KR20230077973A - 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재는, 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하고, 상부판, 하부판, 상기 상부판과 상기 하부판 사이의 내부 공간에 내장된 냉각수를 포함하고, 상기 하부판은 개구부를 포함하고, 상기 하부판의 상면은, 상기 하부판의 커버 필름에 의해 커버되고, 상기 커버 필름의 외곽 형상은 상기 하부판의 외곽 형상과 실질적으로 동일하며, 상기 커버 필름은 상기 하부판 보다 융점이 낮은 소재로 제조되고, 상기 커버 필름은 소정의 온도 이상에서 용융됨으로써 상기 하부판의 개구부를 개방한다.

Description

냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩{COOLING MEMBER, AND BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 연쇄적인 열폭주 현상을 방지하기 위한 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.
한편, 소형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우, 주로 2-3개의 전지셀들이 사용되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우에는 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈(Battery module)이 사용된다. 중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다.
한편, 전지 모듈에 장착된 전지셀은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킬 수 있으며, 과충전 등의 이유로 그 온도가 적정 온도보다 높아지는 경우 성능이 저하될 수 있고, 온도 상승이 과도한 경우 폭발 또는 발화될 위험이 있다. 전지 모듈의 내부에서 발화 현상이 발생하면, 전지 모듈 외부로 고온의 열, 가스 또는 화염이 방출될 수 있는데, 이 때 하나의 전지 모듈로부터 방출된 열, 가스, 스파크 또는 화염 등은 전지 팩 내에서 좁은 간격을 두고 인접한 다른 전지 모듈로 전달될 수 있고, 이에 따라 전지 팩 내에서 연속적인 열폭주 현상이 발생할 수 있다.
이러한 열폭주 현상을 방지하기 위해서 종래의 전지 모듈에는 전지 모듈 내에 화재 발생이 확인되면 노즐 등을 통해 냉각수를 주입함으로써 화재를 진압하는 주수 시스템 적용되기도 하였다. 그러나, 전지 모듈 또는 전지 팩의 외부에 배치된 탱크로부터 냉각수 등을 주입하는 것은, 화재 발생여부 확인, 냉각수 주입여부 결정 및 냉각수 전달과 같은 복수의 단계들을 거치게 되므로, 화재를 진압하기에 적절한 타이밍을 맞추기 어려웠다.
따라서, 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 발화 시, 적시 적소에 냉각수가 투입됨으로써 열폭주 현상을 신속하게 진압할 수 있는 새로운 기술이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 발화 시, 적시 적소에 냉각수를 투입할 수 있는 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재는 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하고, 다수의 개구부가 형성된 하부판, 냉각수의 유로를 제공하는 냉각 튜브, 및 상기 하부판과 상기 냉각 튜브를 고정하는 고정 부재를 포함하고, 상기 냉각 튜브에는 적어도 하나의 냉각 호스가 장착되고, 상기 냉각 호스는 소정의 온도 또는 압력 이상에서 용융되거나 파단된다.
상기 냉각 호스는 상기 하부판의 개구와 대응되도록 위치할 수 있다.
상기 냉각 호스는 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 냉각 호스는 300 ℃ 이하의 용융점을 가지는 소재로 제조될 수 있다.
상기 냉각 튜브에는 상기 냉각 호스를 수용하기 위한 수용부가 구비될 수 있다.
상기 냉각 호스의 길이 방향상 양 말단은 상기 수용부의 길이 방향상 양 말단과 각각 연결될 수 있다.
상기 하부판의 중앙에는 상기 냉각 부재의 길이 방향상 연장되는 둔턱이 형성되고, 상기 냉각 튜브는 상기 하부판에서 상기 둔턱이 형성되지 않은 위치에 장착될 수 있다.
상기 고정 부재는 스트랩의 형태로 제공되며, 상기 냉각 부재의 폭 방향과 평행하게 위치할 수 있다.
상기 고정 부재는 상기 하부판의 폭 방향상 양 말단과 결합하는 말단 결합부 및 상기 하부판의 폭 방향상 중앙과 결합하는 중앙 결합부를 포함할 수 있다.
상기 말단 결합부 및 상기 중앙 결합부는 상기 고정 부재의 다른 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 냉각 부재는 내부 공간에 냉각수를 주입하기 위한 인렛 포트 및 아울렛 포트를 더 포함하고, 상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트는 외부의 열교환기와 연결되며, 상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트를 통해 상기 냉각 부재의 냉각수가 순환될 수 있다.
