KR20210113482A - 열 폭주 현상 발생 시 냉각수가 배터리 모듈의 내부로 투입될 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 ess - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 팩 하우징; 상기 팩 하우징 내에 적층된 복수의 배터리 모듈; 상기 복수의 배터리 모듈과 연결되며 냉각수를 저장하는 물탱크; 상기 물탱크와 연결되는 메인 관, 상기 메인 관과 각각의 배터리 모듈 사이를 연결하는 복수의 공급 관 및 상기 복수의 공급 관 중 최 상단에 위치하는 공급 관보다 더 상부 지점과 최 하단에 위치하는 공급 관보다 더 하부 지점에서 상기 메인 관과 연결되는 바이패스 관을 포함하는 냉각수 관; 상기 팩 하우징 내에 설치되어 복수의 배터리 모듈 중 적어도 일부에서 발생된 열 폭주 현상을 감지하는 적어도 하나의 센서; 및 상기 센서에 의해 열 폭주 현상이 감지되면 상기 냉각수 관을 통해 냉각수가 상기 배터리 모듈로 유입되도록 하는 제어신호를 출력하는 컨트롤러; 를 포함한다.

Description

열 폭주 현상 발생 시 냉각수가 배터리 모듈의 내부로 투입될 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 ESS{A battery pack having a structure in which cooling water can be introduced into the battery module when a thermal runaway occurs and Energy storage system comprising the same}
본 발명은 열 폭주 현상 발생 시 냉각수가 배터리 모듈의 내부로 투입될 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 ESS(Energy storage system)에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 모듈들 중 2 이상의 배터리 모듈에서 열 폭주 현상의 발생 위험이 감지되는 경우 문제가 발생된 배터리 모듈들의 내부로 냉각수를 효율적으로 투입함으로써 열 폭주 현상이 인접한 배터리 모듈로 전파되는 것을 방지할 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 ESS에 관한 것이다.
복수의 배터리 셀을 포함하는 형태의 배터리 모듈에 있어서, 일부 배터리 셀에 단락 발생 등의 이상이 생겨 지속적으로 온도가 상승하고 이로 인해 배터리 셀의 온도가 임계 온도를 넘어서게 되면 열 폭주 현상이 발생하게 된다. 이와 같이 일부 배터리 셀에 있어서 열 폭주 현상이 발생하게 되면, 안전성 이슈가 발생할 수 있다.
일부 배터리 셀에서 일어난 열 폭주 현상에 따라 화염 등이 발생하게 되면 이는 인접한 배터리 셀들의 온도를 급격히 상승시키게 되고, 이로 인해 짧은 시간 내에 인접한 셀들로 열 폭주 현상이 전파될 수 있다.
결국, 일부 배터리 셀에서 발생된 열 폭주 현상에 신속히 대처하지 못하는 경우, 배터리 셀보다 더 큰 용량의 전지 단위인 배터리 모듈이나 배터리 팩의 발화 및 폭발 등의 재해로 이어질 수 있으며, 이는 재산적 피해뿐만 아니라 안전성의 문제까지도 야기할 수 있다.
따라서, 배터리 모듈 내부에 있는 일부 배터리 셀에서 열 폭주 현상에 따른 화염이 발생하는 경우 배터리 모듈 내부의 온도를 신속히 낮추어 화염이 더 크게 번지는 것을 막는 것이 급선무이다.
아울러, 공냉식 구조를 채택하고 있는 배터리 모듈의 경우, 배터리 모듈 내부의 온도를 낮추고 화염을 진화하기 위해 냉각수를 투입하더라도 냉각수가 내부에 머무르지 않고 새어 나올 수 있는 공기 유로가 존재한다. 따라서, 열 폭주 현상이 발생된 배터리 모듈의 내부로 냉각수를 투입하였을 때, 이러한 공기 유로가 차단될 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩 구조의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에 있는 일부 배터리 셀에서 열 폭주 현상에 따른 화염이 발생하는 경우 배터리 모듈 내부의 온도를 신속히 낮추어 화염이 더 크게 번지는 것을 막는 것을 일 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.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 팩 하우징; 상기 팩 하우징 내에 적층된 복수의 배터리 모듈; 상기 복수의 배터리 모듈과 연결되며 냉각수를 저장하는 물탱크; 상기 물탱크와 연결되는 메인 관, 상기 메인 관과 각각의 배터리 모듈 사이를 연결하는 복수의 공급 관 및 상기 복수의 공급 관 중 최 상단에 위치하는 공급 관보다 더 상부 지점과 최 하단에 위치하는 공급 관보다 더 하부 지점에서 상기 메인 관과 연결되는 바이패스 관을 포함하는 냉각수 관; 상기 팩 하우징 내에 설치되어 복수의 배터리 모듈 중 적어도 일부에서 발생된 열 폭주 현상을 감지하는 적어도 하나의 센서; 및 상기 센서에 의해 열 폭주 현상이 감지되면 상기 냉각수 관을 통해 냉각수가 상기 배터리 모듈로 유입되도록 하는 제어신호를 출력하는 컨트롤러; 를 포함한다.
