KR20240041097A - Battery module and battery pack including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 전지셀들이 일 방향을 따라 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 향해 냉각수를 분사하는 냉각수 분사 장치; 상기 냉각수 분사 장치를 통해 분사되는 냉각수의 분사량을 조절하는 냉각 시스템; 및 상기 전지셀 적층체에 대한 공기 순환 구조를 형성하기 위해 공기를 배출시키는 팬 장치를 갖는 공기 순환 시스템을 포함한다. A battery module according to an embodiment of the present invention includes a battery cell stack in which battery cells are stacked along one direction; A coolant spray device that sprays coolant toward the battery cell stack; a cooling system that adjusts the amount of coolant sprayed through the coolant spray device; and an air circulation system having a fan device that exhausts air to form an air circulation structure for the battery cell stack.
Description
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 냉각 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.The present invention relates to a battery module and a battery pack containing the same, and more specifically, to a battery module with improved cooling performance and a battery pack containing the same.
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 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.In modern society, as the use of portable devices such as mobile phones, laptops, camcorders, and digital cameras becomes routine, the development of technologies in fields related to the above mobile devices is becoming more active. In addition, secondary batteries that can be charged and discharged are a way to solve air pollution from existing gasoline vehicles that use fossil fuels, and are used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and plug-in hybrid electric vehicles ( As it is used as a power source for batteries such as P-HEV), the need for development of secondary batteries is increasing.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.Currently commercialized secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, nickel zinc batteries, and lithium secondary batteries. Among these, lithium secondary batteries are in the spotlight for their advantages of having little memory effect compared to nickel-based secondary batteries, allowing free charging and discharging, very low self-discharge rate, and high energy density.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.These lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxide and carbon material as positive and negative electrode active materials, respectively. A lithium secondary battery includes an electrode assembly in which positive and negative electrode plates each coated with the positive and negative electrode active materials are disposed with a separator in between, and a battery case that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.Generally, lithium secondary batteries can be classified into can-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.In the case of secondary batteries used in small devices, 2-3 battery cells are placed, but in the case of secondary batteries used in medium to large devices such as automobiles, a battery module is made by electrically connecting multiple battery cells. This is used. These battery modules have improved capacity and output by connecting multiple battery cells in series or parallel to each other to form a battery cell stack. Additionally, one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지 셀들을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지 셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우, 전지 셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.If the temperature of a secondary battery rises higher than the appropriate temperature, the performance of the secondary battery may deteriorate, and in severe cases, there is a risk of explosion or ignition. In particular, the temperature of a battery module or battery pack having multiple secondary batteries, that is, battery cells, can increase rapidly and severely due to the sum of heat from the multiple battery cells in a small space. In other words, in the case of a battery module in which multiple battery cells are stacked and a battery pack equipped with such battery modules, high output can be obtained, but it is not easy to remove heat generated from the battery cells during charging and discharging. If the heat dissipation of the battery cell is not performed properly, the battery cell deteriorates faster, its lifespan is shortened, and the possibility of explosion or ignition increases.
더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다.Moreover, battery modules included in vehicle battery packs are frequently exposed to direct sunlight and may be placed in high temperature conditions such as summer or desert areas.
따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성함에 있어, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하고, 또 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도 이것이 화재나 폭발로 이어지는 것을 방지하는 것은, 성능 향상과 더불어 중요한 기술적 과제라고 볼 수 있다.Therefore, when constructing a battery module or battery pack, securing stable and effective cooling performance and preventing it from leading to a fire or explosion even if thermal runaway occurs are important technical challenges in addition to improving performance. It can be seen that
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 향상된 냉각 성능을 갖고, 동시에 열 폭주 현상에 따라 발생한 화재를 진압할 수 있는 기능을 갖춘 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the same, which have improved cooling performance and at the same time have the function of extinguishing a fire caused by a thermal runaway phenomenon.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the problems to be solved by the embodiments of the present invention are not limited to the above-mentioned problems and can be expanded in various ways within the scope of the technical idea included in the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 전지셀들이 일 방향을 따라 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 향해 냉각수를 분사하는 냉각수 분사 장치; 상기 냉각수 분사 장치를 통해 분사되는 냉각수의 분사량을 조절하는 냉각 시스템; 및 상기 전지셀 적층체에 대한 공기 순환 구조를 형성하기 위해 공기를 배출시키는 팬 장치를 갖는 공기 순환 시스템을 포함한다.A battery module according to an embodiment of the present invention includes a battery cell stack in which battery cells are stacked along one direction; A coolant spray device that sprays coolant toward the battery cell stack; a cooling system that adjusts the amount of coolant sprayed through the coolant spray device; and an air circulation system having a fan device that exhausts air to form an air circulation structure for the battery cell stack.
상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 분사 장치와 연결될 수 있고, 상기 냉각수는 상기 냉각 시스템에서 냉각된 후, 상기 전지셀 적층체에 분사될 수 있다.The cooling system may be connected to the coolant spray device, and the coolant may be cooled in the cooling system and then sprayed on the battery cell stack.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체에 분사된 상기 냉각수의 일부를 회수하는 냉각수 회수 장치를 더 포함할 수 있다. The battery module may further include a coolant recovery device that recovers a portion of the coolant sprayed on the battery cell stack.
상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 회수 장치와 연결될 수 있다. 상기 냉각수 회수 장치에 회수된 상기 냉각수는 상기 냉각 시스템을 거쳐 냉각된 후, 상기 냉각수 분사 장치를 통해 상기 전지셀 적층체에 분사될 수 있다. The cooling system may be connected to the cooling water recovery device. The coolant recovered in the coolant recovery device may be cooled through the cooling system and then sprayed on the battery cell stack through the coolant spray device.
상기 냉각수 회수 장치에 냉각수 공급 배관이 연결될 수 있다. A cooling water supply pipe may be connected to the cooling water recovery device.
상기 냉각수 회수 장치는, 상기 전지셀 적층체의 하부에 위치한 챔버부를 포함할 수 있고, 분사된 상기 냉각수의 일부가 상기 챔버부로 모일 수 있다. The coolant recovery device may include a chamber portion located below the battery cell stack, and a portion of the sprayed coolant may collect in the chamber portion.
