KR20210127319A - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈, 상기 복수의 전지 모듈 중 이웃하는 전지 모듈 사이에 배치되는 배리어 빔, 및 상기 복수의 전지 모듈 및 상기 배리어 빔을 수용하는 하우징을 포함한다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스{BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 안전성을 향상시킨 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 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 방전률이 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 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 각형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지 셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지 셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 복수의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
전지 팩은 다수의 전지모듈들이 조합된 구조로 이루어져 있어서, 일부 전지모듈들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되는 경우에는 전지 팩의 안전성과 작동효율이 문제될 수 있다. 특히 주행거리 향상을 위하여 전지 팩 용량은 점차 증가되는 추세이고, 그에 따라 팩 내부 에너지도 증가되는 가운데서 강화되는 안전성 기준을 만족하고 차량 및 운전자의 안전성 확보를 위한 구조의 설계가 필요하다. 이를 위하여 특히 내부의 열 폭주 등을 미연에 방지하고, 발생하더라도 그 피해를 최소화할 수 있도록 모듈간 전이를 억제할 수 있는 구조의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 실시예들은, 전지 내에서 일부 전지 모듈들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되더라도 그 피해를 최소화할 수 있도록 모듈간 전이를 억제할 수 있는 전지 팩의 제공을 그 목적으로 한다.
다만, 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 팩은, 복수의 전지 모듈, 상기 복수의 전지 모듈 중 이웃하는 전지 모듈 사이에 배치되는 배리어 빔, 및 상기 복수의 전지 모듈 및 상기 배리어 빔을 수용하는 하우징을 포함한다.
상기 배리어 빔은, 제1 방향을 따라 연장된 수직 빔, 및 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 연장된 수평 빔을 포함할 수 있다.
상기 하우징은, 상기 복수의 전지 모듈이 배치된 바닥면과, 상기 바닥면의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면을 포함하는 하부 하우징과, 상기 하부 하우징의 상부의 적어도 일부를 덮는 적어도 하나의 상부 커버를 포함할 수 있다.
상기 상부 커버와 상기 배리어 빔을 결합하는 적어도 하나의 결합부재를 더욱 포함할 수 있다.
상기 상부 커버는, 상기 결합 부재에 의해 상기 배리어 빔과 결합하는 부분에서 상기 배리어 빔을 향해 함몰된 함몰부를 포함할 수 있다.
상기 결합 부재는 볼트와 너트일 수 있다.
상기 전지 팩은 상기 복수의 전지 모듈과, 상기 하부 하우징의 측면 사이에 위치하여, 상기 복수의 전지 모듈의 가장자리를 따라 배치된 배리어 프레임을 더욱 포함할 수 있다.
상기 배리어 프레임의 각 변은 내부가 비어있는 관 형태일 수 있다.
상기 배리어 빔의 재질은 스틸(steal)일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기한 적어도 하나의 전지 팩을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 내에서 일부 전지 모듈들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되더라도 고온, 고압의 가스 및 화염이 주변 모듈로 전파되는 것을 차단할 수 있기 때문에 그 피해를 최소화 할 수 있는바, 전지 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에서 상부 커버와 배리어 빔의결합 부분의 단면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에서 일부 모듈에 열폭주가 발생한 경우 전달 경로를 모식화하여 도시한 도면이다.
도 4는 비교예에 따른 전지 팩에서 일부 모듈에 열폭주가 발생한 경우 전달 경로를 모식화하여 도시한 도면이다.
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.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(10)은, 복수의 전지모듈(100)과 복수의 전지 모듈(100) 중 이웃하는 전지 모듈 사이에 배치되는 배리어 빔(300)을 포함한다. 복수의 전지 모듈(100)과 배리어 빔(300)은 팩 트레이(200) 상에 장착되어 하우징(400) 내에 수납될 수 있다. 하우징(400)은 팩 트레이(200)를 수용하는 하부 하우징(410)과, 하부 하우징(410)에 결합하여 전지 모듈(100)의 상부를 덮는 상부 커버(420)를 포함할 수 있다.
