KR101274937B1 - 중대형 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 중대형 전지팩에 대한 것으로 보다 구체적으로는, 덕트의 내측면 또는 외측면에 고강도, 고내열성의 방탄섬유를 포함함으로써, 전도성 침상 물체가 이차전지 또는 전지팩 내부로 관통시 과열 또는 발화, 기화전해액의 외부 분출, 전도성 침상 물체와 전극과 전기적 접촉 등을 방지하여 단락으로 인한 폭발 및 발화 등의 위험을 줄이고 안전성을 향상시킨 중대형 전지팩에 대한 것이다. 본 발명의 안전성이 향상된 중대형 전지팩은 전도성 물질의 관통시 방탄섬유와 동반 관통됨으로써 전도성 물질 주변을 고강도 물질이 감싸게 되어 전도성 물질과 전극 간의 절연 효과로 단락을 지연시킬 수 있으며, 이에 따른 스파크 발생 방지 효과를 줄 수 있다. 또한 급격한 내부 온도 상승으로 인해 기화되는 전해액의 외부 분출을 지연시켜 전지의 발화 및 폭발을 미연에 방지하는 효과가 있다.

Description

중대형 전지팩{BATTERY PACK}

본 발명은 안전성이 향상된 중대형 전지팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 파우치 내부 또는 외부에 고강도 고내열성의 방탄섬유를 포함함으로써, 전도성 침상 물체가 이차전지 또는 전지팩 내부로 관통시 과열 또는 발화, 기화전해액의 외부 분출, 전도성 침상 물체와 전극과 전기적 접촉 등을 방지하여 단락으로 인한 폭발 및 발화 등의 위험을 줄이고 안전성을 향상시킨 것이다.

최근 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.

또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.

또한, 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으며, 그 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩에 사용되는 이차전지는 다수의 고에너지 전지셀들이 밀집되어 있고, 발화점이 낮은 유기 전해액을 포함하고 있는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.

예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 발화 및 폭발이 초래될 수 있다. 상기 비정상적인 상황 중 특히 예기치 못한 차량 충돌 사고로 발생할 수 있는 전도성 물질의 전지 관통시 전극 간 내부 단락이 발생하고 과도한 전류가 흐르면서 전지 내 급격한 온도 상승 및 유기 전해액의 기화로 인해 전지의 발화 및 폭발이 초래될 수 있다.

따라서 전도성 물질의 전지 관통시 전극 간 단락으로 발생하는 불꽃이나 유기 전해액의 과도한 분출을 효과적으로 억제함으로써, 전지셀의 발화 내지 폭발을 미연에 방지하여 전지의 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외장재의 내부 또는 외부에 고강도 고내열성의 재료를 포함함으로써, 전도성 침상 물체가 전지팩 내부로 관통시 과열 또는 발화, 기화 전해액의 외부 분출, 전도성 침상 물체와 전극과 전기적 접촉 등을 방지하여 단락으로 인한 폭발 및 발화 등의 위험을 줄이고 안전성을 향상시킨 중대형 전지팩에 대한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 냉매가 흐르는 덕트와 인접하게 설치되고, 다수의 단위모듈들이 충적된 전지모듈을 포함하는 중대형 전지팩에 있어서, 상기 덕트에는 방탄섬유가 개재된 중대형 전지팩이 제공된다.

상기 방탄섬유는 Aramid fiber, Glass fiber, UHMWPE fiber, PBO fiber 중 적어도 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진다.

상기 단위모듈은 충방전이 가능한 단위 전지셀이거나, 또는 상기 단위 전지셀들이 둘 또는 그 이상의 조합으로 이루어진다.

상기 전지셀은 리튬 이차전지이며, 상기 중대형 전지팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용된다.

본 발명에 따르면, 중대형 전지팩에 인접하게 설치되는 덕트의 어느 한 면에 고탄성, 고내열성 방탄섬유를 포함함으로써, 일차적으로는 전도성 물질의 관통을 방지해 주고, 혹여 전도성 물질의 관통시에는 방탄섬유가 전도성 물질과 동반 관통됨으로써 전도성 물질 주변을 방탄섬유가 감쌈으로써 전도성 물질과 전극 간의 절연 효과로 단락을 지연시킬 수 있으며, 이에 따른 스파크 발생 방지 효과를 얻을 수 있다. 또한 급격한 내부 온도 상승으로 인해 기화되는 전해액의 외부 분출을 지연시켜 전지의 발화 및 폭발을 미연에 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 전지팩의 구성을 개략적으로 보인 도면.

이하에서는, 본 발명에 의한 중대형 전지팩의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 중대형 전지팩(1)은 고출력과 대용량의 전지팩을 제공할 수 있도록 해당 단위모듈들 또는 전지셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있다.

