KR20220169831A - 가스 배출 경로를 개선한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리 셀들, 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징, 상기 모듈 하우징의 내부와 연통하게 마련된 가스 벤팅 채널을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들; 및 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하게 마련되되, 상기 복수의 배터리 모듈들의 상부를 커버하는 탑 플레이트에 벤팅포트를 구비한 팩 케이스;를 포함하고, 각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 벤팅 채널이 상기 벤팅포트와 연통하게 마련될 수 있다.

Description

가스 배출 경로를 개선한 배터리 팩{Battery pack with improved gas venting path}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈에서 가스 발생시 벤팅 가스를 안전하고 효율적으로 팩 케이스 외부로 배출시킬 수 있는 가스 벤팅 경로를 구비한 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 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.
이에, 다양한 디바이스에 대한 이차전지의 적용이 증가하고 있다. 예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
최근 많이 사용하고 있는 리튬 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기 자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 리튬 이차전지들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용한다.
전기 자동차에 요구되는 배터리 팩의 출력이나 용량에 따라 하나의 배터리 모듈에 들어가는 리튬 이차전지의 개수가 증가하거나 하나의 배터리 팩에 들어가는 배터리 모듈의 개수가 증가할 수 있다.
그러나 이처럼 많은 개수의 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩의 경우, 화재 및 폭발이 발생하는 경우 그 피해는 더욱 커질 수 밖에 없다.
예컨대, 일부 배터리 모듈에서 리튬 이차전지 간의 쇼트 또는 비이상적 온도 상승 등과 같은 이벤트가 발생할 경우, 상기 리튬 이차전지들에서 다량의 벤팅 가스가 발생할 수 있으며, 열화가 심화되면 벤팅 가스와 더불어 전극 활물질과 알루미늄 입자 등을 포함한 고온의 스파크가 분출될 수 있다. 이때 상기 벤팅 가스 및 고온의 스파크가 인접 배터리 모듈에 열적 데미지를 주게 되고 이 때문에 다른 배터리 모듈들에 추가 이벤트가 일어날 우려가 매우 커진다.
따라서 일부 배터리 모듈에서 벤팅 가스 및 고온의 스파크가 발생시, 다른 배터리 모듈들에 미치는 영향을 최소화하면서 벤팅 가스를 신속하고 안전하게 배터리 팩 외부로 배출시킬 수 있는 가스 벤팅 패스에 대한 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 일부 배터리 모듈 내부에서 벤팅 가스 또는 스파크가 발생시, 다른 배터리 모듈들에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있는 가스 벤팅 경로가 적용된 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀들, 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징, 상기 모듈 하우징의 내부와 연통하게 마련된 가스 벤팅 채널을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들; 및 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하게 마련되되, 상기 복수의 배터리 모듈들의 상부를 커버하는 탑 플레이트에 벤팅포트를 구비한 팩 케이스;를 포함하고, 각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 벤팅 채널이 상기 벤팅포트와 연통하게 마련된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 벤팅포트는 일정 압력 이상에서 파열되는 파열막을 포함할 수 있다.
상기 가스 벤팅 채널은 상기 모듈 하우징의 상부에 배치되며, 중공 구조로 마련된 덕트부; 상기 덕트부의 일면에 구비되는 가스 인렛부; 및 상기 덕트부의 연장 방향으로 상기 가스 인렛부에서 소정 거리 이격된 위치에서 상기 덕트부의 타면에 구비되는 가스 아웃렛부를 포함할 수 있다.
상기 가스 인렛부는 상기 모듈 하우징에 구비되는 제1 개구와 매칭되고 상기 가스 아웃렛부는 상기 탑 플레이트에 구비되는 벤팅포트와 매칭되고, 상기 벤팅포트는 일정 압력 이상에서 파열되는 파열막을 포함할 수 있다.
상기 벤팅포트는 복수 개이며, 각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 아웃렛부와 상하 방향으로 연결될 수 있다.
상기 탑 플레이트는 속이 빈 구조로 형성되고 상기 가스 벤팅 채널의 상부면에 대면하는 하판부;와, 빈 공간을 사이에 두고 상기 하판부에 대향하는 상판부;를 포함하며, 상기 벤팅포트는 상기 하판부에 구비되고 상기 가스 아웃렛부와 상하 방향으로 연결되는 제1 벤팅포트;와 상기 제1 벤팅포트 위치에서 수평 방향으로 소정 간격 떨어진 상기 상판부에 구비되는 제2 벤팅포트를 포함할 수 있다.
