WO2023282633A1 - 쿨링 핀들이 합치된 팩 케이스를 구비한 배터리 팩 - Google Patents

쿨링 핀들이 합치된 팩 케이스를 구비한 배터리 팩 Download PDF

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WO2023282633A1
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battery pack
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김승준
지호준
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack, and more particularly, to a battery pack for lowering the temperature and pressure of a venting gas when a high-temperature venting gas is generated in some battery modules.
  • Secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that they do not generate any by-products due to the use of energy as well as the primary advantage of dramatically reducing the use of fossil fuels.
  • secondary batteries Accordingly, the application of secondary batteries to various devices is increasing. For example, it is widely used as an energy source for wireless mobile devices or wearable devices, which are multifunctional small products, as well as electric vehicles and hybrid vehicles that are presented as alternatives to conventional gasoline and diesel vehicles. It is also used as an energy source for electric vehicles or as an energy storage system (ESS).
  • ESS energy storage system
  • each secondary battery has an operating voltage of about 2.5V to 4.5V. Therefore, in the case of an electric vehicle or power storage device requiring large capacity and high output, a battery module in which a plurality of 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 configured, and the energy I am using it as a circle.
  • the number of lithium secondary batteries included in one battery module or the number of battery modules included in one battery pack may increase.
  • venting gas when an event such as a short circuit between lithium secondary batteries or an abnormal temperature rise occurs in some battery modules, a large amount of venting gas may be generated from the lithium secondary batteries, and when the deterioration intensifies, the venting gas and the electrode active material and aluminum High-temperature sparks containing particles and the like may be ejected. At this time, the venting gas and the high-temperature spark give thermal damage to adjacent battery modules, and because of this, the possibility of additional events occurring in other battery modules is very high. In addition, high-temperature sparks and venting gas may cause thermal damage to surrounding structures or other battery packs even after being discharged to the outside of the battery pack.
  • the present invention was invented to solve the above technical problems, and even if a high-temperature venting gas is generated from a battery module, the temperature and pressure thereof are lowered so that the venting gas can be discharged to the outside of the battery pack, thereby reducing the risk factor due to the venting gas emission. It aims to reduce
  • Another object of the present invention is to prevent thermal runaway of a battery pack by minimizing thermal damage to other battery modules even when venting gas and sparks are generated in a certain battery module.
  • the battery module and a pack case provided to accommodate the battery module therein, wherein the pack case includes: a bottom cover accommodating the battery module; and a top plate having cooling fins protruding from one surface of the pack case toward the inside and vertically coupled to the bottom cover so as to cover the top of the battery module, wherein the venting gas generated from the battery module
  • a battery pack configured to be discharged to the outside of the pack case through empty spaces formed between cooling fins may be provided.
  • a plurality of cooling fins may be provided along a first direction, which is a longitudinal direction, or a second direction, which is a width direction, of the top plate from one edge to the other edge of the top plate.
  • Ends of the cooling fins provided on the edge of the top plate may be vertically connected to the upper edge of the bottom cover.
  • the bottom cover includes a base plate forming a bottom surface; a wall frame forming a wall along the circumference of the base plate; And it may include a first cross beam partitioning the inner space surrounded by the base plate and the wall frame.
  • each battery module is disposed in a plurality of module accommodating parts formed by dividing the inner space by the first cross beam, and the top plate is in face-to-face contact with the first cross beam. It may include a second cross beam provided.
  • the second cross beam may be formed to be equal to or higher than the cooling fins.
  • the battery module may include a plurality of battery cells; and a module case accommodating the plurality of battery cells, and the module case may have a gas venting hole formed on an upper plate covering upper portions of the plurality of battery cells.
  • the gas venting hole may have a mesh structure.
  • the module case includes an upper plate portion disposed on top of the plurality of battery cells and containing cooling water therein; and a lower plate portion disposed under the plurality of battery cells and having a flow path through which cooling water flows, wherein the upper plate portion is capable of being thermally melted to a first upper plate in contact with the plurality of battery cells.
  • a spot and a second upper plate facing the first upper plate may include a gas venting hole capable of releasing gas to the outside and a venting cap formed of a heat-melting material to seal the gas venting hole.
  • the lower plate may include a first lower plate contacting the plurality of battery cells and a second lower plate facing the first lower plate, and may include a second melting spot capable of being thermally melted to the first lower plate. there is.
  • the first melting spot and the second melting spot are vertically symmetrical with at least one battery cell interposed therebetween. It may be provided symmetrically up and down with the cells interposed therebetween.
  • an electric vehicle including the battery pack described above may be provided.
  • the temperature and pressure thereof are lowered so that the venting gas can be discharged to the outside of the battery pack, thereby reducing risk factors due to venting gas emission.
  • thermal runaway of a battery pack can be prevented by minimizing thermal damage to other battery modules even when venting gas and sparks are generated in one battery module.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the battery pack of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a perspective view of the top plate of FIG. 2 viewed from the bottom.
  • FIG. 4 is a bottom view of the top plate of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 3 and showing a modified example of the top plate of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 4 and showing a modified example of the top plate of FIG. 3 .
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a bottom view of the upper plate of the module case of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of FIG. 8 .
  • FIG. 10 is a view for explaining a cooling and fire extinguishing system of the battery module of FIG. 7 .
  • FIG. 11 is a reference diagram for explaining an extinguishing mechanism when a specific battery cell is ignited in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a reference diagram for explaining a gas discharge situation of a specific battery cell in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of venting gas discharge of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the battery pack of FIG. 1 .
  • the battery pack 10 includes a pack case 100 and battery modules 200 accommodated inside the pack case 100 .
  • the pack case 100 is a component for protecting the battery modules 200 from external shock, etc., and may be made of a material having excellent mechanical strength, and as shown in FIGS. 1 and 2, the battery modules 200 It may include a bottom cover 110 prepared to accommodate and a top plate 120 provided to cover upper portions of the battery modules 200 and coupled vertically with the bottom cover 110 . Although not shown, when the bottom cover 110 and the top plate 120 are coupled, a coupling method such as bolting, welding, adhesion, or hooking may be applied.
  • the pack case 100 of the present invention includes cooling fins 121 disposed between the bottom cover 110 and the top plate 120 .
  • the top plate is configured to be supported at a predetermined height from the top of the bottom cover by the cooling fins, so that the venting gas can be discharged along the circumferential direction of the side of the pack case 100. This can be secured wide enough. Accordingly, even when venting gas is generated from the battery module 200 , deformation of the pack case 100 may be prevented because the venting gas is discharged smoothly.
