WO2023171950A1 - 냉각 시스템을 포함하는 디바이스 - Google Patents

냉각 시스템을 포함하는 디바이스 Download PDF

Info

Publication number
WO2023171950A1
WO2023171950A1 PCT/KR2023/002587 KR2023002587W WO2023171950A1 WO 2023171950 A1 WO2023171950 A1 WO 2023171950A1 KR 2023002587 W KR2023002587 W KR 2023002587W WO 2023171950 A1 WO2023171950 A1 WO 2023171950A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
lower plate
cooling member
water tank
coolant
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/002587
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
조영범
이영석
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020230023100A external-priority patent/KR20230134090A/ko
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Publication of WO2023171950A1 publication Critical patent/WO2023171950A1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • A62C3/16—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places in electrical installations, e.g. cableways
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C35/00—Permanently-installed equipment
    • A62C35/02—Permanently-installed equipment with containers for delivering the extinguishing substance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K1/00—Arrangement or mounting of electrical propulsion units
    • B60K1/04—Arrangement or mounting of electrical propulsion units of the electric storage means for propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K11/00—Arrangement in connection with cooling of propulsion units
    • B60K11/02—Arrangement in connection with cooling of propulsion units with liquid cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/24—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries for controlling the temperature of batteries
    • B60L58/26—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries for controlling the temperature of batteries by cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/249—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for aircraft or vehicles, e.g. cars or trains
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • 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 device including a cooling system, and more specifically, to a device including a cooling system capable of preventing serial thermal runaway of a battery pack.
  • secondary batteries that can be charged and discharged are a way to solve air pollution from existing gasoline vehicles that use fossil fuels, and are used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and plug-in hybrid electric vehicles ( As it is used as a power source for batteries such as P-HEV), the need for development of secondary batteries is increasing.
  • EV electric vehicles
  • HEV hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries have the advantages of being able to charge and discharge freely, have a low self-discharge rate, and have high energy density. It is receiving the most attention.
  • a medium-to-large battery module or battery pack is used in which multiple battery cells are electrically connected.
  • the battery pack is generally constructed by first constructing a battery module containing at least one battery cell and adding other components to this at least one battery module, but this is not necessarily the case, and the battery cell is assembled into the battery pack. It is also possible to mount it directly. Since it is desirable to manufacture battery modules or battery packs in as small a size and weight as possible, prismatic batteries and pouch-type batteries that can be stacked with a high degree of integration and have a small weight-to-capacity battery 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 rises higher than the appropriate temperature due to overcharging, etc., performance may deteriorate, and if the temperature rise is excessive, it may explode or There is a risk of ignition. If ignition occurs in at least one of the battery packs, flame and heat may spread to adjacent surrounding battery packs, leading to additional ignition, causing property damage or serious casualties.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a device including a cooling system that can inject a sufficient amount of coolant at the right time and place when at least one of the battery packs ignites internally.
  • Cooling water in the water tank may be supplied based on an electrical signal from a control unit that controls the operation of the water tank.
  • Cooling water in the water tank may be supplied by a pump that operates based on the electrical signal.
  • the water tank is located above the battery pack, and coolant from the water tank may be supplied to the cooling member by a pressure difference between the cooling member and the water tank.
  • the water tank may include a first water tank located at the front of the device and a second water tank located at the rear of the device.
  • the cooling member includes a cooling tube that provides a flow path for coolant and a cooling hose mounted on the cooling tube.
  • a plurality of openings are formed in the lower plate, the cooling hoses are positioned to correspond to the openings, and the vulnerable portion is It may be a portion of the lower plate 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 includes a first part in which the weak part is formed and a second part in which the weak part is not formed, and a thickness value of the first part may be smaller than a thickness value of the second part.
  • the thickness of the first portion may be less than half of the thickness of the second portion.
  • cooling water may be injected from a cooling member inside the battery pack into a battery cell in which thermal runaway has occurred, and at this time, a sufficient amount of cooling water is supplied from the water tank to the cooling member to quickly extinguish the internal fire, Continuous thermal runaway phenomenon can be prevented.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a case where the water tank included in the electric vehicle according to FIG. 1 is a passive type.
  • Figure 3 is a perspective view of a battery pack included in an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the lower plate of the cooling member included in the battery pack according to FIG. 3.
  • Figures 8 and 9 are diagrams for explaining changes in the cooling member before and after the thermal runaway phenomenon.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating changes after thermal runaway when a foam pad is provided in the battery pack according to FIG. 3.
  • Figure 11 is a perspective view showing a cooling member of a battery pack included in an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the combination of a lower plate and a cover film included in the cooling member according to FIG. 11.
  • Figure 13 is a perspective view showing a lower plate of a cooling member of a battery pack included in an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is a cross-sectional view of the lower plate for explaining a modified example of the cooling member according to Figure 13.
  • Figure 16 is a cross-sectional view of the lower plate for explaining another modified example of the cooling member according to Figure 13.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of a cooling member for explaining another modified example of the cooling member according to FIG. 15.
  • FIG 19 is a top view of the cooling element according to Figure 18;
  • FIG. 21 shows the cooling member according to FIG. 19 cut along line B-B, and shows coolant flowing into or flowing out of the cooling tube and cooling hose.
  • FIG. 22 shows a cross section of the cooling member according to FIG. 19 cut along line B-B, and is a diagram showing the injection of coolant through a cooling hose when a battery cell ignites.
  • top/bottom surface of a specific member may be judged differently depending on which direction it is based on, throughout the specification, 'top surface' or 'bottom surface' is defined to mean the two faces of the member facing each other on the z-axis. do.
  • FIG. 1 is a side view of an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a case where the water tank included in the electric vehicle according to FIG. 1 is a passive type.
  • the electric vehicle 1 includes a battery pack 1000, a water tank 2000 that supplies additional coolant to the battery pack 1000, and a battery pack 1000 and water. It may include a cooling water supply pipe 3000 connecting the 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 a battery pack or a battery module, including a battery cell.
  • the cooling member 500 may be a water-cooled cooling member 500 into which refrigerant or cooling water is injected. By providing the cooling member 500 with water cooling, 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 coolant used in the cooling member 500 may be one of the known ones or a mixture thereof, and any one of the known ones may be used as long as it can dissipate the heat of the battery cells by moving along the flow path inside the cooling member 500. It is okay to use it. However, if the coolant has electrical conductivity, problems due to energization may occur, so it may be desirable for the coolant to have electrical insulation properties. At this time, the electrically insulating coolant may include a coolant with low electrical conductivity, for example, it may have an electrical conductivity of 150 uS/cm.
  • liquid such as coolant
  • a separate water tank is provided outside the battery module and the battery pack, and the battery is controlled through a sensor. Only when ignition of the cell was confirmed, coolant was introduced into the battery module or battery pack through a nozzle extending from the water tank.
  • the conventional water injection system must be equipped with a separate control unit or communication unit to determine whether to input coolant, and their operation must not cause errors. Even if it operates normally, it requires a lot of time because it must go through a number of judgment processes. It has been done. Even after the injection of coolant was decided, if the path from the water tank to the battery module or battery cell inside the battery pack was rather long, it was difficult to quickly provide coolant from the water tank to the battery cells, and the conventional water injection system was difficult to proceed quickly. It was difficult to stop the continuous thermal runaway phenomenon. Therefore, in this embodiment, the weak portion 600 that melts or breaks at a predetermined temperature or pressure in the cooling member 500 so that coolant can be immediately supplied to the fire site when the internal ignition of the battery pack 1000 (see FIG. 8, etc.) ) can be formed.
  • the electric vehicle 1 of this embodiment may include a water tank 2000 capable of supplying additional coolant to the cooling member 500.
  • the water tank 2000 may be connected to the battery pack 1000 through a cooling water supply pipe 3000. When there are multiple battery packs 1000 included in the electric vehicle 1, the water tank 2000 may be connected to each battery pack 1000. In situations where additional coolant is required, the coolant in the water tank 2000 may be introduced into the cooling member 500 through the coolant supply pipe 3000.
