KR20220118635A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20220118635A
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김석철
김용욱
김윤희
박병준
석종호
장태현
한동화
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈은, 셀지지부재, 상기 셀지지부재 내부에 수용된 적어도 하나의 배터리 셀, 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 일부 감싸도록 구비된 케이스를 포함하는 배터리 서브 모듈; 및 상기 배터리 서브 모듈의 일측에 배치되는 배리어;를 포함하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 상기 셀지지부재 및 상기 케이스에 의해 둘러싸여 밀폐되고, 상기 배리어는 상기 케이스의 일부를 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽으로 누르도록 구성된 돌출부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩{battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 기술이다. 보다 상세하게는 배터리 팩 내에 구비된 배터리 모듈의 밀폐성을 향상시키는 구조물에 관한 기술이다.
모바일 기기, 전기자동차, 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지셀의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지셀은 화학에너지와 전기에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이다.
이러한 이차전지셀은 이차전지의 주요 구성물인 양극, 음극, 분리막 및 전해액 등의 전극조립체 및 이를 보호하는 다층 외장재(Laminated Film Case)의 셀바디부재를 포함한다.
그런데 이러한 전극조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 되는데, 이러한 발열에 의한 온도 상승은 이차전지셀의 성능을 저하시키게 된다. 또한, 이러한 발열이 심해지면 상기 이차전지셀의 내부 압력이 상승하여 상기 이차전지셀이 발화되는 문제가 발생한다.
더욱이, 에너지저장시스템(ESS) 등과 같이 복수의 이차전지셀이 장착된 경우에, 이러한 발화와 함께 상기 이차전지셀이 폭발하면서 주변의 다른 이차전지셀로 화염이 전파되는 문제도 발생하게 된다.
본 발명은 이차전지 셀의 발화 전파를 방지하거나, 어느 하나의 이차전지 셀에서 발생한 열이 이웃하는 다른 이차전지 셀로 전달되지 않게 쉴딩할 수 있는 배터리 서브 패킹 유닛 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈은, 셀지지부재, 상기 셀지지부재 내부에 수용된 적어도 하나의 배터리 셀, 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 일부 감싸도록 구비된 케이스를 포함하는 배터리 서브 모듈; 및 상기 배터리 서브 모듈의 일측에 배치되는 배리어;를 포함하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 상기 셀지지부재 및 상기 케이스에 의해 둘러싸여 밀폐되고, 상기 배리어는 상기 케이스의 일부를 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽으로 누르도록 구성된 돌출부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 케이스의 일부 가장자리는 배터리 서브 모듈 안쪽으로 연장하는 절곡부를 포함하고, 상기 돌출부는 상기 절곡부를 누르도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 케이스는: 상부 플레이트, 상기 상부 플레이트의 양측에서 연장하는 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 상부 플레이트, 상기 사이드 플레이트에 의해 규정되는 공간에 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 배치되고, 상기 절곡부는 상기 사이드 플레이트의 가장자리에서 상기 배터리 서브 모듈의 내측으로 연장할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 돌출부는 상기 사이드 플레이트에서 상기 절곡부로 꺾인 모서리 부분을 따라 연장하고, 상기 절곡부를 상기 모서리 부분을 따라 눌러주도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 돌출부는 상기 사이드 플레이트에서 상기 절곡부로 이어지는 부분과 대응하는 형태를 가질 수 있다.
일 실시 예에서 상기 돌출부는 상기 사이드 플레이트에서 상기 절곡부로 접히는 모서리 부분과 대응하는 형태를 가지는 오목부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 사이드 플레이트는 상기 상부 플레이트의 양측에서 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 감싸도록 길이방향으로 연장하고, 상기 절곡부는 상기 사이드 플레이트의 상기 길이방향의 가장자리에서 상기 배터리 셀의 안쪽으로 연장할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 사이드 플레이트는 상기 상부 플레이트의 양측에서 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 감싸도록 길이방향으로 연장하고, 상기 절곡부는 상기 사이드 플레이트의 상기 길이방향과 수직인 폭방향의 가장자리에서 상기 배터리 셀의 안쪽으로 연장할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 배터리 서브 모듈은 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하는 셀지지부재를 포함하고, 상기 셀지지부재는 상기 절곡부를 적어도 일부 수용하는 홈을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 돌출부는 상기 홈에 적어도 일부 수용될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 배리어는 내부에 에어갭을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 배리어는 외측 표면에 상기 에어갭과 연결되는 적어도 하나의 개구부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 배리어는 내부에 격벽을 포함하고, 상기 격벽에 의해 상기 배리어 내부에 상기 에어갭이 마련되고, 상기 격벽은 상기 격벽으로 구분되는 양쪽 공간들을 연통하는 개구부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 케이스는 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 조립되었을 때, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 양측에서 가압하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 배터리 서브 모듈의 타측에 구비되고, 상기 배리어보다 두꺼운 폭을 가지고, 상기 케이스의 일부를 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽으로 누르도록 구성된 돌출부를 포함하는 다른 배리어를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 두꺼운 배리어는 내부에 에어갭을 포함하고, 외측 표면에 상기 에어갭과 연결되는 적어도 하나의 개구부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 셀지지부재는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 가장자리를 둘러싸는 사각틀 형태로 제공되고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양면은 상기 셀지지부재 외부로 노출되고, 상기 케이스는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양면을 감싸는 형태로 제공될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 케이스는 메탈 소재로 만들어져 상기 적어도 하나의 배터리 셀에서 생긴 열을 흡수하여 상기 배터리 서브 모듈 외부로 발산하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 서브 모듈 사이의 화재 전파를 막을 수 있도록 구성된다. 구체적으로 배터리 모듈은 내부에 구비된 복수의 배터리 서브 모듈들을 효과적으로 밀폐시키는 구조를 포함하며, 해당 구조는 특정 배터리 서브 모듈에서 화재가 생기더라도 다른 배터리 서브 모듈로 화재가 전파되는 것을 막을 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 일부 분해사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 배터리 서브 모듈의 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 배터리 서브 모듈의 분해사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 케이스의 사시도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 케이스의 측면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 제1 배리어의 사시도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 제2 배리어의 사시도이다.
