WO2021210744A1 - 화염 배출 방지 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 전력 저장 시스템 - Google Patents

화염 배출 방지 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 전력 저장 시스템 Download PDF

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housing
cover
battery module
module
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최지순
강달모
최용석
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module having a flame emission prevention structure, and a battery pack including such a battery module. More specifically, the present invention provides a battery having a structure that allows the gas to be smoothly discharged to the outside of the battery module but not the flame to the outside when gas and flame are generated due to abnormalities in the battery cells accommodated in the module housing. It relates to a module and a battery pack comprising such a battery module. The invention also relates to automobiles and Energy Storage Systems (ESSs) comprising such battery packs.
  • ESSs Energy Storage Systems
  • a battery pack used as an ESS or a battery pack used as an electric energy source for a vehicle is configured to remove the risk of use due to external physical factors and to function properly in consideration of the installation environment and use conditions.
  • the battery pack for the ESS or the battery pack for a vehicle may have a form in which one or more battery modules and a battery management system (BMS) electrically connected to the battery module are combined.
  • BMS battery management system
  • a battery pack for an ESS or a battery pack for a vehicle contains a large number of battery cells to ensure sufficient capacity and output, it needs to be designed so that user safety can be secured in case an abnormality occurs in some of the battery cells during use.
  • gas leakage and flame generation due to venting of battery cells in the battery module constituting the battery pack, it is necessary to smoothly discharge the gas to the outside of the battery module to reduce the pressure inside the battery module.
  • the flame needs to be extinguished inside the battery module without being discharged to the outside.
  • the movement path of the flame is formed as long as possible so that the flame moves from the location of the flame to the gas discharge hole.
  • a method of delaying the time taken may be used.
  • the number of battery cells accommodated in the battery module and the capacity and voltage of each battery cell may vary depending on the intended use of the battery module, and accordingly, the total capacity and output voltage of the battery module may also vary. Therefore, when gas and flame are generated due to an abnormality in the battery module, the scale of generation of gas and flame may also vary depending on the intended use of the battery module, and the length of the movement path of gas and flame to ensure safety is also different. needs to be designed.
  • the present invention has been devised in consideration of the above problems, and the problem to be solved by the present invention is to freely control the movement path of gas and flame generated in the battery module, so that the voltage and capacity of the applied battery cell It is to provide a battery module having a structure in which the length of the exhaust path of gas and flame can be easily adjusted with a simple operation without the need to replace the module housing even if this is changed.
  • a battery module for solving the above problems includes: a sub-module including a plurality of battery cells; a lower housing housing the sub-module therein and having an opening; a first housing cover that covers the opening of the lower housing and is coupled to the lower housing and has a gas inlet; a second housing cover coupled to the first housing cover from an upper portion of the first housing cover to form a gas accommodating space between the first housing cover and a gas outlet; And it is installed in the gas receiving space to define a gas exhaust path by dividing the gas receiving space, thereby increasing the movement path of the flame that is generated in the sub-module and introduced together with the gas flowing into the gas receiving space through the gas inlet.
  • variable partition structure using the hinge is composed of one or more hinge structures and two or more partition structures, wherein the hinge structure includes a hinge shaft and a hinge cap fixed by being fitted to both ends of the hinge shaft, and the hinge shaft It is preferable that the two partition structures are rotatably coupled to each other as a center.
  • one end of the partition structure has a first handle structure in which a groove through which the hinge shaft passes, and the other end has a second handle structure in which two grooves through which the hinge shaft passes,
  • a first handle structure of a partition structure different from the second handle structure may be assembled with each other so that the grooves are vertically aligned, and the hinge shaft may be fitted into the grooves to be connected to each other.
  • the first housing cover includes a cover receiving portion concave downwardly; and a cover extension portion extending outwardly from the upper periphery of the cover receiving portion.
  • the lower housing includes a sub-module accommodating part accommodating the sub-module and a housing extension extending outwardly from an upper periphery of the sub-module accommodating part around the opening, and the cover extension of the first housing cover extends the housing.
  • the second housing cover may be in contact with and coupled to the cover extension of the first housing cover.
  • the housing extension part of the lower housing, the cover extension part of the first housing cover, and the second housing cover may be provided with fastening holes vertically aligned with each other.
  • a sealing member may be interposed between the first housing cover and the second housing cover, and the nut may be fastened to the bolt passing through the fastening holes.
  • the first housing cover has a plurality of insertion grooves formed around the inner wall of the cover receiving portion and for fixing the first handle structure or the second handle structure of the partition structure.
  • the first housing cover has a groove for accommodating the partition structure in the cover accommodating part in a horizontal and vertical grid shape, and a groove for accommodating the hinge structure at an intersection of the grid shape.
  • the partition structure is fitted in a part of the groove for accommodating the partition structure and the partition structure is not fitted in the rest, so that the flame is blocked by the partition structure and passes through the part where the partition structure is not fitted.
  • the partition structure may be provided so that the flame moves in a zigzag shape or a vortex shape.
  • the gas inlet and the gas outlet are positioned opposite to each other along a width direction of the battery module.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes one or more battery modules according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes one or more battery packs according to an embodiment of the present invention.
  • An ESS according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problems includes one or more battery packs according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention it is possible to freely control the movement path of the gas and flame generated in the battery module, and thus even if the voltage and capacity of the battery cell applied thereto are changed, only a simple operation is required without replacing the module housing.
  • the length of the exhaust path for gas and flame can be easily adjusted.
  • the present invention can design an exhaust passage so that exhaust gas can be well discharged from the upper part of the battery module during thermal runaway of the battery module through a variable partition structure using a hinge, and the phenomenon that the flame is exposed to the outside can be sufficiently prevented. Therefore, a battery module having a flame emission prevention structure is provided. It is possible to increase the movement path of the flame generated from the sub-module and introduced together with the gas into the gas accommodating space through the gas inlet so that the flame is extinguished in the gas accommodating space without being discharged to the outside through the gas outlet.
  • variable partition structure using the hinge used in the present invention can assemble as many parts as desired, and mass production is easy using standardized parts.
  • the partition structure can be rotated left and right around the hinge axis, so that it can be arranged in a desired direction.
  • variable partition structure using hinges itself also serves as a rigid structure as a bead
  • an appropriate number can be selected in the trade-off relationship between stiffness restraint force and material cost. That is, if the explosive force is low, the number of necessary partition structures can be reduced, and thus the material cost can be lowered. If the explosive force is high, the number of partition structures can be increased to increase the rigidity even if the material cost is high.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view illustrating a state in which a second housing cover is removed in the battery module shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view showing a lower housing included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a sub-module included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a view illustrating a process in which a sub-module is accommodated in the lower housing of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a view illustrating a first housing cover included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 7 is a view illustrating a process in which a lower housing included in the battery module of FIG. 1 and a first housing cover are coupled.
  • FIG. 8 is a view illustrating a process of installing a variable partition structure using a hinge on a first housing cover included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 9 is a view illustrating a process of installing a sealing member on a first housing cover included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a process of installing a second housing cover on a first housing cover included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 11 is a view illustrating a process of coupling the lower housing, the first housing cover, and the second housing cover included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 12 is a view illustrating a hinge structure included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 13 is a view illustrating a partition structure included in the battery module of FIG. 1 .
  • 14 to 16 are views for explaining a process of manufacturing a unit structure by assembling one hinge structure and two partition structures.
  • 17 is a view showing a structure of a variable partition using a hinge included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a movement path of gas in the battery module of FIG. 1 .
  • 19 and 20 are views illustrating a movement path of gas in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 21 is a diagram schematically illustrating a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram schematically illustrating a vehicle including a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view illustrating a state in which the second housing cover 230 is removed in the battery module 1 shown in FIG. 1 .
  • the battery module 1 includes a module housing 200 .
  • a variable partition structure 400 using a sub-module (not shown) and a hinge is included in the module housing 200 .
  • the battery module 1 may further include a gasket 300 for maintaining airtightness of the module housing 200 .
  • the module housing 200 includes a lower housing 210 , a first housing cover 220 , and a second housing cover 230 .
  • the lower housing 210 , the first housing cover 220 , and the second housing cover 230 are fastened with a bolt (B).
  • a cell or a sub-module may be accommodated in the module housing 200 .
  • the first housing cover 220 and the second housing cover 230 are placed on the upper portion of the lower housing 210 in the Z-axis direction, and are coupled to each other to form a flame emission prevention structure.
  • the first housing cover 220 constitutes an exhaust path lower plate
  • the second housing cover 230 constitutes an exhaust path upper plate, respectively.
  • variable partition structure 400 using a hinge is fixedly received on the first housing cover 220 , and forms a flame exhaust path P between the first housing cover 220 and the second housing cover 230 .
  • this battery module 1 it is possible to capture the flame between the first housing cover 220 and the second housing cover 230 when the sub-module is ignited.
  • the gas may be discharged to the outside of the battery module 1 through the outlet H2 of the second housing cover 230 , but the flame may be confined or extinguished inside the battery module 1 .
  • variable partition structure 400 using a hinge is freely adjustable in length and direction. Through this, it is possible to respond to various battery module sizes.
  • the variable partition structure 400 using a hinge can freely control the movement path of gases and flames generated in the battery module 1 . Even if the voltage and capacity of the applied battery cells change, the length of the exhaust path of gas and flame can be easily adjusted by simply changing the variable partition structure 400 using hinges without replacing the module housing 200 . have.
