WO2023153734A1 - 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치 - Google Patents

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WO2023153734A1
WO2023153734A1 PCT/KR2023/001627 KR2023001627W WO2023153734A1 WO 2023153734 A1 WO2023153734 A1 WO 2023153734A1 KR 2023001627 W KR2023001627 W KR 2023001627W WO 2023153734 A1 WO2023153734 A1 WO 2023153734A1
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cooling
battery
lower plate
cooling member
rack
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PCT/KR2023/001627
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English (en)
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이영석
조영범
강인재
유상현
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery rack and a power storage device including the same, and more particularly, to a battery rack for preventing chain thermal runaway and a power storage device 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.
  • the battery pack is generally configured by first configuring a battery module including at least one battery cell and adding other components to the at least one battery module, but this is not necessarily the case. It is also possible to mount directly to In addition, the battery pack constitutes a power storage device provided with battery racks including at least one or more such battery packs according to various voltage and capacity requirements.
  • the battery module or battery pack is preferably 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 compared to capacity, are mainly used.
  • the battery cells installed in the battery pack 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.
  • ignition occurs in at least one battery pack among a plurality of battery packs included in a battery rack, flame and heat may propagate to adjacent battery packs, leading to additional ignition, resulting in significant property damage or major human casualties. There is a problem that causes
  • An object to be solved by the present invention is to provide a battery rack capable of injecting a sufficient amount of cooling water at the right time and in the right place when internal ignition of at least one of the battery packs and a power storage device including the same.
  • a battery rack includes at least one battery pack and a rack frame in which the battery pack is mounted, and the battery pack is a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, and the battery cell stack A pack frame accommodating the battery cell stack, and a cooling member located above the battery cell stack and containing cooling water, the cooling member being connected to a water tank mounted on the rack frame, and a predetermined lower plate of the cooling member.
  • the water tank may be located above the rack frame.
  • the cooling member 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 cooling system, and the cooling water of the cooling member is connected through the inlet port and the outlet port. can be cycled.
  • the inlet port may be connected to the cooling system through an inlet manifold
  • the outlet port may be connected to the cooling system through an exhaust manifold
  • the water tank may be connected to the exhaust manifold.
  • the battery pack may be plural, and the water tank may be connected to each cooling member included in the plurality of battery packs.
  • a plurality of openings may be formed in the lower plate of the cooling member, the openings may be closed by a sealing member, and the weak part may be a portion of the lower plate where the openings closed by the sealing member are located.
  • the cooling member includes a cooling tube providing a flow path of cooling water and a cooling hose mounted on the cooling tube, a plurality of openings are formed in the lower plate, the cooling hose is positioned to correspond to the openings, and the weak portion
  • the lower plate may be a portion where the opening closed by the cooling hose is located.
  • the lower plate and the cooling tube may be connected by a strap-shaped fixing member.
  • the lower plate may include a first portion in which the weak portion is formed and a second portion in which the weak portion is not formed, and a thickness value of the first portion may be smaller than a thickness value of the second portion.
  • a thickness value of the first portion may be less than half of a thickness value of the second portion.
  • 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.
  • 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.
  • An upper plate of the cooling member may be integrated with the pack frame.
  • a power storage device includes at least one of the battery racks described above.
  • cooling water may be introduced from a cooling member inside the battery pack to a battery cell in which thermal runaway occurs, and at this time, an internal fire is quickly extinguished by supplying a sufficient amount of cooling water from a water tank to the cooling member, Continuous thermal runaway can be prevented.
  • FIG. 1 is a perspective view of a power storage device including a battery rack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of one side of the battery rack according to Figure 1;
  • 3 and 4 are views for explaining the change of the battery rack before and after the thermal runaway phenomenon.
  • FIG 5 is a perspective view of a battery pack included in a battery rack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 and 7 are exploded perspective views of battery packs included in the battery rack according to FIG. 5 .
  • FIG. 8 is a perspective view of a cell block included in the battery pack according to FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a view illustrating a lower plate of a cooling member included in the battery pack according to FIG. 5 .
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams for explaining a change in a cooling member before and after a thermal runaway phenomenon.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a change after a thermal runaway phenomenon when a foam pad is provided to the battery pack according to FIG. 5 .
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a cooling member of a battery pack included in a battery rack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view illustrating a coupling between a lower plate included in the cooling member of FIG. 13 and a cover film.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating a lower plate of a cooling member of a battery pack included in a battery rack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a view showing examples of the A-A section of FIG. 15;
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of a lower plate for explaining a modified example of the cooling member according to FIG. 15 .
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a lower plate for explaining another modified example of the cooling member according to FIG. 15 .
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of a cooling member for explaining another modified example of the cooling member according to FIG. 15 .
  • FIG. 20 is a perspective view illustrating a cooling member of a battery pack included in a battery rack according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 21 is a top view of the cooling member according to Fig. 20;
  • FIG. 22 is a view showing the coupling of the lower plate, the cooling tube, and the cooling hose included in the cooling member according to FIG. 20 .
  • FIG. 23 shows the cooling member shown in FIG. 21 cut along line B-B, and shows cooling water flowing into or flowing out of the cooling tube and the cooling hose.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of the cooling member of FIG. 21 taken along line B-B, 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 of a power storage device including a battery rack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic view of one side of the battery rack according to Figure 1; 3 and 4 are views for explaining the change of the battery rack before and after the thermal runaway phenomenon.
  • FIG. 2 omits the outlet/inlet manifold and the cooling system in order to explain the connection between the in-out port of the cooling member and the outlet/inlet manifold in the battery rack of this embodiment.
  • the power storage device 1 of this embodiment may include at least one battery rack 10 described below.
  • the power storage device 1 is an energy source and may be used for home or industrial purposes.
  • the battery rack 10 may include at least one battery pack 1000 mounted on the rack frame 11.
  • the battery pack 1000 of the battery rack 10 may be connected to the water tank 2000.
  • the battery rack 10 may include a battery pack 1000 and a water tank 2000 .
  • the battery pack 1000 of this embodiment may include a cooling member 500 .
  • the cooling member 500 may be provided to lower the internal temperature of battery modules or battery packs 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 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 500. You are free to use any of these.
  • the cooling water in the cooling member 500 may be designed to be continuously circulated by being connected to the external cooling system 60 through the inlet/outlet port 530 to maintain the constant temperature.
  • the inlet port 532 of the cooling member 500 may be connected to the inlet manifold 40 and the outlet port 534 may be connected to the outlet manifold 20 .
  • the discharge manifold 20 and the inlet manifold 40 may be connected to the cooling system 60 .
  • the cooling system 60 may be connected in parallel with each of the cooling members 500 included in the battery rack 10 .
  • the cooling system 60 may include a pump capable of smoothly supplying cooling water to the cooling member 500 . If the cooling system 60 includes a pump, the low pressure part of the pump, ie the inlet of the pump, may be connected to the discharge manifold 20, and the high pressure part of the pump, ie the outlet of the pump, may be connected to the inlet manifold 40. there is.
  • a liquid such as cooling water into the battery module or the 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 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 the cooling water from the water tank to the battery cell, and the conventional water injection system proceeds quickly. It was difficult to stop the continuous thermal runaway phenomenon. Therefore, in this embodiment, when the battery pack 1000 internally ignites, the cooling member 500 melts or breaks at a predetermined temperature or pressure so that cooling water can be immediately supplied to the fire place (refer to FIG. 10, etc.) ) can be formed.
  • the battery rack 10 of this embodiment may include a water tank 2000 capable of supplying additional cooling water to the cooling member 500 .
  • the water tank 2000 may be connected to the discharge manifold 20 .
  • the water tank 2000 may be connected to the discharge manifold 20 through which low-pressure cooling water flows. In a situation where additional cooling water is required, cooling water in the water tank 2000 may be introduced into the cooling member 500 through the discharge manifold 20 .
  • the discharge manifold 20 may include a pipe branched from a pipe connected to the outlet port 534 of the cooling member 500 to be connected to the water tank 2000 .
  • the inlet manifold 40, the inlet port 532, the outlet port 534, the outlet manifold 20, and the cooling system 60 follow the direction of the arrow. Coolant may circulate in this order. At this time, since the cooling water circulates along the closed circuit and the level of the cooling water in the cooling member 500 is maintained constant, the cooling water in the water tank 2000 may not be supplied to the inside of the cooling member 500 . Cooling water in the water tank 2000 may not be circulated by the cooling system 60 .
  • cooling water in the cooling member 500 may be injected into the battery pack 1000 and the water level inside the cooling member 500 may decrease. At this time, since the cooling water in the water tank 2000 is supplied to the cooling member 500 by gravity or a hydraulic pressure difference, additional cooling water can be injected into the battery pack 1000 and ignition of the battery pack 1000 is effectively suppressed. It can be.
  • the cooling system 60 may be programmed to stop its operation when an ignition phenomenon occurs in the battery pack 1000 . However, this is not necessarily the case and may be designed so that the operation of the cooling system 60 continues even after the battery pack 1000 is ignited.
  • the water tank 2000 may be mounted on the rack frame 11 . Specifically, the water tank 2000 may be located in an empty space in the rack frame 11, for example, may be located above the rack frame 11. As shown in FIG. 1, when the water tank 2000 is located in an empty space above the rack frame 11, the additional water tank is added to the battery rack 10 without increasing the volume of the battery rack 10 itself. (2000) can be provided can improve the space efficiency of the battery rack (10).
  • the cooling water may be easily injected from the water tank 2000 to the cooling member 500 by gravity. If the water tank 2000 is located lower than the cooling member 500, the water tank 2000 may need to include a pump to supply additional cooling water to the cooling member 500, but the water tank 2000 When positioned above the cooling member 500, cooling water can be supplied by gravity, which is advantageous in terms of simplifying the structure or design.
  • 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 since 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.
  • the cooling member or the like exists outside the battery module, there is a problem in that the 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 terms of manufacturing cost and manufacturing process can be obtained, and weight reduction of the battery pack can be achieved.
  • the battery cell stack can be positioned closer to the cooling member in the pack frame, and heat dissipation by the cooling member can be more easily achieved.
  • the 'battery pack' described below has a structure including a battery cell stack and a frame accommodating it, it is not limited to including a conventional sealed battery module, and a battery cell stack and various parts connected thereto. may broadly refer to a structure in which they are assembled. From this point of view, the battery pack of this embodiment may be referred to as a battery module as needed.
  • FIG. 5 is a perspective view of a battery pack included in a battery rack according to an embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are exploded perspective views of battery packs included in the battery rack according to FIG. 5 .
  • 8 is a perspective view of a cell block included in the battery pack according to FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a view illustrating a lower plate of a cooling member included in the battery pack according to FIG. 5 .
  • 10 and 11 are diagrams for explaining a change in a cooling member before and after a thermal runaway phenomenon.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a change after a thermal runaway phenomenon when a foam pad is provided to the battery pack according to FIG. 5 .
  • the battery pack 1000 includes at least one cell block 100, a pack frame 200 accommodating the cell block 100, and a pack frame 200. ) formed on the inner surface of the resin layer 300, the end plate 400 closing the open side of the pack frame 200, and the cooling member 500 disposed between the pack frame 200 and the cell block 100 ) may be included.
  • 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 pack 1000 may include the cell block 100 that is not sealed by a frame or the like.
  • the cell block 100 may have a structure similar to a conventional battery module in which a module frame is omitted, and thus may be referred to as an 'open structure' battery module or a 'module-less structure' battery module.
  • the cell block 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked in one direction, a side plate 130 positioned at both ends of the battery cell stack 120 in the stacking direction, and a side plate It may include a holding strap 140 wrapped around the circumference of the 130 and the battery cell stack 120 to fix the shape, and a bus bar frame 150 covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 120. .
  • 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. Meanwhile, in FIGS. 5 to 8, it is shown that the positive lead and the negative lead of the battery cell 110 protrude in opposite directions, but this is not necessarily the case, and the electrode leads of the battery cell 110 also protrude in the same direction. 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.
  • 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. 5 to 8, 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 the side surfaces of the battery cell stack 120 are relative to each other on the y-axis. It is shown in two faces facing each other.
  • 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 100 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 100 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 change in volume of the battery cell stack 120 due 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 .
  • 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 cell block 100 and electrical components connected thereto from external physical impact.
  • the pack frame 200 may accommodate the cell block 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 pack frame 200 may be provided in a hollow shape open along one direction.
  • a plurality of cell blocks 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 stacking direction.
  • 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 cell block 100 may be disposed on the plate-shaped lower frame 210, and the U-shaped upper frame 220 is provided to cover the top surface of the cell block 100 and two surfaces on the x-axis. It can be.
  • any one of the upper frame 220 and the lower frame 210 may be formed to surround two surfaces on the y-axis of the battery pack 1000, and in this case, the end plate 400 may be omitted.
  • the shape of the pack frame 200 shown in FIG. 6 is just an example, the pack frame 200 is provided as a mono frame, the lower frame 210 is provided in a U-shape, and the upper frame 220 It may be provided in a form other than the above, such as being provided in a plate shape.
  • 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 cell block 100 and the inner surface of the pack frame 200 .
  • the resin layer 300 may be provided between the bottom surface of the cell block 100 and the lower frame 210 .
  • the resin layer 300 may be provided between the top surface of the cell block 100 and the upper frame 220 .
  • the resin layer 300 may be provided between the cooling member 500 and the upper frame 220 to be described later.
  • 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 movement between the cell block 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 cell block 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 cell block 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 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.
  • the cooling member 500 may be located above the battery cell stack (+z-axis direction in FIG. 6). However, this is not necessarily the case, and depending on the design, the cooling member 500 may be located at the bottom (-z-axis upward direction) or at the side (+/-y-axis upward direction) of the battery cell stack.
  • 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. there is.
  • the cooling member 500 may be formed by combining edges of the upper plate 510 and the lower plate 520 . Cooling water may be built in or circulated between the upper plate 510 and the lower plate 520 coupled in the cooling member 500 .
  • the upper plate 510 and the lower plate 520 may be provided in a plate shape.