도 9는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 단면도이다.
도 10은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 단면도이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 내부에 에어갭을 포함하는 배리어의 사시도이다.
도 12는 도 11의 배리어의 분해사시도이다.
도 13은 도 11의 Ⅲ-Ⅲ'단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다.
예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(100)의 사시도이다. 도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(100)의 일부 분해사시도이다.
일 실시 예에서 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 서브 모듈들(110) 및 이들을 하나의 팩으로 묶어주는 구조물들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 대향 배치된 2개의 엔드 플레이트들(160) 사이에 배터리 서브 모듈들(110)이 배치될 수 있다.
일 실시 예에서 엔드 플레이트들(160)과 배터리 서브 모듈들(110)은 이들을 관통하는 연결부재(170)에 의해 상호 고정된다. 2개 엔드 플레이트들(160)을 서로 가까워 지는 방향으로 가압함으로써, 배터리 서브 모듈들(110)은 상호간에 적층방향(Z방향)으로 가압된 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 적층방향으로 연장하는 바(bar) 형태의 연결부재(170)의 양단에 엔드 플레이트(160)가 각각 끼워지고, 그 위에 너트가 결합될 수 있다. 엔드 플레이트들(160) 사이에 배터리 서브 모듈들(110)이 배치된 상태에서 연결부재(170)의 양단에 너트를 체결하여 엔드 플레이트들(160) 사이의 간격을 좁힐 수 있고, 이는 배터리 서브 모듈들(110)을 적층방향으로 가압할 수 있다. 배터리 셀의 양측면을 가압함으로써 배터리 셀을 충전할 때 생기는 가스를 제거하고 전해액이 전극판에 골고루 퍼지게 할 수 있다. 이는 배터리 셀의 품질을 향상시킬 수 있다. 일 실시 예에서 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 서브 모듈들(110)의 측부를 감싸는 측벽커버부재(180)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 배터리 모듈(100)은 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 구비된 배리어(120, 130)를 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(160)에 의해 배리어(120, 130)는 배터리 서브 모듈(110)의 일부분을 가압할 수 있다. 일 실시 예에서 배리어(120, 130)는 배터리 서브 모듈(110)의 특정 부분을 가압하도록 구성된 구조를 포함할 수 있다. 배리어(120, 130)의 가압 구조에 대해서는 도 7 내지 도 10에서 상세히 설명한다.
일 실시 예에서 배터리 모듈(100)은 서로 다른 타입의 배리어(120, 130)들을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 제1 배리어(120)와 제2 배리어(130)가 번갈아 가면서 배치될 수 있다.
일 실시 예에서 제2 배리어(130)는 제1 배리어(120)보다 더 두껍게 구비될 수 있다. 예를 들어, 제2 배리어(130)는 25mm이상의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 배리어(120, 130)는 기본적으로 배터리 서브 모듈들(110) 사이의 열전도 내지 열복사를 저감하는 기능을 하는데, 배리어(120, 130)가 두껍게 마련될수록 이러한 기능을 더 잘 수행할 수 있다. 다만, 배리어(120, 130)의 두께가 늘어날수록 배터리 모듈(100)의 에너지 밀도는 줄어들기 때문에, 제2 배리어(130)의 두께는 효율성을 지나치게 저하시키지 않는 수준으로 마련될 수 있다.
