KR20180106447A - 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수 개의 배터리 모듈들, 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하는 팩 케이스 및 팩 케이스 내에서 복수 개의 배터리 모듈들 사이에 구비되며, 복수 개의 배터리 모듈들의 스웰링 시 복수 개의 배터리 모듈들의 스웰링 힘에 의해 파괴되면서 팩 케이스 내부로 소화 강화액을 분사하는 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY PACK AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
종래 배터리 팩에서는, 과충전 등이 있을 경우, 배터리 모듈의 스웰링에 따른 폭발이나 화재가 발생될 수 있다. 이러한 폭발이나 화재는 인명 피해로도 이어질 수 있는 더 큰 위험을 초래할 수 있다.
그러므로, 배터리 모듈의 스웰링에 따른 폭발이나 화재 발생 시 신속히 발화를 억제할 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은 배터리 모듈의 스웰링에 따른 폭발이나 화재 발생 시 신속히 발화를 억제할 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 복수 개의 배터리 모듈들; 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스 내에서 상기 복수 개의 배터리 모듈들 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 스웰링 시 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 스웰링 힘에 의해 파괴되면서 상기 팩 케이스 내부로 소화 강화액을 분사하는 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 복수 개의 배터리 모듈들은, 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들을 포함하며, 상기 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 적층 방향에서 상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 두 개의 배터리 모듈들 사이에 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛은, 상기 소화 강화액; 및 상기 소화 강화액을 수용하며, 상기 스웰링 힘에 의해 파괴되는 밀봉 팩;을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛은, 상기 밀봉 팩의 유동을 방지하며, 상기 밀봉 팩을 적어도 부분적으로 둘러싸는 밀봉 팩 고정 프레임;을 포함할 수 있다.
상기 소화 강화액은, 물에 탄산칼륨, 글리세린, 인산암모늄 및 요소 등을 첨가한 액체일 수 있다.
상기 소화 강화액 분사유닛은, 복수 개로 구비되며, 상기 복수 개의 소화 강화액 분사유닛들 중 일부는, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 적층 방향에서 상기 팩 케이스의 내벽과 상기 배터리 모듈 사이에 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 모듈의 스웰링에 따른 폭발이나 화재 발생 시 신속히 발화를 억제할 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
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 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 평면도이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩의 소화 강화액 분사유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 도 2의 소화 강화액 분사유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 평면도이며, 도 3은 도 1의 배터리 팩의 소화 강화액 분사유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 배터리 팩(10)은 에너지원으로서, 이차 전지를 이용하는 화학적 에너지원일 수 있다. 상기 배터리 팩(10)은 전력 저장 장치 및 자동차 등에 구비될 수 있으며, 특히, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 장착될 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(10)은, 팩 케이스(100), 배터리 모듈(200) 및 소화 강화액 분사유닛(300)을 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스(100)는 상기 배터리 팩(10)의 외관을 형성하며, 후술하는 복수 개의 배터리 모듈들(200)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 상기 팩 케이스(100)에는 복수 개의 배터리 모듈들(200)을 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다.
상기 배터리 모듈(200)은 복수 개로 구비되며, 상기 팩 케이스(100) 내에 수용될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 배터리 모듈들(200)은 상기 팩 케이스(100)의 전후 방향(X축 방향)을 따라 앞뒤로 배치됨과 아울러 상기 팩 케이스(100)의 좌우 방향(Y축 방향)을 따라 좌우로 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 모듈들(200)은, 각각, 배터리 셀(210) 및 모듈 케이스(230)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(210)은 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있으며, 복수 개로 마련될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)은 상호 적층되어 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)은 후술하는 모듈 케이스(230) 내에서 모듈 케이스(230)의 좌우 측면을 따라 상호 적층될 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)의 적층 방향(Y축 방향)은 상기 팩 케이스(100)의 좌우 방향(Y축 방향)일 수 있다.
상기 모듈 케이스(230)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)을 패키징할 수 있다. 이를 위해, 상기 모듈 케이스(230)에는 복수 개의 배터리 셀들(210)을 수용하기 위한 수용 공간이 마련될 수 있다.
상기 소화 강화액 분사유닛(300)은 상기 배터리 모듈(200)의 스웰링에 따른 폭발이나 화재 발생 시 상기 배터리 팩(10)의 발화를 억제하기 위한 것으로서, 상기 팩 케이스(100) 내에서 상기 복수 개의 배터리 모듈들(200) 사이에 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 소화 강화액 분사유닛(300)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)의 적층 방향(Y축 방향)에서 상기 복수 개의 배터리 모듈들(200) 중 두 개의 배터리 모듈들(200) 사이에 배치될 수 있다.
