KR20220152845A - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀을 포함하는 전지 모듈들; 상기 전지 모듈들이 수납되는 팩 프레임; 상기 팩 프레임에 형성되고, 메쉬부를 포함하는 제1 벤팅부와 제2 벤팅부; 및 상기 메쉬부가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단하고, 상기 제1 벤팅부 및 상기 제2 벤팅부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스{BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화염 방지 구조를 갖는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 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.
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 화염이나 열이 이웃한 전지 모듈로 쉽게 전파되어, 종국적으로 전지팩 자체의 발화나 폭발로 이어질 수 있다.
발화의 3가지 조건으로 연료, 산소, 열을 들 수 있다. 즉, 상기 3가지 조건이 결합할 때, 전지팩에서 화재가 발생한다. 바꾸어 말하면, 상기 3가지 조건 중 하나를 차단할 수 있다면, 전지팩의 발화나 폭발을 방지할 수 있다.
이에, 어느 한 전지셀에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 전지팩 자체의 화재나 폭발로 이어지지 않는 모델에 대한 설계가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 어느 한 전지셀에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 상기 열 폭주 현상이 화재나 폭발로 이어지는 것을 방지할 수 있는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 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 전지팩은, 복수의 전지셀을 포함하는 전지 모듈들; 상기 전지 모듈들이 수납되는 팩 프레임; 상기 팩 프레임에 형성되고, 메쉬부를 포함하는 제1 벤팅부와 제2 벤팅부; 및 상기 메쉬부가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단하고, 상기 제1 벤팅부 및 상기 제2 벤팅부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제1 벤팅부와 상기 제2 벤팅부가 순차적으로 작동하여 상기 팩 프레임 내부의 가스를 배출할 수 있다.
상기 제1 벤팅부의 상기 메쉬부가 이물질에 의해 막힌 경우, 상기 제2 벤팅부가 작동하여 상기 팩 프레임 내부의 가스를 배출할 수 있다.
상기 전지팩은, 상기 제어부에 데이터를 전달하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
상기 센서부는 상기 팩 프레임 내부의 압력을 측정하여, 상기 제어부에 전달할 수 있다.
상기 센서부는 상기 메쉬부의 이미지 데이터를 수집하고, 상기 제어부에 전달할 수 있다.
상기 전지팩은, 상기 팩 프레임에 형성된 제3 벤팅부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 벤팅부의 상기 메쉬부 및 상기 제2 벤팅부의 상기 메쉬부가 이물질에 의해 막힌 경우, 상기 제3 벤팅부가 작동하여 상기 팩 프레임 내부의 가스를 배출할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 순차적으로 내부 가스를 배출할 수 있는 벤팅 시스템을 마련하여, 전지팩 단위에서의 화재나 폭발을 방지할 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 모듈 및 연결 부재를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 전지팩에 포함된 어느 한 전지 모듈에 열 폭주 현상이 발생할 경우의 작동 상황을 순서대로 나타낸 도면들이다.
도 10의 (a)와 (b)는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센서부와 제1 벤팅부를 나타낸 부분 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 모듈 및 연결 부재를 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)을 포함한다. 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있고, 장방형의 시트형 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 일단부와 다른 일단부로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다.
특히, 도 3을 참고하면, 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. 보다 상세하게는 전극 리드(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. 다만, 돌출부(110p)는 하나의 예시적 구조이며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 돌출부가 형성되지 않고, 연결부(115)가 일직선으로 뻗는 형태를 가질 수 있다.
도 3에는 전극 리드(111, 112)가 양 방향으로 돌출된 구조의 전지셀(110)에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로써, 전극 리드가 일 방향으로 함께 돌출된 단방향의 파우치형 전지셀도 가능함은 물론이다.
이러한 전지셀(110)은 복수로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110) 중 하나의 전극 리드(111)는 x축 방향을 향해 돌출되고, 다른 전극 리드(112)는 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다.
전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임(200)에 수납될 수 있다. 모듈 프레임(200)은 양 면이 개방된 형태의 금속 프레임일 수 있다. 보다 구체적으로, 전지셀 적층체(120)를 기준으로, 전극 리드(111, 112)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. 예를 들어, 상부가 개방된 U자형 프레임에 상부 커버가 접합된 형태나 U자형 프레임과 뒤집힌 U자형 프레임이 상호 결합된 형태 등이 가능하다.
