KR20240018889A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 일 방향으로 적층된 복수 개의 배터리 셀들을 구비한 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스; 및 내열성 재질로 마련되고, 상기 모듈 케이스의 내부에서 상기 셀 적층체의 적어도 일 부분을 감싸는 열전파 차단시트를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 특정 배터리 모듈 내부에 포함된 배터리 셀에 열 폭주 이벤트가 발생한 때 주변의 다른 배터리 모듈의 연쇄발화를 최대한 억제 내지 지연시킬 수 있는 열전파 차단 수단이 적용된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환하고 충,방전 반복이 가능한 반영구적인 전지를 한 번 사용 후 재사용이 불가한 일차전지와 구분하여 이차전지라고 지칭한다.
이차전지로는 리튬 이차전지, 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지, 납축전지, 니켈수소(Ni-MH)전지, 공기아연전지, 알칼리망간전지 등이 존재한다. 이들 중 납축전지와 리튬이차전지가 가장 활발히 상용화된 이차전지라 할 수 있다.
특히 리튬 이차전지는 에너지 저장밀도가 높고 경량화와 소형화가 가능하고 우수한 안전성, 낮은 방전률, 장수명과 같은 장점을 지니고 있어 최근 전기차 배터리로 활용이 활발하다. 참고로, 리튬 이차전지는 제조형태에 따라 일반적으로 원통형, 각형, 파우치형으로 분류되고, 사용용도도 전기차 배터리 이외에도 ESS 배터리, 기타 전기장치 등에 걸쳐있다.
현재, 리튬 이차전지 셀 1개의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 전기차의 에너지원으로 이차전지를 적용하기 위해서는 복수 개의 리튬이온 전지 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈을 구성하고, 다시 상기 배터리 모듈들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성한다.
한편, 이차전지는 충방전 시 화학 반응을 수반하기 때문에 적정 온도보다 높은 환경에서 사용되는 경우 성능이 저하될 수 있고, 적정 온도로 열제어가 되지 못할 경우 예기치 못하게 발화나 폭발 가능성이 상존한다. 또한 배터리 모듈은 이러한 이차전지들을 모듈 케이스의 내부에 집약적으로 수납한 구조로 이루어져 있어, 어느 하나의 이차전지라도 열폭주(thermal runaway)하여 트리거 셀(trigger cell)이 되면 주변 이차전지들로 열과 화염이 빠르게 전파되기 때문에 이차전지들이 더 쉽게 연쇄 발화할 수 있다. 나아가 통상의 배터리 팩에는 다수의 배터리 모듈들이 밀집 배치되어 있기 때문에 어느 하나의 배터리 모듈에 상기와 같은 열적 이벤트가 발생하여 해당 배터리 모듈이 붕괴되면 주변의 다른 배터리 모듈들도 빠르게 연쇄 발화하고, 이것이 심화하면 폭발할 수 있다.
일례로써, 알루미늄(A1) 재질로 구성된 배터리 모듈의 모듈 케이스는 열 용융점이 낮아 그것에 수납된 이차전지들의 열폭주를 견디는데 취약하며, 특히 이차전지들의 전기적 연결을 위해 전극 리드들과 버스바 등이 결합된 부위를 커버하는 모듈 케이스의 전방 커버 또는 후방 커버는 절연을 위해 대부분 플라스틱 재질로 형성되어 있어 이차전지들의 열폭주시 쉽게 붕괴될 수 있다. 이에, 이차전지들의 열폭주 상황이 발생하더라도 배터리 모듈의 붕괴를 최대한 지연시켜 주변의 다른 배터리 모듈로 열폭주 현상이 급격히 전파되는 것을 억제하여 사용자의 대피 시간을 충분히 확보할 수 있는 배터리 모듈 및 배터리 팩의 구조 개선이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀의 열폭주시 배터리 모듈의 구조 붕괴를 저지하거나 최대한 지연시킬 수 있는 배터리 모듈을 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 따른 배터리 모듈은, 일 방향으로 적층된 복수 개의 배터리 셀들을 구비한 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스; 및 내열성 재질로 마련되고, 상기 셀 적층체의 적어도 일 부분을 감싸는 열전파 차단 시트를 포함할 수 있다.
