WO2024010332A1 - 배터리 모듈 부품 - Google Patents

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WO2024010332A1
WO2024010332A1 PCT/KR2023/009408 KR2023009408W WO2024010332A1 WO 2024010332 A1 WO2024010332 A1 WO 2024010332A1 KR 2023009408 W KR2023009408 W KR 2023009408W WO 2024010332 A1 WO2024010332 A1 WO 2024010332A1
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battery module
mesh
vulnerable
module component
paragraph
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/009408
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English (en)
French (fr)
Inventor
장병도
이형석
신주환
이재현
김기영
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module component, which prevents the spread of secondary damage such as external fire or explosion by preventing the flame from being exposed outside the module frame even if the battery cell mounted inside the module frame overheats and catches fire. It is about battery module parts that can be used.
  • secondary batteries can be recharged and have been extensively researched and developed in recent years due to their small size and high capacity.
  • Secondary batteries are classified into coin-shaped batteries, cylindrical batteries, square-shaped batteries, and pouch-shaped batteries, depending on the shape of the battery case.
  • the electrode assembly mounted inside the battery case in a secondary battery is a power generating element capable of charging and discharging consisting of a stacked structure of electrodes and a separator.
  • thermal runaway occurring in one secondary battery causes a thermal propagation phenomenon in which other secondary batteries in the surrounding area are continuously overheated.
  • flame generated from an overheated secondary battery is exposed to the outside, it can not only damage surrounding devices but also spread to secondary damage such as fire or explosion, so it is necessary to prepare measures against such fire risks.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2020-0078344 (published on July 1, 2020)
  • the present invention aims to provide battery module parts that can suppress the spread of secondary damage such as external fire or explosion by preventing the flame from being exposed outside the frame even if the battery cell mounted inside overheats and catches fire. There is a purpose.
  • the present invention relates to a battery module component, and in one example, it includes a body made of synthetic resin and a mesh made of metal embedded in the body, and the body has a lower melting point than the mesh.
  • the mesh is integrated into the body by insert injection, and at least a portion of the mesh is exposed on the inner surface of the body.
  • the body may form an end plate of the battery module frame.
  • a portion of the outer surface of the body may be provided with a vulnerable portion that is less heat resistant than the surrounding area.
  • the vulnerable portion may be made of a different type of synthetic resin material with a lower melting point than the body, or may be formed to be thinner than the surrounding area.
  • the metal material of the mesh is heat-resistant stainless steel.
  • the mesh is embedded in the body by insert injection to form an integrated body, and the mesh is not exposed to the outside with respect to the body.
  • a first vulnerable part that is less heat-resistant than the surrounding area is provided on the inner surface of the body, and a second vulnerable part that is less heat-resistant than the surrounding area is provided on a portion of the outer surface of the body.
  • the first and second vulnerable parts may each be made of a different kind of synthetic resin material with a lower melting point than the body, or may be formed to be thinner than the surrounding area.
  • first vulnerable portion may be provided in plural pieces, and the second vulnerable portion may be provided in one piece, so that the plurality of first vulnerable portions may be disposed at an equal distance from each other.
  • the second vulnerable portion may be provided with a filter whose dimensions are denser than the mesh.
  • the battery module part of the present invention having the above configuration is made of a composite material in which a metal mesh is embedded in a body made of synthetic resin, so that when a flame occurs within the battery module, it produces an anti-inflammatory effect through the mesh structure. Even if the body made of resin with a low melting point melts to form an outlet, only high-temperature gas is discharged and the flame is not discharged to the outside.
  • the risk of external fire can be further reduced.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a battery module including battery module components of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of an end plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram showing an example of joining a mesh within the body of an end plate by insert injection.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example in which the end plate of FIG. 2 is coupled to a battery module frame.
  • Figures 5 and 6 each show an example of forming a weak portion in a body.
  • Figure 7 is a diagram showing a cross-sectional structure of an end plate according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a diagram showing the relative arrangement relationship between the first and second vulnerable parts.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which a filter is provided in a second weak portion formed in the end plate of FIG. 7.
  • the present invention relates to a battery module component, and in one example, it includes a body made of synthetic resin and a mesh made of metal embedded in the body, and the body has a lower melting point than the mesh.
  • the battery module part of the present invention having the above configuration is made of a composite material in which a metal mesh is embedded in a body made of synthetic resin, so that when a flame occurs within the battery module, it produces an anti-inflammatory effect through the mesh structure. Even if the body made of resin with a low melting point melts to form an outlet, only high-temperature gas is discharged and the flame is not discharged to the outside.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a battery module 10 including the battery module component 200 of the present invention.
  • the battery module 10 refers to a battery assembly in which a certain number of battery cells 410 are bundled into a frame to protect them from external shock, heat, vibration, etc.
  • the battery module 10 consists of a plurality of battery cells 410 connected to each other in series and/or parallel, and is embedded in a mechanical structure, that is, the battery module frame 100.
