KR20110128639A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

배터리 모듈을 효율적으로 냉각 또는 가열함으로써 최적의 작동 온도 범위 이내에서 이차 전지의 충전과 방전이 일어날 수 있게 하기 위하여, 본 발명은 (i) 복수 개의 단위 셀이 적층된 적어도 하나의 배터리 모듈, 및 (ii) 상기 배터리 모듈에 장착되며 상기 배터리 모듈의 가열 또는 냉각을 선택적으로 수행하는 적어도 하나의 열전(thermoelectric) 모듈을 구비하는 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리 팩 {Battery Pack}
본 발명은 전기 자동차나 전기 자전거 등에 사용되는 이차 전지를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전 및 방전이 가능한 전지를 말한다. 이차 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등과 같이 휴대용 전자 기기에서 반드시 필요한 주요 구성품이다. 또한 이차 전지는 친환경 교통수단인 전기 자동차나 전기 자전거에서 가장 핵심이 되는 구성품이다.
이차 전지의 단위 셀은 전극 조립체 및 전해액을 포함한다. 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비한다. 전극 조립체의 양극판과 음극판에는 전해액으로 채워져 있다. 전해액 내에 있는 리튬 이온은 세퍼레이터를 통과해 양극판과 음극판 사이를 이동해 가면서 충전과 방전 작용을 일으킨다. 충전 시에는 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되고, 반대로 방전 시에는 화학 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 이러한 에너지 변환 시 이동하는 리튬 이온 간 충돌 등으로 인하여 단위 셀 내부에서 열이 발생하게 된다.
전기 자전거나 전기 자동차의 경우 고출력 및 고용량을 위하여 복수 개의 이차 전지의 단위 셀을 수평 및/또는 수직으로 적층할 수 있다.
배터리 모듈에서의 열은 상기한 단위 셀 내에서의 충전 및 방전시 발생하는 열 뿐만 아니라 외부의 환경 변화나 외부 충격에 의하여 발생할 수도 있다.
각각의 단위 셀에서의 열을 효율적으로 방출시켜주지 않으면 셀이 과열이 되어 충전 및 방전 성능이 저하되고 심할 경우 폭발하게 되는 위험이 있다. 한편, 배터리 모듈 주위의 온도가 낮을 경우 전지 출력이 저하되는 문제가 있다.
본 출원은 내부의 단위 셀 주위의 온도를 적절하게 유지하여 안전성 및 출력 특성을 증가시킬 수 있는 배터리 팩을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (i) 복수 개의 단위 셀이 적층된 적어도 하나의 배터리 모듈, 및 (ii) 상기 배터리 모듈에 장착되며 상기 배터리 모듈의 가열 또는 냉각을 선택적으로 수행하는 적어도 하나의 열전(thermoelectric) 모듈을 구비하는 배터리 팩이 개시된다.
상기 열전 모듈은 펠티에(peltier) 소자를 구비하며, 상기 펠티에 소자의 입력 단자에 인가되는 전류의 극성은 변환 가능하도록 제어될 수 있다.
상기 배터리 팩은 배터리 관리 시스템(battery management system)을 더 구비하며, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 펠티에 소자의 전극에 인가되는 전류의 극성을 변화시키는 스위칭 소자를 구비할 수 있다.
상기 열전 모듈은 온도 센서를 더 구비하며, 상기 온도 센서를 통해 계측된 온도에 기초하여 펠티에 소자의 전극에 인가되는 전류의 극성을 변화시키도록 제어될 수 있다.
상기 열전 모듈은 복수 개이며, 각 열전 모듈은 서로 독립적으로 가열 또는 냉각 작용을 수행하도록 제어될 수 있다.
상기 열전 모듈은 상기 배터리 모듈의 적층되는 제1 방향에서의 적어도 일 측에 장착될 수 있다.
일 배터리 모듈에서 상기 열전 모듈은 상기 제1 방향에서의 반대 측에 장착되는 다른 열전 모듈 또는 엔드 플레이트(end plate)와 함께 적층된 단위 셀들을 압축하는 방향으로 가압할 수 있다.
