KR20220070837A

KR20220070837A - 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩

Info

Publication number: KR20220070837A
Application number: KR1020200157820A
Authority: KR
Inventors: 김경우; 조영범; 문정오; 윤현기; 신은규; 지호준; 박진용
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2022-05-31
Also published as: EP4117094A1; JP2023534414A; EP4117094A4; CN116250120A; WO2022108289A1; US20230238608A1

Abstract

본 발명은, 복수의 전지셀들을 수용하는 전지모듈 하우징, 하나 이상의 상기 전지모듈 하우징들을 수납하는 전지팩 케이스, 상기 전지모듈 하우징들의 상부에 위치하는 워터탱크, 및 상기 전지모듈 하우징들의 하부에 위치하는 히트싱크를 포함하고, 상기 전지모듈 하우징은 상기 워터탱크와 대면하는 면의 적어도 일부가 개방된 형태로 이루어진 전지팩에 대한 것으로서, 전지셀의 발화시 신속하고 정확하게 발화된 전지셀의 화염이 퍼지는 것을 방지할 수 있다.

Description

열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩{Battery Pack Including Heat Diffusion Suppression Structure}

본원발명은 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩에 대한 것이다. 구체적으로, 전지팩 내부에 있는 전지셀에서 발화된 화염이 확산되는 것을 방지하기 위하여, 발화된 전지셀로 직접 냉각수를 주입할 수 있도록 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩에 대한 것이다.

리튬 이차전지에 대한 지속적인 연구 개발의 결과, 용량이 증가하고 출력이 향상된 리튬 이차전지의 제조 및 상용화가 가능해지고 있다. 또한, 환경 오염의 문제가 있는 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원으로 리튬 이차전지에 대한 수요가 증가하고 있다.

이에, 다양한 디바이스에 대한 리튬 이차전지의 적용이 증가하고 있는 바, 예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 신체에 착용하는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.

이와 같이, 리튬 이차전지가 대용량 및 고출력의 에너지원으로 사용됨에 따라 상기 리튬 이차전지의 안전성을 확보하는 문제가 중요 관심 대상이 되고 있다.

일반적으로, 전력저장장치는 내부에 수용된 전지셀에서 화재가 발생하는 경우, 별도의 주수장치를 이용하여 전지모듈이나 전지팩 내부로 물을 주입하는 방법을 사용하고 있다.

그러나, 이와 같은 경우, 상기 주수장치를 구비하기 위한 시설과 공간이 필요하며, 전지셀의 벤팅(venting)으로 배출된 가스의 센싱 시점에서 주수까지 걸리는 시간차로 인해 발화가 확산되는 문제가 있다.

또는, 전지모듈이나 전지팩 내부 또는 외부에 단열재나 소화약재 등을 배치하여, 전지셀들 간에 열이 전달되는 것을 차단하거나 발화된 전지셀을 냉각하는 방법을 사용할 수 있다.

그러나, 단열재를 사용하는 경우 화염이 전파되는 것은 막을 수 있으나 소화기능을 발휘할 수 없는 문제가 있다. 소화약재를 사용하는 경우에는 에너지밀도를 고려하여 전지팩 내부의 빈 공간에 소화약재를 배치한 결과, 소화약재가 화재 발생 지점에 정확하게 뿌려지지 못하는 문제가 있다.

이와 같이, 전지팩의 열 폭주를 방지하기 위한 기술로서, 특허문헌 1은 배터리 상부에 물을 포함하는 봉투가 위치하고, 상기 봉투는 융점이 비교적 낮은 재료로 형성되어, 상기 배터리 온도가 증가하면 상기 봉투가 녹아서 내부에 있는 물이 상기 배터리로 배출되는 장치를 개시한다.

특허문헌 1은 봉투 전체가 융점이 낮은 재료로 이루어지기 때문에, 배터리 온도가 증가하는 경우 봉투의 특정 부분에서만 물이 배출되는 것이 아니라, 봉투가 용융되면서 내부의 물이 완전히 쏟아져 나오게 된다.

따라서, 봉투가 전지셀의 하부에 오도록 배치되는 경우에는 물이 전지셀로 주입될 수 없어서 소화기능을 발휘할 수 없다. 따라서, 봉투가 전지셀의 상부에 배치되도록 용기의 방향을 일정한 방향으로만 사용해야하는 제약이 있다.

