KR102450447B1 - 배터리셀용 팽윤억제케이스 - Google Patents

배터리셀용 팽윤억제케이스 Download PDF

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곽성복
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Abstract

배터리셀용 팽윤억제케이스가 개시된다. 본 발명에 따른 배터리셀용 팽윤억제케이스는, 다수 개가 적층되어 배터리모듈을 구성하는 파우치형 배터리셀의 팽윤 현상을 흡수 및 저감하기 위해 상기 배터리셀에 결합되는 팽윤억제케이스로서, 팽윤 현상이 발생하는 상기 배터리셀의 양측면을 마주하는 방향에서 하나 이상의 상기 배터리셀이 내측공간에 수납되도록 서로 결합되는 한 쌍의 지지프레임; 상기 배터리셀의 전단부 및 후단부 중 적어도 어느 하나에 형성된 리드탭이 관통하여 외부로 노출도록 상기 지지프레임에 형성된 개구부; 및 상기 배터리셀의 양측면에 접촉하도록 상기 지지프레임의 중앙부에 격자구조로 형성되어 팽윤 현상에 따라 탄성변형되며 상기 배터리셀의 변형을 제한하는 억제부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 발명에 의하면, 팽윤 현상에 의한 배터리셀의 변형이 효과적으로 억제 내지 제한될 수 있어 변형에 의한 전기적 단락이나 고장이 방지될 수 있으며, 별도 장치의 도움 없이도 배터리셀에 손쉽게 설치되고 탈거 후 재사용될 수 있고, 배터리셀과 결합체를 형성함에 따라 배터리셀의 적층 조립이 신속, 정확하게 안내될 수 있다.

Description

배터리셀용 팽윤억제케이스{SWELLING SUPPRESSION CASE FOR BATTERY CELLS}
본 발명은, 배터리셀용 팽윤억제케이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다수 개가 적층되어 배터리모듈을 구성하는 파우치형 배터리셀의 팽윤 현상을 흡수하며 지지할 수 있는 배터리셀용 팽윤억제케이스에 관한 것이다.
전기에너지를 반복적으로 저장하고 공급하는 2차 전지는, 종래 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야를 넘어서 근래에는 에너지 저장 시스템(ESS), 전기 자동차(EV, Electric Vehicle, Energy Storage System) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)의 동력원으로 사용되고 있다.
현재 저장 시스템(ESS)이나 전기 자동차(EV) 등에 널리 사용되는 2차 전지는 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 분류될 수 있는데, 이러한 2차 전지는 하나의 단위 셀당 대략 25V 내지 42V의 출력 전압으로 충방전을 반복하게 된다.
따라서 더욱 높은 출력 전압과 전력 용량이 요구되는 경우, 여러 개의 배터리셀을 연결하여 배터리모듈을 구성하거나 이러한 배터리모듈을 다시 직,병렬로 연결하고 기타 회로를 추가하여 고출력의 배터리팩을 구성하게 된다.
이때, 높은 집적도로 적층이 가능하고 용량 대비 중량이 작은 각형 또는 파우치형 배터리셀 등으로 배터리팩을 구성하는 경우, 배터리셀에 대한 충전과 방전이 반복적으로 이루어지게 되면, 과충전이나 과방전, 단락, 고온에서의 방치 등과 같이 다양한 원인에 의해 배터리셀의 외피가 부풀어 오르는 팽윤(swellg) 현상이 발생하게 된다.
이러한 팽윤 현상은, 2차 전지의 수명 단축, 용량 저하, 성능 저하뿐만 아니라, 발화 및 폭발과 같은 안전사고로 이어질 수 있기 때문에 배터리모듈 단위에서 배터리셀들을 일정한 간격으로 이격배치하거나, 배터리셀을 팽창을 수용하며 압박지지하는 압축 패드를 배터리셀 사이에 배치하는 방식으로 배터리팩의 변형을 방지하고 있다.
