KR20220103348A - 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; 및 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임을 포함한다. 상기 모듈 프레임의 적어도 일면에 벤팅부가 형성되고, 상기 벤팅부는 적층된 복수의 층을 포함하며, 상기 복수의 층 각각에 미세구멍이 형성된다.

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 안전성이 강화된 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 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 하나 이상의 전지 모듈은 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은, 전지셀 적층체(미도시)를 모듈 프레임(20)에 수납한 후 모듈 프레임(20)의 개방된 부분에 엔드 플레이트(40)를 접합하여 제조될 수 있다. 이때, 엔드 플레이트(40)에는 터미널 버스바의 일부가 노출되는 터미널 버스바 개구부(41H) 및 모듈 커넥터의 일부가 노출되는 모듈 커넥터 개구부(42H)가 형성될 수 있다. 터미널 버스바 개구부(41H)는 전지 모듈(10)의 HV(High voltage) 연결을 안내하기 위한 것으로, 터미널 버스바 개구부(41H)를 통해 노출된 터미널 버스바가 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 연결될 수 있다. 모듈 커넥터 개구부(42H)는 전지 모듈(10)의 LV(Low voltage) 연결을 안내하기 위한 것으로, 모듈 커넥터 개구부(42H)를 통해 노출된 모듈 커넥터가 BMS(Battery Management System)와 연결되어 전지셀의 전압 정보나 온도 정보 등을 전달할 수 있다.
도 2은 도 1의 전지 모듈이 장착된 종래의 전지팩에서, 전지 모듈의 발화시 모습을 나타낸 도면이다. 도 3는 도 2의 절단선 I-I’를 따라 자른 단면으로, 종래의 전지 모듈의 발화시 인접한 전지 모듈에 영향을 미치는 화염의 모습을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임(20), 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 엔드 플레이트(40)를 포함한다.
과충전을 비롯하여 전지셀에 물리적, 열적, 전기적 손상이 발생할 시 전지셀(11)의 내부 압력이 증가하여 전지셀(11)의 융착 강도 한계치를 넘는 경우, 전지셀(11)에서 발생한 고온의 열, 가스 및 화염이 전지셀(11)의 외부로 배출될 수 있다.
이때 고온의 열, 가스 및 화염은 엔드 플레이트(40)에 형성된 개구부(41H, 42H)들을 통해 배출될 수 있는데, 엔드 플레이트(40)끼리 서로 마주보도록 복수의 전지 모듈(10)을 배치하는 전지팩 구조에서, 전지 모듈(10)로부터 분출된 고온의 열, 가스 및 화염 등이 이웃하는 전지 모듈(10)에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 이웃하는 전지 모듈의 엔드 플레이트(40)에 형성된 터미널 버스바 등이 손상될 수 있으며, 고온의 열, 가스 및 화염이 이웃하는 전지 모듈(10)의 엔드 플레이트(40)에 형성된 개구부를 통해 전지 모듈(10)의 내부로 들어가 복수의 전지셀(11)을 비롯한 기타 전장품에 손상을 입힐 수 있다. 뿐만 아니라, 이는 이웃하는 전지 모듈(10)의 열 전파로 이어져, 전지팩 내에서의 연쇄적인 발화가 발생하게 된다.
이에, 전지 모듈 내에서 열 전파(Thermal propagation)가 발생할 때, 이웃한 전지 모듈에 미치는 영향을 최소화할 수 있도록, 고온의 화염을 제어할 수 있는 기술 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내에서 발화 현상이 발생할 경우, 화염의 배출을 제어할 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; 및 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임을 포함한다. 상기 모듈 프레임의 적어도 일면에 벤팅부가 형성되고, 상기 벤팅부는 적층된 복수의 층을 포함하며, 상기 복수의 층 각각에 미세구멍이 형성된다.
상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 층과 상기 제2 층이 적층된 상태에서, 상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍과 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍이 서로 어긋나게 배열될 수 있다.
상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍의 크기와 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍의 크기가 서로 상이할 수 있다.
상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍과 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍이 서로 상이한 형상을 가질 수 있다.
상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍의 밀집도와 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍의 밀집도가 서로 상이할 수 있다.
