WO2021221339A1 - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2021221339A1
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passage
venting
battery
way valve
battery pack
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PCT/KR2021/004397
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신주환
이형석
김동현
장병도
천용호
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more particularly, to a battery pack with improved safety and a device including the same.
  • Secondary batteries that are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density are universally applied to electric vehicles or hybrid vehicles driven by an electric drive source, as well as portable devices, and power storage devices. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels but also the fact that no by-products are generated from the use of energy.
  • lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are free and easy. , the self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such a lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are applied, respectively, are disposed with a separator interposed therebetween, and a casing for sealing and housing the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • a lithium secondary battery may be classified into a cylindrical or prismatic secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can, and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • a battery pack having a medium-to-large module structure in which a plurality of secondary batteries are assembled in series or parallel connected battery modules is increasing.
  • a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • the plurality of battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery pack has a structure in which a plurality of battery modules are combined, safety and operational efficiency of the battery pack may be problematic when some battery modules are overvoltage, overcurrent, or overheated.
  • the capacity of the battery pack is gradually increasing, and accordingly, it is necessary to design a structure to satisfy the strengthened safety standards while the internal energy of the pack is also increased and to secure the safety of the vehicle and the driver.
  • the need for a structure capable of preventing internal thermal runaway and the like in advance and minimizing the damage even if it occurs is emerging.
  • An object of the present invention is to provide a battery pack with improved safety and a device including the same.
  • a battery pack includes a plurality of battery modules; a venting induction frame disposed along the edges of the plurality of battery modules and forming a venting passage; a venting gate connecting the inside of the plurality of battery modules and the venting induction frame; a rupture portion formed on the outside of the venting induction frame; and a one-way valve formed in the passage of the venting induction frame, wherein the one-way valve blocks a passage in a direction from the venting gate connected to one battery module among the plurality of battery modules to a venting gate connected to another battery module and open a passage in a direction from the venting gate connected to one of the plurality of battery modules to the rupture part.
  • the one-way valve may be opened or closed according to a direction in which pressure is applied.
  • the venting induction frame includes a pair of vertical beams formed parallel to a first direction and a pair of horizontal beams formed parallel to a second direction intersecting the first direction, and the vertical beams and each of the horizontal beams includes a cover formed along the longitudinal direction of the vertical beam and the horizontal beam, and a passage surrounded by the cover and formed to allow gas to pass through, wherein at least one of the one-way valves is formed on the passage can be
  • a 1-1 passage and a 1-2 passage are formed in the pair of vertical beams, respectively, and a 2-1a passage and a 2-1b passage are formed separately from each other in one of the pair of horizontal beams, A passage 2-2a and a passage 2-2b may be formed separately from each other in the other one of the pair of horizontal beams.
  • the one-way valve includes a portion of the 1-1 passage, the 2-1a passage, and the 2-2a passage connected to each other, and the 1-2 passage, the 2-1b passage, and the second connected to each other.
  • -2b may be respectively formed in one part of the passage.
  • a notch is formed in the middle of the pair of horizontal beams, and the 2-1a passage and 2-1b passage, the 2-2a passage, and the 2-2b passage are respectively separated on both sides of the notch portion, can be formed.
  • the venting gate may be connected to one of the passages respectively formed on both sides of the notch portion.
  • a rupture portion may be formed on both sides of one of the pair of horizontal beams, and the rupture portion may be respectively connected to the 2-1a passage and the 2-1b passage.
  • the battery module may further include a housing accommodating the plurality of battery modules and the venting induction frame, wherein the housing includes an upper cover and a lower housing, and a pack gasket may be formed between the upper cover and the lower housing.
  • a device includes the battery pack described above.
  • the venting gas may be induced in a predetermined direction to improve the safety of the battery pack.
  • FIG. 1 is a view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the battery module of FIG. 1 viewed from the bottom up in the z-axis direction.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a venting induction frame in the battery pack of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a transfer path when thermal runaway occurs in some modules of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a portion IV of FIG. 5 .
  • 7A and 7B are enlarged views of part V of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a state in which the one-way valve is opened according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a state in which the one-way valve is closed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating a battery pack in which only a venting induction frame is formed without a one-way valve as a comparative example.
  • FIG 11 is a view showing a state in which the one-way valve according to an embodiment of the present invention is formed in the passage of the horizontal beam.
  • FIG. 12 is a view showing a state in which the one-way valve is formed in the passage of the vertical beam according to another embodiment of the present invention.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference portion means to be located above or below the reference portion, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity no.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "in cross-section” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 1 is a view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a perspective view of the battery module of FIG. 1 viewed from the bottom up in the z-axis direction.
  • the battery module 100 included in the battery pack of FIG. 1 accommodates a battery cell stack 102 in which a plurality of battery cells 101 are stacked, and a battery cell stack 102 . and may include a module frame 108 and an end plate 120 .
  • a plurality of battery cells 101 are stacked to be electrically connected to each other to form a battery cell stack 102 .
  • a plurality of battery cells 101 may be stacked in a direction parallel to the y-axis.
  • the battery cell stack 102 may be a large-area module in which the number of battery cells 101 is greater than that of the prior art. For example, 48 battery cells 101 per battery module 100 may be included.
  • the horizontal length of the battery module is increased.
  • the horizontal length may mean a length in a direction in which the battery cells 101 are stacked, that is, in a direction parallel to the y-axis.
  • the module frame 108 accommodating the battery cell stack 102 may include an upper plate 112 and a lower frame 111 .
  • the lower frame 111 may be a U-shaped frame.
  • the U-shaped frame may include a bottom portion and two side portions extending upward from both ends of the bottom portion.
  • the bottom part may cover the lower surface (opposite to the z-axis direction) of the battery cell stack 102, and the side part may cover both sides (the opposite direction to the y-axis direction) of the battery cell stack 102. have.
  • the upper plate 112 may be formed in a single plate-shaped structure that covers the lower surface surrounded by the U-shaped frame and the upper surface (z-axis direction) other than the both sides.
  • the upper plate 112 and the lower frame 111 may form a structure that covers the battery cell stack 102 up, down, left, and right by being coupled by welding or the like in a state in which corresponding corner portions are in contact with each other. It is possible to physically protect the battery cell stack 102 through the upper plate 112 and the lower frame 111 .
  • the upper plate 112 and the lower frame 111 may include a metal material having a predetermined strength.
  • a venting gate 121 that communicates with the inside of the battery module 100 to emit flame or heat that may be generated from the inside is formed.
  • the venting gate 121 may be formed under the end plate 120 in consideration of a connector connection for information transfer.
  • the venting gate 121 may be connected to an opening (not shown) formed in a portion of the end plate 120 to communicate with the interior of the battery module 100 .
  • the module frame 108 may include a module frame protrusion 131 formed so that the bottom portion of the module frame 108 extends and passes through the end plate 120 . At this time, the refrigerant introduced and discharged by the cooling port 140 connected to the upper surface of the module frame protrusion 131 is supplied to and from the heat sink 130 through the module frame protrusion 131 . can be emitted.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1000 includes a plurality of battery modules 100 and a venting induction frame 300 disposed along edges of the plurality of battery modules 100 .
