WO2022265460A1 - 개선된 벤팅 성능을 갖는 배터리 모듈 - Google Patents

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WO2022265460A1
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venting
battery module
channel
fire extinguishing
extinguishing member
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이정훈
성준엽
정혜미
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more particularly, to a battery module with improved safety due to improved venting performance when gas is generated inside the battery module, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator therebetween, and an exterior material that seals and houses the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • lithium secondary batteries can be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of an exterior material.
  • secondary batteries have been widely used for driving or energy storage not only in small devices such as portable electronic devices, but also in medium and large-sized devices such as electric vehicles and energy storage systems (ESSs).
  • a plurality of these secondary batteries may constitute one battery module in a form in which a plurality of them are stored together in a module case in a state in which they are electrically connected.
  • a plurality of battery cells may exist in a dense state in a narrow space to increase energy density inside the battery module.
  • venting gas discharged from the battery module is often of a high temperature, and the venting gas often contains substances that may be sources of ignition, such as sparks. If the venting gas is not properly controlled and discharged as it is, another problem may occur. For example, high-temperature venting gas may cause damage such as burns to a battery user, for example, a driver or occupant of a car, or a bystander. In particular, since the venting gas can be discharged very quickly, the user may not have sufficient time to evacuate. In addition, when a high-temperature spark is discharged from the venting gas, there is a risk of causing a fire by combining with oxygen outside the battery module. Furthermore, a fire outside the battery module may lead to a fire in the battery module as well as a device in which the battery module is mounted, such as a vehicle, and may cause great personal injury and property damage.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and provides a battery module configured to improve safety by appropriately controlling the venting of gas generated inside the battery module, a battery pack including the same, and a vehicle. intended to provide
  • a battery module for achieving the above object includes a cell assembly including one or more battery cells; a module case accommodating the cell assembly in an internal space and having a venting hole through which venting gas generated from the cell assembly can be discharged; and a venting unit provided outside the module case, having a venting channel formed of one or more layers, and configured to allow the venting gas discharged from the venting hole to flow into the venting channel and move in an internal space.
  • the venting unit may have an inlet formed on an inner surface to communicate with a venting hole of the module case, and an outlet may be formed on a portion other than the inner surface.
  • venting unit may have a multi-layered structure.
  • the battery module according to the present invention may further include a fire extinguishing member configured to generate carbon dioxide through a thermal decomposition reaction.
  • the extinguishing member may be configured to generate water together with the carbon dioxide through a thermal decomposition reaction.
  • the fire extinguishing member may be located inside the module case.
  • the fire extinguishing member may be located inside the venting unit.
  • the fire extinguishing member may be located on an upper surface of the venting channel.
  • venting unit may be configured in a form in which an inclined surface is formed in the venting channel.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • a vehicle according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • venting when gas is generated inside the battery module, venting can be appropriately controlled.
  • gas venting of the battery module can be effectively controlled without significantly changing the internal configuration of the battery module.
  • the fire spread rate can be delayed.
  • the temperature of the high-temperature venting gas or the material discharged with it can be lowered.
  • a battery module with improved safety and an application device thereof can be provided.
  • the battery module according to the present invention when the battery module according to the present invention is applied to a vehicle, the occupant's safety can be ensured more effectively.
  • 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 an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a combined perspective view of the configuration of Figure 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of the configuration of the venting unit shown in FIG. 1 viewed from the bottom.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration along line A1-A1' in FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS 10 and 11 are cross-sectional views schematically showing configurations of battery modules according to still other embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically illustrating a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the configuration of FIG. 1 .
  • the battery module according to the present invention includes a cell assembly 100 , a module case 200 and a venting unit 300 .
  • the cell assembly 100 may include one or more battery cells 110 .
  • each battery cell 110 may mean a secondary battery.
  • a secondary battery may include an electrode assembly, an electrolyte, and a battery case.
  • the battery cell 110 included in the cell assembly 100 may be a pouch type secondary battery.
  • other types of secondary batteries such as cylindrical batteries or prismatic batteries, may also be employed in the cell assembly 100 of the present invention.
  • the plurality of secondary batteries 110 may form the cell assembly 100 in a stacked form.
  • a plurality of secondary batteries 110 are stacked in a state in which each is erected in a vertical direction (z-axis direction in the drawing) and arranged in a horizontal direction (y-axis direction in the drawing).
  • Each battery cell 110 may have an electrode lead, and the electrode lead may be located at both ends or at one end of each battery cell 110 .
  • a secondary battery with electrode leads protruding in both directions is referred to as a bidirectional cell, and a secondary battery with electrode leads protruding in one direction is referred to as a unidirectional cell.
  • the present invention is not limited by the specific type or form of the secondary battery, and various types of secondary batteries known at the time of filing of the present invention may be employed in the cell assembly 100 of the present invention.
  • the module case 200 may have an empty space formed therein so as to accommodate the cell assembly 100 in the inner space. Furthermore, as shown in FIG. 1 , the module case 200 may have a venting hole 201 formed therein. When venting gas is generated from the cell assembly 100 accommodated in the internal space, the venting hole 201 may be configured to discharge the generated venting gas to an external space of the module case 200 .
  • the venting hole 201 is illustrated as being elongated in one direction, but the present invention is not necessarily limited to the shape of the venting hole 201 .
  • the venting hole 201 is shown in a completely open form in FIG.
  • the venting hole 201 is not completely open, and is closed in a normal state, but can be opened according to changes in pressure or temperature. may be configured. That is, the configuration of the venting hole 201 may be configured in various forms other than the configuration shown in FIG. 1 .
  • the venting unit 300 may be provided on at least one side of the module case 200 so that the venting gas is movable.
  • the venting unit 300 may be provided outside the module case 200 .
  • the venting unit 300 may be configured to be attached to at least a portion of the module case 200 where the venting hole 201 is formed.
  • venting unit 300 may be configured in a form in which a venting channel is formed of one or more layers. That is, the venting unit 300 may be configured such that the venting gas discharged from the venting hole 201 flows into the internal space and is movable in the internal space.
  • the venting unit 300 can provide a space for preparing structures or components effective for controlling gas or fire.
  • the venting unit 300 may be configured such that the venting gas discharged from the venting hole 201 of the module case 200 flows into the inside, flows through the venting channel, and then discharges to the outside. A more specific configuration of the venting unit 300 will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4 .
  • FIG. 3 is a perspective view of the configuration of the venting unit 300 shown in FIG. 1 viewed from the bottom
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration along line A1-A1′ in FIG. 2 .
  • the venting unit 300 may have an inlet 301 and an outlet 302 formed therein.
  • the inlet 301 may be formed on an inner surface, and the inner surface may be referred to as a surface in a direction from the venting unit 300 toward the module case 200, that is, a surface facing the module case 200.
  • the venting unit 300 may be configured in a form in which a lower surface is attached to the module case 200, and in this case, the inlet 301 is of the venting unit 300. may be formed on the lower surface.
  • the inlet 301 of the venting unit 300 may communicate with the venting hole 201 of the module case 200 .
  • the inlet 301 on the lower surface of the venting unit 300 may be formed at a position corresponding to the portion where the venting hole 201 is formed on the upper surface of the module case 200 . Accordingly, the venting hole 201 and the inlet 301 communicate with each other, and the venting gas discharged from the venting hole 201 may flow into the venting unit 300 through the inlet 301 .
  • the venting unit 300 may be configured such that the outlet 302 is formed in a portion where the inlet 301 is not formed.
  • the outlet 302 may be formed on a surface other than the lower surface of the venting unit 300 .
  • the outlet 302 may be formed on a side of the venting unit 300 .
  • the venting gas flowing inside the venting unit 300 when the venting gas flowing inside the venting unit 300 is discharged from the venting unit 300, it can be prevented from being discharged toward the cell assembly 100. Therefore, it is possible to prevent the temperature of the cell assembly 100 from being increased due to the venting gas.
  • the inlet 301 and the outlet 302 by locating the inlet 301 and the outlet 302 at different parts of the venting unit 300, the length of the venting channel V inside the venting unit 300 is increased. Configuration can be easily implemented. Accordingly, in this case, the temperature of the venting gas may be lowered more while passing through the venting channel V.
  • the venting unit 300 when the inlet 301 is located at the bottom, the venting unit 300 is configured so that the outlet 302 is located on the side rather than the top. can
  • the battery module is mounted on a vehicle, since the battery module is often disposed under the vehicle, a passenger may be located on the upper side of the battery module. Therefore, as in the above embodiment, when the outlet 302 is located on the side of the venting unit 300, it is possible to prevent high-temperature venting gas from being discharged toward the occupant.
  • a configuration in which the flow direction of the venting gas is bent at least once or more within the venting unit 300 can be more easily achieved only by the positions of the inlet 301 and the outlet 302 .
