WO2022250287A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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WO2022250287A1
WO2022250287A1 PCT/KR2022/005217 KR2022005217W WO2022250287A1 WO 2022250287 A1 WO2022250287 A1 WO 2022250287A1 KR 2022005217 W KR2022005217 W KR 2022005217W WO 2022250287 A1 WO2022250287 A1 WO 2022250287A1
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bus bar
battery
opening
battery module
module
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PCT/KR2022/005217
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장성환
성준엽
박원경
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module capable of suppressing propagation of a thermal runaway phenomenon and a battery pack including the same.
  • secondary batteries capable of charging and discharging are a solution to air pollution, such as existing gasoline vehicles using fossil fuels, electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV), etc., the need for development of secondary batteries is increasing.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator therebetween, and a battery case in which the electrode assembly is sealed and housed together with an electrolyte solution.
  • lithium secondary batteries can be classified into a can-type 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 an exterior material.
  • a battery module electrically connecting multiple battery cells this is used In this battery module, capacity and output are improved by forming a battery cell stack in which a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other.
  • 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
  • battery modules included in vehicle battery packs are frequently exposed to direct sunlight and may be placed in high temperature conditions such as summer or desert areas.
  • the thermal runaway phenomenon generated in one battery module easily propagates to neighboring battery modules, eventually causing ignition of the battery pack itself. could lead to an explosion.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a battery module capable of suppressing the ejection of high-temperature gas and flame even when thermal runaway occurs in the battery module, and a battery pack including the same. .
  • Another battery module a battery cell laminate in which a plurality of battery cells are stacked;
  • a module frame accommodating the battery cell stack; End plates located on one side and the other side of the battery cell stack and having openings therein; a bus bar frame positioned between the battery cell laminate and the end plate; and a terminal bus bar mounted on the bus bar frame and exposed through the opening.
  • the bus bar frame includes a blocking member protruding toward the opening.
  • the blocking member may be positioned between the terminal bus bar and an inner side of the opening.
  • the blocking member may be formed in a portion corresponding to the opening of the bus bar frame.
  • the blocking member may include a protruding portion protruding from one surface of the bus bar frame and a blocking portion surrounding the protruding portion.
  • the blocking part may include at least one of a foam material and a resin material.
  • the blocking part may include at least one of an epoxy-based resin, a vinyl chloride-based resin, and a fluorine-based resin.
  • the terminal bus bar may be mounted on one surface of the bus bar frame in a direction in which the end plate is located, and the blocking member may be located on the one surface of the bus bar frame.
  • the battery module may further include an insulating cover positioned between the bus bar frame and the end plate.
  • An opening hole may be formed in a portion of the insulating cover corresponding to the opening.
  • the blocking member may be positioned between the terminal bus bar and an inner side of the opening hole.
  • the terminal bus bar may include a first portion connected to the electrode lead of the battery cell and a second portion exposed to the outside through the opening.
  • the terminal bus bar may further include a bending portion formed between the first portion and the second portion.
  • the blocking member may be positioned between an inner side of the opening and the bending portion, or may be positioned between an inner side of the opening and the second part.
  • the blocking member may block a gap formed in the battery module. That is, a gap in which high-temperature gas and flame can be ejected can be offset by using a pressure rise inside the battery module.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1;
  • FIG 3 is a perspective view showing a state in which an end plate and an insulating cover are removed for a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating an end plate and an insulating cover according to an embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are partial cross-sectional views showing a cross section taken along the cutting line A-A' in FIG.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • a part when a part is said to be “directly on” another part, it means that there is no other part in between.
  • a reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily be located “on” or “on” in the opposite direction of gravity does not mean not.
  • planar image it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-sectional image”, it means when a cross section of the target part cut vertically is viewed from the side.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1;
  • the battery module 100 according to an embodiment of the present invention, a plurality of battery cells 110 are stacked battery cell laminate 120; A module frame 200 accommodating the battery cell stack 120; It includes end plates 400 located on one side and the other side of the battery cell stack 120 .
  • the battery cell 110 may be a pouch type battery cell. These battery cells 110 may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cell 110 according to this embodiment may have a structure in which two electrode leads 111 face each other and protrude to one side and the other side, respectively.
  • the electrode lead 111 is connected to an electrode assembly (not shown) and protrudes from the electrode assembly (not shown) to the outside of the battery cell 110 .
  • the battery cell 110 may be manufactured by heat-sealing the outer periphery of the pouch-type cell case in a state where the electrode assembly (not shown) is housed in the pouch-type cell case.
  • the pouch-type cell case may be made of a laminated sheet including a resin layer and a metal layer.
  • the battery cells 110 are composed of a plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked along one direction so as to be electrically connected to each other to form the battery cell laminate 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked along a direction parallel to the x-axis.
  • a pouch-type cell case generally has a laminated structure of a resin layer/metal thin film layer/resin layer.
  • the surface of the pouch-type cell case is made of an O (oriented)-nylon layer, when a plurality of battery cells 110 are stacked to form a medium or large battery module, they are easily slipped by external impact.
  • an adhesive member such as adhesive adhesive such as double-sided tape or chemical adhesive bonded by a chemical reaction during adhesion is attached to the surface of the pouch-type cell case, A laminate 120 may be formed.
  • the battery cell stack 120 is accommodated in the module frame 200 .
  • the module frame 200 may be a metal frame with both sides open. More specifically, based on the battery cell stack 120, the module frame 200 may be opened in both directions in which the electrode leads 111 protrude.
