WO2022225168A1 - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2022225168A1
WO2022225168A1 PCT/KR2022/002884 KR2022002884W WO2022225168A1 WO 2022225168 A1 WO2022225168 A1 WO 2022225168A1 KR 2022002884 W KR2022002884 W KR 2022002884W WO 2022225168 A1 WO2022225168 A1 WO 2022225168A1
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battery
battery module
module group
pack
modules
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PCT/KR2022/002884
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English (en)
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신주환
양창현
김해진
이형석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/211—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for pouch cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/474—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof characterised by their position inside the cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more particularly, to a battery pack having improved safety against flame generation and a device including the same.
  • a rechargeable battery capable of charging and discharging is a measure to solve air pollution such as conventional gasoline vehicles using fossil fuels, and electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV) is being used as a power source, and the need for the development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries do not have much memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are possible freely. , 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 respectively applied with a separator interposed therebetween, and a battery case for sealingly accommodating the electrode assembly together with an electrolyte.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the shape of the exterior material.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected this is used In such a battery module, 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.
  • one or more 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
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack capable of preventing the thermal runaway phenomenon from leading to a fire or explosion even when a thermal runaway phenomenon occurs in any one battery cell and a device including the same will be.
  • a battery pack includes: battery modules including a plurality of battery cells; and a pack frame accommodating the battery modules. Inside the pack frame, the battery modules are arranged in one row along the width direction to form a battery module group, and the battery cells are stacked along the width direction inside the battery module to form a battery cell stack. A cover member covering the entire upper surface of the battery module group is positioned between the upper surface of the battery module group and the pack frame.
  • the battery cells may be stacked along the width direction with one surface of the cell body of the battery cell standing upright to be perpendicular to the bottom of the pack frame.
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell.
  • the battery module group may include a first battery module group and a second battery module group spaced apart from each other in the width direction.
  • the cover member may include a first cover member covering the upper surface of the first battery module group and a second cover member covering the upper surface of the second battery module group.
  • the first cover member may be positioned to correspond to the entire upper surface of the first battery module group.
  • the second cover member may be positioned to correspond to the entire upper surface of the second battery module group.
  • the pack frame may include a partition wall positioned between the first battery module group and the second battery module group.
  • connection member for connecting neighboring battery modules among the battery modules.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module and a connection member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery cell included in the battery module of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a state in which a thermal runaway phenomenon occurs in any one of the battery cells in the battery pack of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating a state in which a thermal runaway phenomenon occurs in any one of the battery cells in the battery pack of FIG. 6 .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a battery pack including a partition wall part according to a modified 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 part means to be located above or below the reference part, and it means to be located “on” or “on” in the direction opposite to the gravity. not.
  • planar view it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross-section obtained by cutting the target part vertically is viewed from the side.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module and a connection member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • 3 is a perspective view of a battery cell included in the battery module of FIG. 2 .
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 110 .
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell, and may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cell 110 according to the present embodiment has a structure in which two electrode leads 111 and 112 face each other and protrude from one end and the other end, respectively.
  • two electrode leads 111 and 112 face each other, so that one end 114a and the other end 114b of the cell body 113 are opposite to each other. Each has a structure protruding from the.
  • the electrode leads 111 and 112 are connected to the electrode assembly (not shown) and protrude from the electrode assembly (not shown) to the outside of the battery cell 110 .
  • both ends 114a and 114b of the cell case 114 and one side 114c connecting them are adhered in a state in which an electrode assembly (not shown) is accommodated in the cell case 114 .
  • the battery cell 110 according to the present embodiment has a total of three sealing portions 114sa, 114sb, 114sc, and the sealing portions 114sa, 114sb, 114sc are sealed by a method such as thermal fusion.
  • the other one side may be formed of a connection part 115 .
  • the cell case 114 may be formed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • connection part 115 may extend along one edge of the battery cell 110 , and a protrusion 110p of the battery cell 110 called a bat-ear is formed at an end of the connection part 115 .
  • the protrusion 110p is an exemplary structure, and the battery cell 110 according to another embodiment of the present invention may have a shape in which the protrusion is not formed and the connection part 115 extends in a straight line.
  • FIG. 3 Although only the battery cell 110 having a structure in which the electrode leads 111 and 112 protrude in both directions has been described in FIG. 3, as another embodiment of the present invention, a unidirectional pouch-type battery in which the electrode leads protrude together in one direction. Of course, cells are also possible.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in a direction parallel to the y-axis. Accordingly, one electrode lead 111 of the battery cells 110 may protrude in the x-axis direction, and the other electrode lead 112 may protrude in the -x-axis direction.
  • the battery cell stack 120 may be accommodated in the module frame 200 .
  • the module frame 200 may be a metal frame with both sides open. More specifically, the module frame 200 may be opened in both directions in which the electrode leads 111 and 112 protrude based on the battery cell stack 120 .
  • the module frame 200 shown in FIG. 2 is an exemplary structure, and as long as it can accommodate the battery cell stack 120 , there is no particular limitation in its form. For example, a form in which an upper cover is joined to an open U-shaped frame or a form in which a U-shaped frame and an inverted U-shaped frame are combined with each other is possible.
  • End plates 410 and 420 may be positioned on both open sides of the module frame 200 .
  • the two end plates 410 and 420 are referred to as a first end plate 410 and a second end plate 420, respectively.
  • the end plates 410 and 420 may cover both open sides of the module frame 200 , respectively. Since the battery cell stack 120 is accommodated in the space formed by the module frame 200 and the end plates 410 and 420 , it is possible to physically protect the battery cell stack 120 .
  • the module frame 200 and the end plates 410 and 420 may include a metal material having a predetermined strength such as aluminum or a plastic material.
  • the module frame 200 and the end plates 410 and 420 may be joined by a method such as welding in a state in which the corresponding corner portions are in contact with each other.
  • a method such as welding in a state in which the corresponding corner portions are in contact with each other.
  • this is an exemplary method, and as a mechanical coupling form, bolt fastening, hook fastening, etc. may be applied.
  • the battery module 100 may further include a bus bar frame 300 on which a bus bar 510 and a terminal bus bar 520 are mounted.
  • the bus bar 510 and the terminal bus bar 520 may be bonded to the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 to electrically connect the plurality of battery cells 110 .
