WO2021145646A1 - 가스 벤팅 장치 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

가스 벤팅 장치 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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WO2021145646A1
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gas
battery pack
venting device
battery
disk
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PCT/KR2021/000398
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김두승
심일석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a gas venting device for discharging gas inside the battery pack and a battery pack including the same.
  • a battery pack applied to an electric vehicle has a structure in which a plurality of battery modules including a plurality of secondary batteries are connected in series or in parallel to obtain high output.
  • the secondary battery can be repeatedly charged and discharged by an electrochemical reaction between components, including positive and negative current collectors, separators, active materials, electrolytes, and the like.
  • a secondary battery may generate gas from the inside at any time during use while repeating charging and discharging, which is referred to as venting gas. For example, when an overcurrent flows, the temperature of the internal secondary battery rises rapidly. Such a rapid increase in temperature may cause a decomposition reaction of the electrolyte to generate gas.
  • gas When gas is generated from an internal secondary battery in the battery pack, the gas may be collected inside the pack to explode the battery pack, or may flow into the interior of a vehicle or the like through a duct for cooling of the battery pack. Accordingly, the battery pack is provided with a venting device for reducing the internal pressure by discharging the internal gas to the outside.
  • the venting device has a structure in which a venting disk that can be ruptured according to an internal pressure is generally inserted between an inlet through which gas is introduced and an outlet through which the gas is discharged.
  • the conventional venting device since the conventional venting device has a cylindrical structure in which the gas inlet and the outlet are connected, the pressure between the inlet and the outlet is not large, so there is a limit to the flow rate of the gas that can be discharged.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and to provide a gas venting device capable of discharging a greater flow rate per hour even with a venting disk having the same area, and a battery module and battery pack including the same.
  • a gas venting device for a battery pack includes: an inner bracket having a through hole formed in the center and serving as a flow path through which gas inside the battery pack flows; an outer bracket having a structure in which a through hole communicating with the through hole of the inner bracket is formed to form a flow path through which the introduced gas is discharged to the outside; and a venting disk coupled between the inner bracket and the outer bracket to shield the through hole, and to be ruptured when a predetermined pressure is applied.
  • the cross-sectional area of the flow path formed in the outer bracket continuously or sequentially decreases in the gas discharge direction.
  • the outer bracket has a structure in which a discharge guide member having a gas discharge passage communicating with the through hole is inserted into a through hole formed in the center, and the cross-sectional area of the gas discharge passage is continuous from the inlet to the outlet of the flow passage decreases gradually or sequentially.
  • the gas discharge passage formed in the discharge guide member has a truncated cone shape.
  • an inclined surface formed on the inner wall of the passage is concavely curved.
  • the gas discharge flow path formed in the discharge guide member has a truncated cone shape in which an inclined surface formed on the inner wall of the flow path is convexly bent as the cross-sectional area is continuously decreased toward the outlet.
  • the cross-sectional area of the inlet portion corresponds to the cross-sectional area of the through hole formed in the inner bracket.
  • the cross-sectional area of the outlet portion is 40 to 80% of the cross-sectional area of the inlet portion.
  • protrusions having a threaded, embossed, or linear pattern are formed on the inner wall of the flow path.
  • the venting disk may include a disk outer peripheral portion fastened to the inner bracket and the outer bracket; and an inner circumference of the disk formed in one body with the outer circumference of the disk, and shielding the through hole, which ruptures when a predetermined pressure is applied; includes
  • the inner periphery of the disk is made of a metal or plastic material that can be ruptured when a predetermined pressure is applied.
  • a notch is formed in the inner periphery of the disk so that it ruptures when the predetermined pressure is applied.
  • a disk pad is interposed between any one or more of between the outer bracket and the venting disk and between the inner bracket and the venting disk.
  • the present invention provides a battery module including the gas venting device described above, wherein the battery module includes a plurality of secondary batteries; and a module frame on which the secondary battery is mounted. Including, a gas venting device is formed on one side of the module frame.
  • the battery module further includes a sealing member for sealing between the module frame and the outer periphery of the gas venting device.
  • the present invention also provides a battery pack including the gas venting device described above, the battery pack comprising: a battery module including a plurality of secondary batteries; a battery pack case including a tray on which the battery module is mounted and a pack cover covering the battery module; Including, a gas venting device is formed on one side of the battery pack case.
  • the battery module may be a battery module in which a gas venting device is formed on one side of the module frame, as described above.
  • the battery pack further includes a sealing member for sealing between the battery pack case and the outer periphery of the gas venting device.
  • the present invention also provides an automobile including the battery pack.
  • the gas venting device according to the present invention and a battery module or battery pack including the same can improve the safety of the battery module and battery pack by discharging a greater flow rate per time even when a venting disk having the same area is used.
  • FIG. 1 is a perspective view of a gas venting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a coupling form of a bracket and a venting disk in a gas venting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the shape of a venting disk according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a cross-section of a venting disk and an outer bracket according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a cross-section of a venting disk and an outer bracket according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a cross section of a venting disk and an outer bracket according to another embodiment of the present invention.
  • a gas venting device for a battery module and a battery pack includes: an inner bracket having a hole formed in the center thereof to act as a flow path through which gas inside the battery pack flows into the hole; an outer bracket having a structure in which a through hole communicating with the through hole is formed to form a flow path through which the introduced gas is discharged to the outside; and a venting disk coupled between the inner bracket and the outer bracket to shield the through hole, and to be ruptured when a predetermined pressure is applied.
  • the cross-sectional area of the flow path formed in the outer bracket continuously or sequentially decreases in the gas discharge direction.
  • the inner side means a direction in which gas flows from the inside of the battery module or battery pack
  • the outer side means a direction in which the gas exits to the outside.
  • a plurality of battery modules are mounted in a battery pack, and a plurality of secondary batteries are embedded in each battery module.
  • These secondary batteries generate gas due to the decomposition reaction of the electrolyte, etc. as the charging and discharging are repeated.
  • the heat generated during the charging/discharging process of the battery promotes gas generation and expands the gas to increase the pressure inside the battery module or battery pack. If this process continues, the battery module or battery pack may explode, or the gas inside may flow into the vehicle through a duct, etc., so when the pressure of the gas exceeds a predetermined size, the venting disk ruptures to release the gas.
  • a venting device is attached.
  • These gases are generally compressible fluids that change in volume with respect to pressure.
  • a region of high pressure and density is generated in some areas, and the volume of the air is reduced.
  • the discharging rate of the gas since the discharging rate of the gas is small, it shows an incompressible flow phenomenon in which the change in volume according to the pressure can be neglected.
  • the voltage force on the fluid is constant, and the pressure and velocity of the fluid are inversely proportional. That is, when the pressure of the fluid increases, the flow rate decreases, and when the pressure of the fluid decreases, the flow rate increases.
  • the internal pressure increases as the speed of the air decreases at the inlet with a large cross-sectional area, and the speed of the air increases at the outlet with a small cross-sectional area.
