KR20230013978A - 안전성이 향상된 배터리 모듈 - Google Patents

안전성이 향상된 배터리 모듈 Download PDF

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KR20230013978A
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트 발생 시 안전성이 향상될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀; 내부 공간에 상기 다수의 배터리 셀을 수납하며, 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 적어도 일부분이 인접하는 배터리 셀 사이에 개재되어 배터리 셀 사이의 열전달을 방해하도록 구성되며, 상기 배터리 셀로부터 생성된 벤팅 가스가 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성된 하나 이상의 차단 부재를 포함한다.

Description

안전성이 향상된 배터리 모듈{Battery module with improved safety}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성이 향상된 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 셀에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 고온의 가스나 화염, 열 등이 생성될 수 있다. 만일, 이러한 가스나 화염, 열 등이 동일한 배터리 모듈 내에 포함된 다른 배터리 셀로 전달되는 경우, 열 전파(thermal propagation)와 같은 폭발적인 연쇄 반응 상황이 나타날 수 있다. 그리고, 이러한 연쇄 반응은, 해당 배터리 모듈에서 화재나 폭발 등의 사고를 일으키는 것은 물론이고, 다른 배터리 모듈에 대해서도 화재나 폭발 등을 유발할 수 있다.
더욱이, 전기 자동차와 같은 중대형 배터리 팩의 경우, 출력 및/또는 용량 증대를 위해 많은 수의 배터리 셀과 배터리 모듈이 포함되어 열적 연쇄 반응에 대한 위험성은 더욱 커질 수 있다. 뿐만 아니라, 전기 자동차 등에 탑재된 배터리 팩의 경우, 주변에 운전자 등과 같은 사용자가 존재할 수 있다. 따라서, 특정 배터리 모듈에서 발생한 열적 이벤트가 적절하게 제어되지 못하고 연쇄 반응이 발생할 경우, 큰 재산상 피해는 물론이고 인명 피해까지 야기될 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, 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀; 내부 공간에 상기 다수의 배터리 셀을 수납하며, 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 적어도 일부분이 인접하는 배터리 셀 사이에 개재되어 배터리 셀 사이의 열전달을 방해하도록 구성되며, 상기 배터리 셀로부터 생성된 벤팅 가스가 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성된 하나 이상의 차단 부재를 포함한다.
여기서, 상기 다수의 배터리 셀은, 파우치형 이차 전지로서 하나의 실링부가 상부에 위치하도록 세워진 형태로 수평 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 다수의 배터리 셀은 수평 방향으로 적층되며, 상기 차단 부재는, 수직 방향으로 세워진 형태로 구성되어 인접하는 배터리 셀 사이에 개재된 본체 및 상기 본체의 상단에서 절곡된 형태로 구성되어 적어도 하나의 배터리 셀의 상단과 상기 모듈 케이스 사이에 개재된 절곡부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 절곡부는, 상기 배터리 셀로부터 생성된 벤팅 가스를 상기 벤팅 홀로 가이드하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 절곡부는, 상기 배터리 셀로부터 생성된 벤팅 가스가 상기 벤팅 홀로 배출되기까지 적어도 1회 이상 절곡되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 절곡부는, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스와 소정 거리 이격되어, 이격된 부분을 통해 상기 벤팅 가스가 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 상기 절곡부의 상단에 상기 모듈 케이스와의 이격 공간을 개폐시킬 수 있도록 구성된 개폐부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 절곡부는 외측 방향으로 돌출되게 형성되어 상기 모듈 케이스에 삽입된 체결 돌기를 구비할 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, 화염 및/또는 열 등이 적절하게 제어될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부의 특정 배터리 셀에서 가스나 화염, 열 등이 발생한 경우, 다른 배터리 셀로 가스 및/또는 열이 전파되는 것이 효과적으로 차단될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 셀 간, 또는 셀 그룹 간 구역이 나뉘게 되어, 특정 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생하더라도, 폭발적인 연쇄 반응이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 화재나 폭발 가능성을 낮추거나, 그 시간을 지연시킬 수 있다. 특히, 배터리 모듈의 화재나 폭발 시간을 지연시키는 경우, 자동차 운전자와 같은 배터리 사용자가 대피할 수 있는 충분한 시간이 확보되어 인적 피해를 줄일 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 3은, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성의 일부분을 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 단면 구성을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 9는, 본 발명의 여러 다른 실시예들에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은, 도 10의 A7 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 12는, 도 10에 도시된 배터리 모듈에 대하여, 벤팅 가스 발생에 의한 개폐부의 개폐 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 14는, 도 13의 차단 부재가 적용된 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 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. 또한, 도 3은, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성의 일부분을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀(100), 모듈 케이스(200) 및 차단 부재(300)를 포함한다.
상기 배터리 셀(100)은, 배터리 모듈에 다수 포함될 수 있다. 그리고, 각 배터리 셀(100)은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 다수의 배터리 셀(100)은 서로 적층된 형태로 배터리 모듈에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 셀(100)은, 다수의 배터리 셀(100)에 의해 형성된 셀 적층체를 구비한다고 할 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되며, 이러한 내부 공간에 다수의 배터리 셀(100)을 수납하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈 케이스(200)는, 상판, 하판, 좌측판, 우측판, 전판 및 후판을 구비하여 내부 공간을 한정할 수 있다. 그리고, 이와 같이 한정된 내부 공간에 셀 적층체가 위치하도록 할 수 있다. 여기서, 모듈 케이스(200)는, 금속 및/또는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 또한, 모듈 케이스(200)를 구성하는 여러 플레이트의 적어도 일부는 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 상판, 하판, 좌측판 및 우측판이 서로 일체화된 모노 프레임 형태로 구성될 수 있다. 또는, 모듈 케이스(200)는, 하판, 좌측판 및 우측판이 서로 일체화된 U-프레임 형태로 구성될 수도 있다. 다만, 본 발명은 이러한 모듈 케이스(200)의 특정 재질이나 형태로 한정되지 않는다.
