KR20220115532A - 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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신동환
안수준
이승민
최종철
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리, 배터리 셀 어셈블리의 일측에 구비되며, 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리, 버스바 어셈블리와 소정 거리 이격 배치되며, 배터리 셀 어셈블리를 냉각하기 위한 냉각 유닛 및 배터리 셀 어셈블리의 상측 및 하측 중 적어도 일측에 충진되는 포팅 레진을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 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 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩이나 배터리 랙을 구성하는 방법이 일반적이다.
종래 배터리 모듈이나 배터리 팩의 경우, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 바, 이러한 배터리 셀들의 냉각 성능을 개선함과 아울러 과열 등에 따른 위험 상황 발생 시 안전성을 확보하는 것이 중요하다. 안전성 확보의 경우, 특히, 복수 개의 배터리 셀들 중 특정 배터리 셀의 이상 과열 등에 따른 화재 상황 발생 시 주변 배터리 셀들 측으로의 화염이나 열 전달을 보다 신속하고 확실히 차단하는 것이 중요하다.
그러므로, 냉각 성능을 높이며, 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 냉각 성능을 높일 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하기 위한 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 배터리 셀의 과열 등에 따른 이상 상황 발생 시 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리; 상기 배터리 셀 어셈블리의 일측에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리; 상기 버스바 어셈블리와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 배터리 셀 어셈블리를 냉각하기 위한 냉각 유닛; 및 상기 배터리 셀 어셈블리의 상측 및 하측 중 적어도 일측에 충진되는 포팅 레진;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 버스바 어셈블리는, 상기 배터리 셀 어셈블리의 상측에 구비되며, 상기 포팅 레진은, 상기 버스바 어셈블리를 커버할 수 있게 충진될 수 있다.
상기 냉각 유닛은, 상기 배터리 셀 어셈블리의 하측에 구비될 수 있다.
상기 냉각 유닛은, 상기 배터리 셀 어셈블리의 적층 방향을 따라 소정 길이로 구비되며, 상기 배터리 셀 어셈블리의 상측과 하측 사이에 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들의 하부에는, 가스를 내보내기 위한 벤트부가 구비되며, 상기 포팅 레진은, 상기 배터리 셀들의 하부에서 상기 벤트부를 커버할 수 있게 충진될 수 있다.
상기 포팅 레진은, 열전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 포팅 레진은, 상변화물질을 포함할 수 있다.
상기 포팅 레진은, 파라핀 물질을 포함할 수 있다.
상기 포팅 레진은, 난연제를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 냉각 성능을 높일 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
아울러, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀의 과열 등에 따른 이상 상황 발생 시 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 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 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 포팅 레진이 충진된 배터리 팩과 종래 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩 사이의 냉각 성능 차이를 설명하기 위한 방전 시험에 따른 결과 그래프이다.
도 10은 종래 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩 사이의 네일 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 포팅 레진이 충진된 배터리 팩의 네일 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 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 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀 어셈블리(100), 버스바 어셈블리(200), 냉각 유닛(300) 및 포팅 레진(400)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 어셈블리(100)은, 복수 개의 배터리 셀들(150)을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(150)은, 이차 전지로서, 원통형 이차 전지, 파우치형 이차 전지 또는 각형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)이 원통형 이차 전지로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 버스바 어셈블리(200)는, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 일측에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)과 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 버스바 어셈블리(200)는, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측에 구비되며, 와이어 본딩 또는 레이저 용접 등을 통해 상기 배터리 셀들(150)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 냉각 유닛(300)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)를 냉각하기 위한 것으로서, 상기 버스바 어셈블리(200)와 소정 거리 이격 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 냉각 유닛(300)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 하측에 구비되며, 내부에 냉각수 등의 유동을 위한 냉각 유로(350)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 냉각 유닛(300)은, 바텀 쿨링 구조일 수 있다.
상기 포팅 레진(400)은, 열전도성 물질로서, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 냉각 성능을 높이며 상기 배터리 셀 어셈블리(100)를 보다 더 견고하게 지지할 수 있게 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측 및 하측 중 적어도 일측에 충진되게 구비될 수 있다.
