KR20220072887A - 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 스택, 상기 전지셀 스택의 외면 중 전극단자가 돌출되는 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징, 상기 전지셀 또는 전지모듈 하우징에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크, 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스를 포함하고, 상기 전지팩 케이스는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부를 포함하는 전지팩에 대한 것으로서, 전지셀의 발화시 신속하고 정확하게 발화된 전지셀의 화염이 퍼지는 것을 방지할 수 있다.
Description
본원 발명은 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩에 대한 것이다. 구체적으로, 전지팩 내부에 있는 전지셀에서 발화된 화염이 확산되는 것을 방지하기 위하여, 발화된 전지셀 또는 상기 발화된 전지셀을 포함하는 전지모듈 하우징에 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.
특허문헌 1은 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 1은 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.
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.
본원 발명은 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 위하여, 본 발명에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 스택, 상기 전지셀 스택의 전장 방향 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징, 상기 전지셀 또는 전지모듈 하우징에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크, 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스를 포함하고, 상기 전지팩 케이스는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부, 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지셀 스택은, 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 평행한 상태가 되도록 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지셀 스택은, 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 워터탱크는 제1워터탱크와 제2워터탱크를 포함하고, 상기 팩케이스 공간부는 제1워터탱크를 포함하며 상기 크로스빔은 제2워터탱크를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 제1면과 대면하는 상기 팩케이스 공간부의 일측면과, 상기 제2면과 대면하는 상기 크로스빔의 일측면에 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에 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 분사될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 관통구는 복수의 구멍들이 균일하게 분산된 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 제1면과 제2면은 적어도 일부 또는 전체가 개방된 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지셀 스택과 상기 팩케이스 공간부 사이, 또는 상기 전지셀 스택과 상기 크로스빔 사이에 이격 공간이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 제1면과 제2면에 금속 밴드가 부가될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 전지모듈 하우징의 제1면 및 제2면 각각에는 엔드 커버가 부가되어 있고, 상기 엔드 커버에는 개구가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩에 있어서, 상기 제1면과 제2면에는 엔드 커버가 부가되어 있고, 상기 전지모듈 하우징은 상기 엔드 커버에 의해 밀폐된 형태일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지팩은 내부에 워터탱크를 구비함으로써 전지팩의 외형을 증가시키지 않으면서 발화된 전지셀을 빠르게 냉각시킬 수 있는 바, 전지셀의 열 폭주 현상을 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 밀폐된 형태의 전지모듈 하우징을 포함하는 경우에는, 발화된 전지셀을 포함하는 전지모듈 하우징의 외면에 냉각수의 공급이 가능한 바, 이웃하는 전지모듈로 높은 열에너지가 전달되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 크로스빔과 팩케이스 공간부에 냉각수를 수용하고, 이들의 일측면에는 관통구가 형성되며, 밀봉부재가 상기 관통구를 채우는 형태로 워터탱크를 구비하는 바, 상기 밀봉부재의 부가로 인해 전지팩의 전체적인 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 물로 냉각수를 사용하는 경우 생산원가를 절감할 수 있다.
전지팩의 구조적 안전성을 위해 사용되는 크로스빔의 내부 공간을 워터탱크로 활용하기 때문에, 공간 활용성이 향상된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 B부분의 확대도로서, 제1 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 4는 도 3의 B부분의 확대도로서, 제2 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 6은 제4 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 7은 도 5의 B부분의 확대도로서, 제3 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 제5 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 9는 제6 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 10은 도 8의 B부분의 확대도로서, 제5 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 제7 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 12는 도 11의 B부분의 확대도로서, 제7 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13은 제8 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 14는 도 13의 B부분의 확대도로서, 제8 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 도 1의 B부분의 확대도로서, 제1 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 4는 도 3의 B부분의 확대도로서, 제2 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 6은 제4 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 7은 도 5의 B부분의 확대도로서, 제3 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 제5 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 9는 제6 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 10은 도 8의 B부분의 확대도로서, 제5 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 제7 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 12는 도 11의 B부분의 확대도로서, 제7 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13은 제8 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이다.
도 14는 도 13의 B부분의 확대도로서, 제8 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 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.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의부분 사시도이고, 도 2는 도 1의 B부분의 확대도로서, 제1 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택, 전지셀 스택의 전장 방향(L) 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징(101), 전지셀(130)에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(200) 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스(100)를 포함하고, 전지팩 케이스(100)는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부(110), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)(120)을 포함한다.
