WO2023080581A1 - 안전성이 강화된 배터리 모듈과 배터리 팩 - Google Patents

안전성이 강화된 배터리 모듈과 배터리 팩 Download PDF

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WO2023080581A1
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expansion
battery
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battery module
module
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장성환
성준엽
박명기
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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 and battery pack with enhanced safety, and a vehicle including the same.
  • 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.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and to provide a battery module having an improved structure, a battery pack including the battery module, and a vehicle, etc., so that safety can be improved when a thermal event occurs inside the battery module.
  • the purpose is to provide a battery module having an improved structure, a battery pack including the battery module, and a vehicle, etc., so that safety can be improved when a thermal event occurs inside the battery module.
  • 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 an expansion member positioned inside the module case and configured to expand in volume when heat is supplied to fill at least a portion of an empty space inside the module case.
  • the expansion member may include a phase change material.
  • the battery module according to the present invention may further include an extinguishing member configured to hold an extinguishing substance and release an extinguishing substance therein when the expandable member is inflated.
  • the expansion member may be interposed between the cell assembly and the fire extinguishing member.
  • the fire extinguishing member may be located above the cell assembly.
  • a venting hole may be formed in the module case, and the expansion member may be configured to close at least a portion of the venting hole by expansion.
  • the expandable member may be partially configured to have different expansion degrees.
  • the expansion member may include a plurality of expansion parts having different reaction temperatures for expansion.
  • 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 a cell assembly including one or more battery cells; a pack case accommodating the cell assembly in an inner space; and an expansion member positioned inside the pack case and configured to expand in volume when heat is supplied to fill at least a portion of an empty space inside the pack case.
  • a vehicle according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes a battery module or a battery pack according to the present invention.
  • a fire suppression effect when a thermal event occurs inside the battery module, a fire suppression effect can be achieved by filling the empty space.
  • 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 an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along line A1-A1' in FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration in which an expansion member is expanded by heat in the configuration of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the battery module shown in FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing the configuration of an expansion member included in another battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a module case included in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 9 is a cross-sectional view along line A3-A3' in Fig. 8;
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 12 is a cross-sectional view along the line A4-A4' in Fig. 11;
  • FIG. 13 is an enlarged view of portion A5 in FIG. 12 .
  • FIG. 14 is a diagram schematically illustrating a state in which an expandable member is inflated in the configuration of FIG. 13 .
  • 15 is an enlarged view schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is an enlarged view schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a perspective view schematically illustrating some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram schematically illustrating a configuration in a state in which a portion of an expandable member is inflated in the battery module configuration of FIG. 17 .
  • FIG. 19 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • 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 an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1
  • 3 is a cross-sectional view along line A1-A1' in FIG. 1 .
  • the battery module according to the present invention includes a cell assembly 100 , a module case 200 and an expandable member 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.
  • a plurality of secondary batteries may form the cell assembly 100 in a stacked form.
  • a plurality of secondary batteries may be stacked side by side in a horizontal direction (Y-axis direction in the drawing) in a state where each is erected in a vertical direction (Z-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 include a top plate 210 , a base plate 220 and a side plate 230 .
  • the module case 200 may define an internal space by each of these components, that is, the top plate 210, the base plate 220, and the side plate 230.
  • the top plate 210 may be located at the top of the module case 200
  • the base plate 220 may be disposed below the top plate 210 at a predetermined distance from the top plate 210 .
  • the side plate 230 may be disposed between the top plate 210 and the base plate 220 in a form in which an upper end and a lower end are respectively connected.
  • the top plate 210, the base plate 220, and/or the side plate 230 may be configured in the form of a thin sheet, that is, in the form of a plate, but may be configured in the form of a polyhedron having a thickness of a certain level or more, such as a rectangular parallelepiped. there is.
  • the side plate 230 may include a left plate 231 , a right plate 232 , a front plate 233 and a rear plate 234 . All or part of the top plate 210, the base plate 220 and/or the side plate 230 may be made of a metal material. Also, at least some of them may be made of a plastic material.
  • the left plate 231, the right plate 232, the top plate 210, and the base plate 220 may be made of steel.
  • the front plate 233 and the rear plate 234 may be made of a plastic material.
  • the top plate 210 , the base plate 220 and the side plate 230 may be integrated with each other.
  • the left plate 231 and the right plate 232 may be integrated with the base plate 220 .
  • the left plate 231, the right plate 232, and the base plate 220, which are integrated with each other may be referred to as a term such as a U-frame due to their shapes.
  • the front plate 233 and the rear plate 234 are end plates, and may be coupled to openings at the front and rear ends of the U-frame, respectively.
  • the top plate 210 may be coupled to the upper open portion of the U-frame.
  • the module case 200 may be configured in various other forms.
  • the base plate 220 and the four side plates 230 may constitute a lower case in an integrated form, that is, in a box form.
  • the top plate 210 may be coupled to the top opening of the box-shaped lower case.
  • the base plate 220, the left plate 231, the right plate 232, and the top plate 210 may be formed in a tubular shape integrated with each other.
  • the tubular case may be referred to as a mono frame.
  • various coupling methods may be employed for a configuration that is not manufactured in an integrated form in the module case 200 but coupled during the assembly process of the battery module.
  • the top plate 210, the front plate 233, and the rear plate 234 may be coupled to the U-frame through laser welding or ultrasonic welding.
  • each component of the module case 200 may be coupled to each other through a bolt fastening method or the like.
  • the module case 200 can accommodate the cell assembly 100 in the internal space defined by the top plate 210 , the base plate 220 and the side plate 230 .
  • the expansion member 300 may be located inside the module case 200 . Moreover, one or more expansion members 300 may be included inside the module case 200 . Also, the expandable member 300 may be configured to expand in volume when heat is supplied. In particular, the expandable member 300 may include a material whose volume expands when heat is supplied to reach a certain temperature or higher. Also, the expansion member 300 may be configured to fill at least a part of the empty space inside the module case 200 by such volume expansion. This volume expansion configuration will be described in more detail with further reference to FIG. 4 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration in which the expansion member 300 is expanded by heat in the configuration of FIG. 3 .
  • the expansion member 300 expands in volume by heat, thereby filling an empty space inside the module case 200 .
  • the cell assembly 100 and the expansion member 300 may be accommodated in the inner space of the module case 200 .
  • the cell assembly 100 and the expansion member 300 may occupy a part of the inner space of the module case 200, and the space not occupied by the cell assembly 100 and the expansion member 300 is an empty space. can be left
  • a normal battery module state for example, in a state in which thermal runaway does not occur in the battery module, such an empty space may exist inside the module case 200 .
  • empty spaces are formed between the upper portion of the cell assembly 100 and the lower surface of the top plate 210 and between the side portion of the cell assembly 100 and the side plate 230 .
  • the expansion member 300 may be interposed between the side of the cell assembly 100 and the side plate 230, and the height of the expansion member 300 may be lower than that of the cell assembly 100.
  • the expansion member 300 may be located at the central portion of the side of the cell assembly 100 in the vertical direction. In this case, an empty space may exist on the upper and lower sides of the expandable member 300 .
  • the expansion member 300 may be interposed in the central portion of the cell assembly 100 as shown in FIGS. 2 and 3 . At this time, an empty space may exist at the top and bottom of the expandable member 300 .
  • the empty space as indicated by A2 can secure a tolerance during assembly and provide a heat insulating space.
  • the battery cell 110 may generate and dissipate heat during normal use as well as during thermal runaway.
  • the empty space inside the module case 200 may perform an insulation function between the battery cells 110 or between the module case 200 and the cell assembly 100 .
  • the empty space A2 may provide a path through which the venting gas is discharged in an initial emergency situation in which the venting gas is discharged from the battery cell 110 .
  • the heat is supplied to the expansion member 300. It can be. Then, as the volume of the expansion member 300 is expanded by the supplied heat, as shown in FIG. 4 , the shape of the expansion member 300 may be changed to fill part or all of the empty space indicated by A2 in FIG. 3 .
  • the space through which oxygen can flow into the battery module can be removed or reduced. Accordingly, it is possible to prevent a fire from occurring or spreading inside the battery module in an emergency situation such as thermal runaway. In addition, even if a flame is generated inside the battery module, the flame can be blocked or quickly extinguished.
  • the expandable member 300 may be formed in a plate shape.
  • at least some of the plurality of expandable members 300 may be formed in a plate shape and provided facing the wide surface of the pouch-type cell. That is, the expandable member 300 may be configured so that at least one of the two wide surfaces faces or directly contacts the receiving portion of the pouch-type cell in a vertically erected form.
  • the expansion member 300 may include a phase change material.
  • the expandable member 300 may be formed of a material having a property in which a change in state such as solid, liquid, or gas occurs depending on temperature, but the volume expands as the temperature increases.
  • the phase change material used in the expandable member 300 may be a material whose state changes from a solid to a liquid when heat is supplied and expands in volume at this time.
  • the phase change material has a property of expanding its volume while changing its state from a liquid to a gas, from a solid to a gas, or from a solid to a gel or sol when heat is supplied thereto. material may be provided.
  • the present invention is not limited by the specific type of the expandable member 300, for example, the specific type of phase change material.
  • the expandable member 300 may be formed in a form in which a heat-expandable material, particularly a phase change material, is accommodated inside the package.
  • the expansion member 300 when a thermal runaway event occurs inside the battery module, the expansion member 300 may be configured in such a way that the phase change material inside the expansion member 300 expands and flows out of the package body.
  • the package of the expandable member 300 may be configured to be ruptured by expansion of the phase change material inside, or may be configured in a form in which an opening is formed in advance.
  • a stopper may be provided at the opening, and the stopper may be opened when the internal pressure increases to a certain level or higher.
  • the expandable member 300 may be configured to expand the package itself together with an expandable material therein. At this time, the expansion member 300 may fill the space inside the module case 200 by expanding the expansion material and the packaging body together.
  • the expandable member 300 may be formed of only a heat-expandable material, for example, a phase change material, without a separate packaging body.