이러한 상가 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측에서 상기 버스바 어셈블리(200)를 커버할 수 있게 충진될 수 있다. 상기 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 모듈(10)에서 상대적으로 높은 온도 분포를 갖는 상기 버스바 어셈블리(200) 주변 영역을 커버하므로, 상기 배터리 셀들(150)의 냉각 성능을 효과적으로 높일 수 있다.
상기 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 배터리 셀들(150) 사이에도 충진될 수 있다. 구체적으로, 상기 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측에서, 상기 버스바 어셈블리(200)를 커버하면서 상기 배터리 셀들(150) 사이에 충진될 수 있다. 여기서, 상기 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 모듈(10)의 상하 방향에서 단절 없이 연속적으로 충진될 수 있다.
상기 포팅 레진(400)은, 냉각 및 접착 성능이 높은 실리콘 레진 또는 우레탄 레진을 포함할 수 있다. 이는 예시적인 것일 뿐 상기 포팅 레진(400)은, 냉각 및 접착 성능이 높은 아크릴 레진, 에폭시 레진 등 기타 다른 레진 물질로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
상기 포팅 레진(400)은, 상변화물질(Phase Change Material)을 포함할 수 있다. 이는 상기 포팅 레진(400)의 냉각 성능을 보다 더 향상시키기 위한 것으로서, 상기 배터리 셀들(150)의 열에너지를 상변화를 통해 보다 낮출 수 있게 하기 위함이다. 예로써, 상기 포팅 레진(400)은, 파라핀 물질을 포함할 수 있다. 이러한 상기 파라핀 물질은, 33도 내지 46도의 온도에서 상변화가 발생하여 흡열 반응을 할 수 있어, 상기 배터리 셀들(150)의 냉각 성능을 효과적으로 높일 수 있다. 이러한 상기 파라핀 물질은, 상기 포팅 레진(400)의 주입 시 주액 성능을 보다 더 높일 수 있게 아크릴 코팅 등으로 캡슐화하여 적용될 수 있다.
상기 포팅 레진(400)은, 난연제를 포함할 수 있다. 상기 난연제는, 세라믹 계열의 난연제로서, 상기 포팅 레진(400)에 첨가될 수 있다. 예로써, 상기 수산화 알루미늄으로 구비될 수 있다.
이에 따라, 상기 포팅 레진(400)은, 실리콘 레진이나 우레탄 레진 등의 레진 물질, 상변화물질인 파라핀 물질 및 수산화 알루미늄 등의 난연제 등을 포함하는 복합 레진으로 구비됨으로서, 상기 배터리 셀들(150)의 냉각 성능을 현저히 향상시킴과 아울러 상기 배터리 셀들(150)의 이상 상황 발생 시 주변 열 전달 등을 보다 더 효과적으로 차단할 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈(10)은, 탑 프레임(500), 바텀 프레임(550), 접착부재(600) 및 절연부재(650)를 더 포함할 수 있다.
상기 탑 프레임(500)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측에 배치되며, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)를 상단부를 지지할 수 있다. 이러한 상기 탑 프레임(500)에는, 상기 포팅 레진(400)의 주입 및 상기 배터리 셀들(150)과 상기 버스바 어셈블리(200)의 전기적 연결을 가이드할 수 있게 적어도 하나의 개구가 구비될 수 있다.
상기 바텀 프레임(550)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 하측에 배치되며, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 하단부를 지지할 수 있다. 이러한 상기 바텀 프레임(550)에는 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 배터리 셀들(150)의 하단부가 삽입될 수 있다.
이러한 상기 바텀 프레임(550)은, 사출 프레임으로 마련될 수 있다. 한편, 상기 바텀 프레임(550)은, 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 메탈 소재로 마련되는 것도 가능할 수 있다. 예로써, 상기 바텀 프레임(550)은, 알루미늄 재질로 마련될 수 있다.
상기 접착부재(600)는, 상기 바텀 프레임(550) 및 상기 탑 프레임(500)에 구비되며, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상기 배터리 셀들(150)을 상기 바텀 프레임(550) 및 상기 탑 프레임(500)에 보다 더 견고히 고정시킬 수 있다.