본 개시의 도면들에 도시된 실시 예들에서 제1 배리어(120)와 제2 배리어(130)가 교번하여 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 배치되나, 본 개시의 실시 예는 이에 한정되지 않는다. 다른 실시 예에서 제1 배리어(120)가 2번 이상 연속으로 배치된 후 제2 배리어(130)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)의 일부에서 제1 배리어(120), 배터리 서브 모듈(110), 제1 배리어(120), 배터리 서브 모듈(110), 제2 배리어(130) 및 배터리 서브 모듈(110)이 차례로 배열될 수 있다. 또 다른 실시 예에서 하나의 배터리 모듈(100)에서 제1 배리어(120)와 제2 배리어(130)가 항상 주기적으로 배치되지 않을 수 있다. 즉, 배터리 모듈(100)에서 적층 방향으로 제1 배리어(120)와 제2 배리어(130)가 반복되는 패턴은 일정하지 않을 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 배터리 서브 모듈(110)의 사시도이다. 도 4는 일 실시 예에 따른 배터리 서브 모듈(110)의 분해사시도이다. 도 5는 일 실시 예에 따른 케이스의 사시도이다. 도 6은 일 실시 예에 따른 케이스의 측면도이다.
일 실시 예에서 배터리 서브 모듈(110)은 셀지지부재(111), 배터리 셀(114), 및 케이스(112)를 포함할 수 있다.
배터리 셀(114)은 전극조립체 및 전극조립체를 감싸는 셀바디부재를 포함할 수 있다. 전극조립체는 실질적으로 전해액을 포함하여 함께 상기 셀바디부재에 수납되어 사용된다. 일 실시 예에서 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다. 예를 들어, 전해액은 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate) 등과 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4 등과 같은 리튬염을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 셀바디부재는 전극조립체를 외부 충격으로부터 보호하도록 구성된다. 셀 바디 부재는 파우치형 부재 또는 캔형 부재로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서 파우치형 부재는 전극조립체를 3면에서 실링하여 수용하는 형태로서, 주로 하면부인 일면부를 제외한 상면부 및 양측면부의 3면을 내부에 전극조립체가 수용된 상태에서 포개어 접합하여 실링하게 구성되는 부재이다. 일 실시 예에서 캔형 부재는 전극조립체를 1면에서 실링하여 수용하는 형태로서, 주로 하면부 및 양측면부인 세개 면을 제외한 상면부의 1면을 내부에 전극조립체가 수용된 상태에서 포개어 접합하여 실링하게 구성되는 부재이다.
일 실시 예에서 적어도 하나의 배터리 셀(114)이 셀지지부재(111) 내부에 수용될 수 있다. 예를 들어, 셀지지부재(111)는 적어도 하나의 배터리 셀(114)의 측부(또는 가장자리)를 감싸는 사각틀 형태를 가지며, 사각틀 내부에 배터리 셀(114)이 수용될 수 있다. 도시된 실시 예에서 셀지지부재(111)는 아래 위로 서로 구분된 2개의 공간들(113a)을 포함할 수 있고, 이들 공간(113a)에 각각 한쌍의 배터리 셀들(114)이 수용될 수 있다. 일측 공간(113a)에 수용된 한 쌍의 배터리 셀들(114)은 서로 밀착될 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 배터리 셀들(114)을 적어도 일부 감싸도록 구성된다. 예를 들어, 배터리 셀(114)이 셀지지부재(111) 내부에 수용된 경우, 배터리 셀들(114)의 양면은 외부로 노출되고, 케이스(112)는 배터리 셀들(114)의 노출된 부분을 감싸는 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 케이스(112)는 디귿자 형태로 제공되어 배터리 셀(114)의 양면을 양측에서 커버할 수 있다. '케이스(112)가 배터리 셀(114)의 양면을 감싼다는 것'은 상호 밀착된 한 쌍의 배터리 셀들(114)에서 외부로 노출된 양면을 감싸는 것을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
다른 실시 예에서 셀지지부재(111)의 구조나 셀지지부재(111) 내부에 수용되는 배터리 셀(114)의 개수는 도시된 실시 예와 다르게 구비될 수 있다.
일 실시 예에서 셀지지부재(111)에 배터리 셀(114)이 수용된 이후에 배터리 셀들(114)의 양측에 케이스(112)가 씌어질 수 있다. 일 실시 예에서 케이스(112)는 배터리 셀(114)에서 화재가 생겼을 때 생기는 화염이나 가스를 화염분출부(111a)로 유도할 수 있다. 예를 들어, 케이스(112)는 배터리 셀(114)(또는 한 쌍의 배터리 셀들(114))의 양면을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 그리고 셀지지부재(111)는 케이스(112)가 감싸지 않는 부분과 대응하는 부분에 화염분출부(111a)를 포함할 수 있다. 이 경우 배터리 셀(114)에서 생긴 가스나 화염이 화염분출부(111a)로 유도될 수 있다.
