WO2024122954A1 - 커버 일체형 벤팅덕트를 구비하는 배터리 팩 - Google Patents

커버 일체형 벤팅덕트를 구비하는 배터리 팩 Download PDF

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WO2024122954A1
WO2024122954A1 PCT/KR2023/019191 KR2023019191W WO2024122954A1 WO 2024122954 A1 WO2024122954 A1 WO 2024122954A1 KR 2023019191 W KR2023019191 W KR 2023019191W WO 2024122954 A1 WO2024122954 A1 WO 2024122954A1
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WO
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venting
battery pack
duct
cell array
battery
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PCT/KR2023/019191
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윤두한
이진규
손창근
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack in which a venting duct is integrally formed in the upper cover of the pack case to guide high-temperature gases or flames emitted from a venting device provided on the upper surface of square cells arranged in a row to a predetermined discharge direction.
  • 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 is a power generating element capable of charging and discharging consisting of a stacked structure of electrodes and a separator.
  • a secondary battery is in the form of a battery pack, and a plurality of battery cells can form a group.
  • Battery packs increase energy density so they can be mounted in devices that require high energy, such as electric vehicles.
  • a battery pack outputs a specified amount of power by electrically connecting multiple battery cells, cools battery cells whose temperature rises during operation, and is equipped with various safety devices to respond to emergency situations such as fire.
  • venting device As a safety valve.
  • the venting device responds by opening itself to relieve the internal pressure, thereby preventing structural collapse of the secondary battery.
  • venting device when the venting device operates, ignition sources such as combustible gas and heating electrodes are ejected in random directions through the outlet of the internal pressure release, so it is necessary to properly control and guide the ejection direction.
  • a venting duct is sometimes installed in the module to form a guide passage to the benching device.
  • the purpose of the present invention is to provide a battery pack that can collectively form a guide passage to the venting device through a simple assembly process for all secondary batteries included in the battery block or battery module constituting the battery pack.
  • the present invention relates to a battery pack, and in one example, a cell array in which a plurality of square cells with a venting device on the upper surface are aligned in a row, a pair of side plates respectively disposed on both sides of the cell array, and , including a pair of end plates disposed on the front and rear sides of the cell array, respectively, and both ends in the width direction of the end plates are fixed to side brackets provided at both ends in the longitudinal direction of the side plate, so that the cell array is one It includes a battery block restrained by a block, and a pack case on which a plurality of the battery blocks are mounted, wherein the upper cover of the pack case forms a flow path connected to a plurality of venting devices arranged in a row on the upper surface of the cell array.
  • the venting duct is formed integrally.
  • venting duct may be formed integrally with the upper cover by plastic processing.
  • the venting duct includes a concave portion that is in close contact with the upper surface of the rectangular cell around the venting device, and a convex portion that forms a space surrounding the venting device.
  • an insulating sheet may be interposed between the concave portion of the venting duct and the contact surface of the upper surface of the square cell.
  • one side of the convex portion opposite to the side frame of the pack case may form a duct outlet, while the opposite side may form a closed surface.
  • electrode terminals are disposed on both sides of the venting device on the upper surface of the rectangular cell, and wiring ducts forming a space surrounding the electrode terminals on both sides of the venting duct can be formed integrally by plastic processing the upper cover. there is.
  • the wiring duct may be isolated from the duct outlet.
  • the duct outlet may communicate with a venting outlet provided on the side frame of the pack case.
  • the cell array includes a heat absorbing/venting pouch disposed between the square cells to contact the front and back surfaces of the square cells, and the heat absorbing/venting pouch seals the absorbent material impregnated with the liquid.
  • the heat absorbing/venting pouch may be provided with a heat fusion sealing portion along its edge, and may be provided with a weak portion having a relatively low bursting strength on the heat fusion sealing portion.
  • the vulnerable portion of the heat absorption/venting pouch may be disposed on an upper edge, and the insulating sheet may be provided with a venting slit corresponding to the vulnerable portion in the space formed by the convex portion of the venting duct.
  • the side plate of the battery block is made of a single plate bent in a " ⁇ " shape with the top open to form an internal space, and the internal space has a heat absorption/venting pouch for sealing and storing an absorbent material impregnated with liquid. Can be built-in.
  • the side plate has concave surfaces on both sides of the bent plate, and has at least one joining rib in which the facing concave surfaces are joined to each other along the longitudinal direction, and the heat absorption/venting pouch has It can be inserted into the internal space defined by the joining rib.
  • venting ducts divided for each battery block are installed for all cell arrays by simply mounting the battery block in the pack case and sealing the pack case with the top cover. Therefore, since there is no need to install a venting duct for each battery block, the assembly and disassembly process of the battery pack is simplified, and since the upper cover also functions as a venting duct, the material is reduced accordingly, resulting in cost savings. get
  • the curved upper cover with the venting duct integrated in it has improved mechanical rigidity and more effective protection of the battery block inside the pack case through its curved cross-sectional shape compared to the conventional upper cover, which is a simple flat top cover. You can.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery block according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the battery block of Figure 1;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a structure in which the battery block of FIG. 1 is expanded in the width direction to form a battery module.
  • Figure 4 is an exploded perspective view of the battery pack of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the battery pack of the present invention.
  • Figure 6 is a cross-sectional view taken along line "A-A" in Figure 5.
  • Figure 7 is a cross-sectional view taken along line "B-B" in Figure 5.
  • Figure 8 is a cross-sectional view taken along line "C-C" in Figure 5.
  • FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of a battery block according to the present invention.
  • Figure 10 is a cross-sectional view taken along line "D-D" in Figure 9.
  • Figure 11 is a cross-sectional view taken along line "E-E" in Figure 9.
  • the present invention relates to a battery pack, and in one example, a cell array in which a plurality of square cells with a venting device on the upper surface are aligned in a row, a pair of side plates respectively disposed on both sides of the cell array, and , including a pair of end plates disposed on the front and rear sides of the cell array, respectively, and both ends in the width direction of the end plates are fixed to side brackets provided at both ends in the longitudinal direction of the side plate, so that the cell array is one It includes a battery block restrained by a block, and a pack case on which a plurality of the battery blocks are mounted.
  • the upper cover of the pack case is integrally formed with a venting duct that forms a flow path connected to a plurality of venting devices arranged in a row on the upper surface of the cell array.
  • the venting duct is formed by firing the upper cover. It is processed and formed into one piece.
  • venting ducts divided for each battery block are installed for all cell arrays by simply mounting the battery block in the pack case and sealing the pack case with the top cover.
  • the curved upper cover with the venting duct integrated in it has improved mechanical rigidity and more effective protection of the battery block inside the pack case through its curved cross-sectional shape compared to the conventional upper cover, which is a simple flat top cover. You can.
  • the venting duct 632 provided in the battery pack 600 of the present invention is arranged one by one in parallel for each battery block 10 that restrains one cell array 100 in a block form, as explained through FIGS. 1 to 3.
  • the battery block 10 has a structure suitable for installing a plurality of venting ducts 632 at once.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery block 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery block 10 of FIG. 1
  • the battery block 10 according to the present invention includes a pair of side plates 200 and a pair of end plates 300 bonded thereto to form a parallelepiped-shaped space, And includes a cell array 100 accommodated in a parallelepiped space.
  • the cell array 100 refers to one cell group formed by a plurality of square cells 110 arranged in a row.
  • Each prismatic cell 110 is a completed prismatic secondary battery that can be independently charged and discharged, and in the illustrated embodiment, 12 prismatic cells 110 are gathered together to form one cell array 100, as an example. It is shown. All rectangular cells 110 are generally configured with the same specifications, and the rectangular cells 110 arranged in a row have an overall parallelepiped shape.
  • the illustrated rectangular cell 110 corresponds to a one-way rectangular cell 110 in which both positive and negative electrode terminals 112 are disposed on the upper surface, and a venting device 114 is provided between the pair of electrode terminals 112. ) is provided. Venting devices 114 provided on the upper surface of the plurality of square cells 110 arranged in the cell array 100 are also aligned in a row.
  • the venting device 114 is a device corresponding to a safety valve that ruptures and relieves the internal pressure when pressure is applied to the safety level inside the square cell 110.
  • notch processing of a thin plate-shaped member made of metal. May contain one rupture disk. In the rupture disk, when the internal pressure of the sealed rectangular cell 110 increases, tensile deformation occurs throughout the thin plate due to the pressure, and then the weak notch part is torn, thereby relieving the internal pressure of the rectangular cell 110.
