WO2021002712A1 - 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 전력 저장 장치 - Google Patents

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 전력 저장 장치 Download PDF

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WO2021002712A1
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차훈
나종승
박상준
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack including the same, and a power storage device.
  • Secondary batteries with high ease of application by product group and electrical characteristics such as high energy density are not only portable devices, but also electric vehicles (EVs) or hybrid vehicles (HEVs) driven by electric drive sources. It is universally applied.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • Such a secondary battery is attracting attention as a new energy source for eco-friendly and energy efficiency enhancement in that it does not generate by-products from the use of energy as well as the primary advantage that it can dramatically reduce the use of fossil fuels.
  • a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in series.
  • a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in parallel according to the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage or charge/discharge capacity.
  • a battery module including at least one battery cell is first configured, and other components are added using at least one battery module. It is common to construct a battery pack.
  • the battery pack including at least one battery module the battery pack may constitute at least a power storage device according to various voltage and capacity requirements.
  • a firefighting facility structure in order to cope with the risk of fire, such as overheating, which may occur due to the characteristics of the battery cell in a container accommodating battery packs including a plurality of battery modules Is equipped.
  • an object of the present invention is to provide a battery module capable of suppressing heat propagation and thermal runaway when an abnormal situation occurs in at least one battery cell, a battery pack including the same, and a power storage device.
  • the present invention provides a battery module, comprising: a plurality of battery cell assemblies including a plurality of battery cells stacked together; And at least one cooling unit provided between the plurality of battery cell assemblies, filled with a predetermined coolant therein, and having at least one membrane member opened and closed at one end according to a change in internal pressure. It provides a battery module.
  • the at least one membrane member may be opened when the internal pressure is greater than or equal to a predetermined pressure to communicate the interior of the at least one cooling unit with the exterior.
  • the at least one cooling unit the cooling water; A main case filled with the coolant; A cover case surrounding the main case; And the at least one membrane member provided in at least one of the cover case and the main case and exposed outside the cover case.
  • the at least one membrane member may include a membrane hole provided at an upper end of the main case; And a membrane filter provided at a position corresponding to the membrane hole and provided to be opened and closed on the cover case according to a change in the internal pressure.
  • a plurality of the membrane members may be provided, and the plurality of membrane members may be disposed spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the at least one membrane member may seal the inside of the main case when the internal pressure is less than a predetermined pressure, and communicate the inside of the main case with the outside of the cover case when the internal pressure is greater than or equal to a predetermined pressure.
  • the main case may be made of a metal material.
  • the cover case may be provided with a heat insulating material.
  • the present invention a battery pack, at least one battery module according to the above-described embodiments; And a pack case that packages the at least one battery module.
  • the present invention provides a power storage device comprising at least one battery pack according to the above-described embodiment, as a power storage device.
  • a battery module capable of suppressing heat propagation and thermal runaway when an abnormality occurs in at least one battery cell, a battery pack including the same, and a power storage device may be provided.
  • FIG. 1 is a view for explaining a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the battery module of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a main part of the battery module of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a membrane member of a cooling unit of the battery module of FIG. 3.
  • 5 to 7 are views for explaining an operation when an internal pressure of the cooling unit of the battery module of FIG. 1 increases.
  • FIG. 8 is a view for explaining a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining a power storage device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view for explaining a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the battery module of Figure 1
  • Figure 3 is an enlarged view of the main part of the battery module of Figure 2
  • Figure 4 is 3 is a view for explaining a membrane member of the cooling unit of the battery module.
  • the battery module 10 may include a battery cell assembly 100 and a cooling unit 200.
  • the battery cell assembly 100 may be provided in at least one or a plurality. Hereinafter, in the present embodiment, the battery cell assembly 100 is limited to that it is provided in plurality.
  • Each of the plurality of battery cell assemblies 100 may include a battery cell 110 and a cooling plate 130.
  • the battery cell 110 is a secondary battery, and may be provided as a pouch-type secondary battery, a prismatic secondary battery, or a cylindrical secondary battery. Hereinafter, in the present embodiment, the battery cell 110 is limited to a pouch-type secondary battery.
