KR20220037195A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20220037195A
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이준영
김홍식
박찬샘
이장균
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에스케이온 주식회사
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Abstract

복수의 배터리 셀이 설치되는 내부공간(115)이 형성되는 팩 하우징(110); 및 상기 팩 하우징(110)에 설치되며, 상기 내부공간(115)에서 발생한 가스를 외부로 배출 가능하도록 구성된 벤팅부(130);를 포함하며, 상기 벤팅부(130)는 상기 팩 하우징(110)의 외부공간과 연결된 출구측(132)의 단면적(A1)이 상기 내부공간(115)과 연결된 입구측(131)의 단면적(A1)보다 작게 형성되는 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩{Battery Pack}
본 발명은 복수의 배터리 셀을 구비하며, 팩 하우징의 내부공간에서 발생한 가스를 외부로 배출하는 벤팅부를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)의 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형 캔형(can type)의 배터리 셀로 제조되어 사용되고 있다.
또한, 이차전지는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 널리 사용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우 배터리 전체의 용량 및 출력을 높이기 위하여 많은 수의 이차전지가 전기적으로 연결되어 사용된다. 이를 위하여, 중대형 장치의 경우에는 배터리 팩의 내부에 복수의 배터리 셀이 모듈화된 배터리 모듈을 복수개 설치하여 사용하고 있다.
이러한 배터리 팩에는 다양한 기준이 요구되는데, 그 중에서도 대표적인 기준은 안전성이다. 특히, 자동차에 장착되는 배터리 팩의 안전성은 탑승자의 생명과 직결되기 때문에 매우 중요하다.
배터리 팩의 안전성과 관련한 중요한 문제 중 하나는 배터리 팩 내부에서 발화가 일어나지 않도록 하는 것이지만, 설사 발화가 일어나는 경우라 하더라도 배터리 팩의 내부에서 발생한 화염이 외부로 노출되는 것을 충분히 지연시킬 필요가 있다. 예를 들어, 배터리 팩 내부에서 발화가 시작된 경우 배터리 팩 외부에서 화염이 관찰될 때까지 소정의 유예시간(예를 들어, 5분 이상)이 경과하도록 하여 배터리 팩 외부로의 화염 전파를 지연시킬 필요가 있다.
한편, 배터리 팩에는 리튬 이차전지 등으로 구성되는 다수의 배터리 셀이 장착되는데, 배터리 셀의 수명이 종료시점에 다다르는 경우, 배터리 셀에 스웰링 현상이 발생하는 경우, 배터리 셀에 과충전이 발생하는 경우, 배터리 셀이 열에 노출되는 경우, 못과 같은 날카로운 물체가 배터리 셀의 외장재를 관통하는 경우, 배터리 셀에 외부 충격이 가해지는 경우 등 다양한 이벤트 발생 시 배터리 셀의 외부로 전해액 가스가 누출될 수 있다. 특히, 고용량 파우치형 리튬 이차전지의 경우 상기한 바와 같은 이벤트 발생 시 파우치(외장재)의 실링부위를 통해 다량의 전해액 가스가 노출되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같이 배터리 팩 내부공간에서 발생한 전해액 가스를 배터리 팩의 외부로 방출하기 위하여 팩 하우징의 벽면에 벤팅홀(벤팅부, 가스 배기구, 가스 통로구)를 설치하게 된다.
이러한 벤팅홀은 배터리 팩의 내부에서 발생한 가스를 외부에 방출하도록 기능하므로 화염 전파 지연을 위한 목적으로 사용되기도 한다.
그러나, 벤팅홀은 개방된 구조를 가지므로 팩 하우징 내부의 가스가 벤팅홀을 통하여 외부로 방출하기도 하지만, 팩 하우징 외부의 공기가 팩 하우징의 내부로 유입되는 경로가 될 수도 있다.
따라서, 배터리 팩의 내부에서 화재(화염)가 발생한 경우 배터리 팩 내부에서 발생한 가스가 벤팅홀을 통해 외부로 배출될 수 있지만, 가스가 배출되는 과정에서 난류 또는 와류가 발생하여 오히려 배터리 팩 외부의 공기가 벤팅홀을 통해 배터리 팩 내부공간으로 유입될 수 있다. 이와 같이, 배터리 팩 내부로 외부 공기가 유입되는 경우 외부 공기 중에 포함된 산소로 인하여 배터리 팩 내부에서 폭발이 발생하는 경우가 있다.
이러한 외부 공기 유입을 방지하기 위하여 벤팅홀의 크기를 줄여 외부 공기 유입 가능성을 차단할 수도 있지만, 이 경우 배터리 팩 내부의 공기가 외부로 원활히 배출되지 못하여 배터리 팩 내부의 압력이 증가하고 이로 인해 배터리 팩에 변형이나 파손이 발생할 수 있다. 이 경우, 배터리 팩의 변형 또는 손상 부위를 통하여 배터리 팩 내부의 화염이 배터리 팩 외부로 직접 노출되어 배터리 팩 외부에서 큰 화재로 번질 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 일 측면으로서, 배터리 팩 내부에서 화염이 발생하는 경우에도 화염이 외부로 전파되는 것을 충분히 지연시킬 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 배터리 팩 내부로 벤팅부를 통해 외부 공기가 유입되는 것을 최대한 차단하면서도, 배터리 팩 내부의 압력 상승을 줄일 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 배터리 팩 내부의 전해액 가스가 외부로 다량 배출되더라도 배출된 전해액 가스로 인한 발화 가능성 및 화염 생성을 감소시킬 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은, 복수의 배터리 셀이 그룹화되어 설치되는 내부공간이 형성되는 팩 하우징; 및 상기 팩 하우징에 설치되며, 상기 내부공간에서 발생한 가스를 외부로 배출 가능하도록 구성된 벤팅부;를 포함하며, 상기 벤팅부는 상기 팩 하우징의 외부공간과 연결된 출구측의 단면적이 상기 내부공간과 연결된 입구측의 단면적보다 작게 형성되는 배터리 팩을 제공한다.