  • a pair of side plates 200 are disposed on both sides of the cell array 100, and a pair of end plates 300 are disposed on the front and rear sides of the cell array 100, respectively. Both ends in the width direction (W) of the end plate 300 are fixed to side brackets 210 provided at both ends in the longitudinal direction (L) of the side plate 200, and the end plate ( The cell array 100 is constrained into one block by interconnection of the side plate 200 and the 300).
  • the side plate 200, the end plate 300, and the side bracket 210 connecting them are all made of a thermally conductive material, for example, a metal material with excellent thermal conductivity such as aluminum or stainless steel (SUS). , Through this, the side plate 200 and the end plate 300 are thermally connected.
  • a thermally conductive material for example, a metal material with excellent thermal conductivity such as aluminum or stainless steel (SUS).
  • any prismatic cell 110 on the cell array 100 other surrounding prismatic cells 110 as well as the side plate 200 and the end plate 300 in contact with the cell array 100 thermally heat each other. connected to form a single thermal mass.
  • the entire battery block 10 forms a single thermal capacity, it not only alleviates the rapid temperature rise of the square cell 110 during charging and discharging, but also quickly dissipates heat even in emergency situations such as thermal runaway and heat propagation.
  • the foundation for a passive cooling structure is laid.
  • an upper flange 230 that contacts the upper surface of the cell array 100 is formed to be bent.
  • the upper flange 230 provides a downward fixing force that presses the cell array 100 to the floor when the side plate 200 and end plate 300 of the battery block 10 are mounted on the mounting portion 640 of the pack case 602. Create.
  • the side brackets 210 provided at both ends of the side plate 200 have fastening grooves 212 inserted into the welding bolts 310 protruding from the end plate 300. And the welding bolt 310 and the fastening groove 212 are joined to each other by welding.
  • Welding bolts 310 provided on a pair of end plates 300 respectively disposed on the front and rear sides of the cell array 100 provide a fastening point for the side bracket 210, and a fastening groove in the welding bolt 310 By inserting (212), the assembly positions of the side plate 200 and the end plate 300 are realigned.
  • the welding bolt 310 and the fastening groove 212 are used to secure the cell array 100. It can be provided as an upper and lower pair based on the center in the height direction (H).
  • the end plate 300 includes an end bracket 400 fixed to the pack case 602.
  • the side bracket 210 also includes an end bracket 400 that is fixed to the pack case 602.
  • the end bracket 400 provided on the end plate 300 and the side plate 200 has a fastening surface 410 parallel to the width direction (W), and one fastening surface 410 of the end bracket 400 has one fastening surface 410.
  • the above fastening holes 412 are formed.
  • the fastening surface 410 of the end bracket 400 is seated on the mounting part 640 provided on the pack case 602 (see FIG. 9), and is attached to the mounting part 640 of the pack case 602 through the fastening hole 412.
  • the battery block 10 is fixed to the pack case 602 by joining or binding the end bracket 400.
  • the end bracket 400 can reinforce rigidity against a load in the height direction (H) by providing reinforcing ribs 420 in the form of a right triangle perpendicular to the fastening surface 410.
  • H height direction
  • one or more concave surfaces 320 similar to the concave surfaces 222 of the side plate 200, may be bent and formed, and the cell array 100
  • An upper flange 330 may also be provided on the top of the end plate 300 for stable fixation.
  • FIG. 3 is a diagram showing a structure in which the battery block 10 is expanded in the width direction (W) to form a battery module 500 connected as one.
  • the battery block 10 of the present invention can expand the number of cell arrays 100 as desired along the width direction (W) through the side plate 200 and the side bracket 210.
  • the side bracket 210 is provided with fastening grooves 212 on both left and right sides based on the center of the side plate 200 in the width direction (W). Accordingly, it is possible to connect one end plate 300 to each side plate 200 on both sides in the width direction (W).
  • Another cell array 100 arranged along the width direction (W) shares one side plate 200 in the center, and a pair of cells are disposed on the front and back of the other cell array 100, respectively.
  • the welding bolts 310 provided on the end plate 300 are fixed to the fastening grooves 212 of the side bracket 210, so that the plurality of cell arrays 100 are expanded along the width direction (W).
  • the side bracket 210 is provided with fastening grooves 212 on both left and right sides, it is possible to couple one end plate 300 to each side of one side plate 200, and the adjacent cell array 100 ) shares one side plate 200, so in a structure where a plurality of battery blocks 10 are connected, the total number of side plates 200 is required to be one more than the number of cell arrays 100. Accordingly, the space efficiency of the battery pack 600 equipped with the battery block 10 of the present invention is further improved.
  • FIG. 4 shows a structure in which the battery block 10 expanded in the width direction (W) described in the first embodiment is mounted on the pack case 602.
  • the pack case 602 on which the plurality of battery blocks 10 are mounted includes a base plate 610 forming the bottom, a side frame 620 forming walls along all sides of the base plate 610, and a pack case. It includes an upper cover 630 that seals the upper surface of 602.
  • the illustrated pack case 602 shows an example in which two battery modules 500, in which the side plate 200 and the end plate 300 are combined in a lattice form, are arranged in two rows so that the three cell arrays 100 are aligned ( In this specification, an assembly in which a plurality of battery blocks are integrally connected via side plates is referred to as a battery module).
  • One battery module 500 in which three cell arrays 100 are aligned, has end brackets 400 exposed along the front and rear end plates 300, and the side brackets 400 between the end plates 300.
  • One end bracket 400 is also exposed on the bracket 210.
  • the pack case 602 is provided with a rail-shaped mounting portion 640 corresponding to the fastening surface 410 of the end bracket 400 protruding from the front and rear of the battery module 500.
  • the mounting portion 640 includes a pair of side mounting portions 642 coupled to or integrally formed with the side frame 620 and a center mounting portion 644 provided across the center of the base plate 610 arranged side by side.
  • the base plate 610 includes a heat sink 612 provided with a cooling passage 614 through which a cooling medium flows.
  • the heat sink 612 has a lower plate on which a cooling passage 614 is formed, and an upper plate that is joined to the lower plate to seal the fluid.
  • the upper plate has a pair of inflow and outflow adapters that form the inlet and outlet of the cooling medium flowing through the cooling passage 614. (616) is provided.
  • a thermally conductive thermal interface material (TIM) 618 may be interposed between the contact surface of the heat sink 612 of the base plate 610 and the battery block 10.
  • the thermally conductive thermal interface material 618 refers to a known material that has a much higher thermal conductivity than metal materials such as aluminum.
  • the thermally conductive thermal interface material 618 has high thermal conductivity and serves as a filler to fill in the fine irregularities of the contact surface. This contributes to quickly transferring the heat generated in the battery block 10 to the heat sink 612.
  • the battery module 500 mounted in the pack case 602 is sealed by an upper cover 630 coupled to the upper edge of the side frame 620, as shown in FIG. 5.
  • the battery pack 600 of the present invention has a venting duct 632 on the upper cover 630 that forms a flow path connected to a plurality of venting devices 114 arranged in a row on the upper surface of the cell array 100. It is formed as a whole.
  • the venting duct 632 is formed integrally with the upper cover 630 through plastic processing such as press processing.
  • the upper cover 630 is bent to form a curved cross-sectional shape. Through its curved cross-sectional shape, the upper cover 630 differs from the conventional upper cover in a simple flat shape. In comparison, mechanical rigidity is improved and the battery block 10 inside the pack case 602 can be more effectively protected.
  • Figures 6 and 7 are cross-sectional views cut through the upper cover 630 to show the cross-sectional structure of the venting duct 632.
  • the venting duct 632 has a concave portion 634 that is in close contact with the upper surface of the square cell 110 around the venting device 114, and a convex portion (634) forming a space surrounding the venting device 114. 633).
  • the concave portion 634 and the convex portion 633 are terms referred to based on the relative depth difference when the upper cover 630 is viewed from above, and the plane formed by the surface of the convex portion 633 is the upper cover ( 630) can be understood as corresponding to the reference surface.
  • the concave portions 634 on both sides of the convex portion 633 are in close contact with the upper surface of the square cell 110, thereby isolating the space inside the convex portion 633 surrounding the venting device 114 from the outside.
  • a heat-resistant insulating sheet 636 such as a mica sheet, may be interposed on the contact surface between the concave portion 634 of the venting duct 632 and the upper surface of the square cell 110 so as not to block the venting device 114.
  • the insulation sheet 636 thermally protects the contact surface between the concave portion 634 and the square cell 110 when high-temperature gas, flame, particles, etc. are ejected due to the rupture of the venting device 114, and maintains airtightness for a longer period of time. Make it possible.