도 1 및 도 2의 전지셀(130)은 양극리드 및 음극리드가 서로 반대 방향으로 돌출되는 양방향 파우치형 전지셀일 수 있고, 또는, 양극리드와 음극리드가 동일한 방향으로 돌출되는 단방향 파우치형 전지셀일 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 전지셀에서 전극리드(131)가 서로 다른 방향으로 돌출되는 양방향 전지셀로 도시되더라도, 본원발명에 포함되는 파우치형 전지셀의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전지셀 스택을 구성하는 복수의 전지셀(130)들은, 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 평행한 상태가 되도록 적층되어 있다.
도 1에 도시된 전지팩은 2행 4열로 8개의 전지모듈(140)을 수용할 수 있는 형태이며, 전지모듈 1행과 전지모듈 2행 사이에는 크로스빔(120)이 배치되어 전지팩 케이스의 구조적인 안전성을 보강하고 있다.
그러나, 본원발명에 포함되는 전지팩에서, 전지모듈의 개수나 위치는 도 1에 도시된 형태 및 개수로 한정되지 않으며, 소망하는 전지팩의 용량 및 출력량을 고려하여 자유롭게 설계 변경이 가능하다.
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 다른 인접하는 전지셀을 가열함으로써 열폭주의 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, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈 하우징의 제1면과 제2면의 적어도 일부 또는 전체가 개방된 형태일 수 있으며, 구체적으로, 상기 전지셀 스택과 상기 팩케이스 공간부 사이, 또는 상기 전지셀 스택과 상기 크로스빔 사이에 이격 공간이 형성되는 형태일 수 있다.
상기 제1면 및 제2면과 인접한 위치에 냉각수를 담고 있는 워터탱크를 구비하며, 상기 냉각수가 흘러나오는 관통구를 용융점이 낮은 밀봉부재가 밀봉한다. 따라서, 전지셀이 발화되면 이와 인접한 밀봉부재가 용융되면서 관통구가 개방되고, 상기 관통구를 통해 워터탱크 내부에 수용된 냉각수가 발화된 전지셀을 향해 투입된다.
이와 같은 과정에 의해, 과열 또는 발화된 파우치형 전지셀을 빠르게 소화 내지 냉각시킴으로써 열 폭주가 확대되는 것을 신속하게 방지할 수 바, 외부에 있는 주수시설을 이용하여 전지셀의 화염을 진화하는데 필요한 시간을 확보할 수 있다.
또한, 본원발명의 전지팩이 전기자동차와 같이 사용자와 밀접한 위치에 장착되더라도, 전지셀의 화염을 빠르게 진압할 수 있는 바, 사용자의 안전성을 확보할 수 있다.
구체적으로, 워터탱크(200)는 제1워터탱크와 제2워터탱크를 포함하고, 팩케이스 공간부(110)는 제1워터탱크를 포함하며, 크로스빔(120)은 제2워터탱크를 포함한다.
예를 들어, 팩케이스 공간부 내부의 별도로 구획된 공간에 제1워터탱크가 구비되고, 크로스빔 내부의 별도로 구획된 공간에 제2워터탱크가 구비될 수 있다.
또는, 팩케이스 공간부 내부에 냉각수를 구비하여 상기 팩케이스 공간부 자체가 제1워터탱크로 기능할 수 있으며, 크로스빔 내부에 냉각수를 구비하여 상기 크로스빔 자체가 제2워터탱크로 기능할 수 있다.
상기 제1면과 대면하는 팩케이스 공간부(110)의 일측면과, 상기 제2면과 대면하는 크로스빔(120)의 일측면에 관통구(220)가 형성되어 있고, 관통구(220)에 밀봉부재(210)가 부가되어 관통구(220)를 밀봉하고 있다. 밀봉부재(210)는 전지셀(130)에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어진다. 즉, 전지셀(130)이 정상 상태일 때는 밀봉부재(210)가 관통구를 밀봉한 상태가 유지되지만, 전지셀(130')과 같이 발화된 전지셀의 온도가 밀봉부재(210)의 용융 온도보다 증가하면 밀봉부재(210)가 용융되어 관통구(230)가 개방된다. 따라서, 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(220)가 개방될 때, 발화된 전지셀을 향해 강한 압력으로 분사될 수 있다.