여기서, 상기 배터리 셀은 파우치형 외장재의 내부에 전극조립체와 전해액이 수용되며 상기 외장재의 적어도 일부의 둘레가 실링된 파우치형 이차전지로 이루어질 수 있다.그리고, 상기 벤팅부는 상기 입구측에 연결되는 제1 영역과, 상기 출구측에 연결되는 제2 영역을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1 영역은 상기 입구측으로부터 상기 출구측으로 동일한 단면형상으로 연장되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 단면적이 감소하는 형태로 상기 출구측으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 원형 단면형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제1 영역은 중공 원통 형상으로 이루어지고, 상기 제2 영역은 중공 원뿔대 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2 영역의 길이는 상기 입구측으로부터 상기 출구측까지의 거리의 0.2 ~ 0.8배로 이루어지고, 상기 출구측의 단면적은 상기 입구측의 단면적의 0.2 ~ 0.8배, 바람직하게 0.4 ~ 0.7배로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제1 영역은 상기 벤팅부의 길이방향을 기준으로 제1 경사각으로 단면적이 감소하는 형상을 가지며, 상기 제2 영역은 상기 벤팅부의 길이방향을 기준으로 상기 제1 경사각보다 큰 제2 경사각으로 단면적이 감소하는 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 벤팅부는 상기 입구측이 상기 팩 하우징의 외벽 내부면과 동일 선상에 위치할 수 있다.
한편, 상기 벤팅부는 상기 팩 하우징의 외벽에 구멍 형상으로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 벤팅부는 적어도 일부가 상기 팩 하우징의 외벽의 외측으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 벤팅부 중 적어도 일부는 상기 팩 하우징의 외벽에 부착된 벤팅유도부재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 벤팅부는 상기 팩 하우징의 일측 외벽에 서로 이격되어 복수 개 형성될 수 있으며, 상기 팩 하우징의 일측 외벽과, 상기 일측 외벽과는 다른 외벽에 각각 형성될 수도 있다.
그리고, 상기 벤팅부는 상기 벤팅부를 통해 공기의 유동이 이루어지도록 폐쇄되지 않고 개방된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 팩 내부에서 화염이 발생하는 경우에도 화염이 외부로 전파되는 것을 충분히 지연시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 팩 내부에서 화염이 발생하여 가스가 벤팅부를 통해 외부로 배출되는 과정에서 벤팅부를 통해 배터리 팩 내부로외부 공기가 유입되는 것을 최대한 차단할 수 있으며, 이를 통해 배터리 팩 내부에서 화염이 발생한 상태에서 산소 유입으로 인한 배터리 팩의 폭발 또는 화염 증폭 가능성을 감소시킬 수 있다는 효과가 있게 된다. 이에 추가하여, 배터리 팩 내부의 압력 상승을 줄일 수 있으므로 배터리 팩의 파손 및 화염의 외부 유출을 차단할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 팩 내부의 전해액 가스가 외부로 다량 배출되더라도 배출된 전해액 가스로 인한 발화 가능성 및 화염 생성을 감소시킬 수 있다는 효과가 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩에 구비되는 벤팅부의 여러가지 예를 도시한 것으로서, 도 2(a)는 벤팅부의 길이방향에 따른 단면도이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 "A"에서 바라본 상태를 도시하고 있고, 도 2(c)와 도 2(d)는 도 2(a)의 변형예.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩에 구비되는 벤팅부의 변형예를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩에 구비되는 벤팅부의 다른 변형예를 도시한 단면도.
도 5는 종래기술에 의한 배터리 팩의 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 종래기술에 의한 배터리 팩의 내부에서 발화가 이루어졌을 때의 유체의 흐름 속도를 도시한 해석도로서, 도 6(a)는 벤팅부의 직경이 50mm인 경우에 대한 유체의 속도를 도시하고 도 6(b)는 벤팅부의 직경이 40mm인 경우에 대한 유체의 속도를 도시함.
도 7은 도 6(a)의 종래기술에 대하여 2개의 벤팅부에서의 유체의 속도를 도시한 해석도로서, 도 7(a)는 도 6(a)의 V1 부분에 대한 유체의 속도를 도시하고, 도 7(b)는 도 6(a)의 V2 부분에 대한 유체의 속도를 도시함.
도 8은 도 7에 도시된 유체의 속도 및 방향을 도시한 해석도로서, 도 8(a)는 도 7(a)에 대한 유체의 속도 및 방향을 도시하고, 도 8(b)는 도 7(b)에 대한 유체의 속도 및 방향을 도시함.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 벤팅부에서의 유체의 속도를 비교 도시한 해석도로서, 도 9(a)는 본 발명의 일 실시예에 대한 벤팅부에서의 유체를 속도를 도시하고, 도 9(b)는 도 6(a)에 도시된 종래기술에 관한 것으로서 직경이 50mm, 길이가 48mm인 벤팅부에서의 유체의 속도{도 7(b)와 동일}를 도시하고, 도 9(c)는 도 6(b)에 도시된 종래기술에 관한 것으로서 직경이 40mm, 길이가 48mm인 벤팅부에서의 유체의 속도를 도시함.
도 10은 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 유체의 속도 및 방향을 도시한 해석도로서, 도 10(a), 도 10(b){도 8(b)와 동일} 및 도 10(c)는 각각 도 9(a), 도 9(b) 및 도 9(c)에 대한 유체의 속도 및 방향을 도시함.
도 11은 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 배터리 팩의 내부 압력 분포를 도시한 해석도로서, 도 11(a), 도 11(b) 및 도 11(c)는 각각 도 9(a), 도 9(b) 및 도 9(c)에 대한 배터리 팩 내부 압력 분포를 도시함.
도 12는 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 배터리 팩 내부로부터의 전해액 가스 배출이 이루어지는 상태의 해석에 사용된 전체적인 구조를 도시한 개략도.
도 13은 도 12의 해석 구조에서 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 벤팅부에서 배출되는 전해액 가스의 속도 분포 및 전해액 가스 변환율(Mixture Variance) 분포를 도시한 해석도.
도 14는 도 12의 해석 구조에서 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 벤팅부에서 배출되는 전해액 가스의 H2O 질량 분율(Mass Fraction) 분포 및 온도 분포를 도시한 해석도.
