KR20140021830A - 고비열, 고점성 및 전기 절연성의 냉매를 포함하는 전지팩 - Google Patents

고비열, 고점성 및 전기 절연성의 냉매를 포함하는 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단위셀로서 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈들을 포함하는 전지팩으로서, 상기 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체, 상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키고 하기 냉매를 밀봉하는 팩 케이스, 및 상기 단위셀들 사이의 공간 및 팩 케이스와 단위셀 적층체 사이의 공간에 채워지는 냉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

고비열, 고점성 및 전기 절연성의 냉매를 포함하는 전지팩 {Battery Pack Containing Coolant of High Specific Heat, High Viscosity and Electric Insulation}
본 발명은 고비열, 고점성 및 전기 절연성의 냉매를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단위셀로서 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈들을 포함하는 전지팩으로서, 상기 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체, 상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키고 하기 냉매를 밀봉하는 팩 케이스, 및 상기 단위셀들 사이의 공간 및 팩 케이스와 단위셀 적층체 사이의 공간에 채워지는 냉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 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 필요성에 의해, 다수의 전지셀을 전기적으로 전지팩이 사용된다.
전지팩은 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 이점에 의해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
전지팩이 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, 전지팩을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다.
따라서, 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하며, 기존의 전지팩 냉각 시스템으로 공냉식 또는 수냉식 냉각 구조가 사용되었다.
그러나, 공냉식의 경우, 팬을 이용하여 전지팩 내부에 기체 상태의 냉매를 유동시켜 내부의 전지셀을 냉각시키는 냉각방식으로서, 전지팩에 추가로 구성된 팬이 불필요한 사공간(Dead Space)을 만들어서, 전지팩의 용량 대비 크기가 커지게 되는 문제점이 있다.
수냉식의 경우, 냉매 유로가 형성된 냉각부재를 전지셀에 접촉시키고 펌프를 이용하여 냉매 유로에 냉각수를 유동시켜 전지셀을 냉각시키는 방식으로서, 공냉식과 마찬가지로, 전지팩에 추가로 구성된 냉각부재 및 펌프가 불필요한 사공간을 만들어서, 전지팩의 용량 대비 크기가 커지게 되는 문제점이 있다.
따라서, 상기의 문제점들을 해결하면서 보다 안정성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 종래의 전지팩의 냉각 구조, 즉 수냉식 또는 공냉식 냉각 구조를 구성하는데 있어서 발생하는 문제점인 추가적인 냉각장치 구성에 의한 불필요한 사공간 문제를 해결할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 파우치형 전지의 취약점을 보완하기 위해, 냉매가 외부 충격에 대해 댐퍼(Damper)와 같은 역할을 함으로써 전지셀의 유동을 최소화하여 전지의 안정성을 보장하는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
단위셀로서 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈들을 포함하는 전지팩으로서,
상기 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체;
상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키고 하기 냉매를 밀봉하는 팩 케이스; 및
상기 단위셀들 사이의 공간 및 팩 케이스와 단위셀 적층체 사이의 공간에 채워지는 냉매;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 냉매는 높은 열용량 및 절연성을 가지는 물질로서, 높은 열용량에 의해 상기 냉매를 냉각시키기 위한 별도의 구조가 필요 없고, 팩 케이스 내부에 상기 냉매를 주입하여도 쇼트 또는 방전 등의 위험이 없다.
이와 관련하여, 종래의 수냉식 냉각방식은 냉매 유로가 형성된 냉각부재를 전지셀에 접촉시키고, 상기 냉매 유로에 냉각수를 유동시키는 구조의 간접 냉각 방식이므로, 냉각부재 구성에 의한 불필요한 사공간 생성 및 냉각수의 누수에 의해 쇼트 또는 방전이 발생하는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 전지팩은 열용량이 높은 냉매가 직접 전지셀과 접촉하여 전지셀의 열이 냉매로 전도되는 구조로 이루어진다. 따라서, 추가적인 냉각부재 구성에 의한 불필요한 사공간을 제거하여 전지팩의 크기를 보다 콤팩트하게 만들 수 있고, 냉매가 절연성을 가지고 있기 때문에 일반적인 수냉식 구조에서 발생하는 쇼트 또는 방전의 위험을 방지할 수 있다.
또한, 팩 케이스 내에 고점성의 냉매를 주입하고 밀폐되는 구조에 의해 냉매가 댐퍼와 같은 역할을 할 수 있으므로, 외부 충격에 의한 전지셀의 손상을 방지하여 전지팩의 안정성을 보장할 수 있는 효과가 있다.
상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스로 형성될 수 있다. 상기 파우치형 케이스는 우수한 내구성의 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 상기 수지 실란트층이 상호 열융착되는 형태일 수 있다.
