KR20240012332A - 배터리 셀 유닛, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리 셀 유닛, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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KR20240012332A
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김수열
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

배터리 셀 유닛, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛은, 파우치형 배터리 셀; 및 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련되는 셀 커버를 포함하며, 셀 커버는 파우치형 배터리 셀로부터 이격되게 구성되고, 셀 커버에는 열적 이벤트 발생시 파우치형 배터리 셀로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 파티클 포켓부가 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀 유닛, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{BATTERY CELL UNIT, BATTERY PACK AND VEHICLE INCLUDING THE SAME}
본 발명은, 배터리 셀 유닛, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 안정성 등이 향상된 배터리 셀 유닛, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
각종 모바일 기기와 전기 자동차, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 크게 증가함에 따라, 에너지원으로서의 이차 전지에 대한 관심과 수요가 급격히 증가하고 있다.
종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 니켈수소 전지 등이 많이 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 전기 자동차나 에너지 저장 시스템과 같은 중대형 장치에 구동용이나 에너지 저장용으로 배터리 팩이 널리 사용되고 있다.
종래 배터리 팩은 팩 케이스 내부에 하나 이상의 배터리 모듈과 배터리 팩의 충방전을 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 여기서, 배터리 모듈은 모듈 케이스의 내부에 다수의 배터리 셀을 포함하는 형태로 구성된다.
즉, 종래 배터리 팩의 경우, 다수의 배터리 셀(이차 전지)이 모듈 케이스 내부에 수납되어 각각의 배터리 모듈을 구성하고, 이러한 배터리 모듈이 하나 이상 팩 케이스 내부에 수납되어 배터리 팩을 구성한다.
특히, 파우치형 전지의 경우, 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(dead space)가 적다는 등의 여러 측면에서 장점을 갖고 있지만, 외부의 충격에 취약하고, 조립성이 다소 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 다수의 셀을 먼저 모듈화시킨 후, 팩 케이스의 내부에 수납되는 형태로 배터리 팩이 제조되는 것이 일반적이다.
이러한 배터리 팩 구성에 있어서, 대표적으로 중요한 문제 중 하나는 안전성이다. 특히, 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀 중, 어느 하나의 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 이러한 이벤트가 다른 배터리 셀로 전파(propagation)되는 것을 차단할 필요가 있다.
만일, 배터리 셀 간 열적 전파가 제대로 억제되지 못하면, 이는 배터리 팩에 포함된 다른 배터리 셀의 열적 이벤트로 이어져, 배터리 팩의 발화나 폭발 등, 보다 큰 문제를 야기할 수 있다.
더욱이, 배터리 팩에서 발생한 발화나 폭발은, 주변의 인명이나 재산 상 큰 피해를 입힐 수 있다. 따라서, 이러한 배터리 팩의 경우, 전술한 열적 이벤트를 적절하게 제어할 수 있는 구성이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 어느 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 해당 배터리 셀에서 분출하는 화염, 스파크, 벤팅 가스 등이 주변의 다른 배터리 셀로 전파되는 것을 막으며, 나아가 내압이 감소될 수 있도록 벤팅 가스를 배출하되 특정 방향으로 벤팅 가스가 배출될 수 있도록 구성한 배터리 셀 유닛, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는데 그 목적이 있다.
