KR20230123772A - 배터리 시스템 - Google Patents

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이강구
전해룡
정준희
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은, 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체, 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 셀 케이스, 및 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 차단 부재를 포함하고, 상기 차단 부재는 300℃ 이하에서 용융되지 않는 재질로 형성되며, 상기 차단 부재의 단면은 굴곡이 반복되는 형상으로 형성될 수 있다.

Description

배터리 시스템{BATTERY SYSTEM}
본 발명은 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 시스템에 관한 기술이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type) 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 배터리 셀 또는 원통형 캔형(can type) 배터리 셀로 제조된다.
복수의 배터리 셀은 상호 적층되어 전기적으로 연결되는 셀 적층체 단위로 모듈 케이스에 탑재되어 배터리 모듈이나 배터리 팩과 같은 배터리 시스템을 형성하게 된다. 이러한 배터리 시스템은 전기 자동차 등에 설치되어 사용되고 있다.
배터리 시스템은 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 특히 이상 현상으로 인해 배터리 셀에서 화염이 발생하는 경우, 화염이 주변의 다른 배터리 셀로 전파되는 경우, 열폭주가 발생하여 추가적인 발화나 폭발로 이어질 수 있다. 따라서 내부에서 발생된 화염의 확산을 차단할 수 있는 구조가 요구되고 있다.
한국공개특허 제2018-0014621호를 참고하면, 배터리 셀들 사이에 화염전파 방지부재를 배치하여 화염의 확산을 차단하고 있다. 그러나 상기 문헌에 개시된 구조는 화염의 차단만 고려할 뿐, 배터리 셀이 스웰링(swelling)하는 경우에 대해서는 전혀 고려하지 않고 있다. 따라서, 배터리 셀이 팽창하는 경우, 배터리 시스템의 외관이 변형될 수 있으며 배터리 셀에도 무리가 갈 수 있다.
따라서 화염의 전이를 차단 뿐만 아니라, 배터리 셀의 팽창도 고려한 배터리 시스템이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2018-0014621호
본 발명은 배터리 시스템 내에서 발화 또는 폭발 등 이벤트 발생 시, 배터리 셀 간 화염 전이를 차단할 수 있고, 또한, 배터리 셀 스웰링을 흡수할 수 있는 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템은, 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체, 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 케이스, 및 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 차단 부재를 포함하고, 상기 차단 부재는 300℃ 이하에서 용융되지 않는 재질로 형성되며, 상기 차단 부재의 단면은 굴곡이 반복되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 상기 배터리 셀이 팽창할 때, 상기 배터리 셀로부터 가해지는 압력에 의해 탄성 변형되어 적어도 일부가 상기 셀 적층체의 외부로 돌출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 서로 대면하는 상기 배터리 셀과 상기 차단 부재 사이에는 다수의 공기 단열층이 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 배터리 셀은, 상기 모듈 케이스와 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 열전달 부재를 더 포함하며, 상기 차단 부재는 적어도 일부가 상기 열전달 부재에 삽입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 열전달 부재는, 써멀 그리스, 열전도성 접착제, 및 방열 패드로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 단면이 사인파(sine wave) 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 단면이 사각파 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 절곡된 부분이 모두 둔각을 이루도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 운모(mica)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 실리콘 수지에 운모 입자를 혼합하여 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 모듈 케이스는 상기 셀 적층체의 상부에 배치되는 상부 플레이트를 포함하며, 상기 상부 플레이트는, 상기 차단 부재가 탄성 변형될 때 상기 셀 적층체의 외부로 돌출되는 부분이 삽입되는 삽입 홈을 적어도 하나 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 삽입 홈은 상기 차단 부재와 대면하는 위치에 형성되며, 하나의 삽입 홈에는 하나 또는 다수의 차단 부재가 삽입될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템은, 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체, 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 케이스, 및 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 차단 부재를 포함하고, 상기 배터리 셀이 팽창할 때, 상기 배터리 셀로부터 가해지는 압력에 의해 탄성 변형되어 적어도 일부가 상기 셀 적층체의 외부로 돌출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 모듈 케이스는, 상기 차단 부재 중 상기 셀 적층체의 외부로 돌출되는 부분이 삽입되는 삽입 홈을 적어도 하나 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 굴곡이 반복되는 형상으로 단면이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 단면이 파형 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 운모(mica)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 분해 사시도.