상기 수지 외층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 차단성 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 예를 들어, 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층은, 예를 들어, 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 사용될 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
상기 단위모듈은 전기적으로 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결된 둘 이상의 전지셀들이 측면이 상호 밀착된 상태에서 셀 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단위셀들은 측면이 상호 밀착된 상태로 적층되거나, 상호 이격거리를 두고 적층되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 측면이 상호 밀착된 상태에서는, 전지팩을 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 반면에, 상호 이격거리를 두고 적층된 상태에서는, 단위셀들 사이의 공간에 냉매가 채워져서 단위셀들과 냉매의 접촉 면적이 넓어짐에 따라 열전도량이 증대된다. 따라서, 전지팩의 냉각 효율을 높일 수 있다.
상기 냉매는, 바람직하게는, 비점이 150 내지 250℃, 비열이 1015 내지 3045 J/kg·K, 분자량이 42 내지 82, 및 열전도도가 0.158 내지 0.358 W/m·K인 특성을 가질 수 있다. 상기 냉매는 높은 열용량을 가지기 때문에, 전지에서 발생한 열을 상변화 없이 충분히 흡수할 수 있다. 따라서, 냉매를 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치의 구성이 필요하지 않아서, 불필요한 사공간을 없애고 보다 콤팩트한 구조의 전지팩을 구성할 수 있다.
또한, 상기 냉매는, 바람직하게는, 점성계수가 25℃에서 12 내지 20 mPa·s인 특성을 가질 수 있다. 상기 냉매는 높은 점성계수에 의해, 전지팩 내에서 댐퍼와 같은 역할을 할 수 있다. 파우치형 전지는 외부 충격에 의해 취약한 구조일 수 있으나, 상기 냉매가 단위셀들 또는 단위모듈들 사이의 공간과 단위셀 적층체와 팩 케이스 사이의 공간에 채워짐으로써, 외부 충격을 감소시켜 전지팩의 안정성을 보장할 수 있다.
상기 냉매는 전기 절연성을 가진 액체일 수 있다. 상기 냉매는 직접 전지셀과 접촉하여 전지셀의 열이 상기 냉매로 전도되는 구조로 이루어지므로, 전기 절연성 냉매를 사용하여 전지셀들의 단락 또는 방전을 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉매는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol)을 포함하는 액체일 수 있다. 상기 에틸렌 글리콜은 비열이 높고, 점성을 가지며, 충분한 정제를 통해 전기 절연성의 특성을 가질 수 있다.
상기 냉매는 순환되지 않은 상태로 팩 케이스 내에 밀봉되어 있을 수 있다. 상기 냉매는 높은 열용량을 가지기 때문에, 상기 냉매를 팩 케이스 밖으로 내보내어 냉각해야할 필요성이 없다. 따라서, 냉매가 순환하지 않고 팩 케이스 내에 채워져 있는 것만으로도 전지셀에서 발생하는 열을 충분히 흡수할 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 냉매는 상기 팩 케이스 내에서 순환될 수 있다. 상기 냉매는 단위셀에 접해있는 냉매일수록 열전도량이 많고, 단위셀과의 거리가 멀어질수록 냉매의 열전도량은 적어진다. 따라서, 상기 팩 케이스 내에서 상기 냉매를 순환시킴으로써, 전체 냉매가 균등하게 열을 흡수할 수 있도록 하고, 결과적으로 전지팩의 냉각 효율을 높일 수 있다.
상기 냉매의 순환을 위하여, 바람직하게는, 팩 케이스 내에 순환 구동력을 제공하는 펌프가 장착되는 구조일 수 있다.
상기 팩 케이스의 소재로는 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하게 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전지셀은 전지모듈 및 전지팩의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 전지팩은 압력 측정센서 및 온도 측정센서를 포함하고 있는 구조일 수 있다. 상기 압력 측정센서 및 온도 측정센서는 전지팩의 임계 압력 및 임계 온도를 적정수준으로 유지하여 전지팩의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
상기 전지팩은 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 열용량이 높은 냉매가 직접 전지셀과 접촉하여, 전지셀의 열이 냉매로 전도되는 구조로 이루어진다. 따라서, 추가적인 냉각부재 구성에 의한 불필요한 사공간을 제거함으로써 전지팩의 크기를 보다 콤팩트하게 만들 수 있고, 냉매가 절연성을 가지고 있기 때문에 일반적인 수냉식 구조에서 발생하는 쇼트 또는 방전의 위험을 방지할 수 있다.
