KR20230099541A - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 이러한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차 - Google Patents

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 이러한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀, 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스, 모듈 케이스 내에 구비되며, 적어도 하나의 배터리 셀의 이상 상황 시 화염이나 스파크의 유출을 방지하기 위한 적어도 하나의 유출 방지 포켓 및 적어도 하나의 유출 방지 포켓에 구비되며, 이상 상황 시 화염이나 스파크에 의해 모듈 케이스 내부로 소화제를 내보내는 소화 캡슐 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 이러한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK THE BATTERY MODULE, ENERGY STORAGE SYSTEM AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 이러한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 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.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩이나 배터리 랙을 구성하는 방법이 일반적이다.
종래 배터리 모듈은, 일반적으로, 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들 및 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징을 포함하여 구성된다. 이러한 종래 배터리 모듈의 경우, 복수 개의 배터리 셀들 중 특정 배터리 셀에서 이상 상황에 따른 과열이 발생할 경우, 과열된 배터리 셀에서 발생하는 열이 인접한 배터리 셀들로 그대로 전달되어 열 폭주가 발생하여 배터리 모듈의 폭발 등의 더 큰 위험으로 이어지는 문제가 있다.
그러므로, 배터리 셀의 이상 상황 시 열 폭주를 방지할 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 이러한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차를 제공하기 위한 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 배터리 셀의 이상 상황 시 열 폭주를 방지할 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 이러한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 이상 상황 시 화염이나 스파크의 유출을 방지하기 위한 적어도 하나의 유출 방지 포켓; 및 상기 적어도 하나의 유출 방지 포켓에 구비되며, 상기 이상 상황 시 상기 화염이나 스파크에 의해 상기 모듈 케이스 내부로 소화제를 내보내는 소화 캡슐 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 유출 방지 방지 포켓은, 복수 개로 구비되며, 상기 복수 개의 유출 방지 포켓은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 사이에 두고 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 유출 방지 포켓은, 상기 모듈 케이스의 양측면 테두리 부분에 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 유출 방지 포켓은, 상기 화염이나 스파크를 수용할 수 있는 소정 스페이스를 구비할 수 있다.
상기 복수 개의 유출 방지 포켓은, 상기 이상 상황 시 화염이나 스파크의 진행 방향과 마주 하는 방향에 마련될 수 있다.
상기 소화 캡슐 유닛은, 상기 복수 개의 유출 방지 포켓 중 적어도 하나에 구비될 수 있다.
상기 소화 캡슐 유닛은, 상기 복수 개의 유출 방지 포켓 중 적어도 하나의 내벽에 구비될 수 있다.
상기 소화 캡슐 유닛은, 상기 적어도 하나의 유출 방지 포켓에 장착되는 캡슐 본체; 및 상기 캡슐 본체 내에 수용되는 상기 소화제;를 포함할 수 있다.
상기 캡슐 본체는, 소정 온도에서 녹아 내리거나 또는 소정 충격에 의해 깨지면서 상기 소화제를 상기 캡슐 본체 밖으로 내보낼 수 있다.
상기 소화 캡슐 유닛은, 복수 개로 구비되며, 상기 복수 개의 소화 캡슐 유닛은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 사이에 두고 대향 배치될 수 있다.
상기 소화제는, 소화수 또는 소화 가스로 마련될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 에너지 저장 장치로서 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 자동차로서 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀의 이상 상황 시 열 폭주를 방지할 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 이러한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈의 단면도이다.
도 4는 도 3의 배터리 모듈의 주요부의 확대도이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 배터리 모듈의 열 폭주 방지 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 단면도이며, 도 4는 도 3의 배터리 모듈의 주요부의 확대도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 모듈 케이스(200), 유출 방지 포켓(400) 및 소화 캡슐 유닛(500)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(100)은, 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지, 각형 이차 전지 또는 원통형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀(100)이 파우치형 이차 전지로 마련되는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 배터리 셀(100)은, 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 연결되는 전극 리드(150)를 포함할 수 있다. 상기 전극 리드(150)는, 상기 배터리 셀(100)의 전압을 센싱하며, 후술하는 모듈 케이스(200)에 장착되는 버스바 어셈블리(미도시)와 결합할 수 있다.