상기 열전 모듈은 (+) 입력단자와 (-) 입력단자를 각각 구비한 적어도 하나의 열전 소자, 상기 적어도 하나의 열전 소자의 일 면에 접촉하도록 배치되는 제1 열전달 부재, 및 상기 적어도 하나의 열전 소자의 반대 면에 접촉하도록 배치되는 제2 열전달 부재를 구비할 수 있다.
상기 배터리 모듈을 둘러싸는 하우징을 더 구비하며, 상기 제2 열전달 부재는 히트 싱크(heat sync)이며, 상기 히트 싱크의 적어도 일부는 상기 하우징의 외부로 돌출될 수 있다.
상기 제1 열전달 부재 및 상기 배터리 모듈을 접촉하면서 연장되는 방식으로 상기 배터리 모듈의 측부의 적어도 일부에 배치된 복수 개의 히트 파이프가 더 구비되며, 상기 제1 열전달 부재에는 상기 히트 파이프를 접촉하면서 수용하는 그루브가 형성될 수 있다.
상기 히트 파이프는 상기 배터리 모듈의 상기 제1 방향에서의 일 측과 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에서의 일 측을 지나도록 배치될 수 있다.
상기 열전 모듈은 상기 배터리 모듈의 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서의 적어도 일 측에 장착될 수 있다.
상기 제2 방향의 측부에 장착되는 상기 열전 모듈은 (+) 입력단자와 (-) 입력단자를 각각 구비한 적어도 하나의 열전 소자, 상기 적어도 하나의 열전 소자의 일 면에 접촉하도록 배치되는 제1 열전달 부재, 및 상기 적어도 하나의 열전 소자의 반대 면에 접촉하도록 배치되는 제2 열전달 부재를 구비할 수 있다.
상기 배터리 팩은 전기 자전거에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리 모듈을 효율적으로 냉각 또는 가열함으로써 최적의 작동 온도 범위 이내에서 이차 전지의 충전과 방전이 일어날 수 있게 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 일 배터리 팩의 개략적인 내부 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 7은 열전 소자의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 8은 열전 소자의 개략적인 사시도이다.
도 9는 열전 모듈에 인가되는 전류의 극성을 변환시키는 배터리 관리 시스템의 스위칭 회로를 개략적으로 보여주는 회로도이다.
도 10은 전극 조립체를 구비한 단위 셀에서의 열의 방출 방향을 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이다. 배터리 팩(1)은 하우징(5)으로 둘러싸여진 형상이다. 일 실시예로서, 배터리 모듈(11)은 2개로 이루어진다. 하우징(5)은 두 개의 배터리 모듈(11)을 둘러싸도록 구성된다. 각 배터리 모듈(11)의 제1 방향, 즉 배터리 모듈(11)에서 단위 셀들이 적층된 방향에서의 양 측에는 히트 싱크(heat sync)(14)가 하우징(5)의 외부로 돌출될 수 있다. 전기 자전거(미도시)에 설치되는 배터리 팩의 경우, 히트 싱크(14)가 외기와 직접 접촉하게 되므로 차가운 외기가 히트 싱크(14)를 지나면서 배터리 팩(1)의 냉각이 효율적으로 발생한다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 배터리 팩(1)이 설치되는 전기 제품, 예를 들면 전기 자전거에 장착되는 위치 및 방향에 따라 히트 싱크의 방열 핀(14a)의 연장 방향이 달라질 수 있다. 다시 말하면, 전기 자전거가 진행할 때 배터리 팩(1)을 통과하는 외기의 방향이 방열 핀(14a)의 연장 방향과 가급적 일치하도록 함으로써 방열 작용이 활발해져 효율적인 냉각이 가능해질 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 배터리 팩(1)이 사용 시 외기와 직접 접촉하지 않도록 부착되는 실시예의 경우, 히트 싱크(14)가 하우징(5)의 외부로 돌출되지 않도록 배치될 수도 있다. 이 경우, 히트 싱크(14)에는 방열 팬(미도시)이 추가로 부착되고 방열 팬에서 배출되어 나온 더운 공기가 하우징(5)의 외부로 빠져 나올 수 있도록 하우징(5)의 일부에는 외기 구멍이 형성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 일 배터리 팩(10)의 개략적인 사시도이다.
일 배터리 모듈(11)은 복수 개의 단위 셀(11a)이 제1 방향, 즉 길이 방향으로 적층되어 있다. 복수 개의 단위 셀(11a)은 사용 용도에 따라 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결되어 있다.
