KR20230124260A - 화염 전파 차단 구조를 구비한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

화염 전파 차단 구조를 구비한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하고 적어도 일측에 가스 벤팅홀을 구비하는 모듈 케이스; 및 가스 흐름을 미리 정해진 경로를 따라 안내하는 가스 배출 통로를 내부에 구비한 판상으로 마련되고 상기 가스 배출 통로가 상기 가스 벤팅홀과 연통하도록 상기 모듈 케이스의 외측에 결합되는 가스 벤팅 패널을 포함한다.

Description

화염 전파 차단 구조를 구비한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery module having flame propagation blocking structure and battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈의 내부 발화시 발생한 가스가 외부로 벤팅될 수 있도록 하되 화염이나 고온의 파티클 등은 외부로 유출되지 않도록 하여 인접한 다른 배터리 모듈들의 연쇄발화를 방지 내지 최대한 지연시키기 위한 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 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.
이에, 다양한 디바이스에 대한 이차전지의 적용이 증가하고 있다. 예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
최근 많이 사용하고 있는 리튬 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 리튬 이차전지들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용한다.
전기자동차에 요구되는 배터리 팩의 출력이나 용량에 따라 하나의 배터리 모듈에 들어가는 리튬 이차전지의 개수가 증가하거나 하나의 배터리 팩에 들어가는 배터리 모듈의 개수가 증가할 수 있다.
그러나 이처럼 많은 개수의 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩의 경우, 화재 및 폭발이 발생하는 경우 그 피해는 더욱 커질 수 밖에 없다.
예컨대, 일부 배터리 모듈에서 리튬 이차전지 간의 쇼트 또는 비이상적 온도 상승 등과 같은 이벤트가 발생할 경우, 상기 리튬 이차전지들에서 다량의 벤팅 가스가 발생할 수 있으며, 열화가 심화되면 화염과 전극 활물질과 알루미늄 입자 등을 포함한 고온의 파티클이 발생할 수 있으며, 상기 화염과 고온의 파티클은 벤팅 가스와 더불어 해당 배터리 모듈의 외부 분출될 수 있다. 이렇게 분출된 화염과 고온의 스파크는 발화한 배터리 모듈과 인접한 다른 배터리 모듈에 열적 데미지를 주어 다른 배터리 모듈들의 발화를 촉진시킨다.
따라서 특히 화재 안전성 확보가 중요한 차량용 배터리 팩의 경우, 배터리 모듈들의 연쇄발화 내지 폭발 위험을 방지 내지 최대한 지연시키기 위해서 최초 발화한 배터리 모듈에서 화염과 고온의 스파크 등이 해당 배터리 모듈의 외부로 쉽게 배출되지 않도록 설계하는 것이 중요하다.
본 발명의 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 내부 발화시 발생한 가스가 외부로 벤팅될 수 있도록 하되 화염이나 고온의 파티클 등은 외부로 쉽게 유출되지 않도록 한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
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.
본 발명에 따르면, 복수의 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하고 적어도 일측에 가스 벤팅홀을 구비하는 모듈 케이스; 및 가스 흐름을 미리 정해진 경로를 따라 안내하는 가스 배출 통로를 내부에 구비한 판상으로 마련되고 상기 유로가 상기 가스 벤팅홀과 연통하도록 상기 모듈 케이스의 외측에 결합되는 가스 벤팅 패널을 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 모듈 케이스는, 사각 관형으로 상판, 하판, 양쪽 측면판 및 길이방향에 따른 적어도 일단부가 개방되어 형성된 개방단부를 구비하고 상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하는 케이스 본체; 및 상기 케이스 본체의 상기 개방단부를 커버하며 상기 케이스 본체에 결합되는 케이스 커버;를 포함하고, 상기 가스 벤팅홀은 상기 개방단부와 교차하는 상기 케이스 본체의 상판 에지 영역에 마련될 수 있다.
상기 케이스 커버는 상기 케이스 본체의 상판보다 더 높게 확장 형성된 확장판부를 구비하고, 상기 가스 벤팅 패널은 상기 케이스 본체의 상판 전체를 커버하고 상기 확장판부에 결합될 수 있다.
