WO2023239187A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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WO2023239187A1
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battery
battery pack
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김인수
박진용
권우용
김승준
정세윤
지호준
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a vehicle including the same, and more specifically, to a battery pack with a cooling function to manage heat in battery cells and a fire extinguishing function to prevent ignition or spread of fire when a thermal event occurs in specific battery cells, and It is about a car that includes this.
  • each secondary battery has an operating voltage of approximately 2.5V to 4.5V. Therefore, in the case of electric vehicles or power storage devices that require large capacity and high output, a battery module in which multiple secondary batteries are connected in series and/or parallel, and a battery pack in which the battery modules are connected in series and/or parallel are constructed and used as energy It is used as a circle.
  • the number of lithium secondary batteries contained in one battery module may increase or the number of battery modules contained in one battery pack may increase.
  • the battery modules of a battery pack for an electric vehicle include battery cells, a bus bar frame for electrically connecting the battery cells, and a module housing that can integrally accommodate the battery cells and the bus bar frame, and includes a pack. It is mounted on a tray.
  • pack trays are equipped with multiple beam frames to ensure durability against shock or vibration.
  • the beam frame refers to a structure that extends from one wall of the pack tray and is coupled to the other wall, thereby suppressing distortion or deformation of the pack tray.
  • the battery modules are placed in the inner space of the pack tray partitioned by the beam frame and can be fixedly coupled to the pack tray with bolts, etc.
  • the gap created between the battery modules and between the battery module and the beam frame and the volume occupied by the module housing of the battery module are per unit volume of the battery pack. It acts as a factor that reduces energy density. Accordingly, as part of the recent crisis to increase the energy capacity of battery packs, there has been a push for cell-to-pack (cell-to-pack, meaning a method of assembling battery cells directly inside the battery pack case, omitting the battery module unit) type battery pack. Research and development is active.
  • the present invention was created to solve the above technical problems, and is a cell-to-pack type battery pack that can quickly suppress ignition of a specific battery cell when a thermal event occurs in a specific battery cell accommodated in a pack case.
  • the purpose is to provide a battery pack equipped with a fire extinguishing system.
  • Another object of the present invention is to provide a battery pack that can effectively dissipate heat generated from battery cells accommodated in a cell-to-pack type battery pack.
  • a battery pack includes a cell stack each composed of one or more battery cells stacked and a cell cover capable of accommodating the cell stack, and includes a plurality of cell units stacked in one direction; and a pack case including a pack tray on which the plurality of cell units are seated and a pack cover that covers the plurality of cell units and is coupled to the pack tray, wherein the cell cover covers the upper surface of the cell stack.
  • the pack cover has a fire extinguishing agent input portion capable of injecting fire extinguishing material into the cell cover through the top opening of the cell cover, and at least a portion of the fire extinguishing agent input portion is heat-melted.
  • the extinguishing material may be configured to be injected into the interior of the cell cover.
  • the fire extinguishing agent input unit may be provided at a position facing upward and downward at least one of one end and the other end of the upper opening of the cell cover.
  • the fire extinguishing agent input unit may be provided at the vertical top of each cell unit.
  • the extinguishing material is coolant, and the pack cover may have a flow path inside through which the coolant flows.
  • the fire extinguishing agent input unit includes a hole communicating with the flow path; and a melting cap coupled to the hole and made of a heat-meltable resin material.
  • the fire extinguishing agent input unit includes a gas storage container that accommodates compressed gas and has a gas outlet on one side; and a container lid formed of a heat-melted material and provided to block the gas outlet.
  • the compressed gas may be carbon dioxide.
  • the container lid may have a screw thread on an outer periphery
  • the unit mounting device may include a lid fastener capable of screw coupling with the container lid.
  • the cell unit includes a cell stack consisting of one or two or more battery cells stacked; And it may include a cell cover provided to cover both side surfaces of the cell stack along the width direction of the cell stack and a lower portion of the cell stack.
  • the cell cover includes: a first side cover part covering one side of the cell stack along the width direction of the cell stack; and a second side cover part covering the other side of the cell stack; and a lower cover part formed integrally with the first side cover part and the second side cover part and covering a lower portion of the cell stack.
  • bus bar electrically connected to the electrode lead of the battery cell, and is disposed at the front and rear of the cell stack along the longitudinal direction of the cell stack, and includes a bus bar frame assembly coupled to the cell cover. You can.
  • the battery pack may further include an insulating pad disposed between the cell units in the plurality of cell units.
  • It may include a second thermal resin interposed between the lower cover portion of the cell cover and the surface of the pack tray.
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell.
  • a vehicle including the above-described battery pack can be provided.
  • a battery pack of a cell-to-pack type provided is a battery pack equipped with a fire extinguishing system capable of quickly extinguishing ignition of a specific battery cell when a thermal event occurs in a specific battery cell accommodated in a pack case. It can be.
  • the battery pack according to the present invention when a specific battery cell ignites, fire extinguishing material falls from the pack cover located on top of the specific battery cell, thereby suppressing ignition of the specific battery cell and thereby generating heat energy into other surrounding battery cells. may not spread.
  • heat can be exchanged between a pack cover and battery cells that have a passage through which coolant flows, and when a battery cell ignites or generates heat, the pack cover may partially heat-melt and coolant may pour out. there is. Therefore, the heat of the battery cells can be absorbed in normal times, and the coolant can be used as an extinguishing material when the battery cell ignites.
  • the present invention may have various other effects, and these will be described in each implementation configuration, or the description of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a diagram showing the schematic configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view schematically showing a cell unit group according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a perspective view of a cell unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the cell unit of FIG. 3.
  • FIG. 5 is an enlarged view of one end of the cell unit of FIG. 3.
  • Figures 6 and 7 are diagrams schematically showing the fire extinguishing configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a diagram schematically showing the cooling configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • 10 to 12 are diagrams schematically showing a fire extinguishing configuration according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a diagram schematically showing a vehicle including a battery pack according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing the schematic configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing a cell unit group according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing the schematic configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • This is a perspective view of a cell unit according to an embodiment
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the cell unit of FIG. 3.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes a plurality of cell units 100 and a pack case 200 capable of accommodating the plurality of cell units 100. .
  • the cell unit 100 includes one or more battery cells 110 stacked together, and a cell cover 120.
  • the battery cell 110 may be configured as a pouch-type battery cell 110.
  • the pouch-type battery cell 110 may include an electrode assembly, a pouch case accommodating the electrode assembly, and an electrode lead 111 connected to the electrode assembly and exposed to the outside of the pouch case.
  • the electrode lead 111 includes a positive electrode lead and a negative electrode lead as a pair.
  • the anode lead and the cathode lead may be provided at both ends of the battery cell 110 along the longitudinal direction of the battery cell 110.
  • pouch-type battery cells 110 can be erected so that their wide surfaces are perpendicular to the ground and stacked in one direction (X direction) in a predetermined number.
  • the cell stack refers to stacking the pouch-type battery cells 110 as described above.
  • two pouch-type battery cells 110 may be stacked in one direction.
  • the positive lead of each pouch-type battery cell 110 may be disposed to face forward (-Y direction) and the negative lead of each pouch-type battery cell 110 may be disposed to face rearward (+Y direction).
  • the two pouch-type battery cells 110 can form a power bank connected in parallel by welding electrode leads 111 of the same polarity to terminal bus bars 131 located on corresponding sides.
  • the two pouch-type battery cells 110 can be accommodated in the cell cover 120, maintained in a stacked state, and connected in parallel via the terminal bus bar 131 of the bus bar frame assembly 130.
  • the terminal bus bar 131 is configured to have a portion exposed and may function as a positive terminal or a negative terminal of the cell unit 100.
  • the cell unit 100 is constructed using two pouch-type battery cells 110, but the cell unit 100 is constructed using one, three, or four or more pouch-type battery cells 110. You can also configure it.
  • the pouch-type battery cell 110 includes a storage portion (R) corresponding to a portion that accommodates the electrode assembly inside the pouch case, and four edge portions (E1 to E1) surrounding the storage portion (R). E4) can be provided.
  • the four edge portions (E1 to E4) are, for example, an upper edge portion (E1) and a lower edge portion ( E2), front edge portion (E3), and rear edge portion (E4).
  • the pouch-type battery cell 110 which applies a method of folding a single sheet of laminate film when storing the electrode assembly, has three sealing portions and is a pouch-type battery using a method of joining the edges of two sheets of laminate film.
  • the cell 110 has four sealing parts. Accordingly, in the pouch-type battery cell 110, three edge portions (E2, E3, E4 or E1, E3, E4) may be sealing portions, or all four edge portions (E1 to E4) may be sealing portions.
  • the cell cover 120 is a component that accommodates or supports the cell stack so that the cell stack can be stably maintained in an upright position in the pack case 200.
  • the cell cover 120 may be manufactured to cover both sides of the lower edge portion E2 and the receiving portion R of one pouch-type battery cell 110.
  • the cell cover 120 is a lower edge portion of the two pouch-type battery cells 110 forming a cell stack and one surface of the storage portion of the first pouch-type battery cell 110 in the stacking order. It can be manufactured in a form that can cover one side of the storage part of the second pouch-type battery cell 110. That is, the cell cover 120 may be provided to cover both side surfaces of the cell stack along the width direction of the cell stack and a lower portion of the cell stack.
  • This cell cover 120 has a longitudinal cross-section of approximately 'U' shape, so that the upper surface of the cell stack (corresponding to the upper edge of the pouch-type battery cell 110) can be exposed when the cell stack is accommodated. It has a top opening.
  • the cell cover 120 may be formed of various materials.
  • the cell cover 120 may be made of a metal material to ensure rigidity.
  • the stacked state of the pouch-type battery cells 110 can be maintained more stably and the pouch-type battery cells 110 can be more safely protected from external shock.