특허문헌 2는 외케이스 안에 중 케이스와 내 케이스가 수용되고, 복수의 단전지가 상기 중 케이스에 수용되고, 소화제는 상기 내 케이스에 수용되며, 상기 단전지가 상한 온도 이상으로 발열하면 상기 중 케이스 안으로 상기 소화제를 투입하기 위한 주입관을 포함한다. 상기 단전지가 상한 온도 이상으로 발열하면 상기 주입관이 열려서 상기 내 케이스에 수용된 소화제가 중 케이스로 안으로 주입된다.

특허문헌 2는 소화제를 분사하기 위한 압축가스, 주입관으로 사용하는 노즐 및 소화제를 내장하는 내 케이스를 포함하고 있는 바, 이들을 구비하기 위한 추가 공간이 필요하고 소화제 및 압축가스를 구비하기 위한 비용도 추가로 발생하게 된다.

특허문헌 3은 셀 어셈블리, 상기 셀 어셈블리의 외측면과 접하도록 위치하고, 내부에 냉매가 이동하도록 구성된 냉매 유로가 형성된 히트 싱크, 및 상기 셀 어셈블리와 상기 히트싱크가 서로 밀착되도록 열 수축된 열수축성 튜브를 포함하는 배터리 모듈을 개시한다.

특허문헌 3은 히트 싱크를 셀 어셈블리와 밀착되도록 배치함으로써 셀 어셈블리의 방열 효과를 얻을 수 있으나, 셀 어셈블리가 발화된 경우에 화염이 인접하는 전지모듈로 번지는 것을 방지하는 기능을 발휘하지는 못한다.

이와 같이, 전지팩 내부에 수용된 전지셀이 발화되는 경우, 화염이 확산되는 것을 최소화할 수 있으면서, 추가 공간을 필요로 하지 않고, 에너지밀도가 낮아지는 것을 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

일본 공개특허공보 제2014-523622호 (2014.09.11) 일본 공개특허공보 제2012-252909호 (2012.12.20) 한국 공개특허공보 제2020-0030964호 (2020.03.23)

본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전지셀의 발화 및 폭발시 해당 전지셀의 발화를 진화시키고, 나아가 인접하는 전지셀들로 화염이 전달되는 것을 방지할 수 있는 소화기능과 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀들을 수용하는 전지모듈 하우징, 하나 이상의 상기 전지모듈 하우징들을 수납하는 전지팩 케이스, 상기 전지모듈 하우징들의 상부에 위치하는 워터탱크, 및 상기 전지모듈 하우징들의 하부에 위치하는 히트싱크를 포함하고, 상기 전지모듈 하우징은 상기 워터탱크와 대면하는 면의 적어도 일부가 개방된 형태로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 히트싱크 내부에는 유입 및 배출되는 냉각수의 흐름을 가이드하기 위한 유로가 형성되어 있을 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 워터탱크는 상기 전지모듈 하우징들 전체의 상면을 덮는 크기로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 워터탱크는 상기 전지팩 케이스의 상면 내측면에 부착된 형태일 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지팩 케이스는 상부가 개방된 형태이고, 상기 워터탱크는 개방된 상기 전지팩 케이스의 상면을 덮는 형태로 상기 전지팩 케이스와 결합할 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은, 상기 복수의 전지셀들로 구성되는 전지셀 스택의 양쪽 측면 각각에 배치하는 판 형태일 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지셀 스택의 상면과 하면 각각에는, 상기 복수의 전지셀들을 고정하기 위한 금속 스트랩이 부가될 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은, 상기 복수의 전지셀들로 구성되는 전지셀 스택에서 전극단자가 돌출되는 양방향을 제외한 외면들을 감싸는 구조로 이루어지고, 상기 워터탱크와 대면하는 상기 전지모듈 하우징의 일측면에는 개구가 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 워터탱크는, 상기 전지모듈 하우징과 대면하는 일면에 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가될 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 전지셀에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 밀봉부재의 용융에 의해 상기 관통구가 개방되고, 상기 관통구를 통해 상기 워터탱크 내부에 수용된 냉각수가 상기 전지셀로 투입될 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 관통구는, 상기 워터탱크 일면에 복수의 구멍들이 균일하게 분산된 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지모듈 하우징들 사이에는 격벽이 부가될 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 관통구를 채우고 있으며, 상기 워터탱크의 외측면에서 상기 관통구의 둘레보다 외측으로 더 연장된 연장부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀, 각형 전지셀 또는 원통형 전지셀일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 전지팩은 전지팩 내부에 워터탱크를 구비함으로써 전지팩의 외형을 증가시키지 않으면서 발화된 전지셀을 빠르게 냉각할 수 있는 바, 전지셀의 열 폭주 현상을 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 전지모듈 하우징과 대면하는 워터탱크의 일면에 밀봉부재를 부가하기 때문에, 상기 밀봉부재가 용융되어 제거되는 경우, 전지팩의 위치 및 방향과 관계없이 발화된 전지셀을 향해 냉각수의 분사가 가능하다.

