KR20230096913A - 안전성이 강화된 배터리 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 안전성이 강화된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 내부 공간에 수납하도록 구성되며 적어도 일측에 개방부가 형성된 본체 프레임; 상기 본체 프레임의 개방부에 결합되며, 단자부 및 커넥터부 중 적어도 하나가 마련된 엔드 프레임; 및 상기 엔드 프레임과 상기 셀 어셈블리 사이에 개재되어, 화염의 진행을 차단하도록 구성된 차단 부재를 포함한다.
Description
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성이 강화된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등에 관한 것이다.
스마트폰, 노트북, 웨어러블 기기 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 사용하는 경우가 많다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해질과 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 전지(배터리 셀)는 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 발생한 경우, 이러한 열폭주는 다른 배터리 모듈로 전파(propagation)되는 것이 억제될 필요가 있다. 만일, 배터리 모듈 간 열폭주 전파가 억제되지 못하면, 특정 배터리 모듈에서 발생한 이벤트는 여러 배터리 모듈의 연쇄적인 반응을 일으키게 되어, 폭발이나 화재를 일으키거나 그 규모를 크게 할 우려가 있다.
특히, 어느 하나의 배터리 모듈에서 열폭주 등 이벤트가 발생하는 경우, 화염 등이 외부로 배출될 수 있다. 이때, 화염의 배출을 적절하게 제어하지 못하면, 다른 배터리 모듈을 향해 화염이 배출되어, 다른 배터리 모듈의 열적 연쇄 반응을 일으킬 가능성이 크다.
배터리 모듈의 경우, 내부에 수납된 셀 어셈블리를 중심으로, 상부, 하부, 좌측, 우측, 전방 및 후방의 6면이 프레임에 의해 감싸진 형태로 구성되어 있다. 하지만, 종래 배터리 모듈의 경우, 내부에서 열 폭주 등이 발생한 상황에서는, 화염 등을 완전히 차단하지 못하고, 화염 등이 외부로 노출될 가능성이 매우 많다.
특히, 통상적인 배터리 모듈에서는, 전기 에너지의 공급과 충전을 위한 모듈 단자나 전압이나 온도 등의 센싱을 위한 모듈 커넥터가 외부로 노출된 형태로 구비되는 경우가 많다. 그런데, 모듈 단자나 모듈 커넥터가 외부로 노출되기 위해서는, 모듈 프레임에 홀이 형성되어야 하고, 공차로 인해 이러한 홀과 모듈 단자 내지 모듈 커넥터 사이에 틈이 형성되어, 화염이나 스파크 등이 외부로 배출될 위험성이 있다.
더욱이, 모듈 단자나 모듈 커넥터 주변에는, 다른 부분과의 절연 거리 내지 수밀성 등의 확보를 위해, 전기 절연성 사출물로 감싸져 있을 수 있다. 그러나, 열폭주 등의 상황에서는, 이러한 모듈 단자나 모듈 커넥터 측으로 화염이 분출될 위험성이 많다. 더욱이, 가스 및 열에 노출되면, 이러한 절연성 사출물은 용융되어, 절연성 사출물이 위치한 자리는 빈 공간으로 남게 될 수 있다. 그리고, 이러한 빈 공간은, 다량의 화염이 분출되는 통로가 되어, 다른 배터리 모듈로 열 폭주 상황을 전파시키거나, 외부의 다른 구성요소에 대하여 화재를 일으킬 수 있다. 또한, 이러한 빈 공간은, 외부의 공기 등이 내부로 유입되는 통로가 될 수 있다. 따라서, 해당 배터리 모듈에 대하여 화재를 일으키거나 화재의 규모를 크게 할 우려도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에서 발생된 화염 등에 의한 열 전파가 효과적으로 억제될 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; 상기 셀 어셈블리를 내부 공간에 수납하도록 구성되며 적어도 일측에 개방부가 형성된 본체 프레임; 상기 본체 프레임의 개방부에 결합되며, 단자부 및 커넥터부 중 적어도 하나가 마련된 엔드 프레임; 및 상기 엔드 프레임과 상기 셀 어셈블리 사이에 개재되어, 화염의 진행을 차단하도록 구성된 차단 부재를 포함한다.
여기서, 상기 셀 어셈블리는, 상기 본체 프레임의 개방부 측으로 전극 리드가 배치된 형태로 수평 방향으로 배열된 다수의 파우치형 전지를 구비할 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 상기 단자부 및 상기 커넥터부 중 적어도 하나에 대하여 화염의 진행을 차단하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 통기성 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 다수의 파이버가 직조된 형태로 구성된 직물부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 직물부는, 실리카 파이버 및 글라스 파이버 중 적어도 하나의 파이버를 이용할 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 바디부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 직물부는, 상기 바디부의 일부분에 위치할 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 부분적으로 다른 통기도를 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 상부의 통기도가 하부의 통기도보다 낮게 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 상부의 적층 수가 하부의 적층 수보다 많게 구성될 수 있다.
또한, 상기 차단 부재는, 상단이 상기 셀 어셈블리 방향으로 절곡될 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 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 간 열 전파(thermal propagation)가 효과적으로 억제될 수 있다.
특히, 열적 이벤트가 발생하게 되면, 배터리 셀 내부에서 다량의 벤팅 가스와 함께 스파크가 포함된 화염 등이 발생할 수 있는데, 본 발명의 상기 측면에 의하면, 벤팅 가스는 외부로 배출하면서 화염 내지 스파크의 방출을 억제하고 그 방향을 규제할 수 있다.
더욱이, 배터리 셀로서 파우치형 전지가 채용된 배터리 모듈의 경우, 열적 이벤트 발생 시, 전극 리드가 있는 전방 및 후방 측 부분에서 가스나 화염 등이 집중적으로 방출될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스와 함께 화염 내지 스파크 등은 배터리 셀의 테라스 부분으로 포집될 가능성이 많다. 그런데, 본 발명의 상기 측면에 의하면, 이러한 경우에 대해서도, 효과적인 화염 제어가 가능할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스는 원활하게 배출되도록 하면서도, 화재의 3 조건 중 하나인 열원으로서 작용할 수 있는 화염 등은 차단되도록 함으로써, 화재가 발생하거나 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전방 측 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 후방 측 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분리 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 단면도이다.
도 5는, 도 4의 A2 부분에 대한 확대도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 차단 부재의 서로 다른 부분에 대한 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 11 및 도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 구성을 전방 및 후방에서 바라본 형태로 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 구성을 후방 측에서 바라본 형태의 사시도이다.
도 14는, 도 13의 A6 부분에 대한 확대 단면도이다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재의 일부 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전방 측 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 후방 측 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분리 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 단면도이다.
