WO2022158791A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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이정훈
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LG Energy Solution Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module that effectively suppresses a flame when ignited in the battery module and effectively discharges internal gas, and a battery pack including the same.
  • secondary batteries are of great interest not only as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, notebooks, and wearable devices, but also as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.
  • the mid-to-large-sized battery module be manufactured as small as possible in size and weight, a prismatic battery, a pouch-type battery, etc. that can be stacked with a high degree of integration and have a small weight to capacity are mainly used as battery cells of the mid- to large-sized battery module.
  • the battery module in order to protect the battery cell stack from external impact, heat, or vibration, the front and back of the open front and rear may include a module frame for accommodating the battery cell stack in an internal space.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the A-A axis of FIG. 1 .
  • the conventional battery module 10 accommodates a battery cell stack 12 in which a plurality of battery cells 11 are stacked in one direction, and the battery cell stack 12 .
  • the module frames 30 and 40 include a lower frame 30 and an upper plate 40 having front and rear surfaces and an upper surface open.
  • a compression pad 15 may be included between the battery cell stack 12 and the module frames 30 and 40 .
  • the battery module 10 has a structure in which the inside of the battery module 10 is sealed by the module frames 30 and 40, and when ignited in some battery cells 11 included in the battery cell stack 12 , Flame and/or heat may propagate to other adjacent battery cells 11 .
  • the continuity of the ignition phenomenon such as the pressure in the battery module 10 may be greatly increased due to ignition and also affect the adjacent battery module 10 .
  • An object of the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the same, which effectively suppress a flame when the battery module is ignited and effectively discharge internal gas.
  • a battery module includes: a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a lower frame accommodating the lower and both sides of the battery cell stack; an upper plate covering an upper surface of the battery cell stack; and a fire extinguishing member positioned between the upper part of the module frame and the upper part of the battery cell stack, located between the central part of the upper part of the module frame and the peripheral part of the upper part of the module frame, and penetrates toward the battery cell stack It includes a venting part.
  • the venting part may be formed in a frame-like structure surrounding the central portion of the upper portion of the module frame.
  • the venting part may include at least one connecting part connecting a central portion of an upper portion of the module frame and a peripheral portion of an upper portion of the module frame.
  • At least one connection part may be formed at each corner forming the vent part.
  • the venting part may include a first venting part and the second venting part, and the second venting part may be located in a central portion of the upper part of the module frame surrounded by the first venting part, but spaced apart from the first venting part. have.
  • the connecting portion includes a first connecting portion and the second connecting portion, the first connecting portion is formed at each corner forming the first venting portion, and the second connecting portion is each corner forming the second venting portion may be formed in
  • the venting part may be penetrated in an oblique direction toward the battery cell stack.
  • the diagonal direction may have an angle toward the center of the battery cell stack with respect to the upper part of the module frame.
  • venting part One end of the venting part may be exposed to the outside, and the other end of the venting part may be positioned adjacent to the fire extinguishing member.
  • the fire extinguishing member may extend between an upper portion of the module frame and an upper portion of the battery cell stack in a stacking direction of the battery cell stack.
  • the thickness of the fire extinguishing member may be equal to or smaller than the distance spaced apart between the upper part of the module frame and the upper part of the battery cell stack.
  • the fire extinguishing member may be made of a fire extinguishing material containing a fire extinguishing agent.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • the present invention provides a battery module in which a fire extinguishing member is positioned on an upper portion of a battery cell stack and a venting part is formed on an upper part of a module frame, and a battery pack including the same, which effectively suppresses flame when ignited in the battery module and , the internal gas can be effectively discharged.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the A-A axis of FIG. 1 .
  • FIG 3 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the B-B axis of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a top view of the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a view showing an upper part of the module frame of the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 7 and 8 are enlarged views of a part of FIG. 4 .
  • FIG. 9 is an enlarged view of a part of FIG. 8 .
  • planar view it means when the target part is viewed from above
  • cross-sectional view means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the B-B axis of FIG. 3 .
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked; and module frames 300 and 400 accommodating the battery cell stack 120 .
  • a bus bar frame (not shown) may be positioned between the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 and the end plate 500 , and a bus bar may be positioned on the bus bar frame (not shown).