  • the plurality of battery modules 100 and the venting guide frame 300 may be mounted on the pack tray 200 and accommodated in the pack housing 400 .
  • the pack housing 400 may include a lower housing 410 accommodating the pack tray 200 , and an upper cover 420 coupled to the lower housing 410 to cover an upper portion of the battery module 100 .
  • a pack gasket 411 may be formed between the upper cover 420 and the lower housing 410 to seal the inside of the pack housing 400 .
  • Each of the plurality of battery modules 100 includes a battery cell stack (not shown) disposed in the module frame 110 , and an end plate covering the battery cell stack exposed to both ends of the module frame 110 ( 120).
  • either side of the both end plates 120 includes a venting gate 121 that communicates with the inside of the battery module 100 to emit flame or heat that may be generated from the inside.
  • the venting gate 121 is disposed to face the outside of the battery pack 1000 , and preferably in the first direction (x-axis) in the battery pack 1000 as shown in FIG. 3 . direction) may be arranged to look outward toward both ends.
  • the venting induction frame 300 may be disposed along the entire edge of the plurality of battery modules 100 .
  • the venting induction frame 300 is formed in a tubular shape along each side of the battery pack 1000, and is a pair of vertical beams extending in a first direction (x-axis direction) and a second direction (y-axis direction), respectively. 310 and a pair of horizontal beams 320, which are formed to be able to communicate as a whole.
  • a detailed configuration of the venting induction frame 300 will be described later.
  • the plurality of battery modules 100 and the venting guide frame 300 may be mounted on the pack tray 200 , and may be fixed to the pack tray 200 by a fixing means if necessary.
  • the battery module 100 , the venting guide frame 300 , and the pack tray 200 may be accommodated in the lower housing 410 .
  • the lower housing 410 may include a bottom surface on which the pack tray 200 is disposed, and a side wall extending upwardly from an edge of the bottom surface.
  • An upper cover 420 covering an upper portion of the battery module 100 may be coupled to the lower housing 410 to protect an internal electric field.
  • various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system may be mounted inside the pack housing 400 together with the battery module 100 .
  • BMS battery management system
  • a cooling system may be mounted inside the pack housing 400 together with the battery module 100 .
  • At least one rupture part 500 capable of discharging heat or flame generated inside the lower housing 410 to the outside may be formed on one sidewall of the lower housing 410 . A detailed configuration of the rupture part 500 will be described later.
  • venting induction frame of the battery pack according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a venting induction frame in the battery pack of FIG. 3 .
  • the venting induction frame 300 is formed in a tubular shape along each side of the battery pack 1000, in a first direction (x-axis direction) and in a second direction (y-axis direction), respectively. It may include a pair of vertical beams 310 and a pair of horizontal beams 320 extending along the , these are formed to communicate as a whole.
  • the vertical beam 310 has a tubular shape elongated along the first direction (x-axis direction), and at this time, a cover 311 defining the inside of the tubular shape and a passage 312 formed inside the cover 311 are formed.
  • the cover 311 includes a first inner cover 311a disposed adjacent to the battery module 100 in the second direction (y-axis direction), and the battery module 100 in a second direction (y-axis direction) opposite to this. It may include a first outer cover (311b) disposed on the side away from. At least one of the first inner cover 311a and the first outer cover 311b includes a groove elongated in the first direction.
  • the cross section is formed to have a "C" shape (formed in a shape in which one surface is removed from a square tube shape), and the passage 312 may be defined by coupling the other cover here.
  • the present invention is not limited thereto, and is not particularly limited as long as a tubular shape can be obtained by the cover 311 .
  • the horizontal beam 320 has a tubular shape elongated along the second direction (y-axis direction), and at this time, a cover 321 defining the inside of the tubular shape and a passage 322 formed inside the cover 321 are formed.
  • the cover 321 includes a second inner cover 321a disposed adjacent to the battery module 100 in a first direction (x-axis direction), and the battery module 100 in a first direction (x-axis direction) opposite to this. It may include a second outer cover (321b) disposed on the side away from. At least one of the second inner cover 321a and the second outer cover 321b includes a groove elongated in the second direction.
  • both the second inner cover 321a and the second outer cover 321b may be formed to have a “C” shape in cross section, whereby the horizontal beam 320 ) can improve strength when assembled.
  • the present invention is not limited thereto, and is not particularly limited as long as a tubular shape can be obtained by the cover 321 .
  • the horizontal beam 320 includes a first connection hole 324 formed on a surface opposite to the battery module 100, that is, on one surface of the second inner cover 321a.
  • the first connection hole 324 is disposed to communicate with the venting gate 121 of the battery module 100 described above.
  • the horizontal beam 320 further includes a third connection hole 326 formed on a surface disposed in a direction away from the battery module 100 in the second direction, that is, one surface of the second outer cover 321b.
  • the third connection hole 326 is disposed so that the rupture part 500 and the passage 322 communicate with each other.
  • the venting path bracket 328 aligns the rupture part 500 with the horizontal beam ( 320).
  • the vertical beam 310 includes second connection holes 314 formed in the first inner cover 311a at both ends adjacent to the horizontal beam 320 . Through the second connection hole 314 , the passage 322 of the horizontal beam 320 and the passage 312 of the vertical beam 310 may communicate.
  • the rupture part 500 is connected to the passage 322 of the horizontal beam 320 and includes a rupture surface 510 (shown in FIG. 7B ) configured to rupture when the pressure of the incoming gas becomes a predetermined pressure or more.
  • the rupture surface 510 protrudes from the formed body, and includes a wing portion 520 (shown in FIG. 7B ) configured to be coupled with the sidewall of the lower housing 410 .
  • the wing part 520 may be fixed to the lower housing 410 through a fastening means such as a screw.
  • the rupture part 500 is fixed with the horizontal beam 320 and the lower housing 410 therebetween, but is not limited thereto, If it is configured to communicate with the passage of the venting induction frame 300 to enable discharge to the outside, it may be appropriately employed.
  • the two rupture parts 500 are formed on only one side of the pair of horizontal beams 320 , it is not limited thereto and the rupture parts 500 also on the other side of the horizontal beam 320 . may be provided, or may be provided on the vertical beam 310, and the position and number thereof may be appropriately selected as needed.
  • the passage is formed to communicate as a whole in the venting induction frame 300 of the rectangular shape made of the vertical beam 310 and the horizontal beam 320 , and this passage is the venting gate of the battery module 100 .
  • this passage is the venting gate of the battery module 100 .
  • the venting induction frame 300 acts as a support frame for stably supporting the battery module 100 , not during thermal runaway, to improve the stability of the battery pack 1000 .
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a transfer path when thermal runaway occurs in some modules of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a portion IV of FIG. 5 .
