KR20230055374A - 안전성이 강화된 배터리 모듈 - Google Patents

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장성환
성준엽
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈에서 배출된 열이나 가스 등을 적절하게 관리할 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 유출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및 적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛을 포함한다.

Description

안전성이 강화된 배터리 모듈{Battery module with reinforced safety}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성이 강화된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등에 관한 것이다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자동차 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 이차 전지는 다수가 전기적으로 연결된 상태에서 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 형태로, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
그런데, 이와 같이 배터리 팩 내부에 다수의 배터리 모듈이 포함되는 경우, 배터리 모듈 간 열적 연쇄 반응에 취약할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 배터리 모듈 내부에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 이러한 열폭주는 다른 배터리 모듈로 전파(propagation)되는 것이 억제될 필요가 있다. 만일, 배터리 모듈 간 열폭주 전파가 적절하게 억제되지 못하면, 특정 배터리 모듈에서 발생한 이벤트는 여러 배터리 모듈의 연쇄적인 반응을 일으켜, 폭발이나 화재 등의 큰 문제를 야기할 수 있다.
특히, 어느 하나의 배터리 모듈에서 열폭주 등 이벤트가 발생하는 경우, 열이나 가스 등이 외부로 배출될 수 있다. 이때, 열이나 가스 등의 배출을 제대로 제어하지 못하면, 다른 배터리 모듈로 열이나 가스 등이 전달되어, 다른 배터리 모듈의 열적 연쇄 반응을 일으킬 우려가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈에서 배출된 열이나 가스 등을 적절하게 관리할 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 유출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및 적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛을 포함한다.
여기서, 상기 냉각 유닛은, 적어도 일부가 상기 벤팅 유닛의 내부에 구비될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛은, 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성되어 절곡 단부가 상기 모듈 케이스의 외측에 부착될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면과 상기 벤팅 유닛의 내면 사이에 개재될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면에 접촉될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 중공에 냉각 유체가 흐를 수 있도록 구성된 냉각 파이프를 구비할 수 있다.
또한, 상기 냉각 파이프는, 적어도 일부분이 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 상기 벤팅 가스에 의해 파열 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 미리 설정된 온도나 압력에 의해 파열 가능하도록 구성된 파열부가 소정 위치에 미리 형성될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 측면에 위치하며, 상기 파열부는, 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 상부 측에 위치할 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 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈; 상기 하나 이상의 배터리 모듈을 내부 공간에 수납하며 팩 홀이 형성된 팩 하우징; 상기 팩 하우징에 장착되고, 상기 팩 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및 적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 효율적인 냉각 성능과 안전한 벤팅 성능이 확보될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 경우, 특정 배터리 모듈에서 열폭주 등의 이벤트가 발생하더라도, 다른 배터리 모듈로 열폭주 상황이 전파되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 하나의 냉각 구성으로, 정상적인 상태에서는 배터리 모듈의 온도를 낮추고, 비상 상황에서는 벤팅 가스의 온도를 낮추거나 그에 포함된 화염이나 스파크 등의 외부 배출을 차단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 경우, 안전성이 우수한 배터리 모듈이 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 조립성이 우수하고, 소형화에 유리한 배터리 모듈이 구현될 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이다.
도 2는, 도 1의 배터리 모듈에 대하여 일부 구성을 분리한 형태의 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 벤팅 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 3의 벤팅 유닛이 모듈 케이스에 결합된 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 측면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 냉각 유닛의 일부분이 파열된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10은, 도 9의 A6-A6'선에 대한 단면 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태의 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 대하여 일부 구성을 분리한 형태의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200), 벤팅 유닛(300) 및 냉각 유닛(400)을 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에 구비된 배터리 셀은, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 다만, 이차 전지의 다른 형태, 이를테면 원통형 전지나 각형 전지도 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
다수의 이차 전지는 서로 적층된 형태로 셀 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 이차 전지는, 각각 상하 방향(도면의 z축 방향)으로 세워진 상태에서 수평 방향(도면의 x축 방향)으로 배열된 형태로 적층될 수 있다. 각각의 배터리 셀은, 전극 리드를 구비할 수 있는데, 이러한 전극 리드는, 각 배터리 셀의 양 단부에 위치하거나 일 단부에 위치할 수 있다. 전극 리드가 양방향으로 돌출된 이차 전지는 양방향 셀이라고 하고, 전극 리드가 일방향으로 돌출된 이차 전지는 단방향 셀이라고 할 수 있다. 본 발명은 이러한 이차 전지의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 이차 전지가 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되어 내부 공간에 셀 어셈블리(100)를 수용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 상판, 하판, 좌측판, 우측판, 전판 및 후판을 구비하여, 내부 공간을 한정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상판, 하판, 좌측판, 우측판, 전판 및 후판 중 적어도 둘 이상은 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상판, 하판, 좌측판 및 우측판은 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 일체화된 케이스는 관 형태를 가지며, 모노 프레임과 같이 지칭될 수 있다. 다른 예로, 좌측판, 우측판 및 하판이 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 일체화된 케이스는, 그 형상으로 인해 U-프레임과 같이 지칭될 수 있다. 이 밖에도, 상기 모듈 케이스(200)는, 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에서 H1으로 표시된 바와 같이, 적어도 일측에 벤팅 홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 좌측판 및 우측판에 각각 벤팅 홀(H1)이 형성될 수 있다. 이러한 벤팅 홀(H1)은, 내부 공간에 수납된 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 생성된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 외부 공간으로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 벤팅 홀(H1)을 제외하고는 밀폐된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)를 내외부 방향으로 관통하도록, 완전히 개방된 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 벤팅 홀(H1)은 완전히 개방되지 않고, 정상적인 상태에서는 폐쇄되어 있다가 압력이나 온도 등의 변화에 따라 개방 가능한 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 벤팅 홀(H1)은 일 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)은 상하 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 또한, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 측면, 특히 좌측면과 우측면에 형성될 수 있다. 다만, 이러한 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 다른 부분, 이를테면 상면, 하면, 전면 및/또는 후면에 형성될 수 있다. 이 밖에, 모듈 케이스(200)에 형성된 벤팅 홀(H1)의 구성은, 이러한 형태 이외에 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 외측에 구비될 수 있다. 특히, 상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분에 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 좌측면에 형성될 수 있다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 우측면에도 형성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)의 좌측면과 우측면 각각의 외부에 부착될 수 있다.