  • the battery cells 110 may be provided in plurality. The plurality of battery cells 110 may be stacked to be electrically connected to each other.
  • the cooling plate 130 may be provided in plurality.
  • the plurality of cooling plates 130 may be disposed between the plurality of battery cells 110.
  • the plurality of cooling plates 130 may be made of a material having high thermal conductivity. Meanwhile, each of the plurality of cooling plates 130 may be provided with at least one air space capable of cooling the battery cells 110 in an air-cooled manner.
  • the cooling unit 200 is for cooling the plurality of battery cell assemblies 100 and suppressing heat propagation and thermal runaway according to an abnormal situation, and is provided in at least one or more plurality of the plurality of battery cells. It may be provided between the assemblies 100.
  • the cooling unit 200 is limited to being provided in plural.
  • Each of the plurality of cooling units 200 may include a cooling water 210, a main case 230, a cover case 250, and a membrane member 270.
  • the cooling water 210 may be filled in a predetermined amount inside the cooling unit 200, specifically, in the main case 230 to be described later.
  • the cooling water 210 may be provided with water.
  • the plurality of cooling units 200 according to the present embodiment may prevent thermal runaway of the battery cell assembly 100 according to an abnormal situation through the cooling water 210 composed of the water. Specifically, the self-heating of the battery cell assembly 100 is absorbed by using the latent heat of evaporation of the cooling water 210 composed of water, and the temperature of the adjacent battery cell assembly 100 is reduced to a thermal runaway temperature (generally about 200 degrees or more). Temperature) or lower.
  • the main case 230 is for filling the cooling water 210 in a predetermined amount, and may be made of a metal material. In this embodiment, the main case 230 may be made of aluminum.
  • the cooling water 210 may be filled in a predetermined amount inside the main case 230.
  • a predetermined empty space may be formed at the inner upper end of the main case 230 without the cooling water 210 being filled.
  • the cover case 250 may surround the main case 230.
  • the cover case 250 may be provided with an insulating material.
  • the cover case 250 may be provided with EPP (Expanded Polypropylene) foam. It is not limited thereto, and the cover case 250 may be provided with other known insulating materials.
  • the cover case 250 prevents the premature phase change of the coolant 210 inside the main case 230 when the battery cell 110 of the battery cell assembly 100 before thermal runaway or when the battery cell 110 generates heat from the outside. And it is possible to guide a smooth phase change during the thermal runaway.
  • the membrane member 270 may be opened or closed according to a change in internal pressure at one end of the cooling unit 200, specifically, an upper end of the main case 230.
  • the membrane member 270 When the membrane member 270 is above a predetermined pressure of the internal pressure, the membrane member 270 may be opened to communicate the interior of the at least one cooling unit 200, specifically, the interior of the main case 230 with the exterior. . More specifically, the membrane member 270 seals the inside of the main case 230 when the internal pressure is less than a predetermined pressure, and closes the inside of the main case 230 when the internal pressure is higher than a predetermined pressure. (250) Can communicate with the outside.
  • the membrane member 270 is provided on at least one of the cover case 250 and the main case 230, and may be exposed outside the cover case 250.
  • the membrane member 270 may be provided in a plurality of at least one or more. Hereinafter, in the present embodiment, a description will be made limited to that the membrane member 270 is provided in plural.
  • the plurality of membrane members 270 may be disposed spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • Each of the plurality of membrane members 270 may include a membrane hole 272 and a membrane filter 276.
  • the membrane hole 272 may be provided at an upper end of the main case 230.
  • the membrane hole 272 may be disposed to face the membrane filter 276 to be described later.
  • the membrane filter 276 may be provided at a position corresponding to the membrane hole.
  • the membrane filter 276 may be provided in the cover case 250 and may be provided to be opened and closed in the cover case 250 according to the change in the internal pressure. Accordingly, the cover case 250 may have a predetermined hole through which the membrane filter 276 is opened and closed.
  • the membrane filter 276 When the membrane filter 276 is opened, the upper end of the main case 230 may be exposed outside the cover case 250 through the membrane hole 272. Meanwhile, the membrane filter 276 may be provided in the main case 230 to open and close the membrane hole 272. In this case, when the membrane filter 276 is opened, the cover case 250 is provided with an opening through which the membrane filter 276 is not interfered and the membrane hole 272 is exposed outside the cover case 250. I can.
