KR20220130574A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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KR20220130574A
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성준엽
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 일면을 커버하도록 배치되는 화염 배출 프레임을 포함한다. 상기 화염 배출 프레임은 상기 모듈 프레임의 상기 일면이 위치한 방향과 반대 방향으로 만입된 형태이다. 상기 화염 배출 프레임과 상기 모듈 프레임의 상기 일면 사이에 통로부가 형성되며, 상기 통로부가 상기 화염 배출 프레임에 형성된 화염 배출구까지 이어진다.

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. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈들에 대한 사시도이다.
도 1을 참고하면, 다수의 전지셀을 포함하는 전지 모듈(10a, 10b)들이 모여, 자동차와 같은 중대형 디바이스에 장착될 수 있다. 다수의 전지셀을 구비한 전지 모듈(10a, 10b)들이나 이러한 전지 모듈(10a, 10b)들이 모인 전지팩은, 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈(10a, 10b)들과 이러한 전지 모듈(10a, 10b)들이 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 모듈(10a, 10b)들을 집약적으로 배치하기 때문에 어느 하나의 전지 모듈(10a)에서 발생한 화염이나 열이 이웃한 전지 모듈(10b)로 쉽게 전파되어, 종국적으로 전지팩 자체의 폭발이나 발화로 이어질 수 있다.
이에, 화염 전파를 차단할 수 있는 전지 모듈에 대한 필요성이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내부에서 발생한 화염이 외부로 전파되는 것을 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; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 일면을 커버하도록 배치되는 화염 배출 프레임을 포함한다. 상기 화염 배출 프레임은 상기 모듈 프레임의 상기 일면이 위치한 방향과 반대 방향으로 만입된 형태이다. 상기 화염 배출 프레임과 상기 모듈 프레임의 상기 일면 사이에 통로부가 형성되며, 상기 통로부가 상기 화염 배출 프레임에 형성된 화염 배출구까지 이어진다.
상기 모듈 프레임의 상기 일면에 관통구가 형성될 수 있고, 상기 통로부는 상기 관통구에서부터 상기 화염 배출구까지 이어질 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 상기 일면과 상기 화염 배출 프레임 사이에 위치하는 소염 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 관통구는 상기 소염 부재와 접할 수 있다.
상기 통로부는 적어도 한번 꺾이면서 상기 화염 배출구까지 이어질 수 있다.
상기 모듈 프레임은 마주보는 양측이 개방된 형태일 수 있고, 상기 모듈 프레임의 개방된 양측을 각각 커버하도록 제1 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트가 배치될 수 있다.
상기 모듈 프레임의 상기 일면에 제1 관통구 및 제2 관통구가 형성될 수 있고, 상기 통로부는 상기 제1 관통구 및 상기 제2 관통구에서부터 상기 화염 배출구까지 이어질 수 있다. 상기 제1 관통구는 상기 제1 엔드 플레이트와 인접하여 위치할 수 있고, 상기 제2 관통구는 상기 제2 엔드 플레이트와 인접하여 위치할 수 있다.
상기 전지셀은 전극 리드들을 포함할 수 있고, 상기 전극 리드들 중 어느 하나는 상기 제1 엔드 플레이트를 향해 돌출될 수 있으며, 상기 전극 리드들 중 다른 하나는 상기 제2 엔드 플레이트를 향해 돌출될 수 있다.
상기 화염 배출 프레임은 상기 제1 엔드 플레이트의 측면과 상기 제2 엔드 플레이트의 측면까지 연장될 수 있다.
상기 제1 엔드 플레이트의 측면 또는 상기 제2 엔드 플레이트의 측면 중 적어도 한 곳에 관통구가 형성될 수 있다. 상기 통로부는 상기 관통구에서부터 상기 화염 배출구까지 이어질 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 상기 일면과 상기 화염 배출 프레임 사이에 위치하는 소염 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 관통구는 상기 소염 부재와 접할 수 있다.
상기 화염 배출 프레임 또는 상기 모듈 프레임의 상기 일면 중 적어도 한 곳에 격벽부가 형성될 수 있고, 상기 격벽부에 의해 상기 통로부가 형성하는 경로가 복수로 꺾이면서 이어질 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 상기 일면과 상기 화염 배출 프레임 사이에 위치하는 소염 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 소염 부재는 다층의 소염망 구조를 가질 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 더 포함할 수 있고, 상기 모듈 프레임의 상기 바닥부와 상기 히트 싱크 사이에 냉매가 흐르는 유로가 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 상기 바닥부로부터 일 방향으로 돌출되는 모듈 프레임 돌출부들을 포함할 수 있다. 상기 모듈 프레임 돌출부들 중 어느 하나에 상기 히트 싱크에 냉매를 공급하는 냉매 유입 포트가 형성될 수 있고, 상기 모듈 프레임 돌출부들 중 다른 하나에 상기 히트 싱크로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트가 형성될 수 있다.
상기 화염 배출구는, 상기 모듈 프레임 돌출부가 돌출되는 상기 일 방향과 반대 방향을 향해 개구되는 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 모듈에 별도의 화염 배출 경로를 마련하여, 그 전지 모듈 내부에서 화염이 발생하더라도 외부로 전파되는 것을 차단할 수 있다. 어느 한 전지 모듈에서 발생한 화염이 다른 전지 모듈이나 기타 전장품으로 전파되는 것을 억제하거나 지연할 수 있다. 즉, 화재 발생에 대한 전지 모듈 및 전지팩의 안전성을 증대시킬 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 모듈들에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈에 포함된 화염 배출 프레임과 상부 플레이트에 대한 사시도이다.
도 6은 도 5의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 화염 배출 프레임과 상부 플레이트에 대한 사시도이다.
도 8은 도 7의 화염 배출 프레임과 상부 플레이트를 “B”방향에서 바라본 평면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 화염 배출 프레임들을 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 3의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크를 나타낸 사시도이다.
도 12는 도 3의 전지 모듈에 포함된 하부 프레임, 제1 열전도성 수지층 및 제2 열전도성 수지층을 나타낸 사시도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 사시도이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 15는 도 14의 전지 모듈의 상부를 분해한 분해 사시도이다.
도 16은 도 14에서 상부를 제외한 전지 모듈의 부분을 분해한 분해 사시도이다.
도 17은 도 14의 전지 모듈의 상부를 나타내는 상면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 19는 도 18의 전지 모듈의 측면을 분해한 분해 사시도이다.
도 20은 도 18의 전지 모듈의 측면을 나타내는 측면도이다.
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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 복수의 전지셀(110)들이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200); 및 모듈 프레임(200)의 일면을 커버하도록 배치되는 화염 배출 프레임(800)을 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 전지셀(110)은 서로 대향하는 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)들을 포함한다. 보다 상세하게는 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 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(110p)가 형성될 수 있다. 또한, 돌출된 전극 리드(111, 112)를 사이에 두고 셀 케이스(114)가 밀봉되면서, 전극 리드(111, 112)와 셀 본체(113) 사이에 테라스부(116)가 형성될 수 있다. 즉, 전지셀(110)은, 전극 리드(111, 112)가 돌출된 방향으로 셀 케이스(114)로부터 연장 형성된 테라스부(116)를 포함할 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)들은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 일례로, 도 3에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)들이 적층될 수 있다. 이에 따라 전극 리드(111, 112)들은 y축 방향과 -y축 방향으로 각각 돌출될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀(110)들 사이에는 접착 부재가 위치할 수 있다. 이에 따라 전지셀(110)들끼리 서로 접착되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)는 전지셀(110)의 개수가 종래 보다 많아지는 대면적 모듈일 수 있다. 구체적으로, 전지 모듈(100a) 당 32개 내지 48개의 전지셀(110)이 포함될 수 있다. 이러한 대면적 모듈의 경우, 전지 모듈의 수평 방향 길이가 길어지게 된다. 여기서, 수평 방향 길이란, 전지셀(110)들이 적층된 방향, 즉 x축과 평행한 방향으로의 길이를 의미할 수 있다.
