WO2023027372A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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WO2023027372A1
WO2023027372A1 PCT/KR2022/011514 KR2022011514W WO2023027372A1 WO 2023027372 A1 WO2023027372 A1 WO 2023027372A1 KR 2022011514 W KR2022011514 W KR 2022011514W WO 2023027372 A1 WO2023027372 A1 WO 2023027372A1
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battery
battery cell
plate
battery module
paragraph
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PCT/KR2022/011514
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장성환
성준엽
박명기
박원경
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M50/325—Re-sealable arrangements comprising deformable valve members, e.g. elastic or flexible valve members
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    • 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
    • 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 module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module having improved safety and venting performance and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries are attracting much attention as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles as well as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, and laptop computers.
  • a battery pack mainly consists of a battery module composed of at least one battery cell, and is constructed by adding other components using the at least one battery module. Since the battery cells constituting the battery module are composed of secondary batteries capable of charging and discharging, such high-output and large-capacity secondary batteries generate a large amount of heat during the charging and discharging process. In particular, small mobile devices use one or two to three or four battery cells per device, whereas medium-large devices such as automobiles require high power and large capacity. Therefore, a medium- or large-sized battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected is used.
  • Medium-large-sized battery modules are preferably manufactured in a small size and weight as much as possible, so prismatic batteries, pouch-type batteries, etc., which can be stacked with high integration and have a small weight compared to capacity, are mainly used as battery cells of medium-large-sized battery modules.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module.
  • the problem to be solved by the present invention is a battery module capable of quickly discharging flame and gas to the outside to prevent the thermal runaway phenomenon from being transferred between battery cells and battery modules even if an ignition phenomenon occurs in the battery module, and this It is to provide a battery pack comprising the.
  • a battery module according to an embodiment of the present invention is disposed between a plurality of battery cell stacks including a plurality of battery cells, a frame member accommodating the plurality of battery cell stacks, and the plurality of battery cell stacks. and at least one partition wall structure, wherein the partition structure includes two plate-like members parallel to the battery cells, and a venting passage formed by the two plate-like members, each of the plate-like members being configured to open and close the plate-like member. It includes an inlet formed to be possible.
  • the inlet may include a first opening formed by opening the plate-shaped member, a blocking plate corresponding to the first opening and covering the first opening, and a plurality of supporters coupled to the blocking plate.
  • Each of the plurality of support parts is coupled to a pillar part inserted into a hole formed in the blocking plate, a jaw part formed at an end of the pillar part on the side of the venting passage, and a part of the pillar part to reduce the distance between the jaw part and the blocking plate. It may include an elastic part that variably supports.
  • the elastic part may be a spring.
  • the blocking plate may be configured to move toward the chin portion to open the inlet portion by a pressure of gas introduced through the first opening.
  • the barrier rib structure includes one end in the longitudinal direction of the battery cell stack and the other end positioned opposite to the one end, the first opening is formed adjacent to the one end, and the other end communicates with the outside of the battery module. It may be connected to the first outlet that is.
  • the battery cell stack may further include a first end plate and a second end plate respectively covering end portions of opposite sides of the battery cell stack in the longitudinal direction, and the first end plate may include the first outlet.
  • At least one outer venting passage disposed on a side opposite to one surface of the battery cell stack facing the barrier rib structure may be further included.
  • the outer venting passage may include one end of the battery cell stack and the other end of the opposite side of the battery cell stack, and may include a second opening formed adjacent to the one end to open toward the battery cell stack.
  • the other end of the outer venting passage may be connected to a second outlet communicating with the outside of the battery module.
  • the second end plate does not include the first outlet, and the first opening of the venting passage and the outer venting passage are connected with a space between the end of the battery cell stack and the second end plate therebetween.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • the battery module and battery pack including the battery module of the present invention even if an ignition phenomenon occurs in some battery cell stacks within the battery module, blocks the transition to other battery cell stacks adjacent to each other within the battery module, and at the same time gas and the flame or the like can be quickly discharged to the outside of the battery module, so that thermal runaway transfer to an adjacent battery module can be prevented.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a view showing a cross section along IV-IV of FIG. 2 .
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion where an inlet is formed in FIG. 2 .
  • FIG. 6 is an enlarged view of portion VI of FIG. 4 .
  • FIG. 7A and 7B are views for explaining gas discharge when thermal runaway occurs inside the battery module of FIG. 2 .
  • 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. 2 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 2
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along IV-IV′ of FIG. 2
  • FIG. 5 is an enlarged view of the portion where the inlet is formed in FIG. 2
  • FIG. 6 is an enlarged view of portion VI of FIG. 4 .
  • the battery module 10 includes a plurality of battery cell stacks 100 including a plurality of battery cells, a plurality of battery cell stacks 100
  • a frame member 200 accommodating the lower and side surfaces of the frame member 200 having open front and rear surfaces, a partition wall structure 300 disposed between neighboring battery cell stacks 100 among a plurality of battery cell stacks 100, Adjacent to the front and rear surfaces of the battery cell stack 100, the end plates 410 and 420 covering the opened front and rear surfaces of the frame member 200, and the frame while covering the upper surface of the battery cell stack 100.