상기 가스 벤팅 패널은, 내부에 길이 방향을 따라 연장 형성된 상기 가스 배출 통로를 구비하고 상기 케이스 본체의 상판에 대응하는 사이즈의 판상체 형태로 형성된 덕트부; 상기 케이스 본체에 대향하는 상기 덕트부의 일면에 구비되는 가스 인렛부; 및 상기 덕트부의 일면에 반대되는 상기 덕트부의 타면에 구비되는 가스 아웃렛부를 포함할 수 있다.
상기 가스 인렛부는 상기 덕트부의 길이 방향에 따른 중심부에 구비되고, 상기 가스 아렛부는 상기 덕트부의 길이 방향에 따른 단부에 구비될 수 있다.
상기 덕트부는 내부 공간을 구획화하는 복수 개의 격판들을 구비할 수 있다.
상기 가스 배출 통로는 상기 복수 개의 격판들 사이마다 구비되고 상기 가스 인렛부에서 상기 가스 아웃렛부까지 연장 형성될 수 있다.
상기 덕트부는 상기 케이스 본체의 상판에 장착시 상기 덕트부의 일면과 상기 케이스 본체의 상판 사이에 가스 유동 공간이 형성되도록 구성될 수 있다.
상기 덕트부는 너비 방향에 따른 양쪽 모서리 영역이 다른 부분보다 두께 방향으로 확장 형성되어 상기 케이스 본체의 상판에 장착시 상기 덕트부의 일면이 상기 케이스 본체의 상판으로부터 소정 간격 이격되도록 구성될 수 있다.
상기 가스 인렛부와 상기 가스 벤팅홀은 상하로 불일치하고 서로 수평 방향으로 가장 멀리 떨어진 곳에 위치하도록 구성될 수 있다.
상기 가스 벤팅 패널은, 상기 케이스 본체의 상판을 커버하며 길이 방향에 따른 양단부가 상기 케이스 커버의 상기 확장판부에 용접될 수 있다.
상기 가스 벤팅 패널은, 소정의 압력에 의해 찢어질 수 있는 소재로 상기 가스 아웃렛부를 커버하도록 마련된 파열막을 더 포함할 수 있다.
상기 가스 벤팅홀, 상기 가스 인렛부 및 상기 가스 아웃렛부 중 적어도 어느 하나는 메쉬망으로 차폐될 수 있다.
상기 배터리 셀들은 파우치형 배터리 셀들이며 일 방향으로 적층된 형태로 제공될 수 있다.
상기 가스 벤팅홀은 상기 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들이 위치하는 영역의 상부에 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈의 내부 발화시 가스가 외부로 벤팅될 수 있고 화염이나 고온의 파티클 등은 외부로 유출되지 않도록 할 수 있다.
따라서 본 발명의 배터리 모듈에 의하면, 발화한 배터리 모듈에 인접한 다른 배터리 모듈들이나 구조물에 화염이나 고온의 스파크가 옮겨붙어 화재가 확산되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 주요 구성품들에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈에서 가스 벤팅 패널을 분리한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 패널의 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4의 K영역 확대도이다.
도 6은 도 4의 가스 벤팅 패널을 아래에서 위로 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 케이스와 가스 벤팅 패널의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 발화시 가스 배출 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 가스 벤팅 패널의 개략적인 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 가스 벤팅 패널을 분리한 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 아니 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 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 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 주요 구성품들에 대한 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 배터리 모듈에서 가스 벤팅 패널을 분리한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(111)들을 적층하여 형성한 셀 어셈블리(100), 셀 어셈블리(100)를 수용하기 위한 모듈 케이스(200), 발화시 가스 배출을 위한 가스 벤팅 패널(300)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 가스 벤팅 패널(300)을 구비하고 있어 내부 발화시 가스가 외부로 원활히 배출될 수 있다. 배터리 모듈(10)의 내부 발화시 가스를 외부로 배출시킴으로써 배터리 모듈(10)의 내부 압력이 급격히 상승하지 않게 되고 이에 따라 배터리 모듈(10)의 폭발 내지 모듈 케이스(200)의 붕괴를 막을 수 있다.