일 실시 예에서 화염분출부(111a)는 홀 형태일 수도 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 화염을 배터리 서브 모듈(110) 외부로 유도할 수 있는 구성이라면 본 발명의 상기 화염분출부(111a)일 수 있다. 일 실시 예에서 화염분출부(113a)의 크기를 한정함으로써 상기 화염을 외부로 유도함과 동시에 발생한 화염을 질식 소화시키는 효과도 얻을 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 금속 소재로 형성되어, 배터리 셀(114)의 화염 전파를 방지할 수 있게 구성될 수 있다. 케이스(112)는 예를 들어, 두께가 적어도 0.45mm인 철(Fe)로 형성되거나, 두께가 적어도 0.8mm인 알루미늄(Al)으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 다른 예를 들어, 케이스(112)는 적어도 800℃까지 형태를 유지하는 단일 금속 소재 또는 합금 소재로 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 케이스(112)의 소재는 철 또는 알루미늄에 한정되지 않고, 800℃에서 형태를 유지하는 금속 소재 또는 복수의 금속들을 혼합한 합금소재인 경우라면 케이스(112)의 소재가 될 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 금속 재질로 형성됨에 의해서, 배터리 셀(114)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 냉각 작용도 수행할 수 있다. 일 실시 예에서 케이스(112)는 배터리 셀(114)에서 생긴 열을 흡수하여 배터리 서브 모듈(10) 외부로 발산하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 배터리 셀들(114)에서 적층 방향을 향하는 면을 적층 방향으로 가압하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 파우치 형태의 배터리 셀(114)은 양극판, 음극판들이 일방향으로 적층됨으로써 형성되고, 케이스(112)는 배터리 셀(114) 내부의 극판들을 상호간에 적층 방향으로 압축되는 방향으로 가압하도록 구비될 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 배터리 셀들(114)이 케이스(112)에 의해 규정되는 내부 공간(115)에 위치되도록 셀지지부재(111)에 끼워질 수 있다. 예를 들어, 케이스(112)는 디귿자 형태로 구비되어, 배터리 셀들(114)을 양측에서 감쌀 수 있다. 일 실시 예에서 케이스(112)는 상부 플레이트(116)와 상부 플레이트(116)의 양단에서 상호 나란하게 연장하는 사이드 플레이트들(117)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 사이드 플레이트(117)의 가장자리에서 내부 공간을 향해 연장하는 절곡부를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 절곡부(118)는 사이드 플레이트(117)의 길이방향(즉, X방향)의 가장자리에서 배터리 서브 모듈(110)의 안쪽으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 제1 절곡부(118)는 케이스(112)에 의해 규정된 내부 공간(115)으로, 또는 반대편 사이드 플레이트(117)를 향하는 방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 제1 절곡부(118)는 사이드 플레이트(117)와 대략 90도 각도를 가지도록 배터리 서브 모듈(110) 내측으로 연장할 수 있다.
일 실시 예에서 제2 절곡부(119)는 사이드 플레이트(117)의 폭방향(즉, Y방향) 가장자리에서 배터리 서브 모듈(110)의 안쪽으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 제2 절곡부(119)는 케이스(112)에 의해 규정된 내부 공간(115)으로, 또는 반대편 사이드 플레이트(117)를 향하는 방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 제2 절곡부(119)는 사이드 플레이트(117)와 대략 90도 각도를 가지도록 배터리 서브 모듈(110) 내측으로 연장할 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 제1 절곡부(118)의 가장자리에서 바깥으로 연장하는 제3 절곡부(118b)를 포함할 수 있다. 제1 절곡부(118)와 제3 절곡부(118b)는 예각을 형성할 수 있다.
일 실시 예에서 사이드 플레이트(117)는 상부 플레이트(116)와 연결된 부분에 볼록부(117a)와 오목부(117b)를 포함할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 제1 배리어(120)의 사시도이다. 도 8은 일 실시 예에 따른 제2 배리어(130)의 사시도이다. 도 9는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 단면도이다. 도 10은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 단면도이다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 셀지지부재(111)에 끼워질 수 있다. 일 실시 예에서 케이스(112)의 절곡부는 셀지지부재(111)의 홈부에 일부 수용됨으로써 셀지지부재(111)에 고정될 수 있다.
도 9를 참고하면, 일 실시 예에서 셀지지부재(111)는 제1 절곡부(118)가 일부 수용될 수 있는 제1 홈부(113b)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 홈부(113b)는 제1 절곡부(118)가 연장하는 방향(Z방향)으로 함몰될 수 있다. 제1 홈부(113b)에 제1 절곡부(118)가 끼워지면, 케이스(112)가 셀지지부재(111)로부터 X방향으로 이탈하는 것이 방지될 수 있다.
도 10을 참고하면, 일 실시 예에서 셀지지부재(111)는 제1 절곡부(118)가 일부 수용될 수 있는 제2 홈부(113c)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 제2 홈부(113c)는 제2 절곡부(119)가 연장하는 방향(Z방향)으로 함몰될 수 있다. 제2 홈부(113c)에 제2 절곡부(119)가 끼워지면, 케이스(112)가 셀지지부재(111)로부터 Y방향으로 이탈하는 것이 방지될 수 있다.