  • the venting gas when the venting gas is discharged to the outside of the pack case 100, it can be cooled by the cooling fins 121, thereby minimizing the risk of ignition of other structures around the battery pack 10.
  • the battery module 200 has a gas vent 235 provided thereon.
  • the venting gas is discharged in the upper direction (Z-axis direction) of the battery module 200 through the gas venting hole 235, and then the upper part of the battery module 200. It is blocked by the top plate 120 covering and moves in the horizontal direction.
  • the temperature of the venting gas may be lowered by exchanging heat with the cooling fins 121 until the venting gas reaches the edge region of the top plate 120 .
  • the vortex phenomenon occurs significantly inside the pack case 100 until discharged to the outside of the pack case 100 .
  • the temperature of the venting gas may be remarkably lowered compared to a case where the cooling fins 121 are not used.
  • the cooling fins and the top plate may be made of a metal having excellent thermal conductivity, such as aluminum, in order to cool the venting gas.
  • each cooling fin 121 is on one surface of the top plate 120 facing the inside of the pack case 100 (toward the battery module). It may be provided in the shape of a thin plate-like body protruding vertically. Unlike the present embodiment, the cooling fin 121 may be replaced with various shapes such as a fin shape, a rod shape, and an elliptical shape.
  • the cooling fins 121 extend from one edge of the top plate 120 to the other edge in a first direction (Y-axis direction) that is the length direction of the top plate 120 or a second direction (X-axis direction) that is the width direction of the top plate 120 . It may be configured to be provided with a plurality at predetermined intervals according to the. For example, the cooling fins 121 may be distributed over the entire area of the top plate 120 except for the area of the second cross beam 123 to be described later, and may be composed of N rows and M columns.
  • the cooling fins 121 are configured so that all rows and columns match in front and rear, left and right, or, as in FIGS. 5 and 6 , a row and another row or a column and another column do not match in front and rear and left and right. It can be configured not to.
  • the arrangement structure of the cooling fins 121 as shown in FIG. 6 may be effective in generating more vortices due to a complicated discharge path of the venting gas. From this point of view, the arrangement structure of the cooling fins 121 as shown in FIG. 6 may be more advantageous in increasing the amount of heat dissipation of the venting gas.
  • the cooling fins 121 provided on the rim of the top plate 120, when the top plate 120 is coupled to the bottom cover 110, the ends of the cooling fins 121 of the bottom cover 110 It may be configured to be vertically connected to the upper edge.
  • pin insertion grooves are provided on the upper edge of the bottom cover 110, and the ends of the cooling fins 121 are inserted into the pin insertion grooves so that some of the cooling fins 121 are It can be connected vertically to the upper edge of the bottom cover 110.
  • the battery pack 10 has a structure in which the bottom cover 110 in which the battery modules 200 are accommodated is covered with the top plate 120 in which the cooling fins 121 are matched.
  • the venting gas generated from the battery module and rising vertically is blocked by the top plate 120, reducing the discharge pressure, and moves toward the side of the pack case.
  • the cooling fins 121 Heat exchange with the field and the top plate 120 can be actively made to cool.
  • the venting gas escapes to the outside of the pack case 100 through empty spaces O between the outermost cooling fins 121 along the circumferential direction of the side of the pack case 100 .
  • the pack case 100 includes the first cross beams 116a and 116b provided on the bottom cover 110 and the second cross beam 123 provided on the top plate 120. contains more
  • the bottom cover 110 includes a base plate forming a bottom surface and wall frames 112, 113, 114, and 115 forming a wall along the circumference of the base plate, and the base plate and the wall frames 112, 113, 114, and 115
  • the inner space surrounded by ) may be configured to be partitioned by the first cross beams 116a and 116b. That is, as shown in FIG.
  • the first cross beams 116a and 116b include a first horizontal beam 116a and a first vertical beam 116b, and one end of the first horizontal beam 116a is a front frame ( 112) and the other end is connected to the rear frame 113, and the first vertical beam 116b has one end connected to the left side frame 114 and the other end connected to the right side frame 115. It can be configured .
  • each battery module 200 is disposed in each module accommodating portion S. can be placed.
  • the second cross beam 123 includes a second horizontal beam 123a and a second vertical beam 123b formed equal to or higher than the cooling fins 121, ,
  • the second horizontal beam 123a extends in the first direction (Y-axis direction) of the top plate 120
  • the second vertical beam 123b extends in the second direction (X-axis direction) of the top plate 120.
  • the second horizontal beam 123a and the second vertical beam 123b are respectively connected to the first horizontal beam 116a and the second vertical beam 123b. It may be provided to make face-to-face contact with the first vertical beam 116b in a vertical direction.
  • the battery modules 200 can be spatially blocked by the first cross beams 116a and 116b and the second cross beam 123.
  • the electrical connection between the battery modules 200 may be electrically connected by partially embedding a wiring means such as a cable into the second cross beam 123 so that the battery modules 200 are electrically connected by the wiring means.
  • the battery pack 10 of the present invention even if a venting gas or a spark is generated in one battery module 200, propagation of the venting gas or spark to the other battery modules 200 can be prevented. Accordingly, when one battery module 200 is ignited, secondary ignition due to thermal runaway caused by heat propagating to another adjacent battery module 200 can be prevented.
  • Figure 7 is a schematic perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 8 is a bottom view of the upper plate of the module case of Figure 7
  • Figure 9 is a cross-sectional view of Figure 8
  • Figure 10 is the battery of Figure 7 It is a drawing for explaining the cooling and fire extinguishing system of the module.
  • the battery module 200 includes a cell stack composed of a plurality of battery cells 210 and a module case 220 accommodating the cell stack.
  • a pouch type battery cell 210 may be employed as the battery cell 210 .
  • the pouch-type battery cell 210 is a substantially plate-shaped battery cell 210 in which an electrode assembly and an electrolyte are sealed and housed in a pouch-type exterior material, and since it is widely known at the time of filing of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
  • the pouch type battery cells 210 are respectively erected in the vertical direction ( ⁇ Z) and stacked in the left and right direction ( ⁇ Y) with their wide surfaces facing each other to form a cell stack.
  • a buffer pad or a cooling fin in the form of a thin plate may be further interposed between the pouch type battery cells 210 for the purpose of absorbing swelling or transferring heat.
