WO2022186518A1 - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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장병도
이형석
김동현
신주환
천용호
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more particularly, to a battery pack that minimizes heat propagation between adjacent battery modules and a device including the same.
  • Secondary batteries which are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density, are universally applied to electric vehicles or hybrid vehicles driven by an electric drive source, as well as portable devices, and power storage devices. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also the fact that no by-products are generated from the use of energy.
  • lithium secondary batteries do not have much memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are possible freely. , the self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • a lithium secondary battery may be classified into a cylindrical or prismatic secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can, and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • a battery pack having a medium-to-large module structure in which a plurality of secondary batteries are assembled in series or parallel connected battery modules is increasing.
  • a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • the plurality of battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery pack has a structure in which a plurality of battery modules are combined, safety and operational efficiency of the battery pack may be problematic when some battery modules are overvoltage, overcurrent, or overheated.
  • the capacity of the battery pack is gradually increasing, and accordingly, it is necessary to design a structure to satisfy the strengthened safety standards while the internal energy of the pack is also increased and to secure the safety of the vehicle and the driver.
  • the need for a structure capable of preventing internal thermal runaway and the like in advance and minimizing the damage even if it occurs is emerging.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional battery pack.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a dotted line area of FIG. 1 .
  • a plurality of battery modules 11 are mounted on a pack housing 40 , and a plurality of battery modules 11 are mounted on a cooling plate ( 20) is mounted on the More specifically, referring to FIG. 2 , the battery modules 11 adjacent to each other are mounted on the pack housing 40 , and may be located together on the cooling plate 20 attached to the lower portion of the pack housing 40 . .
  • an abnormal phenomenon CE such as overvoltage, overcurrent, or overheating may occur in some of the battery modules 11 adjacent to each other.
  • the heat of the battery module 11 in which the abnormal phenomenon CE has occurred may be transferred to the cooling plate 20 , so that heat propagation to other battery modules 11 may be generated.
  • the cooling plate 20 is made of aluminum (Al) having high thermal conductivity for cooling performance, so that heat propagation by the cooling plate 20 can be generated more quickly. Due to this, thermal runaway may occur even for other battery modules 11 in which the abnormal phenomenon CE has not occurred, and a chain thermal runaway may also occur for other battery modules 11 located on the same cooling plate 40 . There is a problem that arises.
  • the problem to be solved by the present invention relates to a battery pack that minimizes heat propagation between adjacent battery modules and a device including the same.
  • a battery pack includes a pack frame in which a plurality of battery modules are mounted to be spaced apart from each other; and a heat insulating member positioned between the lower surface of the battery module and the bottom surface of the pack frame, wherein the battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a module for accommodating the battery cell stack a frame, and a heat sink positioned at the bottom of the module frame, wherein the bottom of the module frame constitutes an upper plate of the heat sink, and the bottom of the module frame is in contact with the refrigerant supplied into the heat sink .
  • the heat insulating members respectively located under the adjacent battery modules may be spaced apart from each other.
  • the heat insulating member positioned under one battery module among the plurality of battery modules and the heat insulating member positioned under the other battery module may be spaced apart from each other.
  • the heat insulating member may extend along a lower surface of the battery module.
  • the heat insulating member may have a size different from that of the lower surface of the battery module, and may have a larger size than the lower surface of the battery module.
  • the heat insulating member may have the same size as the lower surface of the battery module.
  • the heat insulating member may have a size different from that of the heat sink, but may have a size larger than that of the cooling member.
  • the heat insulating member may have the same size as the heat sink.
  • the heat insulating member may be made of expanded polypropylene (EPP) foam.
  • the heat sink is coupled to the bottom of the module frame, and includes a lower plate having a recessed part, and a refrigerant may flow between the recessed part and the module frame bottom.
  • a protrusion pattern may be formed in the depression.
  • a device includes the battery pack described above.
  • each battery module includes a heat sink located at the bottom of the module frame, and includes a heat insulating member located between the bottom surface of the battery module and the bottom surface of the pack frame, adjacent battery modules It relates to a battery pack that prevents heat propagation between the liver and a device including the same.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional battery pack.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a dotted line area of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a top view of the battery pack of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a perspective view of a battery module included in the battery pack of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a lower surface of the battery module of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a cross-section taken along the axis A-A' of FIG. 4 .
  • planar view it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross-section obtained by cutting the target part vertically is viewed from the side.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a top view of the battery pack of FIG. 3 .
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes a pack frame in which a plurality of battery modules are mounted to be spaced apart from each other; and a heat insulating member positioned between the lower surface of the battery module and the bottom surface of the pack frame.
  • the pack frame 410 may be a lower housing in which a plurality of battery modules 100 are mounted, and may further include an upper cover (not shown) coupled to the pack frame 410 to cover the upper portion of the battery module 100 .
  • the upper cover (not shown) is omitted for convenience of explanation, but it is assumed that the battery pack 1000 of the present embodiment is coupled with a generally usable upper cover (not shown). can be explained by
  • the pack frame 410 may include a bottom surface on which the plurality of battery modules 100 are disposed, and a sidewall extending upwardly from an edge of the bottom surface.
  • An upper cover (not shown) covering the upper portion of the battery module 100 may be coupled to the pack frame 410 to protect an internal electric field.
  • various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system may be mounted inside the pack frame 410 together with the battery module 100 .
  • BMS battery management system
  • a cooling system may be mounted inside the pack frame 410 together with the battery module 100 .
  • the pack frame 410 may be made of a steel or aluminum material. More preferably, the pack frame 410 is made of a steel material having a relatively low thermal conductivity compared to an aluminum material, so that the level of heat energy transfer between adjacent battery modules 100 through the pack frame 410 can be reduced. .
  • the present invention is not limited thereto, and any material having sufficient rigidity may be applied to the pack frame 410 .