  • the cell cover 120 may be formed entirely of stainless steel (SUS) or an alloy containing stainless steel.
  • the pouch-type battery cell 110 has low hardness because the pouch case is made of a soft material, so not only is it difficult to securely store it in the pack case 200, but it may also be vulnerable to external shock or vibration.
  • the cell cover 120 is a component to compensate for the problems of the pouch-type battery cell 110 as described above. When the pouch-type battery cells 110 are stored in the pack case 200, the pouch-type battery cells 110 ) to ensure that the stacking state is maintained stably.
  • This cell cover 120 may be formed of a thin plate with a thickness of approximately 2 mm or less to minimize the volume inside the pack case 200.
  • the cell cover 120 includes a lower cover portion 121 and a first side cover portion, as shown in FIGS. 3 and 4. (122) and a second side cover portion (123).
  • the lower cover portion 121 may be configured to surround the lower edge portion E2 of the pouch-type battery cell 110 accommodated therein.
  • the lower cover portion 121 may be configured to contact or be spaced apart from the lower edge portion E2 of the pouch-type battery cell 110.
  • the first side cover portion 122 may be configured to extend upward from one edge line along the width direction of the lower cover portion 121.
  • the first side cover portion 122 may be configured to extend longer than the storage portion (R) of the pouch-type battery cell 110 from the left end of the lower cover portion 121 upward. .
  • the first side cover portion 122 may be configured to cover one side of the at least one pouch-type battery cell 110.
  • the first side cover portion 122 may be configured to cover one side of the cell stack along the width direction of the cell stack in FIG. 4.
  • the second side cover portion 123 may be configured to extend upward from the other edge line along the width direction of the lower cover portion 121.
  • the second side cover portion 123 may be configured to extend longer than the storage portion (R) of the pouch-type battery cell 110 from the right end of the lower cover portion 121 upward. .
  • the second side cover portion 123 may be configured to cover one side of the at least one pouch-type battery cell 110.
  • the second side cover portion 123 may be configured to cover the other side of the cell stack along the width direction of the cell stack in FIG. 4.
  • the first side cover part 122 and the second side cover part 123 may be formed integrally with the lower cover part 121.
  • the distance between the first side cover portion 122 and the second side cover portion 123 may be determined within a range within which the pouch-type battery cells 110 accommodated inside the cell cover 120 can be compressed.
  • the pouch-type battery cells 110 are pressed by the cell cover 120 and their upper edge portion E1 is exposed above the cell cover 120 to form a pack cover 220 to be described later. ) can be faced directly. And the lower cover portion 121 of the cell cover 120 may directly face the bottom plate 211 of the pack case 200. In this case, heat exchange between the lower edge portions of the pouch-type battery cells 110 and the bottom plate 211 of the pack case 200 can be performed more smoothly. Additionally, a second thermal resin (G2) is applied to the bottom plate 211 of the pack case 200 to cover the pouch-type battery cell 110, the lower cover portion 121 of the cell cover 120, and the pack case ( It is also possible to increase the heat transfer rate between the bottom plates 211 of 200).
  • G2 second thermal resin
  • the pouch-type battery cells 110 when the pouch-type battery cells 110 are mounted on the pack case 200 using the cell cover 120 of this configuration, the pouch-type battery cells 110 can be space-efficiently arranged in the pack case 200.
  • the stacking state of the pouch-type battery cells 110 can be maintained stably, and the cooling structure for the pouch-type battery cells 110 can be simple and efficient.
  • the cell unit 100 may include a busbar frame assembly 130.
  • the bus bar frame assembly 130 includes a terminal bus bar 131 that is electrically connected to the electrode lead 111 of the pouch-type battery cell 110 and the front of the cell stack along the longitudinal direction of the cell stack. It can be placed in the upper and rear parts, respectively.
  • the busbar frame assembly 130 may include a first busbar frame assembly and a second busbar frame assembly.
  • the first bus bar frame assembly and the second bus bar frame assembly may have substantially the same configuration.
  • the positive leads of the two stacked pouch-type battery cells 110 are integrally welded to the terminal bus bar 131 of the first bus bar frame assembly, and the negative leads are welded to the terminal bus bar 131 of the second bus bar assembly. It can be integrally welded to the terminal bus bar 131.
  • the two pouch-type battery cells 110 have a 2P1S electrical connection structure.
  • the bus bar frame assembly 130 includes a terminal bus bar 131, a bus bar housing 132, and a bus bar cover 133. ) may include.
  • the terminal bus bar 131 may be made of a metal such as copper, nickel, or aluminum, and the bus bar housing 132 may be made of an electrically insulating material such as plastic.
  • the bus bar housing 132 supports the terminal bus bar 131 and may be coupled to the cell cover 120. That is, the bus bar housing 132 may be configured to be coupled to the front open end and the rear open end of the cell cover 120, respectively, as shown in FIG. 3. At this time, the bus bar housing 132 may be fixedly coupled to the cell cover 120 through various fastening methods such as adhesive, welding, fitting, hook, bolting, and riveting. Accordingly, in this embodiment, the front open end and the rear open end of the cell cover 120 may be covered by the bus bar housing 132, respectively.
  • This bus bar housing 132 may be provided in a box shape with a substantially rectangular parallelepiped structure.
  • the bus bar housing 132 may be provided with a slit into which the electrode lead 111 of the battery cell 110 can be inserted so that the electrode lead 111 can pass through the body.
  • the electrode lead 111 of the battery cell 110 penetrates the bus bar housing 132 through the slit and is drawn out, and the drawn portion may be attached to the terminal bus bar 131. Laser welding may be performed when attaching the electrode lead 111 to the terminal bus bar 131.
  • the part where the electrode lead 111 and the terminal bus bar 131 are combined is shielded with a bus bar cover 133 made of an insulating material, and the upper part, which is thicker than other parts of the terminal bus bar 131, is the bus bar. It may be exposed to the outside through the window 133a of the bar cover 133.
  • a plurality of cell units 100 may be stacked in one direction, as shown in FIG. 2 .
  • the upper surface of the cell stack (upper edge portion E1 of the pouch-type battery cell 110) is exposed through the upper opening of each cell cover 120 in the stacked cell units 100.
  • the first thermal resin may be applied.
  • the first thermal resin may be applied only to the upper surface of the cell stack, excluding both ends, along the length direction of the cell stack. A more detailed explanation of this will be provided later.
  • an insulating pad P may be disposed between the cell units 100 and the cell units 100.
  • the insulation pad P may be attached to one side or both sides of the cell unit 100.
  • the insulation pad (P) serves to prevent heat exchange between the cell units 100 and the cell units 100 .
  • Silicone or mica sheet may be used as this insulation pad (P).
  • the cell units 100 stacked in this way will be referred to as a cell unit group 10.
  • the pack case 200 may include a pack tray 210 and a pack cover 220.
  • the pack tray 210 may include a bottom plate 211 and a plurality of beam frames disposed perpendicular to the bottom plate 211 to form a wall.
  • the plurality of beam frames include an outer beam frame 212a forming a wall along the outer perimeter of the bottom plate 211 and the pack tray across the bottom plate 211 from the inside of the bottom plate 211. It may include an inner beam frame 212b that partitions the internal space of 210.
  • Each cell unit group 10 may be seated in the inner space of the pack tray 210 surrounded and partitioned by the plurality of beam frames. For example, as shown in FIG. 1, each cell unit group 10 is to be seated in the inner space of the pack tray 210 surrounded by the outer beam frame 212a and the inner beam frame 212b of the pack tray 210. You can. Meanwhile, although the pack tray 210 is configured to accommodate four cell unit groups 10 according to the present embodiment, the area of the bottom plate 211 of the pack tray 210 or the outer beam frame 212a ) and the pack tray 210 may be configured to accommodate less than 4 or more than 4 cell unit groups 10 by changing the number or position of the inner beam frame 212b.
  • the outermost cell unit 100 among the cell units 100 belonging to each cell unit group 10 is connected to the outer beam frame 212a or It may be placed facing the inner beam frame 212b.
  • the beam frames support the outermost cell units 100 on both sides of each cell unit group 10, and can serve to suppress the battery cells 110 from breaking down during charging and discharging.
  • the beam frames may function as a firewall that prevents the spread of thermal energy between the cell unit groups 10.
  • an insulating material such as a mica sheet may be attached to the surface of the beam frame.
  • a second thermal resin (G2) may be applied to the bottom plate 211 of the pack tray 210. As described above, the second thermal resin (G2) promotes heat exchange between the lower cover portion 121 of the cell cover 120 and the bottom plate 211 of the pack tray 210 and the cell units 100. It can act to increase fixity.
  • the pack cover 220 covers a plurality of cell units 100 and may be provided to be coupled to the pack tray 210.
  • the pack cover 220 can be configured to include a fire extinguishing agent input portion 221 that can inject fire extinguishing material into the cell cover 120 through the upper opening of the cell cover 120. .
  • the pack cover 220 may include a flow path 222 through which coolant can flow inside, and a fire extinguishing agent input portion 221 provided at each predetermined position in the pack cover 220.
  • the pre-designated location may mean the vertical top of each cell unit 100. That is, the fire extinguishing agent input unit 221 may be provided at the vertical top of each cell unit 100.
  • the flow path 222 may be provided inside the pack cover 220 in a zigzag or winding shape.
  • the pack cover 220 has an inlet port and an outlet port, the inlet port is connected to the inlet of the flow path 222, and the outlet port is connected to the outlet of the flow path 222. .
  • Coolant may flow along the flow path 222 through the inlet port and be discharged out of the pack cover 220 through the outlet port.
  • the inlet port and the outlet port may be connected to a cooling chiller.
  • the heat inside the pack case 200 is absorbed into the coolant flowing along the flow path 222, and the heat of the heat-absorbed coolant can be removed from the cooling chiller.
