KR20220169703A - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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KR20220169703A
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이형석
김동현
장병도
천용호
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고, 상기 하부 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함하고, 상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 내부 프레임의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 된다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 {BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시, 인접한 전지 모듈 간의 열전파 현상을 방지하면서도 발생된 가스 및 화염을 전지 팩 외부로 효과적으로 배출시키는 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.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 또는 각형 이차 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 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.
특히, 전지 팩은 다수의 전지 모듈들이 조합된 구조로 이루어져 있어서, 일부 전지 모듈들이 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 전지 팩 내 열 폭주 및 전지셀 간의 열전파 현상 등을 미연에 방지하기 위해, 일부 전지셀에서 발생된 가스 및 화염을 효과적으로 배출하여, 그 피해를 최소화할 수 있는 구조의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시, 인접한 전지 모듈 간의 열전파 현상을 방지하면서도 발생된 가스 및 화염을 전지 팩 외부로 효과적으로 배출시키는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 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 팩은, 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고, 상기 하부 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함하고, 상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 내부 프레임의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 된다.
상기 복수의 전지 모듈은 상기 측면 프레임과 상기 내부 프레임에 의해 서로 구획될 수 있다.
상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함할 수 있다.
상기 벤팅홀은 상기 적어도 두 개의 수직 빔 중 서로 이웃하는 상기 수직 빔들 사이에 위치하는 상기 수평 빔의 외면에 형성되어 있고, 상기 수평 빔은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 될 수 있다.
상기 벤팅 홀은 상기 수평 빔의 외면을 관통할 수 있다.
상기 측면 프레임 중 상기 수평 빔과 수직인 방향으로 연장되어 있는 일면에 적어도 하나의 파열부가 형성되어 있고, 상기 파열부는 상기 전지 팩 내부의 압력이 일정 수준 이상 도달하면 파열될 수 있다.
상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔은 서로 이격되어 있을 수 있다.
상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔까지 연장되어 있고, 상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임을 향해 개방되어 있을 수 있다.
상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면까지 연장되어 있고, 상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임의 일면과 접하되, 상기 측면 프레임의 일면과 상기 수평 빔의 일 단부는 서로 연통되어 있을 수 있다.
상기 내부 프레임과 상기 상부 팩 프레임 사이에 위치하는 가스캣부를 더 포함할 수 있다.
상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함할 수 있다.
상기 가스캣부는 제1 가스캣부 및 제2 가스캣부를 포함하고, 상기 제1 가스캣부는 상기 수평 빔 상에 위치하고, 상기 제2 가스캣부는 상기 적어도 두 개의 수직 빔 상에 각각 위치할 수 있다.
상기 복수의 전지 모듈과 전기적으로 연결되는 인터 버스바(inter busbar)를 포함하고, 상기 인터 버스바는 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나를 따라 연장되되, 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나에 장착될 수 있다.
상기 인터 버스바는 내열성 고무로 실링되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 가스 및 화염의 배출방향을 유도하는 프레임부를 포함하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시 가스 및 화염을 일정한 방향으로 유도하여 배출할 수 있어, 인접한 전지 모듈 간의 열전파 현상을 방지하면서도 발생된 가스 및 화염을 전지 팩 외부로 효과적으로 배출시킬 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 팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 팩의 구성요소들을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 7은 도 1의 전지 팩에 장착되는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 전지 모듈의 분해 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, 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 팩에 대해 설명하고자 한다. 다만, 여기서 전지 팩의 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 팩을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 팩의 구성요소들을 나타내는 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)이 장착되어 있는 하부 팩 프레임(1100); 및 전지 모듈(100, 도 7)의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임(1200)을 포함한다. 여기서, 하부 팩 프레임(1100) 및 상부 팩 프레임(1200)은 서로 용접 등의 방법으로 결합되어, 전지 팩(1000) 내부를 밀봉시킬 수 있다.
