KR102057698B1

KR102057698B1 - 안전성이 개선된 셀 모듈 어셈블리 수용구조

Info

Publication number: KR102057698B1
Application number: KR1020170019655A
Authority: KR
Inventors: 손정만; 김광일; 김도균; 김태욱; 이준희
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2019-12-19
Also published as: US10847765B2; CN208127262U; US20180287113A1; WO2017138793A1; KR20170095165A

Abstract

본 발명은 복수개의 셀들로 이루어진 셀 모듈 어셈블리; 및 상기 셀 모듈 어셈블리를 수용할 수 있는 내부공간을 가진 수용 기구물;을 포함하고, 상기 수용 기구물은, 제1 벽체로부터 그에 대향하는 제2 벽체 방향으로 연장되게 배치된 제1 격벽과, 상기 제2 벽체로부터 상기 제1 벽체 방향으로 연장되게 배치된 제2 격벽을 구비하고, 상기 제1 격벽의 연장길이와 상기 제2 격벽의 연장길이를 합한 값이 상기 제1 벽체와 상기 제2 벽체 사이의 간격에 비해 크거나 같은 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조를 개시한다.

Description

안전성이 개선된 셀 모듈 어셈블리 수용구조{ACCOMMODATION STRUCTURE OF CELL MODULE ASSEMBLY IMPROVED IN SAFETY}

본 출원은 2016년 2월 12일에 출원된 한국특허출원 제10-2016-0016372호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.

본 발명은 셀 모듈 어셈블리 수용구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀의 과충전 등으로 인한 화염 발생시의 안전성 문제를 해소할 수 있는 셀 모듈 어셈블리 수용구조에 관한 것이다.

리튬 이차전지는 여러 개의 단위 셀들이 묶여서 하나의 팩으로 이루어짐으로써 자동차 배터리나 전력저장장치 등과 같이 고에너지를 필요로 하는 분야에 널리 적용된다.

그런데, 여러 개의 단위 셀들로 이루어진 셀 모듈은 과충전 시 셀에 스웰링(Swelling)이 발생하여 모듈의 바깥 방향으로 볼록하게 팽창되는 변형이 발생하게 되고, 심할 경우 화염이 모듈의 외부로 유출되는 문제가 있다.

셀 모듈에 대한 안전성 확보기술과 관련하여, 특허문헌 1에는 화염을 안개화하는 구조를 가진 축전 장치가 게재되어 있고, 특허문헌 2에는 열폭주에 의해 발생한 가스를 액화하는 구조를 가진 이차 전지팩이 게재되어 있다.

특허문헌 1은 화재를 예방하기 위해, 회수부에 칸막이 벽을 설치하여 안전밸브로부터 분출한 전해액의 화염이 이동하는 경로 길이를 길게 하여 화염을 안개화하는 축전 장치를 개시하고 있다.

특허문헌 2는 가스 처리부에 칸막이 벽을 설치하여 열폭주에 의해 발생한 가스를 액화하는 기능을 갖는 이차 전지팩을 개시하고 있다.

그러나, 종래에는 셀 모듈에 안전성 문제가 발생했을 때 화염이 외부로 유출되는 것을 격벽을 이용하여 직접적으로 차단할 수 있는 기술은 제시된 바가 없어 이에 대한 해결 방안이 요구된다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제2014-160573호 특허문헌 2: 일본 등록특허공보 제5088688호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 셀의 안전성에 문제 발생 시 화염이 외부로 유출되는 것을 차단할 수 있도록 격벽의 배열 구조가 개선된 셀 모듈 어셈블리 수용구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 복수개의 셀들로 이루어진 셀 모듈 어셈블리; 및 상기 셀 모듈 어셈블리를 수용할 수 있는 내부공간을 가진 수용 기구물;을 포함하고, 상기 수용 기구물은, 제1 벽체로부터 그에 대향하는 제2 벽체 방향으로 연장되게 배치된 제1 격벽과, 상기 제2 벽체로부터 상기 제1 벽체 방향으로 연장되게 배치된 제2 격벽을 구비하고, 상기 제1 격벽의 연장길이와 상기 제2 격벽의 연장길이를 합한 값이 상기 제1 벽체와 상기 제2 벽체 사이의 간격에 비해 크거나 같은 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조를 제공한다.

