt, manganese
  • the heat generation amount varies depending on the type of active material, particularly the cathode material (LFP, NCM, single crystal, LMO), resulting in some cells generating less heat and others generating more.
  • the cathode material LFP, NCM, single crystal, LMO
  • different thermal characteristics may refer to cells generating different amounts of heat.
  • FIG. 9 illustrates the arrangement of heterogeneous battery cells in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a second type of battery cell (CELB) that generates less heat than a first type of battery cell (CELA) may be placed in the center of the module (100), and first type of battery cells (CELA) may be placed on both sides of the second type of battery cell (CELB), followed by second type of battery cells (CELB) on both sides.
  • three second type battery cells may be arranged in the center of the module (100), one first type battery cell (CELA) may be arranged on either side of the three second type battery cells (CELB), then two second type battery cells (CELB) may be arranged on either side, then two first type battery cells (CELA) may be arranged on either side, then one second type battery cell (CELB) may be arranged on either side, and then three first type battery cells (CELA) may be arranged on either side.
  • CELB three second type battery cells
  • FIG. 10 illustrates the arrangement of heterogeneous battery cells in a battery module according to another embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명은 이종 배터리 셀들의 열 특성에 기초하여 이종 배터리 셀들을 배터리 모듈 내에 배치함으로써 배터리 모듈 내의 위치 별 온도 편차를 최소화할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치를 개시한다. 배터리 모듈은 제1 유형의 배터리 셀들, 및 제1 유형의 배터리 셀들과 다른 열 특성을 갖는 제2 유형의 배터리 셀들을 포함하고, 제1 유형의 배터리 셀들과 제2 유형의 배터리 셀들은 열 특성에 기초하여 배터리 모듈 내에서 위치 별 온도 차이가 최저가 되도록 비규칙적으로 교번 배치된다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치
본 출원은 2024년 4월 3일자 대한민국 특허출원 제10-2024-0045385호, 2025년 3월 6일자 대한민국 특허출원 제10-2025-0029098호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 모듈 형태로 사용되기도 한다.
휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 일정 시간 동안 작동이 가능하지만, 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 전력소모가 많고 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지를 포함하는 모듈 형태가 선호되며, 내장된 전지의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다.
한편, 배터리 장치에서 이차전지 배터리 셀 간 성능 및 수명 편차를 줄이기 위하여 이차전지 배터리 셀들 간의 온도 편차를 최소화기 위한 기술 개발이 진행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이종 배터리 셀들의 열 특성에 기초하여 이종 배터리 셀들을 배터리 모듈 내에 배치함으로써 배터리 모듈 내의 위치 별 온도 편차를 최소화할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치를 제공하는데 있다.
또한, 배터리 모듈 내에 배치된 배터리 셀들 중 동종 배터리 셀들 간에 연결하고 이종 배터리 셀들을 독립적으로 구동함으로써 배터리 셀 간 성능 및 수명 편차를 줄일 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치를 제공하는데 있다.
또한, 배터리 셀들 간의 열 편차를 최소화하여 배터리 모듈 내의 특정 위치에서 열의 누적을 최소화할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 제1 유형의 배터리 셀들, 및 제1 유형의 배터리 셀들과 다른 열 특성을 갖는 제2 유형의 배터리 셀들을 포함하고, 제1 유형의 배터리 셀들과 제2 유형의 배터리 셀들은 열 특성에 기초하여 배터리 모듈 내에서 위치 별 온도 차이가 최저가 되도록 비규칙적으로 교번 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 장치는, 제1 내지 제n 배터리 모듈을 포함하고, 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈 각각에는 제1 유형의 배터리 셀들과, 제1 유형의 배터리 셀들과 다른 열 특성을 갖는 제2 유형의 배터리 셀들이 구비되고, 제1 유형의 배터리 셀들과 제2 유형의 배터리 셀들은 제1 내지 제n 배터리 모듈에서 상호 독립적으로 전기적으로 연결된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 이종 배터리 셀들의 열 특성에 기초하여 이종 배터리 셀들을 배터리 모듈 내에 배치함으로써 배터리 모듈 내의 위치 별 온도 편차를 최소화할 수 있다.
또한, 배터리 모듈 내에 배치된 배터리 셀들 중 동종 배터리 셀들 간에 연결하고 이종 배터리 셀들을 독립적으로 구동함으로써 배터리 셀 간 성능 및 수명 편차를 줄일 수 있다.
또한, 배터리 셀들 간의 열 편차를 최소화하여 배터리 모듈 내의 특정 위치에서 열의 누적을 최소화할 수 있다.
또한, 배터리 셀들 간의 열 분포가 균일하여 배터리 셀들 간 열 전파를 균일화할 수 있다.
