WO2024112060A1 - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2024112060A1
WO2024112060A1 PCT/KR2023/018751 KR2023018751W WO2024112060A1 WO 2024112060 A1 WO2024112060 A1 WO 2024112060A1 KR 2023018751 W KR2023018751 W KR 2023018751W WO 2024112060 A1 WO2024112060 A1 WO 2024112060A1
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battery
frame
pack
battery pack
filter unit
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PCT/KR2023/018751
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French (fr)
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김수한
안문열
공승진
송석진
강예란
강재혁
이영빈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/35—Gas exhaust passages comprising elongated, tortuous or labyrinth-shaped exhaust passages
    • H01M50/358—External gas exhaust passages located on the battery cover or case
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    • H01M50/383—Flame arresting or ignition-preventing means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more specifically, to a battery pack and a device including the same that prevent structural collapse of the battery pack and prevent external flames from occurring.
  • Secondary batteries which are easy to apply depending on the product group and have electrical characteristics such as high energy density, are widely applied not only to portable devices, but also to electric vehicles or hybrid vehicles driven by an electrical drive source, and power storage devices. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency, not only because they have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also because they do not generate any by-products due to energy use.
  • lithium secondary batteries rarely have a memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so they can be freely charged and discharged. , it is in the spotlight for its very low self-discharge rate and high energy density.
  • lithium secondary batteries can be classified into cylindrical or square secondary batteries in which the electrode assembly is built into a metal can, and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • BMS battery management system
  • the battery pack is composed of a combination of multiple battery modules, so if some of the battery modules are overvoltage, overcurrent, or overheated, the safety and operating efficiency of the battery pack may be problematic.
  • battery pack capacity is gradually increasing to improve driving range, and as the internal energy of the pack increases accordingly, it is necessary to design a structure to meet strengthening safety standards and ensure the safety of vehicles and drivers.
  • battery packs In particular, in order to prevent thermal runaway within the battery pack and heat propagation between battery cells, battery packs have recently been designed to minimize damage by effectively discharging gases and flames generated from some battery cells through exhaust devices. The need to develop is emerging.
  • the problem to be solved by the present invention is to prevent particles, which are internal cell materials ejected when gas or flame occurs in some battery modules, from clogging the discharge device of the battery pack and to increase the pressure inside the battery pack.
  • the aim is to provide a battery pack and a device containing the same that prevent structural collapse and minimize the discharge of such particles to the outside of the battery pack, preventing external flames from occurring.
  • a battery pack includes a pack frame on which a plurality of battery modules are mounted; At least one discharge portion located on one side of the pack frame; a first filter unit located between the pack frame and a battery module located closest to the discharge unit among the plurality of battery modules; and a second filter unit located at a position corresponding to the discharge unit on one side of the pack frame, wherein substances generated from the battery module move through the first filter unit, the second filter unit, and the discharge unit.
  • the area of the first filter unit may be larger than the sum of the areas of the at least one discharge unit.
  • the area of the first filter unit may be larger than the sum of the areas of the second filter unit.
  • It further includes at least one electric unit located between the pack frame and a battery module located closest to the discharge part among the plurality of battery modules, extending along one side of the pack frame, and the at least one It may have a structure that avoids the electrical parts.
  • the first filter unit may be streamlined or zigzag shaped.
  • the first filter unit includes at least one closure that is spaced apart from each other, and substances generated in the battery module can move to avoid the closure.
  • the pack frame includes a lower pack frame on which a plurality of battery modules are mounted and an upper pack frame located on top of the battery module, the lower pack frame having a bottom in contact with the lower surface of the battery module and the battery module. It may include a frame portion in contact with at least one side.
  • the frame unit may include a side frame extending upward from an edge of the bottom portion and an internal frame located inside the side frame.
  • the plurality of battery modules may be partitioned from each other by the side frame and the internal frame.
  • the internal frame may include a horizontal beam extending along the longitudinal direction of the lower frame and at least two vertical beams extending in a direction perpendicular to the horizontal beam.
  • the first filter unit may replace the vertical beam located closest to the discharge unit among the at least two vertical beams.
  • the first filter unit may be located between the discharge unit and a vertical beam located closest to the discharge unit among the at least two vertical beams.
  • the first filter unit may be in contact with a position corresponding to the discharge unit on the inner surface of the side frame.
  • It may include a flow path portion located between the first filter portion and the battery module located closest to the discharge portion.
  • the flow path portion may replace the vertical beam located closest to the discharge portion.
  • the flow path portion may include at least one partition wall portion.
  • the flow path portion may include a first partition wall portion and a second partition wall portion, and the first partition wall portion and the second partition wall portion may each extend in the same direction from the inner surface of the side frame.
  • the first partition wall portion and the second partition wall portion may be spaced apart from each other on different inner surfaces of the inner surfaces of the side frame.
  • Materials generated from the battery module may move to a space where the first partition wall portion and the inner surface of the side frame are spaced apart and a space where the second partition wall portion and the inner surface of the side frame are spaced apart.
  • a device includes the battery pack described above.
  • the present invention relates to a battery pack including a first filter unit and a second filter unit and a device containing the same.
  • Particles which are materials inside cells ejected when gas and flame are generated in some battery modules, Filtering may be performed through the first filter unit and the second filter unit.
  • the battery pack of the present invention and the device containing the same prevent particles from clogging the discharge device of the battery pack and structural collapse caused by increasing the pressure inside the battery pack, while also preventing particles from being discharged to the outside of the battery pack. The occurrence of external flames can be prevented by minimizing the occurrence of fire.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the top of the battery pack of FIG. 1 with the upper pack frame removed.
  • FIG. 3 is a diagram showing the first filter unit of FIG. 2.
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams showing the top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention, including a first filter portion having a streamlined structure, unlike FIG. 1 , with the upper pack frame removed. am.
  • FIG. 6 is a view showing a top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention, which, unlike FIG. 1, includes a first filter portion with a closed portion, with the upper pack frame removed.
  • FIG. 7 is a diagram showing the first filter unit of FIG. 6.
  • FIGS. 8 and 9 are diagrams showing a top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention, with the upper pack frame of the battery pack, where the first filter unit is in contact with one side of the pack frame, removed, unlike FIG. 1. am.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment mounted on the battery pack of FIG. 1.
  • Figure 11 is an exploded perspective view of the battery module of Figure 10.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a battery module mounted on the battery pack of FIG. 1 according to another embodiment.
  • Figure 13 is a view showing the top surface of a battery pack according to a comparative example of the present invention with the upper pack frame removed.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the top of the battery pack of FIG. 1 with the upper pack frame removed.
  • a battery pack 1000 includes pack frames 1100 and 1200 on which a plurality of battery modules 100 are mounted; At least one discharge portion (1300) located on one side of the pack frame (1100, 1200); A first filter unit 1400 located between the battery module located closest to the discharge unit 1300 among the plurality of battery modules 100 and the pack frames 1100 and 1200; and a second filter unit 1500 located at a position corresponding to the discharge unit 1300 on one side of the pack frames 1100 and 1200.
  • the pack frames 1100 and 1200 include a lower pack frame 1100 on which a plurality of battery modules 100 are mounted, and an upper pack frame 1200 located on top of the battery module 100.
  • the lower pack frame 1100 and the upper pack frame 1200 are coupled to each other by a method such as welding, so that the inside of the battery pack 1000 can be sealed.
  • the lower pack frame 1100 may include a bottom portion 1110 in contact with the lower surface of the battery module 100 and frame portions 1130, 1150, and 1170 in contact with at least one side of the battery module.
  • the bottom portion 1110 and the frame portions 1130, 1150, and 1170 may be integrated with each other or may be fixed to each other through a separate fastening method such as welding or adhesive.
  • the frame portions 1130, 1150, and 1170 may be made of insulating members.
  • the frame parts 1130, 1150, and 1170 may be composed of an aluminum extrusion structure.
  • the frame portions 1130, 1150, and 1170 are made of a dissimilar metal bonding material such as clad metal, or include an insulating material such as airgel or EPP (Expanded Polypropylene) foam. It may be a built-in structure.
  • the frame parts 1130, 1150, and 1170 can be used without limitation as long as they are made of an insulating material with a certain rigidity.
  • the frame portions 1130, 1150, and 1170 may include a side frame 1130 extending upward from the edge of the bottom portion 1110 and an inner frame 1150, 1170 located inside the side frame 1130. there is.
  • the plurality of battery modules 100 may be divided from each other by the side frame 1130 and the internal frames 1150 and 1170. More specifically, the plurality of battery modules 100 may be positioned to be spaced apart from each other by the side frame 1130 and the internal frames 1150 and 1170.
  • the internal frames 1150 and 1170 have a horizontal beam 1150 extending along the longitudinal direction (x-axis direction) of the lower frame 1100 and a direction perpendicular to the horizontal beam 1150 (y-axis direction). It may include at least two vertical beams 1170.
  • the vertical beam 1170 includes a pair of first vertical beams and second vertical beams with the horizontal beam 1150 interposed between them, and the first vertical beam and the second vertical beam are each horizontal beam ( 1150).
  • the horizontal beam 1150 and the at least two vertical beams 1170 may be integrated with each other or may be fixed to each other through a separate fastening method such as welding or adhesion.
  • the length of the horizontal beam 1150 and the vertical beam 1170, and the spacing between adjacent vertical beams 1170 among the at least two vertical beams 1170 are adjusted according to the size of the battery module 100. It can be.
  • a plurality of battery modules 100 can be positioned spaced apart from each other in an area partitioned by the frame portions 1130, 1150, and 1170, so that some of the batteries Even if ignition occurs in the module 100, heat propagation between adjacent battery modules 100 can be effectively prevented.