상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 층과 상기 제2 층에 각각에 상기 미세구멍이 모여있는 미세구멍 군이 형성될 수 있고, 상기 제1 층의 상기 미세구멍 군이 형성하는 배열 형태가 상기 제2 층의 상기 미세구멍 군이 형성하는 배열 형태와 상이할 수 있다.
상기 복수의 층은 금속 시트일 수 있다.
상기 복수의 층이 고온, 고압으로 압착되어 상기 벤팅부를 형성할 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면을 각각 커버하는 천장부, 바닥부 및 양 측면부를 포함할 수 있다. 상기 천장부, 상기 바닥부 및 상기 양 측면부 중 적어도 하나는 상기 벤팅부를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면을 각각 커버하는 제1 및 제2 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나에 터미널 버스바가 노출되는 터미널 버스바 개구부 및 모듈 커넥터가 노출되는 모듈 커넥터 개구부 중 적어도 하나가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 미세구멍이 형성된 복수의 층이 벤팅 구조로 구성되어, 전지 모듈 내 발화 현상 발생 시, 고온의 가스는 신속하게 외부로 배출하면서, 고온의 화염은 배출을 억제할 수 있다. 이에 따라, 발화 현상이 발생한 전지 모듈과 인접해 있는 전지 모듈에 화염이 인가되는 것을 막아, 손상을 최소화 할 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 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2은 도 1의 전지 모듈이 장착된 종래의 전지팩에서, 전지 모듈의 발화시 모습을 나타낸 도면이다.
도 3는 도 2의 절단선 I-I’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 7은 도 4의 전지 모듈의 제2 엔드 플레이트가 정면에서 보여지도록 각도를 달리하여 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 4의 전지 모듈에 포함된 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 모듈 프레임에 형성된 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 10의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 12의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 14는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 16은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다.
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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 4 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120); 및 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)을 포함한다.
우선, 도 6을 참고하면, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다.
한편, 전지셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
또한, 연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗을 수 있고, 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(bat-ear)라 불리우는 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 또한, 돌출된 전극리드(111, 112)를 사이에 두고 셀 케이스(114)가 밀봉되면서, 전극리드(111, 112)와 셀 본체(113) 사이에 테라스(Terrace)부(116)가 형성될 수 있다. 즉, 전지셀(110)은, 전극리드(111, 112)가 돌출된 방향으로 셀 케이스(114)로부터 연장 형성된 테라스부(116)를 포함한다.
전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 도 5를 참고하면, 전지셀(110)들이 y축 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 전극리드(111)가 돌출된 방향(x축 방향)의 전지셀 적층체(120)의 일면에는 제1 버스바 프레임(310)이 위치할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 전극리드(112)가 돌출되는 방향(-x축 방향)의 전지셀 적층체(120)의 타면에 제2 버스바 프레임이 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120) 및 제1 버스바 프레임(310)은 모듈 프레임(200)에 함께 수용될 수 있다. 모듈 프레임(200)은 모듈 프레임(200) 내부에 수용된 전지셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호할 수 있다.
한편, 전극리드(111, 112)들이 돌출된 방향(x축 방향, -x축 방향)으로, 모듈 프레임(200)이 개방될 수 있으며, 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측에 각각 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)가 위치할 수 있다. 제1 엔드 플레이트(410)가 제1 버스바 프레임(310)을 덮으면서 모듈 프레임(200)과 접합될 수 있고, 제2 엔드 플레이트(420)가 제2 버스바 프레임(미도시)을 덮으면서 모듈 프레임(200)과 접합될 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(410)와 전지셀 적층체(120) 사이에 제1 버스바 프레임(310)이 위치할 수 있고, 제2 엔드 플레이트(420)와 전지셀 적층체(120) 사이에 제2 버스바 프레임(미도시)이 위치할 수 있다. 또한, 제1 엔드 플레이트(410)와 제1 버스바 프레임(310) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연 커버(800, 도 4 참고)가 위치할 수 있다.
제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 전지셀 적층체(120)의 상기 일면과 상기 타면을 각각 커버하도록 위치한다. 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 외부의 충격으로부터 제1 버스바 프레임(310) 및 이와 연결된 여러 전장품을 보호할 수 있고, 이를 위해 소정의 강도를 가져야 하며 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 각각 모듈 프레임(200)의 대응하는 모서리와 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다.