  • the water tank 2000 and the coolant supply pipe 3000 included in the electric vehicle 1 are used to alleviate the thermal runaway phenomenon of the battery pack 1000, and can be collectively referred to as a ‘cooling system.’
  • the cooling system may be described as including a water tank 2000, a cooling water supply pipe 3000, as well as a cooling member 500 included in the battery pack 1000.
  • the water tank 2000 may be provided as an active structure.
  • the active structure may mean that the supply of coolant to the water tank 2000 is performed based on electrical signals.
  • the water tank 2000 may include or be connected to a control unit that generates an electrical signal.
  • the cooling system may include a control unit.
  • the control unit may detect a thermal runaway phenomenon of the battery pack 1000 or receive a sensing value from a sensor unit that detects a change in the water level of the cooling member 500. When a preset sensing value is detected by the sensor unit, the control unit can supply coolant to the battery pack 1000 by generating an electrical signal based on this. At this time, the sensor unit may be included in the battery pack 1000.
  • the cooling water supply pipe 3000 may be designed to be open and closed by an electrical signal, and can be opened by an electrical signal from the control unit to allow the cooling water in the water tank 2000 to be introduced into the cooling member 500.
  • the water tank 2000 may be designed to be open and closed by an electrical signal.
  • the cooling system may include a pump.
  • the pump may be driven based on an electrical signal, and the coolant in the water tank 2000 may be supplied to the cooling member 500 of the battery pack 1000 by driving the pump.
  • the water tank 2000 may be provided as a passive structure.
  • the passive structure may mean that the supply of coolant to the water tank 2000 is performed based on gravity or hydraulic pressure difference rather than an electrical signal.
  • the water tank 2000 provided in a passive structure may include a control unit or a pump, or may not be connected thereto, and thus the structure of the cooling system may be simplified.
  • the location of the water tank 2000 provided as a passive structure may be limited. Specifically, the water tank 2000 provided in a passive structure may need to be placed above the battery pack 1000. When the water tank 2000 is located at the top, when the water level in the cooling member 500 decreases, cooling water can be supplied from the water tank 2000 to the cooling member 500 by gravity or hydraulic pressure difference without a separate electrical signal. there is.
  • the electric vehicle 1 may drive on flat ground, but may also drive on or stop on an inclined surface.
  • the electric vehicle 1 includes only the first water tank 2100, even if the water level of the cooling member 500 is lowered on a downhill road as shown in FIG. 2(b), the water is discharged from the first water tank 2100. It may be difficult to supply coolant to the cooling member 500.
  • the electric vehicle 1 includes only the second water tank 2200, it may be difficult to supply coolant from the second water tank 2200 to the cooling member 500 on an uphill road as shown in FIG. 2(a). .
  • the water tank 2000 provided in the electric vehicle 1 is a passive type, the water tank 2000 is located at the front of the electric vehicle 1 and the first water tank 2100 at the rear of the electric vehicle 1. It may be desirable to include all of the second water tanks 2200 located therein.
  • conventional battery packs have a double assembly structure in which a battery cell stack and various components 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 that forms the 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 the disadvantage of poor reassembly when defects occur in some battery cells.
  • a cooling member, etc. 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 can be provided in a structure that is not sealed by the module frame, and can 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 the weight of the battery pack can be achieved.
  • the battery cell stack can be located closer to the cooling member within the pack frame, and heat dissipation by the cooling member can be more easily achieved.
  • the 'battery pack' described below is a structure that includes a battery cell stack and a frame to accommodate the same, and is therefore not limited to including a conventional sealed battery module, and is not limited to the battery cell stack and various components connected thereto.
  • the structure in which they are assembled can be broadly referred to. From this perspective, the battery pack of this embodiment may also be referred to as a battery module, if necessary.
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery pack included in an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 4 and 5 are exploded perspective views of the battery pack included in the electric vehicle according to Figure 3.
  • Figure 6 is a perspective view of a cell block included in the battery pack according to Figure 3.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the lower plate of the cooling member included in the battery pack according to FIG. 3.
  • Figures 8 and 9 are diagrams for explaining changes in the cooling member before and after the thermal runaway phenomenon.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating changes after thermal runaway when a foam pad is provided in the battery pack according to FIG. 3.
  • the battery pack 1000 may include a cell block 100 that is not sealed by a frame or the like.
  • the cell block 100 may be similar to a structure in which the module frame is omitted from a conventional battery module, and may therefore 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 located at both ends in the stacking direction of the battery cell stack 120, and a side plate. (130) and a holding strap 140 that wraps around the perimeter of the battery cell stack 120 and secures its shape, and a bus bar frame 150 that covers the front and back of the battery cell stack 120. .
  • the battery cell 110 may each include an electrode assembly, a cell case, and an electrode lead protruding from the electrode assembly.
  • the battery cells 110 may be provided in a pouch or square shape that can maximize the number of stacked cells per unit area. Meanwhile, Figures 3 to 6 show that the positive and negative electrode leads 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 be 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 the 'stacking direction') may be the y-axis direction (or -y-axis direction) as shown in Figures 3 to 6, hereinafter referred to as the 'axis direction'
  • the expression 'direction' may be interpreted as including both +/- directions).
  • the holding strap 140 may have hooks at both ends in the length direction for stable coupling with the side plate 130.
  • the hook may be formed by bending both ends of the holding strap 140 in the longitudinal direction.
  • a locking groove may be formed in the side plate 130 at a position corresponding to the hook, and the holding strap 140 and the side plate 130 can be stably coupled through the combination of the hook and the hook groove.
  • the pack frame 200 may be provided in a hollow form that is open along one direction.
  • a plurality of cell blocks 100 are positioned one after another along the stacking direction of the battery cells 110, and the pack frame 200 has an open hollow shape along the above-described stacking direction. You can.
  • 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 placed on the plate-shaped lower frame 210, and a U-shaped upper frame 220 is provided to surround the upper surface of the cell block 100 and two surfaces on the x-axis. It can be.
  • either the upper frame 220 or 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. 4 is only an example, and 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 different from the one described above, such as being provided in a plate shape.
  • the pack frame 200 may include a portion with high thermal conductivity to quickly dissipate heat generated in the internal space to the outside.
  • the pack frame 200 may be made of a metal with high thermal conductivity, such as aluminum, gold, silver, copper, platinum, or an alloy containing these.
  • the pack frame 200 may partially have electrical insulation, and an insulating film may be provided or an insulating paint may be applied to locations where insulation is required.
  • a portion of the pack frame 200 to which an insulating film or insulating paint is applied may be referred to as an insulating portion.
  • the resin layer 300 may be formed by injecting resin between the battery cell stack 120 and one inner surface of the pack frame 200. However, this is not necessarily the case, and the resin layer 300 may be a plate-shaped member.
  • the end plate 400 may be used to protect the cell block 100 and the electrical equipment connected to it from external physical shock by sealing the open side of the pack frame 200. Each corner of the end plate 400 may be joined to the corresponding corner of the pack frame 200 by welding or other methods. Two end plates 400 may be provided to seal the two open sides of the pack frame 200, and may be made of a metal material having a predetermined strength.
  • the cooling member 500 may be disposed on one side of the battery cell stack to dissipate heat from the battery cells.
  • the cooling member 500 may be arranged parallel to the stacking direction of the battery cell stack so as to be close to a plurality of battery cells of the battery cell stack.
  • the cooling member 500 may be located at the top of the battery cell stack (+z-axis direction in FIG. 4). However, this is not necessarily the case, and depending on the design, the cooling member 500 may be located at the bottom (upward direction of -z axis) or on the side (upward direction of +/-y axis) of the battery cell stack.
  • the cooling member 500 may include an upper plate 510 and a lower plate 520 that form the outer shape of the cooling member 500, and an inlet/outlet port 530 for injecting coolant into the cooling member 500. there is.
  • the cooling member 500 may be formed by combining the 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 lower plate 520 coupled in the cooling member 500.
  • the upper plate 510 and lower plate 520 may be provided in a plate shape.