  • the expandable member 300 may include a polyurethane foam composite member or a porous foam composite member (ex. Si foam). Furthermore, the expandable member 300 may include a synthetic member in which expanded polypropylene or liquid hydrocarbon is wrapped in a pellet (capsule) pouch and coupled to polyurethane foam or porous foam.
  • the pouch-type capsule may be made of a material such as Acrylonitrile Co-polymers.
  • foaming of the foaming material may start. can For example, the foaming start temperature may be 160 degrees or higher.
  • the expansion member 300 may include porous expansion glass. In the case of such porous expanded glass, it can even perform a fire extinguishing role.
  • the present invention is not necessarily limited to a specific material, type, or shape of the expandable member 300.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view schematically illustrating a configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the battery module shown in FIG. 5 . 6 may be referred to as a modified example of the configuration of FIG. 4 .
  • the battery module according to the present invention may further include a fire extinguishing member 400 .
  • the extinguishing member 400 may hold an extinguishing material.
  • the fire extinguishing member 400 may include an exterior material having an internal space formed and the internal space sealed.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured to accommodate the fire extinguishing material in the inner space of the exterior material.
  • this extinguishing material may have a solid state, such as a powder state, or may have other various states or properties such as liquid or gas.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured to discharge an internal fire extinguishing material when the expandable member 300 is inflated. Moreover, the fire extinguishing member 400 may be configured to be pressurized by the expanded pressure when the expandable member 300 expands due to heat. In addition, the fire extinguishing member 400 may be configured such that when a pressure of a certain level or higher is applied, the exterior material is damaged or exploded so that the fire extinguishing material therein is discharged.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured in a form in which a fire extinguishing agent is sealed, and may have a sheet shape as shown in FIG. 5 .
  • the fire extinguishing member 400 may be accommodated inside the module case 200 in a form in which at least one surface faces the expansion member 300 .
  • a plurality of fire extinguishing members 400 may also be included in the module case 200 .
  • one or more fire extinguishing members 400 may be configured to face each other. As a more specific example, as shown in FIGS.
  • the expansion member 300 may be located at three points on the left, right, and center of the cell assembly 100 .
  • the expansion member 300 located in the center, as indicated by 300C1 and 300C2 may be provided in a form spaced apart from each other.
  • the fire extinguishing member 400 is in contact with the left expansion member 300 indicated by 300L, the right expansion member 300 indicated by 300R, and the central expansion member 300 indicated by 300C1 and 300C2 while facing the surface.
  • the centrally located extinguishing member 400 indicated by 400C may be interposed between the two central inflatable members 300C1 and 300C2.
  • the expansion member 300 expands, and through this, the fire extinguishing material from the fire extinguishing member 400 is ejected from the module case. (200) May be released internally. Then, inside the module case 200, due to the extinguishing material discharged from the extinguishing member 400, the flame can be blocked or the fire can be effectively suppressed.
  • the left expansion member 300 indicated by 300L when the left expansion member 300 indicated by 300L is inflated, the left fire extinguishing member 400 indicated by 400L may be pressed.
  • the right expansion member 300 indicated by 300R when the right expansion member 300 indicated by 300R is inflated, the right fire extinguishing member 400 indicated by 400R may be pressed.
  • the central expansion member 300 indicated by 300C1 and 300C when the central expansion member 300 indicated by 300C1 and 300C is inflated, the central fire extinguishing member 400 indicated by 400C interposed therebetween may be pressed. In this way, when the fire extinguishing member 400 is pressurized and the pressing force exceeds a certain level, each fire extinguishing member 400 may be damaged to discharge the fire extinguishing material therein.
  • the fire extinguishing member 400 may employ various fire extinguishing materials known at the time of filing of the present invention.
  • the fire extinguishing member 400 may include an extinguishing material such as sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, or ammonium phosphate.
  • the fire extinguishing member 400 may include an extinguishing material in the form of powder or granules such as porous expanded glass.
  • the expansion member 300 may be interposed between the cell assembly 100 and the fire extinguishing member 400 . That is, the expansion member 300 may be located closer to the cell assembly 100 than the fire extinguishing member 400 .
  • the left expansion member 300 indicated by 300L may be interposed between the left fire extinguishing member 400 indicated by 400L and the left portion of the cell assembly 100.
  • the right expansion member 300 indicated by 300R may be interposed between the right fire extinguishing member 400 indicated by 400R and the right portion of the cell assembly 100 .
  • the fire extinguishing member 400 may be positioned outside the expansion member 300 relative to the cell assembly 100 .
  • the central expansion member 300 indicated by 300C1 may be interposed between the cell assembly 100, in particular, the left group of the cell assembly 100 and the central fire extinguishing member 400 indicated by 400C.
  • the central expansion member 300 indicated by 300C2 may be interposed between the right group of the cell assembly 100 and the central fire extinguishing member 400 indicated by 400C.
  • the heat generated in the cell assembly 100 when heat generated in the cell assembly 100 is applied to the expansion member 300, it may not pass through the fire extinguishing member 400. Therefore, when heat is generated in the cell assembly 100, the generated heat is directly transferred to the expansion member 300, so that the expansion structure of the expansion member 300 by heat can be smoothly performed. That is, according to the embodiment, the heat of the cell assembly 100 can be well transferred to the expansion member 300 without being obstructed by the fire extinguishing member 400 .
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing the configuration of an expansion member 300 included in another battery module according to another embodiment of the present invention. This embodiment will be mainly described in terms of differences from the previous embodiments.
  • the expandable member 300 may have a through hole formed in an inward and outward direction, as indicated by O.
  • the expandable member 300 shown in FIG. 7 may be employed as the expandable member 300 of the battery module as shown in FIGS. 5 and 6 .
  • the expansion member 300 may be configured in the form of a sheet erected in the vertical direction, and may have wide surfaces on the left and right sides, and the through hole O may be formed in a shape penetrating in the left and right directions.
  • a plurality of such through holes O may be formed in the expansion member 300 in a form spaced apart from each other. That is, the plurality of through holes O may be widely distributed on the surface of the expansion member 300 .
  • the through hole O may be formed in a state in which the expansion member 300 is inflated. That is, the through hole O is not formed when the expandable member 300 is not inflated, but can be formed only when the expandable member 300 is expanded. Alternatively, the through hole O may be formed in advance even when the expansion member 300 is not inflated, and may be configured to maintain such a penetration state or increase in size even when the expansion member 300 is inflated. there is.
  • the extinguishing material of the extinguishing member 400 can more smoothly contact the cell assembly 100 .
  • the expansion member 300 of FIG. 7 is applied to the embodiment of FIG. 6, when the left fire extinguishing member 400 indicated by 400L releases an extinguishing material, penetration of the left expandable member 300 indicated by 300L
  • the extinguishing material may also be easily provided to the left surface of the cell assembly 100 through the hole O.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing the configuration of a module case 200 included in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 9 is a cross-sectional view along line A3-A3' in FIG. 8 .
  • a concave outward distribution groove may be formed on the inner surface of the module case 200, as indicated by G.
  • a plurality of distribution grooves (G) may be formed in the side plate 230 and may be spaced apart from each other by a predetermined distance in the front-back direction.
  • each distribution groove (G) may be formed to extend long in the vertical direction.
  • the distribution groove (G) formed in the side plate 230 it may be formed extending downward to the base plate 220.
  • a plurality of distribution grooves may be formed in the base plate 220 and may be disposed spaced apart from each other by a predetermined distance in the forward and backward directions.
  • the distribution groove G formed in the base plate 220 may be configured to be connected to the distribution groove formed in the side plate 230 .
  • the distribution groove G formed in the base plate 220 may extend long in the left and right directions.
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in the left and right directions on the upper surface of the base plate 220 . Accordingly, it can be said that the distribution grooves G of the base plate 220 are configured in a form elongated in the stacking direction of the battery cells 110 .
  • the distribution groove G of the base plate 220 extends long in the left and right direction (Y-axis direction), and the left end is the distribution groove G of the left plate 231 ), and the right end may be connected to the distribution groove (G) of the right plate 232.
  • the fire extinguishing material discharged from the fire extinguishing member 400 can be smoothly supplied to several battery cells 110 .
  • the fire extinguishing material may flow into the distribution groove G as indicated by the dotted arrow. Therefore, the extinguishing material may be provided not only to the battery cells 110 adjacent to the extinguishing member 400, but also to the battery cells 110 far away from each other.
  • each fire extinguishing member 400 may be present only at a predetermined position outside the cell assembly 100 or at a central portion of the cell assembly 100 .
  • the inner surface of the module case 200 is in contact with the battery cell 110 or the space is very narrow, so the movement of the extinguishing material may be hindered.
  • the fire extinguishing material can move through the distribution groove G. Therefore, in a state in which the plurality of battery cells 110 are stacked, the extinguishing material is smoothly supplied to all the stacked battery cells 110, so that fire prevention or suppression performance of the entire battery module can be improved.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 may be regarded as another modified example of the implementation of FIG. 4 .
  • the fire extinguishing member 400 may be positioned above the cell assembly 100 .
  • the extinguishing member 400 may be interposed between the cell assembly 100 and the top plate 210 .
  • the fire extinguishing material may be ejected from the fire extinguishing member 400 located above the cell assembly 100 .
  • the fire extinguishing member 400 may be positioned below the top plate 210 and the inflatable member 300 may be positioned below the fire extinguishing member 400 .
  • the fire extinguishing member 400 is pressurized so that the fire extinguishing material therein can be discharged. Then, the discharged extinguishing material is provided on top of the cell assembly 100 to prevent ignition or fire of the cell assembly 100 .
  • the cell assembly 100 since the extinguishing material is supplied from the upper side of the cell assembly 100, the cell assembly 100 may be in contact with the extinguishing material in the entire portion from the top to the bottom. Accordingly, fire suppression performance or fire extinguishing performance of the cell assembly 100 may be further improved.
  • the cell assembly 100 may be stacked in a horizontal direction, for example, in a left-right direction (Y-axis direction) in a state in which each battery cell 110 is erected.
  • the extinguishing material can be smoothly provided to the entire battery cell 110. .
  • a plurality of expansion members 300 may be provided on top of the cell assembly 100 and may be spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the expansion member 300 may be configured to secure a separation space of a certain level or more in a state in which it is expanded by heat.