제1 버스바 프레임(310)은 전지셀 적층체(120)의 일면에 위치하여, 전지셀 적층체(120)를 커버함과 동시에 전지셀 적층체(120)와 외부 기기와의 연결을 안내할 수 있다. 구체적으로, 제1 버스바 프레임(310)에는 버스바, 터미널 버스바 및 모듈 커넥터 중 적어도 하나가 장착될 수 있다. 특히, 제1 버스바 프레임(310)이 전지셀 적층체와 마주하는 면의 반대 면에 버스바, 터미널 버스바 및 모듈 커넥터 중 적어도 하나가 장착될 수 있다. 일례로, 도 5에는 제1 버스바 프레임(310)에 버스바(510) 및 터미널 버스바(520)가 장착된 모습이 나타나 있다.
전지셀(110)의 전극리드(111)가 제1 버스바 프레임(310)에 형성된 슬릿을 통과한 후 구부러져 버스바(510)나 터미널 버스바(520)와 접합될 수 있다. 버스바(510)나 터미널 버스바(520)에 의해 전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110)들이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 외부로 노출되는 터미널 버스바(520)를 통해 외부 기기나 회로와 전지셀(110)들이 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 버스바 프레임(310)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 제1 버스바 프레임(310)은, 버스바(510)나 터미널 버스바(520)가 전극리드(111)와 접합된 부분을 제외하고, 버스바(510)나 터미널 버스바(520)가 전지셀(110)들과 접촉하는 것을 제한하여, 단락 발생을 방지할 수 있다.
한편, 상술한 바 대로, 전지셀 적층체(120)의 타면에 제2 버스바 프레임이 위치할 수 있는데, 제2 버스바 프레임에는 버스바, 터미널 버스바 및 모듈 커텍터 중 적어도 하나가 장착될 수 있다. 이러한 버스바에 전극리드(112)가 접합될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 엔드 플레이트(410)에 터미널 버스바 및 모듈 커넥터 중 적어도 하나가 노출되는 개구부가 형성될 수 있다. 상기 개구부는 터미널 버스바 개구부이거나 모듈 커넥터 개구부일 수 있다. 일례로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(410)에 터미널 버스바(520)가 노출되는 터미널 버스바 개구부(410H)가 형성될 수 있다. 터미널 버스바(520)는 버스바(510)와 비교하여, 상향 돌출된 부분을 더 포함하는데, 이러한 상향 돌출된 부분이 터미널 버스바 개구부(410H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다. 터미널 버스바 개구부(410H)를 통해 노출된 터미널 버스바(520)가 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 연결되어 HV(High voltage) 연결을 형성할 수 있다.
도 7은 도 4의 전지 모듈의 제2 엔드 플레이트가 정면에서 보여지도록 각도를 달리하여 나타낸 사시도이다.
도 7을 참고하면, 일례로, 제2 엔드 플레이트(420)에 모듈 커넥터(600)가 노출되는 모듈 커넥터 개구부(420H)가 형성될 수 있다. 이는 앞서 언급한 제2 버스바 프레임에 모듈 커넥터(600)가 장착된 것을 의미한다. 모듈 커넥터(600)는, 전지 모듈(100) 내부에 마련된 온도 센서나 전압 측정 부재 등과 연결될 수 있다. 이러한 모듈 커넥터(600)는 외부 BMS(Battery Management System)와 연결되어 LV(Low voltage) 연결을 형성하는데, 상기 온도 센서나 전압 측정 부재가 측정한 온도 정보와 전압 정도 등을 상기 외부 BMS에 전달하는 기능을 담당한다.
도 4, 도 5 및 도 7에서 도시된 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 예시적 구조이며, 본 발명의 다른 실시예에 따라 제1 버스바 프레임(310)에 모듈 커넥터가 장착되고 제2 버스바 프레임에 터미널 버스바가 장착될 수 있다. 이에 따라 제1 엔드 플레이트에 모듈 커넥터 개구부가 형성될 수 있고, 제2 엔드 플레이트에 터미널 버스바 개구부가 형성될 수 있다.
이하에서는, 도 8 및 도 9 등을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅부에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 8은 도 4의 전지 모듈에 포함된 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다. 도 9는 도 8의 모듈 프레임에 형성된 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 4, 도 5, 도 8 및 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)의 적어도 일면에 벤팅부(200V)가 형성된다.