이 때, 발화된 전지셀(130')과 인접하지 않은 밀봉부재(210)는 용융되지 않고 형태가 유지될 수 있는 바, 밀봉부재가 제거된 관통구(220)에서만 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.
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.
상기 관통구(220)는 복수의 구멍들이 균일하게 분산된 형태로 이루어질 수 있는 바, 어떤 전지셀에서 발화가 일어나더라도 이와 인접하게 위치하는 밀봉부재가 용융될 수 있다.
상기 관통구의 크기는 하나의 전지셀의 두께와 대응되는 크기로 이루어질 수 있는 바, 밀봉부재가 제거되어 상기 관통구가 개방되는 경우, 한 개의 전지셀에 대한 냉각수의 분사가 이루어질 수 있다. 또는, 상기 관통구의 크기는 복수의 전지셀들의 두께의 합과 대응되는 크기로 이루어질 수 있다. 따라서, 밀봉부재가 제거되어 상기 관통구가 개방되는 경우, 복수의 전지셀에 대한 냉각수의 분사가 이루어질 수 있다.
상기 관통구의 형태는 원형, 다각형, 슬릿형, 또는 격자 형태로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 어떤 위치에 있는 전지셀이 발화되더라도, 전지셀의 위치에 상관없이 발화된 전지셀에 대해 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 3은 제2 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이고, 도 4는 도 3의 B부분의 확대도로서, 제2 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택, 전지셀 스택의 전장 방향(L) 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징(101), 전지셀(130)에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(200) 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스(100)를 포함하고, 전지팩 케이스(100)는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부(110), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)(120)을 포함한다.
도 3의 전지셀(130)은 양극리드 및 음극리드가 서로 반대 방향으로 돌출되는 양방향 파우치형 전지셀일 수 있고, 또는, 양극리드와 음극리드가 동일한 방향으로 돌출되는 단방향 파우치형 전지셀일 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 전지셀에서 전극리드(131)가 서로 다른 방향으로 돌출되는 양방향 전지셀로 도시되더라도, 본원발명에 포함되는 파우치형 전지셀의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전지셀 스택을 구성하는 복수의 전지셀(130)들은, 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 적층되어 있다.
즉, 제1 실시예에 따른 전지팩과 제2 실시예에 따른 전지팩을 비교할 때, 제2 실시예에 따른 전지팩은 전극조립체 수납부 바닥이 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 전지셀 스택이 배치된 형태인 점만 차이가 있다.
따라서, 전지셀 스택의 배치 방향을 제외한 제1 실시예에 따른 전지팩에 대한 설명은 상기 제2 실시예에 따른 전지팩에 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 제1 실시예와 제2 실시예의 구성요소 가운데 그 대상이 동일한 범위라면 동일한 도면부호가 적용될 수 있다.
도 5는 제3 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이고, 도 6은 제4 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이며, 도 7은 도 5의 B부분의 확대도로서, 제3 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 제3 실시예에 따른 전지팩과 도 6에 도시된 제4 실시예에 따른 전지팩은 복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택, 전지셀 스택의 전장 방향(L) 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징(101), 전지셀(130)에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(200) 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스(100)를 포함하고, 전지팩 케이스(100)는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부(110), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)(120)을 포함한다.
제3 실시예에 따른 전지팩은 전지모듈 하우징(101)의 제1면과 제2면에 금속 밴드(150)가 부가되어 있는 점을 제외하고, 상기 제1 실시예에 따른 전지팩과 동일한 구성으로 이루어진다.
제3 실시예에 따른 전지팩에서, 금속 밴드(150)는 일정한 이격 간격을 두고 제1면과 제2면에 부착되어 있는 바, 상기 이격 간격을 통해 전지셀들이 노출될 수 있다.
도 6에 도시된 제4 실시예에 따른 전지팩은 전지모듈 하우징(101)의 제1면과 제2면 각각에 엔드 커버(160)가 부가되어 있고, 엔드 커버(160)에는 개구(161)가 형성되어 있는 점을 제외하고, 상기 제1 실시예에 따른 전지팩과 동일한 구성으로 이루어진다.
제4 실시예에 따른 전지팩에서 엔드 커버(160)에 형성된 개구(161)를 통해 전지셀들이 노출된다.
