KR20220170277A - 안전성이 강화된 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 내부에서 발생된 가스나 화염 등의 배출이 안정적으로 이루어질 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 서로 다른 재질로 구성된 외부 하우징 및 내부 하우징을 구비하며, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 상기 내부 하우징의 표면을 따라 흐르다가 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛을 포함한다.

Description

안전성이 강화된 배터리 모듈{Battery module with reinforced safety}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성이 강화된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등에 관한 것이다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자동차 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 이차 전지는 다수가 전기적으로 연결된 상태에서 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 형태로, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
그런데, 이와 같이 배터리 팩 내부에 다수의 배터리 모듈이 포함되는 경우, 배터리 모듈 간 열적 연쇄 반응에 취약할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 배터리 모듈 내부에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 이러한 열폭주는 다른 배터리 모듈로 전파(propagation)되는 것이 억제될 필요가 있다. 만일, 배터리 모듈 간 열폭주 전파가 억제되지 못하면, 특정 배터리 모듈에서 발생한 이벤트는 여러 배터리 모듈의 연쇄적인 반응을 일으키게 되어, 폭발이나 화재를 일으키거나 그 규모를 크게 할 우려가 있다.
특히, 어느 하나의 배터리 모듈에서 열폭주 등 이벤트가 발생하는 경우, 가스나 화염 등이 외부로 배출될 수 있다. 이때, 가스나 화염 등의 배출을 적절하게 제어하지 못하면, 다른 배터리 모듈을 향해 가스나 화염 등이 배출되어, 다른 배터리 모듈의 열적 연쇄 반응을 일으킬 우려가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에서 발생된 가스나 화염 등의 배출이 안정적으로 이루어질 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 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.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 서로 다른 재질로 구성된 외부 하우징 및 내부 하우징을 구비하며, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 상기 내부 하우징의 표면을 따라 흐르다가 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛을 포함한다.
여기서, 상기 외부 하우징은 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성되며, 상기 내부 하우징은 상기 외부 하우징의 내면을 커버하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 외부 하우징은, 외주부의 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면에 용접된 형태로 결합될 수 있다.
또한, 상기 외부 하우징과 상기 내부 하우징은 서로 다른 금속 재질로 구성되어 적어도 일부분이 서로 접합된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 내부 하우징은, 상기 외부 하우징보다 용융점이 높은 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 내부 하우징은, 상기 벤팅 가스의 흐름 방향을 따라 두께가 서로 다른 부분을 구비할 수 있다.
또한, 상기 벤팅 홀은, 상기 모듈 케이스의 측면에 형성되고, 상기 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 측면에 부착되며, 상기 내부 하우징이 상하 방향으로 두께가 서로 다른 부분을 구비할 수 있다.
또한, 상기 외부 하우징과 상기 내부 하우징 사이의 일부는 소정 거리 이격된 형태로 구성될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 특정 배터리 모듈에서 열폭주 등의 이벤트가 발생하더라도, 다른 배터리 모듈로 열폭주 상황이 전파되는 것을 억제할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈에 구비된 벤팅을 위한 구조물이 고온의 가스나 화염 등에도 붕괴되지 않고 안정적으로 유지됨으로써, 배터리 모듈의 벤팅 제어 기능이 지속적으로 확보될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 간단한 구조로서, 배터리 모듈의 벤팅을 제어하고 배터리 모듈 간 열 전파를 방지하는 효과가 구현될 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이다.