한편, 전지셀(110)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면 열이 발생하는데, 그 중에서도 전극 리드(111, 112)와 인접한 부분에서 열이 많이 발생한다. 즉, 셀 본체(113)의 중앙 부분 보다는, 테라스부(116)에 가까워질수록 충, 방전 시 많은 열이 발생한다.
모듈 프레임(200)은, 전지셀 적층체(120)의 하면과 양 측면을 커버하는 하부 프레임(210) 및 전지셀 적층체(120)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(220)를 포함할 수 있다.
하부 프레임(210)은 전지셀 적층체(120)의 하면과 양 측면을 커버한다. 구체적으로, 하부 프레임(210)은, 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면을 커버할 수 있고, 2개의 측면부(210b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 커버할 수 있다. 여기서, 전지셀 적층체(120)의 하면은 -z축 방향의 면을 지칭하고, 전지셀 적층체(120)의 양 측면은 x축 및 -x축 방향의 면을 지칭한다. 다만 이는 설명의 편의를 위해 지칭한 면들이며, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
상부 플레이트(220)는, 전지셀 적층체(120)의 상면을 커버한다. 여기서, 전지셀 적층체(120)의 상면은 z축 방향의 면을 지칭한다. 상부 플레이트(220)와 하부 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접에 의해 접합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 플레이트(220)와 하부 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)를 더 포함할 수 있다. 모듈 프레임(200)은 마주보는 양측이 개방된 형태일 수 있고, 모듈 프레임(200)의 개방된 양측을 각각 커버하도록 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)가 배치될 수 있다.
구체적으로, 전지셀 적층체(120)의 전면을 제1 엔드 플레이트(410)가 커버할 수 있고, 전지셀 적층체(120)의 후면을 제2 엔드 플레이트(420)가 커버할 수 있다. 여기서, 전지셀 적층체(120)의 전면은 y축 방향의 면을 지칭하고, 전지셀 적층체(120)의 후면은 -y축 방향의 면을 지칭한다. 또한, 전지셀(110)들과 전극 리드(111, 112) 관점에서 보면, 전극 리드(111, 112)들 중 어느 하나는 제1 엔드 플레이트(410)를 향해 돌출되고, 전극 리드(111, 112)들 중 다른 하나는 제2 엔드 플레이트(420)를 향해 돌출될 수 있다.
제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 모듈 프레임(200)의 개방된 양측에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420) 각각은 모듈 프레임(200)의 대응하는 모서리들과 접촉한 상태에서 용접에 의해 접합될 수 있다. 이러한 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(410, 420) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등의 위치할 수 있다.
이하에서는, 도 5 및 도 6 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 화염 배출 프레임에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 도 3의 전지 모듈에 포함된 화염 배출 프레임과 상부 플레이트에 대한 사시도이다. 도 6은 도 5의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 이 때, 도 6은 도 5의 화염 배출 프레임(800)과 상부 플레이트(220)가 접촉된 상태의 모습을 나타내었다.
도 3, 도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 화염 배출 프레임(800)은, 상술한 바 대로, 모듈 프레임(200)의 일면을 커버하도록 배치된다. 일례로, 도시된 것처럼, 화염 배출 프레임(800)이 모듈 프레임(200)의 상부 플레이트(220)의 일면을 커버하면서, 상부 플레이트(220) 상에 위치할 수 있다. 즉, 일 실시예에서, 모듈 프레임(200)의 상기 일면은 상부 플레이트(220)에 해당할 수 있다.
화염 배출 프레임(800)은 모듈 프레임(200)의 상기 일면이 위치한 방향과 반대 방향으로 만입된 형태이다. 화염 배출 프레임(800)과 모듈 프레임(200)의 상기 일면 사이에 통로부(800P)가 형성되며, 통로부(800P)는 화염 배출 프레임(800)에 형성된 화염 배출구(800U)까지 이어진다.
여기서, 화염 배출 프레임(800)이 모듈 프레임(200)의 상기 일면이 위치한 방향과 반대 방향으로 만입된 형태라는 것은, 바꾸어 말하면, 화염 배출 프레임(800)은 모듈 프레임(200)의 상기 일면이 위치한 방향의 면이 개방된 형태의 프레임이라는 것을 의미한다. 일례로, 화염 배출 프레임(800)은 상면(800-1), 전면(800-2), 후면(800-3) 및 양 측면(800-4)들을 포함할 수 있고, 하면은 개방된 형태일 수 있다.
모듈 프레임(200)의 상기 일면에 관통구(220H)가 형성될 수 있다. 구체적으로는 모듈 프레임(200)의 상부 플레이트(220)에 관통구(220H)가 형성될 수 있다. 관통구(220H)는 전지셀 적층체(120)를 향해 개구되고, 통로부(800P)는 관통구(220H)에서부터 화염 배출구(800U)까지 이어질 수 있다. 본 실시예에 따른 화염 배출 프레임(800)은 단순히 개구된 형태의 프레임이 아니라, 그 내부에 화염(F)이 이동할 수 있는 통로부(800P)가 마련된 부재이다. 전지 모듈(100a)의 전지셀 적층체(120) 등에서 발생한 화염(F)이, 관통구(220H)를 통해 화염 배출 프레임(800)과 모듈 프레임(200)의 상기 일면 사이의 통로부(800P)로 유입된다. 통로부(800P)를 따라 이동한 화염(F)은, 화염 배출구(800U)를 통해 외부로 배출된다.
화염 배출구(800U)는 전지 모듈(100a)의 외부를 향해 개구된다. 구체적으로, 화염 배출구(800U)는 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1), 전면(800-2), 후면(800-3) 또는 양 측면(800-4)들 중 적어도 한 곳에 형성될 수 있다. 일례로, 도 5 및 도 6에는 화염 배출구(800U)가 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1)에 형성된 것을 도시하였다.
화염 배출 프레임(800)와 모듈 프레임(200)의 상기 일면 간의 대응하는 모서리들끼리 서로 접합될 수 있다.
상부 플레이트(220)는, 관통구(220H)가 형성된 판상형의 부재일 수 있다. 화염 배출 프레임(800)의 개방된 하면에 상부 플레이트(220)가 접합됨으로써, 화염 배출 프레임(800)의 통로부(800P)가 형성될 수 있다. 접합 방식에 특별한 제한은 없고, 일례로 용접 접합이 이용될 수 있다. 화염 배출 프레임(800)과 상부 플레이트(220) 사이의 공간이 화염(F)이 이동하는 통로부(800P)로 구성될 수 있다.
한편, 관통구(220H)는, 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)를 포함할 수 있다. 즉, 모듈 프레임(200)의 상기 일면에 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)가 형성될 수 있고, 통로부(800P)는, 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)에서부터 화염 배출구(800U)까지 이어질 수 있다.