  • the module frame 200 shown in FIG. 2 is an exemplary structure, and as long as it can accommodate the battery cell stack 120, there is no particular limitation in its form.
  • the module frame 200 of FIG. 2 is shown as a mono frame in the form of a metal plate in which the top, bottom and both sides are integrated, but the upper cover is joined to a U-shaped frame with an open top or a U-shaped frame and an inverted U-shaped frame. A form in which the frame is mutually coupled to each other is possible.
  • End plates 400 are positioned on one side and the other side of the battery cell stack 120 . That is, end plates 400 may be positioned on both open sides of the module frame 200 .
  • the module frame 200 and the end plate 400 may be joined by welding in a state in which corresponding corner portions are in contact with each other. However, this is an exemplary method, and as a mechanical coupling form, bolt fastening, hook fastening, etc. may be applied. As the battery cell stack 120 is accommodated in the space formed by the module frame 200 and the end plate 400, the battery cell stack 120 can be physically protected. To this end, the module frame 200 and the end plate 400 may include a metal or plastic material having a predetermined strength, such as aluminum.
  • the battery module 100 includes a bus bar frame 300 positioned between the battery cell stack 120 and the end plate 400 .
  • the battery module 100 may include an insulating cover 600 positioned between the bus bar frame 300 and the end plate 400 . That is, the bus bar frame 300, the insulating cover 600, and the end plate 400 may be sequentially positioned outside the battery cell stack 120.
  • each of the bus bar frame 300 and the insulating cover 600 may be configured in plurality.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a state in which an end plate and an insulating cover are removed for a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 4 (a) and (b) are diagrams illustrating terminal bus bars included in the battery module of FIG. 3 .
  • 5 is a perspective view illustrating an end plate and an insulating cover according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a terminal bus bar 320 mounted on a bus bar frame 300.
  • an opening 410H is formed in the end plate 400 , and the terminal bus bar 320 is exposed to the outside of the battery module 100 through the opening 410H.
  • the battery module 100 may include a bus bar 310 and a terminal bus bar 320 .
  • the bus bar 310 and the terminal bus bar 320 may be mounted on the bus bar frame 300.
  • the bus bar 310 and the terminal bus bar 320 may be bonded to the electrode leads 111 of the battery cells 110 to electrically connect the plurality of battery cells 110 to each other.
  • the bus bar frame 300 to which the bus bar 310 and the terminal bus bar 320 are mounted are located on one side (y-axis direction) and the other side (-y-axis direction) of the battery cell stack 120, respectively. can do.
  • One side (y-axis direction) and the other side (-y-axis direction) of the battery cell stack 120 correspond to directions in which the electrode leads 111 of the battery cell 110 protrude. That is, as described above, any one bus bar frame 300 may be located between any one of the end plates 400 and the battery cell stack 120.
  • a lead slit is formed in the bus bar frame 300, and the electrode lead 111 of the battery cell 110 passes through the lead slit and is bent to be bonded to the bus bar 310 or the terminal bus bar 320.
  • the bonding method there is no particular limitation on the bonding method, and welding bonding may be performed as an example. That is, the battery cells 110 may be electrically connected to each other via the bus bar 310 .
  • the terminal bus bar 320 is exposed to the outside of the battery module 100 .
  • an opening 410H is formed in the end plate 400, and a portion of the terminal bus bar 320 is exposed through the opening 410H.
  • the terminal bus bar 310 includes a first part 321 connected to the electrode lead 111 of the battery cell 110 and a second part 322 exposed to the outside through the opening 410H. can do.
  • the second portion 322 exposed to the outside of the battery module 100 may be connected to another battery module or a battery disconnect unit (BDU) to form a high voltage (HV) connection.
  • HV connection is a connection serving as a power source for supplying power, and means a connection between battery cells or between battery modules. That is, the battery module 100 may be electrically connected to other neighboring battery modules via the terminal bus bar 320 .
  • the battery module 100 may further include a sensing assembly 500 .
  • the sensing assembly 500 is for low voltage (LV) connection, where the LV connection means a sensing connection for sensing and controlling the voltage and temperature of the battery cell. Voltage information and temperature information of the battery cell 110 may be measured through the sensing assembly 500 and transmitted to an external battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the sensing assembly 500 according to this embodiment may include a module connector 510 , a connection cable 520 and a bonding member 530 .
  • the module connector 510 is a component for transmitting and receiving signals to and from an external control device.
  • a connector opening 420H is formed in the end plate 400, the module connector 510 is exposed to the outside of the battery module 100 through the connector opening 420H, and the module connector 510 can be connected to an external BMS. have.
  • connection cable 520 is a component connecting the module connector 510 and the bonding member 530, and may be a flexible printed circuit board (FPCB) or a flexible flat cable (FFC). .
  • the module connector 510 and the connection cable 520 may be located on top of the bus bar frame 300.
  • a bonding member 530 may be connected to one end of the connection cable 520, and the bonding member 530 may be bonded to one surface of the bus bar 310 by welding.
  • Voltage information on the plurality of battery cells 110 may be transferred to an external battery management system (BMS) via the bonding member 530, the connection cable 520, and the module connector 510 in turn.
  • BMS battery management system
  • two bus bar frames 300 may be respectively disposed on one side and the other side of the battery cell stack 120 .
  • the module connector 510 may be located only on one bus bar frame 300, and the module connector may not be located on the other bus bar frame 300.
  • the connection cable 520 is extended from the module connector 510 to the other bus bar frame 300 so that the module connector 510 can be connected to the bus bars 310 located on the other bus bar frame 300.
