KR20230058849A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20230058849A
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고정운
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윤자성
이정환
조세훈
최하늘
황재일
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에스케이온 주식회사
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Abstract

일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 팩 하우징;상기 팩 하우징 내부에 배치되는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 팩 하우징의 내부와 외부를 연통하는 벤팅홀;을 포함하고, 상기 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀, 및 상기 복수개의 배터리 셀 사이에 배치되는 제1 열차단부재를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩{battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 기술이다.
이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충·방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 응용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
다수의 배터리 셀들 또는 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 팩에서 특정 배터리 셀 또는 배터리 모듈에 이상이 생기면, 팩 내부로 가스나 도전성 파티클들이 분출되고, 이는 다른 배터리 셀 또는 배터리 모듈에 까지 영향을 미쳐 연쇄적인 열폭주를 일으킬 수 있다. 배터리 팩이 차량에 탑재되는 경우 배터리 팩의 열폭주는 운전자나 승객의 생명을 위협할 수 있으므로 열폭주를 방지하거나 지연시킬 수 있는 방법이 요구된다.
본발명은 높은 안전성을 가진 배터리 팩을 제공하는데 그 목적이 있다. 특히 본발명은 배터리 팩의 열폭주로 발생하는 고온의 인화성 가스를 발화없이 외부로 최대한 빠르게 배출할 수 있는 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 팩 하우징; 상기 팩 하우징 내부에 배치되는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 팩 하우징의 내부와 외부를 연통하는 벤팅홀;을 포함하고, 상기 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀, 및 상기 복수개의 배터리 셀 사이에 배치되는 제1 열차단부재를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 복수개의 배터리 셀과 결합되는 내부 버스바를 포함하며, 상기 제1 열차단부재는 상기 내부 버스바와 결합될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 팩 하우징은 상기 배터리 모듈의 상부를 덮는 팩 커버를 포함하고, 상기 배터리 모듈의 상부와 상기 팩 커버 사이에는 제2 열차단부재가 배치될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 제2 열차단부재는 상기 배터리 모듈의 상부와 측부를 감싸도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 벤팅홀의 총 단면적은 1,000mm^2 보다 크고 4,000mm^2 이하일 수 있다.
일 실시 예에서 상기 적어도 하나의 배터리 모듈과 상기 팩 커버 사이에 100mm이하의 두께의 공기층이 형성될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 적어도 하나의 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들 및 상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스를 포함하고, 상기 공기층은 상기 팩 커버와 상기 모듈 케이스 사이의 공간으로 정의될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 벤팅홀은 상기 팩 하우징의 외부공간과 연결된 출구측의 단면적이 상기 팩 하우징의 내부공간과 연결된 입구측의 단면적보다 작게 형성될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 벤팅홀의 적어도 일부는 상기 입구측에서 상기 출구측으로 갈수록 단면적이 감소할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 팩 커버는 스틸 소재를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 팩 하우징은 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 둘러싸는 사이드 프레임을 포함하고, 실링부재가 상기 사이드 프레임과 상기 팩 커버 사이에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서 상기 배터리 팩은 적어도 2개의 배터리 모듈들을 상호간에 전기적으로 연결하는 외부 버스바; 및 상기 외부 버스바의 표면을 감싸는 커버부재;를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 커버부재는 내화성 소재 또는 절연성 소재를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 상기 제1 열차단부재는 내열시트 및 상기 내열시트의 적어도 일면에 배치되고 탄성변형되는 재질로 만들어지는 패드를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 상기 패드는 0.1 W/(m·K) 이하의 열전도율을 가질 수 있다. 일 실시 예에서 상기 패드는 500 MΩ 이상의 절연저항을 가질 수 있다. 일 실시 예에서 상기 내열시트는 마이카(MICA)를 포함할 수 있다.
본발명의 일 실시 예에 따르면, 높은 안전성을 가진 배터리 팩이 제공될 수 있다. 또, 배터리 팩의 열폭주로 발생하는 고온의 인화성 가스가 발화없이 외부로 최대한 빠르게 배출될 수 있고, 이는 배터리 팩 내부의 열폭주 또는 열전파를 지연하거나 억제할 수 있다. 또 배터리 팩 내부에서 발생한 인화성 가스가 착화되지 않은 상태로 팩 외부로 분출되도록 해주는, 보다 안전한 배터리 팩이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 분해사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 분해사시도이다.
도 4는 제1 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다.
도 5는 제2 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다.
도 6은 제3 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다.
도 7은 제4 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 단면도이다.
도 9는 일 실시 예에서 배터리 모듈과 팩 커버가 접착부재로 결합된 배터리 팩의 내부 단면도이다.
도 10은 일 실시 예에서 배터리 모듈과 팩 커버가 기구적으로 결합된 배터리 팩의 내부 단면도이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 외부 버스바 및 커버부재를 도시한 것이다.
도 12는 일 실시 예에서 배터리 모듈의 외측을 감싸는 열차단부재를 도시한 것이다.
도 13은 일 실시 예에서 배터리 셀들 사이에 배치되는 열차단부재의 예시이다.
본 문서에서 사용되는 용어는 본 발명의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어일 수 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 문서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 문서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.
또한, 본 문서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명하도록 한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 모두 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 문서에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.
본 문서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다름을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 즉, 본 문서에서 어떤 구성요소가 단수로 표현되더라도, 다른 설명이 없는 한, 해당 구성요서가 복수개로 마련되는 것을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 예를 들어, 어떤 실시 예에서 제1 부재가 프레임 상에 배치된다고 상정할 때, 다른 설명이 없는 한, 해당 실시 예가 프레임 상에 1개의 제1 부재만 배치된 것으로 한정되지는 않고, 2개 이상의 제1 부재들이 프레임에 배치되는 것도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서에서, "포함하다" 또는 "구성하다" 등의 용어는 본 문서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서에서, X 방향, Y 방향, 및 Z 방향은 각각 도면에 도시된 X축과 나란한 방향, Y축과 나란한 방향, 및 Z축과 나란한 방향을 의미한다. 또, 다른 설명이 없는 한, X 방향이라고 하면 +X축 방향 및 -X축 방향을 모두 포함하는 개념이며, 이는 Y 방향이나 Z 방향에도 마찬가지로 적용된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다. 예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 사시도이다. 도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 분해사시도이다. 도 3은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 분해사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 일 실시 예에서 배터리 팩(1)은 팩 하우징(100) 및 팩 하우징(100) 내부에 배치된 복수의 배터리 모듈들(200)을 포함할 수 있다.
