KR20220018124A - 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에 관한 것으로, 특히 배터리의 온도 상승 또는 하강에 따라 상변화 물질이 열을 흡수 또는 방출하여 적정 온도로 유지시키는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에 관한 것이다.

Description

상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리{BATTERY WHICH IS TEMPERATURE MANAGED BY PHASE CHANGE MATERIAL}
본 발명은 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 온도 상승 또는 하강에 따라 상변화 물질이 열을 흡수 또는 방출하여 적정 온도로 유지시키는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에 관한 것이다.
전기 에너지를 이용하는 친환경차량은 충전용 배터리를 이용하며, 최근에는 1인용 이동수단의 공급 증가로 전동 휠, 전동 킥보드, 전기 자전거 및 초소형 전기차와 같은 PM(Personal Mobility) 등에도 충전용 배터리가 이용되고 있다.
대표적인 충전용 배터리에는 리튬이온 배터리가 있으며, 이러한 배터리는 온도에 따라 성능의 변화가 발생한다. 예컨대, 고온에서 배터리를 사용할 경우에는 배터리 열화가 가속화되고, 저온에서 배터리를 사용하는 경우에는 가용 에너지 범위가 줄어들게 되며, 대전류 통전 시 리튬석출 등의 문제가 발생하게 된다.
따라서 배터리 시스템에서 온도관리는 매우 중요하며, 종래에는 온도센서를 배터리 모듈 등에 설치하여 배터리 온도를 모니터링하면서 배터리 냉각 시스템을 가동시키거나 배터리의 사용을 제한하였다.
그런데, 온도센서를 이용하는 경우는 센서의 불량에 의한 클레임 발생, 온도센서를 연결하기 위한 하드웨어 레이아웃의 설계 제약 등이 따를 뿐만 아니라 유지 관리나 부품비용의 상승 등을 유발한다.
또한, 배터리 온도에 따라 BMS(Battery Management System)를 이용하여 배터리의 충전 또는 방전을 제한함으로써 온도를 일정 수준으로 유지시킬 수는 있지만 그 부하인 PM 등의 사용에 제한을 가하는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허 제10-1449276호 대한민국 등록특허 제10-0282883호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리의 온도 상승 또는 하강에 따라 상변화 물질이 열을 흡수 또는 방출함에 따라 별도의 배터리 관리나 사용상 제약없이 적정 온도로 유지시키는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리는 전기 에너지의 충방전이 이루어지는 배터리 셀(battery cell)과; 상기 배터리 셀과 열교환 되도록 조립되며, 상기 배터리 셀과의 열교환에 의해 상변화가 이루어지는 상변화 물질(PCM: Phase Change Material)을 포함하는 온도변화 완충기; 및 상기 배터리 셀과 온도변화 완충기(120)를 수용하는 배터리 케이싱;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 상변화 물질은 상기 배터리 셀의 온도 상승 또는 하락시 상기 배터리 셀과의 열교환에 의해 액체상(Liquid) 또는 고체상(Solid)으로 상변화하는 물질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 상변화 물질은 상기 배터리 셀의 표준 온도 초과부터 배터리의 상한 온도까지는 흡열하고, 상기 배터리 셀의 표준 온도 미만부터 배터리의 하한 온도까지는 발열하는 물질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 온도변화 완충기는 상기 상변화 물질; 및 상기 상변화 물질을 내부에 수용하도록 밀폐된 시트 구조의 완충팩;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상변화 물질이 수용된 완충팩은 열교환을 위해 상기 배터리 셀에 직접 접촉되거나 또는 열전달 물질을 매개로 간접 접촉되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리 케이싱은 상기 다층 구조로 적층되며, 각 층 카트리지 내에 상기 배터리 셀이 각각 수용되는 다수의 카트리지; 및 상기 각 층 카트리지 내에 수용된 배터리 셀을 서로 직렬 또는 병열로 연결시키는 전기 전도성 재질의 버스 바(Bus Bar);를 포함하되, 상기 상변화 물질이 수용되어 있는 완충팩은 상기 카트리지에 의해 적층된 다수의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나 이상에 접촉 조립되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 카트리지에 배터리 셀이 수용되어 있는 배터리 팩이 다수개 모인 배터리 모듈을 형성하되, 상기 배터리 모듈에는 과충전, 과방전 또는 고장 전류 발생 중 어느 하나 이상을 억제하는 보호회로가 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 카트리지에 형성된 인출구; 및 일단은 상기 카트리지 내부에서 상기 상변화 물질과 접촉하고, 타단은 상기 