도 4은 도 2의 I-I' 에 따른 단면도.
도 5은 도 4에 도시된 차단 부재의 사시도이다.
도 6 및 도 7은 도 4의 A 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
예컨대, 본 명세서에서 상측 상부, 하측, 하부, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
이하에서 설명하는 배터리 시스템은 복수의 배터리 셀이 배터리 셀 케이스에 탑재되는 배터리 모듈이나 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 등을 포함할 수 있으며, 이하의 실시예에서는 배터리 모듈을 예로 들어 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 셀(10)은 전극 조립체와 이를 수용하는 배터리 셀 케이스(11)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 셀(10)은 충방전이 가능한 이차 전지로, 리튬 이차전지를 포함할 수 있다. 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type) 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 배터리 셀로 형성될 수 있다. 이하에서는 파우치형 배터리 셀을 예로 들어 설명하나, 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 각형 배터리 셀에도 용이하게 적용될 수 있다.
배터리 셀 케이스(11)는 배터리 셀(10)의 외형을 형성하며, 내부에 수용되는 요소들을 외부 환경으로부터 보호할 수 있다. 배터리 셀 케이스(11)는 금속 박막의 표면을 절연처리한 필름 형태의 외장재가 사용될 수 있다. 금속 박막은 알루미늄으로 형성될 수 있으며, 절연처리는 폴리머수지인 변성 폴리프로필렌, 예를 들어, CPP(Casted Polypropylene)가 열융착층을 이루며 도포되어 있고, 그 외측면에 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성될 수 있다.
본 실시예에서 배터리 셀 케이스(11)는 한 장의 외장재를 포밍(forming)하여 형성할 수 있다. 따라서, 외장재에 적어도 하나의 수용 공간을 포밍하여 형성한 후, 수용 공간들이 하나의 공간을 형성하도록 외장재를 접어 배터리 셀 케이스(11)를 완성할 수 있다.
배터리 셀 케이스(11)는 내측에 전극 조립체(미도시)가 수용되는 수용 공간이 마련될 수 있다. 그리고 배터리 셀 케이스(11)의 외측으로는 전극 리드(15)가 돌출 배치될 수 있다.
전극 조립체는 배터리 셀 케이스(11)의 수용 공간에 전해액과 함께 수납될 수 있다.
본 실시예의 배터리 셀 케이스(11)는 외장재를 접은 후 맞닿는 가장자리 부분을 접합하여 수용 공간을 밀봉함으로써 완성될 수 있다. 가장자리의 접합 방법으로는 열융착 방식이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 전극 조립체와 전해액이 수용되는 부분을 수용부(204)로 지칭하고, 외장재가 접합된 가장자리 부분을 실링부(202)로 지칭한다.
실링부(202)는 상기한 수용부(204)에서 외부로 확장되는 플랜지 형태로 형성되며, 이에 실링부(202)는 수용부(204)의 외곽을 따라 배치될 수 있다.
본 실시예에서 실링부(202)는 전극 리드(15)가 배치되는 제1 실링부(2021)와, 전극 리드(15)가 배치되지 않는 제2 실링부(2022)로 구분될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 한 장의 외장재를 포밍한 후, 이를 접어 외장재를 형성하므로, 외장재가 접히는 면(도 1에서 하면)에는 실링부(202)를 형성할 필요가 없다. 따라서 본 실시예에서 실링부(202)는 수용부(204)의 외곽에 형성되되, 수용부(204)의 두께 방향을 형성하는 네 면 중 세 면에만 구비되며, 나머지 한 면(도 1에서 하면)에는 실링부가 형성되지 않는다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 수용부(204)의 두께 방향을 형성하는 네 면 전체에 실링부를 형성하는 것도 가능하다.
또한 본 실시예의 배터리 셀(10)은 실링부(202)의 접합 신뢰성을 높이고 실링부(202)의 면적을 최소화하기 위해, 적어도 한 번 접힌 형태로 실링부(202)를 구성할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예의 실링부(202) 중 전극 리드(15)가 배치되지 않는 제2 실링부(2022)는 2회 접힌 후 고정될 수 있다.