상기 냉각 튜브는 상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트와 각각 대응되는 부분으로 분기된 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈은 상술한 냉각 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩은 상술한 냉각 부재를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 냉각 부재는 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 발화 시 그 일부를 개방하여 적지 적소에 냉각수를 투입함으로써, 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 화재를 신속하게 진압하고, 연속적인 열폭주 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 상면도이다.
도 3은 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판의 상면도이다.
도 4는 도 1의 냉각 부재에 포함된 냉각 튜브의 상면도이다.
도 5는 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판과 냉각 튜브 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다.
도 6은 도 2의 냉각 부재가 A-A 선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 냉각 튜브 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2의 냉각 부재의 A-A 절단면을 도시한 것으로, 전지셀의 발화 시 냉각 호스에 의한 냉각수의 투입을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 특정 부재의 상면/하면은 어느 방향을 기준으로 하느냐에 따라서 상이하게 판단될 수 있으므로, 명세서 전체에서, ‘상면’ 또는 ‘하면’은 해당 부재에서 z축 상 마주보는 두 면을 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재에 대해 설명한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 상면도이다. 도 3은 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판의 상면도이다. 도 4는 도 1의 냉각 부재에 포함된 냉각 튜브의 상면도이다. 도 5는 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판과 냉각 튜브 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다. 도 6은 도 2의 냉각 부재가 A-A 선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 냉각 튜브 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다. 도 7은 도 2의 냉각 부재의 A-A 절단면을 도시한 것으로, 전지셀의 발화 시 냉각 호스에 의한 냉각수의 투입을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 전지셀을 비롯한 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 온도를 낮추기 위해 제공되는 것일 수 있다. 냉각 부재(500)는 냉매 또는 냉각수가 주입되는 수냉식 냉각 부재(500)일 수 있다. 냉각 부재(500)가 수냉식으로 제공됨으로써, 냉각 부재(500)의 냉각 효율은 균일하게 유지될 수 있고, 전지 모듈 또는 전지 팩 내의 전지셀들이 고르게 냉각될 수 있다. 이 때, 냉각 부재(500)에 사용되는 냉각수는 공지된 것들 중 하나 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 냉각 부재(500) 내부에서 유로를 따라 이동함으로써 전지셀들의 열을 방출할 수 있는 것이라면 공지된 것들 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.
냉각 부재(500)는 전지셀의 열을 방출하기 위해 전지셀 적층체의 일면 상에 배치될 수 있다. 냉각 부재(500)는 전지셀 적층체의 다수의 전지셀들과 가까이 위치하도록 전지셀 적층체의 적층 방향과 평행하게 배치될 수 있다. 구체적으로, 냉각 부재(500)는 전지셀 적층체의 상부에 위치할 수 있다.
냉각 부재(500)의 크기는 냉각 부재(500)가 적용되는 전지셀 적층체의 크기에 맞춰질 수 있다. 일 예로, 냉각 부재(500)는 하나의 전지셀 적층체에 대응되도록 제공될 수 있으며, 이 때 냉각 부재(500)의 길이는 상기 전지셀 적층체의 길이에 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성되고, 상기 냉각 부재(500)의 폭은 상기 상기 전지셀 적층체의 폭에 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성될 수 있다. 다른 예로, 냉각 부재(500)는 다수의 전지셀 적층체에 대응되도록 제공될 수 있으며, 이 때 냉각 부재(500)의 길이 및 폭은 다수의 전지셀 적층체의 길이 및 폭과 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500)는 전지 모듈의 내부에 위치할 수 있으나, 전지 모듈의 외부에서 전지 팩의 내측에 위치하는 것도 가능하다.
냉각 부재(500)는 하부판(520), 냉각 부재(500) 내부에 냉각수를 주입하는 인렛/아울렛 포트(530), 하부판(520)의 상면에 장착되고 냉각수를 수용하는 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550) 및 이들을 고정하는 고정 부재(560)를 포함할 수 있다. 도 5를 참조하면, 하부판(520)의 상면에 냉각 튜브(540)가 장착되고, 냉각 튜브(540)의 수용부(548)에 냉각 호스(550)가 장착되며, 고정 부재(560)가 하부판(520)과 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)를 고정함에 따라 냉각 부재(500)가 제조될 수 있다.
본 실시예의 냉각 부재(500)는 상술한 구조를 통해 수밀성을 확보하고 제조 공정을 단순화할 수 있으며, 전지셀 발화 시 적시 적소에 냉각수를 공급할 수 있다.