상기 열전파 차단시트는, 열에 의해 세라믹화되는 실리콘 고분자를 포함할 수 있다.
상기 셀 적층체는, 수평 방향으로 적층된 복수 개의 파우치형 배터리 셀들을 구비하고, 상기 열전파 차단시트는 상기 셀 적층체에서 상측부,하측부,좌측부,우측부,전방부,후방부 중 적어도 한 곳 이상을 커버하도록 마련될 수 있다.
상기 열전파 차단시트는, 적층된 상기 파우치형 배터리 셀들 사이에 구비될 수 있다.
상기 열전파 차단시트는, 상기 셀 적층체의 상측부을 커버하는 제1 커버면; 및 상기 셀 적층체의 전방부와 후방부를 각각 커버하는 제2 커버면과 제3 커버면을 포함할 수 있다.
상기 제2 커버면과 상기 제3 커버면은, 상기 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들을 통과시킬 수 있는 리드 인출부를 구비할 수 있다.
상기 리드 인출부는 소정 개수의 상기 전극 리드를 끼워 넣을 있게 부분 절개되어 형성된 시트 슬릿을 포함할 수 있다.
상기 전극 리드가 끼워진 상기 시트 슬릿에 내화 테이프가 부착되어 상기 시트 슬릿이 밀봉될 수 있다.
상기 모듈 케이스는, 상기 셀 적층체에서 상기 배터리 셀들의 전극 리드들이 위치하는 전방부와 후방부를 제외한 상측부,하측부,좌측부,우측부를 둘러싸는 형태로 구성된 케이스 본체; 및 상기 케이스 본체와 상호 결합하고 상기 셀 적층체의 전방과 후방을 커버하는 엔드 커버를 포함할 수 있다.
상기 열전파 차단시트는 상기 셀 적층체의 전방부 또는 후방부를 감싸고, 상기 배터리 셀들의 전극 리드들은 상기 열전파 차단시트를 관통하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 셀의 열폭주시 배터리 모듈의 구조 붕괴를 저지하거나 최대한 지연시킬 수 있는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 셀의 열폭주시 열전파 차단시트가 세라믹화되는 과정에서 열을 흡수할 수 있다. 이에 배터리 셀들의 온도 상승을 억제 내지 지연시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 셀들에서 분출되는 가스,화염,고온의 파티클 등을 열전파 차단시트가 막아주어 모듈 케이스의 온도 상승 및 파손을 저지할 수 있다. 따라서 열적 이벤트 발생시 배터리 모듈의 구조 붕괴 속도를 현저히 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 열적으로 특히 취약한 엔드 커버 부분의 급격한 붕괴를 막을 수 있다. 여기서 상기 엔드 커버는 전극 리드와 버스바가 연결되는 부위를 커버하는 모듈 케이스의 일부분으로서 비금속 소재로 마련될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 셀 적층체의 전방부 또는 후방부가 열전파 차단시트로 감싸이고 전극 리드는 상기 열전파 차단시트를 관통하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 적층체의 전방부 또는 후방부에서 분출되는 고온의 가스, 화염, 파티클 등으로부터 모듈 케이스에서 열적으로 가장 취약한 엔드 커버 부분도 보호될 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 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 주요 구성들에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전파 차단시트를 적용한 셀 적층체를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트를 적용한 셀 적층체를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트를 적용한 셀 적층체를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 열전파 차단시트의 개략적인 사시도이다.