  • FIGS. 3 to 11 together with FIGS. 1 and 2 , the detailed structure and manufacturing method of the battery module 1 will be described in detail.
  • FIG. 3 is a view showing a lower housing 210 included in the battery module 1 shown in FIG. 1 .
  • the lower housing 210 corresponds to an upper open bottom plate.
  • the lower housing 210 has an opening O at an upper portion in the Z-axis direction, and can accommodate a sub-module in an accommodating space formed in the central portion.
  • the lower housing 210 includes a sub-module accommodating part 211 concave downward (in the Z-axis direction) at the center and a housing extension 212 extending outwardly from the upper periphery of the sub-module accommodating part 211 through the opening ( O) Include around the perimeter.
  • a sub-module is accommodated in the sub-module accommodating part 211 .
  • a plurality of first fastening holes 212a formed at regular intervals are provided on the housing extension 212 .
  • the first fastening hole 212a provides a space into which a bolt B for coupling the lower housing 210 to the first housing cover 220 and the second housing cover 230 can be inserted.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a sub-module 100 included in the battery module 1 .
  • the sub-module 100 is accommodated in the inner accommodating space of the lower housing 210 and includes a plurality of battery cells 110 stacked to face each other.
  • the sub-module 100 includes a pair of bus bar frames 120 coupled to both sides in the longitudinal direction (X-axis direction) of the cell stack in addition to the cell stack formed by stacking a plurality of battery cells 110 , respectively. may further include additionally.
  • the battery cell 110 for example, a pouch type battery cell may be applied.
  • the battery cell 110 includes a pair of electrode leads 111 .
  • the pair of electrode leads 111 may be drawn out to both sides of the battery cell 110 in the longitudinal direction (X-axis direction), respectively.
  • the bus bar frame 120 is coupled to the cell stack to electrically connect the plurality of battery cells 110 . That is, the electrode lead 111 is drawn out through the slit formed in the bus bar frame 120 and is coupled to the bus bar provided in the bus bar frame 120 . In this way, electrical connection between the battery cells 110 adjacent to each other is made through the coupling between the electrode lead 111 and the bus bar.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process in which the sub-module 100 is accommodated in the lower housing 210 of FIG. 3 .
  • the lower housing 210 is first prepared, and the sub module 100 is inserted downward (in the Z-axis direction) through the opening O of the how housing 210 . make it The sub-module 100 is seated in the sub-module accommodating part 211 .
  • FIG. 6 is a view showing the first housing cover 220 included in the battery module (1).
  • the first housing cover 220 has a plate shape having a substantially rectangular shape in an X-Y plane, and includes a gas inlet H1 that is formed through one of four corner regions.
  • the first housing cover 220 includes a cover accommodating part 221 concave downward (in the Z-axis direction) and a cover extension 222 extending outwardly from the upper periphery of the cover accommodating part 221 .
  • the position of the gas inlet may vary depending on the intake and exhaust directions.
  • the gas inlet H1 is provided in the corner region of the cover receiving portion 221 .
  • the gas inlet H1 is preferably formed in the corner region of the cover receiving part 221 , but depending on the design, the gas inlet is located in the middle region of the cover receiving part 221 . may be formed.
  • a plurality of insertion grooves 221a for inserting/fixing the variable partition structure 400 using a hinge are provided around the inner wall of the cover receiving part 221 .
  • the cover receiving part 221 is also provided with grooves 221b and 221c into which the partition structure 400 using a hinge can be inserted.
  • the insertion grooves 221a and the grooves 221b and 221c are plural, and some of them may be used for insertion/fixation of the variable partition structure 400 using a hinge.
  • a designer may implement the variable partition structure 400 utilizing a hinge to configure various flame exhaust paths by selecting some of the plurality of insertion grooves 221a and grooves 221b and 221c.
  • a plurality of second fastening holes 222a formed at regular intervals are provided on the cover extension 222 .
  • the second fastening hole 222a provides a space into which a bolt B for coupling the first housing cover 220 to the lower housing 210 and the second housing cover 230 may be inserted.
  • the first housing cover 220 may include a sealing member groove 222b formed in the cover extension part 222 .
  • the sealing member may be inserted into the sealing member groove 222b.
  • FIG. 7 is a view illustrating a process in which the lower housing 210 and the first housing cover 220 are coupled.
  • the first housing cover 220 covers the opening O of the lower housing 210 in which the sub-module 100 is accommodated and is coupled to the upper portion of the lower housing 210 . Specifically, in the coupling between the first housing cover 220 and the lower housing 210 , the cover extension 222 of the first housing cover 220 and the housing extension 212 of the lower housing 210 are in contact with each other.
  • the gas inlet H1 communicates with the sub-module receiving part 211 of the lower housing 210 . Accordingly, when gas and flame are generated due to venting of some battery cells 110 of the sub-module 100 in the lower housing 210 , the gas and flame are transmitted through the gas inlet H1 to the first housing cover 220 ) is introduced into the cover receiving portion 221 of the.
  • FIG. 8 is a view illustrating a process of installing the variable partition structure 400 using a hinge on the first housing cover 220 .
  • variable partition structure 400 using a hinge is fixedly received on the first housing cover 220 .
  • the insertion grooves 221a and the grooves 221b and 221c described with reference to FIG. 6 are used.
  • insertion grooves 221a and grooves 221b and 221c so that the variable partition structure 400 using a hinge does not shake or separate and can be well accommodated in the cover receiving part 221 of the first housing cover 220. have.
  • the direction of the variable partition structure 400 using hinges and/or the number of unit structures constituting the variable partition structure 400 using the hinges are different depending on the exhaust path. Details will be described below.
  • FIG. 9 is a view illustrating a process of installing a sealing member on the first housing cover 220 .
  • the first housing cover 220 may include a sealing member groove 222b formed in the cover extension part 222 , and in this case, the gasket 300 in the sealing member groove 222b.
  • a sealing member such as may be inserted.
  • FIG. 9 when the gasket 300 is inserted as a sealing member, the sealing property of the bonding interface between the first housing cover 220 and the second housing cover 230 may be enhanced.
  • FIG. 10 is a view illustrating a process of installing the second housing cover 230 on the first housing cover 220
  • FIG. 11 is a view showing the lower housing 210 , the first housing cover 220 , and the second housing cover 230 .
  • ) is a diagram showing the process of combining.
  • the second housing cover 230 has a plate shape having an XY plane shape of a substantially rectangular shape, has a gas outlet H2 , and is formed from an upper portion of the first housing cover 220 . It is coupled to the cover 220 . Like the position of the gas inlet, the position of the gas outlet may vary depending on intake and exhaust directions. In this embodiment, the gas outlet is formed in one of the corner regions of the second housing cover 230 . In order to sufficiently secure the length of the flame exhaust path, the gas outlet (H2) is preferably formed to be as large as possible the distance between the gas inlet (H1) and the X-Y plane.
  • the gas outlet H2 may be formed in the other corner region of the second housing cover 230 .
  • the gas outlet may be formed in the middle region of the second housing cover 230 .
  • the second housing cover 230 is provided with a plurality of third fastening holes 232a formed at regular intervals.
  • the third fastening hole 232a provides a space into which a bolt B for coupling the first housing cover 220 to the lower housing 210 and the second housing cover 230 may be inserted.
  • the first fastening hole 212a of the housing extension 212 , the second fastening hole 222a of the cover extension 222 , and the third fastening hole 232a of the second housing cover 230 are mutually sorted up and down
  • the cover extension 222 of the first housing cover 220 is placed on the housing extension 212
  • the second housing cover 230 abuts on the cover extension 222 of the first housing cover 220 .
  • the aligned first fastening hole 212a, the second fastening hole 222a and the third fastening hole 232a are coupled to each other by fastening the nut (N) to the bolt (B).
  • the second housing cover 230 may have the same shape and structure as the first housing cover 220 described above. At that time, the first housing cover 220 and the second housing cover 230 are coupled to each other in an inverted state. That is, when the first housing cover 220 and the second housing cover 230 are coupled to each other, the cover receiving part 221 of the first housing cover 220 has a downwardly concave shape, and the second housing cover ( The accommodating part 221 of the 230 is to have an upwardly concave shape.
  • the gas outlet H2 of the second housing cover 230 is located opposite to the gas inlet H1 of the first housing cover 220 along the width direction (Y-axis direction) of the battery module 1 . .
  • the first housing cover 220 and the second housing cover 230 may be in a 180 degree symmetrical relationship with each other, and accordingly, each cover extension part 222 in a state where each cover receiving part 221 faces each other. ) and can be combined.
  • the gas inlet H1 from the lower housing 210 is disposed between the first housing cover 220 and the second housing cover 230 .
  • a space that can accommodate the gas and flame introduced through it is provided.
  • the gas and the flame introduced into the space pass through the exhaust path P formed by the variable partition structure 400 using a hinge to be described later, and in this process, the flame is extinguished, and the gas passes through the gas outlet (H2).
  • the internal pressure of the battery module (1) can be reduced.
  • variable partition structure 400 using a hinge will be described in more detail with further reference to FIGS. 12 to 17 in the aforementioned FIGS. 2 and 8 .
  • variable partition structure 400 using a hinge is installed in the gas accommodating space formed between the first housing cover 220 and the second housing cover 230 to accommodate gas.
