WO2022270780A1 - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2022270780A1
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horizontal beam
battery
paragraph
battery pack
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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, when gas and flame are generated in some battery modules, heat propagation between adjacent battery modules is prevented while the generated gas and flame are effectively discharged to the outside of the battery pack. It relates to a battery pack and a device including the same.
  • Secondary batteries which are highly applicable to each product group and have electrical characteristics such as high energy density, are commonly applied not only to portable devices but also to electric or hybrid vehicles driven by an electrical driving source, power storage devices, and the like. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving energy efficiency and eco-friendliness in that they do not generate any by-products due to the use of energy as well as the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels.
  • lithium secondary batteries can be classified into cylindrical or prismatic secondary batteries in which electrode assemblies are embedded in metal cans and pouch-type secondary batteries in which electrode assemblies are embedded in aluminum laminate sheet pouches, depending on the shape of the exterior material.
  • a medium-large module structure battery pack in which a plurality of secondary batteries are connected in series or parallel to a battery module is increasing.
  • capacity and output are improved by forming a battery cell stack in which a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other.
  • a 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 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 as the energy inside the pack increases accordingly, it is necessary to design a structure to satisfy the strengthening safety standards and to secure the safety of the vehicle and driver.
  • the need for a structure capable of minimizing damage by effectively discharging gases and flames generated from some battery cells is emerging. there is.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a battery pack that effectively discharges generated gas and flame to the outside of the battery pack while preventing heat propagation between adjacent battery modules when gas and flame are generated in some battery modules, and a device including the same. is to provide
  • a battery pack includes a lower pack frame in which a plurality of battery modules are mounted; and an upper pack frame disposed above the battery module, wherein the lower frame includes a bottom portion in contact with a lower surface of the battery module and a frame portion in contact with at least one side surface of the battery module, It includes a side frame extending upward from an edge and an inner frame positioned inside the side frame, wherein the inner frame includes at least one venting hole penetrating an outer surface of the inner frame, and the inner frame includes the It serves as a path for the gas generated in the battery module to move.
  • the plurality of battery modules may be partitioned from each other by the side frame and the inner frame.
  • the inner frame may include a horizontal beam extending along the longitudinal direction of the lower frame and at least two vertical beams extending in a direction perpendicular to the horizontal beam.
  • the venting hole may be formed on an outer surface of the horizontal beam positioned between the adjacent vertical beams among the at least two vertical beams, and the horizontal beam may be a path through which gas generated from the battery module moves.
  • the venting hole may pass through an outer surface of the horizontal beam.
  • At least one ruptured part is formed on one surface of the side frame extending in a direction perpendicular to the horizontal beam, and the ruptured part may be ruptured when the pressure inside the battery pack reaches a certain level or higher.
  • the vertical beams positioned adjacent to one surface of the side frame on which the rupture part is formed may be spaced apart from each other.
  • One end of the horizontal beam may extend to the vertical beam positioned adjacent to one surface of the side frame on which the rupture part is formed, and one end of the horizontal beam may be open toward the side frame.
  • One end of the horizontal beam extends to one side of the side frame where the rupture part is formed, and one end of the horizontal beam is in contact with one side of the side frame, and one side of the side frame and one end of the horizontal beam are They may be in communication with each other.
  • a gasket portion positioned between the inner frame and the upper pack frame may be further included.
  • the inner frame may include a horizontal beam extending along the longitudinal direction of the lower frame and at least two vertical beams extending in a direction perpendicular to the horizontal beam.
  • the gasket part may include a first gasket part and a second gasket part, the first gasket part may be positioned on the horizontal beam, and the second gasket part may be respectively positioned on the at least two vertical beams.
  • the inter bus bar may be sealed with heat-resistant rubber.
  • a device includes the battery pack described above.
  • the present invention relates to a battery pack including a frame portion for inducing discharge directions of gas and flame, and a device including the same, and induces gas and flame in a certain direction when gas and flame are generated in some battery modules. Therefore, it is possible to effectively discharge generated gas and flame to the outside of the battery pack while preventing heat propagation between adjacent battery modules.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating components of the battery pack of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view showing a top surface of the battery pack of FIG. 1 in a state in which an upper pack frame is removed.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a dotted line area in FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a view showing a top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention in a state in which an upper pack frame is removed.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the dotted line area of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a battery module installed in the battery pack of FIG. 1 .
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 7 .
  • planar image it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-sectional image”, it means when a cross section of the target part cut vertically is viewed from the side.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating components of the battery pack of FIG. 1 .
  • a battery pack 1000 includes a lower pack frame 1100 to which a plurality of battery modules 100 ( FIG. 7 ) are mounted; and an upper pack frame 1200 positioned above the battery module 100 (FIG. 7).
  • the lower pack frame 1100 and the upper pack frame 1200 may be coupled to each other by welding or the like to seal the inside of the battery pack 1000 .
  • the battery pack 1000 may further include a reinforcing frame 1300 positioned between the lower pack frame 1100 and the upper pack frame 1200 .
  • the reinforcing frame 1300 may be positioned between the plurality of battery modules 100 (FIG. 7) and the upper pack frame 1200 to reinforce structural rigidity of the battery pack 1000.
  • the reinforcing frame 1300 may be omitted from the battery pack 1000 .
  • the lower frame 1100 includes a bottom portion 1110 in contact with the lower surface of the battery module 100 (FIG. 7) and frame portions 1130, 1150, and 1170 in contact with at least one side surface of the battery module 100 (FIG. 7).
  • the bottom portion 1110 and the frame portions 1130, 1150, and 1170 may be integrated with each other or fixed to each other by a separate fastening method such as welding or bonding.
  • the frame parts 1130, 1150, and 1170 may be made of a heat insulating member.
  • the frame parts 1130, 1150, and 1170 may have an aluminum extruded structure.