도 7은 도 5의 확대 영역에 대응하는 도면으로서, 열전파 차단시트에서 전극 리드 인출 부위에 내화 테이프를 적용한 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트의 가스 또는 화염의 차단 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 주요 구성들에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전파 차단시트를 적용한 셀 적층체를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트를 적용한 셀 적층체를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트를 적용한 셀 적층체를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 열전파 차단시트의 개략적인 사시도이다.
도 7은 도 5의 확대 영역에 대응하는 도면으로서, 열전파 차단시트에서 전극 리드 인출 부위에 내화 테이프를 적용한 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트의 가스 또는 화염의 차단 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 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 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 주요 구성들에 대한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전파 차단시트를 적용한 셀 적층체를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 적층체(100), 모듈 케이스(200) 및 열전파 차단시트(300)를 포함한다.
상기 셀 적층체(100)는, 복수 개의 배터리 셀(110)들을 적층하여 형성한 배터리 셀(110)들의 집합체이다. 예를들면, 상기 셀 적층체(100)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 넓은 면이 세워져 수평 방향(X 방향)을 따라 적층된 복수 개의 파우치형 배터리 셀(110)들로 구성될 수 있다. 그리고 상기 셀 적층체(100)에서 최외곽 배터리 셀(110)의 바깥쪽 면에는 압축성 패드(120)가 배치될 수 있다. 상기 압축성 패드(120)는 예컨대, 폼(foam) 소재로 마련되고 셀 적층체(100)의 스웰링 압력을 흡수하는 역할과, 셀 적층체(100)와 모듈 케이스(200) 사이를 절연하는 역할을 겸한다.
상기 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 외장재 및 전극 조립체와 연결되며 파우치 외장재의 외측으로 인출되어 전극 단자로 기능하는 한 쌍의 전극 리드(113)를 포함한다. 상기 한 쌍의 전극 리드(113)는, 배터리 셀(110)의 길이 방향(±Y 방향)으로 서로 반대 방향으로 인출된다. 미도시 하였으나, 상기 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 리드(113)가 Y축 방향 일단, 이를테면 +Y축 방향의 단부에만 위치하는 형태를 가질 수도 있다.
상기 파우치형 배터리 셀(110)은, 수납부 및 에지부를 구비할 수 있다. 여기서, 수납부는 전극 조립체와 전해액이 수납된 부분일 수 있다. 그리고 에지부는, 상기 수납부의 주위를 둘러싸는 부분일 수 있다. 특히, 에지부는 파우치 외장재가 열 융착되어 실링된 실링부(112)일 수 있다. 예를 들어, 에지부는 4개 구비되어, 수납부를 기준으로, 각각 상부 측 모서리, 하부 측 모서리, 전방 측 모서리 및 후방 측 모서리에 위치한다고 할 수 있다. 이때, 4개의 에지부 모두 또는 3개의 에지부가 실링부(112)일 수 있다. 여기서 전극 리드(113)가 인출되는 전방측 에지부 및 후방측 에지부는 모두 실링부(112)를 구비한다.
상기 셀 적층체(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 대략 6면체 형태로 마련되어 상측부, 하측부, 좌측부,우측부, 전방부 및 후방부로 구분될 수 있다. 여기서 상기 상측부와 상기 하측부는 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 상측 에지부들 및 하측 에지부들에 각각 대응하고, 상기 좌측부와 상기 우측부는 상기 셀 적층체(100)의 적층 방향에 따른 최외곽 배터리 셀(110)들의 바깥쪽 면들(또는 압축성 패드(120))에 각각 대응하고, 상기 전방부 및 상기 후방부는 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 전방측 에지부들 및 후방측 에지부들에 각각 대응하는 부분을 의미할 수 있다.
상기 셀 적층체(100)의 전방 및 후방에는 버스바 조립체(400)가 장착될 수 있다. 상기 버스바 조립체(400)는 상기 파우치형 배터리 셀(110)들 상호 간을 직렬 및/또는 병렬 연결하기 위한 수단으로서 버스바 프레임(410)과 다수의 버스바(420)를 포함한다.
