WO2024096483A1 - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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정혜란
김세훈
이수림
이경민
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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 device including the same, and more specifically, to a battery pack with improved safety and a device including the same.
  • secondary batteries that can be charged and discharged are a way to solve air pollution from existing gasoline vehicles that use fossil fuels, and are used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and plug-in hybrid electric vehicles ( As it is used as a power source for batteries such as P-HEV), the need for development of secondary batteries is increasing.
  • EV electric vehicles
  • HEV hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries rarely have a memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so they can be freely charged and discharged. , it is in the spotlight for its very low self-discharge rate and high energy density.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxide and carbon material as positive and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which positive and negative electrode plates coated with the positive and negative electrode active materials are disposed with a separator in between, and an exterior material, that is, a battery case, that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte.
  • lithium secondary batteries can be classified into can-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • a battery module is made by electrically connecting multiple battery cells. This is used.
  • These battery modules have improved capacity and output by connecting multiple battery cells in series or parallel to form a cell assembly.
  • one or more 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 battery module consisting of at least one battery cell is first constructed, and other components are added using this at least one battery module to construct the battery pack. This is a common method.
  • the number of battery modules included in the battery pack, or the number of battery cells included in the battery module, can be set in various ways depending on the required output voltage or charge/discharge capacity.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack with enhanced safety and a device including the same while using existing high-capacity cells.
  • a battery pack includes one or more first battery modules including a plurality of battery cells, one or more second batteries disposed adjacent to each of the first battery modules, and including a plurality of battery cells. It includes a module, and the first battery module and the second battery module have different maximum charge rates (SOC, State of Charge).
  • the one or more first battery modules may have a maximum charge rate of 100%, and the one or more second battery modules may have a maximum charge rate of 90%.
  • It may further include a control unit connected to the one or more first battery modules and the one or more second battery modules to perform charging and charging rate control.
  • the controller may control the one or more first battery modules to have a charge rate of 100% and the one or more second battery modules to have a charge rate of 90%.
  • Any one of the one or more first battery modules may be arranged to be surrounded by the one or more second battery modules.
  • Any one of the one or more second battery modules may be arranged to be surrounded by the one or more first battery modules.
  • the one or more first battery modules and the one or more second battery modules may be arranged alternately.
  • the battery cells included in each of the first battery module and the second battery module may be of the same type.
  • It may further include a pack frame packaging the one or more first battery modules and the one or more second battery modules.
  • a device may include at least one battery pack described above.
  • a battery pack with enhanced safety and a device including the same can be provided while using existing high-capacity cells.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery module included in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the battery pack of FIG. 2 including a control unit and a charging unit.
  • Figure 1 is an exploded perspective view of a battery module included in a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a battery pack of Figure 2. This is a diagram schematically showing the control unit and the charging unit.
  • each of the first and second battery modules 100 and 200 included in the battery pack includes a battery cell assembly 400 including one or more battery cells, and a battery cell. It includes a module frame 210 that accommodates the assembly 400 and an end plate 300 that is located at both ends in the longitudinal direction of the battery cell assembly 400 and is coupled to an opening of the module frame 210.
  • the battery cell assembly 400 is an assembly of secondary batteries including a plurality of battery cells 112.
  • the battery cell assembly 400 may include a plurality of battery cells 112, and each battery cell includes an electrode lead 114.
  • the battery cell 112 may be a pouch-type battery cell having a plate shape, but is not limited thereto.
  • the electrode lead 114 is a positive electrode lead or a negative electrode lead, and the end of the electrode lead 114 of each battery cell 112 can be bent in one direction, thereby dividing the electrode lead of the other adjacent battery cell 112. It may be in contact with the end.
  • the two electrode leads 114 in contact with each other may be fixed to each other through welding or the like, and through this, electrical connection may be made between the battery cells 112 within the battery cell assembly 400.
  • a bus bar frame 500 accommodated in the module frame 210 may be provided along with the battery cell assembly 400.
  • the bus bar frame 500 includes an upper frame 510 located at the top of the cell assembly 400, a front frame 520 located at the front of the battery cell assembly 400, and a rear frame located at the rear of the battery cell assembly 400. It may include 530, and a bus bar 540 connected to the electrode leads 114 of the battery cells constituting the battery cell assembly 400 may be mounted on the front frame 520 and the rear frame 530.
