WO2022158783A1 - 배터리 팩 - Google Patents

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WO2022158783A1
WO2022158783A1 PCT/KR2022/000497 KR2022000497W WO2022158783A1 WO 2022158783 A1 WO2022158783 A1 WO 2022158783A1 KR 2022000497 W KR2022000497 W KR 2022000497W WO 2022158783 A1 WO2022158783 A1 WO 2022158783A1
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battery pack
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duct
pack
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조상현
공병오
김승현
신진규
오영후
옥승민
홍성곤
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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 duct may be spaced apart from module openings formed on one side and the other side in the longitudinal direction of the battery module so that a pack flow path is formed between the battery module and the duct.
  • the battery module may include: a cell stack formed by stacking a plurality of battery cells vertically; a module housing for accommodating the cell stack; and a bus bar frame assembly covering the module opening formed on one side in the longitudinal direction of the module housing. may include.
  • the pair of side plates may include a spark direction changer formed by bending one end of the side plate in the longitudinal direction toward the cell stack.
  • the fire protection sheet may be a mica sheet.
  • the battery module may further include a seat cover having a plurality of cover slits through which the electrode leads of the battery cells pass, and covering the fire prevention sheet.
  • the cover slit may have a shape in which a width thereof is gradually narrowed in a direction toward the bus bar frame assembly.
  • the ESS according to an embodiment of the present invention includes a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention includes a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the venting gas when an internal event occurs in the battery pack, the venting gas is quickly discharged, and high-temperature sparks can be effectively prevented from leaking to the outside, and also after the venting gas is discharged, the external It is possible to block air from flowing into the battery module.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view illustrating a pack flow path formed in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 are views showing a battery module of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining a movement path of a venting gas and a spark in the battery module of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing a state in which the bus bar frame assembly and the fire prevention seat assembly of the present invention are coupled to the module housing.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing a part of the module housing, the bus bar frame assembly, and the fire prevention seat assembly of the present invention.
  • a battery pack 1 includes a sub-pack including a plurality of battery modules 10, one side of the sub-pack in the width direction (parallel to the Y-axis) or a duct 30 coupled to both sides and a duct cover 40 covering the duct opening formed in the duct.
  • the sub-pack includes a plurality of battery modules 10 disposed adjacent to each other in the longitudinal direction (parallel to the X-axis) of the battery pack 1 .
  • the sub-pack may further include a BMS assembly 20 coupled to one side of the module assembly formed by coupling the plurality of battery modules 10 in the longitudinal direction (parallel to the X-axis).
  • the battery module 10 includes a cell stack including a plurality of battery cells 100 stacked up and down, and a module housing 200 for accommodating the cell stack.
  • the battery cell 100 may be, for example, a pouch type battery cell.
  • the module housing 200 includes a base plate 210 supporting the cell stack, side plates 220 covering both sides of the cell stack, and a top plate 230 covering the top of the cell stack. do.
  • the battery module 10 includes a module opening 10a formed on one side in the longitudinal direction (parallel to the Y-axis).
  • the module opening 10a may also be formed on the other side in the longitudinal direction (parallel to the Y-axis) of the battery module 10 .
  • the venting gas generated inside the battery module 10 is discharged along the arrow direction shown in FIG. 4 through the module opening 10a.
  • a detailed structure of the battery module 10 will be described later in detail with reference to FIGS. 5 to 11 .
  • the BMS assembly 20 may be coupled to one side in the longitudinal direction (parallel to the X-axis) of a module assembly including a plurality of battery modules 10 disposed adjacent to each other.
  • the BMS assembly includes at least one battery management system (BMS) that controls charging and discharging of the plurality of battery modules 10 .
  • the BMS assembly may further include a BMS frame coupled to the BMS. The BMS frame may be fastened to the module assembly and/or the duct 30 .
  • the duct 30 extends along a direction parallel to the coupling direction (parallel to the X-axis) of the battery module 10 .
  • the duct 30 may have a length corresponding to the length of the module assembly.
  • the duct 30 may be fastened to the module housing 200 by a fastening member such as a bolt B, for example.
  • the duct 30 is fastened to the base plate 210 and the top plate 230 of the module housing 200 is illustrated, but the present invention is not limited thereto. That is, the duct 30 may be fastened to the base plate 210 and/or the top plate 230 and/or the side plate 220 of the module housing 200 .
  • the duct 30 is a module formed on one side or both sides in the longitudinal direction (parallel to the Y axis) of the battery module 10 so that a pack flow path P is formed between the battery module 10 and the duct 30 . It is spaced apart from the opening 10a.