도 5는, 도 4의 A2 부분에 대한 확대도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 차단 부재의 서로 다른 부분에 대한 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 11 및 도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 구성을 전방 및 후방에서 바라본 형태로 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재의 구성을 후방 측에서 바라본 형태의 사시도이다.
도 14는, 도 13의 A6 부분에 대한 확대 단면도이다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재의 일부 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 상부에서 바라본 형태로 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 아니되며, 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.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용될 수 있으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다. 특히, 각 도면에서, X축 방향은 전후 방향, Y축 방향은 좌우 방향, Z축 방향은 상하 방향을 각각 나타낸다고 할 수 있다.
그리고, 본 명세서에서는, 각 구성요소에 대하여 내측 또는 외측이라는 용어가 사용될 수 있는데, 특별한 다른 설명이 없는 한, 내측은 각 구성요소에서 배터리 모듈의 중심을 향하는 방향을 의미하고, 외측은 그 반대 방향을 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서는, 여러 실시예가 포함될 수 있으며, 각 실시예에 대해서는, 다른 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전방 측 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 후방 측 사시도이다. 또한, 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분리 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 본체 프레임(200), 엔드 프레임(300) 및 차단 부재(400)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀(110)을 구비한다. 배터리 셀(110)은, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 특히, 배터리 셀(110)은 파우치형 이차 전지일 수 있다. 더욱이, 배터리 셀(110)은 셀 어셈블리(100)에 다수 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 파우치형 전지가 상하 방향(Z축 방향)으로 세워진 상태에서, 수평 방향(좌우 방향, Y축 방향)으로 적층된 형태로 나란하게 배열될 수 있다.
각각의 배터리 셀(110)은, 전극 리드(111)를 구비할 수 있다. 이때, 전극 리드(111)는, 각 배터리 셀(110)의 양 단부에 위치하거나 일 단부에 위치할 수 있다. 다수의 배터리 셀(110)은, 전극 리드(111)를 통해 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 각 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)는, 서로 접촉하여 직접 연결될 수도 있고, 버스바 등을 통해 간접적으로 연결될 수도 있다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이 전극 리드(111)가 양방향으로 돌출된 이차 전지는 양방향 셀이라고 할 수 있다. 반면, 전극 리드(111)가 일방향으로 돌출된 이차 전지는 단방향 셀이라고 할 수 있다.
다만, 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 본체 프레임(200)은, 내부에 빈 공간이 형성되어, 이러한 내부 공간에 셀 어셈블리(100)를 수납하도록 구성될 수 있다. 그리고, 본체 프레임(200)은 적어도 일측에 개방부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 본체 프레임(200)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 중공이 형성된 관 형태를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 본체 프레임(200)은, 사각 관 형태로 형성될 수 있다. 이러한 형태의 본체 프레임(200)은, 모노 프레임과 같은 용어로 지칭될 수 있다. 이때, 본체 프레임(200)은, 내부 공간을 중심으로, 상부, 하부, 좌측부 및 우측부가 폐쇄되고, 전방 및 후방에 개방부가 형성될 수 있다.
상기 본체 프레임(200)은, 내부에 수납된 셀 어셈블리(100)를 안정적으로 보호하기 위해, 일정 수준 이상의 강성을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본체 프레임(200)은, 플라스틱 재질, 또는 스틸, SUS, 알루미늄과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다.
상기 엔드 프레임(300)은, 본체 프레임(200)의 개방부에 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 3 등에 도시된 바와 같이, 본체 프레임(200)의 전방에 O1으로 표시된 바와 같은 개방부가 형성되고, 본체 프레임(200)의 후방에 O2로 표시된 바와 같은 개방부가 형성될 수 있다. 이때, 엔드 프레임(300) 역시 본체 프레임(200)의 전방 개방부(O1) 및 후방 개방부(O2)에 각각 결합되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 엔드 프레임(300)은, 전방 프레임(310) 및 후방 프레임(320)을 구비할 수 있다.
엔드 프레임(300)은, 용접이나 볼팅 등 다양한 방법으로 본체 프레임(200)에 결합될 수 있다. 그리고, 엔드 프레임(300)은, 이와 같이 본체 프레임(200)의 개방부에 결합됨으로써, 본체 프레임(200)의 내부 공간이 폐쇄되도록 할 수 있다.
상기 엔드 프레임(300)은, 플라스틱이나 금속 재질로 구성될 수 있다. 특히, 엔드 프레임(300)은, 본체 프레임(200)과 동일하거나 유사한 재질로 이루어지거나 그러한 재질을 구비할 수 있다. 이 경우, 엔드 프레임(300)은, 본체 프레임(200)과의 용접 내지 부착 시, 결합성이 향상될 수 있다.
상기 엔드 프레임(300)은, 도 1에서 T로 표시된 부분과 같이, 단자부가 형성될 수 있다. 상기 단자부(T)는, 배터리 모듈을 외부의 다른 구성요소, 이를테면 다른 배터리 모듈 또는 팩 단자와 연결되기 위한 부분으로서, 충방전 전원이 흐르는 단자일 수 있다. 상기 단자부(T)는, 양극 단자 및 음극 단자를 구비할 수 있다. 이러한 양극 단자와 음극 단자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 엔드 프레임(300), 이를테면 전방 프레임(310) 측에 함께 형성될 수 있다. 다른 예로, 양극 단자와 음극 단자는, 서로 다른 프레임, 이를테면 전방 프레임(310)과 후방 프레임(320)에 각각 형성될 수 있다.
엔드 프레임(300)에 형성된 단자부(T)는, 셀 어셈블리(100) 측의 모듈 단자가 외부로 노출된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바를 참조하면, 셀 어셈블리(100)에 T2로 표시된 바와 같은 금속성 재질의 모듈 단자가 구비될 수 있다. 모듈 단자(T2)는, 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)와 연결될 수 있다. 이때, 모듈 단자(T2)는, 전기 전도성 재질, 이를테면 구리나 알루미늄, 니켈과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 엔드 프레임(300)에는 이러한 모듈 단자(T2)가 외부로 노출될 수 있도록 T1으로 표시된 바와 같은 형태의 단자 홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전방 프레임(310)에는, 2개의 단자 홀(T1)이 형성되어, 양극 단자와 음극 단자가 이러한 단자 홀(T1)을 통해 각각 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상기 엔드 프레임(300)은, 도 2에서 C로 표시된 바와 같이, 커넥터부가 형성될 수 있다. 상기 커넥터부(C)는, 배터리 모듈 내부의 구성요소와 외부의 구성요소 사이의 정보를 송수신하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 배터리 모듈 외부에는 BMS(Battery Management System)와 같은 제어 유닛이 마련될 수 있다. 이때, BMS는 커넥터부(C)에 연결되어, 셀 어셈블리(100)의 전압이나 전류, 배터리 모듈 내부 또는 외부의 온도 등에 대한 정보를 수집할 수 있다.
