KR101983639B1 - 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전지팩은 전지셀; 상기 전지셀을 수용하는 전지 케이스를 포함하며, 상기 전지 케이스는 상기 전지셀을 수용하는 내측 케이스와, 상기 내측 케이스 외측에 구비되는 외측 케이스, 및 상기 내측 및 외측 케이스 사이에 구비되고 상기 내측 및 외측 케이스를 냉각함에 따라 발생하는 냉기로 상기 전지셀을 간접 냉각하는 냉각부재를 포함할 수 있다.

Description

전지팩{BATTERY PACK}
본 발명은 전지팩에 관한 것으로서, 특히 냉각성이 우수한 전지 케이스가 포함된 전지팩에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말한다.
이러한 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되는 저용량 전지팩과, 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원에 사용되는 대용량 전지팩이 있다.
특허등록번호 제10-1072955호
전지팩은 복수개의 전지셀로 마련되는 전지모듈과, 상기 전지모듈이 내장되는 전지 케이스를 포함한다.
상기한 전지팩은 상기 전지모듈이 설정 온도 이상 상승하면 성능이 크게 떨어뜨리는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 냉각성이 우수한 전지 케이스를 마련함으로써 전지모듈의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 이에 전지모듈의 성능을 향상시킬 수 있는 전지팩을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀; 상기 전지셀을 수용하는 전지 케이스를 포함하며, 상기 전지 케이스는 상기 전지셀을 수용하는 내측 케이스와, 상기 내측 케이스 외측에 구비되는 외측 케이스, 및 상기 내측 및 외측 케이스 사이에 구비되고 상기 내측 및 외측 케이스를 냉각함에 따라 발생하는 냉기로 상기 전지셀을 간접 냉각하는 냉각부재를 포함할 수 있다.
상기 냉각부재는 상기 내측 케이스 및 상기 외측 케이스 보다 작은 두께를 가질 수 있다.
상기 냉각부재의 두께는 1nm 내지 1mm일 수 있다.
상기 냉각부재는 상변화 물질(phase change material, PCM)로 마련될 수 있다.
상기 상변화 물질은 수화물 형태의 무기물, 파라핀계 탄화수소 및 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 외측 케이스는 상기 내측 케이스의 외주면을 감싸는 형태로 구비되고, 상기 냉각부재는 상기 내측 케이스와 상기 외측 케이스 사이의 밀폐된 공간에 저장되는 냉각액으로 마련될 수 있다.
상기 전지케이스는 상기 전지셀이 설정 온도 이상 상승하면, 상기 냉각부재가 상기 내측 케이스의 내부로 유입되도록 상기 내측 케이스를 절개하는 절개부재를 더 포함하며, 상기 내측 케이스의 내부로 유입된 상기 냉각부재는 상기 전지셀을 접촉되면서 직접 냉각할 수 있다.
상기 절개부재는 상기 내측 케이스의 표면에 구비되는 절개부, 및 상기 내측 케이스와 상기 외측 케이스 사이에 구비되고 상기 전지셀로부터 전달되는 고온의 열에 의해 팽창하면서 상기 절개부를 가압하여 절개시키는 팽창물질을 포함할 수 있다.
상기 절개부는 절개홈으로 형성될 수 있다.
상기 팽창물질은 형상 기억 합금(shape-memory alloy)일 수 있다.
상기 팽창물질의 양 단부는 상기 내측 케이스와 상기 외측 케이스에 각각 접착될 수 있다.
상기 절개부재는 상기 냉각부재가 저장된 상기 전지케이스의 벽면 전체에 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
본 발명은 하기와 같은 효과가 있다.
첫째: 본 발명의 전지팩은 내측 케이스, 외측 케이스 및 상기 내측 케이스와 외측 케이스 사이에 구비되는 냉각부재를 포함하는 전지 케이스를 마련함으로써 상기 냉각부재에 의해 전지셀을 간접 냉각할 수 있으며, 이에 전지셀의 온도 상승을 방지하고, 전지셀의 성능을 향상시킬 수 있다.