  • a compression pad 150 may be positioned between the side surface of the battery cell stack 120 and the module frames 300 and 400 .
  • the module frames 300 and 400 include a lower module frame 300 accommodating the lower and both sides of the battery cell stack 120 and an upper module frame 400 covering the upper surface of the battery cell stack 120 .
  • the present invention is not limited thereto, and may be replaced with a frame of another shape, such as an L-shaped frame or a U-shaped frame and an upper plate.
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell. It may be manufactured by accommodating the electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and then thermally sealing a sealing part of the pouch case.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 form a stacked battery cell stack 120 to be electrically connected to each other. In particular, as shown in FIGS. 3 and 4 , a plurality of battery cells 110 may be stacked along a stacking direction parallel to the y-axis.
  • the battery module 100 includes a fire extinguishing member 170 positioned between the module frame upper part 400 and the upper part of the battery cell stack 120 . .
  • the fire extinguishing member 170 may be attached to the lower surface of the upper module frame 400 .
  • the fire extinguishing member 170 may be attached to the lower surface of the upper module frame 400 through a separate adhesive layer.
  • the fire extinguishing member 170 may have a sheet or foam form, but may be attached to the lower surface of the upper module frame 400 due to the adhesive force of the fire extinguishing member 170 itself.
  • the fire extinguishing member 170 is prepared in a liquid form, and may be applied or sprayed to a predetermined thickness on the lower surface of the upper module frame 400 .
  • the present invention is not limited thereto, and the fire extinguishing member 170 may be attached to the lower surface of the upper module frame 400 in various forms.
  • the fire extinguishing member 170 may extend along the stacking direction (y-axis direction) of the battery cell stack 120 between the upper part of the module frame 400 and the upper part of the battery cell stack 120 . More specifically, the width of the fire extinguishing member 170 may extend along the stacking direction (y-axis direction) of the battery cell stack 120 between the upper part of the module frame 400 and the upper part of the battery cell stack 120 . can More preferably, the width of the fire extinguishing member 170 is equal to or smaller than the width of the upper part of the battery cell stack 120 between the upper part of the module frame 400 and the upper part of the battery cell stack 120 . there may be
  • the fire extinguishing member 170 may be located in a space spaced apart between the upper module frame 400 and the battery cell stack 120 . More specifically, the thickness of the fire extinguishing member 170 may be equal to or smaller than the distance spaced apart between the upper part of the module frame 400 and the upper part of the battery cell stack 120 .
  • the fire extinguishing member 170 is disposed at a position corresponding to the upper portion of the battery cell stack 120 , and some battery cells 110 of the battery cell stack 120 . ), when a flame is generated, it is possible to effectively suppress the intensity of the flame generated in the battery cell 110 . In addition, the safety of the battery module 100 may also be improved.
  • the fire extinguishing member 170 may be made of a fire extinguishing material containing a fire extinguishing agent.
  • the fire extinguishing member 170 may be a member in the form of foam, an airgel blanket, or a mica sheet.
  • the fire extinguishing agent material may be a commonly used fire extinguishing agent material in powder form.
  • the fire extinguishing agent is sodium hydrogen carbonate (NaHCO- 3 ), potassium hydrogen carbonate (KHCO-- 3 ), ammonium phosphate (NH 4 H 2 PO -3 ), and “potassium hydrogen carbonate (KHCO-- 3 ) and urea((NH 2 ) 2 CO)”.
  • the extinguishing agent material included in the extinguishing member 170 may include potassium hydrogen carbonate (KHCO-- 3 ).
  • KHCO-- 3 potassium hydrogen carbonate
  • the fire extinguishing agent material is not limited thereto, and any material that performs a fire extinguishing function can be used without limitation.
  • the fire extinguishing member 170 is positioned adjacent to the upper portion of the battery cell stack 120 , thereby effectively suppressing the intensity of the flame generated in the battery cell 110 .
  • carbon dioxide and water vapor may be generated in the process of extinguishing the flame generated in the battery cell 110 by the fire extinguishing member 170. This reaction may absorb heat of the battery cell 110 as an endothermic reaction, and oxygen supply may also be blocked, so that the flame and heat propagation speed between the battery cells 110 may be effectively delayed.
