KR20230107039A - 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 관한 것으로, 구체적으로 수직방향을 향해 적층된 복수개의 전지 모듈; 상기 복수개의 전지 모듈 상부 각각에 위치하는 냉각수 탱크; 및 상기 복수개의 전지 모듈과 냉각수 탱크를 지지하기 위한 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 관한 것이다.

Description

열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩{A Battery Pack Equipped With A Heat Diffusion Prevention Function}

본 발명은 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 관한 것으로, 구체적으로 복수개의 전지 모듈, 복수개의 전지 모듈 상부에 각각 위치하는 복수개의 냉각수 탱크, 및 냉각수 탱크를 이어주는 연결관이 구비됨으로써, 비정상적으로 온도가 상승하거나 화재 발생시 냉각수가 신속하게 주액될 수 있는 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 관한 것이다.

최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.

현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지 셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 전지 모듈 또는 이러한 전지 모듈을 다수 구비한 전지 팩이 사용된다.

한편, 전지 셀은 과충전, 과전류 또는 외부 충격 등 다양한 원인으로 인해 고온이나 화재가 발생하고, 이는 인근의 전지 셀 또는 전지 모듈로 전이되어 2차 피해를 유발할 수 있다.

따라서 전술한 2차 피해 등을 방지하기 위해, 온도 상승을 억제하거나 화재를 초기에 진압할 수 있는 냉각성능이 우수한 전지 팩이 요구되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전지 팩을 나타낸 평면도이다. 도 1을 참조하면 종래기술에 따른 전지 팩은 팩 하우징(10), 팩 하우징(10)에 수납되는 전지 모듈(20), 전지 모듈(20) 상부에 위치하는 물탱크(30), 전지 모듈(20) 하부에 위치하는 컨트롤러(40), 및 센서(미도시)를 포함하여 구성된다.

종래기술에 따른 전지 팩은 전지 모듈(20) 내부에 수납된 전지 셀에서 과충전, 과전류 및 외부의 충격 등으로 인해 고온의 열이 발생할 경우 센서를 통해 이를 인식하고 인식된 정보를 컨트롤러(40)로 송신하여 물탱크(30)를 작동하여 고온의 열을 냉각시키거나 고온의 열로 인해 발생하는 화재를 진압하고 있다.

이러한 종래기술에 의하면 이벤트 발생시 물을 공급함으로써 전지 팩의 안전성을 높일 수 있으나, 고온의 열을 센싱한 후 컨트롤러(40)에 송신하고 이러한 신호에 의해 물탱크(30)를 작동시켜야 하기 때문에 구조적으로 매우 복잡할 뿐만 아니라 고온의 열이나 화재를 진압하는데 소모되는 시간이 길어지게 되어 신속성이 떨어진다는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제2021-0006570호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에서는 전지 팩 내에서 고온의 열이나 화재 발생 시 별도의 센싱 수단 없이도 신속하면서도 확실하게 진압할 수 있는 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩은, 수직방향을 향해 적층된 복수개의 전지 모듈(100); 상기 복수개의 전지 모듈(100) 상부 각각에 위치하는 냉각수 탱크(200); 및 상기 복수개의 전지 모듈(100)과 냉각수 탱크(200)를 지지하기 위한 프레임(300);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 복수개의 냉각수 탱크(200)는 연결관(400)에 의해 연통되는 구조인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 연결관(400)은 상하에 인접한 냉각수 탱크(200)를 연결하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 전지 모듈(100)은, 복수개의 전지 셀(110), 상기 복수개의 전지 셀(110) 상부에 위치하는 상면 플레이트(130), 상기 복수개의 전지 셀(110) 하부에 위치하는 하면 플레이트(140), 상기 복수개의 전지 셀(110) 측면에 위치하는 한 쌍의 측면 플레이트(150), 및 상기 복수개의 전지 셀(110)을 전기적으로 연결하는 버스바 어셈블리(160)를 포함하고, 상기 상면 플레이트(130)에는 상기 냉각수 탱크(200)의 냉각수가 내부로 유입될 수 있도록 복수개의 관통홀(131)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 한 쌍의 측면 플레이트(150)에는 가장자리 부근에서 측면방향으로 소정길이 연장된 하나 이상의 체결부(151)가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 체결부(151)는 상기 프레임(300)에 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 냉각수 탱크(200)는 소정 온도 이상에서 파열되는 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 냉각수 탱크(200)는 소정 압력 이상에서 파열되는 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 냉각수 탱크(200)는 나일론(Nylon), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 및 알루미늄(Aluminium) 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 전술한 전지 팩을 포함하는 에너지 저장장치인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 의하면, 복수개의 전지 모듈 상부 각각에 냉각수 탱크가 구비되어 별도의 센싱 장치 없이도 신속하게 2차 피해를 방지할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 의하면, 서로 인접하는 냉각수 탱크들을 서로 이어주는 연결관이 구비되어 있어 일시적으로 다량의 냉각수를 공급할 수 있다는 장점이 있다.