또한, 워터냉크의 일면에 관통구를 형성하고, 밀봉부재가 상기 관통구를 채우고 있는 형태인 바, 밀봉부재의 부가로 인해 전지팩의 무게가 증가하는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 전지셀 스택을 구성하는 전체 전지셀들 가운데 어느 하나의 전지셀이 발화되더라도, 발화된 전지셀에 정확하게 냉각수의 주입이 가능한 형태인 바, 대용량의 전지팩에 적용하더라도 열 확산 차단의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 단가가 높은 소화약재 대신 물을 사용하는 경우, 생산원가를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전지팩의 분해사시도이다.
도 3은 워터탱크와 대면하는 일측면에 개구가 형성된 전지모듈 하우징을 포함하는 전지모듈의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 전지팩에서 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 제1 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 화염이 진화되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 전지팩의 분해사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 전지팩에서 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 제2 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 화염이 진화되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 전지팩의 분해사시도이다.
도 10은 도 9에 도시한 전지팩에서 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다
도 11은 제3 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 화염이 진화되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.

또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간값을 포함한다.

본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지팩의 사시도이고, 도 2는 제1 실시예에 따른 전지팩의 분해사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본원발명에 따른 전지팩은 복수의 전지셀(120)들을 수용하는 전지모듈 하우징(111), 하나 이상의 전지모듈 하우징(111)들을 수납하는 전지팩 케이스(100), 전지모듈 하우징(111)들의 상부에 위치하는 워터탱크(200), 및 전지모듈 하우징(111)들의 하부에 위치하는 히트싱크(300)를 포함하고, 전지모듈 하우징(111)은 워터탱크(200)와 대면하는 면의 적어도 일부가 개방된 형태로 이루어진다.

워터탱크(200)의 하면에는 관통구가 형성되어 있고, 전지팩이 정상 상태일 때 상기 관통구를 통해 냉각수가 배출되는 것을 방지하기 위하여 밀봉부재(220)가 부가되어 있다. 밀봉부재(220)는 워터탱크의 하면에 부가되기 때문에 전지팩의 외면에서는 보이지 않는 상태이나, 도 1과 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 밀봉부재(220)를 도시하였다.

하나의 구체적인 예에서, 복수의 전지셀(120)들은 파우치형 전지셀일 수 있고, 상기 파우치형 전지셀들이 전극조립체 수납부가 서로 밀착되도록 적층된 상태에서 상기 전극조립체 수납부의 바닥이 지면에 대해 수직이 되도록 배치된 상태일 수 있다.

상기 파우치형 전지셀은 양극리드와 음극리드가 서로 반대 방향으로 돌출되는 양방향 전지셀일 수 있고, 또는 양극리드와 음극리드가 서로 동일한 방향으로 돌출되는 단방향 전지셀일 수 있다.

히트싱크(300) 내부에는 유입 및 배출되는 냉각수의 흐름을 가이드하기 위한 유로(310)가 형성되어 있는 바, 히트싱크(300)에 유입 및 배출되는 냉각수의 온도가 일정한 수준을 유지할 수 있다. 따라서, 리튬 이차전지의 반복적인 충방전으로 인해 전지셀(120)이 발열하더라도 전체적인 전지팩의 온도가 증가하는 것을 억제할 수 있다.

워터탱크(200)는 전지모듈 하우징(111)과 대면하는 하면 및 이와 반대 방향인 상면이 넓은 직육면체 형태로 이루어질 수 있는 바, 상기 상면 및 하면의 면적은 전지팩 케이스(100)에 수용된 복수의 전지모듈 하우징(111)들 전체의 상면을 덮는 크기로 이루어진다.

하나의 구체적인 예에서, 전지팩 케이스(100)는 직육면체에서 상면이 제거된 상자와 같은 형태로서 상부가 개방된 형태이거나, 워터탱크(200)는 개방된 전지팩 케이스(100)의 상면을 덮는 형태로 전지팩 케이스(100)와 결합할 수 있다.

