KR20240084194A - 냉간운전 성능이 향상된 배터리 블록 - Google Patents

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KR20240084194A
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윤두한
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

개시되는 발명은 배터리 블록에 관한 것으로서, 하나의 실시형태에서, 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트, 및 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하는 형태로 절곡된 플레이트로 이루어지며, 상기 사이드 플레이트의 내부 공간에는 외부전력을 공급받아 승온하는 전기열선이 구비되고, 상기 사이드 플레이트와 셀 어레이의 접촉면 사이에는 물이 함침된 흡수재가 밀봉 수납된 흡열/벤팅 파우치가 개재된다.

Description

냉간운전 성능이 향상된 배터리 블록{BATTERY BLOCK HAVING IMPROVED COLD OPERATION PERFORMANCE}
본 발명은 배터리 블록에 관한 것으로서, 저온의 외기온도에 의해 적정 온도조건에서 벗어난 이차전지의 운전성능을 향상시킬 수 있는 배터리 블록에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.
이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
이차전지는 배터리 팩의 형태로서 복수의 배터리 셀이 하나의 집단을 이룰 수 있다. 배터리 팩은 에너지 밀도를 높여 고에너지를 요구하는 장치, 예를 들어 전기자동차 등에 탑재될 수 있다. 배터리 팩은 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 규정된 전력을 출력하고, 작동 중 온도가 상승하는 배터리 셀을 냉각하며, 발화 등의 비상상황에 대응하는 각종 안전장치를 구비한다.
또한, 전기자동차용 이차전지는 계절적, 지형적 요인 등에 의해 다양한 온도환경에서 운전되는데, 특히 저온환경에서는 이차전지의 전기화학 반응이 저하되어 정상 온도조건에 이르기 전까지는 본래의 성능을 발휘하기가 어렵다. 이러한 이차전지의 특성으로 인해, 저온환경에서는 전기자동차의 동력성능, 주행거리 등의 전반적인 성능이 떨어지므로, 이를 고려한 이차전지의 저온보상에 대한 대책이 필요하다.
일본공개특허 특개2017-216098호(2017.12.07 공개)
본 발명은 외기온도가 낮은 저온 환경에서의 이차전지의 성능을 보상할 수 있는 냉간운전 성능이 향상된 배터리 블록을 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 배터리 블록에 관한 것으로서, 하나의 실시형태에서, 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트, 및 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하는 형태로 절곡된 플레이트로 이루어지며, 상기 사이드 플레이트의 내부 공간에는 외부전력을 공급받아 승온하는 전기열선이 구비되고, 상기 사이드 플레이트와 셀 어레이의 접촉면 사이에는 물이 함침된 흡수재가 밀봉 수납된 흡열/벤팅 파우치가 개재된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 배터리 블록에 의하면, 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트, 및 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하는 형태로 절곡된 플레이트로 이루어지며, 상기 사이드 플레이트의 내부 공간에는 외부전력을 공급받아 승온하는 면상 발열체에 감싸인 흡열/벤팅 파우치가 수납되고, 상기 흡열/벤팅 파우치에는 물이 함침된 흡수재가 밀봉 수납되어 있다.
일 실시예에서, 상기 전기열선 또는 면상 발열체는 사전에 정해진 가열온도를 유지하면서 사전에 정해진 시간 동안 열을 방출하고, 상기 흡열/벤팅 파우치는 상기 전기열선 또는 면상 발열체에서 방출하는 열을 흡수한 후 소정 시간 동안 흡수한 열을 서서히 방출한다.
다른 실시예에서, 상기 전기열선 또는 면상 발열체는 상기 흡열/벤팅 파우치의 온도가 사전에 설정된 온도에 도달할 때까지 열을 방출하고, 상기 흡열/벤팅 파우치는 상기 전기열선 또는 면상 발열체에서 방출하는 열을 흡수한 후 소정 시간 동안 흡수한 열을 서서히 방출한다.
일 실시형태에서, 상기 흡수재는, 고흡수성 폴리머(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)를 포함하는 고흡수성 매트릭스일 수 있다.
그리고, 상기 흡열/벤팅 파우치는 그 테두리를 따라 열융착 실링부를 구비하고, 상기 열융착 실링부 상에는 상대적으로 파열강도가 낮은 취약부가 구비될 수 있다.
한편, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속되고, 상기 사이드 플레이트와 엔드 플레이트, 그리고 상기 사이드 브래킷이 모두 열전도성 소재로 이루어짐으로써 열적으로 서로 연결되어 있다.
