KR20220055975A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체에서 서로 이웃하는 적어도 한 쌍의 전지셀 사이에 각각 위치하는 난연 부재를 포함하고, 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 위치하는 소화 부재를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전지셀 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것일 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 전지셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 모듈 프레임을 포함할 수 있다.
종래의 전지 모듈은 전지셀 적층체에서 전지셀 사이에 양면 테이프와 같은 접착성 물질을 통해 전지셀을 서로 부착시켰다. 그러나, 이 경우 전지 모듈 내 화재 발생 시, 일부 전지셀에서 발생된 발화 현상이 다른 전지셀로 이전되는 것을 지연시키기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 일부 전지 모듈은 전지셀의 스웰링 현상을 방지하기 위해, 전지셀 사이에 폴리우레탄 소재의 압축 패드가 부착되어 있으나, 상기 압축 패드 또한 열전파 시간을 지연시키는 효과가 미비하다는 문제가 있다. 이에 따라, 종래와 달리 전지셀 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키고, 안전성이 향상된 전지 모듈을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체에서 서로 이웃하는 적어도 한 쌍의 전지셀 사이에 각각 위치하는 난연 부재를 포함하고, 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 위치하는 소화 부재를 포함한다.
상기 난연 부재는 상기 전지셀 적층체에서 서로 동일한 간격으로 배치될 수 있다.
상기 난연 부재는 상기 전지셀의 길이 및 폭 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 소화 부재는 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 소화 부재의 두께는 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 이격되어 있는 거리와 동일할 수 있다.
상기 전지셀은 중심부, 및 상기 중심부의 양측부에 각각 위치한 전극 리드부를 포함하고, 상기 전극 리드부의 단부에 전극 리드가 돌출되어 있을 수 있다.
상기 난연 부재는 상기 중심부의 길이 및 폭 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 난연 부재는 상기 중심부와 상기 전극 리드부의 경계선까지 연장되어 있을 수 있다.
상기 소화 부재의 폭은 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 소화 부재의 길이는 상기 중심부의 측면에서 상기 중심부의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 소화 부재의 길이는 상기 중심부의 측면에서 상기 중심부와 상기 전극 리드부의 경계선까지 연장되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 전지셀 적층체에서 서로 이웃하는 한 쌍의 전지셀 사이에 난연 부재가 위치하고, 전지셀 적층체의 상부에 소화 부재가 위치하여, 전지셀 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에서 모듈 프레임을 제거한 전지셀 적층체의 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지셀 적층체의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지셀 적층체에서 난연 부재가 부착된 상태의 전지셀을 나타내는 상면도이다.
도 5는 도 2의 A 영역을 위에서 바라본 상면도이다.
도 6은 도 1의 절단선 a-a’를 따라 자른 전지 모듈의 단면도이다.
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, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 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.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하고자 한다. 다만, 여기서 전지 모듈의 전후면 중 전면을 기준으로 설명될 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 후면인 경우에도 동일하거나 유사한 내용으로 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에서 모듈 프레임을 제거한 전지셀 적층체의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(120), 상기 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(300), 및 상기 전지셀 적층체(120)의 전후면에 위치하는 엔드 플레이트(400)를 포함한다. 또한, 상기 전지셀 적층체(120)의 전후면과 엔드 플레이트(400) 사이에는 버스바 프레임(미도시됨)이 위치하고, 상기 버스바 프레임(미도시됨)에는 버스바가 위치할 수 있다.