제1 관통구(220H1)는 제1 엔드 플레이트(410)와 인접하여 위치할 수 있으며, 제2 관통구(220H2)는 제2 엔드 플레이트(420)와 인접하여 위치할 수 있다. 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)가 y축 방향을 따라 이격되어 위치할 수 있다.
상술한 바 대로, 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)는 전지셀 적층체(120)의 전면과 후면을 각각 커버할 수 있다. 이 때, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112, 도 4 참고)는 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면에 위치할 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110)들의 전극 리드(111, 112)들 중 어느 하나는 제1 엔드 플레이트(410)를 향해 돌출되고, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)들 중 다른 하나는 제2 엔드 플레이트(420)를 향해 돌출될 수 있다.
전지셀(110)에서, 셀 본체(113)의 중앙 부분보다, 전극 리드(111, 112)들과 가까운 부분이 충, 방전 시 많은 열이 발생한다. 전지셀 적층체(120)를 기준으로 하면 전극 리드(111, 112)들이 돌출된 부분과 인접한 부분에 많은 열이 발생한다. 이에 모듈 프레임(200)의 상기 일면 중에서, 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420) 각각과 인접한 부분에 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)를 마련할 수 있다. 즉, 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)는 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 부분과 인접하도록 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120)에서 열이 가장 많이 발생하는 부분, 즉 화염이 발생할 가능성이 높은 부분에 인접하도록 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)를 배치할 수 있다.
한편, 관통구(220H)는, 전지셀(110)의 적층 방향을 따라 이어질 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시된 것처럼, 관통구(220H)는 전지셀(110)의 적층 방향과 나란한 x축 방향을 따라 이어지도록 개구된 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2) 각각이 x축 방향을 따라 이어지도록 개구된 형태일 수 있다. 이에 따라, 전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110) 모두가 관통구(220H)를 통해 노출될 수 있다. 즉, 관통구(220H)가 일부 전지셀(110)만 노출되도록 형성된 것이 아니라, 모든 전지셀(110)과 대응하도록 개구된다. 따라서, 어느 전지셀(110)로부터 화염이 발생하여도, 관통구(220H)를 통해 화염 배출 프레임(800) 내부로 유입되기 용이하다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 화염 배출구(800U)가 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1)에 형성될 수 있다. 이 때, 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1)에 대해 수직한 방향을 기준으로, 관통구(220H)와 화염 배출구(800U)는 서로 어긋나도록 위치할 수 있다. 여기서, 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1)에 대해 수직한 방향은 z축과 평행한 방향일 수 있다.
구체적으로, 화염 배출구(800U)가, 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1)에 대해 수직한 방향을 기준으로, 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2) 모두와 어긋나도록 위치할 수 있다. 일례로, 화염 배출구(800U)는 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1)의 중앙부에 위치할 수 있다. 화염 배출구(800U)가 관통구(220H)와 서로 어긋나도록 위치함에 따라, 통로부(800P)는 적어도 한번 꺾이면서 관통구(220H)에서 화염 배출구(800U)까지 이어질 수 있다.
상기와 같은 구조에 의해 화염 배출 프레임(800)의 내부로 유입된 화염(F)이 곧바로 화염 배출구(800U)로 배출되는 것이 아니라, 통로부(800P)를 따라 어느 정도 이동한 후 배출된다. 화염(F)이 통로부(800P)가 형성하는 경로를 따라 이동하는 동안 충분한 공기(산소)가 공급되는 것이 아니므로, 화염(F)이 약화되거나 소화될 수 있다. 즉, 일종의 질식 소화(smothering extinguishment) 효과가 발휘될 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈(100a) 내부에서 화염(F)이 발생하더라도, 이웃한 다른 전지 모듈이나 기타 전장품으로 화염이 전파되는 것을 억제하거나 지연할 수 있다. 특히, 해당 전지 모듈(100a)이 차량용 전지팩에 포함되는 경우, 화염(F)의 전파를 지연시켜 운전자가 화재나 폭발로부터 대피할 수 있는 시간적 여유를 확보할 수 있다.
또한, 직진 성향이 강하고 순간적으로 터져 나오는 화염이나 스파크의 성질을 고려했을 때, 통로부(800P)의 경로를 일직선이 아닌 적어도 한번 꺾이도록 구성하면, 가스 배출에는 큰 영향이 없는 대신, 화염(F)의 직접적인 분출은 크게 제한할 수 있다.
한편, 본 발명에 대한 비교예로써, 전지 모듈의 엔드 플레이트 자체에 별도의 화염 배출 경로를 마련하는 형태가 있을 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 상면을 커버하는 화염 배출 프레임(800)에 화염 배출 경로를 마련한 본 실시예와 달리, 엔드 플레이트 자체에 화염 배출 경로를 마련할 경우, 화염이 이동하는 경로가 짧고, 또 이동할 수 있는 화염의 양도 제한적일 수밖에 없다. 경로가 짧고 이동량이 제한적이므로, 본 실시예에 비해 질식 소화 효과가 미비하다. 즉, 발생한 화염이 약화 또는 소화되지 못하고 전지 모듈의 외부로 분출될 가능성이 높아진다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 화염 배출 프레임(800)은 충분한 길이와 이동량을 갖춘 화염 배출 경로를 형성할 있다는 장점을 갖는다.
한편, 화염 배출 프레임(800) 내에서, 통로부(800P)가 형성하는 경로는 복수로 꺾이면서 이어질 수 있다. 구체적으로, 화염 배출 프레임(800) 또는 모듈 프레임(200)의 상기 일면 중 적어도 한 곳에, 격벽부(800W)가 형성될 수 있다. 이러한 격벽부(800W)에 의해 통로부(800P)가 형성하는 경로가 복수로 꺾이면서 이어질 수 있다. 즉, 격벽부(800W)에 의해 화염(F)이 구불구불한 경로를 따라 이동할 수 있다.
통로부(800P)가 형성하는 경로를 꺾이도록 구성할 수 있으면, 격벽부(800W)의 개수나 위치에 특별한 제한은 없다. 일례로, 도 5 및 도 6에는 4개의 격벽부(800W)가 마련되어 있다. 그 중 2개의 격벽부(800W)는 화염 배출 프레임(800)의 상면(800-1)과 연결되고, 다른 2개의 격벽부(800W)는 모듈 프레임(200)의 일면, 즉 상부 플레이트(220)와 연결된다.
상기와 같이, 격벽부(800W)를 배치함으로써, 통로부(800P)의 경로를 보다 복잡하게 설정할 수 있다. 화염(F)의 배출 경로가 복잡해질수록, 직진 성향이 강한 화염(F)이 외부로 직접 배출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 화염(F)이 이동하는 경로가 길어지는 것이므로, 이동하는 동안 화염(F)이 약화되거나 소화될 수 있다. 즉, 질식 소화(smothering extinguishment) 효과가 증대될 수 있다. 본 실시예에 따라 격벽부(800W)가 추가된 화염 배출 프레임(800)은 보다 증대된 소화 기능을 갖출 수 있다.
이하에서는, 도 7 및 도 8을 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 화염 배출 프레임에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 화염 배출 프레임에 대한 분해 사시도이다. 도 8은 도 7의 화염 배출 프레임을 “B”방향에서 바라본 평면도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 화염 배출 프레임(800’)은, 모듈 프레임(200)의 상기 일면이 위치한 방향과 반대 방향으로 만입된 형태이고, 화염 배출 프레임(800’)과 모듈 프레임(200)의 상기 일면 사이에 통로부(800P’)가 형성된다. 통로부(800P’)는 화염 배출 프레임(800’)에 형성된 화염 배출구(800U’)까지 이어진다.
