KR20220160717A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20220160717A
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heat absorbing
sub
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KR1020210068702A
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백무한
권대원
김용욱
박병준
석종호
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에스케이온 주식회사
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Abstract

하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 서브 모듈 및 배터리 서브 모듈의 일측면과 마주보게 배치되는 배리어를 포함하고, 배리어는 배터리 서브 모듈을 지지하는 강성부재 및 강성부재에 수용되어 하나 이상의 배터리 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 열 흡수부재를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀을 포함하는 배터리 서브 모듈들 사이에 배치되어, 배터리 셀에서 발생되는 열 또는 화염이 배터리 모듈의 다른 부분으로 전이되는 것을 방지하고 배터리 서브 모듈을 안정적으로 지지할 수 있는 배리어를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기자동차, 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 셀의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차 전지 셀은 화학에너지와 전기에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이다.
이차 전지 셀은 이차 전지의 주요 구성물인 양극, 음극, 분리막 및 전해액 등의 전극 조립체 및 이를 보호하는 다층 외장재(Laminated Film Case)의 셀 바디부재를 포함한다.
이차 전지 셀의 전극 조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 되는데, 이러한 발열에 의해 이차 전지 셀의 내부 온도가 상승하여 이차 전지 셀의 전기적 성능이 저하될 수 있다. 또한, 이러한 발열이 심해지면 상기 이차 전지 셀의 내부 압력이 상승하여 상기 이차 전지 셀이 발화되는 문제가 발생한다. 더욱이, 배터리 팩이나 에너지 저장 시스템(ESS)에서 복수의 이차 전지 셀이 장착된 경우에, 어느 한 이차 전지 셀의 발화에 의해 발생되는 화염이 주변의 다른 이차 전지 셀로 전이되어 연쇄적인 발화 또는 폭발이 발생되는 문제점이 있다.
또한 이차 전지 셀에서 발생되는 화염이 배터리 팩이나 에너지 저장 시스템의 다른 구성요소(예를 들어 에너지 저장 시스템의 지지 구조물)에 전파되어 에너지 저장 시스템의 전체 구조가 붕괴되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 배터리 셀을 포함하는 어느 하나의 배터리 서브 모듈에서 발생되는 열 또는 화염이 인접한 다른 배터리 서브 모듈로 전이되는 것을 방지할 수 있는 배리어를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 배리어의 내부 또는 외부 중 적어도 일부에 는 열 흡수부재가 구비되어 배터리 셀에서 발생되는 열 또는 화염을 효과적으로 제어할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 배리어의 내부 또는 외부 중 적어도 일부에 는 배리어를 냉각시킬 수 있는 열 흡수부재가 구비되어, 배리어에 인접한 배터리 서브 모듈에서 발생된 화염에 의해 배리어가 붕괴되는 것을 방지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 배리어의 적어도 일부에는 돌출부가 구비되어 인접한 배터리 서브 모듈을 가압하고 안정적으로 지지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 실시예들에서, 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 서브 모듈 및 배터리 서브 모듈의 일측면과 마주보게 배치되는 배리어를 포함하고, 배리어는 배터리 서브 모듈을 지지하는 강성부재 및 강성부재에 수용되어 하나 이상의 배터리 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 열 흡수부재를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
실시예들에서, 배리어에 수용되는 열 흡수부재는 하이드로겔(Hydrogel)을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 열 흡수부재에 포함되는 하이드로겔은 고흡수성 수지(Super Absorbent Polymer, SAP) 또는 폴리아크릴 아마이드(Polyacryl amide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 강성부재는 배터리 서브 모듈의 일측면과 마주보는 베이스 및 베이스의 가장자리에서 배터리 서브 모듈의 적어도 일부를 배터리 서브 모듈의 안쪽 방향으로 가압하는 돌출부를 포함하며, 베이스와 배터리 서브 모듈 사이에는 에어 갭이 형성될 수 있다.
실시예들에서, 강성부재는 서로 마주보고 결합하는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하며, 열 흡수부재는 제1 플레이트 및 제2 플레이트 사이에 수용될 수 있다.
실시예들에서, 제1 플레이트와 제2 플레이트는 서로 결합하여 열 흡수부재의 외부를 감쌀 수 있다.
실시예들에서, 제1 플레이트 및 제2 플레이트 중 적어도 하나는 열 흡수부재가 수용되는 수용부를 구비하며, 제1 플레이트와 제2 플레이트는 서로 결합하여 수용부에 수용된 열 흡수부재를 강성부재의 외부와 분리시킬 수 있다.
실시예들에서, 수용부는 동일한 방향으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용부 및 제2 수용부를 포함하며, 제1 수용부와 제2 수용부 사이에는 격벽이 구비될 수 있다.
실시예들에서, 제1 수용부 및 제2 수용부에는 각각 열 흡수부재가 수용되며 제1 수용부 및 제2 수용부에 수용되는 열 흡수부재 중 적어도 하나는 배터리 서브 모듈에 포함되는 어느 하나의 배터리 셀에 상응하는 면적을 갖도록 구비될 수 있다.
실시예들에서, 수용부는 격벽을 관통하여 제1 수용부와 제2 수용부를 연결하는 연결부를 더 포함하며, 열 흡수부재는 제1 수용부, 제2 수용부 및 연결부에 걸쳐 일체로 수용될 수 있다.
실시예들에서, 제1 플레이트는 제2 플레이와 맞닿는 적어도 일부 면에 체결 돌기가 구비되며, 제2 플레이트는 체결 돌기가 삽입되는 체결홈이 구비될 수 있다.
실시예들에서, 열 흡수부재는 강성부재의 측면에 수용되어 배터리 서브 모듈과 마주보게 구비될 수 있다.
실시예들에서, 강성부재의 측면에는 열 흡수부재가 수용되는 수용홈이 구비될 수 있다.
실시예들에서, 수용홈은 동일한 방향으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용홈 및 제2 수용홈을 포함하고, 제1 수용홈 및 제2 수용홈 중 적어도 하나는 배터리 서브 모듈에 포함되는 어느 하나의 배터리 셀에 상응하는 면적을 갖도록 구비될 수 있다.
실시예들에서, 수용홈은 제1 수용홈과 제2 수용홈을 연결하는 연결홈을 더 포함하고, 열 흡수부재는 제1 수용홈, 제2 수용홈 및 연결홈에 걸쳐 일체로 수용될 수 있다.
실시예들에서, 배리어는 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈 사이에 배치되며, 열 흡수부재는 강성부재의 양 측면에 각각 수용되어 배터리 서브 모듈과 각각 마주보게 구비될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에서, 배터리 서브 모듈의 일측면의 반대인 타측면과 마주보게 배치되며, 배리어보다 얇은 폭을 가지는 서브 배리어를 더 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
실시예들에 따르면, 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈 사이에 배리어가 구비되어, 배터리 서브 모듈을 안정적으로 지지하여 보호할 수 있다.
실시예들에 따르면, 배리어는 열 흡수부재를 수용하여, 인접한 배터리 서브 모듈에서 발생되는 열 에너지는 효과적으로 흡수할 수 있다.
실시예들에 따르면, 배리어에 수용되는 열 흡수부재는 배리어를 신속하게 냉각시켜 배리어가 열에 의해 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
실시예들에 따르면, 열 흡수부재가 수용된 배리어가 이웃하는 배터리 서브 모듈들 사이에 배치되어, 어느 하나의 배터리 서브 모듈에서 발생되는 열 또는 화염이 이웃한 다른 배터리 서브 모듈에 전이되는 것을 방지할 수 있다.