도 15는 도 12의 해석구조에서 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대해 비교한 개략도로서, 도 15(a)는 벤팅부에서 배출되는 전해액 가스의 화염길이 및 배터리 팩 내부의 평균압력을 도시한 것이고, 도 15(b)는 배터리 팩 내부의 평균압력을 비교하여 도시한 그래프이고, 도 15(c)는 배터리 팩 내부의 평균압력을 비교하여 도시한 그래프.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(100)에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(100)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(100)에 구비되는 벤팅부(130)의 여러가지 예를 도시한 것으로서, 도 2(a)는 벤팅부(130)의 길이방향에 따른 단면도이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 "A"에서 바라본 상태를 도시하고 있고, 도 2(c)와 도 2(d)는 도 2(a)의 변형예이고, 도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(100)에 구비되는 벤팅부(130)의 변형예를 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(100)에 구비되는 벤팅부(130)의 다른 변형예를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(100)은 내부공간이 형성된 팩 하우징(110) 및 벤팅부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
팩 하우징(110)에는 소정 크기의 내부공간(115)이 형성되며, 복수의 배터리 모듈(120)이 설치될 수 있다. 각각의 배터리 모듈(120)은 복수의 배터리 셀(미도시)이 전기적으로 연결된 상태로 모듈화된 구조를 이루며, 팩 하우징(110)에는 복수의 배터리 모듈(120)이 전기적으로 연결되는 구조를 이룰 수 있다. 또한, 팩 하우징(110)에는 배터리 모듈(120)을 지지하기 위하여 격벽부재(113)가 설치될 수 있다.
도 1에서는 복수의 배터리 셀이 배터리 모듈(120)을 통하여 모듈화되어 팩 하우징(110)의 내부공간(115)에 설치되는 구성을 도시하고 있지만, 복수의 배터리 셀은 배터리 모듈(120)을 개재하지 않고 팩 하우징(110)에 직접 설치되는 구조(CTP; Cell to Pack)를 가질 수 있다.
배터리 팩(100)에 구비되는 배터리 셀은 파우치형(pouch type) 이차전지로 구성되며, 파우치형 외장재의 내부에 전극조립체와 전해액이 수용되며 외장재의 적어도 일부의 둘레가 실링된 형태를 가질 수 있다. 일 예로서, 본 발명의 실시예에서 파우치형 배터리 셀은 충전과 방전이 가능한 리튬 이온(Li-ion) 전지 또는 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지로 이루어질 수 있다.
또한, 팩 하우징(110)의 내부에는 배터리 셀 또는 배터리 모듈(120)을 제어하기 위한 배터리 제어부(BMS; Battery Management System)(미도시)가 구비될 수 있다.
벤팅부(130)는 팩 하우징(110)에 설치되며 내부공간(115)에서 발생한 가스를 외부로 배출하도록 개방된 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 벤팅부(130)는 팩 하우징(110)의 외벽(111) 부분에 관통구조로 설치되어 팩 하우징(110)의 내외부로 공기유동이 이루어지도록 할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에서, 벤팅부(130)는 완전히 개방된 구조로 한정되는 것은 아니며, 벤팅부(130)를 형성하는 개구 부분에 여과막과 같은 여과장치가 설치될 수도 있고, 커버{막이나 플랩(flap) 등}가 장착되는 구조를 갖는 것도 가능하다.
한편, 배터리 셀은 외장재 내부에 양극판, 음극판 및 분리막이 적층되어 형성된 전극조립체(미도시)와, 전해액이 수용되는 구조를 가질 수 있다. 즉, 배터리 셀은 충전과 방전이 가능한 이차전지로 구성될 수 있다. 외장재 내부에 수용된 전해액은 외부의 충격, 내부 결함 등에 의해 가스화될 수 있으며, 가스화된 전해액은 배터리 셀 외부로 배출될 수 있다.
벤팅부(130)는 팩 하우징(110)의 내부공간(115)에 전해액 가스가 발생한 경우 전해액 가스를 외부로 배출하게 된다. 이때, 벤팅부(130)는 벤팅부(130)를 통해 공기의 유동이 원활히 이루어질 수 있도록 하기 위하여 폐쇄되지 않고 개방된 상태를 유지할 수 있다.
또한, 배터리 팩(100)의 내부공간(115)에서 발생한 가스가 외부로 원활히 배출될 수 있도록 벤팅부(130)는 팩 하우징(110)의 일측 외벽(111)에 서로 이격되어 복수 개 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 벤팅부(130)는 일측 외벽(111)에 중앙을 기준으로 양측에 각각 구비되는 구조를 가질 수 있다. 이와는 달리, 벤팅부(130)는 팩 하우징(110)의 일측 외벽(111)에 적어도 하나가 설치되고 일측 외벽과는 다른 외벽에도 적어도 하나가 설치될 수도 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 벤팅부(130)가 도 1에 도시된 일측 외벽(111)에 설치되고, 일측 외벽에 대향하는 반대측 외벽 및/또는 일측 외벽과 연결된 다른 외벽에도 적어도 하나가 설치되는 것도 가능하다. 그러나, 벤팅부(130)의 배치 위치 및 설치 개수는 이에 한정되지 않고 다양한 변경이 가능하다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 벤팅부(130)는 팩 하우징(110)의 외부공간과 연결된 출구측(132)의 단면적(A2)이 내부공간(115)과 연결된 입구측(131)의 단면적(A1)보다 작게 형성되는 구조를 가질 수 있다.
즉, 입구측(131)의 단면적(A1)이 출구측(132)의 단면적(A2)보다 크게 형성되면 입구측(131)과 출구측(132)의 단면적이 동일하게 유지되는 경우에 비하여 내부공간(115)에서 발생한 전해액 가스가 벤팅부(130)를 통해 외부로 쉽게 배출될 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(100) 내부에서 화염이 발생하여 가스가 배출되는 경우 배터리 팩(100) 내부의 압력 상승이 제한적이게 된다. 또한, 출구측(132)의 단면적(A2)이 입구측(131)의 단면적(A1)보다 작게 형성되므로 팩 하우징(110) 외부의 공기는 벤팅부(130)를 통해 내부공간(115)으로 쉽게 유입되기 어려운 구조를 가질 수 있다. 따라서, 배터리 팩(100) 내부의 압력 상승을 과도하게 증가시키지 않으면서도 외부공기(산소)의 유입을 효과적으로 차단할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 벤팅부(130)는 입구측(131)에 연결되어 비교적 큰 단면형상을 갖는 제1 영역(133)과, 출구측(132)에 연결되어 제1 영역(133)에 비해 비교적 작은 단면형상을 갖는 제2 영역(134)을 포함하여 구성될 수 있다. 벤팅부(130)의 길이방향에 수직한 절단면을 기준으로 하여 벤팅부(130)의 소정 길이에 대한 평균 단면적을 산정할 때, 제2 영역(134)의 평균 단면적은 제1 영역(133)의 평균 단면적보다 작은 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 영역(133)은 입구측(131)으로부터 출구측(132)으로 동일한 단면형상으로 연장되고, 제2 영역(134)은 제1 영역(133)보다 단면적이 감소하는 형태로 출구측(132)으로 연장되는 구조를 가질 수 있다.
