WO2023068688A1 - 안전성이 강화된 배터리 모듈 - Google Patents

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venting
unit
cooling
battery module
battery
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장성환
성준엽
정혜미
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more particularly, to a battery module with enhanced safety, a battery pack including the battery module, 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.
  • 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 such battery modules may be connected to form one battery pack.
  • a thermal chain reaction between the battery modules may be vulnerable. For example, when an event such as thermal runaway occurs inside one battery module, propagation of the thermal runaway to another battery module needs to be suppressed. If propagation of thermal runaway between battery modules is not properly suppressed, an event occurring in a specific battery module may cause a chain reaction in several battery modules, causing a big problem such as explosion or fire.
  • heat or gas may be discharged to the outside. At this time, if the discharge of heat or gas is not properly controlled, heat or gas may be transferred to other battery modules, causing a thermal chain reaction in other battery modules.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and provides a battery module having an improved structure to properly manage heat or gas discharged from the battery module, a battery pack including the same, and a vehicle. aims to do
  • 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; a venting unit provided outside the module case and configured to allow the venting gas discharged from the venting hole to flow in and out; and a cooling unit, at least part of which is provided on a path through which the venting gas flows, configured to absorb heat and dissipate it to the outside.
  • At least a part of the cooling unit may be provided inside the venting unit.
  • venting unit may be configured in a plate shape having at least one end bent, and the bent end may be attached to the outside of the module case.
  • cooling unit may be interposed between the outer surface of the module case and the inner surface of the venting unit.
  • cooling unit may be in contact with an outer surface of the module case.
  • the cooling unit may include a cooling pipe configured to allow a cooling fluid to flow in the hollow.
  • cooling pipe may be configured in a bent form in the inner space of the venting unit.
  • the cooling unit may be configured to be ruptured by the venting gas.
  • a rupture portion configured to be ruptured by a preset temperature or pressure may be formed in advance at a predetermined position.
  • venting unit may be located on a side surface of the module case, and the rupture part may be located at an upper side in an inner space of the venting unit.
  • 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 battery pack for achieving the above object includes one or more battery modules; a pack housing accommodating the one or more battery modules in an inner space and having a pack hole; a venting unit mounted on the pack housing and configured to allow the venting gas discharged from the pack hole to flow in and be discharged to the outside; and a cooling unit, at least part of which is provided on a path through which the venting gas flows, configured to absorb heat and dissipate it to the outside.
  • a vehicle according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • efficient cooling performance and safe venting performance of the battery module can be secured.
  • the temperature of the battery module is lowered in a normal state, and in an emergency situation, the temperature of the venting gas is lowered or the external discharge of flame or spark included therein can be blocked.
  • a battery module having excellent assembly properties and being advantageous for miniaturization may be implemented.
  • 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 combined perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the battery module of FIG. 1 in which some components are separated.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a venting unit included in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view schematically illustrating a configuration in which the venting unit of FIG. 3 is coupled to a module case.
  • FIG. 5 is a side view of some configurations of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a side view schematically illustrating a configuration in a state in which a part of a cooling unit is ruptured in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a side view schematically illustrating 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 perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a cross-sectional configuration along the line A6-A6' in FIG. 9 .
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention as viewed from above.
  • FIG. 14 is a view of a battery pack according to another embodiment of the present invention viewed from above.
  • FIG. 1 is a combined perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of the battery module of FIG. 1 in which some components are separated.
  • the battery module according to the present invention includes a cell assembly 100 , a module case 200 , a venting unit 300 and a cooling unit 400 .
  • the cell assembly 100 may include one or more battery cells.
  • each battery cell may mean a secondary battery.
  • a secondary battery may include an electrode assembly, an electrolyte, and a battery case.
  • the battery cells included in the cell assembly 100 may be pouch-type secondary batteries.
  • 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.
  • a plurality of secondary batteries may form the cell assembly 100 in a stacked form.
  • a plurality of secondary batteries may be 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 (x-axis direction in the drawing).
  • Each battery cell may have an electrode lead, and the electrode lead may be located at both ends or at one end of each battery cell.
  • 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.
  • the module case 200 includes an upper plate, a lower plate, a left plate, a right plate, a front plate, and a back plate, and may be configured to define an internal space.
  • at least two or more of the upper plate, the lower plate, the left plate, the right plate, the front plate, and the back plate may be configured in an integrated form.
  • the upper plate, the lower plate, the left plate, and the right plate may be integrated with each other.
  • the integrated case has a tubular shape and may be referred to as a mono frame.
  • the left plate, the right plate, and the lower plate may be integrated with each other.
  • the integrated case may be referred to as a U-frame due to its shape.
  • the module case 200 may be configured in various other forms.
  • a venting hole may be formed on at least one side of the module case 200 .
  • a venting hole H1 may be formed in each of the left and right plates of the module case 200 .
  • the venting hole H1 may be configured such that, when the venting gas is generated and ejected from the cell assembly 100 accommodated in the internal space, the generated venting gas can be discharged to the external space of the module case 200 .
  • the module case 200 may be configured in a sealed form except for the venting hole H1.
  • the venting hole H1 may be formed in a completely open form so as to pass through the module case 200 in an inward and outward direction.
  • the venting hole H1 may not be completely opened, but may be configured in a form that is closed in a normal state and can be opened according to a change in pressure or temperature.
  • the venting hole H1 may be formed to extend in one direction.
  • the venting hole H1 may be formed to elongate in the vertical direction.
  • the venting hole H1 may be formed on the side surfaces of the module case 200, particularly the left and right sides.
  • such a venting hole H1 may be formed on another part of the module case 200, such as the upper surface, the lower surface, the front surface, and/or the rear surface.
  • the configuration of the venting hole H1 formed in the module case 200 may be configured in various other shapes other than these shapes.
  • the venting unit 300 may be provided outside the module case 200 .
  • the venting unit 300 may be attached to a portion of the module case 200 where the venting hole H1 is formed.
  • a venting hole H1 may be formed on the left side of the module case 200 .
  • the venting hole H1 may also be formed on the right side of the module case 200 .
  • the venting unit 300 may be attached to the outside of each of the left and right sides of the module case 200 .
  • the venting unit 300 may be configured to define an empty space therein and allow the venting gas discharged from the venting hole H1 to flow through the limited space. That is, the venting unit 300 may be configured such that the venting gas discharged from the venting hole H1 flows into the inner space. Also, the venting unit 300 may be configured to discharge the venting gas flowing through the internal space to the outside through an outlet as indicated by O1 in FIG. 2 .
  • the internal space of the venting unit 300 may be referred to as a venting channel in that it is a space for guiding venting gas. That is, the venting unit 300 may have a venting channel through which venting gas flows.
  • At least a portion of the cooling unit 400 may be provided on a path through which the venting gas flows. That is, when the venting gas is discharged from the cell assembly 100 , the venting gas may flow in a space inside or outside the module case 200 . At this time, the cooling unit 400 may be located together in a space where the venting gas of the module case 200 moves. Also, the cooling unit 400 may be configured to absorb ambient heat and emit it to the outside. In particular, the cooling unit 400 may absorb heat from the module case 200 and dissipate it to the outside of the module case 200 .
  • the cell assembly 100 may generate heat not only in an abnormal situation such as a thermal runaway situation, but also in a normal charging/discharging process.
  • the cooling unit 400 may be configured to absorb heat generated from the cell assembly 100 and release it to the outside.
  • the cooling unit 400 may absorb heat generated from the cell assembly 100 and transferred to the module case 200 and release it to the outside of the module case 200 .
  • the performance of the battery module can be stably maintained through appropriate cooling during normal use of the battery module.
  • an abnormal situation such as thermal runaway occurs in the battery module, such heat can be released.
  • the cooling unit 400 provided on the inside or outside of the module case 200, for example, the left and / or right side, it is possible to prevent heat from being transferred to another battery module. there is. Therefore, in this case, the occurrence of thermal runaway propagation between battery modules can be effectively suppressed.
  • the temperature of the venting gas may be lowered by the cooling unit 400 .
  • At least a portion of the cooling unit 400 may be provided in the inner space of the venting unit 300 . That is, the cooling unit 400 may be configured such that at least a portion of the cooling unit 400 is located in a venting channel that is an internal space of the venting unit 300 . Also, the cooling unit 400 may be configured to absorb heat of the venting gas flowing inside the venting channel and release it to the outside.
  • cooling and thermal runaway or fire propagation suppression performance for venting gas can be further improved.
  • the cooling unit 400 may lower the temperature of the venting gas before it is discharged to the outside of the venting unit 300 .
  • flames, sparks, high-temperature active material particles, and the like may exist in the venting gas discharged when an event such as thermal runaway occurs.
  • the cooling unit 400 may lower the temperature while preventing movement of flames, sparks, active material particles, and the like.
  • the venting unit 300 may have a plate shape in which at least one end is bent. Also, the bent end of the venting unit 300 may be attached to the outside of the module case 200 . This will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4 .
  • FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a venting unit 300 included in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view schematically showing a configuration in which the venting unit 300 of FIG. 3 is coupled to the module case 200 .
  • FIG. 4 may be a front view of portion A1 of FIG. 1 .
  • the venting unit 300 may include a body portion 310 and a bent portion 320 .
  • the body portion 310 may be configured in a plate shape, and the bent portion 320 may be formed at a corner portion of the body portion 310 .
  • the bent portion 320 may be configured in an integrated form with the body portion 310 .
  • the bent portion 320 may be formed in a shape in which a corner portion of the body portion 310 is bent inward.
  • the inner direction may be a direction toward the module case 200 .
  • the inner direction may mean a direction toward the center of the battery module
  • the outer direction may mean a direction toward the outer edge of the battery module.
  • the body portion 310 may be formed in a square plate shape, and the bent portion 320 may be formed at three corners among four corners of the body portion 310 .