하부 하우징(410)은, 복수의 전지 모듈(100)과 팩 트레이(200)가 배치되는 바닥면과, 바닥면의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 하부 하우징(410)의 상부는 개구된 상태를 갖는다. 하부 하우징(410) 내부에 복수의 전지 모듈(100), 배리어 빔(300), 팩 트레이(200) 및 기타 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템이 장착되고, 개구된 상부가 상부 커버(420)에 의해 덮이도록 결합될 수 있다.
상부 커버(420)는 도 1에 도시된 바와 같이 2개로 분할된 구조일 수도 있고, 전체가 일체로 형성될 수도 있으며, 또는 2개보다 많은 수로 분할된 구조일 수도 있다. 또한, 상부 커버(420)를 더욱 덮는 추가의 케이스 커버 등을 더욱 구비할 수도 있으며, 특별히 한정되지는 않는다. 상부 커버(420)가 복수의 전지 모듈(100)에 걸쳐서 형성될 경우, 도 1에 도시한 바와 같이 전지 모듈(100) 사이의 배리어 빔(300)에 대응하는 부분에서 함몰부(422)를 가질 수 있다. 함몰부(422)에 의해 상부 커버(420)가 배리어 빔(300)과 접촉하게 되고, 이에 의해 하나의 전지 모듈(100)이 배치된 부분이 공간적으로 분리될 수 있다. 이와 같이 상부 커버(420)를 구비하고, 상부 커버(420)에, 배리어 빔(300)과 대응하는 부분에서 함몰부(422)를 갖도록 하는 것에 의해, 어느 하나의 모듈(100)에 과전압, 과전류 또는 과발열(열 이슈)이 발생하여 고온, 고압의 가스 및 화염이 발생하더라도, 상부 공간을 통해 인접 모듈(100)로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 이러한 열 이슈가 발생하지 않는 평상시에는, 전지 모듈(100)의 상면에 인접하여 배치된 상부 커버(420)가 전지 모듈(100)의 진동을 억제하는 구조물 역할을 수행하여, 전지 팩(10) 전체의 안정성을 향상시킬 수 있다.
복수의 전지 모듈(100) 중 이웃하는 전지 모듈(100) 사이에는, 배리어 빔(300)이 배치된다. 배리어 빔(300)은 스틸(steal)등의 재질로 이루어진 기둥 형상의 구조로서, 도 1에 도시된 바와 같이 예를 들면 4개의 전지 모듈(100)을 포함하는 전지 팩(10)에서는 수직 빔(310)과 수평 빔(320)이 교차하도록 배치되어 십자 형태를 이룰 수 있다. 이러한 형태는 일체로 형성되어도 좋고, 하나의 수직 빔(310) 좌, 우측으로 짧게 형성된 수평 빔(320)이 결합되어도 좋으며, 특별히 한정되지는 않는다. 또한, 전지 모듈(100)의 개수가 많아질 경우, 전지 모듈(100) 사이를 모두 구획할 수 있는 격자 형태로 배치될 수 있다.
배리어 빔(300)에 의해, 전지 모듈(100)들이 이웃하는 모듈들로부터 서로 차단되어 고립된 상태로 배치될 수 있다. 이에 의해, 어느 하나의 전지 모듈(100)에서 과전압, 과전류 또는 과발열(열 이슈)이 발생하여 고온, 고압의 가스 및 화염이 발생하더라도, 이들이 주변 모듈로 전달 되는 것이 배리어 빔(300)에 의해 차단될 수 있기 때문에 열 이슈의 추가 발생 등을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 열 이슈가 발생하지 않는 평상시에는, 배리어 빔(300)이 전지 모듈(100)을 안정적으로 지지하는 구조물 역할을 수행하여, 전지 팩(10) 전체의 강성을 향상시킬 수 있다.