한편, 절곡부와 홈부의 결합이 케이스(112)가 셀지지부재(111)에 끼워지게 함은 별론, 사이드 플레이트(117)가 Z 방향으로 셀지지부재(111)에서 이탈하는 것은 방지할 수 없다.
일 실시 예에서 배리어(120, 130)가 배터리 서브 모듈(110)의 양측을 일부 또는 전부 가압하고, 이는 사이드 플레이트(117)들이 벌어지는 양측으로 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 배리어(120, 130)는 화염의 전이 또는 열전달을 방지할 수 있다. 배리어(120, 130)는 각각 서로 다른 배터리 서브 모듈(110) 사이의 화염 전파 방지 또는 열전달을 방지하도록, 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 구비될 수 있는 것이다.
배리어(120, 130)는 그 자체가 이웃하는 배터리 서브 모듈들(110) 사이의 방호벽으로 작용하여, 양측에 구비된 배터리 서브 모듈(110) 사이의 화재 전이를 막을 수 있다. 일 실시 예에서 배리어(120, 130)는, 적어도 800℃까지 형태를 유지하는 열경화성 폴리머 소재, 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene Sulfide) 소재 또는 적어도 석고를 포함하는 소재로 형성될 수 있다. 이와 같은 배리어(120, 130)의 소재는 내화성을 확보하여 일측의 배터리 서브 모듈(110)에서 발생한 화염이나 가스가 타측의 배터리 서브 모듈(110)에 직접 접촉하는 문제를 방지할 수 있다.
일 실시 예에서 배리어(120, 130)는 베이스(121, 131) 및 베이스(121, 131)에서 적층 방향(즉, Z 방향)으로 돌출된 부분(이하, 돌출부(122, 123, 132, 133))를 포함할 수 있다. 배리어(120, 130)가 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 구비되었을 때, 베이스(121, 131)는 배터리 서브 모듈(110)의 사이드 플레이트(117)에 대향하도록 배치된다.
일 실시 예에서 배리어(120, 130)에 의해 이웃하는 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 에어 갭(air gap)이 생길 수 있다. 도 9 또는 도 10을 참고하면, 배리어(120, 130)는 양측에 구비된 배터리 서브 모듈들(110)과 일부분에서만 접촉하며, 배리어(120, 130)와 케이스(112) 사이에 에어 갭(127, 137)이 존재한다. 예를 들어, 배리어(120, 130)의 돌출부(122, 123, 132, 133)가 양측에 구비된 케이스(112)에 접촉하며, 다른 부분(예: 베이스(121, 131) 일부)은 케이스(112)에 직접 닿지 않는다. 즉, 베이스(121, 131)와 케이스(112) 사이에 에어 갭(127, 137)이 생길 수 있다. 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 생긴 에어 갭(127, 137)은 일측의 배터리 서브 모듈(110)에서 화재가 생기더라도 이웃하는 배터리 서브 모듈(110)로 열이 전도 또는 복사되는 속도를 줄일 수 있다.
일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 케이스(112) 내부에 배치되는 배터리 셀(114)이 스웰링(swelling)되면서 케이스(112)가 베이스(121, 131)에 접촉되는 문제를 방지하기 위해서 구성되었다. 즉, 배터리 셀(114)이 스웰링되면 케이스(112)도 베이스(121, 131) 방향으로 밀리게 되는데, 이때 돌출부(122, 123, 132, 133)가 구비됨에 의해서, 케이스(112)가 베이스(121, 131)에 접촉되는 문제를 방지하게 되는 것이다. 이에 따라 케이스(112)와 베이스(121, 131)가 접촉면적을 넓히면서 열전도가 증가하는 문제를 방지할 수 있게 된다.
일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 서로 이웃하는 케이스(112) 사이에 배치될 때, 케이스(112)와 접촉하게 구비될 수도 있고, 약간 떨어지게 배치될 수도 있다.
일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 배터리 서브 모듈(110)의 일부분을 배터리 서브 모듈(110) 안쪽으로 가압하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 케이스(112)의 일부분을 눌러서 케이스(112)가 셀지지부재(111)로부터 이탈되지 않도록 도울 수 있다.
즉, 돌출부(122, 123, 132, 133)는 케이스(112)가 셀지지부재(111)에 밀착되게 눌러주는 역할도 할 수 있다. 나아가 배터리 서브 모듈(110)의 케이스(112)는 화재 상황에서 화염, 가스 등을 배터리 서브 모듈(110)의 측면으로 유도하는 역할을 한다. 배터리 화재 상황 등에서 배터리 셀(114)이 팽창하는 경우 배터리 셀(114)을 양측에서 감싸고 있던 케이스(112)가 벌어질 수 있고, 이 경우 화염이나 가스가 예상치 못한 방향으로 전파됨에 따라 이웃하는 배터리 서브 모듈(110)로 화재 전이가 비교적 쉽게 일어날 수 있다. 따라서, 화재 상황에서도 케이스(112)가 배터리 셀(114)을 가압할 수 있게 도와주는 구조로서 일 실시 예에서 배터리 모듈(100)은 돌출부(122, 123, 132, 133)를 포함하는 배리어(120, 130)를 구비할 수 있다. 이를 위해서, 돌출부(122, 123, 132, 133)는 케이스(112)와 점 접촉되는 형상 또는 선 접촉되는 형상으로 구비될 수 있다.
