WO2022250311A1 - 벤팅 가스의 온도 저감 및 스파크의 외부 배출 차단 구조를 적용한 배터리 팩 - Google Patents

벤팅 가스의 온도 저감 및 스파크의 외부 배출 차단 구조를 적용한 배터리 팩 Download PDF

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안문열
이진규
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack, and more specifically, to structures around the battery pack or other battery packs as high-temperature venting gas and sparks (particles) are generated during thermal runaway of a battery module and discharged without filtering to the outside of the battery pack. It relates to a battery pack to which safety measures are applied to prevent ignition from occurring.
  • lithium secondary batteries are in the limelight because of their advantages of free charge and discharge, very low self-discharge rate, and high energy density because they hardly have a memory effect compared to nickel-based secondary batteries.
  • a secondary battery may be used singly, but in general, a plurality of secondary batteries are electrically connected in series and/or parallel to each other in many cases.
  • a plurality of secondary batteries may be accommodated in one module case while being electrically connected to each other to form one battery module.
  • the battery module may be used alone or two or more may be electrically connected in series and/or parallel to form a higher level device such as a battery pack.
  • an energy storage system for storing generated power has been attracting more attention.
  • ESS energy storage system
  • a battery pack used in an energy storage system, a very large capacity may be required compared to a small and medium-sized battery pack. Accordingly, a battery pack may typically include a large number of battery modules. In addition, in order to increase energy density, a plurality of battery modules are often configured in a dense form in a very narrow space.
  • a plurality of battery modules may be vulnerable to fire.
  • a thermal propagation situation occurs in one battery module, a situation in which high-temperature gas is discharged from at least one battery cell may occur.
  • high-temperature sparks may be ejected when the gas is discharged, and the sparks may include an active material detached from an electrode inside a battery cell or molten aluminum particles. If such a high-temperature spark and high-temperature gas meet oxygen, it may lead to a battery pack fire.
  • a fire when a fire occurs in a specific battery cell or module, it may spread to other nearby battery cells, battery modules, or other battery packs.
  • many batteries are concentrated in a small space in an energy storage system, it is not easy to extinguish a fire in the event of a fire.
  • a fire in the battery pack may cause very serious property and human life damage. Therefore, even if a thermal runaway situation occurs, it is necessary to prevent the spread of fire.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and prevents ignition of structures around the battery pack or other battery packs even when high-temperature gas or sparks are generated in some battery modules due to thermal runaway. It is an object of the present invention to provide a battery pack and an energy storage system including the battery pack configured to be able to do so.
  • a battery pack according to an aspect of the present invention for achieving the above object
  • the ignition prevention venting unit includes a temperature reducing tunnel formed of a porous metal. ; and a mesh network covering at least one of an inlet and an outlet of the temperature reduction tunnel unit.
  • the mesh network may include an inlet mesh network and an outlet mesh network respectively covering an inlet and an outlet of the temperature reducing tunnel unit.
  • the temperature reduction tunnel unit may include a plurality of gas movement passages extending in a lattice structure between the inlet mesh network and the outlet mesh network.
  • a hole size of the inlet mesh network or the outlet mesh network may be smaller than the cross-sectional size of each gas movement passage.
  • Each of the gas movement passages includes a plurality of valves, and the plurality of plates extend obliquely from the ceiling surface of the gas movement passage and are alternately arranged with upper valves spaced apart from each other and the upper valves. and may include lower plates extending obliquely from the bottom surface of the gas movement passage.
  • the ignition prevention venting unit may be provided on a wall surface of the pack case and detachably provided in a case hole forming an outlet of the gas venting path.
  • a plurality of the ignition prevention venting units may be disposed at predetermined intervals along the gas venting path inside the pack case.
  • the ignition prevention venting unit may be disposed on the gas venting path corresponding between one battery module and another adjacent battery module.
  • the temperature reduction tunnel unit may further include an outer frame formed of a hollow structure that can be forcibly fitted therein.
  • the outer frame may have two openings, one on one side and the other, and the mesh network may be integrally fixedly coupled to one of the two openings and rotatably coupled to the other.
  • the outer frame may be fixedly coupled to the inside of the pack case.
  • the at least one battery module is two or more battery modules disposed in succession, and may further include a heat transfer blocking unit interposed between adjacent battery modules to block heat transfer between the battery modules.
  • the heat transfer blocking unit is formed in a structure in which a first insulating pad, a first thermally conductive sheet made of metal, a second insulating pad, a second thermally conductive sheet made of metal, and a third insulating pad are stacked in one direction in this order.
  • the first thermally conductive sheet and the second thermally conductive sheet may be formed in surface contact with an upper surface of the pack case.
  • an energy storage system including the battery pack described above may be provided.
  • the venting gas is discharged to the outside of the pack case in a low temperature state, and high-temperature sparks are filtered inside to block discharge to the outside of the battery pack. Accordingly, it is possible to prevent ignition of structures around the battery pack or other battery packs.
  • the present invention may have various other effects, which will be described in each implementation configuration, or descriptions of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the main configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the ignition prevention venting unit of Figure 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the ignition prevention venting unit of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 3 and showing a modified example of the ignition preventing venting unit of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the main components of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating battery modules and a heat transfer blocking unit of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a structure for heat insulation and heat dissipation between battery modules of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating the ignition prevention venting unit of FIG. 5 .
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the ignition prevention venting unit of FIG. 8 .
  • FIG. 10 is a view corresponding to FIG. 9 and showing a modified example of an ignition prevention venting unit.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the main components of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the main configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the ignition prevention venting unit of FIG. 1
  • FIG. 3 is an ignition prevention venting unit of FIG. it is a cross section
  • a battery pack 10 according to an embodiment of the present invention includes a battery module 100, a pack case 200, and an ignition prevention venting unit 300.
  • the battery module 100 may include one or more secondary batteries 110 to store and supply energy.
  • one or more battery modules 100 may be included in the battery pack 10 .
  • a plurality of battery modules 100 may be included in the battery pack 10 as shown in FIG. 1 .
  • the plurality of battery modules 100 may be disposed in at least one direction.
  • the battery module 100 is not shown with the secondary batteries 110, parts for electrically connecting the secondary batteries 110, parts for sensing voltage, temperature, etc., circuit boards, connectors, and module housings for accommodating them can include
  • the secondary battery 110 may be a pouch-type secondary battery 110 including an electrode assembly, an electrolyte solution, and a pouch-type case.
  • a plurality of pouch-type secondary batteries 110 may be stored in a module housing in the form of a cell stack in which a plurality of pouch-type secondary batteries 110 are erected in a vertical direction (Z-axis direction) and stacked in a horizontal direction (X-axis direction).
  • the electrode leads of each pouch-type secondary battery 110 may be in direct contact with each other or electrically connected through a bus bar or the like.