전지셀에 발화가 발생한 경우 이를 효과적으로 진압하기 위해서는 냉각수와 같은 액체가 전지 모듈 또는 전지 팩 내에 주입되는 것이 효과적일 수 있다. 전지 모듈 또는 전지 팩 내부에 액체 탱크를 구비하는 것은 전지 모듈과 전지 팩의 부피를 증가시키는 문제가 있을 수 있으므로, 종래에는 전지 모듈 및 전지 팩 외부에 별도의 워터 탱크를 구비하고, 센서를 통해 전지셀의 발화가 확인되는 때에만 워터 탱크로부터 연장된 노즐 등을 통해 전지 모듈 또는 전지 팩 내에 냉각수 등을 투입하였다.
그러나, 전지 모듈 및 전지 팩 외부에 구비되는 워터 탱크는 그 부피가 클 뿐 아니라, 사용자가 이를 별도로 관리해야 하는 문제가 있었다. 또, 종래의 주수 시스템은 냉각수 투입여부를 결정하기 위한 별도의 제어부 또는 통신부 등을 구비해야 하고, 이들의 동작에 오류가 발생하지 않아야 하며, 정상적으로 동작하더라도 다수의 판단 과정을 거쳐야 하므로 시간이 많이 소요되었다. 냉각수 투입이 결정된 후라고 하더라도, 워터 탱크로부터 전지 모듈 또는 전지 팩 내부의 전지셀까지 이르는 경로가 다소 긴 경우에는 워터 탱크로부터 전지셀로 냉각수가 신속하게 제공되기 어려우므로 종래의 주수 시스템이 빠르게 진행되는 연속적인 열폭주 현상을 제지하기 힘든 실정이었다. 따라서, 본 실시예에서는 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 발화 시 냉각수가 화재 장소에 즉시 공급될 수 있도록, 냉각 부재(500)의 하부판(520)에 개구를 형성하고, 개구와 대응되도록 냉각 호스(550)를 배치할 수 있다.
위와 유사한 효과를 구현하기 위해, 통상적인 냉각 부재의 하면에 개구를 형성한 후, 소정의 온도 또는 압력 이상에서 용융 또는 파단되는 부재를 채워 넣거나 끼워 넣어 개구를 밀폐할 수도 있다. 그러나, 냉각 부재(500)의 냉각수가 하부판(520)에 직접 접촉하는 종래의 구조에서는 하부판(520)의 개구와 이를 밀폐하는 부재 사이의 틈을 통해 냉각수가 누출될 수 있고, 이에 따라 냉각 부재(500)의 수밀성이 크게 저하될 수 있다. 또한, 물성이 상이한 2개의 소재를 포함하도록 하부판(520)을 제조하는 것은 복잡한 제조 공정이 수반되므로, 제조 시간 및 제조 비용이 증가하는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예의 냉각 부재(500)에서는 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)에 냉각수를 격리함으로써, 하부판(520)의 개구부(522)에 의한 수밀성의 저하를 최소화할 수 있다. 또, 냉각 부재(500)에 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)가 적용됨으로써, 냉각 부재(500)의 제조 공정이 단순화되고, 제조 시간 및 비용이 축소될 수 있다.
도 3을 참조하면, 하부판(520)은 판상형으로 제공될 수 있다. 하부판(520)에는 냉각수가 흐르는 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)가 장착될 수 있다. 하부판(520)은 냉각 튜브(540)등을 지지하기 위해 판상형으로 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
하부판(520)은 적어도 하나의 개구부(522)를 포함할 수 있다. 개구부(522)는 전지셀의 내부 발화 시, 발화로 인해 발생된 열 또는 압력에 의해 내부 냉각수를 전지셀로 분사하기 위한 것일 수 있다. 개구부(522)는 하부판(520)의 단변 또는 장변과 평행한 직선을 따라 복수개로 제공될 수 있으며, 냉각 부재(500)는 복수의 개구부(522)를 구비함으로써 전지 모듈 또는 전지 팩 내의 불특정한 위치에서 발생하는 화재에 대응하여 냉각수를 투입할 수 있다. 이와 관련하여서는 후술하는 도 7을 참조한다.
