WO2018216870A1 - 안전성이 향상된 배터리 모듈 - Google Patents

안전성이 향상된 배터리 모듈 Download PDF

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WO2018216870A1
WO2018216870A1 PCT/KR2018/000139 KR2018000139W WO2018216870A1 WO 2018216870 A1 WO2018216870 A1 WO 2018216870A1 KR 2018000139 W KR2018000139 W KR 2018000139W WO 2018216870 A1 WO2018216870 A1 WO 2018216870A1
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digestion
tube
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유재욱
강달모
김수창
문정오
윤지수
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module having improved safety, and more particularly, to a battery module having improved safety against fire and explosion by inserting a digestion cell including a extinguishing agent therein.
  • rechargeable batteries can be recharged by active development of high-tech fields such as digital cameras, cellular phones, laptop computers, power tools, electric bicycles, electric vehicles, hybrid vehicles, and large-capacity power storage devices. Research is ongoing.
  • lithium secondary batteries have a higher energy density per unit weight and can be rapidly charged compared to other secondary batteries such as lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, and nickel-zinc batteries, thereby increasing their use actively. It's going on.
  • Lithium secondary battery is used as a power source for portable electronic devices with an operating voltage of 3.6V or more, or by connecting a plurality of batteries in series or in parallel to high power electric vehicles, hybrid vehicles, power tools, electric bicycles, power storage devices, UPS, etc. Used.
  • Lithium secondary batteries have a three times higher operating voltage than nickel-cadmium batteries or nickel-metal hydride batteries, and are also rapidly being used because of their excellent energy density per unit weight.
  • the lithium secondary battery may be classified into a lithium ion battery using a liquid electrolyte and a lithium ion polymer battery using a polymer solid electrolyte according to the type of electrolyte.
  • Lithium ion polymer batteries can be divided into fully solid lithium ion polymer batteries containing no electrolyte solution and lithium ion polymer batteries using gel polymer electrolyte containing electrolyte solution, depending on the type of polymer solid electrolyte.
  • a cylindrical or rectangular metal can is used as a container by welding sealing. Since the can-type secondary battery using such a metal can as a container has a fixed shape, there is a disadvantage in restricting the design of an electric product using the same as a power source, and it is difficult to reduce the volume. Therefore, a pouch type secondary battery using an electrode assembly and an electrolyte in a pouch packaging material made of a film and sealing it has been developed and used.
  • the lithium secondary battery is one of the important problems to ensure safety because there is a risk of explosion when overheating.
  • Overheating of the lithium secondary battery is caused by a variety of causes, one of which is the case in which overcurrent flows beyond the limit through the lithium secondary battery.
  • the lithium secondary battery When the overcurrent flows, the lithium secondary battery generates heat by Joule heat, so the internal temperature of the battery increases rapidly. The rapid rise in temperature also causes decomposition reactions of the electrolyte, causing thermal runaway, which eventually leads to battery explosion.
  • the overcurrent is a rush current due to a breakdown of the insulation between the positive electrode and the negative electrode due to a sharp metal object penetrating the lithium secondary battery, the contraction of the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, or an abnormality in the charging circuit or load connected to the outside. Is applied to the battery.
  • a lithium secondary battery is used in combination with a protection circuit to protect the battery from an abnormal situation such as the occurrence of an overcurrent.
  • the protection circuit includes a fuse device irreversibly disconnecting a line through which charge or discharge current flows when an overcurrent occurs. It is common to include.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an arrangement structure and an operation mechanism of a fuse device among components of a protection circuit coupled to a battery pack including a lithium secondary battery.
  • the protection circuit operates the fuse device 1 when the overcurrent occurs by monitoring the fuse device 1, the sense resistor 2 for sensing the overcurrent, and the overcurrent generation to protect the battery pack when the overcurrent occurs.
  • the fuse element 1 is installed on a main line connected to the outermost terminal of the battery pack.
  • the main line is the wiring through which the charging or discharging current flows.
  • the fuse element 1 is shown installed in a high potential line Pack +.
  • the fuse element 1 is a three-terminal element component, and two terminals are connected to a main line through which charge or discharge current flows, and one terminal is connected to the switch 4.
  • the inside includes a fuse 1a connected in series with the main line and having a carpet at a specific temperature, and a resistor 1b for applying heat to the fuse 1a.
