WO2023121142A1 - 안전성이 향상된 전지 팩 - Google Patents

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WO2023121142A1
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battery
fire extinguishing
battery pack
module assembly
pack
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안종규
문정오
이재기
김기연
김현규
박기동
이성주
윤영원
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more particularly, to a battery pack configured to ensure safety even when a thermal event occurs.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator therebetween, and an exterior material that seals and houses the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • lithium secondary batteries can be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of an exterior material.
  • Such secondary batteries are widely used not only in small devices such as portable electronic devices, but also in medium and large devices such as electric vehicles and energy storage systems (ESSs), and their use is rapidly increasing. Moreover, in recent years, as a use for storing electric power, a trend of using residential battery packs is increasing.
  • Various battery packs including household battery packs, include a plurality of battery cells (secondary batteries) to increase capacity and/or output.
  • battery cells secondary batteries
  • a plurality of battery cells are often arranged in a dense state in a very narrow space.
  • one of the typically important issues is safety.
  • a thermal event occurs in one of a plurality of battery cells included in a battery pack
  • propagation of the event to other battery cells needs to be suppressed. If the thermal propagation between the battery cells is not properly suppressed, this causes a thermal event in several battery cells included in the battery pack, which may cause a bigger problem such as ignition or explosion of the battery pack.
  • a fire or explosion generated in a battery pack may cause great damage to nearby lives or property.
  • ignition or explosion it may harm the safety of people living in the house, and it may spread to the house fire and cause more damage.
  • an object of the present invention is to provide a battery pack having an improved structure so as to appropriately control a thermal event generated inside the battery pack.
  • a battery pack according to an aspect of the present invention for achieving the above object includes a cell module assembly having one or more battery cells; a pack case accommodating the cell module assembly in an inner space; and a fire extinguishing tank holding a fire extinguishing agent and disposed on top of the cell module assembly.
  • the fire extinguishing tank may be configured to discharge the fire extinguishing agent toward the cell module assembly when heat is applied from the cell module assembly.
  • the fire extinguishing tank may be configured such that at least a portion thereof is melted by heat applied from the cell module assembly.
  • the fire extinguishing tank may be configured to be melted by a venting gas ejected from the battery cell or a temperature of the battery cell.
  • the fire extinguishing tank may hold a fire extinguishing agent in a liquid state.
  • the fire extinguishing tank may be configured such that the thickness of the base plate is different for each position.
  • the fire extinguishing tank may be located at a central portion between cells in which weak portions having a relatively thin thickness are stacked in a horizontal direction.
  • the pack case may be configured to be stacked in a vertical direction.
  • An energy storage device for achieving the above object includes one or more battery packs according to the present invention.
  • a battery pack includes: a cell module assembly including a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a pack case having an open upper surface and accommodating the cell module assembly therein; and a fire extinguishing tank located above the cell module assembly and covering the pack case, wherein the fire extinguishing tank includes: an inner space accommodating a fire extinguishing agent; and a plurality of weak parts, which are formed to be relatively thin in thickness of the base plate of the fire extinguishing tank, and are melted and opened by a thermal event of the battery cell.
  • the weak parts may have a linear shape and be arranged parallel to one edge of the fire extinguishing tank, each of the weak parts may be arranged parallel to each other, and a longitudinal direction of the weak parts and a longitudinal direction of the battery cell may be orthogonal to each other.
  • the weak parts are linear and are arranged parallel to one edge of the fire extinguishing tank, each of the weak parts is arranged parallel to each other, the longitudinal direction of the weak parts and the longitudinal direction of the battery cell are parallel to each other, and the weak parts are mutually parallel to each other. It may be placed between two adjacent battery cells.
  • the fire extinguishing tank may be manufactured by plastic injection molding.
  • the base plate of the fire extinguishing tank may have a step, and a portion where the plurality of weak parts are disposed may have the lowest height.
  • the cell module assembly includes: a pair of bus bar housings disposed on front and rear surfaces of the stack of battery cells; and a pair of end plates disposed parallel to the battery cells at both ends of the stack of battery cells, and the pair of end plates may be connected between the pair of bus bar housings.
  • the cell module assembly may include straps respectively connecting upper and lower sides of the pair of end plates of the battery cell stack to reinforce binding of the cell module assembly.
  • the base plate may have a step, and a height of a portion where the plurality of weak parts are disposed may be lower than a height of a portion disposed on the strap.
  • It may further include a plate-shaped blocking member disposed between adjacent battery cells, and the blocking member may include a support plate and a pair of swelling pads provided on both sides of the support plate.
  • the fire extinguishing agent may be a liquid fire extinguishing agent.
  • the pack case is made of a box shape with an open top surface
  • It may be integrally molded or manufactured in such a way that at least one surface is joined to another adjacent surface.
  • the plurality of battery packs may be provided, and the plurality of battery packs may be mechanically or electrically connected to each other.
  • the plurality of battery packs may be stacked in a vertical direction.
  • Electrical connections between the plurality of battery packs may be connected in series so that the voltage ranges of the plurality of battery packs are implemented in various ways.
  • Electrical connections between the plurality of battery packs may be connected in parallel so that the storage capacities of the plurality of battery packs are implemented in various ways.
  • An energy storage device for achieving the above object includes one or more of the above-described battery packs according to the present invention.
  • a battery pack with improved safety may be provided.
  • the thermal event can be quickly controlled.
  • a battery pack having a simple structure and enhanced thermal stability can be provided.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration in which a fire extinguishing agent is discharged from the battery pack of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view along line A4-A4' in FIG. 3 .
  • FIG. 5 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of a cell module assembly included in the battery pack of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a perspective view of a blocking member included in the battery pack of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the blocking member of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a top view of the blocking member of FIG. 7;
  • FIG. 10 is a perspective view of a pack case included in the battery pack of FIG. 5 .
  • FIG. 11 and 12 are diagrams illustrating a case in which the cell module assembly of FIG. 10 is accommodated in a pack case.
  • FIG. 13 is a perspective view of a fire extinguishing tank included in the battery pack of FIG. 5;
  • FIG. 14 is a perspective cross-sectional view of the fire extinguishing tank of FIG. 13;
  • 15 is a top sectional view of the lower tank of the fire extinguishing tank viewed from above.
  • FIG. 16 is a perspective view of a battery pack in which all components of the battery pack described above with reference to FIGS. 5 to 15 are combined.
  • FIG. 17 is a perspective view schematically illustrating the battery pack of FIGS. 1 to 16 .
  • FIG. 18 and 19 are views showing an embodiment in which different numbers of pack cases shown in FIG. 17 are stacked.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • a part when a part is said to be “directly on” another part, it means that there is no other part in between.
  • a reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily be located “on” or “on” in the opposite direction of gravity does not mean no.
  • 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 an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack according to the present invention includes a cell module assembly 100 , a pack case 300 and a fire extinguishing tank 400 .
  • the cell module assembly 100 may include one or more battery cells 110 .
  • each battery cell 110 may mean a secondary battery.
  • a secondary battery may include an electrode assembly, an electrolyte, and a battery case.
  • the battery cell 110 included in the cell module assembly 100 may be a pouch type secondary battery.
  • other types of secondary batteries such as cylindrical batteries or prismatic batteries, may also be employed in the cell module assembly 100 of the present invention.
  • a plurality of secondary batteries may form the cell module assembly 100 in a stacked form. That is, the cell module assembly 100 may be formed in the form of a battery cell laminate.
  • the plurality of battery cells 110 may be stacked in a form arranged in a horizontal direction (X-axis direction in the drawing) in a state where each is erected in a vertical direction (Z-axis direction in the drawing).
  • Each battery cell 110 may include an electrode lead, and the electrode lead may be located at both ends or at one end of each battery cell 110 .
  • a secondary battery with electrode leads protruding in both directions is referred to as a bidirectional cell, and a secondary battery with electrode leads protruding in one direction is referred to as a unidirectional cell.
  • a bi-directional cell is shown.
  • the present invention is not limited by the specific type or form of the secondary battery, and various types of secondary batteries known at the time of filing the present invention may be employed in the cell module assembly 100 of the present invention.
  • the pack case 300 may have an empty space formed therein to accommodate the cell module assembly 100 in the inner space.
  • the pack case 300 may be configured in a box shape as shown in FIG. 1 .
  • the box-shaped pack case 300 may be integrally molded or may be manufactured in such a way as to combine at least one surface with an adjacent surface.
  • the fire extinguishing tank 400 may hold a fire extinguishing agent.
  • the fire extinguishing tank 400 may have an internal space and hold a fire extinguishing agent in the internal space.
  • the fire extinguishing tank 400 may include a lower tank 410 and an upper cover 420 as shown in FIG. 1 .
  • the lower tank 410 is configured in the form of a box with an open top, and may provide a space in which the fire extinguishing agent can be held.
  • the upper cover 420 may be configured to cover the upper open portion of the lower tank 410 to seal the extinguishing agent holding space of the lower tank 410 .
  • the fire extinguishing tank 400 may be accommodated inside the pack case 300.
  • the fire extinguishing tank 400 may be disposed on the upper side of the cell module assembly 100 in the inner space of the pack case 300 .
  • the fire extinguishing agent is discharged from the fire extinguishing tank 400 located on the upper side of the cell module assembly 100, so that the thermal event of the cell module assembly 100 can be more easily controlled.
  • the fire extinguishing agent discharged from the fire extinguishing tank 400 can easily move downward by gravity. Therefore, heat or fire suppression of the cell module assembly 100 by the fire extinguishing agent can be more easily achieved.
  • the cell module assembly 100 includes a plurality of battery cells 110 arranged side by side in a horizontal direction, that is, in a left-right direction (X-axis direction), located at the top.
  • the fire extinguishing agent When the fire extinguishing agent is discharged from the fire extinguishing tank 400, the fire extinguishing agent can be easily supplied to the entire battery cell 110. Accordingly, according to this configuration, thermal event suppression for the entire cell module assembly 100 can be achieved more effectively.
  • the fire extinguishing tank 400 may be configured to discharge the fire extinguishing agent toward the cell module assembly 100 when heat is applied from the cell module assembly 100 . This will be described in more detail with reference to FIG. 2 .
