KR20220001227A - 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법 - Google Patents

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KR20220001227A
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Abstract

본 발명은 복수의 파우치형 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체의 상면에 배치되는 방열부재, 및 상기 전지셀 적층체와 상기 방열부재를 내부에 수용하는 전지모듈 하우징을 포함하고, 상기 방열부재는, 상기 전지셀 적층체와 대면하는 방열판에 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가되어 있는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법에 대한 것으로서, 전지모듈의 부피 증가를 최소화하면서 발화된 전지셀의 열 폭주를 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

방열부재를 포함하는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법 {Battery Module Comprising Heat Dissipation Member and Method for Preparing the Heat Dissipation Member}
본원 발명은 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법에 대한 것으로서, 구체적으로, 발화된 전지셀로 물을 직접 주입함으로써 열폭주 현상이 일어나는 것을 방지할 수 있도록 관통구가 형성된 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법에 대한 것이다.
충방전이 가능한 리튬 이차전지는 전지셀의 교체가 불필요하기 때문에 내장형 전지셀로 사용하기에 적절하며, 상기 리튬 이차전지의 안정성 향상과 용량 증가가 빠르게 이루어지고 있는 바, 다양한 디바이스에 적용되고 있다.
예를 들어, 상기 리튬 이차전지는, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 신체에 착용하는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 대기 오염을 유발하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
이와 같이, 상기 리튬 이차전지가 대용량 및 고출력의 에너지원으로 사용됨에 따라 상기 리튬 이차전지의 안전성을 확보하는 문제가 중요한 관심 대상이 되고 있다.
일반적으로, 전력저장장치는 내부에 수용된 전지셀에서 화재가 발생하는 경우, 별도의 주수장치를 이용하여 전지모듈이나 전지팩 내부로 물을 주입하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 경우, 상기 주수장치를 구비하기 위한 시설과 공간이 필요하며, 전지셀의 벤팅(venting)으로 배출된 가스의 센싱 시점에서 주수까지 걸리는 시간차로 인해 발화가 확산되는 문제가 있다.
또는, 전지모듈이나 전지팩 내부 또는 외부에 단열재나 소화약재 등을 배치하는 구조를 채택하여, 전지셀들 간에 열이 전달되는 것을 차단하거나 발화된 전지셀을 냉각하는 방법을 사용할 수 있다.
이와 같은 방법은, 별도의 주수장치를 구비하기 위한 시설 및 공간이 필요한 문제를 해결할 수는 있지만, 단열재나 소화약재 등의 높은 가격으로 인해 전지모듈 및 전지팩의 단가가 증가하게 된다. 또한, 별도의 부품이 부가됨으로써 전지모듈이나 전지팩의 부피가 증가하기 때문에, 에너지밀도가 저하되는 문제가 있다. 이외에도, 전지셀 내부에 구비된 소화약재의 양이 전지셀에서 방출되는 열 에너지 전부를 소화하기에 부족할 경우에는, 결국 전지셀의 발화를 방지하기 어려운 문제가 있다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 에너지 저장시스템용 자동소화장치에 대한 것으로서, 연결라인의 일측이 연결고정되고, 별도의 전원인가 없이 무전원방식으로 화재진화라인의 내부로 이산화탄소를 공급하도록 고압의 이산화탄소가 압축저장된 이산화탄소공급부재를 포함하여 구성되는 이산화탄소공급부를 포함하는 바, 특허문헌 1은 화재진화라인, 이산화탄소공급부재 등의 구성을 별도로 필요로 하기 때문에, 전력저장장치의 크기가 증가되는 문제를 해결하지 못하고 있다.
특허문헌 2는 소화제를 위한 저장소와 상기 소화제를 안내하기 위한 도관 수단을 포함하고, 상기 도관 수단은 복수의 전지셀들 중 어느 전지셀에 형성된 벤트홀에서 방출된 벤트-가스 제트에 의해 부딪치도록 위치하고, 상기 도관 수단은 상기 벤트-가스 제트에 의해 용융되도록 구성되는 전지 시스템에 대한 것이다.
상기 특허문헌 2의 전지 시스템은 소화제를 저장하기 위한 저장소와 상기 소화제를 안내하기 위한 도관 수단 등을 구비하고 있는 바, 전지 시스템의 부피가 증가하는 문제를 여전히 해결하지 못하고 있다.
