KR20230032354A - 열폭주 시 산소 유입 차단을 위한 구조가 적용된 배터리 모듈 - Google Patents

열폭주 시 산소 유입 차단을 위한 구조가 적용된 배터리 모듈 Download PDF

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KR20230032354A
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 셀들을 구비하는 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 수용할 수 있게 마련되고 적어도 일측에 개방부를 구비한 모듈 케이스; 및 상기 개방부를 커버하는 산소 유입 차단커버를 포함하며, 상기 산소 유입 차단커버는, 각각 벤트홀을 구비하고 서로 중첩 배치되고 상기 개방부를 커버하도록 마련되되, 상기 셀 어셈블리에서 가스 발생시 가스가 상기 벤트홀을 통해 상기 모듈 케이스의 외부로 배출되도록 구성된 2개 이상의 격벽들; 및 상기 격벽들 사이에 위치하고, 열이 인가되는 경우 형태가 변형되어 상기 벤트홀을 폐색시키도록 구성된 홀 폐색부재를 포함할 수 있다.

Description

열폭주 시 산소 유입 차단을 위한 구조가 적용된 배터리 모듈{Battery module having a structure to block oxygen inflow in case of thermal propagation}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화재 발생 내지 확산을 효과적으로 방지할 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 에너지 저장 시스템 등에 관한 것이다.
근래에 들어서, 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 있다. 특히, 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.
이차 전지는 단독으로 사용되기도 하나, 일반적으로는 다수의 이차 전지가 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 형태로 구성된 경우가 많다. 특히, 다수의 이차 전지는 서로 전기적으로 연결된 상태로 하나의 모듈 케이스 내부에 수납되어, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 배터리 모듈은, 단독으로 사용되거나 또는 둘 이상이 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되어, 배터리 팩 등과 같은 보다 상위 수준의 장치를 구성할 수 있다.
최근, 전력 부족이나 친환경 에너지 등과 같은 이슈가 부각되면서, 생산된 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)이 보다 주목받고 있다. 대표적으로, 이러한 에너지 저장 시스템을 이용하면, 스마트 그리드 시스템(Smart Grid System)과 같은 시스템 구축이 용이하여, 특정 지역이나 도시 등에서 용이하게 전력 수급 조절이 가능할 수 있다.
에너지 저장 시스템에 사용되는 배터리 팩의 경우, 중소형 배터리 팩에 비해 매우 큰 용량이 필요할 수 있다. 따라서, 배터리 팩에는 통상적으로 많은 수의 배터리 모듈이 포함될 수 있다. 그리고, 에너지 밀도를 높이기 위해, 다수의 배터리 모듈은 매우 좁은 공간에 밀집된 형태로 구성되는 경우가 많다.
그런데, 이와 같이 다수의 배터리 모듈이 좁은 공간에 밀집된 상태로 존재하는 경우, 화재에 취약할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 배터리 모듈에서 열폭주(thermal propagation) 상황이 발생하여, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 고온의 가스가 배출되는 상황이 발생할 수 있다. 더욱이, 이러한 가스 배출 시 고온의 스파크가 분출될 수 있는데, 스파크에는 배터리 셀 내부의 전극에서 탈리된 활물질이나 용융된 알루미늄 입자 등이 포함될 수 있다. 만일, 이러한 고온의 스파크 및 고온의 가스가, 산소와 만나는 경우, 배터리 팩의 화재를 발생시킬 수 있다.
특히, 특정 배터리 셀 내지 모듈에서 화재가 발생하는 경우, 이는 주변의 다른 배터리 셀이나 배터리 모듈, 다른 배터리 팩 등으로 확산될 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 좁은 공간에 많은 배터리들이 밀집되어 있기 때문에, 화재가 발생하는 경우, 진압이 용이하지 않다. 더욱이, 에너지 저장 시스템의 규모나 역할을 고려할 때, 배터리 팩 내부의 화재 발생은 매우 심각한 재산 및 인명 상 피해를 발생시킬 우려가 있다. 그러므로, 특정 배터리 셀이나 모듈에서 열폭주 상황 등이 발생하더라도, 화재로까지 나아가지 않도록 하는 것이 중요하다.
