KR102658211B1 - 안전성이 강화된 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트 발생 시 안전성이 강화될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈 등을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀; 내부 공간에 상기 다수의 배터리 셀을 수납하는 모듈 케이스; 및 인접하는 배터리 셀 사이에 개재되며, 인접하는 배터리 셀 사이에서 열 전달을 방해하도록 구성된 열전이 방지부 및 상기 열전이 방지부의 내측에 구비되어 인접하는 배터리 셀 사이에서 화염을 차단하도록 구성된 화염전이 방지부를 구비하는 차단 부재를 포함한다.

Description

안전성이 강화된 배터리 모듈{Battery module with reinforced safety}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성이 강화된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등에 관한 것이다.
스마트폰이나 태블릿 PC, 스마트 워치와 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 크게 증대되고, 전기 자동차가 점차 널리 보급되면서, 이에 탑재되는 배터리, 특히 반복적인 충방전이 가능한 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 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.
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.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 이차 전지는 다수가 전기적으로 연결된 상태에서 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 형태로, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
그런데, 이와 같이 다수의 이차 전지(배터리 셀) 또는 다수의 배터리 모듈이 좁은 공간에 밀집되어 있는 경우, 열적 이벤트에 취약할 수 있다. 특히, 어느 하나의 배터리 셀에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 고온의 가스나 화염, 열 등이 생성될 수 있다. 만일, 이러한 가스나 화염, 열 등이 동일한 배터리 모듈 내에 포함된 다른 배터리 셀로 전달되는 경우, 열 전파(thermal propagation)와 같은 폭발적인 연쇄 반응 상황이 나타날 수 있다. 그리고, 이러한 연쇄 반응은, 해당 배터리 모듈에서 화재나 폭발 등의 사고를 일으키는 것은 물론이고, 다른 배터리 모듈에 대해서도 화재나 폭발 등을 유발할 수 있다.
더욱이, 전기 자동차와 같은 중대형 배터리 모듈이나 배터리 팩의 경우, 출력 및/또는 용량 증대를 위해 많은 수의 배터리 셀이 포함되어 열적 연쇄 반응에 대한 위험성은 더욱 커질 수 있다. 더욱이, 전기 자동차 등에 탑재된 배터리 팩의 경우, 주변에 운전자 등과 같은 사용자가 존재할 수 있다. 따라서, 특정 배터리 모듈에서 발생한 열적 이벤트가 적절하게 제어되지 못하고 연쇄 반응이 발생할 경우, 큰 재산상 피해는 물론이고 인명 피해까지 야기될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트 발생 시 안전성이 강화될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀; 내부 공간에 상기 다수의 배터리 셀을 수납하는 모듈 케이스; 및 인접하는 배터리 셀 사이에 개재되며, 인접하는 배터리 셀 사이에서 열 전달을 방해하도록 구성된 열전이 방지부 및 상기 열전이 방지부의 내측에 구비되어 인접하는 배터리 셀 사이에서 화염을 차단하도록 구성된 화염전이 방지부를 구비하는 차단 부재를 포함한다.
여기서, 상기 열전이 방지부는, 상기 화염전이 방지부보다 낮은 열전도도를 갖는 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 화염전이 방지부는, 상기 열전이 방지부보다 높은 녹는점을 갖는 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 상기 열전이 방지부가 용융되는 경우, 상기 배터리 셀을 향해 상기 화염전이 방지부가 노출되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 시트 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 열전이 방지 시트 내부에 화염전이 방지 시트가 개재된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 상기 배터리 셀의 스웰링을 흡수 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 열전이 방지부는, 중앙 부분의 두께가 말단 부분의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
또한, 상기 화염전이 방지부는, 중앙 부분에 오목한 형태로 홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 화염전이 방지부는, 중앙 부분에 형성된 홈의 적어도 일측이 외측으로 개방된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 다수의 배터리 셀 각각은, 수납부와 실링부를 구비하는 파우치형 이차 전지이고, 상기 화염전이 방지부는, 상기 다수의 배터리 셀 사이에서, 상기 실링부에 대면하는 부분의 두께가 상기 수납부에 대면하는 부분의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는 상기 다수의 배터리 셀의 적층 방향을 따라 복수 배치되고, 복수의 차단 부재 중 적어도 둘 이상은, 압축율에 차이를 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 둘 이상의 셀 뱅크를 구비하고, 서로 다른 셀 뱅크 사이에 상기 차단 부재가 개재될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 이벤트가 효과적으로 제어될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부의 특정 배터리 셀에서 가스나 화염, 열 등이 발생한 경우, 해당 배터리 모듈에 포함된 다른 배터리 셀로 가스 및/또는 열이 전파되는 것이 차단될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 열적 이벤트의 발생으로 많은 열이 발생하는 경우 셀 간 열 전달이 차단되고, 열적 이벤트가 심화되어 화염이 발생한 경우 셀 간 화염 전달이 차단될 수 있다.
즉, 본 발명의 경우, 열적 이벤트의 정도에 따라, 열 차단 및 화염 차단 등의 이벤트 제어가 적절하게 순차적으로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 셀 간, 또는 셀 그룹 간 구역이 나뉘게 되어, 특정 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생하더라도, 폭발적인 연쇄 반응이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 화재나 폭발 가능성을 낮추거나, 그 시간을 지연시킬 수 있다. 특히, 배터리 모듈의 화재나 폭발 시간을 지연시키는 경우, 자동차 운전자와 같은 배터리 사용자가 대피할 수 있는 충분한 시간이 확보되어 인적 피해를 줄일 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈에 대한 분리 사시도이다.
도 3은 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면도이고, 도 4는 도 1의 A2-A2'선에 대한 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6 및 도 7은, 도 5의 A3-A3'선에 대한 단면도 및 도 5의 A4-A4'선에 대한 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 단면 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 도 9의 구성에 대한 분리 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재에 구비된 화염전이 방지부의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 17은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재에 구비된 화염전이 방지부의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재에 구비된 화염전이 방지부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 19는, 도 18의 A4-A4'선에 대한 단면도이다.
도 20은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 21은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 나타낸 분리 사시도이다.
도 22 및 도 23은, 도 21의 배터리 모듈에 포함된 서로 다른 차단 부재의 구성을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분리 사시도이다.
도 25는, 도 24의 배터리 모듈에 대한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈에 대한 분리 사시도이다. 또한, 도 3은 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면도이고, 도 4는 도 1의 A2-A2'선에 대한 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀(100), 모듈 케이스(200) 및 차단 부재(300)를 포함한다.
상기 배터리 셀(100)은, 배터리 모듈에 다수 포함될 수 있다. 그리고, 각 배터리 셀(100)은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체(양극판, 음극판, 세퍼레이터 포함), 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 다수의 배터리 셀(100)은, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 다수의 배터리 셀(100)은, 버스바 등을 통해 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
다수의 배터리 셀(100)은, 서로 적층된 형태로 배터리 모듈에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 셀(100)은, 적어도 일 방향으로 적층된 형태의 셀 적층체(셀 어셈블리)를 구비한다고 할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 배터리 셀(100)은, 좌우 방향(Y축 방향)으로 나란하게 배치될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되며, 이러한 내부 공간에 다수의 배터리 셀(100)을 수납하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈 케이스(200)는, 상판(210), 하판(220), 좌측판(230), 우측판(240), 전판(250) 및 후판(260)을 구비하여 내부 공간을 한정할 수 있다. 그리고, 이와 같이 한정된 내부 공간에 셀 적층체가 위치하도록 할 수 있다. 여기서, 상기 모듈 케이스(200)는, 금속 및/또는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
또한, 모듈 케이스(200)를 구성하는 여러 판상 부재의 적어도 일부는 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하판(220), 좌측판(230) 및 우측판(240)이 서로 일체화된 U-프레임 형태의 본체를 구비하고, 상판(210), 전판(250) 및 후판(260)이 본체의 상부, 전방 및 후방을 커버 내지 밀폐시키도록 구성될 수 있다. 이때, 상판(210), 전판(250) 및 후판(260)과 본체 사이의 결합 고정은, 용접, 접착, 볼팅, 후크 등 다양한 체결 방식이 이용될 수 있다. 또는, 상기 모듈 케이스(200)는, 상판(210), 하판(220), 좌측판(230) 및 우측판(240)이 서로 일체화된 모노 프레임 형태로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이러한 모듈 케이스(200)의 특정 재질이나 형태로 한정되지 않는다.
상기 차단 부재(300)는, 인접하는 배터리 셀(100) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 상기 차단 부재(300)는, 좌우 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀(100) 중, 적어도 일부 배터리 셀(100) 사이에 개재될 수 있다. 더욱이, 상기 차단 부재(300)는, 다수 구비되어, 배터리 셀(100)의 적층 방향으로 상호 간 이격되게 배치될 수 있다. 그리고, 상기 차단 부재(300)는, 서로 다른 배터리 셀(100) 사이에 개재될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 차단 부재(300)는, 3개 또는 4개의 배터리 셀(100)마다 1개씩 배치될 수 있다. 이 경우, 서로 인접하지만 서로 이격된 2개의 차단 부재(300) 사이에는, 3개 또는 4개의 배터리 셀(100)이 위치한다고 할 수 있다. 상기 차단 부재(300)에 대해서는, 도 5 내지 도 7을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 6 및 도 7은, 도 5의 A3-A3'선에 대한 단면도 및 도 5의 A4-A4'선에 대한 단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 차단 부재(300)는, 열전이 방지부(310) 및 화염전이 방지부(320)를 구비한다.
