WO2021071138A1 - 단열부재를 포함하는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

단열부재를 포함하는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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WO2021071138A1
WO2021071138A1 PCT/KR2020/012841 KR2020012841W WO2021071138A1 WO 2021071138 A1 WO2021071138 A1 WO 2021071138A1 KR 2020012841 W KR2020012841 W KR 2020012841W WO 2021071138 A1 WO2021071138 A1 WO 2021071138A1
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battery
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heat insulating
battery module
battery pack
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조영범
김승준
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module including a heat insulating member and a battery pack including the same, and specifically, by adding a heat insulating member to the outside of the bus bar connected to the electrode lead, it is possible to block flames caused by ignition of the battery module in advance. It's about technology that exists.
  • Secondary batteries have different configurations depending on the power and capacity required by the applied field or product.
  • small mobile devices such as cell phones, digital cameras, notebook computers, etc. have one battery cell per device or a small battery pack containing about ten battery cells according to the trend of small-sized and thinner of the corresponding products. Is being used.
  • mid- to large-sized devices such as electric bicycles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like, are used in medium and large-sized battery packs in which a plurality of battery cells are electrically connected due to the need for high power and large capacity.
  • the secondary battery generates heat during charging and discharging to increase the temperature, and may cause combustion and ignition when the internal structure is damaged by an abnormal operating state or an external shock.
  • the electrode terminal portion is a portion in which a lot of heat is concentrated, and becomes a passage through which flame can flow out when ignition occurs due to the high temperature of the battery cell.
  • a battery pack in general, includes a bus bar for electrical connection of battery cells or battery modules accommodated therein, and a connector for connection with an external system, and a heat dissipation fan for discharging heat inside the battery pack is installed. It is often made of an open structure, such as.
  • the battery pack since the battery pack has a structure that is difficult to completely block material movement between the inside and outside, the flame generated inside the battery pack is easily transmitted to the adjacent area, and the air outside the battery pack is supplied to the inside of the battery pack to prevent an ignition state. It can last.
  • FIG. 1 is a plan view showing a state in which the top plate is removed from a conventional battery pack and a side view in a state in which the side plate is removed.
  • the battery pack is in a form in which seven battery modules 21, 22, 23, 24, 25, 26 and 27 are accommodated in a battery pack case 11.
  • the battery module 23 includes a module case 31 disposed on an outer surface of a battery cell stack including a plurality of battery cells, and an electrode extending from the battery cells.
  • the lead 33 is coupled to the bus bar 32 so that electrical connection between the battery cells may be made.
  • Patent Document 1 discloses that a plurality of unit cells are disposed in a case, and a plurality of unit cells are disposed in a case, and are extended in the vertical direction between adjacent unit cells.
  • the patent document 1 is a technology used in a battery pack having a cooling air passage, and has a problem in that the capacity and energy density of the battery are reduced because the unit cells are arranged so as to be spaced apart from each other.
  • Patent Literature 2 relates to a power supply device in which a plurality of battery modules are arranged adjacent to each other, and relates to a technology capable of blocking flame and heat by forming a fire-resistant heat-insulating case for accommodating a battery in a laminated structure of a metal plate and a heat-insulating plate. It is a structure that is difficult to apply to a battery module including a battery cell stack structure in which battery cells are closely arranged.
  • Patent Document 3 relates to a battery pack including a cell module assembly, a first temperature sensor, a pack case, and a control board, and includes an additional temperature sensor and a control board in order to control the temperature inside the battery. It is a difficult form to manufacture a pack.
  • Patent Document 1 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2018-098074 (2018.06.21)
  • Patent Document 2 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2013-251127 (2013.12.12)
  • Patent Document 3 Korean Patent Application Publication No. 2018-0085123 (2018.07.26)
  • the present invention is to solve the above problems, by disposing a heat insulating member on the outside of the bus bar for electrical connection of the electrode leads, or by applying a heat insulating member having thermal expansion characteristics inside at least a part of the battery pack case, A battery module capable of preventing the inflow of more oxygen than the minimum amount of oxygen for combustion into the battery module where ignition and flame is generated and the battery pack, and preventing heat and flame from spreading to the outside. And a battery pack including the same.
  • the battery module according to the present invention for achieving this object includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are arranged adjacently and stacked, a module case disposed on an outer surface to fix the battery cell stack, and protruding from the battery cells. It may have a structure including a bus bar for electrical connection of the electrode leads, and a heat insulating member disposed outside the bus bar.