인출구를 통과하여 외부로 연장되며, 열전달 재질로 이루어진 열전도기;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인출구는 좁고 긴 트임 형상의 슬릿(slit)이며, 상기 열전도기는 박판 형상으로 이루어지되, 상기 상변화 물질과 접촉하는 열접촉부 및 상기 슬릿을 통해 외부로 노출되는 열전달부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열전달부는 상기 슬릿을 통해 외부로 노출된 상태에서 상기 카트리지의 외측면을 향하도록 절곡되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열전달부는 열전달 표면적을 향상시키 위한 적어도 하나 이상의 굴곡부를 갖는 히트 싱크(heat sink)를 포함하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 배터리와의 열교환에 따라 상변화 물질이 열을 흡수 또는 방출하여 배터리를 적정 온도로 관리한다. 따라서, 배터리 셀의 온도 변화에 따라 상변화 물질이 설정 온도범위에서 상변화 냉각이나 흡열됨으로써 배터리를 일정한 온도 범위로 관리한다. 특히 별도의 온도 센서나 사용 제한 없이도 연속적인 온도 관리를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리를 나타낸 정단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리의 보호회로를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리를 나타낸 조립 상태도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도변화 완충기의 작용 상태도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도변화 완충기의 조립 상태도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에서의 온도 변화 완충 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 카트리지를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전도기 조립 진행 상태도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전도기 조립 완료 상태도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리를 나타낸 조립 상태도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에서 히트 싱크를 적용한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에서 히트 싱크를 적용한 상태를 나타낸 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에 대해 상세히 설명한다.
다만, 이하에서는 본 발명이 다수의 배터리 팩이 적층된 배터리 모듈에 적용되는 것을 바람직한 실시예로 들어 설명한다.
그러나, 본 발명은 온도변화 완충기로 배터리의 온도를 관리할 수 있으면, 단일의 배터리 팩을 비롯한 그 외 여러 타입의 배터리에 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 4와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리(100)는 다수의 배터리 셀(battery cell, 110)이 적층되어 서로 간에 직렬 또는 병열로 연결되어 고출력이 가능한 배터리 모듈을 구성한다.
배터리 셀(110)은 후술하는 바와 같이 카트리지(131) 내에 장착되어 각각 전극 단자(111)와 같은 주변 부품을 포함하여 배터리 팩(battery pack)을 구성하며, 다수개 적층된 배터리 팩들이 배터리 모듈(100)을 구성한다.
이때, 본 발명은 배터리와 열교환이 이루어지는 상변화 물질을 추가로 채택하여 배터리의 온도가 표준보다 높아지거나 낮아지는 경우, 상변화 물질의 상변화(phase change)를 통해 배터리 온도가 적정 범위 내로 유지되게 한다.
실시예로 본 발명에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리는 충방전 배터리 셀(110)과, 상변화 물질을 포함하는 온도변화 완충기(120) 및 이들이 조립·보호되는 배터리 케이싱(130)을 포함한다.
배터리 셀(110)은 전기 에너지의 충방전이 이루어지는 것으로, 대표적으로 리튬 이온 배터리 셀(110)이 적용된다. 또한, 배터리 셀(110)은 후술하는 온도변화 완충기(120)와의 접촉 및 조립에 용이하도록 파우치 타입이 사용된다.
파우치 타입 배터리 셀(110)은 플라스틱, 접착제 및 알루미늄 등을 여러 층으로 쌓아서 만든 구조로 고순도 리튬과 같이 반응성 매우 큰 재료를 외부와 완전히 차단하면서도 가볍고 유연성이 좋다.
온도변화 완충기(120)는 상술한 배터리 셀(110)과 열교환 되도록 조립되며, 배터리 셀(110)과의 열교환에 의해 상변화가 이루어지는 상변화 물질(도 6의 '121' 참조)을 포함한다.
상변화 물질(121)은 현열에 의해서도 열교환이나 그와 유사한 효과를 제공할 수 있지만, 대부분은 잠열에 의해 상(phase) 변화가 이루어지며, 이를 통해 온도가 높아진 배터리의 열을 흡열하거나 온도가 낮은 배터리로 열을 방열한다.