도 2는, 도 1에서 일부 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 3의 벤팅 유닛을 정면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 측면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 벤팅 유닛의 구성을 정면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 벤팅 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1에서 일부 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 벤팅 유닛(300)을 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에 구비된 배터리 셀은, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 다만, 이차 전지의 다른 형태, 이를테면 원통형 전지나 각형 전지도 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
다수의 이차 전지는 서로 적층된 형태로 셀 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 이차 전지는, 각각 상하 방향(도면의 z축 방향)으로 세워진 상태에서 수평 방향(도면의 x축 방향)으로 배열된 형태로 적층될 수 있다. 각각의 배터리 셀은, 전극 리드를 구비할 수 있는데, 이러한 전극 리드는, 각 배터리 셀의 양 단부에 위치하거나 일 단부에 위치할 수 있다. 전극 리드가 양방향으로 돌출된 이차 전지는 양방향 셀이라고 하고, 전극 리드가 일방향으로 돌출된 이차 전지는 단방향 셀이라고 할 수 있다. 본 발명은 이러한 이차 전지의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 이차 전지가 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되어 내부 공간에 셀 어셈블리(100)를 수용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 상판, 하판, 좌측판, 우측판, 전판 및 후판을 구비하여, 내부 공간을 한정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상판, 하판, 좌측판, 우측판, 전판 및 후판 중 적어도 둘 이상은 일체화된 형태로 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에서 H1으로 표시된 바와 같이, 적어도 일측에 벤팅 홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 좌측판 및 우측판에 각각 벤팅 홀(H1)이 형성될 수 있다. 이러한 벤팅 홀(H1)은, 내부 공간에 수납된 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 생성된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 외부 공간으로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)를 내외부 방향으로 관통하도록, 완전히 개방된 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 벤팅 홀(H1)은 완전히 개방되지 않고, 정상적인 상태에서는 폐쇄되어 있다가 압력이나 온도 등의 변화에 따라 개방 가능한 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 벤팅 홀(H1)은 일 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)은 상하 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 또한, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 측면, 특히 좌측면과 우측면에 형성될 수 있다. 다만, 이러한 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 다른 부분, 이를테면 상면, 하면, 전면 및/또는 후면에 형성될 수 있다. 이 밖에, 모듈 케이스(200)에 형성된 벤팅 홀(H1)의 구성은, 이러한 형태 이외에 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 외측에 구비될 수 있다. 특히, 상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분에 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 좌측면과 우측면에 형성된 경우, 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)의 좌측면과 우측면 각각의 외부에 부착될 수 있다.
이러한 벤팅 유닛(300)의 구성에 대해서는, 도 3 및 도 4를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 유닛(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 벤팅 유닛(300)을 정면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 배출되도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 채널로서 기능하도록 내부 공간을 한정하는 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 벤팅 유닛(300)은, 우측부, 상부, 하부 및 전방부가 폐쇄되고, 좌측부 및 후방부가 개방된 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 폐쇄된 우측부, 상부, 하부 및 전방부에 의해 내부 공간이 한정되고, 그러한 내부 공간이 벤팅 채널로서 기능할 수 있다. 그리고, 개방된 좌측부 및 후방부에 의해 벤팅 가스의 유출입이 일어날 수 있다. 더욱이, 도 3 및 도 4의 실시예에서, 개방된 좌측부로 모듈 케이스(200)의 벤팅 가스가 유입되고, 개방된 후방부로 벤팅 가스의 배출이 이루어질 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200)로부터 배출된 벤팅 가스는, 벤팅 유닛(300)으로 유입되어, 도 1에서 화살표로 표시된 바와 같이 흐르다가 외부로 배출될 수 있다.
특히, 상기 벤팅 유닛(300)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310)을 구비할 수 있다. 여기서, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310)은 서로 다른 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 내부 하우징(310)의 표면을 따라 흐르다가 외부로 배출될 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)에서 내부 하우징(310)은, 벤팅 채널을 형성하여 벤팅 가스와 실제 접촉하는 부분이라 할 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)에서 외부 하우징(320)은, 내부 하우징(310)의 외측의 적어도 일부분을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 반대로, 벤팅 유닛(300)에서 내부 하우징(310)은, 외부 하우징(320)의 내측의 적어도 일부분을 커버하는 형태로 구성될 수 있다.
이러한 실시 구성의 경우, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 가스가 내부 공간으로 유입되어 외부로 배출되기까지 주로 내부 하우징(310)에 접촉되도록 구성될 수 있다. 더 나아가, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 가스가 내부 하우징(310)에만 접촉되고 외부 하우징(320)에는 접촉되지 않도록 구성될 수 있다. 다만, 일부 실시예의 경우, 벤팅 가스가 외부 하우징(320)을 부분적으로 접촉하도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)의 내측과 외측이 서로 다른 재질로 구성됨으로써, 그 위치와 기능 등에 적합한 재질이 채택되도록 할 수 있다. 특히, 벤팅 유닛(300)의 내측에 위치하는 내부 하우징(310)은 주로 벤팅 가스와 접촉하는 부분이고, 벤팅 유닛(300)의 외측에 위치하는 외부 하우징(320)은 배터리 모듈의 외부로 노출되며 모듈 케이스(200)와 접촉하는 부분일 수 있다. 따라서, 이러한 내부 하우징(310)과 외부 하우징(320)의 각 기능이나 위치에 적합한 재질로 각 구성요소가 이루어질 수 있다. 그러므로, 이 경우, 벤팅 유닛(300)의 벤팅 성능과 구조적 강성 등이 안정적으로 확보되도록 하는데 유리할 수 있다.