상기 사이드 플레이트는, 내부에 공간을 형성하도록 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 사이드 플레이트는, 상기 절곡된 플레이트의 양편으로 오목면을 구비하고, 대면하는 상기 오목면이 상호 접합된 접합리브가 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
그리고, 상기 사이드 브래킷은, 상기 엔드 플레이트에 돌출 구비된 용접볼트에 삽입되는 체결 홈을 구비하고, 상기 용접볼트와 체결 홈은 용접에 의해 상호 접합될 수 있다.
또한, 상기 사이드 브래킷은, 상기 사이드 플레이트의 폭 방향 중앙을 기준으로 하여 좌우 양측으로 상기 체결 홈을 각각 구비할 수 있다.
이에 따라, 폭 방향을 따라 배열된 또 하나의 셀 어레이는 상기 사이드 플레이트를 공유하고, 상기 또 하나의 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트에 구비된 용접볼트가 상기 사이드 브래킷의 체결 홈에 대해 고정됨으로써 복수의 셀 어레이가 폭 방향을 따라 확장될 수 있다.
상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 배터리 블록에 의하면, 전기열선이나 면상 발열체와 같은 전기 발열체에서 방출하는 열을 물의 현열과 잠열을 이용하여 충분히 저장한 후에 장시간 동안 서서히 방열하면서 셀 어레이의 온도를 올려준다.
따라서, 본 발명의 배터리 블록은 전기 발열체가 작동하는 동안 곧바로 전달되는 열과, 전기열선의 작동이 끝난 후에 흡열/벤팅 파우치에서 서서히 방출하는 열을 복합적으로 이용하여 셀 어레이를 승온함에 따라 매우 에너지 효율적인 저온보상이 가능해진다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 블록을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 배터리 블록에 대한 분해 사시도.
도 3은 사이드 플레이트를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 "A-A"선을 따라 절개한 단면도.
도 5는 도 3의 "B-B"선을 따라 절개한 단면도.
도 6은 본 발명의 배터리 블록이 폭 방향으로 확장되는 구조를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 배터리 블록의 일부를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 배터리 블록이 팩 케이스에 장착되는 일례를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 배터리 블록에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트, 및 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함한다.
상기 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하는 형태로 절곡된 플레이트로 이루어지고, 상기 사이드 플레이트의 내부 공간에는 외부전력을 공급받아 승온하는 전기열선이 구비되며, 상기 사이드 플레이트와 셀 어레이의 접촉면 사이에는 물이 함침된 흡수재가 밀봉 수납된 흡열/벤팅 파우치가 개재된다.
이러한 본 발명의 배터리 블록에 의하면, 전기열선에서 방출하는 열을 물의 현열과 잠열을 이용하여 충분히 저장한 후에 장시간 동안 서서히 방열하면서 셀 어레이의 온도를 올려준다. 따라서, 전기열선이 작동하는 동안 바로 전달되는 열과, 전기열선의 작동이 끝난 후에 흡열/벤팅 파우치에서 서서히 방출하는 열을 복합적으로 이용하여 셀 어레이를 승온함에 따라 매우 에너지 효율적인 온도보상이 가능해진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 블록(10)을 도시한 도면, 그리고 도 2는 도 1의 배터리 블록(10)에 대한 분해 사시도로서, 이하에서는 본 발명에 따른 배터리 블록(10)의 구성을 먼저 살펴보고, 이어서 배터리 블록(10)의 저온 보상에 대해 설명한다.
첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 블록(10)은 한 쌍의 사이드 플레이트(200) 및 이에 결속하여 평행 육면체 형태의 공간을 형성하는 한 쌍의 엔드 플레이트(300), 그리고 평행 육면체 공간에 수용되는 셀 어레이(100)를 포함한다.
셀 어레이(100)는 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀(110)이 이루는 하나의 셀 집단을 의미한다. 개개의 각형 셀(110)은 독립적으로 충방전이 가능한 완성된 각형 이차전지이며, 도시된 실시형태에서는 12개의 각형 셀(110)이 모여 하나의 셀 어레이(100)를 구성하는 것이 하나의 예로서 도시되어 있다. 모든 각형 셀(110)은 동일 사양으로 구성되는 것이 일반적이며, 일렬로 정렬된 각형 셀(110)은 전체적으로 평행 육면체의 형태를 이루고 있다.
참고로, 도시된 각형 셀(110)은 양극과 음극의 전극단자(112)가 모두 상면에 배치된 일방향 각형 셀(110)에 해당하며, 또한 한 쌍의 전극단자(112) 사이에 벤팅장치(114)가 구비되어 있다. 벤팅장치(114)는 각형 셀(110) 내부에 안전수준을 압력이 작용하면 파열되어 내압을 해소하는 안전밸브에 해당하는 장치로서, 예를 들어 금속재질의 얇은 판형 부재의 노치(Notch) 가공을 한 럽쳐 디스크를 포함할 수 있다. 럽쳐 디스크는 밀폐된 각형 셀(110)의 내압이 상승하면 그 압력에 의해 박판 전반에 걸쳐 인장변형이 발생하다가 강도가 약한 노치부가 찢어지면서 각형 셀(110)의 내압을 해소하게 된다.