  • the heat insulating member may have a structure including a material having thermal expansion properties.
  • the heat insulating member may have a property of being transformed into a foamed form when the battery module is ignited.
  • the heat insulating member may be expanded to a size that completely blocks a slit of a bus bar through which the electrode lead passes.
  • the heat insulating member may have a form in which a material having thermal expansion characteristics is accommodated in a pouch made of a highly elastic material.
  • the heat insulating member may be in the form of a thermal expansion sheet.
  • the heat insulating member may be made of a graphite-based material.
  • the present invention provides a battery pack including two or more battery modules, wherein the battery pack includes a battery module assembly including unit battery modules, and an upper plate and a lower plate disposed on each of the upper and lower parts of the battery module assembly. And a side plate disposed on both sides of the battery module assembly and facing a bus bar of the battery module, and a heat insulating member may be positioned inside the side plate.
  • It may include a heat insulating member having a structure in which a heat insulating member unit is disposed between the individual unit battery module and the side plate.
  • the heat insulating member may have an integral structure disposed between the battery module assembly and the side plate.
  • the present invention also provides a device including the battery pack, and the device may be any one of an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and a power storage device.
  • FIG. 1 is a plan view of a conventional battery pack with an upper plate removed and a side view with a side plate removed.
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery pack according to the present invention.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a battery module to which a heat insulating member is added.
  • FIG. 4 is a state in which the heat insulating member of FIG. 3 is expanded.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a battery pack in which a heat insulating member is added to a side plate.
  • FIG. 6 is a state in which the heat insulating member of FIG. 5 is expanded.
  • FIG. 7 is a side view showing a state in which the heat insulating member according to the first embodiment is added to the battery pack.
  • FIG 8 is a side view showing a state in which the heat insulating member according to the second embodiment is added to the battery pack.
  • the present invention relates to a battery module and a battery pack having a structure in which a heat insulating member is added to prevent the flame from spreading when ignited inside the battery module and the battery pack.
  • the battery module includes a plurality of battery cells. Adjacent and stacked battery cell stacks, a module case disposed on an outer surface to fix the battery cell stack, a bus bar for electrical connection of electrode leads protruding from the battery cells, and an outer side of the bus bar It may be made of a structure including a heat insulating member.
  • the temperature of the busbar coupled to the electrode lead and electrically connected to the electrode lead also rapidly increases.
  • the heat insulating member to be in close contact with the outside of the bus bar, the efficiency of suppressing the heat inside the battery module from being discharged to the outside can be maximized.
  • Figure 2 shows a perspective view of the battery pack according to the present invention.
  • the battery pack 100 is arranged so that a plurality of battery modules (not shown) are connected in series and/or in parallel.
  • an electrode lead extends from the battery module.
  • a bus bar frame and a bus bar are positioned at both ends to electrically connect the electrode leads.
  • the battery pack may include various types of battery pack cases, such as a mono-frame type, a U-frame type, or a plate-shaped type, in consideration of the shape of the device to be used and the output condition.
  • battery pack cases such as a mono-frame type, a U-frame type, or a plate-shaped type, in consideration of the shape of the device to be used and the output condition.
  • the battery pack 100 includes an upper plate 111 positioned above a battery module assembly including unit battery modules, a lower plate 112 positioned below the battery module assembly, and side plates 113 disposed on both sides. And the end plates are coupled to and sealed at both ends of the battery pack in the longitudinal direction except for the upper plate, the lower plate, and the side plate.
  • the battery pack may include a heat dissipation function that discharges heat generated from the inside to the outside, it is difficult to completely seal the battery pack.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a battery module to which an insulating member is added
  • FIG. 4 is a state in which the insulating member of FIG. 3 is expanded.
  • the battery module 210 includes a module case 213 on the outer surface to fix the stacked battery cell stacks (not shown) in which a plurality of battery cells are arranged adjacent to each other, and the plurality of A bus bar 211 having a slit is disposed so that the electrode leads 212 protruding from the battery cells of may pass.
  • a heat insulating member 220 is disposed outside the bus bar 211, and the heat insulating member 220 includes a material having thermal expansion characteristics.
  • the heat insulating member may have a property of expanding while being deformed into a foamed form when the battery module is ignited.
  • the expanded heat insulating member prevents the inflow of oxygen required for combustion by blocking a passage through which oxygen introduced from the outside is supplied. Can be minimized.
  • the surface area increases due to the expansion of the heat insulating member, it is possible to effectively prevent the spread of flame and heat.