모듈 프레임(200)의 개방된 양 면에는 엔드 플레이트(410, 420)들이 위치할 수 있다. 2개의 엔드 플레이트(410, 420)를 각각 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)로 지칭하도록 한다. 엔드 플레이트(410, 420)들은 모듈 프레임(200)의 개방된 양 면을 각각 덮을 수 있다. 이러한 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(410, 420)가 형성하는 공간에 전지셀 적층체(120)가 수납됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(410, 420)는 알루미늄과 같이 소정의 강도를 갖는 금속 재질이나 플라스틱 소재를 포함할 수 있다. 한편, 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(410, 420)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.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바(510) 및 터미널 버스바(520)가 장착된 버스바 프레임(300)을 더 포함할 수 있다.
버스바(510) 및 터미널 버스바(520)는, 복수의 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하기 위해 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 접합될 수 있다. 구체적으로, 버스바(510) 및 터미널 버스바(520)가 장착된 버스바 프레임(300)이 전지셀 적층체(120)의 일측(x축 방향) 및 타측(-x축 방향)에 각각 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 일측(x축 방향) 및 타측(-x축 방향)은, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향의 면에 해당한다. 다시 말해, 어느 한 버스바 프레임(300)은, 엔드 플레이트(410, 420)들 중 어느 하나와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있다.
버스바 프레임(300)에는 리드 슬릿이 형성되고, 전극 리드(111, 112)가 상기 리드 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(510)나 터미널 버스바(520)에 접합될 수 있다. 물리적, 전기적 연결이 가능하다면, 접합의 방식에 특별한 제한은 없으며, 일례로 용접 접합이 이루어질 수 있다.
한편, 터미널 버스바(520)의 일부분은 전지 모듈(100)의 외측으로 노출될 수 있다. 구체적으로, 제1 엔드 플레이트(410)에 제1 터미널 버스바 개구부(410H)가 형성되어 터미널 버스바(520)의 일부분이 노출되고, 제2 엔드 플레이트(420)에 제2 터미널 버스바 개구부(420H)가 형성되어 터미널 버스바(520)의 일부분이 노출될 수 있다. 노출된 터미널 버스바(520)의 일부분은, 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit) 등과 연결되어 HV(High Voltage) 연결을 형성하기 위해, 도 1에 도시된 것처럼 연결 부재(1600)와 접합될 수 있다. 즉, 전지 모듈(100)은 연결 부재(1600)를 통해 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit) 등과 연결될 수 있다. 여기서 HV 연결은 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결로써, 전지셀 간의 연결이나 전지 모듈 간의 연결을 의미한다.
연결 부재(1600)는 전기적 연결이 가능하다면, 그 소재의 특별한 제한은 없으며, 금속 소재가 적용될 수 있다.
이하에서는 도 1 및 도 4를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 구체적으로, 도 1의 전지 모듈(100)들이 팩 프레임(1200)에 배치된 모습을 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 모습을 도시하였다. 여기서 xy 평면은 지면과 평행한 면일 수 있다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지 모듈(100)들, 전지 모듈(100)들이 수납되는 팩 프레임(1200), 팩 프레임(1200)에 형성된 제1 벤팅부(1310)와 제2 벤팅부(1320)를 포함한다. 본 실시예에서 전지 모듈(100)들은 도 1 및 도 2에 도시된 전지 모듈(100)일 수 있다. 도 4에서는 전지 모듈(100)들에 포함된 전지셀(110)을 설명의 편의를 위해 점선으로 개략적으로 표현하였다. 또한 연결 부재(1600)를 도 1과 달리, 개략적으로 표현하였다. 설명의 편의를 위해 팩 프레임(1200)이 z축 방향으로 개방된 것처럼 도시되었으나, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 팩 프레임(1200)에 의해 밀폐된 형태일 수 있다.
팩 프레임(1200)에 형성된 제1 벤팅부(1310)와 제2 벤팅부(1320)는 팩 프레임(1200) 내부에 발생한 가스를 외부로 배출하는 기능을 갖는다. 이 때, 제1 벤팅부(1310)와 제2 벤팅부(1320)는 각각 메쉬(mesh)부(1310M, 1320M)를 포함한다. 즉, 팩 프레임(1200) 내부의 가스가 메쉬부(1310M, 1320M) 거쳐 외부로 배출될 수 있다. 메쉬부(1310M, 1320M)는 메쉬 형태의 층으로써, 단일층이나 복수의 층 모두 가능하다.
