WO2023249299A1 - 배터리 모듈 프레임 - Google Patents

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WO2023249299A1
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battery module
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ventilation
aluminum
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장병도
이형석
신주환
이재현
김기영
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module frame, which prevents the spread of secondary damage such as external fire or explosion by preventing the flame from being exposed outside the frame even if the battery cell mounted inside the frame overheats and catches fire. It concerns the battery module frame.
  • secondary batteries can be recharged and have been extensively researched and developed in recent years due to their small size and high capacity.
  • Secondary batteries are classified into coin-shaped batteries, cylindrical batteries, square-shaped batteries, and pouch-shaped batteries, depending on the shape of the battery case.
  • the electrode assembly mounted inside the battery case in a secondary battery is a power generating element capable of charging and discharging consisting of a stacked structure of electrodes and a separator.
  • thermal runaway occurring in one secondary battery causes a thermal propagation phenomenon in which other secondary batteries in the surrounding area are continuously overheated.
  • flame generated from an overheated secondary battery is exposed to the outside, it can not only damage surrounding devices but also spread to secondary damage such as fire or explosion, so it is necessary to prepare measures against such fire risks.
  • Patent Document 001 Korean Patent Publication No. 2020-0078344 (published on July 1, 2020)
  • the present invention aims to provide a battery module frame that can suppress the spread of secondary damage such as external fire or explosion by preventing the flame from being exposed to the outside of the frame even if the battery cell mounted inside overheats and catches fire. There is a purpose.
  • the present invention relates to a battery module frame accommodating a plurality of battery cells therein.
  • the battery module frame includes a first layer made of aluminum or an aluminum alloy material, and laminated on the first layer, It includes a second layer made of a mesh-structured metal material and a third layer laminated on the second layer and made of an aluminum or aluminum alloy material.
  • the battery module frame may be molded together by press processing in a state in which the first to third layers are stacked.
  • a fastening portion is formed in the first layer or the third layer, and the fastening portion may be a welding portion or a bolting portion.
  • the second layer may be made of a metal material having a higher melting point than the melting points of the first layer and the third layer.
  • the metal material forming the second layer may be steel or stainless steel.
  • a ventilation portion exposing the second layer to a portion of the first layer and the third layer may be formed on at least one surface of the battery module frame.
  • the ventilation portion may be formed on the upper surface of the battery module frame.
  • a plurality of ventilation units may be formed in a diagonal direction.
  • the mesh structure of the second layer included in the upper surface of the battery module frame may be denser than the mesh structure of the second layer included in the other surface.
  • the inner ventilation portion formed in the first layer and the outer ventilation portion formed in the third layer do not overlap each other.
  • outer vent portion formed in the third layer may be spaced diagonally apart from the inner vent portion formed in the first layer.
  • the outer ventilation part may include a plurality of ventilation holes whose ventilation area increases as the distance from the inner ventilation part increases.
  • the battery module frame of the present invention having the above configuration is made of a composite material in which a structural layer of aluminum material and a metal layer of a mesh structure between them are combined in a sandwich form, thereby forming a lightweight frame structure and having an internal structure at the same time. Even if a flame occurs, the mesh structure produces an anti-inflammatory effect and prevents the flame from being discharged to the outside.
  • the risk of fire can be further reduced by optimizing the arrangement and shape of the ventilation portion so that flames generated inside can be effectively extinguished.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a battery module including a battery module frame of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing the cross-sectional structure of the battery module frame before press forming.
  • Figure 3 is a diagram showing an example of forming a main frame through press molding.
  • Figure 4 is a view showing an embodiment in which ventilation holes are formed in the upper plate.
  • Figure 5 is a diagram showing the mesh structure of the main frame and the upper plate.
  • Figure 6 is a diagram showing an example of connecting the main frame and the upper plate with bolts.
  • Figure 7 is a diagram showing the arrangement structure of the inner ventilation part and the outer ventilation part.
  • the present invention relates to a battery module frame accommodating a plurality of battery cells therein.
  • the battery module frame includes a first layer made of aluminum or an aluminum alloy material, and laminated on the first layer, It includes a second layer made of a mesh-structured metal material and a third layer laminated on the second layer and made of an aluminum or aluminum alloy material.
  • the battery module frame of the present invention having the above configuration is made of a composite material in which a structural layer of aluminum material and a metal layer of a mesh structure between them are combined in a sandwich form, thereby forming a lightweight frame structure and having an internal structure at the same time. Even if a flame occurs, the mesh structure produces an anti-inflammatory effect and prevents the flame from being discharged to the outside.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a battery module 10 including the battery module frame 100 of the present invention.
  • the battery module 10 refers to a battery assembly in which a certain number of battery cells are bundled into a frame to protect them from external shock, heat, vibration, etc.
  • the battery module 10 consists of a plurality of battery cells connected to each other in series and/or parallel, and is embedded in a battery module frame 100, which is a mechanical structure.
  • Each battery cell plays a fundamental role in storing energy and supplying it to the outside when needed, but since the capacity of the battery cells alone is small, a module is made that bundles them together, and further, several modules are combined to create a large-capacity battery pack.