상기 모듈 케이스(200)는, 도 1 및 도 3에서 H로 표시된 바와 같이, 적어도 일측에 벤팅 홀이 하나 이상 형성될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 홀(H)은, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 상부, 즉 상판에 형성될 수 있다. 더욱이, 벤팅 홀(H)은 이러한 모듈 케이스(200)의 상부에 다수 형성될 수 있다.
이러한 벤팅 홀(H)은, 내부 공간에 수납된 다수의 배터리 셀(100) 중 적어도 하나로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 분출된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 외부 공간으로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 홀(H)은, 모듈 케이스(200)의 내외부를 관통하도록 완전히 개방된 형태로 형성될 수 있다. 다른 예로, 벤팅 홀(H)은 완전히 개방되지 않고, 정상적인 상태에서는 폐쇄되어 있다가 특정 상황, 이를테면 내부 압력이나 온도 등의 변화에 따라 개방 가능한 형태로 구성될 수도 있다.
상기 차단 부재(300)는, 인접하는 배터리 셀(100) 사이에 적어도 일부분이 개재될 수 있다. 그리고, 차단 부재(300)는, 인접하는 배터리 셀(100) 사이에서 열이 전달되는 것을 방해하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에서 어느 하나의 배터리 셀(100)에서 열이 발생한 경우, 차단 부재(300)는, 발생된 열이 좌측 또는 우측에 인접하여 배치된 다른 배터리 셀(100)로 전달되는 것을 차단하거나 감소시키도록 구성될 수 있다. 특히, 차단 부재(300)에 의해 방해되는 열에는, 열 자체뿐만 아니라, 가스 및/또는 화염 등까지 포함될 수 있다. 즉, 차단 부재(300)는, 배터리 셀(100) 사이에서, 열, 가스 및/또는 화염을 차단하도록 구성될 수 있다. 이러한 차단 부재(300)는, 모듈 케이스(200) 내부에서 하나 또는 그 이상 포함될 수 있다.
특히, 상기 차단 부재(300)는, 특정 재질을 통해 이와 같은 열전달 방해 구성이 구현되도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 차단 부재(300)는, 난연 소재, 내열성 소재, 단열 소재 등의 재질을 구비할 수 있다. 대표적으로, 상기 차단 부재(300)는, mica와 같은 세라믹 소재나, 실리콘과 같은 소재를 통해 셀 간 열 전달이 차단되거나 방해되도록 할 수 있다.
또한, 상기 차단 부재(300)는, 어느 하나, 또는 그 이상의 배터리 셀(100)로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 생성된 벤팅 가스가 벤팅 홀(H)로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 임의의 배터리 셀(100)로부터 벤팅 가스가 생성된 경우, 생성된 벤팅 가스는, 화살표로 표시된 바와 같이, 모듈 케이스(200) 내부 공간에서, 차단 부재(300)에 의해 한정된 공간, 이를테면 인접하는 차단 부재(300) 사이의 공간, 또는 차단 부재(300)와 모듈 케이스(200) 사이의 공간을 통해, 벤팅 홀(H)로 가이드되어 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 셀 사이에 개재된 차단 부재(300)에 의해, 열, 가스 및/또는 화염 전달이 차단되거나 감소될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈에 포함된 다수의 배터리 셀(100) 중, 일부 배터리 셀(100)에서 열폭주나 발화 등 열적 이벤트가 발생한 경우, 이러한 열적 이벤트가 다른 배터리 셀(100)로 전파되어연쇄 반응이 일어나는 것을 방지하거나 그 시간을 지연시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 가스나 화염 등을 제어함으로써, 가스나 화염 등이 다른 셀로 넘어가지 못하게 하고, 화염이 모듈 케이스(200)의 외부로 배출되는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면들에 의하면, 배터리 모듈의 폭발이나 화재, 화염 배출 등의 가능성을 감소시키고, 운전자와 같은 배터리 사용자가 탈출할 수 있는 시간이 확보되도록 할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 경우, 배터리 모듈의 안전성이 향상될 수 있다.
상기 다수의 배터리 셀(100)은, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지는, 파우치 외장재의 내부에 전극 조립체 및 전해질이 수납된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해질이 수납된 상태로 2개의 파우치의 테두리를 실링하는 형태로 구성될 수 있다. 파우치형 이차 전지는, 중앙에 수납부가 위치하고 실링부가 그 주변을 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지는 4개의 모서리를 갖는 사각 형태로 구성될 수 있는데, 이때 4개의 모서리 중 3개 또는 4개의 모서리가 실링될 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지의 구성은 본 발명의 출원 시점에 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 다수의 파우치형 이차 전지(배터리 셀(100))는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 각각 세워진 형태로 배치될 수 있다. 즉, 각각의 파우치형 이차 전지는, 넓은 양 표면이 수평으로 좌우 방향, 특히 다른 파우치형 이차 전지의 표면을 향하도록 배치될 수 있다. 그리고, 각 파우치형 이차 전지의 테두리는 상, 하, 전, 후를 향하도록 배치될 수 있다. 특히, 각각의 파우치형 이차 전지는, 실링부가 상부에 위치하도록 구성될 수 있다. 특히, 3개의 모서리가 실링된 3면 실링 파우치형 전지인 경우, 실링되지 않은 모서리 부분이 하부에 위치하고 실링된 모서리 부분이 상부에 위치하도록 각 배터리 셀(100)이 적층될 수 있다. 더욱이, 각 배터리 셀(100)의 전극 리드는, 전방 및/또는 후방을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 임의의 배터리 셀(100)로부터 가스가 생성된 경우, 가스 배출 경로를 짧게 함으로써, 신속한 가스 배출이 가능하도록 할 수 있다. 더욱이, 배터리 셀(100)로부터 분출되는 가스는 고온일 가능성이 높으며, 따라서 상부 방향으로 이동하는 성질을 가질 수 있다. 또한, 파우치형 이차 전지의 경우, 내압이 높아지게 되면, 실링부, 특히 전극 리드가 위치하지 않은 실링부(도면에서 상부 실링부) 측에서 벤팅이 일어나기 쉽다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이 파우치형 전지가 배치되면, 배터리 셀(100)로부터 생성된 가스가 벤팅 홀(H)로 신속하고 원활하게 배출될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 가스 배출 시 적층 형태가 변화하는 것을 최소화할 수 있다. 즉, 배터리 셀(100)로부터 가스가 생성되어 분출되는 경우, 분출 압력 및 벤팅 홀(H)까지 가스가 이동할 때 생기는 압력에 의해, 배터리 셀(100)이나 차단 부재(300)는 힘을 받아 적층 형태가 변화할 가능성이 있다. 하지만, 상기 실시 구성에 의하면, 가스의 분출이나 이동에 따라 배터리 셀(100)과 차단 부재(300)에 힘이 인가되는 것을 줄임으로써, 배터리 모듈의 전체적인 적층 형태가 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 셀(100)은, 파우치형 전지 이외의 다른 형태, 이를테면 원통형 전지나 각형 전지일 수 있다.