열따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 열폭주 등으로 인해 내부에서 고온의 가스나 스파크가 발생하더라도 화재 발생을 효과적으로 억제할 수 있도록 구성된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 에너지 저장 시스템 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, 복수 개의 배터리 셀들을 구비하는 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 수용할 수 있게 마련되고 적어도 일측에 개방부를 구비한 모듈 케이스; 상기 셀 어셈블리를 수용할 수 있게 마련되고 적어도 일측에 개방부를 구비한 모듈 케이스; 및 상기 개방부를 커버하는 산소 유입 차단커버를 포함하며, 상기 산소 유입 차단커버는, 각각 벤트홀을 구비하고 서로 중첩 배치되고 상기 개방부를 커버하도록 마련되되, 상기 셀 어셈블리에서 가스 발생시 가스가 상기 벤트홀을 통해 상기 모듈 케이스의 외부로 배출되도록 구성된 2개 이상의 격벽들; 및 상기 격벽들 사이에 위치하고, 열이 인가되는 경우 형태가 변형되어 상기 벤트홀을 폐색시키도록 구성된 홀 폐색부재;를 포함할 수 있다.
상기 홀 폐색부재는, 플라스틱 사출물로서 판상체 형태로 구성될 수 있다.
상기 2개 이상의 격벽들은, 상기 홀 폐색부재를 사이에 두고 중첩 배치되는 제1 격벽과 제2 격벽을 포함할 수 있다.
상기 홀 폐색부재는 판상체 형태로 마련되고 두께 방향으로 가스가 통과할 수 있는 가스 통과공을 구비하고, 상기 제1 격벽의 벤트홀, 상기 가스 통과공, 상기 제2 격벽의 벤트홀은 서로 간에 적어도 일부분이 일치하도록 구성될 수 있다.
상기 가스 통과공은, 상기 제1 격벽의 벤트홀과 상기 제2 격벽의 벤트홀보다 폭이 좁게 형성될 수 있다.
상기 가스 통과공은 상기 제1 격벽의 벤트홀에 가까울수록 폭이 점진적으로 좁아지게 형성될 수 있다.
상기 홀 폐색부재는, 소정의 온도에서 용융 가능한 메쉬망으로 구성될 수 있다.
상기 2개 이상의 격벽들은, 3중으로 서로 대향하게 배치된 제1 격벽, 제2 격벽 및 제3 격벽을 포함하고, 상기 홀 폐색부재는 상기 제1 격벽과 상기 제2 격벽 사이에 배치되는 제1 홀 폐색부재와, 상기 제2 격벽과 상기 제3 격벽 사이에 배치되는 제2 홀 폐색부재를 포함할 수 있다.
상기 제1 격벽의 벤트홀과 상기 제2 격벽의 벤트홀은 서로 엇갈리게 구성되고, 상기 제2 격벽의 벤트홀과 상기 제3 격벽의 벤트홀은 서로 엇갈리게 구성되고,
상기 제1 홀 폐색부재와 상기 제2 홀 폐색부재는 다공성 구조로 이루어질 수 있다.
상기 셀 어셈블리는, 복수 개의 파우치형 배터리 셀들이 상호 적층된 형태로 구성될 수 있다.
상기 복수 개의 파우치형 배터리 셀들은 전극 리드가 상기 모듈 케이스의 전후 방향에 위치하며, 상기 모듈 케이스는 전방 및 후방 중 적어도 일측에 상기 개방부가 구비될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈의 화재 발생이 효과적으로 방지될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내에 포함된 특정 배터리 셀에서 열폭주 현상 등으로 인해 고온의 가스나 스파크가 발생하더라도, 화재로 진행하지 않도록 할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈 외부로 가스를 배출시키면서도 배터리 모듈 내부로 산소가 유입되는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 연소의 3요소 중 하나인 산소를 배제시킴으로써, 배터리 모듈 내부에서 연소, 즉 화재가 발생하는 것을 원천적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 화재가 발생한다 하더라도, 추가 산소 유입이 차단되어 화재가 확산되지 않고 신속하게 진압되도록 할 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 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 모듈 케이스와 산소 유입 차단커버를 분리한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 산소 유입 차단커버의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 내부에서 가스가 발생한 경우, 가스 배출과 산소 유입 차단 효과를 도식화하여 나타낸 도면들이다.