모듈 프레임(200)은, 천장부(201), 바닥부(202) 및 양 측면부(203)를 포함할 수 있다. 여기서, 천장부(201)는 전지셀 적층체(120)의 상면을 커버하는 z축 방향의 면을 의미하고, 바닥부(202)는 전지셀 적층체(120)의 하면을 커버하는 -z축 방향의 면을 의미하며, 양 측면부(203)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 각각 커버하는 y축 및 -y축 방향의 면을 의미한다.
도 4, 도 5, 도 8에는, 일례로, 벤팅부(200V)가 모듈 프레임(200)의 천장부(201)에 형성된 것을 나타내었으나, 천장부(201), 바닥부(202) 및 양 측면부(203) 중 적어도 하나는 벤팅부(200V)를 포함할 수 있다.
이러한 벤팅부(200V)는 복수의 층(200L)을 포함하고, 복수의 층(200L) 각각에 미세구멍(210H, 220H)이 형성된다. 즉, 본 실시예에서 벤팅부(200V)는 미세구멍(210H, 220H)이 형성된 복수의 층(200L)을 포함하는 모듈 프레임(200)의 일면을 지칭하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 복수의 층(200L)은 제1 층(210) 및 제2 층(220)을 포함할 수 있고, 제1 층(210)과 제2 층(220) 각각에 미세구멍(210H, 220H)이 형성될 수 있다. 설명의 편의를 위해 제1 층(210)과 제2 층(220)의 2개의 층만 나타내었으나, 필요에 따라 제3 층, 제4 층 등 추가 층이 포함될 수 있다. 한편, 복수의 층(200L) 각각에 형성된 미세구멍(210H, 220H)의 개수에 특별한 제한은 없고, 후술하는 미세구멍(210H, 220H)의 크기 및 밀집도에 따라 달라질 수 있다.
복수의 층(200L)은 미세구멍(210H, 220H)이 형성된 금속 시트일 수 있고, 이러한 복수의 층(200L)이 고온, 고압으로 압착되어 벤팅부(200V)가 형성될 수 있다.
상술한 바 대로, 전지셀(110)로부터 고온의 가스나 화염이 발생할 경우, 터미널 버스바 개구부(410H)나 모듈 커넥터 개구부(420H)를 통해 고온의 가스나 화염이 곧바로 배출되어 이웃하는 전지 모듈에 손상을 입힐 수 있다. 특히, 화염이 직접적으로 배출될 경우, 이웃하는 전지 모듈에도 화염이 옮겨 가, 연쇄적인 발화 및 폭발로 이어질 수 있다.
이에 본 실시예에 따른 벤팅부(200V)에 미세구멍(210H, 220H)을 형성하여, 고온의 가스는 신속하게 외부로 배출하면서, 고온의 화염은 직접적으로 배출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 다수의 미세구멍(210H, 220H)은, 일종의 소염망(Mesh screen)과 같은 역할을 하여 화염이 외부로 배출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 단순한 관통구가 아닌 미세한 크기를 갖는 미세구멍(210H, 220H)을 형성하는 것이므로, 모듈 프레임(200)의 열전달 면적이 증가하는 효과를 가질 수 있다. 즉, 가스 배출량을 높일 수 있고, 전지 모듈(100) 외부로의 열 소산에 따른 전지 모듈(100)내 온도 상승률을 낮출 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 벤팅부(200V)는 미세구멍(210H, 220H)이 형성된 층(210, 220)이 단수가 아닌 복수로 구성된다. 내부에서 발생한 화염이 복수의 층(200L) 각각을 통과할 때 마다 열 소산에 의해 화염 강도가 낮아질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 벤팅부(200V)는, 가스 배출 기능이 저하되지 않으면서, 화염은 효과적으로 억제하는 소염 기능을 갖출 수 있다.
또한, 복수의 층(200L)이 소정의 간격으로 이격 배치됨에 따라, 전지 모듈(100) 내부의 스파크가 외부로 직접 노출되는 빈도를 줄일 수 있다. 따라서, 전지팩이나 디바이스 내에서 전지 모듈(100) 간 열이나 화염이 전이되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 단일의 층이 아닌 복수의 층으로 구성하는 것이므로, 화염이 배출되는 경로를 보다 복잡하게 설정할 수 있다. 화염의 배출 경로가 복잡해질수록 직진 성향이 강한 화염을 효과적으로 차단할 수 있고, 복수의 층(200L) 각각을 통과할 때 마다 화염 강도가 낮아질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 벤팅부(200V)는 보다 증대된 소염 기능을 갖출 수 있다.