  • the bent portion 320 may be formed at an upper edge, a lower edge, and a rear edge of the body portion 310 .
  • an outlet O1 for discharging the venting gas may be formed.
  • the venting channel may be formed by being defined by the body portion 310 and the bent portion 320 of the venting unit 300 . That is, referring to the configuration shown in FIG. 4 , the right side of the venting channel as indicated by V is limited by the body portion 310, and the upper and lower portions are separated by the upper and lower bent portions 320 and 320, respectively. The lower part may be limited. Also, the rear of the venting channel V may be limited by the rear end bent portion 320 of the venting unit 300 .
  • the left side of the venting channel V may be configured in a completely open form, and the module case 200 may be positioned on the left side.
  • outer ends of the upper bent portion 320 and the lower bent portion 320 of the venting unit 300 may be attached to the outer surface of the module case 200, as indicated by A2 and A2' in FIG. 4 . there is.
  • the rear end bent portion 320 of the venting unit 300 may also be attached to the outer surface of the module case 200 .
  • an attachment portion between each bent portion 320 of the venting unit 300 and the module case 200 may be sealed so that the venting gas does not leak out.
  • an end of each bent portion 320 of the venting unit 300 may be laser welded to the outer surface of the module case 200 .
  • the venting unit 300 and the module case 200 may be coupled to each other in various other ways.
  • the venting channel V is formed by the outer surface of the venting unit 300 and the module case 200 .
  • the venting gas discharged from the venting hole H1 may be discharged through the outlet O1 while flowing inside the venting channel V as indicated by an arrow in FIG. 3 .
  • the configuration for guiding the venting gas in the battery module can be provided in an easy assembly method while having a simple structure.
  • only the venting hole H1 needs to be formed in the module case 200, and most of the conventional battery module configurations can be utilized as they are. Therefore, there is no need to greatly change or complicate the design or manufacturing method of the module case 200 or its internal configuration. Therefore, manufacturing of the battery module according to the present invention can be made easily.
  • At least a portion of the cooling unit 400 may be interposed between the outer surface of the module case 200 and the inner surface of the venting unit 300 .
  • the cooling unit 400 may be interposed between the right surface of the module case 200 and the left surface of the main body 310 of the venting unit 300 .
  • the cooling unit 400 may be located in a space between the bent portion 320 formed at the top and bottom of the venting unit 300 .
  • the cooling unit 400 may be interposed between the rear bent portion 320 of the venting unit 300 and the front discharge port O1.
  • the cooling unit 400 is positioned outside the module case 200, and the outside of the cooling unit 400 is vented. In such a way that it is covered by the unit 300, a battery module according to the present invention can be manufactured.
  • the cooling unit 400 is inserted into the space between the module case 200 and the venting unit 300, according to the present invention.
  • a battery module may be manufactured.
  • At least a portion of the cooling unit 400 may be configured to come into contact with the outer surface of the module case 200 .
  • the cooling unit 400 may be configured such that a left portion contacts the right surface of the module case 200 .
  • all parts of the cooling unit 400 positioned inside the venting channel V may be in contact with the module case 200 .
  • the heat of the module case 200 can be more smoothly transferred to the cooling unit 400 . Accordingly, heat generated at the side of the cell assembly 100 may be well dissipated to the outside of the module case 200 through the cooling unit 400 . Therefore, cooling performance of the cell assembly 100 can be further improved.
  • the cooling unit 400 may include a cooling pipe.
  • the cooling pipe may be configured to flow a cooling fluid through the hollow. That is, the cooling pipe may have an inlet formed at one end as indicated by I2 in FIG. 2 and an outlet formed at the other end as indicated by O2 in FIG. 2 .
  • a cooling fluid such as cooling water
  • the cooling fluid may absorb ambient heat while flowing along the hollow of the cooling pipe.
  • the cooling water is discharged together with heat to the outside of the venting unit 300 through the outlet O2, thereby performing a heat dissipation function.
  • the inlet I2 and the outlet O2 of the cooling pipe may be located on the side of the outlet O1 of the venting unit 300 as shown in FIGS. 1 and 2 .
  • the inlet I2 and outlet O2 of the cooling pipe may be located outside the outlet O1 of the venting unit 300 .
  • a part or all of a pipe section between the inlet I2 and the outlet O2 of the cooling unit 400 may be inserted into the inner space of the venting unit 300 .
  • the assembly process of the battery module can be performed more easily.
  • the venting gas can be discharged from the inside of the venting unit 300 toward the outlet O1, while the cooling performance of the cooling unit 400 can be further improved.
  • the cooling pipe may be configured in a bent form in the inner space of the venting unit 300 . This will be further described with reference to FIG. 5 .
  • FIG. 5 is a side view of some configurations of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the venting unit 300 is not shown, and only the location where the venting unit 300 is mounted is indicated as A3.
  • FIG. 5 is an embodiment of a configuration in which the battery module is viewed from the left to the right direction (+X-axis direction). .
  • the cooling pipe may be bent at least once in a section between the inlet I2 and the outlet O2. More specifically, looking at the configuration of FIG. 5, the cooling unit 400, that is, the cooling pipe, in the section between the inlet (I2) and the outlet (O2), has bent portions, such as those indicated by B1, B2, and B3. can exist
  • a plurality of pipes may be provided inside the venting unit 300 in a direction orthogonal to the flow direction of the venting gas, although one pipe is connected to each other.
  • the flow direction of the venting gas inside the venting unit 300 as indicated by an arrow, may be referred to as the -Y axis direction, which is a horizontal direction.
  • a direction orthogonal to the flow direction of the venting gas may be referred to as a vertical direction, that is, a Z-axis direction, and it may be said that four pipes exist in this vertical direction.
  • the cooling efficiency of the venting gas can be higher by allowing the venting gas to contact more cooling pipes.
  • the venting gas may collide with the cooling pipe due to the bending portion existing in a direction orthogonal to the flow direction of the venting gas.
  • the venting gas may collide with the bending portions formed in a shape substantially orthogonal to the flow direction. Therefore, during this process, it is possible to obtain an effect of preventing discharge of flame or active material included in the venting gas.
  • the contact portion of the venting gas with the cooling pipe increases, the temperature of the venting gas may be further lowered.
  • the maximum width of the cooling unit 400 may be greater than or equal to the maximum width of the venting hole H1.
  • the width may be referred to as a length in a direction orthogonal to the flow direction of the venting gas.
  • the maximum width of the cooling unit 400 may be the distance between the lowermost cooling pipe and the uppermost cooling pipe, as indicated by C2.
  • the maximum width of the venting hole H1, as indicated by C1 may be referred to as a distance between an upper end and a lower end of the venting hole H1. At this time, the following relational expression may be established between C2 and C1.
  • the outermost part of the cooling unit 400 may be located outside the outermost part of the venting hole H1.
  • the lowermost end of the cooling unit 400 is located below the lowermost end of the venting hole H1
  • the uppermost end of the cooling unit 400 is located above the uppermost end of the venting hole H1. can be located on the side.
  • the cooling unit 400 can entirely cover the venting gas discharged from the venting hole H1. That is, according to the above embodiment, when the venting gas is discharged from the venting hole H1, the venting gas may contact the cooling unit 400 as a whole. Therefore, a cooling effect or a blocking effect such as flame or spark by the cooling unit 400 can be achieved more reliably.
  • the width direction may be a vertical direction.
  • the width direction may be a horizontal direction, such as a left-right direction.
  • At least a portion of the cooling unit 400 may be ruptured by venting gas. This will be described in more detail with reference to FIG. 6 .
  • FIG. 6 is a side view schematically illustrating a configuration in a state in which a part of a cooling unit 400 is ruptured in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the cooling unit 400 when venting gas is ejected from the cell assembly 100 and flows into the inner space of the venting unit 300, the cooling unit 400 present in the inner space of the venting unit 300 It can be at least partially ruptured by gas. More specifically, in the cooling pipe, a portion indicated by D1 in FIG. 6 may be ruptured. In addition, the cooling fluid inside the cooling pipe may be injected into the inner space of the venting unit 300, that is, into the venting channel V through the ruptured portion.
  • the cooling unit 400 may serve to lower the temperature of the cell assembly 100 in a normal situation and reduce the temperature of the venting gas discharged from the cell assembly 100 in an emergency situation. It can play a role in lowering and suppressing flames.
  • the cooling fluid may be injected in a direction different from the direction in which the venting gas is discharged. In this case, discharge of sparks, foreign substances, or flames included in the venting gas may be prevented. Moreover, this effect can be enhanced more when the cooling fluid is in liquid form such as cooling water.
  • the cooling unit 400 may be formed of a material or shape capable of bursting due to the temperature or pressure of the venting gas.
  • the cooling pipe may be made of an aluminum material having a predetermined thickness or less, for example, 1 mm or less, or a thermally deformable resin material.
  • the ruptured portion may be formed in advance at a predetermined location.
  • a ruptured portion may be formed in advance at a portion indicated by D1 in FIG. 6 .
  • the rupture part may be configured to be ruptured by a preset temperature or pressure in the cooling unit 400, particularly in the cooling pipe.
  • the cooling pipe is generally made of aluminum with a thickness of 2 mm, but may be made of a thinner aluminum material with a thickness of 0.5 mm for a specific portion indicated by D1.
  • the cooling pipe may be generally made of a metal material, but may be made of a plastic material having a lower melting point than the specific portion indicated by D1.
  • the cooling pipe may have an opening pre-formed at the portion indicated by D1 and a cap sealing the opening, but the cap may be configured to open the opening by heat or pressure of a venting gas.
  • the portion marked D1 may be referred to as a ruptured portion because the venting gas exposes the hollow of the cooling pipe to the outside and allows the cooling fluid to leak out.
  • the cooling fluid when the venting gas flows inside the venting unit 300, the cooling fluid can be quickly discharged from the cooling unit 400 by the venting gas.