  • the extinguishing material discharged from the extinguishing member 400 may be provided to the side of the cell assembly 100 through the separation space between the expansion members 300 . According to this configuration, even if the expansion member 300 is located between the fire extinguishing member 400 and the cell assembly 100, the extinguishing material discharged from the fire extinguishing member 400 can be smoothly supplied to the cell assembly 100 side. can
  • the expandable member 300 configuration shown in FIG. 7 may be employed.
  • the extinguishing material discharged from the extinguishing member 400 may pass through the expansion member 300 through the through hole O, move downward, and be supplied to the cell assembly 100 side.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 12 is a cross-sectional view along line A4-A4' in FIG. 11 .
  • FIG. 13 is an enlarged view of portion A5 of FIG. 12
  • FIG. 14 is a view schematically showing a state in which the expandable member 300 is inflated in the configuration of FIG. 13 .
  • This embodiment will also be mainly described in terms of differences from the previous embodiments.
  • a venting hole may be formed in the module case 200 as indicated by H.
  • a venting hole H communicating the inside and outside of the module case 200 may be formed in the right plate 232 of the module case 200 .
  • the generated venting gas may be discharged to the outside through the venting hole H.
  • the expansion member 300 may be configured to close at least a portion of the venting hole H by expansion. For example, as shown in FIG. 14, the expansion member 300 fills the internal space of the module case 200 while being expanded by heat. At this time, the expansion member 300 expands the venting hole H. Some or all of them may be blocked. In particular, the expansion member 300 may be configured to block the venting hole H by being supplied with heat and expanding while the venting gas is discharged to the outside through the venting hole H.
  • the configuration of closing the venting hole (H) by the expansion member 300 is the size of the expansion member 300, the distance to the venting hole (H), the temperature increased when the venting gas is discharged, or the module case 200. It can be designed appropriately in consideration of various situations, such as the internal space of
  • the introduction of external air, particularly oxygen, into the module case 200 through the venting hole H can be effectively blocked.
  • the venting gas When the venting gas is generated inside the module case 200, the venting gas may be discharged to the outside through the venting hole H.
  • oxygen after the venting gas is discharged, there is a possibility that oxygen may flow into the module case 200 through the venting hole H.
  • the venting hole H since the venting hole H may be closed by the expansion member 300 after the venting gas is discharged, the inflow of oxygen through the venting hole H may be blocked. Therefore, in this case, it is possible to prevent a fire from occurring or spreading through the venting hole H as much as possible while ensuring exhaust performance through the venting hole H.
  • FIG. 15 is an enlarged view schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 can be regarded as a modified example of the configuration of FIG. 13 .
  • the module case 200 may include a sliding part around the venting hole H, as indicated by S.
  • This sliding part (S), as indicated by the arrow B1 can be configured to be movable. In particular, in a normal state, such a sliding part (S) may be positioned open without closing the venting hole (H). However, when the expansion member 300 expands as indicated by arrow B2 due to thermal runaway occurring inside the battery module, the expansion of the expansion member 300 causes the sliding part S to slide in the direction of arrow B1. can In addition, part or all of the venting hole H may be closed due to the sliding operation of the sliding part S.
  • a guide rail may be provided in the module case 200, as indicated by E in the drawings, for smooth operation of the sliding part S to close the venting hole H.
  • This guide rail (E) is a configuration for guiding the sliding movement direction or movement distance of the sliding part (S), and the sliding part (S) is to well block the venting hole (H) by the expansion of the expansion member (300).
  • the configuration of blocking the venting hole H by the expansion of the expansion member 300 can be implemented more easily. Therefore, in an emergency situation such as thermal runaway, the effect of blocking oxygen inflow through the venting hole H can be achieved more reliably.
  • a material resistant to flame or high temperature may be used for the sliding portion S. Therefore, even if a flame or the like is generated inside the battery module, it is possible to reliably prevent the flame from leaking out through the venting hole H.
  • the battery module according to the present invention may include the fire extinguishing member 400.
  • the expansion member 300 directly pressurizes the fire extinguishing member 400, thereby focusing on the form in which the fire extinguishing material of the fire extinguishing member 400 is discharged, but the present invention is not necessarily limited to this embodiment.
  • the fire extinguishing member 400 may be configured in such a way that when the expandable member 300 is inflated, it is damaged by a component such as a sharp acicular body and discharges the fire extinguishing material therein.
  • the fire extinguishing member 400 is damaged by the movement of the sliding part (S), and the fire extinguishing material inside is ejected.
  • the sliding portion S may move in the direction B1 , that is, toward the rear of the battery module by the expansion of the expansion member 300 .
  • a fire extinguishing member 400 may be provided behind the sliding portion S.
  • acicular protrusions may be formed at the rear end of the sliding part S, that is, at the end in the direction toward the fire extinguishing member 400 .
  • the venting hole H may be closed.
  • the fire extinguishing member 400 may be ruptured due to the acicular protrusion C installed at the rear end of the sliding part S. Then, the fire extinguishing material may be ejected into the module case 200 through the ruptured portion of the fire extinguishing member 400 .
  • the sliding part (S) may be configured to rupture the fire extinguishing member 400 after closing the venting hole (H).
  • the position of the extinguishing member 400 or the shape or size of the acicular protrusions C may be configured to come into contact with the extinguishing member 400 after the sliding portion S blocks the venting hole H. there is.
  • the extinguishing material is ejected into the module case 200 after the module case 200 is sealed, the fire extinguishing effect by the extinguishing material can be further improved. That is, since the extinguishing material is ejected while the inside of the module case 200 is sealed by the sliding part S, the extinguishing material is not discharged to the outside through the venting hole H and may exist mainly inside the module case. there is. Therefore, in this case, the effect of inhibiting digestion by the extinguishing material can be increased.
  • FIG. 16 is an enlarged view schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 can be regarded as another modified example of the configuration of FIG. 13 .
  • the module case 200 may have a blocking portion protruding toward the cell assembly 100 on an inner surface thereof, as indicated by R.
  • a blocking portion R may be provided on an inner surface of the right plate 232 to protrude toward the cell assembly 100, that is, to the left.
  • the blocking portion R may be positioned between the expansion member 300 and the venting hole H.
  • the blocking portion R may be provided around the venting hole H.
  • the venting gas when venting gas is generated inside the battery module, the venting gas is easily discharged through the venting hole H formed in the module case 200, while leakage of the expansion member 300 is prevented. It can be prevented.
  • the expansion member 300 when the expansion member 300 is changed to a fluid state such as liquid, gas, or gel in the process of receiving heat and expanding, there is a possibility of leakage to the outside of the module case 200 through the venting hole H. there is.
  • the blocking portion R may prevent the expansion member 300 from leaking.
  • the expansion member 300 when the expansion member 300 expands in the B3 direction due to heat, the expansion member 300 expands through the venting hole H through the blocking portion R provided around the venting hole H. It is possible to suppress outflow to (H). Therefore, the effect of filling the inside of the module case 200 with the expansion member 300 can be implemented more reliably.
  • the expandable member 300 may be partially configured to have different expansion degrees.
  • the expansion member 300 may include a plurality of expansion parts. This will be described in more detail with reference to FIGS. 17 and 18 .
  • FIG. 17 is a perspective view schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a schematic diagram of a configuration in a state in which a portion of an expandable member 300 is inflated in the battery module configuration of FIG. 17 It is a drawing that represents
  • one surface of the expandable member 300 may be disposed so as to be in direct contact with the cell assembly 100. And, although not shown in the drawing, the right surface of the expansion member 300 may face the inner surface of the module case 200 .
  • the front end portion of the expandable member 300 may first expand. That is, when the expansion member 300 is heated and first reaches a predetermined temperature, the front end portion of the expansion member 300 may expand as indicated by an arrow in FIG. 17 . And, so far, the rear end of the expandable member 300 may not expand or may have a smaller degree of expansion than the front end.
  • the expandable member 300 may be configured in a partially expanded form as shown in FIG. 18 .
  • the effect of venting gas being discharged from the inside of the module case 200 to the outside can be further improved.
  • an empty space exists on the rear right side of the expandable member 300, such as the portion indicated by A6.
  • the venting gas inside the module case 200 may be directed to the portion indicated as A6.
  • the venting gas collected in the A6 space may be discharged to the outside of the module case 200 .
  • the expansion member 300 when a venting hole H is formed in the module case 200, the expansion member 300 is configured so that the empty space indicated by A6 is located on the side of the venting hole H. can That is, as the temperature of the expansion member 300 increases, a portion far from the venting hole H is expanded first, and a portion close to the venting hole H is expanded relatively later. .
  • the venting gas inside the module case 200 is induced toward the space A6 where the expansion member 300 is not yet inflated, and the venting gas can be discharged to the outside through the venting hole H. there is. Therefore, according to the embodiment, when the venting gas exists inside the module case 200, the venting gas can be smoothly discharged to the outside of the module case 200 in an expansion situation of the expansion member 300.
  • the expansion member 300 may include a plurality of expansion parts having different reaction temperatures for expansion.
  • the expansion member 300 may include a first expansion part 310 and a second expansion part 320 as shown in FIGS. 17 and 18 .
  • both the first expansion part 310 and the second expansion part 320 are configured in the form of a sheet, and may be disposed in a form in which corner portions are in contact with each other on one plane.
  • first expansion unit 310 and the second expansion unit 320 may have different degrees of expansion according to temperature.
  • the expansion degree of the first expansion part 310 is maximized at the temperature T1
  • the degree of expansion of the second expansion part 320 is maximized at the temperature T2 different from T1.
  • the difference in degree of expansion between the first expansion unit 310 and the second expansion unit 320 may be realized by a difference in material or shape of each expansion unit.
  • the maximum expansion temperature T2 of the second expansion unit 320 is the first expansion It may be configured higher than the maximum expansion temperature (T1) of the portion (310). Therefore, in a state heated to a predetermined temperature, for example, T1, the expansion member 300 is only partially expanded in the form shown in FIG. 18, thereby allowing the venting gas to move toward the side close to the venting hole H. . Therefore, the exhaust performance of the venting gas can be improved.