  • the present invention relates to a battery module frame 100, which is a mechanical structure that protects a plurality of battery cells.
  • the battery module 10 shown as an example in FIG. 1 includes a battery cell assembly 400 in which a plurality of battery cells are connected in series and/or parallel to form one assembly. Both ends of the battery cell assembly 400 are provided with structures that are mechanically and electrically coupled to the end plate assembly 500.
  • the battery module frame 100 includes a main frame 102 that has a " ⁇ "-shaped cross section and forms a space to accommodate the battery cell assembly 400 therein, and an open upper surface of the main frame 102. It includes a covering top plate (104).
  • end plate assemblies 500 are coupled to both open sides of the battery module frame 100 to seal the battery module 10.
  • the end plate assemblies 500 are also included in the battery module frame 100. can do.
  • the battery module 10 has a polyhedral shape that accommodates a plurality of battery cells, and has a hexahedral shape in FIG. 1, and the cross-sectional structure of the battery module frame 100 is shown in FIG. 2. That is, FIG. 2 shows the cross-sectional structure of the main frame 102 and the upper plate 104, and further, the end plate assembly 500 may also have the cross-sectional structure of FIG. 2.
  • the battery module frame 100 includes a first layer 110 made of aluminum or aluminum alloy material, and a second layer laminated on the first layer 110 and made of a mesh-structured metal material ( 120) and a third layer 130 laminated on the second layer 120 and made of aluminum or aluminum alloy material.
  • the battery module frame 100 of the present invention is a composite material in which structural layers of the first layer 110 and the third layer 130 made of aluminum material, and a metal layer with a mesh structure between the structural layers are combined in a sandwich form.
  • the structural layer means that the first layer 110 and the third layer 130 made of aluminum are layers that maintain the mechanical structure of the battery module frame 100.
  • the second layer 120 sandwiched between the first layer 110 and the third layer 130 made of aluminum is made of a metal layer with a mesh structure.
  • a metal layer with a mesh structure can be understood in a broad sense as a porous metal layer.
  • the second layer 120 may be formed of a metal net, a wire mesh, or a metal thin film with a plurality of through holes.
  • a flat mass of wire with thin metal threads wound in a spiral shape can be inserted into the metal layer of the mesh structure.
  • the battery module frame 100 of the present invention uses an aluminum material as a structural layer and includes a mesh metal layer in the middle, a lightweight frame structure can be implemented through weight reduction by the mesh structure as well as weight reduction by the aluminum material. There will be.
  • the battery module frame 100 of the present invention has a mesh-structured second layer 120 interposed between the first layer 110 and the third layer 130 made of aluminum when thermal runaway of the battery cell occurs. It not only splits the generated flame into small pieces as it passes through, but also causes an endothermic reaction that absorbs the energy of the flame, resulting in a temperature drop and anti-inflammatory effect.
  • the second layer 120 of the mesh structure has a number of small holes, gases such as gas or steam can easily pass through the second layer 120, but it is relatively difficult for flames to pass through the second layer 120.
  • the mesh structure of the second layer 120 absorbs and dissipates heat generated from the combustible gas mixture when the mixture of combustible gas and air inside the battery cell is ignited, thereby preventing combustion of the surrounding gas from reaching the spontaneous ignition temperature. It plays a role in lowering the temperature. This is because heat is lost to the porous structure made of metal as the high-temperature gas passes through the second layer 120 of the mesh structure. That is, the second layer 120 is made of a metal material containing numerous holes and functions as a flame arrester with a very large cross-sectional area.
  • the flame generated by the thermal runaway of the battery cell loses enough heat that the flame can no longer maintain as it passes through the battery module frame 100 of the present invention, thereby effectively suppressing heat propagation or external fire. do.
  • the second layer 120 which is a mesh metal layer, may be made of aluminum, a metal material having a higher melting point than the melting points of the first layer 110 and the third layer 130.
  • the metal material forming the second layer 120 may be steel or stainless steel.
  • the second layer 120 which is a mesh metal layer, to maintain an anti-inflammatory function for a long time, the mesh structure needs to have heat-resistant properties, so the second layer 120 is made of aluminum, including the first layer 110 and the third layer. It is desirable to have a higher melting point compared to (130).
  • the second layer 120 is preferably selected from a material that has not only an anti-flammability ability to suppress flames, but also mechanical properties that can withstand explosion pressure.
  • the second layer 120 may be made of steel or stainless steel material that is heat resistant and has excellent mechanical strength.
  • the second layer 120 may be made of heat-resistant stainless steel.
  • Heat-resistant stainless steels are ferritic stainless steel alloys such as X10CrAlSi7, X10CrAl13, X10CrAl18 and X18CrN28, austenitic stainless steel alloys such as r15Fe, NiCr23Fe, NiCr22Mo9Nb , may be a nickel-chromium stainless steel alloy such as NiCr21Mo and NiCr28FeSiCe.