  • the upper plate 510 or the lower plate 520 is provided in a plate shape, and the central portion thereof may be recessed or recessed to have a step with the edge portion.
  • the upper plate 510 or the lower plate 520 may have a recessed shape based on a cross section in the width direction. This may be that the upper plate 510 or the lower plate 520 forms an internal space through a step in order to accommodate the cooling water.
  • the width direction of the upper plate 510 or the lower plate 520 may be in a direction parallel to the short side of the upper plate 510 or the lower plate 520 .
  • the upper plate 510 or the lower plate 520 of the cooling member 500 may be made of 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
  • the top plate 510 is shown as a separate structure from the pack frame 200, but the top plate 510 is used to reduce the weight of the battery pack 1000 or to improve thermal conductivity. ), and the cooling member 500 may be provided as an integrated structure with the pack frame 200.
  • Cooling water may be supplied through the inlet port 532 located side by side and discharged through the outlet port 534 .
  • the inlet port 532 and the outlet port 534 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 pack 1000 . Also, this may be to minimize a temperature difference between the inlet port 532 and the outlet port 534 . Specifically, cooling water introduced into the inlet port 532 may have the lowest temperature, and cooling water discharged through the outlet port 534 may have the highest temperature.
  • the cooling member 500 may have uniform heat dissipation performance as a whole.
  • At least one weak portion 600 may be formed in the cooling member 500 of this embodiment.
  • the weak part 600 may refer to a part that is melted or broken at a predetermined temperature or pressure.
  • the weak part 600 is a configuration for immediately supplying cooling water to a fire place by being opened when the battery pack 1000 internally ignites, and may be provided in various structures.
  • the lower plate 520 may include at least one opening 521 , and the opening 521 may be sealed with a sealing member 529 .
  • the sealing member 529 blocks the outflow of cooling water by sealing the opening 521 before the thermal runaway phenomenon, and melts or breaks after the thermal runaway phenomenon as shown in FIG. It may be injected toward the cell 110.
  • the weak part 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the opening 521 is located.
  • the weak part 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the sealing member 529 is located.
  • the weak portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 in which an opening 521 sealed by a sealing member 529 is formed.
  • the sealing member 529 may be made of a material that melts or breaks at a predetermined temperature or pressure.
  • the sealing member 529 may be made of a material having a melting point of 300 °C or less.
  • the sealing member 529 may be made of polyamide (PA).
  • PA polyamide
  • the sealing member 529 may be made of a thermoplastic polymer resin having a melting point of 200 °C or less.
  • 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).
  • the sealing member 529 may be provided in an I shape. At least some of both ends of the sealing member 529 may come into surface contact with the upper and lower surfaces of the lower plate 520, and through this, coupling of the sealing member 529 and the lower plate 520 can be easily achieved.
  • embossed or engraved protrusions or grooves may be formed on contact surfaces where the sealing member 529 and the upper and lower surfaces of the lower plate 520 contact each other. Since the protrusion or groove formed on the sealing member 529 and the groove or protrusion formed on the lower plate 520 are engaged with each other, the sealing member 529 may be more effectively prevented from coming off due to the pressure of the cooling water.
  • the battery pack 1000 of this embodiment may include a foam pad 700 that allows cooling water to concentrate around a fire.
  • the foam pad 700 may be positioned between the cooling member 500 and the cell block 100 .
  • the foam pad 700 may be positioned between the cooling member 500 and the battery cell stack 120 .
  • the foam pad 700 may guide a flow of cooling water discharged from the cooling member 500 when the weak part 600 is opened.
  • the flow may be restricted by the concentration to the first battery cell (110A).
  • the cooling water may spread widely over the upper surface of the battery cell stack 120, and accordingly, it may be difficult to supply a sufficient amount of cooling water to the first battery cell 110A.
  • the foam pad 700 may include at least one pad opening 710 .
  • the pad opening 710 may correspond to the weak portion 600 of the cooling member 500 . Since the pad opening 710 corresponds to the weak portion 600 , cooling water discharged from the weak portion 600 may be intensively injected into the first battery cell 110A without interference from the foam pad 700 .
  • the foam pad 700 may absorb some of the cooling water discharged from the cooling member 500 .
  • the foam pad 700 may be provided to include a plurality of pores, and may absorb fluid through the pores.
  • moisture may remain around the first battery cell 110A, and through this, the first battery cell 110A is rapidly extinguished. It can be.
  • emission of particles or gases that may be generated from the first battery cell 110A may be minimized.
  • the foam pad 700 may correspond to the battery cell stack 120 included in the battery pack 1000 .
  • the foam pad 700 may correspond to the plurality of battery cell stacks 120 .
  • a plurality of foam pads 700 may be provided to correspond to each of the battery cell stacks 120, or may be provided as one to correspond to the plurality of battery cell stacks 120.
  • the battery rack of the embodiment described below is the same as the content of the above-described embodiment except that the structure of the cooling member included in the battery pack is different. Therefore, in describing the present embodiment, the same reference numerals are assigned to components common to those of the above-described embodiment, and detailed descriptions are omitted.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a cooling member of a battery pack included in a battery rack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view illustrating a coupling between a lower plate included in the cooling member of FIG. 13 and a cover film.
  • the cooling member 500 of this embodiment may include a cover film 580 .
  • the cover film 580 may be configured to close the opening 521 of the lower plate 520 before ignition of the battery cell 110 and to open the opening 521 when the battery cell 110 ignites.
  • the cover film 580 is broken by the temperature and pressure caused by ignition of the battery cell, the cooling water inside the cooling member 500 is injected toward the battery cell, thereby suppressing the fire.
  • the weak part 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the opening 521 is located.
  • the weak portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 in which the opening 521 closed by the cover film 580 is formed.
  • the cover film 580 may be made of a material that melts or breaks at a predetermined temperature or pressure.
  • the cover film 580 may be made of the same or similar material as the sealing member 529 of the above-described embodiment.
  • the cover film 580 may be disposed between the upper plate 510 and the lower plate 520 and cover the lower plate 520 .
  • the cover film 580 may be attached to the lower plate 520 .
  • the outer shape of the cover film 580 may be similar to or the same as the outer shape of the lower plate 520 as a whole.
  • a specific shape of the cover film 580 may be similar to or identical to that of the lower plate 520 except for the opening 521 .
  • the cover film 580 preferably has a thickness equal to or greater than a predetermined thickness so as to withstand gravity due to the weight of the cooling water and frictional force due to the flow of the cooling water. However, when the cover film 580 is excessively thick, the cooling member 500 dissipates heat Performance may be degraded, so it needs to be adjusted to an appropriate thickness.
  • the cover film 580 may have a thickness of 2 mm or less, or 1.5 mm or less, but considering durability of the cover film 580 and degradation of heat dissipation performance by the cover film 580, the thickness of the cover film 580 may be 0.5 to 1.0 mm. may be desirable. If the thickness of the cover film 580 is less than 0.5 mm, a durability problem may occur, and if the thickness of the cover film 580 is greater than 1.0 mm, heat dissipation performance of the cooling member 500 may be deteriorated.
  • cooling water may flow between the upper surface of the cover film 580 and the lower surface of the upper plate 510 .
  • the inflow and outflow of the cooling water through the inlet/outlet port 530 is not restricted by the cover film 580, and thus the cooling water in the cooling member 500.
  • the cooling member 500 includes two materials having different physical properties. can do.
  • the upper plate 510 and the lower plate 520 of the cooling member 500 are mainly coupled by brazing or laser welding, when the cooling member 500 is designed to include two or more materials, One material may be deformed during the welding process, making the welding process difficult or impossible.
  • a local temperature gradient may be formed in the upper plate 510 or the lower plate 520 when using laser welding, there is a problem in that at least a portion of the upper plate 510 or the lower plate 520 is bent.
  • the cooling member 500 of this embodiment may be manufactured through a mechanical fastening method in order to minimize this problem.
  • the mechanical fastening method used in the manufacture of this embodiment minimizes damage to the material forming the cooling member 500 by not applying heat or applying heat at a temperature lower than the melting point of the material provided to the cooling member 500.
  • An example of a mechanical fastening method used for the cooling member 500 may include a rivet, which is a coupling through a fastening member.
  • the cooling member 500 may include a plurality of fastening parts coupled through fastening members such as rivets, and fasteners into which fastening members may be inserted may be formed in the lower plate 520 or the like. In FIG. 14 , locations of fasteners formed on the lower plate 520 or the cover film 580 are illustrated as dots.
  • Clinching is a deformable joining method in which two laminated plate-like members are mechanically coupled by pressing one surface of two laminated plate-like members using a punch or the like to deform the shape thereof. Clinching may also be referred to as penetration bonding in view of its shape.
  • the cooling member 500 when the cooling member 500 is manufactured by applying the mechanical fastening method instead of the welding coupling method, excessive heat is not generated during the manufacturing process, so unintentional deformation of the cooling member 500 can be minimized and the pre-designed dimensions can be minimized.
  • Dimensional stability can be secured by reducing the dimensional difference between the product and the final product.
  • the aluminum material that has been mainly used for the cooling member 500 it may start to deform when a temperature of 660 ° C. or higher, which is the melting point, is applied.
  • the above-described mechanical fastening method when the above-described mechanical fastening method is applied, heat above the melting point Since it is not applied, the dimensional stability of the cooling member 500 can be further improved.
  • cooling member 500 if a mechanical fastening method is applied during the manufacturing of the cooling member 500, a specific material vulnerable to temperature may not be deformed during the manufacturing process, so that various materials and structures of shapes can be applied to the cooling member 500, cooling
  • the design of the member 500 is easy and can be more diverse.
  • an elastic member is interposed between the upper plate 510 and the lower plate 520 in order to further improve watertightness between the upper plate 510 and the lower plate 520.
  • (590) may be located.
  • the cooling member 500 according to the present embodiment is formed through a mechanical coupling method, the elastic member 590, which is vulnerable to heat, can be coupled together during the coupling process of the upper plate 510 and the lower plate 520, through which Simplification of the manufacturing process and reduction of manufacturing cost can be achieved.
  • the elastic member 590 may include a band-shaped elastic member 592 disposed at an edge of the cooling member 500 .
  • the band-shaped elastic member 592 may be provided on a surface where the upper plate 510 and the lower plate 520 contact each other, and improve watertightness of the upper plate 510 and the lower plate 520 .
  • the band-shaped elastic member 592 is compressed by an external force when the upper plate 510 and the lower plate 520 are coupled, thereby filling a gap between the upper plate 510 and the lower plate 520 .
  • the band-shaped elastic member 592 may prevent the cooling water inside the cooling member 500 from leaking out through the gap.
  • the band-shaped elastic member 592 may be referred to as a water pad.
  • the elastic member 590 may include a ring-shaped elastic member 594 .
  • the cooling member 500 is formed of rivets or the like, since fasteners are formed in the fastening portion, there is a problem in that the watertightness of the cooling member 500 may be deteriorated at the fastening portion.
  • watertightness of the fastening part may be supplemented through the ring-shaped elastic member 594 .
  • the cover film 580 is provided to the cooling member 500, the ring-shaped elastic member 594 can be positioned on the cover film 580, and seals the gap around the fastening portion, thereby improving the watertightness of the cooling member 500. can improve
  • the ring-shaped elastic member 594 may be referred to as a 'water ring'.
  • the elastic member 590 may be made of a flexible material having elasticity.
  • An example of a material from which the elastic member 590 is manufactured may include a silicone-based foam pad, an acrylic-based foam pad, or a urethane-based foam pad.
  • the battery rack of the embodiment described below is the same as the content of the above-described embodiment except that the structure of the cooling member included in the battery pack is different. Therefore, in describing the present embodiment, the same reference numerals are assigned to components common to those of the above-described embodiment, and detailed descriptions are omitted.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating a lower plate of a cooling member of a battery pack included in a battery rack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a view showing examples of the A-A section of FIG. 15;
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of a lower plate for explaining a modified example of the cooling member according to FIG. 15 .
  • 18 is a cross-sectional view of a lower plate for explaining another modified example of the cooling member according to FIG. 15 .
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of a cooling member for explaining another modified example of the cooling member according to FIG. 15 .
  • the weak portion 600 of the present embodiment 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 the weak portion 600 and a second portion in which the weak portion 600 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 600 has a slightly smaller thickness value than other portions, it can be relatively easily pierced by heat or pressure.
  • the lower plate 520 of the cooling member 500 may include at least one groove portion 522 .
  • the groove portion 522 may be a thin portion that is easily broken by high temperature or high pressure when the battery cell is ignited. Accordingly, in the present embodiment, the weak portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 in which the groove portion 522 is formed or the groove portion 522 .
  • the coolant since the coolant is located between the upper plate 510 and the lower plate 520 and directly contacts the lower plate 520 on which the weak portion 600 is formed, the coolant may leak through the gap around the opening 521.
  • the lower plate 520 since manufacturing the lower plate 520 to include two materials having different physical properties involves a complicated manufacturing process, manufacturing time and manufacturing cost may increase.
  • the sealing member 529 or the cover film 580 having a low melting point is not located on the lower plate 520, and the opening 521 is not formed in the lower plate 520, A decrease in watertightness and a simplification of the manufacturing process can be achieved.
  • the cross section of the groove 522 may have various shapes.
  • the groove part 522 may have a rectangular cross-sectional shape as shown in FIG. 16(a) by vertically connecting a first part with the groove part 522 and a second part without the groove part 522 formed thereon.
  • a portion of the lower plate 520 has a triangular cross-sectional shape as shown in FIG. 16 (b) or a trapezoidal shape as shown in FIG. 16 (d) can have
  • the connecting surface between the first part and the second part is formed to have a curvature
  • a portion of the lower plate 520 may have a round cross section as shown in FIG. 16(c).
  • the cross-sectional shape of the lower plate 520 according to the formation of the groove portion 522 is not limited by the above-described examples, and may be variously modified in consideration of ease of design.
  • the weak part 600 should be broken by heat or temperature, it may be preferable that the weak part 600 include as many thin parts as possible. Shapes may be desired. However, since the breaking temperature and pressure may be affected by factors such as thickness, physical properties, shape, etc., a different shape of FIG. 16 may not necessarily be preferable than the shape of FIG. 16(b).
