WO2022092588A1 - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 Download PDF

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battery
coil
heat sink
battery module
battery cell
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PCT/KR2021/013274
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윤두한
양재훈
이정훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack comprising such a battery module and a vehicle comprising such a battery pack.
  • Secondary batteries that are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density are not only portable devices, but also electric vehicles (EVs) or hybrid vehicles (HEVs) driven by an electric drive source. It is universally applied. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels but also the fact that no by-products are generated from the use of energy.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • the types of secondary batteries currently widely used include a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, and the like.
  • the unit secondary battery cell that is, the operating voltage of the unit battery cell is about 2.5V ⁇ 4.5V. Accordingly, when a higher output voltage is required, a plurality of battery cells are connected in series to form a battery pack. In addition, a plurality of battery cells may be connected in parallel to form a battery pack 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 the at least one battery module.
  • a method of configuring the battery pack is common.
  • a conventional battery pack includes battery modules including a plurality of battery cells.
  • an object of the present invention is to provide a battery module capable of improving safety by preventing thermal runaway, a battery pack including the battery module, and a vehicle including the battery pack.
  • the present invention provides a battery module, comprising: a plurality of battery cell assemblies including at least one battery cell; a heat sink provided at the bottom of the plurality of battery cell assemblies; and a coil resistor unit provided in the heat sink and connected to at least one of the plurality of battery cell assemblies.
  • the coil resistor unit may be provided inside the heat sink.
  • the coil resistor unit may include a coil resistor member connected to the at least one battery cell assembly; and a resistor case that covers the coil resistance member and is fixed on the heat sink.
  • the coil resistor unit may include a coil holder provided on both sides of the coil resistor member and connected to the resistor case.
  • the coil resistor unit may include a sealing member provided between the coil resistor member and the coil holder.
  • the resistor case may be made of an insulating material.
  • the coil resistor unit may be provided outside the heat sink.
  • the coil resistor unit may be disposed between the plurality of battery cell assemblies and the heat sink, and may be fixed to an upper side of the heat sink.
  • the present invention provides a battery pack, comprising: at least one battery module according to the above-described embodiments; and a pack case for packaging the at least one battery module.
  • the present invention provides a vehicle comprising, as a vehicle, at least one battery pack according to the above-described embodiment.
  • a battery module capable of improving safety by preventing thermal runaway, a battery pack including the battery module, and a vehicle including the battery pack.
  • FIG. 1 is a view for explaining a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a main part of the battery module of FIG. 1 .
  • 3 and 4 are diagrams for explaining a thermal runaway prevention mechanism of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a view for explaining a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a main part of the battery module of FIG. 5 .
  • FIG. 7 and 8 are diagrams for explaining a thermal runaway prevention mechanism of the battery module of FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a view for explaining a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining a vehicle 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
  • FIG. 2 is a view for explaining a main part of the battery module of FIG. 1 .
  • the battery module 10 may include a battery cell assembly 100 , a heat sink 300 , and a coil resistor unit 600 .
  • the battery cell assembly 100 may include at least one battery cell 105 or a plurality of battery cells 105 .
  • the battery cell assembly 100 will be described as including a plurality of battery cells 105 .
  • the battery cell assembly 100 may be provided in plurality.
  • the plurality of battery cell assemblies 100 may be disposed inside a module case 200 to be described later, and may be disposed to be spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the plurality of battery cells 105 may be a pouch-type secondary battery, a prismatic secondary battery, or a cylindrical secondary battery as a secondary battery.
  • the plurality of battery cells 105 will be described as being provided as a pouch-type secondary battery.
  • the battery module 10 may include a module case 200 , a relay unit 400 , and a BMS unit 500 .
  • the module case 200 may accommodate the plurality of battery cell assemblies 100 , a relay unit 400 to be described later, a BMS unit 500 , and various electrical components constituting the battery module 10 . .