하부판(520)의 둘레에는 하부판(520)의 일 변으로부터 연장되고, 하부판(520)의 일 모서리를 따라 연속적으로 위치하는 돌출부(524)가 형성될 수 있다. 돌출부(524)는 각 전지셀 적층체의 전극 리드 또는 전극 리드와 연결된 버스바와 접촉하거나, 이와 근접하게 배치될 수 있다. 전지 모듈 또는 전지 팩에서 전기적 연결을 제공하는 전극 리드 또는 버스바는 발열되기 쉬운 구성이므로, 상술한 돌출부가 전극 리드 또는 버스바의 방열을 촉진하면 전지셀의 온도 상승이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
하부판(520)에는 둔턱(526)이 형성될 수 있다. 둔턱(526)은 소정의 구간을 제외하고 냉각 부재(500)의 폭 방향상 중앙에서 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 둔턱(526)에 의해 냉각 튜브(540)가 정위치에 장착될 수 있으며, 고정 부재(560)가 안정적으로 고정될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500)의 폭 방향은 냉각 부재(500)의 단변과 평행한 방향일 수 있다. 또 여기서, 냉각 부재(500)의 길이 방향은 냉각 부재(500)의 장변과 평행한 방향일 수 있다.
하부판(520)은 냉각 부재(500)에서 전지셀과 가장 가까이 위치하는 부분일 수 있다. 하부판(520)은 전지셀의 방열이 촉진되도록 열전도율이 높은 소재로 제공될 수 있다. 냉각 부재(500)의 하부판(520)은 강성이 높은 금속으로 제조될 수 있으며, 그 구체적인 예로는 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등을 들 수 있다.
냉각수는 나란히 위치한 인렛 포트(532)을 통해 공급되어 아울렛 포트(534)로 배출될 수 있다. 인렛 포트(532)와 아울렛 포트(534)는 냉각 부재(500)의 일단부 측에 평행하게 나란히 위치할 수 있다. 이는 전지 모듈 또는 전지 팩의 외부로부터 공급되는 냉각수의 유입 및 배출에 관한 설계를 단순화하기 위한 것일 수 있다. 또, 이는 인렛 포트(532) 주변과 아울렛 포트(534) 주변의 온도 차이를 최소화하기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 인렛 포트(532)로 유입되는 냉각수는 가장 낮은 온도를 가지고, 아울렛 포트(534)로 배출되는 냉각수는 가장 높은 온도를 가질 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(530)가 인접하게 배치되면, 상호간에 열교환이 나타남으로써 냉각 부재의 내부 공간을 흐르는 전체 냉각수의 온도 편차가 최소화될 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(530)를 나란히 배치함으로써 냉각 부재(500)는 전체적으로 균일한 방열 성능을 가질 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 냉각 튜브(540)는 전지셀들의 방열을 위한 냉각수의 유로를 제공할 수 있다. 냉각 튜브(540)의 내부에는 인렛 포트(532)를 통해 주입된 냉각수가 수용될 수 있고, 냉각 튜브(540)에 수용된 냉각수는 아울렛 포트(534)를 통해 배출될 수 있다. 냉각 튜브(540)로 냉각수가 유입 또는 유출됨으로써 냉각 부재(500)는 비교적 일정한 온도로 유지될 수 있다. 냉각 튜브(540) 내의 냉각수는 그 온도의 항상성을 유지하기 위해 인렛/아울렛 포트(530)와 연결된 외부의 열교환기와 연결되어, 지속적으로 순환되도록 설계될 수 있다.
냉각 튜브(540)에 의해 냉각된 하부판(520)은 전지셀들의 방열을 촉진할 수 있다. 냉각 튜브(540)는 열전도율이 높은 소재로 제조될 수 있고, 이를 통해 하부판(520)의 열을 빠르게 흡수할 수 있다. 냉각 튜브(540)는 내부에 수용되는 냉각수의 압력 및 무게를 견디기 위해 충분한 강성을 가지는 소재로 제조될 수 있다. 냉각 튜브(540)는 하부판(520)의 소재와 동일하거나, 이와 유사한 소재로 제조될 수 있다. 냉각 튜브(540)의 소재로는 예를 들어, 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등을 들 수 있다.
냉각 튜브(540)는 하부판(520)에서 둔턱(526)이 형성되지 않은 위치에 장착될 수 있다. 냉각 튜브(540)의 외곽 형상은 돌출부(524)를 제외한 하부판(520)의 외곽 형상과 유사할 수 있다.