다만, 파우치형 배터리셀은, 외부케이스의 밀봉부가 외부 충격 등에 의한 파손으로 전해액 등의 발화성 물질이 누설되는 경우 발화 및 폭발의 위험이 증대되는 문제와, 배터리셀을 적층하며 일정 간격으로 고가의 압축 패드를 정확하게 배치하는 공정에 많은 작업공수가 요구되고 설치 후 재사용이 어려워 배터리팩의 제조 원가를 상승시키는 문제가 있다는 점에서 별도의 개선 방안이 필요한 실정이다.
상술한 팽윤 현상과 관련하여 종래 기술로서 대한민국공개특허 제10-2016-0040868호(공개일: 2016년04월15일)에 개시된 배터리 과충전 방지 장치 등은, 배터리 과충전에 따른 배터리팩의 팽창시 물리적 눌려지는 기계적 스위치로 인해 전원의 단속장치인 릴레이가 차단되는 기술을 제시하고 있다.
이러한 종래 기술은, 배터리팩의 외측에 돌출된 형태로 설치되기 때문에 구조적으로 설치공간상의 제약이나 간섭이 있을 수 있고, 스위치와 접촉한 배터리셀의 팽윤만을 감지할 뿐 개개의 배터리셀에 대한 팽윤 현상을 개별적으로 감지하지 못하며, 스위치가 눌려 작동한 이후 릴레이 등의 부품교체나 스위치 복원작업 등이 수행되어야 한다는 점에서 불편함이 있었다.
또한, 배터리셀의 팽윤 현상에도 적층된 배터리셀의 배치나 정렬상태를 유지시키며 팽창된 부분을 수용하며 압박 저지하는 압축패드 등을 대체할 기술적 제시가 없다는 점에서 이와 관련한 구조적인 개선 내지 개량이 필요한 실정이다.
대한민국공개특허 제10-2016-0040868호(공개일: 2016년04월15일)
본 발명의 목적은, 설치에 큰 비용과 작업공수가 요구되는 배터리셀 사이의 압축패드를 대체하여 팽윤 현상을 흡수 내지 저감하는 것은 물론, 배터리셀의 적층 조립을 신속하고 정확하게 안내할 수 있고, 배터리셀의 배치나 정렬상태를 견고하게 유지 및 지지할 수 있는 배터리셀용 팽윤억제케이스를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 다수 개가 적층되어 배터리모듈을 구성하는 파우치형 배터리셀의 팽윤 현상을 흡수 및 저감하기 위해 상기 배터리셀에 결합되는 팽윤억제케이스로서, 팽윤 현상이 발생하는 상기 배터리셀의 양측면을 마주하는 방향에서 하나 이상의 상기 배터리셀이 내측공간에 수납되도록 서로 결합되는 한 쌍의 지지프레임; 상기 배터리셀의 전단부 및 후단부 중 적어도 어느 하나에 형성된 리드탭이 관통하여 외부로 노출도록 상기 지지프레임에 형성된 개구부; 및 상기 배터리셀의 양측면에 접촉하도록 상기 지지프레임의 중앙부에 격자구조로 형성되어 팽윤 현상에 따라 탄성변형되며 상기 배터리셀의 변형을 제한하는 억제부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀용 팽윤억제케이스에 의해 달성된다.
상기 지지프레임은, 인접하는 상기 지지프레임 간의 결합을 위해, 서로 인접한 지지프레임이 마주하는 외측에 각각 대응되게 형성된 체결돌기와 체결홈; 및 상기 억제부의 탄성변형을 수용하는 이격공간의 형성을 위해, 상기 지지프레임에서 수납된 상기 배터리셀의 반대쪽으로 돌출형성되어 이루어진 단턱부를 포함할 수 있다.
상기 단턱부에는, 상기 배터리셀로부터 발생되어 상기 이격공간에 축적된 열이 외부로 방출되도록, 상기 이격공간과 연통되는 복수의 방열공이 형성될 수 있다.
상기 지지프레임 및 상기 억제부는, 절연성, 내열성, 강성 및 난연성이 우수한 엔지니어링 플라스틱을 사출하여 일체로 성형될 수 있다.