  • the secondary battery 110 may be of a shape other than a pouch type, for example, a cylindrical or prismatic secondary battery in which a battery case is made of a metal can.
  • the module housing may be configured to accommodate one or more secondary batteries 110 in an internal space.
  • the module housing may have a rectangular tubular housing frame composed of an upper plate, a lower plate, and both side plates.
  • Some plates included in the housing frame, such as a lower plate and both side plates, may be configured in an integrated form.
  • the integrated shape of the lower plate and both side plates may be substantially U-shaped.
  • the cell stack is accommodated in the limited inner space of the housing frame and the cells of the secondary battery 110 are electrically connected.
  • electrode leads of adjacent secondary battery 110 cells may be configured to be connected in series or parallel by welding one bus bar.
  • the bus bar means a conductor in the form of a metal bar.
  • a front cover and a rear cover may be mounted on portions where electrode leads and bus bars of the cells of the secondary battery 110 are welded, that is, front and rear of the housing frame, respectively.
  • the front cover and the rear cover may be formed of an insulating material, such as a plastic material, to prevent a risk of a short circuit in an electrical connection part.
  • the front cover or the rear cover may be used as a place for installing external terminals and connectors of the module.
  • the pack case 200 is a component for accommodating a plurality of battery modules 100, and is made of a material with high mechanical strength to protect the plurality of battery modules 100 from external physical and chemical elements in an airtight structure. It can be.
  • FIG. 1 briefly shows the pack case 200 as a substantially rectangular box shape, but the pack case 200 forms an upper cover 210 in the form of a plate body forming an upper surface, a bottom surface, and a wall surface.
  • the upper cover 210 and the lower cover 220 may be configured to be mutually coupled and sealed by bolting, hooking, sealing, bonding, and the like.
  • the pack case 200 (see FIG. 5) has a case hole 201.
  • the case hole 201 may be provided on one side of the pack case 200, for example, on a wall surface of the lower cover 220, and a region of the wall surface is perforated to allow air to pass in and out of the pack case 200. can be configured.
  • the case hole 201 serves to prevent deformation of the pack case 200 by eliminating the pressure difference between the inside and outside of the battery pack 10 and to prevent the deformation of the pack case 200 when venting gas is generated from some battery modules 100 inside the battery pack 10. It may serve as a gas outlet for discharging venting gas to the outside of the battery pack 10 .
  • the case hole 201 may be referred to as an end portion of a gas venting path for guiding venting gas generated in the battery module 100 to the outside of the pack case 200, that is, an exit of the gas venting path.
  • the ignition-preventing venting unit 300 is a structure configured so that flame, sparks, and other foreign substances cannot pass through and the venting gas can pass through and the temperature can be lowered.
  • the ignition prevention venting unit 300 of this embodiment may be detachably attached to the case hole 201 .
  • the ignition prevention venting unit 300 covers the case hole 201 and may be configured to be attached to an outer wall surface of the pack case 200 .
  • the ignition prevention venting unit 300 includes a temperature reducing tunnel portion 310 formed of a porous metal and two mesh networks 320 .
  • the temperature reduction tunnel unit 310 may be formed of a metal material having excellent thermal conductivity and rigidity, such as aluminum, and may be configured to include a plurality of gas movement passages 311 elongated in a lattice structure. In addition, the entrance and exit of the temperature reduction tunnel unit 310 may be covered with a mesh network 320 .
  • the pressure of the venting gas increases and the speed of the venting gas increases.
  • the convective heat transfer coefficient is proportional to the air flow rate. Therefore, the energy loss of the venting gas due to the increase in pressure and the convective heat transfer rate according to the increase in the flow rate increase, so that the temperature difference between the venting gas before and after the venting gas passes through the temperature reduction tunnel unit 310 is significantly increased.
  • the temperature reduction tunnel unit 310 Therefore, even if a high-temperature venting gas is generated inside the battery pack 10, when the venting gas is discharged to the outside of the battery pack 10 through the temperature reduction tunnel unit 310, the temperature is lowered, and the structure or structure outside the battery pack 10 It does not act as an element likely to cause ignition of other battery packs 10 . In addition, in the case of flame, the movement may be suppressed or extinguished due to a trap phenomenon in the plurality of narrow gas movement passages 311 of the temperature reduction tunnel part 310 .
  • a plurality of valves 312 and 313 may be further configured in each gas movement passage 311 as a means for promoting a vortex in each gas passage 311 of the temperature reduction tunnel unit 310.
  • the plurality of valves include upper valves 312 and lower valves 313, and the upper valves 312 are spaced apart from each other and form gas movement passages 311, respectively. It is configured to be formed to extend obliquely from the ceiling surface of the lower plate 313 is disposed alternately with the upper plate 312 and each can be configured to extend obliquely from the bottom surface of the gas movement passage 311 have.
  • the flow of venting gas is shown in only one gas movement passage 311 in FIG. 4 to simplify the drawing, but the venting gas passes through the narrow gas movement passage 311. In the process, vortices are remarkably created. Therefore, the heat loss from the venting gas to the temperature reduction tunnel 310, that is, the convective heat transfer rate is further increased. Therefore, the temperature reducing tunnel unit 310 according to the present modified example may be more advantageous in lowering the temperature of the venting gas.
  • the mesh network 320 is a component for blocking high-temperature sparks that can move together with the venting gas, and includes an inlet mesh network 320a and an outlet mesh network 320b covering the inlet and outlet of the temperature reduction tunnel unit 310, respectively.
  • the spark means an active material detached from an electrode inside the secondary battery 110 or molten aluminum particles. If, when the venting gas is discharged, high-temperature sparks are discharged to the outside of the battery pack 10 without being filtered, the risk of ignition of structures around the battery pack 10 or other battery packs 10 becomes very high.
  • the mesh network 320 is coupled to the inlet and outlet of the temperature reduction tunnel unit 310, so that the temperature reduction tunnel unit 310, which is a metal structure, provides a mesh network 320. Since the entire area can be supported, there is no distortion or perforation even under the pressure of the venting gas.
  • the size of each hole forming the mesh is relatively smaller than the cross-sectional size (vent size) of the gas movement passage 311 of the temperature reduction tunnel unit 310.
  • vent size the cross-sectional size of the gas movement passage 311 of the temperature reduction tunnel unit 310.
  • This mesh network 320 may be made of a metal or refractory material (ex: mica) that is not easily melted even at a high temperature because it comes into contact with a high-temperature spark.
  • the anti-ignition venting unit 300 of the present embodiment configured as described above, even if a high-temperature venting gas is generated inside the battery pack 10, the high-temperature spark is not discharged to the outside and only the venting gas is cooled. Since it can be lowered and discharged to the outside, ignition of structures around the battery pack 10 or other battery packs 10 can be prevented.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the main components of a battery pack 20 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram showing the battery modules 100 and the heat transfer blocking unit 400 of FIG. 5 7 is a view showing a heat insulation and heat dissipation structure between the battery modules 100 of the battery pack 20 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 8 shows the anti-ignition venting unit 300A of FIG. 5 It is a perspective view shown.