배터리 모듈(11)의 길이 방향으로의 양 측(이하 '제1 측부'라고 함)에는 각각 열전 모듈(12, 13, 14)이 배치된다. 각 열전 모듈(12, 13, 14)은 측면 플레이트(15) 및 상부 플레이트(16)와 각각 연결될 수 있도록 구성된다. 그럼으로써, 일 측의 열전 모듈(12, 13, 14)은 측면 플레이트(15) 및/또는 상부 플레이트(16)를 통하여 반대 측의 열전 모듈과 함께 적층된 단위 셀(11a)들을 길이 방향으로 압축되도록 가압함으로써 고정시킬 수 있다. 즉, 열전 모듈(12, 13, 14)이 종래의 엔드 플레이트(end plate)의 역할을 대신할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 열전 모듈(12, 13, 14)은 제1 측부의 일 측에만 배치될 수 있다. 또한 열전 모듈(12, 13, 14)은 측면 플레이트(15) 또는 상부 플레이트(16) 중 어느 하나에 연결되도록 구성될 수 있다. 또한 열전 모듈(12, 13, 14)은 하부 플레이트(미도시)에 연결되도록 구성될 수도 있다.
도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 열전 모듈에 대하여 상세하게 설명한다.
이 실시예에서, 열전 모듈은 펠티에 소자(13), 제1 열전달 부재(12) 및 제2 열전달 부재(14)로 이루어진다.
제1 열전달 부재(12)는 열전도성이 좋은 재질이다. 제1 열전달 부재(12)는 펠티에 소자(13)의 제1 면과 접촉하도록 평평한 면을 가지며, 측면 가장자리와 상면 가장자리에는 각각 직각으로 구부러진 측면 굴곡부(12a)와 상면 굴곡부(12b)를 가진다. 측면 굴곡부(12a)는 측면 플레이트(15)에 형성된 나사 홀(15a)에 대응하는 나사 홀(12aa)이 형성될 수 있다. 상면 굴곡부(12b)에는 상부 플레이트(16)에 형성된 나사 홀(16a)에 대응하는 나사 홀(12ba)이 형성될 수 있다. 또한 제1 열전달 부재(12)의 상부에는 다른 배터리 모듈(11)이 안착될 수 있도록 지지하는 굴곡부(12c)가 마련될 수 있다.
제2 열전달 부재(14)는 앞서 설명한 히트 싱크(14)일 수 있다. 히트 싱크(14)의 내측 면은 펠티에 소자(13)의 제2 면과 접촉하는 평평한 면이며, 히트 싱크(14)의 외측 면은 접촉 면적을 증가시키도록 얇은 방열 핀(14a)들이 형성될 수 있다.
조립 시에는 펠티에 소자(13)가 제1 열전달 부재(12)와 제2 열전달 부재(14)의 사이에서 각각 접촉하도록 끼워진다. 그럼으로써 제1 열전달 부재(12), 펠티에 소자(13) 및 제2 열전달 부재(14)는 면 접촉을 유지하여 어느 일 방향으로의 열전달 통로가 형성된다.
열전 모듈(12, 13, 14)은 측면 플레이트(15) 및 상부 플레이트(16)와의 나사(17, 18) 결합에 의하여 배터리 모듈(11)의 제1 측부의 양 측에 각각 접하도록 유지된다.
펠티에(peltier) 소자(13)는 도 7에 도시된 바와 같은 원리로 동작한다. 펠티에 효과는 서로 다른 두 금속의 양 끝을 접합한 다음 전류를 흘리면 한쪽 접합부에서는 흡열, 다른 접합부에서는 발열이 일어나는 현상을 일컫는다. 금속(13e)을 사이에 두고 접합된 N형 반도체(13b)와 P형 반도체(13a)의 양 단에 각각 금속(13d, 13c)을 접합하고 이 접합부에 직류 회로가 연결되어 있다. 전체 펠티에 소자(13)에는 이러한 접합부가 연속하여 형성되어 있다. 각 접합부에 전류를 흘리면 N형 반도체(13b)와 금속(13e)의 접합부에서는 자유 전자가 금속(13e)에서 반도체(13b)로 흐를 때 페르미(fermi) 준위에 있는 전자들이 반도체의 전도대로 움직여야 하므로 평균운동에너지가 증가되면서 주위의 열을 흡수하여 흡열이 일어난다. 자유 전자가 반도체(13b)에서 금속(13d)으로 흐를 때에는 전자의 운동에너지가 감소하면서 주위로 열을 방출하여 발열이 일어난다. 만약 두 금속(13d, 13c)에 반대 방향으로 전류를 흘리면 발열과 흡열이 각각 이전의 전류 흐름에서와 반대되는 측에서 일어난다.