  • the extended portion of the connection cable 520 may be located on top of the battery cell stack 120 .
  • a temperature sensor may be provided on a portion of the connection cable 520 located on the upper portion of the battery cell stack 120. Temperature information inside the battery module 100 may be transferred to an external battery management system (BMS) via the connection cable 520 and the module connector 510 sequentially through the temperature sensor.
  • BMS battery management system
  • the sensing assembly 500 may detect and control phenomena such as overvoltage, overcurrent, and overheating of each battery cell 110 .
  • the battery module 100 may include an insulating cover 600 positioned between the bus bar frame 300 and the end plate 400 .
  • the insulating cover 600 is preferably composed of a plurality.
  • the insulating cover 600 may include an electrically insulating material and blocks the contact of the bus bar 310 or the terminal bus bar 320 with the end plate 400 .
  • an opening hole 610H may be formed in a portion of the insulating cover 600 corresponding to the opening 410H of the end plate 400 .
  • a connector opening hole 610H may be formed in a portion of the insulating cover 600 corresponding to the connector opening 420H of the end plate 400 .
  • the terminal bus bar 320 may be exposed to the outside of the battery module 100 through the opening hole 610H of the insulating cover 600 and the opening 410H of the end plate 400 .
  • the module connector 510 may be exposed to the outside of the battery module 100 through the connector opening hole 620H of the insulating cover 600 and the connector opening 410H of the end plate 400 .
  • the terminal bus bar 320 is composed of a plurality, one of which may function as a positive terminal of the battery module 100 and the other as a negative terminal of the battery module 100 . Accordingly, each of the opening 410H and the opening hole 610H may be configured in plurality.
  • FIGS. 6 and 7 a blocking member according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
  • FIG. 6 and 7 are partial cross-sectional views showing a cross section taken along the cutting line A-A' in FIG. At this time, FIG. 6 is a cross-sectional view showing the battery module at normal times, and FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which a thermal runaway phenomenon has occurred in the battery module.
  • the bus bar frame 300 may include a blocking member 700 protruding toward the opening 410H.
  • the blocking member 700 may be positioned inside the opening 410H.
  • the blocking member 700 may be formed in a portion corresponding to the opening 410H of the end plate 400 of the bus bar frame 300 .
  • the terminal bus bar 320 is mounted on one surface of the bus bar frame 300, and the blocking member 700 may be located on the one surface of the bus bar frame 300.
  • the blocking member 700 may have a shape protruding toward the opening 410H on the one surface of the bus bar frame 300, and is located between the terminal bus bar 320 and the inner side of the opening 410H. can do.
  • a thermal runaway phenomenon may occur in the battery cells 110 inside the battery module 100 .
  • One example of a thermal runaway phenomenon is as follows. Physical, thermal, and electrical damage to the battery cell 110, including overcharging, may increase the internal pressure of the battery cell 110. When the fusion strength limit of the pouch-type cell case of the battery cell 110 is exceeded, high-temperature heat generated from the battery cell 110 and venting gas may be ejected to the outside of the battery cell 110 .
  • a thermal runaway phenomenon generated in one battery cell may spread to other battery cells due to a convection effect, and eventually, high-temperature gas and flame may be generated inside the battery module 100 .
  • the generated high-temperature gas and flame may be ejected to the outside through the opening 410H of the end plate 400, and may damage neighboring battery modules or induce another thermal runaway phenomenon in neighboring battery modules. can Eventually, a thermal runaway phenomenon propagates to a plurality of battery modules, causing explosion and ignition of the battery pack.
  • a blocking member 700 capable of blocking the opening 410H of the end plate 400 according to the increase in internal pressure of the module frame 200 is placed inside the opening 410H.
  • the internal pressure of the module frame 200 means the air pressure of the internal space of the module frame 200 in which the battery cell stack 120 is accommodated.
  • An increase in the internal pressure of the module frame 200 means that a large amount of gas is generated in the internal space of the module frame 200 due to the thermal runaway phenomenon.
  • the blocking member 700 located inside the opening 410H moves closer to the opening 410H, eventually closing the gap between the opening 410H and the terminal bus bar 320. can stop Accordingly, it is possible to suppress high-temperature gas or flame from being ejected to the outside of the battery module 100 . That is, a gap in which high-temperature gas and flame can be ejected can be offset by using an increase in internal pressure of the battery module 100 . Ultimately, it is possible to prevent a thermal runaway phenomenon generated in one battery module from propagating to other battery modules.
  • the terminal bus bar 320 includes a first portion 321 connected to the electrode lead 111 of the battery cell 110 and a second portion 322 exposed to the outside through the opening 410H.
  • the terminal bus bar 320 may further include a bending portion 323 formed between the first portion 321 and the second portion 322 . Accordingly, one surface of the first portion 321 and one surface of the second portion 322 may be perpendicular to each other.
  • the blocking member 700 may be positioned between the inner side of the opening 410H and the bending portion 323 or between the inner side of the opening 410H and the second portion 322.
  • the terminal bus bar 320 may be connected to another battery module or a battery disconnect unit (BDU) via a connecting member (not shown).
  • BDU battery disconnect unit
  • the terminal bus bar 320 and a connecting member (not shown) may be joined by welding or the like.
  • one surface of the second portion 322 is arranged parallel to the ground, so that the connection between the second portion 322 and a connecting member (not shown) is achieved. designed to facilitate
  • a gap is naturally formed between the inner side of the opening 410H and the bending portion 323 or between the inner side of the opening 410H and the second portion 322, and through the gap, high temperature Gases and flames may be intensively ejected.
