WO2024010361A1 - 배터리 팩, 이를 포함하는 전력저장장치 및 자동차 - Google Patents

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WO2024010361A1
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venting
plate
gas
inlet
battery pack
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PCT/KR2023/009504
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김기영
이형석
신주환
이재현
장병도
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack containing battery cells or battery modules.
  • the present invention relates to a battery pack that can efficiently discharge venting gas generated within the battery pack to the outside of the battery pack while preventing the venting gas from flowing back into the battery pack.
  • the present invention also relates to a power storage device and a vehicle including the battery pack.
  • Battery packs applied to electric vehicles, etc. have a structure in which multiple battery modules including a plurality of secondary batteries are connected in series or parallel to obtain high output.
  • the secondary battery is capable of repeated charging and discharging through electrochemical reactions between components, including positive and negative electrode current collectors, separators, active materials, and electrolyte solutions.
  • Secondary batteries may generate gas from the inside at any time during use while repeatedly charging and discharging, and this is called venting gas.
  • venting gas For example, when overcurrent flows, the temperature of the internal secondary battery rises rapidly. This rapid increase in temperature may cause a decomposition reaction of the electrolyte and generate gas.
  • gas When gas is generated from a secondary battery inside a battery pack, such gas may be trapped inside the pack, causing the battery pack to explode, or may flow into the interior of a vehicle, etc. through the cooling duct of the battery pack.
  • the battery pack is equipped with a venting mechanism such as a gas venting channel that discharges the internal gas to the outside to reduce the internal pressure.
  • venting gas can be discharged through the venting mechanism.
  • venting gas cannot be discharged to the outside and flows back into the battery pack.
  • the rupture sheet installed at the venting outlet of the gas venting channel does not rupture even though it reaches the set pressure, and the pressure in the gas venting channel becomes larger, the venting gas may flow back into the battery pack.
  • venting gas may flow back through the gas venting channel from the battery module with the higher thermal runaway pressure to the battery module with the lower pressure.
  • the gas venting channel for discharging the venting gas becomes a passage for transferring thermal runaway to other modules, raising the risk of multiple simultaneous occurrences of thermal runaway.
  • the present invention is intended to solve the above problems, and provides a battery pack that can prevent or delay the propagation of thermal runaway by smoothly discharging venting gas and preventing its backflow, and a power storage device and automobile including the same. It is intended to provide.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention is a battery pack in which a plurality of battery cells or a plurality of battery modules are accommodated, a gas venting channel is formed therein, and the battery pack communicates with the gas venting channel.
  • a pack housing including a side frame in which a venting inlet is formed at at least one location on an inner wall facing the battery cell or battery module; a venting plate having a plate cutout surrounded by a cutting line in the shape of a figure with one side open, a plate body portion surrounding the plate cutout, covering the venting inlet, and coupled to an inner wall of the side frame; And on the inside of the venting plate opposite to the venting inlet, it includes a regulating member that covers the plate cutout and is coupled to the venting plate, wherein the plate cutout has one side connected to the plate main body as a support axis. Movement into the venting inlet is possible, but movement in a direction opposite to the venting inlet is blocked by the regulating member.
  • the gas venting channel may be formed within the side frame along the circumference of the battery cell or battery module.
  • venting inlets may be formed on inner walls of side frames on both sides of the battery cell or battery module, respectively, and the venting plate and regulating member may be installed on the venting inlets, respectively.
  • venting inlet may be formed on an inner wall of the side frame facing the terminal portion of the battery cell or the terminal portion of the battery module, and the venting plate and regulating member may be installed on the venting inlet.
  • venting inlet may be formed to have a predetermined length along the longitudinal direction of the side frame, and the plate cutout may be formed to a size that can be inserted into the venting inlet.
  • the plate main body may be coupled to the inner wall of the side frame around the venting inlet.
  • the regulating member may be a blocking bracket having a venting hole on a portion opposite to the plate cutout and a blocking frame that blocks movement of the plate cutout.
  • peripheral portion of the blocking bracket and the plate body portion may be fastened together to the inner wall of the side frame around the venting inlet by a fastening member.
  • a venting outlet communicating with the gas venting channel may be formed on the outer wall of the side frame.
  • the venting outlet may be formed on an outer wall of the side frame disposed perpendicular to the side frame on which the venting inlet is formed.
  • the battery pack in one embodiment may include a venting cap that covers the venting outlet and extends to the outside.
  • the battery pack may further include a gas sealing member installed in the venting outlet or the venting cap and deformed above a predetermined pressure and/or temperature to open the venting outlet to the outside.
  • the plate cutouts may be formed in pairs on the plate main body.
  • a plurality of gas venting channels are formed at predetermined intervals in the height direction of the side frame, and the venting plate and regulating member may be installed on each venting inlet of the inner wall of the side frame that communicates with each gas venting channel.
  • the venting plate includes one plate main body and a plurality of plate cutouts formed at predetermined intervals in the height direction to correspond to the gas venting channel, and each plate cutout is located on each venting inlet.
  • the plate main body covers the entire circumference of each venting inlet of the inner wall of the side frame and is coupled to the side frame, and one regulating member covers the plate cutouts and can be coupled to the venting plate.
  • an embodiment of the present invention provides a power storage device including the above-described battery pack.
  • one embodiment of the present invention provides a vehicle including the above-described battery pack.
  • the present invention can efficiently discharge venting gas to the outside of the battery pack.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a combined perspective view of the backflow prevention mechanism according to the present invention.
  • Figure 3 is an exploded perspective view of the backflow prevention mechanism according to the present invention.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate of Figure 2.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the operating state of the backflow prevention mechanism of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a path through which venting gas is discharged from the battery pack of FIG. 1.
  • Figure 7 is a diagram showing an example of a venting outlet provided in the battery pack of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing a battery pack of another embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate of Figure 8.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing a battery pack of another embodiment of the present invention.
  • FIG 11 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate of Figure 10.
  • Figure 12 is a schematic diagram showing a battery pack of another embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate of Figure 12.
  • Figure 14 is a schematic diagram showing a battery pack of another embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is a schematic diagram showing a battery pack of another embodiment of the present invention.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention is a battery pack in which a plurality of battery cells or a plurality of battery modules are accommodated, in which a gas venting channel is formed inside, and a venting inlet communicating with the gas venting channel is connected to the battery cell.
  • a pack housing including a side frame formed at at least one location on the inner wall facing the battery module; a venting plate having a plate cutout surrounded by a cutting line in the shape of a figure with one side open, a plate body portion surrounding the plate cutout, covering the venting inlet, and coupled to an inner wall of the side frame; And on the inside of the venting plate opposite to the venting inlet, it includes a regulating member that covers the plate cutout and is coupled to the venting plate, wherein the plate cutout has one side connected to the plate main body as a support axis. Movement into the venting inlet is possible, but movement in a direction opposite to the venting inlet is blocked by the regulating member.
  • an embodiment of the present invention provides a power storage device including the above-described battery pack.
  • one embodiment of the present invention provides a vehicle including the above-described battery pack.
  • Figure 1 is a perspective view showing a battery pack of an embodiment of the present invention
  • Figures 2 and 3 are a combined perspective view and an exploded perspective view of the backflow prevention mechanism according to the present invention
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate of Figure 2. am.
  • the battery pack 100 of the present invention includes a plurality of battery cell stacks 10, a pack housing 110, a venting plate 120, and a regulating member 130.
  • the battery cell 11 is a secondary battery and may be a pouch-type secondary battery, a prismatic secondary battery, or a cylindrical secondary battery.
  • the battery cell will be described limited to a pouch-type secondary battery.
  • the battery cells 11 are provided in plural numbers in the battery pack 100.
  • the plurality of battery cells may be arranged to be stacked so that they can be electrically connected to each other.
  • the battery pack 100 of the present invention may accommodate a plurality of battery cell stacks 10 as shown in FIG. 1, but may also accommodate a plurality of battery modules as in other embodiments described later.
  • the battery pack that accommodates the battery module is a battery pack that has been conventionally used. However, recently, a so-called CELL TO PACK type battery pack has been developed that simplifies the structure of the battery pack and constructs the battery pack directly from battery cells without modules.
  • the battery pack 100 in FIG. 1 is also intended to have a cell-to-pack structure, and a plurality of battery cells 11 are accommodated without modules.
  • a larger number of battery cells than the battery cells provided in the module may be stacked in the battery pack 100.
  • large-sized and high-capacity battery cells larger than ordinary battery cells can be placed in the battery pack 100.
  • the pack housing 110 forms a space that accommodates the battery cell stack 10 and an electrical equipment assembly (not shown) therein.
  • the pack housing 110 is a structure provided with a predetermined bracket so that it can be coupled to the body of a vehicle.
  • the pack housing 110 covers a base plate 111 on which battery cells are mounted, a side frame 112 formed along the circumference of the base plate 111, and an upper part of the battery cells. It may include a pack cover (not shown) coupled to the side frame 112. As will be described later, the structure of the pack housing 110 accommodating the battery module is different from the present embodiment.
  • the side frame 112 specifically includes a front frame 112a, a rear frame 112b, a right frame 112c, and a left frame 112d that are vertically coupled along the edge of the base plate 111 to form a wall. It consists of In a specific pack housing 110, only the left and right frames 112c and 112d are referred to as side frames 112. However, in the present invention, since a gas venting channel and a backflow prevention mechanism (B) to be described later can be installed in all frames forming the wall of the pack housing 110, even the front frame 112a and the rear frame 112b are installed on the side. It can be defined as frame 112.
  • the pack housing 110 can be assembled by welding and bolting the base plate 111 and the frames.
  • the side frame 112 is a hollow frame in which a gas venting channel (H) is formed.
  • the side frame 112 can be manufactured by extruding aluminum to form an empty space inside.
  • the weight of the pack housing 110 can be reduced.
  • the mechanical rigidity of the frames can be maintained at a reliable level.
  • a plurality of gas venting channels (H) can be formed inside the frame by the partition wall, thereby improving the gas exhaust effect.
  • the side frame 112 is provided with a venting inlet (I) through which venting gas flows into at least one location on the inner wall facing the battery cell.
  • the venting inlet (I) is in communication with the gas venting channel (H) inside the side frame 112 so that the venting gas generated inside the pack is discharged to the outside through the venting inlet (I) and the gas venting channel (H). You can.
  • the side frame 112 is disposed along the circumference of the battery cell, and the gas venting channel (H) may also be formed within the side frame 112 along the circumference of the battery cell. Therefore, when venting gas is generated in some of the battery cells, the venting gas introduced into the venting inlet (I) is discharged through the long gas venting channel (H) along the side frame 112. In this process, incompletely combusted venting gas can be completely burned, or the temperature and pressure of the high-temperature, high-pressure venting gas can be lowered. In other words, by lengthening the venting path, the unstable state of the venting gas can be stabilized, thereby reducing the risk of accidents due to the venting gas.
  • the venting inlet (I) of the present invention is preferably formed to have a predetermined length along the longitudinal direction of the side frame 112 so that a portion of the venting plate 120, which will be described later, can be inserted.
  • the present invention is characterized by providing a backflow prevention mechanism (B) to prevent high temperature venting gas from spreading to adjacent battery cells.
  • the backflow prevention mechanism (B) is installed on the venting inlet (I). Since the gas venting channel (H) is narrow and formed inside the side frame 112, it is very difficult to install a backflow prevention mechanism in the passage of the gas venting channel (H). For example, it is difficult to install a backflow prevention device such as a check valve in the gas venting channel passage. In addition, in order to install it in a passage, there is a difficulty in designing the components included in the check valve to be smaller and more detailed.
  • the backflow prevention mechanism (B) is installed on the venting inlet (I) side formed on the inner wall of the side frame 112 exposed to the outside, so the backflow prevention mechanism (B) can be easily mounted on the pack housing 110.
  • the backflow prevention mechanism (B) is configured to block the venting inlet (I) itself, the components of the backflow prevention mechanism (B) can be made relatively large, as will be described later, making it easy to manufacture.
  • a check valve, etc. is installed in the passage of the gas venting channel, it may be possible to prevent the backflow of venting gas in the passage after the check valve, but it may be possible to prevent the backflow of venting gas in the passage part before the check valve, for example, in the gas venting channel between the battery cell and the check valve. When backflow occurs, there is a problem that backflow of venting gas cannot be prevented.
  • the present invention has the advantage of fundamentally blocking venting gas from propagating to other battery cells or battery modules by installing a backflow prevention mechanism (B) at the venting inlet (I) itself.
  • the backflow prevention mechanism (B) of the present invention includes a venting plate 120 and a regulating member 130.
  • the venting plate 120 includes a plate cutout 121 surrounded by a cutting line C in the shape of a figure with one side open, and a plate main body 122 surrounding the plate cutout 121.
  • One side 121a of the plate cutout 121 is connected from the plate main body 122 and no cutting line C is formed. Other sides of the plate cutout 121 are separated from the plate main body 122 by a cutting line C. Therefore, the plate cut portion 121, which is the plate portion surrounded by the cutting line C, can be moved toward the venting inlet I or the opposite side using the one side 121a as a support axis as shown in FIG. 4. do. For example, due to the pressure of the venting gas, the plate cutout 121 may perform a cantilever movement moving toward the venting inlet (I) around the support axis.
  • the cutting line C is formed in a U shape, and the plate cutout 121 has an approximately rectangular shape with one side 121a open.
  • the shape of the cutting line C and the plate cutout 121 is not limited thereto. If one side is connected to the plate main body 122, the cutting line C and the plate cutout 121 may have a triangular shape with one side open, a circular shape with one side open, an elliptical shape, or another polygonal shape. possible.
