KR102445835B1 - 소화 장치를 구비한 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

소화 장치를 구비한 전지 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 적층되어 측면방향으로 상호 인접하도록 배열되어 있는 전지셀 적층체 및 상기 전지셀들과 인접하게 위치하여 정상 작동 온도 범위보다 높은 비정상 작동 온도에서 구동되어 소화 가스를 분사하는 소화 분사기를 포함함으로써, 일부 전지셀에서 발열 또는 화재가 발생하는 경우에도 소화 분사기가 작동되어 인접한 다른 전지셀에 영향을 미치는 현상을 차단하거나 최대한 지연시킬 수 있다.

Description

소화 장치를 구비한 전지 모듈 {Battery Module Having Extinguishing Apparatus}
본 발명의 실시예들은 소화 장치를 구비한 전지 모듈과 관련된다.
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), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV)등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 1개 내지 4개의 전지셀들이 사용됨에 비해, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈이 사용된다.
전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
또한, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 이차전지를 다수 포함하고 있는 전지 모듈 또는 전지팩의 경우 전지를 안전하고 효율적으로 관리하기 위하여, Battery Management System (BMS)를 이용하기도 한다.
다만, 이러한 조치에도 불구하고, 외부로부터의 충격이나 내부 전지 셀의 이상 동작, BMS에 의한 제어 실패 등으로 전지팩 내부에 화재가 발생하는 경우가 있다.
전지팩 내부에 화재가 발생하였을 경우, 고온의 화염에 의하여 내부에 존재하는 전선의 절연 피복이 소손될 수 있고, 이 경우, 절연 기능이 상실된 전선이 전지팩 내부의 다른 부품, 예를 들어, 금속 등의 전도성 부품 또는 전지셀과 직접 접촉하면 고전압 전류의 누설 혹은 단락이 발생하게 되어, 결국, 전지팩 내부의 화재를 더욱 가속화 시키는 결과를 초래한다.
특히, 전지 모듈을 구성하는 일부 전지셀에서 유발된 발화 또는 폭발은 다른 전지셀로 연속적으로 전달되어 심각한 상태를 초래할 수 있으므로, 전지셀의 일부분에 열화가 발생된 상황에서 다른 전지셀들에 영향을 미치는 것을 차단하거나 지연시키는 연구에 대한 필요성이 높은 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0064418호 (2014.05.28.)
본 발명의 실시예들은 전지 모듈 내부에 위치하는 전지셀들 일부에서 열화가 발생할 시 인접하는 다른 전지셀들에 영향을 미치는 것을 차단하거나 최대한 지연시킬 수 있는 구조를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 전지 모듈의 발화 및 폭발 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 적층되어 측면방향으로 상호 인접하도록 배열되어 있는 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀들과 인접하게 위치하여 정상 작동 온도 범위보다 높은 비정상 작동 온도에서 구동되어 소화 가스를 분사하는 소화 분사기;를 포함하는, 전지 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 상기 소화 분사기는, 내부에 상기 소화 가스를 담지하는 본체부; 상기 본체부의 일 측 단부에 장착되어 있고, 상기 본체부를 기계적으로 파손 시켜 상기 소화 가스를 외부로 배출시키는 파단부; 및 비정상 작동 온도에서 상기 본체부를 기계적으로 파손시키기 위해서 상기 파단부를 상기 본체부 방향으로 이동시키는 구동부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는, 니켈-티타늄합금(Ni-Ti), 구리아연합금(Cu-Zn), 구리아연알루미늄합금(Cu-Zn-Al), 구리카드늄합금(Cu-Cd), 니켈알루미늄합금(Ni-Al), 구리아연알루미늄합금(Cu-Zn-Al) 및 구리알루미늄니켈합금(Cu-Al-Ni)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 형상기억합금을 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는, 상기 파단부를 감싸는 스프링부재로서, 정상 작동 온도에서 수축되어 있고, 비정상 작동 온도에서 팽창하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 전지셀들의 적어도 일면에 접촉되도록 개재되어 있는 복수개의 냉각부재들을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 냉각부재들은 하나의 상기 전지셀의 양측면에 각각 접촉하는 구조로 개재되어, 인접하는 두 개의 상기 전지셀들 사이에 한쌍의 냉각부재들이 개재되며, 상기 소화 분사기는, 상기 한쌍의 냉각부재들의 외측 단부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 냉각부재들은, 제 1 전지셀과 일면이 접촉하는 제 1 냉각부재, 제 2 냉각부재 및 상기 제 1 전지셀과 인접하게 위치하는 제 2 전지셀과 일면이 접촉하는 제 3 냉각부재, 제 4 냉각부재를 포함하고, 상기 제 2 냉각부재 및 제 3 냉각부재의 외측 단부에 상기 소화 분사기가 위치하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 소화 분사기는, 상기 제 1 냉각부재 및 상기 제 4 냉각부재의 외측 단부에 추가로 위치하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 냉각부재들은, 열전도성 소재의 금속 판재일 수 있다.