상기 다수의 배터리 셀(100)은, 수평 방향으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 다수의 이차 전지는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 좌우 방향(도면의 X축 방향)으로 나란하게 배치될 수 있다. 그리고, 상기 차단 부재(300)는, 본체(310) 및 절곡부(320)를 구비할 수 있다. 이에 대해서는, 도 4를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 차단 부재(300)는 본체(310) 및 절곡부(320)를 구비하되, 본체(310)는 수직 방향으로 세워진 형태로 구성되어 인접하는 배터리 셀(100) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 본체(310)는 세워진 플레이트 형태로 구성되어 양 표면이 인접하는 배터리 셀(100)의 표면에 대면하도록 구성될 수 있다. 그리고, 본체(310)는, 하단부가 모듈 케이스(200)의 하판 상면에 안착될 수 있다. 또한, 절곡부(320)는 본체(310)의 상단에서 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 절곡부(320)는 본체(310)의 상단에서 연장되어 본체(310)와 소정 각도 기울어진 형태, 이를테면 수직 방향으로 기울어진 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 본체(310)와 절곡부(320)는 서로 일체화된 형태, 이를테면 하나의 판상 부재로 구현될 수 있다. 이때, 판상 부재는, 상부가 절곡됨으로써, 절곡된 부분을 기준으로 본체(310)와 절곡부(320)로 구분될 수 있다. 그리고, 절곡부(320)는 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 상단에 위치하여 배터리 셀(100)의 상단과 모듈 케이스(200) 사이에 개재될 수 있다.
한편, 벤팅 홀(H)은 모듈 케이스(200)에서 절곡부(320)가 위치하는 부분에 형성될 수 있다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 절곡부(320)가 차단 부재(300)의 상부 측에 위치하는 경우, 벤팅 홀(H)은 모듈 케이스(200)의 상부 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 벤팅 홀(H)이 모듈 케이스(200)의 상판에 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 차단 부재(300)에 의해, 열이나 가스, 화염 등의 차단 및 벤팅 구성이 보다 효과적으로 달성될 수 있다. 더욱이, 차단 부재(300)의 본체(310)에 의해 셀 사이의 열, 가스 및 화염 등이 수평 방향으로 이동되는 것이 차단되거나 억제될 수 있다.
특히, 상기 절곡부(320)는, 배터리 셀(100)로부터 생성된 벤팅 가스를 벤팅 홀(H)로 가이드하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 추가로 참조하여 설명한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 단면 구성을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 어느 하나의 배터리 셀(100)로부터 벤팅 가스가 생성되면, 생성된 벤팅 가스는 화살표로 표시된 바와 같이 흐를 수 있다. 이때, 벤팅 가스는, 차단 부재(300), 특히 절곡부(320)에 의해 그 흐름이 가이드될 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 배터리 셀(100)의 상단 실링부로부터 분출된 벤팅 가스는, 상부 방향으로 이동하다가 절곡부(320)에 의해 상부 방향 이동이 저지되고, 수평 방향, 이를테면 좌측 방향으로 흐를 수 있다. 이때, 어느 하나의 차단 부재(300)의 절곡부(320)와 그와 인접하는 차단 부재(300)의 본체(310) 사이는 서로 소정 거리 이격될 수 있는데, 벤팅 가스는 이러한 이격 공간을 따라 상부 방향으로 흐를 수 있다. 그리고, 벤팅 가스는 절곡부(320)의 상부 표면을 따라 수평 방향, 이를테면 우측 방향으로 벤팅 홀(H)까지 이동하여 모듈 케이스(200) 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 사이에 개재되는 차단 부재(300)에 의해, 셀 간 열이나 화염 등의 수평 방향 전달을 방해함과 동시에, 벤팅 가스나 화염 등의 수직 방향 배출 제어가 가능해질 수 있다.
특히, 상기 차단 부재(300)에서, 절곡부(320)는, 벤팅 가스가 벤팅 홀(H)로 배출되기까지 적어도 1회 이상 절곡되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시 구성을 참조하면, 배터리 셀(100)로부터 벤팅 가스가 배출된 경우, 벤팅 가스는 상부 방향으로 흐르다가 절곡부(320)의 하면을 만나 좌측 방향(-X축 방향)으로 흐르도록 절곡될 수 있다. 그리고, 좌측 방향으로 흐르는 벤팅 가스는, 절곡부(320)의 좌측 단부에 이르러 상부 방향(+Z축 방향)으로 흐르도록 절곡될 수 있다. 또한, 상부 방향으로 흐르는 벤팅 가스는, 모듈 케이스(200)의 하면에 이르러, 절곡부(320)의 상면을 따라 우측 방향(+X축 방향)으로 흐르도록 절곡될 수 있다. 그리고, 절곡부(320)의 상면에서 우측 방향으로 흐르는 벤팅 가스는, 벤팅 홀(H)에 이르러 상부 방향으로 절곡되어, 모듈 케이스(200)의 외부로 배출될 수 있다.