  • the safety of the battery module 100 may also be improved.
  • module frame upper part 400 and the venting part 410 will be described in more detail.
  • FIG. 5 is a top view of the battery module of FIG. 3 .
  • 6 is a view showing an upper part of the module frame of the battery module of FIG. 3 .
  • the upper module frame 400 is located between the central portion of the upper module frame 400 and the periphery of the upper module frame, but penetrates toward the battery cell stack 120 . It includes a venting portion 410 that is.
  • the venting part 410 may be formed in a frame-like structure surrounding the center of the module frame upper part 400 .
  • the venting unit 410 may be formed in a frame-like structure having four corners.
  • the four corners may be disposed and connected in a direction perpendicular to each other.
  • the shape of the venting part 410 is not limited thereto, and may be formed in a structure having various shapes.
  • the gas in the internal battery module 100 may be discharged through the venting part 410 .
  • the venting part 410 may include at least one connection part 450 connecting the central part of the module frame upper part 400 and the peripheral part of the module frame upper part 400 . More specifically, at least one connection part 450 may be formed at each corner forming the vent part 410 . For example, when the venting part 410 has a frame-like structure including four corners, at least one connection part 450 may be formed at each of the four corners.
  • connection part 450 may be a material including a flame retardant and/or a fire resistant material. More specifically, the connection part 450 may be an elastic material coated with a flame retardant and/or fire resistant material. However, the present invention is not limited thereto, and any material having sufficient flame retardancy and/or fire resistance enough not to be deformed by a flame or high-temperature gas generated when the battery module 100 is ignited may be applied.
  • connection part 450 is not deformed even when the battery module 100 is ignited, so it may be sufficiently supported between the central portion of the module frame upper portion 400 and the peripheral portion of the module frame upper portion 400, and the venting portion ( 410) through the high-temperature gas and / or flame may be sufficiently discharged to the outside.
  • the venting part 410 includes a first venting part 411 and a second venting part 415 , and the second venting part 415 is surrounded by the first venting part 411 . It is located in the center of the module frame upper part 400 , but may be spaced apart from the first venting part 411 .
  • the connecting portion 450 includes a first connecting portion 451 and a second connecting portion 455 , and the first connecting portion 451 is formed at each corner forming the first venting portion 411 , The second connection part 455 may be formed at each corner forming the second venting part 415 .
  • one of the first venting part 411 and the second venting part 415 may be omitted or a separate venting part may be additionally disposed.
  • the connection part 450 may support the center of the expanded module frame upper part 400 . That is, the gas in the battery module 100 may be discharged to the outside through the space between the central portion of the expanded module frame upper portion 400 and the vent portion 410 .
  • the central portion of the upper module frame 400 from being excessively expanded in the connection part 450 , it is possible to prevent the venting gas from being discharged too quickly through the venting part 410 . That is, by delaying the ignition time of the battery module 100 , the safety of the battery module 100 may be further improved.
  • FIG. 7 and 8 are enlarged views of a part of FIG. 4 .
  • FIG. 9(a) is an enlarged view of the upper plate of FIG. 7
  • FIG. 9(b) is an enlarged view of a part of FIG. 8 .
  • 7 to 9 have been described with reference to the case in which the venting part 410 includes the first venting part 411 and the second venting part when referring to FIG. 4 , and the first venting part in FIGS. 7 to 9 .
  • the venting part 411 and the second venting part 415 will be collectively referred to as a venting part 410 .
  • one end of the venting part 410 may be exposed to the outside, and the other end of the venting part 410 may be positioned adjacent to the fire extinguishing member 170 . More specifically, the other end of the venting part 410 may be in contact with one surface of the fire extinguishing member 170 . In other words, the other end of the venting unit 140 may be sealed with the fire extinguishing member 170 .
  • the venting part 410 is sealed to prevent external contaminants or external air from flowing into the battery module 100 . can be prevented.
  • FIGS. 8 and 9 ( b ) when the battery module 100 ignites, the fire extinguishing member 170 first comes into contact with the flame, thereby effectively suppressing the flame.