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration in which a fire extinguishing agent is discharged from the battery pack of FIG. 1 .
  • a fire extinguishing tank 400 is located above the cell module assembly 100 .
  • Thermal events such as overheating, ignition, or thermal runaway in a specific battery cell 110, as indicated by A1, among a plurality of battery modules stacked in the left and right directions (eg, in the direction of the X axis in the drawing).
  • the heat generated in the battery cell 110 may be applied to the fire extinguishing tank 400 side, for example, a portion as indicated by A2 in FIG. 2 .
  • the fire extinguishing agent can be discharged.
  • the fire extinguishing tank 400 may be melted by heat applied from the cell module assembly 100 .
  • the portion indicated by A2 of the fire extinguishing tank 400 may be melted by heat. Then, through the molten portion, the fire extinguishing agent can be discharged as indicated by arrow A3.
  • the fire extinguishing tank 400 may be made of a material that can be melted by heat applied from the cell module assembly 100 .
  • the fire extinguishing tank 400 may be entirely made of a plastic material.
  • the fire extinguishing tank 400 may be configured in the form of a plastic injection molding.
  • the fire extinguishing tank 400 may be configured to be melted by a venting gas ejected from the battery cell 110 or heat.
  • a venting gas when a venting gas is ejected due to thermal runaway in the battery cell 110, the venting gas may be in a high temperature state of a predetermined temperature or higher.
  • the fire extinguishing tank 400 may be made of a material and/or form that can be melted by such a high-temperature venting gas.
  • the battery cell 110 may be at a higher temperature than a normal state even if the venting gas is not ejected.
  • the fire extinguishing tank 400 may be formed of a material and/or shape that can be melted by heat applied from the battery cell 110 in an abnormally high temperature state.
  • the fire extinguishing tank 400 may be configured such that the base plate 411 is melted by high temperature of heat and/or gas generated during an event of the battery cell 110 .
  • the fire extinguishing agent may be introduced into the molten bottom portion of the fire extinguishing tank 400 and discharged in a downward direction. Therefore, the fire extinguishing agent can be rapidly injected into the cell module assembly 100 side.
  • the fire extinguishing agent is injected in such a way that the injection material melts, effectively suppressing the thermal event inside the battery pack, while minimizing the propagation of the thermal event between the battery cells 110.
  • the fire extinguishing tank 400 may hold a fire extinguishing agent in a liquid state.
  • the digestive agent may be referred to as a digestive fluid.
  • the fire extinguishing tank 400 may hold water or other coolant as an extinguishing agent.
  • the fire extinguishing tank 400 may hold antifreeze as a fire extinguishing agent.
  • the fire extinguishing tank 400 may hold antifreeze that does not easily freeze even at low temperatures as a fire extinguishing agent.
  • antifreeze may be provided as a fire extinguishing agent.
  • the fire extinguishing tank 400 may be configured such that the thickness of the base plate 411 is different for each position. This will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4 .
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention. However, in FIG. 3, for convenience of description, some components are shown transparently. 4 is a cross-sectional view along line A4-A4' in FIG. 3 .
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention. However, in FIG. 3, for convenience of description, some components are shown transparently. 4 is a cross-sectional view along line A4-A4' in FIG. 3 .
  • the fire extinguishing tank 400 may include a base plate 411 and a side wall 412 .
  • the sidewall 412 may be configured to protrude upward from the corner of the base plate 411 .
  • the fire extinguishing tank 400 has a lower portion and a side portion limited by the base plate 411 and the side wall 412, so that a space in which the fire extinguishing agent can be held may be formed.
  • the upper part of the fire extinguishing tank 400 may be sealed by the pack case 300. That is, as shown in FIG.
  • the pack case 300 includes a lower case 300a and an upper case 300b, and the upper part of the fire extinguishing tank 400 is covered by the upper case 300b so that the fire extinguishing agent can It may be held inside the fire extinguishing tank 400.
  • the fire extinguishing tank 400 may include an upper cover 420 to seal the upper portion of the fire extinguishing agent holding space.
  • the base plate 411 may be formed with different thicknesses for each part.
  • the fire extinguishing tank 400 may be configured to have a thin thickness in a specific portion, such as the portion indicated by 411a in FIGS. 3 and 4 .
  • the base plate 411 of the fire extinguishing tank 400 may be configured in the form of a plastic injection molding having a thickness of 1 mm as a whole, but the portion indicated by 411a may have a thickness of 0.5 mm.
  • a thin portion of the base plate 411 of the fire extinguishing tank 400 may function as a weak portion 411a. That is, when the temperature of the cell module assembly 100 rises, the weak portion 411a may be damaged first. In addition, when the weak portion 411a is damaged, the fire extinguishing agent held in the fire extinguishing tank 400 may be discharged toward the cell module assembly 100 through the weak portion 411a.
  • the weak portion 411a may have, for example, a narrow width and a long shape. That is, as a linear shape, it may be a straight line arranged parallel to one edge of the fire extinguishing tank 400, and each of the weak parts 411a may be arranged parallel to each other.
  • the fire extinguishing agent input configuration inside the battery pack can be implemented with a simple structure. Moreover, in this configuration, since the fire extinguishing agent can be discharged through the weak portion 411a having a thin thickness when an event occurs, the portion from which the fire extinguishing agent is discharged can be designated in advance.
  • a plurality of weak parts 411a may be provided in one fire extinguishing tank 400 . Furthermore, the plurality of weak parts 411a may be disposed at a predetermined distance apart from each other in the stacking direction of the cell module assembly 100 on the base plate 411 of the fire extinguishing tank 400 .
  • the plurality of battery cells 110 may be stacked in the left and right directions (X-axis direction), and the fire extinguishing tank 400 located on the top of the cell module assembly 100
  • a plurality of weak parts may also be disposed in the left-right direction while being spaced apart from each other.
  • the fire extinguishing tank 400 may be configured such that the weak portion 411a having a relatively thin thickness is located at the center between cells stacked in a horizontal direction.
  • the leftmost weak part 411a may be disposed between B1 and B2 in the left and right direction. That is, it can be said that the weak portion 411a is positioned above B1 and B2 in the vertical direction (Z-axis direction), but positioned between B1 and B2 in the horizontal direction (X-axis direction).
  • one weak part 411a for every two adjacent battery cells 110 may be configured to be located in a space between them in the horizontal direction.
  • the weak portion 411a when a thermal event occurs in a specific battery cell 110 and heat is applied to the weak portion 411a located thereon, the weak portion 411a may be damaged.
  • the fire extinguishing agent may be discharged through the damaged weak portion 411a, and the fire extinguishing agent may flow into the space between the adjacent battery cells 110 as indicated by arrows in FIG. 4 .
  • FIG. 5 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack includes a cell module assembly 100, a blocking member 200, a pack case 300, a fire extinguishing tank 400, an outer cover 500, and an electrical connection unit 600. do.
  • the cell module assembly 100 is shown in a horizontal direction (eg, in the X-axis direction in the drawing) in a state in which the plurality of battery cells 110 are erected in the vertical direction (eg, in the Z-axis direction in the drawing). It can be stacked in an arrayed form along.
  • the longitudinal direction of the battery cell 110 is, for example, the Y-axis direction in the drawing.
  • FIG. 6 is a perspective view of a cell module assembly 100 included in the battery pack of FIG. 5 .
  • FIG. 6 shows the remaining components except for the plurality of battery cells 110.
  • the plurality of battery cells 110 may be conventional pouch-type battery cells or prismatic battery cells.
  • a pair of bus bar housings 130 are disposed on the front and rear surfaces of the stack of a plurality of battery cells 110 .
  • Each bus bar housing 130 is disposed in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the battery cell 110 (eg, the X-axis direction in the drawing).
  • a pair of end plates 120 are provided at both ends of the stack of the plurality of battery cells 110, respectively.
  • the end plate 120 is disposed parallel to the battery cell 110 .
  • a pair of end plates 120 respectively connect between the pair of bus bar housings 130.
  • Each of the upper and lower sides between the pair of end plates 120 may include at least one strap 140 connecting the pair of end plates 120 to each other.
  • the strap 140 reinforces binding of the cell module assembly 100 . More specifically, the binding between the pair of end plates 120 and the plurality of battery cells 110 disposed therebetween is strengthened. Accordingly, misalignment of the stack of the plurality of battery cells 110 may be prevented.
  • a plurality of battery cells 110 may be grouped and stored in a predetermined number.
  • a blocking member 200 is provided between a group of a plurality (a predetermined number) of battery cells 110 and a group of a plurality (a predetermined number of battery cells 110) adjacent to each other.
  • FIG. 7 is a perspective view of a blocking member 200 included in the battery pack of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the blocking member 200 of FIG. 7 .
  • 9 is a top view of the blocking member 200 of FIG. 7 .
  • the blocking member 200 may be interposed between adjacent battery cells 110 to block heat. For example, when a thermal event occurs in some of the battery cells 110 and heat or high-temperature venting gas is generated, the generated heat or gas is transferred to the adjacent battery cells 110 by the blocking member 200. Metastasis can be inhibited or blocked. In addition, the blocking member 200 may serve to block flames or sparks ejected from a specific battery cell 110 .
  • the blocking member 200 has a substantially plate-like shape.
  • the blocking member 200 may be configured in the form of a plate erected in the vertical direction.
  • the blocking member 200 may also have the same height as or a similar height to that of the battery cell 110 erected vertically.
  • the height of the blocking member 200 may be smaller or larger than the height of the battery cell 110 .
  • a plurality of blocking members 200 may be included according to the number of battery cells. And, as described above, the blocking member 200 may constitute the cell module assembly 100 in a stacked form together with the battery cells 110 .
  • thermal runaway propagation between cells can be effectively prevented by the blocking member 200 .
  • the blocking member 200 may have a three-layered structure.
  • a pair of swelling pads 220 are provided on both sides of the support plate 210, respectively.
  • the support plate 210 maintains the shape and rigidity of the blocking member 200 and blocks flames or sparks ejected from the battery cells 110 between the battery cells 110 .
  • the support plate 210 may be made of, for example, a metal material.
  • the swelling pad 220 reduces pressure applied to the battery cell 110 due to the support plate 210 during swelling of the battery cell 110 .