상기 접착부재(600)는, 상기 배터리 셀들(150)의 냉각 성능을 높일 수 있게 열전도성 접착제로 구비될 수 있으며, 상기 포팅 레진(400)과 같은 복합 레진 등으로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
상기 절연부재(650)는, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상기 배터리 셀들(150)의 절연을 위한 것으로서, 상기 냉각 유닛(300)과 상기 접착부재(600) 사이에 배치될 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은, 상변화물질 및 난연제를 포함하는 상기 포팅 레진(400)을 통해, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상기 배터리 셀들(150)의 고른 열분산을 가이드하여 상기 배터리 셀들(150)의 냉각 성능을 현저히 높일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은, 상기 난연제를 포함하는 포팅 레진(400)을 통해, 상기 배터리 셀들(150) 중 적어도 하나의 이상 상황에 따른 과열이나 화재 상황 발생 시, 인접한 배터리 셀들(150) 측으로의 직접적인 화염 등의 전달을 차단하여 연쇄 발화로 이어지는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은, 상기 포팅 레진(400)은, 상기 상기 배터리 셀들(150)의 과열 등과 같은 이상 상황 발생 시, 연쇄발화 등에 따른 열폭주에 따른 폭발 등을 방지하여 상기 배터리 모듈(10)의 안전성을 확보할 수 있다.
아울러, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은, 상기 포팅 레진(400)이 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상기 배터리 셀들(150) 사이에 채워지게 충진되므로, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 강성을 보강함과 아울러 별도의 사이드 프레임과 같은 추가부재 없이 상기 포팅 레진(400)을 통해 상기 배터리 모듈(10)의 모듈 케이스를 형성할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은, 상기 포팅 레진(400)을 통해, 상기 배터리 모듈(10)의 제조 공정 효율을 높임과 아울러 원가 경쟁력 측면에서 제조 원가 또한 현저히 낮출 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(20)은, 앞선 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 살펴 본다.
도 2를 참조하면, 상기 배터리 모듈(20)은, 복수 개의 배터리 셀들(150)을 포함하는 배터리 셀 어셈블리(100), 버스바 어셈블리(200), 포팅 레진(400), 탑 프레임(500), 바텀 프레임(550), 접착부재(600) 및 냉각 유닛(700)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 어셈블리(100), 상기 버스바 어셈블리(200), 상기 포팅 레진(400), 상기 탑 프레임(500), 상기 바텀 프레임(550) 및 상기 접착부재(600)는, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 냉각 유닛(700)은, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 적층 방향을 따라 소정 길이로 구비되며, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측과 하측 사이에 배치될 수 있다. 이러한 상기 냉각 유닛(700)에는, 상기 적층 방향을 따라 소정 길이로 형성되며, 냉각수 등의 냉각제 유동을 위한 적어도 하나의 냉각 유로(750)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 냉각 유닛(700)은, 사이드 쿨링 구조일 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 포팅 레진(400)은, 사이드 쿨링 구조의 냉각 방식에서도 적용될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 사이드 쿨링 구조의 배터리 모듈(20)에서도 상기 포팅 레진(400)을 통해, 앞선 실시예와 같은 냉각 성능 향상, 연쇄발화 방지와 같은 안전성 확보, 제조 효율 향상 및 제조 원가 절감 등의 현저한 효과를 구현할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(30)은, 앞선 실시예에 따른 상기 배터리 모듈들(10, 20)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 살펴 본다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 배터리 모듈(30)은, 배터리 셀 어셈블리(100), 버스바 어셈블리(200), 포팅 레진(400), 탑 프레임(500), 바텀 프레임(550), 접착부재(600) 및 냉각 유닛(700)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 어셈블리(100)는, 복수 개의 배터리 셀들(160)을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(160)의 하부에는, 가스나 화염(F) 등을 내보내기 위한 벤트부(165)가 구비될 수 있다. 이러한 상기 벤트부(165)는, 상기 배터리 셀(160)의 하단부에서 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께로 형성될 수 있다. 이는 상기 배터리 셀(160)의 이상 상황 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면 파단되어 상기 배터리 셀(160) 밖으로 상기 가스나 화염(F)를 보다 용이하게 배출하기 위함이다.