예를 들어, 제2 실링부(2022)는 도 1에 도시된 제1 절곡선(C1)과 제2 절곡선(C2)을 따라 180°씩 접힌 후, 수용부(204)에 밀착 고정될 수 있다.
이때, 제2 실링부(2022)의 내부에는 접착 부재(17)가 충진될 수 있으며, 이에 제2 실링부(2022)는 접착 부재(17)에 의해 접힌 형상이 유지될 수 있다. 접착 부재(17)는 열전도도가 높은 접착제로 형성될 수 있다. 예컨대 접착 부재(17)는 에폭시나 실리콘으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 전극 리드(15)는 양극 리드(15a)와 음극 리드(15b)를 포함할 수 있다. 양극 리드 및 음극 리드(15a, 15b)는 각각 전극 조립체(19)와 연결될 수 있으며, 얇은 판 형태의 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양극 리드(15a)는 알루미늄(Al) 소재로 이루어지고, 음극 리드(15b)는 구리(Cu) 소재로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 양극 리드 및 음극 리드(15a, 15b)는 서로 반대 방향을 향하도록 배치된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 양극 리드(15a)와 음극 리드(15b)가 동일한 방향을 향하도록 배치하는 등 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해 사시도이며, 도 4은 도 2의 I-I' 에 따른 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 전술한 배터리 셀(10)을 다수 개 적층한 셀 적층체(1)와, 모듈 케이스(30), 버스바 조립체(70), 및 차단 부재(95)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(1)는 다수의 배터리 셀들(10)을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 배터리 셀(10)을 두께 방향으로 다수 개 적층하여 셀 적층체(1)를 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 좌우 방향(또는 수평 방향)으로 배터리 셀들(10)을 적층하여 배치하는 경우를 예로 들고 있으나, 필요에 따라 상하 방향으로 적층 배치되도록 구성하는 것도 가능하다.
모듈 케이스(30)는 셀 적층체(1)를 내부에 수용할 수 있다. 따라서 모듈 케이스(30)는 배터리 모듈(100)의 외형을 규정하고, 외부 환경으로부터 배터리 셀들(10)을 보호할 수 있다.
본 실시예의 모듈 케이스(30)는 셀 적층체(1)의 일측에 배치되는 제1 플레이트(50), 셀 적층체(1)의 타측에 배치되는 제2 플레이트(40), 그리고, 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치되는 측면에 배치되는 측면 커버(60)를 포함할 수 있다.
제1 플레이트(50)는 셀 적층체(1)의 하부에 배치되어 셀 적층체(1)의 하부면을 지지하는 하부 플레이트(52)와, 셀 적층체(1)의 측면을 지지하는 측면 플레이트(58)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 하부 플레이트(52)와 측면 플레이트(58)는 하나의 판형 부재를 절곡하여 형성할 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 측면 플레이트(58)와 하부 플레이트(52)를 독립적인 구성 요소들로 구성하는 것도 가능하다.
하부 플레이트(52)는 배터리 모듈(100)의 바닥면을 형성한다. 따라서 하부 플레이트(52)는 편평한 형태로 구성될 수 있다.
측면 플레이트(58)는 하부 플레이트(52)의 양 측에서 연장되어 셀 적층체(1)를 지지하도록 형성될 수 있다.
제1 플레이트(50)는 금속과 같은 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트(50)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
제2 플레이트(40, 또는 상부 플레이트)는 배터리 셀(10)의 상부에 배치되어 셀 적층체(1)의 상면에 결합될 수 있다. 또한 제2 플레이트(40)는 제1 플레이트(50)의 측면 플레이트(58) 상단에 체결될 수 있다.
제2 플레이트(40)는 제1 플레이트(50)와 마찬가지로 금속과 같은 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예컨대 제2 플레이트(40)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
제1 플레이트(50)와 제2 플레이트(40)는 용접 등의 방식으로 결합될 수 있다. 그러나 슬라이딩 방식으로 결합하거나, 볼트나 나사 등의 고정 부재를 이용하여 결합하는 등 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.