  • the groove 522 formed in the lower plate 520 does not face the inside of the cooling member 500 and may be exposed to the outside.
  • the lower surface of the cooling member 500 may have a locally protruding shape, and the protruding lower surface of the cooling member 500 may promote heat dissipation of the battery cell by being located close to or in contact with the battery cell.
  • groove portion 522 of this embodiment may be formed in various ways.
  • the groove portion 522 may be formed by partially etching the lower plate 520 .
  • Grooves 522 may be formed using a notching process.
  • the lower plate 520 may be formed by bonding two layers, and through this, the weak part 600, that is, the groove part 522 may be formed.
  • the lower plate 520 may be formed by bonding a first layer 520A provided as a plate-like member and a second layer 520B having a plurality of holes.
  • the aforementioned groove part 522 or the weak part 600 may be formed by a hole formed in the second layer 520B.
  • hatched portions represent the second layer 520B, and a partially empty space between the hatched lines represents a cross section of a hole formed in the second layer 520B. This is expressed
  • a part of the lower plate 520 has a relatively thick thickness by including the first layer 520A and the second layer 520B, and another part of the lower plate 520 has a relatively thin thickness by including only the first layer 520A.
  • a portion having the first layer 520A may be referred to as a first portion
  • a portion having both the first layer 520A and the second layer 520B may be referred to as a second portion.
  • the thickness of the first portion may correspond to the thickness of the first layer 520A
  • the thickness of the second portion may correspond to the thicknesses of the first layer 520A and the second layer 520B.
  • the groove portion 522 when the groove portion 522 is formed through an etching process, a device used for this may be difficult to control at a precise level, and when the thickness of the lower plate 520 is thin, or the thickness of the weak portion 600 is desired. If it is thin, there is a risk that the lower plate 520 may be damaged in the process of forming the groove portion 522 .
  • a portion of the lower plate 520 that is already sufficiently thin may have to be formed to have a thickness of a thin film level, and if the control of the device is not perfect, the lower plate 520 ) is damaged or the dimensional stability of the weak part 600 is lowered, so process cost and process time due to an increase in defective products may be wasted.
  • the first layer 520A forming the weak part 600 may be made of an aluminum material that can be melted or broken by temperature, pressure, or spark during thermal runaway.
  • the thickness of the first layer 520A can be designed to be thick enough to a level that can be melted by thermal runaway of the battery cell.
  • the first layer 520A may have a thickness of 0.5 mm or less, 0.4 mm or less, 0.3 mm or less, 0.2 mm or less, or 0.1 mm or less.
  • the first layer 520A has a thickness of 0.5 mm or less, 0.4 mm or less, 0.3 mm or less, 0.2 mm or less, or 0.1 mm or less. It is provided as an aluminum plate having a thickness of less than mm, and the second layer 520B may be provided in a state in which a hole is formed in an aluminum plate having a thickness of 1.0 to 1.5 mm or more. Also, according to embodiments, the first layer 520A may be provided thinner, for example, an aluminum plate having a thickness of 0.03 to 0.07 mm, 0.04 to 0.06 mm, or 0.05 mm. In this way, when the aluminum plates of the second layer 520B are bonded to one surface of the first layer 520A, the lower plate 520 having the weak portion 600 having a sufficiently thin thickness may be formed.
  • the thickness values of all the weak parts 600 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 600 may not show a deviation depending on its location.
  • a part of the weakened part 600 may be formed thicker than designed, and accordingly, a specific part may be difficult to break due to heat or pressure. Since all of the weak parts 600 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 520A or the second layer 520B may be made of clad metal, which is a double-layer metal material.
  • the bonding of the layers is formed through a brazing process, and since the first layer 520A is positioned below the second layer 520B, the cross section of the lower plate 520 may be provided with a structure similar to that of FIG. 16 .
  • the first layer 520A may be 3000-series aluminum
  • the second layer 520B may be a clad metal including 3000-series and 4000-series aluminum. Since the second layer 520B includes the clad metal, 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 upper plate 510 may be made of 3000 series aluminum.
  • the bonding of the layers is formed through a brazing process, and since the first layer 520A is positioned above the second layer 520B, the cross section of the lower plate 520 may be provided with a structure similar to that of FIG. 17 there is.
  • the first layer 520A may include 3000-series and 4000-series clad metal
  • the second layer 520B may include 3000-series aluminum
  • 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 520A provided as a clad metal.
  • the first layer 520A may be made of 3000-series aluminum
  • the second layer 520B or the upper plate 510 may be made of 3000-series or 4000-series clad metal.
  • the cooling member 500 can be described as having 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. Here, since 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 flow rate deviation of the cooling member 500 may depend on the thickness difference of the lower plate 520 .
  • the flow rate per unit length may be relatively high around the first portion where the weak portion 600 is formed, and the flow rate per unit length may be relatively low around the second portion where the weak portion 600 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 600 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 600 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 600 is opened, the cooling water of the cooling member 500 is ignited. It can be injected more quickly toward one battery cell (110A).
  • each layer of the cooling member 500 is shown as being positioned in the order of the first layer 520A, the second layer 520B, and the top plate 510, but the second layer 520B, the first It may also be possible to place the layer 520A and the top plate 510 in that order.
  • the second layer 520B forming the 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 is promoted by the second layer 520B. may appear.
  • the upper plate 510 may be referred to as a third layer and may be made 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 520B 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 520A may have a thickness of 0.5 mm or less, 0.4 mm or less, 0.3 mm or less, 0.2 mm or less, or 0.1 mm or less.
  • the first layer 520A may be formed thin enough to have the characteristics of the weak portion 600, 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 bonding processes such as a welding process and a rolling process may be applied to interlayer bonding.
  • various bonding processes such as a welding process and a rolling process may be applied to interlayer bonding.
  • the bonding of the layers is formed through brazing, the physical properties of the first layer 520A, the second layer 520B, and the third layer that is the top plate 510 are Since it can be explained through the above description, detailed description will be omitted.
  • the battery rack of the embodiment described below is the same as the content of the above-described embodiment except that the structure of the cooling member included in the battery pack is different. Therefore, in describing the present embodiment, the same reference numerals are assigned to components common to those of the above-described embodiment, and detailed descriptions are omitted.
  • FIG. 20 is a perspective view illustrating a cooling member of a battery pack included in a battery rack according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 21 is a top view of the cooling member according to Fig. 20;
  • FIG. 22 is a view showing the coupling of the lower plate, the cooling tube, and the cooling hose included in the cooling member according to FIG. 20 .
  • FIG. 23 shows the cooling member shown in FIG. 21 cut along line B-B, and shows cooling water flowing into or flowing out of the cooling tube and the cooling hose.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of the cooling member of FIG. 21 taken along line B-B, and is a view illustrating the injection of cooling water by a cooling hose when a battery cell is ignited.
  • the cooling member 500 of this embodiment may include a cooling tube 540 and a cooling hose 550 through which cooling water flows.
  • the lower plate 520 may be provided in a plate shape to support the cooling tube 540 or the like.
  • the upper plate 510 may be replaced by a cooling tube 540 or the like and may be omitted.
  • the cooling tube 540 is mounted on the upper surface of the lower plate 520
  • the cooling hose 550 is mounted on the cooling tube 540
  • the fixing member 560 is coupled to the lower plate 520. It can be manufactured by
  • the coolant since the coolant is located between the upper plate 510 and the lower plate 520 and directly contacts the lower plate 520 on which the weak portion 600 is formed, the coolant may leak through the gap around the opening 521. There is a possible problem.
  • manufacturing the lower plate 520 to include two materials having different physical properties involves a complicated manufacturing process, manufacturing time and manufacturing cost may increase.
  • the cooling member 500 of the present embodiment since the cooling water is isolated from the cooling tube 540 or the cooling hose 550, it is possible to minimize the decrease in watertightness caused by the opening 521.
  • the manufacturing process of the cooling member 500 is simplified, and manufacturing time and cost can be reduced. .
  • the lower plate 520 may include at least one opening 521 .
  • the opening 521 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 protrusion 524 extending from one side of the lower plate 520 and continuously positioned along one corner of the lower plate 520 may be formed around the lower plate 520 .
  • the protruding portion 524 may promote heat dissipation of the corresponding portion by contacting or being placed close to the electrode lead of each battery cell stack or the bus bar connected to the electrode lead.
  • a barrier 526 may be formed on the lower plate 520 .
  • the barrier 526 may extend along the longitudinal direction of the cooling member 500 from the center in the width direction of the cooling member 500 except for a predetermined section.
  • the cooling tube 540 can be mounted in place by the barrier 526 and the fixing member 560 can be stably fixed.
  • the width direction of the cooling member 500 may be a direction parallel to the short side of the cooling member 500 .
  • a longitudinal direction of the cooling member 500 may be a direction parallel to a long side of the cooling member 500 .
  • the cooling tube 540 may provide a cooling water flow path for heat dissipation of the battery cells. Cooling water injected through the inlet port 532 may be received inside the cooling tube 540 , and cooling water accommodated in the cooling tube 540 may be discharged through the outlet port 534 . As cooling water flows in or out of the cooling tube 540 , the cooling member 500 may be maintained at a relatively constant temperature.
  • the cooling water in the cooling tube 540 may be designed to be continuously circulated by being connected to an external cooling system 60 connected to the inlet/outlet port 530 to maintain the constant temperature.
  • the lower plate 520 cooled by the cooling tube 540 may promote heat dissipation of the battery cells.
  • the cooling tube 540 may be made of a material having high thermal conductivity, and through this, heat of the lower plate 520 may be quickly absorbed.
  • the cooling tube 540 may be made of a material having sufficient rigidity to withstand the pressure and weight of the cooling water accommodated therein.
  • the cooling tube 540 may be made of the same material as that of the lower plate 520 or a material similar thereto.
  • a material of the cooling tube 540 may include, for example, aluminum, gold, silver, copper, platinum, or an alloy including these.
  • the cooling tube 540 may be mounted at a position where the barrier 526 is not formed on the lower plate 520 .
  • the outer shape of the cooling tube 540 may be similar to that of the lower plate 520 except for the protrusion 524 .
  • the cooling tube 540 may have a square tubular shape and may be branched into two parts corresponding to the inlet port 532 and the outlet port 534 in consideration of the position of the barrier 526 . Through this, the cooling tube 540 may form a U-shaped passage.
  • the cooling tube 540 has a first part 542 extending from the inlet port 532 along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 500, clockwise or counterclockwise at the end of the first part 542. a second portion 544 extending along a curve rotating in a direction, and a second portion extending along a straight line parallel to the longitudinal direction of the cooling member 500 toward the outlet port 534 from an end of the second portion 544. It may include three parts (546).
  • the cooling tube 540 may include a receiving portion 548 to which the cooling hose 550 is mounted.
  • the accommodating part 548 may mean an accommodation space in which the cooling hose 550 is mounted in the cooling tube 540 .
  • the accommodating portion 548 may be a long groove extending along the longitudinal direction of the cooling member 500, and the cross section of the accommodating portion 548 may be polygonal such as a square or circular. Both ends of the cooling hose 550 in the longitudinal direction may be connected to both ends of the accommodating portion 548 in the longitudinal direction. Both ends of the cooling hose 550 may be inserted into both ends of the receiving portion 548 in the longitudinal direction. Connections between both ends of the accommodating portion 548 in the longitudinal direction and both ends of the cooling hose 550 may be sealed to ensure watertightness.
  • a gasket is provided at a connection between the cooling hose 550 and the accommodating portion 548, 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 550 may be formed at both ends of the cooling hose 550, and the extensions may be inserted into the ends of the receiving portion 548 to cool the tube 540.
  • 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 550 .
  • the first expansion part may be located inside the cooling tube 540
  • the second expansion part may be located outside the cooling tube 540
  • the two expansion parts are in close contact with the cooling tube 540, so that the cooling hose 550 and the cooling
  • the coupling between the tubes 540 may be further supplemented.
  • 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 of the cooling tube 540 through the projections.
  • the cooling hose 550 may be connected to the cooling tube 540 to provide a flow path for cooling water implementing heat dissipation of the battery cells. Cooling water introduced from the inlet/outlet port 530 may move to the cooling hose 550 . The cooling hose 550 may receive cooling water from a cooling tube 540 located close to the inlet/outlet port 530 .
  • the fixing member 560 may supplement rigidity of the cooling member 500 by fixing the lower plate 520 , the cooling tube 540 , and the cooling hose 550 .
  • the fixing member 560 may fix the position of the cooling tube 540 and the cooling hose 550 through a combination with the lower plate 520 .
  • the fixing member 560 may be provided in the shape of a strap having a length.
  • the fixing member 560 may be positioned parallel to the width direction of the cooling member 500 .
  • a plurality of fixing members 560 may be provided along the length direction of the cooling member 500, and the plurality of fixing members 560 may be arranged at regular intervals.
  • the fixing member 560 may be made of a material with high rigidity to maintain the shape of the cooling member 500, and may be made of metal, for example.
  • the fixing member 560 may be coupled to both ends of the cooling member 500 in the width direction.
  • the fixing member 560 may be coupled to the center of the cooling member 500 in the width direction.
  • the fixing member 560 may include end coupling portions 562 formed at both ends of the fixing member 560 in the longitudinal direction and a central coupling portion 564 formed at the center of the fixing member 560 in the longitudinal direction.
  • the end coupling parts 562 of the fixing member 560 may be coupled with the protrusions 524 located at both ends of the lower plate 520 in the width direction.
  • the central coupling part 564 of the fixing member 560 may be coupled to the barrier 526 located at the center of the lower plate 520 in the width direction.
  • the distal coupling portion 562 and the central coupling portion 564 may be formed to have a step with other portions of the fixing member 560 and may have a height slightly lower than other portions of the fixing member 560 .
  • the end coupling portion 562 may be formed to have a larger step than the central coupling portion 564.
  • the cooling member 500 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 550, can be used as the cooling member 500. ), and the design of the cooling member 500 can be easier and more diverse.
