WO2022119186A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 및 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 모듈 프레임의 일측 플레이트에는 벤팅부가 형성되며, 상기 벤팅부는 유입구 및 상기 유입구를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구를 포함하고, 상기 벤팅부의 상기 유입구 및 상기 배출구는, 상기 일측 프레이트의 길이 방향상 이격되어 위치한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 12월 4일자 한국 특허 출원 제10-2020-0168895호 및 2021년 11월 4일자 한국 특허 출원 제10-2021-0150562호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 안전성이 강화된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 이러한 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다.
전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 프레임, 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함한다.
도 1은 종래 전지팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 모습을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 A-A 부분으로, 종래 전지팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 인접한 전지 모듈에 영향을 미치는 화염의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전지 모듈은 복수의 전지셀(10)이 적층 형성된 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 프레임(20), 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 엔드 플레이트(30), 엔드 플레이트 밖으로 돌출 형성된 터미널 버스바(40) 등을 포함한다.
프레임(20)과 엔드 플레이트(30)는 용접을 통해 밀봉되도록 결합할 수 있다. 이와 같이 전지셀 적층체를 수용하는 프레임(20)과 엔드 플레이트(30)가 결합되면, 전지 모듈의 과충전시 전지셀(10)의 내부 압력이 증가하여 전지셀(10)의 융착 강도 한계치를 넘는 경우, 전지셀(10)에서 발생한 고온의 열, 가스 및 화염이 전지셀(10)의 외부로 배출될 수 있다.
이때 고온의 열, 가스 및 화염은 엔드 플레이트(30)에 형성된 개구부들을 통해 배출될 수 있는데, 엔드 플레이트(30)끼리 서로 마주보도록 복수의 전지 모듈을 배치하는 전지팩 구조에서, 고온의 열, 가스 및 화염을 분출하는 전지 모듈에 이웃하는 전지 모듈에 영향을 미칠 수 있다. 이를 통해 이웃하는 전지 모듈의 엔드 플레이트(30)에 형성된 터미널 버스바(40)가 손상될 수 있으며, 고온의 열, 가스 및 화염이 이웃하는 전지 모듈의 엔드 플레이트(30)에 형성된 개구부를 통해 전지 모듈의 내부로 들어가 복수의 전지셀(10)들에 손상을 입힐 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내 발화 현상 발생시 배출되는 고온의 열과 화염을 억제하여 안전성이 강화된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 및 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 모듈 프레임의 일측 플레이트에는 벤팅부가 형성되며, 상기 벤팅부는 유입구 및 상기 유입구를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구를 포함하고, 상기 벤팅부의 상기 유입구 및 상기 배출구는, 상기 일측 프레이트의 길이 방향상 이격되어 위치한다.
상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임의 일측 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 제1 소화 물질층을 포함하고, 상기 제1 소화 물질층은 소화(fire extinguishing) 약제를 포함할 수 있다.
상기 벤팅부에는 소화 약제가 포함된 제2 소화 물질층이 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임의 일측 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에는 소화 약제를 포함하는 제1 소화 물질층이 형성되어 있고, 상기 벤팅부에는 소화 약제를 포함하는 제2 소화 물질층이 형성되어 있으며, 상기 제1 소화 물질층 및 상기 제2 소화 물질층에 포함된 소화 약제는 탄산수소칼륨을 포함하고, 화염 발생시 상기 제1 소화 물질층 및 상기 제2 소화 물질층 중 적어도 하나는 열분해 반응이 일어날 수 있다.
상기 제1 소화 물질층과 상기 제2 소화 물질층은 서로 연결될 수 있다.
상기 벤팅부는 홀 구조를 가지며, 상기 홀 구조는 경사진 구조를 가질 수 있다.
상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임의 상측 플레이트에 형성되는 홀 구조를 가지고, 상기 홀 구조는 비스듬하게 상기 상측 플레이트를 관통할 수 있다.
상기 벤팅부는, 상기 모듈 프레임의 상측 플레이트에 형성되어 상기 전지셀 적층체와 마주보는 유입구, 상기 유입구를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구를 포함하고, 상기 배출구는 상기 유입구와 수직인 방향으로 형성될 수 있다.
상기 벤팅부는, 상기 유입구와 상기 배출구 사이에 형성되어 상기 유입구로 유입된 가스를 상기 배출구가 위치한 방향으로 안내하는 연결부를 포함하고, 상기 연결부의 상면은 경사지게 형성될 수 있다.