모듈 프레임(200)의 상기 일면, 특히 상부 플레이트(220)에 관통구(220H’)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 화염 배출구는, 상술한 바 대로, 화염 배출 프레임의 상면, 전면, 후면 및 측면 중 적어도 한 곳에 형성될 수 있다. 도 7 및 도 8에는, 일례로, 화염 배출 프레임(800’)의 후면에 화염 배출구(800U’)가 형성된 모습이 나타나 있다. 여기서 화염 배출 프레임의 후면은, -y축 방향의 면을 지칭한다.
한편, 화염 배출 프레임(800’)은, 격벽부(800W’)를 포함할 수 있고, 이러한 격벽부(800W’)에 의해 복수의 통로부(800P’)가 형성될 수 있다. 격벽부(800W’)의 개수나 위치에 특별한 제한은 없다. 도 7 및 도 8에는 화염 배출 프레임(800’)과 연결된 7개의 격벽부(800W’)가 도시되어 있다.
한편, 도 9 및 도 10은 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 화염 배출 프레임들을 나타낸 사시도이다. 앞서 설명한 바 대로, 화염 배출구는 화염 배출 프레임의 상면, 전면, 후면 및 측면 중 적어도 한 곳에 형성될 수 있다. 도 5 및 도 6은 화염 배출구가 화염 배출 프레임의 상면에 형성된 예시이다. 이하에서는, 도 9 및 도 10을 참고하여, 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 화염 배출구의 다양한 위치에 대해 자세히 설명하도록 한다.
우선, 도 9를 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 화염 배출 프레임(800a)은 화염 배출구(800U)들을 포함할 수 있고, 화염 배출구(800U)들은 화염 배출 프레임(800a)의 전면(800-2) 및 후면(800-3)에 각각 형성될 수 있다. 전면(800-2) 및 후면(800-3)에 각각 형성된 화염 배출구(800U)의 크기 및 위치에 특별한 제한은 없고, 설계에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 도 9에는 전면(800-2) 또는 후면(800-3)에서 한쪽에 치우쳐 위치하는 화염 배출구(800U)들이 도시되어 있다.
다음, 도 10을 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 화염 배출 프레임(800b)은 화염 배출구(800U)들을 포함할 수 있고, 화염 배출구(800U)들은 화염 배출 프레임(800b)의 양 측면(800-4)에 형성될 수 있다. 양 측면(800-4)에 형성된 화염 배출구(800U)의 크기 및 위치에 특별한 제한은 없고, 설계에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 도 10에서 어느 한 화염 배출구(800U)는 일 측면(800-4) 중 전면(800-2)에 가까운 부분에 형성되고, 다른 한 화염 배출구(800U)는 다른 일 측면(800-4) 중 후면(800-3)에 가까운 부분에 형성될 수 있다.
이하에서는, 도 11 및 도 12를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크 및 열전도성 수지층에 대해 자세히 설명한다.
도 11은 도 3의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크를 나타낸 사시도이다. 도 12는 도 3의 전지 모듈에 포함된 하부 프레임, 제1 열전도성 수지층 및 제2 열전도성 수지층을 나타낸 사시도이다.
도 3, 도 11 및 도 12를 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치한 히트 싱크(300)를 더 포함할 수 있다. 히트 싱크(300)는 내부에 냉매가 흐르는 부재로써, 전지셀 적층체(120)의 냉각을 위해 배치될 수 있다. 한편 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는 하부 프레임(210)의 바닥부(210a) 아래에 위치할 수 있다. 히트 싱크(300)와 하부 프레임(210)의 바닥부(210a) 사이에 냉매가 흐르는 유로가 형성된다.
히트 싱크(300)는, 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)와 접합되는 하부 플레이트(310) 및 하부 플레이트(310)로부터 하부 방향으로 함몰된 함몰부(320)를 포함할 수 있다. 하부 플레이트(310)는 히트 싱크(300)의 골격을 형성하는 부분으로, 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)에 용접의 방법으로 직접 접합될 수 있다.
함몰부(320)는 하부 방향으로 함몰된 부분으로써, 냉매 유로가 뻗는 방향과 수직하게 xz평면이나 yz평면으로 자른 단면이 U자형인 관일 수 있으며, 상기 U자형인 관의 개방된 상측에 바닥부(210a)가 위치할 수 있다. 함몰부(320)와 바닥부(210a) 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
모듈 프레임(200)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)로부터 일 방향으로 돌출되는 모듈 프레임 돌출부(211)들을 포함할 수 있다. 모듈 프레임 돌출부(211)들 중 어느 하나에 히트 싱크에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트(610)가 형성될 수 있고, 모듈 프레임 돌출부(211)들 중 다른 하나에 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트(620)가 형성될 수 있다. 한편, 히트 싱크(300)는, 모듈 프레임 돌출부(211)들 각각과 대응하는 영역으로 돌출된 히트 싱크 돌출부(300P)를 포함할 수 있다.
냉매 주입 포트(610)를 통해 유입된 냉매는, 함몰부(320)가 형성하는 경로를 따라 일측에서 타측으로 이어진 후 냉매 배출 포트(620)를 통해 배출될 수 있다.
한편, 함몰부(320)에는, 상부 방향으로 돌출된 돌출 패턴(300D)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)와 같이 적층되는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈의 경우, 냉매 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다. 돌출 패턴(300D)은 냉각 유로의 폭을 실질적으로 축소시키는 효과를 발생시켜 압력 강하를 최소화하고 동시에 냉매 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 전지셀 적층체(120)에 대한 균일한 냉각 효과를 구현할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 전지셀 적층체(120)의 하면과 하부 프레임(210)의 바닥부(210a) 사이에 위치하는 제1 열전도성 수지층(710) 및 제2 열전도성 수지층(720)을 더 포함할 수 있다.
제1 열전도성 수지층(710) 및 제2 열전도성 수지층(720)은, 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함할 수 있다. 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)에 상기 열전도성 수지가 도포되어 제1 열전도성 수지층(710) 및 제2 열전도성 수지층(720)가 형성될 수 있다. 상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈(100a)의 외부로 전달하여 전지 모듈의 과열을 방지할 수 있다.
제1 열전도성 수지층(710) 및 제2 열전도성 수지층(720)은 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 방향과 평행한 방향을 따라 이격되어 위치할 수 있다. 상술한 바 대로, 전지셀 적층체(120)에서 전극 리드(111, 112)들이 y축 방향과 -y축 방향으로 각각 돌출될 수 있다. 제1 열전도성 수지층(710) 및 제2 열전도성 수지층(720)은 전극 리드(111, 112)들의 돌출 방향에 맞추어, y축과 평행한 방향을 따라 이격되어 위치할 수 있다. 특히, 제1 열전도성 수지층(710) 및 제2 열전도성 수지층(720)은 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)에서의 마주하는 양변에 각각 인접하도록 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 제1 열전도성 수지층(710) 및 제2 열전도성 수지층(720)을 전지셀(110) 중 발열이 심한 부분에 마련함으로써, 냉각 기능을 집중시키고, 전지셀(110)의 온도 편차를 해소하고자 하였다. 이에 따라, 본 실시예에 다른 전지 모듈(100a)에서는 전지셀(110)의 발열이 심한 양 단 부분에서 열 발산이 효과적으로 이루어질 수 있고, 전지셀(110)에 대해 각 부분간 온도 편차를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)의 발열이 심한 양 단부에서 발생한 열은, 제1 열전도성 수지층(710) 또는 제2 열전도성 수지층(720), 하부 프레임(210)의 바닥부(210a) 및 히트 싱크(300)를 차례로 거쳐 외부로 배출된다.