  • the internal pressure will decrease. Accordingly, the pressure difference between the inlet and the outlet is further increased locally, and a larger flow rate of gas can be discharged even when a venting disk having the same area is used. Therefore, when the internal pressure caused by the gas generated inside the battery pack exceeds the reference value, the safety of the battery module and the battery pack can be improved by quickly discharging the gas.
  • the outer bracket has a structure in which a discharge guide member having a gas discharge passage communicating with the through hole is inserted into a through hole formed in the center, and the cross-sectional area of the gas discharge passage is continuous from the inlet to the outlet of the flow passage decreases gradually or sequentially.
  • the discharge guide member is of a detachable or replaceable structure.
  • the gas discharge flow path formed in the discharge guide member is a through hole formed in the outer bracket and serves as a flow path through which the gas is discharged to the outside.
  • the gas discharge passage formed in the discharge guide member has a truncated cone shape.
  • the shape of the inlet portion and the outlet portion is circular, and constitutes a lower surface and an upper surface of the frustum shape, respectively.
  • the inner wall of the passage has a structure in which an inclined surface is formed on the inner wall of the passage as the cross-sectional area continuously decreases from the inlet to the outlet. In this case, the reduction rate of the cross-sectional area is constant throughout the flow path.
  • the reduction rate of the cross-sectional area may have a shape that changes throughout the flow path.
  • the gas discharge flow path formed in the discharge guide member has a concave cone shape in which an inclined surface formed on the inner wall of the flow path is concavely curved as the cross-sectional area continuously decreases toward the outlet.
  • the shape in which the inclined surface is concavely curved means a shape in which the inclined surface is recessed toward the outside of the flow path in the vertical cross section of the flow path.
  • the reduction rate of the cross-sectional area is small near the inlet portion through which the gas flows, and increases toward the outlet portion through which the gas is discharged.
  • the gas discharge passage formed in the discharge guide member has a truncated cone shape in which an inclined surface formed on the inner wall of the flow passage is convexly curved as the cross-sectional area is continuously decreased toward the outlet.
  • the shape in which the inclined surface is convexly curved means a shape in which the inclined surface protrudes toward the center of the flow path in the vertical cross section of the flow path.
  • the reduction rate of the cross-sectional area is large near the inlet portion through which the gas is introduced, and increases toward the outlet portion through which the gas is discharged.
  • the shape of the flow path formed therein can be designed in various forms according to safety standards of the battery pack.
  • the cross-sectional area of the inlet portion corresponds to the cross-sectional area of the through hole formed in the inner bracket. Accordingly, it is possible to prevent a change in pressure or flow rate before the gas generated inside the battery pack enters the flow path formed in the discharge guide member.
  • the cross-sectional area of the inlet portion is larger than the cross-sectional area of the through hole formed in the inner bracket, the cross-sectional area of the passage increases along the flow direction while the gas sequentially passes through the inner bracket and the inlet portion of the passage. Since the flow rate of the gas may be reduced during the process, the effect according to the present invention may be impaired.
  • the cross-sectional area of the outlet portion may be appropriately selected according to the structure of the battery module and battery pack or safety conditions to be achieved, but may be 40% to 80% of the cross-sectional area of the inlet portion.
  • the cross-sectional area of the outlet may be 50 to 70% of the cross-sectional area of the inlet, and more specifically, may be 55 to 65%. If the cross-sectional area of the outlet is less than 40% of the cross-sectional area of the inlet, the outlet is too narrow.
  • the cross-sectional area of the outlet exceeds 80% of the cross-sectional area of the inlet, the difference in cross-sectional area between the inlet and the outlet is excessively reduced. As the pressure difference between the inlet and the outlet decreases, the efficiency of gas venting decreases.
  • a pattern for assisting gas discharge may be formed on the inner wall of the flow path.
  • the pattern may be threaded, embossed, or a protrusion shape having a pattern of straight lines parallel to the gas discharge direction.
  • the pattern may be in the form of a thread protrusion or embossing in the form of wrapping the inside of the flow path along the inner wall of the flow path. Such a pattern can facilitate the evacuation of gases.
  • the venting disk includes: a disk outer peripheral portion fastened to the inner bracket and the outer bracket; and an inner circumference of the disk formed in one body with the outer circumference of the disk, and shielding the through hole, which ruptures when a predetermined pressure is applied; includes
  • the outer periphery of the disk is a portion for fixing the bracket and the venting disk, and one surface is in contact with the inner bracket and the other surface is in contact with the outer bracket.
  • the outer peripheral portion of the disk may further include a fastener along the circumferential direction, and the inner bracket, the outer peripheral portion of the disk, and the outer bracket may be integrally coupled through a bolt fastening method or the like.
  • the inner periphery of the disc is made of a metal or plastic material that can be ruptured when a predetermined pressure is applied.
  • the inner periphery of the disk may be formed of a thin metal or plastic material such as copper, aluminum, or stainless steel.
  • the inner periphery of the disk may be appropriately selected according to the pressure condition at the time of rupture, and the scope of the present invention is not limited thereto.
  • the inner periphery of the disk prevents moisture or foreign substances from penetrating into the battery pack by blocking the through hole of the inner bracket under normal conditions.
  • the pressure inside the battery pack increases, and this pressure acts as a force to rupture the inner periphery of the disk.
  • the gas inside since the pressure inside the battery module or battery pack is higher than the atmospheric pressure outside, the gas inside may be discharged to the outside of the battery module or battery pack by the negative pressure.
  • a notch is formed in the inner periphery of the disk so that it ruptures when a predetermined pressure is applied.
  • This notch is formed by being partially cut out in the thickness direction from the surface of the disk.
  • the shape of the notch may be designed in a shape such as a cross shape, a circular quadrangle, a U shape, an oval shape, an arc shape, and the like, and the cross section of the notch may have a shape such as a trapezoid, a V shape, a square, an arc shape.
  • the shape of the notch formed on the inner periphery of the disk is not necessarily limited thereto, and may have various shapes.
  • a disk pad may be interposed between any one or more of between the outer bracket and the venting disk and between the inner layer bracket and the venting disk.
  • a disk pad may be provided in a shape corresponding to the outer periphery of the disk, and may be provided in an annular or ring shape.
  • the disk pad is to increase the airtightness between the outer bracket and the venting disk or between the inner bracket and the venting disk, and to prevent damage to the outer periphery of the disk.
  • the disk pad may be formed of a rubber material having elasticity or the like.
  • the present invention provides a battery module including the gas venting device described above.
  • a battery module according to the present invention a plurality of secondary batteries; and a module frame on which the secondary battery is mounted. It has a structure in which the gas venting device as described above is formed on one side of the module frame.
  • the secondary battery has a shape in which an electrode assembly in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator are alternately stacked is mounted in a cell case together with an electrolyte. Since the configuration of the secondary battery is obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains, a more detailed description thereof will be omitted.