  • the bus bar frame 300 on which the bus bar 510 and the terminal bus bar 520 are mounted is located on one side (x-axis direction) and the other side (-x-axis direction) of the battery cell stack 120 , respectively. can do.
  • any one bus bar frame 300 may be positioned between any one of the end plates 410 and 420 and the battery cell stack 120 .
  • the bus bar frame positioned on the other side (-x-axis direction) of the battery cell stack 120 is omitted.
  • a lead slit is formed in the bus bar frame 300 , and the electrode leads 111 and 112 are bent after passing through the lead slit to be bonded to the bus bar 510 or the terminal bus bar 520 . If a physical and electrical connection is possible, there is no particular limitation on the bonding method, and welding bonding may be performed, for example.
  • the terminal bus bar 520 may be exposed to the outside of the battery module 100 .
  • the first terminal bus bar opening 410H may be formed in the first end plate 410 to expose a portion of the terminal bus bar 520 .
  • a part of the exposed terminal bus bar 520 is connected to another battery module or BDU (Battery Disconnect Unit) to form a high voltage (HV) connection, as shown in FIG. 1 , to be joined with the connection member 1400 can That is, the battery module 100 may be connected to another battery module or a battery disconnect unit (BDU) through the connecting member 1400 .
  • the HV connection is a connection that serves as a power source for supplying power, and refers to a connection between battery cells or a connection between battery modules.
  • connection member 1400 can be electrically connected, there is no particular limitation on the material thereof, and a metal material may be applied.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a battery pack according to an embodiment of the present invention. Specifically, the battery pack 1000a in a state in which the battery module 100 shown in FIGS. 1 and 2 is accommodated in the pack frame 1200 is cut in the yz plane.
  • a battery pack 1000a includes a battery module 100 including a plurality of battery cells 110 and a pack frame for accommodating the battery module 100 . (1200).
  • the battery modules 100 may be the battery modules 100 shown in FIGS. 1 and 2 .
  • the battery cells 110 included in the battery modules 100 are schematically represented by dotted lines for convenience of description.
  • the battery modules 100 may be electrically connected to each other through the connection member 1400 to form an HV connection.
  • the connection member 1400 is schematically represented, unlike in FIG. 1 .
  • the pack frame 1200 may include an upper frame 1210 and a lower frame 1220 .
  • the upper frame 1210 may have a plate shape
  • the lower frame 1220 may include a bottom portion 1200F on which the battery modules 100 are placed and an open top.
  • the upper frame 1210 is positioned on the open upper portion of the lower frame 1220 , and the upper frame 1210 and the lower frame 1220 are joined to the corresponding corners to complete the pack frame 1200 .
  • a space between the upper frame 1210 and the lower frame 1220 is a space in which the battery modules 100 are accommodated.
  • the above structure is an exemplary structure of the pack frame 1200 according to the present embodiment, and if the battery module 100 can be accommodated, a modified form is also possible.
  • the battery modules 100 are arranged in one row along the width direction d1 to form the battery module group 100G.
  • the battery cells 110 are stacked in the width direction d1 inside the battery module 100 to form a battery cell stack.
  • the width direction d1 is one of directions parallel to the ground or one surface of the bottom 1200F of the pack frame 1200, that is, one of the directions parallel to the xy plane.
  • the battery cells 110 are disposed along the width direction d1.
  • the battery pack 1000a includes a cover member 1300 .
  • the cover member 1300 covers the entire upper surface of the battery module group 100G and is located between the upper surface of the battery module group 100G and the pack frame 1200 . Specifically, the cover member 1300 may be positioned between the upper surface of the battery module group 100G and the upper frame 1210 .
  • the cover member 1300 may, for example, have a plate shape as shown in FIG. 4 .
  • the shape of the cover member 1300 is not limited. For example, a structure in which a bead is formed to secure rigidity rather than a plate shape is also possible, and a form in which other electronic devices are disposed is also possible.
  • the material of the cover member 1300 it is preferable to include a material having heat resistance because it is necessary to suppress heat propagation. The suppression of heat propagation of the cover member 1300 will be described later.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a state in which a thermal runaway phenomenon occurs in any one of the battery cells in the battery pack of FIG. 4 .
  • a thermal runaway phenomenon may occur in any one of the battery cells 110 included in the battery pack 1000a according to the present embodiment.
  • One example of a thermal runaway phenomenon is as follows. Physical, thermal, and electrical damage to the battery cell 110 including overcharging may occur, thereby increasing the internal pressure of the battery cell 110 . When the fusion strength limit value of the cell case 114 of the battery cell 110 is exceeded, high-temperature heat, venting gas, etc. generated in the battery cell 110 may be ejected to the outside of the battery cell 110 .
  • the thermal runaway phenomenon occurring in one battery cell may be extended to neighboring battery cells due to the effect of heat transfer, that is, conduction, convection, radiation, and the like, and further may be extended to neighboring battery modules.
  • heat transfer that is, conduction, convection, radiation, and the like
  • the thermal runaway phenomenon does not propagate sequentially to the battery modules, but the thermal runaway phenomenon may occur simultaneously in several dense battery modules. have. That is, the thermal runaway phenomenon that starts in a battery cell and simultaneously expands to several battery modules is a serious problem as it leads to ignition and explosion of the battery pack itself.
  • the battery modules 100 in the battery module group 100G are arranged in one row along the width direction d1, and the entire upper surface of the battery module group 100G is By positioning the covering member 1300 to cover, the propagation of the thermal runaway phenomenon was sequentially performed not only in the battery module 100 but also in the battery cell 110 unit. That is, as shown in FIG. 5 , when a thermal runaway phenomenon occurs in any one battery cell inside any one battery module, the venting gas and heat may be sequentially propagated to the neighboring battery cells 110 . For example, in FIG. 5 , the thermal runaway phenomenon propagating to the battery cell 110 ′ of the battery module located at the leftmost and the battery cell 110 ′′ of the battery module located at the third position from the left is shown.
  • the venting gas and heat are not directly propagated to other non-adjacent battery modules by the cover member 1300 .
  • the heat insulation structure is designed so that the thermal runaway phenomenon does not propagate beyond the HV connection order of the connection member 1400 between the battery modules 100 .
