KR-102961386-B1 - BATTERY MODULE FRAME

Abstract

개시되는 발명은 내부에 복수의 배터리 셀을 수용하는 다면체 형태의 배터리 모듈 프레임에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층과, 상기 제1 층 위에 적층되고, 상기 제1 층보다 녹는 점이 높은 강화 플라스틱 소재로 이루어진 제2 층 및 상기 제2 층 위에 적층되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층을 포함한다.

Inventors

• 김기영
• 이형석
• 신주환
• 이재현
• 장병도

Assignees

• 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20220707

Claims (12)

1. 내부에 복수의 배터리 셀을 수용하는 다면체 형태의 배터리 모듈 프레임에 있어서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층; 상기 제1 층 위에 적층되고, 상기 제1 층보다 녹는 점이 높은 강화 플라스틱 소재로 이루어진 제2 층; 및 상기 제2 층 위에 적층되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층; 을 포함하고, 상기 배터리 모듈 프레임의 적어도 어느 일면에는, 상기 제1 층 및 제3 층의 일부에 상기 제2 층을 노출시키는 통기부가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 상기 제1 층 내지 제3 층이 적층된 상태에서 프레스 가공으로 함께 성형되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 층 또는 제3 층에 체결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
4. 제3항에 있어서, 상기 체결부는, 용접부 또는 볼팅부인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 층을 이루는 강화 플라스틱 소재는, 방향족 나일론 섬유와 열경화성 수지가 결합한 소재인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2 층을 이루는 강화 플라스틱 소재는, 유리섬유 강화 플라스틱인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 통기부는, 상기 배터리 모듈 프레임의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
9. 제8항에 있어서, 상기 통기부는, 대각 방향으로 복수 개가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
10. 제8항에 있어서, 상기 제1 층에 형성된 내측 통기부와, 상기 제3 층에 형성된 외측 통기부는 서로 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 층에 형성된 내측 통기부를 중심으로 하여 상기 제3 층에 형성된 외측 통기부는 대각방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.
12. 제11항에 있어서, 상기 외측 통기부는, 상기 내측 통기부로부터의 거리가 멀수록 통기면적이 큰 복수 개의 통기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 프레임.