또한, 상기 비정상 작동 온도는, 90℃ 내지 150℃ 범위일 수 있다.
또한, 상기 소화 가스는, CO2 가스일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 모듈서, 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 적층되어 측면방향으로 상호 인접하도록 배열되어 있는 전지셀 적층체 및 상기 전지셀들과 인접하게 위치하여 정상 작동 온도 범위보다 높은 비정상 작동 온도에서 구동되어 소화 가스를 분사하는 소화 분사기를 포함함으로써, 일부 전지셀에서 발열 또는 화재가 발생하는 경우에도 소화 분사기가 작동되어 인접한 다른 전지셀에 영향을 미치는 현상을 차단하거나 최대한 지연시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구조를 나타내는 단면도이다
도 2는 도 1의 전지 모듈에서 소화 분사기가 작동된 상태를 나타내는 단면도이다
도 3은 도 1의 소화 분사기의 구조를 나타내는 확대도이다
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈의 구조를 나타내는 단면도이다
도 5은 도 4의 전지 모듈에서 소화 분사기가 작동된 상태를 나타내는 단면도이다
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구조를 나타내는 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지 모듈에서 소화 분사기가 작동된 상태를 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1의 소화 분사기의 구조를 나타내는 확대도가 도시되어 있다.
먼저, 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 둘 또는 그 이상의 전지셀들(111, 112)이 적층되어 측면방향으로 상호 인접하도록 배열되어 있는 전지셀 적층체(110), 전지셀들(111, 112)과 인접하게 위치하여 정상 작동 온도 범위보다 높은 비정상 작동 온도에서 구동되어 소화 가스를 분사하는 소화 분사기(130)를 포함할 수 있다.
전지셀들(111, 112)은, 예를 들어, 전극 리드(141, 142)가 일 방향으로 전지셀들(111, 112)의 상단부 또는 양단부로 돌출되어 있는 장방형 구조로 이루어질 수 있으며, 수지층, 금속층 및 수지층 순서로 이루어진 전지케이스 내부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태에서 상호 접촉하는 부위에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시키는 구조의 파우치형 전지셀일 수 있으나 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 전지셀들(111, 112)은 상호 직렬 또는 병렬로 서로 전기적으로 연결되어 있는 전지 모듈(100) 구조를 이룰 수 있으며, 필요에 따라 전지 모듈(100) 구조를 커버하기 위한 셀 커버들이 부착될 수 있으나 이러한 구조만으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 전지셀 적층체(110)의 구조는 적용되는 전지셀들(111, 112)의 개수 또는 형상에 따라 다양한 형태로 적층되는 것이 가능함은 물론이다.
한편, 도 3을 참조하면, 소화 분사기(130)는 내부에 상기 소화 가스를 담지하는 본체부(131), 본체부(131)의 일 측 단부에 장착되어 있고, 본체부(131)를 기계적으로 파손 시켜 소화 가스를 외부로 배출시키는 파단부(132) 및 비정상 작동 온도에서 본체부(131)를 기계적으로 파손시키기 위해서 파단부(132)를 본체부(131) 방향으로 이동시키는 구동부(133)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 구동부(133)는, 니켈-티타늄합금(Ni-Ti), 구리아연합금(Cu-Zn), 구리아연알루미늄합금(Cu-Zn-Al), 구리카드늄합금(Cu-Cd), 니켈알루미늄합금(Ni-Al), 구리아연알루미늄합금(Cu-Zn-Al) 및 구리알루미늄니켈합금(Cu-Al-Ni)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 형상기억합금일 수 있다.
