WO2025211529A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차

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WO2025211529A1
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battery
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frame
pack
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이상준
노용환
문정오
박신영
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LG Energy Solution Ltd
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a vehicle including the same, and more particularly, to a battery pack and a vehicle including the same, which can evenly spread heat and smoothly discharge gas when a thermal event occurs.
  • secondary batteries refer to batteries that can be repeatedly charged and discharged, such as lithium-ion batteries, lithium polymer batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-metal hydride batteries, and nickel-zinc batteries.
  • a battery cell the most basic type of secondary battery, can provide an output voltage of approximately 2.5 V to 4.2 V.
  • Lithium secondary batteries are currently in the spotlight due to their advantages such as high operating voltage and significantly higher energy density. However, because they use organic electrolytes, there is a problem that lithium secondary batteries can cause overcurrent and overheating when overcharged, which in severe cases can cause fire due to explosion or ignition.
  • Various types of secondary batteries include battery modules in which a plurality of battery cells are stacked and inserted into a module case that is equipped with a module case that can protect the battery cells, and battery packs including a plurality of battery modules.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a conventional battery pack.
  • the bolt when a flame is generated in the battery cell and the first nut melts, the bolt may be separated from the bulkhead frame, causing the upper frame to deform upward, and a buffer space may be formed between the upper frame and the battery module.
  • a vehicle including at least one battery pack as described above can be provided.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a conventional battery pack.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of a battery pack according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a battery pack according to one embodiment of the present invention, wherein a bolt is separated from a first nut fixed to the inside of a bulkhead frame.
  • Figure 4 is a drawing showing the bolt in Figure 3 coupled to the first nut fixed to the inside of the bulkhead frame.
  • Figure 5 is a drawing showing the first nut in Figure 4 melting and the upper frame and bolt being separated from the bulkhead frame.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a buffer space formed when the first nut melts and the upper frame is deformed in a battery pack according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of a battery pack according to a modified embodiment of the present invention, with only a portion shown.
  • FIG. 8 is a drawing for explaining a vehicle including a battery pack according to each embodiment of the present invention.
  • 'joint' or 'connection' as used herein includes not only cases where one member is directly joined or directly connected to another member, but also cases where one member is indirectly joined or indirectly connected to another member through a connecting member.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery pack according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a battery pack according to one embodiment of the present invention in which a bolt is separated from a first nut fixed to the inside of a bulkhead frame
  • FIG. 4 is a view illustrating a bolt coupled to a first nut fixed to the inside of a bulkhead frame in FIG. 3
  • FIG. 5 is a view illustrating a state in which the first nut in FIG. 4 melts and the upper frame and bolt are separated from the bulkhead frame
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a state in which a buffer space is formed as the first nut melts and the upper frame is deformed in a battery pack according to one embodiment of the present invention.
  • a battery pack (10) may be configured to include a plurality of battery modules (100), a pack case (200), and a fastening member (300).
  • the battery module (100) is housed in a pack case (200). Furthermore, a plurality of battery cells (110, see FIG. 6) are stacked on each battery module (100), and a plurality of battery modules (100) may be arranged in various ways. For example, the battery modules (100) may be arranged in horizontal and vertical directions, but are not limited thereto.
  • a battery module (100) may include a plurality of battery cells (110) and a module case (120, see FIG. 6).
  • a plurality of battery cells (110) can be stacked on top of each other.
  • the battery cells (110) can have various structures, and furthermore, the plurality of battery cells (110) can be stacked in various ways.
  • the battery cell (110) may have a structure in which a plurality of unit cells arranged in the order of positive plate-separator-negative plate or bi-cells arranged in the order of positive plate-separator-negative plate-separator-positive plate-separator-negative plate are stacked according to the battery capacity.
  • the battery cell (110) may be equipped with an electrode lead.
  • the electrode lead is a type of terminal that is exposed to the outside and connected to an external device, and may be made of a conductive material.
  • the electrode lead may include a positive electrode lead and a negative electrode lead.
  • a battery cell (110) may be provided with a plurality of cartridges (not shown) for storing the battery cell (110).
  • Each cartridge (not shown) may be manufactured by injection molding plastic, and a plurality of cartridges (not shown) having a storage portion capable of storing the battery cell (110) may be stacked.
  • a cartridge assembly in which a plurality of cartridges (not shown) are stacked may be provided with a connector element or a terminal element.
  • a plurality of battery cells (110) are stacked and stored in a module case (120).
  • the module case (120) surrounds the plurality of battery cells (110), thereby protecting the battery cells (110) from external vibrations or shocks.