상기 벤트부(165)는, 소정 크기의 개구 또는 노치 형상으로 구비되는 것도 가능할 수 있다. 아울러, 상기 벤트부(165)는, 상기 소정 크기의 개구에 일정 수준 이상의 압력에서 파단되는 필름 등을 더 부가하는 구조로 형성되는 것도 가능할 수 있다.
한편, 상기 벤트부는 상기 배터리 셀(160)의 하단부가 아닌 상단부, 즉, 상기 배터리 셀(160)의 상측에 마련되는 것도 가능할 수 있다. 다시 말해, 상기 벤트부는 상기 배터리 셀(160)의 상측에서 파단되어 상기 배터리 셀(160)의 상측 외부로 상기 가스나 화염(F)을 배출하는 구조로 마련되는 것도 가능할 수 있다. 즉, 상기 벤트부는 상기 배터리 셀(160)의 하측 및 상측 중 적어도 일측, 또는 양측 모두에서 상기 가스나 화염(F)을 배출할 수 있게 파단되는 구조로 마련될 수 있다.
상기 버스바 어셈블리(200)는, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 셀들(160) 사이 사이에 충진될 수 있다. 아울러, 상기 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 셀들(160)의 하부에서 상기 벤트부(165)를 커버할 수 있게 충진될 수 있다.
상기 탑 프레임(500), 상기 바텀 프레임(550), 상기 접착부재(600) 및 상기 냉각 유닛(700)은, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
본 실시예의 경우, 상기 벤트부(165)가 상기 배터리 모듈(30)의 하부에 배치됨에 따라, 상기 배터리 셀(160)의 이상 상황에 따른 과열이나 화재 발생 시, 내부 가스나 화염(F) 등이 상기 배터리 모듈(30)의 상측이 아닌 상기 배터리 모듈(30)의 하측으로 빠져 나갈 수 있다. 예로써, 상기 배터리 모듈(30)이 자동차 등에 구비될 경우, 일반적으로, 상기 배터리 모듈(30)의 상측에 운전자 등의 탑승자가 위치하므로, 상기 배터리 모듈(30)의 하측으로 가스나 화염(F) 등을 유도하는 것을 통해, 상기 운전자 등의 탑승자의 안전을 최대한 확보할 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우, 상기 배터리 셀(160)의 이상 상황에 따른 과열이나 화재 발생 시, 내부 가스나 화염(F) 등을 상기 벤트부(165)를 통해, 상기 배터리 모듈(30)의 하측을 향해 안내하므로, 이상 상황이 발생한 배터리 셀(160)과 인접한 배터리 셀들(160) 측으로의 가스나 화염(F) 등의 전달을 통해 연쇄 발화 위험을 현저히 방지할 수 있다.
아울러, 본 실시예의 경우, 상기 배터리 셀들(160)의 상기 벤트부(160) 하측에 상기 포팅 레진(400)이 충진되어 있는 바, 상기 포팅 레진(400)을 통해 이상 상황이 발생하여 벤트부(165)가 개구된 배터리 셀(160)과 인접한 배터리 셀들(160) 측으로의 화염(F) 등의 전파를 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우, 상기 화염(F) 등의 발생 시, 상기 화염(F) 등이 상기 이상 상황이 발생한 배터리 셀(160) 주변의 인접한 배터리 셀들(165) 측으로 전파되기 전에 상기 배터리 모듈(30) 밖으로 보다 더 신속히 빠져나갈 수 있게 상기 바텀 프레임(550)이 상기 화염(F) 등에 의해 깨지기 쉬운 재질로 마련될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(40)은, 앞선 실시예에 따른 상기 배터리 모듈들(10, 20, 30)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 살펴 본다.
도 5를 참조하면, 상기 배터리 모듈(40)은, 복수 개의 배터리 셀들(150)을 포함하는 배터리 셀 어셈블리(100), 버스바 어셈블리(200), 포팅 레진(400), 탑 프레임(500), 바텀 프레임(550), 사이드 프레임(570), 접착부재(600), 냉각 유닛(800) 및 절연 튜브(850)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 어셈블리(100) 및 상기 버스바 어셈블리(200)는, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 포팅 레진(400)은, 상기 탑 프레임(500)의 상측에서, 상기 버스바 어셈블리(200)를 커버할 수 있게 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측에 충진될 수 있다.
