KR20230008962A - 쿨링 핀들이 합치된 팩 케이스를 구비한 배터리 팩 - Google Patents

쿨링 핀들이 합치된 팩 케이스를 구비한 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 모듈; 및 상기 배터리 모듈을 내부에 수용하도록 마련된 팩 케이스;를 포함하며, 상기 팩 케이스는 상기 배터리 모듈을 수용하는 바틈 커버; 및 상기 팩 케이스의 내부 방향을 향하는 일면에 돌출 형성된 쿨링 핀들을 구비하고 상기 배터리 모듈의 상부가 커버되도록 상기 바틈 커버와 상하로 결합되는 탑 플레이트를 포함하고, 상기 배터리 모듈에서 생성된 벤팅 가스가 상기 쿨링 핀들 사이에 형성되는 빈 공간들을 통해 상기 팩 케이스 외부로 배출되게 마련될 수 있다.

Description

쿨링 핀들이 합치된 팩 케이스를 구비한 배터리 팩{Battery pack having a pack case with intergrated cooling pins}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 일부 배터리 모듈에서 고온 벤팅 가스 발생시 상기 벤팅 가스의 온도와 압력을 낮추기 위한 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 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
일반적으로 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 이차전지들 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용하고 있다.
전기자동차에 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 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈들의 개수가 증가할수록 화재 및 폭발 가능성과 이로 인한 피해는 더 커질 수밖에 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. 또한, 고온의 스파크와 벤팅 가스는 배터리 팩 외부로 배출된 후에도 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩 등에 열적 데미지를 줄 수 있다.
따라서 어떤 배터리 모듈의 이벤트 발생시, 벤팅 가스나 고온의 스파크로 인한 위험을 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 어떤 배터리 모듈에서 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 그 온도와 압력을 낮추어 배터리 팩 외부로 배출될 수 있도록 하여 벤팅 가스 배출로 인한 위험 요인을 줄이는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 어떤 배터리 모듈에서 벤팅 가스와 스파크가 발생하더라도 다른 배터리 모듈들이 받을 열적 데미지를 최소화하여 배터리 팩의 열폭주를 방지하는 것을 다른 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 모듈; 및 상기 배터리 모듈을 내부에 수용하도록 마련된 팩 케이스;를 포함하며, 상기 팩 케이스는, 상기 배터리 모듈을 수용하는 바틈 커버; 및 상기 팩 케이스의 내부 방향을 향하는 일면에 돌출 형성된 쿨링 핀들을 구비하고 상기 배터리 모듈의 상부가 커버되도록 상기 바틈 커버와 상하로 결합되는 탑 플레이트를 포함하고, 상기 배터리 모듈에서 생성된 벤팅 가스가 상기 쿨링 핀들 사이에 형성되는 빈 공간들을 통해 상기 팩 케이스 외부로 배출되게 구성된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 쿨링 핀들은 상기 탑 플레이트의 일측 가장자리에서 타측 가장자리까지 상기 탑 플레이트의 길이 방향인 제1 방향 또는 너비 방향인 제2 방향을 따라 복수 개가 구비될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 테두리에 구비되는 쿨링 핀들은 그 끝단이 상기 바틈 커버의 상단 테두리에 상하로 연결될 수 있다.
상기 바틈 커버는 저면을 형성하는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 벽체를 형성하는 벽체 프레임; 및 상기 베이스 플레이트와 상기 벽체 프레임으로 에워싸인 내부 공간을 구획화시키는 제1 크로스 빔을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은 복수 개이고, 각 상기 배터리 모듈은 상기 내부 공간이 상기 제1 크로스 빔에 의해 구획되어 형성된 복수 개의 모듈 수용부에 배치되고, 상기 탑 플레이트는 상기 제1 크로스 빔과 상하로 대면 접촉하도록 마련된 제2 크로스 빔을 포함할 수 있다.