여기서, 열전이 방지부(310)는, 배터리 셀(100) 사이의 열전달을 방해하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 열전이 방지부(310)는, 서로 다른 배터리 셀(100) 사이에 개재되어, 일측 배터리 셀(100)로부터 생성된 열이 반대 측 배터리 셀(100)로 전달되는 것을 방지 내지 억제하도록 구성될 수 있다.
화염전이 방지부(320)는, 열전이 방지부(310)의 내측에 구비될 수 있다. 예를 들어, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 외부 표면 중 전체 또는 일부를 덮는 형태로 배치될 수 있다. 즉, 화염전이 방지부(320)는, 열전이 방지부(310)의 내부에 매립된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 화염전이 방지부(320)는, 배터리 셀(100) 사이에서 화염이 전이되는 것을 차단하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 화염전이 방지부(320)는, 일측 배터리 셀(100)로부터 생성된 화염이 반대 측 배터리 셀(100)로 이동하는 것을 방지 내지 억제하도록 구성될 수 있다. 열전이 방지부(310)의 경우 셀 간 열을 차단하기 위한 구성인 반면, 화염전이 방지부(320)의 경우 셀 간 화염을 차단하기 위한 구성으로서, 열전이 방지부(310)와 화염전이 방지부(320)는 서로 다른 재질로 구성될 수 있다.
열전이 방지부(310) 및 화염전이 방지부(320)라는 용어는, 구분 내지 설명의 편의를 위한 것으로, 반드시 해당 용어로만 기능이 한정되는 것은 아니다. 이러한 측면에서, 열전이 방지부(310) 및 화염전이 방지부(320)는, 각각 제1 방지부 및 제2 방지부로 용어가 대체될 수도 있다.
열전이 방지부(310)와 화염전이 방지부(320)는, 코팅, 접착, 용접, 볼팅 등 다양한 체결 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 외면의 전부 또는 일부에 코팅된 형태로 구성될 수 있다. 또는, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 외부 표면에 접착제를 통해 접착된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 열적 이벤트가 효과적으로 억제되도록 할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부에 포함된 다수의 배터리 셀(100) 중, 특정 배터리 셀(100)에서 열 폭주(thermal runaway) 상황이 발생한 경우, 열 폭주가 다른 배터리 셀(100)로 전파되는 것을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 더욱이, 특정 배터리 셀(100)에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 열과 화염 등이 함께 발생할 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(100) 사이에서 열이 전이되는 것은 물론이고, 화염이 전이되는 것도 방지할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)에서, 화염전이 방지부(320)의 열전도율이 높다 하더라도, 화염전이 방지부(320)의 외측에는 열전이 방지부(310)가 존재하므로, 열전이 방지부(310)에 의해 셀 간 열 전이가 억제될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)보다 낮은 열전도도를 갖는 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상기 열전이 방지부(310)는, 인접하는 배터리 셀(100) 사이에서 열이 전달되는 것을 방지하거나 감소시키기 위하여, 단열 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전이 방지부(310)는, 실리콘이나 폴리우레탄, 또는 그와 유사한 계열의 재질로 구성될 수 있다. 이 밖에도, 상기 열전이 방지부(310)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 단열 소재를 채용할 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)에 의한 셀 간 열전이 방지 효과가 보다 효과적으로 달성될 수 있다. 더욱이, 특정 배터리 셀(100)에서 열적 이벤트 발생 시, 초기에는 열이 많이 발생할 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 이와 같이 발생된 열이, 다른 배터리 셀(100)로 전이되는 것을 억제 내지 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)의 무게를 가볍게 하여, 배터리 모듈 전체의 무게를 낮추는데 보다 용이할 수 있다.
또한, 상기 화염전이 방지부(320)는, 열전이 방지부(310)보다 높은 녹는점을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상기 화염전이 방지부(320)는, 인접하는 배터리 셀(100) 사이에서 화염이 전달되는 것을 방지하거나 감소시키기 위하여, 화염에 강한 난연 소재 또는 내열성 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 화염전이 방지부(320)는, SUS(스테인리스강)와 같은 금속 재질을 구비할 수 있다. 또는, 상기 화염전이 방지부(320)는, GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) 및 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 중 적어도 하나의 재료를 구비할 수 있다. 그 밖에, 화염전이 방지부(320)는, 알루미늄 등의 금속 재질 또는 이러한 금속 재질을 포함하는 합금 등의 형태로 이루어질 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 효과적인 화염 차단 성능이 달성될 수 있다. 또한 이 경우, 차단 부재의 구조적 강도가 향상되고, 배터리 모듈의 제조 비용이나 무게를 감소시키는데 유리할 수 있다. 이 밖에도, 상기 화염전이 방지부(320)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 화염 차단 소재, 이를테면 세라믹 소재 등을 채용할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 열 폭주와 같은 열적 이벤트가 심화되어 화염 등이 발생한 경우에, 셀 간 화염이 전파되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100) 간 화염 전파로 인해 배터리 모듈 전체로 화재가 확산되는 것을 억제하거나 그 속도를 지연시킬 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 화염전이 방지부(320)가 열전이 방지부(310)에 비해 구조적 강성이 높은 재질로 구성될 수 있으므로, 차단 부재(300)의 기계적 강도가 보다 향상될 수 있다. 또한, 이로 인해 열전이 방지부(320)의 단열 성능도 안정적으로 확보될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 화염이 발생하여 열전이 방지부(310)가 용융되어 소실되더라도, 화염전이 방지부(320)에 의해, 차단 부재(300)의 형태가 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 화재 발생 시 배터리 모듈의 구조적 붕괴가 일어나는 것을 억제시킬 수 있다.
또한, 상기 차단 부재(300)는, 열전이 방지부(310)가 용융되는 경우, 배터리 셀(100)을 향해 화염전이 방지부(320)가 노출되도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 차단 부재(300)는, 열전이 방지부(310)가 용융되지 않은 상태에서는, 화염전이 방지부(320)가 배터리 셀(100)에 직접 대면되지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바를 참조하면, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면과 우측 표면을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 열전이 방지부(310)가 존재하는 상태에서는, 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면과 우측 표면은, 좌측 배터리 셀(100)과 우측 배터리 셀(100)에 대하여 노출되지 않을 수 있다. 그러나, 화염이나 고온의 가스 등이 발생하여 열전이 방지부(310)의 녹는점보다 높은 온도의 열이 차단 부재(300)에 인가되는 경우, 열전이 방지부(310)는 용융될 수 있다. 이때에는, 열전이 방지부(310)가 용융 내지 소실되어, 화염전이 방지부(320)의 표면, 이를테면 도 6에서 좌측 표면 및/또는 우측 표면이 외부로 노출될 수 있다. 따라서, 차단 부재(300)의 좌측과 우측에 위치하는 2개의 배터리 셀(100) 사이에는, 화염전이 방지부(320)가 개재된 형태가 되며, 이러한 화염전이 방지부(320)에 의해, 2개의 배터리 셀(100) 사이에서 화염이 전파되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 측면에 의하면, 차단 부재(300)에서, 열전이 방지부(310)가 화염전이 방지부(320)보다 배터리 셀(100)에 가깝게 위치할 수 있다. 따라서, 화염전이 방지부(320)의 열전도도가 높다 하더라도, 먼저 낮은 열전도도를 갖는 열전이 방지부(310)로 인해, 배터리 셀(100) 간 열전이가 차단될 수 있다.