  • the venting inlet (I) may be formed to have a predetermined length along the longitudinal direction of the side frame 112, as shown in FIG. 2. That is, the venting inlet (I) may be formed in a long oval or rectangular shape for efficient discharge of venting gas. Accordingly, the plate cutout 121 may also be formed to have a length corresponding to the venting inlet (I), and may be formed to a size that allows insertion into the venting inlet (I).
  • the venting inlet (I) is open from the inner wall of the side frame 112 toward the inside of the battery pack 100.
  • the venting inlet (I) is in communication with the gas venting channel (H)
  • a long communication space is formed.
  • the plate cutout 121 can move into the communication space through the venting inlet (I) using one side as a support axis. That is, the communication space becomes a free space in which the plate cutout 121 can move between the venting inlet (I) and the gas venting channel (H).
  • the venting plate 120 may be made of a material that allows the plate cutout 121 to be elastically deformed around one side. However, it must be made of a material that can withstand the high temperature and high pressure venting gas generated within the battery pack 100.
  • the venting plate 120 can be made of metal materials such as steel and stainless steel.
  • venting plate 120 covers the venting inlet (I) and is coupled to the inner wall of the side frame 112.
  • the plate main body 122 is coupled to the inner wall of the side frame 112 around the venting inlet (I).
  • predetermined fastening holes h1, h2 are formed on the inner wall of the side frame 112 and the edge of the plate main body 122, as shown in FIG. 2, and the venting plate 120 is connected by the fastening member.
  • the venting plate 120 may be coupled to the side frame 112 by other methods such as welding, but the coupling method is not limited to this. Since the plate main body 122 around the plate cutout 121 serves to support the plate cutout 121 when it moves, the plate main body 122 needs to be firmly coupled to the inner wall of the side frame 112. There is.
  • a regulating member 130 that regulates the movement of the plate cutout 121. Located.
  • the regulating member 130 is coupled to the venting plate 120 to cover at least the plate cutout 121.
  • the regulating member 130 may be a bracket-shaped member that blocks movement of the plate cutout 121.
  • a blocking bracket in the form of a square frame corresponding to the shape of the venting inlet (I) and the plate cutout 121 is shown as the regulating member 130.
  • the blocking bracket must only block the movement of the plate cutout 121 and allow the flow of venting gas.
  • a venting hole 132 which is a venting gas passage, is provided in a portion of the blocking bracket opposite to the plate cutout 121.
  • a blocking frame 133 is installed at approximately the center of the blocking bracket, which is the opposing portion, to block movement of the plate cutout 121. That is, the blocking bracket of this embodiment regulates the movement of the venting plate 120 by the rectangular peripheral frame 131 and the blocking frame 133 near the venting hole 132.
  • the size and shape of the blocking bracket can be appropriately determined considering the area of connection with the venting plate 120, the ease of blocking the plate cutout 121, etc.
  • the size, location, and number of venting holes 132 of the blocking bracket, the shape and location of the blocking frame 133, and the size and shape of the peripheral frame 131 are also taken into consideration to ease the blocking of the plate cutout 121. You can change it appropriately.
  • the blocking bracket may be made of a material such as metal or plastic resin that can withstand high temperature and high pressure venting gas.
  • the peripheral frame 131 of the blocking bracket can be coupled to the venting plate main body 122.
  • the peripheral portion (peripheral frame 131) of the blocking bracket and the plate body portion 122 can be fastened together to the inner wall of the side frame 112 around the venting inlet (I) by a fastening member. Therefore, the installation work of the backflow prevention mechanism (B) can be easily performed by one fastening operation.
  • the peripheral frame 131 of the blocking bracket is firmly fastened to the inner wall of the side frame 112 together with the plate main body 122, the plate cutout 121 is stably supported by this fastening part. Can be elastically deformed.
  • a battery cell or battery module is located inside the blocking bracket, and when abnormally high heat occurs, venting gas may be generated from the cell or module and discharged toward the blocking bracket.
  • the backflow prevention mechanism (B) including the venting plate 120 and the regulating member 130 (blocking bracket) may be installed at at least one location on the inner wall facing the battery cell or battery module.
  • the venting inlet (I) may be formed at least on the inner wall of the side frame 112 on both sides of the battery cell or battery module, and in this case, the venting plate 120 and the regulating member 130 may be installed on each of the venting inlets (see Figure 1). If the venting inlet (I) is formed on both side frames 112, venting gas generated on both sides of the battery pack 100 can be discharged simultaneously, and thus the venting gas can be discharged quickly.
  • venting inlet (I) it is possible to prevent venting gas from being unevenly discharged through the venting inlet (I) on one side, thereby maintaining a well-balanced internal pressure within the battery pack 100.
  • venting inlets (I) are formed on both side frames 112
  • the venting plate 120 and regulating member 130 are installed on each venting inlet (I) on both sides to prevent backflow of gas.
  • a venting inlet (I) and the backflow prevention mechanism (B) are installed on the inner wall of the side frame 112 opposite thereto. It is desirable to do so (see Figure 1).
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the operating state of the backflow prevention mechanism (B) of the present invention
  • Figure 6 is a schematic diagram showing the path through which venting gas is discharged according to this embodiment.
  • a venting outlet (O) communicating with the gas venting channel (H) is formed on the outer wall of the side frame 112.
  • the gas venting path through the side frame 112 may vary depending on the locations of the venting inlet (I) and the venting outlet (O). By moving the venting outlet (O) further from the venting inlet (I), the gas venting path can be lengthened.
  • the venting outlet (O) is formed on the inner wall of the side frame (112a) disposed perpendicular to the side frames (112c, 112d) on which the venting inlet (I) is formed, as shown in FIGS. 1 and 6, the venting outlet (O) is formed in the horizontal direction. A long vertical gas venting path can be obtained.
  • FIGS. 1, 4, 5, and 6 the operation of the backflow prevention mechanism (B) according to the present invention will be described.
  • venting inlet (I) In the normal operation state of the battery pack 100 in which thermal runaway does not occur, the venting inlet (I) is covered by the venting plate 120, so that venting gas flows into the venting inlet (I) and the gas venting channel (H) communicating therewith. ) is almost never emitted.
  • the pressure of the venting gas is not large enough to move the plate cutout 121, a trace amount of venting gas is applied to the cutting line C of the venting plate 120, that is, the plate body 122 and the plate cutout. It only moves to the gas venting channel (H) through the narrow gap between the parts 121. At this time, the amount of venting gas discharged varies depending on the size of the penis cutting line (C).
  • the width and length of the cutting line C may be set to a level that does not interfere with the movement of the plate cutout 121. For example, if the width of the cutting line C is large, the plate cutout 121 can be easily moved. Additionally, if the width and length of the cutting line (C) are large, a larger amount of venting gas can be sent to the gas venting channel (H).
  • the cutting line (C) of the venting plate 120 serves as a venting hole that discharges the venting gas in the pack.
  • the venting plate (120) is transformed. That is, as shown in FIGS. 4 and 5, the plate cutout 121 moves into the venting inlet I using one side 121a, which is a connection portion with the venting plate 120, as a support axis. At this time, the plate cutout 121 is elastically deformed so that the end of the plate cutout 121 opposite to the one side 121a faces the venting inlet (I).
  • the venting inlet (I) As the plate cutout 121 covering the venting inlet (I) moves inside the venting inlet (I), the venting inlet (I) is reliably opened. Accordingly, a large amount of venting gas can move into the gas venting channel (H) through the venting inlet (I).
  • FIG. 5(b) it is clearly shown that the plate cutout 121 moves toward the venting inlet (I) with one side as the support axis.
  • a step equal to the thickness of the inner wall of the side frame 112 is formed between the surface of the venting inlet (I) and the gas venting channel (H). Accordingly, one side 121a of the plate cutout 121 connected to the plate main body 122 and the area adjacent thereto may be gently bent by being pressed against the step portion when the plate cutout 121 moves.
  • the venting gas moves to the venting outlet (O) formed on the outer wall of the side frame 112 through the gas venting channel (H) formed in the side frame 112, and is discharged from the venting outlet (O) to the battery. It is discharged to the outside of the pack (100). Accordingly, by reducing the pressure increase per unit time within the battery pack 100, it is possible to prevent thermal runaway from continuously occurring within the battery pack 100.
  • flame in addition to venting gas can be discharged through the venting path, thereby preventing the flame from spreading to other battery cells and modules in addition to the battery cell or module in which thermal runaway occurred.
  • the plate cutout 121 of the venting plate 120 can be moved toward the venting inlet (I), but movement in the opposite direction is blocked by the blocking bracket. .
  • the plate cutout 121 receives pressure in the direction from the gas venting channel (H) toward the venting inlet (I). do.
  • the pressure of the gas venting channel (H) on one side is higher than the pressure of the gas venting channel (H) on the other side, the pressure of the venting gas is increased through the venting inlet (I) connected to the gas venting channel (H) on the other side. It is inflicted.
  • the plate cutout 121 is separated from the plate main body 122 by a cutting line (C). Therefore, in this case, the plate cutout 121 tries to make a cantilever movement by moving toward the inside of the battery pack 100, that is, toward the blocking bracket, centered on one side 121a, due to the pressure of the venting gas.
  • the blocking bracket covers the plate cutout 121 and is fixed to the inner wall of the plate main body 122 and the side frame 112
  • the plate cutout 121 is opposite to the venting inlet (I). Movement in the desired direction is fundamentally blocked. Accordingly, it is possible to reliably prevent venting gas from flowing back into the battery pack 100 from the gas venting channel (H) through the venting inlet (I).
  • the blocking bracket has a peripheral frame 131 coupled to the plate main body 122 and a blocking frame 133 extending in a direction transverse to the peripheral frame 131, and the plate cutout 121 has this It cannot be moved inside the battery pack 100 due to the blocking frame 133. However, since the blocking bracket has a venting hole 132 (venting space) between the blocking frame 133 and the peripheral frame 131, the venting gas in the battery pack 100 flows toward the venting inlet (I). One-way movement is allowed.
  • the battery pack 100 is capable of discharging venting gas to the outside, thereby preventing an increase in pressure inside the pack and effectively blocking the chain occurrence of thermal runaway, while also maintaining the venting plate 120 and the regulating member.
  • (130) (blocking bracket) can prevent backflow of venting gas into the pack, thereby preventing high-temperature venting gas from spreading to adjacent battery cells or battery modules. As a result, the safety of the battery pack 100 of the present invention is further enhanced.
  • a venting inlet (I) and a gas venting channel (H) are formed in the side frames 112c and 112d installed in the horizontal direction, and the venting inlet (I) is formed perpendicular to the side frame 112.
  • a gas venting channel (H) and a venting outlet (O) communicating with the gas venting channel (H) are formed in the side frames 112a, b disposed, the venting gas can be discharged through a longer path. Accordingly, safety can be improved by preventing high-temperature venting gas from being immediately discharged outside the pack. In particular, as the high-temperature and high-pressure venting gas moves through the long path, the temperature and pressure are lowered, thereby further improving safety at the venting outlet (O).
  • Figure 7 is a diagram showing an example of the venting mechanism 113 provided at the venting outlet (O) of the battery pack of the present invention.
  • the venting mechanism unit 113 is provided with a venting cap 114 to prevent venting gas from leaking out of the venting outlet O.
  • the venting cap 114 covers the venting outlet O and extends outward by a predetermined length to form a path that leads the venting gas to the outside. Accordingly, the venting path can be extended by the length of the venting cap 114.
  • a gas sealing member 115 may be installed in the venting outlet O or the venting cap 114.
  • the gas sealing member 115 may be, for example, a sheet-shaped member.
  • the gas sealing member 115 may be deformed above a predetermined pressure and/or temperature to open the venting outlet O to the outside.
  • the gas sealing member 115 may be a rupture sheet configured to rupture when the pressure of the venting gas exceeds a certain pressure.
  • the sheet member may melt above a predetermined temperature and open the venting outlet (O).
  • the sheet member may be made of a film or foam material that is vulnerable to high temperatures.
  • venting cap 114 and the gas sealing member 115 are installed at the venting outlet (O), even if a small amount of venting gas is generated within the battery pack, the venting gas is not discharged to the outside and the battery pack 100 can increase safety. Additionally, by maintaining airtightness within the battery pack 100, the operational stability of the battery pack 100 can be enhanced. In this case, a small amount of venting gas moving to the venting inlet (I) through the cutting line (C) of the venting plate 120 is discharged to the outside of the battery pack 100 by the gas sealing member 115. It can be prevented. However, in reality, it is difficult to keep the inside of the battery pack 100 completely airtight, so a very small amount of venting gas may be released to the outside of the pack through minute gaps in the pack housing 110 other than the gas sealing member 115. It may be possible.
  • the plate cutout 121 moves into the venting inlet (I) using one side, which is a connection portion with the venting plate 120, as a support axis. Accordingly, the venting inlet (I) is clearly opened, so that a large amount of venting gas moves to the gas venting channel (H) through the venting inlet (I), and the battery pack 100 through the opened venting outlet (O). is discharged to the outside.
  • the increase in pressure per unit time within the battery pack 100 can be reduced to prevent thermal runaway from continuously occurring within the battery pack 100.
  • flames in addition to venting gas can be discharged through the venting path, thereby preventing flames from spreading to other battery cells and modules.
  • the plate cutout 121 of the venting plate 120 can be moved toward the venting inlet (I), but movement in the opposite direction is blocked by the blocking bracket. That is, the plate cutout 121 is fundamentally blocked from moving in the direction opposite to the venting inlet (I) by the blocking bracket. Accordingly, it is possible to reliably prevent venting gas from flowing back into the battery pack 100 from the gas venting channel (H) through the venting inlet (I).