  • the propagation time of the venting gas and heat may be increased, and the intensity of thermal runaway may be gradually reduced or not further strengthened in the sequential propagation process. That is, in the battery pack 1000a according to the present embodiment, even when a thermal runaway phenomenon occurs in one of the battery cells 110 , it is possible to prevent the battery pack 1000a from igniting or exploding itself. If there is no cover member 1300 or if the battery modules 100 are not arranged in one row along the width direction d1, the thermal runaway phenomenon started in one battery cell 110 is not immediately adjacent to another battery. Since it can propagate to the module, a large amount of venting gas and high-temperature heat can be discharged from several battery modules 100 for a short time. This is highly likely to lead to ignition and explosion of the battery pack 1000a.
  • the direction in which the battery modules 100 are arranged in the battery module group 100G and the direction in which the battery cells 110 are stacked may coincide. Accordingly, the propagation of the thermal runaway phenomenon between the battery cells 110 in the battery module 100 may also be sequentially performed. By matching the arrangement direction of the battery modules 100 and the stacking direction of the battery cells 110, the propagation of the thermal runaway phenomenon was further delayed.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a battery pack according to another embodiment of the present invention. Similar to FIG. 4 , the battery pack 1000b in a state in which the battery module 100 shown in FIGS. 1 and 2 is accommodated in the pack frame 1200 is cut in the yz plane.
  • the battery pack 1000b accommodates a battery module 100 including a plurality of battery cells 110 and the battery module 100 . It may include a pack frame 1200 that does.
  • the battery modules 100 may be the battery modules 100 shown in FIGS. 1 and 2 .
  • the battery cells 110 included in the battery modules 100 are schematically represented by dotted lines for convenience of description.
  • the battery pack 1000b may further include a connection member 1400 connecting neighboring battery modules among the battery modules 100 .
  • the battery modules 100 may be electrically connected to each other through a connection member 1400 to form an HV connection.
  • the connection member 1400 is schematically represented, unlike in FIG. 1 .
  • the pack frame 1200 may include an upper frame 1210 and a lower frame 1220 .
  • the lower frame 1220 may further include a partition wall portion 1200W.
  • the partition wall portion 1200W will be described again in detail together with the first to third battery modules 100Ga, 100Gb, and 100Gc.
  • the battery modules 100 are arranged in one row along the width direction d1 to form a battery module group 100G, and the battery module group 100G includes a first battery module group 100Ga, a second It may include a battery module group (100Gb) and a third battery module group (100Gc).
  • the number of battery module groups 100G there is no particular limitation on the number of battery module groups 100G. As shown in FIG. 6, three battery module groups (100Ga, 100Gb, 100Gc) or four or more are possible, and two battery module groups are also possible.
  • Each of the first battery module group 100Ga, the second battery module group 100Gb, and the third battery module group 100Gc may be spaced apart from each other along the width direction d1. That is, the first battery module group 100Ga may be positioned to be spaced apart from the second battery module group 100Gb, and the second battery module group 100Gb may be positioned to be spaced apart from the third battery module group 100Gc.
  • the battery pack 1000b may include a cover member 1300, and the cover member 1300 includes a first cover member 1300a, a second cover member 1300b, and a third cover member ( 1300c) may be included.
  • the first cover member 1300a covers the entire upper surface of the first battery module group 100Ga
  • the second cover member 1300b covers the entire upper surface of the second battery module group 100Gb
  • the third cover member Reference numeral 1300c covers the entire upper surface of the third battery module group 100Gc. More specifically, the first cover member 1300a may be positioned to correspond to the entire upper surface of the first battery module group 100Ga.
  • the second cover member 1300b may be positioned to correspond to the entire upper surface of the second battery module group 100Gb.
  • the third cover member 1300c may also be positioned to correspond to the entire upper surface of the third battery module group 100Gc.
  • the above-described partition wall portion 1200W, at least between the first battery module group (100Ga) and the second battery module group (100Gb) and between the second battery module group (100Gb) and the third battery module group (100Gc) can be located in one place. That is, the first to third battery module groups 100Ga, 100Gb, and 100Gc may be spatially separated and separated from each other by the partition wall portion 1200W.
  • FIGS. 3, 6 and 7 are cross-sectional views schematically illustrating a state in which a thermal runaway phenomenon occurs in any one of the battery cells in the battery pack of FIG. 6 .
  • a thermal runaway phenomenon may occur in any one of the battery cells 110 included in the battery pack 1000b according to the present embodiment.
  • the thermal runaway phenomenon may occur in one of the battery cells included in the right battery module of the first battery module group 100Ga.
  • the thermal runaway phenomenon occurring in one battery cell may be extended to neighboring battery cells due to the convection effect, and further may be extended to neighboring battery modules.
  • the thermal runaway phenomenon does not propagate sequentially to the battery modules, but the thermal runaway phenomenon may occur simultaneously in several dense battery modules. have. That is, the thermal runaway phenomenon that starts in a battery cell and simultaneously expands to several battery modules is a serious problem as it leads to ignition and explosion of the battery pack itself.
  • the battery modules 100 in each battery module group 100Ga, 100Gb, 100Gc are arranged in one row along the width direction d1, and the battery module group 100Ga , 100Gb, 100Gc) by positioning the cover members (1300a, 1300b, 1300c) that cover the upper surface of each, the propagation of the thermal runaway phenomenon (propagation) of the battery module 100 unit as well as the battery cell 110 Units were also made sequentially. That is, as shown in FIG. 7 , when a thermal runaway phenomenon occurs in any one battery cell inside any one battery module, the venting gas and heat may be sequentially propagated to the neighboring battery cells 110 . For example, in FIG.
  • the venting gas and heat cannot directly propagate to other non-adjacent battery module groups or battery modules by the cover members 1300a, 1300b, and 1300c.
  • the heat insulation structure is designed so that the thermal runaway phenomenon does not propagate beyond the HV connection order of the connection member 1400 between the battery modules 100 .
  • the propagation time of the venting gas and heat may be increased, and the intensity of thermal runaway may be gradually reduced or not further strengthened in the sequential propagation process. That is, in the battery pack 1000b according to the present embodiment, even when a thermal runaway phenomenon occurs in any one of the battery cells 110 , this can prevent the battery pack 1000b from igniting or exploding itself.