  • the blocking member 700 is positioned inside the opening 410H, in particular, between the inner side of the opening 410H and the bending portion 323 or between the inner side of the opening 410H and the second part 322, so that the module When the internal pressure of the frame 200 increases, the blocking member 700 blocks the gap.
  • the battery module 100 may further include an insulating cover 600 located between the bus bar frame 300 and the end plate 400, and the insulating cover 600 ), an opening hole 610H may be formed at a portion corresponding to the opening 410H.
  • the terminal bus bar 320 may be exposed to the outside of the battery module 100 through the opening hole 610H of the insulating cover 600 and the opening 410H of the end plate 400 .
  • the opening area of the opening hole 610H may be smaller than that of the opening 410H, and the inner side of the opening hole 610H is closer to the terminal bus bar 320 than the inner side of the opening 410H.
  • the blocking member 700 according to this embodiment may be located between the terminal bus bar 320 and the inner side of the opening hole 610H. More specifically, the blocking member 700 may be positioned between the inner side of the opening hole 610H and the bending portion 323, or may be positioned between the inner side of the opening hole 610H and the second part 322. have.
  • the blocking member 700 moves closer to the opening hole 610H and closes the gap between the opening hole 610H and the terminal bus bar 320. can stop According to the operating principle of the blocking member 700, it is possible to block high-temperature gas or flame from being ejected to the outside of the battery module 100.
  • the shape of the blocking member 700 preferably corresponds to the opening area of the opening 410H or the opening hole 610H.
  • the blocking member 700 may be connected in the horizontal direction according to the shape of the opening of the opening hole 610H having a wider width in the horizontal direction than in the vertical direction.
  • the blocking member 700 may include a protruding portion 710 protruding from one surface of the bus bar frame 300 and a blocking portion 720 surrounding the protruding portion 710 .
  • the bus bar frame 300 may be an insulating plastic member, and may be manufactured by injection molding as an example.
  • the protrusion 710 may be designed to be formed on one surface of the bus bar frame 300 during the injection molding process. That is, the protrusion 710 may be integrated with the bus bar frame 300.
  • the blocking unit 720 may include at least one of a foam material and a resin material. By covering the protruding portion 710 with the blocking portion 720, the blocking member 700 according to the present embodiment may be manufactured. Meanwhile, the foam material and the resin material are preferably flame retardant.
  • the blocking unit 720 may include at least one of an epoxy-based resin, a vinyl chloride-based resin, and a fluorine-based resin.
  • the blocking unit 720 may expand according to the temperature increase.
  • the blocking portion 720 is shown in a more expanded state than the blocking portion 720 shown in FIG. 6 .
  • the expanded blocking portion 720 is more effective in blocking a gap between the opening 410H and the terminal bus bar 320 or a gap between the opening hole 610H and the terminal bus bar 320.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS), a battery disconnect unit (BDU), and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • BDU battery disconnect unit
  • the battery module or battery pack may be applied to various devices. Specifically, it can be applied to means of transportation such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, or energy storage systems (ESS), but is not limited thereto and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
  • means of transportation such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, or energy storage systems (ESS), but is not limited thereto and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
  • ESS energy storage systems

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 다른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 일측과 타측에 위치하고, 개구부가 형성된 엔드 플레이트들; 상기 전지셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 버스바 프레임; 및 상기 버스바 프레임에 장착되고, 상기 개구부를 통해 노출되는 터미널 버스바를 포함한다. 상기 버스바 프레임은, 상기 개구부를 향해 돌출된 차단 부재를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 5월 28일자 한국 특허 출원 제10-2021-0069473호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열 폭주 현상의 전파를 억제할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 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 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 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 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
다수의 전지 모듈들이 모인 전지팩은, 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈들과 이러한 전지 모듈들이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓일 수 있다. 또한, 차량의 주행거리를 늘리기 위해 다수의 전지 모듈들을 집약적으로 배치하기 때문에 어느 하나의 전지 모듈에서 발생한 열 폭주(thermal runaway) 현상이 이웃한 전지 모듈로 쉽게 전파되어, 종국적으로 전지팩 자체의 발화나 폭발로 이어질 수 있다.
이에, 어느 한 전지 모듈에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하더라도, 전지팩 자체의 화재나 폭발로 이어지지 않는 모델에 대한 설계가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하여도, 고온의 가스와 화염이 분출되는 것을 억제할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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 다른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 일측과 타측에 위치하고, 개구부가 형성된 엔드 플레이트들; 상기 전지셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 버스바 프레임; 및 상기 버스바 프레임에 장착되고, 상기 개구부를 통해 노출되는 터미널 버스바를 포함한다. 상기 버스바 프레임은, 상기 개구부를 향해 돌출된 차단 부재를 포함한다.
상기 차단 부재는, 상기 터미널 버스바와 상기 개구부의 내측변 사이에 위치할 수 있다.
상기 차단 부재는, 상기 버스바 프레임 중 상기 개구부와 대응하는 부분에 형성될 수 있다.
상기 차단 부재는, 상기 버스바 프레임의 일면으로부터 돌출된 돌출부 및 상기 돌출부를 감싸는 차단부를 포함할 수 있다.