더욱이, 상기 실시 구성에서 절곡부(320)는, 배터리 셀(100)과 벤팅 홀(H) 사이, 특히 배터리 셀(100)의 상부 실링부와 벤팅 홀(H) 사이에 위치하여, 배터리 셀(100)로부터 배출된 벤팅 가스가 벤팅 홀(H)로 향하는 직선 이동을 방해할 수 있다. 즉, 절곡부(320)는, 벤팅 홀(H)과 배터리 셀(100) 사이의 직선 구간을 커버함으로써, 벤팅 홀(H)을 통해 배터리 셀(100), 특히 배터리 셀(100)의 상부 실링부가 외부로 직접 노출되지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)의 절곡부(320)로 인해 벤팅 가스가 직선 방향으로만 흐르지 않고, 1회 이상 방향을 전환하면서 흐르게 될 수 있다. 그러므로, 화염이나 스파크, 전극 토출물 등의 배출이 지연되거나 억제될 수 있다. 특히, 화염이나 스파크, 전극 토출물 등은 이동 시 직진성이 높으므로, 절곡부(320)의 구성으로 인해 벤팅 가스의 흐름이 여러 번 전환되는 경우, 벤팅 홀(H)로의 배출이 효과적으로 억제될 수 있다.
특히, 상기 절곡부(320)는, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)와 소정 거리 이격된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 A2로 표시된 부분과 같이, 차단 부재(300)의 절곡부(320)와 모듈 케이스(200)의 상판 사이에는 소정 거리 이격된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 이격 공간은, 절곡부(320)의 단부에서 벤팅 홀(H)까지 연속적으로 형성될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스는 이러한 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 이격된 공간을 통해 벤팅 홀(H)로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 절곡부(320)를 통해 벤팅 제어가 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 특히, 이 경우, 절곡부(320)의 상면을 통해 벤팅 가스가 수평 방향으로 흐르면서 벤팅 홀(H)까지 원활하게 배출되도록 할 수 있다.
한편, 도 5의 실시 구성에서는, 절곡부(320)의 전체 부분이 모듈 케이스(200)의 내면(하면)으로부터 소정 거리 이격된 형태를 중심으로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 이에 대해서는, 도 6 내지 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6 내지 도 9는, 본 발명의 여러 다른 실시예들에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 본 실시예들을 포함하여 본 명세서에 포함된 여러 다른 실시예들에 대해서는, 먼저 설명된 다른 실시예들에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
먼저, 도 6을 참조하면, 차단 부재(300)의 절곡부(320)에는, B1으로 표시된 부분과 같이, 가이드 홈이 형성될 수 있다. 특히, 이러한 가이드 홈(B1)은, 절곡부(320)의 상면 측에서 하부 방향으로 오목한 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 가이드 홈(B1)은, 절곡부(320)의 단부에서 수평 방향, 이를테면 +X축 방향으로 소정 지점까지 연장된 형태로 형성될 수 있다. 더욱이, 가이드 홈(B1)의 연장 방향은, 벤팅 가스의 흐름 방향과 동일한 방향일 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 가이드 홈(B1)에 의해 절곡부(320)의 표면에서 벤팅 가스의 흐름 방향이 가이드될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)에서 벤팅 가스가 생성되어 절곡부(320)의 상면으로 유입된 경우, 벤팅 가스는, 도 6에서 화살표로 표시된 바와 같이, 절곡부(320)의 상면에서 가이드 홈(B1)의 연장 방향을 따라 +X축 방향으로 흐를 수 있다. 특히, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 이러한 가이드 홈(B1)의 연장된 부분의 단부는 벤팅 홀(H)과 연통될 수 있다. 따라서, 절곡부(320)의 상부에서 벤팅 가스는 가이드 홈(B1)을 따라 수평 방향으로 흐르다가 벤팅 홀(H)로 배출될 수 있다.
상기 실시 구성의 경우, 벤팅 가스의 배출 경로는 가이드 홈(B1)을 통해 형성될 수 있으므로, 절곡부(320)에서 가이드 홈(B1) 이외의 부분은 모듈 케이스(200)의 하면에 직접 접촉될 수 있다. 따라서, 차단 부재(300)의 상단, 특히 절곡부(320)는 모듈 케이스(200)의 상판 하면에 부착될 수 있다. 그러므로, 모듈 케이스(200) 내부에서 차단 부재(300)의 고정성이 개선될 수 있다. 예를 들어, 절곡부(320)의 상면은 가이드 홈(B1)을 제외하고 모듈 케이스(200)의 내면에 직접 접착될 수 있다. 이 경우, 정상적인 상태는 물론이고, 벤팅 가스가 발생한 비정상적인 상태에서도, 차단 부재(300)의 위치가 안정적으로 유지될 수 있다.
한편, 가이드 홈(B1)은, 절곡부(320)에 다수 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 가이드 홈(B1)이, 절곡부(320)의 상면에서 Y축 방향을 따라 서로 소정 거리 이격된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 다수의 가이드 홈(B1)은, 배터리 셀(100)의 상단 실링부의 연장 방향을 따라 배치되어 있다고 할 수 있다. 이 경우, 다수의 가이드 홈(B1)이, 배터리 셀(100)의 상단 실링부를 전체적으로 분할 커버함으로써, 상단 실링부의 어느 부분에서 벤팅 가스가 발생하더라도, 벤팅 가스가 가이드 홈(B1)을 통해 벤팅 홀(H)로 원활하게 배출될 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 차단 부재(300)의 절곡부(320)에는, B2로 표시된 부분과 같이, 가이드 돌기가 형성될 수 있다. 특히, 이러한 가이드 돌기(B2)는, 절곡부(320)의 상면 측에서 상부 방향으로 돌출된 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 가이드 돌기(B2)는, 절곡부(320)의 단부에서 수평 방향, 이를테면 +X축 방향으로 소정 지점까지 연장된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 가이드 돌기(B2)의 연장 방향은, 벤팅 가스의 흐름 방향과 동일한 방향일 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 가이드 돌기(B2)에 의해 절곡부(320)의 표면에서 벤팅 가스의 흐름 방향이 가이드될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)에서 벤팅 가스가 생성된 경우, 벤팅 가스는, 도 7에서 화살표로 표시된 바와 같이, 가이드 돌기(B2)의 사이 공간에서 +X축 방향으로 흐를 수 있다. 여기서, 가이드 돌기(B2)는, 가이드 돌기(B2) 사이를 흐르는 벤팅 가스가 벤팅 홀(H)로 연통될 수 있도록 그 길이나 형태, 위치 등이 구성될 수 있다.