상기 냉각 시스템은 외부에서 유입된 공기를 냉각 및 제습할 수 있다. 상기 냉각 시스템에 의해 냉각 및 제습된 공기가 상기 전지셀 적층체를 통과한 후 상기 팬 장치를 통해 외부로 배출되어 공기 순환 구조가 형성될 수 있다.The cooling system can cool and dehumidify air introduced from the outside. The air cooled and dehumidified by the cooling system passes through the battery cell stack and is then discharged to the outside through the fan device, thereby forming an air circulation structure.
상기 냉각 시스템은, 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창 밸브를 포함할 수 있다.The cooling system may include an evaporator, compressor, condenser, and expansion valve.
상기 냉각수는 상기 증발기를 통과하며 냉각될 수 있고, 상기 공기는 상기 증발기를 통과해 냉각 및 제습될 수 있다.The cooling water may be cooled by passing through the evaporator, and the air may be cooled and dehumidified by passing through the evaporator.
상기 전지셀 적층체의 온도가 기준 온도 미만일 경우, 상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 분사 장치의 냉각수 분사를 중단하고 상기 팬 장치만 작동시킬 수 있다. When the temperature of the battery cell stack is below the reference temperature, the cooling system may stop spraying coolant from the coolant spray device and operate only the fan device.
상기 전지셀 적층체의 온도가 기준 온도 이상 및 위험 온도 미만일 경우, 상기 냉각 시스템은, 상기 팬 장치의 작동과 함께 상기 냉각수 분사 장치가 냉각수를 분사하도록 작동시킬 수 있다.When the temperature of the battery cell stack is above the reference temperature and below the critical temperature, the cooling system may operate the fan device and operate the coolant spray device to spray coolant.
상기 전지셀 적층체의 온도가 위험 온도 이상일 경우, 상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 분사 장치의 냉각수 분사량을 최대로 설정할 수 있다.When the temperature of the battery cell stack is above the critical temperature, the cooling system may set the coolant spray amount of the coolant spray device to the maximum.
상기 전지셀 각각은 전기적 절연성 및 내부식성을 갖는 셀 커버에 수납된 상태로 적층되어 상기 전지셀 적층체를 형성할 수 있다.Each of the battery cells may be stacked while stored in a cell cover having electrical insulation and corrosion resistance to form the battery cell stack.
상기 셀 커버의 적어도 일면에 돌출부들이 형성될 수 있다.Protrusions may be formed on at least one surface of the cell cover.
상기 돌출부들 사이에 유로가 형성될 수 있고, 상기 공기는 상기 돌출부들 사이에 형성된 유로를 따라 흐르며 상기 전지셀 적층체를 통과할 수 있다.A flow path may be formed between the protrusions, and the air may flow along the flow path formed between the protrusions and pass through the battery cell stack.
상기 냉각수는 상기 셀 커버의 표면에 분사될 수 있다.The coolant may be sprayed on the surface of the cell cover.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 전지 모듈을 적어도 하나 포함한다.A battery pack according to an embodiment of the present invention includes at least one of the battery modules.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀들에 직접 분사되는 냉각수의 분사량을 조절하는 냉각 시스템 및 공냉을 위한 팬 장치를 함께 전지 모듈에 포함시켜, 냉각수의 증발에 따른 추가적인 냉각 효과를 구현하여, 전지 모듈의 냉각 성능을 높일 수 있다. According to embodiments of the present invention, a cooling system that controls the amount of coolant sprayed directly into the battery cells and a fan device for air cooling are included in the battery module to achieve an additional cooling effect due to evaporation of the coolant, The cooling performance of the battery module can be improved.
또한, 전지셀들의 열 폭주 현상으로 인한 비정상적인 고온 환경이 감지될 경우, 냉각수가 최대로 분사되도록 하여, 열 폭주 현상에 따라 발생한 화재를 진압할 수 있다. In addition, when an abnormally high temperature environment due to thermal runaway of battery cells is detected, coolant is sprayed to the maximum level, thereby extinguishing a fire caused by the thermal runaway phenomenon.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 커버를 나타낸 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 2의 전지셀이 도 3의 셀 커버 내부에 삽입된 모습을 나타낸 사시도와 측면도이다.
도 6은 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체의 일부를 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구성들을 대략적으로 표현한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a schematic perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing one of the battery cells included in the battery cell stack of FIG. 1.
Figure 3 is a perspective view showing a cell cover according to an embodiment of the present invention.
Figures 4 and 5 are perspective and side views showing the battery cell of Figure 2 inserted into the cell cover of Figure 3.
Figure 6 is a plan view showing a portion of the battery cell stack included in the battery module of Figure 1.
Figure 7 is a diagram roughly expressing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a flowchart for explaining a method of operating a cooling system according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, various embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. The invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly explain the present invention, parts that are not relevant to the description are omitted, and identical or similar components are assigned the same reference numerals throughout the specification.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In addition, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, so the present invention is not necessarily limited to what is shown. In the drawing, the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions. And in the drawings, for convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 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 아니다.Additionally, when a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly above” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between. In addition, being “on” or “on” a standard part means being located above or below the standard part, and it necessarily means being “on” or “on” the direction opposite to gravity. no.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.In addition, throughout the specification, when referring to “on a plane,” this means when the target portion is viewed from above, and when referring to “in cross section,” this means when a cross section of the target portion is cut vertically and viewed from the side.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a schematic perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a diagram showing one of the battery cells included in the battery cell stack of Figure 1.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 향해 냉각수(C)를 분사하는 냉각수 분사 장치(300), 냉각수 분사 장치(300)를 통해 분사되는 냉각수(C)의 분사량을 조절하는 냉각 시스템(200) 및 전지셀 적층체(120)에 대한 공기 순환 구조를 형성하기 위해 공기(A)를 배출시키는 팬 장치(510)를 갖는 공기 순환 시스템(500)을 포함한다.Referring to Figures 1 and 2, the battery module 100 according to an embodiment of the present invention includes a battery cell stack 120 in which battery cells 110 are stacked along one direction, and a battery cell stack 120. ), a cooling system 200 that adjusts the spray amount of coolant (C) sprayed through the coolant spray device 300, and a battery cell stack 120. It includes an air circulation system 500 having a fan device 510 that exhausts air (A) to form an air circulation structure for air circulation.
본 실시예에 따른 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있고, 장방형의 시트형 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(130)들 서로 대향하여 일단부와 다른 일단부로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 가질 수 있다.The battery cell 110 according to this embodiment may be a pouch-type battery cell and may have a rectangular sheet-like structure. For example, the battery cell 110 according to this embodiment may have a structure in which two electrode leads 130 face each other and protrude from one end and the other end, respectively.