  • the module case (120) may be formed in a shape corresponding to the shape of a stacked body in which a plurality of battery cells (110) are stacked. For example, if the stacked body in which a plurality of battery cells (110) are stacked is formed in a hexahedral shape, the module case (120) may also be formed in a hexahedral shape corresponding thereto. However, the present invention is not limited thereto.
  • the module case (120) may include an upper module case (120), a lower module case (120), and a side module case (120).
  • the module case (120) can be manufactured by, for example, bending a metal plate, whereby the module case (120) can be manufactured as an integral part.
  • the joining process is simplified and simplified.
  • the module case (120) can be provided in a detachable form and joined by welding or the like.
  • the material of the module case (120) is not limited to a metal material.
  • the pack case (200) may be configured to include, for example, an upper frame (210), a lower frame (220), a side frame (230), and a bulkhead frame (240).
  • the upper frame (210) is fixed to the side frame (230) by a commonly used bolt (310a, see FIG. 2).
  • the upper frame (210) is fixed to the side frame (230) by a normal bolt (310a), but the first nut (320) of the fastening member (300) that fastens the bulkhead frame (240) melts or burns, so that the upper frame (210) is separated from the bulkhead frame (240) in the thermal event situation (see FIG. 6), and thereby a buffer space (500) can be formed between the upper frame (210) and the bulkhead frame (240).
  • a buffer space (500) can be formed between the upper frame (210) and the bulkhead frame (240).
  • the side frame (230) may be configured to extend upward from the edge of the lower frame (220).
  • the side frame (230) defines the height of the pack case (200) and forms a preset space between it and the lower frame (220).
  • a fastening hole (241) may be formed in the bulkhead frame (240) so that the upper frame (210) is fastened by a fastening member (300).
  • the fastening member (300) is configured to fasten the upper frame (210) of the pack case (200). Here, at least a portion of the fastening member (300) is inserted into and fixed to the pack case (200).
  • the fastening member (300) may include a bolt (310) and a first nut (320), and the first nut (320) may be inserted into and fixed to the fastening joint hole (241) of the bulkhead frame (240) of the pack case (200).
  • the first nut (320) may be firmly coupled to and fixed to the fastening joint hole (241) of the bulkhead frame (240) by a fitting connection (e.g., a force-fit method).
  • the fastening member (300) is configured so that at least a portion thereof melts or burns when the temperature rises.
  • the first nut (320) of the fastening member (300) may be configured to melt or burn. That is, in the battery pack (10) according to one embodiment of the present invention, the first nut (320) is configured to melt or burn when the temperature rises due to, for example, the generation of a flame.
  • the first nut (320) configured to melt or burn by a temperature rise
  • the bolt (310) fastened to the first nut (320) fasten the upper frame (210) and the bulkhead frame (240).
  • the bolt (310) may be a general bolt, or may be a bolt configured to melt or burn by a flame.
  • the fastening member (300) may vary. However, for convenience of explanation, the following description focuses on a case where the fastening member (300) includes a general bolt (310) and a first nut (320) configured to melt or burn due to a rise in temperature.
  • the first nut (320) is inserted into and fixed in the fastening joint hole (241) of the bulkhead frame (240).
  • the first nut (320) is made of various types of melting or burning materials.
  • the first nut (320) may be formed of various materials so as to be configured to melt or burn at least partially when the temperature rises, and may be made of, for example, various plastic materials that can melt at a preset temperature, but is not limited thereto.
  • the bushing member (400) can be coupled to the bulkhead frame (240) of the pack case (200). That is, in order to prevent damage to the first nut (320) and increase the fixing force, for example, the bushing member (400) can be coupled to the fastening joint hole (241) of the bulkhead frame (240) so that it is positioned on the upper side of the first nut (320).
  • the bolt (310) can pass through the bushing member (400) and be connected to the first nut (320).
  • the bushing member (400) can be joined to the bulkhead frame (240) of the pack case (200) in various ways, for example, by welding, but is not limited thereto.
  • the bushing member (440) can also be joined to the fastening joint hole (241) of the bulkhead frame (240) in a force-fit manner, similar to the first nut (320).
  • the outer diameter of the bushing member (400) may be configured to be larger than the outer diameter of the first nut (320) to support the first nut (320) on the upper side of the first nut (320).
  • the fastening member (300) may include a second nut (330) coupled to the upper frame (210), in which case the bolt (310) is fastened to the first nut (320) and the second nut (330), respectively.
  • the second nut (330) is coupled to the upper frame (210), and here, the way in which the second nut (330) is coupled to the upper frame (210) may be various, and for example, it may be coupled by welding, but is not limited thereto.