상기 억제부와 상기 배터리셀의 접촉표면 사이에는, 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 가압 변형되며 소정의 저항변화를 발생시키는 박막의 압력센서가 설치되어 상기 배터리셀의 팽윤 여부를 감지할 수 있다.
상기 이격공간에는, 인접한 상기 배터리셀 간의 열전달을 저감하며 팽윤 현상을 2차로 억제하기 위해, 소정의 비닐팩에 상변이물질이 충진되어 이루어진 온도완충팩이 더 구비될 수 있다.
상기 이격공간에는, 상기 배터리셀에서 발생한 전기화재를 진화하며 팽윤 현상을 2차로 억제하기 위해, 소정의 비닐팩에 분말소화약제가 충진되어 이루어진 소화작동팩이 더 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, 적층배치된 복수의 배터리셀 또는 하나의 배터리셀이 내측공간에 수납되도록 서로 결합되는 한 쌍의 지지프레임의 중앙부에 배터리셀의 팽윤 현상에 따라 탄성변형되는 억제부가 종래 고가의 압축패드를 대체하여 격자구조로 구비됨에 따라, 팽윤 현상에 의한 배터리셀의 변형이 효과적으로 억제 내지 제한될 수 있어 변형에 의한 전기적 단락이나 고장이 방지될 수 있으며, 별도 장치의 도움 없이도 배터리셀에 손쉽게 설치되고 탈거 후 재사용될 수 있음은 물론이고, 배터리셀과 결합체를 형성함에 따라 배터리셀의 적층 조립이 신속, 정확하게 안내될 수 있어 배터리모듈의 제작에 소요되는 작업시간이 단축될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀용 팽윤억제케이스가 적용된 배터리모듈의 분해사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 팽윤억제케이스와 배터리셀의 결합체에 대한 사시도 및 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 절단선 A-A'에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1의 절단선 B-B'에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3을 기준으로 배터리셀의 팽윤에 따른 팽윤억제케이스의 작동상태를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀용 팽윤억제케이스가 적용된 배터리모듈의 분해사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 팽윤억제케이스와 배터리셀의 결합체에 대한 사시도 및 분해사시도이고, 도 3은 도 1의 절단선 A-A'에 따른 단면도이고, 도 4는 도 1의 절단선 B-B'에 따른 단면도이고, 도 5는 도 3을 기준으로 배터리셀의 팽윤에 따른 팽윤억제케이스의 작동상태를 도시한 단면도이다.
발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 3개의 축은 서로 대응되게 회전하여 바뀔 수 있으며, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다.
본 발명에 따른 배터리셀용 팽윤억제케이스(100)는, 종래 고가의 압축패드를 대체하여 팽윤이 발생하는 배터리셀(10)의 양측면의 변형을 흡수하여 저감하는 한편, 배터리셀(10)에 손쉽게 설치되고, 배터리셀(10)과 결합체(5)를 형성하여 배터리셀(10)의 적층이 신속, 정확하게 이루어지도록 하기 위해 안출된 발명이다.
이러한 본 발명에 따른 배터리셀용 팽윤억제케이스(100)는, 배터리셀(10) 사이에 개재되던 종래 완충패드를 대신하여, 도 1에 도시된 바와 같이 적층배열된 복수의 배터리셀(10)과 각각 결합체(5)를 구성한 상태로, 배터리모듈(1)의 내부공간에 수납 설치됨으로써, 팽윤이 발생하는 배터리셀(10)의 양측면의 변형을 흡수 및 저감하게 된다.