  • a plurality of anti-ignition venting units 300A are provided at predetermined intervals along a gas venting path inside the pack case 200, and the battery module 100 ) It further includes a heat transfer blocking unit 400 for blocking the movement of heat between them.
  • the heat transfer blocking unit 400 blocks heat from propagating to adjacent battery modules 100 when one battery module 100 thermally runs away.
  • the first heat insulating pad 410, the first thermally conductive sheet 420, the second insulating pad 430, the second thermally conductive sheet 440, and the third insulating pad 450 and working in the above-described order. It may be configured as a stacked structure in the direction (X-axis direction). As shown in FIGS. 5 and 6, the plurality of battery modules 100 are continuously arranged in the X-axis direction with side portions facing each other, and one heat transfer blocking unit between two battery modules 100 adjacent to each other. 400 can be arranged.
  • the first insulating pad 410, the second insulating pad 430, and the third insulating pad 450 may each be composed of a porous foam or a pad or film made of a ceramic fiber material. It can be manufactured in a variety of sizes and shapes.
  • the second insulating pad 430 is divided into two unit second insulating pads 430a and 430b, but this is an example and the second insulating pad 430 may be configured as one or three or more units. .
  • first thermally conductive sheet 420 and the second thermally conductive sheet 440 may be made of a material having excellent thermal conductivity, such as aluminum or graphite, in the form of a thin plate.
  • the first insulation pad 410 is configured to surround the side surface and a portion of the top surface of the left battery module 100, and the first thermally conductive sheet 420 is the first insulation pad ( 410), the top is bent, and the top surface of the first thermally conductive sheet 420 is configured to contact the upper cover 210 of the pack case 200, that is, the top surface of the pack case 200.
  • the third thermal insulation pad 450 and the second thermally conductive sheet 440 are symmetrical to the first thermal insulation pad 410 and the first thermally conductive sheet 420 with respect to the second thermal insulation pad 430. It may be provided and configured to surround a part of the side surface and upper surface of the right battery module 100 .
  • the heat of the left battery module 100 is divided into 5 steps (1st insulation > 1st heat dissipation > 2nd insulation > 2nd heat). Dispersion > tertiary insulation) to be delivered to the right battery module 100. That is, heat is blocked by the first thermal insulation pad 410 and the heat transferred from the first thermal insulation pad 410 is conducted to the pack case 200 through the first thermally conductive sheet 420 . That is, the heat of the first thermally conductive sheet 420 is distributed to the pack case 200 having a relatively large heat capacity.
  • the heat of the first thermally conductive sheet 420 is secondarily blocked by the second thermally conductive sheet 430, and the heat passing through the second thermally conductive sheet 430 is once again transferred to the second thermally conductive sheet 440. It is distributed to the pack case 200 through and is blocked three times by the third heat insulation pad 450. Therefore, since most of the heat is blocked or escaped to the outside in the process of going through the above five steps, the heat transferred from the left battery module 100 to the right battery module 100 is very insignificant.
  • the battery pack 10 surrounds each battery module 100 with a flame prevention venting unit 300A, a heat transfer blocking unit 400, and a pack case 200, so that the battery module When venting gas is generated in 100, the flow of venting gas inside the pack case 200 may be configured to flow along a specific path.
  • the upper and lower ends of the second insulating pad 430 are in contact with the upper and lower surfaces of the pack case 200, respectively, and the rear end (vertically disposed) of the second insulating pad 430 narrow side) is in contact with one side wall of the pack case 200, so that the upper part (+Z axis direction), lower part (-Z axis direction), both side parts ( ⁇ X axis direction), rear of each battery module 100 Venting gas is prevented from flowing toward (+Y-axis direction), flows out toward the front (-Y-axis direction), moves in the -X-axis direction along one edge of the pack case 200, and exits through the case hole 201.
  • Outgoing gas venting path can be configured.
  • a barrier rib (W) may be further added to shield the outermost side of the battery module 100 that is not in contact with other battery modules 100 .
  • ignition prevention venting unit 300A may be disposed at predetermined intervals along the gas venting path.
  • each anti-ignition venting unit 300A is connected to one battery module ( 100) and another adjacent battery module 100, it is preferable to arrange them on a corresponding gas venting path.
  • one side of the ignition prevention venting unit (300A) is brought into contact with the front surface of the second insulating pad 430, and the upper and lower surfaces of the ignition prevention venting unit (300A) and the other side are the upper and lower surfaces of the pack case 200, respectively.
  • the venting gas is generated in the battery module 100 by contacting or sealing the wall surface in the -Y axis direction, it can be configured so that it does not escape out of the case hole 201 without passing through the ignition prevention venting unit 300A. .
  • the flame prevention venting unit (300A) according to another embodiment of the present invention, as shown in Figures 8 and 9, the temperature reduction tunnel unit 310, the inlet mesh network (320a), the outlet mesh network (320b) ) and an outer frame 330.
  • the flame-preventing venting unit 300A of the present embodiment further includes an outer frame 330 fixedly coupled to the inside of the pack case 200.
  • the outer frame 330 is formed in a hollow structure and has two openings, one on one side and the other side, through which the temperature reduction tunnel unit 310 is press-fitted to the inside. It can be configured so that The outer frame 330 serves to protect the temperature reduction tunnel unit 310 from external impact.
  • a flame prevention venting unit (300A) is installed inside the pack case 200 in the form of combining or integrally forming a bracket (not shown) on the outside of the outer frame and connecting the bracket and the pack case 200 with bolts. It can also be useful for fixing.
  • the mesh network 320 may be attached to the two open ends of the outer frame 330 by any one method among bolting, welding, and bonding.
  • the mesh network 320 may be integrally fixedly coupled to one of the two openings of the outer frame 330 and rotatably coupled to the other.
  • the upper end of the opening on one side of the outer frame 330 and the upper end of the mesh network 320 are connected with a hinge 333 to lift the mesh network 320, and the temperature reduction tunnel unit 310 ) may be configured to be accommodated inside the outer frame 330.
  • the mesh network 320 is attached to the catch 335 provided at the lower end of one opening of the outer frame 330.
  • the outer frame 330 and the mesh network 320 may be configured to be locked by hanging the hooking hole 334 provided at the bottom of the.
  • the assembly process of the mesh network 320 to the outer frame 330 is simple compared to the method of bolting, welding, or bonding, so that the temperature reduction tunnel unit 310 or the mesh network 320 can be replaced or repaired ex post facto. Rework can be facilitated when needed.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the main configuration of a battery pack 30 according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack 30 according to another embodiment of the present invention has a gas venting path formed on both side edges inside the pack case 200 and a flame-preventing venting unit. (300A) are disposed in each gas venting path.