상기 버스바 프레임(410)은 상기 셀 적층체(100)의 전방(-Y방향) 또는 후방(+Y방향)을 커버할 수 있는 사이즈의 판상체 형태로 마련된다. 또한, 상기 버스바 프레임(410)은 파우치형 배터리 셀(110)의 전극 리드(113)를 +Y축 또는 -Y축 방향으로 통과시킬 수 있는 다수의 프레임 슬롯들을 구비할 수 있으며, 바깥면에 다수의 버스바들을 상기 배터리 셀(110)들의 적층 방향과 같은 방향으로 부착할 수 있게 구성될 수 있다. 이러한 버스바 프레임(410)은 전극 리드(113)들과 전기 절연을 위해, 예컨대 플라스틱으로 형성될 수 있다.
상기 다수의 버스바(420)들은 전기 전도성 재질 이를테면 구리, 알루미늄, 니켈 등과 같은 금속 재질로 막대 형태로 마련되고 프레임 슬롯과 간섭되지 않게 상기 버스바 프레임(410)에 배치될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(110)들의 전극 리드(113)들은 상기 프레임 슬롯을 통해 버스바 프레임(410)의 바깥쪽으로 인출될 수 있고, 인출된 부분은 벤딩되어 상기 버스바(420)의 표면에 용접 등의 의해 부착될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 파우치형 배터리 셀(110)의 양극 리드와 다른 하나 이상의 파우치형 배터리 셀(110)의 음극 리드를 동일한 버스바에 부착함으로써 상기 파우치형 배터리 셀(110)들이 상호 간에 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.
모듈 케이스(200)는, 셀 적층체(100)를 외부 충격 등으로부터 보호하기 위한 구성요소로서 바람직하게는 기계적 강성이 우수한 금속 재질로 제작될 수 있다. 본 실시예에 따른 모듈 케이스(200)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와, 케이스 본체(210)와 엔드 커버(220)를 포함할 수 있다.
상기 케이스 본체(210)는 상기 셀 적층체(100)에서 상기 배터리 셀(110)들의 전극 리드(113)들이 위치하는 전방부와 후방부를 제외한 상측부,하측부,좌측부,우측부를 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다. 예를들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 케이스 본체(210)는 내부가 비어 있는 중공 구조이고, 길이 방향에 따른 양쪽 끝이 오픈된 형태로 개방부를 구비한다. 즉, 상기 케이스 본체(210)는 사각 관 형태로 구성될 수 있다. 상기 셀 적층체(100)는 이러한 케이스 본체(210)의 내부에 길이 방향을 따라 삽입되어 상측부,하측부,좌측부,우측부가 상기 케이스 본체(210)에 의해 감싸일 수 있다.
참고로, 케이스 본체(210)는 바닥면에 하나 이상의 레진 주입홀을 구비하도록 구성될 수 있다. 미도시 하였으나, 케이스 본체(210) 속에 셀 적층체(100)를 삽입한 후에 상기 레진 주입홀을 통해 케이스 본체(210) 내부에 써멀 레진(미도시)이 주입될 수 있고, 이에 따라 케이스 본체(210)의 바닥면과 셀 적층체(100)의 하측부 사이에 써멀 레진이 충진될 수 있다. 이러한 써멀 레진은 케이스 본체(210)에 대한 셀 적층체(100)의 고정성 강화 및 방열성 향상에 유리하게 작용할 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 케이스 본체(210)는 사각 관 형태로 일체형으로 이루어져 있다. 그러나 본 실시예와 달리, 2개 이상의 플레이트를 결합하여 상기와 같은 케이스 본체(210)를 구성할 수도 있다.