  • the first filter unit 1400 may replace the vertical beam located closest to the discharge unit 1300 among at least two vertical beams 1170. That is, the battery pack 1000 according to this embodiment can increase space efficiency within the battery pack 1000 in that there is no need to secure a separate space to mount the first filter unit 1400.
  • the first filter unit 1400 can filter substances generated in the battery module 100 and partition the battery module 100 from the side frame 1300 located closest to the discharge unit 1300. .
  • the inner frames 1150 and 1170 include at least one venting hole (not shown) penetrating the outer surface of the inner frames 1150 and 1170, so that the inner frames 1150 and 1170 are used as battery cells. It may be a path along which substances generated in the module 100 move.
  • substances generated from the battery module 100 discharged from the internal frames 1150 and 1170 pass through the first filter unit 1400, the second filter unit 1500, and the discharge unit 1300 to the battery pack 1000. ) can be discharged to the outside.
  • substances generated from the battery module 100 inside the battery pack 1000 may move toward the first filter unit 1400, the second filter unit 1500, and the discharge unit 1300. Any path that exists can be applied to this embodiment.
  • the discharge unit 1300 may rupture when the pressure inside the battery pack 1000 reaches a certain level or higher. More specifically, the discharge unit 1300 may include a rupture surface (not shown) configured to rupture when the pressure of the incoming gas exceeds a certain pressure, such as a rupture disk.
  • a rupture surface not shown
  • the structure of the discharge unit 1300 is not limited to this, and any structure that communicates with one side of the pack frame 1100 and 1200 to allow internal gas to be discharged to the outside can be included in the present embodiment.
  • the gas and/or flame discharged toward the discharge unit 1300 among the substances generated in the battery module 100 are caused by the internal pressure of the pack frames 1100 and 1200.
  • gas and/or flame may be discharged to the outside through the discharge unit 1300.
  • the first filter unit 1400 may be located between the pack frames 1100 and 1200 and a battery module located closest to the discharge unit 1300 among the plurality of battery modules 100. More specifically, the first filter unit 1400 may extend along the longitudinal direction of one side of the pack frames 1100 and 1200 between the battery modules and the pack frames 1100 and 1200 that are most adjacent to each other. For example, as shown in FIG. 2, the first filter unit 1400 may extend along the longitudinal direction of the vertical beam 1170. However, it is not limited to this, and the extension direction of the first filter unit 1400 may vary depending on the arrangement of the battery module 100 and the frame units 1130, 1150, and 1170.
  • the first filter unit 1400 is configured to filter the water generated in the battery module 100 moving from the battery module 100 toward one side of the pack frames 1100 and 1200. Materials can be filtered primarily.
  • the second filter unit 1500 may be located at a position corresponding to the discharge unit 1300 on one side of the pack frames 1100 and 1200.
  • the second filter unit 1500 may be located between the outer surface of one side of the pack frames 1100 and 1200 and the discharge unit 1300.
  • the second filter unit 1500 may be located within one side of the pack frames 1100 and 1200 corresponding to the discharge unit 1300.
  • the second filter unit 1500 may be located on the inner surface of one side of the pack frames 1100 and 1200 corresponding to the discharge unit 1300.
  • the second filter unit 1500 may extend along an area corresponding to the discharge unit 1300 on one side of the pack frames 1100 and 1200. For example, as shown in FIG. 2, the second filter unit 1500 may extend along an area equal to or larger than that of the discharge unit 1300.
  • the second filter unit 1500 filters substances generated from the battery module 100 moving from the first filter unit 1400 toward the discharge unit 1300 into secondary filters. You can filter by .
  • the area of the first filter unit 1400 may be larger than the sum of the areas of at least one discharge unit 1300.
  • the area of the first filter unit 1400 may be larger than the sum of the areas of the second filter unit 1500.
  • the amount of particles filtered by the first filter unit 1400 among the substances generated in the battery module 100 is the amount filtered by the second filter unit 1500. Even though there are more, the first filter unit 1400 may not be clogged by the particles, and structural collapse that occurs as the pressure inside the battery pack 1000 increases can be prevented.
  • substances generated in the battery module 100 may move through the first filter unit 1400, the second filter unit 1500, and the discharge unit 1300.
  • the material generated in the battery module 100 may be at least one of flame, gas, heat, and particles, which are materials inside the cell, generated when the battery module 100 is ignited.
  • particles, which are cell internal substances may be filtered through the first filter unit 1400 and the second filter unit 1500.
  • at least some of the particles, which are cell internal substances may not pass through the first filter unit 1400 and/or the second filter unit 1500.
  • substances generated in the battery module 100 may be primarily filtered through the first filter unit 1400.
  • the amount of particles included in the material generated in the battery module 100 may be relatively reduced.
  • substances generated from the battery module 100 that have passed through the first filter unit 1400 may be secondarily filtered through the second filter unit 1500.
  • the amount of particles contained in the material generated from the battery module 100 is relatively may be reduced further.
  • the battery pack 1000 according to this embodiment does not contain particles, which are cell internal materials, in the material finally discharged to the outside of the battery pack 1000 through the discharge unit 1300, or even if it does, it contains relatively few particles compared to other materials. It can be positive.
  • the battery pack 1000 Accordingly, in the battery pack 1000 according to this embodiment, particles among substances generated in the battery module 100 are effectively filtered through the first filter unit 1400 and the second filter unit 1500, and the particles are discharged. It is possible to prevent the unit 1300 from clogging, and structural collapse that occurs as the pressure inside the battery pack 1000 increases can be prevented.
  • the battery pack 1000 minimizes the discharge of particles from the battery module 100 to the outside of the battery pack through the discharge unit 1300, effectively preventing external flames from occurring. there is.
  • the first filter unit 1400 may include a filter frame 1401 and a filter network 1405.
  • the first filter unit 1400 may be configured to minimize the area of the filter frame 1401 and maximize the area of the filter network 1405.
  • the first filter unit 1400 can have an area that can maximize the filtering effect by the filter network 1405 while maintaining the rigidity of the first filter unit 1400 through the filter frame 1401. .
  • the filter frame 1401 may be made of the same material as the frame portions 1110, 1130, 1150, and 1170, or may be made of a material having similar insulating properties and rigidity as the frame portions 1110, 1130, 1150, and 1170. . However, it is not limited to this, and any material that has insulating properties and rigidity can be applied to this embodiment.
  • the filter network 1405 may be formed in a mesh structure.
  • the filter network 1405 may be made of one of a pattern such as a grid, a circle, or a diamond. However, it is not limited to this, and any pattern in which particles among substances generated in the battery module 100 can be filtered can be applied to the present embodiment.
  • the second filter unit 1500 includes the same or similar components as the first filter unit 1400, and can be described as mostly the same as the first filter unit 1400.
  • the second filter unit 1500 may have the same or different area from the first filter unit 1400.
  • the area of the first filter 1400 may be larger than the area of the second filter 1500 .
  • the pattern of the filter network 1405 of the first filter unit 1400 may be the same as or different from the pattern of the filter network (not shown) of the second filter unit 1500.
  • the pattern of the filter net 1405 of the first filter unit 1400 may be formed to be relatively less dense than the pattern of the filter net (not shown) of the second filter unit 1500.
  • the pattern of the filter net (not shown) of the second filter unit 1500 may be relatively denser than the pattern of the filter net 1405 of the first filter unit 1400.
  • the first filter unit 1400 can primarily filter out relatively large particles, and the second filter unit 1500 can secondarily filter out relatively small particles.
  • FIGS 4 and 5 are diagrams showing the top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention, including a first filter unit having a streamlined structure, unlike Figure 1, with the upper pack frame removed. .
  • the first filter unit 1400a may have a streamlined or zigzag shape. That is, the area of the first filter unit 1400a according to this embodiment may be relatively larger than the first filter unit 1400 (FIG. 2).
  • the shape of the first filter unit 1400a is not limited to this, and any shape that can be mounted while avoiding interference with the internal structure or other components of the pack frame 1100, 1200 of the battery pack 1000a can be used in this embodiment. It can be applied to examples.
  • At least one electrical unit 1900 may be disposed in the internal space of the battery pack 1000.
  • the electrical unit 1900 may be equipped with a BMS (Battery Management System) module that monitors and controls the operation of other electrical components and the battery module 100.
  • BMS Battery Management System
  • the arrangement of the electrical unit 1900 is not limited to FIG. 5 and may be placed at an appropriate position in the internal space of the battery pack 1000a as needed.
  • At least one electrical unit 1900 includes a battery module located closest to the discharge unit 1300 among the plurality of battery modules 100 and the pack frame 1100, 1200).
  • the first filter unit 1400a extends along one side of the pack frames 1100 and 1200 and may have a structure that avoids at least one electrical unit.
  • the first filter unit 1900a has a curved structure surrounding the electrical unit 1900.
  • the first filter unit 1400a has a curved structure depending on the shape of the electrical unit 1900. It can be transformed and applied into various shapes.
  • the amount of filtering according to the area of the first filter unit 1400a is relatively increased, so that substances generated in the battery module 100 can be filtered more effectively.
  • the first filter unit 1400a can be mounted to avoid interference with the internal structure of the pack frames 1100 and 1200 or other components, thereby improving space efficiency by utilizing the empty space inside the battery pack 1000. can increase.
  • FIG. 6 is a view showing a top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention, which, unlike FIG. 1, includes a first filter portion with a closed portion, with the upper pack frame removed.
  • FIG. 7 is a diagram showing the first filter unit of FIG. 6.