또한, 배터리 모듈 내의 위치 별 온도 편차를 최소화하고 특정 위치에서의 열의 누적을 최소화함으로써 특정 배터리 셀의 열 폭주 현상을 예방할 수 있다.
또한, 배터리 셀들의 동작 온도가 유사하여 퇴화 경향이 유사하므로, 시간에 따른 배터리 셀들 간의 특성 편차를 최소화할 수 있다.
또한, "U", "n"형태의 버스바를 이용하여 동종 배터리 셀들을 전기적으로 연결하므로, 이종 배터리 셀들과 교차 발생 시 이중 구조를 회피할 수 있어 공간 손해를 피할 수 있다.
또한, 이종 셀간 직렬 연결을 회피하여 배터리 장치에서 배터리 셀들 간 편차로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 동작 범위가 다르거나 에너지가 다른 이종 배터리 셀들을 전기적으로 연결하여 배터리 장치로 활용할 수 있으므로, 배터리 장치의 가용 에너지를 극대화할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치를 도시한다.
도 2는 배터리 모듈에서 동작 범위가 A 유형 대비 작은 B 유형의 배터리 셀을 기준으로 동작함을 예시한다.
도 3은 배터리 모듈에서 동작 범위가 B 유형 대비 큰 A 유형의 배터리 셀을 기준으로 동작함을 예시한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치 및 전기적 연결 관계를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제1 일시예에 따른 배터리 모듈을 도시한다.
도 6은 본 발명의 제2 일시예에 따른 배터리 모듈을 도시한다.
도 7는 본 발명의 제3 일시예에 따른 배터리 모듈을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 장치를 도시한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치를 도시한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치를 도시한다.
전술한 목적, 수단 및 효과는 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서는, 실시예들에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치가 개시된다.
실시예들에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 장치를 설명하기에 앞서, 본 명세서에서 사용되는 용어의 의미를 정의한다
명세서에서, 이종 배터리 셀들은 열 특성과 배터리 성능이 다른 유형의 배터리 셀들로 정의될 수 있다. 동종 배터리 셀들은 열 특성과 배터리 성능이 동일한 유형의 배터리 셀들로 정의될 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 열 특성에는 셀의 동작 중 발생하는 발열과 셀 간 열전도가 포함될 수 있다. 배터리 성능에는 동작 범위와 배터리 용량이 포함될 수 있다.
배터리 셀의 열 방열은 배터리 모듈의 중앙 위치에 비해 배터리 모듈의 외각 위치가 용이하여, 배터리 모듈의 중앙에 위치한 배터리 셀은 외각에 위치한 배터리 셀 대비 높은 온도를 유지하게 된다. 이에 따라, 배터리 셀의 위치에 따른 동작 온도의 차이가 발생할 수 있고 셀의 성능 및 퇴화(또는 수명)에 영향을 주어 배터리 셀 간 편차가 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 배터리 장치는 배터리 모듈 내의 열 편차를 최소화하기 위해 이종 배터리 셀을 배치하여 열 안정성이 높은 배터리 셀로 배터리 셀 간 열 전파를 방지하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치를 도시한다.
도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)을 포함한다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 다른 열 특성과 다른 배터리 성능을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)은 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 대비 배터리 성능은 좋으나 발열과 열전도 특성이 나쁠 수 있다. 또는, 그 반대로 제2 유형의 배터리 셀들(CELB은 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 대비 배터리 성능은 좋으나 발열과 열전도 특성이 나쁠 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 유형의 배터리 셀들(CELA, CELB) 간에 열 특성이 다르다는 것은 동일 시간 동안 배터리를 충전 및 방전 구동 시 제1 및 제2 유형의 배터리 셀들(CELA, CELB) 간에 발열 정도와 열전도도 중 적어도 하나가 다른 것을 의미할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 유형의 배터리 셀들(CELA, CELB) 간에 다른 배터리 성능을 가진다는 것은 제1 및 제2 유형의 배터리 셀들(CELA, CELB) 간에 충전 및 방전하는데 걸리는 시간, 충전 및 방전의 동작 범위(또는 전압 범위)와 배터리 용량 중 적어도 하나가 다른 것을 의미할 수 있다.
배터리 모듈(100) 내에서, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 유형에 따른 열 특성에 기초하여 배터리 모듈(100) 내에서 위치 별 온도 차이가 최저가 되도록 비규칙적으로 교번 배치될 수 있다.
비규칙적으로 교번 배치되는 것에 대하여 일 예를 들면, 적어도 하나 이상의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 중앙에 배치될 수 있고, 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)의 양측에 적어도 하나 이상의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있으며, 다음의 양측에 적어도 하나 이상의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치될 수 있다. 여기서, 이종 셀간 개수는 동일 또는 다르게 배치될 수 있다. 또한, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB)은 정극성(+) 또는 부극성(-)의 셀일 수 있다. 또한, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB) 중 적어도 하나는 커넥터 단자(CNT)로 이용될 수 있다.