  • the second nut (330) is not coupled to the bulkhead frame (240) but is separated from the bulkhead frame (240).
  • the second nut (330) and the bulkhead frame (240) are in contact, but the second nut (330) and the bulkhead frame (240) may be spaced apart from each other by a preset interval.
  • the bolt (310) is coupled to a second nut (330) coupled to the upper frame (210) to first fasten the upper frame (210) and the bulkhead frame (240), and further, the bolt (310) is coupled to a first nut (320) to second fasten the upper frame (210) and the bulkhead frame (240).
  • the first nut (320) melts and burns. And, as shown in FIG. 5, when the first nut (320) fastened to the bolt (310) melts, the fastening force of the bolt (310) weakens, and the upper frame (210) and the bolt (310) are separated from the bulkhead frame (240).
  • the upper frame (210) is deformed upward by the flame and gas generated from the battery cell (110) to form a buffer space (500), and as the heat from the flame spreads to other battery modules (100) through the buffer space (500), an overall uniform thermal distribution is achieved, and heat can be prevented from being concentrated in any one battery module (100).
  • a venting portion (250) is formed in the pack case (200).
  • the common content described in the aforementioned embodiment is replaced with the description of the aforementioned embodiment.
  • the content applicable to the aforementioned embodiment among the portions described in the modified embodiments may be applied to the aforementioned embodiment.
  • a venting portion (250) is formed in the pack case (200). As described above, when the temperature rises and the first nut (320) melts, causing the upper frame (210) to deform, gas generated from the battery cell (110) can move to the venting portion (250) and be discharged.
  • the venting portion (250) may include a venting hole (251) and a venting valve (252).
  • the venting hole (251) is a hole through which gas generated from the battery cell (110) is discharged, and may be formed in the pack case (200), for example, the side frame (230), but is not limited thereto.
  • the gas moves along the buffer space (500) to the venting portion (250), and when the venting valve (252) is opened by the pressure of the gas, the gas can be discharged to the outside of the pack case (200).
  • the present invention relates to a battery pack and an automobile including the same, and is particularly applicable to industries related to secondary batteries.

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Abstract

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 셀이 적층된 복수의 배터리 모듈; 복수의 배터리 모듈이 수납되는 팩 케이스; 및 팩 케이스를 체결하는 체결부재를 포함하며, 체결부재의 적어도 일부는 팩 케이스에 삽입되어 고정되며, 온도 상승시 적어도 일부분이 녹거나 타도록 구성된다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 출원은 2024년 04월 05일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2024-0046651호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 열적 이벤트 발생시 열이 고르게 확산되고 가스가 원활하게 배출될 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등과 같이 반복적 충방전이 가능한 배터리를 말한다. 가장 기본적인 이차전지에 해당하는 배터리 셀은 대략 2.5V에서 4.2V 정도의 출력 전압을 제공할 수 있다.
최근, 이러한 배터리 셀이 전기 차량(electric vehicle)이나 ESS(Energy Storage System) 등과 같이 높은 출력 전압과 대량의 충전 용량을 요구하는 장치들에 적용되면서, 다수의 배터리 셀을 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬을 조합한 방식으로 연결하여 구성된 배터리 모듈(battery module)과, 이러한 배터리 모듈들을 다시 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬을 조합한 방식으로 연결하여 구성된 배터리 팩(battery pack)이 널리 사용되고 있다.
리튬 이차 전지는 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 높다는 등의 장점으로 인해 현재 각광을 받고 있지만, 유기 전해액을 사용하기 때문에 리튬 이차 전지가 과충전되면 과전류 및 과열을 유발하여 심한 경우 폭발이나 발화에 의한 화재의 원인이 되는 문제점이 있다.
다양한 종류의 이차 전지는, 배터리 셀을 보호할 수 있는 모듈 케이스가 구비되며 복수의 배터리 셀들이 적층되어 모듈 케이스에 인입된 배터리 모듈과, 복수의 배터리 모듈들이 포함된 배터리 팩을 포함한다.
도 1은 종래 배터리 팩의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 배터리 팩(1)의 경우 상부 프레임(2)이 볼트(3)에 의해 격벽 프레임(4)에 고정되어 있다. 즉, 종래의 배터리 팩(1)은 상부 프레임(2)이 볼트(3)에 이해 단단하게 고정되어 있으므로, 화염이 발생한 경우 화염에 의한 열 또는 가스가 이동할 수 있는 여유 공간 내지 완충공간이 형성되어 있지 않다.