또한, 자세히 후술하겠으나, 상기 가스 벤팅 패널(300)은 화염이나 고온의 파티클 등은 쉽게 빠져나갈 수 없는 가스 배출 통로(311)를 내부에 구비한다. 이에 배터리 팩을 구성할 때, 본 발명의 배터리 모듈(10)과 인접한 다른 배터리 모듈(미도시)이나 구조물은 본 발명의 배터리 모듈의 내부 발화로 인한 열적 영향을 적게 받을 수 있다. (여기서 상기 고온의 파티클은 배터리 셀(111) 내부의 전극에서 탈리된 활물질이나 용융된 알루미늄 입자 등을 의미한다.)
이러한 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 주요 구성들 중 셀 어셈블리(100)에 대해 먼저 살펴보면, 상기 셀 어셈블리(100)는 셀 적층체(110), 버스바 프레임(120), 다수의 버스바(130)들을 포함한다.
상기 셀 적층체(110)는 복수 개의 배터리 셀(111)들을 적층하여 형성한 배터리 셀(111)들의 집합체이다. 즉, 상기 셀 적층체(110)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 넓은 면이 세워져 일 방향(X 방향)으로 적층된 복수 개의 파우치형 배터리 셀(111)들로 구성될 수 있다.
상기 파우치형 배터리 셀(111)은 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스 및 전극 조립체와 연결되며 파우치 케이스의 외측으로 인출되어 전극 단자로 기능하는 한 쌍의 전극 리드(112)를 포함한다. 상기 한 쌍의 전극 리드(112)는, 배터리 셀(111)의 길이 방향(±Y 방향)으로 서로 반대 방향으로 인출된다.
필요에 따라 상기 파우치형 배터리 셀(111)은 전극 리드(112)가 Y축 방향 일단, 이를테면 +Y축 방향의 단부에만 위치하는 형태를 가질 수도 있다. 한편, 본 발명은 이러한 배터리 셀(111)의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 셀(111)이 본 발명의 셀 적층체(110)를 구성하는데 채용될 수 있다.
버스바 프레임(120)은 전기 절연성 소재로 사출 성형될 수 있고 상기 셀 적층체(110)의 전방(+Y방향) 또는 후방(-Y방향)을 커버할 수 있는 사이즈의 판상체 형태로 마련된다.
또한, 상기 버스바 프레임(120)은 파우치형 배터리 셀(111)의 전극 리드(112)를 +Y축 또는 -Y축 방향으로 통과시킬 수 있는 다수의 리드 슬롯들을 구비한다. 상기 다수의 리드 슬롯들은 배터리 셀(111)들의 적층 방향(X 방향)을 따라 구비될 수 있다.
본 실시예의 버스바 프레임(120)은 다수의 버스바(130)들을 고정시킬 수 있게 구성되고, 미도시 하였으나 버스바(130)들 윗쪽 공간에 커넥터나 기타 인쇄회로기판(PCB) 등과 같은 추가 부품을 설치할 수 있고 상기 추가 부품들을 지지 및 고정시키기 위한 지지 플레이트를 갖도록 구성될 수 있다.
다수의 버스바(130)들은 전기 전도성 재질 이를테면 구리, 알루미늄, 니켈 등과 같은 금속으로 제작되고, 정해진 개수의 배터리 셀(111)들의 전극 리드(112)들이 정해진 버스바(130)의 표면에 용접되어 고정되고 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 버스바(130)들은 전극 리드(112)를 통과시킬 수 있게 가운데가 뚫려 있는 직사각 막대 형상으로 마련되고, 뚫려 있는 부분이 버스바 프레임(120)의 리드 슬롯과 연통하도록 버스바 프레임(120)에 배치된다.