  • the inner direction may mean a direction toward the center of the battery module, and the outer direction may mean the opposite direction.
  • the venting unit 300 may have a multi-layered structure. That is, the venting unit 300 may be configured such that the venting channel V has two or more layers. For example, as shown in FIG. 4 , the venting unit 300 may have a two-layer structure. In this case, the venting unit 300 may include an inner channel V1 located relatively inside and an outer channel V2 located relatively outside. Moreover, as shown in the drawing, when the venting unit 300 is positioned above the module case 200, the inner channel V1 may be positioned below the outer channel V2. In addition, in the internal space of the venting unit 300, as indicated by W in FIG. can be provided. At this time, a connection hole 303 may be formed on at least one side of the barrier rib (W).
  • W barrier rib
  • Venting channels V (inner layer channel V1 and outer layer channel V2) of different layers may communicate with each other through the connection hole 303 .
  • the venting gas introduced into one venting channel V may flow to another venting channel V through the connection hole 303 .
  • the inlet 301 and the outlet 302 may be configured to be formed in different venting channels (V).
  • V venting channels
  • the inlet 301 may be formed in the inner channel V1 and the outlet 302 may be formed in the outer channel V2. More specifically, the inlet 301 may be formed below the inner channel V1, and the outlet 302 may be formed on the side of the outer channel V2.
  • the discharged venting gas when the venting gas is discharged from the cell assembly 100 inside the module case 200, the discharged venting gas may flow as indicated by an arrow in the drawing. That is, the venting gas may flow from the cell assembly 100 to the inner channel V1 of the venting unit 300 through the venting hole 201 and the inlet 301 in the inner space of the module case 200 .
  • the venting gas may flow along the inner channel V1 of the venting unit 300 and then flow into the outer channel V2 of the venting unit 300 through the connection hole 303 .
  • the venting gas may flow along the outer channel V2 of the venting unit 300 and then be discharged to the outside of the venting unit 300 through the outlet 302 of the outer channel V2.
  • the flow path of the venting gas can be remarkably extended through the plurality of venting channels V provided in the venting unit 300 . Accordingly, an effect of allowing the temperature of the venting gas to drop while flowing along the venting channel V may be obtained.
  • the venting unit 300 may be configured such that the flow direction of the venting gas therein is bent at least once.
  • the venting unit 300 may be configured such that the flow directions of the venting gas flowing through the different venting channels V are opposite to each other. For example, in the exemplary configuration of FIG.
  • the venting unit 300 flows in the right direction (+x-axis direction in the drawing) in the inner channel V1 and the venting gas flows in the left side in the outer channel V2. direction (-x axis direction in the drawing).
  • the venting gas includes sparks in the form of particles
  • discharge of the sparks from the inside of the venting unit 300 to the outside can be suppressed due to the linearity of the sparks. Accordingly, it is possible to more effectively prevent a fire from occurring due to such a spark.
  • the battery module according to an embodiment of the present invention may further include an extinguishing member 400 .
  • the extinguishing member 400 may be configured to generate carbon dioxide through a thermal decomposition reaction.
  • the fire extinguishing member 400 may include a predetermined material that is decomposed into two or more different materials, that is, an extinguishing material, when heat of a certain level or higher is applied.
  • the fire extinguishing material provided in the fire extinguishing member 400 may be a material that generates at least carbon dioxide due to thermal decomposition.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured to generate carbon dioxide by causing a thermal decomposition reaction by the venting gas or spark when the venting gas is discharged from the cell assembly 100 or a spark is ejected.
  • the extinguishing member 400 may be configured to generate water together with carbon dioxide through a pyrolysis reaction. That is, the fire extinguishing member 400 is provided with an extinguishing material that discharges carbon dioxide and water by causing a thermal decomposition reaction due to heat supplied by the gas or spark when a high-temperature venting gas or spark is discharged from the cell assembly 100. It can be configured in the form of
  • the extinguishing member 400 may include potassium bicarbonate or sodium bicarbonate as an extinguishing material.
  • carbon dioxide and water can be produced through the following thermal decomposition reaction.
  • potassium bicarbonate when potassium bicarbonate is included in the fire extinguishing member 400, potassium bicarbonate absorbs heat (Q) to generate water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) together with K 2 CO 3 . there is.
  • the fire extinguishing member 400 may be composed of only the fire extinguishing material or may further include other components in addition to the fire extinguishing material.
  • the fire extinguishing member 400 may be composed of only potassium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate.
  • the fire extinguishing member 400 may further include a support for supporting or holding the fire extinguishing substance at a specific location in addition to the fire extinguishing substance such as potassium bicarbonate or sodium bicarbonate.
  • the fire extinguishing member 400 may have a mesh-shaped support.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured in a form in which the fire extinguishing material is supported in an upward direction by a mesh-shaped support part.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured to be located inside the module case 200 .
  • the fire extinguishing member 400 may be provided in a form attached to an upper inner surface of the module case 200 .
  • the fire extinguishing member 400 may be configured in a plate shape.
  • the fire extinguishing member 400 may be formed in a rectangular plate shape in which potassium bicarbonate powder is compressed.
  • the space occupied by the fire extinguishing member 400 in the internal space of the module case 200 can be minimized. Therefore, even if the fire extinguishing member 400 is located inside the module case 200, it is possible to prevent the energy density of the battery module from being lowered.
  • the cell assembly 100 may be configured in a form in which a plurality of pouch-type batteries are arranged in a horizontal direction in an erect form.
  • the plate-shaped fire extinguishing member 400 exists in the form attached to the upper inner surface of the module case 200, even if gas or sparks are ejected from any pouch-type battery, it absorbs heat and supplies carbon dioxide and water vapor, The fire suppression effect can be achieved quickly and reliably.
  • the contact area with respect to the plate-shaped fire extinguishing member 400 is maximized, so that the thermal decomposition reaction with respect to the fire extinguishing member 400 can occur reliably.
  • the fire extinguishing member 400 is located on the inner upper surface of the module case 200, but may be provided in a portion where the venting hole 201 is not located. In this case, the gas generated from the cell assembly 100 may more quickly flow out toward the venting hole 201 . In particular, since carbon dioxide and water can be generated by the fire extinguishing member 400 in a portion where the venting hole 201 is not formed, the venting gas of the cell assembly 100 can more smoothly move toward the venting hole 201. .
  • the module case 200 can be prevented from being damaged by high-temperature gas or sparks ejected upward from the cell assembly 100 by the extinguishing member 400 .
  • the module case 200 may be made of a material such as plastic. In this case, the fire extinguishing member 400 may prevent the module case 200 from being melted or damaged by high-temperature venting gas or sparks.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured to be located inside the venting unit 300 . This will be described in more detail with reference to FIG. 5 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 can be regarded as a modified example of the configuration of FIG. 4 .
  • a description is given mainly of parts that are different from the previous embodiment, and detailed descriptions of parts to which the parts described with respect to the previous embodiment can be applied identically or similarly are omitted.
  • the fire extinguishing member 400 may be provided in an inner space of the venting unit 300, particularly in the venting channel V.
  • the venting unit 300 may include a plurality of venting channels V, and the fire extinguishing member 400 may be located in at least some of the venting channels V.
  • the fire extinguishing member 400 includes at least one of them. It may be provided in a channel, such as an inner layer channel (V1).
  • the structure of the module case 200 itself or its internal configuration for accommodating the cell assembly 100, such as the cell assembly 100 does not need to change significantly when compared to the conventional configuration. Therefore, in order to configure the battery module according to the embodiment, it is not necessary to change the design of the module case 200 or its internal configuration. Therefore, in this case, since the present invention can be implemented in the form of attaching the venting unit 300 to the outside of the conventional battery module, the compatibility of the present invention can be improved. In addition, according to the embodiment, even if water is generated by the fire extinguishing member 400, the generated water may not directly contact the cell assembly 100. Therefore, troubles caused by contact with water, such as explosion, electric leakage, electric shock or the like, can be prevented.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured to be located on the upper surface of the venting channel (V).
  • the fire extinguishing member 400 as shown in FIG. 5, may be located on the upper surface of the inner layer channel V1.
  • a partition wall (W) may be present between the inner channel (V1) and the outer channel (V2), and the fire extinguishing member 400 may be attached to the lower surface of the partition wall (W).
  • the fire extinguishing member 400 may be configured in a plate shape.
  • the generated carbon dioxide is directed toward the venting channel (V).
  • the venting channel (V) can fall
  • carbon dioxide it descends into the inner space of the venting channel (V) and fills the inner space of the venting channel (V), and as a result, oxygen flows into the venting channel (V) or high-temperature active material or sparks pass as it is. It can effectively block the discharge to the outside.