  • the first filter unit 1400b includes at least one closure unit 1450 along with a filter frame 1401 and a filter net 1405. It includes, and substances generated in the battery module 100 can move to avoid the closure portion 1450. More specifically, as shown in FIG. 6, at least one closed part 1450 in the first filter part 1400b may be spaced apart from each other. Additionally, the closing portion 1450 may be located at a position corresponding to the side of the battery module 100, as shown in FIG. 6 . However, it is not limited to this, and any position in the first filter unit 1400b for controlling the movement of substances generated in the battery module 100 in the intended direction can be applied to the present embodiment. As an example, the closure 1450 may be made of a material that does not allow substances generated in the battery module 100 to pass through.
  • the first filter unit 1400b impedes the movement of substances generated in the battery module 100 through the closure part 1450, thereby preventing the movement of substances generated in the battery module 100.
  • the movement of generated substances can be controlled in the intended direction. That is, the closing portion 1450 relatively lengthens the movement path of substances generated in the battery module 100, thereby relatively reducing the amount of substances generated in the battery module 100 that are filtered from the first filter unit 1400b. can be increased.
  • FIGS. 8 and 9 are diagrams showing a top surface of a battery pack according to another embodiment of the present invention, with the upper pack frame of the battery pack, where the first filter unit is in contact with one side of the pack frame, removed, unlike FIG. 1. am.
  • the first filter unit 1400c is a vertical beam 1170 located closest to the discharge unit 1300 among at least two vertical beams 1170. ) and the discharge unit 1300.
  • the first filter unit 1400c may be in contact with a position corresponding to the discharge unit on the inner surface of the side frame 1130.
  • the battery pack 1000c can increase space efficiency within the battery pack 1000 by mounting the first filter unit 1400c using the empty space inside the battery pack 1000. .
  • the flow path portion 1600 located between the first filter portion 1400d and the battery module 100 located closest to the discharge portion 1300. may include.
  • the flow path portion 1600 may replace the vertical beam 1170 located closest to the discharge portion 1300. Accordingly, the flow path portion 1600 serves as a path through which substances generated in the battery module 100 move, and can also partition the battery module 100 from the side frame 1300 located closest to the discharge portion 1300. there is.
  • the flow path portion 1600 may include at least one partition wall portion 1610 or 1650.
  • the partition walls 1610 and 1650 may be made of the same material as the frame parts 1110, 1130, 1150, and 1170.
  • the flow path portion 1600 may include a first partition wall portion 1610 and a second partition wall portion 1650.
  • the flow path portion 1600 has one of the first partition wall portion 1610 and the second partition wall portion 1650 omitted, or the first partition wall portion 1610 and the second partition wall portion 1650.
  • the partition wall may be additionally included.
  • first partition wall part 1610 and the second partition wall part 1650 each extend in the same direction from the inner surface of the side frame 1130, and the first partition wall part 1610 and the second partition wall part 1610 and the second partition wall part 1650 each extend in the same direction.
  • 1650 may be spaced apart from each other on different inner surfaces of the inner surfaces of the side frame 1130. That is, the material generated from the battery module 100 enters the space where the inner surfaces of the first partition 1610 and the side frame 1130 are spaced apart and the inner surfaces of the second partition wall 1650 and the side frame 1130. You can move to a separate space.
  • the first partition wall part 1610 and the second partition wall part 1650 have a structure in which at least part of the partition wall part is open, so that substances generated in the battery module 100 pass through the open part. You can move.
  • the first partition 1610 and the second partition 1650 are the flow paths through which materials generated in the battery module 100 move in the flow path 1600. can be formed. Additionally, in the battery pack 1000d according to this embodiment, the material generated in the battery module 100 may be partially cooled as it passes through the flow path portion 1600, thereby preventing heat propagation and maintaining the battery pack 1000. Safety can be further improved.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a battery module mounted on the battery pack of FIG. 1.
  • Figure 11 is an exploded perspective view of the battery module of Figure 10.
  • a plurality of battery modules 100 included in the battery pack 1000 may be mounted on the lower pack frame 1100. More specifically, the plurality of battery modules 100 are located in areas partitioned by the side frame 1130 and the internal frames 1150 and 1170, respectively, as shown in FIGS. 2, 4 to 6, 8, and 9. Can be installed. However, the arrangement direction of the battery module 100 is not limited to this and may be appropriately changed as needed.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 110 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a module frame for housing the battery cell stack 120, as shown in FIGS. 10 and 11 ( 160, 170).
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell.
  • the battery cell 110 may be manufactured by storing the electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and an inner layer, and then heat-sealing the sealing portion of the pouch case. These battery cells 110 may be formed in a rectangular sheet-like structure. These battery cells 110 may be composed of a plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked so as to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120. Here, the number of battery cells 110 constituting the battery cell stack 120 may be adjusted depending on the case.
  • the module frames 160 and 170 may include an upper cover 160 and a U-shaped frame 170. Additionally, it includes a thermally conductive resin layer 175 located between the battery cell stack 120 and the lower portion of the module frames 160 and 170.
  • the U-shaped frame 170 may include a bottom portion and two side portions extending upward from both ends of the bottom portion. At this time, the bottom portion may cover the lower surface of the battery cell stack 120, and the side portion may cover the side surface of the battery cell stack 120.
  • the upper cover 160 and the U-shaped frame 170 may be joined by welding or the like with corresponding corner portions in contact to form a structure that covers the top, bottom, left and right sides of the battery cell stack 120. To this end, the upper cover 160 and the U-shaped frame 170 may be made of a metal material with a predetermined strength.
  • the module frames 160 and 170 may be replaced with a mono frame in the form of a metal plate with the upper and lower surfaces and both sides integrated.
  • the module frames 160 and 170 may be replaced with two L-shaped frames combined.
  • the module frames 160 and 170 may be replaced with a frame of a 4-plate structure in which a top plate, a bottom plate, a left plate, and a right plate are combined.
  • any frame that can protect the internal components of the battery module 100 can be applied to the present embodiment.
  • the battery module 100 further includes a bus bar frame 130 located on the front and rear surfaces of the battery cell stack 120, and an end plate 150 covering the bus bar frame 130.
  • a bus bar (not shown) electrically connected to the battery cell stack 120 may be located in the bus bar frame 130. Accordingly, the end plate 150 can physically protect the battery cell stack 120 and other electrical components from external shock.
  • the battery module 100 includes module frames 160 and 170, an end plate 150, and a bus bar frame 130 in the battery module 100 in FIGS. 10 and 11. ) may have a structure in which at least some of the components are omitted. In other words, the battery module 100 may have a structure in which the components in the battery module unit are minimized. As an example, the battery module 100 may have a structure in which the module frames 160 and 170 and/or the end plate 150 are omitted.
  • the battery pack 1000 according to this embodiment, at least some of the components of the battery module 100 are omitted, thereby reducing the weight of the battery pack 1000 and increasing the space utilization rate inside the battery pack 1000. can be further increased.
  • a battery module 101 may be mounted inside the battery pack 1000.
  • the battery module 101 can be described mostly in the same way as the battery module 100 described above, and only the different parts will be described.
  • a plurality of venting holes 160h may be formed in the upper cover 160.
  • the venting hole 160h may be a hole penetrating the upper cover 160. More specifically, the plurality of venting holes 160h may extend along the longitudinal direction of the upper cover 160 and may be positioned to be spaced apart from each other along the length and width directions of the upper cover 160.
  • the shape and arrangement of the plurality of venting holes 160h are not limited to FIG. 12, and various shapes and arrangements may be applied to the present embodiment.
  • the battery module 101 when a cell event such as a thermal runaway phenomenon occurs within the battery module 101, gas and/or flame generated within the battery module 101 It can be smoothly discharged to the outside of the battery module 101 through the venting hole 160h, and heat propagation inside and outside the battery module 101 may be relatively delayed compared to the battery module 100 of FIG. 10.
  • a cell event such as a thermal runaway phenomenon occurs within the battery module 101
  • gas and/or flame generated within the battery module 101 It can be smoothly discharged to the outside of the battery module 101 through the venting hole 160h, and heat propagation inside and outside the battery module 101 may be relatively delayed compared to the battery module 100 of FIG. 10.
  • the battery pack 1000 on which such a battery module 101 is mounted as heat propagation inside and outside the battery module 101 is delayed compared to the battery module 100 of FIG. 10, other adjacent battery modules 101 ) has the advantage of effectively delaying heat propagation between livers.
  • Figure 13 is a view showing the top surface of a battery pack according to a comparative example of the present invention with the upper pack frame removed.
  • the battery pack 2000 according to the comparative example unlike the battery pack 1000, 1000a, 1000b, 1000c, 1000d, FIGS. 1-9 according to the present embodiment, has a first filter unit 1400, 1400a. , 1400b, 1400c, 1400d), and other than that, all other components are the same.
  • the battery pack 2000 according to the comparative example includes a filter unit 2500 located at a position corresponding to the discharge unit 2300, so that among the substances generated in the battery module 200, Some may be filtered out.
  • the amount of material filtered by the filter unit 2500 is lower than that of the battery pack 1000, 1000a, 1000b, 1000c, 1000d, FIGS. 1-9) according to the present embodiment. It may be very limited, and there is a problem that substances not filtered by the filter unit 2500 may clog the discharge unit 2300.
  • the pressure inside the pack may increase and the structure of the battery pack 2000 may collapse depending on the rigidity of the pack frame 2100. there is.
  • the battery pack 1000 includes a first filter unit 1400 and a second filter unit 1500, so that substances generated from the battery module are effectively removed. Can be filtered. That is, unlike the comparative example, the battery pack 1000 according to the present embodiment prevents particles from clogging the discharge device of the battery pack and structural collapse caused by increasing the pressure inside the battery pack, while preventing particles from clogging the battery pack discharge device. It has the advantage of preventing external flames from occurring by minimizing discharge outside the pack.