  • the frame parts 1130, 1150, and 1170 are made of a dissimilar metal bonding material such as clad metal, or include an insulating material such as airgel or expanded polypropylenes (EPP) foam. may be a structure.
  • EPP expanded polypropylenes
  • the frame parts 1130, 1150, and 1170 may be used without limitation as long as they are made of an insulating material having a predetermined rigidity.
  • the frame parts 1130, 1150, and 1170 include a side frame 1130 extending upward from the edge of the bottom part 1110 and internal frames 1150 and 1170 positioned inside the side frame 1130. do.
  • the plurality of battery modules 100 may be partitioned from each other by the side frame 1130 and the inner frames 1150 and 1170 . More specifically, the plurality of battery modules 100 ( FIG. 7 ) may be spaced apart from each other by side frames 1130 and internal frames 1150 and 1170 .
  • the inner frames 1150 and 1170 extend in a direction perpendicular to the horizontal beam 1150 and the horizontal beam 1150 extending along the longitudinal direction (x-axis direction) of the lower frame 1100 (y-axis direction). It may include at least two vertical beams 1170 that are.
  • the vertical beam 1170 includes a pair of first and second vertical beams with a horizontal beam 1150 interposed therebetween, so that the first vertical beam and the second vertical beam are each a horizontal beam ( 1150) may be attached.
  • the horizontal beam 1150 and the at least two vertical beams 1170 may be integrated with each other or fixed to each other by a separate fastening method such as welding or bonding.
  • the lengths of the horizontal beams 1150 and the vertical beams 1170, and the spacing between adjacent vertical beams 1170 among at least two vertical beams 1170, etc. are the size of the battery module 100 (FIG. 7). can be adjusted according to
  • the plurality of battery modules 100 can be spaced apart from each other in an area partitioned from each other by the frame parts 1130, 1150, and 1170. , Even if ignition occurs in some battery modules 100 (FIG. 7), heat propagation between adjacent battery modules 100 (FIG. 7) can be effectively prevented.
  • the battery pack 1000 may further include a gasket portion 1500 positioned between the inner frames 1150 and 1170 and the upper pack frame 1200 .
  • the gasket part 1500 includes a first gasket part 1510 and a second gasket part 1550 .
  • the first gasket portion 1510 may be positioned on the horizontal beam 1150
  • the second gasket portion 1550 may be positioned on at least two vertical beams 1170, respectively.
  • the first gasket portion 1510 may extend along the longitudinal direction of the horizontal beam 1150
  • the second gasket portion 1550 may extend along the longitudinal direction of the vertical beam 1170.
  • the gasket part 1500 is attached to and fixed to one surface of the inner frames 1150 and 1170 and one surface of the upper pack frame 1200, respectively, or to one surface of the inner frames 1150 and 1170 and one surface of the upper pack frame 1200. It may be inserted into the formed separate mounting groove and fixed.
  • the fixing method of the gasket part 1500 is not limited thereto, and the gasket part 1500 can be stably fixed between the upper pack frame 1200 and the inner frames 1150 and 1170 in this embodiment. can be included in
  • the gasket part 1500 may be made of rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), or silicon.
  • the gasket part 1500 may be made of a thin metal material.
  • the material of the gasket part 1150 is not limited thereto, and any material capable of sealing between the upper pack frame 1200 and the inner frames 1150 and 1170 may be included in the present embodiment.
  • the gasket portion 1500 is positioned between the upper pack frame 1200 and the inner frames 1150 and 1170, so that the upper pack frame 1200 and the inner A space between the frames 1150 and 1170 may be sealed.
  • gases and/or flames generated by ignition of some of the battery modules 100 may escape from adjacent battery modules 100. , it can be effectively prevented from being transferred to FIG. 7).
  • the electric component 1800 may be mounted inside the lower pack frame 1100 .
  • the electronic device 1800 may include an inter busbar 1810 and a low voltage (LV) wire 1850.
  • LV low voltage
  • the electronic device 1800 is not limited to the above-described components, and other components may also be included.
  • the inter bus bar 1810 may be electrically connected to the plurality of battery modules.
  • the inter bus bar 1810 may be positioned on the horizontal beam 1150. More specifically, the inter bus bar 1810 may extend along the first gasket portion 1510 and be mounted on the first gasket portion 1510 . In addition, the inter bus bar 1810 may extend along the second gasket portion 1550 and be mounted on the second gasket portion 1550 .
  • a plurality of grooves are formed in the first gasket part 1510 and/or the second gasket part 1550, and the inter bus bar 1810 is formed along the plurality of grooves. It may be mounted on the first gasket part 1510 and/or the second gasket part 1550.
  • the LV wire 1850 may be mounted between the side frame 1130 and the vertical beam 1180 positioned adjacent to the side frame 1130 among the at least two vertical beams 1180 .
  • the location of the electrical component 1800 is not limited to the above description, and may be appropriately disposed in various locations as needed.
  • the electrical component 1800 may be sealed with heat-resistant rubber. That is, the inter bus bar 1810 and the LV wire 1850 may be sealed with heat-resistant rubber.
  • the material for sealing the electrical component 1800 is not limited thereto, and any material having heat resistance may be included in the present embodiment.
  • the electrical components 1800 are mounted inside the lower pack frame 1100, but the electrical components 1800 are sealed with a heat-resistant material, so that some of the battery modules 100 , it is possible to prevent the electrical component 1800 from being damaged by gas and/or flame generated by the ignition phenomenon of FIG. 7 ).
  • FIG. 3 is a view showing a top surface of the battery pack of FIG. 1 in a state in which an upper pack frame is removed.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a dotted line area in FIG. 3 .
  • the inner frames 1150 and 1170 include at least one venting hole 1155 penetrating the outer surface of the inner frames 1150 and 1170, and the inner frames 1150 and 1170 are It serves as a path for the gas generated in the battery module to move.
