KR20240084976A - 배터리 팩 - Google Patents

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강민송
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Abstract

배터리 모듈이 안착되는 하부 프레임; 및 하부 프레임과 연결되며, 배터리 모듈의 적어도 일측에 대향하는 사이드 프레임 어셈블리를 포함하고, 사이드 프레임 어셈블리는 사이드 프레임 어셈블리의 외측면을 형성하는 제1 프레임; 및 배터리 모듈에서 배출되는 분진이 적재되는 분진 적재부와 배터리 모듈에서 배출되는 가스가 유동할 수 있는 벤팅 유로부를 구획하며, 배터리 모듈에 대면하는 제2 프레임을 포함하는 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩{Battery Pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충방전이 가능하다는 편리성이 있어, 각종 모바일 기기의 전원에서부터 전기 자동차 등의 동력원으로 많은 주목을 받고 있다. 예컨대, 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 타입의 이차전지는 출력이 좋아, 복수 개를 직렬 또는 병렬로 연결하여 전기자동차의 모터 구동에 사용된다.
전기자동차 등에 적용되는 배터리 모듈은 고출력 및 대용량의 필요성으로 인해 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 모듈화시킨 것이며, 전기자동차는 고전력을 얻기 위하여 이러한 배터리 모듈을 복수로 배열한 배터리 팩을 구비한다.
종래의 배터리 팩에서, 열 폭주 상황시 배터리 팩 내부에 수용되는 어느 하나의 배터리 모듈이 발화하면서 발생되는 고온의 가스나 화염은 배터리 팩 내부에 마련된 벤팅 유로를 따라 유동하여 배터리 팩 외부로 배출되도록 하였다.
이 때, 배터리 모듈의 발화에 의해 발생되는 가스나 화염은 매우 높은 온도를 가지므로, 배터리 팩의 하우징 구조물에 손상을 가할 염려가 있었다.
또한, 가스나 화염과 함께 배출되는 크고 작은 분진들이 가스와 함께 벤팅 유로에 진입함에 따라, 분진이 벤팅 유로를 막거나 또는 그 폭을 협소하게 만들 우려가 있었다. 이와 같이 분진이 벤팅 유로를 막게 되면, 가스가 원할하게 베터리 팩 외부로 배출이 되지 못하여 베터리 팩 내부의 온도 및 압력이 상승하게 되고, 이에 따른 2차 발화 및 연쇄적 열 폭주 현상을 야기할 우려가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 열 폭주 상황시 발생되는 분진이 가스 유동 경로를 막는 것을 방지할 수 있는 팩 하우징 구조를 가지는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 배터리 셀 또는 배터리 모듈에서 발생되는 열 또는 화염을 배터리 팩 외부로 효과적으로 배출하여 연쇄적인 발화 또는 폭발을 방지할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 열 또는 화염에 강한 저항력을 가지는 보강부재를 적용하여 배터리 셀 또는 배터리 모듈에서 발생되는 화염에 의해 배터리 팩의 구조가 붕괴되는 것을 방지할 수 배터리 팩을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에서, 배터리 모듈이 안착되는 하부 프레임; 및 하부 프레임과 연결되며, 배터리 모듈의 적어도 일측에 대향하는 사이드 프레임 어셈블리를 포함하고, 사이드 프레임 어셈블리는 사이드 프레임 어셈블리의 외측면을 형성하는 제1 프레임; 및 배터리 모듈에서 배출되는 분진이 적재되는 분진 적재부와 배터리 모듈에서 배출되는 가스가 유동할 수 있는 벤팅 유로부를 구획하며, 배터리 모듈에 대면하는 제2 프레임을 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
실시예들에서, 배터리 모듈은 가스가 배출되는 벤팅 홀을 포함하며, 제2 프레임은 벤팅 홀과 제1 프레임 사이에 배치될 수 있다.
실시예들에서, 제2 프레임은 제1 프레임에 결합되며, 분진 적재부는 제1 프레임과 제2 프레임 사이에 형성될 수 있다.
실시예들에서, 제2 프레임은 적어도 일면이 벤팅 홀과 대면하도록 배치될 수 있다.
실시예들에서, 벤팅 유로부는 제2 프레임의 적어도 일면을 따라 제2 프레임의 길이 방향으로 형성될 수 있다.
실시예들에서, 제2 프레임은 벤팅 유로부와 분진 적재부를 구획하는 파티션; 및 파티션에 배치되며, 벤팅 유로부와 분진 적재부에 연통되는 복수의 개구부를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 복수의 개구부는 제2 프레임의 길이 방향을 따라 배치될 수 있다.
실시예들에서, 벤팅 유로부는 벤팅 홀과 제1 방향으로 대향하고, 분진 적재부는 벤팅 유로부와 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 대향할 수 있다.
실시예들에서, 제2 프레임은 제1 프레임에 제1 방향으로 결합될 수 있다.