즉, 도 8의 실선으로 도시된 바와 같이 좌측 입력 단자(13d) 및 우측 입력 단자(13c)에 각각 양의 전압 및 음의 전압이 인가되는 경우에는 상면(13g)에서 흡열이 일어나서 하면(13f)으로 발열되는 반면, 점선으로 도시된 바와 같이 좌측 입력 단자(13d) 및 우측 입력 단자(13c)에 각각 음의 전압 및 양의 전압이 인가되는 경우에는 하면(13f)에서 흡열이 일어나서 상면(13g)으로 발열이 발생한다.
이와 같이 펠티에 소자(13)의 입력 단자(13c, 13d)에 인가되는 전류의 극성을 변환시킴으로써 동일 측에서 선택적으로 흡열 또는 발열이 발생할 수 있도록 조절될 수 있다. 도 3을 예로 들면, 배터리 모듈(11)의 온도를 낮추고자 하는 경우, 제1 열전달 부재(12)에 접하는 측의 펠티에 소자(13)의 면에서는 흡열이 일어나고 반대 측의 펠티에 소자(13)의 면에서는 발열이 일어나도록 인가되는 전류의 극성을 조절한다. 그럼으로써 배터리 모듈(11)에서 발생하는 열을 신속하고 효율적으로 히트 싱크(14)에 전달한 후 외부로 배출시킬 수 있다. 반대로, 배터리 모듈(11)의 온도를 높이고자 하는 경우, 제1 열전달 부재(12)에 접하는 측의 펠티에 소자(13)의 면에서는 발열이 일어나고 반대 측의 펠티에 소자(13)의 면에서는 흡열이 일어나도록 인가되는 전류의 극성을 조절한다. 그럼으로써 배터리 모듈(11)의 주위 열을 빼앗아 배터리 모듈(11)의 표면으로 전달함으로써 배터리 모듈(11)의 온도를 높일 수 있다.
도 9는 열전 모듈에 인가되는 전류의 극성을 변환시키는 배터리 관리 시스템의 스위칭 회로를 도시한다. 도면에는 배터리 관리 시스템이 별도로 도시되지 않았으나 배터리 관리 시스템은 하우징(5)의 내부에 배치될 수 있다. 한편, 열전 모듈은 하나의 펠티에 소자(13)로 이루어질 수도 있지만, 도 9에 도시된 바와 같이 다수 개의 펠티에 소자(13)로 이루어질 수도 있다. 각 펠티에 소자(13)의 정극성의 입력 단자는 서로 접속되어 있으며, 부극성의 입력 단자는 서로 접속될 수 있다. 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)가 열리고 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 닫혀 있을 때는 펠티에 소자(13)의 정극성 입력 단자(+)측에 양의 전압이 인가되고, 부극성 입력 단자(-)측에 음의 전압이 인가된다. 반면, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 열리고 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)가 닫혀 있을 때는 펠티에 소자(13)의 정극성 입력 단자(+)측에 음의 전압이 인가되고, 부극성 입력 단자(-)측에 양의 전압이 인가된다. 이와 같은 방식으로 열전 모듈의 일 측에서 발열과 흡열 동작이 선택적으로 일어나도록 제어할 수 있다.
도 9에 도시된 스위칭 회로는 단지 예시적인 것에 불과할 뿐이며, 당업자라면 다양한 등가의 전기 회로를 구성할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 배터리 팩(110)의 분해 사시도이다.
이 실시예는 히트 파이프(heat pipe)를 더 포함한다. 히트 파이프(115a, 115b, 115c)에서는 밀폐된 관의 내부에 채워진 작동 유체가 상변화 사이클을 거치면서 고온부로부터 저온부로 이동하고 다시 고온부로 이동한다. 이러한 상변화 사이클을 통하여 히트 파이프 내의 작동 유체는 고온부에서 흡수한 열을 저온부에서 방출한다. 히트 파이프(115a, 115b, 115c)는 열전달 측면에서 구리보다 약 40배나 높은 효율을 가진다.