  • the microcontroller 3 periodically detects a voltage across the sense resistor 2 to monitor whether overcurrent occurs, and turns on the switch 4 when it is determined that overcurrent has occurred. Then, current flowing in the main line is bypassed to the fuse element 1 and applied to the resistor 1b. Accordingly, Joule heat generated from the resistor 1b is conducted to the fuse 1a to raise the temperature of the fuse 1a, and when the temperature of the fuse 1a rises to the melting temperature, the fuse 1a is fused. The track is irreversibly disconnected. If the main line is disconnected, the overcurrent no longer flows, thus eliminating the problem caused by the overcurrent.
  • the above-described prior art has various problems. That is, when a failure occurs in the microcontroller 3, the switch 4 is not turned on even in a situation in which an overcurrent occurs. In this case, since the current does not flow into the resistor 1b of the fuse device 1, there is a problem that the fuse device 1 does not operate. In addition, a space for disposing the fuse element 1 in the protection circuit is required separately, and a program algorithm for controlling the operation of the fuse element 1 must be loaded in the microcontroller 3. Therefore, there is a disadvantage in that the space efficiency of the protection circuit is lowered and the load of the microcontroller 3 is increased.
  • the present invention was devised in consideration of the above-described problems, and it is to provide a battery module structure that can greatly improve safety in the use of secondary batteries by preventing occurrence of events such as ignition / explosion even without complicated structure of the battery module.
  • the purpose is to provide a battery module structure that can greatly improve safety in the use of secondary batteries by preventing occurrence of events such as ignition / explosion even without complicated structure of the battery module.
  • Battery module for solving the above technical problem, a cell holder having a plurality of battery cell inserting and at least one digestion cell inserting; A plurality of battery cells located within each of the battery cell inserts; And at least one digestion cell located in the digestion cell insert.
  • the fire extinguishing cell may spray a fire extinguishing agent toward the battery cell at a reference temperature or higher.
  • the digestive cell comprises: a medication tube containing a digestive agent; A tube case accommodating the drug tube through an opening formed in at least one of an upper end and a lower end; And a case cover covering the opening.
  • the drug tube may be broken above a reference temperature to cause the extinguishing agent to be ejected.
  • the case cover may include a plurality of injection parts formed along a circumference.
  • One digestion cell insert may be surrounded by a plurality of battery cell inserts.
  • the cell holder may include an upper holder covering an upper portion of the battery cell and the digestion cell; A lower holder covering a lower portion of the battery cell and the digestion cell; It may include.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention, the battery module; And a pack housing accommodating at least one battery module.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an arrangement structure and an operation mechanism of a fuse device among components of a protection circuit coupled to a battery module.
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a digestion cell applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a lower surface of a case cover constituting a fire extinguishing cell applied to the present invention.
  • FIG. 7 is a view illustrating a state in which a digestion cell applied to a battery module is inserted into a digestion cell inserting unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a partially enlarged view illustrating a form in which a digestion cell applied to a battery module according to an embodiment of the present invention is inserted into a digestion cell insertion unit.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a form in which a digestion cell applied to a battery module is inserted into a digestion cell insertion unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a plan view of a battery module according to an embodiment of the present invention. .
  • a battery module according to an embodiment of the present invention includes a cell holder 10, a plurality of battery cells 20 and a cell holder 10 inserted into the cell holder 10. It may be implemented in the form including a digestion cell 30 is inserted into.
  • the cell holder 10 may include an upper holder 11 covering an upper portion of the battery cell 20 and a lower holder 12 covering a lower portion of the battery cell 12.
  • the shape of the cell holder 10 applied to the present invention is not necessarily limited to the case consisting of these two pieces, and may have the form of one integrated holder.
  • the cell holder 10 includes a plurality of battery cell inserting portions 10a into which the battery cells 20 are inserted and at least one digestion cell inserting portion 10b into which the digesting cells 30 are inserted (see FIG. 7). do.
  • the cell inserting portion 10a and the digestion cell inserting portion 10b may be formed in the form of a through hole formed through both the upper holder 11 and the lower holder 12, and the upper holder 11 has a through hole.
  • the lower holder 12 may be formed in the form of an insertion groove.
  • the cell holder 10 may include a cell insertion portion 10a having a through hole shape on both top and bottom surfaces thereof, and may have a shape in which a bottom hole is blocked and a through hole is formed only on the top surface.