실시예들에서, 벤팅 유로부의 일측은 벤팅 홀과 대향하고, 분진 적재부는 벤팅 유로부의 일측과 반대되는 타측과 대향하도록 배치될 수 있다.
실시예들에서, 배터리 팩은 제1 프레임과 제2 프레임을 서로 결합시키는 체결 부재를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서, 체결 부재는 제2 프레임의 길이 방향을 따라 복수 개 배치되며, 제2 프레임을 관통하여 제1 프레임에 체결될 수 있다.
실시예들에서, 제2 프레임은 제1 프레임을 형성하는 재료보다 용융점이 더 높은 재료를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 제2 프레임은 철, 스테인레스강, 운모 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 팩은 열 폭주 상황시 발생되는 분진이 가스 유동 경로를 막는 것을 방지하는 팩 하우징 구조를 가질 수 있다.
또한, 실시예들에 따른 배터리 팩은 배터리 셀 또는 배터리 모듈에서 발생되는 열 또는 화염을 배터리 팩 외부로 효과적으로 배출하여 연쇄적인 발화 또는 폭발을 방지할 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 2는 배터리 팩에 포함되는 사이드 프레임 어셈블리의 사시도이다.
도 3은 사이드 프레임 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 I-I' 부분에 따른 예시적 단면도이다.
도 5는 사이드 프레임 어셈블리에 형성된 벤팅 유로부 및 분진 적재부를 예시적으로 나타낸다.
도 6은 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 사이드 프레임 어셈블리의 분해 사시도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서, 서로 다른 실시예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명할 수 있다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 모두 하나의 실시예를 의미하는 것은 아니다.
이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "구성하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다. 예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 배터리 팩(1)의 분해 사시도이다.
배터리 팩(1)은 팩 하우징(20) 및 팩 하우징(20)의 내부 공간에 수용되는 하나 이상의 배터리 모듈(10)을 포함할 수 있다.
배터리 모듈(10)은 충전 및 방전이 가능한 배터리 셀(예를 들어, 도 4의 110)을 하나 이상 포함하여 전기 에너지를 저장하거나 방출할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(10)은 리튬 이온 전지 또는 니켈-수소 전지 등의 이차 전지로 구성되는 배터리 셀(110)을 복수 개 포함할 수 있다.
실시예들에서, 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(110), 배터리 셀(110)과 전기적으로 연결된 버스바 어셈블리(미도시) 및 외부 케이스를 포함하는 배터리 모듈(10)일 수 있다. 배터리 모듈(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 육면체의 형상으로 구비될 수 있다. 다만, 배터리 모듈(10)의 외형은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
배터리 모듈(10)에 포함되는 배터리 셀(110)은 전극 조립체(미도시) 및 이를 수용하는 외장재(미도시)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(110)은 알루미늄 코팅 파우치(미도시)의 내부에 전극 조립체(미도시)가 수용된 형태의 파우치형 배터리 셀일 수 있다. 또는 배터리 셀(110)은 금속 캔(미도시) 내부에 전극 조립체(미도시)가 수용된 형태의 각형 배터리 셀일 수 있다. 다만, 배터리 셀(110)의 구체적인 형상은 상술한 바에 한정되는 것은 아니며, 배터리 모듈(10)의 내부에 수용될 수 있는 형태라면 어떠한 형상으로도 제공될 수 있다.
배터리 모듈(10)은 배터리 셀(110)이 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 하우징(120)을 포함할 수 있다. 모듈 하우징(120)은 강성을 가지는 재료를 포함하여, 배터리 셀(110)을 배터리 모듈(10) 외부 환경으로부터 보호할 수 있다.
모듈 하우징(120)의 일측면에는 가스가 배출될 수 있는 홀(Hole)인 벤팅 홀(121)이 마련될 수 있다. 벤팅 홀(121)을 통해 모듈 하우징(120) 내부의 가스나 화염이 배터리 모듈 외부로 배출될 수 있다.
다만, 배터리 모듈(10)은 별도의 모듈 하우징 없이 배터리 셀들의 집합체로 구성되는 것도 가능하다. 예를 들어, 배터리 모듈은 배터리 셀들이 적층된 상태로 고정된 배터리 셀 집합체일 수 있다.
한편, 배터리 팩(1)의 내부 공간에는 하나 이상의 배터리 모듈(10) 외에 다양한 구성 요소들이 수용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(1)의 내부 공간에는 복수의 배터리 모듈(10) 상호간을 연결시키는 연결 부재(미도시)가 수용될 수 있으며, 또는 배터리 팩(1)의 온도나 입출력 전압 등을 감지할 수 있는 센싱 부재(미도시)가 수용될 수도 있다.