히트 파이프(115a, 115b, 115c)는, 예를 들면, 진공밀폐 용기로써 다공성 윅(wick)이 용기 내벽에 설치되어 있고, 매우 소량의 액상 작동유체가 윅 내부에서 포화될 수 있다. 히트 파이프 내의 용기 증발부(미도시)는 작동 유체의 증기통로이다. 히트 파이프(115a, 115b, 115c)는 길이방향으로 증발부, 응축부, 단열부의 3개요소로 구성될 수 있다. 증발부에 열이 가해지면 액체의 기화열로 흡수되고, 증기가 응축부로 이송된다. 응축부에서는 열이 방출되며, 증기가 응축되어 윅 내부로 흡수된다. 이 응축액은 응축부와 증발부 사이에 윅의 기체-액체 계면에서 생성되는 모세압 차이에 의해 증발부로 귀환할 수 있다. 이와 같이 작동유체가 상변화 사이클을 수행함으로써 외부의 동력이 가해지지 않고 열을 증발부에서 응축부로 수송할 수 있다.
히트 파이프(115a, 115b, 115c)는 배터리 모듈(111)의 측부, 즉 제1 측부와 제2 측부에서 배터리 모듈(111)과 접촉하도록 배치된다. 일 예로서 히트 파이프(115a)의 일 단부는 배터리 모듈(111)의 제1 측부에 배치되며 타 단부는 배터리 모듈(111)의 제2 측부에 배치된다. 즉, 히트 파이프(115a)는 배터리 모듈(111)의 일 구석부에서 직각되게 굴곡된 형상을 가질 수 있다. 히트 파이프(115a)는 배터리 모듈(111)의 높이 방향으로 이격되게 복수 개 배치될 수 있다. 이러한 히트 파이프들(115a, 115b, 115c)은 배터리 모듈(111)의 각 구석부마다 굴곡되게 배치될 수 있다.
한편, 제2 측부에 배치된 히트 파이프(115a, 115b)의 부분은 연결부재(118)에 의하여 연결될 수 있다. 또한 히트 파이프(115a)의 굴곡부에는 결합 플레이트(119)가 열전 모듈(112, 113, 114)쪽으로 돌출되게 형성될 수 있다. 결합 플레이트(119)에 형성된 나사홀(119a)과 이에 대응하는 제1 열전달 부재(12)의 측면 굴곡부에 형성된 나사홀(112aa)이 정렬되고 이 나사홀들(119a, 112aa)에 나사(117)가 끼워지고 체결될 수 있다. 그럼으로써 열전 모듈(112, 113, 114)은 종래의 엔드 플레이트의 역할을 대신하게 되고, 히트 파이프(115a, 115b)는 종래의 사이드 플레이트의 역할을 대신하게 된다. 그럼으로써 배터리 모듈(111)이 단단히 고정되고 히트 파이프들이 배터리 모듈(111)의 표면에 잘 밀착되어 배터리 모듈(111)에서 발생되는 열의 전달이 촉진될 수 있다.
한편, 히트 파이프의 내부 단면은 원형일 수 있다. 이와 달리 히트 파이프의 내부 단면은 타원형일 수 있다. 타원형 히트 파이프(115a, 115b, 115c)는 원형 히트 파이프에 비하여 배터리 모듈(111)의 표면에 접촉하는 면적이 증가되기 때문에 열전달 성능을 더 증가시킬 수 있다.
또한 제1 열전달 부재(12)의 배터리 모듈(111)과 접촉하는 면에는 히트 파이프(115a, 115b, 115c)의 단면에 대응하는 형상의 그루브(112g)가 형성될 수 있다. 그럼으로써 히트 파이프(115a, 115b, 115c)와 제1 열전달 부재(12)가 접촉하는 면적을 최대로 증가시켜 열전달을 더욱 촉진시킬 수 있다.
