KR20230009760A - 안전성이 강화된 배터리 모듈 - Google Patents
안전성이 강화된 배터리 모듈 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230009760A KR20230009760A KR1020210090553A KR20210090553A KR20230009760A KR 20230009760 A KR20230009760 A KR 20230009760A KR 1020210090553 A KR1020210090553 A KR 1020210090553A KR 20210090553 A KR20210090553 A KR 20210090553A KR 20230009760 A KR20230009760 A KR 20230009760A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- top plate
- battery module
- module
- battery
- plate
- Prior art date
Links
- 238000013022 venting Methods 0.000 claims description 45
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 60
- 239000000463 material Substances 0.000 description 24
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 3
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 2
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- FJMNNXLGOUYVHO-UHFFFAOYSA-N aluminum zinc Chemical compound [Al].[Zn] FJMNNXLGOUYVHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N cadmium nickel Chemical compound [Ni].[Cd] OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- QELJHCBNGDEXLD-UHFFFAOYSA-N nickel zinc Chemical compound [Ni].[Zn] QELJHCBNGDEXLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
- H01M50/233—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by physical properties of casings or racks, e.g. dimensions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
- H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
- H01M10/625—Vehicles
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
- H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
- H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
- H01M50/209—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for prismatic or rectangular cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
- H01M50/249—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for aircraft or vehicles, e.g. cars or trains
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
- H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
- H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
- H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
- H01M50/375—Vent means sensitive to or responsive to temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
- H01M50/383—Flame arresting or ignition-preventing means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2220/00—Batteries for particular applications
- H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Battery Mounting, Suspending (AREA)
Abstract
본 발명은 내부에서 열적 이벤트 발생 시 안전성이 향상될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 및 탑 플레이트, 베이스 플레이트 및 사이드 플레이트를 구비하여 내부 공간을 한정하고, 상기 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 탑 플레이트는 적어도 부분적으로 상기 베이스 플레이트 및 상기 사이드 플레이트 중 적어도 하나에 비해 높은 팽창성을 갖도록 구성된 모듈 케이스를 포함한다.
Description
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 다수의 이차 전지(배터리 셀) 또는 다수의 배터리 모듈이 좁은 공간에 밀집되어 있는 경우, 열적 이벤트에 취약할 수 있다. 특히, 어느 하나의 배터리 모듈 내부에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 고온의 가스나 화염, 열 등이 생성될 수 있다. 만일, 이러한 가스나 화염, 열 등을 제대로 제어하지 못하면, 해당 배터리 모듈에서 화재나 폭발 등이 발생하는 것은 물론이고, 다른 배터리 모듈에 대해서도 화재나 폭발 등을 일으킬 수 있다. 또한, 전기 자동차와 같은 중대형 배터리 팩의 경우, 출력 및/또는 용량 증대를 위해 많은 수의 배터리 셀과 배터리 모듈이 포함될 수 있다. 더욱이, 전기 자동차 등에 탑재된 배터리 팩의 경우, 주변에 운전자 등과 같은 사람이 존재할 수 있다. 따라서, 특정 배터리 모듈에서 발생한 열적 이벤트가 적절하게 제어되지 못하고 열 전파(thermal propagation)와 같은 연쇄 반응이 발생할 경우, 큰 재산상 피해는 물론이고 인명 피해까지 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트 발생 시 안전성이 향상될 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; 및 탑 플레이트, 베이스 플레이트 및 사이드 플레이트를 구비하여 내부 공간을 한정하고, 상기 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 탑 플레이트는 적어도 부분적으로 상기 베이스 플레이트 및 상기 사이드 플레이트 중 적어도 하나에 비해 높은 팽창성을 갖도록 구성된 모듈 케이스를 포함한다.
여기서, 상기 탑 플레이트는, 적어도 부분적으로 상기 베이스 플레이트 및 상기 사이드 플레이트 중 적어도 하나에 비해, 낮은 탄성률 또는 높은 열팽창 계수를 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 상기 내부 공간에서 외부 공간으로 관통되는 형태로 벤팅 홀이 형성될 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 상기 벤팅 홀에 구비되어 상기 내부 공간의 온도 또는 압력이 일정 수준 이상인 경우에만 개방되도록 구성된 모듈 밸브를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 벤팅 홀은, 상기 탑 플레이트의 변형으로 개방 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 탑 플레이트는, 부분적으로 팽창성이 다르게 구성될 수 있다.
또한, 상기 탑 플레이트는, 중앙부가 테두리부보다 높은 팽창성을 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 탑 플레이트는 팽창성이 비대칭적으로 형성될 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 모듈의 내부에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 가스 및/또는 열이 적절하게 제어될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 고온의 가스가 발생한 경우, 고온의 가스가 수용될 수 있는 공간이 확보될 수 있다.
따라서, 이 경우, 고온의 가스에 의한 압력 및/또는 열이 완충되도록 할 수 있다. 그러므로, 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 폭발 가능성이 낮아지고, 배출되는 가스의 온도도 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 특정 배터리 모듈에서 생성된 가스나 열에 의해 주변 배터리 모듈에 대하여 열적 연쇄 반응이 일어나는 것을 효과적으로 방지할 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 1의 배터리 모듈에 대한 분리 사시도이다.