  • the duct 30 is provided with a duct opening formed on one side or both sides of the longitudinal direction (parallel to the X-axis).
  • the duct opening communicates with the pack flow path P. Therefore, the venting gas discharged to the outside of the battery module 10 along the module opening 10a formed in the battery module 10 is in the longitudinal direction (parallel to the X-axis) of the duct 30 along the pack flow path P. direction) is discharged to the outside of the battery pack 1 through the duct opening by moving to one side or both sides (refer to the direction of the arrow in FIG. 4 ).
  • the duct cover 40 covers the duct opening formed on one side or both sides in the longitudinal direction of the duct 30 .
  • the duct cover 40 includes a filter having a mesh structure.
  • the filter has a filtration performance in the range of approximately 20 mesh to 100 mesh.
  • a mesh which is a unit indicating the performance of a filter, means the number of small squares included in a square of 1 inch in width and 1 inch in length. That is, 20 mesh means that 20 metal wires drawing a square are included in a square of 1 inch in width and 1 inch in length. Accordingly, the performance of the filter expressed in mesh units is more excellent as the numerical value increases.
  • the duct cover 40 passes the venting gas among the venting gas and sparks discharged from the battery module 10 when venting occurs, and filters the electrode active material particles and metal particles included in the spark. That is, the numerical range of the filtration performance of the filter of the duct cover 40 corresponds to a numerical range in which rapid discharge of venting gas is possible, but metal particles such as electrode active material particles and aluminum included in the spark can be filtered out.
  • the high-temperature venting gas, spark particles, and oxygen may meet inside the battery pack 1 to generate a flame.
  • the duct cover 40 rapidly discharges the venting gas to the outside at the initial stage of venting, and when time elapses, it is clogged by the electrode active material particles and metal particles, thereby blocking the inflow of external oxygen to the battery pack ( 1) Block the possibility of internal flames.
  • the battery module 10 includes a cell stack formed by stacking a plurality of battery cells 100 in an up-down direction (a direction parallel to the Z-axis), and accommodating the cell stack. and a module housing 200 .
  • the battery module 10 includes a bus bar frame assembly 300 covering an opening formed on one side in the longitudinal direction (parallel to the Y axis) of the module housing 200 and a bus bar frame assembly 300 and a cell stack.
  • a fire prevention sheet assembly 400 interposed between the sieves and coupled to the bus bar frame assembly 300 may be further included.
  • the module housing 200 includes a base plate 210 supporting the cell stack, a pair of side plates 220 covering both sides of the cell stack, and a top plate covering an upper portion of the cell stack ( 230).
  • the pair of side plates 220 may include a spark direction changing part 220a formed by bending one end of the side plate in the longitudinal direction toward the cell stack.
  • the opening formed on one side in the longitudinal direction of the module housing 200 is formed between a pair of spark direction conversion parts 220a provided on each of the pair of side plates 220 .
  • the electrode lead 120 of the battery cell 100 may be exposed to the outside of the module housing 200 through an opening formed between the pair of spark direction changing parts 220a.
  • the battery module 10 of the present invention includes the spark direction conversion unit 220a so that the high-temperature spark discharged when the battery cell 100 is vented is generated in the longitudinal direction (Y-axis) of the module housing 200 . direction parallel to) so as not to be ejected to the outside of the module housing 200 . That is, when the battery cells 100 are vented, the high-temperature sparks ejected through both sides in the width direction (parallel to the X-axis) of each battery cell 100 constituting the cell stack are the battery module 10 . In the longitudinal direction (parallel to the Y-axis), it moves toward one end and/or the other end, and the direction of movement is changed to a direction toward the cell stack (refer to the direction of the arrow shown in FIG. 7 ).
  • the module housing 200 may further include a fastening frame 225 that connects between the pair of spark direction changing parts 200a and has an empty center.
  • the fastening frame 225 is positioned between the bus bar frame assembly 300 and the fire prevention seat assembly 400 .
  • the bus bar frame assembly 300 and the fire prevention seat assembly 400 are in close contact with the fastening frame 225 , and may be mutually fastened through the empty central portion of the fastening frame 225 . have.
  • the openings provided in the module housing 200 of the present invention may be formed on both sides of the module housing 200 in the longitudinal direction.
  • the pair of spark direction changing parts 200a may also be provided on one side and the other side in the longitudinal direction of the module housing 200 .
  • the bus bar frame assembly 300 includes a bus bar frame 310 and at least one bus bar 320 .
  • a pair of the bus bar frame assemblies 300 may be provided.
  • each of the pair of bus bar frame assemblies 300 is formed on one side of the module housing 200 in the longitudinal direction (parallel to the Y axis). The opening and the opening formed on the other side are covered.