실시예들에 따른 배터리 팩(1)의 팩 하우징(20)은 배터리 모듈(10)이 안착되는 하부 프레임(200), 하부 프레임(200)에 결합되어 팩 하우징(20)의 높이 방향의 강성을 제공하는 복수의 사이드 프레임 어셈블리(300)를 포함할 수 있다. 또한, 팩 하우징(20)은 사이드 프레임 어셈블리(300)에 결합되어 팩 하우징(20)의 내부 공간을 덮는 상부 프레임을 더 포함할 수 있다.
하부 프레임(200)은 팩 하우징(20)의 하부면을 형성한다. 하부 프레임(200)은 복수의 배터리 모듈(10)이 안착되는 안착면이 구비되는 판형 부재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 프레임(200)은 사각 판형 부재나 또는 다각 판형 부재로 구비될 수 있다. 다만, 하부 프레임(200)의 구체적인 형상은 상술한 바에 한정되지 않는다.
하부 프레임(200)은 일정 이상의 강성 가지는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 프레임(200)의 적어도 일부는 알루미늄을 포함할 수 있다. 하부 프레임(200)이 알루미늄을 포함하는 경우, 알루미늄의 뛰어난 열 전도성으로 인하여 배터리 모듈(10)에서 발생된 열 에너지가 배터리 팩(1) 외부로 신속하게 방열되는 효과를 기대할 수 있다. 실시예들에서, 방열 효과를 높이기 위해, 하부 프레임(200)에는 방열 부재(미도시)나 냉각 부재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(10)이 안착되는 하부 프레임(200)의 상면에는 배터리 모듈(10)에서 발생되는 열 에너지를 하부 프레임(200) 방향으로 신속하게 전달시키는 방열 부재(미도시)가 배치될 수 있다.
하부 프레임(200)에는 하나 이상의 사이드 프레임 어셈블리(300)가 결합될 수 있다. 사이드 프레임 어셈블리(300)는 팩 하우징(20)의 내부 공간을 구획하여, 복수의 배터리 모듈(10)이 수용되는 수용 공간들을 형성할 수 있다. 사이드 프레임 어셈블리(300)는 일정 이상의 강성을 가지는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 높은 방열 효과를 위해 사이드 프레임 어셈블리(300)의 일부는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
실시예들에서, 어느 한 사이드 프레임 어셈블리(300)는 하부 프레임(200)의 일측 가장자리를 따라 연장되도록 구비될 수 있다. 이에 따라, 사이드 프레임 어셈블리(300)는 팩 하우징(20)의 측면를 형성하는 측부 격벽 부재일 수 있다.
배터리 모듈(10)에 포함되는 배터리 셀(110)이 가혹한 조건에서 충전 및 방전됨에 따라, 배터리 셀(110)에서 화염 또는 고온의 가스가 발생될 수 있다. 이러한 화염이나 가스를 배터리 모듈(10) 외부로 원활하게 배출하기 위해, 실시예들에 따른 배터리 모듈(10)은 하나 이상의 벤팅 홀을 구비할 수 있다. 벤팅 홀을 통해, 배터리 셀(110)에서 발생되는 열 에너지나 가스는 일정한 방향으로 배터리 모듈(10) 외부로 배출될 수 있다.
사이드 프레임 어셈블리(300)는 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀(121)과 대향하도록 배치될 수 있으며, 이에 따라, 사이드 프레임 어셈블리(300)의 길이 방향(예를 들어, Y축 방향)을 따라 가스나 화염이 유동하는 벤팅 유로(Venting Path)가 형성될 수 있다. 여기서, 사이드 프레임 어셈블리(300)의 길이 방향(Y축 방향)은 사이드 프레임 어셈블리(300)와 배터리 모듈(10)이 서로 마주보는 방향(X축 방향)과 수직한 방향일 수 있다.
배터리 모듈(10)에서 배출되는 화염 또는 고온의 가스는 배터리 모듈(10) 주위의 사이드 프레임 어셈블리(300)에 닿게 되며, 이에 따라 사이드 프레임 어셈블리(300)에 높은 열 에너지가 가해질 수 있다. 또한, 배터리 모듈(10)에서 고온의 가스와 함께 배출된 작은 분진들은 사이드 프레임 어셈블리(300)에 적체되어 벤팅 유로를 협소하게 할 우려가 있다.
실시예들에 따른 사이드 프레임 어셈블리(300)는 보강용 구조(예를 들어, 도 2 내지 도 5의 제2 프레임(320))를 구비하여, 배터리 모듈(10)에서 발생되는 화염이나 고온의 가스가 사이드 프레임 어셈블리(300)를 손상시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 사이드 프레임 어셈블리(300)는 배터리 모듈(10)에서 가스와 함께 방출되는 분진을 적재할 수 있는 공간을 포함하여, 분진이 벤팅 유로를 막는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참고하여, 실시예들에 따른 사이드 프레임 어셈블리(300)를 상세히 설명한다.