상기 제2 크로스 빔은 상기 쿨링 핀들과 동일하거나 더 높게 형성될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들; 및 상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;를 포함하고, 상기 모듈 케이스는 상기 복수의 배터리 셀들의 상부를 커버하는 상판부에 가스 벤팅구가 형성될 수 있다.
상기 가스 벤팅구는 메쉬 구조로 마련될 수 있다.
상기 모듈 케이스는, 상기 복수의 배터리 셀의 상부에 배치되고 내부에 냉각수가 들어 있는 상판부; 및 상기 복수의 배터리 셀들의 하부에 배치되고 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비한 하판부를 포함하고, 상기 상판부는 상기 복수의 배터리 셀과 접하는 제1 상부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제1 멜팅 스팟;과 상기 제1 상부 플레이트와 마주하는 제2 상부 플레이트에 외부로 가스 방출이 가능한 상기 가스 벤팅구와 상기 가스 벤팅구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 벤팅구 캡을 구비할 수 있다.
상기 하판부는 상기 복수의 배터리 셀들과 접하는 제1 하부 플레이트와 상기 제1 하부 플레이트와 마주하는 제2 하부 플레이트를 구비하고, 상기 제1 하부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제2 멜팅 스팟을 구비할 수 있다.
상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 어떤 배터리 모듈에서 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 그 온도와 압력을 낮추어 배터리 팩 외부로 배출될 수 있도록 하여 벤팅 가스 배출로 인한 위험 요인을 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 어떤 배터리 모듈에서 벤팅 가스와 스파크가 발생하더라도 다른 배터리 모듈들이 받을 열적 데미지를 최소화하여 배터리 팩의 열폭주를 방지할 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 2의 탑 플레이트를 하부에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 3의 탑 플레이트의 저면도이다.
도 5는 도 3에 대응하는 도면으로 도 3의 탑 플레이트의 변형예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에 대응하는 도면으로 도 3의 탑 플레이트의 변형예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 8은 도 7의 모듈 케이스의 상판부의 저면도이다.
도 9는 도 8의 단면도이다.
도 10은 도 7의 배터리 모듈의 냉각 및 소화시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 특정 배터리 셀의 발화시 소화 메카니즘을 설명하기 위한 참고 도면이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 특정 배터리 셀의 가스 배출 상황을 설명하기 위한 참고 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 벤팅 가스 배출 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 부분 분해 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 팩 케이스(100)와 상기 팩 케이스(100) 내부에 수용되는 배터리 모듈(200)들을 포함한다.
팩 케이스(100)는 외부 충격 등으로부터 배터리 모듈(200)들을 보호하기 위한 구성품으로서, 기계적 강성이 우수한 재질로 마련될 수 있으며, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이,배터리 모듈(200)들을 수용할 수 있게 마련된 바틈 커버(110)와, 배터리 모듈(200)들의 상부를 커버하며 상기 바틈 커버(110)와 상하로 결합될 수 있게 마련된 탑 플레이트(120)를 포함할 수 있다. 미도시 하였으나, 상기 바틈 커버(110)와 상기 탑 플레이트(120)의 결합할 때, 예컨대 볼팅, 용접, 접착, 후킹 등의 결합 방식이 적용될 수 있다.
자세히 후술하겠으나, 본 발명의 팩 케이스(100)는 상기 바틈 커버(110)와 상기 탑 플레이트(120) 사이에 배치되는 쿨링 핀(121)들을 포함한다. 이를테면 도 1과 같이, 탑 플레이트가 바틈 커버의 상단으로부터 상기 쿨링 핀들에 의해 소정 높이만큼 이격되게 지지되는 형태로 구성됨으로서 팩 케이스(100)의 측면 둘레 방향을 따라 벤팅 가스가 배출될 수 있는 배출 면적이 충분히 넓게 확보될 수 있다. 이에 따라 배터리 모듈(200)에서 벤팅 가스가 발생하더라도, 벤팅 가스 배출이 원활해 팩 케이스(100)의 변형이 방지될 수 있다. 또한, 상기 벤팅 가스가 팩 케이스(100) 외부로 배출될 때, 쿨링 핀(121)들에 의해 냉각될 수 있어 배터리 팩(10) 주변의 다른 구조물들의 발화 위험을 최소화할 수 있다.