그리고, 벤팅 유닛(300)은, 내부에 빈 공간을 한정하고, 이러한 한정된 공간을 통해, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스가 흐르도록 구성될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스가 내부 공간으로 유입되도록 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)은, 내부 공간을 흐르는 벤팅 가스가, 도 2에서 O1으로 표시된 바와 같은 배출구를 통해, 외부로 배출되도록 구성될 수 있다. 여기서, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간은, 벤팅 가스를 가이드하는 공간이라는 점에서 벤팅 채널이라고 할 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 가스가 흐를 수 있도록 벤팅 채널이 형성될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부가 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되도록 구성될 수 있다. 즉, 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 배출되면, 이러한 벤팅 가스는 모듈 케이스(200)의 내부 또는 외부의 공간에서 흐를 수 있다. 이때, 냉각 유닛(400)은, 이러한 모듈 케이스(200)의 벤팅 가스가 이동하는 공간에 함께 위치할 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)은, 주변의 열을 흡수하여 외부로 방출하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 모듈 케이스(200)의 열을 흡수하여 모듈 케이스(200) 외부로 방출할 수 있다.
셀 어셈블리(100)는, 열 폭주 상황과 같은 비정상적인 상황뿐 아니라, 정상적인 충방전을 수행하는 과정에서도 열을 발생시킬 수 있다. 이때, 냉각 유닛(400)은, 셀 어셈블리(100)로부터 발생된 열을 흡수하여 외부로 방출시키도록 구성될 수 있다. 특히, 냉각 유닛(400)은, 셀 어셈블리(100)로부터 생성되어 모듈 케이스(200)로 전달된 열을 흡수하여, 모듈 케이스(200) 외부로 방출시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 통상적인 사용 과정에서, 적절한 냉각을 통해, 배터리 모듈의 성능이 안정적으로 유지되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈에서 열 폭주와 같은 비정상적인 상황이 발생하는 경우, 이러한 열을 방출시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 케이스(200)의 내측이나 외측, 이를테면 좌측 및/또는 우측에 구비된 냉각 유닛(400)을 통해, 다른 배터리 모듈로 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 배터리 모듈 간 열 폭주 전파가 일어나는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 이와 같은 실시 구성에서는, 냉각 유닛(400)에 의해 벤팅 가스의 온도를 낮출 수도 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 벤팅 가스나 화염 등에 의한 화재 발생이나 확산, 열 폭주 전파 등의 문제가 방지되도록 할 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부가 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에 구비되도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간인 벤팅 채널에 적어도 일부분이 위치하는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)은, 벤팅 채널 내부를 흐르는 벤팅 가스의 열을 흡수하여 외부로 방출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스에 대한 냉각 및 열폭주나 화재 전파 억제 성능이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 가스가 벤팅 유닛(300)의 외부로 배출되기 전에, 그 온도를 낮출 수 있다. 더욱이, 열 폭주와 같은 이벤트 발생 시 배출되는 벤팅 가스에는, 화염이나 스파크, 고온의 활물질 입자 등이 존재할 수 있다. 이때, 상기 냉각 유닛(400)은, 화염이나 스파크, 활물질 입자 등의 이동을 저지하는 한편, 그 온도를 낮출 수도 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)의 절곡된 단부는, 모듈 케이스(200)의 외측에 부착될 수 있다. 이에 대해서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 벤팅 유닛(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 4는 도 3의 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)에 결합된 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다. 예를 들어, 도 4는 도 1의 A1 부분에 대한 정면도라 할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 벤팅 유닛(300)은, 본체부(310)와 절곡부(320)를 구비할 수 있다. 본체부(310)는 판상으로 구성될 수 있으며, 절곡부(320)는 본체부(310)의 모서리 부분에 형성될 수 있다. 특히, 절곡부(320)는 본체부(310)와 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 절곡부(320)는, 본체부(310)의 모서리 부분을 내측 방향으로 절곡시킨 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 내측 방향이란 모듈 케이스(200)를 향하는 방향일 수 있다. 본 명세서에서는, 특별한 설명이 없는 한, 각 구성요소에 대하여, 내측 방향은 배터리 모듈의 중심을 향하는 방향을 의미하고, 외측 방향은 배터리 모듈의 외곽을 향하는 방향을 의미할 수 있다.