상기 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 상기 셀 적층체의 적층 방향 일 측에서 상기 모듈 하우징을 관통하여 형성되는 에어 인렛; 및 상기 셀 적층체의 적층 방향 타 측에서 상기 모듈 하우징을 관통하여 형성되는 에어 아웃렛; 을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛의 내측에 배치되며, 상기 배터리 모듈 내로 유입된 냉각수와의 접촉에 따라 팽창하여 상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛을 폐쇄하는 팽창 패드를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체의 폭 방향 일 측 및 타 측에 각각 결합되는 한 쌍의 버스바 프레임을 포함할 수 있다.
상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛은, 상기 버스바 프레임과 모듈 하우징 사이에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
상기 공급 관은, 상기 셀 적층체의 적층 방향 일 측 또는 타 측으로부터 상기 모듈 하우징을 관통하여 상기 버스바 프레임과 모듈 하우징 사이에 형성되는 빈 공간과 연통할 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 공급 관 내에 설치되는 복수의 밸브를 포함하며, 상기 복수의 밸브 각각은 상기 복수의 배터리 모듈과 인접 설치되어 상기 복수의 배터리 모듈로 유입되는 냉각수의 흐름을 개별적으로 허용 또는 차단할 수 있다.
상기 센서는 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 설치될 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 복수의 밸브 중 상기 센서에 의해 열 폭주 현상이 감지된 배터리 모듈과 인접 설치된 밸브를 개방하도록 하는 제어신호를 출력할 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 공급 관 내에 설치되는 차단 막을 포함할 수 있다.
상기 차단 막은, 기준 온도 이상에서 파단될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 복수 개 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈 내부에 있는 일부 배터리 셀에서 열 폭주 현상에 따른 화염이 발생하는 경우 배터리 모듈 내부의 온도를 신속히 낮추어 화염이 더 크게 번지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 공냉식 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 있어서, 열 폭주 현상이 발생된 배터리 모듈의 내부로 냉각수를 투입하였을 때, 냉각수가 배터리 모듈의 내부에 머물 수 있도록 냉각을 위한 공기 유로가 차단될 수 있는 구조를 적용함으로써 효과적으로 열 폭주 현상의 전파를 막을 수 있게 된다.
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 일 실시예에 따른 ESS(energy storage system)을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 물탱크와 배터리 모듈 간의 연결구조 및 물탱크와 컨트롤러 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 센서, 컨트롤러 및 물탱크 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 배터리 모듈의 내부 구조가 나타나도록 도시된 도면이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명에 적용되는 냉각수 관의 구체적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 팽창 패드를 나타내는 도면이다.
도 13은 밸브가 적용된 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 14는 열에 의해 개방되는 차단 막이 적용된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
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 아니 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS(energy storage system)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)을 복수 개 포함한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은, 팩 하우징(110), 배터리 모듈(120), 물탱크(130), 컨트롤러(controller)(140), 냉각수 관(150) 및 센서(160)를 포함한다.
상기 팩 하우징(110)은, 배터리 팩(100)의 외관을 정의하는 대략 직사각 형태의 프레임으로서, 그 내부에 복수의 배터리 모듈(120), 물탱크(130), 컨트롤러(140), 냉각수 관(150) 및 센서(160)가 설치될 수 있는 공간을 형성한다.