이하에서 이러한 팩 케이스(100) 구성에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 가스 벤팅구(235)가 상부에 구비된다. 배터리 모듈(200) 내부에서 벤팅 가스가 발생하면 상기 벤팅 가스는 상기 가스 벤팅구(235)를 통해 배터리 모듈(200)의 상부 방향(Z축 방향)으로 배출되며, 이후 배터리 모듈(200)의 상부를 덮고 있는 탑 플레이트(120)에 가로막혀 수평 방향으로 이동하게 된다. 이때, 벤팅 가스가 탑 플레이트(120)의 테두리 영역에 도달할 때까지 쿨링 핀(121)들과 열교환을 하게 됨으로써 벤팅 가스의 온도가 저하될 수 있다. 특히, 팩 케이스(100) 외부로 배출되기까지 팩 케이스(100) 내부에 와류 현상이 현저하게 많이 일어난다. 이에 따라 벤팅 가스와 쿨링 핀(121)들을 포함한 탑 플레이트(120) 간의 열 교환량이 많아져 쿨링 핀(121)들을 사용하지 않는 경우에 비해 벤팅 가스의 온도가 현저히 떨어질 수 있다. 상기 쿨링 핀들과 탑 플레이트는, 벤팅 가스의 냉각을 위해, 알루미늄과 같이 열 전도성이 우수한 금속으로 제작될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 각 쿨링 핀(121)은, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 팩 케이스(100)의 내부 방향(배터리 모듈 쪽)을 향하는 탑 플레이트(120)의 일면에 수직하게 돌출된 얇은 판상체 형상으로 마련될 수 있다. 상기 쿨링 핀(121)은 본 실시예와 다르게 예컨대 핀 형상, 봉 형상, 타원 형상 등 다양한 형상으로 대체될 수도 있다.
또한, 쿨링 핀(121)들은 탑 플레이트(120)의 일측 가장자리에서 타측 가장자리까지 탑 플레이트(120)의 길이 방향인 제1 방향(Y축 방향) 또는 너비 방향인 제2 방향(X축 방향)을 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 구비되게 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 쿨링 핀(121)들은 후술할 제2 크로스 빔(123) 영역을 제외하고 탑 플레이트(120)의 전 영역에 걸쳐 분포하며, N개의 행과 M개의 열로 구성될 수 있다.
도 3 내지 도 4와 같이, 쿨링 핀(121)들은 모든 행과 열이 전후좌우로 일치하도록 구성되거나 도 5 내지 도 6과 같이, 어떤 행과 다른 행 또는 어떤 열과 다른 열이 전후좌우로 일치하지 않도록 구성될 수 있다.
도 6과 같은 쿨링 핀(121)들의 배열 구조는, 도 4와 같은 쿨링 핀(121)들의 배열 구조에 비해, 벤팅 가스의 배출 경로가 복잡하여 더 많은 와류를 생성하는데 효과적일 수 있다. 이러한 관점에서 도 6과 같은 쿨링 핀(121)들의 배열 구조가 벤팅 가스의 방열량을 증대시키는데 더 유리할 수 있다.
상기 쿨링 핀(121)들 중 탑 플레이트(120)의 테두리에 구비되는 쿨링 핀(121)들은, 탑 플레이트(120)를 바틈 커버(110)에 결합시, 그 끝단이 상기 바틈 커버(110)의 상단 테두리에 상하로 연결되게 구성될 수 있다. 예컨대, 바틈 커버(110)의 상단 테두리에 핀 삽입홈들(미도시)이 구비되고, 상기 쿨링 핀(121)들의 끝단이 상기 핀 삽입홈에 삽입되도록 하여 상기 쿨링 핀(121)들 중 일부가 상기 바틈 커버(110)의 상단 테두리에 상하로 연결되게 할 수 있다.