팩 하우징(100)은 팩 프레임(110) 및 팩 프레임(110)의 상부에 결합되는 팩 커버(120)를 포함한다. 팩 프레임(110)은 하부 플레이트(111) 및 하부 플레이트(111)에서 상측으로 연장하는 사이드 프레임(112)을 포함한다.
하부 플레이트(111) 상에는 팩 하우징(100) 내부 공간을 종으로 또는 횡으로 가로지르는 적어도 하나의 파티션(113)이 배치될 수 있다. 도시된 실시 예에서 X 방향으로 연장하는 파티션(113a)과 Y 방향으로 연장하는 파티션(113b)이 배치되어 팩 하우징(100) 내부를 여러 격실들로 구분한다.
파티션(113)에 의해 구분된 공간 내에 적어도 하나의 배터리 모듈(200)이 배치될 수 있다. 도시된 실시 예에서 하나의 격실에 4개의 배터리 모듈들(200)이 배치된다. 한편 팩 하우징(100)의 형태 및 배터리 모듈(200)의 개수는 예시로서 본 개시의 실시 예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 팩 내부에 7개 이하 또는 9개 이상의 격실이 생기도록 파티션(113)이 배치될 수 있다. 다른 예를 들어, 하나의 격실에 3개 이하 또는 5개 이상의 배터리 모듈들(200)이 배치될 수 있다.
도 3을 참고하면, 일 실시 예에서 배터리 모듈(200)은 모듈 케이스(210), 모듈 케이스(210) 내부에 수납된 복수의 배터리 셀들을 포함한다.
모듈 케이스(210)는, 일체형으로 이루어질 수도 있고, 복수개의 커버 플레이트가 결합되어 형성되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 도 1은 배터리 모듈(200)의 구조를 나타낸 것으로, 모듈 케이스(210)는 배터리 셀(220)의 하측 및 양측을 감싸는 구조로서, 일체의 'ㄷ'자 형상으로 형성된 하부 커버플레이트(211), 배터리 셀(220)의 상부를 커버하기 위한 상부 커버플레이트(212), 배터리 셀(220)의 전방을 커버하기 위한 전방 커버플레이트(213), 배터리 셀(220)의 후방을 커버하기 위한 후방 커버플레이트(214)를 포함할 수 있다. 모듈 케이스(210)의 형태 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 용도, 상기 내부 공간에 수납되는 배터리 셀(220)의 형태 및 개수 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
상기 모듈 케이스(210)는 배터리 셀(220)을 지지 및 보호하는 기능을 수행함과 동시에, 배터리 모듈(200)의 충방전 동안 발생하는 열 및 외부의 온도 및 압력 등의 변화에 따라 발생하는 열로부터 이차전지를 보호하기 위해 수냉 또는 공냉의 방식으로 배터리 셀(220)을 냉각하고, 온도를 적정 수준으로 유지하는 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 모듈 케이스(210)는 열전도도가 우수한 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 특별하게 한정하는 것은 아니나, 알루미늄, 금, 순은, 텅스텐, 구리, 니켈 또는 백금 등의 금속 소재가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄을 사용할 수 있다.
모듈 케이스(210)에 수납되어 있는 배터리 셀들(220)은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 한편, 모듈 케이스(210) 내에 수납되는 배터리 셀(220)의 수는 용도 등에 따라 조절되는 것으로 특별히 한정되지 않는다.
한편, 배터리 셀(220)은 파우치형 외장재에 수납되는 전극조립체를 포함할 수 있으며, 본 발명에의 배터리 셀(220)은 통상적으로 사용되는 것이라면 제한없이 사용이 가능하다. 예를 들어, 전극 조립체는 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 음극, 및 분리막으로 구성되며, 양극은, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
배터리 셀(220)의 전극리드가 돌출되는 측에는 배터리 셀(220)과 전기적으로 연결되는 내부 버스바(230)가 포함될 수 있다. 내부 버스바(230)는 전극리드가 돌출되는 측에 형성되므로, 배터리 셀의 전방 및 후방 중 적어도 일측에 형성될 수 있다. 내부 버스바(230)는 전도성이 우수한 금속, 예를 들어, 구리 등을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 배터리 모듈들(200)은 외부 버스바(300)를 통해 상호간에 전기적으로 연결된다. 배터리 모듈(200)의 내부 버스바(230)는 모듈 케이스(210) 외측으로 적어도 일부 노출되어 배터리 모듈들(200)을 상호간에 연결하는 외부 버스바(300)에 연결될 수 있다.
배터리 모듈(200)은 내부 버스바(230)를 보호하고 절연성을 확보하기 위해, 내부 버스바(230)를 커버하는 절연 커버(240)를 포함할 수 있다. 절연 커버(240)는 내부 버스바(230)와 상호 또는 일부 후크 결합되어 있을 수 있다. 절연 커버(240)는 변성 폴리프로필렌옥사이드(MPPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE) 및 폴리부틸렌테르프탈레이트(PBT) 로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기와 같이, 절연 커버(240)는 모듈 케이스(210)를 구성하는 전방 커버플레이트(213) 및 후방 커버플레이트(214)에 의해 커버되어, 배터리 모듈(200)이 구성될 수 있다.
일 실시 예에서 배터리 모듈(200)은 복수의 배터리 셀들(220) 사이에 배치되는 제1 열차단부재(50)를 포함할 수 있다. 제1 열차단부재(TP(thermal propagation) blocking member)(50)는 단열성, 내열성, 내화성 중 적어도 하나가 높은 재질로 만들어질 수 있다. 제1 열차단부재(50)는 어느 하나의 배터리 셀에서 발생하는 열이 주변의 다른 배터리 셀로 전파되는 것을 최소화하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에서 제1 열차단부재(50)는 2개 이상의 배터리 셀들로 구성된 배터리 셀 그룹들 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참고하면, 제1 열차단부재(50)는 4개의 배터리 셀들로 구성된 배터리 셀 그룹과 교번 배열될 수 있다.