  • the cell holder 10 may include a cell fixing part 13 having a hole 13a having a diameter smaller than the diameter of the cell insertion part 10a in at least one of the upper surface and the lower surface. While the battery cell 20 is fixed by the cell fixing part 13 so as not to escape to the outside of the cell inserting part 10a, the electrode terminal of the battery cell 20 is formed through the hole formed in the cell fixing part 13. May be exposed to the outside. As such, since the electrode terminals of the battery cells 20 are exposed to the outside, the plurality of battery cells 20 may be electrically connected to each other using a bus bar, or voltage sensing of the plurality of battery cells 20 may be performed.
  • the battery cell 20 for example, a cylindrical cell may be applied.
  • the battery cell 20 is inserted into the battery cell inserting portion 10a by having a diameter corresponding to the diameter of the battery cell inserting portion 10a. As described above, the battery cell 20 is larger than the diameter of the battery cell inserting portion 10a.
  • the cell fixing part 13 having a small diameter hole is supported so as not to be separated from the cell insertion part 10a.
  • the plurality of battery cells 20 may be arranged to expose the same polarities in the same direction.
  • the electrode terminals of the battery cells 20 exposed through the top and / or bottom surfaces of the cell holders 10 through the busbars. By electrically connecting them together, all of the battery cells 20 may be connected in parallel.
  • the electrical connection relationship between the battery cells 20 is not necessarily limited to the parallel connection, of course, it is also possible to connect in a form of a series connection or a mixture of serial and parallel connection.
  • one of the fire extinguishing cells 30 may be provided at a central portion of the battery module.
  • a plurality of fire extinguishing cells 30 may be provided.
  • the cell holder 10 includes a plurality of battery cell inserting portions 10a and at least one digestion cell inserting portion 10b.
  • a digesting cell is inserted.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a fire extinguishing cell applied to a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a perspective view showing a bottom surface of a case cover constituting a fire extinguishing cell applied to the present invention
  • FIG. 7 is a view showing a state in which a digestion cell applied to a battery module according to an embodiment of the present invention is inserted into a digestion cell insertion unit
  • FIG. 8 is applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a form in which a digestive cell applied to a battery module according to an embodiment of the present invention is inserted into a digestive cell insert.
  • the fire extinguishing cell 30 applied to the present invention is implemented in a form including a drug tube 31, a tube case 32, and a case cover 33.
  • the drug tube 31 is a tube made of a resin containing a fire extinguishing agent therein, when the temperature of the battery module rises, when the temperature of the space in which the drug tube 31 is installed reaches a reference temperature, the extinguishing agent is ejected.
  • the medicine tube 31 corresponds to a receiving container made of a resin that is kept sealed at a normal use temperature of the battery module, but melted and opened at a reference temperature or higher.
  • any type of extinguishing agent used in conventional fire suppression may be used regardless of whether the powder is a powder, a liquid, or a gas.
  • Extinguishing agents may be used, and the principles of extinguishing are also applicable to asphyxiation, cooling extinguishing, or extinguishing using both of these principles.
  • the internal fire extinguishing agent is ejected at a high pressure to spread toward the battery cells 20 disposed around the fire cell 30, This can prevent ignition generated in the battery module in advance or extinguish a fire that has already occurred.
  • the drug tube 31 may be filled with a gas having a high volume expansion rate in addition to the extinguishing agent. have.
  • the gas whose volume is further expanded applies a high pressure to the inner wall of the drug tube 31, and when the temperature reaches the melting point of the drug tube 31, the drug tube 31 that is weakened by melting is weakened. As the fire is broken, the extinguishing agent may be ejected together with the gas filled in the receiving container.
  • the tube case 32 is a container for accommodating the drug tube 31, and may have a shape corresponding to the digestion cell accommodating part 10b, for example, a shape in which the inside is empty and the top and / or bottom are open. It may be a cylindrical container having a.
  • the tube case 32 may be made of a metal material to have rigidity to withstand the ejection pressure of the extinguishing agent ejected at a high temperature.
  • the tube case 32 when the cell holder 10 to be applied to the present invention is provided with a hole for accommodating the digestion cells 30 on both the upper and lower sides, both the upper and lower openings to correspond to this. In the case where the cell holder 10 has a hole only on the upper surface, only the upper part may be opened to correspond thereto.
  • the extinguishing agent may be sprayed along the upper and lower directions of the tube case 32, whereas the tube case 32 may have only an upper portion. In the open form, the extinguishing agent may be sprayed only along the upper direction of the tube case 32.