상기 외부 하우징(320)은, 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바를 참조하면, 상기 외부 하우징(320)은, 대략 세워진 플레이트 형태로 구성되되, 상단부, 하단부 및 전단부가 모듈 케이스(200)가 위치하는 좌측 방향(-x축 방향))으로 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 내부 하우징(310)은, 이러한 외부 하우징(320)의 내면을 커버하는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4의 구성에서, 외부 하우징(320)의 좌측에 모듈 케이스(200)가 위치하는 경우, 내부 하우징(310)은 외부 하우징(320)의 좌측 표면에 위치하여 외부 하우징(320)의 좌측 표면의 일부 또는 전체가 노출되지 않도록 구성될 수 있다. 더욱이, 내부 하우징(310)은, 외부 하우징(320)의 좌측 표면, 즉 내측 표면을 커버하므로, 외부 하우징(320)의 좌측 표면 형태에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 내부 하우징(310)은, 외부 하우징(320)보다 크기만 다소 작을 뿐, 외부 하우징(320)과 마찬가지로, 대략 세워진 플레이트 형태로 구성되며, 상단부, 하단부 및 전단부가 모듈 케이스(200) 방향으로 절곡된 형태로 구성된다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)이 간단한 구조로 구성될 수 있다. 특히, 이 경우, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에 대하여 개방부가 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)에 부착될 때, 모듈 케이스(200)에 형성된 벤팅 홀의 위치에 크게 구애받지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4의 구성을 참조하면, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간이 좌측 부분 전체적으로 개방되어, 벤팅 유닛(300)의 좌측 부분 전체가 유입구를 형성한다고 할 수 있다. 그러므로, 벤팅 유닛(300)을 모듈 케이스(200)의 외부에 부착할 때, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)의 위치와 벤팅 유닛(300)의 유입구를 정확하게 맞추기 위한 어려움이 크지 않으므로, 배터리 모듈의 조립성 및 제조 공정성이 향상될 수 있다. 또한, 이 경우, 하나의 벤팅 유닛(300)을 여러 종류의 모듈 케이스(200)에 부착할 수 있으므로, 벤팅 유닛(300)의 호환성이 향상될 수 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 외면에 부착될 수 있다. 특히, 상기 벤팅 유닛(300)의 외부 하우징(320)은, 외주부의 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 외면에 용접된 형태로 결합될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 측면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 5를 참조하면, 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)에 장착된 상태에서, 벤팅 유닛(300)의 외부로 노출된 부분은 외부 하우징(320)이라 할 수 있다. 그리고, 외부 하우징(320)은, 외주부의 적어도 일부분, 이를테면 도 5에서 W로 표시된 바와 같이, 상단, 하단 및 전단(도면의 우측 단부) 부분이 용접된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 외부 하우징(320)의 상단, 하단 및 전단 부분은 연속적으로 용접될 수 있다. 즉, 도 5의 구성에서, 용접부는, 외부 하우징(320)의 상단 후단부에서 전방(+y축 방향)으로 연장되다가 하부 방향(-z축 방향)으로 절곡되어 연장되며, 다시 후방(-y축 방향)으로 절곡되어 후단부까지 연장되는 형태로 형성될 수 있다.