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 발명의 일 측면에 따르면, 파우치형 배터리 셀; 및 상기 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련되는 셀 커버를 포함하며, 상기 셀 커버는 상기 파우치형 배터리 셀로부터 이격되게 구성되고, 상기 셀 커버에는 열적 이벤트 발생시 상기 파우치형 배터리 셀로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 파티클 포켓부가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛이 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 파우치형 배터리 셀의 양 측면과 상측을 감싸도록 구성되고, 상기 파티클 포켓부는 상기 셀 커버의 상측에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 파티클 포켓부는 상기 셀 커버의 상측에서 상기 셀 커버의 폭 방향에 따른 양측 사이드부가 중심부보다 상부 방향으로 더 돌출된 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 파티클 포켓부 내측에 메쉬부재가 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 메쉬부재는 여러 장의 다공성 금속판을 중첩한 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버에는 벤팅 가스를 유도하여 미리 설정되 방향으로 배출시키는 디렉셔널 벤팅부가 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버에 결합되는 써멀 레진을 포함하며, 상기 셀 커버에는 상기 써멀 레진이 결합된 부분과, 상기 써멀 레진이 결합되지 않은 부분이 존재하고, 상기 디렉셔널 벤팅부는, 상기 셀 커버에서 상기 써멀 레전이 결합되지 않은 부분에 형성된 가스 배기구; 및 상기 파우치형 배터리 셀과 상기 셀 커버 사이에 형성된 이동통로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 배기구는 상기 셀 커버의 하부에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들의 적층 상태를 지지하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 n자 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 금속 재질로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 다수의 전극 리드를 연결하는 버스바를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 셀 유닛; 및 내부 공간에 상기 배터리 셀 유닛을 수납하는 팩 케이스를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 배터리 팩의 바닥면을 향하여 노출되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 팩 케이스에 직접 안착될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 셀 유닛을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 어느 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 해당 배터리 셀에서 분출하는 화염, 스파크, 벤팅 가스 등이 주변의 다른 배터리 셀로 전파되는 것을 막을 수 있고 벤팅 가스를 배출하여 급격한 압력 상승을 억제함으로써 셀 어셈블리의 구조적 붕괴를 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, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛에서 파우치형 배터리 셀에 셀 커버가 결합되고 2개의 파우치형 배터리 셀이 버스바에 연결되는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛에 구비된 파우치형 배터리 셀과 셀 커버의 분리 사시도이다.
도 5은 도 4의 파우치형 배터리 셀과 셀 커버의 결합 단면도이다.
도 6은 도 4의 파우치형 배터리 셀과 셀 커버가 결합된 부분 사시도로 가스 배기구를 도시하고 있다.
도 7은 도 4의 파우치형 배터리 셀과 셀 커버의 결합된 측단면도로 가스의 배기 경로인 디렉셔널 벤팅부를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 분리 사시도이다.
도 9는 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 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 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛에서 파우치형 배터리 셀에 셀 커버가 결합되고 2개의 파우치형 배터리 셀이 버스바에 연결되는 과정을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛에 구비된 파우치형 배터리 셀과 셀 커버의 분리 사시도이며, 도 5은 도 4의 파우치형 배터리 셀과 셀 커버의 결합 단면도이고, 도 6은 도 4의 파우치형 배터리 셀과 셀 커버가 결합된 부분 사시도로 가스 배기구를 도시하고 있으며, 도 7은 도 4의 파우치형 배터리 셀과 셀 커버의 결합된 측단면도로 가스의 배기 경로인 디렉셔널 벤팅부를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛(15)은, 파우치형 배터리 셀(100)과, 셀 커버(300)를 포함한다.
파우치형 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지로서, 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 포함할 수 있다. 이러한 파우치형 배터리 셀(100)은 배터리 모듈(미도시) 내지 배터리 팩(10, 도 8 참조)에 복수 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 복수의 파우치형 배터리 셀(100)은 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)의 양 측면과 상측을 감싸도록 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 셀 커버(300)는 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀(100)을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)을 세워진 상태로 지지하도록 구성될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(100)은 일반적으로 상하 방향으로 세워진 형태로 적층시키는 것이 용이하지 않다. 하지만, 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛(15)에 구비된 셀 커버(300)는 하나 또는 그 이상의 파우치형 배터리 셀(100)을 감싸면서, 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 세워진 상태, 즉, 기립 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
셀 커버(300)는 다양한 개수의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는 1개의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 또는, 2개의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수도 있고, 또는, 3개 이상의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수도 있다.