  • a gas exhaust path P is defined by partitioning the space.
  • the variable partition structure 400 using a hinge increases the movement path of the flame generated in the sub-module 100 and introduced together with the gas into the gas accommodating space through the gas inlet H1. If the variable partition structure 400 using hinges is provided so that the flame moves in a zigzag or swirl shape without being discharged directly to the outside through the gas outlet H2, the flame is extinguished within the gas receiving space and is not discharged to the outside.
  • variable partition structure 400 using a hinge is to be installed across the cover receiving part 221 along the longitudinal direction (X-axis direction) and/or the width direction (Y-axis direction) of the first housing cover 220 .
  • a plurality of variable partition structures 400 using hinges are installed across the cover receiving part 221 along the longitudinal direction (X-axis direction) of the first housing cover 220 .
  • variable partition structures 400 using hinges may be installed at regular intervals along the width direction (Y-axis direction) of the first housing cover 220 and the second housing cover 230 .
  • the variable partition structure 400 using a hinge is shorter than the length of the cover accommodating part 221, and some of them have one end in the longitudinal direction inserted into the left insertion groove 221a, and the cover accommodating part 221 ), and the other part is fixed in the cover receiving portion 221 by inserting the other end in the longitudinal direction into the right insertion groove (221a).
  • variable partition structure 400 using a hinge includes one or more hinge structures 410 and two or more partition structures 420 .
  • the hinge structure 410 includes a hinge shaft 412 that can be placed in the Z-axis direction and a hinge cap 414 that is fitted and fixed to both ends of the hinge shaft 412 .
  • Two partition structures 420 are rotatably coupled to each other around the hinge shaft 412 . It is a hinged connection. Since the two partition structures 420 must be rotatable with respect to the hinge shaft 412 , the hinge shaft 412 has a cylindrical rod shape.
  • the partition structure 420 is based on a small plate-shaped body 422, and at one end of the body 422, a first handle structure with a groove through which the hinge shaft 412 penetrates up and down ( 424) and at the other end there is a second handle structure 426 having two grooves through which the hinge shaft 412 penetrates up and down.
  • the groove through which the hinge shaft 412 vertically passes is a circular shape having an inner diameter similar to the outer diameter of the cylindrical rod-shaped hinge shaft 412 .
  • the first handle structure 424 and the second handle structure 426 have a circular rim defining this circular groove.
  • 14 to 16 are views for explaining a process of manufacturing a unit structure by assembling one hinge structure and two partition structures.
  • the first handle structure 424 of the other partition structure 420 is placed on the second handle structure 426 of one partition structure 420 and inserted into each other.
  • the grooves through which the hinge shaft 412 passes are assembled while vertically aligned with each other.
  • the hinge shaft 412 is inserted into the grooves and assembled with the partition structures 420 .
  • the hinge caps 414 are fitted at both ends of the hinge shaft 412 and fixed, a stable unit structure is completed without departing from the grooves through which the hinge shaft 412 passes.
  • the two partition structures 420 are rotatable with respect to the hinge shaft 412 and do not deviate from the hinge shaft 412 because of the hinge cap 414 .
  • the unit structure defining the exhaust path can be configured with only three parts (one hinge structure 410 and two partition structures 420 ), so assembly is very easy, and standardization and simplification.
  • the previous operations can be repeated as many times as desired, and as many as necessary can be connected as many times as necessary.
  • the variable partition structure 400 using a hinge may be provided.
  • variable partition structure 400 using the hinge used in the present invention can be assembled as many as desired by standardizing the hinge structure 410 and the partition structure 420 . It is possible to adjust the length of the variable partition structure 400 using the hinge according to the increase or decrease in the number of the hinge structure 410 and the partition structure 420 . In addition, since it is possible to rotate left and right about the hinge shaft 412, it is possible to arrange the partition structure 420 in a desired direction horizontally or vertically. Accordingly, it is possible to freely control the movement path of gases and flames generated within the battery module, so that even if the voltage and capacity of the applied battery cells are changed, there is no need to replace the module housing and the exhaust path of gases and flames The length can be easily adjusted. It has great expandability corresponding to battery module types and is easy to mass-produce.
  • FIG. 18 is a diagram showing a movement path P of gas in the battery module 1 .
  • the first handle structure 424 or the second handle structure 426 of the partition structure 420 is inserted and fixed into the insertion groove 212a formed in the first housing cover 220 .
  • the insertion groove (212a) is based on a circular groove of a round shape as the rim shape of the first handle structure (424) or the second handle structure (426), while the body 422 of the partition structure 420 comes out to the side to accommodate the cover. It has a shape that can be directed toward the part 221 .
  • the insertion groove 212a is partitioned to the side.
  • the first handle structure 424 or the second handle structure 426 of the structure 420 cannot come out and is fixed.
  • grooves 221b for accommodating the partition structure 420 are provided in a horizontal and vertical grid shape, and the hinge structure 410 is accommodated at the intersection of the grid shape.
  • a groove 221c is provided.
  • the groove 221c for accommodating the hinge structure 410 is a circular groove in the shape of the X-Y plane projection of the hinge cap 414 of the hinge structure 410 .
  • the groove 221b for receiving the partition structure 420 is a rectangular groove according to the X-Y plane projection shape of the body 422 of the partition structure 420 . If the hinge cap 414 and the body 422 of the partition structure 420 having different XY plane projection shapes are used, the groove 221b for accommodating the partition structure 420 and the groove 221c for accommodating the hinge structure 410 are used. ) can be modified accordingly.
  • a plurality of insertion grooves 221a for inserting/fixing the variable partition structure 400 using a hinge are provided around the inner wall of the cover receiving part 221 .
  • the cover receiving part 221 is also provided with grooves 221b and 221c into which the partition structure 400 using a hinge can be inserted.
  • the insertion grooves 221a and the grooves 221b and 221c are plural, and only some of them may be used for insertion/fixation of the variable partition structure 400 using a hinge.
  • a designer may implement the variable partition structure 400 utilizing a hinge to configure various flame exhaust paths by selecting some of the plurality of insertion grooves 221a and grooves 221b and 221c.
  • the partition structure 420 is fitted into a part of the groove 221b for accommodating the partition structure 420 , and the partition structure 420 is not inserted into the rest. The flame is blocked by the partition structure 420 and passes through the portion where the partition structure 420 is not fitted.
  • an exhaust path P through which gas and flame move is formed.
  • the flame generated in the sub-module 100 and introduced together with the gas flowing into the gas accommodating space through the gas inlet H1 of the first housing cover 220 is the gas outlet of the second housing cover 230 .
  • An example in which the variable partition structure 400 using a hinge is intermittently arranged is shown and described so as to move a long distance in a zigzag shape within the gas receiving space without being directly discharged to the outside through (H2).
  • the flame introduced together with the gas may be confined in the exhaust path P to suppress discharge to the outside. Since only gas can be discharged to the outside through the gas outlet H2, it is safe.
  • the battery module 1 is a sub-module ( 100), while smoothly discharging the gas to the outside, it is also possible to effectively prevent the external emission of the flame.
  • partition structure 420 itself also serves as a rigid structure as a bead
  • an appropriate number may be selected in a trade-off relationship between rigidity restraining force and material cost. For example, in the case of FIG. 18 , the number of variable partition structures 400 using hinges is increased due to high explosive force (for example, 7), and rigidity can be increased even if the material cost is high.
  • FIG. 19 has a small number of variable partition structures 400 using hinges (three as an example).
  • hinges three as an example.
  • the explosive force is low, it is possible to reduce the number of variable partition structures 400 using the necessary hinges, thereby reducing the material cost. Therefore, it is possible to reduce costs by using the variable partition structure 400 using a small number of hinges as shown in FIG. 19 .
  • the explosive force is medium, an appropriate material cost and rigidity can be achieved by using the variable partition structure 400 using the intermediate number of hinges of FIGS. 18 and 19 .
  • FIGS. 18 and 19 correspond to the exhaust path P for flowing the flame exhaust to one of the corner areas of the second housing cover, that is, to one end, the middle part of the second housing cover as shown in FIG.
  • An exhaust path (P') which flows the flame exhaust into the
  • the direction of the partition structure 420 is changed so that it is bent by 90 degrees counterclockwise to the left in each corner area.
  • a gas outlet should be provided in the middle of the second housing cover 2300.
  • the partition structure ( 420) it is possible to change the direction, so it is very useful to flow the flame exhaust in the desired direction.
  • the battery pack according to the present invention includes one or more battery modules according to the present invention as described above.
  • 21 is a diagram schematically illustrating a battery pack 500 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 500 may include at least one battery module 1 according to the previous embodiment and a pack case 510 for packaging the at least one battery module 1 .
  • the battery pack 500 according to an embodiment of the present invention includes various devices for controlling the charging and discharging of the battery module 1 in addition to the battery module 1 and the pack case 510, such as a BMS, a current sensor, and a fuse. and the like may be further included. Since the battery pack 500 includes the battery module 1 , it can be used as a battery pack having the characteristics and effects of the battery module 1 described above.
  • vehicle and/or ESS according to the present invention includes one or more battery packs of the present invention as described above.
  • FIG. 22 is a diagram schematically illustrating a vehicle 600 including a battery pack 500 according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle 600 may include a battery pack 500 , an electronic control unit (ECU) 610 , an inverter 620 , and a motor 630 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle 600 may be an electric vehicle.