이와 같은 상태에서 배터리 셀(5)에 화염이 발생하면, 화염에 의한 열이 상부 프레임(2)에 막혀 확산되지 못하고 화염이 발생한 배터리 모듈(6) 내에 집중된다. 그리고, 배터리 모듈(6) 내부에서 발생된 가스도 배출되지 못하면서 내압이 증가하고 배터리 모듈(6) 내지 배터리 팩(1)의 폭발 가능성이 증가하게 된다.
이때, 화염이 발생한 배터리 모듈(6)에서 폭발이 발생하면 화염이 다른 배터리 모듈(6)로 전파되면서 열폭주 현상이 발생할 수 있고, 이와 같은 열폭주 현상에 의해 화염이 외부로 유출되면 전기차를 운전하고 있는 운전자가 화상을 입거나 위험한 상황에 처할 수 있는 문제점이 있다.
또는, 화염 전파에 의한 화염의 연쇄 반응에 의해 배터리 모듈(6) 내지 배터리 팩(1)이 손상 내지 전소되어 배터리 모듈(6) 내지 배터리 팩(1)의 안정성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 어느 하나의 배터리 셀로부터 화염이 발생한 경우, 배터리 팩 내부에서 화염에 의한 열이 고르게 확산되도록 하여 열 집중을 방지하고 이에 의해 균일한 열적 분포를 가질 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
또한, 벤팅이 원활해져 가스가 용이하게 배출될 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
또한, 화염 전파에 의한 화염의 연쇄 반응을 방지하여 열폭주 현상을 예방할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀이 적층된 복수의 배터리 모듈; 상기 복수의 배터리 모듈이 수납되는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스를 체결하는 체결부재를 포함하며, 상기 체결부재의 적어도 일부는 상기 팩 케이스에 삽입되어 고정되며, 온도 상승시 적어도 일부분이 녹거나 타는 것을 특징으로 하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 팩 케이스에는 체결용결합홀이 형성되고, 상기 체결부재는 볼트와 제1 너트를 포함하며, 상기 제1 너트는 녹거나 타는 재질로 제작되어 상기 팩 케이스의 상기 체결용결합홀에 삽입되어 고정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 너트는 상기 팩 케이스의 체결용결합홀에 끼움 결합으로 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 너트는 플라스틱으로 제작될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 너트의 파손을 방지하고 고정력을 증가시키기 위해 상기 제1 너트의 상측에는 부싱부재가 상기 팩 케이스에 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 볼트는 상기 부싱부재를 통과하여 상기 제1 너트에 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 부싱부재는 상기 팩 케이스에 용접으로 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 부싱부재의 외경이 상기 제1 너트의 외경보다 큰 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 팩 케이스는, 상부 프레임; 및 상기 체결부재에 의해 상기 상부 프레임과 체결되는 격벽 프레임을 포함하며, 상기 체결용결합홀은 상기 격벽 프레임에 형성되고, 상기 제1 너트는 상기 격벽 프레임의 상기 체결용결합홀에 삽입되어 고정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 체결부재는 상기 상부 프레임에 결합되는 제2 너트를 포함하며, 상기 볼트는 상기 제1 너트와 상기 제2 너트에 각각 체결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 너트는 상기 상부 프레임에 용접으로 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 너트는 상기 격벽 프레임과 분리되어 있을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 셀에서 화염이 발생하여 상기 제1 너트가 녹으면 상기 볼트가 상기 격벽 프레임으로부터 분리되어 상기 상부 프레임이 상측으로 변형되고, 상기 상부 프레임과 상기 배터리 모듈 사이에 완충공간이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 팩 케이스에는 벤팅부가 형성되며, 상기 상부 프레임이 변형되는 경우 상기 배터리 셀에서 발생한 가스가 상기 벤팅부로 이동할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 어느 하나의 배터리 셀로부터 화염이 발생한 경우, 배터리 팩 내부에서 화염에 의한 열이 고르게 확산되도록 하여 열 집중을 방지하고 이에 의해 균일한 열적 분포를 가질 수 있는 효과가 있다.
또한, 벤팅이 원활해져 가스가 용이하게 배출될 수 있는 효과가 있다.
또한, 화염 전파에 의한 화염의 연쇄 반응을 방지하여 열폭주 현상을 예방할 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적인 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 종래 배터리 팩의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 볼트가 격벽 프레임 내측에 고정된 제1 너트로부터 분리된 모습의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 볼트가 격벽 프레임 내측에 고정된 제1 너트에 결합된 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에서 제1 너트가 녹아 상부 프레임과 볼트가 격벽 프레임으로부터 분리되는 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 제1 너트가 녹아 상부 프레임이 변형되면서 완충공간이 형성된 모습의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 변형 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이며, 일 부분만 도시되어 있다.