셀 커버(300)는 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들의 적층 상태를 지지하도록 구성될 수 있다. 특히, 복수의 파우치형 배터리 셀(100)은 세워진 상태로 수평 방향으로 적층될 수 있는데, 셀 커버(300)는 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들을 세워진 상태로 안정적으로 지지하도록 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 셀 커버(300)는 대략 n자 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 셀 커버(300)의 전방, 후방 및 하방은 개방되어 있을 수 있다.
다만, 셀 커버(300)의 형상이 대략 n자 형상에 한정되는 것은 아니다. 셀 커버(300)는 다양한 형상으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 셀 커버(300)는, 'ㅁ'자 형상, 'U'자 형상 또는 'O'자 형상 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 셀 커버(300)는 금속 재질로 제작될 수 있다. 특히, 셀 커버(300)는 스틸 재질, 예를 들어, 스테인레스 스틸(Stainless Steel, SUS) 재질로 제작될 수 있다.
이 경우, 스테인레스 스틸 재질은 기계적 강도 내지 강성이 우수하고, 알루미늄 재질에 비해 녹는점이 높으므로, 임의의 배터리 셀(100)에서 화염이 발생하더라도 화염 등에 의해 셀 커버(300)가 용융되는 것이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
즉, 파우치형 배터리 셀(100)의 손상이나 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 파우치형 배터리 셀(100)의 핸들링이 보다 용이해질 수 있다. 다만, 셀 커버(300)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)과 적어도 부분적으로 접착될 수 있다. 또한, 파우치형 배터리 셀(100)과 팩 케이스(200) 사이 및 셀 커버(300)와 팩 케이스(200) 사이 중 적어도 하나에는 써멀 레진(400, 도 5 및 도 6 참조)이 개재될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛(15)은, 버스바(700, 도 3 참조)를 포함할 수 있다. 버스바(700)는 하나 이상의 파우치형 배터리 셀(100)의 전극 리드와 연결될 수 있다.
특히, 버스바(700)는 다수의 전극 리드를 연결하여, 다수의 배터리 셀(100) 간 직렬 또는 병렬 연결이 이루어지도록 할 수 있다. 예를 들어, 각각의 파우치형 배터리 셀(100)의 전방 및 후방에는 전극 리드가 위치할 수 있다. 이때, 버스바(700)는 이러한 배터리 셀(100)의 전방 및 후방에 위치하여, 전극 리드 사이를 연결할 수 있다.
버스바(700)는 구리나 알루미늄과 같은 전기 전도성 재질로 구성되어 전극 리드에 직접 접촉될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)로부터 이격되게 구성되고, 또한, 셀 커버(300)에는 열적 이벤트 발생시 파우치형 배터리 셀(100)로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 파티클 포켓부(320)가 형성될 수 있다.
파티클 포켓부(320)는 셀 커버(300)의 다양한 위치에 형성될 수 있다. 예를 들어, 파티클 포켓부(320)는 셀 커버(300)의 상측에 형성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
파티클 포켓부(320)는 예를 들어, 셀 커버(300)의 상측에서 셀 커버(300)의 폭 방향에 따른 양측 사이드부(315, 317)가 중심부(316)보다 상부 방향으로 더 돌출되게 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 셀 커버(300)의 내부에는 파우치형 배터리 셀(100)의 상측으로 미리 설정된 공간이 형성될 수 있다.
그리고, 파티클 포켓부(320)는 열적 이벤트 발생시 파우치형 배터리 셀(100)로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된다.
즉, 파티클 포켓부(320)는 셀 커버(300)의 양측 사이드부(315, 317)가 돌출되고, 돌출된 부분의 내부에 미리 설정된 공간이 형성되며, 그 공간을 통해 열적 이벤트 발생시 배터리 셀(100)에 분출되는 고온의 분진, 파티클 등을 포집하도록 구성될 수 있다. 여기서, 파티클은 배터리 셀(100) 내부의 전극에서 탈리된 활물질이나 용융된 알루미늄 입자 등을 의미할 수 있다.