  • the plurality of battery cells 112 are vertically stacked so that the electrode leads 114 are aligned in one direction to form the battery cell assembly 400.
  • the battery cell assembly 400 is accommodated in a module frame 120 having at least one opening open in the longitudinal direction of the battery cell assembly 400.
  • the electrode leads 114 are drawn out to the outside of the module frame 210 through the opening, and the drawn electrode leads 114 are connected to the front frame 520 and the rear frame 530 of the bus bar frame 500.
  • the bus bar frame 500 may be made of an insulating material, for example, a non-conductive synthetic resin, and the bus bar 540 may be made of a conductive metal material.
  • Each of the first and second battery modules 100 and 200 is a flexible printed circuit board ( It may include a Flexible Printed Circuit Board (FPCB) (not shown).
  • the first and second battery modules 100 and 200 may include various electrical components, for example, an Internal Circuit Board (ICB) and a Battery Management System (BMS). Electrical components such as the ICB and BMS board may be electrically connected to a plurality of battery cells 112.
  • FPCB Flexible Printed Circuit Board
  • BMS Battery Management System
  • Each of the first and second battery modules 100 and 200 may further include a thermally conductive resin layer 700 located between the lower surface of the battery cell assembly 400 and the module frame 210.
  • the thermally conductive resin layer 700 is formed by injecting a thermally conductive resin, and serves to transfer heat generated from the battery cell assembly 400 to the bottom of the first and second battery modules 100 and 200 and to the cell assembly ( 400) may serve to secure the first and second battery modules 100 and 200.
  • a heat sink 800 may be provided on the side of the battery cell assembly 400 and may be accommodated together in the module frame 210, but this is not particularly limited.
  • first and second battery modules 100 and 200 has been described above, the form or configuration is not limited thereto, and the form or configuration may be different depending on the case.
  • the battery pack 10 includes one or more first battery modules 100, one or more second battery modules 100, and a pack frame 11 that accommodates them.
  • the first and second battery modules 100 and 200 have different maximum charge rates (SOC, State of Charge).
  • SOC the charging rate
  • the charging rate (SOC) is the ratio of the remaining capacity to the maximum capacity, and is usually expressed in the range of 0 to 100%. Remaining capacity represents the amount of charge currently stored in the battery pack.
  • the first and second battery modules 100 and 200 are characterized in that the maximum charged state is controlled differently in controlling the charge rate (SOC).
  • the maximum charge rate (SOC) of the first battery module 100 is 100%
  • the maximum charge rate (SOC) of the second battery module 200 is 90%.
  • the first and second battery modules 100 and 200 having different maximum charge rates may be arranged alternately as shown in FIG. 2 . That is, the second battery modules 200 are arranged in all directions based on one first battery module 100, and the first battery modules 100 are arranged in all directions based on one second battery module 200. It can be.
  • the second battery module exhibits a lower explosion pressure when the battery cell ignites, thereby improving heat propagation safety. That is, in the case of the second battery module 200 with a charge rate (SOC) of 90%, the explosion pressure (pressure applied when the battery cell ignites) is about 40% lower than the first battery module with a charge rate (SOC) of 100%. Indicates the level. Therefore, when heat is applied and the ignition time and explosion pressure are measured when the second battery module 200 and the first battery module 100 are arranged alternately, the modules with a charge rate of 100% are obtained. The ignition time increases and the explosion pressure decreases compared to the case where only the ignition is placed.
  • SOC charge rate
  • the charge rate of the adjacent second battery module 200 is low, so a low explosion pressure can be displayed, and if ignition occurs in the second battery module 200, the explosion itself may occur. Because the pressure is low, the influence on the adjacent first battery module 100 can be reduced.
  • the maximum charge rate of the second battery module 200 is higher than 90%, it is difficult to obtain the effect of reducing the explosion pressure described above, and if it is less than 90%, the high output required by the device cannot be achieved, so the charge rate is at the 90% level. It is desirable to control it with .
  • the type or structure of the battery cell 112 included in each battery module is not changed in order to adjust the output, and generally the same type of battery cell ( In the configuration of battery modules including 112), the above-described effect can be obtained by varying only the charging rate (SOC).
  • the battery pack 10 of this embodiment may include a control unit 610 connected to a plurality of first battery modules 100 and a plurality of second battery modules 200.
  • the control unit 610 is also connected to the charging unit 620 and monitors the charging rate (SOC) when charging the first and second battery modules 100 and 200 and controls the maximum charging rate to be limited to 100% and 90%, respectively. can do.