상기 제1 벤팅 포트 및 제2 벤팅 포트 중 어느 하나에 상기 파열막이 구비되고, 다른 어느 하나에 메쉬망이 구비되도록 구성될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 상부를 감싸도록 마련된 외측 커버 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 덕트부는 내부 공간을 구획화하는 복수 개의 격판들을 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 덕트부는 상기 복수 개의 격판들 사이마다 길이 방향으로 연장된 복수 개의 좁은 통로를 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 셀들은 상기 모듈 하우징의 내부 공간을 구획하는 방화벽을 사이에 두고 마주하게 배치되는 제1 그룹 배터리 셀들과 제2 그룹 배터리 셀들을 포함할 수 있다.
상기 제1 개구는 상기 방화벽을 기준으로 상기 모듈 하우징의 상단 좌측편에 구비되는 제1_1 개구와, 상기 모듈 하우징의 상단 우측편에 구비되는 제1_2 개구를 포함하고, 상기 가스 인렛부는 상기 제1_1 개구와 매칭되는 제1 가스 인렛부와, 상기 제1_2 개구와 매칭되는 제2 가스 인렛부를 포함할 수 있다.
상기 가스 아웃렛부는 상기 덕트부의 좌측 가장자리 영역에 마련되는 제1 가스 아웃렛부와 상기 덕트부의 우측 가장자리 영역에 마련되는 제2 가스 아웃렛부를 포함할 수 있다.
상기 제1 개구가 열 용융 가능한 소재로 마련된 마개로 밀봉되게 구성될 수 있다.
상기 모듈 하우징과 상기 가스 벤팅 채널은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하여 구성된 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 어떤 배터리 모듈에서 벤팅 가스 또는 스파크가 발생하더라도 다른 배터리 모듈들에 영향이 미치지 않도록 하면서 벤팅 가스를 신속하고 안전하게 팩 케이스 외부로 배출시킬 수 있는 가스 벤팅 경로를 구비한 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 부분 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩의 가스 밴팅 경로에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈의 주요 부분 분해 사시도이다.
도 6은 도 4의 배터리 모듈의 하부를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 A 영역 확대도이다.
도 8은 도 5의 가스 벤팅 채널의 저면도이다.
도 9는 도 5의 가스 벤팅 채널의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 하우징의 제1 개구를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 하우징과 가스 벤팅 채널의 연통 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일측 가장자리 영역을 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 채널과 탑 플레이트의 연통 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 15는 도 14에 대응하는 도면으로, 탑 플레이트의 변형예를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예로서, 탑 플레이트의 노출을 막기 위한 외측 커버 플레이트가 추가된 예를 나타낸 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 아니 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 팩 케이스를 형성하는 주요 구성 부분을 특정하기 위해 탑 플레이트, 베이스 플레이트 등의 용어를 사용하였으나, 예컨대 배터리 팩의 상하를 반전시키면, 탑 플레이트가 배터리 팩의 바닥에 해당하고 베이스 플레이트가 배터리 팩의 천정에 해당하게 됨은 자명하다. 즉, 배터리 팩의 배치 상태 또는 관측자의 위치 등에 따라 탑 플레이트, 베이스 플레이트 등은 그 사전적 의미와 다르게 해석될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 부분 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 배터리 팩의 가스 밴팅 경로에 대한 개념도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 복수 개의 배터리 모듈(100)들과, 상기 복수 개의 배터리 모듈(100)들을 수용할 수 있는 팩 케이스(200)를 포함하며, 각 배터리 모듈(100)에서 가스 발생시, 가스 벤팅을 위해 각 배터리 모듈(100)의 가스 벤팅 채널(150)이 상기 팩 케이스(200)의 탑 플레이트(220)에 구비된 벤팅포트(221)에 연결된 구성을 포함한다.
자세히 후술하겠으나 본 발명의 배터리 팩(10)은, 도 3과 같이, 각 배터리 모듈(100)에서 가스가 발생시, 벤팅 가스가 배터리 모듈(100)의 가장자리로 이동한 후 각 배터리 모듈(100)의 상부에 위치한 팩 케이스(200)의 벤팅포트(221)를 통해 팩 케이스(200) 밖으로 배출될 수 있다. 상기 벤팅포트(221)는 일정 압력 이상에서 파열될 수 있는 파열막(223)을 포함하고 있어, 평상시에는 막혀 있고 벤팅 가스가 발생한 때, 파열막(223)이 압력에 의해 찢어져 개방될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 어떤 배터리 모듈(100)에서 가스가 발생하더라도 벤팅 가스가 해당 배터리 모듈(100)에서 바로 팩 케이스(200) 외부로 배출될 수 있어 팩 케이스(200) 내부의 다른 배터리 모듈(100)로 열기 내지 고온의 스파크가 전파되지 않을 수 있다. 따라서 본 발명의 배터리 팩(10)은 어떤 배터리 모듈(100)에 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 다른 배터리 모듈(100)들로의 열폭주 전파를 막는데 효과가 있다.