  • 7A and 7B are enlarged views of part V of FIG. 5 .
  • Venting gas is released.
  • a high-temperature, high-pressure gas and flame are induced to the first connection hole 324 located closest to the venting gate 121 of the battery module 100 in which the thermal issue has occurred.
  • the high-temperature and high-pressure gas and flame introduced through the first connection hole 324 may be discharged to the outside along the passage formed in the venting guide frame 300 .
  • the high-pressure gas and flame are emitted through the venting gate 121 as shown in FIG. 6 , and a horizontal beam It may be directly guided toward the rupture part 500 through the passage 322 of the 320 and be discharged to the outside. Accordingly, the heat issue generated in the battery module 100 at the position 1 may be discharged to the outside without affecting the surrounding modules.
  • the passage of the venting gate 121 and the passage of the rupture part 500 may be formed to be shifted from each other.
  • the passages of the venting gate 121 and the rupture part 500 are located on the same line, the high-temperature and high-pressure gas and flame passing through the venting gate 121 are directly transferred to the rupture part 500 and are shown in FIG. 7b .
  • the ruptured surface 510 may be easily ruptured and the ruptured portion 500 itself may be damaged.
  • the passage of the rupture part 500 and the passage of the venting gate 121 are formed to be misaligned with each other, so that the high-temperature and high-pressure gas and flame passing through the venting gate 121 are directed in the passage direction of the venting gate 121 . It can be guided back to the rupture part 500 formed in the direction perpendicular to the venting induction frame 300 through the inner passage of the venting induction frame 300 formed in the vertical direction, and the high temperature and high pressure gas and flame change direction. It reaches the rupture part 500 through the rupture part 500 , and the pressure transferred to the rupture surface 510 is further reduced, so that high-temperature, high-pressure gas and flame can be stably discharged through the rupture part 500 .
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a state in which the one-way valve is opened according to an embodiment of the present invention.
  • 9 is a schematic diagram showing a state in which the one-way valve is closed according to an embodiment of the present invention.
  • the one-way valve 600 may be opened or closed according to the direction in which the pressure is applied. As shown in Figure 8, when high-temperature and high-pressure gas and flame are introduced to one side of the one-way valve 600 formed inside the venting induction frame 300 to press the one-way valve 600, the one-way valve 600 is opened so that high-temperature and high-pressure gas and flame can pass through the one-way valve 600, while high-temperature and high-pressure gas and flame are introduced to the other side of the one-way valve 600 as shown in FIG. When the 600 is pressurized, the one-way valve 600 is closed so that the high-temperature and high-pressure gas and flame do not pass through the one-way valve 600 . A structure for preventing backflow of gas and flame using the one-way valve 600 formed in the above-described structure will be described later.
  • 10 is a view illustrating a battery pack in which only a venting induction frame is formed without a one-way valve as a comparative example.
  • 11 is a view showing a state in which the one-way valve according to an embodiment of the present invention is formed in the passage of the horizontal beam.
  • 12 is a view showing a state in which the one-way valve is formed in the passage of the vertical beam according to another embodiment of the present invention.
  • the one-way valve 600 is formed in the passage of the venting induction frame 300 .
  • the one-way valve 600 is a passage in a direction from the venting gate 121 connected to one battery module among the plurality of battery modules 100 to the venting gate 121 connected to the other battery module. to open a passage in a direction from the venting gate 121 connected to one of the plurality of battery modules 100 to the rupture part 500 .
  • the venting induction frame 30 may be connected to the venting gates 12 respectively connected to the plurality of battery modules 10 .
  • the gas and flame introduced into the venting induction frame 30 through the venting gate 12 are 50), it may be introduced into the other battery module through the venting gate 12 formed in the other battery module.
  • the battery pack may be damaged, and the venting induction frame exhibits a venting function. There may be problems that cannot be done.
  • the one-way valve 600 is installed on the passage of the venting induction frame 300 , so that the high temperature discharged from one battery module is The high-pressure gas and flame can be prevented from flowing back into the battery pack by blocking the direction in which the high-pressure gas and flame are flowing into other battery modules and opening the direction in which the high-pressure gas and flame are discharged to the outside through the rupture part 500 . have.
  • the venting guide frame 300 is a pair of vertical beams 310 formed parallel to a first direction and a pair formed parallel to a second direction crossing the first direction.
  • each of the vertical beam 310 and the horizontal beam 320 is a cover formed along the longitudinal direction of the vertical beam 310 and the horizontal beam 320, as shown in FIG. 311 and 321 and the passages 312 and 322 surrounded by the covers 311 and 321 so that the gas can pass, and at least one one-way valve 600 may be formed on the passages 312 and 322. have.
  • a 1-1 passage P1-1 and a 1-2 passage P1-2 are formed in a pair of vertical beams 310, respectively, and a pair of A 2-1a passage (P2-1a) and a 2-1b passage (P2-1b) are formed separately from each other in one of the horizontal beams 320 of the The -2a passage P2-2a and the 2-2b passage P2-2b may be formed separately from each other.
  • a notch portion 327 is formed in the middle portion of the pair of horizontal beams 320, and there is no passage in the portion where the notch portion 327 is formed.
  • the 1a passage (P2-1a) and the 2-1b passage (P2-1b), the 2-2a passage (P2-2a), and the 2-2b passage (P2-2b) are respectively on both sides of the notch portion 327 . It can be seen that they are formed separately.
  • the venting gate 121 may be connected to one of the passages respectively formed on both sides of the notch portion 327 .
  • the 1-1 passage (P1-1), the 2-1a passage (P2-1a), and the 2-2a passage (P2-2a) are connected to each other,
  • the 1-2 passage P1-2, the 2-1b passage P2-1b, and the 2-2b passage P2-2b are connected to each other.
  • the one-way valve 600 is connected to one part of the 1-1 passage P1-1, the 2-1a passage P2-1a, and the 2-2a passage P2-2a connected to each other and the first connected to each other.
  • the -2 passage P1-2, the 2-1b passage P2-1b, and the 2-2b passage P2-2b may be respectively formed in one portion.
  • the rupture part 500 may be formed on both sides of one of the pair of horizontal beams 320 . More specifically, the rupture part 500 may be respectively connected to the 2-1a passage (P2-1a) and the 2-1b passage (P2-1b) passage.
  • the one-way valve 600 is formed in the 2-1a passage (P2-1a) and the 2-1b passage (P2-1b) passage, respectively, and the venting adjacent to each one-way valve 600
  • the direction from the gate 121 to the rupture part 500 through the one-way valve 600 may open the passage, and the direction from the gate 121 to the adjacent venting gate 121 through the one-way valve 600 may block the passage. . Through this, it is possible to prevent the reverse flow of high-temperature and high-pressure gas and flame generated in one battery module 100 to another battery module.