한편, 도 9에서, 미세구멍(210H, 220H)의 형태는 원형으로 도시되었으나, 형태의 특별한 제한은 없고, 타원형, 다각형 등의 구멍도 가능하다.
이하에서는, 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 벤팅부에 대해 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다. 도 11은 도 10의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부(200Va)는, 적층된 복수의 층(200La)을 포함하고, 복수의 층(200La) 각각에 미세구멍(210Ha, 220Ha)이 형성된다. 이 때, 각 층의 미세구멍(210Ha, 220Ha)이 서로 어긋나도록 배열될 수 있다.
구체적으로, 복수의 층(200La)은 제1 층(210a) 및 제2 층(220a)을 포함할 수 있다. 이 때, 제1 층(210a)과 제2 층(220a)이 적층된 상태에서, 제1 층(210a)에 형성된 미세구멍(210Ha)과 제2 층(220a)에 형성된 미세구멍(220Ha)이 서로 어긋나게 배열될 수 있다. 도 10과 도 11에 나타난 바와 같이, 복수의 층(200La)이 적층되는 방향(z축 방향)에 대해 제1 층(210a)에 형성된 미세구멍(210Ha)의 위치와 제2 층(220a)에 형성된 미세구멍(220Ha)의 위치가 서로 대응하는 것이 아니라 의도적으로 어긋날 수 있다.
이와 같이, 각 층이 적층된 상태를 기준으로, 각 층에 형성된 미세구멍끼리 서로 위치가 어긋나도록 설정함으로써, 화염이 배출되는 경로를 보다 복잡하게 설정할 수 있다. 특히, 직진 성향이 강하고 순간적으로 터져 나오는 화염이나 스파크의 성질을 고려했을 때, 미세구멍이 형성하는 경로를 일직선이 되지 않도록 구현하여, 가스 배출에는 영향이 없는 대신, 화염의 배출을 효과적으로 규제하고자 하였다. 본 실시예에 따른 벤팅부(200Va)는 보다 증대된 소염 기능을 갖출 수 있다.
도 12는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다. 도 13은 도 12의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부(200Vb)는, 적층된 복수의 층(200Lb)을 포함하고, 복수의 층(200Lb) 각각에 미세구멍(210Hb, 220Hb)이 형성된다. 이 때, 각 층의 미세구멍(210Hb, 220Hb)의 크기가 서로 상이할 수 있다. 미세구멍(210Hb, 220Hb)의 크기가 상이하다는 것은, 미세구멍(210Hb, 220Hb)의 뚫린 부분의 면적 넓이가 상이하다는 것을 의미한다.
구체적으로, 복수의 층(200Lb)은 제1 층(210b) 및 제2 층(220b)을 포함할 수 있고, 제1 층(210b)에 형성된 미세구멍(210Hb)의 크기와 제2 층(220b)에 형성된 미세구멍(220Hb)의 크기가 서로 상이할 수 있다. 일례로, 제1 층(210b)에 형성된 미세구멍(210Hb)과 제2 층(220b)에 형성된 미세구멍(220Hb)은, 도 9의 미세구멍(210H, 220H)처럼 원형의 미세구멍일 수 있다. 제1 층(210b)에 형성된 미세구멍(210Hb)의 지름(R1)이 제2 층(220b)에 형성된 미세구멍(220Hb)의 지름(R2)과 상이할 수 있다. 제1 층(210b)에 형성된 미세구멍(210Hb)의 지름(R1)이 제2 층(220b)에 형성된 미세구멍(220Hb)의 지름(R2)보다 작은 것으로 나타내었으나, 다른 일 실시예에서는, 제1 층(210b)에 형성된 미세구멍(210Hb)의 지름(R1)이 제2 층(220b)에 형성된 미세구멍(220Hb)의 지름(R2)보다 더 클 수 있다.