이하에서 상기와 같은 효과를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)과 팩 케이스(200)에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 사시도, 도 5는 도 4의 배터리 모듈(100)의 주요 부분 분해 사시도, 도 6은 도 4의 배터리 모듈(100)의 하부를 도시한 도면, 도 7은 도 5의 A 영역 확대도이다.
먼저, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)에 대해 설명한다. 상기 배터리 모듈(100)은 복수 개의 배터리 셀(110)들, 모듈 하우징(120), 방화벽(130), 히트싱크(140) 및 가스 벤팅 채널(150)을 포함한다.
상기 배터리 셀(110)로는 에너지 밀도가 높고 적층이 용이한 파우치 타입 배터리 셀(110)이 적용될 수 있다. 상기 파우치 타입의 배터리 셀(110)들은 도 5와 같이, 상하방향(Z축 방향)으로 세워져 수평 방향(Y축 방향)으로 적층된 셀 적층체 형태로 제공될 수 있다. 물론, 본 실시예와 달리, 직육면의 각형 배터리 셀(110)들이나 원통형 배터리 셀(110)들을 사용하여 배터리 모듈(100)을 구성할 수도 있다.
모듈 하우징(120)은 복수 개의 배터리 셀(110)들을 수납하기 위한 구성요소로서 상기 복수 개의 배터리 셀(110)들을 외부의 물리적, 화학적 요소로부터 보호할 수 있게 기계적 강성이 높은 소재로 밀폐된 구조로 형성될 수 있다. 모듈 하우징(120)은 배터리 셀(110)들의 하부를 감싸는 하부 하우징(121)과 배터리 셀(110)들의 상부를 감싸는 상부 하우징(122)을 포함하여 구성될 수 있다. 상부 하우징(122)과 하부 하우징(121)은 대략 U자형 플레이트 형태로 마련되고 볼팅 및/또는 용접으로 상호 결합될 수 있다.
종래기술에 따른 배터리 모듈(100)은 하나의 셀 적층체가 하나의 모듈 하우징(120)에 수납 가능하게 구성된 것이 일반적이다. 그러나 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 여러 개의 셀 적층체가 하나의 모듈 하우징(120)에 수납되도록 구성된다.
이를테면, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 하나의 셀 적층체를 형성하는 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 다른 하나의 셀 적층체를 형성하는 제2 그룹 배터리 셀들(G2)들을 포함하고, 상기 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 상기 제2 그룹 배터리 셀들(G2)이 모듈 하우징(120)의 내부 공간을 양분하는 방화벽(130)을 사이에 두고 마주하게 배치되는 형태로 모듈 하우징(120)에 수납될 수 있다.
즉, 방화벽(130)에 의해 구획된 하부 하우징(121)의 한 쪽 공간에 제1 그룹 배터리 셀들(G1)이 배치되고 구획된 하부 하우징(121)의 다른 쪽 공간에 제2 그룹 배터리 셀들(G2)이 배치된다. 이렇게 배치된 상기 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 상기 제2 그룹 배터리 셀들(G2)은 그 상부가 상부 하우징(122)으로 덮혀 상부 하우징(122), 하부 하우징(121) 그리고 방화벽(130)으로 둘러싸인 밀폐된 2개의 공간에 각각 수납되게 구성될 수 있다.
여기서 방화벽(130)은 모듈 하우징(120)의 내부 공간을 물리적으로 차단된 2개의 공간으로 구획화시키는 판상의 구조체를 의미한다. 상기 방화벽(130)은 예컨대 내화성 소재로 형성되거나 강성 소재로 형성되되, 그 양면에 내화성 소재(ex : 미카(mica))의 시트가 부착된 것일 수 있다. 이러한 방화벽(130)은 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 제2 그룹 배터리 셀들(G2) 사이의 열 전이를 차단하는 작용과 그 상단과 하단이 각각 상부 하우징(122)과 하부 하우징(121)을 중심부에 연결되어 있어 모듈 하우징(120)의 중심부 처짐을 방지하는 작용을 할 수 있다.