도 3 및 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 탑 플레이트가 팽창한 구성을 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은, 도 7에서 탑 플레이트의 C1 부분을 중심으로 나타낸 단면도이다.
도 9는, 도 8의 탑 플레이트가 변형된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 탑 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 탑 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스에서 결합 부분을 나타내는 사시도이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이다.
도 2는, 도 1의 배터리 모듈에 대한 분리 사시도이다.
도 3 및 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 탑 플레이트가 팽창한 구성을 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은, 도 7에서 탑 플레이트의 C1 부분을 중심으로 나타낸 단면도이다.
도 9는, 도 8의 탑 플레이트가 변형된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 탑 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 탑 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스에서 결합 부분을 나타내는 사시도이다.
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 1의 배터리 모듈에 대한 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100) 및 모듈 케이스(200)를 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 Y축 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, 도 2에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)를 구비할 수 있다. 그리고, 모듈 케이스(200)는, 이와 같은 각 구성요소, 즉 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)에 의해 내부 공간을 한정할 수 있다. 탑 플레이트(210)는 모듈 케이스(200)에서 상부에 위치하고, 베이스 플레이트(220)는 탑 플레이트(210)의 하부에서 탑 플레이트(210)와 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 또한, 사이드 플레이트(230)는, 탑 플레이트(210)와 사이드 플레이트(230) 사이에 상단과 하단이 각각 연결된 형태로 배치될 수 있다.
탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)는, 두께가 얇은 시트 형태, 즉 판상으로 구성될 수 있으나, 일정 수준 이상의 두께를 갖는 다면체, 이를테면 직육면체 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 사이드 플레이트(230)는, 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232), 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)를 구비할 수 있다. 이러한 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)는 전체 또는 일부가, 금속 재질로 구성될 수 있다. 또한, 이들 중 적어도 일부는, 플라스틱 재질로 구성될 수도 있다.
탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230) 중 적어도 일부는 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 사이드 플레이트(230) 중, 좌측 플레이트(231)와 우측 플레이트(232)는 베이스 플레이트(220)와 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 서로 일체화된 형태의 좌측 플레이트(231)와 우측 플레이트(232), 베이스 플레이트(220)는, 그 형태에 기인하여 U-프레임과 같은 용어로 지칭될 수도 있다. 이 경우, 전방 플레이트(233)와 후방 플레이트(234)는 엔드 플레이트로서, U-프레임의 전단과 후단의 개방부에 각각 결합될 수 있다. 그리고, 탑 플레이트(210)는, U-프레임의 상단 개방부에 결합될 수 있다.
다만, 이 밖에도 모듈 케이스(200)는 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)와 4개의 사이드 플레이트(230)는 서로 일체화된 형태, 즉 박스 형태로 하부 케이스를 구성할 수 있다. 이 경우, 탑 플레이트(210)는, 박스 형태의 하부 케이스의 상단 개방부에 결합될 수 있다.
한편, 모듈 케이스(200)에서 일체화된 형태로 제조되지 않고 배터리 모듈의 조립 과정에서 결합되는 구성에는, 다양한 결합 방식이 채용될 수 있다. 예를 들어, 탑 플레이트(210)와 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)는, U-프레임과 레이저 용접 또는 초음파 용접 방식 등을 통해 결합될 수 있다. 또는, 이러한 모듈 케이스(200)의 각 구성요소들은, 볼트 체결 방식 등을 통해 서로 결합될 수도 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 이와 같이 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)에 의해 한정된 내부 공간에 셀 어셈블리(100)를 수납할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 모듈 케이스(200)는, 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)라는 여러 구성요소 중 적어도 일부에 대하여, 서로 다른 팽창성을 갖도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 탑 플레이트(210)는, 적어도 부분적으로, 다른 구성요소들, 즉 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)에 비해 높은 팽창성을 갖도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 탑 플레이트(210)는, 모듈 케이스(200)의 다른 부분에 비해, 팽창율이 높은 소재를 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)와 사이드 플레이트(230)는 알루미늄 소재로 이루어지고, 탑 플레이트(210)는 이러한 알루미늄 소재보다 팽창성이 좋은 소재, 이를테면 아연과 같은 소재로 이루어질 수 있다. 다른 예로, 베이스 플레이트(220)와 사이드 플레이트(230)는 철 소재로 이루어지고, 탑 플레이트(210)는 이러한 철 소재보다 팽창성이 좋은 소재, 이를테면 알루미늄과 같은 소재로 이루어질 수 있다. 여기서, 탑 플레이트(210)의 팽창성이 좋다는 것은, 탑 플레이트(210) 자체의 부피가 팽창되는 것을 의미할 수도 있고, 탑 플레이트(210)의 변형 내지 늘어남으로 인해 하부에 위치한 공간의 부피가 팽창되는 것을 의미할 수도 있다.