즉, 워터탱크(200)가 전지모듈 하우징(111)의 상면에 배치됨으로써 상면이 개방된 전지팩 케이스의 덮개 역할을 할 수 있다.

다른 하나의 구체적인 예에서, 전지팩 케이스(100)는 직육면체에서 상면이 제거되어 상부가 개방된 형태로 이루어진 케이스 본체와 상기 개방된 상면에 결합하는 탑 플레이트를 포함하는 구조일 수 있다. 이 때, 워터탱크(200)는 상기 탑 플레이트와 결합된 형태일 수 있다. 즉, 워터탱크(200)는 상기 탑 플레이트의 내측면에 부착된 형태일 수 있다.

또는 상기 탑 플레이트가 상기 워터 탱크의 상면일 수 있는 바, 워터 탱크가 탑 플레이트와 일체형인 형태일 수 있다.

도 2에 도시된 전지모듈 하우징(111)은 복수의 전지셀(120)들로 구성되는 전지셀 스택의 양쪽 측면 각각에 배치되는 판 형태로 이루어진다.

또한, 상기 전지셀 스택의 상면과 하면 각각에는, 복수의 전지셀(120)들을 고정하기 위한 금속 스트랩(140)이 부가되어 있다.

예를 들어, 금속 스트랩(140)은 하나의 전지셀 스택마다 2개 이상 부가될 수 있으며, 전지셀 스택의 양쪽 측면 각각에 판 형태의 전지모듈 하우징(111)이 부착된 상태에서 금속 스트랩(140)이 상기 전지셀 스택의 상면과 하면 각각에 부가될 수 있다.

전지셀 스택의 상면에 부가된 금속 스트랩(140)은 전지셀 스택의 양쪽 측면을 따라 하향 연장되는 연장부를 포함하고, 전지셀 스택의 하면에 부가된 금속 스트랩(140)은 전지셀 스택의 양쪽 측면을 따라 상향 연장되는 연장부를 포함할 수 있다. 이와 같이 연장부를 포함하는 금속 스트랩을 사용함으로써 전지셀 스택의 형태를 고정할 수 있다.

또한, 전지셀 스택의 상면 가운데 금속 스트랩(140)이 부가되지 않은 부분은 전지셀(120)이 노출된 상태인 바, 워터탱크(200)에 있는 냉각수가 분사되면 전지셀로 직접 투입될 수 있다.

전지셀(120)은 반복적인 충방전 과정에서 전극조립체의 팽창과 수축이 발생할 뿐 아니라, 충방전의 부산물로 가스가 생성된다. 따라서, 전지모듈 하우징이 팽창될 수 있는 바, 전지모듈 하우징(111)과 전지모듈 하우징(111) 사이에 격벽(101)을 부가하여, 전지모듈 하우징(111)들의 부피 팽창이 인접하는, 전지모듈 하우징에 영향을 주는 것을 최소화하고 나아가 전지모듈 하우징(111)들을 고정 지지할 수 있다.

도 3은 워터탱크와 대면하는 일측면에 개구가 형성된 전지모듈 하우징의 사시도이다.

도 3을 참조하면, 전지모듈 하우징(110)은 복수의 전지셀(120)들로 구성되는 전지셀 스택에서 전극단자(121)가 돌출되는 양방향을 제외한 외면들을 감싸는 구조로 이루어지고, 워터탱크와 대면하는 전지모듈 하우징(110)의 일측면에는 개구(130)가 형성되어 있다.

전지모듈 하우징(110)에 형성된 개구(130)를 통해 내장된 모든 전지셀들에 대한 냉각수의 직접적인 주입이 가능하다면, 개구의 형태, 크기 및 개수 등은 특별히 한정되지 않는다.

도 3에서 도시된 전지셀은 파우치형 전지셀로서, 양극리드와 음극리드가 서로 반대 방향으로 돌출되는 양방향 전지셀일 수 있고, 또는 양극리드와 음극리드가 서로 동일한 방향으로 돌출되는 단방향 전지셀일 수 있다.

도 4는 도 1에 도시한 전지팩에서 A-A'선을 따라 절단한 단면도이고, 도 5는 제1 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 화염이 진화되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 전지모듈 하우징으로서 도 2에 도시된 판 형태로 이루어진 전지모듈 하우징(111)을 사용하고 있으며, 절단면에서는 설명의 편의를 위하여 금속 스트랩은 미도시하였다.