냉각 튜브(540)는 사각 관형의 형상을 가질 수 있으며, 둔턱(526)의 위치를 고려하여 인렛 포트(532) 및 아울렛 포트(534)와 각각 대응되는 두 부분으로 분기될 수 있다. 이를 통해, 냉각 튜브(540)는 U자형 유로를 형성할 수 있다. 냉각 튜브(540)는 인렛 포트(532)로부터 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제1 부분(542), 상기 제1 부분(542)의 말단에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 곡선을 따라 연장되는 제2 부분(544), 및 제2 부분(544)의 말단에서 아울렛 포트(534)를 향해 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제3 부분(546)을 포함할 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500)의 길이 방향은 냉각 부재(500)의 장변과 평행한 방향일 수 있다.
냉각 튜브(540)는 냉각 호스(550)가 장착되는 수용부(548)를 포함할 수 있다. 수용부(548)는 냉각 튜브(540)에서 냉각 호스(550)가 장착되는 수용 공간을 의미하는 것일 수 있다. 수용부(548)는 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연장되는 긴 홈일 수 있으며, 수용부(548)의 단면은 사각형등의 다각형 또는 원형일 수 있다. 수용부(548)의 길이 방향상 양 말단에는 냉각 호스(550)의 길이 방향상 양 말단이 연결될 수 있다. 수용부(548)의 길이 방향상 양 말단에는 냉각 호스(550)의 양 말단이 삽입될 수 있다. 수용부(548)의 길이 방향상 양 말단과 냉각 호스(550)의 양 말단의 연결 부위는 수밀성 확보를 위해 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 냉각 호스(550)와 수용부(548)의 연결 부위에는 가스켓이 제공되고, 가스켓을 통해 두 부재간의 수밀성이 확보될 수 있다. 다른 예를 들어, 냉각 호스(550)의 양 말단에는 냉각 호스(550)의 말단에서 원주 방향으로 연장되는 확장부가 형성될 수 있고, 확장부는 수용부(548)의 말단에 삽입되어 냉각 튜브(540)의 내측에 위치함으로써 냉각 호스(550)와 냉각 튜브(540) 사이의 결합을 보완할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 냉각 호스(550)의 말단에는 원주 방향으로 연장되는 제1 확장부 및 상기 제1 확장부와 이격된 제2 확장부가 형성될 수 있다. 제1 확장부는 냉각 튜브(540)의 내측에 위치하고, 제2 확장부는 냉각 튜브(540)의 외측에 위치할 수 있고, 두 확장부가 냉각 튜브(540)와 밀착됨으로써, 냉각 호스(550)와 냉각 튜브(540) 사이의 결합은 보다 보완될 수도 있다. 또, 이 때, 확장부, 제1 확장부 또는 제2 확장부에는 돌기가 형성될 수 있으며, 돌기를 통해 냉각 튜브(540)의 일측면과 더욱 밀착되어 결합될 수도 있을 것이다.
냉각 호스(550)는 냉각 튜브(540)와 연결되어, 전지셀들의 방열을 구현하는 냉각수에게 유로를 제공할 수 있다. 냉각 호스(550)에는 인렛/아울렛 포트(530)로부터 유입된 냉각수가 이동할 수 있다. 냉각 호스(550)는 인렛/아울렛 포트(530)와 가까이 위치한 냉각 튜브(540)로부터 냉각수를 공급받을 수 있다.
냉각 호스(550)는 하부판(520)의 개구부(522)와 대응되도록 위치할 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같이 하부판(520)에 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 4행의 개구부(522)가 형성된 경우, 냉각 호스(550)는 개구부(522)의 각 행과 대응되도록 4개가 제공될 수 있다. 여기서, ‘행’이란 냉각 부재(500)의 길이 방향상 평행한 일직선을 따라 연이어 위치한 개구부(522)들을 총칭하는 것일 수 있다.
도 7을 참조하면, 냉각 호스(550)는 내부 화재 발생시에 용융 또는 파단됨으로써 전지셀을 향해 내부 냉각수를 투입할 수 있다. 전지셀의 발화 시, 개구부(522)와 대응되는 냉각 호스(550)의 일부는 용융 또는 파단됨으로써 개방되며, 이를 통해 냉각수가 중력 방향으로 분사, 분출, 투입됨으로써 냉각 부재(500)의 하측에 위치한 전지셀의 화재가 진압될 수 있다. 한편, 이러한 효과를 구현하기 위해서는 냉각 호스(550)가 장착되는 수용부(548) 또한 하부판(520)의 개구부(522)와 대응되도록 형성되어야 할 것이다.