실시예들에 따르면, 배리어 또는 서브 배리어는 인접한 배터리 서브 모듈을 적층 방향으로 가압하는 돌출부를 구비하여, 배터리 서브 모듈은 안정적으로 지지할 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 실시예들에 따른 배터리 모듈의 일부 분해 사시도이다.
도 3은 실시예들에 따른 배터리 서브 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 실시예들에 따른 배리어의 사시도이다.
도 5는 실시예들에 따른 배리어의 분해 사시도이다.
도 6은 다른 실시예들에 따른 배리어의 분해 사시도이다.
도 7은 도 1의 I-I'부분의 일부 단면도이다.
도 8은 다른 실시예들에 따른 배리어의 사시도이다.
도 9는 다른 실시예들에 따른 배리어의 분해 사시도이다.
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 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소 또는 대응하는 구성요소를 지칭하는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 실시예들에 따른 배터리 모듈(100)의 사시도이며, 도 2는 실시예들에 따른 배터리 모듈(도 1의 100)의 일부 분해 사시도이다.
실시예들에서, 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 서브 모듈(110)이 일 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 적층되어 구비될 수 있다. 각각의 배터리 서브 모듈(110)은 하나 이상의 배터리 셀(예를 들어, 도 3의 112)을 포함하고 있으며, 이에 따라 배터리 서브 모듈(110)은 배터리 셀(도 3의 112)을 이용해 전기적 에너지를 충전하거나 방전할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 서브 모듈(110)들을 하나의 팩으로 묶어주는 구조물들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 일 방향으로 적층 배열되는 복수의 배터리 서브 모듈(110)을 하나의 팩으로 묶어주는 엔드 플레이트(181)를 포함할 수 있다.
실시예들에서 엔드 플레이트(181)는 배터리 모듈(100)의 양측 단부에 대향 배치될 수 있으며, 엔드 플레이트(181)들과 배터리 서브 모듈(110)들은 이들을 관통하는 연결부재(182)에 의해 상호 고정될 수 있다. 연결부재(182)는 대향 배치되는 엔드 플레이트(181)들을 서로 가까워 지는 방향으로 가압함으로써, 배터리 서브 모듈(110)들은 상호간에 적층 방향(Z축 방향)으로 가압된 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 적층 방향(Z축 방향)으로 연장되는 바(bar) 형태의 연결부재(182)의 양단에 엔드 플레이트(181)가 각각 끼워지고, 그 위에 너트가 결합될 수 있다. 엔드 플레이트(181)와 연결부재(182)가 배터리 셀(도 3의 112)의 양측면을 가압함으로써 배터리 셀(도 3의 112)을 안정적으로 지지할 수 있다. 실시예들에서 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 서브 모듈(110)의 측부를 감싸는 측벽커버부재(183)를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서 배터리 모듈(100)은 배터리 서브 모듈(110)들의 사이에 배치되는 하나 이상의 배리어(120)를 포함할 수 있다. 배리어(120)는 열 에너지를 흡수할 수 있는 열 흡수부재(예를 들어, 도 5, 도 6 및 도8의 124)가 수용된 강성부재(예를 들어, 도 4의 121)로 구성되며, 이에 따라 배터리 서브 모듈(110)을 물리적으로 지지함과 동시에 방호벽 역할을 수행할 수 있다.
한편, 실시예들에 따른 배터리 모듈(100)은 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)가 구비되지 않은 배리어(130)를 더 포함할 수 있다. 즉, 배터리 모듈(100)에는 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)를 포함하는 배리어(120)와 열 흡수부재 도 5, 도 6 및 도8의 124를 포함하지 않은 배리어(130)가 모두 포함될 수 있다. 용어의 혼선을 피하기 위해, 이하의 설명에서는 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)를 포함하는 배리어(120)를 '배리어'로 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)를 포함하지 않는 배리어(130)를 '서브 배리어'로 정의한다.
실시예들에서, 배터리 서브 모듈(100)은 배리어(120) 및 서브 배리어(130)에 의해 양 측에서 지지될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 배터리 서브 모듈(110)의 일측면에 배치되는 배리어(120) 및 배터리 서브 모듈(110)의 타측면에 배치되며 배리어(120)와 두께가 상이한 서브 배리어(130)를 포함할 수 있다. 서브 배리어(130)는 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)가 구비되지 않으므로, 배리어(120)보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
다만, 도 2의 도시는 일 예시일 뿐이며, 실시예들에 따른 배터리 모듈(100)에는 모두 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)를 구비한 배리어(120)만이 구비될 수도 있다.
실시예들에 따른 배터리 모듈(100)에서, 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈(110)들 사이에는 배리어(120) 또는 서브 배리어(130)가 번갈아 가면서 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 배리어(120)와 서브 배리어(130)가 교번하여 배터리 서브 모듈(110)들 사이에 배치될 수 있다. 다만, 도 1 또는 도 2는 일 예시일 뿐이며, 실시예들에서 배리어(120) 및 서브 배리어(130)의 배치 방법은 다양할 수 있다. 예를 들어, 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈(110)들 사이에 배리어(120)가 2 번 이상 연속적으로 배치된 이후 서브 배리어(130)가 배치될 수도 있으며, 반대로 서브 배리어(130)가 2 번 이상 연속적으로 배치된 이후 배리어(120)가 배치될 수도 있다. 즉, 실시예들에 따른 배터리 모듈(100)에서 배터리 서브 모듈(110), 배리어(120) 및 서브 배리어(130)가 배치되는 패턴은 일정하지 않을 수 있다.
실시예들에서 배리어(120)는 서브 배리어(130)보다 더 두껍게 구비될 수 있다. 배리어(120) 및 서브 배리어(130)는 기본적으로 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈(110)들 사이의 열전도 내지 열복사를 저감하는 기능을 하는데, 배리어(120) 및 서브 배리어(130)가 두껍게 마련될수록 이러한 기능을 더 잘 수행할 수 있다. 다만, 배리어(120) 및 서브 배리어(130)의 두께가 늘어날수록 배터리 모듈(100)의 에너지 밀도는 줄어들기 때문에, 배리어(120) 및 서브 배리어(130)의 두께는 효율성을 지나치게 저하시키지 않는 수준으로 마련될 수 있다.
실시예들에 따른 배리어(120)는 이웃하는 배터리 서브 모듈(110)에서 발생되는 열 에너지를 흡수할 수 있는 열 흡수부재(예를 들어, 도 5, 도 6 및 도8의 124)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 배리어(120)는 인접한 배터리 서브 모듈(110)에서 발생되는 열 에너지를 흡수할 수 있는 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)를 포함할 수 있다. 이에 따라 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)가 구비된 배리어(120)는 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈(110)들 사이의 열전도 내지 열복사를 보다 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)가 배터리 셀의 열 에너지를 흡수하여 배리어(120)의 열 변형을 방지할 수 있다.
실시예들에서, 배터리 모듈(100)에 포함되는 복수의 배리어(120)에 구비되는 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)의 양은 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 배리어(120)에 구비되는 열 흡수부재의 양은 이웃하는 다른 배리어(120)에 구비되는 열 흡수부재의 양보다 많을 수 있다. 실시예들에 따른 배터리 모듈(100)은 서로 다른 양의 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)를 구비한 배리어(120)를 번갈아 배치하여 전체 배터리 모듈(100)의 에너지 밀도를 유지하면서 열 흡수 효과를 극대화시킬 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 실시예들에 따른 배터리 모듈(100)에 포함되는 배터리 서브 모듈(110)에 관해 상세히 설명한다.