제1 열차단부재(50)는 폴리머류 소재, 무기물류 소재 및 세라믹스 소재 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있다. 여기서 폴리머류 소재는 일례로 실리콘 계열 등의 소재가 있을 수 있다. 그리고 무기물류 소재는 탄소(C)를 포함하지 않는 소재로서, 일례로 운모(mica), 석회, 소금, 유리와 같은 규소화합물 및 철 등의 일부 금속이 있을 수 있다. 상기 세라믹스 소재는 일례로 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등과 같은 금속원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 질화물로 이루어진 소재가 있을 수 있다. 이러한 세라믹 소재는 일례로 점토(粘土), 고령토(高嶺土), 장석(長石), 규석(硅石) 등과 같은 천연원료를 사용하여 제조되거나, 탄화규소, 질화규소, 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 바륨티타네이트(barium titanate) 등과 같은 합성원료를 사용하여 제조될 수도 있다.
일 실시 예에서 제1 열차단부재(50)는 내부 버스바(230)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 열차단부재(50)의 일단이 내부 버스바(230)에 결합될 수 있다. 다른 실시 예에서,내부 버스바(230)는 절연플레이트에 안착될 수 있고, 제1 열차단부재(50)는 절연플레이트에 결합될 수 있다.
한편, 배터리 팩(1) 내부의 가스는 팩 하우징(100)에 마련된 벤팅부(500)를 통해 팩 하우징(100) 외부로 배출될 수 있다. 벤팅부(500)는 팩 하우징(100)의 내부와 외부를 연통하는 벤팅홀(510)을 포함한다.
배터리 팩(1) 내에서 발생되는 가스가 외부로 너무 천천히 배출되거나 너무 많은 양이 한꺼번에 배출되는 경우, 배터리 팩(1) 외부에서 화염이 발생될 가능성이 있다. 따라서 배터리 팩(1) 내에서 발생된 가스는 적정한 속도로 배터리 팩(1) 외부로 배출하는 것이 유리하다.
이하에서 설명되는 실시 예들에 따르면, 배터리 모듈(200)에서 인화성 가스가 분출되더라도 착화되지 않은 상태로 배터리 팩(1) 내부를 통과하여 외부로 빠져나갈 수 있다. 열폭주 이후에 수초 이내에 팩 내부의 공기는 모두 팩 외부로 빠져나가기 때문에 배터리 모듈(200)에서 분출된 고온 고압의 가스가 공기와 적절한 비율로 혼합되기 어렵고, 이에 따라 가스가 착화 및 연소되지 않고 배터리 팩(1) 외부로 분출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면 벤팅홀(510)의 크기를 적절히 설정함으로써 가스가 배터리 팩(1) 외부로 분출되는 속도를 비교적 빠르게 할 수 있고, 이는 배터리 팩(1) 외부에서 화염이 생기지 않도록 할 수 있다. 가스의 속도가 충분히 빠르면 주변 공기와 충분히 혼합되지 못해 확산연소가 일어나지 않기 때문이다. 즉, 배터리 팩(1) 내부의 고온의 가스는 착화되지 않은 상태로 배터리 팩(1) 외부로 분출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 열폭주 후 분출된 가스로 배터리 팩(1) 내부 가스 농도의 급격한 증대로 화염 발생이 방지되거나, 내압 증가로 도전성 파티클의 토출량이 감소하여 외부단락이나 착화가 방지될 수 있다.
일 실시 예에서 벤팅홀(510)의 단면적은 배터리 셀에서 생긴 가스가 착화되지 않도록 조절될 수 있다. 벤팅홀(510)의 단면적은 가스 배출 방향과 수직인 면의 면적을 의미한다. 예를 들어, 벤팅홀(510)이 내부 반경이 r인 원형 파이프 형태로 제공되는 경우, 벤팅홀(510)의 단면적은 (원주율)*r2 이다. 일 실시 예에서 벤팅부(500)(또는 벤팅홀(510))가 하나 이상으로 제공하는 경우, 벤팅홀(510)의 총 단면적은 1,000mm2 보다 크고 4,000mm2 이하일 수 있다. 이때 단면적은 외부 공기와 접촉하는 벤팅홀(510)의 외측부의 단면적이 될 수 있다. 도시된 실시 예에서 2개의 벤팅부들(500)이 제공되나, 이는 예시에 지나지 않고, 1개 또는 3개 이상의 벤팅부들(500)이 제공될 수 있다.
도 4는 제1 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다. 도 5는 제2 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다. 도 4 및 도 5는 도 2에서 II-II' 라인을 따라 벤팅부(500)를 절단한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 일 실시 예에서 배터리 팩(1)의 벤팅홀(510)의 단면적은 배터리 팩(1)의 사양에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 단위 시간당 배터리 팩(1) 내부에서 생성되는 가스의 양은 배터리 팩(1) 내부에 수용되는 배터리 모듈(200)(또는 배터리 셀(220))의 수량 및 화학적 구성에 따라 다르므로 설계 의도에 맞게 가스배출속도를 조절하기 위해서는, 상기 요인을 고려하여 벤팅홀(510)의 단면적을 다르게 형성할 필요가 있다.
일 실시 예에서 벤팅부(500)는 가스 배출 유닛(520)을 포함할 수 있다. 예컨대, 단위 시간당 발생되는 가스의 양이 많은 경우, 벤팅 홀(530)이 크게 형성된 가스 배출 유닛(520)이 선택될 수 있으며, 반대로 단위 시간당 발생되는 가스의 양이 적은 경우, 벤팅 홀(530)이 작게 형성된 가스 배출 유닛(520)이 선택될 수 있다. 이경우 벤팅홀(510)은 벤팅 홀(530)을 포함하게 된다.
가스 배출 유닛(520)은 적어도 하나가 구비될 수 있으며, 벤팅홀(510)이 형성된 사이드 프레임(112)의 일면에 결합될 수 있다. 본 실시예의 가스 배출 유닛(520)은 탈착이 가능하도록 사이드 프레임(112)에 결합될 수 있다. 따라서 가스 배출 유닛(520)은 필요에 따라 작업자에 의해 교체될 수 있다.
가스 배출 유닛(520)은 사각의 편평한 판 형태로 형성될 수 있으며 내부에 적어도 하나의 벤팅 홀(530)이 형성된다.