더욱이, 상기 차단 부재(300)는, 화염전이 방지부(320)가 열전이 방지부(310)에 의해 외측 전체가 감싸진 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 차단 부재(300)는, 열전이 방지부(310)가 화염전이 방지부(320)의 전체 표면을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5 내지 도 7 등에 도시된 실시 구성을 참조하면, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 좌측부, 우측부, 상부, 하부, 전단부 및 후단부를 모두 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 열전이 방지부(310)로부터 배출된 열은, 화염전이 방지부(320)에 이르기 전에 열전이 방지부(310)에 의해 차단될 수 있다. 그러므로, 열전이 방지부(310)가 용융 또는 소실되기 전에는, 배터리 셀(100)로부터 배출된 열에 대하여, 차단 부재(300)의 단열 성능이 보다 안정적으로 확보될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재(300)는, 시트 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 시트는, 플레이트나 패드와 같은 용어로 대체될 수도 있다. 예를 들어, 상기 차단 부재(300)는, 도 5 등에 도시된 바와 같이, 2개의 넓은 표면을 갖는 시트 형태로 구성될 수 있다. 이와 같은 차단 부재(300)의 구성에서, 2개의 넓은 표면은, 배터리 셀(100)을 향하도록 배치될 수 있다. 즉, 차단 부재(300)는 2개의 배터리 셀(100) 사이에 개재될 수 있는데, 차단 부재(300)가 시트 형태로 구성된 경우, 2개의 넓은 표면은, 각각 서로 다른 배터리 셀(100)을 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 실시 구성을 참조하면, 상기 차단 부재(300)는, 좌측 표면과 우측 표면, 2개의 넓은 표면을 가지며, 좌측 표면은 좌측에 위치한 배터리 셀(100)에 대면되고, 우측 표면은 우측에 위치한 배터리 셀(100)에 대면될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 시트 형태로 구성된 차단 부재(300)에 의해, 배터리 셀(100) 사이에 차단 부재(300)가 개재되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 또한, 이 경우, 차단 부재(300)에 의해 배터리 모듈의 부피가 크게 증대되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 차단 부재(300)는, 열전이 방지 시트 내부에 화염전이 방지 시트가 개재된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 차단 부재(300)가 시트 형태로 구성된 실시예에서, 차단 부재(300)에 포함된 열전이 방지부(310)와 화염전이 방지부(320)도 각각 시트 형태로 구성될 수 있다. 이때, 열전이 방지부(310)와 화염전이 방지부(320)는, 각각 열전이 방지 시트 및 화염전이 방지 시트로 지칭될 수 있다.
예를 들어, 상기 차단 부재(300)는, 도 5 내지 도 7의 실시예에 도시된 바와 같이, 내부에 빈 공간이 형성된 열전이 방지 시트의 내부에 화염전이 방지 시트가 삽입된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 차단 부재(300)는, 화염전지 방지 시트의 외부 측면에 열전이 방지 시트가 코팅된 형태로 구성되어 있다고도 할 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)가 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 열전이 방지부(310)의 내부에 화염전이 방지부(320)가 포함되며, 시트 형태를 갖는 차단 부재(300)가 용이하게 구현될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 8은, 도 5의 A3-A3'선에 대한 단면 구성의 다른 변형예라 할 수 있다. 본 실시예를 비롯하여, 본 명세서에 포함된 여러 실시예들에 대해서는, 다른 실시예에서 설명한 부분이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 8을 참조하면, 상기 차단 부재(300)는, 화염전이 방지부(320)의 외부 표면 중 일부가 열전이 방지부(310)에 의해 감싸지고, 다른 일부는 열전이 방지부(310)에 의해 감싸지지 않도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 차단 부재(300)가 시트 형태로 구성된 경우, 화염전이 방지부(320)도 시트 형태로 구성될 수 있다. 이때, 화염전이 방지부(320)의 2개의 넓은 표면은 열전이 방지부(310)에 의해 커버되고, 다른 모서리 부분은 열전이 방지부(310)에 의해 커버되지 않고 외부로 노출되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 실시 구성을 참조하면, 화염전이 방지부(320)는 좌측 표면과 우측 표면이라는 2개의 넓은 표면을 갖고, 모서리는 상부, 하부, 전단부 및 후단부에 각각 위치할 수 있다. 이때, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면과 우측 표면 외측에 위치하고, 화염전이 방지부(320)의 모서리, 즉 상부, 하부, 전단부 및 후단부에는 위치하지 않는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 열전이 방지부(310)는 2개의 열전이 시트로 구성되고, 화염전이 방지부(320)는 1개의 화염 전이 시트로 구성될 수 있는데, 화염 전이 시트는 2개의 열전이 시트 사이에 개재될 수 있다. 즉, 화염전이 시트의 좌측 표면과 우측 표면에는 2개의 열전이 시트가 부착될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)가 보다 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 화염에 의해 열전이 방지부(310)가 소실된다 하더라도, 차단 부재(300)의 전체 높이는 그대로 유지될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 내부에서 차단 부재(300)에 의한 화염 전이 차단 효과가 그대로 유지될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 실시 구성에서, 좌우 방향으로 적층된 배터리 셀(100) 사이에 개재된 차단 부재(300)의 상측 단부는, B1 부분에 표시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 상판(210) 내부 표면과 직접 접촉하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 도 8의 실시 구성과 같이 화염전이 방지부(320)의 상부 측에는 열전이 방지부(310)가 존재하지 않는다면, 화염전이 방지부(320)의 상단부는 모듈 케이스(200)의 상판(210)과 직접 접촉할 수 있다. 따라서, 화염이 발생하여 열전이 방지부(310)가 제거된다 하더라도, 화염전이 방지부(320)의 상단부와 모듈 케이스(200) 사이의 밀폐 상태는 그대로 유지될 수 있다. 그러므로, 화염전이 방지부(320)에 의한 화염 차단 효과는 안정적으로 확보될 수 있다. 또한, 이 경우, 열전이 방지부(310)가 제거되어도, 모듈 케이스(200)의 내부에서 차단 부재(300)의 위치가 안정적으로 유지될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 단면 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 9는, 도 3의 B1 부분에 대한 변형예를 확대하여 나타낸 도면이다. 또한, 도 10은, 도 9의 구성에 대한 분리 단면도이다. 즉, 도 10은, 도 9의 구성에서 차단 부재(300)가 모듈 케이스(200)로부터 분리된 구성을 나타낸다고 할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 차단 부재(300)는, 단부가 모듈 케이스(200)에 삽입될 수 있다. 이때, 모듈 케이스(200)에는, 차단 부재(300)의 단부가 삽입되기 위한 삽입홈이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 10에서 G1으로 표시된 부분과 같이, 모듈 케이스(200)의 내측 표면에는 삽입홈이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 모듈 케이스(200)의 삽입홈(G1)으로, 차단 부재(300)의 단부, 이를테면 차단 부재(300)의 상단부가 삽입될 수 있다.
본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)와 모듈 케이스(200) 사이의 끼움 결합 구성으로 인해, 차단 부재(300)가 모듈 케이스(200) 내부에서 안정적으로 고정될 수 있다.
특히, 차단 부재(300)의 단부가 모듈 케이스(200)에 삽입된 실시예에서, 차단 부재(300)에 구비된 화염전이 방지부(320)는, 모듈 케이스(200)의 삽입홈에 삽입되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 차단 부재(300)의 상단부가 모듈 케이스(200)의 삽입홈(G1)에 삽입될 때, 화염전이 방지부(320)는, B2로 표시된 길이만큼 모듈 케이스(200)의 삽입홈(G1)으로 삽입될 수 있다. 즉, 차단 부재(300)에서 열전이 방지부(310)가 존재하는 상태에서도, 화염전이 방지부(320)는 모듈 케이스에 삽입된 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 화염에 의해 열전이 방지부(310)가 용융 내지 소실되더라도, 화염전이 방지부(320)는 모듈 케이스(200)의 삽입홈(G1)에 삽입된 상태가 그대로 유지될 수 있다. 특히, 도 9 및 도 10의 실시예와 같이, 화염전이 방지부(320)의 단부, 이를테면 상단이, 열전이 방지부(310)로 덮여진 상태로 구성된 차단 부재(300)의 경우, 열전이 방지부(310)의 용융 내지 소실에도 불구하고, 화염전이 방지부(320)는 모듈 케이스(200)의 삽입홈(G1)으로부터 이탈되지 않을 수 있다. 그러므로, 이 경우, 화염이 발생한 이후에도 차단 부재(300)의 위치가 그대로 유지될 수 있으며, 차단 부재(300)의 단부 측, 이를테면 상부 측으로 화염이 넘어가는 것을 최대한 억제할 수 있다.
