KR102611921B1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 일측과 타측에 위치하고, 개구부가 형성된 엔드 플레이트; 상기 개구부를 통해 노출되는 터미널 버스바; 및 상기 터미널 버스바를 둘러싸는 차단 부재를 포함한다. 상기 모듈 프레임의 내압 상승 시, 상기 차단 부재가 이동하여 상기 개구부와 상기 터미널 버스바 사이의 틈을 막는다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열 폭주 현상의 전파를 억제할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 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 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 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 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
다수의 전지 모듈들이 모인 전지팩은, 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈들과 이러한 전지 모듈들이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓일 수 있다. 또한, 차량의 주행거리를 늘리기 위해 다수의 전지 모듈들을 집약적으로 배치하기 때문에 어느 하나의 전지 모듈에서 발생한 열 폭주(thermal runaway) 현상이 이웃한 전지 모듈로 쉽게 전파되어, 종국적으로 전지팩 자체의 발화나 폭발로 이어질 수 있다.
이에, 어느 한 전지 모듈에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 전지팩 자체의 화재나 폭발로 이어지지 않는 모델에 대한 설계가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하여도, 고온의 가스와 화염이 분출되는 것을 억제할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 일측과 타측에 위치하고, 개구부가 형성된 엔드 플레이트; 상기 개구부를 통해 노출되는 터미널 버스바; 및 상기 터미널 버스바를 둘러싸는 차단 부재를 포함한다. 상기 모듈 프레임의 내압 상승 시, 상기 차단 부재가 이동하여 상기 개구부와 상기 터미널 버스바 사이의 틈을 막는다.
상기 차단 부재가 상기 터미널 버스바를 따라 이동하여 상기 개구부와 상기 터미널 버스바 사이의 틈을 막을 수 있다.
상기 차단 부재는 상기 터미널 버스바를 둘러싸는 본체부 및 상기 본체부로부터 외주 방향으로 연장된 연장부를 포함할 수 있다.
상기 모듈 프레임의 내압 상승 시, 상기 차단 부재가 상기 터미널 버스바를 따라 이동하고, 상기 본체부 및 상기 연장부 중 적어도 하나가, 상기 개구부의 내측면과 상기 터미널 버스바 사이의 틈을 막을 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 버스바 프레임 및 상기 버스바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 절연 커버를 더 포함할 수 있다. 상기 절연 커버 중 상기 개구부와 대응하는 부분에 개구홀이 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임의 내압 상승 시, 상기 본체부와 상기 연장부가 형성하는 단차 구조가 상기 개구홀의 내측면에 밀착될 수 있다.
상기 터미널 버스바는, 상기 전지셀의 전극 리드와 연결된 제1 부분 및 상기 개구부를 통해 노출된 제2 부분을 포함할 수 있다.
상기 터미널 버스바는, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 형성된 벤딩부를 더 포함할 수 있다.
상기 차단 부재는 상기 제2 부분을 감싸도록 위치할 수 있다.
상기 차단 부재는, 폼(Foam) 소재, 레진(Resin) 소재, 실리콘 소재 및 고무(Rubber) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 모듈 내에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 경우, 전지 모듈 내부의 압력이 상승하고, 이에 따라 차단 부재가 이동하여 전지 모듈에 형성된 틈을 막을 수 있다. 즉, 고온의 가스와 화염이 분출될 수 있는 것을 전지 모듈 내부의 압력 상승을 이용하여 상쇄할 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 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 엔드 플레이트 및 절연 커버를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 도 3의 전지 모듈에 포함된 터미널 버스바 및 차단 부재를 나타낸 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트 및 절연 커버를 나타낸 사시도이다.
도 6 내지 도 8은, 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 모습을 나타낸 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 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 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200); 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 위치한 엔드 플레이트(400)들을 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111)가 서로 대향하여 일측과 타측으로 각각 돌출된 구조를 가질 수 있다. 보다 상세하게 전극 리드(111)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다.
한편, 전지셀(110)은, 파우치형 셀 케이스에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 파우치형 셀 케이스의 외주변을 열 융착하여 제조될 수 있다. 파우치형 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
한편, 전극 리드(111)가 일측과 타측의 양 방향으로 돌출된 구조의 전지셀(110)에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로써, 전극 리드가 일 방향으로 함께 돌출된 단방향의 파우치형 전지셀도 가능함은 물론이다.
전지셀(110)은 복수개로 구성되며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 예를들어, 도 2에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)들이 적층될 수 있다. 파우치형 셀 케이스는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 파우치형 셀 케이스의 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지셀(110)들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 파우치형 셀 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다.