  • 5 to 7 are views for explaining an operation when an internal pressure of the cooling unit of the battery module of FIG. 1 increases.
  • the battery cell assembly 100 when an abnormal situation occurs due to an internal short circuit in at least one battery cell 110 of the battery cell assembly 100, the battery cell assembly 100 The temperature can rise. As the temperature rises, the temperature of the cooling water 210 in the main case 230 of the cooling unit 200 increases, so that the cooling water 210 may be phase-changed into steam G.
  • the water vapor G inside the main case 230 may be discharged out of the cover case 250 through the membrane hole 272.
  • the membrane member 270 When the abnormal situation occurs, excessive pressure increase in the cooling unit 200 may be prevented.
  • the discharged water vapor G may minimize propagation to the adjacent battery cell assembly 100 such as venting gas, sparks, flames, etc. that may be generated in the battery cell assembly 100 due to occurrence of an abnormal situation.
  • the cooling unit 200 which is a structure for filling the cooling water 210 provided with the water, an effective cooling system by natural convection heat transfer and phase change is operated without additional equipment such as a separate sensor or controller. I can make it.
  • heat propagation and thermal runaway that may be caused when an abnormal situation occurs in the at least one battery cell 110 of the battery cell assembly 100 through the cooling unit 200 is more efficient. It can be suppressed, and the risk of heat propagation and thermal runaway can be more effectively blocked in advance.
  • FIG. 8 is a view for explaining a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack 20 according to the present embodiment is similar to the battery pack 10 according to the previous embodiment, redundant descriptions are omitted for configurations that are substantially the same as or similar to the previous embodiment, and hereinafter, the preceding embodiment It focuses on the difference between and.
  • the battery pack 20 may include a battery cell assembly 100 and a cooling unit 205.
  • a plurality of grooves 290 may be formed on an outer surface of the cooling unit 205 to have a predetermined length in at least one of a length direction and a height direction of the cooling unit 205.
  • the cooling unit 290 according to the present exemplary embodiment may further secure an outer surface area of the cooling unit 205 through the plurality of grooves 290.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 1 includes at least one battery module 10 and 20 according to the previous embodiment and a pack case 50 for packaging the at least one battery module 10 and 20. It may include.
  • the battery pack 1 may be provided in a vehicle as a fuel source for a vehicle.
  • the battery pack 1 may be provided in an electric vehicle, a hybrid vehicle, and in other ways in which the battery pack 1 can be used as a fuel source.
  • the battery pack 1 may be provided in other devices, devices, and facilities, such as an energy storage system using a secondary battery in addition to the vehicle.
  • the battery pack 1 includes the battery modules 10 and 20 described above, and thus, the battery pack 1 having all of the advantages due to the battery modules 10 and 20 described above. ) Can be implemented.
  • FIG. 10 is a view for explaining a power storage device according to an embodiment of the present invention.
  • the power storage device E may be used as an energy source and for home or industrial use.
  • the power storage device E may include at least one of the preceding embodiments, and in this embodiment, a plurality of battery packs 1 and a container C accommodating the plurality of battery packs 1.
  • the power storage device E includes the battery pack 1 of the previous embodiment, a power storage device E including all the advantages of the battery pack 1 of the previous embodiment is provided. Can provide.
  • a battery module 10 capable of suppressing heat propagation and thermal runaway when an abnormal situation occurs in at least one battery cell 110, a battery pack 1 including the same, and power storage Device E can be provided.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체 및 복수 개의 배터리 셀 조립체 사이에 구비되고, 내부에 소정의 냉각수가 충진되며, 일단부에 내부 압력 변화에 따라 개폐되는 적어도 하나의 멤브레인 부재를 구비하는 적어도 하나의 냉각 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 전력 저장 장치
본 발명은 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 전력 저장 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 07월 03일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2019-0080194호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 여기서, 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩은 다양한 전압과 용량 요구 조건 등에 따라, 이러한 배터리 팩을 적어도 전력 저장 장치를 구성하기도 한다.