  • the heat insulating member can be expanded to a size that completely blocks the slit of the bus bar through which the electrode lead passes, and thus the introduction of oxygen into the battery module through the slit can be minimized.
  • micropores may be formed therein, and a trace amount of oxygen may be introduced into the battery module through the micropores. Combustion may be suppressed or the flame generated in the battery module may be extinguished, and the temperature inside the battery module heated by the flame may be prevented from being discharged to the outside.
  • a silicon-based material and a graphite-based material may be used as a heat insulating member having such an effect, but in general, a silicon-based material is a graphite-based material because it is difficult to control the amount of oxygen inflow due to the phenomenon of blowing after expansion of the insulating member It is preferable to use a heat insulating member made of.
  • the heat insulating member may be formed in a form in which a material having thermal expansion characteristics is accommodated in a pouch made of a highly elastic material.
  • the heat insulating member may be formed in the form of a thermally expandable sheet.
  • the thermal expansion sheet may have a planar plate-like structure made of a material having thermal expansion properties, or may have a planar plate-shaped structure in which materials having a thermal expansion coefficient of different sizes are arranged in layers.
  • the overall shape of the thermal expansion sheet is not limited to a planar plate-like structure, and may be formed in a circular, elliptical, or polygonal shape.
  • FIG 4 shows a state in which the heat insulating member 220 disposed outside the bus bar 211 is inflated.
  • the heat insulating member 220 expands in the direction of the arrow to form the side plate 230 and the bus bar of the battery pack. (211)
  • the space between them can be filled without any gaps. Accordingly, it is possible to prevent external air from flowing into the battery module.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a battery pack in which a heat insulating member is added to a side plate
  • FIG. 6 is a state in which the heat insulating member of FIG. 5 is expanded.
  • the side plate 330 of the battery pack is located at a position spaced apart from the bus bar 311 to which the electrode lead 312 is connected, and the bus of the side plate 330
  • a heat insulating member 320 is attached to the inside of the bar direction.
  • the heat insulator 320 expands in the direction of the arrow as shown in FIG. 6 by the heat transferred to the heat insulator 320.
  • the expanded heat insulating member like the heat insulating member shown in FIG. 4, can fill the space between the bus bar and the side plate without any gaps, and prevents the inflow of external air into the battery module to extinguish ignition, and the battery module 310 By preventing the heat diffusion of the battery, it is possible to prevent the flame from moving to the adjacent battery module and leading to a large fire.
  • FIG. 7 is a side view showing a state in which the heat insulating member according to the first embodiment is added to the battery pack.
  • the battery pack 400 has a structure surrounding the battery module assembly with an upper plate 401, a lower plate 402, and end plates 403 and 404, and the side plate is removed for convenience of understanding. It shows the state.
  • a battery module assembly including unit battery modules 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470 is located inside the battery pack 400, and the unit battery modules 410, 420, 430, 440, 450, 460, Heat insulating member units 411, 421, 431, 441, 451, 461, and 471 are disposed between the 470 and the side plate (not shown).
  • the heat insulating member unit (411, 421, 431, 441, 451, 461, 471) is in a state disposed on the outer surface of the bus bar in the unit battery module (410, 420, 430, 440, 450, 460, 470). It may be, or it may be a form attached to the inner surface of the side plate, may be a form in which one heat insulating member unit is disposed on the outer surface of one unit battery module.
  • the heat insulating member unit is disposed on the outer surfaces of all the unit battery modules, of course, the heat insulating member unit may be disposed only on the outer surfaces of some of the unit battery modules.
  • FIG 8 is a side view showing a state in which the heat insulating member according to the second embodiment is added to the battery pack.
  • a battery module assembly including unit battery modules 510, 520, 530, 540, 550, 560, 570 is located inside the battery pack 500, and the unit battery modules 510, 520, 530, A heat insulating member 581 is disposed between the 540, 550, 560, and 570 and the side plate (not shown).
  • the heat insulating member of FIG. 8 has an elongated integral structure so that it can be disposed between the battery module assembly and the side plate.
  • the space between the battery module assembly and the side plate can be completely filled, and the flame generated from one battery module can be more effectively prevented from spreading to other battery modules.
  • the battery module and the battery pack according to the present invention are provided with a heat insulating member including a material having thermal expansion characteristics in the part where heat is most intense, and are quickly transformed into a foamed form to effectively prevent the flame from spreading. can do.