이 경우, 벤팅 유닛(300)의 상단, 하단 및 전단 부분은 폐쇄되고, 벤팅 유닛(300)의 후단(도면의 좌측 단부) 부분은 개방될 수 있다. 그러므로, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 가스는, 모듈 케이스(200)의 후방, 즉 도면에서 -y축 방향으로 흐르다가 외부로 배출될 수 있다. 여기서, 외부 하우징(320)은, 전체 외주부 중 벤팅 가스가 배출되는 배출구 부분만 제외하고 나머지 부분은 전체적으로 모듈 케이스(200)에 용접된다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)과 모듈 케이스(200)의 조립 및 고정이 간단하게 이루어질 수 있고, 벤팅 유닛(300) 내부의 벤팅 유로 형성이 쉽게 이루어질 수 있으며, 배출구 이외의 부분에 대한 밀폐성이 용이하게 확보될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 양 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 좌측부와 우측부에 각각 부착될 수 있다. 이 경우, 다수의 벤팅 경로를 통해 모듈 케이스(200) 내부의 벤팅 가스가 외부로 배출될 수 있으므로, 벤팅 성능이 보다 향상될 수 있다. 또한, 이 경우, 모듈 케이스(200) 내부로부터 배출되는 가스가 다수의 벤팅 유닛(300)으로 분산될 수 있으므로, 각각의 벤팅 유닛(300)으로 유입되는 벤팅 가스의 분출 압력이 낮아질 수 있다.
상기 실시 구성에서, 다수의 벤팅 유닛(300), 즉 좌측 벤팅 유닛(300)과 우측 벤팅 유닛(300)은, 서로 반대 방향으로 벤팅 가스의 흐름이 형성되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 도 1 및 도 2의 구성을 참조하면, 좌측 벤팅 유닛(300)의 배출구는 배터리 모듈의 전방(+y축 방향) 측으로 형성되고, 우측 벤팅 유닛(300)의 배출구는 배터리 모듈의 후방(-y축 방향) 측으로 형성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 가스는, 도 1에서 화살표로 표시된 바와 같이, 좌측 벤팅 유닛(300)에서는 전방으로 배출되고, 우측 벤팅 유닛(300)에서는 후방으로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 다수의 벤팅 유닛(300)에 대한 벤팅 방향이 서로 반대 방향으로 형성됨으로써, 특정 장소나 위치에 고온의 가스나 화염이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
상기 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310)은 각각 서로 다른 금속 재질로 구성될 수 있다. 더욱이, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310)은 각각 금속 플레이트 형태로 구성되며, 적어도 일부분이 면접합된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 벤팅 유닛(300)은, 서로 다른 재질의 금속 판재가 서로 접합된 클래드 메탈(Clad Metal) 형태로 구성될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 내부 하우징(310)을 구성하는 제1 금속 판재와 외부 하우징(320)을 구성하는 제2 금속 판재가 서로 접합된 클래드 메탈 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 유닛(300)은, 서로 다른 2개 이상의 금속층으로 구성되어 있다고 할 수 있다. 이때, 내측에 위치하는 금속층은 내부 하우징(310)이고, 외측에 위치하는 금속층은 외부 하우징(320)이라 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)에 대하여 다양한 성능이 확보되도록 할 수 있다. 특히, 벤팅 유닛(300)은 외부의 충격이나 진동, 고온의 가스나 화염 등에도 그 형태나 위치 등이 안정적으로 유지될 필요가 있다. 또한, 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)에 부착할 때 조립성이 우수할수록 좋다. 상기 실시 구성에서는, 서로 다른 금속 재질이 하나의 벤팅 유닛(300)에 존재하기 때문에, 벤팅 유닛(300) 이러한 여러 특성을 함께 가질 수 있다.
상기 내부 하우징(310)은, 외부 하우징(320)보다 용융점이 높은 재질로 구성될 수 있다. 특히, 내부 하우징(310)과 외부 하우징(320)은 모두 금속 재질로 구성되며, 더욱이 서로 접합되어 클래드 메탈 형태로 구성될 수 있는데, 내부 하우징(310)은 외부 하우징(320)보다 용융점이 높은 금속 재질로 구성될 수 있다. 내부 하우징(310)은 벤팅 유닛(300)에서 배출되는 벤팅 가스나 화염, 스파크 등과 직접 접촉하는 부분이라고 할 수 있다. 따라서, 내부 하우징(310)은 높은 온도에도 쉽게 용융되지 않고 잘 견딜 수 있는 재질로 구성되는 것이 좋다.