본 발명이 적용되는 배터리모듈(1)은, 전기 자동차 등의 구동을 위한 고전압의 전기에너지를 제공하기 위해 복수의 배터리셀(10)이 서로 직,병렬로 연결된 배터리집합체로서, 도 1에 도시된 바와 같이 복수 개로 적층배열된 상술한 결합체(5), 내부공간을 형성하며 적층된 결합체(5)를 보호하는 커버프레임(30)(상부커버(31), 하부커버(32), 전방커버(33), 후방커버(34), 한 쌍의 절연판(36) 및 측면커버(35)) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 본 발명과 결합체(5)를 형성하는 파우치형 배터리셀(10)은, 전해질 속의 양극판 및 음극판과, 전해질, 양극판 및 음극판을 감싸 밀봉하는 피막과, 양극판과 음극판을 외부의 버스바(20)와 각각 전기적으로 연결해 주는 돌출된 판형태의 전극인 리드탭(12) 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 리드탭(12)은 도 2 등에 도시된 바와 같이, 전방과 후방에 각각 형성되거나, 도시된 바와 달리 전방 및 후방 중 어느 한 방향에 함께 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 팽윤억제케이스(100)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 지지프레임(110a,110b), 개구부(120), 억제부(130), 압력센서(140) 및 온도완충팩(150)(소화작동팩(150)) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는 상술한 각 구성을 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 지지프레임(110a,110b)은, 하나 이상의 배터리셀(10)을 내측공간(S1)에 수납하며 고정하기 위해 팽윤 현상이 발생하는 배터리셀(10)의 양측면을 마주하는 방향에서 서로 결합되는 한 쌍의 구성요소이다.
이러한 지지프레임(110a,110b)은, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 하나 또는 소정 개수로 적층된 배터리셀(10)의 가장자리 둘레를 감싸도록 결합되는 링형의 테두리부, 체결돌기(112a)와 체결홈(112b), 단턱부(114) 및 방열공(116) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 테두리부는, 배터리셀(10)의 둘레면을 따라 구비되는 링형상의 구성요소로서, 배터리셀(10)의 둘레면에 대응하는 안착면이 내측에 형성되고, 상호 결합을 위한 끼움돌기와 끼움공이 서로 마주보는 결합면에 각각 대응되게 형성될 수 있다.
체결돌기(112a)와 체결홈(112b)은, 인접하여 서로 적층되는 지지프레임(110a,110b) 간의 결합이 정위치에서 신속하고 정확하게 이루어지도록 하기 위해 지지프레임(110a,110b)을 따라 이격배치되는 구성요소로서, 서로 인접한 지지프레임(110a,110b)이 마주하는 외측에 각각 대응되게 형성될 수 있다.
단턱부(114)는, 배터리셀(10)의 팽윤에 따라 바깥쪽으로 볼록하게 휘어지는 후술할 억제부(130)의 탄성변형을 수용하는 이격공간(S2)이 적층 결합된 서로 다른 지지프레임(110a,110b) 사이에 형성되도록 하기 위해 마련된 구성요소이다.
상술한 이격공간(S2)의 형성을 위해 단턱부(114)는, 도 3 등에 도시된 바와 같이, 수납된 배터리셀(10)의 반대쪽으로 각각의 지지프레임(110a,110b)이 억제부(130)보다 돌출형성되어 이루어질 수 있다.
이때, 단턱부(114)가 돌출되는 정도는, 배터리셀(10)의 팽윤 정도와 배터리셀(10)의 크기 및 두께 등을 고려하여 적절하게 증감될 수 있다.
방열공(116)은, 적층 결합된 서로 다른 지지프레임(110a,110b) 사이에 밀폐된 형태로 형성된 이격공간(S2)에 축적되는 배터리셀(10)의 열을 외부로 방출하기 위해 마련된 구성요소이다.
이러한 방열공(116)은, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 이격공간(S2)에서 가열된 공기가 상승기류에 의해 상부로 배출될 수 있도록, 지지프레임(110a,110b)의 상단부에서 이격배치되며 이격공간(S2)과 서로 연통되도록 세로방향의 홈형상으로 형성될 수 있다.
한편, 방열공(116)과 함께 지지프레임(110a,110b)의 하단부에는, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리셀(10)에서 발생된 열이 배터리셀(10)의 하단면을 통해서 외부로 배출되도록 하단통기공이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 링형의 테두리부, 체결돌기(112a)와 체결홈(112b), 단턱부(114) 및 방열공(116) 등으로 구성된 본 발명의 실시예에 따른 지지프레임(110a,110b)은, 배터리모듈(1)에 대한 경량화는 물론이고, 우수한 절연성, 내열성, 강성 및 난연성 등의 특성이 구현될 수 있도록 엔지니어링 플라스틱을 사출하여 일체로 성형될 수 있다.
