KR20240047009A - 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 배터리 셀의 열폭주가 발생하기 전에 미리 감지할 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은 케이스의 밀폐된 공간에 수용되는 다수의 배터리 셀, 상기 다수의 배터리 셀 사이에 개재되며 내부에 충전물이 구비되고 인접하게 배치된 상기 배터리 셀의 온도가 일정 온도 이상일 때 상기 충전물을 배출하는 다수의 보조 수단, 상기 케이스에 설치되며 상기 보조 수단이 상기 충전물을 배출할 때 위험 신호를 출력하여 상기 배터리 셀에서 열폭주가 발생하기 전에 위험을 알리는 알림 수단을 포함할 수 있다.

Description

배터리 모듈 {BATTERY MODULE}

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 셀의 열폭주가 발생하기 전에 미리 감지할 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.

이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.

이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이며, 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)의 배터리 셀로 제조되어 다수 개를 연결하여 모듈 형태로 구성하여 사용하고 있다.

한편, 배터리 모듈은 장시간 사용될 경우, 배터리로부터 열이 발생하게 되고, 특히 충전 시에는 내부의 온도가 급격히 상승하게 되며, 이와 같은 배터리의 온도 상승은 배터리의 수명을 단축시키게 되고, 배터리의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 최악의 경우 발화 또는 폭발이 발생될 수 있다.

특히, 배터리 모듈은 과충전, 과방전, 내부단락사고, 단자접촉불량, 충전불량 등으로 인해 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 수 있으며, 이는 화재 및 폭발로 이어질 수 있다.

그러나, 지금까지 보고되고 있는 기술에 따르면 열폭주가 이미 발생한 후 감지하거나 열폭주가 이미 발생한 후 이를 지연시키는 방법이 대다수이고, 열폭주가 발생하기 전에 이를 감지하여 사전에 차단하는 방법에 대해서는 연구가 미비한 실정이다.

다만, 배터리 셀마다 센서를 부착하여 배터리 셀의 온도, 전압, 변형량 등이 일정 수치에 도달하면 이를 감지하여 열폭주 발생 위험을 알리는 기술이 있으나, 이는 배터리 셀마다 센서를 부착해야 해서 상당한 비용이 소요되며 설치공간 확보가 필요할 뿐만 아니라 설치작업에 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 센서를 이용하여 배터리 모듈에 포함되는 다수의 배터리 셀 중 적어도 하나에서 열폭주가 발생하기 전에 미리 감지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은 케이스의 밀폐된 공간에 수용되는 다수의 배터리 셀, 상기 다수의 배터리 셀 사이에 개재되며 내부에 충전물이 구비되고 인접하게 배치된 상기 배터리 셀의 온도가 일정 온도 이상일 때 상기 충전물을 배출하는 다수의 보조 수단, 상기 케이스에 설치되며 상기 보조 수단이 상기 충전물을 배출할 때 위험 신호를 출력하여 상기 배터리 셀에서 열폭주가 발생하기 전에 위험을 알리는 알림 수단을 포함할 수 있다.

이러한 상기 보조 수단은 상기 배터리 셀의 온도가 상기 일정 온도 이상일 때 개방되어 상기 충전물을 배출시키는 벤트부를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 충전물은 상기 보조 수단의 내부에 액체 상태로 구비되며 상기 일정 온도에서 기체 상태로 상변화하여 상기 보조 수단의 내부 압력을 상승시키고, 상기 벤트부는 상기 보조 수단의 내부 압력이 임계값에 도달하면 파손되며 상기 충전물을 방출시키도록 구비될 수 있다.

또한, 상기 알림 수단은 상기 보조 수단에서 상기 충전물이 배출되는 것을 감지하기 위한 센서부를 포함할 수 있다.

이러한 상기 센서부는 상기 케이스의 내부 압력을 감지하는 압력 센서일 수 있다.

또한, 배터리 모듈은 상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 보조 수단이 상기 충전물을 배출할 때 개방되며 상기 충전물을 외부로 배출하여 상기 케이스의 내부 압력을 낮추는 배출 수단을 더 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 배터리 모듈에 따르면 하나의 센서를 이용하여 배터리 모듈에 포함되는 다수의 배터리 셀 중 적어도 하나에서 열폭주가 발생하기 전에 미리 감지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈에서 케이스를 분리한 상태의 정면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈에서 케이스를 분리한 상태의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈에서 케이스를 분리한 상태의 정면도이며,도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈에서 케이스를 분리한 상태의 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 배터리 모듈(10)은 케이스(100)의 밀폐된 공간에 수용되는 다수의 배터리 셀(200), 다수의 배터리 셀(200) 사이에 개재되며 내부에 충전물(301)이 구비되고, 인접하게 배치된 배터리 셀(200)의 온도가 일정 온도 이상일 때 충전물(301)을 배출하는 다수의 보조 수단(300), 케이스(100)에 설치되며 보조 수단(300)이 충전물(301)을 배출할 때 위험 신호를 출력하여 배터리 셀(200)에서 열폭주가 발생하기 전에 위험을 알리는 알림 수단(400)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 열폭주가 발생하기 전에 미리 감지하여 열폭주가 발생하는 것을 방지하기 위해 케이스(100), 다수의 배터리 셀(200), 다수의 보조 수단(300), 및 알림 수단(400)을 포함할 수 있다.