  • the cooling fluid such as cooling water can be sprayed into an appropriate space inside the venting unit 300 .
  • the rupture part may be formed in multiple numbers in the cooling unit 400 .
  • a plurality of ruptured parts D1 may be disposed in the direction of discharge of the venting gas, and each of the ruptured parts D1 may be formed at positions spaced apart from each other.
  • the cooling fluid is injected through several rupture parts D1, and the venting gas may come into contact with the cooling fluid several times when discharged from the venting channel V to the outside. Accordingly, the effect of cooling the venting gas or blocking flame or spark may be further improved.
  • the venting unit 300 may be attached to the side surfaces of the module case 200, such as the left and right sides.
  • the rupture part D1 may be configured to be located on the upper side in the inner space of the venting unit 300 .
  • the center line in the vertical direction of the portion A3 to which the venting unit 300 is attached may be referred to as the line A4-A4'.
  • the cooling unit 400 that is, the cooling pipe, may be located on the upper and lower sides of the center line (line A4-A4').
  • the rupture part as indicated by D1, may be configured to be located on the upper side with respect to at least the center line (line A4-A4').
  • the cooling pipe may be configured in a form in which one pipe is bent vertically in the inner space of the venting unit 300, so that multiple layers may be formed from the bottom to the top.
  • the cooling pipe may have a total of four layers in the vertical direction.
  • the rupture part may be formed in the uppermost part of the inner space of the venting unit 300, for example, in the fourth floor of FIG. 6 .
  • the venting gas in the inner space of the venting unit 300, the venting gas can be brought into contact with the cooling fluid as much as possible. That is, as shown in FIG. 6 , when the cooling fluid is sprayed downward from the upper side of the venting channel V, the cooling fluid may be sprayed throughout the space in the vertical direction in the venting channel V. there is. Therefore, in this case, the cooling of the venting gas, flame or spark suppression effect, etc. by the injection of the cooling fluid can be ensured more reliably.
  • the cooling fluid may be configured to flow from the lower layer portion to the upper layer portion.
  • the cooling fluid flows into the first floor, which is the lowest floor. and the cooling fluid can flow out to the 4th floor, which is the highest floor. That is, the inlet I2 may be located on the first floor, which is the lowest part, and the outlet O2 may be located on the fourth floor, which is the uppermost part.
  • the cooling fluid when the cooling fluid is injected from the 4th floor, which is the uppermost part, the cooling fluid can flow through the cooling pipe from the 1st floor to the 3rd floor. Therefore, cooling of the venting gas and blocking effects such as flame are ensured by the cooling fluid injected from the fourth floor, while cooling fluid flowing through the cooling pipe from the first to third floors of the venting unit 300 A cooling effect can be achieved together.
  • the function of absorbing heat from the cell assembly 100 present inside the module case 200 can be performed as it is by the cooling fluid flowing through the cooling pipe from the first floor to the third floor.
  • FIG. 7 is a side view schematically illustrating the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the venting unit 300 is removed for convenience of description.
  • detailed descriptions of parts that can be identically or similarly described in other embodiments will be omitted and will be mainly described with differences. .
  • the cooling unit 400 is configured in the form of a pipe bent in the inner space of the venting unit 300, but has a predetermined angle that is not perpendicular to the flow direction of the venting gas, as indicated by E1.
  • an inclined portion formed in an acute angle inclined shape may be provided.
  • the inclined portion may include an upper inclined portion (first inclined portion) indicated by S1 and a lower inclined portion (second inclined portion) indicated by S2.
  • the upper inclined portion S1 may be configured to be inclined toward the discharge port toward the bottom
  • the lower inclined portion S2 may be configured to be inclined toward the discharge port toward the upper portion.
  • the lower end of the upper inclined portion S1 and the upper end of the lower inclined portion S2 may be configured to be connected to each other as indicated by E2.
  • the venting gas can be concentrated in a specific part.
  • the venting gas discharged from the venting hole H1 to the venting channel V flows along the upper slope S1 and the lower slope S2, as indicated by arrows.
  • the venting gas flowing along the inclined portion may be concentrated at the vertex portion E2 where the upper inclined portion S1 and the lower inclined portion S2 meet. Therefore, among the entire sections of the cooling pipe, the E2 portion may be more easily ruptured than other portions.
  • the cooling pipe that is, the cooling unit 400 , as indicated by F1 and F2 , may have protrusions protruding in a direction perpendicular to the flow direction of the venting gas. Moreover, these protrusions F1 and F2 can be realized through a bending configuration of the cooling pipe.
  • the protrusions F1 and F2 may exist long in a direction (vertical direction) orthogonal to the flow direction (horizontal direction) of the venting gas, cooling efficiency of the venting gas may be increased.
  • external discharge of flames or particles included in the venting gas can be suppressed.
  • these protrusions F1 and F2 may be located rearward in the flow direction of the venting gas than the inclined portion indicated by E1 in the cooling pipe and furthermore the rupture location indicated by E2. In this case, it is possible to prevent the cooling fluid injected from the rupture position E2 from being directed toward the outlet of the venting unit 300 .
  • the cooling fluid may be directed in the -Y axis direction due to the shape of the cooling pipe and the position of the rupture point E2.
  • the protrusions F1 and F2 suppress the cooling fluid from being directed in the -Y axis direction, so that the cooling fluid does not easily escape toward the outlet O1 and exists inside the venting channel V as much as possible. there is. Therefore, in this case, cooling by the cooling fluid and blocking effects such as flames can be further improved.
  • 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 shows one form of a cross-sectional configuration along line A5-A5′ in a state in which the venting unit 300 is mounted.
  • a part of the cooling unit 400 is located close to the outer surface of the module case 200, and the other Some may be configured to be positioned close to the inner surface of the venting unit 300 .
  • the part marked F1 is in contact with the outer surface of the module case 200
  • the part marked F2 is placed in contact with the inner surface of the venting unit 300.
  • the cooling pipe by making the size (diameter) of the cooling pipe smaller than the width of the venting channel V, while preventing the cooling pipe from completely blocking the flow of the venting gas, cooling or flame by the cooling pipe, etc.
  • the blocking effect of can be further improved.
  • cooling pipes are crossed in the left and right directions.
  • the venting gas generally flows in the front-back direction (Y-axis direction) inside the venting channel V, but may be partially bent and flowed in the left-right direction (X-axis direction) by the cooling pipe. Therefore, in this case, the effect of increasing the cooling efficiency of the venting gas and preventing the movement of sparks or flames included in the venting gas can be further improved.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a cross-sectional configuration along the line A6-A6' in FIG. 9 . This embodiment will be mainly described in terms of differences from the previous embodiments.
  • the venting unit 300 may be coupled to an upper portion of the module case 200 .
  • at least a part of the cooling unit 400 may be provided in the inner space of the venting unit 300 .
  • the venting unit 300 may be attached to the upper part of the module case 200 corresponding to the location of the venting hole H1.
  • the cooling unit 400 may be located on the upper side of the module case 200 .
  • at least a portion of the cooling unit 400 may be disposed in a space between an outer surface of the upper side of the module case 200 and an inner surface of the venting unit 300 .
  • venting unit 300 is formed on the left and right sides of the upper part of the module case 200, respectively, as shown in FIG. can be attached
  • the venting gas may move forward (in the -Y axis direction) in FIG. 9 and be discharged to the outside.
  • the venting hole H1 is formed in the upper part of the module case 200, the high-temperature venting gas can be discharged more quickly. Also, in this case, when a cooling fluid such as water is discharged from the cooling unit 400, the discharged cooling fluid can be easily injected into the module case 200 as indicated by an arrow in FIG. 10. Thus, the fire inside the module case 200 can be more reliably extinguished.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 may show another example of a cross-sectional configuration along the line A6-A6' of FIG. 9 .
  • a case inclined portion may be formed.
  • the case inclined portion CS may be formed in a shape in which the height gradually decreases along the venting hole H1 on the outside of the module case.
  • the venting hole H1 may be located at the lowest part of the upper outer surface of the module case 200 .
  • the cooling fluid discharged from the cooling unit 400 as indicated by the arrow in FIG. 11, more smoothly and quickly enters the module case 200 via the venting hole H1. can be put in Therefore, this embodiment can be more effective in suppressing fire inside the module case 200 .
  • FIG. 12 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention. This embodiment will be mainly described in terms of differences from the previous embodiments.
  • two venting units 300 may be coupled to the left and right sides of the upper surface of the module case 200, respectively, and the venting directions of the respective venting units 300 may be in opposite directions. That is, the venting direction of the venting unit 300 provided on the left side of the upper surface of the module case 200 is configured to face backward (+Y-axis direction), and the venting unit 300 provided on the right side of the upper surface of the module case 200 ) The venting direction may be configured to face forward (-Y axis direction). In this configuration, the protruding portion of the end of the cooling unit 400 may be opposite to each other in the upper left venting unit 300 and the upper right venting unit 300 .
  • the venting gas may be dispersed to prevent the venting gas from being concentrated in a specific part by differentiating the venting direction among the plurality of venting units 300 . Therefore, in this case, it is possible to prevent overheating of a specific part due to the concentration of the venting gas.
  • the cooling unit 400 may be located in the inner space of the module case 200 .
  • a portion of the cooling unit 400 may be inserted into the inner space of the module case 200 through the venting hole H1.
  • the ruptured part of the cooling unit 400 may be located in the inner space of the module case 200 .
  • the cooling unit 400 when the cooling unit 400 is ruptured in the inner space of the module case 200, the cooling fluid may be directly injected into the inner space of the module case 200. Thus, extinguishing through the cooling fluid can be achieved more effectively and quickly.
  • FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention as viewed from above.
  • a detailed description of parts to which the parts described in the previous embodiments can be applied in the same or similar manner will be omitted.