  • the cooling hose 550 may be positioned to correspond to the opening 521 of the lower plate 520 .
  • the cooling hose 550 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 550 corresponding to the opening 521 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 500. A fire in a battery cell can be extinguished.
  • the receiving portion 548 in which the cooling hose 550 is mounted may also be formed to correspond to the opening 521 of the lower plate 520 .
  • the weak part 600 of this embodiment may refer to a portion of the lower plate 520 where the opening 521 is located.
  • the weak part 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the opening 521 closed by the cooling hose 550 is formed.
  • the cooling hose 550 may be made of a material that melts or breaks at a predetermined temperature or pressure.
  • the cooling hose 550 may be made of the same or similar material as the sealing member 529 of the above-described embodiment.
  • the cooling tube 540 in order to realize the above effect, a configuration in which a part of the cooling tube 540 is broken and the cooling water is injected may be possible without separately manufacturing the cooling hose 550 .
  • the cooling tube 540 in order for the cooling tube 540 to withstand the pressure of the cooling water flowing into the inside and to maintain its shape, the cooling tube 540 must be made of a material with sufficient rigidity, so it must be made of a material that is easily melted by heat or broken by pressure. Manufacturing has a problem in that the overall durability of the cooling member 500 can be reduced. Therefore, it may be desirable to improve the performance of the entire cooling member 500 by configuring the cooling hose 550, which can be easily broken by heat, separately from the cooling tube 540, as in the present embodiment.
  • the battery pack included in the embodiments of the present invention may further include a battery management system (BMS) and/or a cooling device that manages temperature or voltage of the battery.
  • BMS battery management system
  • a cooling device that manages temperature or voltage of the battery.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙은 적어도 하나의 전지 팩 및 상기 전지 팩이 거치된 랙 프레임을 포함하고, 상기 전지 팩은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 팩 프레임, 및 상기 전지셀 적층체의 상측에 위치하고, 냉각수를 포함하는 냉각 부재를 포함하고, 상기 냉각 부재는 상기 랙 프레임에 거치된 워터 탱크와 연결되며, 상기 냉각 부재의 하부판에는 소정의 온도 또는 압력 이상에서 파단되거나 용융되는 취약부가 적어도 하나 형성되고, 상기 냉각 부재의 취약부가 개방됨으로써 상기 냉각수의 수위가 낮아지면, 상기 워터 탱크로부터 상기 냉각 부재로 냉각수가 공급된다.

Description

배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 02월 08일자 한국 특허 출원 제10-2022-0015920호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 연쇄적인 열폭주 현상을 방지하기 위한 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치에 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) 또는 전지 팩(Battery Pack)이 사용된다. 여기서, 전지 팩은 적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈에 기타 구성요소를 추가하여 구성되는 방법이 일반적이나, 반드시 그러한 것은 아니며, 전지셀을 전지 팩에 직접적으로 장착하는 것도 가능하다. 또한, 전지 팩은 다양한 전압과 용량 요구 조건 등에 따라, 이러한 전지 팩을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 랙들로 구비되는 전력 저장 장치를 구성하기도 한다. 한편, 전지 모듈 또는 전지 팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 주로 사용되고 있다.
한편, 전지 팩에 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. 배터리 랙에 포함된 복수 개의 전지 팩들 중 적어도 어느 하나의 전지 팩에서 발화가 발생하는 경우, 인접한 주위 전지 팩들로 화염 및 열이 전파될 수 있고, 추가적인 발화로 이어져 중대한 재산상 손실이나 커다란 인명피해 등을 야기하는 문제가 있다.
최근에는 이러한 열폭주 현상을 방지하기 위해서 전지 팩 내에 화재 발생 시 냉각수를 주입함으로써 화재를 진압하는 방법이 개발되고 있다. 그러나, 열폭주를 진압하기 위해서는 다소 많은 양의 냉각수가 필요하므로, 투입된 냉각수가 부족한 경우에는 화재 진압효과가 다소 저하되는 문제가 있다.
따라서, 전지 팩들 중 적어도 하나의 발화 시 충분한 양의 냉각수를 공급함으로써 인접한 전지 팩 측으로의 화염 및 열의 전파를 방지할 수 있는 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 팩들 중 적어도 하나의 내부 발화 시 적시 적소에 충분한 양의 냉각수를 투입할 수 있는 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치를 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 배터리 랙은 적어도 하나의 전지 팩 및 상기 전지 팩이 거치된 랙 프레임을 포함하고, 상기 전지 팩은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 팩 프레임, 및 상기 전지셀 적층체의 상측에 위치하고, 냉각수를 포함하는 냉각 부재를 포함하고, 상기 냉각 부재는 상기 랙 프레임에 거치된 워터 탱크와 연결되며, 상기 냉각 부재의 하부판에는 소정의 온도 또는 압력 이상에서 파단되거나 용융되는 취약부가 적어도 하나 형성되고, 상기 냉각 부재의 취약부가 개방됨으로써 상기 냉각수의 수위가 낮아지면, 상기 워터 탱크로부터 상기 냉각 부재로 냉각수가 공급된다.
상기 워터 탱크는 상기 랙 프레임의 상부에 위치할 수 있다.
상기 냉각 부재는 내부 공간에 냉각수를 주입하기 위한 인렛 포트 및 아웃렛 포트를 포함하고, 상기 인렛 포트 및 상기 아웃렛 포트는 외부의 냉각 시스템와 연결되며, 상기 인렛 포트 및 상기 아웃렛 포트를 통해 상기 냉각 부재의 냉각수가 순환될 수 있다.
상기 인렛 포트는 유입 매니폴드를 통해 상기 냉각 시스템과 연결되고, 상기 아웃렛 포트는 배출 매니폴드를 통해 상기 냉각 시스템과 연결되며, 상기 워터 탱크는 배출 매니폴드와 연결될 수 있다.
상기 전지 팩은 복수이고, 상기 워터 탱크는 상기 복수의 전지 팩에 포함된 각각의 냉각 부재와 연결될 수 있다.
상기 냉각 부재의 하부판에는 다수의 개구부가 형성되고, 상기 개구부는 밀봉 부재에 의해 폐쇄되며, 상기 취약부는 상기 하부판에서 상기 밀봉 부재에 의해 폐쇄된 상기 개구부가 위치하는 부분일 수 있다.
상기 냉각 부재는 냉각수의 유로를 제공하는 냉각 튜브 및 상기 냉각 튜브에 장착된 냉각 호스를 포함하고, 상기 하부판에는 다수의 개구부가 형성되고, 상기 냉각 호스는 상기 개구부와 대응되도록 위치하며, 상기 취약부는 상기 하부판에서 상기 냉각 호스에 의해 폐쇄된 상기 개구부가 위치하는 부분일 수 있다.
상기 하부판과 상기 냉각 튜브는 스트랩 형상의 고정 부재에 의해 연결될 수 있다.
상기 하부판은 상기 취약부가 형성된 제1 부분 및 상기 취약부가 형성되지 않은 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분의 두께 값은 상기 제2 부분의 두께 값 보다 작을 수 있다.
상기 제1 부분의 두께 값은, 상기 제2 부분의 두께 값의 절반 이하일 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 상부판은 굴곡부를 포함하고, 상기 굴곡부의 마루는 상기 제1 부분과 대응되고, 상기 굴곡부의 골은 상기 제2 부분과 대응될 수 있다.
상기 냉각 부재의 상부판은 상기 팩 프레임과 일체화될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 저장 장치는 상술한 배터리 랙을 적어도 하나 포함한다.
실시예들에 따르면, 전지 팩 내부의 냉각 부재로부터 열폭주가 발생한 전지셀로 냉각수가 투입될 수 있고, 이 때 워터 탱크로부터 냉각 부재에 충분한 양의 냉각수가 공급됨으로써 내부 화재가 신속하게 진압되고, 연속적인 열폭주 현상이 방지될 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 배터리 랙을 포함하는 전력 저장 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 배터리 랙의 일 측면을 모식화한 도면이다.
도 3 및 도 4는 열폭주 현상 전후의 배터리 랙의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 사시도이다.
도 6 및 도 7은 도 5에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 분해 사시도이다.
도 8은 도 5에 따른 전지 팩에 포함된 셀블록의 사시도이다.
도 9는 도 5에 따른 전지 팩에 포함된 냉각 부재의 하부판을 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 열폭주 현상 전후의 냉각 부재의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 5에 따른 전지 팩에 폼 패드가 제공된 경우, 열폭주 현상 후의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다.
도 14는 도 13에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 커버 필름의 결합을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 냉각 부재의 하부판을 도시한 사시도이다.
도 16은 도 15의 A-A절단면의 예시들을 도시한 도면이다.
도 17은 도 15에 따른 냉각 부재의 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다.
도 18은 도 15에 따른 냉각 부재의 다른 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다.
도 19는 도 15에 따른 냉각 부재의 또 다른 변형 예를 설명하기 위한 냉각 부재의 단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다.
도 21은 도 20에 따른 냉각 부재의 상면도이다.
도 22는 도 20에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 냉각 튜브 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다.
도 23은 도 21에 따른 냉각 부재가 B-B선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 냉각 튜브 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다.
도 24는 도 21에 따른 냉각 부재가 B-B선을 따라 절단된 단면을 도시한 것으로, 전지셀의 발화 시 냉각 호스에 의한 냉각수의 투입을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 특정 부재의 상면/하면은 어느 방향을 기준으로 하느냐에 따라서 상이하게 판단될 수 있으므로, 명세서 전체에서, ‘상면’ 또는 ‘하면’은 해당 부재에서 z축 상 마주보는 두 면을 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 포함하는 전력 저장 장치의 사시도이다. 도 2는 도 1에 따른 배터리 랙의 일 측면을 모식화한 도면이다. 도 3 및 도 4는 열폭주 현상 전후의 배터리 랙의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 2는 본 실시예의 배터리 랙에서 냉각 부재의 인아웃 포트와 유출/유입 매니폴드 사이의 연결을 설명하기 위하여 유출/유입 매니폴드 및 냉각 시스템을 생략하여 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 전력 저장 장치(1)는 이하에서 설명하는 배터리 랙(10)을 적어도 하나 포함할 수 있다. 전력 저장 장치(1)는 에너지원으로서, 가정용 또는 산업용으로 이용될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 랙(10)은 랙 프레임(11)에 거치된 적어도 하나의 전지 팩(1000)을 포함할 수 있다. 배터리 랙(10)의 전지 팩(1000)은 워터 탱크(2000)와 연결될 수 있다. 배터리 랙(10)은 전지 팩(1000) 및 워터 탱크(2000)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 전지 팩(1000)은 냉각 부재(500)를 포함할 수 있다. 냉각 부재(500)는 전지셀을 비롯한 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 온도를 낮추기 위해 제공되는 것일 수 있다. 냉각 부재(500)는 냉매 또는 냉각수가 주입되는 수냉식 냉각 부재(500)일 수 있다. 냉각 부재(500)가 수냉식으로 제공됨으로써, 냉각 부재(500)의 냉각 효율은 균일하게 유지될 수 있고, 전지 모듈 또는 전지 팩 내의 전지셀들이 고르게 냉각될 수 있다. 이 때, 냉각 부재(500)에 사용되는 냉각수는 공지된 것들 중 하나 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 냉각 부재(500) 내부에서 유로를 따라 이동함으로써 전지셀들의 열을 방출할 수 있는 것이라면 공지된 것들 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.
냉각 부재(500) 내의 냉각수는 그 온도의 항상성을 유지하기 위해 인렛/아웃렛 포트(530)를 통해 외부의 냉각 시스템(60)과 연결되어, 지속적으로 순환되도록 설계될 수 있다. 냉각 부재(500)의 인렛 포트(532)는 유입 매니폴드(40)와 연결되고, 아웃렛 포트(534)는 배출 매니폴드(20)와 연결될 수 있다.
배출 매니폴드(20) 및 유입 매니폴드(40)는 냉각 시스템(60)과 연결될 수 있다. 냉각 시스템(60)은 배터리 랙(10)에 포함된 각각의 냉각 부재(500)와 병렬로 연결될 수 있다. 냉각 시스템(60)은 냉각 부재(500)로의 냉각수 공급을 원활히 할 수 있는 펌프를 포함할 수 있다. 냉각 시스템(60)이 펌프를 포함하는 경우, 펌프의 저압부, 즉 펌프의 유입구는 배출 매니폴드(20)와 연결되고, 펌프의 고압부, 즉 펌프의 배출구는 유입 매니폴드(40)와 연결될 수 있다.
한편, 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, 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 어려웠고, 종래의 주수 시스템이 빠르게 진행되는 연속적인 열폭주 현상을 제지하기 힘든 실정이었다. 따라서, 본 실시예에서는 전지 팩(1000)의 내부 발화 시 냉각수가 화재 장소에 즉시 공급될 수 있도록, 냉각 부재(500)에 소정의 온도 또는 압력에서 용융되거나 파단되는 취약부(600, 도 10등 참고)를 형성할 수 있다.
그러나, 특정 전지셀에서 발화 현상이 발생하는 경우, 이를 진압하기 위해서는 다량의 냉각수가 필요하나 본 실시예의 냉각 부재(500)는 전지 팩(1000) 내에 위치하므로, 그 부피를 증가시키는 데 한계가 있을 수 있다. 따라서 취약부(600)의 개방을 통해 전지 팩(1000) 내에 냉각수가 주입되더라도 냉각수의 양이 부족하여 발화 현상이 효과적으로 진압되지 않을 수 있다. 따라서 본 실시예의 배터리 랙(10)은 냉각 부재(500)에 추가적인 냉각수를 공급할 수 있는 워터 탱크(2000)를 구비할 수 있다.