  • the heat sink 300 is for cooling the plurality of battery cell assemblies 100 , and may be provided at the bottom of the plurality of battery cell assemblies 100 . Specifically, the heat sink 300 may be provided on a lower side of the module case 200 and be disposed to be in contact with a lower surface of the module case 200 .
  • the heat sink 300 may include a sink case 310 , an internal flow path 330 , a coolant inlet 350 , and a coolant outlet 370 .
  • the sink case 310 may be provided under the module case 200 to be in contact with a lower surface of the module case 200 .
  • An internal flow path 330 for the flow of cooling water C, which will be described later, may be provided inside the sink case 310 .
  • the internal flow path 330 may be formed inside the sink case 310 . Cooling water C for cooling the battery cell assembly 100 may flow through the internal flow path 330 .
  • the coolant inlet 350 communicates with the internal flow path 330 and may be provided at one side of the sink case 310 .
  • the coolant inlet 350 may be connected to an external coolant unit and the like to guide the coolant C into the internal flow path 330 of the heat sink 300 .
  • the cooling water discharge part 370 communicates with the internal flow path 330 and may be provided on the other side of the sink case 310 .
  • the cooling water discharge unit 370 may be connected to an external cooling water unit and the like to discharge the cooling water C in the internal flow path 330 to the outside of the heat sink 300 .
  • the relay unit 400 is for guiding an external short circuit when abnormal situations such as overheating of the battery cells 100 of the battery cell assemblies 100 of the battery module 10 occur, and the battery cell assemblies 100 ) may be connected to at least one of
  • the relay unit 400 may be connected to at least one of the battery cell assemblies 100 and a coil resistor unit 600 to be described later.
  • the switch of the relay unit 400 may be turned on when the abnormal situation occurs to externally short-circuit the battery cell assembly 100 connected to the relay unit 400 .
  • the BMS unit 500 is for management and control of the battery module 10 , and may be provided in the module case 200 .
  • the BMS unit 500 may be electrically connected to various electronic components constituting the relay unit 400 and the battery module 10 to be described later.
  • the coil resistor unit 600 is for the external short circuit, is connected to the relay unit 400 , and may be provided in the heat sink 300 .
  • the coil resistor unit 600 may be provided in the internal flow path 330 inside the heat sink 300 .
  • the coil resistor unit 600 may be connected to at least one of the plurality of battery cell assemblies 100 .
  • the coil resistor unit 600 may be provided between the outermost both sides of the plurality of battery cell assemblies 100 and may be connected to the battery cell assembly 100 disposed in the center.
  • the coil resistor unit 600 may include a coil resistor member 610 , a resistor case 630 , a coil holder 650 , and a sealing member 670 .
  • the coil resistance member 610 may be connected to the relay unit 400 to be connected to at least one battery cell assembly 100 .
  • the coil resistance member 610 sets the state of charge (SOC) of the battery cell assembly 100 connected to the relay unit 400 to approximately 10 It can be reduced to less than a percentage.
  • the resistor case 630 may cover the coil resistance member 610 and may be fixed on the heat sink 300 . Specifically, the resistor case 630 may be fixed in the internal flow path 330 of the heat sink 300 .
  • the resistor case 630 may be made of an insulating material.
  • the coil holder 650 is provided on both sides of the coil resistance member 610 and may be connected to the resistor case 630 .
  • the relay unit 400 may pass through the coil holder 650 so that the relay unit 400 can be connected to the coil resistance member 610 .
  • the sealing member 670 is for sealing the coil resistance member 610 , and may be provided between the coil resistance member 610 and the coil holder 650 .
  • the sealing member 670 may improve the sealing force of the coil resistance member 610 in the resistor case 630 .
  • 3 and 4 are diagrams for explaining a thermal runaway prevention mechanism of the battery module of FIG. 1 .
  • an overheating or thermal runaway situation may occur according to an abnormal situation in at least one of the battery cells 105 of the battery cell assembly 100 .
  • an abnormal situation may occur due to overheating in the battery cell 105 of the battery cell assembly 100 disposed on the left side of FIG. 3 .
