WO2022220605A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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성준엽
정혜미
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀들이 일방향으로 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하고, 내부면 및 외부면을 갖는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임과 결합하고, 상기 전지셀 적층체의 전면 또는 후면을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 모듈 프레임에는 상기 내부면에 형성된 유입구 및 상기 외부면에 형성된 배출구를 정의하는 홀 형태의 벤팅부가 적어도 하나 형성되며, 상기 벤팅부의 홀은 배리어층에 의해 덮여 있다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 04월 14일자 한국 특허 출원 제10-2021-0048791호에 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 전지 팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 모습을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 A-A 부분으로, 종래 전지 팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 인접한 전지 모듈에 영향을 미치는 화염의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층 형성된 전지셀 적층체(12), 전지셀 적층체(12)를 수용하는 프레임(20), 전지셀 적층체(12)의 전후면에 형성된 엔드 플레이트(40), 엔드 플레이트 밖으로 돌출 형성된 터미널 버스바(50) 등을 포함한다.
전지셀 적층체는 프레임(20) 및 엔드 플레이트(40)의 결합에 의해 밀폐된 구조 내에 위치할 수 있다. 이로 인해 과충전 등의 이유로 전지셀(11)의 내부 압력이 증가하는 경우에, 전지셀(11)의 외부로 고온의 열, 가스 또는 화염이 방출될 수 있는데, 이 때 하나의 전지셀(11)로부터 방출된 열, 가스 또는 화염 등은 좁은 간격을 두고 인접한 다른 전지셀(11)로 전달되어 연속적인 발화 현상이 유도될 수 있다. 또, 각 전지셀(11)로부터 방출된 열, 가스 또는 화염 등은 엔드 플레이트(40)에 형성된 개구부를 향해 배출될 수 있으며, 이 과정에서 엔드 플레이트(40)와 전지셀(11) 사이에 위치한 버스바(50) 등이 손상되는 문제가 발생할 수 있다.
더욱이, 전지 팩 내에서 복수의 전지 모듈(10)은 적어도 두 개의 엔드 플레이트(40)가 서로 대향하도록 배치되므로, 전지 모듈(10) 내에서 발생한 열, 가스 또는 화염 등이 전지 모듈(10) 외부로 배출되는 경우에는 인접한 다른 전지 모듈(10) 내의 복수의 전지셀(11)의 성능 및 안정성에 영향을 줄 수도 있을 것이다.
따라서, 전지 모듈(10)의 내부 발화 시 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키고, 발생된 열, 가스 또는 화염이 전지 모듈(10)의 외부로 빠르게 배출되도록 함으로써, 내구성 및 안전성이 향상된 전지 모듈(10)을 개발할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내 발화 현상 발생시 배출되는 고온의 열과 화염을 억제하여 안전성이 강화된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 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 전지셀들이 일방향으로 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하고, 내부면 및 외부면을 갖는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임과 결합하고, 상기 전지셀 적층체의 전면 또는 후면을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 모듈 프레임에는 상기 내부면에 형성된 유입구 및 상기 외부면에 형성된 배출구를 정의하는 홀 형태의 벤팅부가 적어도 하나 형성되며, 상기 벤팅부의 홀은 배리어층에 의해 덮여 있다.
상기 배리어층은 용융점이 약 200 ℃이하인 물질을 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 내열 플라스틱, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), Mica 계열 소재, Ceramic 계열 소재, 또는 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 무기 탄산염, 무기 인산염, 및 무기 황산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소화 약제를 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 상기 벤팅부가 형성된 상기 모듈 프레임의 일면과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치할 수 있다.
상기 배리어층은 상기 벤팅부의 홀의 내부 공간을 채울 수 있다.
상기 배리어층은, 상기 벤팅부의 홀의 내부 공간을 채우는 제1 배리어층 및 상기 벤팅부가 형성된 상기 모듈 프레임의 일면과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 제2 배리어층을 포함할 수 있다.
상기 복수의 전지셀들이 적층되는 방향을 적층 방향으로 정의할 때, 상기 벤팅부는 상기 적층 방향을 따라 연장되는 상기 모듈 프레임의 일면 상에 형성될 수 있다.
상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임의 상면에 형성될 수 있다.
상기 벤팅부의 배출 방향은 상기 벤팅부가 형성된 상기 모듈 프레임의 일면과 예각을 이루고, 상기 벤팅부의 배출 방향은 상기 유입구로부터 상기 배출구를 향하는 방향일 수 있다.
상기 복수의 전지셀은 제1 전지셀 및 제2 전지셀을 포함하고, 상기 제1 전지셀과 대응되는 위치에 형성된 제1 벤팅부와 대응되는 상기 배리어층의 제1 부분이 개방될 때, 상기 제2 전지셀과 대응되는 위치에 형성된 제2 벤팅부와 대응되는 상기 배리어층의 제2 부분은 개방되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은, 상술한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 홀이 형성된 모듈 프레임 및 홀을 가리기 위한 커버를 전지 모듈에 구현함으로써, 화염 발생 이전에는 홀을 폐쇄함으로써 외부로부터 전지 모듈 내부에 오염물이 투입하는 것을 방지하고, 화염 발생시에는 홀을 개방함으로써 산소 차단 및 가스 배출을 통해 고온의 열과 가스 및 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 전지 팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A를 따라 절단한 부분으로, 종래 전지 팩에 장착된 전지 모듈의 발화시 인접한 전지 모듈에 영향을 미치는 화염의 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 일 예를 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 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 화염 발생시 열분해 반응 이후 모습을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 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 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
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 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 일방향을 따라 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(200), 전지셀 적층체(120)의 전면 및/또는 후면 상에 위치하는 버스바 프레임(300), 전지셀 적층체(120)의 전면 및/또는 후면을 덮는(covering) 엔드 플레이트(400) 및 버스바 프레임(300) 상에 장착되는 버스바(510, 520)를 포함할 수 있다.
