WO2020189965A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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WO2020189965A1
WO2020189965A1 PCT/KR2020/003497 KR2020003497W WO2020189965A1 WO 2020189965 A1 WO2020189965 A1 WO 2020189965A1 KR 2020003497 W KR2020003497 W KR 2020003497W WO 2020189965 A1 WO2020189965 A1 WO 2020189965A1
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bus bar
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이진규
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module for preventing heat diffusion.
  • Secondary batteries are attracting attention as a power source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles, which are proposed as a solution to air pollution such as conventional vehicles and diesel vehicles using fossil fuels.
  • the medium and large-sized battery modules are preferably manufactured with a small size and weight as possible, they can be charged with a high degree of integration, and prismatic batteries and pouch-type batteries having a small weight-to-capacity ratio are mainly used as battery cells of medium and large-sized battery modules.
  • pouch-type batteries using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member have received a lot of attention due to advantages such as low weight, low manufacturing cost, and easy shape transformation.
  • the battery cells constituting the medium and large-sized battery modules are composed of secondary batteries capable of charging and discharging, such a high-output large-capacity secondary battery generates a large amount of heat during charging and discharging.
  • the laminate sheet of a pouch-type battery widely used in battery modules is coated with a polymer material having low thermal conductivity, it is difficult to effectively cool the entire battery cell temperature.
  • a medium-to-large battery pack for a vehicle or a medium-to-large battery pack for a power storage device which includes a plurality of medium and large battery modules and has a high output and large capacity, requires a cooling system for cooling the battery cells contained therein.
  • water-cooled and air-cooled cooling systems can be used, but air-cooled systems tend to be widely used due to a short circuit or waterproof problem of a secondary battery.
  • the internal battery may be cooled using external air so that the battery system can be used reliably for a long period of time.
  • a thermal runaway occurs in one battery cell and the high-temperature gas and flame emitted are discharged to the outside and propagated to an adjacent battery cell or inflammable material, great damage may occur.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a battery module that prevents heat diffusion to an adjacent region by preventing gas and flame from being exposed to the outside, and a battery pack including the same.
  • a battery module is a battery module having an air-cooled structure, a battery cell stack including a plurality of battery cells, a bus bar frame connected to the battery cell stack and including a bus bar, and The battery cell stack and a cover plate covering the bus bar frame, a cooling flow path portion is formed between the cover plate and the battery cell stack for cooling external air to be introduced or discharged, the cooling flow path portion A thermal expansion member is formed, and the thermal expansion member includes a first thermal expansion member located on a side opposite to one side where the bus bar is located with respect to the cooling passage part.
  • the cooling passage part has an inflow path part located on one side of the battery cell stack and having an inlet through which air for cooling is introduced, and an outlet located on the other side of the battery cell stack through which air for cooling is discharged.
  • the thermal expansion member may be formed adjacent to the inlet and/or the outlet.
  • the thickness of the thermal expansion member expands to block the cooling flow path so that heat generated by the venting gas and flame generated from the battery cell is prevented from being discharged to the outside through the inlet and the outlet. have.
  • the thickness expansion direction of the thermal expansion member may be perpendicular to a direction in which the cooling passage part extends.
  • a plurality of thermal expansion members may be formed.
  • the thermal expansion member and the bus bar may be arranged to be offset from each other.
  • the thermal expansion member and the bus bar may not overlap each other in a direction perpendicular to a direction in which the cooling passage part extends.
  • the thermal expansion member may further include a second thermal expansion member positioned on the bus bar.
  • Directions in which the thicknesses of the first thermal expansion member and the second thermal expansion member expand may be opposite to each other.