비규칙적으로 교번 배치되는 것에 대하여 다른 예를 들면, 적어도 하나 이상의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 중앙에 배치될 수 있고, 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)의 양측에 적어도 하나 이상의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치될 수 있고, 다음의 양측에 적어도 하나 이상의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있다. 여기서, 이종 셀간 개수는 동일 또는 다르게 배치될 수 있다. 또한, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB)은 정극성(+) 또는 부극성(-)의 셀일 수 있다. 또한, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB) 중 적어도 하나는 커넥터 단자(CNT)로 이용될 수 있다.
일례로, 배터리 모듈(100)에서, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 중 적어도 하나를 기준으로 양측에 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)과 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 비규칙적으로 교번 배치될 수 있다.
다른 일례로, 배터리 모듈(100)에서, 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 중 적어도 하나를 기준으로 양측에 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 비규칙적으로 교번 배치될 수 있다.
예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100)에는 하나의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)을 기준으로 양측에 하나의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있고, 다음에 두 개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치될 수 있으며, 다음에 하나의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있다. 여기서, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB)은 정극성(+) 또는 부극성(-)의 셀일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 장치는 배터리 모듈(100) 내에서 이종 배터리 셀들(CELA, CELB)이 단순히 교번 배치되는 구조를 갖는 것이 아니라, 이종 배터리 셀들(CELA, CELB)의 유형에 따른 열 특성, 즉 유형에 따른 셀의 발열 및 열 전도를 고려하여 배터리 모듈(100)의 온도 균일성을 확보할 수 있도록 이종 배터리 셀들(CELA, CELB)이 배터리 모듈(100) 내에서 비규칙적으로 배치되는 구조를 갖는다. 이는 배터리 모듈(100) 내 위치 별 온도 편차를 최소화할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 장치는 배터리 모듈(100) 내에서 동종 배터리 셀들(CELA 또는 CELB) 간에는 전기적으로 연결되고, 배터리 모듈(100) 내에서 이종 배터리 셀들(CELA, CELB) 간에는 독립적으로 구동하도록 연결되는 구조를 갖는다. 이는 배터리 셀 간 성능 및 수명 편차를 줄일 수 있게 한다.
이러한 구조를 갖는 배터리 모듈(100) 및 이를 포함하는 배터리 장치에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 배터리 모듈에서 동작 범위가 A 유형 대비 작은 B 유형의 배터리 셀을 기준으로 동작함을 예시한다. 도 3은 배터리 모듈에서 동작 범위가 B 유형 대비 큰 A 유형의 배터리 셀을 기준으로 동작함을 예시한다.
배터리 모듈(100) 내부에서 이종 배터리 셀들이 직렬 및 병렬 연결되는 경우, 동작 범위가 다른 이종 배터리 셀들 간 전압 편차로 안정성 문제가 발생할 수 있으며, 가용 에너지가 제한될 수 있다.
도 2 및 도 3은 A 유형의 배터리 셀(CELA)이 0V ~ 4.2V의 동작 범위에서 구동하고, B 유형의 배터리 셀(CELB)이 0V ~ 4.0V의 동작 범위에서 구동하는 것을 예시한다.
여기서, B 유형의 배터리 셀(CELB)을 기준으로 풀 충전을 진행하는 경우, 도 2에 도시한 바와 같이 B 유형의 배터리 셀(CELB)은 100%로 충전이 되지만, A 유형의 배터리 셀(CELA)은 80% 밖에 충전이 되지 못한다. 즉, 배터리 장치는 가용 에너지가 제한되기 때문에 배터리 성능이 낮은 B 유형의 배터리 셀(CELB)로 하향 평준화될 수 있다.
또한, A 유형의 배터리 셀(CELA)을 기준으로 풀 충전을 진행하는 경우, 도 3에 도시한 바와 같이 A 유형의 배터리 셀(CELA)은 100%로 충전이 되지만, B 유형의 배터리 셀(CELB)은 120%로 충전될 수 있다. 즉, B 유형의 배터리 셀(CELB)은 과충전으로 인해 안정성의 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본원에 개시된 배터리 장치는 배터리 장치의 가용 에너지를 극대화하면서 배터리 모듈 내 온도 편차를 최소화하고자 한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치 및 전기적 연결 관계를 도시한다.