전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임(200)에 수납된다. 모듈 프레임(200)은 양 면이 개방된 형태의 금속 프레임일 수 있다. 보다 구체적으로, 전지셀 적층체(120)를 기준으로, 전극 리드(111)가 돌출되는 양 방향에서 모듈 프레임(200)이 개방될 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 모듈 프레임(200)은 하나의 예시적 구조이며, 전지셀 적층체(120)를 수납할 수 있으면, 그 형태의 특별한 제한은 없다. 도 2의 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임으로 도시되어 있으나, 상부가 개방된 U자형 프레임에 상부 커버가 접합된 형태나 U자형 프레임과 뒤집힌 U자형 프레임이 상호 결합된 형태 등이 모두 가능하다.
전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 엔드 플레이트(400)들이 위치한다. 즉, 모듈 프레임(200)의 개방된 양 면에는 엔드 플레이트(400)들이 위치할 수 있다.
모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접의 방법으로 접합될 수 있다. 다만, 이는 예시적 방법이며, 기구적 결합 형태로써, 볼트 체결, 후크(Hook) 체결 등이 적용될 수 있다. 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(400)들이 형성하는 공간에 전지셀 적층체(120)가 수납됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(400)는 알루미늄과 같이 소정의 강도를 갖는 금속 재질이나 플라스틱 소재를 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 버스바 프레임(300) 및 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 절연 커버(600)를 포함할 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(120)로부터 외측으로, 버스바 프레임(300), 절연 커버(600) 및 엔드 플레이트(400)가 차례로 위치할 수 있다. 엔드 플레이트(400)와 마찬가지로, 버스바 프레임(300) 및 절연 커버(600)가 각각 복수로 구성될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 5 등을 참고하여 본 실시예에 따른 터미널 버스바와 엔드 플레이트에 형성된 개구부에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 엔드 플레이트 및 절연 커버를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다. 도 4의 (a) 및 (b)는 도 3의 전지 모듈에 포함된 터미널 버스바 및 차단 부재를 나타낸 도면들이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트 및 절연 커버를 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 터미널 버스바(320)를 포함한다. 특히, 엔드 플레이트(400)에는 개구부(410H)가 형성되고, 이러한 개구부(410H)를 통해 터미널 버스바(320)가 노출된다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바(310) 및 터미널 버스바(320)를 포함할 수 있다. 버스바(310) 및 터미널 버스바(320)는 버스바 프레임(300)에 장착될 수 있다.
버스바(310) 및 터미널 버스바(320)는, 복수의 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하기 위해 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 접합될 수 있다. 구체적으로, 버스바(310) 및 터미널 버스바(320)가 장착된 버스바 프레임(300)이 전지셀 적층체(120)의 일측(y축 방향) 및 타측(-y축 방향)에 각각 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 일측(y축 방향) 및 타측(-y축 방향)은, 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 돌출되는 방향에 해당한다. 즉, 상술한 바 대로, 어느 한 버스바 프레임(300)은, 엔드 플레이트(400)들 중 어느 하나와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있다.
버스바 프레임(300)에는 리드 슬릿이 형성되고, 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 상기 리드 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(310)나 터미널 버스바(320)에 접합될 수 있다. 물리적, 전기적 연결이 가능하다면, 접합의 방식에 특별한 제한은 없으며, 일례로 용접 접합이 이루어질 수 있다. 즉, 전지셀(110)들은 버스바(310)를 매개로 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 터미널 버스바(320)의 일부분은 전지 모듈(100)의 외측으로 노출된다. 구체적으로, 엔드 플레이트(400)에 개구부(410H)가 형성되고, 이러한 개구부(410H)를 통해 터미널 버스바(320)의 일부분이 노출된다. 보다 구체적으로, 터미널 버스바(310)는 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 연결되는 제1 부분(321) 및 개구부(410H)를 통해 외부로 노출되는 제2 부분(322)을 포함할 수 있다.
전지 모듈(100)의 외부로 노출된 제2 부분(322)은 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit) 등과 연결되어 HV(High Voltage) 연결을 형성할 수 있다. 여기서 HV 연결은 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결로써, 전지셀 간의 연결이나 전지 모듈 간의 연결을 의미한다. 즉, 전지 모듈(100)은 터미널 버스바(320)를 매개로 이웃한 다른 전지 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 커넥터(510) 및 연결 케이블(520)을 더 포함할 수 있다. 모듈 커넥터(510) 및 연결 케이블(520)은, LV(Low voltage) 연결을 위한 것으로, 여기서 LV 연결은 전지셀의 전압 및 온도를 감지하고 제어하기 위한 센싱 연결을 의미한다. 모듈 커넥터(510) 및 연결 케이블(520)을 통해 전지셀(110)의 전압 정보와 온도 정보가 측정되어 외부 BMS(Battery Management System)에 전달될 수 있다.