  • the one-way valve 600 is respectively formed in the 1-1 passage (P1-1) and the 1-2 passage (P1-2), the 2-2a passage (P2-2a) And the direction from the venting gate 121 connected to the 2-2b passage (P2-2b) to the rupture part through the one-way valve 600 opens the passage, and, conversely, passes the one-way valve 600 to the 2-2a passage ( The direction entering the venting gate 121 connected to the passages P2-2a and 2-2b P2-2b may block the passage. Through this, it is possible to prevent the reverse flow of high-temperature and high-pressure gas and flame generated in one battery module 100 to another battery module.
  • the above-described battery module and battery pack including the same may be applied to various devices. These devices can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., but the present invention is not limited thereto and can be applied to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same. It belongs to the scope of the invention.
  • venting gate 321b second outer cover
  • module frame protrusion 324 first connection hole
  • cooling port 326 third connection hole
  • venting induction frame 410 lower housing
  • 311b first outer cover P1-1: 1-1 passageway

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈; 상기 복수의 전지 모듈의 가장자리를 따라 배치되고 벤팅 통로를 형성하는 벤팅 유도 프레임; 상기 복수의 전지 모듈의 내부와 상기 벤팅 유도 프레임을 연결하는 벤팅 게이트; 상기 벤팅 유도 프레임의 외측에 형성된 파열부; 및 상기 벤팅 유도 프레임의 통로에 형성된 일방향 밸브를 포함하고, 상기 일방향 밸브는, 상기 복수의 전지 모듈 중 일 전지 모듈과 연결된 상기 벤팅 게이트에서 타 전지 모듈과 연결된 벤팅 게이트로 연결되는 방향의 통로를 차단하고, 상기 복수의 전지 모듈 중 일 전지 모듈과 연결된 상기 벤팅 게이트에서 상기 파열부로 연결되는 방향의 통로를 개방한다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 04월 29일자 한국 특허 출원 제10-2020-0052258호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 안전성이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 또는 각형 이차 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지 셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 복수의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
전지팩은 다수의 전지 모듈들이 조합된 구조로 이루어져 있어서, 일부 전지모듈들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되는 경우에는 전지팩의 안전성과 작동효율이 문제될 수 있다. 특히 주행거리 향상을 위하여 전지팩 용량은 점차 증가되는 추세이고, 그에 따라 팩 내부 에너지도 증가되는 가운데서 강화되는 안전성 기준을 만족하고 차량 및 운전자의 안전성 확보를 위한 구조의 설계가 필요하다. 이를 위하여 특히 내부의 열 폭주 등을 미연에 방지하고, 발생하더라도 그 피해를 최소화할 수 있는 구조의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 안전성이 향상된 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 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 전지팩은, 복수의 전지 모듈; 상기 복수의 전지 모듈의 가장자리를 따라 배치되고 벤팅 통로를 형성하는 벤팅 유도 프레임; 상기 복수의 전지 모듈의 내부와 상기 벤팅 유도 프레임을 연결하는 벤팅 게이트; 상기 벤팅 유도 프레임의 외측에 형성된 파열부; 및 상기 벤팅 유도 프레임의 통로에 형성된 일방향 밸브를 포함하고, 상기 일방향 밸브는, 상기 복수의 전지 모듈 중 일 전지 모듈과 연결된 상기 벤팅 게이트에서 타 전지 모듈과 연결된 벤팅 게이트로 연결되는 방향의 통로를 차단하고, 상기 복수의 전지 모듈 중 일 전지 모듈과 연결된 상기 벤팅 게이트에서 상기 파열부로 연결되는 방향의 통로를 개방한다.
상기 일방향 밸브는 압력이 가해지는 방향에 따라 개방 또는 폐쇄가 이루어질 수 있다.
상기 벤팅 유도 프레임은 제1 방향에 평행하게 형성된 한 쌍의 수직 빔(beam) 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향에 평행하게 형성된 한 쌍의 수평 빔(beam)을 포함하고, 상기 수직 빔 및 상기 수평 빔 각각은, 상기 수직 빔과 상기 수평 빔의 길이 방향을 따라 형성된 커버와, 상기 커버에 의해 둘러싸여 가스가 지나갈 수 있도록 형성된 통로를 포함하고, 상기 통로상에는 적어도 하나의 상기 일방향 밸브가 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 수직 빔에는 각각 제1-1 통로, 제1-2 통로가 형성되고, 상기 한 쌍의 수평 빔 중 하나에는 제2-1a 통로 및 제2-1b 통로가 서로 분리되어 형성되고, 상기 한 쌍의 수평 빔 중 다른 하나에는 제2-2a 통로 및 제2-2b 통로가 서로 분리되어 형성될 수 있다.
상기 일방향 밸브는, 서로 연결된 상기 제1-1 통로, 상기 제2-1a 통로 및 상기 제2-2a 통로 중 한 부분 및 서로 연결된 상기 제1-2 통로, 상기 제2-1b 통로 및 상기 제2-2b 통로 중 한 부분에 각각 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 수평 빔의 가운데 부분에는 노치부가 형성되고, 상기 제2-1a 통로 및 제2-1b 통로, 상기 제2-2a 통로 및 상기 제2-2b 통로는 상기 노치부의 양측으로 각각 분리되어 형성될 수 있다.
상기 벤팅 게이트는 상기 노치부의 양측에 각각 형성된 상기 통로들 중 하나의 통로와 연결될 수 있다.
상기 한 쌍의 수평 빔 중 하나의 수평 빔의 양측에는 파열부가 형성되고, 상기 파열부는 상기 제2-1a 통로 및 상기 제2-1b 통로와 각각 연결될 수 있다.
상기 복수의 전지 모듈 및 상기 벤팅 유도 프레임을 수용하는 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징은, 상부 커버와 하부 하우징을 포함하고, 상기 상부 커버와 상기 하부 하우징 사이에는 팩 가스켓이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는, 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다.
실시예들에 따르면, 전지팩 내부에 벤팅 유도 구조를 형성함으로써, 전지셀의 이상 현상 발생 시, 벤팅 가스를 일정한 방향으로 유도하여 전지 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈을 z축 방향으로 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 팩에서 벤팅 유도 프레임의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 일부 모듈에서 열폭주가 발생한 경우 전달 경로를 모식화하여 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 IV 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 5의 V 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 개방되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 폐쇄되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 10은 비교예로, 일방향 밸브 없이 벤팅 유도 프레임만이 형성된 전지 팩을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 수평 빔의 통로에 형성된 모습을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 수직 빔의 통로에 형성된 모습을 나타낸 도면이다.
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 모듈을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈을 z축 방향으로 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 도 1의 전지팩에 포함된 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(101)이 적층된 전지셀 적층체(102), 전지셀 적층체(102)를 수납하는 모듈 프레임(108) 및 엔드 플레이트(120)를 포함할 수 있다. 복수의 전지셀(101)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(102)를 형성한다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(101)이 적층될 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체(102)는 전지셀(101)의 개수가 종래 보다 많아지는 대면적 모듈일 수 있다. 일례로, 전지 모듈(100) 당 48개의 전지셀(101)이 포함될 수 있다. 이러한 대면적 모듈의 경우, 전지 모듈의 수평 방향 길이가 길어지게 된다. 여기서, 수평 방향 길이란, 전지셀(101)이 적층된 방향, 즉 y축과 평행한 방향으로의 길이를 의미할 수 있다.
