KR20240008272A

KR20240008272A - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스

Info

Publication number: KR20240008272A
Application number: KR1020230089362A
Authority: KR
Inventors: 김승준; 김경우; 황지수; 강종모; 지호준
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2023-07-10
Publication date: 2024-01-18

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 복수의 전지 셀 적층체들을 포함하는 적어도 하나의 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 수용하는 팩 프레임; 상기 전지 모듈에서 발생한 분진을 포함하는 가스가 이동하는 벤팅 유로; 및 상기 분진을 포함하는 가스가 전지 팩의 외부로 배출되기 전에 상기 분진을 필터링하는 최종 필터를 포함하고, 상기 벤팅 유로의 유로의 방향이 변경되는 지점에 구비되고 상기 최종 필터 이전에 상기 분진을 일차적으로 필터링하는 일차 필터를 더 포함한다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스{BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}

관련 출원(들)과의 상호 인용

본 출원은 2022년 7월 11일자 한국 특허 출원 제10-2022-0084941호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 발명은 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 외부 발화 현상을 방지 및 벤팅 유로의 막힘을 방지할 수 있는 전지 팩 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 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 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 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.

한편, 소형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우, 주로 2-3개의 전지셀들이 사용되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우에는 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈 또는 전지 팩이 사용된다.

도 1은 종래의 전지 팩에 형성된 메쉬의 발화 현상 전후의 모습을 나타낸 도면이다.

전지 모듈 또는 전지 팩에 장착된 전지셀은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킬 수 있으며, 과충전 등의 이유로 그 온도가 적정 온도보다 높아지는 경우 성능이 저하될 수 있고, 온도 상승이 과도한 경우 폭발 또는 발화될 수 있다. 전지셀의 발화시 전지 모듈, 또는 전지 팩의 외부로 고온의 인화성 가스와 함께 셀의 내부 물질이 분출될 수 있는데, 이러한 내부 물질은 주로 C, Cu, Al, Ni, Co, Mg, Li와 같은 물질로 고온의 분진, 즉 스파크의 형태로 분출된다.

한편, 이러한 스파크는 전지 모듈 또는 전지 팩 내에서 연속적인 열폭주 현상을 촉진할 수 있을 뿐 아니라, 외부로 배출되면 인화 가스 또는 외부의 산소와의 접촉함으로써 외부 발화 현상을 유발하는 문제가 있다. 따라서, 최근에는 전지 모듈 또는 전지 팩의 프레임에 메쉬를 형성하여, 분진의 방출을 최소화하려는 시도가 있다.

그러나, 프레임에 메쉬를 형성하더라도 도 1과 같이 분진이 메쉬의 개구를 폐쇄하는 경우, 내부 가스의 방출이 제한되므로 전지 모듈 또는 팩의 내부 압력이 빠르게 증가함으로써 폭발 또는 프레임의 파손을 유발하는 문제가 있다. 따라서, 프레임의 외부로 스파크가 방출되는 것을 제한하는 효과적인 프레임 구조가 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 스파크에 의한 외부 발화 현상을 방지함으로써 내구성 및 안전성이 향상된 전지 팩 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 전지 팩은 복수의 전지 셀 적층체들을 포함하는 적어도 하나의 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 수용하는 팩 프레임; 상기 전지 모듈에서 발생한 분진을 포함하는 가스가 이동하는 벤팅 유로; 및 상기 분진을 포함하는 가스가 전지 팩의 외부로 배출되기 전에 상기 분진을 필터링하는 최종 필터를 포함하고, 상기 벤팅 유로의 유로의 방향이 변경되는 지점에 구비되고 상기 최종 필터 이전에 상기 분진을 일차적으로 필터링하는 일차 필터를 더 포함할 수 있다.

상기 일차 필터는 상기 벤팅 유로의 내부면으로부터 이격되어 배치될 수 있다.

상기 일차 필터의 제1 면은 상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로를 향하고, 상기 일차 필터의 제2 면은 상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로를 향할 수 있다.

상기 일차 필터의 제1 면의 오리엔테이션(orientation)은 상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로의 방향과 평행하고, 상기 일차 필터의 제2 면의 오리엔테이션은 상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로의 방향과 평행할 수 있다.

상기 일차 필터는 적어도 하나의 판 형상의 필터를 포함하고, 상기 판 형상의 필터의 편평한 면은 상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로를 향하고, 상기 판 형상의 필터의 에지부는 상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로를 향할 수 있다.

상기 일차 필터는 평행하게 배치되는 복수 개의 판 형상의 필터들을 포함할 수 있다.

상기 제1 유로에 가장 근접하게 배치된 첫번째 필터가 가장 성글고, 상기 복수 개의 판 형상의 필터들은 배치된 순서대로 점차 촘촘해지는 필터들로 이루어질 수 있다.