따라서, 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 전지팩은, 전지셀의 발화로 인해 인접하는 워터탱크의 밀봉부재가 용융되어 관통구가 개방되는 경우, 전지셀을 향해 냉각수의 직접 분사가 이루어질 수 있다.
또한, 밀봉부재가 개방되어 분사되는 냉각수가 전지셀로 직접 분사될 수 있도록, 제3 실시예에 따른 전지팩에서 금속 밴드와 금속 밴드 사이에 형성되는 이격 간격은 밀봉부재와 대면하는 위치에 형성되고, 제4 실시예에 따른 전지팩에서 엔드 커버의 개구는 밀봉부재와 대면하는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
제3 실시예에 따른 전지팩과 같이 전지모듈 하우징의 제1면 및 제2면에 금속 밴드가 부가되는 경우, 및 제4 실시예에 따른 전지팩과 같이 전지모듈 하우징의 제1면 및 제2면에 개구가 형성된 엔드 커버가 부가되는 경우에는 엔드 커버가 부가되는 것보다 전지모듈 및 전지팩의 무게를 경량화할 수 있으며, 전지셀 발화시 엔드 커버에 의해 열이 차단되지 않고, 밀봉부재까지 열에너지가 이동하는 거리를 단축시킬 수 있다. 따라서 밀봉부재를 빠르게 용융시킬 수 있으며, 냉각수가 직접 전지셀로 주입될 수 있다.
상기 제3 실시예에 따른 금속 밴드의 두께 및 개수는 설정에 따라 다양한 두께 및 개수로 설계 및 변경으로 가능하며, 상기 금속 밴드가 전지모듈 하우징을 완전히 감싸는 형태로 사용하는 경우, 전지셀의 충방전에 의해 전지셀 스택이 팽창하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제4 실시예와 같이 개구가 형성된 엔드 커버에서 상기 개구의 크기는 한 개의 전지셀과 대응되는 크기로 이루어지거나, 또는 복수의 전지셀들과 대응되는 크기로 이루어질 수 있다.
상기 개구는 동그라미, 타원형, 다각형, 또는 슬릿 형태일 수 있고, 또는 격자 무늬 형태로 이루어진 엔드 커버가 적용될 수 있다.
상기 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 전지팩에 대한 설명은, 전지모듈 하우징의 제1면 및 제2면에 금속 밴드 또는 개구가 형성된 엔드 커버가 부가된 점을 제외하고, 상기 제1 실시예에 따른 전지팩의 설명을 동일하게 적용할 수 있다. 또한, 제3 실시예와 제4 실시예의 구성요소 가운데 그 대상이 동일한 범위라면 동일한 도면부호가 적용될 수 있다.
한편, 도 7은 제1면과 제2면에 금속 밴드가 부가된 제3 실시예에 따른 전지팩을 도시하고 있으나, 도 7의 금속 밴드(150) 위치에 개구(161)가 형성된 엔드 커버(160)가 배치되는 경우, 제4 실시예에 따른 전지팩의 수직 단면도와 동일한 형태가 될 수 있다.
도 8은 제5 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이고, 도 9는 제6 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이며, 도 10은 도 8의 B부분의 확대도로서, 제5 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 도 8에 도시된 제5 실시예에 따른 전지팩과 도 9에 도시된 제6 실시예에 따른 전지팩은 복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택, 전지셀 스택의 전장 방향(L) 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징(101), 전지셀(130)에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(200) 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스(100)를 포함하고, 전지팩 케이스(100)는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부(110), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)(120)을 포함한다.
제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 전지팩은 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 적층되어 있다.
즉, 도 8에 도시된 제5 실시예에 따른 전지팩과 도 5에 도시된 제3 실시예에 따른 전지팩, 및 도 9에 도시된 제6 실시예에 따른 전지팩과 도 6에 도시된 제4 실시예에 따른 전지팩과 비교할 때, 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 전지팩은 전극조립체 수납부 바닥이 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 전지셀 스택이 배치된 형태인 점을 제외하고는, 제3 실시예 및 제4 실시예의 전지팩과 동일한 구성으로 이루어진다.
따라서, 전지셀 스택의 배치 방향을 제외한 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 전지팩에 대한 설명은 상기 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 전지팩과 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 제3 실시예 및 제4 실시예의 구성요소 가운데 그 대상이 동일한 범위라면, 동일한 도면부호가 적용될 수 있다.