도 2는 배터리 팩에 포함되는 사이드 프레임 어셈블리(300)의 사시도이다. 도 3은 사이드 프레임 어셈블리(300)의 분해 사시도이다. 도 4는 도 1의 I-I' 부분에 따른 예시적 단면도이다. 도 5는 사이드 프레임 어셈블리(300)에 형성된 벤팅 유로부 및 분진 적재부를 예시적으로 나타낸다.
도 2 내지 도 5에서 설명되는 사이드 프레임 어셈블리(300) 및 이를 포함하는 배터리 팩(1)은 앞서 도 1에서 설명되는 사이드 프레임 어셈블리(300) 및 이를 포함하는 배터리 팩(1)에 대응되는 것이므로, 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
실시예들에 따른 사이드 프레임 어셈블리(300)는 제1 프레임(310) 및 제2 프레임(320)을 포함할 수 있다. 제1 프레임(310) 및 제2 프레임(320)은 서로 결합되어, 벤팅 유로부(V1)와 분진 적재부(S1)를 형성할 수 있다.
제1 프레임(310)은 하부 프레임(200)에 결합되며, 팩 하우징(20)의 외측벽을 형성할 수 있다. 제1 프레임(310)은 강성을 가지는 재료로 형성되어, 배터리 팩(1)의 높이 방향(예를 들어, Z축 방향) 및 다른 여러 방향으로 가해지는 하중을 지탱하도록 구비될 수 있다.
제1 프레임(310)은 일 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 연장되는 빔의 형상으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(310)은 하부 프레임(200)의 일부 가장자리를 따라 연장되도록 구비될 수 있다.
제1 프레임(310)은 다양한 방식으로 하부 프레임(200)과 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(310)은 하부 프레임(200)과 용접되어 결합될 수 있으며, 이 경우 충분한 용접 결합력을 확보하기 위해 제1 프레임(310)은 하부 프레임(200)과 동종의 재료로 형성될 수 있다. 다만, 제1 프레임(310)의 재료는 이에 한정되지 않으며, 하부 프레임(200)과 서로 상이한 재료로 형성될 수도 있다.
사이드 프레임 어셈블리(300)는 제1 프레임(310)과 결합되는 제2 프레임(320)을 더 포함할 수 있다.
제2 프레임(320)은 배터리 모듈(10)에서 방출되는 화염 또는 고온의 가스로부터 제1 프레임(310)을 보호할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 프레임(320)은 제1 프레임(310)에서 배터리 모듈(10)을 향하는 면에 배치될 수 있으며, 이에 따라 배터리 모듈(10)에서 방출되는 고온의 가스나 화염이 제1 프레임(310)에 닿는 것을 최소화할 수 있다.
제2 프레임(320)은 판형 부재가 수 차례 절곡되어 형성될 수 있다. 제2 프레임(320)은 제1 프레임(310)의 내측면(즉, 배터리 모듈(10)을 향하는 면) 중 적어도 일부를 덮을 수 있다. 제2 프레임(320)은 제1 프레임(310)의 내측면의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
제2 프레임(320)은 배터리 모듈(10)과 제1 프레임(310)의 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(10)과 제1 프레임(310)은 제1 방향(X축 방향)으로 서로 마주보게 배치될 수 있으며, 그 사이에 제2 프레임(320)이 배치되어 배터리 모듈(10)에서 방출되는 가스나 화염이 제1 프레임(310)에 최소한으로 닿도록 막는 역할을 수행할 수 있다.
제2 프레임(320)은 제1 프레임(310)에 제1 방향(X축 방향)으로 결합될 수 있는데, 이러한 결합 방향에 의할 경우, 배터리 모듈(10)에서 배출되는 가스나 화염에 의해 제2 프레임(320)에 충격이 가해지더라도 제1 프레임(310)에서 쉽게 탈락하지 않을 수 있다.
제2 프레임(320)은 적어도 일면이 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀(121)과 대면하도록 배치될 수 있다. 벤팅 홀(121)을 통해 팩 하우징(20) 내부로 배출되는 고온의 가스나 화염은 가장 먼저 제2 프레임(320)에 닿을 수 있다.
제2 프레임(320)은 고온의 열 에너지에도 견딜 수 있는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 프레임(320)은 700
Figure pat00001
이상의 온도에서 용융되는 고내열성, 고내화성 재료를 포함하여 형성될 수 있다. 제2 프레임(320)에 포함되는 고내열성 재료의 예로는 철(Steel), 스테인레스강(Stainless Steel), 운모(Mica) 등의 무기 재료가 있으나, 이에 한정되지 않으며 700
Figure pat00002
미만의 온도에서 용융되지 않는 재질이라면 어떠한 것이든 포함될 수 있다.