  • It includes an upper cover 500 coupled to the member 200 .
  • the front and rear directions may be + and - directions of the y-axis direction in the drawing
  • the top and bottom directions may be + and - directions of the z-axis direction
  • the side direction may be the x-axis direction.
  • the frame member 200 may be a U-shaped frame that accommodates the lower and side surfaces of the battery cell stack 100 and has open front and rear surfaces.
  • the upper cover 500 may be configured to be combined with the frame member 200 while covering the upper surface of the battery cell stack 100 .
  • the configuration of the frame member 200 and the upper cover 500 is not limited thereto, and is integrally formed in the form of a square tube, or the configuration covering the lower portion of the battery cell stack 100 is in the form of a flat plate, and the upper portion A configuration covering the may be an inverted U-shaped frame, and is not particularly limited.
  • the battery cell stack 100 may be formed by stacking a plurality of battery cells.
  • the battery cell is preferably a pouch type battery cell.
  • the battery cell 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.
  • the battery cell may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cells may be composed of a plurality, and the plurality of battery cells are stacked so as to be electrically connected to each other to form the battery cell laminate 100 .
  • a plurality of battery cell stacks 100 may be included in one frame member 200 with the barrier structure 300 interposed therebetween.
  • two battery cell stacks 100 may be disposed while facing each other on the side surfaces.
  • the plurality of battery cell stacks 100 may be battery cell stacks manufactured identically to each other, with only differences depending on positions.
  • they may be electrically connected to each other within one frame member 200 .
  • the end plates 410 and 420 may be made of the same material as the frame member 200 and fixed to the frame member 200 in the same manner as welding. However, it is not limited thereto, and any fixing method capable of shielding the inside of the frame member 200 from the external environment may be appropriately applied.
  • the end plates 410 and 420 are disposed to cover the front and rear surfaces of the battery cell stack 100, for example, the first end plate 410 covers the front surface and the second end plate 420 covers the front surface. It can be arranged to cover the back side. The difference in each configuration will be described later.
  • the battery module 10 may include a barrier structure 300 disposed between neighboring battery cell stacks 100 .
  • the barrier rib structure 300 includes a space in which the first plate-like member 301 and the second plate-like member 301, which are parallel to the side surfaces of the battery cell stack 100, face each other, and the space is formed during thermal runaway.
  • a venting passage 320 through which generated gas and flame pass may be configured.
  • the bulkhead structure 300 may be made of the same material as the frame member 200, the upper cover 500, and the end plates 410 and 420, and is not particularly limited. In addition, it may be made of a member having flame retardancy or may include a flame retardant coating layer for flame propagation prevention.
  • Each of the plate-like members 301 and 302 of the partition wall structure 300 has a first opening 310 opened to face the battery cell stack 100 disposed adjacent to each of the plate-like members 301 and 302 .
  • the first opening 310 may be formed adjacent to one end A of the barrier rib structure 300 in the longitudinal direction.
  • the first opening 310 is connected to the venting passage 320 .
  • the other end B of the barrier rib structure 300 may be connected to the first outlet 411 formed in the first end plate 410 . That is, the venting passage 320 connected to the first opening 310 formed in the plate-shaped members 301 and 302 of the partition structure 300 extends inwardly along the length of the partition structure 300, and the other end (B) The venting passage 320 is connected to the first outlet 411 formed in the first end plate 410 so that gas and flame generated during thermal runaway can be discharged to the outside.
  • the plate-like members 301 and 302 of the partition structure 300 each include an inlet portion 330 formed to be opened and closed correspondingly to the first opening portion 310 . That is, when thermal runaway occurs and gas and flame are generated, by opening the inlet 330, the gas and flame can be discharged to the outside through the first opening 310 and the venting passage 320, , At this time, the inlet 330 of the portion where thermal runaway does not occur may be blocked from the portion where thermal runaway occurs by maintaining a closed state without being opened. This configuration will be described in more detail below.
  • the inlet portion 330 includes a blocking plate 331 formed parallel to the plate-shaped members 301 and 302 of the partition wall structure 330 to cover the first opening 310, It includes a plurality of support parts 332 coupled to the blocking plate 331 .
  • the plurality of support portions 332 may be configured to be inserted into holes formed in the blocking plate 331 and have one end fixed to the inner surfaces of the plate-like members 301 and 302 .
  • each of the plurality of support parts 332 includes a pillar part 332c coupled to the blocking plate 331 (that is, inserted into a hole formed in the blocking plate 331), and one end of the pillar part 332c is It is fixed to the inner surface of the plate-like members 301 and 302, and the other end of the pillar part 332c, that is, the end adjacent to the venting passage 320, prevents the blocking plate 331 from being separated in the longitudinal direction of the pillar part 332c. It includes a jaw portion (332b) protruding in a direction perpendicular to the.