구체적으로, 지지프레임(110a,110b)의 사출성형에 사용될 수 있는 엔지니어링 플라스틱은, PPS(Polyphenylene Sulfide), PEEK(Polyetheretherketone), TPI(Thermoplastic Polyimide), PES(Polyethersulfone), PPA(Polyphthalamide) 및 PEI(Polyetherimide) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조성의 플라스틱일 수 있다.
여기서 PPS는, 기계적 강도, 내화학성 등이 우수하고, 사용온도가 240℃인 내열성 수지로서, 난연 특성으로 인해 내열성이 요구되는 전기/기계 부품에 주로 활용되는 엔지니어링 플라스틱이다.
그리고 PEEK는, 내화학성과 내마모성이 우수하고, 사용온도가 260℃인 내열성 수지로서, 상당히 높은 온도에서도 기계적 강도나 강성의 변화가 적고, 일반 사출기를 이용하여 사출성형이 가능하다는 점에서 활용도가 높은 엔지니어링 플라스틱이다.
TPI는 내마모성, 강성, 내크리프성, 내약품성이 우수하고, 유리전이온도는 250℃인 내열성 수지로서, 전기/전자 부품, 기계, 항공 산업 신소재 부품에 주로 사용되는 엔지니어링 플라스틱이다.
PES는, 높은 치수안정성, 난연성이 대단히 우수하고, 사용온도가 150~160℃인 내열성 수지로서, 유리, 금속, 세라믹 등을 대신해서 사용할 수 있어 응용분야는 대단히 광범위한 엔지니어링 플라스틱이다.
PPA는, 내화학성이 대단히 우수하고, 낮은 수분 흡수율을 특징으로 하며, 사용온도가 185℃인 내열성 수지로서, 우수한 물리적 성질과 함께 낮은 가격으로 인해 그 활용도가 광범위한 장점이 있다.
PEI는, 고강성, 고강도, 난연성, 치수 안전성과 특히 전기적 특성이 우수하고, 사용온도가 180℃인 내열성 수지로서, 내연소성, 강성, 내약품성이 우수하여 신소재 부품에 주로 사용되는 엔지니어링 플라스틱이다.
위에 언급된 다양한 플라스틱 수지는, 어느 하나를 선택하거나 필요한 물성을 구현하기 위해 둘 이상을 적절히 혼합할 수 있고, 냉각성능과 강성 등의 강화를 위해 그래핀(graphene) 소재 또는 알루미늄 등의 분말 등을 필러로 하여 지지프레임(110a,110b)의 사출성형에 사용될 수 있다.
여기서 그래핀 소재는, 내열성의 합성수지에서 부족한 열전도성과 강성 등을 보완하기 위한 구성요소로서, 탄소 원자들이 육각형의 격자 즉, 벌집구조(honeycomb structure)를 이루며 2차원 평면 구조를 형성하는 차세대 신소재로서, 수㎚에서 수십㎛ 두께로 얇고 가벼우면서도 강철보다 200배 이상 강하고, 전기전도성 및 열전도성이 아주 우수하며, 탄성도 뛰어난 물리적, 화학적 특성이 있다.
개구부(120)는, 배터리셀(10)의 전단부 및 후단부 중 적어도 어느 하나에 형성된 리드탭(12)이 지지프레임(110a,110b)을 관통하여 외부로 노출되도록 지지프레임(110a,110b)에 오목하게 형성되는 구성요소로서, 상술한 지지프레임(110a,110b)의 사출성형시 함께 형성될 수 있다.
억제부(130)는, 배터리셀(10)의 팽윤 현상에 따라 탄성변형되며 배터리셀(10)의 변형을 제한하기 위해 마련된 구성요소로서, 배터리셀(10)의 양측면에 접촉하도록 지지프레임(110a,110b)의 중앙부에 격자구조 즉, 그물망 형태로 형성될 수 있다.