벤팅 유닛(300)에서, 본체부(310)는 사각 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 절곡부(320)는 본체부(310)의 4개의 모서리 중 3개의 모서리에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 절곡부(320)는 본체부(310)의 상단 측 모서리와 하단 측 모서리, 그리고 후단 측 모서리에 형성될 수 있다. 그리고, 본체부(310)의 전단 측 모서리에는 절곡부(320)가 형성되지 않음으로써, 벤팅 가스를 배출시키기 위한 배출구(O1)가 형성될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 벤팅 채널은, 벤팅 유닛(300)의 본체부(310)와 절곡부(320)에 의해 한정됨으로써 형성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 구성을 참조하면, V로 표시된 바와 같은 벤팅 채널은, 본체부(310)에 의해 우측면이 한정되고, 상단 절곡부(320)와 하단 절곡부(320)에 의해 상부와 하부가 한정될 수 있다. 그리고, 벤팅 채널(V)은, 벤팅 유닛(300)의 후단 절곡부(320)에 의해 후방이 한정될 수 있다.
한편, 벤팅 채널(V)의 좌측은 완전히 개방된 형태로 구성될 수 있으며, 이러한 좌측 부분에는 모듈 케이스(200)가 위치할 수 있다. 특히, 벤팅 유닛(300)의 상단 절곡부(320)와 하단 절곡부(320)의 외측 단부는, 도 4에서 A2 및 A2'으로 표시된 부분과 같이, 모듈 케이스(200)의 외면에 부착될 수 있다. 또한, 벤팅 유닛(300)의 후단 절곡부(320)도 모듈 케이스(200)의 외면에 부착될 수 있다. 여기서, 벤팅 유닛(300)의 각 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 부착 부분은, 벤팅 가스가 새어 나가지 않도록, 실링될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 유닛(300)의 각 절곡부(320)의 단부는, 모듈 케이스(200)의 외면에 레이저 용접될 수 있다. 또한, 벤팅 유닛(300)과 모듈 케이스(200)는, 다른 다양한 방식으로 상호 결합될 수 있다.
이 경우, 벤팅 채널(V)은, 벤팅 유닛(300)과 모듈 케이스(200)의 외면에 의해 형성된다고 할 수 있다. 그리고, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스는, 도 3에서 화살표로 표시된 바와 같이 벤팅 채널(V) 내부를 흐르면서, 배출구(O1)로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈에서 벤팅 가스를 가이드하는 구성이 간단한 구조를 가지면서 쉬운 조립 방식으로 마련될 수 있다. 특히, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)에 벤팅 홀(H1)만 형성되면 되고, 종래의 배터리 모듈 구성의 대부분이 그대로 활용될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200)나 그 내부 구성의 설계나 제조 방식 등을 크게 변화시키거나 복잡하게 할 필요가 없다. 그러므로, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 제조가 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 구성을 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 모듈 케이스(200)의 우측 표면과 벤팅 유닛(300)의 본체부(310) 좌측 표면 사이에 개재될 수 있다. 또한, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 상단과 하단에 형성된 절곡부(320)의 사이 공간에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 후방 절곡부(320)와 전방 배출구(O1) 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 조립 및 제조가 용이해질 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 내부에 셀 어셈블리(100)가 수납된 상태에서, 모듈 케이스(200)의 외부에 냉각 유닛(400)을 위치시키고, 이러한 냉각 유닛(400)의 외측을 벤팅 유닛(300)에 의해 덮는 방식으로, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 제조될 수 있다. 또는, 모듈 케이스(200)의 외부에 벤팅 유닛(300)을 부착시킨 후, 모듈 케이스(200)와 벤팅 유닛(300)의 사이 공간에 냉각 유닛(400)을 삽입시키는 방식으로, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 제조될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 외면에 접촉되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바를 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 좌측 부분이 모듈 케이스(200)의 우측 표면에 접촉하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 채널(V) 내부에 위치한 부분 모두 모듈 케이스(200)에 접촉될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)의 열이 냉각 유닛(400)으로 보다 원활하게 전달될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100) 측에서 발생한 열이, 냉각 유닛(400)을 통해 모듈 케이스(200) 외부로 잘 방출될 수 있다. 그러므로, 셀 어셈블리(100)에 대한 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 파이프를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 냉각 파이프는 중공을 통해 냉각 유체가 흐르도록 구성될 수 있다. 즉, 냉각 파이프는, 도 2에서 I2로 표시된 바와 같이 일단에 유입구가 형성되고, 도 2에서 O2로 표시된 바와 같이 타단에 유출구가 형성될 수 있다. 그리고, 유입구(I2)를 통해 냉각 유체, 이를테면 냉각수가 유입될 수 있다. 그리고, 이러한 냉각 유체, 즉 냉각수는 냉각 파이프의 중공을 따라 흐르면서, 주변의 열을 흡수할 수 있다. 그리고, 냉각수는, 유출구(O2)를 통해 열과 함께 벤팅 유닛(300)의 외부로 배출됨으로써, 방열 기능을 수행할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 냉각 파이프의 유입구(I2)와 유출구(O2)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 벤팅 유닛(300)의 배출구(O1) 측에 위치할 수 있다. 특히, 냉각 파이프의 유입구(I2)와 유출구(O2)는, 벤팅 유닛(300)의 배출구(O1) 외부에 위치할 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)에서 유입구(I2)와 유출구(O2) 사이의 파이프 구간의 일부 또는 전부는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간으로 삽입될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 조립 공정이 보다 용이하게 수행될 수 있다. 그리고, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부에서 벤팅 가스가 배출구(O1) 측으로 배출될 수 있도록 하는 한편, 냉각 유닛(400)에 의한 냉각 성능이 보다 향상되도록 할 수 있다.