  • the coupling method of the module frame of the battery module and the gas venting device the same method as the coupling method of the battery pack and the gas venting device to be described later may be used.
  • the battery module may further include a sealing member for sealing between the module frame and the outer periphery of the gas venting device.
  • the sealing member may be a rubber ring or a silicone resin, and may be installed in a gap between the gas venting device and the module frame to seal the battery module.
  • the present invention provides a battery pack including the gas venting device described above.
  • the battery pack according to the present invention a battery module having a plurality of secondary batteries; a battery pack case including a tray on which the battery module is mounted and a pack cover covering the battery module; It has a structure in which the gas venting device as described above is formed on one side of the battery pack case.
  • the battery module includes a plurality of secondary batteries, a module frame for accommodating them, and electrical equipment mounted around the module.
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell, and has a structure including an electrode assembly, an electrolyte, and a pouch case.
  • the configuration of such a battery cell is obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains, and thus a more detailed description thereof will be omitted.
  • various secondary batteries known at the time of filing of the present invention may be employed in the battery pack according to the present invention.
  • the electrical equipment includes a battery management system (BMS) that monitors and controls the operation of the battery module, a battery disconnection unit (BDU) that controls the electrical connection of the battery module, and between the battery module and the BMS. It is located and includes a fuse that provides an overcurrent blocking function.
  • BMS battery management system
  • BDU battery disconnection unit
  • the battery pack case includes a tray on which the battery module is mounted from the lower portion and a pack cover that covers the side and upper portions of the battery module, and the tray and the pack cover may be coupled to each other by a bolt fastening method.
  • a hole serving as a gas outlet may be formed at one side of the battery pack case, and the gas venting device for the battery pack as described above may be coupled to the hole.
  • the gas outlet since the density of the internal gas of the battery pack generated from the secondary battery is greater than that of air, it may be advantageous in terms of gas emission that the gas outlet is located at the lower part of the battery pack.
  • the location of the gas outlet may vary depending on the structure and characteristics to which the battery pack is applied.
  • the gas venting device for the battery pack may be fixed after being inserted into the hole formed in the battery pack case in a state in which the inner bracket, the venting disk, and the outer bracket are all coupled.
  • a separate bolt through hole for coupling with the battery pack may be formed in the outer periphery of at least one of the inner bracket or the outer bracket, and a bolt through hole is also provided at a corresponding position of the battery pack case. can be formed.
  • an outer peripheral portion of the outer bracket may extend more than the inner bracket, and a bullet through hole may be formed in the extended portion.
  • the gas venting device is inserted into the hole formed in the battery pack case and then coupled through bolting.
  • a gas outlet portion may protrude from the battery pack case to form a tube, and a gas venting device may be inserted into the tube.
  • the battery pack may include a sealing member for sealing between the battery pack case and the outer periphery of the gas venting device.
  • the sealing member may be a rubber ring or a silicone resin, and may be installed in a gap between the gas venting device and the battery pack case to seal the battery pack.
  • the venting disk ruptures and the gas inside the battery pack is discharged to the outside, and the cross-sectional area of the flow path is continuously in the gas discharge direction. Or by sequentially decreasing, a larger flow rate of gas can be discharged.
  • the present invention provides a vehicle including the battery pack described above.
  • the vehicle is, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • FIG. 1 is a perspective view of a gas venting device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view showing a coupling form of a bracket and a venting disk in the gas venting device according to an embodiment of the present invention.
  • the gas venting device 100 for a battery module and a battery pack includes an inner bracket 110 , a venting disk 130 , and an outer bracket 120 .
  • the inner bracket 110 , the venting disk 130 , and the outer bracket 120 have a structure coupled to the outer periphery through bolt 150 fastening.
  • a through hole (not shown) is formed in the center of the inner bracket 110 so that gas inside the battery pack can be introduced.
  • the outer bracket 120 also has a through hole 121 communicating with the through hole formed in the inner layer bracket 110 in the center thereof. At this time, the discharge guide member 140 having a gas discharge passage communicating therewith is inserted into the through hole formed in the center of the outer bracket.
  • the cross-sectional area of the gas discharge passage decreases continuously or sequentially from an inlet portion to an outlet portion of the passage.
  • a disk pad (not shown) may be interposed between at least one of the outer bracket 120 and the venting disk 130 and between the inner bracket 110 and the venting disk 130 .
  • a notch 134 is formed in the venting disk 130 , but under normal conditions, the through hole of the inner bracket is blocked, but when a predetermined pressure is applied, the notch portion is ruptured to discharge the gas inside.
  • the discharge guide member 140 and the outer bracket 120 have an integrated structure, so that the through hole formed in the outer bracket itself may serve as a discharge passage.
  • the shape of the through hole may be a shape in which the cross-sectional area is continuously decreased in the gas discharge direction.
  • the venting disk 130 includes a disk outer peripheral portion 131 and a disk inner peripheral portion 132 formed as a body with the disk outer peripheral portion 131 .
  • the disk outer peripheral portion 131 has an annular or annular shape corresponding to the outer bracket and the inner bracket, and through holes 133 for bolting are formed at regular intervals.
  • a notch 134 is formed in the disk inner peripheral portion 132 of the venting disk 130 and may be ruptured at a predetermined pressure.
  • the shape of the notch 134 may be, for example, an X-shape.
  • the ruptured pieces of the inner periphery of the disc may not be completely separated, but may be coupled to the outer periphery of the disc. If the ruptured piece of the inner periphery of the disk is completely separated from the venting disk and falls off, it is difficult to remove it and may damage other parts.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a cross-section of a venting disk and an outer bracket according to an embodiment of the present invention.
  • the discharge guide member is inserted into the through hole formed in the center of the outer bracket 120 , and the gas discharge passage 141 is formed in the center thereof.
  • the cross-sectional area of the gas discharge passage 141 is continuously decreased from the inlet 142 toward the outlet 143 .
  • the shape of the gas discharge flow path is a frustum shape
  • the inner wall 144 of the flow path is an inclined surface (slope) shape of the frustum
  • the gas discharge flow path has a trapezoidal cross-section.
  • the internal pressure increases as the speed of air decreases in the inlet 142 with a large cross-sectional area, and at the outlet 143 with a small cross-sectional area As the speed of the air increases, the internal pressure decreases. Accordingly, the pressure difference between the inlet portion 143 and the outlet portion 143 is increased locally, and a larger flow rate of gas can be discharged even when a venting disk having the same area is used. Therefore, when the internal pressure caused by the gas generated inside the battery pack exceeds the reference value, the safety of the battery module and the battery pack can be improved by quickly discharging the gas.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a cross-section of a venting disk and an outer bracket according to another embodiment of the present invention.
  • the discharge guide member 240 is inserted into the through hole of the outer bracket 220 , and a gas discharge passage 241 is formed in the center thereof.
  • a gas discharge passage 241 is formed in the center thereof.