이때, 그물망 형태의 격자구조는, 도 2 등에 도시된 바와 같이 사각형의 격자구조일 수 있고, 삼각형, 원형, 육각형 등 다양한 형태의 격자구조로 변형될 수 있으며, 격자의 굵기, 간격 등은 배터리셀(10)의 팽윤 정도와 배터리셀(10)의 크기 및 두께, 필요한 팽윤 억제력 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
이러한 억제부(130)는, 우수한 절연성, 내열성, 강성 및 난연성 등의 특성이 구현될 수 있도록, PPS, PEEK, TPI, PES, PPA 및 PEI 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조성의 엔지니어링 플라스틱을 사출하여 상술한 지지프레임(110a,110b)과 일체로 성형될 수 있다.
위와 달리 억제부(130)는, 탄성변형의 정도를 증대하기 위해 폴리우레탄을 상술한 플라스틱 소재의 지지프레임(110a,110b)에 이중사출하는 방식으로도 제작될 수 있다.
위와 같이 지지프레임(110a,110b)과 억제부(130)가 일체로 형성되는 경우, 팽윤 현상에 의한 배터리셀(10)의 양측면에 대한 변형이 동시에 억제 내지 제한될 수 있고, 배터리셀(10)에 손쉽게 설치되고 탈거 후 재사용될 수 있으며, 배터리셀(10)의 적층 조립이 신속, 정확하게 안내될 수 있게 된다.
압력센서(140)는, 배터리셀(10)의 팽윤의 정도를 정확하고 정밀하게 실시간 모니터링하기 위해 마련된 구성요소로서, 상술한 억제부(130)와 배터리셀(10)의 접촉표면 사이에 적어도 하나 이상 배치되어 배터리셀(10)의 팽윤에 따라 가압 변형되며 소정의 저항변화를 발생시키는 박막의 상용화된 제품으로 구성될 수 있다.
이러한 박막형의 저항식 압력센서(140)는, 절연물인 필름에 지그재그로 배설된 저항선으로 이루어져 일면과 밀착된 배터리셀(10)의 팽윤에 대응한 물리적 변형에 따라 저항변화를 일으키는 센싱헤드와, 저항변화에 따른 전기적 신호를 외부(배터리모듈(1)의 컨트롤러(미도시) 등)로 전송하기 위한 센싱단자 등으로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이 복수 개로 배치된 압력센서(140)로 인해, 배터리모듈(1)의 컨트롤러 등은, 배터리셀(10)마다 실시간 감지된 팽윤 정도에 대응하여 전력의 외부 송출이나 배터리셀(10)에 대한 충전 상태를 적절하게 제어할 수 있게 된다.
온도완충팩(150)은, 적층 결합된 서로 다른 지지프레임(110a,110b) 사이에 형성된 이격공간(S2)에 개재되어 인접한 배터리셀(10) 간의 열전달을 저감하는 한편, 팽윤 현상을 1차의 억제부(130)에 이어 2차로 제한하는 구성요소이다.
본 발명의 실시예에 따른 온도완충팩(150)은, 납작한 이격공간(S2)에 삽입 가능한 봉지 형상의 질긴 합성수지로 제작된 비닐팩(151) 내부에 상변이물질(PM)을 60% 내지 90%의 부피로 충진한 후 밀봉되어 이루어질 수 있다.
여기서 상변이물질(PM)은, 특정한 온도범위를 기준으로 고체에서 액체, 액체에서 고체로 상태 변화하며 각각 열을 저장(흡열)하거나 열을 방출(방열)하는 온도조절 물질로서, 유기물질, 무기물질 또는 자연계에서 얻을 수 있는 식물성의 다양한 물질 등을 이용하여 의도된 임의 온도범위에서 상변화되도록 제조될 수 있다.
위와 같이 제조되는 상변이물질(PM) 중 본 발명의 실시예에 따라 비닐팩(151)에 채워지는 상변이물질(PM)은, 이격공간(S2)을 사이에 두고 인접한 배터리셀(10) 간의 온도차를 최소화하기 위해, 상변화 온도 범위가 30℃ 내지 35℃로 설정된 유기계열의 파라핀계 왁스일 수 있다.