고온의 분진, 파티클 등은 화재의 3가지 요소인 가연물질, 점화원 및 산소 중 점화원으로 작용하기 때문에, 이것들이 셀 커버(300)의 외부에서 가연물질과 산소를 만나게 되면 착화가 발생되어 팩 케이스(200) 내부에 화염이 급속하게 번질 수 있다. 이에 따라, 고온의 분진, 파티클 등이 셀 커버(300)의 외부로 빠져 나가지 않도록 할 필요가 있다.
본 실시예에 따른 셀 커버(300)는 파티클 포켓부(320)를 구비하여 고온의 분진, 파티클 등을 포집할 수 있다. 이에 의하면, 임의의 파우치형 배터리 셀(100)에서 열적 이벤트가 발생하더도, 팩 케이스(200) 내부의 다른 배터리 셀(100)이나 전장 부품들로 급속하게 화염 등이 전파되는 것을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 4를 함께 참조하면, 예를 들어, 파티클 포켓부(320)는 셀 커버(300)의 상측에 형성될 수 있는데, 이러한 형상에 의해 셀 커버(300)의 상측은 써멀 레진(400)과의 접촉 면적이 증가할 수 있다. 이 경우, 셀 커버(300) 외부로의 열전도율이 증대될 수 있어 냉각 효율이 향상되는 효과가 있다.
즉, 도 5를 참조하면, 셀 커버(300)의 상측은 써멀 레진(400)을 통해 열용량이 큰 팩 케이스(200)와 열적으로 연결될 수 있다. 이때, 써멀 레진(400)이 셀 커버(300) 상측의 오목한 중앙 영역에 채워지므로 셀 커버(300)와 써멀 레진(400)의 상호 간 접촉 면적이 증대될 수 있다. 그리고, 이에 의해 방열 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 7을 참조하면, 파티클 포켓부(320)의 내측에는 메쉬부재(321)가 형성될 수 있다. 메쉬부재(321)는 여러 장의 다공성 금속판을 중첩한 형태로 마련되어 플레임 어레스터(flame arrester)와 같은 기능을 하도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 파티클 포켓부(320) 내에서 화염, 고온의 분진, 파티클 등의 이동이 더욱 제한될 수 있어 다른 배터리 셀(100)로의 화염 전파가 방지될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛(15)에서 셀 커버(300)에는 디렉셔널 벤팅부(330)가 형성될 수 있다. 디렉셔널 벤팅부(330)는 벤팅 가스를 유도하여 미리 설정되 방향으로 배출시키도록 구성된다.
셀 커버(300)에 써멀 레진(400)이 결합되는 경우, 도 6에서와 같이, 셀 커버(300)에는 써멀 레진(400)이 결합된 부분과, 써멀 레진(400)이 결합되지 않은 부분이 존재한다.
그리고, 셀 커버(300)에서 써멀 레진(400)이 결합되지 않은 부분에 가스 배기구(331)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스 배기구(331)는 셀 커버(300)의 하부에 형성될 수 있다. 또한, 파우치형 배터리 셀(100)과 셀 커버(300) 사이에 이동통로(332, 도 7 참조)가 형성될 수 있다.
이 경우, 디렉셔널 벤팅부(330)는 전술한 가스 배기구(331)와 이동통로(332)를 포함하며, 도 7의 화살표를 참조하면, 파우치형 배터리 셀(100)에서 발생한 가스는 이동통로(332)를 통해 이동하여 셀 커버(300)의 하측 방향의 가스 배기구(331)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 7을 참조하면, 파우치형 배터리 셀(100)에서 벤팅 가스가 발생한 경우, 벤팅 가스는 파티클 포켓부(320)를 따라 셀 커버(300)의 전방 또는 후방으로 이동될 수 있다. 이때, 파티클이나 화염은 파티클 포켓부(320)에 구비된 메쉬부재(321)를 통과하지 못하게 되고, 벤팅 가스는 메쉬부재(321)를 통과하여 이동통로(332)와 가스 배기구(331)를 포함하는 디렉셔널 벤팅부(330)를 통해 배출될 수 있다.