  • the battery cells 210 may expand due to gas generated as a by-product of expansion and contraction of the electrode assembly and charge and discharge during repetitive charging and discharging processes.
  • a hollow barrier rib 250 may be added between the battery cells 210 to absorb the expansion force of the battery cells 210 and minimize deformation of the module case 220 .
  • the upper and lower edges of the battery cells 210 are fixed to the module case with thermally conductive adhesive, and the coolant W1 is in indirect contact to cool the battery cells 210 can be configured to do so.
  • the module case 220 may be made of a material having high mechanical rigidity and formed in a substantially hexahedral box shape in order to accommodate the cell stack and protect it from external shock or vibration.
  • the module case 220 of this embodiment includes an upper plate portion 230 disposed above the cell stack, a lower plate portion 240 disposed below the cell stack, and a cell stack. It may be configured in the form of a substantially hexahedral box including four side wall portions 260 surrounding the periphery.
  • the side wall portion 260 is a combination of four plates consisting of a front/rear cover plate covering the front and rear parts of the cell stack and a pair of side plates covering the side surface of the cell stack. can
  • the module case 220 effectively cools the battery cells 210 in normal times and quickly suppresses ignition of the battery cells 210 in the event of a fire. It can be configured to act as a sink.
  • the heat sink refers to a cooling component used to absorb heat by having a flow path through which the cooling water W1 flows.
  • the battery module 200 is composed of a cooling water storage tank at the top and a heat sink at the bottom, so that the battery module 200 is normally cooled and water in the cooling water storage tank is injected into the battery module 200 in an emergency. It is made possible
  • the top plate 230 of the module case 220 includes a first upper plate 231 in contact with a plurality of battery cells 210 and a surface facing the first upper plate 231.
  • a second upper plate 232 is included.
  • the first upper plate 231 includes a plurality of first melting spots 233 that can be thermally melted, and the second upper plate 232 has a gas venting hole 235 capable of discharging gas to the outside. And sealing the gas venting hole 235, but may be configured to have a venting hole cap 236 formed of a material that can be melted.
  • the first upper plate 231 may be made of aluminum (Al) having excellent thermal conductivity
  • the second upper plate 232 may be made of steel having excellent rigidity.
  • the first upper plate 231 and the second upper plate 232 made of different materials may be heterojoined by, for example, brazing welding.
  • the upper plate 230 having a heterojunction structure of the first upper plate 231 of aluminum and the second upper plate 232 of steel has a high heat absorption rate for the battery cells 210, and high temperature venting gas or It has the advantage of excellent durability against sparks.
  • the scope of the present invention is not limited to a heat sink made of aluminum and steel. That is, when manufacturing the upper plate portion 230, both the first upper plate 231 and the second upper plate 232 are made of aluminum for ease of manufacturing process and light weight, or other materials other than aluminum that are lightweight and have excellent rigidity are used. material can also be used.
  • the lower plate 240 of the module case 220 includes a first lower plate 241 in contact with the plurality of battery cells 210 and a second lower plate 242 facing the first lower plate 241. and a second melting spot 243 that can be thermally melted to the first lower plate 241.
  • the lower plate part 240 has a passage through which cooling water flows, and an inlet port P1 and an outlet port P2 may be connected to one side and the other side of the passage for circulation of the cooling water. Accordingly, the coolant W1 may be supplied to the flow path through the inlet port P1 and discharged to the outside through the outlet port P2.
  • the edge portions of the battery cells 210 can be cooled.
  • the first melting spot 233 of the upper plate 230 and the second melting spot 243 of the lower plate 240 are melted and the upper plate 230
  • the cooling water stored in flows into the module case 220 and can be used to extinguish the battery cell 210.
  • the first melting spot 233 and the second melting spot 243 may be provided at vertically symmetric positions with at least one battery cell 210 interposed therebetween, and may have substantially the same configuration.
  • the first melting spot 233 may be composed of a through hole 237 formed in the thickness direction of the first upper plate 231 and a sealing cap formed of a material capable of being thermally melted, and the second melting spot 233 may be formed.
  • the spot 243 may be composed of a through hole and a sealing cap.
  • a plastic resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP) may be used as a material for the sealing cap.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the sealing cap made of plastic and the first upper plate 231 or the first lower plate 241 made of aluminum may be integrally molded by an insert injection method.
  • the sealing cap may be replaced with other materials such as rubber having thermal meltability and sealing properties.
  • the sealing caps located on the top and bottom of the battery cell 210 are caused by the heat generated from the battery cell 210 and the high-temperature venting gas. This heat melts and disappears, and accordingly, the cooling water W1 in the upper plate portion 230 is directly injected into the corresponding battery cell 210 through the through hole. In this case, it is possible to quickly extinguish the battery cell 210 that has ignited the first time, which is effective in preventing heat diffusion to surrounding battery cells 210 .
  • a venting gas and a high-temperature spark may be introduced into the inner space of the upper plate 230 through which the cooling water is drained.
  • the venting cap 236 blocking the gas venting hole 235 is melted or lost by heat, so that the gas venting hole 235 can be opened.
  • the gas venting hole 235 is provided in a mesh structure, it filters out high-temperature sparks and allows only the venting gas to be discharged out of the upper plate 230 .
  • the high-temperature spark means an active material detached from an electrode inside the battery cell 210 or molten aluminum particles.
  • the inside of the top plate 230 becomes an empty space after the coolant W1 is injected into the corresponding battery cell 210 through the through hole in the inside of the top plate 230 .
  • the empty space created in the upper plate portion 230 is used as a gas discharge passage.
  • the venting gas rapidly flows due to the pressure difference between the inside and outside of the module case 220. Gas may be discharged to the outside through the venting hole 235 . At this time, the flame or spark may be extinguished due to a decrease in temperature or may be filtered through the gas venting hole 235 having a mesh structure.
  • the venting gas coming out of the battery module 200 through the gas venting hole 235 may be discharged to the outside of the pack case 100 as shown in FIG. 13 .
  • the four battery modules 200 are spaced by the first cross beams 116a and 116b of the bottom cover 110 and the second cross beam 123 of the top plate 120. Since it is configured to be accommodated in the pack case 100 in a blocked state, as shown in FIG. 13, if the venting gas generated from the battery module 200 located in the area 1 is inside the pack case 100, the areas 2, 3, 4 It can be discharged to the outside of the pack case 100 in a state where the temperature is reduced without being diffused into.