  • the heat insulating member 250 may be located under the battery module 100 . More specifically, in the plurality of battery modules 100 , the heat insulating member 250 may be located under each of the battery modules 100 . That is, in the battery pack 1000 according to the present embodiment, the heat insulating members 250 may be respectively disposed under the battery module 100 mounted on the pack frame 410 . That is, each battery module 100 may be individually or independently disposed on the heat insulating member 250 .
  • the insulating members 250 respectively positioned under the adjacent battery modules 100 may be spaced apart from each other.
  • the heat insulating member 250 disposed under one battery module 100 may be spaced apart from the heat insulating member 250 disposed under the other adjacent battery module 100 .
  • each battery module 100 is positioned on the insulating member 250 spaced apart from each other, and overvoltage and overcurrent generated in some battery modules 100 . , or even if heat due to an abnormal phenomenon (CE) such as overheating is partially transferred to the heat insulating member 250 , the heat transferred to the heat insulating member 250 may not be directly transferred to another adjacent battery module 100 . .
  • CE abnormal phenomenon
  • the heat insulating member 250 may be positioned between the lower surface of the battery module 100 and the bottom surface of the pack frame 410 .
  • the pack frame 410 , the heat insulating member 250 , and the battery module 100 may have a structure in which they are stacked in this order.
  • the heat insulating member 250 may extend along the lower surface of the battery module 100 . More specifically, the heat insulating member 250 may extend along the lower surface of the heat sink 200 ( FIG. 6 ).
  • the heat insulating member 250 may have a size different from that of the lower surface of the battery module 100 , but may have a larger size than the lower surface of the battery module 100 .
  • the heat insulating member 250 may have the same size as the lower surface of the battery module 100 .
  • the heat insulating member 250 has a size different from that of the heat sink 200 ( FIG. 6 ) located on the lower surface of the battery module 100 , and has a size larger than that of the heat sink 200 ( FIG. 6 ). can As another example, the heat insulating member 250 may have the same size as the heat sink 200 ( FIG. 6 ).
  • the contact area of the heat insulating member 250 with respect to the lower surface of the battery module 100, that is, the heat sink 200 (FIG. 6) is sufficiently secured, and the pack frame 410 in the heat sink 200 (FIG. 6) is provided. It can effectively block the heat transferred to the
  • the heat insulating member 250 may be formed of a foam material such as expanded polypropylene (EPP) foam.
  • EPP expanded polypropylene
  • the heat insulating member 250 is not limited thereto, and any material having excellent heat insulating properties may be applied.
  • the heat insulating member 250 may prevent the lower surface of the battery module 100, that is, the heat sink 200 ( FIG. 6 ) and the pack frame 410 from direct contact with each other. That is, it is possible to prevent the heat transferred from the battery module 100 from being directly transferred to the pack frame 410 , and it is possible to prevent the heat generated outside the pack frame 410 from being transferred to the battery module 100 . have.
  • FIG. 5 is a perspective view of a battery module included in the battery pack of FIG. 3 .
  • 6 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 5 .
  • 7 is a perspective view illustrating a lower surface of the battery module of FIG. 5 .
  • the plurality of battery modules 100 included in the battery pack 1000 includes a battery cell stack 112 in which a plurality of battery cells 111 are stacked, and It includes a module frame 114 accommodating the battery cell stack 112 , and a heat sink 200 positioned at the bottom of the module frame 114 .
  • the battery cell 111 is preferably a pouch-type battery cell.
  • the battery cell 111 may be manufactured by accommodating the electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and an inner layer, and then thermally sealing a sealing part of the pouch case.
  • the battery cell 111 may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cells 111 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 111 are stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 112 .
  • the module frame 114 may include an upper cover 115 and a U-shaped frame 116 .
  • the U-shaped frame 116 may include a bottom portion and two side portions extending upward from both ends of the bottom portion.
  • the bottom portion may cover the lower surface of the battery cell stack 112
  • the side portion may cover the side surface of the battery cell stack 112 .
  • the upper cover 115 may form a structure that covers the upper and lower left and right sides of the battery cell stack 112 by welding the U-shaped frame 116 to each other in a state in which the corresponding corner portions are in contact with each other.
  • the upper cover 115 and the U-shaped frame 116 may be made of a metal material having a predetermined strength.
  • the module frame 114 is not limited thereto, and may be a mono frame in the form of a metal plate in which upper and lower surfaces and both sides are integrated.
  • the end plate 120 is positioned on the open first side (x-axis direction) and the second side (the opposite direction of the x-axis) of the module frame 114 to cover the front and rear surfaces of the battery cell stack 112 . can be formed. Accordingly, the end plate 120 may physically protect the battery cell stack 112 and other electrical components from external impact.
  • a bus bar frame on which the bus bar is mounted and an insulating cover for electrical insulation may be positioned between the battery cell stack 112 and the end plate 120 .
  • the module frame 114 extends to the bottom of the module frame 114 , that is, the bottom of the U-shaped frame 116 to pass the end plate 120 . It may include a formed module frame protrusion (116a). At this time, the refrigerant introduced and discharged by the cooling port 150 connected to the upper surface of the module frame protrusion 116a is supplied to and from the heat sink 200 through the module frame protrusion 116a. can be emitted.
  • the cooling port 150 includes a refrigerant injection port for supplying a refrigerant to the heat sink 200 and a refrigerant discharge port for discharging the refrigerant from the heat sink 200 .
  • the module frame protrusion 116a may include a first module frame protrusion and a second module frame protrusion positioned to be spaced apart from each other on one side of the module frame 114, and the refrigerant injection port is disposed on the first module frame protrusion. and the refrigerant discharge port may be disposed on the second module frame protrusion.
  • the bottom of the module frame 114 may constitute an upper plate of the heat sink 200 , and the bottom of the module frame 114 may contact the refrigerant supplied into the heat sink 200 .
