KR20220168911A - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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지호준
박진용
박진하
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀 및 복수의 배터리 셀 중 적어도 둘 이상의 배터리 셀을 수용하는 냉각 핀으로서, 수용된 배터리 셀들의 적어도 일 측을 커버하고, 소화액이 냉각 핀 내부로 주입될 수 있도록 개구를 갖는 적어도 하나의 소화액 가이더를 구비하는, 적어도 하나의 냉각 핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 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 장점 또한 갖기 때문에 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 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬 및/또는 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.
이와 같이, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩 및/또는 배터리 랙에 있어서는, 일부 배터리 셀에서 문제가 생겨 이상 발열 또는 그로 인한 화재가 발생되는 경우 이러한 발열 및/또는 화재는 인접한 배터리 셀로 전파될 수 있고, 이로 인해 큰 규모의 화재 및/또는 폭발 등의 사고로 이어질 수 있다.
따라서, 이러한 배터리 셀들의 냉각 성능을 개선함과 아울러 과열 등에 따른 위험 상황 발생 시 안전성을 확보하는 것이 중요하다. 즉, 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, 자동차 및 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 일부 배터리 셀에서 이상 발열 등으로 인해 고온의 가스나 스파크가 발생할 경우, 고온 가스의 벤팅 위치를 제어하여 소화 장치를 적시에 작동시킴으로써, 해당 배터리 셀의 화재 발생을 효과적으로 억제하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 일부 배터리 셀의 화재 발생을 효과적으로 억제함으로써, 인접한 배터리 셀로의 발열 및/또는 화재 전파를 방지할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 향상된 냉각 성능을 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하기 위한 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀; 및 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 둘 이상의 배터리 셀을 수용하는 냉각 핀으로서, 수용된 배터리 셀들의 적어도 일 측을 커버하고, 소화액이 상기 냉각 핀 내부로 주입될 수 있도록 개구를 갖는 적어도 하나의 소화액 가이더를 구비하는, 적어도 하나의 냉각 핀; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
여기서, 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부에 수용되며, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내면 사이에 개재되는 써말 블록; 을 포함할 수 있다.
한편, 상기 적어도 하나의 냉각 핀은, 상기 둘 이상의 배터리 셀 중 최외곽에 배치되는 어느 하나의 배터리 셀을 커버하는 제 1 플레이트; 상기 제 1 플레이트와 소정 간격 이간되고, 상기 둘 이상의 배터리 셀 중 최외곽에 배치되는 다른 하나의 배터리 셀을 커버하는 제 2 플레이트; 및 상기 제 1 플레이트 및 상기 제 2 플레이트를 연결하며, 상기 냉각 핀 내에 상기 수용된 배터리 셀의 일 측을 커버하는 제 3 플레이트;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 적어도 하나의 소화액 가이더는, 상기 제 3 플레이트에 구비될 수 있다.
한편, 상기 소화액 가이더의 개구는 원형 또는 타원형의 홀일 수 있다.
또는, 상기 소화액 가이더는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀 내의 내부 압력이 증가하면, 상기 개구를 중심으로 상기 냉각 핀의 외부를 향해 소정 길이로 벌어질 수 있다.
한편, 상기 소화액 가이더는, 칼날이 구비된 커터를 적어도 하나 포함하고, 상기 적어도 하나의 커터는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부 압력 증가 시 상기 냉각 핀의 외부를 향해 벌어질 수 있다.
한편, 상기 소화액 가이더는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부에 수용된 각 배터리 셀에서 벤팅 가스가 누출되는 벤팅부와 마주하게 구비될 수 있다.
한편, 상기 써말 블록은, 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부에 수용된 인접한 배터리 셀의 벤팅부 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 상부에 위치하고, 탱크 케이스; 상기 탱크 케이스 내에 수용된 상기 소화액; 및 상기 소화액이 배출될 수 있도록 상기 탱크 케이스의 일부에 구비된 적어도 하나의 소화액 배출구; 를 포함하는 소화 탱크; 를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 소화 탱크는, 상기 적어도 하나의 소화액 배출구를 커버하며, 상기 소화액 배출 시 상기 적어도 하나의 소화액 배출구를 개방시키는 실링 캡; 을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 실링 캡은, 소정 온도 이상에서 녹아 상기 적어도 하나의 소화액 배출구를 개방시킬 수 있다.