  • the bus bar frame 310 has a shape corresponding to one end and/or the other end in the longitudinal direction of the module housing 200 and is in close contact with the module housing 200 .
  • the bus bar frame 310 is in close contact with the spark direction changing part 220a and the fastening frame 225 .
  • the cover slit 420b, the sheet slit 410b, and the frame slit 310b are formed at positions corresponding to each other.
  • the fire prevention sheet 410 and the seat cover 420 are positioned corresponding to the frame protrusion 310a for fastening with the bus bar frame 310 . and at least one sheet hole 410a and a cover hole 420a formed in the corresponding shape, respectively.
  • the battery pack 1 prevents a fire from occurring inside the battery pack 1 due to the filter provided in the duct cover 40 when an internal event occurs. can do.
  • the battery pack 1 according to an embodiment of the present invention can prevent the event from spreading due to the spark direction changing unit 220a and/or the fire prevention sheet assembly 400 provided in the battery module 10 .
  • an energy storage system (ESS) includes the battery pack 1 according to an embodiment of the present invention described above.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 서로 인접하여 배치되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 서브 팩; 상기 서브 팩의 폭 방향 일 측에 결합되는 덕트; 및 상기 덕트의 길이 방향 일 측에 형성된 덕트 개방부를 커버하며, 메쉬 구조를 갖는 필터를 구비하는 덕트 커버; 를 포함한다.

Description

배터리 팩
본 발명은, 배터리 팩, 그리고 이를 포함하는 ESS(energy storage system) 및 자동차에 관한 것이다. 본 발명은, 좀 더 구체적으로는, 본 발명은, 배터리 셀의 벤팅이 발생된 경우에 있어서 가스는 외부로 방출하되, 고온의 전극 활물질 및 금속 입자를 포함하는 스파크가 배터리 팩의 외부로 유출되는 것을 억제할 뿐만 아니라, 배터리 팩 내부로 산소가 유입되는 것을 차단하여 배터리 팩 내부에 화재가 발생되는 것을 방지할 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩, 그리고 이를 포함하는 ESS 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 01월 21일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2021-0008927호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
ESS(energy storage system) 및/또는 전기자동차에 적용되는 배터리 팩은, 고출력 및 고용량의 실현이 가능한 리튬 이차전지가 적용된 배터리 모듈을 복수개 포함하는 형태로 제조될 수 있다. ESS 및/또는 전기자동차가 요구하는 배터리 팩의 출력 특성을 만족하고, 고용량을 실현하기 위해서 하나의 배터리 모듈에 포함되는 리튬 이차전지의 개수를 증가시킬 수 있고, 하나의 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 개수를 증가시킬 수 있다.
그러나, 이처럼 많은 개수의 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩의 경우, 화재 및 폭발이 발생되는 경우 그 피해는 더욱 커질 수 밖에 없다.
배터리 팩에서 발생되는 화재는, 배터리 모듈의 내부에 배치된 리튬 이차전지의 비정상적인 온도 상승과 내부 가스 발생으로부터 시작된다. 리튬 이차전지의 온도가 비정상적으로 상승하고 내부 가스의 발생에 따라 리튬 이차전지의 내압이 일정 수준 이상으로 상승하게 되면, 리튬 이차전지에 벤팅(venting)이 발생되고, 이로 인해 리튬 이차전지의 외부로 고온의 가스가 분출되며, 또한 전극 활물질과 알루미늄 입자 등을 포함하는 고온의 스파크가 분출된다.
배터리 팩의 내압 증가를 방지하기 위해, 리튬 이차전지의 벤팅에 따라 분출된 벤팅 가스(venting gas)는 배터리 팩의 외부로 신속하게 배출할 수 있어야 한다. 그러나, 벤팅 가스와 함께 고온의 스파크가 배터리 팩의 외부로 배출되는 경우, 벤팅 가스, 고온의 스파크 및 산소가 만나 화재가 발생될 수 있다. 또한, 벤팅 발생 초기에는 벤팅 가스의 압력으로 인해 배터리 팩의 내부에 산소가 거의 존재하지 않지만, 벤팅 가스의 배출 압력이 일정 수준 미만이 되면 배터리 팩의 내부로 산소가 유입될 수 있고, 이 경우 배터리 팩의 내부에서도 화재가 발생될 수 있다.