  • a device according to another embodiment of the present invention includes the battery pack described above. These devices can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric cars, and hybrid cars, but the present invention is not limited thereto and can be applied to various devices that can use battery modules and battery packs containing them, which are also applicable to the present invention. falls within the scope of invention rights.
  • a battery pack was manufactured in which battery modules as shown in Figure 12 were arranged in a 2*4 arrangement inside the pack frame.
  • the battery pack has two discharge portions located on one side of the pack frame, as shown in FIGS. 1 and 2, and a first filter portion is located between the pack frame and a battery module located closest to the discharge portion, It was manufactured so that the second filter part was located at a position corresponding to the discharge part on one side of the pack frame.
  • the battery pack of the comparative example is similar to the battery pack of the example, except that the battery modules as shown in Figure 9 are arranged in a 2*4 arrangement inside the pack frame, and the first filter unit is omitted. manufactured identically.
  • one battery module in the same position among the eight battery modules was designated as a trigger module, and the trigger module intentionally caused thermal runaway (TR) within the battery module.
  • TR thermal runaway
  • the time at which thermal runaway of the trigger module occurs is 105 s, and the time and speed at which heat propagates throughout the battery cells in the trigger module are 426 s and 4.9 Ah/s.
  • the time at which thermal runaway of the trigger module occurs is 101 s, and the time and speed of heat propagation throughout the battery cells in the trigger module are 153 s and 13.7 Ah/s.
  • the heat propagation reaction within the battery module included in the example is delayed compared to the battery module included in the comparative example.
  • This difference is that, unlike the Comparative Example, in the Example, the gas and/or flame inside the battery module is smoothly discharged to the outside through the venting hole formed in the upper cover of the battery module, so the Example is a battery module relatively compared to the Comparative Example. It can be seen that the internal heat propagation reaction is delayed.
  • the time for thermal runaway to occur in the adjacent module of the example is 3589 s, and the time and speed for heat propagation throughout the battery cells in the adjacent module are 26 s and 80.6 Ah/s.
  • the time for heat propagation from the trigger module to the adjacent module that is, the heat propagation time between modules
  • the time for thermal runaway to occur in the adjacent module in the comparative example is 101 s, and the time and speed for heat propagation throughout the battery cells in the adjacent module are 49 s and 49.9 Ah/s.
  • the time for heat propagation from the trigger module to the adjacent module is 0s (101s-101s).
  • the heat propagation time between modules was 0 s, and it can be seen that the heat propagation reaction between battery modules occurs immediately.
  • the heat propagation response of the trigger module is relatively delayed, and it can be confirmed that the heat propagation response to adjacent modules is also low.
  • the maximum pressure inside the battery pack of the comparative example is 1.28 bar, and the flame exposure time is 106 s.
  • the battery pack of the embodiment further includes a first filter unit together with a second filter unit, so that particles among materials generated from the battery module where thermal runaway has occurred are removed, and gases and/or gases inside the battery pack are removed.
  • the flame is smoothly discharged to the outside of the battery pack, and the maximum pressure inside the battery pack is relatively low compared to the comparative example.
  • the battery pack of the embodiment maintains a maximum pressure of 0.025 bar to 1.20 bar until heat propagation occurs from the trigger module to the adjacent module (at the point of thermal runaway of the adjacent module), so that the battery pack lasts a relatively long time. It can be seen that the maximum pressure inside the pack is maintained relatively low, delaying the collapse of the pack structure, and the timing of flame exposure is also effectively delayed.
  • the battery pack of the comparative example did not include the first filter unit, and it was confirmed that particles among the materials generated from the battery module in which thermal runaway occurred clogged the discharge section, preventing smooth discharge of gas and/or flame. You can. In other words, it can be confirmed that the particles inside the battery pack cannot be sufficiently removed only with the second filter unit formed at a position corresponding to the discharge unit, as in the battery pack of the comparative example.
  • the maximum pressure inside the battery pack was relatively high at 1.28 bar in a relatively short period of time, so there is a high possibility of collapse of the pack structure, and it can be seen that the flame exposure time was also very short.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 팩 프레임; 상기 팩 프레임의 일측면에 위치하는 적어도 하나의 배출부; 상기 복수의 전지 모듈 중 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 제1 필터부; 및 상기 팩 프레임의 일측면에서 상기 배출부와 대응되는 위치에 위치하는 제2 필터부를 포함하고, 상기 제1 필터부, 상기 제2 필터부, 및 상기 배출부를 통해 상기 전지 모듈에서 발생한 물질이 이동할 수 있다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 11월 22일자 한국 특허 출원 제10- 2022-0157566호 및 2023년 11월 20일자 한국 특허 출원 제10-2023-0160495호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전지 팩의 구조 붕괴를 방지하면서도, 외부 화염 발생을 방지하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 또는 각형 이차 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 복수의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
특히, 전지 팩은 다수의 전지 모듈들이 조합된 구조로 이루어져 있어서, 일부 전지 모듈들이 과전압, 과전류 또는 과발열 되는 경우에는 전지 팩의 안전성과 작동효율이 문제될 수 있다. 특히 주행거리 향상을 위하여 전지 팩 용량은 점차 증가되는 추세이고, 그에 따라 팩 내부 에너지도 증가되는 가운데서 강화되는 안전성 기준을 만족하고 차량 및 운전자의 안전성 확보를 위한 구조의 설계가 필요하다.
특히 전지 팩 내 열 폭주 및 전지셀 간의 열전파 현상 등을 미연에 방지하기 위해, 최근에는 일부 전지셀에서 발생된 가스 및 화염을 배출 장치를 통해 효과적으로 배출함에 따라 그 피해를 최소화할 수 있는 전지 팩을 개발할 필요성이 대두되고 있다.
이와 더불어, 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시, 전지 모듈 내 일부 전지셀에서는 셀 내부 물질인 파티클이 높은 압력으로 분출될 수 있고, 이러한 파티클은 전지 팩 내 가스 및 화염을 배출하는 배출 장치를 막히게 하면서도 팩 외부로 배출 시 외부 화염을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 이러한 파티클이 가스 및 화염을 배출하는 배출 장치를 막히게 하는 것을 방지하면서도, 파티클에 의한 외부 화염 발생을 방지시킬 수 있는 전지 팩을 개발할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시 분출되는 셀 내부 물질인 파티클(Particle)이 전지 팩의 배출 장치를 막히게 하는 것을 방지하고, 전지 팩 내부의 압력을 상승함에 따라 발생되는 구조 붕괴를 방지하면서도, 이러한 파티클이 전지 팩 외부로 배출되는 것을 최소화하여 외부 화염 발생을 방지하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 팩 프레임; 상기 팩 프레임의 일측면에 위치하는 적어도 하나의 배출부; 상기 복수의 전지 모듈 중 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 제1 필터부; 및 상기 팩 프레임의 일측면에서 상기 배출부와 대응되는 위치에 위치하는 제2 필터부를 포함하고, 상기 제1 필터부, 상기 제2 필터부, 및 상기 배출부를 통해 상기 전지 모듈에서 발생한 물질이 이동할 수 있다.
상기 제1 필터부의 면적은 상기 적어도 하나의 배출부의 면적의 합보다 클 수 있다.
상기 제1 필터부의 면적은 상기 제2 필터부의 면적의 합보다 클 수 있다.
상기 복수의 전지 모듈 중 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 적어도 하나의 전장부를 더 포함하고, 상기 팩 프레임의 일측면을 따라 연장되어 있으며, 상기 적어도 하나의 전장부를 회피하는 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 필터부는 유선형 또는 지그재그(Zigzag)형일 수 있다.
상기 제1 필터부는 서로 이격되어 있는 적어도 하나의 폐쇄부를 포함하고, 상기 전지 모듈에서 발생한 물질이 상기 폐쇄부를 회피하여 이동할 수 있다.
상기 팩 프레임은 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임 및 상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고, 상기 하부 팩 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함할 수 있다.
상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함할 수 있다.
상기 복수의 전지 모듈은 상기 측면 프레임과 상기 내부 프레임에 의해 서로 구획될 수 있다.
상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직빔을 포함할 수 있다.
상기 제1 필터부는 상기 적어도 두 개의 수직빔 중 상기 배출부와 가장 인접하게 위치하는 수직빔을 대체할 수 있다.
상기 제1 필터부는 상기 적어도 두 개의 수직빔 중 상기 배출부와 가장 인접하게 위치하는 수직빔과 상기 배출부 사이에 위치할 수 있다.
상기 제1 필터부는 상기 측면 프레임의 내측면에서 상기 배출부와 대응되는 위치에 접할 수 있다.
상기 제1 필터부와 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈 사이에 위치하는 유로부를 포함할 수 있다.
상기 유로부는 상기 배출부와 가장 인접하게 위치하는 수직빔을 대체할 수 있다.
상기 유로부는 적어도 하나의 격벽부를 포함할 수 있다.
상기 유로부는 제1 격벽부 및 제2 격벽부를 포함하고, 상기 제1 격벽부 및 상기 제2 격벽부는 상기 측면 프레임의 내측면으로부터 서로 동일한 방향으로 각각 연장되어 있을 수 있다.
상기 제1 격벽부 및 상기 제2 격벽부는 상기 측면 프레임의 내측면 중 서로 상이한 내측면에 각각 이격되어 있을 수 있다.