종래 전력 저장 장치를 구성하는 배터리 모듈의 경우, 복수 개의 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 팩들을 수용하는 컨테이너 내에 배터리 셀의 특성 상 발생될 수 있는 과열 등에 따른 화재 발생 등의 위험에 대처하기 위해 소방 시설 구조물이 구비된다.
그러나, 배터리 모듈 내에서 화재가 시작되는 경우, 신속한 화재 진압이 어려운 문제가 있다. 배터리 모듈 내에서 화재가 신속히 진압되지 않거나 불이 번지는 시간이 지연되지 않을 경우, 주변 배터리 모듈들로의 화재 전이가 빨라지는 문제가 있다. 이에 따라, 추후 랙 컨테이너 내의 소방 시설 구조물이 동작 시점에는 이미 복구하기 어려운 피해가 발생된 이후일 가능성이 높을 수 밖에 없는 문제가 있다.
그러므로, 화재 상황 발생 시 보다 신속한 조기 진압이 필요하며, 특히, 화재가 일어나기 전 미리 위험을 감지하여 사고를 미연에 방지하는 대책이 필요하다. 즉, 내부 단락 등으로 위험 상황이 발생한 적어도 어느 하나의 배터리 셀의 자가 발열로 인한 인접한 배터리 셀로의 열전파에 따른 연쇄적인 열폭주 현상 방지가 요구된다.
이를 위해, 배터리 모듈 단위에서 적어도 하나의 배터리 셀의 이상 상황 발생 시 단순히 열폭주 시간을 지연시키는 것보다는 보다 궁극적으로 열전파 및 열폭주를 억제시킬 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 적어도 하나의 배터리 셀의 이상 상황 발생 시 열전파 및 열폭주를 억제시킬 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 전력 저장 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체; 및 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체 사이에 구비되고, 내부에 소정의 냉각수가 충진되며, 일단부에 내부 압력 변화에 따라 개폐되는 적어도 하나의 멤브레인 부재를 구비하는 적어도 하나의 냉각 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 적어도 하나의 멤브레인 부재는, 상기 내부 압력이 소정 압력 이상일 때, 개방되어 상기 적어도 하나의 냉각 유닛의 내부를 외부와 연통시킬 수 있다.
상기 적어도 하나의 냉각 유닛은, 상기 냉각수; 상기 냉각수가 충진되는 메인 케이스; 상기 메인 케이스를 둘러싸는 커버 케이스; 및 상기 커버 케이스 및 상기 메인 케이스 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 커버 케이스 밖으로 노출되는 상기 적어도 하나의 멤브레인 부재;를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 멤브레인 부재는, 상기 메인 케이스의 상단부에 구비되는 멤브레인 홀; 및 상기 멤브레인 홀에 대응되는 위치에 마련되고, 상기 내부 압력 변화에 따라 상기 커버 케이스에 개폐 가능하게 구비되는 멤브레인 필터;를 포함할 수 있다.
상기 멤브레인 부재는, 복수 개로 마련되며, 상기 복수 개의 멤브레인 부재는, 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 멤브레인 부재는, 상기 내부 압력이 소정 압력 미만일 때 상기 메인 케이스 내부를 밀폐시키며, 상기 내부 압력이 소정 압력 이상일 때 상기 메인 케이스 내부를 상기 커버 케이스 외부와 연통시킬 수 있다.
상기 메인 케이스는, 금속 재질로 마련될 수 있다.
상기 커버 케이스는, 단열재로 마련될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 전력 저장 장치로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 적어도 하나의 배터리 셀의 이상 상황 발생 시 열전파 및 열폭주를 억제시킬 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 전력 저장 장치를 제공할 수 있다.
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 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈을 단면도이다.
도 3은 도 2의 배터리 모듈의 주요부의 확대도이다.