이와 같이, 대용량 및 고출력의 전지모듈 및 전지팩이 발화하는 경우에, 화염이 번지는 것을 최소화할 수 있으면서, 에너지밀도가 낮아지는 것을 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
한국 등록특허공보 제1984817호 (2019.05.27) 한국 공개특허공보 제2019-0085005호 (2019.07.17)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전지셀의 발화 및 폭발시 인접하는 전지셀들로 열에너지가 전달되는 것을 방지하기 위하여, 전지모듈 내부에 구비되는 방열부재용 냉매가 발화된 전지셀들로 직접 주입되는 구조로 이루어진 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전지모듈은, 복수의 파우치형 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 전지모듈 하우징, 및 상기 전지모듈 하우징의 일부와 결합된 형태의 방열부재를 포함하고, 상기 방열부재는, 상기 전지셀 적층체와 대면하는 방열판에 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은 상부판과 하부판을 포함하고, 상기 방열부재는 방열판 및 냉매 유동부를 포함하며, 상기 상부판과 상기 방열판 사이에 냉매 유동부가 형성되는 형태로 상기 상부판 및 상기 방열판이 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 방열부재는, 상기 하부판과 방열판 사이에 냉매 유동부가 형성되는 형태로 상기 하부판 및 상기 방열판이 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 파우치형 전지셀에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 밀봉부재의 용융에 의해 상기 관통구가 개방되고, 상기 관통구를 통해 상기 파우치형 전지셀로 상기 냉매가 주입될 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 냉매는 냉각수이고, 상기 냉각수에는 가연성 물질이 포함되지 않을 수 있다.
또한, 상기 상부판 및 하부판에는 상기 냉각수의 흐름을 가이드하기 위한 유로가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은 상부판과 하부판을 포함하고, 상기 상부판의 내측면에 상기 방열부재로서 워터탱크가 결합되며, 상기 워터탱크에서, 상기 상부판의 내측면과 결합된 제1면과 대면하는 제2면에는 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가될 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은 상부판과 하부판을 포함하고, 상기 하부판의 내측면에 상기 방열부재로서 워터탱크가 결합되며, 상기 워터탱크에서, 상기 하부판의 내측면과 결합된 제1면과 대면하는 제2면에는 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 관통구는, 어떠한 파우치형 전지셀이 발화하더라도, 상기 발화한 파우치형 전지셀에 대한 냉각수의 공급이 가능한 위치에 형성되며, 상기 파우치형 전지셀의 개수 및 크기에 따라 상기 관통구의 개수가 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 관통구를 채우고 있으며, 상기 방열판의 내측면 및 외측면에서 상기 관통구의 둘레에서 외측으로 더 연장된 연장부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈에 있어서, 상기 방열판의 내측면 및 방열판의 외측면 가운데, 상기 연장부가 형성된 부분에는 홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 홈이 형성된 상기 방열판의 수직 단면은 다각형, 반원 및 반타원형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈에 포함되는 방열부재의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 방열부재의 제조방법은, (a) 방열부재의 방열판용 평판을 다이와 홀더 사이에 배치하는 단계, (b) 상기 평판을 펀칭하여 관통구를 형성하여 방열판을 제조하는 단계, (c) 상기 방열판을 인서트 압출 성형을 위한 틀에 장착하는 단계, (d) 상기 틀에 상기 방열판을 고정하고 밀봉부재용 수지를 주입하는 단계, 및 (e) 상기 틀을 제거하고 밀봉부재가 부가된 방열판을 수거하는 단계를 포함하고, 상기 다이와 홀더에는 상기 방열판에 홈을 형성하기 위한 돌기가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 방열부재의 제조방법에 있어서, 상기 방열판은 전지모듈 하우징의 상부판 및 하부판과 이격 공간을 두고 결합하고, 상기 이격 공간에 냉매가 유출입하는 냉매 유동부가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 방열부재의 제조방법에 있어서, 상기 방열판은 전지모듈 하우징의 상부판 및 하부판과 결합하는 워터탱크를 구성하고, 상기 상부판 및 하부판과 결합하는 워터탱크의 일측면과 대면하는 타측면에 상기 방열판이 배치될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지모듈은 별도의 추가 구성을 부가하지 않고, 기존에 사용하던 방열부재의 구조를 변경함으로써 발화된 전지셀을 빠르게 냉각할 수 있는 바, 전지모듈의 부피 증가를 최소화하면서 전지셀의 열 폭주 현상을 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 높은 전지셀의 온도에 의해 방열부재에 부가된 밀봉부재가 용융되면, 상기 방열부재에서 전지셀로 직접 냉매가 주입되기 때문에, 빠르게 전지셀의 온도를 낮출 수 있다.