  • the relay unit 400 may be switched on through active control such as control of the BMS unit 150 or an operation of a temperature sensor or passive control at a preset temperature or higher. there is.
  • the coil resistor unit 600 and the closed circuit are formed to lower energy through an external short circuit. there is.
  • the relay unit 400 forms a closed circuit with the coil resistor unit 600 in the battery cell assembly 100 ( FIGS. 3 and 4 ).
  • An energy drain of the battery cell assembly 100 connected to the relay unit 400 and disposed in the center may be started. The energy drain may be performed until the state of charge is between 0 and 10% to reliably prevent heat propagation.
  • the temperature of the coil resistor unit 600 itself may also increase. Such an increase in the temperature of the coil resistor unit 600 may lead to deterioration of the energy drain performance.
  • the coolant C passing through the internal flow path 330 even when the energy is drained. can be continuously cooled by
  • the coil resistor unit 600 is cooled through the heat sink 300 when the energy is drained, the performance of the energy drain can be effectively maintained in the case of the external short circuit.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a battery module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a main part of the battery module of FIG. 5
  • FIGS. 7 and 8 are the rows of the battery module of FIG. It is a diagram for explaining a runaway prevention mechanism.
  • the battery module 20 according to this embodiment is similar to the battery module 10 of the previous embodiment, redundant descriptions of components substantially the same as or similar to those of the previous embodiment will be omitted, and hereinafter, the previous embodiment The difference between and will be explained.
  • the battery module 20 includes a battery cell assembly 100 , a relay unit 400 , a BMS unit 500 , a module case 700 , a heat sink 800 , and a coil resistor. It may include a unit 900 .
  • the battery cell assembly 100 the relay unit 400 , and the BMS unit 500 are substantially the same as or similar to those of the previous embodiment, a redundant description will be omitted below.
  • the module case 700 may include a battery support part 750 and a resistor accommodating part 770 .
  • the battery support part 750 may support the battery cell assemblies 100 . To this end, a support space for supporting the battery cell assemblies 100 may be provided in the battery support part 750 .
  • the resistor accommodating part 770 is provided below the battery support 750 and may be disposed above the heat sink 800 to be described later.
  • a coil resistor unit 900 to be described later may be accommodated in the resistor accommodating part 770 .
  • a heat transfer member hole 775 may be provided in the resistor accommodating part 770 .
  • a heat transfer member 930 of a coil resistor unit 900 to be described later may be inserted and mounted in the heat transfer member hole 775 .
  • the heat sink 800 may include a sink case 810 , an internal flow path 830 , a coolant inlet 850 , a coolant outlet 870 , and a fastening hole 890 .
  • the fastening hole 890 may be provided on the upper side of the sink case 810 .
  • a fastening member 950 of the coil resistor unit 900 to be described later may be coupled to the fastening hole 890 through a fastening method such as a screw.
  • the coil resistor unit 900 may be provided outside the heat sink 800 .
  • the coil resistor unit 900 is, as shown in FIGS. 7 and 8, like the coil resistor unit 600 of the previous embodiment, in the abnormal situation, a battery cell assembly connected to the relay unit 400 (100) can be externally shorted.
  • the coil resistor unit 900 is disposed between the plurality of battery cell assemblies 100 and the heat sink 800 , and may be fixed to an upper side of the heat sink 800 .
  • the coil resistor unit 900 may include a coil resistance member 910 , a heat transfer member 930 , and a fastening member 950 .
  • the coil resistance member 910 may be provided in the resistor accommodating part 770 of the module case 700 above the heat sink 800 .
  • the heat transfer member 930 is made of a heat transfer material, and may be disposed between the coil resistance member 910 and the heat sink 800 . Specifically, the heat transfer member 930 may be inserted and mounted in the heat transfer member hole 775 of the resistor accommodating part 770 . Accordingly, the heat transfer member 930 may be disposed in contact with the coil resistance member 910 and the heat sink 800 , respectively, so that heat transfer efficiency may be further improved.