본 발명의 이러한 측면에 의하면, 열폭주 등으로 인해 배터리 모듈 내부에서 가스 및/또는 열이 발생하는 경우, 팽창성이 높은 부분, 특히 탑 플레이트(210)가 팽창할 수 있다. 그리고, 이러한 팽창에 의해 증가된 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 가스 및/또는 열이 축적될 수 있으므로, 가스 및/또는 열에 대한 완충 작용을 할 수 있다. 이에 대해서는, 도 3 및 도 4를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 탑 플레이트(210)가 팽창한 구성을 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다. 특히, 도 4는 도 3의 A1-A1'선에 대한 단면 형태를 나타낸다고 할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 셀 어셈블리(100) 측에서 가스 및/또는 열이 생성되어 배출된 경우, 탑 플레이트(210)는 모듈 케이스(200)에서 다른 부분에 비해 팽창이 잘 되게 구성되어 있으므로, 탑 플레이트(210)가 먼저 팽창될 수 있다. 특히, 탑 플레이트(210)는, 가스 및/또는 열에 의한 팽창으로, 상부 방향으로 휘어진 형태가 될 수 있다. 즉, 탑 플레이트(210)는, 정상적인 상태에서는 평평한 상태를 유지하다가, 모듈 케이스(200)의 내부 압력 및/또는 내부 온도가 증가하는 경우 상부 방향으로 휘어지도록 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 탑 플레이트(210)의 휘어짐에 의해, 도 4에서 B1으로 표시된 부분과 같이, 탑 플레이트(210)의 내측에는 팽창된 빈 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 형성된 빈 공간(B1)에는, 셀 어셈블리(100)로부터 배출된 가스 및/또는 열이 축적될 수 있다.
이 경우, 배터리 모듈의 안전성이 더욱 향상될 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100) 측에서 가스가 배출된 경우 배터리 모듈의 내부 압력이 증가할 수 있는데, 탑 플레이트(210)의 팽창으로 추가 마련된 내부 공간(B1)에 가스가 축적될 수 있다. 따라서, 가스 배출로 인한 내압 증가가 완화되어, 가스로 인한 모듈의 폭발 가능성이 낮아질 수 있다.
특히, 모듈 케이스(200)는 내부 공간이 완전히 밀폐된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 배터리 모듈의 내부 압력이 증가하는 경우, 폭발 위험성이 더욱 클 수 있다. 그러나, 상기 실시 구성에 의하면, 탑 플레이트(210)의 변형으로 인한 내부 공간 확장으로 내압 증가가 완충될 수 있다. 그러므로, 폭발에 대한 위험성이 낮아질 수 있다.
뿐만 아니라, 모듈 케이스(200)는 내부 공간이 완전히 밀폐되지 않은 형태로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 전방 플레이트(233) 및/또는 후방 플레이트(234)에는 외부의 다른 구성요소와 연결되기 위한 모듈 단자나 통신용 커넥터 등이 구비될 수 있다. 이때, 모듈 케이스(200) 내부에서 발생한 가스나 열은, 모듈 단자나 통신용 커넥터 그 자체 또는 그 주변부에 존재하는 틈을 통해 모듈 케이스(200) 외부로 배출될 수 있다. 그런데, 이러한 부분을 통해 가스나 열이 지나치게 높은 속도나 양으로 배출되는 경우, 다른 배터리 모듈이나 주변의 다른 장치, 운전자나 탑승자 등에게 피해를 입힐 수 있다. 또한, 해당 부분을 통해 배출될 수 있는 정도를 넘는 양이나 속도로 가스나 열이 생성된 경우, 배터리 모듈의 폭발 내지 화재 가능성은 여전히 존재할 수 있다. 하지만, 본 발명의 상기 측면에 의하면, 탑 플레이트(210)의 내측에 마련된 확장 공간이 완충 역할을 수행하여, 폭발 등의 가능성을 현저하게 낮출 수 있다.
또한, 셀 어셈블리(100)로부터 배출되는 가스는 상대적으로 고온일 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 가스가 위치하는 공간에서 부피 확장이 일어나므로, 가스의 온도가 낮아질 수 있다. 따라서, 열적 이벤트가 발생한 배터리 모듈로부터 다른 배터리 모듈이나 주변의 다른 장치로 열이 전달되는 문제를 감소시킬 수 있다. 더욱이, 자동차용 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈의 경우, 그 주변, 이를테면 상부 측에 운전자나 탑승자와 같은 사람이 존재할 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 운전자나 탑승자 측으로 열이 전달되는 것을 방지하거나 감소시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 셀 어셈블리(100)에서 열적 이벤트 발생 시, 가스와 함께 화염이 발생할 수 있다. 그런데, 상기 실시 구성에 의하면, 탑 플레이트(210)의 팽창으로 인해 형성된 내부 공간에 화염도 축적될 수 있게 되므로, 화염의 외부 배출을 방지하거나 지연시킬 수 있다. 따라서, 자동차용 배터리 팩 등의 경우, 운전자나 탑승자의 탈출 시간이 일정 수준 이상 확보되도록 할 수 있다. 그러므로, 이러한 측면에서도, 배터리 모듈의 안전성은 더욱 향상된다고 할 수 있다.
상기 탑 플레이트(210)는, 모듈 케이스(200)의 다른 부분에 비해 높은 팽창성을 갖도록, 탄성률 또는 열팽창 계수가 다른 부분과 다르게 구성될 수 있다.