또한, 본 실시예의 제2 플레이트(40)는 셀 적층체(1)와 대면하는 일면에 다수의 삽입 홈(45)이 형성될 수 있다.
삽입 홈(45)에는 후술되는 차단 부재(80)가 삽입될 수 있다. 따라서 삽입 홈(45)은 상기한 제2 플레이트(40)의 일면 중 차단 부재(80)와 대면하는 위치에 형성될 수 있다. 이에 삽입 홈(45)은 차단 부재(80)의 개수에 대응하여 다수 개가 마련될 수 있다.
배터리 모듈(100)이 정상적으로 동작할 때, 삽입 홈(45)은 빈 공간으로 유지될 수 있다. 반면에 도 6에 도시된 바와 같이, 차단 부재(80)가 탄성 변형되는 경우 차단 부재(80) 중 셀 적층체(1)의 상부로 돌출되는 부분은 삽입 홈(45)에 삽입될 수 있다. 본 실시예에서는 차단 부재(80)의 개수와 동일한 수로 삽입 홈(45)을 형성한다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 후술되는 실시예와 같이, 하나의 삽입 홈(45)에 다수의 차단 부재(80)가 삽입되도록 삽입 홈(45)의 크기를 변경하는 것도 가능하다.
측면 커버(60)는 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치되는 양 측면에 각각 결합될 수 있다.
측면 커버(60)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 제1 플레이트(50) 및 제2 플레이트(40)에 결합될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 용접 등의 방식을 통해 결합될 수도 있다.
측면 커버(60)는 수지와 같은 절연성 재질로 형성될 수 있으며, 접속 단자(72)를 외부로 노출시키기 위한 관통 구멍(62)을 구비할 수 있다.
측면 커버(60)와 셀 적층체(1) 사이에는 버스바 조립체(70)가 개재될 수 있다.
버스바 조립체(70)는 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치된 측면에 배치되어 셀 적층체(1)에 결합될 수 있으며, 적어도 하나의 버스바(75)와 절연 커버(77)를 포함할 수 있다.
절연 커버(77)는 버스바(75)와 결합되어 버스바 조립체(70)의 전체적인 외형을 형성할 수 있다. 절연 커버(77)는 절연성 재질로 형성되며, 버스바(75)는 적어도 일부가 절연 커버(77)의 내부에 매립되거나 절연 커버(77)에 접합될 수 있다.
절연 커버(77)에는 전극 리드들(15)이 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(76)이 구비될 수 있다. 또한 절연 커버(77)에는 배터리 셀들(10)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 접속 단자(72)가 구비될 수 있다.
접속 단자(72)는 측면 커버(60)에 형성된 관통 구멍(62)을 통해 외부로 노출될 수 있다. 따라서 측면 커버(60)의 관통 구멍(62)은 접속 단자(72)의 크기와 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서 접속 단자(72)는 도전성 부재로 구성되며 버스바(75)에 전기적으로 연결되거나 적어도 하나의 버스바(75)에 접합될 수 있다.
버스바(75)는 금속판의 형태로 형성되어 절연 커버(77)의 외부면에 결합될 수 있다. 배터리 셀들(10)은 버스바(75)를 통해 상호 간에 전기적으로 연결되며, 버스바(75)와 접속 단자(72)를 매개로 하여 배터리 모듈(100)의 외부 요소와 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 위해, 버스바(75)에는 전극 리드들(15)이 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(76)이 구비될 수 있으며, 전극 리드들(15)은 버스바(75)의 관통 홀(76)에 삽입된 후 용접 등의 방식을 통해 버스바(75)에 접합될 수 있다. 이에 전극 리드(15)의 끝단은 적어도 일부가 버스바(75)를 완전히 관통하여 버스바(75)의 외부로 노출될 수 있다.
셀 적층체(1)와 제1 플레이트(50) 사이, 셀 적층체(1)와 제2 플레이트(40) 사이 중 적어도 한 곳에는 열전달 부재(90)가 배치될 수 있다.