제2 프레임(320)은 제1 프레임(310)보다 용융점이 높은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(310)이 알루미늄으로 형성되는 경우, 제2 프레임(320)은 알루미늄의 용융점(약 섭씨 660도)보다 더 높은 용융점을 갖는 재료로 형성될 수 있다.
제2 프레임(320)에서 벤팅 홀(121)과 대면하는 영역을 따라 벤팅 유로부(V1)가 형성될 수 있다. 벤팅 유로부(V1)는 가스나 화염이 소정의 방향으로 유동할 수 있도록 제공되는 공간일 수 있다.
벤팅 유로부(V1)는 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀(121)과 제1 방향(X축 방향)으로 대면하도록 배치될 수 있다. 벤팅 유로부(V1)는 제2 프레임(320)의 일면 상에서 길이 방향(Y축 방향)을 따라 연장될 수 있다. 배터리 모듈(10)에서 배출된 가스나 화염은 벤팅 유로부(V1)를 따라 팩 하우징(20)의 전면부 또는 후면부로 이동한 후 배터리 팩(1) 외부로 배출될 수 있다.
배터리 모듈(10)에서 배출되는 가스에는 크고 작은 분진들(D)이 포함될 수 있다. 이러한 분진(D)이 벤팅 유로부(V1)를 막는 것을 방지하기 위해, 벤팅 유로부(V1)의 일측에는 분진(D)이 쌓일 수 있는 공간인 분진 적재부(S1)가 형성될 수 있다.
분진 적재부(S1)는 벤팅 유로부(V1)와는 구별되는 별도의 공간으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 2 또는 도 4와 같이, 분진 적재부(S1)는 벤팅 유로부(V1)의 하측에 마련되며, 벤팅 유로부(V1)의 연장 방향과 나란한 방향으로 연장될 수 있다.
제2 프레임(320)은 분진 적재부(S1)와 벤팅 유로부(V1)를 구획할 수 있다. 제2 프레임(320)은 분진 적재부(S1)와 벤팅 유로부(V1)를 구획하는 파티션(321)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이, 파티션(321)은 제2 프레임(320)의 적어도 일부를 구성하며, 벤팅 유로부(V1)와 분진 적재부(S1) 사이를 가로질러 연장되도록 구성될 수 있다. 벤팅 유로부(V1)는 파티션(321)의 상측에 형성되며, 분진 적재부(S1)는 파티션(321)의 하측에 형성될 수 있다. 파티션(321)에는 벤팅 유로부(V1) 및 분진 적재부(S1)와 연통되는 복수의 개구부(322)가 마련될 수 있다. 복수의 개구부(322)는 파티션(321) 상에서 제2 프레임(320)의 길이 방향을 따라 배치될 수 있다. 개구부(322)를 통해 벤팅 유로부(V1)와 분진 적재부(S1)가 서로 연통될 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(10)에서 벤팅 유로부(V1)로 배출된 분진들(D) 중 적어도 일부는 개구부(322)를 통해 분진 적재부(S1)로 들어갈 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하여, 가스와 함께 배출되는 분진(D)이 분진 적재부(S1)에 적재되는 모습을 설명한다.
열 폭주 상황이 발생함에 따라, 배터리 셀(110)에서는 고온의 가스나 화염이 발생될 수 있다. 배터리 모듈(10)은 벤팅 홀(121)을 통해 배터리 셀(110)에서 발생된 고온의 가스나 화염을 배출할 수 있다. 이 때, 가스나 화염은 배터리 모듈(10)에서 사이드 프레임 어셈블리(300)를 마주하는 방향으로 배출될 수 있다.
배터리 모듈(10)에서 배출된 가스 및 분진(D)은 벤팅 홀(121)과 대향하도록 배치된 벤팅 유로부(V1)로 유입되어, 사이드 프레임 어셈블리(300)에서 벤팅 홀(121)과 마주보는 벽(예를 들어, 제2 프레임(320)의 일면)에 부딪히게 된다. 이러한 충돌에 의해, 분진(D)이 가지는 운동 에너지가 감소하게 되고, 무게를 가지는 분진들(D)은 중력에 의해 벤팅 유로부(V1)의 하단에 마련된 분진 적재부(S1)로 떨어지게 된다.
예를 들어, 제2 프레임(320)의 일면을 따라 형성되는 벤팅 유로부(V1)가 벤팅 홀(121)과 제1 방향(X축 방향)으로 대향한다고 할 때, 분진 적재부(S1)는 벤팅 유로부(V1)와 제1 방향(X축 방향)에 수직한 제2 방향(Z축 방향)으로 대향하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 분진 적재부(S1)는 벤팅 유로부(V1)보다 중력 방향으로 보다 아래에 위치할 수 있다.
분진 적재부(S1)와 벤팅 유로부(V1)는 제2 프레임(320)의 개구부(322)를 통해 서로 연통될 수 있다. 아래로 떨어진 분진들(D)은 개구부(322)를 통해 분진 적재부(S1)로 들어갈 수 있다.