또한, 방열부재에 관통구를 형성하고, 상기 관통구에 밀봉부재를 부가하여 상기 관통구를 밀봉하기 때문에, 소화 구조의 부가에 불구하고 전지모듈의 무게 증가를 최소화할 수 있다.
또한, 전지셀 적층체를 구성하는 전체 전지셀들 가운데 어느 하나의 전지셀이 벤팅되더라도 이에 대한 냉매 주입이 가능한 형태의 방열부재를 사용하기 때문에, 대용량의 전지모듈에 적용하더라도 열 확산 차단의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 전지셀에 단가가 높은 소화약재 대신 물을 주입하기 때문에 생산원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지모듈의 사시도이다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방열부재를 분해한 상태의 사시도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방열판의 평면도이다.
도 5는 도 2의 부분 확대도이다.
도 6은 홈이 형성된 방열판에 밀봉부재가 부가된 전지모듈의 수직 단면 확대도이다.
도 7은 홈이 형성된 방열판에 밀봉부재가 부가된 상태의 수직 단면도이다.
도 8은 다른 하나의 실시예에 따른 전지팩의 수직 단면도이다.
도 9는 방열판의 제조 과정을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 10은 방열판에 밀봉부재를 부가하는 과정을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간값을 포함한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전지모듈의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈(100)은 복수의 파우치형 전지셀들(101)이 적층된 전지셀 적층체를 내부에 수용하는 전지모듈 하우징과, 상기 전지셀 적층체의 상면 및 하면에 배치되는 방열부재를 포함한다.
복수의 파우치형 전지셀들(101)로서, 도 1에는 전극리드(102)가 서로 반대 방향으로 돌출되는 양방향 파우치형 전지셀들(101)이 도시되어 있으나, 이와 달리, 양극리드 및 음극리드가 서로 같은 방향으로 돌출되는 단방향 파우치형 전지셀들이 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 전지모듈 하우징은 상기 전지셀 적층체의 상부에 배치되는 상부판(110), 상기 전지셀 적층체의 하부에 배치되는 하부판(120), 및 상기 상부판(110)과 하부판(120) 사이에 배치되며, 상기 전지셀 적층체의 측면에 배치되는 측면판(130)을 포함한다.
또한, 파우치형 전지셀들(101)의 전극리드(102)가 돌출된 방향의 외측에는 엔드 플레이트(도시하지 않음)가 상부판(110), 하부판(120) 및 측면판(130)과 결합되어 전지모듈의 하우징이 조립될 수 있다.
또한, 상기 전지모듈 하우징의 형태는 도 1에 도시된 구조로 한정되지 않으며, 도 1에 도시된 바와 달리, 전지모듈 하우징은, 모노프레임 형태 또는 U프레임 형태의 프레임이 사용될 수 있다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 수직 단면도이다.
도 2를 참조하면, 전지모듈은 복수의 파우치형 전지셀들(101)이 적층된 전지셀 적층체가 상부판(110) 및 하부판(120)을 포함하는 전지모듈 하우징 내에 수납되어 있다.
방열부재(200)는 방열판(210), 및 냉매가 유출입하며 이동하는 냉매 유동부(220)를 포함한다. 방열판(210)은 상부판(110)과 이격 간격을 두고 결합되고, 상기 이격 간격이 형성하는 공간이 냉매 유동부(220)가 된다. 따라서, 상부판(110), 방열판(210) 및 냉매 유동부(220)가 일체형 구조가 된다.
즉, 방열부재(200)는 상부판(110)과 일체형으로 결합되어 전지셀 적층체의 상부에 위치한다.
또한, 방열부재(200')는 방열판(210), 및 냉매가 유출입하며 이동하는 냉매 유동부(220)를 포함한다. 방열판(210)은 하부판(120)과 이격 간격을 두고 결합되고, 상기 이격 간격이 형성하는 공간이 냉매 유동부(220)가 된다. 따라서, 하부판(120), 방열판(210) 및 냉매 유동부(220)가 일체형 구조가 된다.