따라서, 배터리 셀 내부의 쇼트 발생 등의 이상 현상으로 인해 열 폭주 현상이 발생되더라도, 벤팅 가스는 배터리 팩의 외부로 신속히 배출시키되, 전극 활물질 및 알루미늄 입자 등을 포함하는 고온의 스파크가 외부로 유출되는 것을 효과적으로 방지하고, 또한 내부로 추가적으로 산소가 유입되는 것을 신속히 차단하여 배터리 팩 내부에서 화재가 발생되는 것을 방지할 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩의 개발이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 내부 이벤트 발생 시에, 벤팅 가스는 신속히 배출시키되, 고온의 스파크가 외부로 유출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 또한 벤팅 가스의 배출 이 후에는 외부 공기가 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
한편, 본 발명은, 고온의 가스 및 스파크로 인해 배터리 모듈의 일부 구조물이 손상되더라도, 외부의 산소가 배터리 모듈의 내부로 쉽게 유입될 수 없도록 하고 또한 인접한 리튬 이차전지 간의 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 서로 인접하여 배치되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 서브 팩; 상기 서브 팩의 폭 방향 일 측에 결합되는 덕트; 및 상기 덕트의 길이 방향 일 측에 형성된 덕트 개방부를 커버하며, 메쉬 구조를 갖는 필터를 구비하는 덕트 커버; 를 포함한다.
상기 필터는, 20 내지 100 메쉬 범위의 여과 성능을 갖는 필터일 수 있다.
상기 필터는, 상기 배터리 모듈로부터 배출되는 벤팅 가스 및 스파크 중 상기 벤팅 가스는 통과시키고 상기 스파크에 포함되는 전극 활물질 입자 및 금속 입자는 걸러낼 수 있다.
상기 덕트는, 상기 배터리 모듈과 덕트 사이에 팩 유로가 형성되도록, 상기 배터리 모듈의 길이 방향 일 측 및 타 측에 형성된 모듈 개방부와 이격될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀이 상하로 적층되어 형성되는 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 및 상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측에 형성되는 모듈 개방부를 커버하는 버스바 프레임 어셈블리; 를 포함할 수 있다.
상기 모듈 하우징은, 상기 셀 적층체를 지지하는 베이스 플레이트; 및 상기 셀 적층체의 양 측부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트; 를 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 사이드 플레이트는, 그 길이 방향 일 측 단부가 상기 셀 적층체를 향하도록 절곡되어 형성된 스파크 방향 전환부를 구비할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 버스바 프레임 어셈블리와 셀 적층체 사이에 개재되며, 상기 배터리 셀의 전극 리드가 통과되는 복수의 시트 슬릿을 구비하는 방화 시트를 더 포함할 수 있다.
상기 방화 시트는, 마이카 시트일 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀의 전극 리드가 통과되는 복수의 커버 슬릿을 구비하며, 상기 방화 시트를 커버하는 시트 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 시트 커버는, 상기 마이카 시트가 외기에 노출되지 않도록 상기 마이카 시트를 완전히 감싸는 형태를 가질 수 있다.
상기 커버 슬릿은, 상기 버스바 프레임 어셈블리를 향하는 방향을 따라 그 폭이 점점 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 ESS는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 팩에 있어서 내부 이벤트가 발생된 경우, 벤팅 가스는 신속히 배출시키되, 고온의 스파크가 외부로 유출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 또한 벤팅 가스의 배출 이 후에는 외부 공기가 배터리 모듈 내로 유입되는 것을 차단할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 고온의 가스 및 스파크로 인해 배터리 모듈의 일부 구조물이 손상되더라도, 외부의 산소가 배터리 모듈의 내부로 쉽게 유입될 수 없도록 하고 또한 인접한 리튬 이차전지 간의 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩에 있어서 일 측에 조립된 덕트 커버가 제거된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 배터리 팩에 형성되는 팩 유로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 부분 단면도로서, 벤팅 가스 및 스파크의 이도 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 배터리 모듈에 있어서 벤팅 가스 및 스파크의 이동 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 배터리 모듈의 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 버스바 프레임 어셈블리 및 방화 시트 어셈블리가 모듈 하우징에 결합된 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 모듈 하우징의 일부, 버스바 프레임 어셈블리 및 방화 시트 어셈블리를 나타내는 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 방화 시트 어셈블리를 나타내는 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.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 모듈(10)을 포함하는 서브 팩, 서브 팩의 폭 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측 또는 양 측에 결합되는 덕트(30) 및 덕트에 형성된 덕트 개방부를 커버하는 덕트 커버(40)를 포함한다.