  • the present invention can further improve safety in the case where the gas sealing member 115 is not destroyed even when the gas sealing member 115 reaches a set pressure or temperature. For example, if the gas sealing member 115 is not destroyed even though the set pressure or temperature is exceeded, venting gas is not discharged through the venting outlet (O).
  • the venting gas pressure within the gas venting channel (H) increases and becomes greater than the internal pressure of the battery pack 100. Accordingly, the venting gas in the gas venting channel (H) tries to flow back under pressure toward the inside of the battery pack 100. If there is no gas backflow prevention mechanism such as the present invention, the venting gas may flow into the battery pack 100 and instantly spread to battery cells or battery modules where thermal runaway does not occur, causing a chain of explosions.
  • the present invention can prevent backflow of venting gas by providing the venting plate 120 and the regulating member 130, and thus can prevent or delay such serial explosions.
  • the gas sealing member 115 may be destroyed. That is, the inside of the battery pack 100 can be protected by the backflow prevention mechanism until the gas sealing member 115 is destroyed, and further, the time until the gas sealing member 115 is destroyed can be secured. Accordingly, the venting reliability of the battery pack 100 can be improved by securing a temporal margin for operation of the gas sealing member.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a battery pack according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate 120 of FIG. 8.
  • the venting plate 120 of the battery pack shown in FIGS. 2 to 5 has one plate cutout 121 in the plate main body 122.
  • the venting plate 120 is provided with a pair of plate cutouts 121 and 121' on the plate main body 122. That is, in this embodiment, a cutting line C with one side open is formed on the left and right sides of the plate main body 122, and the plate cutouts 121 and 121' surrounded by the cutting line C are lined up.
  • the plate cutouts 121 and 121' are provided in pairs so that they are arranged. In this example, the length of one plate cutout is smaller than the example in FIG. 4.
  • the venting inlet (I) can be opened more easily during venting.
  • the pair of plate cutouts 121 and 121' move together inside the venting inlet (I)
  • the pressure of the venting gas can be uniformly distributed to the space formed by the movement of the pair of plate cutouts 121 and 121'. there is.
  • the pair of plate cutouts 121 and 121' moves to form an open space, the area of the open space to the venting inlet I can be increased compared to the venting plate 120 of FIG. 3. Accordingly, a larger amount of venting gas can be guided to the venting inlet (I).
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a battery pack according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate 120 of FIG. 10.
  • a plurality of gas venting channels (H) of the side frame 112 provided in the pack housing 110 are formed in the height direction. That is, a plurality of gas venting channels (H) are formed at predetermined intervals in the height direction of the side frame 112. In the illustrated embodiment, three gas venting channels (H1, H2, H3) are formed at predetermined intervals in the height direction, but two, four, or more gas venting channels (H) can be formed. . In theory, the required number of gas venting channels (H) in the height direction can be formed within a range permitted by the side wall height of the battery pack.
  • one or a plurality of internal spaces are formed along the moving direction of the extruded member, and the internal spaces can be used as gas venting channels (H). 2 and 3, when one large hollow is formed in the side frame 112 and this is used as a gas venting channel (H), the discharge amount of venting gas can be increased, but the mechanical rigidity of the side frame 112 is reduced. It may be insufficient.
  • the weight of the pack housing 110 can be reduced while increasing the mechanical rigidity of the side frame 112.
  • a plurality of gas venting channels (H1, H2, H3) in the height direction when gas is generated in a specific part along the height direction of the battery cell or battery module, the venting gas is appropriately vented according to the location. It can be guided to the channel (H).
  • venting inlets are formed on the inner wall of the side frame 112, corresponding to each of the gas venting channels (H1, H2, and H3).
  • three venting inlets (I1, I2, I3) are formed on the inner wall of the side frame 112 along the height direction, and these venting inlets (I1, I2, I3) are connected to the gas venting channels (H1, It can be seen that it is connected to H2 and H3), respectively.
  • the venting plate 120 and the regulating member 130 described above are installed on the side.
  • venting inlets I1, I2, and I3 of the inner wall of the frame 112, respectively. That is, three backflow prevention mechanisms (B) of the present invention can be installed corresponding to the number of venting inlets (I1, I2, I3) and gas venting channels (H1, H2, H3).
  • the device configuration is simplified by installing only one backflow prevention mechanism (B) covering the venting inlet (I). That is, only one venting plate 120 and blocking bracket 130, which constitute the backflow prevention mechanism (B), was installed for each venting inlet (I) and gas venting channel (H) to reduce device manufacturing costs. Instead, in order to open and close each venting inlet (I), a plurality of plate cutouts installed in the venting plate 120 were formed corresponding to the number of venting inlets (I). 10 and 11, the venting plate 120 includes one plate body 122, the gas venting channels (H1, H2, H3), and the number of venting inlets (I1, I2, I3).
  • Three plate cuts are provided at predetermined intervals in the height direction to correspond to. That is, three cutting lines C in the shape of a figure with one side open are provided on the plate main body 122 in the height direction. Accordingly, there are three plate cuts (121, 123, and 125) surrounded by the cutting line (C).
  • the plate body portion 122 is formed around each venting inlet (I) of the inner wall of the side frame 112. It covers everything and is coupled to the side frame (112).
  • only one blocking bracket which is the regulating member 130, is provided, and this one blocking bracket can be coupled to the venting plate 120 while covering all of the three plate cutouts 121, 123, and 125.
  • a small amount of venting gas may flow out into the gas venting channels (H1, H2, H3) through the three cutting lines (C).
  • the three plate cutouts 121, 123, and 125 move into each corresponding venting inlet (I1, I2, and I3), as shown in FIG. 11, to release a large amount of venting gas, respectively. It can be guided to the gas venting channels (H1, H2, H3).
  • each plate cutout (121, 123, 125) can open each venting inlet (I1, I2, I3) in the height direction, and the gas venting channel (H1, The venting gas moves to H2 and H3), respectively, and is finally discharged through the venting outlet (O) formed on the outer wall of the side frame 112.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a battery pack according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the operation of the venting plate of FIG. 12.
  • the venting plate 120 of this embodiment has plate cutouts 121 formed in pairs on the left and right sides of the plate main body 122, as shown in FIG. 9.
  • the venting plate 120 has three plate cuts at predetermined intervals in the height direction to correspond to the gas venting channel (H), as shown in FIGS. 10 and 11. Therefore, in this embodiment, three pairs of plate cutouts 121, 121', 123, 123', and 125, 125' are provided in the height direction.
  • This venting plate 120 can have a smaller plate cutout length, so that elastic deformation can be made more easily.
  • the open area of each venting inlet (I) increases as shown in FIG. 13, so that a large amount of venting gas can be more easily discharged into the gas venting channel (H).
  • Figure 14 is a schematic diagram showing a battery pack of another embodiment of the present invention.
  • This embodiment relates to a battery pack 200 in which a plurality of battery modules are accommodated in a pack housing.
  • a plurality of battery modules (M1 to M6), for example, are accommodated on the base plate 211 of the pack housing 210, and the side frame 212 accommodates the six battery modules (M1 to M6). It surrounds and is combined along the edge of the base plate 211 to form the pack housing 210.
  • a plurality of battery cells may be accommodated within the module case of the battery module.
  • an accommodation space for accommodating a plurality of battery cells may be provided in the module case.
  • the battery pack includes a plurality of battery modules, an electrical equipment assembly (not shown), and a pack housing.
  • the electrical assembly can accommodate relay devices, current sensors, fuses, BMS, and MSD (Manual Service Disconnector). These electrical equipment assemblies can be packaged together with battery modules in a pack housing so that they are not exposed to the outside.
  • the pack housing 210 of FIG. 14 has a somewhat different shape from the pack housing of FIG. 1 so that it can accommodate a plurality of battery modules. That is, the pack housing 210 of FIG. 14 has a center frame 214 on the base plate 211 and a partition wall (crossbeam) to partition and install the battery module between the center frame 214 and the side frame 212. (215)) are installed. Side frames 212 are installed on the base plate 211 along the perimeter of the battery modules. Additionally, a pack cover (not shown) covers the battery module and is installed on the top of the side frame 212. That is, the pack cover, side frame 212, base plate 211, center frame 214, and side beam 215 constitute the pack housing 210 that accommodates the module.
  • the side frame 212 has a hollow gas venting channel (H) therein. As shown in FIG. 14, when one gas venting channel (H) is formed along the side frame 212, a venting inlet (I2, I2, I3) each communicates with this one gas venting channel (H) for each battery module. ) can be formed respectively. Additionally, a venting outlet O communicating with the gas venting channel H or a venting mechanism 213 as shown in FIG. 7 may be formed on one outer wall of the side frame 212.
  • venting plate 220 and a blocking bracket 230 are installed on each venting inlet (I).
  • the venting inlet (I) and the backflow prevention mechanisms (B1, B2, and B3) are installed on the inner walls of the side frames 212c and 212d on both sides of the battery module, respectively. Accordingly, venting gas can be discharged from the battery modules disposed on both sides of the battery pack to the venting inlets I2, I2, and I3 in a good balance. Additionally, venting gas can be moved in a good balance from the side frames 212c and 212d on both sides toward the front frame (front side frame 212a) disposed perpendicularly thereto.
  • venting inlets (I2, I2, I3) and backflow prevention mechanisms (B1, B2, B3) are installed on the inner wall of the side frame 112 on the side where the terminal portion of the battery module is formed. Since the module terminal unit is prone to generating venting gas, if venting inlets (I2, I2, I3) are formed on the inner wall of the side frame 112 opposing it, the venting gas can be more easily discharged to the outside.
  • each backflow prevention mechanism (B1, B2, B3) installed on each venting inlet (I2, I2, I3) allows venting gas to be discharged in one direction to the venting inlet (I2, I2, I3). While doing so, it is possible to prevent reverse flow inside the battery module.
  • the backflow prevention mechanism (B1, B2, B3) can prevent the venting gas from flowing back into another adjacent battery module.
  • Figure 15 is a schematic diagram showing a battery pack of another embodiment of the present invention.
  • This embodiment is provided with a plurality of gas venting channels (H1, H2, H3) along the height direction of the side frame 212, as shown in FIG. 12. If the internal space of the side frame 212 is divided by a partition R such as a rib, the internal space can be divided into a plurality of gas venting channels H1, H2, and H3. Additionally, the mechanical rigidity of the side frame 212 can be maintained by the rigidity of the ribs.
  • each gas venting channel (H1, H2, H3) located along the height direction can be assigned as a dedicated gas venting channel for gas venting of each battery module.
  • the uppermost gas venting channel (H1) of the three gas venting channels (H1, H2, H3) along the height direction faces the battery module of M1 so as to communicate with the battery module of M1.
  • a venting inlet (I1) may be formed on the inner wall of the uppermost side frame 212.
  • the middle gas venting channel H2 may form a venting inlet I2 in the middle of the inner wall of the side frame 212 facing the battery module of M2 so as to communicate with the battery module of M2.
  • the gas venting channel H2 at the bottom may form a venting inlet I3 at the bottom of the inner wall of the side frame 212 facing the battery module of M3 so as to communicate with the battery module of M3.
  • venting gas generated from each battery module can be efficiently discharged quickly through each venting inlet (I1, I2, I3). You can.
  • a dedicated gas venting channel (H1, H2, H3) is formed for each module, venting gas generated from one module is transmitted from the venting inlet (I1, I2, I3) location to the gas venting channel (H1, H3) of another module. It is difficult to enter into H2, H3). Accordingly, the backflow phenomenon of venting gas caused by pressure interference between gas venting channels can be further reduced.
  • a venting plate 120 and a blocking bracket 130 can be installed at each of the venting inlets (I1, I2, and I3) arranged along the height direction of each gas venting channel. Therefore, in this embodiment, the safety of the battery pack can be further improved by the dedicated gas venting channels (H1, H2, H3) and the backflow prevention mechanism (B).
  • a dedicated venting plate 120 and a blocking bracket 130 are installed at the venting inlet (I1) of the uppermost gas venting channel (H1) communicating with the battery module of M1. ) can be installed. Additionally, a separate dedicated venting plate 120' and a blocking bracket 130' may be installed at the venting inlet (I2) of the middle gas venting channel (H2). Next, a separate dedicated venting plate 120'' and a blocking bracket 130'' can be installed at the venting inlet (I3) communicating with the lowermost gas venting channel (H3).
  • each venting plate 120, 120', 120''
  • each venting inlet I1, I2, I3
  • the venting gas can be discharged into each gas venting channel (H1, H2, H3).
  • gas venting channels H1, H2, H3
  • a venting inlet communicating with each battery module and the gas venting channel (H) may be formed on the inner wall of the opposing side frame 212, and a venting plate and a blocking bracket may be installed on each venting inlet.
  • each side frame 212 when a plurality of gas venting channels (H1, H2, H3) are formed in each side frame 212 along the height direction, the outlet end of each gas venting channel, that is, the venting outlet formed on the outer wall of the side frame 212 ( In O), the venting gas in each gas venting channel can be converged and discharged.
  • the side frame 212 can be formed so that a plurality of gas venting channels gather near the venting outlet (O).
  • the number of venting outlets (O) can also be determined corresponding to the location where the venting inlet (I) is formed. For example, as shown in FIGS. 1, 6, and 14, when venting inlets (I) are formed on the inner walls of the side frames (112c, 112d) (212c, 212d) disposed on both left and right sides of the battery cell or battery module, respectively, The venting outlet (O) may be formed to correspond to two locations on the left and right sides of the outer walls of the side frames (112a, 212a) disposed perpendicular to the venting inlet (I). Accordingly, venting gas can be discharged in a balanced manner on both sides of the battery pack.