  • the fire extinguishing member 170 is melted while the fire extinguishing member 170 extinguishes the flame in the battery module 100, and a part of the venting part 410 that the fire extinguishing member 170 is in contact with is opened.
  • the gas remaining in the battery module 100 may be discharged to the outside.
  • venting part 410 may be penetrated in an oblique direction toward the battery cell stack 120 .
  • the diagonal direction may have an angle toward the center of the battery cell stack 120 with respect to the upper module frame 400 .
  • the venting unit 410 has a frame-like structure having four corners, the corners facing each other may penetrate in a symmetrical diagonal direction with respect to the module frame upper portion 400 .
  • the venting part 410 is formed in an oblique direction, it is possible to indirectly block the inflow of an external material.
  • the venting path is secured as long as possible when the battery module 100 is ignited, thereby delaying the rate at which the flame and/or gas in the battery module 100 is discharged to the outside.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above. Meanwhile, one or more battery modules according to the present embodiment may be packaged in a pack case to form a battery pack.
  • the above-described battery module and battery pack including the same may be applied to various devices.
  • a device may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, and a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto and is applicable to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same, and this belong to the scope of the invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양 측면을 수용하는 하부 프레임; 상기 전지셀 적층체의 상면을 덮는 모듈 프레임 상부; 및 상기 모듈 프레임 상부와 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 위치하는 소화 부재를 포함하고, 상기 모듈 프레임 상부의 중심부와 상기 모듈 프레임 상부의 주변부 사이에 위치하되, 상기 전지셀 적층체를 향해 관통되어 있는 벤팅부를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 01월 19일자 한국 특허 출원 제10-2021-0007657호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전지 모듈 내 발화 시 화염을 효과적으로 억제하고, 내부 가스를 효과적으로 배출시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것일 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 전지셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 모듈 프레임을 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A축을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 일방향으로 적층된 적층되어 있는 전지셀 적층체(12), 및 전지셀 적층체(12)를 수용하는 모듈 프레임(30, 40), 전지셀 적층체(12)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(50) 및 엔드 플레이트(50)와 전지셀 적층체(12)의 전후면 사이에 형성된 버스바 프레임(미도시됨)을 포함한다. 여기서, 모듈 프레임(30, 40)은 전후면과 상면이 개방되어 있는 하부 프레임(30) 및 상부 플레이트(40)를 포함한다. 여기서, 전지셀 적층체(12)와 모듈 프레임(30,40) 사이에는 압축 패드(15)가 포함되어 있을 수 있다.
여기서, 전지 모듈(10)은 모듈 프레임(30, 40)에 의해 전지 모듈(10) 내부가 밀폐되어 있는 구조를 가져, 전지셀 적층체(12)에 포함된 일부 전지셀(11)에서 발화 시 다른 인접한 전지셀(11)로 화염 및/또는 열이 전파될 수 있다. 이와 더불어, 전지 모듈(10) 내 압력이 발화로 인해 크게 증가될 수 있고, 인접한 전지 모듈(10)에 대해서도 영향을 미치는 등 발화 현상의 연속성을 가지는 문제가 있다.
이에 따라, 종래와 달리 전지 모듈(10) 내 발화 시 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키고, 안전성이 향상된 전지 모듈을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내 발화 시 화염을 효과적으로 억제하고, 내부 가스를 효과적으로 배출시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 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 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양 측면을 수용하는 하부 프레임; 상기 전지셀 적층체의 상면을 덮는 상부 플레이트; 및 상기 모듈 프레임 상부와 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 위치하는 소화 부재를 포함하고, 상기 모듈 프레임 상부의 중심부와 상기 모듈 프레임 상부의 주변부 사이에 위치하되, 상기 전지셀 적층체를 향해 관통되어 있는 벤팅부를 포함한다.
상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임 상부의 중심부를 둘러싸는 액자형 구조로 형성되어 있을 수 있다.
상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임 상부의 중심부와 상기 모듈 프레임 상부의 주변부를 연결하는 적어도 하나의 연결부를 포함할 수 있다.
상기 벤팅부를 형성하는 각각의 모서리에 적어도 하나의 상기 연결부가 형성되어 있을 수 있다.