상기 탑 프레임(500) 및 상기 바텀 프레임(550)은, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 사이드 프레임(570)은, 상기 탑 프레임(500)과 상기 바텀 프레임(550)과 결합되어 상기 탑 프레임(500) 및 상기 바텀 프레임(550)과 함께 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 배터리 셀들(150)을 내부에 패키징할 수 있다.
상기 접착부재(600)는, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 냉각 유닛(800)는, 냉각제(800)로 구비될 있으며, 상기 탑 프레임(500), 상기 바텀 프레임(550) 및 상기 사이드 프레임(570) 내에서, 상기 배터리 셀들(150) 사이 사이에 채워질 수 있다. 이러한 상기 냉각제(800)는, 냉각수 또는 절연유 등으로 구비될 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우, 상기 냉각제(800)를 통한 직접 수냉식 구조의 배터리 모듈(40)일 수 있다.
상기 절연 튜브(850)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)의 절연을 위한 것으로서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)의 외주면을 커버할 수 있다. 이에 따라, 상기 절연 튜브(850)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)의 개수에 대응되게 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 절연 튜브(850)들은, 수축 튜브로 구비될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 상기 배터리 셀들(150) 사이 공간의 경우, 상기 냉각제(800)를 통한 직접 냉각 방식으로 냉각하며, 상기 버스바 어셈블리(200)가 배치되는 상기 배터리 모듈(40) 상측의 경우, 상기 포팅 레진(400)을 통해 열 분산을 가이드하면서 상기 버스바 어셈블리(200) 주변 영역을 냉각할 수 있다.
이처럼, 본 실시예의 경우, 상기 포팅 레진(400)을 통해, 직접 수냉식 구조의 배터리 모듈(40)에서도, 상기 배터리 모듈(40)의 냉각 성능을 현저히 높일 수 있다. 아울러, 본 실시예의 배터리 모듈(40), 또한, 상기 포팅 레진(400)을 통해, 앞선 실시예와의 같이, 연쇄발화 방지와 같은 안전성 확보, 제조 효율 향상 및 제조 원가 절감 등의 현저한 효과를 구현할 수 있음은 물론이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(50)은, 앞선 실시예에 따른 상기 배터리 모듈들(10, 20, 30, 40)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 살펴 본다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 배터리 모듈(50)은, 배터리 셀 어셈블리(160), 버스바 어셈블리(200), 포팅 레진(400), 탑 프레임(500), 바텀 프레임(550), 사이드 프레임(570), 접착부재(600), 냉각 유닛(800) 및 절연 튜브(850)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 어셈블리(160)는, 복수 개의 배터리 셀들(165)을 포함할 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 배터리 셀들(160)의 하측에는 벤트부(165)가 구비될 수 있다.
상기 버스바 어셈블리(200)는, 앞선 실 시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 포팅 레진(400)은, 상기 배터리 셀들(160)의 가스 벤트부(165)를 커버할 수 있게 상기 배터리 셀 어셈블리(100)의 하측을 커버하게 충진될 수 있다.