  • the temperature of the venting gas and the inner space of the venting channel V may be lowered, and the temperature of flame or spark may be lowered.
  • water is present in the form of vapor due to high temperature, it fills the inner space of the venting channel V, thereby blocking the inflow of oxygen. Therefore, according to this implementation configuration of the present invention, occurrence or spread of fire can be effectively prevented.
  • the fire extinguishing member 400 may be located on the upper surface of the inlet 301, as indicated by A2 in FIG. 5 .
  • the thermal decomposition reaction of the fire extinguishing member 400 can occur more quickly.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 can be regarded as another modified example of the configuration of FIG. 4 .
  • the description will focus on the differences from the previous embodiment.
  • the venting unit 300 is seated on the upper surface of the module case 200 and may include an inner channel V1 and an outer channel V2.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured in a plate shape and attached to upper surfaces of the inner channel V1 and the outer channel V2 of the venting unit 300, respectively.
  • the venting unit 300 may be configured in a form in which an inclined surface is formed in the venting channel (V). That is, referring to the bar shown in FIG. 6 , the venting unit 300 may be configured such that an inclined configuration is included in each of the inner channel V1 and the outer channel V2 ( S1 and S2 ).
  • the venting unit 300 may have an inclined surface in which a height of at least a portion of the venting channel V gradually decreases from the outlet 302 toward the inlet 301 .
  • an inclined surface of the venting unit 300 may be formed on the surface of the venting channel V positioned below the fire extinguishing member 400 .
  • the fire extinguishing member 400 is attached to the upper surface of the outer channel V2, and the lower surface of the outer channel V2 faces the lower surface of the fire extinguishing member 400 in the direction of the inlet 301.
  • the inclined surface S2 may be formed in a form in which the height gradually decreases as it goes toward (the +x-axis direction of FIG. 6).
  • the fire extinguishing member 400 is attached to the upper surface of the inner channel V1, and the lower surface of the inner channel V1 faces the lower surface of the fire extinguishing member 400 in the direction of the inlet 301 (Fig.
  • the inclined surface S1 may be formed in a form in which the height gradually decreases toward the -x-axis direction of Fig. 6).
  • carbon dioxide generated by the fire extinguishing member 400 inside the venting unit 300 may be moved toward the inlet 301 . That is, carbon dioxide and the like generated by the fire extinguishing member 400, as indicated by arrows in FIG. 6, will move from the top to the bottom of each channel and flow in the direction of the inlet 301 along the inclined surfaces S1 and S2. can Also, carbon dioxide or the like moved toward the inlet 301 of the venting unit 300 may flow into the inner space of the module case 200 . Therefore, according to the embodiment, since carbon dioxide can flow into the inner space of the module case 200, the effect of preventing fire or suppressing fire in the inner space of the module case 200 can be more easily achieved. Moreover, in order to achieve this effect more reliably, it is preferable that an inclined surface is formed on at least the channel of the layer in which the inlet 301 is formed, that is, the inner layer channel V1, among the plurality of venting channels V.
  • the venting gas may be directed to the fire extinguishing member 400 positioned on the upper surface of the venting channel V by the inclined surface of the venting channel V. Therefore, by reliably supplying heat to the fire extinguishing member 400, the thermal decomposition reaction of the fire extinguishing member 400 may occur more quickly.
  • the venting unit 300 may include a blocking protrusion, as indicated by P1 in FIG. 6 .
  • the blocking protrusion P1 may be positioned on the lower surface of the venting channel V and protruded upward.
  • the blocking protrusion P1 may be formed around the inlet 301 .
  • the blocking protrusion P1 may be configured to prevent water generated by the fire extinguishing member 400 from flowing into the module case 200 through the inlet 301 .
  • the blocking protrusion P1 may prevent such water from entering the module case 200 . Therefore, according to this configuration, it is possible to prevent additional problems such as explosion, electric leakage, or short circuit caused by the inflow of water into the module case 200 .
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 can be regarded as another modified example of the configuration of FIG. 4 .
  • the description will focus on the differences from the previous embodiments.
  • the fire extinguishing member 400 may be provided in a portion where a connection hole 303 is formed in an internal space of the venting unit 300 . That is, when the venting unit 300 includes a plurality of venting channels V, the fire extinguishing member 400 may be provided at a portion connecting the plurality of venting channels V. More specifically, when the venting channel V is provided with an inner channel V1 and an outer channel V2 and a connection hole 303 connecting the inner channel V1 and the outer channel V2 is formed, the fire extinguishing member 400 may be attached to the inner surface of the portion where the connection hole 303 between the inner channel V1 and the outer channel V2 is located. For example, in the configuration of FIG.
  • the connection hole 303 is located at the right end of the inner channel V1 and the outer channel V2, and in this case, the fire extinguishing member 400 is the inner channel where the connection hole 303 is located. (V1) and the right end of the outer layer channel (V2).
  • the fire extinguishing member 400 may be configured to surround the top, bottom, and side portions of the connection hole 303 . That is, the fire extinguishing member 400 may be configured to be attached to and cover the upper, side and lower surfaces of the venting channel V at the connection hole 303.
  • the portion where the connection hole 303 is located is a point where the direction of the venting gas is changed, and may be a section where the venting gas stays or accumulates for a certain period of time. Accordingly, heat may accumulate in the portion of the connection hole 303, but according to the embodiment, this heat may be more quickly removed by the fire extinguishing member 400 located at the corresponding point.
  • the portion where the connection hole 303 is located may be a portion directly in contact with high-temperature venting gas or spark, and the venting unit 300 may be damaged when heat is accumulated.
  • the fire extinguishing member 400 since the fire extinguishing member 400 is located at this point, it is possible to effectively prevent high-temperature venting gas or high-temperature spark from damaging the case of the venting unit 300 .
  • the case of the venting unit 300 may be made of a material such as plastic to ensure ease of molding, insulation, and light weight. At this time, if heat is concentrated on the connection hole 303 portion of the venting unit 300, there is a possibility that the corresponding portion may be partially melted or damaged. or damage can be prevented.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 can be regarded as another modified example of the configuration of FIG. 4 .
  • the description will focus on the differences from the previous embodiments.
  • the venting unit 300 may be configured such that the extinguishing member 400 is provided on the upper surface of the venting channel V and the lower surface of the venting channel V is inclined.
  • the lower surface of the venting channel V may be configured to be inclined in a form in which the height decreases toward the direction in which the connection hole 303 is formed.
  • inclined surfaces S1' and S2' may be formed on the bottom surface of the inner channel V1 and the bottom surface of the outer channel V2, respectively. In this case, two inclined surfaces are formed.
  • (S1', S2') may be configured in a form in which the height decreases in a direction toward the connection hole 303 (+x-axis direction in the drawing).
  • the inner channel V1 has an inclined surface so that the height decreases in the direction toward the outlet 302
  • the outer channel V2 has an inclined surface so that the height decreases in the direction toward the inlet 301.
  • the fire extinguishing member 400 may be provided on the upper surface of each inclined surface, that is, on the upper surface of each venting channel V.
  • the generated carbon dioxide or water may be configured to move toward the connection hole 303. That is, according to the embodiment of FIG. 8, the carbon dioxide or water generated on the upper surface of the inner channel V1 and the carbon dioxide or water generated on the upper surface of the outer channel V2 are, as indicated by arrows, the connection hole ( 303) can be moved to the right. At this time, venting gas, sparks, heat, etc. may stay or accumulate on the connection hole 303 side. Alternatively, the heat may be removed or reduced. Therefore, in this case, occurrence or spread of fire can be suppressed, and the venting unit 300 can be protected. Also, in this case, it is possible to prevent water from moving toward the connection hole 303 and moving into the module case 200 .
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 can be regarded as another modified example of the configuration of FIG. 4 .
  • the description will focus on the differences from the previous embodiments.
  • the venting unit 300 may be configured in a form in which a downwardly concave groove is formed on the bottom surface of the venting channel V. More specifically, in the embodiment of FIG. 9, the venting unit 300 has a groove G1 formed on the lower surface of the inner channel V1 in a state where the fire extinguishing member 400 is located on the upper surface of the inner channel V1. can be made into a shape.
  • the water supplied by the fire extinguishing member 400 is held in the groove G1, so that water can be blocked from entering the module case 200.
  • the frictional force between the venting gas and the venting unit 300 is increased by the groove G1 formed on the inner surface of the venting channel V, thereby preventing the movement of sparks or particles. you can also get
  • FIGS. 10 and 11 are cross-sectional views schematically showing configurations of battery modules according to still other embodiments of the present invention.
  • the present embodiments will also be mainly described in terms of differences from the previous embodiments.
  • the venting unit 300 may have three or more venting channels V.