상기 냉각 파이프는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 추가로 참조하여 설명한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 측면에서 바라본 형태의 도면이다. 다만, 도 5에서는, 설명의 편의를 위해 벤팅 유닛(300)은 도시되어 있지 않고, 벤팅 유닛(300)이 장착되는 위치만 A3로 표시되어 있다. 더욱이, 도 5는, 도 1의 배터리 모듈 구성에 대하여, 좌측 벤팅 유닛(300)을 제거한 상태에서, 배터리 모듈을 좌측에서 우측 방향(+X축 방향)으로 바라본 구성의 일 실시 형태라 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 냉각 파이프는, 유입구(I2)와 유출구(O2) 사이의 구간에서 적어도 1회 이상 벤딩될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5의 구성을 살펴보면, 냉각 유닛(400), 즉 냉각 파이프는, 유입구(I2)와 유출구(O2) 사이의 구간에서, B1, B2 및 B3로 표시된 부분과 같이 벤딩된 부분이 존재할 수 있다.
특히, 이러한 벤딩 구성으로 인해, 벤팅 유닛(300)의 내부에는, 서로 연결된 하나의 파이프이지만, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로는 다수의 파이프가 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시예를 참조하면, 벤팅 유닛(300)의 내부에서 벤팅 가스의 흐름 방향은, 화살표로 표시된 바와 같이, 수평 방향인 -Y축 방향이라 할 수 있다. 그런데, 이러한 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향은 수직 방향, 즉 Z축 방향이라 할 수 있으며, 이러한 수직 방향으로는, 4개의 파이프가 존재한다고 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스가 보다 많은 냉각 파이프와 접촉하도록 함으로써, 벤팅 가스의 냉각 효율이 보다 높아질 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 존재하는 벤딩 부분으로 인해 벤팅 가스가 냉각 파이프에 부딪힐 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 B1~B3로 표시된 벤딩 부분은 대체로 상하 방향으로 연장된 부분이 존재하므로, 벤팅 가스는 그 흐름 방향에 대략적으로 직교하는 형태로 형성된 벤딩 부분에 부딪힐 수 있다. 그러므로, 이 과정에서 벤팅 가스에 포함된 화염이나 활물질의 배출이 저지되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이 경우, 벤팅 가스가 냉각 파이프와 접촉하는 부분이 더욱 많아지게 되므로, 벤팅 가스의 온도는 더욱 낮아질 수 있다.
상기 실시 구성에서, 냉각 유닛(400)의 최대 폭은, 벤팅 홀(H1)의 최대 폭 이상으로 형성될 수 있다. 여기서, 폭이란, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향의 길이라 할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 실시 구성에서, 벤팅 가스의 흐름 방향은 수평 방향(-Y축 방향)이므로, 이러한 흐름 방향에 직교하는 상하 방향(Z축 방향)이 곧 폭 방향이라 할 수 있다. 따라서, 냉각 유닛(400)의 최대 폭은, C2로 표시된 바와 같이, 가장 하부에 위치한 냉각 파이프와 가장 상부에 위치한 냉각 파이프 사이의 거리일 수 있다. 그리고, 벤팅 홀(H1)의 최대 폭은, C1으로 표시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)에 대한 상단과 하단 사이의 거리라 할 수 있다. 이때, C2와 C1 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립할 수 있다.
C2≥C1
더욱이, 냉각 유닛(400)의 최외곽부는 벤팅 홀(H1)의 최외곽부보다 외부 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 실시 구성에서, 냉각 유닛(400)의 최하단부는 벤팅 홀(H1)의 최하단부보다 하부 측에 위치하고, 냉각 유닛(400)의 최상단부는 벤팅 홀(H1)의 최상단부보다 상부 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스에 대하여 전체적으로, 냉각 유닛(400)이 커버하도록 할 수 있다. 즉, 상기 실시예에 의하면, 벤팅 홀(H1)로부터 벤팅 가스가 배출되는 경우, 벤팅 가스는 전체적으로 냉각 유닛(400)과 접촉할 수 있다. 따라서, 냉각 유닛(400)에 의한 냉각 효과나 화염 또는 스파크 등의 차단 효과 등이 보다 확실하게 달성될 수 있다.
한편, 상기 실시 구성에서는, 냉각 유닛(400)과 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 측면에 부착된 상태이기 때문에 폭 방향이 상하 방향이 될 수 있다. 그러나, 냉각 유닛(400)과 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 상부나 하부에 부착된 경우에는, 폭 방향은 수평 방향, 이를테면 좌우 방향이 될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 벤팅 가스에 의해 파열 가능하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 냉각 유닛(400)의 일부분이 파열된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 6을 참조하면, 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 분출되어 벤팅 유닛(300)의 내부 공간으로 유입된 경우, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에 존재하는 냉각 유닛(400)은, 이러한 벤팅 가스에 의해 적어도 부분적으로 파열될 수 있다. 보다 구체적으로, 냉각 파이프는, 도 6에서 D1으로 표시된 부분이 파열될 수 있다. 그리고, 이러한 파열 부분을 통해, 냉각 파이프 내부의 냉각 유체가 벤팅 유닛(300)의 내부 공간, 즉 벤팅 채널(V)로 분사될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 냉각 유닛(400)은, 정상 상황에서는 셀 어셈블리(100)의 온도를 낮추는 역할을 할 수 있고, 비상 상황에서는 셀 어셈블리(100)로부터 배출된 벤팅 가스의 온도를 낮추고 화염을 억제하는 역할을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 냉각 유체는, 벤팅 가스의 배출 방향과는 다른 방향으로 분사될 수 있는데, 이 경우, 벤팅 가스에 포함된 스파크나 이물질, 화염 등의 배출이 저지될 수 있다. 더욱이, 이와 같은 효과는, 냉각 유체가 냉각수와 같은 액체 형태일 때 보다 향상될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400), 특히 냉각 파이프는, 벤팅 가스의 온도나 압력에 의해 파열될 수 있는 재질이나 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각 파이프는, 소정 두께 이하, 이를테면 1mm 이하의 알루미늄 재질로 구성되거나, 열변형 수지 소재 등으로 구성될 수 있다.