한편, 상기 실링 캡은, 상기 적어도 하나의 소화액 가이더와 마주하게 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 팩은, 상기 적어도 하나의 냉각 핀과 상기 소화 탱크 사이에 구비되는 열 전달체; 를 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈의 냉각 성능이 확보될 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 일부 배터리 셀에서 이상 발열 등으로 인해 고온의 가스나 스파크가 발생할 경우, 고온 가스의 벤팅 위치를 제어하여 소화 장치를 적시에 작동시킴으로써, 해당 배터리 셀의 화재 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 일부 배터리 셀의 화재 발생을 효과적으로 억제함으로써, 인접한 배터리 셀로의 발열 및/또는 화재 전파를 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 냉각 성능이 향상된 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 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 도 1의 배터리 모듈의 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 핀을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 핀을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 배터리 모듈의 냉각 핀과 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 도 1의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 배터리 팩의 일 단면을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도10는 도 6의 배터리 팩에서 냉각 핀 및 소화 탱크를 통한 소화 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 냉각 핀 및 소화 탱크를 통한 소화 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 6의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
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, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 복수의 배터리 셀(100), 복수의 냉각 핀(200) 및 모듈 하우징(300)을 포함한다.
상기 복수의 배터리 셀(100)은 냉각 핀(200)에 의해 커버될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 냉각 핀(200)은 둘 이상의 배터리 셀(100)을 내부에 수용할 수 있다. 그리고 복수의 냉각 핀(200)은 모듈 하우징(300) 내에 수용될 수 있다. 이러한 복수의 배터리 셀(100)은 상기 모듈 하우징(300) 내에서 상호 전기적으로 연결되도록 적층될 수 있다.
이하, 이러한 상기 복수 개의 배터리 셀(100) 각각에 대해 보다 더 구체적으로 살펴 본다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 배터리 셀(100)은, 이차 전지일 수 있고, 예를 들어 파우치형 배터리 셀(100)일 수 있다. 다만, 이로써 상기 배터리 셀(100)의 종류를 한정하는 것은 아니며, 이를테면 원통형 셀이나 각형 셀 등과 같은 다른 형태의 배터리 셀(100)도 본 발명의 배터리 모듈(10)에 채용될 수 있다.
이하, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 셀(100)이 파우치형 셀인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 2를 참조하면, 상기 배터리 셀(100)은, 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수용하는 수용부(130), 수용부(130)의 둘레에 형성되는 실링부(150) 및 전극 조립체(110)와 연결되며 실링부(150)의 외부로 인출되는 한 쌍의 전극 리드(170)를 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 전극 리드(170)는, 전극 조립체(110)에 구비된 전극 탭(미도시)과 결합되며, 실링부(150)를 통해 실링부(150)의 외측으로 인출될 수 있다. 상기 한 쌍의 전극 리드(170)는, 배터리 셀(100)의 길이 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 한 쌍의 전극 리드(170)는 서로 동일한 방향 또는 서로 반대 방향으로 인출될 수 있다.
한편, 상기 배터리 셀(100)은, 벤팅부(190)를 포함할 수 있다.
파우치 타입의 배터리 셀(100)은, 이상 발열 및 그에 따른 내압 증가 시에, 배터리 셀(100)의 측부에서 벤팅이 발생되는 것이 일반적이다. 즉, 상기 배터리 셀(100)은, 내압 증가 시에 전극 리드(170)가 인출되는 방향에 형성되는 실링부(150)보다, 배터리 셀(100)의 폭방향 양 측부에 형성되는 실링부(150)가 먼저 파단되는 경우가 많다. 따라서, 상기 벤팅부(190)는, 상기 배터리 셀(100)의 폭방향 측부에 형성되는 실링부(150) 측에 구비될 수 있다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 핀(200)을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 핀(250)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 냉각 핀(200)은, 상기 복수의 배터리 셀(100) 중 적어도 둘 이상의 배터리 셀(100)을 수용하는 냉각 핀(200)으로서, 수용된 배터리 셀(100)들의 적어도 일 측을 커버할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 상기 냉각 핀(200)에 대해 보다 더 구체적으로 살펴본다.