엔드 커버(220)는 셀 적층체(100)의 전방 또는 후방을 커버하고 상기 케이스 본체(210)와 상호 결합하도록 구성될 수 있다. 예를들면, 엔드 커버(220)는 케이스 본체(210)의 개방부에 대응하는 사이즈로 마련되고, 스냅-핏(snap-fit), 볼팅, 용접 등의 방식에 의해 상기 케이스 본체(210)에 고정 결합되게 구성될 수 있다. 이 같이, 엔드 커버(220)를 케이스 본체(210)에 결합함으로써 전극 리드(113)들과 버스바들이 외부에 노출되지 않도록 할 수 있다. 또한, 엔드 커버(220)는 전기 절연성 확보를 위해 전체가 플라스틱 재질이거나 적어도 버스바들과 마주하는 일면은 전기 절연성 재질로 구성될 수 있다. 또한, 상기 엔드 커버(220)는 부분적으로 절개된 파트 또는 천공된 파트를 구비할 수 있다. 이는 양극 터미널 및 음극 터미널을 배터리 모듈(10)의 내외부에 걸처 배치하거나, 케이블 커넥터(미도시) 등을 설치하기 위해 적용된 구성이라 할 수 있다.
한편, 열전파 차단시트(300)는 배터리 모듈(10)의 내부에서 열적 이벤트가 발생한 상황에서 고온의 가스나 화염으로 인해 모듈 케이스(200)가 빠르게 붕괴되는 것을 방지하기 위한 구성요소이다. 상기 열전파 차단시트(300)는 내열성 재질로 마련되고, 모듈 케이스(200)의 내부에서 셀 적층체(100)의 적어도 일 부분을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
예를들면, 상기 열전파 차단시트(300)는 셀 적층체(100)에서 상측부,하측부,좌측부,우측부,전방부,후방부 중 적어도 한 곳 이상을 커버하도록 마련될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 열전파 차단시트(300)는 열에 의해 세라믹화되는 실리콘 고분자를 포함할 수 있다. 이러한 열전파 차단시트(300)는 상온에서 말랑말랑한 상태이나, 온도 상승시 열 반응을 통해 가교화되어 딱딱한 고체상의 세라믹으로 상 변환될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 상기와 같은 열전파 차단시트(300)로 셀 적층체(100)가 감싸여져 있어, 내부에 열적 이벤트가 발생하여 배터리 셀(110)에서 고온의 가스나 화염이 분출하는 상황이 되더라도 모듈 케이스(200)가 열전파 차단시트(300)에 의해 보호되어 쉽게 구조적으로 붕괴되지 않을 수 있다. 즉, 열적 이벤트가 발생한 상황이 되면, 상기 열전파 차단시트(300)가 열 반응에 의해 딱딱하게 세라믹화된다. 이때, 상기 열전파 차단시트(300)는 세라믹화되는 과정에서 열을 흡수하기 때문에 고온의 가스가 냉각될 수 있고 배터리 셀(110)의 발화가 억제될 수 있다. 또한, 열전파 차단시트(300)가 세라믹화되어 기계적 강성이 더욱 높아지게 됨으로써 가스, 화염 뿐아니라 고온의 파티클(e.g. 전극조립체에서 탈리된 전극판 조각 등)이 배터리 셀(110)에서 분출되더라도 열전파 차단시트(300)가 쉽게 천공되지 않을 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전파 차단시트(300)는 셀 적층체(100)의 상측부를 커버하도록 구성될 수 있다. 이때, 바람직하게는 파우치형 배터리 셀(110)의 상측 에지부는 파우치 외장재를 열 융착한 실링부(112)를 구비하고, 하측 에지부는 파우치 외장재를 접어서 내장된 전극조립체의 모서리 부분을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(110)의 경우, 파우치 외장재에서 실링부(112) 부분이 압력에 취약하기 때문에, 열 폭주시 상기 실링부(112)가 찢어져 가스와 화염, 파티클 등이 분출되기 쉽다. 이에 본 실시예는 셀 적층체(100)의 상측부에 열전파 차단시트(300)가 배치되고, 여기서 상기 셀 적층체(100)의 상측부는 파우치형 배터리 셀(110)에서 실링부(112)를 구비한 상측 에지부일 수 있다.