특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 파열부가 소정 위치에 미리 형성될 수 있다. 예를 들어, 냉각 유닛(400)은, 도 6에서 D1으로 표시된 부분에, 파열부가 미리 형성될 수 있다. 여기서, 파열부는, 냉각 유닛(400), 특히 냉각 파이프에서, 미리 설정된 온도나 압력에 의해 파열 가능하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 냉각 파이프는, 대체로 2mm 두께의 알루미늄 재질로 이루어지되, D1으로 표시된 특정 부분에 대해서는 보다 얇은 0.5 mm 두께의 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 또는, 냉각 파이프는, 대체로 금속 재질로 이루어지되, D1으로 표시된 특정 부분에 대해서는 이보다 용융점이 낮은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 또는, 냉각 파이프는, D1으로 표시된 부분에 개구가 미리 형성되고, 이러한 개구를 밀폐시키는 캡을 구비하되, 캡은 벤팅 가스의 열이나 압력에 의해 개구를 개방시키도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시예들에서, D1으로 표시된 부분은, 벤팅 가스로 인해 냉각 파이프의 중공을 외부로 노출시켜 냉각 유체가 새어 나오도록 하므로, 파열부라 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부에서 벤팅 가스가 흐를 때, 벤팅 가스에 의해 냉각 유닛(400)으로부터 냉각 유체가 신속하게 배출되도록 할 수 있다. 특히, 상기 실시 구성의 경우, 냉각 유체가 배출되는 위치가 파열부에 의해 미리 정해져 있으므로, 냉각수와 같은 냉각 유체가 벤팅 유닛(300) 내부에서 적절한 공간에 분사되도록 할 수 있다.
더욱이, 상기 파열부는, 냉각 유닛(400)에서 다수 형성될 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 파이프에는, 다수의 파열부(D1)가 벤팅 가스의 배출 방향으로 배치될 수 있으며, 각각의 파열부(D1)는, 서로 이격된 위치에 형성될 수 있다.
이 경우, 냉각 유체가 여러 파열부(D1)를 통해 분사되며, 벤팅 가스는 벤팅 채널(V)에서 외부로 배출될 때 냉각 유체와 여러 번 접촉될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스의 냉각이나 화염 또는 스파크 등의 차단 효과가 보다 향상될 수 있다.
특히, 상기 벤팅 유닛(300)은, 여러 도면에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 측면, 이를테면 좌측면과 우측면에 부착될 수 있다. 이때, 파열부(D1)는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 상부 측에 위치하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 실시 구성을 참조하면, 벤팅 유닛(300)이 부착되는 부분(A3)의 상하 방향 중심선은 A4-A4'선이라 할 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400), 즉 냉각 파이프는, 이러한 중심선(A4-A4'선)의 상부 측과 하부 측에 위치할 수 있다. 이때, 파열부는, D1으로 표시된 바와 같이, 적어도 중심선(A4-A4'선)을 기준으로 상부 측에 위치하도록 구성될 수 있다.
특히, 냉각 파이프는, 1개의 파이프가 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 상하 방향으로 절곡된 형태로 구성되어, 하부에서 상부 방향으로 다수의 층이 형성되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 경우, 냉각 파이프는, 상하 방향으로 총 4개의 층을 구비할 수 있다. 이때, 파열부는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 가장 상층부, 이를테면 도 6의 4층 부분에 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부 공간에서, 벤팅 가스가 최대한 많은 냉각 유체와 접촉하도록 할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 유체가 벤팅 채널(V)의 상부 측에서 하부 방향으로 분사되는 경우, 벤팅 채널(V)에서 상하 방향으로 공간 전체에 냉각 유체가 분사되는 효과를 가질 수 있다. 그러므로, 이 경우, 냉각 유체의 분사에 의한, 벤팅 가스의 냉각, 화염이나 스파크 저지 효과 등이 보다 확실하게 보장될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에서, 냉각 유체는, 하층부에서 상층부로 흐르도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서, 냉각 파이프가 1층에서 4층까지 총 4개의 층을 구비하는 경우, 가장 낮은 층인 1층으로 냉각 유체가 유입되고, 가장 높은 층인 4층으로 냉각 유체가 유출되도록 할 수 있다. 즉, 유입구(I2)는 가장 하층부인 1층에 위치하고, 유출구(O2)는 가장 상층부인 4층에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 가장 상층부인 4층에서 냉각 유체가 분사될 경우, 냉각 파이프의 1층에서 3층까지의 부분으로는 냉각 유체가 흐를 수 있다. 따라서, 4층에서 분사되는 냉각 유체에 의해, 벤팅 가스의 냉각 및 화염 등의 저지 효과가 확보되도록 하는 한편, 1층에서 3층까지 냉각 파이프를 통해 흐르는 냉각 유체에 의해, 벤팅 유닛(300)의 냉각 효과가 함께 달성되도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 1층에서 3층까지 냉각 파이프를 통해 흐르는 냉각 유체에 의해, 모듈 케이스(200) 내부에 존재하는 셀 어셈블리(100)로부터 열을 흡수하는 기능 또한 그대로 수행할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다. 도 7에서도 설명의 편의를 위해 벤팅 유닛(300)은 제거되어 있다. 