특히, 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(130)들이 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극 리드(130)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다.In particular, referring to Figure 2, the battery cell 110 according to this embodiment has two electrode leads 130 facing each other from one end 114a and the other end 114b of the cell body 113, respectively. It has a protruding structure. More specifically, the electrode lead 130 is connected to an electrode assembly (not shown) and protrudes from the electrode assembly (not shown) to the outside of the battery cell 110.
한편, 전지셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 폴딩부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the battery cell 110 is made by bonding both ends 114a and 114b of the cell case 114 and one side 114c connecting them with an electrode assembly (not shown) stored in the cell case 114. It can be manufactured by doing. In other words, the battery cell 110 according to this embodiment has a total of three sealing parts 114sa, 114sb, and 114sc, and the sealing parts 114sa, 114sb, and 114sc have a structure that is sealed by a method such as heat fusion. , the other side may be formed as a folding portion 115. The cell case 114 may be made of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
도 2에는 전극 리드(130)들이 양 방향으로 돌출된 구조의 전지셀(110)에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로써, 전극 리드가 일 방향으로 함께 돌출된 단방향의 파우치형 전지셀도 가능함은 물론이다.In FIG. 2, only the battery cell 110 with the electrode leads 130 protruding in both directions has been described. However, as another embodiment of the present invention, a unidirectional pouch-type battery cell with the electrode leads protruding in one direction is also used. Of course it is possible.
이러한 전지셀(110)은 복수로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 전지셀(110)들이 직립한 채, 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 예를 들어 도 1에서 상기 일 방향은 y축과 평행한 방향에 해당한다. 이에 따라, 전지셀(110) 중 하나의 전극 리드(130)는 x축 방향을 향해 돌출되고, 다른 전극 리드(130)는 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다. 이러한 전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임(600)에 수납될 수 있다.These battery cells 110 may be composed of a plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked so as to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120. In particular, as shown in FIG. 1, the battery cells 110 may be stacked in one direction while standing upright to form the battery cell stack 120. For example, in Figure 1, the one direction corresponds to a direction parallel to the y-axis. Accordingly, one electrode lead 130 of the battery cells 110 may protrude toward the x-axis direction, and the other electrode lead 130 may protrude toward the -x-axis direction. This battery cell stack 120 can be accommodated in the module frame 600.
본 실시예에 따른 냉각수 분사 장치(300)는, 냉각 시스템(200)으로부터 공급된 냉각수(C)를 전지셀 적층체(120)를 향해 분사할 수 있다면, 형태에 대한 특별한 제한은 없다. 일례로, 냉각수 분사 장치(300)는 냉각 파이프 형태일 수 있다. 냉각 파이프 형태인 냉각수 분사 장치(300)에 다수의 노즐이 형성되어, 냉각수 분사 장치(300)가 전지셀 적층체(120)에 냉각수(C)를 직접 분사할 수 있다. The coolant spray device 300 according to this embodiment has no particular limitations on its shape as long as it can spray the coolant C supplied from the cooling system 200 toward the battery cell stack 120. For example, the coolant spray device 300 may be in the form of a cooling pipe. A plurality of nozzles are formed in the coolant spray device 300 in the form of a cooling pipe, so that the coolant spray device 300 can spray coolant C directly onto the battery cell stack 120.
공기 순환 시스템(500)은, 전지 모듈(100)에 마련된 공랭 장치이다. 전지셀 적층체(120)에 대한 공기 순환 구조를 형성하기 위해, 공기 순환 시스템(500)은 외부의 공기(A)를 전지 모듈(100) 내부로 유입하는 덕트(520)와 공기(A)를 배출시키는 팬 장치(510)를 포함할 수 있다. 즉, 덕트(520)로부터 유입된 공기(A)가 전지셀 적층체(120)를 지나쳐 팬 장치(510)를 통해 외부로 배출된다. 전지셀 적층체(120)로부터 발산된 열이 공기(A)와 함께 배출된다. The air circulation system 500 is an air cooling device provided in the battery module 100. In order to form an air circulation structure for the battery cell stack 120, the air circulation system 500 consists of a duct 520 that introduces external air (A) into the battery module 100 and air (A). It may include a fan device 510 for exhausting air. That is, the air (A) introduced from the duct 520 passes through the battery cell stack 120 and is discharged to the outside through the fan device 510. The heat radiated from the battery cell stack 120 is discharged together with the air (A).
냉각 시스템(200)은, 냉각수 분사 장치(300)와 연결되어 냉각수(C)를 냉각수 분사 장치(300)에 공급할 수 있다. 특히, 냉각수(C)는 냉각 시스템(200)에서 냉각된 후 냉각수 분사 장치(300)를 통해 전지셀 적층체(120)에 분사될 수 있다. The cooling system 200 is connected to the coolant spray device 300 and can supply coolant C to the coolant spray device 300. In particular, the coolant C may be cooled in the cooling system 200 and then sprayed onto the battery cell stack 120 through the coolant spray device 300.
또한, 냉각 시스템(200)은 공기 순환 시스템(500)의 덕트(520)와 연결될 수 있다. 즉, 냉각 시스템(200)이 외부에서 유입된 공기(A)를 냉각 및 제습하고, 냉각 시스템(200)에 의해 냉각 및 제습된 공기(A)가 덕트(520)를 통해 전지 모듈(100) 내부로 유입될 수 있다. 이후, 공기(A)가 전지셀 적층체(120)를 통과한 후 팬 장치(510)를 통해 외부로 배출되어 공기 순환 구조가 형성될 수 있다. Additionally, the cooling system 200 may be connected to the duct 520 of the air circulation system 500. That is, the cooling system 200 cools and dehumidifies the air (A) introduced from the outside, and the air (A) cooled and dehumidified by the cooling system 200 is inside the battery module 100 through the duct 520. may flow into. Thereafter, the air (A) passes through the battery cell stack 120 and is discharged to the outside through the fan device 510, thereby forming an air circulation structure.
본 실시예에 따른 냉각 시스템(200)은, 분사되기 전의 냉각수(C)를 냉각함과 동시에, 전지 모듈(100)의 내부로 유입되기 전의 공기(A)를 냉각 및 제습하여, 전지 모듈(100)의 냉각 성능을 보다 높일 수 있다. The cooling system 200 according to this embodiment cools the coolant (C) before being sprayed and simultaneously cools and dehumidifies the air (A) before flowing into the battery module 100, thereby forming the battery module 100. ) cooling performance can be further improved.