  • the battery module according to the present invention since the battery module according to the present invention has a structure in which the flame generated from the inside cannot be discharged to the outside, it is possible to prevent the flame from leaking out or the heat spread to the adjacent battery module and causing a cascade of fire I can.

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Abstract

본 발명은 복수의 전지셀들이 인접하게 배열되어 적층된 전지셀 스택, 상기 전지셀 스택을 고정하도록 외면에 배치된 모듈케이스, 상기 전지셀들에서 돌출된 전극리드들의 전기적인 연결을 위한 버스바, 및 상기 버스바의 외측에 배치되는 단열부재를 포함하여, 전지모듈 내부에서 발생한 화염의 진화를 빠르고 간단하게 할 수 있고, 내부의 화염이 확산되는 것을 방지할 수 있는 전지모듈에 대한 것이다. (대표도) 도 3

Description

단열부재를 포함하는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩
본 출원은 2019년 10월 10일자 한국 특허 출원 제2019-0125091호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원 발명은 단열부재를 포함하는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것으로서, 구체적으로, 전극리드와 연결되는 버스바의 외측에 단열부재를 부가함으로써 전지모듈의 발화로 인한 화염을 사전에 차단할 수 있는 기술에 대한 것이다.
이차전지는 적용되는 분야 또는 제품에서 요구되는 출력과 용량에 따라 다른 구성을 가지고 있다. 예를 들어, 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나의 전지셀 또는 열개 내외의 전지셀을 포함하고 있는 소형 전지팩이 사용되고 있다. 반면에, 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용되고 있다.
일반적으로, 전지팩의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 소형이면서 경량의 전지팩을 제조하려고 노력하고 있다.
상기 이차전지는 충방전시에 열이 발생하여 온도가 증가하고, 비정상적인 작동상태 또는 외부 충격에 의해 내부 구조체가 손상되는 경우 연소 및 발화를 야기할 수 있다.
특히, 이차전지용 전지셀에서 전극단자 부위는 많은 열이 집중되는 부분으로서, 전지셀의 고온화 현상에 따른 발화 발생시 외부로 화염이 유출될 수 있는 통로가 된다.
일반적으로, 전지팩은 내부에 수용된 전지셀 또는 전지모듈의 전기적인 연결을 위한 버스바, 및 외부 시스템과 연결을 위한 커넥터 등이 결합되고, 전지팩 내부의 열을 배출하기 위한 방열팬이 설치되는 등, 개방된 구조로 이루어지는 경우가 많다.
이와 같이, 전지팩은 내부와 외부 간의 물질 이동이 완전히 차단되기 어려운 구조이기 때문에, 전지팩 내부에서 발생한 화염이 인접 구역으로 전달되기 쉽고, 전지팩 외부의 공기가 전지팩 내부로 공급되어 발화 상태가 지속될 수 있다.
이와 관련하여, 도 1은 종래의 전지팩에서 상부판을 제거한 상태의 평면도와 측면판을 제거한 상태의 측면도를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩은 전지팩 케이스(11) 내부에 7개의 전지모듈들(21, 22, 23, 24, 25, 26, 27)을 수용하고 있는 형태이다.
전지모듈(23)을 확대한 확대도를 참조하면, 전지모듈(23)은 복수의 전지셀들을 포함하는 전지셀 스택의 외면에 모듈 케이스(31)가 배치되고, 상기 전지셀들에서 연장된 전극리드(33)는 버스바(32)에 결합되어 전지셀들 간의 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 전지모듈(24)이 이상 작동에 의해 발화되는 경우, 화염은 인접하는 전지모듈들에 화살표 방향과 같이 전달되는 바, 열의 확산으로 인해 모든 전지모듈들을 사용할 수 없게 될 뿐 아니라 화재에 따른 위험이 증가하기 때문에 안전성 문제가 커질 수 있다.
따라서, 처음 발화된 전지모듈에서 화염이 번지지 않는 구조가 필요하다.
이에, 관련 업계에서는 전지모듈 및 전지팩의 발화 및 열 확산을 방지하기 위한 다양한 방법을 모색하고 있는 바, 특허문헌 1은 케이스 내에 복수의 단전지가 배치되고, 인접한 단전지 사이에는 상하 방향으로 연장된 냉각풍 통로를 가지는 배터리팩으로서, 상기 배터리팩은 상기 냉각풍 통로의 상방에 단열성을 갖고 소정 온도 이상에서 열팽창해 냉각풍 통로에 유입되는 열팽창성 흑연으로 구성되는 발포 단열재를 구비하여 단전지 간의 열폭주가 확대되는 것을 방지하고 있다.