  • Each of the battery cells 410 plays a fundamental role in storing energy and supplying it to the outside when needed. However, since the capacity of the battery cells 410 alone is small, a module is made by combining them, and further, the modules are combined to form a battery pack. It will be made.
  • the present invention relates to a battery module component 200 applied to a battery module 10 that protects a plurality of battery cells 410.
  • the battery module 10 shown as an example in FIG. 1 includes a battery cell assembly 400 in which a plurality of battery cells 410 are connected in series and/or parallel to form one assembly.
  • the battery module frame 100 which is a mechanical structure that protects a plurality of battery cells 410, has a “U”-shaped cross section, and the main frame 102 forms a space to accommodate the battery cell assembly 400 therein. ) and an upper plate 104 covering the open upper surface of the main frame 102.
  • end plates 200' are coupled to both open sides of the battery module frame 100 to seal the battery module 10, and the end plate 200' is intended to be exemplified as one of the battery module components 200 by the present invention. It is a plate (200').
  • the battery module 10 has a polyhedral shape accommodating a plurality of battery cells 410, or a hexahedron in FIG. 1, and end plates 200' are coupled to both sides.
  • the end plate 200' is coupled to the electrode lead side of the battery cell assembly 400, and accordingly, the end plate 200' may be provided with a bus bar electrically connected to the battery cell assembly 400.
  • the end plate 200' when the end plate 200' is provided with a bus bar, it may be called a bus bar frame. Therefore, the end plate 200' referred to in the specification of the present invention needs to be broadly understood as a battery module component 200 that seals both sides of the battery module 10, without being limited to the usage of the term. .
  • FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the battery module component 200, that is, the end plate 200', according to the first embodiment of the present invention.
  • the end plate 200' includes a body 210 made of synthetic resin and a mesh 230 made of metal embedded in the body 210.
  • the body 210 made of synthetic resin is characterized by a lower melting point than the mesh 230 made of metal.
  • the end plate 200' of the present invention is made of a composite material that combines a body 210 made of synthetic resin and a mesh 230 made of metal embedded in the body 210.
  • the body 210 made of synthetic resin serves as a structure that maintains the mechanical structure of the end plate 200'.
  • the body 210 may be made of synthetic resin with excellent mechanical strength, for example, polycarbonate.
  • the mesh 230 contained in the body 210 made of synthetic resin can be understood as a porous metal body in a broad sense.
  • a metal net, a wire mesh 230, a metal thin film with a plurality of through holes, etc. may be applied as the mesh 230.
  • a flat mass of wire wound with a thin metal thread in a spiral shape may be inserted into the mesh 230 made of metal.
  • the end plate 200' of the present invention uses a body 210 made of synthetic resin as a structure and includes a porous mesh 230 therein, so the end plate 200' of the present invention is lightweight due to the synthetic resin material and weight due to the mesh 230 structure. Through savings, it is possible to implement a lightweight battery module component 200.
  • the end plate 200' of the present invention not only splits the flame generated during thermal runaway of the battery cell 410 by passing it through the metal mesh 230 embedded in the body 210, but also absorbs the energy of the flame. It causes an endothermic reaction that absorbs , lowering the temperature and bringing about an anti-inflammatory effect.
  • the mesh 230 made of metal has many small holes, so gases such as gas or steam can easily pass through the mesh 230, but it is relatively difficult for flames to pass through it.
  • the mesh 230 inside the end plate 200' absorbs and dissipates heat generated from the combusting gas mixture, thereby causing the surrounding gas to evaporate. It serves to lower the combustion temperature so that it does not reach the spontaneous ignition temperature. This is because heat is lost to the porous structure of the metal material as the high-temperature gas passes through the mesh 230. That is, the mesh 230 is made of a metal material containing numerous holes and functions as a flame arrester with a very large cross-sectional area.
  • the flame generated by the thermal runaway of the battery cell 410 loses enough heat that the flame can no longer maintain as it passes through the battery module component 200 of the present invention, thereby causing heat propagation phenomenon or external fire. is effectively suppressed.
  • the body 210 made of synthetic resin has a lower melting point than the mesh 230 made of metal, the flame passing through the mesh 230 melts a portion of the outer surface of the body 210 during the process of losing heat, thereby creating a hole. can be made. Nevertheless, since the flame of the flame is almost eliminated by the mesh 230, which functions as an ignition prevention net, high-temperature gas is mainly discharged through the through hole of the body 210 made by melting by the flame, and almost no flame is discharged.
  • the metal mesh 230 needs to have heat-resistant properties to maintain the anti-flammability function for a long time, and the mesh 230 is made of a material that not only has anti-flammability ability to suppress flames but also has mechanical properties to withstand explosion pressure. It is desirable to select .
  • steel or stainless steel material that is heat resistant and has excellent mechanical strength may be selected as the material for the mesh 230.
  • mesh 230 may be made of heat-resistant stainless steel.