그리고, 제1 영역(133)과 제2 영역(134)은 도 2(b)에 도시된 바와 같이 각각 원형 단면형상을 가질 수 있다. 이때, 입구측(131)의 직경(D1)은 출구측(132)의 직경(D2)보다 큰 형상을 갖게 된다.
또한, 제1 영역(133)과 제2 영역(134)이 각각 원형 단면형상을 갖는 경우, 벤팅부(130)의 제1 영역(133)은 일정한 직경(D1)의 중공 원통 형상으로 이루어지고, 제2 영역(134)은 출구측(132)으로 갈수록 직경이 감소하는 중공 원뿔대 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 영역(133)과 제2 영역(134) 사이에는 단면구조가 변경되는 경계영역(BA)이 형성될 수 있다. 이때, 제1 영역(133)과 제2 영역(134) 사이의 경계영역(BA)은 도 2(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이 단면상의 직선이 서로 만나 경사를 구조를 가질 수 있다. 이와는 달리, 제1 영역(133)과 제2 영역(134) 사이의 경계영역(BA)은 도 2(c) 및 도 3(a)에 도시된 바와 같이 제1 영역(133)과 제2 영역(134)이 완만한 곡면(곡면 부분은 2개의 수직선 사이의 영역임)으로 연결되는 구조를 가질 수도 있다.
또한, 제2 영역(134)은 도 2(a), 도 2(c), 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이 단일 경사각(θ)으로 경사진 형태를 이룰 수 있으나, 도 2(d)에 도시된 바와 같이 2개 이상의 구역(134a, 134b)로 구획되어 각 구역에서의 경사각(θa, θb)이 변화하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 출구측(132)의 직경(D2)이 제2 영역(134) 중앙부에 위치한 부분의 직경(D2a)보다 작아질 수 있도록 출구측(132)에 가까운 구역(134b)에서의 경사각(θb)은 출구측(132)에서 먼 구역(134a)에서의 경사각(θa)보다 크게 형성될 수 있다.
이와 같이, 벤팅부(130)가 원형 단면을 갖는 경우 각형 단면에 비해 벤팅부(130)의 내부를 유동하는 공기에 와류나 난류가 발생할 가능성을 줄일 수 있으므로 입구측(131)으로부터 출구측(132)으로 원활한 유동을 형성할 수 있다는 이점이 있다. 다만, 본 발명에서 벤팅부(130)의 단면 형상은 타원형 단면 등 다양한 변경이 가능하며, 각형 단면 구조를 배제하는 것은 아니다.
그리고, 벤팅부(130)는 제1 영역(133)과 제2 영역(134)에 모두 경사각이 형성되는 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 영역(133)은 벤팅부(130)의 길이방향을 기준으로 제1 경사각(θ1)으로 단면적이 감소하는 형상을 가지며, 제2 영역(134)은 벤팅부(130)의 길이방향을 기준으로 제1 경사각(θ1)보다 큰 제2 경사각(θ2)으로 단면적이 감소하는 형상을 가질 수도 있다.
한편, 제2 영역(134)의 길이(L2)는 입구측(131)으로부터 상기 출구측(132)까지의 거리, 즉 벤팅부(130)의 전체 길이(L)의 0.2 ~ 0.8배로 이루어질 수 있다. 만약, 제2 영역(134)의 길이(L2)가 전체 길이(L)의 0.2배 미만의 길이를 갖는다면 제2 영역(134)의 길이가 과도하게 짧아지게 된다. 따라서, 짧아진 제2 영역(134)을 통하여 외부 공기의 유입 가능성이 커지므로 제2 영역(134)의 설치 효과가 저하될 수 있다. 반대로, 제2 영역(134)의 길이(L2)가 전체 길이(L)의 0.8배를 초과하는 길이를 갖는다면 제1 영역(133)의 길이(L1)가 과도하게 짧아지게 된다. 이 경우, 단면적이 작은 제2 영역(134)이 길게 형성되므로 제2 영역(134)을 통하여 내부공간(115)의 가스 배출이 원활하지 않게 되고, 이에 따라 배터리 팩(100) 내부공간(115)의 압력이 증가하는 문제점이 있다.
그리고, 출구측(132)의 단면적(A2)은 입구측(131)의 단면적(A1)의 0.2 ~ 0.8배로 이루어질 수 있다. 만약, 출구측(132)의 단면적(A2)이 입구측(131)의 단면적(A1)의 0.2배 미만인 경우 출구측(132)의 단면적(A2)이 과도하게 작아져서 배터리 팩(100) 내부공간(115)의 가스가 외부로 원활히 배출되지 못하여 배터리 팩(100) 내부의 압력이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 출구측(132)의 단면적(A2)이 입구측(131)의 단면적(A1)의 0.8배를 초과하는 경우 양측의 직경(단면적) 차이가 매우 작아지므로 단면적 차이를 이용하여 내부공기를 원활히 배출하고 외부공기의 유입을 최소화하는 효과가 작아지게 된다.
바람직하게, 출구측(132)의 단면적(A2)은 입구측(131)의 단면적(A1)의 0.4 ~ 0.7배로 이루어질 수 있다. 이 경우, 출구측(132)의 단면적(A2)을 확보함으로써 배터리 팩(100) 내부공간(115)의 가스가 외부로 원활히 배출하는 효과와 입구측(131)과 출구측(132) 단면적 차이를 이용한 외부공기의 유입을 최소화하는 효과를 충분히 달성할 수 있다.
한편, 벤팅부(130)의 입구측(131)의 단면적(A1), 출구측(132)의 단면적(A2), 제1 영역(133)의 길이(L1), 제2 영역(134)의 길이(L2)의 구체적인 값은 배터리 팩(100)의 내부공간(115)의 체적, 벤팅홀의 위치 및 형상에 따라 결정될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 4에서는 벤팅부(130)가 제1 영역(133)과 제2 영역(134)을 갖는 경우만을 예시하였지만, 제1 영역(133)과 제2 영역(134) 사이에는 벤팅부(130)의 길이방향에 따른 단면 형상이 제1 영역(133) 및 제2 영역(134)과 다른 제3 영역이 구비되는 것도 가능하다. 즉, 제1 영역(133)과 제2 영역(134) 사이에 제1 영역(133)의 평균 단면적과 제2 영역(134)의 평균 단면적 사이의 값을 갖는 제3 영역이 구비될 수도 있다.