케이스(100)는 밀폐된 공간을 형성하며 공간 내부에 다수의 배터리 셀(200)을 수용하도록 형성될 수 있다. 일예로, 케이스(100)는 직육면체의 블록 형태로 마련될 수 있다.

또한, 케이스(100)는 내부에 공간을 형성하며 상부로 개구되도록 형성되고, 상부를 덮도는 커버(110)가 케이스(100)에 체결되어 밀폐된 공간을 형성할 수도 있다.

배터리 셀(200)은 두께를 갖는 사각판재 형상으로 형성될 수 있고, 다수개로 구비되어 일방향으로 적층되어 조립될 수 있으며, 일예로, 파우치형(pouched type) 이차전지일 수 있으며, 전극 리드(미도시)가 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.

이러한 배터리 셀(200)은 일측에 셀 벤트부(210)가 형성되고, 임계 온도 보다 높은 온도로 상승하는 경우 셀 벤트부(210)가 파손되면서 오프 가스를 방출할 수 있다. 이때, 임계 온도는 배터리 셀(200)의 종류에 따라 다르고, 배터리 셀(200)은 열폭주 또는 고장시 오프 가스를 방출할 수 있도록 설계될 수 있다.

셀 벤트부(210)는 배터리 셀(200)의 일부분의 두께가 보다 얇은 두께로 형성되는 부분일 수 있으며, 배터리 셀(200)에 설정 압력 이상의 고압이 걸리게 되면 안전을 위하여 파열을 일으키도록 배터리 셀(200)의 두께 보다 얇은 두께로 형성될 수 있다.

보조 수단(300)은 속이 빈 사각 판재 형상으로 형성되어 다수의 배터리 셀(200) 사이에 개재되며 양측면이 각각 배터리 셀(200)에 접촉되는 상태로 설치될 수 있고, 내부에는 충전물(301)이 수용될 수 있다.

이러한 다수의 보조 수단(300)은 인접하게 배치된 배터리 셀(200)이 온도에 따라 팽창하는 경우 압축되며 배터리 셀(200)을 지지하고, 배터리 셀(200)의 온도가 상승하는 경우 열을 흡수하여 배터리 셀(200)의 온도를 낮추는 기능을 제공할 수 있다.

이를 위해 다수의 보조 수단(300)은 배터리 셀(200)과 접촉된 상태로 배치되며 내부에 빈 공간(310)이 형성될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 보조 수단(300)은 인접하게 배치된 배터리 셀(200)의 온도가 일정 온도 이상일 때 내부에 충전된 충전물(301)을 배출시켜 후술할 알림 수단(400)이 위험 신호를 출력하도록 하며, 알림 수단(400)이 배터리 셀(200)에 열폭주가 발생할 수 있음을 알릴 수 있다.

이러한 보조 수단(300)은 배터리 셀(200)의 온도가 일정 온도 이상일 때 개방되어 충전물(301)을 배출시키는 벤트부(320)를 구비할 수 있다.

벤트부(320)는 보조 수단(300)의 내부 압력이 임계값에 도달하면 파손되며 충전물(301)을 방출시키도록 구비되며, 일예로, 도 5에 도시된 바와 같이 보조 수단(300)의 일부분의 두께가 보다 얇은 두께로 형성되는 부분일 수 있다.

이에 따라, 보조 수단(300)에 임계값 이상의 고압이 걸리게 되면 보조 수단(300) 보다 얇은 두께로 형성되는 벤트부(320)가 파손되며, 파손된 벤트부(320)를 통해 충전물(301)이 배출될 수 있다.

충전물(301)은 일정 온도에서 상변화하는 상변화 물질일 수 있으며, 보조 수단(300)의 내부에 액체 상태로 구비되며 일정 온도에서 기체 상태로 상변화하여 보조 수단(300)의 내부 압력을 상승시키며, 이때, 일정 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있으나 배터리 셀(200)의 종류에 따라 설정될 수 있다.

충전물(301)은 한가지 또는 두가지 이상의 상변화 물질을 포함할 수 있으며, 보조 수단(300)에 액체 형태로 충전되며 일정 온도에서 기체 형태로 기화함에 따라 보조 수단(300)의 내부 압력을 상승시킬 수 있다.