엔드 프레임(300)에 형성된 커넥터부(C)는, 셀 어셈블리(100) 측의 커넥터 단자가 외부로 노출된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바를 참조하면, 셀 어셈블리(100)의 후방 측에 커넥터 단자가 구비될 수 있다. 그리고, 엔드 프레임(300)에는, 이러한 커넥터 단자가 외측으로 노출될 수 있도록 C1로 표시된 바와 같은 형태의 커넥터 홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 후방 프레임(320)에는, 1개의 커넥터 홀(C1)이 형성되어, 셀 어셈블리(100) 측의 커넥터 단자가 이러한 커넥터 홀(C1)을 통해 외부로 노출될 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 엔드 프레임(300)과 셀 어셈블리(100) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 상기 차단 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)의 전방 측과 전방 프레임(310) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 상기 차단 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)의 후방 측과 후방 프레임(320) 사이에 개재될 수 있다.
특히, 상기 차단 부재(400)는, 화염을 차단하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4 및 도 5를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 단면도이다. 예를 들어, 도 4는, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성으로서, 배터리 모듈의 전방 측 단면 구성을 나타낸다고 할 수 있다. 또한, 도 5는, 도 4의 A2 부분에 대한 확대도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 차단 부재(400)는, 셀 어셈블리(100) 측에서 발생된 화염의 진행을 차단하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4를 먼저 살펴보면, 셀 어셈블리(100)에 구비된 일부 배터리 셀(110)에서 열 폭주 등과 같은 열적 이벤트가 발생하는 경우, 화살표 B1으로 표시된 바와 같이, 벤팅 가스와 함께 화염이 배출될 수 있다. 이때, 벤팅 가스와 함께 배출된 화염은, 여러 방향으로 이동할 수 있는데, 적어도 차단 부재(400)에 이르러서는 그 이동이 차단될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 화살표 B1으로 표시된 바와 같이 진행하는 화염은, 차단 부재(400)에 도달하는 경우, 차단 부재(400)에 부딪혀 그 이동이 저지되고, 화살표 B2로 표시된 바와 같이, 셀 어셈블리가 위치하는 내측으로 방향이 전환될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100) 측에서 분출된 화염 등이 배터리 모듈 외부로 배출되는 것이 억제될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 엔드 프레임(300)의 내측에 차단 부재(400)가 위치하므로, 셀 어셈블리(100)로부터 화염이 발생하더라도, 엔드 프레임(300) 측으로 이러한 화염이 배출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 외측에 위치하는 다른 구성들에 대하여, 열폭주 내지 화재 등이 전파되는 문제가 예방될 수 있다.
더욱이, 엔드 프레임(300) 측에는, 다른 배터리 모듈이 위치하거나 전원 또는 데이터의 전송을 위한 다양한 연결 부품이 존재할 수 있다. 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 배터리 모듈로 열폭주 상황이 전파되는 것을 방지하거나, 연결 부품에 대한 보호가 가능할 수 있다.
한편, 본 명세서에 기재된 화염이라는 용어의 경우, 기체가 연소하면서 발광되는 형태 뿐 아니라, 고체나 액체 물질이 가열된 형태도 포함될 수 있다. 예를 들어, 열 폭주 시 배터리 셀(110)로부터 벤팅 가스와 함께 배출되는 스파크나 고온의 활물질 입자 등도, 넓은 의미로서 차단 부재(400)에 의해 차단되는 화염에 포함될 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(110)로서, 파우치형 전지를 다수 구비할 수 있다. 여기서, 다수의 파우치형 전지는, 각각 수직 방향으로 세워진 상태에서 수평 방향, 이를테면 좌우 방향으로 나란하게 배열될 수 있다. 특히, 각각의 파우치형 전지는, 전극 리드(111)를 구비할 수 있다. 그리고, 각 파우치형 전지의 전극 리드(111)는, 본체 프레임(200)의 개방부 측을 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 다수의 파우치형 전지는, 양방향 셀로서, 양극 리드와 음극 리드가 전방 및 후방 양단에 위치할 수 있다. 이때, 본체 프레임(200)의 전후방 양단은, O1 및 O2로 표시된 바와 같이, 각각 개방된 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 전극 리드(111)는, 본체 프레임(200)의 개방부를 향하도록 배치된다고 할 수 있다. 더욱이, 본체 프레임(200)의 개방부 측에는 엔드 프레임(300)이 위치하며, 이러한 엔드 프레임(300)의 내측에는 차단 부재(400)가 위치할 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100)는, 전극 리드(111)가 구비된 측면이 차단 부재(400)에 대면되는 형태로 배치된다고 할 수 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 차단 부재(400)는, 전극 리드(111)의 외측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100)에 대하여 전방 및 후방 측에 전극 리드(111)가 돌출 배치된 경우, 2개의 차단 부재(400)가 셀 어셈블리(100)의 전방 외측 및 후방 외측에 각각 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)로부터 배출되는 화염의 차단 성능이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 배터리 셀(110) 내부에서 다량의 벤팅 가스 등이 발생하게 되면, 벤팅 가스 등은, 도 4에서 E로 표시된 부분과 같은 테라스부로 집중될 수 있다. 여기서, 테라스부(E)는, 파우치형 전지의 테두리에 형성된 여러 실링부 중, 전극 리드(111)가 개재된 실링부를 의미할 수 있다. 배터리 셀(110)의 내압이 일정 수준을 넘어서게 되면, 테라스부(E) 측이 파열 내지 손상되어, 내부의 벤팅 가스와 함께 화염이 외부로 배출될 수 있다. 또는, 셀 어셈블리(100)에서 테라스부(E)가 위치하는 공간은 다른 부분에 비해 빈 공간이 많으므로, 화염 등은 이러한 테라스부(E) 측으로 모이기 쉽다. 또한, 배터리 모듈 내부에서 화염 등이 발생되면, 화염 등은 고온의 특성을 가지며, 셀 어셈블리(100)의 상부 측에는 각 배터리 셀(110)의 상단 실링부가 위치한다. 따라서, 화염 등은, 셀 어셈블리(100)의 상부 측으로 이동한 후, 도 4에서 화살표 B4로 표시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)의 상부 공간을 통해 전후 방향으로 이동하여 테라스부(E) 측으로 집중되기 쉽다.