워터 탱크(2000)는 배출 매니폴드(20)와 연결될 수 있다. 워터 탱크(2000)는 저압의 냉각수가 흐르는 배출 매니폴드(20)와 연결될 수 있다. 추가적인 냉각수가 요구되는 상황에서, 워터 탱크(2000)의 냉각수는 배출 매니폴드(20)를 통해 냉각 부재(500)로 투입될 수 있다. 배출 매니폴드(20)는 워터 탱크(2000)와 연결되기 위해 냉각 부재(500)의 아웃렛 포트(534)와 연결된 관으로부터 분기된 관을 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 발화 현상이 발생하기 전에는 화살표 방향을 따라 유입 매니폴드(40), 인렛 포트(532), 아웃렛 포트(534), 배출 매니폴드(20), 냉각 시스템(60) 순으로 냉각수가 순환할 수 있다. 이 때, 냉각수는 폐회로를 따라 순환하고, 냉각 부재(500) 내의 냉각수의 수위는 일정하게 유지되므로, 워터 탱크(2000)의 냉각수는 냉각 부재(500)의 내부로 공급되지 않을 수 있다. 워터 탱크(2000)의 냉각수는 냉각 시스템(60)에 의해 순환되지 않을 수 있다.
도 4를 참조하면, 발화 현상이 발생한 후, 냉각 부재(500) 내의 냉각수는 전지 팩(1000) 내부로 투입될 수 있고, 냉각 부재(500) 내부의 수위는 감소할 수 있다. 이때, 워터 탱크(2000)의 냉각수가 중력 또는 유압차에 의해 냉각 부재(500)로 공급됨으로써 전지 팩(1000) 내부에 추가적인 냉각수가 투입될 수 있고, 전지 팩(1000)의 발화 현상이 효과적으로 진압될 수 있다.
이 때, 냉각 시스템(60)에 의한 냉각수의 순환은 정지될 수 있다. 냉각 시스템(60)은 전지 팩(1000)에 발화 현상이 발생하는 경우, 동작을 정지하도록 프로그래밍 될 수 있다. 그러나 반드시 그러한 것은 아니며, 전지 팩(1000)의 발화 현상 후에도 냉각 시스템(60)의 동작이 계속되도록 설계될 수도 있다.
워터 탱크(2000)는 랙 프레임(11)에 거치될 수 있다. 구체적으로, 워터 탱크(2000)는 랙 프레임(11)에서 빈 공간에 위치할 수 있으며, 예를 들어 랙 프레임(11)의 상부에 위치할 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, 워터 탱크(2000)가 랙 프레임(11)의 상부의 빈 공간에 위치하면, 배터리 랙(10) 자체의 부피가 증가되지 않으면서도 배터리 랙(10)에 추가적인 워터 탱크(2000)가 구비될 수 있어 배터리 랙(10)의 공간 효율성이 향상될 수 있다.
또, 워터 탱크(2000)가 랙 프레임(11)의 상부에 위치하면, 중력에 의해 워터 탱크(2000)로부터 냉각 부재(500)로 냉각수가 주입되기 쉬울 수 있다. 워터 탱크(2000)가 냉각 부재(500)보다 하측에 위치하면, 워터 탱크(2000)는 냉각 부재(500)에 추가적인 냉각수를 공급하기 위해 펌프 등을 구비해야 할 수 있으나, 워터 탱크(2000)가 냉각 부재(500)의 상측에 위치하면 중력에 의해 냉각수가 공급될 수 있어, 구조의 단순화 또는 설계의 단순화 측면에서 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
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 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, 이를 통해 전지셀 적층체는 팩 프레임 내의 냉각 부재와 보다 가까이 위치할 수 있고, 냉각 부재에 의한 방열이 보다 쉽게 달성될 수 있다.
따라서, 이하에서 설명하는 ‘전지 팩’은 전지셀 적층체 및 이를 수용하는 프레임을 포함하는 구조이므로, 종래와 같은 밀폐된 전지 모듈을 포함하는 것으로 한정되지 않으며, 전지셀 적층체 및 이와 연결된 여러 부품들이 조립된 구조를 넓게 지칭할 수 있다. 이러한 관점에서, 본 실시예의 전지 팩은 필요에 따라 전지 모듈로 지칭될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 사시도이다. 도 6 및 도 7은 도 5에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 분해 사시도이다. 도 8은 도 5에 따른 전지 팩에 포함된 셀블록의 사시도이다. 도 9는 도 5에 따른 전지 팩에 포함된 냉각 부재의 하부판을 도시한 도면이다. 도 10 및 도 11은 열폭주 현상 전후의 냉각 부재의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 도 5에 따른 전지 팩에 폼 패드가 제공된 경우, 열폭주 현상 후의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 적어도 하나의 셀블록(100), 셀블록(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 셀블록(100) 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.
본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 프레임 등에 의해 밀폐되지 않은 셀블록(100)을 포함할 수 있다. 셀블록(100)은 종래의 전지 모듈에서 모듈 프레임이 생략된 구조와 유사할 수 있으며, 이에 따라 ‘개방된 구조’의 전지 모듈 또는 ‘모듈-리스 구조’의 전지 모듈로 지칭될 수도 있다.
셀블록(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.
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. 한편, 도 5 내지 도 8에서는 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 5 내지 도 8에서 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 5 내지 도 8에서 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 x축 상에서 서로 마주보는 두 면으로 도시되었다. 또, 전지셀 적층체(120)에서 최외곽 전지셀(110)이 위치한 면은 전지셀 적층체(120)의 측면으로 지칭될 수 있으며, 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 셀블록(100)의 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 최외곽 전지셀(110)과 접촉하는 두 개의 측면 플레이트(130)의 사이에 위치할 수 있고, 홀딩 스트랩(140)은 전지셀 적층체(120)를 횡단하여 두 개의 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 셀블록(100)의 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 범위 내로 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)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 셀블록(100) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 팩 프레임(200)은 셀블록(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)은 일방향을 따라 개방된 중공 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것과 같이 복수의 셀블록(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)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 셀블록(100)이 배치될 수 있으며, U자 형상의 상부 프레임(220)이 셀블록(100)의 상면 및 x축 상의 두 면을 감싸도록 제공될 수 있다. 또, 상부 프레임(220) 및 하부 프레임(210) 중 어느 하나가 전지 팩(1000)의 y축 상의 두 면을 감싸도록 형성될 수도 있으며, 이러한 경우에는 엔드 플레이트(400)가 생략될 수 있다. 그러나, 도 6에 도시된 팩 프레임(200)의 형상은 예시에 불과한 바, 팩 프레임(200)이 모노 프레임으로 제공되거나, 하부 프레임(210)이 U자 형상으로 제공되고, 상부 프레임(220)이 판 형상으로 제공되는 등 상술한 것과 다른 형태로 제공될 수도 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.
셀블록(100)과 팩 프레임(200)의 내부면 사이에는 수지층(300)이 제공될 수 있다. 수지층(300)은 셀블록(100)의 바닥면과 하부 프레임(210)사이에 제공될 수 있다. 수지층(300)은 셀블록(100)의 상면과 상부 프레임(220) 사이에 제공될 수 있다. 또, 수지층(300)은 후술할 냉각 부재(500)와 상부 프레임(220) 사이에 제공될 수도 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 아니며, 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 셀블록(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 셀블록(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, 셀블록(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/아웃렛 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 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 6의 +z축 방향)에 위치할 수 있다. 그러나 반드시 그러한 것은 아니고, 설계에 따라 냉각 부재(500)는 전지셀 적층체의 하부(-z축 상 방향)에 위치하거나 또는 측부(+/-y축 상 방향)에 위치할 수도 있다.
냉각 부재(500)는 냉각 부재(500)의 외형을 형성하는 상부판(510)과 하부판(520), 및 냉각 부재(500) 내부에 냉각수를 주입하는 인렛/아웃렛 포트(530)를 포함할 수 있다. 냉각 부재(500)는 상부판(510)과 하부판(520)의 가장자리를 결합함으로써 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)에서 결합된 상부판(510)과 하부판(520) 사이에는 냉각수가 내장되거나 순환될 수 있다.
상부판(510) 및 하부판(520)은 판상형으로 제공될 수 있다. 또, 상부판(510) 또는 하부판(520)은 판상형으로 제공되되, 그 중앙 부분은 함몰 또는 만입되어 가장자리 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상부판(510) 또는 하부판(520)은 폭 방향상 단면을 기준으로, 움푹 들어간 형상을 가질 수 있다. 이는 상부판(510) 또는 하부판(520)이 냉각수를 수용하기 위하여, 단차를 통해 내부 공간을 형성한 것일 수 있다. 여기서, 상부판(510) 또는 하부판(520)의 폭 방향은 상부판(510) 또는 하부판(520)의 단변과 평행한 방향일 수 있다.
냉각 부재(500)의 전체적인 방열 성능을 향상시키기 위해서, 냉각 부재(500)의 상부판(510) 또는 하부판(520)은 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, 본 명세서의 도면들에서 상부판(510)은 팩 프레임(200)과 별도의 구성으로 도시되었으나, 전지 팩(1000)의 경량화 또는 열전도율의 향상을 위해 상부판(510)이 팩 프레임(200)의 상면으로 대체되고, 냉각 부재(500)가 팩 프레임(200)과 일체화된 구조로 제공될 수도 있다.
냉각수는 나란히 위치한 인렛 포트(532)을 통해 공급되어 아웃렛 포트(534)로 배출될 수 있다. 인렛 포트(532)와 아웃렛 포트(534)는 냉각 부재(500)의 일단부 측에 평행하게 나란히 위치할 수 있다. 이는 전지 팩(1000)의 외부로부터 공급되는 냉각수의 유입 및 배출에 관한 설계를 단순화하기 위한 것일 수 있다. 또, 이는 인렛 포트(532) 주변과 아웃렛 포트(534) 주변의 온도 차이를 최소화하기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 인렛 포트(532)로 유입되는 냉각수는 가장 낮은 온도를 가지고, 아웃렛 포트(534)로 배출되는 냉각수는 가장 높은 온도를 가질 수 있다. 따라서, 인렛/아웃렛 포트(530)가 인접하게 배치되면, 상호간에 열교환이 나타남으로써 냉각 부재의 내부 공간을 흐르는 전체 냉각수의 온도 편차가 최소화될 수 있다. 따라서, 인렛/아웃렛 포트(530)를 나란히 배치함으로써 냉각 부재(500)는 전체적으로 균일한 방열 성능을 가질 수 있다.
한편, 본 실시예의 냉각 부재(500)에는 적어도 하나의 취약부(600)가 형성될 수 있다.
취약부(600)는 소정의 온도 또는 압력에서 용융되거나 파단되는 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 취약부(600)는 전지 팩(1000)의 내부 발화 시 개방됨으로써 냉각수가 화재 장소에 즉시 공급되도록 하기 위한 구성으로써, 다양한 구조로 제공될 수 있다.
예를 들어, 도 9 내지 도 11을 참조하면, 하부판(520)은 적어도 하나의 개구부(521)를 포함할 수 있고, 개구부(521)는 밀봉 부재(529)로 밀폐될 수 있다. 도 10과 같이, 밀봉 부재(529)는 열폭주 현상 전 개구부(521)를 밀폐함으로써 냉각수의 유출을 방지하고, 도 11과 같이 열폭주 현상 후 용융 또는 파단됨으로써 냉각 부재(500) 내의 냉각수가 전지셀(110)을 향해 투입되도록 할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 취약부(600)는 하부판(520)에서 개구부(521)가 위치한 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 취약부(600)는 하부판(520)에서 밀봉 부재(529)가 위치한 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 취약부(600)는 하부판(520)에서 밀봉 부재(529)에 의해 밀폐된 개구부(521)가 형성된 부분을 지칭하는 것일 수 있다.
밀봉 부재(529)는 소정의 온도 또는 압력에서 용융되거나 파단되는 소재로 제조될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 부재(529)는 300 ℃ 이하의 용융점을 가지는 소재로 제조될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 밀봉 부재(529)는 폴리아미드(PA)를 포함하도록 제조될 수 있다. 구체적인 다른 예를 들어, 밀봉 부재(529)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.
밀봉 부재(529)는 I 형상으로 제공될 수 있다. 밀봉 부재(529)의 양 말단 중 적어도 일부는 하부판(520)의 상면 및 하면과 면접촉할 수 있고, 이를 통해, 밀봉 부재(529)와 하부판(520)의 결합은 용이하게 달성될 수 있다. 설계에 따라, 밀봉 부재(529)와 하부판(520)의 상면 및 하면이 접촉하는 접촉면에 양각 또는 음각의 돌기 또는 홈이 형성될 수 있다. 밀봉 부재(529)에 형성된 돌기 또는 홈과 하부판(520)에 형성된 홈 또는 돌기가 서로 맞물림으로써 냉각수의 압력에 따른 밀봉 부재(529)의 탈락이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
한편, 취약부(600)의 개방에 따라 냉각 부재(500)로부터 전지셀(110)을 향해 냉각수가 배출되더라도, 냉각수가 화재 부위 주변에 집중되지 않으면 화재 진압이 신속하게 달성되기 어려울 수 있다. 따라서, 본 실시예의 전지 팩(1000)은 냉각수가 화재 발생 주변에 집중되도록 하는 폼 패드(700)를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 폼 패드(700)는 냉각 부재(500)와 셀블록(100) 사이에 위치할 수 있다. 폼 패드(700)는 냉각 부재(500)와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있다.
폼 패드(700)는 취약부(600)의 개방 시, 냉각 부재(500)로부터 배출되는 냉각수의 흐름을 안내하기 위한 것일 수 있다. 제1 전지셀(110A)에 열폭주가 발생한 경우, 열폭주가 발생된 위치 주변의 취약부(600)만이 개방될 수 있고, 개방된 취약부(600)를 통해 배출되는 냉각수는 폼 패드(700)에 의해 흐름이 제한되어 제1 전지셀(110A)로 집중될 수 있다. 그러나 폼 패드(700)가 존재하지 않는 경우에는 냉각수가 전지셀 적층체(120)의 상면으로 넓게 퍼질 수 있고, 이에 따라 제1 전지셀(110A)에 충분한 양의 냉각수가 공급되기 어려울 수 있다.
폼 패드(700)는 적어도 하나의 패드 개구부(710)를 포함할 수 있다. 패드 개구부(710)는 냉각 부재(500)의 취약부(600)와 대응될 수 있다. 패드 개구부(710)가 취약부(600)와 대응됨으로써, 취약부(600)로부터 배출되는 냉각수가 폼 패드(700)의 방해 없이 제1 전지셀(110A)로 집중적으로 투입될 수 있다.