상기 냉각 핀(200)은 상기 복수의 배터리 셀(100)을 냉각하기 위한 것으로서, 복수의 배터리 셀(100)을 그 내부에 수용할 수 있다. 또한, 상기 냉각 핀(200)은 모듈 하우징(300) 내에 수용될 수 있다.
상기 냉각 핀(200)은 배터리 셀(100)을 원활하게 냉각할 수 있도록, 높은 열 전도도를 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각 핀(200)은, 알루미늄 금속을 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 냉각 핀(200)은 구리를 포함하는 금속으로 이루어질 수도 있다. 다만, 상기 냉각 핀(200)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 셀(100)의 열을 원활하게 냉각시킬 수 있는 재질이라면 어느 것이라도 가능하다.
상기 냉각 핀(200)은 제 1 플레이트(210), 제 2 플레이트(220) 및 제 3 플레이트(230)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 플레이트(210)는 상기 둘 이상의 배터리 셀(100) 중 최외곽에 배치되는 어느 하나의 배터리 셀(100)을 커버할 수 있다. 상기 제 2 플레이트(220)는, 상기 제 1 플레이트(210)와 소정 간격 이간되고, 상기 둘 이상의 배터리 셀(100) 중 최외곽에 배치되는 다른 하나의 배터리 셀(100)을 커버할 수 있다. 그리고, 상기 제 3 플레이트(230)는, 상기 제 1 플레이트(210) 및 상기 제 2 플레이트(220)를 연결하며, 상기 냉각 핀(200) 내에 상기 수용된 배터리 셀(100)의 일 측을 커버할 수 있다.
예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제 1 플레이트(210)는, 복수의 배터리 셀(100) 중, 가장 왼쪽에 배치된 배터리 셀(100)을 커버할 수 있다. 한편, 제 2 플레이트(220)는, 복수의 배터리 셀(100) 중, 가장 오른쪽에 배치된 배터리 셀(100)을 커버할 수 있다. 그리고, 제 3 플레이트(230)는, 제 1 플레이트(210)와 제 2 플레이트(220)를 일 측에서 연결하며, 복수의 배터리 셀(100)의 일 측인 연직 방향 상부를 커버할 수 있다.
한편, 상기 냉각 핀(200)은, 상기 소화액(530)이 상기 냉각 핀(200) 내부로 주입될 수 있도록 개구를 갖는 적어도 하나의 소화액 가이더(G)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 상기 적어도 하나의 소화액 가이더(G)는, 상기 제 3 플레이트(230)에 구비될 수 있다. 예를 들면, 복수의 배터리 셀(100)의 연직 방향 상부 방면에 적어도 하나의 소화액 가이더(G)가 구비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 이러한 소화액 가이더(G)의 개구는 원형 또는 타원형의 홀일 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 도 4를 참조하면, 상기 소화액 가이더(G)는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀(250) 내의 내부 압력이 증가하면, 상기 개구를 중심으로 상기 냉각 핀(250)의 외부를 향해 소정 이로 벌어지는 구조일 수 있다. 즉, 배터리 셀(100)의 이상 현상이 없을 때에는 개구가 벌어지지 않는 상태였다가, 배터리 셀(100)의 이상 현상으로 인해 벤팅 가스가 발생하면 상기 배터리 셀(100)을 수용하는 냉각 핀(250)의 내부 공간의 압력이 증가할 수 있다. 이 때, 상기 소화액 가이더(G)는, 상기 개구를 중심으로 상기 냉각 핀(250)의 외부를 향해 소정 길이로 벌어질 수 있다. 이에 따라, 냉각 핀(200) 내부에 집중되어 있던 벤팅 가스는 상기 냉각 핀(250) 외부로 신속하게 배출될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 냉각 핀(250)은 제 1 플레이트(260), 제 2 플레이트(270) 및 제 3 플레이트(280)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 소화액 가이더(G)는, 상기 제 3 플레이트(280)에 구비될 수 있다. 상기 소화액 가이더(G)는, 칼날이 구비된 커터를 적어도 하나 포함하고, 상기 적어도 하나의 커터는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀(250)의 내부 압력 증가 시 상기 냉각 핀(250)의 외부를 향해 벌어지는 구조일 수도 있다. 