  • the cover plate may include a side plate positioned in a direction facing the electrode lead and a welding portion of the bus bar, and the first thermal expansion member may be positioned on the side plate.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • a cooling path is provided in a general secondary battery operating environment, and in an abnormal situation such as thermal runaway, a material having a property of expansion is formed in the cooling path, thereby preventing exposure of gases and flames to the outside. It is possible to implement a battery module and a battery pack that can prevent heat diffusion to an adjacent region.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a structure in which a bus bar frame is exposed in the battery module of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a photograph showing a state in which the bus bar frame is exposed in the battery module of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the bus bar frame of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a view showing the flow of air in the normal operating state of the battery module of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a plan view showing a path through which heat is transferred due to thermal runaway generated in a battery cell of the battery module of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a schematic plan view illustrating a cooling passage part of the battery module of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a plan view illustrating a state in which a thermal expansion member is changed due to thermal runaway generated in a battery cell of the battery module of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the cut line A-A' of FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a cooling passage part of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view showing a state in which a thermal expansion member is changed due to thermal runaway generated in a battery cell of the battery module of FIG. 10.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • this includes not only “directly over” another part, but also a case where another part is in the middle.
  • another part when one part is “directly above” another part, it means that there is no other part in the middle.
  • the reference part means that it is located above or below the reference part, and means that it is located “above” or “on” in the direction opposite to gravity. no.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a structure in which a bus bar frame is exposed in the battery module of FIG. 1.
  • 3 is a photograph showing a state in which the bus bar frame is exposed in the battery module of FIG. 2.
  • 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the bus bar frame of FIG. 3.
  • the battery module 500 includes a battery cell stack 150 including a plurality of battery cells 110, and the battery cell stack 150 It includes a cover plate 100 surrounding it.
  • the cover plate 100 includes an upper and lower plate 100T and a side plate 100S, and a bus bar frame 200 to be described later may be disposed between the side plate 100S and the battery cell stack 150.
  • the bus bar frame 200 may be positioned on the side of the battery cell stack 150, and a cooling channel portion to be described later may be formed in a space between the bus bar frame 200 and the side plate 100S.
  • the side of the battery cell stack 150 is defined as a surface facing a second direction (Y) perpendicular to the first direction (X), the direction in which the battery cells 110 are stacked in the battery cell stack 150 can do.
  • the battery module 500 has an air-cooled structure, and in order to cool the heat generated in the battery cell 110 using external air, an inlet 130a and an outlet 130b into which external air is injected are formed. have. Air that has entered through the inlet 130a may pass through the battery cells 110 through a cooling flow passage to be described later and exit through the outlet 130b again.
  • the busbar frame 200 includes an electrode lead 120 extending from the battery cell 110 of the battery cell stack 150 described in FIG. 1 in the second direction shown in FIG. It extends to (Y), passes through a lead slot (not shown) formed in the bus bar frame 200, is bent at the rear side of the bus bar frame 200, and is electrically connected with the bus bar 210 through laser welding. have. At this time, heat due to the high-temperature gas and flame generated by thermal runaway can be quickly transferred to the adjacent battery cell 110 through the electrode lead 120 and the bus bar 210, which will be described later according to this embodiment. This is because a large heat propagation delay effect can be obtained by the thermal expansion member.
  • 5 is a view showing the flow of air in the normal operating state of the battery module of FIG. 1.
  • 6 is a plan view showing a path through which heat is transferred due to thermal runaway generated in a battery cell of the battery module of FIG. 5.
  • the cooling flow path part 131 includes an inflow path part 131a and a discharge path part 131b, and the air introduced through the inlet port 130a moves along the inflow path part 131a, and moves in the right direction. Accordingly, after the air passes, the air may escape through the discharge port 130b while moving along the discharge path part 131b.
  • FIG. 7 is a schematic plan view illustrating a cooling passage part of the battery module of FIG. 1.
  • 8 is a plan view illustrating a state in which a thermal expansion member is changed due to thermal runaway generated in a battery cell of the battery module of FIG. 7.
  • 9 is a cross-sectional view taken along the cut line A-A' of FIGS. 7 and 8.
  • the battery module according to the present exemplary embodiment has a thermal expansion member 400 formed in the cooling passage part 131 as shown in FIG. 7.
  • the thermal expansion member 400 may include one of a butyl-based material, an epoxy material, a vinyl chloride-based material, and an EPDM rubber material (Ethylene propylene diene methylene rubber).
