WO2023243875A1 - 화재 안전성을 개선한 배터리 팩 - Google Patents

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최지순
강달모
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack, and more specifically, to a battery pack with a water injection structure that can effectively inject cooling water into the inside of the battery pack to suppress fire and prevent its spread when a thermal event occurs in the battery module. .
  • Secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency, not only because they have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also because they do not generate any by-products from energy use.
  • 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.
  • Recent battery modules are designed to intensively store as many secondary batteries as possible to improve energy density, so if one of the secondary batteries fails and ignites, it causes thermal runaway that causes chain ignition of other secondary batteries around it. This phenomenon can easily occur. For this reason, research has recently been active on battery packs that include a fire extinguishing system to extinguish ignition of some secondary batteries before it spreads uncontrollably to other secondary batteries or battery modules.
  • the fire extinguishing system of a conventional battery pack often misses the initial golden time to suppress the spread of fire because the time when water is properly poured after a flame occurs in the battery module is delayed, and improvement measures for this are required.
  • the battery pack includes a cooling system to properly manage the operating temperature of the battery module.
  • a fire extinguishing system is added to the battery pack separately from the cooling system, the production process/design/cost aspects become disadvantageous. there is.
  • the present invention was created to solve the above problems, and is a battery pack with a water injection structure that can effectively inject cooling water into the inside of the battery pack to suppress fire and prevent its spread when a thermal event occurs in the battery module.
  • the purpose is to provide.
  • the present invention provides a battery pack that integrates a cooling system and a fire extinguishing system so that it can be used to extinguish a fire by using coolant to manage the temperature of the battery module rather than additionally applying fire extinguishing water or extinguishing agent to the battery pack. It is for work purposes.
  • one or more battery modules and a pack tray having an open top and an internal space capable of accommodating the battery module; and a pack case having a pack cover coupled to the top of the pack tray, wherein the pack cover is located in a predetermined area.
  • a bottom cover provided with a valve mounting hole formed through the pack tray and disposed on the upper part of the pack tray; and a top cover disposed on an upper surface of the bottom cover and having a flow path area forming a movement path for coolant.
  • a battery pack including a valve unit mounted on the valve mounting hole and rotated clockwise or counterclockwise to supply or block the coolant in the passage area to the internal space of the pack tray.
  • It may further include a gas detector disposed inside the pack tray or inside the battery module, and the valve unit may be configured to rotate based on a gas detection signal from the gas detector.
  • valve unit and the gas detector may be connected with a signal transmission cable.
  • the valve unit includes a rotating plate inserted into the valve mounting hole and rotatably provided; and a drain hole formed in one area of the rotating plate.
  • the valve unit may be in a closed state in which the drain hole is arranged to be misaligned and not in communication with the flow path area, or in an open state in which at least a portion of the drain hole is aligned with a lower part of the flow path area and is arranged in communication with the flow path area.
  • the rotating plate may be provided to rotate at a predetermined angle.
  • the drain hole may be provided in a rectangular shape.
  • the passage area includes straight sections spaced at regular intervals and a curved section connecting the straight sections, and the drain hole has a short side length shorter than the distance between the straight sections and a long side length equal to the distance between the straight sections. It can be prepared to be longer than the distance.
  • the one or more battery modules are a plurality of battery modules, and the pack tray has a plurality of module accommodating parts whose internal space is partitioned by a partition, and the battery modules may be disposed one by one in each of the module accommodating parts.
  • Each of the module receiving portions may be covered by the bottom cover so that the upper portion is sealed.
  • a plurality of valve units may be coupled to the bottom cover so as to be located at a vertical top of each battery module.
  • the battery module may include battery cells and a module housing for accommodating the battery cells, and the module housing may be recessed in an upper plate to a predetermined depth and may be provided with a drainage channel extending from one edge to the other edge.
  • the drainage channel may be provided in a vertical lower portion of the valve unit.
  • a bus bar frame electrically connecting the battery cells may be disposed below the end of the drain.
  • a gas detector is attached to one wall of the pack tray, the valve unit and the gas detector are connected by a signal transmission cable, and the valve unit is configured to rotate based on a gas detection signal from the gas detector, and the signal is transmitted.
  • the cable may be inserted into a cable embedment groove formed in the upper part of the module housing.
  • a vehicle including the above-described battery pack can be provided.
  • a battery pack with a water injection structure that can suppress fire and prevent its spread by effectively injecting coolant into the interior of the battery pack when a thermal event occurs in a battery module can be provided.
  • coolant for managing the temperature of the battery module is normally used to extinguish a fire in the battery module, no additional fire extinguishing water or extinguishing agent is applied to the battery pack.
  • the interior of the pack case is divided into several zones by a partition in the form of a partition, so that when venting gas is generated in a specific zone among the multiple zones, coolant is injected only into the specific zone. Therefore, battery modules placed in areas other than the specific area can be prevented from being damaged by flooding.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery pack of FIG. 1.
  • Figure 3 is a diagram showing a battery module and pack tray according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing battery modules and gas detectors mounted in the inner space of the pack tray partitioned by the partition wall in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a view showing a bottom cover and a valve unit disposed on the top of the pack tray of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a diagram showing a bottom cover equipped with the valve unit of FIG. 5 and a top cover disposed on top of the bottom cover.
  • Figure 7 is a diagram showing a configuration example for bolting a pack tray and a pack cover according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a diagram for explaining the closed state of the valve unit of the battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a diagram for explaining the open state of the valve unit of the battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view omitting the pack cover in FIG. 9 and is a view to explain the movement path of coolant inside the pack tray when the valve unit is in an open state.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example in which coolant is filled only in the first module accommodation portion in FIG. 10 .
  • Figure 12 is a diagram schematically showing a vehicle including a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the battery pack of Figure 1.
  • the battery pack 10 includes one or more battery modules 100, a pack case 200, and a valve unit 300.
  • the battery pack 10 includes three battery modules (100A, 100B, and 100C) and an internal space divided by a partition wall 211 into three module accommodation portions (213A, 213B, and 213C). and includes a pack case 200 provided to accommodate each of the battery modules 100 one by one in each module receiving portion 213.
  • the battery module 100 may be composed of one, two, or four or more modules, and accordingly, the size of the pack case 200, The presence or absence of the partition wall 211 or the number thereof may be determined.
  • the pack case 200 includes a pack tray 210 and a pack cover 220 that accommodate the battery modules 100 and are vertically coupled to each other.
  • the pack cover 220 is configured to allow coolant to flow therein, so that the battery modules 100 can be cooled by indirect contact with the coolant.
  • the valve unit 300 is mounted on the pack cover 220 to be rotatable clockwise or counterclockwise, and is provided with a valve on the pack cover 220 to prevent coolant from leaking out of the pack cover 220 in normal times.
  • the temperature of the battery modules 100 can be properly maintained in normal times, and coolant can be quickly introduced into the internal space of the pack tray 210 when a thermal event occurs, thereby maintaining the battery module 100. Can effectively suppress the spread of fire.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells and a module housing 110 that accommodates the plurality of battery cells.
  • the battery cell may be any type of battery cell known at the time of filing of the present invention.