전지셀 적층체(102)를 수납하는 모듈 프레임(108)은 상부 플레이트(112) 및 하부 프레임(111)을 포함할 수 있다. 하부 프레임(111)은 U자형 프레임일 수 있다. 상기 U자형 프레임은 바닥부 및 상기 바닥부의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부를 포함할 수 있다. 상기 바닥부는 전지셀 적층체(102)의 하면(z축 반대 방향)을 커버할 수 있고, 상기 측면부는 전지셀 적층체(102)의 양 측면(y축 방향과 그 반대 방향)을 커버할 수 있다.
상부 플레이트(112)는 상기 U자형 프레임에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 플레이트(112)와 하부 프레임(111)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(102)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 플레이트(112)와 하부 프레임(111)을 통해 전지셀 적층체(102)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 플레이트(112)와 하부 프레임(111)은 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔드 플레이트(120)에는, 앞서 설명한 것처럼 전지 모듈(100) 내부와 연통하여 내측에서 발생할 수 있는 화염 내지 열을 방출할 수 있는 벤팅 게이트(121)가 형성되어 있다. 벤팅 게이트(121)는 정보 전달을 위한 커넥터 연결부를 고려하여 엔드 플레이트(120)의 하측에 형성될 수 있다. 벤팅 게이트(121)는 엔드 플레이트(120)의 일부분에 형성된 개구부(미도시)와 연결되어, 전지 모듈(100)의 내부와 연통될 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(108)은, 모듈 프레임(108)의 바닥부가 연장되어 엔드 플레이트(120)를 지나도록 형성된 모듈 프레임 돌출부(131)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈 프레임 돌출부(131)의 상면부와 연결되는 냉각 포트(140)에 의해 유입 및 배출되는 냉매가, 모듈 프레임 돌출부(131)를 통해 히트 싱크(130)로 공급 및 히트 싱크(130)로부터 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100)과, 복수의 전지 모듈(100)의 가장자리를 따라 배치된 벤팅 유도 프레임(300)을 포함한다. 복수의 전지 모듈(100)과 벤팅 유도 프레임(300)은 팩 트레이(200) 상에 장착되어 팩 하우징(400) 내에 수납될 수 있다. 팩 하우징(400)은 팩 트레이(200)를 수용하는 하부 하우징(410)과, 하부 하우징(410)에 결합하여 전지 모듈(100)의 상부를 덮는 상부 커버(420)를 포함할 수 있다. 상부 커버(420)와 하부 하우징(410) 사이에는 팩 가스켓(411)이 형성되어 팩 하우징(400) 내부를 밀봉할 수 있다.
복수의 전지 모듈(100)은 각각 모듈 프레임(110) 내에 배치된 전지셀 적층체(미도시)를 포함하며, 모듈 프레임(110)의 양 단부로 노출된 전지셀 적층체를 커버하는 엔드 플레이트(120)를 포함한다. 이 때, 양측 엔드 플레이트(120) 중 어느 한 쪽에는, 전지 모듈(100) 내부와 연통하여 내측에서 발생할 수 있는 화염 내지 열을 방출할 수 있는 벤팅 게이트(121)를 포함한다. 전지팩(1000) 내에서, 이러한 벤팅 게이트(121)는 전지팩(1000)의 외측을 향하도록 배치되며, 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 전지팩(1000)에서 제1 방향(x축 방향)의 양 단부를 향해 외측을 바라보도록 배치될 수 있다.
복수의 전지 모듈(100) 전체의 가장자리를 따라서는 벤팅 유도 프레임(300)이 배치될 수 있다. 벤팅 유도 프레임(300)은 전지팩(1000)의 각 변을 따라 관 형상으로 형성되고, 각각 제1 방향(x축 방향)과 제2 방향(y축 방향)을 따라 연장된 한 쌍의 수직 빔(310)과 한 쌍의 수평 빔(320)을 포함할 수 있고, 이들은 전체로서 연통할 수 있도록 형성된다. 벤팅 유도 프레임(300)의 상세한 구성은 후술하기로 한다.
복수의 전지 모듈(100)과 벤팅 유도 프레임(300)은 팩 트레이(200) 상에 장착될 수 있고, 필요에 따라 고정 수단에 의해 팩 트레이(200)에 고정될 수 있다. 전지 모듈(100), 벤팅 유도 프레임(300), 및 팩 트레이(200)는 하부 하우징(410) 내에 수납될 수 있다. 하부 하우징(410)은 팩 트레이(200)가 배치되는 바닥면과, 바닥면의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측벽을 포함하여 구성될 수 있다. 하부 하우징(410)에는 전지 모듈(100)의 상부를 덮는 상부 커버(420)가 결합되어 내부의 전장을 보호할 수 있다. 이 때, 팩 하우징(400) 내부에는 전지 모듈(100)과 함께 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템이 장착될 수 있다.
하부 하우징(410)의 일 측벽에는, 내부에서 발생한 열 또는 화염을 외측으로 배출할 수 있는 적어도 하나의 파열부(500)가 형성될 수 있다. 파열부(500)의 상세한 구성은 후술하기로 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩의 벤팅 유도 프레임에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 4는 도 3의 전지팩에서 벤팅 유도 프레임의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 벤팅 유도 프레임(300)은 전지팩(1000)의 각 변을 따라 관 형상으로 형성되고, 각각 제1 방향(x축 방향)과 제2 방향(y축 방향)을 따라 연장된 한 쌍의 수직 빔(310)과 한 쌍의 수평 빔(320)을 포함할 수 있고, 이들은 전체로서 연통할 수 있도록 형성된다.
수직 빔(310)은 제1 방향(x축 방향)을 따라 길게 연장된 관 형상을 가지며, 이 때 관 형상 내부를 정의하는 커버(311)와, 커버(311) 내측에 형성된 통로(312)를 포함한다. 커버(311)는 제2 방향(y축 방향)에서 전지 모듈(100)에 인접하여 배치되는 제1 내측 커버(311a)와, 이와 대향하여 제2 방향(y축 방향)에서 전지 모듈(100)로부터 멀어지는 측에 배치된 제1 외측 커버(311b)를 포함할 수 있다. 제1 내측 커버(311a)와 제1 외측 커버(311b) 중 적어도 어느 하나는, 상기 제1 방향을 따라 길게 형성된 홈을 포함한다. 즉, 단면이 "ㄷ"자 형상을 갖도록 형성(사각 관 형상에서 어느 일 면이 제거된 형상으로 형성)되어, 여기에 나머지 하나의 커버가 결합하는 것에 의해 통로(312)가 정의될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 커버(311)에 의해 관 형상이 얻어질 수 있다면 특별히 한정되는 것은 아니다.