  • the coolant from which the heat has been removed can enter the flow path 222 again through the inlet port. That is, the coolant may be circulated in the following order: inlet port, flow path 222, outlet port, cooling chiller, and inlet port.
  • a fire extinguishing tank type pack cover 220 storing a certain amount of fire extinguishing water or fire extinguishing material inside may be applied.
  • the extinguishing agent input unit 221 may be configured so that at least a portion of the extinguishing agent is melted by heat and the extinguishing agent falls to fill the interior of the cell cover 120 of each cell unit 100.
  • the fire extinguishing agent input unit 221 includes a hole 221b communicating with the flow path 222, coupled to the hole 221b, and made of a heat-meltable resin material. Includes a melting cap (221a).
  • the hole 221b may be formed by drilling a specific portion of the lower surface of the pack cover 220 to communicate with the flow path 222.
  • the melting cap 221a may be configured to close the hole 221b. Therefore, the coolant inside the pack cover 220 can normally flow along the flow path 222 without leaking from the pack cover 220.
  • coolant may pour into the inside of the battery pack from the pack cover 220. That is, in this embodiment, the coolant can be used as an extinguishing agent to suppress a thermal event.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention includes a plurality of cell units 100 stacked, as described above, and a specific cell unit 100 among the plurality of cell units 100
  • the coolant can be poured targeting the specific cell unit 100 to lower the temperature of the battery cells 110 included in the specific cell unit 100, thereby spreading the coolant to the adjacent cell units 100. It may be configured to prevent or delay the spread of heat.
  • the fire extinguishing agent input unit 221 may be provided at the vertical top of each cell unit 100.
  • the cell cover 120 constituting the cell unit 100 has a longitudinal cross-section of approximately a 'U' shape and has an opening at the top. Therefore, when a thermal event occurs in the battery cell 110, high-temperature gas, flame, sparks, etc. generated from the battery cell 110 are directed to the pack cover 220 through the upper opening of the cell cover 120.
  • the blocked hole 221b is opened, coolant falls, and the cell cover (221a) is released through the upper opening. 120) can seep into the interior.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes a first thermal resin between the cell units 100 and the cell cover 120 to promote heat exchange between the cell units 100 and the cell cover 120. G1) may further be included.
  • the first thermal resin (G1) is applied to the upper surface of the cell stack (upper edge portion of the pouch-type battery cell 110), and is applied to the cell cover 120 along the longitudinal direction of the cell cover 120. It may not be provided at least one of one end (S1) and the other end (S2) of the top opening. And the pack cover 220 is in contact with the first thermal resin (G1), and the fire extinguishing agent input portion 221 in the pack cover 220 is one end (S1) of the upper opening of the cell cover 120. And it may be provided in a position facing upward and downward with at least one of the two end portions.
  • the first thermal resin (G1) is applied to the upper edge portion (E1) of the pouch-type battery cells 110 stored inside the cell cover 120,
  • the upper open portion of the cell cover 120 may be partially covered by the first thermal resin (G1).
  • the first thermal resin (G1) is not applied or filled to one end (S1) and the other end (S2) of the upper opening part of the cell cover 120.
  • one end (S1) and the other end (S2) of the upper opening of the cell cover 120 that are not covered with the first thermal resin (G1) have an injection hole through which extinguishing substances can be injected into the cell cover 120. It can function as
  • the lower portions of one end S1 and the other end S2 of the upper opening portion of the cell cover 120 are the front edge portion E3 of the pouch-type battery cell 110, respectively. and a rear edge portion (E4) may be located.
  • the front edge portion (E3) and the rear edge portion (E4) of the pouch-type battery cell 110 are sealing portions obtained by heat-sealing the pouch case. Therefore, inside the cell cover 120, the area where the front edge portion (E3) and the rear edge portion (E4) of the pouch-type battery cell 110 are located has more empty space than other areas.
  • the pouch-type battery cell 110 has a relatively high temperature at the front edge portion (E3) and the rear edge portion (E4) from which the electrode lead 111 is drawn, and when the internal pressure increases, the front edge portion (E3) or the There is a high possibility that the rear edge portion (E4) may be torn open and discharge hot gas or sparks.
  • arranging the fire extinguishing agent input unit 221 at the vertical upper part corresponding to one end (S1) and the other end (S2) of the upper opening of the cell cover 120 is suitable for the specific cell unit 100 where the thermal event occurred. ) It can be said to be effective in accurately and quickly injecting extinguishing substances into the target.
  • the fire extinguishing agent input unit 221 and the cell unit 100 for example, the high temperature in the battery cell 110 included in a specific cell unit 100 among the plurality of cell units 100 When gas, etc. erupts, the melting cap 221a is melted by the high temperature gas, and at this time, as shown in FIG. 7, the hole 221b is opened. Then, the coolant inside the pack cover 220 may pour out and fill the inside of the cell cover 120 through one end S1 of the top opening of the cell cover 120.
  • the melting cap 221a located on the top of the cell cover 120 where the battery cell 110 in which the event occurred is stored is melted by heat, but the battery cell 110 in which the event did not occur is melted.
  • the melting cap 221a located on the top of the other cell cover 120 containing ) does not melt because it does not receive much or little thermal damage. Accordingly, as indicated by F in FIG. 7, coolant fills only the inside of the cell cover 120 where the battery cell 110 where the event occurred is housed.
  • the fire extinguishing system of the battery pack according to the present invention is configured so that fire extinguishing material is injected only into the specific cell unit 100 where a thermal event occurred to centrally cool only the specific cell unit, so that the fire extinguishing material is injected only into the specific cell unit 100 where a thermal event occurred.
  • it also prevents battery cells that make up other cell units from being submerged in coolant. Therefore, battery cells 110 that are not submerged in coolant can be reused.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention is configured to dissipate the heat of the battery cells 110 through the pack tray 210 and the pack cover 220 and prevent heat exchange between the cell units 100. there is.
  • a second thermal resin (G2) may be provided on the bottom plate 211 of the pack tray 210 on which the cell units 100 are seated. That is, a second thermal resin (G2) may be provided between the lower cover portion 121 of each cell cover 120 and the surface of the pack tray 210. Additionally, in each cell unit 100, inside the cell cover 120, between the lower edge portion E2 of the pouch-type battery cell 110 and the lower cover portion 121 of the cell cover 120. A third thermal resin (G3) may be interposed. The third thermal resin (G3) is filled so that no empty space is created between the lower edge portion of the pouch-type battery cell 110 and the lower cover portion 121 of the cell cover 120, thereby forming the pouch-type battery cell 110. ) and the cell cover 120 can be promoted. In addition, the fixation of the pouch-type battery cells 110 inside the cell cover 120 can be strengthened.
  • heat from all battery cells 110 mounted on the battery pack flows from the lower edge portion -> the third thermal resin (G3) -> the lower cover portion 121 of the cell cover 120 -> the second thermal resin.
  • Resin (G2) -> can be conducted to the bottom plate 211 of the pack tray 210.
  • the cooling effect may be increased by placing a heat sink (not shown) under the pack tray 210 or by allowing coolant to flow inside the pack tray 210.
  • heat from all of the battery cells 110 may be conducted from the upper edge portion to the first thermal resin (G1) to the coolant inside the pack cover 220.
  • heat exchange between the cell units 100 may be prevented by the insulating pad P disposed between the cell units 100 .
  • the temperature gradient from each cell unit 100 toward the pack cover 220 or pack tray 210 becomes larger, allowing heat to be conducted more quickly toward the pack cover 220 or the pack tray 210. there is.
  • thermal movement between the battery cells 110 included in different cell units 100 is minimized, and heat from all battery cells 110 moves in the vertical direction to the pack. Heat may be dissipated through the case 200. Accordingly, a battery pack with improved cooling performance for all battery cells 110 can be provided.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention
  • FIGS. 10 to 12 are diagrams schematically showing a fire extinguishing configuration according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack according to another embodiment of the present invention has a difference in the configuration of the pack cover 220A and the fire extinguishing agent input portion 221A compared to the battery pack according to the above-described embodiment.
  • the fire extinguishing agent input unit 221A is provided at the vertical upper part of each cell unit 100, similar to the above-described embodiment, and is provided at the top of the cell cover 120 when opened. It is located at one end (S1) and the other end (S2) of the unit. If necessary, the fire extinguishing agent input unit 221 may be provided only at one of one end S1 and the other end S2 of the upper opening of the cell cover 120.
  • the pack cover 220A according to another embodiment of the present invention does not include coolant and a flow path 222. Instead, the pack cover 220A may be configured so that at least a portion of the pack cover 220A is heat-melted and compressed cooling gas as an extinguishing material is introduced into the cell cover 120.
  • the fire extinguishing agent input unit 221A is equipped with a fire extinguishing unit 223 and a unit configured to fit and couple the fire extinguishing unit 223. Includes phrase (224).
  • the fire extinguishing unit 223 includes compressed gas for cooling and can be configured to be coupled and disengaged from the unit mounting hole 224. Therefore, the fire extinguishing unit 223 can be removed from the unit mounting hole 224 and replaced with a new one when the compressed cooling gas is exhausted or a defect is discovered.
  • the fire extinguishing unit 223 includes a gas storage container 223a that accommodates the compressed gas and has a gas outlet on one side, and a container lid 223b formed of a heat-melted material and provided to block the gas outlet. It can be included.
  • the unit mounting hole 224 is a part that allows the fire extinguishing unit 223 to be fixedly mounted on the pack cover 220.
  • the unit mounting hole 224 penetrates the pack cover 220 in the thickness direction so that the fire extinguishing unit 223 can be fitted so that the container lid 223b faces the upper opening of the cell cover 120. It may be configured in a formed form.
  • the container lid 223b has a screw thread on the outer periphery, and the unit mounting hole 224 may include a lid fastener 224a that can be screwed to the container lid 223b.
  • the fire extinguishing unit 223 can be inserted into the unit mounting hole 224, and at this time, the container lid 223b and the lid fastener 224a are screwed together to extinguish the fire.