모듈 프레임(300)은 상부면, 전면 및 후면이 개방되며 바닥부 및 측부를 포함하는 U자형 프레임, 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함할 수 있다. 다만, 모듈 프레임(300)은 이에 한정된 것이 아니며, L자형 프레임 또는 전후면을 제외하고 전지셀 적층체(120)를 둘러싸는 모노 프레임과 같은 다른 형상의 프레임으로 대체될 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 전극 조립체를 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있고, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층된 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 적층 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(300)과 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에 위치하는 소화 부재(130)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 소화 부재(130)는 모듈 프레임(300)과 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에서 전지셀 적층체(120)의 적층 방향(x축)을 따라 연장되어 있을 수 있다. 여기서, 소화 부재(130)의 폭은 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 적층 방향(x축)을 따라 연장되어 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 소화 부재(130)의 폭은 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 상부의 폭과 동일하거나, 이보다 작게 연장되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서 소화 부재(130)가 전지셀 적층체(120)의 상부에 대응되는 위치에 배치되어, 전지셀 적층체(120)의 일부 전지셀(110)에서 화염 발생 시, 전지셀(110)에서 발생된 화염의 세기를 효과적으로 억제시킬 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
소화 부재(130)는 소화약제 물질을 포함하는 부재일 수 있다. 여기서, 소화 부재(130)는 폼(foam) 형태의 부재일 수 있다. 또한, 소화약제 물질은 일반적으로 사용되는 분말 형태의 소화약제 물질일 수 있다. 일 예로, 상기 소화약제 물질은 탄산 수소 나트륨(NaHCO3), 탄산 수소 칼륨(KHCO3), 인산 암모늄(NH4H2PO3), 및 “탄산 수소 칼륨(KHCO3)와 요소((NH2)2CO)”의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 특히, 소화 부재(130)에 포함된 소화약제 물질은 탄산 수소 칼륨(KHCO3)을 포함할 수 있다. 다만, 상기 소화약제 물질은 이에 한정되지 아니하고, 소화 기능을 수행하는 물질이라면 제한 없이 사용 가능하다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100) 내에 발화 현상 발생 시. 소화 부재(130)가 전지셀 적층체(120)의 상부에 인접하게 위치하여, 전지셀(110)에서 발생된 화염의 세기를 효과적으로 억제할 수 있다. 이와 더불어, 소화 부재(130)에 의한 전지셀(110)에서 발생된 화염의 소화 과정에서, 이산화탄소 및 수증기가 발생될 수 있다. 이러한 반응은 흡열 반응으로 전지셀(110)의 열을 흡수할 수 있고, 산소 공급 또한 차단될 수 있어, 전지셀(110) 간의 화염 및 열 전파 속도 효과적으로 지연될 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
도 3은 도 2의 전지셀 적층체의 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지셀 적층체에서 난연 부재가 부착된 상태의 전지셀을 나타내는 상면도이다.
도 3을 참조하면, 난연 부재(150)는 전지셀 적층체(120)에서 서로 이웃하는 적어도 한 쌍의 전지셀(110) 사이에 각각 위치한다. 또한, 난연 부재(150)는 전지셀 적층체(120)에서 서로 이웃하는 전지셀(110) 사이마다 위치할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 난연 부재(150)가 전지셀 적층체(120)에 배치되는 개수는 발화 현상을 지연시키면서도 전지 모듈(100) 내 전지셀(110) 밀도가 적정 범위를 유지하는 정도로 배치될 수 있다.
난연 부재(150)는 전지셀 적층체(120)에서 서로 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니하며, 전지셀 적층체(120)에서 발화 가능성이 높은 위치를 중심으로 배치될 수 있다.
난연 부재(150)는 난연성 소재의 물질로 이루어진 부재일 수 있다. 여기서, 난연 부재(150)는 폼(foam) 형태의 부재일 수 있다. 보다 바람직하게는, 난연 부재(150)는 압축성 높은 난연성 소재의 물질로 이루어진 부재일 수 있다. 일 예로, 난연 부재(150)는 실리콘폼, 운모 시트(MICA 시트) 등이 선택되어 사용될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 난연성 소재의 물질이라면 제한 없이 사용 가능하다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서 난연 부재(150)를 경계로 전지셀 적층체(120)의 일부 전지셀(110)에서 화염 발생 시, 다른 전지셀(110)로 열이 전파되는 것을 방지 또는 지연 시킬 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
난연 부재(150)는 전지셀(110)의 길이 및 폭 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다. 또한, 난연 부재(150)의 면적은 전지셀(110)의 길이 및 폭 방향을 따라 연장되되, 전지셀(110)의 면적보다 작거나, 전지셀(110)의 면적과 동일할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서 난연 부재(150)를 경계로 전지셀 적층체(120)의 일부 전지셀(110)에서 화염 발생 시, 다른 전지셀(110)로 열이 전파되는 것을 효과적으로 방지 또는 지연 시킬 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 전지셀(110)은 중심부(113), 및 중심부(113)의 양측부에 각각 위치한 전극 리드부(115)를 포함한다. 여기서, 전극 리드부(115)의 단부에 전극 리드(117)가 돌출되어 있을 수 있다. 전지셀(110)에서 중심부(113)에는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막이 적층되어 있는 전극 적층체가 위치한다.