도 4를 참고하면, 배터리 모듈(100)은 제1 유형의 배터리 셀들(CELA), 제2 유형의 배터리 셀들(CELB), 제1 버스바(B1) 및 제2 버스바(B2)를 포함한다
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 이종 배터리 셀들(CELA, CELB)의 열 특성에 기초하여 배터리 모듈(100) 내의 위치 별 온도 차이가 최저가 되도록 배터리 모듈(100) 내에 배치될 수 있다.
제1 버스바(B1)는 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)을 전기적으로 연결할 수 있고, 제2 버스바(B2)는 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)을 전기적으로 연결할 수 있다. 일례로, 제1 버스바(B1)는 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)을 직렬 연결하는데 이용될 수 있고, 제2 버스바(B2)는 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)을 직렬 연결하는데 이용될 수 있다.
제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)이 상호 전기적으로 연결되지 않도록 동종 배터리 셀들을 직렬 연결할 수 있다. 즉, 이종 배터리 셀들(CELA, CELB)은 배터리 모듈(100) 내에서 제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)를 통해서 독립적으로 연결되어 독립적으로 충전 또는 방전 구동할 수 있다.
예를 들면, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB)은 정극성(+) 또는 부극성(-)의 셀일 수 있으며, 정극성의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)의 양측에 정극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 부극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있다. 다음에, 양측의 일측에는 부극성과 정극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치되고 다른 일측에는 부극성과 정극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치될 수 있다. 다음에, 양측의 일측에는 정극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있고, 다른 일측에는 부극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있다.
제1 버스바(B1)는 정극성과 부극성의 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 간에 전기적으로 연결할 수 있고, 제2 버스바(B2)는 정극성과 부극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 간에 전기적으로 연결할 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 중 적어도 하나는 다른 배터리 모듈과 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 단자(CNT)로 이용될 수 있다.
도 4에서는 하나의 커넥터만 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 별 적어도 하나 이상의 커넥터 단자(CNT)가 각각 구비될 수 있다.
그리고, 제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 동일 유형의 배터리 셀들을 연결 시 서로 중첩되지 않도록 그 형태가 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 ""또는 ""형태로 형성될 수 있다.
여기서, ""및 ""형태 중 x축 방향의 부재는 배터리 셀들을 연결하는 부재로 정의될 수 있고, y축 방향의 부재는 배터리 셀과 리드(또는 컨텍 포인트)와 전기적으로 연결되는 부재로 정의될 수 있다. y축 방향의 부재의 너비는 x축 방향의 부재의 너비보다 넓을 수 있으며, y축 방향의 부재의 너비는 배터리 셀의 리드의 크기에 따라 변경될 수 있다.
또한, 제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 유형 별 배터리 셀의 리드 위치에 따라 그 형상과 크기가 변경될 수 있다.
이러한 제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 인접하지 않은 배터리 셀 간에 연결 시, ""또는 ""형태와 같이 상단 및 하단이 오픈되어 동일 폭 내에서 원거리 연결을 가능하게 한다.
일례로, 제1 버스바(B1)의 y축 방향의 부재의 상부에 제1 유형의 배터리 셀의 리드가 연결될 수 있고, 제2 버스바(B2)의 y축 방향의 부재의 하부에 제2 유형의 배터리 셀의 리드가 연결될 수 있다.
다른 일례로, 제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 동일 유형의 배터리 셀들을 3개씩 연결을 위해 "W"또는 "M"형태로 형성될 수 있다. 이러한 제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 인접하지 않은 동일 유형의 배터리 셀 간에 연결 시, "W"또는 "M"형태와 같이 상단 및 하단이 적어도 하나 이상이 오픈되어 서로 중첩되지 않고 원거리 연결을 가능하게 한다.
또한, 본 실시예들에서, 배터리 셀들은 배터리 셀 유형 별 버스바와 접촉하는 리드의 위치가 프런트 및 리어의 측면에서 다른 위치에 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)의 리드 위치는 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 리드보다 높거나 낮은 위치에 형성될 수 있다. 이때, 제1 버스바(B1) 와 제2 버스바(B2)는 배터리 셀 유형 별 리드 위치가 다르므로, 버스바의 형태에 제한되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예들은 두 가지 유형의 배터리 셀들을 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 세 개 이상의 다른 유형의 배터리 셀들이 즉, 열 특성이 다른 유형의 배터리 셀들이 유형 별 열 특성에 기초하여 배터리 모듈 내에 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 일시예에 따른 배터리 모듈(100)을 도시한다.
도 5를 참고하면, 제1 일시예에 따른 배터리 모듈(100)은 제1 유형의 배터리 셀들(CELA), 제2 유형의 배터리 셀들(CELB), 제1 버스바(B1), 제2 버스바(B2)를 포함한다. 여기서, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB)은 정극성(+) 또는 부극성(-)의 셀일 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100) 내에서, 정극성과 부극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)을 기준으로 양측에 정극성과 부극성의 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)이 각각 배치될 수 있다. 다음에, 부극성과 정극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 양측에 각각 배치될 수 있다. 다음에, 일측에는 정극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치되고 다른 일측에는 부극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있다.
