KR20230144282A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20230144282A
KR20230144282A KR1020220043356A KR20220043356A KR20230144282A KR 20230144282 A KR20230144282 A KR 20230144282A KR 1020220043356 A KR1020220043356 A KR 1020220043356A KR 20220043356 A KR20220043356 A KR 20220043356A KR 20230144282 A KR20230144282 A KR 20230144282A
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이현수
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀; 및 미리 설정된 발화 온도에서 발포 가스를 발생하는 발포층 및 상기 발포층을 감싸는 보호층을 갖는 다수의 발포부, 상기 발포부의 외부에 구비되는 판상의 난연성 시트를 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 각각 배치되는 열 흡수부재를 포함하고, 상기 배터리 셀 및 상기 열 흡수부재를 수용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 온도에 따라 체적이 팽창하는 발포층을 갖는 절연 부품을 셀 사이에 배치함으로써 하나의 셀이 발화되어도 주변의 셀에 열과 불꽃의 전파를 지연 및 차단시킬 수 있다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명의 실시예는 셀의 발화 시 주변의 셀에 열이나 불꽃의 전파를 방지할 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
전기 자동차는 수십 개 내지 수천 개의 배터리 셀을 포함한다. 일반적으로, 다수의 셀이 열과 진동 등 외부 충격으로부터 보호될 수 있도록 하나의 프레임 내부에 수용되며, 이는 배터리 모듈로 지칭된다. 또한, 다수의 배터리 모듈에 온도, 전압 등을 관리해주는 배터리 관리 시스템과 냉각 장치 등이 추가될 수 있으며, 이는 배터리 팩으로 지칭된다.
다수의 셀이 하나의 프레임 내에 수용되므로, 하나의 셀이 발화되면 열과 불꽃이 인접한 셀로 번져 배터리 모듈 전체가 발화되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 예는 셀의 발화 시 주변의 셀에 열이나 불꽃의 전파를 방지할 수 있는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀; 및 미리 설정된 발화 온도에서 발포 가스를 발생하는 발포층 및 상기 발포층을 감싸는 보호층을 갖는 다수의 발포부, 상기 발포부의 외부에 구비되는 판상의 난연성 시트를 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 각각 배치되는 열 흡수부재를 포함하고, 상기 배터리 셀 및 상기 열 흡수부재를 수용할 수 있다.
상기 발포부는 버블 형상인 것이 특징이다.
상기 난연성 시트는 한 쌍으로 구비되는 것이 특징이다.
상기 발포부는 상기 난연성 시트의 사이에 다수 개가 판 형상으로 배치되는 것이 특징이다.
상기 난연성 시트는 MICA 소재인 것을 특징으로 한다.
상기 보호층은 열 가소성 수지인 것을 특징으로 한다.
상기 보호층은 아크릴계 수지를 포함할 수 있다.
상기 발포층은 부탄 또는 펜탄인 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 셀은 단자가 제공되는 캡 어셈블리와, 상기 캡 어셈블리의 반대면인 하면과, 상기 하면을 연결하는 장측면과, 상기 하면 및 상기 장측면을 연결하는 단측면을 가지며, 상기 열 흡수부재는 상기 장측면을 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 온도에 따라 체적이 팽창하는 발포층을 갖는 절연 부품을 셀 사이에 배치함으로써 하나의 셀이 발화되어도 주변의 셀에 열과 불꽃의 전파를 지연 및 차단시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이다.
도 2a는 도 1에 따른 배터리 셀 및 열 흡수부재를 도시한 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 따른 열 흡수부재 내 발포부를 개념적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 도 1에 따른 열 흡수부재의 설치 상태의 측면을 도시한 모식도이다.
도 4는 도 3에 따른 배터리 셀의 발화 시 열 흡수부재의 작동 전 상태를 도시한 모식도이다.