벤팅 홀(530)은 관통 구멍 형태로 형성되며 사이드 프레임(112)의 벤팅홀(510) 보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 또한 가스 배출 유닛(520)은 벤팅 홀(530)이 벤팅홀(510)과 겹치도록 사이드 프레임(112)에 결합될 수 있다.
여기서 벤팅 홀(530)이 벤팅홀(510)과 겹치도록 배치된다는 의미는 벤팅 홀(530)의 적어도 일부가 벤팅홀(510)과 연결되도록 배치되는 것을 의미한다.
가스 배출 유닛(520)은 나사나 볼트와 같은 별도의 고정 부재를 통해 사이드 프레임(112)에 결합될 수 있다. 이를 위해 가스 배출 유닛(520)과 사이드 프레임(112)에는 고정 부재가 삽입되는 체결 구멍이 구비될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 가스 배출 유닛(520)을 사이드 프레임(112)의 일면에 견고하게 결합할 수만 있다면 다양한 부재가 이용될 수 있다.
작업자는 필요에 따라 적합한 크기의 벤팅 홀(530)이 형성된 가스 배출 유닛(520)을 선택하여 사이드 프레임(112)에 결합할 수 있다. 예를 들어, 가스 배출 유닛들(520a, 520b)은 서로 다른 크기의 벤팅 홀들(530a, 530b)을 각각 포함할 수 있다.
벤팅 홀(530)의 크기는 배터리 팩(1)의 내부에 수용되는 배터리 셀의 종류나 사이드 프레임(112) 내부 공간의 크기 등을 고려하여 규정될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 작업자는 동일한 형태의 팩 하우징(100)에 가스 배출 유닛(520)만 선택하여 결합함으로써 원하는 크기의 가스 배출구가 구비된 배터리 팩(1)을 완성할 수 있다.
도 5를 참고하면, 일 실시 예에서 가스 배출 유닛(520)은 다수 개가 마련될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(1)에는 2 이상의 가스 배출 유닛들(520a, 520b)이 결합될 수 있다. 제1 가스 배출 유닛(520a)는 사이드 프레임(112)의 내부면에 결합되고, 제2 가스 배출 유닛(520b)는 사이드 프레임(112)의 외부면에 결합된다.
배터리 팩(1)이 가스 배출 유닛(520)을 구비하지 않는 경우, 다양한 배터리 셀들(220), 또는 다양한 배터리 모듈들(200)에 대응하여 다양한 크기의 가스 배출구가 형성된 팩 하우징들을 마련해야 한다. 이 경우 제조 비용이 크게 상승할 수 있다. 본 실시 예와 같이 가스 배출 유닛(520)을 선택적으로 결합하도록 구성하는 경우, 팩 하우징들은 일괄적으로 제조될 수 있고, 이는 제조 비용을 최소화할 수 있다.
도 6은 제3 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다. 도 7은 제4 실시 예에 따른 벤팅부를 도시한 것이다. 도 6 및 도 7은 도 2에서 II-II' 라인을 따라 벤팅부(500)를 절단한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 벤팅부(500)는 팩 하우징(100)의 외부공간과 연결된 출구측(542)의 단면적(A2)이 내부공간(115)과 연결된 입구측(541)의 단면적(A1)보다 작게 형성되는 구조를 가질 수 있다.
즉, 입구측(541)의 단면적(A1)이 출구측(542)의 단면적(A2)보다 크게 형성되면 입구측(541)과 출구측(542)의 단면적이 동일하게 유지되는 경우에 비하여 내부공간(115)에서 발생한 가스가 벤팅부(500)를 통해 외부로 쉽게 배출될 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(1) 내부의 압력 상승이 제한적이게 된다.
또한, 출구측(542)의 단면적(A2)이 입구측(541)의 단면적(A1)보다 작게 형성되므로 팩 하우징(100) 외부의 공기는 벤팅부(500)를 통해 내부공간(115)으로 쉽게 유입되기 어렵게 된다.
결국, 일 실시 예에 따른 벤팅부(500)는 배터리 팩(1) 내부의 압력 상승을 과도하게 증가시키지 않으면서도 외부공기(산소)의 유입을 효과적으로 차단할 수 있다.
일 실시 예에서 벤팅부(500)는 팩 내부에서 팩 외부로 갈수록 그 단면적이 감소하는 형태로 제공될 수 있다. 벤팅부(500)는 입구측(541)에 연결되어 비교적 큰 단면형상을 갖는 제1 영역(543)과, 출구측(542)에 연결되어 제1 영역(543)에 비해 비교적 작은 단면형상을 갖는 제2 영역(544)을 포함하여 구성될 수 있다. 벤팅부(500)의 길이방향에 수직한 절단면을 기준으로 하여 벤팅부(500)의 소정 길이에 대한 평균 단면적을 산정할 때, 제2 영역(544)의 평균 단면적은 제1 영역(543)의 평균 단면적보다 작은 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 영역(543)은 입구측(541)으로부터 출구측(542)으로 동일한 단면형상으로 연장되고, 제2 영역(544)은 제1 영역(543)보다 단면적이 감소하는 형태로 출구측(542)으로 연장되는 구조를 가질 수 있다.
그리고, 제1 영역(543)과 제2 영역(544)은 도 6(b)에 도시된 바와 같이 각각 원형 단면형상을 가질 수 있다. 이때, 입구측(541)의 직경(D1)은 출구측(542)의 직경(D2)보다 큰 형상을 갖게 된다.
또한, 제1 영역(543)과 제2 영역(544)이 각각 원형 단면형상을 갖는 경우, 벤팅부(500)의 제1 영역(543)은 일정한 직경(D1)의 중공 원통 형상으로 이루어지고, 제2 영역(544)은 출구측(542)으로 갈수록 직경이 감소하는 중공 원뿔대 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 영역(543)과 제2 영역(544) 사이에는 단면구조가 변경되는 경계영역(BA)이 형성될 수 있다. 이때, 제1 영역(543)과 제2 영역(544) 사이의 경계영역(BA)은 도 6(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이 각진 형태로 형성될 수 있다. 제1 영역(543)과 제2 영역(544) 사이의 경계영역(BA)은 도 6(c) 및 도 7(a)에 도시된 바와 같이 제1 영역(543)과 제2 영역(544)이 완만한 곡면으로 이어질 수 있다.