  • an elastic part 332a is coupled to a part of the pillar part 332c.
  • the elastic part 332a may be a spring coupled to a side surface of the pillar part 332c as shown in FIG. However, it may be a spring wrapped around the outer surface of the pillar part 332c or a spring buried inside the pillar part 332c. In addition, any material having elasticity other than a spring may be appropriately selected and used.
  • the elastic part 332a may variably support a gap between the jaw part 332b and the blocking plate 331 . That is, when an external force toward the venting passage 320 is generated, the blocking plate 331 is moved toward the venting passage 320, so that the gap between the blocking plate 331 and the jaw portion 332b is narrowed, and such an external force is not applied. Otherwise, the blocking plate 331 may be supported so as to come into close contact with the plate-like members 301 and 302 so that spaces on both sides with the partition wall structure 300 therebetween may be isolated from each other.
  • an outer venting passage 211 may be formed along a side surface of the frame member 200 .
  • the outer venting passage 211 similar to the venting passage 320 of the partition wall structure 300 described above, may have a tubular shape including a second opening 213 open toward the facing battery cell stack 100.
  • the second opening 213 may be formed adjacent to the rear surface of the battery cell stack 100 (ie, may be formed adjacent to one end A of the barrier rib structure 300), along the longitudinal direction.
  • the opposite end, that is, the end adjacent to the front of the battery cell stack 100 may form a second outlet 212 communicating with the outside.
  • the second opening 213 may be connected to the first opening 310 through a space between the second end plate 420 and the battery cell stack 100 . Through this configuration, the internal flame and gas can be rapidly moved and discharged to the outside.
  • the outer venting passage 211 may be integrally formed with the frame member 200 or may be attached as a tubular structure separate from the frame member 200, and is not particularly limited. By further including the outer venting passage 211, when thermal runaway occurs, gas and flame can be discharged together through the bulkhead structure 300 and the outer venting passage 211, so that the gas and flame can be more quickly released to the outside. can be ejected.
  • FIG. 7A and 7B are views for explaining gas discharge when thermal runaway occurs inside the battery module of FIG. 2 .
  • a partition wall structure 300 having a venting passage 320 is disposed between adjacent battery cell stacks 100, and an outer periphery formed on the sidewall of the frame member 200 at the outermost side. Since the venting passage 211 is disposed, each of the plurality of battery cell stacks 100 faces the first and second openings 310 and 213 . Therefore, when thermal runaway occurs, flames and gases generated in the battery cell stack 100 may move to the venting passage 320 and the outer venting passage 211 through the openings 310 and 213 and be discharged to the outside. In addition, since the opening 310 on the side of the barrier rib structure 300 where thermal runaway does not occur during thermal runaway is blocked by the inlet 330, it can be isolated from the thermal runaway laminate.
  • gas and flame G generated in the battery cell stack 100 are introduced.
  • An external force is applied to the blocking plate 331 of the portion 330 in the direction of the arrow, that is, to the side (right side) of the venting passage 320 .
  • the elastic part 332a of the support part 332 is compressed and the inlet part 330 is opened.
  • gas and flame (G) may flow into the venting passage 320, move along the venting passage 320, and may be discharged to the outside.
  • the battery cell stack 100 located on the right side in the drawing is the source of flame and gas. It can be quickly discharged to the outside without radio waves, and thus it is possible to prevent damage to the battery cell stack 100 adjacent to it.
  • gas and flame G generated in the battery cell stack 100 cause the inlet to An external force is applied to the blocking plate 331 of 330 in the direction of the arrow, that is, to the venting passage 320 side (left side).
  • the elastic part 332a of the support part 332 is compressed and the inlet part 330 is opened.
  • gas and flame (G) may flow into the venting passage 320, move along the venting passage 320, and may be discharged to the outside.
  • the battery cell stack 100 located on the left side in the figure contains flame and gas. It can be quickly discharged to the outside without radio waves, and thus it is possible to prevent damage to the battery cell stack 100 adjacent to it.
  • the generated flame and gas pass through the open inlet 330 to the partition wall structure 300. ) and can be quickly discharged to the outside by moving along the venting passage 320 formed on the opposite side, and since the inlet 330 on the opposite side remains closed, thermal energy is accumulated inside the battery module 10. At the same time, it is possible to prevent flames and gases from transferring to other battery cell stacks 100 and battery modules adjacent to each other.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery module according to an embodiment of the present invention when the battery module according to an embodiment of the present invention is disposed even in a battery pack including a plurality of battery modules, flame and gas can be quickly discharged to the outside. Propagation of damage to other parts of the battery pack can be prevented.
  • the effect of thermal runaway can be minimized by arranging the exhaust port through which gas and flame are discharged to be adjacent to a place outside the battery pack where damageable parts are not disposed (eg, the rear of a vehicle, etc.) there is.