위와 같이, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(200)들이 수용된 바틈 커버(110)를 쿨링 핀(121)들이 합치된 탑 플레이트(120)로 덮는 구조로 이루어져 있다. 이에 배터리 모듈에서 발생하여 수직 상승하게 되는 벤팅 가스가 탑 플레이트(120)에 의해 가로막혀 배출 압력이 감소하게 되고 팩 케이스의 측면 방향으로 이동하게 되며, 측면 방향으로 이동하는 과정에서 쿨링 핀(121)들 및 탑 플레이트(120)와 열교환이 활발하게 이루어져 냉각될 수 있다. 상기 벤팅 가스는 팩 케이스(100)의 측면 둘레 방향으로 따라 최외곽 쿨링 핀(121)들 사이의 빈 공간(O)들 통해 팩 케이스(100) 외부로 빠져나가게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 케이스(100)는 바틈 커버(110)에 구비되는 제1 크로스 빔(116a, 116b)과 탑 플레이트(120)에 구비되는 제2 크로스 빔(123)을 더 포함한다.
다시 도 2를 참조하면, 바틈 커버(110)는 저면을 형성하는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 벽체를 형성하는 벽체 프레임(112,113,114,115)을 포함하며, 상기 베이스 플레이트와 상기 벽체 프레임(112,113,114,115)으로 에워싸인 내부 공간은 상기 제1 크로스 빔(116a, 116b)으로 구획되도록 구성될 수 있다. 즉, 도 2와 같이, 상기 제1 크로스 빔(116a, 116b)은 제1 가로 빔(116a)과 제1 세로 빔(116b)을 포함하고 상기 제1 가로 빔(116a)은 일단이 프런트 프레임(112)에 연결되고 타단이 리어 프레임(113)에 연결되며 상기 제1 세로 빔(116b)은 일단이 좌측 사이드 프레임(114)에 연결되고 타단이 우측 사이드 프레임(115)에 연결되게 구성될 수 있다.
이러한 본 실시예의 제1 크로스 빔(116a, 116b)에 의하면 바틈 커버(110)에는 4개의 모듈 수용부(S)가 형성될 수 있고, 각 모듈 수용부(S)에 각 배터리 모듈(200)이 배치될 수 있다.
이어서, 도 3 또는 도 5를 참조하면, 상기 제2 크로스 빔(123)은 쿨링 핀(121)들과 동일하거나 더 높게 형성된 제2 가로 빔(123a)과 제2 세로 빔(123b)을 포함하고, 상기 제2 가로 빔(123a)은 탑 플레이트(120)에 제1 방향(Y축 방향)으로 연장 배치되고 상기 제2 세로 빔(123b)은 탑 플레이트(120)의 제2 방향(X축 방향)으로 연장 배치되며, 탑 플레이트(120)와 바틈 커버(110)를 상하로 결합한 때, 상기 제2 가로 빔(123a)과 상기 제2 세로 빔(123b)이 각각 제1 가로 빔(116a)과 제1 세로 빔(116b)과 상하로 대면 접촉하도록 마련될 수 있다.
따라서 탑 플레이트(120)와 바틈 커버(110)를 상하로 결합한 때 배터리 모듈(200)들은 상기 제1 크로스 빔(116a, 116b)과 상기 제2 크로스 빔(123)에 의해 공간적으로 차단될 수 있다. 참고로, 배터리 모듈(200)들 간의 전기적 연결은 제2 크로스 빔(123)의 내부에 케이블 등과 같은 배선 수단을 부분적으로 매입하여 배터리 모듈(200)들이 상기 배선 수단에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
이 같은 본 발명의 배터리 팩(10) 구성에 의하면, 어느 하나의 배터리 모듈(200)에서 벤팅 가스 내지 스파크가 발생하더라도 상기 벤팅 가스 내지 스파크가 다른 배터리 모듈(200)들에 전파되는 것을 막을 수 있다. 따라서 어떤 배터리 모듈(200)의 발화시 인접한 다른 배터리 모듈(200)로 열이 전파되어 생기는 열폭주 현상에 의한 2차 발화를 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 8은 도 7의 모듈 케이스의 상판부의 저면도이며, 도 9는 도 8의 단면도이고, 도 10은 도 7의 배터리 모듈의 냉각 및 소화시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 이들 도면들 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은, 복수의 배터리 셀(210)들로 이루어진 셀 적층체와 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스(220)를 포함한다.