  • the internal temperature of the battery module rises further and reaches a higher temperature, for example T2 temperature, it expands up to the second expansion unit 320, and the empty space indicated by A6 is formed by the second expansion unit 320. can be filled Accordingly, the empty space in the inner space of the module case 200 is further reduced, and in particular, the venting hole H may also be closed. Accordingly, the possibility of oxygen entering the module case 200 may be further reduced.
  • a higher temperature for example T2 temperature
  • a battery pack according to an aspect of 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 may further include various other components, such as a battery management system (BMS), in addition to the battery module.
  • BMS battery management system
  • the BMS is mounted in the inner space of the pack case and may be configured to overall control the charge/discharge operation or the data transmission/reception operation of the cell assembly.
  • the BMS may be provided in pack units instead of module units. More specifically, the BMS may be configured to control or predict the charge/discharge state, power state, performance state, etc. of the cell assembly through pack voltage and pack current. Since this BMS is widely known at the time of filing the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
  • the battery pack according to the present invention may further include various other components of the battery pack known at the time of filing of the present invention, such as a bus bar, a pack case, a relay, a current sensor, and the like.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may not include the module case 200 . This will be described with reference to FIG. 19 .
  • FIG. 19 is a perspective view schematically illustrating the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • a battery pack may include a cell assembly 100, a pack case (PC), and an expandable member 300.
  • the cell assembly 100 and the expansion member 300 may be directly accommodated in the inner space of the pack case PC without being accommodated inside the module case 200 .
  • the plurality of battery cells 110 are not modularized, but directly mounted on a pack case (PC) in a cell-to-pack form.
  • a BMS as indicated by M or other electric components may be accommodated in the inner space of the pack case PC.
  • the extinguishing member 400 described in FIGS. 5 and 6 may be accommodated inside the pack case PC.
  • the configuration related to the distribution groove G formed in the module case 200 described in the embodiments of FIGS. 8 and 9 may be formed in the pack case PC.
  • contents related to the venting hole H formed in the module case 200 described with reference to FIGS. 11 to 14 may be replaced with a configuration in which the venting hole is formed in the pack case PC. Therefore, a more detailed description of the battery pack in various aspects will be omitted.
  • a battery module or 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 or battery pack 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
  • 210 top plate
  • 220 base plate
  • 230 side plate

Landscapes

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트 발생 시 안전성이 향상될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈 등을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 내부에 위치하여, 열이 공급되는 경우 부피가 팽창되어 상기 모듈 케이스 내부의 빈 공간의 적어도 일부를 채우도록 구성된 팽창 부재를 포함한다.

Description

안전성이 강화된 배터리 모듈과 배터리 팩
본 출원은 2021년 11월 3일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2021-0150114호에 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 배터리 팩 및 이를 포함하는 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 다수의 이차 전지(배터리 셀) 또는 다수의 배터리 모듈이 좁은 공간에 밀집되어 있는 경우, 열적 이벤트에 취약할 수 있다. 특히, 배터리 모듈 내부에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 고온의 가스나 화염, 열 등이 생성될 수 있다. 만일, 이러한 가스나 화염, 열 등을 제대로 제어하지 못하면, 해당 배터리 모듈에서 화재나 폭발 등이 발생하는 것은 물론이고, 다른 배터리 모듈에 대해서도 화재나 폭발 등을 일으킬 수 있다. 또한, 전기 자동차와 같은 중대형 배터리 팩의 경우, 출력 및/또는 용량 증대를 위해 많은 수의 배터리 셀과 배터리 모듈이 포함될 수 있다. 더욱이, 전기 자동차 등에 탑재된 배터리 팩의 경우, 주변에 운전자 등과 같은 사람이 존재할 수 있다. 따라서, 특정 배터리 모듈에서 발생한 열적 이벤트가 적절하게 제어되지 못하고 열 전파(thermal propagation)와 같은 연쇄 반응이 발생할 경우, 큰 재산상 피해는 물론이고 인명 피해까지 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트 발생 시 안전성이 향상될 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 수납하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 내부에 위치하여, 열이 공급되는 경우 부피가 팽창되어 상기 모듈 케이스 내부의 빈 공간의 적어도 일부를 채우도록 구성된 팽창 부재를 포함한다.
여기서, 상기 팽창 부재는, 상변화 물질을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 소화 물질을 보유하고 상기 팽창 부재의 팽창 시 내부의 소화 물질을 방출하도록 구성된 소화 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 팽창 부재는, 상기 셀 어셈블리와 상기 소화 부재 사이에 개재될 수 있다.
또한, 상기 소화 부재는, 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스에는 벤팅 홀이 형성되고, 상기 팽창 부재는, 팽창에 의해 상기 벤팅 홀의 적어도 일부를 폐쇄시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 팽창 부재는, 팽창 정도가 부분적으로 다르게 구성될 수 있다.
또한, 상기 팽창 부재는, 팽창을 위한 반응 온도가 서로 다른 복수의 팽창부를 구비할 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 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 내부에 위치하여, 열이 공급되는 경우 부피가 팽창되어 상기 팩 케이스 내부의 빈 공간의 적어도 일부를 채우도록 구성된 팽창 부재를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈이나 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트가 발생하더라도, 그에 대한 안전성이 향상될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 빈 공간이 메워짐으로써 화재 억제 효과가 달성될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 외부로부터 산소가 유입되는 것을 차단하거나 억제함으로써, 화재 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 화염 등의 외부 유출을 방지함으로써, 다른 배터리 모듈로 열폭주 상황이 전파되거나 화재가 확산되는 것을 방지할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
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 대한 분리 사시도이다.
도 3은, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.
도 4는, 도 3의 구성에서, 팽창 부재가 열에 의해 팽창된 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 6은, 도 5에 도시된 배터리 모듈에 대한 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 배터리 모듈에 포함된 팽창 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 모듈 케이스의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9는, 도 8의 A3-A3'선에 대한 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 12는, 도 11의 A4-A4'선에 대한 단면도이다.
도 13은, 도 12의 A5 부분에 대한 확대도이다.
도 14는, 도 13의 구성에서 팽창 부재가 팽창된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 확대도이다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 확대도이다.
도 17은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 18은, 도 17의 배터리 모듈 구성에서 팽창 부재의 일부가 팽창된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 19는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
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 대한 분리 사시도이다. 또한, 도 3은, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 팽창 부재(300)를 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 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 Y축 방향)으로 나란하게 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, 도 2에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)를 구비할 수 있다. 그리고, 모듈 케이스(200)는, 이와 같은 각 구성요소, 즉 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)에 의해 내부 공간을 한정할 수 있다. 탑 플레이트(210)는 모듈 케이스(200)에서 상부에 위치하고, 베이스 플레이트(220)는 탑 플레이트(210)의 하부에서 탑 플레이트(210)와 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 또한, 사이드 플레이트(230)는, 탑 플레이트(210)와 베이스 플레이트(220) 사이에 상단과 하단이 각각 연결된 형태로 배치될 수 있다.
탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)는, 두께가 얇은 시트 형태, 즉 판상으로 구성될 수 있으나, 일정 수준 이상의 두께를 갖는 다면체, 이를테면 직육면체 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 사이드 플레이트(230)는, 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232), 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)를 구비할 수 있다. 이러한 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)는 전체 또는 일부가, 금속 재질로 구성될 수 있다. 또한, 이들 중 적어도 일부는, 플라스틱 재질로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232), 탑 플레이트(210) 및 베이스 플레이트(220)는 스틸 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230) 중 적어도 일부는 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 사이드 플레이트(230) 중, 좌측 플레이트(231)와 우측 플레이트(232)는 베이스 플레이트(220)와 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 서로 일체화된 형태의 좌측 플레이트(231)와 우측 플레이트(232), 베이스 플레이트(220)는, 그 형태에 기인하여 U-프레임과 같은 용어로 지칭될 수도 있다. 이 경우, 전방 플레이트(233)와 후방 플레이트(234)는 엔드 플레이트로서, U-프레임의 전단과 후단의 개방부에 각각 결합될 수 있다. 그리고, 탑 플레이트(210)는, U-프레임의 상단 개방부에 결합될 수 있다.
다만, 이 밖에도 모듈 케이스(200)는 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)와 4개의 사이드 플레이트(230)는 서로 일체화된 형태, 즉 박스 형태로 하부 케이스를 구성할 수 있다. 이 경우, 탑 플레이트(210)는, 박스 형태의 하부 케이스의 상단 개방부에 결합될 수 있다. 다른 예로, 베이스 플레이트(220), 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232) 및 탑 플레이트(210)는 서로 일체화된 관 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 관 형태의 케이스는, 모노 프레임으로 지칭될 수도 있다.
한편, 모듈 케이스(200)에서 일체화된 형태로 제조되지 않고 배터리 모듈의 조립 과정에서 결합되는 구성에는, 다양한 결합 방식이 채용될 수 있다. 예를 들어, 탑 플레이트(210)와 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)는, U-프레임과 레이저 용접 또는 초음파 용접 방식 등을 통해 결합될 수 있다. 또는, 이러한 모듈 케이스(200)의 각 구성요소들은, 볼트 체결 방식 등을 통해 서로 결합될 수도 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 이와 같이 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)에 의해 한정된 내부 공간에 셀 어셈블리(100)를 수납할 수 있다.