특히, 상기 탑 플레이트(210)는, 적어도 부분적으로, 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)에 비해, 낮은 탄성률(elastic modulus)을 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 탑 플레이트(210)는, 같은 힘을 받더라도, 베이스 플레이트(220)나 사이드 플레이트(230)보다 잘 변형되는 재질이나 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)와 사이드 플레이트(230)가 티탄이나 SUS(Stainless Steel) 등의 소재로 구성된 경우, 탑 플레이트(210)는 이보다 낮은 탄성률을 갖는 소재, 이를테면 알루미늄 등의 소재로 구성될 수 있다.
이 경우, 셀 어셈블리(100) 측에서 가스가 발생하여, 모듈 케이스(200) 내부의 압력이 높아지는 경우, 베이스 플레이트(220)나 사이드 플레이트(230)는 변형되지 않더라도, 탑 플레이트(210)는 도 3 및 도 4와 같이 상부 방향으로 휘어진 형태로 변형될 수 있다. 그리고, 이와 같은 탑 플레이트(210)의 변형으로 인해 형성된 내부 공간에, 앞서 설명한 바와 같이 가스 등이 축적될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200) 내부의 압력이 크고 빠르게 증가함에 따른 문제, 이를테면 배터리 모듈의 폭발 등이 예방될 수 있다.
또한, 상기 탑 플레이트(210)는, 적어도 부분적으로, 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)에 비해, 높은 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion)를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)와 사이드 플레이트(230)가 SUS(Stainless Steel) 소재로 이루어진 경우, 탑 플레이트(210)는 이보다 열팽창 계수가 높은 알루미늄 소재나 알루미늄-아연 합금 소재, 아연 소재로 이루어질 수 있다.
이 경우, 셀 어셈블리(100) 측에서 열이 생성되거나 고온의 가스가 생성되어 배출된 경우, 탑 플레이트(210)는, 열에 의해 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상부 방향으로 휘어진 형태로 변형될 수 있다. 그리고, 이와 같은 변형으로 인해 탑 플레이트(210)의 내측 공간(B1)의 부피가 확장되므로, 열의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200) 내부에 열이 급속하게 증가함에 따라 발생할 수 있는 문제, 이를테면 열폭주 전파나 화재 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 본 실시예를 비롯하여 이하의 여러 실시예들에 대해서는, 그에 앞서 설명된 부분이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 경우에는 상세한 설명을 생략하며, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 5를 참조하면, 상기 모듈 케이스(200)는, H로 표시된 바와 같이 벤팅 홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 좌측 플레이트(231)와 우측 플레이트(232)에는 각각 벤팅 홀(H)이 형성될 수 있다. 이러한 벤팅 홀(H)은, 모듈 케이스(200)의 내부 공간과 외부 공간을 관통하는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200)는 내부 공간이 밀폐되지 않은 형태로 구성되어 있다고 할 수 있다.
이와 같은 구성에서, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 수납된 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 생성된 벤팅 가스는 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 그런데, 벤팅 홀(H)로부터 높은 압력이나 속도로 가스가 배출되는 경우, 배출된 가스에 의해 주변의 다른 구성요소, 이를테면 다른 배터리 모듈이나 팩 하우징, BMS(Battery Management System) 등에 대하여 높은 열이나 압력을 가할 수 있다. 그리고, 이와 같은 열이나 압력 인가에 의해 열폭주 전파나 주변 구성요소의 손상, 화재 등을 일으킬 수 있다. 뿐만 아니라, 벤팅 홀(H)이 배출할 수 있는 수준보다 셀 어셈블리(100)의 가스 분출 속도가 큰 경우, 해당 배터리 모듈의 폭발이나 화재 등이 발생할 수도 있다. 하지만, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 탑 플레이트(210)의 내측 공간이 가스 및/또는 열에 의해 확장되어 완충 역할을 수행함으로써, 이러한 폭발 내지 화재 등의 위험성을 낮출 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 시간 당 가스 배출 속도를 낮출 수 있으므로, 가스가 배출되는 부분의 온도를 낮출 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 홀(H)을 통해 배출되는 고온의 가스나 화염 등의 배출을 지연시켜, 운전자 등이 탈출할 수 있는 시간이 추가 확보되도록 할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 상기 모듈 케이스(200)는, 모듈 밸브(240)를 더 구비할 수 있다. 여기서, 모듈 밸브(240)는, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H)에 장착될 수 있다. 특히, 모듈 밸브(240)는, 벤팅 홀(H)에 장착된 상태에서 모듈 케이스(200)의 내부 공간을 밀폐시킬 수 있다. 그리고, 모듈 밸브(240)는, 모듈 케이스(200)의 내부 공간의 온도나 압력이 일정 수준 이상인 경우 개방되도록 구성될 수 있다.
특히, 벤팅 홀(H)은, 탑 플레이트(210)에 형성될 수 있다. 그리고, 모듈 밸브(240)는 이러한 탑 플레이트(210)의 벤팅 홀(H)에 삽입된 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 정상적인 상태에서는 모듈 밸브(240)가 벤팅 홀(H)을 폐쇄시킴으로써, 모듈 케이스(200)의 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다. 그러나, 셀 어셈블리(100) 측에서 일정 수준 이상의 가스나 열, 화염 등이 생성되어 모듈 케이스(200) 내부로 분출된 경우, 모듈 밸브(240)는 벤팅 홀(H)을 더 이상 막지 못하고 개방시킬 수 있다.