  • the battery pack 500 may be used as an electric energy source for driving the vehicle 600 by providing a driving force to the motor 630 .
  • the battery pack 500 may be charged or discharged by the inverter 620 according to the driving of the motor 630 and/or the internal combustion engine (not shown).
  • the battery pack 500 may be charged by a regenerative charging device coupled with a break.
  • the battery pack 500 may be electrically connected to the motor 630 of the vehicle 600 through the inverter 620 .
  • the battery pack 500 also includes a BMS.
  • the BMS estimates the states of cells in the battery pack 500 and manages the battery pack 500 using the estimated state information.
  • state information of the battery pack 500 such as a state of charge (SOC), a state of health (SOH), a maximum allowable input/output power, and an output voltage of the battery pack 500 is estimated and managed.
  • SOC state of charge
  • SOH state of health
  • maximum allowable input/output power a maximum allowable input/output power
  • an output voltage of the battery pack 500 is estimated and managed.
  • the ECU 610 is an electronic control device that controls the state of the vehicle 600 .
  • torque information is determined based on information such as an accelerator, a brake, and a speed, and the output of the motor 630 is controlled to match the torque information.
  • the ECU 610 sends a control signal to the inverter 620 so that the battery pack 500 can be charged or discharged based on state information such as SOC and SOH of the battery pack 500 received by the BMS.
  • the inverter 620 allows the battery pack 500 to be charged or discharged based on the control signal of the ECU 610 .
  • the motor 630 drives the vehicle 600 based on control information (eg, torque information) transmitted from the ECU 610 using electric energy of the battery pack 500 .
  • the vehicle 600 includes a battery pack 500 , and the battery pack 500 can lengthen the flame movement path by including the battery module 1 as described above. Accordingly, even if a problem occurs in the battery pack 500 when the vehicle 600 is driven, stability is maintained. In addition, since the battery pack 500 has excellent stability and can be used for a long time, the vehicle 600 including the battery pack 500 is safe and easy to operate.
  • ESS stores new renewable energy such as solar power and wind power that are difficult to generate power at a desired time in advance, and allows it to be used at the required time.
  • the battery pack according to the present invention may be used to store power in such an ESS.
  • the battery pack according to the present invention can lengthen the flame movement path by including the battery module according to the present invention as described above. Therefore, even if some battery packs fail, ESS stability can be maintained and fire spread can be prevented.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 서브 모듈; 내부에 상기 서브 모듈이 수납되며 개구부를 가진 하부 하우징; 상기 하부 하우징의 개구부를 커버하며 상기 하부 하우징에 결합되고 가스 인렛을 구비하는 제1 하우징 커버; 상기 제1 하우징 커버의 상부로부터 상기 제1 하우징 커버에 결합되어 상기 제1 하우징 커버와의 사이에 가스 수용 공간을 형성하고 가스 아웃렛을 구비하는 제2 하우징 커버; 및 상기 가스 수용 공간 내에 설치되어 상기 가스 수용 공간을 구획해 가스 배기 경로를 정의함으로써 상기 서브 모듈에서 발생되어 상기 가스 인렛을 통해 상기 가스 수용 공간 내에 유입되는 가스와 함께 유입되는 화염의 이동 경로를 늘려주는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조를 포함한다.

Description

화염 배출 방지 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 전력 저장 시스템
본 발명은 화염 배출 방지 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 모듈 하우징 내에 수용된 배터리 셀들에 이상이 생겨 가스 및 화염이 발생된 경우에 가스는 배터리 모듈 외부로 원활하게 배출시키되 화염은 외부로 배출시키지 않도록 할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 및 전력 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에도 관계되어 있다. 본 출원은 2020년 4월 17일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2020-0046950호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
ESS로 이용되는 배터리 팩 또는 자동차의 전기 에너지 공급원으로 이용되는 배터리 팩은, 외부의 물리적 요인에 의한 사용상의 위험성을 제거하고, 설치 환경 및 사용 조건을 고려하여 적절히 기능할 수 있도록 구성된다. 이러한 ESS용 배터리 팩 또는 자동차용 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈 및 배터리 모듈과 전기적으로 연결되는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)을 결합시킨 형태를 가질 수 있다.
ESS용 배터리 팩 또는 자동차용 배터리 팩은 충분한 용량 및 출력을 확보하기 위하여 다수의 배터리 셀을 포함하고 있으므로, 사용 중에 일부 배터리 셀에서라도 이상이 발생하는 경우에 사용자의 안전이 확보될 수 있도록 설계될 필요가 있다. 예를 들어, 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈 내에서 배터리 셀의 벤팅(venting)에 의한 가스 유출 및 화염 발생이 있는 경우, 가스는 배터리 모듈 외부로 원활히 배출시켜 배터리 모듈 내부의 압력을 감소시킬 필요가 있는 반면, 화염은 외부로 배출되지 않고 배터리 모듈 내부에서 소멸되도록 할 필요가 있다. 이처럼 배터리 모듈 내부에서 발생된 화염이 가스의 배출을 위해 형성된 가스 배출 홀을 통해 외부로 배출되지 않도록 하기 위해서는, 화염의 이동 경로를 가능한 길게 형성하여 화염의 발생 위치에서부터 가스 배출 홀까지 화염이 이동하는데 걸리는 시간을 지연시키는 방식이 이용될 수 있다.
그런데, 배터리 모듈의 사용 용도에 따라 배터리 모듈 내에 수용되는 배터리 셀의 개수, 그리고 각각의 배터리 셀이 갖는 용량 및 전압이 달라질 수 있으며, 이에 따라 배터리 모듈의 전체 용량 및 출력 전압 역시 달라질 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 내에서 이상이 생겨 가스 및 화염이 발생되는 경우, 배터리 모듈의 사용 용도에 따라 가스 및 화염의 발생 규모 역시 달라질 수 있으며, 안전성을 확보하기 위한 가스 및 화염의 이동 경로의 길이 역시 다르게 설계될 필요가 있다.
이러한 관점에서 볼 때, 배터리 모듈 내에서 발생된 가스 및 화염의 이동 경로를 자유롭게 조절할 수 있는 구조를 갖는 모듈 하우징 및 배터리 모듈의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리 모듈 내에서 발생된 가스 및 화염의 이동 경로를 자유롭게 조절할 수 있도록 함으로써, 적용되는 배터리 셀의 전압 및 용량이 달라지더라도 모듈 하우징을 교체할 필요 없이 간단한 작업만으로도 가스 및 화염의 배출 경로의 길이를 손쉽게 조절할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 국한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 서브 모듈; 내부에 상기 서브 모듈이 수납되며 개구부를 가진 하부 하우징; 상기 하부 하우징의 개구부를 커버하며 상기 하부 하우징에 결합되고 가스 인렛을 구비하는 제1 하우징 커버; 상기 제1 하우징 커버의 상부로부터 상기 제1 하우징 커버에 결합되어 상기 제1 하우징 커버와의 사이에 가스 수용 공간을 형성하고 가스 아웃렛을 구비하는 제2 하우징 커버; 및 상기 가스 수용 공간 내에 설치되어 상기 가스 수용 공간을 구획해 가스 배기 경로를 정의함으로써 상기 서브 모듈에서 발생되어 상기 가스 인렛을 통해 상기 가스 수용 공간 내에 유입되는 가스와 함께 유입되는 화염의 이동 경로를 늘려주는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조를 포함한다.
상기 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조는 하나 이상의 경첩 구조물과 둘 이상의 칸막이 구조물로 구성되어 있으며, 상기 경첩 구조물은 경첩 축과 상기 경첩 축의 양단에 끼워져 고정되는 경첩 캡(cap)을 포함하고, 상기 경첩 축을 중심으로 두 개의 칸막이 구조물이 서로 회전 가능하게 결합됨이 바람직하다.
특히, 상기 칸막이 구조물의 일단에는 상기 경첩 축이 관통하는 홈이 파여있는 제1 손잡이 구조가 있고 타단에는 상기 경첩 축이 관통하는 두 개의 홈이 파여 있는 제2 손잡이 구조가 있으며, 어느 한 칸막이 구조물의 제2 손잡이 구조에 다른 칸막이 구조물의 제1 손잡이 구조가 상기 홈들이 상하 정렬되도록 서로 조립되고, 상기 홈들에 상기 경첩 축이 끼워져 서로 연결될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 제1 하우징 커버는 하방으로 오목하게 형성된 커버 수용부; 및 상기 커버 수용부의 상단 둘레로부터 외측으로 연장된 커버 연장부;를 포함한다.
상기 하부 하우징은 상기 서브 모듈을 수용하는 서브 모듈 수용부와 상기 서브 모듈 수용부의 상단 둘레로부터 외측으로 연장된 하우징 연장부를 상기 개구부의 둘레에 포함하며, 상기 제1 하우징 커버의 커버 연장부는 상기 하우징 연장부 놓이고 상기 제1 하우징 커버의 커버 연장부 상에 상기 제2 하우징 커버가 맞닿아 결합될 수 있다.
이 때, 상기 하부 하우징의 하우징 연장부와 상기 제1 하우징 커버의 커버 연장부와 제2 하우징 커버에는 서로 상하 정렬되는 체결 홀들이 구비되어 있을 수 있다.