  • the direction in which the battery modules 100 are arranged and the direction in which the battery cells 110 are stacked in the battery module group 100Ga, 100Gb, and 100Gc may coincide. Accordingly, the propagation of the thermal runaway phenomenon between the battery cells 110 in the battery module 100 may also be sequentially performed. By matching the arrangement direction of the battery modules 100 and the stacking direction of the battery cells 110, the propagation of the thermal runaway phenomenon was further delayed.
  • the partition wall portion 1200W is formed to spatially separate the battery module groups 100Ga, 100Gb, and 100Gc, and cover members 1300a, 1300b, and 1300c to correspond to each battery module group 100Ga, 100Gb, 100Gc.
  • the propagation of the venting gas and heat can occur sequentially in the battery module group unit beyond the battery module unit.
  • the propagation time can be further delayed, so that the effect of reducing the intensity of thermal runaway in the propagation process can be further increased.
  • a structure having a high thermal resistance may be formed, and when the thermal resistance is realized to a certain level or more, the sequential propagation of thermal runaway may be terminated.
  • FIG. 6 shows the partition wall portion 1200W in which a part of the lower frame 1220 is recessed, but if the battery module group can be distinguished, the shape is not particularly limited.
  • the shape of the partition wall portion 1200W ′ according to a modified embodiment of the present invention is shown in FIG. 8 . 8 is a cross-sectional view of the battery pack 1000b' including the partition wall part 1200W' according to a modified embodiment of the present invention.
  • the partition wall part 1200W' is formed between the first battery module group 100Ga and the second battery module group 100Gb and between the second battery module group 100Gb and the third battery module. It may be located in at least one of the groups 100Gc.
  • the partition wall portion 1200W ′ may have a plate shape extending upward from the bottom portion 1200F of the lower frame 1220 .
  • Both the partition wall part 1200W shown in FIG. 6 and the partition wall part 1200W' shown in FIG. 8 have structures that can control the effects of conduction, convection, radiation, etc. of heat transfer, and prevent the expansion of heat transfer. is a function
  • These partition walls (1200W, 1200W') may include a heat insulator to prevent conduction, and may include a thin metal plate to prevent venting gas.
  • the battery pack according to the present embodiment described above may include various control and protection systems, such as a battery management system (BMS), a battery disconnect unit (BDU), and a cooling system, as well as a battery module.
  • BMS battery management system
  • BDU battery disconnect unit
  • cooling system a cooling system, as well as a battery module.
  • the battery pack may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, a hybrid, or the like, an Energy Storage System (ESS), etc., but is not limited thereto and may be applied to various devices that can use a secondary battery.
  • transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, a hybrid, or the like, an Energy Storage System (ESS), etc., but is not limited thereto and may be applied to various devices that can use a secondary battery.
  • ESS Energy Storage System

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀을 포함하는 전지 모듈들; 및 상기 전지 모듈들을 수납하는 팩 프레임을 포함한다. 상기 팩 프레임 내부에서, 상기 전지 모듈들은 폭 방향을 따라 1열로 배치되어 전지 모듈 군을 형성하고, 상기 전지 모듈 내부에서 상기 전지셀이 상기 폭 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체를 형성한다. 상기 전지 모듈 군의 상면 전체를 커버하는 커버 부재가 상기 전지 모듈 군의 상기 상면과 상기 팩 프레임 사이에 위치한다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 04월 20일자 한국 특허 출원 제10-2021-0051382호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화염 발생에 대한 안전성이 향상된 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 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 방전율이 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 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
다수의 전지 모듈들이 모인 전지팩은, 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈들과 이러한 전지 모듈들이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓일 수 있다. 또한, 차량의 주행거리를 늘리기 위해 다수의 전지 모듈들을 집약적으로 배치하기 때문에 어느 하나의 전지 모듈에서 발생한 화염이나 열이 이웃한 전지 모듈로 쉽게 전파되어, 종국적으로 전지팩 자체의 발화나 폭발로 이어질 수 있다.
이에, 어느 한 전지셀에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 전지팩 자체의 화재나 폭발로 이어지지 않는 모델에 대한 설계가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 어느 한 전지셀에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 상기 열 폭주 현상이 화재나 폭발로 이어지는 것을 방지할 수 있는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 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 전지팩은, 복수의 전지셀을 포함하는 전지 모듈들; 및 상기 전지 모듈들을 수납하는 팩 프레임을 포함한다. 상기 팩 프레임 내부에서, 상기 전지 모듈들은 폭 방향을 따라 1열로 배치되어 전지 모듈 군을 형성하고, 상기 전지 모듈 내부에서 상기 전지셀이 상기 폭 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체를 형성한다. 상기 전지 모듈 군의 상면 전체를 커버하는 커버 부재가 상기 전지 모듈 군의 상기 상면과 상기 팩 프레임 사이에 위치한다.
상기 전지셀의 셀 본체 일면이 상기 팩 프레임의 바닥부와 수직하도록 직립한 채, 상기 전지셀들이 상기 폭 방향을 따라 적층될 수 있다.
상기 전지셀은 파우치형 전지셀일 수 있다.
상기 전지 모듈 군은, 상기 폭 방향을 따라 서로 이격된 제1 전지 모듈 군 및 제2 전지 모듈 군을 포함할 수 있다.
상기 커버 부재는, 상기 제1 전지 모듈 군의 상면을 커버하는 제1 커버 부재 및 상기 제2 전지 모듈 군의 상면을 커버하는 제2 커버 부재를 포함할 수 있다.
상기 제1 커버 부재는, 상기 제1 전지 모듈 군의 상기 상면 전체와 대응하도록 위치할 수 있다.
상기 제2 커버 부재는, 상기 제2 전지 모듈 군의 상기 상면 전체와 대응하도록 위치할 수 있다.
상기 팩 프레임은, 상기 제1 전지 모듈 군과 상기 제2 전지 모듈 군 사이에 위치한 격벽부를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈들 중 이웃한 전지 모듈들을 연결하는 연결 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 어느 한 전지셀에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 순차적으로 열 전파(thermal propagation)가 이루어지도록 설계되어, 전지팩 단위에서의 화재나 폭발을 방지할 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 연결 부재를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 단면도이다.
도 5는 도 4의 전지팩에서 어느 한 전지셀에 열 폭주 현상이 발생한 모습을 개략적으로 표현한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 단면도이다.