  • the flow space inside the convex portion 633 formed by the venting duct 632 forms a passage through which combustion products ejected from the venting device 114 move, and one cell array 100 has one venting duct 632. ) is provided. That is, the plurality of square cells 110 constituting one cell array 100 share one venting duct 632, and the venting ducts 632 assigned to each cell array 100 are separated from each other. there is. Through this, thermal runaway occurring in any battery block 10 is suppressed from propagating to the surroundings, thereby preventing or delaying the spread of heat propagation phenomenon.
  • the convex portion 633 of the venting duct 632 forms a duct outlet 635 on one side opposite to the side frame 620 of the pack case 602, while forming a closed surface on the other side.
  • one end of the convex portion 633 adjacent to the side frame 620 is open, while the other end opposite to it is closed. Accordingly, combustion products flowing through the venting duct 632 are guided to flow in one direction toward the side frame 620.
  • combustion products ejected from any battery block 10 are It is finally discharged through the venting outlet 622 of the pack case 602 along a designated path.
  • combustion products emitted from the square cell 110 that caused thermal runaway are discharged outside the pack case 602 through a limited, predetermined path, and thus are not only used in the battery pack 600 but also in various devices mounted on the battery pack 600. safety design can be established efficiently.
  • electrode terminals 112 are disposed on both sides of the venting device 114 on the upper surface of the rectangular cell 110. Since the electrical wiring between the plurality of square cells 110 forming the cell array 100 and the battery block 10 starts from the electrode terminal 112, the space required for the electrical wiring is secured around the electrode terminal 112. Needs to be.
  • the upper cover 630 is provided with wiring ducts 638 that form a space surrounding the electrode terminals 112 of the cell array 100 on both sides of the venting duct 632, and the wiring ducts 638 are also It is preferable to form the upper cover 630 integrally by plastic processing.
  • the wiring duct 638 is isolated from the entire venting duct 632 including the duct outlet 635. That is, the wiring duct 638 is disconnected from the venting duct 632 in order to protect the electrical wiring from combustion products flowing through the venting duct 632 in an emergency situation where thermal runaway occurs when the venting device 114 operates.
  • one end of the wiring duct 638 adjacent to the side frame 620 is not on the same line as the outlet cross section of the duct outlet 635, and thus the high temperature discharged to the duct outlet 635 The electrical wiring inside the wiring duct 638 is not exposed to combustion products.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the battery block 10 according to the third embodiment.
  • the battery block 10 of the third embodiment is provided with a heat absorption/venting pouch 240 as a safety measure to respond to various thermal problems. There is a characteristic in doing it.
  • the heat absorbing/venting pouch 240 may be placed inside the side plate 200 and/or on the front and back sides of the square cell 110.
  • FIG. 9 and FIG. 10 which is a cross-sectional view taken along the line "D-D" in FIG. 9, the side plate 200 shown is made of a single plate bent in a " ⁇ " shape with the top open to form a space inside. there is. By bending a single plate into a “ ⁇ ” shape with an open top, the side plate 200 is lightweight and exhibits excellent mechanical strength.
  • the side plate 200 has concave surfaces 222 on both sides of the bent plate, and the facing concave surfaces 222 are joined to each other to form a joint rib 220.
  • At least one such joining rib 220 is provided along the longitudinal direction (L) of the side plate 200, and in the illustrated embodiment, a total of three joining ribs 220 are provided at both ends and the center of the side plate 200. It is formed.
  • a single plate bent in the " ⁇ " shape has excellent durability and strength against compression and tension in the longitudinal direction (L) due to the bending structure, but may be relatively weak against force in the height direction (H).
  • the joining rib 220 binds the structure of the concave surface 222 and the concave surfaces 222 on both sides of the side plate 200 together by joining by welding or binding by rivets, etc. to resist the force in the height direction (H). It improves the rigidity.
  • the side plate 200 Due to the structure of the side plate 200, that is, the single plate structure bent in the shape of “ ⁇ ” and the concave surface 222 joined to each other, the side plate 200 is lightweight and has strong mechanical rigidity. Accordingly, the battery block 10 of the present invention replaces the cross beam configuration provided in the conventional battery pack 600 with the side plate 200, and the structure of the battery pack 600 is simplified to that extent, thereby simplifying the battery pack ( 600), the space utilization rate is improved, the energy density in the same volume is further increased, and costs can be reduced.
  • one or more heat absorbing/venting pouches 240 are inserted and built into the side plate 200. That is, a narrow and long space is provided inside the side plate 200 by a pair of concave surfaces 222 that locally form the joint rib 220, and the heat absorption/venting pouch 240 is inserted into the space. .
  • a total of three joint ribs 220 are formed at both ends and the center of the side plate 200 to create a space divided into two, and a heat absorption/venting pouch 240 is entered into each space.
  • the heat absorption/venting pouch 240 seals and stores the absorbent material 242 impregnated with a large amount of liquid, and the liquid impregnated in the absorbent material 242 absorbs the heat of the square cell 110 transmitted through the side plate 200. absorbs. That is, the heat absorption/venting pouch 240 has a heat capacity corresponding to the heat absorption of the liquid impregnated in the absorbent material 242 and the latent heat absorbed while vaporizing the liquid when it exceeds the boiling point. The endothermic and latent heat of the liquid adds significant heat capacity to the side plate 200, allowing it to absorb more heat from the rectangular cell 110, thereby further delaying the temperature rise of the rectangular cell 110.
  • the body of the heat absorption/venting pouch 240 can be manufactured using a flexible laminate sheet, and the laminate sheet includes an aluminum thin film layer, an internal resin layer formed on the inside of the aluminum thin film layer, and an external resin layer formed on the outside of the aluminum thin film layer. It may be a structure of three or more stories.
  • the inner resin layer may be casted polypropylene (CPP) or polypropylene (PP), and the outer resin layer may be polyethylene terephthalate (PET) or nylon.
  • the liquid impregnated in large quantities in the absorbent material 242 stored in the heat absorbing/venting pouch 240 absorbs the heat generated in the square cell 110, and when the temperature exceeds the boiling point and is vaporized, it changes from liquid to gas. Due to the rapid increase in volume due to the phase change, internal pressure is applied to the heat absorbing/venting pouch 240 that seals the absorbent material 242. If the internal pressure exceeds the bursting strength of the heat absorption/venting pouch 240, a portion of the heat absorption/venting pouch 240 is torn and steam is released. By discharging (venting) this steam, the high-temperature rectangular cell 110 is cooled once again.
  • the heat absorption/venting pouch 240 may be configured to appropriately guide the position where the steam is discharged so that the discharged steam performs an effective cooling function.
  • a vulnerable portion 246 may be provided in a portion of the heat-sealed sealing portion 244 formed along the edge of the heat absorbing/venting pouch 240.
  • the weak portion 246 is configured to be preferentially broken by an increase in internal pressure due to vaporization of the liquid by locally lowering the sealing strength of the heat-fusion sealing portion 244. That is, the weak portion 246 may be formed in a way that makes the heat fusion strength of the heat fusion sealing portion 244 lower than that of the surrounding area.
  • the strength of the weak portion 246 can be reduced by making it relatively thinner than the surrounding area or forming a notch, or it can be formed by locally removing the aluminum thin film layer that maintains the durability of the laminate sheet.
  • the absorbent material 242 includes a superabsorbent matrix, for example, a superabsorbent polymer (Super Absorbent Polymer, SAP) or a superabsorbent fiber (SAF). It can be.
  • the superabsorbent matrix is porous or fibrous and can absorb a large amount of liquid by exhibiting capillary action, and the superabsorbent fiber can be manufactured in the form of a fiber such as non-woven fabric by processing the superabsorbent resin.
  • the highly absorbent matrix can greatly increase the heat capacity of the side plate 200 as it can contain a large amount of liquid.
  • the specific type of the superabsorbent polymer and the superabsorbent fiber produced therefrom is not particularly limited, and any type that has an excellent absorption ability for fluid, especially water, can be used without limitation.
  • examples of superabsorbent resins include polyacrylic acid, polyacrylate, polyacrylate graft polymer, starch, cross-linked carboxymethylated cellulose, acrylic acid copolymer, hydrolyzed starch-acrylnitrile graft copolymer, and starch-acrylic acid graft.