한편, 전지셀(110)의 발열이 상대적으로 약한 중앙 부분에서는, 열전도성 수지가 도포되지 않아, 전지셀(110)과 하부 프레임(210)의 바닥부(210a) 사이에 일종의 공기층이 형성될 수 있다. 공기층이 단열층으로 기능하여, 열 배출을 상대적으로 제한할 수 있다.
위와 같이, 전지셀(110)의 발열이 심한 부분과 발열이 미비한 부분 각각에 대해 열 배출 정도를 다르게 설계함으로써, 전지셀(110)의 각 부분 간 온도 편차를 해소하고자 하였다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 13을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 전지 모듈(100-1, 100-2)을 포함할 수 있다. 전지 모듈(100-1, 100-2)은 복수로 구성될 수 있고, 각각 화염 배출 프레임(800)을 포함할 수 있다.
어느 한 전지 모듈(100-1)에서 화염(F)이 발생할 경우, 화염(F)은 화염 배출 프레임(800) 내부로 유입되어 전지 모듈(100-1)의 외부로 배출될 수 있다. 어느 한 전지 모듈(100-1) 내부에서 화염(F)이 발생하더라도, 이웃한 다른 전지 모듈(100-2)로 화염이 전파되는 것을 억제하거나 지연할 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)이 차량에 배치되는 경우, 화염(F)의 전파를 지연시켜 운전자가 화재나 폭발로부터 대피할 수 있는 시간적 여유를 확보할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하고자 한다. 다만 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 15는 도 14의 전지 모듈의 상부를 분해한 분해 사시도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100b)은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200); 및 모듈 프레임(200)의 일면을 커버하도록 배치되는 화염 배출 프레임(800)을 포함한다.
또한, 전지 모듈(100b)은 전지셀 적층체(120)의 전후면을 각각 커버하는 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 엔드 플레이트(410, 420) 각각과 전지셀 적층체(120) 사이에 버스바 프레임(150)이 배치될 수 있다. 여기서, 버스바 프레임(150)에는 상기 전지셀 적층체(120)와 전기적으로 연결되어 있는 버스바(미도시됨)가 위치할 수 있다.
한편 구체적으로 도시하지 않았으나, 버스바 프레임(150)을 커버하고 전기적 절연인 절연 커버가 위치할 수 있다.
또한, 모듈 프레임(200)은 상부면, 전면 및 후면이 개방된 하부 프레임(210), 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(220)를 포함할 수 있다. 특히, 하부 프레임(210)은 전지셀 적층체(120)의 하면을 덮는 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120)의 양측면을 덮는 측면부(210b)를 포함할 수 있다.
다만, 모듈 프레임(200)은 이에 한정된 것이 아니며, L자형 프레임의 상부에 일측부가 결합되어 있거나, 전후면을 제외하고 전지셀 적층체(120)를 둘러싸는 모노 프레임의 하부의 중심부가 개방되어 있는 등의 프레임으로 대체될 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(120)는 복수의 전지셀(110)들이 일 방향(y축 방향)으로 적층되어 있되, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 전지셀(110)들과 전지셀 적층체(120)에 대한 설명은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.
이하에서는, 화염 배출 프레임(800)을 중심으로 설명하고자 한다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 화염 배출 프레임(800)은 모듈 프레임(200)의 일면을 커버하도록 배치된다. 화염 배출 프레임(800)은 모듈 프레임(200)의 상기 일면이 위치한 방향과 반대 방향으로 만입된 형태이다.
일 예로, 화염 배출 프레임(800)는 모노 프레임에서 일면이 개방되어 있는 구조와 유사하다. 또한, 화염 배출 프레임(800)에는 개방되어 있는 면을 향해 연장된 적어도 하나의 격벽부(800W)들이 형성될 수 있다.
여기서, 격벽부(800W)은 화염 배출 프레임(800)과 일체화되어 있거나, 용접 접합 등과 같은 접착 방식에 의해 화염 배출 프레임(800)에 부착되어 있을 수 있다. 일 예로, 격벽부(800W)은 화염 배출 프레임(800)과 동일한 재질로 이루어지거나, 화염 배출 프레임(800)과 유사한 내열성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 격벽부(800W)은 화염 배출 프레임(800)의 일면에서 개방되어 있는 면을 향해 연장되어 있되, 격벽부(800W)의 폭은 화염 배출 프레임(800)의 측면의 두께와 동일할 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시, 화염 배출 프레임(800)의 내부에 화염 및/또는 고온의 가스가 유입되더라도, 내부에 유입된 화염 및/또는 고온의 가스는 격벽부(800W)에 의해 형성된 통로부(800P)의 유로를 따라 이동할 수 있다. 즉, 화염 배출 프레임(800)은 전지 모듈(100b) 내 화염 및/또는 고온의 가스가 배출되는 속도를 지연시킬 수 있다.
다만, 화염 배출 프레임(800)에 포함되어 있는 격벽부(800W)의 개수, 위치, 두께 등은 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이 한정되는 것은 아니며, 화염 배출 프레임(800)에 의한 화염 배출 효과에 따라 변경될 수 있다.
또한, 화염 배출 프레임(800)에는 화염 배출구(800U)가 형성될 수 있고, 통로부(800P)가 화염 배출구(800U)까지 이어질 수 있다. 보다 구체적으로, 화염 배출 프레임(800)의 일 측면에서, 화염 배출구(800U)는 화염 배출 프레임(800)의 측면과 격벽부(800W) 사이 혹은 인접하게 위치하는 두 개의 격벽부(800W) 사이에 형성될 수 있다.
이에 따라, 화염 배출 프레임(800)는 내부에 유입된 화염 및/또는 고온의 가스가 전지 모듈(100b) 외부로 배출되되, 화염 배출구(800U)에 의해 유도되는 방향으로 배출될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서, 화염 배출 프레임(800)은 상부 플레이트(220) 상에 위치할 수 있다. 여기서, 상부 플레이트(220)의 일면이 화염 배출 프레임(800)의 개방된 일면을 구성할 수 있다.
이에 따라, 화염 배출 프레임(800)의 개방된 일면을 모듈 프레임(200)의 일면으로 대체할 수 있어, 화염 배출 프레임(800)의 부품이 감소할 수 있다. 또한, 전지 모듈(100b)의 공간 활용률이 증가할 수 있고, 화염 배출 프레임(800)의 중량 또한 감소될 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 모듈 프레임(200)의 상기 일면에 적어도 하나의 관통구(220H)가 형성될 수 있다. 일 예로, 관통구(220H)는 화염 배출 프레임(800)의 적어도 하나의 격벽부(800W)에 의해 형성된 통로부(800P)에 대응되는 위치에 형성되어 있을 수 있다. 즉, 관통구(220H)은 화염 배출 프레임(800)의 측면과 격벽부(800W) 사이 혹은 인접하게 위치하는 두 개의 격벽부(800W) 사이에 형성될 수 있다.
다만, 관통구(220H)의 위치가 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시 전지 모듈(100b) 내 화염 및/또는 고온의 가스가 용이하게 배출되면서도, 전지 모듈(100b)의 내구성 및 기밀성을 확보할 수 있는 위치라면 제한되지 아니한다.