냉각 호스(550)는 금속으로 제조되는 하부판(520)보다 열에 의해 용융되거나, 압력에 의해 파단되기 쉬운 소재로 제조될 수 있다. 예를 들어, 냉각 호스(550)는 300 ℃ 이하의 용융점을 가지는 소재로 제조될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 냉각 호스(550)는 폴리아미드(PA)를 포함하도록 제조될 수 있다. 구체적인 다른 예를 들어, 냉각 호스(550)는 200 ℃ 이하의 용융점을 가지는 열가소성의 고분자 수지를 포함하도록 제조될 수 있다. 상기 열가소성의 고분자 수지의 예로는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 등 용융점이 약 100 ℃ 이상 200 ℃ 이하인 물질을 들 수 있다.
한편, 상술한 효과를 구현하기 위하여, 냉각 호스(550)를 별도로 제조하지 않고, 냉각 튜브(540)의 일부가 파단되어 냉각수가 투입되도록 하는 구성도 가능할 것이다. 그러나, 냉각 튜브(540)가 내부에 유입되는 냉각수의 압력을 견디고, 형태를 유지하기 위해서 냉각 튜브(540)는 충분한 강성을 가지는 소재로 제조되어야 하므로, 열에 용융되거나 압력에 의해 파단되기 쉬운 소재로 제조되는 것은 냉각 부재(500)의 전체적인 내구성을 저하시킬 수 있는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예와 같이, 열에 쉽게 파단될 수 있는 냉각 호스(550)를 냉각 튜브(540)와 별도로 구성하는 것이, 전체 냉각 부재(550)의 성능을 향상시키는데 바람직할 수 있다.
고정 부재(560)는 하부판(520)과 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)를 고정함으로써 냉각 부재(500)의 강성을 보완하기 위한 것일 수 있다. 고정 부재(560)는 하부판(520)과의 결합을 통해 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)의 위치를 고정할 수 있다.
고정 부재(560)는 길이를 가지는 스트랩의 형태로 제공될 수 있다. 고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 폭 방향과 평행하게 위치할 수 있다. 고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 복수개로 제공될 수 있으며, 복수의 고정 부재(560)는 균일한 간격으로 배치될 수 있다.
고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 형상을 유지하기 위해 강성이 높은 소재로 제조될 수 있으며, 일 예로 금속으로 제조될 수 있다.
고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 폭 방향상 양 말단에 결합될 수 있다. 고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 폭 방향상 중앙에 결합될 수 있다. 고정 부재(560)는 고정 부재(560)의 길이 방향상 양 말단에 각각 형성된 말단 결합부(562) 및 고정 부재(560)의 길이 방향상 중앙에 형성된 중앙 결합부(564)를 포함할 수 있다. 말단 결합부(562) 및 중앙 결합부(564)는 냉각 부재(500)에서 리벳과 같은 체결 부재를 통해 체결되는 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 말단 결합부(562) 및 중앙 결합부(564)에는 체결 부재가 삽입될 수 있는 체결구가 형성될 수 있다.
고정 부재(560)는 하부판(520)의 폭 방향상 양 말단에 결합될 수 있다. 고정 부재(560)는 하부판(520)의 폭 방향상 중앙에 결합될 수 있다. 말단 결합부(562)는 하부판(520)의 폭 방향상 양 말단에 위치한 돌출부(524)와 결합될 수 있다. 중앙 결합부(564)는 하부판(520)의 폭 방향상 중앙에 위치한 둔턱(526)과 결합될 수 있다. 말단 결합부(562) 및 중앙 결합부(564)는 고정 부재(560)의 다른 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있고, 고정 부재(560)의 다른 부분보다 다소 낮은 높이를 가질 수 있다. 돌출부(524)와 둔턱(526)의 형상을 고려할 때, 말단 결합부(562)는 중앙 결합부(564) 보다 더 큰 단차를 가지도록 형성될 수 있다.
