KR20210109315A - 배터리 팩, 그것을 포함하는 배터리 랙, 및 전력 저장 시스템 - Google Patents

배터리 팩, 그것을 포함하는 배터리 랙, 및 전력 저장 시스템 Download PDF

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KR20210109315A
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홍성곤
배경현
신진규
옥승민
이진규
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Abstract

본 발명은 2차 발화 내지 폭발의 위험성을 줄인 배터리 팩을 개시한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 일방향으로 적층된 복수의 이차전지를 가진 적어도 하나 이상의 셀 어셈블리; 상기 적어도 하나 이상의 셀 어셈블리를 수납하는 내부 공간이 형성된 모듈 하우징; 및 상기 복수의 이차전지 사이에 개재되고, 상기 복수의 이차전지 중 적어도 하나 이상의 온도가 소정 이상이 될 경우, 상기 복수의 이차전지 사이 간격이 멀어지게 상기 복수의 이차전지 사이를 양 방향으로 가압하도록 구성된 이격 부재를 포함한다.

Description

배터리 팩, 그것을 포함하는 배터리 랙, 및 전력 저장 시스템 {Battery Pack, Battery Rack Comprising The Same, And Power Storage System}
본 발명은 배터리 팩, 그것을 포함하는 배터리 랙, 및 전력 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차 발화 내지 폭발의 위험성을 줄인 배터리 팩에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 파우치 외장재를 구비한다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차전지가 많이 이용된다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지, 및 이러한 이차전지를 내부에 수용한 배터리 모듈 및 배터리 관리 시스템(BMS)을 구비한 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
또한, 이러한 배터리 팩은, 복수의 이차전지를 외부 충격으로부터 보호하거나 수납 보관하기 위해서 금속 재질의 외부 하우징을 구비하는 것이 일반적이었다. 한편, 최근 고용량의 배터리 팩이 수요가 높아지고 있다.
그러나, 종래기술의 배터리 팩 또는 배터리 랙은, 복수의 배터리 모듈을 구비하고, 각각의 배터리 모듈의 이차전지가 열폭주가 발생되어, 발화 내지 폭발할 경우, 인접한 이차전지로 열 또는 화염이 전달되어 2차 폭발 등이 일어나는 경우가 있어, 2차 발화 내지 폭발을 방지하기 위한 노력이 가중되고 있다.
이에 따라, 배터리 팩 또는 배터리 랙에서 일부 이차전지가 열폭주가 발생될 경우, 즉각적인 조치를 취할 수 있도록 빠르고 완전한 소화 기술이 필요한 실정이다. 또한, 배터리 팩 또는 배터리 랙에서 화재에 대한 안정적으로 소화가 이루어질 수 있는 방편이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 2차 발화 내지 폭발의 위험성을 줄인 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은,
일방향으로 적층된 복수의 이차전지를 가진 적어도 하나 이상의 셀 어셈블리;
상기 적어도 하나 이상의 셀 어셈블리를 수납하는 내부 공간이 형성된 모듈 하우징; 및
상기 복수의 이차전지 사이에 개재되고, 상기 복수의 이차전지 중 적어도 하나 이상의 온도가 소정 이상이 될 경우, 상기 복수의 이차전지 사이 간격이 멀어지게 상기 복수의 이차전지 사이를 양 방향으로 가압하도록 구성된 이격 부재를 포함한다.
또한, 상기 이차전지는 파우치 외장재를 구비하고,
상기 파우치 외장재는 전극 조립체가 수납되는 수용 공간이 형성된 수납부, 및 상기 파우치 외장재의 외주면이 실링된 실링부가 구비되며,
상기 이격 부재는 상기 복수의 이차전지 각각의 수납부와 대면하도록 위치될 수 있다.
더욱이, 상기 이격 부재는, 몸체의 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 부피가 팽창하도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 이격 부재의 팽창 시, 팽창이 적층 방향으로 이루어지도록 상기 이격 부재의 측부를 감싸도록 구성된 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 복수의 이차전지 사이에 구비되고, 상기 이격 부재의 양 방향으로 비가역적으로 길이가 늘어나는 것이 가능하도록 구성된 지지 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은 상기 모듈 하우징의 내부 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 소화액이 상기 모듈 하우징의 내부로 공급되도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 이격 부재는, 상기 배터리 팩 내부로 공급된 소화액과 접촉할 경우, 상기 소화액을 흡수하여 부피가 팽창되도록 구성된 합성 섬유를 구비할 수 있다.