제1 버스바(B1)는 정극성과 부극성의 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 간에 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들면, 제1 버스바(B1)는 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)과 독립적으로 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 간에 직렬 연결할 수 있다.
제2 버스바(B2)는 정극성과 부극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 간에 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들면, 제2 버스바(B2)는 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 독립적으로 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 간에 직렬 연결할 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 중 적어도 하나에는 다른 배터리 모듈과 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 커넥터 단자가 연결될 수 있다.
예를 들면, 배터리 모듈(100)에서 가장 외각의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)의 프런트에 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)가 위치할 수 있다. 여기서, 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)에는 제1 전압 범위(HV1+, HV1-) 내의 전압이 인가될 수 있다.
또한, 배터리 모듈(100)에서 가장 외각의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 프런트에 제2 커넥터 단자(CNT2a, CNT2b)가 위치할 수 있다. 여기서, 제2 커넥터 단자(CNT2a, CNT2b) 각각에는 제2 전압 범위(HV2+, HV2-) 내의 전압이 인가될 수 있다.
이와 같이, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)의 입출력을 위한 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)와 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 입출력을 위한 제2 커넥터 단자(CNT2a, CNT2b)는 유형 별 독립적으로 다른 배터리 모듈에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 일시예에 따른 배터리 모듈을 도시한다.
도 6을 참고하면, 제2 일시예에 따른 배터리 모듈(100)은 제1 유형의 배터리 셀들(CELA), 제2 유형의 배터리 셀들(CELB), 제1 버스바(B1), 제2 버스바(B2)를 포함한다. 참고로, 도 6에 도시된 배터리 모듈(100)은 도 5 대비 커넥터의 위치가 다른 구조를 가질 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100) 내에서, 정극성과 부극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)을 기준으로 양측에 정극성과 부극성의 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)이 각각 배치될 수 있다. 다음에, 부극성과 정극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 양측에 각각 배치될 수 있다. 다음에, 일측에는 정극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치되고 다른 일측에는 부극성 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있다.
제1 버스바(B1)는 정극성과 부극성의 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 간에 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들면, 제1 버스바(B1)는 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)과 독립적으로 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 간에 직렬 연결할 수 있다.
제2 버스바(B2)는 정극성과 부극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 간에 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들면, 제2 버스바(B2)는 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 독립적으로 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 간에 직렬 연결할 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 중 적어도 하나에는 다른 배터리 모듈과 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 커넥터 단자가 연결될 수 있다.
예를 들면, 배터리 모듈(100)에서 가장 외각의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)의 리어에 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)가 위치할 수 있다. 여기서, 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)에는 제1 전압 범위(HV1+, HV1-) 내의 전압이 인가될 수 있다.
또한, 배터리 모듈(100)에서 가장 외각의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 프런트에 제2 커넥터 단자(CNT2a, CNT2b)가 위치할 수 있다. 여기서, 제2 커넥터 단자(CNT2a, CNT2b) 각각에는 제2 전압 범위(HV2+, HV2-) 내의 전압이 인가될 수 있다.
이와 같이, 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)와 제2 커넥터 단자(CNT2a, CNT2b)는 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)의 리어 또는 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 프런트에 각각 두 개씩 구비될 수 있다.
도 7는 본 발명의 제3 일시예에 따른 배터리 모듈을 도시한다.
도 7을 참고하면, 제3 일시예에 따른 배터리 모듈(100)은 제1 유형의 배터리 셀들(CELA), 제2 유형의 배터리 셀들(CELB), 제1 버스바(B1), 제2 버스바(B2)를 포함한다. 참고로, 도 7에 도시된 배터리 모듈(100)은 도 5 및 도 6 대비 제1 유형의 배터리 셀들(CELA), 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 배치 구조 및 커넥터의 위치가 다른 구조를 가질 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100) 내에서, 부극성의 하나의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)을 기준으로 양측에 정극성과 부극성의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 각각 배치될 수 있다. 다음에, 정극성과 부극성의 두 개의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 양측에 각각 배치될 수 있다. 다음에, 일측에는 부극성과 정극성의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치되고 다른 일측에는 정극성 및 부극성의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치될 수 있다.
제1 버스바(B1)는 정극성과 부극성의 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 간에 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들면, 제1 버스바(B1)는 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)과 독립적으로 두 개의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA) 간에 직렬 연결할 수 있다.