또한, 전지 팩(1000)은, 하부 팩 프레임(1100)과 상부 팩 프레임(1200) 사이에 위치하는 보강 프레임(1300)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 보강 프레임(1300)은 복수의 전지 모듈(100, 도 7)과 상부 팩 프레임(1200) 사이에 위치하여, 전지 팩(1000)의 구조적 강성을 보강할 수 있다. 다만, 필요에 따라, 보강 프레임(1300)은 전지 팩(1000)에서 생략될 수 있다.
또한, 하부 프레임(1100)은 전지 모듈(100, 도 7)의 하면과 접하는 바닥부(1110)와 전지 모듈(100, 도 7)의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부(1130, 1150, 1170)를 포함한다. 여기서, 바닥부(1110)와 프레임부(1130, 1150, 1170)는 서로 일체화되어 있거나, 용접 또는 접착과 같은 별도의 체결 방식에 의해 서로 고정되어 있을 수 있다.
여기서, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 단열 부재로 이루어질 수 있다. 일 예로, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 알루미늄 압출 구조로 구성될 수 있다. 다른 일 예로, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 클래드 메탈(Clad metal)과 같은 이종 금속 접합 소재로 이루어지거나, 에어로젤(aerogel) 또는 EPP(Expanded Polypropylenes) 폼(foam) 등의 단열 소재가 포함된 구조물일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 소정의 강성을 가지는 단열성 소재로 이루어진 것이라면 제한 없이 사용 가능하다.
또한, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 바닥부(1110)의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임(1130)과 측면 프레임(1130)의 내부에 위치하는 내부 프레임(1150, 1170)을 포함한다.
여기서, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)은 측면 프레임(1130)과 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 서로 구획될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)는 측면 프레임(1130) 및 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 서로 이격되어 위치할 수 있다.
또한, 내부 프레임(1150, 1170)은 하부 프레임(1100)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 연장되어 있는 수평 빔(1150)과 수평 빔(1150)에 수직인 방향(y축 방향)으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔(1170)을 포함할 수 있다. 일 예로, 수직 빔(1170)은 수평 빔(1150)을 사이에 둔 한 쌍의 제1 수직 빔 및 제2 수직 빔을 포함하여, 상기 제1 수직 빔 및 상기 제2 수직 빔이 각각 수평 빔(1150)에 부착되어 있을 수 있다. 여기서, 수평 빔(1150)과 적어도 두 개의 수직 빔(1170)은 서로 일체화되어 있거나, 용접 또는 접착과 같은 별도의 체결 방식에 의해 서로 고정되어 있을 수 있다.
보다 구체적으로, 수평 빔(1150)과 수직 빔(1170)의 길이, 및 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 중 서로 인접한 수직 빔(1170) 사이의 간격 등은 전지 모듈(100, 도 7)의 크기에 따라 조절될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)이 프레임부(1130, 1150, 1170)에 의해 서로 구획되는 영역에서 이격되어 위치할 수 있어, 일부 전지 모듈(100, 도 7)에서 발화 현상이 발생되더라도 인접한 전지 모듈(100, 도 7) 간의 열전파 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 내부 프레임(1150, 1170)과 상부 팩 프레임(1200) 사이에 위치하는 가스캣부(1500)를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 가스캣부(1500)는 제1 가스캣부(1510) 및 제2 가스캣부(1550)을 포함한다. 여기서, 제1 가스캣부(1510)는 수평 빔(1150) 상에 위치하고, 제2 가스캣부(1550)는 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 상에 각각 위치할 수 있다. 보다 구체적으로 제1 가스캣부(1510)는 수평 빔(1150)의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있고, 제2 가스캣부(1550)는 수직 빔(1170)의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
또한, 가스캣부(1500)는 내부 프레임(1150, 1170)의 일면과 상부 팩 프레임(1200) 일면에 각각 부착되어 고정되거나, 내부 프레임(1150, 1170)의 일면과 상부 팩 프레임(1200) 일면에 형성된 별도의 장착 홈에 끼워져 고정될 수 있다. 다만, 가스캣부(1500)의 고정 방식은 이에 한정되는 것은 아니며, 가스캣부(1500)가 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이에 안정적으로 고정될 수 있는 방식이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
일 예로, 가스캣부(1500)는 고무, 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPDM), 및 실리콘(Silicon) 소재로 이루어질 수 있다. 다른 일 예로, 가스캣부(1500)는 얇은 금속 소재로 이루어질 수 있다. 다만, 가스캣부(1150)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이가 밀봉될 수 있는 재질이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이에 가스캣부(1500)가 위치하여, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이를 밀봉시킬 수 있다. 이와 더불어, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이에 밀봉됨에 따라, 일부 전지 모듈(100, 도 7)의 발화 현상에 의해 발생된 가스 및/또는 화염이 인접한 전지 모듈(100, 도 7)로 전달되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 하부 팩 프레임(1100) 내부에 전장품(1800)이 장착되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 전장품(1800)은 인터 버스바(inter busbar, 1810) 및 LV(Low voltage) 와이어(1850)를 포함할 수 있다. 다만, 전장품(1800)은 상술한 구성 요소에 한정되는 것은 아니며, 이외에 다른 구성 요소 또한 포함될 수 있다.