나아가, 상기 합성 섬유는, 상기 소화액을 흡수할 경우, 부피 팽창에 의해 상기 모듈 하우징 외벽의 내면과 접촉하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 랙은, 상기 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩을 수용하는 랙 케이스를 포함한다.
더욱이, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 저장 장치는, 배터리 랙을 적어도 둘 이상 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 본 발명의 배터리 팩은, 복수의 이차전지 사이에 개재되고, 복수의 이차전지 중 적어도 하나 이상의 온도가 소정 이상이 될 경우, 복수의 이차전지 사이 간격이 멀어지게 복수의 이차전지 사이를 양 방향으로 가압하도록 구성된 이격 부재를 포함함으로써, 복수의 이차전지 중, 적어도 일부가 열폭주가 발생할 경우, 이격 부재가 복수의 이차전지 사이 간격을 멀어지게 하여, 복수의 이차전지 사이에 유입되는 소화액의 양을 늘릴 수 있다. 이에 따라, 열폭주가 발생한 복수의 이차전지를 신속히 냉각할 수 있으며, 소화제에 의해 상기 복수의 이차전지 사이의 열전달을 차단할 수 있어, 열폭주가 복수의 이차전지 사이로 전파되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명은, 셀 어셈블리에 화재가 발생할 경우에도, 이격 부재에 의해 소화액의 유입량이 늘어나 빠른 소화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 궁극적으로, 셀 어셈블리의 열폭주나, 화재 발생시 안전성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 본 발명은, 이격 부재를 몸체의 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 부피가 팽창하도록 구성 시킴으로써, 셀 어셈블리의 화재나 열폭주 발생시, 고온의 가스나, 파우치 외장재의 온도의 영향을 받아, 이격 부재가 즉각적으로 부피 팽창을 일으켜 복수의 이차전지 사이 간격을 늘릴 수 있다. 이에 따라, 열폭주가 발생한 복수의 이차전지를 신속히 냉각할 수 있으며, 소화제에 의해 상기 복수의 이차전지 사이의 열전달을 차단할 수 있어, 열폭주가 복수의 이차전지 사이로 전파되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명은, 셀 어셈블리에 화재가 발생할 경우에도, 이격 부재에 의해 소화액의 유입량이 늘어나 빠른 소화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 궁극적으로, 셀 어셈블리의 열폭주나, 화재 발생시 안전성을 높일 수 있다.더욱이, 본 발명의 일 실시예의 일측면에 의하면, 본 발명은, 이격 부재의 양 방향으로 비가역적으로 길이가 늘어나는 것이 가능하도록 구성된 지지 부재를 더 포함함으로써, 이격 부재가 소화액과 만나 냉각되어 몸체의 부피가 줄어들 경우, 지지 부재에 의해 복수의 이차전지의 사이 간격이 다시 줄어드는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 안정적으로 이격 부재가 복수의 이차전지 사이 간격을 멀어지게 하여, 복수의 이차전지 사이에 소화액이 유입될 수 있다.
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 안 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타내는 전방 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성들의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성들을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 이격 부재의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 측면도들이다.
도 6은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성들을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7 및 도 8은, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 지지 부재의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 사시도들이다.
도 9는, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 모습을 개략적으로 나타내는 후방 사시도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 개략적으로 나타내는 전방 사시도이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 개략적으로 나타내는 후방 사시도이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 이격 부재를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
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 팩을 개략적으로 나타내는 전방 사시도이다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성들의 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성들을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 배터리 팩(200)은, 적어도 하나 이상의 셀 어셈블리(100), 모듈 하우징(210), 및 이격 부재(230)를 포함한다.
여기서, 셀 어셈블리(100)는, 일방향으로 적층된 복수의 이차전지(110)를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 이차전지(110)는 파우치 외장재(115)를 구비한 파우치형 이차전지(110)일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 셀 어셈블리(100) 각각은 21개의 파우치형 이차전지(110)가 전후 방향(Y 방향)으로 나란하게 상호 적층된 형태로 구성될 수 있다.
특히, 이러한 파우치형 이차전지(110)는, 전극 조립체(도시하지 않음), 전해액(도시하지 않음) 및 파우치 외장재(115)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 각각의 이차전지(110)는, F 방향(도 1에 도시함)으로 바라봤을 때, 2개의 넓은 면이 전후 방향에 각각 위치하고, 상, 하, 좌, 우 방향의 외주면이 실링된 실링부들(S1, S2, S3, S4)가 위치하도록 대략 지면에 수직하게(z 방향) 세워지는 형태로 배치될 수 있다. 다시 말해, 각 이차전지(110)는 상하 방향으로 세워진 형태로 구성될 수 있다. 한편, 본 명세서에서는, 특별한 설명이 없는 한, 상, 하, 전, 후, 좌, 우 방향에 대하여, F 방향으로 바라볼 때를 기준으로 한다.