그리고, 셀 어레이(100) 상의 각형 셀(110)의 전극단자(112)는 병렬이나 직렬의 전기연결의 편의성을 위해 동일 극성이 일렬로 연이어 배치되거나 또는 반대 극성이 교번으로로 나타나도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 복수의 각형 셀(110)이 일렬로 정렬된다는 것이 반드시 전극단자(112) 극성의 일렬 정렬을 의미하는 것은 아니다.
한 쌍의 사이드 플레이트(200)는 셀 어레이(100)의 양 측면에 각각 배치되고, 한 쌍의 엔드 플레이트(300)는 셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치된다. 엔드 플레이트(300)의 폭 방향(W) 양단은 사이드 플레이트(200)의 길이방향(L) 양단에 구비된 사이드 브래킷(210)에 대해 고정되며, 사이드 브래킷(210)을 매개로 하는 엔드 플레이트(300)와 사이드 플레이트(200)의 상호 연결에 의해 셀 어레이(100)는 하나의 블록으로 구속된다.
여기서, 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300), 그리고 이들을 연결하는 사이드 브래킷(210)은 모두 열전도성 소재, 예를 들어 알루미늄 소재나 스테인리스스틸(SUS)과 같은 열전도율이 우수한 금속소재로 이루어지며, 이를 통해 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)는 열적으로 연결된다. 다시 말해, 셀 어레이(100) 상의 어느 각형 셀(110)에 대해, 주변의 다른 각형 셀(110)은 물론 셀 어레이(100)에 접촉하는 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)는 서로 열적으로 연결된 하나의 열용량(thermal mass)을 이루게 된다.
이와 같이, 배터리 블록(10) 전체가 하나의 열용량을 이룸에 따라, 충방전시 각형 셀(110)의 급격한 온도상승을 완화하는 것은 물론 열 폭주, 열 전파 등의 비상상황에서도 신속히 열을 분산하는 패시브 냉각구조의 기초가 마련된다.
도 3은 사이드 플레이트(200)를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 "A-A"선을 따라 절개한 단면도이다. 도면에 도시된 사이드 플레이트(200)는, 내부에 공간을 형성하도록 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트로 이루어져 있다. 단일 플레이트를 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡 가공함으로써, 사이드 플레이트(200)는 경량이면서도 우수한 기계적 강도를 발휘하게 된다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 사이드 플레이트(200)는 절곡된 플레이트의 양편으로 오목면(222)을 구비하고 있으며, 대면하는 오목면(222)은 상호 접합되어 접합리브(220)를 형성하고 있다. 이러한 접합리브(220)는 사이드 플레이트(200)의 길이방향(L)을 따라 적어도 하나 이상 구비되며, 도시된 실시형태에서는 사이드 플레이트(200)의 양단과 중앙으로 총 세 개의 접합리브(220)가 형성되어 있다.
"∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트는 절곡구조에 의해 길이방향(L)의 압축과 인장에 대해서는 내구력과 강도가 우수하지만, 높이방향(H)의 힘에 대해서는 상대적으로 취약할 수 있다. 접합리브(220)는 오목면(222)의 구조와, 사이드 플레이트(200) 양편의 오목면(222)을 용접에 의한 접합, 또는 리벳 등에 의한 결속으로 하나로 묶음으로써 높이방향(H)의 힘에 대한 강성을 향상시키게 된다.
이와 같은 사이드 플레이트(200)의 구조, 즉 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트 구조와 상호 접합된 오목면(222)의 구조에 의해, 사이드 플레이트(200)는 경량이면서도 강한 기계적 강성을 가지게 된다. 이에 따라, 본 발명의 배터리 블록(10)은 종래 배터리 팩에 구비었던 크로스 빔의 구성을 사이드 플레이트(200)가 대체하게 되고, 그만큼 배터리 팩(600)의 구조가 단순화됨으로써 배터리 팩(600)의 공간 활용률이 향상되어 동일 체적에서의 에너지 밀도는 더욱 증가하며, 원가를 절감할 수 있게 된다.