도 8은 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 볼트가 격벽 프레임 내측에 고정된 제1 너트로부터 분리된 모습의 단면도이며, 도 4는 도 3에서 볼트가 격벽 프레임 내측에 고정된 제1 너트에 결합된 모습을 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에서 제1 너트가 녹아 상부 프레임과 볼트가 격벽 프레임으로부터 분리되는 모습을 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 제1 너트가 녹아 상부 프레임이 변형되면서 완충공간이 형성된 모습의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 복수의 배터리 모듈(100)과, 팩 케이스(200)와, 체결부재(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 팩 케이스(200)에 수납된다. 그리고, 배터리 모듈(100) 각각에는 복수의 배터리 셀(110, 도 6 참조)이 적층되며, 배터리 모듈(100)이 복수개 구비되어 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)은 가로 방향과 세로 방향으로 배열될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(110)과, 모듈 케이스(120, 도 6 참조)를 구비할 수 있다.
복수의 배터리 셀(110)은 서로 적층될 수 있다. 배터리 셀(110)은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한, 복수의 배터리 셀(110)은 다양한 방식으로 적층될 수 있다.
배터리 셀(110)은 양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열되는 단위 셀(Unit Cell) 또는 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터-양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열된 바이 셀(Bi-Cell)을 전지 용량에 맞게 복수개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
배터리 셀(110)에는 전극 리드가 구비될 수 있다. 전극 리드는 외부로 노출되어 외부 기기에 연결되는 일종의 단자로서 전도성 재질이 사용될 수 있다. 전극 리드는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드를 포함할 수 있다.
양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 또는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드가 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다.
배터리 셀(110)에는 배터리 셀(110)을 수납하는 복수의 카트리지들(미도시)이 구비될 수 있다. 각각의 카트리지(미도시)는 플라스틱의 사출 성형으로 제조될 수 있고, 배터리 셀(110)을 수납할 수 있는 수납부가 형성된 복수의 카트리지들(미도시)이 적층될 수 있다. 복수의 카트리지들(미도시)이 적층된 카트리지 조립체에는 커넥터 요소 또는 단자 요소가 구비될 수 있다.
커넥터 요소는, 예를 들어, 배터리 셀(110)의 전압 또는 온도에 대한 데이터를 제공할 수 있는 BMS(Battery Management System, 미도시) 등에 연결되기 위한 다양한 형태의 전기적 연결 부품 내지 연결 부재가 포함될 수 있다.
그리고, 단자 요소는 배터리 셀(110)에 연결되는 메인 단자로서 양극 단자와 음극 단자를 포함한다. 단자 요소는 터미널 볼트가 구비되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 배터리 셀(110)은 다양한 형상을 가질 수 있다.
모듈 케이스(120)에는 복수의 배터리 셀(110)이 적층되어 수납된다. 모듈 케이스(120)는 복수의 배터리 셀(110)을 둘러싸며 이에 의해 외부의 진동이나 충격으로부터 배터리 셀(110)을 보호한다.
모듈 케이스(120)는 복수의 배터리 셀(110)이 적층된 적층체의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(110)이 적층된 적층체가 육면체 형상으로 형성되는 경우 모듈 케이스(120)도 이에 대응되도록 육면체 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 모듈 케이스(120)는 상부 모듈 케이스(120)와, 하부 모듈 케이스(120)와, 측면 모듈 케이스(120)를 포함할 수 있다.
또한, 모듈 케이스(120)는 예를 들어, 금속 재질의 플레이트를 절곡하여 제조될 수 있으며, 이에 의해, 모듈 케이스(120)는 일체형으로 제조될 수 있다. 모듈 케이스(120)가 일체형으로 제조되는 경우 결합 공정이 간단해지고 단순화되는 효과가 있다. 또는 모듈 케이스(120)가 분리형으로 마련되어 용접 등에 의해 결합될 수도 있다. 다만, 모듈 케이스(120)의 재질이 금속 재질에 한정되는 것은 아니다.
팩 케이스(200)에는 복수의 배터리 모듈(100)이 수납된다. 팩 케이스(200)는 예를 들어, 상부 프레임(210)과, 하부 프레임(220)과, 측면 프레임(230)과, 격벽 프레임(240)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 상부 프레임(210)은 측면 프레임(230)과 격벽 프레임(240)에 결합된다. 여기서, 격벽 프레임(240)은 온도 상승시 적어도 일부분이 녹거나 타도록 구성된 체결부재(300)에 의해 체결된다. 예를 들어, 체결부재(300)는 볼트(310)와 제1 너트(320)일 수 있는데, 여기서, 제1 너트(320)는 화염에 의해 녹거나 타도록 구성된 너트이며, 볼트(310)는 일반적인 통상의 볼트일 수도 있고, 화염에 의해 녹거나 타도록 구성된 볼트일 수도 있다.
