KR20180017695A

KR20180017695A - 냉각 구조가 개선된 배터리 팩

Info

Publication number: KR20180017695A
Application number: KR1020160101935A
Authority: KR
Inventors: 서성원; 문정오; 이윤구; 최미금
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2018-02-21
Also published as: KR102075101B1; WO2018030821A1; CN208401005U

Abstract

본 발명은 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀; 상기 복수개의 셀을 수용할 수 있는 내부공간을 구비한 팩 케이스; 상기 팩 케이스의 내부공간에 유입되어 상기 셀과 직접적으로 접촉하고, 상기 셀의 온도 상승에 의해 액체 상태에서 기체 상태로 상변화를 일으키는 냉각액;을 포함하는 배터리 팩을 개시한다.

Description

냉각 구조가 개선된 배터리 팩{BATTERY PACK IMPROVED IN COOLING STRUCTURE}

본 발명은 냉각액이 사용되는 배터리 팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀을 수용하는 케이스 내부에 냉각액을 공급하여 셀의 온도 상승을 방지하는 구조를 가진 배터리 팩에 관한 것이다.

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

그런데, 여러개의 단위 셀들로 이루어진 배터리 팩은 과충전 시 발열과 함께 스웰링(Swelling)이 발생하여 모듈의 바깥 방향으로 볼록하게 팽창되는 변형이 발생하게 된다.

상기와 같은 배터리 팩의 냉각을 위해 배터리 팩의 케이스 내부에는 냉각수를 흘려서 열교환이 이루어지도록 하는 냉각유로가 구비되는 것이 일반적이다. 이와 관련하여, 특허문헌 1에는 다수개의 배터리 셀과 방열모듈이 서로 간에 밀착된 상태로 열교환됨으로써 열교환 효율이 향상되고 배터리 셀의 안정적인 방열이 이루어지는 배터리 셀의 방열 유닛이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는 냉각수를 균일하고도 잘 분산시키는 방식으로 전달하는 흐름 경로를 가능하도록 하는 구조를 가진 것으로서, 냉각수의 흐름 방향의 변경이 가능한 전방 및 후방 커버의 고무 시트들로 구성되어, 냉각수가 어레이 전체에 걸쳐서 흐르도록 하기 위한 경로를 제공하는 전력 배터리 팩 냉각 장치가 개시되어 있다.

하지만, 종래의 배터리 냉각장치는 내부 구조가 복잡할 뿐만 아니라, 냉각관이나 냉각덕트를 경유하여 냉각수가 공급되는 구조상, 배터리 셀의 이벤트 발생 상황, 즉 과충전 등과 같은 요인에 의해 배터리 셀의 온도가 특정 온도 이상으로 과도하게 상승하는 상황이 발생했을 때 냉각 성능이 좋지 못한 취약점이 있다.

특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제2013-0064969호 특허문헌 2: 한국 공개특허공보 제2013-0105653호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 냉각액의 상변화를 이용하여 냉각 효율을 향상시키는 구조를 가진 배터리 팩을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상변화에 의해 발생하는 냉각 기체를 외부로 원활하게 배출할 수 있는 구조를 가진 배터리 팩을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀; 상기 복수개의 셀을 수용할 수 있는 내부공간을 구비한 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 내부공간에 유입되어 상기 셀과 직접적으로 접촉하고, 상기 셀의 온도 상승에 의해 액체 상태에서 기체 상태로 상변화를 일으키는 냉각액;을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.

상기 팩 케이스는 상기 복수개의 셀을 지지할 수 있는 바닥면을 구비한 케이스 본체와, 상기 케이스 본체에 수밀 가능하게 결합되는 상부커버를 구비할 수 있다.

상기 각형 케이스부 및 상기 커버부 중 적어도 어느 하나에는 강성을 부여하기 위한 격자형 리브 구조가 형성될 수 있다.

상기 팩 케이스의 일측에는 상기 내부공간과 연통되는 냉각액 유입관이 마련되고, 타측에는 상기 내부공간과 연통되는 냉각액 유출관이 마련될 수 있다.

상기 팩 케이스는 상기 냉각액이 유입된 상태에서 밀봉될 수 있다.

상기 팩 케이스에는 상기 상변화에 의해 발생된 기체를 상기 팩 케이스의 외부로 배출하기 위한 벤팅 밸브가 설치될 수 있다.

상기 팩 케이스의 적어도 일부는 상기 상변화에 의해 발생된 기체를 상기 팩 케이스의 외부로 배출할 수 있는 고어텍스 소재로 이루어지는 것도 가능하다.

상기 냉각액으로는 끓는점이 150℃ 이상인 냉각수 또는 절연유가 유입될 수 있다.