그리고, 도 2, 도 3 및 도 5에 나타나 것처럼, 사이드 플레이트(200)의 내부 공간에는 전기열선(250)이 삽입 배치된다. 전기열선(250)은 외부전력을 공급받아 발열함으로써 주변의 구조체나 공기의 온도를 승온하는 공지의 전기 발열체를 지칭하는 것이다. 도시되지는 않았지만, 배터리 블록(10)의 제어부(예를 들어, EMS)나 별도로 마련된 제어부의 작동에 의해 전기열선(250)의 발열온도, 발열시간 등의 전력제어가 이루어진다. 여기서, 사이드 플레이트(200)의 내부에 배치되는 전기열선(250)은 쇼트를 방지하기 위해 내열성의 절연피복을 갖추는 것이 바람직할 수 있으며, 기타 전기열선(250)의 구성 및 이에 대한 전력제어는 널리 알려진 공지의 기술에 해당하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
그리고, 사이드 플레이트(200)와 셀 어레이(100)의 접촉면 사이에는 흡열/벤팅 파우치(240)가 개재되어 있다. 흡열/벤팅 파우치(240)는 셀 어레이(100)에 밀착된 상태로, 엔드 플레이트(300)와 사이드 플레이트(200)의 결합에 의해 한 몸체로 구속된다.
흡열/벤팅 파우치(240)는 다량의 액체를 함침하고 있는 흡수재(242)를 밀봉 수납하고 있으며, 흡수재(242)에 함침된 액체는 주변으로부터 전달된 열을 흡수하여 저장하고, 반대로 주변의 온도가 자신보다 낮을 때에는 서서히 방열한다. 즉, 흡열/벤팅 파우치(240)는 흡수재(242)에 함침된 액체의 흡열, 그리고 액체가 비등점을 초과했을 때 기화하면서 흡수하는 잠열에 대응하는 열용량을 가지고 있으며, 자신의 열용량으로 주변의 온도에 영향을 미친다.
배터리 블록(10)이 저온 환경에 있을 때 사이드 플레이트(200) 내부에 배치된 전기열선(250)이 작동하면, 전기열선(250)이 방출하는 열의 일부는 사이드 플레이트(200) 및 이와 열적으로 연결된 엔드 플레이트(300)를 통해 셀 어레이(100)를 승온한다. 또한, 다른 일부의 열은 사이드 플레이트(200)에 접촉한 흡열/벤팅 파우치(240)의 내부 액체로 전달되어 저장되며, 셀 어레이(100)의 온도보다 흡열/벤팅 파우치(240)의 온도가 높는 경우에는 액체에 저장된 열은 셀 어레이(100)에 전달된다.
이러한 본 발명의 배터리 블록(10)에 의하면, 전기열선(250)에서 방출하는 열 에너지를 물의 현열과 잠열을 이용하여 충분히 저장한 후에 장시간 동안 서서히 방열하면서 셀 어레이(100)의 온도를 올려준다. 따라서, 전기열선(250)이 작동하는 동안 셀 어레이(100)로 즉각 전달되는 열과, 전기열선(250)의 작동이 끝난 후에 흡열/벤팅 파우치(240)에서 서서히 방출하는 열을 복합적으로 이용하여 셀 어레이(100)를 승온함에 따라, 전기열선(250)의 소비전력을 줄일 수 있는 매우 에너지 효율적인 저온보상이 가능해진다.
또한, 저온보상이 필요 없는 정상 운전조건에서는, 흡열/벤팅 파우치(240)는 셀 어레이(100)의 급격한 온도 변화를 억제하는 열용량으로서 기능한다. 따라서, 흡열/벤팅 파우치(240)는, 전기열선(250)이 작동하지 않을 때에는, 배터리 블록(10)의 충방전시 온도상승을 효과적으로 억제하고 열 폭주나 열 전파 등의 비상상황에서도 신속히 열을 분산하는 패시브 냉각기능을 발휘한다.
배터리 블록(10)에 대한 저온보상이 필요한 경우, 예를 들어 외기온도가 설정된 온도 미만인 저온인 경우에, 전기열선(250)의 전력제어는 다양한 전략에 의해 수립될 수 있다. 전기열선(250)의 전력제어는, 기본적으로 전기열선(250)이 소모하는 전력은 가능한 줄이면서 흡열/벤팅 파우치(240)에 저장된 열을 최대한 활용하는 방향으로 수립되는 것이 바람직할 것이다.
예를 들면, 전기열선(250)은 사전에 정해진 가열온도를 유지하면서 사전에 정해진 시간 동안 열을 방출할 수 있다. 즉, 전기열선(250)은 자체 온도와 시간을 기준으로 하여 정해진 동안 발열하고, 이에 따라 흡열/벤팅 파우치(240)는 전기열선(250)에서 방출하는 열을 흡수한 후 소정 시간 동안 흡수한 열을 서서히 방출할 수 있다.