이에 따라, 상부 플레이트(220)에 관통구(220H)가 형성되어, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시 전지 모듈(100b) 내 화염 및/또는 고온의 가스가 화염 배출 프레임(800)으로 용이하게 유입될 수 있다.
또한, 관통구(220H)는, 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)를 포함할 수 있다. 즉, 모듈 프레임(200)의 상기 일면에 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)가 형성될 수 있고, 통로부(800P)는, 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)에서부터 화염 배출구(800U)까지 이어질 수 있다.
제1 관통구(220H1)는 제1 엔드 플레이트(410)와 인접하여 위치할 수 있고, 제2 관통구(220H2)는 제2 엔드 플레이트(420)와 인접하여 위치할 수 있다. 제1 관통구(220H1) 및 제2 관통구(220H2)가 x축 방향을 따라 이격되어 위치할 수 있다. 제1 관통구(220H1)와 제2 관통구(220H2)에 대한 내용은 앞서 설명한 부분과 중복이므로 생략한다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100b)은 모듈 프레임(200)의 일면과 화염 배출 프레임(800) 사이에 위치하는 소염 부재(900)를 더 포함할 수 있다. 즉, 소염 부재(900)는 모듈 프레임(200)의 일면으로부터 화염 배출 프레임(800)으로 이동하는 화염 및/또는 고온의 가스의 화염 배출 경로 상에 위치할 수 있다.
일 예로, 소염 부재(900)는 다층의 소염망 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 소염 부재(900)는 다층의 망 구조에 소염 물질이 도포되어 형성될 수 있다. 여기서, 소염 물질은 소화 약제, 에어로겔 등의 물질 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시 화염을 제거하는 소화 효과가 있는 물질이라면 적용 가능하다.
여기서, 소화약제는 일반적으로 사용되는 분말 형태의 물질일 수 있다. 일 예로, 상기 소화약제는 탄산 수소 나트륨(NaHCO3), 탄산 수소 칼륨(KHCO3), 인산 암모늄(NH4H2PO3), 및 “탄산 수소 칼륨(KHCO3)과 요소((NH2)2CO)”의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 상기 소화약제는 이에 한정되지 아니하고, 소화 기능을 수행하는 물질이라면 제한 없이 사용 가능하다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서, 소염 부재(900)는 화염 배출 프레임(800)과 대향하는 상부 플레이트(220)의 상면과 화염 배출 프레임(800) 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 소염 부재(900)는 화염 배출 프레임(800) 및 상부 플레이트(220)의 상면을 따라 연장되어 있을 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시, 화염 배출 프레임(800)으로 전달되는 화염 및/또는 고온의 가스 중 화염이 소염 부재(900)를 통해 여과되어 효과적으로 제거될 수 있다. 즉, 소염 부재(900)는 전지 모듈(100b) 외부로 화염이 분출되는 것을 방지하고, 분출되는 화염에 의해 인접한 전지 모듈(100b)에 추가 이벤트가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 관통구(220H)가 상부 플레이트(220)에 형성되어 있는 경우, 관통구(220H)는 소염 부재(900)와 접할 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시, 관통구(220H)을 통해 화염 배출 프레임(800)의 통로부(800P)로 향해 배출되는 전지 모듈(100b) 내 화염 및/또는 고온의 가스는 소염 부재(900)를 우선 거치게 된다. 즉, 소염 부재(900)는 전지 모듈(100b) 내부에서 배출되는 화염 및/또는 고온의 가스와 직접 접하여, 일차적으로 화염을 제거시킬 수 있다.
또한, 소염 부재(900)의 일면은 격벽부(800W)과 서로 접할 수 있다. 다르게 말하면, 소염 부재(900)는 화염 배출 프레임(800)의 격벽부(800W)으로 구분되는 통로부(800P)의 경로와 접할 수 있다. 또한, 격벽부(800W)으로 인해 통로부(800P)가 형성하는 경로가 복수로 꺾이면서 이어질 수 있다.이에 따라, 소염 부재(900)가 화염 및/또는 고온의 가스와 접촉하는 면적 및/또는 시간이 충분히 확보될 수 있다. 또한, 소염 부재(900)에 의해 통로부(800P) 내에서의 유로의 저항이 증가될 수 있어, 화염 배출 프레임(800) 내에 흐르는 화염 및/또는 고온의 가스의 유량을 저하시킬 수 있다.
특히, 소염 부재(900)가 모듈 프레임(200)의 일면으로부터 배출된 화염 및/또는 고온의 가스를 일차적으로 화염을 제거한 경우에도, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트의 정도에 따라 화염이 불충분하게 제거될 수 있다. 여기서, 소염 부재(900)가 통로부(800P)의 경로와 접하여, 소염 부재(900)는 상기 유로를 통해 배출되는 나머지 화염을 이차적으로 제거시킬 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 하부에 형성되어 있는 히트 싱크에 대해 설명하고자 한다.
도 16은 도 15에서 상부를 제외한 전지 모듈의 부분을 분해한 분해 사시도이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 본 실시예의 전지 모듈(100b)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치하는 히트 싱크(300)를 더 포함할 수 있다. 다만, 히트 싱크(300)는 경우에 따라 생략되어 있을 수도 있다.
이하에서는 모듈 프레임(200)에서도 하부 프레임(210)을 중심으로 설명될 것이나, 모듈 프레임(200)이 U자형 프레임인 구조로 한정되는 것은 아니다.
모듈 프레임(200)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)로부터 일 방향으로 돌출되는 모듈 프레임 돌출부(211)들을 포함할 수 있다. 모듈 프레임 돌출부(211)들 중 어느 하나에 히트 싱크에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트(610)가 형성될 수 있고, 모듈 프레임 돌출부(211)들 중 다른 하나에 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트(620)가 형성될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100b)은, 히트 싱크(300)에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트(610)와 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트(620)를 포함한다. 다만, 냉매 주입 포트(610)와 냉매 배출 포트(620)의 위치가 반대인 경우에도 동일하게 설명될 수 있다.
모듈 프레임 돌출부(211)는 하부 프레임(210) 일측에서 서로 이격되어 위치하는 제1 모듈 프레임 돌출부와 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함할 수 있고, 냉매 주입 포트(610)는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 배치되고, 냉매 배출 포트(620)는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 히트 싱크(300)는 바닥부(210a)의 하부에 위치할 수 있다. 여기서, 바닥부(210a)가 히트 싱크(300) 내에 공급되는 냉매와 접촉할 수 있다.
또한, 상술한 바 대로, 히트 싱크(300)는, 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)와 접합되는 하부 플레이트(310) 및 하부 플레이트(310)로부터 하부 방향으로 함몰된 함몰부(320)를 포함할 수 있다.
또한, 히트 싱크(300)는 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 돌출된 히트 싱크 돌출부(300P)를 포함할 수 있다. 여기서, 히트 싱크 돌출부(300P)는 모듈 프레임 돌출부(211)와 서로 대응되는 위치에 형성되어 있을 수 있다. 일 예로, 히트 싱크 돌출부(300P)와 모듈 프레임 돌출부(211)는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합될 수 있다.