  • the unit 223 can be fixed to the unit mounting hole 224.
  • the container lid 223b coupled to the lid fastener 224a may be disposed to face one end S1 or the other end S2 of the upper opening of the cell cover 120 described above. .
  • the melting cap 221a melts due to heat and the coolant of the pack cover 220 pours out
  • the container lid 223b is melted by heat. By melting, the compressed gas can be injected into the interior of the cell cover 120.
  • Carbon dioxide (Co2) may be used as the compressed gas. That is, the gas storage container 223a has compressed carbon dioxide therein. When the container lid 223b is melted by heat and the gas discharge port of the gas storage container 223a is opened even slightly, the carbon dioxide comes out of the gas storage container 223a very quickly and adiabatically expands, as shown in FIG. 12, and forms a cell cover ( 120) The internal battery cell 110 and air can be cooled.
  • gaseous carbon dioxide is introduced into the target cell cover 120, and a battery cell ( 110) can be cooled. Accordingly, according to another embodiment of the present invention, compared to the case of using coolant as an extinguishing agent, electrical safety problems such as shorts that may occur due to submersion of the battery cell 110 can be freed.
  • the battery pack may further include a control module 20.
  • the control module 20 includes a battery management system (BMS) that manages the charging and discharging operations, state of charge (SOC), state of health (SOH), etc. of the battery cells 110 and the It can be mounted in an internal space.
  • BMS battery management system
  • the battery pack may further include a switching unit.
  • the switching unit may be configured to control electrical connection between the battery pack and an external circuit. To this end, the switching unit may optionally include a current sensor, power relay, fuse, etc.
  • the battery pack according to the present invention can be used as a power energy source for automobiles. That is, the vehicle V according to the present invention may include the battery pack according to the present invention described above, as shown in FIG. 13.
  • the vehicle according to the present invention may include, for example, a vehicle that uses electricity as a driving source, such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • the vehicle according to the present invention may further include various other components included in the vehicle, such as a vehicle body or a motor, in addition to the battery pack according to the present invention.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은, 각각 하나 또는 둘 이상 적층된 배터리 셀로 이루어진 셀 스택과 상기 셀 스택을 수용할 수 있는 셀 커버를 포함하며, 일방향으로 적층된 복수 개의 셀 유닛; 및 상기 복수 개의 셀 유닛이 안착되는 팩 트레이와 상기 복수 개의 셀 유닛을 커버하며 상기 팩 트레이와 상호 결합하는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스를 포함하고, 상기 셀 커버는 상기 셀 스택의 상부면을 커버하지 않도록 상단 개방부를 구비하고, 상기 팩 커버는 상기 셀 커버의 상단 개방부를 통해 상기 셀 커버에 소화물질을 투입시킬 수 있는 소화재 투입부를 구비하고, 상기 소화재 투입부는, 적어도 일부분이 열 용융되어 상기 소화물질이 상기 셀 커버의 내부에 투입되도록 구성될 수 있다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 출원은 2022년 06월 10일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0070537호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 셀들의 열을 관리하는 냉각 기능과 특정 배터리 셀들에 열적 이벤트 발생시 발화 내지 화재 확산을 방지하는 소화 기능을 갖춘 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 이차전지들 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용하고 있다.
전기자동차에 요구되는 배터리 팩의 출력이나 용량에 따라 하나의 배터리 모듈에 들어가는 리튬 이차전지의 개수가 증가하거나 하나의 배터리 팩에 들어가는 배터리 모듈의 개수가 증가할 수 있다.
한편, 일 예로서 전기자동차용 배터리 팩의 배터리 모듈들은 배터리 셀들과 상기 배터리 셀들을 전기적으로 연결하기 위한 버스바 프레임 및 상기 배터리 셀들과 버스바 프레임을 일체로 수용할 수 있는 모듈 하우징을 포함하고 팩 트레이에 탑재된다. 일반적으로 팩 트레이는 충격이나 진동에 대한 내구성을 확보하기 위해 여러 개의 빔 프레임을 구비한다. 여기서 상기 빔 프레임은 팩 트레이의 일측 벽면에서 연장되어 타측 벽면에 결합되어 있어 팩 트레이의 뒤틀림이나 변형을 억제하는 역할을 하는 구조물을 의미한다. 배터리 모듈들은 상기 빔 프레임에 의해 구획된 팩 트레이의 내부 공간에 배치되고 각각 볼트 등으로 팩 트레이에 고정 결합될 수 있다.
한편, 상기와 같이 배터리 모듈들을 수납한 종래의 배터리 팩의 경우, 배터리 모듈들 사이 및 배터리 모듈과 빔 프레임 사이에 생기는 갭(gap)과 배터리 모듈의 모듈 하우징이 차지하는 부피 등이 배터리 팩의 단위 부피당 에너지 밀도를 떨어뜨리는 요소로 작용한다. 이에 최근 배터리 팩의 에너지 용량을 증대하기 위기 위한 일환으로 셀투팩(Cell To Pack, 배터리 모듈 단위를 생략하고 배터리 셀을 배터리 팩의 케이스 내부에 직접 조립하는 방식을 의미함) 타입의 배터리 팩에 대한 연구 개발이 활발하다.
그런데, 셀투팩 타입의 배터리 팩을 설계함에 있어 배터리 셀들의 열을 관리하기 위한 냉각 시스템과 배터리 셀들에 열적 이벤트가 발생할 경우 발화 내지 화재 확산을 방지하기 위한 소화 시스템을 어떻게 적용할 것인지와 나아가 한정된 배터리 팩의 내부 공간에 냉각 시스템과 소화 시스템을 어떻게 공간 효율적으로 적용할 것인가 문제되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 셀투팩 타입의 배터리 팩으로서, 팩 케이스에 수용된 특정 배터리 셀에 열적 이벤트가 발생한 때, 상기 특정 배터리 셀의 발화를 신속히 진압할 수 있는 소화 시스템을 갖춘 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 셀투팩 타입의 배터리 팩에 수용된 배터리 셀들에서 발생하는 열을 효과적으로 방열시킬 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
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.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 각각 하나 또는 둘 이상 적층된 배터리 셀로 이루어진 셀 스택과 상기 셀 스택을 수용할 수 있는 셀 커버를 포함하며, 일방향으로 적층된 복수 개의 셀 유닛; 및 상기 복수 개의 셀 유닛이 안착되는 팩 트레이와 상기 복수 개의 셀 유닛을 커버하며 상기 팩 트레이와 상호 결합하는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스를 포함하고, 상기 셀 커버는 상기 셀 스택의 상부면을 커버하지 않도록 상단 개방부를 구비하고, 상기 팩 커버는 상기 셀 커버의 상단 개방부를 통해 상기 셀 커버에 소화물질을 투입시킬 수 있는 소화재 투입부를 구비하고, 상기 소화재 투입부는, 적어도 일부분이 열 용융되어 상기 소화물질이 상기 셀 커버의 내부에 투입되도록 구성될 수 있다.
상기 셀 스택의 상부면에 도포되되, 상기 셀 커버의 길이 방향에 따른 상기 셀 커버의 상단 개방부에서 일측 끝단부 및 타측 끝단부 중 적어도 한 곳에는 미구비되는 제1 써멀 레진을 더 포함하고, 상기 팩 커버는 상기 제1 써멀 레진과 접촉하고, 상기 소화재 투입부는 상기 셀 커버의 상단 개방부의 일측 끝단부 및 타측 끝단부 중 적어도 한 곳과 상하로 마주하는 위치에 구비될 수 있다.
상기 소화재 투입부는, 각 상기 셀 유닛의 연직 상부마다 구비될 수 있다.
상기 소화물질은 냉각수이고, 상기 팩 커버는 내부에 상기 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비할 수 있다.
상기 소화재 투입부는, 상기 유로와 연통하는 홀; 및 상기 홀에 결합되고 열용융 가능한 수지 소재로 마련된 멜팅 캡;을 포함할 수 있다.
상기 소화재 투입부는, 압축 가스를 수용하고 일측에 가스 토출구를 구비한 가스 저장용기;와 열 용융 소재로 형성되고 상기 가스 토출구를 막을 수 있게 마련된 용기뚜껑;을 포함한 소화 유닛; 및 상기 용기 뚜껑이 상기 셀 커버의 상단 개방부를 향하도록 상기 소화 유닛을 끼움 결합시킬 수 있게 상기 팩 커버에 관통 형성된 유닛 장착구를 포함할 수 있다.
상기 압축 가스는 이산화탄소일 수 있다.
상기 용기 뚜껑은 외주연에 나사산을 구비하고, 상기 유닛 장착구는 상기 용기 뚜껑과 스크류 결합 가능하게 마련된 뚜껑 체결구를 포함할 수 있다.
상기 셀 유닛은, 하나 또는 적층된 둘 이상의 배터리 셀로 이루어진 셀 스택; 및 상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 양쪽 측면부와, 상기 셀 스택의 하부를 커버하도록 마련된 셀 커버를 포함할 수 있다.