  • the venting hole 1155 may be formed in the horizontal beam 1150. More specifically, the venting hole 1155 may be formed through an outer surface of the horizontal beam 1150 . In other words, the venting hole 1155 may be a hole formed by removing a part of the outer surface of the horizontal beam 1150 .
  • the venting hole 1155 may be formed on an outer surface of a horizontal beam 1150 positioned between the vertical beams 1170 adjacent to each other among the at least two vertical beams 1170 . More preferably, the venting hole 1155 may be formed on the outer surface of each horizontal beam 1150 positioned between the vertical beams 1170 adjacent to each other among the at least two vertical beams 1170.
  • At least one rupture part 1700 may be formed on one side of the side frame 1130 extending in a direction perpendicular to the horizontal beam 1150.
  • the ruptured portion 1700 may be ruptured when the internal pressure of the battery pack 1000 reaches a certain level or higher. More specifically, the rupture part 1700 may include a rupture surface (not shown) configured to rupture when the pressure of the introduced gas exceeds a certain pressure, such as a rupture disc.
  • the structure of the ruptured portion 1700 is not limited thereto, and any configuration that communicates with the side frame 1130 to discharge internal gas to the outside may be included in the present embodiment.
  • vertical beams 1170 positioned adjacent to one side of the side frame 1130 on which the ruptured portion 1700 is formed may be spaced apart from each other. More specifically, the space between one surface of the side frame 1130 on which the ruptured portion 1700 is formed and the vertical beam 1170 positioned adjacent thereto may be a path for the gas discharged from the inner frames 1150 and 1170 to move. there is.
  • one end of the horizontal beam 1150 extends to a vertical beam 1170 positioned adjacent to one surface of the side frame 1130 on which the ruptured portion 1700 is formed, and one end of the horizontal beam 1150 is It may be open towards the side frame 1130. That is, through one end of the horizontal beam 1150 that is open toward the side frame 1130, the gas and/or flame introduced into the horizontal beam 1150 is discharged toward the side frame 1130 according to a pressure difference. It can be.
  • the gas and/or flame generated from the battery module 100 ( FIG. 7 ) mounted on the lower pack frame 1100 is caused by a pressure difference to the battery module 100 ( FIG. 7 ).
  • 7) may be discharged to a venting hole 1155 facing one side.
  • gas and/or flame introduced into the horizontal beam 1150 through the venting hole 1155 may move along the longitudinal direction of the horizontal beam 1150 .
  • gas and/or flame introduced into the horizontal beam 1150 may be discharged through one end of the horizontal beam 1150 that is open toward the side frame 1130 .
  • the gas and / or flame discharged through one end of the horizontal beam 1150 will flow into the space between the vertical beam 1170 positioned adjacent to one side of the side frame 1130 on which the rupture portion 1700 is formed.
  • the pressure in the space between one surface of the side frame 1130 on which the ruptured portion 1700 is formed and the adjacent vertical beam 1170 reaches a certain level or higher, the ruptured portion 1700 is ruptured and the battery pack ( Gas inside the battery pack 1000 may be discharged to the outside.
  • the lower frame 2100 and the gas discharge path will be mainly described.
  • the battery pack according to the present embodiment can be described in the same way as the battery pack 1000 described above, and will be described focusing on differences from the battery pack 1000.
  • FIG. 5 is a view showing a top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention in a state in which an upper pack frame is removed.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the dotted line area of FIG. 5 .
  • vertical beams 2170 positioned adjacent to one surface of the side frame 2130 on which the ruptured portion 2700 is formed may be spaced apart from each other. However, it is not limited thereto, and the vertical beams 2170 positioned adjacent to one side of the side frame 2130 on which the ruptured portion 2700 is formed may be positioned adjacent to each other.
  • one end of the horizontal beam 2150 extends to one surface of the side frame 2130 on which the rupture part 2700 is formed, and one end of the horizontal beam 2150 is in contact with one surface of the side frame 2130,
  • One side of the side frame 2130 and one end of the horizontal beam 2150 may be in communication with each other. That is, through one end of the horizontal beam 2150 that is open toward the side frame 2130, the gas and/or flame introduced into the horizontal beam 2150 is discharged toward the side frame 2130 according to a pressure difference. It can be.
  • the gas and/or flame generated from the battery module 100 ( FIG. 7 ) mounted on the lower pack frame 2100 is caused by a pressure difference to the battery module 100 ( FIG. 7 ).
  • 7) may be discharged through a venting hole 2155 facing one side.
  • gas and/or flame introduced into the horizontal beam 2150 through the venting hole 2155 may move along the longitudinal direction of the horizontal beam 2150 .
  • gas and/or flame introduced into the horizontal beam 2150 may be discharged toward the side frame 2130 where the rupture part 2700 is formed.
  • the gas and/or flame discharged toward the side frame 2130 on which the ruptured portion 2700 is formed reaches the ruptured portion 2700.
  • the gas inside the side frame 2130 may be discharged to the outside.
  • the battery pack 1000 through the gas discharge path formed in the lower pack frame 1100, gas generated by ignition of some battery modules 100 (FIG. 7) and / Alternatively, the flame may be discharged in a direction induced in advance, so that the safety of the battery pack 1000 may be further improved while preventing heat propagation between adjacent battery modules 100 (FIG. 7).
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a battery module installed in the battery pack of FIG. 1 .
  • 8 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 7 .
  • the plurality of battery modules 100 included in the battery pack 1000 may be mounted on the lower pack frame 1100 . More specifically, the plurality of battery modules 100 may be mounted in regions partitioned by the side frame 1130 and the inner frames 1150 and 1170, respectively.
  • the battery module 100 may be disposed so that the front or rear surface of the battery module 100 faces the venting hole 1155, and the arrangement direction of the battery module 100 is not limited thereto and is appropriately changed as needed. It can be.