전지셀(110)은 단위 면적당 적층되는 수가 최대화될 수 있는 파우치형으로 제공될 수 있다. 파우치형으로 제공되는 전지셀(110)은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 라미네이트 시트의 셀 케이스(114)에 수납한 뒤 셀 케이스(114)의 실링부를 열융착함으로써 제조될 수 있다. 그러나, 전지셀(110)이 반드시 파우치형으로 제공되어야 하는 것은 아니며, 향후 장착될 디바이스가 요구하는 저장 용량이 달성되는 수준 하에서 각형, 원통형 또는 그 밖의 다양한 형태로 제공될 수도 있음은 자명하다.
도 5를 참조하면, 전지셀(110)은 두 개의 전극리드(111,112)를 포함할 수 있다. 전극리드(111,112)는 셀 본체(113)의 일단으로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 각 전극리드(111,112)의 일단은 전지셀(110)의 내부에 위치함으로써 전극 조립체의 양극 또는 음극과 전기적으로 연결되고, 각 전극리드(111,112)의 타단은 전지셀(110)의 외부로 도출됨으로써 별도의 부재, 예를 들어, 버스바(510,520)와 전기적으로 연결될 수 있다.
셀 케이스(114)내의 전극 조립체는 실링부(114sa, 114sb, 114sc)에 의해 밀봉될 수 있다. 셀 케이스(114)의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)상에 위치할 수 있다.
셀 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 셀 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈(100)을 형성하기 위하여 다수의 전지셀(110)들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀(110)들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 셀 케이스(114)의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다.
연결부(115)는 상술한 실링부(114sa, 114sb, 114sc)가 위치하지 않은 셀 케이스(114)의 일 단에서 길이 방향을 따라 연장되는 영역을 지칭하는 것일 수 있다. 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(bat-ear)라 불리우는 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 또, 테라스(Terrace)부(116)는 셀 케이스(114)의 가장자리를 기준으로, 셀 케이스(114)의 외부로 그 일부가 돌출된 전극리드(111, 112)와 셀 케이스(114)의 내부에 위치하는 셀 본체(113) 사이의 영역을 지칭하는 것일 수 있다.
한편, 파우치형으로 제공되는 전지셀(110)은 길이, 폭 및 두께를 가질 수 있으며, 전지셀(110)의 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향은 상호 수직하는 방향일 수 있다.
여기서, 전지셀(110)의 길이 방향은 전극리드(111, 112)가 셀 케이스(114)로부터 돌출된 방향에 따라 정의될 수 있다. 전지셀(110)의 길이 방향은 x축 방향 또는 -x축 방향으로 정의될 수 있다.
또 여기서, 전지셀(110)의 폭 방향은 도 4에서 도시된 것과 같이 전지셀(110)의 일측부(114c)로부터 연결부(115) 또는 연결부(115)로부터 일측부(114c)를 향하는 z축 방향 또는 -z축 방향일 수 있다. 또 여기서, 전지셀(110)의 두께 방향은 폭 방향 및 길이 방향과 수직하는 y축 방향 또는 -y축 방향으로 정의될 수 있다.
전지셀 적층체(120)는 전기적으로 연결된 복수의 전지셀(110)이 일 방향을 따라 적층된 것일 수 있다. 복수의 전지셀(110)이 적층된 방향(이하에서는 ‘적층 방향’으로 지칭됨)은 도 3 및 도 4에서 도시된 것과 같이 y축 방향(또는 -y축 방향일 수 있으며, 이하에서는 ‘축 방향’이라는 표현이 +/-방향을 모두 포함하는 것으로 해석될 수 있음)일 수 있다.
여기서, 전지셀 적층체(120)의 전면으로부터 후면을 향하는 방향, 또는 그 반대 방향은 전지셀 적층체(120)의 길이 방향으로 정의될 수 있으며, x축 방향일 수 있다. 또, 전지셀 적층체(120)의 상면으로부터 하면을 향하는 방향, 또는 그 반대 방향은 전지셀 적층체(120)의 폭 방향으로 정의될 수 있으며, z축 방향일 수 있다.
전지셀 적층체(120)의 길이 방향은 전지셀(110)의 길이 방향과 실질적으로 동일할 수 있다. 이 때, 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면에는 전지셀(110)의 전극리드(111,112)가 위치할 수 있다. 이 때, 전지 모듈(100)의 버스바(510,520)는 전극리드(111,112)와의 전기적 연결을 용이하게 형성하도록 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면과 가까이 배치될 수 있다.
모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품 모듈 프레임(200)의 내부 공간에 수용할 수 있다. 여기서, 모듈 프레임(200)은 내부면(도 6 참조, 200a) 및 외부면(도 6 참조, 200b)을 포함하며, 모듈 프레임(200)의 내부 공간은 내부면(200a)에 의해 정의될 수 있다.