  • a power storage device (not separately shown) including the battery pack with improved safety by preventing backflow while efficiently discharging venting gas.
  • an embodiment of the present invention can provide a car (not separately shown) including the battery pack with improved safety by preventing backflow while efficiently discharging venting gas.

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Abstract

본 발명은 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 수용하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 배터리 팩 내에서 발생하는 벤팅 가스를 사이드 프레임에 형성된 벤팅 입구를 통하여 배터리 팩 외부로 효율적으로 배출하면서, 벤팅 입구를 일방향으로 개폐할 수 있는 역류방지기구에 의하여 상기 벤팅 가스가 배터리 팩 내로 역류하는 것을 방지할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

배터리 팩, 이를 포함하는 전력저장장치 및 자동차
본 발명은 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 수용하는 배터리 팩에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 배터리 팩 내에서 발생하는 벤팅 가스를 배터리 팩 외부로 효율적으로 배출하면서 상기 벤팅 가스가 배터리 팩 내로 역류하는 것을 방지할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 배터리 팩을 포함하는 전력저장장치 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2022.07.06자 한국 특허 출원 제10-2022-0083104호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 이차전지를 포함하는 다수의 배터리 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 이차전지는 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
이차전지는 충방전을 반복하면서 언제든지 사용 중에 내부로부터 가스가 발생할 수 있으며, 이를 벤팅 가스(venting gas)라고 한다. 예를 들어, 과전류가 흐르면 내부의 이차전지가 온도가 급속하게 상승한다. 이러한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 가스가 발생될 수 있다. 배터리 팩에서 내부의 이차전지로부터 가스가 발생할 경우, 이러한 가스가 팩 내부에 포집되어 배터리 팩이 폭발하거나, 배터리 팩의 냉각용 덕트 등을 통해 차량 등의 내부로 유입될 수 있다. 이에 배터리 팩에는 내부의 가스를 외부로 배출시켜 내부 압력을 감소시키는 가스 벤팅 채널 등의 벤팅 기구를 구비하고 있다.
예컨대, 배터리 팩 내에 설치된 복수개의 배터리 모듈 중 하나의 모듈에서 열 폭주가 발생하여 벤팅 가스가 발생한 경우, 상기 벤팅 기구를 통해 벤팅 가스를 배출할 수 있다.
그런데, 상기 벤팅 가스가 외부로 배출되지 못하고 배터리 팩 내로 역류하는 경우가 있다. 예컨대, 상기 가스 벤팅 채널의 벤팅 출구에 설치된 파열 시트가 설정 압력에 도달했음에도 파열되지 않아서 가스 벤팅 채널 내의 압력이 더 크게 되는 경우에 벤팅 가스가 오히려 배터리 팩 내부로 역류할 수 있다. 혹은 복수개의 배터리 모듈에서 열 폭주가 발생한 경우에 열 폭주 압력이 더 큰 배터리 모듈 측으로부터 그보다 압력이 낮은 측의 배터리 모듈로 상기 가스 벤팅 채널을 통하여 벤팅 가스가 역류하는 경우도 상정할 수 있다.
이렇게 되면, 벤팅 가스 배출을 위한 가스 벤팅 채널이 오히려 열 폭주를 다른 모듈로 전달하는 통로가 되어버려, 열 폭주가 동시 다발적으로 발생할 위험성이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국공개특허 제10-2018-0039986호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 벤팅 가스를 원활히 배출함과 동시에 그 역류를 방지함으로써, 열 폭주 전파를 방지 내지 지연시킬 수 있는 배터리 팩, 및 이를 포함하는 전력저장장치 및 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수개의 배터리 셀 또는 복수개의 배터리 모듈이 수용되는 배터리 팩으로서, 가스 벤팅 채널이 내부에 형성되고, 상기 가스 벤팅 채널과 연통하는 벤팅 입구가 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈과 대향하는 내벽의 적어도 1개소에 형성된 사이드 프레임을 포함하는 팩 하우징; 일측변이 개방된 도형 형상의 커팅 라인으로 둘러싸인 플레이트 절개부와, 상기 플레이트 절개부를 둘러싸는 플레이트 본체부를 구비하고, 상기 벤팅 입구를 덮으며 상기 사이드 프레임의 내벽에 결합되는 벤팅 플레이트; 및 상기 벤팅 입구와 반대되는 상기 벤팅 플레이트의 내측에서, 상기 플레이트 절개부를 덮으며 상기 벤팅 플레이트에 결합되는 규제부재를 포함하고, 상기 플레이트 절개부는 상기 플레이트 본체부와 연결되는 일측변을 지지축으로 하여 상기 벤팅 입구 내로의 이동은 가능하지만, 상기 벤팅 입구와 반대되는 방향으로의 이동은 상기 규제부재에 의하여 차단되는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 벤팅 채널은, 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 둘레를 따라 상기 사이드 프레임 내에 형성될 수 있다.
상기 벤팅 입구는 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 양측의 사이드 프레임 내벽에 각각 형성되고, 상기 벤팅 플레이트 및 규제부재는, 상기 벤팅 입구들 상에 각각 설치될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 입구는, 상기 배터리 셀의 단자부 또는 상기 배터리 모듈의 단자부와 대향하는 사이드 프레임 내벽에 형성되고, 상기 벤팅 플레이트 및 규제부재는 상기 벤팅 입구 상에 설치될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 입구는 상기 사이드 프레임의 길이방향을 따라 소정 길이로 형성되고, 상기 플레이트 절개부는 상기 벤팅 입구에 삽입 가능한 크기로 형성될 수 있다.
상기 플레이트 절개부가 상기 벤팅 입구 상에 위치한 상태에서, 상기 플레이트 본체부가 상기 벤팅 입구 둘레의 사이드 프레임 내벽에 결합될 수 있다.
상기 규제부재는, 상기 플레이트 절개부와 대향하는 부분에 벤팅 홀과 상기 플레이트 절개부의 이동을 차단하는 차단 프레임을 구비한 차단 브라켓일 수 있다.
또한, 상기 차단 브라켓의 둘레부와 상기 플레이트 본체부가 체결부재에 의하여 상기 벤팅 입구 둘레의 사이드 프레임 내벽에 함께 체결될 수 있다.
한편, 상기 사이드 프레임의 외벽에 상기 가스 벤팅 채널과 연통되는 벤팅 출구가 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 벤팅 출구는, 상기 벤팅 입구가 형성된 사이드 프레임과 수직으로 배치되는 사이드 프레임 외벽에 형성될 수 있다.
일 실시예의 배터리 팩은 상기 벤팅 출구를 덮으며 외부로 연장되는 벤팅 캡을 구비할 수 있다.
이 경우, 상기 배터리 팩은 상기 벤팅 출구 또는 상기 벤팅 캡 내에 설치되고, 소정 압력 및/또는 소정 온도 이상에서 변형되어 상기 벤팅 출구를 외부로 개방하는 가스 밀봉부재를 더 포함할 수 있다.
상기 플레이트 절개부는, 플레이트 본체부에 쌍으로 형성될 수 있다.
상기 가스 벤팅 채널은 상기 사이드 프레임의 높이방향으로 소정 간격으로 복수개 형성되고, 상기 벤팅 플레이트 및 규제부재는 상기 각 가스 벤팅 채널과 연통되는 사이드 프레임 내벽의 각 벤팅 입구 상에 설치될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 플레이트는, 하나의 플레이트 본체부와, 상기 가스 벤팅 채널에 대응하도록 높이방향으로 소정 간격으로 복수개 형성되는 플레이트 절개부를 구비하고, 상기 각 플레이트 절개부가 각 벤팅 입구 상에 위치한 상태에서 상기 플레이트 본체부가 상기 사이드 프레임 내벽의 각 벤팅 입구 둘레를 모두 덮으며 상기 사이드 프레임에 결합되고, 하나의 규제부재가 상기 플레이트 절개부들을 덮으며 상기 벤팅 플레이트에 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 상술한 배터리 팩을 포함하는 전력저장장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
본 발명은 이상의 다양한 실시예들에 따라, 벤팅 가스를 효율적으로 배터리 팩 외부로 배출할 수 있다.
또한, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 가스 벤팅 채널의 벤팅 가스가 배터리 팩 내부로 역류하는 것을 방지함으로써, 인접하는 배터리 모듈로 열 폭주가 전파되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 배터리 팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 역류방지기구의 결합사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 역류방지기구의 분해사시도이다.
도 4는 도 2의 벤팅 플레이트의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 역류방지기구의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
도 6은 도 1의 배터리 팩으로부터 벤팅 가스가 배출되는 경로를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 배터리 팩에 구비된 벤팅 출구부의 일례를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 9는 도 8의 벤팅 플레이트의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 11은 도 10의 벤팅 플레이트의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 13은 도 12의 벤팅 플레이트의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
(부호의 설명)
10: 배터리 셀 적층체
100,200: 배터리 팩
110,210: 팩 하우징
111,211: 베이스판
112,212: 사이드 프레임
113,213: 벤팅 기구부
114: 벤팅 캡
115: 가스 밀봉부재
B,B1,B2,B3: 역류방지기구
120,220: 벤팅 플레이트
121,121': 플레이트 절개부
123,123 ': 플레이트 절개부
125,125;': 플레이트 절개부
122: 플레이트 본체부
C: 커팅 라인
130,130',130",230: 규제부재(차단 브라켓)
131: 둘레 프레임
132: 벤팅 홀
133: 차단 프레임
H,H1,H2,H3: 가스 벤팅 채널
I, I1,I2,I3: 벤팅 입구
R: 격벽
O: 벤팅 출구
M1~M6: 배터리 모듈
214: 센터 프레임
215: 사이드 빔
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수개의 배터리 셀 또는 복수개의 배터리 모듈이 수용되는 배터리 팩으로서, 가스 벤팅 채널이 내부에 형성되고, 상기 가스 벤팅 채널과 연통하는 벤팅 입구가 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈과 대향하는 내벽의 적어도 1개소에 형성된 사이드 프레임을 포함하는 팩 하우징; 일측변이 개방된 도형 형상의 커팅 라인으로 둘러싸인 플레이트 절개부와, 상기 플레이트 절개부를 둘러싸는 플레이트 본체부를 구비하고, 상기 벤팅 입구를 덮으며 상기 사이드 프레임의 내벽에 결합되는 벤팅 플레이트; 및 상기 벤팅 입구와 반대되는 상기 벤팅 플레이트의 내측에서, 상기 플레이트 절개부를 덮으며 상기 벤팅 플레이트에 결합되는 규제부재를 포함하고, 상기 플레이트 절개부는 상기 플레이트 본체부와 연결되는 일측변을 지지축으로 하여 상기 벤팅 입구 내로의 이동은 가능하지만, 상기 벤팅 입구와 반대되는 방향으로의 이동은 상기 규제부재에 의하여 차단되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 상술한 배터리 팩을 포함하는 전력저장장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 일 실시예의 배터리 팩을 나타내는 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 역류방지기구의 결합사시도 및 분해사시도이고, 도 4는 도 2의 벤팅 플레이트의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 배터리 팩(100)은, 복수개의 배터리 셀 적층체(10), 팩 하우징(110), 벤팅 플레이트(120), 규제부재(130)를 포함한다.
상기 배터리 셀(11)은 이차전지로서, 파우치형 이차전지, 각형 이차전지 또는 원통형 이차전지일 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 상기 배터리 셀은 파우치형 이차전지로 한정하여 설명한다.
상기 배터리 셀(11)은 배터리 팩(100) 내에서 복수개 구비된다. 상기 복수개의 배터리 셀들은 상호 전기적으로 연결될 수 있게 적층되게 배치될 수 있다. 본 발명의 배터리 팩(100)은 도 1과 같이 복수개의 배터리 셀 적층체(10)를 수용할 수도 있지만, 후술하는 다른 실시예와 같이 복수개의 배터리 모듈을 수용할 수도 있다. 배터리 모듈을 수용하는 배터리 팩은 종래 통상 사용되어 왔던 배터리 팩이다. 그러나, 최근 배터리 팩의 구조를 간소화하고, 모듈 없이 배터리 셀로 곧바로 배터리 팩을 구성하는 이른바 셀투팩(CELL TO PACK) 형태의 배터리 팩이 개발되고 있다. 도 1의 배터리 팩(100)도 셀투팩 구조를 의도한 것으로서, 모듈 없이 복수개의 배터리 셀(11)이 수용되어 있다. 배터리 팩 단위의 전기 용량을 얻기 위해서 모듈 내에 구비되는 배터리 셀보다 많은 수의 배터리 셀이 상기 배터리 팩(100) 내에 적층 배치될 수 있다. 혹은, 통상의 배터리 셀보다 큰 대형 및 대용량의 배터리 셀들을 배터리 팩(100) 내에 배치할 수 있다.
상기 팩 하우징(110)은, 상기 배터리 셀 적층체(10)와 전장품 어셈블리(도시하지 않음)를 내부에 수용하는 공간을 형성한다. 또한, 상기 팩 하우징(110)에는 차량의 차체에 결합될 수 있게 소정의 브라켓이 마련되어 있는 구조물이다.
구체적으로, 상기 팩 하우징(110)은 배터리 셀들이 안착되는 베이스판(111)과, 상기 베이스판(111)의 둘레를 따라 형성되는 사이드 프레임(112), 그리고 상기 배터리 셀의 상부를 덮으며 상기 사이드 프레임(112)에 결합되는 팩 커버(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 배터리 모듈을 수용하는 팩 하우징(110)의 구조는 본 실시예와 상이하다.