  • SOC charging rate
  • Such monitoring and control can be implemented by estimating and controlling SOC from one or a combination of two or more of various known techniques.
  • a plurality of battery modules having different maximum charge rates are alternately arranged with each other, thereby improving heat propagation characteristics when igniting a battery cell included in the battery module (i.e. , extends the ignition time and reduces the explosion pressure).
  • the battery pack described above can be applied to various devices. These devices can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric cars, and hybrid cars, but the present invention is not limited thereto and can be applied to various devices that can use battery modules and battery packs containing them, which are also applicable to the present invention. It falls within the scope of invention rights.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 제1 전지 모듈, 상기 제1 전지 모듈 각각에 인접하여 배치되고, 복수의 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 제2 전지 모듈을 포함하고, 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈은 최대 충전율(SOC, State of Charge)이 서로 상이하다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 11월 2일자 한국 특허 출원 제10-2022-0144751호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 안전성이 향상된 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 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 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지 셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지 셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 셀 조립체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 개수, 또는 전지 모듈에 포함되는 전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
특히 최근에는, 고용량 셀의 개발로 인하여, 이차 전지의 안전성, 특히 열전파 (thermal propagation)특성이 중요하게 인식되고 있다. 셀의 용량이 증가함에 따라 열전파 안전성은 저하되기 때문에, 이를 개선할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기존의 고용량 셀을 사용하면서도, 안전성을 강화한 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 제1 전지 모듈, 상기 제1 전지 모듈 각각에 인접하여 배치되고, 복수의 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 제2 전지 모듈을 포함하고, 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈은 최대 충전율(SOC, State of Charge)이 서로 상이하다.
상기 하나 이상의 제1 전지 모듈은 최대 충전율이 100%이고, 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈은 최대 충전율이 90%일 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 전지 모듈과 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈과 연결되어 충전 및 충전율 제어를 행하는 제어부를 더욱 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 충전이 이루어질 때, 상기 하나 이상의 제1 전지 모듈은 충전율이 100%이 되고, 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈은 충전율이 90%이 되도록 제어할 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 전지 모듈 중 어느 하나의 제1 전지 모듈은 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
상기 하나 이상의 제2 전지 모듈 중 어느 하나의 제2 전지 모듈은 상기 하나 이상의 제1 전지 모듈에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 전지 모듈과 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈은 번갈아 가면서 배치될 수 있다.
상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈 각각에 포함된 상기 전지 셀들은 서로 동일한 종류일 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 전지 모듈 및 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈을 패키징하는 팩 프레임을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기한 적어도 하나의 전지 팩을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 기존의 고용량 셀을 사용하면서도, 안전성을 강화한 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 전지 팩을, 제어부와 충전부를 포함하여 모식적으로 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, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 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, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 전지팩에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 도시한 도면이며, 도 3은 도 2의 전지 팩을, 제어부와 충전부를 포함하여 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에 포함된 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200) 각각은, 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 조립체(400), 전지 셀 조립체(400)를 수납하는 모듈 프레임(210) 및 전지 셀 조립체(400)의 길이 방향의 양단에 위치하며, 모듈 프레임(210)의 개구에 결합하는 엔드 플레이트(300)를 포함한다.
전지 셀 조립체(400)는 복수의 전지 셀(112)을 포함하는 이차 전지의 집합체이다. 전지 셀 조립체(400)는 복수의 전지 셀(112)을 포함할 수 있고, 각각의 전지 셀은 전극 리드(114)를 포함한다. 전지 셀(112)은 판상 형태를 갖는 파우치형 전지 셀일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전극 리드(114)는 양극 리드 또는 음극 리드이며, 각 전지 셀(112)의 전극 리드(114)는 단부가 한쪽 방향으로 구부러질 수 있고, 이에 의해 인접한 다른 전지 셀(112)이 갖는 전극 리드의 단부와 맞닿을 수 있다. 서로 맞닿은 2개의 전극 리드(114)는 서로 용접 등을 통해 고정될 수 있고, 이를 통해 전지 셀 조립체(400) 내부의 전지 셀(112) 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
또한, 전지 셀 조립체(400)와 함께 모듈 프레임(210)에 수납되는 버스 바 프레임(500)이 마련될 수 있다. 버스 바 프레임(500)은 셀 조립체(400)의 상부에 위치한 상부 프레임(510), 전지 셀 조립체(400)의 전면에 위치한 전면 프레임(520) 및 전지 셀 조립체(400)의 후면에 위치한 후면 프레임(530)을 포함할 수 있으며, 전지 셀 조립체(400)를 구성하는 전지 셀들의 전극 리드(114)와 연결된 버스 바(540)가 전면 프레임(520) 및 후면 프레임(530)에 탑재될 수 있다.