도 4는 도 3의 배터리 모듈의 냉각 유닛의 멤브레인 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 유닛의 내부 압력 상승 시 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 모듈을 단면도이며, 도 3은 도 2의 배터리 모듈의 주요부의 확대도이며, 도 4는 도 3의 배터리 모듈의 냉각 유닛의 멤브레인 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀 조립체(100) 및 냉각 유닛(200)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 조립체(100)는, 적어도 하나 또는 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 상기 배터리 셀 조립체(100)가 복수 개로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
복수 개의 배터리 셀 조립체(100)는, 각각, 배터리 셀(110) 및 냉각 플레이트(130)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(110)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지, 각형 이차 전지 또는 원통형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀(110)이 파우치형 이차 전지인 것으로 한정하여 설명한다. 상기 배터리 셀(110)은 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있게 적층될 수 있다.
상기 냉각 플레이트(130)는 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 냉각 플레이트(130)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(110) 사이 사이에 배치될 수 있다. 상기 복수 개의 냉각 플레이트(130)는 높은 열 전도도를 갖는 재질로 구비될 수 있다. 한편, 상기 복수 개의 냉각 플레이트(130)는, 각각, 공냉식 방식으로 배터리 셀들(110)을 냉각시킬 수 있는 적어도 하나의 에어 공간이 구비될 수 있다.
상기 냉각 유닛(200)은, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100)를 냉각시키고, 이상 상황에 따른 열전파 및 열폭주를 억제시키기 위한 것으로서, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비되어 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100) 사이 사이에 구비될 수 있다.
이하, 본 실시예에서는, 상기 냉각 유닛(200)이 복수 개로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 복수 개의 냉각 유닛(200)은, 각각, 냉각수(210), 메인 케이스(230), 커버 케이스(250) 및 멤브레인 부재(270)를 포함할 수 있다.
상기 냉각수(210)는, 상기 냉각 유닛(200)의 내부, 구체적으로, 후술하는 메인 케이스(230) 내부에 소정 양으로 충진될 수 있다. 이러한 상기 냉각수(210)는 물로 마련될 수 있다. 본 실시예에 따른 상기 복수 개의 냉각 유닛(200)은, 이러한 상기 물로 구성되는 냉각수(210)를 통해 이상 상황에 따른 상기 배터리 셀 조립체(100)의 열폭주를 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 물로 구성되는 냉각수(210)의 증발 잠열을 이용하여 상기 배터리 셀 조립체(100)의 자가 발열을 흡수하고 인접한 배터리 셀 조립체(100)의 온도를 열폭주 온도(일반적으로 약 200도 이상의 온도) 이하로 유지시킬 수 있다.
상기 메인 케이스(230)는, 상기 냉각수(210)를 소정 양으로 충진하기 위한 것으로서, 금속 재질로 마련될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 메인 케이스(230)는 알루미늄 재질로 마련될 수 있다.
상기 메인 케이스(230)의 내부에는 상기 냉각수(210)가 소정 양으로 충진될 수 있다. 여기서, 상기 메인 케이스(230)의 내부 상단부에는 상기 냉각수(210)가 충진되지 않고 소정의 빈 공간이 형성될 수 있다.
상기 커버 케이스(250)는, 상기 메인 케이스(230)를 둘러쌀 수 있다. 이러한 상기 커버 케이스(250)는 단열재로 마련될 수 있다. 예로써, 상기 커버 케이스(250)는 EPP(Expanded Polypropylene) 폼(foam)으로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 커버 케이스(250)는 기타 다른 알려진 단열재로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
상기 커버 케이스(250)는 열 폭주 이전의 배터리 셀 조립체(100)의 배터리 셀(110) 발열 또는 외부에서의 발열 시, 상기 메인 케이스(230) 내부의 상기 냉각수(210)의 조기 상변화를 방지하고 상기 열 폭주 시 원활한 상변화를 가이드할 수 있다.
상기 멤브레인 부재(270)는, 상기 냉각 유닛(200)의 일단부, 구체적으로, 상기 메인 케이스(230)의 상단부의 내부 압력 변화에 따라 개폐될 수 있다. 이러한 상기 멤브레인 부재(270)는, 상기 내부 압력의 소정 압력 이상일 때, 개방되어 상기 적어도 하나의 냉각 유닛(200)의 내부, 구체적으로, 상기 메인 케이스(230)의 내부를 외부와 연통시킬 수 있다. 더 구체적으로, 상기 멤브레인 부재(270)는, 상기 내부 압력이 소정 압력 미만일 때 상기 메인 케이스(230) 내부를 밀폐시키며, 상기 내부 압력이 소정 압력 이상일 때 상기 메인 케이스(230) 내부를 상기 커버 케이스(250) 외부와 연통시킬 수 있다.
