WO2023003427A1 - 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩 - Google Patents

냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩 Download PDF

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cooling
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battery
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유재민
신은규
김승준
유상현
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling member, a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a cooling member for preventing a chain thermal runaway phenomenon, and a battery module and a battery pack including the same.
  • a secondary battery capable of charging and discharging is a method for solving air pollution such as existing gasoline vehicles using fossil fuels, electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV), etc., the need for development of secondary batteries is increasing.
  • a secondary battery used in a small device 2-3 battery cells are mainly used, but in the case of a secondary battery used in a medium or large device such as an automobile, a medium or large battery module electrically connected to a plurality of battery cells (Battery module) is used. Since it is preferable that medium-large-sized battery modules are manufactured in a small size and weight as much as possible, prismatic batteries, pouch-type batteries, etc., which can be stacked with a high degree of integration and have a small weight-to-capacity ratio, are mainly used as battery cells of medium-large-sized battery modules.
  • the battery cells installed in the battery module can generate a large amount of heat during the charging and discharging process, and if the temperature is higher than the proper temperature due to overcharging, etc., the performance may be deteriorated, and if the temperature rise is excessive, an explosion or There is a risk of ignition.
  • an ignition phenomenon occurs inside a battery module, high-temperature heat, gas, or flame may be released to the outside of the battery module. At this time, the heat, gas, spark, or flame emitted from one battery module It can be transferred to another battery module adjacent to it at a narrow interval, and thus a continuous thermal runaway phenomenon can occur in the battery pack.
  • a water injection system for extinguishing a fire by injecting cooling water through a nozzle or the like when a fire is confirmed in a battery module has been applied to a conventional battery module.
  • injecting coolant from a tank disposed outside the battery module or battery pack goes through a plurality of steps such as checking whether a fire has occurred, determining whether to inject coolant, and delivering coolant, it is difficult to determine the proper timing for extinguishing a fire. It was difficult to fit.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a cooling member capable of injecting cooling water at the right time and place at the right time when the battery module or battery pack is ignited, and a battery module and battery pack including the same.
  • the cooling water contained in the upper plate, the lower plate, and the inner space between the upper plate and the lower plate includes a first portion in which the weakened portion is formed and a second portion in which the weakened portion is not formed, and a thickness value of the first portion is smaller than a thickness value of the second portion.
  • the weak portion may have a long side and a short side, and the long side may extend along a stacking direction of the battery cells.
  • a thickness value of the first portion may be less than half of a thickness value of the second portion.
  • the thickness of the first portion may be 0.03 to 0.07 mm.
  • the fragile portion may include a first fragile portion and a second fragile portion spaced apart from the first fragile portion, and thickness values of the first fragile portion and the second fragile portion may be substantially the same.
  • the lower plate is formed by bonding first and second layers having different thicknesses to each other, the thickness of the first part corresponds to the thickness of the first layer, and the thickness of the second part corresponds to the first layer and the thickness of the second part. It may correspond to the thickness of the second layer.
  • One of the first layer and the second layer may include a clad metal.
  • At least one of the upper plate, the first layer, and the second layer may include a clad metal.
  • the first layer and the second layer may be bonded through a brazing process.
  • the upper plate, the first layer and the second layer may be bonded through a brazing process.
  • the upper plate may include a curved portion, a crest of the curved portion may correspond to the first portion, and a valley of the curved portion may correspond to the second portion.
  • a battery module according to another embodiment of the present invention includes the aforementioned cooling member.
  • the upper plate of the cooling member may be integral with the upper surface of the module frame forming the outer shape of the battery module.
  • a cooling member is located on top of a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, and includes a lower plate having a plurality of openings, a body providing a cooling water flow path, and the lower plate and the body.
  • a fixing member is included, and at least one cooling hose is mounted on the main body, and the cooling hose is melted or broken at a predetermined temperature or pressure or higher.
  • the cooling hose may be positioned to correspond to the opening of the lower plate.
  • the cooling hose may have a shape extending along the length direction of the cooling member.
  • the cooling hose may be made of a material having a melting point of 300 °C or less.
  • An accommodating portion for accommodating the cooling hose may be provided in the main body.
  • Both ends of the cooling hose in the longitudinal direction may be respectively connected to both ends of the receiving portion in the longitudinal direction.
  • a barrier extending in the longitudinal direction of the cooling member may be formed at the center of the lower plate, and the main body may be mounted at a position in the lower plate where the barrier is not formed.
  • the fixing member is provided in the form of a strap and may be positioned parallel to the width direction of the cooling member.
  • the fixing member may include an end coupling portion coupled to both ends of the lower plate in the width direction and a central coupling portion coupled to the center of the lower plate in the width direction.
  • the end coupling portion and the central coupling portion may be formed to have a step difference from other portions of the fixing member.
  • the cooling member further includes an inlet port and an outlet port for injecting cooling water into an internal space, the inlet port and the outlet port are connected to an external heat exchanger, and the cooling member is supplied through the inlet port and the outlet port. Cooling water can be circulated.
  • the body may have a shape branched into portions corresponding to the inlet port and the outlet port, respectively.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention may include the aforementioned cooling member.
  • the battery pack may include a battery module having an open structure.
  • An upper plate of the cooling member may be integrated with an upper surface of a pack frame forming an outer shape of the battery pack.
  • the cooling member rapidly extinguishes the internal fire of the battery module or battery pack by opening a part of the battery module or battery pack and injecting cooling water in the right place when the battery module or battery pack internally ignites, and a continuous thermal runaway phenomenon occurs.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a cooling member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an upper plate included in the cooling member of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view illustrating a lower plate included in the cooling member of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view showing a modified example of a lower plate included in the cooling member of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a view showing an example of the A-A section of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a view showing that an example of a cooling member according to an embodiment of the present invention is provided in a battery cell stack.
  • FIG. 7 is an enlarged view of region B of FIG. 6, and is a view for explaining changes in the lower plate when battery cells are ignited.
  • FIG 8 is a cross-sectional view showing an example of a cooling member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing another example of the A-A section of FIG. 3;
  • FIG. 10 is a view showing that another example of a cooling member according to an embodiment of the present invention is provided in a battery cell stack.
  • FIG. 11 is an enlarged view of region C of FIG. 10, and is a view for explaining changes in a lower plate when a battery cell is ignited.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing another example of a cooling member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a cooling member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view illustrating a battery pack according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view of a battery module included in the battery pack according to FIG. 14 .
  • FIG. 16 is a perspective view showing a cooling member according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a top view showing the cooling member of FIG. 16;
  • FIG. 18 is a top view of a lower plate included in the cooling member of FIG. 16;
  • FIG. 19 is a top view of a main body included in the cooling member of FIG. 16;
  • FIG. 20 is a view showing the coupling of the lower plate, body, and cooling hose included in the cooling member of FIG. 16;
  • FIG. 21 shows the cooling member of FIG. 17 cut along the line A-A, and shows cooling water flowing into or flowing out of the main body and cooling hose.
  • FIG. 22 is a cut A-A view of the cooling member of FIG. 17, and is a view illustrating the injection of cooling water by a cooling hose when a battery cell is ignited.
  • planar it means when the corresponding part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross section of the corresponding part cut vertically is viewed from the side.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a cooling member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an upper plate included in the cooling member of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view illustrating a lower plate included in the cooling member of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view showing a modified example of a lower plate included in the cooling member of FIG. 1 .
  • the cooling member 500 of this embodiment may be provided to lower the internal temperature of a battery module or battery pack including battery cells.
  • the cooling member 500 may be a water-cooled cooling member 500 into which refrigerant or cooling water is injected. Since the cooling member 500 is provided in a water-cooled manner, the cooling efficiency of the cooling member 500 can be maintained uniformly, and the battery cells in the battery module or battery pack can be evenly cooled.
  • the cooling water used in the cooling member 500 one of known ones or a mixture thereof may be used, and any of the known ones can release heat from battery cells by moving along a flow path inside the cooling member 500.
  • the cooling water of the cooling member 500 may be sprayed toward the battery cell as will be described later, it may be preferable that the cooling water does not contain an inflammable material so as not to amplify flame or explosion of the battery cell.
  • the amount of the additive is sufficient to prevent secondary explosion of the pouch-type battery cell, and antifreeze to prevent freezing of the cooling water.
  • the cooling water may include water.
  • the cooling water may include an antifreeze for lowering the freezing point of water in addition to water.
  • an electrically insulating antifreeze having electrical insulating properties may be used.
  • the cooling member 500 may be disposed on one surface of the battery cell stack to dissipate heat from the battery cells.
  • the cooling member 500 may be disposed parallel to the stacking direction of the battery cell stack to be positioned close to the plurality of battery cells of the battery cell stack. Specifically, the cooling member 500 may be located above the battery cell stack (+z-axis direction in FIG. 14).
  • the size of the cooling member 500 may be matched to the size of the battery cell stack to which the cooling member 500 is applied.
  • the cooling member 500 may be provided to correspond to one battery cell stack, and in this case, the length of the cooling member 500 is matched to the length of the battery cell stack or has a slight margin to increase or decrease the length of the battery cell stack. It is formed small, and the width of the cooling member 500 may be formed larger or smaller according to the width of the battery cell stack or with a slight margin.
  • the cooling member 500 may be provided to correspond to a plurality of battery cell stacks, and in this case, the length and width of the cooling member 500 are matched with the length and width of the plurality of battery cell stacks or slightly It can be made large or small with a margin.
  • the cooling member 500 may be located inside the battery module, but may also be located outside the battery module and inside the battery pack 1000 (see FIG. 14).
  • the cooling member 500 may include an upper plate 510 and a lower plate 520 forming the outer shape of the cooling member 500, and an inlet/outlet port 530 for injecting cooling water into the cooling member 500. .
  • the cooling member 500 may be formed by combining edges of the upper plate 510 and the lower plate 520 .
  • a sealing portion 540 formed by combining edges of the upper plate 510 and the lower plate 520 may be positioned at an edge portion of the cooling member 500 . Cooling water may be built in or circulated between the upper plate 510 and the lower plate 520 coupled in the cooling member 500 .
  • Cooling water may be supplied through the inlet port 530 located side by side and discharged through the outlet port 530 .
  • the inlet port 530 and the outlet port 530 may be located parallel to one end side of the cooling member 500 . This may be to simplify the design of the inflow and outflow of cooling water supplied from the outside of the battery module or battery pack. Also, this may be to minimize a temperature difference between the inlet port 530 and the outlet port 530 .
  • cooling water introduced into the inlet port 530 may have the lowest temperature
  • cooling water discharged through the outlet port 530 may have the highest temperature.
  • the cooling member 500 may have uniform heat dissipation performance as a whole.
  • the inlet port 530 or the outlet port 530 may be made of aluminum.
  • the inlet port 530 or the outlet port 530 may be joined to the upper plate 510 or the lower plate 520 through welding such as brazing.
  • a passage forming groove 550 may be formed in the cooling member 500 . Since the cooling member 500 is provided with the passage forming groove 550 , the flow of cooling water supplied to the cooling member 500 may be determined.
  • a plurality of passage forming grooves 550 may be formed, and the plurality of passage forming grooves 550 may be positioned along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 500 .
  • the passage forming grooves 550 may be continuously formed from the center of the cooling member 500 along the longitudinal direction of the cooling member 500 except for a predetermined section, and thus the flow of cooling water may be formed in a U shape. .
  • a flow of cooling water injected through the inlet port 530 of the cooling member 500 may be restricted by the passage forming groove 550 .
  • the cooling water injected through the inlet port 530 may be discharged to the outlet port 530 located in parallel with the inlet port 530 .
  • the U-shaped passage through which the cooling water flows is a first passage extending from the inlet port 530 along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 500, and clockwise or counterclockwise from the end of the first passage. It may include a second flow path extending along a rotating curve, and a third flow path extending from an end of the second flow path toward the outlet port 530 along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 500 .
  • a deformation prevention groove 560 may be formed in the cooling member 500 . Since the cooling member 500 is provided with the deformation prevention groove 560 , shape deformation of the cooling member 500 due to cooling water may be prevented. For example, when coolant is injected into the cooling member 500, the injected coolant may be concentrated in a 1/2 space of the cooling member 500 by the passage forming groove 550 crossing the center. Until the cooling water moves to the remaining 1/2 space through the U-shaped passage, a large pressure may act on the corresponding space, and as a result, at least a part of the cooling member 500 may expand or the cooling member 500 may be damaged. there is.
  • the deformation prevention grooves 560 may be partially disposed at intervals in the U-shaped passage through which cooling water flows in the cooling member 500 .
  • the deformation prevention groove 560 may be located between the flow path forming groove 550 and the sealing part 540 in the width direction of the cooling member 500 .
  • a specific location of the deformation prevention groove 560 may be appropriately set to correspond to the flow rate and flow rate of the cooling water without excessively obstructing the cooling water flowing through the inlet port 530 .
  • the width direction of the cooling member 500 may be a direction parallel to the short side of the cooling member 500 .
  • the longitudinal direction of the cooling member 500 may be a direction parallel to the long side of the cooling member 500 .
  • protrusions extending from one side of the cooling member 500 and continuously positioned along the longitudinal direction of the cooling member 500 may be formed around the cooling member 500 .
  • the protrusion may contact or be disposed close to the electrode lead of each battery cell stack or the bus bar connected to the electrode lead. Since an electrode lead or bus bar providing electrical connection in a battery module or battery pack is a component that easily generates heat, if the above-described protrusion promotes heat dissipation of the electrode lead or bus bar, the temperature rise of the battery cell can be more effectively prevented.
  • the upper plate 510 may be provided in a plate shape.
  • the central portion of the upper plate 510 may be formed to have a step with the edge portion by being recessed or recessed.
  • the upper plate 510 may have a recessed shape based on a cross section in the width direction. This may be that the upper plate 510 forms an internal space through a step in order to accommodate the cooling water.
  • the width direction of the top plate 510 may be a direction parallel to the short side of the top plate 510 .
  • the upper plate 510 may be formed differently from that shown in FIG. 2 , and when the lower plate 520 includes the weak portion 522 and the like to have a space for storing coolant, the upper plate 510 is flat as a whole. It is also possible to provide to have a shape.
  • the lower plate 520 of the cooling member 500 may have an overall shape similar to that of the upper plate 510 .
  • the lower plate 520 may be provided in a plate shape.
  • the lower plate 520 may be formed such that its central portion is recessed or indented to have a step with the edge portion.
  • the lower plate 520 may have a recessed shape based on its cross section in the width direction, thereby forming an internal space for accommodating the cooling water.
  • the lower plate 520 does not necessarily have to be provided in a recessed shape, and may be provided in a generally flat shape depending on the shape of the upper plate 510 or the volume of coolant to be contained therein.
  • the width direction of the lower plate 520 may be a direction parallel to the short side of the lower plate 520 .
  • the lower plate 520 may have a weak portion 522 to be described later, and accordingly, one surface of the lower plate 520 may have a partially recessed groove.
  • the groove When the groove is positioned toward the inside of the cooling member 500, that is, formed on the upper surface of the lower plate 520, cooling water may be contained in the groove.
  • the lower plate 520 When the cooling member 500 is provided above the battery cell, the lower plate 520 may be a portion of the cooling member 500 positioned closest to the battery cell. Therefore, it may be desirable for the lower plate 520 to be provided with a material having high thermal conductivity to promote heat dissipation of the battery cell.
  • the upper plate 510 of the cooling member 500 may also be provided with a material having high thermal conductivity.
  • the upper plate 510 and the lower plate 520 forming the outer shape of the cooling member 500 may be made of a metal having high rigidity, and specific examples thereof include aluminum, gold, silver, copper, platinum, or alloys including these. can be heard
  • a liquid such as cooling water into the battery module or battery pack in order to effectively suppress the ignition when the battery cell is ignited.
  • a liquid tank inside the battery module or battery pack may increase the volume of the battery module and battery pack, conventionally, a separate water tank is provided outside the battery module and the battery pack, and the battery is stored through a sensor. Cooling water or the like was injected into the battery module or battery pack through a nozzle or the like extending from the water tank only when ignition of the cell was confirmed.
  • the water tank provided outside the battery module and the battery pack is not only bulky, but also requires a user to separately manage it.
  • the conventional water supply system must have a separate control unit or communication unit for determining whether or not to input cooling water, and errors must not occur in their operation. It became. Even after the injection of cooling water is determined, if the path from the water tank to the battery module or the battery cell inside the battery pack is rather long, it is difficult to quickly provide cooling water from the water tank to the battery cell. It was difficult to stop the continuous thermal runaway phenomenon.
  • the lower plate 520 of the cooling member 500 of the present embodiment which has a portion vulnerable to heat or temperature and thus can be partially opened when the battery cell ignites, will be described in more detail.
  • the lower plate 520 of this embodiment may include a weak portion 522 .
  • the 'weak part' may refer to a part that is more easily broken by heat or pressure than other parts of the lower plate 520 .
  • the weak portion 522 may be a portion having a relatively smaller thickness value than other portions of the lower plate 520 .
  • the lower plate 520 may have a first portion referred to as a weak portion 522 and a second portion in which the weak portion 522 is not formed, wherein the thickness of the second portion may be greater than the thickness of the first portion. there is.
  • a thickness value of the first portion may be less than half of a thickness value of the second portion. Since the weak portion 522 has a slightly smaller thickness value than other portions, it can be relatively easily pierced by heat or pressure.
  • the weak portion 522 may be formed to be long and extend along the stacking direction of the battery cells.
  • the longitudinal direction (y-axis) of the weak portion 522 may be a direction in which the length (long side) extends, and may be a direction parallel to the stacking direction of the battery cells 110 .
  • the width direction (x-axis) of the weak portion 522 may be a direction perpendicular to the stacking direction of the battery cells 110 . Since it is impossible to predict which of the battery cells 110 will be ignited, it may be preferable that the weak portion 522 is formed to correspond to all battery cells located under the cooling member 500 .
  • the weak portion 522 may be formed over the entire length of the cooling member 500 . here.
  • one straight line parallel to the stacking direction of the battery cells may be provided as shown in FIG. 3, or two or more may be provided along a straight line parallel to the stacking direction of the battery cells as shown in FIG. 4.
  • the weak parts 522 may be continuously positioned in the width direction (x-axis).
  • the width of the weak portion 522 may be designed differently according to a designer's intention.
  • the weak portion 522 may have a wide width.
  • the weak portion 522 may have a relatively narrow width.
  • the weak portion 522 having a narrow width may be continuously formed.
  • the weak portion 522 may be positioned to correspond to a portion most likely to generate heat among the battery cells.
  • an electrode lead of a battery cell may be a portion that easily generates heat due to concentration of electron movement.
  • the weak portion 522 may be disposed above the electrode lead of the battery cell.
  • FIG. 5 is a view showing an example of the A-A section of FIG. 3 .
  • the cross section of the weak portion 522 may have various shapes.
  • the cross section of the weakened portion 522 may be obtained by cutting the cooling member 500 based on the xz plane as shown in FIG. 3 .
  • the weak portion 522 is a portion of the lower plate 520 having a different thickness, and a first portion without the weakened portion 522 and a second portion with the weakened portion 522 are perpendicularly connected to each other. As a result, it may have a rectangular cross-sectional shape as shown in FIG. 5 (a). In addition, when an inclination is formed on the connection surface between the above-described first and second parts, a portion of the lower plate 520 has a triangular cross-sectional shape as shown in FIG. 5 (b) or a trapezoidal shape as shown in FIG.
  • a portion of the lower plate 520 may have a round cross section as shown in FIG. 5(c).
  • the cross-sectional shape of the lower plate 520 according to the formation of the weak portion 522 is not limited by the above-described examples, and may be variously modified in consideration of ease of design. Considering that the weak part 522 should be broken by heat or temperature, it may be preferable that the weak part 522 include as many thin parts as possible, so that the weak part 522 has a different shape than that of FIG. Shapes may be desired. However, since the fracture temperature and pressure may be affected by factors such as thickness, physical properties, and shape, the shape of FIG. 5(b) may not necessarily be more preferable than the other shapes of FIG.
  • FIG. 6 is a view showing that an example of a cooling member according to an embodiment of the present invention is provided in a battery cell stack.
  • FIG. 7 is an enlarged view of region B of FIG. 6, and is a view for explaining changes in the lower plate when battery cells are ignited.