  • the fastening member 950 is for fixing the coil resistor unit 900 to the heat sink 800 , and passes through the coil resistor member 910 and the heat transfer member 930 to pass through the heat sink 800 . ) may be fastened to the fastening hole 890 through screw coupling or the like.
  • the coil resistor unit 900 is disposed on the top surface of the sink case 810 outside the heat sink 800 rather than the internal flow path 830 through which the cooling water C of the heat sink 800 flows. Since the bar is disposed in contact with the , it is possible to more reliably prevent risk factors such as electrical problems that may be caused by the collision of the coolant C with the coil resistor unit 900 .
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1 includes at least one battery module 10 , 20 and a pack case 50 for packaging the at least one battery module 10 , 20 according to the previous embodiment. ) may be included.
  • the battery pack 1 may be provided in the vehicle V as a fuel source for the vehicle.
  • the battery pack 1 may be provided in the vehicle V in an electric vehicle, a hybrid vehicle, and any other manner in which the battery pack 1 may be used as a fuel source.
  • the battery pack 1 may also be provided in other devices, devices, and facilities, such as an energy storage system using a secondary battery, in addition to the vehicle V.
  • the device, apparatus, and equipment including the battery pack 1 and the battery pack 1 such as the vehicle V according to the present embodiment include the battery modules 10 and 20 described above.
  • the battery pack 1 having all of the advantages due to the above-described battery modules 10 and 20 and the device, apparatus, and equipment such as a vehicle V having such a battery pack 1 can be implemented.
  • the battery modules 10 and 20 capable of improving safety by preventing thermal runaway, the battery pack 1 including the battery modules 10 and 20, and the battery pack ( A vehicle (V) including 1) can be provided.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체, 복수 개의 배터리 셀 조립체의 저부에 구비되는 히트 싱크 및 히트 싱크에 구비되며, 복수 개의 배터리 셀 조립체 중 적어도 하나와 연결되는 코일 저항체 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 10월 26일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2020-0139759호에 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.
종래 배터리 팩의 경우, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈들을 포함하는데, 어느 하나의 배터리 모듈에서 배터리 셀의 팽창 등에 따른 이상 상황 발생 시, 신속히 이를 진압하지 않을 경우, 주변 배터리 셀들이나 배터리 모듈들 측으로의 열 폭주로 이어져, 배터리 모듈이나 배터리 팩의 폭발 등으로 이어져 사용자 등의 안전에 큰 위험을 일으킬 수 있다.
그러므로, 배터리 모듈의 특정 배터리 셀에서 이상 상황 발생 시 보다 신속한 조기 진압이 필요하며, 특히, 주변 배터리 셀들이나 배터리 모듈들 측으로의 열 폭주로 이어져 배터리 모듈이나 배터리 팩의 폭발이나 화재가 일어나기 전에 미리 이러한 열 폭주를 방지하여 안전성을 확보하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 열 폭주를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체; 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체의 저부에 구비되는 히트 싱크; 및 상기 히트 싱크에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체 중 적어도 하나와 연결되는 코일 저항체 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 코일 저항체 유닛은, 상기 히트 싱크 내부에 구비될 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 조립체와 연결되는 코일 저항부재; 및 상기 코일 저항부재를 커버하며, 상기 히트 싱크 상에 고정되는 저항체 케이스;를 포함할 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛은, 상기 코일 저항부재의 양측에 구비되며, 상기 저항체 케이스와 연결되는 코일 홀더;를 포함할 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛은, 상기 코일 저항부재와 상기 코일 홀더 사이에 구비되는 실링부재;를 포함할 수 있다.
상기 저항체 케이스는, 절연 재질로 구비될 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛은, 상기 히트 싱크 외부에 구비될 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛은, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체와 상기 히트 싱크 사이에 배치되며, 상기 히트 싱크 상측에 고정될 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, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 열 폭주를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 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 모듈의 주요부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 배터리 모듈의 열폭주 방지 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 배터리 모듈의 주요부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 5의 배터리 모듈의 열폭주 방지 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 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 모듈의 주요부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀 조립체(100), 히트 싱크(300) 및 코일 저항체 유닛(600)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 조립체(100)는, 적어도 하나의 배터리 셀(105) 또는 그 이상의 복수 개의 배터리 셀(105)을 포함할 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀 조립체(100)가 복수 개의 배터리 셀(105)을 포함하는 것으로 한정하여 설명한다.