이때, 모듈 밸브(240)는, 열이나 가스 등이 발생한 경우, 다양한 방식으로 벤팅 홀(H)을 개방시킬 수 있다. 예를 들어, 모듈 밸브(240)는, 일정 수준 이상의 온도에서는 용융되거나 형태가 변형됨으로써 벤팅 홀(H)을 개방시킬 수 있다. 또는, 모듈 밸브(240)는, 모듈 케이스(200) 내부의 압력이 일정 수준 이상인 경우, 벤팅 홀(H)로부터 이탈됨으로써 벤팅 홀(H)이 개방되도록 할 수 있다. 모듈 밸브(240)는, 벤팅 홀(H)의 개방 방식이나 셀 어셈블리(100)의 사양 등에 따라, 플라스틱, 알루미늄 및/또는 SUS 등 다양한 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 안전성이 보다 향상될 수 있다. 즉, 셀 어셈블리(100) 측에서 가스나 화염, 열 등이 생성된 경우, 초기에는 모듈 밸브(240)에 의해 벤팅 홀(H)이 폐쇄되어 있으므로, 탑 플레이트(210)의 팽창(변형)에 의한 내측 공간 확장이 확실하게 일어날 수 있다. 그리고, 이러한 확장된 내측 공간에 초기의 가스나 화염, 열 등이 축적되고, 외부 배출이 지연될 수 있다. 따라서, 열적 이벤트가 발생한 초기에 조치를 위한 시간, 이를테면 운전자가 탈출할 수 있는 시간 등이 확보될 수 있다.
더욱이, 도 6의 실시예와 같이, 탑 플레이트(210)에 벤팅 홀(H)이 형성되고, 이러한 벤팅 홀(H)에 모듈 밸브(240)가 구비된 경우, 보다 안정적인 가스나 열, 화염 등의 배출이 이루어질 수 있다. 특히, 모듈 케이스(200)의 내부에 존재하는 대부분의 가스나 화염, 열 등은, 탑 플레이트(210)의 팽창으로 인해 늘어난 공간에 축적되어 있을 수 있는데, 소정 시간이 지난 후 모듈 밸브(240)의 이탈이나 변형으로 벤팅 홀(H)이 개방된 경우, 가스, 화염, 열 등은 탑 플레이트(210)의 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 내부 공간에 축적된 열이나 가스에 의한 에너지가 모듈 케이스(200) 내의 정상적인 다른 셀, 또는 버스바 등과 같은 다른 구성요소에 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 셀 간 열 전파나 부품 손상 등이 일어나는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 벤팅 홀은, 탑 플레이트(210)의 변형(팽창)으로 개방 가능하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 8은 도 7에서 탑 플레이트(210)의 C1 부분을 중심으로 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8의 탑 플레이트(210)가 변형된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 탑 플레이트(210)는 적어도 일부분이, C1으로 표시된 부분과 같이 절개된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 탑 플레이트(210)는, 정상적인 상태, 즉 열이나 가스 등에 의해 변형되지 않은 상태에서는 절개된 부분이 폐쇄된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 절개 부분은, 탑 플레이트(210)가 다소 변형되더라도 그 변형 정도가 일정 수준에 미치지 못한 경우에는 계속해서 폐쇄된 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100) 측에서 가스나 열 등이 발생한 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트(210)는 팽창되어, 상부 방향으로 휘어진 형태로 변형될 수 있다.
그리고, 탑 플레이트(210)의 변형 정도가 일정 수준 이상이 되면, 도 9의 C2로 표시된 부분과 같이, 절개 부분이 벌어질 수 있다. 그리고, 이러한 절개 부분의 벌어짐으로 인해, 벤팅 홀(H)이 형성되어, 탑 플레이트(210)의 하부에 축적된 가스나 열 등이 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 모듈 밸브(240)와 같은 구성요소가 없더라도, 모듈 케이스(200)의 내부에 축적된 열이나 압력이 일정 수준 이상이 된 경우, 외부로 배출되도록 함으로써, 배터리 모듈의 폭발이나 화재, 셀 간 또는 모듈 간 열 전파 등의 위험성을 방지하거나 감소시킬 수 있다.