  • the venting unit 300 includes an inner channel V1 located at the bottom, an outer channel V2 located at the top, and an inner channel V1 and an outer channel V2. It may be provided with a central channel (V3) located between.
  • the venting unit 300 may have a plurality of connection holes 303 formed therein. That is, connection holes 303 may be formed as passages connecting the channels between the inner channel V1 and the center channel V3 and between the center channel V3 and the outer channel V2. In this configuration, when the venting gas is ejected from the cell assembly 100 , the venting gas may move inside the venting unit 300 as indicated by arrows.
  • adjacent venting channels V may be configured such that venting directions are opposite to each other.
  • the venting direction of the inner channel V1 may be in the right direction and the venting direction of the center channel V3 may be in the left direction.
  • the venting direction of the outer layer channel V2 may be formed in the right direction again.
  • the inlet 301 of the venting unit 300 may be formed at a left end, and the outlet 302 of the venting unit 300 may be formed at a right end.
  • a plurality of inlets 301 and/or outlets 302 of the venting unit 300 may be formed.
  • the inlet 301 of the venting unit 300 corresponds to the position of the venting hole 201 of the module case 200, and the left end of the venting unit 300 and It may be formed on the right end, respectively.
  • the connection hole 303 between the inner layer channel V1 and the center channel V3 is formed in the central portion, and the connection hole 303 between the center channel V3 and the outer layer channel V2 is formed at the left end and the right side. It may be formed at each end.
  • the outlet 302 of the venting unit 300 formed in the outer channel V2 may be formed at a central portion in the left-right direction (x-axis direction).
  • venting control effect can be further increased by forming the venting channels V of several layers in different shapes. For example, as shown in FIGS. 10 and 11, the fire extinguishing member 400 is more stably disposed inside the venting unit 300 by positioning the fire extinguishing member 400 only in the central channel V3, and the fire extinguishing member 400 is more stable.
  • the protection effect of the venting unit 300 by the member 400 can be further enhanced.
  • various configurations inside the channel of another layer where the fire extinguishing member 400 is not located such as the inner channel V1 or the outer channel V2
  • the gas venting performance is at least a certain level. It is possible to stably achieve effects such as prevention of fire occurrence or fire spread while securing.
  • a slope as shown in FIG. 6 or 8 or a groove as shown in FIG. 9 may be formed on the lower surface of the inner channel (V1).
  • the venting hole 201 is formed on the upper surface of the module case 200, and the venting unit 300 is shown attached to the upper surface of the module case 200, but the present invention It is not necessarily limited to this form.
  • the venting hole 201 is formed on the side surface or lower surface of the module case 200, and the venting unit 300 is formed on the surface where the venting hole 201 is formed, that is, the side surface or lower surface of the module case 200. It can be configured in an attached form.
  • venting unit 300 may be coupled to the module case 200 in various forms.
  • the venting unit 300 may be attached to the upper surface of the module case 200 by an adhesive.
  • the venting unit 300 may be fastened and fixed to the outer surface of the module case 200 by laser welding or the like.
  • a battery pack according to the present invention may include one or more battery modules according to the present invention described above.
  • the battery pack according to the present invention includes various other components other than the battery module, such as components of the battery pack known at the time of filing of the present invention, such as BMS, bus bars, pack cases, relays, and current sensors. can include more.
  • the battery module according to the present invention can be applied to vehicles such as electric vehicles or hybrid vehicles. That is, the vehicle according to the present invention may include the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention. In addition, the vehicle according to the present invention may further include various other components included in the vehicle in addition to the battery module or the battery pack. For example, a vehicle according to the present invention may further include a control device such as a vehicle body, a motor, and an electronic control unit (ECU), in addition to the battery module according to the present invention.
  • a control device such as a vehicle body, a motor, and an electronic control unit (ECU), in addition to the battery module according to the present invention.
  • ECU electronice control unit
  • V1 inner layer channel
  • V2 outer layer channel
  • V3 center channel

Abstract

본 발명은 배터리 모듈 내부에서 발생된 가스의 벤팅을 적절하게 제어함으로써 안전성이 향상될 수 있도록 구성된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 벤팅 채널이 하나 이상의 층으로 형성되며 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 상기 벤팅 채널로 유입되어 내부 공간에서 이동 가능하도록 구성된 벤팅 유닛을 포함한다.

Description

개선된 벤팅 성능을 갖는 배터리 모듈
본 출원은 2021년 6월 17일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0078996호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 모듈 내부에서 가스 발생 시, 개선된 벤팅 성능으로 안전성이 향상된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등에 관한 것이다.
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 있는데, 이 중에서 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.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 이차 전지는 다수가 전기적으로 연결된 상태에서 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 형태로, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 이때, 배터리 모듈 내부에는 에너지 밀도를 높이기 위해 좁은 공간에 다수의 배터리 셀(이차 전지)이 밀집된 상태로 존재할 수 있다.
그런데, 이와 같이 다수의 배터리 셀(이차 전지)이 좁은 공간에 밀집된 상태로 존재하는 경우, 화재나 폭발 등의 사고에 취약할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 배터리 셀에서 열폭주(thermal runaway) 등과 같은 이벤트가 발생하는 경우, 배터리 셀로부터 고온의 벤팅 가스가 배출될 수 있다. 만일, 이러한 벤팅 가스를 배터리 모듈 외부로 적절하게 배출하지 못하면, 배터리 모듈 내부에 구비된 다른 배터리 셀로 전파(propagation)되어 연쇄 반응이 일어날 수 있다. 또한, 이 경우, 배터리 모듈 내부의 압력이 커지게 되어, 폭발의 가능성이 있다. 배터리 모듈이 폭발하게 되면, 폭발 압력으로 인해 주변의 장치나 사용자에게 큰 피해를 입힐 수 있을뿐 아니라, 피해 범위와 속도가 더욱 증대될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 내부에서 벤팅 가스가 발생하는 경우, 벤팅 가스는 외부로 적절하게 배출되는 것이 좋다.
그러나, 배터리 모듈로부터 배출되는 벤팅 가스는 고온인 경우가 많고, 벤팅 가스 내부에는 스파크 등 발화원이 될만한 물질이 포함되는 경우가 많다. 만일, 벤팅 가스를 적절하게 제어하지 못하고 그대로 배출하는 경우, 또다른 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 고온의 벤팅 가스로 인해 배터리 사용자, 이를테면 자동차 운전자나 탑승자, 또는 주변인에게 화상과 같은 피해를 입힐 수 있다. 특히, 벤팅 가스는, 매우 빠르게 배출될 수 있기 때문에, 사용자가 대피할 수 있는 충분한 시간을 확보하지 못하게 될 수 있다. 또한, 벤팅 가스에서 고온의 스파크가 배출되는 경우, 배터리 모듈 외부의 산소와 결합하여 화재를 일으킬 우려가 있다. 더욱이, 배터리 모듈 외부에서의 화재는, 배터리 모듈은 물론이고, 배터리 모듈이 탑재된 장치, 이를테면 자동차의 화재로까지 나아가게 되어, 큰 인명 피해 및 재산 피해를 가져올 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에서 발생된 가스의 벤팅을 적절하게 제어함으로써 안전성이 향상될 수 있도록 구성된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 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 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 벤팅 채널이 하나 이상의 층으로 형성되며 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 상기 벤팅 채널로 유입되어 내부 공간에서 이동 가능하도록 구성된 벤팅 유닛을 포함한다.
여기서, 상기 벤팅 유닛은, 내측면에 유입구가 형성되어 상기 모듈 케이스의 벤팅 홀과 연통되고, 상기 내측면 이외의 부분에 유출구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛은, 다층 구조로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 열분해 반응을 통해 이산화탄소를 발생시키도록 구성된 소화 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 소화 부재는, 열분해 반응을 통해 상기 이산화탄소와 함께 물을 발생시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 소화 부재는, 상기 모듈 케이스의 내부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 소화 부재는, 상기 벤팅 유닛의 내부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 소화 부재는, 상기 벤팅 채널의 상부 표면에 위치할 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛은, 상기 벤팅 채널에 경사면이 형성된 형태로 구성될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 가스 발생 시, 벤팅이 적절하게 제어될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 내부 구성을 크게 변경하지 않더라도, 배터리 모듈의 가스 벤팅을 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈에서 발생한 가스로 인해 화재가 발생하는 것을 효과적으로 억제하거나, 화재가 발생하더라도 신속하게 진압되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 화재 확산 속도를 지연시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 고온의 벤팅 가스나 그와 함께 배출되는 물질의 온도를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부로 산소가 유입되는 것을 차단하거나 억제할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 경우, 안전성이 향상된 배터리 모듈과 그 응용 장치가 제공될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 자동차에 적용되는 경우, 탑승자의 안전을 보다 효과적으로 보장할 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.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 2는, 도 1의 구성에 대한 결합 사시도이다.