이러한 벤팅부(130)는 팩 하우징(110)의 외벽이 충분한 두께를 갖는 경우 팩 하우징(110)의 외벽(111)에 구멍 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 벤팅부(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 팩 하우징(110)의 외벽(111) 부분에 입구측(131)의 직경(D1)이 출구측(132)의 직경(D2)보다 큰 구멍을 가공함으로써 형성될 수 있다.
이와는 달리, 팩 하우징(110)의 외벽(111)의 두께가 충분하지 않은 경우, 도 3(a) 및 도 3 (b)에 도시된 바와 같이 벤팅부(130)는 적어도 일부가 팩 하우징(110)의 외벽(111)의 외측으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 벤팅부(130)의 길이가 48mm이고 외벽(111)의 두께가 20mm인 경우 벤팅부(130)는 28mm만큼 팩 하우징(110)의 외부로 돌출되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 벤팅부(130)는 팩 하우징(110)의 외벽(111)에 부착된 벤팅유도부재(136)로 구성될 수 있다. 벤팅유도부재(136)는 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 제1 영역(133)과 제2 영역(134)이 형성된 형상을 가질 수 있다. 이때, 벤팅유도부재(136)는 외벽(111)의 내측면과 일치하는 상태로 팩 하우징(110)에 형성된 구멍 내면에 장착될 수 있다. 이와는 달리, 벤팅유도부재(136)는 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 벤팅부(130)의 일부 영역만 형성되는 형상을 가질 수 있다. 이때, 벤팅유도부재(135)의 외벽(111)의 외측면에 부착되는 형상을 가질 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 벤팅부(130)는 입구측(131)이 팩 하우징(110)의 외벽(111) 내부면과 동일 선상에 위치할 수 있다. 만약, 벤팅부(130)의 입구측(131)이 팩 하우징(110)의 외벽 내부면 안쪽으로 돌출하는 파이프 형상을 갖는 경우, 내부공간(115)에 파이프 형상으로 돌출된 입구측(131) 둘레에 와류나 난류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 3(a)에서 벤팅유도부재(136)가 좌측으로 연장되는 형상을 갖는 경우를 가정하면, 팩 하우징(110)의 외벽 내부면을 따라 유동하는 공기가 벤팅유도부재의 입구로 바로 유입되지 않고 흐름이 불균일해지는 현상(예를 들어, 소용돌이)이 발생하게 된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예와 같이 벤팅부(130)가 입구측(131)이 팩 하우징(110)의 외벽 내부면과 동일 선상에 위치하는 경우에는, 내부공간(115)의 가스가 외벽(115) 내부면을 타고 흐르면서 벤팅부(130)의 입구측(131)으로 쉽게 유동하여 외부로 배출될 수 있으므로 팩 하우징(110)에서 배출되는 가스의 유동을 효과적으로 개선할 수 있게 된다.
다음으로 도 1, 도 2(a), 도 5 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(100)의 효과에 대해 설명한다.
도 5는 종래기술에 의한 배터리 팩(10)의 사시도이다. 도 5에 도시된 종래기술에 의한 배터리 팩(10)은 팩 하우징(11)과 벤팅부(30)를 포함하며, 팩 하우징(11)의 내부공간(15)에는 격벽(13)과 복수의 배터리 모듈(20)이 배치되는 구조를 갖는다. 또한, 벤팅부(30)는 일정한 직경(D')의 공간이 소정의 길이(L')만큼 연장되는 형상을 갖도록 구성된다.
도 5에 도시된 종래기술의 배터리 팩(10)에 대하여 팩 하우징(11)의 중앙부분의 발화점(IP)에서 화염이 발생한 경우를 가정하여 유동해석을 수행하였다. 이때, 팩 하우징(10) 내부의 열전달은 고려하지 않고 내부공간(15) 및 벤팅부(30)에서의 유동패턴만을 해석하였다.
마하수(Mach number) 0.4 정도의 압축성 유체 모델을 사용하여 해석을 수행하였고, 도 5에 도시된 발화점(IP)에서 상부방향으로 일정 유속(21m/s 이하)으로 유체가 발생한다고 가정하였다. 난류 모델은 Spalart-Allmaras를 적용하여 해석을 수행하였다.
도 6은 도 5에 도시된 종래기술에 의한 배터리 팩(10)의 내부에서 발화가 이루어졌을 때의 유체의 흐름 속도를 도시한 해석도이다. 도 6(a)는 벤팅부(30)가 직경(D') 50mm, 길이(L') 48mm인 경우에 대한 유체의 속도를 도시하고 있으며, 도 6(b)는 벤팅부(30)가 직경(D') 40mm, 길이(L') 48mm인 경우에 대한 유체의 속도를 도시하고 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 발화점(IP)에서 발생한 유체는 대부분 상대적으로 공간이 넓은 팩 하우징(11)의 상부 공간을 따라 이동하여 팩 하우징(11)의 전단(-x 방향)과 후단(x 방향)으로 이동하는 유동 패턴을 보였다. 또한, 발화점(IP)에서 측면(±y 방향)으로 이동한 유체는 대부분 중앙 통로 부분으로 퍼지는 경향을 나타내었다. 그리고, 팩 하우징(11)의 후단(x 방향)으로 이동한 유체는 외벽의 내벽면을 따라 이동하여 벤팅부(30)를 통해 빠른 속도로 배출되는 흐르는 유동패턴을 나타내었다.
도 7 및 도 8을 참조하여 종래기술에 의한 경우 벤팅부(30)에서의 유동패턴에 대해 설명한다.
도 7(a)는 도 6(a)의 제1 벤팅부(V1) 부분에 대한 유체의 속도를 도시하고, 도 7(b)는 도 6(a)의 제2 벤팅부(V2) 부분에 대한 유체의 속도를 도시하고 있으며, 도 8(a)는 도 7(a)에 대한 유체의 속도 및 방향을 도시하고, 도 8(b)는 도 7(b)에 대한 유체의 속도 및 방향을 도시하고 있다.
도 7(a) 및 도 8(a)를 참조하면, 제1 벤팅부(V1)의 경우 도면 상에서 벤팅부(30)의 하측 부분에 속도가 저하되는 영역(청색)이 발생하고 도 8(a)의 확대 부분에 도시된 바와 같이 도면 상에서 벤팅부(30)의 하측 부분에 내부공간(15)을 향하는 속도영역이 벤팅부(30)의 외측영역으로부터 내부공간(15)에 이르는 영역까지 연이어서 발생하였다.