또한, 상기 버스바(130)들은 배터리 셀(111)들의 적층 방향과 같은 방향을 따라 상기 버스바 프레임(120)에 배치된다. 소정의 배터리 셀(111)들은 전극 리드(112)들이 포개져 대응하는 위치의 리드 슬롯을 통해 버스바 프레임(120)을 전후로 통과하여 버스바(130) 앞으로 인출되고 이렇게 인출된 부분은 절곡되어 버스바(130)의 표면에 고정되게 용접될 수 있다.
모듈 케이스(200)는, 셀 어셈블리(100)를 외부 충격 등으로부터 보호하기 위한 구성요소로서 바람직하게는 기계적 강성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 본 실시예에 따른 모듈 케이스(200)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 케이스 본체(210)와 케이스 커버(220)를 포함한다.
케이스 본체(210)는 상판(211), 하판(212), 양쪽 측면판(213,214) 그리고 길이 방향 양쪽 끝이 오픈된 개방단부(O)를 구비하고 내부가 비어 있는 사각 관 형상으로 이루어지고 셀 어셈블리(100)를 길이 방향을 따라 내부에 삽입할 수 있게 마련될 수 있다. 즉, 케이스 본체(210)는 그 내부에 셀 어셈블리(100)를 슬라이드 내지 억지 끼움 방식으로 삽입시킬 수 있게 구성될 수 있다.
이러한 케이스 본체(210)를 적용한 배터리 모듈(10)은 케이스 본체(210)의 상판(211)과 셀 적층체(110)의 상단 사이에 갭이 거의 없고, 케이스 본체(210)의 하판과 셀 적층체(110)의 하단(212) 사이에도 갭이 거의 없으며, 케이스 본체(210)의 양쪽 측면판(213,214)과 셀 적층체(110)의 양쪽 측부에 사이에도 갭이 거의 없도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 케이스 본체(210)는 가스 벤팅홀(211a, 211b)을 구비한다. 이를테면, 도 2와 같이 상기 가스 벤팅홀(211a, 211b)은 케이스 본체(210)의 개방단부와 교차하는 상기 케이스 본체(210)의 상판(211) 에지 영역에 마련될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(111)의 경우 열 폭주시 내부에 가스가 발생하여 부풀어 오르고 이것이 심화하면 실링 처리된 측부가 찢어져 가스와 고온의 파티클이 분출될 수 있다. 특히, 충방전시 열이 많이 발생하는 전극 리드(112) 부위가 발화할 가능성이 높고 해당 부위에서 가스가 많이 발생한다. 따라서 가스 배출의 원활을 위해 전극 리드(112)들이 위치하는 영역의 상부에 가스 벤팅홀(211a, 211b)을 마련하는 것이 바람직하다. 이에 본 실시예는 케이스 본체(210)의 개방단부(O)에 가까운 케이스 본체(210)의 상판(211)에 가스 벤팅홀(211a, 211b)이 마련되어 있다.
케이스 커버(220)는 전극 리드(112)들과 버스바(130)들이 전기적으로 연결된 부분을 차폐하며 케이스 본체(210)의 개방단부(O)를 커버하며 상기 케이스 본체(210)에 결합될 수 있게 마련될 수 있다. 상기 케이스 커버(220)는 예컨대 안쪽은 절연 소재로 이루지고 바깥쪽은 금속 소재로 이루어져 있어 상기 케이스 본체(210)의 개방단부(O)와 용접 가능하게 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 케이스 커버(220)는, 도 3에 'D'로 표시한 바와 같이, 케이스 본체(210)의 상판(211)보다 더 높게 확장 형성된 확장판부(221)를 구비한다. 상기 확장판부(221)는 후술할 가스 벤팅 패널(300)을 용접 또는 볼트 체결하고 가스 유동 공간(G)을 밀폐시키기 위한 파트로 사용될 수 있다.
가스 벤팅 패널(300)은 배터리 모듈(10)의 내부 발화시 가스를 배출시키되 화염이나 고온의 파티클은 외부로 유출되지 않도록 차단하기 위해 모듈 케이스(200)의 외측에 장착되는 구성요소이다.