상기 배터리 모듈(120)은, 복수 개 구비되며, 복수의 배터리 모듈(120)은 팩 하우징(110) 내에서 상하로 적층되어 하나의 모듈 적층체를 이룬다. 상기 배터리 모듈(120)의 구체적인 구조에 대해서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
상기 물탱크(130)는, 팩 하우징(110) 내에 구비되며, 배터리 모듈(120)의 열 폭주 현상 발생 시에 배터리 모듈(120)에 공급될 냉각수를 저장한다. 상기 물탱크(130)는, 신속하고 원활한 냉각수의 공급을 위해 모듈 적층체의 상부에 배치될 수 있다. 이 경우, 별도의 냉각수 펌프를 이용하지 않더라도 자유 낙하 및 냉각수의 수압에 의해 냉각수를 신속하게 배터리 모듈(120)에 공급할 수 있다. 물론, 더욱 신속하고 원활하게 냉각수를 공급하기 위해 물탱크(130)에 별도의 냉각수 펌프가 적용될 수도 있으며, 이 경우 냉각수 펌프의 압력이 충분하다면 물탱크(130)는 모듈 적층체와 동일한 높이에 배치되거나 또는 그보다 더 낮은 위치에 배치되는 것도 가능하다.
상기 컨트롤러(140)는, 센서(160) 및 물탱크(130)와 연결되어 센서(160)의 센싱 신호에 따라 물탱크(130)를 개방시키도록 하는 제어신호 및/또는 냉각수 펌프를 작동시키도록 하는 제어신호를 출력할 수 있다. 또한, 상기 컨트롤러(140)는, 이러한 기능 외에도, 배터리 모듈(120) 각각과 연결되어 충/방전을 관리하는 BMS(battery management system)로서의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있다.
상기 컨트롤러(140)는, 복수의 배터리 모듈(120) 중 적어도 하나에서 발생된 열 폭주 현상으로 인해 배터리 팩(100) 내부에 가스가 감지되거나 또는 기준치 이상으로 온도 상승이 감지되는 경우 물탱크(130)를 개방시키는 제어신호를 출력하고, 이에 따라 냉각수가 배터리 모듈(120)로 공급될 수 있도록 한다.
상기 컨트롤러(140)의 제어신호에 따라 물탱크(130)가 개방되는 경우, 냉각수는 상부에 위치하는 배터리 모듈(120)로부터 하부에 위치하는 배터리 모듈(120)로 순차적으로 공급된다. 따라서, 상기 배터리 모듈(120) 내부의 화염의 진화 및 배터리 모듈(120)의 냉각이 이루어지게 되며, 이로써 열 폭주 현상이 배터리 팩(100) 전체로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상기 냉각수 관(150)은, 물탱크(130)와 배터리 모듈(120) 사이를 연결하며, 물탱크(130)로부터 공급되는 냉각수를 배터리 모듈(120)로 이송시키는 통로로서 기능한다. 이러한 기능의 수행을 위해, 상기 냉각수 관(150)의 일 단은 물탱크와 연결되고, 타 단은 배터리 모듈(120)의 개수만큼 분기되어 복수의 배터리 모듈(120) 각각에 연결된다. 상기 냉각수 관(150)의 구체적인 구조에 대해서는 도 7 내지 도 11을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
상기 센서(160)는, 상술한 바와 같이, 복수의 배터리 모듈(120) 중 적어도 일부에서 열 폭주 현상이 발생되는 경우, 온도의 상승 및/또는 가스의 분출을 감지하고 감지 신호를 컨트롤러(140)에 송출한다. 이러한 기능의 수행을 위해, 상기 센서(160)는, 온도 센서 또는 가스 감지 센서일 수 있으며, 온도 센서와 가스 감지 센서가 조합된 형태를 가질 수도 있다.
상기 센서(160)는, 배터리 팩(100) 내부의 온도 상승 또는 가스 발생을 감지하기 위해 팩 하우징(110)의 내부에 설치된다. 상기 센서(160)는 배터리 모듈(120)의 온도 및/또는 배터리 모듈(120)로부터 발생되는 가스를 신속하게 센싱하기 위해 복수의 배터리 모듈(120) 각각의 내측 또는 외측에 부착될 수 있다.