도 7은 도 6의 전지팩에서 어느 한 전지셀에 열 폭주 현상이 발생한 모습을 개략적으로 표현한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 격벽부를 포함하는 전지팩에 대한 단면도이다.
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 모듈 및 연결 부재를 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)을 포함한다. 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 일단부와 다른 일단부로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다.
특히, 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극 리드(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. 다만, 돌출부(110p)는 하나의 예시적 구조이며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 돌출부가 형성되지 않고, 연결부(115)가 일직선으로 뻗는 형태를 가질 수 있다.
도 3에는 전극 리드(111, 112)가 양 방향으로 돌출된 구조의 전지셀(110)에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로써, 전극 리드가 일 방향으로 함께 돌출된 단방향의 파우치형 전지셀도 가능함은 물론이다.
이러한 전지셀(110)은 복수로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110) 중 하나의 전극 리드(111)는 x축 방향을 향해 돌출되고, 다른 전극 리드(112)는 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다.
전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임(200)에 수납될 수 있다. 모듈 프레임(200)은 양 면이 개방된 형태의 금속 프레임일 수 있다. 보다 구체적으로, 전지셀 적층체(120)를 기준으로, 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 양 방향에서 모듈 프레임(200)이 개방될 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 모듈 프레임(200)은 하나의 예시적 구조이며, 전지셀 적층체(120)를 수납할 수 있으면, 그 형태의 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 상부가 개방된 U자형 프레임에 상부 커버가 접합된 형태나 U자형 프레임과 뒤집힌 U자형 프레임이 상호 결합된 형태 등이 가능하다.
모듈 프레임(200)의 개방된 양 면에는 엔드 플레이트(410, 420)들이 위치할 수 있다. 2개의 엔드 플레이트(410, 420)를 각각 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)로 지칭하도록 한다. 엔드 플레이트(410, 420)들은 모듈 프레임(200)의 개방된 양 면을 각각 덮을 수 있다. 이러한 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(410, 420)가 형성하는 공간에 전지셀 적층체(120)가 수납됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(410, 420)는 알루미늄과 같이 소정의 강도를 갖는 금속 재질이나 플라스틱 소재를 포함할 수 있다. 한편, 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(410, 420)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 다만, 이는 예시적 방법이며, 기구적 결합 형태로써, 볼트 체결, 후크(Hook) 체결 등이 적용될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바(510) 및 터미널 버스바(520)가 장착된 버스바 프레임(300)을 더 포함할 수 있다.
버스바(510) 및 터미널 버스바(520)는, 복수의 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하기 위해 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 접합될 수 있다. 구체적으로, 버스바(510) 및 터미널 버스바(520)가 장착된 버스바 프레임(300)이 전지셀 적층체(120)의 일측(x축 방향) 및 타측(-x축 방향)에 각각 위치할 수 있다. 다시 말해, 어느 한 버스바 프레임(300)은, 엔드 플레이트(410, 420)들 중 어느 하나와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있다. 도 2에서 전지셀 적층체(120)의 타측(-x축 방향)에 위치한 버스바 프레임은 도시를 생략하였다.
버스바 프레임(300)에는 리드 슬릿이 형성되고, 전극 리드(111, 112)가 상기 리드 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(510)나 터미널 버스바(520)에 접합될 수 있다. 물리적, 전기적 연결이 가능하다면, 접합의 방식에 특별한 제한은 없으며, 일례로 용접 접합이 이루어질 수 있다.
한편, 터미널 버스바(520)의 일부분은 전지 모듈(100)의 외측으로 노출될 수 있다. 구체적으로, 제1 엔드 플레이트(410)에 제1 터미널 버스바 개구부(410H)가 형성되어 터미널 버스바(520)의 일부분이 노출될 수 있다. 노출된 터미널 버스바(520)의 일부분은, 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit) 등과 연결되어 HV(High Voltage) 연결을 형성하기 위해, 도 1에 도시된 것처럼 연결 부재(1400)와 접합될 수 있다. 즉, 전지 모듈(100)은 연결 부재(1400)를 통해 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit) 등과 연결될 수 있다. 여기서 HV 연결은 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결로써, 전지셀 간의 연결이나 전지 모듈 간의 연결을 의미한다.
연결 부재(1400)는 전기적 연결이 가능하다면, 그 소재의 특별한 제한은 없으며, 금속 소재가 적용될 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000a)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 단면도이다. 구체적으로, 도 1 및 도 2에 나타난 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1200)에 수납된 상태의 전지팩(1000a)을 yz 평면으로 자른 모습을 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000a)은, 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1200)을 포함한다. 본 실시예에서 전지 모듈(100)들은 도 1 및 도 2에 도시된 전지 모듈(100)일 수 있다. 도 4에서는 전지 모듈(100)들에 포함된 전지셀(110)을 설명의 편의를 위해 점선으로 개략적으로 표현하였다. 또한, 전지 모듈(100)들은 연결 부재(1400)를 통해 서로 전기적으로 연결되어, HV 연결을 형성할 수 있다. 도 4에서는 이러한 연결 부재(1400)를 도 1과 달리, 개략적으로 표현하였다.
팩 프레임(1200)은, 상부 프레임(1210) 및 하부 프레임(1220)을 포함할 수 있다. 상부 프레임(1210)은 판상 형태일 수 있고, 하부 프레임(1220)은 전지 모듈(100)들이 놓이는 바닥부(1200F)를 포함하고 상부가 개방된 형태일 수 있다. 하부 프레임(1220)의 개방된 상부에 상부 프레임(1210)이 위치하고, 상부 프레임(1210)과 하부 프레임(1220)이 대응하는 모서리끼리 접합되어 팩 프레임(1200)이 완성될 수 있다. 상부 프레임(1210)과 하부 프레임(1220)사이의 공간이 전지 모듈(100)들이 수납되는 공간이다. 다만, 상기 구조는 본 실시예에 따른 팩 프레임(1200)이 갖는 예시적 구조이며, 전지 모듈(100)을 수납할 수 있다면 변형된 형태도 가능함은 물론이다.