열전달 부재(90)는 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 모듈 케이스(30)로 전달할 수 있다. 이를 위해 열전달 부재(90)는 높은 열전도도를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어 열전달 부재(90)는 써멀 그리스(Thermal grease), 열전도성 에폭시 수지와 같은 열전도성 접착제(Thermal adhesive), 및 방열 실리콘 패드와 같은 방열 패드로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 형태로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
열전달 부재(90)는 패드 형태로 모듈 케이스(30) 내부면에 배치거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 모듈 케이스(30)의 내부면에 도포하여 형성할 수 있다. 본 실시예의 열전달 부재(90)는 높은 절연성을 가지며, 예를 들어, 절연 내력(Dielectric strength)이 10 ~ 30 KV/mm 의 범위인 물질이 이용될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(10)에서 부분적으로 전기 절연이 파괴되더라도 배터리 셀(10) 주변에 배치된 열전달 부재(90)에 의해 배터리 셀(10)과 모듈 케이스(30) 간의 전기 절연이 유지될 수 있다.
또한 열전도 부재(90)는 배터리 셀들(10)과 모듈 케이스(30) 사이 공간을 충진하는 형태로 배치되므로, 배터리 모듈(100)의 전체적인 강성도 보강될 수 있다.
또한 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 적어도 하나의 차단 부재(80)를 포함할 수 있다.
차단 부재(80)는 어느 하나의 배터리 셀(10)에서 화염이 발생했을 때, 다른 배터리 셀들(10)로 화염이나, 화염에 의한 열이 전파되는 것을 차단하기 위해 구비된다.
일반적으로 배터리 셀은 약 150℃ ~ 200℃의 범위에서 이상이 발생되고, 300℃ 이상에서 가스가 발생된다. 따라서 본 실시예의 차단 부재는 300℃ 이하에서 용융되거나 파손되지 않는 재질로 형성될 수 있다.
차단 부재(80)는 난연 재료, 불연 재료, 또는 내화 단열 재료로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 차단 부재는 무기 재질로 포함할 수 있으며, 예를 들어 운모를 함유하는 시트로 형성될 수 있다.
운모는, 화강암을 구성하는 조암 물질 중 하나로서 우수한 전기 절연성을 가지고 있으며 가열 시 물성의 변화가 매우 적은 특성을 갖는다. 상기　운모는 500~1000℃의 고온에서도 절연 저항이 대략 150kV/mm 수준으로 유지되어 우수한 난연성을 가지며 연소 또는 가열 시에 연기가 발생하지 않는 특성을 갖는다. 이러한 특성들로 인해, 배터리　셀들(10) 사이에　운모　재질을 포함하는 차단 부재(80)를 삽입함으로써 인접한　배터리　셀(10) 간의 열이나 화염의 전이를 방지할 수 있다.
또한 본 실시예의 차단 부재(80)는 배터리 셀(10)로부터 가해지는 압력에 의해 굴곡이 펴지는 형태로 탄성 변형될 수 있다. 그러나 차단 부재(80)를 전체를 운모와 같은 무기 재질로만 형성되는 경우, 차단 부재(80)에 탄성력을 부과하기 어렵다. 이에 본 실시예의 차단 부재(80)는 운모를 사용하여 제조된 균일한 두께를 갖는 시트로 형성될 수 있으며, 운모를 주성분으로 포함하고 바인더를 소량 포함하는 조성물로 제조될 수 있다.
운모는 백운모 또는 금운모를 사용할 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 한편, 바인더 성분은 특별히 한정하지 않으며, 운모 입자를 바인딩하여 시트 형상을 유지하면서 내열성을 갖는 유기 또는 무기 바인더라면 적합하게 사용할 수 있다. 예를 들어, 차단 부재(80)는 1 내지 10중량%의 함량으로 바인더를 포함 할 수 있으며, 이에 운모를 90중량% 이상 포함할 수 있다.
본 실시예에서 바인더로는 높은 내열성을 갖는 실리콘 수지가 이용될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 실리콘으로 베이스 기판을 형성한 후, 베이스 기판의 양면에 운모 입자를 접합하여 차단 부재를 형성하는 등 다양한 변형이 가능하다. 또한 본 발명의 차단 부재(80)가 상기 재질로 한정되는 것은 아니며, 300℃ 이하에서 용융되거나 파손되지 않으며, 탄성을 재공할 수 있는 재질이라면 다양하게 이용될 수 있다.