여기서, 상기 파우치 외장재(115)는 내부가 오목한 형태의 수납부(N1)가 형성되어 있는 파우치로 구성될 수 있다. 또한, 상기 수납부(N1)에는 전극 조립체 및 전해액이 수납될 수 있다. 그리고, 각각의 파우치는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하며, 파우치 외장재(115)의 테두리 부위에는 내부 접착층이 서로 유착됨으로써, 상기 파우치 외장재(115)의 외주면이 실링된 실링부가 형성될 수 있다. 더욱이, 상기 이차전지(110)의 양극 리드(111a) 및 음극 리드(111b)가 형성된 좌우 방향(x 방향)의 단부 각각에 테라스부가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 전극 조립체는, 전극 활물질이 도포된 전극판과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체의 양극판에는 양극 탭이 구비되며, 하나 이상의 양극 탭이 양극 리드(111a)와 연결될 수 있다.
여기서, 상기 양극 리드(111a)는, 일단이 상기 양극 탭에 연결되고 타단이 파우치의 외부로 노출되며, 이와 같이 노출된 부분이 이차전지(110)의 전극 단자, 예를 들면, 이차전지(110)의 양극 단자로서 기능할 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체의 음극판에는 음극 탭이 구비되며, 하나 이상의 음극 탭이 음극 리드(111b)와 연결될 수 있다. 그리고, 상기 음극 리드(111b)는, 일단이 상기 음극 탭에 연결되고 타단이 파우치의 외부로 노출되며, 이와 같이 노출된 부분이 이차전지(110)의 전극 단자, 예를 들면 이차전지(110)의 음극 단자로서 기능할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 이차전지(110)는 서로 다른 극성을 가진 둘 이상의 전극 리드(111)를 구비할 수 있다. 도 2에서와 같이, 도 1의 F 방향으로 바로 보았을 때, 상기 전극 리드(111)는 양극 리드(111a) 및 음극 리드(111b)를 구비할 수 있다.상기 양극 리드(111a)와 상기 음극 리드(111b)는, 이차전지(110)의 중심을 기준으로 서로 반대 방향(x 방향)의 좌우 방향의 단부에 형성될 수 있다. 즉, 상기 양극 리드(111a)는 상기 이차전지(110)의 중심을 기준으로 일단부에 구비될 수 있다. 또한, 상기 음극 리드(111b)는 이차전지(110)의 중심을 기준으로 타단부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)의 각각의 이차전지(110)는 양극 리드(111a)와 음극 리드(111b)가 좌우 방향으로 돌출되게 구성될 수 있다.
여기서, 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어는 관측자의 위치나 대상의 놓여진 형태에 따라 달라질 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해, 도 1의 F 방향으로 바라볼 때를 기준으로 하여, 전, 후, 좌, 우, 상, 하 등의 방향을 구분하여 나타내도록 한다.
그러나, 본 발명에 따른 배터리 팩(200)에는, 앞서 설명한 파우치형 이차전지(110)로만 한정되는 것은 아니고 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차전지(110)가 채용될 수 있다.
또한, 상기 적어도 둘 이상의 셀 어셈블리(100)는 전후 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 셀 어셈블리(100)는 전후 방향으로 배열되어 있고, 2개의 셀 어셈블리(100) 사이는 소정의 이격된 거리를 가질 수 있다.
더욱이, 상기 배터리 팩(200)은 버스바 어셈블리(280)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 버스바 어셈블리(280)는 상기 복수의 이차전지(110)를 전기적으로 상호 연결하도록 구성된 적어도 하나 이상의 버스바(282) 및 상기 적어도 하나 이상의 버스바(282)를 외측에 탑재하도록 구성된 적어도 둘 이상의 버스바 프레임(286)을 구비할 수 있다. 상기 적어도 둘 이상의 버스바 프레임(286)은 상기 셀 어셈블리(100)의 좌우 방향의 양측 각각에 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 버스바(282)는 전도성 금속을 구비할 수 있다. 상기 전도성 금속은, 예를 들면, 구리, 알루미늄, 니켈 등을 구비할 수 있다.
또한, 상기 버스바 프레임(286)은 전기 절연성 재료를 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 버스바 프레임(286)은 플라스틱 재료를 구비할 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 플라스틱 재료는 폴리염화 비닐일 수 있다.