  • the battery module or battery pack may be applied to various devices. Specifically, it can be applied to means of transportation such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, etc., but is not limited thereto and can be applied to various devices that can use secondary batteries.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀을 포함하는 복수의 전지셀 적층체, 상기 복수의 전지셀 적층체를 수용하는 프레임 부재, 및 상기 복수의 전지셀 적층체 사이에 배치되는 적어도 하나의 격벽 구조체를 포함하고, 상기 격벽 구조체는, 상기 전지셀과 평행한 2개의 판상 부재, 및 상기 2개의 판상 부재에 의해 형성된 벤팅 통로를 포함하고, 상기 각각의 판상 부재는, 상기 개폐 가능하도록 형성된 유입부를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 8월 25일자 한국 특허 출원 제10-2021-0112602호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 안전성 및 벤팅 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 전지 팩은 주로 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 구성된다. 전지 모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것일 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다.
이와 같이 집적된 상태에서 일부 전지 모듈들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되는 경우에는 전지 모듈의 안전성과 작동효율이 문제될 수 있다. 특히 주행거리 향상을 위하여 전지 모듈 용량은 점차 증가되는 추세이고, 그에 따라 강화되는 안전성 기준을 만족하고 차량 및 운전자의 안전성 확보를 위한 구조의 설계가 필요하다.
도 1은, 종래 전지 모듈의 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(1)은 전지팩 구성시 복수의 전지 모듈(1)이 인접하여 배치된다. 이 때, 하나의 전지 모듈(1)에서 열폭주가 발생할 경우, 이를 외측으로 신속하게 배출하지 않으면, 내측에 축적된 고온의 가스 및 화염이 한꺼번에 폭발 하여 인접한 전지 모듈(1)로 전달된다. 이에 의해 연쇄적으로 전지 모듈(1)에 열폭주가 발생하게 되어 전지 모듈(1)의 손상 역시 전달된다.
따라서, 열폭주가 발생하더라도, 인접 모듈로의 전파를 방지하여 손상을 최소화하는 것이 필요하고, 이를 위하여 일부 전지 모듈 내에서 발생된 가스 및 화염을 추가의 전이 없이 효과적으로 배출하여, 그 피해를 최소화할 수 있는 구조의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내 발화 현상이 발생하더라도 전지셀 및 전지 모듈들 사이에서 열폭주 현상이 전이되는 것을 방지하도록 화염 및 가스를 외측으로 신속하게 배출할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 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 모듈은, 복수의 전지셀을 포함하는 복수의 전지셀 적층체, 상기 복수의 전지셀 적층체를 수용하는 프레임 부재, 및 상기 복수의 전지셀 적층체 사이에 배치되는 적어도 하나의 격벽 구조체를 포함하고, 상기 격벽 구조체는, 상기 전지셀과 평행한 2개의 판상 부재, 및 상기 2개의 판상 부재에 의해 형성된 벤팅 통로를 포함하고, 상기 각각의 판상 부재는, 상기 개폐 가능하도록 형성된 유입부를 포함한다.
상기 유입부는, 상기 판상 부재가 개구되어 형성된 제1 개구부, 상기 제1 개구부에 대응하여 상기 제1 개구부를 덮는 차단판, 및 상기 차단판과 결합하는 복수의 지지부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 지지부 각각은, 상기 차단판에 형성된 홀에 삽입되는 기둥부,상기 기둥부의 상기 벤팅 통로측 단부에 형성되는 턱부, 및 상기 기둥부의 일부에 결합되어 상기 턱부와 상기 차단판 사이의 간격을 가변적으로 지지하는 탄성부를 포함할 수 있다.
상기 탄성부는 스프링일 수 있다.
상기 차단판은, 상기 제1 개구부를 통해 유입되는 가스의 압력에 의해 상기 턱부 측으로 이동하여 상기 유입부를 개방하도록 구성될 수 있다.
상기 격벽 구조체는 상기 전지셀 적층체의 길이 방향의 일단 및 상기 일단과 반대측에 위치하는 타단을 포함하고, 상기 제1 개구부는 상기 일단에 인접하여 형성되고, 상기 타단은 상기 전지 모듈의 외측과 연통하는 제1 배출구와 연결될 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 길이 방향의 양측 단부를 각각 덮는 제1 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트를 더욱 포함하고, 상기 제1 엔드 플레이트는, 상기 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 격벽 구조체와 마주하는 상기 전지셀 적층체의 일면과 반대측에 배치되는 적어도 하나의 외곽 벤팅 통로를 더욱 포함할 수 있다.
상기 외곽 벤팅 통로는, 전지셀 적층체의 길이 방향 일단 및 반대측의 타단을 포함하고, 상기 일단에 인접하여 상기 전지셀 적층체를 향해 개방되도록 형성된 제2 개구부를 포함할 수 있다.