복수의 전지 셀(112)은 전극 리드(114)들이 일측 방향으로 정렬되도록 수직 적층되어 전지 셀 조립체(400)를 이룬다. 전지 셀 조립체(400)는 전지 셀 조립체(400)의 길이 방향으로 개방된 적어도 하나의 개구를 가지는 모듈 프레임(120)에 수납된다. 이 때, 전극 리드(114)들은 상기 개구를 통해 모듈 프레임(210)의 외측으로 인출되고, 인출된 전극 리드(114)는 버스 바 프레임(500)의 전면 프레임(520) 및 후면 프레임(530)에 각각 결합하여, 여기에 탑재된 버스 바(540)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 버스 바 프레임(500)은 절연성 소재, 예를 들면 비전도성 합성 수지로 이루어지고, 버스 바(540)는 전도성의 금속 재료로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 전지 모듈(100, 200) 각각은 전지 셀 조립체(400)의 상부에서 모듈 프레임(210)의 길이 방향으로 연장되고 장착되어 전지 셀(112)을 센싱하도록 구성된 연성 인쇄 회로 기판 (Flexible Printed Circuit Board, FPCB)(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 아울러 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)은 각종 전장 부품들을 포함할 수 있으며, 일례로 ICB (Internal Circuit Board) 및 BMS (Battery Management System) 등을 포함할 수 있다. 상기 ICB 및 BMS 보드 등의 전장 부품들은 복수 개의 전지 셀들(112)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 및 제2 전지 모듈(100, 200) 각각은 전지 셀 조립체(400)의 하면과 모듈 프레임(210) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(700)을 더욱 포함할 수 있다. 열전도성 수지층(700)은 열전도성 수지가 주입되어 형성된 것으로, 전지 셀 조립체(400)로부터 발생한 열을 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)의 바닥으로 전달하는 역할과 함께 셀 조립체(400)를 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200) 내에서 고정하는 역할을 수행할 수 있다.
한편, 전지 셀 조립체(400)의 측면에는 방열판(800)이 구비되어 모듈 프레임(210)에 함께 수납될 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.
이상 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)의 구성에 대해 설명하였으나, 그 형태나 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라 그 형태나 구성을 다르게 할 수 있다.
이어서 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(10)에 대해 설명한다.
전지 팩(10)은 하나 이상의 제1 전지 모듈(100), 하나 이상의 제2 전지 모듈(100) 및 이들을 수용하는 팩 프레임(11)을 포함한다.
제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)은, 최대 충전율(SOC, State of Charge)이 서로 상이하다. 여기서 충전율(SOC)은, 최대 용량에 대한 잔존 용량의 비율로서, 통상 0~100%의 범위로 표현된다. 잔존 용량은, 전지 팩에 현재 저장되어 있는 전하량을 나타낸다. 본 실시예에서 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)은, 이러한 충전율(SOC)의 제어에 있어서, 최대로 충전된 상태를 서로 다르게 제어한 것에 특징이 있다. 바람직하게는, 제1 전지 모듈(100)의 최대 충전율(SOC)은 100%이고, 제2 전지 모듈(200)의 최대 충전율(SOC)은 90%이다.
이와 같이 서로 다른 최대 충전율을 갖는 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)들은, 도 2에 도시한 바와 같이 서로 번갈아가며 배치될 수 있다. 즉, 하나의 제1 전지 모듈(100)을 기준으로 사방에는 제2 전지 모듈(200)이 배치되고, 하나의 제2 전지 모듈(200)을 기준으로 사방에는 제1 전지 모듈(100)이 배치될 수 있다.