모듈 커넥터(510)는, 외부의 제어 장치와 신호를 송수신하기 위한 구성이다. 엔드 플레이트(400)에 커넥터 개구부(420H)가 형성되고, 이러한 커넥터 개구부(420H)를 통해 모듈 커넥터(510)가 전지 모듈(100) 외부로 노출되며, 모듈 커넥터(510)가 외부 BMS와 연결될 수 있다.
연결 케이블(520)은, 모듈 커넥터(510)와 전지셀(110)을 연결하는 구성으로써, 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다. 모듈 커넥터(510) 및 연결 케이블(520)은 버스바 프레임(300)의 상단에 위치할 수 있다.
복수의 전지셀(110)들에 대한 전압 정보가, 연결 케이블(520) 및 모듈 커넥터(510)를 차례로 거쳐 외부의 BMS(Battery Mamagement System)로 전달될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 것처럼, 2개의 버스바 프레임(300)들이 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 각각 배치될 수 있다. 이 때, 어느 하나의 버스바 프레임(300)에만 모듈 커넥터(510)가 위치하고, 다른 하나의 버스바 프레임(300)에는 모듈 커넥터가 위치하지 않을 수 있다. 연결 케이블(520)은, 다른 하나의 버스바 프레임(300)에 위치한 버스바(310)들과 연결될 수 있도록, 모듈 커넥터(510)에서부터 다른 버스바 프레임(300)까지 연장될 수 있다. 연결 케이블(520)의 연장된 부분은 전지셀 적층체(120)의 상부에 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 상부에 위치한 연결 케이블(520)의 일부분에 온도 센서가 마련될 수 있다. 이러한 온도 센서를 통해 전지 모듈(100) 내부의 온도 정보가, 연결 케이블(520) 및 모듈 커넥터(510)를 차례로 거쳐 외부의 BMS(Battery Mamagement System)로 전달될 수 있다.
한편, 상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 절연 커버(600)를 포함할 수 있다. 절연 커버(600)는 복수로 구성되는 것이 바람직하다. 절연 커버(600)는 전기적 절연인 소재를 포함할 수 있고, 버스바(310)나 터미널 버스바(320)가 엔드 플레이트(400)와 접촉하는 것을 차단한다.
도 2, 도 3 및 도 5를 참고하면, 절연 커버(600) 중 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)와 대응하는 부분에 개구홀(610H)이 형성될 수 있다. 또한, 절연 커버(600) 중 엔드 플레이트(400)의 커넥터 개구부(420H)와 대응하는 부분에 커넥터 개구홀(620H)이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 터미널 버스바(320)는 절연 커버(600)의 개구홀(610H)과 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 모듈 커넥터(510)는 절연 커버(600)의 커넥터 개구홀(620H)과 엔드 플레이트(400)의 커넥터 개구부(420H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다.
한편, 터미널 버스바(320)는 복수로 구성되어, 그 중 하나는 전지 모듈(100)의 양극 단자로, 다른 하나는 전지 모듈(100)의 음극 단자로 기능할 수 있다. 이에 따라 개구부(410H)와 개구홀(610H)도 각각 복수로 구성될 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 8 등을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6 내지 도 8은, 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 모습을 나타낸 도면들이다. 구체적으로, 도 6은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 모습을 나타낸 사시도이며, 도 7과 도 8은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 또한, 도 7은, 평상 시의 전지 모듈을 나타낸 단면도이고, 도 8은 전지 모듈에 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3, 도 4, 도 6 및 도 7을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 터미널 버스바(320)를 둘러싸는 차단 부재(700)를 포함한다. 모듈 프레임(200)의 내압 상승 시, 차단 부재(700)가 이동하여 개구부(410H)와 터미널 버스바(320) 사이의 틈을 막는다. 모듈 프레임(200)의 내압은, 전지셀 적층체(120)가 수납되는 모듈 프레임(200) 내부 공간의 공기압을 의미한다. 모듈 프레임(200)의 내압 상승은, 모듈 프레임(200) 내부 공간에 다량의 가스가 발생한 것을 의미한다.