상기 외곽 벤팅 통로의 상기 타단은 상기 전지 모듈의 외측과 연통하는 제2 배출구와 연결될 수 있다.
상기 제2 엔드 플레이트는 상기 제1 배출구를 포함하지 않고, 상기 벤팅 통로의 제1 개구부와, 상기 외곽 벤팅 통로는 상기 전지셀 적층체의 단부와 상기 제2 엔드 플레이트 사이의 공간을 사이에 두고 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명의 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은, 전지 모듈 내에서 일부 전지셀 적층체에서 발화 현상이 발생하더라도 전지 모듈 내에 인접한 다른 전지셀 적층체로의 전이를 차단하고 동시에 가스 및 화염 등을 전지 모듈 외부로 신속하게 배출시킴으로써 인접한 전지 모듈로의 열폭주의 전이가 방지될 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 종래 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV에 따른 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에서 유입부가 형성된 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 VI 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 전지 모듈 내부에서의 열폭주 발생시 가스의 배출을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 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, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이고, 도 3은 도 2의 전지 모듈의 분해 사시도이고, 도 4는 도 2의 IV-IV’에 따른 단면을 도시한 도면이고, 도 5는 도 2에서 유입부가 형성된 부분을 확대하여 도시한 도면이고, 도 6은 도 4의 VI 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
먼저 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(10)은, 복수의 전지셀을 포함하는 복수의 전지셀 적층체(100), 복수의 전지셀 적층체(100)의 하면 및 측면을 수용하고 전, 후면이 개방 되어 있는 프레임 부재(200), 복수의 전지셀 적층체(100) 중 이웃하는 전지셀 적층체(100) 사이에 배치되는 격벽 구조체(300), 전지셀 적층체(100)의 전, 후면에 인접하여, 프레임 부재(200)의 개방된 전, 후면을 덮는 엔드 플레이트(410, 420), 및 전지셀 적층체(100)의 상면을 덮으면서 프레임 부재(200)와 결합하는 상부 커버(500)를 포함한다. 본 설명에서, 전, 후 방향은 도면에서 y 축 방향의 + 및 - 방향일 수 있고, 상, 하 방향은 z축 방향의 + 및 - 방향일 수 있으며, 측면 방향은 x축 방향일 수 있다.
프레임 부재(200)는, 전지셀 적층체(100)의 하면 및 측면을 수용하고, 전, 후면이 개방되어 있는 U자형 프레임일 수 있다. 또한, 상부 커버(500)는, 전지셀 적층체(100)의 상면을 커버하면서 프레임 부재(200)와 결합되는 구성일 수 있다. 다만, 프레임 부재(200) 및 상부 커버(500)의 구성은 이에 제한되는 것은 아니고, 일체로 형성된 사각관 형태이거나, 또는 전지셀 적층체(100)의 하부를 커버하는 구성이 평판 형태이고, 상부를 덮는 구성이 뒤집힌 U자형 프레임일 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
전지셀 적층체(100)는, 복수의 전지셀이 적층되어 형성될 수 있다. 여기서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 전지셀은 전극 조립체를 수지층과 속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 전지셀은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전지셀은 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성한다.
여기서, 전지셀 적층체(100)는 하나의 프레임 부재(200) 내에 격벽 구조체(300)을 사이에 두고 복수 개 포함될 수 있다. 예를 들면, 도면에 도시된 바와 같이 2개의 전지셀 적층체(100)가, 측면을 서로 마주하면서 배치될 수 있다. 이 때 복수의 전지셀 적층체(100)는 위치에 따른 차이만 있을 뿐, 서로 동일하게 제조된 전지셀 적층체 일 수 있다. 또한 이들은 하나의 프레임 부재(200) 내에서 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
엔드 플레이트(410, 420)는, 프레임 부재(200)와 동일한 소재로 이루어져서, 프레임 부재(200)에 용접 접합과 같은 방식으로 서로 고정되어 있을 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 프레임 부재(200) 내부를 외부 환경으로부터 차단시킬 수 있는 고정 방식이라면 적절하게 적용될 수 있다. 또한, 엔드 플레이트(410, 420)는, 전지셀 적층체(100)의 전면 및 후면을 덮도록 배치되며, 예를 들어 제1 엔드 플레이트(410)는 전면을, 제2 엔드 플레이트(420)는 후면을 덮도록 배치될 수 있다. 각각의 구성상 차이는 후술하도록 한다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 전지 모듈(10)은, 이웃하는 전지셀 적층체(100) 사이에 배치되는 격벽 구조체(300)을 포함할 수 있다. 격벽 구조체(300)은, 전지셀 적층체(100)의 측면과 평행한 제1 판상 부재(301)와 제2 판상 부재(301)가 마주하여 배치된 공간을 포함하고, 해당 공간은 열폭주시 발생하는 가스 및 화염이 지나는 벤팅 통로(320)를 구성할 수 있다. 격벽 구조체(300)은 프레임 부재(200), 상부 커버(500), 엔드 플레이트(410, 420) 등과 동일한 재질로 이루어질 수도 있으며 특별히 한정되지는 않는다. 또한, 화염 전파 방지를 위하여 난연성을 갖는 부재로 이루어지거나, 난연성의 코팅층을 포함하고 있어도 좋다.