상기 서브 팩은, 배터리 팩(1)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 서로 인접하여 배치되는 복수의 배터리 모듈(10)을 포함한다. 상기 서브 팩은, 복수의 배터리 모듈(10)이 결합되어 형성된 모듈 결합체의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측에 결합되는 BMS 어셈블리(20)를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈(10)은, 상하로 적층된 복수의 배터리 셀(100)을 포함하는 셀 적층체 및 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징(200)을 포함한다. 상기 배터리 셀(100)은, 예를 들어 파우치 타입 배터리 셀일 수 있다. 상기 모듈 하우징(200)은, 셀 적층체를 지지하는 베이스 플레이트(210), 셀 적층체의 양 측부를 커버하는 사이드 플레이트(220) 및 셀 적층체의 상부를 커버하는 탑 플레이트(230)를 포함한다.
상기 배터리 모듈(10)은, 그 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측에 형성되는 모듈 개방부(10a)를 구비한다. 상기 모듈 개방부(10a)는 배터리 모듈(10)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 타 측에도 형성될 수 있다.
상기 배터리 모듈(10) 내부에서 발생되는 벤팅 가스는 모듈 개방부(10a)를 통해 도 4에 표기된 화살표 방향을 따라 배출된다. 상기 배터리 모듈(10)의 구체적인 구조에 대해서는 도 5 내지 도 11을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
상기 BMS 어셈블리(20)는, 서로 인접 배치되는 복수의 배터리 모듈(10)로 구성되는 모듈 결합체의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측에 결합될 수 있다. 도면에 상세히 도시되어 있지는 않으나, 상기 BMS 어셈블리는, 복수의 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하는 적어도 하나의 BMS(Battery management system)를 포함한다. 상기 BMS 어셈블리는, BMS에 결합되는 BMS 프레임을 더 포함할 수도 있다. 상기 BMS 프레임은, 모듈 결합체 및/또는 덕트(30)에 체결될 수 있다.
상기 덕트(30)는, 배터리 모듈(10)의 결합 방향(X축에 나란한 방향)과 나란한 방향을 따라 연장된다. 상기 덕트(30)는, 모듈 결합체의 길이와 대응되는 길이를 가질 수 있다. 상기 덕트(30)는, 예를 들어 볼트(B)와 같은 체결 부재에 의해 모듈 하우징(200)에 체결될 수 있다.
본 발명의 도면에서는 덕트(30)가 모듈 하우징(200)의 베이스 플레이트(210) 및 탑 플레이트(230)에 체결되는 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 덕트(30)는, 모듈 하우징(200)의 베이스 플레이트(210) 및/또는 탑 플레이트(230) 및/또는 사이드 플레이트(220)에 체결될 수 있다.
상기 덕트(30)는, 배터리 모듈(10)과 덕트(30) 사이에 팩 유로(P)가 형성되도록 배터리 모듈(10)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측 또는 양 측에 형성된 모듈 개방부(10a)와 이격된다. 상기 덕트(30)는, 그 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 또는 양 측에 형성된 덕트 개방부를 구비한다. 상기 덕트 개방부는, 팩 유로(P)와 연통된다. 따라서, 상기 배터리 모듈(10)에 형성된 모듈 개방부(10a)를 따라 배터리 모듈(10)의 외부로 배출된 벤팅 가스는 팩 유로(P)를 따라 덕트(30)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 또는 양 측으로 이동하여 덕트 개방부를 통해 배터리 팩(1)의 외부로 배출된다(도 4의 화살표 방향 참조).
상기 덕트 커버(40)는, 덕트(30)의 길이 방향 일 측 또는 양 측에 형성된 덕트 개방부를 커버한다. 상기 덕트 커버(40)는, 메쉬 구조를 갖는 필터를 구비한다. 상기 필터는, 대략 20 메쉬 내지 100 메쉬 범위의 여과 성능을 갖는다. 필터의 성능을 나타내는 단위인 메쉬(mesh)는, 가로 1인치 및 세로 1인치의 정사각형 내에 포함되는 작은 정사각형의 개수를 의미한다. 즉, 20 메쉬는, 가로 1인치 및 세로 1인치의 정사각형 내에 정사각형을 그리는 금속 와이어가 20개 포함된다는 의미이다. 따라서, 메쉬 단위로 표기되는 필터의 성능은, 수치가 커질수록 더욱 우수하다.
상기 덕트 커버(40)는, 벤팅 발생 시에 배터리 모듈(10)로부터 배출되는 벤팅 가스 및 스파크 중 벤팅 가스는 통과시키고 스파크에 포함되는 전극 활물질 입자 및 금속 입자는 걸러낸다. 즉, 상기 덕트 커버(40)의 필터가 갖는 여과 성능 수치 범위는, 벤팅 가스의 신속한 배출은 가능하나 스파크에 포함되는 전극 활물질 입자 및 알루미늄 등의 금속 입자는 걸러낼 수 있는 수치 범위에 해당한다.