상기 제1 격벽은 적어도 둘 이상이 나란히 배치되고, 상기 제1 격벽들 사이에 상기 제2 격벽이 끼워지게 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 수용 기구물 내에서 상기 제1 격벽 및 제2 격벽의 바깥쪽 공간과 연통되게 형성되어 기체 상태의 부산물을 선택적으로 배출하는 벤팅부;를 더 포함할 수 있다.

상기 벤팅부는 0.5bar 이상의 내압에서 상기 수용 기구물의 외부와 소통 가능한 벤팅홀을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용 구조는 상기 수용 기구물 내에서 상기 제1 격벽 및 제2 격벽의 바깥쪽 공간에 배치된 메쉬부재;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 제1 격벽과 상기 제2 격벽 사이에 배치된 난연재;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 배터리 모듈의 과충전 시 화염이 발생했을 때 제1 격벽과 제2 격벽에 의해 화염의 진행이 직접적으로 차단되어 전지팩 또는 평가 기구(Test Jig)의 안전성을 개선할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에서 셀 모듈 어셈블리에서 발생한 화염이 격벽에 의해 차단된 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 분해 사시도이다.
도 5는 도 3에서 격벽 어셈블리의 내부 구성을 도시한 사시도이다.
도 6은 도 4의 변형예를 도시한 분해 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용구조를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용구조는 복수개의 셀들로 이루어진 셀 모듈 어셈블리(100)와, 셀 모듈 어셈블리(100)를 수용할 수 있는 내부공간이 마련되고 벽체 안쪽에는 제1 격벽(113)과 제2 격벽(114)이 형성된 수용 기구물(110)을 포함한다.

셀 모듈 어셈블리(100)는 예컨대, 파우치형 이차전지로 이루어진 셀이 다수 적층되어 형성된다.

수용 기구물(110)은 셀 모듈 어셈블리(100)를 수용할 수 있는 내부 공간을 가진 소정 형상의 구조물이다.

수용 기구물(110)은 서로 대향하게 배치된 제1 벽체(111)와 제2 벽체(112)를 구비한다. 또한, 제1 벽체(111)와 제2 벽체(112)에는 각각 제1 격벽(113)과 제2 격벽(114)이 설치되어 있다. 여기서, 제1 격벽(113) 및 제2 격벽(114)의 재질은 제한이 없으나, 일반적으로 고온을 잘 견딜 수 있는 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

제1 격벽(113)은 제1 벽체(111)의 내부면에 대하여 수직하게 배치되고 제2 벽체(112)가 위치한 방향으로 연장되게 설치되어 있다. 제1 격벽(113)의 연장길이(a)는 제1 벽체(111)와 제2 벽체(112) 사이의 간격(h)에 비해 작게 설계된다. 바람직하게, 제1 격벽(113)은 적어도 둘 이상이 정해진 간격을 두고 나란히 배치된다. 제1 격벽(113)은 제1 벽체(111)에 일체로 연결될 수 있으며, 대안으로는 착탈 가능하게 연결될 수도 있다.

제2 격벽(114)은 제2 벽체(112)의 내부면에 대하여 수직하게 배치되고 제1 벽체(111)가 위치한 방향으로 연장되게 설치되어 있다. 제2 격벽(114)의 연장길이(b)는 제1 격벽(113)과 마찬가지로 제1 벽체(111)와 제2 벽체(112) 사이의 간격(h)에 비해 작게 설계된다.

제2 격벽(114)은 제2 벽체(112)에 일체로 연결될 수 있으며, 대안으로는 착탈 가능하게 연결될 수도 있다.