  • any type of battery such as a roughly cylindrical or square battery cell in which the electrode assembly and electrolyte are sealed and stored in a metal can-type exterior material, or a roughly plate-shaped pouch-shaped battery cell in which the electrode assembly and electrolyte are sealed and stored in a pouch-type exterior material.
  • Even cells can be applied as a configuration of the battery pack 10 of the present invention.
  • the battery module 100 of this embodiment includes pouch-type battery cells (not shown).
  • the pouch-type battery cells can be stored in the module housing 110 in the form of a cell stack by standing up in the up-down direction (Z-direction) and stacking them in the left-right direction (X-direction) with their wide sides facing each other. Accordingly, the battery module 100 using pouch-type battery cells can have high energy density.
  • the pouch-type battery cells have electrode leads located at one end or both ends along the longitudinal direction (Y direction), and the electrode leads are welded to bus bars provided in the form of metal rods coupled to the bus bar frame 120. and can be electrically connected to each other.
  • the module housing 110 is a structure that supports the battery cells so that they do not move and protects them from external impacts, and may be made of a material with high mechanical rigidity.
  • the module housing 110 includes an upper plate 111, a lower plate, a left portion, and a right portion covering the upper, lower, left, and right sides of the cell stack, respectively, and the front and rear are open. It can be provided.
  • the pouch-type battery cells have electrode leads located at the front and rear of the open module housing 110, and the electrode leads may be welded on the bus bar frame 120 in a predetermined pattern. Additionally, the area where the electrode leads are welded may be covered with an end plate (not shown) so as not to be exposed to the outside. Although not shown for convenience of drawing, the end plate may be configured to be coupled to the front and rear of the module housing 110.
  • the pack case 200 protects one or more battery modules 100 from external shocks, etc., and prevents flames or sparks from being easily emitted outside the battery pack 10 when a fire occurs in the battery module 100. It is a structure that accommodates (100).
  • the pack case 200 includes a pack tray 210 and a pack cover 220.
  • the pack tray 210 may be provided with an open top and an internal space capable of accommodating the battery module 100.
  • the pack tray 210 is provided with a bottom plate having a large area on which a plurality of battery modules 100 can be placed, and at an edge of the bottom plate, and stores at least the battery modules 100. Includes walls that are raised higher.
  • the internal space may be specified as a space surrounded by the floor plate and the walls. Additionally, bolt fastening holes may be provided on the upper surfaces of the walls.
  • the pack tray 210 includes partition walls 211 that divide the internal space into several zones.
  • the various areas partitioned by the partition wall 211 will be defined as module receiving portions 213, respectively.
  • the partition walls 211 may be formed at the same height as the walls. Accordingly, when the pack cover 220 is coupled to the pack tray 210, the upper and side portions of each module receiving portion 213 can be sealed by being blocked by the pack cover 220 and the partition walls 211. .
  • the battery modules 100 are placed one by one in each of these module receiving portions 213, and the pack tray 210 and the pack cover 220 are fastened with bolts (B). Then, the battery modules 100 in the pack case 200 are each located in a closed space.
  • the battery modules 100 may be electrically connected to each other in series and/or parallel.
  • the battery modules 100 may be electrically connected to each other through cables or flexible bus bars, and the cables or flexible buses may be connected to each other electrically.
  • the bar may be installed to pass through the partition wall 211 or the bottom plate of the pack tray 210. Of course, the portion where the cable or flexible bus bar passes through the partition wall 211 or the pack tray 210 may be sealed.
  • the flame does not spread to other battery modules 100 located in another area.
  • coolant when coolant is injected from the pack cover 220 into the specific area to suppress fire in a certain battery module 100, it is possible to block the coolant from flowing to other areas. Therefore, even if coolant is put into the pack tray 210, the battery modules 100 other than the battery module 100 in which the thermal event occurred can be normally reused.
  • the pack cover 220 covers the battery modules 100 and can be coupled to the upper part of the pack tray 210.
  • the pack cover 220 according to the present invention is composed of two plates so as to cover the pack tray 210 and at the same time provide a flow path through which coolant can flow, and one of the two plates is connected to the pack tray 210. One can be used to cover and the other can be used to form a flow path.
  • the pack cover 220 is fastened to the pack tray 210 with a bolt (B) and is coupled to the upper part of the pack tray 210, and as indicated by the 'In' mark in FIG. 1, is used to allow coolant to flow into the flow path. Like the inlet and the 'Out' mark, it is provided with an outlet to discharge the coolant from the flow path to the outside.
  • the battery pack 10 of the present invention can be mounted on a car, in which case the coolant used to cool the heat-generating parts in the car enters the flow path through the inlet of the pack cover 220 and flows out to the outside through the outlet. Piping may be connected to the inlet and the outlet to exit.
  • the pack cover 220 is provided with a valve mounting hole 222 formed through a predetermined area and disposed on the upper part of the pack tray 210. It is provided with a bottom cover 221, a close contact area 225 facing the upper surface of the bottom cover 221, and a flow path area 224 provided to be convex with respect to the upper surface of the bottom cover 221 to allow coolant to flow. Includes upper cover.
  • the bottom cover 221 has an area that can cover the upper part of the pack tray 210, and may be provided in the form of a plate with only the valve mounting port 222 portion open.
  • the valve mounting hole 222 is a hole formed in the bottom cover 221 to allow coolant to escape from the top to the bottom of the bottom cover 221, and in this embodiment, there are three.
  • the three valve mounting holes 222A, 222B, and 222C are provided at the vertical top of each battery module 100.
  • the valve unit 300 is mounted on each of these valve mounting holes 222A, 222B, and 222C, so that the valve unit 300 can be positioned at the vertical top of each battery module 100.
  • the valve unit 300 includes a first valve unit 300A, a second valve unit 300B, and a third valve unit 300C.
  • the three valve units (300A, 300B, and 300C) are mounted on the three valve mounting holes (222A, 222B, and 222C) and are rotatable clockwise or counterclockwise, so that the coolant of the pack cover 220 is supplied to the pack. It may serve to supply or block the internal space of the tray 210.
  • the valve unit 300 includes a rotating plate 310 inserted into the valve mounting port 222 and rotatably provided, and a drain hole 320 formed in one area of the rotating plate 310.
  • the valve mounting hole 222 may be provided in a form in which the upper diameter size is larger than the lower diameter in the thickness direction (Z direction) of the bottom cover 221.
  • the rotating plate 310 can be mounted on the valve mounting hole 222 so as not to fall below the valve mounting hole 222 by having its peripheral edge disposed at the boundary between the small diameter and the large diameter of the valve mounting hole 222.
  • the rotating plate 310 includes an outer circle portion 310a and an inner circle portion 310b.
  • the outer circle part 310a is fixedly attached to the boundary surface within the valve mounting hole 222, and the inner circle part 310b can be rotatably provided inside the outer circle part 310a.
  • a driving device for rotating the inner circle part 310b may be built into the outer circle part 310a and/or the inner circle part 310b.
  • the driving device may include a motor, a gear, a rotating shaft, etc., but any driving device having an operating mechanism capable of rotating the rotating plate 310 within the valve mounting hole 222 may be used. good night.