  • the venting gas when venting gas is generated in the battery module 100, the venting gas leaks to the front (-Y axis direction) and the rear (+Y axis direction) of the battery module 100. Since it is configured to be movable along both side edges of the pack case 200 and the outside, the venting gas can be discharged to the outside more quickly than in the above-described embodiment. Therefore, the battery pack 30 according to the present embodiment can be effective in suppressing internal ignition from intensifying.
  • An energy storage system may include one or more battery packs according to the present invention.
  • the energy storage system may include a plurality of battery packs electrically connected to each other in order to have a large energy capacity.
  • the energy storage system according to the present invention may further include various other components of the energy storage system known at the time of filing of the present invention.
  • these energy storage systems can be used in various places or devices, such as smart grid systems or electric charging stations.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스; 및 상기 배터리 모듈에서 발생한 가스가 상기 팩 케이스의 외부로 나가도록 유도하기 위해 마련된 가스 벤팅 경로에 배치되는 발화방지 벤팅유닛을 포함하며, 상기 발화방지 벤팅유닛은, 다공성의 금속으로 형성된 온도 저감 터널부; 및 상기 온도 저감 터널부의 입구 및 출구 중 적어도 한 곳을 커버하는 메쉬망을 포함한다.

Description

벤팅 가스의 온도 저감 및 스파크의 외부 배출 차단 구조를 적용한 배터리 팩
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈의 열폭주시 고온의 벤팅 가스와 스파크(입자)가 발생하여 배터리 팩 외부로 여과 없이 배출됨에 따라 배터리 팩 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩에 발화가 일어나는 것을 방지하기 위해 안전 수단을 적용한 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 05월 26일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0067883호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자동차 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이차 전지는 단독으로 사용되기도 하나, 일반적으로는 다수의 이차 전지가 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 형태로 구성된 경우가 많다. 특히, 다수의 이차 전지는 서로 전기적으로 연결된 상태로 하나의 모듈 케이스 내부에 수납되어, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 배터리 모듈은, 단독으로 사용되거나 또는 둘 이상이 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되어, 배터리 팩 등과 같은 보다 상위 수준의 장치를 구성할 수 있다.
최근, 전력 부족이나 친환경 에너지 등과 같은 이슈가 부각되면서, 생산된 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)이 보다 주목받고 있다. 대표적으로, 이러한 에너지 저장 시스템을 이용하면, 스마트 그리드 시스템(Smart Grid System)과 같은 시스템 구축이 용이하여, 특정 지역이나 도시 등에서 용이하게 전력 수급 조절이 가능할 수 있다.
에너지 저장 시스템에 사용되는 배터리 팩의 경우, 중소형 배터리 팩에 비해 매우 큰 용량이 필요할 수 있다. 따라서, 배터리 팩에는 통상적으로 많은 수의 배터리 모듈이 포함될 수 있다. 그리고 에너지 밀도를 높이기 위해, 다수의 배터리 모듈은 매우 좁은 공간에 밀집된 형태로 구성되는 경우가 많다.
그런데 이와 같이 다수의 배터리 모듈이 좁은 공간에 밀집된 상태로 존재하는 경우, 화재에 취약할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 배터리 모듈에서 열폭주(thermal propagation) 상황이 발생하여, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 고온의 가스가 배출되는 상황이 발생할 수 있다. 더욱이, 이러한 가스 배출 시 고온의 스파크가 분출될 수 있는데, 스파크에는 배터리 셀 내부의 전극에서 탈리된 활물질이나 용융된 알루미늄 입자 등이 포함될 수 있다. 만일, 이러한 고온의 스파크 및 고온의 가스가, 산소와 만나는 경우, 배터리 팩의 화재로 진행할 수 있다.
특히, 특정 배터리 셀 내지 모듈에서 화재가 발생하는 경우, 이는 주변의 다른 배터리 셀이나 배터리 모듈, 다른 배터리 팩 등으로 확산될 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 좁은 공간에 많은 배터리들이 밀집되어 있기 때문에, 화재가 발생하는 경우, 진압이 용이하지 않다. 더욱이, 에너지 저장 시스템의 규모나 역할을 고려할 때, 배터리 팩의 화재 발생은 매우 심각한 재산 및 인명 상 피해를 발생시킬 우려가 있다. 그러므로 열폭주 상황 등이 발생하더라도, 화재의 확산을 방지할 수 있도록 하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 열폭주 등으로 인해, 일부 배터리 모듈에서 고온의 가스나 스파크가 발생하더라도 배터리 팩 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩에 발화가 일어나는 것을 방지할 수 있도록 구성된 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 등을 제공하는 것을 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.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은,
적어도 하나의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스; 및 상기 배터리 모듈에서 발생한 가스가 상기 팩 케이스의 외부로 나가도록 유도하기 위해 마련된 가스 벤팅 경로에 배치되는 발화방지 벤팅유닛을 포함하며, 상기 발화방지 벤팅유닛은, 다공성의 금속으로 형성된 온도 저감 터널부; 및 상기 온도 저감 터널부의 입구 및 출구 중 적어도 한 곳을 커버하는 메쉬망을 포함할 수 있다.
상기 메쉬망은 상기 온도 저감 터널부의 입구와 출구를 각각 커버하는 입구 메쉬망과 출구 메쉬망을 포함할 수 있다.
상기 온도 저감 터널부는, 상기 입구 메쉬망과 상기 출구 메쉬망 사이에서 격자 구조로 연장 형성된 복수 개의 가스 이동통로를 포함할 수 있다.
상기 입구 메쉬망 또는 상기 출구 메쉬망의 구멍 사이즈는 각 상기 가스 이동통로의 단면 사이즈보다 작게 형성될 수 있다.
각 상기 가스 이동통로는 복수 개의 판막들을 구비하며, 상기 복수 개의 판막들은 각각 상기 가스 이동통로의 천정면에서 사선으로 연장 형성되고 서로 이격 배치된 상부 판막들과, 상기 상부 판막들과 교번적으로 배치되고 각각 상기 가스 이동통로의 바닥면에서 사선으로 연장 형성된 하부 판막들을 포함할 수 있다.
상기 발화방지 벤팅유닛은, 상기 팩 케이스의 벽면에 구비되고 상기 가스 벤팅 경로의 출구를 형성하는 케이스 홀에 탈부착 가능하게 마련될 수 있다.
상기 발화방지 벤팅유닛은 상기 팩 케이스의 내부에서 상기 가스 벤팅 경로를 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 배치될 수 있다.
어느 하나의 상기 배터리 모듈과 이웃한 다른 하나의 배터리 모듈 사이에 대응하는 상기 가스 벤팅 경로 상에 상기 발화방지 벤팅유닛이 배치될 수 있다.