  • the swelling pad 220 may be made of, for example, a silicone material or a soft plastic material.
  • the support plate 210 includes a plurality of through-holes 230 formed by penetrating the support plate 210 in the vertical direction, and the plurality of through-holes 230 are supported. They are arranged along the longitudinal direction of the plate 210 .
  • a fire extinguishing agent digestive fluid
  • the fire extinguishing agent digestive fluid
  • the fire extinguishing agent also enters the plurality of through holes 230. That is, as the fire extinguishing agent (extinguishing liquid) stays in the plurality of through holes 230, the battery cell 110 in which the thermal event has occurred can be more effectively cooled and extinguished.
  • the plurality of through holes 230 may be open to both the upper and lower surfaces of the support plate 210 .
  • the plurality of through holes 230 may have a shape in which only the top surfaces are open and the bottom surfaces of the plurality of through holes 230 are blocked so that the fire extinguishing agent (digestive fluid) can stay in the through holes 230 for a longer time.
  • the fire extinguishing agent digestive fluid
  • FIG. 10 is a perspective view of a pack case 300 included in the battery pack of FIG. 5 .
  • 11 and 12 are diagrams illustrating a case in which the cell module assembly 100 of FIG. 10 is accommodated in the pack case 300 .
  • the pack case 300 may be configured in the form of a box.
  • the box-shaped pack case 300 may be integrally molded or may be manufactured in such a way as to combine at least one surface with an adjacent surface.
  • the pack case 300 includes at least one vent 320 .
  • a filter is mounted on the venting hole 320 .
  • venting gas generated in the corresponding battery cell 110 may be discharged through the venting hole 320 .
  • Venting gas discharged from the venting hole 320 may pass through a space between the pack case 300 and the outer cover 500 (see FIG. 5 ) and be discharged to the outside of the outer cover 500 .
  • the cell module assembly 100 shown in FIG. 6 may be accommodated in the inner space of the auxiliary case 310 and then mounted on the pack case 300 .
  • the cell module assembly 100 is primarily accommodated in the inner space of the auxiliary case 310 and then finally accommodated in the pack case 300, thereby supplementing the rigidity of the cell module assembly 100 and cell module assembly 100. Misalignment of the plurality of battery cells 110 in the stack can be prevented.
  • the auxiliary case 310 may be made of, for example, metal or stainless steel.
  • FIG. 13 is a perspective view of a fire extinguishing tank 400 included in the battery pack of FIG. 5 .
  • FIG. 14 is a perspective cross-sectional view of the fire extinguishing tank 400 of FIG. 13 and is taken along line A5-A5' in FIG. 5 .
  • 15 is a top cross-sectional view of the lower tank 410 of the fire extinguishing tank 400 viewed from above.
  • the fire extinguishing tank 400 includes a lower tank 410 and an upper cover 420.
  • the lower tank 410 and the upper cover 420 may be manufactured separately and sealed together, or may be manufactured integrally.
  • the upper cover 420 may further include an inlet 430 for injecting a fire extinguishing agent.
  • the inlet 430 may be closed with a stopper to seal the fire extinguishing tank 400.
  • a thin portion of the base plate 411 of the lower tank 410 may function as a weak portion 411a. That is, when a thermal event occurs in the battery cell 110 of the cell module assembly 100, the relatively thin weak portion 411a may be damaged first. When the weak portion 411a is damaged and an opening is formed in the base plate 411, the fire extinguishing agent held in the fire extinguishing tank 400 may be discharged toward the cell module assembly 100 through the weak portion 411a.
  • the weak portion 411a may have, for example, a narrow width and a long shape. That is, as a linear shape, it may be a straight line arranged parallel to one edge of the fire extinguishing tank 400, and each of the weak parts 411a may be arranged parallel to each other.
  • the longitudinal direction of the battery cell 110 eg, the X-axis direction in the drawing
  • the longitudinal direction of the weak portion 411a eg, the X-axis direction in the drawing
  • the fire extinguishing agent can be supplied simultaneously through the plurality of open weak parts 411a throughout the battery cell 110, and more efficiently and quickly The battery cell 110 in which the event occurred may be extinguished.
  • the base plate 411 of the lower tank 410 has a step. More specifically, the base plate 411 is largely classified as follows. It consists of a part (A7) where the weak part (411a) is located, a part (A8) in contact with the strap 140 of the pack case 100, and a part (A9) located on the electrical connection unit 600 side. Among them, the height of the base plate 411 at the portion A7 where the weak portion 411a is located is the lowest.
  • the height of the cell module assembly 100 is increased due to the portion where the strap 140 is located or the portion where the bus bar housing 130 is located. Not constant. Regardless of this, if the height of the base plate 411 of the lower tank 410 of the fire extinguishing tank 400 is generally constant, the base plate 411 of the fire extinguishing tank 400 and the upper surface of the cell module assembly 100 are relatively constant. There will be an empty space in between. In such a case, heat transfer from the battery cell 110 whose temperature has risen to the weak portion 411a is hindered due to the empty space, so that digestion is delayed by that much.
  • the weak part 411a When the battery cell 110 is overheated, the weak part 411a is disposed immediately adjacent to the battery cell 110 whose temperature has risen, so that the weak part 411a is immediately damaged and the battery cell 110 can be cooled quickly. and can be digested.
  • the lower surface of the base plate 411 of the fire extinguishing tank 400 and the upper surface of the cell module assembly 100 have substantially identical shapes. Accordingly, since the fire extinguishing tank 400 is placed in close contact with the cell module assembly 100, the battery cell 110 having a temperature increase can be more effectively cooled, and the battery cell 110 in which overheating or ignition has occurred. Fire extinguishing agents can be injected more quickly. In addition, it is possible to efficiently accommodate more fire extinguishing agents in the fire extinguishing tank 400.
  • the fire extinguishing tank 400 accommodates less fire extinguishing agent as much as the corresponding empty space.
  • the fire extinguishing agent provided in the fire extinguishing tank 400 may be, for example, in the form of fire extinguishing fluid, and redundant descriptions are omitted and the above description is referred to.
  • FIG. 16 is a perspective view of a battery pack in which all components of the battery pack described above with reference to FIGS. 5 to 15 are combined.
  • the pack case 300 may be provided in plurality and configured to be stacked in the vertical direction. This will be described in more detail with reference to FIG. 17 .
  • FIG. 17 is a perspective view schematically showing at least a part of the configuration of the battery pack of FIGS. 1 to 16 of the present invention.
  • 18 and 19 are views showing an embodiment in which a plurality of pack cases 300 shown in FIG. 17 are stacked.
  • the pack case 300 may include a bottom portion and a side wall portion.
  • the cell module assembly 100 can be accommodated in the inner space of the pack case 300, and a battery pack is formed by covering the upper surface of the cell module assembly 100 with the fire extinguishing tank 400.
  • the height of the upper side of the pack case 300 is shown to be greater than the height of the upper surface of the fire extinguishing tank 400.
  • FIG. 17 is a schematic diagram and is only one embodiment, and the present invention is shown in FIG. It is not limited to what is shown.
  • the height of the upper surface of the fire extinguishing tank 400 may be greater than the height of the upper side of the pack case 300, and the height of the upper surface of the fire extinguishing tank 400 and the upper side of the pack case 300 may be Various deformation changes are possible, such as the height may be the same.
  • a plurality of pack cases 300 as shown in FIG. 17 may be provided to form a stacked structure of battery packs as shown in FIG. 18 or 19 .
  • the battery pack of FIG. 17 may be one unit pack.
  • a module-stacked entire battery pack as shown in FIGS. 18 and 19 can be configured.
  • FIG. 18 a form in which three unit packs D are stacked in the vertical direction is shown. And, in the configuration of FIG. 19, a form in which five unit packs D are stacked in the vertical direction is shown.
  • the present invention is not limited to what is shown, and may be implemented by changing the number of unit packs D in various ways according to the environment in which the present invention is implemented.
  • the battery pack of the present invention when the battery pack of the present invention is implemented as an energy storage system (ESS), by adjusting the number of unit battery packs, various voltage ranges and / or storage capacities of the energy storage device can be implemented to suit the environment.
  • one unit pack having a common structure may be stacked in various ways, and products of various voltage ranges and/or capacitances may be provided according to the number of stacked units.
  • products with various capacities may be implemented according to the number of stacked layers by such an implementation configuration.
  • each unit pack D may have a cell module assembly 100 therein.
  • each unit pack D includes a connector 610 to electrically connect each cell module assembly 100 to each other during stacking, as described above.
  • these connectors 610 may be configured to be coupled to each other due to the top and bottom stacking of each unit pack D.
  • each unit pack D includes the fire extinguishing tank 400 on top of the cell module assembly 100 as described above.
  • the plurality of stacked battery packs have a stacked structure of fire extinguishing tank 400 - cell module assembly 100 - fire extinguishing tank 400 - cell module assembly 100 from top to bottom.
  • the battery pack can be configured by increasing (extending) the number of cell module assemblies 100 in order to increase various voltage ranges and/or capacitance, while the cell module It is possible to safely prepare for thermal events such as a fire of the assembly 100. Therefore, according to this embodiment of the present invention, the safety of the battery pack can be further improved.
  • FIG. 17 As another example of a coupling method between vertically stacked battery packs (pack case 300), referring to FIG. 17 again, it is as follows. At the upper end of the side wall of the pack case 300, there may be a step formed concavely inward, such as the step portion C1 for coupling. For example, the thickness of the side wall portion of the pack case 300 becomes a thin portion. In addition, although not shown in FIG. 17 , a concave portion for coupling may be formed at the bottom of the pack case 300 so that the stepped portion C1 for coupling of the side wall portion is inserted.
  • the step portion C1 for coupling formed on the upper end of the side wall of the lower pack case 300 is formed on the upper pack case 300.
  • It may be configured to be inserted into the concave portion for coupling formed at the bottom of the. Accordingly, when the plurality of pack cases 300 are stacked and combined in the vertical direction, the outer surface of the pack case 300 may have an overall flat shape.
  • a coupling method for a fastening structure between vertically stacked battery packs is not limited to that shown in FIGS. 17 and/or 10 , and various other coupling methods may be modified or changed and applied to the present invention.
  • the battery packs of the present invention may be connected to a battery management system (BMS, not shown).