즉, 본 발명에 적용되는 단위모듈은 충방전이 가능한 단위 전지셀이거나, 또는 상기 단위 전지셀들이 둘 또는 그 이상의 조합으로 이루어진 리튬 이차전지가 바람직하다.

상기 전지셀은 예를 들어, 양극, 음극, 분리막 및 전해액으로 구성되어 있고, 충방전이 가능한 구조로 밀폐된 용기에 내장되어 있으며, 바람직하게는 리튬이온 전지셀, 리튬이온 폴리머 전지셀, 니켈 금속수소 전지셀 등의 이차전지를 들 수 있다.

이러한 이차전지는 음극판, 분리막 및 양극판으로 이루어진 전극조립체, 상기 전극조립체로부터 연장되는 음극 및 양극의 전극탭, 상기 전극탭에 용접되어 있는 전극리드, 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스, 전지케이스와 전극리드의 실링을 위한 수지 필름을 포함한다.

한편, 본 발명의 중대형 전지팩은 자동차 예컨대, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용될 수 있다.

이때, 자동차의 엔진룸(도시 생략)에는 자동차의 운행시 발생하는 열량을 냉각하기 위해 덕트(2)가 구비되며, 더불어 전지모듈 또는 전지셀에서 발생하는 열량도 냉각할 수 있도록 본 발명의 중대형 전지팩(1)은 상기 덕트(2)와 인접하게 설치된다.

상기 덕트(2)의 위치는 특별히 한정하지 아니하고 중대형 전지팩의 상측 또는 하측 어느 방향에 위치하더라도 무관하다 할 수 있으며, 바람직하게는 통상, 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차의 구조상 상기 덕트는 중대형 전지팩의 상측에 위치하도록 설계할 수 있다. 다만, 실제 차량에 중대형 전지팩을 탑재할 때에는 상기 중대형 전지팩의 상측과 하측이 뒤집어진 형태로 탑재되는 경우가 빈번하므로, 구조의 설계시 이와 같은 점을 참고할 수 있다.

상기 덕트의 내측면 또는 외측면 중 적어도 어느 한 면에는 고강도, 고내열성의 방탄섬유(3)가 개재된다.

이러한 방탄섬유(3)에는 Aramid fiber, Glass fiber, UHMWPE fiber, PBO fiber 중 적어도 하나 이상이 적용될 수 있다.

이와 같이 고강도, 고내열성 물질, 바람직하게는 방탄섬유가 덕트에 구비되어 있는 경우, 전도성 침상 물체가 덕트를 관통하더라도 상기 방탄섬유가 전도성 물질과 함께 관통되어 즉, 전도성 물질을 감싸면서 함께 전지 내부로 들어가기 때문에 전극과 상기 방탄섬유가 접촉되어 단락 및 발열, 발화와 같은 현상을 방지할 수 있다.

즉, 도 1과 같이 전도성 물질로 대표되는 못(nail)을 관통시켰을 때, 본 발명의 방탄섬유가 개재되지 않은 종래 이차전지의 경우는 분리막의 손상으로 인해 양극과 음극 사이에 단락이 형성되고, 과도한 전류가 못에 집중되어 전지의 온도 상승 및 전해액의 기화가 일어나며, 발화 및 폭발로 이어지게 된다.

그러나 본 발명의 고강도, 고내열성 물질, 바람직하게는 방탄 섬유를 덕트의 내측면 또는 외측면에 장착시켰을 경우, 섬유의 동반 관통으로 못의 일부분을 감싸 절연 효과를 보이게 되며, 이는 순간적인 단락으로 인한 과전류의 흐름을 지연시키는 효과를 나타낸다. 또한 동반 관통한 섬유는 스파크 발생을 억제하며, 국부적인 지연 단락으로 인한 온도 상승 시 기화된 전해액의 과도한 분출을 막아 발화의 위험을 감소시킨다.

1: 전지팩
2: 덕트
3: 방탄섬유

Claims (5)

1. 냉매가 흐르는 덕트와 인접하게 설치되고, 다수의 단위모듈들이 충적된 전지모듈을 포함하는 중대형 전지팩에 있어서,
   전도성 침상 물체가 상기 덕트를 관통하여 상기 전지모듈의 내부로 침투하는 경우에, 상기 전도성 침상 물체가 전극과 전기적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있도록 상기 전도성 침상 물체의 표면을 감싸게 되는 방탄섬유가 상기 덕트에 개재되며,
   상기 방탄섬유는 상기 전도성 침상 물체의 표면을 감쌀 수 있도록, 아라미드 파이버(Aramid fiber), 글라스 파이버(Glass fiber), UHMWPE 파이버(fiber), PBO 파이버(fiber) 중 적어도 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 재질인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 단위모듈은 충방전이 가능한 단위 전지셀이거나, 또는 상기 단위 전지셀들이 둘 또는 그 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
5. 제1항에 있어서,
   상기 중대형 전지팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.

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