상기 일차 필터는 평행하게 배치되는 n개의 필터들을 포함하고, 상기 제1 유로에 가장 근접하는 첫번째 필터가 가장 성글고, k번째 필터는 k-1번째 필터보다 더 촘촘할 수 있고, k는 1부터 n까지의 자연수이다.

상기 복수 개의 판 형상의 필터들의 각각은 개구부를 포함하고, 서로 이웃한 일차 필터들의 개구부는 서로 엇갈리게 배치될 수 있다.

상기 일차 필터는 메시 구조로 이루어질 수 있다.

상기 일차 필터는 물결 형상의 메시 구조로 이루어져, 상기 물결 형상의 굴곡부에서 상기 분진이 필터링될 수 있다.

상기 일차 필터는 다공성 구조로 이루어진 수지 필터일 수 있다.

상기 벤팅 유로는 상기 팩 프레임의 내부에 통합된 것일 수 있다.

상기 일차 필터는 상기 팩 프레임의 모퉁이부에 구비될 수 있다.

상기 일차 필터는, 상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로를 향하여 양단이 돌출되고 양단 사이는 오목한 구조를 가지되, 상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로에서 볼 때 개구된 구조를 가질 수 있다.

상기 일차 필터는 상기 제2 유로에서 볼 때, 단면이 U자 또는 V자 형상일 수 있다.

상기 일차 필터는 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 각각에 수직한 방향을 따라 복수 개로 구비될 수 있다.

상기 일차 필터의 적어도 양단을 지지하도록 상기 제1 유로를 향하여 돌출된 제1 지지 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 일차 필터의 적어도 양단에 각각 구비된 제1 지지 부재 사이를 연결하는 제2 지지 부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 디바이스는 상술한 전지 팩을 적어도 하나 포함한다.

실시예들에 따르면, 본 발명의 전지 팩은 일차 필터를 구비하여, 전지 팩 외부로 분진이 방출되는 것을 보다 효과적으로 방지하면서도, 벤팅 유로의 막힘이 없도록 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 팩에 형성된 메쉬의 발화 현상 전후의 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 사시도이다.
도 3은 도 2에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 2에 따른 전지 팩의 상면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 도 4에 따른 전지 팩에서 일차 필터가 구비된 부분을 확대한 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서, 도 5의 일차 필터를 변형한 경우를 도시한다.
도 7은 도 6의 일차 필터의 일 실시예의 사시도이다.
도 8은 도 7의 일차 필터의 부분 확대도로서, 굴곡부에서 분진이 걸러지는 경우를 도시한다.
도 9는 도 6의 일차 필터의 다른 실시예의 사시도이다.
도 10은 도 6의 일차 필터가 배치되는 벤팅 유로의 방향이 변경되는 부분을 확대하여 사시도로 도시한다.
도 11은 일차 필터의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 12은 도 11의 일차 필터의 확대 사시도이다.
도 13는 도 11의 일차 필터를 다른 방향에서 바라본 확대 사시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.

또한, 특정 부재의 상면/하면은 어느 방향을 기준으로 하느냐에 따라서 상이하게 판단될 수 있으므로, 명세서 전체에서, ‘상면’ 또는 ‘하면’은 해당 부재에서 z축상 마주보는 두 면을 의미하는 것으로 정의한다. 또, 측면이란 상면 또는 하면과 수직하는 면을 의미할 수 있다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 사시도이다. 도 3은 도 2에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 사시도이다. 도 4는 도 2에 따른 전지 팩의 상면도이다. 도 5는 도 2에 따른 전지 팩의 부분 단면도이다. 도 5는 전지 팩의 일부를 yz 평면으로 절단한 단면일 수 있다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 적어도 하나의 전지 모듈(100), 적어도 하나의 전지 모듈(100)을 수용하는 팩 프레임(200) 및 전지 모듈(100)과 팩 프레임(200) 사이에 형성된 벤팅 유로(300, venting flow path)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임(120), 전지셀 적층체의 전면 및/또는 후면 상에 위치하는 버스바 프레임, 버스바 프레임 상에 장착되는 버스바 및/또는 센싱 유닛 등을 포함할 수 있다. 그러나 전지 모듈(100)이 포함하는 구성 요소가 이에 한정되는 것은 아니며, 설계에 따라 전지 모듈(100)은 상술한 구성 요소 중 일부가 생략된 상태로 제공될 수도 있고, 언급되지 않은 다른 구성 요소가 추가된 상태로 제공될 수도 있다. 전지 모듈(100)에 포함되는 전지셀의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 파우치형, 각형 또는 젤리 롤(Jelly Roll) 형태의 원통형의 전지셀이 모두 적용될 수 있다.

모듈 프레임(120)은 열전도도가 높은 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속의 예로는 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등일 수 있으며, 상기 금속의 열전도율이 높을수록 모듈 프레임에 의한 방열 효과가 향상되므로, 열전도율 값에 특별한 범위가 있는 것은 아니다.