도 5a 내지 도 5c는 배터리 셀의 발화 시 열 흡수부재의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 배터리 모듈에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이다. 도 2a는 도 1에 따른 배터리 셀 및 열 흡수부재를 도시한 사시도이다. 도 2b는 도 2a에 따른 열 흡수부재 내 발포부를 개념적으로 도시한 모식도이다. 도 3은 도 1에 따른 열 흡수부재의 설치 상태의 측면을 도시한 모식도이다.
도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(100)은 다수의 배터리 셀(110)과, 배터리 셀(110)을 수용하는 모듈 프레임(120)과, 모듈 프레임(120)을 커버하는 모듈 커버(130)를 포함할 수 있다. 각 배터리 셀(110)의 사이에는 열 흡수부재(140)가 삽입될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(110)은 다수 개가 일렬로 배치될 수 있다. 예시적으로, 배터리 셀(110)은 셀 케이스 내에 전극 조립체가 삽입된 상태에서 양극 및 음극 단자(1122)가 구비된 캡 어셈블리(112)가 셀 케이스(114)의 상부에 결합된 형태일 수 있다. 셀 케이스(114)는 캡 어셈블리의 반대면인 하면, 상대적으로 면적이 넓은 장측면, 상대적으로 면적이 작은 단측면을 구비할 수 있다. 다수의 배터리 셀(110)은 이웃한 장측면이 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 예시적으로, 배터리 셀(110)의 셀 케이스는 각형, 파우치형 등일 수 있다. 다수의 배터리 셀(110)은 버스바에 의해 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 배터리 모듈(100)을 구성할 수 있다. 이러한 배터리 모듈(100)이 다수 구비되어 배터리 팩을 구성할 수 있다. 예시적으로, 배터리 셀(110)에 구비된 단자에 버스바가 전기적으로 연결될 수 있으며, 단자에 버스바는 모듈 커버(130)로 덮여 보호될 수 있다. 배터리 팩은 전기차나 충전기 등에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(120)은 한 쌍의 엔드 플레이트(122) 및 한 쌍의 사이드 플레이트(124)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임(120)은 필요에 따라 바닥 프레임(미도시)을 추가로 구비할 수 있다.
한 쌍의 엔드 플레이트(122)는 일렬로 배열된 배터리 셀(110) 중 첫번째 및 마지막 셀의 장측면에 각각 밀착되도록 제공될 수 있다. 예시적으로, 엔드 플레이트(122)는 마운팅 부시(1222)를 통해 모듈 마운팅 인터페이스를 제공할 수 있다.
한 쌍의 사이드 플레이트(124)는 일렬로 배열된 배터리 셀(110)들의 단측면에 밀착되도록 제공될 수 있다. 예시적으로, 사이드 플레이트(124)는 전술한 엔드 플레이트(122)에 연결되어 모듈 프레임(120)의 강성이 유지되도록 하고 배터리 모듈(100)의 측면을 보호할 수 있다.
전술한 바와 같이, 모듈 프레임(120)이 일렬로 배열된 배터리 셀(110)의 둘레를 구속하도록 제공됨으로써, 배터리 셀(110)이 스웰링되더라도 배터리 모듈(100)이 다양한 팩 인터페이스와 간섭되지 않도록 할 수 있다. 또한, 모듈 프레임(120)은 배터리 셀(110)에 전달되는 진동이나 충격을 감소하여 배터리 셀(110)이 손상되지 않도록 보호할 수 있다. 일부 예들에서, 모듈 프레임(120)은 강성체, 리테이너, 하우징, 케이스를 포함하거나 또는 이들로 지칭될 수 있다.
모듈 커버(130)는 배터리 셀(110)의 둘레에 엔드 플레이트(122)와 사이드 플레이트(124)가 결합되고 배터리 셀(110)의 단자(1122)에 버스바가 연결된 후 캡 어셈블리(112) 상측에 배치된다. 예시적으로, 모듈 커버(130)는 사이드 플레이트(124)의 상단에 결합될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(110) 및 단자(1122), 버스바 등은 모듈 커버(130)에 의해 보호될 수 있다. 또한, 일 예로 모듈 커버(130)는 플라스틱 소재로 만들어질 수 있다.