  • Copolymer saponified vinyl acetate-acrylic acid ester copolymer, hydrolyzed acrylonitrile copolymer, hydrolyzed acrylamide copolymer, ethylene-maleic anhydride copolymer, isobutylene-maleic anhydride copolymer, polyvinylsulfonic acid , polyvinylphosphonic acid, polyvinyl phosphoric acid, polyvinyl sulfate, sulfonated polystyrene, polyvinylamine, polydialkylaminoalkyl (meth)acrylamide, polyethyleneimine, polyallylamine, polyallylguanidine, polydimethyldiallylammonium hydride.
  • One or more selected from the group consisting of salts, crosslinked polyacrylic acid, and crosslinked acrylic acid hollow polymers may be included, but are not limited thereto.
  • the type of acrylic acid copolymer used as the superabsorbent polymer in the present invention is not particularly limited, but is preferably acrylic acid monomer and maleic acid, itaconic acid, acrylamide, 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, 2-(meth ) It may be a copolymer containing one or more comonomers selected from the group consisting of acryloylethanesulfonic acid, 2-hydroxyethyl (meth)acrylate, and styrenesulfonic acid.
  • the superabsorbent polymer may have a water absorption amount of 10 g/g to 500 g/g, preferably 50 g/g to 200 g/g, but is not limited thereto. That is, 10 g to 500 g of water, preferably 50 g to 200 g, can be absorbed per 1 g of superabsorbent polymer.
  • the greater the water absorption of the superabsorbent polymer the longer the cooling effect can be improved.
  • it exceeds 500 g/g the fluidity of the superabsorbent polymer increases and it is difficult to maintain its shape, making effective cooling impossible.
  • it is less than 10 g/g the duration of the cooling effect may be too short and ineffective.
  • the liquid impregnated in the absorbent material 242 may be water.
  • Water is the substance with the highest specific heat and latent heat among readily available liquids. Therefore, the water contained in the absorbent material 242 is suitable for application to the endothermic/venting pouch 240 of the present invention because it absorbs a large amount of heat during the process of changing phase into gas starting before evaporation.
  • the heat absorbing/venting pouch 240 may also be disposed (hereinafter simply referred to as “between square cells”).
  • the heat absorbing/venting pouch 240 contacts the front and rear surfaces of the square cell 110 to more directly absorb heat from the square cell 110, thereby more effectively compensating for the thermal problem of the battery block 10.
  • the configuration of the heat absorbing/venting pouch 240 disposed between the square cells 110 follows the above-described content, but the location of the vulnerable portion 246 on the heat-fusion sealing portion 244 may be limited to the upper edge.
  • the vulnerable portion 246 is disposed on the upper edge of the heat absorbing/venting pouch 240, so that when the vulnerable portion 246 ruptures, steam is ejected into the convex portion 633 of the venting duct 632, and through contact with the steam.
  • a venting slit 637 may be formed in the insulation sheet 636 at a position corresponding to the vulnerable portion 246 of the heat absorption/venting pouch 240.
  • the venting slit 637 is to secure the flow path of steam ejected through the vulnerable portion 246, and for effective cooling of combustion products, the vulnerable portion 246 and the corresponding venting slit 637 are connected to the venting duct 632. It needs to be located within the flow space formed by the convex portion 633.
  • venting device 200 side plate
  • joint rib 222 concave surface
  • Absorber 244 Heat fusion sealing part
  • Base plate 612 Heat sink
  • Cooling passage 616 Inflow/outflow adapter
  • Venting outlet 630 Top cover
  • Venting duct 633 Convex portion

Landscapes

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Abstract

배터리 팩은, 하나의 예에서, 상면에 벤팅장치를 구비하는 복수의 각형 셀이 일렬로 정렬된 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록, 및 복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스를 포함하고, 상기 팩 케이스의 상부 커버는 상기 셀 어레이의 상면으로 일렬 배열된 복수의 벤팅장치에 대해 하나로 연결된 유로를 형성하는 벤팅덕트가 일체로 형성된다.

Description

커버 일체형 벤팅덕트를 구비하는 배터리 팩
본 발명은 일렬로 정렬된 각형 셀의 상면에 구비된 벤팅장치에서 분출하는 고온가스나 화염 등을 정해진 배출방향으로 유도하는 벤팅덕트가 팩 케이스의 상부 커버에 일체로 형성된 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2022. 12. 06일자 대한민국 특허출원 제10-2022-0168749호에 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 배터리 팩의 형태로서 복수의 배터리 셀이 하나의 집단을 이룰 수 있다. 배터리 팩은 에너지 밀도를 높여 고에너지를 요구하는 장치, 예를 들어 전기 자동차 등에 탑재될 수 있다. 배터리 팩은 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 규정된 전력을 출력하고, 작동 중 온도가 상승하는 배터리 셀을 냉각하며, 발화 등의 비상상황에 대응하는 각종 안전장치를 구비한다.
특히, 이차전지는 장기간 동안 연속적인 사용이 요구되므로, 충방전 과정 중에 발생하는 열을 효과적으로 제어할 필요가 있다. 이차전지의 냉각이 원활히 이루어지지 못할 경우에는 온도 상승이 전류의 증가를 야기하고, 전류의 증가가 또다시 온도 상승의 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 방출되는 가연성 가스와 가열전극 등의 점화원으로 인해 화재 발생의 위험이 높으므로, 이러한 발화 위험을 억제할 필요가 있다.
열 폭주와 열 전파의 비상상황에 대비하기 위해, 이차전지에는 안전밸브로서 벤팅장치를 구비하는 경우가 많다. 벤팅장치는 이차전지의 내압이 과도하게 상승한 경우 이에 반응하여 스스로 개방됨으로써 내압을 해소하고, 이를 통해 이차전지의 구조붕괴를 방지하는 역할을 한다.
그런데, 벤팅장치가 작동하면 이 내압해방의 출구를 통해 가연성 가스와 가열전극 등의 점화원이 무작위 방향으로 분출하므로, 그 분출방향을 적절히 통제, 유도할 필요가 있다. 이를 위해 벤칭장치에 대한 유도통로를 형성하기 위해 벤팅덕트가 모듈에 설치되기도 한다.
본 발명은 배터리 팩을 구성하는 배터리 블록이나 배터리 모듈에 포함된 모든 이차전지에 대해 간편한 조립공정만으로 벤팅장치에 대한 유도통로를 일괄적으로 형성할 수 있는 배터리 팩을 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 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 상면에 벤팅장치를 구비하는 복수의 각형 셀이 일렬로 정렬된 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록, 및 복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스를 포함하고, 상기 팩 케이스의 상부 커버는 상기 셀 어레이의 상면으로 일렬 배열된 복수의 벤팅장치에 대해 하나로 연결된 유로를 형성하는 벤팅덕트가 일체로 형성된다.
여기서, 상기 벤팅덕트는 상기 상부 커버를 소성 가공하여 일체로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 벤팅덕트는, 상기 벤팅장치 주변의 각형 셀 상면에 밀착하는 오목부와, 상기 벤팅장치를 감싸는 공간을 형성하는 볼록부를 포함한다.
그리고, 상기 벤팅덕트의 오목부와 상기 각형 셀 상면의 접촉면에는 단열시트가 개재될 수 있다.
그리고, 상기 볼록부는, 상기 팩 케이스의 사이드 프레임에 대향하는 일측이 덕트출구를 형성하는 한편, 반대측은 폐쇄면을 이룰 수 있다.
그리고, 상기 각형 셀의 상면에는 상기 벤팅장치 양옆으로 각각 전극단자가 배치되고, 상기 벤팅덕트의 양옆으로 상기 전극단자를 감싸는 공간을 형성하는 배선덕트가 상기 상부 커버를 소성 가공하여 일체로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 배선덕트는 상기 덕트출구에 대해 격리되어 있는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 덕트출구는, 상기 팩 케이스의 사이드 프레임에 구비된 벤팅출구와 연통할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 셀 어레이는 상기 각형 셀의 전후면에 접촉하도록 각형 셀 사이에 배치되는 흡열/벤팅 파우치를 포함하고, 상기 흡열/벤팅 파우치는 액체가 함침된 흡수재를 밀봉 수납하며, 상기 흡열/벤팅 파우치는 그 테두리를 따라 열융착 실링부를 구비하고, 상기 열융착 실링부 상에는 상대적으로 파열강도가 낮은 취약부를 구비할 수 있다.
그리고, 상기 흡열/벤팅 파우치의 취약부는 상단 테두리에 배치되고, 상기 단열시트는 상기 벤팅덕트의 볼록부가 형성하는 공간 안에 상기 취약부에 대응하는 벤팅슬릿을 구비할 수 있다.