미도시 하였지만, 예컨대 상부 하우징(122)은 중앙 측면 영역이 부분적으로 개방된 개방부를 구비할 수 있다. 상기 개방부는 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 제2 그룹 배터리 셀들(G2)을 전기적으로 연결하기 위한 연결수단을 설치하는데 활용될 수 있다. 상기 연결수단으로는 금속 막대 형상의 버스바가 사용될 수 있으며, 연결수단 설치 후 상기 개방부는 밀봉 처리될 수 있다.
이러한 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100) 하나는 예컨대 하나의 모듈 하우징(120)에 하나의 셀 적층체를 수납한 구조의 배터리 모듈(100) 2개와 같은 용량을 갖지만 그 부피는 더 작게 구현될 수 있다. 따라서 상기 배터리 모듈(100)들은 배터리 팩(10)을 제작할 때, 팩 케이스(200)의 좌우 너비(X축 방향)를 줄이는데 유리하게 작용할 수 있다.
한편, 모듈 하우징(120)의 하단, 다시 말하면 하부 하우징(121)의 저면에, 도 6에 도시한 것과 같이, 히트싱크(140)가 구비될 수 있다. 여기서 히트싱크(140)는 배터리 셀(110)들과 간접 접촉하여 열을 흡수할 수 있는 냉각 부품을 의미한다. 상기 히트싱크(140)는 내부에 유로를 구비하는 알루미늄 소재의 판상체 형태로 제공될 수 있으며, 본 실시 예처럼 하부 하우징(121)에 일체화시키거나 또는 하부 하우징(121)의 표면에 탈부착할 수 있게 구성될 수 있다.
가스 벤팅 채널(150)은 배터리 모듈(100) 내부에서 생성된 벤팅 가스를 배터리 모듈(100) 외부로 배출하기 위한 구성으로서, 일측은 모듈 하우징(120)의 내부와 연통하고 타측은 외기와 연통하게 마련될 수 있다. 이러한 가스 벤팅 채널(150)은 모듈 하우징(120)의 외측에 부착되거나 모듈 하우징(120)과 일체형으로 제공될 수 있다.
본 실시예의 가스 벤팅 채널(150)은 대략 상부 하우징(122)의 상면에 대응하는 사이즈를 가지며, 속이 빈 납짝한 사각 박스형으로 마련되고 모듈 하우징(120)의 상부에 부착될 수 있다. 또한, 상기 가스 벤팅 채널(150)은 고온의 가스 또는 고온의 스파크가 유입되어도 변형이 쉽게 일어나지 않도록 내화성 재질로 형성될 수 있다.
구체적으로, 도 5 및 도 7 내지 도 9 참조하면, 가스 벤팅 채널(150)은 중공 구조로 마련된 덕트부(151)와 상기 덕트부(151)로 가스를 유입시키기 위한 구멍에 해당하는 가스 인렛부(152)와, 상기 덕트부(151)에서 가스를 유출시키기 위한 구멍에 해당하는 가스 아웃렛부(153)를 포함한다.
덕트부(151)는 모듈 하우징(120)의 상면과 대응하는 면적을 갖고 가스가 유동할 수 있게 내부가 중공 구조로 마련된다. 또한, 덕트부(151)의 내부에 너비 방향으로 상호 이격되고 길이 방향으로 길게 연장된 복수 개의 격판(154)들이 구비되어 있어 내부 공간이 구획될 수 있다.
예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이, 덕트부(151)의 내부는 격판(154)들로 구획됨으로써 상기 격판(154)들 사이마다 좁은 통로(157)들이 형성될 수 있다. 벤팅 가스와 함께 이동하게 되는 고온의 스파크 또는 화염은 상기 좁은 통로를 이동하는 과정에서 병목 내지 트랩 현상 때문에 이동이 제한되거나 소화될 수 있다. 고온의 스파크 또는 화염의 이동을 억제하기 위한 추가적인 방편으로 상기 좁은 통로 또는 가스 인렛부(152)에 금속 메쉬망(미도시)을 추가로 적용해도 좋다.
가스 인렛부(152)는 덕트부(151)의 저면에 구비되고, 모듈 하우징(120)의 상단에 구비되는 제1 개구(123)와 매칭되게 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 가스 인렛부(152)는 덕트부(151)의 저면 가운데 영역에 위치하며 모듈 하우징(120)의 너비만큼의 장공 형태로 마련될 수 있다. 상기 가스 인렛부(152)는 제1 가스 인렛부(152a)와 제2 가스 인렛부(152b)를 포함하며, 상기 제1 가스 인렛부(152a)와 제2 가스 인렛부(152b)는 모듈 하우징(120)의 중심을 기준으로 상호 대칭되게 구성될 수 있다.