도 3은, 도 1에 도시된 벤팅 유닛의 구성을 하부에서 바라본 형태의 사시도이다.
도 4는, 도 2의 A1-A1'선에 대한 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10 및 도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 배터리 모듈들의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
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 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 구성에 대한 결합 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 벤팅 유닛(300)을 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀(110)을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀(110)은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에 구비된 배터리 셀(110)은, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 다만, 이차 전지의 다른 형태, 이를테면 원통형 전지나 각형 전지도 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
다수의 이차 전지(110)는 서로 적층된 형태로 셀 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 다수의 이차 전지(110)는, 각각 상하 방향(도면의 z축 방향)으로 세워진 상태에서 수평 방향(도면의 y축 방향)으로 배열된 형태로 적층될 수 있다. 각각의 배터리 셀(110)은, 전극 리드를 구비할 수 있는데, 이러한 전극 리드는, 각 배터리 셀(110)의 양 단부에 위치하거나 일 단부에 위치할 수 있다. 전극 리드가 양방향으로 돌출된 이차 전지는 양방향 셀이라고 하고, 전극 리드가 일방향으로 돌출된 이차 전지는 단방향 셀이라고 할 수 있다. 본 발명은 이러한 이차 전지의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 이차 전지가 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되어 내부 공간에 셀 어셈블리(100)를 수용하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 모듈 케이스(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(201)이 형성될 수 있다. 이러한 벤팅 홀(201)은, 내부 공간에 수납된 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 생성된 경우, 생성된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 외부 공간으로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 도 1에서 벤팅 홀(201)은 일 방향으로 길게 연장된 형태로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 벤팅 홀(201)의 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 1에서 벤팅 홀(201)은 완전히 개방된 형태로 도시되어 있으나, 벤팅 홀(201)은 완전히 개방되지 않고, 정상적인 상태에서는 폐쇄되어 있다가 압력이나 온도 등의 변화에 따라 개방 가능한 형태로 구성될 수도 있다. 즉, 벤팅 홀(201)의 구성은, 도 1에 도시된 구성 이외에 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 적어도 일측에 구비되어 벤팅 가스가 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 외측에 구비될 수 있다. 더욱이, 벤팅 유닛(300)은, 적어도 모듈 케이스(200)에서 벤팅 홀(201)이 형성된 부분에 부착되는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 벤팅 유닛(300)은, 내부에 벤팅 채널이 하나 또는 그 이상의 층으로 형성된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 홀(201)로부터 배출된 벤팅 가스가 내부 공간으로 유입되어, 내부 공간에서 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 모듈 케이스(200)로부터 배출된 벤팅 가스의 경로를 제어함으로써, 고온의 벤팅 가스에 의한 사용자나 다른 장치의 피해를 제거하거나 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 일반적인 구성, 이를테면 모듈 케이스(200)나 그 내부에 구비된 셀 어셈블리(100)의 구조 등은 크게 변화시키지 않고, 외부에 벤팅 유닛(300)을 부착하는 것으로써, 벤팅 가스의 다양한 제어가 가능할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)이 가스나 화재를 제어하는데 효과적인 구조물이나 구성요소 등을 마련할 공간을 제공할 수 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(201)로부터 배출된 벤팅 가스가 내부로 유입되어 벤팅 채널에서 흐르다가 외부로 배출시키는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 벤팅 유닛(300)의 보다 구체적인 구성에 대해서는, 도 3 및 도 4를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 벤팅 유닛(300)의 구성을 하부에서 바라본 형태의 사시도이고, 도 4는 도 2의 A1-A1'선에 대한 단면 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 추가로 참조하면, 상기 벤팅 유닛(300)은 유입구(301)와 유출구(302)가 형성될 수 있다. 여기서, 유입구(301)는 내측면에 형성될 수 있는데, 내측면이란 벤팅 유닛(300)에서 모듈 케이스(200)를 향하는 방향의 표면, 즉 모듈 케이스(200)에 대면되는 표면이라 할 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 4의 실시 구성에서, 벤팅 유닛(300)은 하부 표면이 모듈 케이스(200)에 부착되는 형태로 구성될 수 있는데, 이때 유입구(301)는 벤팅 유닛(300)의 하부 표면에 형성될 수 있다. 특히, 벤팅 유닛(300)의 유입구(301)는 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(201)과 연통되도록 구성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)의 하면에서 유입구(301)는, 모듈 케이스(200)의 상면에서 벤팅 홀(201)이 형성된 부분에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 벤팅 홀(201)과 유입구(301)는 서로 연통되어, 벤팅 홀(201)로부터 배출된 벤팅 가스는, 유입구(301)를 통해 벤팅 유닛(300)의 내부로 유입될 수 있다.
그리고, 벤팅 유닛(300)은 유입구(301)가 형성되지 않은 부분에 유출구(302)가 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유입구(301)가 벤팅 유닛(300)의 하면에 형성된 경우, 유출구(302)는 벤팅 유닛(300)의 하면 이외의 표면에 형성될 수 있다. 특히, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 유출구(302)는 벤팅 유닛(300)의 측면에 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부에서 흐르는 벤팅 가스가 벤팅 유닛(300)으로부터 배출될 때, 셀 어셈블리(100)를 향하여 배출되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 벤팅 가스로 인해 셀 어셈블리(100) 측의 온도가 높아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 유입구(301)와 유출구(302)를 벤팅 유닛(300)에서 서로 다른 부분에 위치시킴으로써, 벤팅 유닛(300) 내부에서 벤팅 채널(V)의 길이를 길게 구성하는 것이 용이하게 구현될 수 있다. 따라서, 이 경우, 벤팅 채널(V)을 통과하는 동안 벤팅 가스의 온도가 보다 많이 낮아지도록 할 수 있다.
더욱이, 상기 실시 구성의 경우, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 유입구(301)가 하부에 위치할 때, 유출구(302)는 상면이 아닌 측면에 위치하도록 벤팅 유닛(300)이 구성될 수 있다. 배터리 모듈이 자동차에 장착된 경우, 배터리 모듈은 자동차의 하부에 배치되는 경우가 많기 때문에, 배터리 모듈의 상부 측에는 탑승자가 위치할 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 유출구(302)가 벤팅 유닛(300)의 측면에 위치하는 경우, 고온의 벤팅 가스가 탑승자 측으로 배출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 유입구(301)와 유출구(302)의 위치만으로 벤팅 유닛(300) 내부에서 벤팅 가스의 흐름 방향이 적어도 1회 이상 절곡되도록 하는 구성이 보다 용이하게 달성될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 특별한 설명이 없는 한, 내측 방향은 배터리 모듈의 중심을 향하는 방향을 의미하고, 외측 방향은 그 반대 방향을 의미한다고 할 수 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 다층 구조로 형성될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 채널(V)이 둘 이상의 층을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)은, 2층 구조로 구성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 유닛(300)은, 상대적으로 내측에 위치하는 내층 채널(V1)과 상대적으로 외측에 위치하는 외층 채널(V2)을 구비한다고 할 수 있다. 더욱이, 도면에 도시된 바와 같이 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 상부에 위치하는 경우, 내층 채널(V1)은 외층 채널(V2)의 하부에 위치한다고 할 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에는, 이러한 서로 다른 층의 벤팅 채널(V)(내층 채널(V1), 외층 채널(V2))을 구분하기 위해, 도 4에서 W로 표시된 바와 같이, 격벽을 구비할 수 있다. 이때, 격벽(W)의 적어도 일측에는 연결홀(303)이 형성될 수 있다. 서로 다른 층의 벤팅 채널(V)(내층 채널(V1), 외층 채널(V2))은, 이러한 연결홀(303)에 의해 서로 연통될 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 벤팅 채널(V)로 유입된 벤팅 가스는, 연결홀(303)을 통해 다른 벤팅 채널(V)로 흐를 수 있다.