  • 8 is a cross-sectional view showing an example of a cooling member according to an embodiment of the present invention. Meanwhile, in FIG. 8, it is noted in advance that the upper plate 510 is omitted.
  • the battery cell stack 120 in which battery cells 110 are stacked in one direction is accommodated in a module frame or pack frame, and the cooling member 500 is a battery cell stack 120 can be placed on top.
  • the cooling member 500 includes an upper plate 510 and a lower plate 520 , and cooling water may be accommodated in a spaced space between the upper plate 510 and the lower plate 520 .
  • the lower plate 520 of the cooling member 500 is positioned toward the battery cell stack 120, and the weak parts 522 formed on the lower plate 520 correspond to the battery cells 110 of the battery cell stack 120. It may be formed long along the stacking direction of the battery cell 110 so as to be. 6 and 7 show cross-sections of locations where the weak portion 522 is formed, and the upper surface of the lower plate 520 where the weak portion 522 is not formed may be hidden by cooling water. Accordingly, the upper surface of the second portion of the lower plate 520 is indicated by dotted lines in FIGS. 6 and 7 .
  • the weak part 522 located on the upper part of the first battery cell 110a.
  • a first part of may be broken.
  • the cooling water accommodated in the inner space of the cooling member 500 may be injected toward the first battery cell 110a where a fire has occurred.
  • the weak part 522 opens a part of the first battery cell 110a so that cooling water is immediately injected into the first battery cell 110a, compared to a conventional water supply system. Fire suppression of (110a) can be performed quickly, and early suppression of thermal runaway phenomenon can be achieved.
  • the first part is opened, so the weak part 522 Only one portion may be opened while other portions of the weak portion 522 may remain closed. If parts other than the first part of the weak part 522 are maintained in a closed state, the cooling water inside the cooling member 500 may be concentrated in the first part and discharged. Therefore, compared to a conventional water injection system, cooling water may be injected concentrated in the first battery cell 110a, and efficiency of water injection and fire extinguishing may be maximized.
  • the amount of cooling water may be preset to a level sufficient to extinguish a fire generated in some of the battery cells 110 .
  • the number of battery cells 110 which is the basis for calculating the amount of cooling water, may be the number of battery cells 110 to which thermal runaway is normally transmitted during internal ignition, specifically four to six, or more. It can be one or two small or large numbers.
  • the cooling water sprayed toward the first battery cell 110a is evaporated into water vapor during the fire suppression process, the cooling water may not remain in the battery module or battery pack, and the battery cell 110 may be normal due to the remaining moisture. damage can be prevented.
  • the cooling member 500 of this embodiment is a battery cell such as a cylindrical, prismatic or pouch type It can be applied in various ways without being restricted by the type or capacity of (110).
  • the cooling water of the cooling member 500 may or may not be introduced from the outside and circulated.
  • the cooling member 500 may be connected to an external tank, and the cooling water introduced from the tank may be circulated in the cooling member 500 through the inlet/outlet port 530 and discharged back into the tank. .
  • the temperature of the cooling water can be appropriately maintained, heat dissipation performance of the cooling member 500 can be improved.
  • cooling water inside the cooling member 500 may not be additionally introduced.
  • the cooling water is injected before the cooling member 500 is mounted on the battery module or battery pack, and may not be additionally injected or discharged when the battery module or battery pack is used.
  • the cooling member 500 is not continuously connected to an external tank and is embedded in a battery pack or battery module, the overall structure can be simplified by omitting the external tank, which is efficient in space utilization, and maintenance/management of the external tank is required. Cost and time can be reduced. Also, in this case, it may be possible for the inlet/outlet port 530 to be excluded from the cooling member 500 for design simplification.
  • the amount of cooling water injected into the battery module or battery pack when the first battery cell 110a is internally ignited is the amount of cooling water accommodated in the cooling member 500. may be limited in its entirety.
  • the cooling member 500 has partition walls or grooves therein so that the movement of the coolant inside the cooling member 500 is restricted, the amount of coolant injected into the first battery cell 110a is limited to the weak portion 522 and The amount of cooling water accommodated between the top plate 510 may be limited.
  • the control system including the cooling member 500 may detect a thermal transition or thermal runaway phenomenon, and when the thermal runaway phenomenon is detected, the first battery cell 110a controls the inflow or circulation of additional cooling water.
  • the amount of cooling water introduced into the cooling unit may be limited within the volume range of the cooling member 500 .
  • the weak part 522 according to the present embodiment can quickly extinguish the fire and prevent continuous thermal runaway by injecting cooling water at the right time and in the right place when the battery pack or battery module is ignited.
  • the weak portion 522 of this embodiment may be formed in various ways.
  • the weak portion 522 may be formed by partially etching the lower plate 520 .
  • Weakness 522 may be formed using a notching process.
  • the equipment used in the etching process may be difficult to control at a precise level, and when the thickness of the lower plate 520 is thin or when the desired thickness of the weak portion 522 is thin, the dimensional stability of the weak portion 522 is very poor. can fall
  • the lower plate 520 when the lower plate 520 is made of aluminum, the lower plate 520 may have a thin thickness of 4 mm, 3 mm, or 2 mm or less.
  • the appropriate thickness of the weak part 522 may vary depending on the material of the weak part 522, but when the lower plate 520 is made of aluminum, the weak part 522 may be preferably formed to a thickness of 0.2 to 0.5 mm. there is.
  • the lower plate 520 In order for the lower plate 520 to have the weak portion 522, a portion of the lower plate 520 that is already sufficiently thin must be removed to form a thin film level. Therefore, if the control of the device is not perfect, the lower plate 520 may have a weak portion 522. ) may be damaged in the process of being formed, and accordingly, process cost and process time due to an increase in defective products may be wasted. Accordingly, when the lower plate 520 has the weak portion 522 as in the present embodiment, application of an etching process may not be desirable.
  • the lower plate 520 may be formed by bonding two layers. As shown in FIG. 8 , the lower plate 520 may be formed by bonding a first layer 524 provided as a plate-shaped member and a second layer 526 having a plurality of holes. For reference, a hatched portion in FIG. 8 represents the second layer 526 , and a partially empty space between the hatched lines represents a cross section of a hole formed in the second layer 526 .
  • the hole formed in the second layer 526 may be a portion for forming the aforementioned weak portion 522 .
  • the hole may have an elongated shape.
  • One or more holes may be formed along a straight line parallel to the long side of the lower plate 520 .
  • the holes may not have an elongated shape depending on the number and spacing thereof.
  • the axial cross section of the hole may have various shapes as shown in FIG. 5 .
  • the radial cross section of the hole may have an angular shape or may have a round shape.
  • a part of the lower plate 520 may have a relatively thick thickness by including the first layer and the second layer, and another part of the lower plate 520 may have a relatively thin thickness by including only the first layer 524 .
  • a portion having the first layer 524 may be referred to as a first portion, and a portion having both the first layer 524 and the second layer 526 may be referred to as a second portion.
  • the thickness of the first portion may correspond to the thickness of the first layer 524 and the thickness of the second portion may correspond to the thicknesses of the first layer 524 and the second layer 526 .
  • the thickness of each layer can be freely adjusted, so that the weak portion 522 can be formed thin enough.
  • the first layer 524 and the second layer 526 are provided from aluminum
  • the first layer 524 may have a thickness of 0.03 to 0.07 mm, or 0.04 to 0.06 mm, or 0.05 mm of aluminum. It is provided as a plate material, and the second layer 526 may be provided in a state in which a hole is formed in an aluminum plate material having a thickness of 1.0 to 1.5 mm or more.
  • the thickness of the first layer 524 may be designed to be sufficiently thick to a level that can be melted by thermal runaway of the battery cell.
  • the first layer 524 may be provided to have a thickness slightly greater than the aforementioned thickness value.
  • a lower plate 520 having a weakened portion 522 having a sufficiently thin thickness may be formed.
  • the lower plate 520 is formed by bonding the two layers, since all the weak parts 522 are formed as one plate, their thickness values may be the same.
  • thicknesses of the first and second fragile portions may be substantially equal to each other.
  • the thickness value of each weak part 522 may not show a deviation depending on its location. If a thickness deviation occurs depending on the location of the weak portion 522, a portion of the weakened portion 522 may be formed thicker than designed, and accordingly, a specific portion may be difficult to break due to heat or pressure.
  • all of the weak parts 522 of this embodiment are formed to have a uniform thickness, errors between design and actual products can be minimized.
  • the bonding of the two layers may be formed through a welding process.
  • the welding process used for the bonding include brazing or laser welding.
  • the two layers can be melt-bonded.
  • the watertightness of the lower plate 520 may be achieved at a desired level.
  • the bonding of the two layers may be formed through a rolling process.
  • the rolling process is a method of bonding two layers by passing a laminate in which two or more layers are laminated between a pair of rolls.
  • the laminate may be heated.
  • the heating temperature is higher than the recrystallization temperature of the metal, it may be referred to as hot roll, and if it is lower than the temperature, it may be referred to as cold roll. there is.
  • the materials of the two layers may be different, or may be the same or similar to each other.
  • the materials of the two layers are the same or similar to each other, since the melting points of the two layers are the same/similar, the above-described bonding process involving heat or pressure may be more easily performed.
  • the bonding process may not be performed smoothly depending on the physical properties or melting point of the metal.
  • the two layers are formed of aluminum having a single property
  • the temperature of the brazing process is set to 660° C., which is the melting point of aluminum
  • shape deformation of the aluminum layer may occur during the bonding process.
  • the first layer 524 or the second layer 526 may be made of clad metal, which is a double-layer metal material.
  • the first layer 524 may be a clad metal including 3000-series aluminum and the second layer 526 may include 3000-series and 4000-series aluminum.
  • the temperature of the brazing process can be set to 600° C., and thus, development deformation of aluminum can be prevented during the bonding process.
  • the above-described bonding methods may also be used when the upper plate 510 and the lower plate 520 are coupled. Accordingly, when the physical properties of the upper plate 510 and the lower plate 520 are the same, the bonding between the two members may be formed more precisely.
  • the upper plate 510 and the lower plate 520 or the first layer 524 and the second layer 526 may include aluminum.
  • the lower plate 520 has been described with a focus on the case where the lower surface has a flat shape.
  • the stepped portion of the lower plate 520 formed by locally adjusting the thickness, that is, the groove does not face the inside of the cooling member 500 and may be exposed to the outside.
  • FIG. 9 is a view showing another example of the A-A section of FIG. 3; 10 is a view showing that another example of a cooling member according to an embodiment of the present invention is provided in a battery cell stack.
  • FIG. 11 is an enlarged view of region C of FIG. 10, and is a view for explaining changes in a lower plate when a battery cell is ignited.
  • 12 is a cross-sectional view showing another example of a cooling member according to an embodiment of the present invention.
  • the weak portion 522 may be formed to be located close to the upper surface of the lower plate 520.
  • can 9 to 12 when the weak portion 522 is located close to the upper surface of the lower plate 520, the lower surface of the cooling member 500 may have a locally protruding shape. Therefore, since the protruding lower surface of the cooling member 500 may be positioned close to or in contact with the battery cell, heat dissipation of the battery cell may be promoted.
  • the cross section of the lower plate 520 may have a rectangular, triangular, round, or trapezoidal cross-sectional shape. Since the cross-sectional shape of FIG. 9 can be described with reference to the contents of FIG. 5 except that the vertical direction is reversed, a detailed description is omitted.
  • FIGS. 10 and 11 are views showing cross-sections of the cooling member 500 cut along the xz plane when the cooling member 500 is shown on the battery cell stack, and the cooling member ( 500) is shown in more detail.
  • the positional relationship between the plurality of battery cells 110 and the weak part 522 is shown in FIGS. 6 and 7
  • the positional relationship between one battery cell 110 and the weak part 522 is shown in FIGS. 10 and 11 is shown 10 and 11
  • one battery cell 110 may correspond to a plurality of weak parts 522, and according to the location where ignition occurs among the battery cells 110, the corresponding weak parts 522 can be opened. Accordingly, when the battery cell 110 is ignited, one or more vulnerable parts 522 may be opened.
  • the opening of the weak part 522 includes a case in which only a part of one weak part is opened, and does not necessarily mean that the whole of the weak part 522 is opened.
  • FIGS. 6 and 7 have a different direction from FIGS. 6 and 7 and also have a protruding shape on the lower surface of the cooling member 500 . Even if the lower surface of the cooling member 500 has a protruding shape, when the battery cell 110 is ignited, the weak portion 522 is opened so that the cooling water is injected into the battery cell 110. A detailed description may be provided through the contents of FIGS. 6 and 7 . Therefore, detailed descriptions are omitted to avoid redundant description.
  • the lower plate 520 with its lower surface protruding and the weak portion 522 formed thereon may be formed in various ways.
  • the weak portion 522 may be formed by etching the lower surface of the lower plate 520 .
  • lower plate 520 may be formed by joining two layers.
  • the lower plate 520 may be formed by bonding a first layer 524 provided as a plate-like member and a second layer 526 having a plurality of holes.
  • the second layer 526 may form a lower surface of the lower plate 520 by being positioned below the first layer 524 .
  • the first layer 524 may include a 3000-series and a 4000-series clad metal
  • the second layer ( 526) may include aluminum of the 3000 series.
  • the upper plate 510 may also be 3000 series aluminum, and bonding between layers may be smoothly performed through 4000 series aluminum formed on the upper and lower surfaces of the first layer 524 provided as a clad metal.
  • the first layer 524 may be provided with 3000-series aluminum
  • the second layer 526 or the upper plate 510 may be provided with 3000-series or 4000-series clad metal.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a cooling member according to another embodiment of the present invention.
  • the cooling member 500 of the embodiment described with reference to FIG. 13 may include all of the contents of FIGS. 1 to 12 described above in addition to those mentioned below. Therefore, in order to minimize redundant description, the overlapping content with the above description will be omitted.
  • the cooling member 500 of this embodiment may have three layers. Specifically, the upper plate 510 of the cooling member 500 may have one layer, and the lower plate 520 may have two layers.
  • the lower plate 520 having two layers has been sufficiently described through the above description, a detailed description thereof will be omitted.
  • the flow rate deviation of the cooling water may be determined according to the separation distance between the upper plate 510 and the lower plate 520.
  • the upper plate 510 of the cooling member 500 is shown as having a flat surface as a whole except for the passage forming groove 550 and the deformation preventing groove 560 . Therefore, the flow rate deviation of the cooling member 500 may depend on the thickness difference of the lower plate 520 . Specifically, the flow rate per unit length may be relatively high around the first portion where the weak portion 522 is formed, and the flow rate per unit length may be relatively low around the second portion where the weak portion 522 is not formed. If the flow rate around the first portion is greater, the coolant may be injected more quickly according to the hydraulic pressure when the weak portion 522 is opened. Therefore, a larger flow rate around the first portion may be preferable.
  • the upper plate 510 having the curved portion 514 may be provided so that the flow rate deviation of the cooling water in the cooling member 500 is formed.
  • the bent portion 514 may have a corrugated cross-sectional shape based on a cross-section of the cooling member 500 in the longitudinal direction.
  • the highest point of the curved portion 514 ie, the crest
  • the lowest point of the bent portion 514 may correspond to the first portion of the lower plate 520 where the weak portion 522 is formed.
  • the lowest point of the bent portion 514 that is, a trough, may correspond to the second portion of the lower plate 520.
  • the flow rate per unit length around the first part can be increased, and when the weak part 522 is opened, the cooling water of the cooling member 500 is ignited. It can be injected more rapidly towards the 1st battery cell 110a.
  • FIG. 13 shows that the valley of the bent part 514 is positioned close to the second part of the lower plate 520, the valley of the bent part 514 is shown so that the cooling member 500 can hold a larger amount of cooling water. It is also possible to be spaced apart from the second part of the lower plate 520 . However, if the separation distance is too large, the total volume of the cooling member 500 may increase, which may increase the size of the battery module. may have to be designed.
  • each layer of the cooling member 500 is shown as being positioned in the order of the first layer 524, the second layer 526, and the top plate 510, but the second layer 526, the first It may also be possible to place the layer 524 and the top plate 510 in that order.
  • the second layer 526 is positioned below the first layer 524 , the lower surface of the cooling member 500 may have a protruding shape due to the second layer 526 .
  • the second layer 526 forming the lower surface of the cooling member 500 may be located close to or in contact with the battery cell, the second layer 526, the first layer 524 and the upper plate 510 When positioned in the order of, the second layer 526 may have an effect of promoting heat dissipation of the battery cell.
  • the thickness of each layer may be appropriately designed to have strength over a predetermined range while minimizing the overall volume.
  • the top plate 510 may be referred to as a third layer and may be made of aluminum.
  • the third layer is formed of aluminum
  • the upper plate 510 may preferably be formed to a thickness of 1.0 to 2.0 mm, 1.3 to 1.7 mm, or 1.5 mm.
  • the second layer 526 included in the lower plate 520 may be preferably formed to a thickness of 1.0 to 1.5 mm, 1.2 to 1.4 mm, or 1.3 mm.
  • the first layer 524 may have to be formed thin enough to have the characteristics of the weak portion 522, and specifically may have a thickness of 0.03 to 0.07 mm or 0.04 to 0.06 mm.
  • cooling member 500 having three layers various types of processes may be applied to interlayer bonding. Since cooling water is located in the cooling member 500, the three layers need to be firmly bonded.
  • the combination of the three layers may be formed through a welding process.
  • the combination of the three layers may be formed through a rolling process.
  • formation of the upper plate 510 may be somewhat limited.
  • the materials of the three layers may be different, or may be the same or similar to each other. Since the melting point or strength is different depending on the material, the material may have to be selected according to the manufacturing method or the manufacturing method.
  • the first layer 524 when the bonding of the layers is formed through brazing, the first layer 524 includes 3000-series aluminum and the second layer 526 includes 3000-series and 4000-series aluminum.
  • the third layer which is the clad metal and the upper plate 510, may be 3000 series aluminum.
  • positions of the first layer 524 and the second layer 526 may be interchanged.
  • the material of the second layer 526 and the top plate 510 combined with the first layer 524 is limited according to the physical properties of the first layer 524. It can be.
  • the first layer 524 may include 3000-series aluminum
  • the second layer 526 and the upper plate 510 may include a clad metal including 3000-series/4000-series aluminum.
  • the first layer 524 may include 3000 series/4000 series clad metal
  • the second layer 526 and the upper plate 510 may include 3000 series aluminum.
  • the battery pack 1000 of the embodiment described with reference to FIGS. 14 and 15 may include all of the contents of FIGS. 1 to 13 other than those mentioned below. Therefore, in order to minimize redundant description, the above-mentioned contents related to the cooling member 500 will be omitted.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view illustrating a battery pack according to still another embodiment of the present invention.
  • 15 is a perspective view of a battery module included in the battery pack according to FIG. 14 .
  • a battery pack 1000 includes at least one battery module 100, a pack frame 200 accommodating the battery module 100, and the inside of the pack frame 200.
  • a resin layer 300 formed on the surface, an end plate 400 closing the open surface of the pack frame 200, and a cooling member 500 disposed between the pack frame 200 and the battery cell stack 120 can include
  • the components included in the battery pack 1000 are not limited thereto, and depending on the design, the battery pack 1000 may be provided with some of the above components omitted, and other components not mentioned may be provided. It may also be provided as an add-on.
  • the battery module 100 provided in this embodiment may have a module-less structure in which a module frame is omitted.
  • conventional battery packs have a double assembly structure in which a battery cell stack and various parts connected thereto are assembled to form a battery module, and a plurality of battery modules are accommodated in the battery pack.
  • the battery module includes a module frame forming its outer surface, conventional battery cells are doubly protected by the module frame of the battery module and the pack frame of the battery pack.
  • this double assembly structure not only increases the manufacturing cost and manufacturing process of the battery pack, but also has a disadvantage in that reassembly is poor when defects occur in some battery cells.
  • a cooling member such as a cooling member
  • a heat transfer path between the battery cell and the cooling member becomes somewhat complicated.
  • the battery module 100 of the present embodiment may be provided in the form of a 'cell block' in which the module frame is omitted, and the battery cell stacks 120 included in the cell block are the pack frame of the battery pack 1000 ( 200) can be directly coupled to.
  • the structure of the battery pack 1000 can be simplified, advantages in terms of manufacturing cost and manufacturing process can be obtained, and weight reduction of the battery pack can be achieved.
  • the battery module 100 without a module frame may be referred to as a 'cell block' for distinction from a battery module having a module frame.