또는, 전기열선(250)은 흡열/벤팅 파우치(240)의 온도가 사전에 설정된 온도에 도달할 때까지 열을 방출할 수도 있다. 즉, 전기 발열체인 전기열선(250)의 작동은 흡열체인 흡열/벤팅 파우치(240)의 온도를 기준으로 하여 결정될 수 있으며, 일정 온도까지 승온한 흡열/벤팅 파우치(240)는 전기열선(250)의 작동이 정지한 후 소정 시간 동안 흡수한 열을 서서히 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 흡열/벤팅 파우치(240)의 몸체는 유연한 라미네이트 시트를 이용하여 제조될 수 있으며, 라미네이트 시트는 알루미늄 박막층, 알루미늄 박막층의 내측에 형성된 내부 수지층, 그리고 알루미늄 박막층의 외측에 형성된 외부 수지층을 포함하는 3층 이상의 구조일 수 있다. 예를 들어, 내부 수지층은 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있고, 외부 수지층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 나일론일 수 있다.
그리고, 흡열/벤팅 파우치(240)에 수납된 흡수재(242)에 다량으로 함침되어 있는 액체는 각형 셀(110)에서 발생하는 열을 흡수하다가 그 온도가 비등점을 초과하여 기화되면, 액체에서 기체로의 상변화에 따른 급격한 부피 증가로 인해, 흡수재(242)를 밀봉하는 흡열/벤팅 파우치(240)에는 내압이 작용하게 된다. 내압이 흡열/벤팅 파우치(240)의 파열강도를 넘어서면, 흡열/벤팅 파우치(240)의 일부가 찢어지면서 증기를 배출하게 된다. 이러한 증기의 배출(벤팅)에 의해, 비정상적으로 각형 셀(110)의 온도가 상승한 비상상황인 경우, 흡열/벤팅 파우치(240)는 고온의 각형 셀(110)을 다시 한번 냉각하는 안전장치로서 기능한다.
여기서, 흡열/벤팅 파우치(240)는 배출되는 증기가 효과적인 냉각작용을 수행하도록, 증기가 배출되는 위치가 적절하게 유도되도록 구성될 수 있다. 이를 위해 흡열/벤팅 파우치(240)의 테두리를 따라 형성된 열융착 실링부(244)의 일부에 취약부(246)가 구비될 수 있다. 취약부(246)는 열융착 실링부(244)의 밀봉 강도를 국부적으로 낮춤으로써 액체의 기화에 따른 내압 증가에 의해 우선적으로 파단되도록 구성된다. 즉, 취약부(246)는 열융착 실링부(244)의 열융착 강도를 주변보다 낮게 만드는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 취약부(246)의 두께를 주변보다 상대적으로 얇게 만들거나 노치를 형성하여 강도를 낮출 수 있으며, 또는 라미네이트 시트의 내구성을 유지하는 알루미늄 박막층을 국부적으로 제거함으로써 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 흡수재(242)는 고흡수성 매트릭스, 예를 들어 고흡수성 폴리머(Super Absorbent Polymer, SAP) 또는 고흡수성 섬유(Super Absorbent Fiber, SAF)를 포함하는 흡수재(242)일 수 있다. 고흡수성 매트릭스는 다공질 또는 섬유질로 모세관 현상을 발현함으로써 다량의 액체를 흡수하는 것이 가능하며, 고흡수성 섬유는 고흡수성 수지를 가공하여 부직포와 같은 섬유의 형태로 제조할 수 있다. 고흡수성 매트릭스는 다량의 액체를 담을 수 있는만큼 셀 어레이(100) 주변의 열용량을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 수지 및 이로부터 제조되는 고흡수성 섬유의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않고, 유체, 특히 물에 대한 흡수 능력이 뛰어난 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서는 고흡수성 수지의 예로서, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있고, 바람직하게는 가교화된 폴리아크릴산 염, 가교화된 폴리아크릴산 및 가교화된 아크릴산 중공합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 고흡수성 수지로 사용되는 아크릴산 공중합체의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 아크릴산 단량체와 말레산, 이타콘산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 2-(메타)아크릴로일에탄술폰산, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트 및 스티렌술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공단량체를 포함하는 공중합체일 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 수지는 물에 대한 흡수량이 10 g/g 내지 500 g/g, 바람직하게는 50 g/g 내지 200 g/g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 고흡수성 수지 1 g당 물 10 g 내지 500 g, 바람직하게는 50 g 내지 200 g을 흡수할 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 수지의 물에 대한 흡수량이 많을수록 냉각 효과의 지속 시간을 향상시킬 수 있으나, 500 g/g을 초과하면 고흡수성 수지의 유동성이 증가하여 형태를 유지하기 어려워 효과적인 냉각을 발휘할 수 없고, 10 g/g 미만이면 냉각 효과의 지속 시간이 너무 짧아 비효율적일 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 흡수재(242)에 함침된 액체는 물일 수 있다. 물은 쉽게 구할 수 있는 액체 중에서 비열과 잠열이 가장 큰 물질에 해당한다. 따라서, 흡수재(242)에 수용된 물은 기화되기 전부터 시작하여 기체로 상변화하는 과정 중에 다량의 열을 흡수하기 때문에 본 발명의 흡열/벤팅 파우치(240)에 적용하기에 적합하다.