한편, 모듈 프레임(120)의 일면에는 개구부(130)가 위치할 수 있다. 개구부(130)는 전지 모듈(100)의 발화 시, 모듈 프레임(120) 내부의 가스, 스파크 또는 화염 등을 방출하기 위한 것일 수 있다. 개구부(130)가 형성된 모듈 프레임(120)의 일면은 전지셀 적층체의 전극 리드, 버스바 프레임 또는 버스바와 마주하는 면일 수 있다.

개구부(130)의 형태는 다양할 수 있으며, 일 예로, 개구 형태일 수 있다. 다른 예로, 개구부(130)는 럽쳐 디스크(Rupture Disc)와 같이 소정의 압력 이상에서 파단되는 판의 형태일 수 있고, 또 다른 예로, 릴리프 밸브(Relief valve)와 같이 소정의 압력 이상에서 개방가능한 밸브 형태일 수도 있다.

도 2 및 도 4에 도시된 것과 같이, 전지 팩(1000)에 제공되는 전지 모듈(100)은 복수일 수 있다. 복수의 전지 모듈(100)들은 팩 프레임(200) 내에서 행 및 열을 이루어 배치될 수 있다. 도 2 및 도 4에서는 복수의 전지 모듈(100)들이 팩 프레임(200)의 횡방향(도 4의 x축 방향)으로 적층되고, 복수의 전지 모듈(100)들이 2열로 적층된 경우를 도시하였지만, 본 발명은 상술한 바에 한정되지 않고, 다양한 배열로 적층될 수 있다.

본 실시예에 따른 팩 프레임(200)은 전지 모듈(100) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 팩 프레임(200)은 하면(바닥면) 및 측면을 포함하는 하부 프레임을 포함할 수 있다. 하면 및 측면으로부터 형성되는 하부 프레임의 내부 공간에 전지 모듈(100)들이 배치된 후, 상부 플레이트 또는 상부 프레임이 하부 프레임의 모서리와 결합됨으로써 팩 프레임(200)이 밀봉될 수 있다. 여기서, 상부 플레이트 또는 상부 프레임은 팩 프레임(200)에 포함되는 것으로 해석될 수 있으나, 반드시 그러한 것은 아니다.

팩 프레임(200)은 내부 공간에서 발생하는 열을 외부로 빠르게 방출하기 위하여 열전도율이 높은 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 팩 프레임(200)의 적어도 일부는 열전도율이 높은 금속으로 제조될 수 있으며, 그 예로는 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등일 수 있다. 또, 팩 프레임(200)은 부분적으로 전기 절연성을 가질 수 있으며, 절연이 요구되는 위치에는 절연 필름이 제공되거나, 절연성 도장이 적용될 수 있다. 팩 프레임(200)에서 절연 필름 또는 절연성 도장이 적용된 부분은 절연부로 지칭될 수도 있다.

벤팅 유로(300)는 전지 모듈(100)로부터 발생한 가스 등을 전지 팩(1000)의 외부로 배출하기 위한 것일 수 있다. 벤팅 유로(300)는 팩 프레임(200)의 내부에 통합된 것일 수 있다. 이 경우, 벤팅 유로(300)는 전지 모듈(100)과 팩 프레임(200) 사이의 이격 공간에 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상술한 바에 한정되지 않고, 벤팅 유로(300)가 팩 프레임(200)의 외부에 별도로 구비된 경우에도 적용될 수 있는 등, 벤팅 유로(300)가 전지 모듈(100)로부터 배출된 고온의 가스 등으로 하여금 외부로 배출되도록 하는 구조 및 형상이면 충분하다.

전지 모듈(100) 각각으로부터 벤팅 유로(300)로 배출된 화염, 가스등은 벤팅 유로(300)를 따라 이동하여 벤팅 유로(300)가 끝나는 지점에 구비된 배출구(210)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 배출구(210)의 형태는 다양할 수 있으며, 일 예로, 팩 프레임(200)에 구비된 개구 형태일 수 있다. 다른 예로, 배출구(210)는 릴리프 밸브와 같이 소정의 압력 이상에서 개방가능한 밸브 형태일 수도 있다. 벤팅 유로(300)는 전지 팩(1000) 내의 모든 전지 모듈(100)과 대응되도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 것과 같이, 전지 모듈(100)이 2행 4열로 배치된 경우, 벤팅 유로(300)는 각 행에 배치된 전지 모듈(100)과 팩 프레임(200) 사이에 형성될 수 있다. 전지 모듈(100)에서 배출된 화염, 가스 등은 점선 화살표를 따라 벤팅 유로(300)를 이동하여 배출구로 배출될 수 있다.