  • the battery module 100 As an example, the battery module 100, as shown in FIGS. 7 and 8, a battery cell stack 200 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a module frame accommodating the battery cell stack 200 ( 300), and a heat sink 500 located at the bottom of the module frame 300.
  • the battery module 100 may have a structure in which the heat sink 500 is omitted from among the above-described components.
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell.
  • the battery cell 110 may be manufactured by accommodating the electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and an inner layer, and then heat-sealing a sealing portion of the pouch case.
  • These battery cells 110 may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • These battery cells 110 may be composed of a plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked to form a battery cell laminate 200 so as to be electrically connected to each other.
  • the number of battery cells 110 constituting the battery cell stack 200 may be adjusted according to circumstances.
  • the module frame 300 may include an upper cover 310 and a U-shaped frame 320 .
  • the U-shaped frame 320 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 of the battery cell stack 200
  • the side part may cover the side surface of the battery cell stack 200.
  • the upper cover 310 may form a structure that covers the top, bottom, left and right sides of the battery cell stack 200 by combining the U-shaped frame 320 by welding or the like in a state in which corresponding corner portions are in contact with each other.
  • the upper cover 310 and the U-shaped frame 320 may be made of a metal material having a predetermined strength.
  • the module frame 300 is not limited thereto, and may be a monoframe in the form of a metal plate in which upper and lower surfaces and both sides are integrated.
  • the end plate 600 is located on the open first side (x-axis direction) and second side (x-axis opposite direction) of the module frame 300 to cover the front and rear surfaces of the battery cell stack 200. can be formed Accordingly, the end plate 600 may physically protect the battery cell stack 200 and other electrical components from external impact.
  • a bus bar frame to which bus bars are mounted and an insulating cover for electrical insulation may be positioned between the battery cell stack 200 and the end plate 600 .
  • the battery module 100 has a structure in which at least some of components such as the module frame 300, the end plate 600, the bus bar frame (not shown), and the insulating cover (not shown) are omitted.
  • the battery module 100 may have a structure in which components in a battery module unit are minimized.
  • the battery module 100 may have a structure in which the module frame 300 and the end plate 600 are omitted. Accordingly, in the battery pack 1000 according to the present embodiment, at least a portion of the battery module units of the battery module 100 may be omitted, thereby reducing the weight of the battery pack 1000 and improving battery capacity.
  • the bottom of the module frame 300 may constitute an upper plate of the heat sink 500, and the bottom of the module frame 300 may contact the refrigerant supplied into the heat sink 500.
  • the heat sink 500 may be located under the module frame 300 . More specifically, the heat sink 500 and the lower portion of the module frame 300 may be directly coupled to each other by welding or the like.
  • the heat sink 500 may include a depression 510 that is a path through which the refrigerant flows.
  • the recessed portion 510 of the heat sink 500 corresponds to a portion in which the lower plate 210 is recessed downward.
  • the depression 510 may be a U-shaped tube having a cross section perpendicular to the xz plane in the direction in which the refrigerant flow path extends, and the bottom of the module frame 300 may be located on the open upper side of the U-shaped tube. While the heat sink 500 is in contact with the bottom of the module frame 300, the space between the depression 510 and the bottom of the module frame 300 becomes a region in which the refrigerant flows, that is, a passage of the refrigerant. Accordingly, the bottom of the module frame 300 may directly contact the refrigerant.
  • a U-shaped recessed portion 510 with an open upper side can be formed by providing a recessed structure for the plate-shaped heat sink 500.
  • the bottom portion of the module frame 300 may be joined to a portion of the heat sink 500 where the recess 510 is not formed through welding.
  • the load of the battery cell stack 200 accommodated in the module frame 300 as well as the above-described cooling performance improvement is reduced. It may have the effect of supporting and reinforcing the rigidity of the battery module 100 .
  • the heat sink 500 and the bottom of the module frame 300 are sealed by welding or the like, the refrigerant may flow without leakage in the recessed portion 510 .
  • the depression 510 is formed over the entire area corresponding to the bottom of the module frame 300 .
  • the depression 510 may be bent at least once and lead from one side to the other.
  • the recessed portion 510 is bent several times.
  • the refrigerant moves from the starting point to the ending point of the refrigerant passage formed over the entire area corresponding to the bottom of the module frame 300, efficient cooling of the entire area of the battery cell stack 200 can be achieved.
  • the refrigerant is a medium for cooling, but is not particularly limited, but may be cooling water.
  • a device includes the battery pack described above.
  • Such a device may be applied to means of transportation such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto and is applicable to various devices capable of using a battery module and a battery pack including the battery module, which is also applicable to the present invention. Belongs to the scope of the right of invention.

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Abstract

복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고, 상기 하부 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함하고, 상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 내부 프레임의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 된다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 06월 21일자 한국 특허 출원 제10-2021-0080122호에 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 것으로, 보다 구체적으로는 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시, 인접한 전지 모듈 간의 열전파 현상을 방지하면서도 발생된 가스 및 화염을 전지 팩 외부로 효과적으로 배출시키는 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.
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 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 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 전지 팩을 형성할 수 있다.
특히, 전지 팩은 다수의 전지 모듈들이 조합된 구조로 이루어져 있어서, 일부 전지 모듈들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되는 경우에는 전지 팩의 안전성과 작동효율이 문제될 수 있다. 특히 주행거리 향상을 위하여 전지 팩 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 전지 팩 내 열 폭주 및 전지셀 간의 열전파 현상 등을 미연에 방지하기 위해, 일부 전지셀에서 발생된 가스 및 화염을 효과적으로 배출하여, 그 피해를 최소화할 수 있는 구조의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시, 인접한 전지 모듈 간의 열전파 현상을 방지하면서도 발생된 가스 및 화염을 전지 팩 외부로 효과적으로 배출시키는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고, 상기 하부 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함하고, 상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 내부 프레임의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀을 포함하고, 상기 내부 프레임은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 된다.