한편, 본 실시예를 비롯하여 본 명세서에 포함된 여러 실시예들의 경우, 다른 실시예들에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 설명될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 절곡된 파이프 형태로 구성되되, E1으로 표시된 부분과 같이, 벤팅 가스의 흐름 방향에 대하여 직각이 아닌 소정 각도, 이를테면 예각으로 기울어진 형태로 형성된 경사부를 구비할 수 있다. 특히, 이러한 경사부는, S1으로 표시된 상부 경사부(제1 경사부)와 S2로 표시된 하부 경사부(제2 경사부)를 구비할 수 있다. 이때, 상부 경사부(S1)는 하부로 갈수록 배출구 방향으로 기울어진 형태로 구성되고, 하부 경사부(S2)는 상부로 갈수록 배출구 방향으로 기울어진 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 상부 경사부(S1)의 하단과 하부 경사부(S2)의 상단은, E2로 표시된 부분과 같이 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스가 특정 부분으로 집중되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 7의 구성에서, 벤팅 홀(H1)로부터 벤팅 채널(V)로 배출된 벤팅 가스는, 화살표로 표시된 바와 같이, 상부 경사부(S1)와 하부 경사부(S2)를 따라 흐를 수 있다. 그리고, 이와 같이 경사부를 따라 흐르는 벤팅 가스는, 상부 경사부(S1)와 하부 경사부(S2)가 만나는 꼭지점 부분(E2)으로 집중될 수 있다. 따라서, 냉각 파이프의 전체 구간 중, 다른 부분에 비해 E2 부분이 보다 쉽게 파열될 수 있다.
또한, 도 7의 구성을 참조하면, F1 및 F2로 표시된 부분과 같이, 냉각 파이프, 즉 냉각 유닛(400)은, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 돌출된 돌출부를 구비할 수 있다. 더욱이, 이러한 돌출부(F1, F2)는, 냉각 파이프의 절곡 구성을 통해 구현될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 돌출부(F1, F2)가 벤팅 가스의 흐름 방향(수평 방향)에 직교하는 방향(상하 방향)으로 길게 존재할 수 있으므로, 벤팅 가스의 냉각 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 이 경우, 벤팅 가스에 포함된 화염이나 입자 등의 외부 배출을 억제할 수 있다.
특히, 이러한 돌출부(F1, F2)는, 냉각 파이프에서 E1으로 표시된 경사부, 더욱이 E2로 표시된 파열 위치보다 벤팅 가스의 흐름 방향으로 후방에 위치할 수 있다. 이 경우, 파열 위치(E2)에서 분사된 냉각 유체가 벤팅 유닛(300)의 배출구 측으로 향하는 것을 저지할 수 있다. 특히, 도 7에 도시된 바와 같은 구성에서는, 냉각 파이프의 형태와 파열 지점(E2)의 위치 상, 냉각 유체가 -Y축 방향으로 향할 수 있다. 이때, 돌출부(F1, F2)는, 이와 같이 냉각 유체가 -Y축 방향으로 향하는 것을 억제함으로써, 냉각 유체가 배출구(O1) 측으로 쉽게 빠져 나가지 않고, 벤팅 채널(V) 내부에 최대한 존재하도록 할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 냉각 유체에 의한 냉각 및 화염 등 차단 효과가 더욱 향상될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 8은, 도 7의 배터리 모듈 구성에 대하여, 벤팅 유닛(300)이 장착된 상태에서, A5-A5'선에 대한 단면 구성의 일 형태를 나타낸다고 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 모듈 케이스(200)의 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이 공간에 개재될 때, 일부는 모듈 케이스(200)의 외면에 가깝게 위치하고, 다른 일부는 벤팅 유닛(300)의 내면에 가깝게 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서, 동일한 냉각 파이프의 서로 다른 부분으로서, F1으로 표시된 부분은 모듈 케이스(200)의 외면에 접촉하고, F2로 표시된 부분은 벤팅 유닛(300)의 내면에 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 냉각 파이프의 크기(직경)를 벤팅 채널(V)의 폭보다 작게 함으로써, 냉각 파이프가 벤팅 가스의 흐름을 완전히 차단하는 것을 방지하면서도, 냉각 파이프에 의한 냉각이나 화염 등의 차단 효과가 더욱 향상되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 8의 구성에서, 냉각 파이프는, 좌측 및 우측 방향으로 교차 형성된다고 할 수 있다. 이 경우, 벤팅 가스는, 벤팅 채널(V) 내부에서 대체로 전후 방향(Y축 방향)으로 흐르되, 부분적으로는 냉각 파이프에 의해 좌우 방향(X축 방향)으로 절곡되어 흐를 수 있다. 따라서, 이 경우, 벤팅 가스의 냉각 효율을 높이고, 벤팅 가스에 포함된 스파크나 화염 등의 이동을 방해하는 효과가 보다 향상될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 10은, 도 9의 A6-A6'선에 대한 단면 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 상부에 결합될 수 있다. 이때, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에는 냉각 유닛(400)의 적어도 일부가 구비될 수 있다. 특히, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 상면부에 위치하는 경우, 벤팅 유닛(300)은 이러한 벤팅 홀(H1)의 위치에 대응되게 모듈 케이스(200)의 상부에 부착될 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400) 역시, 모듈 케이스(200)의 상부 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 상부 측 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이의 공간에 배치될 수 있다.