상기 특허문헌 1은 냉각풍 통로가 형성된 전지팩에서 사용하는 기술로서, 단전지 사이가 이격되도록 배치되는 형태인 바, 전지의 용량 및 에너지 밀도가 감소되는 문제가 있다.
특허문헌 2는 복수의 전지 모듈을 인접하게 배치하는 전원 장치에 대한 것으로, 전지를 수납하는 내화 단열 케이스가 금속판과 단열 플레이트의 적층 구조로 이루어짐으로써 화염 및 열을 차단할 수 있는 기술에 대한 것으로, 개별 전지셀이 밀착 배열된 전지셀 스택 구조를 포함하는 전지모듈에 적용하기 어려운 구조이다.
특허문헌 3은 셀 모듈 조립체, 제1온도 센서, 팩 케이스 및 제어 보드를 포함하는 배터리 팩에 대한 것으로서, 전지 내부의 온도를 제어하기 위하여 추가적인 온도 센서 및 제어 보드를 포함하는 점에서 경량 및 소형 전지팩을 제조하기 어려운 형태이다.
이와 같이, 전지의 용량 감소 및 전지모듈 및 전지팩의 크기 증가가 문제되지 않고, 전지모듈 및 전지팩의 발화 및 폭발에 따른 화염이 인접한 전지모듈로 확산되는 것을 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 제2018-098074호 (2018.06.21)
(특허문헌 2) 일본 공개특허공보 제2013-251127호 (2013.12.12)
(특허문헌 3) 대한민국 공개특허공보 제2018-0085123호 (2018.07.26)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전극리드들의 전기적인 연결을 위한 버스바의 외측에 단열부재를 배치하거나, 전지팩 케이스의 적어도 일부 내부에 열팽창 특성이 있는 단열부재를 적용함으로써, 발화 및 화염이 발생한 전지모듈 및 전지팩 내부로 연소를 위한 최소 산소량보다 많은 산소가 유입되는 것을 방지하고, 상기 전지모듈 및 전지팩 내부의 열 및 화염이 외부로 확산되는 것을 방지할 수 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전지모듈은, 복수의 전지셀들이 인접하게 배열되어 적층된 전지셀 스택, 상기 전지셀 스택을 고정하도록 외면에 배치된 모듈케이스, 상기 전지셀들에서 돌출된 전극리드들의 전기적인 연결을 위한 버스바, 및 상기 버스바의 외측에 배치되는 단열부재를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단열부재는 열팽창 특성을 갖는 소재를 포함하는 구조일 수 있다.
상기 단열부재는 전지모듈의 발화시 발포 형태로 변형되는 성질을 갖는 것일 수 있다.
또한, 상기 단열부재는, 상기 전극리드가 통과되는 버스바의 슬릿을 완전히 막는 크기로 팽창될 수 있다.
상기 단열부재는 고탄성 소재의 파우치 내부에 열팽창 특성을 갖는 소재가 수용된 형태일 수 있다.
또는, 상기 단열부재는 열팽창 시트 형태일 수 있다.
상기 단열부재는 흑연계열 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명은, 상기 전지모듈을 2개 이상 포함하는 전지팩을 제공하며, 상기 전지팩은, 단위 전지모듈들을 포함하는 전지모듈 어셈블리, 상기 전지모듈 어셈블리의 상부 및 하부 각각에 배치되는 상부판과 하부판, 상기 전지모듈 어셈블리의 양쪽 측면에 배치되면서 전지모듈의 버스바와 대향하는 측면판을 포함하고, 상기 측면판의 내측에는 단열부재가 위치하는 구조일 수 있다.
상기 개별 단위 전지모듈과 측면판 사이에 단열부재 유닛이 배치되는 구조의 단열부재를 포함할 수 있다.
또는, 상기 단열부재는 상기 전지모듈 어셈블리와 측면판 사이에 배치되는 일체형 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 중 어느 하나일 수 있다.
도 1은 종래의 전지팩에서 상부판을 제거한 상태의 평면도와 측면판을 제거한 상태의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지팩의 사시도이다.
도 3은 단열부재가 부가된 전지모듈의 일부 단면도이다.
도 4는 도 3의 단열부재가 팽창된 상태이다.
도 5는 단열부재가 측면판에 부가된 전지팩의 일부 단면도이다.