둘째: 본 발명의 전지팩은 냉각부재를 상변화 물질(phase change material, PCM)로 마련함으로써 상기 전지셀의 온도 변화에 따라 상기 전지 케이스를 보다 효과적으로 냉각할 수 있다.
셋째: 본 발명의 전지팩은 절개부와 팽창물질을 포함하는 절개부재로 마련함으로써 상기 전지셀이 설정 온도 이상 상승하면 내측 케이스를 절개하여 냉각부재를 통해 전지셀을 직접 냉각할 수 있으며, 이에 전지셀의 온도 상승을 방지하고, 폭발 또는 발화를 방지할 수 있다.
넷째: 본 발명의 전지팩에서 팽창물질은 형상 기억 합금으로 마련함으로써 상기 전지셀의 온도 변화에 따라 상기 내측 케이스를 효과적으로 절개시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지팩을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 표시된 'A'부분 확대도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지팩을 도시한 도면.
도 4는 도 3에 표시된 'B'부분 확대도.
도 5 및 도 6은 절개부를 전지 케이스 내부에서 바라본 모습을 도시한 도면으로, 도 5는 띠 형태를 가지는 절개부를 도시한 부분절개 도면이고, 도 6은 링 형태를 가지는 절개부를 도시한 부분절개 도면임.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지팩의 작용상태를 도시한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 제1 실시예]
본 발명의 제1 실시예에 따른 전지팩(100)은 하나 이상의 전지셀(110), 및 전지셀(110)을 수용하는 전지 케이스(120)를 포함한다.
전지셀(110)은 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층되는 전극조립체와 상기 전극조립체와 함께 전해액을 수용하는 케이스 조립체를 포함한다. 그리고 상기 제1 전극에는 제1 전극탭이, 제2 전극에는 제2 전극탭이 각각 구비되고, 상기 제1 전극탭에는 제1 전극단자가, 제2 전극탭에는 제2 전극단자가 결합된다. 한편, 제1 전극은 양극이고, 제2 전자는 음극이다. 물론 반대일 수도 있다. 또한, 상기 케이스 조립체는 전극조립체 및 전해액을 수용하는 캔과, 캔의 개구부에 실장되는 캡 조립체를 포함한다.
전지 케이스(120)는 하나 이상의 전지셀(110)을 수용하기 위한 것으로, 내부에 전지셀(110) 및 전해액을 수용하는 한편, 내벽면을 형성하는 내측 케이스(121)와, 내측 케이스(121)의 외측에 구비되고 외벽면을 형성하는 외측 케이스(122)를 포함한다.
여기서 전지셀(110)은 충방전시 열이 발생하며, 이 열은 밀폐된 전지 케이스(120)의 내부에 점차 축적되면서 전지셀(110) 및 전해액의 온도를 급격하게 상승시키고, 이에 전지셀(110)의 급격한 온도 상승으로 전지셀(110)의 성능 저하가 발생하는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 전지팩(100)은 전지 케이스(120)의 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122) 사이에 냉각성이 우수한 냉각부재(123)를 구비하며, 이 냉각부재(123)는 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122)를 냉각하게 되는데, 이때 냉각부재(123)에 의해 내측 케이스(121)를 냉각함에 따라 발생하는 냉기로 전지 케이스(120) 내부에 축적되는 열을 흡수하여 냉각할 수 있고, 전지 케이스(120)의 내부 온도가 내려가면서 전지셀(110)의 온도 상승을 억제하여 성능을 높일 수 있다.
즉, 본 발명의 전지팩(100)은 냉각성이 우수한 냉각부재(123)를 통해 내측 및 외측 케이스(121)(122)를 냉각함에 따라 발생하는 냉기로 전지셀(110)을 간접 냉각하며, 이에 전지셀(110)의 온도 상승을 방지하여 성능을 높일 수 있다.
한편, 냉각부재(123)는 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122) 보다 작은 두께를 가진다.