제2 버스바(B2)는 정극성과 부극성의 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 간에 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들면, 제2 버스바(B2)는 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 독립적으로 두 개의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 간에 직렬 연결할 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB) 중 적어도 하나에는 다른 배터리 모듈과 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 커넥터 단자가 연결될 수 있다.
예를 들면, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)의 프런트에 정극성 및 부극성의 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)가 위치할 수 있고, 제2 유형의 배터리 셀(CELB)의 프런트에 부극성의 제2 커넥터 단자(CNT2b)가 위치할 수 있고, 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 리어에 부극성의 제2 커넥터 단자(CNT2b)가 위치할 수 있다.
이와 같이 제1 커넥터 단자(CNT1a, CNT1b)와 제2 커넥터 단자(CNT2a, CNT2b)가 배치되는 위치는 배터리 모듈(100)의 디자인이나 설계에 따라 그 위치가 변경될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 장치를 도시한다.
도 8을 참고하면, 일 실시예에 따른 배터리 장치(200)는 제1 내지 제n 배터리 모듈(100), 릴레이(110) 및 제어기(300)를 포함한다.
제1 내지 상기 제n 배터리 모듈(100) 각각에는 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과, 제1 유형의 배터리 셀들(CLEA)과 다른 열 특성을 갖는 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)이 구비될 수 있다. 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 제1 내지 제n 배터리 모듈(100)에서 상호 독립적으로 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 제1 내지 제n 배터리 모듈(100)의 내부 및 모듈 간에 상호 독립적으로 직렬 연결될 수 있다.
릴레이(110)는 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈(100)의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)을 선택적으로 병렬 연결할 수 있다. 예를 들면, 릴레이(110)는 제어 신호(CS)에 따라 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈(100)의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)을 병렬 연결하거나, 병렬 연결을 차단할 수 있다.
이와 같이 배터리 장치의 시스템 수준에서 이종 배터리 셀들 간에 병렬 연결할 수 있고, 동작 상태에 따라 병렬 연결을 차단할 수 있다.
제어기(300)는 이벤트 신호(EVS)에 따라 릴레이를 제어하기 위한 제어 신호(CS)를 릴레이에 출력할 수 있다. 예를 들면, 이벤트 신호(EVS)는 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 충전 전압을 센싱하는 센싱 신호일 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)이 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)보다 동작 범위가 더 크다고 가정한 경우, 제어기(300)는 센서(도시되지 않은)로부터 수신되는 센싱 신호를 통해서 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 충전 전압의 레벨을 기준치와 비교할 수 있고, 비교 결과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)의 충전 전압의 레벨이 기준치에 도달한 경우 릴레이(110)를 턴-오프시킬 수 있다.
이를 통해 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)이 과충전되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)보다 동작 범위가 큰 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)을 기준으로 충전 동작을 진행하므로, 배터리 장치(200)에서 가용할 수 있는 에너지를 풀로 가동할 수 있다.
이와 같이 배터리 장치는 배터리 모듈 내 밸런스 유지를 위한 설계 제약이 불필요하고, 분리된 구조로 인해 성능 유지 관리가 가능하다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 열 특성에 기초하여 제1 내지 제n 배터리 모듈(100) 내에서 위치 별 온도 차이가 최저가 되도록 비규칙적으로 교번 배치될 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀(CELA) 또는 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀(CELB)을 기준으로 양측에 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀과 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀이 비규칙적으로 교번 배치될 수 있다.
또한, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)은 제1 내지 제n 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)과 독립적으로 제1 버스바(B1)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 제1 내지 제n 배터리 모듈(100)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 독립적으로 제2 버스바(B2)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 제1 내지 제n 배터리 모듈(100) 내에서 동일 유형의 배터리 셀들 간에 독립적으로 직렬 연결될 수 있다.
또한, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 제1 내지 제n 배터리 모듈(100) 내에서 다른 유형의 배터리 셀들 간에는 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 또한, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)은 하나의 배터리 모듈(100) 내에서는 상호 독립적으로 충전 및 방전 구동할 수 있다.
또한, 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에 적어도 하나의 제1 커넥터가 배치될 수 있고, 제2 유형의 배터리 셀들(CELA)의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에 적어도 하나의 제2 커넥터가 배치될 수 있다. 여기서, 제1 커넥터는 다른 배터리 모듈의 제1 유형의 배터리 셀들(CELA)과 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있고, 제2 커넥터는 다른 배터리 모듈의 제2 유형의 배터리 셀들(CELB)과 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다.
모듈 또는 팩 내의 배터리 셀들은 동일 셀이라고 하더라도 배치된 위치 및 주변 냉각 장치의 위치에 따라 발열 효과가 다를 수 있다. 예를 들면, 모듈 단위에서 외곽 셀보다 가운데 셀의 온도가 다른 셀 대비 더 높은 온도가 될 수 있다.