이러한 상기 배터리 셀(100)은, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀(100)의 복수 개로 구비되어 서로 전기적으로 연결될 수 있게 적층되어 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 모듈 케이스(200)는, 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀(100)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 상기 모듈 케이스(200)에는, 상기 복수 개의 배터리 셀(100)을 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다.
상기 유출 방지 포켓(400)은, 상기 모듈 케이스(200) 내에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 이상 상황 시 스파크나 화염(F)의 유출을 방지할 수 있다.
이러한 상기 유출 방지 포켓(400)은, 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 유출 방지 포켓(400)은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)을 사이에 두고 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 유출 방지 포켓(400)은, 상기 모듈 케이스(200)의 양측면 테두리 부분에 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 유출 방지 포켓(400)은, 상기 이상 상황 시 상기 화염이나 스파크(F)의 진행 방향과 마주 하는 방향에 마련될 수 있다.
이러한 상기 복수 개의 유출 방지 포켓(400)은, 상기 화염이나 스파크(F)를 수용할 수 있는 소정 스페이스(450)를 구비할 수 있다. 상기 소정 스페이스(450)는, 상기 화염이나 스파크(F)를 수용할 수 있는 소정의 형상으로 마련될 수 있다. 예로써, 상기 소정 스페이스(450)는 상기 모듈 케이스(200)의 테두리 영역에 볼록하게 형성되어 내부의 소정 공간을 형성할 수 있는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 소화 캡슐 유닛(500)은, 상기 적어도 하나의 유출 방지 포켓(400)에 구비되며, 상기 이상 상황 시 상기 화염이나 스파크(F)에 의해 상기 모듈 케이스 내부로 소화제(550)를 내보낼 수 있다.
이러한 상기 소화 캡슐 유닛(500)은, 상기 복수 개의 유출 방지 포켓(400) 중 적어도 하나에 구비될 수 있다. 아울러, 상기 소화 캡슐 유닛(500)은, 상기 복수 개의 유출 방지 포켓(400) 중 적어도 하나의 내벽에 구비될 수 있다.
상기 소화 캡슐 유닛(500)은, 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 소화 캡슐 유닛(500)은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)을 사이에 두고 대향 배치될 수 있다. 아울러, 상기 복수 개의 소화 캡슐 유닛(500)은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 전극 리드(150)를 사이에 두고 대향 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 소화 캡슐 유닛(500)은, 각각, 캡슐 본체(510) 및 상기 소화제(550)를 포함할 수 있다.
상기 캡슐 본체(510)는, 상기 적어도 하나의 유출 방지 포켓(400)에 장착되며, 상기 스페이스(450) 내에 배치될 수 있다. 이러한 상기 캡슐 본체(510)는, 소정 온도에서 녹아 내리거나 또는 소정 충격에 의해 깨지면서 상기 소화제(550)를 상기 캡슐 본체(510) 밖으로 내보낼 수 있다. 구체적으로, 상기 캡슐 본체(510)는, 상기 화염이나 스파크(F)에 의해 녹아내리거나 또는 깨지면서 상기 소화제(550)를 상기 캡슐 본체(510) 밖으로 내보낼 수 있다.
상기 소화제(550)는, 상기 캡슐 본체(510) 내에 수용될 수 있다. 이러한 상기 소화제(550)는, 소화수 또는 소화 가스와 같은 화재 등을 진압할 수 있는 액체 물질 또는 기체 물질로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 소화제(550)는, 화재 등을 진압할 수 있는 기타 다른 형태의 물질이나 이들 성분의 혼합 물질 등으로 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)의 이상 상황 발생 시 열 폭주 방지 매커니즘에 대해 보다 더 구체적으로 살펴 본다.
도 5 및 도 6은 도 1의 배터리 모듈의 열 폭주 방지 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)의 상기 배터리 셀들(100) 중 적어도 하나에서 이상 상황에 따른 과열 등으로 화재 등으로 이어질 수 있는 위험 상황이 발생할 수 있다.