  • the battery module 100 is a general term for having a battery cell stack 120 segmented into predetermined units for modularization regardless of the presence or absence of a module frame, and the battery module 100 is a conventional It should be interpreted as including both a phosphorus battery module and a cell block.
  • the battery module 100 of this embodiment is a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked along one direction, and is located at both ends of the battery cell stack 120 in the stacking direction.
  • a side plate 130, a holding strap 140 that wraps around the circumference of the side plate 130 and the battery cell stack 120 to fix the shape, and a bus bar covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 Frame 150 may be included.
  • the battery module 100 provided in the form of a cell block is shown, but the content of this drawing is applied to the battery module 100 having a sealed structure having a module frame to the battery pack 1000 of this embodiment. cases are not excluded.
  • Each battery cell 110 may include an electrode assembly, a cell case, and an electrode lead protruding from the electrode assembly.
  • the battery cell 110 may be provided in a pouch type or prismatic shape that can maximize the number of stacks per unit area.
  • the battery cell 110 provided in the form of a pouch may be manufactured by accommodating an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator in a cell case of a laminate sheet and then heat-sealing a sealing portion of the cell case.
  • FIGS. 14 and 15 it is shown that the anode lead and the cathode lead of the battery cell 110 protrude in opposite directions, but this is not necessarily the case, and it is also shown that the electrode leads of the battery cell 110 protrude in the same direction. It is possible.
  • the battery cell stack 120 may include a plurality of electrically connected battery cells 110 stacked along one direction.
  • the direction in which the plurality of battery cells 110 are stacked (hereinafter referred to as 'stacking direction') may be the y-axis direction (or -y-axis direction) as shown in FIGS. 14 and 15, and hereinafter, the 'axis direction'.
  • the expression 'direction' may be interpreted as including both +/- directions).
  • electrode leads of the battery cells 110 may be positioned on one side or one side and the other side facing the one side of the battery cell stack 120 .
  • the surface on which the electrode leads are located in the battery cell stack 120 may be referred to as the front or rear surface of the battery cell stack 120, and in FIGS. 14 and 15, the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 The back side is shown with two faces facing each other on the x-axis.
  • the side on which the outermost battery cell 110 is located in the battery cell stack 120 may be referred to as the side of the battery cell stack 120, and in FIGS. 14 and 15, the battery cell stack 120 The side is shown as two faces facing each other on the y-axis.
  • the side plate 130 may be provided to maintain the overall shape of the battery cell stack 120 .
  • the side plate 130 is a plate-shaped member, and can supplement the rigidity of the cell block instead of the module frame.
  • the side plates 130 may be disposed at both ends of the battery cell stack 120 in the stacking direction, and may contact the outermost battery cells 110 on both sides of the battery cell stack 120 .
  • the side plate 130 may be made of various materials and may be provided through various manufacturing methods.
  • the side plate 130 may be a plastic material manufactured by injection molding.
  • the side plate 130 may be made of a leaf spring material.
  • the side plate 130 may be made of a material having elasticity so that its shape may be partially deformed in response to a volume change of the battery cell stack 120 due to swelling.
  • the holding strap 140 may be for fixing the position and shape of the side plates 130 at both ends of the battery cell stack 120 .
  • the holding strap 140 may be a member having a length and a width.
  • the battery cell stack 120 may be positioned between the two side plates 130 in contact with the outermost battery cell 110, and the holding strap 140 holds the battery cell stack 120. It is possible to connect the two side plates 130 by crossing. Through this, the holding strap 140 can prevent the distance between the two side plates 130 from increasing beyond a certain range, and thus the overall shape of the cell block can be maintained within a certain range.
  • the holding strap 140 may have hooks at both ends in the longitudinal direction for stable coupling with the side plate 130 . Hooks may be formed by bending both ends of the holding strap 140 in the longitudinal direction. Meanwhile, a locking groove may be formed on the side plate 130 at a position corresponding to the hook, and the holding strap 140 and the side plate 130 may be stably coupled through a combination of the hook and the locking groove.
  • the holding strap 140 may be provided with various materials or through various manufacturing methods.
  • the holding strap 140 may be made of a material having elasticity, and through this, a volume change of the battery cell stack 120 according to swelling may be allowed within a certain range.
  • the holding strap 140 is for fixing the relative position between the side plate 130 and the battery cell stack 120, and if its purpose as a 'fixing member' is achieved, it is provided in a form different from that shown.
  • the fixing member may be provided in the form of a long bolt that can cross between the two side plates 130, that is, a long bolt.
  • the side plate 130 may be provided with a groove into which a long bolt can be inserted, and the long bolt can fix the relative positions of the two side plates 130 by simultaneously engaging the two side plates 130 through the groove.
  • the long bolt may be provided at an edge of the side plate 130, preferably at a position close to a vertex of the side plate 130.
  • the holding strap 140 is replaced with the aforementioned long bolt, but it is also possible that both the holding strap 140 and the long bolt are provided in the cell block.
  • the bus bar frame 150 is located on one surface of the battery cell stack 120, covers one surface of the battery cell stack 120, and guides the connection between the battery cell stack 120 and external devices. It may be for
  • the bus bar frame 150 may be located on the front or rear surface of the battery cell stack 120 .
  • Two bus bar frames 150 may be provided to be positioned on the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 .
  • a bus bar may be mounted on the bus bar frame 150, and through this, electrode leads of the battery cell stack 120 may be connected to the bus bar so that the battery cell stack 120 may be electrically connected to an external device.
  • the bus bar frame 150 may include an electrically insulating material.
  • the bus bar frame 150 may limit the contact of the bus bar with other parts of the battery cells 110 other than the parts bonded to the electrode leads, and prevent an electrical short circuit from occurring.
  • the pack frame 200 may be for protecting the battery module 100 and electrical components connected thereto from external physical impact.
  • the pack frame 200 may accommodate the battery module 100 and electrical components connected thereto in the inner space of the pack frame 200 .
  • the pack frame 200 includes an inner surface and an outer surface, and the inner space of the pack frame 200 may be defined by the inner surface.
  • the number of battery modules 100 accommodated in the pack frame 200 may be plural.
  • the plurality of battery modules 100 may be referred to as 'module assembly'.
  • Module assemblies may be arranged in rows and columns within the pack frame 200 .
  • a 'row' may mean a set of battery modules 100 arranged in one direction
  • a 'column' may mean a set of battery modules 100 arranged in a direction perpendicular to the one direction.
  • the battery modules 100 may be disposed along the stacking direction of the battery cell stack as shown in FIG. 1 to form a single row or column to form a module assembly.
  • the pack frame 200 may be provided in a hollow shape open along one direction.
  • a plurality of battery modules 100 are continuously positioned along the stacking direction of the battery cells 110, and the pack frame 200 has a hollow shape open along the above-described stacking direction.
  • the pack frame 200 may vary.
  • the pack frame 200 may include a lower frame 210 and an upper frame 220 .
  • the lower frame 210 may be provided in a plate shape
  • the upper frame 220 may be provided in a U-shape.
  • At least one battery module 100 may be disposed on the plate-shaped lower frame 210, and a U-shaped upper frame 220 may be provided to cover the upper surface and two surfaces of the module assembly on the x-axis. .
  • the pack frame 200 may include a portion having high thermal conductivity in order to rapidly dissipate heat generated in the internal space to the outside.
  • the pack frame 200 may be made of a metal having high thermal conductivity, and examples thereof may include aluminum, gold, silver, copper, platinum, or an alloy including the same.
  • the pack frame 200 may partially have electrical insulation, and an insulation film may be provided or an insulation coating may be applied to a location where insulation is required.
  • a portion of the pack frame 200 to which an insulating film or an insulating coating is applied may be referred to as an insulating portion.
  • a resin layer 300 may be provided between the battery module 100 and the inner surface of the pack frame 200 .
  • the resin layer 300 may be provided between the bottom surface of the battery module 100 and the lower frame 210 .
  • the resin layer 300 may be provided between the upper surface of the battery module 100 and the upper frame 220 .
  • the resin layer 300 may be provided between the cooling member 500 to be described later and the upper frame 220 .
  • the resin layer 300 may be formed by injecting resin between the battery cell stack 120 and one of the inner surfaces of the pack frame 200 . However, this is not necessarily the case, and the resin layer 300 may be a member provided in a plate shape.
  • the resin layer 300 may be made of various materials, and functions of the resin layer 300 may vary depending on the material.
  • the resin layer 300 may be formed of an insulating material, and electron transfer between the battery module 100 and the pack frame 200 may be prevented through the insulating resin layer 300 .
  • the resin layer 300 may be formed of a thermally conductive material.
  • the resin layer 300 made of a thermally conductive material transfers the heat generated from the battery cell 110 to the pack frame 200, so that the heat can be released/transmitted to the outside.
  • the resin layer 300 may include an adhesive material, through which the battery module 100 and the pack frame 200 may be fixed to each other.
  • the resin layer 300 may be provided to include at least one of a silicone-based material, a urethane-based material, and an acrylic-based material.
  • the end plate 400 may be to protect the battery module 100 and electrical components connected thereto from external physical impact by sealing the open surface of the pack frame 200 .
  • Each corner of the end plate 400 may be coupled to a corresponding corner of the pack frame 200 by welding or the like.
  • Two end plates 400 may be provided to seal the two open surfaces of the pack frame 200 and may be made of a metal material having a predetermined strength.
  • An opening 410 may be formed in the end plate 400 to expose an inlet/outlet port 530 of the cooling member 500, which will be described later, and connect low voltage (LV) or high voltage (HV) to an external device.
  • a connector 420 for connection may be mounted.
  • the cooling member 500 may cool the inside of the battery pack 1000 by dissipating heat generated from the battery cells 110 .
  • the cooling member 500 may cool the inside of the battery pack 1000 by dissipating heat generated from the battery cells 110 .
  • FIG. 14 shows that the cooling member 500 is provided outside the battery module 100, this is not necessarily the case, and the cooling member 500 may also be disposed inside the battery module 100.
  • the battery module 100 may have a closed structure having a module frame or an open structure such as a cell block.
  • the cooling member 500 may be integrally provided with the battery pack 1000 or the battery module 100.
  • the upper plate 510 of the cooling member 500 is replaced by the upper surface of the pack frame 200, and the pack frame 200
  • the cooling member 500 may be formed by combining the upper surface of the cooling member 500 with the lower plate 520 of the cooling member 500 .
  • the cooling member 500 when the cooling member 500 is integrally provided with the battery module 100, the upper plate 510 of the cooling member 500 is replaced by the upper surface of the frame of the battery module 100, and the battery module
  • the cooling member 500 may be formed by combining the upper surface of the frame of the frame 100 and the lower plate 520 of the cooling member 500 . In this way, when the cooling member 500 is integrated with the battery pack 1000 or the battery module 100, the weight of the battery pack 1000 or the battery module 100 through omission of some members, cost reduction, or simplification of the internal structure, etc. effect can be achieved.
  • the battery module 100 of this embodiment has been described as including the water-cooled cooling member 500, this description does not exclude that the battery module 100 may include an air-cooled cooling member. Therefore, it should be noted that the battery module 100 of this embodiment may include both air-cooled and water-cooled cooling members 500 at the same time.
  • FIG. 16 is a perspective view showing a cooling member according to still another embodiment of the present invention.
  • 17 is a top view showing a cooling member according to still another embodiment of the present invention.
  • 18 is a top view of a lower plate included in the cooling member of FIG. 16;
  • 19 is a top view of a main body included in the cooling member of FIG. 16;
  • FIG. 20 is a view showing the coupling of the lower plate, body, and cooling hose included in the cooling member of FIG. 16;
  • FIG. 21 shows the cooling member of FIG. 17 cut along the line A-A, and shows cooling water flowing into or flowing out of the main body and cooling hose.
  • FIG. 22 is a cut A-A view of the cooling member of FIG. 17, and is a view illustrating the injection of cooling water by a cooling hose when a battery cell is ignited.
  • the cooling member 600 of this embodiment may be provided to lower the internal temperature of a battery module or battery pack including battery cells.
  • the cooling member 600 may be a water-cooled cooling member 600 into which refrigerant or cooling water is injected. Since the cooling member 600 is provided in a water-cooled manner, the cooling efficiency of the cooling member 600 can be maintained uniformly, and the battery cells in the battery module or battery pack can be evenly cooled.
  • the cooling water used in the cooling member 600 may use one or a mixture thereof known in the art, as long as it can release heat from the battery cells by moving along the flow path inside the cooling member 600. You are free to use any of these.
  • the cooling member 600 may be disposed on one surface of the battery cell stack to dissipate heat from the battery cells.
  • the cooling member 600 may be disposed parallel to the stacking direction of the battery cell stack to be positioned close to the plurality of battery cells of the battery cell stack. Specifically, the cooling member 600 may be located above the battery cell stack.
  • the size of the cooling member 600 may be matched to the size of the battery cell stack to which the cooling member 600 is applied.
  • the cooling member 600 may be provided to correspond to one battery cell stack.
  • the length of the cooling member 600 is matched to the length of the battery cell stack or has a small margin to increase or decrease the length of the battery cell stack. It is formed small, and the width of the cooling member 600 may be formed larger or smaller according to the width of the battery cell stack or with a slight margin.
  • the cooling member 600 may be provided to correspond to the multiplicity of battery cell stacks, and in this case, the length and width of the cooling member 600 are matched with the length and width of the multiplicity of battery cell stacks or slightly It can be made large or small with a margin.
  • the cooling member 600 may be located inside the battery module, but may also be located inside the battery pack from the outside of the battery module.
  • the cooling member 600 includes a lower plate 620, an inlet/outlet port 630 for injecting coolant into the cooling member 600, a main body 640 mounted on the upper surface of the lower plate 620 and accommodating the coolant, and a cooling hose. 650 and a fixing member 660 fixing them.
  • the body 640 is mounted on the upper surface of the lower plate 620
  • the cooling hose 650 is mounted in the accommodating portion 648 of the body 640
  • the fixing member 660 is mounted on the lower plate 620. )
  • the body 640 and the cooling hose 650 are fixed, so that the cooling member 600 can be manufactured.
  • the cooling member 600 of this embodiment can secure watertightness through the above-described structure, simplify the manufacturing process, and supply cooling water to the right place at the right time when the battery cell is ignited.
  • a liquid such as cooling water
  • it may be effective to inject a liquid such as cooling water into the battery module or battery pack. Since providing a liquid tank inside the battery module or battery pack may increase the volume of the battery module and battery pack, conventionally, a separate water tank is provided outside the battery module and the battery pack, and the battery is stored through a sensor. Cooling water or the like was injected into the battery module or battery pack through a nozzle or the like extending from the water tank only when ignition of the cell was confirmed.
  • the water tank provided outside the battery module and the battery pack is not only bulky, but also requires a user to separately manage it.
  • the conventional water supply system must have a separate control unit or communication unit for determining whether or not to input cooling water, and errors must not occur in their operation. It became. Even after the injection of cooling water is determined, if the path from the water tank to the battery module or the battery cell inside the battery pack is rather long, it is difficult to quickly provide cooling water from the water tank to the battery cell. It was difficult to stop the continuous thermal runaway phenomenon.
  • an opening is formed in the lower plate 620 of the cooling member 600 so that cooling water can be immediately supplied to the fire place when the battery module or battery pack is ignited, and the cooling hose 650 corresponds to the opening. ) can be placed.
  • a member that melts or breaks at a predetermined temperature or pressure or higher may be filled or inserted to seal the opening.
  • the cooling water of the cooling member 600 directly contacts the lower plate 620, the cooling water may leak through a gap between the opening of the lower plate 620 and a member sealing it, and thus the cooling member ( 600) may greatly deteriorate.
  • manufacturing the lower plate 620 to include two materials having different physical properties involves a complicated manufacturing process, there is a problem in that manufacturing time and manufacturing cost increase.
  • the cooling member 600 of this embodiment by isolating the cooling water between the main body 640 and the cooling hose 650, it is possible to minimize the decrease in watertightness caused by the opening 622 of the lower plate 620.
  • the main body 640 and the cooling hose 650 are applied to the cooling member 600, the manufacturing process of the cooling member 600 is simplified, and manufacturing time and cost can be reduced.
  • the lower plate 620 may be provided in a plate shape.
  • a main body 640 through which cooling water flows and a cooling hose 650 may be mounted on the lower plate 620 .
  • the lower plate 620 may be provided in a plate shape to support the main body 640 or the like.
  • the lower plate 620 may include at least one opening 622 .
  • the opening 622 may be for injecting internal cooling water into the battery cell by heat or pressure generated by ignition when the battery cell is ignited.
  • a plurality of openings 622 may be provided along a straight line parallel to the short side or long side of the lower plate 620, and the cooling member 600 has a plurality of openings 622 at an unspecified position within the battery module or battery pack. Cooling water can be injected in response to a fire occurring in In this regard, refer to FIG. 22 to be described later.
  • a protrusion 624 extending from one side of the lower plate 620 and continuously positioned along one edge of the lower plate 620 may be formed around the lower plate 620 .
  • the protrusion 624 may contact or be disposed close to the electrode lead of each battery cell stack or the bus bar connected to the electrode lead. Since an electrode lead or bus bar providing electrical connection in a battery module or battery pack is a component that easily generates heat, if the above-described protrusion promotes heat dissipation of the electrode lead or bus bar, the temperature rise of the battery cell can be more effectively prevented.
  • a barrier 626 may be formed on the lower plate 620 .
  • the barrier 626 may extend along the longitudinal direction of the cooling member 600 from the center in the width direction of the cooling member 600 except for a predetermined section.
  • the main body 640 can be mounted in place by the barrier 626, and the fixing member 660 can be stably fixed.
  • the width direction of the cooling member 600 may be a direction parallel to the short side of the cooling member 600 .
  • the longitudinal direction of the cooling member 600 may be a direction parallel to the long side of the cooling member 600 .
  • the lower plate 620 may be a part of the cooling member 600 positioned closest to the battery cell.
  • the lower plate 620 may be made of a material having high thermal conductivity to promote heat dissipation of the battery cell.
  • the lower plate 620 of the cooling member 600 may be made of a metal having high rigidity, and specific examples thereof include aluminum, gold, silver, copper, platinum, or an alloy including these.
  • Cooling water may be supplied through the inlet port 632 located side by side and discharged through the outlet port 634 .
  • the inlet port 632 and the outlet port 634 may be located parallel to one end side of the cooling member 600 . This may be to simplify the design of the inflow and outflow of cooling water supplied from the outside of the battery module or battery pack. Also, this may be to minimize a temperature difference between the inlet port 632 and the outlet port 634 . Specifically, cooling water introduced into the inlet port 632 may have the lowest temperature, and cooling water discharged through the outlet port 634 may have the highest temperature.
  • the cooling member 600 may have uniform heat dissipation performance as a whole.
  • the main body 640 may provide cooling water passages for heat dissipation of the battery cells. Cooling water injected through the inlet port 632 may be accommodated in the body 640 , and cooling water accommodated in the body 640 may be discharged through the outlet port 634 . As cooling water flows in or out of the main body 640, the cooling member 600 can be maintained at a relatively constant temperature. Cooling water in the main body 640 may be designed to be continuously circulated by being connected to an external heat exchanger connected to the inlet/outlet port 630 to maintain the constant temperature.
  • the lower plate 620 cooled by the body 640 may promote heat dissipation of the battery cells.
  • the main body 640 may be made of a material having high thermal conductivity, and through this, heat of the lower plate 620 may be rapidly absorbed.
  • the main body 640 may be made of a material having sufficient rigidity to withstand the pressure and weight of the cooling water accommodated therein.
  • the body 640 may be made of the same material as that of the lower plate 620 or a material similar thereto.
  • the material of the main body 640 may be, for example, aluminum, gold, silver, copper, platinum or an alloy including these.
  • the main body 640 may be mounted at a position where the barrier 626 is not formed on the lower plate 620 .
  • the outer shape of the main body 640 may be similar to the outer shape of the lower plate 620 except for the protrusion 624 .
  • the main body 640 may have a square tubular shape, and may be divided into two parts corresponding to the inlet port 632 and the outlet port 634 in consideration of the position of the barrier 626 . Through this, the main body 640 may form a U-shaped passage.
  • the main body 640 has a first portion 642 extending from the inlet port 632 along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 600, clockwise or counterclockwise from the end of the first portion 642. and a third portion extending along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 600 toward the outlet port 634 from the distal end of the second portion 644. Portion 646 may be included.