또한, 도 7(b) 및 도 8(b)를 참조하면, 제2 벤팅부(V2)의 경우 도면 상에서 벤팅부(30)의 상측 부분에 속도가 저하되는 영역(청색)이 발생하고 도 8(b)의 확대 부분에 도시된 바와 같이 도면 상에서 벤팅부(30)의 상측 부분에 내부공간(15)을 향하는 속도영역이 벤팅부(30)의 외측영역으로부터 내부공간(15)에 이르는 영역까지 연이어서 발생하였다.
이와 같이, 내부공간(15)을 향하는 속도영역이 벤팅부(30)의 외측영역으로부터 내부공간(15)에 이르는 영역까지 연장되는 경우, 발화점(IP)에서 발생한 가스가 벤팅부(30)를 통하여 외부로 배출될 때 외부공기가 벤팅부(30)의 일부 영역(벤팅부(130)의 내벽면)을 통하여 내부공간(15)에 유입되는 상태를 의미한다. 즉, 도 6(a), 도 7 및 도 8에 도시된 종래기술의 벤팅부(30)는 직경이 50mm로 일정하게 유지되는 형상을 갖는데, 이 경우 외부공기 및 이에 포함된 산소가 팩 하우징(11)의 내부공간(15)으로 유입됨을 확인할 수 있었다. 이러한 산소의 유입은 화염에 전달되어 배터리 팩(10)의 폭발 또는 배터리 팩(10) 내부에서의 화염의 급격한 전파를 일으킬 수 있다는 문제점이 있다. 이에 따라, 배터리 팩(10) 내부의 화염이 배터리 팩(10) 외부로 쉽게 전파되는 문제점이 있다.
반면에, 도 6(b)와 같이 벤팅부(30)의 직경이 50mm에서 40mm로 감소시키는 경우 도 6(a)에 비해 벤팅부(30)의 단면적이 36% 감소하므로, 후술하는 도 9(c) 및 도 10(c)에 도시된 바와 같이 발화점(IP)에서 발생한 가스가 벤팅부(30)를 통하여 외부로 배출되는 흐름이 강하게 이루어져 가스배출 속도가 급격히 증가한다. 이에 따라 벤팅부(30) 내부에서 팩 하우징(11)의 내부공간(15)을 향하는 속도영역이 극히 작게 발생하고 외부공기가 내부공간(15)으로 거의 유입되지 않음을 확인할 수 있었다. 반면에, 발화점(IP)에서 발생한 가스가 벤팅부(30)를 통하여 충분히 배출되지 못하여 도 11(c)에 도시된 바와 같이 배터리 팩(10) 내부의 평균압력이 2.9×104 Pa로 급격히 상승함을 확인할 수 있었다. 배터리 팩(10)에서 화재(화염)가 발생한 상태에서 배터리 팩(10) 내부의 압력이 증가하게 되면 배터리 팩(10)에 변형이나 파손이 발생하여 배터리 팩(10) 내부의 화염이 배터리 팩(10) 외부로 직접 노출되어 배터리 팩(100) 외부에서 큰 화재로 번질 수 있다는 문제점이 있다.
다음으로, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대해 배터리 팩(100) 내부에서 화재(화염)이 발생한 경우 배터리 팩(10, 100)의 폭발(화염 폭증) 방지나 화염의 외부 전파 차단 가능성을 살펴본다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 벤팅부(30, 130)에서의 유체의 속도를 비교 도시한 해석도로서, 도 9(a)는 본 발명의 일 실시예에 대한 벤팅부(130)에서의 유체를 속도를 도시하고, 도 9(b)는 도 6(a)에 도시된 종래기술에 관한 것으로서 직경(D')이 50mm, 길이(L')가 48mm인 벤팅부(30)에서의 유체의 속도{도 7(b)와 동일}를 도시하고, 도 9(c)는 도 6(b)에 도시된 종래기술에 관한 것으로서 직경(D')이 40mm, 길이(L')가 48mm인 벤팅부(30)에서의 유체의 속도를 도시하고 있다.
도 9(a)의 벤팅부(130)는 도 2(a)를 참조하면 입구측(131)의 직경(D1)이 66mm, 출구측(132)의 직경(D2)이 50mm, 벤팅부(130)의 전체 길이(L)가 48mm, 제1 영역(133)의 길이(L1)가 24mm, 제2 영역(134)의 길이(L2)가 24mm인 벤팅부(130)를 사용하였으며, 종래기술과의 대비를 위하여 팩 하우징(110)은 도 5 및 도 6에 도시된 종래기술의 팩 하우징(11)과 동일한 구조 및 형상을 갖는 것으로 하였다.
또한, 도 10은 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 유체의 속도 및 방향을 도시한 해석도로서, 도 10(a), 도 10(b){도 8(b)와 동일} 및 도 10(c)는 각각 도 9(a), 도 9(b) 및 도 9(c)에 대한 유체의 속도 및 방향을 도시하고 있다.
그리고, 도 11은 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 배터리 팩(10, 100)의 내부 압력 분포를 도시한 해석도로서, 도 11(a), 도 11(b) 및 도 11(c)는 각각 도 9(a), 도 9(b) 및 도 9(c)에 대한 배터리 팩(10, 100) 내부 압력 분포를 도시하고 있다. 배터리 팩(10, 100)의 내부 평균 압력은 도 11(a)의 경우 6.6×103 Pa이고, 도 11(b)의 경우 1.0×104 Pa이고, 도 11(c)의 경우 2.9×104 Pa이었다.
도 9(b) 및 도 10(b)를 참조하면, 벤팅부(30)의 직경이 50mm인 종래기술의 경우, 도 7(b) 및 도 8(b)를 참조하여 설명한 바와 같이, 내부공간(15)을 향하는 속도영역이 벤팅부(30)의 외측영역으로부터 내부공간(15)에 이르는 영역까지 연이어서 발생하였다. 따라서, 벤팅부(30)의 직경이 50mm인 종래기술의 경우 발화점(IP)에서 발생한 가스가 벤팅부(30)를 통하여 외부로 배출될 때 외부공기가 벤팅부(30)의 일부 영역(벤팅부의 내벽면)을 통하여 내부공간(15)에 유입된다. 따라서, 외부공기 중의 산소가 팩 하우징(11)의 내부공간(15)으로 유입되어 화염에 전달되므로 배터리 팩(10)의 폭발 내지 화염의 증폭을 일으킬 수 있고 이에 따라 배터리 팩(10) 외부로 화재가 쉽게 확대되는 문제점이 있다.