도 6은 도 5의 단열부재가 팽창된 상태이다.
도 7은 전지팩에서 제1실시예에 따른 단열부재가 부가된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 8는 전지팩에서 제2실시예에 따른 단열부재가 부가된 상태를 나타내는 측면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 종속항에 기재된 한정사항은 본 명세서에 기재된 모든 실시예에 적용될 수 있다.
구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정 발명으로 한정하지 않는다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
본 발명은 전지모듈 및 전지팩 내부에서 발화하는 경우 화염이 확산되는 것을 방지하기 위하여, 단열부재가 부가된 구조의 전지모듈 및 전지팩에 대한 것으로서, 구체적으로, 상기 전지모듈은 복수의 전지셀들이 인접하게 배열되어 적층된 전지셀 스택, 상기 전지셀 스택을 고정하도록 외면에 배치된 모듈케이스, 상기 전지셀들에서 돌출된 전극리드들의 전기적인 연결을 위한 버스바, 및 상기 버스바의 외측에 배치되는 단열부재를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지모듈 내부의 온도가 증가할 때, 전극탭 및 전극리드의 온도가 가장 높게 상승하기 때문에, 전극탭 및 전극리드에서 발화 가능성이 매우 높다.
또한, 상기 전극리드와 결합되어 전기적으로 연결된 버스바의 온도도 급격히 증가하게 된다.
따라서, 상기 단열부재를 상기 버스바의 외측에 밀착되도록 배치함으로써 전지모듈 내부의 열이 외부로 배출되는 것을 억제하는 효율성을 최대화시킬 수 있다.
이와 관련하여, 도 2는 본 발명에 따른 전지팩의 사시도를 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩(100)은 내부에 복수의 전지모듈들(도시하지 않음)이 직렬 및/또는 병렬로 연결되도록 배열되어 있고, 이와 같은 배열을 위해 전지모듈에서 전극리드가 연장되는 양측 끝단에는 버스바 프레임 및 버스바가 위치하여 전극리드들의 전기적인 연결이 이루어진다.
일반적으로 전지팩은 사용되는 디바이스의 형태, 출력 조건 등을 고려하여, 모노프레임 형태 또는 U-프레임 형태 또는 판상형 형태 등 다양한 형태의 전지팩 케이스를 구비할 수 있다.
전지팩(100)은 단위 전지모듈들을 포함하는 전지모듈 어셈블리의 상부에 위치하는 상부판(111), 전지모듈 어셈블리의 하부에 위치하는 하부판(112) 및 양쪽 측면에 배치되는 측면판(113)을 포함하고, 상기 상부판, 하부판 및 측면판을 제외한 전지팩의 길이 방향 양 끝단에는 엔드 플레이트가 결합되어 밀봉된다.
그러나, 전지팩은 내부에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 방열 기능이 포함될 수 있는 바, 전지팩의 완전한 밀봉은 어려운 상태이다.
도 3은 단열부재가 부가된 전지모듈의 일부 단면도이고, 도 4는 도 3의 단열부재가 팽창된 상태이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전지모듈(210)은 복수의 전지셀들이 인접하게 배열되어 적층된 전지셀 스택(도시하지 않음)을 고정하도록 외면에 모듈케이스(213)를 포함하고, 상기 복수의 전지셀들에서 돌출된 전극리드(212)들이 통과할 수 있도록 슬릿이 형성된 버스바(211)가 배치된다.
버스바(211)의 외측에는 단열부재(220)가 배치되는 바, 단열부재(220)는 열팽창 특성을 갖는 소재를 포함한다.
구체적으로, 상기 단열부재는 전지모듈의 발화시 발포 형태로 변형되면서 팽창하는 성질을 갖는 것일 수 있는 바, 팽창된 단열부재로 인해 외부로부터 유입되는 산소가 공급되는 통로를 막아서 연소에 필요한 산소 유입을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 단열부재의 팽창으로 표면적이 증가하기 때문에 화염 및 열이 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 단열부재는 전극리드가 통과되는 버스바의 슬릿을 완전히 막는 크기로 팽창될 수 있는 바, 상기 슬릿을 통해 산소가 전지모듈 내부로 유입되는 것을 최소화할 수 있다.
상기 단열부재는 팽창되면서 내부에 미세 기공이 형성될 수 있고, 상기 미세 기공을 통해 미량의 산소가 전지모듈 내부로 유입될 수 있으나, 연소에 필요한 양의 산소보다 적은 양의 산소가 유입되는 경우에는 연소를 억제하거나, 전지모듈에서 발생한 화염이 소멸될 수 있으며, 상기 화염에 의해 뜨거워진 전지모듈 내부의 온도가 외부로 배출되는 것을 차단할 수 있다.