상기 온도 저감 터널부가 내부에 억지 끼움될 수 있는 중공 구조로 형성된 외곽 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 외곽 프레임은 일측과 타측에 하나씩 2개의 개방부를 가지며, 상기 메쉬망은 상기 2개의 개방부 중 한 곳에 일체로 고정 결합되고, 다른 한 곳에 회전 가능하게 결합될 수 있다.
상기 외곽 프레임은 상기 팩 케이스 내부에 고정 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 모듈은 연속해서 배치되는 2개 이상의 배터리 모듈들이며, 상기 배터리 모듈들 간의 열의 이동을 차단하기 위해 이웃한 상기 배터리 모듈들 사이에 개재되는 열전달 차단유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 열전달 차단유닛은, 제1 단열패드, 금속 재질의 제1 열 전도성 시트, 제2 단열 패드, 금속 재질의 제2 열 전도성 시트, 제3 단열 패드 순으로 일방향으로 적층된 구조로 형성되고, 상기 제1 열 전도성 시트와 상기 제2 열 전도성 시트는 상기 팩 케이스의 상면과 면 접촉하게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈의 열폭주시 고온의 벤팅 가스와 스파크가 발생하더라도, 배터리 팩 주변의 외부 구조물이나 다른 배터리 팩의 발화가 억제될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 발화방지 벤팅유닛의 구성에 의하면, 벤팅 가스는 온도가 낮아진 상태로 팩 케이스 외부로 배출되고 고온의 스파크는 내부에서 필터링되어 배터리 팩 외부로 배출되는 것이 차단될 수 있다. 따라서 배터리 팩 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩에 발화가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 발화방지 벤팅유닛의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 발화방지 벤팅유닛의 단면도이다.
도 4는 도 3에 대응하는 도면으로서 도 3의 발화방지 벤팅유닛의 변형예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 배터리 모듈들과 열전달 차단유닛을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 배터리 모듈들 간의 단열 및 방열 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 도 5의 발화방지 벤팅유닛을 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 발화방지 벤팅유닛의 분해 사시도이다.
도 10은 도 9에 대응하는 도면으로서, 발화방지 벤팅유닛의 변형예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 주요 구성을 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 안 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 발화방지 벤팅유닛의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 발화방지 벤팅유닛의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100), 팩 케이스(200), 발화방지 벤팅유닛(300)을 포함한다.
상기 배터리 모듈(100)은, 하나 이상의 이차전지(110)를 구비하여 에너지를 저장 및 공급하도록 구성될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(100)은 배터리 팩(10)에 하나 이상 포함될 수 있다. 특히, 배터리 팩(10)의 용량 및/또는 출력 등의 향상을 위해, 배터리 모듈(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(10)에 다수 포함될 수 있다. 이때, 다수의 배터리 모듈(100)은 적어도 일 방향으로 배치될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 이차전지(110)들과 도시하지 않았지만 이차전지(110)들의 전기적으로 연결하기 위한 부품, 전압, 온도 등을 센싱하기 위한 부품, 회로기판, 커넥터 그리고 이들을 수용하기 위한 모듈 하우징을 포함할 수 있다.
상기 이차전지(110)는 전극 조립체, 전해액 및 파우치 타입의 케이스를 포함한 파우치형 이차전지(110)일 수 있다.
예컨대, 다수 개의 파우치형 이차전지(110)가 상하방향(Z축 방향)으로 세워져 수평 방향(X축 방향)으로 적층된 셀 적층체 형태로 모듈 하우징 내부에 수납될 수 있다. 이때, 각 파우치형 이차전지(110)의 전극 리드는 서로 직접 접촉되거나 버스바 등을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
물론, 이차전지(110)는 파우치형이 아닌 다른 형태, 예컨대 전지 케이스가 금속 캔으로 이루어진 원통형이나 각형의 이차전지가 채용될 수도 있다.
상기 모듈 하우징은, 하나 이상의 이차전지(110)를 내부 공간에 수용할 수 있도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 모듈 하우징은, 상부 플레이트, 하부 플레이트, 양쪽 사이드 플레이트로 이루어진 사각 관형의 하우징 프레임을 구비할 수 있다. 상기 하우징 프레임에 포함되는 일부 플레이트, 이를테면 하부 플레이트 및 양쪽 사이드 플레이트는 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 하부 플레이트와 양쪽 사이드 플레이트의 일체화된 형태는 대략 U자 형태일 수 있다.
이러한 하우징 프레임의 한정된 내부 공간에 셀 적층체를 수납하고 이차전지(110) 셀들을 전기적으로 연결한다. 이때 이웃한 이차전지(110) 셀들의 전극 리드들은 하나의 버스바에 용접하는 방식으로 모든 이차전지(110) 셀들이 직렬 또는 병렬 연결되도록 구성될 수 있다. 여기서 버스바는 금속 바 형태의 전도체를 의미한다.
이차전지(110) 셀들의 전극 리드와 버스바가 용접된 부분, 즉 하우징 프레임의 전방과 후방에 각각 전방 커버와 후방 커버가 장착될 수 있다. 전방 커버와 후방 커버는 전기적 연결 부위의 단락 위험이 없도록 절연성 재질, 이를테면 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 또한, 전방 커버 또는 후방 커버은 모듈의 외부 터미널과 커넥터 등을 설치하기 위한 장소로 사용될 수 있다.
팩 케이스(200)는 복수 개의 배터리 모듈(100)들을 수납하기 위한 구성요소로서 상기 복수 개의 배터리 모듈(100)들을 외부의 물리적, 화학적 요소로부터 보호할 수 있게 기계적 강성이 높은 소재로 밀폐 구조로 제작될 수 있다. 도면의 편의상, 도 1에는 팩 케이스(200)를 대략 직육면의 박스 형상으로 간략히 도시하였지만, 팩 케이스(200)는 상부면을 형성하는 판상체 형태의 상부 커버(210)와 바닥면과 벽면를 형성하는 하부 커버(220)를 구비하고 상부 커버(210)와 하부 커버(220)는 볼팅,후킹, 실링,접착 등에 의해 상호 결합 및 밀봉되도록 구성될 수 있다.
또한, 팩 케이스(200)는 (도 5 참조) 케이스 홀(201)을 구비한다. 상기 케이스 홀(201)은 팩 케이스(200)의 일측, 예컨대 하부 커버(220)의 벽면에 구비될 수 있고, 상기 벽면의 일 영역을 천공하여 팩 케이스(200) 내외부로 공기가 통과할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 케이스 홀(201)은 배터리 팩(10) 내외부의 압력차를 없앰으로써 팩 케이스(200)의 변형을 방지하는 역할과 배터리 팩(10) 내부의 일부 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 발생시 상기 벤팅 가스를 배터리 팩(10)의 외부로 배출하기 위한 가스 배출구 역할을 할 수 있다. 이러한 케이스 홀(201)은 배터리 모듈(100)에서 발생한 벤팅 가스가 팩 케이스(200)의 외부로 나가도록 유도하기 위한 가스 벤팅 경로의 끝 부분, 즉 가스 벤팅 경로의 출구라 할 수 있다.