도 6은 도 1의 배터리 블록(10)이 폭 방향(W)으로 확장되는 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 배터리 블록(10)은 사이드 플레이트(200) 및 사이드 브래킷(210)을 통해 폭 방향(W)을 따라 셀 어레이(100)의 개수를 원하는 만큼 확장하는 것이 가능하다.
도 6을 보면, 사이드 브래킷(210)은, 사이드 플레이트(200)의 폭 방향(W) 중앙을 기준으로 하여 좌우 양측으로 각각 체결 홈(212)을 구비하고 있다. 이에 따라, 하나의 사이드 플레이트(200)에 대해, 그 폭 방향(W) 양측으로 하나씩의 엔드 플레이트(300)를 연결하는 것이 가능하다.
폭 방향(W)을 따라 배열된 또 하나의 셀 어레이(100)는 가운데에 있는 하나의 사이드 플레이트(200)를 공유하게 되고, 또 하나의 셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(300)에 구비된 용접볼트(310)가 사이드 브래킷(210)의 체결 홈(212)에 대해 고정됨으로써 복수의 셀 어레이(100)가 폭 방향(W)을 따라 확장될 수 있다.
이와 같이, 사이드 브래킷(210)이 좌우 양측으로 각각 체결 홈(212)을 구비함에 따라 하나의 사이드 플레이트(200) 양편으로 각각 엔드 플레이트(300)를 하나씩 결합할 수 있게 되고, 인접한 셀 어레이(100)가 하나의 사이드 플레이트(200)를 공유함에 따라 복수의 배터리 블록(10)이 연결되는 구조에 있어서 전체 사이드 플레이트(200)의 개수는 셀 어레이(100)의 개수보다 하나만 더 필요해진다. 따라서, 본 발명의 배터리 블록(10)을 탑재하는 배터리 팩(600)의 공간 효율성은 더욱 향상된다.
그리고, 셀 어레이(100)로 정렬된 각형 셀(110)의 상면에 마련된 벤팅장치(114)도 일렬로 정렬되는데, 전체 벤팅장치(114)의 상부를 덮는 벤팅덕트(120)가 구비됨으로써 과열된 각형 셀(110) 내부에서 분출되는 고온가스나 화염, 각종 과열입자의 배출을 안전한 방향으로 유도할 수 있다.
한편, 사이드 플레이트(200)의 상단에는, 셀 어레이(100)의 상면에 접촉하는 상부 플랜지(230)가 절곡 형성되어 있다. 상부 플랜지(230)는 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 장착되었을 때 셀 어레이(100)를 바닥으로 누르는 하방 고정력을 생성한다.
도 8을 참조하면, 사이드 플레이트(200)의 상부 플랜지(230)는, 사이드 플레이트(200)를 공유하는 인접한 셀 어레이(100)의 상면에 접촉하여, 엔드 브래킷(400)을 통해 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 장착되었을 때 셀 어레이(100)를 베이스 플레이트(610)에 밀착시키는 하방 고정력을 생성한다. 다만, 팩 케이스(602)의 폭 방향 양끝의 상부 플랜지(230)는 대응하는 셀 어레이(100)가 없으므로, 사이드 프레임(620)에 플랜지 장착부(650)를 형성하고, 비어있는 상부 플랜지(230)가 플랜지 장착부(650)에 지지되도록 함으로써 안정적인 장착을 도모하는 한편 셀 어레이(100)의 모서리에도 균일한 가압력이 작용하도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
도 8에서는 세 개의 셀 어레이(100)가 일렬을 이루도록 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)가 격자형태로 결합한 배터리 모듈(500) 두 개가 이열로 배치되는 일례를 보여주고 있으며, 다만 도 8은 팩 케이스(602)의 구조를 명확히 보여줄 수 있도록 하나의 배터리 모듈(500)은 도시를 생략하고 있다. 참고로, 본 명세서에서는 복수의 배터리 블록(10)이 사이드 플레이트(200)를 매개로 하여 일체로 연결된 어셈블리를 배터리 모듈(500)이라 칭하고 있다.