한편, 도 2a 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 배터리 셀(110)의 사이에는 각각 열 흡수부재(140)가 개재될 수 있다. 열 흡수부재(140)는 난연성 시트(142)와, 난연성 시트(142) 내측에 배치된 발포부(1442, 1444)를 포함할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 난연성 시트(142)는 예를 들어, MICA 소재를 직사각형 형상으로 만든 한 쌍의 시트일 수 있다. 난연성 시트(142)는 배터리 셀(110)의 장측면과 마주보도록 배치될 수 있다. 따라서 난연성 시트(142)는 배터리 셀(110)의 장측면과 대응하는 형상 및 크기를 가질 수 있다. 예시적으로, 한 장의 난연성 시트(142) 위에 버블 형상의 발포부(1442, 1444)를 판 형태가 되도록 다수개 배치한 후 다시 한 장의 난연성 시트(142)를 부착해 발포부(1442, 1444)가 판 형태를 유지하도록 만들 수 있다. 예시적으로, 난연성 시트(142)는 접착 테이프(144)에 의해 배터리 셀(110)의 장측면에 부착될 수 있다.
발포부(1442, 1444)는 다수의 버블을 포함하며, 각각의 버블은 도 2b와 같이 난연성 시트(142) 내측에 배치되는 보호층(1442)과, 보호층(1442)의 내부에 충진되는 발포층(1444)을 포함할 수 있다.
보호층(1442)은 열을 가하면 유연해지는 열 가소성 수지 소재의 층으로, 예를 들어 아크릴계 수지로 만들어질 수 있다. 보호층(1442)은 발포층(1444)을 완전히 감싸 패킹된 형태를 가질 수 있다. 예시적으로, 도 2b와 같이 보호층(1442)은 발포층(1444)의 발포 전 원형일 수 있고, 발포층(1444)의 발포 후 팽창되어 확대될 수 있다. 또는 보호층(1442)이 소정 크기의 원형이었다가 발포층(1444)의 발포 후 팽창되어 확대될 수 있다. 일부 예들에서, 팽창 전 발포부(1442, 1444)의 전체 직경(크기)이 10~16㎛의 범위에서 팽창 후 발포부(1442, 1444)의 전체 직경이 90~144㎛의 범위로 확대될 수 있다.
발포층(1444)은 보호층(1442) 내부에 형성되며, 열에 의해 발포하여 가스를 형성하는 물질이 충진되어 있다. 발포층(1444)은 미리 설정된 발화 온도에서 발포 가스를 형성하도록 제공될 수 있다. 발화 온도는 일반적인 셀 발화 시 측정되는 온도를 기준으로 결정될 수 있다. 예시적으로, 발포층(1444)은 펜탄이나 부탄 등으로 충진될 수 있다. 발포층(1444)은 배터리 셀(110)의 발화 시 열에 의해 발포해 가스를 생성하고, 도 2b와 같이 가스가 생성되면서 발포층(1444)의 부피가 커져 보호층(1442)을 팽창시킨다. 즉, 발포층(1444)은 주변의 열을 흡수하는 역할을 하므로, 발화한 배터리 셀(110)에서 인접한 배터리 셀(110)로 열이 전달되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서 인접한 배터리 셀(110)의 발화 시기를 지연시킬 수 있다.
이하에서는 배터리 셀의 발화 시 열 흡수부재가 기능하는 과정을 설명하기로 한다(발포부는 버블 형상의 입자가 다수 개 모여 판 형상으로 배치되나, 도 5a 내지 도 5c는 발포부의 동작을 개념적으로 도시한 것이므로 편의상 발포층과 보호층을 각각의 층으로 도시하였다).
도 4는 도 3에 따른 배터리 셀의 발화 시 열 흡수부재의 작동 전 상태를 도시한 모식도이다. 도 5a 내지 도 5c는 배터리 셀의 발화 시 열 흡수부재의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100) 내의 다수의 배터리 셀(110) 중 어느 한 셀에서 화재가 발생할 수 있다. 이하에서는 발화된 셀을 타겟 셀(210)로, 타겟 셀(210)과 열 흡수부재(140)를 사이에 두고 인접하게 배치된 셀을 인접 셀(310)로 정의한다.