벤팅 유로(300)와 접하는 전지 모듈(100)의 일면에는 개구부(130)가 위치할 수 있다. 전지 모듈(100)의 개구부(130)는 벤팅 유로(300)를 향해 위치할 수 있다. 전지 모듈(100)은 개구부(130)가 형성된 일면이 벤팅 유로(300)를 향하도록 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 것과 같이 벤팅 유로(300)가 팩 프레임(200)의 테두리를 따라 형성된 경우, 전지 모듈(100)은 개구부(130)가 팩 프레임(200)을 향해 위치하도록 배치될 수 있다. 벤팅 유로(300)는 개구부(130)와 대응되는 팩 프레임(200)의 일면을 따라 연장되어 형성될 수 있다. 개구부(130)를 통해 배출된 가스, 화염 등은 빈 공간으로 토출된 후, 빈 공간의 상측에 위치한 벤팅 유로(300)로 이동될 수 있다.

한편, 도 6을 참조하면, 벤팅 유로(300)에는 최종 필터(400)가 구비된다. 일 예로, 최종 필터(400)는 벤팅 유로(300)가 끝나는 지점, 즉, 배출구(210)의 전단에 구비될 수 있다. 전지 모듈(100)로부터 배출된 고온의 가스와 분진 등이 벤팅 유로(300)를 경유하여 팩 프레임(200)에 구비된 배출구(210)를 통해 외부로 배출되기 전에 최종 필터(400)를 통과한다. 최종 필터(400)는 아래에서 자세히 기술하는 바와 같이, 메시 구조(mesh)의 필터일 수도 있고, 수지 필터일 수도 있다.

전지 모듈(100)로부터 배출된 가스는 최종 필터(400)를 통과하여 팩 프레임(200)의 외부로 배출되고, 고온의 분진, 즉 스파크는 최종 필터(400)에서 걸러져서 외부로 배출되지 않을 수 있다. 최종 필터(400)에 의해 고온의 분진, 즉 스파크의 방출이 제한되면, 스파크가 외부 산소와 접촉할 가능성이 낮아지고, 이에 따라 전지 팩(200)에 인접한 구성들로 추가적인 발화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 벤팅 유로(300)의 일부분에, 즉 벤팅 유로(300)의 시작점에 해당하는 모듈 프레임(120)의 개구부(130)와 최종 필터(400) 사이에 일차 필터(500)가 더 구비된다. 즉, 전지 모듈(100)로부터 배출된 가스 및 분진이 최종 필터(400)를 통과하기 전에 먼저 일차 필터(500)를 통과할 수 있다. 그에 따라, 전지 모듈(100)로부터 배출된 고온의 분진이 일차 필터(500)에서 일차적으로 걸러지고, 최종 필터(400)에서 최종적으로 다시 한 번 더 걸러지기 때문에, 팩 프레임(200)의 외부로 고온의 분진이 배출될 우려를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 아울러, 최종 필터(400)가 분진으로 인하여 막지는 것 또한 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 일차 필터(500)는 벤팅 유로(300)의 방향이 변경되는 부분에 위치한다. 벤팅 유로(300)는 제1 유로부(300a) 및 제2 유로부(300b)를 포함한다. 제1 유로부(300a)는 전지 모듈(100)로부터 배출된 가스 및 분진이 일차 필터(500)로 유입되는 유로이고, 제2 유로부(300b)는 일차 필터(500)에서 일차적으로 걸러진 가스 및 분진이 일차 필터(500)로부터 유출되는 유로를 의미한다.

도 5에서는, 제1 유로부(300a)는 팩 프레임(200)의 횡방향(도 4의 x축 방향)으로 배치되고, 제2 유로부(300b)는 팩 프레임(200)의 종방향(도 4의 y축 방향)으로 배치되는 경우를 도시한다. 이러한 도 5의 실시예에서는, 도 4의 팩 프레임(200)의 네 개의 모퉁이 중에서, 배출구(210)가 위치된 쪽의 상단 모퉁이와 하단 모퉁이에 배치될 수 있다(도 4의 원형 점선 부분 참조).

한편, 전지 모듈(100)의 적층 방향, 벤팅 유로(300)의 구조 및 형상, 또는 배출구(210)의 위치 변경 등에 따라, 벤팅 유로(300)의 유로가 변경되는 지점은 변경, 변형될 수 있고, 그에 따라 일차 필터(500)는 벤팅 유로(300)의 유로가 변경되는 지점에 배치되면 충분하고, 본 발명은 상술한 바에 한정되지 않는다.