  • the case cover 33 covers an opening formed in the upper and / or lower portion of the tube case 32, and includes a plurality of injection parts G formed along the circumference thereof to extend the tube case 32.
  • the moving direction is switched so that the extinguishing agent ejected along the (first direction) is injected along the direction (second direction) perpendicular to the extending direction of the tube case 32.
  • the case cover 33 includes a plurality of fixing ribs 33b protruding from the lower surface (surface viewed from the inside of the tube case 32) of the base plate 33a having a substantially circular shape.
  • the plurality of fixing ribs 33b are radially disposed to form a circle having a size corresponding to the digestion cell accommodating portion 10b formed in the cell holder 10, and the discharge slits S are disposed between adjacent fixing ribs 33b. ) Are spaced apart from each other by a predetermined distance so as to form.
  • the outer side of the circle formed by the extension line connecting the plurality of fixing ribs 33b protrudes from the lower surface of the base plate 33a so that a step is formed on the lower surface of the base plate 33a, and the fixing ribs 33b.
  • a plurality of support jaws 33c are formed to protrude to a height lower than the height of the protrusion.
  • the plurality of support jaws 33c are formed in a number corresponding to the fixing ribs 33a, and each of the supporting jaws 33c extends from the fixing ribs 33a to the outer circumferential surface of the base plate 33a.
  • the plurality of support jaws 33c are disposed radially, and spaced apart from each other by a predetermined distance such that a groove-shaped injection portion G is formed between adjacent support jaws 33c.
  • the case cover 33 Due to the structure of the case cover 33, when the case cover 33 covers the opening of the tube case 32, the fixing ribs 33a are in close contact with the inner surface of the tube case 32 so that the case cover ( 33 is fixed to the tube case 32. That is, the case cover 33 may be fixed to the tube case 32 by an interference fitting method through the fixing rib 33a.
  • the coupling method of the case cover 33 and the tube case 32 is not necessarily limited to such an interference fit method, and an adhesive layer is provided between the contact surface of the fixed rib 33a and the tube case 32. It may be fixed by a forming method, or may be combined by a welding method.
  • the support jaw 33c is in close contact with the upper surface of the tube case 32 and the cell holder 10, thereby, of the tube case 32
  • the inner space is in communication with the outside by the discharge slit S and the injection portion G.
  • the ejected extinguishing agent moves along the longitudinal direction of the tube case 32 and reaches the case cover 33. Fire along the direction perpendicular to the previous movement direction is injected to the outside through the injection unit (G) to prevent fire and / or extinguish fire for the battery cells 20 arranged around the fire cell 30 Done.
  • the battery pack may be manufactured by accommodating at least one battery module according to the present invention in the pack housing as described above, and the battery pack manufactured as described above may increase the risk of fire due to an increase in the internal temperature. In the event of a fire, it is possible to prevent the occurrence of fire by the extinguishing agent sprayed in the pack housing and / or to quickly extinguish the generated fire, thereby ensuring the safety of the secondary battery.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀 삽입부 및 적어도 하나의 소화 셀 삽입부를 구비하는 셀 홀더; 각각의 상기 배터리 셀 삽입부 내에 위치하는 복수의 배터리 셀; 및 상기 소화 셀 삽입부 내에 위치하는 적어도 하나의 소화 셀;을 포함한다.

Description

안전성이 향상된 배터리 모듈
본 발명은, 안전성이 향상된 배터리 모듈에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 내부에 소화약제를 포함하는 소화 셀을 삽입하여 화재 및 폭발에 대한 안전성이 향상된 배터리 모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2017년 05월 25일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2017-0064793호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.
따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.
도 1은 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 팩을 보호하기 위해 퓨즈 소자(1), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(2), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(1)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(3) 및 상기 퓨즈 소자(1)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(4)를 포함한다.
퓨즈 소자(1)는 배터리 팩의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(1)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(1)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(4)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(1a)와, 상기 퓨즈(1a)에 열을 인가하는 저항(1b)이 포함되어 있다.