예컨대, 밀폐되어 있는 배터리 모듈(10)의 내부에서 발화가 일어나면, 특히 고온 고압의 가스가 하부 방향 또는 측면 방향보다는 주로 상부 방향을 향하게 되는데, 본 실시예와 같이, 셀 적층체(100)의 상측부에 열전파 차단시트(300)가 배치되어 있을 경우 상기 고온 고압의 가스로부터 모듈 케이스(200)의 상부면을 안정적으로 보호할 수 있다.
물론, 상기 열전파 차단시트(300)는 셀 적층체(100)의 상측부 뿐만 아니라 다른 부분을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트(500)는 상기 셀 적층체(100)의 상측부를 커버하는 상측 커버면(510)과, 상기 셀 적층체(100)의 양쪽 측면부를 커버하는 사이드 커버면(520)을 포함하도록 구성될 수도 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 가스나 화염이 보다 확실히 견고하게 차단될 수 있다.
또한, 미도시 하였으나, 상기 열전파 차단시트는 적층된 파우치형 배터리 셀(110)들 사이 사이에 배치되어 배터리 셀(110)들 간의 열이동을 차단할 수 있게 구성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트(600)를 적용한 셀 적층체(100)를 도시한 사시도이다.
한편, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 상기 열전파 차단시트(600)가 상기 셀 적층체(100)의 전방부 또는 후방부를 감싸고, 상기 배터리 셀(110)들의 전극 리드(113)들은 상기 열전파 차단시트(300)를 관통하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 구성은, 전술한 실시예의 배터리 모듈(10)의 주요 구성을 포함하되, 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하고 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트(600) 및 구성상 차이점을 위주로 자세히 설명하기로 한다.
도 5와 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트(600)는, 상기 셀 적층체(100)의 상측부을 커버하는 제1 커버면(610) 및 상기 셀 적층체(100)의 전방부와 후방부를 각각 커버하는 제2 커버면(620)과 제3 커버면(630)을 포함한다.
그리고 상기 제2 커버면(620)과 상기 제3 커버면(630)은, 소정 개수의 전극 리드(113)들이 통과할 수 있는 리드 인출부(621,631)를 구비한다. 예를들면, 상기 리드 인출부(621,631)는 도 6과 같이, 제2 커버면(620)의 일 영역을 길이방향으로 부분 절개하여 형성된 시트 슬릿(622,632)을 구비할 수 있다. 도 5의 부분 확대도에 나타낸 바와 같이, 전극 리드(113)는 상기 시트 슬릿(622,632)에 끼워 넣어져 상기 제2 커버면(620)(또는 제3 커버면(630))의 바깥쪽으로 인출될 수 있다. 이렇게 제2 커버면(620)의 바깥쪽으로 인출된 전극 리드(113)는 (도 3 참조)전술한 실시예와 같이, 버스바 프레임(410)의 프레임 슬롯을 통과하여 버스바(420)에 용접될 수 있다. 한편, 도 5의 실시 구성은, 하나의 시트 슬릿(622,632)에 하나의 전극 리드(113)가 끼워지도록 하였으나, 본 실시 구성과 달리, 하나의 시트 슬릿(622,632)에 2개 또는 3개 이상의 전극 리드(113)가 포개어져 끼워지도록 구성될 수 있고, 시트 슬릿(622,632)들 간의 간격도 다양하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 커버면(620)과 상기 제3 커버면(630)은 도 6에 'FL'로 표시한 바와 같이 폴딩 라인을 구비할 수 있다. 상기 폴딩 라인을 기준으로 상기 제2 커버면(620)과 상기 제3 커버면(630)이 제1 커버면(610)에 대해 쉽게 접혀지도록 구성될 수 있다. 상기 폴딩 라인은 복수 개일 수 있다. 예를 들면, 제1 커버면(610)과 제2 커버면(620)의 경계에 첫번째 폴딩 라인이 구비되고, 상기 첫번째 폴딩 라인과 소정 간격 이격된 곳에 두번재 폴딩 라인이 구비될 수 있다. 상기 구성에 의하면 제1 커버면(610)에 대해 첫번째 폴딩 라인을 기준으로 제2 커버면(620)을 접고, 두번째 폴딩 라인을 기준으로 상기 두번째 폴딩 라인 아래쪽 부분을 그 윗쪽 부분에 대해 다시 접을 수 있다. 이 경우, 제2 커버면(620)을 셀 적층체(100)의 전방부에 더 가깝게 밀착시키면서 전극 리드(113)들을 상기 제2 커버면(620) 외측으로 빼내기가 용이할 수 있다.