상기 벤팅부는 제1 벤팅부 및 상기 제2 벤팅부를 포함하고, 상기 제2 벤팅부는 상기 제1 벤팅부에 둘러싸이는 상기 모듈 프레임 상부의 중심부에 위치하되, 상기 제1 벤팅부와 이격되어 위치할 수 있다.
상기 연결부는 제1 연결부 및 상기 제2 연결부를 포함하고, 상기 제1 연결부는 상기 제1 벤팅부를 형성하는 각각의 모서리에 형성되어있고, 상기 제2 연결부는 상기 제2 벤팅부를 형성하는 각각의 모서리에 형성되어 있을 수 있다.
상기 벤팅부는 상기 전지셀 적층체를 향해 사선 방향으로 관통되어 있을 수 있다.
상기 사선 방향은 상기 모듈 프레임 상부를 기준으로 상기 전지셀 적층체의 중심부를 향하는 각도를 가질 수 있다.
상기 벤팅부의 일단부는 외부에 노출되어 있고, 상기 벤팅부의 타단부는 상기 소화 부재와 인접하게 위치할 수 있다.
상기 소화 부재는 상기 모듈 프레임 상부와 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 소화 부재의 두께는 상기 모듈 프레임 상부와 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 이격되어 있는 거리와 동일하거나, 이보다 작을 수 있다.
상기 소화 부재는 소화(fire extinguishing) 약제가 포함된 소화 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 전지셀 적층체의 상부에 소화 부재가 위치하고, 모듈 프레임 상부에 벤팅부가 형성되어 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩으로서, 전지 모듈 내 발화 시 화염을 효과적으로 억제하고, 내부 가스를 효과적으로 배출시킬 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 종래의 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A축을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 3의 B-B축을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈의 상면도이다.
도 6은 도 3의 전지 모듈의 모듈 프레임 상부를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 4의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 일부를 확대하여 나타낸 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 모듈에 대해 설명하고자 한다. 다만, 여기서 전지 모듈의 전후면 중 전면을 기준으로 설명될 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 후면인 경우에도 동일하거나 유사한 내용으로 설명될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 4는 도 3의 B-B축을 따라 자른 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(300, 400)을 포함한다. 또한, 상기 전지셀 적층체(120)의 전후면과 엔드 플레이트(500) 사이에는 버스바 프레임(미도시됨)이 위치하고, 상기 버스바 프레임(미도시됨)에는 버스바가 위치할 수 있다. 또한, 상기 전지셀 적층체(120)의 측면과 모듈 프레임(300, 400) 사이에 압축 패드(150)가 위치할 수 있다.
모듈 프레임(300, 400)은 전지셀 적층체(120)의 하부 및 양 측면을 수용하는 모듈 프레임 하부(300) 및 전지셀 적층체(120)의 상면을 덮는 모듈 프레임 상부(400)를 포함한다. 다만, 이에 한정된 것이 아니며, L자형 프레임 또는 U자형 프레임 및 상부 플레이트와 같은 다른 형상의 프레임으로 대체될 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 전극 조립체를 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있고, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층된 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 y축과 평행한 적층 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임 상부(400)와 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에 위치하는 소화 부재(170)를 포함한다.
또한, 소화 부재(170)는 모듈 프레임 상부(400)의 하면에 부착되어 있을 수 있다. 일 예로, 소화 부재(170)는 모듈 프레임 상부(400)의 하면에 별도의 접착층을 통해 부착되어 있을 수 있다. 다른 일 예로, 소화 부재(170)는 시트 혹은 폼 형태를 가지되, 소화 부재(170) 자체가 가지는 접착력으로 인해 모듈 프레임 상부(400)의 하면에 부착되어 있을 수 있다. 다른 일 예로, 소화 부재(170)는 액상 형태로 준비되어 있되, 모듈 프레임 상부(400)의 하면에 소정의 두께로 도포 혹은 분사될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 소화 부재(170)는 다양한 형태로 모듈 프레임 상부(400) 하면에 부착될 수 있다.