상기 복수의 전지 모듈은 상기 측면 프레임과 상기 내부 프레임에 의해 서로 구획될 수 있다.
상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함할 수 있다.
상기 벤팅홀은 상기 적어도 두 개의 수직 빔 중 서로 이웃하는 상기 수직 빔들 사이에 위치하는 상기 수평 빔의 외면에 형성되어 있고, 상기 수평 빔은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 될 수 있다.
상기 벤팅 홀은 상기 수평 빔의 외면을 관통할 수 있다.
상기 측면 프레임 중 상기 수평 빔과 수직인 방향으로 연장되어 있는 일면에 적어도 하나의 파열부가 형성되어 있고, 상기 파열부는 상기 전지 팩 내부의 압력이 일정 수준 이상 도달하면 파열될 수 있다.
상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔은 서로 이격되어 있을 수 있다.
상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔까지 연장되어 있고, 상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임을 향해 개방되어 있을 수 있다.
상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면까지 연장되어 있고, 상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임의 일면과 접하되, 상기 측면 프레임의 일면과 상기 수평 빔의 일 단부는 서로 연통되어 있을 수 있다.
상기 내부 프레임과 상기 상부 팩 프레임 사이에 위치하는 가스캣부를 더 포함할 수 있다.
상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함할 수 있다.
상기 가스캣부는 제1 가스캣부 및 제2 가스캣부를 포함하고, 상기 제1 가스캣부는 상기 수평 빔 상에 위치하고, 상기 제2 가스캣부는 상기 적어도 두 개의 수직 빔 상에 각각 위치할 수 있다.
상기 복수의 전지 모듈과 전기적으로 연결되는 인터 버스바(inter busbar)를 포함하고, 상기 인터 버스바는 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나를 따라 연장되되, 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나에 장착될 수 있다.
상기 인터 버스바는 내열성 고무로 실링되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 가스 및 화염의 배출방향을 유도하는 프레임부를 포함하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시 가스 및 화염을 일정한 방향으로 유도하여 배출할 수 있어, 인접한 전지 모듈 간의 열전파 현상을 방지하면서도 발생된 가스 및 화염을 전지 팩 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 팩의 구성요소들을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 7은 도 1의 전지 팩에 장착되는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 전지 모듈의 분해 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, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 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.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명하고자 한다. 다만, 여기서 전지 팩의 전후면 중 전면을 기준으로 설명될 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 후면인 경우에도 동일하거나 유사한 내용으로 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 팩의 구성요소들을 나타내는 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)이 장착되어 있는 하부 팩 프레임(1100); 및 전지 모듈(100, 도 7)의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임(1200)을 포함한다. 여기서, 하부 팩 프레임(1100) 및 상부 팩 프레임(1200)은 서로 용접 등의 방법으로 결합되어, 전지 팩(1000) 내부를 밀봉시킬 수 있다.
또한, 전지 팩(1000)은, 하부 팩 프레임(1100)과 상부 팩 프레임(1200) 사이에 위치하는 보강 프레임(1300)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 보강 프레임(1300)은 복수의 전지 모듈(100, 도 7)과 상부 팩 프레임(1200) 사이에 위치하여, 전지 팩(1000)의 구조적 강성을 보강할 수 있다. 다만, 필요에 따라, 보강 프레임(1300)은 전지 팩(1000)에서 생략될 수 있다.
또한, 하부 프레임(1100)은 전지 모듈(100, 도 7)의 하면과 접하는 바닥부(1110)와 전지 모듈(100, 도 7)의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부(1130, 1150, 1170)를 포함한다. 여기서, 바닥부(1110)와 프레임부(1130, 1150, 1170)는 서로 일체화되어 있거나, 용접 또는 접착과 같은 별도의 체결 방식에 의해 서로 고정되어 있을 수 있다.
여기서, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 단열 부재로 이루어질 수 있다. 일 예로, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 알루미늄 압출 구조로 구성될 수 있다. 다른 일 예로, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 클래드 메탈(Clad metal)과 같은 이종 금속 접합 소재로 이루어지거나, 에어로젤(aerogel) 또는 EPP(Expanded Polypropylenes) 폼(foam) 등의 단열 소재가 포함된 구조물일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 소정의 강성을 가지는 단열성 소재로 이루어진 것이라면 제한 없이 사용 가능하다.
또한, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 바닥부(1110)의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임(1130)과 측면 프레임(1130)의 내부에 위치하는 내부 프레임(1150, 1170)을 포함한다.
여기서, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)은 측면 프레임(1130)과 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 서로 구획될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)는 측면 프레임(1130) 및 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 서로 이격되어 위치할 수 있다.
또한, 내부 프레임(1150, 1170)은 하부 프레임(1100)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 연장되어 있는 수평 빔(1150)과 수평 빔(1150)에 수직인 방향(y축 방향)으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔(1170)을 포함할 수 있다. 일 예로, 수직 빔(1170)은 수평 빔(1150)을 사이에 둔 한 쌍의 제1 수직 빔 및 제2 수직 빔을 포함하여, 상기 제1 수직 빔 및 상기 제2 수직 빔이 각각 수평 빔(1150)에 부착되어 있을 수 있다. 여기서, 수평 빔(1150)과 적어도 두 개의 수직 빔(1170)은 서로 일체화되어 있거나, 용접 또는 접착과 같은 별도의 체결 방식에 의해 서로 고정되어 있을 수 있다.