팩 프레임(1200) 내부에서, 전지 모듈(100)들은 폭 방향(d1)을 따라 1열로 배치되어 전지 모듈 군(100G)을 형성한다. 또한, 전지 모듈(100) 내부에서 전지셀(110)이 폭 방향(d1)을 따라 적층되어 전지셀 적층체를 형성한다. 본 명세서 상에서 폭 방향(d1)은, 지면 또는 팩 프레임(1200)의 바닥부(1200F)의 일면과 평행한 방향들 중 하나로, 다시 말해 xy 평면과 평행한 방향들 중 하나이다.
보다 구체적으로, 전지셀(110)의 셀 본체(113) 일면이 팩 프레임(1200)의 바닥부(1200F)의 일면과 수직하도록 직립한 채, 전지셀(110)들이 폭 방향(d1)을 따라 적층될 수 있다. 즉, 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb)내에서 전지 모듈(100)들이 배치되는 방향과 전지셀(110)들이 적층되는 방향은 일치할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지팩(1000a)은, 커버 부재(1300)를 포함한다. 커버 부재(1300)는, 전지 모듈 군(100G)의 상면 전체를 커버하고, 전지 모듈 군(100G)의 상기 상면과 팩 프레임(1200) 사이에 위치한다. 구체적으로, 커버 부재(1300)는 전지 모듈 군(100G)의 상기 상면과 상부 프레임(1210) 사이에 위치할 수 있다.
커버 부재(1300)는, 일례로, 도 4에 나타난 것처럼 판상 형태일 수 있다. 다만, 전지 모듈 군(100G)의 상면 전체를 커버한다면, 커버 부재(1300)의 형태에 제한은 없다. 예를 들어, 판상 형태가 아닌 강성 확보를 위해 비드(bead)가 형성된 구조도 가능하며, 다른 기타 전장품이 배치되는 형태도 가능하다.
또한, 커버 부재(1300)의 소재에 대한 특별한 제한은 없으나, 열 전파를 억제할 필요가 있기 때문에 내열성을 갖춘 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 커버 부재(1300)의 열 전파 억제에 대해서는 후술하도록 한다.
이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참고하여, 어느 한 전지셀의 열 폭주 현상 발생 시, 본 실시예에 따른 전지팩(1000a)이 갖는 장점에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 도 4의 전지팩에서 어느 한 전지셀에 열 폭주 현상이 발생한 모습을 개략적으로 표현한 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지팩(1000a)에 포함된 전지셀(110)들 중 어느 하나에 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 수 있다. 열 폭주(thermal runaway) 현상의 하나의 예시는 다음과 같다. 과충전을 비롯하여 전지셀(110)에 물리적, 열적, 전기적 손상이 발생하여, 전지셀(110)의 내부 압력이 증가할 수 있다. 전지셀(110)의 셀 케이스(114)의 융착 강도 한계치를 넘는 경우, 전지셀(110)에서 발생한 고온의 열, 벤팅 가스 등이 전지셀(110)의 외부로 분출될 수 있다.
어느 한 전지셀에서 발생한 열 폭주 현상은 열 전달 효과, 즉, 전도, 대류, 복사 등의 효과로 이웃한 전지셀로 확대될 수 있고, 나아가 이웃한 전지 모듈까지 확대될 수 있다. 특히, 공간 활용률을 높이기 위해 전지 모듈끼리 밀집되어 있는 전지팩의 구조 상, 전지 모듈들에 순차적으로 열 폭주 현상이 전파되는 것이 아니라, 밀집된 여러 전지 모듈들에 동시다발적으로 열 폭주 현상이 발생할 수 있다. 즉, 전지셀에서 시작되어 여러 전지 모듈에 동시다발적으로 확대된 열 폭주 현상은, 전지팩 자체의 발화 및 폭발로 이어져 심각한 문제가 된다.
그러나, 본 실시예에 따른 전지팩(1000a)에 있어서, 전지 모듈 군(100G) 내의 전지 모듈(100)들이 폭 방향(d1)을 따라 1열로 배치되고, 전지 모듈 군(100G)의 상면 전체를 커버하는 커버 부재(1300)를 위치시켜, 열 폭주(thermal runaway) 현상의 전파(propagation)가 전지 모듈(100) 단위뿐만 아니라 전지셀(110) 단위에서도 순차적으로 이루어지도록 하였다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 어느 한 전지 모듈 내부의 어느 한 전지셀에서 열 폭주 현상이 발생할 경우, 이웃한 전지셀(110)들에 순차적으로 벤팅 가스 및 열 등이 전파될 수 있다. 일례로, 도 5에서는, 가장 좌측에 위치한 전지 모듈의 전지셀(110’)과 좌측에서 3번째 위치한 전지 모듈의 전지셀(110”)에 열 폭주 현상이 전파되는 모습이 도시되어 있다.
또한, 커버 부재(1300)에 의해 이웃하지 않은 다른 전지 모듈로 벤팅 가스 및 열이 곧 바로 전파되지 못한다. 본 실시예에서는, 전지 모듈(100) 사이에서 연결 부재(1400)의 HV 연결 순서를 뛰어 넘어 열 폭주 현상이 전파되지 않도록 단열 구조를 설계하였다.
위와 같이, 순차적 전파가 이루어지도록 설계함으로써 벤팅 가스 및 열이 전파되는 시간을 늘릴 수 있고, 또 순차적으로 전파되는 과정에서 열 폭주의 강도가 점차 줄어들거나 더 강화되지 않을 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지팩(1000a)은 어느 한 전지셀(110)에서 열 폭주 현상이 발생하여도, 이것이 전지팩(1000a) 자체의 발화나 폭발로 이어지는 것을 방지할 수 있다. 만일 커버 부재(1300)가 없다거나, 전지 모듈(100)들이 폭 방향(d1)을 따라 1열로 배치되지 않을 경우, 어느 한 전지셀(110)에서 시작된 열 폭주 현상이 곧 바로 이웃하지 않은 다른 전지 모듈로 전파될 수 있어, 짧은 시간 동안 여러 전지 모듈(100)로부터 벤팅 가스와 고온의 열이 다량 배출될 수 있다. 이는 전지팩(1000a)의 발화와 폭발로 이어질 가능성이 높다.