폼 패드(700)는 냉각 부재(500)로부터 배출되는 냉각수의 일부를 흡수하기 위한 것일 수 있다. 폼 패드(700)는 다수의 기공을 포함하는 것으로 제공될 수 있으며, 기공을 통해 유체를 흡수할 수 있다. 냉각 부재(500)로부터 배출된 냉각수가 폼 패드(700)에 흡수되면, 제1 전지셀(110A)의 주변에 수분이 잔존할 수 있고, 이를 통해 제1 전지셀(110A)의 소화가 빠르게 달성될 수 있다. 또한, 제1 전지셀(110A)의 상부에 수분이 잔존함으로써 제1 전지셀(110A)로부터 유발될 수 있는 파티클 또는 가스의 방출이 최소화될 수 있다.
폼 패드(700)는 전지 팩(1000)에 포함된 전지셀 적층체(120)와 대응될 수 있다. 전지 팩(1000)에 포함된 전지셀 적층체(120)가 다수인 경우, 폼 패드(700)는 다수의 전지셀 적층체(120)와 대응될 수 있다. 이 때, 폼 패드(700)는 각각의 전지셀 적층체(120)와 대응되도록 복수개가 제공될 수도 있고, 다수의 전지셀 적층체(120)와 대응되도록 하나로 제공될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 실시예의 배터리 랙은, 전지 팩에 포함된 냉각 부재의 구조가 상이한 것 외에는 상술한 실시예의 내용과 동일하다. 따라서, 본 실시예를 설명함에 있어서, 상술한 실시 예와 공통되는 구성에 대해서는 동일한 도면 번호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다. 도 14는 도 13에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 커버 필름의 결합을 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 커버 필름(580)을 포함할 수 있다. 커버 필름(580)은 전지셀(110)의 발화 전 하부판(520)의 개구부(521)를 폐쇄하고, 전지셀(110)의 발화 시 개구부(521)를 개방하기 위한 구성일 수 있다. 전지셀의 발화에 따른 온도 및 압력에 의해 커버 필름(580)이 파단되면, 냉각 부재(500) 내부의 냉각수가 전지셀을 향해 투입됨으로써, 화재가 진압될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 취약부(600)는 하부판(520)에서 개구부(521)가 위치한 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 취약부(600)는 하부판(520)에서 커버 필름(580)에 의해 폐쇄된 개구부(521)가 형성된 부분을 지칭하는 것일 수 있다.
커버 필름(580)은 소정의 온도 또는 압력에서 용융되거나 파단되는 소재로 제조될 수 있다. 커버 필름(580)은 상술한 실시예의 밀봉 부재(529)와 동일하거나 유사한 소재로 제조될 수 있다.
커버 필름(580)은 상부판(510) 및 하부판(520) 사이에 배치되며, 하부판(520)을 커버하도록 위치할 수 있다. 커버 필름(580)은 하부판(520)에 부착될 수 있다. 커버 필름(580)의 외곽 형상은 전체적으로 하부판(520)의 외곽 형상과 유사하거나 동일할 수 있다. 커버 필름(580)의 구체적인 형상은 개구부(521)를 제외한 하부판(520)의 형상과 유사하거나 동일할 수 있다.
커버 필름(580)은 냉각수 무게에 의한 중력 및 냉각수의 흐름에 따른 마찰력을 견딜 수 있도록 소정의 두께 이상을 가지는 것이 바람직하나, 커버 필름(580)이 과도하게 두꺼운 경우에는 냉각 부재(500)의 방열 성능을 저하시킬 수 있으므로, 적절한 두께로 조절될 필요가 있다. 커버 필름(580)의 두께는 2mm 이하, 또는 1.5 mm 이하로 제조될 수 있으나, 커버 필름(580)의 내구성 및 커버 필름(580)에 의한 방열 성능 저하를 고려할 때, 0.5 내지 1.0mm 로 제조되는 것이 바람직할 수 있다. 커버 필름(580)의 두께가 0.5mm 보다 작으면 내구성에 문제가 발생할 수 있고, 커버 필름(580)의 두께가 1.0mm 보다 크면 냉각 부재(500)의 방열 성능을 저하시킬 수 있다.
커버 필름(580)은 하부판(520)과 결합되어 배치되므로, 커버 필름(580)의 상면과 상부판(510) 하면 사이에는 냉각수가 흐를 수 있다. 또한, 커버 필름(580)이 냉각 부재(500)에 부가된다고 하더라도, 인렛/아웃렛 포트(530)에 의한 냉각수 유출입이 커버 필름(580)에 의해 제한되는 것이 아니므로, 냉각 부재(500) 내의 냉각수는 그 온도의 항상성을 위해 인렛/아웃렛 포트(530)와 연결된 외부의 냉각 시스템(60)과 연결되어, 지속적으로 순환되도록 설계될 수 있다.
한편, 하부판(520) 보다 융점이 낮은 소재로 제조되는 밀봉 부재(529) 또는 커버 필름(580)이 냉각 부재(500)에 제공되는 경우, 냉각 부재(500)는 물성이 상이한 2가지 소재를 포함할 수 있다. 종래에는 냉각 부재(500)의 상부판(510) 및 하부판(520)이 주로 브레이징(Brazing) 또는 레이저 용접 등에 의해 결합되었으므로, 이처럼 냉각 부재(500)가 2가지 이상의 소재가 포함하도록 설계되는 경우에는 용접 공정 중에 하나의 소재가 변형될 수 있어 용접 공정이 까다로워지거나 불가능한 문제가 있었다. 또한, 레이저 용접 등을 이용하는 경우 상부판(510) 또는 하부판(520)에 국부적인 온도 구배가 형성될 수 있으므로, 이로 인해 상부판(510) 또는 하부판(520)의 적어도 일부가 휘어지는 문제가 있었다.
따라서, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 이러한 문제를 최소화하기 위해, 기계적 체결 방식을 통해 제조될 수 있다. 본 실시예의 제조에 사용되는 기계적 체결 방식은 열을 가하지 않거나, 냉각 부재(500)에 제공되는 소재의 용융점 보다 낮은 온도의 열을 가함으로써, 냉각 부재(500)를 형성하는 소재의 손상을 최소화할 수 있다.
냉각 부재(500)에 사용되는 기계식 체결 방식의 일 예로는 체결 부재를 통한 결합인 리벳등을 들 수 있다. 냉각 부재(500)는 리벳과 같은 체결 부재를 통해 결합되는 다수의 체결부를 포함할 수 있고, 하부판(520) 등에는 체결 부재가 삽입될 수 있는 체결구가 형성될 수 있다. 도 14에는 하부판(520) 또는 커버 필름(580)에 형성된 체결구의 위치가 점으로 예시되었다.
냉각 부재(500)에 사용되는 기계식 체결 방식의 다른 예로는 클린칭(clinching)을 들 수 있다. 클린칭은 펀치 등을 이용하여 적층된 두 판상형 부재의 일면을 가압하여 그 형상을 변형시킴으로써 두 부재를 기계적으로 결합시키는 변형 접합 방법이다. 클린칭은 그 형상을 고려하여 침투(penetration) 접합으로 지칭될 수도 있다.
이처럼, 냉각 부재(500)의 제조 시 용접 결합 방식 대신 기계식 체결 방식을 적용하면, 제조 과정 중에 과도한 열이 발생되지 않으므로, 냉각 부재(500)에 의도하지 않은 변형이 최소화될 수 있고, 미리 설계된 치수와 최종 제품의 치수 차이가 줄어들게 됨으로써 치수 안정성이 확보될 수 있다. 특히, 냉각 부재(500)에 주로 사용되어왔던 알루미늄 소재의 경우, 용융점인 660℃ 이상의 온도가 가해지면 변형되기 시작할 수 있으나, 상술한 기계식 체결 방식을 적용하면 냉각 부재(500)에 융점 이상의 열이 가해지지 않으므로, 냉각 부재(500)의 치수 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또, 냉각 부재(500)의 제조 시 기계식 체결 방식을 적용하면, 온도에 취약한 특정 소재가 제조 과정 중 변형되지 않을 수 있으므로, 다양한 소재 및 형상의 구조가 냉각 부재(500)에 적용될 수 있으며, 냉각 부재(500)의 설계가 쉽고 보다 다양할 수 있다.
한편, 냉각 부재(500)의 제조 시 기계식 체결 방식이 적용된 경우, 상부판(510) 및 하부판(520) 사이의 수밀성을 보다 향상시키기 위해서, 상부판(510) 및 하부판(520) 사이에는 탄성 부재(590)가 위치할 수 있다. 종래의 용접 결합 방식을 적용하는 경우에는, 열에 다소 취약한 탄성 부재(590)가 상부판(510) 및 하부판(520)의 결합 시 제공되기 어려웠다. 따라서 용접 공정을 이용하는 경우에는 용접면의 수밀성을 보완하기 위하여 주로 상부판(510) 및 하부판(520)의 결합한 후, 추가 공정을 통해 실란트(sealant)등을 도포하였다. 그러나 본 실시예에 따른 냉각 부재(500)는 기계적 결합 방식을 통해 형성되므로, 열에 취약한 탄성 부재(590)를 상부판(510) 및 하부판(520)의 결합 공정 중에 함께 결합할 수 있으며, 이를 통해 제조 공정의 단순화 및 제조 비용의 절감 등이 달성될 수 있다.
탄성 부재(590)는 냉각 부재(500)의 가장자리에 배치되는 띠형 탄성 부재(592)를 포함할 수 있다. 띠형 탄성 부재(592)는 상부판(510)과 하부판(520)이 접촉하는 면에 제공될 수 있고, 상부판(510)과 하부판(520)의 수밀성을 향상시킬 수 있다. 띠형 탄성 부재(592)는 상부판(510)과 하부판(520)의 결합 시 외력에 의해 압축됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520) 사이에 존재하는 틈을 메울 수 있다. 띠형 탄성 부재(592)는 상기 틈을 통해 냉각 부재(500) 내부의 냉각수가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 띠형 탄성 부재(592)는 워터 패드로 지칭될 수도 있다.
탄성 부재(590)는 링형 탄성 부재(594)를 포함할 수 있다. 냉각 부재(500)가 리벳등에 의해 형성되는 경우, 체결부에는 체결구가 형성되므로, 체결부는 냉각 부재(500)의 수밀성을 저하시킬 수 있는 문제가 있다. 그러나, 링형 탄성 부재(594)를 통해 체결부의 수밀성이 보완될 수 있다. 커버 필름(580)이 냉각 부재(500)에 제공되는 경우, 링형 탄성 부재(594)는 커버 필름(580) 상에 위치할 수 있고, 체결부 주변의 틈을 밀폐함으로써 냉각 부재(500)의 수밀성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 링형 탄성 부재(594)는 ‘워터 링’으로 지칭될 수도 있다.
탄성 부재(590)는 탄성력이 있는 유연한 소재로 제조될 수 있다. 탄성 부재(590)는 제조되는 소재의 일 예로는 실리콘 계열의 폼 패드, 아크릴 계열의 폼 패드 또는 우레탄 계열의 폼 패드 등을 들 수 있다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 실시예의 배터리 랙은, 전지 팩에 포함된 냉각 부재의 구조가 상이한 것 외에는 상술한 실시예의 내용과 동일하다. 따라서, 본 실시예를 설명함에 있어서, 상술한 실시 예와 공통되는 구성에 대해서는 동일한 도면 번호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 냉각 부재의 하부판을 도시한 사시도이다. 도 16은 도 15의 A-A절단면의 예시들을 도시한 도면이다. 도 17은 도 15에 따른 냉각 부재의 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다. 도 18은 도 15에 따른 냉각 부재의 다른 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다. 도 19는 도 15에 따른 냉각 부재의 또 다른 변형 예를 설명하기 위한 냉각 부재의 단면도이다.
도 15 내지 도 19를 참조하면, 본 실시예의 취약부(600)는 하부판(520)의 다른 부분 보다 상대적으로 작은 두께 값을 가지는 부분일 수 있다. 구체적으로, 하부판(520)은 취약부(600)로 지칭되는 제1 부분 및 취약부(600)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(600)는 다른 부분 보다 다소 작은 두께 값을 가짐으로써, 열 또는 압력에 의해 비교적 쉽게 뚫릴 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 냉각 부재(500)의 하부판(520)은 적어도 하나의 홈부(522)를 포함할 수 있다. 홈부(522)는 전지셀의 발화 시 고온 또는 고압에 의해 쉽게 파단되도록 두께가 얇게 형성된 부분일 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, 취약부(600)는 하부판(520)에서 홈부(522)가 형성된 부분 또는 홈부(522)를 지칭하는 것일 수 있다.
상술한 실시예들에서는 냉각수가 상부판(510) 및 하부판(520) 사이에 위치하고, 취약부(600)가 형성된 하부판(520)과 직접적으로 접촉하므로 개구부(521) 주변의 틈을 통해 냉각수가 누출될 수 있는 문제가 있다. 또한, 물성이 상이한 2개의 소재를 포함하도록 하부판(520)을 제조하는 것은 복잡한 제조 공정이 수반되므로, 제조 시간 및 제조 비용이 증가할 수 있다. 그러나, 본 실시예의 냉각 부재(500)에서는 하부판(520)에 용융점이 낮은 밀봉 부재(529) 또는 커버 필름(580) 등이 위치하지 않고, 하부판(520)에 개구부(521)가 형성되지 않으므로, 수밀성의 저하 및 제조 과정의 단순화가 달성될 수 있다.
도 16을 참조하면, 홈부(522)의 단면은 다양한 형상을 가질 수 있다. 홈부(522)는 홈부(522)가 형성된 제1 부분과 홈부(522)가 형성되지 않은 제2 부분이 서로 수직하게 연결됨으로써 도 16(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 16(b)와 같은 삼각형 또는 도 16(d)과 같은 사다리꼴의 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 부분과 제2 부분 사이의 연결면이 곡률을 가지도록 형성되는 경우에는, 하부판(520)의 일부는 도 16(c)와 같이 라운드 형상의 단면을 가질 수도 있다. 한편, 홈부(522)의 형성에 따른 하부판(520)의 단면 형상은 상술한 예시들에 의해 한정되지 않는 바, 설계의 용이성 등을 고려하여 다양하게 변형될 수 있다.