  • the longitudinal direction of the cooling member 600 may be a direction parallel to the long side of the cooling member 600 .
  • the body 640 may include a receiving portion 648 to which the cooling hose 650 is mounted.
  • the accommodating portion 648 may mean an accommodating space in the main body 640 in which the cooling hose 650 is mounted.
  • the accommodating portion 648 may be a long groove extending along the longitudinal direction of the cooling member 600, and the cross section of the accommodating portion 648 may be polygonal such as a square or circular. Both ends of the cooling hose 650 in the longitudinal direction may be connected to both ends of the accommodating portion 648 in the longitudinal direction. Both ends of the cooling hose 650 may be inserted into both ends of the accommodating part 648 in the longitudinal direction. Connections between both ends of the accommodating portion 648 in the longitudinal direction and both ends of the cooling hose 650 may be sealed to ensure watertightness.
  • a gasket is provided at a connection between the cooling hose 650 and the accommodating portion 648, and watertightness between the two members can be secured through the gasket.
  • extensions extending in a circumferential direction from the ends of the cooling hose 650 may be formed at both ends of the cooling hose 650, and the extensions may be inserted into the ends of the receiving portion 648 to form a main body 640. By being located on the inner side of the cooling hose 650 and the body 640 can supplement the coupling.
  • a first extension extending in a circumferential direction and a second extension spaced apart from the first extension may be formed at an end of the cooling hose 650 .
  • the first expansion part may be located inside the main body 640
  • the second expansion part may be located outside the main body 640
  • the two expansion parts come into close contact with the main body 640, so that the cooling hose 650 and the main body 640
  • the coupling between them may be more complemented.
  • protrusions may be formed on the expansion part, the first expansion part, or the second expansion part, and may be more tightly coupled to one side surface of the main body 640 through the projections.
  • the cooling hose 650 may be connected to the main body 640 to provide a flow path for cooling water implementing heat dissipation of the battery cells. Cooling water introduced from the inlet/outlet port 630 may move to the cooling hose 650 . The cooling hose 650 may receive cooling water from the main body 640 located close to the inlet/outlet port 630 .
  • the cooling hose 650 may be positioned to correspond to the opening 622 of the lower plate 620 . As shown in FIG. 18, when four rows of openings 622 are formed in the lower plate 620 along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 600, the cooling hose 650 is provided in each row of the openings 622. Four may be provided to correspond to .
  • the term 'row' may be a general term for openings 622 continuously positioned along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 600 .
  • the cooling hose 650 is melted or broken when an internal fire occurs, so that internal cooling water may be injected toward the battery cell.
  • a part of the cooling hose 650 corresponding to the opening 622 is opened by melting or breaking, and through this, the cooling water is sprayed, ejected, and injected in the direction of gravity, thereby located at the lower side of the cooling member 600.
  • a fire in a battery cell can be extinguished.
  • the receiving portion 648 in which the cooling hose 650 is mounted should also be formed to correspond to the opening 622 of the lower plate 620.
  • the cooling hose 650 may be made of a material that is more easily melted by heat or broken by pressure than the lower plate 620 made of metal.
  • the cooling hose 650 may be made of a material having a melting point of 300 °C or less.
  • the cooling hose 650 may be made of polyamide (PA).
  • PA polyamide
  • the cooling hose 650 may be made of a thermoplastic polymer resin having a melting point of 200 °C or less. Examples of the thermoplastic polymer resin include materials having a melting point of about 100° C. or more and 200° C. or less, such as high-density polyethylene (HDPE), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polyphenylene oxide (PPO).
  • HDPE high-density polyethylene
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PPO polyphenylene oxide
  • the main body 640 must be made of a material having sufficient rigidity to withstand the pressure of the cooling water flowing into the inside and maintain its shape, the main body 640 must be made of a material that is easily melted by heat or broken by pressure. This has a problem in that the overall durability of the cooling member 600 may be deteriorated. Therefore, it may be desirable to improve the performance of the entire cooling member 650 by configuring the cooling hose 650, which can be easily broken by heat, separately from the main body 640, as in the present embodiment.
  • the fixing member 660 may supplement the rigidity of the cooling member 600 by fixing the lower plate 620, the main body 640, and the cooling hose 650.
  • the fixing member 660 may fix the positions of the main body 640 and the cooling hose 650 through engagement with the lower plate 620 .
  • the fixing member 660 may be provided in the form of a strap having a length.
  • the fixing member 660 may be positioned parallel to the width direction of the cooling member 600 .
  • a plurality of fixing members 660 may be provided along the longitudinal direction of the cooling member 600, and the plurality of fixing members 660 may be arranged at regular intervals.
  • the fixing member 660 may be made of a material with high rigidity to maintain the shape of the cooling member 600, and may be made of metal, for example.
  • the fixing member 660 may be coupled to both ends of the cooling member 600 in the width direction.
  • the fixing member 660 may be coupled to the center of the cooling member 600 in the width direction.
  • the fixing member 660 may include end coupling portions 662 formed at both ends of the fixing member 660 in the longitudinal direction and a central coupling portion 664 formed at the center of the fixing member 660 in the longitudinal direction.
  • the terminal coupling portion 662 and the central coupling portion 664 may refer to portions of the cooling member 600 that are fastened through fastening members such as rivets.
  • a fastener into which a fastening member can be inserted may be formed in the end coupling portion 662 and the central coupling portion 664 .
  • the fixing member 660 may be coupled to both ends of the lower plate 620 in the width direction.
  • the fixing member 660 may be coupled to the center of the lower plate 620 in the width direction.
  • the end coupling portion 662 may be coupled with the protrusions 624 located at both ends of the lower plate 620 in the width direction.
  • the central coupling part 664 may be coupled to the barrier 626 located at the center of the lower plate 620 in the width direction.
  • the distal coupling portion 662 and the central coupling portion 664 may be formed to have a step with other portions of the fixing member 660 and may have a height slightly lower than other portions of the fixing member 660 .
  • the end coupling portion 662 may be formed to have a larger step than the central coupling portion 664.
  • the cooling member 600 can be manufactured to include two or more materials having different properties, and a structure of various materials and shapes, such as the cooling hose 650, can be used as the cooling member 600. ), and the design of the cooling member 600 can be easier and more diverse.
  • the manufacturing method of the cooling member 600 described below includes all of the above-described cooling member 600, and detailed descriptions of overlapping contents are omitted.
  • a method of manufacturing a cooling member includes preparing a lower plate 620, mounting a main body 640 on an upper surface of the lower plate 620, and A step of mounting the cooling hose 650 to the cooling hose 650 and a step of combining the fixing member 660 with the lower plate 620 may be included.
  • Preparing the lower plate 620 may include forming an opening 622 in the lower plate 620, and according to an embodiment, mounting the inlet/outlet port 630 to the lower plate 620 may be further performed.
  • Mounting the body 640 on the lower plate 620 is a process of bonding the lower plate 620 and the body 640, and may be performed by a bonding process such as welding.
  • a welding process is used to join the lower plate 620 and the main body 640, the more similar the materials of the lower plate 620 and the main body 640 are, the more deformation or damage of some members depending on the welding temperature can be minimized, and cooling Dimensional stability of the member 600 can be secured.
  • Mounting the cooling hose 650 to the main body 640 is a step of inserting the cooling hose 650 into the accommodating portion 648 of the main body 640, both ends of the cooling hose 650 to the accommodating portion 648 ) may include a step of connecting with both ends of.
  • a connection portion between the cooling hose 650 and the accommodating portion 648 may be sealed.
  • the step of combining the fixing member 660 with the lower plate 620 is the step of combining the end coupling part 662 of the fixing member 660 with both ends of the lower plate 620 and the central coupling part of the fixing member 660 ( 664 with the center of the lower plate 620.
  • both ends of the lower plate 620 mean ends in the width direction, and protrusions 624 may be positioned at both ends of the lower plate 620 .
  • the center of the lower plate 620 means the center in the width direction, and the barrier 626 may be located at the center of the lower plate 620 .
  • cooling member 600 may be mounted in a battery module or battery pack.
  • a battery module includes a battery cell stack made of a plurality of battery cells and a module frame accommodating them, and a cooling member 600 is provided between the module frame and the battery cell stack.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention may be provided in various forms.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention may include at least one or more battery modules described above.
  • the battery pack of the present example may include a pack frame and at least one battery module mounted in the pack frame, and the battery module includes a battery cell stack, a module frame, and a cooling member positioned between the battery cell stack and the module frame. can do.
  • a battery pack includes at least one battery module including a battery cell stack and a module frame accommodating the same, a cooling member 600, and a battery module and a cooling member 600. It may include a pack frame for accommodating. That is, in this example, the cooling member 600 may be provided outside the battery module. The cooling member 600 may be provided between the module frame and the pack frame of the battery module, and cooling water may be injected toward the battery module when the inside and outside of the battery module is ignited.
  • a battery pack may include a battery cell stack and a pack frame accommodating the battery cell stack, and a cooling member 600 may be provided between the battery cell stack and the pack frame. there is.
  • the battery cell stack may be provided in a module-less structure that is not sealed by a module frame or the like.
  • the battery cell stack may be provided in an open structure.
  • the battery cell stack may be provided in a state in which its appearance is maintained through a fixing member such as a side plate or a holding strap, and this type of battery cell stack may be referred to as a cell block.
  • battery packs may be formed in a double assembly structure in which a battery cell stack and various parts connected thereto are assembled to form a battery module, and a plurality of battery modules are accommodated in the battery pack again.
  • the battery module includes a module frame forming its outer surface, conventional battery cells are doubly protected by the module frame of the battery module and the pack frame of the battery pack.
  • this double assembly structure not only increases the manufacturing cost and manufacturing process of the battery pack, but also has a disadvantage in that reassembly is poor when defects occur in some battery cells.
  • a cooling member such as a cooling member
  • a heat transfer path between the battery cell and the cooling member becomes somewhat complicated.
  • the battery cell stack of this embodiment may be provided in a non-sealed structure by the module frame, and may be directly coupled to the pack frame of the battery pack.
  • the structure of the battery pack can be simplified, advantages in manufacturing cost and manufacturing process can be obtained, and weight reduction of the battery pack can be achieved.
  • the battery cell stack since the battery cell stack is provided in a module-less structure, the battery cell stack can be positioned closer to the cooling member 600 in the pack frame, and heat dissipation by the cooling member 600 can be more easily achieved. can
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention adds a battery management system (BMS) and/or a cooling device that manages the temperature or voltage of the battery.
  • BMS battery management system
  • a cooling device that manages the temperature or voltage of the battery.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention can be applied to various devices.
  • a device to which the battery pack is applied may be a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle.
  • the above-described device is not limited thereto, and the battery pack according to the present embodiment may be used in various devices other than the above-described examples, which also fall within the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하는 냉각 부재에 있어서, 상부판, 하부판, 상기 상부판과 상기 하부판 사이의 내부 공간에 내장된 냉각수를 포함하고, 상기 하부판은 취약부가 형성된 제1 부분, 상기 취약부가 형성되지 않은 제2 부분을 포함하며, 상기 제1 부분의 두께 값은 상기 제2 부분의 두께 값 보다 작다.

Description

냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 7월 22일자 한국 특허 출원 제10-2021-0096683호 및 2021년 11월 26일자 한국 특허 출원 제10-2021-0165252호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
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, 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하는 냉각 부재에 있어서, 상부판, 하부판, 상기 상부판과 상기 하부판 사이의 내부 공간에 내장된 냉각수를 포함하고, 상기 하부판은 취약부가 형성된 제1 부분, 상기 취약부가 형성되지 않은 제2 부분을 포함하며, 상기 제1 부분의 두께 값은 상기 제2 부분의 두께 값 보다 작다.
상기 취약부는 장변과 단변을 가지고, 상기 장변은 상기 전지셀들의 적층 방향을 따라 연장될 수 있다.
상기 제1 부분의 두께 값은, 상기 제2 부분의 두께 값의 절반 이하일 수 있다.
상기 제1 부분의 두께는 0.03 내지 0.07mm 일 수 있다.
상기 취약부는 제1 취약부 및 상기 제1 취약부와 이격된 제2 취약부를 포함하고, 상기 제1 취약부와 상기 제2 취약부의 두께 값은 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 하부판은 서로 두께가 상이한 제1 층 및 제2 층을 접합합으로써 형성되고, 상기 제1 부분의 두께는 상기 제1 층의 두께와 대응되고, 상기 제2 부분의 두께는 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 두께와 대응될 수 있다.
상기 제1 층 및 제2 층 중 하나는 클래드 금속을 포함할 수 있다.
상기 상부판, 상기 제1 층 및 제2 층 중 적어도 하나는 클래드 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 층과 제2 층은 브레이징 공정을 통해 접합될 수 있다.
상기 상부판, 상기 제1 층과 제2 층은 브레이징 공정을 통해 접합될 수 있다.
상기 상부판은 굴곡부를 포함하고, 상기 굴곡부의 마루는 상기 제1 부분과 대응되고, 상기 굴곡부의 골은 상기 제2 부분과 대응될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈은 상술한 냉각 부재를 포함한다.
상기 냉각 부재의 상부판은 상기 전지 모듈의 외형을 형성하는 모듈 프레임의 상면과 일체화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 부재는 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하고, 다수의 개구부가 형성된 하부판, 냉각수의 유로를 제공하는 본체, 및 상기 하부판과 상기 본체를 고정하는 고정 부재를 포함하고, 상기 본체에는 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 본체에는 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 본체는 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 본체는 상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트와 각각 대응되는 부분으로 분기된 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩은 상술한 냉각 부재를 포함할 수 있다.
상기 전지 팩은 개방형 구조의 전지 모듈을 포함할 수 있다.
상기 냉각 부재의 상부판은 상기 전지 팩의 외형을 형성하는 팩 프레임의 상면과 일체화될 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다.
도 2은 도 1의 냉각 부재에 포함된 상부판을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 A-A절단면의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 냉각 부재의 일 예가 전지셀 적층체에 제공된 것을 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 B영역을 확대한 도면으로, 전지셀 발화 시 하부판의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재의 일 예를 나타나는 단면도이다.
도 9는 도 3의 A-A절단면의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재의 다른 예가 전지셀 적층체에 제공된 것을 도시한 도면이다.
도 11은 도 10의 C영역을 확대한 도면으로, 전지셀 발화 시 하부판의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재의 다른 예를 나타나는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 단면도이다.
도 14는 본 발명실시예들에 따른 전지 팩을 나타내는 분해 사시도이다.
도 15는 도 14에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 사시도이다.
도 16는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다.
도 17는 도 16의 냉각 부재를 나타나는 상면도이다.
도 18은 도 16의 냉각 부재에 포함된 하부판의 상면도이다.
도 19는 도 16의 냉각 부재에 포함된 본체의 상면도이다.
도 20는 도 16의 냉각 부재에 포함된 하부판과 본체 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다.
도 21은 도 17의 냉각 부재가 A-A 선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 본체 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다.
도 22은 도 17의 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 z축상 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다. 도 2은 도 1의 냉각 부재에 포함된 상부판을 도시한 도면이다. 도 3은 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판을 도시한 도면이다. 도 4는 도 1의 냉각 부재에 포함된 하부판의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 1을 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.
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. 그러나, 후술하는 것과 같이 냉각 부재(500)의 냉각수는 전지셀을 향해 분사될 수 있으므로, 전지셀의 화염 또는 폭발을 증폭시키지 않도록 냉각수는 가연성 물질을 포함하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 또는 냉각수의 기능을 향상시키기 위해 가연성 물질의 첨가제가 일부 포함되어야 하는 경우에도, 첨가제의 양은 파우치형 전지셀에 대한 2차 폭발을 방지할 수 있는 정도인 동시에, 상기 냉각수의 어는 것을 방지하기 위해 부동액으로 사용되는 정도일 수 있다. 보다 구체적으로, 냉각수는 물을 포함할 수 있다. 여기서, 냉각수는 물 외에, 물의 어는점을 낮추기 위한 부동액을 포함할 수 있다. 또, 냉각수에 포함되는 부동액은 전기 절연성을 가지는 전기 절연 부동액이 사용될 수 있다.
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 상부(도 14의 +z축 방향)에 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 팩(1000, 도 14 참고)의 내측에 위치하는 것도 가능하다.
냉각 부재(500)는 냉각 부재(500)의 외형을 형성하는 상부판(510)과 하부판(520), 냉각 부재(500) 내부에 냉각수를 주입하는 인렛/아울렛 포트(530)를 포함할 수 있다.
냉각 부재(500)는 상부판(510)과 하부판(520)의 가장자리를 결합함으로써 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)의 가장자리 부분에는 상부판(510) 및 하부판(520)의 가장자리를 결합함으로써 형성된 밀봉부(540)가 위치할 수 있다. 냉각 부재(500)에서 결합된 상부판(510)과 하부판(520) 사이에는 냉각수가 내장되거나 순환될 수 있다.
냉각수는 나란히 위치한 인렛 포트(530)을 통해 공급되어 아울렛 포트(530)로 배출될 수 있다. 인렛 포트(530)와 아울렛 포트(530)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(530) 주변과 아울렛 포트(530) 주변의 온도 차이를 최소화하기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 인렛 포트(530)로 유입되는 냉각수는 가장 낮은 온도를 가지고, 아울렛 포트(530)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. 또, 인렛 포트(530) 또는 아울렛 포트(530)는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 인렛 포트(530) 또는 아울렛 포트(530)는 상부판(510) 또는 하부판(520)과 브레이징과 같은 용접을 통해 접합될 수 있다.
냉각 부재(500)에는 유로 형성 홈(550)이 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)에 유로 형성 홈(550)이 구비됨으로써, 냉각 부재(500)에 제공되는 냉각수의 흐름이 결정될 수 있다. 유로 형성 홈(550)은 복수로 형성될 수 있으며, 복수의 유로 형성 홈(550)은 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 일직선을 따라 위치할 수 있다. 유로 형성 홈(550)은 소정의 구간을 제외하고 냉각 부재(500)의 중앙에서 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연이어 형성될 수 있고, 이에 따라 냉각수의 흐름은 U자형으로 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)의 인렛 포트(530)를 통해 주입된 냉각수의 흐름은 유로 형성 홈(550)에 의해 제한될 수 있다. 냉각수가 U자형을 따라 흐름으로써, 인렛 포트(530)를 통해 주입된 냉각수는 인렛 포트(530)와 나란히 위치한 아울렛 포트(530)로 배출될 수 있다. 구체적으로, 냉각수가 흐르는 U자형 유로는 인렛 포트(530)로부터 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제1 유로, 상기 제1 유로의 말단에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 곡선을 따라 연장되는 제2 유로, 및 제2 유로의 말단에서 아울렛 포트(530)를 향해 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제3 유로를 포함할 수 있다.
냉각 부재(500)에는 변형 방지 홈(560)이 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)에 변형 방지 홈(560)이 구비됨으로써, 냉각수에 의한 냉각 부재(500)의 형상 변형이 방지될 수 있다. 예를 들어, 냉각수가 냉각 부재(500)에 주입되면, 주입된 냉각수는 중앙을 가로 지르는 유로 형성 홈(550)에 의해 냉각 부재(500)의 1/2 공간에 집중될 수 있다. 냉각수가 U자형 유로를 통해 나머지 1/2의 공간으로 이동하기 전까지, 해당 공간에는 큰 압력이 작용할 수 있고, 이에 따라 냉각 부재(500)의 적어도 일부가 팽창하거나, 냉각 부재(500)가 파손될 수 있다. 냉각 부재(500)의 유로에 변형 방지 홈(560)이 형성되면, 냉각수가 일시적으로 집중됨으로써 특정 구간에 압력이 크게 작용하더라도, 이에 의한 변형이 최소화될 수 있다. 변형 방지 홈(560)은 냉각 부재(500)에서 냉각수가 흐르는 U자형 유로에 부분적으로, 간격을 두어 배치될 수 있다. 변형 방지 홈(560)은 냉각 부재(500)의 폭방향상, 유로 형성 홈(550)과 밀봉부(540) 사이에 위치할 수 있다. 변형 방지 홈(560)의 구체적인 위치는 인렛 포트(530)를 통해 유입되는 냉각수를 과도하게 방해하지 않으면서도, 냉각수의 유량 및 유속에 대응할 수 있도록 적절히 설정될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500)의 폭방향은 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.