더욱이, 상기 실시 구성과 같이, 탑 플레이트(210)의 변형 시 개방되어 벤팅 홀의 역할을 하는 구성인 절개부는 탑 플레이트(210)에 위치할 수 있다. 이 경우, 앞서 모듈 밸브(240)의 실시예에서도 설명한 바와 같이, 가스나 열 배출 시, 벤팅 방향을 제어하고, 다른 배터리 셀이나 부품 등에 영향을 미치는 것을 감소시킬 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 탑 플레이트(210)의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 10을 참조하면, 탑 플레이트(210)는, 부분적으로 팽창성(변형률)이 서로 다르게 구성될 수 있다. 특히, 상기 탑 플레이트(210)는, 팽창성이 다른 재질이 서로 다른 위치에 존재하는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 탑 플레이트(210)는, 도 10에서 T1으로 표시된 부분과 T2로 표시된 부분이 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 팽창성이 서로 다른 부분은, 용접이나 볼팅, 접착 등 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부의 압력이나 온도가 증가하는 경우, 탑 플레이트(210)가 상부 방향으로 팽창 변형될 때, 팽창 변형되는 위치 및 형태를 보다 구체적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈 상부에 팽창을 허용할 만한 빈 공간이 형성된 위치나 형태 등에 따라, 또는 냉각 장치와 같이 탑 플레이트(210) 하부에 축적된 열 등을 적절하게 배출할 수 있는 구성요소의 배치에 따라, 또는 다른 배터리 모듈이 배치된 위치에 따라, 적절한 형태로 탑 플레이트(210)가 팽창 변형되도록 할 수 있다.
특히, 상기 탑 플레이트(210)는, 중앙부가 테두리부보다 높은 팽창성을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트(210)는 T1으로 표시된 중앙부와 T2로 표시된 테두리부가 서로 다른 소재로 이루어질 수 있는데, 여기서, 중앙부는 테두리부보다 팽창성이 좋은 소재로 이루어질 수 있다. 즉, 탑 플레이트(210)에서, T1으로 표시된 중앙 부분은 상대적으로 팽창이 많이 되는 고팽창부이고, T2로 표시된 테두리 부분은 상대적으로 팽창이 작게 되는 저팽창부일 수 있다.
다만, 테두리부는 중앙부보다 팽창성은 좋지 않으나, 다른 특성이 좋은 소재로 이루어질 수 있다. 특히, 탑 플레이트(210)는 사이드 플레이트(230)와 용접될 수 있는데, 이러한 탑 플레이트(210)에서 사이드 플레이트(230)와 용접되는 부분은 테두리부라고 할 수 있다. 따라서, 테두리부는 팽창성이 아닌 용접성이 좋은 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, 상기 탑 플레이트(210)는, T1으로 표시된 고팽창부는 팽창성이 좋은 아연 소재로 이루어지고, T2로 표시된 저팽창부는 용접성이 좋은 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다. 더욱이, 탑 플레이트(210)의 저팽창부(T2)는 사이드 플레이트(230)와 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)에서 사이드 플레이트(230)가 철 또는 알루미늄 소재로 이루어진 경우, 탑 플레이트(210)의 저팽창부(T2) 역시 이와 동일하게 철 또는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 탑 플레이트(210)에 대하여, 팽창성과 용접성이 모두 확보되도록 할 수 있다. 즉, 탑 플레이트(210)의 중앙부에 위치한 고팽창부(T1)는 내부 압력이나 온도 증가 시 상부 방향으로 변형되어 내측 공간을 확보하고, 탑 플레이트(210)의 테두리부에 위치한 저팽창부(T2)는 내부 압력이나 온도 증가에도 크게 변형되지 않으며 사이드 플레이트(230)의 상단과 용접성이 우수하면서 용접 상태를 안정적으로 유지하도록 할 수 있다.
여기서, 탑 플레이트(210)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 고팽창부(T1)의 주변에 벤팅 홀(H)이 형성될 수 있다. 이러한 벤팅 홀(H)은, 앞서 다른 실시예들에서 설명한 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 내외부를 관통하는 형태로 구성되어 내부 가스를 외부로 배출하는 역할을 할 수 있다. 더욱이, 벤팅 홀(H)은, 중앙부와 테두리부 사이의 경계부에 형성될 수 있다. 또한, 이러한 벤팅 홀(H)은, 탑 플레이트(210)의 고팽창부(T1) 주변에 다수 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 탑 플레이트(210)에서 팽창이 많이 이루어지는 부분의 외곽 라인을 따라 벤팅 홀(H)이 형성됨으로써, 탑 플레이트(210)의 중앙부 내측 공간에 수용된 가스 및/또는 열이 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출될 때, 다른 배터리 셀이나 버스바, 전극 리드의 연결 부분 등에 물리적인 힘이나 열 등을 가하는 것을 방지할 수 있다. 한편, 도 10에서는 도시되어 있지 않으나, 앞서 도 6의 실시예에서 설명한 바와 같이, 탑 플레이트(210)에는 각 벤팅 홀(H)을 개폐시키기 위한 모듈 밸브(240)가 더 구비될 수 있다.