수평 빔(320)은 제2 방향(y축 방향)을 따라 길게 연장된 관 형상을 가지며, 이 때 관 형상 내부를 정의하는 커버(321)와, 커버(321) 내측에 형성된 통로(322)를 포함한다. 커버(321)는 제1 방향(x축 방향)에서 전지 모듈(100)에 인접하여 배치되는 제2 내측 커버(321a)와, 이와 대향하여 제1 방향(x축 방향)에서 전지 모듈(100)로부터 멀어지는 측에 배치된 제2 외측 커버(321b)를 포함할 수 있다. 제2 내측 커버(321a)와 제2 외측 커버(321b) 중 적어도 어느 하나는, 제2 방향을 따라 길게 형성된 홈을 포함한다. 즉, 단면이 "ㄷ"자 형상을 갖도록 형성(사각 관 형상에서 어느 일 면이 제거된 형상으로 형성)되어, 여기에 나머지 하나의 커버가 결합하는 것에 의해 통로(322)를 정의할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 제2 내측 커버(321a)와 제2 외측 커버(321b) 모두가 단면이 "ㄷ"자 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 의해 수평 빔(320)이 조립되었을 때 강도를 향상시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 커버(321)에 의해 관 형상이 얻어질 수 있다면 특별히 한정되는 것은 아니다.
수평 빔(320)은 전지 모듈(100)과 대향하는 면, 즉 제2 내측 커버(321a)의 일면에 형성된 제1 연결홀(324)을 포함한다. 제1 연결홀(324)은 앞서 설명한 전지 모듈(100)의 벤팅 게이트(121)와 연통하도록 배치된다. 또한, 수평 빔(320)은 전지 모듈(100)로부터 제2 방향으로 멀어지는 방향에 배치된 면, 즉 제2 외측 커버(321b)의 일면에 형성된 제3 연결홀(326)을 더욱 포함한다. 제3 연결홀(326)은 파열부(500)와 통로(322)가 연통할 수 있도록 배치된다. 이때, 벤팅 게이트(121), 수평 빔(320)의 통로(322), 및 파열부(500)가 연통하는 경로를 가이드 할 수 있도록 벤팅 경로 브라켓(328)이 파열부(500)를 수평 빔(320)에 결합할 수 있다.
수직 빔(310)은 수평 빔(320)과 인접하는 양 단부에서, 제1 내측 커버(311a)에 형성된 제2 연결홀(314)을 포함한다. 제2 연결홀(314)에 의해, 수평 빔(320)의 통로(322)와, 수직 빔(310)의 통로(312)가 연통할 수 있다.
파열부(500)는 수평 빔(320)의 통로(322)와 연결되어 있고, 유입되는 가스의 압력이 일정 압력 이상이 될 경우 파열되도록 구성된 파열면(510, 도 7b에 도시)을 포함한다. 또한, 파열면(510)이 형성된 본체로부터 돌출되어, 하부 하우징(410)의 측벽과 결합할 수 있도록 구성된 날개부(520, 도 7b에 도시)를 포함한다. 날개부(520)는 나사 등의 체결 수단을 통해 하부 하우징(410)에 고정될 수 있다.
본 실시예에서는, 수평 빔(320)의 통로(322)와 연결되며, 또한 수평 빔(320)과 하부 하우징(410)을 사이에 두고 파열부(500)가 고정되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 벤팅 유도 프레임(300)의 통로와 연통하여 외측으로 배출이 가능하도록 하는 구성이라면 적절하게 채용될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 한 쌍의 수평 빔(320)의 어느 한 쪽에만 2개의 파열부(500)가 형성된 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 다른 쪽 수평 빔(320)에도 파열부(500)가 구비되거나, 또는 수직 빔(310)에 구비되어도 좋으며, 필요에 따라 적절하게 그 위치 및 개수를 선택할 수 있다.
이상의 구성에 의해, 수직 빔(310)과 수평 빔(320)으로 이루어진 사각 형상의 벤팅 유도 프레임(300)의 내부에서 통로가 전체로 연통하도록 형성되며, 이러한 통로는 전지 모듈(100)의 벤팅 게이트(121) 및 파열부(500)와 연통하여, 전지 모듈(100)로부터 열 폭주 등이 발생할 경우 발열 및 화염을 외측으로 유도하여 주변 전지 모듈에의 영향을 최소화할 수 있다. 이 때, 발생한 고압의 벤팅 가스에 포함된 화염은, 벤팅 유도 프레임(300) 내부의 경로를 지나면서 모두 연소되어 보다 안전한 상태로 외부로 배출될 수 있다. 또한, 이러한 벤팅 유도 프레임(300)은 열 폭주 발생시가 아닌 평소에는, 전지 모듈(100)을 안정적으로 지지하는 지지 프레임으로 작용하여, 전지팩(1000)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 전지팩 내의 일부 전지 모듈에서 과전압, 과전류 또는 과발열 등의 이슈가 발생했을 경우 이를 제어하는 경로에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 일부 모듈에서 열폭주가 발생한 경우 전달 경로를 모식화하여 도시한 도면이다. 도 6은 도 5의 IV 부분을 확대하여 도시한 도면이다. 도 7a 및 도 7b는 도 5의 V 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 전지 모듈(100) 내에서 과전압, 과전류 또는 과발열 등의 이상 현상(열 이슈)이 발생할 경우, 전지 모듈(100) 내부로부터 벤팅 게이트(121)를 통해 고압의 벤팅 가스가 방출된다. 이 때, 열 이슈가 발생한 전지 모듈(100)의 벤팅 게이트(121)와 가장 가까이 위치하는 제1 연결홀(324)로, 고온, 고압의 가스 및 화염이 유도된다. 제1 연결홀(324)을 통해 유입된 고온, 고압의 가스와 화염은 벤팅 유도 프레임(300)에 형성된 통로를 따라 외측으로 방출될 수 있다.
예를 들면, 도 5에서 1번 위치에 배치된 전지 모듈(100)에서 열 이슈가 발생할 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 고압의 가스와 화염은 벤팅 게이트(121)를 통해 방출되어, 수평 빔(320)의 통로(322)를 거쳐 파열부(500)측으로 직접 유도되어 외부로 방출될 수 있다. 이에 의해 1번 위치의 전지 모듈(100)에서 발생한 열 이슈는 주변 모듈에 영향을 주지 않고 외측으로 방출될 수 있다.
또한, 도 5에서 2번 위치에 배치된 전지 모듈(100)에서 열 이슈가 발생할 경우, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 고온, 고압의 가스와 화염은 벤팅 게이트(121)를 통해 방출되어, 수평 빔(320)의 통로(322)로 유입된다. 이어서 제2 연결홀(314)을 통해 수직 빔(310)의 통로(312)로 유입되고, 해당 통로(312)를 따라 이동한 고온, 고압의 가스와 화염은, 해당 수직 빔(310)의 반대측 단부에 형성된 제2 연결홀(314)을 통해, 파열부(500)가 위치한 측의 수평 빔(320)으로 유도되어 최종적으로 파열부(500)를 통해 외측으로 방출될 수 있다. 즉, 전지 모듈(100)에서 열 이슈가 발생하면, 해당 전지 모듈(100)의 벤팅 게이트(121)와 가장 가까이 위치하는 제1 연결홀(324)을 통해 벤팅 유도 프레임(300)의 통로로 고온, 고압의 가스와 화염이 유도되고, 최종적으로 외측으로 방출될 수 있는 것이다.