즉, 냉각부재(123)의 두께가 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122)의 두께 보다 크면, 전지 케이스(120)의 두께 증대로 인해 제품성이 떨어지며, 특히 냉각부재로 액체를 사용할 경우 상기 공간으로 내측 케이스(121) 또는 외측 케이스(122)의 변형이 발생할 수 있다. 이에 냉각부재(123)를 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122) 보다 작은 두께로 형성하여 제품성을 높일 수 있고, 내측 케이스(121) 또는 외측 케이스(122)의 변형을 최소화할 수 있다.
한편, 냉각부재(123)의 두께는 1nm 내지 1mm일 수 있다. 즉, 냉각부재(123)의 두께가 1nm 이하이면 너무 얇은 두께로 인해 냉각 효율이 크게 떨어지며, 1mm 이상이면 냉각부재(123) 방향으로 내측 케이스(121) 및 외측 케이스(122)가 굽혀지는 각도가 커지면서 변형이 발생할 수 있다.
한편, 냉각부재(123) 상변화물질(phase change material, PCM)로 마련된다. 상변화물질은 상변화과정을 통하여 많은 양의 열에너지를 축적하거나 열에너지를 방출하며, 즉, 상변화물질은 고체에서 액체, 액체에서 고체, 액체에서 기체, 기체에서 액체 등 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 물리적 변화과정을 이용하여 열을 흡수하거나 또는 흡수한 열을 방출한다.
여기서 상변화물질은 전지셀(110)로부터 발산되는 많은 양의 열을 흡수할 수 있도록 수화물 형태의 무기물, 파라핀계 탄화수소 및 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용한다.
따라서 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지팩(100)은 전지 케이스(120)에 상변화 물질인 냉각부재(123)를 구비함으로써 전지셀(110)로부터 발산되는 많은 양의 열을 흡수할 수 있으며, 이에 전지셀(110)의 온도 상승을 방지하여 전지셀(110)의 성능을 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 다른 실시예를 설명함에 있어 전술한 제1 실시예와 동일한 기능을 가지는 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략한다.
[본 발명의 제2 실시예]
본 발명의 제2 실시예에 따른 전지팩(100)은 도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 하나 이상의 전지셀(110), 및 전지셀(110)을 수용하는 전지 케이스(120)를 포함하며, 전지 케이스(120)는 전지셀(110)을 수용하는 내측 케이스(121)와, 내측 케이스(121) 외측에 구비되는 외측 케이스(122), 및 내측 및 외측 케이스(121)(122) 사이에 구비되고 내측 및 외측 케이스(121)(122)를 냉각함에 따라 발생하는 냉기로 전지셀(110)을 간접 냉각하는 냉각부재(123)를 포함한다.
여기서 외측 케이스(122)는 내측 케이스(121)의 외주면을 감싸는 형태로 구비되며, 이에 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122) 사이에 밀폐된 공간을 형성되고, 상기 밀폐된 공간에 냉각부재(123)가 저장되면서 냉각부재(123)의 외부 노출 또는 유출을 방지할 수 있다.
또한, 냉각부재(123)는 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122) 사이의 밀폐된 공간에 저장되는 냉각액으로 마련되며, 이에 냉각액인 냉각부재(123)는 내측 케이스(121)의 외측 케이스(122)와의 접촉력을 높일 수 있고, 내측 케이스(121)의 외측 케이스(122)을 효과적으로 냉각할 수 있다.