또한, 상기 배터리 블록의 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하도록 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트로 이루어지고, 상기 내부 공간에는 액체가 함침된 흡수재를 밀봉 수납하는 흡열/벤팅 파우치가 내장될 수 있다.
실시형태에 따라, 상기 사이드 플레이트는, 상기 절곡된 플레이트의 양편으로 오목면을 구비하고, 대면하는 상기 오목면이 상호 접합된 접합리브가 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되며, 상기 흡열/벤팅 파우치는 상기 접합리브로 구획되는 내부 공간에 삽입될 수 있다.
상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 배터리 팩에 의하면, 팩 케이스 안에 배터리 블록을 탑재한 후 상부 커버로 팩 케이스를 밀봉하는 것만으로 모든 셀 어레이에 대해 배터리 블록별로 구획된 벤팅덕트가 설치된다. 따라서, 개개의 배터리 블록에 대해 벤팅덕트를 설치할 필요가 없어지기 때문에 배터리 팩의 조립과 분해공정이 단순화되고, 상부 커버가 벤팅덕트의 역할을 겸하기 때문에 그만큼 자재가 줄어듦으로써 원가를 절약하는 효과를 얻는다.
또한, 벤팅덕트가 일체로 굴곡지게 형성된 상부 커버는 그 굴곡진 단면 형태를 통해, 단순한 평판형태인 종래의 상부 커버에 비해, 기계적 강성이 향상되고, 그만큼 더 팩 케이스 내부의 배터리 블록을 효과적으로 보호할 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 일 실시형태에 따른 배터리 블록을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 배터리 블록에 대한 분해 사시도.
도 3은 도 1의 배터리 블록이 폭 방향으로 확장되어 배터리 모듈을 이루는 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 배터리 팩에 대한 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 배터리 팩을 도시한 도면.
도 6은 도 5의 "A-A"선을 따라 절개한 단면도.
도 7은 도 5의 "B-B"선을 따라 절개한 단면도.
도 8은 도 5의 "C-C"선을 따라 절개한 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 블록의 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 10은 도 9의 "D-D"선을 따라 절개한 단면도.
도 11은 도 9의 "E-E"선을 따라 절개한 단면도.
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 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 상면에 벤팅장치를 구비하는 복수의 각형 셀이 일렬로 정렬된 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록, 그리고 복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스를 포함한다.
여기서, 상기 팩 케이스의 상부 커버는 상기 셀 어레이의 상면으로 일렬 배열된 복수의 벤팅장치에 대해 하나로 연결된 유로를 형성하는 벤팅덕트가 일체로 형성되며, 바람직하게는 상기 벤팅덕트는 상기 상부 커버를 소성 가공하여 일체로 형성된다.
상기와 같은 본 발명의 배터리 팩에 의하면, 팩 케이스 안에 배터리 블록을 탑재한 후 상부 커버로 팩 케이스를 밀봉하는 것만으로 모든 셀 어레이에 대해 배터리 블록별로 구획된 벤팅덕트가 설치된다.
따라서, 개개의 배터리 블록에 대해 벤팅덕트를 설치할 필요가 없어지기 때문에 배터리 팩의 조립과 분해공정이 단순화되고, 상부 커버가 벤팅덕트의 역할을 겸하기 때문에 그만큼 자재가 줄어듦으로써 원가를 절약하는 효과를 얻는다.
또한, 벤팅덕트가 일체로 굴곡지게 형성된 상부 커버는 그 굴곡진 단면 형태를 통해, 단순한 평판형태인 종래의 상부 커버에 비해, 기계적 강성이 향상되고, 그만큼 더 팩 케이스 내부의 배터리 블록을 효과적으로 보호할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 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]
본 발명의 제1 실시형태에서는 배터리 블록(10)과, 복수의 배터리 블록(10)이 서로 연결되어 하나의 배터리 모듈(500)을 이루는 구성에 대해 간략히 설명한다. 본 발명의 배터리 팩(600)에 구비되는 벤팅덕트(632)는 하나의 셀 어레이(100)를 블록 형태로 구속하고 있는 배터리 블록(10)마다 하나씩 병렬 배치되는데, 도 1 내지 도 3을 통해 설명되는 배터리 블록(10)은 복수의 벤팅덕트(632)를 일괄 설치하기에 적합한 구조를 이루고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 블록(10)을 도시한 도면, 그리고 도 2는 도 1의 배터리 블록(10)에 대한 분해 사시도이다. 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 블록(10)은 한 쌍의 사이드 플레이트(200) 및 이에 결속하여 평행 육면체 형태의 공간을 형성하는 한 쌍의 엔드 플레이트(300), 그리고 평행 육면체 공간에 수용되는 셀 어레이(100)를 포함한다.
셀 어레이(100)는 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀(110)이 이루는 하나의 셀 집단을 의미한다. 개개의 각형 셀(110)은 독립적으로 충방전이 가능한 완성된 각형 이차전지이며, 도시된 실시형태에서는 12개의 각형 셀(110)이 모여 하나의 셀 어레이(100)를 구성하는 것이 하나의 예로서 도시되어 있다. 모든 각형 셀(110)은 동일 사양으로 구성되는 것이 일반적이며, 일렬로 정렬된 각형 셀(110)은 전체적으로 평행 육면체의 형태를 이루고 있다.
여기서, 도시된 각형 셀(110)은 상면에 양극과 음극의 전극단자(112)가 모두 배치된 일방향 각형 셀(110)에 해당하며, 또한 한 쌍의 전극단자(112) 사이에 벤팅장치(114)가 구비되어 있다. 셀 어레이(100)로 정렬된 복수의 각형 셀(110) 상면에 마련된 벤팅장치(114)도 일렬로 정렬된다.
벤팅장치(114)는 각형 셀(110) 내부에 안전수준을 압력이 작용하면 파열되어 내압을 해소하는 안전밸브에 해당하는 장치로서, 예를 들어 금속재질의 얇은 판형 부재의 노치(Notch) 가공을 한 럽쳐 디스크를 포함할 수 있다. 럽쳐 디스크는 밀폐된 각형 셀(110)의 내압이 상승하면 그 압력에 의해 박판 전반에 걸쳐 인장변형이 발생하다가 강도가 약한 노치부가 찢어지면서 각형 셀(110)의 내압을 해소하게 된다.
한 쌍의 사이드 플레이트(200)는 셀 어레이(100)의 양 측면에 각각 배치되고, 한 쌍의 엔드 플레이트(300)는 셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치된다. 엔드 플레이트(300)의 폭 방향(W) 양단은 사이드 플레이트(200)의 길이방향(L) 양단에 구비된 사이드 브래킷(210)에 대해 고정되며, 사이드 브래킷(210)을 매개로 하는 엔드 플레이트(300)와 사이드 플레이트(200)의 상호 연결에 의해 셀 어레이(100)는 하나의 블록으로 구속된다.
여기서, 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300), 그리고 이들을 연결하는 사이드 브래킷(210)은 모두 열전도성 소재, 예를 들어 알루미늄 소재나 스테인리스스틸(SUS)과 같은 열전도율이 우수한 금속소재로 이루어지며, 이를 통해 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)는 열적으로 연결된다.
다시 말해, 셀 어레이(100) 상의 어느 각형 셀(110)에 대해, 주변의 다른 각형 셀(110)은 물론 셀 어레이(100)에 접촉하는 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)는 서로 열적으로 연결된 하나의 열용량(thermal mass)을 이루게 된다. 이와 같이, 배터리 블록(10) 전체가 하나의 열용량을 이룸에 따라, 충방전시 각형 셀(110)의 급격한 온도상승을 완화하는 것은 물론 열 폭주, 열 전파 등의 비상상황에서도 신속히 열을 분산하는 패시브 냉각구조의 기초가 마련된다.
한편, 사이드 플레이트(200)의 상단에는, 셀 어레이(100)의 상면에 접촉하는 상부 플랜지(230)가 절곡 형성되어 있다. 상부 플랜지(230)는 배터리 블록(10)의 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)가 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 장착되었을 때 셀 어레이(100)를 바닥으로 누르는 하방 고정력을 생성한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 사이드 플레이트(200) 양단에 구비된 사이드 브래킷(210)은, 엔드 플레이트(300)에 돌출 구비된 용접볼트(310)에 삽입되는 체결 홈(212)을 구비하며, 용접볼트(310)와 체결 홈(212)은 용접에 의해 상호 접합된다.
셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(300)에 구비된 용접볼트(310)는 사이드 브래킷(210)에 대한 체결점을 제공하며, 용접볼트(310)에 체결 홈(212)이 끼워짐으로써 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)의 조립위치는 가정렬된다. 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)의 안정적이고 견고한 결합을 위해, 그리고 셀 어레이(100)에 대한 강한 구속을 위해, 용접볼트(310)와 체결 홈(212)은 셀 어레이(100)의 높이방향(H) 중앙을 기준으로 하여 상하 한 쌍으로 구비될 수 있다.
그리고, 엔드 플레이트(300)는 팩 케이스(602)에 대해 고정되는 엔드 브래킷(400)을 포함한다. 또한, 사이드 브래킷(210) 역시 팩 케이스(602)에 대해 고정되는 엔드 브래킷(400)을 포함한다.
엔드 플레이트(300)와 사이드 플레이트(200)에 구비되는 엔드 브래킷(400)은 폭 방향(W)과 나란한 체결면(410)을 구비하고 있으며, 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)에는 하나 이상의 체결 홀(412)이 형성되어 있다. 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)은 팩 케이스(602)에 마련된 장착부(640)에 안착되며(도 9 참조), 체결 홀(412)을 통해 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 엔드 브래킷(400)을 접합 또는 결속함으로써 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 고정된다.
그리고, 엔드 브래킷(400)은 체결면(410)에 수직한 직각삼각형 형태와 같은 보강리브(420)를 구비함으로써 높이방향(H) 하중에 대한 강성을 보강할 수 있다. 참고로 엔드 플레이트(300) 자체의 강성을 보강하기 위해, 사이드 플레이트(200)의 오목면(222)에 유사한, 하나의 이상의 오목면(320)이 절곡 형성될 수 있으며, 셀 어레이(100)의 안정적인 고정을 위해 엔드 플레이트(300)의 상단에도 상부 플랜지(330)가 구비될 수 있다.
한편, 도 3은 배터리 블록(10)이 폭 방향(W)으로 확장되어 하나로 연결된 배터리 모듈(500)을 구성하는 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 배터리 블록(10)은 사이드 플레이트(200) 및 사이드 브래킷(210)을 통해 폭 방향(W)을 따라 셀 어레이(100)의 개수를 원하는 만큼 확장하는 것이 가능하다.
도 3을 보면, 사이드 브래킷(210)은, 사이드 플레이트(200)의 폭 방향(W) 중앙을 기준으로 하여 좌우 양측으로 각각 체결 홈(212)을 구비하고 있다. 이에 따라, 하나의 사이드 플레이트(200)에 대해, 그 폭 방향(W) 양측으로 하나씩의 엔드 플레이트(300)를 연결하는 것이 가능하다.
폭 방향(W)을 따라 배열된 또 하나의 셀 어레이(100)는 가운데에 있는 하나의 사이드 플레이트(200)를 공유하게 되고, 또 하나의 셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(300)에 구비된 용접볼트(310)가 사이드 브래킷(210)의 체결 홈(212)에 대해 고정됨으로써 복수의 셀 어레이(100)가 폭 방향(W)을 따라 확장된다.
이와 같이, 사이드 브래킷(210)이 좌우 양측으로 각각 체결 홈(212)을 구비함에 따라 하나의 사이드 플레이트(200) 양편으로 각각 엔드 플레이트(300)를 하나씩 결합할 수 있게 되고, 인접한 셀 어레이(100)가 하나의 사이드 플레이트(200)를 공유함에 따라 복수의 배터리 블록(10)이 연결되는 구조에 있어서 전체 사이드 플레이트(200)의 개수는 셀 어레이(100)의 개수보다 하나만 더 필요해진다. 따라서, 본 발명의 배터리 블록(10)을 탑재하는 배터리 팩(600)의 공간 효율성은 더욱 향상된다.
[제2 실시형태]
도 4는 제1 실시형태에서 설명된 폭 방향(W)으로 확장된 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 탑재되는 구조를 도시하고 있다.
복수의 배터리 블록(10)이 장착되는 팩 케이스(602)는, 바닥면을 이루는 베이스 플레이트(610)와, 베이스 플레이트(610)의 사방을 따라 벽을 형성하는 사이드 프레임(620), 그리고 팩 케이스(602)의 상면을 밀폐하는 상부 커버(630)를 포함한다. 도시된 팩 케이스(602)는 세 개의 셀 어레이(100)가 일렬을 이루도록 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)가 격자형태로 결합한 배터리 모듈(500) 두 개가 이열로 배치되는 일례를 보여준다(본 명세서에서는 복수의 배터리 블록이 사이드 플레이트를 매개로 하여 일체로 연결된 어셈블리를 배터리 모듈이라 칭하기로 함).
세 개의 셀 어레이(100)가 일렬을 이루는 하나의 배터리 모듈(500)은, 전면과 후면의 엔드 플레이트(300)를 따라 엔드 브래킷(400)이 노출되어 있으며, 엔드 플레이트(300)들 사이의 사이드 브래킷(210)에도 하나의 엔드 브래킷(400)이 노출되어 있다. 그리고, 팩 케이스(602)에는 배터리 모듈(500)의 전면과 후면으로 돌출된 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)에 대응하여, 레일 형태의 장착부(640)가 마련되어 있다. 장착부(640)는 사이드 프레임(620)에 결합 또는 일체로 형성된 한 쌍의 사이드 장착부(642)와, 베이스 플레이트(610)의 중앙을 가로질러 마련된 센터 장착부(644)가 나란히 배열되어 있다.
사이드 장착부(642)와 센터 장착부(644) 사이의 공간에 배터리 모듈(500)이 삽입되면, 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)이 팩 케이스(602)의 장착부(640)를 마주보게 되고, 체결 홀(412)을 통해 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 엔드 브래킷(400)을 접합 또는 결속함으로써 모든 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 일괄 고정된다.
그리고, 각 배터리 블록(10)의 엔드 브래킷(400)이 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 결합 고정되면, 사이드 플레이트(200), 나아가 엔드 플레이트(300)의 상단에 절곡 형성되어 있는 상부 플랜지(320, 230)에서는 셀 어레이(100)를 베이스 플레이트(610)로 누르는 하방 고정력이 자연적으로 생성되며, 이에 따라 셀 어레이(100)는 베이스 플레이트(610)에 견고하게 밀착된다.
도시된 실시형태에서, 베이스 플레이트(610)는 내부로 냉각매체가 흐르는 냉각유로(614)가 구비된 히트싱크(612)를 포함한다. 히트싱크(612)는 냉각유로(614)가 형성된 하판과, 하판에 접합하여 유체밀봉하는 상판을 구비하며, 상판에는 냉각유로(614)에 유통하는 냉각매체의 입출구를 형성하는 한 쌍의 유출입 어댑터(616)가 구비되어 있다.
그리고, 베이스 플레이트(610)의 히트싱크(612)와 배터리 블록(10)의 접촉면 사이에는, 열전도성 열계면재(618)(TIM, Thermal Interface Material)가 개재될 수 있다. 열전도성 열계면재(618)는 알루미늄과 같은 금속소재에 비해 열전도율이 월등히 높은 공지의 소재를 지칭하는 것으로서, 열전도성 열계면재(618)는 높은 열전도율과 접촉면의 미세한 요철을 매우는 필러의 역할을 함으로써 배터리 블록(10)에서 발생한 열을 신속하게 히크싱크(612)로 전달하는데 기여한다.
팩 케이스(602) 안에 장착된 배터리 모듈(500)은, 도 5에 도시된 것과 같이, 사이드 프레임(620)의 상단 모서리에 결합하는 상부 커버(630)에 의해 밀봉된다. 특히, 본 발명의 배터리 팩(600)은, 셀 어레이(100)의 상면으로 일렬 배열된 복수의 벤팅장치(114)에 대해 하나로 연결된 유로를 형성하는 벤팅덕트(632)가 상부 커버(630)에 일체로 형성되어 있다.
바람직하게는, 벤팅덕트(632)는 상부 커버(630)를 프레스 가공과 같은 소성 가공을 통해 일체로 형성된다. 벤팅덕트(632)를 일체로 형성하기 위해 상부 커버(630)는 절곡되어 굴곡진 단면 형태를 이루게 되며, 상부 커버(630)는 그 굴곡진 단면 형태를 통해, 단순한 평판형태인 종래의 상부 커버와 비교할 때, 기계적 강성이 향상되고 그만큼 더 팩 케이스(602) 내부의 배터리 블록(10)을 효과적으로 보호할 수 있다.