보다 구체적으로, 수평 빔(1150)과 수직 빔(1170)의 길이, 및 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 중 서로 인접한 수직 빔(1170) 사이의 간격 등은 전지 모듈(100, 도 7)의 크기에 따라 조절될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100, 도 7)이 프레임부(1130, 1150, 1170)에 의해 서로 구획되는 영역에서 이격되어 위치할 수 있어, 일부 전지 모듈(100, 도 7)에서 발화 현상이 발생되더라도 인접한 전지 모듈(100, 도 7) 간의 열전파 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 내부 프레임(1150, 1170)과 상부 팩 프레임(1200) 사이에 위치하는 가스캣부(1500)를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 가스캣부(1500)는 제1 가스캣부(1510) 및 제2 가스캣부(1550)을 포함한다. 여기서, 제1 가스캣부(1510)는 수평 빔(1150) 상에 위치하고, 제2 가스캣부(1550)는 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 상에 각각 위치할 수 있다. 보다 구체적으로 제1 가스캣부(1510)는 수평 빔(1150)의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있고, 제2 가스캣부(1550)는 수직 빔(1170)의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
또한, 가스캣부(1500)는 내부 프레임(1150, 1170)의 일면과 상부 팩 프레임(1200) 일면에 각각 부착되어 고정되거나, 내부 프레임(1150, 1170)의 일면과 상부 팩 프레임(1200) 일면에 형성된 별도의 장착 홈에 끼워져 고정될 수 있다. 다만, 가스캣부(1500)의 고정 방식은 이에 한정되는 것은 아니며, 가스캣부(1500)가 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이에 안정적으로 고정될 수 있는 방식이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
일 예로, 가스캣부(1500)는 고무, 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPDM), 및 실리콘(Silicon) 소재로 이루어질 수 있다. 다른 일 예로, 가스캣부(1500)는 얇은 금속 소재로 이루어질 수 있다. 다만, 가스캣부(1150)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이가 밀봉될 수 있는 재질이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이에 가스캣부(1500)가 위치하여, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이를 밀봉시킬 수 있다. 이와 더불어, 상부 팩 프레임(1200)과 내부 프레임(1150, 1170) 사이에 밀봉됨에 따라, 일부 전지 모듈(100, 도 7)의 발화 현상에 의해 발생된 가스 및/또는 화염이 인접한 전지 모듈(100, 도 7)로 전달되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 하부 팩 프레임(1100) 내부에 전장품(1800)이 장착되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 전장품(1800)은 인터 버스바(inter busbar, 1810) 및 LV(Low voltage) 와이어(1850)를 포함할 수 있다. 다만, 전장품(1800)은 상술한 구성 요소에 한정되는 것은 아니며, 이외에 다른 구성 요소 또한 포함될 수 있다.
여기서, 인터 버스바(1810)는 상기 복수의 전지 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다. 인터 버스바(1810)는 수평 빔(1150) 상에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 인터 버스바(1810)는 제1 가스캣부(1510)를 따라 연장되되, 제1 가스캣부(1510)에 장착될 수 있다. 또한, 인터 버스바(1810)는 제2 가스캣부(1550)를 따라 연장되되, 제2 가스캣부(1550)에 장착될 수 있다.
일 예로, 도 2에 도시되지는 않았으나, 제1 가스캣부(1510) 및/또는 제2 가스캣부(1550)에 복수의 홈이 형성되어 있어, 인터 버스바(1810)가 상기 복수의 홈을 따라 제1 가스캣부(1510) 및/또는 제2 가스캣부(1550)에 장착될 수 있다. 또한, LV 와이어(1850)는 측면 프레임(1130)과 적어도 두 개의 수직 빔(1180) 중 측면 프레임(1130)과 인접하게 위치하는 수직 빔(1180) 사이에 장착될 수 있다.
다만, 전장품(1800)의 위치는 상술한 내용에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 위치에 적절하게 배치되어 있을 수 있다.
일 예로, 전장품(1800)은 내열성 고무로 실링되어 있을 수 있다. 즉, 인터 버스바(1810) 및 LV 와이어(1850)는 내열성 고무로 실링되어 있을 수 있다. 다만, 전장품(1800)을 실링하는 소재는 이에 한정되는 것은 아니며, 내열성을 가지는 소재라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 하부 팩 프레임(1100) 내부에 전장품(1800)이 장착되어 있되 전장품(1800)이 내열성 물질로 실링되어 있어, 일부 전지 모듈(100, 도 7)의 발화 현상에 의해 발생된 가스 및/또는 화염으로부터 전장품(1800)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 도 1의 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다. 도 4는 도 3의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 내부 프레임(1150, 1170)은 내부 프레임(1150, 1170)의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀(1155)을 포함하고, 내부 프레임(1150, 1170)은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 된다.
여기서, 벤팅홀(1155)는 수평 빔(1150)에 형성되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 벤팅홀(1155)는 수평 빔(1150)의 외면을 관통하여 형성될 수 있다. 다르게 말하면, 벤팅홀(1155)은 수평 빔(1150)의 외면 중 일부가 제거되어 형성될 홀일 수 있다. 여기서, 벤팅홀(1155)은 상기 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 중 서로 이웃하는 수직 빔(1170)들 사이에 위치하는 수평 빔(1150)의 외면에 형성되어 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 벤팅홀(1155)은 상기 적어도 두 개의 수직 빔(1170) 중 서로 이웃하는 수직 빔(1170)들 사이에 위치하는 수평 빔(1150)의 외면에 각각 형성되어 있을 수 있다.
또한, 측면 프레임(1130) 중 수평 빔(1150)과 수직인 방향으로 연장되어 있는 일면에 적어도 하나의 파열부(1700)가 형성되어 있을 수 있다. 파열부(1700)는 전지 팩(1000) 내부의 압력이 일정 수준 이상 도달하면 파열될 수 있다. 보다 구체적으로, 파열부(1700)는 럽쳐디스크(Rupture Disc)와 같이, 유입되는 가스의 압력이 일정 압력 이상이 될 경우 파열되도록 구성된 파열면(미도시됨)이 포함되어 있을 수 있다. 다만, 파열부(1700)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니며, 측면 프레임(1130)과 연통하여 내부 가스를 외측으로 배출 가능하도록 하는 구성이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170)은 서로 이격되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170) 사이의 공간은 내부 프레임(1150, 1170)으로부터 배출된 가스가 이동하는 경로가 될 수 있다.