배터리 온도가 높아지는 경우는 고속충전, 과충전 및 고출력 등이 있으며, 배터리 온도가 낮아지는 경우는 주로 현재 날씨나 지역적 영향과 같은 외부 환경 요인이 대부분이며, 어느 경우나 배터리의 성능 및 수명이 저하된다.
따라서, 본 발명은 별도의 온도 센서 및 냉각 장치를 이용하거나 혹은 배터리의 사용에 제약을 가함에 따라 적정 온도로 유지시키는 종래의 방식에서 벗어나 상변화를 통해 배터리와 열교환을 하는 상변화 물질(121)을 적용한다.
상변화 물질(121)에는 유기계, 무기계, 그리고 이를 섞은 공융 혼합물으로 나눌 수 있으며, 배터리의 사용 온도, 가격, 열전도도, 잠열 등과 같은 특성에 따라 활용하는 물질을 선택할 수 있다.
온도변화 완충기(120)를 구성하는 상변화 물질(121)은 배터리 셀(110)의 온도 상승 또는 하락시 배터리 셀(110)과의 열교환에 의해 액체상(Liquid) 또는 고체상(Solid)으로 상변화하는 물질인 것이 바람직하다.
액체상 및 고체상은 기체상에 비해 온도변화 완충기(120)의 제작 및 유지 관리에 용이하고, 융해열은 약 80Kcal인 반면 기화열은 540Kcal로 융해열이 상대적으로 작아서 상변화가 쉽고, 이를 통해 배터리 온도 변화에 적응하기 용이하다.
도 5와 같이 상변화 물질(121)은 배터리 셀(110)의 표준 온도 초과부터 배터리의 상한 온도까지는 흡열하고, 배터리 셀(110)의 표준 온도 미만부터 배터리의 하한 온도까지는 발열하는 물질인 것이 바람직하다.
이를 위한 상변화 물질(121)의 선택은 배터리 모듈의 설계시부터 고려될 수 있다. 상변화 물질(121)의 선택에는 유기계나 무기계와 같은 물질 그 자체의 선택은 물론, 이들이 수용되는 캡슐이나 다공성 소재의 선택도 포함될 수 있다.
상기 배터리 셀(110)의 '표준 온도'는 배터리 제조사나 국제 표준 등에 의해 다양하게 결정될 수 있지만, 본 발명에서는 실시예로써 배터리가 온도 측면에서 최적의 상태를 유지될 때의 설계 온도를 의미한다.
따라서, 본 발명은 배터리 셀(110)이 표준 온도에서 설정 상한으로 올라가는 경우에는 상변화 물질(121)이 흡열을 하여 다시 표준 온도에 근접하도록 조절된다. 반면, 설정 하한으로 내려가는 경우에는 상변화 물질(121)에서 저장된 열을 방열하여 역시 표준 온도에 근접하도록 조절된다.
도 6과 같이, 온도변화 완충기(120)는 실시예로서 상변화 물질(121) 및 상기 상변화 물질(121)을 내부에 수용하도록 밀폐된 시트 구조의 완충팩(122)을 포함하여 구성된다.
완충팩(122)은 열전달이 가능한 재질로 이루어지며 내부에 수용된 상변화 물질(121)을 보호하도록 누설 방지 특성을 갖는다. 다만, 완충팩(122)은 배터리 팩의 크기, 형상 혹은 용량 등에 따라 그 두께나 형상 등이 결정된다.
이때, 상변화 물질(121)이 수용된 완충팩(122)은 열교환을 위해 배터리 셀(110)에 직접 접촉되거나 또는 열전달 물질을 매개로 간접 접촉될 수 있다. 접촉을 통해 배터리에서 발생한 열을 흡수하거나 배터리로 방열하고 그 대신 상변화 물질(121)에서는 상변화가 이루어진다.
실시예로서 본 발명은 파우치 유형의 배터리 셀(110)을 사용할 수 있으며, 배터리 셀(110)과 그를 수용하는 카트리지(131)의 모양에 따라 시트(sheet) 유형의 상변화 물질(121)을 조립하여 사용 할 수 있다. 정확히는 시트 유형의 완충팩(122)내에 상변화 물질(121)을 충진하여 사용할 수 있다.
상변화 물질(121)의 모양, 크기 및 두께는 배터리 셀(110)의 용량에 따라 변경하여 적용할 수 있으며, 단면 접착 또는 양면 접착을 이용하여 카트리지(131) 및 배터리 셀(110)에 고정될 수 있게 함으로써 배터리 셀(110)의 조립 공정을 쉽게 한다.