또한, 소화 부재(170)는 모듈 프레임 상부(400)와 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에서 전지셀 적층체(120)의 적층 방향(y축 방향)을 따라 연장되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 소화 부재(170)의 폭은 모듈 프레임 상부(400)와 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에서 전지셀 적층체(120)의 적층 방향(y축 방향)을 따라 연장되어 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 소화 부재(170)의 폭은 모듈 프레임 상부(400)와 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에서 전지셀 적층체(120)의 상부의 폭과 동일하거나, 이보다 작게 연장되어 있을 수 있다.
또한, 소화 부재(170)는 모듈 프레임 상부(400)와 전지셀 적층체(120) 사이의이격되어 있는 공간에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 소화 부재(170)의 두께는 모듈 프레임 상부(400)와 전지셀 적층체(120)의 상부 사이에 이격되어 있는 거리와 동일하거나, 이보다 작을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서 소화 부재(170)가 전지셀 적층체(120)의 상부에 대응되는 위치에 배치되어, 전지셀 적층체(120)의 일부 전지셀(110)에서 화염 발생 시, 전지셀(110)에서 발생된 화염의 세기를 효과적으로 억제시킬 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
또한, 소화 부재(170)는 소화(fire extinguishing) 약제가 포함된 소화 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 소화 부재(170)는 폼(foam), 에어로겔 블랭킷(Aerogel Blanket), 운모 시트(MICA Sheet) 형태의 부재일 수 있다. 또한, 상기 소화약제 물질은 일반적으로 사용되는 분말 형태의 소화약제 물질일 수 있다. 일 예로, 상기 소화약제 물질은 탄산 수소 나트륨(NaHCO-3), 탄산 수소 칼륨(KHCO--3), 인산 암모늄(NH4H2PO-3), 및 “탄산 수소 칼륨(KHCO--3)와 요소((NH2)2CO)”의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 특히, 소화 부재(170)에 포함된 소화약제 물질은 탄산 수소 칼륨(KHCO--3)을 포함할 수 있다. 다만, 상기 소화약제 물질은 이에 한정되지 아니하고, 소화 기능을 수행하는 물질이라면 제한 없이 사용 가능하다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100) 내에 발화 현상 발생 시. 소화 부재(170)가 전지셀 적층체(120)의 상부에 인접하게 위치하여, 전지셀(110)에서 발생된 화염의 세기를 효과적으로 억제할 수 있다. 이와 더불어, 소화 부재(170)에 의한 전지셀(110)에서 발생된 화염의 소화 과정에서, 이산화탄소 및 수증기가 발생될 수 있다. 이러한 반응은 흡열 반응으로 전지셀(110)의 열을 흡수할 수 있고, 산소 공급 또한 차단될 수 있어, 전지셀(110) 간의 화염 및 열 전파 속도 효과적으로 지연될 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 안전성도 향상될 수 있다.
이하에서는 모듈 프레임 상부(400) 및 벤팅부(410)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 도 3의 전지 모듈의 상면도이다. 도 6은 도 3의 전지 모듈의 모듈 프레임 상부를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에서, 모듈 프레임 상부(400)는 모듈 프레임 상부(400)의 중심부와 모듈 프레임 상부의 주변부 사이에 위치하되, 전지셀 적층체(120)를 향해 관통되어 있는 벤팅부(410)를 포함한다.
또한, 모듈 프레임 상부(400)에서, 벤팅부(410)는 모듈 프레임 상부(400)의 중심부를 둘러싸는 액자형 구조로 형성되어 있을 수 있다. 일 예로, 벤팅부(410)는 4개의 모서리를 가지는 액자형 구조로 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 4개의 모서리는 서로 수직인 방향으로 배치되어 연결될 수 있다. 다만, 벤팅부(410)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상을 가지는 구조로 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100) 내에 발화 현상이 발생 시 앞서 언급한 소화 부재(170)의 일부가 녹는 경우, 벤팅부(410)를 통해 내부 전지 모듈(100) 내 가스가 배출될 수 있다.
또한, 도 5 및 도 6을 참조하면, 벤팅부(410)는 모듈 프레임 상부(400)의 중심부와 모듈 프레임 상부(400)의 주변부를 연결하는 적어도 하나의 연결부(450)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 벤팅부(410)를 형성하는 각각의 모서리에 적어도 하나의 연결부(450)가 형성되어 있을 수 있다. 일 예로, 벤팅부(410)가 4개의 모서리로 이루어지는 액자형 구조를 가지는 경우, 상기 4개의 모서리에 각각 적어도 하나의 연결부(450)가 형성되어 있을 수 있다.