상기 복수개의 셀은 행렬을 이루며 정해진 간격을 두고 배열될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀과 상기 복수개의 셀에 직접적으로 접촉하는 냉각액을 수용할 수 있는 내부공간을 구비하고, 적어도 일부에는 상기 셀의 온도 상승에 따른 상기 냉각액의 상변화에 의해 발생된 기체를 외부로 배출하기 위한 벤팅 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 팩 케이스가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀과 상기 복수개의 셀에 직접적으로 접촉하는 냉각액을 수용할 수 있는 내부공간을 구비하고, 적어도 일부는 상기 셀의 온도 상승에 따른 상기 냉각액의 상변화에 의해 발생된 기체를 외부로 배출할 수 있는 고어텍스 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 팩 케이스가 제공된다.

본 발명에 따르면 배터리 셀의 이벤트 발생 시 셀과 직접적으로 접촉하고 있는 냉각액의 상변화에 의해 셀의 온도 상승이 억제되므로 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉각액의 상변화 과정에서 발생하는 기체는 팩 케이스를 통해 외부로 배출시킬 수 있으므로 내부압력 상승 등과 같은 추가적인 이벤트 발생을 방지할 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 배터리 팩의 분리 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 단면도이다.

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 배터리 팩의 분리 사시도이며, 도 2는 도 1의 결합 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩은 정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀(100)과, 복수개의 셀(100)과 함께 상기 셀(100)에 직접적으로 접촉하도록 유입된 냉각액(1)을 수용하는 팩 케이스(110)를 포함한다.

각각의 셀(100)은 바람직하게 파우치형 이차전지에 의해 구성되고, 각각은 물기가 내부로 침투하지 못하도록 실링처리 되어 있다. 복수개의 셀(100)은 과충전, 고온, 물리적 충격 등에 기인한 이벤트 발생시 인접한 셀(100)에 대한 영향을 최소화하도록 팩 케이스(110)의 내부에서 정해진 간격을 두고 행렬 패턴을 이루도록 배열된다.

팩 케이스(110)는 복수개의 셀(100)을 감싸서 지지하는 부분으로서 다양한 형태로 구성될 수 있다. 한정된 공간을 효율적으로 활용하면서 복수개의 셀(100)을 수용하기 위해 팩 케이스(110)는 장방형 혹은 정방형 몸체를 갖는 것이 바람직하다.

팩 케이스(110)는 복수개의 셀(100)을 지지할 수 있는 바닥면을 구비한 케이스 본체(110a)와, 상기 케이스 본체(110a)에 수밀 가능하게 긴밀히 결합되는 상부커버(110b)를 구비한다. 수밀 가능한 결합을 위해 케이스 본체(110a)와 상부커버(110b) 사이에는 오링(O-ring)과 같은 실링부재가 개재되거나 융착부가 형성된다.

케이스 본체(110a)의 내부공간(112)은 각각의 셀(100)을 개별적으로 수납할 수 있도록 격벽(111)에 의해 구획되어 있다. 각각의 구획된 공간에는 복수개의 셀(100)이 적층형으로 배치될 수 있다.

냉각액(1)이 채워질 수 있는 공간이 확보되도록 격벽(111)에 의해 둘러싸인 공간의 높이는 셀(100)의 높이(두께)보다 크게 설계되는 것이 바람직하다. 여기서, 격벽(111)은 케이스 본체(110a)에 강성을 부여하는 기능도 제공할 수 있다.

상부커버(110b)에는 강성을 부여하기 위한 격자형 리브 구조(116)가 별도로 마련되는 것이 바람직하다. 특히, 상부커버(110b)의 일부가 고어텍스(Gore-tex) 소재로 이루어지는 경우 격자형 리브 구조(116)는 상부커버(110b)의 형상을 유지하는 작용을 하게 된다. 이를 위해, 격자형 리브 구조(116)는 케이스 본체(110a)에 격자형으로 형성되어 있는 격벽과 대응하는 패턴으로 이루어지는 것이 바람직하다.

팩 케이스(110)의 일측에는 내부공간(112)과 연통되는 냉각액 유입관(113)이 마련되고, 타측에는 내부공간(112)과 연통되는 냉각액 유출관(114)이 마련된다. 이러한 구성은 냉각액(1)을 팩 케이스(110) 내부에서 순환시킬 수 있는 기능을 제공한다. 즉, 냉각액 유입관(113)을 통해 팩 케이스(110)의 내부공간(112)에 유입된 냉각액(1)은 셀(100)과 직접적으로 접촉하여 냉각 기능을 제공하고 냉각액 유출관(114)을 통해 외부로 배출되어 냉각된 후 다시 냉각액 유입관(113)으로 유입되는 방식으로 순환될 수 있다.

대안으로, 팩 케이스(110)는 내부공간(112)에 냉각액(1)이 유입된 상태에서 가장자리가 융착 등에 의해 실링되어 완전히 밀봉처리되는 것도 가능하다. 이 경우 냉각액(1)은 팩 케이스(110) 내에 담긴 상태를 유지하며 비 순환 방식으로 셀(100)과 접촉하여 냉각 기능을 제공한다.