상기 배터리 셀(210)로는 파우치형 배터리 셀(210)이 채용될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(210)은 전극 조립체와 전해액을 파우치 타입의 외장재로 밀봉 수납한 대략 판상형의 배터리 셀(210)로서 본 발명의 출원 시점에 널리 공지된 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 파우치형 배터리 셀(210)들을 각각 상하 방향(±Z)으로 세우고 넓은 면이 서로 대면하게 좌우 방향(±Y)으로 적층하여 셀 적층체를 형성한다. 상기 파우치형 배터리 셀(210)들 사이에는 스웰링 흡수 또는 열전달 목적으로 완충패드 또는 박판 형태의 냉각핀 등이 더 개재될 수도 있다.
배터리 셀(210)들은 반복적인 충방전 과정에서 전극조립체의 팽창과 수축, 충방전의 부산물로 생성된 가스로 인해 팽창할 수 있다. 이때의 배터리 셀(210)들의 팽창력을 흡수하고 모듈 케이스(220)의 변형을 최소화하기 위해 배터리 셀(210)들 사이에 중공 구조의 격벽(250)이 추가될 수 있다.
특히, 본 실시예의 배터리 모듈(200)은 상기 배터리 셀(210)들의 상단 에지와 하단 에지를 각각 열 전도성 접착제로 모듈 케이스에 고정하고 냉각수(W1)가 간접 접촉되도록 하여 배터리 셀(210)들을 냉각할 수 있게 구성될 수 있다.
상기 모듈 케이스(220)는 상기 셀 적층체를 수용하고 외부의 충격이나 진동으로부터 보호하기 위해 기계적 강성이 높은 재질로 마련되고 대략 6면체 박스 형태로 마련될 수 있다. 이를테면, 본 실시예의 모듈 케이스(220)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 셀 적층체의 상부에 배치되는 상판부(230), 셀 적층체의 하부에 배치되는 하판부(240) 및 셀 적층체의 둘레를 감싸는 4면의 측벽부(260)를 포함하는 대략 6면체 박스 형태로 구성될 수 있다. 개략적으로 도시하였으나, 상기 측벽부(260)는 셀 적층체의 전면부와 후면부를 커버하는 전/후면 커버 플레이트와 셀 적층체의 측면부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트로 이루어진 4개의 플레이트를 결합한 것일 수 있다.
상기 모듈 케이스(220)는 평상시 배터리 셀(210)들을 효과적으로 냉각하고 화재 발생시 배터리 셀(210)들의 발화를 신속히 진압하기 위해 상판부(230)는 냉각수 저장탱크 역할을 하고, 하판부(240)는 히트싱크 역할을 하도록 구성될 수 있다. 여기서 히트싱크는 내부에 냉각수(W1)가 흐를 수 있는 유로를 구비하여 열을 흡수하는데 사용되는 냉각 부품을 의미한다.
즉, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 상부가 냉각수 저장탱크이고 하부가 히트싱크로 구성됨으로써 평상시 배터리 모듈(200)을 냉각하고 비상시 냉각수 저장탱크의 물이 배터리 모듈(200) 내부로 주입될 수 있게 이루어져 있다.