여기서, 연결부(450)는 난연성 및/또는 내화성 물질을 포함하는 소재일 수 있다. 보다 구체적으로, 연결부(450)는 난연성 및/또는 내화성 물질이 코팅되어 있는 탄성 소재일 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 모듈(100)의 발화 시 발생되는 화염 또는 고온의 가스에 변형되지 않을 정도의 충분한 난연성 및/또는 내화성을 가지는 소재라면 적용 가능하다.
이에 따라, 연결부(450)는 전지 모듈(100)의 발화 시에도 변형되지 않아, 모듈 프레임 상부(400)의 중심부와 모듈 프레임 상부(400)의 주변부 사이에서 충분히 지지되어 있을 수 있고, 벤팅부(410)를 통해 고온의 가스 및/또는 화염이 외부로 충분히 배출될 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 벤팅부(410)는 제1 벤팅부(411) 및 제2 벤팅부(415)를 포함하고, 제2 벤팅부(415)는 제1 벤팅부(411)에 둘러싸이는 모듈 프레임 상부(400)의 중심부에 위치하되, 제1 벤팅부(411)와 이격되어 위치할 수 있다. 여기서, 연결부(450)는 제1 연결부(451) 및 제2 연결부(455)를 포함하고, 제1 연결부(451)는 제1 벤팅부(411)를 형성하는 각각의 모서리에 형성되어 있고, 제2 연결부(455)는 제2 벤팅부(415)를 형성하는 각각의 모서리에 형성되어 있을 수 있다. 다만, 다른 일 실시예에 따르면, 벤팅부(410)에서, 제1 벤팅부(411) 및 제2 벤팅부(415) 중 하나가 생략되어 있거나, 별도의 벤팅부가 추가로 배치될 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100) 내 발화 현상으로 인해 전지 모듈(100) 내 압력이 지나치게 증가하더라도, 벤팅부(410)가 둘러싸는 모듈 프레임 상부(400)의 중심부가 수직 방향으로 팽창할 수 있고, 이 때 연결부(450)가 팽창된 모듈 프레임 상부(400)의 중심부를 지지할 수 있다. 즉, 팽창되어 있는 모듈 프레임 상부(400)의 중심부와 벤팅부(410) 사이의 공간을 통해 전지 모듈(100) 내 가스를 외부로 배출될 수 있다. 또한, 연결부(450)에 모듈 프레임 상부(400)의 중심부가 지나치게 팽창되지 않도록 방지함에 따라, 벤팅부(410)를 통해 벤팅 가스가 지나치게 빠르게 배출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 전지 모듈(100)의 발화 시간을 지연시켜, 전지 모듈(100)의 안전성이 더욱 향상될 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 4의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다. 도 9(a)는 도 7의 상부 플레이트를 확대하여 나타낸 도면이고, 도 9(b)는 도 8의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다. 도 7 내지 도 9는 도 4를 참조할 때, 벤팅부(410)가 제1 벤팅부(411) 및 제2 벤팅부를 포함하는 경우를 기준으로 설명한 것으로, 도 7 내지 도 9에서의 제1 벤팅부(411) 및 제2 벤팅부(415)를 벤팅부(410)로 통칭하여 설명한다.
도 7, 및 도 8을 참조하면, 벤팅부(410)의 일 단부는 외부에 노출되어 있고, 벤팅부(410)의 타단부는 소화 부재(170)와 인접하게 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 벤팅부(410)의 타단부는 소화 부재(170)의 일면과 서로 접할 수 있다. 다르게 말하면, 벤팅부(140)의 타단부는 소화 부재(170)로 밀폐되어 있을 수 있다.
이에 따라, 도 7 및 도 9(a)를 참조하면, 전지 모듈(100)의 정상 작동 시에는 벤팅부(410)가 밀폐되어 있어, 외부 오염물 혹은 외부 공기가 전지 모듈(100) 내로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 도 8 및 도 9(b)를 참조하면, 전지 모듈(100) 내 발화 시에는 소화 부재(170)가 화염에 먼저 접하여, 화염을 효과적으로 억제할 수 있다.