  • the thermal expansion member 400 may be located on a side opposite to one side where the bus bar 210 is located with respect to the cooling passage part 131.
  • the thermal expansion member 400 may be formed on the side plate 100S.
  • the thermal expansion member 400 may be formed adjacent to the inlet 130a and/or the outlet 130b. Since the inlet (130a) and the outlet (130b) are in close proximity to the outside air, the flame generated from the inside meets oxygen and the possibility of explosion is high, so that it is close to the inlet (130a) and the outlet (130b) It is effective to form the thermal expansion member 400 in the) portion.
  • a plurality of thermal expansion members 400 may be formed, a plurality of thermal expansion members 400 are formed apart along the inflow path part 131a, and a plurality of thermal expansion members 400 along the discharge path part 131b Can be formed apart.
  • the plurality of thermal expansion members 400 may be arranged to deviate from each other with the bus bar 210.
  • the thermal expansion member 400 and the bus bar 210 may not overlap each other in a direction perpendicular to a direction in which the cooling passage part 131 extends.
  • the thickness of the thermal expansion member 400 expands, and heat due to the venting gas and flame is lost. It is not discharged to the outside through the inlet (130a) and the outlet (130b). That is, the cooling passage part 131 may be blocked by the thermal expansion member 400 according to the present embodiment.
  • the thermal expansion member 400 when the thermal expansion member 400 is viewed before and after expansion, the thermal expansion member 400 covering a part of the cross-section of the cooling passage part 131 is the battery cell stack 150 of FIG.
  • the thickness expands to block the cross section of the cooling passage part 131.
  • a direction in which the thickness of the thermal expansion member 400 expands may be perpendicular to a direction in which the cooling passage part 131 extends. That is, the thickness of the thermal expansion member 400 may expand along the Y-axis direction shown in FIG. 8.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a cooling passage part of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 11 is a plan view showing a state in which a thermal expansion member is changed due to thermal runaway generated in a battery cell of the battery module of FIG. 10.
  • the thermal expansion member 400 according to the present embodiment includes a first thermal expansion member 400a and a second thermal expansion member 400b.
  • a plurality of first thermal expansion members 400a may be formed on the side plate 100S, and the second thermal expansion members 400b may be located on the bus bar 210.
  • the first thermal expansion member 400a and the second thermal expansion member 400b may be arranged to be offset from each other.
  • the thicknesses of the first thermal expansion member 400a and the second thermal expansion member 400b respectively expand and the venting gas ( Venting gas) and the heat by the flame is not discharged to the outside through the inlet (130a) and the outlet (130b). That is, it is possible to prevent the hot gas and flame generated by thermal runaway by the thermal expansion member 400 according to the present embodiment from being discharged in the direction of the arrow.
  • the present embodiment by disposing the first thermal expansion member 400a and the second thermal expansion member 400b at intersections on the top of the bus bar 210 and the side plate 100S, the internal space is more efficiently reduced and the cooling passage The unit 131 can be blocked.
  • directions in which the thickness of each of the first thermal expansion member 400a and the second thermal expansion member 400b expands may be opposite to each other.
  • one or more of the battery modules may be packaged in a pack case to form a battery pack.
  • the battery module and the battery pack including the same may be applied to various devices.
  • a device may be applied to a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto, and the present invention is applicable to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same. It belongs to the scope of the invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈에 있어서, 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체와 연결되고, 버스바를 포함하는 버스바 프레임, 및 상기 전지셀 적층체와 상기 버스바 프레임을 덮는 커버 플레이트를 포함하고, 상기 커버 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 냉각을 위한 외부 공기가 유입 또는 배출되는 냉각 유로부가 형성되고, 상기 냉각 유로부에 열 팽창 부재가 형성되며, 상기 열 팽창 부재는 상기 냉각 유로부를 기준으로 상기 버스바가 위치하는 일측과 반대측에 위치하는 제1 열 팽창 부재를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 3월 15일자 한국 특허 출원 제10-2019-0030175호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 열 확산 방지를 위한 전지 모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 차량, 디젤 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기 자동차 등의 동력원으로서 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고, 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장 부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조 비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 받고 있다.