이때, 테라스부(E)의 외측에 차단 부재(400)가 위치하면, 테라스부(E)에 화염이 집중되더라도, 엔드 프레임(300) 측으로 화염이 진행하는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 엔드 프레임(300)을 통해 화염이 배터리 모듈 외부로 배출되는 것을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
더욱이, 상기 차단 부재(400)는, 단자부(T) 및/또는 커넥터부(C)에 대하여 화염의 진행을 차단하도록 구성될 수 있다. 즉, 차단 부재(400)는, 엔드 프레임(300) 중에서, 특히 단자부(T)나 커넥터부(C) 측으로 화염이 향하는 것을 차단하도록 구성될 수 있다.
단자부(T)나 커넥터부(C)는, 엔드 프레임(300)에 홀 형태의 구조가 형성되고, 이러한 홀을 통해 셀 어셈블리(100) 측에 위치하는 단자가 외부로 노출되는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 엔드 프레임(300)에 형성된 홀, 이를테면 단자 홀(T1)이나 커넥터 홀(C1)로 화염이나 스파크 등이 배출될 위험성이 높다. 특히, 단자 홀(T1)이나 커넥터 홀(C1)에 모듈 단자(T2)나 커넥터 단자가 노출되는 구성에서는, 공차 내지 빈 틈으로 인해, 화염이 노출될 가능성이 많다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 차단 부재(400)는, 셀 어셈블리(100) 측에서 단자부(T)나 커넥터부(C)로 화염이 향하는 것을 우선적으로 차단하는 것이 바람직하다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈 외부로 화염이 노출될 위험성을 더욱 낮출 수 있다. 따라서, 화염 노출로 인한 모듈 간 열 전파나, 외부에 위치하는 다른 구성요소에서 손상 내지 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
특히, 단자부(T)에는 배터리 모듈의 충방전 전원이 흐르는 경로가 연결될 수 있으므로, 화염 등에 의해 이러한 충방전 전원 경로가 차단되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 배터리 모듈이 속한 장치의 전체적인 셧 다운 등을 방지할 수 있다. 또한, 커넥터부(C)에는 배터리 모듈에 관련된 데이터를 전달하기 위한 케이블 등이 접속될 수 있다. 상기 실시 구성에 의하면, 화염 등으로 인해 이러한 케이블이 손상되어, 열 폭주 상태 등의 관련 정보가 제대로 전달되지 못하는 문제를 예방하거나 감소시킬 수 있다.
단자부(T)나 커넥터부(C)는, 배터리 모듈, 특히 엔드 프레임(300)에서 상부 측에 위치할 수 있다. 따라서, 단자부(T)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 엔드 프레임(300)의 내측에서, 상부 측을 커버하는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 차단 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)의 상단에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성되되, 셀 어셈블리(100)의 하단까지 연장되지 않고, 셀 어셈블리(100)의 중앙 부분까지만 연장된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 차단 부재(400)는, 엔드 프레임(300)의 내측에서, 중앙 부분 및 상부를 커버하는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 상부 측에 위치하는 차단 부재(400)에 의해, 화염이 단자부(T) 내지 커넥터부(C) 측으로 향하는 것이 차단될 수 있다. 그리고, 벤팅 가스 등은, 차단 부재(400)가 마련되지 않는 하부 공간을 통해 엔드 프레임(300) 측으로 우회하여 이동할 수 있다. 따라서, 직진성이 강한 화염(스파크 등)은 차단 부재(400)에 의해 엔드 프레임(300), 특히 단자부(T)나 커넥터부(C) 측으로 이동하는 것이 제한되면서도, 벤팅 가스 등은 차단 부재(400)의 하부를 통해 엔드 프레임(300) 측으로 원활하게 이동 배출될 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리(100)의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 6을 참조하면, 셀 어셈블리(100)는, 버스바 유닛(120)을 더 구비할 수 있다.
상기 버스바 유닛(120)은, 버스바 단자(121) 및 버스바 하우징(122)을 구비할 수 있다. 버스바 단자(121)는, 전기적으로 전도성 재질, 이를테면 구리나 알루미늄, 니켈 등과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 버스바 단자(121)는, 전극 리드(111)에 직접 접촉되어, 둘 이상의 전극 리드(111) 사이를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이때, 전극 리드(111)와 버스바 단자(121) 사이의 결합 고정 방식은, 레이저 용접 또는 초음파 용접 등의 방식이 이용될 수 있으나, 그 밖의 다른 다양한 체결 방식이 적용될 수도 있다.
또한, 버스바 단자(121)는, 하나 이상의 전극 리드(111)에 연결되어, BMS(Battery Management System)와 같은 제어 유닛으로 센싱 정보를 전달하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 버스바 단자(121)는, 커넥터 단자에 연결될 수 있다.
버스바 하우징(122)은, 전기적으로 절연성 재질, 이를테면 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 버스바 하우징(122)은, 버스바 단자(121)가 안착되어 고정되도록 구성될 수 있다. 더욱이, 버스바 하우징(122)은, 슬릿이 형성될 수 있다. 그리고, 버스바 하우징(122)의 외측, 이를테면 전방 측에 버스바 단자(121)가 부착될 수 있다. 이 경우, 전극 리드(111)는, 버스바 하우징(122)의 슬릿을 관통하여 외측에 위치한 버스바 단자(121)에 접촉될 수 있다. 특히, 전극 리드(111)는, 단독으로 또는 둘 이상이 적층된 상태에서, 버스바 단자(121)와 결합 고정될 수 있다.
또한, 버스바 유닛(120)은, 모듈 단자(T2)를 구비할 수 있다. 이때, 모듈 단자(T2)는, 버스바 단자(121)의 일부로서 마련될 수도 있고, 버스바 단자(121)와는 별도의 구성으로서 버스바 단자(121)와 연결되도록 구성될 수도 있다.
한편, 도 6에서는, 배터리 모듈의 전방 측에 위치하는 버스바 유닛(120)이 도시되어 있으나, 배터리 모듈의 후방 측에도 이와 유사한 형태의 버스바 유닛(120)이 구비될 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 통기성 구조로 구성될 수 있다. 즉, 상기 차단 부재(400)는, 모듈 내 배터리 셀(110)로부터 발생되는 벤팅 가스는 통과하도록 하면서도 화염은 차단하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 부재(400)의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 셀 어셈블리(100)에 포함된 다수의 배터리 셀(110) 중 특정 배터리 셀(110)에서 벤팅 가스 및 화염(스파크) 등이 발생한 경우, 발생된 가스나 화염 등은, 화살표 B1으로 표시된 바와 같이 분출되어 이동할 수 있다. 특히, 도 7에 도시된 바와 같이, 벤팅 가스 및 화염(스파크) 등은, E로 표시된 부분인 테라스부(E)에 모일 수 있다.