또한, 상기 차단 부재(300)는, 배터리 셀(100)의 스웰링을 흡수 가능하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 11을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재(300)의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 11은, 도 6의 B3 부분이 변형되는 구성을 나타낸다고 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 차단 부재(300)에서, 시트 형태로 구성된 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면과 우측 표면에는, 시트 형태의 열전이 방지부(310), 즉 좌측 열전이 시트(310L)와 우측 열전이 시트(310R)가 위치할 수 있다. 그리고, 이러한 차단 부재(300)의 좌측과 우측에는 각각 배터리 셀(100)이 배치될 수 있다. 이때, 차단 부재(300)의 좌측 또는 우측에 위치하는 배터리 셀(100)에서 스웰링 현상이 발생하는 경우, 차단 부재(300)로 압력이 인가될 수 있다. 예를 들어, 도 11의 실시예에 도시된 바를 참조하면, 차단 부재(300)의 좌측에 위치하는 배터리 셀(100)에서 스웰링 현상이 발생하게 되면, 화살표 D1으로 표시된 바와 같이, 차단 부재(300)를 우측 방향으로 가압할 수 있다. 이때, 열전이 방지부(310)는, 이러한 가압력을 흡수하여 형태가 변형되도록 구성될 수 있다. 즉, 좌측 열전이 시트(310L)는, 좌측 배터리 셀(100)의 스웰링 전에는 좌측 표면이 점선 C1과 같은 형태를 가질 수 있다. 그러나, 좌측 배터리 셀(100)에서 스웰링이 발생하게 되면, 좌측 열전이 시트(310L)는 우측 방향(-Y축 방향)으로 밀리게 되어, 좌측 표면이 실선 C2와 같은 형태를 가질 수 있다. 이때, 좌측 열전이 시트(310L)는, 좌측 표면이 배터리 셀(100)의 스웰링에 의한 가압력으로 인해 형태가 변형되지만, 우측 표면은 그 형태를 유지하도록 구성될 수 있다. 또한, 좌측 열전이 시트(310L)는, 좌측 표면에 인가된 압력에도 불구하고, 전체적으로 또는 우측 표면이 우측 방향으로 이동하지 않도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 열전이 방지부(310)는, 적어도 일부분이 탄성 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 열전이 방지부(310)는, 실리콘 시트 또는 폴리우레탄 시트 등일 수 있다. 더욱이, 실리콘이나 폴리우레탄 재질의 경우, 단열성과 탄성이 모두 우수하게 확보될 수 있다. 또한, 상기 열전이 방지부(310)는, 배터리 셀(100)의 스웰링에 따른 부피 팽창을 흡수할 수 있는 다른 다양한 재질, 이를테면 고무와 같은 다른 다양한 탄성체 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)에 구비된 열전이 방지부(310)로 인해, 배터리 셀(100) 간 열 전이가 방지되는 것은 물론이고, 특정 배터리 셀(100)의 스웰링 현상으로 인해, 배터리 모듈의 내부 구조가 변형되거나 붕괴되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 다수의 배터리 셀(100)이 모두 파우치형 전지인 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링 현상이 더욱 심하게 발생할 수 있다. 하지만, 상기 실시 구성에 의하면, 파우치형 전지의 스웰링 현상에 대하여, 차단 부재(300), 특히 열전이 방지부(310)가 적절하게 대응할 수 있다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 상기 열전이 방지부(310)는, 중앙 부분의 두께가 말단 부분의 두께보다 두껍게 형성되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열전이 방지부(310)는, 상하 방향(Z축 방향)으로 세워진 형태로 구성될 수 있는데, 상하 방향으로 중앙에 위치하는 부분의 두께는, 도 12에서 E1으로 표시된 바와 같다. 그리고, 상기 열전이 방지부(310)의 상단부 또는 하단부의 두께는, 도 12에서 E2로 표시된 바와 같다. 이때, E1은 E2보다 큰 길이를 갖도록 열전이 방지부(310)가 구성될 수 있다. 즉, 열전이 방지부(310)는, 중앙 부분이 상대적으로 두껍게 형성되고, 단부 측으로 갈수록, 이를테면 상부, 하부, 전단부 및 후단부 측으로 갈수록 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 열전이 방지부(310)의 단열 성능 또는 스웰링 흡수 성능이 보다 효과적으로 향상될 수 있다. 즉, 배터리 셀(100)의 경우, 통상적으로 열전이 방지부(310)의 중앙 부분에 대면되는 부분에서 부피 팽창이 가장 많이 일어날 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 해당 부분에 열전이 방지부(310)가 두껍게 형성되므로, 이와 같은 부피 팽창을 충분하게 흡수할 수 있다. 또한, 배터리 셀(100)의 경우, 중앙 부분에서 열이 많이 발생할 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 중앙 부분에 충분하게 형성된 열전이 방지부(310)로 인해, 해당 부분에서의 열 전이가 효과적으로 방지될 수 있다. 특히, 배터리 셀(100)이 파우치형 전지인 경우, 중앙 부분은 파우치형 셀의 수납부에 대면되는 부분일 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 열전이 방지부(310)의 중앙 부분을 상대적으로 두껍게 형성하는 경우, 파우치형 셀의 수납부에서 일어나는 부피 팽창이나 발열에 효과적으로 대응할 수 있다.
또한, 상기 화염전이 방지부(320)는, 중앙 부분에 오목한 형태로 홈이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 12의 실시 구성을 참조하면, 화염전이 방지부(320)는, 상하 방향으로 세워진 형태로 구성되되, 상단부와 말단부 사이의 중앙 부분에, G2 및 G2'으로 표시된 바와 같이 홈이 형성될 수 있다. 이 경우, 화염전이 방지부(320)는, 단면 구성이 대략 'I'자 형태로 구성된다고 할 수 있다. 이와 같은 구성에서, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 중앙 홈(G2, G2')에도 채워질 수 있다. 즉, 열전이 방지부(310)는, 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면과 우측 표면을 전체적으로 덮는 형태로 구성되지만, 화염전이 방지부(320)의 중앙 홈(G2, G2')에는 보다 많은 열전이 방지부(310)가 존재할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)의 두께를 부분적으로 변화시키지 않더라도, 열전이 방지부(310)의 중앙 부분을 두껍게 하여, 배터리 셀(100)의 스웰링 흡수 및 단열 성능을 향상시키는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 열전이 방지부(310)의 두께와 화염전이 방지부(320)의 두께를 합산한 차단 부재(300)의 전체 두께가, 균일해질 수 있다. 예를 들어, 도 12의 실시 구성에서, 열전이 방지부(310)의 두께는 상부에서 하부 방향으로 갈수록 동일하지 않고 변화되지만, 차단 부재(300)의 전체 두께는 상부에서 하부까지 전체적으로 균일하게 형성될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100) 사이에 차단 부재(300)를 개재시킬 때, 불필요한 공간 소모를 방지할 수 있으며, 배터리 셀(100)과 차단 부재(300)가 나란하게 잘 배열될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 열전이 방지부(310)의 적어도 일부가 화염전이 방지부(320)의 중앙 부분 홈(G2, G2')에 삽입됨으로써, 열전이 방지부(310)와 화염전이 방지부(320)의 결합력이 보다 향상될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성에 의할 경우, 열전이 방지부(310)가 화염전이 방지부(320)의 전방, 후방, 상방 및 하방으로 이동하는 것이 억제될 수 있다.
도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 차단 부재(300)에서 화염전이 방지부(320)는, G3 및 G3'으로 표시된 바와 같이, 좌측 표면 및 우측 표면의 중앙 부분에 오목한 형태의 홈이 형성되되, 이러한 홈은 곡면 형태 또는 경사진 형태로 형성될 수 있다. 즉, 화염전이 방지부(320)의 좌우 방향(Y축 방향) 두께는, 상단부로부터 중앙 부분을 향하여 갈수록 점차 얇아지다가, 중앙 부분으로부터 하단부로 갈수록 다시 점차 두꺼워지는 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 화염전이 방지부(320)는, 이와 같이 중앙 부분의 두께가 얇기 때문에 홈이 형성되어 있다고 할 수 있다. 또한, 이와 같이 중앙 부분에 형성된 홈(G3, G3')에는 열전이 방지부(310)가 채워질 수 있다. 따라서, 열전이 방지부(310)는, 단부보다 중앙 부분의 두께가 더 두껍게 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 스웰링 형태에 보다 효율적으로 대응할 수 있다. 특히, 배터리 셀(100)의 스웰링 발생 시, 배터리 셀(100)의 중앙 부분이 가장 많이 팽창하고, 단부로 갈수록 팽창 정도가 점차 줄어들 수 있다. 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 배터리 셀(100)의 팽창 형태에 상응하게, 열전이 방지부(310) 및 화염전이 방지부(320)가 구성되어 있다고 할 수 있다. 그러므로, 배터리 셀(100)의 스웰링에 보다 적절하게 대응할 수 있다.
도 14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 상기 화염전이 방지부(320)는, 중앙 부분에 오목한 형태로 홈이 형성되되, 이러한 중앙 부분의 오목한 홈에는 열전이 방지부(310)에 의해 채워지지 않은 빈 공간이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 14에서 F1으로 표시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면과 좌측 열전이 방지부(310) 사이에는 빈 공간, 이를테면 공기층이 존재할 수 있다. 또한, 도 14에서 F1'로 표시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)의 우측 표면과 우측 열전이 방지부(310) 사이에는 빈 공간이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 화염전이 방지부(320)와 열전이 방지부(310) 사이의 빈 공간(F1, F1')은, 배터리 셀(100)의 스웰링을 흡수하는 공간으로 기능할 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)의 무게를 낮춤으로써, 배터리 모듈 전체의 무게를 감소시키는데 유리할 수 있다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15를 참조하면, 상기 화염전이 방지부(320)는, 일단에서 타단 방향으로 갈수록 두께가 점차 증가 또는 감소하는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 화염전이 방지부(320)는, 외면에 경사면이 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)는, 상부에서 하부 방향(-Z축 방향)으로 갈수록 두께가 점차 줄어드는 형태로 경사면(F2, F2')이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 화염 발생 시, 화염전이 방지부(320)가 외부로 드러날 수 있는데, 화염전이 방지부(320)에 형성된 경사면(F2, F2')을 따라 벤팅 가스나 화염 등의 배출 내지 이동 방향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같은 구성에 의하면, 화염전이 방지부(320)의 경사면(F2, F2')에 의해, 가스나 화염을 하부 방향으로 최대한 유도할 수 있다. 특히, 가스나 화염은 상부 방향으로 향하고자 하는 성질을 가질 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 가스나 화염이 상부 방향으로 이동하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 상부 측으로 가스나 화염이 배출되는 것을 방지하여, 배터리 모듈의 상부 측에 위치한 장치나 운전자 등을 보호하는데 보다 유리할 수 있다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)에 구비된 화염전이 방지부(320)의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 특히, 도 16의 구성은, 차단 부재(300)에서 화염전이 방지부(320)의 형태만 도시되어 있으며, 열전이 방지부(310)는 제거되어 있다. 이를테면, 도 16의 실시 구성은, 화염 등으로 인해 열전이 방지부(310)가 용융되어 소실된 상태의 구성을 나타낸다고 할 수 있다.