상기 팽창 부재(300)는, 모듈 케이스(200)의 내부에 위치할 수 있다. 더욱이, 팽창 부재(300)는, 모듈 케이스(200)의 내부에서 하나 또는 다수 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 팽창 부재(300)는, 열이 공급되는 경우 부피가 팽창되도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 팽창 부재(300)는, 열이 공급되어 일정 온도 이상이 되는 경우, 부피가 팽창되는 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 팽창 부재(300)는, 이러한 부피 팽창에 의해, 모듈 케이스(200) 내부의 빈 공간의 적어도 일부를 채우도록 구성될 수 있다. 이러한 부피 팽창 구성에 대해서는, 도 4를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는, 도 3의 구성에서, 팽창 부재(300)가 열에 의해 팽창된 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3과 도 4를 함께 참조하면, 팽창 부재(300)는 열에 의해 부피가 팽창됨으로써, 모듈 케이스(200) 내부의 빈 공간을 채울 수 있다. 먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에는 셀 어셈블리(100)와 팽창 부재(300)가 수납될 수 있다. 이때, 셀 어셈블리(100)와 팽창 부재(300)는 모듈 케이스(200)의 내부 공간의 일부를 차지할 수 있고, 셀 어셈블리(100)와 팽창 부재(300)에 의해 차지되지 않는 공간은 빈 공간으로 남겨질 수 있다. 특히, 정상적인 배터리 모듈 상태, 예를 들어 배터리 모듈에서 열 폭주가 일어나지 않은 상태에서는, 모듈 케이스(200) 내부에 이러한 빈 공간이 존재할 수 있다.
예를 들어, 도 3에서 A2로 표시된 부분과 같이, 셀 어셈블리(100)의 상부와 탑 플레이트(210)의 하면 사이, 그리고 셀 어셈블리(100)의 측부와 사이드 플레이트(230) 사이에는 빈 공간이 존재할 수 있다. 더욱이, 셀 어셈블리(100)의 측부와 사이드 플레이트(230) 사이에는 팽창 부재(300)가 개재될 수 있는데, 팽창 부재(300)의 높이는 셀 어셈블리(100)의 높이보다 낮게 구성될 수 있다. 그리고, 팽창 부재(300)는 상하 방향으로 셀 어셈블리(100)의 측면 중앙 부분에 위치할 수 있다. 이 경우, 팽창 부재(300)의 상부와 하부 측에는, 빈 공간이 존재할 수 있다. 또한, 팽창 부재(300)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)의 중앙 부분에 개재될 수 있다. 이때, 팽창 부재(300)의 상부와 하부에는 빈 공간이 존재할 수 있다.
이와 같은 구성에서, A2로 표시된 바와 같은 빈 공간은, 조립 시 공차를 확보하고, 단열 공간을 제공할 수 있다. 특히, 배터리 셀(110)은 열 폭주 시는 물론이고, 정상적인 사용 과정에서도 열을 생성하여 방출할 수 있다. 이때, 모듈 케이스(200) 내부의 빈 공간은, 배터리 셀(110) 사이, 또는 모듈 케이스(200)와 셀 어셈블리(100) 사이에서, 단열 기능을 수행할 수 있다. 또한, 이러한 빈 공간(A2)은, 배터리 셀(110)로부터 벤팅 가스가 배출되는 초기 비상 상황에서, 벤팅 가스가 배출되는 경로를 제공할 수도 있다.
그리고, 열 폭주와 같은 열적 이벤트로 인해, 셀 어셈블리(100)에 구비된 배터리 셀(110) 중 적어도 일부 배터리 셀(110)에서 열이 생성되어 방출된 경우, 팽창 부재(300)로 열이 공급될 수 있다. 그러면, 팽창 부재(300)는, 공급된 열에 의해 부피가 팽창됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 도 3에서 A2로 표시된 빈 공간의 일부 또는 전체를 메우도록 그 형태가 변화할 수 있다.
본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부에 존재하는 빈 공간이 채워짐으로써, 배터리 모듈 내부로 산소가 유입될 수 있는 공간이 제거되거나 감소될 수 있다. 따라서, 열 폭주 등 비상 상황에서, 배터리 모듈 내부에서 화재가 발생하거나 확산하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배터리 모듈 내부에서 화염이 발생하더라도, 이러한 화염이 차단되거나 신속하게 진압되도록 할 수 있다.
상기 팽창 부재(300)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 판상으로 형성될 수 있다. 특히, 다수의 팽창 부재(300) 중 적어도 일부는, 판상으로 형성되어, 파우치형 셀의 넓은 표면에 대면되게 제공될 수 있다. 즉, 팽창 부재(300)는, 상하 방향으로 세워진 형태로 2개의 넓은 표면 중 적어도 하나가 파우치형 셀의 수납부와 대면되거나 직접 접촉되게 구성될 수 있다.
또한, 상기 팽창 부재(300)는, 상변화 물질을 구비할 수 있다. 특히, 상기 팽창 부재(300)는, 온도에 따라 고체, 액체 및 기체와 같은 상태의 변화가 일어나되, 온도가 높을수록 부피가 팽창하는 특성을 갖는 물질을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 팽창 부재(300)에 이용되는 상변화 물질은, 열을 공급받아 고체에서 액체로 상태가 변화하고, 이때 부피가 팽창하는 물질일 수 있다. 또는, 상기 상변화 물질은, 열을 공급받는 경우, 액체에서 기체로, 고체에서 기체로, 또는 고체에서 겔(Gel)이나 졸(Sol) 등으로 상태가 변화하면서, 부피가 팽창하는 특성을 갖는 물질을 구비할 수도 있다. 본 발명은, 이러한 팽창 부재(300)의 구체적인 종류, 이를테면 상변화 물질의 구체적인 종류에 의해 한정되지 않는다.
상기 팽창 부재(300)는, 열에 의해 팽창 가능한 물질, 특히 상변화 물질이 포장체 내부에 수용된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈 내부에서 열폭주 이벤트 발생 시, 팽창 부재(300)는, 내부의 상변화 물질이 팽창되어 포장체 외부로 유출되는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 팽창 부재(300)의 포장체는 내부의 상변화 물질 팽창에 의해 파열 가능하도록 구성되거나, 개구부가 미리 형성된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 팽창 부재(300)의 포장체에 개구부가 미리 형성된 실시예의 경우, 개구부에는 마개가 마련되어, 마개는 내압이 일정 수준 이상 높아지면 개방되는 형태로 구성될 수 있다. 또는, 상기 팽창 부재(300)는, 내부의 팽창 물질과 함께 포장체 자체도 팽창 가능하도록 구성될 수 있다. 이때, 팽창 부재(300)는, 내부의 팽창 물질과 포장체가 함께 팽창함으써 모듈 케이스(200) 내부의 공간을 채울 수 있다. 또는, 상기 팽창 부재(300)는, 별도의 포장체 없이 열에 의해 팽창 가능한 물질, 이를테면 상변화 물질로만 이루어질 수 있다.
상기 팽창 부재(300)는, 폴리우레탄 폼(PU foam) 합성 부재 또는 다공성 폼(ex. Si foam) 합성 부재를 구비할 수 있다. 더욱이, 상기 팽창 부재(300)는, 발포 폴리프로필렌 혹은 액체 탄화수소(liquid hydrocarbon)를 알갱이(캡슐) 형태의 파우치로 감싸서 폴리우레탄 폼이나 다공성 폼에 결합한 합성 부재를 구비할 수 있다. 여기서, 파우치형 캡슐은, Acrylonitrile Co-polymers와 같은 재질일 수 있다. 또한, 이와 같은 팽창 부재(300)의 구성에 있어서, 열이 인가되면, 파우치형 캡슐과 폼이 팽창할 수 있다. 그리고, 상기와 같은 구성에서, 열이 인가되어 특정 온도에 이르면, 발포 재료의 발포가 시작될 수 있는데, 이때 발포 시작 온도는, 배터리 모듈이나 이차 전지의 구조나 종류, 형태 등에 따라 적절하게 구성되도록 할 수 있다. 이를테면, 발포 시작 온도는, 160도 이상일 수 있다. 또는, 상기 팽창 부재(300)는, 다공성 팽창 글래스를 구비할 수 있다. 이러한 다공성 팽창 글래스의 경우, 소화 역할까지 수행할 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이와 같은 팽창 부재(300)의 특정 재질이나 종류, 형태 등으로 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 배터리 모듈에 대한 단면도이다. 도 6은, 도 4의 구성에 대한 변형예라 할 수 있다.
한편, 본 실시예를 비롯하여, 본 명세서에 포함된 여러 실시예들에 대해서는, 다른 실시예들에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 각 실시예에서 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 소화 부재(400)를 더 포함할 수 있다. 상기 소화 부재(400)는, 소화 물질을 보유할 수 있다. 특히, 소화 부재(400)는, 내부 공간이 형성되고 그러한 내부 공간이 밀폐된 형태로 구성된 외장재를 구비할 수 있다. 그리고, 소화 부재(400)는, 이러한 외장재의 내부 공간에 소화 물질을 수용하는 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 소화 부재(400)에 보유되는 소화 물질은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 물질이 채용될 수 있다. 또한, 이러한 소화 물질은, 고체 상태, 이를테면 분말 상태를 갖거나, 액체나 기체 등 다른 다양한 상태나 성질을 가질 수 있다.