그리하여, 상기 제1 하우징 커버와 상기 제2 하우징 커버 사이에 실링 부재를 개재하여 상기 체결 홀들을 관통하는 볼트에 너트 체결할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 제1 하우징 커버는, 상기 커버 수용부의 내측벽 둘레에 형성되며 상기 칸막이 구조물의 제1 손잡이 구조나 제2 손잡이 구조를 고정하는 복수의 삽입 홈을 구비한다.
상기 제1 하우징 커버는, 상기 커버 수용부에 상기 칸막이 구조물을 수납하는 홈이 가로 세로 격자 모양으로 구비되어 있고 상기 격자 모양의 교차 부위에 상기 경첩 구조물을 수납하는 홈이 구비되어 있는 것이 바람직하다.
상기 칸막이 구조물을 수납하는 홈의 일부에는 상기 칸막이 구조물이 끼워지고 나머지에는 상기 칸막이 구조물이 끼워지지 않아 상기 화염은 상기 칸막이 구조물에 의해 차단되고 상기 칸막이 구조물이 끼워지지 않은 부분을 통과하게 한다.
이 때, 상기 화염이 지그재그 모양 또는 소용돌이 모양으로 이동하도록 상기 칸막이 구조물이 구비되어 있을 수 있다.
상기 가스 인렛과 상기 가스 아웃렛은, 상기 배터리 모듈의 폭 방향을 따라 서로 반대편에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈 내에서 발생된 가스 및 화염의 이동 경로를 자유롭게 조절할 수 있게 되며, 이로써 적용되는 배터리 셀의 전압 및 용량이 달라지더라도 모듈 하우징을 교체할 필요 없이 간단한 작업만으로도 가스 및 화염의 배출 경로의 길이를 손쉽게 조절할 수 있게 된다.
본 발명은 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조를 통해 배터리 모듈 열폭주시 배터리 모듈 상부에서 배기 가스가 잘 배출될 수 있게 배기 통로를 설계하고, 화염이 외부로 노출되는 현상은 충분히 방지할 수 있다. 그러므로 화염 배출 방지 구조를 갖는 배터리 모듈이 제공된다. 서브 모듈에서 발생되어 가스 인렛을 통해 가스 수용 공간 내에 가스와 함께 유입되는 화염의 이동 경로를 늘려주어 이 화염이 가스 아웃렛을 통해 외부로 배출되지 않고 가스 수용 공간 내에서 소멸되도록 할 수 있다.
본 발명에서 이용하는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조는 원하는 개수만큼 부품 조립이 가능하며, 규격화되어 있는 부품을 사용하여 대량생산이 용이하다. 또한 경첩 축을 중심으로 칸막이 구조물이 좌우로 회전이 가능하여 원하는 방향으로 배열이 가능하다.
경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조 자체가 비드(bead)로써 강성 구조 역할도 겸하기에 강성 억제력 및 소재 비용의 트레이드 오프(trade off) 관계에서 적당한 개수를 선택할 수 있다. 즉, 폭발력이 낮으면 필요한 칸막이 구조물 개수를 적게 할 수 있고, 이에 따라 소재 비용을 낮출 수 있다. 폭발력이 높으면 칸막이 구조물 개수를 많게 하여, 소재 비용이 높더라도 강성을 높일 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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈에 있어서, 제2 하우징 커버가 제거된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 하부 하우징을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 서브 모듈을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 하부 하우징 내부에 서브 모듈이 수납되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 제1 하우징 커버를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 하부 하우징과 제1 하우징 커버가 결합되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 제1 하우징 커버에 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조를 설치하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 제1 하우징 커버에 실링부재를 설치하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 제1 하우징 커버 위에 제2 하우징 커버를 설치하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 하부 하우징과 제1 하우징 커버 및 제2 하우징 커버를 결합하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 12는 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 경첩 구조물을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 칸막이 구조물을 나타내는 도면이다.
도 14 내지 도 16은 하나의 경첩 구조물과 두 칸막이 구조물을 조립하여 단위 구조를 제조하는 과정을 설명하는 도면들이다.
도 17은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 1의 배터리 모듈에서, 가스의 이동 경로를 나타내는 도면이다.
도 19와 도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서, 가스의 이동 경로를 나타내는 도면들이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 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.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구조를 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)의 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈(1)에 있어서, 제2 하우징 커버(230)가 제거된 상태를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 모듈 하우징(200)을 포함한다. 모듈 하우징(200) 내부에는 서브 모듈(미도시)과 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)가 포함되어 있다. 또한, 배터리 모듈(1)은, 모듈 하우징(200)의 기밀성 유지를 위한 가스켓(300)을 추가적으로 더 포함할 수도 있다.
모듈 하우징(200)은 하부 하우징(210), 제1 하우징 커버(220) 및 제2 하우징 커버(230)를 포함한다. 하부 하우징(210), 제1 하우징 커버(220) 및 제2 하우징 커버(230)는 볼트(B) 체결되어 있다. 모듈 하우징(200) 내부에는 셀 또는 서브 모듈이 수납될 수 있다. 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230)는 하부 하우징(210)의 Z축 방향 상부에 놓이며, 서로 결합하여 화염 배출 방지 구조물을 형성한다. 이 때, 제1 하우징 커버(220)는 배기 경로 하판, 제2 하우징 커버(230)는 배기 경로 상판을 각각 구성한다.
경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는 제1 하우징 커버(220) 상에 고정 수납이 되며, 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230) 사이에서 화염 배기 경로(P)를 형성하게 된다.
이러한 배터리 모듈(1)에 의하면, 서브 모듈 발화 시 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230) 사이에서 화염의 포집이 가능하다. 가스는 제2 하우징 커버(230)의 아웃렛(H2)을 통해 배터리 모듈(1) 외부로 배출시키되, 화염은 배터리 모듈(1) 내부에 가두거나 소멸시킬 수 있다.
경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는 길이와 방향 조절이 자유롭다. 이를 통해 다양한 배터리 모듈 사이즈에 대응이 가능하다. 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는 배터리 모듈(1) 내에서 발생된 가스 및 화염의 이동 경로를 자유롭게 조절할 수 있다. 적용되는 배터리 셀의 전압 및 용량이 달라지더라도 모듈 하우징(200)을 교체할 필요 없이 간단히 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 변경하는 작업만으로도 가스 및 화염의 배출 경로의 길이를 손쉽게 조절할 수 있다.
이제 도 1 및 도 2와 함께 도 3 내지 도 11까지 참조하며 이러한 배터리 모듈(1)의 세부 구조 및 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 도 1에 도시한 배터리 모듈(1)에 포함되는 하부 하우징(210)을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 하부 하우징(210)은 상부 오픈된 바텀 플레이트(bottom plate)에 해당한다. 하부 하우징(210)은 Z축 방향 상부에 개구부(O)를 가지며, 중심부에 형성된 수용 공간 내에 서브 모듈을 수용할 수 있다. 하부 하우징(210)은 중심부에 하방(Z축 방향)으로 오목하게 형성된 서브 모듈 수용부(211) 및 서브 모듈 수용부(211)의 상단 둘레로부터 외측으로 연장된 하우징 연장부(212)를 개구부(O) 둘레에 포함한다. 서브 모듈 수용부(211) 내에는 서브 모듈이 수용된다. 하우징 연장부(212) 상에는 일정 간격으로 형성된 복수의 제1 체결 홀(212a)이 구비된다. 제1 체결 홀(212a)은 하부 하우징(210)을 제1 하우징 커버(220) 및 제2 하우징 커버(230)와 결합시키기 위한 볼트(B)가 삽입될 수 있는 공간을 제공한다.
도 4는 배터리 모듈(1)에 포함되는 서브 모듈(100)을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 서브 모듈(100)은 하부 하우징(210)의 내부 수용 공간에 수용되며, 서로 대면하여 적층되는 복수의 배터리 셀(110)을 포함한다. 또한, 서브 모듈(100)은, 복수의 배터리 셀(110)이 적층되어 형성된 셀 적층체 외에 셀 적층체의 길이 방향(X축 방향) 양 측에 각각 결합되는 한 쌍의 버스바 프레임(120)을 추가적으로 더 포함할 수도 있다.
배터리 셀(110)로는, 예를 들어 파우치 타입 배터리 셀이 적용될 수 있다. 배터리 셀(110)은, 한 쌍의 전극 리드(111)를 구비한다. 한 쌍의 전극 리드(111)는, 배터리 셀(110)의 길이 방향(X축 방향) 양 측으로 각각 인출될 수 있다.
버스바 프레임(120)은, 셀 적층체에 결합되어 복수의 배터리 셀(110)을 전기적으로 연결시킨다. 즉, 전극 리드(111)는, 버스바 프레임(120)에 형성된 슬릿을 통해 인출되고 버스바 프레임(120)에 구비된 버스바에 결합된다. 이처럼, 전극 리드(111)와 버스바 간의 결합을 통해 서로 이웃하는 배터리 셀(110) 간의 전기적 연결이 이루어지게 된다.
도 5는 도 3의 하부 하우징(210) 내부에 이러한 서브 모듈(100)이 수납되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 배터리 모듈(1) 조립시 먼저 하부 하우징(210)을 준비하고, 하우 하우징(210)의 개구부(O)를 통하여 서브 모듈(100)을 하방으로(Z축 방향으로) 삽입시킨다. 서브 모듈(100)은 서브 모듈 수용부(211) 내에 안착이 된다.