도 3은 실시예들에 따른 배터리 서브 모듈(110)의 사시도이다. 도 3에서 설명되는 배터리 서브 모듈(110)은 앞서 도 1 및 도 2에서 설명되는 배터리 서브 모듈(110)에 대응되는 것으로, 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에 따른 배터리 서브 모듈(110)은 하나 이상의 배터리 셀(112)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 서브 모듈(110)은 하나 이상의 배터리 셀(112) 및 배터리 셀(112)이 수용되는 셀 지지부재(111)를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 어느 하나의 배터리 셀(112)은 전극 조립체 및 전극 조립체를 감싸는 셀 바디부재를 포함할 수 있다.
전극 조립체는 실질적으로 전해액을 포함하여 함께 셀 바디부재에 수납되어 사용된다. 배터리 셀(112)에 포함되는 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.
셀 바디부재는 전극 조립체를 외부 충격으로부터 보호하도록 구성된다. 셀 바디부재는 파우치형 부재 또는 캔형 부재로 구비될 수 있다. 예를 들어, 파우치형 부재는 전극 조립체를 3면에서 실링하여 수용하는 형태로서, 주로 하면부인 일면부를 제외한 상면부 및 양측면부의 3면을 내부에 전극 조립체가 수용된 상태에서 포개어 접합하여 구성될 수 있다. 또한, 캔형 부재는 전극 조립체를 어느 일 면에서 실링하여 수용하는 형태로서, 주로 하면부 및 양측면부인 세개 면을 제외한 상면부의 일 면을 내부에 전극 조립체가 수용된 상태에서 포개어 접합하여 구성될 수 있다.
실시예들에 따른 하나 이상의 배터리 셀(112)은 셀 지지부재(111) 내부에 수용될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 지지부재(111)는 적어도 하나의 배터리 셀(112)의 측부(또는 가장자리)를 감싸는 사각틀 형태를 가지며, 사각틀 내부에 배터리 셀(112)이 수용될 수 있다. 도 3에 도시된 실시 예에서 셀 지지부재(111)는 상하 방향(예를 들어, X축 방향)으로 구획된 2개의 공간(111a)을 포함할 수 있고, 이들 공간(111a)에 각각 한 쌍의 배터리 셀(112)이 수용될 수 있다. 일측 공간(111a)에 수용된 한 쌍의 배터리 셀(112)들은 서로 밀착될 수 있다. 다만, 도 3에 도시된 것은 예시일 뿐이며, 실시예들에서 셀 지지부재(111)의 구조나 셀 지지부재(111) 내부에 수용되는 배터리 셀(112)의 개수는 도시된 실시예와 다르게 구비될 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 서브 모듈(110)은 셀 지지부재(111)에 수용된 배터리 셀(112)의 적어도 일부를 감싸는 케이스(113)를 더 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 지지부재(111)의 일측 공간(111a)에 수용되는 한 쌍의 배터리 셀(112)들은 각각 어느 일 측면이 외부로 노출될 수 있으며, 케이스(113)는 한 쌍의 배터리 셀(112)들의 노출된 측면들을 감싸는 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 케이스(113)는 상부 플레이트(113a)와 상부 플레이트(113a)의 양단에서 같은 방향으로 각각 나란히 연장되는 사이드 플레이트(113b)를 포함하여, 상부 플레이트(113a)와 두 개의 사이드 플레이트(113b)로 둘러싸인 내부 공간을 구비할 수 있다. 케이스(113)는 그 내부 공간에 한 쌍의 배터리 셀(112)이 위치하도록 셀 지지부재(111)에 결합될 수 있으며, 이에 따라 케이스(113)의 양 측 사이드 플레이트(113b)는 한 쌍의 배터리 셀(112)의 측면을 감싸고 커버할 수 있다. 실시예들에서 케이스(113)는 내부 공간에 위치하는 배터리 셀(112)을 양 측 사이드 플레이트(113b)가 마주 보는 방향으로 가압하도록 구성될 수 있다.
실시예들에서, 케이스(113)는 금속 소재로 형성되어, 배터리 셀(112)의 화염 전파를 방지할 수 있게 구성될 수 있다. 케이스(113)는 금속 소재, 예를 들어 철(Fe) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 또는, 케이스(113)는 배터리 셀에서 발생되는 고온(예를 들어, 800℃ 이상의 온도)의 열이 가해지더라도 형태를 유지하는 단일 금속 소재 또는 합금 소재로 형성될 수 있다. 즉, 케이스(113)의 소재는 고온에서 형태를 유지하는 금속 소재 또는 복수의 금속들을 혼합한 합금소재로 형성 될 수 있다. 실시예들에서 케이스(113)는 금속 소재로 형성됨에 의해서, 배터리 셀(112)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 냉각 작용도 수행할 수 있다. 실시예들에서 케이스(113)는 배터리 셀(112)에서 발생하는 열 에너지를 흡수하여 배터리 서브 모듈(110) 외부로 발산하도록 구성될 수 있다
배터리 셀(112)에서 발생하여 배터리 서브 모듈(110) 외부로 발산되는 열 에너지는 인접한 다른 배터리 서브 모듈로 전파되어 인접한 다른 배터리 서브 모듈의 전기적 성능에 영향을 주거나 혹은 열적 충격을 가할 우려가 있다. 또는 어느 하나의 배터리 서브 모듈(110)에서 발생된 화염이 인접한 다른 배터리 서브 모듈에 전이되어 연쇄적 발화를 야기할 우려가 있다. 이를 방지하기 위해, 실시예들에 따른 배터리 모듈은 서로 이웃한 배터리 서브 모듈(110) 사이에 배치되어 방호벽의 역할을 수행할 수 있는 배리어(예를 들어, 도 2의 120)를 구비할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 실시예들에 따른 배리어(120)에 관해 상세히 설명한다.
도 4는 실시예들에 따른 배리어(120)의 사시도이다. 도 4에서 설명되는 배리어(120)는 앞서 도 1 내지 도 3에서 설명되는 배리어(120)에 대응되는 것으로, 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에 따른 배리어(120)는 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 사이에 배치되어 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)을 물리적으로 지지함과 동시에 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)들 사이의 방호벽으로 작용하여, 서로 이웃한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 사이의 화재 전이를 막을 수 있다.
실시예들에 따른 배리어(120)는 배리어(120)의 골격을 이루는 강성부재(121) 및 강성부재(121)에 내측 또는 외측에 수용되는 열 흡수부재(예를 들어, 도 5, 도 6 및 도8의 124)를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 강성부재(121)는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)의 적어도 일부를 가압하여 지지할 수 있다. 강성부재(121)는 800℃ 이상의 온도에서도 형태를 유지하는 열경화성 폴리머 소재, 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene Sulfide) 소재 또는 적어도 석고를 포함하는 소재로 형성될 수 있다. 또는 강성부재(121)는 금속소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 강성부재(121)는 가벼우면서도 내열성, 내화성 또는 내화학성이 우수한 알루미늄을 포함할 수 있다. 다만, 강성부재(121)의 소재는 이에 한정되지 않으며, 열을 가하여도 형태를 유지할 수 있는 재료라면 어떠한 것으로도 이루어질 수 있다. 즉, 강성부재(121)는 내화성을 가지는 재료로 구성되어, 인접한 어느 하나의 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 발생한 화염이나 가스가 다른 배터리 서브 모듈에 전이되는 것을 방지할 수 있다.