상기 셀 커버는, 상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 일측면부를 커버하는 제1 측면 커버부;와 상기 셀 스택의 타측면부를 커버하는 제2 측면 커버부; 및 상기 제1 측면 커버부 및 상기 제2 측면 커버부와 일체로 형성되고 상기 셀 스택의 하부를 커버하는 하측 커버부를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바를 구비하고, 상기 셀 스택의 길이 방향에 따른 상기 셀 스택의 전방부와 후방부에 각각 배치되고 상기 셀 커버와 결합되는 버스바 프레임 조립체를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 복수 개의 셀 유닛에서 상기 셀 유닛과 상기 셀 유닛 사이에 배치되는 단열 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 커버의 하측 커버부와 상기 팩 트레이의 표면 사이에 개재되는 제2 써멀 레진을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 셀투팩 타입의 배터리 팩으로서, 팩 케이스에 수용된 특정 배터리 셀에 열적 이벤트가 발생한 때, 상기 특정 배터리 셀의 발화를 신속히 진압할 수 있는 소화 시스템을 갖춘 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩에 의하면, 특정 배터리 셀의 발화시, 상기 특정 배터리 셀의 상부에 위치한 팩 커버에서 소화물질이 낙하하여 상기 특정 배터리 셀의 발화를 억제하고 이로써 주변의 다른 배터리 셀들로 열 에너지가 전파되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉각수가 흐르는 유로를 내장한 팩 커버와 배터리 셀들이 열교환할 수 있고, 배터리 셀의 발화 내지 발열시, 상기 팩 커버가 부분적으로 열용융되어 냉각수가 쏟아질 수 있다. 따라서 평상시 배터리 셀들의 열을 흡수할 수 있고, 배터리 셀의 발화시에는 상기 냉각수를 소화물질로 사용할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛 그룹을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 사시도이다.
도 4는 도 3의 셀 유닛의 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 셀 유닛의 일단부를 확대한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 소화 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 냉각 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소화 구성을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 13은 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛 그룹을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 사시도이고, 도 4는 도 3의 셀 유닛의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수 개의 셀 유닛(100)과 상기 복수 개의 셀 유닛(100)을 수용할 수 있는 팩 케이스(200)를 포함한다.
상기 셀 유닛(100)은, 하나 또는 둘 이상 적층된 배터리 셀(110)과, 셀 커버(120)를 포함한다.
상기 배터리 셀(110)은 파우치형 배터리 셀(110)로 구성될 수 있다. 상기 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스 및 전극 조립체와 연결되고 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되는 전극 리드(111)를 포함할 수 있다. 상기 전극 리드(111)는 양극 리드와 음극 리드를 한 쌍으로 포함한다. 여기서 상기 양극 리드와 상기 음극 리드는 배터리 셀(110)의 길이 방향에 따른 배터리 셀(110)의 양단부에 구비될 수 있다.
이러한 파우치형 배터리 셀(110)은 넓은 면이 지면에 대해 수직이 되도록 세워지고 일 방향(X방향)으로 정해진 개수만큼 적층될 수 있다. 이하에서 셀 스택은 상기 파우치형 배터리 셀(110)을 상기와 같이 적층한 것을 의미한다. 예컨대, 도 4와 같이, 2개의 파우치형 배터리 셀(110)들이 일 방향으로 적층될 수 있다. 이때 각 파우치형 배터리 셀(110)의 양극 리드는 전방(-Y 방향)을 향하고 각 파우치형 배터리 셀(110)의 음극 리드는 후방(+Y 방향)을 향하도록 배치될 수 있다. 이 경우 상기 2개의 파우치형 배터리 셀(110)은 동일 극성의 전극 리드(111)들끼리 대응하는 쪽에 위치한 터미널 버스바(131)에 용접되어 병렬적으로 연결된 하나의 파워뱅크를 이룰 수 있다.
즉, 2개의 파우치형 배터리 셀(110)들은 셀 커버(120)에 수용되어 적층 상태가 유지되고 버스바 프레임 조립체(130)의 터미널 버스바(131)를 매개로 병렬 연결될 수 있다. 상기 터미널 버스바(131)는 일 부분이 노출되도록 구성되어 셀 유닛(100)의 양극 터미널 또는 음극 터미널로 기능할 수 있다. 본 실시예는 2개의 파우치형 배터리 셀(110)들을 사용하여 셀 유닛(100)을 구성하였지만, 1개, 3개 또는 4개 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 사용하여 셀 유닛(100)을 구성할 수도 있다.
한편, 상기 파우치형 배터리 셀(110)은 파우치 케이스 내부에 전극 조립체를 수용한 부분에 해당하는 수납부(R)와, 상기 수납부(R) 주위를 둘러싸는 형태의 4개의 에지부(E1~E4)를 구비할 수 있다. 상기 4개의 에지부(E1~E4)란, 이를테면, 도 4와 같이 기립 배치된 파우치형 배터리 셀(110)에서, 상기 수납부(R)를 기준으로 상측 에지부(E1), 하측 에지부(E2), 전방측 에지부(E3) 및 후방측 에지부(E4)를 의미한다.
여기서 상기 에지부들(E1~E4)은 모두 실링부이거나 상측 에지부(E1) 또는 하측 에지부(E2)를 제외한 나머지 3개의 에지부(E2,E3,E4 or E1,E3,E4)가 실링부일 수 있다. 부연하면, 전극 조립체를 수납할 때, 한 장의 라미네이트 필름을 폴딩하는 방식을 적용한 파우치형 배터리 셀(110)은 3개의 실링부를 갖고, 2장의 라이네이트 필름의 테두리를 접합하는 방식을 적용한 파우치형 배터리 셀(110)은 4개의 실링부를 갖는다. 이에 따라 파우치형 배터리 셀(110)은 3개의 에지부(E2,E3,E4 or E1,E3,E4)가 실링부이거나 4개의 에지부(E1~E4)가 모두 실링부일 수 있다.
상기 셀 커버(120)는, 상기 셀 스택이 팩 케이스(200)에서 기립 상태가 안정적으로 유지될 수 있도록 상기 셀 스택을 수용 내지 지지하는 구성요소이다. 예컨대, 셀 커버(120)는 하나의 파우치형 배터리 셀(110)의 하측 에지부(E2)와 수납부(R)의 양면을 감싸는 형태로 제작될 수 있다. 또는 본 실시예와 같이, 상기 셀 커버(120)는 셀 스택을 형성하는 2개의 파우치형 배터리 셀(110)들의 하측 에지부와, 적층 순서상 첫번째 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부의 일면과 두번째 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부의 일면을 커버할 수 있는 형태로 제작될 수 있다. 즉, 셀 커버(120)는 상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 양쪽 측면부와, 상기 셀 스택의 하부를 커버하도록 마련될 수 있다. 이러한 셀 커버(120)는 종단면이 대략 'U' 형태로 마련됨으로써, 셀 스택을 수용한 때 상기 셀 스택의 상부면(파우치형 배터리 셀(110)의 상측 에지부에 해당함)이 노출될 수 있는 상단 개방부를 갖는다.
상기 셀 커버(120)는, 다양한 재질로 형성될 수 있다. 특히, 상기 셀 커버(120)는 강성 확보를 위해 금속 재질로 형성될 수 있다. 금속 재질의 경우, 파우치형 배터리 셀(110)들의 적층 상태를 보다 안정적으로 유지하며, 외부 충격으로부터 파우치형 배터리 셀(110)들을 보다 안전하게 보호할 수 있다. 예컨대, 상기 셀 커버(120)는 전체가 스테인리스 스틸(SUS) 재질로 형성되거나 스테인리스 스틸을 포함한 합금으로 형성될 수 있다.
부연하면, 파우치형 배터리 셀(110)은 파우치 케이스가 연성 재질이어서 경도가 낮아 팩 케이스(200)에 고정되게 수납하기가 용이하지 않을 뿐아니라 외부 충격이나 진동에 취약할 수 있다. 셀 커버(120)는 상기와 같은 파우치형 배터리 셀(110)의 문제점을 보완하기 위한 구성으로서, 파우치형 배터리 셀(110)들을 팩 케이스(200)에 수납할 때, 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있도록 한다. 이러한 셀 커버(120)는 팩 케이스(200)의 내부에서 부피를 최소한으로 차지하도록 대략 2mm 이하의 두께를 갖는 박판으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 셀 커버(120)의 구성에 대해 살펴보면, 상기 셀 커버(120)는, 도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 하측 커버부(121), 제1 측면 커버부(122) 및 제2 측면 커버부(123)를 포함한다.
상기 하측 커버부(121)는 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(110)의 하측 에지부(E2)를 감싸도록 구성될 수 있다. 상기 하측 커버부(121)는, 파우치형 배터리 셀(110)의 하측 에지부(E2)에 접촉되거나 이격되는 형태로 구성될 수 있다. 셀 유닛(100)을 팩 트레이(210)에 안착시, 상기 셀 커버(120)는 상기 하측 커버부(121)가 상기 팩 트레이(210)의 바닥판(211)과 대면하게 안착될 수 있다.
상기 제1 측면 커버부(122)는, 하측 커버부(121)의 폭 방향에 따른 일측 모서리 라인으로부터 상부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 측면 커버부(122)는, 하측 커버부(121)의 좌측 단부에서 상부 방향으로 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)보다 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다.
상기 제1 측면 커버부(122)는, 상기 적어도 하나의 파우치형 배터리 셀(110)의 일 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 제1 측면 커버부(122)는, 도 4에서 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 일측면부를 커버하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 측면 커버부(123)는, 하측 커버부(121)의 폭 방향에 따른 타측 모서리 라인으로부터 상부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 측면 커버부(123)는, 하측 커버부(121)의 우측 단부에서 상부 방향으로 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)보다 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다.
상기 제2 측면 커버부(123)는, 상기 적어도 하나의 파우치형 배터리 셀(110)의 일 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 제2 측면 커버부(123)는, 도 4에서 상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 타측면부를 커버하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 측면 커버부(122) 및 상기 제2 측면 커버부(123)는 상기 하측 커버부(121)와 일체로 형성될 수 있다. 제1 측면 커버부(122)와 상기 제2 측면 커버부(123)의 간격은 상기 셀 커버(120)의 내부에 수용되는 파우치형 배터리 셀(110)들이 압박될 수 있는 범위에서 결정될 수 있다.