  • the drain hole 320 refers to an area formed through the rotating plate 310 so that coolant can drain from the upper part of the rotating plate 310 to the lower part.
  • the top cover 223 includes a flow path area 224 that is convex with respect to the upper surface of the bottom cover 221 and forms a movement path for coolant, and the bottom cover ( It includes a close contact area 225 disposed in face-to-face contact with the upper surface of 221).
  • the top cover 223 is disposed to face the bottom cover 221 disposed on the pack tray 210 and is integrated with the bottom cover 221 by a bolt (B) at the top of the pack tray 210. Can be fixedly coupled.
  • the flow path area 224 of the top cover 223 may include straight sections 224a spaced apart from each other at regular intervals and a curved section 224b connecting the straight sections 224a.
  • the straight section 224a is formed from the inlet located on one side of the pack case 200 to the end of the other side of the pack case 200 in the +Y direction, and a curved section in the +X direction from the end of the straight section 224a ( 224b) continues, and at the end of the curved section 224b, a straight section 224a may be formed again in the -Y direction.
  • a valve unit 300 is applied to the pack cover 220 so that the coolant flowing along the flow path can be used to suppress a fire in the battery module 100 where a thermal event has occurred.
  • valve unit 300 is rotated at a predetermined angle in a closed state in which the drain hole 320 is disposed so that it is not in communication with the flow path area 224, or at least a portion of the drain hole 320 is in the flow path area ( It is applied to the pack cover 220 so that it is matched to the lower part of the pack cover 224 and is in an open state disposed in communication with the flow path area 224.
  • the length of the short side of the drain hole 320 (D2) is shorter than the separation distance (D1) between the adjacent straight sections 224a in the flow path area 224, and the length of the long side is the straight section ( 224a) may be provided in an approximately rectangular shape that is longer than the separation distance between them.
  • the portion of the rotating plate 310 without the drain hole 320 is located below the straight sections 224a of the passage area 224, and the drain hole 320 is located between the straight sections 224a. If you do this, coolant will not leak from the flow path of the pack cover 220.
  • the battery pack 10 rotates the valve unit 300 at the time venting gas is generated in the battery module 100 to preemptively inject coolant before a flame is generated in the battery module 100.
  • a gas detector 400 may be further included.
  • the gas detector 400 can be attached to one wall of the pack tray 210, and is installed in each of the three module receiving portions 213. It can be provided. Although not shown, the gas detector 400 may be placed inside the battery module 100. The gas sensor 400 disposed inside the battery module 100 may be implemented as a small gas sensor (not shown).
  • venting gas generated from the battery module 100 can be detected, and the valve unit 300 detects the gas of the gas detector 400. It can be configured to rotate and open based on a signal.
  • the gas detector 400 and the valve unit 300 are connected by a signal transmission cable 500, and when an operating signal or driving power is transmitted to the valve unit 300 through the signal transmission cable 500, At this time, the rotating plate 310 of the valve unit 300 can be rotated so that coolant is injected from the pack cover 220 into the pack tray 210.
  • the internal space of the pack tray 210 is partitioned by the partition wall 211 and three module receiving portions 213 are provided, and the module receiving portions 213 are provided.
  • One battery module 100 is disposed in each unit 213.
  • the gas detector 400 is provided in each module receiving part 213 to detect gas within each module receiving part 213, and the valve unit 300 is also installed at the vertical upper part of each module receiving part 213. are placed one by one. Accordingly, each valve unit 300 operates based on the gas detection signal from the gas detector 400 connected to it, so coolant is not introduced into the module receiving portion 213 where venting gas is not detected.
  • the module housing 110 of the battery module 100 is provided with a drainage channel 113 that is recessed to a predetermined depth in the upper plate 111 and extends from one edge to the other edge.
  • This drain 113 is located in the vertical lower part of the valve unit 300.
  • the bus bar frame 120 is located below the end of the drain channel 113, so that a larger amount of coolant can flow to the electrode leads of the battery cells. You can. Typically, venting gas and flames are easily generated in the electrode lead area, so the fire suppression effect can be increased by allowing coolant to flow to the electrode lead area as above.
  • the top portion 111 of the battery module 100 housing includes a cable embedding groove 115.
  • the signal transmission cable 500 connecting the gas detector 400 and the valve unit 300 may be interposed and fixed in the cable embedment groove 115.
  • the battery pack 10 according to the present invention as described above, for example, as shown in FIG. 10, when a thermal event occurs in the first battery module 100A and venting gas is detected by the gas detector 400, the The first valve unit 300A rotates to the open state, and then the coolant in the pack cover 220 passes through the drain hole 320 of the first valve unit 300A to the upper part of the first battery module 100A. falls to At this time, as described above, the first module accommodation unit 213A, the second module accommodation unit 213B, and the third module accommodation unit 213C are physically separated, so that the second module accommodation unit 213B and the third module accommodation unit 213C are physically separated from each other.
  • the gas detector 400 of the third module accommodating part 213C does not detect the venting gas in the first module accommodating part 213A, the second valve unit 300B and the third valve unit 300C do not operate. . Therefore, as shown in FIG. 11, only the first module receiving portion 213A is filled with coolant. Therefore, the first battery module 100A can be submerged in coolant before a flame occurs to suppress ignition, and the second battery module 100B and the third battery module 100C are not submerged, so they can be reused.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing a vehicle including a battery pack 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the automobile 1 includes a battery pack 10, an electronic control unit (ECU) 20, an inverter 30, and a motor 40 according to an embodiment of the present invention. It can be configured.
  • the vehicle 1 may be an electric vehicle.
  • the battery pack 10 can be used as an electric energy source to drive the vehicle 1 by providing driving force to the motor 40.
  • the battery pack 10 may be charged or discharged by the inverter 30 according to the driving of the motor 40 and/or the internal combustion engine (not shown).
  • the battery pack 10 can be charged by a regenerative charging device combined with a break.
  • the battery pack 10 may be electrically connected to the motor 40 of the vehicle through the inverter 30.
  • the ECU 20 is an electronic control device that controls the state of the vehicle 1. For example, torque information is determined based on information such as accelerator, brake, speed, etc., and the output of the motor 40 is controlled to match the torque information. Additionally, the ECU 20 sends a control signal to the inverter 30 so that the battery pack 10 can be charged or discharged based on status information such as SOC and SOH of the battery pack 10 received by the BMS. The inverter 30 charges or discharges the battery pack 10 based on the control signal from the ECU 610. The motor 40 uses the electrical energy of the battery pack 10 to drive the vehicle 1 based on control information (eg, torque information) transmitted from the ECU 20.
  • control information eg, torque information
  • the battery pack 10 normally maintains the temperature of the battery module 100 at an appropriate level, and when a thermal event occurs in the battery module 100, the coolant used to manage the temperature of the battery module 100 is By using this method, a fire can be suppressed by quickly immersing the battery module 100 in which a thermal event has occurred. Therefore, safety is maintained even if a problem occurs in the battery pack 10 when the vehicle 1 is driven.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈; 및 상부가 개방되고 상기 배터리 모듈을 수용할 수 있는 내부 공간을 구비한 팩 트레이;와 상기 팩 트레이의 상부에 결합되는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스;를 포함하며, 상기 팩 커버는, 미리 정해진 영역에 관통 형성된 밸브 장착구;를 구비하고 상기 팩 트레이의 상부에 배치되는 바틈 커버; 냉각수의 이동 경로를 형성하는 유로 영역과, 상기 바틈 커버의 상면에 배치되는 탑 커버; 및 상기 밸브 장착구에 장착되고 시계 또는 반시계 방향으로 회전하게 마련되어 상기 유로 영역의 냉각수가 상기 팩 트레이의 내부 공간으로 공급 또는 차단되게 하는 밸브 유닛을 포함할 수 있다.