이처럼, 냉각 부재(500)의 제조 시 고정 부재(560)를 사용하는 경우, 용접 공정에 의한 결합 방식등과 비교하여 제조 과정 중에 과도한 열이 발생되지 않으므로, 온도에 취약한 특정 소재가 제조 과정 중 변형되지 않을 수 있다. 따라서, 고정 부재(560)를 이용함으로써 냉각 부재(500)는 성질이 상이한 2개 이상이 소재를 포함하도록 제조될 수 있으며, 냉각 호스(550)와 같이 다양한 소재 및 형상의 구조가 냉각 부재(500)에 적용될 수 있고, 냉각 부재(500)의 설계가 보다 쉽고 다양할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재의 제조 방법에 관하여 설명한다. 이하에서 설명되는 냉각 부재(500)의 제조 방법은 상술한 냉각 부재(500)에 관한 내용을 모두 포함하는 바, 중복되는 내용에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
다시 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재의 제조 방법은 하부판(520)을 준비하는 단계, 하부판(520)의 상면에 냉각 튜브(540)를 장착하는 단계, 냉각 튜브(540)에 냉각 호스(550)를 장착하는 단계, 및 고정 부재(560)를 하부판(520)과 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
하부판(520)을 준비하는 단계는 하부판(520)에 개구부(522)를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 실시예에 따라 하부판(520)에 인렛/아울렛 포트(530)를 장착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하부판(520)에 냉각 튜브(540)를 장착하는 단계는 하부판(520)과 냉각 튜브(540)를 접합하는 과정으로써, 용접과 같은 접합 공정에 의해 수행될 수 있다. 하부판(520)과 냉각 튜브(540)의 접합에 용접 공정이 이용되는 경우, 하부판(520)과 냉각 튜브(540)의 소재가 유사할수록 용접 온도에 따른 일부 부재의 변형 또는 손상이 최소화될 수 있고, 냉각 부재(500)의 치수 안전성이 확보될 수 있다.
냉각 튜브(540)에 냉각 호스(550)를 장착하는 단계는, 냉각 튜브(540)의 수용부(548)에 냉각 호스(550)를 삽입하는 단계, 냉각 호스(550)의 양 말단을 수용부(548)의 양 말단과 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 냉각 호스(550)와 수용부(548)의 연결 부위는 밀봉될 수 있다.
고정 부재(560)를 하부판(520)과 결합하는 단계는 고정 부재(560)의 말단 결합부(562)를 하부판(520)의 양 말단과 결합하는 단계 및 고정 부재(560)의 중앙 결합부(564)를 하부판(520)의 중앙과 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 하부판(520)의 양 말단은 폭 방향상 말단을 의미하는 것으로써, 하부판(520)의 양 말단에는 돌출부(524)가 위치할 수 있다. 또, 하부판(520)의 중앙은 폭 방향상 중앙을 의미하는 것으로써, 하부판(520)의 중앙에는 둔턱(526)이 위치할 수 있다.
한편, 이상에서 구체적으로 언급되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재(500)는 전지 모듈 또는 전지 팩 내에 장착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀들로 이루어진 전지셀 적층체 및 이를 수용하는 모듈 프레임을 포함하며, 모듈 프레임과 전지셀 적층체 사이에 냉각 부재(500)가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 다양한 형태로 제공될 수 있다.
일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 상술한 전지 모듈을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 본 예의 전지 팩은 팩 프레임 및 팩 프레임 내에 장착된 적어도 하나의 전지 모듈을 포함할 수 있으며, 전지 모듈은 전지셀 적층체, 모듈 프레임 및 전지셀 적층체와 모듈 프레임 사이에 위치하는 냉각 부재를 포함할 수 있다.
다른 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 전지셀 적층체 및 이를 수용하는 모듈 프레임이 포함된 적어도 하나의 전지 모듈, 냉각 부재(500) 및 전지 모듈과 냉각 부재(500)를 수용하는 팩 프레임을 포함할 수 있다. 즉, 본 예에서는 냉각 부재(500)가 전지 모듈의 외부에 제공될 수 있다. 냉각 부재(500)는 전지 모듈의 모듈 프레임과 팩 프레임 사이에 제공될 수 있고, 전지 모듈 내외부의 발화 시 전지 모듈을 향해 냉각수가 투입될 수 있다.
또 다른 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 전지셀 적층체 및 이를 수용하는 팩 프레임을 포함할 수 있으며, 전지셀 적층체와 팩 프레임 사이에 냉각 부재(500)가 제공될 수 있다.
여기서, 전지셀 적층체는 모듈 프레임등에 의해 밀폐되지 않은 모듈-리스(Module-less) 구조로 제공될 수 있다. 전지셀 적층체는 개방된 구조로 제공될 수 있다. 이 때, 전지셀 적층체는 측면 플레이트 또는 홀딩 스트랩과 같은 고정 부재를 통해 그 외형이 유지되는 상태로 제공될 수 있으며, 이러한 형태의 전지셀 적층체는 셀블록으로 지칭될 수 있다.