함몰부(320)는 히트 싱크 돌출부(300P)들 중 하나로부터 다른 하나로 이어질 수 있다. 냉매 주입 포트(610)를 통해 공급된 냉매는, 모듈 프레임 돌출부(211)와 히트 싱크 돌출부(300P) 사이를 거쳐 함몰부(320)와 바닥부(210a) 사이의 공간으로 처음 유입된다. 이후, 냉매는 함몰부(320)를 따라 이동하고, 다른 모듈 프레임 돌출부(211)와 히트 싱크 돌출부(300P) 사이를 거쳐 냉매 배출 포트(620)를 통해 배출된다.
또한, 본 실시예는, 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(200)에 수용된 전지셀 적층체(120)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100b)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 히트 싱크(300)와 바닥부(210a)는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 히트 싱크(300)의 함몰부(320)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 16에 도시된 바와 같이, 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(320)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(320)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(320)가 형성되기 위해 함몰부(320)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다. 한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 발화 이벤트 발생 시 화염 배출 경로를 설명하고자 한다.
도 17은 도 14의 전지 모듈의 상부를 나타내는 상면도이다.
도 14, 도 15 및 도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100b)에서 발화 이벤트 발생 시, 전지 모듈(100b) 내에 발생된 화염 및/또는 고온의 가스는 관통구(220H)을 통해 화염 배출 프레임(800)을 향해 배출될 수 있다. 여기서, 화염 배출 프레임(800)에는 적어도 하나의 격벽부(800W)이 형성되어 있어, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스는 격벽부(800W)이 형성된 위치에는 이동이 차단될 수 있다. 다르게 말하면, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스는 격벽부(800W)이 형성되어 있지 않은 위치로 이동할 수 있다.
또한, 화염 배출 프레임(800)은 외부를 향해 개방되어 있는 화염 배출구(800U)를 포함하여, 화염 배출구(800U)에 인접한 위치에서는 외부 압력과 동일하여 비교적 압력이 낮을 수 있다. 이와 달리, 관통구(220H)에 인접한 위치에서는 전지 모듈(100b) 내에서 발생된 화염 및/또는 고온의 가스로 인해 압력이 높을 수 있다. 즉, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스는 위치에 따른 압력 차로 인해 화염 배출구(800U)을 향해 배출될 수 있다. 일 예로, 화염 배출구(800U)에 인접한 위치에 격벽부(800W)이 형성되어 있어, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스가 화염 배출구(800U)를 향해 이동하는 것을 유도할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시, 화염 배출 프레임(800)을 통한 화염 배출 경로를 통해, 전지 모듈(100b) 내 화염 및/또는 고온의 가스가 외부로 효과적으로 배출될 수 있다.
또한, 도 15 및 도 17을 참조하면, 화염 배출구(800U)는 모듈 프레임 돌출부(211)가 돌출되는 일 방향과 반대 방향으로 향해 개구되는 형태일 수 있다. 즉, 다르게 말하면, 화염 배출구(800U)는 냉매 주입 포트(610)와 냉매 배출 포트(620)가 위치하는 하부 프레임(210)의 일면의 반대면에 인접하게 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100b)의 발화 이벤트 발생 시, 화염 배출구(800U)는 전지 모듈(100b) 내 화염 및/또는 고온의 가스를 배출하면서도, 전지 모듈(100b)의 하부에 일체화된 히트 싱크(300)의 냉매 유로에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
이와 더불어, 도면에 구체적으로 도시하지는 않았지만, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100b)은 팩 프레임(미도시됨)에 장착되는 경우, 모듈 프레임 돌출부(211)가 서로 마주보는 방향으로 장착되어, 냉매가 주입 또는 배출되는 유로가 전지 모듈(100b) 사이에 배치될 수 있다.
이 경우, 화염 배출구(800U)가 모듈 프레임 돌출부(211)가 형성되어 있는 일면의 반대면에 인접하게 형성되어 있어, 화염 배출구(800U)에서 배출된 화염 및/또는 고온의 가스는 팩 프레임(미도시됨)을 향해 배출될 수 있다. 즉, 화염 배출구(800U)는 전지 모듈(100b) 내 화염 및/또는 고온의 가스를 배출되더라도, 화염 배출구(800U)에서 배출된 화염 및/또는 고온의 가스가 다른 전지 모듈(100b)을 향해서 배출되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 일부 전지 모듈(100b)에서 발화 이벤트가 발생하여 화염 배출구(800U)를 통해 화염 및/또는 고온의 가스가 팩 프레임(미도시됨) 내부로 배출되더라도, 다른 전지 모듈(100b)에 화염 및/또는 고온의 가스가 전달되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100c)을 설명하고자 한다.
도 18은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 19는 도 18의 전지 모듈의 측면을 분해한 분해 사시도이다. 다만, 앞서 설명한 실시예에 따른 전지 모듈(100b)을 기준으로 상이한 점을 중심으로 설명하되, 이외의 특징은 앞서 설명한 실시예에 관해 기재된 내용과 동일하거나 유사하게 설명될 수 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 앞서 설명한 실시예와 달리, 본 실시예의 화염 배출 프레임(800)은 모듈 프레임(200)의 측면부(210b) 상에 위치할 수 있다.
화염 배출 프레임(800)과 모듈 프레임(200)의 일면 사이에 통로부(800P)가 형성되며, 통로부(800P)가 화염 배출 프레임(800)에 형성된 화염 배출구(800U)까지 이어진다. 즉, 본 실시예에서, 모듈 프레임(200)의 일면은 모듈 프레임(200)의 측면부(210b)에 해당한다. 또한, 화염 배출 프레임(800)에 격벽부(800W)가 형성될 수 있다.
다만, 화염 배출 프레임(800)에 포함되어 있는 격벽부(800W)의 개수, 위치, 두께 등은 한정되는 것은 아니며, 화염 배출 프레임(800)에 의한 화염 배출 효과에 따라 변경될 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 화염 배출 프레임(800)은 제1 엔드 플레이트(410)의 측면과 제2 엔드 플레이트(420)의 측면까지 연장될 수 있다. 일 예로, 화염 배출 프레임(800)은 제1 및 제2 엔드 플레이트(410, 420))의 측면을 따라 연장되어 있되, 제1 및 제2 엔드 플레이트(410, 420)의 외면까지 연장되어 있을 수 있다.
또한, 제1 엔드 플레이트(410)의 측면 또는 제2 엔드 플레이트(420)의 측면 중 적어도 한 곳에 관통구(400h)가 형성될 수 있고, 통로부(800P)는 관통구(400h)에서부터 화염 배출구(800U)까지 이어질 수 있다. 일 예로, 관통구(400h)는 화염 배출 프레임(800)의 통로부(800P)의 경로에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 또한, 관통구(400h)는 제1 엔드 플레이트(410)의 측면 또는 제2 엔드 플레이트(420)의 측면 중 적어도 한 곳에 형성되어 있되, 화염 배출 프레임(800)의 측면과 격벽부(800W) 사이 혹은 인접하게 위치하는 두 개의 격벽부(800W) 사이에 형성될 수 있다.
다만, 관통구(400h)의 위치가 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 모듈(100c)의 발화 이벤트 발생 시 전지 모듈(100c) 내 화염 및/또는 고온의 가스가 용이하게 배출되면서도, 전지 모듈(100c)의 내구성 및 기밀성을 확보할 수 있는 위치라면 제한되지 아니한다.
이에 따라, 제1 및 제2 엔드 플레이트(410, 420)의 측면에 화염 배출 프레임(800)을 향해 개방되어 있는 적어도 하나의 관통구(400h)가 형성되어, 전지 모듈(100c)의 발화 이벤트 발생 시 전지 모듈(100c) 내 화염 및/또는 고온의 가스가 화염 배출 프레임(800)으로 용이하게 유입될 수 있다.