실시예들에서 강성부재(121)는 베이스(122) 및 베이스(122)의 가장자리에서 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)을 향하는 방향(예를 들어, Z 방향)으로 돌출된 돌출부(123)를 포함할 수 있다.
베이스(122)는 배리어(120)의 길이 방향 양 단부 사이에서 연장되어 구비되어, 배리어(120)의 측면을 형성할 수 있다. 배리어(120)가 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 인접하여 배치되는 경우, 베이스(122)는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 포함되는 배터리 셀(예를 들어, 도 3의 112)의 일 측면 또는 베터리 셀(도 3의 112)의 일 측면을 감싸는 케이스의 사이드 플레이트와 마주보게 배치될 수 있다.
실시예들에서, 베이스(122)는 배리어(120)의 어느 일 측면에 하나 이상 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 베이스(122)는 배리어(120) 일 측면의 상단 및 하단에 각각 하나씩 형성될 수 있으며, 이에 따라 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 상하 방향(도 3의 X축 방향)으로 수용된 배터리 셀(도 3의 112)의 측면과 각각 대응되도록 구비될 수 있다.
실시예들에서 배리어(120)의 베이스(122)는 벨로즈(bellows) 형태로 형성되며, 이에 따라 배리어(120) 일측의 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 발생한 폭발에 의한 고압의 에너지를 탄성적으로 흡수하여, 상기 고압의 에너지로부터 배리어(120) 타측의 배터리 서브 모듈을 보호할 수 있다. 예를 들어, 폭발에 의해 발생한 고압의 기체가 베이스(122)를 가압하면, 벨로즈 형태의 베이스(122)는 평평한 형태로 탄성 변형되면서 고압의 충격 에너지를 흡수할 수 있다. 이에 따라, 배리어(120) 일측에 위치하는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 발생한 폭발 에너지가 배리어(120) 타측에 위치하는 다른 배터리 서브 모듈에 미치는 영향을 저감시킬 수 있다.
돌출부(123)는 베이스(122)의 적어도 일부 면에서 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)을 향하는 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 돌출되어 구비될 수 있다. 돌출부(123)는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)의 적어도 일부를 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 안쪽 방향으로 가압하도록 구성될 수 있다. 여기서 배터리 서브 모듈의 안쪽 방향은 배터리 서브 모듈의 외부 표면에서 배터리 서브 모듈의 내부를 향하는 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 케이스(도 3의 113)가 배터리 셀을 감싸도록 구비되는 경우, 강성부재(121)의 돌출부(123)는 케이스(도 3의 113)의 일부분을 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 안쪽 방향으로 가압하여 케이스(도 3의 113)가 셀 지지부재(도 3의 111)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
실시예들에서, 돌출부(123)는 베이스(122)의 가장 자리에서 돌출되어 구비될 수 있다. 이에 따라, 실시예들에 따른 배리어(120)에서 돌출부(123)가 구비되는 가장 자리의 두께는 베이스(122)가 구비되는 중앙 부분의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
실시예들에서 배리어(120) 및 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 사이에는 이격 공간, 즉 에어 갭(Air gap, 예를 들어 도 7의 G)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 배리어(120)는 돌출부(123)를 통해 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 접촉하며, 배리어(120)의 돌출부(123) 외 다른 부분(예를 들어, 베이스(122)의 적어도 일부면)은 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)과 이격되어 그 사이에 에어 갭(도 7의 G)을 형성할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 배리어(120)의 돌출부(123)는 베이스(122)에서 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)을 향하는 방향으로 더 돌출되어 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)과 접촉할 수 있으며, 이에 따라 배리어(120)의 베이스(122)와 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)의 측면 사이가 이격되어 에어 갭(도 7의 G)이 형성될 수 있다. 배리어(120)와 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 사이에 생긴 에어 갭(도 7의 G)은 어느 하나의 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 열 또는 화염이 발생하더라도 이웃하는 다른 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)로 열 또는 화염이 전이되는 것을 방지하거나 전이되는 속도를 감소시킬 수 있다. 또한 에어 갭(도 7의 G)은 배터리 셀(도 3의 112)의 스웰링 현상이 발생하는 경우 완충 공간으로 작용할 수 있다.
실시예들에 따른 배리어(120)는 강성부재(121)의 외측 또는 내측에 수용되는 열 흡수부재(예를 들어, 도 5, 도 6 및 도8의 124)를 포함할 수 있다. 열 흡수부재(도 5, 도 6 및 도8의 124)는 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 발생되는 열 에너지를 흡수하여 다른 배터리 서브 모듈로 전이되는 것을 방지함과 동시에, 강성부재(121)가 상기 열 에너지에 의해 형상이 변형되어 구조적으로 붕괴하는 것을 막을 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 6을 참조하여, 실시예들에 따른 열 흡수부재 및 이를 구비한 배리어(120)에 관해 상세히 설명한다.
도 5는 실시예들에 따른 배리어(120)의 분해 사시도이다. 도 5에서 설명되는 배리어(120)는 앞서 도 4에서 설명되는 배리어(120)의 특징을 모두 포함하는 것으로, 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에 따른 배리어(120)는 강성부재(121) 및 강성부재(121) 내부에 수용되는 하나 이상의 열 흡수부재(124)를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 강성부재(121)는 복수의 플레이트(121a, 121b)가 결합되어 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 강성부재(121)는 제1 플레이트(121a) 및 제2 플레이트(121b)가 서로 마주보고 결합하여 구비될 수 있다.
제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)는 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)을 물리적으로 지지할 수 있도록 강성을 가진 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b) 중 적어도 하나는 열경화성 폴리머 소재, 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene Sulfide) 소재 또는 적어도 석고를 포함하는 소재로 형성될 수 있다.
제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)는 각각 서로 마주 보는 일 측면과 반대되는 타 측면에 베이스 및 돌출부를 구비할 수 있다. 여기서 말하는 베이스 및 돌출부는 앞서 도 4에서 설명되는 베이스(122) 및 돌출부(123)에 대응되는 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조할 수 있다.
제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)는 상호 결합하여 하나의 강성부재(121)를 형성할 수 있다. 실시예들에서, 강성부재(121)는 제1 플레이트(121a) 및 제2 플레이트(121b)의 체결을 위한 보조부재(127, 128)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 부분 확대도에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(121a)는 제2 플레이트(121b)와 맞닿는 적어도 일부 면에 체결 돌기(127a)가 구비될 수 있다. 제1 플레이트(121a)의 체결 돌기(127a)에 대응하여, 제2 플레이트(121b)에는 체결 홈(미도시)이 구비될 수 있다. 제1 플레이트(121a)의 체결 돌기(127a)가 제2 플레이트(121b)의 체결 홈(미도시)에 삽입되어 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b) 사이의 결합 강도가 증가할 수 있다. 실시예들에서 제1 플레이트(121a)의 적어도 일부 면에는 체결 돌기(127a)가 구비되며, 다른 일부 면에는 체결 홈(127b)이 구비될 수도 있다. 이에 대응하여 제2 플레이트(121b)는 제1 플레이트(121a)의 체결 돌기(127a)와 마주보는 체결 홈(미도시) 및 제1 플레이트(121a)의 체결 홈(127b)과 마주보는 체결 돌기(미도시)가 구비될 수 있다.