본 발명은 열특성이 다른 LFP(리튬, 인산, 철) 계열 배터리 셀이나 NCM(니켈, 코발트, 망간) 계열 배터리 셀을 혼용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 배터리 셀들의 열 특성에 기초하여 셀들을 배열하여 모듈(100) 내 위치 별 온도 편차를 최소화하고자 한다.
또한, 동일 계열의 배터리 셀이라도 두께가 다른 셀은 열 전도 경로가 달라져서 발열 특성이 달라질 수 있다. 이종 계열의 경우, 활물질 특히 양극재의 종류(LFP, NCM, 단결정, LMO)에 따라서 발열량이 다르기 때문에 발열이 작은 셀과 발열이 큰 셀이 된다. 본 명세서에서, 열 특성이 다르다는 의미는 각 셀들에서 발생하는 발열량이 다른 셀을 의미할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치를 도시한다.
도 9에 도시한 바와 같이, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 모듈(100) 내에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)은 제2 유형의 배터리 셀(CELB)보다 발열이 큰 셀로 예시될 수 있다. 또한, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)은 제2 유형의 배터리 셀(CELB)보다 두께가 더 두꺼울 수 있다.
제1 유형의 배터리 셀(CELA) 대비 발열이 작은 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 모듈(100) 내 중심에 배치되고, 제2 유형의 배터리 셀(CELB)을 기준으로 양측에 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치되고, 그 다음 양측에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 배치될 수 있다.
예를 들면, 모듈(100) 내 중심에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 3개 배치될 수 있고, 3개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB) 양측에 1개의 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 배치될 수 있으며, 그 다음 양측에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 2개 배치될 수 있고, 그 다음 양측에 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 2개 배치될 수 있으며, 그 다음 양측에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 1개 배치될 수 있고, 그 다음 양측에 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 3개 배치될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이종 배터리 셀들의 배치를 도시한다.
도 10에 도시한 바와 같이, 냉각 장치의 위치에 기초하여 제1 유형의 배터리 셀(CELA)과 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 모듈(100) 내에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)은 제2 유형의 배터리 셀(CELB)보다 발열이 큰 셀로 예시될 수 있다. 또한, 제1 유형의 배터리 셀(CELA)은 제2 유형의 배터리 셀(CELB)보다 두께가 더 두꺼울 수 있다.
예를 들면, 냉각 판(140)의 위치가 배터리 모듈(100)의 측면에 위치하는 경우, 배터리 모듈(100) 내에서 사이드 냉각 판(140)과 가장 가까운 위치에 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 4개 배치될 수 있고, 4개의 제1 유형의 배터리 셀(CELA) 측면에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 4개 배치될 수 있고, 4개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB) 측면에 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 3개 배치될 수 있으며, 3개의 제1 유형의 배터리 셀(CELA) 측면에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 3개 배치될 수 있고, 3개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB) 측면에 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 2개 배치될 수 있으며, 2개의 제1 유형의 배터리 셀(CELA) 측면에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 2개 배치될 수 있고, 2개의 제2 유형의 배터리 셀(CELB) 측면에 제1 유형의 배터리 셀(CELA)이 1개 배치될 수 있으며, 1개의 제1 유형의 배터리 셀(CELA) 측면에 제2 유형의 배터리 셀(CELB)이 1개 배치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 장치는 배터리 모듈(100) 내에서 이종 배터리 셀들(CELA, CELB)의 열 특성, 즉 유형에 따른 셀의 발열 및 열 전도를 고려하여 배치되므로, 배터리 모듈(100)의 온도 균일성을 확보할 수 있고, 이를 통해 배터리 모듈(100) 내 위치 별 온도 편차를 최소화할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, 이종 배터리 셀들의 열 특성에 기초하여 이종 배터리 셀들을 배터리 모듈 내에 배치함으로써 배터리 모듈 내의 위치 별 온도 편차를 최소화할 수 있다.
또한, 배터리 모듈 내에 배치된 배터리 셀들 중 동종 배터리 셀들 간에 연결하고 이종 배터리 셀들을 독립적으로 구동함으로써 배터리 셀 간 성능 및 수명 편차를 줄일 수 있다.
또한, 배터리 셀들 간의 열 편차를 최소화하여 배터리 모듈 내의 특정 위치에서 열의 누적을 최소화할 수 있다.
또한, 배터리 셀들 간의 열 분포가 균일하여 배터리 셀들 간 열 전파를 균일화할 수 있다.
또한, 배터리 모듈 내의 위치 별 온도 편차를 최소화하고 특정 위치에서의 열의 누적을 최소화함으로써 특정 배터리 셀의 열 폭주 현상을 예방할 수 있다.