따라서, 카트리지(131) 내에 배터리 셀(110)과 온도변화 완충기(120)를 적층 조립하면 온도변화 완충기(120)에서 배터리 셀(110)의 온도 변화에 즉각 대응할 수 있게 되므로 배터리 셀(110)에서 온도 변화에 따른 부정적 요인을 해소한다.
한편, 도 1에서 살펴본 바와 같이, 배터리 케이싱(130)은 배터리 셀(110)과 온도변화 완충기(120)를 수용하는 것으로, 다수의 카트리지(131)가 다층 구조로 적층되며 각 층 카트리지(131) 내에 배터리 셀(110)이 각각 수용된다.
다수의 카트리지(131)가 다층 구조로 적층된 상단부와 하단부에는 카트리지 상부(130-T) 및 카트리지 하부(130-B)를 각각 조립하여 마감하며, 실시예로 상하 적층되는 다수의 카트리지(131)들은 길이가 긴 장볼트(BL)에 끼워져 고정된다.
또한, 각 층 카트리지(131) 내에 수용된 배터리 셀(110)을 서로 직렬 또는 병열로 연결시키는 전기 전도성 재질의 버스 바(Bus Bar, 132)를 포함하여, 다수의 배터리 셀(110)이 적층된 배터리 모듈(100)을 구성한다.
이때, 상변화 물질(121)이 수용되어 있는 완충팩(122) 즉, 온도변화 완충기(120)는 카트리지(131)에 의해 적층된 다수의 배터리 셀(110) 중 적어도 어느 하나 이상에 접촉 조립될 수 있다.
예컨대, 각 배터리 셀(110)마다 온도변화 완충기(120)가 접촉되도록 배터리 셀(110)의 일면에 온도변화 완충기(120)를 조립하거나, 2개의 배터리 셀(110) 사이에 하나의 온도변화 완충기(120)가 동시에 접촉하도록 조립할 수 있다.
이를 위해 온도변화 완충기(120)의 크기나 완충 용량 역시 조절될 수 있으며, 통상 동일한 환경에 놓이는 다수의 배터리 셀(110)에 적어도 하나 이상의 온도변화 완충기(120)를 적용하여도 그 효과상 차이는 있지만 여전히 배터리의 온도 관리를 가능하게 한다.
다만, 본 발명의 온도변화 완충기(120)는 배터리의 온도 및 그에 따른 부수적인 효과만을 관리하는 것이므로, 도 3과 같이 배터리에 필요한 보호회로(140)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
보호회로(140)는 일측면에 배치되는 절연 필름(141)를 통해 배터리 셀(110)에 조립되며, 그 반대측에는 마감을 위해 보호회로 커버(142)가 구비된다. 보호회로 커버(142)를 통해서는 충전포트(IN)와 방전포트(OUT)가 제공될 수 있다.
따라서, 카트리지(131)에 배터리 셀(110)이 수용되어 있는 배터리 팩이 다수개 모인 배터리 모듈에는 과충전, 과방전 또는 고장 전류 발생 중 어느 하나 이상을 억제하는 보호회로(140)에 의해 전기적 보호가 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에서의 온도 관리 작용에 대해 설명한다.
도 7과 같이, 충전, 방전 혹은 주변 환경 온도의 변화에 따라 온도 변화 요인이 발생(S110)하면, 배터리 셀(110)의 온도가 상승하거나 혹은 하락(S120)한다.
이때, 배터리 셀(110)의 온도가 설정 온도 범위를 벗어나는지의 여부(S130)에 따라 온도 관리 상태가 변경된다. 즉, 설정 온도 범위를 벗어나지 않는 경우에는 온도변화 완충기(120)의 상변화 물질(121)은 상변화 없이 대기(S140) 상태가 된다.
반면, 배터리 팩의 온도가 설정 온도 범위를 벗어나는 경우, 배터리 셀(110)에 열접촉된 온도변화 완충기(120)에서 배터리의 열을 흡수(배터리 온도 상승)하거나 혹은 배터리로 열을 방출(배터리 온도 하강)하여 상변화 물질(121)의 상변화(S150)가 이루어진다.
상변화(S150)에 의해 배터리 셀(110)은 설정 온도 범위 이내로 복귀된 후 그 상태를 유지(S160)하게 되므로 별도의 센서나 냉각 장치가 없이도 사용상 제약 없이 배터리 셀(110)의 온도가 유지 및 관리된다.