도 16을 참조하면, 상기 화염전이 방지부(320)는, 중앙 부분에 홈이 형성될 수 있다. 즉, 상기 화염전이 방지부(320)는, 좌측 표면과 우측 표면에 각각, G4로 표시된 부분과 같이, 내측으로 오목한 형태의 홈이 형성될 수 있다. 그리고, 화염전이 방지부(320)는, 이러한 홈(G4)의 적어도 일측이 외측으로 개방된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 화염전이 방지부(320)의 우측 표면에 형성된 홈(G4)은, 도 16에서 H1으로 표시된 부분과 같이 전방 측이 개방된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면에 형성된 홈은, 도 16에서 H1'으로 표시된 부분과 같이 전방 측이 개방된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 화염전이 방지부(320)에 형성된 홈의 개방부(H1, H1')로 인해, 벤팅 가스가 배출될 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)의 홈(G4)에 대하여 전방 측에 개방부(H1, H1')가 형성되면, 화염전이 방지부(320)의 홈(G4)으로 유입된 벤팅 가스는, 전방 개방부(H1, H1')를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 가스는, 도 16에서 화살표 D2로 표시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)의 표면을 따라, 전방 측으로 이동할 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성에 따르면, 벤팅 가스의 배출 및 그 방향이 적절하게 제어 내지 유도될 수 있다.
특히, 배터리 모듈의 모듈 케이스(200)에는 벤팅 홀(미도시)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 전판(250)에는 벤팅 홀이 형성될 수 있다. 이때, 도 16에 도시된 바와 같이 차단 부재(300)의 화염전이 방지부(320)를 통해, 벤팅 가스가 전방 측으로 유도되는 경우, 벤팅 가스가 벤팅 홀로 원활하고 신속하게 배출되도록 할 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 내부에서 열 폭주 등 비정상적 상황이 발생하여 가스가 발생한 경우, 배터리 모듈의 폭발 등을 방지하고, 벤팅 가스 배출 시 안전성이 확보되도록 할 수 있다.
도 17은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)에 구비된 화염전이 방지부(320)의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 17의 구성 역시, 도 16과 마찬가지로, 차단 부재(300)에서 화염전이 방지부(320)의 형태만 도시되어 있으며, 열전이 방지부(310)는 제거되어 있다. 즉, 도 17의 실시 구성은, 도 16과 같이, 화염 등으로 인해 열전이 방지부(310)가 용융되어 소실된 상태의 구성을 나타낸다고 할 수 있다.
도 17을 참조하면, 상기 화염전이 방지부(320)는, 도 16과 유사하게 중앙 부분에 홈(G4)이 형성되어 있으며, 일측, 이를테면 전방 측에 개방부(H1)가 형성되어, 가스 등이 개방부(H1) 측으로 배출되게 구성되어 있다. 다만, 도 17의 실시 구성에서는, 화염전이 방지부(320)의 홈(G4)에, P1으로 표시된 바와 같이, 외측 방향으로 돌출되게 구성된 저지 돌기가 형성되어 있다. 예를 들어, 화염전이 방지부(320)의 우측 표면에는 홈(G4)이 형성되되, 이러한 홈(G4)에는 우측 방향으로 돌출된 형태의 저지 돌기(P1)가 형성될 수 있다.
이러한 화염전이 방지부(320)의 구성에서, 홈(G4)으로 유입된 벤팅 가스는 전방에 위치한 개방부(H1) 측으로 배출되되, 저지 돌기(P1)에 의해 벤팅 가스의 흐름이 저지될 수 있다. 다만, 이러한 저지 돌기(P1)는, 벤팅 가스가 홈(G4)에서 개방부(H1) 측으로 배출되는 것을 완전히 저지하는 것이 아니고, 벤팅 가스의 흐름 방향이 절곡되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)의 홈(G4)에는 다수의 저지 돌기(P1)가 형성되어, 화살표 D3로 표시된 바와 같이, 벤팅 가스가 전방 측으로 배출되는 과정에서 상부 및/또는 하부 방향으로 절곡되도록 할 수 있다. 또한, 도 17에서는 화염전이 방지부(320)의 우측 표면만 도시되어 있으나, 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면에도 역시 홈(G4)이 형성되고, 이러한 홈에 저지 돌기(P1)가 형성될 수 있다.
특히, 저지 돌기(P1)는, 가스 등의 배출 방향에 직교하는 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바를 참조하면, 차단 부재(300)의 화염전이 방지부(320)에 대하여, 홈(G4)을 통해 벤팅 가스는 전방 측(-X축 방향)으로 배출될 수 있다. 이때, 저지 돌기(P1)는, 이러한 벤팅 가스의 배출 방향에 직교하는 방향인 상하 방향(Z축 방향)으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)의 화염전이 방지부(320)를 통해 벤팅 가스가 유도되는 과정에서, 벤팅 가스의 배출 경로를 길게 함으로써, 벤팅 가스의 온도를 낮출 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스의 배출 경로에 절곡된 부분이 형성되므로, 벤팅 가스와 함께 화염이 배출될 때, 직진성이 강한 화염의 외부 배출을 저지할 수 있다. 그리고, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스에 포함된 스파크나 활물질 입자 등이 외부로 배출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 이 경우, 배터리 모듈 외부 또는 다른 배터리 셀(100)에서 화재가 일어나는 것을 저지할 수 있다.
특히, 상기 실시 구성에서, 저지 돌기(P1)는, 화염전이 방지부(320)의 개방단(H1) 측에 위치할 수 있다. 이 경우, 벤팅 가스가 홈(G4)으로 유입되는 것을 오히려 저지 돌기(P1)가 방해하는 문제를 예방하거나 감소시킬 수 있다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)에 구비된 화염전이 방지부(320)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 19는, 도 18의 A5-A5'선에 대한 단면도이다. 도 18 및 도 19에 도시된 구성 역시, 열전이 방지부(310)가 제거된 상태를 나타낸다고 할 수 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 화염전이 방지부(320)의 양 표면에 형성된 홈에 있어서, 개방부는 서로 다른 측면에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 화염전이 방지부(320)의 우측 표면과 좌측 표면에 각각 홈(G4', G4)이 형성되고, 각 홈(G4', G4)에는 개방부(H1, H1')가 형성될 수 있다. 이때, 우측 표면의 개방부(H1)는 화염전이 방지부(320)의 전방 측에 형성되고, 좌측 표면의 개방부(H1')는 화염전이 방지부(320)의 후방 측에 형성될 수 있다. 즉, 화염전이 방지부(320)의 양 표면에 형성된 개방부는, 서로 반대 측에 형성될 수 있다.
이 경우, 화염전이 방지부(320)의 우측에 위치하는 배터리 셀(100)로부터 배출된 벤팅 가스는, 도 19에서 화살표 D4로 표시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)의 우측 표면을 따라 전방 측(-X축 방향)으로 이동할 수 있다. 그리고, 화염전이 방지부(320)의 좌측에 위치하는 배터리 셀(100)로부터 배출된 벤팅 가스는, 도 19에서 화살표 D4'으로 표시된 바와 같이, 화염전이 방지부(320)의 좌측 표면을 따라 후방 측(+X축 방향)으로 이동할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 하나의 차단 부재(300)를 기준으로 좌측에 배치된 배터리 셀(100)로부터 생성된 가스의 배출 방향과 우측에 배치된 배터리 셀(100)로부터 생성된 가스의 배출 방향이 서로 다른 방향, 특히 반대 방향으로 배출되도록 할 수 있다. 따라서, 고온 내지 고압의 벤팅 가스가 특정 부분으로 집중되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 일측으로 배출된 벤팅 가스가 화염전이 차단부 너머에 위치한 배터리 셀(100) 측으로 유입되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 18 및 도 19의 실시 구성에서, 화염전이 방지부(320)의 우측에 위치하는 배터리 셀(100)로부터 생성된 벤팅 가스가 화염전이 방지부(320)의 우측 개방부(H1) 측으로 배출될 때, 화염전이 방지부(320)의 좌측 개방부(H1')를 통해 화염전이 방지부(320)의 좌측에 위치하는 배터리 셀(100) 측으로 유입되는 것이 방지될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 셀(100) 간 열폭주 전이 방지 효과가 더욱 효과적으로 확보될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 다수의 배터리 셀(100) 각각은, 도 2 및 도 3 등에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 이때, 각 이차 전지는, 수납부와 실링부를 구비할 수 있다.