또, 냉각 부재(500)의 둘레에는 냉각 부재(500)의 일 변으로부터 연장되고, 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연속적으로 위치하는 돌출부가 형성될 수 있다. 돌출부는 후술할 도 14에서 예시되는 것과 같이, 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.
도 2를 참조하면, 상부판(510)은 판상형으로 제공될 수 있다. 상부판(510)의 중앙 부분은 함몰 또는 만입되어 가장자리 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 상부판(510)은 폭방향상 단면을 기준으로, 움푹 들어간 형상을 가질 수 있다. 이는 상부판(510)이 냉각수를 수용하기 위하여, 단차를 통해 내부 공간을 형성한 것일 수 있다. 여기서, 상부판(510)의 폭방향은 상부판(510)의 단변과 평행한 방향일 수 있다. 그러나, 상부판(510)은 도 2에서 도시된 것과 다르게 형성될 수도 있으며, 하부판(520)이 취약부(522)등을 포함함으로써 냉각수 내장 공간을 구비하는 경우에는, 상부판(510)이 전체적으로 편평한 형상을 가지도록 제공되는 것도 가능하다.
도 3을 참조하면, 냉각 부재(500)의 하부판(520)은 상부판(510)과 전체적으로 유사한 형상을 가질 수 있다. 하부판(520)은 판상형으로 제공될 수 있다. 하부판(520)은 그 중앙 부분은 함몰 또는 만입되어 가장자리 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 하부판(520)은 폭방향상 단면을 기준으로 움푹 들어간 형상을 가짐으로써, 냉각수를 수용하는 내부 공간을 형성할 수 있다. 그러나, 하부판(520)이 반드시 만입된 형상으로 제공되어야 하는 것은 아니며, 상부판(510)의 형상 또는 내장되어야 하는 냉각수의 부피 등에 따라 전체적으로 편평한 형상으로 제공될 수도 있다. 여기서, 하부판(520)의 폭방향은 하부판(520)의 단변과 평행한 방향일 수 있다.
또, 하부판(520)은 후술하는 취약부(522)를 가질 수 있으며, 이에 따라 하부판(520)의 일면은 부분적으로 움푹 패인 홈을 가질 수 있다. 홈이 냉각 부재(500)의 내측을 향해 위치하는 경우, 즉 하부판(520)의 상면에 형성된 경우에는 홈에 냉각수가 내장될 수 있다.
냉각 부재(500)가 전지셀의 상부에 제공되는 경우, 하부판(520)은 냉각 부재(500)에서 전지셀과 가장 가까이 위치하는 부분일 수 있다. 따라서, 하부판(520)은 전지셀의 방열이 촉진되도록 열전도율이 높은 소재로 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 또, 냉각 부재(500)의 전체적인 방열 성능을 향상시키기 위해서, 냉각 부재(500)의 상부판(510) 또한 열전도율이 높은 소재로 제공될 수 있다. 냉각 부재(500)의 외형을 형성하는 상부판(510) 및 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.
한편, 상술한 것과 같이, 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, 이하에서는 열 또는 온도에 취약한 부분을 가짐으로써, 전지셀의 발화 시 부분적으로 개방 가능한 본 실시예의 냉각 부재(500)의 하부판(520)에 관하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 하부판(520)은 취약부(522)를 포함할 수 있다. ‘취약부’란, 하부판(520)의 다른 부분 보다 열 또는 압력에 의해 쉽게 파단되는 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 취약부(522)는 하부판(520)의 다른 부분 보다 상대적으로 작은 두께 값을 가지는 부분일 수 있다. 구체적으로, 하부판(520)은 취약부(522)로 지칭되는 제1 부분 및 취약부(522)가 형성되지 않은 제2 부분을 가질 수 있으며, 여기서 제2 부분의 두께는 제1 부분의 두께보다 클 수 있다. 제1 부분의 두께 값은 제2 부분의 두께 값의 절반 이하일 수 있다. 취약부(522)는 다른 부분 보다 다소 작은 두께 값을 가짐으로써, 열 또는 압력에 의해 비교적 쉽게 뚫릴 수 있다.
취약부(522)는 전지셀들의 적층 방향을 따라 연장되어 길게 형성될 수 있다. 취약부(522)의 길이 방향(y축)은 길이(장변)가 연장되는 방향일 수 있고, 전지셀(110)들의 적층 방향과 평행한 방향일 수 있다. 취약부(522)의 폭방향(x축)은 전지셀(110)들의 적층 방향과 수직하는 방향일 수 있다. 전지셀들 중 어느 전지셀(110)에서 발화가 발생될지 예측할 수 없기 때문에, 취약부(522)는 냉각 부재(500)의 아래에 위치하는 모든 전지셀 들과 대응되도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 취약부(522)는 냉각 부재(500)의 전체 길이 구간상에 형성될 수 있다. 여기서. 취약부(522)는 도 3과 같이 전지셀들의 적층 방향과 평행한 일직선상 하나가 제공될 수도 있고, 도 4와 같이 전지셀들의 적층 방향과 평행한 일직선을 따라 둘 이상이 제공될 수도 있다.
취약부(522)는 폭방향(x축) 상 연이어 위치할 수 있다. 여기서, 취약부(522)의 폭은 설계자의 의도에 따라 각기 다르게 설계될 수 있다. 예를 들어, 취약부(522)은 넓은 폭을 가질 수 있다. 다른 예를 들어, 취약부(522)는 상대적으로 좁은 폭을 가질 수 있다. 폭이 좁은 취약부(522)는 연속적으로 형성될 수 있다.
취약부(522)는 전지셀들 중 가장 발열되기 쉬운 부분과 대응하도록 위치할 수 있다. 예를 들어, 전지셀의 전극 리드는 전자의 이동이 집중되어 쉽게 발열되는 부분일 수 있다. 전극 리드의 발열 또는 이에 따른 폭발에 대응할 수 있도록, 취약부(522)는 전지셀의 전극 리드의 상부에 배치될 수 있다.
도 5는 도 3의 A-A절단면의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 취약부(522)의 단면은 다양한 형상을 가질 수 있다. 여기서, 취약부(522)의 단면은 도 3에 도시된 것과 같이 xz평면을 기준으로 냉각 부재(500)를 절단한 것일 수 있다.
취약부(522)는 하부판(520)에서 그 두께가 상이한 부분으로, 하부판(520)의 일부는 취약부(522)가 형성되지 않은 제1 부분과 취약부(522)가 형성된 제2 부분이 서로 수직하게 연결됨으로써 도 5(a)와 같은 사각형의 단면 형상을 가질 수 있다. 또, 상술한 제1 부분과 제2 부분 사이의 연결면에 경사가 형성되는 경우에는 하부판(520)의 일부는 도 5(b)와 같은 삼각형 또는 도 5(d)과 같은 사다리꼴의 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 부분과 제2 부분 사이의 연결면이 곡률을 가지도록 형성되는 경우에는, 하부판(520)의 일부는 도 5(c)와 같이 라운드 형상의 단면을 가질 수도 있다. 한편, 취약부(522)의 형성에 따른 하부판(520)의 단면 형상은 상술한 예시들에 의해 한정되지 않는 바, 설계의 용이성 등을 고려하여 다양하게 변형될 수 있다. 취약부(522)가 열 또는 온도에 의해 파단되어야 하는 점을 고려할 때, 취약부(522)는 두께가 얇은 부분이 최대한 많이 포함되는 것이 바람직할 수 있으므로, 도 5(b)의 형상 보다는 도 5의 다른 형상들이 바람직할 수 있다. 단, 파단되는 온도 및 압력은 두께, 물성, 형상 등과 같은 요인의 영향을 받을 수 있는 바, 도 5(b)의 형상이 도 5의 다른 형상보다 반드시 바람직한 것은 아닐 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 냉각 부재의 일 예가 전지셀 적층체에 제공된 것을 도시한 도면이다. 도 7은 도 6의 B영역을 확대한 도면으로, 전지셀 발화 시 하부판의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재의 일 예를 나타나는 단면도이다. 한편 도 8에서, 상부판(510)은 생략되었음을 미리 밝혀둔다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전지셀(110)이 일방향으로 적층된 전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임 또는 팩 프레임 내부에 수용되고, 냉각 부재(500)는 전지셀 적층체(120) 상에 배치될 수 있다.
냉각 부재(500)는 상부판(510) 및 하부판(520)을 포함하며, 상부판(510) 및 하부판(520)의 사이의 이격 공간에는 냉각수가 수용될 수 있다. 냉각 부재(500)의 하부판(520)은 전지셀 적층체(120)를 향해 위치되고, 하부판(520)에 형성된 취약부(522)는 전지셀 적층체(120)의 전지셀(110)들과 대응될 수 있도록 전지셀(110)의 적층 방향을 따라 길게 형성될 수 있다. 도 6 및 도 7은 취약부(522)가 형성된 위치의 단면을 표시한 것으로, 취약부(522)가 형성되지 않은 하부판(520)의 상면은 냉각수에 가려 보이지 않을 수 있다. 따라서, 하부판(520)의 제2 부분의 상면은 도 6 및 도 7에서 점선으로 표시되었다.
과충전 등의 이유로 제1 전지셀(110a)에 화재가 발생하면, 제1 전지셀(110a)로부터 발생된 열, 가스, 스파크, 화염등에 의해 제1 전지셀(110a) 상부에 위치한 취약부(522)의 제1 부분이 파단될 수 있다. 제1 부분이 개방됨으로써, 냉각 부재(500)의 내부 공간에 수용되었던 냉각수들은 화재가 발생된 제1 전지셀(110a)을 향해 투입될 수 있다. 이처럼, 제1 전지셀(110a)에 열폭주 현상 발생 시 취약부(522)는 그 일부를 개방함으로써 제1 전지셀(110a)에 즉시 냉각수를 투입하므로, 종래의 주수 시스템과 비교하여 제1 전지셀(110a)의 화재 진압이 신속하게 수행될 수 있고, 열폭주 현상의 조기 진압이 달성될 수 있다.
이 때, 도 7의 우측에 도시된 것 같이, 전지셀(110)로부터 발생된 열 또는 압력이 취약부(522)를 국부적으로 가열 또는 가압함으로써 제1 부분이 개방되는 것이므로, 취약부(522)에서는 제1 부분만이 개방될 뿐 취약부(522)의 다른 부분들은 폐쇄한 상태가 유지될 수 있다. 취약부(522)에서 제1 부분외에 다른 부분들이 폐쇄된 상태로 유지되면, 냉각 부재(500) 내부의 냉각수가 제1 부분으로 집중되어 유출될 수 있다. 따라서, 종래의 주수 시스템과 비교하여 제1 전지셀(110a)에 집중되어 냉각수가 투입될 수 있고, 주수 소화의 효율성이 극대화될 수 있다.
한편, 전지 모듈 또는 전지팩으로 과도한 양의 냉각수가 주입되면 제1 전지셀(110a)의 화재 진압은 빠르게 달성될 수 있으나, 다른 전지셀(110)에 냉각수가 투입됨으로써 정상 작동하던 다수의 전지셀(110)들이 손상될 수 있다. 따라서, 주입되는 냉각수의 양은 적절한 수준으로 미리 설계될 필요가 있다.
냉각수의 양은 몇몇의 전지셀(110)에서 발생된 화재를 진압하기에 충분한 수준으로 미리 설정될 수 있다. 여기서, 냉각수의 양을 산출하는데 기초가 되는 전지셀(110)의 개수는, 내부 발화 시 통상적으로 열폭주가 전달되는 전지셀(110)의 개수일 수 있으며, 구체적으로 네개 내지 여섯개, 또는 그보다 한 개 내지 두개 작거나 큰 수일 수 있다. 또, 제1 전지셀(110a)을 향해 분사된 냉각수는 화재 진압 과정에서 수증기로 기화하여 증발되므로, 냉각수는 전지 모듈 또는 전지 팩에 잔존하지 않을 수 있고, 잔여 수분에 의해 정상적인 전지셀(110)의 손상되는 현상이 방지될 수 있다. 한편, 냉각 부재(500)에 수용되는 냉각수의 양은 전지셀(110)의 방출에너지에 맞게 미리 계산되어 설계될 수 있으므로, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 원통형, 각형 또는 파우치형과 같은 전지셀(110)의 종류 또는 그 용량에 구애됨이 없이 다양하게 적용될 수 있을 것이다.
이 때, 냉각 부재(500)의 냉각수는 외부로부터 유입되어 순환될 수도 있고 그렇지 않을 수 있다. 구체적인 예를 들어, 냉각 부재(500)는 외부의 탱크와 연결될 수 있으며, 탱크로부터 유입된 냉각수는 인렛/아울렛 포트(530)을 통해 냉각 부재(500) 내를 순환하고 다시 탱크로 배출될 수 있다. 이를 통해 냉각수의 온도는 적절하게 유지될 수 있으므로, 냉각 부재(500)의 방열 성능이 향상될 수 있다.
구체적인 다른 예를 들어, 냉각 부재(500) 내부의 냉각수는 추가로 유입되지 않을 수 있다. 냉각수는 냉각 부재(500)가 전지 모듈 또는 전지 팩에 장착되기 전에 주입되고, 전지 모듈 또는 전지 팩 사용 시에는 추가적으로 주입 배출되지 않을 수 있다. 냉각 부재(500)가 외부 탱크와 지속적으로 연결되지 않고, 전지 팩 또는 전지 모듈 내에 내장되는 경우, 외부 탱크를 생략함으로써 전체적인 구조가 단순해질 수 있어 공간활용에 효율적이고, 외부 탱크를 유지/관리해야 하는 비용 및 시간이 절감될 수 있다. 또, 이러한 경우, 설계 단순화를 위해 인렛/아울렛 포트(530)가 냉각 부재(500)로부터 제외되는 것도 가능할 것이다. 냉각 부재(500) 내에는 비열이 큰 물 등이 포함되므로, 순환되지 않더라도 전지 모듈의 내의 전지셀(110)들 간의 열전이 등이 효과적으로 방지될 수 있다. 또, 전지 모듈 또는 전지 팩에 내부 발화가 발생하면, 미리 정해진 양의 냉각수만 전지셀(110)로 분출될 수 있으므로 냉각수가 전지 모듈 또는 전지 팩 내에 잔존함으로써 발생되는 문제가 최소화될 수 있다.
이처럼, 냉각 부재(500)의 냉각수가 외부 탱크로 유입되지 않는 경우에는, 제1 전지셀(110a)의 내부 발화 시 전지 모듈 또는 전지 팩 내로 투입되는 냉각수의 양이 냉각 부재(500) 내에 수용된 냉각수 전체로 제한될 수 있다. 또, 냉각 부재(500)가 내부에 격벽 또는 홈을 구비함으로써 냉각 부재(500) 내부의 냉각수의 이동이 제한되는 경우에는, 제1 전지셀(110a)로 투입되는 냉각수의 양은 취약부(522)와 상부판(510) 사이에 수용되는 냉각수의 양으로 제한될 수 있다.
또한, 이는 냉각 부재(500)가 외부 탱크와 연결된 시스템을 가지고 있더라도 마찬가지일 수 있다. 구체적으로, 냉각 부재(500)를 포함하는 제어 시스템은 열전이 또는 열폭주 현상을 감지할 수 있고, 열폭주 현상이 감지된 경우, 추가적인 냉각수의 유입 또는 순환을 제어함으로써 제1 전지셀(110a)로 투입되는 냉각수의 양을 냉각 부재(500)의 부피 범위내로 제한할 수 있다.
이처럼 본 실시예에 따른 취약부(522)는 전지 팩 또는 전지 모듈의 내부 발화 시 적시, 적소에 냉각수를 투입함으로써, 화재를 신속하게 진압하고 연속적인 열폭주 현상을 방지할 수 있다.
본 실시예의 취약부(522)는 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 취약부(522)는 하부판(520)을 부분적으로 식각함으로써 형성될 수 있다. 취약부(522)는 노칭 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 그러나, 식각 공정에 사용되는 기기는 정밀한 수준으로 제어되기 어려울 수 있고, 하부판(520)의 두께가 얇은 경우, 또는 소망하는 취약부(522)의 두께가 얇은 경우에는 취약부(522)의 치수 안정성이 매우 떨어질 수 있다. 예를 들어, 하부판(520)이 알루미늄으로 형성되는 경우에 하부판(520)은 4mm, 3mm 또는 2mm 이하의 얇은 두께를 가질 수 있다. 적절한 취약부(522)의 두께는 취약부(522)의 소재에 따라 달라질 수 있으나, 하부판(520)이 알루미늄으로 형성되는 경우에, 취약부(522)는 0.2 내지 0.5mm의 두께로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 하부판(520)에 취약부(522)가 구비되기 위해서는 이미 충분히 얇은 하부판(520)의 일부를 제거함으로써 박막 수준의 두께가 형성되어야 하므로, 장치의 컨트롤이 완전하지 않은 경우 하부판(520)은 취약부(522)가 형성되는 과정에서 파손될 수 있으며, 이에 따라 불량품의 증가로 인한 공정 비용 및 공정 시간이 낭비될 수 있다. 따라서, 본 실시예와 같이 하부판(520)이 취약부(522)를 가지는 경우, 식각 공정의 적용은 바람직하지 않을 수 있다.
취약부(522)가 충분히 얇은 두께를 가지도록 형성되기 위해, 하부판(520)은 2개의 층을 접합함으로서 형성될 수 있다. 도 8과 같이, 하부판(520)은 판상형 부재로 제공되는 제1 층(524) 및 다수의 홀을 구비한 제2 층(526)을 접합함으로써 형성될 수 있다. 참고로, 도 8에서 빗금으로 표시된 부분은 제2 층(526)을 나타낸 것으로써, 빗금 사이의 부분적으로 빈 공간은 제2 층(526)에 형성된 홀의 단면이 표현된 것이다. 제2 층(526)에 형성된 홀은 상술한 취약부(522)를 형성하기 위한 부분일 수 있다. 홀은 길쭉한 형상을 가질 수 있다. 홀은 하부판(520)의 장변과 평행한 직선을 따라 하나 이상으로 형성될 수 있다. 하부판(520)의 장변과 평행한 일직선을 따라 홀이 복수개로 제공되는 경우, 그 개수 및 간격에 따라 홀은 길쭉한 형상을 가지지 않을 수도 있다. 또 홀의 축상 단면은 도 5에서 도시된 것과 같이 다양한 형상을 가질 수 있다. 홀의 방사상 단면은 각진 형상을 가질 수도 있고, 라운드 형상을 가질 수도 있다.
하부판(520)의 일부는 제1층 및 제2 층을 포함함으로써 비교적 두꺼운 두께를 가지고, 하부판(520)의 다른 일부는 제1 층(524)만을 포함함으로써 비교적 얇은 두께를 가질 수 있다. 여기서, 제1 층(524)을 가지는 부분은 제1 부분으로, 제1 층(524) 및 제2 층(526)을 모두 가지는 부분은 제2 부분으로 지칭될 수 있다. 따라서, 제1 부분의 두께는 제1 층(524)의 두께와 대응되고, 제2 부분의 두께는 제1 층(524) 및 제2 층(526)의 두께와 대응될 수 있다.
하부판(520)이 2개의 층을 접합함으로써 형성되면, 각 층의 두께는 자유로이 조절될 수 있으므로, 취약부(522)는 충분히 얇게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 층(524) 및 제2 층(526)이 모두 알루미늄으로 제공되는 경우, 제1 층(524)은 0.03 내지 0.07mm, 또는 0.04 내지 0.06mm, 또는 0.05mmm 두께를 가지는 알루미늄 판재로 제공되고, 제2 층(526)은 1.0 내지 1.5mm 두께, 또는 그 이상을 가지는 알루미늄 판재에 홀이 형성된 상태로 제공될 수 있다. 여기서, 기계적 강성을 요구하는 디자인일 경우, 제1 층(524)의 두께는 전지 셀의 열폭주에 의해 녹을 수 있는 수준까지 충분히 두껍게 설계될 수 있다. 따라서, 제1 층(524)이 상술한 두께 값 보다 다소 큰 값을 가지도록 제공되는 것도 가능할 것이다. 제1 층(524)의 일면 상에 제2 층(526)의 알루미늄 판재가 각각 접합되면, 충분히 얇은 두께의 취약부(522)를 가지는 하부판(520)이 형성될 수 있다.