여기서, 인터 버스바(1810)는 상기 복수의 전지 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다. 인터 버스바(1810)는 수평 빔(1150) 상에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 인터 버스바(1810)는 제1 가스캣부(1510)를 따라 연장되되, 제1 가스캣부(1510)에 장착될 수 있다. 또한, 인터 버스바(1810)는 제2 가스캣부(1550)를 따라 연장되되, 제2 가스캣부(1550)에 장착될 수 있다.
일 예로, 도 2에 도시되지는 않았으나, 제1 가스캣부(1510) 및/또는 제2 가스캣부(1550)에 복수의 홈이 형성되어 있어, 인터 버스바(1810)가 상기 복수의 홈을 따라 제1 가스캣부(1510) 및/또는 제2 가스캣부(1550)에 장착될 수 있다. 또한, LV 와이어(1850)는 측면 프레임(1130)과 적어도 두 개의 수직 빔(1180) 중 측면 프레임(1130)과 인접하게 위치하는 수직 빔(1180) 사이에 장착될 수 있다.
다만, 전장품(1800)의 위치는 상술한 내용에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 위치에 적절하게 배치되어 있을 수 있다.
일 예로, 전장품(1800)은 내열성 고무로 실링되어 있을 수 있다. 즉, 인터 버스바(1810) 및 LV 와이어(1850)는 내열성 고무로 실링되어 있을 수 있다. 다만, 전장품(1800)을 실링하는 소재는 이에 한정되는 것은 아니며, 내열성을 가지는 소재라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 하부 팩 프레임(1100) 내부에 전장품(1800)이 장착되어 있되 전장품(1800)이 내열성 물질로 실링되어 있어, 일부 전지 모듈(100, 도 7)의 발화 현상에 의해 발생된 가스 및/또는 화염으로부터 전장품(1800)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 도 1의 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다. 도 4는 도 3의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 내부 프레임(1150, 1170)은 내부 프레임(1150, 1170)의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀(1155)을 포함하고, 내부 프레임(1150, 1170)은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 된다.
여기서, 벤팅홀(1155)는 수평 빔(1150)에 형성되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 벤팅홀(1155)는 수평 빔(1150)의 외면을 관통하여 형성될 수 있다. 다르게 말하면, 벤팅홀(1155)은 수평 빔(1150)의 외면 중 일부가 제거되어 형성될 홀일 수 있다. 여기서, 벤팅홀(1155)은 상기 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 중 서로 이웃하는 수직 빔(1170)들 사이에 위치하는 수평 빔(1150)의 외면에 형성되어 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 벤팅홀(1155)은 상기 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 중 서로 이웃하는 수직 빔(1170)들 사이에 위치하는 수평 빔(1150)의 외면에 각각 형성되어 있을 수 있다.