도 5a에서와 같이, 타겟 셀(210)에서 화재가 일어나 타겟 셀(210)이 발화되면, 일반적으로 화염은 캡 어셈블리(112)의 벤트 쪽으로 향하고, 열은 타겟 셀(210)의 모든 방향으로 전달될 수 있다(도면에는 편의상 타겟 셀의 장측면으로 열이 전달되는 것으로 도시하였음). 특히 타겟 셀(210)의 장측면은 면적이 크므로 열의 발산이 크게 이루어진다. 그런데 타겟 셀(210)과 인접 셀(310)의 사이에는 열 흡수부재(140)가 배치되므로, 인접 셀(310) 방향으로 전달되는 열이 열 흡수부재(140)로 먼저 전달된다.
열 흡수부재(140)는 난연성 시트(142)를 구비하므로, 난연성 시트(142)에 의해 1차로 인접 셀(310)로 전파되는 열 및 불꽃이 차단된다. 또한, 난연성 시트(142) 상에는 열을 가하면 유연해지는 열 가소성 수지 소재의 보호층(1442)과, 열을 가하면 발포하여 가스층을 형성하는 발포층(1444)을 구비한 발포부(1442, 1444)가 포함된다. 따라서 도 5b와 같이, 난연성 시트(142)를 통해 전파된 열은 보호층(1442) 및 발포층(1444)으로 흡수되어 사용되고, 열에 의해 발포층(1444)이 팽창하면서 보호층(1442)이 함께 팽창하게 된다. 즉, 발포부(1442, 1444)로 전달된 열은 보호층(1442) 및 발포층(1444)에서 한번 흡수(사용)되고, 부피가 증가한 발포부(1442, 1444)에 의해 한번 더 차단될 수 있다. 따라서 단열 구조만 구비된 종래의 배터리 모듈에 비해 본 실시 예에 따른 배터리 모듈(100)은 발화된 타겟 셀(210)의 열이 인접 셀(310)로 전달되기 어려운 구조를 갖는다. 도 5c에서와 같이, 타겟 셀(210)에서 인접 셀(310)로 열 전달이 일어나지 않거나 열이 천천히 전달되므로 인접 셀(310)의 발화가 지연될 수 있다. 만약 배터리 모듈에 소화 장치가 구비된다면 타겟 셀(210)의 화재는 소강될 수 있어 인접 셀(310)로 화재가 옮겨가는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 배터리 모듈 110, 210, 310: 배터리 셀
120: 모듈 프레임 130: 모듈 커버
140: 열 흡수부재 142: 난연성 시트
1442: 보호층 1444: 발포층

Claims (9)

  1. 복수의 배터리 셀; 및
    미리 설정된 발화 온도에서 발포 가스를 발생하는 발포층 및 상기 발포층을 감싸는 보호층을 갖는 다수의 발포부, 상기 발포부의 외부에 구비되는 판상의 난연성 시트를 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 각각 배치되는 열 흡수부재를 포함하고,
    상기 배터리 셀 및 상기 열 흡수부재를 수용하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발포부는 버블 형상인, 배터리 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 난연성 시트는 한 쌍으로 구비되는, 배터리 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 발포부는 상기 난연성 시트의 사이에 다수 개가 판 형상으로 배치되는, 배터리 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 난연성 시트는 MICA 소재인 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층은 열 가소성 수지인 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보호층은 아크릴계 수지를 포함하는, 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발포층은 부탄 또는 펜탄인 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 단자가 제공되는 캡 어셈블리와, 상기 캡 어셈블리의 반대면인 하면과, 상기 하면을 연결하는 장측면과, 상기 하면 및 상기 장측면을 연결하는 단측면을 가지며,
    상기 열 흡수부재는 상기 장측면을 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈.
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