  • the heat sink 200 may be located under the module frame 114 . More specifically, the heat sink 200 includes a lower plate 210 that forms the skeleton of the heat sink 200 and is directly coupled to the bottom of the module frame 114 by welding, etc., and a depression that is a path through which the refrigerant flows. (240).
  • the heat sink 200 may include a heat sink protrusion 200P protruding from one side of the heat sink 200 to a portion where the module frame protrusion 116a is located.
  • the heat sink protrusion 200P and the module frame protrusion 116a may be directly coupled to each other by welding or the like.
  • the recessed portion 240 of the heat sink 200 corresponds to a portion in which the lower plate 210 is recessed downward.
  • the recessed part 240 may be a U-shaped tube with a cross-section cut in the xz plane perpendicular to the direction in which the refrigerant flow path extends, and the bottom of the module frame 114 may be located on the open upper side of the U-shaped tube.
  • the space between the recessed part 240 and the bottom of the module frame 114 becomes a region through which the coolant flows, that is, the flow path of the coolant. Accordingly, the bottom of the module frame 114 may be in direct contact with the refrigerant.
  • the recessed part 240 of the heat sink 200 there is no particular limitation on the manufacturing method of the recessed part 240 of the heat sink 200, but by providing a structure recessed with respect to the plate-shaped heat sink 200, the U-shaped recessed part 240 with an open upper side may be formed.
  • This depression 240 may extend from one of the heat sink protrusions 200P to the other.
  • the refrigerant supplied through the refrigerant injection port of the cooling port 150 passes between the module frame protrusion 116a and the heat sink protrusion 200P, and the space between the depression 240 and the bottom of the module frame 114 . is first introduced into Thereafter, the refrigerant moves along the depression 240 , passes between the other module frame protrusion 116a and the heat sink protrusion 200P, and is discharged through the refrigerant discharge port of the cooling port 150 .
  • the bottom portion of the module frame 114 may be joined to a portion of the lower plate 210 in which the depression 240 is not formed in the heat sink 200 through welding.
  • the above-described cooling performance improvement as well as the load of the battery cell stack 112 accommodated in the module frame 114 is reduced. It may have the effect of supporting and reinforcing the rigidity of the battery module 100 .
  • the refrigerant can flow through the depression 240 formed inside the lower plate 210 without leakage.
  • the depression 240 is preferably formed over the entire area corresponding to the bottom of the module frame 114 .
  • the recessed portion 240 may be bent at least once and lead from one side to the other.
  • the depression 240 is preferably bent several times. As the refrigerant moves from the start point to the end point of the refrigerant passage formed over the entire area corresponding to the bottom of the module frame 114 , efficient cooling of the entire area of the battery cell stack 112 may be achieved.
  • the refrigerant is a medium for cooling, and there is no particular limitation, but may be cooling water.
  • a protrusion pattern 240D may be formed in the recessed portion 240 of the heat sink 200 according to the present exemplary embodiment.
  • the width of the refrigerant passage may be formed to be wider, so that the temperature deviation may be more severe.
  • the protrusion pattern 240D according to the present exemplary embodiment has the effect of substantially reducing the width of the cooling passage, thereby minimizing the pressure drop and reducing the temperature deviation between the widths of the refrigerant passage. Therefore, it is possible to implement a uniform cooling effect.
  • the battery modules 11 adjacent to each other are mounted on the pack housing 40 , and located together on the cooling plate 20 attached to the lower part of the pack housing 40 .
  • the heat generated in some of the battery modules 11 is transferred to the cooling plate 20 . Accordingly, there is a risk of heat propagation in which heat generated by thermal runaway in some battery modules 11 is transferred to other battery modules 11 through the cooling plate 20 may occur.
  • each battery module 100 implements a cooling integrated structure of the module frame 114 and the heat sink 200, so that some battery modules 100 have a heat sink ( It is possible to prevent the heat transferred to the 200 ) from being transferred to the heat sink 200 of the other battery module 100 . Accordingly, even if heat due to an abnormal phenomenon (CE) such as overvoltage, overcurrent, or overheating generated in some battery modules 100 is partially transferred to the heat sink 200 , heat propagation to the adjacent battery modules 100 is risk can be avoided.
  • CE abnormal phenomenon
  • the battery module 100 having the above-described integrated cooling structure is cooled individually, so that the cooling efficiency for each battery module 100 can be further increased.
  • the space utilization rate on the battery module 100 and the battery pack 1000 on which the battery module 100 is mounted can be further improved.
  • the height of the battery module 100 is reduced through the removal of the unnecessary cooling structure, thereby making it possible to reduce costs and increase space utilization.
  • the battery module 100 can be arranged compactly, the capacity or output of the battery pack 1000 including a plurality of the battery modules 100 can be increased.
  • the battery module 100 inside and It communicates and includes a venting gate 121 capable of emitting flame or heat that may be generated from the inside.
  • the venting gate 121 is disposed to face the outside of the battery pack 1000 , and preferably in the first direction (x-axis) in the battery pack 1000 as shown in FIG. 1 . direction) may be arranged to look outward toward both ends.
  • the plurality of battery modules 100 may further include a venting induction frame 300 disposed along the edge. More specifically, the plurality of battery modules 100 and the venting induction frame 300 may be mounted in the pack frame 410 .
  • At least one rupture part 500 is formed on one sidewall of the pack frame 410 , so that heat or flame generated inside may be discharged to the outside.
  • the two rupture parts 500 are exemplified only on one side of the pair of horizontal beams 320 , but the present embodiment is not limited thereto and the rupture parts 500 are also provided on the other horizontal beam 320 .
  • the vertical beam 310 may be provided, and the position and number thereof may be appropriately selected as needed.
  • venting guide frame 300 may be disposed along the entire edge of the plurality of battery modules 100 .
  • the venting induction frame 300 is formed in a tubular shape along each side of the battery pack 1000, and is a pair of vertical beams extending in a first direction (x-axis direction) and a second direction (y-axis direction), respectively. 310 and a pair of horizontal beams 320, which are formed to be able to communicate as a whole.