또한, 제2 커버면(620)의 시트 슬릿(622,632) 및 제3 커버면(630)의 시트 슬릿(622,632)은 전극 리드(113)를 끼워 넣은 후 실링되게 구성될 수 있다. 예를들면, 도 7의 실시 구성과 같이, 전극 리드(113)가 끼워진 시트 슬릿(622,632)의 바깥쪽에 내화 테이프(640)가 부착될 수 있다. 시트 슬릿(622,632)은 전극 리드(113)를 용이하게 끼워 넣기 위해 전극 리드(113)보다 약간 더 크게 형성될 수 있다. 이러한 시트 슬릿(622,632)은 전극 리드(113)를 끼운 후, 빈 틈이 존재한다. 내화 테이프(640)는 전극 리드(113)가 끼워진 시트 슬릿(622,632)이 완전히 밀봉되도록 상기 빈 틈을 없애는 역할을 한다. 이처럼 내화 테이프(640)로 시트 슬릿(622,632)을 밀봉 처리하게 되면, 가스나 화염이 상기 시트 슬릿(622,632)의 빈 틈으로 빠져 나오는 것을 차단할 수 있다. 더욱이, 내화 테이프(640)가 시트 슬릿(622,632)이 잡아주는 역할을 하기 때문에 가스의 압력이 작용하더라도 시트 슬릿(622,632)이 쉽게 벌어지거나 찢어지지 않을 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전파 차단시트(300)의 가스 또는 화염의 차단 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 일부분의 개략적인 단면도이다.
상술한 바와 같은 열전파 차단시트(600) 구성에 의하면, 도 8에 K1으로 표시한 바와 같이, 셀 적층체(100)로부터 가스나 화염이 상부 방향으로 향하는 것이 차단될 수 있을 뿐만 아니라, K2 및 K3로 표시한 바와 같이, 가스나 화염이 전극 리드(113)와 버스바가 위치한 셀 적층체(100)의 전방 또는 후방으로 향하는 것도 차단할 수 있다.
전술한 바 있듯이, 셀 적층체(100)의 전방 또는 후방에는 전극 리드(113)와 버스바의 외부 노출을 막기 위한 엔드 커버(220)가 구비되어 있다. 상기 엔드 커버(220)는 전기 절연성 재질로 비금속 재질로 구성되고, 커넥터 설치구 또는 모듈의 터미널을 설치하기 위해 부분적으로 절개되거나 천공된 파트를 구비하기 때문에, 특히 고온의 가스나 화염에 취약하다. 그러나 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 셀 적층체(100)의 전방부가 열전파 차단시트(600)의 제2 커버면(620)에 의해 감싸여져 있다. 따라서 배터리 셀(110)에 열적 이벤트가 발생하더라도 고온의 가스와 화염으로부터 상기 엔드 커버(220)를 비롯한 버스바 프레임(410)의 녹아 소실되는 것이 방지될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 구성과 상기 구성의 작용에 따르면, 배터리 모듈(10)의 내부에 열적 이벤트가 발생하여 가스나 화염이 배터리 셀(110)들에서 분출하더라도 배터리 모듈(10)의 급격한 구조 붕괴 막을 수 있다. 또한, 열적 이벤트가 발생한 배터리 모듈(10)의 급격한 구조 붕괴를 막음으로써 주변의 다른 배터리 모듈(10)의 열폭주 연쇄 반응을 억제할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 도 10과 같이, 상술한 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 하나 이상의 배터리 모듈(10)의 충방전을 통합 제어하기 위한 마스터 BMS(30), 전류 센서, 퓨즈 등과 상술한 구성품을 수용하기 위한 팩 케이스(20)를 더 포함할 수 있다. 상기 팩 케이스는 크로스 빔들(21,22)로 구획된 내부 공간을 구비한 팩 트레이와 상기 팩 트레이의 상부를 커버하는 팩 커버를 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 적층체
110: 배터리 셀 112: 실링부
113: 전극 리드 120: 압축성 패드
200: 모듈 케이스 210: 케이스 본체
220: 엔드 커버 300,500,600: 열전파 차단시트