상기 탑 프레임(500), 바텀 프레임(550), 사이드 프레임(570), 접착부재(600), 냉각 유닛(800) 및 절연 튜브(850)은, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
본 실시예의 경우, 상기 포팅 레진(400)을 통해, 앞선 배터리 모듈(30)과 같이, 상기 배터리 모듈(50)의 하측으로 가스나 화염(F) 등을 안내하여 앞선 배터리 모듈(30)과 같은 연쇄발화 방지 등과 같은 현저한 효과를 구현할 수 있다. 즉, 본 실시예와 같은 직접 수냉식 구조의 배터리 모듈(50)에서도 상기 포팅 레진(400)을 통해, 앞선 실시예의 상기 배터리 모듈(30)에서 상기 포팅 레진(400)을 통해 구현하는 현저한 효과를 마찬가지로 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예의 적어도 하나의 상기 배터리 모듈(10), 상기 배터리 모듈(10)을 패키징하는 팩 케이스(70) 및 PCM 레진(75)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈(10)은, 복수 개로 구비될 수 있다. 여기서, 상기 배터리 모듈은, 앞선 다른 실시예들의 배터리 모듈들(20 내지 50)로 구비되는 것도 가능할 수 있으며, 이들의 조합체로 구비되는 것도 가능할 수 있다. 아울러, 상기 배터리 모듈은 앞선 실시예 이외의 기타 다른 배터리 모듈로 구비되는 것도 가능할 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈은, 별도의 케이스 구조 없이 복수 개의 배터리 셀들의 조합체로서, 상기 팩 케이스(70)에 직접 장착되는 구조로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
한편, 상기 팩 케이스(70) 없이 적어도 하나의 배터리 모듈만으로 배터리 팩을 구성하는 것도 가능할 수 있다. 다시 말해, 상기 배터리 모듈이 종래의 배터리 팩을 대체하게 구비되는 것도 가능할 수 있다. 즉, 배터리 셀들로 종래와 같은 배터리 모듈을 구성하지 않고 배터리 셀들을 배터리 팩으로 바로 구성하는 것도 가능할 수 있다.
상기 PCM 레진(75)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 커버할 수 있게 충진될 수 있다. 상기 PCM 레진(75)은, 앞선 실시예의 상기 포팅 레진(400)과 같은 포팅 레진으로 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)은, 상기 PCM 레진(75)이 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 커버하므로, 상기 배터리 팩(1)의 냉각 성능 및 안전성을 보다 더 확보할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 포팅 레진이 충진된 배터리 팩과 종래 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩 사이의 냉각 성능 차이를 설명하기 위한 방전 시험에 따른 결과 그래프이다.
도 9를 참조하면, 상기 그래프 상에서, 가로축은 시간을 의미하며, 세로축을 온도를 의미할 수 있다. 상기 그래프 상에서, 일점 쇄선은 기 설정된 안전 범위에 따라 기 설정된 시간 및 그에 따른 온도 축을 의미할 수 있다.
상기 냉각 성능 차이를 검토하기 위한 구체적인 방전 시험 조건은, 하기와 같다.
먼저, 방전과 관련하여, 맥스 로드(Max Load)는 84A(3C)이며, 컷 오프(cut off) 전류는 0.582A(0.02C)이며, 컷 오프 전압(Voltage cut off)은 42V (배터리 셀 기준 4.15V 내지 3.0V)일 수 있다. 아울러, 외부 단열 조건에서, 배터리 팩의 주변 온도는 25도로 설정될 수 있으며, 온도 진단 유닛을 통해 위험 온도는 대략 90도로 설정될 수 있다. 한편, 포팅 레진이 충진된 배터리 팩(PP)에서, 상기 포팅 레진은, 앞선 실시예의 PCM 레진일 수 있다.
상기 시험 결과, 상기 포팅 레진이 충진된 배터리 팩(PP)과 종래 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩(NP) 사이의 냉각 성능 차이는 실험 결과 대략 13.2도 범위일 수 있다. 구체적으로, 상기 포팅 레진이 충진된 배터리 팩(PP)이 상기 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩(NP)보다 최고 온도 범위에서 대략 13.2도 범위에서 낮은 것을 알 수 있다.
상기 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩(NP)의 경우, 최고 온도가 위험 온도인 90도를 상회하는데 반해, 본 발명의 상기 포팅 레진이 충진된 배터리 팩(PP)의 경우, 최고 온도에서 위험 온도인 90도보다 현저히 낮은 온도 범위를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 포팅 레진이 충진된 배터리 팩(PP)의 경우, 점선으로 도시된 기 설정된 안전 범위(예로써, 대략 758초까지 연속 방전 시 70도를 넘지 않는 온도)에서도 대략 66.7도의 온도 범위를 갖는 바, 상기 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩(NP)보다 보다 더 높은 안전성을 확보할 수 있다.
도 10은 종래 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩 사이의 네일 테스트 결과를 나타내는 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 포팅 레진이 충진된 배터리 팩의 네일 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 네일 테스트는, 못 관통 시험으로서, 배터리 팩의 연쇄 발화 위험을 테스트하기 위한 시험을 의미할 수 있다. 상기 그래프들에서, 가로 축은 시간을 의미하며, 세로 축은 온도를 의미할 수 있다.