전지팩 케이스(100) 안에 복수의 전지모듈 하우징(111)들이 배치되고, 전지모듈 하우징(111) 내부에는 복수의 전지셀(120)들이 배치된다. 복수의 전지모듈 하우징(111)들의 상부에는 워터탱크(200)가 배치되는 바, 워터탱크(200) 내부에는 발열 또는 발화된 전지셀의 온도를 낮추기 위한 냉각수가 채워져 있다.

워터탱크(200)에서 전지모듈 하우징(111)과 대면하는 일면에 관통구가 형성되어 있고, 관통구에는 밀봉부재(220)가 부가되어 관통구를 밀봉하고 있다. 밀봉부재(220)는 전지셀(120)에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어진다. 즉, 전지셀(120)이 정상 상태일 때는 밀봉부재(220)가 관통구를 밀봉한 상태가 유지되지만, 전지셀(120')과 같이 발화된 전지셀의 온도가 증가하고 화염이 발생하여 인접하게 위치하는 밀봉부재로 퍼지게 되면, 용융온도가 낮은 밀봉부재(220)가 용융되어 관통구(230)가 개방되는 바, 워터탱크(200) 내부의 냉각수가 전지셀로 직접 투입될 수 있다.

워터탱크(200)에 수용된 냉각수는 전지셀의 발화로 인해 기화되어 부피가 증가하여 고압 상태가 되는 바, 관통구(230)가 개방될 때, 발화된 전지셀을 향해 강한 압력으로 분사될 수 있다.

이 때, 발화된 전지셀(120')과 인접하지 않은 밀봉부재(220)는 용융되지 않고 형태가 유지될 수 있는 바, 밀봉부재가 제거된 관통구에서만 냉각수의 분출이 이루어질 수 있다.

상기 냉각수가 파우치형 전지셀 내부로 직접 주입되는 점을 고려할 때, 냉각수의 주입으로 인하여 상기 파우치형 전지셀의 화염이 커지거나 폭발이 일어나는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 상기 냉각수에 포함되는 첨가제로는 가연성 물질이 포함되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 상기 첨가제로서 가연성 물질이 포함되는 경우로서, 상기 첨가제의 양은 파우치형 전지셀에 대한 2차 폭발을 방지할 수 있는 정도인 동시에, 상기 냉각수의 어는 것을 방지하기 위해 부동액으로 사용되는 정도일 수 있다.

상기 밀봉부재는 용융점이 약 200 ℃ 이하인 열가소성의 고분자 수지가 적용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 열가소성의 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 용융점이 약 100 ℃ 이상 200 ℃ 이하인 물질들이 사용될 수 있다.

밀봉부재(220)는 관통구를 채우고 있으며, 상기 워터탱크의 외측면에서 상기 관통구의 둘레보다 외측으로 더 연장된 연장부(225)를 포함할 수 있다. 연장부(225)는 워터탱크의 외측면에서 더 연장되는 부분인 바, 정상 상태일 때는 워터탱크에 대한 밀봉부재(220)의 결합력을 향상시킬 수 있고, 전지셀의 발화 발생시에는 온도 상승에 따라 연장부부터 용융되어 관통구가 개방될 수 있다.

리튬 이차전지로 이루어진 전지셀에서, 전지셀에 결함이 생기거나, 과충전 내지 과열되었을 때, 전지셀의 열폭주 현상이 발생할 수 있다. 전지셀이 열폭주 상태가 되면 전지셀의 온도는 가스 벤팅이 일어나는 온도인 약 260 ℃까지 올라갈 수 있다. 또한, 가스 벤팅이 일어나는 동안에도 전지셀의 온도는 계속 상승할 수 있다.

복수의 전지셀을 전지팩 케이스에 수용하여 전지팩을 제조하는 경우, 하나의 전지셀이 열폭주 상태가 되면, 고열 및 화염은 인접하는 전지셀로 전달되어 인접하는 전지셀도 과열되고 열폭주 상태가 될 수 있다. 다시, 열폭주 상태가 된 전지셀은 인접하는 전지셀을 가열하여 열폭주가 일어나는 연쇄 반응이 일어날 수 있다. 따라서, 열폭주된 전지셀이 전지팩 케이스 내에 발생하면, 복수의 전지셀들의 열폭주를 초래하고, 이는 보다 광범위하게 번질 수 있기 때문에 큰 손해를 일으킬 수 있다. 이와 같이 복수의 전지셀들이 열폭주 상태가 되면 약 1,000 ℃ 이상의 온도에 도달할 수 있으며, 이는 전지셀이 전소될 때까지 지속되는 바, 사용자가 위험한 상황에 처하게 될 수 있다.