  • the upper plate 510 or the lower plate 520 may be provided in a plate shape, and its central portion may be depressed or indented to have a step from the edge portion.
  • the upper plate 510 or the lower plate 520 may have a concave shape based on the cross section in the width direction. This may be because the upper plate 510 or the lower plate 520 forms an internal space through steps to accommodate coolant.
  • the width direction of the upper plate 510 or the lower plate 520 may be 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 with high thermal conductivity.
  • the upper plate 510 and lower plate 520, which form the outer shape of the cooling member 500, may be made of a metal with high rigidity, and specific examples include aluminum, gold, silver, copper, platinum, or alloys containing these, etc. can be mentioned.
  • the top plate 510 is shown as a separate configuration from the pack frame 200, but in order to reduce the weight of the battery pack 1000 or improve thermal conductivity, the top plate 510 is used to form the pack frame 200. ), and the cooling member 500 may be provided in a structure integrated with the pack frame 200.
  • Coolant may be supplied through inlet ports 532 located side by side and discharged to the outlet port 534.
  • the inlet port 532 and the outlet port 534 may be positioned parallel to one end of the cooling member 500. This may be intended to simplify the design of the inflow and discharge of coolant supplied from the outside of the battery pack 1000. Additionally, this may be to minimize the temperature difference around the inlet port 532 and the outlet port 534. Specifically, the coolant flowing into the inlet port 532 may have the lowest temperature, and the coolant discharged from the outlet port 534 may have the highest temperature. Accordingly, when the inlet/outlet ports 530 are disposed adjacent to each other, heat exchange occurs between them, thereby minimizing the temperature difference of the entire coolant flowing in the internal space of the cooling member. Therefore, by arranging the inlet/outlet ports 530 side by side, the cooling member 500 can have uniform heat dissipation performance as a whole.
  • the weak portion 600 may refer to a portion that melts or breaks at a predetermined temperature or pressure.
  • the vulnerable portion 600 opens when the internal ignition of the battery pack 1000 ignites, thereby allowing coolant to be immediately supplied to the fire site, 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 prevents the outflow of coolant by sealing the opening 521 before the thermal runaway phenomenon, and as shown in FIG. 9, it melts or breaks after the thermal runaway phenomenon, thereby allowing the coolant in the cooling member 500 to enter the battery. It can be input toward the cell 110.
  • the vulnerable portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the opening 521 is located.
  • the vulnerable portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the sealing member 529 is located.
  • the vulnerable portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where 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 lower.
  • the sealing member 529 may be manufactured to include polyamide (PA).
  • PA polyamide
  • the sealing member 529 may be manufactured to include a thermoplastic polymer resin having a melting point of 200° C. or lower. Examples of the thermoplastic polymer resin include materials with a melting point of about 100°C or more and 200°C or less, such as high-density polyethylene (HDPE), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polyphenylene oxide (PPO).
  • HDPE high-density polyethylene
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PPO polyphenylene oxide
  • the sealing member 529 may be provided in an I shape. At least some of both ends of the sealing member 529 may be in 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. Depending on the design, a positive or negative protrusion or groove may be formed on the contact surface where the upper and lower surfaces of the sealing member 529 and the lower plate 520 contact. As the protrusions or grooves formed on the sealing member 529 and the grooves or protrusions formed on the lower plate 520 engage with each other, the sealing member 529 can be more effectively prevented from falling off due to the pressure of the coolant.
  • the battery pack 1000 of this embodiment may include a foam pad 700 that allows coolant to concentrate around the fire.
  • the foam pad 700 may be used to guide the flow of coolant discharged from the cooling member 500 when the vulnerable portion 600 is opened.
  • the flow may be restricted and concentrated on the first battery cell 110A.
  • the foam pad 700 is not present, the coolant 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 coolant to the first battery cell 110A.
  • Foam pad 700 may include at least one pad opening 710.
  • the pad opening 710 may correspond to the vulnerable portion 600 of the cooling member 500. Since the pad opening 710 corresponds to the vulnerable portion 600, the coolant discharged from the vulnerable portion 600 can be intensively introduced into the first battery cell 110A without being obstructed by the foam pad 700.
  • the foam pad 700 may correspond to the battery cell stack 120 included in the battery pack 1000. When there are multiple battery cell stacks 120 included in the battery pack 1000, the foam pad 700 may correspond to the multiple battery cell stacks 120. At this time, a plurality of foam pads 700 may be provided to correspond to each battery cell stack 120, or one foam pad 700 may be provided to correspond to a plurality of battery cell stacks 120.
  • the electric vehicle of the embodiment described below is the same as the embodiment described above except that the structure of the cooling member included in the battery pack is different. Therefore, in describing this embodiment, the same drawing numbers are assigned to common components as those of the above-described embodiment, and detailed descriptions are omitted.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a cooling member of a battery pack included in an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the combination of a lower plate and a cover film included in the cooling member according to FIG. 11.
  • the vulnerable portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the opening 521 is located.
  • the vulnerable portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where 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 in the above-described embodiment.
  • the cover film 580 is disposed between the upper plate 510 and the lower plate 520 and may be positioned to 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 or identical to the overall outer shape of the lower plate 520.
  • the specific shape of the cover film 580 may be similar or identical to the shape of the lower plate 520 excluding the opening 521.
  • the cover film 580 is preferably thick enough to withstand gravity due to the weight of the coolant and friction due to the flow of the coolant. However, if the cover film 580 is excessively thick, the heat dissipation of the cooling member 500 may occur. Since performance may be reduced, it needs to be adjusted to an appropriate thickness.
  • the thickness of the cover film 580 may be manufactured to be 2 mm or less, or 1.5 mm or less, but considering the durability of the cover film 580 and the deterioration of heat dissipation performance due to the cover film 580, the thickness of the cover film 580 may be manufactured to be 0.5 to 1.0 mm. This may be desirable. If the thickness of the cover film 580 is less than 0.5 mm, durability problems may occur, and if the thickness of the cover film 580 is greater than 1.0 mm, the heat dissipation performance of the cooling member 500 may be reduced.
  • the cover film 580 is disposed in combination with the lower plate 520, coolant can flow between the upper surface of the cover film 580 and the lower surface of the upper plate 510.
  • the inflow and outflow of coolant through the inlet/outlet port 530 is not limited by the cover film 580, so the coolant in the cooling member 500 may be designed to be connected to an external heat exchanger connected to the inlet/outlet port 530 to continuously circulate to maintain the temperature.
  • the cooling member 500 when the cooling member 500 is provided with a sealing member 529 or a cover film 580 made of a material with a lower melting point than the lower plate 520, the cooling member 500 includes two materials with different physical properties. can do.
  • the upper plate 510 and the lower plate 520 of the cooling member 500 were mainly joined by brazing or laser welding, so when the cooling member 500 is designed to include two or more materials, During the welding process, one material could be deformed, making the welding process difficult or impossible.
  • a local temperature gradient may be formed in the upper plate 510 or lower plate 520, which may cause at least a portion of the upper plate 510 or lower plate 520 to bend.
  • Clinching is a deformation joining method that mechanically joins two plate-shaped members by pressing one surface of two stacked plate-shaped members using a punch or the like to deform their shapes. Clinching may also be referred to as penetration joining, considering its shape.
  • an elastic member is installed between the upper plate 510 and the lower plate 520.
  • (590) may be located.
  • the conventional welding method it was difficult to provide an elastic member 590, which is somewhat vulnerable to heat, when joining the upper plate 510 and the lower plate 520. Therefore, when using the welding process, in order to supplement the watertightness of the welded surface, the upper plate 510 and the lower plate 520 were mainly joined, and then a sealant, etc. was applied through an additional process.
  • the cooling member 500 is formed through a mechanical coupling method, the heat-vulnerable elastic member 590 can be coupled together during the joining process of the upper plate 510 and the lower plate 520, through which Simplification of the manufacturing process and reduction of manufacturing costs 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 the surface where the upper plate 510 and the lower plate 520 contact, and can improve the 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 the gap that exists between the upper plate 510 and the lower plate 520.