나아가 계속해서 온도 변화가 있는지 감시가 이루어지며 다음 번 온도 변화 이벤트가 발생하면 위에서 설명한 바와 같은 과정의 반복으로 상변화 물질(121)에 의한 배터리 보호가 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 제2 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리에 대해 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리(100) 역시 실시예로써 다수의 배터리 셀(110)이 적층되어 서로 간에 직렬 또는 병열로 연결되어 고출력이 가능한 배터리 모듈을 구성한다.
배터리 셀(110)은 카트리지(131) 내에 장착되어 각각 전극 단자(111)와 같은 주변 부품을 포함하여 배터리 팩(battery pack)을 구성하며, 다수개 적층된 배터리 팩들이 배터리 모듈(100)을 구성한다.
이때, 본 발명은 배터리 셀(110)과 열교환이 이루어지는 상변화 물질(121)을 채택하여 배터리의 온도가 표준보다 높아지거나 낮아지는 경우, 상변화 물질(121)의 상변화를 통해 배터리 온도가 적정 범위 내로 유지되게 한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예는 상변화 물질(121)을 포함하는 온도변화 완충기(120)와 배터리 케이싱(130) 외부와의 사이에 열전달 경로를 형성하는 열전도기(150)를 더 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리(100)는 충방전 배터리 셀(110)과, 온도변화 완충기(120)와, 배터리 케이싱(130) 및 열전도기(150)를 포함하며, 필요시 보호회로(140)를 더 포함한다.
여기서, 배터리 셀(110)은 전기 에너지의 충방전이 이루어지는 것으로, 대표적으로 리튬 이온 배터리 셀(110)이 적용된다. 또한, 배터리 셀(110)은 후술하는 온도변화 완충기(120)와의 접촉 및 조립에 용이하도록 파우치 타입이 사용된다.
온도변화 완충기(120)는 배터리 셀(110)과 열교환되며, 열교환에 의해 상변화가 이루어지는 상변화 물질(121)을 포함하여, 배터리 온도가 설정 기준보다 높아지는 경우나 반대로 낮아지는 경우 상변화를 통해 배터리와 열교환을 한다.
배터리 케이싱(130)은 배터리 셀(110)과 온도변화 완충기(120)를 수용하는 것으로, 다수의 카트리지(131)가 다층 구조로 적층되며 각 층 카트리지(131) 내에 배터리 셀(110)이 각각 수용된다.
다수의 카트리지(131)가 다층 구조로 적층된 상단부와 하단부에는 카트리지 상부(130-T) 및 카트리지 하부(130-B)를 각각 조립하여 마감하며, 실시예로 상하 적층되는 다수의 카트리지(131)들은 길이가 긴 장볼트(BL)에 끼워져 고정된다.
각 층 카트리지(131) 내에 수용된 배터리 셀(110)들은 전기 전도성 재질의 버스 바(132)에 의해 서로 직렬 또는 병열로 연결됨으로써, 다수의 배터리 셀(110)이 적층된 배터리 모듈(100)을 구성한다.
보호회로(140)는 일측면에 배치되는 절연 필름(141)를 통해 배터리 셀(110)에 조립되며, 그 반대측에는 마감을 위해 보호회로 커버(142)가 구비된다. 보호회로 커버(142)를 통해서는 충전포트(IN)와 방전포트(OUT)가 제공될 수 있다.
한편, 위와 같은 충방전 배터리 셀(110), 온도변화 완충기(120), 배터리 케이싱(130) 및 보호회로(140) 등에 대한 좀더 구체적이고 상세한 구성들은 위에서 설명한 본 발명의 제1 실시예와 같다.
그러나 본 발명의 제2 실시예에서는 온도변화 완충기(120)와 배터리 케이싱(130) 외부와의 사이에 열전달 경로를 형성하도록 열전도기(150)를 더 포함하는 점에서 본 발명의 제1 실시예와 비교하여 차이가 있다.
열전도기(150)는 상변화 물질(121)을 보조하여 배터리 셀(110)이나 카트리지(131) 내부에 대한 냉각 및 히팅을 가능하게 하는 것으로, 열 전도율이 높은 재질(예: 금, 은, 구리, 알루미늄, 흑연 등)을 포함하여 구성된다.