특히, 상기 소화 부재(400)는, 팽창 부재(300)의 팽창 시 내부의 소화 물질을 방출하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 소화 부재(400)는, 열에 의해 팽창 부재(300)가 팽창하는 경우, 팽창되는 압력에 의해 가압되도록 구성될 수 있다. 그리고, 소화 부재(400)는, 일정 수준 이상의 압력이 인가되는 경우, 외장재가 파손되거나 터짐으로써 내부의 소화 물질이 방출되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 소화 부재(400)는, 내부에 소화 약제가 밀봉된 형태로 구성될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 대략 시트 형태를 가질 수 있다. 이때, 상기 소화 부재(400)는, 적어도 일면이 팽창 부재(300)와 대면된 형태로 모듈 케이스(200) 내부에 수납될 수 있다. 특히, 다수의 팽창 부재(300)가 포함된 경우, 소화 부재(400)도 모듈 케이스(200) 내부에 다수 포함될 수 있다. 여기서, 하나의 팽창 부재(300)마다, 하나 또는 그 이상의 소화 부재(400)가 대면되게 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 팽창 부재(300)가 셀 어셈블리(100)를 중심으로, 좌측, 우측 및 중앙의 3개의 지점에 위치할 수 있다. 특히, 중앙에 위치한 팽창 부재(300)는, 300C1 및 300C2로 표시된 바와 같이, 상호 이격된 형태로 2개 구비될 수 있다. 이때, 소화 부재(400)는, 300L로 표시된 좌측 팽창 부재(300)와 300R로 표시된 우측 팽창 부재(300), 그리고, 300C1 및 300C2로 표시된 중앙 팽창 부재(300)와 표면을 마주한 상태에서 그에 접촉된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 400C로 표시된 중앙에 위치한 소화 부재(400)는, 2개의 중앙 팽창 부재(300C1, 300C2) 사이에 개재될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 적어도 하나의 배터리 셀(110)에서 열폭주가 발생하여 열이나 화염이 분출되는 경우, 팽창 부재(300)는 팽창되고, 이를 통해 소화 부재(400)로부터 소화 물질이 모듈 케이스(200) 내부로 방출될 수 있다. 그러면, 모듈 케이스(200) 내부는, 소화 부재(400)로부터 방출된 소화 물질로 인해, 화염이 차단되거나 화재가 효과적으로 억제될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 실시 구성에서, 300L로 표시된 좌측 팽창 부재(300)가 팽창하는 경우, 400L로 표시된 좌측 소화 부재(400)를 가압할 수 있다. 또한, 도 6의 실시 구성에서, 300R로 표시된 우측 팽창 부재(300)가 팽창하는 경우, 400R로 표시된 우측 소화 부재(400)를 가압할 수 있다. 그리고, 300C1 및 300C로 표시된 중앙 팽창 부재(300)가 팽창하는 경우, 그 사이에 개재된 400C로 표시된 중앙 소화 부재(400)를 가압할 수 있다. 이와 같이 소화 부재(400)가 가압되고 그 가압력이 일정 수준 이상을 넘어가면, 각 소화 부재(400)는, 파손되어 내부의 소화 물질을 배출할 수 있다.
상기 소화 부재(400)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 소화 물질을 채용할 수 있다. 예를 들어, 상기 소화 부재(400)는, 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 인산암모늄 등과 같은 소화 물질을 구비할 수 있다. 또한, 상기 소화 부재(400)는, 분말 형태 또는 다공성 팽창 글래스와 같은 알갱이 형태의 소화 물질을 구비할 수 있다.
상기와 같은 실시 구성에서, 팽창 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)와 소화 부재(400) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 팽창 부재(300)는, 소화 부재(400)보다 셀 어셈블리(100)에 가깝게 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 실시 구성을 참조하면, 300L로 표시된 좌측 팽창 부재(300)는, 400L로 표시된 좌측 소화 부재(400)와 셀 어셈블리(100)의 좌측부 사이에 개재될 수 있다. 그리고, 도 6의 실시 구성에서, 300R로 표시된 우측 팽창 부재(300)는, 400R로 표시된 우측 소화 부재(400)와 셀 어셈블리(100)의 우측부 사이에 개재될 수 있다. 이 경우, 소화 부재(400)는, 팽창 부재(300)보다 셀 어셈블리(100)를 기준으로 외측에 위치한다고 할 수 있다. 또한, 300C1으로 표시된 중앙 팽창 부재(300)는, 셀 어셈블리(100), 특히 셀 어셈블리(100)의 좌측 그룹과 400C로 표시된 중앙 소화 부재(400) 사이에 개재될 수 있다. 그리고, 300C2로 표시된 중앙 팽창 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)의 우측 그룹과 400C로 표시된 중앙 소화 부재(400) 사이에 개재될 수 있다.
상기 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)에서 생성된 열이 팽창 부재(300)로 인가됨에 있어서, 소화 부재(400)를 통과하지 않을 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100)에서 열이 생성되는 경우, 생성된 열은 팽창 부재(300)로 직접 전달되어, 열에 의한 팽창 부재(300)의 팽창 구성이 원활하게 수행될 수 있다. 즉, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)의 열이 소화 부재(400)의 방해를 받지 않고, 팽창 부재(300)로 잘 전달될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 배터리 모듈에 포함된 팽창 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 상기 팽창 부재(300)는, O로 표시된 바와 같이, 내외측 방향을 관통하는 형태로 관통홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 팽창 부재(300)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 배터리 모듈의 팽창 부재(300)로 채용될 수 있다. 이때, 팽창 부재(300)는, 상하 방향으로 세워진 시트 형태로 구성될 수 있으며, 좌측과 우측에 넓은 표면이 존재할 수 있는데, 관통홀(O)이 좌우 방향으로 관통된 형태로 형성될 수 있다. 특히, 이러한 관통홀(O)은, 서로 이격된 형태로 팽창 부재(300)에 다수 형성될 수 있다. 즉, 다수의 관통홀(O)은, 팽창 부재(300)의 표면에 넓게 분포될 수 있다. 더욱이, 이러한 관통홀(O)은, 팽창 부재(300)가 팽창된 상태에서 형성될 수 있다. 즉, 관통홀(O)은, 팽창 부재(300)가 팽창되지 않은 상태에서는 형성되지 않다가 팽창된 상태에서 비로소 형성될 수 있다. 또는, 관통홀(O)은, 팽창 부재(300)가 팽창되지 않은 상태에서도 미리 형성되어 있다가, 팽창 부재(300)가 팽창된 상태에서도 그러한 관통 상태를 유지하거나 그 크기가 커지도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)의 소화 물질이 셀 어셈블리(100)에 보다 원활하게 접촉될 수 있다. 특히, 상기 실시예와 같이, 소화 부재(400)와 셀 어셈블리(100) 사이에 팽창 부재(300)가 개재된 상태에서, 소화 부재(400)가 소화 물질을 방출한 경우, 방출된 소화 물질은, 팽창 부재(300)의 관통홀(O)을 통해 셀 어셈블리(100) 측으로 유입될 수 있다. 따라서, 소화 물질에 의한 셀 어셈블리(100)의 소화 작용이 잘 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 6의 실시 구성에 도 7의 팽창 부재(300)가 적용된 경우, 400L로표시된 좌측 소화 부재(400)가 소화 물질을 방출하는 경우, 300L로 표시된 좌측 팽창 부재(300)의 관통홀(O)을 통해 셀 어셈블리(100)의 좌측 표면에도 소화 물질이 용이하게 제공될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함된 모듈 케이스(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 9는, 도 8의 A3-A3'선에 대한 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 모듈 케이스(200)의 내면에는, G로 표시된 바와 같이, 외측 방향으로 오목한 형태의 유통홈이 형성될 수 있다. 특히, 사이드 플레이트(230)에는 다수의 유통홈(G)이 형성되어 전후 방향으로 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다. 그리고, 각각의 유통홈(G)은 상하 방향으로 길게 연장되게 형성될 수 있다. 특히, 사이드 플레이트(230)에 형성된 유통홈(G)의 경우, 하부 방향으로 베이스 플레이트(220)까지 연장 형성될 수 있다.
또한, 베이스 플레이트(220)에도 다수의 유통홈(G)이 형성되어, 전후 방향으로 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다. 특히, 베이스 플레이트(220)에 형성된 유통홈(G)은, 사이드 플레이트(230)에 형성된 유통홈과 연결되게 구성될 수 있다. 그리고, 베이스 플레이트(220)에 형성된 유통홈(G)은, 좌우 방향으로 길게 연장될 수 있다. 이때, 베이스 플레이트(220)의 상면에서 다수의 배터리 셀(110)이 좌우 방향으로 적층될 수 있다. 따라서, 베이스 플레이트(220)의 유통홈(G)은, 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 길게 연장된 형태로 구성된다고 할 수 있다. 더욱이, 도 8 및 도 9의 실시예에서, 베이스 플레이트(220)의 유통홈(G)은, 좌우 방향(Y축 방향)으로 길게 연장되어, 좌측 단부는 좌측 플레이트(231)의 유통홈(G)에 연결되고, 우측 단부는 우측 플레이트(232)의 유통홈(G)에 연결될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)로부터 방출된 소화 물질이 여러 배터리 셀(110)로 원활하게 공급될 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하여 설명하면, 소화 부재(400)로부터 소화 물질이 방출된 경우, 점선에 의한 화살표로 표시된 바와 같이, 소화 물질은 유통홈(G)으로 유입되어 흐를 수 있다. 따라서, 소화 부재(400)에 인접한 배터리 셀(110)뿐만 아니라, 멀리 떨어져 있는 배터리 셀(110)에까지 소화 물질이 제공될 수 있다.
더욱이, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 각 소화 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)의 외측이나 셀 어셈블리(100)의 중앙 부분 중 소정 위치에만 존재할 수 있다. 또한, 모듈 케이스(200)의 내면에는 배터리 셀(110)이 접촉된 상태로 존재하거나 그 공간이 매우 좁아, 소화 물질이 이동하는데 방해를 받을 수 있다. 하지만, 상기 실시예와 같이 유통홈(G)이 셀 적층 방향으로 길게 형성된 경우, 유통홈(G)을 통해 소화 물질이 이동할 수 있다. 그러므로, 다수의 배터리 셀(110)이 적층된 상태에서, 적층된 전체 배터리 셀(110)로 소화 물질이 원활하게 공급되어, 배터리 모듈 전체에 대한 화재 방지 내지 억제 성능이 향상될 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 특히, 도 10은, 도 4의 실시 구성에 대한 다른 변형예라 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 소화 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)의 상부에 위치할 수 있다. 특히, 소화 부재(400)는, 셀 어셈블리(100)와 탑 플레이트(210) 사이에 개재될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서, 팽창 부재(300)는, 팽창 시, 셀 어셈블리(100)의 상부에 위치한 소화 부재(400)로부터 소화 물질이 분출되도록 할 수 있다. 예를 들어, 소화 부재(400)는, 탑 플레이트(210)의 하부에 위치하고, 팽창 부재(300)는, 그러한 소화 부재(400)의 하부에 위치할 수 있다. 그리고, 팽창 부재(300)가 팽창하는 경우, 소화 부재(400)는 가압되어 내부의 소화 물질이 배출될 수 있다. 그러면, 배출된 소화 물질은, 셀 어셈블리(100)의 상부에 제공되어, 셀 어셈블리(100)의 발화나 화재 등을 방지할 수 있다.