  • the band-shaped elastic member 592 can prevent the coolant inside the cooling member 500 from leaking out through the gap.
  • the band-shaped elastic member 592 may also be referred to as a water pad.
  • the elastic member 590 may include a ring-shaped elastic member 594.
  • a fastener is formed at the fastening portion, so there is a problem that the fastening portion may reduce the watertightness of the cooling member 500.
  • the watertightness of the fastening portion can be supplemented through the ring-shaped elastic member 594.
  • the cover film 580 is provided on 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 to ensure watertightness of the cooling member 500. can be improved.
  • the ring-shaped elastic member 594 may also be referred to as a ‘water ring’.
  • the elastic member 590 may be made of a flexible material with elasticity. Examples of materials from which the elastic member 590 is manufactured include silicone-based foam pads, acrylic-based foam pads, or urethane-based foam pads.
  • the electric vehicle of the embodiment described below is the same as the embodiment described above except that the structure of the cooling member included in the battery pack is different. Therefore, in describing this embodiment, the same drawing numbers are assigned to common components as those of the above-described embodiment, and detailed descriptions are omitted.
  • Figure 13 is a perspective view showing a lower plate of a cooling member of a battery pack included in an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing examples of the cross section A-A of FIG. 13.
  • Figure 15 is a cross-sectional view of the lower plate for explaining a modified example of the cooling member according to Figure 13.
  • Figure 16 is a cross-sectional view of the lower plate for explaining another modified example of the cooling member according to Figure 13.
  • FIG. 17 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 than other portions of the lower plate 520.
  • the lower plate 520 may have a first portion referred to as a weak portion 600 and a second portion in which the weak portion 600 is not formed, where the thickness of the second portion may be greater than the thickness of the first portion. there is.
  • the thickness value of the first portion may be less than half of the thickness value of the second portion.
  • the vulnerable portion 600 has a somewhat smaller thickness than other portions, so 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 formed to be thin enough to be easily broken by high temperature or pressure when the battery cell ignites. Therefore, in this embodiment, the weak portion 600 may refer to a portion of the lower plate 520 where the groove portion 522 is formed or the groove portion 522.
  • the coolant is located between the upper plate 510 and the lower plate 520, and is in direct contact with the lower plate 520 on which the vulnerable portion 600 is formed, so the coolant may leak through the gap around the opening 521.
  • manufacturing the lower plate 520 to include two materials with different physical properties involves a complicated manufacturing process, which may increase manufacturing time and manufacturing cost.
  • the sealing member 529 or the cover film 580 with a low melting point is not located on the lower plate 520, and the opening 521 is not formed in the lower plate 520. Reduction of watertightness and simplification of the manufacturing process can be achieved.
  • the cross section of the groove portion 522 may have various shapes.
  • the groove portion 522 may have a rectangular cross-sectional shape as shown in FIG. 14(a) by vertically connecting a first portion in which the groove portion 522 is formed and a second portion in which the groove portion 522 is not formed.
  • a part of the lower plate 520 has a triangular cross-sectional shape as shown in FIG. 14(b) or a trapezoid as shown in FIG. 14(d). You can have it.
  • a portion of the lower plate 520 may have a round cross-section as shown in FIG. 14(c).
  • the cross-sectional shape of the lower plate 520 according to the formation of the groove 522 is not limited to the above-mentioned examples, and may be modified in various ways considering ease of design, etc.
  • the weak portion 600 must be broken by heat or temperature, it may be desirable for the weak portion 600 to include as many thin parts as possible, so it may be shaped differently in FIG. 14 than in the shape of FIG. 14(b). Shapes may be desirable. However, since the temperature and pressure at which the fracture occurs may be affected by factors such as thickness, physical properties, and shape, other shapes in FIG. 14 may not necessarily be preferable to the shape in FIG. 14(b).
  • the groove portion 522 formed in the lower plate 520 may not be directed toward the inside of the cooling member 500, but 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 be located close to the battery cell or contact the battery cell to promote heat dissipation of the battery cell. You can.
  • the cross-sectional shape shown in FIG. 15 can be explained with reference to the content of FIG. 14 except that the vertical direction is opposite, so detailed description is omitted.
  • the groove 522 may be formed by partially etching the lower plate 520.
  • the groove 522 may be formed using a notching process.
  • the lower plate 520 may be formed by joining two layers, and through this, the weak portion 600, that is, the groove portion 522, may be formed.
  • the lower plate 520 may be formed by joining a first layer 520A provided as a plate-shaped member and a second layer 520B provided with a plurality of holes.
  • the above-described groove 522 or weak portion 600 may be formed by a hole formed in the second layer 520B.
  • the hatched portion indicates the second layer 520B, and the partially empty space between the hatches represents the cross section of the hole formed in the second layer 520B. This is expressed.
  • a portion of the lower plate 520 includes the first layer 520A and the second layer 520B and thus has a relatively thick thickness, and the other portion of the lower plate 520 includes only the first layer 520A and thus has a relatively thin thickness.
  • the part having the first layer 520A may be referred to as the first part
  • the part having both the first layer 520A and the second layer 520B may be referred to as the second part.
  • 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 dimensional stability of the weak portion 600 is improved, and the process cost and process due to defective products are improved. Time can be minimized.
  • the equipment 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 desired thickness of the weak portion 600 is If it is thin, there is a risk that the lower plate 520 may be damaged during the process of forming the groove portion 522.
  • a thickness similar to a thin film may need to be formed by removing a portion of the already sufficiently thin lower plate 520, and if the control of the device is not complete, the lower plate 520 ) may be damaged or the dimensional stability of the weak portion 600 may be reduced, resulting in an increase in defective products, resulting in wasted process costs and process time.
  • the first layer 520A forming the weak portion 600 may be made of an aluminum material that can be melted or fractured by temperature, pressure, or spark during a thermal runaway phenomenon.
  • the thickness of the first layer 520A can be designed to be thick enough to the point where it can melt due to thermal runaway of the battery cell.
  • the first layer 520A may be provided with 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 sheet with a thickness of mm or less, and the second layer 520B may be provided with a hole formed in an aluminum sheet with a thickness of 1.0 to 1.5 mm or more. Additionally, depending on the embodiment, the first layer 520A may be provided thinner, for example, may be provided as 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 sheets of the second layer 520B are respectively bonded to one surface of the first layer 520A, the lower plate 520 having the weak portion 600 of a sufficiently thin thickness can be formed.
  • the thickness values of all vulnerable portions 600 may be the same.
  • the thicknesses of the first and second weak portions may be substantially the same.
  • the thickness value of each vulnerable portion 600 may not vary depending on its location. If a thickness deviation occurs in the weak portion 600 depending on the location, a part of the weak portion 600 may be formed thicker than designed, and as a result, the specific portion may be difficult to fracture due to heat or pressure. Since the weak portions 600 of this embodiment are all formed to have a uniform thickness, errors between the design and the actual product can be minimized.
  • a bond between two layers may be formed through a welding process.
  • welding processes used for the above joining include brazing or laser welding.
  • the two layers can be melt-joined.
  • melt bonding the watertightness of the lower plate 520 may be achieved at a desired level.
  • a bond of two layers can be formed through a rolling process.
  • the rolling process is a method of joining two layers by passing a laminate of two or more layers between a pair of rolls.
  • the laminate may be heated during interlayer bonding through a rolling process. At this time, if the heated temperature is above the recrystallization temperature of the metal, it may be referred to as hot rolling, and if the temperature is below the above temperature, it may be referred to as cold rolling. there is.
  • the materials of the two layers may be different, or may be the same or similar materials.
  • the melting points of the two layers are the same/similar, so the above-described bonding process involving heat or pressure can be performed more easily.
  • the bonding of the layers is formed through a brazing process, and the first layer 520A is located on the upper side of the second layer 520B, so that the cross section of the lower plate 520 can be provided with a structure similar to that of FIG. 15. 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 top plate 510 may also be made of 3000 series aluminum, and bonding between layers can be smoothly performed through the 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 provided with 3000 series aluminum
  • the second layer 520B or the top plate 510 may be provided with 3000 series and 4000 series clad metal.