도 7b 를 참조하면, 벤팅 게이트(121)의 통로와 파열부(500)의 통로는 서로 어긋나게 형성될 수 있다. 벤팅 게이트(121)와 파열부(500)의 통로가 동일 선상에 위치할 경우, 벤팅 게이트(121)를 통과한 고온, 고압의 가스와 화염이 곧바로 파열부(500)로 전달되어 도 7b에 도시된 파열면(510)이 쉽게 파열되고 파열부(500) 자체가 손상될 수 있다. 이에 본 실시예에 따르면 파열부(500)의 통로와 벤팅 게이트(121)의 통로가 서로 어긋나게 형성되어 벤팅 게이트(121)를 통과한 고온, 고압의 가스와 화염이 벤팅 게이트(121)의 통로 방향과 수직인 방향으로 형성된 벤팅 유도 프레임(300) 내부 통로를 거쳐 다시 벤팅 유도 프레임(300)과 수직인 방향으로 형성된 파열부(500)로 유도될 수 있으며, 고온, 고압의 가스와 화염이 방향 전환을 통해 파열부(500)로 도달하게 되어 파열면(510)에 전달되는 압력이 보다 줄어들어 고온, 고압의 가스와 화염이 파열부(500)를 통해 안정적으로 방출될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 형성된 전지 팩에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 개방되는 모습을 나타낸 모식도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 폐쇄되는 모습을 나타낸 모식도이다.
일방향 밸브(600)는, 압력이 가해지는 방향에 따라 개방 또는 폐쇄가 이루어질 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 벤팅 유도 프레임(300)의 내부에 형성된 일방향 밸브(600)의 일측으로 고온 고압의 가스 및 화염이 유입되어 일방향 밸브(600)를 가압할 경우, 일방향 밸브(600)가 개방되어 고온 고압의 가스 및 화염이 일방향 밸브(600)를 통과할 수 있는 반면, 도 9에 도시된 바와 같이, 일방향 밸브(600)의 타측으로 고온 고압의 가스 및 화염이 유입되어 일방향 밸브(600)를 가압할 경우 일방향 밸브(600)가 폐쇄되어 고온 고압의 가스 및 화염이 일방향 밸브(600)를 통과하지 못하게 된다. 상술한 구조로 형성된 일방향 밸브(600)를 이용한 가스 및 화염의 역류 방지 구조에 대해 후술하도록 한다.
도 10은 비교예로, 일방향 밸브 없이 벤팅 유도 프레임만이 형성된 전지 팩을 나타낸 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 수평 빔의 통로에 형성된 모습을 나타낸 도면이다. 도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 일방향 밸브가 수직 빔의 통로에 형성된 모습을 나타낸 도면이다.
본 실시에에 따르면, 일방향 밸브(600)는 벤팅 유도 프레임(300)의 통로에 형성된다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 일방향 밸브(600)는 복수의 전지 모듈(100) 중 일 전지 모듈과 연결된 벤팅 게이트(121)에서, 타 전지 모듈과 연결된 벤팅 게이트(121)로 연결된 방향의 통로를 차단하고, 복수의 전지 모듈(100) 중 일 전지 모듈과 연결된 벤팅 게이트(121)에서 파열부(500)로 연결되는 방향의 통로를 개방한다.
도 10에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 비교예에 따른 전지 팩은, 벤팅 유도 프레임(30)이 복수의 전지 모듈(10)과 각각 연결된 벤팅 게이트(12)들과 연결될 수 있다. 다만, 복수의 전지 모듈(10) 중 하나의 전지 모듈로부터 고온, 고압의 가스와 화염이 발생할 경우, 벤팅 게이트(12)를 지나 벤팅 유도 프레임(30)으로 유입된 가스와 화염이, 파열부(50)를 통해 외부로 방출되지 않고, 다른 하나의 전지 모듈에 형성된 벤팅 게이트(12)를 지나 다른 하나의 전지 모듈 내부로 유입될 수 있다. 이와 같이 하나의 전지 모듈로부터 발생한 고온 고압의 가스와 화염이 파열부를 통해 외부로 방출되지 못하고 다시 다른 하나의 전지 모듈로 역류하여 들어올 경우 전지 팩이 손상될 수 있으며, 벤팅 유도 프레임이 벤팅 기능을 발휘하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
이에 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 일방향 밸브(600)를 벤팅 유도 프레임(300)의 통로 상에 설치함으로써, 일 전지 모듈로부터 배출된 고온 고압의 가스와 화염이 타 전지 모듈로 유입되는 방향은 차단시키고, 파열부(500)를 통해 외부로 방출되는 방향은 개방시킴으로써 고온 고압의 가스와 화염이 전지 팩 내부로 역류되는 현상을 방지할 수 있다.
보다 상세하게는, 도 3에 도시된 바와 같이 벤팅 유도 프레임(300)은 제1 방향에 평행하게 형성된 한 쌍의 수직 빔(310) 및 제1 방향과 교차하는 제2 방향에 평행하게 형성된 한 쌍의 수평 빔(320)을 포함하고, 수직 빔(310) 및 수평 빔(320) 각각은, 도 4에 도시된 바와 같이 수직 빔(310)과 수평 빔(320)의 길이 방향을 따라 형성된 커버(311, 321)와, 커버(311, 321)에 의해 둘러싸여 가스가 지나갈 수 있도록 형성된 통로(312, 322)를 포함하고, 통로(312, 322) 상에는 적어도 하나의 일방향 밸브(600)가 형성될 수 있다.
이때, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 수직 빔(310)에는 각각 제1-1 통로(P1-1), 제1-2 통로(P1-2)가 형성되고, 한 쌍의 수평 빔(320) 중 하나에는 제2-1a 통로(P2-1a) 및 제2-1b 통로(P2-1b) 가 서로 분리되어 형성되고, 한쌍의 수평 빔(320) 중 다른 하나에는 제 2-2a 통로(P2-2a) 및 제2-2b 통로(P2-2b) 가 서로 분리되어 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 한 쌍의 수평 빔(320)의 가운데 부분에는 노치부(327)가 형성되고, 노치부(327)가 형성된 부분에는 통로가 존재하지 않는 구조로서, 제2-1a 통로(P2-1a) 및 제2-1b 통로(P2-1b), 제2-2a 통로(P2-2a) 및 제2-2b 통로(P2-2b)는 노치부(327)의 양측으로 각각 분리되어 형성됨을 알 수 있다. 이때, 벤팅 게이트(121)는 노치부(327)의 양측에 각각 형성된 통로들 중 하나의 통로와 연결될 수 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 제1-1 통로(P1-1), 제 2-1a 통로(P2-1a) 및 제2-2a 통로(P2-2a)는 서로 연결되어 있고, 제1-2 통로(P1-2), 제 2-1b 통로(P2-1b) 및 제2-2b 통로(P2-2b)는 서로 연결되어 있다. 이때 일방향 밸브(600)는, 서로 연결된 제1-1 통로(P1-1), 제 2-1a 통로(P2-1a) 및 제2-2a 통로(P2-2a) 중 한 부분 및 서로 연결된 제1-2 통로(P1-2), 제 2-1b 통로(P2-1b) 및 제2-2b 통로(P2-2b) 중 한 부분에 각각 형성될 수 있다.