분진 적재부(S1)로 떨어진 분진(D)은 제2 프레임(320)의 파티션(321)에 의해 막혀 다시 벤팅 유로부(V1)로 재상승하지 않을 수 있다.
이에 따라, 제2 프레임(320)의 파티션(321)을 기준으로, 파티션(321)의 상부(즉, 벤팅 유로부(V1))에는 가스와 작고 가벼운 분진들이 소정의 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 유동하게되며, 파티션(321)의 하부(즉, 분진 적재부(S1))에는 무거운 분진들(D)이 적재되게 된다.
이와 같이, 가스와 함께 배터리 모듈(10) 외부로 배출된 분진들 중 무겁고 큰 것들은 분진 적재부(S1)에 적재되며, 벤팅 유로부(V1)의 내부에는 상대적으로 입자의 크기가 작거나 가벼운 분진들만이 남을 수 있다. 크고 무거운 분진들(D)이 제거됨에 따라, 벤팅 유로부(V1)의 가스 흐름이 원활하게 되어 고온의 가스가 배터리 팩(1) 외부로 신속하고 원활하게 배출될 수 있다. 또한, 분진(D)이 벤팅 유로부(V1)를 막아 팩 하우징(20) 내부의 온도와 압력을 상승시키고 연쇄적인 발화를 일으키는 것을 미연에 방지할 수 있다.
특히, 실시예들의 배터리 팩(1) 구조에 따르면, 가스와 분진이 사이드 프레임 어셈블리(300)의 벽면에 충돌하여 에너지를 잃는 과정에서 크고 무거운 분진들(D)이 자연스럽게 아래로 떨어지도록 하여, 별도의 거름 장치 없이 가스 중 분진(D)을 쉽게 거를 수 있다.
한편, 사이드 프레임 어셈블리(300)는 제1 프레임(310)과 제2 프레임(320)을 결합시키는 체결 부재(330)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 체결 부재(330)는 스크류 또는 볼트 및 너트 등으로 구비될 수 있으며, 제2 프레임(320)을 관통하여 제1 프레임(310)에 체결될 수 있다.
체결 부재(330)는 복수 개 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 체결 부재(330)는 사이드 프레임 어셈블리(300)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 복수 개 구비될 수 있다.
체결 부재(330)를 통해 제1 프레임(310)과 제2 프레임(320)은 기계적으로 단단히 체결되어, 고온의 열 에너지 또는 폭발 에너지가 가해지더라도 결합 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
도 2 내지 도 5에서는 벤팅 유로부(V1)와 분진 적재부(S1)가 상하 방향으로 배치되는 모습을 나타내고 있으나, 벤팅 유로부(V1)와 분진 적재부(S1)의 배치 구조는 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 6 및 도 7과 같이, 벤팅 유로부(V1)와 분진 적재부(S1)는 하부 프레임(200)과 수평한 방향으로 서로 대향하도록 배치될 수도 있다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 참고하여, 다른 실시예에 따른 사이드 프레임 어셈블리(400)를 가지는 배터리 팩을 설명한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1')의 일부 단면도이다. 도 7은 다른 실시예에 따른 사이드 프레임 어셈블리(400)의 분해 사시도이다.
도 6 및 도 7에서 설명되는 배터리 팩(1')에 있어서, 사이드 프레임 어셈블리(400)를 제외한 나머지 모든 구성(예를 들어, 배터리 모듈(10), 하부 프레임(200) 및 상부 프레임 등)은 도 1 내지 도 5에서 설명되는 배터리 팩(1')의 구성과 동일한 특징을 가지는 바, 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
실시예들에서, 사이드 프레임 어셈블리(400)는 서로 결합되는 제1 프레임(410) 및 제2 프레임(420)을 포함할 수 있다. 제1 프레임(410)은 하부 프레임(200)과 결합되어 배터리 팩(1')의 외측면을 형성하고, 배터리 팩(1')의 높이 방향(Z축 방향)의 강성을 제공할 수 있다. 이 경우, 제1 프레임(410)을 구성하는 재료나, 또는 하부 프레임(200)과 제1 프레임(410)의 결합 방식은 앞서 도 1 내지 도 5의 제1 프레임(310)에 관한 설명을 참고할 수 있다.
제2 프레임(420)은 판형 부재가 복수 회 절곡되어 형성될 수 있으며, 제1 프레임(410)에 제1 방향으로 결합될 수 있다.