이러한 실시 구성의 경우, 벤팅 가스는, 가이드 돌기(B2)에 의해 그 흐름이 원하는 방향으로 유도될 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 가이드 돌기(B2)가 모듈 케이스(200)의 내측 표면에 직접 접촉되거나, 더 나아가 접착 등의 방식으로 고정될 수 있다. 따라서, 이 경우, 차단 부재(300)의 고정성 및 기계적 강성 등이 향상될 수 있다. 그리고, 이와 같이 절곡부(320)가 모듈 케이스(200)에 직접 접촉 내지 고정되더라도, 절곡부(320)의 상부에서의 벤팅 경로는 안정적으로 확보될 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 차단 부재(300)의 절곡부(320)에는, B3로 표시된 부분과 같이, 가이드 홈이 형성될 수 있다. 이때, 도 8의 가이드 홈(B3)은, 도 6의 가이드 홈(B1)과 마찬가지로, 절곡부(320)의 상부 표면에서 하부 방향으로 오목한 형태로 형성될 수 있다. 다만, 도 8의 가이드 홈(B3)은, 도 6의 가이드 홈(B1)과 달리, 절곡부(320)의 외측 단부에서 내측 방향으로 갈수록 폭이 좁아지는 형태가 되는 부분을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 내측 방향이란 절곡부(320)의 외측 단부에서 벤팅 홀(H)을 향하는 방향으로서, 벤팅 방향과 동일한 방향일 수 있다. 즉, 가이드 홈(B3)은 적어도 부분적으로, 절곡부(320)의 단부에서는 상대적으로 넓은 폭을 갖다가 +X축 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 구성될 수 있다. 이때, 가이드 홈(B3)은, 폭이 점점 좁아지는 구성으로 인해, A3로 표시된 부분과 같이, 경사진 부분이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 가이드 홈(B3)에서 벤팅 가스가 유입되는 단부 측은 넓게 형성됨으로써, 배터리 셀(100)의 실링부 중 어느 위치에서 벤팅 가스가 분출되더라도 가이드 홈(B3)으로 벤팅 가스가 쉽게 유입되도록 할 수 있다. 그리고, 이와 같이 가이드 홈(B3)으로 유입된 벤팅 가스는, 화살표로 표시된 바와 같이, 가이드 홈(B3)의 내부 공간, 특히 경사진 부분(A3)을 따라 수평 방향으로 내측 단부를 향하여 흐를 수 있다. 이때, 가이드 홈(B3)의 수평 방향 내측, 이를테면 도 8에서 A4로 표시된 부분은 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H)과 연통되도록 구성될 수 있다. 따라서, 가이드 홈(B3)으로 유입된 벤팅 가스는, 가이드 홈(B3)을 따라 흐르다가 벤팅 홀(H)로 원활하게 배출될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 실시 구성에서는, 절곡부(320)에 형성된 하나의 가이드 홈(B3)에 의해 넓은 부분에 대한 벤팅이 가능하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실시 구성에서는, 벤팅 홀(H)의 크기를 작게 할 수 있다. 즉, 도 8의 구성에서, 가이드 홈(B3)으로 유입된 벤팅 가스는 A4 부분으로 몰리게 되므로, 벤팅 홀(H)은 이러한 A4 부분에 대응하는 크기로 형성되면 된다. 그러므로, 모듈 케이스(200)에서 벤팅 홀(H)이 차지하는 크기를 작게 할 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 차단 부재(300)의 절곡부(320)에는, B4로 표시된 바와 같이 가이드 홈이 형성될 수 있다. 다만, 도 9의 가이드 홈(B4)은, A5로 표시된 부분과 같이 수평 방향으로 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 이러한 가이드 홈(B4)의 구성은, 절곡부(320)의 표면에서 벤팅 가스의 흐름 방향이 수평 방향으로 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 9의 구성을 참조하면, 벤팅 가스는 절곡부(320)의 가이드 홈(B4)으로 유입되어 화살표로 표시된 바와 같이 가이드 홈의 내부 공간을 따라 흐를 수 있다. 이때, 벤팅 가스는, 가이드 홈(B4)의 절곡된 형태(A5)를 따라, +X축 방향에서 +Y축 방향으로 그 흐름이 전환될 수 있다. 그리고, 가이드 홈(B4)의 내측 단부인 A6로 표시된 부분은 벤팅 홀(H)과 연통될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 가스는 가이드 홈(B4)에서 수평 방향으로 1회 이상 방향을 전환할 수 있다. 따라서, 직진성이 높은 화염이나 스파크, 전극 토출물 등의 외부 배출이 억제될 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 가이드 홈(B3, B4)에 의한 벤팅 가스 유도 구성은, 도 7에 도시된 바와 같은 가이드 돌기(B2)에 의해 구현될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 그리고, 도 11은, 도 10의 A7 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 차단 부재(300)는, 개폐부(330)를 더 구비할 수 있다. 특히, 개폐부(330)는, 절곡부(320)의 상단에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 개폐부(330)는, 모듈 케이스(200)와의 이격 공간을 개폐시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 개폐부(330)는, 일단이 절곡부(320)에 고정된 상태에서 힌지 회동 가능하게 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 개폐부(330)의 타단은, 일단의 힌지 회동에 의해, 모듈 케이스(200)의 내면에 대하여 접촉되거나 분리될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 11의 구성을 참조하면, 좌측에 위치한 개폐부(330)의 경우, 화살표 D1으로 표시된 바와 같이 시계 방향으로 회전 이동하는 경우, 개폐부(330)는 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 공간이 열리도록 할 수 있다. 반면, 좌측에 위치한 개폐부(330)가 화살표 D2로 표시된 바와 같이 반시계 방향으로 회전 이동하는 경우, 개폐부(330)는 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 공간이 닫히도록 할 수 있다. 또한, 우측에 위치한 개폐부(330)의 경우, 화살표 D1'으로 표시된 바와 같이 반시계 방향으로 회전 이동하는 경우, 개폐부(330)는 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 공간이 열리도록 할 수 있다. 반면, 우측에 위치한 개폐부(330)가 화살표 D2'로 표시된 바와 같이 시계 방향으로 회전 이동하는 경우, 개폐부(330)는 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 공간이 닫히도록 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 개폐부(330)의 개폐 구성을 통해, 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 벤팅 경로가 제어될 수 있다. 그리고, 이러한 벤팅 경로의 제어를 통해, 벤팅 가스의 흐름 방향이 제어될 수 있다.