모듈 프레임(200)의 구조는 다양할 수 있다. 일 예로, 모듈 프레임(200)의구조는 모노 프레임의 구조일 수 있다. 여기서, 모노 프레임은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재의 형태일 수 있다. 모노 프레임은 압출 성형으로 제조될 수 있다. 다른 예로, 모듈 프레임(200)의 구조는 U자형 프레임과 상부 플레이트(상면)가 결합된 구조일 수 있다. U자형 프레임과 상부 플레이트가 결합된 구조의 경우, 모듈 프레임(200)의 구조는 하면 및 양 측면이 결합된 또는 일체화된 금속 판재인 U자형 프레임의 상측에 상부 플레이트를 결합하여 형성될 수 있으며, 각 프레임 또는 플레이트는 프레스 성형으로 제조될 수 있다. 또, 모듈 프레임(200)의 구조는 모노 프레임 또는 U자형 프레임 외에 L형 프레임의 구조로 제공될 수도 있으며, 상술한 예에서 설명하지 않은 다양한 구조로 제공될 수도 있을 것이다.
모듈 프레임(200)의 구조는 전지셀 적층체(120)의 길이 방향을 따라 개방된 형태로 제공될 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 모듈 프레임(200)에 의해 가려지지 않을 수 있다. 전지셀(110)의 전극리드(111,112)는 모듈 프레임(200)에 의해 가려지지 않을 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 후술할 버스바 프레임(300), 엔드 플레이트(400) 또는 버스바(510,520) 등에 의해 가려질 수 있으며, 이를 통해 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 외부의 물리적 충격 등으로부터 보호될 수 있을 것이다.
한편, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 내부면 중 일측면 사이에는 압축 패드(150)가 위치할 수 있다. 이 때, 압축 패드(150)는 전지셀 적층체(120)의 y축 상에 위치할 수 있으며, 전지셀 적층체(120)의 양 단에 있는 두 전지셀(110)중 적어도 하나와 면을 마주할 수 있다.
또, 도시되지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 내부면 사이에는 열전도성 수지가 주액될 수 있으며, 주액된 열전도성 수지에 의하여 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 내부면 중 일측면 사이에 열전도성 수지층(미도시)이 형성될 수 있다. 이 때, 열전도성 수지층은 전지셀 적층체(120)의 z축 상에 위치할 수 있으며, 상기 열전도성 수지층은 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 -z축 상에 위치한 바닥면(또는 바닥부로 지칭될 수 있음) 사이에 형성될 수 있다.
버스바 프레임(300)은 전지셀 적층체(120)의 일면 상에 위치하여, 전지셀 적층체(120)의 일면을 커버함과 동시에 전지셀 적층체(120)와 외부 기기와의 연결을 안내하기 위한 것일 수 있다. 버스바 프레임(300)은 전지셀 적층체(120)의 전면 또는 후면 상에 위치할 수 있다. 버스바 프레임(300)에는 버스바(510,520) 및 모듈 커넥터 중 적어도 하나가 장착될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참고하면, 버스바 프레임(300)의 일면은 전지셀 적층체(120)의 전면 또는 후면과 연결되고, 버스바 프레임(300)의 타면은 버스바(510, 520)의 연결될 수 있다.
버스바 프레임(300)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 버스바 프레임(300)은, 버스바(510,520)가 전극리드(111,112)와 접합된 부분 외에 전지셀(110)들의 다른 부분과 접촉하는 것을 제한할 수 있으며, 전기적 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도시되지 않았으나, 버스바 프레임(300)은 두 개 일 수 있으며, 전지셀 적층체(120)의 전면 상에 위치하는 제1 버스바 프레임(도면 번호 300로 지칭될 수 있음) 및 전지셀 적층체(120)의 후면 상에 위치하는 제2 버스바 프레임(미도시)을 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 면을 밀폐함으로써, 전지셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 이를 위해 엔드 플레이트(400)는 소정의 강도를 가지는 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 엔드 플레이트(400)는 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 전지셀 적층체(120)의 일면 상에 위치하는 버스바 프레임(300) 또는 버스바(510,520)를 덮으면서 모듈 프레임(200)과 결합(접합, 밀봉 또는 밀폐)될 수 있다. 엔드 플레이트(400)의 각 모서리는 모듈 프레임(200)의 대응하는 모서리와 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다. 또한, 엔드 플레이트(400)와 버스바 프레임(300) 사이에는 전기절 절연을 위한 절연 커버(800)가 위치할 수 있다. 절연 커버(800)는 엔드 플레이트(400)의 내부면에 위치할 수 있으며, 엔드 플레이트(400)의 내부면에 밀착될 수 있으나, 반드시 그러한 것은 아니다.
엔드 플레이트(400)는 두 개 일 수 있으며, 전지셀 적층체(120)의 전면 상에 위치하는 제1 엔드 플레이트 및 전지셀 적층체(120)의 후면 상에 위치하는 제2 엔드 플레이트를 포함할 수 있다.
제1 엔드 플레이트는 전지셀 적층체(120)의 전면 상에서 제1 버스바 프레임을 덮으면서 모듈 프레임(200)과 결합될 수 있고, 제2 엔드 플레이트는 제2 버스바 프레임을 덮으면서 모듈 프레임(200)과 결합될 수 있다. 다시 말해서, 제1 엔드 플레이트와 전지셀 적층체(120)의 전면 사이에 제1 버스바 프레임이 위치할 수 있고, 제2 엔드 플레이트와 전지셀 적층체(120)의 후면 사이에 제2 버스바 프레임이 위치할 수 있다.
버스바(510,520)는 버스바 프레임(300)의 일면 상에 장착되고, 전지셀 적층체(120) 또는 전지셀(110)들과 외부 기기 회로를 전기적으로 연결하기 위한 것일 수 있다. 버스바(510,520)는 전지셀 적층체(120) 또는 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(400) 사이에 위치함으로써 외부의 충격 등으로부터 보호될 수 있으며, 외부의 수분 등에 의한 내구성 저하가 최소화될 수 있다.