제2 프레임(420)은 벤팅 유로부(V2)와 분진 적재부(S2)를 구획할 수 있다. 예를 들어, 제2 프레임(420)에서 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀과 대향하는 일측에는 벤팅 유로부(V2)가 형성되며, 일측과 반대되는 타측에는 분진 적재부(S2)가 형성될 수 있다. 이 경우, 분진 적재부(S2)는 제1 프레임(410)과 제2 프레임(420) 사이의 공간에 형성될 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 5를 통해 설명한 바와 동일하게, 제2 프레임(420)은 고온의 열 에너지에도 견딜 수 있는 재료로 형성되어, 배터리 모듈(10)로부터 배출되는 고온의 가스 또는 화염으로부터 제1 프레임(410)을 보호하는 역할을 수행할 수 있다.
예를 들어, 제2 프레임(420)은 700
Figure pat00003
이상의 온도에서 용융되는 고내열성, 고내화성 재료를 포함하여 형성될 수 있다. 제2 프레임(420)에 포함되는 고내열성 재료의 예로는 철(Steel), 스테인레스강(Stainless Steel), 운모(Mica) 등의 무기 재료가 있으나, 이에 한정되지 않으며 700
Figure pat00004
미만의 온도에서 용융되지 않는 재질이라면 어떠한 것이든 포함될 수 있다.
제2 프레임(420)은 제1 프레임(410)보다 용융점이 높은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(410)이 알루미늄으로 형성되는 경우, 제2 프레임(420)은 알루미늄의 용융점(약 섭씨 660도)보다 더 높은 용융점을 갖는 재료로 형성될 수 있다.
제2 프레임(420)에서 벤팅 홀(121)과 대면하는 영역을 따라 벤팅 유로부(V2)가 형성될 수 있다. 벤팅 유로부(V2)는 가스나 화염이 소정의 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 유동할 수 있도록 제공되는 공간일 수 있다.
벤팅 유로부(V2)는 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀(121)과 제1 방향(X축 방향)으로 대면하도록 배치될 수 있다. 벤팅 유로부(V2)는 제2 프레임(420)의 일면 상에서 길이 방향(Y축 방향)을 따라 연장될 수 있다. 배터리 모듈(10)에서 배출된 가스나 화염은 벤팅 유로부(V2)를 따라 팩 하우징(20)의 전면부 또는 후면부로 이동한 후 배터리 팩(1') 외부로 배출될 수 있다.
사이드 프레임 어셈블리(400)의 벤팅 유로부(V2)와 분진 적재부(S2)는 수평 방향으로 대향하도록 배치될 수 있다. 여기서, 수평 방향은 하부 프레임(200)의 상부면과 나란한 방향일 수 있다. 또는 수평 방향은 중력 방향에 수직한 방향일 수 있다.
배터리 모듈(10), 벤팅 유로부(V2) 및 분진 적재부(S2)는 제1 방향(X축 방향)을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 유로부(V2)의 일측은 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀(121)과 제1 방향(X축 방향)으로 마주보고, 일측과 반대되는 타측은 분진 적재부(S2)와 제1 방향(X축 방향)으로 마주보게 배치될 수 있다.
제2 프레임(420)은 분진 적재부(S2)와 벤팅 유로부(V2)를 구획하는 파티션(421)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7과 같이, 파티션(421)은 제2 프레임(420)의 적어도 일부를 구성하며, 벤팅 유로부(V2)와 분진 적재부(S2) 사이를 가로질러 연장되도록 구성될 수 있다. 제2 프레임(420)의 파티션(421)은 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀(121)과 제1 방향(X축 방향)으로 대향하도록 배치될 수 있다. 파티션(421)의 일면을 따라 벤팅 유로부(V2)가 형성될 수 있으며, 파티션(421)의 타면과 제1 프레임(410) 사이에 분진 적재부(S2)가 형성될 수 있다. 파티션(421)에는 복수의 개구부(422)가 마련되어, 벤팅 유로부(V2)와 분진 적재부(S2)를 서로 연통시킬 수 있다.
사이드 프레임 어셈블리(400)는 제1 프레임(410)과 제2 프레임(420)을 결합시키는 체결 부재(430)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 체결 부재(430)는 스크류 또는 볼트 및 너트 등으로 구비될 수 있으며, 제2 프레임(420)을 관통하여 제1 프레임(410)에 체결될 수 있다.
체결 부재(430)는 복수 개 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 체결 부재(430)는 사이드 프레임 어셈블리(400)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 복수 개 구비될 수 있다.
체결 부재(430)를 통해 제1 프레임(410)과 제2 프레임(420)은 기계적으로 단단히 체결되어, 고온의 열 에너지 또는 폭발 에너지가 가해지더라도 결합 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
열 폭주 상황에서 배터리 셀(110)에서 발생된 가스 및 크고 작은 분진은 배터리 모듈(10)의 벤팅 홀(121)을 통해 배터리 모듈(10) 외부로 방출될 수 있다. 예를 들어, 가스 및 화염은 벤팅 홀(121)을 통해 제1 방향(X축 방향)으로 방출되어 배터리 모듈(10)과 제1 방향(X축 방향)으로 대향하는 사이드 프레임 어셈블리(400)에 닿을 수 있다.