예컨대, 차단 부재(80)는 세라믹이나 실리콘이 포함되어 내화/단열을 시행 할 수 있는 소재, 규산나트륨(Sodium silicate)을 포함한 겔 형태의 단열재를 박막 위에 도포하거나 이를 이용하여 만들어진 패드(Pad) 형태의 소재, 방염 성능이 있는 세라믹 울(wool)이나 유리 섬유와 같은 섬유 내화 단열재로 형성될 수 있다.
또한 열차단 성능이 있는 세라믹을 포함한 고무 재질로 차단 부재(80)를 구성하거나, 팽창흑연(Expandable graphite)을 함유한 고무 재질로 형성하여 열에 노출 되었을 때 흑연(graphite)이 급격히 팽창하여 단열층을 형성하도록 차단 부재(80)를 구성할 수도 있다.
또한 본 실시예의 차단 부재(80)는 굴곡지게 형성될 수 있으며, 굴곡이 반복되는 파형(wave form) 형상으로 단면이 형성될 수 있다. 이에 차단 부재(80)의 양면은 각각 대면하는 배터리 셀(10)에 부분적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
도 5은 도 4에 도시된 차단 부재의 사시도이고, 도 6은 도 4의 A 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 본 실시예의 차단 부재(80)는 단면이 사인파(sine wave) 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 차단 부재(80)의 양면에 배치되는 배터리 셀(10)을 각각 제1 셀(10a), 제2 셀(10b)로 구분할 때, 차단 부재(80)는 상기한 단면 형상에 따라 제1 셀과 제2 셀을 번갈아 접촉할 수 있다.
또한 상기한 단면 형상에 의해, 차단 부재(80)와 배터리 셀(10) 사이에는 공기 단열층(S)이 형성될 수 있다. 차단 부재(80) 중 제1 셀(10a)과 접촉하는 부분은 제2 셀(10b)과 이격될 수 있으며, 이에 차단 부재(80)와 제2 셀(10b) 사이에는 공기 단열층(S)이 형성될 수 있다. 마찬가지로, 차단 부재(80) 중 제2 셀(10b)과 접촉하는 부분과 제1 셀(10a) 사이에는 공기 단열층(S)이 형성될 수 있다.
한편, 굴곡 없이 편평한 판의 형태로 차단 부재(80)를 구성하는 것도 고려해볼 수 있다. 그러나 이 경우 인접하게 배치되는 두 개의 배터리 셀들(10) 사이에 차단 부재(80)만 배치되므로 단열 성능을 향상시키는 데에 한계가 있다.
반면에 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 인접하게 배치되는 두 개의 배터리 셀들(10) 사이에 차단 부재(80)와 공기 단열층(S)이 함께 배치된다. 공기는 매우 우수한 단열 성능을 제공할 수 있다. 따라서 본 실시예와 같이, 차단 부재(80)와 공기 단열층(S)을 함께 구비하는 경우, 매우 높은 단열 성능을 제공할 수 있다.
또한 본 실시예의 차단 부재(80)는, 상기한 형상으로 인해 배터리 셀(10)이 팽창될 때, 탄성 변형될 수 있다.
도 7은 도 4의 A 부분을 확대하여 도시한 도면으로, 배터리 셀이 팽창된 상태를 도시하고 있다.
도 7을 함께 참조하면, 배터리 스웰링 현상 등으로 인해 배터리 셀(10)이 팽창하면, 본 실시예의 차단 부재(80)는 배터리 셀(10)로부터 가해지는 압력에 의해 굴곡이 펴지는 형태로 탄성 변형될 수 있다.
이 과정에서 차단 부재(80)와 배터리 셀(10) 사이에 형성된 공기 단열층(S)은 부피가 축소되고, 축소된 영역만큼 배터리 셀(10)이 확장 배치될 수 있다.