한편, 상술한 바 대로, 본 실시예에서는, 전지 모듈 군(100G)내에서 전지 모듈(100)들이 배치되는 방향과 전지셀(110)들이 적층되는 방향이 일치할 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈(100) 내에서 전지셀(110)들 사이의 열 폭주 현상의 전파도 순차적으로 이루어질 수 있다. 전지 모듈(100)들의 배치 방향과 전지셀(110)들의 적층 방향을 일치시킴으로써, 열 폭주 현상의 전파를 보다 더 지연시키고자 하였다.
이하에서는, 도 6을 참고하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩(1000b)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 단면도이다. 도 4에서와 유사하게, 도 1 및 도 2에 나타난 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1200)에 수납된 상태의 전지팩(1000b)을 yz 평면으로 자른 모습을 나타낸 것이다.
도 2, 도 3 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000b)은, 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1200)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 전지 모듈(100)들은 도 1 및 도 2에 도시된 전지 모듈(100)일 수 있다. 도 6에서는 전지 모듈(100)들에 포함된 전지셀(110)을 설명의 편의를 위해 점선으로 개략적으로 표현하였다.
또한, 전지팩(1000b)은 전지 모듈(100)들 중 이웃한 전지 모듈들을 연결하는 연결 부재(1400)를 더 포함할 수 있다. 전지 모듈(100)들은 연결 부재(1400)를 통해 서로 전기적으로 연결되어, HV 연결을 형성할 수 있다. 도 6에서는 이러한 연결 부재(1400)를 도 1과 달리, 개략적으로 표현하였다.
팩 프레임(1200)은, 상부 프레임(1210) 및 하부 프레임(1220)을 포함할 수 있다. 이때, 하부 프레임(1220)은 격벽부(1200W)를 더 포함할 수 있다. 격벽부(1200W)에 대해서는 제1 내지 제3 전지 모듈(100Ga, 100Gb, 100Gc)과 함께 다시 자세히 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)들은 폭 방향(d1)을 따라 1열로 배치되어 전지 모듈 군(100G)을 형성하고, 전지 모듈 군(100G)은 제1 전지 모듈 군(100Ga), 제2 전지 모듈 군(100Gb) 및 제3 전지 모듈 군(100Gc)을 포함할 수 있다. 전지 모듈 군(100G)의 개수에 특별한 제한은 없다. 도 6에 도시된 것처럼 3개의 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb, 100Gc)이나 4개 이상도 가능하고, 2개의 전지 모듈 군도 가능하다.
제1 전지 모듈 군(100Ga), 제2 전지 모듈 군(100Gb) 및 제3 전지 모듈 군(100Gc) 각각은 폭 방향(d1)을 따라 서로 이격될 수 있다. 즉, 제1 전지 모듈 군(100Ga)이 제2 전지 모듈 군(100Gb)과 이격되어 위치하고, 제2 전지 모듈 군(100Gb)이 제3 전지 모듈 군(100Gc)과 이격되어 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지팩(1000b)은 커버 부재(1300)를 포함할 수 있고, 커버 부재(1300)는, 제1 커버 부재(1300a), 제2 커버 부재(1300b) 및 제3 커버 부재(1300c)를 포함할 수 있다. 제1 커버 부재(1300a)는 제1 전지 모듈 군(100Ga)의 상면 전체를 커버하고, 제2 커버 부재(1300b)는 제2 전지 모듈 군(100Gb)의 상면 전체를 커버하며, 제3 커버 부재(1300c)는 제3 전지 모듈 군(100Gc)의 상면 전체를 커버한다. 보다 구체적으로, 제1 커버 부재(1300a)는 제1 전지 모듈 군(100Ga)의 상기 상면 전체와 대응하도록 위치할 수 있다. 제2 커버 부재(1300b)는 제2 전지 모듈 군(100Gb)의 상기 상면 전체와 대응하도록 위치할 수 있다. 제3 커버 부재(1300c) 역시 제3 전지 모듈 군(100Gc)의 상기 상면 전체와 대응하도록 위치할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 격벽부(1200W)는, 제1 전지 모듈 군(100Ga)과 제2 전지 모듈 군(100Gb) 사이 및 제2 전지 모듈 군(100Gb)과 제3 전지 모듈 군(100Gc) 사이 중 적어도 한곳에 위치할 수 있다. 즉, 격벽부(1200W)에 의해 제1 내지 제3 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb, 100Gc)이 공간적으로 분리되고 서로 구분될 수 있다.
이하에서는, 도 3, 도 6 및 도 7을 참고하여, 어느 한 전지셀의 열 폭주 현상 발생 시, 본 실시예에 따른 전지팩(1000b)이 갖는 장점에 대해 설명하도록 한다. 도 7은 도 6의 전지팩에서 어느 한 전지셀에 열 폭주 현상이 발생한 모습을 개략적으로 표현한 단면도이다.
도 3, 도 6 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지팩(1000b)에 포함된 전지셀(110)들 중 어느 하나에 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 수 있다. 일례로, 제1 전지 모듈 군(100Ga)의 우측 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나에 상기 열 폭주 현상이 발생할 수 있다.
어느 한 전지셀에서 발생한 열 폭주 현상은 대류 효과로 이웃한 전지셀로 확대될 수 있고, 나아가 이웃한 전지 모듈까지 확대될 수 있다. 특히, 공간 활용률을 높이기 위해 전지 모듈끼리 밀집되어 있는 전지팩의 구조 상, 전지 모듈들에 순차적으로 열 폭주 현상이 전파되는 것이 아니라, 밀집된 여러 전지 모듈들에 동시다발적으로 열 폭주 현상이 발생할 수 있다. 즉, 전지셀에서 시작되어 여러 전지 모듈에 동시다발적으로 확대된 열 폭주 현상은, 전지팩 자체의 발화 및 폭발로 이어져 심각한 문제가 된다.
그러나, 본 실시예에 따른 전지팩(1000b)에 있어서, 각 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb, 100Gc) 내의 전지 모듈(100)들이 폭 방향(d1)을 따라 1열로 배치되고, 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb, 100Gc) 각각의 상면을 커버하는 커버 부재(1300a, 1300b, 1300c)들 위치시켜, 열 폭주(thermal runaway) 현상의 전파(propagation)가 전지 모듈(100) 단위뿐만 아니라 전지셀(110) 단위에서도 순차적으로 이루어지도록 하였다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 어느 한 전지 모듈 내부의 어느 한 전지셀에서 열 폭주 현상이 발생할 경우, 이웃한 전지셀(110)들에 순차적으로 벤팅 가스 및 열 등이 전파될 수 있다. 일례로, 도 7에서는, 제1 전지 모듈 군(100Ga)에서의 전지 모듈에 포함된 전지셀(110’)과 제2 전지 모듈 군(100Gb)에서의 전지 모듈에 포함된 전지셀(110”)에 열 폭주 현상이 전파되는 모습이 도시되어 있다.