알림 수단(400)은 케이스(100)에 설치되며 보조 수단(300)이 충전물(301)을 배출할 때 이를 감지하여 위험 신호를 출력할 수 있으며, 배터리 셀(200)에서 열폭주가 발생하기 전에 위험을 알린다.

이러한 알림 수단(400)은 다수의 보조 수단(300) 중 적어도 하나에서 충전물(301)을 배출하는 경우 이를 감지하여 위험 신호를 출력하며, 위험 신호는 배터리 관리 시스템으로 출력할 수 있다. 배터리 관리 시스템은 위험 신호를 수신하면 위험 신호를 출력한 배터리 모듈(10)에서 열폭주가 발생할 것으로 인지하여 열폭주가 발생하기 전에 미리 점검하거나 열폭주의 발생을 차단할 수 있다.

또한, 알림 수단(400)은 보조 수단(300)에서 충전물(301)이 배출되는 것을 감지하기 위해 센서부(410)를 포함할 수 있다.

이러한 센서부(410)는 케이스(100)의 내부 압력을 감지하는 압력 센서일 수 있으며, 보조 수단(300)이 충전물(301)을 배출하면 케이스(100)의 내부 압력이 상승하게 되고 이를 감지하여 적어도 하나의 배터리 셀(200)이 일정 온도 이상으로 상승한 것을 확인할 수 있다.

또한, 센서부(410)는 배터리 셀(200)에서 오프 가스가 방출되는 경우에도 케이스(100)의 내부 압력이 상승함에 따라 이를 감지할 수 있고, 배터리 셀(200)의 열폭주 또는 고장을 감지할 수 있다.

그리고, 센서부(410)는 보조 수단(300)의 벤트부(320)와 인접하게 위치하며 후술할 배출 수단(500)과 인접하게 위치하는 것이 바람직하다.

도면에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(200)은 전방에 셀 벤트부(210)가 구비되고 보조 수단(300)도 벤트부(320)가 전방에 구비될 수 있으며, 센서부(410)는 벤트부(320)와 대향되는 케이스(100)의 벽면에 설치되어 벤트부(320)에서 충전물(301)이 방출되거나 셀 벤트부(210)에서 오프 가스가 방출되는 것을 신속하게 감지할 수 있다.

또한, 벤트부(320)는 보조 수단(300)의 상단부와 인접한 위치에 형성되어 보조 수단(300) 내부에 충전된 충전물(301) 중 기체 형태로 기화한 충전물(301)만 케이스(100)의 내부로 방출할 수 있다. 그리고, 셀 벤트부(210)도 벤트부(320)와 나란하게 배치되도록 배터리 셀(200)의 상단부와 인접한 위치에 형성될 수 있고, 센서부(410)는 케이스(100)에서 벤트부(320)와 셀 벤트부(210)와 대향되는 위치에 설치될 수 있다.

한편, 배터리 모듈(10)은 보조 수단(300)에서 충전물(301)을 배출하는 경우 케이스(100)의 내부 압력이 상승하기 때문에 배출 수단(500)을 더 포함할 수 있다.

배출 수단(500)은 케이스(100)의 내부에 설치되며, 보조 수단(300)이 충전물(301)을 배출하여 케이스(100)의 내부 압력이 상승하면 케이스(100)의 내부 압력을 낮추기 위해 개방될 수 있으며 충전물(301)을 외부로 배출한다.

이러한 배출 수단(500)은 케이스(100)에 형성된 개구홀(120)에 설치되는 압력해소밸브(510)일 수 있으며, 압력해소밸브(510)는 개구홀(120)을 폐쇄하도록 설치되고 케이스(100)의 내부 압력이 상승하여 설정된 일정 압력에 도달하면 개방되도록 작동할 수 있다.

아래에서는 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 열폭주 사전 감지 방법에 대해 설명한다.

배터리 셀(200)은 열폭주가 발생하기 전에 급격하게 온도가 상승하게 되며, 배터리 셀(200)의 표면 온도가 일정 온도 이상으로 상승하게 되면, 배터리 셀(200)과 접촉된 상태로 배치되는 보조 수단(300)도 일정 온도 이상으로 상승할 수 있다.

보조 수단(300)의 온도가 상승함에 따라 보조 수단(300)의 내부에 충전된 액체 형태의 충전물(301)이 열을 흡수하여 기체 형태로 기화하게 되고, 충전물(301)이 기화하면서 공간(310)의 내부 압력이 상승하게 되고, 내부 압력이 임계값에 도달하면 벤트부(320)가 파손될 수 있다.