격벽 구조체(300)의 각각의 판상 부재(301, 302)는, 각각의 판상 부재(301, 302)와 인접하여 배치된 전지셀 적층체(100)와 마주하여 개방된 제1 개구부(310)를 포함할 수 있다. 제1 개구부(310)는 특히 격벽 구조체(300)의 길이 방향의 일단(A)에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 개구부(310)는, 벤팅 통로(320)와 연결되어 있다.
격벽 구조체(300)의 타단(B)은, 제1 엔드 플레이트(410)에 형성된 제1 배출구(411)와 연결될 수 있다. 즉, 격벽 구조체(300)의 판상 부재(301, 302)에 형성된 제1 개구부(310)와 연결된 벤팅 통로(320)가, 격벽 구조체(300)의 길이를 따라 내부로 연장되어, 타단(B)에서 개방되도록 구성되고, 이러한 벤팅 통로(320)가 제1 엔드 플레이트(410)에 형성된 제1 배출구(411)와 연결되어 열폭주시 발생하는 가스 및 화염이 외측으로 배출될 수 있도록 구성된다.
격벽 구조체(300)의 판상 부재(301, 302)들은, 각각의 제1 개구부(310)에는, 대응하여 개폐 가능하도록 형성된 유입부(330)를 포함한다. 즉, 열폭주가 발생하여 가스 및 화염이 생성될 경우, 유입부(330)가 개방되는 것에 의해, 가스 및 화염이 제1 개구부(310) 및 벤팅 통로(320)를 통해 외측으로 배출될 수 있고, 이 때 열폭주가 발생하지 않은 부분의 유입부(330)는 개방되지 않고 폐쇄된 상태를 유지하는 것에 의해, 열폭주가 발생한 부분으로부터 차단될 수 있다. 이러한 구성에 대해 이하에서 보다 상세히 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 유입부(330)는, 격벽 구조체(330)의 판상 부재(301, 302)와 평행하게 형성되어 제1 개구부(310)를 덮도록 형성된 차단판(331), 차단판(331)과 결합하는 복수의 지지부(332)를 포함한다. 복수의 지지부(332)는, 차단판(331)에 형성된 홀에 삽입되는 형태로 구성될 수 있으며, 일단이 판상 부재(301, 302)의 내면에 고정되도록 형성된다.
또한 복수의 지지부(332) 각각은, 차단판(331)에 결합되는(즉, 차단판(331)에 형성된 홀에 삽입되는) 기둥부(332c)를 포함하고, 기둥부(332c)의 일단은 판상 부재(301, 302)의 내면에 고정되며, 기둥부(332c)의 타단, 즉 벤팅 통로(320)측에 인접한 단부에는 차단판(331)의 이탈을 방지하도록 기둥부(332c)의 길이 방향에 수직한 방향으로 돌출된 턱부(332b)를 포함한다. 또한, 기둥부(332c)의 일부에는, 탄성부(332a)가 결합되는데, 탄성부(332a)는 도 6에 도시된 바와 같이 기둥부(332c)의 측면에 결합된 스프링일수도 있고, 또한 도시하지 않았으나 기둥부(332c) 외면을 감싸는 스프링, 또는 기둥부(332c)의 내측에 매설되 스프링일수도 있다. 또한 스프링 외에도 탄성을 갖는 소재라면 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
이러한 탄성부(332a)는, 턱부(332b)와 차단판(331) 사이의 간격을 가변적으로 지지할 수 있다. 즉, 벤팅 통로(320)를 향하는 외력이 발생할 경우 차단판(331)을 벤팅 통로(320) 측으로 이동시켜서 차단판(331)과 턱부(332b)사이의 간격이 좁아지게 되고, 이러한 외력이 가해지지 않을 경우에는, 차단판(331)이 판상 부재(301, 302)에 밀착하도록 지지하여 격벽 구조체(300)를 사이에 둔 양측 공간이 서로 격리되도록 할 수 있다. 따라서 격벽 구조체(300)를 사이에 두고 어느 일측에서 열폭주가 발생할 경우, 열폭주가 발생한 전지셀 적층체(100) 측의 유입부(330)만이 개방되어 가스 및 화염을 외측으로 배출하고, 열폭주가 발생하지 않은 부분의 유입부(330)는 개방되지 않고 폐쇄된 상태를 유지할 수 있는바, 이에 대한 상세한 내용은 후술한다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 외곽 벤팅 통로(211)에 대해 설명한다.