상기 마이크로 컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(1) 측으로 바이패스되어 저항(1b)에 인가된다. 이에 따라, 저항(1b)에서 발생된 주울열이 퓨즈(1a)에 전도되어 퓨즈(1a)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(1a)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(1a)가 융단 됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(1)의 저항(1b)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(1)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(1)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(1)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로 컨트롤러(3)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로 컨트롤러(3)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 구조를 복잡화 하지 않더라도 발화/폭발 등의 이벤트 발생을 방지하여 이차전지 사용상의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 배터리 모듈 구조를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 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.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀 삽입부 및 적어도 하나의 소화 셀 삽입부를 구비하는 셀 홀더; 각각의 상기 배터리 셀 삽입부 내에 위치하는 복수의 배터리 셀; 및 상기 소화 셀 삽입부 내에 위치하는 적어도 하나의 소화 셀;을 포함한다.
상기 소화 셀은, 기준 온도 이상에서 상기 배터리 셀을 향해 소화 약제를 분사시킬 수 있다.
상기 소화 셀은, 소화 약제를 수용하는 약제 튜브; 상단과 하단 중 적어도 어느 한곳에 형성되는 개구부를 통해 상기 약제 튜브를 수용하는 튜브 케이스; 및 상기 개구부를 커버하는 케이스 커버;를 포함할 수 있다.
상기 약제 튜브는, 기준 온도 이상에서 파단되어 상기 소화 약제가 분출되도록 할 수 있다.
상기 케이스 커버는, 둘레를 따라 형성된 복수의 분사부를 구비할 수 있다.
하나의 소화 셀 삽입부는, 복수의 배터리 셀 삽입부에 의해 둘러 싸여져 있을 수 있다.
상기 셀 홀더는, 상기 배터리 셀 및 소화 셀의 상부를 커버하는 상부 홀더; 및 상기 배터리 셀 및 소화 셀의 하부를 커버하는 하부 홀더; 를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈; 및 적어도 하나의 상기 배터리 모듈을 수용하는 팩 하우징;을 포함하는 형태로 구현된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈의 구조를 복잡화하지 않으면서도 배터리 모듈 내에 구비된 배터리 셀의 발화/폭발 등의 이벤트 발생의 가능성을 현저히 낮춤으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
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 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 4는 본 발명이 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 소화 셀을 구성하는 케이스 커버의 하면을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀이 소화 셀 삽입부에 삽입되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀이 소화 셀 삽입부에 삽입된 형태를 나타내는 부분 확대도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀이 소화 셀 삽입부에 삽입된 형태를 나타내는 단면도이다.
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 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 전체적인 구성을 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이며, 도 4는 본 발명이 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 평면도이다.
먼저, 도 2와 함께 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 셀 홀더(10), 셀 홀더(10)에 삽입되는 복수의 배터리 셀(20) 및 셀 홀더(10)에 삽입되는 소화 셀(30)을 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 셀 홀더(10)는 배터리 셀(20)의 상부를 커버하는 상부 홀더(11) 및 배터리 셀(12)의 하부를 커버하는 하부 홀더(12)를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명에 적용되는 셀 홀더(10)의 형태가 반드시 이러한 두 개의 피스로 구성되는 경우로 한정되는 것은 아니며, 하나의 일체형 홀더의 형태를 가질 수도 있는 것이다.
상기 셀 홀더(10)는 배터리 셀(20)이 삽입되는 복수의 배터리 셀 삽입부(10a) 및 소화 셀(30)이 삽입되는 적어도 하나의 소화 셀 삽입부(10b)(도 7 참조)를 구비한다.
상기 셀 삽입부(10a) 및 소화 셀 삽입부(10b)는 상부 홀더(11) 및 하부 홀더(12)를 모두 관통하여 형성되는 관통 홀의 형태로 형성될 수도 있고, 상부 홀더(11)에는 관통 홀의 형태로 형성되고 하부 홀더(12)에는 삽입 홈의 형태로 형성될 수도 있다.
즉, 상기 셀 홀더(10)는 상면과 하면 모두에 관통 홀 형태의 셀 삽입부(10a)를 구비할 수도 있고, 하면은 막혀 있고 상면에만 관통 홀이 형성된 형태를 가질 수도 있는 것이다.