이러한 상기 배터리 셀 조립체(100)는, 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100)는, 후술하는 모듈 케이스(200) 내부에 배치될 수 있으며, 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀(105)은, 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지, 각형 이차 전지 또는 원통형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 복수 개의 배터리 셀(105)이 파우치형 이차 전지로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
한편, 상기 배터리 모듈(10)은, 모듈 케이스(200), 릴레이 유닛(400) 및 BMS 유닛(500)을 포함할 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100), 후술하는 릴레이 유닛(400), BMS 유닛(500) 및 상기 배터리 모듈(10)을 구성하는 각종 전장 부품 등을 수용할 수 있다.
상기 히트 싱크(300)는, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100)의 냉각을 위한 것으로서, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100)의 저부에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 히트 싱크(300)는, 상기 모듈 케이스(200)의 하측에 구비되며, 상기 모듈 케이스(200)의 하면에 접촉되게 배치될 수 있다.
이러한 상기 히트 싱크(300)는, 싱크 케이스(310), 내부 유로(330), 냉각수 유입부(350) 및 냉각수 배출부(370)를 포함할 수 있다.
상기 싱크 케이스(310)는, 상기 모듈 케이스(200)의 하측에서, 상기 모듈 케이스(200)의 하면에 접촉되게 구비될 수 있다. 이러한 상기 싱크 케이스(310)의 내부에는 후술하는 냉각수(C)의 유동을 위한 내부 유로(330)가 마련될 수 있다.
상기 내부 유로(330)는, 상기 싱크 케이스(310)의 내부에 형성될 수 있다. 이러한 상기 내부 유로(330)에는, 상기 배터리 셀 조립체(100)의 냉각을 위한 냉각수(C)가 흐를 수 있다.
상기 냉각수 유입부(350)는, 상기 내부 유로(330)와 연통되며, 상기 싱크 케이스(310)의 일측에 구비될 수 있다. 이러한 상기 냉각수 유입부(350)는, 외부 냉각수 유닛 등과 연결되어 상기 냉각수(C)를 상기 히트 싱크(300)의 내부 유로(330) 내부로 안내할 수 있다.
상기 냉각수 배출부(370)는, 상기 내부 유로(330)와 연통되며, 상기 싱크 케이스(310)의 타측에 구비될 수 있다. 이러한 상기 냉각수 배출부(370)는, 외부 냉각수 유닛 등과 연결되어 상기 내부 유로(330) 내의 상기 냉각수(C)를 상기 히트 싱크(300) 밖으로 내보낼 수 있다.
상기 릴레이 유닛(400)은, 상기 배터리 모듈(10)의 배터리 셀 조립체(100)들의 배터리 셀들(100)의 과열 등과 이상 상황 발생 시, 외부 단락을 가이드 하기 위한 것으로서, 상기 배터리 셀 조립체들(100) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다.
상기 릴레이 유닛(400)은, 상기 배터리 셀 조립체들(100) 중 적어도 하나와 후술하는 코일 저항체 유닛(600)과 연결될 수 있다. 이러한 상기 릴레이 유닛(400)의 스위치는, 상기 이상 상황 발생 시, 온(On)되어 상기 릴레이 유닛(400)과 연결된 배터리 셀 조립체(100)를 외부 단락시킬 수 있다.