Description

화재 안전성을 개선한 배터리 팩
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈에 열적 이벤트가 발생한 때 효과적으로 배터리 팩의 내부에 냉각수를 투입해 화재 진압 및 확산을 방지할 수 있는 주수 구조가 적용된 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 06월 14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0071951호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이에, 다양한 디바이스에 대한 이차전지의 적용이 증가하고 있다. 예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
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.
이와 같이, 이차전지가 대용량 및 고출력의 에너지원으로 사용됨에 따라 상기 배터리 모듈/팩의 안전성 확보가 중요한 이슈가 되고 있다.
최근의 배터리 모듈은 에너지 밀도 향상을 위해 가능한 많은 수의 이차전지들을 집약적으로 수납하도록 설계되어 있어 이차전지들 중의 하나라도 이상이 생겨 발화할 경우, 그 주변의 다른 이차전지들까지 연쇄 발화하는 열 폭주 현상이 쉽게 일어날 수 있다. 이 때문에 최근 일부 이차전지들의 발화가 걷잡을 수 없게 다른 이차전지들 내지 배터리 모듈들로 확산되기 전에 진압하기 위한 소화 시스템을 포함한 배터리 팩에 대한 연구가 활발하다.
그런데, 종래의 배터리 팩의 소화 시스템은 배터리 모듈에서 화염 발생 후 주수가 제대로 이루어지는 시점이 늦어 화재 확산을 억제할 수 있는 초기 골든 타임을 놓치는 경우가 많아, 이에 대한 개선 방안이 요구되고 있다. 또한, 배터리 팩은 배터리 모듈의 작동 온도를 적절히 관리하기 위해 냉각 시스템을 포함하고 있는데, 상기 냉각 시스템과 별개로 소화 시스템을 배터리 팩에 추가함에 따라 생산 공정/설계/비용적인 측면이 불리해지는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈에 열적 이벤트가 발생한 때 효과적으로 배터리 팩의 내부에 냉각수를 투입해 화재 진압 및 확산을 방지할 수 있는 주수 구조가 적용된 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 팩에 소화수 내지 소화제를 추가적으로 적용하는 것이 아닌 배터리 모듈의 온도를 관리하기 위한 냉각수를 활용하여 화재 진압에 이용할 수 있도록 냉각 시스템과 소화 시스템을 통합한 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 발명에 따르면, 하나 이상의 배터리 모듈; 및 상부가 개방되고 상기 배터리 모듈을 수용할 수 있는 내부 공간을 구비한 팩 트레이;와 상기 팩 트레이의 상부에 결합되는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스;를 포함하며, 상기 팩 커버는, 미리 정해진 영역에 관통 형성된 밸브 장착구;를 구비하고 상기 팩 트레이의 상부에 배치되는 바틈 커버; 및 냉각수의 이동 경로를 형성하는 유로 영역을 구비하고 상기 바틈 커버의 상면에 배치되는 탑 커버; 및 상기 밸브 장착구에 장착되고 시계 또는 반시계 방향으로 회전하게 마련되어 상기 유로 영역의 냉각수가 상기 팩 트레이의 내부 공간으로 공급 또는 차단되게 하는 밸브 유닛을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 팩 트레이의 내부 또는 상기 배터리 모듈의 내부에 배치되는 가스 감지기를 더 포함하고, 상기 밸브 유닛은 상기 가스 감지기의 가스 감지 신호에 기초하여 회전하도록 구성될 수 있다.
상기 밸브 유닛과 상기 가스 감지기는 신호 전송 케이블로 연결될 수 있다.
상기 밸브 유닛은, 상기 밸브 장착구에 삽입 배치되고 회전 가능하게 마련된 회전판; 및 상기 회전판의 일 영역에 형성된 배수 구멍;을 포함할 수 있다.
상기 밸브 유닛은, 상기 배수 구멍이 상기 유로 영역과 어긋나 연통하지 않게 배치되는 닫힘 상태 또는 상기 배수 구멍의 적어도 일부가 상기 유로 영역의 하부에 매칭되어 상기 유로 영역과 연통하게 배치되는 열림 상태가 되도록 상기 회전판이 소정 각도 회전 가능하게 마련될 수 있다.
상기 배수 구멍은 직사각형으로 마련될 수 있다.
상기 유로 영역은 일정 간격 이격배치되는 직선 구간들과 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간을 포함하며, 상기 배수 구멍은 단변 길이가 상기 직선 구간들 간의 이격 거리보다 짧고 장변 길이는 상기 직선 구간들 간의 이격 거리보다 길게 마련될 수 있다.
상기 하나 이상의 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 모듈이고, 상기 팩 트레이는 상기 내부 공간이 격벽에 의해 구획된 복수 개의 모듈 수용부를 구비하며, 각 상기 모듈 수용부에 상기 배터리 모듈이 하나씩 배치될 수 있다.
각 상기 모듈 수용부는 상기 바틈 커버에 의해 커버되어 상부가 밀폐되게 구성될 수 있다.
상기 밸브 유닛은 각각의 상기 배터리 모듈의 연직 상부에 위치하도록 상기 바틈 커버에 복수 개가 결합될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 배터리 셀들과 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징을 구비하고, 상기 모듈 하우징은 상판부에 소정 깊이만큼 함몰 형성되고 일측 모서리에서 타측 모서리까지 이어진 배수로를 구비할 수 있다.
상기 배수로는, 상기 밸브 유닛의 연직 하부에 마련될 수 있다.
상기 배수로의 끝부분 아래는 상기 배터리 셀들을 전기적으로 연결하는 버스바 프레임이 배치하도록 구성될 수 있다.
상기 팩 트레이의 일측 벽면에 가스 감지기가 부착되고, 상기 밸브 유닛과 상기 가스 감지기는 신호 전송 케이블로 연결되며, 상기 밸브 유닛은 상기 가스 감지기의 가스 감지 신호에 기초하여 회전하도록 구성되며, 상기 신호 전송 케이블은 상기 모듈 하우징의 상판부에 형성된 케이블 매립홈에 개재될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈에 열적 이벤트가 발생한 때 효과적으로 배터리 팩의 내부에 냉각수를 투입해 화재 진압 및 확산을 방지할 수 있는 주수 구조가 적용된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 화염 발생 이전에 열적 이벤트가 발생한 배터리 모듈에서 누출되는 벤팅 가스를 능동적으로 감지하고 밸브 유닛을 열어 해당 배터리 모듈에 대량의 냉각수를 투입할 수 있어 신속한 대처가 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 평상시 배터리 모듈의 온도를 관리하기 위한 냉각수가 배터리 모듈의 화재 진압에 사용되므로 배터리 팩에 소화수 내지 소화제가 추가적으로 적용되지 않는다.