체결을 위한 보조부재(127, 128)의 다른 예로, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)를 관통하는 나사 홈(126a)에 삽입되는 볼트(128b) 및 볼트(128b)에 결합되는 너트(128a)가 구비될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)를 관통하는 나사 홈(126a)에 볼트(128b)가 삽입되며, 볼트(128b)의 단부에는 너트(128a)가 결합되어, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)가 결합된 상태에서 양 측에서 가압할 수 있다. 실시예들에서 너트(128a)는 제1 플레이트(121a) 또는 제2 플레이트(121b)와 일체로 형성될 수 있으며, 또는 나사 홈(126a)에 볼트(128b)와 대응하는 나사선이 형성되고 너트(128a)는 생략될 수도 있다. 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)의 결합을 위한 보조부재(127, 128)가 구비됨에 따라, 배터리 셀(도 3의 112)의 화재나 폭발로 인한 압력이 강성부재(121)에 가해지는 경우 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)가 서로 어긋나거나 비틀리는 것을 방지할 수 있다.
제1 플레이트(121a) 및 제2 플레이트(121b) 중 적어도 하나는 열 흡수부재(124)를 수용할 수 있는 수용부(125)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(121a)는 제2 플레이트(121b)와 마주보는 면의 적어도 일부가 함몰되어 형성되는 수용부(125)를 구비할 수 있으며, 이에 따라 수용부(125)의 내부 공간에 열 흡수부재(124)의 적어도 일부가 수용될 수 있다. 한편, 제2 플레이트(121b)는 제1 플레이트(121a)의 수용부(125)와 대응되는 위치에 수용부를 구비할 수 있으며, 이에 따라 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)가 결합하여 열 흡수부재(124)를 수용하기에 충분한 공간을 가진 수용부(125)를 형성할 수 있다.
실시예들에 따른 강성부재(121)의 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)는 서로 마주보고 결합하여, 수용부(125)에 수용된 열 흡수부재(124)를 강성부재(121)의 외부로부터 분리시킬 수 있다. 여기서 강성부재(121)의 외부는 강성부재(121)의 외면 바깥 부분의 공간으로, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)의 결합에 의해 형성되는 수용부(125) 공간과 구분되는 공간을 의미할 수 있다. 즉, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)는 서로 마주보고 결합하여, 수용부(125)와 강성부재(121)의 바깥 부분의 공간을 서로 분리할 수 있다. 또한 실시예들에서, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)가 열 흡수부재(124)의 외부를 감싸여, 열 흡수부재(124)가 수용부(125) 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
실시예들에 따른 배리어(120)에서 수용부(125)는 하나 이상 구비될 수 있다. 실시예들에서 수용부(125)는 복수 개 형성될 수 있으며, 복수 개의 수용부(125)는 동일한 방향으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용부(125a) 및 제2 수용부(125b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 수용부(125)는 각각 강성부재(121)의 길이 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용부(125a) 및 제2 수용부(125b)를 포함할 수 있다. 이에 따라 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)에는 각각 하나 이상의 열 흡수부재(124)가 수용될 수 있다. 다만, 도 5는 예시일 뿐이며, 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)는 강성부재(121)의 폭 방향(예를 들어, X축 방향)으로 연장되어 형성될 수도 있다.
제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b) 사이에는 격벽(126)이 구비되어 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)를 구획할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(121a)는 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b) 사이에서 제1 플레이트(121a)의 길이 방향으로 연장되는 칸막이 형태의 격벽(126)을 구비할 수 있다. 제2 플레이트(121b) 역시 제1 플레이트(121a)의 격벽(126)에 대응되는 위치에 격벽을 구비할 수 있으며, 제1 플레이트(121a)의 격벽(126)과 제2 플레이트(121b)의 격벽이 서로 맞닿아 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)를 구획하는 하나의 격벽을 형성할 수 있다. 즉, 제1 플레이트(121a)와 제2 플레이트(121b)가 결합함에 따라, 실시예들에 따른 수용부(125)는 격벽(126)을 기준으로 하여 상하로 배열되는 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)로 나뉠 수 있다.
실시예들에서, 수용부(125)는 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 포함되는 배터리 셀(도 3의 112)의 위치에 대응되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)는 배리어(120) 내부에서 상하 방향(X축 방향)으로 배열되어, 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 포함되는 배터리 셀(도 3의 112)의 위치에 대응되도록 구비될 수 있다. 또한, 제1 수용부(125a) 및 제2 수용부(125b) 중 적어도 하나는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 포함되는 하나의 배터리 셀(도 3의 112)의 측면 면적과 상응하는 면적을 가질 수 있다. 이에 따라 제1 수용부(125a) 또는 제2 수용부(125b)에 수용되는 열 흡수부재(124)는 하나의 배터리 셀(도 3의 112)의 측면 면적에 상응하는 면적을 갖도록 구비될 수 있다. 열 흡수부재(124)가 배터리 셀(도 3의 112)과 상응하는 면적으로 구비됨에 따라, 열 흡수부재(124)가 배터리 셀의 측면을 모두 커버하여 열 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있다.
실시예들에 따른 열 흡수부재(124)는 제1 플레이트(121a) 및 제2 플레이트(121b)의 수용부(125)에 수용되어 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 발생되는 열 에너지를 흡수할 수 있다. 열 흡수부재(124)는 주위 환경의 열 에너지를 흡수할 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 열 흡수부재(124)는 하이드로겔(Hydrogel)을 포함할 수 있다. 하이드로겔은 자신 질량의 수십배에서 수천배에 해당하는 수분을 흡수할 수 있는 합성 고분자 물질로서, 유체를 흡수하여 겔(Gel)화되는 성질을 가지는 폴리머(Polymer)를 의미할 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 흡수성 수지(또는 고흡수성 수지, Super Absorbent Polymer), 폴리아크릴 아마이드(Polyacryl amide), 폴리아크릴산(Polyacryl acid), 폴리메타크릴산(Polymethacrylic acid), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 젤라틴(Gelatin), 폴리사카라이드(Polysaccarides), 셀룰로오스계(Sodium carboxyl methyl cellulose), 키토산(Chitosan) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만 상기 물질들은 실시예들에 따른 하이드로겔을 이루는 일부 예시 물질일 뿐이며, 하이드로겔은 유체를 흡수하고 소정의 압력 하에서 흡수된 유체를 보유할 수 있는 기능을 가진 물질이라면 어떠한 것으로도 이루어질 수 있다. 실시예들에 따른 열 흡수부재(124)에 포함된 하이드로겔은 액체(예를 들어, 물)를 흡수한 반고형의 겔(Gel) 상태로 구비될 수 있으며, 하이드로겔에 흡수된 액체가 주위 환경의 열 에너지를 흡수할 수 있다. 이에 따라 열 흡수부재(124)가 배터리 셀(도 3의 112)에서 발생된 화재나 폭발로 인한 열 에너지를 흡수하고 강성부재(121)를 냉각하여, 열에 의한 배리어(120)의 변형 내지 파손을 방지하고 나아가 전체 배터리 모듈(예를 들어, 도 1의 100)의 구조적 붕괴를 막을 수 있다. 다만, 실시예들에 따른 열 흡수부재(124)의 소재는 하이드로겔에 국한되지 않으며, 열 에너지를 흡수할 수 있는 소재라면 어떠한 것으로도 구비될 수 있다.