상기 실시 구성에 의하면, 소화 물질이 셀 어셈블리(100)의 상부 측에서 공급되므로, 셀 어셈블리(100)는 상부에서 하부까지 전체 부분에서 소화 물질과 접촉될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100)의 화재 억제 성능 내지 소화 성능이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)는, 각 배터리 셀(110)이 세워진 상태에서 수평 방향, 이를테면 좌우 방향(Y축 방향)으로 적층될 수 있다. 이러한 셀 어셈블리(100) 구성에 대하여, 상기 실시 구성과 같이, 소화 부재(400)가 셀 어셈블리(100)의 상부에 위치하는 경우, 전체 배터리 셀(110)로 소화 물질이 원활하게 제공될 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 팽창 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)의 상부에 다수 구비되고, 상호 간 소정 거리 이격될 수 있다. 특히, 팽창 부재(300)는, 열에 의해 팽창된 상태에서 이격 공간이 일정 수준 이상 확보되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 소화 부재(400)로부터 배출된 소화 물질은, 팽창 부재(300) 사이의 이격 공간을 통해, 셀 어셈블리(100) 측으로 제공될 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 소화 부재(400)와 셀 어셈블리(100) 사이에 팽창 부재(300)가 위치한다 하더라도, 소화 부재(400)로부터 배출된 소화 물질이 셀 어셈블리(100) 측으로 원활하게 공급될 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 팽창 부재(300)에 대하여, 도 7에 도시된 바와 같은 팽창 부재(300) 구성이 채용될 수 있다. 이 경우, 소화 부재(400)로부터 배출된 소화 물질이, 관통홀(O)을 통해 팽창 부재(300)를 통과하고 하부 방향으로 이동하여, 셀 어셈블리(100) 측으로 공급될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 12는, 도 11의 A4-A4'선에 대한 단면도이다. 그리고, 도 13은 도 12의 A5 부분에 대한 확대도이고, 도 14는, 도 13의 구성에서 팽창 부재(300)가 팽창된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예에 대해서도, 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, 상기 모듈 케이스(200)에는, H로 표시된 바와 같이, 벤팅 홀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 우측 플레이트(232)에는, 모듈 케이스(200)의 내부와 외부를 연통시키는 벤팅 홀(H)이 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에서, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 수납된 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 생성된 벤팅 가스는 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 팽창 부재(300)는, 팽창에 의해 벤팅 홀(H)의 적어도 일부를 폐쇄시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 팽창 부재(300)는 열에 의해 팽창되면서 모듈 케이스(200)의 내부 공간을 채우게 되는데, 이때 팽창된 팽창 부재(300)는, 벤팅 홀(H)의 일부 또는 전부를 막을 수 있다. 특히, 이러한 팽창 부재(300)는, 벤팅 가스가 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출되는 과정에서 열을 공급받아 팽창하게 됨으로써, 벤팅 홀(H)을 막도록 구성될 수 있다. 이와 같은 팽창 부재(300)에 의한 벤팅 홀(H) 폐쇄 구성은, 팽창 부재(300)의 크기나 벤팅 홀(H)까지의 거리, 벤팅 가스의 배출 시 상승되는 온도나, 모듈 케이스(200)의 내부 공간 등, 다양한 상황을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 홀(H)을 통해 외부의 공기, 특히 산소가 모듈 케이스(200) 내부로 유입되는 것이 효과적으로 차단될 수 있다. 모듈 케이스(200) 내부에서 벤팅 가스가 생성되는 경우, 벤팅 가스는 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 그런데, 벤팅 가스의 배출 이후, 벤팅 홀(H)을 통해 산소가 모듈 케이스(200) 내부로 유입될 가능성이 있다. 하지만, 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스의 배출 이후, 팽창 부재(300)에 의해 벤팅 홀(H)이 폐쇄될 수 있으므로, 벤팅 홀(H)을 통한 산소 유입이 차단될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 벤팅 홀(H)을 통한 배기 성능을 확보하면서도, 이러한 벤팅 홀(H)을 통해 화재가 발생하거나 확산되는 것을 최대한 방지할 수 있다.
도 15는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 확대도이다. 특히, 도 15는, 도 13의 구성에 대한 변형예라 할 수 있다.
도 15를 참조하면, 모듈 케이스(200)는, 벤팅 홀(H) 주변에, S로 표시된 바와 같이, 슬라이딩부를 구비할 수 있다. 이러한 슬라이딩부(S)는, 화살표 B1으로 표시된 바와 같이 이동 가능하게 구성될 수 있다. 특히, 정상적인 상태에서, 이러한 슬라이딩부(S)는, 벤팅 홀(H)을 폐쇄시키지 않고 개방되게 위치할 수 있다. 그러나, 배터리 모듈 내부에서 발생한 열 폭주 등으로 인해 팽창 부재(300)가 화살표 B2로 표시된 바와 같이 팽창하는 경우, 이러한 팽창 부재(300)의 팽창으로 인해 슬라이딩부(S)는 화살표 B1 방향으로 슬라이딩할 수 있다. 그리고, 이러한 슬라이딩부(S)의 슬라이딩 동작으로 인해 벤팅 홀(H)의 일부 또는 전체는 폐쇄될 수 있다. 더욱이, 이러한 실시 구성에서, 슬라이딩부(S)의 원활한 벤팅 홀(H) 폐쇄 동작을 위해, 모듈 케이스(200)에는, 도면에서 E로 표시된 부분과 같이, 가이드 레일이 구비될 수 있다. 이러한 가이드 레일(E)은, 슬라이딩부(S)의 슬라이딩 이동 방향 내지 이동 거리를 가이드하는 구성으로서, 팽창 부재(300)의 팽창으로 슬라이딩부(S)가 벤팅 홀(H)을 잘 막도록 할 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 팽창 부재(300)의 팽창에 의해 벤팅 홀(H)을 막는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 따라서, 열 폭주 등 비상 상황에서, 벤팅 홀(H)을 통한 산소 유입 차단 효과가 보다 확실하게 달성될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 있어서, 슬라이딩부(S)에 대하여 화염 또는 고온 등에 강한 재질을 활용할 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 내부에서 화염 등이 발생하더라도, 이러한 화염이 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 유출하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
한편, 앞선 실시예에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈에는 소화 부재(400)가 포함될 수 있다. 앞선 설명에서는 팽창 부재(300)가 소화 부재(400)를 직접적으로 가압함으로써 소화 부재(400)의 소화 물질이 배출되는 형태를 중심으로 설명되었으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 소화 부재(400)는, 팽창 부재(300)의 팽창 시 날카로운 침상체와 같은 구성요소에 의해 파손되어 내부의 소화 물질을 배출하는 형태로 구성될 수도 있다.
특히, 도 15에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)에 슬라이딩부(S)가 구비된 경우, 이러한 슬라이딩부(S)의 이동에 의해 소화 부재(400)가 파손되어 내부의 소화 물질이 분출되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 도 15에 도시된 바와 같이, 슬라이딩부(S)는, 팽창 부재(300)의 팽창에 의해 B1 방향, 즉 배터리 모듈의 후방을 향하여 이동할 수 있다. 이때, 슬라이딩부(S)의 후방에는 소화 부재(400)가 구비될 수 있다. 그리고, 슬라이딩부(S)의 후단, 즉 소화 부재(400)를 향하는 방향의 단부에는, C로 표시된 바와 같이, 침상 돌기가 형성될 수 있다.
이러한 구성에서, 팽창 부재(300)의 팽창으로 슬라이딩부(S)가 B1 방향, 즉 후방으로 이동하게 되는 경우, 벤팅 홀(H)은 폐쇄될 수 있다. 그리고, 이러한 벤팅 홀(H)의 폐쇄와 함께, 슬라이딩부(S)의 후단에 설치된 침상 돌기(C)로 인해, 소화 부재(400)가 파열될 수 있다. 그러면, 소화 부재(400)의 파열된 부분을 통해 소화 물질이 모듈 케이스(200) 내부로 분출될 수 있다.
특히, 상기 실시 구성에서, 슬라이딩부(S)는, 벤팅 홀(H)을 폐쇄한 이후 소화 부재(400)를 파열시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 소화 부재(400)의 위치나 침상 돌기(C)의 형태 내지 크기는, 슬라이딩부(S)가 벤팅 홀(H)을 막고 난 이후에, 소화 부재(400)에 접촉되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)가 밀폐된 이후에 소화 물질이 모듈 케이스(200) 내부로 분출되므로, 소화 물질에 의한 소화 효과가 더욱 향상될 수 있다. 즉, 슬라이딩부(S)에 의해 모듈 케이스(200)의 내부가 밀폐된 상태에서 소화 물질이 분출되므로, 소화 물질이 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출되지 않고, 주로 모듈 케이스 내부에만 존재할 수 있다. 따라서, 이 경우, 소화 물질에 의한 소화 억제 효과가 증대될 수 있다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 확대도이다. 특히, 도 16은, 도 13의 구성에 대한 또 다른 변형예라 할 수 있다.
도 16을 참조하면, 모듈 케이스(200)는, R로 표시된 바와 같이, 내면에 셀 어셈블리(100) 방향으로 돌출되게 형성된 저지부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 16의 실시 형태에서, 우측 플레이트(232)의 내면에는, 셀 어셈블리(100) 방향, 즉 좌측 방향으로 돌출되게 형성된 저지부(R)가 구비될 수 있다. 특히, 이러한 저지부(R)는, 팽창 부재(300)와 벤팅 홀(H) 사이에 위치할 수 있다. 더욱이, 저지부(R)는, 벤팅 홀(H)의 주변에 마련될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈 내부에서 벤팅 가스 발생 시, 모듈 케이스(200)에 형성된 벤팅 홀(H)을 통해, 벤팅 가스의 배출은 용이하게 하면서도, 팽창 부재(300)의 누출은 방지할 수 있다. 특히, 팽창 부재(300)가 열을 공급받아 팽창하는 과정에서, 액체나 기체, 겔 등 유동성이 있는 상태로 변화되는 경우, 벤팅 홀(H)을 통해 모듈 케이스(200) 외부로 누출될 가능성이 있다. 하지만, 상기 실시 구성에 의할 경우, 저지부(R)가 이러한 팽창 부재(300)의 누출을 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 16의 구성에서, 팽창 부재(300)가 열에 의해 B3 방향으로 팽창하는 경우, 벤팅 홀(H)의 주변에 마련된 저지부(R)를 통해, 팽창 부재(300)가 벤팅 홀(H)로 유출되는 것을 억제할 수 있다. 그러므로, 팽창 부재(300)가 모듈 케이스(200)의 내부에 채워지는 효과가 보다 확실하게 구현될 수 있다.