또한, 본 발명에 따르면, 벤팅 유로(300)를 막지 않도록, 일차 필터(500)는 벤팅 유로(300)의 가스 및 분진의 이동 방향에 수직한 단면에서 볼 때 상기 단면의 일부분에만 배치된다. 즉, 일차 필터(500)가 위치하더라도, 상기 단면에서 볼 때 벤팅 유로(300)는 개방된 구조를 갖는다. 다시 말하면, 일차 필터(500)는 벤팅 유로(300)의 내부면으로부터 이격되어 배치된다. 이를 위하여, 일차 필터(500)는 벤팅 유로(300)의 내부면에 장착된 지지 부재(미도시)에 의하여 이격되어 배치될 수 있다. 지지 부재는 프레임이나 막대 형상일 수도 있다. 예를 들면, 일자 형상의 바(bar)가 한 개 또는 복수 개로 구비된 것일 수도 있고, 또는, U자 형상으로 이루어진 것일 수도 있다. 지지 부재는 예를 들면 한 개의 일자 형상의 막대나 프레임이 절곡되거나 벤딩되는 방식, 복수 개의 일자 형상의 막대나 프레임을 접합하는 방식, 또는 다이 캐스팅(die casting) 등으로 성형되는 방식 등으로 제작될 수 있다. 지지 부재는 일차 필터(500)로 하여금 벤팅 유로(300)의 내부면으로부터 이격되어 지지되도록 하는 한편 벤팅 유로(300)를 막지 않는 것이면 충분하고, 지지 부재의 형상이나 구조에는 제한이 없다.

일차 필터(500)에 분진이 쌓여 일차 필터(500)가 막히더라도, 일차 필터(500)가 위치한 벤팅 유로(300)의 단면은 여전히 개방된 구조를 갖기 때문에, 즉, 벤팅 유로(300)는 막히지 않기 때문에, 팩 프레임(200)의 폭발 등의 위험을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 일차 필터(500)의 외부면들은 제1 유로부(300a)를 향하는 제1 면(500a)과 제2 유로부(300b)를 향하는 제2 면(500b)을 포함한다. 이 때, 일차 필터(500)의 제1 면(500a)의 오리엔테이션(orientation)은 전지 모듈(100)로부터 배출된 가스 및 분진이 일차 필터(500)로 유입되는 방향과 평행할 수 있다. 한편, 일차 필터(500)의 타면은 제2 유로부(300b)를 향한다. 즉, 일차 필터(500)의 타면의 오리엔테이션(orientation)은 전지 모듈(100)로부터 배출된 가스 및 분진이 일차 필터(500)로 유입되는 방향과 평행할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일차 필터(500’)를 도시한다. 도 6 및 도 7의 실시예에서는, 일차 필터(500’)는 적어도 하나의 판 형상의 필터(500-1, 500-2, 500-k, ... 500-n)(k는 1부터 n까지의 자연수)로 구비될 수 있다. 즉, 일차 필터(500’)는 한 개의 판 형상의 필터(500-1)로 이루어질 수도 있고, 복수 개의 판 형상의 필터들(500-1, 500-2, 500-k, ... 500-n)로 이루어질 수도 있다. 복수 개의 판 형상의 필터들(500-1, 500-2, 500-k, ... 500-n)은 서로 평행하게 배치될 수 있다.

판 형상의 필터(500-k) 또한 도 5에서 상술한 제1 면(500a) 및 제2 면(500b)을 갖는다. 제1 면(500a) 및 제2 면(500b)의 정의는 도 5에서 상술한 바를 참조한다. 이 때, 판 형상의 필터(500-k)의 넓은 편평한 부분은 제1 면(500a)이고, 판 형상의 필터(500-k)의 에지(edge)부는 제2 면(500b)이 된다. 판 형상의 필터(500-k)의 넓은 편평한 부분은 제1 유로부(300a)를 향하므로, 전지 모듈(100)로부터 배출된 분진은 걸러진다. 한편, 제2 유로부(300b)에서 일차 필터(500’)를 볼 때 판 형상의 필터(500-k)의 에지부를 바라보기 때문에, 일차 필터(500’)는 개방된 구조를 갖는다. 따라서, 일차 필터(500’)가 어느 정도 필터링을 함에 따라 필터링 기능은 상실한다고 하여도, 이러한 개방된 구조로 인하여 벤팅 유로(300)가 막히지 않고, 전지 모듈(100)로부터 배출된 가스 및 분진이 배출구(210)쪽으로 향할 수 있다. 한편, 복수 개의 판 형상의 필터들(500-1, 500-2, 500-k, ... 500-n)은 제1 유로부(300a)에 가장 인접한 필터부터, 즉, 1 번째 필터(500-1)부터 n 번째 필터(500-n) 까지를 순서대로 나열하면, 1 번째 필터(500-1)가 가장 성긴 필터이고 맨 마지막의 n 번째 필터(500-n)가 가장 촘촘한 필터일 수 있다. 전지 모듈(100)로부터 배출되는 가스 및 분진이 가장 먼저 통과하게 되는 1 번째 필터(500-1)가 가장 성글게 되어 있고, 이후의 필터(500-2, … 500k, … 500n) 차례대로 촘촘해지므로, 필터링된 분진들로 벤팅 유로(300)가 막힐 염려를 방지할 수 있다.