그리고, 도 1 및 도 2를 참조하면, 사이드 플레이트(200) 양단에 구비된 사이드 브래킷(210)은, 엔드 플레이트(300)에 돌출 구비된 용접볼트(310)에 삽입되는 체결 홈(212)을 구비하며, 용접볼트(310)와 체결 홈(212)은 용접에 의해 상호 접합된다.
셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(300)에 구비된 용접볼트(310)는 사이드 브래킷(210)에 대한 체결점을 제공하며, 용접볼트(310)에 체결 홈(212)이 끼워짐으로써 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)의 조립위치는 가정렬된다. 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)의 안정적이고 견고한 결합을 위해, 그리고 셀 어레이(100)에 대한 강한 구속을 위해, 용접볼트(310)와 체결 홈(212)은 셀 어레이(100)의 높이방향(H) 중앙을 기준으로 하여 상하 한 쌍으로 구비될 수 있다.
그리고, 도 1 내지 도 3을 보면, 엔드 플레이트(300)는 팩 케이스(602)에 대해 고정되는 엔드 브래킷(400)을 포함한다. 또한, 사이드 브래킷(210) 역시 팩 케이스(602)에 대해 고정되는 엔드 브래킷(400)을 포함한다.
엔드 플레이트(300)와 사이드 플레이트(200)에 구비되는 엔드 브래킷(400)은 폭 방향(W)과 나란한 체결면(410)을 구비하고 있으며, 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)에는 하나 이상의 체결 홀(412)이 형성되어 있다. 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)은 팩 케이스(602)에 마련된 장착부(640)에 안착되며(도 8 참조), 체결 홀(412)을 통해 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 엔드 브래킷(400)을 접합 또는 결속함으로써 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 고정된다.
그리고, 엔드 브래킷(400)은 체결면(410)에 수직한 직각삼각형 형태와 같은 보강리브(420)를 구비함으로써 높이방향(H) 하중에 대한 강성을 보강할 수 있다. 참고로 엔드 플레이트(300) 자체의 강성을 보강하기 위해, 사이드 플레이트(200)의 오목면(222)에 유사한, 하나의 이상의 오목면(320)이 절곡 형성될 수 있으며, 셀 어레이(100)의 안정적인 고정을 위해 엔드 플레이트(300)의 상단에도 상부 플랜지(330)가 구비될 수 있다.
[제2 실시형태]
본 발명의 제2 실시형태는 흡열/벤팅 파우치(240)와 전기 발열체의 배치에 대한 다른 예에 관한 것으로서, 그 구성은 도 7에 도시되어 있다.
여기서, 배터리 블록(10)의 전체적인 구조, 전기 발열체의 작동방식, 흡열/벤팅 파우치(240)의 구성 및 기능 등에 관한 사항은 전술한 제1 실시형태와 마찬가지이며, 중복된 설명을 피하도록 제1 실시형태에 대응하는 구성에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 배터리 블록(10)은 한 쌍의 사이드 플레이트(200) 및 이에 결속하여 평행 육면체 형태의 공간을 형성하는 한 쌍의 엔드 플레이트(300), 그리고 평행 육면체 공간에 수용되는 셀 어레이(100)를 포함한다.
제2 실시형태에서는, 흡열/벤팅 파우치(240)도 함께 절곡 구조인 사이드 플레이트(200)의 내부 공간에 삽입되며, 전기 발열체는 박형 시트 형태를 이루는 면상 발열체(252)로 구성된다. 면상 발열체(252)는 흡열/벤팅 파우치(240)를 감싸고 있으며, 면상 발열체(252)에 감싸인 흡열/벤팅 파우치(240)가 일체로서 사이드 플레이트(200) 안에 삽입 장착된다.
이러한 제2 실시형태는 면상 발열체(252)와 흡열/벤팅 파우치(240)가 일체로서 사이드 플레이트(200) 안에 장착되므로, 배터리 블록(10)의 제조공정이 간편해지는 이점이 있다. 또한, 면상 발열체(252)가 흡열/벤팅 파우치(240)에 직접 대면적으로 접촉하는 구조이기 때문에, 제1 실시형태에 비해 더욱 적극적으로 흡열/벤팅 파우치(240)에 저장된 열 에너지를 셀 어레이(100)의 승온에 활용하게 된다.