상술한 바 대로, 발화의 3가지 조건으로 연료, 산소, 열을 들 수 있다. 즉, 상기 3가지 조건이 결합할 때, 전지팩에서 화재가 발생한다. 바꾸어 말하면, 상기 3가지 조건 중 하나를 차단할 수 있다면, 전지팩의 발화나 폭발을 방지할 수 있다. 이 때, 열폭주 현상에서 발생하는 내부 가스가 연료에 해당할 수 있고, 후술하는 고온의 금속 파티클인 스파크가 열에 해당할 수 있다.
전지팩(1000) 내부의 경우, 산소의 양이 적기 때문에 전지 모듈(100)의 온도가 상승하더라도 일반적으로 전지팩(1000) 내부에서는 발화나 폭발이 발생하지 않는다.
한편, 전지 모듈(100)에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하여, 스파크, 즉 고온의 금속 파티클이 생성될 수 있다. 이러한 스파크가 전지팩(1000)의 외부로 배출될 경우, 외부 산소와 만나 발화 및 폭발을 유발할 수 있다. 스파크는 상기 발화의 3가지 조건 중 열에 해당할 수 있다. 이에 본 실시예에서는 제1 벤팅부(1310) 및 제2 벤팅부(1320)에 메쉬부(1310M, 1320M)를 마련하여, 스파크가 외부로 배출되어 야기하는 발화의 문제를 해결하고자 하였다. 구체적으로, 스파크가 팩 프레임(1200) 내부의 가스에 포함된 채, 제1 벤팅부(1310)나 제2 벤팅부(1320)로 배출될 수 있다. 본 실시예에서는 메쉬부(1310M, 1320M)가 마련되어 있기 때문에 금속 파티클로 구성된 이 스파크가 메쉬부(1310M, 1320M)를 통과하면서 메쉬부(1310M, 1320M)에 부딪힌다. 그 과정에서 금속 파티클의 배출이 제한되거나, 금속 파티클의 온도가 낮아지므로, 상기 발화의 3조건 중 열을 차단할 수 있다.
종합하면, 전지팩(1000) 내부의 경우, 발화의 3가지 조건 중 산소가 결핍된 상태이다. 전지팩(1000) 외부의 경우, 메쉬부(1310M, 1320M)에 의해 스파크의 배출이 제한되므로, 발화의 3가지 조건 중 열이 결핍된 상태이다. 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 이러한 원리로 내, 외부에서의 발화의 발생을 방지한다.
한편, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 제3 벤팅부(1330)를 더 포함할 수 있다. 제3 벤팅부(1330)도 메쉬부(1330M)를 포함할 수 있다. 후술하겠으나, 제1 벤팅부(1310)는 메인 벤팅 장치로 기능하고, 제2 벤팅부(1320)나 제3 벤팅부(1330)는 서브 벤팅 장치로 기능한다. 따라서, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)에서 벤팅부(1310, 1320, 1330)가 복수로 포함된다면 그 개수에 특별한 제한은 없다. 최소한의 경우로, 메인 벤팅 장치로써 제1 벤팅부(1310)와 서브 벤팅 장치로써 제2 벤팅부(1320)를 포함할 수 있다. 다른 경우로, 제3 벤팅부(1330)를 비롯하여, 제4 벤팅부, 제5 벤팅부를 더 포함할 수도 있다.
본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 메쉬부(1310M, 1320M, 1330M)가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단하고 제1 벤팅부(1310) 및 제2 벤팅부(1320)의 작동을 제어하는 제어부(1500)를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(1500)는 제3 벤팅부(1330)의 작동을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제1 벤팅부(1310), 제2 벤팅부(1320) 및 제3 벤팅부(1330)는 개폐가 조절되는 구조를 가질 수 있다. 후술하는 센서부(1400)가 전달하는 데이터를 기반으로, 제어부(1500)가 메쉬부(1310M, 1320M, 1330M)가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단한다. 이 후, 제어부(1500)가 제1 벤팅부(1310), 제2 벤팅부(1320) 및 제3 벤팅부(1330) 각각의 제어 장치에 제어 신호를 전달하여, 제1 벤팅부(1310), 제2 벤팅부(1320) 및 제3 벤팅부(1330)의 개폐를 조절할 수 있다. 상기와 같은 방식으로, 제1 벤팅부(1310), 제2 벤팅부(1320) 및 제3 벤팅부(1330) 각각에 대한 가스 배출 기능을 조절될 수 있다.