종래의 공랭식의 전지 모듈의 경우, 단순히 공기의 순환을 이용한 열 배출 방식만 적용되었다. 그러나, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 경우, 공기 순환 시스템(500) 뿐만 아니라 냉각수 분사 장치(300)를 추가로 구비하여, 순환하는 공기(A)에 의한 열 배출 효과 외에 전지셀(110)에 분사된 냉각수(C)의 증발에 따른 추가적인 냉각 효과를 얻고자 하였다. 전지 모듈(100)의 내부에서 순환하는 공기(A)는 전지셀 적층체(120)로부터 발산된 열을 배출할 뿐만 아니라, 전지셀(110)의 표면에 분사된 냉각수(C)의 증발을 촉진시킨다. 냉각수(C)가 증발하는 과정에서 냉각수(C)의 기화열 흡수에 따른 추가적인 냉각 효과가 발현될 수 있다. In the case of conventional air-cooled battery modules, only a heat dissipation method using air circulation was applied. However, in the case of the battery module 100 according to the present embodiment, not only the air circulation system 500 but also the coolant spray device 300 is additionally provided, so that in addition to the heat discharge effect due to the circulating air (A), the battery cell ( 110), an additional cooling effect was sought to be obtained due to the evaporation of the coolant (C) sprayed. The air (A) circulating inside the battery module 100 not only discharges the heat radiated from the battery cell stack 120, but also promotes evaporation of the coolant (C) sprayed on the surface of the battery cell 110. I order it. During the process of evaporation of the coolant (C), an additional cooling effect may occur due to absorption of the heat of vaporization of the coolant (C).
더구나, 냉각수(C)와 공기(A)는 모두 냉각 시스템(200)에서 냉각된 후 전지셀 적층체(120)에 분사 및 유입되기 때문에 냉각 효과가 더욱 우수할 수 있다. 또한, 하나의 냉각 시스템(200)으로 냉각수(C)와 공기(A)를 각각 냉각시키기 때문에 전지 모듈(100) 내부의 공간 활용성 관점에서도 우수하다.Moreover, since both the coolant (C) and the air (A) are cooled in the cooling system 200 and then sprayed and introduced into the battery cell stack 120, the cooling effect may be more excellent. In addition, since the coolant (C) and air (A) are each cooled by a single cooling system (200), it is excellent from the perspective of space utilization inside the battery module (100).
냉각 시스템(200)의 구체적인 냉각 구조를 비롯하여 냉각수 순환 구조와 공기 순환 구조에 대해서는 아래에서 도 7을 참고해 보다 자세히 설명하도록 한다. The specific cooling structure of the cooling system 200, as well as the coolant circulation structure and air circulation structure, will be described in more detail below with reference to FIG. 7.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 커버를 나타낸 사시도이다. 도 4 및 도 5는 도 2의 전지셀이 도 3의 셀 커버 내부에 삽입된 모습을 나타낸 사시도와 측면도이다.Figure 3 is a perspective view showing a cell cover according to an embodiment of the present invention. Figures 4 and 5 are perspective and side views showing the battery cell of Figure 2 inserted into the cell cover of Figure 3.
도 2 내지 도 5를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110) 각각은 전기적 절연성 및 내부식성을 갖는 셀 커버(110C)에 수납된 상태로 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. Referring to FIGS. 2 to 5 together, each of the battery cells 110 according to this embodiment is stacked while stored in a cell cover 110C having electrical insulation and corrosion resistance to form a battery cell stack 120. can do.
전기적 절연성 및 내부식성을 갖는다면 셀 커버(110C)에 적용되는 소재에 대한 특별한 제한은 없다. 셀 커버(110C)는 내부가 비어있고, 양 방향이 개방된 구조물로써, 셀 커버(110C)의 내부에 적어도 하나의 전지셀(110)이 수납될 수 있다. 즉, 하나의 전지셀(110)이 하나의 셀 커버(110C)에 수납될 수 있고, 복수의 전지셀(110)이 하나의 셀 커버(110C)에 수납될 수도 있다. There are no special restrictions on the material applied to the cell cover (110C) as long as it has electrical insulation and corrosion resistance. The cell cover 110C is a structure that is hollow on the inside and open in both directions, and at least one battery cell 110 can be stored inside the cell cover 110C. That is, one battery cell 110 can be stored in one cell cover 110C, and a plurality of battery cells 110 can be stored in one cell cover 110C.
냉각수 분사 장치(300)로부터 분사된 냉각수(C)는 전지셀(110)이 수납되는 셀 커버(110C)의 표면에 분사될 수 있다. 셀 커버(110C)가 전기적 절연성을 갖고 있기 때문에 분사된 냉각수(C)로 인해 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다. The coolant C sprayed from the coolant spray device 300 may be sprayed on the surface of the cell cover 110C where the battery cell 110 is stored. Since the cell cover (110C) has electrical insulation properties, it can prevent short circuits from occurring due to the sprayed coolant (C).
도 6은 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체의 일부를 나타낸 평면도이다. Figure 6 is a plan view showing a portion of the battery cell stack included in the battery module of Figure 1.
도 6을 도 3 내지 도 5와 함께 참고하면, 셀 커버(110C)의 적어도 일면에 돌출부(110P)들이 형성될 수 있다. 돌출부(110P)는 셀 커버(110C)의 일면과 수직한 방향으로 돌출된 형태일 수 있다. 셀 커버(110C)에 수납된 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층될 때, 돌출부(110P)들 사이에 유로(F)가 형성될 수 있다. 즉, 인접한 전지셀(110)들 사이에서, 돌출부(110P)들 사이의 공간이 공기(A)가 흐르는 유로(F)가 될 수 있다. 덕트(520)에서 유입된 공기(A)가 전지셀 적층체(120)를 지나감에 있어서, 공기(A)가 돌출부(110P)들 사이에 형성된 유로(F)를 따라 흐르며 전지셀 적층체(120)를 통과할 수 있다. 유로(F)를 흐르는 공기(A)는 전지셀(110)로부터 발산된 열을 배출할 뿐만 아니라, 셀 커버(110C)의 표면에 분사된 냉각수(C)의 증발을 촉진할 수 있다.Referring to FIG. 6 together with FIGS. 3 to 5 , protrusions 110P may be formed on at least one surface of the cell cover 110C. The protrusion 110P may be protruding in a direction perpendicular to one surface of the cell cover 110C. When the battery cells 110 stored in the cell cover 110C are stacked in one direction, a flow path F may be formed between the protrusions 110P. That is, between adjacent battery cells 110, the space between the protrusions 110P may become a flow path F through which air A flows. As the air (A) introduced from the duct 520 passes through the battery cell stack 120, the air (A) flows along the flow path F formed between the protrusions 110P and flows through the battery cell stack ( 120) can be passed. The air (A) flowing through the flow path (F) not only discharges the heat radiated from the battery cell 110, but also promotes evaporation of the coolant (C) sprayed on the surface of the cell cover (110C).