반면, 외부 하우징(320)은, 내부 하우징(310)보다 용융점은 다소 낮더라도 구조적 강성이나 용접성이 우수한 재질로 구성될 수 있다. 특히, 앞서 도 5 등에서 설명한 바와 같이, 벤팅 유닛(300)에서 외측에 위치하는 외부 하우징(320)은 모듈 케이스(200)와 용접될 수 있다. 이를테면, 외부 하우징(320)은, 레이저 용접 또는 브레이징 용접과 같은 방식으로 모듈 케이스(200)의 외면에 용접될 수 있다. 따라서, 외부 하우징(320)은, 일정 수준 이상의 구조적 강성이나 내부식성 등을 가지면서, 그와 함께 모듈 케이스(200)와 용접성이 좋은 재질로 구성될 수 있다.
예를 들어, 외부 하우징(320)은, 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 이 경우, 내부 하우징(310)은, 이러한 외부 하우징(320)의 재질보다 용융점이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 내부 하우징(310)은, 철(Fe)이나 SUS(Steel Use Stainless) 등과 같은 용융점이 높은 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)의 벤팅 성능이 보다 안정적으로 확보될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 외부 하우징(320)에 의해 모듈 케이스(200)와의 강한 결합력이 확보될 수 있고, 내부 하우징(310)에 의해 벤팅 가스나 화염 등에 대한 고온 안정성이 확보될 수 있다. 특히, 열폭주와 같은 이벤트 발생 시 모듈 케이스(200) 내부에서 벤팅 홀(H1)을 통해 토출되는 가스나 화염은 매우 높은 온도를 가질 수 있는데, 이러한 가스나 화염에 직접 노출되는 내부 하우징(310)은 열에 강한 재질로 구성되므로, 가스나 화염의 높은 온도에도 벤팅 유닛(300)의 구조 붕괴가 일어나지 않도록 할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 유닛(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 6은, 도 3의 벤팅 유닛(300)에 대하여, A1 부분의 변형된 단면 구성에 대한 일례를 상부에서 바라본 형태의 도면일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 내부 하우징(310)은, 부분적으로 두께가 서로 다르게 구성될 수 있다. 특히, 내부 하우징(310)은, 벤팅 가스의 흐름 방향을 따라 두께가 서로 다른 부분을 구비하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 벤팅 가스의 흐름 방향은, 화살표로 표시된 바와 같이 -y축 방향이라 할 수 있다. 이때, 내부 하우징(310)은, 벤팅 가스의 흐름 방향으로 두께가 서로 다르게 형성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 6의 구성에서, 내부 하우징(310)의 일 부분의 두께 T1과 내부 하우징(310)의 다른 부분의 두께 T2는 서로 다르게 형성될 수 있다. 더욱이, 도 6의 구성에서, 두께 T1은 두께 T2보다 두껍다고 할 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서, 두께 T1으로 표시된 부분은 두께 T2로 표시된 부분보다 벤팅 가스의 흐름 상 상류 측에 위치한다고 할 수 있다. 따라서, 상기 도 6의 실시 구성에서는, 벤팅 가스의 흐름 방향을 따라 내부 하우징(310)의 두께가 다르게 형성되되, 특히 상류 측 두께(T1)가 하류 측 두께(T2)보다 두껍게 형성되어 있다고 할 수 있다. 더욱이, 내부 하우징(310)은, 적어도 부분적으로 배출구 측으로 갈수록 점점 두께가 얇아지도록 구성될 수 있다. 이때, 내부 하우징(310)의 내부 표면은, 도 6에 도시된 바와 같이, 배출구 측으로 갈수록 유로가 점점 넓어지는 형태로, 경사면이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부로 고온의 가스나 화염 등이 유입되더라도, 벤팅 유닛(300)의 구조적 안정성이 보다 확실하게 보장될 수 있다. 특히, 동일한 내부 하우징(310)이라 하더라도, 그 위치에 따라 가해지는 온도나 압력 등이 달라질 수 있다. 더욱이, 벤팅 유로의 상류 측, 다시 말해 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)에 가까운 부분에서는, 벤팅 홀(H1)로부터 분출된 가스나 화염이 가장 먼저 닿기 때문에, 인가되는 압력이나 열이 내부 하우징(310)의 다른 부분에 비해 상대적으로 매우 클 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 벤팅 유로의 상류 측에 위치할수록 내부 하우징(310)의 두께를 두껍게 형성하는 경우, 높은 압력이나 열에도 구조적 안정성을 유지할 수 있다. 