도 4를 참조하면, 프레임 부재(200)의 측면을 따라서는 외곽 벤팅 통로(211)가 형성될 수 있다. 외곽 벤팅 통로(211)는, 상술의 격벽 구조체(300)의 벤팅 통로(320)와 유사하게, 마주하는 전지셀 적층체(100)를 향하여 개방된 제2 개구부(213)를 포함하는 관 형태일 수 있다. 제2 개구부(213)는, 전지셀 적층체(100)의 후면에 인접하여 형성될 수 있고(즉, 격벽 구조체(300)의 일단(A)에 인접하여 형성될 수 있고), 길이 방향을 따라 반대측 단부, 즉 전지셀 적층체(100)의 전면에 인접한 단부는 외측과 연통하는 제2 배출구(212)를 형성할 수 있다. 또한, 제2 개구부(213)는, 제2 엔드 플레이트(420)와 전지셀 적층체(100) 사이의 공간을 통해 제1 개구부(310)와 연결되어 있을 수 있다. 이러한 구성을 통해, 내부의 화염 및 가스가 신속하게 이동하여 외측으로 배출될 수 있다.
이러한 외곽 벤팅 통로(211)는 프레임 부재(200)와 일체로 형성될 수도 있고, 프레임 부재(200)와는 별도의 관 형태의 구조체로서 부착될 수도 있으며 특별히 한정되지는 않는다. 외곽 벤팅 통로(211)를 더욱 포함하는 것에 의해, 열폭주 발생시 격벽 구조체(300)와 외곽 벤팅 통로(211)를 통해 가스 및 화염이 함께 배출될 수 있는바, 보다 신속하게 가스 및 화염을 외부로 배출할 수 있다.
다음으로, 도 7a 및 도 7b를 참조하여, 전지 모듈 내부에서 열폭주 발생시 가스 및 화염이 배출되는 것에 대하여 설명한다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 전지 모듈 내부에서의 열폭주 발생시 가스의 배출을 설명하기 위한 도면이다.
복수의 전지셀 적층체(100)는 인접하는 전지셀 적층체(100) 사이에서는 벤팅 통로(320)를 갖는 격벽 구조체(300)가 배치되고, 최외측에서는 프레임 부재(200)의 측벽에 형성된 외곽 벤팅 통로(211)가 배치되기 때문에, 복수의 전지셀 적층체(100) 각각은 제1 및 제2 개구부(310, 213)와 마주하게 된다. 따라서 열폭주 발생시 전지셀 적층체(100)에서 발생한 화염 및 가스는, 이러한 개구부(310, 213)를 통해 벤팅 통로(320) 및 외곽 벤팅 통로(211)로 이동하여 외측으로 배출될 수 있다. 또한, 열폭주시 격벽 구조체(300)를 기준으로 열폭주가 발생하지 않은 쪽의 개구부(310)는, 유입부(330)에 의해 차단되기 때문에, 열폭주 적층체로부터 격리될 수 있다.
예를 들면, 도 7a에 도시된 바와 같이 도면에서 좌측에 위치하는 전지셀 적층체(100)에서 열폭주가 발생하는 경우, 전지셀 적층체(100)에서 발생한 가스 및 화염(G)에 의해 유입부(330)의 차단판(331)에는 화살표 방항, 즉 벤팅 통로(320)측(우측)으로 외력이 가해지게 된다. 이에 의해, 지지부(332)의 탄성부(332a)가 압축되어 유입부(330)가 개방된다. 개방된 부분을 통해, 가스 및 화염(G)이 벤팅 통로(320)로 유입되고, 벤팅 통로(320)를 따라 이동하여 외측으로 배출될 수 있다. 이 때, 우측에 위치하는 전지셀 적층체(100)와 마주하는 유입부(330)는, 개방되지 않고 폐쇄되어 있기 때문에, 도면에서 우측에 위치하는 전지셀 적층체(100)로는 화염 및 가스의 전파 없이 외측으로 신속하게 배출될 수 있고, 따라서 인접한 전지셀 적층체(100)의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 도 7b에 도시된 바와 같이, 도면에서 우측에 위치하는 전지셀 적층체(100)에서 열폭주가 발생하는 경우, 전지셀 적층체(100)에서 발생한 가스 및 화염(G)에 의해 유입부(330)의 차단판(331)에는 화살표 방항, 즉 벤팅 통로(320)측(좌측)으로 외력이 가해지게 된다. 이에 의해, 지지부(332)의 탄성부(332a)가 압축되어 유입부(330)가 개방된다. 개방된 부분을 통해, 가스 및 화염(G)이 벤팅 통로(320)로 유입되고, 벤팅 통로(320)를 따라 이동하여 외측으로 배출될 수 있다. 이 때, 좌측에 위치하는 전지셀 적층체(100)와 마주하는 유입부(330)는, 개방되지 않고 폐쇄되어 있기 때문에, 도면에서 좌측에 위치하는 전지셀 적층체(100)로는 화염 및 가스의 전파 없이 외측으로 신속하게 배출될 수 있고, 따라서 인접한 전지셀 적층체(100)의 손상을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 전지 모듈(10) 내의 일부 전지셀 적층체(100)에서 열폭주가 발생하더라도, 발생된 화염 및 가스가, 개방된 유입부(330)를 통해 격벽 구조체(300)에 형성된 벤팅 통로(320)를 따라 이동하여 신속하게 외부로 배출될 수 있고, 이 때 반대측의 유입부(330)는 폐쇄된 상태를 유지하기 때문에, 전지 모듈(10) 내부에 열에너지가 축적되는 것을 억제하는 동시에, 화염 및 가스가 이웃하는 다른 전지셀 적층체(100) 및 전지 모듈로 전이하는 것을 차단할 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다. 특히, 이와 같이 복수의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩 내에서도 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 배치할 경우 외측으로 신속하게 화염 및 가스를 배출할 수 있기 때문에, 전지 모듈 외부의 인접한 전지 모듈 내지 전지 팩의 다른 부품들에 손상이 전파되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 전지 모듈의 배치시, 가스 및 화염이 배출되는 배출구를 전지 팩 외부에 손상 가능한 부품이 배치되지 않는 곳에 인접하도록 배치(예를 들면, 차량 후면 등)하여 열폭주에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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.