또한, 본 발명에 의하면, 칸막이 형태의 격벽으로 팩 케이스의 내부가 여러 구역으로 구획되어 있어 상기 여러 구역 중 특정 구역에서 벤팅 가스가 발생시 상기 특정 구역에만 냉각수가 주수된다. 따라서 상기 특정 구역과 다른 구역에 배치된 배터리 모듈들은 침수 피해를 입지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈과 팩 트레이를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에서 격벽으로 구획된 팩 트레이의 내부 공간에 탑재된 배터리 모듈들과, 가스 감지기들을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 팩 트레이의 상부에 배치된 바틈 커버와 밸브 유닛을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 밸브 유닛을 장착한 바틈 커버와, 상기 바틈 커버의 상부에 배치되는 탑 커버 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 트레이와 팩 커버의 볼트 결합을 위한 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 밸브 유닛의 닫힘 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 밸브 유닛의 열림 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9에 있어서 팩 커버를 생략한 도면으로서, 밸브 유닛이 열림 상태 일때 팩 트레이 내부로에서 냉각수의 이동 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10에서 냉각수가 제1 모듈 수용부에만 채워진 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에에 따른 배터리 팩을 포함하는 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 아니 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 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 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 하나 이상의 배터리 모듈(100), 팩 케이스(200) 및 밸브 유닛(300)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 3개의 배터리 모듈들(100A,100B,100C)과, 내부 공간이 격벽(211)으로 구획되어 3개의 모듈 수용부(213A,213B,213C)를 구비하고 각 상기 모듈 수용부(213)에 각 상기 배터리 모듈(100)을 하나씩 수용할 수 있게 마련된 팩 케이스(200)를 포함한다. 다만, 배터리 팩(10)에 요구되는 전기 용량 내지 출력에 따라 상기 배터리 모듈(100)은 1개, 2개 또는 4개 이상으로 구성될 수 있으며, 이에 따라 상기 팩 케이스(200)의 크기나, 상기 격벽(211)의 유무 또는 그 개수가 결정될 수 있다.
또한, 팩 케이스(200)는, 도 2와 같이, 상기 배터리 모듈(100)들을 수용하며 상호 간 상하로 결합되는 팩 트레이(210)와 팩 커버(220)를 포함한다. 특히, 상기 팩 커버(220)는 내부에 냉각수가 유동할 수 있게 구성되어 있어 상기 배터리 모듈(100)들이 상기 냉각수와 간접 접촉하여 냉각될 수 있다. 그리고 상기 밸브 유닛(300)은 이러한 팩 커버(220)에 시계 또는 반시계 방향으로 회전 가능하게 장착되되, 평상시 상기 팩 커버(220)에서 냉각수가 유출되지 않도록 상기 팩 커버(220)에 구비되는 밸브 장착구(222)에 장착되고, 배터리 모듈(100)에서 가스가 발생하는 등 화재 위험 상황이 감지된 때 소정 각도 회전하고 상기 팩 커버(220) 내부에 있는 냉각수가 팩 커버(220) 아래로 쏟아져 팩 트레이(210)의 내부로 유입되게 구성될 수 있다.
이러한 배터리 팩(10)의 구성에 의하면, 평상시 배터리 모듈(100)들의 온도를 적정하게 유지할 수 있고, 열적 이벤트 발생시 팩 트레이(210)의 내부 공간에 냉각수를 빠르게 투입할 수 있어 배터리 모듈(100)의 화재 확산을 효과적으로 억제할 수 있다.
이하에서 이러한 배터리 팩(10)의 주요 구성들에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수 개의 배터리 셀들과 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징(110)을 포함한다.
상기 배터리 셀은 본 발명의 출원시점에 공지된 어떠한 유형의 배터리 셀이라도 적용될 수 있다. 이를테면, 전극 조립체와 전해액을 금속 캔 타입의 외장재로 밀봉 수납한 대략 원통형 또는 각형의 배터리 셀이거나, 전극 조립체와 전해액을 파우치 타입의 외장재로 밀봉 수납한 대략 판상형의 파우치형 배터리 셀 등 어떠한 유형의 배터리 셀이라도 본 발명의 배터리 팩(10)의 구성으로 적용될 수 있다.
본 실시예의 배터리 모듈(100)은 파우치형 배터리 셀(미도시)들을 포함한 것이다. 예컨대, 상기 파우치형 배터리 셀들은 각각 상하 방향(Z방향)으로 세워서 넓은 면이 서로 대면하게 좌우 방향(X방향)으로 적층하여 셀 적층체 형태로 모듈 하우징(110) 속에 수납될 수 있다. 이에 파우치형 배터리 셀들을 적용한 배터리 모듈(100)은 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다. 상기 파우치형 배터리 셀들은 길이 방향(Y방향)에 따른 일단부 또는 양단부에 전극 리드들이 위치하게 되며, 상기 전극 리드들이 버스바 프레임(120)에 결합되어 있는 금속 막대 형태로 제공되는 버스바들에 용접되어 상호 간 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 모듈 하우징(110)은 상기 배터리 셀들이 유동하지 않게 지지하고 외부 충격등으로부터 보호하기 위한 구조물으로서 기계적 강성이 높은 재질로 마련될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 모듈 하우징(110)은 셀 적층체의 상측,하측,좌측,우측을 각각 커버하는 상판부(111), 하판부, 좌측부, 우측부를 포함하며, 전방과 후방은 개방된 형태로 마련될 수 있다. 파우치형 배터리 셀들은 전극 리드들이 상기 개방되어 있는 모듈 하우징(110)의 전방과 후방에 위치 하게되고, 상기 전극 리드들이 버스바 프레임(120) 상에 미리 결정된 패턴으로 용접될 수 있다. 그리고 상기 전극 리드들을 용접한 부위는 외부로 노출되지 않게 엔드 플레이트(미도시)로 커버될 수 있다. 도면의 편의상 미도시 하였으나, 상기 엔드 플레이트는 상기 모듈 하우징(110)의 전방과 후방에 결합될 수 있게 구성될 수 있다.
팩 케이스(200)는 하나 이상의 배터리 모듈(100)을 외부 충격 등으로부터 보호하고, 상기 배터리 모듈(100)에 화재가 발생한 때 화염이나 스파크가 배터리 팩(10) 외부로 쉽게 방출되지 않도록 상기 배터리 모듈(100)들을 수용하는 구조물이다.
상기 팩 케이스(200)는 팩 트레이(210)와 팩 커버(220)를 포함한다.
상기 팩 트레이(210)는 상부가 개방되고 상기 배터리 모듈(100)을 수용할 수 있는 내부 공간을 갖도록 마련될 수 있다. 도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 팩 트레이(210)는 다수의 배터리 모듈(100)들을 배치할 수 있는 넓은 면적을 갖는 바닥판과 상기 바닥판의 가장자리에서 구비되고 적어도 상기 배터리 모듈(100)보다 높게 마련된 벽체들을 포함한다. 상기 내부 공간은 상기 바닥판과 상기 벽체들로 둘러 싸인 공간으로 특정될 수 있다. 그리고 상기 벽체들의 상단면에는 볼트 체결홀들을 구비될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 팩 트레이(210)는 상기 내부 공간을 여러 구역으로 구획하는 격벽(211)들을 포함한다. 이하에서 상기 격벽(211)에 의해 구획된 여러 구역들을 각각 모듈 수용부(213)라고 정의하기로 한다.