그리고, 도 6과 같은 배터리 블록(10)의 폭 방향 확장 구조에 있어서, 제1 실시형태는 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)를 분리해야만 흡열/벤팅 파우치(240)에 접근할 수 있기 때문에 유지, 보수의 측면에서 불편한 점이 있지만, 제2 실시형태는 배터리 블록(10)의 분해 없이 사이드 플레이트(200) 안의 면상 발열체(252)와 흡열/벤팅 파우치(240)에 바로 접근할 수 있다는 측면에서 유리하기도 하다.
도시된 실시형태에서는, 사이드 플레이트(200)의 양단과 중앙으로 총 세 개의 접합리브(220)가 국부적으로 형성됨으로써 사이드 플레이트(200) 내부에는 두 개의 구획된 공간이 만들어져 있으므로, 이에 대응하여 각각의 공간에 면상 발열체(252)와 흡열/벤팅 파우치(240)가 하나씩 들어가도록 구성되어 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: 배터리 블록 100: 셀 어레이
110: 각형 셀 112: 전극단자
114: 벤팅장치 120: 벤팅덕트
200: 사이드 플레이트 210: 사이드 브래킷
212: 체결 홈 220: 접합리브
222: 오목면 230: 상부 플랜지
240: 흡열/벤팅 파우치 242: 흡수재
244: 열융착 실링부 246: 취약부
250: 전기열선 252: 면상 발열체
300: 엔드 플레이트 310: 용접볼트
320: 오목면 330: 상부 플랜지
400: 엔드 브래킷 410: 체결면
412: 체결 홀 420: 보강리브
W: 폭 방향 L: 길이방향
H: 높이방향

Claims (12)

  1. 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이;
    상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트; 및
    상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트;
    를 포함하고,
    상기 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하는 형태로 절곡된 플레이트로 이루어지며,
    상기 사이드 플레이트의 내부 공간에는 외부전력을 공급받아 승온하는 전기열선이 구비되고,
    상기 사이드 플레이트와 셀 어레이의 접촉면 사이에는 물이 함침된 흡수재가 밀봉 수납된 흡열/벤팅 파우치가 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  2. 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이;
    상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트; 및
    상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트;
    를 포함하고,
    상기 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하는 형태로 절곡된 플레이트로 이루어지며,
    상기 사이드 플레이트의 내부 공간에는 외부전력을 공급받아 승온하는 면상 발열체에 감싸인 흡열/벤팅 파우치가 수납되고,
    상기 흡열/벤팅 파우치에는 물이 함침된 흡수재가 밀봉 수납된 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기열선 또는 면상 발열체는 사전에 정해진 가열온도를 유지하면서 사전에 정해진 시간 동안 열을 방출하고,
    상기 흡열/벤팅 파우치는 상기 전기열선 또는 면상 발열체에서 방출하는 열을 흡수한 후 소정 시간 동안 흡수한 열을 서서히 방출하는 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기열선 또는 면상 발열체는 상기 흡열/벤팅 파우치의 온도가 사전에 설정된 온도에 도달할 때까지 열을 방출하고,
    상기 흡열/벤팅 파우치는 상기 전기열선 또는 면상 발열체에서 방출하는 열을 흡수한 후 소정 시간 동안 흡수한 열을 서서히 방출하는 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡수재는,
    고흡수성 폴리머(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)를 포함하는 고흡수성 매트릭스인 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡열/벤팅 파우치는 그 테두리를 따라 열융착 실링부를 구비하고,
    상기 열융착 실링부 상에는 상대적으로 파열강도가 낮은 취약부가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속되고,
    상기 사이드 플레이트와 엔드 플레이트, 그리고 상기 사이드 브래킷이 모두 열전도성 소재로 이루어짐으로써 열적으로 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트는,
    내부에 공간을 형성하도록 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트인 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트는,
    상기 절곡된 플레이트의 양편으로 오목면을 구비하고, 대면하는 상기 오목면이 상호 접합된 접합리브가 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 사이드 브래킷은, 상기 엔드 플레이트에 돌출 구비된 용접볼트에 삽입되는 체결 홈을 구비하고,
    상기 용접볼트와 체결 홈은 용접에 의해 상호 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 사이드 브래킷은,
    상기 사이드 플레이트의 폭 방향 중앙을 기준으로 하여 좌우 양측으로 상기 체결 홈을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
  12. 제11항에 있어서,
    폭 방향을 따라 배열된 또 하나의 셀 어레이는 상기 사이드 플레이트를 공유하고,
    상기 또 하나의 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트에 구비된 용접볼트가 상기 사이드 브래킷의 체결 홈에 대해 고정됨으로써 복수의 셀 어레이가 폭 방향을 따라 확장되는 것을 것을 특징으로 하는 배터리 블록.
KR1020220168745A 2022-12-06 냉간운전 성능이 향상된 배터리 블록 KR20240084194A (ko)

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