특히, 상기와 같은 실시 구성에서, 개폐부(330)는 탄성체를 구비할 수 있다. 그리고, 개폐부(330)는, 개폐 동작 시 이러한 탄성체의 탄성력이 작용되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 11의 구성에서 좌측에 위치한 개폐부(330)의 경우, 용수철과 같은 탄성체가 힌지축에 연결될 수 있다. 그리고, 탄성체는, 배터리 모듈이 정상적인 상태에서는, 탄성력에 의해 개폐부(330)가 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 벤팅 경로를 폐쇄시키도록 구성될 수 있다. 그러나, 배터리 모듈 내부에서 어느 하나의 배터리 셀(100)로부터 가스가 발생한 경우, 모듈 케이스(200) 내부의 압력이 증가하게 될 수 있다. 그리고, 증가된 내압이 일정 수준 이상을 넘어가게 되면, 탄성체의 탄성력보다 큰 힘이 개폐부(330)에 작용하여, 개폐부(330)는 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 벤팅 경로를 개방시킬 수 있다.
즉, 도 11의 실시 구성에서 좌측 개폐부(330)를 기준으로 설명하면, 정상적인 배터리 모듈 상태에서는 개폐부(330)가 도면에 도시된 바와 같이 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 경로를 폐쇄시킬 수 있다. 그러나, 벤팅 가스 발생으로 좌측 개폐부(330)의 좌측 공간에서의 내압이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면, 좌측 개폐부(330)는 화살표 D1으로 표시된 바와 같이 회전하여, 벤팅 경로를 개방시킬 수 있다. 따라서, 이와 같이 개방된 경로를 통해, 벤팅 가스는 좌측 개폐부(330)를 통과하여 벤팅 홀(H)로 이동할 수 있다.
상기 개폐부(330)는, 하나의 절곡부(320)에서 다수 구비될 수 있다. 구체적인 예로서, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 하나의 절곡부(320)에는, 벤팅 홀(H)을 중심으로 서로 반대되는 측면에 2개의 개폐부(330)가 위치할 수 있다. 이때, 2개의 개폐부(330)는, 서로 반대 방향으로 개폐되도록 구성될 수 있다. 즉, 도 11의 실시 구성을 참조하면, 좌측 개폐부(330)는 시계 방향(D1 방향)으로 회전하여 벤팅 경로를 개방시키고, 우측 개폐부(330)는 반시계 방향(D1' 방향)으로 회전하여 벤팅 경로를 개방시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 어느 하나의 배터리 셀(100)로부터 배출된 가스나 화염 등이, 벤팅 경로를 통해 다른 배터리 셀(100)로 유입되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다. 이에 대해서는, 도 12를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 12는, 도 10에 도시된 배터리 모듈에 대하여, 벤팅 가스 발생에 의한 개폐부(330)의 개폐 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 배터리 모듈에 포함된 3개의 배터리 셀(100)을 각각, 제1 셀(C1), 제2 셀(C2) 및 제3 셀(C3)이라 한다. 그리고, 각 배터리 셀(100)의 우측에는 차단 부재(300)가 각각 위치해 있는데, 각 차단 부재(300)에 대해서는 좌측에서 우측 방향으로 제1 차단 부재(301), 제2 차단 부재(302) 및 제3 차단 부재(303)로 지칭한다. 그리고, 제1 차단 부재(301)에 구비된 2개의 개폐부(330)에 대해서는, 제1 좌측 개폐부(331L) 및 제1 우측 개폐부(331R)라 하고, 제2 차단 부재(302)에 구비된 2개의 개폐부(330)에 대해서는, 제2 좌측 개폐부(332L) 및 제2 우측 개폐부(332R)라 한다. 또한, 제3 차단 부재(303)에 구비된 2개의 개폐부(330)에 대해서는, 제3 좌측 개폐부(333L) 및 제3 우측 개폐부(333R)라 한다. 또한, 각 배터리 셀(100)의 상부에 위치하는 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H)은 각각, 제1 홀(H1), 제2 홀(H2) 및 제3 홀(H3)이라 한다.
이와 같은 구성에서, 제2 셀(C2)로부터 벤팅 가스가 생성된 경우, 벤팅 가스의 압력에 의해 일부 개폐부(330)가 열리면서 벤팅 가스는 외부로 배출될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 셀(C2)로부터 분출된 벤팅 가스는, 제2 차단 부재(302)에 구비된 제2 좌측 개폐부(332L)를 시계 방향으로 개방시키면서, 제2 홀(H2)로 배출될 수 있다. 또한, 제2 셀(C2)로부터 분출된 벤팅 가스는, 제1 차단 부재(301)에 구비된 제1 우측 개폐부(331R)를 개방시키면서, 제1 홀(H1)로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 하나의 배터리 셀(100)로부터 분출된 벤팅 가스가 여러 벤팅 홀(H), 이를테면 제1 홀(H1) 및 제2 홀(H2)로 분산하여 배출될 수 있으므로, 벤팅 성능이 보다 향상될 수 있다.