정리하면, 전지 모듈(100)로부터 유입되는 가스 및 분진이 제1 유로부(300a)를 따라 이동하여, 제1 유로부(300a)가 끝나는 지점에 위치한 일차 필터(500)를 통과한다. 이 때, 가스 및 분진의 직진성(관성)으로 인하여 가장 성긴 1 번째 필터(500-1)를 통과하고 차례대로 점차 촘촘해지는 이후의 필터(500-2, … 500k, … 500n)들을 통과하면서, 분진은 일차 필터(500’)에 의하여 걸러진다. 한편, 일차 필터(500’)는 유로가 변경되는 지점에 위치하기 때문에, 가스는 변경된 유로로 즉, 제2 유로부(300b)로 이동한다. 이 때, 제2 유로부(300b)에서 볼 때 일차 필터(500’)는 개방된 구조이므로, 가스는 원활히 제2 유로부(300b)를 따라 이동하여, 배출구(210)의 전단에 최종 필터(400)에서 최종적으로 분진들이 필터링된 다음, 팩 프레임(200)에 구비된 배출구(210)를 경유하여 외부로 배출된다.

일차 필터(500)는 메시(mesh) 구조의 필터일 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 메시 구조는 복수 개의 일렬로 배치된 물결 형상의 메시 구조일 수도 있고, 또는 사각형의 네트 형상으로 짜여진 구조일 수도 있는 등, 다양한 형상의 메시 구조를 채용할 수 있다. 물결 형상의 메시 구조인 경우, 굴곡부(510, 도 8 참조)에는 분진들이 걸러지고, 굴곡부가 아닌 부분으로는 개구되어 있으므로 분진으로 인하여 필터가 막히지 않고 가스가 원활히 제2 유로(300b)로 이동할 수 있다.

메시 구조의 필터는, 금속 재질로 이루어진 것일 수 있다. 또는 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌 등과 같은 멀티 필라멘트섬유를 제직가공한 원직물을 난연성인 염화비닐계 페이스트 수지 조성물로 피복한 후에 가공 열처리하고 그물 형상으로 가공한 것일 수 있다.

또한, 일차 필터(500)는 내부에 다수 개의 흡착 구멍을 포함한 구조를 가질 수도 있다. 이 경우, 일차 필터(500)는 미세 크기의 이물질을 걸러낼 수 있는 다공성 구조로 이루어진 수지 필터일 수 있다. 수지 필터의 제조에 사용되는 수지로는 불소 수지, 폴리 우레탄 수지, 에폭시 수지 등과 같이 내열성이 우수한 것들이 사용될 수 있다.

한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 일차 필터(500')는 개구부(520)를 포함할 수 있다. 제1 유로부(300a)에서 일차 필터를 바라 보았을 때, 복수 개의 일차 필터(500-k)들의 각각의 개구부들(520-k)(k는 1부터 n까지의 자연수)의 위치는 서로 이웃한 일차 필터들끼리 서로 엇갈리는 것으로 배치될 수도 있다. 도 9(a)는 사시도이고, 도 9(b)는 복수 개의 일차 필터들을 설명의 편의상, 일렬로 나열하여 도시한다.

부연하면, 일차 필터(500')는 일차 필터(500)의 변형예로서, 일차 필터(500)에서 상술한 바와 같이 메시 구조의 필터를 채용할 수도 있고, 후술할 난연성 소재로 이루어진 구조일 수도 있다. 즉, 일차 필터(500')는 상술한 바와 같이 일차 필터(500)에 개구부(520)가 더 부가된 구조이다.

한편, 일차 필터(500)는 연소하기 어려운 난연성 소재로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 상기 난연성 소재로는, 염소를 함유하는 염화비닐 수지, 염화파라핀, 데카 브로 모디 페닐 옥사이드, 삼산화 안티몬 등일 수도 있다.

도 10은 도 6의 일차 필터가 배치되는 벤팅 유로의 방향이 변경되는 부분을 확대하여 사시도로 도시한다. 도 6 및 도 10에 도시된 바와 같이, 일차 필터(500’)는 벤팅 유로(300)를 막지 않도록 벤팅 유로(300)의 내벽으로부터 이격되어 배치되고, 특히 벤팅 가스가 빠져 나가는 제2 유로부(300b)에 대하여는 개방된 구조를 갖도록 배치된다.

도 11 내지 도 13은 일차 필터의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 11은 일차 필터(500)가 벤팅 유로(300)의 방향이 변경되는 부분에 위치한 경우를 일 예시적으로 도시한다. 도 12은 도 11의 일차 필터(500)의 확대 사시도이다. 도 13는 도 11의 일차 필터(500)를 다른 방향에서 바라본 확대 사시도이다. 도 12 및 도 13에서는 이해의 편의상 제1 유로부(300a) 및 제2 유로부(300b)를 형성하는 프레임(200)의 도시는 생략하였다.