  • the battery pack 10 of the present invention even if a high-temperature venting gas is generated in any battery module 200, its temperature and pressure are lowered so that it can be discharged to the outside of the battery pack 10. Risk factors caused by venting gas emissions can be reduced. Also, thermal runaway of the battery pack 10 may be prevented by minimizing thermal damage to other battery modules 200 .
  • the battery pack 10 may further include various devices for controlling charging and discharging of the battery modules 200, such as a battery management system (BMS), a current sensor, and a fuse. .
  • BMS battery management system
  • a current sensor current sensor
  • a fuse fuse
  • the battery pack according to the present invention can be applied to vehicles such as electric vehicles or hybrid vehicles. That is, the vehicle according to the present invention may include the battery pack according to the present invention.
  • the battery pack may be installed in a body frame or a trunk space under a vehicle seat, and may be placed upside down with the top plate of the pack case facing down as needed when installed in a vehicle.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 모듈; 및 상기 배터리 모듈을 내부에 수용하도록 마련된 팩 케이스;를 포함하며, 상기 팩 케이스는 상기 배터리 모듈을 수용하는 바틈 커버; 및 상기 팩 케이스의 내부 방향을 향하는 일면에 돌출 형성된 쿨링 핀들을 구비하고 상기 배터리 모듈의 상부가 커버되도록 상기 바틈 커버와 상하로 결합되는 탑 플레이트를 포함하고, 상기 배터리 모듈에서 생성된 벤팅 가스가 상기 쿨링 핀들 사이에 형성되는 빈 공간들을 통해 상기 팩 케이스 외부로 배출되게 마련될 수 있다.

Description

쿨링 핀들이 합치된 팩 케이스를 구비한 배터리 팩
본 출원은 2021년 07월 07일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0089364호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 일부 배터리 모듈에서 고온 벤팅 가스 발생시 상기 벤팅 가스의 온도와 압력을 낮추기 위한 배터리 팩에 관한 것이다.
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.
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.
그러나 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈들의 개수가 증가할수록 화재 및 폭발 가능성과 이로 인한 피해는 더 커질 수밖에 없다.
예컨대, 일부 배터리 모듈에서 리튬 이차전지 간의 쇼트 또는 비이상적 온도 상승 등과 같은 이벤트가 발생할 경우, 상기 리튬 이차전지들에서 다량의 벤팅 가스가 발생할 수 있으며, 열화가 심화되면 벤팅 가스와 더불어 전극 활물질과 알루미늄 입자 등을 포함한 고온의 스파크가 분출될 수 있다. 이때 상기 벤팅 가스 및 고온의 스파크가 인접 배터리 모듈에 열적 데미지를 주게 되고 이 때문에 다른 배터리 모듈들에 추가 이벤트가 일어날 우려가 매우 커진다. 또한, 고온의 스파크와 벤팅 가스는 배터리 팩 외부로 배출된 후에도 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩 등에 열적 데미지를 줄 수 있다.
따라서 어떤 배터리 모듈의 이벤트 발생시, 벤팅 가스나 고온의 스파크로 인한 위험을 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 어떤 배터리 모듈에서 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 그 온도와 압력을 낮추어 배터리 팩 외부로 배출될 수 있도록 하여 벤팅 가스 배출로 인한 위험 요인을 줄이는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 어떤 배터리 모듈에서 벤팅 가스와 스파크가 발생하더라도 다른 배터리 모듈들이 받을 열적 데미지를 최소화하여 배터리 팩의 열폭주를 방지하는 것을 다른 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, 배터리 모듈; 및 상기 배터리 모듈을 내부에 수용하도록 마련된 팩 케이스;를 포함하며, 상기 팩 케이스는, 상기 배터리 모듈을 수용하는 바틈 커버; 및 상기 팩 케이스의 내부 방향을 향하는 일면에 돌출 형성된 쿨링 핀들을 구비하고 상기 배터리 모듈의 상부가 커버되도록 상기 바틈 커버와 상하로 결합되는 탑 플레이트를 포함하고, 상기 배터리 모듈에서 생성된 벤팅 가스가 상기 쿨링 핀들 사이에 형성되는 빈 공간들을 통해 상기 팩 케이스 외부로 배출되게 구성된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 쿨링 핀들은 상기 탑 플레이트의 일측 가장자리에서 타측 가장자리까지 상기 탑 플레이트의 길이 방향인 제1 방향 또는 너비 방향인 제2 방향을 따라 복수 개가 구비될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 테두리에 구비되는 쿨링 핀들은 그 끝단이 상기 바틈 커버의 상단 테두리에 상하로 연결될 수 있다.
상기 바틈 커버는 저면을 형성하는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 벽체를 형성하는 벽체 프레임; 및 상기 베이스 플레이트와 상기 벽체 프레임으로 에워싸인 내부 공간을 구획화시키는 제1 크로스 빔을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은 복수 개이고, 각 상기 배터리 모듈은 상기 내부 공간이 상기 제1 크로스 빔에 의해 구획되어 형성된 복수 개의 모듈 수용부에 배치되고, 상기 탑 플레이트는 상기 제1 크로스 빔과 상하로 대면 접촉하도록 마련된 제2 크로스 빔을 포함할 수 있다.
상기 제2 크로스 빔은 상기 쿨링 핀들과 동일하거나 더 높게 형성될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들; 및 상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;를 포함하고, 상기 모듈 케이스는 상기 복수의 배터리 셀들의 상부를 커버하는 상판부에 가스 벤팅구가 형성될 수 있다.
상기 가스 벤팅구는 메쉬 구조로 마련될 수 있다.
상기 모듈 케이스는, 상기 복수의 배터리 셀의 상부에 배치되고 내부에 냉각수가 들어 있는 상판부; 및 상기 복수의 배터리 셀들의 하부에 배치되고 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비한 하판부를 포함하고, 상기 상판부는 상기 복수의 배터리 셀과 접하는 제1 상부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제1 멜팅 스팟;과 상기 제1 상부 플레이트와 마주하는 제2 상부 플레이트에 외부로 가스 방출이 가능한 상기 가스 벤팅구와 상기 가스 벤팅구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 벤팅구 캡을 구비할 수 있다.
상기 하판부는 상기 복수의 배터리 셀들과 접하는 제1 하부 플레이트와 상기 제1 하부 플레이트와 마주하는 제2 하부 플레이트를 구비하고, 상기 제1 하부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제2 멜팅 스팟을 구비할 수 있다.