이러한 구성에서, 유입구(301)와 유출구(302)는 서로 다른 벤팅 채널(V)에 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바를 참조하면, 유입구(301)는 내층 채널(V1)에 형성되고, 유출구(302)는 외층 채널(V2)에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 유입구(301)는 내층 채널(V1)의 하부에 형성되고, 유출구(302)는 외층 채널(V2)의 측부에 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부의 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 배출되는 경우, 배출된 벤팅 가스는 도면에서 화살표로 표시된 바와 같이 흐를 수 있다. 즉, 벤팅 가스는, 셀 어셈블리(100)로부터 모듈 케이스(200) 내부 공간에서 벤팅 홀(201) 및 유입구(301)를 통해 벤팅 유닛(300)의 내층 채널(V1)로 유입될 수 있다. 그리고, 벤팅 가스는 벤팅 유닛(300)의 내층 채널(V1)을 따라 흐르다가 연결홀(303)을 통해 벤팅 유닛(300)의 외층 채널(V2)로 유입될 수 있다. 그리고, 벤팅 가스는 벤팅 유닛(300)의 외층 채널(V2)을 따라 흐르다가 외층 채널(V2)의 유출구(302)를 통해 벤팅 유닛(300)의 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)에 구비된 다수의 벤팅 채널(V)을 통해 벤팅 가스의 흐름 경로를 현저하게 연장시킬 수 있다. 따라서, 벤팅 채널(V)을 따라 흐르는 동안 벤팅 가스의 온도가 떨어지도록 하는 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 벤팅 유닛(300)은, 내부의 벤팅 가스의 흐름 방향이 적어도 1회 이상 절곡되도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성과 같이, 벤팅 유닛(300)은 서로 다른 벤팅 채널(V)을 흐르는 벤팅 가스의 흐름 방향이 서로 반대 방향이 되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 실시 구성에서, 벤팅 유닛(300)은, 내층 채널(V1)에서 벤팅 가스가 우측 방향(도면의 +x축 방향)으로 흐르고, 외층 채널(V2)에서 벤팅 가스가 좌측 방향(도면의 -x축 방향)으로 흐르도록 구성될 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스에 입자 형태의 스파크 등이 포함된 경우, 스파크의 직진성으로 인해, 스파크가 벤팅 유닛(300) 내부에서 외부로 배출되는 것이 억제될 수 있다. 따라서, 이러한 스파크로 인해 화재가 발생하는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 도 4에 도시된 바와 같이, 소화 부재(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 소화 부재(400)는, 열분해 반응을 통해 이산화탄소를 발생시키도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 소화 부재(400)는, 일정 수준 이상의 열이 인가된 경우 2가지 이상의 서로 다른 물질로 분해되는 소정의 물질, 즉 소화 물질을 구비할 수 있다. 이때, 소화 부재(400)가 구비하는 소화 물질은 열분해로 인해 적어도 이산화탄소가 생성되는 재료일 수 있다. 특히, 상기 소화 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 배출되거나 스파크가 분출되는 경우, 이러한 벤팅 가스나 스파크에 의해 열분해 반응을 일으켜 이산화탄소를 생성하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)의 소정 배터리 셀(110)로부터 벤팅 가스나 스파크가 분출된 경우, 이산화탄소가 생성됨으로써, 화재 발생이 억제되거나 화재 확산이 방지될 수 있다. 특히, 이 경우, 이산화탄소의 공급으로, 산소의 유입이 저지되거나 감소될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)의 열분해 반응 과정에서 열이 흡수됨으로써, 벤팅 가스나 스파크 등의 온도를 낮출 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 이산화탄소를 발생시키고 열을 흡수하기 위해 별도의 제어나 구동 전원이 공급될 필요가 없다.
더욱이, 상기 소화 부재(400)는, 열분해 반응을 통해 이산화탄소와 함께 물을 발생시키도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 소화 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)로부터 고온의 벤팅 가스나 스파크가 배출된 경우, 가스나 스파크 등에 의해 공급된 열로 인해 열분해 반응을 일으켜 이산화탄소와 물을 배출하는 소화 물질을 구비하는 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 소화 부재(400)는, 소화 물질로서 탄산수소칼륨 또는 탄산수소나트륨을 포함할 수 있다.
대표적으로 탄산수소칼륨의 경우, 다음과 같은 열분해 반응을 통해 이산화탄소 및 물(수증기)을 생성할 수 있다.
2KHCO3 → K2CO3 + H2O + CO2 - Q
즉, 소화 부재(400)에 탄산수소칼륨이 포함된 경우, 탄산수소칼륨은 열(Q)을 흡수하여 K2CO3와 함께, 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)를 생성할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)로부터 고온의 벤팅 가스나 스파크가 배출되는 경우, 소화 부재(400)에 구비된 소화 물질로 인해 물(수증기)과 이산화탄소가 배출될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 내부로 산소가 유입되는 것을 차단함과 동시에 배터리 모듈 내부의 스파크나 화재를 신속하게 진압할 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 적어도 일부 구성요소, 이를테면 벤팅 유닛(300)이나 모듈 케이스(200), 셀 어셈블리(100)의 온도, 또는 벤팅 가스의 온도를 떨어뜨려 열폭주 현상이나 화재 확산을 보다 효과적으로 저지할 수 있다.
상기 소화 부재(400)는, 소화 물질로만 구성될 수도 있고, 소화 물질 이외에 다른 구성요소를 더 구비할 수도 있다.
예를 들어, 상기 소화 부재(400)는, 탄산수소칼륨 또는 탄산수소나트륨으로만 구성될 수 있다. 다른 예로, 상기 소화 부재(400)는, 탄산수소칼륨이나 탄산수소나트륨 등 소화 물질 이외에, 이러한 소화 물질을 특정 위치에 지지하거나 보유하기 위한 지지부를 더 구비할 수도 있다. 예를 들어, 상기 소화 부재(400)는, 메쉬 형태의 지지부를 구비할 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 소화 부재(400)는, 메쉬 형태의 지지부에 의해 소화 물질이 상부 방향으로 지지되는 형태로 구성될 수 있다.
상기 소화 부재(400)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 내부에 위치하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 소화 부재(400)는, 모듈 케이스(200)의 상부 내면에 부착된 형태로 구비될 수 있다. 이때, 소화 부재(400)는, 판상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 소화 부재(400)는, 탄산수소칼륨 분말이 압축화된 형태로 구성된 사각 판상 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 소화 부재(400)가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다. 따라서, 소화 부재(400)가 모듈 케이스(200) 내부에 위치하더라도 배터리 모듈의 에너지 밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)는, 도면에 도시된 바와 같이, 다수의 파우치형 전지가 세워진 형태로 수평 방향으로 배치된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 판상의 소화 부재(400)가 모듈 케이스(200)의 상부 내면에 부착된 형태로 존재하는 경우, 어떠한 파우치형 전지에서 가스나 스파크가 분출되더라도, 열을 흡수하고 이산화탄소 및 수증기를 공급하여, 화재를 억제하는 효과가 신속하면서도 확실하게 달성될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 판상의 소화 부재(400)에 대한 접촉 면적을 최대화하여, 소화 부재(400)에 대한 열분해 반응이 확실하게 일어나도록 할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 소화 부재(400)는 모듈 케이스(200)의 내부 상면에 위치하되, 벤팅 홀(201)이 위치하지 않은 부분에 구비될 수 있다. 이 경우, 셀 어셈블리(100)로부터 생성된 가스가 벤팅 홀(201) 측으로 보다 신속하게 유출되도록 할 수 있다. 특히, 벤팅 홀(201)이 형성되지 않은 부분에서는 소화 부재(400)에 의해 이산화탄소 및 물이 생성될 수 있으므로, 셀 어셈블리(100)의 벤팅 가스는 벤팅 홀(201) 측으로 보다 원활하게 이동할 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)에 의해, 셀 어셈블리(100)로부터 상부를 향하여 분출되는 고온의 가스나 스파크 등으로부터 모듈 케이스(200)가 손상되는 것이 방지될 수 있다. 특히, 모듈 케이스(200)는 플라스틱 등의 재질로 구성될 수 있는데, 이 경우 소화 부재(400)는 고온의 벤팅 가스나 스파크 등으로부터 모듈 케이스(200)가 용융되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 소화 부재(400)는, 벤팅 유닛(300)의 내부에 위치하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 5는, 도 4의 구성에 대한 변형예라 할 수 있다. 본 실시예에서는, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하며, 앞선 실시예에 대하여 설명된 부분이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 소화 부재(400)는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간, 특히 벤팅 채널(V)에 구비될 수 있다. 더욱이, 벤팅 유닛(300)은, 다수의 벤팅 채널(V)을 구비할 수 있는데, 소화 부재(400)는 이러한 다수의 벤팅 채널(V) 중 적어도 일부 벤팅 채널(V)에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)이 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2), 2개의 층을 구비하는 경우, 소화 부재(400)는, 그 중 적어도 하나의 채널, 이를테면 내층 채널(V1)에 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 소화 부재(400)가 모듈 케이스(200) 외부에 위치하므로, 셀 어셈블리(100)를 수납하는 모듈 케이스(200) 자체의 구조나 그 내부 구성, 이를테면 셀 어셈블리(100)는 종래의 구성과 대비할 때 크게 변화시킬 필요가 없다. 따라서, 상기 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하기 위해, 모듈 케이스(200)나 그 내부 구성에 대한 설계를 다르게 하지 않아도 된다. 그러므로, 이 경우, 종래 배터리 모듈의 외부에 벤팅 유닛(300)을 부착하는 형태로 본 발명이 구현될 수 있으므로, 본 발명의 호환성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)에 의해 물이 생성되더라도, 생성된 물이 셀 어셈블리(100)와 직접 접촉하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 물과의 접촉으로 인한 문제, 이를테면 폭발이나 누전, 감전 등의 사고가 예방될 수 있다.