배터리 서브 모듈들(110)과 배리어(120, 130)들이 상호간에 적층 방향으로 가압된 상태에 있음은 도 1에서 살펴본 바와 같다. 배리어(120, 130)의 일부가 케이스(112)와 접촉한 상태에서 배리어(120, 130)와 배터리 서브 모듈(110)이 상호 가까워지는 방향으로 가압되면 배리어(120, 130)가 케이스(112)를 배터리 서브 모듈(110) 안쪽으로 눌러줄 수 있고, 이는 케이스(112)가 배터리 셀(114)의 양측을 더욱 견고하게 가압하는데 기여할 수 있다.
일 실시 예에서 배리어(120, 130)는 케이스(112)의 가장자리 부분을 눌러주도록 구성될 수 있다. 즉, 배리어(120, 130)는 케이스(112)의 가장자리 부분을 따라 케이스(112)를 배터리 서브 모듈(110) 안쪽으로 가압할 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 배터리 서브 모듈(110) 안쪽으로 연장하는 절곡부를 포함하고, 돌출부(122, 123, 132, 133)는 케이스(112)의 절곡부(118, 119) 또는 절곡부(118, 119)와 인접한 부분을 누르도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 사이드 플레이트(117)에서 제1 절곡부(118)로 꺾인 하부 모서리(118a)를 포함할 수 있다. 하부 모서리(118a)는 Y 방향으로 연장하며, 배리어(120, 130)는 하부 모서리(118a)와 대응하는 위치에 하부 모서리(118a)와 나란한 방향으로 연장하는 제1 돌출부(122, 132)를 포함할 수 있다. 배리어(120, 130)가 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 조립되었을 때, 제1 돌출부(122, 132)는 하부 모서리(118a) 또는 그에 인접한 부분을 적어도 일부 눌러줄 수 있다.
일 실시 예에서 케이스(112)는 사이드 플레이트(117)에서 제2 절곡부(119)로 꺾인 측부 모서리(119a)를 포함할 수 있다. 측부 모서리(119a)는 X 방향으로 연장하며, 배리어(120, 130)는 측부 모서리(119a)와 대응하는 위치에 측부 모서리(119a)와 나란한 방향으로 연장하는 제2 돌출부(123, 133)를 포함할 수 있다. 배리어(120, 130)가 배터리 서브 모듈들(110) 사이에 조립되었을 때, 제1 돌출부(122, 132)는 측부 모서리(119a) 또는 그에 인접한 부분을 적어도 일부 눌러줄 수 있다.
일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 사이드 플레이트(117)에서 절곡부(118, 119)로 이어지는 부분과 대응하는 형태를 가질 수 있다. 일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 사이드 플레이트(117)에서 절곡부(118, 119)로 접히는 모서리 부분(118a, 119a)에 대응하는 형태를 가질 수 있다. 도 9를 참고하면, 케이스(112)의 하부 모서리(118a)는 라운드진 형태를 가지며, 제1 돌출부(122, 132)는 하부 모서리(118a)에 대응하는 오목부(122a, 132a)를 포함할 수 있다. 배리어(120, 130)가 배터리 서브 모듈(110)의 일측에 배치될 때, 제1 돌출부(122, 132)의 오목부(122a, 132a)가 하부 모서리(118a)에 밀착되고, 이는 케이스(112)가 벌어져 셀지지부재(111)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 케이스(112)의 절곡부(118, 119)를 수용하는 셀지지부재(111)의 홈부(113b, 113c)에 일부 수용될 수 있다. 도 9를 참고하면, 배리어(120, 130)의 제1 돌출부(122, 132)는 제1 홈부(113b)로 연장하는 부분(122b, 132b)을 포함할 수 있다. 해당 부분(122b, 132b)은 제1 홈부(113b)에 일부 끼워져 케이스(112)가 셀지지부재(111)에 더욱 견고하게 고정되도록 도울 수 있다.
도 10을 참고하면, 배리어(120, 130)의 제2 돌출부(123, 133)는 제2 홈부(113c)로 연장하는 부분(123a, 133a)을 포함할 수 있다. 해당 부분(123a, 133a)은 제2 홈에 일부 끼워져 케이스(112)가 셀지지부재(111)에 더욱 견고하게 고정되도록 도울 수 있다.