  • Heat-resistant stainless steels are ferritic stainless steel alloys such as X10CrAlSi7, X10CrAl13, X10CrAl18 and X18CrN28, austenitic stainless steel alloys such as Cr15Fe, NiCr23Fe, NiCr22Mo9Nb , may be a nickel-chromium stainless steel alloy such as NiCr21Mo and NiCr28FeSiCe.
  • the battery module component 200 of the present invention suppresses an increase in the size or weight of the battery module 10, and further the battery pack in which the battery module 10 is assembled, while preventing a situation in which flame erupts from the battery cell 410. Even when a fire occurs, the safety of the battery module 10 is improved by preventing the eruption of flame to the outside.
  • the mesh 230 can be embedded into the body 210 by insert injection to form an integrated body.
  • Figure 3 exemplarily shows a process of manufacturing battery pack parts by injecting molten synthetic resin while the mesh 230 is fixed in the mold of the upper mold (UM) and lower mold (BM).
  • the mesh 230 since the mesh 230 is fixed in close contact with the bottom surface of the lower mold, at least the mesh 230 is visible on the inner surface of the body 210 of the end plate 200' as shown in FIG. 2. Some parts are exposed.
  • a step is formed in a portion of the mesh 230 for penetration of the melted synthetic resin, but the portion of the mesh 230 in close contact with the bottom of the lower mold is formed in the body 210. ) forms an exposed surface on the inner surface of the
  • FIG. 4 An example of the end plate 200' of FIG. 2 being coupled to the battery module frame 100 is shown in FIG. 4.
  • the mesh 230 of the end plate 200' is exposed to the inner surface of the body 210, and the expanding flame When it reaches the mesh 230, it exerts an anti-inflammatory ability to block flames. Therefore, even if a through hole due to high temperature is created on the outer surface of the body 210, only high temperature gas is mainly discharged and flame is not ejected to the outside of the end plate 200'.
  • a through hole can be induced to be formed on the vulnerable portion 220 side.
  • the appropriate location of the through hole through which high-temperature gas is discharged can be limited to the vulnerable portion 220.
  • the vulnerable portion 220 may be designed in various ways. For example, as shown in Figure 5, a different kind of synthetic resin material with a lower melting point than the body 210 is inserted into the body 210 to form the vulnerable part 220, or as shown in Figure 6, the vulnerable part 220 is made thicker than the surrounding area. By forming it thinly, it can be made to melt faster even when subjected to the same heat. However, since FIGS. 5 and 6 relate to an exemplary method of forming the vulnerable portion 220, the specific configuration of the vulnerable portion 220 is not limited by this exemplary method.
  • Figure 7 is a diagram showing an end plate 200' according to a second embodiment of the present invention.
  • the mesh 230 is embedded in the body 210 by insert injection molding to form an integrated body, and the mesh 230 is not exposed to the outside with respect to the body 210.
  • the end plate 200' of the second embodiment has a structure in which the mesh 230 is completely embedded in the body 210, and the mesh 230 is exposed not only on the inner surface but also on the outer surface of the body 210. It is not done. Therefore, when a fire occurs inside the battery module 10, the high-temperature flame melts the inner surface of the body 210 and then flows into the mesh 230 when the mesh 230 is exposed, and then the mesh ( 230) has an anti-inflammatory function that prevents flames.
  • the end plate 200' of the second embodiment has the advantage of being structurally stronger because there is no cut surface exposing the mesh 230 in the body 210. Therefore, the second embodiment can be said to be a more suitable embodiment when the size and weight of the battery module 10 are large.
  • the mesh 230 is exposed after the high-temperature flame melts the inner surface of the body 210, so the anti-inflammatory function does not work immediately, and the through hole is located somewhere on the inner surface of the body 210. Whether it forms is random. Therefore, as shown in FIG. 7, it may be desirable to provide a first vulnerable portion 221, which has weaker heat resistance than the surrounding area, on the inner surface of the body 210 to induce a through hole to be formed in the first vulnerable portion 221. there is.
  • a second vulnerable portion 222 which has weaker heat resistance than the surrounding area, is formed on a portion of the outer surface of the body 210 to determine an appropriate location of the through hole through which high-temperature gas is discharged. ) can be limited.
  • the first vulnerable portion 221 and the second vulnerable portion 222 may each be made of a different kind of synthetic resin material with a lower melting point than that of the body 210, or may be formed to be thinner than the surrounding area.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the first and second weak portions 221 and 222 are made of a different type of synthetic resin material whose melting point is lower than that of the body 210.
  • Figure 8 is a diagram showing the relative arrangement relationship between the first vulnerable part 221 and the second vulnerable part 222.
  • the first vulnerable part 221 is provided in plural pieces, and the second vulnerable part 222 is provided in one number. It is arranged to form an equal distance with respect to the plurality of first vulnerable portions 221. This is to ensure that the anti-inflammatory effect of the mesh 230 can be sufficiently exerted by allowing the flame entering each first vulnerable part 221 to be discharged to the second vulnerable part 222 after traveling as long as possible.