상기 사이드 프레임(112)은 구체적으로 베이스판(111)의 가장자리 둘레를 따라 수직하게 결합되어 벽체를 형성하는 전방 프레임(112a), 후방 프레임(112b), 우측 프레임(112c) 및 좌측 프레임(112d)으로 구성된다. 특정의 팩 하우징(110)에서는 상기 좌우측 프레임(112c,112d)만을 사이드 프레임(112)으로 지칭하기도 한다. 그러나, 본 발명에서는 팩 하우징(110)의 벽체를 형성하는 모든 프레임에 가스 벤팅 채널 및 후술하는 역류방지기구(B)가 설치될 수 있기 때문에, 전방 프레임(112a) 및 후방 프레임(112b)까지도 사이드 프레임(112)으로 정의될 수 있다.
상기 베이스판(111) 및 프레임들을 용접 및 볼트 체결하여 상기 팩 하우징(110)을 조립할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 사이드 프레임(112)은 내부에 가스 벤팅 채널(H)이 형성되는 중공형의 프레임이다. 예컨대, 내부에 빈 공간이 형성되도록 알루미늄을 압출하여 상기 사이드 프레임(112)을 제작할 수 있다. 이와 같이 프레임들을 중공형으로 구성함으로써, 팩 하우징(110)의 중량을 줄일 수 있다. 또한, 상기 공간에 리브 형태의 격벽을 형성하면, 프레임들의 기계적 강성은 신뢰성 있는 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 이 경우는 후술하는 바와 같이, 격벽에 의하여 프레임 내부에 가스 벤팅 채널(H)을 복수개 형성할 수 있으므로, 가스 배출 효과를 향상시킬 수 있다.
사이드 프레임(112)은 배터리 셀과 대향하는 내벽의 적어도 1개소에 벤팅 가스가 유입되는 벤팅 입구(I)를 구비한다. 상기 벤팅 입구(I)는 사이드 프레임(112) 내부의 가스 벤팅 채널(H)과 연통되어 팩 내부에서 발생하는 벤팅 가스가 상기 벤팅 입구(I) 및 가스 벤팅 채널(H)을 통하여 외부로 배출될 수 있다.
상기 사이드 프레임(112)은 배터리 셀의 둘레를 따라 배치되며, 상기 가스 벤팅 채널(H)도 상기 배터리 셀의 둘레를 따라 사이드 프레임(112) 내에 형성될 수 있다. 따라서, 일부의 배터리 셀에서 벤팅 가스가 발생한 경우, 벤팅 입구(I)로 도입된 상기 벤팅 가스는 사이드 프레임(112)을 따르는 긴 경로의 가스 벤팅 채널(H)을 통하여 배출된다. 이 과정에서 불완전 연소된 벤팅 가스가 완전 연소되거나, 혹은 고온 고압의 벤팅 가스의 온도와 압력을 낮출 수 있다. 즉, 벤팅 경로를 길게 함으로써, 불안정한 벤팅 가스의 상태를 안정화시킬 수 있어 벤팅 가스로 인한 사고의 위험성을 줄일 수 있다.
본 발명의 벤팅 입구(I)는 후술하는 벤팅 플레이트(120)의 일부가 삽입될 수 있도록 사이드 프레임(112)의 길이방향을 따라 소정 길이로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 인접하는 배터리 셀들로 고온의 벤팅 가스가 전파되는 것을 방지하기 위하여, 소정의 역류방지기구(B)를 구비한 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 역류방지기구(B)는 상기 벤팅 입구(I) 상에 설치된다. 가스 벤팅 채널(H)은 좁고, 사이드 프레임(112) 내부에 형성되므로, 가스 벤팅 채널(H)의 통로에 역류방지기구를 설치하기 매우 곤란하다. 예컨대, 체크밸브와 같은 역류방지기구를 가스 벤팅 채널 통로에 설치하기 어렵다. 또한, 통로에 설치하기 위해서는 체크밸브에 포함되는 구성요소들을 더욱 작고 세밀하게 설계하여야 하는 어려움이 있다. 본 발명은 외부로 노출된 사이드 프레임(112) 내벽에 형성된 벤팅 입구(I) 측에 역류방지기구(B)를 설치하므로, 팩 하우징(110)에 용이하게 역류방지기구(B)를 장착할 수 있다. 또한, 벤팅 입구(I) 자체를 차단하도록 역류방지기구(B)를 구성하였으므로, 후술하는 바와 같이 역류방지기구(B)의 구성요소를 비교적 크게 만들 수 있어 제작이 용이하다. 특히, 가스 벤팅 채널의 통로에 체크밸브 등을 설치하는 경우, 체크밸브 이후의 통로 부분에서의 벤팅 가스 역류를 막을 수 있을지 모르지만, 체크밸브 이전, 예컨대 배터리 셀과 체크밸브 사이의 가스 벤팅 채널 부분에 역류가 발생하는 경우에는, 벤팅 가스의 역류를 막을 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 벤팅 입구(I) 자체에 역류방지기구(B)를 설치하여 벤팅 가스가 다른 배터리 셀이나 배터리 모듈로 전파되는 것을 원천적으로 차단할 수 있다는 장점이 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 역류방지기구(B)는, 벤팅 플레이트(120)와 규제부재(130)를 포함하여 구성된다.
상기 벤팅 플레이트(120)는, 일측변이 개방된 도형 형상의 커팅 라인(C)으로 둘러싸인 플레이트 절개부(121)와, 상기 플레이트 절개부(121)를 둘러싸는 플레이트 본체부(122)를 구비한다.
상기 플레이트 절개부(121)의 일측변(121a)은 플레이트 본체부(122)로부터 이어져 있고 커팅 라인(C)이 형성되어 있지 않다. 플레이트 절개부(121)의 다른 측변들은 커팅 라인(C)에 의하여 플레이트 본체부(122)와 분리되어 있다. 따라서, 상기 커팅 라인(C)으로 둘러싸인 플레이트 부분인 플레이트 절개부(121)는, 도 4와 같이 상기 일측변(121a)을 지지축으로 하여 벤팅 입구(I) 측 또는 그 반대측으로의 이동이 가능하다. 예컨대, 벤팅 가스가 가지는 압력에 의하여 상기 플레이트 절개부(121)는 상기 지지축을 중심으로 하여 벤팅 입구(I)로 이동하는 외팔보 운동을 할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 지지축을 중심으로 플레이트 절개부(121)의 일단부가 벤팅 입구(I)나 그 반대방향을 향하여 휘어지는 탄성 변형이 가능하다. 도 2 내지 도 4에서는 상기 커팅 라인(C)이 U자형으로 형성되고 상기 플레이트 절개부(121)는 일측변(121a)이 개방된 대략 직사각형의 형상으로 이루어져 있다. 그러나, 커팅 라인(C) 및 플레이트 절개부(121)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다. 일측변이 플레이트 본체부(122)와 연결되어 있다면, 상기 커팅 라인(C) 및 플레이트 절개부(121)는 일측변이 개방된 삼각형 형상, 또는 일측 부분이 개방된 원형, 타원 형상, 그 외의 다각형 형상도 가능하다. 다만, 상기 플레이트 절개부(121)는 벤팅 입구(I) 내로 이동하여 벤팅 입구(I)를 개방하는 역할을 하므로 그 크기는 상기 벤팅 입구(I)의 크기를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 벤팅 입구(I)가 도 2와 같이 사이드 프레임(112)의 길이방향을 따라 소정 길이로 형성될 수 있다. 즉, 벤팅 입구(I)는 벤팅 가스의 효율적인 배출을 위하여 타원형 또는 장방형의 형태로 길게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 플레이트 절개부(121)도 상기 벤팅 입구(I)에 대응되는 길이로 길게 형성될 수 있으며, 상기 벤팅 입구(I)에 삽입이 가능한 크기로 형성된다.
상기 벤팅 입구(I)는 사이드 프레임(112)의 내벽에서 배터리 팩(100) 내부를 향하여 개방되어 있다. 또한, 상기 벤팅 입구(I)는 가스 벤팅 채널(H)과 연통되어 있으므로, 상기 벤팅 입구(I)와 상기 가스 벤팅 채널(H)과의 사이에는 사이드 프레임(112)의 내벽 두께에 해당하는 짧은 길이의 연통 공간이 형성된다. 상기 플레이트 절개부(121)는, 일측변을 지지축으로 하여 벤팅 입구(I)를 통하여 상기 연통 공간 내로 이동할 수 있다. 즉, 상기 연통 공간은, 벤팅 입구(I)와 가스 벤팅 채널(H)의 사이에서 플레이트 절개부(121)가 이동할 수 있는 여유 공간이 된다.
상기 벤팅 플레이트(120)는 일측변을 중심으로 플레이트 절개부(121)가 탄성 변형할 수 있는 재질의 것을 채택할 수 있다. 다만, 배터리 팩(100) 내에서 발생하는 고온 고압의 벤팅 가스를 견딜 수 있는 재질의 것이어야 한다. 예컨대, 스틸, 스테인레스 등의 금속 재질로 상기 벤팅 플레이트(120)를 만들 수 있다.
도 3과 같이, 상기 벤팅 플레이트(120)는 벤팅 입구(I)를 덮으며 상기 사이드 프레임(112)의 내벽에 결합된다.
구체적으로, 상기 플레이트 절개부(121)가 상기 벤팅 입구(I) 상에 위치한 상태에서 플레이트 본체부(122)가 상기 벤팅 입구(I) 둘레의 사이드 프레임(112) 내벽에 결합된다. 벤팅 플레이트(120)의 결합을 위하여, 도 2와 같이 사이드 프레임(112) 내벽 및 플레이트 본체부(122)의 테두리에는 소정의 체결공(h1,h2)이 형성되어 체결부재에 의하여 벤팅 플레이트(120)를 사이드 프레임(112)의 벤팅 입구부에 결합할 수 있다. 혹은 용접 등 다른 방법에 의해서도 벤팅 플레이트(120)를 사이드 프레임(112)에 결합할 수 있으나 결합 방법은 이에 한정되는 것은 아니다. 플레이트 절개부(121) 주위의 플레이트 본체부(122)는 플레이트 절개부(121) 이동시 이를 지지하는 역할을 하므로, 상기 플레이트 본체부(122)는 상기 사이드 프레임(112) 내벽에 강고하게 결합될 필요가 있다.
도 2를 참조하면, 상기 벤팅 플레이트(120)의 내측, 즉 벤팅 입구(I)와 반대되는 벤팅 플레이트(120)의 측면에는 상기 플레이트 절개부(121)의 이동을 규제하는 규제부재(130)가 위치한다. 상기 규제부재(130)는 적어도 상기 플레이트 절개부(121)를 덮도록 상기 벤팅 플레이트(120)에 결합된다.
상기 규제부재(130)는 플레이트 절개부(121)의 이동을 차단하는 브라켓 형태의 부재일 수 있다. 도 2에는 상기 규제부재(130)로서 벤팅 입구(I) 및 플레이트 절개부(121)의 형태에 대응되는 사각틀 형태의 차단 브라켓이 도시되어 있다. 상기 차단 브라켓은 플레이트 절개부(121)의 이동만을 차단하고, 벤팅 가스의 흐름은 허용하여야 한다. 따라서, 상기 차단 브라켓의 플레이트 절개부(121)와 대향하는 부분에는 벤팅 가스 통로인 벤팅 홀(132)을 구비하고 있다. 또한, 상기 대향 부분인 차단 브라켓의 대략 중앙부분에는 플레이트 절개부(121)의 이동을 차단하기 위한 차단 프레임(133)이 설치되어 있다. 즉, 본 실시예의 차단 브라켓은 사각틀의 둘레 프레임(131)과 벤팅 홀(132) 부근의 차단 프레임(133)에 의하여 벤팅 플레이트(120)의 이동을 규제하고 있다.
상기 차단 브라켓의 크기 및 형상은, 벤팅 플레이트(120)와의 결합 면적, 플레이트 절개부(121)의 차단 용이성 등을 고려하여 적절하게 결정할 수 있다. 또한, 상기 차단 브라켓의 벤팅 홀(132)의 크기, 위치, 개수와 차단 프레임(133)의 형상 및 위치, 둘레 프레임(131)의 크기 및 형상도 플레이트 절개부(121)의 차단 용이성 등을 고려하여 적절하게 변경할 수 있다.
상기 차단 브라켓의 재질은 고온 고압의 벤팅 가스를 견딜 수 있는 금속, 플라스틱 수지 등의 재질을 채용할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 차단 브라켓의 둘레 프레임(131)을 상기 벤팅 플레이트 본체부(122)에 결합할 수 있다. 이 경우, 상기 차단 브라켓의 둘레부(둘레 프레임(131))와 플레이트 본체부(122)를 체결부재에 의하여 상기 벤팅 입구(I) 둘레의 사이드 프레임(112) 내벽에 함께 체결할 수 있다. 따라서, 역류방지기구(B)의 설치작업을 한번의 체결작업에 의하여 용이하게 행할 수 있다. 또한, 상기 차단 브라켓의 둘레 프레임(131)가 상기 플레이트 본체부(122)와 함께 사이드 프레임(112) 내벽에 강고하게 체결되므로, 이 체결부에 의하여 지지되면서 상기 플레이트 절개부(121)가 안정적으로 탄성 변형될 수 있다.
상기 차단 브라켓의 내측에는 배터리 셀 또는 배터리 모듈이 위치하며, 이상 고열 발생시 상기 셀 또는 모듈로부터 벤팅 가스가 발생하여 상기 차단 브라켓 쪽으로 배출될 수 있다.