도 8과 같이, 열전도기(150)의 설치를 위해 배터리 케이싱(130)을 구성하는 카트리지(131)에는 인출구(131a)가 형성된다. 인출구(131a)는 이를 관통하여 조립되는 열전도기(150)에 따라 다양한 개구(opening) 형상을 가질 수 있다.
후술하는 바와 같이 적층 조립된 배터리 셀(110)과의 관계, 카트리지(131)에 의한 밀폐 구조 및 배터리 모듈 전체의 형상을 고려하여 열전도기(150)를 박판 형상으로 하면 인출구(131a) 역시 그에 대응한 슬릿(slit) 형상으로 이루어진다.
인출구(131a) 기능을 제공하는 슬릿은 도시된 바와 같이 카트리지(131)의 중심부를 관통하여 형성될 수 있으며, 그 외 인접하는 카트리지(131)의 상하 연단부에 형성됨에 따라 상하 적층된 카트리지(131)들에 의해 형성될 수 있다.
열전도기(150)는 그 일단은 카트리지(131) 내부에서 상변화 물질(121)과 접촉하고, 타단은 인출구(131a)를 통과하여 외부로 연장되며, 상술한 금, 은, 구리, 알루미늄 및 흑연 등의 열전달 재질로 이루어진다.
도 9 및 도 10과 같이 열전도기(150)는 바람직한 실시예로서 박판 형상으로 이루어지며, 상변화 물질(121)과 접촉하는 열접촉부(151) 및 슬릿을 통해 외부로 노출되는 열전달부(152)를 포함한다.
이러한 열전도기(150)는 다수개의 카트리지(131)를 통해 적층 배치된 다수개의 상변화 물질(121)들 중 적어도 어느 하나 이상에 접촉 설치된다. 바람직하게는 모든 상변화 물질(121)에 접촉하도록 각 층에 설치된다.
실시예로 도시한 바와 같이 본 발명은 카트리지(131)의 안착홈(LT) 위에 배터리 셀(110)이 안착 설치되고, 그 내측의 카트리지(131) 바닥면의 개방부를 통해 상하층이 연결된다.
위 구조에서 배터리 셀(110)의 상하면에 각각 온도변화 완충기(120)가 설치되면 서로 인접하는 상변화 물질(121) 사이에서 동시에 2개의 상변화 물질(121)에 접촉 설치될 수도 있다.
열접촉부(151)는 상변화 물질(121)과 접촉함에 따라 그 자체로 상변화 물질(121)의 열용량을 증가시킨다. 따라서, 상변화 물질(121)의 온도가 낮아지면 열을 공급하고, 온도가 높아지면 열을 방출하는 열전도 경로를 제공한다.
이러한 열접촉부(151)는 인출구(131a) 슬릿을 통과하여 슬라이딩 방식으로 탈부착 가능하게 조립된다. 다만, 카트리지(131)의 모서리에 형성된 제1 나사공(131b)과 일치하도록 열접촉부(151)에 제2 나사공(도시 생략)을 형성하여 상술한 장볼트(도 1의 'BL' 참조)에 의해 고정 설치될 수도 있으며, 이 경우 열접촉부(151)의 폭은 나사공(131b)이 형성된 위치까지 더 확장시킬 필요가 있다.
열전달부(152)는 카트리지(131)의 외부(정확히는 배터리 모듈 외부)에 노출됨에 따라 모듈 내부의 열을 외부로 방출시키거나 외부로부터 열을 공급받아 모듈 내부로 공급한다.
이러한 이유로 본 발명의 배터리는 열전도기(150) 자체의 열용량에 의해 외부와의 흡열 또는 방열을 보조하게 된다. 또한, 필요시에는 별도의 냉난방기를 열전달부(152)에 추가 설치할 수 있다.
도 11과 같이 열전달부(152)는 슬릿을 통해 외부로 노출된 상태에서 카트리지(131)의 외측면을 향하도록 절곡되어 있는 것이 바람직하다. 이를 통해 동일한 방열 표면적을 제공하면서도 배터리 모듈 사이즈가 커지는 것을 방지한다.
또한, 도 12 및 도 13과 같이, 열전도기(150)는 히트 싱크(heat sink)를 포함하는 구조를 제공할 수 있다.
이를 위해 열전도기(150)는 카트리지(131) 내부의 열접촉부(151) 및 카트리지(131) 외부의 열전달부(152)를 포함하되, 열전달부(152)에 더해 히트 싱크(152a)를 결합하거나 열전달부(152) 자체를 히트 싱크(152a)로 구성할 수 있다.