상기 격벽(211)들은 상기 벽체들과 동일한 높이로 형성될 수 있다. 이에 따라 팩 커버(220)를 상기 팩 트레이(210)에 결합한 때, 각 모듈 수용부(213)는 그 상부 및 측면부가 상기 팩 커버(220)와 상기 격벽(211)들에 막혀 밀폐될 수 있다.
이러한 모듈 수용부(213)들 각각에 상기 배터리 모듈(100)들을 하나씩 배치하고 팩 트레이(210)와 팩 커버(220)를 볼트(B) 체결한다. 그러면 팩 케이스(200) 속의 배터리 모듈(100)들은 각각 폐쇄된 공간에 위치하게 된다. 참고로, 상기 배터리 모듈(100)들은 상호 간 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 본 발명의 핵심요지를 흐리지 않게하게 위해 도 3 등의 도면에 미도시 하였으나, 상기 배터리 모듈(100)들은 케이블 내지 플랙서블 버스바 등으로 상호 간 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 케이블 내지 상기 플랙서블 버스바는 상기 격벽(211)이나 팩 트레이(210)의 바닥판을 통과하도록 설치될 수 있다. 물론, 상기 케이블이나 플랙서블 버스바가 상기 격벽(211)이나 팩 트레이(210)를 통과하는 부분은 밀봉 처리될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하면, 예컨대 특정 구역에 위치한 어떤 배터리 모듈(100)이 발화한 상황에서 화염이 다른 구역에 위치한 다른 배터리 모듈(100)로 전파되지 않게 된다. 또한, 후술하겠지만 상기 어떤 배터리 모듈(100)의 화재 억제를 위해 팩 커버(220)로부터 상기 특정 구역에 냉각수가 투입된 때, 다른 구역으로 냉각수가 넘어가는 것을 차단할 수 있다. 따라서 냉각수를 팩 트레이(210)에 투입하더라도 열적 이벤트가 발생한 배터리 모듈(100)을 제외한 다른 배터리 모듈(100)들은 정상적으로 재사용이 가능하다.
상기 팩 커버(220)는 상기 배터리 모듈(100)들을 커버하며 상기 팩 트레이(210)의 상부에 결합 가능하게 마련될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 팩 커버(220)는 팩 트레이(210)를 커버하며 동시에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비하도록 2개의 플레이트로 구성되고, 상기 2개의 플레이트 중 하나는 상기 팩 트레이(210)를 커버하는데 사용되고 나머지 하나는 유로를 형성하는데 사용될 수 있다.
상기 팩 커버(220)는 상기 팩 트레이(210)에 볼트(B) 체결되어 상기 팩 트레이(210)의 상부에 결합되고, 도 1의 'In' 표시와 같이, 냉각수를 상기 유로에 유입시키기 위한 유입구와 'Out' 표시와 같이, 냉각수를 상기 유로에서 외부로 내보내기 위한 배출구를 구비한다. 일예로서, 본 발명의 배터리 팩(10)은 자동차에 탑재될 수 있으며, 이 경우 자동차에서 발열 부품을 냉각하는데 사용되는 냉각수가 팩 커버(220)의 유입구를 통해 유로로 들어와 상기 유출구를 통해 외부로 나가도록 상기 유입구와 상기 유출구에 배관이 연결될 수 있다.
상기 팩 커버(220)의 주요 구성요소를 살펴보면, 도 2와 같이, 상기 팩 커버(220)는 미리 정해진 영역에 관통 형성된 밸브 장착구(222)를 구비하고 팩 트레이(210)의 상부에 배치되는 바틈 커버(221)와, 상기 바틈 커버(221)의 상면과 대면하는 밀착 영역(225)과 냉각수가 유동할 수 있게 상기 바틈 커버(221)의 상면에 대해 볼록하게 마련된 유로 영역(224)을 구비하는 어퍼 커버를 포함한다.
상기 바틈 커버(221)는 상기 팩 트레이(210)의 상부를 커버할 수 있는 면적을 갖고, 밸브 장착구(222) 부분만 뚫려 있는 판상체 형태로 마련될 수 있다. 상기 밸브 장착구(222)는 냉각수가 바틈 커버(221) 상부에서 하부로 빠져 나갈 수 있도록 상기 바틈 커버(221)에 형성해 놓은 구멍이며, 본 실시예의 경우 3개가 마련된다. 상기 3개의 밸브 장착구들(222A,222B,222C)은, 각 배터리 모듈(100)의 연직 상부에 구비된다. 이러한 밸브 장착구들(222A,222B,222C)마다 밸브 유닛(300)이 장착됨으로써 상기 밸브 유닛(300)이 각 상기 배터리 모듈(100)의 연직 상부에 위치하게 될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 밸브 유닛(300)은 제1 밸브 유닛(300A), 제2 밸브 유닛(300B), 제3 밸브 유닛(300C)을 포함한다. 상기 3개의 밸브 유닛들(300A,300B,300C)은 상기 3개의 밸브 장착구들(222A,222B,222C)에 장착되고 각각 시계 또는 반시계 방향으로 회전 가능하게 마련되어 팩 커버(220)의 냉각수가 팩 트레이(210)의 내부 공간으로 공급 또는 차단하는 역할을 할수 있다.
상기 밸브 유닛(300)은, 상기 밸브 장착구(222)에 삽입 배치되고 회전 가능하게 마련되는 회전판(310)과, 상기 회전판(310)의 일 영역에 형성되는 배수 구멍(320)을 포함한다. 상기 밸브 장착구(222)는 상기 바틈 커버(221)의 두께 방향(Z방향)으로 아랫쪽 보다 윗쪽 직경 사이즈가 더 크게 확장된 형태로 마련될 수 있다. 상기 회전판(310)은 둘레 가장자리가 상기 밸브 장착구(222)에서 작은 직경과 큰 직경의 경계면에 배치됨으로써 상기 밸브 장착구(222) 아래로 빠지지 않게 상기 밸브 장착구(222)에 장착될 수 있다.
상기 회전판(310)은, 도 5에 도시한 바와 같이, 아웃 서클부(310a)와 인너 서클부(310b)를 포함한다. 아웃 서클부(310a)는 상기 밸브 장착구(222) 내의 경계면에 고정되게 부착되고 인너 서클부(310b)는 아웃 서클부(310a)의 안쪽에서 회전 가능하게 마련될 수 있다. 상기 아웃 서클부(310a) 및/또는 인너 서클부(310b)의 내부에는 인너 서클부(310b)를 회전시키기 위한 구동장치가 내장될 수 있다. 상기 구동장치는 모터, 기어, 회전 샤프트 등을 포함하여 구성될 수 있으나, 상기 밸브 장착구(222) 내에서 상기 회전판(310)을 회전시킬 수 있는 작동 메카니즘을 갖는 구동장치라면 어떠한 것을 적용하여도 좋다.