열 흡수부재(124)는 강성부재(121)에 구비되는 수용부(125)에 수용될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 수용부(125a) 및 제2 수용부(125b)에는 각각 열 흡수부재(124)가 수용될 수 있다. 실시예들에서, 제1 수용부(125a) 또는 제2 수용부(125b)에 수용되는 열 흡수부재(124)는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 수용되는 배터리 셀(도 3의 112)의 면적에 상응하는 크기로 구비될 수 있다.
실시예들에서, 수용부(125)와 열 흡수부재(124) 사이에는 접착 부재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 열 흡수부재(124)가 수용부(125)와 맞닿는 부분에는 열 흡수부재(124)를 수용부(125)에 밀착시킬 수 있는 접착제 또는 점착제가 더 구비될 수 있으며, 이에 따라 열 흡수부재(124)는 강성부재(121)의 내측면에 밀착되어 위치가 고정될 수 있다. 열 흡수부재(124)가 강성부재(121)의 내측면에 밀착되므로, 강성부재(121)로부터 열 흡수부재(124)로의 열 전도가 더 원활히 발생하여 열 흡수 속도 및 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 실시예들에서 강성부재(121)의 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)는 서로 연통되어 구비될 수 있다. 예를 들어, 강성부재(121)는 격벽(126)을 관통하여 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)를 연결하는 연결부(125c)를 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 열 흡수부재(124)는 일체로 구비되어 제1 수용부(125a), 제2 수용부(125b) 및 연결부(125c)에 걸쳐 수용될 수 있다. 실시예들에서, 연결부(125c)가 서로 나란히 연장되는 제1 수용부(125a)와 제2 수용부(125b)의 중앙에 위치하는 경우, 열 흡수부재(124)는 수용부(125)의 형상에 대응하여 'H'자 형상으로 구비될 수 있다.
이하에서, 열 흡수부재(124) 중 제1 수용부(125a)에 수용되는 부분을 제1 부분, 제2 수용부(125b)에 수용되는 부분을 제2 부분, 연결부(125c)에 수용되는 부분을 연결 부분이라고 정의한다.
열 흡수부재(124)가 강성부재(121)의 수용부(125)에 일체로 구비됨에 따라, 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)에서 집중적으로 발생되는 열 에너지를 보다 효과적으로 흡수할 수 있다. 예를 들어, 배터리 서브 모듈(도 3의 110)에 수용된 복수의 배터리 셀 중 열 흡수부재(124)의 제1 부분과 마주보는 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)에서 열 또는 화염이 발생한 경우, 열 흡수부재(124)의 제1 부분에서 흡수된 열 에너지는 연결 부분을 통해 제2 부분까지 전달될 수 있다. 이에 따라, 열 흡수부재(124)의 제1 부분, 제2 부분 및 연결부분을 포함한 모든 부분이 열 에너지를 흡수할 수 있게 되어, 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)로부터 더욱 많은 열 에너지를 흡수할 수 있게 된다. 즉, 열 흡수부재(124)가 강성부재(121)의 내부에서 일체로 형성됨에 따라, 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)에서 집중적으로 열 에너지가 발생하더라도 효과적으로 열을 흡수하여 배터리 서브 모듈(도 3의 110) 및 강성부재(121)를 신속하게 냉각시킬 수 있다.
한편, 도 6의 실시예들에 따른 배리어(120)에서 연결부(125c) 및 일체로 형성되는 열 흡수부재(124)를 제외한 나머지 특징은 앞서 도 5에서 설명되는 배리어(120)의 특징과 대응되므로, 이에 대한 설명은 도 5를 참조할 수 있다.
도 7은 도 1의 I-I'의 일부 단면도이다. 도 7에서 설명되는 배터리 모듈(100) 및 그 세부 구성은 앞서 도 1 내지 도 6에서 설명되는 실시예들에 따른 배터리 모듈(예를 들어, 도 1의 100)의 특징을 모두 포함하는 것으로, 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 서브 모듈(110), 배리어(120) 및 서브 배리어(130)가 일 방향으로 적층되어 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 어느 하나의 배터리 서브 모듈(110)의 일측에는 배리어(120)가 배치될 수 있으며, 타측에는 배리어(120)보다 얇은 두께를 가지는 서브 배리어(130)가 배치될 수 있다. 여기서 배리어(120)는 앞서 도 1 내지 도 6에서 설명한 배리어(120)에 대응될 수 있으며, 서브 배리어(130)는 도 1 및 도 2에서 설명한 서브 배리어(130)에 대응될 수 있다.
배리어(120) 또는 서브 배리어(130)는 배터리 서브 모듈(110)의 적어도 일부를 가압하여 지지할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 배리어(120)에는 인접하는 배터리 서브 모듈(110)을 향하는 방향으로 돌출되는 돌출부(123)가 구비될 수 있으며, 이 돌출부(123)가 인접하는 배터리 서브 모듈(110)을 가압하여 지지할 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 서브 모듈(110)은 배터리 셀(112)의 측면 덮는 케이스(113)를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 배리어(120) 및 서브 배리어(130)의 돌출부(123)는 케이스(113)의 적어도 일부를 가압하여 지지할 수 있다. 돌출부(123)가 가압하는 힘에 의해 케이스(113)의 사이드 플레이트(113b)는 배터리 셀(112)의 측면에 밀착할 수 있다. 또한, 돌출부(123)는 케이스(113)가 사이드 플레이트(113b)가 배터리 서브 모듈(110)의 외곽으로 벌어지는 것을 방지할 수 있다.
실시예들에 따른 배리어(120)는 베이스(122)가 배터리 서브 모듈(110)에 포함되는 케이스(113)의 사이드 플레이트(113b)에 마주 하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 배리어(120)의 베이스(122)와 배터리 서브 모듈(110)의 사이드 플레이트(113b) 사이에 에어 갭(Air gap, G)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 배리어(120)의 베이스(122)와 사이드 플레이트(113b) 사이에는 소정의 공간, 즉 에어 갭(G)이 형성될 수 있다. 배터리 서브 모듈(110)과 배리어(120) 사이에 형성되는 에어 갭(G)은 배터리 서브 모듈(110)에서 발생되는 열 또는 화염이 이웃하는 다른 배터리 서브 모듈(110)로 전파되는 것을 방지하거나 혹은 전파되는 속도를 늦출 수 있다. 또한 에어 갭(G)은 배터리 셀(도 3의 112)의 스웰링 현상이 발생하는 경우 완충 공간으로 작용할 수 있다. 한편, 서브 배리어(130)와 배터리 서브 모듈(110) 사이에도 동일한 기능을 수행할 수 있는 에어 갭(G)이 형성될 수 있다.
실시예들에서, 케이스(113)의 사이드 플레이트(113b)와 마주 보는 배리어(120)의 베이스(122)에는 배터리 셀(112)의 스웰링 현상에 따른 배터리 셀(112)의 팽창압력을 흡수하는 완충 패드(미도시)가 더 구비될 수도 있다.
실시예들에 따른 배터리 모듈에 포함되는 배리어(120)의 내부에는 열 흡수부재(124)가 수용될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 이웃하는 배터리 서브 모듈(110) 사이에 배치되는 배리어(120) 내부의 수용부(예를 들어, 도 5의 152, 도 6의 162)에 열 흡수부재(124)가 수용될 수 있다. 열 흡수부재(124)는 인접한 배터리 서브 모듈(110)의 배터리 셀(112)에서 발생된 열 에너지를 흡수할 수 있으며, 이에 따라 어느 한 배터리 서브 모듈(110)에서 발생된 열 또는 화염이 이웃한 다른 배터리 서브 모듈(110)로 전이되는 것을 방지할 수 있다.