상기 배터리 모듈(10) 내부에서 벤팅이 발생되는 경우, 고온의 가스와 함께 전극 활물질 입자 및 알루미늄 등의 금속 입자를 포함하는 고온의 스파크가 도 4의 화살표 방향을 따라 배출될 수 있다. 이러한 스파크가 배터리 팩(1)의 외부로 유출되는 경우 고온의 벤팅 가스, 고온의 스파크 및 대량의 산소가 만나 큰 화염이 발생될 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 수치 범위의 여과 성능을 갖는 필터가 적용된 덕트 커버(40)는 벤팅 발생 시에 배터리 모듈(10) 및 배터리 팩(1)의 내압을 신속히 낮춰주는 동시에 화염의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 벤팅 발생 후 일정 시간이 경과하게 되면, 덕트 커버(40)의 필터에 의해 걸러진 전극 활물질 입자 및 금속 입자들은 필터를 막게 되고, 이로 인해 외부 산소가 배터리 팩(1)의 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
벤팅 발생 초기에는 벤팅 가스의 분출 압력으로 인해 배터리 팩(1)의 내부에 산소가 거의 유입되지 않아 내부 화재 발생의 염려가 없지만, 벤팅 가스의 분출 압력이 떨어지는 시점이 되면 외부의 산소가 유입될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(1) 내부에서 고온의 벤팅 가스와 스파크 입자, 그리고 산소가 만나 화염이 발생될 수 있다. 상기 덕트 커버(40)는, 벤팅 발생 초기에는 신속히 벤팅 가스를 외부로 배출시키고, 시간이 경과하면 전극 활물질 입자 및 금속 입자들로 인해 막히게 됨으로써 외부의 산소 유입을 차단하여 상술한 바와 같은 배터리 팩(1) 내부에서의 화염 발생의 가능성을 차단한다.
다음은, 도 5 내지 도 11을 참조하여, 상기 배터리 모듈(10)에 대해서 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)은, 복수의 배터리 셀(100)이 상하 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 적층되어 형성되는 셀 적층체, 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징(200)을 포함한다. 상기 배터리 모듈(10)은, 모듈 하우징(200)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측에 형성되는 개구부를 커버하는 버스바 프레임 어셈블리(300) 및 버스바 프레임 어셈블리(300)와 셀 적층체 사이에 개재되며 버스바 프레임 어셈블리(300)에 결합되는 방화 시트 어셈블리(400)를 더 포함할 수도 있다.
상기 배터리 셀(100)로는, 파우치 타입 배터리 셀이 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 배터리 셀(100)은, 전극 조립체(미도시), 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스(110) 및 전극 조립체와 연결되며 파우치 케이스(110)의 외측으로 인출되는 한 쌍의 전극 리드(120)를 포함한다. 상기 한 쌍의 전극 리드(120)는, 배터리 셀(100)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 인출된다.
상기 모듈 하우징(200)은, 상기 셀 적층체를 지지하는 베이스 플레이트(210), 셀 적층체의 양 측부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트(220) 및 셀 적층체의 상부를 커버하는 탑 플레이트(230)를 포함한다. 상기 한 쌍의 사이드 플레이트(220)는, 그 길이 방향 일 측 단부가 상기 셀 적층체를 향하도록 절곡되어 형성된 스파크 방향 전환부(220a)를 구비할 수 있다.
상기 모듈 하우징(200)의 길이 방향 일 측에 형성되는 개구부는, 한 쌍의 사이드 플레이트(220) 각각에 구비된 한 쌍의 스파크 방향 전환부(220a) 사이에 형성된다. 상기 배터리 셀(100)의 전극 리드(120)는 한 쌍의 스파크 방향 전환부(220a) 사이에 형성된 개구부를 통해 모듈 하우징(200)의 외측으로 노출될 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈(10)은, 상술한 바와 같이 스파크 방향 전환부(220a)를 구비함으로써 배터리 셀(100)의 벤팅 시에 배출되는 고온의 스파크가 모듈 하우징(200)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 모듈 하우징(200)의 외측으로 분출되지 않도록 한다. 즉, 상기 배터리 셀(100)의 벤팅 시에 셀 적층체를 이루는 각각의 배터리 셀(100)의 폭 방향(X축에 나란한 방향) 양 측부를 통해 분출되는 고온의 스파크는, 배터리 모듈(10)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측 단부 및/또는 타 측 단부를 향해 이동하다가 셀 적층체를 향하는 방향으로 그 이동 방향이 전환된다(도 7에 도시된 화살표 방향 참조).