  • FIG. 9 shows a configuration in which a filter 300 having a smaller dimension than the mesh 230 inside the body 210 is provided in the second vulnerable portion 222 in the end plate 200' of the second embodiment.
  • the high-temperature gas may contain high-temperature particles that will act as an ignition source for an external fire. You can.
  • the embodiment of FIG. 9 is intended to prevent fires caused by high-temperature particles, and the filter 300 provided in the second vulnerable portion 222, particularly the mesh 230, can filter particles of the size that have passed through the mesh 230. ), the risk of external fire can be more effectively prevented by providing a denser filter 300 in the second vulnerable part 222.
  • Battery module 100 Battery module frame
  • main frame 104 upper plate
  • body 220 vulnerable part

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Abstract

개시되는 발명은 배터리 모듈 부품에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 합성수지 재질의 몸체와, 상기 몸체 안에 매립된 금속 재질의 매쉬를 포함하고, 상기 몸체는 상기 매쉬보다 녹는 점이 낮은 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈 부품
본 발명은 배터리 모듈 부품에 관한 것으로서, 모듈 프레임 내부에 탑재된 배터리 셀이 과열되어 화염이 발생하더라도 모듈 프레임 외부로는 화염이 노출되지 않도록 함으로써 외부의 화재나 폭발 등의 2차 피해 확산을 억제할 수 있는 배터리 모듈 부품에 관한 것이다.
본 출원은 2022. 07. 07일자 대한민국 특허출원 제10-2022-0083860호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.
이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
이차전지는 장기간 동안 연속적인 사용이 요구되므로, 충방전 과정 중에 발생하는 열을 효과적으로 제어할 필요가 있다. 이차전지의 냉각이 원활히 이루어지지 못할 경우에는 온도상승이 전류의 증가를 야기하고, 전류의 증가가 또다시 온도상승의 원인이 되는 정귀환의 연쇄반응이 일어나, 결국 열 폭주(Thermal Runaway)의 파국상태에 이르게 된다.
또한, 이차전지가 모듈이나 팩의 형태로서 집단을 이루고 있는 경우에는 어느 하나의 이차전지에 발생한 열 폭주에 의해 주변의 다른 이차전지가 연속적으로 과열되는 열 전파(Thermal Propagation) 현상이 일어나게 된다. 나아가 과열된 이차전지에서 발생한 화염이 외부로 노출되면 주변 장치를 훼손하는 것은 물론 화재나 폭발 등의 2차 피해로 확산될 수 있으므로, 이러한 화재 위험에 대한 대책을 마련할 필요가 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 한국공개특허 제2020-0078344호 (2020.07.01 공개)
본 발명은 내부에 탑재된 배터리 셀이 과열되어 화염이 발생하더라도 프레임 외부로는 화염이 노출되지 않도록 함으로써 외부의 화재나 폭발 등의 2차 피해 확산을 억제할 수 있는 배터리 모듈 부품을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 배터리 모듈 부품에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 합성수지 재질의 몸체와, 상기 몸체 안에 매립된 금속 재질의 매쉬를 포함하고, 상기 몸체는 상기 매쉬보다 녹는 점이 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매쉬는 상기 몸체 안에 인서트 사출로 매립되어 일체를 이루고, 상기 매쉬는 상기 몸체의 내측면에서 적어도 그 일부가 노출되어 있다.
실시형태에 따라, 상기 몸체는 배터리 모듈 프레임의 엔드 플레이트를 이룰 수 있다.
그리고, 상기 몸체의 외측면 일부에는 주변보다 내열성이 약한 취약부가 구비될 수 있다.
상기 취약부는, 상기 몸체보다 녹는 점이 더 낮은 이종의 합성수지 재질로 이루어지거나, 또는 주변보다 두께가 얇게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 매쉬의 금속 재질은 내열성 스테인리스스틸인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 매쉬는 상기 몸체 안에 인서트 사출로 매립되어 일체를 이루고, 상기 매쉬는 상기 몸체에 대해 외부로 노출되지 않는다.
여기서, 상기 몸체의 내측면에는 주변보다 내열성이 약한 제1 취약부가 구비되고, 나아가 상기 몸체의 외측면 일부에는 주변보다 내열성이 약한 제2 취약부가 구비된다.
상기 제1 취약부 및 제2 취약부는 각각, 상기 몸체보다 녹는 점이 더 낮은 이종의 합성수지 재질로 이루어지거나, 또는 주변보다 두께가 얇게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 취약부는 복수 개로 구비되고, 상기 제2 취약부는 하나가 구비되어 상기 복수의 제1 취약부에 대해 균등 거리를 이루도록 배치될 수 있다.
그리고, 상기 제2 취약부는, 상기 매쉬보다 조밀한 치수의 필터를 구비할 수 있다.
상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 배터리 모듈 부품은, 합성수지 재질의 몸체 안에 금속 재질의 매쉬가 매립된 복합 소재로 이루어져 있음으로써, 배터리 모듈 안에서 화염이 발생할 경우 매쉬 구조를 통해 소염 작용을 일으키는 한편 녹는 점이 낮은 수지 재질의 몸체가 녹아 배출구를 형성하더라도 고온의 가스가 배출될 뿐 화염이 외부로 배출되지 않게 된다.