도 6은 도 4의 변형예로서 주요 부분을 확대한 도면이다.
도 7은 도 6의 홀 폐색부재가 열에 의해 형태가 변형된 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 2에 대응하는 도면으로 산소 유입 차단커버의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 10은 도 9의 산소 유입 차단커버의 분해 사시도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈 내부에서 가스가 발생한 경우, 가스 배출과 산소 유입 차단 효과를 도식화하여 나타낸 도면들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 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 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 모듈 케이스와 산소 유입 차단커버를 분리한 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 산소 유입 차단커버의 분해 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 산소 유입 차단커버(300)를 포함할 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 다수의 배터리 셀(110)을 구비할 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은, 전극 조립체, 전해액 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)는 파우치형 배터리 셀(110)들로 구성될 수 있다. 물론, 셀 어셈블리(100)가 반드시 파우치형 배터리 셀(110)들로 구성되어야 하는 것은 아니다. 이를테면, 셀 어셈블리(100)는 원통형 배터리 셀이나 각형 배터리 셀로 구성될 수도 있다.
상기 파우치형 배터리 셀(110)은 서로 적층된 형태로 셀 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 예컨대, 도 2와 같이, 다수의 파우치형 배터리 셀(110)들이 상하 방향(Z축 방향)으로 적층될 수 있다. 각각의 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 리드를 구비하며, 이러한 전극 리드는 각 배터리 셀(110)의 양단부에 위치하거나 일 단부에 위치할 수 있다.
도 2에 도시된 배터리 셀(110)은, 양방향 셀로서, 전극 리드가 배터리 셀(110)의 길이 방향(X축 방향) 양단에 위치한다. 그러나 상기 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 리드가 X축 방향 일단, 이를테면 +X축 방향의 단부에만 위치하는 것으로 대체될 수도 있다. 본 발명은 이러한 배터리 셀(110)의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 셀(110)이 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
셀 어셈블리(100)는 배터리 셀(110)들의 전극 리드 쪽이 모듈 케이스(200)의 전방과 후방, 즉 양쪽 개방부(210)를 향하도록 모듈 케이스(200) 내부에 수납되고, 도면의 편의상 미도시 하였으나, 배터리 셀(110)들의 전기적 연결을 위한 수단으로서 버스바 조립체(미도시)가 셀 어셈블리(100)의 길이 방향에 따른 양단부에 조립될 수 있다. 여기서 버스바 조립체는 전극 리드가 통과할 수 있는 슬롯들이 형성되어 있는 절연판과, 상기 절연판의 일면에 부착되고 구리 등과 같은 금속 소재의 막대 형태로 제공되는 버스바들로 구성될 수 있다. 예컨대 하나 이상의 배터리 셀(110)들의 전극 리드들을 슬롯을 통해 절연판 앞쪽으로 빼내어 특정 버스바의 일면에 용접하고, 또 다른 하나 이상의 배터리 셀(110)들의 전극 리드들을 다른 슬롯을 통해 절연판 앞쪽으로 빼내고 상기 특정 버스바에 용접하는 방식으로 배터리 셀(110)들을 직렬 및/병렬 연결할 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간을 구비하고 셀 어셈블리(100)를 수용할 수 있게 구성될 수 있다. 또한, 상기 모듈 케이스(200)는 (X축 방향을 따라) 소정 길이로 형성되며, 개방부(210)가 길이 방향에 따른 전방과 후방에 구비되어 있는 대략 직육면체 형상으로 구성될 수 있다.
이하 설명의 편의상, 모듈 케이스(200)에 있어서 상기 셀 어셈블리(100)의 상부와 하부를 각각 커버하는 부분을 상부 플레이트와 하부 플레이트라고 지칭하고 상기 셀 어셈블리(100)의 양쪽 측면부를 커버하는 부분들을 측부 플레이트들(좌측 플레이트와 우측 플레이트)라고 지칭하기로 한다.