도 6은 배터리 모듈(1)에 포함되는 제1 하우징 커버(220)를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 하우징 커버(220)는, 그 X-Y 평면 형상이 대략 직사각형인 플레이트 형태를 가지며, 네 개의 코너 영역 중 한 곳에 관통 형성되는 가스 인렛(H1)을 구비한다. 제1 하우징 커버(220)는, 하방(Z축 방향)으로 오목하게 형성된 커버 수용부(221) 및 커버 수용부(221)의 상단 둘레로부터 외측으로 연장된 커버 연장부(222)를 포함한다. 가스 인렛의 위치는 흡기 및 배기 방향에 따라 달라질 수 있다. 본 실시예에서 가스 인렛(H1)은, 커버 수용부(221)의 코너 영역에 구비되어 있다. 화염 배기 경로의 길이를 충분히 확보하기 위하여, 가스 인렛(H1)은, 커버 수용부(221)의 코너 영역에 형성됨이 바람직하나, 설계에 따라서는 가스 인렛이 커버 수용부(221)의 가운데 영역에 형성이 될 수도 있다.
커버 수용부(221)의 내측벽 둘레에는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 삽입/고정을 위한 복수의 삽입 홈(221a)이 구비되어 있다. 커버 수용부(221)에는 경첩을 활용한 칸막이 구조(400)를 끼울 수 있는 홈(221b, 221c)도 구비되어 있다. 삽입 홈(221a)과 홈(221b, 221c)은 복수개이고 이 중에 일부가 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 삽입/고정에 이용될 수 있다. 설계자는 복수의 삽입 홈(221a)과 홈(221b, 221c) 중에서 일부를 선택하여 다양한 화염 배기 경로를 구성하기 위해 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 구현할 수 있다.
커버 연장부(222) 상에는 일정 간격으로 형성된 복수의 제2 체결 홀(222a)이 구비된다. 제2 체결 홀(222a)은 제1 하우징 커버(220)를 하부 하우징(210) 및 제2 하우징 커버(230)와 결합시키기 위한 볼트(B)가 삽입될 수 있는 공간을 제공한다.
제1 하우징 커버(220)는, 커버 연장부(222)에 형성된 실링 부재 홈(222b)을 구비할 수 있으며, 이 경우 실링 부재 홈(222b) 내에 실링 부재가 삽입될 수 있다.
도 7은 하부 하우징(210)과 제1 하우징 커버(220)가 결합되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 하우징 커버(220)는, 서브 모듈(100)이 수납되어 있는 하부 하우징(210)의 개구부(O)를 커버하며 하부 하우징(210)의 상부에 결합된다. 구체적으로, 제1 하우징 커버(220)와 하부 하우징(210) 간의 결합은, 제1 하우징 커버(220)의 커버 연장부(222)와 하부 하우징(210)의 하우징 연장부(212)가 맞닿은 상태로 이루어진다. 이처럼 제1 하우징 커버(220)가 하부 하우징(210)에 체결되었을 때, 제1 체결 홀(212a)과 제2 체결 홀(222a)은 서로 상하 정렬되게 1대 1로 대응되는 위치에 정렬되며, 가스 인렛(H1)은 하부 하우징(210)의 서브 모듈 수용부(211)와 연통된다. 이로써, 하부 하우징(210) 내에서 서브 모듈(100)의 일부 배터리 셀(110)의 벤팅에 따른 가스 및 화염이 발생된 경우, 가스와 화염은 가스 인렛(H1)을 통해 제1 하우징 커버(220)의 커버 수용부(221) 내로 유입된다.
도 8은 제1 하우징 커버(220)에 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 설치하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는 제1 하우징 커버(220) 상에 고정 수납이 된다. 이 때 도 6을 참조하여 설명한 삽입 홈(221a)과 홈(221b, 221c)이 이용이 된다. 삽입 홈(221a)과 홈(221b, 221c)이 있어 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)가 흔들리거나 이탈하지 않고 제1 하우징 커버(220)의 커버 수용부(221)에 잘 수납이 될 수 있다. 배기 경로에 따라 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 방향 및/또는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 구성하는 단위 구조의 개수가 다르다. 상세한 내용은 아래에서 후술한다.
도 9는 제1 하우징 커버(220)에 실링부재를 설치하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 하우징 커버(220)는, 커버 연장부(222)에 형성된 실링 부재 홈(222b)을 구비할 수 있으며, 이 경우 실링 부재 홈(222b) 내에 가스켓(300)과 같은 실링부재가 삽입될 수 있다. 도 9와 같이 실링부재로서 가스켓(300)을 삽입하면 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230)의 결합 계면의 밀봉성이 강화될 수 있다.
도 10은 제1 하우징 커버(220) 위에 제2 하우징 커버(230)를 설치하는 과정을 나타내는 도면이고, 도 11은 하부 하우징(210)과 제1 하우징 커버(220) 및 제2 하우징 커버(230)를 결합하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제2 하우징 커버(230)는, 그 X-Y 평면 형상이 대략 직사각형인 플레이트 형태를 가지며, 가스 아웃렛(H2)을 구비하고, 제1 하우징 커버(220)의 상부로부터 제1 하우징 커버(220)에 결합된다. 가스 아웃렛의 위치는 가스 인렛의 위치와 마찬가지로, 흡기 및 배기 방향에 따라 달라질 수 있는데, 본 실시예에서 제2 하우징 커버(230)의 코너 영역 중 한 곳에 형성되는 예를 든다. 화염 배기 경로의 길이를 충분히 확보하기 위하여, 가스 아웃렛(H2)은 가스 인렛(H1)과 X-Y 평면 상에서의 거리가 되도록이면 커지게 형성함이 바람직하다. 가스 인렛(H1)이 커버 수용부(221)의 어느 한 코너 영역에 형성한 예를 들고 있으므로, 가스 아웃렛(H2)은 제2 하우징 커버(230)의 다른 한 코너 영역에 형성할 수 있다. 설계에 따라서는 가스 아웃렛 제2 하우징 커버(230)의 가운데 영역에 형성이 될 수도 있다.
제2 하우징 커버(230)에는 일정 간격으로 형성된 복수의 제3 체결 홀(232a)이 구비된다. 제3 체결 홀(232a)은 제1 하우징 커버(220)를 하부 하우징(210) 및 제2 하우징 커버(230)와 결합시키기 위한 볼트(B)가 삽입될 수 있는 공간을 제공한다.
이 때, 하우징 연장부(212)의 제1 체결 홀(212a)과 커버 연장부(222)의 제2 체결 홀(222a)과 제2 하우징 커버(230)의 제3 체결 홀(232a)은 서로 상하 정렬된다. 제1 하우징 커버(220)의 커버 연장부(222)는 하우징 연장부(212) 위에 놓이고 제1 하우징 커버(220)의 커버 연장부(222) 상에 제2 하우징 커버(230)가 맞닿아, 도 11에 도시한 바와 같이, 정렬된 제1 체결 홀(212a), 제2 체결 홀(222a) 및 제3 체결 홀(232a)을 관통하는 볼트(B)에 너트(N) 체결됨으로써 서로 결합될 수 있다.
한편, 제2 하우징 커버(230)는, 앞서 설명한 제1 하우징 커버(220)와 동일한 형상 및 구조를 가져도 된다. 그 때에는, 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230)가 서로 상하가 반전된 상태로 결합된다. 즉, 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230)가 상호 결합되었을 때, 제1 하우징 커버(220)의 커버 수용부(221)는 하방으로 오목한 형태를 가지며, 제2 하우징 커버(230)의 수용부(221)는 상방으로 오목한 형태를 갖는다는 것이다. 또한, 제2 하우징 커버(230)의 가스 아웃렛(H2)은 배터리 모듈(1)의 폭 방향(Y축 방향)을 따라 제1 하우징 커버(220)의 가스 인렛(H1)과 서로 반대편에 위치한다. 이처럼, 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230)는 상호 180도 대칭 관계에 있을 수 있으며, 이에 따라 각각의 커버 수용부(221)가 대면한 상태로 각각의 커버 연장부(222)끼리 맞닿아 결합될 수 있다.
어느 경우이든, 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230)가 결합되면, 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230) 사이에는 하부 하우징(210)으로부터 가스 인렛(H1)을 통해 유입된 가스 및 화염이 수용될 수 있는 공간이 구비된다. 상기 공간 내로 유입된 가스 및 화염은 후술할 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)에 의해 형성된 배기 경로(P)를 통과하게 되며, 이 과정에서 화염은 소멸되고, 가스는 가스 아웃렛(H2)을 통해 배터리 모듈(1)의 외부로 배출되어 배터리 모듈(1)의 내압이 감소될 수 있다.
전술한 도 2 및 도 8에 도 12 내지 도 17을 더 참조하여, 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)에 대해서 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2 및 도 8에 도시한 바와 같이, 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는, 제1 하우징 커버(220)와 제2 하우징 커버(230) 사이에 형성되는 가스 수용 공간 내에 설치되어 가스 수용 공간을 구획함으로써 가스 배기 경로(P)를 정의한다. 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는, 서브 모듈(100)에서 발생되어 가스 인렛(H1)을 통해 상기 가스 수용 공간 내에 가스와 함께 유입되는 화염의 이동 경로를 늘려준다. 화염이 가스 아웃렛(H2)을 통해 외부로 곧장 배출되지 않고 지그재그 모양 또는 소용돌이 모양으로 이동하도록 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 구비하면, 화염이 가스 수용 공간 내에서 소멸되어 외부로 배출되지 않을 수 있다. 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는, 제1 하우징 커버(220)의 길이 방향(X축 방향) 및/또는 폭 방향(Y축 방향)을 따라 커버 수용부(221)를 가로질러 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)가 제1 하우징 커버(220)의 길이 방향(X축 방향)을 따라 커버 수용부(221)를 가로질러 여러 개 설치된 예를 들고 있다.