다른 실시예들에서, 열 흡수부재는 배리어(120)의 측면에 수용될 수도 있다. 이하에서는 도 8 내지 도 9를 참조하여 측면에 열 흡수부재가 구비되는 배리어(120)에 관해 설명한다.
도 8은 실시예들에 따른 배리어(120)의 사시도이며, 도 9는 실시예들에 따른 배리어(120)의 분해 사시도이다. 도 8에서 설명되는 배리어(120)는 앞서 도 4에서 설명되는 배리어(120)의 특징을 모두 포함하는 것으로, 중복되는 설명은 생략한다.
배리어(120)는 강성부재(121) 및 강성부재(121)의 양 측면 중 적어도 한 측면에 수용되는 열 흡수부재(124)를 포함할 수 있다. 이에 따라 열 흡수부재(124)는 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 2 및 도 3의 110)과 마주보게 배치되어 배터리 셀(도 3의 112)에서 발생되는 열 에너지를 신속하게 흡수할 수 있다.
실시예들에서 배리어(120)의 강성부재(121)는 열 흡수부재(124)가 수용되는 수용홈(129) 및 배터리 서브 모듈(도 2 및 도 3의 110)을 가압하는 돌출부(123)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 강성부재(121)의 측면을 형성하는 베이스(122)에는 열 흡수부재가 수용되는 수용홈(129)이 형성될 수 있다. 돌출부(123)는 수용홈(129)이 구비되는 베이스(122)의 적어도 일부 면에서 인접한 배터리 서브 모듈(도 2 및 도 3의 110)을 향하는 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 돌출되어 구비될 수 있다. 돌출부(123)는 배리어(120)와 인접하는 배터리 서브 모듈(도 2 및 도 3의 110)의 적어도 일부를 가압하여 지지할 수 있다. 실시예들에 따른 돌출부(123)는 앞서 도 4에서 설명되는 실시예들에 따른 돌출부(123)와 대응되는 것으로, 구체적인 설명은 도 4를 참조할 수 있다.
실시예들에 따른 배리어(120)의 수용홈(129)은 강성부재(121)의 측면에 형성되며, 돌출부(123)보다 안쪽에 위치한다. 이에 따라, 실시예들에 따른 배리어(120)에서 돌출부(123)가 구비되는 부분의 두께는 수용홈(129)이 구비되는 부분의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
강성부재(121)의 측면에는 열 흡수부재(124)가 수용될 수 있는 수용홈(129)이 구비될 수 있다. 열 흡수부재(124)는 강성부재(121)의 수용홈(129)에 수용되어, 배리어(120)가 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 인접하게 배치될 경우 강성부재(121)와 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 사이에 위치할 수 있다. 실시예들에서, 수용홈(129)은 강성부재(121)의 일 측면에 하나 이상 구비될 수 있다. 실시예들에서 수용홈(129)은 복수 개 형성될 수 있으며, 복수 개의 수용홈(129)은 동일한 방향으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용홈(129a) 및 제2 수용홈(129b)을 포함할 수 있다. 이에 따라 제1 수용홈(129a) 및 제2 수용홈(129b)에는 각각 하나 이상의 열 흡수부재(124)가 수용될 수 있다. 예를 들어, 배리어(120)는 강성부재(121)의 일 측면에서 강성부재(121)의 길이 방향 또는 폭 방향으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용홈(129a) 및 제2 수용홈(129b)을 구비할 수 있다.
실시예들에서, 제1 수용홈(129a) 및 제2 수용홈(129b)은 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 포함되는 배터리 셀(도 3의 112)의 위치에 대응되도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 수용홈(129a)과 제2 수용홈(129b)은 강성부재(121)의 일 측면에서 상하 방향(X축 방향)으로 형성되어, 배리어(120)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 포함되는 배터리 셀의 위치에 대응되도록 구비될 수 있다. 또한 실시예들에서, 제1 수용홈(129a) 및 제2 수용홈(129b) 중 적어도 하나는 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 수용되는 하나의 배터리 셀(도 3의 112)의 측면에 상응하는 면적을 가질 수 있다.
실시예들에 따른 열 흡수부재(124)는 강성부재(121)의 수용홈(129)에 수용되어 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 발생되는 열 에너지를 흡수할 수 있다. 열 흡수부재(124)는 주위 환경의 열 에너지를 흡수할 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 열 흡수부재(124)는 하이드로겔(Hydrogel)을 포함할 수 있다. 도 8 및 도 9에서 설명되는 열 흡수부재(124)는 앞서 도 5에서 설명되는 열 흡수부재(124)와 동일한 소재로 형성될 수 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조할 수 있다.
실시예들에 따른 열 흡수부재(124)는 고흡수성 수지 소재에 흡수된 액체의 흡열 반응을 통해 주위 환경의 열 에너지를 흡수하도록 구비될 수 있다. 열 흡수부재(124)가 배터리 셀(도 3의 112)에서 발생된 화재나 폭발로 인한 열 에너지를 흡수하고 강성부재(121)를 냉각하여, 열에 의한 배리어(120)의 변형 내지 파손을 방지하고 나아가 전체 배터리 모듈(도 1의 100)의 구조적 붕괴를 막을 수 있다.
실시예들에 따른 열 흡수부재(124)는 탄성을 가지도록 구비될 수 있으며, 이에 따라 배터리 셀(도 3의 112)의 스웰링 현상으로 인해 발생하는 압력을 탄성 에너지로 흡수하여 강성부재(121)를 보호할 수 있다.
실시예들에서, 수용홈(129)과 열 흡수부재(124) 사이에는 접착부재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 열 흡수부재(124)가 수용홈(129)과 맞닿는 부분에는 열 흡수부재(124)를 수용홈(129)에 밀착시킬 수 있는 접착제 또는 점착제가 더 구비될 수 있으며, 열 흡수부재(124)는 접착부재(미도시)의 접착력에 의해 강성부재(121)에 밀착되어 위치가 고정될 수 있다. 이에 따라 인접한 배터리 셀(도 3의 112)에서 발생되는 화재 또는 폭발로 인한 충격에도 열 흡수부재(124)가 강성부재(121)의 수용홈(129)에서 이탈되지 않을 수 있다.
실시예들에서, 강성부재(121)에는 제1 수용홈(129a)과 제2 수용홈(129b)을 연결하는 연결홈(123c)이 더 구비될 수 있다. 연결홈(123c)을 통해 제1 수용홈(129a)과 제2 수용홈(129b)은 서로 연통될 수 있으며, 이에 따라 열 흡수부재(124)는 일체로 구비되어 제1 수용홈(129a), 제2 수용홈(129b) 및 연결홈(123c)에 걸쳐 수용될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 강성부재(121)의 어느 일 측면에 수용되는 열 흡수부재(124)는 단일한 부재로 형성될 수 있으며 강성부재(121) 측면 중 상측에 구비되는 제1 수용홈(129a), 하측에 구비되는 제2 수용홈(129b) 및 제1 수용홈(129a)과 제2 수용홈(129b)을 연결하는 연결홈(123c)에 걸쳐 수용될 수 있다. 예를 들어, 연결홈(123c)이 서로 나란히 연장되는 제1 수용홈(129a)과 제2 수용홈(129b)의 중앙에 위치하는 경우, 열 흡수부재(124)는 수용홈(129)의 형상에 대응하여 'H'자 형상으로 구비될 수 있다.