즉, 도 4의 소화액 가이더(G)의 말단 부위에 칼날이 구비될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 상기 소화액 가이더(G)는 후술할 실링 캡(570)을 용이하게 절개할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 소화액 가이더(G)는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀(200)의 내부에 수용된 각 배터리 셀(100)에서 벤팅 가스가 누출되는 벤팅부(190)와 마주하게 구비될 수 있다. 상기 벤팅부(190)는 상기 배터리 셀(100)의 폭방향 측부에 형성되는 실링부(150) 측에 구비될 수 있다. 따라서, 소화액 가이더(G)는, 상기 벤팅부(190)와 마주보는 위치에 구비될 수 있다. 이에 따라, 벤팅부(190)에서 벤팅된 가스가, 인접한 소화액 가이더(G)로 즉시 배출될 수 있게 되어, 신속한 냉각이 가능해진다.
도 1을 참조하면, 모듈 하우징(300)은, 복수의 배터리 셀(100) 및 복수의 냉각 핀(200)을 수용하도록 내부 공간을 가질 수 있다. 상기 모듈 하우징(300)은 상부를 커버하는 상부 커버(310), 측부를 커버하는 측부 커버(330), 하부를 커버하는 하부 커버(350)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 모듈 하우징(300) 내에 수용되는 냉각 핀(200)의 제 3 플레이트(230) 상에는, 개구를 갖는 적어도 하나의 소화액 가이더(G)가 구비되어 있으므로, 상기 모듈 하우징(300)의 상부 커버(310)는, 상기 소화액 가이더(G)를 가리지 않는 구조일 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 상기 상부 커버(310)는, 상기 냉각 핀(200)의 복수의 소화액 가이더(G)를 가리지 않도록, 복수 개로 분할된 플레이트를 포함할 수 있다.
도 5는 도 1의 배터리 모듈에서, 냉각 핀 내에 수용된 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)은, 써말 블록(400)을 더 포함할 수 있다. 상기 써말 블록(400)은, 예를 들면 써말 레진(thermal resin) 등의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 써말 블록(400)은, 상기 적어도 하나의 냉각 핀(200)의 내부에 수용되며, 상기 복수의 배터리 셀(100)과 상기 적어도 하나의 냉각 핀(200)의 내면 사이에 개재될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 써말 블록(400)은, 상기 적어도 하나의 냉각 핀(200)의 내부에 수용된 인접한 배터리 셀(100)의 벤팅부(190) 사이에 배치될 수 있다.
상기 구조에 의해, 본 발명의 상기 써말 블록(400)은, 배터리 셀(100)에서 벤팅된 고온의 벤팅 가스를, 일정 방향으로 유도할 수 있다. 구체적으로, 써말 블록(400)은, 냉각 핀(200)의 내부에 수용된 어느 한 배터리 셀(100)의 벤팅부(190)와, 상기 배터리 셀(100)과 인접한 배터리 셀(100)의 벤팅부(190)와 사이에 배치되어, 가스 이동 경로를 차단하기 때문에, 배터리 셀(100)의 벤팅부(190)에서 배출된 고온의 벤팅 가스는 인접한 다른 배터리 셀(100) 측으로 이동할 수 없다. 따라서, 벤팅 가스는 상기 소화액 가이더(G)를 통해 냉각 핀(200) 외부로 배출된다. 즉, 상기 구조에 의해, 본 발명의 상기 써말 블록(400)은, 후술할 소화 탱크(50)로의 가스 이동 경로를 단축하여, 냉각 및/또는 소화가 신속하게 이루어지도록 유도할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 배터리 셀(100)의 화재 발생 시, 벤팅 가스의 디렉셔널 벤팅(directional venting)을 통해 적시에 소화가 이루어질 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 상기 써말 블록(400)은, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200)의 제 3 플레이트(230) 사이에 개재되어 있기 때문에, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200)을 견고하게 고정할 수 있다. 또한, 상기 써말 블록(400)은, 상기 냉각 핀(200) 내에서 어느 한 배터리 셀(100)의 벤팅부(190)와 인접한 배터리 셀(100)의 벤팅부(190) 사이에 배치되기 때문에, 냉각 핀(200) 내에 수용된 상호 인접한 배터리 셀(100)들을 견고하게 고정할 수 있다.