게다가 본 발명에 따른 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 의하면, 전지 모듈 상부에 밀착된 상태로 냉각수 탱크가 구비되기 때문에 평소에는 전지 모듈의 냉각하는 기능을 수행할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전지 팩을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 팩을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 모듈과 냉각수 탱크의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 모듈의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 팩을 나타낸 사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 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.

이하, 본 발명에 따른 열 확산 방지 기능이 구비된 전지 팩에 관하여 첨부한 도면들을 참고하면서 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 팩을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 모듈과 냉각수 탱크를 나타낸 분해사시도이다.

도 2 및 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 팩은 복수개의 전지 모듈(100), 복수개의 냉각수 탱크(200), 프레임(300) 및 연결관(400)을 포함하여 구성된다.

전지 모듈(100)은 수직방향을 향해 복수개가 적층되어 있는 구조이며, 전지 모듈(100)의 구체적인 구성은 후술하기로 한다.

냉각수 탱크(200)는 각 전지 모듈(100) 상부에 밀착한 상태로 위치하며, 냉각수 탱크(200)에 저장된 냉각수는 전지 모듈(100)에서 발생한 열을 식히거나 화재 등 이벤트 발생시 소화액으로 사용될 수 있다.

한편, 냉각수 탱크(200)는 소정 온도 이상으로 가열되거나, 내부의 냉각수가 팽창하여 소정 압력이 인가될 때 파열될 수 있는 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

구체적으로 냉각수 탱크(200)의 소재로는, 나일론(Nylon), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 및 알루미늄(Aluminum) 중 어느 하나일 수 있지만, 소정 온도 이상으로 가열되거나 소정 압력 이상에서 파열됨으로써 냉각수가 방출될 수 있는 소재라면 이에 제한하지 않는다.

전지 모듈이나 전지 팩은 과열, 과전류 또는 외부의 충격 등 다양한 원인으로 인해 고열이나 화재가 발생할 수 있는데, 본 발명에서와 같이 상기와 같은 기능을 수행할 수 있는 전지 모듈(100)과 냉각수 탱크(200)가 구비됨으로써, 신속한 대응이 가능할 뿐만 아니라 별도의 센싱부재나 제어 부재가 필요하지 않아 에너지 밀도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다.

물론 전지 모듈이나 전지 팩이 정상적으로 작동할 시에는 냉각수 탱크(200)에 의해 쿨링 기능이 구현될 수 있음은 자명하다.

프레임(300)은 높이 방향으로 적층된 전지 모듈(100)과 냉각수 탱크(200)를 지지 및 고정하는 역할을 수행하며, 수직 프레임(310)과 수평 프레임(320)을 포함하여 구성된다.