이와 같은 구성에서, 상기 화염전이 방지부(320)는, 실링부에 대면하는 부분의 두께가 수납부에 대면하는 부분의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 20을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 20은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 20에서는, 설명의 편의를 위해, 하나의 배터리 셀(100)과 하나의 차단 부재(300)만 도시되도록 한다.
도 20을 참조하면, 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지일 수 있으며, 이때, 배터리 셀(100)에는, J1으로 표시된 바와 같은 수납부와, J2로 표시된 바와 같은 실링부가 구비될 수 있다. 여기서, 수납부(J1)는, 파우치 외장재의 내부 공간에 전극 조립체(양극판, 음극판, 세퍼레이터 포함) 및 전해질을 수납하는 부분일 수 있다. 그리고, 실링부(J2)는, 수납부(J1)의 테두리에 위치하여, 파우치 외장재가 융착된 형태로, 수납부(J1)의 내부 공간을 밀폐시키는 부분일 수 있다. 이러한 수납부(J1)와 실링부(J2)의 구성은 본원발명의 출원 시점에 널리 공지되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이와 같은 형태의 배터리 셀(100)에 대응하여, 화염전이 방지부(320)는, 다수의 배터리 셀(100) 사이에 개재된 상태에서, 수납부(J1)에 대면하는 부분의 두께가 실링부(J2)에 대면하는 부분의 두께보다 얇게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 20에 도시된 구성을 참조하면, 화염전이 방지부(320)에서, 수납부(J1)에 대면하는 부분은 I1으로 표시된 부분이라 할 수 있고, 실링부(J2)에 대면하는 부분은 I2로 표시된 부분이라 할 수 있다. 이때, 화염전이 방지부(320)는, I2로 표시된 부분이 I1으로 표시된 부분보다 두껍게 형성될 수 있다. 특히, 차단 부재(300)가 파우치형 배터리 셀(100) 사이에 개재된 상태에서, 실링부(J2)에 대면하는 부분은 차단부재의 단부 측, 이를테면 전후 방향 단부라 할 수 있다. 따라서, 화염전이 방지부(320)는, 단부 측, 이를테면 세워진 시트 형태일 때, 배터리 셀(100)의 실링부(J2)에 대면하는 전후 방향 단부 및/또는 상하 방향 단부 측이, 배터리 셀(100)의 수납부(J1)에 대응하는 중앙 부분에 비해 두껍게 형성된다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(100) 사이의 화염 차단 효과가 더욱 향상될 수 있다. 특히, 다수의 파우치형 배터리 셀(100)을 나란하게 적층시키는 경우, 수납부(J1)에 비해 실링부(J2) 측에 빈 공간이 많이 형성될 수 있다. 따라서, 특정 배터리 셀(100)로부터 화염이 배출된 경우, 배출된 화염 및 고온의 가스 등은, 배터리 셀(100)의 실링부(J2) 측으로 향할 수 있다. 이때, 상기 실시 구성에서는, 화염전이 방지부(320)의 두께가 실링부(J2) 측에서 두껍게 형성되므로, 실링부(J2) 측에 위치한 화염이 다른 배터리 셀(100) 측으로 전파되는 것을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
특히, 파우치형 배터리 셀(100)의 경우, 대략 사각 형상을 가지며, 수납부(J1)를 중심으로 4개 또는 3개의 모서리에 실링부(J2)가 형성될 수 있다. 이때, 여러 실링부(J2) 중 일부 실링부(J2)로 전극 리드(101)가 돌출될 수 있다. 예를 들어, 상하 방향으로 세워진 형태의 파우치형 배터리 셀(100)에서, 실링부(J2)는, 전방, 후방, 상부 및 하부에 각각 위치할 수 있다. 이때, 전극 리드(101)는, 도 20에 도시된 바와 같이, 전방 측 실링부와 후방 측 실링부 각각으로 돌출되게 구비될 수 있다. 이때, 전극 리드(101)가 돌출된 실링부는, 다른 실링부와 구별되기 위해, 테라스부로 지칭될 수도 있다. 이 경우, 화염전이 방지부(320)는, 이러한 테라스부에 대면되는 부분의 두께가 수납부에 대면되는 부분의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 더욱이, 테라스부에 대면되는 부분의 두께는, 테라스부가 아닌 다른 실링부에 대면되는 부분의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 화염전이 방지부(320)의 화염 차단 효과가 보다 향상될 수 있다. 특히, 테라스부는 다른 실링부(J2)에 비해 넓은 면적을 가질 수 있으므로, 화염이나 고온의 벤팅 가스가 더욱 집중될 수 있다. 따라서, 상기 실시예와 같이, 화염전이 방지부(320)의 여러 부분 중, 이러한 테라스부에 대응하는 부분의 두께를 두껍게 하는 경우, 테라스부로 화염이 집중된 때에도 배터리 셀(100) 간 화염 차단 성능이 보다 안정적으로 확보될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 화염전이 방지부(320)의 두께 차등화로 인해, 화염에 대하여 전극 리드가 안정적으로 보호될 수 있다.
또한, 도 20의 실시예에 도시된 구성을 참조하면, 열전이 방지부(310)에 있어서, 배터리 셀(100)의 수납부(J1)에 대면하는 부분의 두께가 배터리 셀(100)의 실링부(J2)에 대면하는 부분의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(100)의 수납부(J1)에서 상대적으로 열이 많이 발생하거나 팽창이 많이 일어난다 하더라도, 열전이 방지부(310)가 보다 두껍게 형성됨으로써, 생성된 열이나 부피 팽창 등을 적절하게 흡수할 수 있다.
상기 차단 부재(300)는, 배터리 셀(100) 사이뿐 아니라, 배터리 셀(100)과 모듈 케이스(200) 사이에도 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바를 참조하면, 다수의 배터리 셀(100)이 좌우 방향(Y축 방향)으로 배치되어 셀 어셈블리를 형성하는 경우, 셀 어셈블리의 좌측과 우측에 각각 배치될 수 있다. 이 경우, 셀 어셈블리와 모듈 케이스(200) 사이에 차단 부재(300)가 배치되어 있다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 열이나 화염이 발생한 경우, 배터리 모듈 외부로 열이나 화염 등이 전달되는 것을 차단하거나 억제할 수 있다. 특히, 배터리 모듈 외부에는, 다른 배터리 모듈이나, 배터리 팩의 다른 구성요소, 이를테면 BMS(Battery Management System) 등이 배치될 수 있다. 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 다른 배터리 모듈이나 BMS 등으로 열이나 화염이 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
도 21은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 나타낸 분리 사시도이다.
도 21을 참조하면, 각 파우치형 셀(100)은, 수납부가 좌우 방향을 향하도록 세워진 상태에서 좌우 방향(Y축 방향)으로 다수 배치될 수 있다. 이때, 각각의 배터리 셀(100)은, 전극 리드(101)가 전후방(X축 방향)으로 돌출 배치될 수 있다. 상기 차단 부재(300)는, 다수의 배터리 셀(100)의 적층 방향(Y축 방향)을 따라 복수 배치될 수 있다. 특히, 다수의 차단 부재(300) 중 일부는 셀 적층체의 외곽에 위치하고, 나머지는 셀 적층체의 내부에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 21의 실시 구성에서, K1 내지 K5로 표시된 바와 같이, 5개의 차단 부재(300)가 좌우 방향으로 서로 이격되게 배치될 수 있다. 여기서, 제1 부재(K1) 및 제5 부재(K5)는 셀 적층체의 좌우측 최외곽에 배치되고, 제2 부재(K2), 제3 부재(K3) 및 제4 부재(K4)는 셀 적층체의 내부에 배치되어 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 복수의 차단 부재(300) 중 적어도 둘 이상은, 압축율에 차이를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 21의 실시 구성에서, K1~K5로 표시된 5개의 차단 부재(300) 중 적어도 둘 이상은, 압축율이 서로 다르게 구성될 수 있다. 여기서, 압축율은, 두께 방향으로 압력이 가해질 경우, 압축되는 정도를 의미할 수 있다. 예를 들어, 각 차단 부재(300)의 압축율은, 도 11의 실시예에서 D1으로 표시된 바와 같이 외측 표면에 압력이 가해질 때, 폭 방향(Y축 방향)으로 두께가 감소하는 정도를 의미할 수 있다. 따라서, 압축율이 높다는 것은, 동일한 힘이 가해졌을 때, 상대적으로 더 많이 압축될 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
특히, 복수의 차단 부재(300)는, 셀 적층체의 외곽에 배치된 차단 부재(300)와 셀 적층체의 내부에 배치된 차단 부재(300) 사이에 압축율 차이를 갖도록 구성될 수 있다. 더욱이, 외측 차단 부재(300)는, 내측 차단 부재(300)보다 압축율이 낮게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 21의 실시예에서, 셀 적층체의 외곽에 배치된 제1 부재(K1) 및 제5 부재(K5)는, 셀 적층체의 내측에 배치된 제2 부재(K2), 제3 부재(K3) 및 제4 부재(K4)보다 압축율이 낮게 구성될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 셀 적층체에 포함된 배터리 셀(100)에서 스웰링이 발생한 경우, 스웰링에 대한 대응 능력을 확보하는 한편, 배터리 셀(100)의 파손 문제가 보다 효과적으로 예방될 수 있다. 즉, 제2 내지 제4 부재(K2~K4)와 같은 내측 차단 부재는, 상대적으로 높은 압축율로 인해, 셀 적층체의 스웰링이 잘 흡수되도록 할 수 있다. 반면, 제1 및 제5 부재(K1, K5)와 같은 외측 차단 부재는, 상대적으로 낮은 압축율로 인해, 최외곽에 위치한 배터리 셀(100)의 과도한 이동을 억제할 수 있다.