이하에서 이러한 배터리 모듈(200)의 냉각 및 소화 구조를 자세히 설명한다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 모듈 케이스(220)의 상판부(230)는 복수의 배터리 셀(210)들과 접하는 제1 상부 플레이트(231)와, 상기 제1 상부 플레이트(231)와 마주하는 제2 상부 플레이트(232)를 포함한다. 그리고 상기 제1 상부 플레이트(231)는 열 용융될 수 있는 제1 멜팅 스팟(233)을 복수 개 구비하고, 상기 제2 상부 플레이트(232)는 외부로 가스 방출이 가능한 상기 가스 벤팅구(235)와 상기 가스 벤팅구(235)를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 벤팅구 캡(236)을 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 상부 플레이트(231)는 열전도성이 우수한 알루미늄(Al)으로 마련되고, 상기 제2 상부 플레이트(232)는 강성이 우수한 스틸(Steel)로 마련될 수 있다. 이종 재질인 상기 제1 상부 플레이트(231)와 상기 제2 상부 플레이트(232)는 예컨대 블레이징(brazing) 용접에 의해 이종 접합될 수 있다.
이처럼 알루미늄의 제1 상부 플레이트(231)와 스틸 재질의 제2 상부 플레이트(232)를 이종 접합한 구조의 상판부(230)는 배터리 셀(210)들에 대한 열 흡수율이 높으며, 고온의 벤팅 가스나 스파크에 대한 내구성이 우수한 장점을 갖는다. 다만, 본 발명의 권리범위가 알루미늄과 스틸로 이종 접합한 히트싱크에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 상판부(230)의 제작시, 제작 공정의 용이성과 경량화를 위해 상기 제1 상부 플레이트(231)와 상기 제2 상부 플레이트(232)를 모두 알루미늄 재질로 하거나 알루미늄 이외에도 경량이면서 강성이 우수한 다른 재질을 사용할 수도 있다.
모듈 케이스(220)의 하판부(240)는 복수의 배터리 셀(210)들과 접하는 제1 하부 플레이트(241)와 상기 제1 하부 플레이트(241)와 마주하는 제2 하부 플레이트(242)를 구비하고, 상기 제1 하부 플레이트(241)에 열 용융될 수 있는 제2 멜팅 스팟(243)을 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 하판부(240)는 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비하고, 상기 냉각수의 순환을 위해 유로의 일측과 타측에 인렛 포트(P1)와 아웃렛 포트(P2)가 연결될 수 있다. 이에 냉각수(W1)는 상기 인렛 포트(P1)를 통해 유로에 공급되고 상기 아웃렛 포트(P2)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이 같이, 내부에 냉각수를 포함하고 있고, 배터리 셀(210)들의 양단 에지에 접하는 상기 상판부(230)와 상기 하판부(240) 구성으로, 배터리 셀(210)들은 양쪽 에지부가 냉각될 수 있다.
즉, "배터리 셀(210)들의 상단 에지 => 상판부(230)의 알루미늄 재질의 제1 상부 플레이트(231) => 냉각수(W1)"로 이어지는 방열 경로와 "배터리 셀(210)들의 하단 에지 => 하판부(240)의 알루미늄 재질의 제1 하부 플레이트(241) => 냉각수(W1)" 로 이어지는 방열 경로를 통해 배터리 셀(210)들을 냉각시킬 수 있다.
이어서, 배터리 모듈(200)의 소화시스템 구성에 대해 살펴본다.
어떤 배터리 셀(210)의 온도가 비정상적으로 높아지거나, 발화할 경우, 상판부(230)의 제1 멜팅 스팟(233)과 하판부(240)의 제2 멜팅 스팟(243)의 용융되어 상판부(230)에 저장된 냉각수가 모듈 케이스(220) 내부로 유입되고 상기 배터리 셀(210)의 소화하는데 사용될 수 있다.