제1 격벽(113)과 제2 격벽(114)은 셀 모듈 어셈블리(100)의 화염 발생 및 분출 방향을 가로지르는 방향으로 연장되게 배치된다.

제1 격벽(113)과 제2 격벽(114)의 크기는 관계식, a + b ≥ h 를 만족하도록 결정되어야 한다. 즉, 제1 격벽(113)의 연장길이(a)와 제2 격벽(114)의 연장길이(b)를 합한 값이 상기 제1 벽체(111)와 상기 제2 벽체(112) 사이의 간격(h)에 비해 크거나 같도록 구성된다. 화염의 유출을 보다 효과적으로 방지하기 위해, 제1 격벽(113)과 제2 격벽(114)은 서로 동일선상에 놓이지 않도록 엇갈리게 배치되고, 두 개의 제1 격벽(113) 사이에 제2 격벽(114)이 부분적으로 끼워진 구조를 갖는 것이 바람직하다.

수용 기구물(110)의 한쪽편에는 벤팅(Venting) 기능을 제공하기 위한 벤팅부(116)가 마련될 수 있다. 벤팅부(116)는 정해진 압력 이상에서 선택적으로 개방이 되는 벤팅 홀(hole)을 포함하여 구성된다. 벤팅부(116)는 상기 벤팅 홀에 설치된 소정의 밸브에 의해 0.5bar 이상의 내압에서 수용 기구물(110)의 외부와 소통 가능하게 구성되는 것이 바람직하다.

벤팅부(116)의 안쪽 공간(115)은 수용 기구물(110)의 내부에 있어서 제1 격벽(113) 및 제2 격벽(114)의 바깥쪽에 위치한 공간과 연통된다. 화염의 외부 유출을 더욱 확실히 차단하기 위하여, 벤팅부(116)의 안쪽 공간(115)은 제1 벽체(111)로부터 바깥방향으로 돌출된 벽체들에 의해 둘러싸여 형성되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용구조를 도시한 단면도이며, 도 4는 도 3의 분해 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용구조는 복수개의 셀들로 이루어진 셀 모듈 어셈블리(100)와, 셀 모듈 어셈블리(100)를 수용할 수 있는 내부공간이 마련된 수용 기구물(110')과, 수용 기구물(110')의 양단에 결합된 격벽 어셈블리(120)를 포함한다.

수용 기구물(110')은 셀 모듈 어셈블리(100)를 수용할 수 있는 내부 공간을 가진 구조물로서, 바람직하게 각형의 금속관으로 구성된다.

수용 기구물(110')은 서로 대향하는 제1 벽체(111')와 제2 벽체(112')를 구비한다.

격벽 어셈블리(120)는 수용 기구물(110')의 양단에 각각 끼워지고 소정의 체결수단에 의해 고정됨으로써 수용 기구물(110')의 양단에 조립된다. 이를 위해, 수용 기구물(110')의 양단 주변과 그에 대응하는 격벽 어셈블리(120)의 하우징(121)에는 상기 체결수단에 해당하는 리벳(122)과 그에 대응하는 체결 홀(123)이 다수 형성되어 있다.

격벽 어셈블리(120)의 하우징(121) 내부에는 제1 벽체(111')와 제2 벽체(112')가 정해진 간격을 두고 다단으로 배치되어 있다. 전술한 실시예와 마찬가지로, 화염의 유출을 보다 효과적으로 방지하기 위해, 제1 격벽(113')과 제2 격벽(114')은 서로 동일선상에 놓이지 않도록 엇갈리게 배치된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 격벽(113')과 제2 격벽(114')은 서로 교호적으로 배치되고 두 개의 제1 격벽(113') 사이에 제2 격벽(114')이 끼워진 구조를 갖는다. 제1 격벽(113') 및 제2 격벽(114')의 재질은 제한이 없으나, 일반적으로 고온을 잘 견딜 수 있는 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