또한, 상기 소화 부재(400)는, 벤팅 채널(V)의 상부 표면에 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 소화 부재(400)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 내층 채널(V1)의 상부 표면에 위치할 수 있다. 특히, 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2) 사이에 격벽(W)이 존재할 수 있는데, 소화 부재(400)는, 격벽(W)의 하면에 부착될 수 있다. 더욱이, 상기 소화 부재(400)는 판상으로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 채널(V)의 상부에 위치하는 소화 부재(400)로 열이 인가되어, 이산화탄소 및/또는 물이 생성되는 경우, 생성된 이산화탄소 등이 벤팅 채널(V) 측으로 떨어질 수 있다. 특히, 이산화탄소의 경우, 벤팅 채널(V) 내부 공간으로 하강하게 되어 벤팅 채널(V)의 내부 공간을 채우게 되고, 이로 인해 벤팅 채널(V)로 산소가 유입되거나 고온의 활물질 또는 스파크 등이 그대로 통과하여 외부로 배출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 물의 경우 벤팅 가스 및 벤팅 채널(V) 내부 공간의 온도를 낮추고, 화염이나 스파크 등의 온도를 떨어뜨릴 수 있다. 더욱이, 높은 온도로 인해 물이 수증기 형태로 존재하는 경우, 벤팅 채널(V) 내부 공간을 채우게 되어 산소 유입 등을 차단할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 화재 발생이나 확산을 효과적으로 저지할 수 있다.
더욱이, 상기 소화 부재(400)는, 도 5에서 A2로 표시된 부분과 같이, 유입구(301)의 상부 표면에 위치할 수 있다. 이 경우, 유입구(301)로 유입되는 벤팅 가스와 직접적으로 맞닿게 되므로, 고온의 벤팅 가스로부터 열이 빠르게 인가될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 소화 부재(400)의 열분해 반응이 보다 신속하게 일어날 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 실시 구성에 의하면, 고온의 벤팅 가스가 벤팅 유닛(300) 내부에서 최초로 접촉하는 부분을 보호하여, 해당 부분이 용융되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 6은, 도 4의 구성에 대한 다른 변형예라 할 수 있다. 본 실시예에서도, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 6을 참조하면, 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 상부 표면에 안착되며, 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2)을 구비할 수 있다. 그리고, 소화 부재(400)는, 판상으로 구성되어, 벤팅 유닛(300)의 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2) 각각의 상부 표면에 부착될 수 있다.
여기서, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 채널(V)에 경사면이 형성된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바를 참조하면, 벤팅 유닛(300)은, 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2) 각각에 경사진 구성이 포함되도록 구성될 수 있다(S1, S2).
특히, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 채널(V)의 적어도 일부분이 유출구(302)에서 유입구(301) 방향으로 갈수록 높이가 점점 낮아지는 형태로 경사면이 형성될 수 있다. 더욱이, 벤팅 유닛(300)의 이러한 경사면은, 소화 부재(400)의 하부에 위치한 벤팅 채널(V)의 표면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 외층 채널(V2)의 상부 표면에는 소화 부재(400)가 부착되고, 이러한 소화 부재(400)의 하면에 대면되는 위치에서, 외층 채널(V2)의 하부 표면은 유입구(301) 방향(도 6의 +x축 방향)으로 갈수록 높이가 점점 낮아지는 형태로 경사면(S2)이 형성될 수 있다. 또한, 내층 채널(V1)의 상부 표면에는 소화 부재(400)가 부착되고, 이러한 소화 부재(400)의 하면에 대면되는 위치에서, 내층 채널(V1)의 하부 표면은 유입구(301) 방향(도 6의 -x축 방향)으로 갈수록 높이가 점점 낮아지는 형태로 경사면(S1)이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300)의 내부에서 소화 부재(400)에 의해 생성된 이산화탄소 등이 유입구(301) 측으로 이동될 수 있다. 즉, 소화 부재(400)에 의해 생성된 이산화탄소 등은, 도 6에서 화살표로 표시된 바와 같이, 각 채널의 상부에서 하부 방향으로 이동하다가 경사면(S1, S2)을 따라 유입구(301) 방향으로 흐르게 될 수 있다. 그리고, 이와 같이 벤팅 유닛(300)의 유입구(301) 측으로 이동된 이산화탄소 등은 모듈 케이스(200) 내부 공간으로 유입될 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부 공간으로 이산화탄소가 유입될 수 있으므로, 모듈 케이스(200) 내부 공간에서의 화재 발생 방지 또는 화재 진압의 효과가 보다 용이하게 달성될 수 있다. 더욱이, 이러한 효과를 보다 확실하게 달성하기 위해서는, 다수의 벤팅 채널(V) 중 적어도 유입구(301)가 형성된 층의 채널, 즉 내층 채널(V1)에 경사면이 형성되는 것이 좋다.
뿐만 아니라, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 채널(V)의 경사면에 의해, 벤팅 가스가 벤팅 채널(V)의 상부면에 위치하는 소화 부재(400)로 향하도록 할 수 있다. 따라서, 소화 부재(400)로 열이 확실하게 공급되도록 함으로써, 소화 부재(400)의 열분해 반응이 보다 신속하게 일어나도록 할 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛(300)은, 도 6에서 P1으로 표시된 부분과 같이, 차단 돌기를 구비할 수 있다. 상기 차단 돌기(P1)는, 벤팅 채널(V)의 하부 표면에 위치하여 상부 방향으로 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 이러한 차단 돌기(P1)는, 유입구(301) 주변에 형성될 수 있다.
상기 차단 돌기(P1)는, 소화 부재(400)에 의해 생성된 물이 유입구(301)를 통해 모듈 케이스(200) 내부로 유입되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 특히, 소화 부재(400)에 의해 생성된 수증기가 액화되어 물이 된 경우, 차단 돌기(P1)는 이러한 물이 모듈 케이스(200) 내부로 유입되지 않도록 할 수 있다. 그러므로, 이러한 실시 구성에 의하면, 물이 모듈 케이스(200) 내부로 유입됨으로 인한 추가적인 문제, 이를테면 폭발이나 누전, 단락 등의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 7은, 도 4의 구성에 대한 또 다른 변형예라 할 수 있다. 본 실시예에서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 소화 부재(400)는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간 중, 연결홀(303)이 형성된 부분에 구비될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)이 다수의 벤팅 채널(V)을 구비하는 경우, 다수의 벤팅 채널(V) 사이를 연결하는 부분에 소화 부재(400)가 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 벤팅 채널(V)에 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2)이 구비되고, 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2)을 연결하는 연결홀(303)이 형성된 경우, 소화 부재(400)는 이러한 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2) 사이의 연결홀(303)이 위치한 부분의 내면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 구성에서, 연결홀(303)은 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2)의 우측 단부에 위치하며, 이때 소화 부재(400)는 연결홀(303)이 위치한 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2)의 우측 단부에 위치할 수 있다. 특히, 소화 부재(400)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 연결홀(303)의 상부, 하부 및 측부를 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 소화 부재(400)는, 연결홀(303) 부분에서 벤팅 채널(V)의 상면, 측면 및 하면에 부착되어 커버하는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 소화 부재(400)에 의한 화재 억제 성능이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 연결홀(303)이 위치한 부분은 벤팅 가스의 방향이 전환되는 지점으로, 벤팅 가스가 일정 시간 동안 체류되거나 적체되는 구간일 수 있다. 따라서, 이러한 연결홀(303) 부분에서 열이 누적될 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 해당 지점에 위치한 소화 부재(400)에 의해 이러한 열을 보다 신속하게 제거할 수 있다. 또한, 연결홀(303)이 위치한 부분은 고온의 벤팅 가스나 스파크와 직접적으로 맞부딪히는 부분일 수 있는데, 열이 누적되는 경우 벤팅 유닛(300)이 파손될 우려가 있다. 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 지점에 소화 부재(400)가 위치하므로, 고온의 벤팅 가스나 고온의 스파크가 벤팅 유닛(300)의 케이스를 손상시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 더욱이, 벤팅 유닛(300)의 케이스는, 성형의 용이성이나 절연성, 경량성 등을 확보하기 위해 플라스틱과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 벤팅 유닛(300)의 연결홀(303) 부분에 열이 집중되면 해당 부분이 일부 용융되거나 파손될 가능성이 있으나, 상기 실시 구성에 의하면 소화 부재(400)가 이러한 부분을 커버하여 해당 부분의 용융이나 파손을 방지할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 8은, 도 4의 구성에 대한 또 다른 변형예라 할 수 있다. 