또한, 제2 영역(544)은 도 6(a), 도 6(c), 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이 단일 경사각(θ)으로 경사진 형태를 이룰 수 있으나, 도 6(d)에 도시된 바와 같이 2개 이상의 구역(544a, 134b)로 구획되어 각 구역에서의 경사각(θa, θb)이 변화하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 출구측(542)의 직경(D2)이 제2 영역(544) 중앙부에 위치한 부분의 직경(D2a)보다 작아질 수 있도록 출구측(542)에 가까운 구역(544b)에서의 경사각(θb)은 출구측(542)에서 먼 구역(544a)에서의 경사각(θa)보다 크게 형성될 수 있다.
이와 같이, 벤팅부(500)가 원형 단면을 갖는 경우 각형 단면에 비해 벤팅부(500)의 내부를 유동하는 공기에 와류나 난류가 발생할 가능성을 줄일 수 있으므로 입구측(541)으로부터 출구측(542)으로 원활한 유동을 형성할 수 있다는 이점이 있다. 다만, 본 발명에서 벤팅부(500)의 단면 형상은 타원형 단면 등 다양한 변경이 가능하며, 각형 단면 구조를 배제하는 것은 아니다.
그리고, 벤팅부(500)는 제1 영역(543)과 제2 영역(544)에 모두 경사각이 형성되는 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 6(d)에 도시된 바와 같이, 제1 영역(543)은 벤팅부(500)의 길이방향을 기준으로 제1 경사각으로 단면적이 감소하는 형상을 가지며, 제2 영역(544)은 벤팅부(500)의 길이방향을 기준으로 제1 경사각보다 큰 제2 경사각으로 단면적이 감소하는 형상을 가질 수도 있다.
한편, 제2 영역(544)의 길이(L2)는 입구측(541)으로부터 출구측(542)까지의 거리, 즉 벤팅부(500)의 전체 길이(L)의 0.2 ~ 0.8배로 이루어질 수 있다. 만약, 제2 영역(544)의 길이(L2)가 전체 길이(L)의 0.2배 미만의 길이를 갖는다면 제2 영역(544)의 길이가 과도하게 짧아지게 된다. 따라서, 짧아진 제2 영역(544)을 통하여 외부 공기의 유입 가능성이 커지므로 제2 영역(544)의 설치 효과가 저하될 수 있다. 반대로, 제2 영역(544)의 길이(L2)가 전체 길이(L)의 0.8배를 초과하는 길이를 갖는다면 제1 영역(543)의 길이(L1)가 과도하게 짧아지게 된다. 이 경우, 단면적이 작은 제2 영역(544)이 길게 형성되므로 제2 영역(544)을 통하여 내부공간(115)의 가스 배출이 원활하지 않게 되고, 이에 따라 배터리 팩(1) 내부공간(115)의 압력이 증가하는 문제점이 있다.
그리고, 출구측(542)의 단면적(A2)은 입구측(541)의 단면적(A1)의 0.2 ~ 0.8배로 이루어질 수 있다. 만약, 출구측(542)의 단면적(A2)이 입구측(541)의 단면적(A1)의 0.2배 미만인 경우 출구측(542)의 단면적(A2)이 과도하게 작아져서 배터리 팩(1) 내부공간(115)의 가스가 외부로 원활히 배출되지 못하여 배터리 팩(1) 내부의 압력이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 출구측(542)의 단면적(A2)이 입구측(541)의 단면적(A1)의 0.8배를 초과하는 경우 양측의 직경(단면적) 차이가 매우 작아지므로 단면적 차이를 이용하여 내부공기를 원활히 배출하고 외부공기의 유입을 최소화하는 효과가 작아지게 된다.
바람직하게, 출구측(542)의 단면적(A2)은 입구측(541)의 단면적(A1)의 0.4 ~ 0.7배로 이루어질 수 있다. 이 경우, 출구측(542)의 단면적(A2)을 확보함으로써 배터리 팩(1) 내부공간(115)의 가스가 외부로 원활히 배출하는 효과와 입구측(541)과 출구측(542) 단면적 차이를 이용한 외부공기의 유입을 최소화하는 효과를 충분히 달성할 수 있다.
한편, 벤팅부(500)의 입구측(541)의 단면적(A1), 출구측(542)의 단면적(A2), 제1 영역(543)의 길이(L1), 제2 영역(544)의 길이(L2)의 구체적인 값은 배터리 팩(1)의 내부공간(115)의 체적, 벤팅홀의 위치 및 형상에 따라 결정될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 4에서는 벤팅부(500)가 제1 영역(543)과 제2 영역(544)을 갖는 경우만을 예시하였지만, 제1 영역(543)과 제2 영역(544) 사이에는 벤팅부(500)의 길이방향에 따른 단면 형상이 제1 영역(543) 및 제2 영역(544)과 다른 제3 영역이 구비되는 것도 가능하다. 즉, 제1 영역(543)과 제2 영역(544) 사이에 제1 영역(543)의 평균 단면적과 제2 영역(544)의 평균 단면적 사이의 값을 갖는 제3 영역이 구비될 수도 있다.
이러한 벤팅부(500)는 팩 하우징(100)의 외벽이 충분한 두께를 갖는 경우 팩 하우징(100)의 사이드 프레임(112)에 구멍 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 벤팅부(500)는 도 6에 도시된 바와 같이 팩 하우징(100)의 사이드 프레임(112) 부분에 입구측(541)의 직경(D1)이 출구측(542)의 직경(D2)보다 큰 구멍을 가공함으로써 형성될 수 있다.
이와는 달리, 팩 하우징(100)의 사이드 프레임(112)의 두께가 충분하지 않은 경우, 도 7(a) 및 도 7 (b)에 도시된 바와 같이 벤팅부(500)는 적어도 일부가 팩 하우징(100)의 사이드 프레임(112)의 외측으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 벤팅부(500)의 길이가 48mm이고 사이드 프레임(112)의 두께가 20mm인 경우 벤팅부(500)는 28mm만큼 팩 하우징(100)의 외부로 돌출되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 벤팅부(500)는 팩 하우징(100)의 사이드 프레임(112)에 부착된 벤팅유도부재(546)로 구성될 수 있다. 벤팅유도부재(546)는 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 제1 영역(543)과 제2 영역(544)이 형성된 형상을 가질 수 있다. 이때, 벤팅유도부재(546)는 사이드 프레임(112)의 내측면과 일치하는 상태로 팩 하우징(100)에 형성된 구멍 내면에 장착될 수 있다. 이와는 달리, 벤팅유도부재(546)는 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 벤팅부(500)의 일부 영역만 형성되는 형상을 가질 수 있다. 이때, 벤팅유도부재(545)의 사이드 프레임(112)의 외측면에 부착되는 형상을 가질 수 있다.