파열부(500)는 한 쌍의 수평 빔(320) 중 하나의 수평 빔의 양측에 형성될 수 있다. 보다 상세하게는, 파열부(500)는 제2-1a 통로(P2-1a) 및 제2-1b 통로(P2-1b) 통로와 각각 연결될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 일방향 밸브(600)는 제2-1a 통로(P2-1a) 및 제2-1b 통로(P2-1b) 통로에 각각 형성되고, 각 일방향 밸브(600)와 인접한 벤팅 게이트(121)에서 일방향 밸브(600)를 지나 파열부(500)로 향하는 방향은 통로를 개방시키고, 반대로 일방향 밸브(600)를 지나 인접한 벤팅 게이트(121)로 들어가는 방향은 통로를 차단시킬 수 있다. 이를 통해 일 전지 모듈(100)에서 발생하는 고온 고압의 가스와 화염이 타 전지 모듈로 역류하는 현상을 방지할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 일방향 밸브(600)는 제1-1 통로(P1-1) 및 제1-2 통로(P1-2)에 각각 형성되고, 제2-2a 통로(P2-2a) 및 제2-2b 통로(P2-2b)와 연결된 벤팅 게이트(121)에서 일방향 밸브(600)를 지나 파열부로 향하는 방향은 통로를 개방시키고, 반대로 일방향 밸브(600)를 지나 제2-2a 통로(P2-2a) 및 제2-2b 통로(P2-2b)와 연결된 벤팅 게이트(121)로 들어가는 방향은 통로를 차단시킬 수 있다. 이를 통해 일 전지 모듈(100)에서 발생하는 고온 고압의 가스와 화염이 타 전지 모듈로 역류하는 현상을 방지할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 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 전지팩을 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
121: 벤팅 게이트 321b: 제2 외측 커버
130: 히트 싱크 322: 통로
131: 모듈 프레임 돌출부 324: 제1 연결홀
140: 쿨링 포트 326: 제3 연결홀
200: 팩 트레이 400: 팩 하우징
300: 벤팅 유도 프레임 410: 하부 하우징
310: 수직 빔 411: 팩 가스켓
311: 커버 420: 상부 커버
311a: 제1 내측 커버 500: 파열부
311b: 제1 외측 커버 P1-1: 제1-1 통로
312: 통로 P1-2: 제1-2 통로
314: 제2 연결홀 P2-1a: 제2-1a 통로
320: 수평 빔 P2-1b: 제2-1b 통로
321: 커버 P2-2a: 제2-2a 통로
321a: 제2 내측 커버 P2-2b: 제2-2b 통로

Claims (10)

  1. 복수의 전지 모듈;
    상기 복수의 전지 모듈의 가장자리를 따라 배치되고 벤팅 통로를 형성하는 벤팅 유도 프레임;
    상기 복수의 전지 모듈의 내부와 상기 벤팅 유도 프레임을 연결하는 벤팅 게이트;
    상기 벤팅 유도 프레임의 외측에 형성된 파열부; 및
    상기 벤팅 유도 프레임의 통로에 형성된 일방향 밸브를 포함하고,
    상기 일방향 밸브는,
    상기 복수의 전지 모듈 중 일 전지 모듈과 연결된 상기 벤팅 게이트에서 타 전지 모듈과 연결된 벤팅 게이트로 연결되는 방향의 통로를 차단하고,
    상기 복수의 전지 모듈 중 일 전지 모듈과 연결된 상기 벤팅 게이트에서 상기 파열부로 연결되는 방향의 통로를 개방하는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 일방향 밸브는 압력이 가해지는 방향에 따라 개방 또는 폐쇄가 이루어지는 전지 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 벤팅 유도 프레임은 제1 방향에 평행하게 형성된 한 쌍의 수직 빔(beam) 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향에 평행하게 형성된 한 쌍의 수평 빔(beam)을 포함하고,
    상기 수직 빔 및 상기 수평 빔 각각은, 상기 수직 빔과 상기 수평 빔의 길이 방향을 따라 형성된 커버와, 상기 커버에 의해 둘러싸여 가스가 지나갈 수 있도록 형성된 통로를 포함하고,
    상기 통로상에는 적어도 하나의 상기 일방향 밸브가 형성된 전지 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 한 쌍의 수직 빔에는 각각 제1-1 통로, 제1-2 통로가 형성되고,
    상기 한 쌍의 수평 빔 중 하나에는 제2-1a 통로 및 제2-1b 통로가 서로 분리되어 형성되고,
    상기 한 쌍의 수평 빔 중 다른 하나에는 제2-2a 통로 및 제2-2b 통로가 서로 분리되어 형성되는 전지 팩.
  5. 제4항에서,
    상기 일방향 밸브는,
    서로 연결된 상기 제1-1 통로, 상기 제2-1a 통로 및 상기 제2-2a 통로 중 한 부분 및
    서로 연결된 상기 제1-2 통로, 상기 제2-1b 통로 및 상기 제2-2b 통로 중 한 부분에 각각 형성되는 전지 팩.
  6. 제4항에서,
    상기 한 쌍의 수평 빔의 가운데 부분에는 노치부가 형성되고,
    상기 제2-1a 통로 및 제2-1b 통로, 상기 제2-2a 통로 및 상기 제2-2b 통로는 상기 노치부의 양측으로 각각 분리되어 형성되는 전지 팩.
  7. 제6항에서,
    상기 벤팅 게이트는 상기 노치부의 양측에 각각 형성된 상기 통로들 중 하나의 통로와 연결되는 전지 팩.
  8. 제4항에서,
    상기 한 쌍의 수평 빔 중 하나의 수평 빔의 양측에는 파열부가 형성되고,
    상기 파열부는 상기 제2-1a 통로 및 상기 제2-1b 통로와 각각 연결되는 전지 팩.
  9. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 모듈 및 상기 벤팅 유도 프레임을 수용하는 하우징을 더 포함하고,
    상기 하우징은, 상부 커버와 하부 하우징을 포함하고,
    상기 상부 커버와 상기 하부 하우징 사이에는 팩 가스켓이 형성되는 전지 팩.
  10. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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