상기 가스 벤팅 패널(300)은 가스 흐름을 미리 정해진 경로를 따라 안내하는 가스 배출 통로(311)를 내부에 구비한 판상으로 마련되고 가스 벤팅홀(211a, 211b)과 연통하도록 모듈 케이스(200)의 외측 즉 케이스 본체(210)의 상판(211)위에 배치될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 가스 벤팅 패널(300)은 케이스 본체(210)의 상판 전체를 커버하고 상기 확장판부(221)에 용접 결합 또는 볼트 결합되어 고정될 수 있다. 특히, 가스 벤팅 패널(300)은 케이스 본체(210)의 상판을 커버하며 길이 방향에 따른 양단부가 케이스 커버(220)의 확장판부(221)에 용접됨으로써 케이스 본체(210)의 상판, 케이스 커버(220)의 확장판부(221) 및 가스 벤팅 패널(300)에 의해 둘러싸인 밀폐된 가스 유동 공간(G)이 확보될 수 있다.
보다 구체적으로 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 가스 벤팅 패널(300)을 살펴보면, 상기 가스 벤팅 패널(300)은 덕트부(310), 가스 인렛부(320), 가스 아웃렛부(330)를 포함한다.
상기 덕트부(310)는 내부에 길이 방향(±Y방향)을 따라 연장 형성된 가스 배출 통로(311)를 구비하고 케이스 본체(210)의 상판에 대응하는 사이즈의 속이 빈 판상체 형태로 마련될 수 있다. 즉, 상기 덕트부(310)는 길이와 너비가 케이스 본체(210)의 상판의 길이와 너비에 대응하고 내부에 가스가 유동할 수 있는 빈 공간을 구비한다.
상기 공간은 가스 벤팅 패널(300)의 너비 방향(±X방향)으로 상호 이격되고 길이 방향(±Y방향)으로 상기 덕트부(310)의 일단에서 타단까지 연장된 복수 개의 격판(312)들에 의해 구획된다. 이렇게 격벽들에 의해 구획된 공간이 복수 개의 길고 좁은 가스 배출 통로(311)를 형성한다. 따라서 가스 배출 통로(311)는 상기 복수 개의 격판(312)들 사이마다 복수 개가 구비되고, 각 가스 배출 통로(311)는 가스 인렛부(320)에서 가스 아웃렛부(330)까지 구획 및 분리된 형태로 연장 형성된다.
상기와 같은 덕트부(310) 구성에 의하면, 가스와 함께 이동하게 되는 고온의 파티클 또는 화염은 상기 여러 개의 길고 좁은 가스 배출 통로(311)를 이동하는 과정에서 병목 내지 트랩되기 쉬워 이동이 제한되거나 소멸할 수 있다. 또한 본 실시예의 구성으로는 생략했으나, 고온의 파티클 또는 화염의 이동을 억제하기 위한 방편으로 상기 가스 배출 통로(311), 가스 인렛부(320), 가스 아웃렛부(330) 중 적어도 어느 한 곳에 금속 메쉬망을 추가할 수도 있다.
가스 인렛부(320)는 케이스 본체(210)에 대향하는 덕트부(310)의 일면(310b)에 구비되고 가스 아웃렛부(330)는 상기 덕트부(310)의 일면(310b)에 반대되는 상기 덕트부(310)의 타면(310a)에 구비된다. 즉, 도 6과 같이, 가스 인렛부(320)는 덕트부(310)의 저면(310b)에 구비되고 가스 아웃렛부(330)는 도 4와 같이, 덕트부(310)의 상면에 구비된다. 따라서 본 실시예에 따른 가스 벤팅 패널(300)에 의하면 가스가 가스 벤팅 패널(300)의 저면 중앙으로 들어와, 가스 벤팅 패널(300)의 상면 양단부에서 빠져나갈 수 있다.
특히, 가스 인렛부(320)는 가스 벤팅홀(211a, 211b)과 상하로 불일치하고 서로 수평 방향으로 가장 멀리 떨어진 곳에 위치하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 본 실시예의 경우 상기 가스 인렛부(320)는 덕트부(310)의 저면(310b) 중 길이 방향에 따른 중심부에 마련된다. 이처럼 케이스 본체(210)의 상판(211)의 양쪽 에지 영역에 구비되어 있는 가스 벤팅홀(211a, 211b)들과 수평 방향으로 가장 먼 위치에 가스 인렛부(320)가 위치하도록 함으로써 고온의 파티클 또는 화염이 상기 가스 인렛부(320)로 쉽게 유입되지 않도록 한다.