  • the passage is formed to communicate as a whole in the venting induction frame 300 of the rectangular shape made up of the vertical beam 310 and the horizontal beam 320 , and this passage is the venting gate of the battery module 100 .
  • this passage is the venting gate of the battery module 100 .
  • the venting induction frame 300 acts as a support frame for stably supporting the battery module 100 , not during thermal runaway, to improve the stability of the battery pack 1000 .
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a cross-section taken along the axis A-A' of FIG. 4 .
  • a cell event CE may occur in some battery modules 100 .
  • the cell event CE may mean that an abnormal phenomenon such as overvoltage, overcurrent, or overheating occurs within the battery module 100 , and thus the battery module 100 generates a high temperature and gas generation.
  • the heat generated in the battery module 100 in which the cell event CE has occurred is transferred through a thermal energy movement path through the heat sink 200 and the heat insulating member 250 included in the battery module 100 .
  • the heat generated in the battery module 100 in which the cell event CE has occurred may first be transferred to the heat sink 200 .
  • the battery module 100 includes the heat sink 200 individually, respectively, and the battery cell stack 112 . ), the heat transferred to the heat sink 200 is not transferred to other adjacent battery modules 100 .
  • some of the heat transferred to the heat sink 200 of the battery module 100 may be transferred to the heat insulating member 250 .
  • the heat insulating member 250 blocks some of the heat transferred from the heat sink 200 of the battery module 100 and prevents heat generated from the battery module 100 from being directly transferred to the pack frame 410 . can do. That is, even if a cell event CE occurs in some of the battery modules 100 and a relatively large amount of thermal energy is generated, the thermal energy transferred to the pack frame 410 through the heat insulating member 250 is minimized. and the temperature rise of the adjacent battery module 100 can also be minimized.
  • the heat transferred to the insulating member 250 of the battery module in which the cell event CE has occurred is not directly transferred to another battery module (100). More specifically, some of the heat transferred to the heat insulating member 250 of the battery module 100 in which the cell event CE has occurred may be transferred to the pack frame 410 , and the heat transferred to the pack frame 410 . Some of them may be transferred to the heat insulating member 250 of the other adjacent battery module 100 .
  • the pack is packed by the heat insulating member 250 of the other adjacent battery module 100. It is possible to effectively block the heat transferred from the frame 410 .
  • the battery pack described above 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. belong to the scope of the invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈이 서로 이격되게 장착되어 있는 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 하면과 상기 팩 프레임의 바닥면 사이에 위치하는 단열 부재를 포함하고, 상기 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 및 상기 모듈 프레임의 바닥부에 위치하는 히트 싱크를 포함하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 히트 싱크 내에 공급되는 냉매와 접촉한다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 03월 05일자 한국 특허 출원 제10-2021-0029158호에 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 인접한 전지 모듈 간의 열전파를 최소화하는 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. 이를 위하여 특히 내부의 열 폭주 등을 미연에 방지하고, 발생하더라도 그 피해를 최소화할 수 있는 구조의 필요성이 대두되고 있다.
도 1은 종래의 전지 팩의 단면도이다. 도 2는 도 1의 점선 영역을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전지 팩(10)에서, 복수의 전지 모듈(11)이 팩 하우징(40)에 장착되되, 복수 개의 전지 모듈(11)이 팩 하우징(40)에 위치한 냉각 플레이트(20) 상에 장착된다. 보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 서로 인접한 전지 모듈(11)이 팩 하우징(40)에 장착되되, 팩 하우징(40)의 하부에 부착되어 있는 냉각 플레이트(20) 상에 함께 위치할 수 있다.
여기서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 서로 인접한 전지 모듈(11) 중 일부 전지 모듈(11) 내에서 과전압, 과전류, 또는 과발열 등의 이상 현상(CE)이 발생될 수 있다. 이 때, 종래의 전지 팩(10)은 이상 현상(CE)이 발생된 전지 모듈(11)의 열은 냉각 플레이트(20)로 전달될 수 있어, 다른 전지 모듈(11)로 열전파가 발생될 수 있다. 특히, 일반적으로 냉각 플레이트(20)는 냉각 성능을 위해 열전도도가 높은 알루미늄(Al)으로 이루어져 있어, 냉각 플레이트(20)에 의한 열전파가 보다 빠르게 발생될 수 있다. 이로 인해, 이상 현상(CE)이 발생되지 않은 다른 전지 모듈(11)에 대해서도 열 폭주가 발생될 수 있고, 동일한 냉각 플레이트(40) 상에 위치한 다른 전지 모듈(11)에 대해서도 연쇄적인 열 폭주가 발생되는 문제가 있다.
이에 따라, 종래의 전지 팩(10)과 달리, 인접한 전지 모듈(11) 사이의 열전파를 방지하여, 연쇄적인 열 폭주가 발생되는 것을 방지하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 인접한 전지 모듈 간의 열전파를 최소화하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 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 서로 이격되게 장착되어 있는 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 하면과 상기 팩 프레임의 바닥면 사이에 위치하는 단열 부재를 포함하고, 상기 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 및 상기 모듈 프레임의 바닥부에 위치하는 히트 싱크를 포함하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 히트 싱크 내에 공급되는 냉매와 접촉한다.
상기 복수의 전지 모듈 중 서로 인접한 전지 모듈의 하부에 각각 위치한 상기 단열 부재는 서로 이격되어 있을 수 있다.
상기 복수의 전지 모듈 중 하나의 전지 모듈의 하부에 위치한 상기 단열 부재와, 다른 전지 모듈의 하부에 위치한 상기 단열 부재는 서로 이격되어 있을 수 있다.
상기 단열 부재는 상기 전지 모듈의 하면을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 단열 부재는 상기 전지 모듈의 하면과 상이한 크기를 가지되, 상기 전지 모듈의 하면보다 큰 크기를 가질 수 있다.