도 11을 참조하면, 일차 필터(500)가 제1 유로부(300a)와 유로의 방향이 변경되는 제2 유로부(300b) 사이에 배치된다. 일차 필터(500)는 지지 유닛(530)에 장착되어 있다. 지지 유닛(530)은 일차 필터(500)의 적어도 양 단부를 지지하는 제1 지지 부재(531)를 포함한다. 여기서, 일차 필터(500)의 양 단부는 제1 유로부(300a)의 연장 방향과 제2 유로부(300b)의 연장 방향 각각에 수직한 방향으로의 양 단부를 의미한다. 도 11의 예시에서는 유로(300)의 높이 방향으로의 단부를 의미한다.

제1 지지 부재(531)는 벤팅 가스가 유입되는 제1 유로부(300a)를 향하여 돌출된다. 제2 지지 부재(532)는 일차 필터(500)의 양 단에 각각 구비된 제1 지지 부재(531) 사이를 연결한다. 예를 들어 제2 지지 부재(532)는 유로(300)의 높이 방향으로 연장될 수 있고, 제2 지지 부재(532)는 일차 필터(500)를 예를 들어 높이 방향으로 지지한다. 제1 지지 부재(531)는 제2 지지 부재(532)로부터 수직으로 연장될 수 있다. 또한, 제1 지지 부재(531)는 제2 지지 부재(532)의 양단(상단 및 하단)에서 각각 돌출되어 일차 필터(500)의 양단(상단 및 하단)을 지지한다. 한편, 본 발명은 도시된 바에 한정되지 않고, 제2 지지 부재(532) 없이 제1 지지 부재(531)가 유로(300)의 내벽으로부터 돌출된 구조를 가질 수도 있는 등 다양한 변형, 변경이 가능하다.

일차 필터(500)는 예를 들어, 시트형으로 제작될 수 있고, 일차 필터(500)의 양단(상단 및 하단)을 지지하는 제1 지지 부재(531) 간의 높이보다 더 길게 제작될 수 있다. 일차 필터(500)는 제1 유로부(300a)를 향하여 오목한 구조 및 형상을 가질 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 일차 필터(500)의 양 단은 제1 유로부(300a)를 향하여 돌출되고, 양단 사이는 오목한 구조를 가질 수 있다. 이 때, 벤팅 가스가 유출되는 제2 유로부(300b)에서 볼 때는 개구된 형상을 갖는다. 예를 들어, 제2 유로부(300b)에서 본 단면은 U 자 형상 또는 V 자 형상을 가질 수 있다. 그에 따라 일차 필터(500)는 벤팅 가스가 인입하는 제1 유로부(300a)에서 볼 때는 제1 유로부(300a)를 가로질러 형성되되, 제2 유로부(300b)에서 볼 때는 막히지 않은 개방된 구조가 된다.

그에 따라, 분진 등을 포함한 벤팅 가스는 제1 유로부(300a)에서 일차 필터(500)의 전면(whole area)로 닿게 되어 분진 등이 필터링되고, 일차 필터(500)의 개구된 방향인 제2 유로부(300b)로 벤팅 가스가 이동한다. 이 때, 일차 필터(500)에서 계속된 필터링으로 인하여 일차 필터(500)가 막히더라도(필터링 기능을 거의 상실하더라도) 일차 필터(500)의 구조 상 제2 유로부(300b)로는 개구된 형상을 가지므로, 분진으로 막힌 일차 필터(500)가 유로(300)를 막는 상황을 피할 수 있도록 하였다.

도 11은 일차 필터(500)가 단면이 U 자 형상을 갖는 경우를 예시적으로 도시한다. 경우에 따라서는 일차 필터(500)의 상단 및 하단을 제외한 일부가 제2 지지 부재(532)에 접착되어 있을 수 있다.

또한, 도 11은 단면이 U 자 형상을 갖는 일차 필터(500)를 상하 방향으로 복수 개 구비한 경우를 도시한다. 즉, 복수 개의 일차 필터(500-1, 500-2)가 제1 유로부(300a)의 연장 방향과 제2 유로부(300b)의 연장 방향 각각에 수직한 방향을 따라 구비될 수 있다. 이 때, 복수 개의 일차 필터(500-1, 500-2)의 각각의 양단은 각각 서로 연결될 수 있다.