일 실시 예에서 돌출부(122, 123, 132, 133)는 배리어(120, 130)의 양측에 대칭적으로 구비되며, 돌출부(122, 123, 132, 133)가 일부 수용될 수 있는 홈부(113b, 113c) 역시 배터리 서브 모듈(110)의 양측에 대칭적으로 구비된다. 따라서 복수의 배터리 서브 모듈들(110)과 복수의 배리어(120, 130)들이 번갈아 적층될 때, 돌출부(122, 123, 132, 133)가 홈부(113b, 113c)에 끼워짐으로써 배터리 서브 모듈들(110)이 상호 정렬될 수 있다. 즉, 배터리 서브 모듈들(110) 사이의 높이 방향(X방향)의 정렬은 제1 돌출부(122, 132)와 제1 홈부(113b)가 도울 수 있다. 또, 배터리 서브 모듈들(110) 사이의 폭방향(Y방향)의 정렬은 제2 돌출부(123, 133)와 제2 홈부(113c)가 도울 수 있다.
일 실시 예에서 배리어(120, 130)는 제1 돌출부(122, 132)와 제2 돌출부(123, 133) 외에 추가적인 돌출부을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참고하면, 배리어(120, 130)는 제2 돌출부(123, 133) 주변에 추가적인 돌출부들(125, 126, 129, 135, 136, 139)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 베이스(121, 131)는 벨로즈(bellows) 형태로 형성되어, 일측의 배터리 서브 모듈(110)에서 발생한 폭발에 의한 고압의 에너지를 탄성적으로 흡수하여 이웃하는 타측의 배터리 서브 모듈(110)에 미치는 영향을 저감시키게 구성될 수 있다.
다시 말해, 고압의 기체가 베이스(121, 131)를 가압하면, 벨로즈 형태의 베이스(121, 131)가 평평한 형태로 탄성적으로 형상 변형되면서 고압의 운동에너지를 변형에너지로 흡수할 수 있다. 이에 의해서, 일측의 배터리 서브 모듈(110)에서 발생한 폭발 에너지가 이웃하는 다른 배터리 서브 모듈(110)에 미치는 영향을 저감시킬 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 내부에 에어 갭(153)을 포함하는 배리어(140)(예: 도 1의 제1 배리어(120) 또는 제2 배리어(130))의 사시도이다. 도 12는 도 11의 배리어(140)의 분해사시도이다. 도 13은 도 11의 Ⅲ-Ⅲ'단면도이다.
일 실시 예에서 배리어(140)는 내부에 에어 갭(153)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 배리어(140)는 내부에 격벽(152)을 포함하고, 격벽(152)들에 의해 배리어(140) 내부에 에어 갭(153)이 형성될 수 있다. 도 13을 참고하면, 배리어(140)는 내부에 두께 방향으로 연장하는 격벽(152)을 포함하고, 격벽(152)을 제외한 부분이 에어 갭(153)으로 작용할 수 있다. 일 실시 예에서 격벽(152)은 격벽(152)으로 구분되는 양쪽 공간들을 연통하는 개구부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 배리어(140)는 외측 표면에 내부의 에어 갭(153)과 연결되는 적어도 하나의 개구부(151)를 포함할 수 있다. 도시된 실시 예에서 개구부(151)는 배터리 서브 모듈(110)의 양측에 4개씩 구비된다. 개구부(151)를 통해 배리어(140)의 내부 에어 갭(153)과 배리어(140)의 외부가 연결되며, 이는 배리어(140) 양측에 구비되는 배터리 서브 모듈들(110) 사이의 열전도를 저감하는데 기여할 수 있다.
도 12를 참고하면, 일 실시 예에서 배리어(140)는 2개 피스들(140a, 140b)(pieces)가 결합되어 형성될 수 있다. 제1 피스(140a)와 제2 피스(140b)가 상호 결합하여 하나의 배리어(140)가 만들어질 수 있다. 2개 피스들(140a, 140b)은 내부에 구비된 체결돌기(154), 체결홈(155) 사이의 결합에 의해 상호 조립될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시 예에서 제2 피스(140b)는 일측에 2개의 체결돌기(154), 타측에 2개의 체결홈(155)을 포함한다. 제2 피스(140b)와 대향하는 제1 피스(140a)는 제2 피스(140b)의 체결돌기(154)와 체결홈(155)에 각각 대응하는 체결홈(155) 및 체결돌기(154)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 각 피스들(140a, 140b)은 내부에 두께방향으로 연장된 격벽들(152)을 포함할 수 있다. 2개 피스들(140a, 140b)이 결합하면, 각 피스들(140a, 140b)에 구비된 격벽들(152)이 접촉하여 하나의 격벽(152)을 형성할 수 있다. 도 13을 참고하면, 격벽들(152)이 상호 접촉 함으로서 배리어(140)가 두께 방향의 압축력을 견디게 해준다. 일 실시 예에서 배리어(140) 내부에는 격벽(152)이 없는 부분에 대응하는 에어 갭(153)이 존재한다.