한편, 전지팩(100)은 정격용량을 크게 초과한 충전(과충전)이 발생할 경우 냉각부재(123)의 간접 냉각만으로는 전지셀(110)의 온도를 낮추는데 한계가 있으며, 이에 전지셀(110)의 온도가 점차 급상승하면서 폭발하거나 또는 발화가 발생할 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지팩(100)은 전지셀(110)이 설정 온도 이상 상승하면, 냉각액인 냉각부재(123)를 내측 케이스(121)의 내부에 유입시켜서 내측 케이스(121)에 수용된 전지셀(110)을 직접 냉각한다. 이에 전지셀(110)의 온도 상승을 방지할 수 있고, 폭발하거나 또는 발화를 방지할 수 있다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지팩(100)의 전지케이스(120)는 도 4에 도시되어 있는 것과 같이, 전지셀(110)이 설정 온도 이상 상승하면, 냉각부재(123)가 내측 케이스(121)의 내부로 유입되도록 내측 케이스(121)를 절개하는 절개부재(124)를 더 포함하며, 이에 내측 케이스(121)의 내부로 유입된 냉각액인 냉각부재(123)는 전지셀(110)에 접촉되면서 직접 냉각하여 전지셀(110)의 온도를 낮출 수 있다.
여기서 절개부재(124)는 내측 케이스(121)의 표면에 구비되는 절개부(124a), 및 절개부(124a)가 위치한 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122) 사이에 구비되고 전지셀(110)로부터 전달되는 고온의 열에 의해 팽창하면서 절개부(124a)를 내측 케이스(121)의 내부 방향으로 가압하여 절개시키는 팽창물질(124b)을 포함한다.
한편, 절개부(124a)는 내측 케이스(121)의 표면에 절개홈으로 형성된다. 즉, 절개부(124a)는 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 양 끝단이 서로 반대방향을 향하는 띠 형태를 가지며, 팽창물질(124b)은 절개부(124a)에 직접 가압하면서 절개부(124a)를 절개시킨다. 또한 절개부(124a)는 도 6에 도시되어 있는 것과 같이, 양 끝단이 서로 연결되는 링 형태를 가지며, 팽창물질(124b)은 링 형태의 절개부(124a) 중앙을 가압하면서 절개부(124a)를 절개시킨다. 이때 내측 케이스(121)에는 원형의 절개홀이 형성되면서 냉각부재(123)를 보다 효과적으로 유입시킬 수 있다.
그리고 팽창물질(124b)은 내측단이 절개부(124a)가 구비된 내측 케이스(121)에 지지되고, 외측단이 절개부(124a)와 대응하는 위치에서 외측 케이스(122)에 의해 지지된다. 특히 팽창물질(124b)의 내측단과 외측단은 각각 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122)에 접착되며, 이에 팽창물질(124b)을 내측 케이스(121)와 외측 케이스(122) 사이에 안정적으로 고정할 수 있다.
한편, 상기 설정 온도는 80~100℃일 수 있다.
한편, 팽창물질(124b)은 형상 기억 합금(shape-memory alloy)으로 마련된다. 즉, 형상 기억 합금은 고열에 의해 변형이 발생하더라도 원래의 형태를 기억하고 있다가 온도가 내려가면 원상태로 복원되는 금속을 말한다. 이와 같은 형상 기억 합금은 니켈-티탄 합금, 동-아연 합금, 금-카드뮴 합금 및 인듐-탈륨 합금 등이 있다.
이에, 형상 기억 합금인 팽창물질(124b)은 전지셀(110)의 온도 변화에 의해 형상이 변형되면서 상기 절개부(124a)를 가압하여 절개할 수 있다. 한편, 형상 기억 합금인 팽창물질(124b)은 전지셀(110)이 설정된 온도 이상으로 상승하지 않으면 다시 원래의 형태로 복귀한다.
이와 같이 형상 기억 합금으로 팽창물질(124b)를 마련함으로써 전지셀(110)의 온도 변화에 빠른 대응이 가능하며, 이에 전지팩(100)의 안전성을 높일 수 있다.
한편, 절개부재(124)는 냉각부재(123)가 저장된 전지 케이스(120)의 벽면 전체에 적어도 하나 이상 구비된다. 즉, 냉각부재(123)가 저장된 전지 케이스(120)의 전후좌우상하에 구비된 내측 및 외측 케이스(121)(122) 사이에 절개부재(124)를 구비하며, 이에 내측 케이스(121)의 전후좌우상하 방향으로 냉각부재(123)를 유입할 수 있어 전지셀(110)의 냉각성을 높일 수 있다.