  • BMS battery management system
  • the battery management system monitors and manages the battery pack(s).
  • the battery management system may be located on the uppermost layer of the battery packs stacked vertically.
  • the location of the battery management system is not limited to the above, and can be variously modified or changed according to the method or environment in which the present invention is implemented.
  • the battery pack according to the present invention may further include various other components included in the battery pack in addition to the above-described components.
  • the battery pack according to the present invention may include various electrical components for controlling or managing charging and discharging of the battery pack, such as a battery management system (BMS), a relay, a fuse, and a current sensor.
  • BMS battery management system
  • a relay a relay
  • a fuse a fuse
  • a current sensor a current sensor
  • An energy storage system (ESS) according to the present invention includes one or more battery packs according to the present invention described above.
  • the energy storage device according to the present invention may further include general components included in the energy storage device in addition to the battery pack.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은: 복수의 전지 셀들이 적층된 전지 셀 적층체를 포함하는 셀 모듈 어셈블리; 상기 셀 모듈 어셈블리를 수납하도록 되고 상면이 개구된 형상의 팩 케이스; 및 상기 셀 모듈 어셈블리의 위에 위치하여 상기 팩 케이스를 커버하는 소화 탱크를 포함하고, 상기 소화 탱크는: 소화제를 수용하는 내부 공간; 및 상기 소화 탱크의 베이스판의 두께가 상대적으로 얇게 형성된 부분으로서, 상기 전지 셀의 과열에 의해 용융되어 개구되는 복수 개의 취약부를 포함한다.

Description

안전성이 향상된 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 12월 22일자 한국 특허 출원 제10-2021-0185391호 및 2022년 12월 7일자 한국 특허 출원 제10-2022-0169563호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열적 이벤트가 발생한 경우에도 안전성이 확보될 수 있도록 구성된 전지 팩 등에 관한 것이다.
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 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 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.
이러한 이차 전지는, 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)과 같은 중대형 장치에도 널리 이용되고 있으며, 그 이용 정도가 급격하게 증대되고 있다. 더욱이, 최근에는, 전력을 저장하기 위한 용도로서, 주택용 전지 팩의 이용 추세가 늘어나고 있다.
이러한 가정용 전지 팩을 비롯한 다양한 전지 팩에는, 용량 및/또는 출력 증대를 위해, 복수 개의 전지 셀(이차 전지)이 포함된다. 특히, 전지 팩의 에너지 밀도를 높이기 위해, 복수 개의 전지 셀은 매우 좁은 공간에 밀집된 상태로 배치되는 경우가 많다.
이러한 전지 팩 구성에 있어서, 대표적으로 중요한 문제 중 하나는 안전성이다. 특히, 전지 팩에 포함된 복수 개의 전지 셀 중, 어느 하나의 전지 셀에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 이러한 이벤트는 다른 전지 셀로 전파(propagation)되는 것이 억제될 필요가 있다. 만일, 전지 셀 간 열적 전파가 제대로 억제되지 못하면, 이는 전지 팩에 포함된 여러 전지 셀의 열적 이벤트를 일으키게 되어, 전지 팩의 발화나 폭발 등, 보다 큰 문제를 야기할 수 있다. 더욱이, 전지 팩에서 발생한 발화나 폭발은, 주변의 인명이나 재산 상 큰 피해를 입힐 수 있다. 특히, 주택용 전지 팩의 경우, 발화나 폭발이 발생하게 되면, 주택에 거주하는 사람의 안전을 해칠 수 있고, 주택의 화재로 확산되어 더욱 큰 피해를 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전지 팩 내부에서 발생된 열적 이벤트를 적절하게 제어할 수 있도록 구조가 개선된 전지 팩 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전지 팩은, 하나 이상의 전지 셀을 구비하는 셀 모듈 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 모듈 어셈블리를 수납하는 팩 케이스; 및 소화제를 보유하며 상기 셀 모듈 어셈블리의 상부에 배치된 소화 탱크를 포함한다.
여기서, 상기 소화 탱크는, 상기 셀 모듈 어셈블리로부터 열이 인가되는 경우, 상기 셀 모듈 어셈블리 측으로 소화제를 배출하도록 구성될 수 있다.
상기 소화 탱크는, 상기 셀 모듈 어셈블리로부터 인가된 열에 의해 적어도 일부분이 용융되도록 구성될 수 있다.
상기 소화 탱크는, 상기 전지 셀로부터 분출된 벤팅 가스 또는 상기 전지 셀의 온도에 의해 용융되도록 구성될 수 있다.
상기 소화 탱크는, 액체 상태의 소화제를 보유할 수 있다.
상기 소화 탱크는, 베이스판의 두께가 위치 별로 차이를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 소화 탱크는, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 취약부가 서로 수평 방향으로 적층된 셀 사이의 중앙 부분에 위치할 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상하 방향으로 적층 가능하게 구성될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 장치는, 본 발명에 따른 전지 팩을 하나 이상 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은: 복수의 전지 셀들이 적층된 전지 셀 적층체를 포함하는 셀 모듈 어셈블리; 상기 셀 모듈 어셈블리를 수납하도록 되고 상면이 개구된 형상의 팩 케이스; 및 상기 셀 모듈 어셈블리의 위에 위치하여 상기 팩 케이스를 커버하는 소화 탱크를 포함하고, 상기 소화 탱크는: 소화제를 수용하는 내부 공간; 및 상기 소화 탱크의 베이스판의 두께가 상대적으로 얇게 형성된 부분으로서, 상기 전지 셀의 열적 이벤트에 의해 용융되어 개구되는 복수 개의 취약부들을 포함할 수 있다.
상기 취약부는 선 형상으로서, 상기 소화 탱크의 일 가장자리와 평행하게 배열되고, 각각의 취약부는 서로 평행하게 배열되고, 상기 취약부의 길이 방향과 상기 전지 셀의 길이 방향은 서로 직교할 수 있다.
상기 취약부는 선 형상으로서, 상기 소화 탱크의 일 가장자리와 평행하게 배열되고, 각각의 취약부는 서로 평행하게 배열되고, 상기 취약부의 길이 방향과 상기 전지 셀의 길이 방향은 서로 평행하고, 상기 취약부는 서로 인접한 두 개의 전지 셀 사이에 배치될 수 있다.
상기 소화 탱크는 플라스틱 사출 성형으로 제작된 것일 수 있다.
상기 소화 탱크의 상기 베이스판은 단차를 가지고, 상기 복수 개의 취약부가 배치된 부분의 높이가 제일 낮을 수 있다.
상기 셀 모듈 어셈블리는: 상기 전지 셀의 적층체의 전면과 후면에 배치되는 한 쌍의 버스바 하우징; 및 상기 전지 셀의 적층체의 양측단에 상기 전지 셀과 평행하게 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 한 쌍의 버스바 하우징 사이를 한 쌍의 엔드 플레이트가 연결할 수 있다.
상기 셀 모듈 어셈블리는: 상기 셀 모듈 어셈블리의 결속을 강화하도록, 상기 전지 셀 적층체의 상기 한 쌍의 엔드 플레이트의 상부 측과 하부 측을 각각 연결하는 스트랩을 포함할 수 있다.
상기 베이스판은 단차를 가지고, 상기 복수 개의 취약부가 배치된 부분의 높이가 상기 스트랩 위에 위치한 부분의 높이보다 낮을 수 있다.
서로 인접한 전지 셀 사이에 배치된 판 형상의 차단 부재를 더 포함하고, 상기 차단 부재는 지지 플레이트 및 상기 지지 플레이트의 양면에 구비되는 한 쌍의 스웰링 패드를 포함할 수 있다.
상기 소화제는 액체 상태의 소화제일 수 있다.
상기 팩 케이스는 상면이 개구된 박스 형상으로 이루어지고,
일체로 성형되거나 또는 적어도 일면이 인접한 다른 면과 결합되는 방식으로 제작된 것일 수 있다.
상기 전지 팩은 복수 개로 구비되고, 상기 복수 개의 전지 팩들 간에 서로 기계적 연결 또는 전기적 연결로 결합될 수 있다.
상기 복수 개의 전지 팩들은 상하 방향으로 적층이 가능할 수 있다.
상기 복수 개의 전지 팩들의 전압대가 다양하게 구현되도록, 상기 복수 개의 전지 팩들 간의 전기적 연결은 직렬로 연결될 수 있다.
상기 복수 개의 전지 팩들의 축전용량이 다양하게 구현되도록, 상기 복수 개의 전지 팩들 간의 전기적 연결은 병렬로 연결될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 장치는, 본 발명에 따른 상술한 전지 팩을 하나 이상 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 안전성이 향상된 전지 팩이 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전지 팩 내부에서 열적 이벤트가 발생하더라도, 이러한 열적 이벤트가 신속하게 제어될 수 있다.
더욱이, 전지 팩에 포함된 복수 개의 전지 셀 중, 일부 전지 셀에서 열 폭주나 발화 등의 이슈가 발생한 경우, 이러한 이슈가 다른 모듈로 전이되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 간단한 구조를 가지면서도 열적 안전성이 강화된 전지 팩이 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 소화제를 투입하기 위한 새로운 부품의 추가가 필요하지 않으므로, 제조성과 경제성이 우수한 전지 팩이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 특별한 방수 방진 구조에 대한 설계 등이 불필요하다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 동일한 종류의 전지 팩을 복수 개로 적층함으로서, 다양한 전압대 및/또는 축전 용량의 제품이 마련될 수 있다.
이외에도 본 발명의 여러 실시예에 의하여, 여러 다른 추가적인 효과가 달성될 수 있다. 이러한 본 발명의 여러 효과들에 대해서는 각 실시예에서 상세하게 설명하거나, 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 효과에 대해서는 그 설명을 생략한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는, 도 1의 전지 팩에서 소화제가 배출되는 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 3의 A4-A4'선에 대한 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 팩에 포함되는 셀 모듈 어셈블리의 사시도이다.
도 7은 도 5의 전지 팩에 포함되는 차단 부재의 사시도이다.
도 8은 도 7의 차단 부재의 분해 사시도이다.
도 9는 도 7의 차단 부재의 상면도이다.
도 10은 도 5의 전지 팩에 포함되는 팩 케이스의 사시도이다.