즉, 본 실시예의 배터리 셀들(10)은 공기 단열층(S)으로 형성된 부피만큼 팽창될 수 있다. 따라서 공기 단열층(S)의 전체 부피는 배터리 셀(10)이 팽창하는 정도를 고려하여 규정될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 배터리 스웰링 현상에 의해 배터리 셀들(10)의 부피가 증가하더라도 이로 인해 셀 적층체(1)의 전체 부피가 증가하는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 본 실시예와 다르게 탄성 변형되지 않는 구조(예컨대 평판 구조)로 차단 부재(80)를 구성하는 것도 고려해 볼 수 있다. 이러한 경우, 배터리 셀(10)이 팽창할 때 셀 적층체(1)의 증가된 부피를 수용할 수 있는 공간이 마련되어야 한다. 일반적으로 스웰링 현상에 의해 배터리 셀들(10)의 증가된 부피를 수용하기 위해 압축 가능한 패드 부재(예컨대, 폼 패드 등)를 배터리 셀 사이에 배치하고 있다.
따라서, 차단 부재(80)가 탄성 변형되지 않는 경우 차단 부재(80)와 배터리 셀 사이에 상기한 패드 부재를 추가적으로 배치할 필요가 있다. 이 경우, 제조 공정이 복잡하고 제조 비용도 증가하는 문제가 있다.
반면에, 전술한 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 상기한 패드 부재 없이 차단 부재만으로 셀 적층체(1)의 증가된 부피를 수용할 수 있는 공간을 제공할 수 있으며, 동시에 공기 단열층을 이용하여 높은 단열 성능도 제공할 수 있다. 따라서, 상기한 패드 부재를 생략할 수 있으므로 제조 공정을 단순화할 수 있으며, 제조 비용도 절감할 수 있다.
또한 본 실시예의 차단 부재(80)는 전술한 열전달 부재(90)에 접촉하도록 배치될 수 있다. 예컨대, 차단 부재(80)는 하부 플레이트(52)와 대면하는 일측이 열전달 부재(90) 내에 삽입될 수 있다. 따라서, 열전달 부재(90)가 경화된 경우, 차단 부재(80)는 열전달 부재(90)에 고정 결합될 수 있다.
이 경우, 전술한 바와 같이 차단 부재(80)가 탄성 변형되면, 차단 부재(80)는 상부 플레이트(40) 측으로 확장될 수 있으며, 이로 인해 셀 적층체(1)의 외부로 돌출되는 부분은 제2 플레이트(40)의 일면에 마련된 삽입 홈(45)에 삽입될 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 차단 부재(80)의 두께(T1)가 과도하게 얇은 경우, 열차단 효과가 저하될 수 있다. 다양한 실험을 통해 운모를 포함하는 차단 부재(80)의 경우, 0.7mm 이상의 두께에서 화염이나 열의 전파가 효과적으로 차단되는 것을 확인하였다. 따라서, 본 실시예의 차단 부재(80)는 두께(T1)가 0.7mm 이상으로 형성될 수 있다.
또한 공기 단열층(S)의 두께(T2)가 과도하게 얇은 경우, 배터리 셀(10)이 팽창할 수 있는 공간이 협소할 수 있다. 이에, 본 실시예에서 공기 단열층(S)의 최대 두께(T2)는 차단 부재(80)의 두께(T1)보다 두껍게 형성될 수 있다. 예컨대, 공기 단열층(S)의 최대 두께(T2)는 차단 부재(80) 두께(T1)의 2배 이상으로 형성될 수 있다. 여기서 공기 단열층(S)의 두께(T2)는, 배터리 셀(10)의 적층 방향(또는 배터리 셀의 두께 방향)에 따른 배터리 셀(10)과 차단 부재(80)의 최대 이격 거리로 규정될 수 있다.
한편 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 적층체(1)와 측면 플레이트(58) 사이에는 완충 패드(88)가 배치될 수 있다. 완충 패드(88)는 차단 부재(80)와 유사하게, 배터리 셀(10)이 팽창할 때 배터리 셀(10)로부터 가해지는 압력에 의해 압축되는 형태로 탄성 변형될 수 있다.