이러한 상기 멤브레인 부재(270)는, 상기 커버 케이스(250) 및 상기 메인 케이스(230) 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 커버 케이스(250) 밖으로 노출될 수 있다.
상기 멤브레인 부재(270)는 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 멤브레인 부재(270)가 복수 개로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다. 상기 복수 개의 멤브레인 부재(270)는, 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
이하, 상기 복수 개의 멤브레인 부재(270)에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
상기 복수 개의 멤브레인 부재(270)는, 각각, 멤브레인 홀(272) 및 멤브레인 필터(276)를 포함할 수 있다.
상기 멤브레인 홀(272)은, 상기 메인 케이스(230)의 상단부에 구비될 수 있다. 이러한 상기 멤브레인 홀(272)은 후술하는 멤브레인 필터(276)를 마주 하게 배치될 수 있다.
상기 멤브레인 필터(276)는, 상기 멤브레인 홀에 대응되는 위치에 마련될 수 있다. 이러한 상기 멤브레인 필터(276)는 상기 커버 케이스(250)에 구비되며, 상기 내부 압력 변화에 따라 상기 커버 케이스(250)에 개폐 가능하게 구비될 수 있다. 이에 상기 커버 케이스(250)는 상기 멤브레인 필터(276)가 개폐 가능하게 장착되는 소정의 홀이 형성될 수 있다.
상기 멤브레인 필터(276)가 개방될 경우, 상기 메인 케이스(230)의 상단부는 상기 멤브레인 홀(272)을 통해 상기 커버 케이스(250) 밖으로 노출될 수 있다. 한편, 상기 멤브레인 필터(276)는 상기 메인 케이스(230)에 구비되어 상기 멤브레인 홀(272)을 개폐 가능하게 구비되는 것도 가능할 수 있다. 이 경우, 상기 커버 케이스(250)에는 상기 멤브레인 필터(276) 개방 시 상기 멤브레인 필터(276)가 간섭되지 않고 상기 멤브레인 홀(272)을 상기 커버 케이스(250) 밖으로 노출시킬 수 있는 개구가 마련될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 상기 냉각 유닛(200)의 내부 압력 상승 시 구체적인 동작에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
도 5 내지 도 7은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 유닛의 내부 압력 상승 시 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)에서, 상기 배터리 셀 조립체(100)의 적어도 하나의 배터리 셀(110)에서 내부 단락 등에 따른 이상 상황 발생 시 상기 배터리 셀 조립체(100)의 온도가 상승할 수 있다. 이러한 온도 상승에 따라, 상기 냉각 유닛(200)의 상기 메인 케이스(230) 내부의 상기 냉각수(210)의 온도가 상승되어 상기 냉각수(210)가 수증기(G)로 상변화될 수 있다.
상기 수증기(G)가 일정량 발생하면, 상기 메인 케이스(230) 내부 압력이 상승하게 되고, 상기 소정 압력 이상으로 내부 압력이 상승할 경우, 상기 멤브레인 부재(270)의 상기 멤브레인 필터(276)가 개방될 수 있다.
이러한 상기 멤브레인 필터(276)의 개방을 통해, 상기 메인 케이스(230) 내부의 상기 수증기(G)는, 상기 멤브레인 홀(272)을 거쳐 상기 커버 케이스(250) 밖으로 배출될 수 있다. 이러한 멤브레인 부재(270)를 통해 상기 이상 상황 발생 시 상기 냉각 유닛(200) 내부의 과도한 압력 상승을 방지할 수 있다.
아울러, 배출된 수증기(G)는 이상 상황 발생에 따른 상기 배터리 셀 조립체(100)에서 발생될 수 있는 벤팅 가스, 스파크, 화염 등의 인접한 배터리 셀 조립체(100)로의 전파 등을 최소화시킬 수 있다.