도 11 및 도 12는 도 10의 셀 모듈 어셈블리를 팩 케이스에 수납하는 경우를 설명하는 도면이다.
도 13은 도 5의 전지 팩에 포함되는 소화 탱크의 사시도이다.
도 14은 도 13의 소화 탱크의 사시 단면도이다.
도 15는 소화 탱크의 하부 탱크를 위에서 바라본 상부 단면도이다.
도 16은 도 5 내지 도 15를 참조하여 상술한 전지 팩의 각 구성요소들을 모두 결합한 전지 팩의 사시도이다.
도 17은 도 1 내지 도 16의 전지 팩을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 18 및 도 19는 도 17에 도시된 팩 케이스가 서로 다른 개수로 적층된 실시형태를 도시한 도면이다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
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 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 팩은, 셀 모듈 어셈블리(100), 팩 케이스(300) 및 소화 탱크(400)를 포함한다.
상기 셀 모듈 어셈블리(100)는, 하나 이상의 전지 셀(110)을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 전지 셀(110)은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 특히, 셀 모듈 어셈블리(100)에 구비된 전지 셀(110)은, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 다만, 이차 전지의 다른 형태, 이를테면 원통형 전지나 각형 전지도 본 발명의 셀 모듈 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
복수 개의 이차 전지는 서로 적층된 형태로 셀 모듈 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 즉, 전지 셀 적층체는 형태로 셀 모듈 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 전지 셀(110)은, 각각 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 세워진 상태에서 수평 방향(도면의 X축 방향)으로 배열된 형태로 적층될 수 있다. 각각의 전지 셀(110)은, 전극 리드를 구비할 수 있는데, 이러한 전극 리드는, 각 전지 셀(110)의 양 단부에 위치하거나 일 단부에 위치할 수 있다. 전극 리드가 양방향으로 돌출된 이차 전지는 양방향 셀이라고 하고, 전극 리드가 일방향으로 돌출된 이차 전지는 단방향 셀이라고 할 수 있다. 도 1에는, 양방향 셀이 도시되어 있다. 다만, 본 발명은 이러한 이차 전지의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 이차 전지가 본 발명의 셀 모듈 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
상기 팩 케이스(300)는, 내부에 빈 공간이 형성되어 내부 공간에 셀 모듈 어셈블리(100)를 수납하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 팩 케이스(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이 박스 형태로 구성될 수 있다. 박스 형태의 팩 케이스(300)는 일체로 성형된 것일 수도 있고, 적어도 일 면을 인접한 면과 결합하는 방식으로 제작된 것일 수도 있다.
상기 소화 탱크(400)는, 소화제를 보유할 수 있다. 특히, 소화 탱크(400)는, 내부 공간을 구비하여, 그러한 내부 공간에 소화제를 보유할 수 있다. 예를 들어, 소화 탱크(400)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부 탱크(410)와 상부 커버(420)를 구비할 수 있다. 여기서, 하부 탱크(410)는, 상부가 개방된 박스 형태로 구성되어, 소화제가 보유될 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 그리고, 상부 커버(420)는, 하부 탱크(410)의 상부 개방부를 커버하여, 하부 탱크(410)의 소화제 보유 공간을 밀폐시키도록 구성될 수 있다.
상기 소화 탱크(400)는, 팩 케이스(300)의 내부에 수납될 수 있다. 특히, 상기 소화 탱크(400)는, 팩 케이스(300)의 내부 공간에서 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부 측에 배치될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부 측에 위치한 소화 탱크(400)로부터 소화제가 배출됨으로써, 셀 모듈 어셈블리(100)의 열적 이벤트가 보다 용이하게 제어될 수 있다. 특히, 소화 탱크(400)에서 배출된 소화제는, 중력에 의해 하부 방향으로 쉽게 이동할 수 있다. 따라서, 소화제에 의한 셀 모듈 어셈블리(100)의 열이나 화재 진압이 보다 쉽게 이루어질 수 있다.
특히, 상기 셀 모듈 어셈블리(100)가, 도 1에 도시된 바와 같이, 수평 방향, 즉 좌우 방향(X축 방향)으로 나란하게 배치된 복수 개의 전지 셀(110)을 구비하는 경우, 상부에 위치한 소화 탱크(400)로부터 소화제가 배출되면, 전체 전지 셀(110)로 소화제가 쉽게 공급될 수 있다. 따라서, 이러한 실시 구성에 의하면, 전체 셀 모듈 어셈블리(100)에 대한 열적 이벤트 진압이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 소화 탱크(400)는, 셀 모듈 어셈블리(100)로부터 열이 인가되는 경우, 셀 모듈 어셈블리(100) 측으로 소화제를 배출하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는, 도 1의 전지 팩에서 소화제가 배출되는 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부에 소화 탱크(400)가 위치한다. 좌우 방향(예를 들면 도면의 X축 방향)으로 적층된 복수 개의 전지 모듈 중, A1으로 표시된 부분과 같이, 특정 전지 셀(110)에서 과열, 발화, 또는 열 폭주(thermal runaway)와 같은 열적 이벤트가 발생할 수 있다. 이 경우, 해당 전지 셀(110)에서 생성된 열이 소화 탱크(400) 측, 이를테면 도 2의 A2로 표시된 바와 같은 부분으로 인가될 수 있다. 그러면, 소화 탱크(400)에서, 화살표 A3로 표시된 바와 같이, 소화제가 배출될 수 있다.
특히, 상기 소화 탱크(400)는, 셀 모듈 어셈블리(100)로부터 인가된 열에 의해 적어도 일부분이 용융되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에서, 소화 탱크(400)의 A2로 표시된 부분이 열에 의해 용융될 수 있다. 그러면, 이와 같이 용융된 부분을 통해, 화살표 A3로 표시된 바와 같이 소화제가 배출될 수 있다.
이를 위해, 상기 소화 탱크(400)는, 적어도 일부분이, 셀 모듈 어셈블리(100)로부터 인가된 열에 의해 용융될 수 있는 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 소화 탱크(400)는, 전체적으로 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상기 소화 탱크(400)는, 플라스틱 사출물 형태로 구성될 수 있다.
또한, 소화 탱크(400)는, 전지 셀(110)로부터 분출된 벤팅 가스나 열에 의해 용융되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전지 셀(110)에서 열 폭주가 일어나 벤팅 가스가 분출된 경우, 이러한 벤팅 가스는 일정 온도 이상의 고온 상태일 수 있다. 상기 소화 탱크(400)는, 이러한 고온의 벤팅 가스에 의해 용융될 수 있는 재질 및/또는 형태로 구성될 수 있다. 또는, 전지 셀(110)에서 열 폭주가 일어난 경우, 벤팅 가스는 분출되지 않더라도 전지 셀(110)은 정상 상태보다 고온일 수 있다. 상기 소화 탱크(400)는, 이러한 비정상적인 고온 상태의 전지 셀(110)로부터 인가되는 열에 의해 용융될 수 있는 재질 및/또는 형태로 구성될 수 있다.
특히, 상기 소화 탱크(400)는, 전지 셀(110)의 이벤트 시에 발생하는 열 및/또는 가스의 높은 온도에 의해, 베이스판(411)이 용융되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 소화제는, 소화 탱크(400)의 바닥부 용융 부분으로 유입되어 하부 방향으로 배출될 수 있다. 따라서, 소화제가 셀 모듈 어셈블리(100) 측으로 신속하게 주입될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 사출물이 용융되는 방식으로 소화제가 주입되어, 전지 팩 내부의 열적 이벤트를 효과적으로 진압하는 한편, 전지 셀(110) 간 열적 이벤트 전파가 최소화되도록 할 수 있다.
상기 소화 탱크(400)는, 액체 상태의 소화제를 보유할 수 있다. 이 경우, 소화제는, 소화액으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 상기 소화 탱크(400)는, 물이나 다른 냉각액을 소화제로서 보유할 수 있다. 또한, 상기 소화 탱크(400)는, 부동액을 소화제로서 보유할 수 있다. 특히, 전지 팩이 겨울과 같이 온도가 낮은 계절 또는 극 지방과 같이 온도가 낮은 지역에서 사용되는 경우, 소화 탱크(400)는 낮은 온도에서도 쉽게 얼지 않는 부동액을 소화제로 보유할 수 있다. 더욱이, 주택용 전지 팩의 경우, 실외에 위치할 수 있기 때문에, 부동액이 소화제로 구비될 수 있다.
상기 소화 탱크(400)는, 베이스판(411)의 두께가 위치 별로 차이를 갖도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 다만, 도 3에서는, 설명의 편의를 위해, 일부 구성에 대해서는 투명하게 도시되도록 하였다. 또한, 도 4는, 도 3의 A4-A4'선에 대한 단면도이다. 본 실시예를 비롯하여 본 명세서에 포함된 여러 실시예에 대해서는, 다른 실시예에서 설명된 부분이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 소화 탱크(400)는, 베이스판(411) 및 측벽(412)을 구비할 수 있다. 여기서, 측벽(412)은, 베이스판(411)의 모서리에서 상부 방향으로 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 소화 탱크(400)는, 이러한 베이스판(411)과 측벽(412)에 의해 하부와 측부가 한정되어, 소화제가 보유될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 이때, 소화 탱크(400)의 상부는 팩 케이스(300)에 의해 밀폐될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 팩 케이스(300)는 하부 케이스(300a)와 상부 케이스(300b)를 구비하고, 소화 탱크(400)의 상부는 상부 케이스(300b)에 의해 커버됨으로써 소화제가 소화 탱크(400)의 내부에 보유될 수 있다. 또는, 소화 탱크(400)는, 앞선 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 커버(420)를 구비하여, 소화제 보유 공간의 상부를 밀폐시키도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 베이스판(411)이 마련된 소화 탱크(400) 구성에서, 베이스판(411)은 부분 별로 두께가 다르게 형성될 수 있다. 특히, 상기 소화 탱크(400)는, 도 3 및 도 4에서 411a로 표시된 부분과 같이 특정 부분의 두께가 얇게 구성될 수 있다. 예를 들어, 소화 탱크(400)의 베이스판(411)은 전체적으로 1mm의 두께를 갖는 플라스틱 사출물 형태로 구성되되, 411a로 표시된 부분은 0.5mm의 두께를 갖도록 구성될 수 있다.