이와 더불어, 소화 부재(170)가 전지 모듈(100) 내 화염을 소화하는 과정에서 소화 부재(170)의 적어도 일부가 녹게 되고, 소화 부재(170)가 접하고 있던 벤팅부(410)의 일부가 개방될 수 있다. 이에 따라, 벤팅부(410)를 통해 전지 모듈(100) 내 화염이 대부분 제거된 상태에서, 전지 모듈(100) 내부에 잔존하는 가스가 외부로 배출될 수 있다.
또한, 벤팅부(410)는 전지셀 적층체(120)를 향해 사선 방향으로 관통되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 사선 방향은 모듈 프레임 상부(400)를 기준으로 전지셀 적층체(120)의 중심부를 향하는 각도를 가질 수 있다. 일 예로, 벤팅부(410)는 4개의 모서리를 가지는 액자형 구조를 가지는 경우, 서로 대면하는 모서리는 모듈 프레임 상부(400)를 중심으로 서로 대칭인 사선 방향으로 관통되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 벤팅부(410)가 사선 방향으로 형성되어 있어, 외부 물질이 유입되는 것을 간접적으로 차단할 수 있다. 이와 더불어, 전지 모듈(100) 내 발화 시 벤팅 경로를 최대한 길게 확보되어, 전지 모듈(100) 내 화염 및/또는 가스가 외부로 배출되는 속도를 지연시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다. 한편, 본 실시 예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 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.
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.
[부호의 설명]
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
170: 소화 부재
300, 400: 모듈 프레임
410: 벤팅부
450: 연결부
500: 엔드 플레이트

Claims (13)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체을 수용하는 모듈 프레임; 및
    상기 모듈 프레임 상부와 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 위치하는 소화 부재를 포함하고,
    상기 모듈 프레임 상부의 중심부와 상기 모듈 프레임 상부의 주변부 사이에 위치하되, 상기 전지셀 적층체를 향해 관통되어 있는 벤팅부를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임 상부의 중심부를 둘러싸는 액자형 구조로 형성되어 있는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 벤팅부는 상기 모듈 프레임 상부의 중심부와 상기 모듈 프레임 상부의 주변부를 연결하는 적어도 하나의 연결부를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 벤팅부를 형성하는 각각의 모서리에 적어도 하나의 상기 연결부가 형성되어 있는 전지 모듈.
  5. 제3항에서,
    상기 벤팅부는 제1 벤팅부 및 상기 제2 벤팅부를 포함하고,
    상기 제2 벤팅부는 상기 제1 벤팅부에 둘러싸이는 상기 모듈 프레임 상부의 중심부에 위치하되, 상기 제1 벤팅부와 이격되어 위치하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 연결부는 제1 연결부 및 상기 제2 연결부를 포함하고,
    상기 제1 연결부는 상기 제1 벤팅부를 형성하는 각각의 모서리에 형성되어있고,
    상기 제2 연결부는 상기 제2 벤팅부를 형성하는 각각의 모서리에 형성되어 있는 전지 모듈.
  7. 제2항에서,
    상기 벤팅부는 상기 전지셀 적층체를 향해 사선 방향으로 관통되어 있는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 사선 방향은 상기 모듈 프레임 상부를 기준으로 상기 전지셀 적층체의 중심부를 향하는 각도를 가지는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 벤팅부의 일단부는 외부에 노출되어 있고, 상기 벤팅부의 타단부는 상기 소화 부재와 인접하게 위치하는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 소화 부재는 상기 모듈 프레임 상부와 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에서 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장되어 있는 전지 모듈.
  11. 제10항에서,
    상기 소화 부재의 두께는 상기 모듈 프레임 상부와 상기 전지셀 적층체의 상부 사이에 이격되어 있는 거리와 동일하거나, 이보다 작은 전지 모듈.
  12. 제1항에서,
    상기 소화 부재는 소화(fire extinguishing) 약제가 포함된 소화 물질로 이루어지는 전지 모듈.
  13. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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