상기 제1 멜팅 스팟(233)과 상기 제2 멜팅 스팟(243)은 적어도 하나의 상기 배터리 셀(210)을 사이에 두고 상하로 대칭된 위치에 구비되고, 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 제1 멜팅 스팟(233)은 제1 상부 플레이트(231)의 두께 방향으로 형성된 관통구(237)와, 열 용융 가능한 소재로 형성된 실링 캡으로 구성될 수 있고, 제2 멜팅 스팟(243)은 상기 제1 멜팅 스팟(233)과 마찬가지로 관통구와 실링 캡으로 구성될 수 있다.
상기 실링 캡의 소재로는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)과 같은 플라스틱 수지가 사용될 수 있다. 예컨대, 플라스틱 소재의 실링 캡과 전술한 알루미늄 소재의 제1 상부 플레이트(231) 또는 제1 하부 플레이트(241)는 인서트 사출공법으로 일체로 성형될 수 있다. 상기 실링 캡은 열 용융성과 실링성을 갖는 고무 등과 같은 다른 소재로 대체될 수도 있다.
상기 구성에 의하면, 도 11과 같이, 어떤 배터리 셀(210)이 발화할 경우, 해당 배터리 셀(210)에서 발생한 열과 고온의 벤팅 가스에 의해 해당 배터리 셀(210)의 상부 및 하부에 위치한 실링 캡이 열 용융되어 소실되고 이에 따라 상판부(230)에서 냉각수(W1)가 관통구를 통해 해당 배터리 셀(210)로 바로 투입된다. 이 경우 최초 발화한 배터리 셀(210)을 빠르게 소화시킬 수 있어 주변 배터리 셀(210)들로의 열 확산을 막는데 효과적이다.
그리고 도 12에 도시한 바와 같이, 냉각수가 빠져나간 상판부(230)의 내부 공간으로 벤팅 가스와 고온의 스파크가 유입될 수 있다. 이때, 가스 벤팅구(235)를 막고 있던 벤팅구 캡(236)이 열 용융되거 소실되어 가스 벤팅구(235)가 개방될 수 있다. 이러한 가스 벤팅구(235)는 메쉬 구조로 마련됨으로서, 고온의 스파크는 걸러내고 벤팅 가스만 상판부(230) 밖으로 배출될 수 있도록 한다. 여기서 상기 고온의 스파크는 배터리 셀(210) 내부의 전극에서 탈리된 활물질이나 용융된 알루미늄 입자 등을 의미한다.
즉, 배터리 셀(210)이 발화할 경우, 냉각수(W1)가 상판부(230)의 내부에서 관통구를 통해 해당 배터리 셀(210)로 투입되고 나면 상판부(230)의 내부는 빈 공간이 된다. 이때 상판부(230)에 생겨난 빈 공간이 가스 배출 통로로 활용되는 것이다. 고온의 벤팅 가스와 스파크가 관통구(237)를 통해 상판부(230)의 내부로 들어와 벤팅구 캡(236)이 열 용융되어 소실되면 모듈 케이스(220) 내외부의 압력차에 벤팅 가스가 빠른 속도로 가스 벤팅구(235)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이때 화염이나 스파크는 온도 저하로 소멸하거나 메쉬 구조의 가스 벤팅구(235)에서 필터링될 수 있다.
이렇게 가스 벤팅구(235)를 통해 배터리 모듈(200) 외부로 나온 벤팅 가스는 도 13에 도시한 바와 같이, 팩 케이스(100) 외부로 배출될 수 있다.
전술한 바 있듯이, 본 실시예는 4개의 배터리 모듈(200)들이 바틈 커버(110)의 제1 크로스 빔(116a, 116b)과 탑 플레이트(120)의 제2 크로스 빔(123)에 의해 공간적으로 차단된 상태로 팩 케이스(100)에 수납되게 구성되어 있음으로, 만약 도 13과 같이, ① 영역에 위치한 배터리 모듈(200)에서 발생한 벤팅 가스는 팩 케이스(100) 내부에서 ②,③,④ 영역으로 확산되지 않고 온도가 저감된 상태로 팩 케이스(100) 외부로 배출될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 배터리 팩(10)의 구성에 의하면, 어떤 배터리 모듈(200)에서 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 그 온도와 압력을 낮추어 배터리 팩(10) 외부로 배출될 수 있도록 하여 벤팅 가스 배출로 인한 위험 요인을 줄일 수 있다. 또한, 다른 배터리 모듈(200)들이 받을 열적 데미지를 최소화하여 배터리 팩(10)의 열폭주를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 미도시 하였으나, 배터리 모듈(200)들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.