발화방지 벤팅유닛(300)은 화염, 스파크, 기타 이물질은 통과하기 어렵고 벤팅 가스는 통과하면서 온도가 낮아질 수 있게 구성된 구조체이다. 본 실시예의 발화방지 벤팅유닛(300)은 케이스 홀(201)에 탈부착 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들면, 발화방지 벤팅유닛(300)은 상기 케이스 홀(201)을 커버하며 팩 케이스(200)의 바깥쪽 벽면에 부착될 수 있게 구성될 수 있다. 미도시 하였으나 볼트와 실링제 등을 사용해 발화방지 벤팅유닛(300)과 팩 케이스(200) 간에 충분한 고정성과 기밀성을 확보할 수 있다.
구체적으로, 상기 발화방지 벤팅유닛(300)은, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 다공성의 금속으로 형성된 온도 저감 터널부(310)와, 2개의 메쉬망(320)을 포함한다.
상기 온도 저감 터널부(310)는 알루미늄 등과 같이 열 전도성과 강성이 우수한 금속 재질로 형성되고 격자 구조로 길게 연장된 복수 개의 가스 이동통로(311)를 구비하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 온도 저감 터널부(310)의 입구와 출구는 메쉬망(320)으로 커버되도록 구성될 수 있다.
고온의 벤팅 가스는 이러한 온도 저감 터널부(310)를 통과하는 과정에서 열이 온도 저감 터널부(310)의 몸체로 흡수됨으로써 온도가 낮아질 수 있다. 특히, 금속 재질의 온도 저감 터널부(310)에 형성된 다공성 구조로 인해 벤팅 가스와 온도 저감 터널부(310)의 접촉 면적이 넓게 확보되어 있어 벤팅 가스의 방열량을 증가하게 된다.
또한, 본 실시예의 다수의 좁은 가스 이동통로(311)를 벤팅 가스가 지나갈 때, 벤팅 가스의 압력이 증가하고 속도가 빨라지게 된다. 대류 열전달계수는 공기의 유속에 비례한다. 따라서 압력 증가에 따른 벤팅 가스의 에너지 손실, 유속 증가에 따른 대류 열전달율이 높아져 벤팅 가스가 온도 저감 터널부(310)를 통과하기 전과 통과한 후의 상기 벤팅 가스의 온도차가 현저히 커지게 된다. 그러므로 배터리 팩(10) 내부에 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 상기 벤팅 가스가 온도 저감 터널부(310)를 거쳐서 배터리 팩(10)의 외부로 배출되면 온도가 낮아져 배터리 팩(10) 외부의 구조물이나 다른 배터리 팩(10)에 발화를 유발할 만한 요소로 작용하지 않게 된다. 또한, 화염의 경우, 상기 온도 저감 터널부(310)의 다수의 좁은 가스 이동통로(311) 내에서 트랩 현상으로 인해 이동이 억제되거나 소화될 수 있다.
변형예로서, 온도 저감 터널부(310)의 각 가스 이동통로(311)에 와류를 촉진하기 위한 수단으로서 복수 개의 판막들(312,313)이 각 가스 이동통로(311)에 더 구성될 수도 있다.
예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 복수 개의 판막들은 상부 판막(312)들과 하부 판막(313)들을 포함하고, 상기 상부 판막(312)들은 서로 이격 배치되고 각각 가스 이동통로(311)의 천정면에서 사선으로 연장 형성되게 구성되고 상기 하부 판막(313)들은 상기 상부 판막(312)들과 교번적으로 배치되고 각각 가스 이동통로(311)의 바닥면에서 사선으로 연장 형성되게 구성될 수 있다.
이러한 가스 이동통로(311)의 내부 구성에 의하면, 도 4에는 도면의 간소화를 위해 가스 이동통로(311) 하나에만 벤팅 가스의 흐름을 표시하였는데, 상기 벤팅 가스가 좁은 가스 이동통로(311)를 통과하는 과정에서 와류가 현저하게 생성된다. 따라서 벤팅 가스에서 온도 저감 터널부(310)로 빠져나가는 열 손실 즉, 대류 열전달율이 더 증가하게 된다. 그러므로 본 변형예에 따른 온도 저감 터널부(310)가 벤팅 가스의 온도를 낮추는데 더 유리하게 작용할 수 있다.
메쉬망(320)은 벤팅 가스와 함께 이동할 수 있는 고온의 스파크를 차단하기 위한 구성으로서, 온도 저감 터널부(310)의 입구와 출구를 각각 커버하는 입구 메쉬망(320a)과 출구 메쉬망(320b)을 포함한다. 여기서 스파크는 이차전지(110) 내부의 전극에서 탈리된 활물질이나 용융된 알루미늄 입자 등을 의미한다. 만일, 벤팅 가스 배출시 고온의 스파크가 여과되지 못한 채 배터리 팩(10) 외부로 배출되면 배터리 팩(10) 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩(10)의 발화 위험이 매우 커지게 된다.
종래 기술에 따른 배터리 팩(10)의 경우에도, 이물질의 유입 또는 스파크의 차단을 위한 수단으로서 메쉬망이 적용된 예가 있다. 그러나 종래의 경우 벤팅 가스 분출시 압력 때문에 메쉬망이 뒤틀리거나 뚫려버리는 등 파손되는 경우가 많다. 본 발명은 온도 저감 터널부(310)의 입구와 출구에 메쉬망(320)을 결합시킴으로써 위와 같이 벤팅 가스의 분출 압력이 강하더라도 메쉬망(320)이 쉽게 파손되지 않게 구성되어 있다.
이를테면, 도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 온도 저감 터널부(310)의 입구와 출구에 메쉬망(320)이 결합됨으로써 금속 구조물인 온도 저감 터널부(310)에 의해 메쉬망(320) 전 영역이 지지될 수 있어 벤팅 가스의 압력에도 뒤틀림이나 천공되지 않을 수 있다.
입구 메쉬망(320a)과 출구 메쉬망(320b)은 메쉬를 형성하는 각 구멍 사이즈가 온도 저감 터널부(310)의 가스 이동통로(311)의 단면 사이즈(통풍구 사이즈)보다 상대적으로 매우 작게 구성될 수 있다. 이에 초미세 크기가 아닌 일반적인 스파크 입자들은 상기 입구 메쉬망(320a) 또는 상기 출구 메쉬망(320b)을 통과하지 못하고 차단될 수 있다. 이러한 메쉬망(320)은 고온의 스파크와 접촉하게 됨으로 고온에도 열 용융이 쉽게 일어나지 않는 금속 또는 내화성 재질(ex : 미카 mica)로 구성될 수 있다.