즉, 방열부재(200')는 하부판(120)과 일체형으로 결합되어 전지셀 적층체의 하부에 위치한다.
방열판(210)에는 관통구(230)가 형성되어 있고, 관통구(230)에는 밀봉부재(240)가 부가된다. 밀봉부재(240)는 파우치형 전지셀(101)에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어진다. 즉, 파우치형 전지셀(101)가 같이 정상 상태에서는 밀봉부재가 관통구를 밀봉한 상태를 유지하지만, 파우치형 전지셀(103)과 같이 온도가 올라가거나 발화 발생시에는 밀봉부재(240)가 용융되어 관통구가 개방된다. 개방된 상기 관통구를 통해 냉매 유동부의 냉매가 파우치형 전지셀(101)로 직접 주입된다. 이와 같은 과정에 의해, 과열 또는 발화된 파우치형 전지셀을 빠르게 냉각시킴으로써 열 폭주가 확대되는 것을 신속하게 방지할 수 있다.
상기 밀봉부재는, 온도가 증가한 파우치형 전지셀의 벤팅(venting)에 의해 분출되는 고온의 가스 또는 스파크에 용융되는 소재인 바, 용융점이 약 200 ℃ 이하인 열가소성의 고분자 수지가 적용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 열가소성의 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 용융점이 약 100 ℃ 이상 200℃ 이하인 물질들이 사용될 수 있다.
한편, 상기 냉매로서 냉각수가 적용되는 경우로서, 상기 냉각수가 파우치형 전지셀 내부로 직접 주입되는 점을 고려할 때, 상기 냉각수의 주입으로 인하여 상기 파우치형 전지셀의 화염이 커지거나 폭발이 일어나는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 상기 냉각수에 포함되는 첨가제로는 가연성 물질이 포함되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 상기 첨가제로서 가연성 물질이 포함되는 경우로서, 상기 첨가제의 양은 파우치형 전지셀에 대한 2차 폭발을 방지할 수 있는 정도인 동시에, 상기 냉각수의 어는 것을 방지하기 위해 부동액으로 사용되는 정도일 수 있다.
본 발명에 따른 방열부재에서, 도 2의 방열부재(200)는 방열판이 상부판과 결합된 형태이고, 방열부재(200')는 방열판이 하부판과 결합된 형태인 점을 제외하고, 모든 구성이 동일하게 적용될 수 있으므로, 이하에서는 방열부재(200)를 기준으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 방열부재를 분해한 상태의 사시도 및 평면도이다.
도 3을 도 2와 함께 참조하면, 상부판(110)과 방열판(210)이 결합된 방열부재에서 방열부재의 내부 구조를 설명하기 위하여 방열판(210)을 제거한 상태의 사시도를 (a)에 도시하고, 방열판(210)의 평면도를 (b)에 도시하였다.
상부판(110)에는 냉매로 사용되는 냉각수의 흐름을 가이드하기 위한 격벽(215)이 형성되어 있고, 격벽(215) 사이에는 유로가 형성되어 있다.
상부판(110)의 일측 외주변에 인접하도록 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구가 형성되어 있으며, 상기 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구는 상부판 폭 방향(a) 일측 외주변 중 중심부에 형성된다.
이와 같은 경우, 냉각수 유입구로 유입되는 냉각수는 가장 온도가 낮고, 냉각수 배출구로 배출되는 냉각수는 가장 온도가 높기 때문에, 냉매 유동부를 흐르는 전체 냉각수 온도 편차가 작은 상태가 될 수 있다. 따라서, 이와 같은 형태의 유로를 형성하는 경우에는, 방열부재 전체 부분에서 균일한 방열성을 발휘할 수 있다.
도 3에서 (b)에는 방열판(210)에 관통구(230)가 형성된 상태를 도시하고 있다.
방열판(210)에는 평면상 원형으로 이루어진 관통구들(230)이 가로방향 및 세로방향을 따라 일정한 간격으로 이격되도록 배치되어 있다.