더욱이, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 상면부 좌측과 우측에 각각 형성된 경우, 벤팅 유닛(300)은 도 9에 도시된 바와 같이 모듈 케이스(200)의 상부에서 좌측과 우측에 각각 부착될 수 있다. 이때, 벤팅 홀(H1)로부터 벤팅 가스가 배출되는 경우, 벤팅 가스는 도 9에서 전방(-Y축 방향)으로 이동하여 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 상부에 형성되어 있으므로, 고온의 벤팅 가스 배출이 보다 신속하게 이루어질 수 있다. 또한, 이 경우, 냉각 유닛(400)으로부터 물과 같은 냉각 유체가 배출된 경우, 배출된 냉각 유체가, 도 10에서 화살표로 표시된 바와 같이, 모듈 케이스(200) 내부로 쉽게 투입될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200) 내부의 화재가 보다 확실하게 진압될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 특히, 도 11은, 도 9의 A6-A6'선에 대한 단면 구성의 다른 예를 나타낸다 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 모듈 케이스(200)의 외측에 CS로 표시된 바와 같이, 케이스 경사부가 형성될 수 있다. 특히, 이러한 케이스 경사부(CS)는, 모듈 케이스의 외측에서, 벤팅 홀(H1)을 따라 높이가 점점 낮아지는 형태로 형성될 수 있다. 더욱이, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 상부 외측 표면에서 가장 낮은 부분에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 냉각 유닛(400)으로부터 배출된 냉각 유체가, 도 11에서 화살표로 표시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)을 경유하여 모듈 케이스(200) 내부로 보다 원활하고 신속하게 투입될 수 있다. 그러므로, 이러한 실시예는, 모듈 케이스(200) 내부에서의 화재 진압에 더욱 효과적일 수 있다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 12를 참조하면, 2개의 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 상면에서 좌측과 우측에 각각 결합되되, 각 벤팅 유닛(300)의 벤팅 방향은 서로 반대 방향이 되도록 구성될 수 있다. 즉, 모듈 케이스(200)의 상면 좌측에 구비된 벤팅 유닛(300)의 벤팅 방향은 후방(+Y축 방향)을 향하도록 구성되고, 모듈 케이스(200)의 상면 우측에 구비된 벤팅 유닛(300)의 벤팅 방향은 전방(-Y축 방향)을 향하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서, 냉각 유닛(400)의 단부가 돌출되는 부분은, 상면 좌측 벤팅 유닛(300)과 상면 우측 벤팅 유닛(300)에서 서로 반대 방향이 될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 다수의 벤팅 유닛(300) 간 벤팅 방향을 다르게 함으로써, 벤팅 가스를 분산시켜 벤팅 가스가 특정 부분에 집중되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 이 경우, 벤팅 가스의 집중으로 인한 특정 부분의 과열을 방지할 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 홀(H1)을 통해 일부분이 모듈 케이스(200) 내부 공간으로 삽입될 수 있다. 특히, 냉각 유닛(400)의 파열부가 모듈 케이스(200) 내부 공간에 위치할 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 화재 진압에 보다 유리할 수 있다. 특히, 냉각 유닛(400)이 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 파열된 경우, 모듈 케이스(200)의 내부 공간으로 냉각 유체가 직접 주입될 수 있다. 따라서, 냉각 유체를 통한 소화가 보다 효과적이고 신속하게 이루어질 수 있다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에 대해서도, 앞선 여러 실시예들에서 설명한 부분이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈(M)을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 용량 및/또는 출력 증대를 위하여, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈(M)을 다수 포함할 수 있다. 이때, 각 배터리 모듈(M)에는, 앞서 설명한 여러 구성이 적용될 수 있다. 예를 들어, 각 배터리 모듈(M)에는, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200), 벤팅 유닛(300) 및 냉각 유닛(400)이 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 배터리 모듈(M)은, 팩 하우징(PH) 내부에 수용될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩의 경우, 특정 배터리 모듈에서 열적 이벤트가 발생하더라도, 안전성이 일정 수준 이상 확보될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈(M)들의 경우, 벤팅 유닛(300)을 포함하고, 이러한 벤팅 유닛(300)을 통해, 화살표로 표시된 바와 같이 벤팅 가스가 배출되도록 할 수 있다. 특히, 이러한 벤팅 가스의 배출 경로에는, 냉각 유닛(400)이 배치될 수 있다. 따라서, 외부로 배출되는 벤팅 가스의 온도를 낮추고, 벤팅 가스 내에 스파크나 전극 토출물, 탄화물 등과 같은 발화 요인이 최대한 포함되지 않도록 할 수 있다. 그러므로, 해당 배터리 모듈(M) 주변은 물론이고, 다른 배터리 모듈(M)에서 발화나 열폭주 전파가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 배터리 팩의 경우, 각 배터리 모듈에 포함된 벤팅 유닛(300)을 통해 벤팅 방향 제어가 가능함으로써, 다른 배터리 모듈을 향해 직접적으로 벤팅 가스가 분사되지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 팩 하우징 내에서 좌측 열과 우측 열, 2개의 열로 다수의 배터리 모듈(M)이 배치될 때, 좌측 열의 배터리 모듈(M)에 대해서는 벤팅 유닛(300)의 분사 방향이 좌측을 향하도록 하고, 우측 열의 배터리 모듈(M)에 대해서는 벤팅 유닛(300)의 분사 방향이 우측을 향하도록 할 수 있다. 이 경우, 특정 배터리 모듈, 이를테면 M4에서 벤팅 가스가 배출될 때, 벤팅 가스가 다른 배터리 모듈을 향하지 않도록 함으로써, 벤팅 가스에 의해 다른 배터리 모듈로 열적 이벤트가 확산되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈(M)이나 팩 하우징(PH) 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS나 버스바, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 팩 하우징(PH)의 내부 공간 등에 더 포함할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 여러 실시예에서, 배터리 모듈에 적용된 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)은, 배터리 팩에 적용될 수도 있다. 이에 대해서는, 도 14를 참조하여 추가로 설명한다.