그리고 모듈 하우징(120)의 제1 개구(123)는 도 10과 도 11에 도시한 바와 같이, 방화벽(130)을 기준으로 상기 모듈 하우징(120)의 상단 좌측편에 구비되는 제1_1 개구(123a)와, 상기 모듈 하우징(120)의 상단 우측편에 구비되는 제1_2개구를 포함한다. 모듈 하우징(120)의 상부면에 가스 벤팅 채널(150)을 부착시, 상기 제1_1개구는 상기 제1 가스 인렛부(152a)에 상하 방향으로 매칭될 수 있고, 상기 제1_2개구는 상기 제2 가스 인렛부(152b)에 상하 방향으로 매칭될 수 있다.
그러므로 제1 그룹 배터리 셀들(G1)에서 발생한 가스와 고온의 스파크는, 상기 제1_1 개구(123a)와 상기 제1 가스 인렛부(152a) 통해 덕트부(151)로 유입되고, 제2 그룹 배터리 셀들(G2)에서 발생한 가스와 고온의 스파크는, 상기 제1_2 개구(123b)와 상기 제2 가스 인렛부(152b)를 통해 덕트부(151)로 유입될 수 있다.
그리고 도 11과 같이, 상기 제1 가스 인렛부(152a)와 상기 제2 가스 인렛부(152b) 사이의 덕트부(151) 내부 공간에 차단벽을 구성하여 제1 그룹 배터리 셀들(G1)에 발생한 가스는 제2 그룹 배터리 셀들(G2)로 이동하지 못하도록 할 수 있다.
미도시 하였으나, 열 용융 가능한 소재(ex : 고무 내지 플라스틱)로 제작한 마개(미도시)로 상기 제1 개구(123)를 밀봉시킬 수도 있다. 상기 마개는 평상시 제1 개구(123)를 통해 이물질 등이 모듈 하우징(120)으로 유입을 차단하는 역할을 할 수 있다. 벤팅 가스 또는 고온의 스파크가 발생한 때는 열과 압력에 의해 상기 마개가 소실되어 제1 개구(123)가 개방될 수 있다. 상기 마개의 대안으로는 메쉬망이 사용될 수도 있다.
가스 아웃렛부(153)는 덕트부(151)의 상면에 구비되고, 제1 가스 아렛부(153a)와 제2 가스 아렛부(153b)를 포함하며, 탑 플레이트(220)의 벤팅포트(221)와 상하 방향으로 매칭될 수 있게 구성될 수 있다.
상기 제1 가스 아렛부(153a)는 덕트부(151)의 좌측 연장 방향(-X축 방향)으로 제1 가스 인렛부(152a)에서 소정 거리 이격된 곳에 구비되고, 상기 제2 가스 아렛부(153b)는 덕트부(151)의 우측 연장 방향(+X축 방향)으로 제2 가스 인렛부(152b)에서 소정 거리 이격된 곳에 구비될 수 있다.
즉, 도 9와 도 12를 참조하면, 상기 제1 가스 아렛부(153a)는 상기 제1 가스 인렛부(152a)를 통해 덕트부(151)로 유입된 벤팅 가스가 외부로 나가는 출구에 역할을 하고, 상기 제2 가스 아렛부(153b)는 상기 제2 가스 인렛부(152b)를 통해 덕트부(151)로 유입된 벤팅 가스가 외부로 나가는 출구에 역할을 한다.
상기 제1 가스 아렛부(153a)와 상기 제2 가스 아렛부(153b)는 벤팅포트(221)와 상하로 매칭될 수 있는 사이즈의 구멍 형태로 마련되고, 각각 덕트부(151)의 상면 좌측 가장자리 영역과 우측 가장자리 영역에 구비될 수 있다.
한편, 팩 케이스(200)는 배터리 모듈(100)들을 수납하기 위한 구성품으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(210), 탑 플레이트(220), 좌측 사이드 프레임(230), 우측 사이드 프레임(240), 프런트 커버(250) 및 리어 커버(260)를 포함할 수 있다.
특히, 상기 탑 플레이트(220)는 배터리 모듈(100)들의 상부를 커버하는 부분으로서 벤팅 가스를 배출시킬 수 있게 구성된 복수 개의 벤팅포트(221)를 포함한다.