배터리 모듈(10)에서 방출되는 가스 및 분진들은 제2 프레임(420)의 개구부(422)를 통과하여 제1 프레임(410)의 측면에 부딪힐 수 있다. 이러한 충돌에 의해, 분진이 가지는 운동 에너지가 감소하게 되고, 무게를 가지는 분진들(D)은 중력에 의해 분진 적재부(S2)의 하부로 떨어져 모이게 된다.
이에 따라, 상대적으로 무게가 가벼운 작은 분진들과 가스는 제2 프레임(420) 상의 벤팅 유로부(V2)를 따라 팩 하우징(20)의 전면 또는 후면 방향으로 이동하고, 크고 무거운 분진들(D)은 분진 적재부(S2)에 갇혀 벤팅 유로부(V2)를 막지 않을 수 있다.
이와 같이, 가스와 함께 배터리 모듈(10) 외부로 배출된 분진들 중 무겁고 큰 것들은 분진 적재부(S2)에 적재되며, 벤팅 유로부(V2)의 내부에는 상대적으로 입자의 크기가 작거나 가벼운 분진들만이 남을 수 있다. 크고 무거운 분진들(D)이 제거됨에 따라, 벤팅 유로부(V2)의 가스 흐름이 원활하게 되어 고온의 가스가 배터리 팩(1') 외부로 신속하고 원활하게 배출될 수 있다. 또한, 분진(D)이 벤팅 유로부(V2)를 막아 팩 하우징(20) 내부의 온도와 압력을 상승시키고 연쇄적인 발화를 일으키는 것을 미연에 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 평균적인 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 또한, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
1... 배터리 팩
10... 배터리 모듈
20... 팩 하우징
110... 배터리 셀
120... 모듈 하우징
121... 벤팅 홀
200... 하부 프레임
300, 400... 사이드 프레임 어셈블리
310, 410... 제1 프레임
320, 420... 제2 프레임
321, 421... 파티션
322, 422... 개구부
V1, V2... 벤팅 유로부
S1, S2... 분진 적재부

Claims (14)

  1. 배터리 모듈이 안착되는 하부 프레임; 및
    상기 하부 프레임과 연결되며, 상기 배터리 모듈의 적어도 일측에 대향하는 사이드 프레임 어셈블리를 포함하고,
    상기 사이드 프레임 어셈블리는
    상기 사이드 프레임 어셈블리의 외측면을 형성하는 제1 프레임; 및
    상기 배터리 모듈에서 배출되는 분진이 적재되는 분진 적재부와 상기 배터리 모듈에서 배출되는 가스가 유동할 수 있는 벤팅 유로부를 구획하며, 상기 배터리 모듈에 대면하는 제2 프레임을 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 가스가 배출되는 벤팅 홀을 포함하며,
    상기 제2 프레임은 상기 벤팅 홀과 상기 제1 프레임 사이에 배치되는 배터리 팩.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 프레임은 상기 제1 프레임에 결합되며,
    상기 분진 적재부는 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임 사이에 형성되는 배터리 팩.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 프레임은 적어도 일면이 상기 벤팅 홀과 대면하도록 배치되는 배터리 팩.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 벤팅 유로부는 상기 제2 프레임의 상기 적어도 일면을 따라 상기 제2 프레임의 길이 방향으로 형성되는 배터리 팩.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 프레임은
    상기 벤팅 유로부와 상기 분진 적재부를 구획하는 파티션; 및
    상기 파티션에 배치되며, 상기 벤팅 유로부와 상기 분진 적재부에 연통되는 복수의 개구부를 포함하는 배터리 팩.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 개구부는 상기 제2 프레임의 길이 방향을 따라 배치되는 배터리 팩.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 벤팅 유로부는 상기 벤팅 홀과 제1 방향으로 대향하고,
    상기 분진 적재부는 상기 벤팅 유로부와 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 대향하는 배터리 팩.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 프레임은 상기 제1 프레임에 상기 제1 방향으로 결합되는 배터리 팩.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 벤팅 유로부의 일측은 상기 벤팅 홀과 대향하고,
    상기 분진 적재부는 상기 벤팅 유로부의 상기 일측과 반대되는 타측과 대향하도록 배치되는 배터리 팩.
  11. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 서로 결합시키는 체결 부재를 더 포함하는 배터리 팩.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 체결 부재는 상기 제2 프레임의 길이 방향을 따라 복수 개 배치되며, 상기 제2 프레임을 관통하여 상기 제1 프레임에 체결되는 배터리 팩.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 프레임은 상기 제1 프레임을 형성하는 재료보다 용융점이 더 높은 재료를 포함하는 배터리 팩.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 프레임은 철, 스테인레스강, 운모 중 적어도 어느 하나를 포함하는 배터리 팩.
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