개폐가 조절되는 방식에 특별한 제한은 없으나, 하나의 예시로써, 각 벤팅부는 얇은 막(membrane)이 내장된 통로형태의 구성일 수 있다. 제1 벤팅부(1310), 제2 벤팅부(1320) 및 제3 벤팅부(1330) 각각은 메쉬부(1310M, 1320M, 1330M)가 형성된 통로이고, 상기 통로 내부가 얇은 막(membrane)으로 막힌 형태일 수 있다. 얇은 막으로 막힌 상태는 벤팅부가 작동하지 않는 상태이다, 제어 장치의 신호에 따라 상기 얇은 막에 큰 구멍을 낼 수 있는데, 이 경우는 벤팅부가 작동하여 가스를 배출하는 상태이다. 이러한 방식으로 벤팅부의 개폐가 조절될 수 있다.
다른 예시로써, 제1 벤팅부(1310), 제2 벤팅부(1320) 및 제3 벤팅부(1330) 각각은 메쉬부(1310M, 1320M, 1330M)가 형성된 통로이고, 해당 통로에 밸브가 적용되어 제어 장치의 신호에 따라 밸브의 개폐가 조절될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 제어부(1500)에 데이터를 전달하는 센서부(1400)를 더 포함할 수 있다. 센서부(1400)는, 일례로, 압력 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서부(1400)는 팩 프레임(1200) 내부의 압력을 측정하여, 그 압력 데이터를 제어부(1500)에 전달한다. 제어부(1500)는 이를 바탕으로 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M)나 제2 벤팅부(1320)의 메쉬부(1320M)가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 전지팩(1000)에 포함된 전지셀(110)들 일부에 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 셀 케이스(114)의 융착 강도 한계치를 넘는 경우, 전지셀(110)에서 발생한 고온의 열, 벤팅 가스 등이 팩 프레임(1200) 내부로 분출될 수 있다. 이때, 제1 벤팅부(1310)가 작동하여 팩 프레임(1200) 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있다.
상술한 바 대로, 전지팩(1000)의 내부는 발화의 3가지 조건 중 산소가 결핍되어 있어 정상적인 상태에서는 발화가 발생하지 않는다. 또한, 전지팩(1000)의 외부는 메쉬부(1310M, 1320M, 1330M)에 의해 스파크의 배출이 제한되어, 발화의 3가지 조건 중 열이 결핍되기 때문에 발화가 발생하지 않는다.
그러나, 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M)가 분진 등의 이물질로 막힐 경우, 내부 가스가 배출되지 못하고, 팩 프레임(1200) 내부의 압력이 상승할 수 있다. 상승된 내부 압력에 의해 전지팩(1000)이 폭발하거나, 메쉬부(1310M, 1320M, 1330M)가 마련되지 않은 다른 부분으로 스파크가 분출될 수 있다. 이 경우, 고온의 스파크가 전지팩(1000)의 외부로 분출되는 것이므로, 발화의 3가지 조건이 만족되어 큰 폭발이나 화재로 이어질 수 있다.
이에 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 센서부(1400)를 통해 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막혔는지를 판별하기 위한 데이터를 수집한다. 일례로, 압력 센서를 포함하는 센서부(1400)는 전지팩(1000) 내부의 압력 상승을 감지하여 제어부(1500)에 전달하고, 제어부(1500)는 작동 중인 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단할 수 있다. 일례로, 팩 프레임(1200) 내부의 압력이 일정 값 이상이 되거나 시간당 압력 상승 정도가 일정 값 이상이 되면, 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막힌 것으로 판단할 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 9를 참고하여, 열 폭주 현상이 발생할 때, 본 실시예에 따른 전지팩의 작동 방식에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 전지팩에 포함된 어느 한 전지 모듈에 열 폭주 현상이 발생할 경우의 작동 상황을 순서대로 나타낸 도면들이다.
우선, 도 5를 참고하면, 전지팩(1000)에 포함된 전지 모듈(100) 중 적어도 하나에 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 수 있다. 전지셀(110)들에서 발생한 고온의 열, 벤팅 가스 등이 팩 프레임(1200) 내부로 분출될 수 있다.