이와 같은 효과를 갖는 단열부재는 예를 들어, 실리콘계열 소재 및 흑연계열 소재가 사용될 수 있으나, 일반적으로 실리콘 계열 소재는 단열부재 팽창 후 날리는 현상이 발생하여 산소 유입량을 제어하기 어려우므로, 흑연계열 소재로 이루어진 단열부재를 사용하는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단열부재는 고탄성 소재의 파우치 내부에 열팽창 특성을 갖는 소재가 수용된 형태로 이루어질 수 있다.
따라서, 전지셀 내부의 온도 증가로 인해 열팽창 특성을 갖는 소재가 팽창하더라도, 고탄성 소재의 파우치 내부에 수용된 상태이기 때문에 팽창 및 확산의 범위가 제한적이다. 따라서, 열팽창 특성을 갖는 소재가 전지팩 외부로 배출되거나, 전지모듈과 전지팩 케이스 사이에 위치하면서 정상 상태인 전지모듈 내부의 열 배출을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 단열부재는 열팽창 시트 형태로 이루어질 수 있다.
상기 열팽창 시트는 열팽창 특성을 갖는 소재로 이루어진 평면상 판상형 구조로 이루어진 형태일 수 있고, 또는, 서로 다른 크기의 열팽창계수를 갖는 물질들이 층상 배열된 형태로 이루어진 평면상 판상형 구조일 수 있다.
또는, 상기 열팽창 시트의 전체적인 형상은 평면상 판상형 구조로 한정되지 않고, 원형, 타원형 또는 다각형 형태로 이루어질 수 있다.
도 4에서는 버스바(211)의 외측에 배치된 단열부재(220)가 팽창된 상태를 도시하고 있는 바, 단열부재(220)는 화살표 방향으로 팽창되어 전지팩의 측면판(230)과 버스바(211) 사이 공간을 빈틈없이 채울 수 있다. 따라서, 외부의 공기가 전지모듈 내부로 유입되는 것을 억제할 수 있다.
도 5는 단열부재가 측면판에 부가된 전지팩의 일부 단면도이고, 도 6은 도 5의 단열부재가 팽창된 상태이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전지모듈(310)은 전극리드(312)가 연결된 버스바(311)와 이격된 위치에 전지팩의 측면판(330)이 위치하고, 측면판(330)의 버스바 방향의 내측에는 단열부재(320)가 부착되어 있다.
전지모듈(310) 내부의 온도 증가에 따라 전극리드의 온도가 상승하면, 단열부재(320)로 전달된 열에 의해 단열부재(320)는 도 6에 도시된 바와 같이 화살표 방향으로 팽창한다. 팽창된 단열부재는 상기 도 4에 도시된 단열부재와 같이, 버스바와 측면판 사이 공간을 빈틈없이 채울 수 있는 바, 외부 공기의 전지모듈 내부로 유입을 방지하여 발화를 소멸시키고 전지모듈(310)의 열확산을 방지하여 인접하는 전지모듈에 화염이 이동하여 큰 화재로 이어지는 것을 막을 수 있다.
도 7은 전지팩에서 제1실시예에 따른 단열부재가 부가된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 7을 참조하면, 전지팩(400)은 상부판(401), 하부판(402) 및 엔드 플레이트(403, 404)로 전지모듈 어셈블리를 감싸는 구조로 이루어지고, 이해의 편의를 위하여 측면판이 제거된 상태를 도시하고 있다.
전지팩(400) 내부에는 단위 전지모듈(410, 420, 430, 440, 450, 460, 470)을 포함하는 전지모듈 어셈블리가 위치하고, 단위 전지모듈(410, 420, 430, 440, 450, 460, 470)과 측면판(도시하지 않음) 사이에는 단열부재 유닛(411, 421, 431, 441, 451, 461, 471)이 배치되어 있다.
구체적으로 단열부재 유닛(411, 421, 431, 441, 451, 461, 471)은 단위 전지모듈(410, 420, 430, 440, 450, 460, 470)에서 버스바의 외측면에 배치된 상태일 수 있고, 또는 측면판의 내측면에 부착된 형태일 수 있으며, 1개의 단위 전지모듈의 외면에 1개의 단열부재 유닛이 배치된 형태일 수 있다.