도 14는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태의 도면이다. 예를 들어, 도 14는, 도 13과 마찬가지로 본 발명에 따른 배터리 팩에 대하여, 팩 하우징(PH)의 상부 측을 제거한 상태의 내부 구성을 나타낸다고 할 수 있다. 본 실시예에 대해서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 14를 참조하면, 다수의 배터리 모듈(M)이 수납된 팩 하우징(PH)의 적어도 일측에는, H2로 표시된 바와 같이, 홀이 형성될 수 있다. 이러한 팩 홀(H2)은, 팩 하우징(PH)의 내부 공간과 외부 공간이 연통된 형태로 형성될 수 있다. 특히, 팩 홀(H2)은, 팩 하우징(PH)의 내부 공간에 존재하는 가스 등이 외부로 배출되는 통로로서 기능할 수 있다.
이와 같은 구성에서, 팩 하우징(PH)에는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 장착될 수 있다. 특히, 도 14에 도시된 바와 같이, 팩 하우징(PH)에 팩 홀(H2)이 형성된 경우, 벤팅 유닛(300)은, 팩 하우징(PH)의 외측에서, 팩 홀(H2)이 형성된 부분에 부착될 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간, 즉 팩 하우징(PH)의 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이에 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 이러한 실시예에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈(M), 하나 이상의 배터리 모듈(M)을 내부 공간에 수용하며 팩 홀(H2)이 형성된 팩 하우징(PH), 이러한 팩 하우징(PH)에 장착되고, 상기 팩 홀(H2)로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛(300) 및 적어도 일부가 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛(400)을 포함한다고 할 수 있다.
이 경우, 임의의 배터리 모듈(M)로부터 생성된 벤팅 가스 등은, 도 14에서 화살표로 표시된 바와 같이, 팩 홀(H2)을 통과하여, 팩 하우징(PH)의 외측에 위치한 벤팅 유닛(300)으로 유입될 수 있다. 그러면, 앞서 설명한 바와 같이, 냉각 유닛(400)에 의해, 벤팅 가스가 냉각되고, 그에 포함된 스파크나 전극 토출물, 탄화물 등의 외부 배출이 억제될 수 있다.
이러한 실시예와 같이, 팩 하우징(PH)에 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 장착되는 실시 구성에서, 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)에는 앞서 모듈 케이스(200)에 장착된 형태로 설명된 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)의 여러 실시 구성이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
한편, 도 14에 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 모듈(M)에는 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 포함되지 않을 수 있다. 다만, 도 13에 도시된 바와 같이, 각 배터리 모듈(M)에도 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 별도로 부착될 수 있음은 물론이다.
또한, 도 14의 실시예에서는, 셀 어셈블리(100)가 모듈 케이스(200) 내부에 수납되어 모듈화된 형태로 팩 하우징(PH)의 내부에 구비되어 있다. 하지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 경우, 셀 어셈블리(100)는 모듈 케이스(200)에 수납되지 않고, 셀투팩(cell to pack) 형태로 직접 팩 하우징(PH)에 장착될 수도 있다. 이 경우, 앞서 설명된 배터리 모듈(M)은, 모듈 케이스(200)를 포함하지 않고, 셀 어셈블리(100)만 포함할 수도 있다. 한편, 팩 하우징(PH)의 내부 공간에는, BMS(Battery Management System)와 같은 제어 장치 및 릴레이와 전류 센서와 같은 전장 부품이 함께 수납될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩은, 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.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 셀 어셈블리
200: 모듈 케이스
300: 벤팅 유닛
310: 본체부, 320: 절곡부
400: 냉각 유닛
H1: 벤팅 홀
O1: 배출구
V: 벤팅 채널
I2: 유입구, O2: 유출구
D1: 파열부
S1: 상부 경사부, S2: 하부 경사부
CS: 케이스 경사부
M: 배터리 모듈
PH: 팩 하우징
H2: 팩 홀

Claims (13)

  1. 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 유출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및
    적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 적어도 일부가 상기 벤팅 유닛의 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 유닛은, 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성되어 절곡 단부가 상기 모듈 케이스의 외측에 부착된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면과 상기 벤팅 유닛의 내면 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면에 접촉된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 중공에 냉각 유체가 흐를 수 있도록 구성된 냉각 파이프를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 파이프는, 적어도 일부분이 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 벤딩된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 상기 벤팅 가스에 의해 파열 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 미리 설정된 온도나 압력에 의해 파열 가능하도록 구성된 파열부가 소정 위치에 미리 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 측면에 위치하며,
    상기 파열부는, 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 상부 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  12. 하나 이상의 배터리 모듈;
    상기 하나 이상의 배터리 모듈을 내부 공간에 수납하며 팩 홀이 형성된 팩 하우징;
    상기 팩 하우징에 장착되고, 상기 팩 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및
    적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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