이와 같이, 셀 커버(300)에 디렉셔널 벤팅부(330)가 형성되면, 배터리 셀 유닛(15)에 포함된 임의의 배터리 셀(100)에서 가스가 발생하는 경우, 상기 가스는 인접한 다른 배터리 셀(100)로 전파되지 않고 디렉셔널 벤팅부(330)를 통해 팩 케이스(200)의 하부 방향으로 배출될 수 있다.
즉, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면 가스 내지 화염 등을 유도하여 디렉셔널 벤팅부(330)를 통해 팩 케이스(200) 외부로 배출할 수 있으므로 디렉셔널 벤팅이 용이하게 구현되는 효과 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유닛(15)은 열적 이벤트 발생 상황에서 파우치형 배터리 셀(100)들의 열 폭주 전파가 방지 내지 억제되는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 분리 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(미도시)을 제거하여 배터리 셀(100)을 배터리 팩(10)의 팩 케이스(200)에 직접 수납할 수 있도록 마련된다.
이에 의하면, 배터리 팩(10) 내에서 배터리 모듈(미도시)의 모듈 케이스 등이 차지하던 공간에 배터리 셀(100)을 더 수납할 수 있으므로 공간 효율성이 증대되고 배터리 용량이 향상되는 효과가 있다. 즉, 본 발명에서 배터리 모듈(미도시)의 모듈 케이스는 구성에 포함되지 않을 수 있다
다만, 모듈 케이스를 사용하는 실시예를 배제하는 것은 아니며, 필요에 따라, 배터리 모듈(미도시)에 구비된 모듈 케이스에 본 발명의 각 실시예의 파우치형 배터리 셀(100)이 수납되도록 구성될 수도 있다.
즉, 본 발명의 각 실시예에서의 셀 커버(300)가 결합된 파우치형 배터리 셀(100)이 구비된 배터리 모듈(미도시) 역시 본 발명의 권리범위 내에 속한다.
그리고, 본 명세서에서 간단하게 배터리 셀(100)이라고 기재된 경우에도 상기 배터리 셀(100)은 파우치형 배터리 셀(100)을 의미한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 배터리 셀 유닛(15)과, 팩 케이스(200)를 포함한다. 배터리 셀 유닛(15)에 관한 설명은 전술한 설명으로 대체한다.
그리고, 팩 케이스(200)는 내부에 빈 공간이 형성되며, 이러한 내부 공간에 파우치형 배터리 셀(100)과 셀 커버(300)를 포함하는 배터리 셀 유닛(15)들을 수납할 수 있다. 특히, 본 발명에서 배터리 셀 유닛(15)은 팩 케이스(200)에 직접적으로 안착될 수 있다.
도 8을 참조하면, 셀 커버(300)는 팩 케이스(200)의 상부 표면에 직접 안착될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)의 하단부는 팩 케이스(200)의 상부 표면에 직접 접촉하여 안착될 수 있다.
특히, 셀 커버(300)와 파우치형 배터리 셀(100)은 별도의 모듈 케이스에 수납되지 않고 팩 케이스(200)에 바로 안착될 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이 모듈 케이스에 안착되어 모듈화되는 실시예를 제외하는 것은 아니다.
이에 의하면, 배터리 팩(10)의 냉각 성능이 보다 효과적으로 확보될 수 있다. 특히, 파우치형 배터리 셀(100)가 팩 케이스(200)에 대면 접촉될 수 있으므로, 각각의 파우치형 배터리 셀(100)로부터 방출된 열이 팩 케이스(200)로 직접 전달되어, 냉각 성능이 향상될 수 있다.
그리고, 셀 커버(300)는 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 배터리 팩(10)의 바닥면을 향하여 노출되도록 구성될 수 있다.