이하에서는, 도 7 등을 참고하여, 냉각 시스템(200)의 구체적인 냉각 구조를 비롯하여 냉각수 순환 구조와 공기 순환 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구성들을 대략적으로 표현한 도면이다.Hereinafter, with reference to FIG. 7 and the like, the specific cooling structure of the cooling system 200, as well as the coolant circulation structure and the air circulation structure, will be described in detail. Figure 7 is a diagram roughly expressing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 7을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 상술한 것처럼, 냉각 시스템(200), 냉각수 분사 장치(300) 및 공기 순환 시스템(500)을 포함한다. 도 7에서 편의를 위해 냉각수(C)의 흐름은, 점선의 화살표와 물방울 모양으로 표시되어 있고, 공기(A)의 흐름은 굵은 화살표로 표시되어 있다. Referring to FIGS. 1 and 7 together, the battery module 100 according to this embodiment includes a cooling system 200, a coolant spray device 300, and an air circulation system 500, as described above. In FIG. 7 , for convenience, the flow of coolant (C) is indicated by a dotted arrow and a water drop shape, and the flow of air (A) is indicated by a thick arrow.
냉각수 분사 장치(300)는 냉각 파이프 형태일 수 있고, 전지셀 적층체(120)의 상부에 위치하여 전지셀(110)들의 표면, 상세하게는 셀 커버(110C)의 표면에 냉각수(C)를 분사할 수 있다. 냉각 파이프 형태인 냉각수 분사 장치(300)에 다수의 노즐이 형성될 수 있고, 이러한 노즐의 분사구를 작게 설정하여 냉각수(C)를 일종의 미스트 형태로 분사할 수 있다. The coolant spray device 300 may be in the form of a cooling pipe and is located at the top of the battery cell stack 120 to spray coolant (C) on the surface of the battery cells 110, specifically the surface of the cell cover 110C. It can be sprayed. A plurality of nozzles may be formed in the coolant injection device 300 in the form of a cooling pipe, and the injection ports of these nozzles may be set small to spray the coolant C in the form of a kind of mist.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)에 분사된 냉각수(C)의 일부를 회수하는 냉각수 회수 장치(400)를 더 포함할 수 있다. 냉각 시스템(200)은, 냉각수 분사 장치(300) 및 냉각수 회수 장치(400)와 각각 연결될 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, 냉각 시스템(200)에서 냉각된 냉각수(C)는 냉각수 분사 장치(300)를 통해 전지셀 적층체(120)에 분사된다. 증발되지 않고 남은 냉각수(C)의 일부는 냉각수 회수 장치(400)에 모일 수 있다. 구체적으로, 냉각수 회수 장치(400)는 전지셀 적층체(120)의 하부에 위치한 챔버부(410) 및 챔버부(410)와 냉각 시스템(200)을 연결하는 연결관(420)을 포함할 수 있다. 분사된 냉각수(C)의 일부가 챔버부(410)에 모일 수 있고, 연결관(420)을 통해 다시 냉각 시스템(200)에 공급될 수 있다. 챔버부(410)에 모인 냉각수(C)를 다시 냉각 시스템(200)에 공급하기 위해 별도의 펌프 장치(미도시)가 마련될 수 있다. 즉, 냉각수 회수 장치(400)에 회수된 냉각수(C)는 냉각 시스템(200)을 거쳐 냉각된 후, 냉각수 분사 장치(300)를 통해 전지셀 적층체(120)에 분사될 수 있다. 분사된 냉각수(C)의 일부는 다시 냉각수 회수 장치(400)에 모일 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 위와 같은 냉각수 순환 구조를 가질 수 있다. The battery module 100 according to this embodiment may further include a coolant recovery device 400 that recovers a portion of the coolant C sprayed on the battery cell stack 120. The cooling system 200 may be connected to the coolant spray device 300 and the coolant recovery device 400, respectively. As described above, the coolant C cooled in the cooling system 200 is sprayed onto the battery cell stack 120 through the coolant spray device 300. A portion of the remaining coolant C that has not been evaporated may be collected in the coolant recovery device 400. Specifically, the coolant recovery device 400 may include a chamber portion 410 located below the battery cell stack 120 and a connection pipe 420 connecting the chamber portion 410 and the cooling system 200. there is. A portion of the sprayed coolant C may collect in the chamber portion 410 and be supplied back to the cooling system 200 through the connection pipe 420. A separate pump device (not shown) may be provided to supply the coolant C collected in the chamber portion 410 back to the cooling system 200. That is, the coolant C recovered in the coolant recovery device 400 may be cooled through the cooling system 200 and then sprayed on the battery cell stack 120 through the coolant spray device 300. A portion of the sprayed coolant C may be collected again in the coolant recovery device 400. The battery module according to this embodiment may have the cooling water circulation structure described above.
냉각수 회수 장치(400)에는 냉각수 공급 배관(430)이 별도로 연결될 수 있다. 냉각수 공급 배관(430)은 외부의 냉각수 공급원과 연결될 수 있다. 상기와 같은 냉각수 순환 구조에서, 냉각수(C)의 일부는 계속 증발하기 때문에 순환하는 냉각수의 총량은 계속 감소한다. 순환하는 냉각수의 총량을 유지하기 위해 냉각수 회수 장치(400)에 냉각수 공급 배관(430)이 연결될 수 있다. 즉, 챔버부(410)에 모이는 냉각수(C)의 높이를 실시간으로 측정하고, 모인 냉각수(C)가 일정량 이하로 감소하면 냉각수 공급 배관(430)을 통해 냉각수(C)를 추가 공급할 수 있다. A cooling water supply pipe 430 may be separately connected to the cooling water recovery device 400. The cooling water supply pipe 430 may be connected to an external cooling water supply source. In the cooling water circulation structure described above, a portion of the cooling water C continues to evaporate, so the total amount of circulating cooling water continues to decrease. A coolant supply pipe 430 may be connected to the coolant recovery device 400 to maintain the total amount of circulating coolant. That is, the height of the coolant (C) collected in the chamber portion 410 is measured in real time, and when the collected coolant (C) decreases below a certain amount, additional coolant (C) can be supplied through the coolant supply pipe 430.