예컨대, 상기 상부 플레이트와 상기 측부 플레이트들은 일체화되어 단면이 U자 형태인 U 프레임으로 형성되고, 상기 하부 플레이트는 상기 U 프레임에 볼팅 또는 용접 등의 방식으로 결합시킬 수 있게 양쪽 가장자리 라인이 상부 방향으로 절곡되어 있는 판 형태로 제공될 수 있다. 대안 예로써, 상기 모듈 케이스(200)는 사각 관형으로 상부 플레이트, 하부 플레이트, 측부 플레이트들이 모두 일체화된 모노 프레임 형태로 제공될 수도 있다.
이러한 모듈 케이스(200)는 개방부(210)를 제외한 4면이 밀폐된 구조로 이루어져 있어, 셀 어셈블리(100)에서 가스나 스파크 등이 발생한 때, 모듈 케이스(200)의 개방부(210) 쪽으로 가스나 스파크가 이동할 수 있다.
상기 산소 유입 차단커버(300)는 배터리 셀(110)들의 열 폭주 상황에서 모듈 케이스(200)의 내부에 가스가 발생한 경우, 상기 가스를 모듈 케이스(200) 외부로 내보냄으로써 배터리 모듈(10)의 내압 증가로 인한 폭발을 방지하고 가스 배출 후 모듈 케이스(200) 내부로 산소가 유입되는 것을 차단하여 화재 위험을 최소화하기 위한 구성이다.
이러한 산소 유입 차단커버(300)는 모듈 케이스(200)의 전방과 후방 즉, 모듈 케이스(200)의 양쪽 개방부(210)에 한 쌍으로 구비될 수 있다. 상기 산소 유입 차단커버(300)는 개방부(210) 전체를 커버하며 모듈 케이스(200)의 양단부에 결합되도록 구성될 수 있다. 산송 유입 차단커버와 모듈 케이스(200)의 결합시 용접, 볼팅, 후크 체결, 접착 방식 등 다양한 방식이 채용될 수 있고, 기밀성 확보를 위해 오링(O-ring) 등과 같은 실링재가 추가될 수 있다.
구체적으로, 상기 산소 유입 차단커버(300)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 각각 벤트홀(H1,H2)을 구비하고 서로 중첩 배치되고 상기 개방부(210)를 커버하도록 마련된 제1 격벽(310A)과 제2 격벽(310B), 그리고 상기 제1 격벽(310A)과 상기 제2 격벽(310B) 사이에 위치하고 열이 인가되는 경우 형태가 변형되어 상기 벤트홀(H1,H2)을 폐색시키는 홀 폐색부재(320)를 포함한다.
상기 제1 격벽(310A)과 제2 격벽(310B)은 기계적 강성이 높은 금속 소재 또는 내화성이 우수한 소재로 마련되고, 상기 홀 폐색부재(320)는 열에 의해 용융이 가능한 예컨대 플라스틱(폴리머) 소재로 마련될 수 있다. 또한, 상기 홀 폐색부재(320)는 가스 통과공(321)들을 구비할 수 있다.
상기 제1 격벽(310A)은 모듈 케이스(200)의 개방부(210)를 커버할 수 있는 판형으로 마련되어 배터리 셀(110)들의 열 폭주 상황에서 스파크나 플래어(flare)의 외부 유출을 막는 역할을 한다. 그러나 가스는 상기 제1 격벽(310A)을 통과할 수 있도록, 상기 제1 격벽은 높이 방향(Z축 방향)을 따라 복수 개의 벤트홀(H1)들을 구비한다.
상기 제2 격벽(310B)은 상기 홀 폐색부재(320)를 사이에 두고 상기 제1 격벽(310A)과 중첩되게 배치되는 구성으로, 제1 격벽(310A)과 실질적으로 동일하게 마련될 수 있다. 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)은 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1)과 동일 형상으로 마련되고 제2 격벽(310B)의 높이 방향(Z축 방향)으로 복수 개가 구비될 수 있다. 상기 제1 격벽(310A)과 상기 제2 격벽(310B)을 중첩 배치해도 가스가 이들을 통과할 수 있게 상기 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1)들과 상기 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)들은 배터리 모듈(10)의 길이 방향(X축 방향)으로 서로 매칭되게 구성될 수 있다.