또한, 모듈 프레임(200)의 상기 일면, 즉 측면부(210b)와 화염 배출 프레임(800) 사이에 위치하는 소염 부재(900)를 더 포함할 수 있다. 즉, 소염 부재(900)는 측면부(210b)의 일면으로부터 화염 배출 프레임(800)으로 이동하는 화염 및/또는 고온의 가스의 화염 배출 경로 상에 위치할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 관통구(400h)가 제1 및 제2 엔드 플레이트(410, 420)의 측면에 형성되어 있는 경우, 관통구(400h)는 소염 부재(900)와 접할 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100c)의 발화 이벤트 발생 시, 관통구(400h)를 통해 화염 배출 프레임(800)을 향해 배출되는 전지 모듈(100c) 내 화염 및/또는 고온의 가스는 소염 부재(900)를 우선 거치게 된다. 즉, 소염 부재(900)는 전지 모듈(100c) 내부에서 배출되는 화염 및/또는 고온의 가스와 직접 접하여, 일차적으로 화염을 제거시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100c)에서 발화 이벤트 발생 시 화염 배출 경로를 설명하고자 한다.
도 20은 도 18의 전지 모듈의 측면을 나타내는 측면도이다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100c)에서 발화 이벤트 발생 시, 전지 모듈(100c) 내에 발생된 화염 및/또는 고온의 가스는 관통구(400h)를 통해 화염 배출 프레임(800)을 향해 배출될 수 있다. 여기서, 화염 배출 프레임(800)에는 적어도 하나의 격벽부(800W)가 형성되어 있어, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스는 격벽부(800W)가 형성된 위치에는 이동이 차단될 수 있다. 다르게 말하면, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스는 격벽부(800W)가 형성되어 있지 않은 위치로 이동할 수 있다.
또한, 화염 배출 프레임(800)에는 외부를 향해 개방되어 있는 화염 배출구(800U)를 포함하여, 화염 배출구(800U)에 인접한 위치는 외부 압력과 동일한 압력을 갖는다. 즉, 비교적 압력이 낮을 수 있다. 이와 달리, 관통구(400h)에 인접한 위치에서는 전지 모듈(100c) 내에서 발생된 화염 및/또는 고온의 가스로 인해 압력이 높을 수 있다. 즉, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스는 위치에 따른 압력 차로 인해 화염 배출구(800U)를 향해 배출될 수 있다. 일 예로, 화염 배출구(800U)에 인접한 위치에 격벽부(800W)가 형성되어 있어, 화염 배출 프레임(800)으로 유입된 화염 및/또는 고온의 가스가 화염 배출구(800U)를 향해 이동하는 것을 유도할 수 있다.
이에 따라, 화염 배출 프레임(800)을 통한 화염 배출 경로를 통해, 전지 모듈(100c) 내 화염 및/또는 고온의 가스가 외부로 효과적으로 배출될 수 있다.
또한, 도 19 및 도 20을 참조하면, 화염 배출구(800U)는 모듈 프레임 돌출부(211)가 돌출되는 일 방향과 반대 방향으로 향해 개구되는 형태일 수 있다. 즉, 다르게 말하면, 화염 배출구(800U)는 냉매 주입 포트(610)와 냉매 배출 포트(620)가 위치하는 하부 프레임(210)의 일면의 반대면에 인접하게 형성되어 있을 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략한다.
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
200: 모듈 프레임
800: 화염 배출 프레임
800P: 통로부
800U: 화염 배출구

Claims (16)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및
    상기 모듈 프레임의 일면을 커버하도록 배치되는 화염 배출 프레임을 포함하고,
    상기 화염 배출 프레임은 상기 모듈 프레임의 상기 일면이 위치한 방향과 반대 방향으로 만입된 형태이고,
    상기 화염 배출 프레임과 상기 모듈 프레임의 상기 일면 사이에 통로부가 형성되며, 상기 통로부가 상기 화염 배출 프레임에 형성된 화염 배출구까지 이어지는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 상기 일면에 관통구가 형성되고,
    상기 통로부는 상기 관통구에서부터 상기 화염 배출구까지 이어지는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 모듈 프레임의 상기 일면과 상기 화염 배출 프레임 사이에 위치하는 소염 부재를 더 포함하고,
    상기 관통구는 상기 소염 부재와 접하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 통로부는 적어도 한번 꺾이면서 상기 화염 배출구까지 이어지는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은 마주보는 양측이 개방된 형태이고,
    상기 모듈 프레임의 개방된 양측을 각각 커버하도록 제1 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트가 배치되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 모듈 프레임의 상기 일면에 제1 관통구 및 제2 관통구가 형성되고,
    상기 통로부는 상기 제1 관통구 및 상기 제2 관통구에서부터 상기 화염 배출구까지 이어지며,
    상기 제1 관통구는 상기 제1 엔드 플레이트와 인접하여 위치하고, 상기 제2 관통구는 상기 제2 엔드 플레이트와 인접하여 위치하는 전지 모듈.
  7. 제5항에서,
    상기 전지셀은 전극 리드들을 포함하고,
    상기 전극 리드들 중 어느 하나는 상기 제1 엔드 플레이트를 향해 돌출되며, 상기 전극 리드들 중 다른 하나는 상기 제2 엔드 플레이트를 향해 돌출되는 전지 모듈.
  8. 제5항에서,
    상기 화염 배출 프레임은 상기 제1 엔드 플레이트의 측면과 상기 제2 엔드 플레이트의 측면까지 연장되는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 엔드 플레이트의 측면 또는 상기 제2 엔드 플레이트의 측면 중 적어도 한 곳에 관통구가 형성되고,
    상기 통로부는 상기 관통구에서부터 상기 화염 배출구까지 이어지는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 모듈 프레임의 상기 일면과 상기 화염 배출 프레임 사이에 위치하는 소염 부재를 더 포함하고,
    상기 관통구는 상기 소염 부재와 접하는 전지 모듈
  11. 제1항에서,
    상기 화염 배출 프레임 또는 상기 모듈 프레임의 상기 일면 중 적어도 한 곳에 격벽부가 형성되고,
    상기 격벽부에 의해 상기 통로부가 형성하는 경로가 복수로 꺾이면서 이어지는 전지 모듈.
  12. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 상기 일면과 상기 화염 배출 프레임 사이에 위치하는 소염 부재를 더 포함하고,
    상기 소염 부재는 다층의 소염망 구조를 갖는 전지 모듈.
  13. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 더 포함하고,
    상기 모듈 프레임의 상기 바닥부와 상기 히트 싱크 사이에 냉매가 흐르는 유로가 형성되는 전지 모듈.
  14. 제13항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 상기 바닥부로부터 일 방향으로 돌출되는 모듈 프레임 돌출부들을 포함하고,
    상기 모듈 프레임 돌출부들 중 어느 하나에 상기 히트 싱크에 냉매를 공급하는 냉매 유입 포트가 형성되며,
    상기 모듈 프레임 돌출부들 중 다른 하나에 상기 히트 싱크로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트가 형성되는 전지 모듈.
  15. 제14항에서,
    상기 화염 배출구는, 상기 모듈 프레임 돌출부가 돌출되는 상기 일 방향과 반대 방향을 향해 개구되는 형태인 전지 모듈.
  16. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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