상기 벤팅 플레이트(120) 및 규제부재(130)(차단 브라켓)을 포함하는 역류방지기구(B)는, 배터리 셀 또는 배터리 모듈과 대향하는 내벽의 적어도 1개소에 설치될 수 있다. 또한, 효율적인 가스 배출을 위하여 상기 벤팅 입구(I)는 적어도 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 양측의 사이드 프레임(112) 내벽에 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 벤팅 플레이트(120) 및 규제부재(130)가 상기 벤팅 입구들 상에 각각 설치될 수 있다(도 1 참조). 벤팅 입구(I)가 양측 사이드 프레임(112)에 형성되면, 배터리 팩(100) 내의 양측에서 발생하는 벤팅 가스를 동시에 배출할 수 있으므로, 신속하게 벤팅 가스를 배출할 수 있다. 또한, 일측의 벤팅 입구(I)로 편중되게 벤팅 가스가 배출되는 것을 방지할 수 있어, 배터리 팩(100) 내의 내압을 밸런스 좋게 유지할 수 있다. 벤팅 입구(I)가 양측 사이드 프레임(112)에 형성될 때, 가스 역류를 방지하기 위하여 상기 벤팅 플레이트(120) 및 규제부재(130)는 양측의 각 벤팅 입구(I) 상에 설치된다.
또한, 배터리 셀의 단자부(12) 또는 배터리 모듈의 단자부는 고열의 벤팅 가스가 발생하기 쉬우므로, 이와 대향하는 사이드 프레임(112) 내벽에 벤팅 입구(I) 및 상기 역류방지기구(B)를 설치하는 것이 바람직하다(도 1 참조).
도 5는 본 발명의 역류방지기구(B)의 작동상태를 나타내는 개략도이고, 도 6은 본 실시예에 따라 벤팅 가스가 배출되는 경로를 나타낸 개략도이다.
도 1과 같이, 사이드 프레임(112)의 외벽에는 상기 가스 벤팅 채널(H)과 연통되는 벤팅 출구(O)가 형성된다. 벤팅 입구(I)와 벤팅 출구(O)의 위치에 따라 사이드 프레임(112)을 통한 가스 벤팅 경로가 달라질 수 있다. 벤팅 출구(O)를 벤팅 입구(I)로부터 멀게 하면 가스 벤팅 경로를 길게 할 수 있다. 바람직하게는, 도 1 및 도 6과 같이 벤팅 입구(I)가 형성된 사이드 프레임(112c,112d)과 수직으로 배치되는 사이드 프레임(112a)의 내벽에 벤팅 출구(O)를 형성하면, 수평방향으로부터 수직방향으로 이어지는 긴 경로의 가스 벤팅 경로를 얻을 수 있다.
도 1, 도 4, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 역류방지기구(B)의 작동을 설명한다.
열 폭주가 발생하지 않은 통상의 배터리 팩(100) 운전상태에서는, 상기 벤팅 플레이트(120)에 의하여 벤팅 입구(I)가 덮여 있으므로 벤팅 가스가 벤팅 입구(I) 및 이와 연통되는 가스 벤팅 채널(H)로 거의 배출되지 않는다. 예컨대, 벤팅 가스의 압력이 플레이트 절개부(121)를 이동시킬 정도로 크지 않은 경우에, 미량의 벤팅 가스가 상기 벤팅 플레이트(120)의 커팅 라인(C), 즉 플레이트 본체부(122)와 플레이트 절개부(121) 사이의 좁은 갭을 통하여 가스 벤팅 채널(H)로 이동될 뿐이다. 이때 배출되는 벤팅 가스의 양은 성기 커팅 라인(C)의 크기에 따라 달라진다. 커팅 라인(C)의 폭과 길이는 상기 플레이트 절개부(121)의 이동에 방해되지 않을 정도로 설정될 수 있다. 예컨대, 커팅 라인(C)의 폭이 크면 플레이트 절개부(121)가 쉽게 이동될 수 있다. 또한, 커팅 라인(C)의 폭과 길이가 크면 보다 많은 양의 벤팅 가스를 가스 벤팅 채널(H)로 보낼 수 있다.
상기 벤팅 출구(O)가 차단되어 있지 않은 경우에는, 이와 같이 미량의 벤팅 가스가 조금씩 외부로 배출되면, 배터리 팩(100) 내의 압력 상승을 방지할 수 있다. 이 경우, 상기 벤팅 플레이트(120)의 커팅 라인(C)은 팩 내의 벤팅 가스를 배출하는 벤팅 홀의 역할을 하게 된다.
한편, 배터리 셀 또는 배터리 모듈에 이상 고열현상이 발생하여 다량의 벤팅 가스가 발생하고, 그 벤팅 가스의 압력이 플레이트 절개부(121)를 움직일 수 있는 소정의 설계압력 이상이 될 경우, 상기 벤팅 플레이트(120)는 변형된다. 즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트 절개부(121)가 벤팅 플레이트(120)와의 연결부인 일측변(121a)을 지지축으로 하여 상기 벤팅 입구(I) 내로 이동하게 된다. 이 때 상기 일측변(121a)과 반대되는 플레이트 절개부(121)의 단부가 벤팅 입구(I)를 향하도록, 상기 플레이트 절개부(121)가 탄성 변형된다. 벤팅 입구(I)를 덮고 있던 플레이트 절개부(121)가 벤팅 입구(I) 내측으로 이동함에 따라, 벤팅 입구(I)가 확실하게 개방된다. 이에 따라 다량의 벤팅 가스가 상기 벤팅 입구(I)를 통하여 가스 벤팅 채널(H)로 이동할 수 있다. 도 5(b)에서는, 플레이트 절개부(121)가 일측변을 지지축으로 하여 벤팅 입구(I)를 향하여 이동하는 것이 잘 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 상기 벤팅 입구(I) 표면과 상기 가스 벤팅 채널(H) 사이에는 사이드 프레임(112)의 내벽 두께만큼 단차가 형성된다. 따라서, 상기 플레이트 본체부(122)와 이어지는 플레이트 절개부(121)의 일측변(121a)과 그에 인접한 부위는, 플레이트 절개부(121)의 이동시에 상기 단차 부분에 눌려져 완만하게 구부러질 수 있다.
도 6과 같이, 상기 벤팅 가스는 사이드 프레임(112) 내에 형성된 가스 벤팅 채널(H)을 통하여 사이드 프레임(112)의 외벽에 형성된 벤팅 출구(O)로 이동하며, 상기 벤팅 출구(O)에서 배터리 팩(100) 외부로 배출된다. 따라서, 배터리 팩(100) 내의 단위시간당 압력 증가를 감소시켜 열 폭주가 배터리 팩(100) 내에서 연쇄적으로 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 벤팅 경로를 통하여 벤팅 가스 외에 화염도 배출할 수 있어 열 폭주가 발생한 배터리 셀 또는 모듈 외에 다른 배터리 셀 및 모듈로 화염이 전파되는 것도 방지할 수 있다.
이 때 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 벤팅 플레이트(120)의 플레이트 절개부(121)는 벤팅 입구(I) 측으로의 이동은 가능하지만, 그와 반대방향으로 이동은 상기 차단 브라켓에 의하여 차단된다. 예컨대, 어떤 이유에서 배터리 팩(100) 외부의 압력이 팩 내부 압력보다 더 높아지는 경우, 상기 플레이트 절개부(121)는 가스 벤팅 채널(H) 측으로부터 벤팅 입구(I)를 향하는 방향의 압력을 받게 된다. 혹은 일측의 가스 벤팅 채널(H)의 압력이 다른 측의 가스 벤팅 채널(H)의 압력보다 높아질 경우, 상기 다른 측의 가스 벤팅 채널(H)과 연결된 벤팅 입구(I)로 벤팅 가스의 압력이 가해지게 된다. 상기 플레이트 절개부(121)는 커팅 라인(C)에 의하여 상기 플레이트 본체부(122)와 분리되어 있다. 따라서, 이 경우 상기 플레이트 절개부(121)는 벤팅 가스의 압력에 의하여 일측변(121a)을 중심으로 배터리 팩(100) 내측, 즉 차단 브라켓을 향하여 이동하는 외팔보 운동을 하려 한다. 그러나, 상기 차단 브라켓은 상기 플레이트 절개부(121)를 덮으면서 상기 플레이트 본체부(122) 및 사이드 프레임(112) 내벽에 고정되어 있으므로, 상기 플레이트 절개부(121)가 벤팅 입구(I)와 반대되는 방향으로 이동하는 것은 원천적으로 차단된다. 이에 의하여, 벤팅 가스가 가스 벤팅 채널(H)로부터 벤팅 입구(I)를 통하여 배터리 팩(100) 내부로 역류하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 상기 차단 브라켓은 플레이트 본체부(122)와 결합되는 둘레 프레임(131)과 상기 둘레 프레임(131)을 가로지르는 방향으로 연장된 차단 프레임(133)을 구비하며, 상기 플레이트 절개부(121)는 이 차단 프레임(133)에 의하여 배터리 팩(100) 내측으로 이동될 수 없다. 다만, 상기 차단 브라켓은 상기 차단 프레임(133)과 둘레 프레임(131) 사이에 벤팅 홀(132)(벤팅 공간)을 구비하고 있으므로, 배터리 팩(100) 내의 벤팅 가스가 벤팅 입구(I)를 향하여 흐르도록 하는 일방향 이동은 허용하고 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 외부로의 벤팅 가스의 배출이 가능하므로 팩 내부의 압력 증가를 방지하고 열 폭주의 연쇄발생을 효과적으로 차단하면서도, 상기 벤팅 플레이트(120)와 규제부재(130)(차단 브라켓)에 의하여 팩 내부로의 벤팅 가스의 역류를 방지하여 인접한 배터리 셀 또는 배터리 모듈로 고온의 벤팅 가스가 전파되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의하여 본 발명의 배터리 팩(100)의 안전성은 한층 강화된다.
또한, 도 6과 같이 수평방향으로 설치되는 사이드 프레임(112c,112d)에 벤팅 입구(I) 및 가스 벤팅 채널(H)을 형성하고, 상기 벤팅 입구(I)가 형성된 사이드 프레임(112)과 수직으로 배치되는 사이드 프레임(112a,b)에 상기 가스 벤팅 채널(H)과 연통하는 가스 벤팅 채널(H) 및 벤팅 출구(O)를 형성하면, 보다 긴 경로를 통하여 벤팅 가스를 배출할 수 있다. 이에 따라, 고온의 벤팅 가스가 곧바로 팩 외부로 배출되는 것을 차단하여 안전성을 높일 수 있다. 특히, 고온 고압의 벤팅 가스가 상기 긴 경로를 통하여 이동함에 따라 온도 및 압력이 낮아져서 벤팅 출구(O)에서의 안전성을 한층 더 개선할 수 있다.
도 7은 본 발명의 배터리 팩의 벤팅 출구(O)에 구비된 벤팅 기구부(113)의 일례를 나타낸 도면이다.
상기 벤팅 기구부(113)는, 상기 벤팅 출구(O)에 벤팅 가스의 유출을 막기 위한 벤팅 캡(114)를 구비하고 있다. 상기 벤팅 캡(114)은 벤팅 출구(O)를 덮으며 소정 길이만큼 외부로 연장되어 벤팅 가스를 외부로 유도하는 경로를 형성한다. 따라서, 상기 벤팅 캡(114)의 길이만큼 벤팅 경로를 연장할 수 있다.
상기 벤팅 출구(O) 또는 상기 벤팅 캡(114) 내에는 가스 밀봉부재(115)가 설치될 수 있다. 상기 가스 밀봉부재(115)는 예컨대 시트 형상의 부재일 수 있다. 상기 가스 밀봉부재(115)는 소정 압력 및/또는 소정 온도 이상에서 변형되어 상기 벤팅 출구(O)를 외부로 개방할 수 있다. 예컨대, 상기 가스 밀봉부재(115)는 벤팅 가스의 압력이 일정 압력 이상이 될 경우 파열되도록 구성된 파열시트일 수 있다. 혹은 상기 시트부재는 소정 온도 이상에서 녹으면서 상기 벤팅 출구(O)를 개방시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 시트 부재는 고온에 취약한 필름 또는 폼(foam) 물질로 마련될 수 있다.
상기 벤팅 캡(114) 및 가스 밀봉부재(115)가 벤팅 출구(O)에 설치는 경우에는, 미량의 벤팅 가스가 배터리 팩 내에서 발생하더라도, 벤팅 가스가 외부로 배출되지 않아서 배터리 팩(100)의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 배터리 팩(100) 내의 기밀성을 유지함으로써, 배터리 팩(100)의 작동 안정성을 강화할 수 있다. 이 경우, 상기 벤팅 플레이트(120)의 커팅 라인(C)을 통하여 상기 벤팅 입구(I)로 이동되는 미량의 벤팅 가스는 상기 가스 밀봉부재(115)에 의하여 배터리 팩(100) 외부로 배출되는 것이 방지될 수 있다. 다만, 실제로는 배터리 팩(100) 내를 완전하게 기밀로 유지하는 것은 어렵기 때문에, 상기 가스 밀봉부재(115) 외의 팩 하우징(110)의 미세한 틈을 통하여 극미량의 벤팅 가스가 팩 외부로 방출될 수도 있다.