  • the battery module frame 100 of the present invention suppresses an increase in the size or weight of the battery module 10 and, by extension, the battery pack, and prevents the eruption of flame to the outside in the event of a flame erupting from a battery cell. By preventing this, the safety of the battery module 10 is improved.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of forming the main frame 102 through press molding.
  • the battery module frame 100 of the present invention can be molded in one piece through press processing in a flat state in which the first to third layers 110 to 130 are all stacked.
  • the second layer 120 of the mesh structure is in the form of a thin plate, for example, the second layer 120 has a thin thickness of about 1 to 2 mm, so the first layer 110 and the third layer (110) are made of aluminum.
  • a battery module frame in the form of a flat plate is placed between the upper mold (UM) and the lower mold (BM) as shown in FIG. 100) can be placed and press processed to create the main frame 102 with a “ ⁇ ”-shaped cross section.
  • the first layer 110 and the third layer 130 are aluminum materials that are easy to plastic process and are therefore suitable for press processing, while the metal material making up the second layer 120 is steel or stainless steel and has mechanical strength. Although it is high, the thickness is thin, so press processing can sufficiently cope with it.
  • the battery module frame 100 of the present invention is made by pressing a flat preliminary frame in which the second layer 120 of a mesh structure is laminated between the first layer 110 and the third layer 130 made of aluminum. Since it is possible to transform into various shapes through processing, it can maintain the same level of productivity as the existing frame without a mesh metal layer.
  • a ventilation hole may be formed in the upper plate 104 forming the battery module frame 100.
  • Figure 4 shows an exemplary embodiment in which ventilation holes are formed in the upper plate 104.
  • a ventilation hole is formed in the upper plate 104 of the battery module frame 100. This is considering that the flame mainly propagates upward, and of course, ventilation holes can be formed in the main frame 102 as well.
  • the location of the ventilation hole needs to be selected in consideration of secondary damage to surrounding components or external fire caused by high-temperature gas or partial flame ejected through the ventilation hole.
  • the upper plate 104 forming the upper surface of the battery module frame 100 has an outer ventilation portion 320 formed in a portion of the third layer 130, and the outer ventilation portion 320 is formed.
  • the second layer 120 is exposed to the outside.
  • an inner ventilation portion 310 exposing the second layer 120 is formed in the first layer 110 of the upper plate 104.
  • the ventilation portion 300 which includes the inner and outer ventilation portions 310 and 320, is a portion of the first layer 110 and the third layer 130 of the battery module frame 100, respectively, cut away.
  • the second layer 120 is exposed by 300 .
  • a ventilation portion 300 is formed by intentionally cutting a portion of the first layer 110 and the third layer 130, respectively, and the flame passes through a predetermined point, that is, through the ventilation portion 300.
  • the position is limited so that it erupts from the base 300. Therefore, by appropriately designing the location of the ventilation unit 300, the risk of secondary damage such as external fire can be greatly reduced.
  • a plurality of ventilation portions 300 may be formed on one surface, in the drawing as an example, in a diagonal direction on the upper surface of the battery module frame 100.
  • the ventilation portion 300 is an area where flame ejects out of the third layer 130 through the second layer 120, which is a mesh metal layer, so when forming a plurality of ventilation portions 300, ensure a long distance between them. As a result, the flame loses heat while passing through the second layer 120 for a sufficient distance and time.
  • the inner ventilation portion 310 formed in the first layer 110 and the outer ventilation portion 320 formed in the third layer 130 do not overlap each other. This is also because if the inner ventilation part 310 and the outer ventilation part 320 are directly connected, it is difficult to secure a flame path sufficient to exert the anti-inflammatory effect of the second layer 120.
  • the outer ventilation portion 320 formed in the third layer 130 is spaced diagonally apart from the inner ventilation portion 310 formed in the first layer 110. You can. By arranging the inner ventilation part 310 and the outer ventilation part 320, the inner ventilation part 310 and the outer ventilation part 320 do not overlap each other and the distance between the outer ventilation part 320 is made large. You can.
  • the outer ventilation portion 320 may be composed of a plurality of ventilation holes forming a group.
  • the outer ventilation portion 320 has a long distance (d) from the inner ventilation portion 310. It may be desirable to have a stepwise size arrangement in which the ventilation area of the ventilation holes increases as time increases. This is because the flame path passing through the mesh structure of the second layer 120 is long, so that more of the flame that has lost enough heat is discharged through the outer ventilation hole at a greater distance (d) from the inner ventilation part 310. This is because it is advantageous from the side.
  • the mesh structure of the second layer 120 included in the upper surface of the battery module frame 100 that is, the mesh of the upper plate 104 It is also possible to make the structure denser than the mesh structure of the second layer 120 included on the other side. This is because as the mesh structure becomes denser, the heat transfer area increases and the flame suppression ability improves.
  • a fastening portion 200 may be formed in the first layer 110 or the third layer 130 made of aluminum, and this fastening portion 200 may be a welding portion 210 or a bolting portion 220.
  • FIG. 5 shows an example in which the fastening part 200 is formed by the welding part 210
  • FIG. 6 shows an example in which the bolting part 220 forms the fastening part 200.