홀 폐색부재(320)는 플라스틱 사출물로서 소정 두께를 갖는 판상체 형태로 구성되고 그 일면은 상기 제1 격벽(310A)에 대면 접촉하며 그 타면은 상기 제2 격벽(310B)에 대면 접촉하게 상기 제1 격벽(310A)과 상기 제2 격벽(310B) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 상기 홀 폐색부재(320)는 높이 방향(Z축 방향)을 따라 구비된 복수 개의 가스 통과공(321)들을 구비한다. 가스는 상기 복수 개의 가스 통과공(321)들을 통해 홀 폐색부재(320)를 통과할 수 있다.
이러한 가스 통과공(321)은 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1) 및 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)과 서로 적어도 일부분이 일치하는 높이에 구비된다. 즉, 도 2와 같이, 제1 격벽(310A), 홀 폐색부재(320), 제2 격벽(310B)이 순서대로 겹쳐진 상태에서 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1), 가스 통과공(321), 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)은 서로 간에 적어도 일부분이 매칭될 수 있다. 따라서 모듈 케이스(200)의 내부에서 가스가 발생할 경우, 상기 가스는 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1) => 홀 폐색부재(320)의 가스 통과공(321) => 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)을 통해 배터리 모듈(10)의 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 홀 폐색부재(320)는 플라스틱 사출물로 이루어져 있기 때문에, 배터리 셀(110)들의 열 폭주 상황으로 인해 생성된 열이 일정 수준 이상으로 상기 홀 폐색부재(320)에 전달되거나, 벤팅되는 가스의 열이 일정 수준 이상으로 상기 홀 폐색부재(320)에 전달되는 경우, 홀 폐색부재(320)가 녹아내려 형태가 변형될 수 있다. 이러한 홀 폐색부재(320)의 형태 변형에 의해 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1)과 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)이 막힐 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈(10) 내부에서 열폭주 상황 등이 발생하여 가스가 벤팅된 경우, 벤팅된 가스는 벤트홀들(H1,H2)과 가스 통과공(321)을 통해 배터리 모듈(10)의 외부로 원활하게 배출될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈(10)의 내압 증가로 인한 폭발을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 벤팅 가스가 배출되면서 전달된 열로 인해, 홀 폐색부재(320)가 녹아내려 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1)과 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)이 막히게 됨으로써, 벤팅 가스 배출 후 상기 벤트홀들과 가스 통과공(321)을 통해 배터리 모듈(10) 내부로 산소가 유입되는 것이 효과적으로 차단될 수 있다.
이에 대해서는, 도 4 및 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10) 내부에서 가스가 발생한 경우, 가스 배출과 산소 유입 차단 효과를 도식화하여 나타낸 도면들이다.
하나 이상의 배터리 셀(110)의 열 폭주 상황에서 도 4의 G로 표시한 바와 같이, 상기 배터리 셀(110)에서 가스가 분출된 경우, 분출된 가스는 모듈 케이스(200)의 개방부(210)로 이동할 수 있다. G로 표시한 가스의 경우 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1) => 홀 폐색부재(320)의 가스 통과공(321) => 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)을 차례로 통과하여 배터리 모듈(10)의 외부로 배출될 수 있다.
위와 같이 가스가 배출될 때 가스 통과공(321) 주변 영역에 열이 효과적으로 전달되도록, 상기 홀 폐색부재(320)의 가스 통과공(321)은 상기 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1)과 상기 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)보다 폭이 좁게 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 홀 폐색부재(320)의 가스 통과공(321) 주변에 열전달이 효과적으로 이루어져 해당 부분의 형태가 용이하게 변형될 수 있다. 이에 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1)과 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2)이 폐색되어 배터리 모듈(10)의 외부에서 내부로 산소 유입이 차단될 수 있다.
도 6은 도 4의 변형예로서 주요 부분을 확대한 도면이고, 도 7은 도 6의 홀 폐색부재(320)가 열에 의해 형태가 변형된 예를 나타낸 도면이다.