상기 차단부는 폼(Foam) 형태의 소재 및 레진(Resin) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 차단부는 에폭시 계열 수지, 염화비닐 계열 수지 및 불소 계열 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 엔드 플레이트가 위치한 방향의 상기 버스바 프레임의 일면에 상기 터미널 버스바가 장착될 수 있고, 상기 버스바 프레임의 상기 일면 상에 상기 차단 부재가 위치할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 버스바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 절연 커버를 더 포함할 수 있다. 상기 절연 커버 중 상기 개구부와 대응하는 부분에 개구홀이 형성될 수 있다.
상기 차단 부재는 상기 터미널 버스바와 상기 개구홀의 내측변 사이에 위치할 수 있다.
상기 터미널 버스바는, 상기 전지셀의 전극 리드와 연결된 제1 부분 및 상기 개구부를 통해 외부로 노출되는 제2 부분을 포함할 수 있다.
상기 터미널 버스바는, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 형성된 벤딩부를 더 포함할 수 있다. 상기 차단 부재는, 상기 개구부의 내측변과 상기 벤딩부의 사이에 위치하거나 상기 개구부의 내측변과 상기 제2 부분의 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 모듈 내에서 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 경우, 전지 모듈 내부의 압력이 상승하고, 이에 따라 차단 부재가 전지 모듈에 형성된 틈을 막을 수 있다. 즉, 고온의 가스와 화염이 분출될 수 있는 틈을 전지 모듈 내부의 압력 상승을 이용하여 상쇄할 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 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 엔드 플레이트 및 절연 커버를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 도 3의 전지 모듈에 포함된 터미널 버스바를 나타낸 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트 및 절연 커버를 나타낸 사시도이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200); 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 위치한 엔드 플레이트(400)들을 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111)가 서로 대향하여 일측과 타측으로 각각 돌출된 구조를 가질 수 있다. 보다 상세하게 전극 리드(111)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다.
한편, 전지셀(110)은, 파우치형 셀 케이스에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 파우치형 셀 케이스의 외주변을 열 융착하여 제조될 수 있다. 파우치형 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
한편, 전극 리드(111)가 일측과 타측의 양 방향으로 돌출된 구조의 전지셀(110)에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로써, 전극 리드가 일 방향으로 함께 돌출된 단방향의 파우치형 전지셀도 가능함은 물론이다.
전지셀(110)은 복수개로 구성되며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 예를들어, 도 2에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 파우치형 셀 케이스는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 파우치형 셀 케이스의 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지셀(110)들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 파우치형 셀 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다.
전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임(200)에 수납된다. 모듈 프레임(200)은 양 면이 개방된 형태의 금속 프레임일 수 있다. 보다 구체적으로, 전지셀 적층체(120)를 기준으로, 전극 리드(111)가 돌출되는 양 방향에서 모듈 프레임(200)이 개방될 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 모듈 프레임(200)은 하나의 예시적 구조이며, 전지셀 적층체(120)를 수납할 수 있으면, 그 형태의 특별한 제한은 없다. 도 2의 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임으로 도시되어 있으나, 상부가 개방된 U자형 프레임에 상부 커버가 접합된 형태나 U자형 프레임과 뒤집힌 U자형 프레임이 상호 결합된 형태 등이 모두 가능하다.
전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 엔드 플레이트(400)들이 위치한다. 즉, 모듈 프레임(200)의 개방된 양 면에는 엔드 플레이트(400)들이 위치할 수 있다.
모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접의 방법으로 접합될 수 있다. 다만, 이는 예시적 방법이며, 기구적 결합 형태로써, 볼트 체결, 후크(Hook) 체결 등이 적용될 수 있다. 이러한 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(400)들이 형성하는 공간에 전지셀 적층체(120)가 수납됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(400)는 알루미늄과 같이 소정의 강도를 갖는 금속 재질이나 플라스틱 소재를 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 버스바 프레임(300)을 포함한다. 또한, 전지 모듈(100)은 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 절연 커버(600)를 포함할 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(120)로부터 외측으로 버스바 프레임(300), 절연 커버(600) 및 엔드 플레이트(400)가 차례로 위치할 수 있다. 엔드 플레이트(400)와 마찬가지로, 버스바 프레임(300) 및 절연 커버(600)가 각각 복수로 구성될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 5 등을 참고하여 본 실시예에 따른 터미널 버스바와 엔드 플레이트에 형성된 개구부에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 엔드 플레이트 및 절연 커버를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다. 도 4의 (a) 및 (b)는 도 3의 전지 모듈에 포함된 터미널 버스바를 나타낸 도면들이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트 및 절연 커버를 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바 프레임(300)에 장착되는 터미널 버스바(320)를 포함한다. 특히, 엔드 플레이트(400)에는 개구부(410H)가 형성되고, 이러한 개구부(410H)를 통해 터미널 버스바(320)가 전지 모듈(100)의 외부로 노출된다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바(310), 터미널 버스바(320)를 포함할 수 있다. 버스바(310) 및 터미널 버스바(320)는 버스바 프레임(300)에 장착될 수 있다.
버스바(310) 및 터미널 버스바(320)는, 복수의 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하기 위해 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 접합될 수 있다. 구체적으로, 버스바(310) 및 터미널 버스바(320)가 장착된 버스바 프레임(300)이 전지셀 적층체(120)의 일측(y축 방향) 및 타측(-y축 방향)에 각각 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 일측(y축 방향) 및 타측(-y축 방향)은, 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 돌출되는 방향에 해당한다. 즉, 상술한 바 대로, 어느 한 버스바 프레임(300)은, 엔드 플레이트(400)들 중 어느 하나와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있다.