  • the cross-sectional area of the gas discharge passage 241 is continuously decreased from the inlet portion 242 to the outlet portion 243 , an inclined surface is formed on the inner wall 244 .
  • the gas discharge passage 241 has a concave shape in which the inclined surface is concavely bent.
  • the cross-sectional area of the flow path continuously decreases in the gas discharge direction, and the pressure difference between the inlet and the outlet is increased locally, and a larger flow rate of gas can be discharged even if a venting disk of the same area is used.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a cross section of a venting disk and an outer bracket according to another embodiment of the present invention.
  • the discharge guide member 340 is inserted into the through hole of the outer bracket 320 , and a gas discharge passage 341 is formed in the center thereof.
  • a gas discharge passage 341 is formed in the center thereof.
  • the cross-sectional area of the gas discharge passage 341 is continuously decreased from the inlet 342 to the outlet 343 , an inclined surface is formed on the inner wall 344 .
  • the gas discharge passage 341 has a truncated cone shape in which an inclined surface thereof is convexly bent.
  • the cross-sectional area of the flow path continuously decreases in the gas discharge direction, and the pressure difference between the inlet and the outlet is increased locally, and a larger flow rate of gas can be discharged even if a venting disk of the same area is used.

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Abstract

본 발명은 가스 벤팅 장치 및 이를 포함하는 전지 모듈, 전지팩에 관한 것으로, 가스 배출 방향에 따라 유로의 단면적을 연속적으로 감소시킴으로써, 동일한 면적의 벤팅 디스크를 사용하더라도 더 큰 유량의 가스를 배출할 수 있다.

Description

가스 벤팅 장치 및 이를 포함하는 전지팩
본 출원은 2020.01.14. 자 한국 특허 출원 제 10-2020-0004772호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지팩 내부의 가스를 배출하는 가스 벤팅 장치 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 이차전지를 포함하는 다수의 전지 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 이차전지는 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
이차 전지는 충 방전을 반복하면서 언제든지 사용 중에 내부로부터 가스가 발생할 수 있으며, 이를 벤팅 가스(venting gas)라고 한다. 예를 들어, 과전류가 흐르면 내부의 이차전지가 온도가 급속하게 상승한다. 이러한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 가스가 발생될 수 있다. 전지팩에서 내부의 이차전지로부터 가스가 발생할 경우, 이러한 가스가 팩 내부에 포집되어 전지팩이 폭발하거나, 전지팩의 냉각용 덕트 등을 통해 차량 등의 내부로 유입될 수 있다. 이에 전지팩에는 내부의 가스를 외부로 배출시켜 내부 압력을 감소시키는 벤팅 장치를 마련하게 된다.
벤팅 장치는 일반적으로 전지팩 내부의 가스가 유입되는 입구 및 가스가 배출되는 출구 사이에 내부 압력에 따라 파열될 수 있는 벤팅 디스크가 삽입되어 있는 구조이다. 그러나 종래의 벤팅 장치는 단순히 가스의 유입구와 유출구가 연결되어 있는 원통형 모양의 구조를 가지고 있기 때문에 입구와 출구 사이의 압력이 크지 않아 배출할 수 있는 가스의 유량에 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 동일한 면적의 벤팅 디스크로도 동일 시간당 더 많은 유량을 배출할 수 있는 가스 벤팅 장치 및 이를 포함하는 전지모듈, 전지팩을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 전지팩용 가스 벤팅 장치는, 중심부에 통공이 형성되어, 전지팩 내부의 가스가 유입되는 유로로 작용하는 내측 브라켓; 상기 내측 브라켓의 통공과 연통되는 통공이 형성되어, 유입된 가스가 외부로 배출되는 유로가 형성되는 구조의 외측 브라켓; 및 상기 내측 브라켓 및 외측 브라켓 사이에 결합되어 통공을 차폐하되, 소정의 압력이 가해질 경우 파열되도록 구성된 벤팅 디스크; 를 포함하며, 상기 외측 브라켓에 형성되는 유로의 단면적은 가스 배출 방향으로 연속적으로 또는 순차적으로 감소한다.
구체적인 예에서, 상기 외측 브라켓은 중심부에 형성된 통공에 상기 통공과 연통되는 가스 배출 유로가 형성된 배출 가이드 부재가 삽입된 구조이며, 상기 가스 배출 유로의 단면적은 상기 유로의 입구부에서 출구부를 항하여 연속적으로 또는 순차적으로 감소한다.
하나의 예에서, 상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 원추대 형상이다.
다른 하나의 예에서, 상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 단면적이 출구부를 향하여 연속적으로 감소함에 따라 유로의 내벽에 형성된 경사면이 오목하게 구부러진 원추대 형상이다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 단면적이 출구부를 향하여 연속적으로 감소함에 따라 유로의 내벽에 형성된 경사면이 볼록하게 구부러진 원추대 형상이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 입구부의 단면적은 내측 브라켓에 형성된 통공의 단면적에 대응한다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 출구부의 단면적은 입구부 단면적의 40 내지 80%이다.
하나의 예에서, 상기 유로의 내벽에는 나사산, 엠보싱 또는 직선 형상의 패턴을 갖는 돌기가 형성되어 있다.
구체적인 예에서, 상기 벤팅 디스크는, 상기 내측 브라켓 및 외측 브라켓에 체결되는 디스크 외주부; 및 상기 디스크 외주부와 한 몸체로 형성되고, 상기 통공을 차폐하되, 소정의 압력이 가해질 경우 파열되는 디스크 내주부; 를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 디스크 내주부는 소정의 압력이 가해지면 파열 가능한 금속 또는 플라스틱 재질이다.
구체적인 예에서, 상기 디스크 내주부에는 상기 소정의 압력이 가해지면 파열되도록 노치가 형성되어 있다.
하나의 예에서, 상기 외측 브라켓과 벤팅 디스크 사이 및 상기 내측 브라켓과 벤팅 디스크 사이 중 어느 하나 이상에는 디스크 패드가 개재되어 있다.
본 발명은 앞서 설명한 가스 벤팅 장치를 포한하는 전지 모듈을 제공하는바, 상기 전지 모듈은 다수의 이차전지; 및 상기 이차전지가 탑재되는 모듈 프레임; 을 포함하며, 상기 모듈 프레임의 일측에 가스 벤팅 장치가 형성된다.
구체적인 예에서, 상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임과 가스 벤팅 장치의 외주변 사이를 밀폐시키는 실링 부재를 더 포함한다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 가스 벤팅 장치를 포함하는 전지팩을 제공하는바, 상기 전지팩은 다수의 이차전지를 구비하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈이 탑재되는 트레이 및 상기 배터리 모듈을 덮은 팩 커버를 포함하는 전지팩 케이스; 를 포함하며, 상기 전지팩 케이스의 일측에 가스 벤팅 장치가 형성된다.