이와 같이, 각 층에 형성된 미세구멍끼리 서로 크기가 다르도록 설정함으로써, 화염이 배출되는 경로를 보다 복잡하게 설정할 수 있다. 화염의 배출 경로가 복잡해질수록, 직진 성향이 강한 화염을 효과적으로 차단할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 벤팅부(200Vb)는 보다 증대된 소염 기능을 갖출 수 있다.
도 14는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 14를 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부(200Vc)는, 적층된 복수의 층(200Lc)을 포함하고, 복수의 층(200Lc) 각각에 미세구멍(210Hc, 220Hc)이 형성된다. 이 때, 각 층의 미세구멍(210Hc, 220Hc)이 서로 상이한 형상을 가질 수 있다. 상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 미세구멍은 원형, 타원형, 다각형 등의 형상을 제한없이 가질 수 있는데, 각 층마다 미세구멍의 형상이 다를 수 있다.
구체적으로, 복수의 층(200Lc)은 제1 층(210c) 및 제2 층(220c)을 포함할 수 있고, 제1 층(210c)에 형성된 미세구멍(210Hc)과 제2 층(220c)에 형성된 미세구멍(220Hc)이 서로 상이한 형상을 가질 수 있다. 일례로, 제1 층(210c)에 형성된 미세구멍(210Hc)은 원형일 수 있고, 제2 층(220c)에 형성된 미세구멍(220Hc)은 사각형일 수 있다.
이와 같이, 각 층에 형성된 미세구멍끼리 서로 다른 형상을 갖도록 설정함으로써, 화염이 배출되는 경로를 보다 복잡하게 설정할 수 있다. 화염의 배출 경로가 복잡해질수록, 직진 성향이 강한 화염을 효과적으로 차단할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 벤팅부(200Vc)는 보다 증대된 소염 기능을 갖출 수 있다.
도 15는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 15를 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부(200Vd)는, 적층된 복수의 층(200Ld)을 포함하고, 복수의 층(200Ld) 각각에 미세구멍(210Hd, 220Hd)이 형성된다. 이 때, 각 층의 미세구멍(210Hd, 220Hd)이 서로 상이한 밀집도를 가질 수 있다. 여기서, 밀집도는 단위 면적당 미세구멍의 개수를 의미하는 값으로, 하나의 층에 형성된 미세구멍의 개수를 그 하나의 층의 면적으로 나눈 값일 수 있다.
구체적으로, 복수의 층(200Ld)은 제1 층(210d) 및 제2 층(220d)을 포함할 수 있고, 제1 층(210d)에 형성된 미세구멍(210Hd)의 밀집도와 제2 층(220d)에 형성된 미세구멍(220Hd)의 밀집도가 서로 상이할 수 있다. 일례로, 도 15에 나타난 바와 같이 전지 모듈에서 제1 층(210d)이 제2 층(220d)보다 바깥쪽에 위치할 때, 제1 층(210d)에 형성된 미세구멍(210Hd)의 밀집도가 제2 층(220d)에 형성된 미세구멍(220Hd)의 밀집도보다 더 낮을 수 있다. 다른 일 실시예에서는, 제1 층(210d)에 형성된 미세구멍(210Hd)의 밀집도가 제2 층(220d)에 형성된 미세구멍(220Hd)의 밀집도보다 더 높을 수 있다.
이와 같이, 각 층에 형성된 미세구멍의 밀집도를 서로 다르게 설정함으로써, 화염이 배출되는 경로를 보다 복잡하게 설정할 수 있다. 화염의 배출 경로가 복잡해질수록, 직진 성향이 강한 화염을 효과적으로 차단할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 벤팅부(200Vd)는 보다 증대된 소염 기능을 갖출 수 있다.
도 16은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부를 나타낸 사시도이다.
도 16을 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 벤팅부(200Ve)는, 적층된 복수의 층(200Le)을 포함하고, 복수의 층(200Le) 각각에 미세구멍이 형성된다. 이때, 각 층의 미세구멍이 모여 미세구멍 군(210Ge, 210Ge’, 220Ge)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 복수의 층(200Le)은 제1 층(210e) 및 제2 층(220e)을 포함할 수 있고, 제1 층(210e)의 미세구멍 군(210Ge, 210Ge’)이 형성하는 배열 형태가 제2 층(220e)의 미세구멍 군(220Ge)이 형성하는 배열 형태와 상이할 수 있다. 일례로, 제1 층(210e)에는 직사각형의 미세구멍 군(210Ge)과 비정형의 미세구멍 군(210Ge’)이 조합된 형태일 수 있으나, 제2 층(220e)에는 직사각형의 미세구멍 군(220Ge)만 조합된 형태일 수 있다. 다만. 이는 예시적 구조이며, 각 층 간의 미세구멍 군의 배열 형태만 다르다면, 다양한 배열 형태가 가능하다.