상기 셀 홀더(10)는 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한 곳에 셀 삽입부(10a)의 직경보다 더 작은 직경의 홀(13a)을 구비하는 셀 고정부(13)를 구비할 수 있다. 이러한 셀 고정부(13)에 의해 배터리 셀(20)이 셀 삽입부(10a)의 외측으로 빠져나오지 않도록 고정되면서도, 배터리 셀(20)의 전극 단자가 셀 고정부(13)에 형성된 홀을 통해 외부로 노출될 수 있다. 이처럼 배터리 셀(20)의 전극 단자가 외부로 노출됨으로써 복수의 배터리 셀(20)들 간을 버스바를 이용하여 전기적으로 연결하거나 복수의 배터리 셀(20)들에 대한 전압 센싱 등이 가능하게 된다.
상기 배터리 셀(20)로는, 예를 들어 원통형 셀이 적용될 수 있다. 상기 배터리 셀(20)은 배터리 셀 삽입부(10a)의 직경에 대응되는 직경을 가짐으로써 배터리 셀 삽입부(10a) 내에 삽입되며, 상술한 바와 같이, 배터리 셀 삽입부(10a)의 직경보다 더 작은 직경의 홀을 갖는 셀 고정부(13)에 의해 셀 삽입부(10a) 내에서 이탈되지 않도록 지지된다.
복수의 배터리 셀(20)들은 동일한 극성들끼리 동일한 방향으로 노출되도록 배치될 수 있으며, 이 경우 버스바를 통해 셀 홀더(10)의 상면 및/또는 하면을 통해 노출되는 배터리 셀(20)의 전극 단자들끼리 전기적으로 연결함으로써 모든 배터리 셀(20)들이 병렬로 연결되도록 할 수 있다.
다만, 본 발명에 있어서, 이러한 배터리 셀(20)들 간의 전기적 연결관계가 반드시 병렬 연결로 한정되는 것은 아니며, 직렬 연결 또는 질렬과 병렬 연결이 혼합된 형태로 연결시키는 것도 가능함은 물론이다.
상기 소화 셀(30)은, 내부에 소화 약제를 구비하는 것으로서, 온도의 상승에 따라 기화된 소화 약제를 외부로 분출시켜 배터리 모듈에서 화재가 발생되는 것을 미리 방지하거나 이미 발생된 화재가 신속히 진압되도록 할 수 있다.
상기 소화 셀(30)은, 도 2에 나타난 바와 같이, 배터리 모듈의 중앙부에 하나가 구비될 수도 있고, 이와는 달리 도 3에 나타난 바와 같이 일정 간격을 두고 복수개가 구비될 수도 있다.
다만, 상기 소화 셀(30)이 복수개 구비되는 경우에 있어서, 소화 셀(30)을 연속적으로 배치하는 것 보다는 각각의 소화 셀(30)의 주변을 배터리 셀(20)이 둘러싸도록 배치하는 것이 에너지 소화의 효율성의 측면에서 바람직하다.
즉, 상기 셀 홀더(10)는 복수의 배터리 셀 삽입부(10a) 및 적어도 하나의 소화 셀 삽입부(10b)를 구비하는데, 소화 셀 삽입부(10b)가 복수 개 구비되는 경우에는 소화 셀 삽입부(10b)를 연속적으로 배치하기 보다는 각각의 소화 셀 삽입부(10b)의 둘레가 배터리 셀 삽입부(10a)들에 의해 둘러싸이도록 배치하는 것이 소화의 효율성의 측면에서 바람직하다.
다음은, 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 적용되는 소화 셀(30)의 구체적인 구조 및 소화 셀(30)과 셀 홀더(10)의 결합 구조에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀의 분해 사시도이고, 도 6은 본 발명에 적용되는 소화 셀을 구성하는 케이스 커버의 하면을 나타내는 사시도이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀이 소화 셀 삽입부에 삽입되는 모습을 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀이 소화 셀 삽입부에 삽입된 형태를 나타내는 부분 확대도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 소화 셀이 소화 셀 삽입부에 삽입된 형태를 나타내는 단면도이다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 적용되는 소화 셀(30)은, 약제 튜브(31), 튜브 케이스(32) 및 케이스 커버(33)를 포함하는 형태로 구현된다.
*상기 약제 튜브(31)는, 내부에 소화 약제를 수용하는 수지로 이루어진 튜브로서, 배터리 모듈의 온도가 상승하여 약제 튜브(31)가 설치된 공간의 온도가 기준 온도에 이르면 파단되어 소화 약제가 분출되도록 한다.
즉, 상기 약제 튜브(31)는, 배터리 모듈의 정상적인 사용 온도에서는 밀폐된 상태를 유지하다가 기준 온도 이상에서 녹아 개봉되는 수지로 이루어지는 수용 용기에 해당하는 것이다.