이 때, 상기 전지팩에 있어서, 상기 전지 모듈은 앞서 설명한 바와 같이, 모듈 프레임의 일측에 가스 벤팅 장치가 형성된 전지 모듈일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 전지팩은 상기 전지팩 케이스와 가스 벤팅 장치 외주변 사이를 밀폐시키는 실링 부재를 더 포함한다.
또한 본 발명은 상기 전지팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 따른 가스 벤팅 장치 및 이를 포함하는 전지 모듈 또는 전지팩은, 동일한 면적의 벤팅 디스크를 사용하더라도 동일 시간당 더 많은 유량을 배출함으로써 전지 모듈 및 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 장치에서 브라켓 및 벤팅 디스크의 결합 형태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 디스크의 형상을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 디스크 및 외측 브라켓의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 디스크 및 외측 브라켓의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 벤팅 디스크 및 외측 브라켓의 단면을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치는, 중심부에 통공이 형성되어, 전지팩 내부의 가스가 통공으로 유입되는 유로로 작용하는 구조의 내측 브라켓; 상기 통공과 연통되는 통공이 형성되어, 유입된 가스가 외부로 배출되는 유로가 형성되는 구조의 외측 브라켓; 및 상기 내측 브라켓 및 외측 브라켓 사이에 결합되어 통공을 차폐하되, 소정의 압력이 가해질 경우 파열되도록 구성된 벤팅 디스크; 를 포함하며, 상기 외측 브라켓에 형성된 유로의 단면적은 가스 배출 방향으로 연속적으로 또는 순차적으로 감소한다. 이 때, 내측은 전지 모듈 또는 전지팩의 내부로부터 가스가 유입되는 방향을 의미하고, 외측은 가스가 외부로 빠져나가는 방향을 의미한다.
일반적으로 전지팩에는 다수의 전지 모듈이 탑재되며, 각각의 전지 모듈에는 복수 개의 이차전지가 내장되어 있다. 이들 이차전지는 충방전을 반복함에 따라 전해액의 분해 반응 등으로 인하여 가스를 발생시킨다. 전지의 충방전 과정에서 발생하는 열은 가스 발생을 촉진시키며, 가스를 팽창시켜 전지 모듈 또는 전지팩 내부의 압력을 높이게 된다. 이 과정이 지속될 경우 전지 모듈 또는 전지팩이 폭발하거나, 내부의 가스가 덕트 등을 통해 차량 등의 내부로 유입될 수 있으므로, 기체의 압력이 소정 크기 이상이 될 경우 벤팅 디스크가 파열됨으로써 가스를 배출시키는 벤팅 장치가 부착된다.
이러한 가스는 일반적으로 압력에 대하여 부피가 변화하는 압축성 유체이다. 이러한 공기가 고속으로 흐르게 되면 일부 영역에 압력과 밀도가 높은 지역이 발생하고 공기의 부피가 줄어들게 된다. 그러나 상기와 같은 가스의 배출과정에서 가스의 배출속도는 작기 때문에 압력에 따른 부피의 변화를 무시할 수 있는 비압축성 유동 현상을 보인다. 이러한 비압축성 유동에서는 유체 상에서 전압력은 일정하며, 유체의 압력과 속도는 반비례하게 된다. 즉 유체의 압력이 증가하면 유속은 감소하고, 유체의 압력이 감소하면 유속은 증가한다.
한편 유로의 단면적을 가스 배출 방향으로 연속적으로 또는 순차적으로 감소하는 형상으로 할 경우 단면적이 큰 입구에서는 공기의 속력이 감소함에 따라 내부 압력이 증가하고, 단면적이 작은 출구에서는 공기의 속력이 증가함에 따라 내부 압력이 감소하게 된다. 이에 따라 입구와 출구의 압력 차이가 국소적으로 더 증가하게 되고, 동일한 면적의 벤팅 디스크를 사용하더라도 더 큰 유량의 가스를 배출할 수 있다. 따라서, 전지팩 내부에서 발생한 가스로 인한 내부 압력이 기준치를 초과하였을 때, 가스를 신속하게 배출함으로써 전지 모듈 및 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
하나의 예에서, 상기 외측 브라켓은 중심부에 형성된 통공에 상기 통공과 연통되는 가스 배출 유로가 형성된 배출 가이드 부재가 삽입된 구조이며, 상기 가스 배출 유로의 단면적은 상기 유로의 입구부에서 출구부를 향하여 연속적으로 또는 순차적으로 감소한다. 상기 배출 가이드 부재는 탈착형 또는 교체형 구조이다. 본 발명에서는 외측 브라켓에 유로의 형상을 결정하는 별도의 가이드 부재를 삽입함으로써 가스의 배출을 원활하게 하고, 부품의 쉬운 교체가 가능하며, 유로의 형상을 쉽게 변경할 수 있다. 이 경우 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로가 외측 브라켓에 형성되는 통공으로서 가스가 외부로 배출되는 유로의 역할을 한다.
하나의 실시예에서, 상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 원추대 형상이다. 구체적으로 배출 가이드 부재에서 입구부 및 출구부의 형상은 원형이며, 각각 원추대 형상의 아랫면과 윗면을 구성한다. 유로의 내벽은 입구부에서 출구부를 향하여 단면적이 연속적으로 감소함에 따라 유로의 내벽에 경사면이 형성되는 구조이다. 이 때 상기 단면적의 감소율은 유로 전체에서 일정하다.
또한 상기 단면적의 감소율은 유로 전체에서 변화하는 형상일 수 있다. 다른 하나의 실시예에서, 상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 단면적이 출구부를 향하여 연속적으로 감소함에 따라 유로의 내벽에 형성된 경사면이 오목하게 구부러진 원추대 형상이다. 여기서 경사면이 오목하게 구부러진 형상은 유로의 수직 단면에서, 경사가 유로의 바깥쪽을 향해 함입되어 있는 형상을 의미한다. 이 경우 단면적의 감소율은 가스가 유입되는 입구부 근처에서 작고, 가스가 배출되는 출구부 쪽으로 향할수록 커진다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 단면적이 출구부를 향하여 연속적으로 감소함에 따라 유로의 내벽에 형성된 경사면이 볼록하게 구부러진 원추대 형상이다. 여기서 경사면이 볼록하게 구부러진 형상은 유로의 수직 단면에서, 경사가 유로의 중심을 향해 돌출되어 있는 형상을 의미한다. 이 경우 단면적의 감소율은 가스가 유입되는 입구부 근처에서 크고, 가스가 배출되는 출구부 쪽으로 향할수록 커진다. 상기 배출 가이드 부재에서, 내부에 형성되는 유로의 형상은 전지팩의 안전성 기준 등에 따라 다양한 형태로 설계 가능하다.