또한, 상기 구조에 의해, 써말 블록(400)은 상기 소화액(530)의 배출 경로를 확보할 수 있다. 이 때, 냉각 핀(200) 내부로 흘러 들어온 소화액(530)의 잠열에 의해서, 본 발명의 배터리 모듈(10)의 냉각 성능은 더욱 향상될 수 있다.
도 6는 도 1의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 배터리 팩의 일 단면을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 팩(1)은, 적어도 하나의 배터리 모듈(10), 소화 탱크(50) 및 열 전달체(60)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈(10)의 연직 방향 상부에는, 소화 탱크(50)가 배치될 수 있고, 상기 배터리 모듈(10)과 상기 소화 탱크(50) 사이에는, 열 전달체(60)가 개재될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 소화 탱크(50)는, 탱크 케이스(510), 상기 탱크 케이스(510) 내에 수용된 소화액(530) 및 상기 소화액(530)이 배출될 수 있도록 상기 탱크 케이스(510)의 일부에 구비된 적어도 하나의 소화액 배출구(550)를 포함할 수 있다. 상기 소화 탱크(50)는, 상기 적어도 하나의 소화액 배출구(550)를 커버하며, 상기 소화액(530) 배출 시 상기 적어도 하나의 소화액 배출구(550)를 개방시키는 실링 캡(570)을 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 소화 탱크(50) 케이스는 내부에 소화액(530)을 수용할 수 있다. 이 때, 상기 탱크 케이스(510)는 강성 및 열 전도도가 높은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 높은 강성 및 열 전도도를 갖는 재질이라면 가능하다.
한편, 상기 소화액(530)은 화재를 소화할 수 있는 기능을 갖는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 소화액(530)은 냉각수 또는 절연유 등이 될 수 있다. 상기 소화액(530)은, 상기 탱크 케이스(510)에 구비된 적어도 하나의 소화액 배출구(550)를 통해 상기 소화 탱크(50) 외부로 배출될 수 있다.
이 때, 상기 소화액 배출구(550)는 실링 캡(570)에 의해 커버될 수 있다. 따라서, 소화 탱크(50)에 외부 충격이 가해지지 않는 상태에서는, 상기 실링 캡(570)은 상기 소화액 배출구(550)를 밀봉하고 있을 수 있다. 상기 실링 캡(570)은 외부 충격에 의해 용이하게 파단될 수 있는 재질일 수 있다. 예를 들면, 상기 실링 캡(570)은 PE 등의 플라스틱 재질일 수 있다. 상기 실링 캡(570)은 물리적인 충격 또는 열적인 충격을 받을 경우 파단 및 개봉됨으로써 상기 소화액 배출구(550)를 개방시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 실링 캡(570)은, 소정 온도 이상에서 녹아 상기 적어도 하나의 소화액 배출구(550)를 개방시킬 수 있다.