상기 벤팅부는, 상기 전지셀 적층체와 연결되고, 상기 모듈 프레임의 상측 플레이트 상에서 상측 방향으로 형성된 유입구, 상기 상측 방향으로 형성되어 상기 유입구를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구 및 상기 유입구와 상기 배출구를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 연결부는 상기 유입구 및 상기 배출구의 유입 및 배출 방향과 수직인 방향으로 형성될 수 있다.
상기 제1 소화 물질층의 열분해 반응에 의해 상기 모듈 프레임의 일측 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 배출 통로가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은, 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 전지 모듈 내 열 폭주 현상 발생 시 고온의 열과 가스 및 화염을 제어하기 위해, 소화 기능 및 가스 배출 기능을 갖는 홀 형상의 모듈 프레임을 구현함으로써, 화염 발생 이전에는 외부로부터 오염물을 막아주고, 화염 발생시에는 화학 반응을 통해 화염을 억제할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 전지팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A를 따라 절단한 부분으로, 종래 전지팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 인접한 전지 모듈에 영향을 미치는 화염의 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 6은 도 3의 절단선 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 실시예에 따른 전지 모듈에서 화염 발생시 열분해 반응 이후 모습을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 서로 대향하는 방향으로 돌출된 전극리드(111, 112)를 포함하는 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200), 및 전극리드(111)가 돌출되는 일 방향(x축 방향)의 전지셀 적층체(120)의 일면에 배치된 제1 버스바 프레임(310)을 포함한다.
우선, 도 5를 참고하면, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다.
한편, 전지셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
또한, 연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗을 수 있고, 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(bat-ear)라 불리우는 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 또한, 돌출된 전극리드(111, 112)를 사이에 두고 셀 케이스(114)가 밀봉되면서, 전극리드(111, 112)와 셀 본체(113) 사이에 테라스(Terrace)부(116)가 형성될 수 있다. 즉, 전지셀(110)은, 전극리드(111, 112)가 돌출된 방향으로 셀 케이스(114)로부터 연장 형성된 테라스부(116)를 포함한다.
전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 도 4를 참고하면, 전지셀(110)들이 y축 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 전극리드(111)가 돌출된 방향(x축 방향)의 전지셀 적층체(120)의 일면에는 제1 버스바 프레임(310)이 위치할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 전극리드(112)가 돌출되는 방향(-x축 방향)의 전지셀 적층체(120)의 타면에 제2 버스바 프레임이 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120) 및 제1 버스바 프레임(310)은 모듈 프레임(200)에 함께 수용될 수 있다. 모듈 프레임(200)이 모듈 프레임(200) 내부에 수용된 전지셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은 모노 프레임의 구조를 가질 수 있다. 우선, 모노 프레임은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재의 형태일 수 있으며, 압출 성형으로 제조될 수 있다. 다만, 모듈 프레임(200) 구조는 이에 한정되지 않고, U자형 프레임과 상부 플레이트가 결합된 구조일 수 있다. U자형 프레임과 상부 플레이트가 결합된 구조의 경우, 하면 및 양 측면이 결합된 또는 일체화된 금속 판재인 U자형 프레임의 상측에 상부 플레이트를 결합하여 형성될 수 있으며, 프레스 성형으로 제조될 수 있다.
전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면 사이에는 열전도성 수지가 주액될 수 있으며, 주액된 열전도성 수지를 통해 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면 사이에 열전도성 수지층(미도시)이 형성될 수 있다.
한편, 전극리드(111, 112)들이 돌출된 방향(x축 방향, -x축 방향)으로, 모듈 프레임(200)이 개방될 수 있으며, 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측에 각각 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)가 위치할 수 있다. 제1 엔드 플레이트(410)가 제1 버스바 프레임(310)을 덮으면서 모듈 프레임(200)과 접합될 수 있고, 제2 엔드 플레이트(420)가 제2 버스바 프레임(미도시)을 덮으면서 모듈 프레임(200)과 접합될 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(410)와 전지셀 적층체(120) 사이에 제1 버스바 프레임(310)이 위치할 수 있고, 제2 엔드 플레이트(420)와 전지셀 적층체(120) 사이에 제2 버스바 프레임(미도시)이 위치할 수 있다. 또한, 제1 엔드 플레이트(410)와 제1 버스바 프레임(310) 사이에는 전기절 절연을 위한 절연 커버(800, 도 3 참고)가 위치할 수 있다.