상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 어떤 배터리 모듈에서 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 그 온도와 압력을 낮추어 배터리 팩 외부로 배출될 수 있도록 하여 벤팅 가스 배출로 인한 위험 요인을 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 어떤 배터리 모듈에서 벤팅 가스와 스파크가 발생하더라도 다른 배터리 모듈들이 받을 열적 데미지를 최소화하여 배터리 팩의 열폭주를 방지할 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 부분 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 탑 플레이트를 하부에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 3의 탑 플레이트의 저면도이다.
도 5는 도 3에 대응하는 도면으로 도 3의 탑 플레이트의 변형예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에 대응하는 도면으로 도 3의 탑 플레이트의 변형예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 8은 도 7의 모듈 케이스의 상판부의 저면도이다.
도 9는 도 8의 단면도이다.
도 10은 도 7의 배터리 모듈의 냉각 및 소화시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 특정 배터리 셀의 발화시 소화 메카니즘을 설명하기 위한 참고 도면이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 특정 배터리 셀의 가스 배출 상황을 설명하기 위한 참고 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 벤팅 가스 배출 예를 나타낸 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 부분 분해 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 팩 케이스(100)와 상기 팩 케이스(100) 내부에 수용되는 배터리 모듈(200)들을 포함한다.
팩 케이스(100)는 외부 충격 등으로부터 배터리 모듈(200)들을 보호하기 위한 구성품으로서, 기계적 강성이 우수한 재질로 마련될 수 있으며, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이,배터리 모듈(200)들을 수용할 수 있게 마련된 바틈 커버(110)와, 배터리 모듈(200)들의 상부를 커버하며 상기 바틈 커버(110)와 상하로 결합될 수 있게 마련된 탑 플레이트(120)를 포함할 수 있다. 미도시 하였으나, 상기 바틈 커버(110)와 상기 탑 플레이트(120)의 결합할 때, 예컨대 볼팅, 용접, 접착, 후킹 등의 결합 방식이 적용될 수 있다.
자세히 후술하겠으나, 본 발명의 팩 케이스(100)는 상기 바틈 커버(110)와 상기 탑 플레이트(120) 사이에 배치되는 쿨링 핀(121)들을 포함한다. 이를테면 도 1과 같이, 탑 플레이트가 바틈 커버의 상단으로부터 상기 쿨링 핀들에 의해 소정 높이만큼 이격되게 지지되는 형태로 구성됨으로서 팩 케이스(100)의 측면 둘레 방향을 따라 벤팅 가스가 배출될 수 있는 배출 면적이 충분히 넓게 확보될 수 있다. 이에 따라 배터리 모듈(200)에서 벤팅 가스가 발생하더라도, 벤팅 가스 배출이 원활해 팩 케이스(100)의 변형이 방지될 수 있다. 또한, 상기 벤팅 가스가 팩 케이스(100) 외부로 배출될 때, 쿨링 핀(121)들에 의해 냉각될 수 있어 배터리 팩(10) 주변의 다른 구조물들의 발화 위험을 최소화할 수 있다.
이하에서 이러한 팩 케이스(100) 구성에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 가스 벤팅구(235)가 상부에 구비된다. 배터리 모듈(200) 내부에서 벤팅 가스가 발생하면 상기 벤팅 가스는 상기 가스 벤팅구(235)를 통해 배터리 모듈(200)의 상부 방향(Z축 방향)으로 배출되며, 이후 배터리 모듈(200)의 상부를 덮고 있는 탑 플레이트(120)에 가로막혀 수평 방향으로 이동하게 된다. 이때, 벤팅 가스가 탑 플레이트(120)의 테두리 영역에 도달할 때까지 쿨링 핀(121)들과 열교환을 하게 됨으로써 벤팅 가스의 온도가 저하될 수 있다. 특히, 팩 케이스(100) 외부로 배출되기까지 팩 케이스(100) 내부에 와류 현상이 현저하게 많이 일어난다. 이에 따라 벤팅 가스와 쿨링 핀(121)들을 포함한 탑 플레이트(120) 간의 열 교환량이 많아져 쿨링 핀(121)들을 사용하지 않는 경우에 비해 벤팅 가스의 온도가 현저히 떨어질 수 있다. 상기 쿨링 핀들과 탑 플레이트는, 벤팅 가스의 냉각을 위해, 알루미늄과 같이 열 전도성이 우수한 금속으로 제작될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 각 쿨링 핀(121)은, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 팩 케이스(100)의 내부 방향(배터리 모듈 쪽)을 향하는 탑 플레이트(120)의 일면에 수직하게 돌출된 얇은 판상체 형상으로 마련될 수 있다. 상기 쿨링 핀(121)은 본 실시예와 다르게 예컨대 핀 형상, 봉 형상, 타원 형상 등 다양한 형상으로 대체될 수도 있다.
또한, 쿨링 핀(121)들은 탑 플레이트(120)의 일측 가장자리에서 타측 가장자리까지 탑 플레이트(120)의 길이 방향인 제1 방향(Y축 방향) 또는 너비 방향인 제2 방향(X축 방향)을 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 구비되게 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 쿨링 핀(121)들은 후술할 제2 크로스 빔(123) 영역을 제외하고 탑 플레이트(120)의 전 영역에 걸쳐 분포하며, N개의 행과 M개의 열로 구성될 수 있다.
도 3 내지 도 4와 같이, 쿨링 핀(121)들은 모든 행과 열이 전후좌우로 일치하도록 구성되거나 도 5 내지 도 6과 같이, 어떤 행과 다른 행 또는 어떤 열과 다른 열이 전후좌우로 일치하지 않도록 구성될 수 있다.
도 6과 같은 쿨링 핀(121)들의 배열 구조는, 도 4와 같은 쿨링 핀(121)들의 배열 구조에 비해, 벤팅 가스의 배출 경로가 복잡하여 더 많은 와류를 생성하는데 효과적일 수 있다. 이러한 관점에서 도 6과 같은 쿨링 핀(121)들의 배열 구조가 벤팅 가스의 방열량을 증대시키는데 더 유리할 수 있다.
상기 쿨링 핀(121)들 중 탑 플레이트(120)의 테두리에 구비되는 쿨링 핀(121)들은, 탑 플레이트(120)를 바틈 커버(110)에 결합시, 그 끝단이 상기 바틈 커버(110)의 상단 테두리에 상하로 연결되게 구성될 수 있다. 예컨대, 바틈 커버(110)의 상단 테두리에 핀 삽입홈들(미도시)이 구비되고, 상기 쿨링 핀(121)들의 끝단이 상기 핀 삽입홈에 삽입되도록 하여 상기 쿨링 핀(121)들 중 일부가 상기 바틈 커버(110)의 상단 테두리에 상하로 연결되게 할 수 있다.