이러한 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 전지 모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
충방전 과정에서 발생한 전지 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지 모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 중대형 전지 모듈 다수 개를 포함하고 고출력 대용량의 전지인 차량용 중대형 전지팩이나 전력 저장 장치용 중대형 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
일반적으로 냉각 시스템에는 수냉식과 공냉식을 사용할 수 있는데, 누전이나 이차 전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 널리 사용되는 경향이 있다. 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈의 경우, 전지 시스템을 장기간 신뢰성 있게 사용할 수 있도록 외부의 공기를 이용해서 내부의 전지를 냉각할 수 있다. 하지만, 한 개의 전지셀에서 열폭주(thermal runaway)가 발생하여 방출되는 고온의 가스와 화염이 외부로 배출되어 인접한 전지셀 또는 인화성 물질에 전파되면 큰 피해를 발생시킬 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 외부로 가스 및 화염이 노출되는 것을 방지하여 인접 영역으로의 열 확산을 방지하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하기 위한 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 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈에 있어서, 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체와 연결되고, 버스바를 포함하는 버스바 프레임, 및 상기 전지셀 적층체와 상기 버스바 프레임을 덮는 커버 플레이트를 포함하고, 상기 커버 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 냉각을 위한 외부 공기가 유입 또는 배출되는 냉각 유로부가 형성되고, 상기 냉각 유로부에 열 팽창 부재가 형성되며, 상기 열 팽창 부재는 상기 냉각 유로부를 기준으로 상기 버스바가 위치하는 일측과 반대측에 위치하는 제1 열 팽창 부재를 포함한다.
상기 냉각 유로부는 상기 전지셀 적층체의 일측에 위치하여 냉각을 위한 공기가 유입되는 유입구를 갖는 유입 경로부와, 상기 전지셀 적층체의 다른 일측에 위치하여 냉각을 위한 공기가 배출되는 배출구를 갖는 배출 경로부를 포함하고, 상기 열 팽창 부재는 상기 유입구 및/또는 상기 배출구에 인접하여 형성될 수 있다.
상기 전지셀에서 발생된 벤팅 가스(venting gas)와 플레임(flame)에 의한 열이 상기 유입구와 상기 배출구를 통해 외부로 방출되는 것이 방지되도록 상기 열 팽창 부재의 두께가 팽창하여 상기 냉각 유로부를 차단할 수 있다.
상기 열 팽창 부재의 두께 팽창 방향은, 상기 냉각 유로부가 뻗는 방향에 수직일 수 있다.
상기 열 팽창 부재는 복수개 형성될 수 있다.
상기 열 팽창 부재와 상기 버스바는 서로 어긋나게 배열될 수 있다.
상기 열 팽창 부재와 상기 버스바는 상기 냉각 유로부가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 서로 중첩하지 않을 수 있다.
상기 열 팽창 부재는 상기 버스바 상에 위치하는 제2 열 팽창 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열 팽창 부재와 상기 제2 열 팽창 부재 각각의 두께가 팽창하는 방향이 서로 반대일 수 있다.
상기 커버 플레이트는 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분과 마주보는 방향에 위치하는 측면 플레이트를 포함하고, 상기 제1 열 팽창 부재는 상기 측면 플레이트 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 일반적인 이차 전지 작동 환경에서는 냉각을 위한 경로를 제공하고, 열폭주와 같이 비정상적인 상황에서는 팽창하는 특성을 갖는 물질을 냉각 경로에 형성함으로써 외부로 가스 및 화염이 외부로 노출되는 것을 방지하여 인접 영역으로의 열 확산을 방지할 수 있는 전지 모듈 및 전지팩을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 모습을 나타내는 사진이다.