Description

배터리 모듈 프레임{BATTERY MODULE FRAME} 본 발명은 배터리 모듈 프레임에 관한 것으로서, 프레임 내부에 탑재된 배터리 셀이 과열되어 화염이 발생하더라도 프레임의 파손 및 구조붕괴를 방지함으로써 외부화재나 폭발 등의 2차 피해 확산을 억제할 수 있는 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다. 이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다. 이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다. 이차전지는 장기간 동안 연속적인 사용이 요구되므로, 충방전 과정 중에 발생하는 열을 효과적으로 제어할 필요가 있다. 이차전지의 냉각이 원활히 이루어지지 못할 경우에는 온도상승이 전류의 증가를 야기하고, 전류의 증가가 또다시 온도상승의 원인이 되는 정귀환의 연쇄반응이 일어나, 결국 열 폭주(Thermal Runaway)의 파국상태에 이르게 된다. 또한, 이차전지가 모듈이나 팩의 형태로서 집단을 이루고 있는 경우에는 어느 하나의 이차전지에 발생한 열 폭주에 의해 주변의 다른 이차전지가 연속적으로 과열되는 열 전파(Thermal Propagation) 현상이 일어나게 된다. 나아가 과열된 이차전지에서 발생한 화염에 의해 배터리 모듈의 프레임이 구조붕괴를 일으키게 되면 내부 화염에 대량의 산소가 공급됨으로써 대형 화재나 폭발 등의 2차 피해로 확산될 수 있으므로, 이러한 프레임의 구조붕괴를 방지할 수 있는 대책을 필요로 한다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. 도 1은 본 발명의 배터리 모듈 프레임을 포함하는 배터리 모듈의 일례를 도시한 도면. 도 2는 프레스 성형 전의 배터리 모듈 프레임의 단면 구조를 도시한 도면. 도 3은 프레스 성형을 통해 메인 프레임을 형성하는 일례를 도시한 도면. 도 4는 상부 플레이트에 통기공이 형성된 실시형태를 도시한 도면. 도 5는 메인 프레임과 상부 플레이트를 용접으로 결합하는 일례를 도시한 도면. 도 6은 메인 프레임과 상부 플레이트를 볼트로 결합하는 일례를 도시한 도면. 도 7은 내측 통기부와 외측 통기부의 배치 구조를 도시한 도면. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다. 본 발명은 내부에 복수의 배터리 셀을 수용하는 다면체 형태의 배터리 모듈 프레임에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 상기 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층과, 상기 제1 층 위에 적층되고, 상기 제1 층보다 녹는 점이 높은 강화 플라스틱 소재로 이루어진 제2 층 및 상기 제2 층 위에 적층되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층을 포함한다. 상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 배터리 모듈 프레임은, 알루미늄 소재의 구조층과 그 사이에 유리섬유 강화 플라스틱과 같은 내열성 보강재가 샌드위치 형태로 합체한 복합 소재로 이루어져 있음으로써, 경량의 프레임 구조를 이루는 동시에 내부에 화염이 발생하더라도 내부의 내열성 강화 플라스틱 소재가 구조붕괴를 억제하게 되고, 이를 통해 프레임의 구조가 무너져 내부의 화염에 대량의 산소가 공급되는 사고를 방지하게 된다. 또한, 내열성 강화 플라스틱 소재를 내장하면서 그 외부를 알루미늄 소재의 구조층이 감쌈으로써 용접이나 볼팅 등의 조립 구조를 손쉽게 구현할 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈 프레임에 대한 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다. [제1 실시형태] 도 1은 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)을 포함하는 배터리 모듈(10)의 일례를 시한 도면이다. 배터리 모듈(10)은 배터리 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체를 지칭하는 것이다. 배터리 모듈(10)은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들로 이루어져 있으며, 다수의 배터리 셀은 이를 보호하기 위한 기계적 구조물, 즉 배터리 모듈 프레임(100) 안에 매입된다. 배터리 셀은 각각이 에너지를 저장했다 필요할 때 외부로 공급하는 원천적인 역할을 하지만, 배터리 셀만으로는 용량이 작기 때문에 이를 한데 묶은 모듈을 만들고, 더 나아가 모듈을 크게 합쳐 배터리 팩을 만들게 된다. 본 발명은 다수의 배터리 셀을 보호하는 기계적 구조물인 배터리 모듈 프레임(100)에 관한 것이다. 도 1에 하나의 예로서 도시된 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 하나의 조립체를 이루는 배터리 셀 어셈블리(400)를 포함하고 있다. 그리고, 배터리 셀 어셈블리(400)의 양단에는 엔드 플레이트 어셈블리(500)와 기계적, 전기적으로 결합하는 구조체가 구비되어 있다. 그리고, 배터리 모듈 프레임(100)은, "U" 자형 단면을 이루어 그 내부에 배터리 셀 어셈블리(400)를 수용할 공간을 형성하는 메인 프레임(102)과, 메인 프레임(102)의 개방된 상면을 덮는 상부 플레이트(104)를 포함한다. 여기서, 배터리 모듈 프레임(100)의 개방된 양 측면에는 엔드 플레이트 어셈블리(500)가 결합하여 배터리 모듈(10)을 밀봉하는데, 크게 볼 때 엔드 플레이트 어셈블리(500)도 배터리 모듈 프레임(100)에 포함할 수 있다. 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀을 수용하는 다면체 형태, 도 1에서는 육면체 형태를 이루고 있는데, 배터리 모듈 프레임(100)의 단면 구조는 도 2에 도시되어 있다. 즉, 도 2는 메인 프레임(102)과 상부 플레이트(104)의 단면 구조를 도시하고 있으며, 더 나아가 엔드 플레이트 어셈블리(500) 역시 도 2의 단면 구조를 이룰 수 있다. 도 2를 참조하면, 배터리 모듈 프레임(100)은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제1 층(110)과, 상기 제1 층(110)보다 녹는 점이 높은 강화 플라스틱 소재로 이루어진 제2 층(120)과, 상기 제2 층(120) 위에 적층되고 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 제3 층(130)을 포함한다. 즉, 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 알루미늄 소재로 이루어진 제1 층(110) 및 제3 층(130)의 구조층과, 구조층 사이에 내열성 강화 플라스틱 소재로 이루어진 제2 층(120)이 샌드위치 형태로 합체한 복합 소재로 이루어져 있다. 여기서 구조층이라 함은 알루미늄 소재로 이루어진 제1 층(110) 및 제3 층(130)이 배터리 모듈 프레임(100)의 기본적인 기계적 구조, 즉 형태와 강성을 유지하는 역할을 하는 층임을 의미한다. 알루미늄 소재의 제1 층(110) 및 제3 층(130) 사이에 끼어 있는 제2 층(120)은 알루미늄 소재보다 그 녹는 점이 더 높은 강화 플라스틱 소재로 이루어져 있다. 즉, 제2 층(120)은, 알루미늄 소재의 제1 층(110) 및 제3 층(130)이 과열된 배터리 셀에서 발생한 화염에 의해 녹는 고온 환경에서도 그 형태를 유지할 수 있는 내열성의 강화 플라스틱 소재로 구성되어 있다. 이러한 본 발명의 배터리 모듈 프레임(100)은 구조층으로서 알루미늄 소재를 적용하면서 중간에 플라스틱 소재의 제2 층(120)을 포함하고 있으므로, 알루미늄 소재에 의한 경량화와 플라스틱 층에 의한 중량 절감을 통해 경량의 프레임 구조를 구현할 수 있게 된다. 또한, 고온의 화염에 의해 알루미늄 소재의 제1 층(110) 및 제3 층(130)이 국부적으로 녹더라도 녹는 점이 더 높은 내열성 강화 플라스틱 소재로 이루어진 중앙의 제2 층(120)이 구조붕괴를 억제하게 되므로, 이를 통해 배터리 모듈 프레임(100)의 구조가 무너져 내부의 화염에 대량의 산소가 공급되어 대형 화재로 이어지는 사고를 방지하게 된다. 그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 제2 층(120)을 이루는 강화 플라스틱 소재는 방향족 나일론 섬유와 열경화성 수지가 결합한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 방향족 나일론 섬유로는 보강재의 기능을 하는 것으로서 유리섬유, 탄소섬유, 케블라(Kevlar: 미국 뒤퐁사의 상품명) 등이 이에 해당하며, 열경화성 수지는 불포화 폴리에스터나 에폭시