취약부(600)가 열 또는 온도에 의해 파단되어야 하는 점을 고려할 때, 취약부(600)는 두께가 얇은 부분이 최대한 많이 포함되는 것이 바람직할 수 있으므로, 도 16(b)의 형상 보다는 도 16의 다른 형상들이 바람직할 수 있다. 단, 파단되는 온도 및 압력은 두께, 물성, 형상 등과 같은 요인의 영향을 받을 수 있는 바, 도 16(b)의 형상 보다 도 16의 다른 형상이 반드시 바람직한 것은 아닐 수 있다.
도 17을 참조하면, 하부판(520)에 형성된 홈부(522)는 냉각 부재(500)의 내부를 향하지 않고, 외부로 드러날 수도 있다. 이 때, 냉각 부재(500)의 하면은 국부적으로 돌출된 형상을 가질 수 있고, 냉각 부재(500)의 돌출된 하면은 전지셀과 가까이 위치하거나, 전지셀과 접촉함으로써 전지셀의 방열을 촉진할 수 있다. 도 17에 도시된 단면 형상은 상하 방향이 반대인 것 외에는 도 16의 내용을 참조하여 설명될 수 있으므로, 자세한 설명을 생략한다.
한편, 본 실시예의 홈부(522)는 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 홈부(522)는 하부판(520)을 부분적으로 식각함으로써 형성될 수 있다. 홈부(522)는 노칭 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
다른 예를 들어, 하부판(520)은 2개의 층을 접합함으로서 형성될 수 있고, 이를 통해 취약부(600), 즉, 홈부(522)가 형성될 수 있다.
도 18을 참조하면, 하부판(520)은 판상형 부재로 제공되는 제1 층(520A) 및 다수의 홀을 구비한 제2 층(520B)을 접합함으로써 형성될 수 있다. 상술한 홈부(522) 또는 취약부(600)는 제2 층(520B)에 형성된 홀에 의해 형성될 수 있다. 참고로, 도 18에서 제1 층(520A)을 제외하고, 빗금으로 표시된 부분은 제2 층(520B)을 나타낸 것으로써, 빗금 사이의 부분적으로 빈 공간은 제2 층(520B)에 형성된 홀의 단면이 표현된 것이다.
하부판(520)의 일부는 제1 층(520A) 및 제2 층(520B)을 포함함으로써 비교적 두꺼운 두께를 가지고, 하부판(520)의 다른 일부는 제1 층(520A)만을 포함함으로써 비교적 얇은 두께를 가질 수 있다. 여기서, 제1 층(520A)을 가지는 부분은 제1 부분으로, 제1 층(520A) 및 제2 층(520B)을 모두 가지는 부분은 제2 부분으로 지칭될 수 있다. 따라서, 제1 부분의 두께는 제1 층(520A)의 두께와 대응되고, 제2 부분의 두께는 제1 층(520A) 및 제2 층(520B)의 두께와 대응될 수 있다.
한편, 취약부(600)가 노칭 공정등을 통해 형성되는 경우와 비교하여 도 18과 같이 두개 층의 접합을 통해 형성되는 경우, 취약부(600)의 치수 안정성이 향상되고, 불량품으로 인한 공정 비용 및 공정 시간이 최소화될 수 있다.
구체적으로, 홈부(522)가 식각 공정을 통해 형성되는 경우, 이에 사용되는 기기는 정밀한 수준으로 제어되기 어려울 수 있고, 하부판(520)의 두께가 얇은 경우, 또는 소망하는 취약부(600)의 두께가 얇은 경우에는 홈부(522)를 형성하는 과정에서 하부판(520)이 손상될 우려가 있다. 구체적으로, 하부판(520)에 취약부(600)가 구비되기 위해서는 이미 충분히 얇은 하부판(520)의 일부를 제거함으로써 박막 수준의 두께가 형성되어야 할 수 있고, 장치의 컨트롤이 완전하지 않은 경우 하부판(520)의 파손되거나 또는 취약부(600)의 치수 안정성이 저하됨으로써 불량품의 증가로 인한 공정 비용 및 공정 시간이 낭비될 수 있다.
하부판(520)이 2개의 층을 접합함으로써 형성되면, 각 층의 두께는 자유로이 조절될 수 있으므로, 취약부(600)는 충분히 얇게 형성될 수 있다. 취약부(600)를 형성하는 제1 층(520A)은 열폭주 현상 시 온도, 압력, 스파크에 의해 용융되거나 파단될 수 있는 알루미늄 소재로 제공될 수 있으며, 이 때, 제1 층(520A)의 두께는 전지셀의 열폭주에 의해 녹을 수 있는 수준까지 충분히 두껍게 설계될 수 있다. 구체적으로 제1 층(520A)은 0.5mm 이하, 0.4mm 이하, 0.3mm 이하, 0.2mm 이하, 또는 0.1mm 이하의 두께로 제공될 수 있다.
예를 들어, 제1 층(520A) 및 제2 층(520B)이 모두 알루미늄으로 제공되는 경우, 제1 층(520A)은 0.5mm 이하, 0.4mm 이하, 0.3mm 이하, 0.2mm 이하, 또는 0.1mm 이하의 두께를 가지는 알루미늄 판재로 제공되고, 제2 층(520B)은 1.0 내지 1.5mm 두께, 또는 그 이상을 가지는 알루미늄 판재에 홀이 형성된 상태로 제공될 수 있다. 또, 실시예에 따라, 제1 층(520A)은 더욱 얇게 제공될 수 있으며, 예를 들어 0.03 내지 0.07mm, 또는 0.04 내지 0.06mm, 또는 0.05mm 두께를 가지는 알루미늄 판재로 제공될 수도 있다. 이처럼 제1 층(520A)의 일면 상에 제2 층(520B)의 알루미늄 판재가 각각 접합되면, 충분히 얇은 두께의 취약부(600)를 가지는 하부판(520)이 형성될 수 있다.
또, 하부판(520)이 2개의 층을 접합함으로써 형성되면, 모든 취약부(600)들의 두께 값은 서로 동일할 수 있다. 하부판(520)에 제1 취약부 및 제2 취약부가 형성될 때, 제1 취약부와 제2 취약부의 두께는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 각 취약부(600)의 두께 값은 그 위치에 따라 편차가 나타나지 않을 수 있다. 취약부(600)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. 본 실시예의 취약부(600)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(520A) 또는 제2 층(520B)은 이중층의 금속 소재인 클래드 금속으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 층의 접합은 브레이징 공정을 통해 형성되고, 제1 층(520A)이 제2 층(520B)의 하측에 위치함으로써 하부판(520)의 단면은 도 16과 유사한 구조로 제공될 수 있다. 여기서, 제1 층(520A)은 3000 계열의 알루미늄, 제2 층(520B)은 3000 계열 및 4000 계열의 알루미늄을 포함하는 클래드 금속일 수 있다. 제2 층(520B)이 클래드 금속을 포함함으로써, 브레이징 공정의 온도는 600℃ 수준으로 설정될 수 있으며, 이에 따라 접합 공정 시 알루미늄의 현상 변형이 방지될 수 있다. 이 때, 상부판(510)은 3000 계열의 알루미늄일 수 있다.
다른 예를 들어, 층의 접합은 브레이징 공정을 통해 형성되고, 제1 층(520A)이 제2 층(520B)의 상측에 위치함으로써 하부판(520)의 단면은 도 17과 유사한 구조로 제공될 수 있다. 여기서, 제1 층(520A)은 3000 계열 및 4000 계열의 클래드 금속을 포함할 수 있고, 제2 층(520B)은 3000 계열의 알루미늄을 포함할 수 있다. 이 때, 상부판(510) 또한 3000 계열의 알루미늄일 수 있으며, 클래드 금속으로 제공되는 제1 층(520A)의 상하 표면에 형성된 4000 계열 알루미늄을 통해 층 사이의 접합이 원활히 수행될 수 있다. 또는, 제1 층(520A)이 3000 계열의 알루미늄으로 제공되고, 제2 층(520B) 또는 상부판(510)이 3000 계열 및 4000 계열의 클래드 금속으로 제공될 수도 있다.
한편, 도 19를 참조하면, 냉각 부재(500)는 3개의 층을 가지는 것으로 설명 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. 냉각 부재(500)의 유량 편차는 하부판(520)의 두께 차이에 의존하게 될 수 있다. 구체적으로, 취약부(600)가 형성된 제1 부분 주변은 단위 길이당 유량이 상대적으로 크고, 취약부(600)가 형성되지 않은 제2 부분 주변은 단위 길이당 유량이 상대적으로 작을 수 있다. 제1 부분 주변의 유량이 더 크면, 취약부(600)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(600)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(600)의 개방 시 냉각 부재(500)의 냉각수가 발화 현상이 발생된 제1 전지셀(110A)을 향해 더 빠르게 주입될 수 있다.
한편, 도 19에서는 냉각 부재(500)의 각 층이 제1 층(520A), 제2 층(520B) 및 상부판(510) 순으로 위치되는 것으로 도시되었으나, 제2 층(520B), 제1 층(520A) 및 상부판(510)의 순으로 위치되는 것도 가능할 수 있다. 이러한 경우, 냉각 부재(500)의 하면을 형성하는 제2 층(520B)은 전지셀과 가까이 위치하거나, 전지셀과 접촉할 수 있으므로 제2 층(520B)에 의해 전지셀의 방열이 촉진되는 효과가 나타날 수 있을 것이다.
또, 도 19와 같은 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(520B)은 1.0 내지 1.5mm, 1.2 내지 1.4mm, 또는 1.3mm 수준의 두께로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 제1 층(520A)은 0.5mm 이하, 0.4mm 이하, 0.3mm 이하, 0.2mm 이하, 또는 0.1mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 또한, 제1 층(520A)은 취약부(600)의 특성을 가지도록 충분히 얇게 형성될 수도 있으며, 구체적으로는 0.03 내지 0.07mm, 또는 0.04 내지 0.06mm의 두께를 가질 수 있다.
3개의 층을 가지는 냉각 부재(500)에서 층간 결합에는 용접 공정, 압연 공정 등 다양한 방식의 접합 공정이 적용될 수 있다. 3개의 층을 포함하는 냉각 부재(500)에서, 층의 접합이 브레이징을 통해 형성되는 경우, 제1 층(520A), 제2 층(520B) 및 상부판(510)인 제3 층의 물성은 상술한 내용을 통해 설명될 수 있으므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 실시예의 배터리 랙은, 전지 팩에 포함된 냉각 부재의 구조가 상이한 것 외에는 상술한 실시예의 내용과 동일하다. 따라서, 본 실시예를 설명함에 있어서, 상술한 실시 예와 공통되는 구성에 대해서는 동일한 도면 번호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 랙에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다. 도 21은 도 20에 따른 냉각 부재의 상면도이다. 도 22는 도 20에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 냉각 튜브 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다. 도 23은 도 21에 따른 냉각 부재가 B-B선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 냉각 튜브 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다. 도 24는 도 21에 따른 냉각 부재가 B-B선을 따라 절단된 단면을 도시한 것으로, 전지셀의 발화 시 냉각 호스에 의한 냉각수의 투입을 나타낸 도면이다.
도 20 내지 도 24를 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 냉각수가 흐르는 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)를 포함할 수 있다. 하부판(520)은 냉각 튜브(540)등을 지지하기 위해 판상형으로 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 상부판(510)은 냉각 튜브(540)등에 의해 대체되어 생략될 수 있다. 냉각 부재(500)는 하부판(520)의 상면에 냉각 튜브(540)를 장착하고, 냉각 튜브(540)에 냉각 호스(550)를 장착한 후, 고정 부재(560)를 하부판(520)과 결합함으로써 제조될 수 있다.
상술한 실시예들에서는 냉각수가 상부판(510) 및 하부판(520) 사이에 위치하고, 취약부(600)가 형성된 하부판(520)과 직접적으로 접촉하므로 개구부(521) 주변의 틈을 통해 냉각수가 누출될 수 있는 문제가 있다. 또한, 물성이 상이한 2개의 소재를 포함하도록 하부판(520)을 제조하는 것은 복잡한 제조 공정이 수반되므로, 제조 시간 및 제조 비용이 증가할 수 있다. 그러나, 본 실시예의 냉각 부재(500)에서는 냉각수가 냉각 튜브(540) 또는 냉각 호스(550)에 격리됨으로써, 개구부(521)에 의한 수밀성의 저하를 최소화할 수 있다. 또, 하부판(520)과 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)를 고정 부재(560)을 통해 결합함으로써, 냉각 부재(500)의 제조 공정이 단순화되고, 제조 시간 및 비용이 축소될 수 있다.
도 22를 참조하면, 하부판(520)은 적어도 하나의 개구부(521)를 포함할 수 있다. 개구부(521)는 전지셀의 내부 발화 시, 발화로 인해 발생된 열 또는 압력에 의해 내부 냉각수를 전지셀로 분사하기 위한 것일 수 있다. 하부판(520)의 둘레에는 하부판(520)의 일 변으로부터 연장되고, 하부판(520)의 일 모서리를 따라 연속적으로 위치하는 돌출부(524)가 형성될 수 있다. 돌출부(524)는 각 전지셀 적층체의 전극 리드 또는 전극 리드와 연결된 버스바와 접촉하거나, 이와 근접하게 배치됨으로써 해당 부분의 방열을 촉진할 수 있다. 또, 하부판(520)에는 둔턱(526)이 형성될 수 있다. 둔턱(526)은 소정의 구간을 제외하고 냉각 부재(500)의 폭 방향상 중앙에서 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 둔턱(526)에 의해 냉각 튜브(540)가 정위치에 장착될 수 있으며, 고정 부재(560)가 안정적으로 고정될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500)의 폭 방향은 냉각 부재(500)의 단변과 평행한 방향일 수 있다. 냉각 부재(500)의 길이 방향은 냉각 부재(500)의 장변과 평행한 방향일 수 있다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 냉각 튜브(540)는 전지셀들의 방열을 위한 냉각수의 유로를 제공할 수 있다. 냉각 튜브(540)의 내부에는 인렛 포트(532)를 통해 주입된 냉각수가 수용될 수 있고, 냉각 튜브(540)에 수용된 냉각수는 아웃렛 포트(534)를 통해 배출될 수 있다. 냉각 튜브(540)로 냉각수가 유입 또는 유출됨으로써 냉각 부재(500)는 비교적 일정한 온도로 유지될 수 있다. 냉각 튜브(540) 내의 냉각수는 그 온도의 항상성을 유지하기 위해 인렛/아웃렛 포트(530)와 연결된 외부의 냉각 시스템(60)과 연결되어, 지속적으로 순환되도록 설계될 수 있다.