버스바(510,520)는 전지셀(110)의 전극리드(111,112)를 통해 전지셀 적층체(120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로 전지셀(110)의 전극리드(111,112)는 버스바 프레임(300)에 형성된 슬릿을 통과한 후 구부러져 버스바(510,520)와 연결될 수 있다. 버스바(510,520)에 의해 전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110)들이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
버스바(510,520)는 하나의 전지 모듈(100)은 다른 전지 모듈(100)을 전기적으로 연결하기 위한 터미널 버스바(520)를 포함할 수 있다. 외부의 다른 전지 모듈(100)과 연결되기 위해서 터미널 버스바(520)의 적어도 일부는 엔드 플레이트(400)의 외부로 노출될 수 있으며, 엔드 플레이트(400)에는 이를 위한 터미널 버스바 개구부(400H)가 구비될 수 있다.
터미널 버스바(520)는 다른 버스바(510)와 달리 상향으로 돌출된 돌출부를 더 포함할 수 있으며, 돌출부는 터미널 버스바 개구부(400H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다. 터미널 버스바(520)는 터미널 버스바 개구부(400H)를 통해 노출된 돌출부를 통해 다른 전지 모듈(100)이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 연결될 수 있으며, 이들과 HV(High voltage) 연결을 형성할 수 있다.
도시되지 않았으나, 전지 모듈(100)은 전지셀(110)의 과전압, 과전류, 과발열 등의 현상을 검출하고, 제어하는 센싱 부재를 포함할 수 있다. 센싱 부재는 전지 모듈 내부의 온도를 감지하는 온도 센서, 버스바(510,520)의 전압 값을 센싱하는 센싱 단자, 수집된 데이터를 외부의 제어 장치에 전달하며, 외부의 제어 장치로부터 신호를 수신하는 모듈 커넥터 및/또는 이를 연결하기 위한 연결 부재를 포함할 수 있다.
여기서, 연결 부재는 전지셀 적층체(200)의 상면에서 길이 방향을 따라 연장되는 형태로 배치될 수 있다. 연결 부재는 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다.
또 여기서, 모듈 커넥터는 온도 센서 및/또는 센싱 단자로부터 획득된 데이터를 BMS(Battery Management System)에 전송할 수 있고, BMS는 수집된 전압 데이터들을 기초로 전지셀(110)들의 충전과 방전을 제어할 수 있다. 모듈 커넥터는 상술한 버스바 프레임(300)에 장착될 수 있다. 모듈 커넥터의 적어도 일부는 엔드 플레이트(400)의 외부로 노출될 수 있으며, 엔드 플레이트(400)에는 이를 위한 모듈 커넥터 개구부(도시되지 않음)가 구비될 수 있다. 이처럼, 엔드 플레이트(400)에는 터미널 버스바 개구부(400H) 및 모듈 커넥터 개구부 등이 형성될 수 있으며, 이들은 ‘개구부’로 총칭될 수 있다.
한편, 상술한 것과 같이 전지셀(110)이 높은 밀도로 적층된 전지 모듈(100)의 내부에서는 발화 현상이 나타날 수 있다. 하나의 전지 모듈(100)에서 발화 현상이 발생하면, 전지 모듈(100)의 열, 가스 또는 화염 등이 그와 인접한 전지 모듈(100)에 전달될 수 있으므로, 전지 모듈(100) 사이에 연속적인 발화 현상이 발생하기도 하였으며, 이에 따라 전지 모듈(100) 또는 이를 포함하는 전지 팩의 내구성 및 안정성이 저하되는 문제가 있었다.
따라서 이하에서는 위와 같은 발화 현상을 해소함으로써 전지 모듈(100)의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 벤팅부(venting part, 900) 및 배리어층(Barrier layer, 920)에 관하여 설명하기로 한다.
도 6은 도 3의 절단선 B-B를 따라 자른 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 화염 발생시 열분해 반응 이후 모습을 나타내는 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은 모듈 프레임(200) 내부면(200a)과 외부면(200b)을 관통하는 벤팅부(900)를 포함할 수 있다.
벤팅부(900)는 모듈 프레임(200) 및 엔드 플레이트(400) 등에 의해 밀폐된전지 모듈(100)의 내부와 전지 모듈(100)의 외부를 연통하기 위한 것일 수 있다. 벤팅부(900)는 전지 모듈(100)의 내부 발화 시, 발생하는 열, 가스 또는 화염 등을 전지 모듈(100)의 외부로 배출하기 위한 것일 수 있다.
벤팅부(900)는 모듈 프레임(200)의 내부면(200a)에 형성된 유입구(inlet, 900a) 및 외부면(200b)에 형성된 배출구(outlet, 900b)를 연통하는 홀(hole) 형태를 가질 수 있다.
벤팅부(900)는 모듈 프레임(200)의 적어도 일면에 형성될 수 있다. 여기서, 모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(120)의 길이 방향인 x축 상에서 서로 마주보도록 배치되는 두 면이 개방된 상태일 수 있다. 모듈 프레임(200)은 y축 상에서 서로 마주보도록 배치되는 두 면(이하에서는, ‘y축 상의 면’으로 지칭됨) 및 z축 상에서 서로 마주보도록 배치되는 두 면(이하에서는, ‘z축 상의 면’으로 지칭됨)을 가질 수 있다. 모듈 프레임(200)의 개방된 x축 상에서 서로 마주보는 두 면은 주로 엔드 플레이트(400)등에 의해 가려질 수 있다.