수직 프레임(310)은 적층된 전지 모듈(100)과 냉각수 탱크(200)의 측면들을 감싸도록 배치되며, 양측면, 전면 및 후면에 각각 위치할 수 있으나 필요에 따라서는 전면과 후면에는 생략될 수 있다.

여기서, 수직 프레임(310)은 플레이트 형상일 수 있으나, 이에 제한하지 않으며 긴 바(bar)이어도 무방하다.

수평 프레임(320)은 수직 프레임(310)의 상부를 연결하는 평판 형상일 수 있다. 비록 도면에는 도시하지 않았지만 전지 모듈(100) 아래에 별도의 지지 플레이트가 더 구비될 수 있다.

다음은 연결관(400)에 관해 설명하기로 한다. 연결관(400)은 각 전지 모듈(100) 상부에 밀착한 상태로 위치하는 냉각수 탱크(200)들을 서로 연결한다.

도 2를 예를 들어 설명하면, 가장 위에 위치하는 냉각수 탱크(200)와 중간에 위치하는 냉각수 탱크(200), 그리고 중간에 위치하는 냉각수 탱크(200)와 가장 아래에 위치하는 냉각수 탱크(200)를 서로 연결할 수 있도록 2개의 연결관(400)이 구비될 수 있다.

물론 가장 위에 위치하는 냉각수 탱크(200)와 가장 아래에 위치하는 냉각수 탱크(200)를 연결하는 연결관이 추가로 구비될 수 있고, 또 전면뿐만 아니라 후면에도 동일한 구조의 연결관이 설치될 수 있다.

따라서 가장 아래에 위치하는 전지 모듈(100)에서 화재 등 이벤트가 발생할 시, 중간 및 가장 위의 냉각수 탱크(200)에 저장된 냉각수가 공급될 수 있는 구조이어서, 신속하게 화재를 진압할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 모듈의 분해사시도이다. 사시도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수개의 전지 셀(110), 완충패드(120), 상면 플레이트(130), 하면 플레이트(140), 측면 플레이트(150) 및 버스바 어셈블리(160)를 포함하여 이루어진다.

전지 셀(110)은 셀 조립체, 셀 조립체를 수납하는 셀 케이스 및 한 쌍의 리드들을 포함하여 구성된다.

셀 조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 셀조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 단위셀들로 구성되는 스택형 셀조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 셀조립체, 또는 단위셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 셀조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

상기와 같은 셀 조립체는 셀 케이스에 내장되며, 셀 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 셀 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다. 이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.

내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 막막을 사용할 수 있다.

그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

한편, 양극 리드와 음극 리드로 이루어지는 리드들은 셀 조립체의 양극 탭과 음극 탭이 각각 전기적으로 연결된 후 케이스 외부로 노출되는 구조로 이루어지고, 상기와 같은 전지 셀은 일반적으로 알려져 있는 구성들에 해당되므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

완충부재(120)는 적재된 복수개의 전지 셀(110)의 최외곽에 위치하여 전지 셀(110)의 충방전시 반복적인 팽창 및 수축의 변화에 의해 발생하는 부피변화를 완충해 주고, 전지 셀(110)이 유동하는 것을 방지하며, 일 예로 다공성 구조의 고분자 수지일 수 있으나, 전지 셀(110)의 유동을 억제할 수 있는 소재라면 이에 제한하지 않는다.

상면 플레이트(130)는 수납된 전지 셀(110)들의 상면에 위치하며, 냉각수 탱크(200)를 지지하는 기능을 수행한다.

여기서, 상면 플레이트(130)에는 복수개의 관통홀(131)이 형성되어 있는데, 이들 관통홀(131)은 전지 셀(110)에서 발생한 열을 방출하고 나아가 냉각수 탱크(200)가 파열될 시 냉각수가 유입될 수 있는 통로로 작용된다.