위와 같이, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(200)들이 수용된 바틈 커버(110)를 쿨링 핀(121)들이 합치된 탑 플레이트(120)로 덮는 구조로 이루어져 있다. 이에 배터리 모듈에서 발생하여 수직 상승하게 되는 벤팅 가스가 탑 플레이트(120)에 의해 가로막혀 배출 압력이 감소하게 되고 팩 케이스의 측면 방향으로 이동하게 되며, 측면 방향으로 이동하는 과정에서 쿨링 핀(121)들 및 탑 플레이트(120)와 열교환이 활발하게 이루어져 냉각될 수 있다. 상기 벤팅 가스는 팩 케이스(100)의 측면 둘레 방향으로 따라 최외곽 쿨링 핀(121)들 사이의 빈 공간(O)들 통해 팩 케이스(100) 외부로 빠져나가게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 케이스(100)는 바틈 커버(110)에 구비되는 제1 크로스 빔(116a, 116b)과 탑 플레이트(120)에 구비되는 제2 크로스 빔(123)을 더 포함한다.
다시 도 2를 참조하면, 바틈 커버(110)는 저면을 형성하는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 벽체를 형성하는 벽체 프레임(112,113,114,115)을 포함하며, 상기 베이스 플레이트와 상기 벽체 프레임(112,113,114,115)으로 에워싸인 내부 공간은 상기 제1 크로스 빔(116a, 116b)으로 구획되도록 구성될 수 있다. 즉, 도 2와 같이, 상기 제1 크로스 빔(116a, 116b)은 제1 가로 빔(116a)과 제1 세로 빔(116b)을 포함하고 상기 제1 가로 빔(116a)은 일단이 프런트 프레임(112)에 연결되고 타단이 리어 프레임(113)에 연결되며 상기 제1 세로 빔(116b)은 일단이 좌측 사이드 프레임(114)에 연결되고 타단이 우측 사이드 프레임(115)에 연결되게 구성될 수 있다.
이러한 본 실시예의 제1 크로스 빔(116a, 116b)에 의하면 바틈 커버(110)에는 4개의 모듈 수용부(S)가 형성될 수 있고, 각 모듈 수용부(S)에 각 배터리 모듈(200)이 배치될 수 있다.
이어서, 도 3 또는 도 5를 참조하면, 상기 제2 크로스 빔(123)은 쿨링 핀(121)들과 동일하거나 더 높게 형성된 제2 가로 빔(123a)과 제2 세로 빔(123b)을 포함하고, 상기 제2 가로 빔(123a)은 탑 플레이트(120)에 제1 방향(Y축 방향)으로 연장 배치되고 상기 제2 세로 빔(123b)은 탑 플레이트(120)의 제2 방향(X축 방향)으로 연장 배치되며, 탑 플레이트(120)와 바틈 커버(110)를 상하로 결합한 때, 상기 제2 가로 빔(123a)과 상기 제2 세로 빔(123b)이 각각 제1 가로 빔(116a)과 제1 세로 빔(116b)과 상하로 대면 접촉하도록 마련될 수 있다.
따라서 탑 플레이트(120)와 바틈 커버(110)를 상하로 결합한 때 배터리 모듈(200)들은 상기 제1 크로스 빔(116a, 116b)과 상기 제2 크로스 빔(123)에 의해 공간적으로 차단될 수 있다. 참고로, 배터리 모듈(200)들 간의 전기적 연결은 제2 크로스 빔(123)의 내부에 케이블 등과 같은 배선 수단을 부분적으로 매입하여 배터리 모듈(200)들이 상기 배선 수단에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
이 같은 본 발명의 배터리 팩(10) 구성에 의하면, 어느 하나의 배터리 모듈(200)에서 벤팅 가스 내지 스파크가 발생하더라도 상기 벤팅 가스 내지 스파크가 다른 배터리 모듈(200)들에 전파되는 것을 막을 수 있다. 따라서 어떤 배터리 모듈(200)의 발화시 인접한 다른 배터리 모듈(200)로 열이 전파되어 생기는 열폭주 현상에 의한 2차 발화를 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 8은 도 7의 모듈 케이스의 상판부의 저면도이며, 도 9는 도 8의 단면도이고, 도 10은 도 7의 배터리 모듈의 냉각 및 소화시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 이들 도면들 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은, 복수의 배터리 셀(210)들로 이루어진 셀 적층체와 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스(220)를 포함한다.
상기 배터리 셀(210)로는 파우치형 배터리 셀(210)이 채용될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(210)은 전극 조립체와 전해액을 파우치 타입의 외장재로 밀봉 수납한 대략 판상형의 배터리 셀(210)로서 본 발명의 출원 시점에 널리 공지된 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 파우치형 배터리 셀(210)들을 각각 상하 방향(±Z)으로 세우고 넓은 면이 서로 대면하게 좌우 방향(±Y)으로 적층하여 셀 적층체를 형성한다. 상기 파우치형 배터리 셀(210)들 사이에는 스웰링 흡수 또는 열전달 목적으로 완충패드 또는 박판 형태의 냉각핀 등이 더 개재될 수도 있다.
배터리 셀(210)들은 반복적인 충방전 과정에서 전극조립체의 팽창과 수축, 충방전의 부산물로 생성된 가스로 인해 팽창할 수 있다. 이때의 배터리 셀(210)들의 팽창력을 흡수하고 모듈 케이스(220)의 변형을 최소화하기 위해 배터리 셀(210)들 사이에 중공 구조의 격벽(250)이 추가될 수 있다.
특히, 본 실시예의 배터리 모듈(200)은 상기 배터리 셀(210)들의 상단 에지와 하단 에지를 각각 열 전도성 접착제로 모듈 케이스에 고정하고 냉각수(W1)가 간접 접촉되도록 하여 배터리 셀(210)들을 냉각할 수 있게 구성될 수 있다.