제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 전지셀 적층체(120)의 상기 일면과 상기 타면을 각각 커버하도록 위치한다. 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 외부의 충격으로부터 제1 버스바 프레임(310) 및 이와 연결된 여러 전장품을 보호할 수 있고, 이를 위해 소정의 강도를 가져야 하며 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 제1 엔드 플레이트(410) 및 제2 엔드 플레이트(420)는 각각 모듈 프레임(200)의 대응하는 모서리와 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다.
제1 버스바 프레임(310)은 전지셀 적층체(120)의 일면에 위치하여, 전지셀 적층체(120)를 커버함과 동시에 전지셀 적층체(120)와 외부 기기와의 연결을 안내할 수 있다. 구체적으로, 제1 버스바 프레임(310)에는 버스바, 터미널 버스바 및 모듈 커넥터 중 적어도 하나가 장착될 수 있다. 특히, 제1 버스바 프레임(310)이 전지셀 적층체(120)와 마주하는 면의 반대 면에 버스바, 터미널 버스바 및 모듈 커넥터 중 적어도 하나가 장착될 수 있다. 일례로, 도 4에는 제1 버스바 프레임(310)에 버스바(510) 및 터미널 버스바(520)가 장착된 모습이 나타나 있다.
버스바(510)나 터미널 버스바(520)에 의해 전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110)들이 직렬 또는 병렬 연결될 수 있고, 전지 모듈(100a)의 외부로 노출되는 터미널 버스바(520)를 통해 외부 기기나 회로와 전지셀(110)들이 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 터미널 버스바(520)는, 터미널 버스바(520)가 포함된 전지 모듈에 이웃하는 다른 전지 모듈과 연결되도록 하는 외부 버스바와 연결될 수 있다.
제1 버스바 프레임(310)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 제1 버스바 프레임(310)은, 버스바(510)나 터미널 버스바(520)가 전극리드(111)와 접합된 부분을 제외하고, 버스바(510)나 터미널 버스바(520)가 전지셀(110)들과 접촉하는 것을 제한하여, 단락 발생을 방지할 수 있다.
한편, 상술한 바 대로, 전지셀 적층체(120)의 타면에 제2 버스바 프레임이 위치할 수 있는데, 제2 버스바 프레임에는 버스바와 모듈 커텍터가 장착될 수 있다. 이러한 버스바에 전극리드(112)가 접합될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 엔드 플레이트(410)에 터미널 버스바(520)가 노출되는 개구부가 형성될 수 있다. 상기 개구부는 터미널 버스바 개구부일 수 있다. 일례로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(410)에 터미널 버스바(520)가 노출되는 터미널 버스바 개구부(410H)가 형성될 수 있다. 터미널 버스바(520)는 버스바(510)와 비교하여, 상향 돌출된 부분을 더 포함하는데, 이러한 상향 돌출된 부분이 터미널 버스바 개구부(410H)를 통해 전지 모듈(100a)의 외부로 노출될 수 있다. 터미널 버스바 개구부(410H)를 통해 노출된 터미널 버스바(520)가 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 연결되어 HV(High voltage) 연결을 형성할 수 있다.
도 6은 도 3의 절단선 B-B를 따라 자른 단면도이다. 도 7은 본 실시예에 따른 전지 모듈에서 화염 발생시 열분해 반응 이후 모습을 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임(200)의 상측 플레이트와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치하는 배리어층(440)을 포함한다. 본 실시예에 따른 배리어층(440)은 소화(fire extinguishing) 약제를 포함한다. 여기서, 소화 약제는 분말 형태의 소화 약제 물질일 수 있다. 일 예로, 상기 소화 약제 물질은 탄산 수소 나트륨(NaHCO3), 탄산 수소 칼륨(KHCO3), 인산 암모늄(NH4H2PO3), 및 "탄산 수소 칼륨(KHCO3)과 요소((NH2)2CO)"의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 배리어층(440)에 포함된 소화 약제 물질은 탄산 수소 칼륨(KHCO3)을 포함할 수 있다. 탄산 수소 칼륨의 열분해 반응을 통해 탄산 칼륨(K2CO3), 수증기(H2O), 및 이산화탄소(CO2)가 생성될 수 있고, 수증기가 화염을 상쇄시키며, 이산화탄소가 화염이 산소 등과 접촉하는 것을 차단할 수 있다. 다만, 상기 소화 약제 물질은 이에 한정되지 아니하고, 소화 기능을 수행하는 물질이라면 제한 없이 사용 가능하다.