  • the coolant is stored between the upper plate 510 and the lower plate 520, so the flow rate deviation of the coolant may be determined depending on 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 vulnerable portion 600 is formed, and the flow rate per unit length may be relatively small around the second portion where the vulnerable portion 600 is not formed. If the flow rate around the first part is larger, coolant can be injected more quickly according to hydraulic pressure when the vulnerable portion 600 is opened, so it may be preferable that the flow rate around the first part be larger.
  • the upper plate 510 having a bent portion 514 may be provided so that a flow rate deviation of the coolant within the cooling member 500 is formed.
  • the bent portion 514 may have a wavy cross-sectional shape based on the longitudinal cross-section of the cooling member 500.
  • the highest point, that is, the crest, of the curved portion 514 may correspond to the first portion of the lower plate 520 where the weak portion 600 is formed.
  • the lowest point, or trough, of the curved portion 514 may correspond to the second portion of the lower plate 520.
  • the flow rate per unit length around the first portion can be increased, and when the vulnerable portion 600 is opened, the coolant of the cooling member 500 is not ignited. 1 It can be injected more quickly toward the battery cell (110A).
  • each layer of the cooling member 500 is shown to be located in the order of the first layer 520A, the second layer 520B, and the top plate 510, but the second layer 520B, the first layer 520B, and the top plate 510 are shown in FIG. It may also be possible to place layer 520A and top plate 510 in that order.
  • the second layer 520B forming the lower surface of the cooling member 500 may be located close to the battery cell or may be in contact with the battery cell, so that heat dissipation of the battery cell is promoted by the second layer 520B. may appear.
  • the top plate 510 may be referred to as the third layer and may be made of aluminum.
  • the top plate 510 may preferably be formed to have 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 preferably be formed to have 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 sufficiently thin to have the characteristics of the weak portion 600, and may specifically have a thickness of 0.03 to 0.07 mm, or 0.04 to 0.06 mm.
  • cooling member 500 having three layers various types of joining processes, such as a welding process and a rolling process, may be applied to join the layers.
  • various types of joining processes such as a welding process and a rolling process, may be applied to join the layers.
  • the physical properties of the third layer which is the first layer 520A, the second layer 520B, and the top plate 510, are Since it can be explained through the above-mentioned contents, detailed explanation will be omitted.
  • the electric vehicle of the embodiment described below is the same as the embodiment described above except that the structure of the cooling member included in the battery pack is different. Therefore, in describing this embodiment, the same drawing numbers are assigned to common components as those of the above-described embodiment, and detailed descriptions are omitted.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a cooling member of a battery pack included in an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 19 is a top view of the cooling element according to Figure 18;
  • FIG. 20 is a diagram illustrating the combination of a lower plate included in the cooling member according to FIG. 18, a cooling tube, and a cooling hose.
  • FIG. 21 shows the cooling member according to FIG. 19 cut along line B-B, and shows coolant flowing into or flowing out of the cooling tube and cooling hose.
  • FIG. 22 shows a cross section of the cooling member according to FIG. 19 cut along line B-B, and is a diagram showing the injection of coolant through a cooling hose when a battery cell ignites.
  • the cooling member 500 of this embodiment may include a cooling tube 540 through which coolant flows and a cooling hose 550.
  • the lower plate 520 may preferably be provided in a plate shape to support the cooling tube 540, etc.
  • the upper plate 510 may be replaced by a cooling tube 540 or the like and may be omitted.
  • the cooling member 500 is formed by mounting a cooling tube 540 on the upper surface of the lower plate 520, attaching a cooling hose 550 to the cooling tube 540, and then combining the fixing member 560 with the lower plate 520. It can be manufactured by doing.
  • the coolant is located between the upper plate 510 and the lower plate 520, and is in direct contact with the lower plate 520 on which the vulnerable portion 600 is formed, so the coolant may leak through the gap around the opening 521.
  • manufacturing the lower plate 520 to include two materials with different physical properties involves a complicated manufacturing process, which may increase manufacturing time and manufacturing cost.
  • the cooling water is isolated from the cooling tube 540 or the cooling hose 550, thereby minimizing the decrease in watertightness caused by the opening 521.
  • the manufacturing process of the cooling member 500 can be 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 used to spray internal coolant into the battery cell by heat or pressure generated by the ignition when the internal ignition of the battery cell occurs.
  • a protrusion 524 may be formed around the lower plate 520, extending from one side of the lower plate 520, and continuously positioned along one edge of the lower plate 520. The protrusion 524 may promote heat dissipation of the corresponding portion by contacting or being disposed close to the electrode lead of each battery cell stack or a bus bar connected to the electrode lead. Additionally, a berm 526 may be formed on the lower plate 520.
  • the berm 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 berm 526, and the fixing member 560 can be stably fixed.
  • the width direction of the cooling member 500 may be parallel to the short side of the cooling member 500.
  • the longitudinal direction of the cooling member 500 may be parallel to the long side of the cooling member 500.
  • the cooling tube 540 may provide a cooling water flow path for heat dissipation of battery cells.
  • the interior of the cooling tube 540 may contain coolant injected through the inlet port 532, and the coolant contained in the cooling tube 540 may be discharged through the outlet port 534.
  • the cooling member 500 can 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 heat exchanger connected to the inlet/outlet port 530 in order to maintain homeostasis of its temperature.
  • the lower plate 520 cooled by the cooling tube 540 can promote heat dissipation of the battery cells.
  • the cooling tube 540 may be made of a material with high thermal conductivity, through which it can quickly absorb heat from the lower plate 520.
  • the cooling tube 540 may be made of a material having sufficient rigidity to withstand the pressure and weight of the coolant contained therein.
  • the cooling tube 540 may be manufactured from a material that is the same as or similar to that of the lower plate 520. Materials of the cooling tube 540 include, for example, aluminum, gold, silver, copper, platinum, or alloys containing these.
  • the cooling tube 540 may be mounted in a position on the lower plate 520 where the berm 526 is not formed.
  • 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 include a receiving portion 548 on which the cooling hose 550 is mounted.
  • the accommodating portion 548 may refer to an accommodating space in the cooling tube 540 where the cooling hose 550 is mounted.
  • the receiving portion 548 may be a long groove extending along the longitudinal direction of the cooling member 500, and the cross-section of the receiving portion 548 may be polygonal, such as a square, or circular. Both longitudinal ends of the cooling hose 550 may be connected to both ends of the receiving 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.
  • the connection portion between both ends of the receiving 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 the connection portion between the cooling hose 550 and the receiving portion 548, and watertightness between the two members can be secured through the gasket.
  • extensions extending in the 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 form the cooling tube 540. ) can complement the coupling between the cooling hose 550 and the cooling tube 540.
  • a first extension extending in the circumferential direction and a second extension spaced apart from the first extension may be formed at the end of the cooling hose 550.
  • the first extension may be located on the inside of the cooling tube 540, and the second extension may be located on the outside of the cooling tube 540.
  • the two extensions may be in close contact with the cooling tube 540, thereby providing cooling with the cooling hose 550.
  • the coupling between the tubes 540 may be further improved.
  • protrusions may be formed on the expansion portion, the first expansion portion, or the second expansion portion, and the protrusions may be used to be more closely coupled to one side of the cooling tube 540.
  • the cooling hose 550 is connected to the cooling tube 540 to provide a flow path for coolant that dissipates heat from the battery cells. Coolant flowing in from the inlet/outlet port 530 may move to the cooling hose 550. The cooling hose 550 may receive coolant from a cooling tube 540 located close to the inlet/outlet port 530.
  • the fixing member 560 may be used to supplement the 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 positions of the cooling tube 540 and the cooling hose 550 through coupling with the lower plate 520.
  • the fixing member 560 may be provided in the shape of a long strap.
  • 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 longitudinal direction of the cooling member 500, and the plurality of fixing members 560 may be arranged at even intervals.