특히, 소화 탱크(400)의 베이스판(411)에서 두께가 얇게 형성된 부분은 취약부(411a)로서 기능할 수 있다. 즉, 셀 모듈 어셈블리(100)에서 온도가 올라가면, 이러한 취약부(411a)가 먼저 파손될 수 있다. 그리고, 취약부(411a)가 파손되면, 소화 탱크(400) 내부에 보유된 소화제가 취약부(411a)를 통해 셀 모듈 어셈블리(100) 쪽으로 배출될 수 있다.
취약부(411a)는 복수 개로 구비될 수 있다. 취약부(411a)는 예를 들어, 폭은 좁고 길이는 긴 형상일 수 있다. 즉, 선 형상으로서, 소화 탱크(400)의 일 가장자리와 평행하게 배열된 직선 형상일 수 있으며, 각각의 취약부(411a)는 서로 평행하게 배열될 수 있다.
상기 실시 구성에 의하면, 셀 모듈 어셈블리(100) 측에서 열 폭주로 인한 벤팅 가스나 화재 등이 발생하는 경우, 냉각수와 같은 소화제의 투입 구조를 별도로 마련할 필요가 없다. 따라서, 간단한 구조로 전지 팩 내부의 소화제 투입 구성이 구현될 수 있다. 더욱이, 이와 같은 구성에서는, 이벤트 발생 시 두께가 얇게 형성된 취약부(411a)를 통해 소화제가 배출될 수 있으므로, 소화제가 배출되는 부분이 미리 지정될 수 있다.
상기 실시 구성에서, 취약부(411a)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 소화 탱크(400)에서 복수 개로 구비될 수 있다. 더욱이, 복수 개의 취약부(411a)는, 소화 탱크(400)의 베이스판(411)에서, 셀 모듈 어셈블리(100)의 적층 방향을 따라 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 셀 모듈 어셈블리(100)에서 복수 개의 전지 셀(110)은, 좌우 방향(X축 방향)으로 적층될 수 있는데, 이러한 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부에 위치한 소화 탱크(400)의 베이스판(411)에서, 복수 개의 취약부 역시 상호 이격된 상태로 좌우 방향으로 배치될 수 있다.
특히, 상기 소화 탱크(400)는, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 취약부(411a)가, 수평 방향으로 적층된 셀 사이의 중앙 부분에 위치하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 4의 구성에서, 셀 모듈 어셈블리(100)의 좌측 부분에는, 2개의 전지 셀(110)인 B1과 B2가 좌우 방향으로 인접한 상태로 배치되어 있다. 이 때, 여러 개의 취약부(411a) 중 가장 좌측에 위치한 취약부(411a)는, 좌우 방향으로 B1과 B2 사이에 배치될 수 있다. 즉, 취약부(411a)는, 상하 방향(Z축 방향)으로는 B1과 B2의 상부에 위치하지만, 수평 방향(X축 방향)으로는 B1과 B2 사이에 위치한다고 할 수 있다. 또한, B1과 B2 이외에 다른 전지 셀(110)에 대해서도, 인접한 2개의 전지 셀(110)마다 하나의 취약부(411a)가, 수평 방향으로 그 사이 공간에 위치하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 특정 전지 셀(110)에서 열적 이벤트가 발생하여 상부에 위치한 취약부(411a)로 열이 인가되는 경우, 해당 취약부(411a)는 파손될 수 있다. 그리고, 파손된 취약부(411a)를 통해 소화제가 배출되어, 도 4에서 화살표로 표시된 바와 같이, 인접한 전지 셀(110) 사이의 공간에 소화제가 유입될 수 있다.
그러므로, 이러한 실시 구성에 의하면, 전지 셀(110) 간 열적 이벤트가 전달되는 것이 보다 효과적으로 방지될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 과열이나 발화 등 열적 이벤트가 발생한 전지 셀(110) 주변으로 집중적인 소화제의 투입이 가능하므로, 보다 효과적인 냉각 및 소화 동작이 수행될 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성에 의하면, 전지 내부에서 화재 등이 발생하는 경우, 소화 탱크(400) 외에 다른 부품 없이, 적시 적소에 소화제 투입이 가능할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 전지 팩은, 셀 모듈 어셈블리(100), 차단 부재(200), 팩 케이스(300), 소화 탱크(400), 외부 커버(500), 및 전기적 연결 유닛(600)를 포함한다.
도 5에서도 셀 모듈 어셈블리(100)는, 복수 개의 전지 셀(110)은 각각 상하 방향(예를 들면, 도면의 Z축 방향)으로 세워진 상태에서 수평 방향(예를 들면, 도면의 X축 방향)을 따라 배열된 형태로 적층될 수 있다. 이 때, 전지 셀(110)의 길이 방향은 예를 들면, 도면의 Y축 방향이다.
도 6은 도 5의 전지 팩에 포함되는 셀 모듈 어셈블리(Cell Module Assembly)(100)의 사시도이다.
참고로, 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함되는 구성요소들에 보다 명확히 도시하기 위하여, 도 6에서는 복수 개의 전지 셀(110)을 제외한 나머지 구성요소들을 도시한다. 복수 개의 전지 셀(110)은 통상의 파우치형 전지 셀이나, 각형 전지 셀들일 수 있다.
도 6을 참조하면, 복수 개의 전지 셀(110) 적층체의 전면과 후면에는, 한 쌍의 버스바 하우징(130)이 배치된다. 버스바 하우징(130) 각각은 전지 셀(110)의 길이 방향과 직교하는 방향(예를 들면, 도면의 X축 방향)으로 배치된다.
복수 개의 전지 셀(110)의 적층체의 맨 양 측단에는 한 쌍의 엔드 플레이트(120)가 각각 구비된다. 엔드 플레이트(120)는 전지 셀(110)과 평행하게 나란히 배치된다. 한 쌍의 버스바 하우징(130) 사이를 한 쌍의 엔드 플레이트(120)가 각각 연결한다.
한 쌍의 엔드 플레이트(120) 사이의 상부 측 및 하부 측 각각에는 한 쌍의 엔드 플레이트(120) 사이를 연결하는 적어도 하나의 스트랩(140)을 포함할 수 있다. 스트랩(140)은 셀 모듈 어셈블리(100)의 결속을 강화한다. 보다 구체적으로는, 한 쌍의 엔드 플레이트(120) 및 그 사이에 배치된 복수 개의 전지 셀(110) 적층체의 결속을 강화한다. 그에 따라, 복수 개의 전지 셀(110) 적층체의 정렬이 틀어지는 것을 방지할 수 있다.
그 밖에 셀 모듈 어셈블리(100)에 관한 설명은 도 1에서 설명한 바와 중복되므로, 도 1과 관련하여 상술한 바를 참조한다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 전지 셀(110)은 소정의 개수로 그룹화되어 수납될 수 있다. 또한, 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 복수 개(소정의 개수)의 전지 셀(110)의 그룹과 인접한 복수 개(소정의 개수의 전지 셀(110)의 그룹 사이에는 차단 부재(200)를 구비한다.
도 7은 도 5의 전지 팩에 포함되는 차단 부재(200)의 사시도이다. 도 8은 도 7의 차단 부재(200)의 분해 사시도이다. 도 9는 도 7의 차단 부재(200)의 상면도이다.
차단 부재(200)는 인접하는 전지 셀(110) 사이에 개재되어 열을 차단시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 전지 셀(110)에서 열적 이벤트가 발생하여, 열이나 고온의 벤팅 가스가 생성된 경우, 생성된 열이나 가스는, 차단 부재(200)에 의해 인접하는 전지 셀(110)로 전이되는 것이 억제 내지 차단될 수 있다. 또한, 차단 부재(200)는 특정 전지 셀(110)에서 분출된 화염이나 스파크 등을 차단시키는 역할을 수행할 수 있다.
차단 부재(200)는 대략 판상의 형상을 가진다. 차단 부재(200)는 상하방향으로 세워진 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 차단 부재(200)는, 역시 상하방향으로 세워진 전지 셀(110)의 높이와 동일하거나 유사한 높이를 가질 수 있다. 차단 부재(200)의 높이는 전지 셀(110)의 높이보다 더 작을 수도 있고, 더 클 수도 있다.
차단 부재(200)는, 전지 셀의 개수에 따라 복수 개로 포함될 수 있다. 그리고, 상술한 바와 같이, 차단 부재(200)는 전지 셀(110)과 함께 적층된 형태로, 셀 모듈 어셈블리(100)를 구성할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 복수 개의 전지 셀(110)이 포함된 전지 팩에서, 차단 부재(200)에 의해 셀 간 열폭주 전파 등이 효과적으로 방지될 수 있다.
또한, 차단 부재(200)는 크게 3중 구조로 이루어 질 수 있다. 예를 들면, 지지 플레이트(210)의 양면에 각각 한 쌍의 스웰링 패드(220)를 구비한다. 지지 플레이트(210)는 차단 부재(200)의 형태 및 강성을 유지하도록 하고, 전지 셀(110)들 사이의 전지 셀(110)에서 분출된 화염이나 스파크 등을 차단한다. 지지 플레이트(210)는 예를 들면 금속 재질로 이루어질 수 있다. 스웰링 패드(220)는 전지 셀(110)의 스웰링 시에 지지 플레이트(210)로 인하여 전지 셀(110)로 가해지는 압력을 감소시킨다. 스웰링 패드(220)는 예를 들면, 실리콘 재질이나 연성 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 지지 플레이트(210)에는 도 9에서 상세히 도시된 바와 같이, 지지 플레이트(210)를 상하방향으로 관통하여 형성되는 복수 개의 관통공(230)을 포함하고, 복수 개의 관통공(230)들은 지지 플레이트(210)의 길이 방향을 따라 배열된다.
셀 모듈 어셈블리(100)의 상부에 위치한 소화 탱크(400)에서 셀 모듈 어셈블리(100)로 소화제(소화액)가 투입될 때에, 복수 개의 관통공(230) 내로도 소화제(소화액)가 들어가게 된다. 즉, 복수 개의 관통공(230) 내에 소화제(소화액)가 머무름에 따라, 열적 이벤트가 발생한 전지 셀(110)을 더욱 효과적으로 냉각 및 소화시킬 수 있도록 한다.