이러한 온도 범위의 상변이물질(PM)로 인해, 최적 작동온도인 35℃를 상회하는 비정상적인 배터리셀(10)의 발열이 인접한 다른 배터리셀(10)로 전달되는 것을 일정시간 지연 내지 방지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 비닐팩(151) 내부에 상변이물질(PM)을 100%의 부피로 충진하지 않는 이유는, 팽윤 현상에 따라 볼록하게 변형되는 배터리셀(10)에 의해 가압된 비닐팩(151)이 파손되지 않도록 하기 위함이다.(도 3 및 도 5 참조)
소화작동팩(150)은, 적층 결합된 서로 다른 지지프레임(110a,110b) 사이에 형성된 이격공간(S2)에 개재되어 인접한 배터리셀(10) 등에서 발생된 전기화재를 배터리모듈(1) 내부에서 직접 진화하는 한편, 팽윤 현상을 1차의 억제부(130)에 이어 2차로 제한하는 구성요소이다.
본 발명의 실시예에 따른 소화작동팩(150)은, 납작한 이격공간(S2)에 삽입 가능한 봉지 형상의 질긴 합성수지로 제작된 비닐팩(151) 내부에 소정의 분말소화약제(PM)를 60% 내지 90%의 부피로 충진한 후 밀봉되어 이루어질 수 있다.
이때, 분말소화약제(PM)는, 전기화재에 특화된 제1,2 및 4종 분말약제 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
제1종 분말약제는, B급 유류화재, C급 전기화재에 적합하며, 질식, 냉각, 부촉매 소화효과를 갖는 분말약제로서, 탄산수소나트륨(중탄산나트륨)을 주성분으로 스테아린산 아연 또는 스테아린산 마그네슘 등으로 방습처리되고, 백색으로 착색되어 사용되며, 화재시 탄산수소나트륨의 방사를 통한 비누화 현상에 의해 생성된 거품으로 질식소화 작용을 하게 된다.
제2종 분말약제는, 제1종 분말약제와 유사하게 B급 유류화재, C급 전기화재에 적합하며, 질식, 냉각, 부촉매 소화효과를 갖는 분말약제로서, 중탄산칼륨을 주성분으로 제1종 분말약제와 동일하게 방습처리 되고, 담자색으로 착색되어 사용되며, 본 발명과 같은 전기장치에 대하여 제1종 분말약제보다 약 1.67배 높은 소화효과가 있다.
제4종 분말약제는, B급 유류화제, C급 전기화재에 적합하며, 질식, 냉각, 부촉매 소화효과를 갖는 분말약제로서, 중탄산칼륨과 요소를 주성분으로 유/무 기산에 의해 방습처리 되고, 회색으로 착색되어 사용되며, 제1종 및 제2종에 비해 비싸지만 소화성능이 우수한 특징이 있다.
상술한 바와 같이 전기화재에 특화된 분말소화약제(PM)가 충진된 소화작동팩(150)으로 인해, 배터리모듈(1) 내부 또는 적층된 배터리셀(10) 차체에서 발생할 수 있는 전기화재에 대한 진화가 조기에 효과적으로 이루어질 수 있게 된다.