벤팅부(500)는 입구측(541)이 팩 하우징(100)의 사이드 프레임(112) 내부면과 동일 선상에 위치할 수 있다. 만약, 벤팅부(500)의 입구측(541)이 팩 하우징(100)의 외벽 내부면 안쪽으로 돌출하는 파이프 형상을 갖는 경우, 내부공간(115)에 파이프 형상으로 돌출된 입구측(541) 둘레에 와류나 난류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 7(a)에서 벤팅유도부재(546)가 좌측으로 연장되는 형상을 갖는 경우를 가정하면, 팩 하우징(100)의 외벽 내부면을 따라 유동하는 공기가 벤팅유도부재의 입구로 바로 유입되지 않고 흐름이 불균일해지는 현상(예를 들어, 소용돌이)이 발생하게 된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예와 같이 벤팅부(500)가 입구측(541)이 팩 하우징(100)의 외벽 내부면과 동일 선상에 위치하는 경우에는, 내부공간(115)의 가스가 사이드 프레임(112)의 내부면을 타고 흐르면서 벤팅부(500)의 입구측(541)으로 쉽게 유동하여 외부로 배출될 수 있으므로 팩 하우징(100)에서 배출되는 가스의 유동을 효과적으로 개선할 수 있게 된다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 단면도이다. 도 9는 일 실시 예에서 배터리 모듈과 팩 커버가 접착부재로 결합된 배터리 팩의 내부 단면도이다. 도 10은 일 실시 예에서 배터리 모듈과 팩 커버가 기구적으로 결합된 배터리 팩의 내부 단면도이다. 도 8 내지 도 10은 도 1에서 배터리 팩(1)을 I-I' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 8 내지 도 10을 참고하면, 일 실시 예에서 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120) 사이 갭은 비교적 작게 마련될 수 있다. 일 실시 예에서 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120) 사이의 갭(d)이 100mm 이하로 설정될 수 있다. 즉, 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120)와 사이에 100mm 이하의 두께의 공기층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 공기층은 팩 커버(120)와 모듈 케이스(210) 사이의 공간으로 정의될 수 있다.
배터리 모듈(200)과 팩 커버(120) 사이의 갭(d)이 크면 열폭주시 생기는 가스가 해당 갭(d)으로 이동할 수 있고, 이에 따라 벤팅홀에서 가스배출속도가 줄어든다. 일 실시 예에 따르면, 팩 커버(120)가 모듈 케이스(210)에 더 가까이 위치됨에 따라, 배터리 팩(1) 내부의 빈공간의 체적이 작아지고, 열폭주시 배터리 팩(1) 내부 압력을 빠르게 증가시킬 수 있고, 이는 가스 분출속도를 크게 할 수 있다. 가스 분출속도 증가에 따라 가스의 착화가 방지될 수 있다.
또, 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120) 사이의 갭(d)을 작게 유지함으로써 팩 내부의 공기가 비교적 빠른 시간 내에 외부로 배출될 수 있으며, 이는 가스의 예혼합 연소를 방해할 수 있다.
배터리 팩(1) 내부로 공기가 유입되면, 배터리 셀에서 배출된 고온 고압의 가스와 혼합되고, 연소 및 화염발생으로 이어질 수 있다. 따라서, 배터리 팩(1) 내부와 외부가 밀봉되는 것이 중요하다. 또, 열폭주 상황에서 벤팅부(500) 이외의 부분에서 가스가 새어나가면, 벤팅부(500)에서의 가스 분출속도가 낮아지고, 가스가 착화될 수 있다.
일 실시 예에서 팩 커버(120)와 팩 프레임(110) 사이에 실링부재(400)가 배치될 수 있다. 일 실시 예에서 팩 프레임(110)은 복수의 배터리 모듈들(200)의 하부에 배치된 하부 플레이트(111) 및 하부 플레이트(111)에서 상측으로 연장하는 사이드 프레임(112)을 포함하고, 사이드 프레임(112)은 복수의 배터리 모듈들(200)을 둘러싸는 측벽 형태로 제공될 수 있다. 그리고 사이드 프레임(112)과 팩 커버(120) 사이에 실링부재(400)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 사이드 프레임(112)의 상단면 상에 팩 커버(120)의 가장자리가 안착될 때, 팩 커버(120) 가장자리와 사이드 프레임(112) 상단면 사이에 실링부재(400)가 도포될 수 있다. 실링부재(400)로 인해 팩 하우징(100) 내부에서 생긴 가스의 전부 또는 대부분은 벤팅부(500)를 통해 하우징 외부로 배출되며, 이를 통해 비교적 높은 배출 속도가 확보될 수 있다. 또, 배터리 팩(1) 내부로 공기가 유입되지 않기 때문에 팩 내부에서 가스의 연소가 방지되거나 최소화될 수 있다.
일 실시 예에서 실링부재(400)는 내화성 소재 또는 내열성 소재를 포함할 수 있다. 이에 따라 팩 내부에서 고온의 가스 또는 화염이 생기더라도 실링부재(400)의 손상이 방지되거나 최소화되고, 나아가 팩 프레임(110)과 팩 커버(120) 사이의 실링이 유지될 수 있다.
한편, 배터리 팩(1) 내부의 열폭주로 인해 배터리 팩(1) 내부 압력이 급격하게 증가하는 경우 팩 커버(120)가 변형되어 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120) 사이의 갭(d)이 커질 수 있다. 이를 방지하기 위해 일 실시 예에서 팩 커버(120)는 배터리 모듈(200)에 고정적으로 결합될 수 있다. 일 실시 예에서 팩 커버(120)는 팩 하우징(100) 내부에 배치된 복수의 배터리 모듈들(200) 중 일부 또는 전부에 고정적으로 결합될 수 있다.