이러한 형상기억합금은 원하는 형상으로 성형한 후에 작동 온도를 기억시키기 위하여 열처리를 선행할 수 있으며, 예를 들어, 앞서 설명한 비정상 작동 온도에서 구동부(133)가 팽창하거나 형상이 변화하여 작동하는 구조일 수 있다.
이때, 비정상 작동 온도는 전지셀들(111, 112)의 발화가 발생할 수 있는 온도 범위에서 조정되는 것이 가능하며, 예를 들어, 비정상 작동 온도는 90℃ 내지 150℃ 범위일 수 있으나 적용되는 전지셀들(111, 112)의 종류 또는 성능에 따라 조절되는 것이 가능하다.
한편, 구동부(133)의 구조는 파단부(132)를 본체부(131) 방향으로 이동시키기 위한 구조이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 파단부(132)를 감싸는 스프링부재일 수 있으며, 도 3(a)에 예시되어 있는 바와 같이, 정상 작동 온도에서 수축되어 있고, 도 3(b)에 예시되어 있는 바와 같이, 비정상 작동 온도에서 팽창하는 구조일 수 있다.
즉, 상기 구조에서 비정상 작동 온도에서 구동부(133)가 팽창하게 되고, 구동부(133)에 의해 파단부(132)가 본체부(131) 방향으로 이동하여 본체부(131)의 일 측을 기계적으로 파손시키게 되어 내부에 담지되어 있던 소화 가스가 전지셀들(111, 112) 방향으로 분사하는 구조일 수 있다.
이때, 소화 가스는 전지셀들(111, 112)에서 발생되는 발열 또는 발화 등에 대해서 급격한 온도 변화를 완화시키는 기체이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 CO2 일 수 있으나 이러한 기체만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 둘 또는 그 이상의 전지셀들(111, 112)이 적층되어 측면방향으로 상호 인접하도록 배열되어 있는 전지셀 적층체(110)와 인접하게 위치하여 정상 작동 온도 범위보다 높은 비정상 작동 온도에서 구동되어 전지셀들(111, 112)에 대해 소화 가스를 분사하는 소화 분사기(130)를 포함함으로써, 일부 전지셀(111)에서 발열 또는 화재가 발생하는 경우에도 소화 분사기(130)에 의해 인접한 다른 전지셀(112)에 영향을 미치는 현상을 차단하거나 최대한 지연시킬 수 있는 바, 일부 전지셀(111)에서 발생한 발열 또는 화재로 인하여 전지 모듈(100) 전체에 발열 또는 화재가 일어나는 문제를 해결할 수 있으며, 이로 인하여 전지 모듈(100)이 적용되는 차량 등에서 화재가 발생하는 환경에서도 최대한 대피할 시간을 확보할 수 있고 인명 피해를 최소화할 수 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈의 구조를 나타내는 단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전지 모듈에서 소화 분사기가 작동된 상태를 나타내는 단면도가 도시되어 있다.
먼저, 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈(200)은 냉각부재들(221, 222)이 하나의 전지셀(211)의 양측면에 각각 접촉하는 구조로 개재되어 있고, 냉각부재들(223, 224)이 전지셀(211)과 인접하게 위치하는 전지셀(212)의 양측면에 각각 접촉하는 구조로 개재되어 인접하는 두 개의 전지셀들(211, 212) 사이에 한쌍의 냉각부재들(222, 223)이 개재되며, 소화 분사기(230)는, 한쌍의 냉각부재들(222, 223)의 외측 단부에 위치하는 구조일 수 있다.
이때, 냉각부재들(221, 222, 223, 224)은 높은 냉각 효율성의 발현을 위한 열전도성이 우수한 소재이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 높은 열전도성을 가진 금속 소재로 이루어진 금속 판재일 수 있고, 알루미늄 또는 구리 소재의 금속 판재일 수 있다.
즉, 도 4에 예시되어 있는 바와 같이, 전지셀들(211, 212)의 표면과 직접 접촉하여 전지셀들(211, 212)에서 발생되는 열을 방출하는 구조로서, 냉각부재들(221, 222, 223, 224)의 내측 또는 외주변에 냉각 효율성을 높이기 위한 냉매가 유동되는 구조를 추가로 포함할 수 있으며, 냉각부재들(221, 222, 223, 224)의 일측에서 상호 연결하는 구조의 방열 구조를 추가로 포함할 수 있다.