한편, 상기 소화액 배출구(550) 및 상기 실링 캡(570)은, 상기 적어도 하나의 소화액 가이더(G)와 마주하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 상기 소화액 배출구(550), 상기 실링 캡(570), 상기 소화액 가이더(G) 및 상기 벤팅부(190)는 모두 대략 일직선 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 소화액 배출구(550), 상기 실링 캡(570), 상기 소화액 가이더(G) 및 상기 벤팅부(190)는 중력 방향의 동일 선 상에 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 벤팅부(190)에서 고온의 벤팅 가스가 배출되면, 상기 벤팅 가스는 써말 블록(400)에 의해 인접한 배터리 셀(100) 측으로 이동하지 못하고, 소화액 가이더(G)를 통해 상기 냉각 핀(200) 외부로 배출될 수 있다. 외부로 배출된 벤팅 가스는 인근에 위치한 실링 캡(570)에 도달할 수 있다. 상기 실링 캡(570)은 고온의 벤팅 가스에 의해 용융될 수 있고, 이에 따라, 상기 소화액 배출구(550)는 외부로 노출될 수 있다. 따라서, 상기 소화액 배출구(550)를 통해, 상기 소화액(530)은 상기 탱크 케이스(510) 외부로 배출될 수 있다. 도 7을 참조하면, 상기 소화액(530)은 상기 소화액 배출구(550)를 통해 하방으로 쏟아져 내리고, 상기 소화액 가이더(G)를 통해 상기 냉각 핀(200) 내부로 유입될 수 있다. 상기 냉각 핀(200) 내부로 유입된 상기 소화액(530)은, 이상 발열 및/또는 화재가 발생한 배터리 셀(100)을 즉시 냉각 및/또는 소화할 수 있다. 따라서 인접한 배터리 셀(100)로의 열 폭주를 방지할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 열 전달체(60)는 상기 적어도 하나의 냉각 핀(200)과 상기 소화 탱크(50) 사이에 구비될 수 있다. 상기 열 전달체(60)는, 어느 한 소화액 배출구(550)와 인접한 소화액 배출구(550) 사이에 배치될 수 있다. 상기 열 전달체(60)는, 예를 들면, 열계면 재료(TIM, Thermal interface material)로 구성될 수 있다. 상기 열계면 재료는, 예를 들면, 방열 패드, 방열 시트, 방열 그리스, 열 전도성 접착제 및 상변화물질 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 구조에 의해, 본 발명의 상기 열 전달체(60)는, 배터리 셀(100)에서 벤팅된 고온의 벤팅 가스를, 일정 방향으로 유도할 수 있다. 구체적으로, 열 전달체(60)는, 상호 인접한 소화액 배출구(550)의 사이에 배치되기 때문에, 어느 한 배터리 셀(100)로부터 배출된 고온의 벤팅 가스는 인접한 다른 배터리 셀(100) 쪽으로 이동할 수 없고, 바로 상부에 위치한 실링 캡(570) 측으로 이동하여, 상기 실링 캡(570)을 용융시킬 수 있다. 즉, 상기 구조에 의해, 본 발명의 상기 열 전달체(60)는, 소화 탱크(50)로의 가스 이동 경로를 단축하여, 냉각 및/또는 소화가 신속하게 이루어지도록 유도할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 배터리 셀(100)의 화재 발생 시, 적시에 소화가 이루어질 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 열 전달체(60)는 상기 배터리 셀(100)의 하부에 더 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 배터리 셀(100)의 하부에 배치된 열 전달체(60)는, 상기 배터리 셀(100)의 열을 외부로 간접적으로 전달할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 팩(1)은, 상기 배터리 모듈(10) 하부에 히트 싱크(70)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, 상기 히트 싱크(70)는, 상기 배터리 팩(1)의 하부에 배치된 열 전달체(60)의 하부에 배치될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)로부터 열 전달체(60)로 전달된 열은, 다시 히트 싱크(70)로 전달될 수 있다. 나아가, 상기 히트 싱크(70)는, 상기 열 전달체(60)로부터 전달받은 열을, 별도의 냉각수 또는 공기로 전달할 수 있다.