  • the battery pack according to the present invention may include one or more battery modules M according to the present invention described above.
  • the battery pack according to the present invention may include a plurality of battery modules M according to the present invention.
  • each battery module M may include a cell assembly 100 , a module case 200 , a venting unit 300 and a cooling unit 400 .
  • the plurality of battery modules M may be accommodated inside the pack housing PH.
  • a venting unit 300 may be included, and venting gas may be discharged through the venting unit 300 as indicated by an arrow.
  • the cooling unit 400 may be disposed in the discharge path of the venting gas. Accordingly, it is possible to lower the temperature of the venting gas discharged to the outside and minimize the inclusion of ignition factors such as sparks, electrode ejections, and carbides in the venting gas. Therefore, it is possible to prevent ignition or thermal runaway propagation from occurring in other battery modules M as well as around the corresponding battery module M.
  • venting gas can be prevented from being directly injected toward other battery modules.
  • FIG. 13 when a plurality of battery modules M are arranged in two rows, a left column and a right column, in the pack housing, the venting unit 300 for the battery modules M in the left column
  • the spraying direction of the venting unit 300 may be directed to the left, and the spraying direction of the venting unit 300 may be directed to the right for the battery module M in the right column.
  • venting gas is discharged from a specific battery module, for example, M4
  • the venting gas is not directed toward other battery modules, so that the spread of a thermal event by the venting gas to other battery modules can be more effectively prevented.
  • the battery pack according to the present invention in addition to the battery module (M) or the pack housing (PH), other various components, such as BMS, bus bar, relay, current sensor, etc. of the present invention Components of the battery pack known at the time of filing may be further included in the inner space of the pack housing PH.
  • venting unit 300 and the cooling unit 400 applied to the battery module may also be applied to the battery pack. This will be further described with reference to FIG. 14 .
  • FIG. 14 is a view of a battery pack according to another embodiment of the present invention viewed from above.
  • FIG. 14, like FIG. 13, can be said to show the internal configuration of the battery pack according to the present invention in a state in which the upper side of the pack housing PH is removed.
  • This embodiment will also be mainly described in terms of differences from the previous embodiments.
  • a hole may be formed in at least one side of the pack housing PH in which the plurality of battery modules M are accommodated, as indicated by H2.
  • the pack hole H2 may be formed in a form in which the inner space and the outer space of the pack housing PH communicate with each other.
  • the pack hole H2 may function as a passage through which gas or the like existing in the inner space of the pack housing PH is discharged to the outside.
  • the venting unit 300 and the cooling unit 400 according to the present invention described above may be mounted on the pack housing PH.
  • the venting unit 300 when the pack hole H2 is formed in the pack housing PH, the venting unit 300 is located outside the pack housing PH, where the pack hole H2 is formed. can be attached
  • the cooling unit 400 may be provided in an inner space of the venting unit 300, that is, between an outer surface of the pack housing PH and an inner surface of the venting unit 300.
  • the battery pack according to this embodiment of the present invention includes one or more battery modules (M), a pack housing (PH) accommodating the one or more battery modules (M) in an inner space and having a pack hole (H2), such a pack
  • a venting unit 300 mounted on the housing PH and configured to allow the venting gas discharged from the pack hole H2 to flow in and be discharged to the outside, and at least a portion of the venting unit 300 is provided on a path through which the venting gas flows, and heat It can be said to include a cooling unit 400 configured to absorb and discharge to the outside.
  • the venting gas generated from any battery module M passes through the pack hole H2, as indicated by an arrow in FIG. 14, and enters the venting unit 300 located outside the pack housing PH. can flow into Then, as described above, the venting gas is cooled by the cooling unit 400, and external discharge of sparks, electrode discharged materials, carbides, etc. contained therein can be suppressed.
  • venting unit 300 and the cooling unit 400 are mounted on the pack housing PH
  • the venting unit 300 and the cooling unit 400 are previously mounted on the module case 200.
  • Various configurations of the venting unit 300 and the cooling unit 400 described in the described form may be applied identically or similarly.
  • venting unit 300 and the cooling unit 400 may not be included in each battery module M. However, as shown in FIG. 13 , the venting unit 300 and the cooling unit 400 may be separately attached to each battery module M as well.
  • the cell assembly 100 is accommodated inside the module case 200 and provided inside the pack housing PH in a modular form.
  • the cell assembly 100 is not accommodated in the module case 200, but is directly mounted on the pack housing PH in a cell to pack form.
  • the battery module M described above may include only the cell assembly 100 without including the module case 200 .
  • a control device such as a battery management system (BMS) and electric components such as a relay and a current sensor may be accommodated together.
  • BMS battery management system
  • electric components such as a relay and a current sensor
  • the battery module according to the present invention or the battery pack 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
  • the battery module according to the present invention may be applied to an energy storage system (ESS). That is, the energy storage system according to the present invention may include the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention.
  • ESS energy storage system

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈에서 배출된 열이나 가스 등을 적절하게 관리할 수 있도록 구조가 개선된 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; 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 유출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및 적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛을 포함한다.

Description

안전성이 강화된 배터리 모듈
본 출원은 2021년 10월 18일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2021-0138849호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성이 강화된 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. 그리고, 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
그런데, 이와 같이 배터리 팩 내부에 다수의 배터리 모듈이 포함되는 경우, 배터리 모듈 간 열적 연쇄 반응에 취약할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 배터리 모듈 내부에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 이러한 열폭주는 다른 배터리 모듈로 전파(propagation)되는 것이 억제될 필요가 있다. 만일, 배터리 모듈 간 열폭주 전파가 적절하게 억제되지 못하면, 특정 배터리 모듈에서 발생한 이벤트는 여러 배터리 모듈의 연쇄적인 반응을 일으켜, 폭발이나 화재 등의 큰 문제를 야기할 수 있다.
특히, 어느 하나의 배터리 모듈에서 열폭주 등 이벤트가 발생하는 경우, 열이나 가스 등이 외부로 배출될 수 있다. 이때, 열이나 가스 등의 배출을 제대로 제어하지 못하면, 다른 배터리 모듈로 열이나 가스 등이 전달되어, 다른 배터리 모듈의 열적 연쇄 반응을 일으킬 우려가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈에서 배출된 열이나 가스 등을 적절하게 관리할 수 있도록 구조가 개선된 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; 상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 유출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및 적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛을 포함한다.
여기서, 상기 냉각 유닛은, 적어도 일부가 상기 벤팅 유닛의 내부에 구비될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛은, 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성되어 절곡 단부가 상기 모듈 케이스의 외측에 부착될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면과 상기 벤팅 유닛의 내면 사이에 개재될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면에 접촉될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 중공에 냉각 유체가 흐를 수 있도록 구성된 냉각 파이프를 구비할 수 있다.
또한, 상기 냉각 파이프는, 적어도 일부분이 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 상기 벤팅 가스에 의해 파열 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛은, 미리 설정된 온도나 압력에 의해 파열 가능하도록 구성된 파열부가 소정 위치에 미리 형성될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 측면에 위치하며, 상기 파열부는, 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 상부 측에 위치할 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 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈; 상기 하나 이상의 배터리 모듈을 내부 공간에 수납하며 팩 홀이 형성된 팩 하우징; 상기 팩 하우징에 장착되고, 상기 팩 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및 적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 효율적인 냉각 성능과 안전한 벤팅 성능이 확보될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 경우, 특정 배터리 모듈에서 열폭주 등의 이벤트가 발생하더라도, 다른 배터리 모듈로 열폭주 상황이 전파되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 하나의 냉각 구성으로, 정상적인 상태에서는 배터리 모듈의 온도를 낮추고, 비상 상황에서는 벤팅 가스의 온도를 낮추거나 그에 포함된 화염이나 스파크 등의 외부 배출을 차단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 경우, 안전성이 우수한 배터리 모듈이 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 조립성이 우수하고, 소형화에 유리한 배터리 모듈이 구현될 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 결합 사시도이다.
도 2는, 도 1의 배터리 모듈에 대하여 일부 구성을 분리한 형태의 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 벤팅 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 3의 벤팅 유닛이 모듈 케이스에 결합된 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 측면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 냉각 유닛의 일부분이 파열된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10은, 도 9의 A6-A6'선에 대한 단면 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태의 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 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈에 대하여 일부 구성을 분리한 형태의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200), 벤팅 유닛(300) 및 냉각 유닛(400)을 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에 구비된 배터리 셀은, 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 전지는 서로 적층된 형태로 셀 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 이차 전지는, 각각 상하 방향(도면의 z축 방향)으로 세워진 상태에서 수평 방향(도면의 x축 방향)으로 배열된 형태로 적층될 수 있다. 각각의 배터리 셀은, 전극 리드를 구비할 수 있는데, 이러한 전극 리드는, 각 배터리 셀의 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. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 상판, 하판, 좌측판, 우측판, 전판 및 후판을 구비하여, 내부 공간을 한정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상판, 하판, 좌측판, 우측판, 전판 및 후판 중 적어도 둘 이상은 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상판, 하판, 좌측판 및 우측판은 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 일체화된 케이스는 관 형태를 가지며, 모노 프레임과 같이 지칭될 수 있다. 다른 예로, 좌측판, 우측판 및 하판이 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 일체화된 케이스는, 그 형상으로 인해 U-프레임과 같이 지칭될 수 있다. 이 밖에도, 상기 모듈 케이스(200)는, 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에서 H1으로 표시된 바와 같이, 적어도 일측에 벤팅 홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 좌측판 및 우측판에 각각 벤팅 홀(H1)이 형성될 수 있다. 이러한 벤팅 홀(H1)은, 내부 공간에 수납된 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 생성된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 외부 공간으로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 벤팅 홀(H1)을 제외하고는 밀폐된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)를 내외부 방향으로 관통하도록, 완전히 개방된 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 벤팅 홀(H1)은 완전히 개방되지 않고, 정상적인 상태에서는 폐쇄되어 있다가 압력이나 온도 등의 변화에 따라 개방 가능한 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 벤팅 홀(H1)은 일 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)은 상하 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 또한, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 측면, 특히 좌측면과 우측면에 형성될 수 있다. 다만, 이러한 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 다른 부분, 이를테면 상면, 하면, 전면 및/또는 후면에 형성될 수 있다. 이 밖에, 모듈 케이스(200)에 형성된 벤팅 홀(H1)의 구성은, 이러한 형태 이외에 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 외측에 구비될 수 있다. 특히, 상기 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분에 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 좌측면에 형성될 수 있다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 우측면에도 형성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)의 좌측면과 우측면 각각의 외부에 부착될 수 있다.