일 예로, 수평 빔(1150)의 일 단부는 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170)까지 연장되어 있고, 수평 빔(1150)의 일 단부는 측면 프레임(1130)을 향해 개방되어 있을 수 있다. 즉, 측면 프레임(1130)을 향해 개방되어 있는 수평 빔(1150)의 일 단부를 통해, 수평 빔(1150) 내부에 유입된 가스 및/또는 화염이 압력 차이에 따라 측면 프레임(1130)을 향해 배출될 수 있다.
다시 말해, 도 3 및 도 4를 참조하면, 하부 팩 프레임(1100)에 장착되어 있는 전지 모듈(100, 도 7)로부터 발생된 가스 및/또는 화염은, 압력차에 의해 전지 모듈(100, 도 7)의 일면과 대향하는 벤팅홀(1155)로 배출될 수 있다. 또한, 벤팅홀(1155)에 의해 수평 빔(1150)으로 유입된 가스 및/또는 화염은 수평 빔(1150)의 길이 방향을 따라 이동할 수 있다. 또한, 수평 빔(1150)에 유입된 가스 및/또는 화염은 측면 프레임(1130)을 향해 개방되어 있는 수평 빔(1150)의 일 단부를 통해 배출될 수 있다.
또한, 수평 빔(1150)의 일 단부를 통해 배출된 가스 및/또는 화염은 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170) 사이의 공간으로 유입될 수 있다. 또한, 파열부(1700)가 형성된 측면 프레임(1130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(1170) 사이의 공간 내 압력이 일정 수준 이상 도달하면, 파열부(1700)가 파열됨에 따라 전지 팩(1000) 내부의 가스가 전지 팩(1000) 외부로 배출될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩에서, 하부 프레임(2100) 및 가스 배출 경로를 중심으로 설명하고자 한다. 다만, 본 실시예에 따른 전지 팩은, 앞서 상술한 전지팩(1000)과 대부분 동일하게 설명될 수 있고, 전지 팩(1000)과 차이점이 있는 부분을 중심으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 5의 점선 영역을 확대한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(2170)은 서로 이격되어 있을 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 일면과 인접하게 위치하는 수직 빔(2170)은 서로 인접하게 위치할 수도 있다.
여기서, 수평 빔(2150)의 일 단부는 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 일면까지 연장되어 있고, 수평 빔(2150)의 일 단부는 측면 프레임(2130)의 일면과 접하되, 측면 프레임(2130)의 일면과 수평 빔(2150)의 일 단부는 서로 연통되어 있을 수 있다. 즉, 측면 프레임(2130)을 향해 개방되어 있는 수평 빔(2150)의 일 단부를 통해, 수평 빔(2150) 내부에 유입된 가스 및/또는 화염이 압력 차이에 따라 측면 프레임(2130)을 향해 배출될 수 있다.
다시 말해, 도 5 및 도 6을 참조하면, 하부 팩 프레임(2100)에 장착되어 있는 전지 모듈(100, 도 7)로부터 발생된 가스 및/또는 화염은, 압력차에 의해 전지 모듈(100, 도 7)의 일면과 대향하는 벤팅홀(2155)로 배출될 수 있다. 또한, 벤팅홀(2155)에 의해 수평 빔(2150)으로 유입된 가스 및/또는 화염은 수평 빔(2150)의 길이 방향을 따라 이동할 수 있다. 또한, 수평 빔(2150)에 유입된 가스 및/또는 화염은 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)을 향해 배출될 수 있다.
또한, 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)을 향해 배출된 가스 및/또는 화염은 파열부(2700)가 형성된 측면 프레임(2130)의 내부 압력이 일정 수준 이상 도달하면, 파열부(2700)가 파열됨에 따라 측면 프레임(2130) 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 하부 팩 프레임(1100) 내에 형성된 가스 배출 경로를 통해, 일부 전지 모듈(100, 도 7)의 발화 현상에 의해 발생된 가스 및/또는 화염을 미리 유도된 방향으로 배출시킬 수 있어, 인접한 전지 모듈(100, 도 7) 간의 열전파 현상을 방지하면서도 전지 팩(1000)의 안전성 또한 보다 향상될 수 있다.
도 7은 도 1의 전지 팩에 장착되는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 8은 도 7의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2, 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에 포함되는 복수의 전지 모듈(100)은 하부 팩 프레임(1100)에 장착될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100)은 측면 프레임(1130)과 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 구획되어 있는 영역에 각각 장착될 수 있다. 여기서, 전지 모듈(100)은 전지 모듈(100)의 전면 또는 후면이 벤팅홀(1155)에 대면하도록 배치될 수 있으며, 전지 모듈(100)의 배치 방향은 이에 제한되지 아니하고 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
일 예로, 전지 모듈(100)은, 도 7 및 도 8과 같이, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200), 및 전지셀 적층체(200)를 수납하는 모듈 프레임(300), 및 모듈 프레임(300)의 바닥부에 위치하는 히트 싱크(500)을 포함한다. 다른 일 예로, 전지 모듈(100)은 상술한 구성 요소 중 히트 싱크(500)가 생략되어 있는 구조를 가질 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 일 예로, 전지셀(110)은 전극 조립체를 수지층과 속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(200)를 형성한다. 여기서, 전지셀 적층체(200)를 구성하는 전지셀(110)의 개수는 경우에 따라 조절될 수 있다.
모듈 프레임(300)는 상부 커버(310) 및 U자형 프레임(320)을 포함할 수 있다. 여기서, U자형 프레임(320)은 바닥부와 상기 바닥부의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 바닥부는 전지셀 적층체(200)의 하면을 커버할 수 있고, 상기 측면부는 전지셀 적층체(200)의 측면을 커버할 수 있다. 상부 커버(310)는 U자형 프레임(320)은 서로 대응되는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서 용접 등에 의해 결합되어, 전지셀 적층체(200)의 상하좌우를 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(310)와 U자형 프레임(320)은 소정의 강도를 가지는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 모듈 프레임(300)은 이에 한정되는 것은 아니며, 상하면 및 양측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다.