상기 단열 부재는 상기 전지 모듈의 하면과 동일한 크기를 가질 수 있다.
상기 단열 부재는 상기 히트 싱크의 크기와 상이한 크기를 가지되, 상기 냉각 부재의 크기보다 큰 크기를 가질 수 있다.
상기 단열 부재는 상기 히트 싱크와 동일한 크기를 가질 수 있다.
상기 단열 부재는 EPP(Expanded PolyPropylene) 폼(foam)으로 이루어질 수 있다.
상기 히트 싱크는 상기 모듈 프레임의 바닥부와 결합하되, 함몰부가 형성되어 있는 하부 플레이트를 포함하고, 상기 함몰부와 상기 모듈 프레임 바닥부 사이로 냉매가 유동할 수 있다.
상기 함몰부에 돌출 패턴이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 전지 팩을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 각각의 전지 모듈은 모듈 프레임 바닥부에 위치하는 히트 싱크를 포함하고, 전지 모듈의 하면과 팩 프레임의 바닥면 사이에 위치하는 단열 부재를 포함하여, 인접한 전지 모듈 간의 열전파를 최소화하는 것을 방지하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
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 팩의 단면도이다.
도 2는 도 1의 점선 영역을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 팩의 상면도이다.
도 5는 도 3의 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 7은 도 5의 전지 모듈의 하면을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 4의 A-A’축을 따라 자른 단면을 간략하게 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 팩에 대해 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 팩의 상면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈이 서로 이격되게 장착되어 있는 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 하면과 상기 팩 프레임의 바닥면 사이에 위치하는 단열 부재를 포함한다.
팩 프레임(410)은 복수의 전지 모듈(100)이 장착되는 하부 하우징일 수 있고, 팩 프레임(410)에 결합하여 전지 모듈(100)의 상부를 덮는 상부 커버(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 상부 커버(미도시됨)가 생략되어 설명되나, 본 실시예의 전지 팩(1000)은 일반적으로 사용될 수 있는 상부 커버(미도시됨)가 함께 결합되어 있는 것으로 가정하여 설명될 수 있다.
팩 프레임(410)은 복수의 전지 모듈(100)이 배치되는 바닥면과, 바닥면의 가장자리로부터 상부를 향해 연장된 측벽을 포함하여 구성될 수 있다. 팩 프레임(410)에는 전지 모듈(100)의 상부를 덮는 상부 커버(미도시됨)가 결합되어 내부의 전장을 보호할 수 있다. 이 때, 팩 프레임(410) 내부에는 전지 모듈(100)과 함께 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템이 장착될 수 있다.
일 예로, 팩 프레임(410)은 스틸 또는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다. 보다 바람직하게는, 팩 프레임(410)은 알루미늄 재질에 비해 상대적으로 낮은 열전도도를 가지는 스틸 재질로 이루어져, 팩 프레임(410)을 통해 인접한 전지 모듈(100) 간의 열에너지가 전달되는 수준을 낮출 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 충분한 강성을 가지는 물질이라면 팩 프레임(410)에 적용 가능하다.
단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 하부에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100)에서, 단열 부재(250)는 각각의 전지 모듈(100)의 하부에 위치할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에서, 팩 프레임(410)에 장착되는 전지 모듈(100)의 하부에 각각 단열 부재(250)가 배치되어 있을 수 있다. 즉, 각각의 전지 모듈(100)이 개별적으로 혹은 독립적으로 단열 부재(250) 상에 배치될 수 있다.
또한, 복수의 전지 모듈(100) 중 서로 인접한 전지 모듈(100)의 하부에 각각 위치한 단열 부재(250)는 서로 이격되어 있을 수 있다. 다르게 말하면, 하나의 전지 모듈(100)의 하부에 배치되어 있는 단열 부재(250)는 인접한 다른 전지 모듈(100)의 하부에 배치되어 있는 단열 부재(250)와 이격되어 있을 수 있다.
이에 따라, 종래의 전지 팩(10, 도 1)과 달리, 각각의 전지 모듈(100)이 서로 이격되어 있는 단열 부재(250) 상에 위치하여, 일부 전지 모듈(100)에서 발생되는 과전압, 과전류, 또는 과발열 등의 이상 현상(CE)으로 인한 열이 단열 부재(250)에 일부 전달되더라도, 단열 부재(250)에 전달된 열이 인접한 다른 전지 모듈(100)로 직접적으로 전달되지 않을 수 있다.
단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 하면과 팩 프레임(410)의 바닥면 사이에 위치할 수 있다. 다르게 말하면, 본 실시예에서 팩 프레임(410), 단열 부재(250) 및 전지 모듈(100) 순으로 적층되어 있는 구조를 가질 수 있다.
단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 하면을 따라 연장되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 단열 부재(250)는 히트 싱크(200, 도 6)의 하면을 따라 연장되어 있을 수 있다.
일 예로, 단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 하면과 상이한 크기를 가지되, 전지 모듈(100)의 하면보다 큰 크기를 가질 수 있다. 다른 예로, 단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 하면과 동일한 크기를 가질 수 있다.
일 예로, 단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 하면에 위치한 히트 싱크(200, 도 6)의 크기와 상이한 크기를 가지되, 히트 싱크(200, 도 6)의 크기보다 큰 크기를 가질 수 있다. 다른 일 예로, 단열 부재(250)는 히트 싱크(200, 도 6)와 동일한 크기를 가질 수 있다.
이에 따라, 전지 모듈(100)의 하면, 즉, 히트 싱크(200, 도 6)에 대한 단열 부재(250)의 접촉 면적을 충분히 확보하여, 히트 싱크(200, 도 6)에서 팩 프레임(410)에 전달되는 열을 효과적으로 차단할 수 있다.