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 배치할 수도 있다.
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: 팩 케이스
110: 바틈 커버 116a,116b: 제1 크로스 빔
120: 탑 플레이트 121: 쿨링 핀
123: 제2 크로스 빔 123a: 제2 가로 빔
123b: 제2 세로 빔 200: 배터리 모듈
210: 배터리 셀 220: 모듈 케이스
230: 상판부 231: 제1 상부 플레이트
232: 제2 상부 플레이트 233: 제1 멜팅 스팟
235: 가스 벤팅구 236: 벤팅구 캡
240: 하판부 241: 제1 하부 플레이트
242: 제2 하부 플레이트 243: 제2 멜팅 스팟

Claims (12)

  1. 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈을 내부에 수용하도록 마련된 팩 케이스;를 포함하며,
    상기 팩 케이스는,
    상기 배터리 모듈을 수용하는 바틈 커버; 및
    상기 팩 케이스의 내부 방향을 향하는 일면에 돌출 형성된 쿨링 핀들을 구비하고 상기 배터리 모듈의 상부가 커버되도록 상기 바틈 커버와 상하로 결합되는 탑 플레이트를 포함하고,
    상기 배터리 모듈에서 생성된 벤팅 가스가 상기 쿨링 핀들 사이에 형성되는 빈 공간들을 통해 상기 팩 케이스의 외부로 배출되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 핀들은
    상기 탑 플레이트의 일측 가장자리에서 타측 가장자리까지 상기 탑 플레이트의 길이 방향인 제1 방향 또는 너비 방향인 제2 방향을 따라 복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트의 테두리에 구비되는 쿨링 핀들은 그 끝단이 상기 바틈 커버의 상단 테두리에 상하로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바틈 커버는
    저면을 형성하는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 벽체를 형성하는 벽체 프레임; 및 상기 베이스 플레이트와 상기 벽체 프레임으로 에워싸인 내부 공간을 구획화시키는 제1 크로스 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 복수 개이고,
    각 상기 배터리 모듈은 상기 내부 공간이 상기 제1 크로스 빔에 의해 구획되어 형성된 복수 개의 모듈 수용부에 배치되고,
    상기 탑 플레이트는 상기 제1 크로스 빔과 상하로 대면 접촉하도록 마련된 제2 크로스 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 크로스 빔은 상기 쿨링 핀들과 동일하거나 더 높게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    복수의 배터리 셀들; 및
    상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;를 포함하고,
    상기 모듈 케이스는 상기 복수의 배터리 셀들의 상부를 커버하는 상판부에 가스 벤팅구가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,타
    상기 가스 벤팅구는 메쉬 구조로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는,
    상기 복수의 배터리 셀의 상부에 배치되고 내부에 냉각수가 들어 있는 상판부; 및
    상기 복수의 배터리 셀들의 하부에 배치되고 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비한 하판부를 포함하고,
    상기 상판부는 상기 복수의 배터리 셀과 접하는 제1 상부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제1 멜팅 스팟;과 상기 제1 상부 플레이트와 마주하는 제2 상부 플레이트에 외부로 가스 방출이 가능한 상기 가스 벤팅구와 상기 가스 벤팅구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 벤팅구 캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하판부는 상기 복수의 배터리 셀들과 접하는 제1 하부 플레이트와 상기 제1 하부 플레이트와 마주하는 제2 하부 플레이트를 구비하고, 상기 제1 하부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제2 멜팅 스팟을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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