버스바 프레임(300)에는 리드 슬릿이 형성되고, 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 상기 리드 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(310)나 터미널 버스바(320)에 접합될 수 있다. 물리적, 전기적 연결이 가능하다면, 접합의 방식에 특별한 제한은 없으며, 일례로 용접 접합이 이루어질 수 있다. 즉, 전지셀(110)들은 버스바(310)를 매개로 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 터미널 버스바(320)의 일부분은 전지 모듈(100)의 외측으로 노출된다. 구체적으로, 엔드 플레이트(400)에 개구부(410H)가 형성되고, 이러한 개구부(410H)를 통해 터미널 버스바(320)의 일부분이 노출된다. 보다 구체적으로, 터미널 버스바(310)는 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 연결되는 제1 부분(321) 및 개구부(410H)를 통해 외부로 노출되는 제2 부분(322)을 포함할 수 있다.
전지 모듈(100)의 외부로 노출된 제2 부분(322)은 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit) 등과 연결되어 HV(High Voltage) 연결을 형성할 수 있다. 여기서 HV 연결은 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결로써, 전지셀 간의 연결이나 전지 모듈 간의 연결을 의미한다. 즉, 전지 모듈(100)은 터미널 버스바(320)를 매개로 이웃한 다른 전지 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 센싱 조립체(500)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 센싱 조립체(500)는, LV(Low voltage) 연결을 위한 것으로, 여기서 LV 연결은 전지셀의 전압 및 온도를 감지하고 제어하기 위한 센싱 연결을 의미한다. 센싱 조립체(500)를 통해 전지셀(110)의 전압 정보와 온도 정보가 측정되어 외부 BMS(Battery Management System)에 전달될 수 있다. 본 실시예에 따른 센싱 조립체(500)는, 모듈 커넥터(510), 연결 케이블(520) 및 접합 부재(530)를 포함할 수 있다.
모듈 커넥터(510)는, 외부의 제어 장치와 신호를 송수신하기 위한 구성이다. 엔드 플레이트(400)에 커넥터 개구부(420H)가 형성되고, 이러한 커넥터 개구부(420H)를 통해 모듈 커넥터(510)가 전지 모듈(100) 외부로 노출되며, 모듈 커넥터(510)가 외부 BMS와 연결될 수 있다.
연결 케이블(520)은, 모듈 커넥터(510)와 접합 부재(530)를 연결하는 구성으로써, 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다. 모듈 커넥터(510) 및 연결 케이블(520)은 버스바 프레임(300)의 상단에 위치할 수 있다.
연결 케이블(520)의 일 단에 접합 부재(530)가 연결될 수 있고, 접합 부재(530)가 버스바(310)의 일면에 용접의 방법으로 접합될 수 있다.
복수의 전지셀(110)들에 대한 전압 정보가, 접합 부재(530), 연결 케이블(520) 및 모듈 커넥터(510)를 차례로 거쳐 외부의 BMS(Battery Mamagement System)로 전달될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 것처럼, 2개의 버스바 프레임(300)들이 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 각각 배치될 수 있다. 이 때, 어느 하나의 버스바 프레임(300)에만 모듈 커넥터(510)가 위치하고, 다른 하나의 버스바 프레임(300)에는 모듈 커넥터가 위치하지 않을 수 있다. 모듈 커넥터(510)가 다른 하나의 버스바 프레임(300)에 위치한 버스바(310)들과 연결될 수 있도록, 연결 케이블(520)이 모듈 커넥터(510)에서부터 다른 버스바 프레임(300)까지 연장될 수 있다. 연결 케이블(520)의 연장된 부분은 전지셀 적층체(120)의 상부에 위치할 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 상부에 위치한 연결 케이블(520)의 일부분에 온도 센서가 마련될 수 있다. 이러한 온도 센서를 통해 전지 모듈(100) 내부의 온도 정보가, 연결 케이블(520) 및 모듈 커넥터(510)를 차례로 거쳐 외부의 BMS(Battery Mamagement System)로 전달될 수 있다.
상기와 같은 방식으로, 센싱 조립체(500)는 각 전지셀(110)의 과전압, 과전류, 과발열 등의 현상을 검출하고, 제어할 수 있다.
한편, 상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 절연 커버(600)를 포함할 수 있다. 절연 커버(600)는 복수로 구성되는 것이 바람직하다. 절연 커버(600)는 전기적 절연인 소재를 포함할 수 있고, 버스바(310)나 터미널 버스바(320)가 엔드 플레이트(400)와 접촉하는 것을 차단한다.
도 3과 도 5를 함께 참고하면, 절연 커버(600) 중 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)와 대응하는 부분에 개구홀(610H)이 형성될 수 있다. 또한, 절연 커버(600) 중 엔드 플레이트(400)의 커넥터 개구부(420H)와 대응하는 부분에 커넥터 개구홀(610H)이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 터미널 버스바(320)는 절연 커버(600)의 개구홀(610H)과 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 모듈 커넥터(510)는 절연 커버(600)의 커넥터 개구홀(620H)과 엔드 플레이트(400)의 커넥터 개구부(410H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다.
한편, 터미널 버스바(320)는 복수로 구성되어, 그 중 하나는 전지 모듈(100)의 양극 단자로, 다른 하나는 전지 모듈(100)의 음극 단자로 기능할 수 있다. 이에 따라 개구부(410H)와 개구홀(610H) 각각도 복수로 구성될 수 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6 및 도 7은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다. 이 때, 도 6은, 평상 시의 전지 모듈을 나타낸 단면도이고, 도 7은 전지 모듈에 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3, 도 4, 도 6 및 도 7을 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임(300)은 개구부(410H)를 향해 돌출된 차단 부재(700)를 포함할 수 있다. 차단 부재(700)는 개구부(410H)의 안쪽에 위치할 수 있다.