어떠한 파우치형 전지셀이 발화하더라도, 상기 발화한 파우치형 전지셀에 대한 냉각수의 공급이 가능한 위치에 관통구가 형성되어야 한다. 즉, 모든 파우치형 전지셀들에 대해 냉각수가 공급될 수 있도록 모든 파우치형 전지셀들마다 적어도 1개의 관통구가 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 파우치형 전지셀의 개수 및 크기에 따라 관통구의 개수 및 간격이 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 방열판의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 방열판(210)에 형성된 관통구들(230', 230'')의 형태는 도 3의 관통구(230) 형태와 차이가 있다.
도 4에 도시된 방열판(210)의 단축 방향과 전지셀의 길이 방향(L)이 평행하도록 전지셀이 배치될 때, 관통구(230')는 1개의 관통구가 2개 이상의 파우치형 전지셀들을 커버할 수 있도록 비스듬하게 형성되어 있고, 관통구(230'')는 2개 이상의 파우치형 전지셀들을 커버할 수 있도록 전지셀의 길이 방향(L)에 대해 수직인 방향으로 형성되어 있다.
이와 같은 형태의 관통구가 형성되는 경우에는, 어느 하나의 파우치형 전지셀의 발열 및 폭발에 의해 밀봉부재가 용융되면, 관통구가 크게 형성되기 때문에, 발열 및 폭발한 전지셀과 인접하게 위치하지만 발열 및 폭발하지 않은 전지셀 표면에도 냉각수가 부가될 수 있다. 따라서, 상기 발열 및 폭발하지 않은 전지셀의 온도를 낮춤으로써 열 폭주 현상이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 도 2의 부분 확대도이다.
도 5를 참조하면, 방열판(210)과 상부판(110)사이에 냉매 유동부(220)가 형성되고, 냉매 유동부(220) 사이 격벽(215)이 형성되어 있는 바, 격벽(215)에 의해 냉매의 유로가 형성된다.
전지셀 적층체와 방열판(210) 사이에 공간이 생길 수 있고, 개별 전지셀들(101)마다, 전지셀과 방열판(210) 간의 거리에 편차가 발생할 수 있다. 이와 같이 전지셀 적층체와 방열판(210) 사이에 형성되는 공간에 의해 전지모듈 내부의 열을 전지모듈 바깥으로 배출하는 방열성이 저하된다.
이와 같은 문제를 방지하기 위하여, 전지셀 적층체와 방열판(210) 사이 공간에 열전달물질(Thermal interface material, TIM)(390)을 충진할 수 있다.
열전달물질(390)은 전지셀 적층체와 방열판 간의 열 접점을 넓히기 때문에, 전지셀 적층체에서 발생한 열에너지를 전지모듈 내부로 빠르게 배출할 수 있다.
다만, 파우치형 전지셀에서 방출된 열 에너지가 열전달물질(390)에 의해 상기 밀봉부재에 직접 닿지 못하는 경우, 상기 밀봉부재가 용융온도에 도달하지 못할 수 있다. 따라서, 상기 열전달물질의 부가를 생략할 수 있다.
또는, 상기 열전달물질은 방열판의 관통구 하부에는 미형성되고, 그 외의 부분에만 부가되는 형태일 수 있다. 이와 같은 경우, 열전달물질이 부가되더라도 벤팅된 전지셀의 열 에너지가 손실되지 않고 상기 밀봉부재로 직접 전달될 수 있는 바, 밀봉부재가 용융되어 상기 벤팅된 전지셀에 대한 냉매 공급이 이루어질 수 있다.
한편, 방열판(210)을 관통하는 관통구(230)에는 밀봉부재(240)가 부가되어 있는 바, 예를 들어, 밀봉부재(240)는 관통구(230)를 채우고 있으며, 방열판의 내측면(211) 및 방열판의 외측면(212)에서 관통구(230)의 둘레에서 외측으로 더 연장된 연장부(241)를 포함한다.
밀봉부재(240)에 연장부(241)가 형성되기 때문에, 냉매 유동부를 흐르는 냉각수 압력에 의해 밀봉부재(240)가 제거되어 관통구가 개방되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 홈이 형성된 방열판에 밀봉부재가 부가된 전지모듈의 수직 단면 확대도이다.
도 6을 참조하면, 상부판(110)과 방열판(310)의 사이에 냉매 유동부(320)가 형성되고, 방열판(310)의 관통구에는 밀봉부재(340)가 부가되어 있다.