  • the battery module frame 100 of the present invention includes a mesh metal layer for flame suppression, but the second layer 120 of the mesh structure is buried between the first layer 110 and the third layer 130 made of aluminum. Accordingly, the first layer 110 and the third layer 130 form a solid structural layer of the battery module frame 100. Therefore, the battery module frame 100 of the present invention can easily implement a fastening structure such as welding or bolting by embedding a mesh structure and surrounding the exterior with a structural layer made of aluminum.
  • FIGS. 5 and 6 each show an example in which the welding portion 210 and the bolting portion 220 constitute the fastening portion 200, in which one battery module frame 100 serves as the fastening portion 200.
  • the welding portion 210 and the bolting portion 220 may be included in a complex manner.
  • Battery module 100 Battery module frame
  • main frame 104 upper plate
  • welding part 220 bolting part
  • ventilation part 310 inner ventilation part

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Abstract

개시되는 발명은 내부에 복수의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈 프레임에 관한 것으로서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층과, 상기 제1 층 위에 적층되고, 매쉬 구조의 금속 소재로 이루어진 제2 층 및 상기 제2 층 위에 적층되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층을 포함한다.

Description

배터리 모듈 프레임
본 발명은 배터리 모듈 프레임에 관한 것으로서, 프레임 내부에 탑재된 배터리 셀이 과열되어 화염이 발생하더라도 프레임 외부로는 화염이 노출되지 않도록 함으로써 외부의 화재나 폭발 등의 2차 피해 확산을 억제할 수 있는 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다.
본 출원은 2022. 06. 21일자 대한민국 특허출원 제10-2022-0075257호, 및 2022. 12. 23일자 대한민국 특허출원 제10-2022-0182542호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.
이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
이차전지는 장기간 동안 연속적인 사용이 요구되므로, 충방전 과정 중에 발생하는 열을 효과적으로 제어할 필요가 있다. 이차전지의 냉각이 원활히 이루어지지 못할 경우에는 온도상승이 전류의 증가를 야기하고, 전류의 증가가 또다시 온도상승의 원인이 되는 정귀환의 연쇄반응이 일어나, 결국 열 폭주(Thermal Runaway)의 파국상태에 이르게 된다.
또한, 이차전지가 모듈이나 팩의 형태로서 집단을 이루고 있는 경우에는 어느 하나의 이차전지에 발생한 열 폭주에 의해 주변의 다른 이차전지가 연속적으로 과열되는 열 전파(Thermal Propagation) 현상이 일어나게 된다. 나아가 과열된 이차전지에서 발생한 화염이 외부로 노출되면 주변 장치를 훼손하는 것은 물론 화재나 폭발 등의 2차 피해로 확산될 수 있으므로, 이러한 화재 위험에 대한 대책을 마련할 필요가 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 001) 한국공개특허 제2020-0078344호 (2020.07.01 공개)
본 발명은 내부에 탑재된 배터리 셀이 과열되어 화염이 발생하더라도 프레임 외부로는 화염이 노출되지 않도록 함으로써 외부의 화재나 폭발 등의 2차 피해 확산을 억제할 수 있는 배터리 모듈 프레임을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 내부에 복수의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈 프레임에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층과, 상기 제1 층 위에 적층되고, 매쉬 구조의 금속 소재로 이루어진 제2 층 및 상기 제2 층 위에 적층되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 상기 제1 층 내지 제3 층이 적층된 상태에서 프레스 가공으로 함께 성형될 수 있다.
그리고, 상기 제1 층 또는 제3 층에 체결부가 형성되며, 상기 체결부는 용접부 또는 볼팅부일 수 있다.
그리고, 상기 제2 층은, 상기 제1 층 및 제3 층의 용융점보다 더 높은 용융점을 갖는 금속 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 층을 이루는 금속 소재는 스틸 또는 스테인리스스틸 소재일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시형태에 따라서는, 상기 배터리 모듈 프레임의 적어도 어느 일면에는 상기 제1 층 및 제3 층의 일부에 상기 제2 층을 노출시키는 통기부가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 통기부는 상기 배터리 모듈 프레임의 상면에 형성될 수 있다.
상기 통기부는 대각 방향으로 복수 개가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 배터리 모듈 프레임의 상면에 포함된 제2 층의 매쉬 구조는 다른 면에 포함된 제2 층의 매쉬 구조보다 조밀한 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 제1 층에 형성된 내측 통기부와, 상기 제3 층에 형성된 외측 통기부는 서로 중첩되지 않는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 제1 층에 형성된 내측 통기부를 중심으로 하여 상기 제3 층에 형성된 외측 통기부는 대각방향으로 이격되어 있을 수 있다.
그리고, 상기 외측 통기부는, 상기 내측 통기부로부터의 거리가 멀수록 통기면적이 커지는 복수 개의 통기공을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 소재의 구조층과 그 사이에 매쉬 구조의 금속층이 샌드위치 형태로 합체한 복합 소재로 이루어져 있음으로써, 경량의 프레임 구조를 이루는 동시에 내부에 화염이 발생하더라도 매쉬 구조를 통해 소염 작용을 일으키고, 이를 통해 화염이 외부로 배출되지 않게 된다.