본 실시예에서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 8을 참조하면, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 채널(V)의 상면에 소화 부재(400)가 구비되고, 벤팅 채널(V)의 하면이 경사진 형태로 구성될 수 있다. 특히, 도 8의 실시 구성에서, 벤팅 채널(V)의 하면은, 연결홀(303)이 형성된 방향을 향할수록 높이가 낮아지는 형태로 경사지게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바를 참조하면, 내층 채널(V1)의 바닥면과 외층 채널(V2)의 바닥면에는 각각 경사면(S1', S2')이 형성될 수 있는데, 이때 2개의 경사면(S1', S2')은 모두 연결홀(303)을 향하는 방향(도면의 +x축 방향)으로 갈수록 높이가 낮아지는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 내층 채널(V1)은 유출구(302)를 향하는 방향으로 높이가 낮아지도록 경사면이 형성되고, 외층 채널(V2)은 유입구(301)를 향하는 방향으로 높이가 낮아지도록 경사면이 형성된다고 할 수 있다. 그리고, 각 경사면의 상부, 즉 각 벤팅 채널(V)의 상부면에는 소화 부재(400)가 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 소화 부재(400)로부터 이산화탄소 및/또는 물이 생성되는 경우, 생성된 이산화탄소나 물이 연결홀(303) 측으로 이동하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 도 8의 실시 구성에 의하면, 내층 채널(V1)의 상면에서 생성된 이산화탄소나 물, 그리고 외층 채널(V2)의 상면에서 생성된 이산화탄소나 물은, 화살표로 표시된 바와 같이, 연결홀(303)이 위치하는 우측 방향으로 이동될 수 있다. 이때, 연결홀(303)측에는 벤팅 가스나 스파크, 열 등이 체류하거나 축적될 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면 연결홀(303) 측으로 이동하는 이산화탄소나 물에 의해 벤팅 가스의 온도를 낮추거나, 스파크 또는 열을 제거 내지 감소시킬 수 있다. 그러므로, 이 경우, 화재 발생이나 확산을 억제할 수 있으며, 벤팅 유닛(300)을 보호할 수도 있다. 또한, 이 경우, 물이 연결홀(303) 측으로 이동하고 모듈 케이스(200) 내부로 이동하는 것을 차단할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 9는, 도 4의 구성에 대한 또 다른 변형예라 할 수 있다. 본 실시예에서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 9를 참조하면, 상기 벤팅 유닛(300)은, G1으로 표시된 바와 같이, 벤팅 채널(V)의 바닥면에 하부 방향으로 오목한 홈이 형성된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 9의 실시예에서, 벤팅 유닛(300)은, 내층 채널(V1)의 상면에 소화 부재(400)가 위치한 상태에서, 내층 채널(V1)의 하면에 홈(G1)이 형성된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)에 의해 공급된 물이 홈(G1)에 보유됨으로써, 물이 모듈 케이스(200) 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 채널(V)의 내면에 형성된 홈(G1)에 의해 벤팅 가스와 벤팅 유닛(300) 사이의 마찰력을 증대시켜, 스파크나 입자 등의 이동을 저지하는 효과를 얻을 수도 있다.
도 10 및 도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 배터리 모듈들의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 본 실시예들에 대해서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 벤팅 유닛(300)은, 3층 이상의 벤팅 채널(V)을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 벤팅 유닛(300)은, 가장 하부에 위치한 내층 채널(V1), 가장 상부에 위치한 외층 채널(V2) 및 내층 채널(V1)과 외층 채널(V2)의 사이에 위치한 중앙 채널(V3)을 구비할 수 있다. 이때, 벤팅 유닛(300)은, 내부에 다수의 연결홀(303)이 형성될 수 있다. 즉, 내층 채널(V1)과 중앙 채널(V3) 사이 및 중앙 채널(V3)과 외층 채널(V2) 사이에 각 채널을 연결하는 통로로서 연결홀(303)이 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에서, 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 분출된 경우, 벤팅 가스는 벤팅 유닛(300)의 내부에서 화살표로 표시된 바와 같이 이동할 수 있다.
여기서, 인접하는 벤팅 채널(V)들은 서로 벤팅 방향이 반대가 되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 10의 구성을 살펴보면, 내층 채널(V1)의 벤팅 방향은 우측 방향이고 중앙 채널(V3)의 벤팅 방향은 좌측 방향일 수 있다. 그리고, 외층 채널(V2)의 벤팅 방향은 다시 우측 방향으로 형성될 수 있다. 이를 위해, 벤팅 유닛(300)의 유입구(301)는 좌측 단부에 형성되고, 벤팅 유닛(300)의 유출구(302)는 우측 단부에 형성될 수 있다.
또는, 벤팅 유닛(300)의 유입구(301) 및/또는 유출구(302)는 다수 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)의 유입구(301)는, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(201)의 위치에 대응하여, 벤팅 유닛(300)의 좌측 단부와 우측 단부에 각각 형성될 수 있다. 이때, 내층 채널(V1)과 중앙 채널(V3) 사이의 연결홀(303)은 중앙 부분에 형성되고, 중앙 채널(V3)과 외층 채널(V2) 사이의 연결홀(303)은 좌측 단부와 우측 단부에 각각 형성될 수 있다. 또한, 외층 채널(V2)에 형성된 벤팅 유닛(300)의 유출구(302)는, 좌우 방향(x축 방향)으로 중앙 부분에 형성될 수 있다.
상기 실시예들과 같이, 복수 층의 벤팅 채널(V)이 벤팅 유닛(300)에 포함된 경우, 벤팅 채널(V)의 경로를 보다 길게 형성함으로써, 벤팅 가스의 온도를 낮추고, 스파크 등의 외부 유출을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 상기 실시 구성의 경우, 여러 층의 벤팅 채널(V)의 구성을 서로 다른 형태로 형성함으로써, 벤팅의 제어 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 소화 부재(400)는 중앙 채널(V3)에만 위치시킴으로써, 소화 부재(400)가 벤팅 유닛(300) 내부에서 보다 안정적으로 배치되고, 소화 부재(400)에 의한 벤팅 유닛(300)의 보호 효과를 보다 높일 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)가 위치하지 않는 다른 층의 채널, 이를테면 내층 채널(V1)이나 외층 채널(V2)의 내부에 다양한 구성을 형성함으로써, 가스 벤팅 성능은 일정 수준 이상 확보하면서도 화재 발생이나 화재 확산 방지 등의 효과도 안정적으로 달성되도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시 구성에서, 내층 채널(V1)의 하면에는 도 6이나 도 8에 도시된 바와 같은 경사면, 또는 도 9에 도시된 바와 같은 홈이 형성되도록 할 수 있다.
한편, 상기 여러 실시예에서, 벤팅 홀(201)은 모듈 케이스(200)의 상면에 형성되고, 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)의 상부에 부착되는 형태로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 벤팅 홀(201)은 모듈 케이스(200)의 측면이나 하면에 형성되고, 벤팅 유닛(300)은 이러한 벤팅 홀(201)이 형성된 표면, 즉 모듈 케이스(200)의 측면이나 하면에 부착되는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)에 대하여 다양한 형태로 결합될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 유닛(300)은 접착제에 의해 모듈 케이스(200)의 상면에 접착될 수 있다. 또는, 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 외면에 레이저 용접 등의 방식으로 체결 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS나 버스바, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩 이외에 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우와 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.
[부호의 설명]
100: 셀 어셈블리
110: 배터리 셀
200: 모듈 케이스
201: 벤팅 홀
300: 벤팅 유닛
301: 유입구, 302: 유출구, 303: 연결홀
400: 소화 부재
V: 벤팅 채널
V1: 내층 채널, V2: 외층 채널, V3: 중앙 채널
W: 격벽
S1, S1', S2, S2': 경사면
P1: 차단 돌기
G1: 홈

Claims (11)

  1. 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 상기 셀 어셈블리로부터 생성된 벤팅 가스가 배출 가능하도록 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 벤팅 채널이 하나 이상의 층으로 형성되며 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 상기 벤팅 채널로 유입되어 내부 공간에서 이동 가능하도록 구성된 벤팅 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 유닛은, 내측면에 유입구가 형성되어 상기 모듈 케이스의 벤팅 홀과 연통되고, 상기 내측면 이외의 부분에 유출구가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 유닛은, 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    열분해 반응을 통해 이산화탄소를 발생시키도록 구성된 소화 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소화 부재는, 열분해 반응을 통해 상기 이산화탄소와 함께 물을 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 소화 부재는, 상기 모듈 케이스의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 소화 부재는, 상기 벤팅 유닛의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소화 부재는, 상기 벤팅 채널의 상부 표면에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 벤팅 유닛은, 상기 벤팅 채널에 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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