즉, 전지 모듈(100) 내부의 온도가 일정 범위 이상으로 올라가면 뜨거운 열기는 관통홀(131)을 경유하여 냉각수 탱크(200)로 전달되고, 이때 냉각수 탱크(200)가 파열되면 냉각수는 관통홀(131)을 통해 전지 모듈(100) 내부로 유입되므로, 전지 모듈(100)의 냉각이나 화재를 신속하게 제어할 수 있게 된다.

전술한 기능을 수행할 수 있다면 관통홀(131)의 형상, 크기 및 개수는 특별히 제한하지 않는다.

하면 플레이트(140)는 적재된 전지 셀(110)들의 하면에 위치하여 지지하는 역할을 한다.

측면 플레이트(150)는 한 쌍으로 이루어지며, 완충부재(120)의 외측면에 각각 위치한다. 그리고 가장자리 부근에서 측면방향으로 소정길이 연장된 하나 이상의 체결부(151)가 구비되어 있는데, 이러한 체결부(151)를 통해 전지 모듈(100)이 수직 프레임(310)에 체결 고정된다.

버스바 어셈블리(160)는 버스바와 버스바 프레임으로 구성되는데, 전지 셀들을 병렬 및/또는 직렬로 연결하기 위한 것으로, 전지 모듈의 전방 및/또는 후방에 장착되는데 이러한 버스바 어셈블리(160)는 공지된 구성에 해당되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 팩을 나타낸 사시도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 팩은 2개의 전지 모듈(100)과 2개의 냉각수 탱크(200)로 구성된 것을 제외하고는 도 2 내지 도 4에서 설명한 제1 실시예와 동일하므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

비록 실시예 1을 통해서는 전지 모듈과 냉각수 탱크가 각각 3개씩이고, 실시예 2에서는 전지 모듈과 냉각수 탱크가 각각 2개씩인 것으로 표현하였으나, 이들은 일 예시에 불과할 뿐 전지 모듈과 냉각수 탱크는 필요에 따라 얼마든지 개수를 조절할 수 있다.

또한 본 발명은 전술한 전지 팩을 포함하는 에너지저장장치일 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

100 : 전지 모듈
110 : 전지 셀
120 : 완충패드
130 : 상면 플레이트
131 : 관통홀
140 : 하면 플레이트
150 : 측면 플레이트
151 : 체결부
160 : 버스바 어셈블리
200 : 냉각수 탱크
300 : 프레임
310 : 수직 프레임
320 : 수평 프레임
400 : 연결관

Claims (10)

1. 수직방향을 향해 적층된 복수개의 전지 모듈;
   상기 복수개의 전지 모듈 상부 각각에 위치하는 냉각수 탱크; 및
   상기 복수개의 전지 모듈과 냉각수 탱크를 지지하기 위한 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 냉각수 탱크는 연결관에 의해 연통되는 구조인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
3. 제2항에 있어서,
   상기 연결관은 상하에 인접한 냉각수 탱크를 연결하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전지 모듈은, 복수개의 전지 셀, 상기 복수개의 전지 셀 상부에 위치하는 상면 플레이트, 상기 복수개의 전지 셀 하부에 위치하는 하면 플레이트, 상기 복수개의 전지 셀 측면에 위치하는 한 쌍의 측면 플레이트, 및 상기 복수개의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 버스바 어셈블리를 포함하고,
   상기 상면 플레이트에는 상기 냉각수 탱크의 냉각수가 내부로 유입될 수 있도록 복수개의 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
5. 제4항에 있어서,
   상기 한 쌍의 측면 플레이트에는 가장자리 부근에서 측면방향으로 소정길이 연장된 하나 이상의 체결부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
6. 제5항에 있어서,
   상기 체결부는 상기 프레임에 고정되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
7. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수 탱크는 소정 온도 이상에서 파열되는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 팩.
8. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수 탱크는 소정 압력 이상에서 파열되는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 팩.
9. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수 탱크는 나일론(Nylon), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 및 알루미늄(Aluminum) 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 팩.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전지 팩을 포함하는 에너지저장장치.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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