상기 배수 구멍(320)은 냉각수가 상기 회전판(310)의 상부에서 하부로 빠져나갈 수 있도록 회전판(310)에 관통 형성된 영역을 말한다. 밸브 유닛(300)을 회전시켰을 때 상기 배수 구멍(320)이 후술할 탑 커버(223)의 유로 영역(224)과 상하로 일치하면, 냉각수가 배수 구멍(320)을 통해 상기 회전판(310)의 하부 방향으로 빠져나갈 수 있다. 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 탑 커버(223)는, 도 6 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 바틈 커버(221)의 상면에 대해 볼록하게 마련되어 냉각수의 이동 경로를 형성하는 유로 영역(224)과, 상기 바틈 커버(221)의 상면에 대면 접촉하게 배치되는 밀착 영역(225)을 포함한다. 상기 탑 커버(223)는 팩 트레이(210) 상에 배치된 바틈 커버(221)에 대면하게 배치되고 볼트(B)에 의해 상기 바틈 커버(221)와 일체로 상기 팩 트레이(210)의 상단에 고정되게 결합될 수 있다.
또한, 상기 탑 커버(223)의 유로 영역(224)은 일정 간격 이격배치되는 직선 구간(224a)들과 상기 직선 구간(224a)들을 연결하는 곡선 구간(224b)을 포함할 수 있다. 상기 직선 구간(224a)은 팩 케이스(200)의 일측에 위치한 유입구에서 +Y 방향으로 팩 케이스(200)의 타측 끝 부분까지 형성되고 상기 직선 구간(224a)의 끝에서 +X 방향으로 곡선 구간(224b)이 이어지며 상기 곡선 구간(224b)의 끝에서 -Y방향으로 다시 직선 구간(224a)이 형성될 수 있다. 이 같은 패턴으로 직선 구간(224a)과 곡선 구간(224b)이 반복됨으로써 냉각수가 유출구로 배출되기 전까지 팩 커버(220) 상에서 광범위하게 흐르며 팩 케이스(200) 내부의 열을 흡수하도록 할 수 있다.
또한, 상기 유로를 따라 흐르는 냉각수를 열적 이벤트가 발생한 배터리 모듈(100)의 화재를 억제하는데 사용할 수 있도록 상기 팩 커버(220)에 밸브 유닛(300)이 적용된다.
다시 말하면, 상기 밸브 유닛(300)은 소정 각도 회전하여 배수 구멍(320)이 상기 유로 영역(224)과 어긋나 연통하지 않게 배치되는 닫힘 상태 또는 상기 배수 구멍(320)의 적어도 일부가 상기 유로 영역(224)의 하부에 매칭되어 상기 유로 영역(224)과 연통하게 배치되는 열림 상태가 되도록 상기 팩 커버(220)에 적용된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 배수 구멍(320)은 단변의 길이(D2)가 유로 영역(224) 중 인접한 직선 구간(224a)들 간의 이격 거리(D1)보다 짧고 장변의 길이는 상기 직선 구간(224a)들 간의 이격 거리보다 긴 대략 직사각형으로 마련될 수 있다.
따라서, 배수 구멍(320)이 없는 회전판(310) 부분이 상기 유로 영역(224)의 직선 구간(224a)들의 하부에 위치하도록 하고 상기 배수 구멍(320)은 상기 직선 구간(224a)들 사이에 위치하도록 하면 냉각수가 팩 커버(220)의 유로에서 누수되지 않는다.
반대로, 도 9에 도시한 바와 같이, 회전판(310)을 회전시켜 상기 배수 구멍(320)의 적어도 일부분이 상기 유로 영역(224)의 하부에 위치하도록 하면 유로에서 냉각수가 상기 배수 구멍(320)을 통해 바틈 커버(221)의 하부로 낙하되어 팩 트레이(210)의 내부로 투입될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 발생하는 시점에 밸브 유닛(300)을 회전시켜 배터리 모듈(100)에서 화염이 생성되기 전에 선제적으로 냉각수가 투입될 수 있도록 가스 감지기(400)를 더 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4와 도 10과 도 11을 함께 참조하면, 본 실시예 따른 상기 가스 감지기(400)는 팩 트레이(210)의 일측 벽체에 부착될 수 있고, 3개의 모듈 수용부(213)마다 구비될 수 있다. 미도시하였으나, 상기 가스 감지기(400)는 배터리 모듈(100)의 내부에 배치될 수도 있다. 상기 배터리 모듈(100)의 내부에 배치되는 가스 감지기(400)는 소형 가스센서(미도시)로 구현될 수 있다.
상기와 같이 가스 감지기(400)를 팩 케이스(200) 내부에 적용함으로써, 배터리 모듈(100)에서 발생하는 벤팅 가스를 감지할 수 있고, 밸브 유닛(300)이 상기 가스 감지기(400)의 가스 감지 신호에 기초해 회전하여 열림 상태가 되도록 구성할 수 있다.
이를테면, 상기 가스 감지기(400)와 상기 밸브 유닛(300)은 신호 전송 케이블(500)로 연결되고, 상기 신호 전송 케이블(500)을 통해 작동 신호 내지 구동 전원이 상기 밸브 유닛(300)에 전달되면 이때 상기 밸브 유닛(300)의 회전판(310)이 돌아가도록 하여 냉각수가 팩 커버(220)에서 팩 트레이(210) 내부로 투입되도록 구성할 수 있다.
또한, 본 실시예의 배터리 팩(10)의 경우, 전술한 바와 있듯이, 팩 트레이(210)의 내부 공간이 격벽(211)에 의해 구획되어 3개의 모듈 수용부(213)가 마련되어 있고, 상기 모듈 수용부(213)들 마다 배터리 모듈(100)이 하나씩 배치되어 있다. 그리고 상기 가스 감지기(400)는 각 모듈 수용부(213) 내의 가스를 감지할 수 있도록 각 모듈 수용부(213)마다 구비되고, 상기 밸브 유닛(300) 역시 각 모듈 수용부(213)의 연직 상부에 하나씩 배치되어 있다. 따라서 각 밸브 유닛(300)은 그와 연결된 가스 감지기(400)의 가스 감지 신호에 기초하여 작동하게 됨으로 벤팅 가스가 감지되지 않는 모듈 수용부(213)에는 냉각수가 투입되지 않는다.
또한, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 모듈 하우징(110)은 상판부(111)에 소정 깊이만큼 함몰 형성되고 일측 모서리에서 타측 모서리까지 이어진 배수로(113)를 구비한다. 이러한 배수로(113)는 밸브 유닛(300)의 연직 하부에 위치한다. 상기 구성에 의하면, 밸브 유닛(300)이 돌아가 배수 구멍(320)을 통해 냉각수가 낙하하게 되면 상기 모듈 하우징(110)의 상기 배수로(113)를 따라 냉각수가 배터리 모듈(100)의 전후 방향(±Y방향)으로 이동하게 될 수 있다.