한편, 본 실시예에 따른 공기 순환 시스템(500)에 있어서, 전지 모듈(100)의 외부에서 덕트(520)를 통해 유입된 공기(A)는 냉각 시스템(200)을 통과하여 냉각 및 제습된 후, 전지셀 적층체(120)를 지나쳐 팬 장치(510)를 통해 다시 외부로 배출될 수 있다. Meanwhile, in the air circulation system 500 according to this embodiment, the air (A) introduced through the duct 520 from the outside of the battery module 100 passes through the cooling system 200 and is cooled and dehumidified. , may pass through the battery cell stack 120 and be discharged to the outside again through the fan device 510.
이와 같이, 본 실시예에 따른 냉각 시스템(200)은, 분사되기 전의 냉각수(C)를 냉각함과 동시에, 전지 모듈(100)의 내부로 유입되기 전의 공기(A)를 냉각 및 제습하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 기능을 수행할 수 있다면, 냉각 시스템(200)의 구체적인 구성에 특별한 제한은 없다. 또한, 냉각 시스템(200)의 위치에 제한이 없기 때문에 냉각 시스템(200)은 모듈 프레임(600)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. In this way, the cooling system 200 according to this embodiment has the function of cooling the coolant C before being sprayed and simultaneously cooling and dehumidifying the air A before being introduced into the battery module 100. It can be done. As long as it can perform these functions, there is no particular limitation on the specific configuration of the cooling system 200. Additionally, since there are no restrictions on the location of the cooling system 200, the cooling system 200 may be located inside or outside the module frame 600.
냉각 시스템(200)은, 냉각 대상물인 냉각수(C)와 공기(A)를 냉각하기 위한 통상의 냉각 구조를 가질 수 있다. 일례로, 냉각 시스템(200)은, 증발기(210), 압축기(220), 응축기(230) 및 팽창 밸브(240)를 포함할 수 있다. 냉각 시스템(200)의 내부에서 별도의 냉매가 순환하는데, 상기 냉매가 압축기(220)를 통해 고온, 고압의 상태가 된다. 고온, 고압의 상태인 상기 냉매가 응축기(230)로 이동한 후 온도가 감소하여 액화된다. 이후 상기 냉매가 팽창 밸브(240)를 지나면서 저압으로 바뀌고, 상기 냉매의 입자간 거리가 멀어져 온도가 낮아진다. 증발기(210)에 다다른 상기 냉매는, 기화가 되면서 주위의 온도를 낮추게 된다. The cooling system 200 may have a normal cooling structure for cooling coolant (C) and air (A), which are objects to be cooled. As an example, the cooling system 200 may include an evaporator 210, a compressor 220, a condenser 230, and an expansion valve 240. A separate refrigerant circulates inside the cooling system 200, and the refrigerant becomes high temperature and high pressure through the compressor 220. After the refrigerant, which is at high temperature and high pressure, moves to the condenser 230, its temperature decreases and it is liquefied. Afterwards, as the refrigerant passes through the expansion valve 240, the pressure changes to low, and the distance between particles of the refrigerant increases, lowering the temperature. The refrigerant that reaches the evaporator 210 is vaporized and lowers the surrounding temperature.
본 실시예에 따르면, 냉각수(C)는 이러한 증발기(210)를 통과하면서 냉각될 수 있고, 공기(A)는 증발기(210)를 통과하면서 냉각 및 제습이 이루어질 수 있다. 증발기(210)의 개수에 특별한 제한은 없으므로, 냉각 시스템(200) 내부에 냉각수(C)와 공기(A)의 냉각을 위한 각각의 증발기(210)들이 구비될 수 있다. 다른 실시예로써, 하나의 증발기(210)에서 냉각수(C)와 공기(A)의 냉각이 모두 이루어지는 것도 가능하다. 냉각수(C)와 공기(A)를 모두 냉각한 뒤 냉각수(C)의 증발을 전지 모듈(100)에 대한 냉각으로 활용하는 점은 본 실시예가 갖는 장점이다. 또한, 단일의 냉각 시스템(200)으로 냉각수(C)와 공기(A)를 각각 냉각시키기 때문에 전지 모듈(100) 내부의 공간 활용성을 높일 수 있다는 점도 본 실시예가 갖는 장점이다. According to this embodiment, the cooling water (C) can be cooled while passing through the evaporator 210, and the air (A) can be cooled and dehumidified while passing through the evaporator 210. Since there is no particular limitation on the number of evaporators 210, individual evaporators 210 for cooling the coolant (C) and air (A) may be provided inside the cooling system 200. In another embodiment, it is possible to cool both the coolant (C) and the air (A) in one evaporator 210. An advantage of this embodiment is that after cooling both the coolant (C) and the air (A), the evaporation of the coolant (C) is used to cool the battery module 100. In addition, an advantage of this embodiment is that the space utilization inside the battery module 100 can be increased because the coolant (C) and air (A) are each cooled by a single cooling system (200).
이하에서는, 도 8을 참고하여, 본 실시예에 따른 냉각 시스템(200)이 냉각수(C)의 분사량을 조절하는 것에 대해 자세히 설명하도록 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Hereinafter, with reference to FIG. 8, how the cooling system 200 according to this embodiment adjusts the injection amount of coolant C will be described in detail. Figure 8 is a flowchart for explaining a method of operating a cooling system according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 냉각 시스템(200)은, 냉각수 분사 장치(300)에 공급하는 냉각수(C)의 양을 조절함으로써, 냉각수(C)의 분사량을 조절할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 8 , the cooling system 200 according to this embodiment can adjust the injection amount of coolant (C) by adjusting the amount of coolant (C) supplied to the coolant spray device 300. .