이하에서, 열 흡수부재(124) 중 제1 수용홈(129a)에 수용되는 부분을 제1 부분, 제2 수용홈(129b)에 수용되는 부분을 제2 부분, 연결홈(123c)에 수용되는 부분을 연결 부분이라고 정의한다.
열 흡수부재(124)가 강성부재(121)의 일 측면에서 일체로 구비됨에 따라, 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)에서 집중적으로 발생되는 열 에너지를 보다 효과적으로 흡수할 수 있다. 예를 들어, 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 수용된 복수의 배터리 셀 중 열 흡수부재(124)의 제1 부분과 마주보는 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)에서 열 또는 화염이 발생한 경우, 열 흡수부재(124)의 제1 부분에서 흡수된 열 에너지는 연결 부분을 통해 제2 부분까지 전달될 수 있다. 따라서 열 흡수부재(124)의 모든 부분이 흡열반응에 참여할 수 있게 되어, 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)로부터 더욱 많은 열 에너지를 흡수할 수 있게 된다. 즉, 열 흡수부재(124)가 강성부재(121)의 일 측면에서 일체로 형성됨에 따라, 어느 하나의 배터리 셀(도 3의 112)에서 집중적으로 열 에너지가 발생하더라도 효과적으로 열을 흡수하여 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 및 강성부재(121)를 신속하게 냉각시킬 수 있다.
실시예들에서, 수용홈(129)은 강성부재(121)의 양 측면에 각각 구비될 수 있다. 즉, 수용홈(129)은 강성부재(121)의 어느 일측면의 수용홈과 타측면에 수용홈에 각각 구비될 수 있다. 이에 따라 도 9에 도시된 바와 같이, 열 흡수부재(124)는 강성부재(121)의 양 측면에 구비된 수용홈(129)에 모두 수용될 수 있다. 열 흡수부재(124)가 양 쪽으로 구비됨에 따라, 배리어(120)가 흡수할 수 있는 열 에너지의 총량이 증가하여 배터리 모듈(도 1의 100)을 열 충격으로부터 안정적으로 보호할 수 있다.
실시예들에서, 강성부재(121)에 수용된 열 흡수부재(124)와 인접한 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110) 사이에는 이격 공간, 즉 에어갭(Air gap, 미도시)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에 케이스가 구비된 경우, 강성부재(121)에 수용된 열 흡수부재(124)와 케이스(도 3의 113)의 사이드 플레이트(도 3의 113b) 사이에는 에어 갭(미도시)이 형성될 수 있다. 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)과 배리어(120) 사이에 형성되는 에어 갭(미도시)은 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)에서 발생되는 열 또는 화염이 이웃하는 다른 배터리 서브 모듈(도 1 내지 도 3의 110)로 전파되는 것을 방지하거나 혹은 전파되는 속도를 늦출 수 있다. 또한 에어 갭(미도시)은 배터리 셀(도 3의 112)의 스웰링 현상이 발생하는 경우 완충 공간으로 작용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 평균적인 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 또한, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
100... 배터리 모듈 110... 배터리 서브 모듈
111... 셀 지지부재 112... 배터리 셀
120... 배리어 130... 서브 배리어
121... 강성부재 122... 베이스
123... 돌출부 124... 열 흡수부재

Claims (17)

  1. 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 서브 모듈; 및
    상기 배터리 서브 모듈의 일측면과 마주보게 배치되는 배리어를 포함하고,
    상기 배리어는
    상기 배터리 서브 모듈을 지지하는 강성부재; 및
    상기 강성부재에 수용되어 상기 하나 이상의 배터리 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 열 흡수부재를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열 흡수부재는 하이드로겔(Hydrogel)을 포함하는 배터리 모듈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 열 흡수부재에 포함되는 상기 하이드로겔은 흡수성 수지(Super Absorbent Polymer) 또는 폴리아크릴 아마이드(Polyacryl Amide) 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 강성부재는
    상기 배터리 서브 모듈의 상기 일측면과 마주보는 베이스; 및
    상기 베이스의 가장자리에서 상기 배터리 서브 모듈의 적어도 일부를 상기 배터리 서브 모듈의 안쪽 방향으로 가압하는 돌출부를 포함하며,
    상기 베이스와 상기 배터리 서브 모듈 사이에는 에어 갭이 형성되는 배터리 모듈.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 강성부재는 서로 마주보고 결합하는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하며,
    상기 열 흡수부재는 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 사이에 수용되는 배터리 모듈.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는 서로 결합하여 상기 열 흡수부재의 외부를 감싸는 배터리 모듈.
  7. 제5 항에 있어서,
    제1 플레이트 및 제2 플레이트 중 적어도 하나는 상기 열 흡수부재가 수용되는 수용부를 구비하며,
    상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는 서로 결합하여 상기 수용부에 수용된 상기 열 흡수부재를 상기 강성부재의 외부와 분리시키는 배터리 모듈.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 수용부는 동일한 방향으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용부 및 제2 수용부를 포함하며,
    상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부 사이에는 격벽이 구비되는 배터리 모듈.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 수용부 및 상기 제2 수용부에는 각각 열 흡수부재가 수용되며
    상기 제1 수용부 및 상기 제2 수용부에 수용되는 열 흡수부재 중 적어도 하나는 상기 배터리 서브 모듈에 포함되는 어느 하나의 배터리 셀에 상응하는 면적을 갖도록 구비되는 배터리 모듈.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 수용부는 상기 격벽을 관통하여 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부를 연결하는 연결부를 더 포함하며,
    상기 열 흡수부재는 상기 제1 수용부, 상기 제2 수용부 및 상기 연결부에 걸쳐 일체로 수용되는 배터리 모듈.
  11. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트는 상기 제2 플레이와 맞닿는 적어도 일부 면에 체결 돌기가 구비되며,
    상기 제2 플레이트는 상기 체결 돌기가 삽입되는 체결홈이 구비되는 배터리 모듈.
  12. 제4 항에 있어서,
    상기 열 흡수부재는 상기 강성부재의 측면에 수용되어 상기 배터리 서브 모듈과 마주보게 구비되는 배터리 모듈.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 강성부재의 상기 측면에는 상기 열 흡수부재가 수용되는 수용홈이 구비되는 배터리 모듈.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 수용홈은 동일한 방향으로 나란히 연장되어 형성되는 제1 수용홈 및 제2 수용홈을 포함하고,
    상기 제1 수용홈 및 상기 제2 수용홈 중 적어도 하나는 상기 배터리 서브 모듈에 포함되는 어느 하나의 배터리 셀에 상응하는 면적을 갖도록 구비되는 배터리 모듈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 수용홈은
    상기 제1 수용홈과 상기 제2 수용홈을 연결하는 연결홈을 더 포함하고,
    상기 열 흡수부재는 상기 제1 수용홈, 상기 제2 수용홈 및 상기 연결홈에 걸쳐 일체로 수용되는 배터리 모듈.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 배리어는 서로 이웃하는 복수의 배터리 서브 모듈 사이에 배치되며,
    상기 열 흡수부재는 상기 강성부재의 양 측면에 각각 수용되어 상기 복수의 배터리 서브 모듈과 각각 마주보게 구비되는 배터리 모듈.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 서브 모듈의 상기 일측면의 반대인 타측면과 마주보게 배치되며, 상기 배리어보다 얇은 폭을 가지는 서브 배리어를 더 포함하는 배터리 모듈.
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