상기 팽창 부재(300)는, 팽창 정도가 부분적으로 다르게 구성될 수 있다. 특히, 이러한 구성을 위해, 상기 팽창 부재(300)는, 복수의 팽창부를 구비할 수 있다. 이에 대해서는, 도 17 및 도 18을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 18은 도 17의 배터리 모듈 구성에서 팽창 부재(300)의 일부가 팽창된 상태의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 팽창 부재(300)는, 일 표면, 이를테면 좌측 표면이 셀 어셈블리(100)에 대면 접촉되게 배치될 수 있다. 그리고, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 팽창 부재(300)의 우측 표면은 모듈 케이스(200)의 내면에 대향될 수 있다. 이러한 구성에서, 셀 어셈블리(100) 측에서 열이 발생하여 팽창 부재(300)를 가열하는 경우, 먼저 팽창 부재(300)의 전단 측 부분이 팽창할 수 있다. 즉, 팽창 부재(300)가 가열되어 먼저 소정 온도에 도달하게 될 경우, 도 17에서 화살표로 표시된 바와 같이 팽창 부재(300)의 전단 부분이 팽창할 수 있다. 그리고, 아직까지는, 팽창 부재(300)의 후단 부분은 팽창하지 않거나 전단 부분에 비해 팽창 정도가 작을 수 있다. 이 경우, 팽창 부재(300)는, 도 18에 도시된 바와 같이 부분적으로만 팽창된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부에서 외부로 벤팅 가스가 배출되는 효과가 보다 향상될 수 있다. 예를 들어, 도 18에 도시된 바와 같이 팽창 부재(300)의 전단 부분만 팽창되고, 후단 부분은 팽창되지 않은 경우, A6로 표시된 부분과 같은 팽창 부재(300)의 후방 우측면에는 빈 공간이 존재할 수 있다. 따라서, 이러한 상태에서는, 모듈 케이스(200) 내부의 벤팅 가스가 A6로 표시된 부분으로 유도될 수 있다. 그리고, A6 공간에 모인 벤팅 가스는 모듈 케이스(200) 외부로 배출될 수 있다.
더욱이, 도 11에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)에 벤팅 홀(H)이 형성된 경우, 팽창 부재(300)는, 이러한 A6로 표시된 빈 공간이 벤팅 홀(H) 측에 위치하도록 구성될 수 있다. 즉, 팽창 부재(300)는, 온도가 상승함에 따라, 벤팅 홀(H)에서 먼 부분의 팽창이 먼저 이루어지고, 벤팅 홀(H)에서 가까운 부분의 팽창은 상대적으로 나중에 이루어지도록 구성될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 팽창 부재(300)가 아직 팽창되지 않은 공간(A6) 측으로 모듈 케이스(200) 내부의 벤팅 가스가 유도되고, 이러한 벤팅 가스는 벤팅 홀(H)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부에 벤팅 가스가 존재하는 경우, 팽창 부재(300)의 팽창 상황에서 이러한 벤팅 가스가 모듈 케이스(200) 외부로 원활하게 배출되도록 할 수 있다.
특히, 상기 팽창 부재(300)는, 팽창을 위한 반응 온도가 서로 다른 복수의 팽창부를 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 팽창 부재(300)는, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 제1 팽창부(310) 및 제2 팽창부(320)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 팽창부(310)와 제2 팽창부(320)는, 모두 시트 형태로 구성되어, 하나의 평면 상에서 모서리 부분이 서로 대면 접촉된 형태로 배치될 수 있다.
더욱이, 제1 팽창부(310)와 제2 팽창부(320)는, 온도에 따른 팽창 정도가 다르게 구성될 수 있다. 특히, 제1 팽창부(310)는 T1 온도에서 팽창 정도가 최대가 되고, 제2 팽창부(320)는 T1과는 다른 T2 온도에서 팽창 정도가 최대가 되도록 구성될 수 있다. 이러한 제1 팽창부(310)와 제2 팽창부(320)의 팽창 정도 차이는, 각 팽창부의 구성 재료나 형태 차이 등으로 구현될 수 있다.
더욱이, 도 17 및 도 18의 실시 구성에서, 제2 팽창부(320) 측에 벤팅 홀(H)이 위치하는 경우, 제2 팽창부(320)의 최대 팽창 온도(T2)는, 제1 팽창부(310)의 최대 팽창 온도(T1)보다 높게 구성될 수 있다. 따라서, 소정 온도, 이를테면 T1까지 가열된 상태에서는, 도 18에 도시된 바와 같은 형태로 팽창 부재(300)가 부분적으로만 팽창됨으로써, 벤팅 홀(H)에 가까운 측으로 벤팅 가스가 이동하도록 할 수 있다. 그러므로, 벤팅 가스의 배출 성능이 향상될 수 있다.
또한, 배터리 모듈의 내부 온도가 더욱 상승하여 보다 높은 온도, 이를테면 T2 온도에 도달하게 되면, 제2 팽창부(320)까지 팽창하게 되어, A6로 표시된 빈 공간이 제2 팽창부(320)에 의해 채워질 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200) 내부 공간은, 빈 공간이 더욱 줄어들게 되고, 특히 벤팅 홀(H)도 폐쇄될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200) 내부에 산소가 유입될 가능성은 더욱 줄어들 수 있다.
본 발명의 일 측면에 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, 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 더 포함할 수 있다. 여기서, BMS는, 팩 케이스의 내부 공간에 장착되며, 셀 어셈블리의 충방전 동작이나 데이터 송수신 동작 등을 전반적으로 제어하도록 구성될 수 있다. BMS는, 모듈 단위가 아닌 팩 단위에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로는, BMS는, 팩 전압 및 팩 전류 등을 통해, 셀 어셈블리의 충방전 상태나 전력 상태, 성능 상태 등을 제어하거나 예측하도록 구성될 수 있다. 이러한 BMS에 대해서는, 본 발명의 출원 시점에 널리 공지되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 버스바, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 모듈 케이스(200)를 포함하지 않을 수 있다. 이에 대해서는, 도 19를 참조하여 설명한다.
도 19는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 19를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 셀 어셈블리(100), 팩 케이스(PC) 및 팽창 부재(300)를 포함할 수 있다. 이때, 셀 어셈블리(100)와 팽창 부재(300)는 모듈 케이스(200)의 내부에 수납되지 않은 채로, 팩 케이스(PC)의 내부 공간에 직접 수납될 수 있다. 이러한 실시 구성에서는, 다수의 배터리 셀(110)이 모듈화되지 않고, 셀투팩(Cell To Pack) 형태로, 직접 팩 케이스(PC)에 장착된다고 할 수 있다. 그리고, 팩 케이스(PC)의 내부 공간에는 셀 어셈블리(100) 이외에, M으로 표시된 바와 같은 BMS나, 다른 전장 부품들이 함께 수납될 수 있다.
이와 같은 형태의 배터리 팩에 대해서는, 셀 어셈블리(100)와 팽창 부재(300), 소화 부재(400) 등이, 모듈 케이스(200)가 아닌 팩 케이스(PC) 내부에 장착된다는 점에서만 차이가 있을 뿐, 다른 부분에 대한 설명들은 대부분 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 3 내지 도 18 등의 실시예에서 설명한 내용들의 경우, 모듈 케이스(200)가 팩 케이스(PC)로 대체될 뿐, 대부분의 내용이 그대로 적용될 수 있다.
예를 들어, 도 19에는 도시되어 있지 않으나, 도 5 및 도 6에서 설명된 소화 부재(400)가 팩 케이스(PC) 내부에 수납될 수 있다. 다른 예로, 도 8 및 도 9의 실시예에서 설명한 모듈 케이스(200)에 형성된 유통홈(G) 관련 구성은, 팩 케이스(PC)에 형성될 수도 있다. 또 다른 예로, 도 11 내지 도 14와 관련하여 설명된, 모듈 케이스(200)에 형성된 벤팅 홀(H)과 관련된 내용들은, 팩 케이스(PC)에 벤팅 홀이 형성된 구성으로 대체 설명될 수 있다. 따라서, 이와 같은 여러 측면의 배터리 팩에 대한 보다 상세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈이나 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 모듈이나 배터리 팩은, 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
110: 배터리 셀
200: 모듈 케이스
210: 탑 플레이트, 220: 베이스 플레이트, 230: 사이드 플레이트
231: 좌측 플레이트, 232: 우측 플레이트, 233: 전방 플레이트, 234: 후방 플레이트
300: 팽창 부재
310: 제1 팽창부, 320: 제2 팽창부
400: 소화 부재
O: 관통홀
G: 유통홈
S: 슬라이딩부
E: 가이드 레일
C: 침상 돌기
R: 저지부
PC: 팩 케이스
M: BMS

Claims (11)

  1. 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하는 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스의 내부에 위치하여, 열이 공급되는 경우 부피가 팽창되어 상기 모듈 케이스 내부의 빈 공간의 적어도 일부를 채우도록 구성된 팽창 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 부재는, 상변화 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    소화 물질을 보유하고, 상기 팽창 부재의 팽창 시 내부의 소화 물질을 방출하도록 구성된 소화 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 팽창 부재는, 상기 셀 어셈블리와 상기 소화 부재 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 소화 부재는, 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스에는 벤팅 홀이 형성되고,
    상기 팽창 부재는, 팽창에 의해 상기 벤팅 홀의 적어도 일부를 폐쇄시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 부재는, 팽창 정도가 부분적으로 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 팽창 부재는, 팽창을 위한 반응 온도가 서로 다른 복수의 팽창부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하는 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스의 내부에 위치하여, 열이 공급되는 경우 부피가 팽창되어 상기 팩 케이스 내부의 빈 공간의 적어도 일부를 채우도록 구성된 팽창 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈 또는 제10항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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