전지 팩 내의 전지 모듈(100)들은 주로 HV 연결을 위해 터미널 버스바(520)끼리 마주하도록 배치되고, 하나의 전지 모듈(100)에서 발생한 화염 등은 엔드 플레이트(400)에 형성된 개구부, 일 예로 터미널 버스바 개구부(400H)를 통해 인접한 다른 전지 모듈(100)로 전달될 수 있다. 이처럼 전지 모듈(100) 내부의 열이 엔드 플레이트(400) 방향으로 전달되면, 서로 이웃하는 전지 모듈(100)을 전기적으로 연결하는(HV 연결) 외부 버스바가 녹아 내부 쇼트에 의한 추가 발화가 나타날 수 있고, 이웃하는 전지 모듈에 열폭주 현상이 전이될 수 있다.
그러나, 모듈 프레임(200)에 벤팅부(900)가 형성되면, 전지셀(110)로부터 기인한 고온의 열, 가스 및 화염 등이 터미널 버스바 개구부(400H)를 통해 배출되는 것을 최소화할 수 있고, 이웃한 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)의 HV 연결 구조에 가해지는 손상을 최소화할 수 있다.
여기서, 모듈 프레임(200)의 y축 상의 일면은 전지셀 적층체(120)의 폭 방향 또는 길이 방향을 따라 연장되는 면일 수 있다. 모듈 프레임(200)의 y축 상의 일면은 하나의 전지셀(110)의 일면과 마주할 수 있다. 설명의 편의를 위하여 모듈 프레임(200)의 y축 상의 일면은 모듈 프레임(200)의 측면으로 지칭될 수 있다.
또 여기서, 모듈 프레임(200)의 z축 상의 일면은 전지셀 적층체(120)의 적층 방향 또는 길이 방향을 따라 연장되는 면일 수 있다. 모듈 프레임(200)의 z축 상의 일면은 일 방향을 따라 나란히 배치된 다수의 전지셀 적층체(120)의 각각의 일면과 마주볼 수 있다. 설명의 편의를 위하여 모듈 프레임(200)의 z축 상의 일면은 상면 또는 하면(바닥면 또는 바닥부)으로 지칭될 수도 있을 것이다.
도 6 및 도 7에 도시된 것과 같이, 벤팅부(900)는 모듈 프레임(200)의 z축 상의 일면에 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 벤팅부(900)가 모듈 프레임(200)의 z축 상의 일면에 위치하면, y축 상의 일면에 위치하는 경우보다, 벤팅부(900)의 유입구(900a)가 전지셀 적층체(120)의 다수의 전지셀(110)과 가까이 위치할 수 있으므로, 다수의 전지셀(110)로부터 방출되는 열, 가스 또는 화염이 외부로 빠르게 배출가능하기 때문일 수 있다. 이처럼, 모듈 프레임(200)상의 벤팅부(900)의 위치는, 다수의 전지셀(110)의 일면이 나란히 위치한, 전지셀 적층체(120)의 일면의 위치에 따라 결정될 수 있다.
모듈 프레임(200)상의 벤팅부(900)의 위치는 전지 팩 내의 전지 모듈(100)의 배치에 따라 결정될 수도 있다. 예를 들어, 다수의 전지 모듈(100)은 전지 팩 내에서 전지 모듈(100)이 제1 방향(y축 또는 x축)을 따라 배치되고, 제2 방향(z축 방향)으로는 배치되지 않을 수 있다. 이 때, 도 6 및 도 7에 도시된 것과 같이 벤팅부(900)가 모듈 프레임(200)의 z축(제2 방향) 상의 일면에 형성되면 벤팅부(900)의 유입구(900a)로부터 배출구(900b)로 연장되는 배출 경로 상에 다른 인접한 전지 모듈(100)이 위치하지 않게 되므로 배출된 열, 가스 또는 화염이 다른 전지 모듈(100)에 미칠 수 있는 영향을 최소화할 수 있다. 한편, z축 상의 두 면 중 -z축 상의 면이 전지 팩과 연결되는 장착면인 경우에는, 벤팅부(900)는 +z축 상에 형성될 수 있을 것이다.
벤팅부(900)는 상술한 도면들과 같이 모듈 프레임(200)의 일면 상에 전체적으로 형성될 수도 있으나, 반드시 그러한 것은 아니고, 모듈 프레임(200)의 일면 중 일부에 형성될 수도 있다. 또, 도시되지 않았으나, 벤팅부(900)는 모듈 프레임(200)의 다수의 면 상에 형성될 수도 있다.
벤팅부(900)의 개수는 하나 이상일 수 있으며, 벤팅부(900)가 복수인 경우 벤팅부(900)는 행/열을 이루어 배치될 수 있다.
벤팅부(900)의 유입구(900a) 및 배출구(900b)의 형상은 상술한 도면들과 같이 곡률을 가지는 라운드 형상일 수도 있으나, 반드시 그러한 것은 아니며, 원형, 타원형 또는 꼭지점을 가지는 다각형으로 제공될 수도 있다. 또, 벤팅부(900)를 통해 배출되는 열, 가스 또는 화염은 전지 모듈(100)의 외부로 보다 빠르게 확산되는 것이 바람직하므로, 배출구(900b)의 크기는 유입구(900a)의 크기보다 더 크게 제공될 수도 있을 것이다.