그리고 가스 아웃렛부(330(A), 330(B))는 2개로 구성되고, 덕트부(310)의 상면 중 길이 방향에 따른 양단부에 마련된다. 위와 마찬가지로 상기 가스 인렛부(320)에서 수평 방향으로 가장 먼 위치에 가스 아웃렛부(330(A), 330(B))가 위치하도록 함으로써 외부로 가스가 배출되기까지 최대한 가스 배출 통로(311)의 길이를 연장하여 혹여 상기 고온의 파티클 또는 화염이 가스 인렛부(320)를 통해 덕트부(310)로 유입되더라도 가스 아웃렛부(330(A), 330(B))까지 쉽게 도달하지 못하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트부(310)는 상기 케이스 본체(210)의 상판에 작창시 덕트부(310)의 일면(310b)과 상기 케이스 본체(210)의 상판(211) 사이에 소정의 갭 내지 가스 유동 공간(G)이 형성될 수 있게 마련된다.
즉, 도 1, 도 6, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 덕트부(310)는 너비 방향에 따른 양쪽 모서리 영역(310c, 310d)이 다른 부분보다 두께 방향으로 확장 형성되어 상기 케이스 본체(210)의 상판에 장착시 상기 덕트부(310)의 일면이 상기 케이스 본체(210)의 상판으로부터 소정 간격 이격되도록 구성된다.
가스 벤팅 패널(300)을 모듈 케이스(200)에 장착시, 상기 덕트부(310)의 너비 방향에 따른 양쪽 모서리 영역(310c,310d)은 케이스 본체(210)의 상판(211)의 장변 모서리 라인을 따라 용접되고 상기 덕트부(310)의 길이 방향에 따른 양단부는 케이스 커버(220)의 확장판부(221)의 테두리 라인을 따라 용접될 수 있다. 그러면 케이스 본체(210)의 상판(211)과 덕트부(310)의 저면(310b) 사이에 가스가 유동할 수 있는 소정의 갭 내지 가스 유동 공간(G)이 마련될 수 있으며, 상기 가스 유동 공간(G)의 전,후,좌,우 방향은 케이스 커버(220)의 확장판부(221)와 덕트부(310)의 양쪽 모서리 영역(310c, 310d)에 의해 차폐될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 발화시 가스 배출 흐름을 나타낸 도면이다.
상술한 바와 같이, 가스 벤팅 패널(300)이 모듈 케이스(200)의 상판(211)과 확장판부(221)에 결합된 구성에 의하면, 배터리 모듈(10) 내부에 가스 및 화염이 발생한 상황에서, 가스는 도 8에 화살표시와 같이, 가스 유동 공간(G)과 가스 벤팅 패널(300)을 따라 이동하며 2개의 가스 아웃렛부(330(A),330(B))를 통해 배터리 모듈(10)의 외부로 빠져나갈 수 있다.
그러나 화염이나 고온의 파티클은 도 8과 같이, 가스 유동 공간(G)과 가스 배출 통로(311)가 이중층 구조로 이루어져 있어 가스 아웃렛부(330(A),330(B))까지 도달 경로가 길고 복잡해 외부로 방출되기 어렵다.