일 예로, 단열 부재(250)는 EPP(Expanded PolyPropylene) 폼(foam) 등의 발포재로 이루어질 수 있다. 다만, 단열 부재(250)는 이에 한정되지 않고, 단열성이 우수한 소재라면 적용 가능하다.
이에 따라, 이상의 구성에 의해, 단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 하면, 즉, 히트 싱크(200, 도 6)와 팩 프레임(410)이 서로 직접 접하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 전지 모듈(100)에서 전달된 열이 팩 프레임(410)으로 바로 전달되는 것을 방지할 수 있고, 팩 프레임(410) 외부에서 발생된 열을 전지 모듈(100)로 전달되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 도 3의 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 사시도이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 7은 도 5의 전지 모듈의 하면을 나타내는 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에 포함되는 복수의 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(111)이 적층된 전지셀 적층체(112), 및 전지셀 적층체(112)를 수납하는 모듈 프레임(114), 및 모듈 프레임(114)의 바닥부에 위치하는 히트 싱크(200)을 포함한다.
전지셀(111)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 일 예로, 전지셀(111)은 전극 조립체를 수지층과 속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 이러한 전지셀(111)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(111)은 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(111)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(112)를 형성한다.
모듈 프레임(114)는 상부 커버(115) 및 U자형 프레임(116)을 포함할 수 있다. 여기서, U자형 프레임(116)은 바닥부와 상기 바닥부의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 바닥부는 전지셀 적층체(112)의 하면을 커버할 수 있고, 상기 측면부는 전지셀 적층체(112)의 측면을 커버할 수 있다. 상부 커버(115)는 U자형 프레임(116)은 서로 대응되는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서 용접 등에 의해 결합되어, 전지셀 적층체(112)의 상화좌우를 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(115)와 U자형 프레임(116)은 소정의 강도를 가지는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 모듈 프레임(114)은 이에 한정되는 것은 아니며, 상하면 및 양측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다.
엔드 플레이트(120)는 모듈 프레임(114)의 개방된 제1 측(x축 방향)과 제2 측(x축 반대 방향)에 위치하여, 전지셀 적층체(112)의 전후면을 커버하도로 형성될 수 있다. 이에 따라, 엔드 플레이트(120)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(112) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(112)와 엔드 플레이트(120) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등이 위치할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(114)은, 모듈 프레임(114)의 바닥부, 즉 U자형 프레임(116)의 바닥부가 연장되어 엔드 플레이트(120)를 지나도록 형성된 모듈 프레임 돌출부(116a)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈 프레임 돌출부(116a)의 상면부와 연결되는 냉각 포트(150)에 의해 유입 및 배출되는 냉매가, 모듈 프레임 돌출부(116a)를 통해 히트 싱크(200)로 공급 및 히트 싱크(200)로부터 배출될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 냉각 포트(150)는, 히트 싱크(200)에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트와 히트 싱크(200)로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트를 포함한다. 모듈 프레임 돌출부(116a)는 모듈 프레임(114) 일측에서 서로 이격되어 위치하는 제1 모듈 프레임 돌출부와 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함할 수 있고, 상기 냉매 주입 포트는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 배치되고, 상기 냉매 배출 포트는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참고하여, 본 실시예에 따른 히트 싱크에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
모듈 프레임(114)의 바닥부는 히트 싱크(200)의 상부 플레이트를 구성할 수 있고, 모듈 프레임(114)의 바닥부가 히트 싱크(200) 내에 공급되는 냉매와 접촉할 수 있다.
히트 싱크(200)는 모듈 프레임(114)의 하부에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 히트 싱크(200)는, 히트 싱크(200)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(114)의 바닥부와 용접 등으로 직접 결합하는 하부 플레이트(210) 및 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(240)를 포함할 수 있다.
히트 싱크(200)는 히트 싱크(200)의 일 변으로부터 모듈 프레임 돌출부(116a)가 위치한 부분으로 돌출된 히트 싱크 돌출부(200P)를 포함할 수 있다. 여기서, 히트 싱크 돌출부(200P)와 모듈 프레임 돌출부(116a)는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합될 수 있다.
히트 싱크(200)의 함몰부(240)는, 하부 플레이트(210)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(240)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xz평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 모듈 프레임(114)의 바닥부가 위치할 수 있다. 히트 싱크(200)가 모듈 프레임(114)의 바닥부와 접하면서, 함몰부(240)과 모듈 프레임(114)의 바닥부 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(114)의 바닥부가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
히트 싱크(200)의 함몰부(240)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(200)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(240)를 형성할 수 있다.
이러한 함몰부(240)는 히트 싱크 돌출부(200P)들 중 하나로부터 다른 하나로 이어질 수 있다. 냉각 포트(150) 중 상기 냉매 주입 포트를 통해 공급된 냉매는, 모듈 프레임 돌출부(116a)와 히트 싱크 돌출부(200P) 사이를 거쳐 함몰부(240)과 모듈 프레임(114)의 바닥부 사이의 공간으로 처음 유입된다. 이후, 냉매는 함몰부(240)를 따라 이동하고, 다른 모듈 프레임 돌출부(116a)와 히트 싱크 돌출부(200P) 사이를 거쳐 냉각 포트(150) 중 상기 냉매 배출 포트를 통해 배출된다.