그리고, 몸체에 취약부를 형성하여 고온 가스의 배출 위치를 취약부로 한정함으로써 외부 화재의 위험을 더욱 낮출 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 배터리 모듈 부품을 포함하는 배터리 모듈의 일례를 시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 엔드 플레이트의 단면 구조를 도시한 도면.
도 3은 엔드 플레이트의 몸체 안에 매쉬를 인서트 사출로 결합하는 일례를 도시한 도면.
도 4는 도 2의 엔드 플레이트가 배터리 모듈 프레임에 대해 결합한 일례를 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 각각 몸체에 취약부를 형성하는 예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 엔드 플레이트의 단면 구조를 도시한 도면.
도 8은 제1 취약부와 제2 취약부의 상대적인 배치관계를 도시한 도면.
도 9는 도 7의 엔드 플레이트에 형성된 제2 취약부에 필터가 구비되는 일례를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 배터리 모듈 부품에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 합성수지 재질의 몸체와, 상기 몸체 안에 매립된 금속 재질의 매쉬를 포함하고, 상기 몸체는 상기 매쉬보다 녹는 점이 낮은 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 배터리 모듈 부품은, 합성수지 재질의 몸체 안에 금속 재질의 매쉬가 매립된 복합 소재로 이루어져 있음으로써, 배터리 모듈 안에서 화염이 발생할 경우 매쉬 구조를 통해 소염 작용을 일으키는 한편 녹는 점이 낮은 수지 재질의 몸체가 녹아 배출구를 형성하더라도 고온의 가스가 배출될 뿐 화염이 외부로 배출되지 않게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈 부품에 대한 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 배터리 모듈 부품(200)을 포함하는 배터리 모듈(10)의 일례를 시한 도면이다. 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(410)을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체를 지칭하는 것이다. 배터리 모듈(10)은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀(410)들로 이루어져 있으며, 기계적 구조물, 즉 배터리 모듈 프레임(100) 안에 매입된다.
배터리 셀(410)은 각각이 에너지를 저장했다 필요할 때 외부로 공급하는 원천적인 역할을 하지만, 배터리 셀(410)만으로는 용량이 작기 때문에 이를 한데 묶은 모듈을 만들고, 더 나아가 모듈을 크게 합쳐 배터리 팩을 만들게 된다.
본 발명은 다수의 배터리 셀(410)을 보호하는 배터리 모듈(10)에 적용되는 배터리 모듈 부품(200)에 관한 것이다. 도 1에 하나의 예로서 도시된 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(410)이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 하나의 조립체를 이루는 배터리 셀 어셈블리(400)를 포함하고 있다.
그리고, 다수의 배터리 셀(410)을 보호하는 기계적 구조물인 배터리 모듈 프레임(100)은, "U" 자형 단면을 이루어 그 내부에 배터리 셀 어셈블리(400)를 수용할 공간을 형성하는 메인 프레임(102)과, 메인 프레임(102)의 개방된 상면을 덮는 상부 플레이트(104)를 포함한다. 여기서, 배터리 모듈 프레임(100)의 개방된 양 측면에는 엔드 플레이트(200')가 결합하여 배터리 모듈(10)을 밀봉하는데, 본 발명이 배터리 모듈 부품(200)의 하나로서 예시하고자 하는 것이 바로 엔드 플레이트(200')다.
배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(410)을 수용하는 다면체 형태, 도 1에서는 육면체 형태를 이루고 있는데, 양 측면에 엔드 플레이트(200')가 결합한다. 여기서, 엔드 플레이트(200')는 배터리 셀 어셈블리(400)의 전극 리드 쪽에 결합하며, 이에 따라 엔드 플레이트(200')에는 배터리 셀 어셈블리(400)와 전기적으로 연결되는 버스바가 구비될 수 있다.
이런 점에서, 엔드 플레이트(200')가 버스바를 구비할 경우에는 버스바 프레임으로 부를 수도 있다. 따라서, 본 발명의 명세서에서 지칭하는 엔드 플레이트(200')는, 그 용어의 사용례에 구속됨이 없이, 배터리 모듈(10)의 양 측면을 밀봉하는 배터리 모듈 부품(200)으로 넓게 이해할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 배터리 모듈 부품(200), 즉 엔드 플레이트(200')의 단면 구조를 도시한 것이다. 엔드 플레이트(200')는 합성수지 재질의 몸체(210)와, 상기 몸체(210) 안에 매립된 금속 재질의 매쉬(230)를 포함하고 있다. 특히, 합성수지 재질의 몸체(210)는 금속 재질의 매쉬(230)보다 녹는 점이 낮은 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 엔드 플레이트(200')는 합성수지 재질의 몸체(210)와, 몸체(210) 안에 매립된 금속 재질의 매쉬(230)가 합체된 복합 소재로 이루어져 있다. 여기서 합성수지 재질의 몸체(210)는 엔드 플레이트(200')의 기계적 구조를 유지하는 구조체의 역할을 한다. 이런 점에서, 몸체(210)는 기계적 강도가 우수한 합성수지, 예를 들어 폴리카보네이트 등의 합성수지가 사용될 수 있다.