그리고, 벤팅 유닛(300)은, 내부에 빈 공간을 한정하고, 이러한 한정된 공간을 통해, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스가 흐르도록 구성될 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스가 내부 공간으로 유입되도록 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)은, 내부 공간을 흐르는 벤팅 가스가, 도 2에서 O1으로 표시된 바와 같은 배출구를 통해, 외부로 배출되도록 구성될 수 있다. 여기서, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간은, 벤팅 가스를 가이드하는 공간이라는 점에서 벤팅 채널이라고 할 수 있다. 즉, 벤팅 유닛(300)은, 벤팅 가스가 흐를 수 있도록 벤팅 채널이 형성될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부가 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되도록 구성될 수 있다. 즉, 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 배출되면, 이러한 벤팅 가스는 모듈 케이스(200)의 내부 또는 외부의 공간에서 흐를 수 있다. 이때, 냉각 유닛(400)은, 이러한 모듈 케이스(200)의 벤팅 가스가 이동하는 공간에 함께 위치할 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)은, 주변의 열을 흡수하여 외부로 방출하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 모듈 케이스(200)의 열을 흡수하여 모듈 케이스(200) 외부로 방출할 수 있다.
셀 어셈블리(100)는, 열 폭주 상황과 같은 비정상적인 상황뿐 아니라, 정상적인 충방전을 수행하는 과정에서도 열을 발생시킬 수 있다. 이때, 냉각 유닛(400)은, 셀 어셈블리(100)로부터 발생된 열을 흡수하여 외부로 방출시키도록 구성될 수 있다. 특히, 냉각 유닛(400)은, 셀 어셈블리(100)로부터 생성되어 모듈 케이스(200)로 전달된 열을 흡수하여, 모듈 케이스(200) 외부로 방출시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 통상적인 사용 과정에서, 적절한 냉각을 통해, 배터리 모듈의 성능이 안정적으로 유지되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈에서 열 폭주와 같은 비정상적인 상황이 발생하는 경우, 이러한 열을 방출시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 케이스(200)의 내측이나 외측, 이를테면 좌측 및/또는 우측에 구비된 냉각 유닛(400)을 통해, 다른 배터리 모듈로 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 배터리 모듈 간 열 폭주 전파가 일어나는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 이와 같은 실시 구성에서는, 냉각 유닛(400)에 의해 벤팅 가스의 온도를 낮출 수도 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 벤팅 가스나 화염 등에 의한 화재 발생이나 확산, 열 폭주 전파 등의 문제가 방지되도록 할 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부가 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에 구비되도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간인 벤팅 채널에 적어도 일부분이 위치하는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)은, 벤팅 채널 내부를 흐르는 벤팅 가스의 열을 흡수하여 외부로 방출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스에 대한 냉각 및 열폭주나 화재 전파 억제 성능이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 가스가 벤팅 유닛(300)의 외부로 배출되기 전에, 그 온도를 낮출 수 있다. 더욱이, 열 폭주와 같은 이벤트 발생 시 배출되는 벤팅 가스에는, 화염이나 스파크, 고온의 활물질 입자 등이 존재할 수 있다. 이때, 상기 냉각 유닛(400)은, 화염이나 스파크, 활물질 입자 등의 이동을 저지하는 한편, 그 온도를 낮출 수도 있다.
상기 벤팅 유닛(300)은, 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅 유닛(300)의 절곡된 단부는, 모듈 케이스(200)의 외측에 부착될 수 있다. 이에 대해서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 벤팅 유닛(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 4는 도 3의 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)에 결합된 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다. 예를 들어, 도 4는 도 1의 A1 부분에 대한 정면도라 할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 벤팅 유닛(300)은, 본체부(310)와 절곡부(320)를 구비할 수 있다. 본체부(310)는 판상으로 구성될 수 있으며, 절곡부(320)는 본체부(310)의 모서리 부분에 형성될 수 있다. 특히, 절곡부(320)는 본체부(310)와 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 절곡부(320)는, 본체부(310)의 모서리 부분을 내측 방향으로 절곡시킨 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 내측 방향이란 모듈 케이스(200)를 향하는 방향일 수 있다. 본 명세서에서는, 특별한 설명이 없는 한, 각 구성요소에 대하여, 내측 방향은 배터리 모듈의 중심을 향하는 방향을 의미하고, 외측 방향은 배터리 모듈의 외곽을 향하는 방향을 의미할 수 있다.
벤팅 유닛(300)에서, 본체부(310)는 사각 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 절곡부(320)는 본체부(310)의 4개의 모서리 중 3개의 모서리에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 절곡부(320)는 본체부(310)의 상단 측 모서리와 하단 측 모서리, 그리고 후단 측 모서리에 형성될 수 있다. 그리고, 본체부(310)의 전단 측 모서리에는 절곡부(320)가 형성되지 않음으로써, 벤팅 가스를 배출시키기 위한 배출구(O1)가 형성될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 벤팅 채널은, 벤팅 유닛(300)의 본체부(310)와 절곡부(320)에 의해 한정됨으로써 형성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 구성을 참조하면, V로 표시된 바와 같은 벤팅 채널은, 본체부(310)에 의해 우측면이 한정되고, 상단 절곡부(320)와 하단 절곡부(320)에 의해 상부와 하부가 한정될 수 있다. 그리고, 벤팅 채널(V)은, 벤팅 유닛(300)의 후단 절곡부(320)에 의해 후방이 한정될 수 있다.
한편, 벤팅 채널(V)의 좌측은 완전히 개방된 형태로 구성될 수 있으며, 이러한 좌측 부분에는 모듈 케이스(200)가 위치할 수 있다. 특히, 벤팅 유닛(300)의 상단 절곡부(320)와 하단 절곡부(320)의 외측 단부는, 도 4에서 A2 및 A2'으로 표시된 부분과 같이, 모듈 케이스(200)의 외면에 부착될 수 있다. 또한, 벤팅 유닛(300)의 후단 절곡부(320)도 모듈 케이스(200)의 외면에 부착될 수 있다. 여기서, 벤팅 유닛(300)의 각 절곡부(320)와 모듈 케이스(200) 사이의 부착 부분은, 벤팅 가스가 새어 나가지 않도록, 실링될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 유닛(300)의 각 절곡부(320)의 단부는, 모듈 케이스(200)의 외면에 레이저 용접될 수 있다. 또한, 벤팅 유닛(300)과 모듈 케이스(200)는, 다른 다양한 방식으로 상호 결합될 수 있다.
이 경우, 벤팅 채널(V)은, 벤팅 유닛(300)과 모듈 케이스(200)의 외면에 의해 형성된다고 할 수 있다. 그리고, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스는, 도 3에서 화살표로 표시된 바와 같이 벤팅 채널(V) 내부를 흐르면서, 배출구(O1)로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈에서 벤팅 가스를 가이드하는 구성이 간단한 구조를 가지면서 쉬운 조립 방식으로 마련될 수 있다. 특히, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)에 벤팅 홀(H1)만 형성되면 되고, 종래의 배터리 모듈 구성의 대부분이 그대로 활용될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200)나 그 내부 구성의 설계나 제조 방식 등을 크게 변화시키거나 복잡하게 할 필요가 없다. 그러므로, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 제조가 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 구성을 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 모듈 케이스(200)의 우측 표면과 벤팅 유닛(300)의 본체부(310) 좌측 표면 사이에 개재될 수 있다. 또한, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 상단과 하단에 형성된 절곡부(320)의 사이 공간에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 후방 절곡부(320)와 전방 배출구(O1) 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 조립 및 제조가 용이해질 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 내부에 셀 어셈블리(100)가 수납된 상태에서, 모듈 케이스(200)의 외부에 냉각 유닛(400)을 위치시키고, 이러한 냉각 유닛(400)의 외측을 벤팅 유닛(300)에 의해 덮는 방식으로, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 제조될 수 있다. 또는, 모듈 케이스(200)의 외부에 벤팅 유닛(300)을 부착시킨 후, 모듈 케이스(200)와 벤팅 유닛(300)의 사이 공간에 냉각 유닛(400)을 삽입시키는 방식으로, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 제조될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 외면에 접촉되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바를 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 좌측 부분이 모듈 케이스(200)의 우측 표면에 접촉하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 채널(V) 내부에 위치한 부분 모두 모듈 케이스(200)에 접촉될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)의 열이 냉각 유닛(400)으로 보다 원활하게 전달될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100) 측에서 발생한 열이, 냉각 유닛(400)을 통해 모듈 케이스(200) 외부로 잘 방출될 수 있다. 그러므로, 셀 어셈블리(100)에 대한 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 파이프를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 냉각 파이프는 중공을 통해 냉각 유체가 흐르도록 구성될 수 있다. 즉, 냉각 파이프는, 도 2에서 I2로 표시된 바와 같이 일단에 유입구가 형성되고, 도 2에서 O2로 표시된 바와 같이 타단에 유출구가 형성될 수 있다. 그리고, 유입구(I2)를 통해 냉각 유체, 이를테면 냉각수가 유입될 수 있다. 그리고, 이러한 냉각 유체, 즉 냉각수는 냉각 파이프의 중공을 따라 흐르면서, 주변의 열을 흡수할 수 있다. 그리고, 냉각수는, 유출구(O2)를 통해 열과 함께 벤팅 유닛(300)의 외부로 배출됨으로써, 방열 기능을 수행할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 냉각 파이프의 유입구(I2)와 유출구(O2)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 벤팅 유닛(300)의 배출구(O1) 측에 위치할 수 있다. 특히, 냉각 파이프의 유입구(I2)와 유출구(O2)는, 벤팅 유닛(300)의 배출구(O1) 외부에 위치할 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)에서 유입구(I2)와 유출구(O2) 사이의 파이프 구간의 일부 또는 전부는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간으로 삽입될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 조립 공정이 보다 용이하게 수행될 수 있다. 그리고, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부에서 벤팅 가스가 배출구(O1) 측으로 배출될 수 있도록 하는 한편, 냉각 유닛(400)에 의한 냉각 성능이 보다 향상되도록 할 수 있다.