또한, 모듈 프레임(114)의 바닥부는 히트 싱크(200) 중 함몰부(240)가 형성되지 않은 하부 플레이트(210) 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(114)의 바닥부와 히트 싱크(200)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(114)에 수용된 전지셀 적층체(112)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 하부 플레이트(210)와 모듈 프레임(114)의 바닥부는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 하부 플레이트(210) 내측에 형성된 함몰부(240)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(114)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(240)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(240)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(114)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(240)가 형성되기 위해 함몰부(240)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(114)의 바닥부에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(112)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다. 한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 히트 싱크(200)의 함몰부(240)에는 돌출 패턴(240D)이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀 적층체(112)와 같이 적층되는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈의 경우, 냉매 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다. 특히, 대면적 전지 모듈에서는, 기존에 하나의 전지 모듈 내에 대략 12개 내지 24개의 전지셀이 적층된 경우 대비하여 대략 32개 내지 48개의 전지셀이 하나의 전지 모듈 내에 적층되어 있는 경우를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예에 따른 돌출 패턴(240D)은 냉각 유로의 폭을 실질적으로 축소시키는 효과를 발생시켜 압력 강하를 최소화하고 동시에 냉매 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 균일한 냉각 효과를 구현할 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 종래의 전지 팩은, 서로 인접한 전지 모듈(11)이 팩 하우징(40)에 장착되되, 팩 하우징(40)의 하부에 부착되어 있는 냉각 플레이트(20) 상에 함께 위치하여, 일부 전지 모듈(11)에서 발생된 열이 냉각 플레이트(20)로 전달된다. 이에 따라, 일부 전지 모듈(11)에서 열폭주에 의해 발생된 열이 냉각 플레이트(20)를 통해 다른 전지 모듈(11)로 전달되는 열전파가 발생될 위험이 있다.
반면, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 각각의 전지 모듈(100)이 모듈 프레임(114)과 히트 싱크(200)의 냉각 일체형 구조를 구현하여, 일부 전지 모듈(100) 내 히트 싱크(200)에 전달된 열이 다른 전지 모듈(100)의 히트 싱크(200)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 일부 전지 모듈(100)에서 발생되는 과전압, 과전류, 또는 과발열 등의 이상 현상(CE)으로 인한 열이 히트 싱크(200)에 일부 전달되더라도, 인접한 전지 모듈(100)에 열전파가 발생될 위험을 방지할 수 있다.
이와 더불어, 상술한 냉각 일체형 구조를 가지는 전지 모듈(100)은 개별적으로 냉각되어, 각각의 전지 모듈(100)에 대한 냉각 효율이 더욱 상승할 수 있다. 또한, 히트 싱크(200)가 모듈 프레임(114)의 바닥부와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)이 장착된 전지팩(1000) 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 불필요한 냉각 구조의 제거를 통해 전지 모듈(100)의 높이가 감소하여, 원가 절감이 가능하고, 공간 활용도를 높일 수 있다. 나아가, 전지 모듈(100)이 콤팩트하게 배치될 수 있으므로, 전지 모듈(100)을 다수 포함하는 전지팩(1000)의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시에에 따르면, 전지셀 적층체(112)의 전후면에 위치하는 엔드 플레이트(120) 중 어느 한 쪽에는, 전지 모듈(100) 내부와 연통하여 내측에서 발생할 수 있는 화염 내지 열을 방출할 수 있는 벤팅 게이트(121)를 포함한다. 전지 팩(1000) 내에서, 이러한 벤팅 게이트(121)는 전지 팩(1000)의 외측을 향하도록 배치되며, 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 전지 팩(1000)에서 제1 방향(x축 방향)의 양 단부를 향해 외측을 바라보도록 배치될 수 있다.
또한, 복수의 전지 모듈(100)의 가장자리를 따라 배치된 벤팅 유도 프레임(300)을 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 전지 모듈(100)과 벤팅 유도 프레임(300)은 팩 프레임(410) 내에 장착될 수 있다.
일 예로, 팩 프레임(410)의 일 측벽에는 적어도 하나의 파열부(500)가 형성되어 있어, 내부에서 발생한 열 또는 화염을 외측으로 배출할 수 있다. 본 실시예에서는, 한 쌍의 수평 빔(320)의 어느 한 쪽에만 2개의 파열부(500)가 형성된 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 다른 쪽 수평 빔(320)에도 파열부(500)가 구비되거나, 또는 수직 빔(310)에 구비되어도 좋으며, 필요에 따라 적절하게 그 위치 및 개수를 선택할 수 있다.
또한, 복수의 전지 모듈(100) 전체의 가장자리를 따라서는 벤팅 유도 프레임(300)이 배치될 수 있다. 벤팅 유도 프레임(300)은 전지 팩(1000)의 각 변을 따라 관 형상으로 형성되고, 각각 제1 방향(x축 방향)과 제2 방향(y축 방향)을 따라 연장된 한 쌍의 수직 빔(310)과 한 쌍의 수평 빔(320)을 포함할 수 있고, 이들은 전체로서 연통할 수 있도록 형성된다.
이상의 구성에 의해, 수직 빔(310)과 수평 빔(320)으로 이루어진 사각 형상의 벤팅 유도 프레임(300)의 내부에서 통로가 전체로 연통하도록 형성되며, 이러한 통로는 전지 모듈(100)의 벤팅 게이트(121) 및 파열부(500)와 연통하여, 전지 모듈(100)로부터 열 폭주 등이 발생할 경우 발열 및 화염을 외측으로 유도하여 주변 전지 모듈에의 영향을 최소화할 수 있다. 이 때, 발생한 고압의 벤팅 가스에 포함된 화염은, 벤팅 유도 프레임(300) 내부의 경로를 지나면서 모두 연소되어 보다 안전한 상태로 외부로 배출될 수 있다. 또한, 이러한 벤팅 유도 프레임(300)은 열 폭주 발생시가 아닌 평소에는, 전지 모듈(100)을 안정적으로 지지하는 지지 프레임으로 작용하여, 전지 팩(1000)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 전지 팩 내의 일부 전지 모듈에서 과전압, 과전류 또는 과발열 등의 이슈가 발생했을 경우 열전파 경로에 대해 구체적으로 설명한다.
도 8은 도 4의 A-A’축을 따라 자른 단면을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 8을 참조하면, 본 실시예의 전지 팩(1000)에서, 일부 전지 모듈(100)에서 셀 이벤트(CE)가 발생될 수 있다. 여기서, 셀 이벤트(CE)는 전지 모듈(100) 내에서 과전압, 과전류 또는 과발열 등의 이상 현상이 발생되어, 전지 모듈(100)가 고온 및 가스 발생이 생기는 것을 의미할 수 있다.