그리고, 합성수지 재질의 몸체(210) 안에 들어가 있는 매쉬(230)는 광의의 개념으로는 다공성의 금속체로 이해할 수 있다. 예를 들어, 금속재질의 그물망, 와이어 매쉬(230), 다수의 관통공이 형성된 금속 박막 등이 매쉬(230)로 적용될 수 있다. 또는, 가느다란 금속실을 나선형태로 감은 납작한 와이어 덩어리를 금속 재질의 매쉬(230)로 삽입할 수도 있다.
이러한 본 발명의 엔드 플레이트(200')는 구조체로서 합성수지 재질의 몸체(210)를 적용하면서 그 안에 다공성의 매쉬(230)를 포함하고 있으므로, 합성수지 소재에 의한 경량화와 매쉬(230) 구조에 의한 중량 절감을 통해 경량의 배터리 모듈 부품(200)을 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 엔드 플레이트(200')는 몸체(210) 안에 매립된 금속 재질의 매쉬(230)가 배터리 셀(410)의 열폭주 시 발생하는 화염을 통과시키면서 잘게 쪼갤 뿐만 아니라, 화염의 에너지를 흡수하는 흡열반응을 일으켜 온도 하강 및 소염의 효과를 가져온다.
보다 구체적으로, 금속재질의 매쉬(230)는 다수의 작은 구멍을 가지므로 가스나 증기 등의 기체는 매쉬(230)를 쉽게 통과할 수 있으나 화염은 상대적으로 통과하기 어렵다.
그리고, 배터리 셀(410) 내부의 가연성 기체와 공기의 혼합물이 점화되었을 때, 엔드 플레이트(200') 내부의 매쉬(230)는 연소되는 기체 혼합물에서 발생하는 열을 흡수하여 발산함으로써 주변의 기체가 자연 발화온도에 오르지 않도록 연소온도를 낮추어 주는 역할을 한다. 이것은 고온의 기체가 매쉬(230)를 통과하면서 금속 재질의 다공 구조에 열을 빼앗기기 때문이다. 즉, 매쉬(230)는 수많은 구멍을 포함하는 금속 재질로 이루어져 있어 굉장히 넓은 단면적을 갖는 인화 방지망(flame arrester)으로 기능한다.
따라서, 배터리 셀(410)의 열폭주에 의해 발생한 화염은 본 발명의 배터리 모듈 부품(200)을 통과하면서는 더 이상 화염이 유지하지 못할 만큼의 열량을 빼앗기게 되고, 이로써 열전파 현상이나 외부 화재가 효과적으로 억제된다.
그리고, 합성수지 재질의 몸체(210)는 금속 재질의 매쉬(230)보다 녹는 점이 낮으므로, 매쉬(230)를 통과하는 화염은 열을 빼앗기는 과정 중에 몸체(210)의 외측면 일부를 녹여서 관통된 구멍을 만들 수 있다. 그럼에도 인화 방지망으로 기능하는 매쉬(230)에 의해 화염의 불꽃은 거의 제거되므로, 화염에 의해 녹아서 만들어진 몸체(210)의 관통 구멍을 통해서는 고온의 가스가 주로 배출되고 화염은 거의 배출되지 않게 된다.
한편, 금속 재질의 매쉬(230)는 장시간 동안 소염 기능을 유지하기 위해 열에 강한 성질을 가질 필요가 있고, 또한 매쉬(230)는 화염을 저지하는 소염 능력뿐만 아니라 폭발 압력을 견디는 기계적 특성을 갖는 재질로 선정함이 바람직하다. 이런 점에서 매쉬(230)의 소재로는 열에 강하면서 기계적 강도가 우수한 스틸 또는 스테인리스스틸 소재가 선정될 수 있다.
예를 들어, 매쉬(230)는 내열성 스테인리스스틸로 만들어 질 수 있다. 내열 스테인리스스틸은 X10CrAlSi7, X10CrAl13, X10CrAl18 및 X18CrN28과 같은 페라이트계 스테인리스스틸 합금이나, X15CrNiSi20-12, X15CrNiSi25-20, X15CrNiSi25-21 및 X12CrNiTi18-10과 같은 오스테나이트계 스테인리스스틸 합금, 또는 NiCr15Fe, NiCr23Fe, NiCr22Mo9Nb, NiCr21Mo 및 NiCr28FeSiCe와 같은 니켈-크롬 스테인리스스틸 합금일 수 있다.