전지 모듈(100)이 구동되어, 전지 모듈(100)에 포함된 전지셀(110)들이 충전과 방전이 반복되면, 팬 장치(510)가 작동하여 공기(A)의 순환이 이루어질 수 있다. When the battery module 100 is driven and the battery cells 110 included in the battery module 100 are repeatedly charged and discharged, the fan device 510 operates to circulate air (A).
이 때, 전지셀 적층체(120)의 온도가 기준 온도 미만일 경우, 냉각 시스템(200)은 냉각수 분사 장치(300)의 냉각수(C) 분사를 중단하고 팬 장치(510)만 작동시킬 수 있다. 냉각 시스템(200)이 냉각수 분사 장치(300)로 냉각수(C)를 공급하지 않고, 팬 장치(510)만 작동시켜 공랭식 냉각만 유지할 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 온도는 섭씨 35도 이상, 섭씨 40도 이하의 온도로 설정될 수 있다. 설정된 기준 온도 미만일 경우, 냉각수(C)의 증발에 따른 추가 냉각 효과가 필요하지 않아, 팬 장치(510)만 작동될 수 있다. At this time, if the temperature of the battery cell stack 120 is below the reference temperature, the cooling system 200 may stop spraying the coolant (C) of the coolant spray device 300 and operate only the fan device 510. The cooling system 200 does not supply coolant C to the coolant spray device 300 and operates only the fan device 510 to maintain only air-cooled cooling. For example, the reference temperature may be set to a temperature of 35 degrees Celsius or more and 40 degrees Celsius or less. If the temperature is below the set reference temperature, no additional cooling effect due to evaporation of the coolant C is required, so only the fan device 510 can be operated.
다음, 전지셀 적층체(120)의 온도가 기준 온도 이상 및 위험 온도 미만일 경우, 냉각 시스템(200)은, 팬 장치(510)의 작동과 함께 냉각수 분사 장치(300)가 냉각수(C)를 분사하도록 작동시킬 수 있다. 즉, 냉각 시스템(200)이 냉각수 분사 장치(300)로 냉각된 냉각수(C)를 공급할 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 온도가 기준 온도 이상이 되면, 냉각수(C)의 증발에 따른 추가 냉각 효과가 필요한 것이라 판단해, 냉각수(C)가 분사될 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(120)의 온도가 기준 온도 이상 및 위험 온도 미만일 경우, 냉각수 순환 구조와 공기 순환 구조가 모두 진행될 수 있다. 또한, 기준 온도와 위험 온도 사이에서 섭씨 5도 단위로 냉각수(C)의 분사량이 점차 증가되도록 설정될 수 있다. Next, when the temperature of the battery cell stack 120 is above the reference temperature and below the critical temperature, the cooling system 200 operates the fan device 510 and the coolant spray device 300 sprays coolant (C). It can be operated to do so. That is, the cooling system 200 can supply cooled coolant C to the coolant spray device 300. When the temperature of the battery cell stack 120 exceeds the reference temperature, it is determined that an additional cooling effect due to evaporation of the coolant C is needed, and the coolant C may be sprayed. That is, when the temperature of the battery cell stack 120 is above the reference temperature and below the critical temperature, both the coolant circulation structure and the air circulation structure can proceed. Additionally, the injection amount of coolant (C) may be set to gradually increase in steps of 5 degrees Celsius between the reference temperature and the critical temperature.
다음, 전지셀 적층체(120)의 온도가 위험 온도 이상일 경우, 냉각 시스템(200)은 냉각수 분사 장치(300)의 냉각수 분사량을 최대로 설정할 수 있다. 예를 들어 상기 위험 온도는 섭씨 70도일 수 있다. 전지 모듈(100) 내부의 온도가 섭씨 55도 이상이 되면, BMS(Battery Management System)에 의해 전류 경감(derating)이 이루어지기 때문에 온도가 섭씨 70도 이상으로 올라가지 않는다. 따라서, 전지셀 적층체(120)의 온도가 위험 온도로 설정된 섭씨 70도 이상이 되면 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생한 것으로 판단해, 냉각수(C)를 최대로 분사할 수 있다. 이 때의 냉각수(C)는 열 폭주 현상에 따른 초기 화재를 진압하기 위한 소화수로 기능하게 된다. 즉, 본 실시예에 따라 냉각수 분사 장치(300)를 구비한 전지 모듈(100)은, 정상 작동 시에는 냉각수(C)의 증발에 따른 추가 냉각 효과를 가질 수 있고, 비정상 작동 시에는 냉각수(C)를 최대로 분사하여 직접적인 화재 진압 기능을 가질 수 있다. Next, when the temperature of the battery cell stack 120 is above the critical temperature, the cooling system 200 may set the coolant spray amount of the coolant spray device 300 to the maximum. For example, the critical temperature may be 70 degrees Celsius. When the temperature inside the battery module 100 exceeds 55 degrees Celsius, current derating is performed by the Battery Management System (BMS), so the temperature does not rise above 70 degrees Celsius. Therefore, when the temperature of the battery cell stack 120 exceeds 70 degrees Celsius, which is set as a critical temperature, it is determined that a thermal runaway phenomenon has occurred, and the coolant C can be sprayed to the maximum. At this time, the cooling water (C) functions as fire extinguishing water to extinguish the initial fire caused by thermal runaway phenomenon. That is, the battery module 100 equipped with the coolant spray device 300 according to this embodiment may have an additional cooling effect due to evaporation of the coolant (C) during normal operation, and may have an additional cooling effect due to the evaporation of the coolant (C) during abnormal operation. ) can be sprayed to the maximum to have a direct fire suppression function.
한편, 상기 기준 온도와 상기 위험 온도는, 일률적인 값을 갖는 것이 아니라, 적용되는 전지 모듈의 크기, 무게 및 용량 등을 고려해 전지 모듈의 모델마다 달라지는 값이다. Meanwhile, the reference temperature and the critical temperature do not have uniform values, but are values that vary depending on the model of the battery module, considering the size, weight, and capacity of the applied battery module.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.In this embodiment, terms indicating directions such as front, back, left, right, up, and down are used, but these terms are only for convenience of explanation and may vary depending on the location of the target object or the location of the observer. .
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.One or more battery modules according to this embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a Battery Management System (BMS), Battery Disconnect Unit (BDU), and a cooling system to form a battery pack.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.The battery module or battery pack can be applied to various devices. Specifically, it can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrids, or ESS (Energy Storage System), but is not limited to this and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. falls within the scope of rights.