  • the fixing member 560 may be made of a material with high rigidity to maintain the shape of the cooling member 500, and for example, may be made of metal.
  • 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 in the longitudinal direction of the fixing member 560 and a central coupling portion 564 formed at the center in the longitudinal direction of the fixing member 560.
  • the end coupling portions 562 of the fixing member 560 may be coupled to the protrusions 524 located at both ends of the lower plate 520 in the width direction.
  • the central coupling portion 564 of the fixing member 560 may be coupled to the berm 526 located at the center of the lower plate 520 in the width direction.
  • the cooling member 500 can be manufactured to include two or more materials with different properties, and structures of various materials and shapes, such as the cooling hose 550, can be used to form 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 may melt or break when an internal fire occurs, thereby allowing internal coolant to 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 coolant is sprayed, spouted, or injected in the direction of gravity, thereby causing the cooling water located on the lower side of the cooling member 500. Battery cell fires can be extinguished.
  • the receiving portion 548 on which the cooling hose 550 is mounted may also need to be formed to correspond to the opening 521 of the lower plate 520.
  • the weak portion 600 of this embodiment may refer to a portion of the lower plate 520 where the opening 521 is located.
  • the vulnerable portion 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 in the above-described embodiment.
  • the cooling tube 540 in order to achieve the above-described effect, it may be possible to construct a configuration in which a part of the cooling tube 540 is broken to allow coolant to be introduced, without separately manufacturing the cooling hose 550.
  • the cooling tube 540 in order for the cooling tube 540 to withstand the pressure of the coolant flowing into the inside and 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 fractured by pressure. There is a problem that the overall durability of the cooling member 500 may be reduced. Therefore, as in this embodiment, it may be desirable to configure the cooling hose 550, which can be easily broken by heat, separately from the cooling tube 540 to improve the performance of the entire cooling member 500.
  • the battery pack included in the embodiments of the present invention may additionally include a battery management system (BMS) and/or a cooling device that manages the temperature or voltage of the battery.
  • BMS battery management system
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention can be applied to various devices.
  • a device to which a battery pack is applied may be a means of transportation such as an electric bicycle, electric car, or hybrid car.
  • the above-described devices are not limited thereto, and the battery pack according to this embodiment can be used in various devices other than the above-described examples, which also fall within the scope of the present invention.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스는 적어도 하나의 전지 팩이 장착된 디바이스로서, 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 디바이스의 내부에 위치한 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

냉각 시스템을 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 03월 10일자 한국 특허 출원 제10-2022-0030250호 및 2023년 02월 21일자 한국 특허 출원 제10-2023-0023100호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 냉각 시스템을 포함하는 디바이스에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 배터리 팩의 연쇄적인 열폭주 현상을 방지할 수 있는 냉각 시스템을 포함하는 디바이스에 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.
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. 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. 전지 팩들 중 적어도 어느 하나의 전지 팩에서 발화가 발생하는 경우, 인접한 주위 전지 팩들로 화염 및 열이 전파될 수 있고, 추가적인 발화로 이어져 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 냉각 시스템을 포함하는 전기 자동차의 개발이 요청된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 팩들 중 적어도 하나의 내부 발화 시 적시 적소에 충분한 양의 냉각수를 투입할 수 있는 냉각 시스템을 포함하는 디바이스를 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 디바이스는 적어도 하나의 전지 팩이 장착된 디바이스로서, 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 디바이스의 내부에 위치한 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 탱크의 냉각수는 상기 워터 탱크의 동작을 제어하는 제어부의 전기적 신호에 기초하여 공급될 수 있다.
상기 워터 탱크의 냉각수는 상기 전기적 신호에 기초하여 동작하는 펌프에 의해 공급될 수 있다.
상기 워터 탱크는 상기 전지 팩의 상측에 위치하고, 상기 워터 탱크의 냉각수는 상기 냉각 부재와 상기 워터 탱크의 압력 차이에 의해 상기 냉각 부재로 공급될 수 있다.
상기 워터 탱크는 상기 디바이스의 전측에 위치하는 제1 워터 탱크 및 후측에 위치하는 제2 워터 탱크를 포함할 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 냉각 부재의 하부판과 결합하는 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.
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 전기 자동차의 측면도이다.
도 2는 도 1에 따른 전기 자동차에 포함된 워터 탱크가 수동형인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 분해 사시도이다.
도 6은 도 3에 따른 전지 팩에 포함된 셀블록의 사시도이다.
도 7는 도 3에 따른 전지 팩에 포함된 냉각 부재의 하부판을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 열폭주 현상 전후의 냉각 부재의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 3에 따른 전지 팩에 폼 패드가 제공된 경우, 열폭주 현상 후의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다.
도 12는 도 11에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 커버 필름의 결합을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 냉각 부재의 하부판을 도시한 사시도이다.
도 14는 도 13의 A-A절단면의 예시들을 도시한 도면이다.
도 15는 도 13에 따른 냉각 부재의 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다.
도 16은 도 13에 따른 냉각 부재의 다른 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다.
도 17은 도 15에 따른 냉각 부재의 또 다른 변형 예를 설명하기 위한 냉각 부재의 단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다.
도 19는 도 18에 따른 냉각 부재의 상면도이다.
도 20은 도 18에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 냉각 튜브 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다.
도 21은 도 19에 따른 냉각 부재가 B-B선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 냉각 튜브 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다.
도 22는 도 19에 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 전기 자동차에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 측면도이다. 도 2는 도 1에 따른 전기 자동차에 포함된 워터 탱크가 수동형인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기 자동차(1)는 전지 팩(1000), 전지 팩(1000)에 추가 냉각수를 공급하는 워터 탱크(2000) 및 전지 팩(1000)과 워터 탱크(2000)를 연결하는 냉각수 공급관(3000)을 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.
냉각 부재(500)에 사용되는 냉각수는 공지된 것들 중 하나 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 냉각 부재(500) 내부에서 유로를 따라 이동함으로써 전지셀들의 열을 방출할 수 있는 것이라면 공지된 것들 중 어느 것을 사용하여도 무방하다. 그러나 냉각수가 전기 전도도를 가지는 경우에는 통전에 의한 문제가 야기될 수 있으므로, 냉각수는 전기 절연성을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이 때, 전기 절연성 냉각수는 낮은 전기 전도도를 가지는 냉각수를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 150 uS/cm 수준의 전기 전도도를 가지는 것일 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 8등 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. 이 때문에 취약부(600)의 개방을 통해 전지 팩(1000) 내에 냉각수가 주입되더라도 냉각수의 양이 부족하여 발화 현상이 효과적으로 진압되지 않을 수 있다. 따라서 본 실시예의 전기 자동차(1)는 냉각 부재(500)에 추가적인 냉각수를 공급할 수 있는 워터 탱크(2000)을 포함할 수 있다.
워터 탱크(2000)는 냉각수 공급관(3000)을 통해 전지 팩(1000)과 연결될 수 있다. 전기 자동차(1)에 포함된 전지 팩(1000)이 복수인 경우, 워터 탱크(2000)는 각각의 전지 팩(1000)과 연결될 수 있다. 추가적인 냉각수가 요구되는 상황에서, 워터 탱크(2000)의 냉각수는 냉각수 공급관(3000)을 통해 냉각 부재(500)로 투입될 수 있다.
구체적인 예를 들어, 본 실시예에 따른 냉각 부재(500) 내의 냉각수는 그 온도의 항상성을 유지하기 위해 인렛 포트(532, 도 4 참고) 및 아울렛 포트(534, 도 4 참고)와 연결된 외부의 열교환기와 연결되어, 지속적으로 순환되도록 설계될 수 있다. 냉각수는 인렛 포트(532), 냉각 부재(500), 아울렛 포트(534), 열교환기 순으로 순환될 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 열교환기에 의해 순환되지 않을 수 있다.