도 4의 변형예로서, 가스 통과공(321)은 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1)에 가까울수록 상하 방향 폭이 점진적으로 좁아지게 구성될 수 있다. 상기 구성에 의하면, 도 6에 G0 으로 표시한 가스의 흐름은 경로 상에 장애가 없으나, 예컨대 G1으로 표시한 가스의 흐름의 경우, 가스 통과공(321) 주변 부위에 가로막히게 된다. 이에 따라 상기 가스 통과공(321) 주변 부위의 온도가 더 빠르게 높아져 해당 부위가 효과적으로 용융될 수 있다. 그런데 상기 가스 통과공(321)에서 우측 방향으로 가스 배출 압력이 작용하기 때문에 용용된 부분이 도 6에서 우측 방향 즉, 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2) 방향으로 쏠리게 되는 현상이 일어날 수 있다. 이러한 쏠림 현상이 심화될 경우, 용용된 부분이 가스와 함께 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2) 밖으로 비산되어 벤트홀의 폐색이 어렵게 될 수 있다. 이에 본 변형예는 제1 격벽(310A)의 벤트홀(H1) 쪽으로 갈수록 가스 통과공(321)의 폭을 점진적으로 좁게 형성하여, 그 주변의 플라스틱 영역이 용융될 때 가스 통과공(321)의 상측과 하측이 보다 신속히 융착될 수 있도록 구성한 것이다. 이렇게 가스 통과공(321)의 상측과 하측이 융착된 후에는 용융된 부분의 점성이 강해져 제2 격벽(310B)의 벤트홀(H2) 밖으로 쉽게 비산되지 않는다. 이에 본 변형예에 의하면 벤트홀의 폐색이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
한편, 가스 통과공(321)을 구비한 플라스틱 사출물 형태의 홀 폐색부재(320)의 대안으로 도 8과 같이, 소정의 온도에서 용융 가능한 소재로 이루어진 메쉬망으로 이루어진 홀 폐색부재(320A)가 채용될 수도 있다. 메쉬망의 경우 전술한 플라스틱 사출물 형태의 홀 폐색부재(320)에 비해 통풍성이 좋아 가스 배출이 보다 원활하게 이루어질 수 있으며, 입자 형태의 스파크나 이물질의 유입 또는 유출을 더 잘 차단할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 구성과 그 구성의 작용에 의하면, 특정 배터리 셀(110)의 열 폭주 상황에서 발생한 가스를 배터리 모듈(10)의 외부로 배출할 수 있어 배터리 모듈(10)의 폭발을 방지할 수 있고, 또한, 가스 배출 후 산소 유입을 차단하여 화재 확산을 방지할 수 있다. 즉, 배터리 모듈(10)은 열 폭주 상황에서 배터리 모듈(10) 내부에 스파크와 같은 열원이나 가연물이 존재할 수 있는데, 상기와 같이 연소의 3요소 중 하나인 산소 유입이 차단되면 배터리 모듈(10)의 내부 화재의 확산이 방지 내지 현저히 지연될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10A)의 개략적인 사시도이고, 도 10은 도 9의 산소 유입 차단커버(400)의 분해 사시도이다.
이어서, 상기 도면들은 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 대해 설명한다.
전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10A)은 전술한 실시예의 구성과 비교할 때, 3중으로 중첩 배치되는 3개의 격벽들(410A,410B,410C)과, 상기 3개의 격벽들(410A,410B,410C) 사이에 배치되는 2개의 홀 폐색부재들(420,430)을 포함한다. 또한, 상기 2개의 홀 폐색부재들(420,430)은 다공성 구조로 형성된다.
구체적으로, 도 10을 참조하면, 본 발명의 산소 유입 차단커버(400)는 3중으로 서로 대향하게 배치된 제1 격벽(410A), 제2 격벽(410B) 및 제3 격벽(410C)을 포함한다. 또한, 상기 산소 유입 차단커버(400)는 상기 제1 격벽(410A)과 상기 제2 격벽(410B) 사이에 배치되는 제1 홀 폐색부재(420)와, 상기 제2 격벽(410B)과 상기 제3 격벽(410C) 사이에 배치되는 제2 홀 폐색부재(430)를 포함한다.
상기 제1 격벽(410A)의 벤트홀들(J1,J2)은 양쪽 측부에 하나씩 세로 방향(Z축 방향) 길게 연장된 형태로 마련되고, 상기 제2 격벽(410B)의 벤트홀(K1)은 상기 제1 격벽(410A)의 벤트들(J1,J2)과 어긋나게 위치하도록 중앙부에 세로 방향(Z축 방향)으로 길게 연장된 형태로 마련되며, 상기 제3 격벽(410C)의 벤트홀들(Q1,Q2)은 상기 제2 격벽(410B)의 벤트홀(K1)과 어긋나게 위치하도록 양쪽 측부에 하나씩 세로 방향(Z축 방향) 길게 연장된 형태로 마련될 수 있다.