구체적으로, 차단 부재(700)는 버스바 프레임(300) 중 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)와 대응하는 부분에 형성될 수 있다. 터미널 버스바(320)는 버스바 프레임(300)의 일면에 장착되는데, 차단 부재(700)는 버스바 프레임(300)의 상기 일면 상에 위치할 수 있다. 특히, 차단 부재(700)는 버스바 프레임(300)의 상기 일면에서, 개구부(410H)를 향해 돌출된 형태를 가질 수 있고, 터미널 버스바(320)와 개구부(410H)의 내측변 사이에 위치할 수 있다.
전지 모듈(100) 내부의 전지셀(110)들에 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 수 있다. 열 폭주(thermal runaway) 현상의 하나의 예시는 다음과 같다. 과충전을 비롯하여 전지셀(110)에 물리적, 열적, 전기적 손상이 발생하여, 전지셀(110)의 내부 압력이 증가할 수 있다. 전지셀(110)의 파우치형 셀 케이스의 융착 강도 한계치를 넘는 경우, 전지셀(110)에서 발생한 고온의 열, 벤팅 가스 등이 전지셀(110)의 외부로 분출될 수 있다.
어느 한 전지셀에서 발생한 열 폭주 현상은 대류 효과로 다른 전지셀로 확대될 수 있고, 결국 전지 모듈(100) 내부에서 고온의 가스와 화염이 발생할 수 있다. 발생한 고온의 가스와 화염은, 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)를 통해 외부로 분출될 수 있고, 이웃한 전지 모듈에 손상을 가하거나, 이웃한 전지 모듈의 또 다른 열 폭주 현상을 유도할 수 있다. 종국적으로는 다수의 전지 모듈들에 열 폭주 현상이 전파되어, 전지팩의 폭발 및 발화를 유발할 수 있다.
이에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(200)의 내압 상승에 따라 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)를 막을 수 있는 차단 부재(700)를 개구부(410H)의 안쪽에 마련하였다. 모듈 프레임(200)의 내압은, 전지셀 적층체(120)가 수납되는 모듈 프레임(200) 내부 공간의 공기압을 의미한다. 모듈 프레임(200)의 내압 상승은, 상기 열 폭주 현상으로 인해 모듈 프레임(200) 내부 공간에 다량의 가스가 발생한 것을 의미한다.
열 폭주(thermal runaway) 현상 시 전지셀들로부터 가스가 분출되고, 모듈 프레임(200)의 내압이 상승된다. 이러한 내부 압력 상승에 따라, 버스바 프레임(300)이 엔드 플레이트(400) 쪽으로 밀착될 수 있다. 또한, 모듈 프레임(200)의 내압(P)에 의해 버스바 프레임(300)의 일부 영역이 엔드 플레이트(400) 쪽으로 휘어질 수 있다. 도 7에는 설명의 편의를 위해 이러한 모습을 다소 과장되게 표현하였다.
이러한 모듈 프레임(200)의 내압 상승에 의해, 개구부(410H) 안쪽에 위치해 있던 차단 부재(700)가 개구부(410H)와 가까워지고, 결국 개구부(410H)와 터미널 버스바(320) 사이의 틈을 막을 수 있다. 이에 따라 고온의 가스나 화염이 전지 모듈(100)의 외부로 분출되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 고온의 가스와 화염이 분출될 수 있는 틈을 전지 모듈(100)의 내압 상승을 이용하여 상쇄할 수 있다. 종국적으로는 어느 한 전지 모듈에서 발생한 열 폭주 현상이 다른 전지 모듈들에 전파되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 것처럼, 터미널 버스바(320)는, 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 연결되는 제1 부분(321) 및 개구부(410H)를 통해 외부로 노출되는 제2 부분(322)을 포함할 수 있다. 또한, 터미널 버스바(320)는 제1 부분(321)과 제2 부분(322) 사이에 형성된 벤딩부(323)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 부분(321)의 일면과 제2 부분(322)의 일면이 서로 수직할 수 있다.
본 실시예에 따른 차단 부재(700)는, 개구부(410H)의 내측변과 벤딩부(323) 사이에 위치하거나, 개구부(410H)의 내측변과 제2 부분(322) 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 터미널 버스바(320)는, 연결 부재(미도시)를 매개로 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 연결될 수 있다. 터미널 버스바(320)와 연결 부재(미도시)는, 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 이때, 터미널 버스바(320)에 구부러진 벤딩부(323)를 형성하여, 제2 부분(322)의 일면이 지면과 나란히 배치되어, 제2 부분(322)과 연결 부재(미도시)의 접합이 용이하도록 설계되었다.
상기와 같은 구조에 따라, 개구부(410H)의 내측변과 벤딩부(323) 사이 또는 개구부(410H)의 내측변과 제2 부분(322) 사이에 틈이 자연스럽게 형성되고, 상기 틈을 통해 고온의 가스 및 화염이 집중적으로 분출될 수 있다.
차단 부재(700)를 개구부(410H)의 안쪽, 특히, 개구부(410H)의 내측변과 벤딩부(323) 사이 또는 개구부(410H)의 내측변과 제2 부분(322) 사이에 위치시켜, 모듈 프레임(200)의 내압 상승 시 차단 부재(700)가 상기 틈을 막을 수 있도록 하였다.