한편, 도 10은 제1면과 제2면에 금속 밴드가 부가된 제5 실시예에 따른 전지팩을 도시하고 있으나, 도 10의 금속 밴드(150) 위치에 개구(161)가 형성된 엔드 커버(160)가 배치되는 경우, 제6 실시예에 따른 전지팩의 수직 단면도와 동일한 형태가 될 수 있다.
도 11은 제7 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이고, 도 12는 도 11의 B부분의 확대도로서, 제7 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 제7 실시예에 따른 전지팩은 복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택, 전지셀 스택의 전장 방향(L) 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징(101), 전지모듈 하우징(101)에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(200) 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스(100)를 포함하고, 전지팩 케이스(100)는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부(110), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)(120)을 포함한다.
도 11 및 도 12의 전지셀(130)은 양극리드 및 음극리드가 서로 반대 방향으로 돌출되는 양방향 파우치형 전지셀일 수 있고, 또는, 양극리드와 음극리드가 동일한 방향으로 돌출되는 단방향 파우치형 전지셀일 수 있다. 따라서, 도 11에 도시된 전지셀에서 전극리드(131)가 서로 다른 방향으로 돌출되는 양방향 전지셀로 도시되더라도, 본원발명에 포함되는 파우치형 전지셀의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전지셀 스택을 구성하는 복수의 전지셀(130)들은, 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 평행한 상태가 되도록 적층되어 있다.
복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택의 외면을 감싸는 전지모듈 하우징에서, 전극단자(131)가 돌출되는 제1면과 제2면에는 엔드 커버(170)가 부가되어 있으며, 엔드 커버(170)는 별도의 개구가 형성되지 않은 형태인 바, 전지모듈 하우징은 엔드 커버(170)에 의해 밀폐된 형태이다.
따라서, 발화에 의해 전지셀(130')의 온도가 증가하면 인접하는 팩케이스 공간부(110)와 크로스빔(120)으로 열이 전달되는 바, 발화된 전지셀(130')과 인접하는 밀봉부재(210)가 용융되어 워터탱크(200)의 관통구(220)가 개방될 수 있다. 그러나, 전지모듈 하우징(101)이 엔드 커버(170)에 의해 밀폐된 형태이기 때문에, 팩케이스 공간부(110)에 포함된 제1워터탱크(200)와 크로스빔(120)에 포함된 제2워터탱크(200)에서 냉각수가 분사되더라도 전지셀(130)에 직접 분사될 수가 없고 전지모듈 하우징(101)의 외면에만 냉각수가 분사될 수 있다.
즉, 이와 같이 밀폐된 전지모듈 하우징(101)을 사용하는 경우에는, 워터탱크에서 분사된 냉각수는 전지모듈 하우징(101)의 외면으로 분사되기 때문에, 인접하는 전지모듈로 열확산이 되는 것을 방지 내지 지연시키는 효과를 발휘할 수 있다.
제7 실시예에 따른 전지팩과 제1실시예에 따른 전지팩을 비교할 때, 제7 실시예에 따른 전지팩은 전지모듈 하우징의 제1면과 제2면에 엔드 커버가 부가되어 전지모듈이 밀봉된 형태인 점에만 차이가 있다.
이에, 제7 실시예에 따른 전지팩은 워터탱크가 개방되는 경우 전지모듈 하우징의 외면으로 냉각수가 분사되는 반면, 제1실시예에 따른 전지팩은 워터탱크에서 분사된 냉각수가 전지셀로 직접 분사된다.
따라서, 워터탱크, 밀봉부재, 관통구 등에 대한 설명은 제1 실시예에서 설명한 내용을 제7 실시예에도 동일하게 적용할 수 있다. 또한, 제1 실시예와 제7 실시예의 구성요소 가운데 그 대상이 동일한 범위라면 동일한 도면부호가 적용될 수 있다.
도 13은 제8 실시예에 따른 전지팩의 사시도와 단면도 및 전지모듈의 부분 사시도이고, 도 14는 도 13의 B부분의 확대도로서, 제8 실시예에 따른 전지팩에서 발화 발생시 열확산이 억제되는 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 제8 실시예에 따른 전지팩은 복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택, 전지셀 스택의 전장 방향(L) 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징(101), 전지셀(130)에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(200) 및 복수의 전지모듈 하우징을 수용하는 전지팩 케이스(100)를 포함하고, 전지팩 케이스(100)는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부(110), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)(120)을 포함한다.