이러한 셀 커버(120) 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)들이 셀 커버(120)에 의해 압박되고 그것의 상측 에지부(E1)는 셀 커버(120) 위로 노출되어 후술할 팩 커버(220)와 직접 마주할 수 있다. 그리고 셀 커버(120)의 하측 커버부(121)는 팩 케이스(200)의 바닥판(211)과 직접 대면할 수 있다. 이 경우, 파우치형 배터리 셀(110)들의 하측 에지부와 팩 케이스(200)의 바닥판(211) 간의 열교환이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 추가적으로, 상기 팩 케이스(200)의 바닥판(211)에 제2 써멀 레진(G2)을 도포하여 상기 파우치형 배터리 셀(110), 셀 커버(120)의 하측 커버부(121) 및 팩 케이스(200)의 바닥판(211) 간의 열 전달율을 증대시킬 수도 있다.
따라서 이와 같은 구성의 셀 커버(120)를 사용하여 파우치형 배터리 셀(110)들 팩 케이스(200)에 탑재하게 되면, 공간 효율적으로 파우치형 배터리 셀(110)들을 팩 케이스(200)의 배치할 수 있고 파우치형 배터리 셀(110)들의 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있으며, 파우치형 배터리 셀(110)들에 대한 냉각 구조가 간소하면서도 효율적일 수 있다.
도 3 내지 도 4를 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛(100)은 버스바 프레임 조립체(130)를 포함할 수 있다.
상기 버스바 프레임 조립체(130)는, 파우치형 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)와 전기적으로 연결되는 터미널 버스바(131)를 구비하고 상기 셀 스택의 길이 방향에 따른 상기 셀 스택의 전방부와 후방부에 각각 배치될 수 있다.
상기 버스바 프레임 조립체(130)는 제1 버스바 프레임 조립체와 제2 버스바 프레임 조립체를 포함할 수 있다. 상기 제1 버스바 프레임 조립체와 상기 제2 버스바 프레임 조립체는 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
본 실시예에서, 적층된 2개의 파우치형 배터리 셀(110)들의 양극 리드들은 상기 제1 버스바 프레임 조립체의 터미널 버스바(131)에 일체로 용접되고, 음극 리드들은 상기 제2 버스바 조립체의 터미널 버스바(131)에 일체로 용접될 수 있다. 이 경우, 상기 2개의 파우치형 배터리 셀(110)들은 2P1S 형태의 전기적 연결 구조를 갖는다.
상기 버스바 프레임 조립체(130)를 구성하는 주요 구성을 살펴보면, 도 4와 같이, 상기 버스바 프레임 조립체(130)는, 터미널 버스바(131), 버스바 하우징(132) 및 버스바 덮개(133)를 포함할 수 있다.
상기 터미널 버스바(131)는 예컨대, 구리, 니켈, 알루미늄과 같은 금속으로 제작되고, 버스바 하우징(132)은 예컨대 플라스틱과 같은 전기 절연성 소재로 제작될 수 있다.
상기 버스바 하우징(132)은, 상기 터미널 버스바(131)를 지지하며 상기 셀 커버(120)와 결합될 수 있다. 즉, 버스바 하우징(132)은 도 3과 같이, 셀 커버(120)의 전방 개방단과 후방 개방단에 각각 결합될 수 있게 구성될 수 있다. 이때, 버스바 하우징(132)은, 접착, 용접, 끼움 결합, 후크 결합, 볼팅 결합, 리벳 결합 등 다양한 체결 방식을 통해 셀 커버(120)에 고정되게 결합될 수 있다. 이에 본 실시예에서 상기 셀 커버(120)의 전방 개방단과 후방 개방단은 각각 상기 버스바 하우징(132)에 의해 커버될 수 있다.
이러한 버스바 하우징(132)은, 대략 직육면체 구조의 박스 형으로 마련될 수 있다. 상기 버스바 하우징(132)은 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)가 몸체를 통과할 수 있도록 상기 전극 리드(111)를 끼워넣을 수 있는 슬릿을 구비할 수 있다. 상기 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)는 상기 슬릿을 통해 버스바 하우징(132)을 관통하여 외측으로 인출되고, 인출된 부분은 터미널 버스바(131)에 부착될 수 있다. 상기 전극 리드(111)를 상기 터미널 버스바(131)에 부착할 때 레이저 용접이 수행될 수 있다. 그리고 전극 리드(111)와 터미널 버스바(131)가 결합된 부분은 절연 소재로 마련된 버스바 덮개(133)로 차폐되고, 터미널 버스바(131)에서 다른 부분보다 두꺼운 두께를 갖는 상단부는 상기 버스바 덮개(133)의 창(133a)을 통해 외부로 노출될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛(100)은, 도 2와 같이, 일 방향으로 복수 개가 적층될 수 있다. 그리고 도 2에는 도시하지 않았으나, 적층된 셀 유닛(100)들에서 각 셀 커버(120)의 상단 개방부를 통해 노출되는 셀 스택의 상부면(파우치형 배터리 셀(110)의 상측 에지부(E1)에 해당함)에 제1 써멀 레진이 도포될 수 있다. 이때, 상기 제1 써멀 레진은 상기 셀 스택의 상부면에서 상기 셀 스택의 길이 방향을 따라 양단부를 제외한 나머지 부분에만 도포될 수 있다. 이에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 셀 유닛(100)과 셀 유닛(100) 사이에는 단열 패드(P)가 배치될 수 있다. 예를 들어 상기 단열 패드(P)는 셀 유닛(100)의 일측면 또는 양측면에 부착될 수 있다. 상기 단열 패드(P)는 셀 유닛(100)과 셀 유닛(100) 간의 열 교환을 저지하는 역할을 한다. 이러한 단열 패드(P)로는 실리콘 또는 미카(mica)시트가 채용될 수 있다. 이와 같이 적층된 셀 유닛(100)들을 셀 유닛 그룹(10)이라 지칭하기로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 케이스(200)는 팩 트레이(210)와 팩 커버(220)를 포함할 수 있다.
상기 팩 트레이(210)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 바닥판(211)과 상기 바닥판(211)에 수직하게 배치되어 벽체를 형성하는 복수 개의 빔 프레임들을 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 빔 프레임들은, 상기 바닥판(211)의 외곽 둘레를 따라 벽체를 형성하는 외곽 빔 프레임(212a)과 상기 바닥판(211)의 내측에서 상기 바닥판(211)을 가로질러 상기 팩 트레이(210)의 내부 공간을 구획하는 내측 빔 프레임(212b)을 포함할 수 있다.
각 셀 유닛 그룹(10)은, 상기 복수 개의 빔 프레임들로 둘러싸여 구획된 팩 트레이(210)의 내부 공간에 안착될 수 있다. 이를테면, 도 1에 도시한 바와 같이, 각 셀 유닛 그룹(10)은 팩 트레이(210)의 외곽 빔 프레임(212a)과 내측 빔 프레임(212b)으로 둘러싸인 팩 트레이(210)의 내부 공간에 안착될 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 4개의 셀 유닛 그룹(10)을 수용할 수 있게 팩 트레이(210)가 구성되어 있지만, 상기 팩 트레이(210)의 바닥판(211)의 면적이나 외곽 빔 프레임(212a)과 내측 빔 프레임(212b)의 개수나 위치를 변경하여 4개 미만 또는 4개 이상의 셀 유닛 그룹(10)들을 수용할 수 있게 팩 트레이(210)가 구성될 수도 있다.
각 셀 유닛 그룹(10)을 팩 트레이(210)에 탑재시, 각 셀 유닛 그룹(10)에 속한 셀 유닛(100)들 중 최외곽에 위치한 셀 유닛(100)은 외곽 빔 프레임(212a) 또는 내측 빔 프레임(212b)에 대면하게 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 빔 프레임들이 각 셀 유닛 그룹(10)의 양쪽 최외곽 셀 유닛(100)을 지지하고 있어, 충방전시 배터리 셀(110)들을 부품 현상을 억제하는 작용을 할 수 있다. 또한, 어떤 셀 유닛 그룹(10)에 열적 이벤트가 발생시, 상기 빔 프레임들이 셀 유닛 그룹(10)들 간의 열에너지 확산을 저지하는 방화벽으로 기능할 수 있다. 방화벽으로서의 기능을 강화하기 위해 상기 빔 프레임의 표면에 미카 시트와 같은 단열재가 부착될 수도 있다.
상기 팩 트레이(210)의 바닥판(211)에는 제2 써멀 레진(G2)이 도포될 수 있다. 전술한 바 있듯이, 상기 제2 써멀 레진(G2)은 셀 커버(120)의 하측 커버부(121)와 상기 팩 트레이(210)의 바닥판(211) 간의 열교환을 촉진하고 셀 유닛(100)들의 고정성을 증대시키는 작용을 할 수 있다.
팩 커버(220)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 복수 개의 셀 유닛(100)을 커버하며 상기 팩 트레이(210)와 상호 결합 가능하게 마련될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 팩 커버(220)는 셀 커버(120)의 상단 개방부를 통해 상기 셀 커버(120)에 소화물질을 투입시킬 수 있는 소화재 투입부(221)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 도 1, 도 3, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 소화 시스템 구성에 대해 중점적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팩 커버(220)는 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로(222)와, 상기 팩 커버(220)에서 미리 지정된 위치마다 구비되는 소화재 투입부(221)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 미리 지정된 위치는 각 셀 유닛(100)의 연직 상부를 의미할 수 있다. 즉, 소화재 투입부(221)는 각 상기 셀 유닛(100)의 연직 상부마다 구비될 수 있다.