복수 개의 관통공(230)은 지지 플레이트(210)의 상면 및 하면 양쪽으로 모두 개구된 형태일 수도 있다. 또는, 복수 개의 관통공(230)은 상면만이 개구되고 소화제(소화액)가 관통공(230) 내에 더욱 오래 머무를 수 있도록 하면은 막힌 형상일 수도 있다. 전자의 경우에 차단 부재(200)의 지지 플레이트(210)가 팩 케이스(300)의 내측 하부면에 밀착하도록 배치하면, 후자의 경우와 같이 소화제(소화액)가 관통공(230) 내에 오래 머무를 수 있다.
도 10은 도 5의 전지 팩에 포함되는 팩 케이스(300)의 사시도이다. 도 11 및 도 12는 도 10의 셀 모듈 어셈블리(100)를 팩 케이스(300)에 수납하는 경우를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 팩 케이스(300)는 박스 형태로 구성될 수 있다. 박스 형태의 팩 케이스(300)는 일체로 성형된 것일 수도 있고, 적어도 일 면을 인접한 면과 결합하는 방식으로 제작된 것일 수도 있다.
팩 케이스(300)는 적어도 하나의 벤팅구(320)를 포함한다. 벤팅구(320)에는 필터가 장착된다.
팩 케이스(300)의 내부에 수납된 전지 셀(110)에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 해당 전지 셀(110)에서 발생하는 벤팅 가스를 벤팅구(320)를 통하여 배출할 수 있다. 벤팅구(320)에서 배출된 벤팅 가스는 팩 케이스(300)와 외부 커버(500, 도 5 참조) 사이의 공간을 지나, 외부 커버(500)의 외부로 배출될 수 있다.
한편, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 도 6에 도시된 셀 모듈 어셈블리(100)를 보조 케이스(310)의 내부 공간에 수납한 후 팩 케이스(300)에 장착할 수도 있다. 셀 모듈 어셈블리(100)를 보조 케이스(310)의 내부 공간에 일차적으로 수납한 뒤 최종적으로 팩 케이스(300)에 수납함으로써, 셀 모듈 어셈블리(100)의 강성을 보완하고, 셀 모듈 어셈블리(100)에서의 복수 개의 전지 셀(110) 적층체의 정렬이 틀어지는 것을 방지할 수 있다. 보조 케이스(310)는 예를 들면 금속 또는 스테인리스 스틸 등으로 이루어질 수 있다.
도 13은 도 5의 전지 팩에 포함되는 소화 탱크(400)의 사시도이다. 도 14은 도 13의 소화 탱크(400)의 사시 단면도이고, 도 5의 A5-A5' 선을 따른 단면을 도시한다. 도 15는 소화 탱크(400)의 하부 탱크(410)를 위에서 바라본 상부 단면도이다.
소화 탱크(400)는 도 1에서 상술한 바와 같이, 하부 탱크(410)와 상부 커버(420)를 포함한다. 하부 탱크(410)와 상부 커버(420)는, 별도로 제작되어 밀봉 결합된 것일 수도 있고, 일체형으로 제작될 수도 있다. 상부 커버(420)에는 소화제를 주입할 수 있는 주입구(430)를 추가로 포함할 수 있다. 주입구(430)를 마개로 닫아 소화 탱크(400)를 밀봉할 수 있다.
하부 탱크(410)의 베이스판(411)에서 두께가 얇게 형성된 부분은 취약부(411a)로서 기능할 수 있다. 즉, 셀 모듈 어셈블리(100)의 전지 셀(110)에서 열적 이벤트가 발생하는 경우, 이러한 상대적으로 두께가 얇은 취약부(411a)가 먼저 파손될 수 있다. 취약부(411a)가 파손되어 베이스판(411)에 개구가 형성되면, 소화 탱크(400) 내부에 보유된 소화제가 해당 취약부(411a)를 통해 셀 모듈 어셈블리(100) 측으로 배출될 수 있다.
취약부(411a)는 복수 개로 구비될 수 있다. 취약부(411a)는 예를 들어, 폭은 좁고 길이는 긴 형상일 수 있다. 즉, 선 형상으로서, 소화 탱크(400)의 일 가장자리와 평행하게 배열된 직선 형상일 수 있으며, 각각의 취약부(411a)는 서로 평행하게 배열될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따르면, 전지 셀(110)의 길이 방향(예를 들면, 도면의 X축 방향)과 취약부(411a)의 길이 방향(예를 들면, 도면의 X축 방향)은 서로 직교할 수 있다. 즉, 복수 개의 취약부(411a)들이 해당 전지 셀(110)의 길이 방향에 교차하여 배치된다. 그에 따라, 열적 이벤트가 발생한 전지 셀(110)의 길이 방향을 따라, 해당 전지 셀(110) 전체에 걸쳐 복수 개의 개구된 취약부(411a)들을 통하여 일제히 소화제를 공급할 수 있고, 보다 효율적으로 신속하게 열적 이벤트가 발생한 전지 셀(110)을 소화시킬 수 있다.
또한, 도 14를 참조하면, 하부 탱크(410)의 베이스판(411)은 단차를 가진다. 보다 구체적으로는, 베이스판(411)은 크게, 다음과 같이 구분된다. 취약부(411a)가 위치한 부분(A7), 팩 케이스(100)의 스트랩(140)과 맞닿는 부분(A8), 전기적 연결 유닛(600) 쪽에 위치한 부분(A9)으로 이루어진다. 이 중에서, 취약부(411a)가 위치한 부분(A7)의 베이스판(411)의 높이가 가장 낮다.
하부 탱크(410)의 취약부(411a)가 가능한 한 전지 셀(110)에 가장 인접하게 배치되도록 함으로써, 일부 전지 셀(110)에 과열이나 발화 상황이 발생하였을 때 신속한 초기 진압을 통해, 인접한 배터리 셀들(100)로의 열 또는 화염이 전달에 따른 2차 폭발 등의 위험 상황 발생을 보다 더 효과적으로 미연에 방지할 수 있도록 한다.
부연하면, 셀 모듈 어셈블리(100)에 관한 도 6에서 도시된 바와 같이, 스트랩(140)이 위치한 부분이나, 버스바 하우징(130)이 위치한 부분 등으로 인하여, 셀 모듈 어셈블리(100)의 높이가 일정하지 않다. 이에 관계없이 소화 탱크(400)의 하부 탱크(410)의 베이스판(411)의 높이가 전체적으로 일정하다면, 상대적으로 소화 탱크(400)의 베이스판(411)과 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부면 사이에 빈 공간이 생기게 된다. 그러한 경우, 온도가 상승한 전지 셀(110)로부터 취약부(411a)로의 열 전달에 빈 공간으로 인한 지장이 발생하여 소화가 그만큼 지연되게 된다.
전지 셀(110)의 과열 시, 취약부(411a)가 해당 온도가 상승한 전지 셀(110)에 바로 인접하여 배치되도록 함으로써, 취약부(411a)가 곧바로 파손되어 신속하게 전지 셀(110)을 냉각시킬 수 있고, 소화시킬 수 있다.
정리하면, 소화 탱크(400)의 베이스판(411)의 하부면과 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부면은 서로 대체로 일치하는 형상을 가진다. 그에 따라, 소화 탱크(400)가 셀 모듈 어셈블리(100)에 더욱 밀착하여 배치되므로, 온도 상승이 있는 전지 셀(110)을 더욱 효과적으로 냉각할 수 있으며, 과열이나 발화가 발생한 전지 셀(110)에 더욱 신속하게 소화제를 투입할 수 있다. 또한, 소화 탱크(400)에 소화제를 효율적으로 더욱 많이 수용할 수 있게 된다. 즉, 소화 탱크(400)의 하부 탱크(410)의 베이스판(411)의 높이가 전체적으로 일정하다면, 해당 빈 공간만큼 소화 탱크(400)는 소화제를 덜 수용하게 된다.
소화 탱크(400)에 구비되는 소화제로서는, 예를 들면 소화액 형태일 수 있으며, 중복되는 설명은 생략하고 상술한 바를 참조한다.
도 16은, 도 5 내지 도 15를 참조하여 상술한 전지 팩의 각 구성요소들을 모두 결합한 전지 팩의 사시도이다.
그 밖에, 도 5 내지 도 16의 전지 팩에 관한 설명이 도 1 내지 도 4의 전지팩과 관련하여 설명한 부분과 중복되는 부분은, 도 1 내지 도 4에서 상술한 바를 참조한다.
한편, 상기 팩 케이스(300)는, 복수 개로 구비되어 상하 방향으로 적층 가능하게 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 17를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 17는, 본 발명의 도 1 내지 도 16의 전지 팩의 적어도 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 18 및 도 19은, 도 17에 도시된 팩 케이스(300)가 복수 개로 적층된 실시 형태를 도시한 도면이다.
도 17를 참조하면, 상기 팩 케이스(300)는, 바닥부와 측벽부를 구비할 수 있다. 이러한 팩 케이스(300)의 내부 공간에는, 셀 모듈 어셈블리(100)가 수납될 수 있고, 셀 모듈 어셈블리(100)의 상면을 소화 탱크(400)로 커버함으로써, 전지 팩이 구성된다. 참고로, 도 17에서는 팩 케이스(300)의 상부측의 높이가 소화 탱크(400)의 상부면의 높이보다 크게 도시되어 있다 그러나, 도 17은 개략도이고 일 실시예일 뿐, 본 발명은 도 17에 도시된 바에 한정되지 않는다. 즉, 정반대로 소화 탱크(400)의 상부면의 높이가 팩 케이스(300)의 상부측의 높이보다 클 수도 있고, 소화 탱크(400)의 상부면의 높이와 팩 케이스(300)의 상부측의 높이가 동일할 수도 있는 등 다양한 변형 변경이 가능하다.