상기 모듈 케이스(220)는 상기 셀 적층체를 수용하고 외부의 충격이나 진동으로부터 보호하기 위해 기계적 강성이 높은 재질로 마련되고 대략 6면체 박스 형태로 마련될 수 있다. 이를테면, 본 실시예의 모듈 케이스(220)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 셀 적층체의 상부에 배치되는 상판부(230), 셀 적층체의 하부에 배치되는 하판부(240) 및 셀 적층체의 둘레를 감싸는 4면의 측벽부(260)를 포함하는 대략 6면체 박스 형태로 구성될 수 있다. 개략적으로 도시하였으나, 상기 측벽부(260)는 셀 적층체의 전면부와 후면부를 커버하는 전/후면 커버 플레이트와 셀 적층체의 측면부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트로 이루어진 4개의 플레이트를 결합한 것일 수 있다.
상기 모듈 케이스(220)는 평상시 배터리 셀(210)들을 효과적으로 냉각하고 화재 발생시 배터리 셀(210)들의 발화를 신속히 진압하기 위해 상판부(230)는 냉각수 저장탱크 역할을 하고, 하판부(240)는 히트싱크 역할을 하도록 구성될 수 있다. 여기서 히트싱크는 내부에 냉각수(W1)가 흐를 수 있는 유로를 구비하여 열을 흡수하는데 사용되는 냉각 부품을 의미한다.
즉, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 상부가 냉각수 저장탱크이고 하부가 히트싱크로 구성됨으로써 평상시 배터리 모듈(200)을 냉각하고 비상시 냉각수 저장탱크의 물이 배터리 모듈(200) 내부로 주입될 수 있게 이루어져 있다.
이하에서 이러한 배터리 모듈(200)의 냉각 및 소화 구조를 자세히 설명한다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 모듈 케이스(220)의 상판부(230)는 복수의 배터리 셀(210)들과 접하는 제1 상부 플레이트(231)와, 상기 제1 상부 플레이트(231)와 마주하는 제2 상부 플레이트(232)를 포함한다. 그리고 상기 제1 상부 플레이트(231)는 열 용융될 수 있는 제1 멜팅 스팟(233)을 복수 개 구비하고, 상기 제2 상부 플레이트(232)는 외부로 가스 방출이 가능한 상기 가스 벤팅구(235)와 상기 가스 벤팅구(235)를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 벤팅구 캡(236)을 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 상부 플레이트(231)는 열전도성이 우수한 알루미늄(Al)으로 마련되고, 상기 제2 상부 플레이트(232)는 강성이 우수한 스틸(Steel)로 마련될 수 있다. 이종 재질인 상기 제1 상부 플레이트(231)와 상기 제2 상부 플레이트(232)는 예컨대 블레이징(brazing) 용접에 의해 이종 접합될 수 있다.
이처럼 알루미늄의 제1 상부 플레이트(231)와 스틸 재질의 제2 상부 플레이트(232)를 이종 접합한 구조의 상판부(230)는 배터리 셀(210)들에 대한 열 흡수율이 높으며, 고온의 벤팅 가스나 스파크에 대한 내구성이 우수한 장점을 갖는다. 다만, 본 발명의 권리범위가 알루미늄과 스틸로 이종 접합한 히트싱크에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 상판부(230)의 제작시, 제작 공정의 용이성과 경량화를 위해 상기 제1 상부 플레이트(231)와 상기 제2 상부 플레이트(232)를 모두 알루미늄 재질로 하거나 알루미늄 이외에도 경량이면서 강성이 우수한 다른 재질을 사용할 수도 있다.
모듈 케이스(220)의 하판부(240)는 복수의 배터리 셀(210)들과 접하는 제1 하부 플레이트(241)와 상기 제1 하부 플레이트(241)와 마주하는 제2 하부 플레이트(242)를 구비하고, 상기 제1 하부 플레이트(241)에 열 용융될 수 있는 제2 멜팅 스팟(243)을 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 하판부(240)는 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비하고, 상기 냉각수의 순환을 위해 유로의 일측과 타측에 인렛 포트(P1)와 아웃렛 포트(P2)가 연결될 수 있다. 이에 냉각수(W1)는 상기 인렛 포트(P1)를 통해 유로에 공급되고 상기 아웃렛 포트(P2)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이 같이, 내부에 냉각수를 포함하고 있고, 배터리 셀(210)들의 양단 에지에 접하는 상기 상판부(230)와 상기 하판부(240) 구성으로, 배터리 셀(210)들은 양쪽 에지부가 냉각될 수 있다.
즉, "배터리 셀(210)들의 상단 에지 => 상판부(230)의 알루미늄 재질의 제1 상부 플레이트(231) => 냉각수(W1)"로 이어지는 방열 경로와 "배터리 셀(210)들의 하단 에지 => 하판부(240)의 알루미늄 재질의 제1 하부 플레이트(241) => 냉각수(W1)" 로 이어지는 방열 경로를 통해 배터리 셀(210)들을 냉각시킬 수 있다.
이어서, 배터리 모듈(200)의 소화시스템 구성에 대해 살펴본다.
어떤 배터리 셀(210)의 온도가 비정상적으로 높아지거나, 발화할 경우, 상판부(230)의 제1 멜팅 스팟(233)과 하판부(240)의 제2 멜팅 스팟(243)의 용융되어 상판부(230)에 저장된 냉각수가 모듈 케이스(220) 내부로 유입되고 상기 배터리 셀(210)의 소화하는데 사용될 수 있다.
상기 제1 멜팅 스팟(233)과 상기 제2 멜팅 스팟(243)은 적어도 하나의 상기 배터리 셀(210)을 사이에 두고 상하로 대칭된 위치에 구비되고, 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 제1 멜팅 스팟(233)은 제1 상부 플레이트(231)의 두께 방향으로 형성된 관통구(237)와, 열 용융 가능한 소재로 형성된 실링 캡으로 구성될 수 있고, 제2 멜팅 스팟(243)은 상기 제1 멜팅 스팟(233)과 마찬가지로 관통구와 실링 캡으로 구성될 수 있다.
상기 실링 캡의 소재로는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)과 같은 플라스틱 수지가 사용될 수 있다. 예컨대, 플라스틱 소재의 실링 캡과 전술한 알루미늄 소재의 제1 상부 플레이트(231) 또는 제1 하부 플레이트(241)는 인서트 사출공법으로 일체로 성형될 수 있다. 상기 실링 캡은 열 용융성과 실링성을 갖는 고무 등과 같은 다른 소재로 대체될 수도 있다.