도 8 내지 도10는 도 6의 배터리 팩에서 냉각 핀 및 소화 탱크를 통한 소화 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 하나의 냉각 핀(200) 내부에 2개의 배터리 셀(100A, 100B)을 포함할 수 있다. 이 때, 왼쪽의 배터리 셀(100A)에서만 이상 발열이 발생하고 고온의 벤팅 가스가 배출될 수 있다. 왼쪽의 배터리 셀(100A)에서 배출된 고온의 벤팅 가스는 상기 냉각 핀(200) 내부에 배치된 써말 블록(400)에 의해, 인접한 오른쪽의 배터리 셀(100B) 측으로의 이동이 차단될 수 있다. 따라서, 고온의 벤팅 가스는, 벤팅부(190) 바로 위에 위치한 대략 원형의 홀 형상인 소화액 가이더(GA)를 통해 상기 냉각 핀(200) 외부로 배출될 수 있다. 도 9를 참조하면, 소화액 가이더(GA)를 통해 상기 냉각 핀(200) 외부로 배출된 고온의 벤팅 가스는 열 전달체(60)에 의해, 인접한 오른쪽의 배터리 셀(100) 측으로의 이동이 차단될 수 있다. 따라서, 고온의 벤팅 가스는, 소화액 가이더(GA) 바로 위에 위치한 실링 캡(570A)에 도달하여 상기 실링 캡(570A)을 용융시킬 수 있다. 도 10을 참조하면, 상기 실링 캡(570A)은 모두 용융되어, 상기 실링 캡(570A)이 밀봉하고 있던 소화액 배출구(550A)가 외부로 노출될 수 있다. 따라서, 상기 탱크 케이스(510) 내에 수용되어 있던 소화액(530)은, 상기 소화액 배출구(550A)를 통해 외부로 배출될 수 있고, 중력에 의해 중력 방향으로 낙하할 수 있다. 이 때, 상기 소화액 배출구(550A), 상기 실링 캡(570A), 상기 소화액 가이더(GA) 및 상기 벤팅부(190)는 중력 방향의 동일 선 상에 위치해 있기 때문에, 상기 소화액(530)은 소화액 가이더(GA)를 통과하여 상기 냉각 핀(200) 내부로 유입될 수 있다. 따라서, 이상 발열이 발생한 배터리 셀(100A)은 즉시 냉각 및/또는 소화될 수 있다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 냉각 핀 및 소화 탱크를 통한 소화 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예의 상기 배터리 팩(1)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 11을 참조하면, 상기 소화액 가이더(GA)는 칼날이 구비된 커터를 적어도 하나 포함하고, 상기 적어도 하나의 커터는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀(250)의 내부 압력 증가 시 상기 냉각 핀(250)의 외부를 향해 벌어지는 구조일 수 있다.
도 12를 참조하면, 왼쪽의 배터리 셀(100A)에서만 이상 발열이 발생하여 벤팅 가스가 배출될 수 있다. 이 때, 고온의 벤팅 가스에 의해서 상기 냉각 핀(250) 내부의 압력이 상기 냉각 핀(250) 외부의 압력에 비해 높아질 수 있다. 이 때, 상기 소화액 가이더(GA)의 커터는, 상기 냉각 핀(250)의 외부를 향해 벌어질 수 있고, 도 12와 같이, 커터의 일 단부는 상기 실링 캡(570A)에 닿을 수 있다. 상기 실링 캡(570A)에 닿는 상기 커터의 일 단부에는 칼날이 구비되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 실링 캡(570A)은 상기 커터의 칼날에 의해서 용이하게 절개 및/또는 파단될 수 있다. 도 11 내지 13의 실시예에 의하면, 냉각 핀(250) 내의 내부 압력이 증가하면, 상기 커터가 상기 개구를 중심으로 상기 냉각 핀(250)의 외부를 향해 소정 길이로 벌어지기 때문에, 벤팅 가스를 보다 더 신속하게 냉각 핀(250) 외부로 배출할 수 있다.