이때, 테라스부(E)에 포집된 화염 등은, 도 7에서 화살표 B2로 표시된 바와 같이, 차단 부재(400)에 의해 반사되어 외측으로의 이동이 제한될 수 있다. 따라서, 이러한 실시 구성에 의하면, 화염이 엔드 프레임(300) 측으로 진행하여 외부로 화염이 노출되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 순수 기체로 구성된 벤팅 가스 등은, 도 7에서 화살표 B3로 표시된 바와 같이, 차단 부재(400)를 통과하여 엔드 프레임(300) 측으로 계속해서 진행할 수 있다. 이를 위해 차단 부재(400)는, 가스는 통과할 수 있도록 투과성 기능을 갖는 재질이나 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 차단 부재(400)는, 벤팅 가스가 통과할 수 있도록 미세 기공이나 틈을 갖는 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 차단 부재(400)는, 1mm 이하, 더욱이 100㎛ 이하, 더 나아가 10㎛ 이하의 기공을 갖는 형태로 구성될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 엔드 프레임(300) 측으로 화염 등의 배출은 억제하면서도 벤팅 가스는 배출되도록 할 수 있다. 따라서, 화염 배출에 의한 화재 발생 내지 확산을 방지하면서도, 이벤트가 발생한 배터리 모듈의 내부 가스는 외부로 신속히 배출하여, 해당 배터리 모듈의 폭발을 차단하고 열 폭주 현상을 완화시킬 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 직물부를 구비할 수 있다. 직물부는, 다수의 파이버가 직조된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 직물부는, 날실과 씨실이 서로 아래위로 교차하여 촘촘하게 짜여짐으로써, 소정 넓이를 갖는 평면체 형태로 구성될 수 있다. 이러한 직물부는, 섬유 내지 직포 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(400)의 제조가 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 특히, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 화염은 차단하면서도 벤팅 가스는 통과시킬 수 있도록 기공이 형성되는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 즉, 씨실과 날실이 교차하는 직물(섬유)을 제조함으로써, 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛ 크기를 갖는 미세 기공이 차단 부재(400)에 자연스럽게 형성될 수 있으며, 미세 기공 등을 형성하는 별도의 공정 내지 구조가 필요 없다.
상기 차단 부재(400)는, 높은 온도, 이를테면 400도 이상의 온도에서도 견딜 수 있는 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 차단 부재(400)는, 고온의 벤팅 가스나 화염(스파크) 등에 손상되지 않도록, 내열성 및 내화성이 강한 재질 또는 형태로 구성될 수 있다.
특히, 상기 차단 부재(400)는, 실리카 파이버(Silica fiber) 및 글라스 파이버(Glass fiber) 중 적어도 하나의 파이버를 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 차단 부재(400)는, 실리카 파이버 또는 글라스 파이버가 촘촘하게 짜여진 직조 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 화염(스파크 등 포함)은 차단하면서 벤팅 가스는 원활히 배출되도록 하고, 높은 온도에서도 안정적으로 견딜 수 있는 차단 구성이 용이하게 구현될 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 이러한 실리카 파이버나 글라스 파이버 재질로 이루어지거나, 이러한 재질을 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 차단 부재(400)는, 이러한 실리카 파이버나 글라스 파이버 이외에, 다른 다양한 재질로 이루어지거나, 이러한 재질을 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 차단 부재(400)는, 미카(Mica), 실리콘(Silicone), CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) 및 에어로젤 블랑켓(Aerogel blanket) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 차단 부재(400)는, GFRP에 미세 기공이 형성된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 차단 부재(400)를 통해 벤팅 가스는 배출되도록 하면서 화염은 효과적으로 차단되도록 할 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 부분적으로 통기도가 다르게 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재(400)의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 배터리 셀(110) 측에서 벤팅 가스와 화염 등이 화살표 B1으로 표시된 바와 같이 배출되어, 차단 부재(400) 측으로 향할 수 있다. 이때, 화염은, 화살표 B2로 표시된 바와 같이, 차단 부재(400)를 통과하지 못하고 외측으로 이동하는 것이 차단될 수 있다. 반면, 벤팅 가스는, 화염과 달리, 화살표 B3'으로 표시된 바와 같이, 적어도 부분적으로 차단 부재(400)를 통과할 수 있다.
특히, 차단 부재(400)는, 벤팅 가스의 통기도, 즉 벤팅 가스의 통과 가능 유무나 통과량이 부분적으로 다르도록 구성될 수 있다. 도 8에서는, 벤팅 가스의 통과 구성이 화살표 B3'으로 표시되어 있다. 그리고, 벤팅 가스의 통과 가능 정도는, 화살표 B3'의 길이 차이로 구분되어 표시되어 있다. 즉, 도 8에서는, 벤팅 가스의 통기도가 높을수록, 상대적으로 화살표의 길이가 길게 도시되어 있다.
상기 실시 구성에 의하면, 차단 부재(400)에 대하여, 벤팅 가스의 통과 유무나 통과 정도 등을 부분 별로 다르게 구성할 수 있으므로, 벤팅 가스나 화염의 차단 내지 방향 제어 효과를 더욱 높일 수 있다. 예를 들어, 화염 등이 향하는 것을 확실하게 방지해야 하는 부분에 대해서는, 벤팅 가스의 통기도를 낮춤으로써, 차단 부재(400)의 기공 등을 통해 화염이 새어 나가는 것을 최대한 억제할 수 있다. 반면, 화염 차단 필요성이 상대적으로 낮은 부분에 대해서는, 기공 등을 넓혀 벤팅 가스의 배출 성능이 더욱 높아지도록 할 수 있다.
더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 차단 부재(400)가 배터리 셀(110)의 상단에서 하단까지 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 차단 부재(400)가 배터리 셀(110)의 상단에서 하단까지 길게 연장된 형태로 구성되기 용이하다. 이 경우, 벤팅 가스는 통과시키면서 화염은 차단할 수 있는 구성이, 엔드 프레임(300)의 상단에서 하단까지 전체적으로 마련될 수 있다.