상기 전지 모듈에서 발생한 물질이 상기 제1 격벽부와 상기 측면 프레임의 내측면이 이격되어 있는 공간 및 상기 제2 격벽부와 상기 측면 프레임의 내측면이 이격되어 있는 공간으로 이동할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 제1 필터부 및 제2 필터부를 포함하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 일부 전지 모듈에서 가스 및 화염 발생 시 분출되는 셀 내부 물질인 파티클(Particle)이 제1 필터부 및 제2 필터부를 통해 필터링(filtering)될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스는 파티클이 전지 팩의 배출 장치를 막히게 하는 것 및 전지 팩 내부의 압력을 상승함에 따라 발생되는 구조 붕괴를 방지하면서도, 파티클이 전지 팩 외부로 배출되는 것을 최소화하여 외부 화염 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 제1 필터부를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩으로서, 도 1과 달리 유선형 구조를 가지는 제1 필터부를 포함하는 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩으로서, 도 1과 달리 폐쇄부가 형성된 제1 필터부를 포함하는 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 제1 필터부를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩으로서, 도 1과 달리 제1 필터부가 팩 프레임의 일측면에 접하는 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 각각 나타내는 도면이다.
도 10은 도 1의 전지 팩에 장착되는 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 12는 도 1의 전지 팩에 장착되는 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 13은 본 발명의 비교예에 따른 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100)이 장착되어 있는 팩 프레임(1100, 1200); 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면에 위치하는 적어도 하나의 배출부(1300); 복수의 전지 모듈(100) 중 배출부(1300)에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 팩 프레임(1100, 1200) 사이에 위치하는 제1 필터부(1400); 및 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면에서 배출부(1300)와 대응되는 위치에 위치하는 제2 필터부(1500)를 포함한다.
팩 프레임(1100, 1200)은 복수의 전지 모듈(100)이 장착되어 있는 하부 팩 프레임(1100) 및 전지 모듈(100)의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임(1200)을 포함한다. 여기서, 하부 팩 프레임(1100) 및 상부 팩 프레임(1200)은 서로 용접 등의 방법으로 결합되어, 전지 팩(1000) 내부를 밀봉시킬 수 있다.
하부 팩 프레임(1100)은 전지 모듈(100)의 하면과 접하는 바닥부(1110)와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부(1130, 1150, 1170)를 포함할 수 있다. 여기서, 바닥부(1110)와 프레임부(1130, 1150, 1170)는 서로 일체화되어 있거나, 용접 또는 접착과 같은 별도의 체결 방식에 의해 서로 고정되어 있을 수 있다.
여기서, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 단열 부재로 이루어질 수 있다. 일 예로, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 알루미늄 압출 구조로 구성될 수 있다. 다른 일 예로, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 클래드 메탈(Clad metal)과 같은 이종 금속 접합 소재로 이루어지거나, 에어로젤(aerogel) 또는 EPP(Expanded Polypropylenes) 폼(foam) 등의 단열 소재가 포함된 구조물일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 프레임부(1130, 1150, 1170)는 소정의 강성을 가지는 단열성 소재로 이루어진 것이라면 제한 없이 사용 가능하다.
프레임부(1130, 1150, 1170)는 바닥부(1110)의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임(1130)과 측면 프레임(1130)의 내부에 위치하는 내부 프레임(1150, 1170)을 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 전지 모듈(100)은 측면 프레임(1130)과 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 서로 구획될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100)는 측면 프레임(1130) 및 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 서로 이격되어 위치할 수 있다.
또한, 내부 프레임(1150, 1170)은 하부 프레임(1100)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 연장되어 있는 수평 빔(1150)과 수평 빔(1150)에 수직인 방향(y축 방향)으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직빔(1170)을 포함할 수 있다. 일 예로, 수직빔(1170)은 수평 빔(1150)을 사이에 둔 한 쌍의 제1 수직빔 및 제2 수직빔을 포함하여, 상기 제1 수직빔 및 상기 제2 수직빔이 각각 수평 빔(1150)에 부착되어 있을 수 있다. 여기서, 수평 빔(1150)과 적어도 두 개의 수직빔(1170)은 서로 일체화되어 있거나, 용접 또는 접착과 같은 별도의 체결 방식에 의해 서로 고정되어 있을 수 있다.
보다 구체적으로, 수평 빔(1150)과 수직빔(1170)의 길이, 및 적어도 두 개의 수직빔(1170) 중 서로 인접한 수직빔(1170) 사이의 간격 등은 전지 모듈(100)의 크기에 따라 조절될 수 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100)이 프레임부(1130, 1150, 1170)에 의해 서로 구획되는 영역에서 이격되어 위치할 수 있어, 일부 전지 모듈(100)에서 발화 현상이 발생되더라도 인접한 전지 모듈(100) 간의 열전파 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2 를 참조하면, 제1 필터부(1400)는 적어도 두 개의 수직빔(1170) 중 배출부(1300)와 가장 인접하게 위치하는 수직빔을 대체할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 제1 필터부(1400)를 장착하기 위해 별도의 공간을 확보할 필요가 없는 점에서, 전지 팩(1000) 내의 공간 효율성을 높일 수 있다.
이에 따라, 제1 필터부(1400)는 전지 모듈(100)에서 발생한 물질을 필터링하면서도, 배출부(1300)와 가장 인접하게 위치하는 측면 프레임(1300)으로부터 전지 모듈(100)을 구획할 수 있다.
도 2에는 도시하지 않았으나, 내부 프레임(1150, 1170)은 내부 프레임(1150, 1170)의 외면을 관통하는 적어도 하나의 벤팅홀(도시되지 않음)을 포함하여, 내부 프레임(1150, 1170)이 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 이동하는 경로가 될 수 있다. 또한, 내부 프레임(1150, 1170)에서 배출된 전지 모듈(100)에서 발생한 물질은 제1 필터부(1400), 제2 필터부(1500), 및 배출부(1300)를 통과하여 전지 팩(1000) 외부로 배출될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 팩(1000) 내부의 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 제1 필터부(1400), 제2 필터부(1500) 및 배출부(1300)를 향해 이동될 수 있는 경로라면 본 실시예에 적용될 수 있다.
배출부(1300)는 전지 팩(1000) 내부의 압력이 일정 수준 이상 도달하면 파열될 수 있다. 보다 구체적으로, 배출부(1300)는 럽쳐디스크(Rupture Disc)와 같이, 유입되는 가스의 압력이 일정 압력 이상이 될 경우 파열되도록 구성된 파열면(미도시됨)이 포함되어 있을 수 있다. 다만, 배출부(1300)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니며, 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면과 연통하여 내부 가스를 외측으로 배출 가능하도록 하는 구성이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에서, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 배출부(1300)를 향해 배출된 가스 및/또는 화염은 팩 프레임(1100, 1200)의 내부 압력이 일정 수준 이상 도달하면, 배출부(1300)를 통해 가스 및/또는 화염이 외부로 배출될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 필터부(1400)는 복수의 전지 모듈(100) 중 배출부(1300)에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 팩 프레임(1100, 1200) 사이에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 필터부(1400)는 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 팩 프레임(1100, 1200) 사이에서 팩 프레임(1100, 1200)의 일 측면의 길이 방향에 따라 연장되어 있을 수 있다. 일 예로, 도 2와 같이, 제1 필터부(1400)는 수직빔(1170)의 길이 방향에 따라 연장되어 있을 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 모듈(100) 및 프레임부(1130, 1150, 1170)의 배치에 따라, 제1 필터부(1400)의 연장 방향이 달라질 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에서, 제1 필터부(1400)는 전지 모듈(100)로부터 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면을 향해 이동하는 전지 모듈(100)에서 발생한 물질을 일차적으로 필터링할 수 있다.
또한, 제2 필터부(1500)는 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면에서 배출부(1300)와 대응되는 위치에 위치할 수 있다. 일 예로, 도 2와 같이, 제2 필터부(1500)는 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면의 외면과 배출부(1300) 사이에 위치할 수 있다. 다른 일 예로, 제2 필터부(1500)는 배출부(1300)와 대응되는 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면 내에 위치할 수 있다. 다른 일 예로, 제2 필터부(1500)는 배출부(1300)와 대응되는 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면의 내면에 위치할 수 있다.
또한, 제2 필터부(1500)는 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면에서 배출부(1300)와 대응되는 면적을 따라 연장되어 있을 수 있다. 일 예로, 도 2와 같이, 제2 필터부(1500)는 배출부(1300)와 동일하거나 이보다 큰 면적을 따라 연장되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에서, 제2 필터부(1500)는 제1 필터부(1400)로부터 배출부(1300)를 향해 이동하는 전지 모듈(100)에서 발생한 물질을 이차적으로 필터링할 수 있다.
일 예로, 제1 필터부(1400)의 면적은 적어도 하나의 배출부(1300)의 면적의 합보다 클 수 있다. 다른 일예로, 제1 필터부(1400)의 면적은 제2 필터부(1500)의 면적의 합보다 클 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 파티클이 제1 필터부(1400)에 의해 필터링되는 양이 제2 필터부(1500)에 의해 필터링되는 양보다 많음에도 불구하고, 제1 필터부(1400)는 상기 파티클에 의해 막히지 않을 수 있고, 전지 팩(1000) 내부의 압력을 상승함에 따라 발생되는 구조 붕괴를 방지할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 필터부(1400), 제2 필터부(1500), 및 배출부(1300)를 통해 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 이동할 수 있다. 여기서, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질은 전지 모듈(100)의 발화 시 발생되는 화염, 가스, 열, 및 셀 내부 물질인 파티클(Particle) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 특히, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 셀 내부 물질인 파티클은 제1 필터부(1400) 및 제2 필터부(1500)를 통해 필터링될 수 있다. 다르게 말하면, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 셀 내부 물질인 파티클 중 적어도 일부는 제1 필터부(1400) 및/또는 제2 필터부(1500)를 통과하지 못할 수 있다.