도 14는 도 6의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 자동차(V)는, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)을 적어도 하나 포함할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 일부 배터리 셀(100)에서 이상 발열 등으로 인해 고온의 가스나 스파크가 발생할 경우, 고온의 벤팅 가스의 벤팅 위치를 제어하여 소화가 적시에 이루어짐으로써, 해당 배터리 셀(100)의 화재 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 일부 배터리 셀(100)의 화재 발생을 효과적으로 억제함으로써, 인접한 배터리 셀(100)로의 발열 및/또는 화재 전파를 방지할 수 있다.
따라서, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 절연 성능이 향상된 배터리 모듈(10), 이를 포함하는 배터리 팩(1) 및 자동차(V)를 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 통상의 기술자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 배터리 팩
10 배터리 모듈
100, 100A, 100B 배터리 셀
110 전극 조립체
130 수용부
150 실링부
170 전극 리드
190 벤팅부
200 냉각 핀
210 제 1 플레이트
220 제 2 플레이트
230 제 3 플레이트
250 냉각 핀
260 제 1 플레이트
270 제 2 플레이트
280 제 3 플레이트
300 모듈 하우징
310 상부 커버
330 측부 커버
350 하부 커버
400 써말 블록
50 소화 탱크
510 탱크 케이스
530 소화액
550, 550A, 550B 소화액 배출구
570, 570A, 570B 실링 캡
60 열 전달체
70 히트 싱크
G, GA, GB 소화액 가이더
V 자동차

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀; 및
    상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 둘 이상의 배터리 셀을 수용하는 냉각 핀으로서, 수용된 배터리 셀들의 적어도 일 측을 커버하고, 소화액이 상기 냉각 핀 내부로 주입될 수 있도록 개구를 갖는 적어도 하나의 소화액 가이더를 구비하는, 적어도 하나의 냉각 핀; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부에 수용되며, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내면 사이에 개재되는 써말 블록; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 핀은,
    상기 둘 이상의 배터리 셀 중 최외곽에 배치되는 어느 하나의 배터리 셀을 커버하는 제 1 플레이트;
    상기 제 1 플레이트와 소정 간격 이간되고, 상기 둘 이상의 배터리 셀 중 최외곽에 배치되는 다른 하나의 배터리 셀을 커버하는 제 2 플레이트; 및
    상기 제 1 플레이트 및 상기 제 2 플레이트를 연결하며, 상기 냉각 핀 내에 상기 수용된 배터리 셀의 일 측을 커버하는 제 3 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 소화액 가이더는,
    상기 제 3 플레이트에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화액 가이더의 개구는 원형 또는 타원형의 홀인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화액 가이더는,
    상기 적어도 하나의 냉각 핀 내의 내부 압력이 증가하면, 상기 개구를 중심으로 상기 냉각 핀의 외부를 향해 소정 길이로 벌어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소화액 가이더는,
    칼날이 구비된 커터를 적어도 하나 포함하고,
    상기 적어도 하나의 커터는, 상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부 압력 증가 시 상기 냉각 핀의 외부를 향해 벌어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화액 가이더는,
    상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부에 수용된 각 배터리 셀에서 벤팅 가스가 누출되는 벤팅부와 마주하게 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 써말 블록은,
    상기 적어도 하나의 냉각 핀의 내부에 수용된 인접한 배터리 셀의 벤팅부 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 냉각 핀의 상부에 위치하고,
    탱크 케이스;
    상기 탱크 케이스 내에 수용된 상기 소화액; 및
    상기 소화액이 배출될 수 있도록 상기 탱크 케이스의 일부에 구비된 적어도 하나의 소화액 배출구; 를 포함하는 소화 탱크;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 소화 탱크는,
    상기 적어도 하나의 소화액 배출구를 커버하며, 상기 소화액 배출 시 상기 적어도 하나의 소화액 배출구를 개방시키는 실링 캡; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 실링 캡은,
    소정 온도 이상에서 녹아 상기 적어도 하나의 소화액 배출구를 개방시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 실링 캡은,
    상기 적어도 하나의 소화액 가이더와 마주하게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 핀과 상기 소화 탱크 사이에 구비되는 열 전달체; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 10 항에 기재된 배터리 팩;을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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