이하, 이와 같은 구성을 가진 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지팩(100)의 사용상태를 설명한다.
도 7에 도시되어 있는 것과 같이, 전지팩(100)의 충방전시 전지 케이스(120) 내부에 수용된 전지셀(110)의 온도가 상승한다. 이때 전지 케이스(120)의 냉각부재(123)에 의해 전지셀(110)을 간접 냉각하여 전지셀(110)의 온도 상승을 억제하며, 이에 전지셀(110)의 성능저하를 방지한다.
한편, 전지셀(100)의 충방전시 과충전이 발생하면, 전지 케이스(120) 내부에 수용된 전지셀(110)이 설정 온도 이상 상승한다. 이때 전지셀(110)로부터 전달되는 열원에 의해 절개부재(124)의 팽창물질(124b)이 팽창하면서 내측 케이스(121)에 구비된 절개부(124a)를 가압하여 절개시키고, 내측 케이스(121)의 절개된 절개부(124a)를 통해 냉각부재(123)가 유입되면서 전지셀(110)을 직접 냉각하여 전지셀(110)의 온도 상승을 억제한다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지팩(100)은 전지셀(110)이 설정 온도 이상 상승하면 전지 케이스(120)에 저장된 냉각부재(123)를 통해 전지셀(110)을 직접 냉각함으로써 전지셀(110)을 효과적으로 냉각할 수 있고, 이에 전지팩(100)의 폭발 또는 발화를 방지할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 전지셀
120: 전지 케이스
121: 내측 케이스
122: 외측 케이스
123: 냉각부재
124: 절개부재
124a: 절개부
124b: 팽창물질

Claims (12)

  1. 전지셀;
    상기 전지셀을 수용하는 전지 케이스를 포함하며,
    상기 전지 케이스는 상기 전지셀을 수용하는 내측 케이스와, 상기 내측 케이스 외측에 구비되는 외측 케이스, 및 상기 내측 및 외측 케이스 사이에 구비되고 상기 내측 및 외측 케이스를 냉각함에 따라 발생하는 냉기로 상기 전지셀을 간접 냉각하는 냉각부재를 포함하고,
    상기 외측 케이스는 상기 내측 케이스의 외주면을 감싸는 형태로 구비되고,
    상기 냉각부재는 상기 내측 케이스와 상기 외측 케이스 사이의 밀폐된 공간에 저장되는 냉각액으로 마련되고,
    상기 전지 케이스는 상기 전지셀이 설정 온도 이상 상승하면, 상기 냉각부재가 상기 내측 케이스의 내부로 유입되도록 상기 내측 케이스를 절개하는 절개부재를 더 포함하며,
    상기 내측 케이스의 내부로 유입된 상기 냉각부재는 상기 전지셀에 접촉되면서 상기 전지셀을 직접 냉각하는 전지팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각부재는 상기 내측 케이스 및 상기 외측 케이스 보다 작은 두께를 가지는 전지팩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각부재의 두께는 1nm 내지 1mm인 전지팩.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각부재는 상변화 물질(phase change material, PCM)로 마련되는 전지팩.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 상변화 물질은 수화물 형태의 무기물, 파라핀계 탄화수소 및 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 전지팩.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 절개부재는 상기 내측 케이스의 표면에 구비되는 절개부, 및 상기 내측 케이스와 상기 외측 케이스 사이에 구비되고 상기 전지셀로부터 전달되는 고온의 열에 의해 팽창하면서 상기 절개부를 가압하여 절개시키는 팽창물질을 포함하는 전지팩.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 절개부는 절개홈으로 형성되는 전지팩.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 팽창물질은 형상 기억 합금(shape-memory alloy)인 전지팩.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 팽창물질의 양 단부는 상기 내측 케이스와 상기 외측 케이스에 각각 접착되는 전지팩.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 절개부재는 상기 냉각부재가 저장된 상기 전지 케이스의 벽면 전체에 적어도 하나 이상 구비되는 전지팩.
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