여기서, 2개의 층을 접합함으로써 하부판(520)을 형성하면 모든 취약부(522)들은 하나의 판으로 형성되므로, 그 두께 값이 서로 동일할 수 있다. 하부판(520)에 제1 취약부 및 제2 취약부가 형성될 때, 제1 취약부와 제2 취약부의 두께는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 또 여기서, 각 취약부(522)의 두께 값은 그 위치에 따라 편차가 나타나지 않을 수 있다. 취약부(522)에서 위치에 따른 두께 편차가 발생되면, 그 일부가 설계한 것보다 더 두껍게 형성될 수 있고, 이에 따라 특정 부분은 열 또는 압력에 따라 파단되기 어려울 수 있다. 그러나 본 실시예의 취약부(522)들은 모두 균일한 두께를 가지도록 형성되므로, 설계와 실제 제품 사이의 오차가 최소화될 수 있을 것이다.
하부판(520)을 형성하는 2개 층의 결합에는 다양한 방식의 접합 공정이 적용될 수 있다. 하부판(520)의 상면에는 냉각수가 위치하므로, 상기 2개 층의 결합은 견고하게 형성될 필요가 있다.
일 예로, 2개 층의 결합은 용접 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 결합에 사용되는 용접 공정의 예로는 브레이징 또는 레이저 용접 등을 들 수 있다. 소재의 융점과 유사한 수준의 온도가 2개의 층에 가해짐으로써, 2개의 층은 용융 접합될 수 있다. 용융 접합을 통해, 하부판(520)의 수밀성은 소망하는 수준으로 달성될 수 있을 것이다.
다른 예로, 2개 층의 결합은 압연 공정을 통해 형성될 수 있다. 압연 공정은 한 쌍의 롤 사이에 2개 이상의 층이 적층된 적층체를 통과시킴으로써 두 층을 접합하는 방법이다. 압연 공정에 의한 층간 접합 중 상기 적층체는 가열될 수 있으며, 이 때, 가열되는 온도가 금속의 재결정 온도 이상이면 열간 압연(hot roll), 상기 온도 이하이면 냉간 압연(cold roll)로 지칭될 수 있다. 압력 및/또는 열이 적층체에 가해짐으로써, 2개의 층 사이의 접합면이 넓게 형성될 수 있으며, 이에 따라 하부판(520)의 수밀성이 충분히 확보될 수 있다.
한편, 하부판(520)이 2개 층의 결합을 통해 형성되는 경우, 2개 층의 소재는 각각 다를 수도 있고, 서로 동일하거나 유사한 소재일 수도 있다. 2개 층의 소재가 서로 동일하거나 유사한 경우에는 2개 층의 용융점이 동일/유사하므로, 열 또는 압력이 수반되는 상술한 접합 공정이 더욱 용이하게 수행될 수 있을 것이다.
한편, 브레이징 공정을 통해 두 층을 접합하는 경우, 금속의 물성 또는 녹는점에 따라 접합 공정이 원활하게 수행되지 않을 수 있다. 예를 들어 2개 층이 단일한 성질의 알루미늄으로 형성된 경우, 알루미늄의 용융점인 660℃ 수준으로 브레이징 공정의 온도를 설정하면 접합 공정 중 알루미늄층의 형상 변형이 발생할 수 있다. 이러한 층의 변형을 방지하기 위해, 제1 층(524) 또는 제2 층(526)은 이중층의 금속 소재인 클래드 금속으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 층의 접합이 브레이징 공정을 통해 형성되는 경우, 제1 층(524)은 3000계열의 알루미늄, 제2 층(526)은 3000계열 및 4000계열의 알루미늄을 포함하는 클래드 금속일 수 있다. 제2 층(526)이 클래드 금속을 포함함으로써, 브레이징 공정의 온도는 600℃ 수준으로 설정될 수 있으며, 이에 따라 접합 공정 시 알루미늄의 현상 변형이 방지될 수 있다.
상술한 접합 방법들은 상부판(510)과 하부판(520) 결합 시에도 사용될 수 있다. 따라서, 상부판(510)과 하부판(520)의 물성이 동일한 경우, 두 부재간의 접합은 더욱 치밀하게 형성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 상부판(510)과 하부판(520), 또는 제1 층(524)과 제2 층(526)은 알루미늄을 포함할 수 있다.
한편, 이상에서는 취약부(522)가 구비된 하부판(520)에 있어서, 하부판(520)의 하면이 편평한 형상을 가지는 경우를 중심으로 설명하였다. 그러나, 두께를 국부적으로 조절함으로써 형성된 하부판(520)의 단차 부분, 즉 홈은 냉각 부재(500)의 내부를 향하지 않고, 외부로 드러날 수도 있다.
도 9는 도 3의 A-A절단면의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재의 다른 예가 전지셀 적층체에 제공된 것을 도시한 도면이다. 도 11은 도 10의 C영역을 확대한 도면으로, 전지셀 발화 시 하부판의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재의 다른 예를 나타나는 단면도이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 하부판(520)의 하면과 가까이 위치하도록 형성된 도 5 내지 도 8의 취약부(522)와 달리, 취약부(522)는 하부판(520)의 상면과 가까이 위치하도록 형성될 수 있다. 도 9 내지 도 12와 같이 취약부(522)가 하부판(520)의 상면과 가까이 위치하면, 냉각 부재(500)의 하면은 국부적으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 따라서, 냉각 부재(500)의 돌출된 하면은 전지셀과 가까이 위치하거나, 전지셀과 접촉할 수 있으므로 전지셀의 방열을 촉진할 수 있다.
도 9에서 도시된 것과 같이, 하부판(520)의 단면은 사각형, 삼각형, 라운드형, 사다리꼴의 단면 형상을 가질 수 있다. 도 9의 단면 형상은 상하 방향이 반대인 것 외에는 도 5의 내용을 참조하여 설명될 수 있으므로, 자세한 설명을 생략한다.
도 10 및 도 11은 전지셀 적층체 상에 냉각 부재(500)가 도시된 경우, 이를 xz평면으로 절단한 단면을 도시한 도면으로, 상술한 도 6 및 도 7과 그 방향이 달라 냉각 부재(500)의 단면이 보다 구체적으로 도시되어 있다. 도 6 및 도 7에서는 다수의 전지셀(110)들과 취약부(522) 사이의 위치관계가 도시되었다면, 도 10 및 도 11에서는 하나의 전지셀(110)과 취약부(522) 사이의 위치관계가 도시되어 있다. 도 10 및 도 11을 참조할 때, 하나의 전지셀(110)은 복수의 취약부(522)와 대응될 수 있으며, 전지셀(110) 중 발화가 발생하는 위치에 따라 이에 대응되는 취약부(522)가 개방될 수 있다. 따라서, 전지셀(110)의 발화 시, 취약부(522)는 하나가 개방될 수도 있고, 복수개가 개방될 수도 있다. 여기서, 취약부(522)의 개방은 하나의 취약부의 일부만 개방되는 경우도 포함하는 것으로써, 반드시 취약부(522) 전체가 개방되는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 10 및 도 11은 도 6 및 도 7과 방향이 다른 것 외에도, 냉각 부재(500)의 하면이 돌출된 형상을 가지는 차이가 있다. 냉각 부재(500)의 하면이 돌출된 형상을 가지더라도, 전지셀(110)의 발화 시 취약부(522)가 개방됨으로써 냉각수가 전지셀(110)에 투입되는 것은 동일하므로, 도 10 및 도 11의 구체적인 설명은 도 6 및 도 7의 내용을 통해 설명될 수 있다. 따라서 자세한 설명은 중복기재를 피하기 위해 생략하기로 한다.
한편, 하면이 돌출된 하부판(520) 및 이에 형성된 취약부(522)는 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 취약부(522)는 하부판(520)의 하면을 식각함으로써 형성될 수 있다. 다른 예를 들어, 하부판(520)은 2개의 층을 접합함으로써 형성될 수 있다.
구체적으로, 하부판(520)은 도 12와 같이 하부판(520)은 판상형 부재로 제공되는 제1 층(524) 및 다수의 홀을 구비한 제2 층(526)을 접합함으로써 형성될 수 있다. 이 때, 제2 층(526)은 제1 층(524)의 아래에 위치함으로써 하부판(520)의 하면을 형성할 수 있다. 여기서, 제2 층(526) 및 제1 층(524)의 접합이 브레이징 공정으로 형성되는 경우, 제1 층(524)은 3000계열 및 4000 계열의 클래드 금속을 포함할 수 있고, 제2 층(526)은 3000계열의 알루미늄을 포함할 수 있다. 이 때, 상부판(510) 또한 3000계열의 알루미늄일 수 있으며, 클래드 금속으로 제공되는 제1 층(524)의 상하 표면에 형성된 4000계열 알루미늄을 통해 층 사이의 접합이 원활히 수행될 수 있다. 또는, 제1 층(524)이 3000 계열의 알루미늄으로 제공되고, 제2 층(526) 또는 상부판(510)이 3000계열 및 4000 계열의 클래드 금속으로 제공될 수도 있다.
그 밖의 하부판(520)의 접합 방법, 제1 층(524) 및 제2 층(526)에 관한 구체적인 설명은 층의 위치가 상이한 것 외에 상술한 도 8의 설명을 참조하여 설명될 수 있으므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재에 대해 설명한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 단면도이다.
도 13을 통해 설명되는 실시예의 냉각 부재(500)는 이하에서 언급되는 것 외에 상술한 도 1 내지 도 12의 내용을 모두 포함할 수 있다. 따라서, 중복 기재를 최소화하기 위해, 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
도 13을 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 3개의 층을 가질 수 있다. 구체적으로, 냉각 부재(500)의 상부판(510)은 1개의 층을 가지고, 하부판(520)은 2개의 층을 가질 수 있다. 여기서, 2개의 층을 가지는 하부판(520)은 상술한 내용을 통해 충분히 설명되었으므로, 자세한 설명을 생략한다.
냉각 부재(500)에서 냉각수는 상부판(510)과 하부판(520) 사이에 내장되므로, 상부판(510) 및 하부판(520) 사이의 이격 거리에 따라 냉각수의 유량 편차가 결정될 수 있다. 상술한 도면들에서, 냉각 부재(500)의 상부판(510)은 유로 형성 홈(550) 및 변형 방지 홈(560)을 제외하고는 전체적으로 평탄한 면을 가지는 것으로 도시되었다. 따라서, 냉각 부재(500)의 유량 편차는 하부판(520)의 두께 차이에 의존하게 될 수 있다. 구체적으로, 취약부(522)가 형성된 제1 부분 주변은 단위 길이당 유량이 상대적으로 크고, 취약부(522)가 형성되지 않은 제2 부분 주변은 단위 길이당 유량이 상대적으로 작을 수 있다. 제1 부분 주변의 유량이 더 크면, 취약부(522)의 개방 시 유압에 따라 냉각수가 더 빨리 주입될 수 있으므로, 제1 부분 주변의 유량은 클수록 바람직할 수 있다.
이에, 본 실시예는 냉각 부재(500) 내의 냉각수의 유량 편차가 형성되도록, 굴곡부(514)를 가지는 상부판(510)이 제공될 수 있다. 굴곡부(514)는 냉각 부재(500)의 길이 방향상 단면을 기준으로 파형 단면 형상을 가질 수 있다. 여기서, 상기 단면을 기준으로, 굴곡부(514)의 최고점, 즉, 마루(crest)는 취약부(522)가 형성된 하부판(520)의 제1 부분과 대응될 수 있다. 또, 굴곡부(514)의 최저점, 즉 골(trough)은 하부판(520)의 제2 부분과 대응될 수 있다. 굴곡부(514)의 마루와 제1 부분이 대응됨으로써, 제1 부분 주변의 단위 길이당 유량이 증가될 수 있고, 취약부(522)의 개방 시 냉각 부재(500)의 냉각수가 발화 현상이 발생된 제1 전지셀(110a)을 향해 더 빠르게 주입될 수 있다.
도 13에서는 굴곡부(514)의 골이 하부판(520)의 제2 부분과 근접하게 위치하는 것으로 도시되었으나, 냉각 부재(500)가 더 많은 양의 냉각수를 보유할 수 있도록 에서는 굴곡부(514)의 골이 하부판(520)의 제2 부분과 이격하여 위치하는 것도 가능하다. 그러나 상기 이격 거리가 너무 크면 냉각 부재(500)의 전체 부피가 증가함으로써 전지 모듈의 크기를 증가시키는 요인이 될 수 있으므로, 냉각 부재(500)는 전지셀(110)의 발열량 등을 고려하여 적절하게 설계되어야 할 수 있다.
또, 도 13에서는 냉각 부재(500)의 각 층이 제1 층(524), 제2 층(526) 및 상부판(510) 순으로 위치되는 것으로 도시되었으나, 제2 층(526), 제1 층(524) 및 상부판(510)의 순으로 위치되는 것도 가능할 수 있다. 제2 층(526)이 제1 층(524) 보다 아래에 위치하면, 제2 층(526)에 의해 냉각 부재(500)의 하면은 돌출된 형상을 가지게 될 수 있다. 냉각 부재(500)의 하면을 형성하는 제2 층(526)은 전지셀과 가까이 위치하거나, 전지셀과 접촉할 수 있으므로 제2 층(526), 제1 층(524) 및 상부판(510)의 순으로 위치되면 제2 층(526)에 의해 전지셀의 방열이 촉진되는 효과가 나타날 수 있을 것이다.
또, 도 13과 같이 제공되는 냉각 부재(500)에 있어서, 각 층이 가지는 두께는 전체 부피를 최소화하면서도, 소정의 범위 이상의 강도를 가지도록 적절히 설계되어야 할 수 있다. 예를 들어, 3개의 층을 가지는 냉각 부재(500)에서, 상부판(510)은 제3 층으로 지칭될 수 있으며, 알루미늄으로 제조될 수 있다. 제3 층이 알루미늄으로 형성되는 경우에, 상부판(510)은 1.0 내지 2.0mm, 1.3 내지 1.7mm 또는 1.5mm 수준의 두께로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 또, 하부판(520)이 포함하는 제2 층(526)은 1.0 내지 1.5mm, 1.2 내지 1.4mm, 또는 1.3mm 수준의 두께로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 제1 층(524)은 취약부(522)의 특성을 가지도록 충분히 얇게 형성되어야 할 수 있으며, 구체적으로는 0.03 내지 0.07mm, 또는 0.04 내지 0.06mm 의 두께를 가질 수 있다.
3개의 층을 가지는 냉각 부재(500)에서 층간 결합에는 다양한 방식의 공정이 적용될 수 있다. 냉각 부재(500) 내에는 냉각수가 위치하므로, 상기 3개 층의 결합은 견고하게 형성될 필요가 있다.
일 예로, 3개 층의 결합은 용접 공정을 통해 형성될 수 있다.
다른 예로, 3개 층의 결합은 압연 공정을 통해 형성될 수 있다. 그러나 롤러를 통해 압력을 가하는 압연 공정이 적용되는 경우, 상부판(510)의 형성은 다소 제한될 수 있다.
한편, 하부판(520)이 3개 층의 결합을 통해 형성되는 경우, 3개 층의 소재는 각각 다를 수도 있고, 서로 동일하거나 유사한 소재일 수도 있다. 소재에 따라 녹는점 또는 강도 등이 각기 다르게 나타나므로, 소재는 제조 방법에 따라, 또는 제조 방법은 소재에 따라 선택되어야 할 수 있다.
예를 들어, 도 13과 같은 구조에서, 층의 접합이 브레이징을 통해 형성되는 경우, 제1 층(524)은 3000계열의 알루미늄, 제2 층(526)은 3000계열 및 4000계열의 알루미늄을 포함하는 클래드 금속, 상부판(510)인 제3 층은 3000계열의 알루미늄일 수 있다.
다른 예를 들어, 도 13과 같은 구조에서 제1 층(524)과 제2 층(526)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 이 때, 층의 접합이 브레이징을 통해 형성되는 경우, 제1 층(524)의 물성에 따라, 제1 층(524)과 결합하는 제2 층(526) 및 상부판(510)의 소재가 제한될 수 있다. 구체적인 예로, 제1 층(524)이 3000계열의 알루미늄을 포함하고, 제2 층(526) 및 상부판(510)은 3000계열/4000계열의 알루미늄을 포함하는 클래드 금속을 포함할 수 있다. 구체적인 다른 예로, 제1 층(524)은 3000계열/4000계열의 클래드 금속을 포함하고, 제2 층(526) 및 상부판(510)은 3000계열의 알루미늄을 포함할 수 있다.
이하에서는 상술한 냉각 부재를 포함하는 전지 팩에 관하여 설명한다.
도 14 및 도 15을 통해 설명되는 실시예의 전지 팩(1000)은 이하에서 언급되는 것 외에 상술한 도 1 내지 도 13의 내용을 모두 포함할 수 있다. 따라서, 중복 기재를 최소화하기 위해, 위에서 언급된 냉각 부재(500)에 관련된 내용은 생략하기로 한다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 분해 사시도이다. 도 15는 도 14에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 사시도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 적어도 하나의 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)을 수용하는 팩 프레임(200), 팩 프레임(200)의 내부면에 형성된 수지층(300), 팩 프레임(200)의 개방된 면을 폐쇄하는 엔드 플레이트(400), 및 팩 프레임(200)과 전지셀 적층체(120) 사이에 배치된 냉각 부재(500)를 포함할 수 있다. 그러나 전지 팩(1000)이 포함하는 구성 요소가 이에 한정되는 것은 아니며, 설계에 따라 전지 팩(1000)은 상술한 구성 요소 중 일부가 생략된 상태로 제공될 수도 있고, 언급되지 않은 다른 구성 요소가 추가된 상태로 제공될 수도 있다.
도 14 및 도 15을 참조하면, 본 실시예에 제공되는 전지 모듈(100)은 모듈 프레임이 생략된 형태의 모듈-리스(Module-less)구조를 가질 수 있다.
통상적으로, 종래의 전지 팩들은, 전지셀 적층체 및 이와 연결된 여러 부품들을 조립하여 전지 모듈을 형성하고, 복수의 전지 모듈이 다시 전지 팩에 수용되는 이중 조립 구조를 가지고 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 전지 모듈(100)은 모듈 프레임이 생략된 ‘셀블록’의 형태로 제공될 수 있으며, 셀블록에 포함된 전지셀 적층체(120)들은 전지 팩(1000)의 팩 프레임(200)에 직접적으로 결합될 수 있다. 이를 통해, 전지 팩(1000)의 구조가 보다 단순해질 수 있으며, 제조 단가 및 제조 공정을 상의 이점을 획득할 수 있고, 전지 팩의 경량화가 달성되는 효과를 가질 수 있다.
이하에서 모듈 프레임을 가지지 않는 전지 모듈(100)은 모듈 프레임을 가지는 전지 모듈과의 구분을 위해 ‘셀블록’으로 지칭될 수 있다. 그러나, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임의 유무와 관계없이 모듈화를 위해 소정의 단위로 세그먼트된 전지셀 적층체(120)를 가지는 것을 총칭하는 것으로써, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임을 가지는 통상적인 전지 모듈 및 셀블록을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 15을 참조하면, 본 실시예의 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 일방향을 따라 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)의 적층 방향상 양단에 위치하는 측면 플레이트(130), 측면 플레이트(130)와 전지셀 적층체(120)의 둘레를 감싸 그 형태를 고정하는 홀딩 스트랩(140) 및 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면을 덮는 버스바 프레임(150)을 포함할 수 있다.
한편, 도 15에서는 셀블록의 형태로 제공되는 전지 모듈(100)을 도시하였으나, 이러한 도면의 내용이 본 실시예의 전지 팩(1000)에 모듈 프레임을 가지는 밀폐형 구조의 전지 모듈(100)의 적용되는 경우를 배제하는 것은 아니다.
전지셀(110)은 각각 전극 조립체, 셀 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다. 전지셀(110)은 단위 면적당 적층되는 수가 최대화될 수 있는 파우치형 또는 각형으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 파우치형으로 제공되는 전지셀(110)은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 라미네이트 시트의 셀 케이스에 수납한 뒤 셀 케이스의 실링부를 열융착함으로써 제조될 수 있다. 한편, 도 14 및 도 15에서는 전지셀(110)의 양극 리드와 음극리드가 서로 반대 방향으로 돌출되는 것을 도시하였으나, 반드시 그러한 것은 아니고, 전지셀(110)의 전극 리드들이 동일한 방향으로 돌출되는 것도 가능하다.