한편, 상기 모듈 하우징(210)은, 상기 셀 어셈블리(100)를 내부에 수납하도록 내부 공간이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 모듈 하우징(210)은, 상부 커버(212), 베이스 플레이트(214), 전방 커버(215), 및 후방 커버(216)를 포함할 수 있다. 상기 상부 커버(212), 베이스 플레이트(214), 전방 커버(215), 및 후방 커버(216) 각각은 서로 볼트 결합될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 모듈 하우징(210)은 복수의 이차전지(110)를 외부의 충격으로부터 안정적으로 보호할 수 있는 구조를 가지고 있어, 배터리 팩(200)의 외부 충격에 대한 안전성을 높일 수 있다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 이격 부재의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 측면도들이다.
도 3과 함께 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 이격 부재(230)는 상기 복수의 이차전지(110) 사이에 개재될 수 있다. 상기 이격 부재(230)는 상기 복수의 이차전지(110) 중 적어도 하나 이상의 온도가 소정 이상이 될 경우, 상기 복수의 이차전지(110) 사이 간격이 멀어지도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 이격 부재(230)는 부피 팽창에 의해 상기 복수의 이차전지(110) 사이를 양 방향으로 가압하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 상기 이격 부재(230)는 부피 팽창에 의해 상기 복수의 이차전지(110) 사이가 벌어지도록 양 방향으로 밀어내는 힘을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 복수의 이차전지(110) 중 적어도 하나 이상이 섭씨 200도 이상으로 상승될 경우, 상기 이격 부재(230)는 몸체의 부피 팽창에 의해 상기 복수의 이차전지(110) 사이를 양 방향으로 가압하도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 5개의 이격 부재(230)는 소정 거리로 이격되어 상기 복수의 이차전지(110) 각각의 상기 파우치 외장재(115)의 수납부(N1)와 대면하도록 위치될 수 있다. 예를 들면, 5개의 이격 부재(230)는 상기 파우치 외장재(115)의 수납부(N1)에 부착될 수 있다. 상기 이격 부재(230)는 직육면체의 패드 형태를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명은, 상기 복수의 이차전지(110) 사이에 개재되고, 상기 복수의 이차전지(110) 중 적어도 하나 이상의 온도가 소정 이상이 될 경우, 상기 복수의 이차전지(110) 사이 간격이 멀어지게 상기 복수의 이차전지(110) 사이를 양 방향으로 가압하도록 구성된 이격 부재(230)를 포함함으로써, 상기 복수의 이차전지(110) 중, 적어도 일부가 열폭주가 발생할 경우, 상기 이격 부재(230)가 상기 복수의 이차전지(110) 사이 간격을 멀어지게 하여, 복수의 이차전지(110) 사이에 유입되는 소화액의 양을 늘릴 수 있다. 이에 따라, 열폭주가 발생한 복수의 이차전지를 신속히 냉각할 수 있으며, 소화제에 의해 상기 복수의 이차전지 사이의 열전달을 차단할 수 있어, 열폭주가 복수의 이차전지 사이로 전파되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명은, 셀 어셈블리에 화재가 발생할 경우에도, 이격 부재에 의해 소화액의 유입량이 늘어나 빠른 소화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 궁극적으로, 셀 어셈블리(100)의 열폭주나, 화재 발생시 안전성을 높일 수 있다.다시 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 이격 부재(230)는, 몸체의 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 부피가 팽창하도록 구성될 수 있다. 상기 이격 부재(230)는, 적어도 일부분이 예를 들면, Saint-Gobain사의 FS1000 제품의 소재일 수 있다. 또는 상기 이격 부재(230)는 소정 온도에서 부피 팽창하는 흑연 조각(Graphite Flake)을 구비할 수 있다. 상기 이격 부재(230)의 적어도 일부는 소정 온도 이상에서 부피 팽창된 탄화층이 생성되도록 구성될 수 있다. 상기 이격 부재(230)의 적어도 일부분이 탄화되어 부피 팽창된 층일 수 있다. 예를 들면, 도 5에서와 같이, 상기 이격 부재(230)는, 몸체가 섭씨 200도 이상으로 가열될 경우, 중앙 부위가 탄화되어 부피 팽창이 일어나고, 탄화층이 생성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명은, 이격 부재(230)를 몸체의 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 부피가 팽창하도록 구성 시킴으로써, 셀 어셈블리(100)의 화재나 열폭주 발생시, 고온의 가스나, 파우치 외장재(115)의 온도의 영향을 받아, 상기 이격 부재(230)가 즉각적으로 부피 팽창을 일으켜 상기 복수의 이차전지(110) 사이 간격을 늘릴 수 있다. 이에 따라, 열폭주가 발생한 복수의 이차전지를 신속히 냉각할 수 있으며, 소화제에 의해 상기 복수의 이차전지 사이의 열전달을 차단할 수 있어, 열폭주가 복수의 이차전지 사이로 전파되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명은, 셀 어셈블리에 화재가 발생할 경우에도, 이격 부재에 의해 소화액의 유입량이 늘어나 빠른 소화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 궁극적으로, 셀 어셈블리(100)의 열폭주나, 화재 발생시 안전성을 높일 수 있다.