이 같이, 냉각수가 배터리 모듈(100)의 전후 방향으로 이동하면 상기 배수로(113)의 끝부분 아래에 버스바 프레임(120)이 위치해 있어 배터리 셀들의 전극 리드 부분으로 보다 많은 양의 냉각수가 흘러갈 수 있다. 통상 전극 리드 부분에 벤팅 가스와 화염이 잘 발생하게 되므로 위와 같이 우선적으로 최우선적으로 냉각수가 전극 리드 부분으로 흘러가게 함으로써 화재 억제 효과를 높일 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈(100) 하우징의 상판부(111)는 케이블 매립홈(115)을 포함한다. 상기 가스 감지기(400)와 상기 밸브 유닛(300)을 연결하는 신호 전송 케이블(500)은 상기 케이블 매립홈(115) 속에 개재되어 고정될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 배터리 팩(10)의 구성에 따르면, 예컨대 도 10과 같이, 제1 배터리 모듈(100A)에 열적 이벤트가 발생하여 벤팅 가스가 가스 감지기(400)에 의해 감지되면, 바로 제1 밸브 유닛(300A)이 열림 상태가 되도록 회전하게 되고 그러면 팩 커버(220)에 있던 냉각수가 상기 제1 밸브 유닛(300A)의 배수 구멍(320)을 통해 제1 배터리 모듈(100A)의 상부로 낙하하게 된다. 이때, 전술한 바 있듯이, 제1 모듈 수용부(213A), 제2 모듈 수용부(213B) 및 제3 모듈 수용부(213C)는 물리적으로 격리되어 있어 상기 제2 모듈 수용부(213B)와 상기 제3 모듈 수용부(213C)의 가스 감지기(400)로는 제1 모듈 수용부(213A) 내의 벤팅 가스 감지가 되지 않음으로 제2 밸브 유닛(300B)과 제3 밸브 유닛(300C)은 작동하지 않는다. 따라서 도 11과 같이, 제1 모듈 수용부(213A)에만 냉각수가 채워지게 된다. 그러므로 제1 배터리 모듈(100A)은 화염이 발생하기 전에 냉각수 속에 잠겨 발화가 억제될 수 있고 제2 배터리 모듈(100B)과 제3 배터리 모듈(100C)의 경우 침수되지 않기 때문에 재사용이 가능하다.
이어서 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 자동차에 대해 간략히 설명한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에에 따른 배터리 팩(10)을 포함하는 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 자동차(1)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10), ECU(Electronic Control Unit, 20), 인버터(30) 및 모터(40)를 포함하여 구성될 수 있다. 바람직하게, 자동차(1)는 전기 자동차일 수 있다.
배터리 팩(10)은 모터(40)에 구동력을 제공하여 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 배터리 팩(10)은 모터(40) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(30)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(10)은 브레이크(break)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(10)은 인버터(30)를 통해 자동차의 모터(40)에 전기적으로 연결될 수 있다.
ECU(20)는 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 가속기(accelerator), 브레이크, 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정보를 결정하고, 모터(40)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU(20)는 BMS에 의해 전달받은 배터리 팩(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리 팩(10)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(30)에 제어 신호를 보낸다. 인버터(30)는 ECU(610)의 제어 신호에 기초하여 배터리 팩(10)이 충전 또는 방전되도록 한다. 모터(40)는 배터리 팩(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(20)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 자동차(1)를 구동한다.
배터리 팩(10)은 앞서 설명한 바와 같이 평상시 배터리 모듈(100)의 온도를 적정하게 유지하며 상기 배터리 모듈(100)에 열적 이벤트가 발생하면, 배터리 모듈(100)의 온도를 관리하는데 사용하던 냉각수를 사용하여 열적 이벤트가 발생한 배터리 모듈(100)을 신속히 수장시켜 화재를 억제할 수 있다. 따라서, 자동차(1) 주행시 배터리 팩(10)에 문제가 생기더라도 안전성이 유지된다.
이상에서 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (15)

  1. 하나 이상의 배터리 모듈; 및
    상부가 개방되고 상기 배터리 모듈을 수용할 수 있는 내부 공간을 구비한 팩 트레이;와 상기 팩 트레이의 상부에 결합되는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스;를 포함하며,
    상기 팩 커버는,
    미리 정해진 영역에 관통 형성된 밸브 장착구;를 구비하고 상기 팩 트레이의 상부에 배치되는 바틈 커버;
    냉각수의 이동 경로를 형성하는 유로 영역과, 상기 바틈 커버의 상면에 배치되는 탑 커버; 및
    상기 밸브 장착구에 장착되고 시계 또는 반시계 방향으로 회전하게 마련되어 상기 유로 영역의 냉각수가 상기 팩 트레이의 내부 공간으로 공급 또는 차단되게 하는 밸브 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팩 트레이의 내부 또는 상기 배터리 모듈의 내부에 배치되는 가스 감지기를 더 포함하고,
    상기 밸브 유닛은 상기 가스 감지기의 가스 감지 신호에 기초하여 회전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 밸브 유닛과 상기 가스 감지기는 신호 전송 케이블로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 유닛은,
    상기 밸브 장착구에 삽입 배치되고 회전 가능하게 마련된 회전판; 및
    상기 회전판의 일 영역에 형성된 배수 구멍;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브 유닛은,
    상기 배수 구멍이 상기 유로 영역과 어긋나 연통하지 않게 배치되는 닫힘 상태 또는 상기 배수 구멍의 적어도 일부가 상기 유로 영역의 하부에 매칭되어 상기 유로 영역과 연통하게 배치되는 열림 상태가 되도록 상기 회전판이 소정 각도 회전 가능하게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배수 구멍은 직사각형으로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유로 영역은 일정 간격 이격배치되는 직선 구간들과 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간을 포함하며,
    상기 배수 구멍은 단변 길이가 상기 직선 구간들 간의 이격 거리보다 짧고 장변 길이는 상기 직선 구간들 간의 이격 거리보다 긴 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 모듈이고,
    상기 팩 트레이는 상기 내부 공간이 격벽에 의해 구획된 복수 개의 모듈 수용부를 구비하며,
    각 상기 모듈 수용부에 상기 배터리 모듈이 하나씩 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    각 상기 모듈 수용부은 상기 바틈 커버에 의해 커버되어 상부가 밀폐되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 밸브 유닛은 각각의 상기 배터리 모듈의 연직 상부에 위치하도록 상기 바틈 커버에 복수 개가 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은, 배터리 셀들과 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징을 구비하고,
    상기 모듈 하우징은 상판부에 소정 깊이만큼 함몰 형성되고 일측 모서리에서 타측 모서리까지 이어진 배수로를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배수로는, 상기 밸브 유닛의 연직 하부에 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배수로의 끝부분 아래는 상기 배터리 셀들을 전기적으로 연결하는 버스바 프레임이 배치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 팩 트레이의 일측 벽면에 가스 감지기가 부착되고, 상기 밸브 유닛과 상기 가스 감지기는 신호 전송 케이블로 연결되며,
    상기 밸브 유닛은 상기 가스 감지기의 가스 감지 신호에 기초하여 회전하도록 구성되며,
    상기 신호 전송 케이블은 상기 모듈 하우징의 상판부에 형성된 케이블 매립홈에 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
PCT/KR2023/006642 2022-06-14 2023-05-16 화재 안전성을 개선한 배터리 팩 WO2023243875A1 (ko)

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