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>
10: 전지 모듈
100: 전지셀 적층체
200: 프레임 부재
300: 격벽 구조체
310: 제1 개구부
320: 벤팅 통로
330: 유입부
331: 차단판
332: 지지부
332a: 탄성부
332b: 턱부
332c: 기둥부
301: 제1 판상 부재
302: 제2 판상 부재
410: 제1 엔드 플레이트
420: 제2 엔드 플레이트
411: 제1 배출구
212: 제2 배출구

Claims (12)

  1. 복수의 전지셀을 포함하는 복수의 전지셀 적층체,
    상기 복수의 전지셀 적층체를 수용하는 프레임 부재, 및
    상기 복수의 전지셀 적층체 사이에 배치되는 적어도 하나의 격벽 구조체를 포함하고,
    상기 격벽 구조체는, 상기 전지셀과 평행한 2개의 판상 부재, 및 상기 2개의 판상 부재에 의해 형성된 벤팅 통로를 포함하고,
    상기 각각의 판상 부재는, 개폐 가능하도록 형성된 유입부를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 유입부는,
    상기 판상 부재가 개구되어 형성된 제1 개구부,
    상기 제1 개구부에 대응하여 상기 제1 개구부를 덮는 차단판, 및
    상기 차단판과 결합하는 복수의 지지부를 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 지지부 각각은,
    상기 차단판에 형성된 홀에 삽입되는 기둥부,
    상기 기둥부의 상기 벤팅 통로 측 단부에 형성되는 턱부, 및
    상기 기둥부의 일부에 결합되어 상기 턱부와 상기 차단판 사이의 간격을 가변적으로 지지하는 탄성부를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 탄성부는 스프링인 전지 모듈.
  5. 제3항에서,
    상기 차단판은, 상기 제1 개구부를 통해 유입되는 가스의 압력에 의해 상기 턱부 측으로 이동하여 상기 유입부를 개방하도록 구성되는 전지 모듈.
  6. 제2항에서,
    상기 격벽 구조체는 상기 전지셀 적층체의 길이 방향의 일단 및 상기 일단과 반대측에 위치하는 타단을 포함하고,
    상기 제1 개구부는 상기 일단에 인접하여 형성되고, 상기 타단은 상기 전지 모듈의 외측과 연통하는 제1 배출구와 연결되는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 전지셀 적층체의 길이 방향의 양측 단부를 각각 덮는 제1 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트를 더욱 포함하고,
    상기 제1 엔드 플레이트는, 상기 제1 배출구를 포함하는 전지 모듈.
  8. 제6항에서,
    상기 격벽 구조체와 마주하는 상기 전지셀 적층체의 일면과 반대측에 배치되는 적어도 하나의 외곽 벤팅 통로를 더욱 포함하는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 외곽 벤팅 통로는, 전지셀 적층체의 길이 방향 일단 및 반대측의 타단을 포함하고, 상기 일단에 인접하여 상기 전지셀 적층체를 향해 개방되도록 형성된 제2 개구부를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 외곽 벤팅 통로의 상기 타단은 상기 전지 모듈의 외측과 연통하는 제2 배출구와 연결되는 전지 모듈.
  11. 제7항에서,
    상기 제2 엔드 플레이트는 상기 제1 배출구를 포함하지 않고,
    상기 벤팅 통로의 제1 개구부와, 상기 외곽 벤팅 통로는 상기 전지셀 적층체의 단부와 상기 제2 엔드 플레이트 사이의 공간을 사이에 두고 연결되어 있는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
PCT/KR2022/011514 2021-08-25 2022-08-04 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 WO2023027372A1 (ko)

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