한편, 복수의 전지 모듈(100) 전체의 가장자리를 따라서는 배리어 프레임(500)이 배치될 수 있다. 즉, 배리어 프레임(500)은 복수의 전지 모듈(100)과, 하부 하우징(420)의 측면 사이에서, 복수의 전지 모듈(100)의 전체 가장자리를 감싸도록 배치될 수 있다. 배리어 프레임(500)은 그 상부에서 상부 커버(420)와 결합할 수 있다. 이에 의해, 하나의 전지 모듈(100)이 배치된 공간이, 배리어 빔(300), 배리어 프레임(500) 및 상부 커버(420)의 결합에 의해 다른 부분과 차단되어 고립된 독립 공간을 이룰 수 있다.
또한, 배리어 프레임(500)은 그 내부가 비어 있는 관 형태로 형성될 수도 있다. 이 경우, 배리어 프레임(500) 내부의 통로와 전지 모듈(100)이 연통할 수 있는 연결 홀을 두어, 열 이슈가 발생한 전지 모듈(100)에서 생성된 고온, 고압의 가스 및 화염을 정해진 경로를 따라 이동시키는 것에 의해 다른 모듈로의 영향을 차단하면서 외측으로 방출시킬 수 있다.
복수의 전지 모듈(100), 배리어 빔(300), 및 배리어 프레임(500)은 팩 트레이(200) 상에 장착될 수 있고, 필요에 따라 고정 수단에 의해 팩 트레이(200)에 고정될 수 있다. 전지 모듈(100), 배리어 빔(300), 및 배리어 프레임(500)은 팩 트레이(200)에 장차된 상태로 하부 하우징(410) 내에 수용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에서 상부 커버와 배리어 빔의 결합 부분에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에서 상부 커버와 배리어 빔의결합 부분의 단면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상부 커버(420)에는 배리어 빔(300)에 대응하는영역에서 함몰부(422)가 구비되어, 함몰부(422)의 내측면과 배리어 빔(300)이 접촉하도록 형성된다. 함몰부(422)와 배리어 빔(300)이 접촉한 상태에서, 상부 커버(420)와 배리어 빔(300)에 형성된 홀을 통해 볼트(431)와 너트(432)가 결합하는 것에 의해, 상부 커버(420)와 배리어 빔(300)이 고정될 수 있다. 이러한 고정 수단은 특별히 한정되는 것은 아니고, 용접 또는 접착제에 의해서도 결합 가능하다. 이와 같이 상부 커버(420)와 배리어 빔(300)이 함몰부(422)에서 결합하는 것에 의해, 배리어 빔(300)에 의해 구획된 영역들이 상부에서도 서로 차단 및 고립될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 배리어 프레임(500)과 상부 커버(420)가 중첩하는 부분에서도 동일한 방식으로 결합시키는 것에 의해 각 전지 모듈(100)이 각각 차단 및 고립된 공간 내에 수용될 수 있게 된다. 이에 의해, 하나의 전지 모듈(100)에서 발생한 고온, 고압의 가스 및 화염이 모든 방향에서 차단되어 이웃하는 전지 모듈(100)로의 전파를 확실하게 차단할 수 있다. 또한, 상부 커버(420)와 배리어 빔(300)이 고정 수단에 의해 고정되는 것에 의해 전지 모듈(100)이 해당 구조물에 의해 안정적으로 지지될 수 있으므로 평상시에도 전지 팩(10)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 전지 팩 내의 일부 전지 모듈에서 과전압, 과전류 또는 과발열 등의 이슈가 발생했을 경우 고온, 고압의 가스 및 화염의 전파 여부에 대해 비교예와 함께 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에서 일부 모듈에 열폭주가 발생한 경우 전달 경로를 모식화하여 도시한 도면이고, 도 4는 비교예에 따른 전지 팩에서 일부 모듈에 열폭주가 발생한 경우 전달 경로를 모식화하여 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전지 모듈(100) 사이에 배치된 배리어 빔(300)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따르면, 일부 전지 모듈(100) 내에서 열 이슈에 의해 고온, 고압의 가스 및 화염이 발생하더라도, 해당 가스 및 화염이 이웃하는 모듈(100)로 전파되지 않고, 배리어 빔(300)에 의해 차단 되어 그 내부에서만 영향을 미치게 된다. 따라서, 추가의 열 이슈 발생을 방지할 수 있다.