도 9를 참고하면, 일 실시 예에서 모듈 케이스(210)와 팩 커버(120) 사이에 접착부재(251)가 부착될 수 있다. 접착부재(251)는 써멀 레진(thermal resin)과 같은 방열특성이 우수한 재료를 포함할 수 있다.
도 10을 참고하면 일 실시 예에서 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120)는 기구적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(210)와 팩 커버(120)가 볼트(252)로 결합될 수 있다.
배터리 팩(1) 내부 압력이 높아져 팩 커버(120)가 배터리 모듈(200)로부터 떨어지려고 하더라도 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120)가 서로 결합되어있기 때문에 배터리 모듈(200)과 팩 커버(120) 사이의 갭(d)이 일정 수준으로 유지될 수 있다.
한편, 가스배출속도를 확보하기 위해 팩 하우징(100)의 강성이 향상되어야한다. 팩 하우징(100) 내부에서 생긴 가스로 인해 팩 하우징(100)의 내압이 높아지고, 이에 따라 팩 하우징(100)이 변형됨에 따라 팩 하우징(100)에 균열이 생길 수 있다. 예를 들어, 팩 프레임(110)과 팩 커버(120) 사이에 틈이 생길 수 있다. 이경우 벤팅부(500)를 통한 가스배출속도가 느려져 팩 외부로 배출된 가스가 착화될 수 있다. 또, 팩 하우징(100) 외부에서 내부로 공기가 유입될 수 있고, 이는 가스를 연소시켜 배터리 팩(1) 내부의 열전파를 촉진할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 일 실시 예에서 팩 커버(120)는 강성이 높은 소재로 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 팩 커버(120)는 스틸 소재로 만들어질 수 있다. 팩 커버(120)의 강성이 높아짐에 따라, 팩 커버(120)의 변형이 억제되고, 이는 팩 하우징(100) 내부로 외기가 유입되는 것을 방지하거나 하우징 내부에서 생긴 가스가 벤팅부(500)를 통해 팩 외부로 빠르게 빠져나가는 것에 기여할 수 있다. 즉, 팩 커버(120)의 강성이 향상됨에 따라, 배터리 팩(1) 내부에서 다량의 가스가 생기더라도 가스가 벤팅부(500)를 통해서 빠르게 배출될 수 있고, 외기가 배터리 팩(1) 내부로 유입되는 것을 방지하여 배터리 팩(1) 내부의 열전파가 지연될 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 외부 버스바 및 커버부재를 도시한 것이다.
복수의 배터리 모듈들(200)을 포함하는 배터리 팩(1)에서, 어느 한 배터리 모듈(200)이 열폭주하면 가스, 화염은 물론, 도전성 파티클들(conductive particles)이 배출될 수 있다.
도전성 파티클들이 외부 버스바(300)의 주변으로 확산되면 외부 버스바(300)와 다른 부재들 사이의 절연상태가 깨질 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(210)나 팩 하우징(100)은 알루미늄 따위의 도전성 소재를 포함하며, 외부 버스바(300)는 이들과 일정 거리를 두고 배치된다. 그런데 외부 버스바(300) 주변을 도전성 입자를 포함한 가스가 감싸게 되면, 외부 버스바(300)와 모듈 케이스(210)(또는 팩 하우징(100)) 사이의 절연거리가 짧아지고, 이는 외부 버스바(300)와 모듈 케이스(210)(또는 팩 하우징(100)) 사이의 단락을 초래한다. 이로 인해 열폭주가 배터리 팩(1) 내부의 다른 배터리 모듈까지 확산될 수 있다. 따라서, 열폭주 상황에서 외부 버스바(300)가 도전성 파티클들에 노출되는 것을 최소한으로 해야한다.
일 실시 예에서 외부 버스바(300)는 도전성 파티클들에 노출되지 않게 커버부재(310)로 둘러싸일 수 있다. 커버부재(310)는 외부 버스바(300)와 도전성 파티클 사이의 접촉을 방지하거나 최소화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 커버부재(310)는 외부 버스바(300)의 표면의 적어도 일부를 감싸는 형태로 제공될 수 있다.
일 실시 예에서 커버부재(310)는 난연성 재료, 또는 내화 단열 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 커버부재(310)는 1000도씨 이하에서는 용융되거나 발화되지 않는 소재로 형성될 수 있다. 예컨대, 커버부재(310)는 실리콘 또는 운모 재질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 커버부재(310)는 수지와 같이 전기 절연성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 또한 고온에서 형상을 유지할 수 있는 내열 성능을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 커버부재(310)는 150도씨 이상의 내열 성능을 갖는 수지 재질 또는 섬유 복합재로 형성될 수 있다.
일 실시 예에서 커버부재(310)는 외부 버스바(300)의 표면을 일차적으로 감싸는 수지나 섬유 복합재 및 수지나 섬유복합재의 표면을 이차적으로 감싸는 난연성 재료(예: 실리콘이나 운모)를 포함할 수 있다.
도 12는 일 실시 예에서 배터리 모듈(200)의 외측을 감싸는 제2 열차단부재(60)를 도시한 것이다.
일 실시 예에서 배터리 모듈(200)와 팩 커버(120) 사이에 제2 열차단부재(60)가 배치될 수 있다. 배터리 모듈(200)에서 화재가 발생한 경우 가스, 화염, 분진, 도전성 입자들이 배터리 팩 내부의 공간으로 퍼진다. 일 실시 예에서 배터리 모듈(200)의 외측면의 적어도 일부에는 제2 열차단부재(60)가 배치되어 배터리 모듈(200)은 다른 배터리 모듈(200)에서 분출된 화염이나 가스로부터 보호될 수 있고, 이는 연쇄적인 발화 또는 열폭주를 방지할 수 있다.
제2 열차단부재(60)는 화염의 전파를 차단할 수 있는 난연성 재료, 또는 내화 단열 재료로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 제2 열차단부재(60)는 1000도씨 이하에서는 용융되거나 발화되지 않는 소재로 형성될 수 있다. 또한 내열 성능을 높이기 위해, 제2 열차단부재(60)는 1mm 이상의 두께를 갖는 판재를 포밍하여 형성할 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시 예에서 제2 열차단부재(60)는 배터리 모듈(200)의 상부와 측부를 감싸도록 형성될 수 있다. 제2 열차단부재(60)는 배터리 모듈(200)을 적어도 일부 덮는 형태로 각 배터리 모듈(200)에 결합되어 화염이나 전도성 파티클의 확산을 억제할 수 있다. 제2 열차단부재(60)는 배터리 모듈(200)의 상부에 배치되는 상면 커버(61), 및 배터리 모듈(200)의 양 측면과 대면하도록 상면 커버(61)에서 연장되는 측면 커버(62)를 포함할 수 있다.