이러한 상기 소화 강화액 분사유닛(300)은 상기 복수 개의 배터리 모듈들(200)의 스웰링 시 상기 복수 개의 배터리 모듈들(200)의 스웰링 힘에 의해 적어도 부분적으로 파괴되면서 상기 팩 케이스(100) 내부로 후술하는 소화 강화액(310)을 분사할 수 있다.
이하, 이러한 상기 소화 강화액 분사유닛(300)에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
상기 소화 강화액 분사유닛(300)은, 소화 강화액(310), 밀봉 팩(330) 및 밀봉 팩 고정 프레임(350)을 포함할 수 있다.
상기 소화 강화액(310)은 화재 발생 시 소화 및 억제를 위한 물질로서, 물에 탄산칼륨, 글리세린, 인산암모늄 및 요소 등을 첨가한 액체로 구비될 수 있다. 또한, 상기 소화 강화액(310)은 상기 물의 표면 장력(72dyne/cm)보다 낮은 표면 장력을 갖도록 표면 장력을 낮출 수 있는 화학 물질을 더 포함할 수 있다. 아울러, 상기 소화 강화액(310)은 상기 물의 낮은 점도를 증가시키는 화학 물질 및 무기염 물질 등을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 소화 강화액(310)은 이러한 물질로 이루어지기에, 하기와 같은 소화 작용을 구현할 수 있다.
먼저, 상기 소화 강화액(310)은 냉각 소화를 도모할 수 있다. 상기 탄산칼륨은 물에 첨가될 경우, 증발 시 열을 흡수하는 증발 잠열 성능이 커져 냉각 효과를 높일 수 있다.
그리고, 상기 소화 강화액(310)은 침투 소화를 구현할 수 있다. 상기 소화 강화액(310)은 낮은 표면 장력을 갖는 화학 물질을 포함하기에, 상기 화재 발생 시 가연물의 내부에 보다 효과적으로 침투하여 화재를 제어하거나 재발화의 가능성을 낮출 수 있다.
또한, 상기 소화 강화액(310)은 질식 소화를 도모할 수 있다. 상기 물이 수증기로 될 경우 체적이 현저히 팽창된다. 상기 팽창된 수증기는 공기 중의 산소의 농도를 희석시켜, 상기 산소의 농도를 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 소화 강화액(310)은 유화층을 형성하여 상기 산소의 공급을 차단할 수 있다.
마지막으로, 상기 소화 강화액(310)은 억제 소화를 구현할 수 있다. 상기 억제 소화는 화염으로 인한 연소 반응을 주도하는 라디칼을 제거하여 연소 반응을 중단시키는 소화로서, 화학적 작용에 의한 소화이다. 상기 소화 강화액(310)이 화원(fire source)에 접촉할 경우, 상기 무기염 물질에 포함되어 있는 칼륨 이온 등이 연소 과정에서 발생하는 수소 라디칼을 흡수하여 상기 연소를 화학적으로 억제할 수 있다.
이처럼, 상기 소화 강화액(310)은 상기 소화 작용들을 통해 상기 팩 케이스(100) 내에서 상기 배터리 모듈(200)의 화재 발생 시 상기 화염의 크기를 순간적으로 축소시켜 상기 화재의 확산 속도를 효율적으로 억제시킬 수 있다.
상기 밀봉 팩(330)은 상기 소화 강화액(310)을 패키징할 수 있으며, 상기 배터리 모듈(200)의 스웰링 시 상기 배터리 모듈들(200)에 의해 가압되면서 파괴될 수 있다. 즉, 상기 밀봉 팩(330)은 상기 배터리 모듈들(200)의 스웰링 힘에 의해 파괴될 수 있다.
이를 위해, 상기 밀봉 팩(330)은 경질의 특성을 갖는 PVC 계열의 합성 수지로 마련될 수 있다. 한편, 상기 밀봉 팩(330)에는 상기 배터리 모듈(200)의 스웰링 힘 특성에 맞춰 파괴 강도를 적절히 설정할 수 있도록 아크릴 계열의 충격 보완제가 첨가되어 제조될 수도 있다.
상기 밀봉 팩 고정 프레임(350)은 상기 밀봉 팩(330)을 상기 팩 케이스(100) 내에 고정하기 위한 것으로서, 적어도 하나 또는 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 상기 밀봉 팩 고정 프레임(350)이 복수 개로 구비된 것으로 한정하여 설명한다.