구체적인 예에서, 상기 입구부의 단면적은 상기 내측 브라켓에 형성된 통공의 단면적에 대응한다. 이에 따라 전지팩 내부에서 발생한 가스가 배출 가이드 부재 내에 형성된 유로에 진입하기 이전에 압력 또는 유속이 변화하는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 입구부의 단면적이 내측 브라켓에 형성된 통공의 단면적보다 클 경우, 가스가 유로의 내측 브라켓 및 입구부를 순차적으로 통과하면서 유로의 단면적이 가스의 진행 방향을 따라 증가하는 효과를 나타내며 이는 가스가 배출되는 과정 중에 가스의 유속을 감소시킬 수 있으므로, 본 발명에 따른 효과를 저해할 수 있다.
또한, 상기 출구부의 단면적은 전지 모듈 및 전지팩의 구조 또는 달성하고자 하는 안전성 조건에 따라 적절히 선택할 수 있으나, 상기 입구부 단면적의 40% 내지 80% 일 수 있다. 상세하게는 상기 출구부의 단면적은 입구부 단면적의 50 내지 70% 이며, 더욱 상세하게는 55 내지 65% 일 수 있다. 출구부의 단면적이 입구부 단면적의 40% 미만일 경우 출구부가 지나치게 협소하게 된다. 반면에 출구부의 단면적이 입구부 단면적의 80% 를 초과할 경우 입구부와 출구부의 단면적 차이가 지나치게 감소하여 입구부와 출구부에서의 압력 차이가 감소함에 따라, 가스 벤팅의 효율성이 감소하게 된다.
하나의 구체예에서, 상기 유로의 내벽에는 가스 배출을 보조하기 위한 패턴이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴은 나사산, 엠보싱 또는 또는 가스 배출 방향과 평행한 직선의 패턴을 갖는 돌기 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 패턴은 유로의 내벽을 따라 유로의 내부를 감싸는 형태의 나사산 돌기 또는 엠보싱 형태일 수 있다. 이러한 패턴은 가스의 배출을 촉진할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 진지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치에 있어서, 상기 벤팅 디스크는 상기 내측 브라켓 및 외측 브라켓에 체결되는 디스크 외주부; 및 상기 디스크 외주부와 한 몸체로 형성되고, 상기 통공을 차폐하되, 소정의 압력이 가해질 경우 파열되는 디스크 내주부; 를 포함한다.
상기 디스크 외주부는 브라켓과 벤팅 디스크를 고정하기 위한 부분으로, 일면은 내측 브라켓과 접하고, 타면은 외측 브라켓과 접한다. 상기 디스크 외주부에는 원주 방향을 따라 체결구를 더 구비할 수 있으며, 내측 브라켓, 디스크 외주부 및 외측 브라켓은 볼트 체결 방식 등을 통해 일체로 결합할 수 있다.
디스크 내주부는 소정의 압력이 가해질 경우 파열 가능한 금속 또는 플라스틱 재질이다. 예를 들어 디스크 내주부는 두께가 얇은 구리, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 재질의 금속 또는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 상기 디스크 내주부는 파열시 압력 조건에 맞추어 적절히 선택할 수 있으며, 본 발명의 권리범위에 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 디스크 내주부는 정상 조건에서는 내측 브라켓의 통공을 차단함으로써 전지팩 내부로 수분 또는 이물질이 침투하는 것을 방지한다. 그러나 전지팩에서 다량의 가스가 발생하면 전지팩 내부의 압력을 상승시키고, 이러한 압력이 디스크 내주부를 파열시키는 힘으로 작용하게 된다. 이 때 전지 모듈 또는 전지팩 내부의 압력은 외부의 기압보다 높은 상태이므로 내부의 가스가 음압에 의해 전지 모듈 또는 전지팩의 외부로 배출될 수 있다.
상기 디스크 내주부에는 소정이 압력이 가해지면 파열되도록 노치가 형성되어 있다. 이러한 노치는 디스크의 표면으로부터 두께 방향으로 부분 절취되어 형성된다. 노치의 형상은 십자형, 원형 사각형, U자형, 타원형, 호형 등의 형상으로 설계될 수있으며, 있노치의 단면은 사다리꼴, V자형, 사각형, 호형 등과 같은 형상이 가능하다. 디스크 내주부에 형성되는 노치의 형상은 반드시 이에 한정되는 것이 아니며 다양한 형상을 가질 수 있다.
하나의 구체예에서, 상기 외측 브라켓과 벤팅 디스크 사이 및 상기 내층 브라켓과 벤팅 디스크 사이 중 어느 하나 이상에는 디스크 패드가 개재될 수 있다. 이러한 디스크 패드는 디스크 외주부에 대응되는 형태로, 환형 또는 링 형태로 마련될 수 있다. 상기 디스크 패드는 외측 브라켓과 벤팅 디스크 사이 또는 내측 브라켓과 벤팅 디스크 사이의 기밀성을 높이고, 디스크 외주부의 파손을 방지하기 위한 것이다. 예를 들어, 디스크 패드는 탄성이 있는 고무재질 등으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 가스 벤팅 장치를 포함하는 전지 모듈을 제공한다. 본 발명에 따른 전지 모듈은, 다수의 이차전지; 및 상기 이차전지가 탑재되는 모듈 프레임; 을 포함하며, 상기 모듈 프레임의 일측에 앞서 설명한 바와 같은 가스 벤팅 장치가 형성된 구조이다.
구체적으로, 상기 이차전지는 양극, 음극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체가 전해액과 함께 셀 케이스 내에 탑재된 형상이다. 이러한 이차전지에 대한 구성에 대해서는 본원발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로, 보다 상세한 설명을 생략한다. 또한 상기 전지 모듈의 모듈 프레임과 가스 벤팅장치의 결합 방식에 관하여는 후술하는 전지팩과 가스 벤팅 장치의 결합 방식과 동일한 방식을 사용할 수 있다.
한편, 상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임과 가스 벤팅 장치 외주변 사이를 밀폐시키는 실링 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 실링 부재는 고무 링이나 실리콘 수지일 수 있으며, 가스 벤팅 장치와 모듈 프레임 사이의 틈에 설치되어 전지 모듈을 밀폐시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 가스 벤팅 장치를 포함하는 전지팩을 제공한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지팩은, 다수의 이차전지를 구비하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈이 탑재되는 트레이 및 상기 배터리 모듈을 덮는 팩 커버를 포함하는 전지팩 케이스; 를 포함하며, 상기 전지팩 케이스의 일측에 앞서 설명한 바와 같은 가스 벤팅 장치가 형성된 구조이다.
먼저, 배터리 모듈은 다수의 이차전지와 이들을 수용하는 모듈 프레임 및 모듈의 주변에 장착되는 전장품을 포함한다. 특히 상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀일 수 있으며, 전극 조립체, 전해액 및 파우치 외장재를 구비하는 구조이다. 이러한 배터리 셀의 구성에 대해서는, 본원발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로, 보다 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 팩에는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차 전지가 채용될 수 있다. 또한, 상기 전장품은 배터리 모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System), 배터리 모듈의 전기적 연결을 제어하는 전원차단유닛(BDU, Battery Disconnection Unit), 배터리 모듈과 BMS 사이에 위치하며 과전류 차단 기능을 제공하는 퓨즈 등을 포함한다.