또한, 커버 부재(1300a, 1300b, 1300c)에 의해 이웃하지 않은 다른 전지 모듈 군이나 전지 모듈로 벤팅 가스 및 열이 곧 바로 전파되지 못한다. 본 실시예에서는, 전지 모듈(100) 사이에서 연결 부재(1400)의 HV 연결 순서를 뛰어 넘어 열 폭주 현상이 전파되지 않도록 단열 구조를 설계하였다.
위와 같이, 순차적 전파가 이루어지도록 설계함으로써 벤팅 가스 및 열이 전파되는 시간을 늘릴 수 있고, 또 순차적으로 전파되는 과정에서 열 폭주의 강도가 점차 줄어들거나 더 강화되지 않을 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지팩(1000b)은 어느 한 전지셀(110)에서 열 폭주 현상이 발생하여도, 이것이 전지팩(1000b) 자체의 발화나 폭발로 이어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상술한 바 대로, 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb, 100Gc)내에서 전지 모듈(100)들이 배치되는 방향과 전지셀(110)들이 적층되는 방향이 일치할 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈(100) 내에서 전지셀(110)들 사이의 열 폭주 현상의 전파도 순차적으로 이루어질 수 있다. 전지 모듈(100)들의 배치 방향과 전지셀(110)들의 적층 방향을 일치시킴으로써, 열 폭주 현상의 전파를 보다 더 지연시키고자 하였다.
아울러, 격벽부(1200W)가 형성되어 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb, 100Gc)들을 공간적으로 분리하고, 각 전지 모듈 군(100Ga, 100Gb, 100Gc)과 대응하도록 커버 부재(1300a, 1300b, 1300c)들을 배치함으로써, 전지 모듈 단위를 넘어 전지 모듈 군 단위에서도 벤팅 가스 및 열의 전파가 순차적으로 일어날 수 있도록 하였다. 또한 전파 시간을 보다 더 지연시킬 수 있어, 전파 과정에서의 열 폭주의 강도가 줄어드는 효과를 더 증대시킬 수 있다. 상기와 같이, 열전달을 억제하는 구조를 통해, 열저항이 높은 구조를 형성할 수 있고, 열저항이 특정 이상까지 구현될 경우 열 폭주의 순차적 전파가 종료될 수 있다.
도 6에는 하부 프레임(1220)의 일부가 만입된 형태의 격벽부(1200W)가 도시되어 있으나, 전지 모듈 군을 구분할 수 있다면, 그 형태에 특별한 제한은 없다. 다른 예시로써, 도 8에 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 격벽부(1200W’)의 형태가 도시되어 있다. 도 8은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 격벽부(1200W’)를 포함하는 전지팩(1000b’)에 대한 단면도이다.
도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 격벽부(1200W’)는 제1 전지 모듈 군(100Ga)과 제2 전지 모듈 군(100Gb) 사이 및 제2 전지 모듈 군(100Gb)과 제3 전지 모듈 군(100Gc) 사이 중 적어도 한곳에 위치할 수 있다. 이러한 격벽부(1200W’)는 하부 프레임(1220)의 바닥부(1200F)로부터 상향 연장된 판상 형태일 수 있다.
도 6에 도시된 격벽부(1200W)와 도 8에 도시된 격벽부(1200W’)는 모두 열 전달의 전도, 대류, 복사 등의 효과를 제어를 할 수 있는 구조로, 열 전달의 확대를 막는 기능이다. 이러한 격벽부(1200W, 1200W’)는 전도를 막기 위한 단열재를 포함할 수 있고, 또, 벤팅 가스를 막기 위해 얇은 금속 판재를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 전지팩은 전지 모듈뿐만 아니라, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템을 포함할 수 있다.
상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System) 등에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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]
1000a, 1000b: 전지팩
100: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
100G: 전지 모듈 군
1300: 커버 부재

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀을 포함하는 전지 모듈들; 및
    상기 전지 모듈들을 수납하는 팩 프레임을 포함하고,
    상기 팩 프레임 내부에서, 상기 전지 모듈들은 폭 방향을 따라 1열로 배치되어 전지 모듈 군을 형성하며,
    상기 전지 모듈 내부에서 상기 전지셀이 상기 폭 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체를 형성하고,
    상기 전지 모듈 군의 상면 전체를 커버하는 커버 부재가 상기 전지 모듈 군의 상기 상면과 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀의 셀 본체 일면이 상기 팩 프레임의 바닥부와 수직하도록 직립한 채, 상기 전지셀들이 상기 폭 방향을 따라 적층되는 전지팩.
  3. 제1항에서,
    상기 전지셀은 파우치형 전지셀인 전지팩.
  4. 제1항에서,
    상기 전지 모듈 군은, 상기 폭 방향을 따라 서로 이격된 제1 전지 모듈 군 및 제2 전지 모듈 군을 포함하는 전지팩.
  5. 제4항에서,
    상기 커버 부재는, 상기 제1 전지 모듈 군의 상면을 커버하는 제1 커버 부재 및 상기 제2 전지 모듈 군의 상면을 커버하는 제2 커버 부재를 포함하는 전지팩.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 커버 부재는, 상기 제1 전지 모듈 군의 상기 상면 전체와 대응하도록 위치하는 전지팩.
  7. 제5항에서,
    상기 제2 커버 부재는, 상기 제2 전지 모듈 군의 상기 상면 전체와 대응하도록 위치하는 전지팩.
  8. 제4항에서,
    상기 팩 프레임은, 상기 제1 전지 모듈 군과 상기 제2 전지 모듈 군 사이에 위치한 격벽부를 포함하는 전지팩.
  9. 제1항에서,
    상기 전지 모듈들 중 이웃한 전지 모듈들을 연결하는 연결 부재를 더 포함하는 전지팩.
  10. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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