상기 복수 개의 밀봉 팩 고정 프레임들(350)은 상기 밀봉 팩(330)의 유동을 방지하며, 상기 밀봉 팩(330)을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 이를 위해, 상기 복수 개의 밀봉 팩 고정 프레임들(350)은 상기 팩 케이스(100)의 전후 방향(X축 방향)에서 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 밀봉 팩 고정 프레임들(350)의 이러한 배치에 따라, 상기 밀봉 팩(330)은 상기 밀봉 팩 고정 프레임들(350) 사이에서 부분적으로 노출될 수 있다. 이에 따라, 상기 밀봉 팩(330)은 상기 배터리 모듈들(200)의 스웰링에 따른 가압 시 상기 노출되는 부분에서 보다 신속히 파괴될 수 있다.
이하, 이러한 본 실시예에 따른 상기 소화 강화액 분사유닛(300)의 동작에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
도 4 내지 도 7은 도 2의 소화 강화액 분사유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 배터리 모듈(200)의 배터리 셀들(210)에서 과충전 등이 발생할 경우, 상기 배터리 셀들(210)의 스웰링에 따라 팽창할 수 있다. 구체적으로, 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)은 적층 방향(Y축 방향)을 따라 팽창하면서 부풀어 오를 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(200)의 상기 모듈 케이스(210), 또한, 좌우 방향(Y축 방향)을 따라 팽창할 수 있다.
이러한 상기 배터리 셀들(210)의 적층 방향(Y축 방향)에 따라 팽창에 따라, 상기 복수 개의 배터리 모듈(200)의 스웰링에 따라 팽창하면서 상기 소화 강화액 분사유닛(300)을 가압할 수 있다.
도 6을 참조하면, 이후, 상기 소화 강화액 분사유닛(300)의 상기 밀봉 팩(330)의 노출된 부분은 상기 배터리 모듈들(200)의 스웰링 힘에 의해 우선적으로 파괴될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 밀봉 팩(330)이 파괴됨에 따라, 상기 소화 강화액 분사유닛(300)의 상기 소화 강화액(310)은 상기 팩 케이스(100) 내에 신속히 분사되면서 상기 배터리 모듈들(200)에서 발생될 수 있는 화재를 지연하거나 또는 나아가 화재를 진압할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(10)은 상기 소화 강화액 분사유닛(300)을 통해 상기 배터리 모듈(200)의 스웰링에 따른 폭발이나 화재 발생 시 신속히 발화를 억제할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 팩(20)은 앞선 실시예에서의 상기 배터리 팩(10)과 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 동일하거나 또는 유사한 구성에 대해서는 반복적으로 설명하지 않고 차이점을 중심으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 상기 배터리 팩(20)은, 팩 케이스(100), 배터리 모듈(200) 및 소화 강화액 분사유닛(500)을 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스(100) 및 상기 배터리 모듈(200)은 앞선 실시예와 동일하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 소화 강화액 분사유닛(500)은 복수 개로 구비될 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 소화 강화액 분사 유닛들(500) 중 일부는 상기 복수 개의 배터리 셀들의 적층 방향(Y축 방향)에서 상기 팩 케이스(100)의 내벽과 상기 배터리 모듈(200) 사이에 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(20)에서는 상기 소화 강화액 분사유닛(500)이 상기 팩 케이스(100) 내에서 상기 배터리 모듈(200)의 스웰링에 따른 팽창 부분에 대응되는 부분에 모두 구비되기에, 화재 지연이나 화재 진압 효율이 보다 더 향상될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
10, 20: 배터리 팩 100: 팩 케이스
200: 배터리 모듈 210: 배터리 셀
230: 모듈 케이스 300: 소화 강화액 분사유닛
310: 소화 강화액 330: 밀봉 팩
350: 밀봉 팩 고정 프레임 500: 소화 강화액 분사유닛

Claims (7)

  1. 배터리 팩에 있어서,
    복수 개의 배터리 모듈들;
    상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하는 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스 내에서 상기 복수 개의 배터리 모듈들 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 스웰링 시 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 스웰링 힘에 의해 파괴되면서 상기 팩 케이스 내부로 소화 강화액을 분사하는 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 모듈들은,
    상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 적층 방향에서 상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 두 개의 배터리 모듈들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛은,
    상기 소화 강화액; 및
    상기 소화 강화액을 수용하며, 상기 스웰링 힘에 의해 파괴되는 밀봉 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 소화 강화액 분사유닛은,
    상기 밀봉 팩의 유동을 방지하며, 상기 밀봉 팩을 적어도 부분적으로 둘러싸는 밀봉 팩 고정 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 소화 강화액은,
    물에 탄산칼륨, 글리세린, 인산암모늄 및 요소 등을 첨가한 액체인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 소화 강화액 분사유닛은,
    복수 개로 구비되며,
    상기 복수 개의 소화 강화액 분사유닛들 중 일부는,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 적층 방향에서 상기 팩 케이스의 내벽과 상기 배터리 모듈 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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