보다 구체적으로, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질은 제1 필터부(1400)를 통해 일차적으로 필터링될 수 있다. 여기서, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 제1 필터부(1400)를 통과한 후에, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질에 포함된 상기 파티클의 양이 상대적으로 줄어들 수 있다. 또한, 제1 필터부(1400)를 통과한 전지 모듈(100)에서 발생한 물질은 제2 필터부(1500)를 통해 이차적으로 필터링될 수 있다. 여기서, 제1 필터부(1400)를 통과한 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 제2 필터부(1500)를 통과한 후에, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질에 포함된 상기 파티클의 양은 상대적으로 보다 줄어들 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 최종적으로 상기 배출부(1300)를 통해 전지 팩(1000) 외부로 배출되는 물질에 셀 내부 물질인 파티클이 포함되지 않거나 포함되더라도 다른 물질에 비해 상대적으로 적은 양일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 파티클이 제1 필터부(1400) 및 제2 필터부(1500)를 통해 효과적으로 필터링되어, 상기 파티클이 배출부(1300)를 막히게 하는 것을 방지할 수 있고, 전지 팩(1000) 내부의 압력을 상승함에 따라 발생되는 구조 붕괴를 방지할 수 있다.
이와 더불어, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 파티클이 배출부(1300)를 통해 전지 팩 외부로 배출되는 것을 최소화하여, 외부 화염 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 필터부(1400)는 필터 프레임(1401) 및 필터망(1405)을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 필터부(1400)는 필터 프레임(1401)의 면적이 최소화되면서도, 필터망(1405)의 면적이 최대화되어 구성될 수 있다. 이에 따라, 제1 필터부(1400)는 필터 프레임(1401)을 통해 제1 필터부(1400)의 강성을 유지하면서도, 필터망(1405)에 의한 필터링 효과를 최대화할 수 있는 면적을 가질 수 있다.
일 예로, 필터 프레임(1401)은 프레임부(1110, 1130, 1150, 1170)와 동일한 소재로 이루어지거나, 프레임부(1110, 1130, 1150, 1170)와 유사한 단열성 및 강성을 가지는 소재로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 단열성 및 강성을 가지는 소재라면 본 실시예에 적용될 수 있다.
또한, 필터망(1405)은 메쉬(Mesh) 구조로 형성되어 있을 수 있다. 일 예로, 필터망(1405)은 격자, 원형, 마름모 등의 패턴(pattern) 중 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 파티클이 필터링 될 수 있는 패턴이라면 본 실시예에 적용될 수 있다.
제2 필터부(1500)는 제1 필터부(1400)와 동일하거나 유사한 구성 요소를 포함하여, 대부분 제1 필터부(1400)와 동일하게 설명될 수 있다. 여기서, 제2 필터부(1500)는 제1 필터부(1400)와는 동일하거나 상이한 면적을 가질 수 있다. 일 예로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 필터(1400)의 면적은 제2 필터(1500)의 면적보다 클 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질 중 파티클이 필터링 될 수 있는 면적이라면 본 실시예에 적용될 수 있다.
또한, 제1 필터부(1400)의 필터망(1405)의 패턴이 제2 필터부(1500)의 필터망(미도시됨)의 패턴 혹인 패턴 간격이 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 일 예로, 제1 필터부(1400)의 필터망(1405)의 패턴은 제2 필터부(1500)의 필터망(미도시됨)의 패턴보다 상대적으로 촘촘하지 않게 형성되어 있을 수 있다. 다르게 말하면, 제2 필터부(1500)의 필터망(미도시됨)의 패턴은 제1 필터부(1400)의 필터망(1405)의 패턴보다 상대적으로 촘촘하게 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 제1 필터부(1400)는 상대적으로 입자가 큰 파티클을 일차적으로 걸러 내고, 제2 필터부(1500)는 상대적으로 입자가 작은 파티클을 이차적으로 걸러낼 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩으로서, 도 1과 달리 유선형 구조를 가지는 제1 필터부를 포함하는 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 각각 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000a)에서, 제1 필터부(1400a)는 유선형 또는 지그재그(Zigzag)형일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 제1 필터부(1400a)의 면적은 제1 필터부(1400, 도 2)에 비해 상대적으로 클 수 있다. 다만, 제1 필터부(1400a)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 팩(1000a)의 팩 프레임(1100, 1200) 내부 구조나 다른 구성 요소들의 간섭을 회피하여 장착될 수 있는 형상이라면 본 실시예에 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000a)에서, 전지 팩(1000)의 내부 공간에 적어도 하나의 전장부(1900)가 배치되어 있을 수 있다. 여기서, 전장부(1900)는 기타 전장 부품과 전지 모듈(100)들의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery Management System) 모듈이 장착되어 있을 수 있다. 다만, 전장부(1900)의 배치는 도 5에 한정되는 것은 아니며, 전지 팩(1000a) 내부 공간에서 필요에 따라 적절한 위치에 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예의 전지 팩(1000a)에서, 적어도 하나의 전장부(1900)는 복수의 전지 모듈(100) 중 배출부(1300)에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 팩 프레임(1100, 1200) 사이에 위치할 수 있다. 이 때, 제1 필터부(1400a)는 팩 프레임(1100, 1200)의 일측면을 따라 연장되어 있으며, 적어도 하나의 전장부를 회피하는 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 도 5와 같이 제1 필터부(1900a)는 전장부(1900)를 감싸는 곡선형 구조를 가지고 있으나, 도 5와 달리 제1 필터부(1400a)는 전장부(1900)의 형태에 따라 다양한 형상으로 변형되어 적용될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000a)에서, 제1 필터부(1400a)의 면적에 따른 필터링 양이 상대적으로 증가하여, 전지 모듈(100)에서 발생된 물질을 보다 효과적으로 필터링할 수 있다. 이와 더불어, 제1 필터부(1400a)는 팩 프레임(1100, 1200)의 내부 구조나 다른 구성 요소들의 간섭을 회피하여 장착될 수 있어, 전지 팩(1000) 내부의 빈공간을 활용함에 따라 공간 효율성을 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩으로서, 도 1과 달리 폐쇄부가 형성된 제1 필터부를 포함하는 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다. 도 7은 도 6의 제1 필터부를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000b)에서, 제1 필터부(1400b)는 필터 프레임(1401) 및 필터망(1405)과 함께 적어도 하나의 폐쇄부(1450)를 포함하고, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 폐쇄부(1450)를 회피하여 이동할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 6과 같이, 제1 필터부(1400b)에서 적어도 하나의 폐쇄부(1450)는 서로 이격되어 있을 수 있다. 또한, 폐쇄부(1450)는 도 6과 같이, 전지 모듈(100)의 측면과 대응되는 위치에 위치할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 필터부(1400b)에서 전지 모듈(100)에서 발생된 물질의 이동을 의도하는 방향으로 통제하기 위한 위치라면 본 실시예에 적용될 수 있다. 일 예로, 폐쇄부(1450)는 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 통과하지 못하는 소재로 이루어질 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000b)에서, 제1 필터부(1400b)는 폐쇄부(1450)를 통해 전지 모듈(100)에서 발생한 물질의 이동을 방해하여, 전지 모듈(100)에서 발생된 물질의 이동을 의도하는 방향으로 통제할 수 있다. 즉, 폐쇄부(1450)는 전지 모듈(100)에서 발생된 물질의 이동 경로를 상대적으로 길게 하여, 전지 모듈(100)에서 발생된 물질이 제1 필터부(1400b)로부터 필터링되는 양을 상대적으로 증가시킬 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩으로서, 도 1과 달리 제1 필터부가 팩 프레임의 일측면에 접하는 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 각각 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000c)에서, 제1 필터부(1400c)는 적어도 두 개의 수직빔(1170) 중 배출부(1300)와 가장 인접하게 위치하는 수직빔(1170)과 배출부(1300) 사이에 위치할 수 있다. 일 예로, 제1 필터부(1400c)는 측면 프레임(1130)의 내측면에서 상기 배출부와 대응되는 위치에 접할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000c)은 전지 팩(1000) 내부의 빈 공간을 활용하여 제1 필터부(1400c)를 장착함에 따라, 전지 팩(1000) 내의 공간 효율성을 높일 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000d)에서, 제1 필터부(1400d)와 배출부(1300)에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈(100) 사이에 위치하는 유로부(1600)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 유로부(1600)는 배출부(1300)와 가장 인접하게 위치하는 수직빔(1170)을 대체할 수 있다. 이에 따라, 유로부(1600)는 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 이동하는 경로가 되면서도, 배출부(1300)와 가장 인접하게 위치하는 측면 프레임(1300)으로부터 전지 모듈(100)을 구획할 수 있다.