도 17에 도시된 바와 같은 팩 케이스(300)가 복수 개로 구비되어, 도 18 또는 도 19에 도시된 바와 같이 전지 팩들의 적층 구조가 형성될 수 있다. 이 때, 도 17의 전지 팩은, 하나의 단위 팩일 수 있다. 그리고, 이러한 단위 팩이 복수 개로 구비됨으로써, 도 18이나 도 19에 도시된 바와 같은 모듈 적층식의 전체 전지 팩이 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 예를 들어, 도 18의 구성에서는, 3개의 단위 팩(D)이 상하 방향으로 적층된 형태가 도시되어 있다. 그리고, 도 19의 구성에서는, 5개의 단위 팩(D)이 상하 방향으로 적층된 형태가 도시되어 있다. 본 발명은 도시된 바에 한정되지 않고, 본 발명이 구현되는 환경에 맞게 단위 팩(D)의 개수를 다양하게 변경하여 구현할 수 있다.
가령, 본 발명이 전지 팩이 에너지 저장 장치(energy storage system; ESS)로 구현되는 경우, 단위 전지 팩의 개수를 조절함으로써, 에너지 저장 장치의 다양한 전압대 및/또는 축전 용량을 해당 환경에 맞게 구현할 수 있다. 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 공통된 구조를 가진 하나의 단위 팩을 다양하게 적층시켜, 적층 개수에 따라 다양한 전압대 및/또는 축전 용량의 제품 대응이 가능할 수 있다. 예를 들어, 동일한 단위 팩의 적층 개수를 조절함으로써, 도 18에 도시된 바와 같은 저압대 제품이나, 도 19에 도시된 바와 같은 고압대 제품의 구현이 모두 가능할 수 있다. 따라서, 특정 전압대의 규격으로만 한정된 제품에 비해, 경제성이나 호환성 등이 향상될 수 있다. 또한, 이러한 실시 구성에 의해, 적층 개수에 따라 다양한 용량의 제품을 구현할 수도 있다.
다시 말하면, 적층되는 단위 팩 간에 직렬로 연결되면 적층 개수에 따라 다양한 전압대의 제품으로 구현할 수 있다. 또한, 적층되는 단위 팩 간에 병렬로 연결되면 다양한 적층 개수에 따라 다양한 용량(축전용량)의 제품으로 구현할 수 있다.
특히, 각각의 단위 팩(D)은, 내부에 셀 모듈 어셈블리(100)를 구비할 수 있다. 또한, 각각의 단위 팩(D)은, 상술한 바와 같이, 적층 시에 각각의 셀 모듈 어셈블리(100)를 서로 전기적으로 연결할 수 있도록 커넥터(610)를 포함한다. 특히, 이러한 커넥터(610)는, 각 단위 팩(D)의 상하 적층으로 인해, 서로 결합되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 실시 구성에서, 각각의 단위 팩(D)에는 셀 모듈 어셈블리(100)와 함께 소화 탱크(400)가 수납될 수 있다. 즉, 각각의 단위 팩(D)은, 상술한 바와 같이, 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부에 소화 탱크(400)를 포함한다. 복수 개로 적층된 전지 팩들은, 상부에서 하부 방향으로, 소화 탱크(400) - 셀 모듈 어셈블리(100) - 소화 탱크(400) - 셀 모듈 어셈블리(100)의 적층 구조를 가진다. 이러한 구조를 갖는 본 발명의 적층식 전지 팩은, 다양한 전압대 및/또는 축전 용량을 증가시키기 위하여 셀 모듈 어셈블리(100)의 개수를 증가시켜(확장하여) 전지 팩을 구성할 수 있으면서도, 셀 모듈 어셈블리(100)의 화재 등의 열적 이벤트 등에도 안전하게 대비할 수 있도록 하였다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 전지 팩의 안전성이 더욱 향상될 수 있다.
상하로 적층된 전지 팩(팩 케이스(300)) 간의 결합 방식의 또 다른 예시로서, 다시, 도 17를 참조하면 다음과 같다. 팩 케이스(300)의 측벽부의 상단에는, 결합용 단차부(C1)와 같이, 내측 방향으로 오목하게 형성된 단차가 존재할 수 있다. 이를테면 팩 케이스(300)의 측벽부의 두께가 얇은 부분이 된다. 또한, 도 17에는 도시되어 있지 않으나, 팩 케이스(300)의 바닥부에는, 이러한 측벽부의 결합용 단차부(C1)가 삽입되도록 결합용 오목부가 형성될 수 있다. 즉, 팩 케이스(300)는, 서로 다른 팩 케이스(300)를 상하 방향으로 적층할 때, 하층 팩 케이스(300)의 측벽부 상단에 형성된 결합용 단차부(C1)가, 상층 팩 케이스(300)의 바닥부에 형성된 결합용 오목부에 삽입되도록 구성될 수 있다. 그에 따라, 복수 개의 팩 케이스(300)가 상하 방향으로 적층되어 결합될 때, 팩 케이스(300)의 외부면이 전체적으로 편평하게 된 형상을 가질 수 있다.
한편, 상하로 적층된 전지 팩들 간의 체결 구조에 관한 결합 방식은 도 17 및/또는 도 10에 도시된 바에 한정되지 않고, 기타 다양한 결합 방식들을 변형, 변경하여 본 발명에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 전지 팩들은 전지 관리 시스템(BMS, 미도시)에 연결될 수 있다. 전지 관리 시스템은 전지 팩(들)을 모니터링하고 관리한다. 전지 관리 시스템은 상하로 적층된 전지 팩들의 최상층에 위치할 수 있다. 그러나, 전지 관리 시스템의 위치는 상술한 바에 한정되지 않고, 본 발명이 구현되는 방식이나 환경 들에 맞게 다양하게 변형, 변경 가능하다.
본 발명에 따른 전지 팩은, 상술한 구성요소 이외에, 전지 팩에 포함되는 다른 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 전지 팩은, 전지 관리 시스템(BMS)이나 릴레이, 퓨즈, 전류 센서 등 전지 팩의 충방전을 제어 또는 관리하기 위한 여러 전장품을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)는, 상술한 본 발명에 따른 전지 팩을 하나 이상 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는, 이러한 전지 팩 이외에, 에너지 저장 장치에 포함되는 일반적인 구성요소를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용될 수 있으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
100: 셀 모듈 어셈블리
110: 전지 셀
120: 엔드 플레이트
130: 버스바 하우징
140: 스트랩
200: 차단 부재
210: 지지 플레이트
220: 스웰링 패드
230: 관통공
300: 팩 케이스
300a: 하부 케이스
300b: 상부 케이스
310: 보조 케이스
320: 벤팅구
400: 소화 탱크
410: 하부 탱크
411: 베이스판
411a: 취약부
412: 측벽
420: 상부 커버
430: 주입구
500: 외부 커버
600: 전기적 연결 유닛
610: 커넥터

Claims (16)

  1. 복수의 전지 셀들이 적층된 전지 셀 적층체를 포함하는 셀 모듈 어셈블리;
    상기 셀 모듈 어셈블리를 수납하도록 되고 상면이 개구된 형상의 팩 케이스; 및
    상기 셀 모듈 어셈블리의 위에 위치하여 상기 팩 케이스를 커버하는 소화 탱크를 포함하고,
    상기 소화 탱크는:
    소화제를 수용하는 내부 공간; 및
    상기 소화 탱크의 베이스판의 두께가 상대적으로 얇게 형성된 부분으로서, 상기 전지 셀의 열적 이벤트에 의해 용융되어 개구되는 복수 개의 취약부들을 포함하는, 전지 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 취약부는 선 형상으로서, 상기 소화 탱크의 일 가장자리와 평행하게 배열되고, 각각의 취약부는 서로 평행하게 배열되고,
    상기 취약부의 길이 방향과 상기 전지 셀의 길이 방향은 서로 직교하는, 전지 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 취약부는 선 형상으로서, 상기 소화 탱크의 일 가장자리와 평행하게 배열되고, 각각의 취약부는 서로 평행하게 배열되고,
    상기 취약부의 길이 방향과 상기 전지 셀의 길이 방향은 서로 평행하고,
    상기 취약부는 서로 인접한 두 개의 전지 셀 사이에 배치되는, 전지 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소화 탱크는 플라스틱 사출 성형으로 제작된 것인, 전지 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소화 탱크의 상기 베이스판은 단차를 가지고, 상기 복수 개의 취약부가 배치된 부분의 높이가 제일 낮은, 전지 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 모듈 어셈블리는:
    상기 전지 셀의 적층체의 전면과 후면에 배치되는 한 쌍의 버스바 하우징; 및
    상기 전지 셀의 적층체의 양측단에 상기 전지 셀과 평행하게 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 한 쌍의 버스바 하우징 사이를 한 쌍의 엔드 플레이트가 연결하는, 전지 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀 모듈 어셈블리는:
    상기 셀 모듈 어셈블리의 결속을 강화하도록, 상기 전지 셀 적층체의 상기 한 쌍의 엔드 플레이트의 상부 측과 하부 측을 각각 연결하는 스트랩을 포함하는, 전지 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베이스판은 단차를 가지고, 상기 복수 개의 취약부가 배치된 부분의 높이가 상기 스트랩 위에 위치한 부분의 높이보다 낮은, 전지 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    서로 인접한 전지 셀 사이에 배치된 판 형상의 차단 부재를 더 포함하고,
    상기 차단 부재는 지지 플레이트 및 상기 지지 플레이트의 양면에 구비되는 한 쌍의 스웰링 패드를 포함하는, 전지 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 소화제는 액체 상태의 소화제인, 전지 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스는 상면이 개구된 박스 형상으로 이루어지고,
    일체로 성형되거나 또는 적어도 일면이 인접한 다른 면과 결합되는 방식으로 제작된 것인, 전지 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전지 팩은 복수 개로 구비되고,
    상기 복수 개의 전지 팩들 간에 서로 기계적 연결 또는 전기적 연결로 결합되는, 전지 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수 개의 전지 팩들은 상하 방향으로 적층이 가능한, 전지 팩.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 복수 개의 전지 팩들의 전압대가 다양하게 구현되도록, 상기 복수 개의 전지 팩들 간의 전기적 연결은 직렬로 연결되는, 전지 팩.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수 개의 전지 팩들의 축전용량이 다양하게 구현되도록, 상기 복수 개의 전지 팩들 간의 전기적 연결은 병렬로 연결되는, 전지 팩.
  16. 제1항에 따른 전지 팩을 포함하는 에너지 저장 장치.
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