이러한 약제 튜브(31) 내에 수용되는 소화 약제로는 통상적인 화재 진압에 사용되는 종류의 소화 약제라면 그 성상이 분말인지, 액상인지 또는 기체인지 여부에 관계 없이 사용 가능하며 구체적인 성분 역시 제한이 없이 다양한 소화 약제가 이용될 수 있으며, 소화의 원리 또한 질식 소화, 냉각 소화 또는 이들 두 가지 원리를 모두 이용한 소화가 모두 적용 가능하다.
배터리 모듈 내부의 온도가 기준 온도 이상이 되어 약제 튜브(31)가 녹아 파단 되면, 강한 압력으로 내부의 소화 약제가 분출되어 소화 셀(30) 주변에 배치된 배터리 셀(20)들을 향해 퍼지게 되고, 이로써 배터리 모듈 내에서 발생된 발화를 사전에 방지하거나 이미 발생된 화재를 진압할 수 있는 것이다. 일정 온도 이상에서 소화 약제가 파단된 약제 튜브(31) 외부로 강한 압력으로 분출될 수 있도록 하기 위해서, 약제 튜브(31) 내에는 소화 약제 이 외에도 온도에 따른 부피 팽창률이 높은 기체를 충진해 놓을 수 있다. 이 경우, 온도의 상승에 따라 부피가 더욱 팽창된 기체가 약제 튜브(31)의 내벽에 높은 압력을 가하게 되고, 온도가 약제 튜브(31)의 녹는점에 도달하게 되면 녹아서 약해진 약제 튜브(31)가 파단되면서 수용 용기 내에 충진된 기체와 함께 소화 약제가 분출될 수 있다.
상기 튜브 케이스(32)는 약제 튜브(31)를 수용하는 용기로서, 소화 셀 수용부(10b)와 대응되는 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 내부가 비어 있고 상부 및/또는 하부가 개방된 형태를 갖는 원통형의 용기일 수 있다.
이러한 튜브 케이스(32)는 고온에서 분출되는 소화 약제의 분출압을 견뎌내기 위한 강성을 갖기 위해 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 튜브 케이스(32)는, 본원발명에 적용되는 셀 홀더(10)가 상면과 하면 양 측 모두에 소화 셀(30)을 수용하기 위한 홀을 구비하는 경우에는 이와 대응되도록 상부 및 하부 모두가 개방된 형태를 가질 수 있고, 셀 홀더(10)가 상면에만 홀을 구비하는 경우에는 이와 대응되도록 상부만 개방된 형태를 가질 수 있다.
상기 튜브 케이스(32)가 상부와 하부 모두가 개방된 형태를 갖는 경우, 소화 약제는 튜브 케이스(32)의 상부와 하부 방향을 따라 분사될 수 있으며, 이와는 달리 튜브 케이스(32)가 상부만이 개방된 형태를 갖는 경우, 소화 약제는 튜브 케이스(32)의 상부 방향을 따라서만 분사될 수 있다.
한편, 상기 케이스 커버(33)는 튜브 케이스(32)의 상부 및/또는 하부에 형성된 개구부를 커버하는 것으로서, 둘레를 따라 형성된 복수의 분사부(G)를 구비함으로써 튜브 케이스(32)의 연장 방향(제1 방향)을 따라 분출되는 소화 약제가 튜브 케이스(32)의 연장 방향과 수직한 방향(제2 방향)을 따라 분사되도록 이동 방향을 전환시켜 준다.
상기 케이스 커버(33)는, 대략 원형을 갖는 베이스 플레이트(33a)의 하면(튜브 케이스(32)의 내측에서 바라본 면)으로부터 돌출 형성되는 복수의 고정 리브(33b)를 구비한다. 이러한 복수의 고정 리브(33b)들은, 셀 홀더(10)에 형성된 소화 셀 수용부(10b)와 대응되는 크기의 원을 형성하도록 방사상으로 배치되되, 인접한 고정 리브(33b) 사이마다 배출 슬릿(S)이 형성되도록 서로 일정거리 이격되어 배치된다.
한편, 상기 복수의 고정 리브(33b)들을 연결하는 연장선에 의해 형성되는 원의 외측에는 베이스 플레이트(33a)의 하면 상에 단차가 형성되도록 베이스 플레이트(33a)의 하면으로부터 돌출 형성되되 고정 리브(33b)의 돌출 높이보다는 낮은 높이로 돌출 형성되는 복수의 지지 턱(33c)이 구비된다.