상기 냉각 파이프는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 추가로 참조하여 설명한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 측면에서 바라본 형태의 도면이다. 다만, 도 5에서는, 설명의 편의를 위해 벤팅 유닛(300)은 도시되어 있지 않고, 벤팅 유닛(300)이 장착되는 위치만 A3로 표시되어 있다. 더욱이, 도 5는, 도 1의 배터리 모듈 구성에 대하여, 좌측 벤팅 유닛(300)을 제거한 상태에서, 배터리 모듈을 좌측에서 우측 방향(+X축 방향)으로 바라본 구성의 일 실시 형태라 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 냉각 파이프는, 유입구(I2)와 유출구(O2) 사이의 구간에서 적어도 1회 이상 벤딩될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5의 구성을 살펴보면, 냉각 유닛(400), 즉 냉각 파이프는, 유입구(I2)와 유출구(O2) 사이의 구간에서, B1, B2 및 B3로 표시된 부분과 같이 벤딩된 부분이 존재할 수 있다.
특히, 이러한 벤딩 구성으로 인해, 벤팅 유닛(300)의 내부에는, 서로 연결된 하나의 파이프이지만, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로는 다수의 파이프가 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시예를 참조하면, 벤팅 유닛(300)의 내부에서 벤팅 가스의 흐름 방향은, 화살표로 표시된 바와 같이, 수평 방향인 -Y축 방향이라 할 수 있다. 그런데, 이러한 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향은 수직 방향, 즉 Z축 방향이라 할 수 있으며, 이러한 수직 방향으로는, 4개의 파이프가 존재한다고 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스가 보다 많은 냉각 파이프와 접촉하도록 함으로써, 벤팅 가스의 냉각 효율이 보다 높아질 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 존재하는 벤딩 부분으로 인해 벤팅 가스가 냉각 파이프에 부딪힐 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 B1~B3로 표시된 벤딩 부분은 대체로 상하 방향으로 연장된 부분이 존재하므로, 벤팅 가스는 그 흐름 방향에 대략적으로 직교하는 형태로 형성된 벤딩 부분에 부딪힐 수 있다. 그러므로, 이 과정에서 벤팅 가스에 포함된 화염이나 활물질의 배출이 저지되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이 경우, 벤팅 가스가 냉각 파이프와 접촉하는 부분이 더욱 많아지게 되므로, 벤팅 가스의 온도는 더욱 낮아질 수 있다.
상기 실시 구성에서, 냉각 유닛(400)의 최대 폭은, 벤팅 홀(H1)의 최대 폭 이상으로 형성될 수 있다. 여기서, 폭이란, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향의 길이라 할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 실시 구성에서, 벤팅 가스의 흐름 방향은 수평 방향(-Y축 방향)이므로, 이러한 흐름 방향에 직교하는 상하 방향(Z축 방향)이 곧 폭 방향이라 할 수 있다. 따라서, 냉각 유닛(400)의 최대 폭은, C2로 표시된 바와 같이, 가장 하부에 위치한 냉각 파이프와 가장 상부에 위치한 냉각 파이프 사이의 거리일 수 있다. 그리고, 벤팅 홀(H1)의 최대 폭은, C1으로 표시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)에 대한 상단과 하단 사이의 거리라 할 수 있다. 이때, C2와 C1 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립할 수 있다.
C2≥C1
더욱이, 냉각 유닛(400)의 최외곽부는 벤팅 홀(H1)의 최외곽부보다 외부 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 실시 구성에서, 냉각 유닛(400)의 최하단부는 벤팅 홀(H1)의 최하단부보다 하부 측에 위치하고, 냉각 유닛(400)의 최상단부는 벤팅 홀(H1)의 최상단부보다 상부 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스에 대하여 전체적으로, 냉각 유닛(400)이 커버하도록 할 수 있다. 즉, 상기 실시예에 의하면, 벤팅 홀(H1)로부터 벤팅 가스가 배출되는 경우, 벤팅 가스는 전체적으로 냉각 유닛(400)과 접촉할 수 있다. 따라서, 냉각 유닛(400)에 의한 냉각 효과나 화염 또는 스파크 등의 차단 효과 등이 보다 확실하게 달성될 수 있다.
한편, 상기 실시 구성에서는, 냉각 유닛(400)과 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 측면에 부착된 상태이기 때문에 폭 방향이 상하 방향이 될 수 있다. 그러나, 냉각 유닛(400)과 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 상부나 하부에 부착된 경우에는, 폭 방향은 수평 방향, 이를테면 좌우 방향이 될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 벤팅 가스에 의해 파열 가능하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 냉각 유닛(400)의 일부분이 파열된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 6을 참조하면, 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 분출되어 벤팅 유닛(300)의 내부 공간으로 유입된 경우, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에 존재하는 냉각 유닛(400)은, 이러한 벤팅 가스에 의해 적어도 부분적으로 파열될 수 있다. 보다 구체적으로, 냉각 파이프는, 도 6에서 D1으로 표시된 부분이 파열될 수 있다. 그리고, 이러한 파열 부분을 통해, 냉각 파이프 내부의 냉각 유체가 벤팅 유닛(300)의 내부 공간, 즉 벤팅 채널(V)로 분사될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 냉각 유닛(400)은, 정상 상황에서는 셀 어셈블리(100)의 온도를 낮추는 역할을 할 수 있고, 비상 상황에서는 셀 어셈블리(100)로부터 배출된 벤팅 가스의 온도를 낮추고 화염을 억제하는 역할을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 냉각 유체는, 벤팅 가스의 배출 방향과는 다른 방향으로 분사될 수 있는데, 이 경우, 벤팅 가스에 포함된 스파크나 이물질, 화염 등의 배출이 저지될 수 있다. 더욱이, 이와 같은 효과는, 냉각 유체가 냉각수와 같은 액체 형태일 때 보다 향상될 수 있다.
상기 냉각 유닛(400), 특히 냉각 파이프는, 벤팅 가스의 온도나 압력에 의해 파열될 수 있는 재질이나 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각 파이프는, 소정 두께 이하, 이를테면 1mm 이하의 알루미늄 재질로 구성되거나, 열변형 수지 소재 등으로 구성될 수 있다.
특히, 상기 냉각 유닛(400)은, 파열부가 소정 위치에 미리 형성될 수 있다. 예를 들어, 냉각 유닛(400)은, 도 6에서 D1으로 표시된 부분에, 파열부가 미리 형성될 수 있다. 여기서, 파열부는, 냉각 유닛(400), 특히 냉각 파이프에서, 미리 설정된 온도나 압력에 의해 파열 가능하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 냉각 파이프는, 대체로 2mm 두께의 알루미늄 재질로 이루어지되, D1으로 표시된 특정 부분에 대해서는 보다 얇은 0.5 mm 두께의 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 또는, 냉각 파이프는, 대체로 금속 재질로 이루어지되, D1으로 표시된 특정 부분에 대해서는 이보다 용융점이 낮은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 또는, 냉각 파이프는, D1으로 표시된 부분에 개구가 미리 형성되고, 이러한 개구를 밀폐시키는 캡을 구비하되, 캡은 벤팅 가스의 열이나 압력에 의해 개구를 개방시키도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시예들에서, D1으로 표시된 부분은, 벤팅 가스로 인해 냉각 파이프의 중공을 외부로 노출시켜 냉각 유체가 새어 나오도록 하므로, 파열부라 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부에서 벤팅 가스가 흐를 때, 벤팅 가스에 의해 냉각 유닛(400)으로부터 냉각 유체가 신속하게 배출되도록 할 수 있다. 특히, 상기 실시 구성의 경우, 냉각 유체가 배출되는 위치가 파열부에 의해 미리 정해져 있으므로, 냉각수와 같은 냉각 유체가 벤팅 유닛(300) 내부에서 적절한 공간에 분사되도록 할 수 있다.
더욱이, 상기 파열부는, 냉각 유닛(400)에서 다수 형성될 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 파이프에는, 다수의 파열부(D1)가 벤팅 가스의 배출 방향으로 배치될 수 있으며, 각각의 파열부(D1)는, 서로 이격된 위치에 형성될 수 있다.
이 경우, 냉각 유체가 여러 파열부(D1)를 통해 분사되며, 벤팅 가스는 벤팅 채널(V)에서 외부로 배출될 때 냉각 유체와 여러 번 접촉될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스의 냉각이나 화염 또는 스파크 등의 차단 효과가 보다 향상될 수 있다.
특히, 상기 벤팅 유닛(300)은, 여러 도면에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 측면, 이를테면 좌측면과 우측면에 부착될 수 있다. 이때, 파열부(D1)는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 상부 측에 위치하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 실시 구성을 참조하면, 벤팅 유닛(300)이 부착되는 부분(A3)의 상하 방향 중심선은 A4-A4'선이라 할 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400), 즉 냉각 파이프는, 이러한 중심선(A4-A4'선)의 상부 측과 하부 측에 위치할 수 있다. 이때, 파열부는, D1으로 표시된 바와 같이, 적어도 중심선(A4-A4'선)을 기준으로 상부 측에 위치하도록 구성될 수 있다.