엔드 플레이트(600)는 모듈 프레임(300)의 개방된 제1 측(x축 방향)과 제2 측(x축 반대 방향)에 위치하여, 전지셀 적층체(200)의 전후면을 커버하도로 형성될 수 있다. 이에 따라, 엔드 플레이트(600)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(200) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(200)와 엔드 플레이트(600) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등이 위치할 수 있다.
다른 일 예로, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(300), 엔드 플레이트(600), 버스바 프레임(미도시됨), 절연 커버(미도시됨) 등의 구성 요소 중 적어도 일부가 생략되어 있는 구조를 가질 수 있다. 다르게 말하면, 전지 모듈(100)은 전지 모듈 단위에서의 구성 요소가 최소화되어 있는 구조일 수 있다. 일 예로, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(300) 및 엔드 플레이트(600)가 생략되어 있는 구조일 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 전지 모듈(100)은 전지 모듈 단위 중 적어도 일부가 생략되어, 전지 팩(1000)의 중량이 감소하고, 전지 용량 또한 향상될 수 있다.
이하에서는, 전지 모듈(100)이 히트 싱크(500)를 포함하는 구조를 중심으로 설명한다. 여기서, 모듈 프레임(300)의 바닥부는 히트 싱크(500)의 상부 플레이트를 구성할 수 있고, 모듈 프레임(300)의 바닥부가 히트 싱크(500) 내에 공급되는 냉매와 접촉할 수 있다.
히트 싱크(500)는 모듈 프레임(300)의 하부에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 히트 싱크(500)와 모듈 프레임(300)의 하부는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합할 수 있다. 여기서, 히트 싱크(500)는, 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(510)를 포함할 수 있다.
히트 싱크(500)의 함몰부(510)는, 하부 플레이트(210)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(510)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xz평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 모듈 프레임(300)의 바닥부가 위치할 수 있다. 히트 싱크(500)가 모듈 프레임(300)의 바닥부와 접하면서, 함몰부(510)과 모듈 프레임(300)의 바닥부 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(300)의 바닥부가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
히트 싱크(500)의 함몰부(510)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(500)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(510)를 형성할 수 있다.
또한, 모듈 프레임(300)의 바닥부는 히트 싱크(500) 중 함몰부(510)가 형성되지 않은 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(300)의 바닥부와 히트 싱크(500)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(300)에 수용된 전지셀 적층체(200)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 히트 싱크(500)와 모듈 프레임(300)의 바닥부는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 함몰부(510)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(300)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(510)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(510)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(300)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(510)가 형성되기 위해 함몰부(510)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(300)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(200)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다. 한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다. 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 권리 범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100: 전지 모듈
1000: 전지 팩
1100: 하부 팩 프레임
1200: 상부 팩 프레임
1500: 가스캣부
1700: 파열부

Claims (15)

  1. 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임; 및
    상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고,
    상기 하부 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함하고,
    상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함하고,
    상기 내부 프레임은 상기 내부 프레임의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀을 포함하고,
    상기 내부 프레임은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 되는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 모듈은 상기 측면 프레임과 상기 내부 프레임에 의해 서로 구획되는 전지 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함하는 전지 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 벤팅홀은 상기 적어도 두 개의 수직 빔 중 서로 이웃하는 상기 수직 빔들 사이에 위치하는 상기 수평 빔의 외면에 형성되어 있고,
    상기 수평 빔은 상기 전지 모듈에서 발생한 가스가 이동하는 경로가 되는 전지 팩.
  5. 제4항에서,
    상기 벤팅 홀은 상기 수평 빔의 외면을 관통하는 전지 팩.
  6. 제3항에서,
    상기 측면 프레임 중 상기 수평 빔과 수직인 방향으로 연장되어 있는 일면에 적어도 하나의 파열부가 형성되어 있고,
    상기 파열부는 상기 전지 팩 내부의 압력이 일정 수준 이상 도달하면 파열되는 전지 팩.
  7. 제6항에서,
    상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔은 서로 이격되어 있는 전지 팩.
  8. 제7항에서,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면과 인접하게 위치하는 상기 수직 빔까지 연장되어 있고,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임을 향해 개방되어 있는 전지 팩.
  9. 제7항에서,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 파열부가 형성된 상기 측면 프레임의 일면까지 연장되어 있고,
    상기 수평 빔의 일 단부는 상기 측면 프레임의 일면과 접하되, 상기 측면 프레임의 일면과 상기 수평 빔의 일 단부는 서로 연통되어 있는 전지 팩.
  10. 제1항에서,
    상기 내부 프레임과 상기 상부 팩 프레임 사이에 위치하는 가스캣부를 더 포함하는 전지 팩.
  11. 제10항에서,
    상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직 빔을 포함하는 전지 팩.
  12. 제11항에서,
    상기 가스캣부는 제1 가스캣부 및 제2 가스캣부를 포함하고,
    상기 제1 가스캣부는 상기 수평 빔 상에 위치하고, 상기 제2 가스캣부는 상기 적어도 두 개의 수직 빔 상에 각각 위치하는 전지 팩.
  13. 제12항에서,
    상기 복수의 전지 모듈과 전기적으로 연결되는 인터 버스바(inter busbar)를 포함하고,
    상기 인터 버스바는 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나를 따라 연장되되, 상기 제1 가스캣부 및 상기 제2 가스캣부 중 적어도 하나에 장착되는 전지 팩.
  14. 제13항에서,
    상기 인터 버스바는 내열성 고무로 실링되어 있는 전지 팩.
  15. 제1항에 따른 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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