도 4는 도 3의 버스바 프레임의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1의 전지 모듈의 정상 동작 상태에서 공기의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열이 전달되는 경로를 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 1의 전지 모듈의 냉각 유로부를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 8은 도 7의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열 팽창 부재가 변화된 모습을 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 7 및 도 8의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 냉각 유로부를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 11은 도 10의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열 팽창 부재가 변화된 모습을 나타내는 평면도이다.
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 구조를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 구조를 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 모습을 나타내는 사진이다. 도 4는 도 3의 버스바 프레임의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(500)은 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지셀 적층체(150)을 포함하고, 이러한 전지셀 적층체(150)를 감싸고 있는 커버 플레이트(100)를 포함한다. 커버 플레이트(100)는 상하부 플레이트(100T)와 측면 플레이트(100S)를 포함하고, 측면 플레이트(100S)와 전지셀 적층체(150) 사이에 후술하는 버스바 프레임(200)이 배치될 수 있다. 전지셀 적층체(150)의 측면에 버스바 프레임(200)이 위치하고, 버스바 프레임(200)과 측면 플레이트(100S) 사이의 공간에 후술하는 냉각 유로부가 형성될 수 있다. 여기서, 전지셀 적층체(150)의 측면은 전지셀 적층체(150)에서 전지셀(110)이 적층되는 방향인 제1 방향(X)과 수직한 제2 방향(Y)을 향하는 면으로 정의할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(500)은 공냉식 구조를 가지며, 외부 공기를 사용하여 전지셀(110)에서 발생한 열을 식히기 위해, 외부 공기가 주입되는 유입구(130a)와 배출구(130b)가 형성되어 있다. 유입구(130a)를 통해 들어온 공기는 후술하는 냉각 유로부를 통해 전지셀(110)들을 통과하여 다시 배출구(130b)를 통해 빠져나갈 수 있다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 버스바 프레임(200)에는 도 1에서 설명한 전지셀 적층체(150)의 전지셀(110)로부터 연장된 전극 리드(120)가 도 1에 표시한 제2 방향(Y)으로 뻗어, 버스바 프레임(200)에 형성된 리드 슬롯(미도시)을 통과하여 버스바 프레임(200)의 후면에서 절곡되어, 버스바(210)와 함께 레이저 용접을 통해 전기적으로 연결되어 있다. 이때, 열폭주에 의해 발생된 고온의 가스와 화염에 따른 열이 전극 리드(120)와 버스바(210)를 통해 인접한 전지셀(110)로 빠르게 전달될 수 있는데, 본 실시예에 따르면 후술하는 열 팽창 부재에 의해 큰 열전파 지연 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 구체적으로, 전지 모듈(500) 내부에 위치하는 전지셀(110)에서 열폭주가 발생하면, 상대적으로 취약한 실링부에 해당하는 전극 리드(120) 쪽으로 고온의 가스 및 화염이 배출되고, 이들은 전지 모듈(500)을 냉각시키기 위한 경로를 통해 전파될 수 있다. 이때, 외부로 노출된 버스바(210)를 통해 열이 크게 전달되고, 이 열이 다시 전지셀(110) 내부로 들어와서 내부의 급속한 열전파를 유발할 수 있기 때문에 버스바(210) 통해 열전달을 차단하는 것이 매우 중요하다.
이하에서는 도 1 내지 도 4에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈에서 정상 동작 상태와 열폭주 발생 시 열의 흐름을 비교 설명하기로 한다.
도 5는 도 1의 전지 모듈의 정상 동작 상태에서 공기의 흐름을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열이 전달되는 경로를 나타내는 평면도이다.
도 5를 참고하면, 왼쪽 아래에 형성된 유입구(130a)를 통해 공기가 들어와서 냉각 유로부(131) 사이의 전지셀 적층체(150)를 통과하여 오른쪽 상부에 형성된 배출구(130b)로 공기가 빠져나가면서 내부의 전지셀에서 발생한 열을 냉각시킬 수 있다. 구체적으로, 냉각 유로부(131)는 유입 경로부(131a)와 배출 경로부(131b)를 포함하고, 유입구(130a)를 통해 들어온 공기가 유입 경로부(131a)를 따라 이동하고, 오른쪽 방향을 따라 공기가 통과한 후 배출 경로부(131b)를 따라 이동하면서 배출구(130b)로 공기가 빠져나갈 수 있다.