밀봉부재(340)는 연장부(341)를 포함하며, 방열판의 내측면(311) 및 방열판의 외측면(312) 가운데 연장부(341)가 형성된 부분에는 홈(314)이 형성되어 있다.
홈(314)에는 연장부(341)를 구성하는 밀봉부재의 일부가 삽입되어 삽입부(345)를 형성하고 있는 바, 냉각수의 수압에 의해 밀봉부재가 제거되어 관통구가 개방되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
이와 같이 연장부를 포함하는 밀봉부재를 제조하기 위하여, 홈이 형성된 방열판에 대해 밀봉부재용 수지를 수입하여 제조하는 인서트 사출 방법을 사용할 수 있다. 또는, 밀봉부재 중 관통구를 통과하는 부분은 상기 관통구의 형태 및 크기에 대응되는 형태 및 크기를 갖는 밀봉부재의 중심부를 준비하고, 상기 밀봉부재의 중심부에 별도의 부재를 부가하여 연장부를 형성할 수 있다. 이 때 상기 밀봉부재의 중심부와 별도로 부가된 연장부의 결합은 접착물질에 의한 접착, 나사 체결, 억지 끼움 방식 등 그 결합 방법이 한정되지 않는다. 또한, 상기 밀봉부재의 중심부는 고온에서 용융되는 열가소성 고분자 수지로 이루어지고, 상기 별도로 부가된 연장부의 소재는 고온에서 용융되지 않는 소재로 이루어질 수 있다.
도 7은 홈이 형성된 방열판에 밀봉부재가 부가된 상태의 수직 단면도이다.
도 7을 참조하면, 방열판(410, 510, 610) 각각에는 밀봉부재(440, 540, 640)가 부가되어 있다.
방열판들(410, 510, 610) 각각에는 연장부와 만나는 부분에 홈들(414, 514, 614)이 형성되어 있고, 홈들(414, 514, 614)의 내부에는 삽입부들(445. 545. 645)이 형성된다.
방열판(410, 510, 610)에서 홈들(414, 514, 614)이 형성된 부분의 수직 단면은, 삼각형, 사다리꼴 등을 포함하는 다각형, 반원, 및 반타원형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 형태로 형성될 수 있으며, 이들이 혼합되어 형성될 수 있다.
도 7에서 (c)를 참조하면, 밀봉부재(640)의 중심부(641)의 두께는 밀봉부재(410)의 중심부의 두께 및 밀봉부재(510)의 중심부의 두께 보다 얇게 형성된다. 이와 같이 관통구를 밀봉하는 부분의 두께가 상대적으로 얇게 형성되는 경우에는 밀봉부재가 용융되어 관통구가 개방되기까지의 시간이 단축될 수 있으므로, 전지셀에 대한 냉매의 공급이 신속하게 이루어질 수 잇다.
도 8은 다른 하나의 실시예에 따른 전지팩의 수직 단면도이다.
도 8을 참조하면, 전지모듈 하우징은 상부판(110')과 하부판(120')을 포함하고, 내부에 파우치형 전지셀들(101)이 적층 배열된 전지셀 적층체가 수용된다.
상부판(110')의 내측면에 방열부재로 기능하는 워터탱크(260)가 결합되어 있다. 워터탱크(260)는 상부판(110')의 내측면과 결합된 제1면(261), 및 제1면(261)과 대면하는 제2면(263)을 포함하고, 제1면(261)과 제2면(263) 사이에 형성되는 공간에 냉각수(262)를 수용하고 있다.
제2면(263)에는 관통구(267)가 형성되는 바, 상기 관통구(267)에는 밀봉부재(268)가 부가되어 있다.
밀봉부재(268)는 파우치형 전지셀(101)이 개방되어 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 용융되는 소재로 이루어지는 바, 파우치형 전지셀이 가열되거나 발화되어 벤팅되는 경우, 밀봉부재(268)가 용융되어 관통구(267)가 개방되면 냉각수(262)가 벤팅된 파우치형 전지셀(101)로 직접 주입됨으로써 발화된 파우치형 전지셀이 냉각 및 소화될 수 있다.
워터탱크(260')는 하부판(120')의 내측면과 결합된 제1면(261'), 및 제1면(261')과 대면하는 제2면(263')을 포함하고, 제1면(261')과 제2면(263') 사이에 형성되는 공간에 냉각수(262')를 수용하고 있다.