종래 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩(NP)의 경우, 네일 테스트 시 100초 부근에서 최고 온도가 1300도를 상회할 수 있다. 일반적으로, 최고 온도가 1000도 이상일 경우, 연쇄 발화가 시작된다. 반면, 본 발명의 포팅 레진이 충진된 배터리 팩(PP)의 경우, 네일 테스트 시 최고 온도가 대략 600도 범위인 바, 연쇄 발화 위험이 일어나지 않는다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 상기 포팅 레진이 충진된 배터리 팩(PP)은, 상기 포팅 레진이 충진되지 않은 배터리 팩(NP)과 대비하여 냉각 성능을 현저히 개선함과 아울러 관통 등에 따른 위험 상황 발생 시 야기될 수 있는 연쇄 발화 위험 또한 효과적으로 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 자동차(V)는, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로 구비되며, 앞선 실시예의 적어도 하나의 배터리 팩(1) 및 이러한 적어도 하나의 배터리 팩(1)을 커버할 수 있게 충진되는 PCM 레진(R)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩(1)은, 요구되는 설계 용량 등에 따라, 복수 개로 구비되는 것도 가능할 수 있다. 상기 배터리 팩(1)은, 별도의 팩 프레임 장착 후 상기 자동차(V)에 장착되거나 또는 상기 자동차(V)의 섀시에 직접적으로 장착될 수 있다.
상기 PCM 레진(R)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 커버할 수 있게 충진될 수 있다. 상기 PCM 레진(R)은, 앞선 실시예의 상기 PCM 레진(75)과 같은 상기 포팅 레진(400)으로 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 자동차(V)는, 상기 PCM 레진(R)이 상기 적어도 하나의 배터리 팩(1)을 커버하므로, 상기 자동차(V)의 냉각 성능 및 안전성을 보다 더 확보할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 냉각 성능을 높일 수 있는 배터리 모듈(10, 20, 30, 40, 50), 이를 포함하는 배터리 팩(1) 및 자동차(V)를 제공할 수 있다.
아울러, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀의 과열 등에 따른 이상 상황 발생 시 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈(10, 20, 30, 40, 50), 이를 포함하는 배터리 팩(1) 및 자동차(V)를 제공할 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.
V: 자동차
1: 배터리 팩
10: 배터리 모듈
20: 배터리 모듈
30: 배터리 모듈
40: 배터리 모듈
50: 배터리 모듈
70: 팩 케이스
75: 포팅 레진
100: 배터리 셀 어셈블리
150: 배터리 셀
200: 버스바 어셈블리
300: 냉각 유닛
350: 냉각 유로
400: 포팅 레진
500: 탑 프레임
550: 바텀 프레임
570: 사이드 프레임
600: 접착부재
650: 절연부재
700: 냉각 유닛
750: 냉각 유로
800: 냉각제
850: 절연 튜브

Claims (11)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리;
    상기 배터리 셀 어셈블리의 일측에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리;
    상기 버스바 어셈블리와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 배터리 셀 어셈블리를 냉각하기 위한 냉각 유닛; 및
    상기 배터리 셀 어셈블리의 상측 및 하측 중 적어도 일측에 충진되는 포팅 레진;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버스바 어셈블리는,
    상기 배터리 셀 어셈블리의 상측에 구비되며,
    상기 포팅 레진은,
    상기 버스바 어셈블리를 커버할 수 있게 충진되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은,
    상기 배터리 셀 어셈블리의 하측에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은,
    상기 배터리 셀 어셈블리의 적층 방향을 따라 소정 길이로 구비되며, 상기 배터리 셀 어셈블리의 상측과 하측 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 하부에는,
    가스를 내보내기 위한 벤트부가 구비되며,
    상기 포팅 레진은,
    상기 배터리 셀들의 하부에서 상기 벤트부를 커버할 수 있게 충진되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 레진은,
    열전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 레진은,
    상변화물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 포팅 레진은,
    파라핀 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 레진은,
    난연제를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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