한편, 도 5에 예시되어 있는 바와 같이, 냉각부재들(221, 222, 223, 224)은, 제 1 전지셀(211)과 일면이 접촉하는 제 1 냉각부재(221), 제 2 냉각부재(222) 및 제 1 전지셀(211)과 인접하게 위치하는 제 2 전지셀(212)과 일면이 접촉하는 제 3 냉각부재(223), 제 4 냉각부재(224)를 포함할 수 있고, 제 2 냉각부재(222) 및 제 3 냉각부재(223)의 외측 단부에 소화 분사기(230)가 위치하는 구조일 수 있다.
즉, 소화 분사기(230)는 제 1 전지셀(211) 및 제 2 전지셀(212)이 배열되어 있는 절지셀 적층체(210)에서 각각의 제 1 전지셀(211) 및 제 2 전지셀(212)과 인접하게 위치할 수 있으며, 마찬가지로, 소화 분사기(230)가 제 1 냉각부재(221) 및 제 4 냉각부재(224) 각각의 외측 단부에 추가로 위치하여 이어서 인접하게 배열되는 다른 전지셀들(도시하지 않음) 사이에서 개재되는 구조일 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 전지 모듈
110, 210: 전지셀 적층체
111, 112: 전지셀
130, 230: 소화 분사기
131: 본체부
132: 파단부
133: 구동부
141, 142, 241, 242: 전극 리드
211: 제 1 전지셀
212: 제 2 전지셀
221: 제 1 냉각부재
222: 제 2 냉각부재
223: 제 3 냉각부재
224: 제 4 냉각부재

Claims (11)

  1. 상호 인접하되 서로 이격되게 배열되는 복수개의 전지셀들; 및
    상기 복수개의 전지셀들 중 상호 인접한 두 전지셀의 사이에 위치하며, 상기 두 전지셀에서 이격되는, 소화 분사기;를 포함하고,
    상기 소화 분사기는,
    내부에 소화 가스를 담지하는, 본체부와,
    상기 본체부의 일 측 단부에 장착되는, 파단부 및
    주변의 온도가 정상 작동 온도 범위보다 높은 비정상 작동 온도가 되면, 상기 파단부를 상기 본체부를 향해 이동시키는, 구동부를 포함하고,
    상기 파단부는,
    상기 구동부에 의해 상기 본체부를 기계적으로 파손시켜 상기 소화 가스가 상기 두 전지셀을 향해 배출되게 하는,
    전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부는, 니켈-티타늄합금(Ni-Ti), 구리아연합금(Cu-Zn), 구리아연알루미늄합금(Cu-Zn-Al), 구리카드늄합금(Cu-Cd), 니켈알루미늄합금(Ni-Al), 구리아연알루미늄합금(Cu-Zn-Al) 및 구리알루미늄니켈합금(Cu-Al-Ni)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 형상기억합금을 포함하는, 전지 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 파단부를 감싸는 스프링부재로서, 정상 작동 온도에서 수축되어 있고, 비정상 작동 온도에서 팽창하는, 전지 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지셀들의 적어도 일면에 접촉되도록 개재되어 있는 복수개의 냉각부재들을 추가로 포함하는, 전지 모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수개의 냉각부재들은 하나의 상기 전지셀의 양측면에 각각 접촉하는 구조로 개재되어, 인접하는 두 개의 상기 전지셀들 사이에 한쌍의 냉각부재들이 개재되며,
    상기 소화 분사기는, 상기 한쌍의 냉각부재들의 외측 단부에 위치하는, 전지 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 냉각부재들은, 제 1 전지셀과 일면이 접촉하는 제 1 냉각부재, 제 2 냉각부재 및 상기 제 1 전지셀과 인접하게 위치하는 제 2 전지셀과 일면이 접촉하는 제 3 냉각부재, 제 4 냉각부재를 포함하고, 상기 제 2 냉각부재 및 제 3 냉각부재의 외측 단부에 상기 소화 분사기가 위치하는, 전지 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 소화 분사기는, 상기 제 1 냉각부재 및 상기 제 4 냉각부재의 외측 단부에 추가로 위치하는, 전지 모듈.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수개의 냉각부재들은, 열전도성 소재의 금속 판재인, 전지 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 비정상 작동 온도는, 90℃ 내지 150℃ 범위인, 전지 모듈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 소화 가스는, CO2 가스인, 전지 모듈.

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