따라서 완충 패드(88)는 배터리 셀(10)의 팽창에 대응하여 탄성 압축되는 폼(foam)의 형태로 형성될 수 있으며, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리우레탄(polyurethane) 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 완충 패드(88) 대신 전술한 차단 부재(80)를 배치하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성되는 본 실시예의 배터리 모듈(100)은, 차단 부재(80)를 통해 화염이나 화염에 의한 열이 다른 배터리 셀(10)로 전파되는 것을 억제할 수 있다. 또한 배터리 셀(10)의 부피가 팽창하는 경우에 차단 부재(80)가 탄성 변형되며 배터리 셀(10)이 팽창할 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 따라서 배터리 셀(10)의 팽창으로 인해 배터리 모듈(100)이 파손되거나 추가적인 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도로, 도 4에 대응하는 단면을 도시하고 있다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈은 단면이 사각파 형상으로 형성될 수 있다. 따라서 전술한 실시예에 비해 차단 부재(80)와 배터리 셀(10)의 접촉 면적이 증가될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 차단 부재(80)는 배터리 셀(10)이 팽창될 때 굴곡이 펴지도록 구성되어야 한다. 이를 위해, 도 7에 도시된 단면을 기준으로, 본 실시예의 차단 부재(80)는 절곡된 부분(θ1, θ2, θ3, θ4)이 모두 둔각을 이루도록 형성될 수 있다.
본 실시예에서 θ1, θ4는 동일한 각도로 형성되고, θ2, θ3도 동일한 각도로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
또한 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수 있다.
100: 배터리 모듈
10: 배터리 셀
20: 냉각 장치
30: 모듈 케이스
40: 제2 플레이트
50: 제1 플레이트
60: 측면 커버
70: 버스바 조립체
80: 차단 부재
90: 열전도 부재

Claims (17)

  1. 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체;
    상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 케이스; 및
    상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 차단 부재;
    를 포함하고,
    상기 차단 부재는 300℃ 이하에서 용융되지 않는 재질로 형성되며, 상기 차단 부재의 단면은 굴곡이 반복되는 형상으로 형성되는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    상기 배터리 셀이 팽창할 때, 상기 배터리 셀로부터 가해지는 압력에 의해 탄성 변형되어 적어도 일부가 상기 셀 적층체의 외부로 돌출되는 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    서로 대면하는 상기 배터리 셀과 상기 차단 부재 사이에는 다수의 공기 단열층이 구비되는 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀은,
    상기 모듈 케이스와 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 열전달 부재를 더 포함하며, 상기 차단 부재는 적어도 일부가 상기 열전달 부재에 삽입되는 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전달 부재는,
    써멀 그리스, 열전도성 접착제, 및 방열 패드로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 형태로 형성되는 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    단면이 사인파(sine wave) 형상으로 형성되는 배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    단면이 사각파 형상으로 형성되는 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    절곡된 부분이 모두 둔각을 이루도록 형성되는 배터리 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    운모(mica)를 포함하는 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    실리콘 수지에 운모 입자를 혼합하여 형성하는 배터리 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는 상기 셀 적층체의 상부에 배치되는 상부 플레이트를 포함하며,
    상기 상부 플레이트는, 상기 차단 부재가 탄성 변형될 때 상기 셀 적층체의 외부로 돌출되는 부분이 삽입되는 삽입 홈을 적어도 하나 구비하는 배터리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 삽입 홈은 상기 차단 부재와 대면하는 위치에 형성되며,
    하나의 삽입 홈에는 하나 또는 다수의 차단 부재가 삽입되는 배터리 시스템.
  13. 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체;
    상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 케이스; 및
    상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 차단 부재;
    를 포함하고,
    상기 배터리 셀이 팽창할 때, 상기 배터리 셀로부터 가해지는 압력에 의해 탄성 변형되어 적어도 일부가 상기 셀 적층체의 외부로 돌출되는 배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 모듈 케이스는,
    상기 차단 부재 중 상기 셀 적층체의 외부로 돌출되는 부분이 삽입되는 삽입 홈을 적어도 하나 구비하는 배터리 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    굴곡이 반복되는 형상으로 단면이 형성되는 배터리 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    단면이 파형 형상으로 형성되는 배터리 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    운모(mica)를 포함하는 배터리 시스템.
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