따라서, 발화된 전지셀의 화염 및 고열이 인접하는 전지셀로 번지기 전에 발화된 전지셀을 소화시키는 것이 매우 중요한 문제이다.

이에, 본원발명에 따른 전지팩은, 전지모듈 하우징(110, 111)의 상부와 인접한 위치에 냉각수를 담고 있는 워터탱크(200)를 구비하고, 상기 냉각수가 흘러나오는 관통구를 용융점이 낮은 밀봉부재가 밀봉하고 있는 바, 발화된 전지셀에 의해 밀봉부재(220)가 용융되면 관통구(230)가 개방된다. 따라서, 상기 관통구를 통해 워터탱크(200) 내부에 수용된 냉각수가 전지셀(120)로 직접 투입된다. 이와 같은 과정에 의해, 과열 또는 발화된 파우치형 전지셀을 빠르게 소화 내지 냉각시킴으로써 열 폭주가 확대되는 것을 신속하게 방지할 수 있는 바, 외부에 있는 주수시설을 이용하여 전지셀의 화염을 진화하는데 필요한 시간을 확보할 수 있다.

또한, 본원발명의 전지팩이 전기자동차와 같이 사용자와 밀접하게 장착되더라도, 전지셀의 화염을 빠르게 진압할 수 있는 바, 사용자의 안전성을 확보할 수 있다.

워터탱크(200)에 형성된 관통구(230)는, 워터탱크 일면에 복수의 구멍들이 균일하게 분산된 형태로 이루어질 수 있는 바, 어떤 전지셀에서 발화가 일어나더라도 이와 인접하게 위치하는 밀봉부재가 용융될 수 있다. 따라서, 어떤 위치에 있는 전지셀이 발화되더라도, 전지셀의 위치에 상관없이 발화된 전지셀에 대한 직접적인 냉각수의 주입이 이루어질 수 있다. 즉, 워터탱크에 형성된 관통구의 개수는 전지모듈 하우징의 크기와 개수, 상기 전지모듈 하우징에 배치되는 전지셀의 형태, 크기 및 개수 등을 고려하여 설계될 수 있다.

도 6은 제2 실시예에 따른 전지팩의 분해사시도이고, 도 7은 도 6에 도시한 전지팩에서 A-A'선을 따라 절단한 단면도이며, 도 8은 제2 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 화염이 진화되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 전지팩은 복수의 전지셀(120)들을 수용하는 전지모듈 하우징(111), 하나 이상의 전지모듈 하우징(111)들을 수납하는 전지팩 케이스(100), 전지모듈 하우징(111)들의 상부에 위치하는 워터탱크(200), 및 전지모듈 하우징(111)들의 하부에 위치하는 히트싱크(300)를 포함하고, 전지모듈 하우징(111)은 워터탱크(200)와 대면하는 면의 적어도 일부가 개방된 형태로 이루어진다.

복수의 전지셀(120)들은 전체적으로 육면체 구조로 이루어지고 금속 소재로 이루어진 전지케이스에 전극조립체가 수납된 각형 전지셀이며, 양극단자 및 음극단자는 워터탱크(200)와 대면하도록 상면에서 돌출되는 형태일 수 있다. 각형 전지셀들은 상대적으로 면적이 넓은 측면들이 인접하게 적층되도록 밀착되어 배치될 수 있다.

또한, 워터탱크(200)는 복수의 전지모듈 하우징들과 대면하는 일면에 관통구가 형성되고, 상기 관통구에는 용융점이 낮은 소재로 이루어진 밀봉부재(220)가 부가되어 있는 바, 전지셀의 발화시 밀봉부재가 용융되면서 상기 관통구가 개방되고, 상기 관통구를 통해 워터탱크 내부에 수용된 냉각수가 전지셀(120)로 직접 투입될 수 있다.