상기 BMS 유닛(500)은, 상기 배터리 모듈(10)의 관리 및 제어 등을 위한 것으로서, 상기 모듈 케이스(200)에 구비될 수 있다. 이러한 상기 BMS 유닛(500)은, 후술하는 릴레이 유닛(400) 및 상기 배터리 모듈(10)을 구성하는 각종 전장 부품 등과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛(600)은, 상기 외부 단락을 위한 것으로서, 상기 릴레이 유닛(400)과 연결되며, 상기 히트 싱크(300)에 구비될 수 있다. 이러한 상기 코일 저항체 유닛(600)은, 상기 히트 싱크(300) 내부의 상기 내부 유로(330) 내에 구비될 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛(600)은, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 예로써, 상기 코일 저항체 유닛(600)은, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100) 중 최외곽 양측 사이에 구비되어 가운데 배치되는 배터리 셀 조립체(100)와 연결될 수 있다.
이러한 상기 코일 저항체 유닛(600)은, 코일 저항부재(610), 저항체 케이스(630), 코일 홀더(650) 및 실링부재(670)를 포함할 수 있다.
상기 코일 저항부재(610)는, 상기 릴레이 유닛(400)과 연결되어 적어도 하나의 배터리 셀 조립체(100)와 연결될 수 있다. 이러한 상기 코일 저항부재(610)는, 상기 릴레이 유닛(400)의 스위치가 온되면, 상기 릴레이 유닛(400)과 연결된 배터리 셀 조립체(100)의 충전 상태(SOC; State of charge)를 대략적으로 10퍼센트 이하로 낮출 수 있다.
상기 저항체 케이스(630)는, 상기 코일 저항부재(610)를 커버하며, 상기 히트 싱크(300) 상에 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 저항체 케이스(630)는, 상기 히트 싱크(300)의 내부 유로(330) 내에 고정될 수 있다. 이러한 상기 저항체 케이스(630)는, 절연 재질로 구비될 수 있다.
상기 코일 홀더(650)는, 상기 코일 저항부재(610)의 양측에 구비되며, 상기 저항체 케이스(630)와 연결될 수 있다. 이러한 상기 코일 홀더(650)에는, 상기 릴레이 유닛(400)이 상기 코일 저항부재(610)와 연결될 수 있게 상기 릴레이 유닛(400)이 관통될 수 있다.
상기 실링부재(670)는, 상기 코일 저항부재(610)의 실링을 위한 것으로서, 상기 코일 저항부재(610)와 상기 코일 홀더(650) 사이에 구비될 수 있다. 이러한 상기 실링부재(670)는, 상기 저항체 케이스(630) 내에서 상기 코일 저항부재(610)의 밀봉력을 향상시킬 수 있다.
이하, 이러한 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)의 열폭주 방지 매커니즘에 대해 보다 더 구체적으로 살펴 본다.
도 3 및 도 4는 도 1의 배터리 모듈의 열폭주 방지 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)에서, 상기 배터리 셀 조립체(100)의 배터리 셀(105) 중 적어도 하나의 이상 상황에 따른 과열이나 열 폭주 상황이 발생할 수 있다. 예로서, 상기 도 3에 개시된 좌측에 배치된 배터리 셀 조립체(100)의 배터리 셀(105)에서 과열 등에 따른 이상 상황이 발생할 수 있다.
이 경우, 상기 릴레이 유닛(400)은, 상기 BMS 유닛(150)의 제어 또는 온도 센서 등의 동작과 같은 액티브 제어 또는 기 설정된 온도 이상에서의 패시브 제어 등을 통해, 스위치가 온(On)될 수 있다.
이에 따라, 상기 배터리 모듈(10)에서, 상기 릴레이 유닛(400)과 연결된 배터리 셀 조립체(100)의 경우, 상기 코일 저항체 유닛(600)과 폐 회로를 구성하여, 외부 단락을 통해 에너지가 낮아질 수 있다.
구체적으로, 상기 릴레이 유닛(400)은, 상기 배터리 모듈(100)의 이상 상황 발생 시, 상기 코일 저항체 유닛(600)과의 폐 회로 형성을 통해 상기 배터리 셀 조립체(100, 도 3 및 도 4에서 상기 릴레이 유닛(400)과 연결되며 중앙에 배치된ㄴ 배터리 셀 조립체(100))의 에너지 드레인(Energy drain)을 시작할 수 있다. 상기 에너지 드레인은, 열 전파를 확실히 방지할 수 있게 충전 상태(State Of Charge)가 0 내지 10% 사이가 될 때까지 수행될 수 있다.