400: 버스바 조립체 410: 버스바 프레임
420: 버스바 510: 상측 커버면
520: 사이드 커버면 610: 제1 커버면
620: 제2 커버면 630: 제3 커버면
621,631: 리드 인출부 622,632 : 시트 슬릿
640: 내화 테이프
110: 배터리 셀 112: 실링부
113: 전극 리드 120: 압축성 패드
200: 모듈 케이스 210: 케이스 본체
220: 엔드 커버 300,500,600: 열전파 차단시트
400: 버스바 조립체 410: 버스바 프레임
420: 버스바 510: 상측 커버면
520: 사이드 커버면 610: 제1 커버면
620: 제2 커버면 630: 제3 커버면
621,631: 리드 인출부 622,632 : 시트 슬릿
640: 내화 테이프
Claims (12)
- 일 방향으로 적층된 복수 개의 배터리 셀들을 구비한 셀 적층체;
상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스; 및
내열성 재질로 마련되고, 상기 모듈 케이스의 내부에서 상기 셀 적층체의 적어도 일 부분을 감싸는 열전파 차단시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 열전파 차단시트는, 열에 의해 세라믹화되는 실리콘 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 셀 적층체는, 수평 방향으로 적층된 복수 개의 파우치형 배터리 셀들을 구비하고,
상기 열전파 차단시트는 상기 셀 적층체에서 상측부,하측부,좌측부,우측부,전방부,후방부 중 적어도 한 곳 이상을 커버하도록 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제3항에 있어서,
상기 열전파 차단시트는, 적층된 상기 파우치형 배터리 셀들 사이에 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제3항에 있어서,
상기 열전파 차단시트는,
상기 셀 적층체의 상측부을 커버하는 제1 커버면; 및
상기 셀 적층체의 전방부와 후방부를 각각 커버하는 제2 커버면과 제3 커버면을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제5항에 있어서,
상기 제2 커버면과 상기 제3 커버면은,
상기 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들을 통과시킬 수 있는 리드 인출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제6항에 있어서,
상기 리드 인출부는 소정 개수의 상기 전극 리드를 끼워 넣을 있게 부분 절개되어 형성된 시트 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제7항에 있어서,
상기 전극 리드가 끼워진 상기 시트 슬릿에 내화 테이프가 부착되어 상기 시트 슬릿이 밀봉된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 모듈 케이스는,
상기 셀 적층체에서 상기 배터리 셀들의 전극 리드들이 위치하는 전방부와 후방부를 제외한 상측부,하측부,좌측부,우측부를 둘러싸는 형태로 구성된 케이스 본체; 및
상기 케이스 본체와 상호 결합하고 상기 셀 적층체의 전방과 후방을 커버하는 엔드 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제9항에 있어서,
상기 열전파 차단시트는 상기 셀 적층체의 전방부 또는 후방부를 감싸고,
상기 배터리 셀들의 전극 리드들은 상기 열전파 차단시트를 관통하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈. - 제1항 내지 제10항 중 적어도 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제11항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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