도 6은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성들을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 가이드 부재(240)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 가이드 부재(240)는 상기 이격 부재(230)의 팽창 시, 팽창이 적층 방향으로 이루어지도록 가이드할 수 있다. 상기 가이드 부재(240)는 상기 이격 부재(230)의 측부를 감싸도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 가이드 부재(240)는 상기 이격 부재(230)가 패드 형태를 가질 경우, 패드의 상면, 하면, 좌측면, 및 우측면을 감싸도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 이격 부재(230)의 측부는 상기 복수의 이차전지(110)의 적층 방향(화살표)의 수직인 방향에 위치될 수 있다. 상기 가이드 부재(240)는 중앙이 천공된 프레임 형태를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명은, 상기 이격 부재(230)의 팽창 시, 팽창이 적층 방향으로 이루어지도록 상기 이격 부재(230)의 측부를 감싸도록 구성된 가이드 부재(240)를 더 포함함으로써, 상기 이격 부재(230)의 팽창 방향을 상기 복수의 이차전지(110)의 적층 방향으로 유도할 수 있고, 이에 따라, 더 효과적으로 상기 복수의 이차전지(110) 사이 간격을 늘릴 수 있다.
도 7 및 도 8은, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 지지 부재의 작동 모습을 개략적으로 나타내는 사시도들이다.
도 3 및 도 5와 함께, 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 도 1의 배터리 팩(200)과 비교할 경우, 지지 부재(250)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 지지 부재(250)는 상기 복수의 이차전지(110) 사이에 구비될 수 있다. 상기 지지 부재(250)는 상기 복수의 이차전지(110)의 수납부(N1)를 지지하도록 구성될 수 있다. 상기 지지 부재(250)는, 상기 이격 부재(230)의 양 방향으로 비가역적으로 길이가 늘어나는 것이 가능하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 지지 부재(250)는 상기 셀 어셈블리(100)의 열폭주나 화재가 발생될 경우, 상기 복수의 이차전지(110)의 적층 방향을 따라 양 방향으로 길이가 늘어나도록 구성될 수 있다. 반대로, 상기 지지 부재(250)는 양 방향의 길이가 늘어날 뿐, 길이가 줄어들지 않도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 지지 부재(250)는 탄성부(252) 및 상기 이차전지(110)를 가압하도록 구성된 가압부(254)를 구비할 수 있다. 여기서, 탄성부(252)는 양 방향으로 길이가 탄성 변형되도록 구성된 부품일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 가압부(254)는 양 방향으로 길이가 변동되도록 구성된 실린더를 구비할 수 있다. 상기 실린더는 중실축을 갖는 원통형 제1 기둥과 중공축을 갖는 원통형 제2 기둥을 가질 수 있다.
또한, 상기 탄성부(252)는 상기 가압부(254)의 실린더를 감싸도록 구성된 스프링을 구비할 수 있다. 더욱이, 상기 스프링은 상기 가압부(254)의 다른 몸체 부위 보다 상대적으로 직경이 큰 양단부에 의해 실린더의 축 방향의 중심으로 가압이 가능하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 스프링은 상기 실린더의 길이 변화에 따라 스프링의 탄성 방향의 길이가 변경되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 스프링은 실린더의 길이가 줄어들 경우, 상기 가압부(254)의 양단부에 의해 가압되어 탄성 수축될 수 있다. 상기 스프링은 상기 가압부(254)의 길어지는 방향(W)으로 탄성힘을 발생시키도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명은, 상기 이격 부재(230)의 양 방향으로 비가역적으로 길이가 늘어나는 것이 가능하도록 구성된 지지 부재(250)를 더 포함함으로써, 상기 이격 부재(230)가 상기 소화액과 만나 냉각되어 몸체의 부피가 줄어들 경우, 상기 지지 부재(250)에 의해 상기 복수의 이차전지(110)의 사이 간격이 다시 줄어드는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 안정적으로 상기 이격 부재(230)가 상기 복수의 이차전지(110) 사이 간격을 멀어지게 하여, 복수의 이차전지(110) 사이에 소화액이 유입될 수 있다.