또한, 팩 케이스 내에 고점성의 냉매를 주입하는 구조에 의하여 냉매가 댐퍼와 같은 역할을 함으로써, 외부 충격에 의한 전지셀의 손상을 방지하여 전지팩의 안정성을 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 단위셀 적층체(110), 팩 케이스(120) 및 냉매(130)를 포함하는 구조로 이루어 진다.
단위셀 적층체(110)는 단위셀들(111)이 상호 거리가 이격된 상태로 적층된 구조로 구성되고, 팩 케이스(120)는 단위셀 적층체(110)를 수납하여 외부로부터 밀폐시킨다. 팩 케이스(120) 내부에는 냉매(130)가 채워져서 단위셀 적층체(110)를 냉각시킨다.
냉매(130)는 순환되지 않은 상태로 팩 케이스 내에 밀봉되어 있는 구조로 되어 있다. 냉매(130)는 높은 열용량을 가지기 때문에, 냉매(130)를 팩 케이스(120) 밖으로 내보내어 냉각해야할 필요성이 없다. 따라서, 냉매(130)가 순환하지 않고 팩 케이스(120) 내에 채워져있는 상태로 단위셀들(111)과 접촉해 있는 것만으로도 열전도에 의해 단위셀들(111)에서 발생하는 열을 충분히 흡수할 수 있다. 또한, 냉매(130)를 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치의 구성이 필요치 않기 때문에, 불필요한 사공간을 없애고 보다 콤팩트한 구조의 전지팩(100)을 구성할 수 있다.
단위셀들(111)은 상호 이격된 상태로 적층되기 때문에, 단위셀들(111) 사이의 공간에 냉매(130)가 채워진다. 결과적으로, 단위셀들(111)과 냉매(130)의 접촉면적이 넓어지므로, 단위셀들(111)과 냉매(130)간의 열전도량이 증대되어 전지팩(100)의 냉각효율이 높아진다.
냉매(130)는 높은 점성계수에 의해 전지팩(100) 내에서 댐퍼와 같은 역할을 할 수 있다. 단위셀 적층체(110)는 외부 충격에 의해 취약한 구조일 수 있으나, 냉매(130)가 단위셀들(111) 사이의 공간 및 단위셀 적층체(110)와 팩 케이스(120) 사이의 공간에 채워짐으로써, 단위셀 적층체(110)에 대한 외부 충격을 감소시키고, 결과적으로 전지팩(100)의 안정성을 보장할 수 있다.
또한, 냉매(130)는 전기 절연성을 가지기 때문에, 단위셀들(111)의 단락 또는 방전을 방지할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩(200)은 냉매(230)가 팩 케이스(220) 내에서 펌프(240)에 의해 순환하는 구조로 되어 있다. 냉매(230)는 단위셀(211)에 접촉해있는 냉매(230)일수록 열전도량이 많고, 단위셀(211)과의 거리가 멀어질수록 냉매(230)의 열전도량은 적어진다. 따라서, 팩 케이스(220) 내에서 펌프(240)를 이용하여 냉매(230)를 순환시켜, 전체 냉매(230)가 균등하게 열을 흡수할 수 있도록 함으로써 전지팩(200)의 냉각 효율을 높일 수 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도들이 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전지팩(300, 400)은 단위셀 적층체(310, 410)가 단위셀들(311, 411)이 밀착되어 적층됨으로써, 전지팩(300, 400)의 크기를 보다 콤팩트 하게 구성할 수 있다. 이러한 전지셀들(311, 411)이 밀착되어 적층되는 구조를 제외한 나머지 구조는 도 1 및 도 2에 언급한 실시예들의 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 단위셀로서 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈들을 포함하는 전지팩으로서,
    상기 단위셀들이 적층되어 있는 구조의 단위셀 적층체;
    상기 단위셀 적층체를 수납하여 외부로부터 밀폐시키고 하기 냉매를 밀봉하는 팩 케이스; 및
    상기 단위셀들 사이의 공간 및 팩 케이스와 단위셀 적층체 사이의 공간에 채워지는 냉매;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전기적으로 연결된 둘 이상의 전지셀들이 밀착된 상태에서 셀 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 상호 밀착된 상태로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 상호 이격거리를 두고 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 비점이 150 내지 250℃, 비열이 1015 내지 3045 J/kg·K, 분자량이 42 내지 82, 및 열전도도가 0.158 내지 0.358 W/m·K인 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 점성계수가 25℃에서 12 내지 20 mPa·s인 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 전기 절연성을 가진 액체인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol)을 포함하는 액체인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 순환되지 않은 상태로 팩 케이스 내에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 팩 케이스 내에서 순환되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 냉매의 순환을 위한 펌프가 팩 케이스 내에 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스의 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 압력 측정센서 및 온도 측정센서를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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