다음은, 도 4 내지 도 6 및 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)에 적용되는 배터리 모듈(120)에 대해서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 6 및 도 12를 참조하면, 상기 배터리 모듈(120)은, 복수의 배터리 셀(121), 버스바 프레임(122), 모듈 하우징(123), 에어 인렛(air inlet)(124) 및 에어 아웃렛(125)을 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 또한, 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(120)은, 팽창 패드(126)를 추가적으로 더 포함할 수도 있다.
상기 배터리 셀(121)은, 복수개가 구비되며, 복수의 배터리 셀(121)은 적층되어 하나의 셀 적층체를 이룬다. 상기 배터리 셀(121)로는, 예를 들어 파우치 타입 배터리 셀이 적용될 수 있다. 상기 배터리 셀(121)은, 길이 방향 양 측으로 각각 인출되는 한 쌍의 전극 리드(121a)를 구비한다.
상기 버스바 프레임(122)은, 한 쌍이 구비되며, 각각의 버스바 프레임(122)은 셀 적층체의 폭 방향 일 측 및 타 측을 커버한다. 상기 배터리 셀(121)의 전극 리드(121a)는 버스바 프레임(122)에 형성된 슬릿을 통해 인출되며, 절곡되어 버스바 프레임(122) 상에 용접 등에 의해 고정된다. 즉, 상기 복수의 배터리 셀(121)들은 버스바 프레임(122)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 모듈 하우징(123)은, 대략 직육면체 형상을 가지며, 내부에 셀 적층체를 수용한다. 상기 모듈 하우징(123)의 길이 방향 일측 면 및 타측 면에는 에어 인렛(124) 및 에어 아웃렛(125)이 형성된다.
상기 에어 인렛(124)은 셀 적층체의 적층 방향 일 측, 즉 배터리 모듈(120)의 길이 방향 일 측에 형성되며, 모듈 하우징(123)을 관통하는 홀 형태로 형성된다. 상기 에어 아웃렛(1250은 셀 적층체의 적층 방향 타 측, 즉 배터리 모듈(120)이 길이 방향 타 측에 형성되며, 모듈 하우징(123)을 관통하는 홀 형태로 형성된다.
상기 에어 인렛(124)과 에어 아웃렛(125)은 상호 배터리 모듈(120)의 길이 방향을 따라 대각선으로 가로 질러 반대 편에 위치한다.
한편, 상기 버스바 프레임(122)과 모듈 하우징(123) 사이에는 빈 공간이 형성된다. 즉, 상기 모듈 하우징(123)의 6개의 외측 면 중 배터리 셀(121)의 길이 방향 일 측 및 타 측과 대면하는 면과 버스바 프레임(122) 사이에는 배터리 셀(121)의 냉각을 위한 공기가 흐를 수 있는 빈 공간이 형성된다. 상기 빈 공간은, 배터리 모듈(120)의 폭 방향 양 측에 각각 형성된다.
상기 에어 인렛(124)은 배터리 모듈(120)의 폭 방향 일 측에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성되고, 에어 아웃렛(125)은 배터리 모듈(120)의 폭 방향 타 측에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성된다.
상기 배터리 모듈(120)에 있어서, 에어 인렛(124)을 통해 내부로 유입된 공기는 배터리 모듈(120)의 폭 방향 일 측에 형성된 빈 공간으로부터 배터리 모듈(120)의 폭 방향 타 측에 형성된 빈 공간으로 이동하면서 배터리 셀(121)을 냉각시킨 후 에어 아웃렛(125)을 빠져나간다. 즉, 상기 배터리 모듈(120)은 공냉식 배터리 모듈에 해당하는 것이다.
도 12를 참조하면, 상기 팽창 패드(126)는 에어 인렛(124)과 에어 아웃렛(125)의 내 측에 배치되며, 에어 인렛(124)과 에어 아웃렛(125)이 개방 면적보다 작은 사이즈를 갖는다. 상기 팽창 패드(126)는, 배터리 모듈(120)의 정상적인 사용 상태에서 에어 인렛(124)과 에어 아웃렛(125)을 통한 공기의 흐름이 원활할 수 있도록 하기 위해 에어 인렛(124)과 에어 아웃렛(125)의 개방 면적 대비 대략 30% 미만의 사이즈를 갖는 것이 바람직하다.