이러한 상기 에너지 드레인 시, 상기 코일 저항체 유닛(600)의 자체 온도 또한 상승할 수 있다. 이러한 상기 코일 저항체 유닛(600)의 온도 상승은, 상기 에너지 드레인 성능 저하로 이어질 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 코일 저항체 유닛(600)이 상기 히트 싱크(300)의 상기 내부 유로(330)에 배치되는 바, 상기 에너지 드레인 시에도, 상기 내부 유로(330)를 통과하는 상기 냉각수(C)에 의해 지속적으로 냉각될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예의 경우, 상기 에너지 드레인 시, 상기 코일 저항체 유닛(600)의 과도한 온도 상승을 방지하고, 코일 저항체 유닛(600)의 온도를 적정 범위에서 효과적으로 유지하거나 또는 낮출 수 있다.
그러므로, 본 실시예의 경우, 상기 코일 저항체 유닛(600)이 상기 에너지 드레인 시 상기 히트 싱크(300)를 통해 냉각되므로, 상기 외부 단락 시, 상기 에너지 드레인의 성능을 효과적으로 유지할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 코일 저항체 유닛(600)의 에너지 드레인을 통해, 상기 배터리 셀 조립체들(100) 중 어느 하나의 배터리 셀 조립체(100)에서 과열 등에 따른 이상 상황에 발생하더라도, 주변 배터리 셀 조립체들(100)로의 열 폭주 상황이 전파되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀 조립체들(100) 중 어느 하나의 열 폭주 상황 발생 시, 상기 릴레이 유닛(400) 및 상기 코일 저항체 유닛(600)에 의한 외부 단락을 통해, 주변 배터리 셀 조립체들(100)로의 열 전파를 차단하여 전체 배터리 모듈(10)의 열 폭주에 따른 더 큰 위험을 보다 더 원천적으로 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 5의 배터리 모듈의 주요부를 설명하기 위한 도면이며, 도 7 및 도 8은 도 5의 배터리 모듈의 열폭주 방지 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(20)은, 앞선 실시예의 상기 배터리 모듈(10)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 배터리 모듈(20)은, 배터리 셀 조립체(100), 릴레이 유닛(400), BMS 유닛(500), 모듈 케이스(700), 히트 싱크(800) 및 코일 저항체 유닛(900)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 조립체(100), 상기 릴레이 유닛(400) 및 상기 BMS 유닛(500)은, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 모듈 케이스(700)는, 배터리 지지부(750) 및 저항체 수용부(770)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 지지부(750)는, 상기 배터리 셀 조립체들(100)를 지지할 수 있다. 이를 위해, 상기 배터리 지지부(750)에는 상기 배터리 셀 조립체들(100)를 지지할 수 있는 지지 공간이 마련될 수 있다.
상기 저항체 수용부(770)는, 상기 배터리 지지부(750) 하측에 구비되며, 후술하는 히트 싱크(800) 상측에 배치될 수 있다. 이러한 상기 저항체 수용부(770)에는, 후술하는 코일 저항체 유닛(900)이 수용될 수 있다.
상기 저항체 수용부(770)에는, 열전달부재홀(775)가 구비될 수 있다. 상기 열전달부재홀(775)에는, 후술하는 코일 저항체 유닛(900)의 열전달부재(930)가 삽입 장착될 수 있다.
상기 히트 싱크(800)는, 싱크 케이스(810), 내부 유로(830), 냉각수 유입부(850), 냉각수 배출부(870) 및 체결홀(890)을 포함할 수 있다.