히트 싱크(152a)는 열전달 표면적을 향상시키 위한 적어도 하나 이상의 굴곡부를 갖는다. 실시예로 히트 싱크(152a)는 다수의 요철을 포함하여 표면적을 넓히고 열전달율을 더욱 늘린다. 따라서, 상변화 물질(121)의 열용량을 증대시키고 배터리 셀(110)의 온도 변화에 대해 더욱 넓은 범위에서 대응 가능하게 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
110: 배터리 셀
120: 온도변화 완충기
121: 상변화 물질(PCM)
122: 완충팩
130: 배터리 케이싱
131: 카트리지
132: 버스 바(bus bar)
140: 보호회로
150: 열전도기
151: 열접촉부
152: 열전달부
152a: 히트 싱크

Claims (11)

  1. 전기 에너지의 충방전이 이루어지는 배터리 셀(110)과;
    상기 배터리 셀(110)과 열교환 되도록 조립되며, 상기 배터리 셀(110)과의 열교환에 의해 상변화가 이루어지는 상변화 물질(121)(PCM: Phase Change Material)을 포함하는 온도변화 완충기(120); 및
    상기 배터리 셀(110)과 온도변화 완충기(120)를 수용하는 배터리 케이싱(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상변화 물질(121)은,
    상기 배터리 셀(110)의 온도 상승 또는 하락시 상기 배터리 셀(110)과의 열교환에 의해 액체상(Liquid) 또는 고체상(Solid)으로 상변화하는 물질인 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상변화 물질(121)은,
    상기 배터리 셀(110)의 표준 온도 초과부터 배터리의 상한 온도까지는 흡열하고,
    상기 배터리 셀(110)의 표준 온도 미만부터 배터리의 하한 온도까지는 발열하는 물질인 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도변화 완충기(120)는,
    상기 상변화 물질(121); 및
    상기 상변화 물질(121)을 내부에 수용하도록 밀폐된 시트 구조의 완충팩(122);을 포함하는 것을 특징으로 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상변화 물질(121)이 수용된 완충팩(122)은 열교환을 위해 상기 배터리 셀(110)에 직접 접촉되거나 또는 열전달 물질을 매개로 간접 접촉되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 케이싱(130)은,
    상기 다층 구조로 적층되며, 각 층 카트리지(131) 내에 상기 배터리 셀(110)이 각각 수용되는 다수의 카트리지(131); 및
    상기 각 층 카트리지(131) 내에 수용된 배터리 셀(110)을 서로 직렬 또는 병열로 연결시키는 전기 전도성 재질의 버스 바(132);를 포함하되,
    상기 상변화 물질(121)이 수용되어 있는 완충팩(122)은 상기 카트리지(131)에 의해 적층된 다수의 배터리 셀(110) 중 적어도 어느 하나 이상에 접촉 조립되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 카트리지(131)에 배터리 셀(110)이 수용되어 있는 배터리 팩이 다수개 모인 배터리 모듈을 형성하되,
    상기 배터리 모듈에는 과충전, 과방전 또는 고장 전류 발생 중 어느 하나 이상을 억제하는 보호회로(140)가 설치되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지(131)에 형성된 인출구(131a); 및
    일단은 상기 카트리지(131) 내부에서 상기 상변화 물질(121)과 접촉하고, 타단은 상기 인출구(131a)를 통과하여 외부로 연장되며, 열전달 재질로 이루어진 열전도기(150);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인출구(131a)는 좁고 긴 트임 형상의 슬릿(slit)이며,
    상기 열전도기(150)는 박판 형상으로 이루어지되, 상기 상변화 물질(121)과 접촉하는 열접촉부(151) 및 상기 슬릿을 통해 외부로 노출되는 열전달부(152);를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열전달부(152)는,
    상기 슬릿을 통해 외부로 노출된 상태에서 상기 카트리지(131)의 외측면을 향하도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 열전달부(152)는,
    열전달 표면적을 향상시키 위한 적어도 하나 이상의 굴곡부를 갖는 히트 싱크(heat sink, 152a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질에 의해 온도가 관리되는 배터리.
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CN115084723A (zh) * 2022-06-30 2022-09-20 哈尔滨工业大学 一种基于相变材料的寒地电池预热装置和方法

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