상기 모듈 하우징(200)은, 한 쌍의 스파크 방향 전환부(200a) 사이를 연결하며, 그 중심부가 비어 있는 형태를 갖는 체결 프레임(225)을 더 포함할 수 있다. 상기 체결 프레임(225)은, 버스바 프레임 어셈블리(300)와 방화 시트 어셈블리(400) 사이에 위치한다. 상기 체결 프레임(225)이 구비되는 경우, 버스바 프레임 어셈블리(300)와 방화 시트 어셈블리(400)는 체결 프레임(225)에 밀착되며, 체결 프레임(225)의 비어 있는 중심부를 통해 상호 체결될 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명의 모듈 하우징(200)에 구비되는 개구부는 모듈 하우징(200)의 길이 방향 양 측에 모두 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 한 쌍의 스파크 방향 전환부(200a) 역시 모듈 하우징(200)의 길이 방향 일 측 및 타 측에 모두 구비될 수 있다.
도 5 내지 도 10을 참조하면, 상기 버스바 프레임 어셈블리(300)는, 버스바 프레임(310) 및 적어도 하나의 버스바(320)를 포함한다. 상기 버스바 프레임 어셈블리(300)는, 한 쌍이 구비될 수 있으며, 이 경우 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(300) 각각은 모듈 하우징(200)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측에 형성된 개구부 및 타 측에 형성된 개구부를 커버한다.
상기 버스바 프레임(310)은, 모듈 하우징(200)에 형성된 개구부를 커버하며 배터리 셀(100)의 전극 리드(120)가 통과되는 복수의 프레임 슬릿(310b)을 구비한다. 상기 버스바 프레임(310)은, 방화 시트 어셈블리(400)와의 결합을 위한 적어도 하나의 프레임 돌기(310a)를 더 구비할 수도 있다.
상기 버스바 프레임(310)은, 모듈 하우징(200)의 길이 방향 일 측 단부 및/또는 타 측 단부와 대응되는 형상을 가지며 모듈 하우징(200)에 밀착된다. 상기 모듈 하우징(200)이 상술한 바와 같이 체결 프레임(225)을 구비하는 경우, 버스바 프레임(310)은 스파크 방향 전환부(220a) 및 체결 프레임(225)에 밀착된다.
상기 버스바(320)는, 버스바 프레임(310)의 외측면 상에 배치되어 프레임 슬릿(310b)을 통과한 전극 리드(120)와 결합되며, 이로써 복수의 배터리 셀(100)을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 버스바(320a)는, 전극 리드(120)가 통과되는 버스바 슬릿(320b)을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 버스바 슬릿(320b)과 프레임 슬릿(310b)은 서로 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
도 5 내지 도 11을 참조하면, 상기 방화 시트 어셈블리(400)는, 방화 시트(410)를 포함한다. 상기 방화 시트 어셈블리(400)는, 시트 커버(420)를 더 포함할 수도 있다. 상기 방화 시트 어셈블리(400)는, 버스바 프레임 어셈블리(300)와 동일한 개수로 구비될 수 있다.
상기 방화 시트(410)로는, 고온의 벤팅 가스 및 스파크에 견딜 수 있는 마이카(mica) 재질의 시트가 적용될 수 있다. 상기 방화 시트(410)는 전극 리드(120)가 통과되는 복수의 시트 슬릿(410b)을 구비한다.
상기 방화 시트(410)는, 고온의 벤팅 가스 및 스파크로 인해 수지 재질의 버스바 프레임(310)이 손상되더라도 그 구조를 유지할 수 있으며, 이에 따라 복수의 시트 슬릿(410b) 각각에 삽입된 복수의 전극 리드(120)들이 그 위치를 유지할 수 있도록 한다. 또한, 상기 방화 시트(410)는, 고온의 벤팅 가스는 시트 슬릿(410b)과 전극 리드(120) 사이의 틈새를 통해 외부로 배출될 수 있도록 하는 반면, 활물질 및 알루미늄 입자 등을 포함하는 고온의 스파크가 외부로 분출되는 것을 최소화 할 수 있다. 또한, 상기 방화 시트(410)는, 수지 재질의 버스바 프레임(310)이 손상되더라도 배터리 모듈(10)의 외부로부터 산소가 쉽게 유입되지 않도록 할 수 있다.
따라서, 상기 방화 시트(410)는, 배터리 모듈(10) 내부의 이벤트 발생 상황에서도 버스바 프레임(310) 부근에서 화재가 발생될 가능성을 최소화 할 수 있고, 버스바 프레임(310) 부근에서 화재가 발생한다고 하더라도 화재가 배터리 모듈(10) 내부로 확산되는 현상을 지연시킬 수 있다. 또한, 상기 방화 시트(410)는, 버스바 프레임(310)의 손상에 따라 배터리 셀(100) 간의 단락이 발생되어 이벤트가 확대되는 것을 방지할 수 있다.