부연하면, 가스 벤팅홀(211a, 211b)의 연직 상부는 가스 벤팅 패널(300)에 막혀 있어 가스 벤팅홀(211a, 211b)에서 연직 상부 방향으로 화염이나 고온의 파티클이 토출되더라도 1차적으로 가스 벤팅 패널(300)에 부딪혀 다시 낙하되는 등 이동이 제한될 수 있다. 또한, 덕트부(310)의 저면(310b) 중심부에 가스 인렛부(320)가 위치해 있어 화염과 파티클이 상기 가스 인렛부(320)로 쉽게 유입되지 못한다. 나아가 가스 인렛부(320)의 사이즈를 가능한 작게 형성하거나 본 실시예와 달리 가스 인렛부(320)의 너비 방향 폭을 크게 줄이면, 화염이나 고온의 파티클이 가스 인렛부(320)로 유입되기기 더욱 어려울 수 있다. 미도시 하였으나, 예컨대 도 6의 가스 인렛부(320)에 미세 구멍들을 갖는 메쉬망을 적용하여 화염과 고온의 파티클이 가스 벤팅 패널(300)로 들어가기 더 어렵게 구성할 수도 있다.
이처럼 화염이나 고온의 파티클이 상기 가스 유동 공간(G)을 거쳐 가스 인렛부(320)를 통해 가스 벤팅 패널 내부로 유입된다고 가정한다 하여도, 화염은 가스 벤팅 패널(300)의 내부에서 트랩되어 소멸하고 고온의 파티클은 길고 좁게 형성되어 있는 가스 배출 통로(311)의 벽면에 반복적으로 충돌하여 열기를 잃어 이동하는 과정에서 온도가 저감되고 최종적으로 가스 아웃렛을 통해 외부로 토출되는 양은 크게 줄어들수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 구성 내지 그 적용 구조에 따르면, 배터리 모듈(10)의 내부 발화시 화염이나 고온의 파티클 등의 외부 유출을 방지하며 가스를 외부로 배출시킬 수 있다. 이에 발화한 배터리 모듈(10)에 인접한 다른 배터리 모듈(10)들이나 구조물에 화염이나 고온의 스파크가 옮겨붙어 화재가 확산되는 것을 방지할 수 있다.
이어서 도 9와 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 가스 벤팅 패널(300A)의 개략적인 사시도이고, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 가스 벤팅 패널(300)을 분리한 도면이다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 도 9와 같은 가스 벤팅 패널(300A)을 포함한다. 즉 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은, 전술한 실시예와 비교할 때, 가스 벤팅 패널(300A)에 차이가 있다.
구체적으로 도 9의 실시 구성에 따른 가스 벤팅 패널(300A)은, 가스 아웃렛부(330(A),330(B))에 파열막(400)이 적용된 것이 특징이라 할 수 있다. 상기 파열막(400)은 가스 압력에 의해 찢어져 개방될 수 있는 소재로 상기 가스 아웃렛부(330(A),330(B))를 커버하며 탈부착 가능하게 마련될 수 있다. 예컨대 상기 파열막(400)은 알루미늄 또는 플라스틱 소재로 1mm 정도의 박판 형태로 제공될 수 있다.
위와 같은 구성에 의하면 평상시에는 배터리 모듈(10)의 내부로 수분이나 이물질이 침투하는 것을 막을 수 있고, 배터리 모듈(10)의 내부 화재시에는 파열막(400)이 개방되어 가스를 배터리 모듈(10)의 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 도 1의 실시 구성에 따른 배터리 모듈(10)과 비교할 때, 가스 벤팅홀(211a, 211b), 가스 인렛부(320) 및 가스 아웃렛부(330) 중 적어도 어느 하나가 메쉬망(217,340)으로 덮힌 것에 차이가 있다.
예컨대, 도 10에 도시한 바와 같이, 가스 벤팅홀(211a, 211b)은 제1 메쉬망(217)으로 커버되고 가스 아웃렛부(330(A),330(B))는 제2 메쉬망(340)으로 커버될 수 있다. 상기 제1 메쉬망(217)과 상기 제2 메쉬망(340)은 열에 의해 쉽게 용융되지 않는 금속으로 형성될 수 있다.