제8 실시예에 따른 전지팩은 전극조립체 수납부 바닥이 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 전지셀 스택이 배치된 형태이다.
즉, 제8 실시예에 따른 전지팩과 제7 실시예에 따른 전지팩을 비교할 때, 제8 실시예에 따른 전지팩은 전극조립체 수납부 바닥이 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 전지셀 스택이 배치된 형태인 점만 차이가 있다.
따라서, 전지셀 스택의 배치 방향을 제외한 제7 실시예에 따른 전지팩에 대한 설명, 및 상기 제7 실시예에 따른 전지팩에서 인용하는 제1 실시예에 따른 전지팩에 대한 설명은 제8 실시예에 따른 전지팩에 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 제7 실시예와 제8 실시예의 구성요소 가운데 그 대상이 동일한 범위라면 동일한 도면부호가 적용될 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 전지팩 케이스
101: 전지모듈 하우징
110: 펙케이스 공간부
120: 크로스빔
130, 130': 전지셀
131: 전극단자
140: 전지모듈
150: 금속 밴드
160, 170: 엔드 커버
161: 개구
200: 워터탱크
210: 밀봉부재
220: 관통구
101: 전지모듈 하우징
110: 펙케이스 공간부
120: 크로스빔
130, 130': 전지셀
131: 전극단자
140: 전지모듈
150: 금속 밴드
160, 170: 엔드 커버
161: 개구
200: 워터탱크
210: 밀봉부재
220: 관통구
Claims (13)
- 복수의 전지셀(130)들이 적층된 전지셀 스택;
상기 전지셀 스택의 전장 방향 양측 끝단면인 제1면과 제2면을 제외한 나머지 외면을 감싸는 전지모듈 하우징(101);
상기 전지셀(130) 또는 전지모듈 하우징(101)에 냉각수를 공급하기 위한 워터탱크(200) 및
복수의 전지모듈 하우징(101)을 수용하는 전지팩 케이스(100);
를 포함하고,
상기 전지팩 케이스(100)는, 상기 제1면에 인접하게 위치하는 팩케이스 공간부(110), 및 상기 제2면에 인접하게 위치하는 크로스빔(crossbeam)(120)을 포함하는 전지팩. - 제 1 항에 있어서,
상기 전지셀 스택은, 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 평행한 상태가 되도록 적층되어 있는 전지팩. - 제 1 항에 있어서,
상기 전지셀 스택은, 전극조립체 수납부 바닥이 상기 전지팩 케이스의 하면과 수직인 상태가 되도록 적층되어 있는 전지팩. - 제 1 항에 있어서, 상기 워터탱크는 제1워터탱크와 제2워터탱크를 포함하고,
상기 팩케이스 공간부는 제1워터탱크를 포함하며 상기 크로스빔은 제2워터탱크를 포함하는 전지팩. - 제 1 항에 있어서, 상기 제1면과 대면하는 상기 팩케이스 공간부의 일측면과, 상기 제2면과 대면하는 상기 크로스빔의 일측면에 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에 밀봉부재가 부가되어 있는 전지팩.
- 제 5 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 전지셀에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어진 전지팩.
- 제 6 항에 있어서, 상기 밀봉부재의 용융에 의해 상기 관통구가 개방되고,
상기 관통구를 통해 상기 워터탱크 내부에 수용된 냉각수가 분사되는 전지팩. - 제 5 항에 있어서, 상기 관통구는 복수의 구멍들이 균일하게 분산된 형태로 형성되어 있는 전지팩.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제1면과 제2면은 적어도 일부 또는 전체가 개방된 형태로 이루어진 전지팩.
- 제 9 항에 있어서, 상기 전지셀 스택과 상기 팩케이스 공간부 사이, 또는 상기 전지셀 스택과 상기 크로스빔 사이에 이격 공간이 형성되는 전지팩.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제1면과 제2면에 금속 밴드가 부가되어 있는 전지팩.
- 제 9 항에 있어서, 상기 전지모듈 하우징의 제1면 및 제2면 각각에는 엔드 커버가 부가되어 있고, 상기 엔드 커버에는 개구가 형성되어 있는 전지팩.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제1면과 제2면에는 엔드 커버가 부가되어 있고, 상기 전지모듈 하우징은 상기 엔드 커버에 의해 밀폐된 형태인 전지팩.
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