한편, 다시 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 지지 부재(250)의 외면에는 탄성부가 응축된 상태를 고정하도록 구성된 고정부(258)가 구비될 수 있다. 상기 고정부(258)는 예를 들면, 소정 온도에서 고체에서 액체로 상변화하는 상변화 물질을 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 고정부(258)는 파라핀을 구비할 수 있다.
즉, 배터리 팩(200)이 정상 작동 시에, 상기 지지 부재(250)는 응축된 상태를 유지하다가, 상기 셀 어셈블리(100)의 온도가 예를 들면, 섭씨 100도를 넘을 경우, 상기 고정부(258)가 고체에서 액체로 상변화되어, 상기 지지 부재(250)의 응축된 상태를 해제시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 지지 부재(250)는 상기 복수의 이차전지(110)의 적층 방향으로 길이가 연장이 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 지지 부재(250)의 외면에는 탄성부가 응축된 상태를 고정하도록 구성된 고정부(258)가 구비됨으로써, 셀 어셈블리(100)의 화재나 열폭주가 발생되기 전에는 상기 지지 부재(250)가 가압힘이 발생되지 않도록 하고, 셀 어셈블리(100)의 화재나 열폭주가 발생된 후에는 상기 지지 부재(250)가 가압힘을 발생시켜, 상기 복수의 이차전지(110) 사이 간격을 효과적으로 늘릴 수 있다.
도 9는, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 모습을 개략적으로 나타내는 후방 사시도이다. 도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 개략적으로 나타내는 후방 사시도이다.
도 10 내지 도 11을 참조하면, 상기 배터리 팩(200)은 상기 모듈 하우징(210)의 내부 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 소화액이 상기 모듈 하우징(210)의 내부로 공급되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 소정 온도는 섭씨 200도 이상일 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리 팩(200)은 상기 후방 커버(216)에 구비된 투입구(216a)를 통해 소화액이 공급될 수 있다. 상기 소화액은 모듈 하우징(210) 내부의 가스 통로(211)를 따라 이동할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(200)은, 소화 탱크(320), 배관(330), 및 소화 밸브(343)를 구비할 수 있다. 먼저, 상기 소화 탱크(320)는, 내부에 소화액(보이지 않음)이 수용될 수 있다. 예를 들면, 상기 소화액은, 탄산칼륨과 같은 무기염의 농후(濃厚)용액, 화학포, 공기포, 이산화탄소, 또는 물일 수 있다. 또한, 상기 소화 탱크(320)는 소화액을 적절한 압력으로 분사 내지 상기 배관(330)을 따라 이동시키기 위해 압축 가스를 내부에 구비할 수 있다.
예를 들면, 상기 소화 탱크(320)의 용량은 59 L일 수 있고, 상기 압축 가스는 8 bar의 질소일 수 있으며, 상기 소화액은 40 L의 물일 수 있다. 여기서, 소화액으로 물을 사용할 경우, 상기 배터리 팩(200)의 내부에 분무로 했을 때는 소화 냉각 효과와 함께 열차단 작용이 있기 때문에 특히, 열폭주로 인한 고온의 가스 및 화염이 발생된 경우, 열 전파(Thermal Propagation)를 방지하는데 효과적이다. 이로 인해, 복수의 배터리 팩(200) 사이로 화재나 열폭주가 전파되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 배관(330)은, 상기 소화 탱크(320)로부터 상기 적어도 둘 이상의 배터리 팩(200) 각각으로 상기 소화액을 공급하도록 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 배관(330)은 물에 부식되지 않은 소재를 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 배관(330)은 스테인리스 스틸을 구비할 수 있다. 상기 배관(330)은 일단이 상기 소화 탱크(320)의 토출구(321)와 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 배관(330)은 타단은 상기 적어도 둘 이상의 배터리 팩(200) 각각의 내부까지 연장된 형태를 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 배관(330)은, 상기 소화 탱크(320)의 소화액이 토출되는 토출구(321)와 연결된 공통 배관(333), 및 상기 공통 배관(333)으로부터 상기 적어도 둘 이상의 배터리 팩(200) 각각에 연결되도록 분배된 구조의 분배 배관(336)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 배관(330)은 상기 소화 탱크(320)의 토출구(321)와 연결된 하나의 공통 배관(333), 및 상기 공통 배관(333)으로부터 분지된 8개의 분배 배관(336)을 구비할 수 있다. 그리고, 상기 8개의 분배 배관(336)은 8개의 배터리 팩(200) 각각과 연결되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 소화 밸브(343)는, 상기 배터리 팩(200)의 내부 가스(공기)가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 상기 소화 탱크(320)로부터 상기 소화액이 상기 배터리 팩(200)의 내부로 공급되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 소정 온도는 섭씨 200도 이상일 수 있다. 