제2면(263')에는 관통구(267')가 형성되는 바, 상기 관통구(267')에는 밀봉부재(268')가 부가되어 있다.
파우치형 전지셀(101)의 벤팅에 따른 밀봉부재(268')의 용융 및 이에 따른 효과는 워터탱크(268)에 대한 설명과 동일하게 적용된다.
도 9는 방열판의 제조 과정을 모식적으로 나타내는 정면도를 도시하고 있으며, 도 10은 방열판에 밀봉부재를 부가하는 과정을 모식적으로 나타내는 정면도를 도시하고 있다.
도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 전지모듈에 포함되는 방열부재의 제조방법을 설명한다.
구체적으로, 상기 방열부재의 제조방법은, (a) 방열부재의 방열판용 평판을 다이와 홀더 사이에 배치하는 단계, (b) 펀칭기를 사용하여 상기 평판을 펀칭하여 관통구를 형성하여 방열판을 제조하는 단계, (c) 상기 방열판을 인서트 압출 성형을 위한 틀에 장착하는 단계, (d) 상기 틀에 상기 방열판을 고정하고 밀봉부재용 수지를 주입하는 단계, 및 (e) 상기 틀을 제거하고 밀봉부재가 부가된 방열판을 수거하는 단계를 포함하고, 상기 다이와 홀더에는 상기 방열판에 홈을 형성하기 위한 돌기가 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10에는 도 7의 (a)에 도시된 방열판(410)을 제조하는 과정을 도시하고 있는 바, 상기 방열판을 제조하는 단계는, 방열부재의 방열판용 평판(401)을 다이(710)와 홀더(720) 사이에 배치하고, 관통구를 형성하고자 하는 위치에 펀칭기(730)를 사용하여 펀칭하여 관통구를 형성함으로써, 방열판(410)을 제조할 수 있다. 펀칭기(730)에 의해 절단된 절단부(217)는 제거된다.
다이(710)와 홀더(720) 각각에는 돌기(711, 721)가 형성되어 있는 바, 방열판(210)에는 돌기(711, 721)의 형태와 대응되는 크기의 홈(414)이 형성된다.
방열판(410)에 밀봉부재(440)를 성형하는 방법으로서, 인서트 압출 성형 방법을 사용할 수 있는 바, 상부틀(801) 및 하부틀(802) 사이에 방열판(410)을 배치한다. 이후, 상부틀(801)에 형성된 주입구(811)를 통해 밀봉부재용 수지(447)를 주입한다. 밀봉부재용 수지(447)가 건조되면 상부틀(801) 및 하부틀(802) 내부 공간 형태로 밀봉부재(440)가 부가된 방열판(410)이 형성된다. 방열판(410)에는 홈(414) 내부로 밀봉부재의 일부가 삽입되는 바, 방열판(410)에 대한 밀봉부재(440)의 고정이 안정적으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제조된 방열판은 전지모듈 하우징의 상부판 및 하부판과 이격 공간을 두고 결합하는 바, 상기 이격 공간에 냉매가 유출입하는 구조로 이루어진 방열부재를 제조할 수 있다.