한편, 상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(400) 사이에 위치한 절연 커버(600)를 더 포함할 수 있고, 절연 커버(600) 중 개구부(410H)와 대응하는 부분에 개구홀(610H)이 형성될 수 있다. 또한, 터미널 버스바(320)는 절연 커버(600)의 개구홀(610H)과 엔드 플레이트(400)의 개구부(410H)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다.
이 때, 절연성 확보를 위해 개구홀(610H)이 개구부(410H)보다 개구된 면적이 작을 수 있고, 개구부(410H)의 내측변보다 개구홀(610H)의 내측변이 터미널 버스바(320)에 가까이 위치할 수 있다. 본 실시예에 따른 차단 부재(700)는, 터미널 버스바(320)와 개구홀(610H)의 내측변 사이에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로는, 차단 부재(700)가 개구홀(610H)의 내측변과 벤딩부(323) 사이에 위치하거나, 개구홀(610H)의 내측변과 제2 부분(322) 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 열 폭주 현상 발생 시, 모듈 프레임(200)의 내압 상승에 따라, 차단 부재(700)가 개구홀(610H)에 가까워지고, 개구홀(610H)과 터미널 버스바(320) 사이의 틈을 막을 수 있다. 이러한 차단 부재(700)의 작동 원리에 의해 고온의 가스나 화염이 전지 모듈(100)의 외부로 분출되는 것을 차단할 수 있다.
차단 부재(700)의 형태는, 개구부(410H)나 개구홀(610H)의 개구 면적에 대응하는 것이 바람직하다. 일례로, 도 3과 도 5를 참고하면, 가로 방향의 폭이 세로 방향의 폭보다 넓은 개구홀(610H)의 개구 형태에 맞추어, 차단 부재(700)는 가로 방향을 따라 이어지는 형태일 수 있다.
본 실시예에 따른 차단 부재(700)는, 버스바 프레임(300)의 일면으로부터 돌출된 돌출부(710) 및 돌출부(710)를 감싸는 차단부(720)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 버스바 프레임(300)은 절연성을 띄는 플라스틱 부재일 수 있고, 하나의 예시로써 사출 성형으로 제조될 수 있다. 이 때, 사출 성형 과정에서 돌출부(710)가 버스바 프레임(300)의 일면에 형성되도록 설계될 수 있다. 즉, 돌출부(710)는 버스바 프레임(300)과 일체화된 구성일 수 있다.
차단부(720)는 폼(Foam) 형태의 소재 및 레진(Resin) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 차단부(720)를 돌출부(710)에 씌움으로써, 본 실시예에 따른 차단 부재(700)를 제조할 수 있다. 한편, 상기 폼 소재와 상기 레진 소재는 난연성인 것이 바람직하다.
또한, 차단부(720)는, 에폭시 계열 수지, 염화비닐 계열 수지 및 불소 계열 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 6 및 도 7을 참고하면, 열 폭주(thermal runaway) 현상 시, 전지 모듈(100) 내부 온도가 상승될 수 있고, 온도 상승에 따라 차단부(720)는, 팽창할 수 있다. 설명의 편의를 위해 다소 과장되게 표현하였으나, 도 7에서는, 차단부(720)가 도 6에 도시된 차단부(720)보다 팽창된 모습을 도시하였다. 팽창된 차단부(720)는, 개구부(410H)와 터미널 버스바(320) 사이의 틈이나 개구홀(610H)과 터미널 버스바(320) 사이의 틈을 막는데 보다 효과적이다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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: 전지 모듈
120: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
300: 버스바 프레임
320: 터미널 버스바
400: 엔드 플레이트
410H: 개구부
700: 차단 부재

Claims (12)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임;
    상기 전지셀 적층체의 일측과 타측에 위치하고, 개구부가 형성된 엔드 플레이트들;
    상기 전지셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 버스바 프레임; 및
    상기 버스바 프레임에 장착되고, 상기 개구부를 통해 노출되는 터미널 버스바를 포함하고,
    상기 버스바 프레임은, 상기 개구부를 향해 돌출된 차단 부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 차단 부재는, 상기 터미널 버스바와 상기 개구부의 내측변 사이에 위치하는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 차단 부재는, 상기 버스바 프레임 중 상기 개구부와 대응하는 부분에 형성되는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 차단 부재는, 상기 버스바 프레임의 일면으로부터 돌출된 돌출부 및 상기 돌출부를 감싸는 차단부를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 차단부는 폼(Foam) 형태의 소재 및 레진(Resin) 소재 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 차단부는 에폭시 계열 수지, 염화비닐 계열 수지 및 불소 계열 수지 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 엔드 플레이트가 위치한 방향의 상기 버스바 프레임의 일면에 상기 터미널 버스바가 장착되고,
    상기 버스바 프레임의 상기 일면 상에 상기 차단 부재가 위치하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 버스바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이에 위치한 절연 커버를 더 포함하고,
    상기 절연 커버 중 상기 개구부와 대응하는 부분에 개구홀이 형성되는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 차단 부재는 상기 터미널 버스바와 상기 개구홀의 내측변 사이에 위치하는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 터미널 버스바는, 상기 전지셀의 전극 리드와 연결된 제1 부분 및 상기 개구부를 통해 외부로 노출되는 제2 부분을 포함하는 전지 모듈.
  11. 제10항에서,
    상기 터미널 버스바는, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 형성된 벤딩부를 더 포함하고,
    상기 차단 부재는, 상기 개구부의 내측변과 상기 벤딩부의 사이에 위치하거나 상기 개구부의 내측변과 상기 제2 부분의 사이에 위치하는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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