상기 배터리 모듈(10)의 상기 모듈 케이스(200) 내에서 상기 이상 상황이 발생한 배터리 셀(100)에서 발생한 화염이나 스파크(F)는 상기 유출 방지 포켓(400)에 의해 블로킹되어 상기 모듈 케이스(200) 밖으로의 유출이 방지될 수 있다. 즉, 상기 유출 방지 포켓(400)은, 상기 화염이나 스파크(F)를 상기 모듈 케이스(200) 외부의 산소로부터 차단하여 열 폭주나 화재 등을 위험 상황을 억제할 수 있다.
아울러, 상기 화염이나 스파크(F)에서 발생한 입자나 잔여물 등은 상기 유출 방지 포켓(400)의 스페이스(450) 내에 침전되면서 상기 모듈 케이스(200) 외부로 빠져나가지 않고 상기 스페이스(450) 내에 쌓일 수 있다.
이때, 상기 유출 방지 포켓(400) 내의 상기 소화 캡슐 유닛(500)은, 상기 화염이나 스파크(F)에 의해 상기 캡슐 본체(510)가 용융되거나 또는 찢어지면서 상기 소화제(550)를 분사시킬 수 있다. 즉, 상기 소화 캡슐 유닛(500)은, 상기 유출 방지 포켓(400) 내에서 추가적으로 열 폭주 억제 및 화재 억제를 구현할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은, 상기 이상 상황 시, 상기 유출 방지 포켓(400) 및 상기 소화 캡슐 유닛(500)을 통한 적어도 두 가지 방식을 통한 열 폭주 억제 및 화재 억제를 구현할 수 있는 바, 상기 이상 상황 시 열 폭주 억제 및 화재 억제 효과가 극대화될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 배터리 팩(1)는, 앞선 실시예의 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개의 배터리 모듈(10)을 수용하기 위한 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비되어 에너지 저장 장치 또는 자동차의 에너지원으로 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(10)은 상기 에너지 저장 장치나 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)을 포함하는 에너지 저장 장치나 자동차와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 에너지 저장 장치나 자동차 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀(100)의 이상 상황 시 열 폭주를 방지할 수 있는 배터리 모듈(10), 이러한 배터리 모듈(10)을 포함하는 배터리 팩(1), 이러한 배터리 팩(1)을 포함하는 에너지 저장 장치 및 자동차를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
1: 배터리 팩
10: 배터리 모듈
100: 배터리 셀
150: 전극 리드
200: 모듈 케이스
400: 유출 방지 포켓
450: 스페이스
450: 스페이스
500: 소화 캡슐 유닛
510: 캡슐 본체
550: 소화제

Claims (14)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    적어도 하나의 배터리 셀;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스 내에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 이상 상황 시 화염이나 스파크의 유출을 방지하기 위한 적어도 하나의 유출 방지 포켓; 및
    상기 적어도 하나의 유출 방지 포켓에 구비되며, 상기 이상 상황 시 상기 화염이나 스파크에 의해 상기 모듈 케이스 내부로 소화제를 내보내는 소화 캡슐 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유출 방지 방지 포켓은,
    복수 개로 구비되며,
    상기 복수 개의 유출 방지 포켓은,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀을 사이에 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 유출 방지 포켓은,
    상기 모듈 케이스의 양측면 테두리 부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 유출 방지 포켓은,
    상기 화염이나 스파크를 수용할 수 있는 소정 스페이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 유출 방지 포켓은,
    상기 이상 상황 시 화염이나 스파크의 진행 방향과 마주 하는 방향에 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 소화 캡슐 유닛은,
    상기 복수 개의 유출 방지 포켓 중 적어도 하나에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소화 캡슐 유닛은,
    상기 복수 개의 유출 방지 포켓 중 적어도 하나의 내벽에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 소화 캡슐 유닛은,
    상기 적어도 하나의 유출 방지 포켓에 장착되는 캡슐 본체; 및
    상기 캡슐 본체 내에 수용되는 상기 소화제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캡슐 본체는,
    소정 온도에서 녹아 내리거나 또는 소정 충격에 의해 깨지면서 상기 소화제를 상기 캡슐 본체 밖으로 내보내는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 소화 캡슐 유닛은,
    복수 개로 구비되며,
    상기 복수 개의 소화 캡슐 유닛은,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀을 사이에 두고 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 소화제는,
    소화수 또는 소화 가스로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  14. 제12항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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