일 실시 예에서 각 피스들(140a, 140b)은 가장자리 부분에 두께 방향으로 함몰된 리세스(156)를 포함할 수 있고, 2개 피스들(140a, 140b)이 결합되면, 각 피스들(140a, 140b)에 구비된 두개의 리세스들(156)이 합쳐져 하나의 개구부(151)를 형성할 수 있다.
일 실시 예에서 배리어 내부에 구비된 에어 갭(153)은 외측 표면에 구비된 적어도 하나의 개구부(151)와 연결될 수 있다.
도 1 내지 도 10에서 설명된 실시 예들에서 제2 배리어(130)는 제1 배리어(120)보다 두껍게 구성되므로, 제2 배리어(130)는 내부에 도 11 내지 도 13에서 설명된 에어 갭(153), 개구부(151) 또는 이들을 형성하는 구조(예: 격벽(152), 리세스(156))를 더 포함할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시 예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
100: 배터리 모듈
110: 배터리 서브 모듈
111: 셀지지부재
112: 케이스
114: 배터리 셀
112: 케이스
120: 제1 배리어
130: 제2 배리어

Claims (18)

  1. 셀지지부재, 상기 셀지지부재 내부에 수용된 적어도 하나의 배터리 셀, 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 일부 감싸도록 구비된 케이스를 포함하는 배터리 서브 모듈; 및
    상기 배터리 서브 모듈의 일측에 배치되는 배리어;를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀은 상기 셀지지부재 및 상기 케이스에 의해 둘러싸여 밀폐되고,
    상기 배리어는 상기 케이스의 일부를 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽으로 누르도록 구성된 돌출부를 포함하는, 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 일부 가장자리는 배터리 서브 모듈 안쪽으로 연장하는 절곡부를 포함하고, 상기 배리어의 상기 돌출부는 상기 절곡부를 누르도록 구성된, 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이스는:
    상부 플레이트, 상기 상부 플레이트의 양측에서 연장하는 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 상부 플레이트 및 상기 사이드 플레이트에 의해 규정되는 공간에 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 배치되고,
    상기 절곡부는 상기 사이드 플레이트의 가장자리에서 상기 배터리 서브 모듈의 내측으로 연장하는, 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배리어의 상기 돌출부는 상기 사이드 플레이트에서 상기 절곡부로 꺾인 모서리를 따라 연장하고, 상기 절곡부를 상기 모서리를 따라 눌러주도록 구성되는, 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배리어의 상기 돌출부는 상기 사이드 플레이트에서 상기 절곡부로 이어지는 부분과 대응하는 형태를 가지는, 배터리 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 배리어의 상기 돌출부는 상기 사이드 플레이트에서 상기 절곡부로 접히는 모서리 부분과 대응하는 형태를 가지는 오목부를 포함하는, 배터리 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트는 상기 상부 플레이트의 양측에서 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 감싸도록 길이방향으로 연장하고,
    상기 절곡부는 상기 사이드 플레이트의 상기 길이방향의 가장자리에서 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽으로 연장하는, 배터리 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트는 상기 상부 플레이트의 양측에서 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 감싸도록 길이방향으로 연장하고,
    상기 절곡부는 상기 사이드 플레이트의 상기 길이방향과 수직인 폭방향의 가장자리에서 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽으로 연장하는, 배터리 모듈.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 셀지지부재는 상기 절곡부를 적어도 일부 수용하는 홈을 포함하는, 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배리어의 상기 돌출부는 상기 홈에 적어도 일부 수용되는, 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배리어는 내부에 에어 갭을 포함하는, 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배리어는 외측 표면에 상기 에어 갭과 연결되는 적어도 하나의 개구부를 포함하는, 배터리 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배리어는 내부에 격벽을 포함하고, 상기 격벽에 의해 상기 배리어 내부에 상기 에어 갭이 마련되고, 상기 격벽은 상기 격벽으로 구분되는 양쪽 공간들을 연통하는 개구부를 포함하는, 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 조립되었을 때, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 양측에서 가압하도록 구성되는, 배터리 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 서브 모듈의 타측에 구비되고, 이웃하는 배터리 서브 모듈로의 열전도 또는 복사를 최소화하도록 상기 배리어보다 두꺼운 폭을 가지고, 상기 케이스의 일부를 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽으로 누르도록 구성된 돌출부를 포함하는 다른 배리어를 더 포함하는, 배터리 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 두꺼운 배리어는 내부에 에어 갭을 포함하고, 외측 표면에 상기 에어 갭과 연결되는 적어도 하나의 개구부를 포함하는, 배터리 모듈.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 셀지지부재는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 가장자리를 둘러싸는 사각틀 형태로 제공되고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양면은 상기 셀지지부재 외부로 노출되고, 상기 케이스는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양면을 감싸는 형태로 제공되는, 배터리 모듈.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 메탈 소재로 만들어져 상기 적어도 하나의 배터리 셀에서 생긴 열을 흡수하여 상기 배터리 서브 모듈 외부로 발산하도록 구성된, 배터리 모듈.
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