상기 탑 플레이트(210)는, 팽창성이 비대칭적으로 형성되게 구성될 수 있다. 이에 대해서는 도 11을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 탑 플레이트(210)의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 11을 참조하면, 탑 플레이트(210)에 고팽창부(T1)와 저팽창부(T2)가 포함되되, 고팽창부(T1)는 비대칭적인 형태 및/또는 위치로 형성될 수 있다. 특히, 고팽창부(T1)는, 탑 플레이트(210)에서 정확하게 중앙 부분에 위치하지 않고, 특정 방향으로 치우쳐진 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 탑 플레이트(210)의 중앙 지점이 O로 표시된 부분인 경우, 고팽창부(T1)는 이러한 중심점을 기준으로 -X축 방향으로 치우쳐진 위치에 마련될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 탑 플레이트(210)의 팽창이나, 가스 및 열의 축적 또는 배출 등의 과정이 효과적으로 또는 안정적으로 이루어지도록 할 수 있다. 특히, 배터리 모듈의 내부 또는 외부에 포함된 다른 구성요소, 이를테면 배터리 셀이나 벤팅 홀, 다른 배터리 모듈의 형태 및 배치 등에 따라 이러한 과정들이 안정적으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 도 11에서 D1으로 표시된 부분에 벤팅 홀(H)이 형성된 경우, 고팽창부(T1)는 탑 플레이트(210)에서 이러한 벤팅 홀(H)에 가깝게 치우쳐진 부분에 위치할 수 있다. 다른 예로, 도 11에서 D2로 표시된 부분에 부분에 배터리 셀 간 전극 리드의 결합 부분이나 버스바, 제어 부품 등이 위치하는 경우, 고팽창부(T1)는 D2 부분과는 상대적으로 멀게 위치할 수 있다. 그러므로, 가스나 열의 축적 및 배출 시, 가스나 열에 의해 이들 구성들이 손상되는 것이 방지될 수 있다. 또 다른 예로, 도 11에서 D3로 표시된 부분에 다른 배터리 모듈이나 BMS 등의 제어 장치가 위치하는 경우, 고팽창부(T1)는 D3 부분과는 상대적으로 멀게 위치할 수 있다. 그러므로, 가스나 열의 축적 및 배출 시, 가스나 열에 의해 다른 배터리 모듈 내지 제어 장치 측으로 열 전파가 이루어지는 것을 방지할 수 있다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스(200)에서 결합 부분을 나타내는 사시도이다.
도 12를 참조하면, 모듈 케이스(200)는, 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)가 구비되고, 이들 구성요소들이 서로 결합하여 내부 공간을 밀폐시키도록 구성될 수 있다. 특히, 탑 플레이트(210)와 사이드 플레이트(230) 사이, 및/또는 사이드 플레이트(230)와 베이스 플레이트(220) 사이는, F1~F4 및 F1'~F2'으로 표시된 부분과 같이, 단부가 상호 결합될 수 있다. 예를 들어, 탑 플레이트(210)와 사이드 플레이트(230) 사이, 및/또는 사이드 플레이트(230)와 베이스 플레이트(220) 사이는 서로 용접을 통해 상호 결합될 수 있다.
이와 같이 모듈 케이스(200)의 내부가 밀폐된 구성에서, 셀 어셈블리(100) 내부에서 가스나 화염 등이 발생할 때, 일정 수준까지는 탑 플레이트(210)의 팽창으로 내부 공간이 추가 확보되어 가스나 화염 등의 외부 배출이 방지될 수 있다. 하지만, 모듈 케이스(200)의 내부 압력이 일정 수준을 넘어가게 되면, 탑 플레이트(210)와 사이드 플레이트(230) 사이, 및/또는 사이드 플레이트(230)와 베이스 플레이트(220) 사이의 결합 부분 중 적어도 일부가 파괴될 수 있다. 예를 들어, 도 12에서, F1~F4 및 F1'~F2'로 표시된 부분이 용접된 경우, 이러한 용접 부위의 적어도 일부가 파손되고, 파손된 부분을 통해 가스나 화염 등이 외부로 배출될 수 있다.
더욱이, 상기와 같은 구성에서, 탑 플레이트(210)와 사이드 플레이트(230) 사이, 및/또는 사이드 플레이트(230)와 베이스 플레이트(220) 사이의 여러 결합 부분들은, 결합력(용접력)이 부분적으로 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 12에서, F1~F4 및 F1'~F2'로 표시된 부분 중, F3로 표시된 부분에 대하여 다른 부분들에 비해 용접이 의도적으로 약하게 이루어지도록 모듈 케이스(200)가 구성될 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200) 내부의 압력이 일정 수준 이상으로 높아지게 되면, F3로 표시된 부분이 가장 먼저 파손될 수 있다. 따라서, 해당 부분으로 가스나 화염, 열 등이 배출될 수 있으므로, 이러한 배출 방향 제어가 가능해질 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
210: 탑 플레이트, 220: 베이스 플레이트, 230: 사이드 플레이트
231: 좌측 플레이트, 232: 우측 플레이트, 233: 전방 플레이트, 234: 후방 플레이트
240: 모듈 밸브
200: 모듈 케이스
210: 탑 플레이트, 220: 베이스 플레이트, 230: 사이드 플레이트
231: 좌측 플레이트, 232: 우측 플레이트, 233: 전방 플레이트, 234: 후방 플레이트
240: 모듈 밸브
Claims (10)
- 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 및
탑 플레이트, 베이스 플레이트 및 사이드 플레이트를 구비하여 내부 공간을 한정하고, 상기 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 탑 플레이트는 적어도 부분적으로 상기 베이스 플레이트 및 상기 사이드 플레이트 중 적어도 하나에 비해 높은 팽창성을 갖도록 구성된 모듈 케이스
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 탑 플레이트는, 적어도 부분적으로 상기 베이스 플레이트 및 상기 사이드 플레이트 중 적어도 하나에 비해, 낮은 탄성률 또는 높은 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 모듈 케이스는, 상기 내부 공간에서 외부 공간으로 관통되는 형태로 벤팅 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제3항에 있어서,
상기 모듈 케이스는, 상기 벤팅 홀에 구비되어 상기 내부 공간의 온도 또는 압력이 일정 수준 이상인 경우에만 개방되도록 구성된 모듈 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제3항에 있어서,
상기 벤팅 홀은, 상기 탑 플레이트의 변형으로 개방 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 탑 플레이트는, 부분적으로 팽창성이 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제6항에 있어서,
상기 탑 플레이트는, 중앙부가 테두리부보다 높은 팽창성을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제6항에 있어서,