도 6 내지 도 7은 벤팅덕트(632)의 단면구조를 보여주기 상부 커버(630)를 절단한 단면도다. 도면에 나타나 것과 같이, 벤팅덕트(632)는, 벤팅장치(114) 주변의 각형 셀(110) 상면에 밀착하는 오목부(634)와, 벤팅장치(114)를 감싸는 공간을 형성하는 볼록부(633)를 포함한다. 여기서, 오목부(634)와 볼록부(633)는 상부 커버(630)를 위에서 바라봤을 때의 상대적인 깊이차이를 기준으로 하여 지칭된 용어로서, 볼록부(633) 표면이 이루는 평면이 상부 커버(630)의 기준표면에 해당하는 것으로 이해할 수 있다.
볼록부(633) 양옆의 오목부(634)는 각형 셀(110)의 상면에 밀착함으로써, 벤팅장치(114)를 감싸는 볼록부(633) 내부의 공간을 그 외부에 대해 격리시킨다. 또한, 벤팅덕트(632)의 오목부(634)와 각형 셀(110) 상면의 접촉면에는 운모시트와 같은 내열성의 단열시트(636)가 벤팅장치(114)를 가리지 않도록 개재될 수 있다. 단열시트(636)는 벤팅장치(114)의 파열에 의해 고온가스, 화염, 입자 등이 분출할 때 오목부(634)와 각형 셀(110)의 접촉면을 열적으로 보호하고, 기밀이 좀더 오래 유지되도록 한다.
벤팅덕트(632)에 의해 형성된 볼록부(633) 내부의 유동공간은 벤팅장치(114)에서 분출된 연소생성물이 이동하는 통로를 형성하며, 하나의 셀 어레이(100)는 하나의 벤팅덕트(632)를 구비한다. 즉, 하나의 셀 어레이(100)를 구성하는 복수의 각형 셀(110)은 하나의 벤팅덕트(632)를 공유하며, 각각의 셀 어레이(100)에 할당된 벤팅덕트(632)는 서로 분리되어 있다. 이를 통해, 어느 배터리 블록(10)에서 발생한 열 폭주가 주변으로 전파되는 것이 억제됨으로써 열 전파 현상으로까지 확산되는 것이 방지 또는 지연된다.
그리고, 벤팅덕트(632)의 볼록부(633)는, 팩 케이스(602)의 사이드 프레임(620)에 대향하는 일측이 덕트출구(635)를 형성하는 한편, 반대측은 폐쇄면을 이루고 있다. 도 6 및 도 8을 참조하면, 사이드 프레임(620)에 인접한 볼록부(633)의 일단은 개방되어 있는 반면 그 반대편의 타단은 폐쇄되어 있다. 이에 따라, 벤팅덕트(632)를 유동하는 연소생성물은 사이드 프레임(620) 쪽의 한 방향으로 그 흐름이 유도된다. 또한, 볼록부(633)의 덕트출구(635)는 팩 케이스(602)의 사이드 프레임(620)에 구비된 벤팅출구(622)와 연통되어 있으므로, 어느 배터리 블록(10)에서 분출되는 연소생성물은 정해진 경로를 따라 최종적으로 팩 케이스(602)의 벤팅출구(622)로 배출된다. 이와 같이, 열 폭주를 일으킨 각형 셀(110)에서 나온 연소생성물은 제한된 정해진 경로를 통해서 팩 케이스(602) 외부로 배출되므로, 배터리 팩(600)은 물론 배터리 팩(600)을 탑재하는 각종 장치에 대한 안전설계가 효율적으로 수립될 수 있다.
한편, 도시된 실시형태에 따르면, 각형 셀(110)의 상면에는 벤팅장치(114) 양옆으로 각각 전극단자(112)가 배치되어 있다. 셀 어레이(100)를 이루는 복수의 각형 셀(110), 나아가 배터리 블록(10) 사이의 전기배선은 전극단자(112)로부터 시작되므로, 전극단자(112) 주변으로 전기배선에 요구되는 공간을 확보할 필요가 있다. 이를 위해, 상부 커버(630)는 벤팅덕트(632)의 양옆으로 셀 어레이(100)의 전극단자(112)를 감싸는 공간을 형성하는 배선덕트(638)가 구비되어 있으며, 배선덕트(638) 역시 상부 커버(630)를 소성 가공하여 일체로 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 6 내지 도 8에 도시된 것과 같이, 덕트출구(635)를 포함한 벤팅덕트(632) 전체에 대해 배선덕트(638)가 격리되는 것이 바람직하다. 즉, 벤팅장치(114)가 작동한 열 폭주 발생의 비상상황에서 벤팅덕트(632)를 흐르는 연소생성물로부터 전기배선을 보호하기 위해, 배선덕트(638)는 벤팅덕트(632)와는 단절되어 있다. 특히, 도 6에 도시된 것과 같이, 사이드 프레임(620)에 인접한 배선덕트(638)의 일단은 덕트출구(635)의 출구단면과 동일선상에 있지 않으며, 이로써 덕트출구(635)로 배출되는 고온의 연소생성물에 대해 배선덕트(638) 내부의 전기배선이 노출되지 않는다.
[제3 실시형태]
도 9는 제3 실시형태에 따른 배터리 블록(10)을 도시한 도면으로서, 제3 실시형태의 배터리 블록(10)은 각종 열적문제에 대응하기 위한 안전수단으로서 흡열/벤팅 파우치(240)를 구비하는 것에 특징이 있다. 도 9에 도시된 것처럼, 흡열/벤팅 파우치(240)는 사이드 플레이트(200) 내부 및/또는 각형 셀(110)의 전후면에 배치될 수 있다.
도 9 및 도 9의 "D-D"선을 따라 절개한 단면도인 도 10을 보면, 도시된 사이드 플레이트(200)는 내부에 공간을 형성하도록 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트로 이루어져 있다. 단일 플레이트를 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡 가공함으로써, 사이드 플레이트(200)는 경량이면서도 우수한 기계적 강도를 발휘하게 된다.
또한, 사이드 플레이트(200)는 절곡된 플레이트의 양편으로 오목면(222)을 구비하고 있으며, 대면하는 오목면(222)은 상호 접합되어 접합리브(220)를 형성하고 있다. 이러한 접합리브(220)는 사이드 플레이트(200)의 길이방향(L)을 따라 적어도 하나 이상 구비되며, 도시된 실시형태에서는 사이드 플레이트(200)의 양단과 중앙으로 총 세 개의 접합리브(220)가 형성되어 있다.
"∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트는 절곡구조에 의해 길이방향(L)의 압축과 인장에 대해서는 내구력과 강도가 우수하지만, 높이방향(H)의 힘에 대해서는 상대적으로 취약할 수 있다. 접합리브(220)는 오목면(222)의 구조와, 사이드 플레이트(200) 양편의 오목면(222)을 용접에 의한 접합, 또는 리벳 등에 의한 결속으로 하나로 묶음으로써 높이방향(H)의 힘에 대한 강성을 향상시키게 된다.
이와 같은 사이드 플레이트(200)의 구조, 즉 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트 구조와 상호 접합된 오목면(222)의 구조에 의해, 사이드 플레이트(200)는 경량이면서도 강한 기계적 강성을 가지게 된다. 이에 따라, 본 발명의 배터리 블록(10)은 종래 배터리 팩(600)에 구비었던 크로스 빔의 구성을 사이드 플레이트(200)가 대체하게 되고, 그만큼 배터리 팩(600)의 구조가 단순화됨으로써 배터리 팩(600)의 공간 활용률이 향상되어 동일 체적에서의 에너지 밀도는 더욱 증가하며, 원가를 절감할 수 있게 된다.
그리고, 도 9 및 도 9의 "E-E"선을 따라 절개한 단면도인 도 11에 도시된 것처럼, 사이드 플레이트(200) 안에는 하나 이상의 흡열/벤팅 파우치(240)가 삽입, 내장되어 있다. 즉, 국부적으로 접합리브(220)를 형성하는 한 쌍의 오목면(222)에 의해 사이드 플레이트(200) 내부에는 좁고 기다란 공간이 마련되며, 그 공간에 흡열/벤팅 파우치(240)가 삽입되어 있다. 도시된 실시형태에서는, 사이드 플레이트(200)의 양단과 중앙으로 총 세 개의 접합리브(220)가 형성됨으로써 두 개로 구획된 공간이 만들어지고, 각 공간에 흡열/벤팅 파우치(240)가 하나씩 들어간다.