특히, 셀 적층체의 적어도 일측, 이를테면 각 배터리 셀(100)의 하단은 모듈 케이스(200)와 접착제에 의해 접착 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 21의 실시 구성에서, 셀 적층체의 하부와 하판(220)의 상면 사이에는 써멀 레진이 접착제로서 개재될 수 있다. 그리고, 셀 적층체에 속한 다수의 배터리 셀(100)에서 스웰링이 발생하면, 최외곽에 위치하는 배터리 셀(100)이 가장 많이 이동할 수 있다. 이때, 하단이 접착 고정된 상태에서 최외곽 셀의 이동 거리가 길어지게 되면, 해당 배터리 셀(100)의 찢김 문제가 발생할 가능성이 높다.
하지만, 상기 실시 구성에 의할 경우, K1 및 K5와 같은 외측 차단 부재의 낮은 압축율에 의해 최외곽에 위치하는 배터리 셀(100)의 과도한 이동이 억제될 수 있다. 그리고, 셀 적층체의 스웰링은, K2 내지 K4와 같이 상대적으로 내측에 위치하는 차단 부재(300)에서 잘 흡수될 수 있다. 그러므로, 최외곽 측 배터리 셀(100)의 찢김 문제가 방지될 수 있다. 또한, 이 경우, 최외곽 차단 부재(300)의 두께를 얇게 구성할 수 있으므로, 모듈 케이스(200)의 내부 공간이 넓어지는 효과도 가질 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 에너지 밀도 향상에도 기여할 수 있다.
상기와 같이, 차단 부재(300) 간 압축율에 차이를 두는 대표적인 실시 형태에 대해서는, 도 22 및 도 23을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 22 및 도 23은, 도 21의 배터리 모듈에 포함된 서로 다른 차단 부재(300)의 구성을 확대하여 나타낸 도면이다. 특히, 도 22는 도 21의 A61 부분을 확대하여 나타낸 정면도이고, 도 23은 도 21의 A63 부분을 확대하여 나타낸 정면도일 수 있다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 복수의 차단 부재(300)는, 두께에 차이를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 21의 실시예에서, 최외곽 차단 부재(K1)는 도 22에서 T1으로 표시된 바와 같은 두께를 갖도록 구성되고, 내측 차단 부재(K3)는 도 23에서 T3로 표시된 바와 같은 두께를 갖도록 구성될 수 있다. 이때, 최외곽 차단 부재(K1)의 두께(T1)는, 내측 차단 부재(K3)의 두께(T3)보다 얇게 구성될 수 있다. 즉, T1 및 T3는, T1<T3의 관계를 가질 수 있다. 여기서, 2개의 최외곽 차단 부재(K1, K5)는 서로 동일한 두께를 갖고, 3개의 내측 차단 부재(K2, K3, K4)는 서로 동일한 두께를 가질 수 있다.
또는, 내측 차단 부재가 다수 구비된 경우, 다수의 내측 차단 부재 사이에서도 서로 다른 두께를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 21의 실시예에서 3개의 내측 차단 부재(K2, K3, K4) 중, 중앙에 위치하는 내측 차단 부재(K3)는, 상대적으로 외측에 위치하는 다른 2개의 내측 차단 부재(K2, K4)에 비해 두꺼운 두께를 갖도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 셀 적층체의 외측에서 내측 방향으로 갈수록, 차단 부재(300)의 두께는 순차적으로 두꺼워진다고 할 수 있다.
더욱이, 복수의 차단 부재(300)는, 주로 열전이 방지부(310)가 스웰링 흡수의 역할을 할 수 있다. 따라서, 복수의 차단 부재(300)는, 열전이 방지부(310)의 두께를 다르게 구성할 수 있다. 특히, 외곽에 위치하는 차단 부재의 열전이 방지부(310)는 내측에 위치하는 차단 부재의 열전이 방지부(310)에 비해 두께가 얇게 구성될 수 있다.
예를 들어, 최외곽 차단 부재(K1)의 열전이 방지부(310)는 도 22에서 T11로 표시된 바와 같은 두께를 갖고, 내측 차단 부재(K3)의 열전이 방지부(310)는 도 23에서 T31로 표시된 바와 같은 두께를 가질 수 있다. 이때, T11과 T31은, T11<T31의 관계를 갖도록 설정될 수 있다. 즉, 최외곽 차단 부재(K1)의 열전이 방지부(310)의 두께(T31)는, 내측 차단 부재(K3)의 열전이 방지부(310)의 두께(T31)보다 얇게 구성될 수 있다. 이 경우, 최외곽 차단 부재(K1)의 전체 두께(T1)는, 내측 차단 부재(K3)의 전체 두께(T3)보다 얇게 구성될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 최외곽 차단 부재의 열전이 방지부(310)가 상대적으로 얇게 형성되어 최외곽 배터리 셀(100)에 대한 이동 제한 효과를 높일 수 있다. 따라서, 최외곽 배터리 셀(100)의 과도한 이동으로 인한 찢김 현상 등이 효과적으로 예방되도록 할 수 있다.
또한, 최외곽 차단 부재(K1)의 화염전이 방지부(320)는 도 22에서 T12로 표시된 바와 같은 두께를 갖고, 내측 차단 부재(K3)의 화염전이 방지부(320)는 도 23에서 T32로 표시된 바와 같은 두께를 가질 수 있다. 이때, T12와 T32는, T12>T32의 관계를 갖도록 설정될 수 있다. 즉, 최외곽 차단 부재(K1)의 화염전이 방지부(320)의 두께(T32)는, 내측 차단 부재(K3)의 화염전이 방지부(320)의 두께(T32)보다 두껍게 구성될 수 있다. 더욱이, 최외곽 차단 부재(K1)는, 내측 차단 부재(K3)에 비해, 화염전이 방지부(320)는 상대적으로 두껍게 형성되고, 열전이 방지부(310)는 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 화염전이 방지부(320)는 열전이 방지부(310)에 비해 강성이 높을 수 있으므로, 상기 실시 구성에 의하면, 최외곽 배터리 셀(100)의 밀림 억제 성능이 더욱 우수하게 확보될 수 있다. 또한, 이 경우, 최외곽 차단 부재(K1)와 내측 차단 부재(K3)가 동일한 두께를 갖거나 그 차이가 크지 않도록 할 수 있다.
또한, 상기 차단 부재(300)는, 서로 다른 셀 뱅크 사이에 개재될 수 있다. 이에 대해서는, 도 24 및 도 25를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분리 사시도이다. 도 25는, 도 24의 배터리 모듈에 대한 단면도이다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 배터리 모듈에 포함된 다수의 배터리 셀(100)은, CB1~CB8로 표시된 바와 같이, 여러 셀 뱅크로 그룹화될 수 있다. 그리고, 복수의 셀 뱅크(CB1~CB8)는 서로 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 다수의 배터리 셀(100)은, 직렬로 연결된 둘 이상의 셀 뱅크를 구비할 수 있다.
또한, 각각의 셀 뱅크(CB1~CB8)에는 다수의 배터리 셀(100)이 포함될 수 있다. 이때, 각 셀 뱅크에서 배터리 셀(100)들은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 24 및 도 25의 실시예에서는, 각 셀 뱅크마다 병렬로 연결된 3개의 배터리 셀(100)이 포함될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 차단 부재(300)는, 서로 다른 셀 뱅크 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 도 24 및 도 25에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈에 8개의 셀 뱅크(CB1~CB8)가 포함된 경우, 서로 다른 셀 뱅크 사이마다 차단 부재(300)가 개재될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 일부 셀 뱅크 내부에서 열폭주 등이 발생하더라도, 직렬로 연결된 다른 셀 뱅크로 열폭주 전파가 일어나는 것이 방지되거나 억제될 수 있다. 따라서, 특정 셀 뱅크의 가스 방출 내지 화염 발생 상황 등으로 인해 배터리 모듈의 전압 강하(voltage drop)가 일어난다 하더라도, 이러한 전압 강하가 셀 뱅크 단위로 단계적으로 일어나도록 할 수 있다. 그러므로, 배터리 모듈 전체의 전압 강하 속도를 낮추어, 전압 강하를 최대한 지연시키는 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 이 경우, 배터리 모듈이나 이러한 배터리 모듈이 적용된 장치의 안전성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차 등에 탑재된 배터리 모듈에서 운행 중 열폭주 등의 상황이 발생하더라도, 전압 강하가 최대한 천천히 이루어지도록 할 수 있다. 그러므로, 운전자는 전기 자동차를 일정 시간 지속 운행하여 갓길 등 안전한 지점까지 최대한 이동하도록 할 수 있다.