상기 벤팅포트(221)는 도 13 내지 도 14에 도시한 바와 같이, 상기 탑 플레이트(220)로 상기 배터리 모듈(100)들을 덮었을 때 각 배터리 모듈(100)의 제1 가스 아렛부(153a) 또는 제2 가스 아렛부(153b)에 상하로 대응하는 위치에 마련될 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 경우, 각 배터리 모듈(100)의 제1 가스 아렛부(153a)와 제2 가스 아렛부(153b)가 팩 케이스(200)의 너비 방향에 따른 양쪽 가장자리에 위치하도록 배터리 모듈(100)들이 팩 케이스(200)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 배치된다. 이러한 모든 배터리 모듈(100)들의 가스 아웃렛부(153)들과 벤팅포트(221)들이 상하 방향으로 매칭되어 하나씩 연결될 수 있도록 절반의 벤팅포트(221)들은 탑 플레이트(220)의 좌측편 가장자리 영역에 구비되고, 나머지 절반의 벤팅포트(221)들은 탑 플레이트(220)의 우측편 가장자리 영역에 구비된다.
한편, 팩 케이스(200)에 수납되는 배터리 모듈(100)들의 배치 구조 또는 배터리 모듈(100)에 구비되는 제1 가스 아렛부(153a)와 제2 가스 아렛부(153b)의 위치는 본 실시예와 다르게 필요에 따라 얼마든지 적절히 변경될 수 있다. 이 경우, 벤팅포트(221)들은 달라진 제1 가스 아렛부(153a)와 제2 가스 아렛부(153b)의 위치에 맞게 탑 플레이트(220)에 구비될 수 있다.
본 실시예의 벤팅포트(221)는 통공(222)과 파열막(223)을 포함한다.
상기 통공(222)은 벤팅 가스의 누출이 생기지 않도록 가스 아웃렛부(153)와 동일하거나 그보다 큰 사이즈로 형성되고, 그 주변 둘레에 오링(O-ring)과 같은 밀봉부재(미도시)가 적용될 수도 있다.
상기 파열막(223)은 상기 통공(222)을 커버하며 팩 케이스(200)의 내부 압력이 일정 압력을 초과하면 파열되게 구성될 수 있다. 이 같은 구성에 의하면, 평상시 팩 케이스(200) 내부로 수분이나 이물질이 침투하는 것을 막을 수 있고 벤팅 가스가 발생하면 상기 벤팅 가스의 열과 압력에 의해 파열막(223)이 파열되어 통공(222)이 개방되어 벤팅 가스를 팩 케이스(200) 외부로 배출시킬 수 있다. 이때 팩 케이스(200) 내외부 압력 차이가 크기 때문에 벤팅 가스가 다른 곳으로 새지 않고 상기 통공을 통해 외부로 빠르게 배출될 수 있다.
상기 파열막(223)은 알루미늄 소재 또는 플라스틱 소재의 박판 형태로 제공될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 소정의 압력에 의해 파열될 수 있는 소재라면 어떠한 것이라도 무방할 수 있다. 또한, 상기 파열막(223)은 그 표면으로부터 두께 방향으로 부분 절개되어 형성된 적어도 하나의 노치(미도시)를 구비할 수 있다. 이러한 노치는 소정의 압력이 가해졌을 때, 파열막(223)의 쉽게 파열될 수 있게 하기 위함이다.
본 실시예의 경우, 상기 파열막(223)을 통공(222)에 용이하게 장착할 수 있게 틀 형상으로 제공되는 지지 프레임(225)이 사용될 수 있다.
상기 지지 프레임(225)으로 상기 파열막(223)의 둘레를 지지하고, 볼트 또는 리벳을 사용하여 상기 지지 프레임(225)을 탑 플레이트(220)에 장착하여 통공(222)이 파열막(223)으로 커버될 수 있도록 한다. 이 경우, 파열막(223)을 직접 탑 플레이트(220)에 장착하는 것보다 조립이 수월하고 기밀성이 좋아질 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 탑 플레이트(220)는 너비 방향으로 상기 탑 플레이트(220)를 가로지도록 연장 형성되고, 표면으로부터 하부 방향으로 돌출되어 벽체를 형성하는 격벽을 더 포함할 수 있다. 상기 격벽은 탑 플레이트(220)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 간격 마다 복수 개가 구비될 수 있다. 이러한 격벽은 탑 플레이트(220)의 변형 방지 및 탑 플레이트(220)로 배터리 모듈(100)들을 덮었을 때 배터리 모듈(100)과 배터리 모듈(100) 사이 공간에 위치하여 화재 발생시 인접한 배터리 모듈(100)들 간의 열 전파를 차단하는 역할을 할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 구성에 의하면, 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 발생시 다음과 같은 흐름으로 벤팅 가스의 배출이 가능하다.