또한, 매쉬 구조를 내장하면서 그 외부를 알루미늄 소재의 구조층이 감쌈으로써 용접이나 볼팅 등의 조립 구조를 손쉽게 구현할 수 있다.
그리고, 통기부의 배치와 형태를 최적화하여 내부에서 발생한 화염이 효과적으로 소염되도록 함으로써 화재의 위험을 더욱 낮출 수도 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 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 배터리 모듈 프레임을 포함하는 배터리 모듈의 일례를 도시한 도면.
도 2는 프레스 성형 전의 배터리 모듈 프레임의 단면 구조를 도시한 도면.
도 3은 프레스 성형을 통해 메인 프레임을 형성하는 일례를 도시한 도면.
도 4는 상부 플레이트에 통기공이 형성된 실시형태를 도시한 도면.
도 5는 메인 프레임과 상부 플레이트의 매쉬 구조를 도시한 도면.
도 6은 메인 프레임과 상부 플레이트를 볼트로 결합하는 일례를 도시한 도면.
도 7은 내측 통기부와 외측 통기부의 배치 구조를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 내부에 복수의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈 프레임에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층과, 상기 제1 층 위에 적층되고, 매쉬 구조의 금속 소재로 이루어진 제2 층 및 상기 제2 층 위에 적층되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층을 포함한다.
상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 소재의 구조층과 그 사이에 매쉬 구조의 금속층이 샌드위치 형태로 합체한 복합 소재로 이루어져 있음으로써, 경량의 프레임 구조를 이루는 동시에 내부에 화염이 발생하더라도 매쉬 구조을 통해 소염 작용을 일으키고, 이를 통해 화염이 외부로 배출되지 않게 된다.
또한, 매쉬 구조를 내장하면서 그 외부를 알루미늄 소재의 구조층이 감쌈으로써 용접이나 볼팅 등의 조립 구조를 손쉽게 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈 프레임에 대한 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)을 포함하는 배터리 모듈(10)의 일례를 시한 도면이다. 배터리 모듈(10)은 배터리 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체를 지칭하는 것이다. 배터리 모듈(10)은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들로 이루어져 있으며, 기계적 구조물인 배터리 모듈 프레임(100) 안에 매입된다.
배터리 셀은 각각이 에너지를 저장했다 필요할 때 외부로 공급하는 원천적인 역할을 하지만, 배터리 셀만으로는 용량이 작기 때문에 이를 한데 묶은 모듈을 만들고, 더 나아가 모듈을 몇 개 합쳐 대용량의 배터리 팩을 만들게 된다.
본 발명은 다수의 배터리 셀을 보호하는 기계적 구조물인 배터리 모듈 프레임(100)에 관한 것이다. 도 1에 하나의 예로서 도시된 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 하나의 조립체를 이루는 배터리 셀 어셈블리(400)를 포함하고 있다. 배터리 셀 어셈블리(400)의 양단에는 엔드 플레이트 어셈블리(500)와 기계적, 전기적으로 결합되는 구조체가 구비되어 있다.
그리고, 배터리 모듈 프레임(100)은, "∪" 자형 단면을 이루어 그 내부에 배터리 셀 어셈블리(400)를 수용할 공간을 형성하는 메인 프레임(102)과, 메인 프레임(102)의 개방된 상면을 덮는 상부 플레이트(104)를 포함한다. 여기서, 배터리 모듈 프레임(100)의 개방된 양 측면에는 엔드 플레이트 어셈블리(500)가 결합하여 배터리 모듈(10)을 밀봉하는데, 크게 보아서는 엔드 플레이트 어셈블리(500)도 배터리 모듈 프레임(100)에 포함할 수 있다.
배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀을 수용하는 다면체 형태, 도 1에서는 육면체 형태를 이루고 있는데, 배터리 모듈 프레임(100)의 단면 구조는 도 2에 도시되어 있다. 즉, 도 2는 메인 프레임(102)과 상부 플레이트(104)의 단면 구조를 도시하고 있으며, 더 나아가 엔드 플레이트 어셈블리(500) 역시 도 2의 단면 구조를 이룰 수 있다.
도 2를 참조하면, 배터리 모듈 프레임(100)은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층(110)과, 상기 제1 층(110) 위에 적층되고 매쉬 구조의 금속 소재로 이루어진 제2 층(120)과, 상기 제2 층(120) 위에 적층되고 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층(130)을 포함한다.
즉, 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 알루미늄 소재로 이루어진 제1 층(110) 및 제3 층(130)의 구조층과, 구조층 사이에 매쉬 구조의 금속층이 샌드위치 형태로 합체한 복합 소재로 이루어져 있다. 여기서 구조층이라 함은 알루미늄 소재로 이루어진 제1 층(110) 및 제3 층(130)이 배터리 모듈 프레임(100)의 기계적 구조를 유지하는 역할을 하는 층임을 의미한다.