상기 팽창 패드(126)는, 배터리 모듈(120)의 내부로 유입된 냉각수와 접촉함으로써 팽창되어 에어 인렛(124) 및 에어 아웃렛(125)을 폐쇄한다. 상기 팽창 패드(126)는, 수분을 흡수하는 경우 매우 큰 팽창율을 나타내는 수지를 함유하는 것으로서, 충분한 양의 수분이 제공되는 경우 초기 부피 대비 적어도 대략 2배 이상 그 부피가 증가하는 수지를 함유한다. 상기 팽창 패드(126)에 이용되는 수지로는, 예를 들어 폴리에스테르 스테이플 파이버(polyester staple fiber)를 들 수 있다.
상기 팽창 패드(126)의 적용으로 인해, 적어도 일부 배터리 모듈(120)에서 열 폭주 현상이 발생되어 배터리 모듈(120) 내부로 냉각수가 유입되는 경우, 에어 인렛(124) 및 에어 아웃렛(125)은 폐쇄된다. 이처럼 상기 에어 인렛(124)과 에어 아웃렛(125)이 폐쇄되는 경우 배터리 모듈(120)의 내부로 유입된 냉각수는 외부로 빠져나가지 않고 배터리 모듈(120)의 내부에 고이게 되며, 이로써 배터리 모듈(120)에 발생된 열 폭주 현상의 빠른 해소가 가능하게 된다.
다음은, 도 2 및 도 6과 함께 도 7 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)에 적용되는 냉각수 관(150)에 대해서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
도 2 및 도 6과 함께 도 7 내지 도 11을 참조하면, 상기 냉각수 관(150)은, 메인 관(151), 복수의 공급 관(152) 및 바이패스 관(153)을 포함한다. 또한, 상기 냉각수 관(150)은 추가적으로 적어도 하나의 서브 바이패스 관(154)을 더 포함할 수도 있다.
상기 메인 관(151)은, 물탱크(130)와 직접 연결된다. 상기 메인 관(151)은, 물탱크(130)로부터 모듈 적층체의 적층 방향을 따라 하방으로 연장된 형태를 갖는다.
상기 복수의 공급 관(152)은 메인 관(151)으로부터 분기되어 배터리 모듈(120) 사이를 연결한다. 상기 공급 관(152)은 배터리 모듈(120)의 개수와 동일한 개수로 구비된다. 상기 공급 관(152)은, 셀 적층체의 적층 방향 일 측 또는 타 측으로부터 모듈 하우징(123)을 관통하여 버스바 프레임(122)과 모듈 하우징(123) 사이에 형성되는 상기 빈 공간과 연통한다. 즉, 상기 공급 관(152)은, 모듈 하우징(123)의 6개의 면 중 에어 인렛(124)이 형성된 면 또는 에어 아웃렛(125)이 형성된 면과 동일한 면을 관통하여 삽입될 수 있다.
따라서, 상기 공급 관(152)을 통해 배터리 모듈(120)의 내부로 유입된 냉각수는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(120)의 폭 방향 일 측에 형성된 빈 공간으로부터 배터리 모듈(120)의 폭 방향 타 측에 형성된 빈 공간쪽으로 흘러 들어가 배터리 모듈(120)의 내부를 채운다.
상기 바이패스 관(153)은, 메인 관(151)과 연결된다. 상기 바이패스 관(153)은, 메인 관(151)의 길이 방향 일 측과 타 측 사이를 연결한다. 즉, 상기 바이패스 관(153)과 메인 관(151)은 두 지점에서 연결된다. 제1 연결 지점은 모듈 적층체의 적층 방향을 따라 최 상단에 위치하는 공급 관(152)보다 더 상부에 위치하고, 제2 연결 지점은 모듈 적층체의 적층 방향을 따라 최 하단에 위치하는 공급 관(152)보다 더 하부에 위치한다. 상기 바이패스 관(153)으로 인해, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 모듈 적층체의 상부와 하부에서 동시에 냉각수를 공급하는 것이 가능하며, 이에 따라 복수의 배터리 모듈(120)에 대한 냉각수 공급량의 편차 발생을 최소화 할 수 있다.