배터리 모듈(111)의 종류에 따라 차이가 있지만, 통상적으로 배터리 모듈(111)의 제2 측부에서의 발열이 제1 측부에서의 발열보다 더 심하다. 왜냐하면 도 10에 도시된 바와 같이, 각 단위 셀(111a)의 내부에 배치된 전극 조립체(111b)의 개방된 부분인 상부와 하부가 단위 셀(111b)의 제2 측부를 향하고 있기 때문이다. 다시 말하면, 전극 조립체(111a) 내부에서 발생한 열은 전극 조립체의 개방된 부분인 상부와 하부 쪽으로 쉽게 전달되기 때문에 단위 셀(111b)의 제2 측부로 빠져 나오는 열(Q1)의 양이 가장 많을 것이다.
이러한 이유로 도 4에서 배터리 모듈(111)의 제2 측부의 영역이 제1 측부의 영역보다 상대적으로 고온이다. 뿐만 아니라 배터리 모듈(111)의 제1 측부에서는 열전 모듈의 흡열 작용이 일어나므로 배터리 모듈(111)의 제1 측부 영역과 제2 측부 영역의 온도차는 더 심해진다.
그러므로 히트 파이프(115a)는 배터리 모듈(111)의 고온 영역인 제2 측부 영역에서 발생되는 열을 배터리 모듈(111)의 저온 영역인 제1 측부 영역으로 신속하게 이동시키고, 제1 측부 영역에서는 열전 모듈(112, 113, 114)을 통하여 신속하고 효율적으로 열을 외부로 배출한다. 그러므로 배터리 모듈(111) 전체에서 원활하고 효율적인 냉각이 가능하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 배터리 팩(210)의 분해 사시도이다.
이 실시예와 도 3에 도시된 실시예와의 차이는 배터리 모듈(211)의 제2 측부에 열전 모듈(222, 224)이 추가적으로 구비된다는 점이다. 제2 측부에 배치된 열전 모듈의 제1 열전달 부재(212)는 측면 플레이트(215)와 결합, 예를 들면 나사 결합되게 구성될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 배터리 모듈(211)의 제2 측부 영역은 일반적으로 제1 측부 영역에 비하여 더욱 많은 열이 발생한다. 그러므로 제2 측부 영역에 열전 모듈을 배치함으로써 배터리 모듈(211) 전체에서 방열 및 냉각이 신속하게 일어날 수 있다.
유사하게, 배터리 모듈(211) 주위의 온도가 아주 낮아 온도를 증가시켜야 되는 경우, 열전 모듈에서 발생하여 배터리 모듈(211) 내의 전극 조립체로 전달되어야 되는 열이 제2 측부 영역에서 제공되면 더욱 효과적으로 전극 조립체 내로 전달될 것이다. 그러므로 배터리 모듈(211)의 온도 상승 역시 신속하게 일어날 수 있다.
한편, 열전 모듈이 배터리 모듈(211)의 제1 측부 뿐만 아니라 제2 측부에도 설치된 실시예의 경우, 각 열전 모듈(212, 214, 222, 224)의 냉각 또는 가열 작용은 서로 독립적으로 일어날 수 있다. 그럼으로써 배터리 모듈(211) 전체 영역에서 최적의 온도 분포를 가능하게 하며, 이는 배터리의 전체적인 성능 향상에 기여할 수 있다. 이를 위하여 각 열전 모듈(212, 214, 222, 224)은 온도 센서(미도시)를 구비하여, 계측된 온도 값에 기초하여 동작 제어를 행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 배터리 팩(310)의 분해 사시도이다.
이 실시예와 도 4에 도시된 실시예와의 차이는 배터리 모듈(311)의 제2 측부에 열전 모듈(322, 324)이 추가적으로 구비된다는 점이다.
배터리 모듈(311)의 제2 측부에 설치된 열전 모듈(322, 324)은 히트 파이프(315a, 315b, 315c) 만으로는 배터리 모듈(311)의 제2 측부 영역에서의 온도를 낮추는 데 한계가 있을 경우에 추가적으로 작동될 수 있다. 또한 배터리 모듈(311)의 제2 측부 영역의 온도를 높이고자 할 때 외부에서 흡수한 열을 배터리 모듈(311)의 제2 측부 쪽으로 전달시키기 위하여 작동될 수 있다. 제2 측부에 설치된 열전 모듈에 대한 이러한 작동 방법은 단지 예시적인 것에 불과하며, 당업자는 필요에 따라 다양한 작동 방법으로 변형을 가할 수 있음을 이해하여야 한다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나 앞에서 설명한 열전 모듈이 배터리 모듈의 제2 측부에만 설치되는 실시예도 가능하다. 이 실시예에서 제2 측부에 설치된 열전 모듈의 히트 싱크의 일부는 하우징의 외부로 돌출되어 자연 공랭될 수도 있다.