통상적으로, 전지 팩들은, 전지셀 적층체 및 이와 연결된 여러 부품들을 조립하여 전지 모듈을 형성하고, 복수의 전지 모듈이 다시 전지 팩에 수용되는 이중 조립 구조로 형성될 수 있다. 이 때, 전지 모듈은 그 외면을 형성하는 모듈 프레임등을 포함하므로, 종래의 전지셀들은 전지 모듈의 모듈 프레임 및 전지 팩의 팩 프레임에 의해 이중으로 보호되게 된다. 그러나, 이러한 이중 조립 구조는 전지 팩의 제조 단가 및 제조 공정을 증가시킬 뿐 아니라, 일부 전지셀에서 불량이 발생하는 경우 재조립성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 냉각 부재인 냉각 부재 등이 전지 모듈의 외부에 존재하는 경우, 전지셀과 냉각 부재 사이의 열전달 경로가 다소 복잡해지는 문제가 있다. 이에, 본 실시예의 전지셀 적층체는 모듈 프레임에 의해 밀폐되지 않은 구조로 제공될 수 있으며, 전지 팩의 팩 프레임에 직접적으로 결합될 수 있다. 이를 통해, 전지 팩의 구조가 보다 단순해질 수 있으며, 제조 단가 및 제조 공정을 상의 이점을 획득할 수 있고, 전지 팩의 경량화가 달성되는 효과를 가질 수 있다. 또, 여기서, 전지셀 적층체가 모듈-리스 구조로 제공됨으로써, 전지셀 적층체는 팩 프레임 내의 냉각 부재(500)와 보다 가까이 위치할 수 있고, 냉각 부재(500)에 의한 방열이 보다 쉽게 달성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 전지 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
500: 냉각 부재
520: 하부판
530: 인렛/아울렛 포트
540: 냉각 튜브
550: 냉각 호스
560: 고정 부재

Claims (14)

  1. 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하는 냉각 부재에 있어서,
    다수의 개구부가 형성된 하부판,
    냉각수의 유로를 제공하는 냉각 튜브, 및
    상기 하부판과 상기 냉각 튜브를 고정하는 고정 부재를 포함하고,
    상기 냉각 튜브에는 적어도 하나의 냉각 호스가 장착되고,
    상기 냉각 호스는 소정의 온도 또는 압력 이상에서 용융되거나 파단되는 냉각 부재.
  2. 제1항에서,
    상기 냉각 호스는 상기 하부판의 개구와 대응되도록 위치하는 냉각 부재.
  3. 제1항에서,
    상기 냉각 호스는 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 연장되는 형상을 가지는 냉각 부재.
  4. 제1항에서,
    상기 냉각 호스는 300 ℃ 이하의 용융점을 가지는 소재로 제조되는 냉각 부재.
  5. 제1항에서,
    상기 냉각 튜브에는 상기 냉각 호스를 수용하기 위한 수용부가 구비되는 냉각 부재.
  6. 제5항에서,
    상기 냉각 호스의 길이 방향상 양 말단은 상기 수용부의 길이 방향상 양 말단과 각각 연결되는 냉각 부재.
  7. 제1항에서,
    상기 하부판의 중앙에는 상기 냉각 부재의 길이 방향상 연장되는 둔턱이 형성되고, 상기 냉각 튜브는 상기 하부판에서 상기 둔턱이 형성되지 않은 위치에 장착되는 냉각 부재.
  8. 제1항에서,
    상기 고정 부재는 스트랩의 형태로 제공되며, 상기 냉각 부재의 폭 방향과 평행하게 위치하는 냉각 부재.
  9. 제8항에서,
    상기 고정 부재는 상기 하부판의 폭 방향상 양 말단과 결합하는 말단 결합부 및 상기 하부판의 폭 방향상 중앙과 결합하는 중앙 결합부를 포함하는 냉각 부재.
  10. 제9항에서,
    상기 말단 결합부 및 상기 중앙 결합부는 상기 고정 부재의 다른 부분과 단차를 가지도록 형성되는 냉각 부재.
  11. 제1항에서,
    상기 냉각 부재는 내부 공간에 냉각수를 주입하기 위한 인렛 포트 및 아울렛 포트를 더 포함하고,
    상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트는 외부의 열교환기와 연결되며,
    상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트를 통해 상기 냉각 부재의 냉각수가 순환되는 냉각 부재.
  12. 제11항에서,
    상기 냉각 튜브는 상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트와 각각 대응되는 부분으로 분기된 형상을 가지는 냉각 부재.
  13. 제1항에 따른 냉각 부재를 포함하는 전지 모듈.
  14. 제1항에 따른 냉각 부재를 포함하는 전지 팩.

KR1020210165252A 2021-07-22 2021-11-26 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩 KR20230077973A (ko)

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