즉, 상기 소화 밸브(343)는 소정 온도 이상의 배터리 팩(200) 내부로 상기 소화액이 주입될 수 있도록 출구가 개방되도록 구성된 능동형 밸브일 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명의 배터리 팩(200)은, 내부 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 소화 밸브(343)를 개방 시켜 소화 탱크(320)의 소화액을 상기 모듈 하우징(210) 내부에 공급하도록 구성됨으로써, 배터리 팩(200)의 셀 어셈블리(100)에서 열폭주나 화재가 발생되더라도, 열폭주에 의한 상승된 온도의 영향을 받아, 상기 소화 밸브(343)가 즉각적으로 소화액을 배터리 팩(200) 내부로 공급할 수 있다. 궁극적으로, 배터리 팩(200)의 화재 안전성을 효과적으로 높일 수 있다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 이격 부재를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 13은, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 1과 함게 도 12 및 도 13을 참조하면, 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 이격 부재(230A)는 상기 배터리 팩(200)의 모듈 하우징(210) 내부로 공급된 소화액(322)과 접촉할 경우, 상기 소화액(322)을 흡수하여 부피가 팽창되도록 구성된 합성 섬유(235)를 구비할 수 있다. 상기 합성 섬유(235)는 상기 복수의 이차전지(110) 사이에 개재될 수 있다.
또한, 상기 이격 부재(230)는 합성 섬유(235)를 구비할 수 있다. 상기 합성 섬유(235)는 직사각형의 패드 형태를 가질 수 있다. 상기 합성 섬유(235)의 전후면은 상기 이차전지(110)의 전면 또는 후면과 대응되는 크기일 수 있다. 상기 합성 섬유(235)는 소화액(322)을 흡수할 경우, 부피 팽창을 일으켜 그 크기가 변형될 수 있다. 그리고, 상기 합성 섬유(235)는 가압에 따라 변형되는 탄성을 가질 수 있다.
더욱이, 상기 합성 섬유(235)는 소화액(322)을 흡수하도록 구성될 수 있다. 상기 합성 섬유(235)는 고흡수성 수지를 그물 형태로 방적하여 형성된 고흡수성 섬유(super absorbent fiber)를 구비할 수 있다. 여기서, 고흡수성 수지는 자체 무게의 5백 내지 1천배 정도 무게의 소화액(물)을 흡수하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 고흡수성 수지는 LG화학社의 고흡수성 수지 제품일 수 있다. 예를 들면, 상기 합성 섬유(235)는 아크릴산과 메틸 아크릴레이트 등을 원료로 하여 물에서 일괄적으로 중합 시킨 후, 중합된 고분자를 추출하고 그물 형태로 방적 시켜 제조될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 이격 부재(230)는 소화액(322)을 흡수하도록 구성된 합성 섬유(235)를 구비함으로써, 상기 배터리 팩(200)의 내부에 소화액(322)이 공급될 경우, 상기 이격 부재(230)가 소화액(322)을 흡수함으로써, 상기 이격 부재(230)가 열을 차단하는 장벽을 형성할 수 있는 바, 복수의 이차전지(110) 간의 열 이동을 차단할 수 있다. 이에 따라, 하나의 셀 어셈블리(100) 중, 일부 이차전지(110)에서 화재나 열폭주가 발생되더라도, 인접한 다른 이차전지(110)로 화재나 열 전파(Thermal Propagation)가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 배터리 팩(200)의 안전성을 효과적으로 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 합성 섬유(235)는 상기 모듈 하우징(210) 외벽의 내면과 접촉하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 합성 섬유(235)는 부피 팽창에 의해 상기 모듈 하우징(210) 외벽의 내면과 접촉하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 셀 어셈블리(100)의 이차전지(110) 중, 적어도 일부가 화재나 열폭주가 발생되어, 상기 배터리 팩(200) 내부로 소화액(물)이 유입될 경우, 상기 이격 부재(230)의 합성 섬유(235)가 상기 소화액(322)을 흡수하고 흡수된 만큼 부피 팽창을 일으켜 변형될 수 있다. 상기 합성 섬유(235)는 부피 팽창에 의해 상기 모듈 하우징(210) 외벽의 내면과 접촉될 정도로 변형될 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 이격 부재(230)의 합성 섬유(235)의 상단은 상기 모듈 하우징(210)의 상부 커버(212)의 내면과 접촉될 수 있다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
다시 도 10과 함께 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(300)은 상기 배터리 팩(200), 및 상기 배터리 팩(200)을 수용하는 랙 케이스(310)를 포함할 수 있다. 상기 랙 케이스(310)는 또한, 상기 배터리 팩(200)의 복수의 배터리 팩(200)을 상하 방향으로 적층된 형태로 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 랙 케이스(310) 내부에서는 배터리 팩(200)의 하부면이 수평면에 평행한 형태로 탑재될 수 있다.