상기 구성에 의하면, 도 11과 같이, 어떤 배터리 셀(210)이 발화할 경우, 해당 배터리 셀(210)에서 발생한 열과 고온의 벤팅 가스에 의해 해당 배터리 셀(210)의 상부 및 하부에 위치한 실링 캡이 열 용융되어 소실되고 이에 따라 상판부(230)에서 냉각수(W1)가 관통구를 통해 해당 배터리 셀(210)로 바로 투입된다. 이 경우 최초 발화한 배터리 셀(210)을 빠르게 소화시킬 수 있어 주변 배터리 셀(210)들로의 열 확산을 막는데 효과적이다.
그리고 도 12에 도시한 바와 같이, 냉각수가 빠져나간 상판부(230)의 내부 공간으로 벤팅 가스와 고온의 스파크가 유입될 수 있다. 이때, 가스 벤팅구(235)를 막고 있던 벤팅구 캡(236)이 열 용융되거 소실되어 가스 벤팅구(235)가 개방될 수 있다. 이러한 가스 벤팅구(235)는 메쉬 구조로 마련됨으로서, 고온의 스파크는 걸러내고 벤팅 가스만 상판부(230) 밖으로 배출될 수 있도록 한다. 여기서 상기 고온의 스파크는 배터리 셀(210) 내부의 전극에서 탈리된 활물질이나 용융된 알루미늄 입자 등을 의미한다.
즉, 배터리 셀(210)이 발화할 경우, 냉각수(W1)가 상판부(230)의 내부에서 관통구를 통해 해당 배터리 셀(210)로 투입되고 나면 상판부(230)의 내부는 빈 공간이 된다. 이때 상판부(230)에 생겨난 빈 공간이 가스 배출 통로로 활용되는 것이다. 고온의 벤팅 가스와 스파크가 관통구(237)를 통해 상판부(230)의 내부로 들어와 벤팅구 캡(236)이 열 용융되어 소실되면 모듈 케이스(220) 내외부의 압력차에 벤팅 가스가 빠른 속도로 가스 벤팅구(235)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이때 화염이나 스파크는 온도 저하로 소멸하거나 메쉬 구조의 가스 벤팅구(235)에서 필터링될 수 있다.
이렇게 가스 벤팅구(235)를 통해 배터리 모듈(200) 외부로 나온 벤팅 가스는 도 13에 도시한 바와 같이, 팩 케이스(100) 외부로 배출될 수 있다.
전술한 바 있듯이, 본 실시예는 4개의 배터리 모듈(200)들이 바틈 커버(110)의 제1 크로스 빔(116a, 116b)과 탑 플레이트(120)의 제2 크로스 빔(123)에 의해 공간적으로 차단된 상태로 팩 케이스(100)에 수납되게 구성되어 있음으로, 만약 도 13과 같이, ① 영역에 위치한 배터리 모듈(200)에서 발생한 벤팅 가스는 팩 케이스(100) 내부에서 ②,③,④ 영역으로 확산되지 않고 온도가 저감된 상태로 팩 케이스(100) 외부로 배출될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 배터리 팩(10)의 구성에 의하면, 어떤 배터리 모듈(200)에서 고온의 벤팅 가스가 발생하더라도 그 온도와 압력을 낮추어 배터리 팩(10) 외부로 배출될 수 있도록 하여 벤팅 가스 배출로 인한 위험 요인을 줄일 수 있다. 또한, 다른 배터리 모듈(200)들이 받을 열적 데미지를 최소화하여 배터리 팩(10)의 열폭주를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 미도시 하였으나, 배터리 모듈(200)들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은 차량 좌석 하부의 차체 프레임 또는 트렁크 공간에 설치될 수 있으며, 차량에 설치시 필요에 따라 팩 케이스의 탑 플레이트가 아래로 오게 상하를 꺼꾸로 뒤집은 상태로 배치할 수도 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 (12)

  1. 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈을 내부에 수용하도록 마련된 팩 케이스;를 포함하며,
    상기 팩 케이스는,
    상기 배터리 모듈을 수용하는 바틈 커버; 및
    상기 팩 케이스의 내부 방향을 향하는 일면에 돌출 형성된 쿨링 핀들을 구비하고 상기 배터리 모듈의 상부가 커버되도록 상기 바틈 커버와 상하로 결합되는 탑 플레이트를 포함하고,
    상기 배터리 모듈에서 생성된 벤팅 가스가 상기 쿨링 핀들 사이에 형성되는 빈 공간들을 통해 상기 팩 케이스의 외부로 배출되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 핀들은
    상기 탑 플레이트의 일측 가장자리에서 타측 가장자리까지 상기 탑 플레이트의 길이 방향인 제1 방향 또는 너비 방향인 제2 방향을 따라 복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트의 테두리에 구비되는 쿨링 핀들은 그 끝단이 상기 바틈 커버의 상단 테두리에 상하로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바틈 커버는
    저면을 형성하는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 벽체를 형성하는 벽체 프레임; 및 상기 베이스 플레이트와 상기 벽체 프레임으로 에워싸인 내부 공간을 구획화시키는 제1 크로스 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 복수 개이고,
    각 상기 배터리 모듈은 상기 내부 공간이 상기 제1 크로스 빔에 의해 구획되어 형성된 복수 개의 모듈 수용부에 배치되고,
    상기 탑 플레이트는 상기 제1 크로스 빔과 상하로 대면 접촉하도록 마련된 제2 크로스 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 크로스 빔은 상기 쿨링 핀들과 동일하거나 더 높게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    복수의 배터리 셀들; 및
    상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;를 포함하고,
    상기 모듈 케이스는 상기 복수의 배터리 셀들의 상부를 커버하는 상판부에 가스 벤팅구가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 벤팅구는 메쉬 구조로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는,
    상기 복수의 배터리 셀의 상부에 배치되고 내부에 냉각수가 들어 있는 상판부; 및
    상기 복수의 배터리 셀들의 하부에 배치되고 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비한 하판부를 포함하고,
    상기 상판부는 상기 복수의 배터리 셀과 접하는 제1 상부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제1 멜팅 스팟;과 상기 제1 상부 플레이트와 마주하는 제2 상부 플레이트에 외부로 가스 방출이 가능한 상기 가스 벤팅구와 상기 가스 벤팅구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 벤팅구 캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하판부는 상기 복수의 배터리 셀들과 접하는 제1 하부 플레이트와 상기 제1 하부 플레이트와 마주하는 제2 하부 플레이트를 구비하고, 상기 제1 하부 플레이트에 열 용융될 수 있는 제2 멜팅 스팟을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 사이에 두고 상하로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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