또한, 배터리 셀들의 동작 온도가 유사하여 퇴화 경향이 유사하므로, 시간에 따른 배터리 셀들 간의 특성 편차를 최소화할 수 있다.
또한, "U", "n"형태의 버스바를 이용하여 동종 배터리 셀들을 전기적으로 연결하므로, 이종 배터리 셀들과 교차 발생 시 이중 구조를 회피할 수 있어 공간 손해를 피할 수 있다.
또한, 이종 셀간 직렬 연결을 회피하여 배터리 장치에서 배터리 셀들 간 편차로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 동작 범위가 다르거나 에너지가 다른 이종 배터리 셀들을 전기적으로 연결하여 배터리 장치로 활용할 수 있으므로, 배터리 장치의 가용 에너지를 극대화할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (20)

  1. 제1 유형의 배터리 셀들; 및
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 다른 열 특성을 갖는 제2 유형의 배터리 셀들을 포함하고,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 열 특성에 기초하여 배터리 모듈 내에서 위치 별 온도 차이가 최저가 되도록 비규칙적으로 교번 배치되는, 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들 중 적어도 하나를 기준으로 양측에 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀과 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀이 비규칙적으로 교번 배치되는, 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유형의 배터리 셀들 중 적어도 하나를 기준으로 양측에 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀과 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀이 비규칙적으로 교번 배치되는, 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들은 상기 배터리 모듈의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 상기 제2 유형의 배터리 셀들과 독립적으로 제1 버스바를 통해 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 배터리 모듈의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 상기 제1 유형의 배터리 셀들과 독립적으로 제2 버스바를 통해 전기적으로 연결되는, 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 배터리 모듈 내에서 동일 유형의 배터리 셀들 간에 독립적으로 직렬 연결되는, 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 배터리 모듈 내에서 다른 유형의 배터리 셀들 간에는 전기적으로 연결되지 않고 독립적으로 충전 및 방전 구동하는, 배터리 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에 적어도 하나의 제1 커넥터가 배치되는, 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 유형의 배터리 셀들의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에 적어도 하나의 제2 커넥터가 배치되는, 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 커넥터는 다른 배터리 모듈의 제1 유형의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 커넥터는 상기 다른 배터리 모듈의 제2 유형의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는, 배터리 모듈.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제1 버스바와 상기 제2 버스바는 동일 유형의 배터리 셀들을 연결 시 서로 중첩되지 않도록 ""또는 ""형태로 형성되는, 배터리 모듈.
  11. 제1 내지 제n 배터리 모듈을 포함하고,
    상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈 각각에는 제1 유형의 배터리 셀들과, 상기 제1 유형의 배터리 셀들과 다른 열 특성을 갖는 제2 유형의 배터리 셀들이 구비되고,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈에서 상호 독립적으로 전기적으로 연결되는, 배터리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈의 내부 및 모듈 간에 상호 독립적으로 직렬 연결되는, 배터리 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈의 상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들을 선택적으로 병렬 연결하는 릴레이를 더 포함하는, 배터리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 릴레이를 제어하는 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기는 이벤트 신호에 따라 상기 릴레이를 선택적으로 구동하는, 배터리 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 열 특성에 기초하여 상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈 내에서 위치 별 온도 차이가 최저가 되도록 비규칙적으로 교번 배치되는, 배터리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들 또는 상기 제2 유형의 배터리 셀들 중 적어도 하나를 기준으로 양측에 적어도 하나의 제2 유형의 배터리 셀과 적어도 하나의 제1 유형의 배터리 셀이 비규칙적으로 교번 배치되는, 배터리 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들은 상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 상기 제2 유형의 배터리 셀들과 독립적으로 제1 버스바를 통해 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에서 상기 제1 유형의 배터리 셀들과 독립적으로 제2 버스바를 통해 전기적으로 연결되는, 배터리 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈 내에서 동일 유형의 배터리 셀들 간에 독립적으로 직렬 연결되는, 배터리 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들과 상기 제2 유형의 배터리 셀들은 상기 제1 내지 상기 제n 배터리 모듈 내에서 다른 유형의 배터리 셀들 간에는 전기적으로 연결되지 않고 독립적으로 충전 및 방전 구동하는, 배터리 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제1 유형의 배터리 셀들의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에 적어도 하나의 제1 커넥터가 배치되고,
    상기 제2 유형의 배터리 셀들의 프런트와 리어 중 적어도 하나의 측면에 적어도 하나의 제2 커넥터가 배치되며,
    상기 제1 커넥터는 다른 배터리 모듈의 제1 유형의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 커넥터는 상기 다른 배터리 모듈의 제2 유형의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는, 배터리 장치.
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