상기 싱크 케이스(810), 상기 내부 유로(830), 상기 냉각수 유입부(850) 및 상기 냉각수 배출부(870)는 앞선 실시예와 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 체결홀(890)은, 상기 싱크 케이스(810)의 상측에 구비될 수 있다. 이러한 상기 체결홀(890)에는 후술하는 코일 저항체 유닛(900)의 체결부재(950)가 스크류 등의 체결 방식을 통해 결합될 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛(900)은, 상기 히트 싱크(800)의 외부에 구비될 수 있다. 이러한 상기 코일 저항체 유닛(900)는, 상기 도 7 및 도 8에 개시된 바와 같이, 앞선 실시예의 상기 코일 저항체 유닛(600)과 같이, 상기 이상 상황 시, 상기 릴레이 유닛(400)과 연결된 배터리 셀 조립체(100)를 외부 단락시킬 수 있다.
이러한 상기 코일 저항체 유닛(900)은, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체(100)와 상기 히트 싱크(800) 사이에 배치되며, 상기 히트 싱크(800) 상측에 고정될 수 있다.
상기 코일 저항체 유닛(900)은, 코일 저항부재(910), 열전달부재(930) 및 체결부재(950)를 포함할 수 있다.
상기 코일 저항부재(910)는, 상기 히트 싱크(800) 상측에서, 상기 모듈 케이스(700)의 상기 저항체 수용부(770) 내에 구비될 수 있다.
상기 열전달부재(930)는, 열전달물질로 구비되며, 상기 코일 저항부재(910)와 상기 히트 싱크(800) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 열전달부재(930)는, 상기 저항체 수용부(770)의 상기 열전달부재홀(775)에 삽입 장착될 수 있다. 이에 따라, 상기 열전달부재(930)는, 상기 코일 저항부재(910)와 상기 히트 싱크(800)와 각각 접촉 배치될 수 있어, 열전달 효율이 보다 더 향상될 수 있다.
상기 체결부재(950)는, 상기 코일 저항체 유닛(900)를 상기 히트 싱크(800)에 고정하기 위한 것으로서, 상기 코일 저항부재(910) 및 상기 열전달부재(930)를 관통하여 상기 히트 싱크(800)의 상기 체결홀(890)에 스크류 결합 등을 통해 체결될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 코일 저항체 유닛(900)이 상기 히트 싱크(800)의 냉각수(C)가 유동하는 내부 유로(830)가 아닌 상기 히트 싱크(800) 외부에서 상기 싱크 케이스(810)의 상면에 접촉 배치되는 바, 냉각수(C)와 상기 코일 저항체 유닛(900)의 충돌 등으로 인해 야기될 수 있는 전기적 문제 등의 위험 요소를 보다 더 확실히 예방할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10을 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, 자동차(V)에 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 자동차(V)에 구비될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차(V) 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)과 상기 자동차(V)와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10, 20)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10, 20)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1) 및 이러한 배터리 팩(1)을 구비하는 자동차(V) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 열 폭주를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈(10, 20), 이러한 배터리 모듈(10, 20)을 포함하는 배터리 팩(1) 및 이러한 배터리 팩(1)을 포함하는 자동차(V)를 제공할 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,
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체;
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체의 저부에 구비되는 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체 중 적어도 하나와 연결되는 코일 저항체 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일 저항체 유닛은,
    상기 히트 싱크 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코일 저항체 유닛은,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀 조립체와 연결되는 코일 저항부재; 및
    상기 코일 저항부재를 커버하며, 상기 히트 싱크 상에 고정되는 저항체 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코일 저항체 유닛은,
    상기 코일 저항부재의 양측에 구비되며, 상기 저항체 케이스와 연결되는 코일 홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코일 저항체 유닛은,
    상기 코일 저항부재와 상기 코일 홀더 사이에 구비되는 실링부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 저항체 케이스는,
    절연 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코일 저항체 유닛은,
    상기 히트 싱크 외부에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 코일 저항체 유닛은,
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체와 상기 히트 싱크 사이에 배치되며, 상기 히트 싱크 상측에 고정되는 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 자동차.
PCT/KR2021/013274 2020-10-26 2021-09-28 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 WO2022092588A1 (ko)

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