그리고, 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)을 감싸도록 구성된 셀 커버(300)는 팩 케이스(200)의 내부 공간에 수납될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 파우치형 배터리 셀(100)들의 충방전을 제어하도록 구성된 제어 모듈을 더 포함할 수 있다. 도 8을 참조하면, 이러한 제어 모듈은 배터리 관리 시스템(500, Battery Management System, BMS)과 배터리 차단 유닛(600)을 포함할 수 있으며, 배터리 셀(100) 및 셀 커버(300)와 함께, 팩 케이스(200)의 내부에 수납될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 셀 커버(300)의 개방 부분에 결합되는 엔드 플레이트(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는 전극 리드가 구비된 전방 및 후방 측이 개방될 수 있다. 그리고, 이러한 셀 커버(300)의 개방 부분에 엔드 플레이트(미도시)가 결합될 수 있다. 더욱이, 엔드 플레이트(미도시)에는 벤팅을 위한 홀이나 절개부 등이 형성될 수 있다.
그리고, 셀 커버(300)에 복수의 배터리 셀(100)이 수용되는 경우, 배터리 셀(100) 간 분리 구조가 더 포함될 수 있다.
한편, 임의의 배터리 셀 유닛에서 발생하는 벤팅 가스는 미리 설정된 방향으로 배출될 수 있으므로 열적 이벤트 발생시 벤팅 가스 이동의 방향성 예측이 가능하며, 이에 따라 다른 배터리 셀 유닛에 열적 손상을 입히지 않으면서 보다 안전하게 벤팅 가스를 외부로 배출시킬 수 있는 효과가 있다.
도 9는 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(20)는 전술한 각 실시예에 따른 배터리 팩(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동차(20)는 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 사용하도록 마련되는 각종 자동차(20)를 포함한다.
이상에서 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.
10 : 배터리 팩
15 : 배터리 셀 유닛
100 : 배터리 셀 200 : 팩 케이스
300 : 셀 커버 315, 317 : 사이드부
316 : 중심부 320 : 파티클 포켓부
321 : 메쉬부재 330 : 디렉셔널 벤팅부
331 : 가스 배기구 332 : 이동통로
400 : 써멀 레진 500 : 배터리 관리 시스템
600 : 배터리 차단 유닛 700 : 버스바
20 : 자동차

Claims (17)

  1. 파우치형 배터리 셀; 및
    상기 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련되는 셀 커버를 포함하며,
    상기 셀 커버는 상기 파우치형 배터리 셀로부터 이격되게 구성되고, 상기 셀 커버에는 열적 이벤트 발생시 상기 파우치형 배터리 셀로부터 분출되는 파티클을 포집하도록 구성된 파티클 포켓부가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 파우치형 배터리 셀의 양 측면과 상측을 감싸도록 구성되고, 상기 파티클 포켓부는 상기 셀 커버의 상측에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파티클 포켓부는 상기 셀 커버의 상측에서 상기 셀 커버의 폭 방향에 따른 양측 사이드부가 중심부보다 상부 방향으로 더 돌출된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파티클 포켓부 내측에 메쉬부재가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메쉬부재는 여러 장의 다공성 금속판을 중첩한 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버에는 벤팅 가스를 유도하여 미리 설정되 방향으로 배출시키는 디렉셔널 벤팅부가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀 커버에 결합되는 써멀 레진을 포함하며,
    상기 셀 커버에는 상기 써멀 레진이 결합된 부분과, 상기 써멀 레진이 결합되지 않은 부분이 존재하고,
    상기 디렉셔널 벤팅부는,
    상기 셀 커버에서 상기 써멀 레전이 결합되지 않은 부분에 형성된 가스 배기구; 및
    상기 파우치형 배터리 셀과 상기 셀 커버 사이에 형성된 이동통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 배기구는 상기 셀 커버의 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들의 적층 상태를 지지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 n자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 금속 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  12. 제1항에 있어서,
    다수의 전극 리드를 연결하는 버스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀 유닛; 및
    내부 공간에 상기 배터리 셀 유닛을 수납하는 팩 케이스를 포함하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 셀 커버는 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 배터리 팩의 바닥면을 향하여 노출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 팩 케이스에 직접 안착되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀 유닛을 포함하는 자동차.
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