또한, 측면 프레임(1130) 중 수평 빔(1150)과 수직인 방향으로 연장되어 있는 일면에 적어도 하나의 파열부(1700)가 형성되어 있을 수 있다. 파열부(1700)는 전지 팩(1000) 내부의 압력이 일정 수준 이상 도달하면 파열될 수 있다. 보다 구체적으로, 파열부(1700)는 럽쳐디스크(Rupture Disc)와 같이, 유입되는 가스의 압력이 일정 압력 이상이 될 경우 파열되도록 구성된 파열면(미도시됨)이 포함되어 있을 수 있다. 다만, 파열부(1700)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니며, 측면 프레임(1130)과 연통하여 내부 가스를 외측으로 배출 가능하도록 하는 구성이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170)은 서로 이격되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170) 사이의 공간은 내부 프레임(1150, 1170)으로부터 배출된 가스가 이동하는 경로가 될 수 있다.
일 예로, 수평 빔(1150)의 일 단부는 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170)까지 연장되어 있고, 수평 빔(1150)의 일 단부는 측면 프레임(1130)을 향해 개방되어 있을 수 있다. 즉, 측면 프레임(1130)을 향해 개방되어 있는 수평 빔(1150)의 일 단부를 통해, 수평 빔(1150) 내부에 유입된 가스 및/또는 화염이 압력 차이에 따라 측면 프레임(1130)을 향해 배출될 수 있다.
다시 말해, 도 3 및 도 4를 참조하면, 하부 팩 프레임(1100)에 장착되어 있는 전지 모듈(100, 도 7)로부터 발생된 가스 및/또는 화염은, 압력차에 의해 전지 모듈(100, 도 7)의 일면과 대향하는 벤팅홀(1155)로 배출될 수 있다. 또한, 벤팅홀(1155)에 의해 수평 빔(1150)으로 유입된 가스 및/또는 화염은 수평 빔(1150)의 길이 방향을 따라 이동할 수 있다. 또한, 수평 빔(1150)에 유입된 가스 및/또는 화염은 측면 프레임(1130)을 향해 개방되어 있는 수평 빔(1150)의 일 단부를 통해 배출될 수 있다.
또한, 수평 빔(1150)의 일 단부를 통해 배출된 가스 및/또는 화염은 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170) 사이의 공간으로 유입될 수 있다. 또한, 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170) 사이의 공간 내 압력이 일정 수준 이상 도달하면, 파열부(1700)가 파열됨에 따라 전지 팩(1000) 내부의 가스가 전지 팩(1000) 외부로 배출될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩에서, 하부 프레임(2100) 및 가스 배출 경로를 중심으로 설명하고자 한다. 다만, 본 실시예에 따른 전지 팩은, 앞서 상술한 전지팩(1000)과 대부분 동일하게 설명될 수 있고, 전지 팩(1000)과 차이점이 있는 부분을 중심으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 5의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(2170)은 서로 이격되어 있을 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(2170)은 서로 인접하게 위치할 수도 있다.
여기서, 수평 빔(2150)의 일 단부는 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 일면까지 연장되어 있고, 수평 빔(2150)의 일 단부는 측면 프레임(2130)의 일면과 접하되, 측면 프레임(2130)의 일면과 수평 빔(2150)의 일 단부는 서로 연통되어 있을 수 있다. 즉, 측면 프레임(2130)을 향해 개방되어 있는 수평 빔(2150)의 일 단부를 통해, 수평 빔(2150) 내부에 유입된 가스 및/또는 화염이 압력 차이에 따라 측면 프레임(2130)을 향해 배출될 수 있다.
다시 말해, 도 5 및 도 6을 참조하면, 하부 팩 프레임(2100)에 장착되어 있는 전지 모듈(100, 도 7)로부터 발생된 가스 및/또는 화염은, 압력차에 의해 전지 모듈(100, 도 7)의 일면과 대향하는 벤팅홀(2155)로 배출될 수 있다. 또한, 벤팅홀(2155)에 의해 수평 빔(2150)으로 유입된 가스 및/또는 화염은 수평 빔(2150)의 길이 방향을 따라 이동할 수 있다. 또한, 수평 빔(2150)에 유입된 가스 및/또는 화염은 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)을 향해 배출될 수 있다.