이처럼 제1 메쉬망(217)과 제2 메쉬망(340)을 각각 가스 벤팅홀(211a, 211b)과 가스 아웃렛부(330(A),330(B))에 적용함으로써 가스와 함께 화염이나 고온의 파티클이 전술한 실시예들보다 상기 가스 벤팅홀(211a, 211b)이나 가스 아웃렛부(330(A),330(B))를 쉽게 통과하지 못하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈의 충방전을 통합 제어하기 위한 마스터 BMS (Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등과 상술한 구성품을 수용하기 위한 팩 케이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 에너지 저장 디바이스에 적용되거나, 전기 스쿠터, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 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.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10: 배터리 모듈 100: 셀 어셈블리
110: 셀 적층체 111: 배터리 셀
112: 전극 리드 120: 버스바 프레임
130: 버스바 200: 모듈 케이스
210: 케이스 본체 211a, 211b: 가스 벤팅홀
220: 케이스 커버 221: 확장판부
300: 가스 벤팅 패널 310: 덕트부
311: 가스 배출 통로 312: 격판
320: 가스 인렛부 330: 가스 아웃렛부
400: 파열막 G : 가스 유동 공간

Claims (16)

  1. 복수의 배터리 셀들;
    상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하고 적어도 일측에 가스 벤팅홀을 구비하는 모듈 케이스; 및
    가스 흐름을 미리 정해진 경로를 따라 안내하는 가스 배출 통로를 내부에 구비한 판상으로 마련되고 상기 가스 배출 통로가 상기 가스 벤팅홀과 연통하도록 상기 모듈 케이스의 외측에 결합되는 가스 벤팅 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는,
    사각 관형으로 상판, 하판, 양쪽 측면판 및 길이방향에 따른 적어도 일단부가 개방되어 형성된 개방단부를 구비하고 상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하는 케이스 본체; 및
    상기 케이스 본체의 상기 개방단부를 커버하며 상기 케이스 본체에 결합되는 케이스 커버;를 포함하고,
    상기 가스 벤팅홀은 상기 개방단부와 교차하는 상기 케이스 본체의 상판 에지 영역에 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이스 커버는 상기 케이스 본체의 상판보다 더 높게 확장 형성된 확장판부를 구비하고,
    상기 가스 벤팅 패널은 상기 케이스 본체의 상판 전체를 커버하고 상기 확장판부에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 패널은,
    내부에 길이 방향을 따라 연장 형성된 상기 가스 배출 통로를 구비하고 상기 케이스 본체의 상판에 대응하는 사이즈의 판상체 형태로 형성된 덕트부;
    상기 케이스 본체에 대향하는 상기 덕트부의 일면에 구비되는 가스 인렛부; 및
    상기 덕트부의 일면에 반대되는 상기 덕트부의 타면에 구비되는 가스 아웃렛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스 인렛부는 상기 덕트부의 길이 방향에 따른 중심부에 구비되고, 상기 가스 아렛부는 상기 덕트부의 길이 방향에 따른 단부에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 덕트부는 내부 공간을 구획화하는 복수 개의 격판들을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스 배출 통로는 상기 복수 개의 격판들 사이마다 구비되고 상기 가스 인렛부에서 상기 가스 아웃렛부까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 덕트부는 상기 케이스 본체의 상판에 장착시 상기 덕트부의 일면과 상기 케이스 본체의 상판 사이에 가스 유동 공간이 형성되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 덕트부는 너비 방향에 따른 양쪽 모서리 영역이 다른 부분보다 두께 방향으로 확장 형성되어 상기 케이스 본체의 상판에 장착시 상기 덕트부의 일면이 상기 케이스 본체의 상판으로부터 소정 간격 이격되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 가스 인렛부와 상기 가스 벤팅홀은 상하로 불일치하고 서로 수평 방향으로 가장 멀리 떨어진 곳에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 패널은, 상기 케이스 본체의 상판을 커버하며 길이 방향에 따른 양단부가 상기 케이스 커버의 상기 확장판부에 용접된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 패널은,
    소정의 압력에 의해 찢어질 수 있는 소재로 상기 가스 아웃렛부를 커버하도록 마련된 파열막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 가스 벤팅홀, 상기 가스 인렛부 및 상기 가스 아웃렛부 중 적어도 어느 하나는 메쉬망으로 덮힌 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 파우치형 배터리 셀들이며 일 방향으로 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가스 벤팅홀은 상기 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들이 위치하는 영역의 상부에 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
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