그리고, 몸체(210) 안에 매립되는 매쉬(230)는 얇은 판형이기 때문에, 배터리 모듈(10)의 사이즈 증가를 억제할 수 있다. 또한, 매쉬(230)는 다수의 구멍을 가지고 있기 때문에 중량의 증가도 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 배터리 모듈 부품(200)은 배터리 모듈(10), 나아가 배터리 모듈(10)이 집합된 배터리 팩의 사이즈나 중량의 증가를 억제하면서, 배터리 셀(410)로부터 화염이 분출하는 사태가 발생한 경우에도 외부로의 화염의 분출을 방지함으로써 배터리 모듈(10)의 안전성을 향상시킨다.
본 발명의 일 실시형태에서, 매쉬(230)는 몸체(210) 안에 인서트 사출로 매립되어 일체를 이룰 수 있다. 도 3은 상형(UM)과 하형(BM)의 금형 안에 매쉬(230)가 고정된 상태에서 용융된 합성수지가 사출되어 배터리 팩 부품을 제조하는 과정을 예시적으로 도시하고 있다.
그리고, 도 3의 실시형태에 의하면, 매쉬(230)가 하형의 저면에 밀착되어 고정되어 있기 때문에, 도 2와 같이 엔드 플레이트(200')의 몸체(210) 내측면에서 적어도 매쉬(230)의 일부가 노출되어 있다. 매쉬(230)를 몸체(210) 안에 매립 고정하기 위하여 매쉬(230)의 일부분에 합성수지의 용융물이 침투하기 위한 단턱이 형성되어 있지만, 하형의 저면에 밀착한 매쉬(230)의 일부분은 몸체(210)의 내측면에 대해 노출면을 형성하게 된다.
도 2의 엔드 플레이트(200')가 배터리 모듈 프레임(100)에 대해 결합한 일례는 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 배터리 모듈(10)에 있어서, 배터리 셀(410)에 화재가 발생할 경우 엔드 플레이트(200')의 매쉬(230)는 몸체(210)의 내측면에 대해 노출되어 있으며, 팽창하는 화염이 매쉬(230)에 도달할 경우 화염을 저지하는 소염 능력을 발휘하게 된다. 따라서, 몸체(210)의 외측면에 고열에 의한 관통 구멍이 생기더라도 고온의 가스가 주로 배출될 뿐 화염은 엔드 플레이트(200') 외부로 분출되지 않는다.
다만, 엔드 플레이트(200')의 어느 부분에 관통 구멍이 발생할지는 무작위적이다. 즉, 화염이 발생한 위치나 엔드 플레이트(200')의 형상 등에 의존하여 열에 취약한 어느 부분에 관통 구멍이 생기게 된다. 관통 구멍을 통해 화염이 분출하지는 않다고 하여도 고온의 가스는 배출되므로, 만일 관통 구멍 주변에 고온 가스에 취약하거나 인화성이 있는 장치나 부품이 위치한다면 이로 인해 외부 화재나 2차 피해가 야기될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 몸체(210)의 외측면 일부에 주변보다 내열성이 약한 취약부(220)를 구비함으로써, 취약부(220) 쪽에 관통 구멍이 형성되도록 유도할 수 있다. 다시 말해, 고온 가스가 배출되는 관통 구멍의 적절한 위치를 취약부(220)로 한정할 수 있는 것이다.
취약부(220)는 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이 몸체(210)보다 녹는 점이 더 낮은 이종의 합성수지 재질을 몸체(210)에 삽입하여 취약부(220)를 형성하거나, 또는 도 6과 같이 취약부(220)를 주변보다 두께가 얇게 형성함으로써 같은 열을 받더라도 더 빨리 용융되도록 만들 수 있다. 다만, 도 5 및 도 6은 취약부(220)를 형성하는 예시적인 방안에 관한 것이므로, 이러한 예시적 방안에 의해 구체적인 취약부(220)의 구성이 제한되는 것은 아니다.
[제2 실시형태]
도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 엔드 플레이트(200')를 도시한 도면이다. 도 7의 제2 실시형태에 따르면, 매쉬(230)는 몸체(210) 안에 인서트 사출로 매립되어 일체를 이루고 있으며, 매쉬(230)는 몸체(210)에 대해 외부로 노출되지 않는다.
즉, 제2 실시형태의 엔드 플레이트(200')는 매쉬(230)가 몸체(210) 안에 완전히 매립되어 있는 구조로서, 몸체(210)의 내측면은 물론 외측면 어디에서도 매쉬(230)는 노출되어 있지 않다. 따라서, 배터리 모듈(10) 내부에서 화재가 발생한 경우에 고온의 화염이 몸체(210)의 내측면을 용융시킨 다음에 매쉬(230)가 노출되면 매쉬(230) 안으로 유입되고, 그 이후에 매쉬(230)가 화염을 저지하는 소염 기능이 작용하게 된다.
제2 실시형태의 엔드 플레이트(200')는 몸체(210)에 매쉬(230)를 노출하는 절개면이 없기 때문에 구조적으로 더욱 강하다는 장점이 있다. 따라서, 제2 실시형태는 배터리 모듈(10)의 사이즈와 중량이 큰 경우에 더 적합한 실시형태라 할 수 있다.