이 때, 제1 벤팅부(1310)가 작동하여, 팩 프레임(1200) 내부의 벤팅 가스(VG)를 외부로 배출한다. 제1 벤팅부(1310)는 메쉬부(1310M)를 포함하고 있기 때문에 스파크가 외부로 분출되는 것이 제한된다. 따라서, 전지팩(1000) 외부에서 화재나 발화가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 제2 벤팅부(1320)와 제3 벤팅부(1330)는 작동하지 않고, 막힌 상태이다.
다음 도 6을 참고하면, 시간이 경과함에 따라 벤팅 가스(VG)에 섞여 있는 분진 등의 이물질이 메쉬부(1310M)를 막을 수 있다. 이로 인해 벤팅 가스(VG)가 외부로 배출되지 못하고, 팩 프레임(1200)의 내부 압력이 증가한다. 센서부(1400)는 이러한 팩 프레임(1200) 내부의 압력 데이터를 제어부(1500)에 전달할 수 있다.
다음 도 7을 참고하면, 센서부(1400)로부터 수신한 데이터를 기초로 하여 제어부(1500)는 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단할 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, 팩 프레임(1200) 내부의 압력이 일정 값 이상이 되거나 시간당 압력 상승 정도가 일정 값 이상이 되는 것이 기준이 될 수 있다. 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막힌 것으로 판단되면, 제어부(1500)는 제2 벤팅부(1320)의 제어 장치에 신호를 전달하여, 제2 벤팅부(1320)가 작동할 수 있다. 벤팅 가스(VG)는 제2 벤팅부(1320)를 통해 팩 프레임(1200) 외부로 배출되고, 증가된 팩 프레임(1200) 내부 압력은 다시 감소한다.
종합하면, 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막힌 경우, 제2 벤팅부(1320)가 작동하여 팩 프레임(1200) 내부의 가스를 배출할 수 있다. 즉, 제1 벤팅부(1310)와 제2 벤팅부(1320)는, 동시에 작동하는 것이 아닌, 순차적으로 작동하여 팩 프레임(1200) 내부의 벤팅 가스(VG)를 배출한다. 제1 벤팅부(1310)는 메인 벤팅 장치로 기능하고, 제2 벤팅부(1320)는 서브 벤팅 장치로써 기능한다.
다음 도 8을 참고하면, 시간이 경과함에 따라 벤팅 가스(VG)에 섞여 있는 분진 등의 이물질이 제2 벤팅부(1320)의 메쉬부(1320M)도 막을 수 있다. 이로 인해 벤팅 가스(VG)가 외부로 배출되지 못하고, 팩 프레임(1200)의 내부 압력이 재차 증가한다. 센서부(1400)는 이러한 팩 프레임(1200) 내부의 압력 데이터를 제어부(1500)에 전달할 수 있다.
다음 도 9를 참고하면, 센서부(1400)로부터 수신한 데이터를 기초로 하여 제어부(1500)는 제2 벤팅부(1320)의 메쉬부(1320M)가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단할 수 있다. 제2 벤팅부(1320)의 메쉬부(1320M)도 이물질에 의해 막힌 것으로 판단되면, 제어부(1500)는 제3 벤팅부(1330)의 제어 장치에 신호를 전달하여, 제3 벤팅부(1330)가 작동할 수 있다. 벤팅 가스(VG)는 제3 벤팅부(1330)를 통해 팩 프레임(1200) 외부로 배출되고, 증가된 팩 프레임(1200) 내부 압력은 다시 감소한다.
종합하면, 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M) 및 제2 벤팅부(1320)의 메쉬부(1320M) 모두가 이물질에 의해 막힌 경우, 제3 벤팅부(1330)가 작동하여 팩 프레임(1200) 내부의 가스를 배출할 수 있다. 즉, 제1 벤팅부(1310) 내지 제3 벤팅부(1330)는, 동시에 작동하는 것이 아닌, 각각이 순차적으로 작동하여 팩 프레임(1200) 내부의 벤팅 가스(VG)를 배출한다. 제3 벤팅부(1330)도 서브 벤팅 장치로써 기능한다. 만일 제4 벤팅부가 추가로 구비될 경우, 제3 벤팅부(1330)의 메쉬부(1330M)가 막혔을 때, 상기 제4 벤팅부가 작동할 수 있다.