이에 따라 보조 수단(300)은 벤트부(320)가 파손되며 충전물(301)을 방출하고, 대향되게 배치된 센서부(410)는 방출된 충전물(301)을 감지하며 알림 수단(400)이 배터리 관리 시스템으로 위험 신호를 출력할 수 있다. 이때, 센서부(410)는 케이스(100) 내부로 충전물(301)이 방출됨에 따라 케이스(100)의 내부 압력이 상승하게 되고, 케이스(100)의 내부 압력이 설정된 일정 압력에 도달하면 알림 수단(400)에서 위험 신호를 출력할 수 있다. 또는, 센서부(410)는 케이스(100)의 내부 압력이 순간적으로 급격히 변화할 때 이를 감지할 수 있으며, 변화량에 따라 알림 수단(400)에서 위험 신호를 출력하도록 마련될 수 있다.

이때, 위험 신호는 센서부(410)에서 측정된 케이스(100)의 내부 압력 또는 케이스(100)의 내부 압력의 변화량을 포함할 수 있다.

또한, 케이스(100) 내부로 기체 형태의 충전물(301)이 배출되어 내부 압력이 상승함에 따라 케이스(100)의 내부 압력을 낮추기 위해 압력해소밸브(510)가 개방될 수 있다. 단, 센서부(410)에서 충전물(301)의 배출 여부를 감지하기 전에 압력해소밸브(510)가 개방되면 센서부(410)에서 충전물(301)의 배출 여부를 감지할 수 없기 때문에, 센서부(410)가 적어도 하나의 배터리 셀(200)에서 열폭주가 발생할 수 있음을 판단하기 위해 케이스(100)의 내부 압력과 비교하는 설정된 일정 압력(P1)은 압력해소밸브(510)를 개방하기 위해 케이스(100)의 내부 압력과 비교하는 압력(P2) 보다 낮은 것이 바람직하다.

이에 따라, 보조 수단(300)에서 충전물(301)이 방출되며 케이스(100)의 내부 압력이 서서히 상승하게 되어 일정 압력(P1)에 도달하면 알림 수단(400)이 위험 신호를 출력하고, 케이스(100)의 내부 압력이 보다 더 상승하여 압력(P2)에 도달하면 압력해소밸브(510)가 개방되며 케이스(100)의 내부 압력을 해소할 수 있다.

그리고, 배터리 관리 시스템은 알림 수단(400)으로부터 수신한 위험 신호를 모듈 전력 관리 장치로 송신할 수 있으며, 모듈 전력 관리 장치는 배터리의 열폭주 발생 위험성을 알리고, 위험 신호를 출력한 배터리 모듈(10)에 열폭주가 발생하기 전에 미리 점검하거나 열폭주의 발생을 미리 대비하거나 차단할 수 있다.

이러한 형상과 구조를 갖는 본 발명의 실시예들에 의하면 하나의 센서를 이용하여 배터리 모듈에 포함되는 다수의 배터리 셀 중 적어도 하나에서 열폭주가 발생하기 전에 미리 감지할 수 있는 효과가 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 배터리 모듈
100: 케이스
110: 커버
120: 개구홀
200: 배터리 셀
210: 셀 벤트부
300: 보조 수단
301: 충전물
310: 공간
320: 벤트부
400: 알림 수단
410: 센서부
500: 배출 수단
510: 압력해소밸브

Claims (6)

1. 케이스의 밀폐된 공간에 수용되는 다수의 배터리 셀;
   상기 다수의 배터리 셀 사이에 개재되며 내부에 충전물이 구비되고, 인접하게 배치된 상기 배터리 셀의 온도가 일정 온도 이상일 때 상기 충전물을 배출하는 다수의 보조 수단; 및
   상기 케이스에 설치되며 상기 보조 수단이 상기 충전물을 배출할 때 위험 신호를 출력하여 상기 배터리 셀에서 열폭주가 발생하기 전에 위험을 알리는 알림 수단;을 포함하는 배터리 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 보조 수단은,
   상기 배터리 셀의 온도가 상기 일정 온도 이상일 때 개방되어 상기 충전물을 배출시키는 벤트부를 구비하는 배터리 모듈.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 충전물은 상기 보조 수단의 내부에 액체 상태로 구비되며 상기 일정 온도에서 기체 상태로 상변화하여 상기 보조 수단의 내부 압력을 상승시키고,
   상기 벤트부는 상기 보조 수단의 내부 압력이 임계값에 도달하면 파손되며 상기 충전물을 방출시키도록 구비된 배터리 모듈.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 알림 수단은,
   상기 보조 수단에서 상기 충전물이 배출되는 것을 감지하기 위한 센서부를 포함하는 배터리 모듈.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 센서부는 상기 케이스의 내부 압력을 감지하는 압력 센서인 배터리 모듈.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 보조 수단이 상기 충전물을 배출할 때 개방되며 상기 충전물을 외부로 배출하여 상기 케이스의 내부 압력을 낮추는 배출 수단;을 더 포함하는 배터리 모듈.
   

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