알루미늄 소재의 제1 층(110) 및 제3 층(130) 사이에 끼어 있는 제2 층(120)은 매쉬 구조의 금속층으로 이루어져 있다. 매쉬 구조의 금속층은 광의의 개념으로는 다공성의 금속층으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 금속재질의 그물망, 와이어 매쉬, 다수의 관통공이 형성된 금속 박막 등이 제2 층(120)을 형성할 수 있다. 또는, 가느다란 금속실을 나선형태로 감은 납작한 와이어 덩어리를 매쉬 구조의 금속층으로 삽입할 수도 있다.
이러한 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 구조층으로서 알루미늄 소재를 적용하면서 중간에 매쉬 금속층을 포함하고 있으므로, 알루미늄 소재에 의한 경량화와 더불어 매쉬 구조에 의한 중량 절감을 통해 경량의 프레임 구조를 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은, 알루미늄 소재의 제1 층(110) 및 제3 층(130) 사이에 개재된, 매쉬 구조의 제2 층(120)이 배터리 셀의 열폭주 시 발생하는 화염을 통과시키면서 잘게 쪼갤 뿐만 아니라, 화염의 에너지를 흡수하는 흡열반응을 일으킴으로써 온도 하강 및 소염의 효과를 가져온다.
보다 구체적으로, 매쉬 구조의 제2 층(120)은 다수의 작은 구멍을 가지므로 가스나 증기 등의 기체는 제2 층(120)을 쉽게 통과할 수 있으나 화염은 상대적으로 통과하기 어렵다.
또한 제2 층(120)의 매쉬 구조는 배터리 셀 내부의 가연성 기체와 공기의 혼합물이 점화되었을 때, 연소되는 기체 혼합물에서 발생하는 열을 흡수하여 발산함으로써 주변의 기체가 자연 발화온도에 오르지 않도록 연소온도를 낮추어 주는 역할을 한다. 이것은 고온의 기체가 매쉬 구조의 제2 층(120)을 통과하면서 금속 재질의 다공 구조에 열을 빼앗기기 때문이다. 즉, 제2 층(120)은 수많은 구멍을 포함하는 금속 재질로 이루어져 있어 굉장히 넓은 단면적을 갖는 인화 방지망(flame arrester)으로 기능한다.
따라서, 배터리 셀의 열폭주에 의해 발생한 화염은 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)을 통과하면서는 더 이상 화염이 유지하지 못할 만큼의 열량을 빼앗기게 되고, 이로써 열전파 현상이나 외부 화재가 효과적으로 억제된다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 매쉬 금속층인 제2 층(120)은, 알루미늄 상기 제1 층(110) 및 제3 층(130)의 용융점보다 더 높은 용융점을 갖는 금속 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 층(120)을 이루는 금속 소재는 스틸 또는 스테인리스스틸 소재일 수 있다.
배터리 셀 어셈블리(400)에서 화염이 발생하면 배터리 모듈 프레임(100)의 제1 층(110)을 녹이고 외부로 분출되려고 한다. 매쉬 금속층인 제2 층(120)이 장시간 동안 소염 기능을 유지하기 위해서는 매쉬 구조가 열에 강한 성질을 가질 필요가 있으므로, 제2 층(120)은 알루미늄 소재인 제1 층(110) 및 제3 층(130)에 비해 더 높은 용융점을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 제2 층(120)은 화염을 저지하는 소염 능력뿐만 아니라, 폭발 압력을 견디는 기계적 특성을 갖는 재질로 선정함이 바람직하다. 이런 점에서 제2 층(120)은 열에 강하면서 기계적 강도가 우수한 스틸 또는 스테인리스스틸 소재로 제작될 수 있다.
예를 들어, 제2 층(120)은 내열성 스테인리스스틸로 만들어 질 수 있다. 내열 스테인리스 강은 X10CrAlSi7, X10CrAl13, X10CrAl18 및 X18CrN28과 같은 페라이트계 스테인리스스틸 합금이나, X15CrNiSi20-12, X15CrNiSi25-20, X15CrNiSi25-21 및 X12CrNiTi18-10과 같은 오스테나이트계 스테인리스스틸 합금, 또는 NiCr15Fe, NiCr23Fe, NiCr22Mo9Nb, NiCr21Mo 및 NiCr28FeSiCe와 같은 니켈-크롬 스테인리스스틸 합금일 수 있다.
이와 같이, 매쉬 구조의 제2 층(120)은 얇은 판형이기 때문에, 배터리 모듈 프레임(100)의 사이즈 증가를 억제할 수 있다. 또한, 제2 층(120)은 다수의 구멍을 가지고 있기 때문에 중량의 증가도 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 배터리 모듈(10), 나아가 배터리 팩의 사이즈나 중량의 증가를 억제하면서, 배터리 셀로부터 화염이 분출하는 사태가 발생한 경우에 외부로의 화염의 분출을 방지함으로써 배터리 모듈(10)의 안전성을 향상시킨다.