냉각 튜브(540)에 의해 냉각된 하부판(520)은 전지셀들의 방열을 촉진할 수 있다. 냉각 튜브(540)는 열전도율이 높은 소재로 제조될 수 있고, 이를 통해 하부판(520)의 열을 빠르게 흡수할 수 있다. 냉각 튜브(540)는 내부에 수용되는 냉각수의 압력 및 무게를 견디기 위해 충분한 강성을 가지는 소재로 제조될 수 있다. 냉각 튜브(540)는 하부판(520)의 소재와 동일하거나, 이와 유사한 소재로 제조될 수 있다. 냉각 튜브(540)의 소재로는 예를 들어, 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등을 들 수 있다.
냉각 튜브(540)는 하부판(520)에서 둔턱(526)이 형성되지 않은 위치에 장착될 수 있다. 냉각 튜브(540)의 외곽 형상은 돌출부(524)를 제외한 하부판(520)의 외곽 형상과 유사할 수 있다.
냉각 튜브(540)는 사각 관형의 형상을 가질 수 있으며, 둔턱(526)의 위치를 고려하여 인렛 포트(532) 및 아웃렛 포트(534)와 각각 대응되는 두 부분으로 분기될 수 있다. 이를 통해, 냉각 튜브(540)는 U자형 유로를 형성할 수 있다. 냉각 튜브(540)는 인렛 포트(532)로부터 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제1 부분(542), 상기 제1 부분(542)의 말단에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 곡선을 따라 연장되는 제2 부분(544), 및 제2 부분(544)의 말단에서 아웃렛 포트(534)를 향해 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제3 부분(546)을 포함할 수 있다.
냉각 튜브(540)는 냉각 호스(550)가 장착되는 수용부(548)를 포함할 수 있다. 수용부(548)는 냉각 튜브(540)에서 냉각 호스(550)가 장착되는 수용 공간을 의미하는 것일 수 있다. 수용부(548)는 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연장되는 긴 홈일 수 있으며, 수용부(548)의 단면은 사각형등의 다각형 또는 원형일 수 있다. 수용부(548)의 길이 방향상 양 말단에는 냉각 호스(550)의 길이 방향상 양 말단이 연결될 수 있다. 수용부(548)의 길이 방향상 양 말단에는 냉각 호스(550)의 양 말단이 삽입될 수 있다. 수용부(548)의 길이 방향상 양 말단과 냉각 호스(550)의 양 말단의 연결 부위는 수밀성 확보를 위해 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 냉각 호스(550)와 수용부(548)의 연결 부위에는 가스켓이 제공되고, 가스켓을 통해 두 부재간의 수밀성이 확보될 수 있다. 다른 예를 들어, 냉각 호스(550)의 양 말단에는 냉각 호스(550)의 말단에서 원주 방향으로 연장되는 확장부가 형성될 수 있고, 확장부는 수용부(548)의 말단에 삽입되어 냉각 튜브(540)의 내측에 위치함으로써 냉각 호스(550)와 냉각 튜브(540) 사이의 결합을 보완할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 냉각 호스(550)의 말단에는 원주 방향으로 연장되는 제1 확장부 및 상기 제1 확장부와 이격된 제2 확장부가 형성될 수 있다. 제1 확장부는 냉각 튜브(540)의 내측에 위치하고, 제2 확장부는 냉각 튜브(540)의 외측에 위치할 수 있고, 두 확장부가 냉각 튜브(540)와 밀착됨으로써, 냉각 호스(550)와 냉각 튜브(540) 사이의 결합은 보다 보완될 수도 있다. 또, 이 때, 확장부, 제1 확장부 또는 제2 확장부에는 돌기가 형성될 수 있으며, 돌기를 통해 냉각 튜브(540)의 일측면과 더욱 밀착되어 결합될 수도 있을 것이다.
냉각 호스(550)는 냉각 튜브(540)와 연결되어, 전지셀들의 방열을 구현하는 냉각수에게 유로를 제공할 수 있다. 냉각 호스(550)에는 인렛/아웃렛 포트(530)로부터 유입된 냉각수가 이동할 수 있다. 냉각 호스(550)는 인렛/아웃렛 포트(530)와 가까이 위치한 냉각 튜브(540)로부터 냉각수를 공급받을 수 있다.
고정 부재(560)는 하부판(520)과 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)를 고정함으로써 냉각 부재(500)의 강성을 보완하기 위한 것일 수 있다. 고정 부재(560)는 하부판(520)과의 결합을 통해 냉각 튜브(540) 및 냉각 호스(550)의 위치를 고정할 수 있다.
고정 부재(560)는 길이를 가지는 스트랩의 형상으로 제공될 수 있다. 고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 폭 방향과 평행하게 위치할 수 있다. 고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 복수개로 제공될 수 있으며, 복수의 고정 부재(560)는 균일한 간격으로 배치될 수 있다.
고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 형상을 유지하기 위해 강성이 높은 소재로 제조될 수 있으며, 일 예로 금속으로 제조될 수 있다.
고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 폭 방향상 양 말단에 결합될 수 있다. 고정 부재(560)는 냉각 부재(500)의 폭 방향상 중앙에 결합될 수 있다. 고정 부재(560)는 고정 부재(560)의 길이 방향상 양 말단에 각각 형성된 말단 결합부(562) 및 고정 부재(560)의 길이 방향상 중앙에 형성된 중앙 결합부(564)를 포함할 수 있다. 고정 부재(560)의 말단 결합부(562)는 하부판(520)의 폭 방향상 양 말단에 위치한 돌출부(524)와 결합될 수 있다. 고정 부재(560)의 중앙 결합부(564)는 하부판(520)의 폭 방향상 중앙에 위치한 둔턱(526)과 결합될 수 있다. 말단 결합부(562) 및 중앙 결합부(564)는 고정 부재(560)의 다른 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있고, 고정 부재(560)의 다른 부분보다 다소 낮은 높이를 가질 수 있다. 돌출부(524)와 둔턱(526)의 형상을 고려할 때, 말단 결합부(562)는 중앙 결합부(564) 보다 더 큰 단차를 가지도록 형성될 수 있다.
이처럼, 냉각 부재(500)의 제조 시 고정 부재(560)를 사용하는 경우, 용접 공정에 의한 결합 방식등과 비교하여 제조 과정 중에 과도한 열이 발생되지 않으므로, 온도에 취약한 특정 소재가 제조 과정 중 변형되지 않을 수 있다. 따라서, 고정 부재(560)를 이용함으로써 냉각 부재(500)는 성질이 상이한 2개 이상이 소재를 포함하도록 제조될 수 있으며, 냉각 호스(550)와 같이 다양한 소재 및 형상의 구조가 냉각 부재(500)에 적용될 수 있고, 냉각 부재(500)의 설계가 보다 쉽고 다양할 수 있다.
도 24를 참조하면, 냉각 호스(550)는 하부판(520)의 개구부(521)와 대응되도록 위치할 수 있다. 냉각 호스(550)는 내부 화재 발생 시에 용융 또는 파단됨으로써 전지셀을 향해 내부 냉각수를 투입할 수 있다. 전지셀의 발화 시, 개구부(521)와 대응되는 냉각 호스(550)의 일부는 용융 또는 파단됨으로써 개방되며, 이를 통해 냉각수가 중력 방향으로 분사, 분출, 투입됨으로써 냉각 부재(500)의 하측에 위치한 전지셀의 화재가 진압될 수 있다. 한편, 이러한 효과를 구현하기 위해서는 냉각 호스(550)가 장착되는 수용부(548) 또한 하부판(520)의 개구부(521)와 대응되도록 형성되어야 할 수 있다.
이러한 본 실시예의 구조를 고려할 때, 본 실시예의 취약부(600)는 하부판(520)에서 개구부(521)가 위치한 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 취약부(600)는 하부판(520)에서 냉각 호스(550)에 의해 폐쇄된 개구부(521)가 형성된 부분을 지칭하는 것일 수 있다.
냉각 호스(550)는 소정의 온도 또는 압력에서 용융되거나 파단되는 소재로 제조될 수 있다. 냉각 호스(550)는 상술한 실시예의 밀봉 부재(529)와 동일하거나 유사한 소재로 제조될 수 있다.
한편, 상술한 효과를 구현하기 위하여, 냉각 호스(550)를 별도로 제조하지 않고, 냉각 튜브(540)의 일부가 파단되어 냉각수가 투입되도록 하는 구성도 가능할 것이다. 그러나, 냉각 튜브(540)가 내부에 유입되는 냉각수의 압력을 견디고, 형태를 유지하기 위해서 냉각 튜브(540)는 충분한 강성을 가지는 소재로 제조되어야 하므로, 열에 용융되거나 압력에 의해 파단되기 쉬운 소재로 제조되는 것은 냉각 부재(500)의 전체적인 내구성을 저하시킬 수 있는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예와 같이, 열에 쉽게 파단될 수 있는 냉각 호스(550)를 냉각 튜브(540)와 별도로 구성하는 것이, 전체 냉각 부재(500)의 성능을 향상시키는데 바람직할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 포함된 전지 팩은, 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등을 추가로 포함할 수 있다.
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]
1: 전력 저장 장치
10: 배터리 랙
11: 랙 프레임
20: 배출 매니폴드
40: 유입 매니폴드
60: 냉각 시스템
1000: 전지 팩
2000: 워터 탱크
100: 셀블록
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
520: 하부판
530: 인렛/아웃렛 포트
540: 냉각 튜브
550: 냉각 호스
560: 고정 부재
580: 커버 필름
590: 탄성 부재
600: 취약부
700: 폼 패드

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 전지 팩 및 상기 전지 팩이 거치된 랙 프레임을 포함하고,
    상기 전지 팩은
    복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 팩 프레임, 및
    상기 전지셀 적층체의 상측에 위치하고, 냉각수를 포함하는 냉각 부재를 포함하고,
    상기 냉각 부재는 상기 랙 프레임에 거치된 워터 탱크와 연결되며,
    상기 냉각 부재의 하부판에는 소정의 온도 또는 압력 이상에서 파단되거나 용융되는 취약부가 적어도 하나 형성되고,
    상기 냉각 부재의 취약부가 개방됨으로써 상기 냉각수의 수위가 낮아지면, 상기 워터 탱크로부터 상기 냉각 부재로 냉각수가 공급되는 배터리 랙.
  2. 제1항에서,
    상기 워터 탱크는 상기 랙 프레임의 상부에 위치하는 배터리 랙.
  3. 제1항에서,
    상기 냉각 부재는 내부 공간에 냉각수를 주입하기 위한 인렛 포트 및 아웃렛 포트를 포함하고,
    상기 인렛 포트 및 상기 아웃렛 포트는 외부의 냉각 시스템와 연결되며,
    상기 인렛 포트 및 상기 아웃렛 포트를 통해 상기 냉각 부재의 냉각수가 순환되는 배터리 랙.
  4. 제3항에서,
    상기 인렛 포트는 유입 매니폴드를 통해 상기 냉각 시스템과 연결되고,
    상기 아웃렛 포트는 배출 매니폴드를 통해 상기 냉각 시스템과 연결되며,
    상기 워터 탱크는 배출 매니폴드와 연결되는 배터리 랙.
  5. 제1항에서,
    상기 전지 팩은 복수이고, 상기 워터 탱크는 상기 복수의 전지 팩에 포함된 각각의 냉각 부재와 연결되는 배터리 랙.
  6. 제1항에서,
    상기 냉각 부재의 하부판에는 다수의 개구부가 형성되고, 상기 개구부는 밀봉 부재에 의해 폐쇄되며,
    상기 취약부는 상기 하부판에서 상기 밀봉 부재에 의해 폐쇄된 상기 개구부가 위치하는 부분인 배터리 랙.
  7. 제1항에서,
    상기 냉각 부재는 냉각수의 유로를 제공하는 냉각 튜브 및 상기 냉각 튜브에 장착된 냉각 호스를 포함하고,
    상기 하부판에는 다수의 개구부가 형성되고, 상기 냉각 호스는 상기 개구부와 대응되도록 위치하며,
    상기 취약부는 상기 하부판에서 상기 냉각 호스에 의해 폐쇄된 상기 개구부가 위치하는 부분인 배터리 랙.
  8. 제7항에서,
    상기 하부판과 상기 냉각 튜브는 스트랩 형상의 고정 부재에 의해 연결되는 배터리 랙.
  9. 제1항에서,
    상기 하부판은 상기 취약부가 형성된 제1 부분 및 상기 취약부가 형성되지 않은 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분의 두께 값은 상기 제2 부분의 두께 값 보다 작은 배터리 랙.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 부분의 두께 값은, 상기 제2 부분의 두께 값의 절반 이하인 배터리 랙.
  11. 제9항에서,
    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 배터리 랙.
  12. 제9항에서,
    상기 냉각 부재의 하부판과 결합하는 상부판은 굴곡부를 포함하고,
    상기 굴곡부의 마루는 상기 제1 부분과 대응되고,
    상기 굴곡부의 골은 상기 제2 부분과 대응되는 배터리 랙.
  13. 제1항에서,
    상기 냉각 부재의 상부판은 상기 팩 프레임과 일체화된 배터리 랙.
  14. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 랙을 포함하는 전력 저장 장치.
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