경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는, 제1 하우징 커버(220) 및 제2 하우징 커버(230)의 폭 방향(Y축 방향)을 따라 일정 간격을 두고 복수개가 설치될 수 있다. 본 실시예에서 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)들은 커버 수용부(221)의 길이보다는 짧고, 그 중 일부는 길이 방향 일 측 단부가 좌측 삽입 홈(221a)에 삽입되어 커버 수용부(221) 내에 고정되고, 다른 일부는 길이 방향 타 측 단부가 우측 삽입 홈(221a)에 삽입되어 커버 수용부(221) 내에 고정된다.
길이 방향 일 측 단부가 좌측 삽입 홈(221a)에 삽입된 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)와 길이 방향 타 측 단부가 우측 삽입 홈(221a)에 삽입된 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 제1 하우징 커버(220) 및 제2 하우징 커버(230)의 폭 방향(Y축 방향)을 따라 일정 간격을 두고 번갈아 설치함으로써, 가스가 지그재그로 이동할 수 있도록, 제1 하우징 커버(220) 및 제2 하우징 커버(230) 사이의 가스 수용 공간을 구획한다.
도 12 내지 도 17을 참조하면, 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는 하나 이상의 경첩 구조물(410)과 둘 이상의 칸막이 구조물(420)로 구성된다.
도 12에 도시한 바와 같이, 경첩 구조물(410)은 Z축 방향으로 놓일 수 있는 경첩 축(412)과 경첩 축(412) 양단에 끼워져 고정되는 경첩 캡(414)을 포함한다. 이러한 경첩 축(412)을 중심으로 두 개의 칸막이 구조물(420)이 서로 회전 가능하게 결합된다. 힌지 결합이다. 경첩 축(412)을 중심으로 두 개의 칸막이 구조물(420)이 서로 회전 가능하여야 하므로, 경첩 축(412)은 원통형 봉 형상이다.
도 13을 참조하면, 칸막이 구조물(420)은 작은 판 모양의 몸체(422)를 기본으로, 몸체(422)의 일단에는 경첩 축(412)이 상하로 관통하는 홈이 파여있는 제1 손잡이 구조(424)가 있고 타단에는 경첩 축(412)이 상하로 관통하는 두 개의 홈이 파여 있는 제2 손잡이 구조(426)가 있다. 경첩 축(412)이 상하로 관통하는 홈은 원통형 봉 형상 경첩 축(412)의 외경과 비슷한 내경을 가지는 원형이다. 제1 손잡이 구조(424)와 제2 손잡이 구조(426)는 이러한 원형 홈을 정의하는 원형의 테두리를 가지게 된다.
도 14 내지 도 16은 하나의 경첩 구조물과 두 칸막이 구조물을 조립하여 단위 구조를 제조하는 과정을 설명하는 도면들이다.
먼저 도 14에서와 같이 어느 한 칸막이 구조물(420)의 제2 손잡이 구조(426)에 다른 칸막이 구조물(420)의 제1 손잡이 구조(424)가 오도록 해 서로 끼운다. 이로써 경첩 축(412)이 관통하는 홈들이 서로 상하 정렬되면서 조립된다. 그런 다음, 상기 홈들에 경첩 축(412)을 끼워 칸막이 구조물(420)들과 조립한다. 이후 경첩 축(412)의 양단에 경첩 캡(414)을 끼워 고정하면, 경첩 축(412)이 관통하는 홈들에서 이탈하지 않고 안정된 단위 구조가 완성된다. 경첩 축(412)을 중심으로 두 개의 칸막이 구조물(420)은 서로 회전 가능하면서도 경첩 캡(414)이 있기 때문에 경첩 축(412)으로부터 이탈하지 않는다.
이와 같이 배기 경로를 정의하는 단위 구조는 3가지 부품(하나의 경첩 구조물(410)과 두 칸막이 구조물(420))만 가지고 구성할 수 있어서, 조립이 매우 용이하고, 표준화 및 단순화되어 있다.
이러한 단위 구조는 앞의 작업들을 동일하게 원하는 만큼 반복하여 필요한 개수만큼 얼마든지 더 연결할 수 있다. 예를 들어 도 17에 도시한 정도로 커버 수용부(221)의 길이보다는 조금 짧게, 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)가 마련될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서 이용하는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)는 경첩 구조물(410)과 칸막이 구조물(420)을 규격화하여 원하는 개수만큼 조립이 가능하다. 경첩 구조물(410)과 칸막이 구조물(420) 개수 증감에 따라 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400) 길이 조절이 가능하다. 또한 경첩 축(412)을 중심으로 좌우로 회전이 가능하기 때문에 가로나 세로 원하는 방향으로 칸막이 구조물(420)을 배열하는 것이 가능하다. 이에 따라 배터리 모듈 내에서 발생된 가스 및 화염의 이동 경로를 자유롭게 조절할 수 있게 되며, 이로써 적용되는 배터리 셀의 전압 및 용량이 달라지더라도 모듈 하우징을 교체할 필요 없이 간단한 작업만으로도 가스 및 화염의 배출 경로의 길이를 손쉽게 조절할 수 있게 된다. 배터리 모듈 종류에 대응하는 확장 가능성이 크며 대량생산이 용이하다.
도 18은 배터리 모듈(1)에 있어서, 가스의 이동 경로(P)를 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 제1 하우징 커버(220)에 형성된 삽입 홈(212a)에는 칸막이 구조물(420)의 제1 손잡이 구조(424)나 제2 손잡이 구조(426)가 삽입되어 고정된다. 삽입 홈(212a)은 제1 손잡이 구조(424)나 제2 손잡이 구조(426)의 테두리 모양대로 동그란 형태의 원형 홈을 기본으로 하면서 칸막이 구조물(420)의 몸체(422)는 측면으로 나와 커버 수용부(221)를 향하게 할 수 있는 형태를 가진다. 삽입 홈(212a)의 상방에서 하방으로(즉, Z축 방향으로) 칸막이 구조물(420)의 제1 손잡이 구조(424)나 제2 손잡이 구조(426)를 끼워 넣으면 삽입홈(212a) 측면으로 칸막이 구조물(420)의 제1 손잡이 구조(424)나 제2 손잡이 구조(426)는 빠져나올 수 없어 고정이 된다.
제1 하우징 커버(220)의 커버 수용부(221)에는 칸막이 구조물(420)을 수납하는 홈(221b)이 가로 세로 격자 모양으로 구비되어 있고, 격자 모양의 교차 부위에는 경첩 구조물(410)을 수납하는 홈(221c)이 구비되어 있다. 경첩 구조물(410)을 수납하는 홈(221c)은 경첩 구조물(410)의 경첩 캡(414)의 X-Y 평면 투영 모양대로 동그란 형태의 홈이다. 칸막이 구조물(420)을 수납하는 홈(221b)은 칸막이 구조물(420)의 몸체(422) X-Y 평면 투영 모양대로 직사각형 형태의 홈이다. X-Y 평면 투영 모양이 다른 경첩 캡(414)과 칸막이 구조물(420)의 몸체(422)를 이용하게 된다면 칸막이 구조물(420)을 수납하는 홈(221b)과 경첩 구조물(410)을 수납하는 홈(221c)의 모양도 그에 맞게 변형할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 커버 수용부(221)의 내측벽 둘레에는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 삽입/고정을 위한 복수의 삽입 홈(221a)이 구비되어 있다. 커버 수용부(221)에는 경첩을 활용한 칸막이 구조(400)를 끼울 수 있는 홈(221b, 221c)도 구비되어 있다. 삽입 홈(221a)과 홈(221b, 221c)은 복수개이고 이 중에 일부만이 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 삽입/고정에 이용될 수 있다. 설계자는 복수의 삽입 홈(221a)과 홈(221b, 221c) 중에서 일부를 선택하여 다양한 화염 배기 경로를 구성하기 위해 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 구현할 수 있다.
칸막이 구조물(420)을 수납하는 홈(221b)의 일부에 칸막이 구조물(420)이 끼워지고 나머지에는 칸막이 구조물(420)이 끼워지지 않는다. 화염은 칸막이 구조물(420)에 의해 차단되고 칸막이 구조물(420)이 끼워지지 않은 부분을 통과하게 된다.
이처럼, 일부 홈(221b)에 칸막이 구조물(420)이 끼워지지 않고 개방이 되는 경우, 이를 통해 가스와 화염이 이동하는 배기 경로(P)가 형성된다. 본 실시예에서는 서브 모듈(100)에서 발생되어 제1 하우징 커버(220)의 가스 인렛(H1)을 통해 가스 수용 공간 내에 유입되는 가스와 함께 유입되는 화염이 제2 하우징 커버(230)의 가스 아웃렛(H2)을 통해 외부로 곧장 배출되지 않고, 가스 수용 공간 내에서 지그재그 모양으로 먼 거리 이동하도록, 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 간헐 배치한 예를 도시하고 설명하였다. 가스와 함께 유입되는 화염은 배기 경로(P) 안에 가두어 외부로 배출되는 것을 억제할 수 있다. 가스만이 가스 아웃렛(H2)을 통해 외부로 배출될 수 있어 안전하다.