도 7의 벤팅 캡(114) 및 가스 밀봉부재(115)를 구비한 배터리 팩(100)의 경우, 배터리 셀 또는 배터리 모듈에 이상 고열현상이 발생하여 다량의 벤팅 가스가 발생하고, 팩 내부의 압력이 상기 가스 밀봉부재(115)의 설정된 파열압력을 초과할 경우, 상기 가스 밀봉부재(115)는 파열되어 벤팅 출구(O)가 개방된다. 혹은, 가스 밀봉부재(115)의 내열 한도를 초과하는 고온의 벤팅 가스가 배출될 경우 가스 밀봉부재(115)가 녹아서 상기 벤팅 출구(O)가 개방될 수 있다.
이 경우, 상기 벤팅 가스의 압력에 의하여, 상기 플레이트 절개부(121)가 벤팅 플레이트(120)와의 연결부인 일측변을 지지축으로 하여 상기 벤팅 입구(I) 내로 이동한다. 이에 따라, 벤팅 입구(I)가 확실하게 개방되어 다량의 벤팅 가스가 벤팅 입구(I)를 통하여 가스 벤팅 채널(H)로 이동되고, 상기 개방된 벤팅 출구(O)를 통하여 배터리 팩(100) 외부로 배출된다.
이에 따라, 배터리 팩(100) 내의 단위시간당 압력 증가를 감소시켜 열 폭주가 배터리 팩(100) 내에서 연쇄적으로 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 벤팅 경로를 통하여 벤팅 가스 외에 화염도 배출할 수 있어 다른 배터리 셀 및 모듈로 화염이 전파되는 것도 방지할 수 있다.
이 때, 상기 벤팅 플레이트(120)의 플레이트 절개부(121)는 벤팅 입구(I) 측으로의 이동은 가능하지만, 그와 반대방향으로 이동은 상기 차단 브라켓에 의하여 차단된다. 즉, 상기 차단 브라켓에 의하여, 상기 플레이트 절개부(121)가 벤팅 입구(I)와 반대되는 방향으로 이동되는 것은 원천적으로 차단된다. 이에 의하여, 벤팅 가스가 가스 벤팅 채널(H)로부터 벤팅 입구(I)를 통하여 배터리 팩(100) 내부로 역류하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 특히, 본 발명은 상기 가스 밀봉부재(115)가 설정된 압력 또는 온도에 이르렀음에도 파괴되지 않는 경우의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어 상기 가스 밀봉부재(115)가 설정압력 또는 온도를 초과하였음에도 파괴되지 않으면, 벤팅 가스가 상기 벤팅 출구(O)를 통하여 배출되지 않는다. 이 경우, 가스 벤팅 채널(H) 내의 벤팅 가스 압력이 상승하여 배터리 팩(100) 내부 압력보다 커진다. 따라서, 가스 벤팅 채널(H) 내의 벤팅 가스가 배터리 팩(100) 내부로 향하는 압력을 받아 역류하려 한다. 만약, 본 발명과 같은 가스 역류방지기구가 없다면, 상기 벤팅 가스가 배터리 팩(100) 내부로 유입하여 열 폭주가 발생하지 않는 배터리 셀 또는 배터리 모듈로 순식간에 전파되어 연쇄적인 폭발을 일으킬 수 있다. 그러나, 본 발명은 벤팅 플레이트(120) 및 규제부재(130)를 구비하여 벤팅 가스의 역류를 방지할 수 있으므로, 이러한 연쇄적인 폭발을 방지 또는 지연시킬 수 있다. 또한, 벤팅 가스의 역류가 방지되는 동안에 가스 벤팅 채널(H)의 압력이나 온도가 더욱 높아지면, 상기 가스 밀봉부재(115)가 파괴될 수 있다. 즉, 가스 밀봉부재(115)가 파괴될 때까지 배터리 팩(100) 내부는 상기 역류방지기구에 의하여 보호될 수 있으며, 나아가서 상기 가스 밀봉부재(115) 파괴시까지의 시간을 확보할 수 있다. 이에 따라 상기 가스 밀봉부재의 작동을 위한 시간적인 마진을 확보하여 배터리 팩(100)의 벤팅 신뢰성도 개선할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 8은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이고, 도 9는 도 8의 벤팅 플레이트(120)의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 2 내지 도 5에 도시된 배터리 팩의 벤팅 플레이트(120)는 플레이트 본체부(122)에 1개의 플레이트 절개부(121)를 구비하고 있다. 본 실시예에서는 상기 벤팅 플레이트(120)가, 플레이트 본체부(122)에 쌍으로 플레이트 절개부(121,121')를 구비하고 있다. 즉, 본 실시예에서는, 플레이트 본체부(122)의 좌측과 우측에 각각 일측변이 개방된 커팅 라인(C)을 형성하고, 상기 커팅 라인(C)으로 둘러싸인 플레이트 절개부(121,121')가 일렬로 배열되도록 상기 플레이트 절개부(121,121')를 한 쌍으로 구비하고 있다. 본 예에서는, 1개의 플레이트 절개부의 길이가 도 4의 예에 비하여 작다. 길이가 작은 플레이트 절개부(121,121')는 탄성 변형이 용이하므로 보다 작은 가스 압력으로도 외팔보 운동이 가능하여 벤팅시의 벤팅 입구(I) 개방이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 한 쌍의 플레이트 절개부(121,121')가 벤팅 입구(I) 내측으로 함께 이동하므로, 벤팅 가스의 압력을 한쌍의 플레이트 절개부(121,121')의 이동에 의하여 형성된 공간으로 각각 균일하게 배분할 수 있다. 또한, 한쌍의 플레이트 절개부(121,121')가 이동하여 각각 개방공간을 형성하므로 도 3의 벤팅 플레이트(120)보다 벤팅 입구(I)로의 개방공간의 면적을 크게 할 수 있다. 따라서, 보다 많은 양의 벤팅 가스를 벤팅 입구(I)로 유도할 수 있다.
(제3 실시형태)
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이고, 도 11은 도 10의 벤팅 플레이트(120)의 동작을 나타내는 개략도이다.
본 실시예는 팩 하우징(110)이 구비하는 사이드 프레임(112)의 가스 벤팅 채널(H)을 높이방향으로 복수개 형성하고 있다. 즉, 상기 가스 벤팅 채널(H)이 사이드 프레임(112)의 높이방향으로 소정 간격으로 복수개 형성된 것이다. 도시된 실시예에서는 높이방향으로 소정 간격을 두고 3개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)이 형성되어 있으나, 2개 또는 4개 또는 그 이상의 개수로 가스 벤팅 채널(H)을 형성할 수 있다. 이론적으로는, 배터리 팩의 측벽 높이가 허용하는 범위에서 가스 벤팅 채널(H)의 개수를 높이방향으로 필요한 개수만큼 형성할 수 있다.
예컨대, 상기 사이드 프레임(112)을 압출 가공에 의하여 제작하는 경우 압출부재의 진행방향을 따라 1개 또는 복수개의 내부 공간이 형성되고 상기 내부 공간을 가스 벤팅 채널(H)로 할 수 있다. 도 2 및 도 3과 같이, 사이드 프레임(112)에 1개의 큰 중공을 형성하고 이를 가스 벤팅 채널(H)로 한 경우, 벤팅 가스의 배출량은 늘릴 수 있지만, 사이드 프레임(112)의 기계적 강성이 부족할 수 있다.
반면, 도 10과 같이 상기 중공 공간에 리브 형태의 격벽(R)을 형성하면, 사이드 프레임(112)의 기계적 강성을 높이면서 팩 하우징(110)의 중량을 줄일 수 있다. 또한, 높이방향으로 복수개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)을 형성함으로써, 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 높이방향을 따른 특정 부분에서 가스가 발생할 경우, 그 위치에 따라 벤팅 가스를 적절하게 가스 벤팅 채널(H)로 유도할 수 있다.
이 경우, 사이드 프레임(112) 내벽에는 상기 각 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)에 대응하여 벤팅 입구도 3개 형성된다. 도 10을 참조하면, 높이방향을 따라 3개의 벤팅 입구(I1,I2,I3)가 사이드 프레임(112) 내벽에 형성되고, 이 벤팅 입구(I1,I2,I3)가 상기 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)과 각각 연통됨을 알 수 있다. 이 경우, 상기 각 벤팅 입구(I1,I2,I3)로 벤팅 가스를 이동시키며, 배터리 내측으로 벤팅 가스가 역류되는 것을 방지하기 위하여, 상술한 벤팅 플레이트(120) 및 규제부재(130)가 상기 사이드 프레임(112) 내벽의 벤팅 입구(I1,I2,I3) 상에 각각 설치될 수 있다. 즉, 본 발명의 역류방지기구(B)도, 벤팅 입구(I1,I2,I3) 및 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)의 개수에 대응하여 3개 설치할 수 있다.
그러나, 도 10의 실시예에서는, 벤팅 입구(I)를 덮는 역류방지기구(B)를 1개만 설치하여 장치 구성을 간소화하고 있다. 즉, 역류방지기구(B)를 구성하는 벤팅 플레이트(120) 및 차단 브라켓(130)은 각 벤팅 입구(I) 및 가스 벤팅 채널(H)에 대하여 1개만 설치하여 장치 제작비용을 절감하도록 하였다. 대신, 상기 각 벤팅 입구(I)의 개폐를 위하여, 상기 벤팅 플레이트(120)에 설치되는 플레이트 절개부를 벤팅 입구(I)의 수에 대응하여 복수개 형성하였다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 벤팅 플레이트(120)는, 하나의 플레이트 본체부(122)와, 상기 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3) 및 벤팅 입구(I1,I2,I3)의 개수에 대응하도록 높이방향으로 소정 간격으로 3개의 플레이트 절개부(121,123,125)가 구비되어 있다. 즉, 일측변이 개방된 도형 형상의 커팅 라인(C)이 상기 플레이트 본체부(122) 상에 높이방향으로 3개 구비된다. 따라서, 상기 커팅 라인(C)으로 둘러싸인 플레이트 절개부(121,123,125)도 3개이다.
상기 각각의 플레이트 절개부(121,123,125)가 각각의 벤팅 입구(I1,I2,I3) 상에 위치한 상태에서, 상기 플레이트 본체부(122)는 상기 사이드 프레임(112) 내벽의 각 벤팅 입구(I) 둘레를 모두 덮으며 사이드 프레임(112)에 결합된다.
또한, 규제부재(130)인 상기 차단 브라켓도 1개만 구비되고, 이 1개의 차단 브라켓이 상기 3개의 플레이트 절개부(121,123,125)를 모두 덮으면서 상기 벤팅 플레이트(120)에 결합될 수 있다.
본 실시예에서, 미량의 벤팅 가스는 상기 3개의 커팅 라인(C)을 통하여 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)로 유출될 수 있다. 다량의 벤팅 가스가 발생하여 설정된 압력 이상이 될 경우, 도 11과 같이 상기 3개의 플레이트 절개부(121,123,125)가 각각의 대응하는 벤팅 입구(I1,I2,I3) 내로 이동하여 다량의 벤팅 가스를 각각의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)로 유도할 수 있다. 이 경우, 각 플레이트 절개부(121,123,125)가 높이방향으로 각각의 벤팅 입구(I1,I2,I3)를 개방할 수 있으며, 상기 각 벤팅 입구(I1,I2,I3)와 연결된 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)로 벤팅 가스가 각각 이동하여, 최종적으로 사이드 프레임(112) 외벽에 형성된 벤팅 출구(O)로 상기 벤팅 가스가 배출될 수 있다.
(제4 실시형태)
도 12는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이고, 도 13은 도 12의 벤팅 플레이트의 동작을 나타내는 개략도이다.
본 실시예의 벤팅 플레이트(120)는 도 9와 같이 플레이트 절개부(121)가 플레이트 본체부(122)의 좌측과 우측에 쌍으로 형성된 것이다. 또한, 상기 벤팅 플레이트(120)는 도 10 및 도 11에서와 같이 가스 벤팅 채널(H)에 대응하도록 높이방향으로 소정 간격으로 플레이트 절개부를 3개 구비하고 있다. 따라서, 본 실시예에서는 높이방향으로 3쌍의 플레이트 절개부(121,121')(123,123')(125,125')를 구비한다.
이 벤팅 플레이트(120)도, 도 9의 벤팅 플레이트(120)와 같이 플레이트 절개부의 길이를 작게 할 수 있으므로 탄성 변형을 보다 용이하게 할 수 있다. 또한, 플레이트 절개부의 수가 증가하는 만큼 도 13과 같이 각 벤팅 입구(I)로의 개방 면적이 증가하여 다량의 벤팅 가스를 보다 쉽게 가스 벤팅 채널(H)로 배출할 수 있다.
(제5 실시형태)
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
본 실시형태는, 팩 하우징 내에 복수개의 배터리 모듈이 수용되는 배터리 팩(200)에 관한 것이다.
도시된 바와 같이, 팩 하우징(210)의 베이스판(211) 상에 복수개, 예컨대 6개의 배터리 모듈(M1~M6)이 수용되고, 사이드 프레임(212)은 상기 6개의 배터리 모듈(M1~M6)을 둘러싸며 상기 베이스판(211)의 가장자리를 따라 결합되어 팩 하우징(210)을 형성한다.
배터리 모듈의 모듈 케이스 내에는 복수개의 배터리 셀이 수용될 수 있다. 이를 위해 상기 모듈 케이스에는 복수개의 배터리 셀을 수용하기 위한 수용공간이 마련될 수 있다. 상기 배터리 팩은 복수개의 배터리 모듈, 전장품 어셈블리(도시하지 않음), 팩 하우징을 포함한다.