도 6을 참고하면, 전지의 정상 동작 상태에서 열폭주(thermal runaway)가 발생하면 냉각 경로를 통해 고온의 가스 및 화염이 전파되고, 버스바가 냉각 경로에 그대로 노출되어 있는 종래의 전지 모듈과 같은 경우에는 급격한 열전달로 동시 다발적으로 전지셀간의 열전달이 발생할 수 있다.
도 7은 도 1의 전지 모듈의 냉각 유로부를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 8은 도 7의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열 팽창 부재가 변화된 모습을 나타내는 평면도이다. 도 9는 도 7 및 도 8의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 6에서 설명한 바와 같이 발생할 수 있는 급격한 열전달을 차단하기 위해 본 실시예에 따른 전지 모듈은 도 7에서와 같이 냉각 유로부(131)에 열 팽창 부재(400)가 형성되어 있다. 열 팽창 부재(400)는 부틸계 물질, 에폭시 물질, 염화비닐계 물질 및 EPDM 고무 물질(Ethylene propylene diene methylene rubber) 중에서 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 열 팽창 부재(400)는 냉각 유로부(131)를 기준으로 버스바(210)가 위치하는 일측과 반대측에 위치할 수 있다. 열 팽창 부재(400)는 측면 플레이트(100S) 상에 형성될 수 있다. 바람직하게는 열 팽창 부재(400)는 유입구(130a) 및/또는 배출구(130b)에 인접하여 형성될 수 있다. 유입구(130a) 및 배출구(130b)는 외부 공기와 최근접하여 있기 때문에 내부에서 발생한 화염이 산소와 만나 폭발 가능성이 높기 때문에 유입구(130a) 및 배출구(130b)에 가깝게 또는 유입구(130a) 및 배출구(130b) 부분에 열 팽창 부재(400)를 형성하는 것이 효과적이다.
열 팽창 부재(400)는 복수개 형성될 수 있고, 유입 경로부(131a)를 따라 복수개의 열 팽창 부재(400)가 이격 형성되고, 배출 경로부(131b)를 따라 복수개의 열 팽창 부재(400)가 이격 형성될 수 있다. 복수개 형성된 열 팽창 부재(400)는 버스바(210)와 서로 어긋나게 배열될 수 있다. 변형 실시예로 열 팽창 부재(400)와 버스바(210)는 냉각 유로부(131)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 서로 중첩하지 않을 수 있다.
도 8을 참고하면, 전지셀 적층체(150)에 포함된 전지셀에서 열폭주가 발생하면 열 팽창 부재(400)의 두께가 팽창하여 벤팅 가스(venting gas)와 플레임(flame)에 의한 열이 유입구(130a)와 배출구(130b)를 통해 외부로 방출되지 않도록 한다. 즉, 본 실시예에 따른 열 팽창 부재(400)에 의해 냉각 유로부(131)가 차단될 수 있다.
도 9를 참고하면, 열 팽창 부재(400)의 팽창 전후의 모습을 볼 때, 냉각 유로부(131)의 단면 일부를 덮고 있던 열 팽창 부재(400)가 도 7의 전지셀 적층체(150)에서 열폭주가 발생하면 두께가 팽창하게 되어 냉각 유로부(131)의 단면을 차단할 수 있다. 이때, 열 팽창 부재(400)의 두께가 팽창하는 방향은 냉각 유로부(131)가 뻗는 방향에 수직일 수 있다. 즉, 도 8에서 도시한 Y축 방향을 따라 열 팽창 부재(400)의 두께가 팽창할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 냉각 유로부를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 11은 도 10의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열 팽창 부재가 변화된 모습을 나타내는 평면도이다.