특히, 냉각 파이프는, 1개의 파이프가 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 상하 방향으로 절곡된 형태로 구성되어, 하부에서 상부 방향으로 다수의 층이 형성되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 경우, 냉각 파이프는, 상하 방향으로 총 4개의 층을 구비할 수 있다. 이때, 파열부는, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 가장 상층부, 이를테면 도 6의 4층 부분에 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 유닛(300) 내부 공간에서, 벤팅 가스가 최대한 많은 냉각 유체와 접촉하도록 할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 유체가 벤팅 채널(V)의 상부 측에서 하부 방향으로 분사되는 경우, 벤팅 채널(V)에서 상하 방향으로 공간 전체에 냉각 유체가 분사되는 효과를 가질 수 있다. 그러므로, 이 경우, 냉각 유체의 분사에 의한, 벤팅 가스의 냉각, 화염이나 스파크 저지 효과 등이 보다 확실하게 보장될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에서, 냉각 유체는, 하층부에서 상층부로 흐르도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서, 냉각 파이프가 1층에서 4층까지 총 4개의 층을 구비하는 경우, 가장 낮은 층인 1층으로 냉각 유체가 유입되고, 가장 높은 층인 4층으로 냉각 유체가 유출되도록 할 수 있다. 즉, 유입구(I2)는 가장 하층부인 1층에 위치하고, 유출구(O2)는 가장 상층부인 4층에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 가장 상층부인 4층에서 냉각 유체가 분사될 경우, 냉각 파이프의 1층에서 3층까지의 부분으로는 냉각 유체가 흐를 수 있다. 따라서, 4층에서 분사되는 냉각 유체에 의해, 벤팅 가스의 냉각 및 화염 등의 저지 효과가 확보되도록 하는 한편, 1층에서 3층까지 냉각 파이프를 통해 흐르는 냉각 유체에 의해, 벤팅 유닛(300)의 냉각 효과가 함께 달성되도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 1층에서 3층까지 냉각 파이프를 통해 흐르는 냉각 유체에 의해, 모듈 케이스(200) 내부에 존재하는 셀 어셈블리(100)로부터 열을 흡수하는 기능 또한 그대로 수행할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다. 도 7에서도 설명의 편의를 위해 벤팅 유닛(300)은 제거되어 있다. 한편, 본 실시예를 비롯하여 본 명세서에 포함된 여러 실시예들의 경우, 다른 실시예들에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 설명될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에서 절곡된 파이프 형태로 구성되되, E1으로 표시된 부분과 같이, 벤팅 가스의 흐름 방향에 대하여 직각이 아닌 소정 각도, 이를테면 예각으로 기울어진 형태로 형성된 경사부를 구비할 수 있다. 특히, 이러한 경사부는, S1으로 표시된 상부 경사부(제1 경사부)와 S2로 표시된 하부 경사부(제2 경사부)를 구비할 수 있다. 이때, 상부 경사부(S1)는 하부로 갈수록 배출구 방향으로 기울어진 형태로 구성되고, 하부 경사부(S2)는 상부로 갈수록 배출구 방향으로 기울어진 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 상부 경사부(S1)의 하단과 하부 경사부(S2)의 상단은, E2로 표시된 부분과 같이 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스가 특정 부분으로 집중되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 7의 구성에서, 벤팅 홀(H1)로부터 벤팅 채널(V)로 배출된 벤팅 가스는, 화살표로 표시된 바와 같이, 상부 경사부(S1)와 하부 경사부(S2)를 따라 흐를 수 있다. 그리고, 이와 같이 경사부를 따라 흐르는 벤팅 가스는, 상부 경사부(S1)와 하부 경사부(S2)가 만나는 꼭지점 부분(E2)으로 집중될 수 있다. 따라서, 냉각 파이프의 전체 구간 중, 다른 부분에 비해 E2 부분이 보다 쉽게 파열될 수 있다.
또한, 도 7의 구성을 참조하면, F1 및 F2로 표시된 부분과 같이, 냉각 파이프, 즉 냉각 유닛(400)은, 벤팅 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 돌출된 돌출부를 구비할 수 있다. 더욱이, 이러한 돌출부(F1, F2)는, 냉각 파이프의 절곡 구성을 통해 구현될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 돌출부(F1, F2)가 벤팅 가스의 흐름 방향(수평 방향)에 직교하는 방향(상하 방향)으로 길게 존재할 수 있으므로, 벤팅 가스의 냉각 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 이 경우, 벤팅 가스에 포함된 화염이나 입자 등의 외부 배출을 억제할 수 있다.
특히, 이러한 돌출부(F1, F2)는, 냉각 파이프에서 E1으로 표시된 경사부, 더욱이 E2로 표시된 파열 위치보다 벤팅 가스의 흐름 방향으로 후방에 위치할 수 있다. 이 경우, 파열 위치(E2)에서 분사된 냉각 유체가 벤팅 유닛(300)의 배출구 측으로 향하는 것을 저지할 수 있다. 특히, 도 7에 도시된 바와 같은 구성에서는, 냉각 파이프의 형태와 파열 지점(E2)의 위치 상, 냉각 유체가 -Y축 방향으로 향할 수 있다. 이때, 돌출부(F1, F2)는, 이와 같이 냉각 유체가 -Y축 방향으로 향하는 것을 억제함으로써, 냉각 유체가 배출구(O1) 측으로 쉽게 빠져 나가지 않고, 벤팅 채널(V) 내부에 최대한 존재하도록 할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 냉각 유체에 의한 냉각 및 화염 등 차단 효과가 더욱 향상될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 8은, 도 7의 배터리 모듈 구성에 대하여, 벤팅 유닛(300)이 장착된 상태에서, A5-A5'선에 대한 단면 구성의 일 형태를 나타낸다고 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 냉각 유닛(400)은, 모듈 케이스(200)의 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이 공간에 개재될 때, 일부는 모듈 케이스(200)의 외면에 가깝게 위치하고, 다른 일부는 벤팅 유닛(300)의 내면에 가깝게 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서, 동일한 냉각 파이프의 서로 다른 부분으로서, F1으로 표시된 부분은 모듈 케이스(200)의 외면에 접촉하고, F2로 표시된 부분은 벤팅 유닛(300)의 내면에 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 냉각 파이프의 크기(직경)를 벤팅 채널(V)의 폭보다 작게 함으로써, 냉각 파이프가 벤팅 가스의 흐름을 완전히 차단하는 것을 방지하면서도, 냉각 파이프에 의한 냉각이나 화염 등의 차단 효과가 더욱 향상되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 8의 구성에서, 냉각 파이프는, 좌측 및 우측 방향으로 교차 형성된다고 할 수 있다. 이 경우, 벤팅 가스는, 벤팅 채널(V) 내부에서 대체로 전후 방향(Y축 방향)으로 흐르되, 부분적으로는 냉각 파이프에 의해 좌우 방향(X축 방향)으로 절곡되어 흐를 수 있다. 따라서, 이 경우, 벤팅 가스의 냉각 효율을 높이고, 벤팅 가스에 포함된 스파크나 화염 등의 이동을 방해하는 효과가 보다 향상될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 10은, 도 9의 A6-A6'선에 대한 단면 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 벤팅 유닛(300)은, 모듈 케이스(200)의 상부에 결합될 수 있다. 이때, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간에는 냉각 유닛(400)의 적어도 일부가 구비될 수 있다. 특히, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 상면부에 위치하는 경우, 벤팅 유닛(300)은 이러한 벤팅 홀(H1)의 위치에 대응되게 모듈 케이스(200)의 상부에 부착될 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400) 역시, 모듈 케이스(200)의 상부 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 상부 측 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이의 공간에 배치될 수 있다.
더욱이, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 상면부 좌측과 우측에 각각 형성된 경우, 벤팅 유닛(300)은 도 9에 도시된 바와 같이 모듈 케이스(200)의 상부에서 좌측과 우측에 각각 부착될 수 있다. 이때, 벤팅 홀(H1)로부터 벤팅 가스가 배출되는 경우, 벤팅 가스는 도 9에서 전방(-Y축 방향)으로 이동하여 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 홀(H1)이 모듈 케이스(200)의 상부에 형성되어 있으므로, 고온의 벤팅 가스 배출이 보다 신속하게 이루어질 수 있다. 또한, 이 경우, 냉각 유닛(400)으로부터 물과 같은 냉각 유체가 배출된 경우, 배출된 냉각 유체가, 도 10에서 화살표로 표시된 바와 같이, 모듈 케이스(200) 내부로 쉽게 투입될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200) 내부의 화재가 보다 확실하게 진압될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 특히, 도 11은, 도 9의 A6-A6'선에 대한 단면 구성의 다른 예를 나타낸다 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 모듈 케이스(200)의 외측에 CS로 표시된 바와 같이, 케이스 경사부가 형성될 수 있다. 특히, 이러한 케이스 경사부(CS)는, 모듈 케이스의 외측에서, 벤팅 홀(H1)을 따라 높이가 점점 낮아지는 형태로 형성될 수 있다. 더욱이, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 상부 외측 표면에서 가장 낮은 부분에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 냉각 유닛(400)으로부터 배출된 냉각 유체가, 도 11에서 화살표로 표시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)을 경유하여 모듈 케이스(200) 내부로 보다 원활하고 신속하게 투입될 수 있다. 그러므로, 이러한 실시예는, 모듈 케이스(200) 내부에서의 화재 진압에 더욱 효과적일 수 있다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 12를 참조하면, 2개의 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 상면에서 좌측과 우측에 각각 결합되되, 각 벤팅 유닛(300)의 벤팅 방향은 서로 반대 방향이 되도록 구성될 수 있다. 즉, 모듈 케이스(200)의 상면 좌측에 구비된 벤팅 유닛(300)의 벤팅 방향은 후방(+Y축 방향)을 향하도록 구성되고, 모듈 케이스(200)의 상면 우측에 구비된 벤팅 유닛(300)의 벤팅 방향은 전방(-Y축 방향)을 향하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서, 냉각 유닛(400)의 단부가 돌출되는 부분은, 상면 좌측 벤팅 유닛(300)과 상면 우측 벤팅 유닛(300)에서 서로 반대 방향이 될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 다수의 벤팅 유닛(300) 간 벤팅 방향을 다르게 함으로써, 벤팅 가스를 분산시켜 벤팅 가스가 특정 부분에 집중되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 이 경우, 벤팅 가스의 집중으로 인한 특정 부분의 과열을 방지할 수 있다.