한편, 도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 필요에 따라 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 적용 개수와 배열을 달리 함으로써 서브 모듈(100)에서 발생된 가스를 외부로 원활히 배출시키면서 화염의 외부 배출 또한 효과적으로 방지할 수 있다.
칸막이 구조물(420) 자체가 비드로써 강성 구조 역할도 겸하기에 강성 억제력 및 소재 비용의 트레이드 오프 관계에서 적당한 개수를 선택할 수도 있다. 예를 들어 도 18의 경우는 폭발력이 높아 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400) 개수를 많게 한 것으로(일 예로 7개), 소재 비용이 높더라도 강성을 높일 수 있다.
도 18과 비교시 도 19는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400) 개수가 적다(일 예로 3개). 폭발력이 낮으면 필요한 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400) 개수를 적게 할 수 있고, 이에 따라 소재 비용을 낮출 수 있다. 따라서, 도 19와 같이 소수의 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 사용하여 비용을 절감하는 예가 가능하다. 폭발력이 중간인 경우라면 도 18과 도 19의 중간 정도 개수의 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)를 사용하여 적절한 소재 비용과 강성을 달성할 수 있다.
한편, 도 18와 도 19는 제2 하우징 커버의 코너 영역 중 한 곳으로, 즉 한쪽 끝부분으로 화염 배기를 흘려 보내는 배기 경로(P)에 해당하는데, 도 20과 같이 제2 하우징 커버의 가운데 부분으로 화염 배기를 흘려 보내는 배기 경로(P')도 가능하다. 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 개수는 1개이지만 코너 영역마다 좌측 반시계 방향으로 90도씩 꺾이도록 칸막이 구조물(420)의 방향 전환을 한 것이다. 이 때에는 제2 하우징 커버(2300의 가운데 부분에 가스 아웃렛이 구비되어 있어야 한다. 이와 같이 본 발명에 따른 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조(400)의 경우, 경첩 축(412)을 중심으로 칸막이 구조물(420)의 방향 전환이 가능하여, 화염 배기를 원하는 방향으로 흘려 보내기에 매우 유용하다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함한다. 도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(500)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 21을 참조하면, 배터리 팩(500)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(1) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(1)을 패키징하는 팩 케이스(510)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(500)은, 이러한 배터리 모듈(1)과 팩 케이스(510) 이외에 배터리 모듈(1)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다. 이러한 배터리 팩(500)은 배터리 모듈(1)을 포함하므로, 전술한 배터리 모듈(1)의 특징 및 효과를 그대로 가진 배터리 팩으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동차 및/또는 ESS는, 상술한 바와 같은 본 발명의 배터리 팩을 하나 이상 포함한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에에 따른 배터리 팩(500)을 포함하는 자동차(600)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 22를 참조하면, 자동차(600)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(500), ECU(Electronic Control Unit, 610), 인버터(620) 및 모터(630)를 포함하여 구성될 수 있다. 바람직하게, 자동차(600)는 전기 자동차일 수 있다.
배터리 팩(500)은 모터(630)에 구동력을 제공하여 자동차(600)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 배터리 팩(500)은 모터(630) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(620)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(500)은 브레이크(break)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(500)은 인버터(620)를 통해 자동차(600)의 모터(630)에 전기적으로 연결될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이 배터리 팩(500)에는 BMS도 포함되어 있다. BMS는 배터리 팩(500) 내의 셀들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(500)을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(500)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(500) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(500)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(500)의 교체 시기 추정도 가능하다.
ECU(610)는 자동차(600)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 가속기(accelerator), 브레이크, 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정보를 결정하고, 모터(630)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU(610)는 BMS에 의해 전달받은 배터리 팩(500)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리 팩(500)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(620)에 제어 신호를 보낸다. 인버터(620)는 ECU(610)의 제어 신호에 기초하여 배터리 팩(500)이 충전 또는 방전되도록 한다. 모터(630)는 배터리 팩(500)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(610)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 자동차(600)를 구동한다.
이러한 자동차(600)는 배터리 팩(500)을 포함하는데, 배터리 팩(500)은 앞서 설명한 바와 같이 배터리 모듈(1)을 포함함으로써 화염 이동 경로를 길게 할 수 있다. 따라서, 자동차(600) 주행시 배터리 팩(500)에 문제가 생기더라도 안정성이 유지된다. 또한, 이러한 배터리 팩(500)은 안정성이 뛰어나고 장시간 사용할 수 있으므로, 이를 포함하는 자동차(600)는 안전하고 운용이 쉽다.
ESS는 잘 알려진 바와 같이 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있도록 한다. 수백 kWh 이상의 전력을 저장하는 단독 시스템을 구성하기 위하여, 이러한 ESS에서 전력 저장을 하는 데에 본 발명에 따른 배터리 팩이 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩은 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함함으로써 화염 이동 경로를 길게 할 수 있다. 따라서, 일부 배터리 팩에 문제가 생기더라도 ESS 안정성이 유지되고 화재 확산을 방지할 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 서브 모듈;
    내부에 상기 서브 모듈이 수납되며 개구부를 가진 하부 하우징;
    상기 하부 하우징의 개구부를 커버하며 상기 하부 하우징에 결합되고 가스 인렛을 구비하는 제1 하우징 커버;
    상기 제1 하우징 커버의 상부로부터 상기 제1 하우징 커버에 결합되어 상기 제1 하우징 커버와의 사이에 가스 수용 공간을 형성하고 가스 아웃렛을 구비하는 제2 하우징 커버; 및
    상기 가스 수용 공간 내에 설치되어 상기 가스 수용 공간을 구획해 가스 배기 경로를 정의함으로써 상기 서브 모듈에서 발생되어 상기 가스 인렛을 통해 상기 가스 수용 공간 내에 유입되는 가스와 함께 유입되는 화염의 이동 경로를 늘려주는 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경첩을 활용한 가변형 칸막이 구조는 하나 이상의 경첩 구조물과 둘 이상의 칸막이 구조물로 구성되어 있으며,
    상기 경첩 구조물은 경첩 축과 상기 경첩 축의 양단에 끼워져 고정되는 경첩 캡을 포함하고,
    상기 경첩 축을 중심으로 두 개의 칸막이 구조물이 서로 회전 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 칸막이 구조물의 일단에는 상기 경첩 축이 관통하는 홈이 파여있는 제1 손잡이 구조가 있고 타단에는 상기 경첩 축이 관통하는 두 개의 홈이 파여 있는 제2 손잡이 구조가 있으며,
    어느 한 칸막이 구조물의 제2 손잡이 구조에 다른 칸막이 구조물의 제1 손잡이 구조가 상기 홈들이 상하 정렬되도록 서로 조립되고,
    상기 홈들에 상기 경첩 축이 끼워져 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 하우징 커버는 하방으로 오목하게 형성된 커버 수용부; 및
    상기 커버 수용부의 상단 둘레로부터 외측으로 연장된 커버 연장부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부 하우징은 상기 서브 모듈을 수용하는 서브 모듈 수용부와 상기 서브 모듈 수용부의 상단 둘레로부터 외측으로 연장된 하우징 연장부를 상기 개구부의 둘레에 포함하며, 상기 제1 하우징 커버의 커버 연장부는 상기 하우징 연장부 상에 놓이고 상기 제1 하우징 커버의 커버 연장부 상에 상기 제2 하우징 커버가 맞닿아 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하부 하우징의 하우징 연장부와 상기 제1 하우징 커버의 커버 연장부와 제2 하우징 커버에는 서로 상하 정렬되는 체결 홀들이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 하우징 커버와 상기 제2 하우징 커버 사이에 실링 부재를 개재하여 상기 체결 홀들을 관통하는 볼트에 너트 체결한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 하우징 커버는,
    상기 커버 수용부의 내측벽 둘레에 형성되며 상기 칸막이 구조물의 제1 손잡이 구조나 제2 손잡이 구조를 고정하는 복수의 삽입 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제4항에 있어서, 상기 제1 하우징 커버는,
    상기 커버 수용부에 상기 칸막이 구조물을 수납하는 홈이 가로 세로 격자 모양으로 구비되어 있고 상기 격자 모양의 교차 부위에 상기 경첩 구조물을 수납하는 홈이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 칸막이 구조물을 수납하는 홈의 일부에는 상기 칸막이 구조물이 끼워지고 나머지에는 상기 칸막이 구조물이 끼워지지 않아 상기 화염은 상기 칸막이 구조물에 의해 차단되고 상기 칸막이 구조물이 끼워지지 않은 부분을 통과하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 화염이 지그재그 모양 또는 소용돌이 모양으로 이동하도록 상기 칸막이 구조가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스 인렛과 상기 가스 아웃렛은, 상기 배터리 모듈의 폭 방향을 따라 서로 반대편에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함하는 자동차.
  15. 제13항에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함하는 전력 저장 시스템.
PCT/KR2020/015156 2020-04-17 2020-11-02 화염 배출 방지 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 전력 저장 시스템 WO2021210744A1 (ko)

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