상기 전지팩 케이스는 하부에서 배터리 모듈을 탑재하는 트레이 및 배터리 모듈의 측면 및 상부를 덮은 팩 커버를 포함하며, 상기 트레이와 팩 커버는 볼트 체결 방식으로 상호 결합될 수 있다.
상기 전지팩 케이스의 일측에는 가스 배출구 역할을 하는 구멍이 형성될 수 있으며, 상기 구멍에는 앞서 설명한 바와 같은 전지팩용 가스 벤팅 장치가 결합될 수 있다. 일반적으로 이차전지 등에서 발생한 전지팩의 내부 가스는 밀도가 공기에 비해 크므로, 가스 배출구는 전지팩의 하부에 위치하는 것이 가스 배출 측면에서 유리할 수 있다. 다만 이러한 가스 배출구는 전지팩이 적용되는 구조 및 특성에 따라 위치가 달라질 수 있다.
구체적으로, 상기 전지팩용 가스 벤팅 장치는 내측 브라켓, 벤팅 디스크 및 외측 브라켓이 모두 결합된 상태에서 상기 전지팩 케이스에 형성된 구멍에 삽입된 후 고정될 수 있다. 이를 위하여, 가스 벤팅 장치에서 내측 브라켓 또는 외측 브라켓 중 어느 하나 이상의 외주 부분에는 전지팩과의 결합을 위한 별도의 볼트 관통홀이 형성될 수 있으며, 전지팩 케이스의 대응하는 위치에도 마찬가지로 볼트 관통홀이 형성될 수 있다. 특히, 외측 브라켓의 외주 부분이 내측 브라켓보다 더 연장되고, 상기 연장된 부분에 불트 관통홀이 형성될 수 있다. 이 경우 가스 벤팅 장치는 전지팩 케이스에 형성된 구멍에 삽입 후 볼트 체결을 통해 결합된다. 또는 상기 전지팩 케이스로부터 가스 배출구 부분이 돌출되어 관을 형성할 수 있고, 상기 관에 가스 벤팅 장치가 삽입되는 구조일 수도 있다.
이러한 경우, 가스 벤팅 장치의 외주 부분과 전지팩 케이스에 형성된 구멍 사이에는 틈이 발생하여, 이 부분으로 내부의 기체가 밖으로 배출될 수 있다. 이 경우 전지팩 내부와 외부의 압력 차이가 감소하여 벤팅 장치의 효율이 감소하고, 원하지 않는 경우에 가스가 배출될 수 있다. 이를 해결하기 위하여 상기 전지팩은 전지팩 케이스와 가스 벤팅 장치의 외주변 사이를 밀폐시키는 실링 부재를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 실링 부재는 고무 링이나 실리콘 수지일 수 있으며, 가스 벤팅 장치와 전지팩 케이스 사이의 틈에 설치되어 전지팩을 밀폐시킬 수 있다. 즉 본 발명에 따른 전지팩은 내부가 밀폐된 상태에서, 내부의 압력이 기준치를 초과할 경우 벤팅 디스크가 파열되어 전지팩 내부의 가스가 외부로 배출되되, 유로의 단면적이 가스 배출 방향으로 연속적으로 또는 순차적으로 감소함으로써, 더 큰 유량의 가스를 배출할 수 있다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 전지팩을 포함하는 자동차를 제공한다. 상기 자동차는, 예를 들어, 전기 자동차 내지 하이브리드 자동차이다.
이하, 도면 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(제 1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 장치의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 장치에서 브라켓 및 벤팅 디스크를 결합 형태를 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치(100)는 내측 브라켓(110), 벤팅 디스크(130) 및 외측 브라켓(120)을 포함한다. 상기 내측 브라켓(110), 벤팅 디스크(130) 및 외측 브라켓(120)은 외주변에 볼트(150) 체결을 통해 결합된 구조이다. 상기 내측 브라켓(110)에는 중심부에 통공(미도시)이 형성되어 있어 전지팩 내부의 가스가 유입될 수 있다. 외측 브라켓(120) 또한 중심부에 상기 내층 브라켓(110)에 형성된 통공과 연통되는 통공(121)이 형성되어 있다. 이 때, 외측 브라켓의 중심부에 형성되는 통공에 이와 연통되는 가스 배출 유로가 형성된 배출 가이드 부재(140)가 삽입된다. 상기 가스 배출 유로의 단면적은 상기 유로의 입구부에서 출구부를 항하여 연속적으로 또는 순차적으로 감소한다. 상기 외측 브라켓(120)과 벤팅 디스크(130) 사이 및 상기 내측 브라켓(110)과 벤팅 디스크(130) 사이 중 어느 하나 이상에는 디스크 패드(미도시)가 개재될 수 있다. 벤팅 디스크(130)에는 노치(134)가 형성되어 있어, 정상 조건에서는 내측 브라켓의 통공을 차폐하되, 소정의 압력이 가해질 경우 노치 부분이 파열되어 내부의 가스를 배출하게 된다.
한편, 상기 배출 가이드 부재(140)와 외측 브라켓(120)은 일체화된 구조로 되어, 외측 브라켓에 형성된 통공 자체가 배출 유로가 될 수도 있다. 이 경우 후술하는 바와 같이 통공의 형상은 가스 배출 방향으로 단면적이 연속적으로 감소하는 형상이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 디스크(130)의 형상을 나타낸 모식도이다. 도 3을 참조하면, 벤팅 디스크(130)는, 디스크 외주부(131) 및 상기 디스크 외주부(131)와 한 몸체로 형성되는 디스크 내주부(132)를 포함한다. 디스크 외주부(131)는 외측 브라켓 및 내측 브라켓과 대응하는 환형 또는 고리 형상으로, 일정 간격으로 볼트 체결을 위한 관통홀(133)이 형성되어 있다. 상기 벤팅 디스크(130)의 디스크 내주부(132)에는 노치(134)가 형성되어 있어 소정 압력에서 파열될 수 있다. 상기 노치(134)의 형상은, 예를 들어 X자 형상일 수 있다. 이 경우 디스크 내주부가 파열되어도 디스크 내주부의 파열된 조각이 완전히 떨어져 나가지 않고, 디스크 외주부에 결합될 수 있다. 디스크 내주부의 파열된 조각이 벤팅 디스크로부터 완전히 분리되어 떨어져나가면 이를 제거하기 어렵고, 다른 부품을 손상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 디스크 및 외측 브라켓의 단면을 나타낸 모식도이다. 도 4를 참조하면, 배출 가이드 부재는 외측 브라켓(120)의 중심부에 형성되는 통공에 삽입되어 있으며, 그 중심부에 가스 배출 유로(141)가 형성되어 있다. 이 때 가스 배출 유로(141)의 단면적은 입구부(142)에서 출구부(143)를 향하여 연속적으로 감소하는 형태이다. 도 4에서, 가스 배출 유로의 형상은 원추대 형상으로, 유로의 내벽(144)은 원추대의 경사면(빗면) 형상이고, 가스 배출 유로는 그 단면이 사다리꼴 형상이다.