전지셀 적층체(120)는 전기적으로 연결된 복수의 전지셀(110)이 일 방향을 따라 적층된 것일 수 있다. 복수의 전지셀(110)이 적층된 방향(이하에서는 ‘적층 방향’으로 지칭됨)은 도 14 및 도 15에서 도시된 것과 같이 y축 방향(또는 -y축 방향일 수 있으며, 이하에서는 ‘축 방향’이라는 표현이 +/-방향을 모두 포함하는 것으로 해석될 수 있음)일 수 있다.
한편, 전지셀(110)이 일방향을 따라 배치됨으로써 전지셀(110)의 전극 리드들은 전지셀 적층체(120)의 일면 또는 일면 및 일면과 마주보는 타면에 위치할 수 있다. 이처럼, 전지셀 적층체(120)에서 전극 리드들이 위치되는 면은 전지셀 적층체(120)의 전면 또는 후면으로 지칭될 수 있으며, 도 14 및 도 15에서 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 x축 상에서 서로 마주보는 두 면으로 도시되었다.
또, 전지셀 적층체(120)에서 최외각 전지셀(110)이 위치한 면은 전지셀 적층체(120)의 측면으로 지칭될 수 있으며, 도 14 및 도 15에서 전지셀 적층체(120)의 측면은 y축 상에서 서로 마주보는 두 면으로 도시되었다.
측면 플레이트(130)는 전지셀 적층체(120)의 전체 형상을 유지하기 위해 제공되는 것일 수 있다. 측면 플레이트(130)는 판상형 부재로써, 모듈 프레임을 대신하여 셀블록의 강성을 보완할 수 있다. 측면 플레이트(130)는 전지셀 적층체(120)의 적층 방향상 양단에 배치될 수 있고, 전지셀 적층체(120)의 양측 최외곽 전지셀(110)과 접촉할 수 있다.
측면 플레이트(130)는 다양한 소재로 제조될 수 있고, 다양한 제조 방법을 통해 제공될 수 있다. 일 예로, 측면 플레이트(130)는 사출 성형으로 제조되는 플라스틱 소재일 수 있다. 다른 예로, 측면 플레이트(130)는 판 스프링 소재로 제조될 수 있다. 또 다른 예로, 측면 플레이트(130)는 스웰링에 따른 전지셀 적층체(120)의 부피 변화에 대응하여 그 형상이 일부 변형될 수 있도록 탄성을 가진 물질로 제조될 수 있다.
홀딩 스트랩(140)은 전지셀 적층체(120)의 양측단 측면 플레이트(130)의 위치 및 형태를 고정하기 위한 것일 수 있다. 홀딩 스트랩(140)은 길이와 폭을 가지는 부재일 수 있다. 구체적으로, 전지셀 적층체(120)는 최외각 전지셀(110)과 접촉하는 두개의 측면 플레이트(130)의 사이에 위치할 수 있고, 홀딩 스트랩(140)은 전지셀 적층체(120)를 횡단하여 두개의 측면 플레이트(130)를 연결할 수 있다. 이를 통해 홀딩 스트랩(140)은 두 개의 측면 플레이트(130)의 거리가 일정 범위 이상으로 증가하지 않도록 할 수 있으며, 이에 따라 셀블록의 전체적인 형상이 일정 범위 내로 유지될 수 있다.
홀딩 스트랩(140)은 측면 플레이트(130)와의 안정적인 결합을 위해, 그 길이 방향상 양 말단에 걸고리를 가질 수 있다. 걸고리는 홀딩 스트랩(140)의 길이 방향상 양 말단이 휘어짐으로써 형성될 수 있다. 한편, 측면 플레이트(130)에는 걸고리와 대응하는 위치에 걸림 홈이 형성될 수 있으며, 걸고리와 걸림 홈의 결합을 통해 홀딩 스트랩(140)과 측면 플레이트(130)가 안정적으로 결합될 수 있다.
홀딩 스트랩(140)은 다양한 소재로 또는 다양한 제조 방법을 통해 제공될 수 있다. 일 예로, 홀딩 스트랩(140)은 탄성을 가지는 소재로 제조될 수 있으며, 이를 통해 스웰링에 따른 전지셀 적층체(120)의 부피 변화를 일정 범위내로 허용할 수 있다.
한편, 홀딩 스트랩(140)은 측면 플레이트(130)와 전지셀 적층체(120) 사이의 상대적인 위치를 고정하기 위한 것으로써, ‘고정 부재’로서의 그 목적이 달성된다면, 도시된 것과 다른 형태로 제공되는 것도 가능하다. 예를 들어, 고정 부재는 두 개의 측면 플레이트(130) 사이를 횡단할 수 있는 긴 볼트, 즉, 롱볼트(long bolt)의 형태로 제공될 수 있다. 측면 플레이트(130)에는 롱볼트가 삽입될 수 있는 홈이 구비될 수 있고, 롱볼트는 홈을 통해 두 측면 플레이트(130)와 동시에 결합함으로써 두 측면 플레이트(130)의 상대적인 위치를 고정할 수 있다. 롱볼트는 측면 플레이트(130)의 가장자리, 바람직하게는 측면 플레이트(130)의 꼭지점에 가까운 위치에 제공될 수 있다. 설계에 따라, 홀딩 스트랩(140)이 상술한 롱볼트로 대체되는 것도 가능하나, 홀딩 스트랩(140)과 롱볼트 모두가 셀블록에 제공되는 것도 가능할 것이다.
버스바 프레임(150)은 전지셀 적층체(120)의 일면 상에 위치하여, 전지셀 적층체(120)의 일면을 커버함과 동시에 전지셀 적층체(120)와 외부 기기와의 연결을 안내하기 위한 것일 수 있다. 버스바 프레임(150)은 전지셀 적층체(120)의 전면 또는 후면 상에 위치할 수 있다. 버스바 프레임(150)은 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면상에 위치하도록 2개가 제공될 수 있다. 버스바 프레임(150)에는 버스바가 장착될 수 있으며, 이를 통해 전지셀 적층체(120)의 전극 리드가 버스바와 연결됨으로써 전지셀 적층체(120)가 외부 기기와 전기적으로 연결될 수 있다.
버스바 프레임(150)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 버스바 프레임(150)은, 버스바가 전극 리드와 접합된 부분 외에 전지셀(110)들의 다른 부분과 접촉하는 것을 제한할 수 있으며, 전기적 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
팩 프레임(200)은 전지 모듈(100) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 팩 프레임(200)은 전지 모듈(100) 및 이와 연결된 전장품을 팩 프레임(200)의 내부 공간에 수용할 수 있다. 여기서, 팩 프레임(200)은 내부면 및 외부면을 포함하며, 팩 프레임(200)의 내부 공간은 내부면에 의해 정의될 수 있다.
팩 프레임(200) 내에 수용되는 전지 모듈(100)은 복수일 수 있다. 복수의 전지 모듈(100)들은 ‘모듈 어셈블리’로 지칭될 수 있다. 모듈 어셈블리는 팩 프레임(200) 내에서 행 및 열을 이루어 배치될 수 있다. 여기서‘행’ (row)이란 일 방향으로 배열되는 전지 모듈(100)들의 집합을 의미할 수 있고, ‘열’(column)이란 상기 일 방향과 수직하는 방향으로 배열되는 전지 모듈(100)들의 집합을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전지 모듈(100)들은 도 1 과 같이 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 배치되어 하나의 행 또는 열을 이루어 모듈 어셈블리를 형성할 수 있다.
팩 프레임(200)은 일방향을 따라 개방된 중공 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 복수의 전지 모듈(100)이 전지셀(110)의 적층 방향을 따라 연이어 위치하고, 팩 프레임(200)은 상술한 적층 방향을 따라 개방된 중공 형태를 가질 수 있다.
팩 프레임(200)의 구조는 다양할 수 있다. 일 예로, 도 1에 도시된 것과 같이 팩 프레임(200)은 하부 프레임(210) 및 상부 프레임(220)을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 프레임(210)은 판 형상으로 제공될 수 있으며, 상부 프레임(220)은 U자 형상으로 제공될 수 있다. 판 형상의 하부 프레임(210)에는 적어도 하나의 전지 모듈(100)이 배치될 수 있으며, U자 형상의 상부 프레임(220)이 모듈 어셈블리의 상면 및 x축 상의 두 면을 감싸도록 제공될 수 있다.
팩 프레임(200)은 내부 공간에서 발생하는 열을 외부로 빠르게 방출하기 위하여 열전도율이 높은 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 팩 프레임(200)의 적어도 일부는 열전도율이 높은 금속으로 제조될 수 있으며, 그 예로는 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등일 수 있다. 또, 팩 프레임(200)은 부분적으로 전기 절연성을 가질 수 있으며, 절연이 요구되는 위치에는 절연 필름이 제공되거나, 절연성 도장이 적용될 수 있다. 팩 프레임(200)에서 절연 필름 또는 절연성 도장이 적용된 부분은 절연부로 지칭될 수도 있다.
전지 모듈(100)과 팩 프레임(200)의 내부면 사이에는 수지층(300)이 제공될 수 있다. 수지층(300)은 전지 모듈(100)의 바닥면과 하부 프레임(210)사이에 제공될 수 있다. 수지층(300)은 전지 모듈(100)의 상면과 상부 프레임(220) 사이에 제공될 수 있다. 여기서, 구체적으로, 수지층(300)은 후술할 냉각 부재(500)와 상부 프레임(220) 사이에 제공될 수 있다.
수지층(300)은 전지셀 적층체(120)와 팩 프레임(200)의 내부면 중 일측면 사이에 레진이 주액됨으로써 형성된 것일 수 있다. 그러나 반드시 그러한 것은 아니고, 수지층(300)은 판상형으로 제공되는 부재일 수도 있다.
수지층(300)은 다양한 물질로 제조될 수 있으며, 그 물질에 따라 수지층(300)의 기능이 달라질 수 있다. 예를 들어, 수지층(300)은 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 절연성 수지층(300)을 통해 전지 모듈(100)과 팩 프레임(200) 사이의 전자이동이 방지될 수 있다. 다른 예를 들어, 수지층(300)은 열전도성 물질로 형성될 수 있다. 열전도성 물질로 제조된 수지층(300)은 전지셀(110)에서 발생한 열을 팩 프레임(200)으로 전달함으로써, 열이 외부로 방출/전달되도록 할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 수지층(300)은 접착 물질을 포함할 수 있으며, 이를 통해 전지 모듈(100)과 팩 프레임(200)이 서로 고정될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 수지층(300)은 실리콘(Silicone)계 소재, 우레탄(Urethane)계 소재 및 아크릴(Acrylic)계 소재 중 적어도 하나를 포함하도록 제공될 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 팩 프레임(200)의 개방된 면을 밀폐함으로써, 전지 모듈(100) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 엔드 플레이트(400)의 각 모서리는 팩 프레임(200)의 대응하는 모서리와 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다. 엔드 플레이트(400)는 팩 프레임(200)의 개방된 두 면을 밀폐하도록 두 개가 제공될 수 있으며, 소정의 강도를 가지는 금속 물질로 제조될 수 있다.
엔드 플레이트(400)에는 후술할 냉각 부재(500)의 인렛/아울렛 포트(530) 를 노출하기 위한 개구(410)가 형성될 수 있으며, 외부 기기와의 LV(Low voltage) 연결 또는 HV(High voltage) 연결을 위한 커넥터(420)가 장착될 수 있다.
냉각 부재(500)는 전지셀(110)들로부터 발생된 열을 방출함으로써, 전지 팩(1000) 내부를 냉각하기 위한 것일 수 있다. 냉각 부재(500)에 대한 설명은 상술한 내용을 참조한다.
한편, 도 14에서는 냉각 부재(500)가 전지 모듈(100) 외부에 제공되는 것을 도시하였으나, 반드시 그러한 것은 아니며, 냉각 부재(500)가 전지 모듈(100) 내부에 배치되는 것도 가능하다. 이 때, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임을 가지는 폐쇄형 구조일 수도 있고, 셀블록과 같은 개방형 구조일 수도 있다.
또, 상술한 도면 들에서는 냉각 부재(500)가 독립적인 구조를 가지는 것으로 도시되었으나, 냉각 부재(500)는 전지 팩(1000) 또는 전지 모듈(100)과 일체화 되어 제공될 수도 있다. 예를 들어, 냉각 부재(500)가 전지 팩(1000)과 일체로서 제공되는 경우, 냉각 부재(500)의 상부판(510)은 팩 프레임(200)의 상면으로 대체되고, 팩 프레임(200)의 상면과 냉각 부재(500)의 하부판(520)이 결합됨으로써 냉각 부재(500)가 형성될 수 있다. 다른 예를 들어, 냉각 부재(500)가 전지 모듈(100)과 일체로서 제공되는 경우, 냉각 부재(500)의 상부판(510)은 전지 모듈(100)의 프레임의 상면으로 대체되고, 전지 모듈(100)의 프레임의 상면과 냉각 부재(500)의 하부판(520)이 결합됨으로써 냉각 부재(500)가 형성될 수 있다. 이처럼 냉각 부재(500)가 전지 팩(1000) 또는 전지 모듈(100)과 일체화되면, 일부 부재의 생략을 통한 전지 팩(1000) 또는 전지 모듈(100)의 경량화, 비용절감 또는 내부구조의 단순화 같은 효과가 달성될 수 있다.
또, 본 실시예의 전지 모듈(100)은 수랭식 냉각 부재(500)를 포함하는 것으로 설명되었으나, 이러한 기재가 전지 모듈(100)이 공랭식 냉각 부재를 포함할 수 있음을 배제하는 것은 아니다. 따라서, 본 실시예의 전지 모듈(100)은 공랭식 및 수랭식 냉각 부재(500)를 동시에 포함할 수도 있음을 밝혀 둔다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 부재에 대해 설명한다.
도 16는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다. 도 17는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 상면도이다. 도 18은 도 16의 냉각 부재에 포함된 하부판의 상면도이다. 도 19는 도 16의 냉각 부재에 포함된 본체의 상면도이다. 도 20는 도 16의 냉각 부재에 포함된 하부판과 본체 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다. 도 21은 도 17의 냉각 부재가 A-A 선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 본체 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다. 도 22은 도 17의 냉각 부재의 A-A 절단면을 도시한 것으로, 전지셀의 발화 시 냉각 호스에 의한 냉각수의 투입을 나타낸 도면이다.
도 16 및 도 17를 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(600)는 전지셀을 비롯한 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 온도를 낮추기 위해 제공되는 것일 수 있다. 냉각 부재(600)는 냉매 또는 냉각수가 주입되는 수냉식 냉각 부재(600)일 수 있다. 냉각 부재(600)가 수냉식으로 제공됨으로써, 냉각 부재(600)의 냉각 효율은 균일하게 유지될 수 있고, 전지 모듈 또는 전지 팩 내의 전지셀들이 고르게 냉각될 수 있다. 이 때, 냉각 부재(600)에 사용되는 냉각수는 공지된 것들 중 하나 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 냉각 부재(600) 내부에서 유로를 따라 이동함으로써 전지셀들의 열을 방출할 수 있는 것이라면 공지된 것들 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.
냉각 부재(600)는 전지셀의 열을 방출하기 위해 전지셀 적층체의 일면 상에 배치될 수 있다. 냉각 부재(600)는 전지셀 적층체의 다수의 전지셀들과 가까이 위치하도록 전지셀 적층체의 적층 방향과 평행하게 배치될 수 있다. 구체적으로, 냉각 부재(600)는 전지셀 적층체의 상부에 위치할 수 있다.
냉각 부재(600)의 크기는 냉각 부재(600)가 적용되는 전지셀 적층체의 크기에 맞춰질 수 있다. 일 예로, 냉각 부재(600)는 하나의 전지셀 적층체에 대응되도록 제공될 수 있으며, 이 때 냉각 부재(600)의 길이는 상기 전지셀 적층체의 길이에 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성되고, 상기 냉각 부재(600)의 폭은 상기 상기 전지셀 적층체의 폭에 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성될 수 있다. 다른 예로, 냉각 부재(600)는 다수의 전지셀 적층체에 대응되도록 제공될 수 있으며, 이 때 냉각 부재(600)의 길이 및 폭은 다수의 전지셀 적층체의 길이 및 폭과 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(600)는 전지 모듈의 내부에 위치할 수 있으나, 전지 모듈의 외부에서 전지 팩의 내측에 위치하는 것도 가능하다.
냉각 부재(600)는 하부판(620), 냉각 부재(600) 내부에 냉각수를 주입하는 인렛/아울렛 포트(630), 하부판(620)의 상면에 장착되고 냉각수를 수용하는 본체(640) 및 냉각 호스(650) 및 이들을 고정하는 고정 부재(660)를 포함할 수 있다. 도 20를 참조하면, 하부판(620)의 상면에 본체(640)가 장착되고, 본체(640)의 수용부(648)에 냉각 호스(650)가 장착되며, 고정 부재(660)가 하부판(620)과 본체(640) 및 냉각 호스(650)를 고정함에 따라 냉각 부재(600)가 제조될 수 있다.
본 실시예의 냉각 부재(600)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(600)의 하부판(620)에 개구를 형성하고, 개구와 대응되도록 냉각 호스(650)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(600)의 냉각수가 하부판(620)에 직접 접촉하는 종래의 구조에서는 하부판(620)의 개구와 이를 밀폐하는 부재 사이의 틈을 통해 냉각수가 누출될 수 있고, 이에 따라 냉각 부재(600)의 수밀성이 크게 저하될 수 있다. 또한, 물성이 상이한 2개의 소재를 포함하도록 하부판(620)을 제조하는 것은 복잡한 제조 공정이 수반되므로, 제조 시간 및 제조 비용이 증가하는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예의 냉각 부재(600)에서는 본체(640) 및 냉각 호스(650)에 냉각수를 격리함으로써, 하부판(620)의 개구부(622)에 의한 수밀성의 저하를 최소화할 수 있다. 또, 냉각 부재(600)에 본체(640) 및 냉각 호스(650)가 적용됨으로써, 냉각 부재(600)의 제조 공정이 단순화되고, 제조 시간 및 비용이 축소될 수 있다.
도 18을 참조하면, 하부판(620)은 판상형으로 제공될 수 있다. 하부판(620)에는 냉각수가 흐르는 본체(640) 및 냉각 호스(650)가 장착될 수 있다. 하부판(620)은 본체(640)등을 지지하기 위해 판상형으로 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
하부판(620)은 적어도 하나의 개구부(622)를 포함할 수 있다. 개구부(622)는 전지셀의 내부 발화 시, 발화로 인해 발생된 열 또는 압력에 의해 내부 냉각수를 전지셀로 분사하기 위한 것일 수 있다. 개구부(622)는 하부판(620)의 단변 또는 장변과 평행한 직선을 따라 복수개로 제공될 수 있으며, 냉각 부재(600)는 복수의 개구부(622)를 구비함으로써 전지 모듈 또는 전지 팩 내의 불특정한 위치에서 발생하는 화재에 대응하여 냉각수를 투입할 수 있다. 이와 관련하여서는 후술하는 도 22을 참조한다.
하부판(620)의 둘레에는 하부판(620)의 일 변으로부터 연장되고, 하부판(620)의 일 모서리를 따라 연속적으로 위치하는 돌출부(624)가 형성될 수 있다. 돌출부(624)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(620)에는 둔턱(626)이 형성될 수 있다. 둔턱(626)은 소정의 구간을 제외하고 냉각 부재(600)의 폭 방향상 중앙에서 냉각 부재(600)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 둔턱(626)에 의해 본체(640)가 정위치에 장착될 수 있으며, 고정 부재(660)가 안정적으로 고정될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(600)의 폭 방향은 냉각 부재(600)의 단변과 평행한 방향일 수 있다. 또 여기서, 냉각 부재(600)의 길이 방향은 냉각 부재(600)의 장변과 평행한 방향일 수 있다.
하부판(620)은 냉각 부재(600)에서 전지셀과 가장 가까이 위치하는 부분일 수 있다. 하부판(620)은 전지셀의 방열이 촉진되도록 열전도율이 높은 소재로 제공될 수 있다. 냉각 부재(600)의 하부판(620)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(632)을 통해 공급되어 아울렛 포트(634)로 배출될 수 있다. 인렛 포트(632)와 아울렛 포트(634)는 냉각 부재(600)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(632) 주변과 아울렛 포트(634) 주변의 온도 차이를 최소화하기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 인렛 포트(632)로 유입되는 냉각수는 가장 낮은 온도를 가지고, 아울렛 포트(634)로 배출되는 냉각수는 가장 높은 온도를 가질 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(630)가 인접하게 배치되면, 상호간에 열교환이 나타남으로써 냉각 부재의 내부 공간을 흐르는 전체 냉각수의 온도 편차가 최소화될 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(630)를 나란히 배치함으로써 냉각 부재(600)는 전체적으로 균일한 방열 성능을 가질 수 있다.