예를 들어, 일차 필터(500)의 상하단뿐만 아니라 중심부에도 제1 지지 부재(531)로 지지할 수 있다. 그에 따라, U 자 형상의 일차 필터(500)가 제2 지지 부재(532)의 연장 방향(예를 들어, 상하 방향으로) 복수 개 구비되어 일차 필터(500)가 전체적으로 “3”자 형상을 갖는 경우를 예시적으로 도시한다. 한편, 본 발명은 도시된 바에 한정되지 않고, U 자 형상 또는 V 자 형상의 오목한 형상을 갖는 일차 필터(500)가 세 개 이상으로 구비될 수도 있는 등 다양한 변형, 변경이 가능하다. 한편, 이상에서 구체적으로 언급되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 전지 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1000: 전지 팩
100: 전지 모듈
130: 개구부
200: 팩 프레임
210: 배출구
300: 벤팅 유로
300a: 제1 유로부
300b: 제2 유로부
400: 최종 필터
500, 500’: 일차 필터
500-1, 500-2, … , 500-k, …, 500-n: 일차 필터
500a: 제1 면
500b: 제2 면
510: 굴곡부
520: 개구부
530: 지지 유닛
531: 제1 지지 부재
532: 제2 지지 부재

Claims

복수의 전지 셀 적층체들을 포함하는 적어도 하나의 전지 모듈;
상기 전지 모듈을 수용하는 팩 프레임;
상기 전지 모듈에서 발생한 분진을 포함하는 가스가 이동하는 벤팅 유로; 및
상기 분진을 포함하는 가스가 전지 팩의 외부로 배출되기 전에 상기 분진을 필터링하는 최종 필터를 포함하고,
상기 벤팅 유로의 유로의 방향이 변경되는 지점에 구비되고 상기 최종 필터 이전에 상기 분진을 일차적으로 필터링하는 일차 필터를 더 포함하는, 전지 팩.
제1항에서,
상기 일차 필터는 상기 벤팅 유로의 내부면으로부터 이격되어 배치되는, 전지 팩.
제1항에서,
상기 일차 필터의 제1 면은 상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로를 향하고, 상기 일차 필터의 제2 면은 상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로를 향하는, 전지 팩.
제3항에서,
상기 일차 필터의 제1 면의 오리엔테이션(orientation)은 상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로의 방향과 평행하고,
상기 일차 필터의 제2 면의 오리엔테이션은 상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로의 방향과 평행한, 전지 팩.
제1항에서,
상기 일차 필터는 적어도 하나의 판 형상의 필터를 포함하고,
상기 판 형상의 필터의 편평한 면은 상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로를 향하고,
상기 판 형상의 필터의 에지부는 상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로를 향하는, 전지 팩.
제5항에서,
상기 일차 필터는 평행하게 배치되는 복수 개의 판 형상의 필터들을 포함하는, 전지 팩.
제6항에서,
상기 제1 유로에 가장 근접하게 배치된 첫번째 필터가 가장 성글고, 상기 복수 개의 판 형상의 필터들은 배치된 순서대로 점차 촘촘해지는 필터들로 이루어지는, 전지 팩.
제6항에서,
상기 일차 필터는 평행하게 배치되는 n개의 필터들을 포함하고,
상기 제1 유로에 가장 근접하는 첫번째 필터가 가장 성글고, k번째 필터는 k-1번째 필터보다 더 촘촘하고, k는 1부터 n까지의 자연수인, 전지 팩.
제6항에서,
상기 복수 개의 판 형상의 필터들의 각각은 개구부를 포함하고,
서로 이웃한 일차 필터들의 개구부는 서로 엇갈리게 배치되는, 전지 팩.
제1항에서,
상기 일차 필터는 메시 구조로 이루어진, 전지 팩.
제10항에서,
상기 일차 필터는 물결 형상의 메시 구조로 이루어지고, 상기 물결 형상의 굴곡부에서 상기 분진이 필터링되는, 전지 팩.
제1항에서,
상기 일차 필터는 다공성 구조로 이루어진 수지 필터인, 전지 팩.
제1항에서,
상기 벤팅 유로는 상기 팩 프레임의 내부에 통합된 것인, 전지 팩.
제13항에서,
상기 일차 필터는 상기 팩 프레임의 모퉁이부에 구비되는, 전지 팩.
제1항에서,
상기 일차 필터는:
상기 가스가 상기 일차 필터로 유입되는 제1 유로를 향하여 양단이 돌출되고 양단 사이는 오목한 구조를 가지되,
상기 가스가 상기 일차 필터로부터 유출되는 제2 유로에서 볼 때 개구된 구조를 가지는, 전지 팩.
제15항에서,
상기 일차 필터는 상기 제2 유로에서 볼 때, 단면이 U자 또는 V자 형상인, 전지 팩.
제15항에서,
상기 일차 필터는 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 각각에 수직한 방향을 따라 복수 개로 구비되는, 전지 팩.
제15항에서,
상기 일차 필터의 적어도 양단을 지지하도록 상기 제1 유로를 향하여 돌출된 제1 지지 부재를 더 포함하는, 전지 팩.
제18항에서,
상기 일차 필터의 적어도 양단에 각각 구비된 제1 지지 부재 사이를 연결하는 제2 지지 부재를 더 포함하는, 전지 팩.
제1항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는, 디바이스.