또한, 상기 냉각 유닛(400)은, 적어도 일부분이 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각 유닛(400)은, 벤팅 홀(H1)을 통해 일부분이 모듈 케이스(200) 내부 공간으로 삽입될 수 있다. 특히, 냉각 유닛(400)의 파열부가 모듈 케이스(200) 내부 공간에 위치할 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 화재 진압에 보다 유리할 수 있다. 특히, 냉각 유닛(400)이 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 파열된 경우, 모듈 케이스(200)의 내부 공간으로 냉각 유체가 직접 주입될 수 있다. 따라서, 냉각 유체를 통한 소화가 보다 효과적이고 신속하게 이루어질 수 있다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에 대해서도, 앞선 여러 실시예들에서 설명한 부분이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈(M)을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 용량 및/또는 출력 증대를 위하여, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈(M)을 다수 포함할 수 있다. 이때, 각 배터리 모듈(M)에는, 앞서 설명한 여러 구성이 적용될 수 있다. 예를 들어, 각 배터리 모듈(M)에는, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200), 벤팅 유닛(300) 및 냉각 유닛(400)이 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 배터리 모듈(M)은, 팩 하우징(PH) 내부에 수용될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩의 경우, 특정 배터리 모듈에서 열적 이벤트가 발생하더라도, 안전성이 일정 수준 이상 확보될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈(M)들의 경우, 벤팅 유닛(300)을 포함하고, 이러한 벤팅 유닛(300)을 통해, 화살표로 표시된 바와 같이 벤팅 가스가 배출되도록 할 수 있다. 특히, 이러한 벤팅 가스의 배출 경로에는, 냉각 유닛(400)이 배치될 수 있다. 따라서, 외부로 배출되는 벤팅 가스의 온도를 낮추고, 벤팅 가스 내에 스파크나 전극 토출물, 탄화물 등과 같은 발화 요인이 최대한 포함되지 않도록 할 수 있다. 그러므로, 해당 배터리 모듈(M) 주변은 물론이고, 다른 배터리 모듈(M)에서 발화나 열폭주 전파가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 배터리 팩의 경우, 각 배터리 모듈에 포함된 벤팅 유닛(300)을 통해 벤팅 방향 제어가 가능함으로써, 다른 배터리 모듈을 향해 직접적으로 벤팅 가스가 분사되지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 팩 하우징 내에서 좌측 열과 우측 열, 2개의 열로 다수의 배터리 모듈(M)이 배치될 때, 좌측 열의 배터리 모듈(M)에 대해서는 벤팅 유닛(300)의 분사 방향이 좌측을 향하도록 하고, 우측 열의 배터리 모듈(M)에 대해서는 벤팅 유닛(300)의 분사 방향이 우측을 향하도록 할 수 있다. 이 경우, 특정 배터리 모듈, 이를테면 M4에서 벤팅 가스가 배출될 때, 벤팅 가스가 다른 배터리 모듈을 향하지 않도록 함으로써, 벤팅 가스에 의해 다른 배터리 모듈로 열적 이벤트가 확산되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈(M)이나 팩 하우징(PH) 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS나 버스바, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 팩 하우징(PH)의 내부 공간 등에 더 포함할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 여러 실시예에서, 배터리 모듈에 적용된 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)은, 배터리 팩에 적용될 수도 있다. 이에 대해서는, 도 14를 참조하여 추가로 설명한다.
도 14는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 상부에서 바라본 형태의 도면이다. 예를 들어, 도 14는, 도 13과 마찬가지로 본 발명에 따른 배터리 팩에 대하여, 팩 하우징(PH)의 상부 측을 제거한 상태의 내부 구성을 나타낸다고 할 수 있다. 본 실시예에 대해서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 14를 참조하면, 다수의 배터리 모듈(M)이 수납된 팩 하우징(PH)의 적어도 일측에는, H2로 표시된 바와 같이, 홀이 형성될 수 있다. 이러한 팩 홀(H2)은, 팩 하우징(PH)의 내부 공간과 외부 공간이 연통된 형태로 형성될 수 있다. 특히, 팩 홀(H2)은, 팩 하우징(PH)의 내부 공간에 존재하는 가스 등이 외부로 배출되는 통로로서 기능할 수 있다.
이와 같은 구성에서, 팩 하우징(PH)에는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 장착될 수 있다. 특히, 도 14에 도시된 바와 같이, 팩 하우징(PH)에 팩 홀(H2)이 형성된 경우, 벤팅 유닛(300)은, 팩 하우징(PH)의 외측에서, 팩 홀(H2)이 형성된 부분에 부착될 수 있다. 그리고, 냉각 유닛(400)은, 벤팅 유닛(300)의 내부 공간, 즉 팩 하우징(PH)의 외면과 벤팅 유닛(300)의 내면 사이에 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 이러한 실시예에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈(M), 하나 이상의 배터리 모듈(M)을 내부 공간에 수용하며 팩 홀(H2)이 형성된 팩 하우징(PH), 이러한 팩 하우징(PH)에 장착되고, 상기 팩 홀(H2)로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛(300) 및 적어도 일부가 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛(400)을 포함한다고 할 수 있다.
이 경우, 임의의 배터리 모듈(M)로부터 생성된 벤팅 가스 등은, 도 14에서 화살표로 표시된 바와 같이, 팩 홀(H2)을 통과하여, 팩 하우징(PH)의 외측에 위치한 벤팅 유닛(300)으로 유입될 수 있다. 그러면, 앞서 설명한 바와 같이, 냉각 유닛(400)에 의해, 벤팅 가스가 냉각되고, 그에 포함된 스파크나 전극 토출물, 탄화물 등의 외부 배출이 억제될 수 있다.
이러한 실시예와 같이, 팩 하우징(PH)에 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 장착되는 실시 구성에서, 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)에는 앞서 모듈 케이스(200)에 장착된 형태로 설명된 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)의 여러 실시 구성이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
한편, 도 14에 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 모듈(M)에는 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 포함되지 않을 수 있다. 다만, 도 13에 도시된 바와 같이, 각 배터리 모듈(M)에도 벤팅 유닛(300)과 냉각 유닛(400)이 별도로 부착될 수 있음은 물론이다.
또한, 도 14의 실시예에서는, 셀 어셈블리(100)가 모듈 케이스(200) 내부에 수납되어 모듈화된 형태로 팩 하우징(PH)의 내부에 구비되어 있다. 하지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 경우, 셀 어셈블리(100)는 모듈 케이스(200)에 수납되지 않고, 셀투팩(cell to pack) 형태로 직접 팩 하우징(PH)에 장착될 수도 있다. 이 경우, 앞서 설명된 배터리 모듈(M)은, 모듈 케이스(200)를 포함하지 않고, 셀 어셈블리(100)만 포함할 수도 있다. 한편, 팩 하우징(PH)의 내부 공간에는, BMS(Battery Management System)와 같은 제어 장치 및 릴레이와 전류 센서와 같은 전장 부품이 함께 수납될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩은, 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.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 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.
[부호의 설명]
100: 셀 어셈블리
200: 모듈 케이스
300: 벤팅 유닛
310: 본체부, 320: 절곡부
400: 냉각 유닛
H1: 벤팅 홀
O1: 배출구
V: 벤팅 채널
I2: 유입구, O2: 유출구
D1: 파열부
S1: 상부 경사부, S2: 하부 경사부
CS: 케이스 경사부
M: 배터리 모듈
PH: 팩 하우징
H2: 팩 홀

Claims (13)

  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;
    상기 모듈 케이스의 외측에 구비되고, 상기 벤팅 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 유출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및
    적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 적어도 일부가 상기 벤팅 유닛의 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 유닛은, 적어도 일측 단부가 절곡된 플레이트 형태로 구성되어 절곡 단부가 상기 모듈 케이스의 외측에 부착된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면과 상기 벤팅 유닛의 내면 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 적어도 일부분이 상기 모듈 케이스의 외면에 접촉된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 중공에 냉각 유체가 흐를 수 있도록 구성된 냉각 파이프를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 파이프는, 적어도 일부분이 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 벤딩된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 상기 벤팅 가스에 의해 파열 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은, 미리 설정된 온도나 압력에 의해 파열 가능하도록 구성된 파열부가 소정 위치에 미리 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 측면에 위치하며,
    상기 파열부는, 상기 벤팅 유닛의 내부 공간에서 상부 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  12. 하나 이상의 배터리 모듈;
    상기 하나 이상의 배터리 모듈을 내부 공간에 수납하며 팩 홀이 형성된 팩 하우징;
    상기 팩 하우징에 장착되고, 상기 팩 홀로부터 배출된 벤팅 가스가 유입되어 외부로 배출될 수 있도록 구성된 벤팅 유닛; 및
    적어도 일부가 상기 벤팅 가스가 흐르는 경로 상에 구비되고, 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 구성된 냉각 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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