격벽 어셈블리(120)가 수용 기구물(110')에 조립된 상태에서, 제1 격벽(113')은 실질적으로 제1 벽체(111')에 대하여 수직하게 배치되고, 제2 격벽(114')은 실질적으로 제2 벽체(112')에 대하여 수직하게 배치된다. 제1 격벽(113')의 연장길이(a)는 제1 벽체(111')와 제2 벽체(112') 사이의 간격(h)에 비해 작게 설계되고, 그 차이에 해당하는 부분에는 배기를 위한 제1 투과창(117)이 위치하게 된다. 도 5에 나타난 바와 같이 제1 격벽(113')과 제1 투과창(117)의 조합에 의해 제1 격벽 플레이트(A)가 형성된다. 마찬가지로, 제2 격벽(114')의 연장길이(b)는 제1 벽체(111')와 제2 벽체(112') 사이의 간격(h)에 비해 작게 설계되고, 그 차이에 해당하는 부분에는 배기를 위한 제2 투과창(118)이 위치하게 된다. 제2 격벽(114')과 제2 투과창(118)의 조합에 의해 제2 격벽 플레이트(B)가 형성된다. 제1 격벽 플레이트(A)와 제2 격벽 플레이트(B)는 격벽 어셈블리(120) 내에 착탈식으로 조립될 수 있으므로 유지보수가 편리한 장점이 있다.

전술한 실시예와 마찬가지로, 제1 격벽(113')과 제2 격벽(114')은 셀 모듈 어셈블리(100)의 화염 발생 및 분출 방향을 가로지르는 방향으로 연장되게 배치된다. 또한, 제1 격벽(113')과 제2 격벽(114')의 크기는 관계식, a + b ≥ h 를 만족하도록 결정되어야 한다. 즉, 제1 격벽(113')의 연장길이(a)와 제2 격벽(114')의 연장길이(b)를 합한 값이 상기 제1 벽체(111')와 상기 제2 벽체(112') 사이의 간격(h)에 비해 크거나 같도록 구성된다.

격벽 어셈블리(120)에 있어서, 제1 격벽(113') 및 제2 격벽(114')의 바깥쪽 공간에는 메쉬 부재(119)가 설치되어 화염의 유출을 보다 효과적으로 방지한다. 메쉬 부재(119)는 예컨대, 금속사와 같은 소재에 의해 메쉬 구조로 이루어지고 전체적으로 육면체 형태로 구성된다.

격벽 어셈블리(120)의 가장자리단 부근에는 수용 기구물(110')에 마련된 장공 형태의 벤팅부(116')와 연통 가능한 벤팅 홀(124)이 형성되어 있고, 벤팅 홀(124)에 대응하는 부분에 메쉬 부재(119)가 배치된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1 격벽(113')과 제2 격벽(114') 사이에는 플레이트나 블록 등과 같은 형태로 이루어진 난연재(125)가 부가되어 화염의 유출을 보다 효과적으로 방지한다. 이와 관련하여, 셀 모듈 어셈블리(100)의 두께 방향 양면과 수용 기구물(110') 사이에도 난연재(126)가 개재되는 것이 바람직하다. 난연재(125)는 난연 플라스틱 등 다양한 공지의 소재로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리 수용구조는 셀 모듈의 과충전 등으로 인해 셀 모듈 어셈블리(100)에서 화염이 발생했을 때 제1 격벽(113,113')과 제2 격벽(114,114')이 서로 엇갈리게 배치된 구조에 의해 수용 기구물(110,110') 바깥 방향으로의 화염의 진행을 원천적으로 차단할 수 있다. 이러한 화염의 차단 기능은 메쉬 부재(119)와 난연재(125,126)의 추가에 의해 더욱 강화될 수 있다.

또한, 셀 모듈 어셈블리(100)에서 발생하는 화염 이외의 기체 상태의 부산물은 수용 기구물(110,110')에 마련된 벤팅부(116,116')를 통해 원활하게 외부로 배출될 수 있다.