전지 모듈 내부에서 화염이 발생하는 경우에, 본 실시예에 따른 배리어층(440)에서 아래 화학식 1과 같은 열분해 반응이 일어나서 이산화탄소와 수증기가 발생할 수 있다. 이때 발생한 이산화탄소와 수증기에 의해 산소 공급을 차단하는 질식 효과가 발생하여 화염을 억제할 수 있다. 구체적으로, 상기 열분해 반응은 흡열 반응으로 전지 모듈 내에서 발생한 열을 흡수할 수 있고, 산소 공급 또한 차단될 수 있어, 화염 및 열 전파 속도 효과적으로 지연되어 전지 모듈의 안전성이 향상될 수 있다.
2KHCO3 → K2CO3 + H2O +CO2 - Q 화학식 1
본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)의 상측 플레이트에는 벤팅부(900)가 형성될 수 있다. 벤팅부(900)는 홀 구조를 가지며, 유입구(901), 배출구(902) 및 연결부(903)를 포함할 수 있다. 벤팅부(900)는 전지셀 적층체(120)와 연결되는 유입구(901), 유입구(901)를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구(902) 및 유입구(901)와 배출구(902)를 연결하는 연결부(903)를 포함할 수 있다. 연결부(903)는 유입구(901) 및 배출구(902)의 유입 및 배출 방향과 각을 이루도록 형성될 수 있다.
여기서, 유입구(901) 및 배출구(902)는 상측 플레이트의 길이 방향(x축 방향)상 이격되어 위치할 수 있다. 유입구(901)와 배출구(902)를 연결한 가상의 직선은 상측 플레이트의 길이 방향(x축 방향)과 각을 이룰 수 있다. 유입구(901)와 배출구(902)를 연결한 가상의 직선은 상측 플레이트와 각을 이룰 수 있다. 연결부(903)는 상측 플레이트와 각을 이루는 경사진 구조를 가질 수 있다.
벤팅부(900)의 상기 홀 구조는 경사진 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 홀 구조는 비스듬하게 모듈 프레임(200)의 상측 플레이트를 관통할 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같이 배리어층(440)의 열분해 반응에 의해 벤팅부(900)가 열리게 되면, 화염 및 가스 배출 유로가 확보되고, 경사진 구조를 통해 전지 모듈 내부의 직접적인 노출을 최소화할 수 있다.
도 6을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 배리어층(440)은 제1 소화 물질층(440a)과 제2 소화 물질층(440b)을 포함할 수 있다. 제1 소화 물질층(440a)은 모듈 프레임(200)의 상측 플레이트와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치하고, 제2 소화 물질층(440b)은 벤팅부(900)에 위치할 수 있다. 제1 소화 물질층(440a)과 제2 소화 물질층(440b)은 소화(fire extinguishing) 약제를 포함하고, 앞에서 설명한 바와 같이 소화 약제를 포함하는 제1 소화 물질층(440a)과 제2 소화 물질층(440b) 중 적어도 하나는 전지 모듈 내부에서 화염이 발생하면 열분해 반응이 일어날 수 있다. 제1 소화 물질층(440a)과 제2 소화 물질층(440b)은 서로 연결될 수 있다.
전지 모듈 내 화염이 발생하기 전에는 벤팅부(900)를 제2 소화 물질층(440b)이 막고 있기 때문에 외부로부터 오염물이 전지 모듈 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 만약 전지 모듈 내부에서 화염이 발생하면, 제1 소화 물질층(440a)과 제2 소화 물질층(440b)이 열분해 되어 벤팅부(900)가 열리게 되고, 벤팅부(900)를 통해 화염 및 가스가 분출될 수 있다. 이때, 전지 모듈 내부에 쌓이는 열에너지를 배출할 수 있다.