이렇게 배치된 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)을 포함하는 전지 팩의 경우, 전지 셀 발화시 제2 전지 모듈은 더 낮은 폭발압을 나타내기 때문에, 열전파 안전성을 개선할 수 있다. 즉, 충전율(SOC)이 90%인 제2 전지 모듈(200)의 경우, 충전율(SOC)이 100%인 제1 전지 모듈에 비해 폭발압(전지 셀 발화시 가해지는 압력)이 40% 정도 낮은 수준을 나타낸다. 따라서, 이러한 제2 전지 모듈(200)과 제1 전지 모듈(100)이 서로 번갈아가며 배치된 상태에서 열을 인가하여 발화시 발화 시간 및 폭발압을 측정할 경우, 일괄적으로 충전율 100%인 모듈만을 배치하여 발화시킨 경우에 비해 발화 시간은 증가하고, 폭발압은 감소하게 된다. 또한, 제1 전지 모듈(100)에서 발화가 발생하더라도 인접한 제2 전지 모듈(200)의 충전율이 낮기 때문에 낮은 폭발압을 나타낼 수 있고, 제2 전지 모듈(200)에서 발화할 경우 그 자체의 폭발압이 낮기 때문에 인접한 제1 전지 모듈(100)에 대한 영향을 감소시킬 수 있다.
한편, 제2 전지 모듈(200)의 최대 충전율이 90%보다 높을 경우, 상술한 폭발압의 감소 효과를 얻기 힘들고, 90% 미만일 경우, 장치에서 요구하는 고출력을 달성할 수 없는바, 90% 수준으로 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)의 경우, 출력을 조정하기 위하여 전지 모듈 각각에 포함된 전지 셀(112)의 종류나 구조를 달리 하지 않고, 일반적으로 동일한 종류의 전지 셀(112)을 포함하는 전지 모듈들의 구성에서, 충전율(SOC)만을 달리하여 상술의 효과를 얻을 수 있다.
충전율(SOC) 제어를 위하여, 본 실시예의 전지 팩(10)은, 복수의 제1 전지 모듈(100)과 복수의 제2 전지 모듈(200)에 연결된 제어부(610)를 포함할 수 있다. 제어부(610)는 또한 충전부(620)와 연결되어, 제1 및 제2 전지 모듈(100, 200)의 충전시, 충전율(SOC)을 모니터링하면서 최대 충전율을 각각 100% 및 90%로 제한하도록 제어할 수 있다. 이러한 모니터링 및 제어는, 공지된 다양한 기법들 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로부터 SOC를 추정 및 제어하여 구현할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩(10)에 의하면, 서로 다른 최대 충전율을 갖는 복수의 전지 모듈들을 서로 번갈아가며 배치함으로써, 전지 모듈에 포함된 전지 셀 발화시 열전파 특성을 개선(즉, 발화 시간을 연장하고 폭발압을 감소시킴)할 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 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100: 제1 전지 모듈
200: 제2 전지 모듈
10: 전지 팩
11: 팩 프레임
112: 전지 셀
610: 제어부
620: 충전부

Claims (10)

  1. 복수의 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 제1 전지 모듈,
    상기 제1 전지 모듈 각각에 인접하여 배치되고, 복수의 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 제2 전지 모듈을 포함하고,
    상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈은 최대 충전율(SOC, State of Charge)이 서로 상이한 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 하나 이상의 제1 전지 모듈은 최대 충전율이 100%이고, 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈은 최대 충전율이 90%인 전지 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 하나 이상의 제1 전지 모듈과 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈과 연결되어 충전 및 충전율 제어를 행하는 제어부를 더욱 포함하는 전지 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 제어부는 상기 충전이 이루어질 때,
    상기 하나 이상의 제1 전지 모듈은 충전율이 100%이 되고, 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈은 충전율이 90%이 되도록 제어하는 전지 팩.
  5. 제1항에서,
    상기 하나 이상의 제1 전지 모듈 중 어느 하나의 제1 전지 모듈은 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈에 의해 둘러싸이도록 배치되는 전지 팩.
  6. 제1항에서,
    상기 하나 이상의 제2 전지 모듈 중 어느 하나의 제2 전지 모듈은 상기 하나 이상의 제1 전지 모듈에 의해 둘러싸이도록 배치되는 전지 팩.
  7. 제1항에서,
    상기 하나 이상의 제1 전지 모듈과 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈은 번갈아 가면서 배치되는 전지 팩.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈 각각에 포함된 상기 전지 셀들은 서로 동일한 종류인 전지 팩.
  9. 제1항에서,
    상기 하나 이상의 제1 전지 모듈 및 상기 하나 이상의 제2 전지 모듈을 패키징하는 팩 프레임을 더 포함하는 전지 팩.
  10. 제1항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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