전지 모듈(100) 내부의 전지셀(110)들에 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 수 있다. 열 폭주(thermal runaway) 현상의 하나의 예시는 다음과 같다. 과충전을 비롯하여 전지셀(110)에 물리적, 열적, 전기적 손상이 발생하여, 전지셀(110)의 내부 압력이 증가할 수 있다. 전지셀(110)의 파우치형 셀 케이스의 융착 강도 한계치를 넘는 경우, 전지셀(110)에서 발생한 고온의 열, 벤팅 가스 등이 전지셀(110)의 외부로 분출될 수 있다.
어느 한 전지셀에서 발생한 열 폭주 현상은 대류 효과로 다른 전지셀로 확대될 수 있고, 결국 전지 모듈(100) 내부에서 고온의 가스와 화염이 발생할 수 있다. 발생한 고온의 가스와 화염은, 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)를 통해 외부로 분출될 수 있고, 이웃한 전지 모듈에 손상을 가하거나, 이웃한 전지 모듈의 또 다른 열 폭주 현상을 유도할 수 있다. 종국적으로는 다수의 전지 모듈들에 열 폭주 현상이 전파되어, 전지팩의 폭발 및 발화를 유발할 수 있다.
이에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(200)의 내압 상승에 따라 이동 가능한 차단 부재(700)를 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H) 안쪽에 마련하였다.
열 폭주(thermal runaway) 현상 시 전지셀들로부터 가스가 분출되고, 모듈 프레임(200)의 내압이 상승된다. 모듈 프레임(200)의 내압 상승할 때, 터미널 버스바(320)를 둘러싸는 차단 부재(700)가 증가된 내압(P)에 의해 밀려나 터미널 버스바(320)를 따라 이동하고, 개구부(410H)와 터미널 버스바(320) 사이의 틈을 막는다. 이에 따라 고온의 가스나 화염이 전지 모듈(100)의 외부로 분출되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 고온의 가스와 화염이 분출되는 것을 전지 모듈(100)의 내압 상승을 이용하여 상쇄할 수 있다. 종국적으로는 어느 한 전지 모듈에서 발생한 열 폭주 현상이 다른 전지 모듈들에 전파되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 도 4의 (a)와 (b)에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 차단 부재(700)는, 터미널 버스바(320)를 둘러싸는 본체부(710) 및 본체부(710)로부터 외주 방향으로 연장된 연장부(720)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 본체부(710)와 연장부(720)는 단차 구조를 형성할 수 있다. 여기서 외주 방향이라 함은, 본체부(710)의 일변에서 터미널 버스바(320)의 제2 부분(322)이 위치한 곳과 반대편을 향하는 방향에 해당할 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참고하면, 열 폭주 현상 시, 증가된 내압(P)에 의해 밀려 차단 부재(700)가 개구부(410H)를 향해 이동할 때, 연장부(720) 및 본체부(710) 중 적어도 하나가, 개구부(410H)의 내측면과 터미널 버스바(320) 사이의 틈을 막을 수 있다.
본체부(710)가 개구부(410H)의 내측면과 터미널 버스바(320) 사이의 틈에 삽입되면서, 개구부(410H)의 내측면과 터미널 버스바(320) 사이의 틈은 연장부(720) 및 본체부(710) 중 적어도 하나에 의해 막힌다.
한편, 상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 절연 커버(600)를 더 포함할 수 있고, 절연 커버(600) 중 개구부(410H)와 대응하는 부분에 개구홀(610H)이 형성될 수 있다. 터미널 버스바(320)의 제2 부분(322)은 절연 커버(600)의 개구홀(610H)과 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다.
이 때, 절연성 확보를 위해 개구홀(610H)이 개구부(410H)보다 개구된 면적이 작을 수 있고, 개구부(410H)의 내측면보다 개구홀(610H)의 내측면이 터미널 버스바(320)에 가까이 위치할 수 있다. 열 폭주 현상으로 모듈 프레임의 내압 상승 시, 증가된 내압(P)에 의해 차단 부재(700)가 이동하고, 본체부(710)와 연장부(720)가 형성하는 단차 구조가 개구홀(610H)의 내측면에 밀착될 수 있다. 즉, 본체부(710)가 개구홀(610H)의 내측면과 터미널 버스바(320) 사이의 틈으로 삽입되면서, 본체부(710)가 개구홀(610H)의 내측면에 밀착될 수 있다. 연장부(720)의 폭이, 개구홀(610H)의 내측면과 제2 부분(322) 사이의 틈의 간격보다 넓기 때문에 차단 부재(700)가 개구홀(610H)의 내측면과 제2 부분(322) 사이의 틈을 막은 채 고정될 수 있다.