앞에서 설명한 벤팅부(900)는 모듈 프레임(200)의 상측 플레이트에 형성된 것으로 설명하였으나, 벤팅부(900)가 형성되는 위치는 모듈 프레임(200)이 상측 플레이트에 제한되지 않고 하측 플레이트 및 측면 플레이트에 형성할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 도 7에 도시한 바와 같이 모듈 프레임(200)의 상부와 전지셀 적층체(120)와 사이에 배출 통로(450)가 형성될 수 있다. 화염 발생 전에는 배출 통로(450)가 형성된 부분에 제1 소화 물질층(440a)이 형성되어 있다. 제1 소화 물질층(440a)의 열분해 반응에 의해 모듈 프레임(200)의 일측 플레이트와 전지셀 적층체(120) 사이에 배출 통로(450)가 형성되고, 전지 모듈의 일측에서 발생한 가스나 열이 배출 통로(450)를 통해 이동할 수 있다. 이후, 벤팅부(900)를 통해 전지 모듈로부터 배출되거나 배리어층(440)의 열분해 과정에서 소화될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈의 경우, 전지 모듈의 개구부 등을 통해 분출된 고온의 열, 가스 및 화염 등이 이웃하는 전지 모듈에 영향을 미칠 수 있다. 특히, HV 연결을 위해 터미널 버스바(40)끼리 마주하고 있는 이웃한 전지 모듈은, 터미널 버스바(40)나 전지셀(10)을 비롯한 기타 전장품에 손상이 발생할 수 있다.
종래와 달리, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은 모듈 프레임(200)의 상측 플레이트에 벤팅부(900)가 형성되어, 전지셀(110)로부터 기인한 고온의 열, 가스 및 화염 등이 제1 엔드 플레이트(410)의 개구부, 일례로 터미널 버스바 개구부(410H) 등을 통해 배출되는 것을 제한할 수 있다. 터미널 버스바(520)에 화염이 전이되면, 서로 이웃하는 전지 모듈을 연결하는 외부 버스바가 녹아 내부 쇼트에 의한 추가 발화될 수 있고, 이웃하는 전지 모듈로 전이될 가능성이 높다. 본 실시예에 따르면, 이웃한 전지 모듈 및 HV 연결 구조에 가해지는 손상을 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 벤팅부(910)는, 전지셀 적층체(120) 기준 상측 방향으로 벤팅되도록 형성될 수 있다. 벤팅부(910)는 유입구(911), 배출구(912) 및 연결부(913)를 포함할 수 있다. 벤팅부(910)는, 전지셀 적층체(120)와 연결되고, 모듈 프레임(200)의 상면 상에서 상측 방향으로 형성된 유입구(911), 상측 방향으로 형성되어 유입구(911)를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구(912) 및 유입구(911)와 배출구(912)를 연결하는 연결부(913)를 포함할 수 있다. 연결부(913)는 유입구(911) 및 배출구(912)의 유입 및 배출 방향과 수직인 방향으로 형성될 수 있다. 여기서, 유입구(911) 및 배출구(912)는 상측 플레이트의 길이 방향(x축 방향)상 이격되어 위치할 수 있다. 유입구(911)와 배출구(912)를 연결한 가상의 직선은 상측 플레이트의 길이 방향(x축 방향)과 각을 이룰 수 있다. 유입구(911)와 배출구(912)를 연결한 가상의 직선은 상측 플레이트와 각을 이룰 수 있다.
벤팅부(910)는 전지 모듈 내부의 고온의 열, 가스 및 화염을 전지 모듈의 상측 방향을 향해 배출하여, 엔드 플레이트를 맞대고 배치된 다른 전지 모듈들에 피해를 최소화시킬 수 있다. 그러나 배출구(912)가 상측 방향을 향해 형성되어 공기 중의 이물질이 중력에 의해 배출구(912)로 들어올 수 있는바, 연결부(913)를 배출구(912)와 수직인 방향으로 형성되도록 하여 배출구(912)로 유입된 이물질이 유입구(911)를 통해 전지 모듈 내부로 유입되는 현상이 최소화될 수 있다.