본 실시예의 경우, 이러한 상기 물로 구비되는 상기 냉각수(210) 충진 구조인 상기 냉각 유닛(200)을 통해, 별도의 센서, 제어기 등의 부가 설비 없이도 자연 대류 열전달 및 상변화에 의한 효과적인 냉각 시스템을 작동시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 상기 냉각 유닛(200)을 통해 상기 배터리 셀 조립체(100)의 상기 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 이상 상황 발생 시 야기될 수 있는 열전파 및 열폭주를 보다 더 효율적으로 억제시킬 수 있으며, 이러한 열전파 및 열폭주 위험을 사전에 보다 더 효과적으로 차단할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 팩(20)은 앞선 실시예에 따른 상기 배터리 팩(10)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 상기 배터리 팩(20)은, 배터리 셀 조립체(100) 및 냉각 유닛(205)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 조립체(100)는, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 냉각 유닛(205)의 외면에는 상기 냉각 유닛(205)의 길이 방향, 높이 방향 중 적어도 일 방향으로 소정 길이로 형성되는 복수 개의 홈부(290)가 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 상기 냉각 유닛(290)는 상기 복수 개의 홈부(290)를 통해 상기 냉각 유닛(205)의 외면 표면적을 보다 더 확보할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(10)(20) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)(20)을 패키징하는 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차의 연료원으로써, 자동차에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차에 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)은 전술한 상기 배터리 모듈(10)(20)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)(20)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1)을 구현할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 전력 저장 장치(E)는, 에너지원으로서, 가정용 또는 산업용으로 이용될 수 있다. 이러한 상기 전력 저장 장치(E)는, 앞선 실시예의 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 복수 개의 배터리 팩(1) 및 상기 복수 개의 배터리 팩(1)을 수용하는 컨테이너(C)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 전력 저장 장치(E)는, 앞선 실시예의 상기 배터리 팩(1)을 포함하기에, 앞선 실시예의 상기 배터리 팩(1)의 장점을 모두 포함하는 전력 저장 장치(E)를 제공할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 이상 상황 발생 시 열전파 및 열폭주를 억제시킬 수 있는 배터리 모듈(10), 이를 포함하는 배터리 팩(1) 및 전력 저장 장치(E)를 제공할 수 있다.
결국, 본 실시예에서는, 상기 냉각 유닛(200)을 통해, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 이상 상황 발생 시 배터리 모듈(10) 단위에서 열전파 및 열폭주를 보다 효과적이고 원천적으로 억제시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

Claims (10)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체; 및
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체 사이에 구비되고, 내부에 소정의 냉각수가 충진되며, 일단부에 내부 압력 변화에 따라 개폐되는 적어도 하나의 멤브레인 부재를 구비하는 적어도 하나의 냉각 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 멤브레인 부재는,
    상기 내부 압력이 소정 압력 이상일 때, 개방되어 상기 적어도 하나의 냉각 유닛의 내부를 외부와 연통시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 유닛은,
    상기 냉각수;
    상기 냉각수가 충진되는 메인 케이스;
    상기 메인 케이스를 둘러싸는 커버 케이스; 및
    상기 커버 케이스 및 상기 메인 케이스 중 적어도 하나에 구비되며, 상기 커버 케이스 밖으로 노출되는 상기 적어도 하나의 멤브레인 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 멤브레인 부재는,
    상기 메인 케이스의 상단부에 구비되는 멤브레인 홀; 및
    상기 멤브레인 홀에 대응되는 위치에 마련되고, 상기 내부 압력 변화에 따라 상기 커버 케이스에 개폐 가능하게 구비되는 멤브레인 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 멤브레인 부재는,
    복수 개로 마련되며,
    상기 복수 개의 멤브레인 부재는,
    상호 소정 거리 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 멤브레인 부재는,
    상기 내부 압력이 소정 압력 미만일 때 상기 메인 케이스 내부를 밀폐시키며, 상기 내부 압력이 소정 압력 이상일 때 상기 메인 케이스 내부를 상기 커버 케이스 외부와 연통시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 메인 케이스는,
    금속 재질로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 커버 케이스는,
    단열재로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
PCT/KR2020/008694 2019-07-03 2020-07-02 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 전력 저장 장치 WO2021002712A1 (ko)

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