상기와 같이 유로의 단면적을 가스 배출 방향으로 연속적으로 감소하는 형상으로 할 경우 단면적이 큰 입구부(142)에서는 공기의 속력이 감소함에 따라 내부 압력이 증가하고, 단면적이 작은 출구부(143)에서는 공기의 속력이 증가함에 따라 내부 압력이 감소하게 된다. 이에 따라 입구부(143)와 출구부(143)의 압력 차이가 국소적으로 더 증가하게 되고, 동일한 면적의 벤팅 디스크를 사용하더라도 더 큰 유량의 가스를 배출할 수 있다. 따라서, 전지팩 내부에서 발생한 가스로 인한 내부 압력이 기준치를 초과하였을 때, 가스를 신속하게 배출함으로써 전지 모듈 및 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
(제 2 실시형태)
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 디스크 및 외측 브라켓의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 5를 참조하면, 배출 가이드 부재(240)는 외측 브라켓(220)의 통공에 삽입되어 있으며, 중심부에 가스 배출 유로(241)가 형성되어 있다. 이 때 가스 배출 유로(241)는 단면적이 입구부(242)에서 출구부(243)를 향하여 연속적을 감소하는 형태이므로, 내벽(244)에는 경사면이 형성된다. 이 때, 상기 가스 배출 유로(241)는 그 경사면이 오목하게 구부러진 원추대 형상이다. 이 경우 또한 유로의 단면적이 가스 배출 방향으로 연속적으로 감소하는 형상으로, 입구부와 출구부의 압력 차이가 국소적으로 더 증가하게 되고, 동일한 면적의 벤팅 디스크를 사용하더라도 더 큰 유량의 가스를 배출할 수 있다.
(제 3 실시형태)
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 벤팅 디스크 및 외측 브라켓의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 배출 가이드 부재(340)는 외측 브라켓(320)의 통공에 삽입되어 있으며, 중심부에 가스 배출 유로(341)가 형성되어 있다. 이 때 가스 배출 유로(341)는 단면적이 입구부(342)에서 출구부(343)를 향하여 연속적을 감소하는 형태이므로, 내벽(344)에는 경사면이 형성된다. 이 때, 상기 가스 배출 유로(341)는 그 경사면이 볼록하게 구부러진 원추대 형상이다. 이 경우 또한 유로의 단면적이 가스 배출 방향으로 연속적으로 감소하는 형상으로, 입구부와 출구부의 압력 차이가 국소적으로 더 증가하게 되고, 동일한 면적의 벤팅 디스크를 사용하더라도 더 큰 유량의 가스를 배출할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
(부호의 설명)
100: 가스 벤팅 장치
110: 내측 브라켓
120, 220, 320: 외측 브라켓
121: 통공
130: 벤팅 디스크
131: 디스크 외주부
132: 디스크 내주부
133: 관통홀
134: 노치
140, 240, 340: 배출 가이드 부재
141, 241, 341: 가스 배출 유로
142, 242, 342: 입구부
143, 243, 343: 출구부
144, 244, 344: 내벽
150: 볼트

Claims (18)

  1. 중심부에 통공이 형성되어, 전지팩 내부의 가스가 유입되는 유로로 작용하는 구조의 내측 브라켓;
    상기 내측 브라켓의 통공과 연통되는 통공이 형성되어, 유입된 가스가 외부로 배출되는 유로가 형성되는 구조의 외측 브라켓; 및
    상기 내측 브라켓 및 외측 브라켓 사이에 결합되어 통공을 차폐하되, 소정의 압력이 가해질 경우 파열되도록 구성된 벤팅 디스크; 를 포함하며,
    상기 외측 브라켓에 형성되는 유로의 단면적은 가스 배출 방향으로 연속적으로 또는 순차적으로 감소하는 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외측 브라켓은 중심부에 형성된 통공에 상기 통공과 연통되는 가스 배출 유로가 형성된 배출 가이드 부재가 삽입된 구조이며,
    상기 가스 배출 유로의 단면적은 상기 유로의 입구부에서 출구부를 항하여 연속적으로 또는 순차적으로 감소하는 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 원추대 형상인 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 단면적이 출구부를 향하여 연속적으로 감소함에 따라 유로의 내벽에 형성된 경사면이 오목하게 구부러진 원추대 형상인 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 배출 가이드 부재에 형성된 가스 배출 유로는 단면적이 출구부를 향하여 연속적으로 감소함에 따라 유로의 내벽에 형성된 경사면이 볼록하게 구부러진 원추대 형상인 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 입구부의 단면적은 내측 브라켓에 형성된 통공의 단면적에 대응하는 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 출구부의 단면적은 입구부 단면적의 40 내지 80%인 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 유로의 내벽에는 나사산, 엠보싱 또는 직선 형상의 패턴을 갖는 돌기가 형성되어 있는 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 디스크는,
    상기 내측 브라켓 및 외측 브라켓에 체결되는 디스크 외주부; 및
    상기 디스크 외주부와 한 몸체로 형성되고, 상기 통공을 차폐하되, 소정의 압력이 가해질 경우 파열되는 디스크 내주부; 를 포함하는 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 디스크 내주부는 소정의 압력이 가해지면 파열 가능한 금속 또는 플라스틱 재질인 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 디스크 내주부에는 상기 소정의 압력이 가해지면 파열되도록 노치가 형성되어 있는 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 외측 브라켓과 벤팅 디스크 사이 및 상기 내측 브라켓과 벤팅 디스크 사이 중 어느 하나 이상에는 디스크 패드가 개재되어 있는 전지 모듈 및 전지팩용 가스 벤팅 장치.
  13. 다수의 이차전지; 및
    상기 이차전지가 탑재되는 모듈 프레임; 을 포함하며,
    상기 모듈 프레임의 일측에 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 가스 벤팅 장치가 형성된 전지 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 모듈 프레임과 가스 벤팅 장치 외주변 사이를 밀폐시키는 실링 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  15. 다수의 이차전지를 구비하는 전지 모듈; 및
    상기 배터리 모듈이 탑재되는 트레이 및 상기 배터리 모듈을 덮은 팩 커버를 포함하는 전지팩 케이스; 를 포함하며,
    상기 전지팩 케이스의 일측에 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 가스 벤팅 장치가 형성된 전지팩.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 전지 모듈은 제13항에 따른 전지 모듈인 전지팩.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 전지팩 케이스와 가스 벤팅 장치 외주변 사이를 밀폐시키는 실링 부재를 더 포함하는 전지팩.
  18. 제13항에 따른 전지팩을 포함하는 자동차.
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