한편, 상기 서브 바이패스 관(154)은 바이패스 관(153)의 양 단 사이에서 바이패스 관(153)과 메인 관(151) 사이를 연결한다. 복수의 공급 관(152)들을 상부에서부터 하부를 향하는 방향을 따라 복수의 공급 관 그룹으로 그룹핑하고, 각각의 그룹에는 적어도 2이상의 공급 관(152)이 포함되도록 하였을 때, 서브 바이패스 관(154)은 서로 인접한 공급 관 그룹 사이마다 연결될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상부로부터 하부를 향하는 방향을 따라 6개의 공급 관(152)을 하나의 공급 관 그룹으로 그룹핑 하여 두 개의 공급 관 그룹 사이에 서브 바이패스 관(154)이 연결되는 경우가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 상부로부터 하부를 향하는 방향을 따라 4개의 공급 관(152)을 하나의 공급 관 그룹으로 그룹핑 하여 세 개의 공급 관 그룹을 형성하고, 서로 인접한 공급 관 그룹 사이마다 서브 바이패스 관(154)이 연결되는 경우가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 상부로부터 하부를 향하는 방향을 따라 3개의 공급 관(152)을 하나의 공급 관 그룹으로 그룹핑 하여 네 개의 공급 관 그룹을 형성하고, 서로 인접한 공급 관 그룹 사이마다 서브 바이패스 관(154)이 연결되는 경우가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 상부로부터 하부를 향하는 방향을 따라 2개의 공급 관(152)을 하나의 공급 관 그룹으로 그룹핑 하여 6 개의 공급 관 그룹을 형성하고, 서로 인접한 공급 관 그룹 사이마다 서브 바이패스 관(154)이 연결되는 경우가 도시되어 있다.
도 8 내지 도 11에 나타난 예시들은, 각각의 공급 관 그룹들이 동일한 개수의 공급 관(152)으로 이루어지는 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 각각의 공급 관 그룹에 서로 다른 개수의 공급 관(152)이 포함되어 있는 경우 역시 본 발명에 속하는 것이다.
다음은, 도 13을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)과 비교하여 공급 관(152) 내에 밸브(170)가 설치되어 있다는 점에서 차이가 있을 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명함에 있어서는, 밸브(170)와 관련하여 중점적으로 설명을 하고 앞선 실시예에서와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 밸브(170)는, 배터리 모듈(120)의 개수만큼 복수개가 구비되며, 각각의 밸브(170)는 복수의 배터리 모듈(120)과 인접 설치되어 복수의 배터리 모듈(120)로 유입되는 냉각수의 흐름을 개별적으로 허용 또는 차단한다.
이처럼, 복수의 밸브(170)를 독립적으로 동작시키기 위해서, 센서(160)는 각각의 배터리 모듈(120)마다 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 이처럼 상기 센서(160)가 각각의 배터리 모듈(120)마다 구비되는 경우, 열 폭주 현상이 발생된 일부 배터리 모듈(120)에만 냉각수를 투입하는 것이 가능하게 된다.
즉, 상기 컨트롤러(140)는 일부 센서(160)로부터 감지 신호를 수신하게 되면, 감지 신호를 송출한 센서(160)가 부착된 배터리 모듈(120)에서 열 폭주 현상이 발생된 것으로 판단하고, 복수의 밸브(170)들 중 열 폭주 현상이 발생된 배터리 모듈(120)에 인접 설치된 밸브(170)를 개방하여 냉각수가 투입될 수 있도록 한다.
다음은, 도 6과 함께 도 14를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 앞서 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(100)과 비교하여 공급 관(152) 내에 밸브(170)가 설치되는 대신 차단 막(180)이 설치되어 있다는 점에서 차이가 있을 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명함에 있어서는, 차단 막(180)과 관련하여 중점적으로 설명을 하고 앞선 실시예에서와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 차단 막(180)은, 복수의 공급 관(152) 각각의 내부에 설치되어, 배터리 팩(100) 및 ESS의 정상적인 사용 상태에서는 배터리 모듈(120)로 냉각수가 공급되는 것을 차단한다. 상기 차단 막(180)은, 배터리 모듈(120)의 온도가 상승하여 기준 온도 이상이 되었을 때 파단되어 공급 관(152)을 통해 배터리 모듈(120)의 내부로 냉각수가 공급될 수 있도록 한다.