또한 연결부(913) 상에는 배출구(912)를 통해 들어오는 이물질을 차단하는 이물질 차단부(미도시)가 형성되어, 이물질이 배출구(912) 부분에서 연결부(913)를 통해 유입구(911) 부분으로 들어오지 못하도록 막을 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 벤팅부(920)는, 모듈 프레임(200)의 상면 상에 형성되어 전지셀 적층체와 연결되는 유입구(921), 유입구(921)를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구(922)를 포함하고, 배출구(922)는 유입구(921)와 수직인 방향으로 형성될 수 있다. 또한 벤팅부(920)는, 유입구(921)와 배출구(922) 사이에 형성되어 유입구(921)로 유입된 가스를 배출구(922)가 위치한 방향으로 안내하는 연결부(923)를 포함하고, 연결부(923)의 상면은 경사지게 형성될 수 있다. 연결부(923)는 상측 플레이트와 각을 이루는 경사진 구조를 가질 수 있다. 여기서, 유입구(921) 및 배출구(922)는 상측 플레이트의 길이 방향(x축 방향)상 이격되어 위치할 수 있다. 유입구(921)와 배출구(922)를 연결한 가상의 직선은 상측 플레이트의 길이 방향(x축 방향)과 각을 이룰 수 있다. 유입구(921)와 배출구(922)를 연결한 가상의 직선은 상측 플레이트와 각을 이룰 수 있다.
배출구(922)가 유입구(921) 및 모듈 프레임(200)의 상면과 수직인 방향으로 형성되어, 공기중에 떠다니는 이물질이 중력에 의해 배출구(922) 내부로 들어가는 현상을 방지할 수 있다. 또한 연결부(923)의 상면이 배출구(922)를 향해 경사지게 형성되어, 유입구(921)로 유입된 고온의 열, 가스 및 화염이 연결부(923)를 통해 방향이 전환되어 배출구(922)를 통해 자연스럽게 배출될 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈은 전지팩에 포함될 수 있다. 전지팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
200: 모듈 프레임
310: 버스바 프레임
440: 배리어층
440a, 440b: 소화 물질층
450: 배출 통로
900, 910, 920: 벤팅부

Claims (12)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 및
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고,
    상기 모듈 프레임의 일측 플레이트에는 벤팅부가 형성되며,
    상기 벤팅부는 유입구 및 상기 유입구를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구를 포함하고,
    상기 벤팅부의 상기 유입구 및 상기 배출구는, 상기 일측 프레이트의 길이 방향상 이격되어 위치하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임의 일측 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 제1 소화 물질층을 포함하고,
    상기 제1 소화 물질층은 소화(fire extinguishing) 약제를 포함하는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 벤팅부에는 소화 약제가 포함된 제2 소화 물질층이 형성되어 있는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 일측 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에는 소화 약제를 포함하는 제1 소화 물질층이 형성되어 있고,
    상기 벤팅부에는 소화 약제를 포함하는 제2 소화 물질층이 형성되어 있으며,
    상기 제1 소화 물질층 및 상기 제2 소화 물질층에 포함된 소화 약제는 탄산수소칼륨을 포함하고, 화염 발생시 상기 제1 소화 물질층 및 상기 제2 소화 물질층 중 적어도 하나는 열분해 반응이 일어나는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 소화 물질층과 상기 제2 소화 물질층은 서로 연결되는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 벤팅부는 홀 구조를 가지며, 상기 홀 구조는 경사진 구조를 갖는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임의 상측 플레이트에 형성되는 홀 구조를 가지고, 상기 홀 구조는 비스듬하게 상기 상측 플레이트를 관통하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 벤팅부는,
    상기 모듈 프레임의 상측 플레이트에 형성되어 상기 전지셀 적층체와 마주보는 유입구,
    상기 유입구를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구를 포함하고,
    상기 배출구는 상기 유입구와 수직인 방향으로 형성되는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 벤팅부는,
    상기 유입구와 상기 배출구 사이에 형성되어 상기 유입구로 유입된 가스를 상기 배출구가 위치한 방향으로 안내하는 연결부를 포함하고,
    상기 연결부의 상면은 경사지게 형성된 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 벤팅부는,
    상기 전지셀 적층체와 연결되고, 상기 모듈 프레임의 상측 플레이트 상에서 상측 방향으로 형성된 유입구,
    상기 상측 방향으로 형성되어 상기 유입구를 통해 유입된 가스를 배출하는 배출구 및
    상기 유입구와 상기 배출구를 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 연결부는 상기 유입구 및 상기 배출구의 유입 및 배출 방향과 수직인 방향으로 형성되는 전지 모듈.
  11. 제2항에서,
    상기 제1 소화 물질층의 열분해 반응에 의해 상기 모듈 프레임의 일측 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 배출 통로가 형성되는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
PCT/KR2021/016911 2020-12-04 2021-11-17 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 WO2022119186A1 (ko)

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