상기 제1 홀 폐색부재(420)와 상기 제2 홀 폐색부재(430)는 플라스틱 수지와 같이 열 용융되는 재질이고, 다공성 구조로 소정의 부피를 갖는 예컨대 다공성의 스펀지 또는 다공성의 폼이나 웹(web) 형태로 구현될 수 있다. 이러한 제1 홀 폐색부재(420)와 제2 홀 폐색부재(430)는 두께 방향(X축 방향) 뿐만 아니라 가로 방향(Y축 방향)과 세로 방향(Z축 방향)으로도 통풍성을 갖는다.
상기와 같은 산소 유입 차단커버(400)의 구성에 의하면, 배터리 모듈(10A) 내부의 열폭주 상황에서 스파크나 플래어(Flare) 등은 외부로 배출되지 않게 막으면서 가스는 외부로 원활하게 배출되도록 할 수 있다. 또한, 전술한 실시예와 같이, 제1 홀 폐색부재(420)와 제2 홀 폐색부재(430)가 열에 의해 변형되게 구성되어 있어, 가스 배출 후 산소가 배터리 모듈(10A) 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
이에 대해 도 11과 도 12를 참조하여 보충 설명하기로 한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10) 내부에서 가스가 발생한 경우, 가스 배출과 산소 유입 차단 효과를 도식화하여 나타낸 도면들이다.
배터리 셀(110)에서 가스와 스파크 등의 분출된 경우, 도 11에 F로 표시한 스파크는 제1 격벽(410A)에 의해 차단되거나, 제1 격벽(410A)의 벤트홀들(J1,J2)을 통과하더라도 제2 격벽(410B)에 막혀 차단될 수 있다. 더욱이, 스파크는 입자 형태가 대부분이라 다공성 구조의 제1 홀 폐색부재(420) 안으로 유입되기도 어렵다. 또한, 본 실시예는 3중 격벽으로 이루어져 있어 스파크 내지 플래어가 외부로 유출되기 위해서는 복잡한 경로를 거쳐야 한다. 따라서 실질적으로 스파크 내지 플래어는 외부로 유출되기 매우 어렵다.
그러나 도 11에 G로 표시한 가스의 경우, 제1 격벽(410A)의 벤트홀(J1,J2)들=> 다공성 구조의 제1 홀 폐색부재(420) => 제2 격벽(410B)의 벤트홀(K1) => 다공성 구조의 제2 홀 폐색부재(430) => 제3 격벽(410C)의 벤트홀(Q1,Q2)들을 통해 배터리 모듈(10A)의 외부로 배출될 수 있다.
가스 배출 후, 상기 가스가 배출되는 과정에서 열이 상기 제1 홀 폐색부재(420)와 상기 제2 홀 폐색부재(430)에 전달된다. 이에 따라 상기 제1 홀 폐색부재(420)와 상기 제2 홀 폐색부재(430) 중 적어도 어느 하나는 형태가 변형될 수 있다. 즉, 제1 홀 폐색부재(420) 또는 제2 홀 폐색부재(430)가 녹아내려 다공성 구조가 붕괴되거나 제1 격벽(410A)의 벤트홀들(J1,J2), 상기 제2 격벽(410B)의 벤트홀(K1), 상기 제3 격벽(410C)의 벤트홀(Q1,Q2)들이 막히게 될 수 있다. 이때, 도 12의 O로 표시한 바와 같이 산소가 배터리 모듈(10A) 내부로 유입되는 것이 차단될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10A)의 경우, 전술한 실시예와 비교할 때, 3중 격벽들(410A,410B,410C)로 이루어져 있고 상기 각 격벽의 벤트홀들이 엇갈리게 위치해 있어, 스파크와 플래어 등은 통과하지 못하게 하며, 가스만 외부로 배출되도록 할 수 있다. 또한, 가스 배출 후에는 상기 가스 배출 과정에서 열에 의해 홀 폐색부재들이 변형되어 상기 벤트홀들이 폐색될 수 있게 구성되어 있어 배터리 모듈(10A) 내부로 산소가 유입되지 않도록 할 수 있다. 그 결과, 배터리 모듈(10A)의 내부와 배터리 모듈(10)의 외부에서 화재 확산의 위험을 크게 낮출 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 다수 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 이러한 배터리 모듈 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS나 버스바, 팩 케이스(20), 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩(1)의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 큰 에너지 용량을 갖기 위해, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 서로 전기적으로 연결된 형태로 다수 포함되도록 할 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 다수가 하나의 배터리 팩(1)을 구성하고, 이러한 배터리 팩이 다수 포함된 형태로 에너지 저장 시스템이 구성될 수 있다. 이 밖에도, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 에너지 저장 시스템의 다른 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 이러한 에너지 저장 시스템은, 스마트 그리드 시스템이나 전기 충전 스테이션 등 다양한 장소나 장치에 사용될 수 있다.