또한, 유로부(1600)는 적어도 하나의 격벽부(1610, 1650)를 포함할 수 있다. 일 예로, 격벽부(1610, 1650)는 프레임부(1110, 1130, 1150, 1170)와 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 여기서, 도 6과 같이, 유로부(1600)는 제1 격벽부(1610) 및 제2 격벽부(1650)를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 유로부(1600)는 제1 격벽부(1610) 및 제2 격벽부(1650) 중 하나가 생략되어 있거나, 제1 격벽부(1610) 및 제2 격벽부(1650) 이외에 격벽부가 추가적으로 포함되어 있을 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 격벽부(1610) 및 제2 격벽부(1650)는 측면 프레임(1130)의 내측면으로부터 서로 동일한 방향으로 각각 연장되어 있고, 제1 격벽부(1610) 및 제2 격벽부(1650)는 측면 프레임(1130)의 내측면 중 서로 상이한 내측면에 각각 이격되어 있을 수 있다. 즉, 전지 모듈(100)에서 발생한 물질이 제1 격벽부(1610)와 측면 프레임(1130)의 내측면이 이격되어 있는 공간 및 제2 격벽부(1650)와 측면 프레임(1130)의 내측면이 이격되어 있는 공간으로 이동할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 격벽부(1610) 및 제2 격벽부(1650)는 적어도 일부가 개방되어 있는 구조를 가져, 개방되어 있는 부분을 통해 전지 모듈(100)에서 발생된 물질이 이동할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000d)에서, 제1 격벽부(1610) 및 제2 격벽부(1650)는 유로부(1600)에서 전지 모듈(100)에서 발생된 물질이 이동하는 유로를 형성할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000d)에서, 전지 모듈(100)에서 발생된 물질이 유로부(1600)를 통과함에 따라 일부 냉각될 수 있어, 열전파 현상을 방지하면서도 전지 팩(1000)의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 10은 도 1의 전지 팩에 장착되는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 11은 도 10의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2, 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에 포함되는 복수의 전지 모듈(100)은 하부 팩 프레임(1100)에 장착될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100)은 도 2, 도 4 내지 도 6, 도 8, 및 도 9와 같이 측면 프레임(1130)과 내부 프레임(1150, 1170)에 의해 구획되어 있는 영역에 각각 장착될 수 있다. 다만, 전지 모듈(100)의 배치 방향은 이에 제한되지 아니하고 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
일 예로, 전지 모듈(100)은, 도 10 및 도 11과 같이, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(110), 및 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(160, 170)을 포함한다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 일 예로, 전지셀(110)은 전극 조립체를 수지층과 속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 여기서, 전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110)의 개수는 경우에 따라 조절될 수 있다.
모듈 프레임(160, 170)는 상부 커버(160) 및 U자형 프레임(170)을 포함할 수 있다. 또한, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(160, 170)의 하부 사이에 위치하는 열전도성 수지층(175)을 포함한다.
여기서, U자형 프레임(170)은 바닥부와 상기 바닥부의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 바닥부는 전지셀 적층체(120)의 하면을 커버할 수 있고, 상기 측면부는 전지셀 적층체(120)의 측면을 커버할 수 있다. 상부 커버(160)는 U자형 프레임(170)은 서로 대응되는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서 용접 등에 의해 결합되어, 전지셀 적층체(120)의 상하좌우를 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(160)와 U자형 프레임(170)은 소정의 강도를 가지는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
다른 일 예로, 도 10 및 도 11에는 도시하지 않았으나, 모듈 프레임(160, 170)은 상하면 및 양측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임으로 대체될 수 있다. 다른 일 예로, 모듈 프레임(160, 170)은 두 개의 L자형 프레임 결합된 형태로 대체될 수 있다. 다른 일 예로, 모듈 프레임(160, 170)은 상면 플레이트, 하면 플레이트, 좌측 플레이트, 및 우측 플레이트가 결합된 4-플레이트(Plate) 구조의 프레임으로 대체될 수 있다. 다만, 이에 한정된 것은 아니며, 전지 모듈(100)의 내부 부품을 보호할 수 있는 프레임의 형태라면 본 실시예에 적용될 수 있다.
또한, 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)의 전후면에 각각 위치하는 버스바 프레임(130) 및 버스바 프레임(130)을 덮는 엔드 플레이트(150)를 더 포함한다. 여기서, 버스바 프레임(130)에는 전지셀 적층체(120)와 전기적으로 연결되어 있는 버스바(도시되지 않음)가 위치할 수 있다. 이에 따라, 엔드 플레이트(150)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 도 10 및 도 11에서의 전지 모듈(100)에서, 모듈 프레임(160, 170), 엔드 플레이트(150), 및 버스바 프레임(130) 등의 구성 요소 중 적어도 일부가 생략되어 있는 구조를 가질 수 있다. 다르게 말하면, 전지 모듈(100)은 전지 모듈 단위에서의 구성 요소가 최소화되어 있는 구조일 수 있다. 일 예로, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(160, 170) 및/또는 엔드 플레이트(150)가 생략되어 있는 구조일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 전지 모듈(100)의 구성요소들 중 적어도 일부가 생략되어, 전지 팩(1000)의 중량이 감소하면서도 전지 팩(1000) 내부의 공간 활용률을 보다 증대시킬 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(101)이 전지 팩(1000) 내부에 장착될 수 있다. 여기서, 전지 모듈(101)은 앞서 설명한 전지 모듈(100)과 대부분 동일하게 설명될 수 있으며, 상이한 부분에 대해서만 설명한다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(101)에서, 상부 커버(160)에 복수의 벤팅홀(160h)가 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 벤팅홀(160h)은 상부 커버(160)를 관통하는 홀일 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 벤팅홀(160h)은 상부 커버(160)의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있으며, 상부 커버(160)의 길이 및 폭 방향을 따라 서로 이격되어 위치할 수 있다. 다만, 복수의 벤팅홀(160h)의 형태 및 배치는 도 12에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태 및 배치가 본 실시예에 적용될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(101)은 전지 모듈(101) 내에서 열폭주 현상과 같은 셀 이벤트가 발생되는 경우, 전지 모듈(101) 내에서 발생된 가스 및/또는 화염이 복수의 벤팅홀(160h)을 통해 전지 모듈(101) 외부로 원활하게 배출될 수 있으며, 도 10의 전지 모듈(100)에 비해 전지 모듈(101) 내외부의 열전파가 상대적으로 지연될 수 있다. 또한, 이러한 전지 모듈(101)이 장착되는 전지 팩(1000)에 있어서도, 도 10의 전지 모듈(100)에 비해 전지 모듈(101)의 내외부의 열전파가 지연됨에 따라, 인접한 다른 전지 모듈(101) 간의 열전파 또한 효과적으로 지연시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 13은 본 발명의 비교예에 따른 전지 팩의 상부 팩 프레임을 제거한 상태에서의 상면을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 비교예에 따른 전지 팩(2000)은 본 실시예에 따른 전지 팩(1000, 1000a, 1000b, 1000c, 1000d, 도 1-9)와 달리, 제1 필터부(1400, 1400a, 1400b, 1400c, 1400d)를 포함하지 않는 구조를 가지며, 이외에 구성요소는 모두 동일하게 포함하고 있다.
도 13을 참조하면, 비교예에 따른 전지 팩(2000)의 경우, 배출부(2300)에 대응되는 위치에 위치하는 필터부(2500)를 포함하고 있어, 전지 모듈(200)에서 발생된 물질 중 일부가 필터링될 수 있다. 그러나, 비교예에 따른 전지팩(2000)에서, 필터부(2500)에 의해 필터링되는 물질의 양은 본 실시예에 따른 전지 팩(1000, 1000a, 1000b, 1000c, 1000d, 도 1-9)에 비해 매우 제한적일 수 있으며, 필터부(2500)에 의해 필터링되지 않은 물질이 배출부(2300)를 막히게 할 수 있다는 문제가 있다. 또한, 필터링되지 않은 물질이 배출부(2300)를 막히게 하는 경우, 팩 내부의 압력이 상승될 수 있고, 팩 프레임(2100)의 강성에 따라 전지 팩(2000)의 구조가 붕괴될 수 있다는 문제가 있다.
이에 비해, 도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 제1 필터부(1400) 및 제2 필터부(1500)를 포함하여, 전지 모듈에서 발생된 물질이 효과적으로 필터링될 수 있다. 즉, 비교예와 달리, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 파티클이 전지 팩의 배출 장치를 막히게 하는 것 및 전지 팩 내부의 압력을 상승함에 따라 발생되는 구조 붕괴를 방지하면서도, 파티클이 전지 팩 외부로 배출되는 것을 최소화하여 외부 화염 발생을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리 범위에 속한다.
이하에서는, 보다 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 내용을 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
도 12와 같은 전지 모듈이 팩 프레임 내부에 2*4의 배열로 배치되어 있는 전지 팩을 제조하였다. 상기 전지 팩은, 도 1 및 도 2와 같이, 팩 프레임의 일 측면에 2개의 배출부가 위치하며, 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 상기 팩 프레임 사이에 제1 필터부가 위치하며, 상기 팩 프레임의 일측면에서 상기 배출부와 대응되는 위치에 제2 필터부가 위치하도록 제조되었다.
<비교예>
도 12와 같이, 비교예의 전지 팩은 도 9와 같은 전지 모듈이 팩 프레임 내부에 2*4의 배열로 배치되어 있고, 상기 제1 필터부가 생략된 구조인 것을 제외하고는, 실시예의 전지 팩과 동일하게 제조되었다.
<실험예 - 전지 팩 내부의 최대 압력 및 화염 노출 시점 확인>
각각의 실시예 및 비교예에서, 8개의 전지 모듈 중 동일한 위치에 있는 1개의 전지 모듈을 트리거(Trigger) 모듈로 지정하였고, 트리거 모듈은 전지 모듈 내 열폭주(TR, Thermal Runaway) 현상을 의도적으로 발생시킨 모듈이며, 인접 모듈은 트리거 모듈에 인접하게 위치하는 모듈을 의미한다.