또한, 상기 방열판은, 전지모듈 하우징의 상부판 및 하부판과 결합하는 워터탱크를 구성하고, 상기 방열판은 상기 상부판 및 하부판과 결합하는 워터탱크의 일측면과 대면하는 타측면을 구성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 및 상기 전지모듈에 포함된 방열부재 제조방법을 사용하는 경우에는, 신속하게 발화된 전지셀을 냉각시킬 수 있으므로, 안전성이 향상된 전지모듈을 제공할 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 전지모듈
101, 103: 파우치형 전지셀
102: 전극리드
110, 110': 상부판
120, 120': 하부판
130: 측면판
200, 200': 방열부재
210. 210', 310, 410, 510, 610: 방열판
211, 311: 방열판의 내측면
212, 312: 방열판의 외측면
215: 격벽
217: 절단부
220, 320: 냉매 유동부
230, 230', 230'', 267, 267', 330: 관통구
240, 268, 268', 340, 440, 540, 640: 밀봉부재
241, 341: 연장부
260, 260': 워터탱크
261, 261': 제1면
262, 262': 냉각수
263, 263': 제2면
314, 414, 514, 614: 홈
345, 445, 545, 645: 삽입부
390: 열전달물질
401: 방열판용 평판
447: 밀봉부재용 수지;
641: 밀봉부재 중심부
710: 다이
720: 홀더
730: 펀칭기
711, 721: 돌기
801: 상부틀
802: 하부틀
811: 주입구
a: 상부판 폭 방향
L: 전지셀의 길이 방향

Claims (16)

  1. 복수의 파우치형 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 전지모듈 하우징; 및
    상기 전지모듈 하우징의 일부와 결합된 형태의 방열부재;
    를 포함하고,
    상기 방열부재는, 상기 전지셀 적층체와 대면하는 방열판에 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가되어 있는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은 상부판과 하부판을 포함하고,
    상기 방열부재는 방열판 및 냉매 유동부를 포함하며,
    상기 상부판과 상기 방열판 사이에 냉매 유동부가 형성되는 형태로 상기 상부판 및 상기 방열판이 결합되는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 방열부재는, 상기 하부판과 방열판 사이에 냉매 유동부가 형성되는 형태로 상기 하부판 및 상기 방열판이 결합되는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 파우치형 전지셀에서 방출하는 고온 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재로 이루어진 전지모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 밀봉부재의 용융에 의해 상기 관통구가 개방되고,
    상기 관통구를 통해 상기 파우치형 전지셀로 상기 냉매가 주입되는 전지모듈.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 냉매는 냉각수이고, 상기 냉각수에는 가연성 물질이 포함되지 않는 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 상부판 및 하부판에는 상기 냉각수의 흐름을 가이드하기 위한 유로가 형성되어 있는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은 상부판과 하부판을 포함하고,
    상기 상부판의 내측면에 상기 방열부재로서 워터탱크가 결합되며,
    상기 워터탱크에서, 상기 상부판의 내측면과 결합된 제1면과 대면하는 제2면에는 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가되어 있는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 하우징은 상부판과 하부판을 포함하고,
    상기 하부판의 내측면에 상기 방열부재로서 워터탱크가 결합되며,
    상기 워터탱크에서, 상기 하부판의 내측면과 결합된 제1면과 대면하는 제2면에는 관통구가 형성되어 있고, 상기 관통구에는 밀봉부재가 부가되어 있는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구는, 어떠한 파우치형 전지셀이 발화하더라도, 상기 발화한 파우치형 전지셀에 대한 냉각수의 공급이 가능한 위치에 형성되며,
    상기 파우치형 전지셀의 개수 및 크기에 따라 상기 관통구의 개수가 결정되는 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 상기 관통구를 채우고 있으며, 상기 방열판의 내측면 및 외측면에서 상기 관통구의 둘레에서 외측으로 더 연장된 연장부를 포함하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 방열판의 내측면 및 방열판의 외측면 가운데, 상기 연장부가 형성된 부분에는 홈이 형성되어 있는 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 홈이 형성된 상기 방열판의 수직 단면은 다각형, 반원 및 반타원형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 형태로 이루어진 전지모듈.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 전지모듈에 포함되는 방열부재의 제조방법으로서,
    (a) 방열부재의 방열판용 평판을 다이와 홀더 사이에 배치하는 단계;
    (b) 상기 평판을 펀칭하여 관통구를 형성하여 방열판을 제조하는 단계;
    (c) 상기 방열판을 인서트 압출 성형을 위한 틀에 장착하는 단계;
    (d) 상기 틀에 상기 방열판을 고정하고 밀봉부재용 수지를 주입하는 단계; 및
    (e) 상기 틀을 제거하고 밀봉부재가 부가된 방열판을 수거하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 다이와 홀더에는 상기 방열판에 홈을 형성하기 위한 돌기가 형성되어 있는 방열부재의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 방열판은 전지모듈 하우징의 상부판 및 하부판과 이격 공간을 두고 결합하고, 상기 이격 공간에 냉매가 유출입하는 냉매 유동부가 형성되는 방열부재의 재조방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 방열판은 전지모듈 하우징의 상부판 및 하부판과 결합하는 워터탱크를 구성하고, 상기 상부판 및 하부판과 결합하는 워터탱크의 일측면과 대면하는 타측면에 상기 방열판이 배치되는 방열부재의 제조방법.
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