그리고, 상부 프레임(210)은 일반적으로 사용되는 통상의 볼트(310a, 도 2 참조)에 의해 측면 프레임(230)에 고정된다.
즉, 배터리 셀(110) 등에서 열적 이벤트가 발생한 경우 상부 프레임(210)은 통상의 볼트(310a)에 의해 측면 프레임(230)에 고정되어 있지만, 격벽 프레임(240)을 체결하는 체결부재(300)의 제1 너트(320)는 녹거나 타게 되므로, 열적 이벤트 상황에서 상부 프레임(210)이 격벽 프레임(240)으로부터 분리(도 6 참조)되며, 이에 의해 상부 프레임(210)과 격벽 프레임(240) 사이에 완충공간(500)이 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
하부 프레임(220)은 복수의 배터리 모듈(100)이 안착되도록 구성된다. 하부 프레임(220)은 사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 하부 프레임(220)은 팩 케이스(200)의 바닥부를 형성한다.
측면 프레임(230)은 하부 프레임(220)의 가장자리로부터 상측을 향해 연장되도록 구성될 수 있다. 측면 프레임(230)은 팩 케이스(200)의 높이를 규정하며, 하부 프레임(220)과의 사이에 미리 설정된 공간을 형성한다.
그리고, 측면 프레임(230)과 하부 프레임(220) 사이의 공간에 복수의 배터리 모듈(100)이 안착된다. 측면 프레임(230)은 상대적으로 길이가 긴 장변 측면 프레임(230)과, 상대적으로 길이가 짧은 단변 측면 프레임(230)을 포함할 수 있다. 또는, 측면 프레임(230)의 길이가 모두 동일할 수 있다.
격벽 프레임(240)은 하부 프레임(220) 내부에서 상측을 향해 연장되며, 측면 프레임(230)에 결합된다. 격벽 프레임(240)은 하나 이상으로 마련될 수 있으며, 복수의 격벽 프레임(240) 사이 또는 격벽 프레임(240)과 측면 프레임(230) 사이에 배터리 모듈(100)이 배치될 수 있다. 여기서, 격벽 프레임(240)은 측면 프레임(230) 내부에서 가로 방향 또는 세로 방향으로 배열될 수 있다.
그리고, 도 3을 참조하면, 격벽 프레임(240)에는 체결부재(300)에 의해 상부 프레임(210)이 체결되도록 체결용결합홀(241)이 형성될 수 있다.
체결부재(300)는 팩 케이스(200)의 상부 프레임(210)을 체결하도록 구성된다. 여기서, 체결부재(300)의 적어도 일부는 팩 케이스(200)에 삽입되어 고정된다. 도 3을 참조하여, 예를 들어 설명하면, 체결부재(300)는 볼트(310)와 제1 너트(320)를 포함할 수 있는데, 제1 너트(320)는 팩 케이스(200)의 격벽 프레임(240)의 체결용결합홀(241)에 삽입되어 고정될 수 있다. 예를 들어, 제1 너트(320)는 끼움 결합(예를 들어, 억지끼움 방식)으로 격벽 프레임(240)의 체결용결합홀(241)에 단단히 결합되어 고정될 수 있다.
그리고, 체결부재(300)는 온도 상승시 적어도 일부분이 녹거나 타도록 구성된다. 예를 들어, 체결부재(300)의 제1 너트(320)가 녹거나 타도록 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서 제1 너트(320)는 화염 발생 등에 의해 온도가 상승하는 경우 녹거나 타도록 구성된다.
그리고, 전술한 바와 같이, 온도 상승에 의해 녹거나 타도록 구성된 제1 너트(320)와, 제1 너트(320)에 체결되는 볼트(310)는 상부 프레임(210)과 격벽 프레임(240)을 체결한다. 여기서, 볼트(310)는 일반적인 통상의 볼트일 수도 있고, 화염에 의해 녹거나 타도록 구성된 볼트일 수도 있다.
체결부재(300)는 다양할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 체결부재(300)는 일반적인 통상의 볼트(310)와, 온도 상승에 의해 녹거나 타도록 구성된 제1 너트(320)를 포함하는 경우를 중심으로 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전술한 바와 같이, 제1 너트(320)는 격벽 프레임(240)의 체결용결합홀(241)에 삽입되어 고정된다. 그리고, 제1 너트(320)는 다양한 종류의 녹거나 타는 재질로 제작된다.