또한, 이 경우, 벤팅 유닛(300)의 내부, 즉 내부 하우징(310) 측에서는 상류 측 온도가 하류 측 온도에 비해 고온으로 형성될 수 있으나, 이러한 상류 측의 열이 벤팅 유닛(300)의 외부, 즉 외부 하우징(320) 측으로는 전달되지 않을 수 있다. 그러므로, 벤팅 유닛(300)의 상류 측, 즉 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분에서 배터리 모듈 외부에 위치하는 다른 구성요소, 이를테면 다른 배터리 모듈로 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 내부 하우징(310)은, 벤팅 홀(H1)과 대면하는 부분의 두께가 다른 부분에 비해 두껍게 형성될 수 있다. 내부 하우징(310)에서, 벤팅 홀(H1)을 마주보는 부분에서는 벤팅 홀(H1)로부터 분출된 가스나 화염이 내부 하우징(310)의 표면에 거의 수직인 방향으로 흐를 수 있다. 반면, 내부 하우징(310)의 다른 부분, 즉 벤팅 홀(H1)을 마주보는 부분이 아닌 그 이외의 부분에서는, 대체로 가스나 화염이 내부 하우징(310)의 표면에 평행한 방향으로 흐를 수 있다.
그러므로, 상기 실시예와 같이, 내부 하우징(310)에서 벤팅 홀(H1)에 대면하는 부분의 두께를 가장 두껍게 하는 경우, 가스나 화염에 의한 고온, 고압의 분사력에도 쉽게 손상 내지 파손되지 않고, 그 형태를 안정적으로 유지할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 유닛(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 7은, 도 6의 변형된 실시예라 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 내부 하우징(310)은, P1으로 표시된 부분과 같이, 적어도 일측 단부가 외부 하우징(320)을 향하여 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 7의 구성에서, 내부 하우징(310)은, 벤팅 채널을 형성하기 위해 +y축 방향으로 연장된 부분의 단부가 -x축 방향으로 절곡될 수 있다. 그리고, 이러한 내부 하우징의 -x축 방향 단부는, 다시 +y축 방향으로 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 외부 하우징(320)은, 이러한 내부 하우징(310)의 절곡된 단부를 수용하기 위한 형태로 홈이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서 P1으로 표시된 부분과 같이, 외부 하우징(320)은, +y축 방향으로 연장된 부분의 단부가 -x축 방향, +y축 방향 및 -x축 방향으로 순차적으로 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 절곡 형태를 통해 형성된 외부 하우징(320)의 단부 홈에는 내부 하우징(310)의 절곡된 단부가 삽입될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 내부 하우징(310)의 단부가 외부 하우징(320)의 단부에 삽입되는 형태로 구성됨으로써, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310) 사이의 결합성이 향상될 수 있다. 또한, 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스에 의해 외부 하우징(320)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 도 7에서 화살표 B1으로 표시된 부분은, 모듈 케이스(200)와 접촉된 부분이라 할 수 있다. 이때, 상기 실시 구성에서는, B1으로 가스가 유입되더라도, 유입된 가스가 외부 하우징(320)에 도달하는 경로를 증가시킴으로써, 고온의 가스가 외부 하우징(320)을 손상시키는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 측면에 형성될 수 있다. 그리고, 상기 벤팅 유닛(300)은, 이러한 벤팅 홀의 위치에 대응하여 모듈 케이스(200)의 측면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 홀은, 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 좌측면 및 우측면에 형성될 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 좌측면 및 우측면에 부착될 수 있다.