팩 케이스(110)에 있어서, 예컨대 상부커버(110b)에는 냉각액(1)의 유출을 차단하면서도 상기 상변화에 의해 발생된 기체를 상기 팩 케이스(110)의 외부로 배출하기 위한 벤팅 밸브(115)가 설치된다. 대안으로, 팩 케이스(110)의 적어도 일부, 바람직하게 상부커버(110b)의 적어도 일부는 냉각액(1)의 유출을 차단하면서도 상기 상변화에 의해 발생된 기체를 상기 팩 케이스(110)의 외부로 배출할 수 있는 고어텍스 소재로 이루어지는 것도 가능하다.

팩 케이스(110)의 내부공간에 배치된 셀(100)은 통상적으로 정상 상태 시 작동온도가 80℃ 이하이지만, 과충전, 고온, 물리적 충격 등의 요인에 의해 이벤트가 발생할 경우에는 약 200℃까지도 온도가 상승한다. 이러한 점을 고려할 때, 팩 케이스(110)의 내부공간에 유입되는 냉각액(1)으로는 끓는점(Boiling point)이 150℃ 이상인 냉각수 또는 절연유가 유입되는 것이 바람직하다.

팩 케이스(110)의 내부공간에 유입되어 채워진 냉각액(1)은 직접적으로 복수개의 셀(100)과 직접적으로 접촉하여 셀(100)에서 발생하는 열을 냉각액(1)의 순환 또는 잠열을 통해 냉각시킨다.

배터리 셀(100)에 과충전 등과 같은 이벤트 발생 시에는 셀(100)의 온도 상승에 의해 냉각액(1)은 액체 상태로부터 기체 상태로 상변화를 일으킴으로써 셀(100)의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지한다.

냉각액(1)을 기화시키는 상변화가 발생하면 배터리 셀(100)이 이벤트 발생온도 이하가 되도록 냉각 작용이 일어나서 이벤트 상황이 되지 않도록 온도를 조절하게 된다. 상변화에 따라 발생된 기체는 팩 케이스(110)에 마련된 벤팅 밸브(115)나 고어텍스 소재를 통과하여 외부로 배출되므로 팩 케이스(110)의 내부압력 상승과 같은 추가적인 이벤트 발생이 방지될 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.

1: 냉각액 100: 셀
110: 팩 케이스 113: 냉각액 유입관
114: 냉각액 유출관 115: 벤팅 밸브
116: 리브 구조

Claims

정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀;
상기 복수개의 셀을 수용할 수 있는 내부공간을 구비한 팩 케이스; 및
상기 팩 케이스의 내부공간에 유입되어 상기 셀과 직접적으로 접촉하고, 상기 셀의 온도 상승에 의해 액체 상태에서 기체 상태로 상변화를 일으키는 냉각액;을 포함하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 팩 케이스는 상기 복수개의 셀을 지지할 수 있는 바닥면을 구비한 케이스 본체와, 상기 케이스 본체에 수밀 가능하게 결합되는 상부커버를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제2항에 있어서,
상기 케이스 본체와 상기 상부커버 중 적어도 어느 하나에는 강성을 부여하기 위한 격자형 리브 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제2항에 있어서,
상기 팩 케이스의 일측에는 상기 내부공간과 연통되는 냉각액 유입관이 마련되고, 타측에는 상기 내부공간과 연통되는 냉각액 유출관이 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 팩 케이스는 상기 냉각액이 유입된 상태에서 밀봉된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 팩 케이스에는 상기 상변화에 의해 발생된 기체를 상기 팩 케이스의 외부로 배출하기 위한 벤팅 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 팩 케이스의 적어도 일부는 상기 상변화에 의해 발생된 기체를 상기 팩 케이스의 외부로 배출할 수 있는 고어텍스 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 냉각액으로는 끓는점이 150℃ 이상인 냉각수 또는 절연유가 유입된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 셀은 행렬을 이루며 정해진 간격을 두고 배열된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
배터리 팩의 팩 케이스에 있어서,
정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀과 상기 복수개의 셀에 직접적으로 접촉하는 냉각액을 수용할 수 있는 내부공간을 구비하고,
적어도 일부에는 상기 셀의 온도 상승에 따른 상기 냉각액의 상변화에 의해 발생된 기체를 외부로 배출하기 위한 벤팅 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 팩 케이스.
배터리 팩의 팩 케이스에 있어서,
정해진 간격으로 배열된 복수개의 셀과 상기 복수개의 셀에 직접적으로 접촉하는 냉각액을 수용할 수 있는 내부공간을 구비하고,
적어도 일부는 상기 셀의 온도 상승에 따른 상기 냉각액의 상변화에 의해 발생된 기체를 외부로 배출할 수 있는 고어텍스 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 팩 케이스.