도 19 내지 도 21을 참조하면, 본체(640)는 전지셀들의 방열을 위한 냉각수의 유로를 제공할 수 있다. 본체(640)의 내부에는 인렛 포트(632)를 통해 주입된 냉각수가 수용될 수 있고, 본체(640)에 수용된 냉각수는 아울렛 포트(634)를 통해 배출될 수 있다. 본체(640)로 냉각수가 유입 또는 유출됨으로써 냉각 부재(600)는 비교적 일정한 온도로 유지될 수 있다. 본체(640) 내의 냉각수는 그 온도의 항상성을 유지하기 위해 인렛/아울렛 포트(630)와 연결된 외부의 열교환기와 연결되어, 지속적으로 순환되도록 설계될 수 있다.
본체(640)에 의해 냉각된 하부판(620)은 전지셀들의 방열을 촉진할 수 있다. 본체(640)는 열전도율이 높은 소재로 제조될 수 있고, 이를 통해 하부판(620)의 열을 빠르게 흡수할 수 있다. 본체(640)는 내부에 수용되는 냉각수의 압력 및 무게를 견디기 위해 충분한 강성을 가지는 소재로 제조될 수 있다. 본체(640)는 하부판(620)의 소재와 동일하거나, 이와 유사한 소재로 제조될 수 있다. 본체(640)의 소재로는 예를 들어, 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등을 들 수 있다.
본체(640)는 하부판(620)에서 둔턱(626)이 형성되지 않은 위치에 장착될 수 있다. 본체(640)의 외곽 형상은 돌출부(624)를 제외한 하부판(620)의 외곽 형상과 유사할 수 있다.
본체(640)는 사각 관형의 형상을 가질 수 있으며, 둔턱(626)의 위치를 고려하여 인렛 포트(632) 및 아울렛 포트(634)와 각각 대응되는 두 부분으로 분기될 수 있다. 이를 통해, 본체(640)는 U자형 유로를 형성할 수 있다. 본체(640)는 인렛 포트(632)로부터 냉각 부재(600)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제1 부분(642), 상기 제1 부분(642)의 말단에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 곡선을 따라 연장되는 제2 부분(644), 및 제2 부분(644)의 말단에서 아울렛 포트(634)를 향해 냉각 부재(600)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제3 부분(646)을 포함할 수 있다. 여기서, 냉각 부재(600)의 길이 방향은 냉각 부재(600)의 장변과 평행한 방향일 수 있다.
본체(640)는 냉각 호스(650)가 장착되는 수용부(648)를 포함할 수 있다. 수용부(648)는 본체(640)에서 냉각 호스(650)가 장착되는 수용 공간을 의미하는 것일 수 있다. 수용부(648)는 냉각 부재(600)의 길이 방향을 따라 연장되는 긴 홈일 수 있으며, 수용부(648)의 단면은 사각형등의 다각형 또는 원형일 수 있다. 수용부(648)의 길이 방향상 양 말단에는 냉각 호스(650)의 길이 방향상 양 말단이 연결될 수 있다. 수용부(648)의 길이 방향상 양 말단에는 냉각 호스(650)의 양 말단이 삽입될 수 있다. 수용부(648)의 길이 방향상 양 말단과 냉각 호스(650)의 양 말단의 연결 부위는 수밀성 확보를 위해 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 냉각 호스(650)와 수용부(648)의 연결 부위에는 가스켓이 제공되고, 가스켓을 통해 두 부재간의 수밀성이 확보될 수 있다. 다른 예를 들어, 냉각 호스(650)의 양 말단에는 냉각 호스(650)의 말단에서 원주 방향으로 연장되는 확장부가 형성될 수 있고, 확장부는 수용부(648)의 말단에 삽입되어 본체(640)의 내측에 위치함으로써 냉각 호스(650)와 본체(640) 사이의 결합을 보완할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 냉각 호스(650)의 말단에는 원주 방향으로 연장되는 제1 확장부 및 상기 제1 확장부와 이격된 제2 확장부가 형성될 수 있다. 제1 확장부는 본체(640)의 내측에 위치하고, 제2 확장부는 본체(640)의 외측에 위치할 수 있고, 두 확장부가 본체(640)와 밀착됨으로써, 냉각 호스(650)와 본체(640) 사이의 결합은 보다 보완될 수도 있다. 또, 이 때, 확장부, 제1 확장부 또는 제2 확장부에는 돌기가 형성될 수 있으며, 돌기를 통해 본체(640)의 일측면과 더욱 밀착되어 결합될 수도 있을 것이다.
냉각 호스(650)는 본체(640)와 연결되어, 전지셀들의 방열을 구현하는 냉각수에게 유로를 제공할 수 있다. 냉각 호스(650)에는 인렛/아울렛 포트(630)로부터 유입된 냉각수가 이동할 수 있다. 냉각 호스(650)는 인렛/아울렛 포트(630)와 가까이 위치한 본체(640)로부터 냉각수를 공급받을 수 있다.
냉각 호스(650)는 하부판(620)의 개구부(622)와 대응되도록 위치할 수 있다. 도 18에 도시된 것과 같이 하부판(620)에 냉각 부재(600)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 4행의 개구부(622)가 형성된 경우, 냉각 호스(650)는 개구부(622)의 각 행과 대응되도록 4개가 제공될 수 있다. 여기서, ‘행’이란 냉각 부재(600)의 길이 방향상 평행한 일직선을 따라 연이어 위치한 개구부(622)들을 총칭하는 것일 수 있다.
도 22을 참조하면, 냉각 호스(650)는 내부 화재 발생시에 용융 또는 파단됨으로써 전지셀을 향해 내부 냉각수를 투입할 수 있다. 전지셀의 발화 시, 개구부(622)와 대응되는 냉각 호스(650)의 일부는 용융 또는 파단됨으로써 개방되며, 이를 통해 냉각수가 중력 방향으로 분사, 분출, 투입됨으로써 냉각 부재(600)의 하측에 위치한 전지셀의 화재가 진압될 수 있다. 한편, 이러한 효과를 구현하기 위해서는 냉각 호스(650)가 장착되는 수용부(648) 또한 하부판(620)의 개구부(622)와 대응되도록 형성되어야 할 것이다.
냉각 호스(650)는 금속으로 제조되는 하부판(620)보다 열에 의해 용융되거나, 압력에 의해 파단되기 쉬운 소재로 제조될 수 있다. 예를 들어, 냉각 호스(650)는 300 ℃ 이하의 용융점을 가지는 소재로 제조될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 냉각 호스(650)는 폴리아미드(PA)를 포함하도록 제조될 수 있다. 구체적인 다른 예를 들어, 냉각 호스(650)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(650)를 별도로 제조하지 않고, 본체(640)의 일부가 파단되어 냉각수가 투입되도록 하는 구성도 가능할 것이다. 그러나, 본체(640)가 내부에 유입되는 냉각수의 압력을 견디고, 형태를 유지하기 위해서 본체(640)는 충분한 강성을 가지는 소재로 제조되어야 하므로, 열에 용융되거나 압력에 의해 파단되기 쉬운 소재로 제조되는 것은 냉각 부재(600)의 전체적인 내구성을 저하시킬 수 있는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예와 같이, 열에 쉽게 파단될 수 있는 냉각 호스(650)를 본체(640)와 별도로 구성하는 것이, 전체 냉각 부재(650)의 성능을 향상시키는데 바람직할 수 있다.
고정 부재(660)는 하부판(620)과 본체(640) 및 냉각 호스(650)를 고정함으로써 냉각 부재(600)의 강성을 보완하기 위한 것일 수 있다. 고정 부재(660)는 하부판(620)과의 결합을 통해 본체(640) 및 냉각 호스(650)의 위치를 고정할 수 있다.
고정 부재(660)는 길이를 가지는 스트랩의 형태로 제공될 수 있다. 고정 부재(660)는 냉각 부재(600)의 폭 방향과 평행하게 위치할 수 있다. 고정 부재(660)는 냉각 부재(600)의 길이 방향을 따라 복수개로 제공될 수 있으며, 복수의 고정 부재(660)는 균일한 간격으로 배치될 수 있다.
고정 부재(660)는 냉각 부재(600)의 형상을 유지하기 위해 강성이 높은 소재로 제조될 수 있으며, 일 예로 금속으로 제조될 수 있다.
고정 부재(660)는 냉각 부재(600)의 폭 방향상 양 말단에 결합될 수 있다. 고정 부재(660)는 냉각 부재(600)의 폭 방향상 중앙에 결합될 수 있다. 고정 부재(660)는 고정 부재(660)의 길이 방향상 양 말단에 각각 형성된 말단 결합부(662) 및 고정 부재(660)의 길이 방향상 중앙에 형성된 중앙 결합부(664)를 포함할 수 있다. 말단 결합부(662) 및 중앙 결합부(664)는 냉각 부재(600)에서 리벳과 같은 체결 부재를 통해 체결되는 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 말단 결합부(662) 및 중앙 결합부(664)에는 체결 부재가 삽입될 수 있는 체결구가 형성될 수 있다.
고정 부재(660)는 하부판(620)의 폭 방향상 양 말단에 결합될 수 있다. 고정 부재(660)는 하부판(620)의 폭 방향상 중앙에 결합될 수 있다. 말단 결합부(662)는 하부판(620)의 폭 방향상 양 말단에 위치한 돌출부(624)와 결합될 수 있다. 중앙 결합부(664)는 하부판(620)의 폭 방향상 중앙에 위치한 둔턱(626)과 결합될 수 있다. 말단 결합부(662) 및 중앙 결합부(664)는 고정 부재(660)의 다른 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있고, 고정 부재(660)의 다른 부분보다 다소 낮은 높이를 가질 수 있다. 돌출부(624)와 둔턱(626)의 형상을 고려할 때, 말단 결합부(662)는 중앙 결합부(664) 보다 더 큰 단차를 가지도록 형성될 수 있다.
이처럼, 냉각 부재(600)의 제조 시 고정 부재(660)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(660)를 이용함으로써 냉각 부재(600)는 성질이 상이한 2개 이상이 소재를 포함하도록 제조될 수 있으며, 냉각 호스(650)와 같이 다양한 소재 및 형상의 구조가 냉각 부재(600)에 적용될 수 있고, 냉각 부재(600)의 설계가 보다 쉽고 다양할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재의 제조 방법에 관하여 설명한다. 이하에서 설명되는 냉각 부재(600)의 제조 방법은 상술한 냉각 부재(600)에 관한 내용을 모두 포함하는 바, 중복되는 내용에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
다시 도 20를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재의 제조 방법은 하부판(620)을 준비하는 단계, 하부판(620)의 상면에 본체(640)를 장착하는 단계, 본체(640)에 냉각 호스(650)를 장착하는 단계, 및 고정 부재(660)를 하부판(620)과 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
하부판(620)을 준비하는 단계는 하부판(620)에 개구부(622)를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 실시예에 따라 하부판(620)에 인렛/아울렛 포트(630)를 장착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하부판(620)에 본체(640)를 장착하는 단계는 하부판(620)과 본체(640)를 접합하는 과정으로써, 용접과 같은 접합 공정에 의해 수행될 수 있다. 하부판(620)과 본체(640)의 접합에 용접 공정이 이용되는 경우, 하부판(620)과 본체(640)의 소재가 유사할수록 용접 온도에 따른 일부 부재의 변형 또는 손상이 최소화될 수 있고, 냉각 부재(600)의 치수 안전성이 확보될 수 있다.
본체(640)에 냉각 호스(650)를 장착하는 단계는, 본체(640)의 수용부(648)에 냉각 호스(650)를 삽입하는 단계, 냉각 호스(650)의 양 말단을 수용부(648)의 양 말단과 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 냉각 호스(650)와 수용부(648)의 연결 부위는 밀봉될 수 있다.
고정 부재(660)를 하부판(620)과 결합하는 단계는 고정 부재(660)의 말단 결합부(662)를 하부판(620)의 양 말단과 결합하는 단계 및 고정 부재(660)의 중앙 결합부(664)를 하부판(620)의 중앙과 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 하부판(620)의 양 말단은 폭 방향상 말단을 의미하는 것으로써, 하부판(620)의 양 말단에는 돌출부(624)가 위치할 수 있다. 또, 하부판(620)의 중앙은 폭 방향상 중앙을 의미하는 것으로써, 하부판(620)의 중앙에는 둔턱(626)이 위치할 수 있다.
한편, 이상에서 구체적으로 언급되지는 않았으나, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 부재(600)는 전지 모듈 또는 전지 팩 내에 장착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀들로 이루어진 전지셀 적층체 및 이를 수용하는 모듈 프레임을 포함하며, 모듈 프레임과 전지셀 적층체 사이에 냉각 부재(600)가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩은 다양한 형태로 제공될 수 있다.
일 예로, 본 발명의 또 다른 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 또 다른 실시예에 따른 전지 팩은, 전지셀 적층체 및 이를 수용하는 모듈 프레임이 포함된 적어도 하나의 전지 모듈, 냉각 부재(600) 및 전지 모듈과 냉각 부재(600)를 수용하는 팩 프레임을 포함할 수 있다. 즉, 본 예에서는 냉각 부재(600)가 전지 모듈의 외부에 제공될 수 있다. 냉각 부재(600)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 또 다른 실시예에 따른 전지 팩은 전지셀 적층체 및 이를 수용하는 팩 프레임을 포함할 수 있으며, 전지셀 적층체와 팩 프레임 사이에 냉각 부재(600)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(600)와 보다 가까이 위치할 수 있고, 냉각 부재(600)에 의한 방열이 보다 쉽게 달성될 수 있다.
그 밖의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 부재(600)가 전지 모듈 또는 전지 팩 내에 장착되는 경우에 관한 설명은 도 14 및 15에 관한 설명을 참조하는 바, 중복되는 내용에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명에 따르면, 도 1 내지 도 15에서 상술한 냉각 부재(500) 및 도 16 내지 도 22에서 상술한 냉각 부재(600)에 각각 한정되지 않고, 이들을 결합하여 실시하는 경우도, 가령, 도 1 내지 도 15에서 상술한 냉각 부재(500)를 동일하게 또는 일부 변형하여 도 16 내지 도 22에서 상술한 냉각 부재(600)의 본체(640)에 적용하는 등의 방식으로도, 포함하는 등 다양한 변형, 변경이 가능하다.
한편, 이상에서 구체적으로 언급되지는 않았으나, 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.
[부호의 설명]
100: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
130: 측면 플레이트
140: 홀딩 스트랩
150: 버스바 프레임
200: 팩 프레임
300: 수지층
400: 엔드 플레이트
500: 냉각 부재
510: 상부판
514: 굴곡부
520: 하부판
522: 취약부
530: 인렛/아울렛 포트
540: 밀봉부
550: 유로 형성 홈
560: 변형 방지 홈
600: 냉각 부재
620: 하부판
630: 인렛/아울렛 포트
640: 본체
650: 냉각 호스
660: 고정 부재

Claims (28)

  1. 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하는 냉각 부재에 있어서,
    상부판, 하부판, 상기 상부판과 상기 하부판 사이의 내부 공간에 내장된 냉각수를 포함하고,
    상기 하부판은 취약부가 형성된 제1 부분, 상기 취약부가 형성되지 않은 제2 부분을 포함하며,
    상기 제1 부분의 두께 값은 상기 제2 부분의 두께 값 보다 작은 냉각 부재.
  2. 제1항에서,
    상기 취약부는 장변과 단변을 가지고,
    상기 장변은 상기 전지셀들의 적층 방향을 따라 연장되는 냉각 부재.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 부분의 두께 값은, 상기 제2 부분의 두께 값의 절반 이하인 냉각 부재.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 부분의 두께는 0.03 내지 0.07mm인 냉각 부재.
  5. 제1항에서,
    상기 취약부는 제1 취약부 및 상기 제1 취약부와 이격된 제2 취약부를 포함하고,
    상기 제1 취약부와 상기 제2 취약부의 두께 값은 실질적으로 동일한 냉각 부재.
  6. 제1항에서,
    상기 하부판은 서로 두께가 상이한 제1 층 및 제2 층을 접합합으로써 형성되고,
    상기 제1 부분의 두께는 상기 제1 층의 두께와 대응되고,
    상기 제2 부분의 두께는 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 두께와 대응되는 냉각 부재.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 층 및 제2 층 중 하나는 클래드 금속을 포함하는 냉각 부재.
  8. 제6항에서,
    상기 상부판, 상기 제1 층 및 제2 층 중 적어도 하나는 클래드 금속을 포함하는 냉각 부재.
  9. 제6항에서,
    상기 제1 층과 제2 층은 브레이징 공정을 통해 접합되는 냉각 부재.
  10. 제6항에서,
    상기 상부판, 상기 제1 층과 제2 층은 브레이징 공정을 통해 접합되는 냉각 부재.
  11. 제1항에서,
    상기 상부판은 굴곡부를 포함하고,
    상기 굴곡부의 마루는 상기 제1 부분과 대응되고,
    상기 굴곡부의 골은 상기 제2 부분과 대응되는 냉각 부재.
  12. 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체의 상부에 위치하는 냉각 부재에 있어서,
    다수의 개구부가 형성된 하부판,
    냉각수의 유로를 제공하는 본체, 및
    상기 하부판과 상기 본체를 고정하는 고정 부재를 포함하고,
    상기 본체에는 적어도 하나의 냉각 호스가 장착되고,
    상기 냉각 호스는 소정의 온도 또는 압력 이상에서 용융되거나 파단되는 냉각 부재.
  13. 제12항에서,
    상기 냉각 호스는 상기 하부판의 개구와 대응되도록 위치하는 냉각 부재.
  14. 제12항에서,
    상기 냉각 호스는 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 연장되는 형상을 가지는 냉각 부재.
  15. 제12항에서,
    상기 냉각 호스는 300 ℃ 이하의 용융점을 가지는 소재로 제조되는 냉각 부재.
  16. 제12항에서,
    상기 본체에는 상기 냉각 호스를 수용하기 위한 수용부가 구비되는 냉각 부재.
  17. 제16항에서,
    상기 냉각 호스의 길이 방향상 양 말단은 상기 수용부의 길이 방향상 양 말단과 각각 연결되는 냉각 부재.
  18. 제12항에서,
    상기 하부판의 중앙에는 상기 냉각 부재의 길이 방향상 연장되는 둔턱이 형성되고, 상기 본체는 상기 하부판에서 상기 둔턱이 형성되지 않은 위치에 장착되는 냉각 부재.
  19. 제12항에서,
    상기 고정 부재는 스트랩의 형태로 제공되며, 상기 냉각 부재의 폭 방향과 평행하게 위치하는 냉각 부재.
  20. 제19항에서,
    상기 고정 부재는 상기 하부판의 폭 방향상 양 말단과 결합하는 말단 결합부 및 상기 하부판의 폭 방향상 중앙과 결합하는 중앙 결합부를 포함하는 냉각 부재.
  21. 제20항에서,
    상기 말단 결합부 및 상기 중앙 결합부는 상기 고정 부재의 다른 부분과 단차를 가지도록 형성되는 냉각 부재.
  22. 제12항에서,
    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.
  23. 제22항에서,
    상기 본체는 상기 인렛 포트 및 상기 아울렛 포트와 각각 대응되는 부분으로 분기된 형상을 가지는 냉각 부재.
  24. 제1항 또는 제12항에 따른 냉각 부재를 포함하는 전지 모듈.
  25. 제24항에서,
    상기 냉각 부재의 상부판은 상기 전지 모듈의 외형을 형성하는 모듈 프레임의 상면과 일체화된 전지 모듈.
  26. 제1항 또는 제12항에 따른 냉각 부재를 포함하는 전지 팩.
  27. 제26항에서,
    상기 전지 팩은 개방형 구조의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  28. 제26항에서,
    상기 냉각 부재의 상부판은 상기 전지 팩의 외형을 형성하는 팩 프레임의 상면과 일체화된 전지 팩.
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