100: 전지 모듈
110: 전지셀
110C: 셀 커버
110P: 돌출부
200: 냉각 시스템
300: 냉각수 분사 장치
400: 냉각수 회수 장치
500: 공기 순환 시스템
510: 팬 장치100: battery module
110: battery cell
110C: Cell Cover
110P: Protrusion
200: cooling system
300: Coolant spray device
400: Coolant recovery device
500: Air circulation system
510: fan device
Claims (17)
상기 전지셀 적층체를 향해 냉각수를 분사하는 냉각수 분사 장치;
상기 냉각수 분사 장치를 통해 분사되는 냉각수의 분사량을 조절하는 냉각 시스템; 및
상기 전지셀 적층체에 대한 공기 순환 구조를 형성하기 위해 공기를 배출시키는 팬 장치를 갖는 공기 순환 시스템을 포함하는 전지 모듈.A battery cell stack in which battery cells are stacked along one direction;
A coolant spray device that sprays coolant toward the battery cell stack;
a cooling system that adjusts the amount of coolant sprayed through the coolant spray device; and
A battery module comprising an air circulation system having a fan device that exhausts air to form an air circulation structure for the battery cell stack.
상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 분사 장치와 연결되고,
상기 냉각수는 상기 냉각 시스템에서 냉각된 후, 상기 전지셀 적층체에 분사되는 전지 모듈.In paragraph 1:
The cooling system is connected to the coolant spray device,
A battery module in which the coolant is cooled in the cooling system and then sprayed on the battery cell stack.
상기 전지셀 적층체에 분사된 상기 냉각수의 일부를 회수하는 냉각수 회수 장치를 더 포함하는 전지 모듈. In paragraph 2,
The battery module further includes a coolant recovery device that recovers a portion of the coolant sprayed on the battery cell stack.
상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 회수 장치와 연결되고,
상기 냉각수 회수 장치에 회수된 상기 냉각수는 상기 냉각 시스템을 거쳐 냉각된 후, 상기 냉각수 분사 장치를 통해 상기 전지셀 적층체에 분사되는 전지 모듈.In paragraph 3,
The cooling system is connected to the cooling water recovery device,
The coolant recovered in the coolant recovery device is cooled through the cooling system and then sprayed on the battery cell stack through the coolant spray device.
상기 냉각수 회수 장치에 냉각수 공급 배관이 연결되는 전지 모듈.In paragraph 3,
A battery module in which a cooling water supply pipe is connected to the cooling water recovery device.
상기 냉각수 회수 장치는, 상기 전지셀 적층체의 하부에 위치한 챔버부를 포함하고,
분사된 상기 냉각수의 일부가 상기 챔버부로 모이는 전지 모듈.In paragraph 3,
The coolant recovery device includes a chamber portion located below the battery cell stack,
A battery module in which a portion of the sprayed coolant collects in the chamber portion.
상기 냉각 시스템은 외부에서 유입된 공기를 냉각 및 제습하고,
상기 냉각 시스템에 의해 냉각 및 제습된 공기가 상기 전지셀 적층체를 통과한 후 상기 팬 장치를 통해 외부로 배출되어 공기 순환 구조가 형성되는 전지 모듈.In paragraph 1:
The cooling system cools and dehumidifies air introduced from the outside,
A battery module in which air cooled and dehumidified by the cooling system passes through the battery cell stack and is then discharged to the outside through the fan device to form an air circulation structure.
상기 냉각 시스템은, 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창 밸브를 포함하는 전지 모듈.In paragraph 1:
The cooling system is a battery module including an evaporator, compressor, condenser, and expansion valve.
상기 냉각수는 상기 증발기를 통과하며 냉각되고,
상기 공기는 상기 증발기를 통과해 냉각 및 제습되는 전지 모듈.In paragraph 8:
The cooling water passes through the evaporator and is cooled,
A battery module in which the air is cooled and dehumidified by passing through the evaporator.
상기 전지셀 적층체의 온도가 기준 온도 미만일 경우, 상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 분사 장치의 냉각수 분사를 중단하고 상기 팬 장치만 작동시키는 전지 모듈.In paragraph 1:
When the temperature of the battery cell stack is below the reference temperature, the cooling system stops spraying coolant from the coolant spray device and operates only the fan device.
상기 전지셀 적층체의 온도가 기준 온도 이상 및 위험 온도 미만일 경우, 상기 냉각 시스템은, 상기 팬 장치의 작동과 함께 상기 냉각수 분사 장치가 냉각수를 분사하도록 작동시키는 전지 모듈.In paragraph 1:
When the temperature of the battery cell stack is above the reference temperature and below the critical temperature, the cooling system operates the fan device and operates the coolant spray device to spray coolant.
상기 전지셀 적층체의 온도가 위험 온도 이상일 경우, 상기 냉각 시스템은 상기 냉각수 분사 장치의 냉각수 분사량을 최대로 설정하는 전지 모듈.In paragraph 1:
When the temperature of the battery cell stack is above the critical temperature, the cooling system sets the coolant injection amount of the coolant spray device to the maximum.
상기 전지셀 각각은 전기적 절연성 및 내부식성을 갖는 셀 커버에 수납된 상태로 적층되어 상기 전지셀 적층체를 형성하는 전지 모듈.In paragraph 1:
A battery module in which each of the battery cells is stored in a cell cover having electrical insulation and corrosion resistance and is stacked to form the battery cell stack.
상기 셀 커버의 적어도 일면에 돌출부들이 형성되는 전지 모듈.In paragraph 13:
A battery module in which protrusions are formed on at least one surface of the cell cover.
상기 돌출부들 사이에 유로가 형성되고,
상기 공기는 상기 돌출부들 사이에 형성된 유로를 따라 흐르며 상기 전지셀 적층체를 통과하는 전지 모듈.In paragraph 14:
A flow path is formed between the protrusions,
A battery module in which the air flows along a flow path formed between the protrusions and passes through the battery cell stack.
상기 냉각수는 상기 셀 커버의 표면에 분사되는 전지 모듈.In paragraph 13:
A battery module in which the coolant is sprayed on the surface of the cell cover.
A battery pack including at least one battery module according to claim 1.
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KR (1) | KR20240041097A (en) |
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2022
- 2022-09-22 KR KR1020220120202A patent/KR20240041097A/en unknown
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