이러한 복수의 지지 턱(33c)들은 고정 리브(33a)와 대응되는 개수로 형성되며, 각각의 지지 턱(33c)들은 고정 리브(33a)로부터 베이스 플레이트(33a)의 외주면에 이르끼까지 연장된다. 또한, 상기 복수의 지지 턱(33c)들은, 방사상으로 배치되되, 인접한 지지 턱(33c) 사이마다 홈 형태의 분사부(G)가 형성되도록 서로 일정거리 이격되어 배치된다.
이와 같은 케이스 커버(33)의 구조로 인해, 케이스 커버(33)가 튜브 케이스(32)의 개방부를 커버하였을 때, 고정 리브(33a)들이 튜브 케이스(32)의 내측면에 밀착됨으로써 케이스 커버(33)가 튜브 케이스(32)에 고정된다. 즉, 상기 케이스 커버(33)는 고정 리브(33a)를 통해 튜브 케이스(32)에 억지 끼움 방식으로 고정될 수 있다. 다만, 본 발명에 있어서, 케이스 커버(33)와 튜브 케이스(32)의 결합 방식은 이러한 억지 끼움 방식에 반드시 한정되는 것은 아니며, 고정 리브(33a)와 튜브 케이스(32)의 접촉면 사이에 접착층을 형성시키는 방식에 의해 고정될 수도 있고, 용접 방식에 의해 결합될 수도 있는 것이다.
한편, 상기 케이스 커버(33)가 튜브 케이스(32)에 결합될 때, 상기 지지 턱(33c)은 튜브 케이스(32) 및 셀 홀더(10)의 상면에 밀착되고, 이로써 튜브 케이스(32)의 내부 공간은 배출 슬릿(S) 및 분사부(G)에 의해 외부와 연통된다.
따라서, 상기 튜브 케이스(32) 내에서 약제 튜브(31)가 파단되어 소화 약제가 분출되는 경우, 분출된 소화 약제는 튜브 케이스(32)의 길이 방향을 따라 이동하다가 케이스 커버(33)에 이르러서는 종전의 이동 방향과는 수직한 방향을 따라 이동하여 분사부(G)를 통해 외부로 분사됨으로써 소화 셀(30) 주변에 배치된 배터리 셀(20)들에 대한 화재 발생 예방 및/또는 소화를 수행하게 된다.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 팩 하우징 내에 수용시킴으로써 배터리 팩을 제조할 수 있으며, 이와 같이 제조된 배터리 팩은, 내부 온도의 상승에 따른 화재의 발생 위험이 상승하거나 화재가 발생된 경우에 있어서, 팩 하우징 내에서 분사된 소화 약제에 의해 화재 발생의 예방 및/또는 발생된 화재의 신속한 진압을 가능하게 할 수 있으며, 이로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.
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.

Claims (8)

  1. 복수의 배터리 셀 삽입부 및 적어도 하나의 소화 셀 삽입부를 구비하는 셀 홀더;
    각각의 상기 배터리 셀 삽입부 내에 위치하는 복수의 배터리 셀; 및
    상기 소화 셀 삽입부 내에 위치하는 적어도 하나의 소화 셀;
    을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소화 셀은,
    기준 온도 이상에서 상기 배터리 셀을 향해 소화 약제를 분사시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소화 셀은,
    소화 약제를 수용하는 약제 튜브;
    상단과 하단 중 적어도 어느 한곳에 형성되는 개구부를 통해 상기 약제 튜브를 수용하는 튜브 케이스; 및
    상기 개구부를 커버하는 케이스 커버;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 약제 튜브는, 기준 온도 이상에서 파단되어 상기 소화 약제가 분출되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 케이스 커버는, 둘레를 따라 형성된 복수의 분사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    하나의 소화 셀 삽입부는, 복수의 배터리 셀 삽입부에 의해 둘러 싸여져 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 홀더는,
    상기 배터리 셀 및 소화 셀의 상부를 커버하는 상부 홀더; 및
    상기 배터리 셀 및 소화 셀의 하부를 커버하는 하부 홀더;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈; 및
    적어도 하나의 상기 배터리 모듈을 수용하는 팩 하우징;
    을 포함하는 배터리 팩.
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