상기 실시 구성에서, 차단 부재(400)에 대하여 부분적으로 통기도를 다르게 하는 구성은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 차단 부재(400)에 대하여, 부분적으로 기공 크기가 달라지도록 구성될 수 있다. 또는, 차단 부재(400)에 대하여, 부분적으로 통기도가 다른 재질을 구비하도록 구성될 수 있다. 또는, 차단 부재(400)에 대하여, 부분적으로 두께가 달라지도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 두께가 얇은 부분이 두꺼운 부분에 비해 높은 통기도를 가질 수 있다. 또한, 차단 부재(400)에 대하여, 직조 형태로 구성하되, 씨실 및/또는 날실의 두께가 부분적으로 달라지도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 씨실 내지 날실의 두께가 두꺼운 부분이 얇은 부분에 비해 낮은 기공도를 가질 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 상부의 통기도가 하부의 통기도보다 낮게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 차단 부재(400)는, 상부에서 하부 방향으로 갈수록 통기도가 점차 높아지도록 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 차단 부재(400)의 상부의 통기도는, 하부의 통기도에 비해 대략 50% 이하의 통기도를 갖도록 구성될 수 있다. 더욱이, 차단 부재(400)는, 상부의 통기도가 하부의 통기도보다 작게, 이를테면 30% 이하가 되도록 구성될 수 있다. 특히, 차단 부재(400)는, 최상단의 경우 통기도가 0이 되도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 차단 부재(400)는, 상단이 통기성을 갖지 않고 완전히 막혀 있다고 볼 수도 있다.
이러한 실시 구성에서는, 유사한 양의 벤팅 가스가 차단 부재(400)의 상부와 하부에 각각 도달하더라도, 차단 부재(400)의 상부에서는 벤팅 가스의 통과량이 없거나 작고, 차단 부재(400)의 하부에서는 벤팅 가스의 통과량이 많을 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(400)의 상부 측으로는 벤팅 가스를 통과시키되 그 양은 많지 않도록 함으로써, 차단 부재(400)의 기공이나 틈을 통해 화염 등이 배출되는 것을 최소화할 수 있다. 반면, 차단 부재(400)의 하부 측으로는 화염 등의 차단 효과보다는 벤팅 가스의 배출 효과를 높임으로써, 벤팅 가스의 보다 신속한 배출이 가능하도록 할 수 있다.
특히, 화염은 차단 부재(400)의 상부 측으로 이동하는 성질이 강할 수 있으므로, 상기 실시 구성에 의하면, 화염의 배출 억제에 보다 유리할 수 있다. 또한, 차단 부재(400)의 상부 측은, 엔드 프레임(300)의 단자부(T)나 커넥터부(C)에 대면할 가능성이 높으므로, 차단 부재(400)의 상부 측으로 향하는 화염을 최대한 억제하여, 단자부(T)나 커넥터부(C)로 화염이 노출되는 것을 차단할 수 있다. 더욱이, 자동차 등에 이용되는 배터리 모듈의 경우, 상부 측에는 운전자 등 탑승자가 위치할 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 상부 측으로 향하는 화염을 차단하는 경우, 탑승자의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 적층 개수가 부분적으로 다르게 구성될 수 있다. 특히, 차단 부재(400)는, 상부의 적층 수가 하부의 적층 수보다 많게 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 차단 부재(400)의 서로 다른 부분에 대한 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다. 예를 들어, 도 9의 (a)는 차단 부재(400)의 상부, 이를테면 도 8의 A3 부분에 대한 확대 구성의 일례이고, 도 9의 (b)는 차단 부재(400)의 하부, 이를테면 도 8의 A4 부분에 대한 확대 구성의 일례일 수 있다.
먼저, 도 9의 (a)를 참조하면, 차단 부재(400)는 적어도 부분적으로 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 차단 부재(400)의 상부 측은, L1, L2 및 L3로 표시된 바와 같이, 3개의 적층 구조로 구성될 수 있다. 이때, 각각의 단위 층은, 서로 동일한 형태로 구성될 수도 있고, 서로 다른 형태로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 3개의 단위 층은, 각각 실리카 파이버나 글라스 파이버가 직조된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 3개의 단위 층은, 서로 다른 크기의 기공을 갖도록 구성될 수 있다. 또는 3개의 단위 층은, 기공이 수평 방향으로 서로 나란하게 배열되지 않도록, 엇갈린 형태로 배치될 수 있다. 이 경우, 차단 부재(400)의 상부 측은, 통기도가 낮게 구성될 수 있다.
다음으로, 도 9의 (b)를 참조하면, 차단 부재(400)의 다른 부분은 하나의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 차단 부재(400)의 하부 측은, L1로 표시된 바와 같이, 단층 구조로 구성될 수 있다. 이때, 도 9의 (b)에 도시된 단위 층은, 도 9의 (a)에 도시된 3개의 단위 층 중 하나일 수 있다. 즉, 도 8 및 도 9의 실시 구성에서, 차단 부재(400)는, 상단에는 L1, L2 및 L3의 3개의 단위 층을 구비하되, 그 중 하나의 단위 층인 L1만이 하부까지 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 차단 부재(400)의 하부 측은, 상부 측보다 통기도가 상대적으로 높게 구성될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(400)에 대하여, 부분적으로 서로 다른 통기도를 갖도록 하는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성과 같이, 섬유 형태로 구성된 차단 부재(400)의 적층 개수를 부분적으로 서로 다르게 배치하는 것만으로도, 통기도의 부분적 차이를 용이하게 도출할 수 있다.
한편, 차단 부재(400)의 통기도를 부분적으로 다르게 구성하는 것은, 다른 여러 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 차단 부재(400)가 직물부를 구비하는 형태로 구성되는 경우, 상부 측 직물부와 하부 측 직물부는 서로 다른 크기의 미세 기공을 갖도록 할 수 있다. 특히, 상부 측 직물부는 하부 측 직물부보다 두꺼운 두께의 파이버로 짜여지도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상부 측 직물부는 하부 측 직물부보다 미세 기공의 크기가 작게 이루어질 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재(400)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10을 참조하면, 상기 차단 부재(400)는, 직물부(410)와 함께 바디부(420)를 더 구비할 수 있다. 상기 바디부(420)는, 직물부(410)와 다른 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 바디부(420)는, 직물부(410)보다 통기성이 낮은 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 바디부(420)는, 벤팅 가스가 통과하지 않도록 통기도가 0인 형태로 구성될 수도 있다. 또는, 바디부(420)는, 통기도가 일정 수준 이상 형성되도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 바디부(420)는, 미세 기공이 형성되도록 구성될 수 있다.