여기서 수평 방향이란, 상기 배터리 팩(200)을 지면에 놓았을 때 지면에 평행한 방향을 의미한다고 할 수 있으며, 상하 방향에 수직하는 평면상의 적어도 한 방향이 라고도 할 수 있다.
더욱이, 상기 랙 케이스(310)는 적어도 일측이 개방 가능한 형태로 구성되어, 개방된 측면을 통해 배터리 팩(200)이 내부 공간으로 인입될 수 있다. 다만, 상기 랙 케이스(310)는, 이러한 개방된 측면이 폐쇄 가능하도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기 배터리 랙(300)은, 랙 케이스(310)의 내부 또는 외부에 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS, 350) 등 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리 장치(350)는 복수의 배터리 팩(200)의 상부(T)에 위치될 수 있다.
한편, 다시 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치(600)는 상기 배터리 랙(300)을 적어도 둘 이상 포함할 수 있다. 상기 둘 이상의 배터리 랙(300)은 일방향으로 배열되도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 전력 저장 장치(600)는 3개의 배터리 랙(300)이 일방향으로 배열되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 저장 장치(600)는 3개의 배터리 랙(300)의 충방전을 제어할 수 있는 별도의 중앙 제어부(도시하지 않음)를 구비할 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.
200: 배터리 팩 100: 셀 어셈블리
110: 이차전지 210: 모듈 하우징
115: 파우치 외장재
230: 이격 부재 240: 가이드 부재
250: 지지 부재 235: 합성 섬유
310: 소화 밸브 320: 소화 탱크
321: 토출구
333, 336: 배관, 공통 배관, 분배 배관
300: 배터리 랙 310: 랙 케이스
600: 전력 저장 장치

Claims (10)

  1. 일방향으로 적층된 복수의 이차전지를 가진 적어도 하나 이상의 셀 어셈블리;
    상기 적어도 하나 이상의 셀 어셈블리를 수납하는 내부 공간이 형성된 모듈 하우징; 및
    상기 복수의 이차전지 사이에 개재되고, 상기 복수의 이차전지 중 적어도 하나 이상의 온도가 소정 이상이 될 경우, 상기 복수의 이차전지 사이 간격이 멀어지게 상기 복수의 이차전지 사이를 양 방향으로 가압하도록 구성된 이격 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지는 파우치 외장재를 구비하고,
    상기 파우치 외장재는 전극 조립체가 수납되는 수용 공간이 형성된 수납부, 및 상기 파우치 외장재의 외주면이 실링된 실링부가 구비되며,
    상기 이격 부재는 상기 복수의 이차전지 각각의 수납부와 대면하도록 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이격 부재는, 몸체의 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 부피가 팽창하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이격 부재의 팽창 시, 팽창이 적층 방향으로 이루어지도록 상기 이격 부재의 측부를 감싸도록 구성된 가이드 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 이차전지 사이에 구비되고, 상기 이격 부재의 양 방향으로 비가역적으로 길이가 늘어나는 것이 가능하도록 구성된 지지 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 모듈 하우징의 내부 온도가 소정 온도 이상으로 상승할 경우, 소화액이 상기 모듈 하우징의 내부로 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이격 부재는, 상기 배터리 팩 내부로 공급된 소화액과 접촉할 경우, 상기 소화액을 흡수하여 부피가 팽창되도록 구성된 합성 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 합성 섬유는, 상기 소화액을 흡수할 경우, 부피 팽창에 의해 상기 모듈 하우징 외벽의 내면과 접촉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩을 수용하는 랙 케이스를 포함한 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  10. 제9항에 따른 배터리 랙을 적어도 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
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