이 외에, 상기 제2실시예에 따른 전지팩에 대한 설명은 상기 제1실시예에 따른 전지팩에 대한 설명을 동일하게 적용할 수 있다. 또한, 제1실시예와 제2실시예의 구성요소 가운데 그 대상이 동일한 범위에서 동일한 도면부호가 적용된다.

도 9는 제3 실시예에 따른 전지팩의 분해사시도이고, 도 10은 도 9에 도시한 전지팩에서 A-A'선을 따라 절단한 단면도이며, 도 11은 제3 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 화염이 진화되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 전지팩은 복수의 전지셀(120)들을 수용하는 전지모듈 하우징(111), 하나 이상의 전지모듈 하우징(111)들을 수납하는 전지팩 케이스(100), 전지모듈 하우징(111)들의 상부에 위치하는 워터탱크(200), 및 전지모듈 하우징(111)들의 하부에 위치하는 히트싱크(300)를 포함하고, 전지모듈 하우징(111)은 워터탱크(200)와 대면하는 면의 적어도 일부가 개방된 형태로 이루어진다.

복수의 전지셀(120)들은 전체적으로 원통형 구조로 이루어지고 금속 소재로 이루어진 전지케이스에 전극조립체가 수납된 원통형 전지셀이며, 양극단자가 워터탱크(200)와 대면하도록 상향 돌출되는 형태로 배치될 수 있다.

이 외에, 상기 제3실시예에 따른 전지팩에 대한 설명은 상기 제1실시예에 따른 전지팩에 대한 설명을 동일하게 적용할 수 있다. 또한, 제1실시예와 제3실시예의 구성요소 가운데 그 대상이 동일한 범위에서 동일한 도면부호가 적용된다.

본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

100: 전지팩 케이스
101: 격벽
110, 111: 전지모듈 하우징
120, 120': 전지셀
121: 전극단자
130: 개구
140: 금속 스트랩
200: 워터탱크
220: 밀봉부재
225: 연장부
230: 관통구
300: 히트싱크
310: 유로

Claims

복수의 전지셀들을 수용하는 전지모듈 하우징;
하나 이상의 상기 전지모듈 하우징들을 수납하는 전지팩 케이스;
상기 전지모듈 하우징들의 상부에 위치하는 워터탱크; 및
상기 전지모듈 하우징들의 하부에 위치하는 히트싱크;
를 포함하고,
상기 전지모듈 하우징은 상기 워터탱크와 대면하는 면의 적어도 일부가 개방된 형태로 이루어진 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 히트싱크 내부에는 유입 및 배출되는 냉각수의 흐름을 가이드하기 위한 유로가 형성되어 있는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 워터탱크는 상기 전지모듈 하우징들 전체의 상면을 덮는 크기로 이루어진 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 워터탱크는 상기 전지팩 케이스의 상면 내측면에 부착된 형태인 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지팩 케이스는 상부가 개방된 형태이고,
상기 워터탱크는 개방된 상기 전지팩 케이스의 상면을 덮는 형태로 상기 전지팩 케이스와 결합하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은, 상기 복수의 전지셀들로 구성되는 전지셀 스택의 양쪽 측면 각각에 배치하는 판 형태인 전지팩.
제 6 항에 있어서, 상기 전지셀 스택의 상면과 하면 각각에는, 상기 복수의 전지셀들을 고정하기 위한 금속 스트랩이 부가되어 있는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은, 상기 복수의 전지셀들로 구성되는 전지셀 스택에서 전극단자가 돌출되는 양방향을 제외한 외면들을 감싸는 구조로 이루어지고,
상기 워터탱크와 대면하는 상기 전지모듈 하우징의 일측면에는 개구가 형성되어 있는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 워터탱크는, 상기 전지모듈 하우징과 대면하는 일면에 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가되어 있는 전지팩.
제 9 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 전지셀에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어진 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 밀봉부재의 용융에 의해 상기 관통구가 개방되고,
상기 관통구를 통해 상기 워터탱크 내부에 수용된 냉각수가 상기 전지셀로 투입되는 전지팩.
제 9 항에 있어서, 상기 관통구는, 상기 워터탱크 일면에 복수의 구멍들이 균일하게 분산된 형태로 형성되어 있는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 하우징들 사이에는 격벽이 부가되어 있는 전지팩.
제 9 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 관통구를 채우고 있으며, 상기 워터탱크의 외측면에서 상기 관통구의 둘레보다 외측으로 더 연장된 연장부를 포함하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀, 각형 전지셀 또는 원통형 전지셀인 전지팩.