또한, 벤팅부(30)의 직경을 50mm에서 40mm로 감소시킨 종래기술의 경우, 도 9(c) 및 도 10(c)에 도시된 바와 같이 발화점(IP)에서 발생한 가스가 벤팅부(30)를 통하여 외부로 배출되는 흐름이 강하게 이루어져 외부공기가 내부공간(15)으로 거의 유입되지 않음을 확인할 수 있었다. 반면에, 발화점(IP)에서 발생한 가스가 벤팅부(30)를 통하여 충분히 배출되지 못하여 도 11(c)에 도시된 바와 같이 배터리 팩(10) 내부의 평균압력이 2.9×104 Pa로 급격히 상승함을 확인할 수 있었다. 즉, 도 11(c)의 종래기술의 경우 도 11(b)의 종래기술의 평균압력(1.0×104 Pa)에 비하여 대략 3배 가까이 증가하였다. 이와 같이, 배터리 팩(10)에서 화재(화염)가 발생한 상태에서 배터리 팩(10) 내부의 압력이 증가하게 되면 배터리 팩(10)에 변형이나 파손이 발생하여 배터리 팩(10) 내부의 화염이 배터리 팩(10) 외부로 직접 노출되어 배터리 팩(10) 외부에서 큰 화재로 번질 수 있다는 문제점이 있다.
반면에, 본 발명의 실시예와 같이, 입구측(131)의 직경(D1)이 66mm, 출구측(132)의 직경(D2)이 50mm인 벤팅부(130)의 경우 도 9(a) 및 도 10(a)에 도시된 바와 같이 벤팅부(130) 내부에서 내부공간(115)을 향하는 속도영역이 발생하기는 한다. 그러나, 이러한 역방향 속도영역은 제1 영역(133)과 제2 영역(134)의 경계영역(BA)에서 부분적으로 발생하는 것이고 벤팅부(130)의 양측, 즉 내부공간(115)과 외부공간을 연통하지는 않는다. 즉, 경계영역(BA) 부분에서 내부공간(115)을 향하는 속도영역이 외부공간까지 연결되지 않으므로 외부공기의 유입이 이루어지지 않는다. 더욱이, 도 11(a)에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100) 내부의 평균압력이 6.6×103 Pa로서, 2.9×104 Pa로 동일한 출구측 직경(D2)(50mm)를 갖는 도 11(b)의 종래기술의 평균압력(1.0×104 Pa)보다 오히려 감소하였다.
따라서, 본 발명의 실시예와 같이 제1 영역(133)의 단면적(A1) 또는 입구측(131)의 직경(D1)을 제2 영역(134)의 단면적(A2) 또는 출구측(132)의 직경(D2)보다 크게 하는 경우에는 화염이 배터리 팩(100) 내부에서 발생하여 벤팅부(130)를 통하여 외부로 가스가 배출되는 상황에서도 외부공기 중의 산소가 내부공간(115)으로 유입되지 않으므로 화염이 크게 증가하거나 배터리 팩(100) 내부에서 폭발이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 화염이 배터리 팩(100) 내부에서 발생한 경우에도 내부의 평균압력이 급격히 증가하지 않으므로 배터리 팩(100)의 변형이나 파손으로 인한 화염의 급격한 외부 노출도 방지할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면 배터리 팩(100) 내부의 화염의 외부 전파를 상당 시간 동안 늦출 수 있어서 화재에 대한 배터리 팩(100)의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
다음으로, 도 12 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 배터리 팩(10, 100) 내부로부터의 전해액 가스 배출이 급격하게 이루어질 때 전해액 가스 누출로 인한 외부 화염 발생 가능성에 대해 설명한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 배터리 팩(10, 100) 내부로부터의 전해액 가스 배출이 이루어지는 상태의 해석에 사용된 전체적인 구조를 도시한 개략도이다. 도 12에서 배터리 팩(10, 100)의 일측에 전해액 가스를 주입하기 위한 주입구(IN)를 배치시키고 본 발명의 실시예와 종래기술의 벤팅부(30, 130)를 통해 전해액 가스가 배출되도록 하였다. 해석영역은 직경(DA)을 1000mm, 길이(LA)를 4000mm로 설정하였다.
또한, 전해액 가스는 조성은 부피 분율(volume fraction)을 기준으로 하여 H2 10%, CH4 5%, C2H4 10%, CO 15%, CO2 60%로 설정하였다. 주입구(IN)를 통해 유입되는 전해액 가스의 속도는 21m/s, 온도는 723K로 설정하였다.
본 발명의 실시예의 경우 벤팅부(130)는 입구측(131)의 직경(D1)을 40mm, 출구측(132)의 직경(D2)을 20mm, 길이(L)를 48mm로 설정하였고, 종래기술의 벤팅부(30)는 직경(D')을 50mm, 길이(L')를 48mm로 설정한 경우(비교예 1)와, 직경(D')을 20mm, 길이(L')를 48mm로 설정한 경우(비교예 2)를 비교 해석대상으로 하였다.
도 13은 도 12의 해석 구조에서 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 벤팅부(30, 130)에서 배출되는 전해액 가스의 속도 분포 및 전해액 가스 변환율(Mixture Variance) 분포를 도시한 해석도이고, 도 14는 도 12의 해석 구조에서 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 벤팅부(30, 130)에서 배출되는 전해액 가스의 H2O 질량 분율(Mass Fraction) 분포 및 온도 분포를 도시한 해석도이며, 도 15는 도 12의 해석구조에서 본 발명의 일 실시예와 종래기술에 대하여 벤팅부(30, 130)에서 배출되는 전해액 가스의 화염길이 및 배터리 팩(10, 100) 내부의 평균압력을 비교하였다.
도 13의 전해액 가스 변환율(Mixture Variance) 분포는 벤팅부(30, 130)로부터 전해액 가스가 방출된 후 대기 중의 산소와 반응하여 조성이 변화한 분포를 나타내고, 도 14의 H2O 질량 분율(Mass Fraction) 분포는 벤팅부(30, 130)로부터 전해액 가스가 방출된 후 대기 중의 산소와 반응하여 H2O가 발생하는 양의 분포를 나타내고, 도 14의 온도는 화염으로 인하여 해석공간 내부의 온도변화 분포를 나타낸다. 즉, 전해액 가스 변환율의 크기와 영역이 클수록, H2O 질량 분율의 크기와 영역이 클수록, 온도가 높고 그 영역의 범위가 클수록, 벤팅부(30, 130)로부터 방출된 전해액 가스로 인하여 배터리 팩(100) 외부에서 화염의 생성이 증가됨을 알 수 있다.