한편, 벤팅부(900)의 유입구(900a)로부터 배출구(900b)를 향하는 방향은 전지 모듈(100) 내부의 가스가 외부로 배출되는 배출 방향일 수 있다. 상술한 도면에서는 벤팅부(900)의 유입구(900a)로부터 배출구(900b)를 향하는 방향이 벤팅부(900)가 형성된 모듈 프레임(200)의 일면과 수직하는 것으로 도시되었으나, 반드시 그러한 것은 아니며, 벤팅부(900)의 유입구(900a) 및 배출구(900b)의 위치를 변경함으로써 배출 방향이 상기 모듈 프레임(200)의 일면과 예각을 이루도록 홀 구조가 형성될 수도 있다. 이처럼 벤팅부(900)의 홀이 경사진 구조를 가짐으로써, 전지 모듈(100) 내부의 노출이 최소화되고, 공기중에 떠다니는 이물질이 중력에 의해 전지 모듈(100) 내부로 들어가는 현상이 방지될 수 있다.
벤팅부(900)의 유입구(900a) 및 배출구(900b)의 위치를 변경함으로써 배출 방향이 각(예각)을 이루게 되면, 벤팅부(900)로부터 배출되는 열, 가스 또는 화염의 방향이 전환(조절)될 수 있다. 이로 인해 배출 경로의 길이가 증가할 수 있고, 벤팅부(900)의 배출구(900b)를 통해 배출되는 가스 등이 좀 더 낮은 온도를 가질 수 있다. 또한, 벤팅부(900)의 배출 방향이 인접한 전지 모듈(100)이 위치하지 않는 방향으로 형성된 경우에는, 인접한 전지 모듈(100) 사이에 열이 전파되는 현상이 최소화될 수도 있을 것이다.
벤팅부(900)가 복수인 경우, 복수의 벤팅부(900)의 배출방향은 서로 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다. 복수의 벤팅부(900)의 배출 방향이 서로 상이하게 형성되면 벤팅부(900)로부터 배출되는 가스 등이 다양한 방향을 향해 전지 모듈(100) 외부의 더 넓은 공간으로 확산될 수 있다. 이에 따라 전지 모듈(100)로부터 가스 배출이 신속하게 이루어 질 수 있고, 전지 모듈(100)의 발열 방지와 같은 효과가 달성될 수 있다.
한편, 본 실시예와 같이 모듈 프레임(200)에 내부와 외부를 연통하기 위한 벤팅부(900)가 구비되는 경우, 모듈 프레임(200) 외부의 먼지, 불순물 등이 벤팅부(900)의 홀 구조를 통해 모듈 프레임(200) 내부로 들어올 수 있다. 또, 모듈 프레임(200) 내부 발화 시, 벤팅부(900)를 따라 외부의 산소가 공급됨으로써 내부 발화가 촉진되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 벤팅부(900)에는 홀을 폐쇄(closing)하기 위한 별도의 부재가 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
다시 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 벤팅부(900)의 홀 구조의 개구를 가리는(덮는, covering) 배리어층(920)을 포함할 수 있다.
여기서‘배리어층’이라는 표현은 벤팅부(900)의 홀을 막기 위한 막의 형태를 표현하기 위한 것이므로, 커버(cover), 마개, 후드(hood), 뚜껑(lid), 캡(cap) 또는 이와 유사한 다른 단어들로 변경하여 표현될 수 있음을 미리 밝혀 둔다.
배리어층(920)은 벤팅부(900)의 홀을 가리기 위한 판상 형태로 제공될 수 있다. 배리어층(920)은 벤팅부(900)의 홀을 가리기 위한 패드 형태로 제공될 수 있다. 배리어층(920)은 유입구(900a) 또는 배출구(900b)를 가리도록 배치됨으로써 벤팅부(900)의 홀을 커버할 수 있다.
배리어층(920)은 벤팅부(900)가 형성된 모듈 프레임(200)의 일면 아래에 위치할 수 있다. 일 예로, 도 6에서 배리어층(920)은 전지셀 적층체(120)의 상면과 모듈 프레임(200)의 상면 사이에 위치하는 것으로 도시되었으나, 반드시 그러한 것은 아니고, 벤팅부(900)가 모듈 프레임(200)의 측면에 형성되는 경우에는 전지셀 적층체(120)의 측면과 모듈 프레임(200)의 측면 사이에 위치할 수도 있을 것이다. 여기서, 조립의 편의를 위해, 배리어층(920)은 모듈 프레임(200)의 내부면(200a)에 부착될 수도 있으나, 반드시 그러한 것은 아니다.
한편, 배리어층(920)은 일반적으로는 벤팅부(900)의 홀을 폐쇄함으로써 외부의 산소, 먼지 또는 불순물등이 전지 모듈(100) 내부로 들어오는 것을 방지하나, 전지 모듈(100)의 내부 발화시에는 벤팅부(900)의 홀을 개방할 수 있다.
배리어층(920)은 고온 고압 환경에서 일정 시간 견딜 수 있는 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 배리어층(920)은 내열 플라스틱, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), Mica 계열 소재, 또는 Ceramic 계열 소재로 제조될 수 있다. 배리어층(920)은 고온 고압 환경에서 일정시간 견딜 수 있는 사출물일 수 있다. 다른 예를 들어, 배리어층(920)은 실리콘으로 제조된 실리콘 패드일 수 있다.
배리어층(920)은 모듈 프레임(200)의 내부온도 에 의해 용융되는 소재를 포함할 수 있다. 배리어층(920)은 전지셀(110)로부터 방출되는 열, 고온의 가스 또는 스파크에 의해 용융되는 소재를 포함할 수 있다. 배리어층(920)은 용융점이 소정의 범위 이하인 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 배리어층(920)은 용융점이 약 200 ℃이하인 열가소성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 배리어층(920)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 용융점이 약 100 ℃ 이상 200℃ 이하인 물질들로 제조될 수 있다.