상기 바디부(420)는, 화염 차단이 가능하며 높은 온도에도 견딜 수 있는 다양한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 바디부(420)는, 내열성 플라스틱의 사출물 형태로 구성될 수 있다. 또는, 바디부(420)는, 미카나 실리콘 재질로 구성될 수 있다. 또는, 바디부(420)는, CFRP나 GFRP 등의 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 바디부(420)는, 직물부(410)에 비해 화염 차단에 유리한 형태로 구성하기 쉽다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 바디부(420)는 직물부(410)에 비해 구조적 안정성을 갖기에 유리할 수 있다. 따라서, 바디부(420)는, 배터리 모듈 내부에서 직물부(410)의 위치 및 형태가 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 역할을 수행할 수 있다. 특히, 직물부(410)가 직조 타입으로 구성된 경우, 형체 유지에 어려움이 있을 수 있으나, 바디부(420)가 함께 구비되는 경우 직물부(410)의 구조가 보다 안정적으로 유지될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 직물부(410)는, 바디부(420)의 일부분에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 10의 실시 구성에서, 직물부(410)는, 바디부(420)의 하단에 위치할 수 있다. 이때, 직물부(410)는, 바디부(420)에 다양한 형태로 결합 고정될 수 있다. 예를 들어, 직물부(410)는, 바디부(420)의 하단에만 마련되며, 바디부(420)의 하단에 볼팅이나 접착, 용접, 삽입, 후크 결합 등, 다양한 방식으로 결합 고정될 수 있다.
상기 실시 구성과 같이, 바디부(420)가 상부에 위치하고 직물부(410)가 하부에 위치하는 경우, 바디부(420)를 통해 화염 차단 효과가 안정적으로 달성되는 한편, 직물부(410)를 통해 벤팅 가스의 배출 효과가 원활하게 이루어지도록 할 수 있다. 특히, 화염은 상부 측으로 향하고자 하는 성질을 가지며, 상부 측에는 단자부(T)나 커넥터부(C)가 위치하기 쉬우므로, 바디부(420)가 차단 부재(400)의 상부측에 위치하는 경우, 화염 차단을 통한 안전성 확보에 보다 적합할 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 직물부(410)와 바디부(420)가 차단 부재(400)의 일부분에만 각각 위치하도록 함으로써 배터리 모듈의 경량화 내지 생산 비용 절감에 보다 유리할 수 있다.
다른 예로, 직물부(410)는, 바디부(420)에 인서트된 형태로 구성될 수도 있다. 보다 구체적인 예로서, 바디부(420)는 플라스틱 재질로 구성되되, 실리카 파이버나 글라스 파이버로 구성된 직물부(410)가 인서트 사출된 형태로 제조될 수 있다. 더욱이, 이 경우, 바디부(420)의 내부 전체적으로, 이를테면 바디부(420)의 상부에서 하부까지 길게 직물부(410)가 삽입된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 직물부(410)와 바디부(420)의 결합성이 보다 안정적으로 확보되는 한편, 바디부(420)에서 화염 차단 효과가 더욱 향상될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성의 경우, 직물부(410)에서는 벤팅 가스의 배출이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 벤팅 가스의 배출에 대한 신속성을 확보할 수 있다.
상기 차단 부재(400)는, 상단이 셀 어셈블리(100) 방향으로 절곡되도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 11 및 도 12를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 11 및 도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재(400)의 구성을 전방 및 후방에서 바라본 형태로 개략적으로 나타낸 사시도이다. 예를 들어, 도 11 및 도 12는, 도 3에서 배터리 모듈의 전방 측에 배치된 차단 부재(400)의 구성을 확대하여 나타낸 도면일 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 차단 부재(400)는, D1으로 표시된 부분과 같이, 셀 어셈블리(100)의 전방을 커버하도록 대략 세워진 플레이트 형태로 구성된 커버부를 구비할 수 있다. 이때, 커버부(D1)에는, H1으로 표시된 바와 같이, 관통홀이 형성될 수 있다. 이러한 관통홀(H1)은, 앞서 설명된 셀 어셈블리(100)의 모듈 단자(T2)나 커넥터 단자가 관통될 수 있다. 그리고, 차단 부재(400)는, D2로 표시된 바와 같이, 이러한 커버부(D1)의 상단에서 배터리 셀(110)을 향해 후방(-X축 방향) 측으로 절곡된 형태의 상단 절곡부를 구비할 수 있다. 이 경우, 차단 부재(400)의 상단 절곡부(D2)는, 셀 어셈블리(100)의 상부 측 단부를 감싸도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)와 차단 부재(400) 사이의 결합성이 보다 향상될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(110) 측에서 상부 측으로 화염 등이 향하는 것이 보다 확실하게 방지될 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈 내부에서, 차단 부재(400)의 상단 절곡부(D2)는, 도 8의 실시 구성에서 A5로 표시된 부분과 같이 배치될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서, 배터리 셀(110) 측에서 차단 부재(400)를 향하는 화염은, 차단 부재(400)에 의해 차단된 후, 화살표 B2로 표시된 바와 같이, 상부 측으로 꺾일 수 있다. 하지만, 상기 실시 구성의 경우, 차단 부재(400)에 의해 차단된 화염이, 차단 부재(400)의 상단 절곡부(D2)에 의해, 배터리 모듈의 상부 측으로 향하는 것이 억제될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 상부 측에 위치하는 탑승자 등의 보호에 보다 유리할 수 있다.
또한, 차단 부재(400)는, 도 11 및 도 12에서 D3로 표시된 부분과 같이, 커버부(D1)의 측부에서 배터리 셀(110)을 향해 절곡된 형태의 측부 절곡부를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 11 및 도 12의 차단 부재(400)가 셀 어셈블리(100)의 전방 측에 위치하는 부재인 경우, 좌측 단부와 우측 단부는, D3로 표시된 부분과 같이 셀 어셈블리(100)를 향해 후방으로 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 차단 부재(400)의 측부 절곡부(D3)는, 셀 어셈블리(100)의 좌측부 및 우측부의 단부를 감싸도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)와 차단 부재(400) 사이의 결합력을 높이는데 유리하며, 배터리 셀(110)로부터 분출된 화염이 차단 부재(400)와 본체 프레임(200) 사이의 틈으로 누출되는 것이 보다 확실하게 방지될 수 있다.
도 13은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 차단 부재(400)의 구성을 후방 측에서 바라본 형태의 사시도이다. 예를 들어, 도 13은, 도 12의 변형예라 할 수 있다. 도 14는, 도 13의 A6 부분에 대한 확대 단면도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 차단 부재(400)는 관통홀(H1) 주변에, R로 표시된 바와 같은 차단 리브를 구비할 수 있다. 여기서, 차단 부재(400)의 관통홀(H1)로는, 도 14에서 점선으로 표시된 바와 같이, 모듈 단자(T2) 등이 관통될 수 있다. 그리고, 차단 리브(R)는, 관통홀(H1)의 주변에서 셀 어셈블리(100)가 위치하는 내측 방향으로 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100)의 전방 측에 위치하는 차단 부재(400)의 경우, 내측 표면에 후방(-X축 방향)으로 돌출 연장된 형태의 차단 리브(R)가 마련될 수 있다.