따라서 상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 실시예의 발화방지 벤팅유닛(300)에 의하면, 배터리 팩(10) 내부에서 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 고온의 스파크는 외부로 배출되지 않도록 하고 벤팅 가스만 온도를 낮추어 외부로 배출시킬 수 있어 배터리 팩(10) 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩(10)에 발화가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
이어서 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(20)을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(20)의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 배터리 모듈(100)들과 열전달 차단유닛(400)을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(20)의 배터리 모듈(100)들 간의 단열 및 방열 구조를 도시한 도면이고, 도 8은 도 5의 발화방지 벤팅유닛(300A)을 도시한 사시도이다.
전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(20)은 발화방지 벤팅유닛(300A)이 팩 케이스(200)의 내부에서 가스 벤팅 경로를 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 구비되게 구성되고, 배터리 모듈(100)들 간의 열의 이동을 차단하기 위한 열전달 차단유닛(400)을 더 포함한다.
먼저, 열전달 차단유닛(400)에 대해 설명하면, 상기 열전달 차단유닛(400)은 어느 하나의 배터리 모듈(100)의 열폭주시 인접한 배터리 모듈(100)로 열이 전파되는 것을 차단하기 위한 구성으로서, 제1 단열 패드(410), 제1 열 전도성 시트(420), 제2 단열 패드(430), 제2 열 전도성 시트(440), 제3 단열 패드(450)를 포함하며 상술한 순서대로 일 방향(X축 방향)으로 적층된 구조로 구성될 수 있다. 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 복수 개의 배터리 모듈(100)은 측면부가 서로 대향하게 X축 방향으로 연속해서 배치되고, 서로 이웃한 2개의 배터리 모듈(100) 사이에 하나씩의 열전달 차단유닛(400)이 배치될 수 있다.
제1 단열 패드(410), 제2 단열 패드(430), 제3 단열 패드(450)는 각각 다공질 구조로 이루어진 폼(foam) 또는 세라믹 섬유 소재로 형성된 패드 또는 필름으로 구성될 수 있고, 필요에 따라 다양한 사이즈와 형태로 제작될 수 있다. 본 실시예는 제2 단열 패드(430)를 2개의 단위 제2 단열 패드(430a, 430b)로 나누어 놓았으나 이는 하나의 예시이며 제2 단열 패드(430)를 하나로 구성하거나 3개 이상 구성해도 좋다.
그리고 제1 열 전도성 시트(420)와 제2 열 전도성 시트(440)는 알루미늄 또는 그라파이트(Graphite) 등과 같이 열 전도성이 우수한 소재로 박판 형태로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1 단열 패드(410)는 도 7과 같이, 좌측 배터리 모듈(100)의 측면부와 상면부 일부를 감싸는 형태로 구성되고, 제1 열 전도성 시트(420)는 상기 제1 단열 패드(410)에 대응하게 상단이 절곡된 형태이고, 상기 제1 열 전도성 시트(420)의 상단면은 팩 케이스(200)의 상부 커버(210), 즉 팩 케이스(200)의 상면과 접촉하게 구성될 수 있다.
그리고 상기 제3 단열 패드(450)와 제2 열 전도성 시트(440)는 제2 단열 패드(430)를 기준으로 상기 제1 단열 패드(410)와 제1 열 전도성 시트(420)와 대칭적으로 마련되어 우측 배터리 모듈(100)의 측면부와 상면부 일부를 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
상기 구성에 의하면, 만약 도 7에 도시한 좌측 배터리 모듈(100)의 열 폭주시 상기 좌측 배터리 모듈(100)의 열은 5단계(1차 단열 > 1차 열 분산 > 2차 단열 > 2차 열 분산 > 3차 단열)를 거쳐야 우측 배터리 모듈(100)로 전달된다. 즉, 제1 단열 패드(410)에서 열이 차단되고, 상기 제1 단열 패드(410)에서 넘어오는 열은 제1 열 전도성 시트(420)를 통해 팩 케이스(200)로 전도된다. 즉, 제1 열 전도성 시트(420)의 열은 상대적으로 열용량이 매우 큰 팩 케이스(200)로 분산된다. 또한, 제1 열 전도성 시트(420)의 열은 제2 단열 패드(430)에 의해 2차로 차단되고, 상기 제2 단열 패드(430)를 넘어오는 열은 다시 한번 제2 열 전도성 시트(440)를 통해 팩 케이스(200)로 분산되고, 제3 단열 패드(450)에 의해 3차로 차단된다. 그러므로 상기 5단계를 거치는 과정에서 대부분의 열이 차단되거나 외부로 빠져나가게 때문에 좌측 배터리 모듈(100)에서 우측 배터리 모듈(100)로 넘어오는 열은 매우 미미하다 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 각 배터리 모듈(100)을 화염 방지 벤팅유닛(300A), 열 전달 차단유닛(400) 및 팩 케이스(200)로 둘러쌈으로써 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 발생하게 되면 팩 케이스(200) 내부에서 벤팅 가스의 흐름이 특정 경로를 따라 흐르도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 단열 패드(430)의 상단과 하단은 각각 팩 케이스(200)의 상면과 하면에 접촉하고 제2 단열 패드(430)의 후단(수직 배치된 좁은 면)은 팩 케이스(200)의 일측 벽면에 접촉하도록 하여, 각 배터리 모듈(100)의 상부(+Z축방향), 하부(-Z축방향), 양쪽 측면부(±X축방향), 후방(+Y축방향) 쪽으로 벤팅 가스가 흐르지 못하게 막아 놓고 전방(-Y축방향) 쪽으로 흘러나와 팩 케이스(200)의 한쪽 가장자리를 따라 -X축 방향으로 이동하여 케이스 홀(201)을 통해 외부 빠져나가는 가스 벤팅 경로를 구성할 수 있다. 이때 다른 배터리 모듈(100)과 접하지 않는 최외곽 배터리 모듈(100)의 측면부 차폐하기 위해 격벽(W) 더 추가할 수도 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 발화방지 벤팅유닛(300A)은 상기 가스 벤팅 경로를 따라 소정 간격 마다 배치될 수 있다.
바람직하게는, 일부 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스와 스파크가 발생하더라도 다른 배터리 모듈(100)에 고온의 스파크가 옮겨 가는 것을 방지하기 위해서 각 발화방지 벤팅유닛(300A)을 어느 하나의 배터리 모듈(100)과 이웃한 다른 하나의 배터리 모듈(100) 사이에 대응하는 가스 벤팅 경로 상에 배치하는 것이 좋다.
이때, 발화방지 벤팅유닛(300A)의 일측면은 제2 단열 패드(430)의 전면과 접촉하도록 하고 발화방지 벤팅유닛(300A)의 상면과 하면 그리고 타측면은 각각 팩 케이스(200)의 상면과 하면, -Y축 방향 벽면에 접촉 내지 밀봉하도록 하여 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 발생하면 상기 발화방지 벤팅유닛(300A)을 통과하지 않고는 케이스 홀(201) 밖으로 빠져나가지 못하도록 구성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화염 방지 벤팅유닛(300A)은, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 온도 저감 터널부(310), 입구 메쉬망(320a), 출구 메쉬망(320b) 및 외곽 프레임(330)을 포함할 수 있다.