상기 유로(222)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 지그재그 내지 구불구불한 형태로 팩 커버(220)의 내부에 마련될 수 있다. 예컨대, 팩 커버(220)는 인렛 포트와 아웃렛 포트를 구비하고, 상기 인렛 포트는 상기 유로(222)의 입구에 연결되고, 상기 아웃렛 포트는 상기 유로(222)의 출구에 연결되도록 구성될 수 있다. 냉각수는 상기 인렛 포트를 통해 유로(222)를 따라 흐르고 상기 아웃렛 포트를 통해 팩 커버(220) 밖으로 배출될 수 있다. 미도시 하였으나, 상기 인렛 포트와 상기 아웃렛 포트는 냉각 칠러(chiller)와 연결될 수 있다. 이 경우, 팩 케이스(200) 내부의 열이 유로(222)를 따라 흐르는 냉각수로 흡수되고, 열을 흡수한 냉각수는 냉각 칠러에서 열이 제거될 수 있다. 그리고 열이 제거된 냉각수는 다시 인렛 포트를 통해 유로(222)로 들어갈 수 있다. 즉, 인렛 포트, 유로(222), 아웃렛 포트, 냉각 칠러, 인렛 포트 순으로 냉각수가 순환될 수 있다.
한편, 유로(222)를 구비한 팩 커버(220)의 대안예로, 일정양의 소화수 또는 소화물질을 내부에 저장한 소화탱크 타입의 팩 커버(220)가 적용될 수도 있다.
상기 소화재 투입부(221)는, 적어도 일부분이 열 용융되어 소화물질이 낙하하여 각 셀 유닛(100)의 셀 커버(120)의 내부에 채워지도록 구성될 수 있다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 소화재 투입부(221)는, 유로(222)와 연통하는 홀(221b)과 상기 홀(221b)에 결합되고 열 용융 가능한 수지 소재로 마련된 멜팅 캡(221a)을 포함한다. 상기 홀(221b)은, 유로(222)와 연통할 수 있게 팩 커버(220)의 하면 중 특정 부분을 뚫어서 마련한 것일 수 있다. 상기 멜팅 캡(221a)은 상기 홀(221b)을 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 따라서 평상시 상기 팩 커버(220) 내부의 냉각수는 팩 커버(220)에서 누출되지 않고 유로(222)를 따라 흐를 수 있다. 그리고 배터리 팩 내부에 열적 이벤트가 발생시 상기 멜팅 캡(221a)이 열에 의해 녹게되면 팩 커버(220)에서 냉각수가 배터리 팩의 내부로 쏟아질 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 상기 냉각수가 열적 이벤트를 진압하기 위한 소화물질로 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 전술한 바와 같이, 적층된 복수 개의 셀 유닛(100)들을 포함하고 있는데, 상기 복수 개의 셀 유닛(100)들 중 특정 셀 유닛(100)에서 발화가 일어난 때, 상기 특정 셀 유닛(100)을 타켓으로 냉각수가 쏟아질 수 있도록 하여 상기 특정 셀 유닛(100)에 포함된 배터리 셀(110)들의 온도를 낮춤으로써 인접한 셀 유닛(100)들로 열이 전파되는 것을 방지 내지 지연할 수 있게 구성될 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 소화재 투입부(221)는, 각 셀 유닛(100)의 연직 상부마다 구비될 수 있다. 전술한 바 있듯이, 셀 유닛(100)을 구성하는 셀 커버(120)는 종단면이 대략 'U'형태로 이루어져 있어 상단 개방부를 갖는다. 따라서 배터리 셀(110)에 열적 이벤트 발생시 상기 배터리 셀(110)에서 발생하는 고온의 가스, 화염, 스파크 등은 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부를 통해 팩 커버(220)를 향하게 된다. 이때 열적 이벤트가 발생한 배터리 셀(110)의 연직 상부 영역에 위치한 멜팅 캡(221a)에 열이 집중적으로 가해져 녹아내리면 막혀있던 홀(221b)이 개방되면서 냉각수가 낙하하고 상기 상단 개방부를 통해 셀 커버(120)의 내부로 스며들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 셀 유닛(100)들과 셀 커버(120) 간의 열교환을 촉진하기 위해 상기 셀 유닛(100)들과 상기 셀 커버(120) 사이에 제1 써멀 레진(G1)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 써멀 레진(G1)은 상기 셀 스택의 상부면(파우치형 배터리 셀(110)의 상측 에지부)에 도포되되, 상기 셀 커버(120)의 길이 방향에 따른 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1) 및 타측 끝단부(S2) 중 적어도 한 곳에는 구비되지 않을 수 있다. 그리고 팩 커버(220)는 상기 제1 써멀 레진(G1)과 접촉하고, 상기 팩 커버(220)에서 소화재 투입부(221)는 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1) 및 양측 끝단부 중 적어도 한 곳과 상하로 마주하는 위치에 구비될 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시한 본 실시예와 같이, 제1 써멀 레진(G1)은 셀 커버(120) 내부에 수납된 파우치형 배터리 셀(110)들의 상측 에지부(E1)에 도포됨으로써, 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부가 상기 제1 써멀 레진(G1)에 의해 부분적으로 커버될 수 있다. 그러나 상기 제1 써멀 레진(G1)은 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1)와 타측 끝단부(S2)에는 도포되거나 채워지지 않는다. 이처럼 제1 써멀 레진(G1)으로 덮혀 있지 않은 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1)와 타측 끝단부(S2)는 셀 커버(120) 내부로 소화물질을 주입할 수 있는 주입구로 기능할 수 있다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1)와 타측 끝단부(S2)의 아래쪽은 각각 파우치형 배터리 셀(110)의 전방 에지부(E3)와 후방 에지부(E4)가 위치할 수 있다. 상기 파우치형 배터리 셀(110)의 전방 에지부(E3)와 후방 에지부(E4)는 파우치 케이스를 열 융착한 실링부이다. 따라서 셀 커버(120)의 내부에서 상기 파우치형 배터리 셀(110)의 전방 에지부(E3)와 후방 에지부(E4)가 위치한 영역은 다른 영역에 비해 빈 공간이 많이 존재한다. 또한, 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 리드(111)가 인출되는 전방 에지부(E3) 및 후방 에지부(E4)의 온도가 상대적으로 높으며, 내압 상승시 상기 전방 에지부(E3) 또는 상기 후방 에지부(E4)가 찢어져 개방되어 고온의 가스나 스파크 등이 토출될 가능성이 높다.
그러므로 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1)와 타측 끝단부(S2)에 대응하는 연직 상부에 소화재 투입부(221)를 배치하는 것이 열적 이벤트가 발생한 특정 셀 유닛(100)을 타켓으로 소화물질을 정확하고 신속하게 투입하는데 효과적이라 할 수 있다.
이러한 본 실시예에 따른 소화재 투입부(221) 및 셀 유닛(100) 구성에 의하면, 예컨대 복수 개의 셀 유닛(100)들 중 특정 셀 유닛(100)에 포함된 배터리 셀(110)에서 고온의 가스 등이 분출할 경우, 상기 고온의 가스 등에 의해 멜팅 캡(221a)이 녹게 되고 이때 도 7에 도시한 바와 같이, 홀(221b)이 오픈된다. 그러면 팩 커버(220) 내부의 냉각수가 쏟아져 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1)를 통해 셀 커버(120)의 내부에 채워질 수 있다.
또한, 본 발명의 구성에 의하면, 이벤트가 발생한 배터리 셀(110)이 수납된 셀 커버(120)의 상부에 위치한 멜팅 캡(221a)은 열을 받아 녹으나, 이벤트가 발생하지 않은 배터리 셀(110)이 수납된 다른 셀 커버(120)의 상부에 위치한 멜팅 캡(221a)은 열적 데미지를 많이 받지 않거나 적게 받으므로 녹지 않는다. 이에 도 7에 F로 표시한 것처럼, 이벤트가 발생한 배터리 셀(110)이 수납된 셀 커버(120)의 내부에만 냉각수가 차오르게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩의 소화 시스템은, 열적 이벤트가 발생한 특정 셀 유닛(100)에만 소화물질이 투입되어 상기 특정 셀 유닛만을 집중 냉각시킬 수 있게 구성된 것이므로, 인접한 다른 셀 유닛(100)들로의 열 전파 방지 뿐만 아니라 다른 셀 유닛을 구성하는 배터리 셀들은 냉각수에 침수되지 않도록 한다. 그러므로 냉각수에 침수되지 않은 배터리 셀(110)들은 재사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀(110)들의 열을 팩 트레이(210) 및 팩 커버(220)를 통해 방열되고, 셀 유닛(100)들 간에는 열교환이 저지되도록 구성되어 있다.
구체적으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 셀 유닛(100)들이 안착되는 팩 트레이(210)의 바닥판(211)에 제2 써멀 레진(G2)이 구비될 수 있다. 즉, 각 셀 커버(120)의 하측 커버부(121)와 상기 팩 트레이(210)의 표면 사이에 제2 써멀 레진(G2)이 구비될 수 있다. 또한, 각 셀 유닛(100)에 있어서, 상기 셀 커버(120)의 내부에서 상기 파우치형 배터리 셀(110)의 하측 에지부(E2)와 상기 셀 커버(120)의 하측 커버부(121) 사이에 제3 써멀 레진(G3)이 개재될 수 있다. 상기 제3 써멀 레진(G3)이 상기 파우치형 배터리 셀(110)의 하측 에지부와 상기 셀 커버(120)의 하측 커버부(121) 사이에 빈공간이 생기지 않도록 채워짐으로써 파우치형 배터리 셀(110)과 셀 커버(120) 간의 열교환이 촉진될 수 있다. 더불어 셀 커버(120) 내부에서 파우치형 배터리 셀(110)들의 고정성이 강화될 수 있다.
상기 구성에 의하면, 배터리 팩에 탑재되는 모든 배터리 셀(110)들은 열이 하측 에지부 -> 제3 써멀 레진(G3) -> 셀 커버(120)의 하측 커버부(121) -> 제2 써멀 레진(G2) -> 팩 트레이(210)의 바닥판(211)으로 전도될 수 있다. 미도시 하였으나, 상기 팩 트레이(210)의 하부에 히트싱크(미도시)를 배치하거나 상기 팩 트레이(210)의 내부에 냉각수가 유동할 수 있도록 하여 냉각 효과를 증대시킬 수도 있다. 또한, 상기 모든 배터리 셀(110)들은 열이 상측 에지부 -> 제1 써멀 레진(G1) -> 팩 커버(220) 내부의 냉각수로 전도될 수 있다.