즉, 제1 너트(320)는 온도 상승시 적어도 일부분이 녹거나 타도록 구성되기 위해 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 미리 설정된 온도에서 녹을 수 있는 각종 플라스틱 재질로 제작될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 부싱부재(400)가 팩 케이스(200)의 격벽 프레임(240)에 결합될 수 있다. 즉, 제1 너트(320)의 파손을 방지하고 고정력을 증가시키기 위해, 예를 들어, 제1 너트(320)의 상측에 부싱부재(400)가 위치하도록 격벽 프레임(240)의 체결용결합홀(241)에 결합될 수 있다.
그리고, 이와 같은 구조에서 볼트(310)는 부싱부재(400)를 통과하여 제1 너트(320)에 결합될 수 있다.
부싱부재(400)는 다양한 방식으로 팩 케이스(200)의 격벽 프레임(240)에 결합될 수 있으며, 예를 들어, 용접으로 결합될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 부싱부재(440)도 제1 너트(320)와 마찬가지로 억지끼움 방식으로 격벽 프레임(240)의 체결용결합홀(241)에 결합될 수 있다.
그리고, 도 5에서와 같이, 제1 너트(320)의 상측에서 제1 너트(320)를 지지하기 위해 부싱부재(400)의 외경이 제1 너트(320)의 외경보다 크게 구성될 수 있다.
그리고, 체결부재(300)는 상부 프레임(210)에 결합되는 제2 너트(330)를 포함할 수 있는데, 이 경우 볼트(310)는 제1 너트(320)와 제2 너트(330)에 각각 체결된다.
전술한 바와 같이, 제2 너트(330)는 상부 프레임(210)에 결합되는데, 여기서, 제2 너트(330)가 상부 프레임(210)에 결합되는 방식은 다양하며, 예를 들어, 용접으로 결합될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4에서 제2 너트(330)는 격벽 프레임(240)에 접촉만 하고 있는 상태로 결합된 것은 아니며, 격벽 프레임(240)으로부터 분리되어 있다. 도 4에서는 제2 너트(330)와 격벽 프레임(240)이 접촉된 상태이지만, 제2 너트(330)와 격벽 프레임(240)이 미리 설정된 간격으로 이격되어 있어도 무방하다.
도 4를 참조하면, 볼트(310)는 상부 프레임(210)에 결합된 제2 너트(330)에 결합되어 상부 프레임(210)과 격벽 프레임(240)을 첫번째 체결하고, 또한, 볼트(310)는 제1 너트(320)에 결합되어 상부 프레임(210)과 격벽 프레임(240)을 두번째 체결한다.
여기서, 배터리 셀(110) 등에서 열적 이벤트가 발생한 경우 제1 너트(320)가 녹거가 타게 된다. 그리고, 도 5에서와 같이, 볼트(310)에 체결된 제1 너트(320)가 녹게 되면 볼트(310)의 체결력이 약해지면서 볼트(310)와 함께 상부 프레임(210)이 격벽 프레임(240)으로부터 분리된다.
도 6을 참조하면, 배터리 셀(110)에서 화염이 발생하여 제1 너트(320)가 녹으면 볼트(310)가 격벽 프레임(240)으로부터 분리되어 상부 프레임(210)이 상측으로 변형되고, 이에 따라, 상부 프레임(210)과 배터리 모듈(100) 사이에 완충공간(500)이 형성된다.
즉, 배터리 셀(110)에서 발생한 화염과 가스에 의해 상부 프레임(210)이 상측으로 변형되어 완충공간(500)이 형성되며, 화염으로부터의 열이 완충공간(500)을 통해 다른 배터리 모듈(100)로 확산하게 되면서 전체적으로 균일한 열적 분포를 가지게 되고, 어느 하나의 배터리 모듈(100)에 열이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 변형 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이며, 일 부분만 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 팩 케이스(200)에 벤팅부(250)가 형성된다는 점에서 전술한 일 실시예와 차이가 있다. 다만, 변형 실시예 중 전술한 일 실시예에서 설명한 부분과 공통되는 내용은 전술한 일 실시예의 설명으로 대체한다. 또한, 변형 실시예에서 설명한 부분 중 전술한 일 실시예에 적용가능한 내용은 전술한 일 실시예에 적용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 팩 케이스(200)에는 벤팅부(250)가 형성된다. 전술한 바와 같이, 온도가 상승하여 제1 너트(320)가 녹으면서 상부 프레임(210)이 변형되는 경우 배터리 셀(110)에서 발생한 가스가 벤팅부(250)로 이동하여 배출될 수 있다.