배리어층(920)은 전지 모듈(100)의 내부 발화 시, 발화 현상을 완화하기 위한 물질을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 배리어층(920)은 소화(fire extinguishing) 약제를 포함할 수 있다. 배리어층(920)이 소화 약제를 포함하면, 전지 모듈(100)은 자기 소염 기능을 가질 수 있다. 여기서, 소화 약제는 분말 형태의 소화 약제 물질일 수 있다. 소화 약제는 전지 모듈(100)의 내부 발화시 열분해 반응을 통해 이산화탄소 및 수증기를 발생시킬 수 있고, 발생된 이산화탄소 및 수증기는 외부의 산소가 전지 모듈(100) 내부로 유입되는 것을 방지함으로써 화염을 억제할 수 있다. 소화 약제는 흡열 반응인 열분해 반응을 수행함으로써 전지 모듈 내에서 발생한 열을 흡수할 수 있고, 이산화탄소 및 수증기를 발생시킴으로써 외부의 산소 공급 또한 차단할 수 있다. 이에 따라 전지 모듈(100) 내부의 화염 및 열 전파 속도는 효과적으로 지연될 수 있고 전지 모듈의 안전성은 향상될 수 있다.
배리어층(920)은 무기 탄산염, 무기 인산염, 및 무기 황산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소화 약제를 포함할 수 있다. 소화 약제 물질의 보다 구체적인 예로는 탄산 수소 나트륨(NaHCO3), 탄산 수소 칼륨(KHCO3), 인산 암모늄(NH4H2PO3), 및 "탄산 수소 칼륨(KHCO3)과 요소((NH2)2CO)"의 혼합물 등일 수 있다. 배리어층(920)이 탄산 수소 칼륨(KHCO3)을 포함하는 경우, 탄산 수소 칼륨의 열분해 반응을 통해 탄산 칼륨(K2CO3), 수증기(H2O), 및 이산화탄소(CO2)가 생성될 수 있다. 생성된 수증기는 전지 모듈(100) 내부의 화염을 상쇄시키며, 생성된 이산화탄소는 화염이 산소 등과 접촉하는 것을 차단할 수 있다. 다만, 본 실시예의 소화 약제 물질은 이에 한정되지 아니하고, 소화 기능을 수행하는 물질이라면 제한 없이 사용 가능할 것이다.
이처럼, 배리어층(920)은 상술한 물성을 가지는 물질들로 제조되어 제공될 수 있으나, 복수의 물성을 포함하는 물질 또는 각 물성을 포함하는 물질들의 복합체로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 배리어층(920)은 고압 환경에서 일정 시간 견딜 수 있고 용융점이 약 200 ℃이하인 물질을 포함하도록 제공될 수 있다. 다른 예를 들어, 배리어층(920)은 소화 약제를 포함하는 실리콘 패드로 제공될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 배리어층(920)은 소화 약제를 포함하는 열가소성 고분자 수지로 제공될 수 있다.
전지 모듈(100)의 내부, 구체적으로는 일부 전지셀(110)에서 화염, 가스 또는 스파크가 발생하면, 발화 현상 주변의 배리어층(920)은 열 또는 압력에 의해 물리적으로 찢어지거나 또는 화학적으로 용융되어 뚫릴(penetrating) 수 있고, 이에 따라 벤팅부(900)의 홀이 개방될 수 있다. 전지 모듈(100) 내부의 열, 가스 또는 스파크는 개방된 벤팅부(900)를 통해 배출될 수 있고, 전지 모듈(100)의 발화 현상은 완화될 수 있다. 여기서, 배리어층(920)이 뚫리는, 즉, 개방되는 과정은 흡열 반응을 수반할 수 있으며, 배리어층(920)이 내부의 열을 흡수함으로써 전지 모듈(100) 내부의 온도가 다소 낮아질 수 있다. 배리어층(920)의 흡열 반응을 통해 벤팅부(900) 외부로 방출되는 열, 가스 등은 인접한 전지 모듈(100)에 영향을 주지 못할 만큼 에너지를 잃을 수 있으며, 스파크는 에너지를 잃고 파티클로 변화되어 인접한 전지 모듈(100)의 열폭주 현상을 촉진하지 못할 수 있다. 한편, 이상에서는 배리어층(920)의 효과에 대해 배리어층(920)이 화학적 반응을 통해 개방되는 것을 중심으로 설명하였으나, 배리어층(920)이 압력 등에 의해 물리적으로 개방되는 경우에도 배리어층(920)에 내부의 가스 또는 스파크의 운동 에너지는 감소하게 되므로, 벤팅부(900) 외부로 방출되는 열, 가스 등은 인접한 전지 모듈(100)에 영향을 주지 못할 만큼 에너지를 잃을 수 있으며, 스파크는 에너지를 잃고 파티클로 변화되어 인접한 전지 모듈(100)의 열폭주 현상을 촉진하지 못할 수 있다.
배리어층(920)은 소정의 범위 이상의 열 또는 압력이 가해질 때만 개방될 수 있으므로, 발화 현상이 나타난 주변에 위치한 벤팅부(900)만이 개별적으로 개방될 수 있다. 개방된 벤팅부(900)에서는 가스의 배출이 이루어지고, 폐쇄된 다른 벤팅부(900)에서는 추가적인 산소의 유입이 차단되므로, 전지 모듈(100) 내부의 화재 진압은 보다 빠르게 달성될 수 있다.