특히, 벤팅 유닛(300)은, 내부 하우징(310)이 상하 방향으로 두께가 서로 다른 부분을 구비하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 벤팅 유닛(300)의 구성을 정면에서 바라본 형태의 도면이다. 도 8은, 도 4의 도면에 대한 다른 변형예라 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 내부 하우징(310)은, 상부 측 두께가 하부 측 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도면에 도시된 바와 같이, 내부 하우징(310)의 상부 중 일부분의 두께를 T3라 하고, 내부 하우징(310)의 하부 중 일부분의 두께를 T4라 할 경우, T3는 T4보다 크게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)의 내부에서 벤팅 가스가 흐를 때 벤팅 유닛(300)의 구조적 안정성이 보다 확실하게 유지될 수 있다. 특히, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀로부터 벤팅 유닛(300)의 내부로 벤팅 가스가 유입될 때에는, 내부 하우징(310)의 상부에서 하부에 이르기까지 전체적으로 벤팅 가스가 유입될 수 있다. 그런데, 벤팅 가스의 온도는 고온이기 때문에, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간으로 유입된 벤팅 가스는, 도 8에서 화살표로 표시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간 중 상부 측으로 향하는 성질을 가질 수 있다. 따라서, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간 중, 하부 측보다는 상부 측에 보다 많은 열에너지가 가해질 수 있다. 그런데, 상기 실시 구성에 의하면, 내부 하우징(310)의 상부 측 두께가 하부 측 두께보다 두껍게 형성됨으로써, 이러한 상부 측에 가해지는 열적 스트레스에 효과적으로 대처할 수 있다. 그러므로, 상기 실시 구성의 경우, 벤팅 유닛(300) 전체적으로 열적 스트레스에 대한 안정성이 보장될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 벤팅 유닛(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 9는, 도 6에 대하여 변형된 다른 실시예라 할 수 있다.
도 9를 참조하면, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310) 사이의 적어도 일부는 소정 거리 이격된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 유닛(300)은, 도 9의 구성에서 C1으로 표시된 부분과 같이, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310) 사이에 빈 공간이 형성되도록 구성될 수 있다. 이때, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310) 사이의 빈 공간에는 공기와 같은 기체층이 형성될 수 있다. 특히, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 홀이 대면되는 부분에서 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310) 사이의 이격 공간이 존재하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310) 사이의 이격 공간에 위치한 기체층, 이를테면 공기층에 의해 단열 성능이 향상될 수 있다. 즉, 상기 실시 구성에 의하면, 내부 하우징(310) 측의 열이 외부 하우징(320) 측으로 전달되는 것이 억제될 수 있다. 따라서, 외부 하우징(320)의 외부에 위치하는 다른 배터리 모듈 등으로 열폭주 전파가 일어나는 것이 감소될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 외부 하우징(320)과 내부 하우징(310) 사이의 이격 공간이 압력이나 힘에 대한 완충 공간으로서 기능할 수 있다. 특히, 벤팅 홀 측으로부터 분출된 벤팅 가스는, 내부 하우징(310)을 가압할 수 있다. 이때, 내부 하우징(310)과 외부 하우징(320) 사이의 빈 공간에 의해, 내부 하우징(310)에 대한 가압력은 완충되어, 외부 하우징(320) 측으로 전달되는 것이 감소될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스의 분출 압력에 의하여 외부 하우징(320)과 모듈 케이스(200) 사이의 결합력이 해제되거나 손상되는 것이 방지되거나 감소될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 벤팅 유닛(300)의 구조적 안정성이 보다 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS나 버스바, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩 이외에 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 수 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.
100: 셀 어셈블리
200: 모듈 케이스
300: 벤팅 유닛
310: 내부 하우징, 320: 외부 하우징

Claims (10)

  1. 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 서로 다른 재질로 구성된 외부 하우징 및 내부 하우징을 구비하며, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 상기 내부 하우징의 표면을 따라 흐르다가 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 하우징은 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성되며, 상기 내부 하우징은 상기 외부 하우징의 내면을 커버하는 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외부 하우징은, 외주부의 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면에 용접된 형태로 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 하우징과 상기 내부 하우징은 서로 다른 금속 재질로 구성되어 적어도 일부분이 서로 접합된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 하우징은, 상기 외부 하우징보다 용융점이 높은 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내부 하우징은, 상기 벤팅 가스의 흐름 방향을 따라 두께가 서로 다른 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 홀은, 상기 모듈 케이스의 측면에 형성되고,
    상기 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 측면에 부착되며, 상기 내부 하우징이 상하 방향으로 두께가 서로 다른 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외부 하우징과 상기 내부 하우징 사이의 일부는 소정 거리 이격된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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