그리고 셀 유닛(100)과 셀 유닛(100) 사이에 배치된 단열 패드(P)에 의해 상기 셀 유닛(100)들 간의 열 교환이 저지될 수 있다. 이 경우, 각 셀 유닛(100)에서 팩 커버(220) 또는 팩 트레이(210) 방향으로 온도 구배가 더욱 커져 열이 상기 팩 커버(220) 또는 상기 팩 트레이(210) 방향으로 보다 빠르게 전도될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 배터리 팩의 냉각 구성에 의하면, 서로 다른 셀 유닛(100)에 포함된 배터리 셀(110)들 간에는 열적 이동을 최소화하며 모든 배터리 셀(110)들의 열이 상하 방향으로 이동하여 팩 케이스(200)를 통해 방열될 수 있다. 따라서 모든 배터리 셀(110)들에 대한 냉각 성능이 향상된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소화 구성을 개략적으로 도시한 도면들이다.
이어서, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 대해 설명하기로 한다.
전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 전술한 실시예에 따른 배터리 팩과 비교할 때, 팩 커버(220A)와 소화재 투입부(221A)의 구성에 차이가 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 소화재 투입부(221A)는, 전술한 실시예와 마찬가지로, 각 셀 유닛(100)의 연직 상부 마다 구비되고, 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1)와 타측 끝단부(S2)에 위치한다. 필요에 따라 상기 소화재 투입부(221)는 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1)와 타측 끝단부(S2) 중 어느 한 곳에만 구비될 수도 있다. 그러나 본 발명의 다른 실시예에 따른 팩 커버(220A)는 냉각수와 유로(222)를 구비하지 않는다. 그 대신 상기 팩 커버(220A)는 적어도 일 부분이 열 용융되어 소화물질로서 냉각용 압축 가스가 셀 커버(120)의 내부에 투입되도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소화재 투입부(221A)는, 소화 유닛(223)과 상기 소화 유닛(223)을 끼움 결합시킬 수 있게 구성된 유닛 장착구(224)를 포함한다.
상기 소화 유닛(223)은 냉각용 압축 가스를 포함하고 상기 유닛 장착구(224)에 결합 및 결합 해제 가능하게 구성될 수 있다. 따라서 상기 소화 유닛(223)은 냉각용 압축 가스가 소진되거나 하자가 발견된 때 상기 유닛 장착구(224)에서 분리하여 새것으로 교체할 수 있다.
예컨대, 상기 소화 유닛(223)은, 상기 압축 가스를 수용하고 일측에 가스 토출구를 구비한 가스 저장용기(223a)와 열 용융 소재로 형성되고 상기 가스 토출구를 막을 수 있게 마련된 용기 뚜껑(223b)을 포함할 수 있다.
상기 유닛 장착구(224)는 팩 커버(220)에 상기 소화 유닛(223)을 고정되게 장착시킬 수 있는 부분이다. 상기 유닛 장착구(224)는 상기 용기 뚜껑(223b)이 상기 셀 커버(120)의 상단 개방부를 향하도록 상기 소화 유닛(223)을 끼움 결합시킬 수 있게 상기 팩 커버(220)의 두께 방향으로 관통 형성된 형태로 구성될 수 있다.
상기 용기 뚜껑(223b)은 외주연에 나사산을 구비하고, 상기 유닛 장착구(224)는 상기 용기 뚜껑(223b)과 스크류 결합 가능하게 마련된 뚜껑 체결구(224a)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하면, 도 11과 같이, 소화 유닛(223)을 유닛 장착구(224)에 삽입할 수 있고, 이때 상기 용기 뚜껑(223b)과 상기 뚜껑 체결구(224a)를 스크류 결합시켜 소화 유닛(223)이 상기 유닛 장착구(224)에 고정되도록 할 수 있다.
또한, 상기 뚜껑 체결구(224a)에 결합된 상기 용기 뚜껑(223b)은 전술한 셀 커버(120)의 상단 개방부의 일측 끝단부(S1) 또는 타측 끝단부(S2)와 마주하게 배치될 수 있다.
그러므로, 전술한 실시예에서 열적 이벤트 발생시 멜팅 캡(221a)이 열에 의해 녹아서 팩 커버(220)의 냉각수가 쏟아지듯이, 본 발명의 다른 실시예의 경우, 열적 이벤트 발생시 상기 용기 뚜껑(223b)이 열에 의해 녹아서 압축가스가 셀 커버(120)의 내부에 투입되도록 할 수 있다.
상기 압축 가스로는 이산화탄소(Co2)가 채용될 수 있다. 즉, 상기 가스 저장용기(223a)는 내부에 압축된 이산화탄소를 구비한다. 상기 이산화탄소는 상기 용기 뚜껑(223b)이 열에 의해 녹아서 상기 가스 저장용기(223a)의 가스토출구가 조금이라도 개방되면, 도 12와 같이, 가스 저장용기(223a)에서 매우 빠르게 나오고 단열 팽창되면서 셀 커버(120) 내부의 배터리 셀(110) 및 공기를 냉각시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 소화 구성에 의하면, 기체상의 이산화탄소가 타켓 셀 커버(120) 내부에 투입되어 상기 타켓 셀 커버(120) 내부의 공기와 열적 이벤트가 발생한 배터리 셀(110)을 냉각시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 소화물질로서 냉각수를 사용하는 경우에 비해, 배터리 셀(110)의 침수로 인해 발생할 수 있는 쇼트(short) 등과 같은 전기적 안전성 문제에서 자유로울 수 있다.
한편, 상기 배터리 팩은 제어 모듈(20)을 더 포함할 수 있다. 상기 제어 모듈(20)은 배터리 셀(110)들의 충·방전 동작, SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 등을 관리하는 BMS(Battery Management System)를 포함하며 팩 케이스(200)의 내부 공간에 장착될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩은 스위칭 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 스위칭 유닛은 배터리 팩과 외부 회로와의 전기적 연결을 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 스위칭 유닛은 전류 센서, 파워 릴레이, 퓨즈 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 자동차의 동력 에너지원으로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차(V)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 전술한 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 자동차는, 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 구동원으로 사용하는 소정의 자동차를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩이외에, 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소, 이를테면 차체나 모터 등을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (15)

  1. 각각 하나 또는 둘 이상 적층된 배터리 셀로 이루어진 셀 스택과 상기 셀 스택을 수용할 수 있는 셀 커버를 포함하며, 일방향으로 적층된 복수 개의 셀 유닛; 및
    상기 복수 개의 셀 유닛이 안착되는 팩 트레이와 상기 복수 개의 셀 유닛을 커버하며 상기 팩 트레이와 상호 결합하는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스를 포함하고,
    상기 셀 커버는 상기 셀 스택의 상부면을 커버하지 않도록 상단 개방부를 구비하고, 상기 팩 커버는 상기 셀 커버의 상단 개방부를 통해 상기 셀 커버에 소화물질을 투입시킬 수 있는 소화재 투입부를 구비하고,
    상기 소화재 투입부는, 적어도 일부분이 열 용융되어 상기 소화물질이 상기 셀 커버의 내부에 투입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 스택의 상부면에 도포되되, 상기 셀 커버의 길이 방향에 따른 상기 셀 커버의 상단 개방부에서 일측 끝단부 및 타측 끝단부 중 적어도 한 곳에는 미구비되는 제1 써멀 레진을 더 포함하고,
    상기 팩 커버는 상기 제1 써멀 레진과 접촉하고, 상기 소화재 투입부는 상기 셀 커버의 상단 개방부의 일측 끝단부 및 타측 끝단부 중 적어도 한 곳과 상하로 마주하는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소화재 투입부는, 각 상기 셀 유닛의 연직 상부마다 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소화물질은 냉각수이고,
    상기 팩 커버는 내부에 상기 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소화재 투입부는,
    상기 유로와 연통하는 홀; 및
    상기 홀에 결합되고 열용융 가능한 수지 소재로 마련된 멜팅 캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소화재 투입부는,
    압축 가스를 수용하고 일측에 가스 토출구를 구비한 가스 저장용기;와 열 용융 소재로 형성되고 상기 가스 토출구를 막을 수 있게 마련된 용기 뚜껑;을 포함한 소화 유닛; 및
    상기 용기 뚜껑이 상기 셀 커버의 상단 개방부를 향하도록 상기 소화 유닛을 끼움 결합시킬 수 있게 상기 팩 커버에 관통 형성된 유닛 장착구를 포함하는 것을 특징으로 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압축 가스는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 용기 뚜껑은 외주연에 나사산을 구비하고, 상기 유닛 장착구는 상기 용기 뚜껑과 스크류 결합 가능하게 마련된 뚜껑 체결구를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 유닛은,
    하나 또는 적층된 둘 이상의 배터리 셀로 이루어진 셀 스택; 및
    상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 양쪽 측면부와, 상기 셀 스택의 하부를 커버하도록 마련된 셀 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는,
    상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 일측면부를 커버하는 제1 측면 커버부;와 상기 셀 스택의 타측면부를 커버하는 제2 측면 커버부; 및
    상기 제1 측면 커버부 및 상기 제2 측면 커버부와 일체로 형성되고 상기 셀 스택의 하부를 커버하는 하측 커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바를 구비하고, 상기 셀 스택의 길이 방향에 따른 상기 셀 스택의 전방부와 후방부에 각각 배치되고 상기 셀 커버와 결합되는 버스바 프레임 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 셀 유닛에서 상기 셀 유닛과 상기 셀 유닛 사이에 배치되는 단열 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 셀 커버의 하측 커버부와 상기 팩 트레이의 표면 사이에 개재되는 제2 써멀 레진을 포함한 것을 특징으로 하는 배터리 팩
  14. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 제14항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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