그러나, 전지 팩(1000) 내부에 발화 현상이 발생하면, 냉각 부재(500) 내의 냉각수는 취약부(600)의 개방에 따라 전지 팩(1000) 내부로 투입될 수 있고, 냉각 부재(500) 내부의 수위는 감소할 수 있다. 이때, 워터 탱크(2000)의 냉각수가 냉각수 공급관(3000)을 통해 냉각 부재(500)로 공급됨으로써 전지 팩(1000) 내부에 추가적인 냉각수가 투입될 수 있고, 전지 팩(1000)의 발화 현상이 효과적으로 진압될 수 있다.
이처럼, 전기 자동차(1)에 포함된 워터 탱크(2000) 및 냉각수 공급관(3000)은 전지 팩(1000)의 열폭주 현상을 완화하는데 이용되는 것으로써, ‘냉각 시스템’으로 총칭될 수 있다. 또는, 냉각 시스템은 워터 탱크(2000), 냉각수 공급관(3000) 뿐만 아니라 전지 팩(1000)에 포함된 냉각 부재(500)를 포함하는 것으로 설명될 수도 있다.
워터 탱크(2000)는 능동형 구조로 제공될 수 있다. 능동형 구조란, 워터 탱크(2000)의 냉각수 공급이 전기적 신호에 기초하여 수행되는 것을 의미할 수 있다. 이를 위해, 워터 탱크(2000)는 전기적 신호를 발생시키는 제어부를 포함하거나, 이와 연결될 수 있다. 즉, 냉각 시스템은 제어부를 포함할 수 있다. 제어부는 전지 팩(1000)의 열폭주 현상을 감지하거나, 냉각 부재(500)의 수위 변화를 감지하는 센서부로부터 센싱 값을 수신할 수 있다. 센서부에 의해 미리 설정된 센싱 값이 검출되면, 제어부는 이에 기초하여 전기적 신호를 발생시킴으로써 전지 팩(1000)에 냉각수가 공급되도록 할 수 있다. 이 때, 센서부는 전지 팩(1000)에 포함된 것일 수 있다.
여기서, 냉각수 공급관(3000)은 전기적 신호에 의해 개폐가능한 것으로 설계될 수 있으며, 제어부의 전기적 신호에 의해 개방됨으로써 워터 탱크(2000)의 냉각수가 냉각 부재(500)로 투입되도록 할 수 있다. 또는, 워터 탱크(2000)가 전기적 신호에 의해 개폐가능한 것으로 설계될 수도 있다.
워터 탱크(2000)가 능동형 구조로 제공되는 경우, 냉각 시스템은 펌프를 포함할 수 있다. 펌프는 전기적 신호에 기초하여 구동될 수 있고, 워터 탱크(2000)의 냉각수는 펌프의 구동에 의하여 전지 팩(1000)의 냉각 부재(500)로 공급될 수 있다.
도 1에서는 워터 탱크(2000)가 전측에 위치한 제1 워터 탱크(2100)와 후측에 위치한 제2 워터 탱크(2200)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 냉각 시스템이 펌프를 포함하는 경우에는 워터 탱크(2000)가 전기 자동차(1)의 임의의 공간에 배치될 수 있다. 워터 탱크(2000)는 제1 워터 탱크(2100) 또는 제2 워터 탱크(2200)만을 포함할 수 있다. 또는, 워터 탱크(2000)가 도시된 것과 다른 위치에 제공될 수도 있다.
워터 탱크(2000)는 수동형 구조로 제공될 수 있다. 수동형 구조란, 워터 탱크(2000)의 냉각수 공급이 전기적 신호가 아닌, 중력 또는 유압차에 기초하여 수행되는 것을 의미할 수 있다.
수동형 구조로 제공되는 워터 탱크(2000)는 제어부 또는 펌프를 포함하거나, 이와 연결되지 않을 수 있고, 이에 따라 냉각 시스템의 구조가 보다 단순화될 수 있다.
수동형 구조로 제공되는 워터 탱크(2000)의 위치는 제한될 수 있다. 구체적으로, 수동형 구조로 제공되는 워터 탱크(2000)는 전지 팩(1000) 보다 상측에 배치되어야 할 수 있다. 워터 탱크(2000)가 상측에 위치하면 냉각 부재(500) 내의 수위가 감소할 때, 별도의 전기적 신호 없이도 중력 또는 유압차에 의해 워터 탱크(2000)로부터 냉각 부재(500)로 냉각수가 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 전기 자동차(1)는 평지를 주행할 수도 있으나, 경사면을 주행하거나 이에 정차할 수 있다. 이 때, 전기 자동차(1)가 제1 워터 탱크(2100)만을 포함하는 경우, 도 2(b)와 같은 내리막길에서는 냉각 부재(500)의 수위가 낮아지더라도 제1 워터 탱크(2100)로부터 냉각 부재(500)로 냉각수가 공급되기 어려울 수 있다. 반면, 전기 자동차(1)가 제2 워터 탱크(2200)만을 포함하는 경우에는 도 2(a)와 같은 오르막길에서는 제2 워터 탱크(2200)로부터 냉각 부재(500)로 냉각수가 공급되기 어려울 수 있다. 따라서, 전기 자동차(1)에 제공된 워터 탱크(2000)가 수동형인 경우, 워터 탱크(2000)는 전기 자동차(1)의 전측에 위치한 제1 워터 탱크(2100) 및 전기 자동차(1)의 후측에 위치한 제2 워터 탱크(2200)를 모두 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차에 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 사시도이다. 도 4 및 도 5는 도 3에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 분해 사시도이다. 도 6은 도 3에 따른 전지 팩에 포함된 셀블록의 사시도이다. 도 7는 도 3에 따른 전지 팩에 포함된 냉각 부재의 하부판을 도시한 도면이다. 도 8 및 도 9는 열폭주 현상 전후의 냉각 부재의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 10은 도 3에 따른 전지 팩에 폼 패드가 제공된 경우, 열폭주 현상 후의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 6을 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 3 내지 도 6에서는 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 3 내지 도 6에서 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 3 내지 도 6에서 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 4에 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 4에 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/아울렛 포트(530) 를 노출하기 위한 개구(410)가 형성될 수 있으며, 외부 기기와의 LV(Low voltage) 연결 또는 HV(High voltage) 연결을 위한 커넥터(420)가 장착될 수 있다.
냉각 부재(500)는 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 4의 +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/아울렛 포트(530)를 포함할 수 있다. 냉각 부재(500)는 상부판(510)과 하부판(520)의 가장자리를 결합함으로써 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)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 아울렛 포트(534)로 배출될 수 있다. 인렛 포트(532)와 아울렛 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 아울렛 포트(534) 주변의 온도 차이를 최소화하기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 인렛 포트(532)로 유입되는 냉각수는 가장 낮은 온도를 가지고, 아울렛 포트(534)로 배출되는 냉각수는 가장 높은 온도를 가질 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(530)가 인접하게 배치되면, 상호간에 열교환이 나타남으로써 냉각 부재의 내부 공간을 흐르는 전체 냉각수의 온도 편차가 최소화될 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(530)를 나란히 배치함으로써 냉각 부재(500)는 전체적으로 균일한 방열 성능을 가질 수 있다.
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 7 내지 도 9를 참조하면, 하부판(520)은 적어도 하나의 개구부(521)를 포함할 수 있고, 개구부(521)는 밀봉 부재(529)로 밀폐될 수 있다. 도 8과 같이, 밀봉 부재(529)는 열폭주 현상 전 개구부(521)를 밀폐함으로써 냉각수의 유출을 방지하고, 도 9와 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 10을 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 전기 자동차에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 실시예의 전기 자동차는, 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 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다. 도 12는 도 11에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 커버 필름의 결합을 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12를 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/아울렛 포트(530)에 의한 냉각수 유출입이 커버 필름(580)에 의해 제한되는 것이 아니므로, 냉각 부재(500) 내의 냉각수는 그 온도의 항상성을 위해 인렛/아울렛 포트(530)와 연결된 외부의 열교환기와 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 12에는 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 전기 자동차에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 실시예의 전기 자동차는, 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 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 냉각 부재의 하부판을 도시한 사시도이다. 도 14는 도 13의 A-A절단면의 예시들을 도시한 도면이다. 도 15는 도 13에 따른 냉각 부재의 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다. 도 16은 도 13에 따른 냉각 부재의 다른 변형 예를 설명하기 위한 하부판의 단면도이다. 도 17은 도 15에 따른 냉각 부재의 또 다른 변형 예를 설명하기 위한 냉각 부재의 단면도이다.