전장품 어셈블리는 릴레이 장치, 전류 센서, 퓨즈, BMS, MSD(Manual Service Disconnector) 등을 수용할 수 있다. 이러한 전장품 어셈블리는 배터리 모듈들과 함께 팩 하우징에 의해 외부에 노출되지 않게 패키징될 수 있다.
도 14의 팩 하우징(210)은, 복수개의 배터리 모듈을 수용할 수 있도록 도 1의 팩 하우징과 형태가 다소 상이하다. 즉, 도 14의 팩 하우징(210)은 베이스판(211) 상에 센터 프레임(214)과, 상기 센터 프레임(214)과 사이드 프레임(212) 사이에 배터리 모듈을 구획 설치할 수 있도록 격벽(크로스빔(215))들이 설치된다. 배터리 모듈들의 둘레를 따라서 사이드 프레임(212)이 베이스판(211) 상에 설치된다. 또한, 팩 커버(도시하지 않음)가 상기 배터리 모듈을 덮으며 사이드 프레임(212) 상부에 설치된다. 즉, 팩 커버, 사이드 프레임(212), 베이스판(211), 센터 프레임(214), 사이드빔(215)이 모듈을 수용하는 팩 하우징(210)을 구성한다.
상기 사이드 프레임(212)은 내부에 중공형의 가스 벤팅 채널(H)을 구비한다. 도 14와 같이, 사이드 프레임(212)을 따라 1개의 가스 벤팅 채널(H)을 형성하는 경우, 각 배터리 모듈 별로 이 1개의 가스 벤팅 채널(H)과 각각 연통되는 벤팅 입구(I2,I2,I3)를 각각 형성할 수 있다. 또한, 사이드 프레임(212)의 일측 외벽에는 상기 가스 벤팅 채널(H)과 연통하는 벤팅 출구(O) 또는 도 7에 도시된 것과 같은 벤팅 기구부(213)가 형성될 수 있다.
상기 각 벤팅 입구(I) 상에 본 발명에 따른 벤팅 플레이트(220) 및 차단 브라켓(230)이 설치된다. 이 경우, 도 14에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 양측의 사이드 프레임(212c,212d) 내벽에 벤팅 입구(I)와 상기 역류방지기구(B1,B2,B3)가 각각 설치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 배터리 팩 내부의 양측에 배치된 배터리 모듈로부터 벤팅 가스를 밸런스 좋게 상기 벤팅 입구(I2,I2,I3)로 배출할 수 있다. 또한, 양측의 사이드 프레임(212c,212d)으로부터 이와 수직으로 배치된 전방 프레임(전방 사이드 프레임(212a))을 향하여 벤팅 가스를 밸런스 좋게 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈의 단자부가 형성된 측의 사이드 프레임(112) 내벽에 벤팅 입구(I2,I2,I3) 및 역류방지기구(B1,B2,B3)가 설치되는 것이 바람직하다. 모듈 단자부는 벤팅 가스가 발생하기 쉬우므로 이와 대향하는 사이드 프레임(112) 내벽에 벤팅 입구(I2,I2,I3)를 형성하면, 벤팅 가스를 보다 용이하게 외부로 배출할 수 있다.
본 실시예에서도 각 벤팅 입구(I2,I2,I3) 상에 설치되는 각각의 역류방지기구(B1,B2,B3)는 벤팅 가스를 벤팅 입구(I2,I2,I3)로 일방향으로 배출할 수 있게 하면서, 배터리 모듈 내측으로 역류되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 특정 배터리 모듈로부터 배출되는 벤팅 가스의 압력이 높을 경우에도, 상기 역류방지기구(B1,B2,B3)에 의하여, 그 벤팅 가스가 인접하는 다른 배터리 모듈로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
(제6 실시형태)
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
본 실시예는, 도 12와 같이 사이드 프레임(212)의 높이방향을 따라 복수개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)을 구비한 것이다. 사이드 프레임(212)의 내부 공간을 리브와 같은 격벽(R)에 의하여 구획하면 상기 내부 공간을 복수개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)로 할 수 있다. 또한, 상기 리브의 강성에 의하여 사이드 프레임(212)의 기계적 강성을 유지할 수 있다.
이 경우 높이방향을 따라 위치하는 각 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)을 각 배터리 모듈의 가스 벤팅을 위한 전용의 가스 벤팅 채널로 할당할 수 있다.
즉, 도 15에 도시된 바와 같이, 높이방향을 따르는 3개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3) 중 최상단의 가스 벤팅 채널(H1)은 M1의 배터리 모듈과 연통되도록 M1의 배터리 모듈과 대향하는 최상단의 사이드 프레임(212) 내벽에 벤팅 입구(I1)를 형성할 수 있다. 또한, 중간의 가스 벤팅 채널(H2)은 M2의 배터리 모듈과 연통되도록 M2의 배터리 모듈과 대향하는 사이드 프레임(212) 내벽 중간부에 벤팅 입구(I2)를 형성할 수 있다. 또한, 최하단의 가스 벤팅 채널(H2)은 M3의 배터리 모듈과 연통되도록 M3의 배터리 모듈과 대향하는 사이드 프레임(212) 내벽 최하단에 벤팅 입구(I3)를 형성할 수 있다. 이렇게 하면, 배터리 팩 내에서 인접하는 배터리 모듈 간에 고온의 벤팅 가스가 유동하는 것을 방지하면서, 각각의 벤팅 입구(I1,I2,I3)로 신속하게 각 배터리 모듈에서 발생하는 벤팅 가스를 효율적으로 배출할 수 있다. 또한, 각 모듈 별로 전용의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)이 형성되므로, 하나의 모듈에서 발생하는 벤팅 가스가 벤팅 입구(I1,I2,I3) 위치에서 다른 모듈의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)로 유입되기 어렵다. 따라서, 가스 벤팅 채널 간의 압력 간섭에 의하여 발생하는 벤팅 가스의 역류 현상을 더욱 줄일 수 있다.
또한, 상기 각 가스 벤팅 채널의 높이방향을 따라 배열되는 벤팅 입구(I1,I2,I3) 에 각각 벤팅 플레이트(120) 및 차단 브라켓(130)을 설치할 수 있다. 따라서, 본 실시예는, 상기 전용의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)과 역류방지기구(B)에 의하여 배터리 팩의 안전성을 더욱 높일 수 있다.
즉, 상기 3개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3) 중 M1의 배터리 모듈과 연통되는 최상단의 가스 벤팅 채널(H1)의 벤팅 입구(I1)에는 전용의 벤팅 플레이트(120) 및 차단 브라켓(130)이 설치될 수 있다. 또한, 중간의 가스 벤팅 채널(H2)의 벤팅 입구(I2)에도 별도의 전용 벤팅 플레이트(120') 및 차단 브라켓(130')이 설치될 수 있다. 다음으로, 최하단의 가스 벤팅 채널(H3)과 연통하는 벤팅 입구(I3)에 별도의 전용 벤팅 플레이트(120'') 및 차단 브라켓(130'')을 설치할 수 있다. 이에 의하여, 벤팅 가스 발생시 각 벤팅 플레이트(120,120',120'')의 플레이트 본체부(122,122',122'')로부터 플레이트 절개부(121,121',121'')가 각 벤팅 입구(I1,I2,I3) 내로 이동하여 벤팅 가스를 각 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)로 배출할 수 있게 된다.
한편, M1, M2, M3와 반대측에 배치된 M4, M5, M6과 대향하는 사이드 프레임(212)에도 동일하게 높이방향을 따라 3개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 대향하는 사이드 프레임(212)의 내벽에도 각 배터리 모듈 및 가스 벤팅 채널(H)과 연통하는 벤팅 입구를 형성하고, 각 벤팅 입구 상에 벤팅 플레이트 및 차단 브라켓을 각각 설치할 수 있다.
이에 따라, 각 배터리 모듈로부터 그 모듈별로 할당된 각 가스 벤팅 채널로 효율적으로 벤팅 가스를 배출하면서도, 상기 가스 벤팅 채널로부터 각 배터리 모듈로의 가스 역류를 방지할 수 있다.
한편, 높이방향을 따라 복수개의 가스 벤팅 채널(H1,H2,H3)이 각 사이드 프레임(212)에 형성되는 경우, 각 가스 벤팅 채널의 출구단, 즉 사이드 프레임(212) 외벽에 형성된 벤팅 출구(O)에서는 각 가스 벤팅 채널의 벤팅 가스가 수렴되어 배출되도록 할 수 있다. 이를 위하여, 복수개의 가스 벤팅 채널은 벤팅 출구(O) 부근에서 모이도록 사이드 프레임(212)을 성형할 수 있다.
상기 벤팅 출구(O)의 개수도 벤팅 입구(I)가 형성되는 위치에 대응하여 결정할 수 있다. 예를 들어 도 1, 도 6 및 도 14와 같이, 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 좌우 양측에 배치된 사이드 프레임(112c,112d)(212c,212d) 내벽에 벤팅 입구(I)를 각각 형성할 경우, 상기 벤팅 출구(O)는 벤팅 입구(I)와 수직되게 배치된 사이드 프레임(112a,212a) 외벽에 있어서 좌우 양측의 2개소에 대응되도록 각각 형성할 수 있다. 이에 따라 배터리 팩 양측으로 벤팅 가스가 밸런스 좋게 배출될 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 벤팅 가스를 효율적으로 배출하면서도 역류를 방지함으로써, 안전성이 향상된 상기 배터리 팩을 포함하는 전력저장장치(별도로 도시하지 않음)를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 벤팅 가스를 효율적으로 배출하면서도 역류를 방지함으로써, 안전성이 향상된 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차(별도로 도시하지 않음)를 제공할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.

Claims (17)

  1. 복수개의 배터리 셀 또는 복수개의 배터리 모듈이 수용되는 배터리 팩으로서,
    가스 벤팅 채널이 내부에 형성되고, 상기 가스 벤팅 채널과 연통하는 벤팅 입구가 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈과 대향하는 내벽의 적어도 1개소에 형성된 사이드 프레임을 포함하는 팩 하우징;
    일측변이 개방된 도형 형상의 커팅 라인으로 둘러싸인 플레이트 절개부와, 상기 플레이트 절개부를 둘러싸는 플레이트 본체부를 구비하고, 상기 벤팅 입구를 덮으며 상기 사이드 프레임의 내벽에 결합되는 벤팅 플레이트; 및
    상기 벤팅 입구와 반대되는 상기 벤팅 플레이트의 내측에서, 상기 플레이트 절개부를 덮으며 상기 벤팅 플레이트에 결합되는 규제부재를 포함하고,
    상기 플레이트 절개부는 상기 플레이트 본체부와 연결되는 일측변을 지지축으로 하여 상기 벤팅 입구 내로의 이동은 가능하지만, 상기 벤팅 입구와 반대되는 방향으로의 이동은 상기 규제부재에 의하여 차단되는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 채널은, 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 둘레를 따라 상기 사이드 프레임 내에 형성되는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 입구는 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 양측의 사이드 프레임 내벽에 각각 형성되고,
    상기 벤팅 플레이트 및 규제부재는, 상기 벤팅 입구들 상에 각각 설치되는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 입구는, 상기 배터리 셀의 단자부 또는 상기 배터리 모듈의 단자부와 대향하는 사이드 프레임 내벽에 형성되고,
    상기 벤팅 플레이트 및 규제부재는 상기 벤팅 입구 상에 설치되는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 입구는 상기 사이드 프레임의 길이방향을 따라 소정 길이로 형성되고, 상기 플레이트 절개부는 상기 벤팅 입구에 삽입 가능한 크기로 형성되는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트 절개부가 상기 벤팅 입구 상에 위치한 상태에서, 상기 플레이트 본체부가 상기 벤팅 입구 둘레의 사이드 프레임 내벽에 결합되는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 규제부재는, 상기 플레이트 절개부와 대향하는 부분에 벤팅 홀과 상기 플레이트 절개부의 이동을 차단하는 차단프레임을 구비한 차단 브라켓인 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차단 브라켓의 둘레부와 상기 플레이트 본체부가 체결부재에 의하여 상기 벤팅 입구 둘레의 사이드 프레임 내벽에 함께 체결되는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 사이드 프레임의 외벽에 상기 가스 벤팅 채널과 연통되는 벤팅 출구가 형성되는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 벤팅 출구는, 상기 벤팅 입구가 형성된 사이드 프레임과 수직으로 배치되는 사이드 프레임 외벽에 형성되는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 벤팅 출구를 덮으며 외부로 연장되는 벤팅 캡을 구비한 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 벤팅 출구 또는 상기 벤팅 캡 내에 설치되고, 소정 압력 및/또는 소정 온도 이상에서 변형되어 상기 벤팅 출구를 외부로 개방하는 가스 밀봉부재를 더 포함하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트 절개부는, 상기 플레이트 본체부에 쌍으로 형성되는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 채널은 상기 사이드 프레임의 높이방향으로 소정 간격으로 복수개 형성되고,
    상기 벤팅 플레이트 및 규제부재는 상기 각 가스 벤팅 채널과 연통되는 사이드 프레임 내벽의 각 벤팅 입구 상에 설치되는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 벤팅 플레이트는, 하나의 플레이트 본체부와, 상기 가스 벤팅 채널에 대응하도록 높이방향으로 소정 간격으로 복수개 형성되는 플레이트 절개부를 구비하고,
    상기 각 플레이트 절개부가 각 벤팅 입구 상에 위치한 상태에서 상기 플레이트 본체부가 상기 사이드 프레임 내벽의 각 벤팅 입구 둘레를 모두 덮으며 상기 사이드 프레임에 결합되고,
    하나의 규제부재가 상기 플레이트 절개부들을 덮으며 상기 벤팅 플레이트에 결합되는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전력저장장치.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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