반면, 이와 같은 배리어 빔(300)의 구조가 적용되지 않은 종래 전지 팩(10)의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 1번 모듈에서 발생한 벤팅 가스(고온, 고압의 가스와 화염)가, 무작위로 2~4번 모듈 전체로 전달되어 결국 전지 팩(10) 내부의 모든 모듈의 온도 상승 및 연쇄적인 추가 열폭주 발생의 위험에 노출되는 결과를 초래한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배리어 빔(300)을 구비하는 것에 의해, 평상시에는 전지 모듈(100)을 안정적으로 지지하는 구조물로 작용하다가, 전지 팩(10) 내부에서 열 이슈가 발생할 경우 발생한 고압의 벤팅 가스(고온, 고압의 가스와 화염)가 이웃하는 전지 모듈(100)로 전파되는 것을 차단할 수 있는바, 주변 모듈로의 확산을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 배리어 빔(300)과, 전지 모듈(100)을 덮는 상부 커버(420)가 결합하는 것에 의해, 전지 모듈(100)마다 고립된 개별 공간을 제공하게 되어 보다 확실하게 주변 모듈로의 확산을 방지할 수 있다. 아울러 상부 커버(420) 역시 전지 모듈(100)의 진동을 억제하는 구조물 역할을 수행할 수 있는바, 전지 팩(10)의 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
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.
10: 전지 팩
100: 전지 모듈
200: 팩 트레이
300: 배리어 빔
310: 수직 빔
320: 수평 빔
400: 하우징
410: 하부 하우징
420: 상부 커버
422: 함몰부
500: 배리어 프레임

Claims (10)

  1. 복수의 전지 모듈,
    상기 복수의 전지 모듈 중 이웃하는 전지 모듈 사이에 배치되는 배리어 빔, 및
    상기 복수의 전지 모듈 및 상기 배리어 빔을 수용하는 하우징을 포함하는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 배리어 빔은, 제1 방향을 따라 연장된 수직 빔, 및 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 연장된 수평 빔을 포함하는 전지 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 하우징은, 상기 복수의 전지 모듈이 배치된 바닥면과, 상기 바닥면의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면을 포함하는 하부 하우징과, 상기 하부 하우징의 상부의 적어도 일부를 덮는 적어도 하나의 상부 커버를 포함하는 전지 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 상부 커버와 상기 배리어 빔을 결합하는 적어도 하나의 결합부재를 더욱 포함하는 전지 팩.
  5. 제4항에서,
    상기 상부 커버는, 상기 결합 부재에 의해 상기 배리어 빔과 결합하는 부분에서 상기 배리어 빔을 향해 함몰된 함몰부를 포함하는 전지 팩.
  6. 제4항에서,
    상기 결합 부재는 볼트와 너트인 전지 팩.
  7. 제3항에서,
    상기 복수의 전지 모듈과, 상기 하부 하우징의 측면 사이에 위치하여, 상기 복수의 전지 모듈의 가장자리를 따라 배치된 배리어 프레임을 더욱 포함하는 전지 팩.
  8. 제7항에서,
    상기 배리어 프레임의 각 변은 내부가 비어있는 관 형태인 전지 팩.
  9. 제1항에서,
    상기 배리어 빔의 재질은 스틸(steal)인 전지 팩.
  10. 제1항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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