여기서, 셀 이벤트(CE)가 발생된 전지 모듈(100) 내에서 발생된 열은, 전지 모듈(100)에 포함된 히트 싱크(200) 및 단열 부재(250)를 거치는 열에너지 이동 경로를 통해 전달될 수 있다.
보다 구체적으로, 셀 이벤트(CE)가 발생된 전지 모듈(100)에서 발생된 열은 우선 히트 싱크(200)에 전달될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 모듈 프레임(114)의 바닥부와 히트 싱크(200)의 냉각 일체형 구조를 통해, 전지 모듈(100)은 각각 히트 싱크(200)가 개별적으로 포함되어, 전지셀 적층체(112)로부터 히트 싱크(200)에 전달된 열은 다른 인접한 전지 모듈(100)로 전달되지 않는다.
이에 따라, 본 실시예에 따르면, 전지 모듈(100)의 냉각 일체형 구조에 의해, 복수의 전지 모듈(100) 중 일부 전지 모듈(100)에서 셀 이벤트(CE)가 발생되더라도, 인접한 전지 모듈(100)에 열전파가 되는 것이 방지될 수 있다.
이와 더불어, 전지 모듈(100)의 히트 싱크(200)에 전달된 열 중 일부는 단열 부재(250)로 전달될 수 있다. 여기서, 단열 부재(250)는 전지 모듈(100)의 히트 싱크(200)로부터 전달된 열 중 일부를 차단하면서, 전지 모듈(100)에서 발생된 열이 팩 프레임(410)으로 직접 전달되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 복수의 전지 모듈(100) 중 일부 전지 모듈(100)에서 셀 이벤트(CE)가 발생되어 비교적 많은 열에너지가 발생되더라도, 단열 부재(250)를 통해 팩 프레임(410)으로 전달되는 열에너지를 최소화시키며, 인접한 전지 모듈(100)의 온도 상승 또한 최소화할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 전지 모듈(100)의 하부에 개별적으로 단열 부재(250)가 서로 이격되어 배치됨에 따라, 셀 이벤트(CE)가 발생된 전지 모듈의 단열 부재(250)에 전달된 열이 직접적으로 다른 전지 모듈(100)로 전달되지 않는다. 보다 구체적으로, 셀 이벤트(CE)가 발생된 전지 모듈(100)의 단열 부재(250)에 전달된 열 중 일부는 팩 프레임(410)에 전달될 수 있고, 팩 프레임(410)에 전달된 열 중 일부가 다른 인접한 전지 모듈(100)의 단열 부재(250)에 전달될 수 있다.
이에 따라, 다른 인접한 전지 모듈(100)에 셀 이벤트(CE)가 발생된 전지 모듈(100)에서 발생된 열 중 일부가 전달되더라도, 다른 인접한 전지 모듈(100)의 단열 부재(250)에 의해 팩 프레임(410)으로부터 전달되는 열을 효과적으로 차단할 수 있다.
이에 따라, 이상의 열전파 경로를 가지는 본 실시예는, 복수의 전지 모듈(100) 중 일부 전지 모듈(100)에서 셀 이벤트(CE)가 발생되더라도, 인접한 다른 전지 모듈(100)에 열이 전파되는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 이에 따른 연쇄적인 열 폭주 현상 또한 방지할 수 있다.
앞에서 설명한 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]
100: 전지 모듈
200: 히트 싱크
250: 단열 부재
300: 벤팅 유도 프레임
410: 팩 프레임

Claims (12)

  1. 복수의 전지 모듈이 서로 이격되게 장착되어 있는 팩 프레임; 및
    상기 전지 모듈의 하면과 상기 팩 프레임의 바닥면 사이에 위치하는 단열 부재를 포함하고,
    상기 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 및 상기 모듈 프레임의 바닥부에 위치하는 히트 싱크를 포함하고,
    상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하고,
    상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 히트 싱크 내에 공급되는 냉매와 접촉하는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 모듈 중 서로 인접한 전지 모듈의 하부에 각각 위치한 상기 단열 부재는 서로 이격되어 있는 전지 팩.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 전지 모듈 중 하나의 전지 모듈의 하부에 위치한 상기 단열 부재와, 다른 전지 모듈의 하부에 위치한 상기 단열 부재는 서로 이격되어 있는 전지 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 단열 부재는 상기 전지 모듈의 하면을 따라 연장되어 있는 전지 팩.
  5. 제4항에서,
    상기 단열 부재는 상기 전지 모듈의 하면과 상이한 크기를 가지되, 상기 전지 모듈의 하면보다 큰 크기를 가지는 전지 팩.
  6. 제4항에서,
    상기 단열 부재는 상기 전지 모듈의 하면과 동일한 크기를 가지는 전지 팩.
  7. 제4항에서,
    상기 단열 부재는 상기 히트 싱크의 크기와 상이한 크기를 가지되, 상기 냉각 부재의 크기보다 큰 크기를 가지는 전지 팩.
  8. 제4항에서,
    상기 단열 부재는 상기 히트 싱크와 동일한 크기를 가지는 전지 팩.
  9. 제1항에서,
    상기 단열 부재는 EPP(Expanded PolyPropylene) 폼(foam)으로 이루어지는 전지 팩.
  10. 제1항에서,
    상기 히트 싱크는 상기 모듈 프레임의 바닥부와 결합하되, 함몰부가 형성되어 있는 하부 플레이트를 포함하고,
    상기 함몰부와 상기 모듈 프레임 바닥부 사이로 냉매가 유동하는 전지 팩.
  11. 제10항에서,
    상기 함몰부에 돌출 패턴이 형성되어 있는 전지 팩.
  12. 제1항에 따른 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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