도 13 내지 도 17을 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 13을 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 14를 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 14(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 14(b)와 같은 삼각형 또는 도 14(d)과 같은 사다리꼴의 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 부분과 제2 부분 사이의 연결면이 곡률을 가지도록 형성되는 경우에는, 하부판(520)의 일부는 도 14(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 14(b)의 형상 보다는 도 14의 다른 형상들이 바람직할 수 있다. 단, 파단되는 온도 및 압력은 두께, 물성, 형상 등과 같은 요인의 영향을 받을 수 있는 바, 도 14(b)의 형상 보다 도 14의 다른 형상이 반드시 바람직한 것은 아닐 수 있다.
도 15를 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 15에 도시된 단면 형상은 상하 방향이 반대인 것 외에는 도 14의 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 16을 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 16에서 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 16과 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 14와 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 15와 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 17을 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 17에서는 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 17과 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 전기 자동차에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 실시예의 전기 자동차는, 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 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차에 포함된 전지 팩의 냉각 부재를 도시한 사시도이다. 도 19는 도 18에 따른 냉각 부재의 상면도이다. 도 20은 도 18에 따른 냉각 부재에 포함된 하부판과 냉각 튜브 및 냉각 호스의 결합을 도시한 도면이다. 도 21은 도 19에 따른 냉각 부재가 B-B선을 따라 절단된 것을 도시한 것으로, 냉각 튜브 및 냉각 호스로 냉각수가 유입되거나, 이로부터 유출되는 것을 나타낸 도면이다. 도 22는 도 19에 따른 냉각 부재가 B-B선을 따라 절단된 단면을 도시한 것으로, 전지셀의 발화 시 냉각 호스에 의한 냉각수의 투입을 나타낸 도면이다.
도 18 내지 도 22를 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 20을 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 20 및 도 21을 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 아울렛 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/아울렛 포트(530)와 연결된 외부의 열교환기와 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 아울렛 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 아울렛 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/아울렛 포트(530)로부터 유입된 냉각수가 이동할 수 있다. 냉각 호스(550)는 인렛/아울렛 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 22를 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 전지 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
1000: 전지 팩
2000: 워터 탱크
3000: 냉각수 공급관
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/아울렛 포트
540: 냉각 튜브
550: 냉각 호스
560: 고정 부재
580: 커버 필름
590: 탄성 부재
600: 취약부
700: 폼 패드

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 전지 팩이 장착된 디바이스로서,
    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 디바이스의 내부에 위치한 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 디바이스.
  2. 제1항에서,
    상기 워터 탱크의 냉각수는 상기 워터 탱크의 동작을 제어하는 제어부의 전기적 신호에 기초하여 공급되는 디바이스.
  3. 제2항에서,
    상기 워터 탱크의 냉각수는 상기 전기적 신호에 기초하여 동작하는 펌프에 의해 공급되는 디바이스.
  4. 제1항에서,
    상기 워터 탱크는 상기 전지 팩의 상측에 위치하고,
    상기 워터 탱크의 냉각수는 상기 냉각 부재와 상기 워터 탱크의 압력 차이에 의해 상기 냉각 부재로 공급되는 디바이스.
  5. 제4항에서,
    상기 워터 탱크는 상기 디바이스의 전측에 위치하는 제1 워터 탱크 및 후측에 위치하는 제2 워터 탱크를 포함하는 디바이스.
  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 디바이스.
  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 디바이스.
  8. 제7항에서,
    상기 하부판과 상기 냉각 튜브는 스트랩 형상의 고정 부재에 의해 연결되는 디바이스.
  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 디바이스.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 부분의 두께 값은, 상기 제2 부분의 두께 값의 절반 이하인 디바이스.
  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 디바이스.
  12. 제9항에서,
    상기 냉각 부재의 하부판과 결합하는 상부판은 굴곡부를 포함하고,
    상기 굴곡부의 마루는 상기 제1 부분과 대응되고,
    상기 굴곡부의 골은 상기 제2 부분과 대응되는 디바이스.
  13. 제1항에서,
    상기 냉각 부재의 상부판은 상기 팩 프레임과 일체화된 디바이스.
PCT/KR2023/002587 2022-03-10 2023-02-23 냉각 시스템을 포함하는 디바이스 WO2023171950A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20220030250 2022-03-10
KR10-2022-0030250 2022-03-10
KR1020230023100A KR20230134090A (ko) 2022-03-10 2023-02-21 냉각 시스템을 포함하는 디바이스
KR10-2023-0023100 2023-02-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023171950A1 true WO2023171950A1 (ko) 2023-09-14

Family

ID=87935642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/002587 WO2023171950A1 (ko) 2022-03-10 2023-02-23 냉각 시스템을 포함하는 디바이스

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023171950A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009101680A1 (ja) * 2008-02-13 2009-08-20 Kyokuto Denko Co., Ltd. バッテリー駆動式電力自動車
JP2018133134A (ja) * 2017-02-13 2018-08-23 三菱自動車工業株式会社 二次電池冷却機構
US20190077276A1 (en) * 2017-09-12 2019-03-14 Sf Motors, Inc. Temperature control apparatus for electric vehicle battery packs
JP2020087912A (ja) * 2018-11-15 2020-06-04 寧徳時代新能源科技股▲分▼有限公司Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ａｍｐｅｒｅｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｉｍｉｔｅｄ 電池パックに用いられる筐体及び電池パック
KR20220001227A (ko) * 2020-06-29 2022-01-05 주식회사 엘지에너지솔루션 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009101680A1 (ja) * 2008-02-13 2009-08-20 Kyokuto Denko Co., Ltd. バッテリー駆動式電力自動車
JP2018133134A (ja) * 2017-02-13 2018-08-23 三菱自動車工業株式会社 二次電池冷却機構
US20190077276A1 (en) * 2017-09-12 2019-03-14 Sf Motors, Inc. Temperature control apparatus for electric vehicle battery packs
JP2020087912A (ja) * 2018-11-15 2020-06-04 寧徳時代新能源科技股▲分▼有限公司Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ａｍｐｅｒｅｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｉｍｉｔｅｄ 電池パックに用いられる筐体及び電池パック
KR20220001227A (ko) * 2020-06-29 2022-01-05 주식회사 엘지에너지솔루션 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 상기 방열부재의 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019035571A1 (ko) 온도 조절 성능이 개선된 배터리 팩
WO2021221478A1 (ko) 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
WO2022191683A1 (ko) 버스바 어셈블리, 이러한 버스바 어셈블리를 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
WO2023153734A1 (ko) 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치
WO2023158145A1 (ko) 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스
WO2023171950A1 (ko) 냉각 시스템을 포함하는 디바이스
WO2022235096A1 (ko) 버스바 어셈블리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2023282711A1 (ko) 안전성이 강화된 배터리 모듈 및 배터리 팩
WO2022239934A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
WO2022186663A1 (ko) 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
WO2022149884A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
WO2022177157A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
WO2022108290A1 (ko) 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩
WO2023003427A1 (ko) 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩
WO2021215837A1 (ko) 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
WO2023096178A1 (ko) 냉각 부재, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩
WO2022197143A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
WO2023191467A1 (ko) 안전성이 강화된 배터리 모듈
WO2022203291A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
WO2023128422A1 (ko) 안전성이 향상된 전지 팩
WO2023121142A1 (ko) 안전성이 향상된 전지 팩
WO2022045596A1 (ko) 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
WO2023121369A1 (ko) 개선된 안전성과 조립성을 갖는 배터리 모듈
WO2018080183A1 (ko) 전지시스템 및 이를 포함하는 전기자동차
WO2024136324A1 (ko) 화재 방지 성능이 향상된 전지 팩

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23767052

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1