각각의 실시예 및 비교예에서, 트리거 모듈과 인접 모듈의 열폭주 시간 및 열전파 시간, 열전파 속도를 각각 측정하였고, 전지 팩의 모듈 간 열전파 시간, 최대 압력, 및 화염 노출 시점을 각각 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
트리거 모듈 인접 모듈 모듈 간
열전파 시간		 최대 압력 화염 노출 시점
열폭주 시간 열전파 시간,
열전파 속도		 열폭주 시간 열전파 시간,
열전파 속도
실시예 105s 426s,
4.9Ah/s		 3589s 26s,
80.6 Ah/s		 3484s
(=58min)		 0.025bar(트리거 모듈 TR 시점),
1.20bar(인접 모듈 TR 시점)		 3596s
(=59.9min)
비교예 101s 153s,13.7Ah/s 101s 49s,
49.9Ah/s		 0 1.28bar 106s
표 1을 참조하면, 실시예의 경우, 트리거 모듈의 열폭주가 발생되는 시간은 105s이며, 트리거 모듈 내의 전지 셀들 전체에 열전파가 되는 시간 및 속도는 426s 및 4.9Ah/s인 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 비교예의 경우, 트리거 모듈의 열폭주가 발생되는 시간은 101s이며, 트리거 모듈 내의 전지 셀들 전체에 열전파가 되는 시간 및 속도는 153s 및 13.7Ah/s인 것을 확인할 수 있다.
즉, 트리거 모듈을 기준으로, 실시예에 포함된 전지 모듈은 비교예에 포함된 전지 모듈에 비해 전지 모듈 내부의 열전파 반응이 지연되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 차이는, 비교예와 달리 실시예의 경우 전지 모듈의 상부 커버에 형성된 벤팅홀을 통해 전지 모듈 내부의 가스 및/또는 화염이 외부로 원활하게 배출되어, 실시예는 비교예에 비해 상대적으로 전지 모듈 내부의 열전파 반응이 지연되는 것을 확인할 수 있다.
표 1을 참조하면, 실시예의 인접 모듈에 열폭주가 발생되는 시간은 3589s이며, 인접 모듈 내의 전지 셀들 전체에 열전파가 되는 시간 및 속도는 26s 및 80.6Ah/s인 것을 확인할 수 있다. 여기서, 실시예의 경우, 트리거 모듈로부터 인접 모듈로 열전파가 되는 시간, 즉 모듈 간 열전파 시간은 3484s(3589s-105s)인 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 비교예의 인접 모듈에 열폭주가 발생되는 시간은 101s이며, 인접 모듈 내의 전지 셀들 전체에 열전파가 되는 시간 및 속도는 49s 및 49.9Ah/s인 것을 확인할 수 있다. 여기서, 비교예의 경우, 트리거 모듈로부터 인접 모듈로 열전파가 되는 시간, 즉 모듈 간 열전파 시간은 0s(101s-101s)인 것을 확인할 수 있다.
즉, 인접 모듈을 기준으로, 실시예는 모듈 간 열전파 시간이 3484s(=58min)으로, 전지 모듈 간의 열전파 반응이 효과적으로 지연되는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 비교예의 경우, 모듈 간 열전파 시간이 0s로, 전지 모듈 간의 열전파 반응이 즉시 발생하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예의 경우 트리거 모듈 내의 가스 및/또는 화염이 모듈 외부로 원활하게 배출됨에 따라 트리거 모듈의 열전파 반응도 상대적으로 지연되어, 인접 모듈에 대한 열전파 반응 또한 낮은 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 비교예의 경우, 트리거 모듈 내의 가스 및/또는 화염이 모듈 외부로 배출되지 않아 트리거 모듈의 열전파 반응도 급속히 진행되어, 인접 모듈에 대한 열전파 반응 또한 즉시 발생되는 것을 확인할 수 있다.
표 1을 참조하면, 실시예의 전지 팩 내부의 최대 압력은 트리거 모듈의 열폭주 시점에서 0.025bar 및 인접 모듈의 열폭주 시점에서 1.20bar이며, 화염 노출 시간은 3596s(=59.9min)인 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 비교예의 전지 팩 내부의 최대 압력은 1.28bar이며, 화염 노출 시간은 106s인 것을 확인할 수 있다.
즉, 실시예의 전지 팩은 비교예와 달리 제2 필터부와 함께 제1 필터부를 더 포함함에 따라, 열폭주가 발생된 전지 모듈에서 발생된 물질 중 파티클이 제거되고, 전지 팩 내부의 가스 및/또는 화염이 전지 팩 외부로 원활하게 배출되어, 전지 팩 내부의 최대 압력이 비교예에 비해 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있다. 이와 더불어, 실시예의 전지 팩은, 트리거 모듈로부터 인접 모듈로 열전파가 발생되기 전(인접 모듈의 열폭주 발생 시점)까지 최대 압력이 0.025bar 내지 1.20bar로 유지되는 점에서, 비교적 긴 시간 동안 전지 팩 내부의 최대 압력이 상대적으로 낮게 유지되어 팩 구조의 붕괴가 지연되는 것을 확인할 수 있고, 화염 노출 시점 또한 효과적으로 지연되는 것을 확인할 수 있다.
이와 달리, 비교예의 전지 팩은 제1 필터부를 포함하지 않아, 열폭주가 발생된 전지 모듈에서 발생된 물질 중 파티클이 배출부를 막히게 하여, 가스 및/또는 화염의 배출을 원활하게 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예의 전지 팩과 같이 배출부에 대응되는 위치에 형성되는 제2 필터부만으로는, 전지 팩 내부의 파티클을 충분히 제거하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이와 더불어, 비교예의 전지 팩은 상대적으로 짧은 시간에 전지 팩 내부의 최대 압력이 1.28bar로 상대적으로 높아져 팩 구조의 붕괴가 발생될 가능성이 높으며, 화염 노출 시간 또한 매우 짧은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
130: 버스바 프레임
150: 엔드 플레이트
160: 상부 플레이트
170: 모듈 프레임
1000: 전지 팩
1100: 하부 팩 프레임
1200: 상부 팩 프레임
1300: 배출부
1400: 제1 필터부
1401: 필터 프레임
1405: 필터망
1450: 폐쇄부
1500: 제2 필터부
1600: 격벽부

Claims (20)

  1. 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 팩 프레임;
    상기 팩 프레임의 일측면에 위치하는 적어도 하나의 배출부;
    상기 복수의 전지 모듈 중 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 제1 필터부; 및
    상기 팩 프레임의 일측면에서 상기 배출부와 대응되는 위치에 위치하는 제2 필터부를 포함하고,
    상기 제1 필터부, 상기 제2 필터부, 및 상기 배출부를 통해 상기 전지 모듈에서 발생한 물질이 이동하는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 필터부의 면적은 상기 적어도 하나의 배출부의 면적의 합보다 큰 전지 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 필터부의 면적은 상기 제2 필터부의 면적의 합보다 큰 전지 팩.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 모듈 중 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈과 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 적어도 하나의 전장부를 더 포함하고,
    상기 제1 필터부는 상기 팩 프레임의 일측면을 따라 연장되어 있으며, 상기 적어도 하나의 전장부를 회피하는 구조를 가지는 전지 팩.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 필터부는 유선형 또는 지그재그(Zigzag)형인 전지 팩.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 필터부는 서로 이격되어 있는 적어도 하나의 폐쇄부를 포함하고,
    상기 전지 모듈에서 발생한 물질이 상기 폐쇄부를 회피하여 이동하는 전지 팩.
  7. 제1항에서,
    상기 팩 프레임은 복수의 전지 모듈이 장착되어 있는 하부 팩 프레임 및 상기 전지 모듈의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임을 포함하고,
    상기 하부 팩 프레임은 상기 전지 모듈의 하면과 접하는 바닥부와 상기 전지 모듈의 적어도 일 측면과 접하는 프레임부를 포함하는 전지 팩.
  8. 제7항에서,
    상기 프레임부는 상기 바닥부의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측면 프레임과 상기 측면 프레임의 내부에 위치하는 내부 프레임을 포함하는 전지 팩.
  9. 제8항에서,
    상기 복수의 전지 모듈은 상기 측면 프레임과 상기 내부 프레임에 의해 서로 구획되는 전지 팩.
  10. 제8항에서,
    상기 내부 프레임은 상기 하부 프레임의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 수평 빔과 상기 수평 빔에 수직인 방향으로 연장되어 있는 적어도 두 개의 수직빔을 포함하는 전지 팩.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 필터부는 상기 적어도 두 개의 수직빔 중 상기 배출부와 가장 인접하게 위치하는 수직빔을 대체하는 전지 팩.
  12. 제10항에서,
    상기 제1 필터부는 상기 적어도 두 개의 수직빔 중 상기 배출부와 가장 인접하게 위치하는 수직빔과 상기 배출부 사이에 위치하는 전지 팩.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 필터부는 상기 측면 프레임의 내측면에서 상기 배출부와 대응되는 위치에 접하는 전지 팩.
  14. 제12항에서,
    상기 제1 필터부와 상기 배출부에 가장 인접하게 위치하는 전지 모듈 사이에 위치하는 유로부를 포함하는 전지 팩.
  15. 제14항에서,
    상기 유로부는 상기 배출부와 가장 인접하게 위치하는 수직빔을 대체하는 전지 팩.
  16. 제15항에서,
    상기 유로부는 적어도 하나의 격벽부를 포함하는 전지 팩.
  17. 제15항에서,
    상기 유로부는 제1 격벽부 및 제2 격벽부를 포함하고,
    상기 제1 격벽부 및 상기 제2 격벽부는 상기 측면 프레임의 내측면으로부터 서로 동일한 방향으로 각각 연장되어 있는 전지 팩.
  18. 제17항에서,
    상기 제1 격벽부 및 상기 제2 격벽부는 상기 측면 프레임의 내측면 중 서로 상이한 내측면에 각각 이격되어 있는 전지 팩.
  19. 제18항에서,
    상기 전지 모듈에서 발생한 물질이 상기 제1 격벽부와 상기 측면 프레임의 내측면이 이격되어 있는 공간 및 상기 제2 격벽부와 상기 측면 프레임의 내측면이 이격되어 있는 공간으로 이동하는 전지 팩.
  20. 제1항에 따른 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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