한편, 도 3은 프레스 성형을 통해 메인 프레임(102)을 형성하는 일례를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은, 제1 층(110) 내지 제3 층(130)이 모두 적층된 평판 상태에서 프레스 가공을 통해 일괄적으로 성형될 수 있다.
이는 매쉬 구조의 제2 층(120)은 얇은 판형, 예를 들어 제2 층(120)은 1∼2㎜ 정도의 얇은 두께를 이루고 있으므로, 알루미늄 소재의 제1 층(110) 및 제3 층(130) 사이에 매쉬 구조의 제2 층(120)을 합지한 평판 형태(도 2 참조)로 제조한 후, 도 3과 같이 상형(UM)과 하형(BM) 사이에 평판 형태의 배터리 모듈 프레임(100)을 놓고 프레스 가공을 함으로써 "∪" 자형 단면의 메인 프레임(102)을 만들 수 있다.
즉, 제1 층(110) 및 제3 층(130)은 소성 가공이 용이한 알루미늄 소재이기에 프레스 가공에 적합하고, 반면 제2 층(120)을 이루는 금속 소재는 스틸 또는 스테인리스스틸 소재로서 기계적 강도가 높지만 그 두께가 얇기 때문에 프레스 가공으로 충분히 대응할 수 있는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 알루미늄 소재의 제1 층(110) 및 제3 층(130) 사이에 매쉬 구조의 제2 층(120)을 합지한 평판 형태의 예비 프레임을 프레스 가공을 통해 다양한 형태로 변형하는 것이 가능하므로, 생산성 측면에서 매쉬 금속층이 없는 기존의 프레임과 동등 수준을 유지할 수 있다.
[제2 실시형태]
한편, 본 발명의 제2 실시형태에서, 배터리 모듈 프레임(100)을 이루는 상부 플레이트(104)에는 통기공이 형성될 수 있다. 도 4는 상부 플레이트(104)에 통기공이 형성된 예시적인 실시형태를 도시하고 있다.
참고로, 제2 실시형태에서는 배터리 모듈 프레임(100) 중의 상부 플레이트(104)에 통기공이 형성되는 것을 예로서 설명하고 있다. 이는 화염이 주로 위를 향해 전파되는 것을 고려한 것으로서, 메인 프레임(102)에도 통기공이 형성될 수 있음은 물론이다. 여기서, 통기공의 위치는, 통기공으로 분출되는 고온 가스나 일부 화염에 의한 외부 화재나 주변 부품에 대한 2차 피해를 고려하여 선정될 필요가 있다.
도 4를 참조하면, 배터리 모듈 프레임(100)의 상면을 이루는 상부 플레이트(104)에는 제3 층(130)의 일부에 외측 통기부(320)가 형성되어 있으며, 외측 통기부(320)를 통해 제2 층(120)이 외부로 노출되어 있다. 그리고, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 상부 플레이트(104)의 제1 층(110)에도 제2 층(120)을 노출하는 내측 통기부(310)가 형성되어 있다.
내측 및 외측 통기부(310, 320)를 포함하는 통기부(300)는 배터리 모듈 프레임(100)의 제1 층(110) 및 제3 층(130)의 일부를 각각 절개한 부분으로서, 통기부(300)에 의해 제2 층(120)이 노출된다. 배터리 모듈(10) 내에서 화염이 발생하여 온도와 압력이 상승하게 되면, 배터리 모듈 프레임(100)의 일부분이 용융되면서 화염이 외부로 분출하게 된다. 이러한 화염의 분출 부위는 화재의 발생지점이나 배터리 모듈 프레임(100)의 국부적 강도 등에 의해 결정될 수 있는데, 이러한 부위는 예측하기가 어렵다.
따라서, 본 발명의 제2 실시형태에서는, 의도적으로 제1 층(110) 및 제3 층(130)의 일부를 각각 절개한 통기부(300)를 형성하고, 이를 통해 화염이 정해진 지점, 즉 통기부(300)에서 분출되도록 그 위치를 제한하고 있다. 따라서, 통기부(300)의 위치를 적절히 설계함으로써 외부 화재 등 2차 피해의 위험을 크게 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 통기부(300)는 하나의 면, 도면을 예로 하면 배터리 모듈 프레임(100)의 상면에 대각 방향으로 복수 개가 형성될 수 있다. 통기부(300)는 매쉬 금속층인 제2 층(120)을 통과하여 제3 층(130) 바깥으로 화염이 분출되는 영역이므로, 복수의 통기부(300)를 형성할 경우 서로의 거리를 멀리 확보함으로써 화염이 충분한 거리와 시간 동안 제2 층(120)을 거치면서 열을 상실하게 된다.
그리고, 제1 층(110)에 형성된 내측 통기부(310)와, 제3 층(130)에 형성된 외측 통기부(320)는 서로 중첩되지 않는 것이 바람직할 수 있다. 이 역시 내측 통기부(310)와 외측 통기부(320)가 바로 연결되면 제2 층(120)에 의한 소염 작용이 발휘될 정도의 충분한 화염 경로를 확보하기 어렵기 때문이다.