10 : 배터리 모듈
100 : 셀 어셈블리
110 : 배터리 셀
200 : 모듈 케이스
210 : 개방부
300,400 : 산소 유입 차단커버
310A,410A : 제1 격벽
310B,410B : 제2 격벽
410C : 제3 격벽
320,320A : 홀 폐색부재
321 : 가스 통과공
420 : 제1 홀 폐색부재
430 : 제2 홀 폐색부재
H1,H2,J1,J2,K1,Q1,Q2 : 벤트홀

Claims (13)

  1. 복수 개의 배터리 셀들을 구비하는 셀 어셈블리;
    상기 셀 어셈블리를 수용할 수 있게 마련되고 적어도 일측에 개방부를 구비한 모듈 케이스; 및 상기 개방부를 커버하는 산소 유입 차단커버를 포함하며,
    상기 산소 유입 차단커버는,
    각각 벤트홀을 구비하고 서로 중첩 배치되고 상기 개방부를 커버하도록 마련되되, 상기 셀 어셈블리에서 가스 발생시 가스가 상기 벤트홀을 통해 상기 모듈 케이스의 외부로 배출되도록 구성된 2개 이상의 격벽들; 및
    상기 격벽들 사이에 위치하고, 열이 인가되는 경우 형태가 변형되어 상기 벤트홀을 폐색시키도록 구성된 홀 폐색부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홀 폐색부재는, 플라스틱 사출물로서 판상체 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2개 이상의 격벽들은,
    상기 홀 폐색부재를 사이에 두고 중첩 배치되는 제1 격벽과 제2 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 홀 폐색부재는 판상체 형태로 마련되고 두께 방향으로 가스가 통과할 수 있는 가스 통과공을 구비하고,
    상기 제1 격벽의 벤트홀, 상기 가스 통과공, 상기 제2 격벽의 벤트홀은 서로 간에 적어도 일부분이 일치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스 통과공은,
    상기 제1 격벽의 벤트홀과 상기 제2 격벽의 벤트홀보다 폭이 좁게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 통과공은 상기 제1 격벽의 벤트홀에 가까울수록 폭이 점진적으로 좁아지게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 홀 폐색부재는, 소정의 온도에서 용융 가능한 메쉬망으로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2개 이상의 격벽들은,
    3중으로 서로 대향하게 배치된 제1 격벽, 제2 격벽 및 제3 격벽을 포함하고,
    상기 홀 폐색부재는 상기 제1 격벽과 상기 제2 격벽 사이에 배치되는 제1 홀 폐색부재와, 상기 제2 격벽과 상기 제3 격벽 사이에 배치되는 제2 홀 폐색부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 격벽의 벤트홀과 상기 제2 격벽의 벤트홀은 서로 엇갈리게 구성되고, 상기 제2 격벽의 벤트홀과 상기 제3 격벽의 벤트홀은 서로 엇갈리게 구성되고,
    상기 제1 홀 폐색부재와 상기 제2 홀 폐색부재는 다공성 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는, 복수 개의 파우치형 배터리 셀들이 상호 적층된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 파우치형 배터리 셀들은 전극 리드가 상기 모듈 케이스의 전후 방향에 위치하며,
    상기 모듈 케이스는, 전방 및 후방 중 적어도 일측에 상기 개방부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 다수 포함하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 에너지 저장 시스템.
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