즉, 전술한 실시예와 비교할 때, 본 실시예의 화염 방지 벤팅유닛(300A)은 팩 케이스(200)의 내부에 고정 결합되는 외곽 프레임(330)을 더 포함한다.
상기 외곽 프레임(330)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 중공 구조로 형성되고 일측과 타측에 하나씩 2개의 개방부를 가지며, 상기 개방부를 통해 온도 저감 터널부(310)를 내부에 억지 끼움 결합시킬 수 있게 구성될 수 있다. 이러한 외곽 프레임(330)은 온도 저감 터널부(310)를 외부 충격으로부터 보호하는 역할을 한다. 또한, 상기 외곽 프레인의 외측에 브라켓(미도시)을 결합하거나 일체로 형성하고 상기 브라켓과 팩 케이스(200)를 볼트로 연결하는 형태로 화염 방지 벤팅유닛(300A)을 팩 케이스(200) 내부에 고정하는데 유용하게 사용될 수도 있다.
그리고 메쉬망(320)은 상기 외곽 프레임(330)의 2개의 개방단에 볼팅, 용접, 접착하는 방식 중 어느 하나의 방식으로 부착될 수 있다.
다른 변형예로서, 메쉬망(320)은 외곽 프레임(330)의 2개의 개방부 중 한 곳에 일체로 고정 결합되고, 다른 한 곳에 회전 가능하게 결합되도록 구성될 수도 있다. 이를테면, 도 10에 도시한 바와 같이, 외곽 프레임(330)의 한쪽 개방부의 상단과 메쉬망(320)의 상단을 힌지(333)로 연결하여 메쉬망(320)을 들어오려 온도 저감 터널부(310)를 외곽 프레임(330)의 내부에 수납할 수 있게 구성될 수 있다. 또한, 온도 저감 터널부(310)를 외곽 프레임(330)의 내부에 수납한 후에는 메쉬망(320)을 상기 외곽 프레임(330)의 한쪽 개방부의 하단에 마련된 걸림쇠(335)에 메쉬망(320)의 하단에 마련된 걸림공(334)을 걸어 잠그는 형태가 되게 외곽 프레임(330)과 메쉬망(320)이 구성될 수 있다. 이 경우, 볼팅, 용접, 접착하는 방식에 비해 메쉬망(320)을 외곽 프레임(330)에 조립 공정이 간단함으로 사후적으로 온도 저감 터널부(310) 또는 메쉬망(320)을 교체 또는 정비할 필요가 있을 때 리웍 작업이 수월해질 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩(30)의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩(30)은, 전술한 실시예의 배터리 팩(10)과 비교할 때, 가스 벤팅 경로가 팩 케이스(200) 내부에서 양쪽 사이드 가장자리에 형성된 것과 화염 방지 벤팅유닛(300A)들이 각 가스 벤팅 경로에 배치된 구성을 포함한다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 경우, 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 발생시 상기 벤팅 가스가 배터리 모듈(100)의 전방(-Y축방향)과 후방(+Y축방향)으로 새어나와 팩 케이스(200)의 양쪽 사이드 가장자리를 따라 이동할 수 있게 구성되어 있어 벤팅 가스의 외부 배출이 전술한 실시예에 비해 더 신속하게 진행될 수 있다. 그러므로 본 실시예에 따른 배터리 팩(30)은 내부 발화가 심화되는 것을 억제하는데 효과적일 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 큰 에너지 용량을 갖기 위해, 본 발명에 따른 배터리 팩이 서로 전기적으로 연결된 형태로 다수 포함되도록 할 수 있다. 이 밖에도, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 에너지 저장 시스템의 다른 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 이러한 에너지 저장 시스템은, 스마트 그리드 시스템이나 전기 충전 스테이션 등 다양한 장소나 장치에 사용될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 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. 적어도 하나의 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스; 및
    상기 배터리 모듈에서 발생한 가스가 상기 팩 케이스의 외부로 나가도록 유도하기 위해 마련된 가스 벤팅 경로에 배치되는 발화방지 벤팅유닛을 포함하며,
    상기 발화방지 벤팅유닛은,
    다공성의 금속으로 형성된 온도 저감 터널부; 및 상기 온도 저감 터널부의 입구 및 출구 중 적어도 한 곳을 커버하는 메쉬망을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬망은 상기 온도 저감 터널부의 입구와 출구를 각각 커버하는 입구 메쉬망과 출구 메쉬망을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 저감 터널부는,
    격자 구조로 연장 형성된 복수 개의 가스 이동통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메쉬망은 구멍 사이즈가 각 상기 가스 이동통로의 단면 사이즈보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    각 상기 가스 이동통로는 복수 개의 판막들을 구비하며,
    상기 복수 개의 판막들은
    각각 상기 가스 이동통로의 천정면에서 사선으로 연장 형성되고 서로 이격 배치된 상부 판막들과, 상기 상부 판막들과 교번적으로 배치되고 각각 상기 가스 이동통로의 바닥면에서 사선으로 연장 형성된 하부 판막들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발화방지 벤팅유닛은,
    상기 팩 케이스의 벽면에 구비되고 상기 가스 벤팅 경로의 출구를 형성하는 케이스 홀에 탈부착 가능하게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발화방지 벤팅유닛은 상기 팩 케이스의 내부에서 상기 가스 벤팅 경로를 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    어느 하나의 상기 배터리 모듈과 이웃한 다른 하나의 배터리 모듈 사이에 대응하는 상기 가스 벤팅 경로 상에 상기 발화방지 벤팅유닛이 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 온도 저감 터널부가 내부에 억지 끼움될 수 있는 중공 구조로 형성된 외곽 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 외곽 프레임은 일측과 타측에 하나씩 2개의 개방부를 가지며,
    상기 메쉬망은 상기 2개의 개방부 중 한 곳에 일체로 고정 결합되고, 다른 한 곳에 회전 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 외곽 프레임은 상기 팩 케이스 내부에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈은 연속해서 배치되는 2개 이상의 배터리 모듈들이며,
    상기 배터리 모듈들 간의 열의 이동을 차단하기 위해 이웃한 상기 배터리 모듈들 사이에 개재되는 열전달 차단유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열전달 차단유닛은, 제1 단열패드, 금속 재질의 제1 열 전도성 시트, 제2 단열 패드, 금속 재질의 제2 열 전도성 시트, 제3 단열 패드 순으로 일방향으로 적층된 구조로 형성되고,
    상기 제1 열 전도성 시트와 상기 제2 열 전도성 시트는 상기 팩 케이스의 상면과 면 접촉하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템.
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