이와 같이, 각 층에 형성된 미세구멍이 이루는 미세구멍 군의 배열 패턴을 서로 다르게 설정함으로써, 화염이 배출되는 경로를 보다 복잡하게 설정할 수 있다. 화염의 배출 경로가 복잡해질수록, 직진 성향이 강한 화염을 효과적으로 차단할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 벤팅부(200Ve)는 보다 증대된 소염 기능을 갖출 수 있다.
이하에서는, 도 17 및 도 18 등을 참고하여, 본 발명의 실시예들에 따른 모듈 프레임에 대해 자세히 설명하도록 한다.
먼저, 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 17을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 상부 프레임(200U) 및 하부 프레임(200D)을 포함할 수 있다. 미세구멍이 형성된 복수의 층이 고온, 고압으로 압착되어 벤팅부(200V)가 형성된 판재 형상의 상부 프레임(200U)이 제조될 수 있다. 한편, 하부 프레임(200D)은 yz 평면을 따라 자른 단면이 U자형 구조를 갖는 U자형 프레임일 수 있다.
상부 프레임(200U)과 하부 프레임(200D)이 서로 대응하는 모서리끼리 용접의 방법으로 접합되어, 도 8에 도시된 바와 같이 천장부(201)에 벤팅부(200V)가 형성된 모듈 프레임(200)이 제조될 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 18을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모듈 프레임(200’)은, 상부 프레임(200U) 및 하부 프레임(200D)을 포함할 수 있다. 상부 프레임(200U)은 금속 판재로 이루어진 부재일 수 있다. 한편, 금속 판재의 2개의 구역에 벤팅부(200V)를 형성하고, 이러한 금속 판재를 구부려 U자형 구조로 만듦으로써, 하부 프레임(200D)을 제조할 수 있다.
상부 프레임(200U)과 하부 프레임(200D)이 서로 대응하는 모서리끼리 용접의 방법으로 접합되어, 양 측면부에 벤팅부(200V)가 형성된 모듈 프레임(200’)이 제조될 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 바닥부에 벤팅부(200V)가 형성된 모듈 프레임도 유사한 방법으로 제조될 수 있다.
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), 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 수단에 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
200V: 벤팅부
200L: 복수의 층
210H, 220H: 미세구멍

Claims (11)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임을 포함하고,
    상기 모듈 프레임의 적어도 일면에 벤팅부가 형성되며,
    상기 벤팅부는 적층된 복수의 층을 포함하고,
    상기 복수의 층 각각에 미세구멍이 형성된 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 층과 상기 제2 층이 적층된 상태에서, 상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍과 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍이 서로 어긋나게 배열되는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍의 크기와 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍의 크기가 서로 상이한 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍과 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍이 서로 상이한 형상을 갖는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 층에 형성된 상기 미세구멍의 밀집도와 상기 제2 층에 형성된 상기 미세구멍의 밀집도가 서로 상이한 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 복수의 층은 제1 층 및 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 층과 상기 제2 층에 각각에 상기 미세구멍이 모여있는 미세구멍 군이 형성되며,
    상기 제1 층의 상기 미세구멍 군이 형성하는 배열 형태가 상기 제2 층의 상기 미세구멍 군이 형성하는 배열 형태와 상이한 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 복수의 층은 금속 시트인 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 복수의 층이 고온, 고압으로 압착되어 상기 벤팅부를 형성하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면을 각각 커버하는 천장부, 바닥부 및 양 측면부를 포함하고,
    상기 천장부, 상기 바닥부 및 상기 양 측면부 중 적어도 하나는 상기 벤팅부를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면을 각각 커버하는 제1 및 제2 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나에 터미널 버스바가 노출되는 터미널 버스바 개구부 및 모듈 커넥터가 노출되는 모듈 커넥터 개구부 중 적어도 하나가 형성되는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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