또한 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스가 다른 배터리 셀(100)이 위치하는 공간으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 도 12의 실시 구성에서, 제2 셀(C2)로부터 생성된 벤팅 가스는, 제2 차단 부재(302)의 제2 좌측 개폐부(332L)는 개방시킬 수 있어도(실선 화살표), 제2 우측 개폐부(332R)는 개방시킬 수 없다(점선 화살표). 제2 우측 개폐부(332R)를 개방시키기 위해서는, 제2 우측 개폐부(332R)의 우측에서 좌측 방향으로 힘이 작용되어야 하는데, 제2 셀(C2)로부터 생성된 벤팅 가스는 제2 우측 개폐부(332R)의 좌측에서 우측 방향으로만 힘을 작용할 수 있기 때문이다. 따라서, 제2 셀(C2)로부터 생성된 가스는 제2 홀(H2)로 배출될 뿐, 제3 셀(C3)이 위치하는 공간으로는 유입되지 않을 수 있다.
또한, 이와 마찬가지로, 제2 셀(C2)로부터 생성된 벤팅 가스는, 제1 차단 부재(302)의 제1 우측 개폐부(331R)는 개방시킬 수 있어도(실선 화살표), 제1 좌측 개폐부(331L)는 개방시킬 수 없다(점선 화살표). 따라서, 제2 셀(C2)로부터 생성된 가스는 제1 홀(H1)로 배출될 뿐, 제1 셀(C1)이 위치하는 공간으로는 유입되지 않을 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 14는 도 13의 차단 부재(300)가 적용된 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 차단 부재(300)의 절곡부(320)는, B5로 표시된 바와 같이, 체결 돌기를 구비할 수 있다. 여기서, 체결 돌기(B5)는, 절곡부(320)의 상면에서 외측 방향, 즉 상부 방향(+Z축 방향)으로 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 체결 돌기(B5)는, 배터리 셀(100)의 상단 실링부의 연장 방향을 따라 수평 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 13에 도시된 바와 같이, 체결 돌기(B5)는 Y축 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 체결 돌기(B5)는, 모듈 케이스(200)에 삽입될 수 있다. 특히, 모듈 케이스(200)는, 이러한 체결 돌기(B5)에 대응되는 위치 및 형태로, G1으로 표시된 바와 같이, 내측 표면, 즉 하면에 상부 방향으로 오목하게 형성된 형태의 체결홈이 형성될 수 있다. 그리고, 체결 돌기(B5)는, 이러한 체결홈(G1)에 삽입될 수 있다. 특히, 체결 돌기(B5)는, 체결홈(G1)의 내면에 상면 등이 밀착하여 접촉되게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)의 절곡부(320) 상부 공간에 의해 벤팅 경로가 안정적으로 확보되면서도, 다른 배터리 셀(100)이 위치하는 공간으로 벤팅 가스나 화염 등이 유입되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 14의 실시 구성을 참조하면, 배터리 셀(100)로부터 생성된 가스는 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 공간을 통해 벤팅 홀(H)로 배출될 수 있다. 이때, 체결 돌기(B5)의 삽입 구성으로 인해, 벤팅 가스는 체결 돌기(B5)의 우측 공간으로 이동되는 것이 차단될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)로부터 생성된 가스는 우측에 위치한 다른 배터리 셀(100)의 수납 공간으로 유입되지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우, 셀 간 열적 이벤트의 전파 차단 효과가 보다 향상될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 차단 부재(300)에 의해 여러 배터리 셀(100)의 구역이 서로 확실하게 분할될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 체결 돌기(B5)의 삽입 구성으로 인해 차단 부재(300)가 안정적으로 지지될 수 있다. 특히, 배터리 셀(100)로부터 벤팅 가스가 생성된 경우, 도 14에 도시된 차단 부재(300)의 좌측 공간의 내압은 증가할 수 있다. 그리고, 이러한 내압 증가로 인해, 차단 부재(300)는 우측 방향으로 밀리는 힘을 받을 수 있다. 하지만, 상기 실시 구성의 경우, 체결 돌기(B5)와 체결홈(G1) 사이의 결합 구성으로 인해, 이러한 차단 부재(300)의 우측 방향 움직임이 제한될 수 있다. 그러므로, 벤팅 가스가 발생한 경우에도, 차단 부재(300)는, 안정적으로 그 위치를 유지하여 열적 이벤트의 억제 효과가 그대로 유지될 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 차단 부재(300)에는, 체결 돌기(B5)의 주변에 O-링과 같은 실링부가 더 구비될 수 있다. 이 경우, 체결 돌기(B5)에 의한 실링 효과가 보다 향상될 수 있다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 차단 부재(300)는, 절곡부(320)가 본체(310)에 대하여 직각보다 작은 각도, 즉 예각으로 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 15에서, 절곡부(320)와 본체(310)가 이루는 각도를 θ라고 하면, θ는, 0°보다 크고 90°보다 작은 각도, 이를테면 40° ~ 80°일 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 셀(100)로부터 분출되는 화염이나 스파크, 전극 토출물 등에 대한 외부 배출 억제 효과가 보다 향상될 수 있다. 예를 들어, 절곡부(320)와 본체(310)가 예각으로 절곡되면, 도 15에서 A8로 표시된 부분과 같이, 일정 공간이 형성될 수 있다. 이때, 배터리 셀(100)로부터 분출된 벤팅 가스나 화염 등은, 도 15에서 화살표로 표시된 바와 같이 이동하게 되는데, A8로 표시된 공간에서 벤팅 가스나 화염 등은, 90도보다 큰 각도로 방향이 전환되어 이동할 수 있다. 따라서, 직진성이 높은 화염이나 스파크, 전극 토출물 등은, A8로 표시된 공간에 포집될 가능성이 높아진다. 즉, 상기 실시예에서, A8로 표시된 부분은, 스파크나 전극 토출물 등의 포집부로서 기능할 수 있다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 차단 부재(300)는, 서로 다른 2종류 이상의 시트가 적층된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 차단 부재(300)는, F1, F2, F2'로 표시된 바와 같이, 적어도 부분적으로 3장의 시트가 적층된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 적층된 2종류 이상의 시트는, 서로 다른 특성 내지 물성을 갖는 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, F1으로 표시된 바와 같이 중앙에 위치하는 내부 시트는, 고강도 소재나 내열성 소재, 고탄력성 소재 등으로 형성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 내부 시트(F1)는, 알루미늄이나 SUS(Stainless Steel)와 같은 금속 재질로 구성될 수 있다. 