상기 탑 플레이트는 팽창성이 비대칭적으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210090553A KR20230009760A (ko) | 2021-07-09 | 2021-07-09 | 안전성이 강화된 배터리 모듈 |
| EP22838063.0A EP4354617A1 (en) | 2021-07-09 | 2022-07-08 | Battery module with reinforced safety |
| PCT/KR2022/009997 WO2023282712A1 (ko) | 2021-07-09 | 2022-07-08 | 안전성이 강화된 배터리 모듈 |
| CN202280048425.2A CN117616624A (zh) | 2021-07-09 | 2022-07-08 | 具有加强的安全性的电池模块 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210090553A KR20230009760A (ko) | 2021-07-09 | 2021-07-09 | 안전성이 강화된 배터리 모듈 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230009760A true KR20230009760A (ko) | 2023-01-17 |
Family
ID=84801818
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210090553A KR20230009760A (ko) | 2021-07-09 | 2021-07-09 | 안전성이 강화된 배터리 모듈 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4354617A1 (ko) |
| KR (1) | KR20230009760A (ko) |
| CN (1) | CN117616624A (ko) |
| WO (1) | WO2023282712A1 (ko) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006128043A (ja) * | 2004-11-01 | 2006-05-18 | Sanyo Electric Co Ltd | 密閉型電池 |
| KR101191657B1 (ko) * | 2010-07-19 | 2012-10-17 | 에스비리모티브 주식회사 | 전지 모듈 |
| KR102065104B1 (ko) * | 2015-09-10 | 2020-01-10 | 주식회사 엘지화학 | 배터리 모듈 |
| CN112582744B (zh) * | 2019-09-30 | 2021-11-12 | 比亚迪股份有限公司 | 一种电池模组封装结构、电池模组以及汽车 |
| CN112838333A (zh) * | 2019-11-22 | 2021-05-25 | 比亚迪股份有限公司 | 一种电池、电池模组、电池包和汽车 |
| CN111189526A (zh) | 2020-01-09 | 2020-05-22 | 哈尔滨工程大学 | 一种特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置及测量方法 |
-
2021
- 2021-07-09 KR KR1020210090553A patent/KR20230009760A/ko unknown
-
2022
- 2022-07-08 EP EP22838063.0A patent/EP4354617A1/en active Pending
- 2022-07-08 CN CN202280048425.2A patent/CN117616624A/zh active Pending
- 2022-07-08 WO PCT/KR2022/009997 patent/WO2023282712A1/ko active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117616624A (zh) | 2024-02-27 |
| EP4354617A1 (en) | 2024-04-17 |
| WO2023282712A1 (ko) | 2023-01-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102065104B1 (ko) | 배터리 모듈 | |
| EP3512008A1 (en) | Battery module, and battery pack and vehicle including same | |
| EP4057434A1 (en) | Battery module, battery pack comprising same, and automobile | |
| JP2014517448A (ja) | 安全性の向上した電池パック | |
| KR20230009760A (ko) | 안전성이 강화된 배터리 모듈 | |
| EP4250457A1 (en) | Battery module and battery pack including same | |
| CN115606048A (zh) | 盖组件和包括该盖组件的二次电池 | |
| JP5700739B2 (ja) | 電池パック安全装置 | |
| EP4274014A1 (en) | Battery module and battery pack with reinforced safety | |
| EP4167363A1 (en) | Battery module, battery pack, and vehicle including same | |
| US20230411780A1 (en) | Battery module with reinforced safety | |
| EP4358265A1 (en) | Battery module, battery pack, and vehicle including same | |
| EP4318774A1 (en) | Battery pack and vehicle comprising same | |
| EP4391190A1 (en) | Battery pack and vehicle comprising same | |
| EP4164040A1 (en) | Battery module, battery pack, and vehicle including same | |
| US20230411784A1 (en) | Battery pack with improved safety | |
| US20240136649A1 (en) | Battery module and battery pack including the same | |
| EP4383432A1 (en) | Battery pack and vehicle comprising same | |
| EP4287389A1 (en) | Battery module with reinforced safety | |
| EP4287379A1 (en) | Battery module | |
| EP4391189A1 (en) | Battery module having enhanced safety | |
| EP4287381A1 (en) | Battery module with reinforced safety | |
| EP4322289A1 (en) | Battery module with enhanced safety | |
| EP4345999A1 (en) | Battery module with improved safety and assemblability | |
| KR20240074454A (ko) | 안전성이 강화된 배터리 모듈 |