배터리 팩(100) 내부로부터의 본 발명의 실시예와 벤팅부(130)의 직경이 50mm인 종래기술(비교예 1), 벤팅부(130)의 직경이 20mm인 종래기술(비교예 2)를 대비하면, 벤팅부(30, 130)를 통해 전해액 가스 배출이 급격하게 이루어질 때 전해액 가스 누출로 인한 배터리 팩(10, 100) 외부에서의 연소현상(외부 화염 발생 가능성) 해석 결과, 벤팅부(30, 130)의 직경이 작아질수록 도 13의 전해액 가스 변환율, 도 14의 H2O 질량 분율 및 온도의 분포 영역이 커지고 그 값도 상승한다. 또한, 벤팅부(130)의 직경이 작아질수록 도 15의 화염길이도 감소하게 된다. 이는 본 발명의 실시예(출구측 직경 20mm)나 비교예 2(직경 20mm)와 같이 벤팅부(30, 130)의 직경이 작아질수록 전해액 가스 누출로 인한 배터리 팩(10, 100) 외부에서의 화염 발생 가능성이 낮게 된다는 것을 의미한다.
반면에, 벤팅부(30, 130)의 직경이 작아질수록 도 13에 도시된 바와 같이 전해액 가스 분출속도가 증가할 뿐만 아니라 도 13 및 도 15에 도시된 바와 같이 배터리 팩(10, 100) 내부의 평균압력도 크게 상승하게 된다. 이러한 배터리 팩(10, 100) 내부의 평균압력 상승은 배터리 팩(10, 100) 내부의 변형이나 파손을 가져와 전해액 가스의 급격한 방출을 수반할 수 있다. 본 발명의 실시예(입구측 직경 40mm, 출구측 직경 20mm)의 경우 비교예 2(직경 20mm)와 출구측 직경(D2)은 동일하지만 입구측 직경(D1)이 더 크므로 비교예 2에 비해 대략 12%의 압력 저감이 이루어지므로 비교예 2에 비해 배터리 팩(100)의 파손이나 변형 가능성이 감소하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예와 같이 제1 영역(133)의 단면적(A1) 또는 입구측(131)의 직경(D1)을 제2 영역(134)의 단면적(A2) 또는 출구측(132)의 직경(D2)보다 크게 하는 경우에는 벤팅부(130)를 통해 전해액 가스 배출이 급격하게 이루어질 때 전해액 가스 누출로 인한 배터리 팩(100) 외부에서 화염 발생 가능성이 낮아지며, 배터리 팩(100)의 변형이나 파손으로 인한 화염의 급격한 외부 노출도 방지할 수 있게 된다. 특히, 제1 영역(133)의 단면적(A1) 또는 입구측(131)의 직경(D1), 그리고 제2 영역(134)의 단면적(A2) 또는 출구측(132)의 직경(D2)을 조절함으로써 보다 안정적인 배터리 팩(100)의 구현이 가능하게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
예를 들어, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
100... 배터리 팩 110... 팩 하우징
111... 외벽 113... 격벽부재
115... 내부공간 120... 배터리 모듈
130... 벤팅부 131... 입구측
132... 출구측 133... 제1 영역
134, 134a, 134b... 제2 영역 136... 벤팅유도부재
A1... 입구측 단면적 A2... 출구측 단면적
BA... 경계영역 D1... 입구측 직경
D2... 출구측 직경 L... 벤팅부 길이
L1... 제1 영역 길이 L2... 제2 영역 길이

Claims (17)

  1. 복수의 배터리 셀이 설치되는 내부공간이 형성되는 팩 하우징; 및
    상기 팩 하우징에 설치되며, 상기 내부공간에서 발생한 가스를 외부로 배출 가능하도록 구성된 벤팅부;
    를 포함하며,
    상기 벤팅부는 상기 팩 하우징의 외부공간과 연결된 출구측의 단면적이 상기 내부공간과 연결된 입구측의 단면적보다 작게 형성되는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치형 외장재의 내부에 전극조립체와 전해액이 수용되며 상기 외장재의 적어도 일부의 둘레가 실링된 파우치형(pouch type) 이차전지로 이루어지는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 상기 입구측에 연결되는 제1 영역과, 상기 출구측에 연결되는 제2 영역을 포함하여 구성되는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 입구측으로부터 상기 출구측으로 동일한 단면형상으로 연장되고,
    상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 단면적이 감소하는 형태로 상기 출구측으로 연장되는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 원형 단면형상을 갖는 배터리 팩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 영역은 중공 원통 형상으로 이루어지고,
    상기 제2 영역은 중공 원뿔대 형상으로 이루어지는 배터리 팩.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 영역의 길이는 상기 입구측으로부터 상기 출구측까지의 거리의 0.2 ~ 0.8배로 이루어지는 배터리 팩.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 출구측의 단면적은 상기 입구측의 단면적의 0.2 ~ 0.8배로 이루어지는 배터리 팩.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 출구측의 단면적은 상기 입구측의 단면적의 0.4 ~ 0.7배로 이루어지는 배터리 팩.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 벤팅부의 길이방향을 기준으로 제1 경사각으로 단면적이 감소하는 형상을 가지며,
    상기 제2 영역은 상기 벤팅부의 길이방향을 기준으로 상기 제1 경사각보다 큰 제2 경사각으로 단면적이 감소하는 형상을 갖는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 상기 입구측이 상기 팩 하우징의 외벽 내부면과 동일 선상에 위치하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 상기 팩 하우징의 외벽에 구멍 형상으로 형성되는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 적어도 일부가 상기 팩 하우징의 외벽의 외측으로 돌출된 형상을 갖는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 벤팅부 중 적어도 일부는 상기 팩 하우징의 외벽에 부착된 벤팅유도부재로 구성되는 배터리 팩.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 상기 팩 하우징의 일측 외벽에 서로 이격되어 복수 개 형성되는 배터리 팩.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 상기 팩 하우징의 일측 외벽과, 상기 일측 외벽과는 다른 외벽에 각각 형성되는 배터리 팩.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는 상기 벤팅부를 통해 공기의 유동이 이루어지도록 폐쇄되지 않고 개방된 상태를 유지하는 배터리 팩.
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