한편, 상술한 것처럼, 터미널 버스바(320)는, 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 연결되는 제1 부분(321) 및 개구부(410H)를 통해 외부로 노출되는 제2 부분(322)을 포함할 수 있다. 또한, 터미널 버스바(320)는 제1 부분(321)과 제2 부분(322) 사이에 형성된 벤딩부(323)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 부분(321)의 일면과 제2 부분(322)의 일면이 서로 수직할 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 터미널 버스바(320)는, 연결 부재(미도시)를 매개로 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 연결될 수 있다. 터미널 버스바(320)와 연결 부재(미도시)는, 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 이때, 터미널 버스바(320)에 구부러진 벤딩부(323)를 형성하여, 제2 부분(322)의 일면이 지면과 나란히 배치되어, 제2 부분(322)과 연결 부재(미도시) 간의 접합이 용이하도록 설계되었다.
상기와 같은 구조에 따라, 개구부(410H)의 내측면과 벤딩부(323) 사이 또는 개구부(410H)의 내측면과 제2 부분(322) 사이에 틈이 자연스럽게 형성되고, 상기 틈을 통해 고온의 가스 및 화염이 집중적으로 분출될 수 있다.
본 실시예에 따른 차단 부재(700)는, 터미널 버스바(320) 중 제2 부분(322)을 감싸도록 위치할 수 있다. 열 폭주 현상으로 증가된 내압(P)이 차단 부재(700)의 연장부(720)를 밀어낸다. 이에 따라 제2 부분(322)을 감싸는 본체부(710)가 제2 부분(322)을 따라 개구부(410H) 및 개구홀(610H)을 향해 이동한다. 결국 본체부(710)는, 개구부(410H)의 내측면과 터미널 버스바(320) 사이, 보다 구체적으로는, 개구홀(610H)의 내측면과 터미널 버스바(320) 사이로 삽입된다.
상기와 같은 방식으로, 고온의 가스와 화염이 분출될 수 있는 틈을 전지 모듈 내부의 압력 상승을 이용하여 차단 부재(700)가 막을 수 있다. 종국적으로는 어느 한 전지 모듈에서 발생한 열 폭주 현상이 다른 전지 모듈들에 전파되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 차단 부재(700)는, 폼(Foam) 소재, 레진(Resin) 소재, 실리콘 소재 및 고무(Rubber) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 고온의 가스나 화염을 견디기 위해, 차단 부재(700)를 구성하는 소재는 난연성인 것이 바람직하다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전지 모듈
120: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
300: 버스바 프레임
320: 터미널 버스바
400: 엔드 플레이트
410H: 개구부
700: 차단 부재

Claims (11)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임;
    상기 전지셀 적층체의 일측과 타측에 위치하고, 개구부가 형성된 엔드 플레이트;
    상기 개구부를 통해 노출되는 터미널 버스바; 및
    상기 터미널 버스바를 둘러싸는 차단 부재를 포함하고,
    상기 차단 부재는 상기 터미널 버스바를 둘러싸는 본체부 및 상기 본체부로부터 외주 방향으로 연장된 연장부를 포함하며,
    상기 모듈 프레임의 내압 상승 시, 상기 차단 부재가 상기 터미널 버스바를 따라 이동하여, 상기 본체부 및 상기 연장부 중 적어도 하나가, 상기 개구부의 내측면과 상기 터미널 버스바 사이의 틈을 막는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 차단 부재가 상기 터미널 버스바를 따라 이동하여 상기 개구부와 상기 터미널 버스바 사이의 틈을 막는 전지 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 버스바 프레임 및 상기 버스바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 절연 커버를 더 포함하고,
    상기 절연 커버 중 상기 개구부와 대응하는 부분에 개구홀이 형성되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 모듈 프레임의 내압 상승 시, 상기 본체부와 상기 연장부가 형성하는 단차 구조가 상기 개구홀의 내측면에 밀착되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 터미널 버스바는, 상기 전지셀의 전극 리드와 연결된 제1 부분 및 상기 개구부를 통해 노출된 제2 부분을 포함하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 터미널 버스바는, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 형성된 벤딩부를 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제7항에서,
    상기 차단 부재는 상기 제2 부분을 감싸도록 위치하는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 차단 부재는, 폼(Foam) 소재, 레진(Resin) 소재, 실리콘 소재 및 고무(Rubber) 소재 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.

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