벤팅부(250)는 벤팅홀(251)과 벤팅 밸브(252)를 포함할 수 있다. 벤팅홀(251)은 배터리 셀(110)로부터 발생한 가스가 배출되는 구멍으로, 팩 케이스(200), 예를 들어, 측면 프레임(230)에 형성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 벤팅홀(251)에 벤팅 밸브(252)가 설치될 수 있다. 벤팅 밸브(252)는 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 밸브(252)는 벤팅홀(251)을 폐쇄하며, 팩 케이스(200)의 내부 압력이 미리 설정된 값을 초과하는 경우 개방되도록 구성될 수 있다.
즉, 벤팅 밸브(252)는 평상시 벤팅홀(251)을 막고 있지만, 배터리 셀(110)로부터 가스가 새어 나와 팩 케이스(200)의 내부 압력이 미리 설정된 값 또는 범위를 넘는 경우 벤팅 밸브(252)가 개방되면서 가스가 벤팅홀(251)을 통해 팩 케이스(200)로부터 배출된다.
전술한 바와 같이, 배터리 셀(110)에서 발생한 화염과 가스에 의해 상부 프레임(210)이 상측으로 변형되어 완충공간(500)이 형성되면 가스는 완충공간(500)을 따라 벤팅부(250)로 이동하며, 가스의 압력에 의해 벤팅 밸브(252)가 개방되면서 가스가 팩 케이스(200) 외부로 배출될 수 있다.
즉, 상부 프레임(210)의 변형에 의해 형성되는 완충공간(500)에 의해 벤팅이 원활해져 가스가 용이하게 배출될 수 있는 효과가 있다.
그리고, 전술한 바와 같이, 열이 완충공간(500)을 통해 다른 배터리 모듈(100)로 확산하게 되면서 어느 하나의 배터리 모듈(100)에 열의 집중이 방지되고, 이에 의해, 균일한 열적 분포를 가질 수 있게 된다.
또한, 상부 프레임(210)과 배터리 모듈(100) 사이에 형성된 완충공간(500)에 의해 가스의 배출이 원활해지므로, 결국, 화염 전파에 의한 화염의 연쇄 반응을 방지하여 열폭주 현상을 예방할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩(10)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(20)는 전술한 각 실시예에 따른 배터리 팩(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동차(20)는 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 사용하도록 마련되는 각종 자동차를 포함한다.
본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 특히, 이차 전지와 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀이 적층된 복수의 배터리 모듈;
    상기 복수의 배터리 모듈이 수납되는 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스를 체결하는 체결부재를 포함하며,
    상기 체결부재의 적어도 일부는 상기 팩 케이스에 삽입되어 고정되며, 온도 상승시 적어도 일부분이 녹거나 타는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스에는 체결용결합홀이 형성되고,
    상기 체결부재는 볼트와 제1 너트를 포함하며,
    상기 제1 너트는 녹거나 타는 재질로 제작되어 상기 팩 케이스의 상기 체결용결합홀에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 너트는 상기 팩 케이스의 체결용결합홀에 끼움 결합으로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 너트는 플라스틱으로 제작되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 너트의 파손을 방지하고 고정력을 증가시키기 위해 상기 제1 너트의 상측에는 부싱부재가 상기 팩 케이스에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 볼트는 상기 부싱부재를 통과하여 상기 제1 너트에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 부싱부재는 상기 팩 케이스에 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 부싱부재의 외경이 상기 제1 너트의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상부 프레임; 및
    상기 체결부재에 의해 상기 상부 프레임과 체결되는 격벽 프레임을 포함하며,
    상기 체결용결합홀은 상기 격벽 프레임에 형성되고, 상기 제1 너트는 상기 격벽 프레임의 상기 체결용결합홀에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 체결부재는 상기 상부 프레임에 결합되는 제2 너트를 포함하며,
    상기 볼트는 상기 제1 너트와 상기 제2 너트에 각각 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 너트는 상기 상부 프레임에 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 너트는 상기 격벽 프레임과 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 셀에서 화염이 발생하여 상기 제1 너트가 녹으면 상기 볼트가 상기 격벽 프레임으로부터 분리되어 상기 상부 프레임이 상측으로 변형되고, 상기 상부 프레임과 상기 배터리 모듈 사이에 완충공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 팩 케이스에는 벤팅부가 형성되며,
    상기 상부 프레임이 변형되는 경우 상기 배터리 셀에서 발생한 가스가 상기 벤팅부로 이동하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차.
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