상기 시트 커버(420)는, 방화 시트(410)가 외부로 노출되지 않도록 방화 시트(410)를 완전히 감싼다. 이는, 마이카 재질의 방화 시트(410)가 흡습성을 갖기 때문에 마이카 재질의 방화 시트(410)가 시트 커버(420)의 외기에 노출되는 경우 수분을 흡수할 수 있고, 수분을 흡수하게 되면 절연 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
상기 시트 커버(420)는 수지 사출물일 수 있으며, 이 경우 방화 시트(410)는 인서트 사출에 의해 시트 커버(420) 내에 배치될 수 있다. 상기 시트 커버(420)는, 전극 리드(120)가 통과되는 복수의 커버 슬릿(420b)을 구비한다. 상기 커버 슬릿(420b)은, 버스바 프레임 어셈블리(300)를 향하는 방향을 따라 그 폭이 점점 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
이는, 고온의 벤팅 가스 및 스파크에 의해 수지 사출물로 이루어진 시트 커버(420)가 용융되는 경우에 있어서 커버 슬릿(420b)이 신속히 폐쇄되어 배터리 모듈(10)의 외부로부터 공기가 유입되는 것을 차단할 수 있도록 하기 위함이다. 이처럼 외부 공기의 유입이 신속히 차단되면, 배터리 모듈(10) 내부에 산소의 공급이 차단되므로 배터리 모듈(10) 내부로 화재가 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상기 커버 슬릿(420b), 시트 슬릿(410b) 및 프레임 슬릿(310b)은 서로 대응되는 위치에 형성된다.
상기 버스바 프레임(310)이 프레임 돌기(310a)를 구비하는 경우, 방화 시트(410) 및 시트 커버(420)는 버스바 프레임(310)과의 체결을 위한 프레임 돌기(310a)와 대응되는 위치에 형성되며 대응되는 형상을 갖는 적어도 하나의 시트 홀(410a) 및 커버 홀(420a)을 각각 구비한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 내부의 이벤트 발생 시에, 덕트 커버(40)에 구비된 필터 인해 배터리 팩(1) 내부에서 화재가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 배터리 모듈(10)에 구비된 스파크 방향 전환부(220a) 및/또는 방화 시트 어셈블리(400)로 인해 이벤트가 확산되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS(energy storage system)는, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)을 포함한다. 상기 자동차는, 예를 들어 배터리 팩(1)으로부터 전력을 공급 받아 구동되는 전기 자동차일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (14)

  1. 서로 인접하여 배치되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 서브 팩;
    상기 서브 팩의 폭 방향 일 측에 결합되는 덕트; 및
    상기 덕트의 길이 방향 일 측에 형성된 덕트 개방부를 커버하며, 메쉬 구조를 갖는 필터를 구비하는 덕트 커버;
    를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터는,
    20메쉬 내지 100 메쉬 범위의 여과 성능을 갖는 필터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 배터리 모듈로부터 배출되는 벤팅 가스 및 스파크 중 상기 벤팅 가스는 통과시키고 상기 스파크에 포함되는 전극 활물질 입자 및 금속 입자는 걸러내는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 덕트는,
    상기 배터리 모듈과 덕트 사이에 팩 유로가 형성되도록, 상기 배터리 모듈의 길이 방향 일 측에 형성된 모듈 개방부와 이격되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    복수의 배터리 셀이 상하로 적층되어 형성되는 셀 적층체;
    상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 및
    상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측에 형성되는 모듈 개방부를 커버하는 버스바 프레임 어셈블리;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모듈 하우징은,
    상기 셀 적층체를 지지하는 베이스 플레이트; 및
    상기 셀 적층체의 양 측부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 한 쌍의 사이드 플레이트는,
    그 길이 방향 일 측 단부가 상기 셀 적층체를 향하도록 절곡되어 형성된 스파크 방향 전환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 버스바 프레임 어셈블리와 셀 적층체 사이에 개재되며, 상기 배터리 셀의 전극 리드가 통과되는 복수의 시트 슬릿을 구비하는 방화 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방화 시트는,
    마이카 시트인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 배터리 셀의 전극 리드가 통과되는 복수의 커버 슬릿을 구비하며, 상기 방화 시트를 커버하는 시트 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 시트 커버는,
    상기 마이카 시트가 외기에 노출되지 않도록 상기 마이카 시트를 완전히 감싸는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 커버 슬릿은,
    상기 버스바 프레임 어셈블리를 향하는 방향을 따라 그 폭이 점점 좁아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 ESS.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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