각 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스 발생 -> 모듈 하우징(120) 상단의 제1_1 개구(123a) 또는 제1_2 개구(123b)를 통해 모듈 하우징(120)의 외부로 가스 유출 -> 벤팅 가스 채널의 제1 가스 인렛부(152a) 또는 제2 가스 인렛부(152b)를 통해 가스 벤팅 채널(150) 내부로 가스 유입 -> 덕트부(151)를 따라 배터리 모듈(100)의 양쪽 가장자리에 위치한 제1 가스 아렛부(153a) 또는 제2 가스 아렛부(153b)로 벤팅 가스 이동 -> 벤팅포트(221)의 파열막(223)이 파열되어 벤팅포트(221) 개방됨 -> 개방된 벤팅포트(221)를 통해 팩 케이스(200) 외부로 벤팅 가스 배출.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 상기와 같이, 벤팅 가스가 팩 케이스(200)의 내부를 이동하지 않고 각 배터리 모듈(100)에서 팩 케이스(200)의 외부 바로 배출되는 구조로 이루어져 있기 때문에, 하나의 배터리 모듈(100)에 어떤 문제가 생겨 벤팅 가스가 발생하더라도 상기 벤팅 가스가 다른 배터리 모듈(100)들에 열적 데미지를 주지 않는다. 그러므로 본 발명은 하나의 배터리 모듈(100)의 내부 발화시, 벤팅 가스 또는 고온의 스파크 등이 다른 배터리 모듈(100)로 전파됨에 따라 배터리 팩(10)의 발화가 걷잡을 수 없을 정도에 이르게 되는 열폭주 현상을 방지하는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 배터리 팩(10)은 벤팅 가스가 나오는 위치를 보면 내부의 어떤 배터리 모듈(100)이 발화하고 있는지 직관적으로 알 수 있어, 해당 배터리 모듈(100)에 집중적으로 소화용수를 공급하는 등의 사후 조치를 정확하고 효과적으로 할 수 있다.
이어서, 도 15와 도 16을 참조하여 상술한 본 탑 플레이트(220)의 변형예와 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
먼저, 도 15를 참조하면, 변형예에 따른 탑 플레이트(220A)는 속이 빈 구조로 형성되고 가스 벤팅 채널(150)의 상부면에 대면하는 하판부(226)와, 빈 공간(O)을 사이에 두고 상기 하판부에 대향하는 상판부(227)를 포함한다.
그리고 벤팅포트(221)는 상기 하판부(226)에 구비되고 가스 벤팅 채널(150)의 가스 아웃렛부(153)와 상하 방향으로 연결되게 매칭되는 제1 벤팅포트(221A)와 상기 제1 벤팅포트(221A) 위치에서 수평 방향으로 소정 간격 떨어진 상기 상판부(227)에 구비되는 제2 벤팅포트(221B)를 포함한다. 파열막(223)은 제1 벤팅포트(221A)에 구비되고, 제2 벤팅포트(221B)에는 파열막(223) 대신 메쉬망(229)이 구비되도록 구성될 수 있다. 반대로 메쉬망(229)이 제1 벤팅포트(221A)에 구비되도록 하고 파열막(223)은 제2 벤팅포트(221B)에 구비되도록 구성할 수도 있다.
이러한 본 변형예에 따른 탑 플레이트(220A)는, 전술한 탑 플레이트(220)와 비교할 때, 벤팅 가스의 배출 경로가 더 복잡하여 벤팅 가스 압력을 감압시키는데 유리하게 작용할 수 있다. 또한, 복잡한 배출 경로와 제1 벤팅포트(221A)와 제2 벤팅포트(221B)의 구성 때문에 벤팅 가스 배출시 고온의 스파크나 화염은 팩 케이스(200) 외부로 같이 배출되기 더 어렵다. 그러므로 본 변형예는 배터리 팩(10) 주변의 외부 발화 위험을 방지하는데, 전술한 실시예보다 더 유리하다 할 수 있다.
이어서 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 전술한 실시예와 비교할 때, 도 16과 같이, 탑 플레이트(220)의 상부를 감싸도록 마련된 외측 커버 플레이트(270)를 더 포함할 수 있다.