배터리 모듈의 에너지 밀도를 높이고, 스웰링이나 진동 등에도 안정성을 확보하기 위해서는, 모듈 케이스(200) 내부의 주어진 공간에서 그에 포함되는 구성요소의 치수 내지 공간 등에 대한 적절한 설계가 필요하다.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 다수의 구성요소가 적층되어 형성된 적층 유닛이 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 수납될 수 있다. 여기서, 적층 유닛에는 배터리 셀(100)과 차단 부재(300)가 포함될 수 있다. 특히, 차단 부재(300)는, 배터리 셀(100)의 외곽 및/또는 사이 공간에 배치될 수 있다. 또한, 적층 유닛에는, 여러 구성요소의 고정을 위해 접착 부재가 개재될 수 있다. 예를 들어, 2개의 배터리 셀(100) 사이 및/또는 배터리 셀(100)과 차단 부재(300) 사이에 접착 부재가 위치하여, 서로 다른 구성 요소 사이를 밀착시킬 수 있다. 여기서, 접착 부재는 스프레이 등의 방식으로 접착제가 도포되는 형태로 구성될 수도 있고, 접착 시트나 접착 패드 등이 셀 표면에 부착되는 형태로 구성될 수도 있다. 특히, 스프레이 등의 방식으로 접착제가 도포되어 접착 부재가 마련된다 하더라도, 접착제가 경화하면 일정 두께를 갖는 시트 내지 패드 형태로 접착 부재가 마련될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 적층 유닛의 전체 폭은, 다음과 같은 수식으로 계산될 수 있다. 이때, 폭은, 다수의 배터리 셀(100)이 적층된 방향(예를 들어, 도 24의 Y축 방향)으로 설정된 적층 유닛의 전체 길이를 의미할 수 있으며, mm 등의 단위를 가질 수 있다.
WT = WC + WO + WI + WA
여기서, WT는 적층 유닛의 전체 폭, WC는 전체 배터리 셀의 총 두께, WO는 최외곽 패드의 전체 폭, WI는 내부 패드의 전체 폭을 의미할 수 있다. 이때, 최외곽 패드는 도 21에서 K1이나 K5와 같은 최외곽에 위치한 차단 부재(300)이며, 내부 패드는 도 21에서 K2 내지 K4와 같이 셀 적층체의 내부, 즉 배터리 셀(100) 사이에 위치하는 내측 차단 부재(300)를 나타낼 수 있다. 또한, WA는 접착 부재의 전체 폭을 의미할 수 있다. WO, WI, WA 등은, mm 등의 길이 단위를 가질 수 있다.
상기 수식에서, WC는, 다음과 같이, 배터리 셀의 전체 개수(NC)와 각 배터리 셀의 두께(TC)를 곱하는 방식으로 도출될 수 있다.
WC = NC * TC
또한, WO는 최외곽 패드의 개수(NO), 최외곽 패드의 개별 두께(TO) 및 최외곽 패드의 초기 압축도(CO)를 이용하여 다음과 같이 계산될 수 있다.
WO = NO * (TO * (1- CO))
여기서, 초기 압축도(CO)는, 적층 유닛이 모듈 케이스의 내부에 삽입 조립된 후 배터리 셀의 스웰링 등이 일어나지 않은 상태에서, 최외곽 패드의 압축율을 의미할 수 있다. 즉, 초기 압축도(CO)는, 배터리 모듈의 조립 시 최외곽 패드가 초기에 압축된 정도를 의미할 수 있다. 예를 들어, 적층 유닛이 모듈 케이스의 내부에 삽입된 상태에서 최외곽 패드가 가압 전 대비 15% 압축되어 있다면, 초기 압축도(CO)는 0.15일 수 있다.
또한, WI는, 내부 패드의 개수(NI), 내부 패드의 개별 두께(TI) 및 내부 패드의 초기 압축도(CI)를 이용하여 다음과 같이 계산될 수 있다.
WI = NI * (TI * (1- CI))
여기서, 초기 압축도(CI)는, 적층 유닛이 모듈 케이스의 내부에 삽입 조립된 후 배터리 셀의 스웰링 등이 일어나지 않은 상태에서, 내부 패드의 압축율을 의미할 수 있다. 즉, 초기 압축도(CI)는, 배터리 모듈의 최초 조립 시 내부 패드가 압축된 정도를 의미할 수 있다. 예를 들어, 적층 유닛이 모듈 케이스의 내부에 삽입된 상태에서 내부 패드가 가압 전 대비 20% 압축되어 있다면, 초기 압축도(CI)는 0.2일 수 있다.
그리고, WA는, 접착 부재의 개수(NA) 및 접착 부재의 개별 두께(TA)를 이용하여 다음과 같이 계산될 수 있다.
WA = NA * TA
한편, 차단 부재의 초기 압축도, 즉 최외곽 패드의 초기 압축도(CO) 및/또는 내부 패드의 초기 압축도(CI)는, 적절한 정도로 설정될 수 있다. 특히, 차단 부재의 초기 압축도는 8% 이상, 더욱이 10% 이상, 특히 12% 이상으로 설정될 수 있다. 또한, 차단 부재의 초기 압축도는 22% 이하, 더욱이 20% 이하, 특히 18% 이하로 설정될 수 있다. 예를 들어, 차단 부재의 초기 압축도는, 10% ~ 20%로 설정될 수 있다. 차단 부재의 초기 압축도가 이러한 범위보다 작게 설정되는 경우에는, 공차 등으로 인해 모듈 케이스 내부에서 적층 유닛의 움직임이 많아질 수 있고, 구조적 안정성이 저하될 수 있다. 반면, 차단 부재의 초기 압축도가 이러한 범위를 초과하게 되면, 적층 유닛을 모듈 케이스 내부에 삽입시키는 과정에 어려움을 겪을 수 있다. 따라서, 상기와 같이 차단 부재의 초기 압축도를 적절하게 설정하여 배터리 모듈의 조립성 및/또는 구조적 안정성 등이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS나 버스바, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 앞서 설명된 모듈 케이스(200)가 팩 케이스 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200) 내부에 BMS나 버스바, 릴레이와 같은 배터리 팩의 구성요소가 포함될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(100)이 팩 케이스에 직접 수납된다는 측면에서 셀투팩(cell to pack)이라고 불리기도 한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩 이외에 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 배터리 셀
200: 모듈 케이스
210: 상판, 220: 하판, 230: 좌측판, 240: 우측판, 250: 전판, 260: 후판
300: 차단 부재
310: 열전이 방지부, 320: 화염전이 방지부

Claims (15)

  1. 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀;
    내부 공간에 상기 다수의 배터리 셀을 수납하는 모듈 케이스; 및
    인접하는 배터리 셀 사이에 개재되며, 인접하는 배터리 셀 사이에서 열 전달을 방해하도록 구성된 열전이 방지부 및 상기 열전이 방지부의 내측에 구비되어 인접하는 배터리 셀 사이에서 화염을 차단하도록 구성된 화염전이 방지부를 구비하는 차단 부재
    를 포함하고,
    상기 화염전이 방지부는, 상기 배터리 셀에 대면되는 외측 표면이 상기 열전이 방지부에 의해 감싸지되, 화염, 가스 또는 열에 의해 상기 열전이 방지부가 제거됨으로써 상기 배터리 셀을 향해 적어도 일부분이 노출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전이 방지부는, 상기 화염전이 방지부보다 낮은 열전도도를 갖는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화염전이 방지부는, 상기 열전이 방지부보다 높은 녹는점을 갖는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 차단 부재는, 시트 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 차단 부재는, 열전이 방지 시트 내부에 화염전이 방지 시트가 개재된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 차단 부재는, 상기 배터리 셀의 스웰링을 흡수 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열전이 방지부는, 중앙 부분의 두께가 말단 부분의 두께보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 화염전이 방지부는, 중앙 부분에 오목한 형태로 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 화염전이 방지부는, 중앙 부분에 형성된 홈의 적어도 일측이 외측으로 개방된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀 각각은, 수납부와 실링부를 구비하는 파우치형 이차 전지이고,
    상기 화염전이 방지부는, 상기 다수의 배터리 셀 사이에서, 상기 실링부에 대면하는 부분의 두께가 상기 수납부에 대면하는 부분의 두께보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 차단 부재는 상기 다수의 배터리 셀의 적층 방향을 따라 복수 배치되고,
    복수의 차단 부재 중 적어도 둘 이상은, 압축율에 차이를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 둘 이상의 셀 뱅크를 구비하고,
    서로 다른 셀 뱅크 사이에 상기 차단 부재가 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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