도 4를 참조하면, 난연 부재(150)는 전지셀(110)의 중심부(113)의 길이 및 폭 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다. 또한, 난연 부재(150)는 중심부(113)와 전극 리드부(115)의 경계선까지 연장되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 난연 부재(150)는 전지셀(110)의 중심부(113)를 중심으로 배치되어, 중심부(113)에 위치한 전극 적층체에서 화학 반응에 의해 화염 발생 시. 다른 전지셀(110)로 화염 및/또는 열이 전파되는 것을 더욱 효과적으로 방지 또는 지연 시킬 수 있다. 이와 더불어, 난연 부재(150)의 면적을 최소화하면서도, 전지셀(110)의 중심부(113)를 중심으로 효과적으로 커버할 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
도 5는 도 2의 A 영역을 위에서 바라본 상면도이다. 도 6은 도 1의 절단선 a-a’를 따라 자른 전지 모듈의 단면도이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 소화 부재(130)의 길이는 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 길이 방향(y축)을 따라 연장되어 있을 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 소화 부재(130)의 길이는 전지셀(110)의 중심부(113)의 측면에서 중심부(113)의 길이 방향(y축)을 따라 연장되어 있을 수 있다. 또한, 소화 부재(130)의 길이는 전지셀(110)의 중심부(113)의 측면에서 중심부(113)와 전극 리드부(115)의 경계선까지 연장되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 소화 부재(130)는 전지셀(110)의 중심부(113)의 측면을 중심으로 배치되어, 중심부(113)에 위치한 전극 적층체에서 화학 반응에 의해 화염 발생 시, 다른 전지셀(110)로 화염 및/또는 열이 전파되는 것을 더욱 효과적으로 방지 또는 지연 시킬 수 있다. 이와 더불어, 소화 부재(130)의 면적을 최소화하면서도, 전지셀(110)의 중심부(113)를 중심으로 화염을 효과적으로 억제할 수 있고, 전지 모듈(100)의 안전성 또한 향상될 수 있다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 소화 부재(130)의 두께는 모듈 프레임(300)과 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에 이격되어 있는 거리와 대응될 수 있다. 보다 바람직하게는, 소화 부재(130)의 두께는 모듈 프레임(300)과 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에 이격되어 있는 거리와 동일할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 소화 부재(130)는 전지셀 적층체(120)의 상부와 모듈 프레임(300) 사이에 이격되어 있는 공간을 채워, 전지셀 적층체(120)의 스웰링 현상에 따른 부피 팽창을 방지할 수 있다. 이와 동시에, 소화 부재(130)가 전지셀 적층체(120)의 상부에 인접하게 위치하여, 전지셀(110)에서 발생된 화염의 세기를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다. 한편, 본 실시 예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 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 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리 범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
130: 소화 부재
150: 난연 부재
300: 모듈 프레임
400: 엔드 플레이트

Claims (12)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀 적층체에서 서로 이웃하는 적어도 한 쌍의 전지셀 사이에 각각 위치하는 난연 부재를 포함하고,
    상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 위치하는 소화 부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 난연 부재는 상기 전지셀 적층체에서 서로 동일한 간격으로 배치되는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 난연 부재는 상기 전지셀의 길이 및 폭 방향을 따라 연장되어 있는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 소화 부재는 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장되어 있는 전지 모듈
  5. 제4항에서,
    상기 소화 부재의 두께는 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 이격되어 있는 거리와 동일한 전지 모듈
  6. 제1항에서,
    상기 전지셀은 중심부, 및 상기 중심부의 양측부에 각각 위치한 전극 리드부를 포함하고,
    상기 전극 리드부의 단부에 전극 리드가 돌출되어 있는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 난연 부재는 상기 중심부의 길이 및 폭 방향을 따라 연장되어 있는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 난연 부재는 상기 중심부와 상기 전극 리드부의 경계선까지 연장되어 있는 전지 모듈.
  9. 제6항에서,
    상기 소화 부재의 폭은 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장되어 있는 전지 모듈
  10. 제9항에서,
    상기 소화 부재의 길이는 상기 중심부의 측면에서 상기 중심부의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 전지 모듈.
  11. 제9항에서,
    상기 소화 부재의 길이는 상기 중심부의 측면에서 상기 중심부와 상기 전극 리드부의 경계선까지 연장되어 있는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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