도 7은 단열부재 유닛이 모든 단위 전지모듈들 외면에 배치된 형태를 도시하고 있으나, 단열부재 유닛은 일부의 단위 전지모듈들 외면에만 배치될 수 있음은 물론이다.
이와 같은 경우에는, 열팽창되어 수명을 다한 단열부재가 생기면, 이를 교체 사용하는 것이 가능할 수 있다.
도 8는 전지팩에서 제2실시예에 따른 단열부재가 부가된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 8을 참조하면, 전지팩(500) 내부에는 단위 전지모듈(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570)을 포함하는 전지모듈 어셈블리가 위치하고, 단위 전지모듈(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570)과 측면판(도시하지 않음) 사이에는 단열부재(581)가 배치되어 있다.
도 7의 단열부재 유닛과 달리, 도 8의 단열부재는 전지모듈 어셈블리와 측면판 사이에 배치될 수 있도록 기다란 형태의 일체형 구조이다.
따라서, 어느 하나의 단위 전지모듈에서 발화되는 경우, 전지모듈 어셈블리와 측면판 사이 공간을 빈틈없이 채울 수 있는 바, 어느 전지모듈에서 발생한 화염이 다른 전지모듈로 확산되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 및 전지팩은, 가장 발열이 심한 부분에 열팽창 특성을 갖는 소재를 포함하는 단열부재를 배치하고 있는 바, 신속하게 발포 형태로 변형되어 화염이 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
100, 400, 500: 전지팩
11: 전지팩 케이스
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 210, 310, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 510, 520, 530, 540, 550, 560, 570: 전지모듈
31: 모듈 케이스
32: 버스바
33, 212, 312: 전극리드
111, 401: 상부판
112, 402: 하부판
113, 230, 330: 측면판
211, 311: 버스바
213: 모듈케이스
220, 320, 581: 단열부재
403, 404: 엔드 플레이트
411, 421, 431, 441, 451, 461, 471: 단열부재 유닛
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지모듈은 내부에서 발생한 화염이 외부로 배출되지 못하는 구조로 이루어지기 때문에, 인접하는 전지모듈로 화염이 유출되거나 열이 확산되어 연쇄적인 발화가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
또한, 화염에 휩싸인 전지모듈 내부로 산소가 유입되는 것을 차단할 수 있으므로, 빠르고 간단하게 발화를 진화할 수 있다.
또한, 열팽창 특성을 갖는 소재를 고탄성 파우치에 수납하는 형태의 단열부재를 전지모듈에 적용하는 경우에, 열팽창 특성을 갖는 소재가 팽창되는 범위가 상기 고탄성 파우치의 팽창 한계로 한정되기 때문에, 발화 가능성이 높은 부분에 배치하여 확실한 발화 억제 효과를 얻을 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 전지셀들이 인접하게 배열되어 적층된 전지셀 스택;
    상기 전지셀 스택을 고정하도록 외면에 배치된 모듈케이스;
    상기 전지셀들에서 돌출된 전극리드들의 전기적인 연결을 위한 버스바; 및
    상기 버스바의 외측에 배치되는 단열부재;
    를 포함하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단열부재는 열팽창 특성을 갖는 소재를 포함하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단열부재는 전지모듈의 발화시 발포 형태로 변형되는 성질을 갖는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단열부재는, 상기 전극리드가 통과되는 버스바의 슬릿을 완전히 막는 크기로 팽창되는 전지모듈.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 단열부재는 고탄성 소재의 파우치 내부에 열팽창 특성을 갖는 소재가 수용된 형태인 전지모듈.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 단열부재는 열팽창 시트 형태인 전지모듈.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 단열부재는 흑연계열 소재를 포함하는 전지모듈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 전지모듈을 2개 이상 포함하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전지팩은,
    단위 전지모듈들을 포함하는 전지모듈 어셈블리;
    상기 전지모듈 어셈블리의 상부 및 하부 각각에 배치되는 상부판과 하부판;
    상기 전지모듈 어셈블리의 양쪽 측면에 배치되면서 전지모듈의 버스바와 대향하는 측면판;
    을 포함하고,
    상기 측면판의 내측에는 단열부재가 위치하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 개별 단위 전지모듈과 측면판 사이에 단열부재 유닛이 배치되는 전지팩.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 단열부재는 상기 전지모듈 어셈블리와 측면판 사이에 배치되는 일체형 구조로 이루어진 전지팩.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 중 어느 하나인 디바이스.
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