그리고, F2 및 F2'로 표시된 바와 같이 내부 시트(F1)의 양 표면에 부착된 외부 시트는, 난연성 소재, 단열성 소재 또는 전기적 절연성 소재 등으로 형성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 외부 시트(F2, F2')는, mica나 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 또한, 외부 시트(F2, F2')는, 소화 약제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 외부 시트(F2, F2')는, 소화 약제가 캡슐 형태로 포함된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300)에 여러 우수한 특성이 함께 포함될 수 있다. 따라서, 차단 부재(300)에 의한 열/가스/화염 차단이나 벤팅 제어 성능이 보다 향상될 수 있다. 예를 들어, 외부 시트(F2, F2')의 경우 기계적 강성은 약하나 열이나 화염 차단 성능이 우수한 재질을 이용하고, 내부 시트(F1)의 경우 열이나 화염 차단 성능보다는 기계적 강성이 우수한 재질을 이용할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 배터리 모듈 내부에서 차단 부재(300)의 형태나 성능이 여러 상황에서 보다 안정적으로 유지될 수 있다.
한편, 도 16에 도시된 바와 같이, 하나의 차단 부재(300)에는 2개의 외부 시트(F2, F2')가 포함될 수 있는데, 이러한 2개의 외부 시트(F2, F2')는 서로 다른 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 차단 부재(300)의 일측(좌측)에 위치하는 외부 시트(F2)는, 내부 시트(F1)와 함께 절곡된 형태로 구성되어 본체(310)와 절곡부(320)를 모두 형성할 수 있다. 특히, 이러한 내부 시트(F1)는 차단 부재(300)의 본체(310)와 절곡부(320)에 모두 포함되도록, 상단이 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 절곡된 형태의 내부 시트(F1)는, 차단 부재(300)의 절곡된 방향의 측면, 이를테면 도 16의 좌측면에 위치할 수 있다. 반면, 차단 부재(300)의 타측(우측)에 위치하는 외부 시트(F2')는, 다른 외부 시트(F2), 즉 좌측에 위치하는 외부 시트(F2)에 비해 면적이 작게 형성될 수 있다. 특히, 이러한 우측 외부 시트(F2')는, 절곡된 형태가 아닌 평평한 형태로서, 본체(310)만을 형성하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 본체(310)만을 형성하는 외부 시트는, 차단 부재(300)에서 절곡된 방향의 반대 측면, 이를테면 도 16의 우측면에 배치될 수 있다.
특히, 좌우 방향으로 배열된 2개의 차단 부재(300)에 있어서, 좌측 차단 부재(300)의 우측 외부 시트(F2')의 상단과, 우측 차단 부재(300)의 좌측 외부 시트(F2) 사이에는, 도 16에서 A9로 표시된 부분과 같이 빈 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 인접하는 차단 부재(300)의 외부 시트(F2, F2') 사이의 이격 공간(A9)을 통해, 벤팅 가스가 배출될 수 있다. 더욱이, 우측 외부 시트(F2')의 상단부는, 좌측 외부 시트(F2)의 절곡된 부분보다 낮게 형성될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(300) 사이의 간격이 좁게 배치된다 하더라도, 인접하는 차단 부재(300)의 외부 시트(F2, F2') 사이로 이격 공간이 형성되어, 벤팅 경로가 안정적으로 확보될 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: 배터리 셀
200: 모듈 케이스
300: 차단 부재
310: 본체, 320: 절곡부, 330: 개폐부
H: 벤팅 홀
F1: 내부 시트, F2, F2': 외부 시트

Claims (10)

  1. 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀;
    내부 공간에 상기 다수의 배터리 셀을 수납하며, 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및
    적어도 일부분이 인접하는 배터리 셀 사이에 개재되어 배터리 셀 사이의 열전달을 방해하도록 구성되며, 상기 배터리 셀로부터 생성된 벤팅 가스가 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성된 하나 이상의 차단 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은, 파우치형 이차 전지로서 하나의 실링부가 상부에 위치하도록 세워진 형태로 수평 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 수평 방향으로 적층되며,
    상기 차단 부재는, 수직 방향으로 세워진 형태로 구성되어 인접하는 배터리 셀 사이에 개재된 본체 및 상기 본체의 상단에서 절곡된 형태로 구성되어 적어도 하나의 배터리 셀의 상단과 상기 모듈 케이스 사이에 개재된 절곡부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절곡부는, 상기 배터리 셀로부터 생성된 벤팅 가스를 상기 벤팅 홀로 가이드하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절곡부는, 상기 배터리 셀로부터 생성된 벤팅 가스가 상기 벤팅 홀로 배출되기까지 적어도 1회 이상 절곡되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 절곡부는, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스와 소정 거리 이격되어, 이격된 부분을 통해 상기 벤팅 가스가 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차단 부재는, 상기 절곡부의 상단에 상기 모듈 케이스와의 이격 공간을 개폐시킬 수 있도록 구성된 개폐부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 절곡부는 외측 방향으로 돌출되게 형성되어 상기 모듈 케이스에 삽입된 체결 돌기를 구비하는 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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