상기 차단 막(180)은, 수지 필름으로 이루어질 수 있으며, 배터리 모듈(120)에 포함된 배터리 셀(121)의 용량 및 개수 등을 고려하여 그 두께 및 구체적인 재질이 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 모듈(120)에 열 폭주 현상이 발생되는 경우 배터리 모듈(120) 내부로 냉각수를 투입하여 열 폭주 현상이 인접한 배터리 모듈(120)로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 바이패스 관(153)을 적용함으로써, 복수의 배터리 모듈(120)에서 열 폭주 현상이 발생된 경우에 있어서, 각각의 배터리 모듈(120)에 균등하게 냉각수가 공급될 수 있도록 할 수 있으며, 이로써 물탱크(130)로부터 상대적으로 멀리 떨어져 있는 배터리 모듈(120)에 대한 냉각이 취약해지지 않도록 한다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 공냉식 배터리 모듈(120)에 냉각수가 투입된 경우 냉각수가 내부에 채워질 수 있도록 에어 인렛(124)과 에어 아웃렛(125)이 폐쇄될 수 있는 구조를 가짐으로써 더욱 효과적으로 열 폭주 현상의 확산을 방지할 수 있다.
이상에서 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 팩
110: 팩 하우징
120: 배터리 모듈
121: 배터리 셀
121a: 전극 리드
122: 버스바 프레임
123: 모듈 하우징
124: 에어 인렛
125: 에어 아웃렛
126: 팽창 패드
130: 물탱크
140: 컨트롤러
150: 냉각수 관
151: 메인 관
152: 공급 관
153: 바이패스 관
154: 서브 바이패스 관
160: 센서
170: 밸브
180: 차단 막

Claims (12)

  1. 팩 하우징;
    상기 팩 하우징 내에 적층된 복수의 배터리 모듈;
    상기 복수의 배터리 모듈과 연결되며 냉각수를 저장하는 물탱크;
    상기 물탱크와 연결되는 메인 관, 상기 메인 관과 각각의 배터리 모듈 사이를 연결하는 복수의 공급 관 및 상기 복수의 공급 관 중 최 상단에 위치하는 공급 관보다 더 상부 지점과 최 하단에 위치하는 공급 관보다 더 하부 지점에서 상기 메인 관과 연결되는 바이패스 관을 포함하는 냉각수 관;
    상기 팩 하우징 내에 설치되어 복수의 배터리 모듈 중 적어도 일부에서 발생된 열 폭주 현상을 감지하는 적어도 하나의 센서; 및
    상기 센서에 의해 열 폭주 현상이 감지되면 상기 냉각수 관을 통해 냉각수가 상기 배터리 모듈로 유입되도록 하는 제어신호를 출력하는 컨트롤러;
    를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    복수의 배터리 셀;
    상기 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징;
    상기 셀 적층체의 적층 방향 일 측에서 상기 모듈 하우징을 관통하여 형성되는 에어 인렛; 및
    상기 셀 적층체의 적층 방향 타 측에서 상기 모듈 하우징을 관통하여 형성되는 에어 아웃렛;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛의 내측에 배치되며, 상기 배터리 모듈 내로 유입된 냉각수와의 접촉에 따라 팽창하여 상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛을 폐쇄하는 팽창 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 셀 적층체의 폭 방향 일 측 및 타 측에 각각 결합되는 한 쌍의 버스바 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛은,
    상기 버스바 프레임과 모듈 하우징 사이에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 공급 관은,
    상기 셀 적층체의 적층 방향 일 측 또는 타 측으로부터 상기 모듈 하우징을 관통하여 상기 버스바 프레임과 모듈 하우징 사이에 형성되는 빈 공간과 연통하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 공급 관 내에 설치되는 복수의 밸브를 포함하며,
    상기 복수의 밸브 각각은 상기 복수의 배터리 모듈과 인접 설치되어 상기 복수의 배터리 모듈로 유입되는 냉각수의 흐름을 개별적으로 허용 또는 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 센서는 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 밸브 중 상기 센서에 의해 열 폭주 현상이 감지된 배터리 모듈과 인접 설치된 밸브를 개방하도록 하는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 공급 관 내에 설치되는 차단 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 차단 막은,
    기준 온도 이상에서 파단되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 복수 개 포함하는 ESS.
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