전술한 실시예의 배터리 팩(10)은 탑 플레이트(220) 상에 파열막(223)이 직접 노출되어 있어 외력에 의해 파손될 우려가 없지 않다. 이에 상기 파열막(223)을 외력으로부터 보호하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은 외측 커버 플레이트(270)로 상기 파열막(223)을 가릴 수 있게 구성된다. 이러한 상기 외측 커버 플레이트(270)는 예컨대 고강도 플라스틱, 알루미늄 또는 철판으로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라서는 퉁풍이 가능하도록 예컨대 그레이팅(grating)과 같은 통풍성 구조를 갖도록 마련될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은 차량 좌석 하부의 차체 프레임 또는 트렁크 공간에 설치될 수 있으며, 차량에 설치시 필요에 따라 팩 케이스의 탑 플레이트가 아래로 오게 상하를 꺼꾸로 뒤집은 상태로 배치될 수도 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 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 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배터리 팩 100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀 120: 모듈 하우징
121: 하부 하우징 122: 상부 하우징
123: 제1 개구 123a: 제1_1 개구
123b: 제1_2 개구 130: 방화벽
140: 히트싱크 150: 가스 벤팅 채널
151: 덕트부 152: 가스 인렛부
152a: 제1 가스 인렛부 152b: 제2 가스 인렛부
153: 가스 아웃렛부 153a: 제1 가스 아웃렛부
153b: 제2 가스 아웃렛부 154: 격판
200: 팩 케이스 210: 베이스 플레이트
220: 탑 플레이트 221: 벤팅포트
222: 통공 223: 파열막
225: 지지 프레임 230: 좌측 사이드 프레임
240: 우측 사이드 프레임 G1: 제1 그룹 배터리 셀들
G2: 제2 그룹 배터리 셀들

Claims (16)

  1. 배터리 셀들, 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징, 상기 모듈 하우징의 내부와 연통하게 마련된 가스 벤팅 채널을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들; 및
    상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하게 마련되되, 상기 복수의 배터리 모듈들의 상부를 커버하는 탑 플레이트에 벤팅포트를 구비한 팩 케이스;를 포함하고,
    각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 벤팅 채널이 상기 벤팅포트와 연통하게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅포트는 일정 압력 이상에서 파열되는 파열막을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 채널은 상기 모듈 하우징의 상부에 배치되며,
    중공 구조로 마련된 덕트부;
    상기 덕트부의 일면에 구비되는 가스 인렛부; 및
    상기 덕트부의 연장 방향으로 상기 가스 인렛부에서 소정 거리 이격된 위치에서 상기 덕트부의 타면에 구비되는 가스 아웃렛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 인렛부는 상기 모듈 하우징에 구비되는 제1 개구와 매칭되고 상기 가스 아웃렛부는 상기 탑 플레이트에 구비되는 벤팅포트와 매칭되고,
    상기 벤팅포트는 일정 압력 이상에서 파열되는 파열막을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 벤팅포트는 복수 개이며, 각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 아웃렛부와 상하 방향으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탑 플레이트는 속이 빈 구조로 형성되고 상기 가스 벤팅 채널의 상부면에 대면하는 하판부;와, 빈 공간을 사이에 두고 상기 하판부에 대향하는 상판부;를 포함하며,
    상기 벤팅포트는 상기 하판부에 구비되고 상기 가스 아웃렛부와 상하 방향으로 연결되는 제1 벤팅포트;와 상기 제1 벤팅포트의 위치에서 수평 방향으로 소정 간격 떨어진 상기 상판부에 구비되는 제2 벤팅포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 벤팅포트 및 제2 벤팅포트 중 어느 하나에 상기 파열막이 구비되고, 다른 어느 하나에 메쉬망이 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 탑 플레이트의 상부를 감싸도록 마련된 외측 커버 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 덕트부는 내부 공간을 구획화하는 복수 개의 격판들을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 덕트부는 상기 복수 개의 격판들 사이마다 길이 방향으로 연장된 복수 개의 좁은 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 상기 모듈 하우징의 내부 공간을 구획하는 방화벽을 사이에 두고 마주하게 배치되는 제1 그룹 배터리 셀들과 제2 그룹 배터리 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 개구는 상기 방화벽을 기준으로 상기 모듈 하우징의 상단 좌측편에 구비되는 제1_1 개구와, 상기 모듈 하우징의 상단 우측편에 구비되는 제1_2 개구를 포함하고,
    상기 가스 인렛부는 상기 제1_1 개구와 매칭되는 제1 가스 인렛부와, 상기 제1_2 개구와 매칭되는 제2 가스 인렛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 가스 아웃렛부는 상기 덕트부의 좌측 가장자리 영역에 마련되는 제1 가스 아웃렛부와 상기 덕트부의 우측 가장자리 영역에 마련되는 제2 가스 아웃렛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 개구가 열 용융 가능한 소재로 마련된 마개로 밀봉된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징과 상기 가스 벤팅 채널은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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