또한, 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)을 향해 배출된 가스 및/또는 화염은 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 내부 압력이 일정 수준 이상 도달하면, 파열부(2700)가 파열됨에 따라 측면 프레임(2130) 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 하부 팩 프레임(1100) 내에 형성된 가스 배출 경로를 통해, 일부 전지 모듈(100, 도 7)의 발화 현상에 의해 발생된 가스 및/또는 화염을 미리 유도된 방향으로 배출시킬 수 있어, 인접한 전지 모듈(100, 도 7) 간의 열전파 현상을 방지하면서도 전지 팩(1000)의 안전성 또한 보다 향상될 수 있다.
도 7은 도 1의 전지 팩에 장착되는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 8은 도 7의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2, 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에 포함되는 복수의 전지 모듈(100)은 하부 팩 프레임(1100)에 장착될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100)은 측면 프레임(1130)과 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 구획되어 있는 영역에 각각 장착될 수 있다. 여기서, 전지 모듈(100)은 전지 모듈(100)의 전면 또는 후면이 벤팅홀(1155)에 대면하도록 배치될 수 있으며, 전지 모듈(100)의 배치 방향은 이에 제한되지 아니하고 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
일 예로, 전지 모듈(100)은, 도 7 및 도 8과 같이, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200), 및 전지셀 적층체(200)를 수납하는 모듈 프레임(300), 및 모듈 프레임(300)의 바닥부에 위치하는 히트 싱크(500)을 포함한다. 다른 일 예로, 전지 모듈(100)은 상술한 구성 요소 중 히트 싱크(500)가 생략되어 있는 구조를 가질 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 일 예로, 전지셀(110)은 전극 조립체를 수지층과 속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(200)를 형성한다. 여기서, 전지셀 적층체(200)를 구성하는 전지셀(110)의 개수는 경우에 따라 조절될 수 있다.
모듈 프레임(300)는 상부 커버(310) 및 U자형 프레임(320)을 포함할 수 있다. 여기서, U자형 프레임(320)은 바닥부와 상기 바닥부의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 바닥부는 전지셀 적층체(200)의 하면을 커버할 수 있고, 상기 측면부는 전지셀 적층체(200)의 측면을 커버할 수 있다. 상부 커버(310)는 U자형 프레임(320)은 서로 대응되는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서 용접 등에 의해 결합되어, 전지셀 적층체(200)의 상하좌우를 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(310)와 U자형 프레임(320)은 소정의 강도를 가지는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 모듈 프레임(300)은 이에 한정되는 것은 아니며, 상하면 및 양측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다.
엔드 플레이트(600)는 모듈 프레임(300)의 개방된 제1 측(x축 방향)과 제2 측(x축 반대 방향)에 위치하여, 전지셀 적층체(200)의 전후면을 커버하도로 형성될 수 있다. 이에 따라, 엔드 플레이트(600)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(200) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(200)와 엔드 플레이트(600) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등이 위치할 수 있다.
다른 일 예로, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(300), 엔드 플레이트(600), 버스바 프레임(미도시됨), 절연 커버(미도시됨) 등의 구성 요소 중 적어도 일부가 생략되어 있는 구조를 가질 수 있다. 다르게 말하면, 전지 모듈(100)은 전지 모듈 단위에서의 구성 요소가 최소화되어 있는 구조일 수 있다. 일 예로, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(300) 및 엔드 플레이트(600)가 생략되어 있는 구조일 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 전지 모듈(100)은 전지 모듈 단위 중 적어도 일부가 생략되어, 전지 팩(1000)의 중량이 감소하고, 전지 용량 또한 향상될 수 있다.
이하에서는, 전지 모듈(100)이 히트 싱크(500)를 포함하는 구조를 중심으로 설명한다. 여기서, 모듈 프레임(300)의 바닥부는 히트 싱크(500)의 상부 플레이트를 구성할 수 있고, 모듈 프레임(300)의 바닥부가 히트 싱크(500) 내에 공급되는 냉매와 접촉할 수 있다.