지금까지 설명한 배터리 팩(10, 110, 210, 310)은 전기 자전거에 사용될 수 있다. 그러나 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 아니한다. 예를 들면, 배터리 팩은 전기 자동차에 사용될 수 있다. 이 경우, 앞에서 설명한 바와 같이 배터리 팩은 적절히 변형되어 사용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1, 10, 110, 210, 310: 배터리 팩 5: 하우징
11, 111, 211, 311: 배터리 모듈 12, 112, 212, 312: 제1 열전달 부재
13, 113, 213, 313: 펠티에 소자 14, 114, 214, 314: 제2 열전달 부재
15, 215: 측면 플레이트 16, 116, 216, 316: 상부 플레이트

Claims (14)

  1. 복수 개의 단위 셀이 적층된 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈에 장착되며 상기 배터리 모듈의 가열 또는 냉각을 선택적으로 수행하는 적어도 하나의 열전(thermoelectric) 모듈을 구비하는 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 펠티에(peltier) 소자를 구비하며, 상기 펠티에 소자의 입력 단자에 인가되는 전류의 극성은 변환 가능하도록 제어되는 배터리 팩.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 배터리 관리 시스템(battery management system)을 더 구비하며, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 펠티에 소자의 전극에 인가되는 전류의 극성을 변화시키는 스위칭 소자를 구비하는 배터리 팩.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 온도 센서를 더 구비하며, 상기 온도 센서를 통해 계측된 온도에 기초하여 펠티에 소자의 전극에 인가되는 전류의 극성을 변화시키도록 제어되는 배터리 팩.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 복수 개이며, 각 열전 모듈은 서로 독립적으로 가열 또는 냉각 작용을 수행하도록 제어되는 배터리 팩.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 상기 배터리 모듈의 적층되는 제1 방향에서의 적어도 일 측에 장착되는 배터리 팩.
  7. 제6 항에 있어서,
    일 배터리 모듈에서 상기 열전 모듈은 상기 제1 방향에서의 반대 측에 장착되는 다른 열전 모듈 또는 엔드 플레이트(end plate)와 함께 적층된 단위 셀들을 압축하는 방향으로 가압하는 배터리 팩.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 (+) 입력단자와 (-) 입력단자를 각각 구비한 적어도 하나의 열전 소자, 상기 적어도 하나의 열전 소자의 일 면에 접촉하도록 배치되는 제1 열전달 부재, 및 상기 적어도 하나의 열전 소자의 반대 면에 접촉하도록 배치되는 제2 열전달 부재를 구비하는 배터리 팩.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈을 둘러싸는 하우징을 더 구비하며,
    상기 제2 열전달 부재는 히트 싱크(heat sync)이며, 상기 히트 싱크의 적어도 일부는 상기 하우징의 외부로 돌출되는 배터리 팩.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 열전달 부재 및 상기 배터리 모듈을 접촉하면서 연장되는 방식으로 상기 배터리 모듈의 측부의 적어도 일부에 배치된 복수 개의 히트 파이프가 더 구비되며,
    상기 제1 열전달 부재에는 상기 히트 파이프를 접촉하면서 수용하는 그루브가 형성된 배터리 팩.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 상기 배터리 모듈의 상기 제1 방향에서의 일 측과 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에서의 일 측을 지나도록 배치되는 배터리 팩.
  12. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은 상기 배터리 모듈의 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서의 적어도 일 측에 장착되는 배터리 팩.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 방향의 측부에 장착되는 상기 열전 모듈은 (+) 입력단자와 (-) 입력단자를 각각 구비한 적어도 하나의 열전 소자, 상기 적어도 하나의 열전 소자의 일 면에 접촉하도록 배치되는 제1 열전달 부재, 및 상기 적어도 하나의 열전 소자의 반대 면에 접촉하도록 배치되는 제2 열전달 부재를 구비하는 배터리 팩.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 전기 자전거에 사용되도록 구성된 배터리 팩.
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