< 실험예 >

SOC(State of Charge) 100%의 49Ah 파우치형 셀 5개를 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 만든 다음 본 발명에 따른 수용 기구물(110,110')에 넣고 1C로 단위 셀이 6.5V가 될 때까지 과충전하였다.

위와 같은 조건하에서 네일(Nail)을 관통시키는 테스트를 했을 때 수용 기구물(110)의 외부에는 스모크(Smoke)만이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

< 비교예 >

SOC(State of Charge) 100%의 49Ah 파우치형 셀 5개를 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 만든 다음 별도의 구조물 없이 1C로 단위 셀이 6.5V가 될 때까지 과충전하였다.

위와 같은 조건하에서 네일을 관통시키는 테스트를 했을 때 셀 모듈에서는 화염이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명을 이차전지 팩이나 전지 평가 기구에 적용할 경우 셀 모듈 어셈블리(100)에 과충전 등의 문제가 발생하더라도 수용 기구물(110,110') 내의 제1 격벽(113,113')과 제2 격벽(114,114')에 의해 화염이 차단되고 기체 부산물만이 외부로 배출되므로 화재 등의 안전사고를 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 셀 모듈 어셈블리 110,110': 수용 기구물
111,111': 제1 벽체 112,112': 제2 벽체
113,113': 제1 격벽 114,114': 제2 격벽
116,116': 벤팅부 117: 제1 투과창
118: 제2 투과창 119: 메쉬 부재
120: 격벽 어셈블리 121: 하우징
122: 리벳 123: 체결 홀
124: 벤팅 홀 125,126: 난연재
A: 제1 격벽 플레이트 B: 제2 격벽 플레이트

Claims

복수개의 셀들로 이루어진 셀 모듈 어셈블리; 및
상기 셀 모듈 어셈블리를 수용할 수 있는 내부공간을 가진 수용 기구물;을 포함하고,
상기 수용 기구물은, 제1 벽체로부터 그에 대향하는 제2 벽체 방향으로 연장되게 배치된 제1 격벽과, 상기 제2 벽체로부터 상기 제1 벽체 방향으로 연장되게 배치된 제2 격벽을 구비하고,
상기 제1 격벽의 연장길이와 상기 제2 격벽의 연장길이를 합한 값이 상기 제1 벽체와 상기 제2 벽체 사이의 간격에 비해 크거나 같으며,
상기 셀 모듈 어셈블리 수용 구조는,
복수 개의 난연재;를 포함하며,
상기 복수 개의 난연재는,
상기 제1 격벽과 상기 제2 격벽 사이에 배치되며, 플레이트나 블록 형태의 제1 난연재; 및
상기 셀 모듈 어셈블리의 두께 방향 양면과 상기 수용 기구물 사이에 개재되는 제2 난연재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조.
제1항에 있어서,
상기 제1 격벽은 적어도 둘 이상이 나란히 배치되고,
상기 제1 격벽들 사이에 상기 제2 격벽이 끼워지게 배치된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조.
제1항에 있어서,
상기 수용 기구물 내에서 상기 제1 격벽 및 제2 격벽의 바깥쪽 공간과 연통되게 형성되어 기체 상태의 부산물을 선택적으로 배출하는 벤팅부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조.
제3항에 있어서,
상기 벤팅부는 0.5bar 이상의 내압에서 상기 수용 기구물의 외부와 소통 가능한 벤팅홀을 구비한 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조.
제3항에 있어서,
상기 벤팅부의 안쪽에는 상기 제1 격벽 및 제2 격벽의 바깥쪽 공간과 연통되는 공간이 마련되고, 이 공간은 상기 제1 벽체로부터 바깥방향으로 돌출된 벽체들에 의해 둘러싸여 형성된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조.
제1항에 있어서,
상기 수용 기구물 내에서 상기 제1 격벽 및 제2 격벽의 바깥쪽 공간에 배치된 메쉬부재;를 더 포함하는 셀 모듈 어셈블리 수용 구조.
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