예를 들어, 도 7에 도시된 것처럼, 제1 층(110)에 형성된 내측 통기부(310)를 중심으로 하여 제3 층(130)에 형성된 외측 통기부(320)는 대각방향으로 이격되어 있을 수 있다. 이러한 내측 통기부(310)와 외측 통기부(320)의 배치에 의해, 내측 통기부(310)와 외측 통기부(320)는 서로 중첩되지 않으면서 외측 통기부(320) 사이의 거리를 멀게 만들 수 있다.
그리고, 외측 통기부(320)는 복수 개의 통기공이 하나의 군을 이루는 형태로 구성될 수 있는데, 이러한 경우에 외측 통기부(320)는 내측 통기부(310)로부터의 거리(d)가 멀수록 통기공의 통기면적이 커지는 단계적인 크기 배열을 갖도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 제2 층(120)의 매쉬 구조를 통과하는 화염 경로가 길어서 충분히 열을 뺏긴 화염이 내측 통기부(310)로부터의 거리(d)가 먼 바깥쪽의 통기공으로 좀 더 많이 배출되도록 하는 것이 소염 측면에서 유리하기 때문이다.
아울러, 화염이 주로 배터리 모듈 프레임(100)의 상면을 향한다는 점을 고려하여, 배터리 모듈 프레임(100)의 상면에 포함된 제2 층(120)의 매쉬 구조, 즉 상부 플레이트(104)의 매쉬 구조를 다른 면에 포함된 제2 층(120)의 매쉬 구조보다 조밀하게 만드는 것도 가능하다. 이는 매쉬 구조가 조밀할수록 열전달 면적이 증가함에 따라 화염 억제능력이 향상되기 때문이다.
그리고, 알루미늄 소재인 제1 층(110) 또는 제3 층(130)에는 체결부(200)가 형성될 수 있으며, 이러한 체결부(200)는 용접부(210) 또는 볼팅부(220)일 수 있다. 도 5는 체결부(200)가 용접부(210)로 형성되는 일례를, 그리고 도 6은 볼팅부(220)가 체결부(200)를 형성하는 예를 각각 도시하고 있다.
본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 화염 억제를 위한 매쉬 금속층을 포함하고 있지만, 매쉬 구조의 제2 층(120)은 알루미늄 소재인 제1 층(110)과 제3 층(130) 사이에 매립되어 있으며, 이에 따라 제1 층(110) 및 제3 층(130)이 배터리 모듈 프레임(100)의 견고한 구조층을 이루게 된다. 따라서, 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 매쉬 구조체를 내장하면서 그 외부를 알루미늄 소재의 구조층이 감쌈으로써 용접이나 볼팅 등의 체결구조를 손쉽게 구현할 수 있다.
참고로, 도 5 및 도 6은 각각 용접부(210) 및 볼팅부(220)가 체결부(200)를 구성하는 일례를 도시하고 있는데, 하나의 배터리 모듈 프레임(100)이 체결부(200)로서 용접부(210)와 볼팅부(220)를 복합적으로 포함할 수 있음은 물론이다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
[부호의 설명]
10: 배터리 모듈 100: 배터리 모듈 프레임
102: 메인 프레임 104: 상부 플레이트
110: 제1 층 120: 제2 층
130: 제3 층 200: 체결부
210: 용접부 220: 볼팅부
300: 통기부 310: 내측 통기부
320: 외측 통기부 400: 배터리 셀 어셈블리
500: 엔드 플레이트 어셈블리
UM: 상형 BM: 하형

Claims (13)

  1. 내부에 복수의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈 프레임에 있어서,
    상기 배터리 모듈 프레임은,
    알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층;
    상기 제1 층 위에 적층되고, 매쉬 구조의 금속 소재로 이루어진 제2 층; 및
    상기 제2 층 위에 적층되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층;
    을 포함하는 배터리 모듈 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 프레임은,
    상기 제1 층 내지 제3 층이 적층된 상태에서 프레스 가공으로 함께 성형되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층 또는 제3 층에 체결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 체결부는,
    용접부 또는 볼팅부인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 층은,
    상기 제1 층 및 제3 층의 용융점보다 더 높은 용융점을 갖는 금속 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 층을 이루는 금속 소재는 스틸 또는 스테인리스스틸 소재인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 프레임의 적어도 어느 일면에는,
    상기 제1 층 및 제3 층의 일부에 상기 제2 층을 노출시키는 통기부가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 통기부는,
    상기 배터리 모듈 프레임의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  9. 제9항에 있어서,
    상기 통기부는,
    대각 방향으로 복수 개가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 프레임의 상면에 포함된 제2 층의 매쉬 구조는, 다른 면에 포함된 제2 층의 매쉬 구조보다 조밀한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 층에 형성된 내측 통기부와, 상기 제3 층에 형성된 외측 통기부는 서로 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 층에 형성된 내측 통기부를 중심으로 하여 상기 제3 층에 형성된 외측 통기부는 대각방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 외측 통기부는,
    상기 내측 통기부로부터의 거리가 멀수록 통기면적이 커지는 복수 개의 통기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
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