다만, 제2 실시형태는 고온의 화염이 몸체(210)의 내측면을 용융시킨 다음에 매쉬(230)가 노출되기 때문에 즉각적으로 소염 기능이 작용하지 않고, 몸체(210) 내측면의 어디에 관통 구멍이 형성될지가 무작위적이다. 따라서, 도 7에 도시된 것과 같이, 몸체(210)의 내측면에는 주변보다 내열성이 약한 제1 취약부(221)가 구비됨으로써 제1 취약부(221)에 관통 구멍이 형성되도록 유도하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 제1 실시형태에서 설명한 바와 마찬가지로, 몸체(210)의 외측면 일부에는 주변보다 내열성이 약한 제2 취약부(222)를 형성함으로써 고온 가스가 배출되는 관통 구멍의 적절한 위치를 제2 취약부(222)로 한정할 수 있다. 그리고, 제1 취약부(221) 및 제2 취약부(222)는 각각, 몸체(210)보다 녹는 점이 더 낮은 이종의 합성수지 재질로 이루어지거나, 또는 주변보다 두께가 얇게 형성될 수 있다. 도 7은 제1 및 제2 취약부(221, 222)가 녹는 점이 몸체(210)보다 더 낮은 이종의 합성수지 재질로 이루어진 실시형태를 도시하고 있다.
그리고 도 8은 제1 취약부(221)와 제2 취약부(222)의 상대적인 배치관계를 도시한 도면으로서, 제1 취약부(221)는 복수 개가 구비되어 있으며, 제2 취약부(222)는 하나가 구비되어 복수의 제1 취약부(221)에 대해 균등 거리를 이루도록 배치되어 있다. 이는 개개의 제1 취약부(221)로 진입한 화염이 가능한 긴 이동거리를 거친 후에 제2 취약부(222)로 배출되도록 함으로써 매쉬(230)의 소염 작용이 충분히 발휘될 수 있도록 하기 위함이다.
도 9는 제2 실시형태의 엔드 플레이트(200')에 있어서, 몸체(210) 내부의 매쉬(230)보다 조밀한 치수의 필터(300)를 제2 취약부(222)에 구비하는 구성을 보여준다. 매쉬(230)를 통과한 화염은 제2 취약부(222)를 통해 분출할 때 불꽃은 거의 남아 있지 않고 고온의 가스 형태로 배출되는데, 고온 가스에는 외부 화재의 점화원으로 작용할 고온의 파티클이 포함되어 있을 수 있다.
도 9의 실시형태는 고온 파티클에 의한 화재를 방지하기 위한 것으로서, 제2 취약부(222)에 구비된 필터(300), 특히 매쉬(230)를 통과한 사이즈의 파티클을 여과할 수 있도록 매쉬(230)보다 더 조밀한 필터(300)를 제2 취약부(222)에 구비함으로써 외부 화재의 위험을 더욱 효과적으로 방지할 수 있게 한다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 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.
[부호의 설명]
10: 배터리 모듈 100: 배터리 모듈 프레임
102: 메인 프레임 104: 상부 플레이트
200: 배터리 모듈 부품 200': 엔드 플레이트
210: 몸체 220: 취약부
221: 제1 취약부 222: 제2 취약부
230: 매쉬 300: 필터
400: 배터리 셀 어셈블리 410: 배터리 셀
UM: 상형 BM: 하형

Claims (12)

  1. 합성수지 재질의 몸체; 및
    상기 몸체 안에 매립된 금속 재질의 매쉬;
    를 포함하고,
    상기 몸체는 상기 매쉬보다 녹는 점이 낮은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매쉬는 상기 몸체 안에 인서트 사출로 매립되어 일체를 이루고,
    상기 매쉬는 상기 몸체의 내측면에서 적어도 그 일부가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는,
    배터리 모듈 프레임의 엔드 플레이트를 이루는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 몸체의 외측면 일부에는 주변보다 내열성이 약한 취약부가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 취약부는,
    상기 몸체보다 녹는 점이 더 낮은 이종의 합성수지 재질로 이루어지거나, 또는 주변보다 두께가 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 매쉬의 금속 재질은 내열성 스테인리스스틸인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 매쉬는 상기 몸체 안에 인서트 사출로 매립되어 일체를 이루고,
    상기 매쉬는 상기 몸체에 대해 외부로 노출되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  8. 제7항에 있어서.
    상기 몸체의 내측면에는 주변보다 내열성이 약한 제1 취약부가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 몸체의 외측면 일부에는 주변보다 내열성이 약한 제2 취약부가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 취약부 및 제2 취약부는 각각,
    상기 몸체보다 녹는 점이 더 낮은 이종의 합성수지 재질로 이루어지거나, 또는 주변보다 두께가 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 취약부는 복수 개로 구비되고,
    상기 제2 취약부는 하나가 구비되어 상기 복수의 제1 취약부에 대해 균등 거리를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 취약부는,
    상기 매쉬보다 조밀한 치수의 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 부품.
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