만일, 제2 벤팅부(1320)나 제3 벤팅부(1330)가 마련되지 않을 경우, 팩 프레임(1200) 내부의 벤팅 가스(VG)가 원활하게 배출되지 못하는 순간이 발생한다. 그로 인해 팩 프레임(1200) 내부의 압력이 계속 증가하고, 결국 팩 프레임(1200)의 일부가 파손되어 메쉬부가 아닌 다른 부위로 벤팅 가스(VG) 및 스파크가 배출될 수 있다. 스파크가 전지팩(1000) 외부의 산소와 만나는 순간 발화나 폭발이 발생할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지팩은, 메쉬부(1310M, 1320M)가 막혔는지 여부를 기반으로 순차적으로 작동하는 벤팅부(1310, 1320, 1330)들을 포함하여, 벤팅 가스를 모두 배출하는 동안 벤팅 가스 내 섞여 있는 스파크가 외부 산소를 만나는 것을 원천적으로 차단하고, 전지팩의 발화 및 폭발을 방지하고자 하였다.
도 10의 (a)와 (b)는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센서부와 제1 벤팅부를 나타낸 부분 도면들이다.
도 10의 (a)와 (b)를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센서부(1400’)는 이미지 센서를 포함할 수 있다. 도 10의 (a)는 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M)가 이물질에 막히지 않아, 제1 벤팅부(1310)를 통해 전지팩 내부의 벤팅 가스(VG)가 배출되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 10의 (b)는 제1 벤팅부(1310)의 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막힌 모습을 나타낸 도면이다.
이 때, 이미지 센서를 포함하는 센서부(1400’)는 메쉬부(1310M)의 이미지 데이터를 수집하고, 본 실시예에 따른 제어부에 전달할 수 있다. 구체적으로, 메쉬부(1310M)의 음영 데이터를 실시간으로 측정하여 본 실시예에 따른 제어부에 전달할 수 있다. 제어부는 메쉬부(1310M)의 음영 이미지 데이터를 토대로, 메쉬부(1310M)가 이물질에 막혔는지 여부를 판단한다. 메쉬부(1310M)가 이물질에 의해 막힌 것으로 판단되면, 앞서 설명한 것처럼, 제어부가 제2 벤팅부의 제어 장치에 신호를 전달하여, 제2 벤팅부가 작동할 수 있다. 전지팩 내부의 압력 데이터 외에도 메쉬부(1310M)의 이미지 데이터를 이용해 메쉬부(1310M)가 막혔는지 여부를 판단할 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 일 실시예로써, 센서부가 위에서 설명한 압력 센서와 이미지 센서를 모두 포함할 수 있음은 물론이다.
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 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.
1000: 전지팩
100: 전지 모듈
1200: 팩 프레임
1310: 제1 벤팅부
1320: 제2 벤팅부
1330: 제3 벤팅부
1400: 센서부
1500: 제어부

Claims (9)

  1. 복수의 전지셀을 포함하는 전지 모듈들;
    상기 전지 모듈들이 수납되는 팩 프레임;
    상기 팩 프레임에 형성되고, 메쉬부를 포함하는 제1 벤팅부와 제2 벤팅부; 및
    상기 메쉬부가 이물질에 의해 막혔는지 여부를 판단하고, 상기 제1 벤팅부 및 상기 제2 벤팅부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 벤팅부와 상기 제2 벤팅부가 순차적으로 작동하여 상기 팩 프레임 내부의 가스를 배출하는 전지팩.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 벤팅부의 상기 메쉬부가 이물질에 의해 막힌 경우, 상기 제2 벤팅부가 작동하여 상기 팩 프레임 내부의 가스를 배출하는 전지팩.
  4. 제1항에서,
    상기 제어부에 데이터를 전달하는 센서부를 더 포함하는 전지팩.
  5. 제4항에서,
    상기 센서부는 상기 팩 프레임 내부의 압력을 측정하여, 상기 제어부에 전달하는 전지팩.
  6. 제4항에서,
    상기 센서부는 상기 메쉬부의 이미지 데이터를 수집하고, 상기 제어부에 전달하는 전지팩.
  7. 제1항에서,
    상기 팩 프레임에 형성된 제3 벤팅부를 더 포함하는 전지팩.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 벤팅부의 상기 메쉬부 및 상기 제2 벤팅부의 상기 메쉬부가 이물질에 의해 막힌 경우, 상기 제3 벤팅부가 작동하여 상기 팩 프레임 내부의 가스를 배출하는 전지팩.
  9. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.

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