히트 싱크(500)는 모듈 프레임(300)의 하부에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 히트 싱크(500)와 모듈 프레임(300)의 하부는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합할 수 있다. 여기서, 히트 싱크(500)는, 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(510)를 포함할 수 있다.
히트 싱크(500)의 함몰부(510)는, 하부 플레이트(210)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(510)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xz평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 모듈 프레임(300)의 바닥부가 위치할 수 있다. 히트 싱크(500)가 모듈 프레임(300)의 바닥부와 접하면서, 함몰부(510)과 모듈 프레임(300)의 바닥부 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(300)의 바닥부가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
히트 싱크(500)의 함몰부(510)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(500)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(510)를 형성할 수 있다.
또한, 모듈 프레임(300)의 바닥부는 히트 싱크(500) 중 함몰부(510)가 형성되지 않은 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(300)의 바닥부와 히트 싱크(500)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(300)에 수용된 전지셀 적층체(200)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 히트 싱크(500)와 모듈 프레임(300)의 바닥부는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 함몰부(510)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(300)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(510)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(510)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(300)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(510)가 형성되기 위해 함몰부(510)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(300)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(200)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다. 한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다. 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.
100: 전지 모듈
1000: 전지 팩
1100: 하부 팩 프레임
1200: 상부 팩 프레임
1500: 가스캣부
1700: 파열부

Claims (15)

  1. 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임; 및
    상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고,
    상기 하부 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함하고,
    상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함하고,
    상기 내부 프레임은 상기 내부 프레임의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀을 포함하고,
    상기 내부 프레임은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 되는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 모듈은 상기 측면 프레임과 상기 내부 프레임에 의해 서로 구획되는 전지 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함하는 전지 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 벤팅홀은 상기 적어도 두 개의 수직 빔 중 서로 이웃하는 상기 수직 빔들 사이에 위치하는 상기 수평 빔의 외면에 형성되어 있고,
    상기 수평 빔은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 되는 전지 팩.
  5. 제4항에서,
    상기 벤팅 홀은 상기 수평 빔의 외면을 관통하는 전지 팩.
  6. 제3항에서,
    상기 측면 프레임 중 상기 수평 빔과 수직인 방향으로 연장되어 있는 일면에 적어도 하나의 파열부가 형성되어 있고,
    상기 파열부는 상기 전지 팩 내부의 압력이 일정 수준 이상 도달하면 파열되는 전지 팩.
  7. 제6항에서,
    상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔은 서로 이격되어 있는 전지 팩.
  8. 제7항에서,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔까지 연장되어 있고,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임을 향해 개방되어 있는 전지 팩.
  9. 제7항에서,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면까지 연장되어 있고,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임의 일면과 접하되, 상기 측면 프레임의 일면과 상기 수평 빔의 일 단부는 서로 연통되어 있는 전지 팩.
  10. 제1항에서,
    상기 내부 프레임과 상기 상부 팩 프레임 사이에 위치하는 가스캣부를 더 포함하는 전지 팩.
  11. 제10항에서,
    상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함하는 전지 팩.
  12. 제11항에서,
    상기 가스캣부는 제1 가스캣부 및 제2 가스캣부를 포함하고,
    상기 제1 가스캣부는 상기 수평 빔 상에 위치하고, 상기 제2 가스캣부는 상기 적어도 두 개의 수직 빔 상에 각각 위치하는 전지 팩.
  13. 제12항에서,
    상기 복수의 전지 모듈과 전기적으로 연결되는 인터 버스바(inter busbar)를 포함하고,
    상기 인터 버스바는 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나를 따라 연장되되, 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나에 장착되는 전지 팩.
  14. 제13항에서,
    상기 인터 버스바는 내열성 고무로 실링되어 있는 전지 팩.
  15. 제1항에 따른 전지 팩을 포함하는 디바이스.

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