한편, 상술한 비닐팩(151) 내부에 분말소화약제(PM)를 100%의 부피로 충진하지 않는 이유는, 팽윤 현상에 따라 볼록하게 변형되는 배터리셀(10)에 의해 가압된 비닐팩(151)이 파손되지 않도록 하기 위함이다.(도 3 및 도 5 참조)
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 배터리모듈
5: 결합체
10: 배터리셀
12: 리드탭
20: 버스바
30: 커버프레임
31,32: 상부커버,하부커버
33,34: 전방커버, 후방커버
35: 측면커버
36: 절연판
100: 배터리셀용 팽윤억제케이스
110a,110b: 지지프레임
S1: 내측공간
112a,112b: 체결돌기, 체결홈
114: 단턱부
S2: 이격공간
116: 방열공
120: 개구부
130: 억제부
140: 압력센서
150: 온도완충팩(소화작동팩)
151: 비닐팩
PM: 상변이물질(분말소화약제)

Claims (7)

  1. 다수 개가 적층되어 배터리모듈을 구성하는 파우치형 배터리셀의 팽윤 현상을 흡수 및 저감하기 위해 상기 배터리셀에 결합되는 팽윤억제케이스로서,
    팽윤 현상이 발생하는 상기 배터리셀의 양측면을 마주하는 방향에서 하나 이상의 상기 배터리셀이 내측공간에 수납되도록 서로 결합되는 한 쌍의 지지프레임; 상기 배터리셀의 전단부 및 후단부 중 적어도 어느 하나에 형성된 리드탭이 관통하여 외부로 노출되도록 상기 지지프레임에 형성된 개구부; 및 상기 배터리셀의 양측면에 접촉하도록 상기 지지프레임의 중앙부에 격자구조로 형성되어 팽윤 현상에 따라 탄성변형되며 상기 배터리셀의 변형을 제한하는 억제부를 포함하고,
    상기 지지프레임은,
    인접하는 상기 지지프레임 간의 결합을 위해, 서로 인접한 지지프레임이 마주하는 외측에 각각 대응되게 형성된 체결돌기와 체결홈; 및 상기 억제부의 탄성변형을 수용하는 이격공간의 형성을 위해, 상기 지지프레임에서 수납된 상기 배터리셀의 반대쪽으로 돌출형성되어 이루어진 단턱부를 포함하되,
    상기 이격공간에는,
    인접한 상기 배터리셀 간의 열전달을 저감하며 팽윤 현상을 2차로 억제하기 위해, 소정의 비닐팩에 상변이물질이 충진되어 이루어진 온도완충팩이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리셀용 팽윤억제케이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단턱부에는,
    상기 배터리셀로부터 발생되어 상기 이격공간에 축적된 열이 외부로 방출되도록, 상기 이격공간과 연통되는 복수의 방열공이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리셀용 팽윤억제케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지프레임 및 상기 억제부는,
    절연성, 내열성, 강성 및 난연성이 우수한 엔지니어링 플라스틱을 사출하여 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 배터리셀용 팽윤억제케이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 억제부와 상기 배터리셀의 접촉표면 사이에는,
    상기 배터리셀의 팽윤에 따라 가압 변형되며 소정의 저항변화를 발생시키는 박막의 압력센서가 설치되어 상기 배터리셀의 팽윤 여부를 감지하는 것을 특징으로 하는 배터리셀용 팽윤억제케이스.
  6. 삭제
  7. 다수 개가 적층되어 배터리모듈을 구성하는 파우치형 배터리셀의 팽윤 현상을 흡수 및 저감하기 위해 상기 배터리셀에 결합되는 팽윤억제케이스로서,
    팽윤 현상이 발생하는 상기 배터리셀의 양측면을 마주하는 방향에서 하나 이상의 상기 배터리셀이 내측공간에 수납되도록 서로 결합되는 한 쌍의 지지프레임; 상기 배터리셀의 전단부 및 후단부 중 적어도 어느 하나에 형성된 리드탭이 관통하여 외부로 노출되도록 상기 지지프레임에 형성된 개구부; 및 상기 배터리셀의 양측면에 접촉하도록 상기 지지프레임의 중앙부에 격자구조로 형성되어 팽윤 현상에 따라 탄성변형되며 상기 배터리셀의 변형을 제한하는 억제부를 포함하고,
    상기 지지프레임은,
    인접하는 상기 지지프레임 간의 결합을 위해, 서로 인접한 지지프레임이 마주하는 외측에 각각 대응되게 형성된 체결돌기와 체결홈; 및 상기 억제부의 탄성변형을 수용하는 이격공간의 형성을 위해, 상기 지지프레임에서 수납된 상기 배터리셀의 반대쪽으로 돌출형성되어 이루어진 단턱부를 포함하되,
    상기 이격공간에는,
    상기 배터리셀에서 발생한 전기화재를 진화하며 팽윤 현상을 2차로 억제하기 위해, 소정의 비닐팩에 분말소화약제가 충진되어 이루어진 소화작동팩이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리셀용 팽윤억제케이스.
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