더욱이, 모듈 단자(T2)나 커넥터 단자는, 배터리 모듈의 상부 측에 위치하는 경우가 많다. 이 경우, 관통홀(H1)은, 차단 부재(400)의 상부 측에 위치할 수 있다. 이와 같은 구성에서, 차단 리브(R)는, 관통홀(H1)의 하부에 위치할 수 있다. 따라서, 차단 리브(R)는, 모듈 단자(T2)나 커넥터 단자의 하부에 위치한다고 볼 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 부재(400)의 관통홀(H1)로 화염 등이 유출되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바를 참조하면, 배터리 셀(110)로부터 화염 등이 분출된 경우, 화살표 B1으로 표시된 바와 같이, 진행할 수 있다. 이때, 차단 리브(R)는, 화염이 직접적으로 관통홀(H1)로 향하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 화염은, 화살표 B2로 표시된 바와 같이, 차단 부재(400)의 내측 표면으로부터 반사되어 계속 진행할 수 있다. 상기 실시 구성에 의하면, 이와 같이 차단 부재(400)의 내측 표면에서 반사된 형태로 진행하는 화염에 대해서도 차단되도록 함으로써, 화염이 관통홀(H1)을 통해 외부로 배출되는 것을 최대한 억제할 수 있다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차단 부재(400)의 일부 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다. 예를 들어, 도 15는, 도 14의 실시예에 대한 변형예일 수 있다.
도 15를 참조하면, 차단 부재(400)는 차단 리브(R)를 구비하되, 차단 리브(R)의 단부는, 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 차단 리브(R)는, 차단 부재(400)의 커버부(D1)에서 수평 내측 방향으로 돌출 연장된 형태로 형성되되, A7로 표시된 부분과 같이, 내측 단부가 하부 방향으로 절곡된 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 차단 리브(R)의 관통홀(H1)에 대한 화염 배출 억제 효과가 더욱 높아질 수 있다. 예를 들어, 차단 리브(R)의 하부 표면에 도달한 화염은, 차단 리브(R)의 내측 절곡부에 의해, 화살표 B5로 표시된 바와 같이, 하부 방향으로 향할 수 있다. 따라서, 화염은 관통홀(H1)로부터 더욱 멀어지게 되므로, 관통홀(H1)로 화염이 노출될 가능성이 더욱 낮아질 수 있다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈(M)을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 다수의 배터리 모듈(M)이 팩 하우징(PH)의 내부에 포함된 경우, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 모듈 간 열적 이벤트가 전파하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, M1으로 표시된 특정 배터리 모듈로부터, 도 16에서 A8로 표시된 부분과 같이 벤팅 가스가 배출될 수 있다. 하지만, 이 경우, 배출된 벤팅 가스에는, X로 표시된 바와 같이, 화염(스파크 등)과 같은 열원이 존재하지 않을 수 있다. 따라서, 배터리 모듈(M) 간 화염에 의한 손상이나 열폭주 전파 등이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS(Battery Management System)나 버스바(배터리 모듈 사이 연결, 배터리 모듈과 팩 단자 사이 연결 등), 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
한편, BMS나 버스바, 릴레이, 전류 센서 등의 구성요소는, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 구성요소로 포함될 수도 있다. 이 경우, BMS나 버스바, 릴레이, 전류 센서 등의 구성요소는, 본체 프레임(200) 및 엔드 프레임(300)을 구비하는 모듈 케이스 내부에 위치될 수 있다. 이때, 배터리 모듈은 배터리 팩으로 지칭될 수 있으며, 모듈 케이스는 팩 케이스 내지 팩 하우징으로 지칭될 수도 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.
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
110: 배터리 셀
111: 전극 리드
120: 버스바 유닛
121: 버스바 단자, 122: 버스바 하우징
200: 본체 프레임
300: 엔드 프레임
310: 전방 프레임, 320: 후방 프레임
400: 차단 부재
410: 직물부, 420: 바디부
T: 단자부
T1: 단자 홀, T2: 모듈 단자
C: 커넥터부
C1: 커넥터 홀
E: 테라스부
D1: 커버부, D2: 상단 절곡부, D3: 측부 절곡부
H1: 관통홀
R: 차단 리브
M: 배터리 모듈
PH: 팩 하우징
110: 배터리 셀
111: 전극 리드
120: 버스바 유닛
121: 버스바 단자, 122: 버스바 하우징
200: 본체 프레임
300: 엔드 프레임
310: 전방 프레임, 320: 후방 프레임
400: 차단 부재
410: 직물부, 420: 바디부
T: 단자부
T1: 단자 홀, T2: 모듈 단자
C: 커넥터부
C1: 커넥터 홀
E: 테라스부
D1: 커버부, D2: 상단 절곡부, D3: 측부 절곡부
H1: 관통홀
R: 차단 리브
M: 배터리 모듈
PH: 팩 하우징
Claims (14)
- 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
상기 셀 어셈블리를 내부 공간에 수납하도록 구성되며 적어도 일측에 개방부가 형성된 본체 프레임;
상기 본체 프레임의 개방부에 결합되며, 단자부 및 커넥터부 중 적어도 하나가 마련된 엔드 프레임; 및
상기 엔드 프레임과 상기 셀 어셈블리 사이에 개재되어, 화염의 진행을 차단하도록 구성된 차단 부재
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 셀 어셈블리는, 상기 본체 프레임의 개방부 측으로 전극 리드가 배치된 형태로 수평 방향으로 배열된 다수의 파우치형 전지를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 차단 부재는, 상기 단자부 및 상기 커넥터부 중 적어도 하나에 대하여 화염의 진행을 차단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 차단 부재는, 통기성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 차단 부재는, 다수의 파이버가 직조된 형태로 구성된 직물부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제5항에 있어서,
상기 직물부는, 실리카 파이버 및 글라스 파이버 중 적어도 하나의 파이버를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제5항에 있어서,
상기 차단 부재는, 바디부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제7항에 있어서,
상기 직물부는, 상기 바디부의 일부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 차단 부재는, 부분적으로 다른 통기도를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제9항에 있어서,
상기 차단 부재는, 상부의 통기도가 하부의 통기도보다 낮게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제10항에 있어서,
상기 차단 부재는, 상부의 적층 수가 하부의 적층 수보다 많게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 차단 부재는, 상단이 상기 셀 어셈블리 방향으로 절곡된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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