도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 도 8 및 도 9에서 설명한 실시예와 대부분 동일하다. 다만, 본 실시예에 따른 열 팽창 부재(400)는 제1 열 팽창 부재(400a)와 제2 열 팽창 부재(400b)를 포함한다. 제1 열 팽창 부재(400a)는 측면 플레이트(100S) 상에 복수개 형성될 수 있고, 제2 열 팽창 부재(400b)는 버스바(210) 상에 위치할 수 있다. 이때, 제1 열 팽창 부재(400a)와 제2 열 팽창 부재(400b)는 서로 어긋나게 배열될 수 있다.
도 11을 참고하면, 전지셀 적층체(150)에 포함된 전지셀에서 열폭주가 발생하면 제1 열 팽창 부재(400a)와 제2 열 팽창 부재(400b)의 두께가 각각 팽창하여 벤팅 가스(venting gas)와 플레임(flame)에 의한 열이 유입구(130a)와 배출구(130b)를 통해 외부로 방출되지 않도록 한다. 즉, 본 실시예에 따른 열 팽창 부재(400)에 의해 열폭주에 의해 발생된 고온의 가스와 화염이 화살표 방향으로 배출되는 것을 방지할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 버스바(210) 상부와 측면 플레이트(100S) 상에 교차로 제1 열 팽창 부재(400a)와 제2 열 팽창 부재(400b)를 배치함으로써 보다 효율적으로 내부 공간을 줄여 냉각 유로부(131)를 차단할 수 있다.
이때, 제1 열 팽창 부재(400a)와 제2 열 팽창 부재(400b) 각각의 두께가 팽창하는 방향은 서로 반대일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 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 권리범위에 속한다.
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.
부호의 설명
130a: 유입구
130b: 배출구
210: 버스바
131: 냉각 유로부
131a: 유입 경로부
131b: 배출 경로부
400: 열 팽창 부재

Claims (11)

  1. 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈에 있어서,
    복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체와 연결되고, 버스바를 포함하는 버스바 프레임, 및
    상기 전지셀 적층체와 상기 버스바 프레임을 덮는 커버 플레이트를 포함하고,
    상기 커버 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 냉각을 위한 외부 공기가 유입 또는 배출되는 냉각 유로부가 형성되고,
    상기 냉각 유로부에 열 팽창 부재가 형성되며,
    상기 열 팽창 부재는 상기 냉각 유로부를 기준으로 상기 버스바가 위치하는 일측과 반대측에 위치하는 제1 열 팽창 부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 냉각 유로부는 상기 전지셀 적층체의 일측에 위치하여 냉각을 위한 공기가 유입되는 유입구를 갖는 유입 경로부와, 상기 전지셀 적층체의 다른 일측에 위치하여 냉각을 위한 공기가 배출되는 배출구를 갖는 배출 경로부를 포함하고,
    상기 열 팽창 부재는 상기 유입구 및/또는 상기 배출구에 인접하여 형성되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 전지셀에서 발생된 벤팅 가스(venting gas)와 플레임(flame)에 의한 열이 상기 유입구와 상기 배출구를 통해 외부로 방출되는 것이 방지되도록 상기 열 팽창 부재의 두께가 팽창하여 상기 냉각 유로부를 차단하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 열 팽창 부재의 두께 팽창 방향은, 상기 냉각 유로부가 뻗는 방향에 수직인 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 열 팽창 부재는 복수개 형성되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 열 팽창 부재와 상기 버스바는 서로 어긋나게 배열되는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 열 팽창 부재와 상기 버스바는 상기 냉각 유로부가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 서로 중첩하지 않는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 열 팽창 부재는 상기 버스바 상에 위치하는 제2 열 팽창 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 열 팽창 부재와 상기 제2 열 팽창 부재 각각의 두께가 팽창하는 방향이 서로 반대인 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 커버 플레이트는 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분과 마주보는 방향에 위치하는 측면 플레이트를 포함하고,
    상기 제1 열 팽창 부재는 상기 측면 플레이트 상에 위치하는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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