도 13은 일 실시 예에서 배터리 셀들 사이에 배치되는 열차단부재의 예시이다.
일 실시 예에서 제1 열차단부재(50)는 내열시트(51) 및 내열시트(51)의 적어도 한면에 배치된 패드(52)를 포함할 수 있다. 내열시트(51)는 내열성 및/또는 내화성이 우수한 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내열시트(51)는 마이카(MICA)를 포함할 수 있다. 내열시트(51)는 높은 열이나 화염에도 그 원형을 비교적 잘 유지하기 때문에, 제1 열차단부재(50)가 더 안정적으로 열전달을 차단하거나 지연시킬 수 있다.
패드(52)는 탄성변형되는 재질로 만들어질 수 있다. 내열시트(51)는 비교적 강성이 높기 때문에 내열시트(51)가 곧바로 배터리 셀에 닿는 경우, 배터리 셀이 손상될 수 있다. 패드(52)는 내열시트(51)와 함께 배터리 셀에 배치되며 배터리 셀들이 적층방향으로 서로 가압될 때 압축될 수 있다. 이에 따라 패드(52)는 배터리 셀의 손상을 방지하고, 배터리 셀의 일면에 가해지는 가압력을 균일하게 해줄 수 있다. 예를 들어, 스웰링이 발생하여 배터리 셀의 일부가 볼록하게 되면 해당 부분에 응력이 집중될 수 있는데, 패드(52)는 배터리 셀의 변형에 대응하여 압축될 수 있고 배터리 셀의 일면에 가해지는 압력을 균일하게 해줄 수 있다.
일 실시 예에서 패드(52)는 내열시트(51) 보다 상대적으로 열전도율이 낮은 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 패드(52)는 ISO 22007 규격에 따라 측정될 때, 0.1 W/(m·K) 이하의 열전도율을 가지는 재질로 만들어질 수 있다. 일 실시 예에서 패드(52)는 절연재질을 포함한다. 예를 들어, 패드(52)의 절연저항은, ASTM D257 규격에 따라 측정될 때, 500 메가옴(MΩ)이상 일 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시 예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 청구범위에 속함을 밝혀둔다.
1: 배터리 팩
50: 제1 열차단부재
60: 제2 열차단부재
100: 팩 하우징
110: 팩 프레임
111: 하부 플레이트
112: 사이드 프레임
113: 파티션
120: 팩 커버
200: 배터리 모듈
210: 모듈 케이스
220: 배터리 셀
300: 외부 버스바
310: 커버부재
400: 실링부재
500: 벤팅부

Claims (17)

  1. 팩 하우징;
    상기 팩 하우징 내부에 배치되는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 팩 하우징의 내부와 외부를 연통하는 벤팅홀;을 포함하고,
    상기 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀, 및 상기 복수개의 배터리 셀 사이에 배치되는 제1 열차단부재를 포함하는,
    배터리 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 복수개의 배터리 셀과 결합되는 내부 버스바를 포함하며,
    상기 제1 열차단부재는 상기 내부 버스바와 결합되는,
    배터리 팩.
  3. 제1항에서,
    상기 팩 하우징은 상기 배터리 모듈의 상부를 덮는 팩 커버를 포함하고,
    상기 배터리 모듈의 상부와 상기 팩 커버 사이에는 제2 열차단부재가 배치되는,
    배터리 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 제2 열차단부재는 상기 배터리 모듈의 상부와 측부를 감싸도록 형성된,
    배터리 팩.
  5. 제1항에서,
    상기 벤팅홀의 총 단면적은 1,000mm2 보다 크고 4,000mm2 이하인,
    배터리 팩.
  6. 제3항에서,
    상기 배터리 모듈과 상기 팩 커버 사이에 100mm이하의 두께의 공기층이 형성되는,
    배터리 팩.
  7. 제6항에서,
    상기 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들 및 상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스를 포함하고,
    상기 공기층은 상기 팩 커버와 상기 모듈 케이스 사이의 공간으로 정의되는,
    배터리 팩.
  8. 제1항에서,
    상기 벤팅홀은 상기 팩 하우징의 외부공간과 연결된 출구측의 단면적이 상기 팩 하우징의 내부공간과 연결된 입구측의 단면적보다 작게 형성되는,
    배터리 팩.
  9. 제8항에서,
    상기 벤팅홀의 적어도 일부는 상기 입구측에서 상기 출구측으로 갈수록 단면적이 감소하는,
    배터리 팩.
  10. 제3항에서,
    상기 팩 커버는 스틸 소재를 포함하는,
    배터리 팩.
  11. 제10항에서,
    상기 팩 하우징은 상기 배터리 모듈을 둘러싸는 사이드 프레임을 포함하고, 실링부재가 상기 사이드 프레임과 상기 팩 커버 사이에 배치되는,
    배터리 팩.
  12. 제1항에서,
    적어도 2개의 배터리 모듈들을 상호간에 전기적으로 연결하는 외부 버스바; 및
    상기 외부 버스바의 표면을 감싸는 커버부재;를 더 포함하는,
    배터리 팩.
  13. 제12항에서,
    상기 커버부재는 내화성 소재 또는 절연성 소재를 포함하는,
    배터리 팩.
  14. 제1항에서,
    상기 제1 열차단부재는 내열시트 및 상기 내열시트의 적어도 일면에 배치되고 탄성변형되는 재질로 만들어지는 패드를 포함하는,
    배터리 팩.
  15. 제14항에서,
    상기 패드는 0.1 W/(m·K) 이하의 열전도율을 가지는,
    배터리 팩.
  16. 제14항에서,
    상기 내열시트는 마이카(MICA)를 포함하는,
    배터리 팩.
  17. 제14항에서,
    상기 패드는 500 MΩ 이상의 절연저항을 가지는,
    배터리 팩.

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