구체적으로, 도 7(a)와 같이, 배리어층(920)이 제공되지 않는 경우, 벤팅부 (900)를 통해 외부의 산소등이 전지 모듈(100)내부로 쉽게 유입될 수 있다. 전지 모듈(100) 내부에 발화 현상이 발생하면, 벤팅부(900)를 통해 유입된 외부의 산소에 의해 내부의 화염이 증폭되어 연속적인 발화가 촉진될 수 있다.
반면, 도 7(b)와 같이, 배리어층(920)이 제공되는 경우, 발화 현상이 발생한 제1 전지셀(110)의 상부에 위치한 배리어층(920)의 제1 부분이 뚫릴 수 있고, 벤팅부(900) 중 제1 부분과 대응되는 제1 벤팅부(900) 만이 개방될 수 있다. 즉, 발화 현상이 발생되지 않은 제2 전지셀(110)의 상부에 위치한 배리어층(920)의 제2 부분은 개방되지 않을 수 있고, 벤팅부(900) 중 제2 부분과 대응되는 제2 벤팅부(900)는 폐쇄된 상태일 수 있다. 이처럼, 벤팅부(900) 중 일부 벤팅부(900) 외에 다른 벤팅부(900)들은 배리어층(920)에 의해 폐쇄된 상태이므로, 외부 산소가 전지 모듈(100) 내부로 유입되는 것이 차단될 수 있고, 이에 따라 도 7(a)와 달리, 전지 모듈(100) 내부에서 발생한 화염 등이 유입된 산소에 의해 증폭되는 것이 억제될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 8를 참조하면, 본 실시예의 배리어층(920)은 벤팅부(900)의 홀을 메우도록 제공될 수도 있다.
구체적으로, 배리어층(920)은 도 8(a)과 같이 벤팅부(900)의 홀의 내부 공간을 채우는 마개와 같은 형태로 제공될 수 있다. 또, 배리어층(920)은 도 8(b)과 같이 벤팅부(900)의 홀을 채우는 마개 형태와 도 6 및 도 7과 같은 층의 형태가 복합된 형태로 제공될 수도 있다. 도 8(b)과 같이 배리어층(920)이 제공되면, 배리어층(920)이 전지 모듈(100) 내부에서 차지하는 공간은 동일하나, 전지 모듈(100) 벤팅부(900)를 개방하기 위해 두 층의 배리어층(920)이 개방되어야 하므로, 배리어층(920)에 의한 화재 진압효과가 더 클 수 있을 것이다. 여기서, 벤팅부(900)의 홀을 채우는 마개 형태의 배리어층(920)은 제1 배리어층, 벤팅부(900)의 하측에 형성된 층 형태의 배리어층(920)은 제2 배리어층으로 지칭될 수 있다. 이 때, 제1 배리어층은 복수의 벤팅부(900)의 내부를 채우는 복수의 배리어층들로 구성될 수 있을 것이다. 또 여기서, 상술한 마개 형태와 층의 형태는 결합된 상태로 일체로 구성될 수도 있으나, 반드시 그러한 것은 아니며, 분리된 상태로 개별적으로 제공될 수도 있다.
한편, 상술한 전지 모듈(100)은 전지 팩에 포함될 수 있다. 전지 팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상을 포함하며, 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 전지 모듈
110: 전지셀
111,112: 전극리드
120: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
300: 버스바 프레임
400: 엔드 플레이트
400H: 터미널 버스바 개구부
510: 버스바
520: 터미널 버스바
800: 절연 커버
900: 벤팅부
920: 배리어층

Claims (12)

  1. 복수의 전지셀들이 일방향으로 적층된 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체를 수용하고, 내부면 및 외부면을 갖는 모듈 프레임 및
    상기 모듈 프레임과 결합하고, 상기 전지셀 적층체의 전면 또는 후면을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 모듈 프레임에는 상기 내부면에 형성된 유입구 및 상기 외부면에 형성된 배출구를 정의하는 홀 형태의 벤팅부가 적어도 하나 형성되며,
    상기 벤팅부의 홀은 배리어층에 의해 덮여 있는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 용융점이 약 200 ℃이하인 물질을 포함하는 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 내열 플라스틱, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), Mica 계열 소재, Ceramic 계열 소재, 또는 실리콘을 포함하는 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 무기 탄산염, 무기 인산염, 및 무기 황산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소화 약제를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 상기 벤팅부가 형성된 상기 모듈 프레임의 일면과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 상기 벤팅부의 홀의 내부 공간을 채우는 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은, 상기 벤팅부의 홀의 내부 공간을 채우는 제1 배리어층 및 상기 벤팅부가 형성된 상기 모듈 프레임의 일면과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 제2 배리어층을 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전지셀들이 적층되는 방향을 적층 방향으로 정의할 때,
    상기 벤팅부는 상기 적층 방향을 따라 연장되는 상기 모듈 프레임의 일면 상에 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임의 상면에 형성되는 전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부의 배출 방향은 상기 벤팅부가 형성된 상기 모듈 프레임의 일면과 예각을 이루고,
    상기 벤팅부의 배출 방향은 상기 유입구로부터 상기 배출구를 향하는 방향인 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전지셀은 제1 전지셀 및 제2 전지셀을 포함하고,
    상기 제1 전지셀과 대응되는 위치에 형성된 제1 벤팅부와 대응되는 상기 배리어층의 제1 부분이 개방될 때,
    상기 제2 전지셀과 대응되는 위치에 형성된 제2 벤팅부와 대응되는 상기 배리어층의 제2 부분은 개방되지 않는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 적어도 하나의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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