흡열/벤팅 파우치(240)는 다량의 액체를 함침하고 있는 흡수재(242)를 밀봉 수납하고 있으며, 흡수재(242)에 함침된 액체는 사이드 플레이트(200)를 통해 전달된 각형 셀(110)의 열을 흡수한다. 즉, 흡열/벤팅 파우치(240)는 흡수재(242)에 함침된 액체의 흡열, 그리고 액체가 비등점을 초과했을 때 기화하면서 흡수하는 잠열에 대응하는 열용량을 가지고 있다. 액체의 흡열과 잠열은 사이드 플레이트(200)에 상당한 열용량을 추가함으로써 각형 셀(110)의 열을 더욱 더 많이 흡수할 수 있게 하며, 그만큼 더 각형 셀(110)의 온도상승을 지연한다.
흡열/벤팅 파우치(240)의 몸체는 유연한 라미네이트 시트를 이용하여 제조될 수 있으며, 라미네이트 시트는 알루미늄 박막층, 알루미늄 박막층의 내측에 형성된 내부 수지층, 그리고 알루미늄 박막층의 외측에 형성된 외부 수지층을 포함하는 3층 이상의 구조일 수 있다. 예를 들어, 내부 수지층은 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있고, 외부 수지층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 나일론일 수 있다.
그리고, 흡열/벤팅 파우치(240)에 수납된 흡수재(242)에 다량으로 함침되어 있는 액체는 각형 셀(110)에서 발생하는 열을 흡수하다가 그 온도가 비등점을 초과하여 기화되면, 액체에서 기체로의 상변화에 따른 급격한 부피 증가로 인해, 흡수재(242)를 밀봉하는 흡열/벤팅 파우치(240)에는 내압이 작용하게 된다. 내압이 흡열/벤팅 파우치(240)의 파열강도를 넘어서면, 흡열/벤팅 파우치(240)의 일부가 찢어지면서 증기를 배출하게 된다. 이러한 증기의 배출(벤팅)에 의해 고온의 각형 셀(110)은 다시 한번 냉각된다.
여기서, 흡열/벤팅 파우치(240)는 배출되는 증기가 효과적인 냉각작용을 수행하도록, 증기가 배출되는 위치가 적절하게 유도되도록 구성될 수 있다. 이를 위해 흡열/벤팅 파우치(240)의 테두리를 따라 형성된 열융착 실링부(244)의 일부에 취약부(246)가 구비될 수 있다. 취약부(246)는 열융착 실링부(244)의 밀봉 강도를 국부적으로 낮춤으로써 액체의 기화에 따른 내압 증가에 의해 우선적으로 파단되도록 구성된다. 즉, 취약부(246)는 열융착 실링부(244)의 열융착 강도를 주변보다 낮게 만드는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 취약부(246)의 두께를 주변보다 상대적으로 얇게 만들거나 노치를 형성하여 강도를 낮출 수 있으며, 또는 라미네이트 시트의 내구성을 유지하는 알루미늄 박막층을 국부적으로 제거함으로써 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 흡수재(242)는 고흡수성 매트릭스, 예를 들어 고흡수성 폴리머(Super Absorbent Polymer, SAP) 또는 고흡수성 섬유(Super Absorbent Fiber, SAF)를 포함하는 흡수재(242)일 수 있다. 고흡수성 매트릭스는 다공질 또는 섬유질로 모세관 현상을 발현함으로써 다량의 액체를 흡수하는 것이 가능하며, 고흡수성 섬유는 고흡수성 수지를 가공하여 부직포와 같은 섬유의 형태로 제조할 수 있다. 고흡수성 매트릭스는 다량의 액체를 담을 수 있는만큼 사이드 플레이트(200)의 열용량을 크게 증가시킬 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 수지 및 이로부터 제조되는 고흡수성 섬유의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않고, 유체, 특히 물에 대한 흡수 능력이 뛰어난 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서는 고흡수성 수지의 예로서, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있고, 바람직하게는 가교화된 폴리아크릴산 염, 가교화된 폴리아크릴산 및 가교화된 아크릴산 중공합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 고흡수성 수지로 사용되는 아크릴산 공중합체의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 아크릴산 단량체와 말레산, 이타콘산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 2-(메타)아크릴로일에탄술폰산, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트 및 스티렌술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공단량체를 포함하는 공중합체일 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 수지는 물에 대한 흡수량이 10 g/g 내지 500 g/g, 바람직하게는 50 g/g 내지 200 g/g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 고흡수성 수지 1 g당 물 10 g 내지 500 g, 바람직하게는 50 g 내지 200 g을 흡수할 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 수지의 물에 대한 흡수량이 많을수록 냉각 효과의 지속 시간을 향상시킬 수 있으나, 500 g/g을 초과하면 고흡수성 수지의 유동성이 증가하여 형태를 유지하기 어려워 효과적인 냉각을 발휘할 수 없고, 10 g/g 미만이면 냉각 효과의 지속 시간이 너무 짧아 비효율적일 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에서, 흡수재(242)에 함침된 액체는 물일 수 있다. 물은 쉽게 구할 수 있는 액체 중에서 비열과 잠열이 가장 큰 물질에 해당한다. 따라서, 흡수재(242)에 수용된 물은 기화되기 전부터 시작하여 기체로 상변화하는 과정 중에 다량의 열을 흡수하기 때문에 본 발명의 흡열/벤팅 파우치(240)에 적용하기에 적합하다.
아울러, 도 9에 도시된 바와 같이, 셀 어레이(100)를 이루는 복수 개 각형 셀(110)의 전후면에 접촉하도록 각형 셀(110) 사이, 그리고 최외곽 각형 셀(110)의 전면 또는 후면(이하, 간략히 "각형 셀 사이"라고 표현함)에도 흡열/벤팅 파우치(240)가 배치될 수 있다. 각형 셀(110)의 전후면에 흡열/벤팅 파우치(240)가 접촉하여 더욱 직접적으로 각형 셀(110)의 열을 흡수함으로써 배터리 블록(10)의 열적문제를 더욱 효과적으로 보상할 수 있다.
각형 셀(110) 사이에 배치되는 흡열/벤팅 파우치(240)의 구성은 전술한 내용을 그대로 따르며, 다만 열융착 실링부(244) 상의 취약부(246) 위치를 상단 테두리로 한정할 수 있다. 취약부(246)가 흡열/벤팅 파우치(240)의 상단 테두리에 배치됨으로써, 취약부(246)가 파열될 경우 증기는 벤팅덕트(632)의 볼록부(633) 안으로 분출되며, 증기와의 접촉을 통해 고온 연소생성물의 온도를 연소점 이하로 낮춤으로써 발화나 화재의 위험을 크게 낮출 수 있다.
그리고, 이에 대응하여, 단열시트(636)에는 흡열/벤팅 파우치(240)의 취약부(246)에 대응하는 위치에 관통된 벤팅슬릿(637)이 형성될 수 있다. 벤팅슬릿(637)은 취약부(246)를 통해 분출되는 증기의 유동경로를 확보하기 위한 것이며, 효과적인 연소생성물의 냉각을 위해 취약부(246)와 이에 대응하는 벤팅슬릿(637)은 벤팅덕트(632)의 볼록부(633)가 형성하는 유동공간 안에 위치할 필요가 있다.
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 블록 100: 셀 어레이
110: 각형 셀 112: 전극단자
114: 벤팅장치 200: 사이드 플레이트
210: 사이드 브래킷 212: 체결 홈
220: 접합리브 222: 오목면
230: 상부 플랜지 240: 흡열/벤팅 파우치
242: 흡수재 244: 열융착 실링부
246: 취약부 300: 엔드 플레이트
310: 용접볼트 320: 오목면
330: 상부 플랜지 400: 엔드 브래킷
410: 체결면 412: 체결 홀
420: 보강리브 500: 배터리 모듈
600: 배터리 팩 602: 팩 케이스
610: 베이스 플레이트 612: 히트싱크
614: 냉각유로 616: 유출입 어댑터
618: 열전도성 열계면재 620: 사이드 프레임
622: 벤팅출구 630: 상부 커버
632: 벤팅덕트 633: 볼록부
634: 오목부 635: 덕트출구
636: 단열시트 637: 벤팅슬릿
638: 배선덕트 640: 장착부
642: 사이드 장착부 644: 센터 장착부
650: 플랜지 장착부 W: 폭 방향
L: 길이방향 H: 높이방향

Claims (12)

  1. 상면에 벤팅장치를 구비하는 복수의 각형 셀이 일렬로 정렬된 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록; 및
    복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스;
    를 포함하고,
    상기 팩 케이스의 상부 커버는,
    상기 셀 어레이의 상면으로 일렬 배열된 복수의 벤팅장치에 대해 하나로 연결된 유로를 형성하는 벤팅덕트가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅덕트는 상기 상부 커버를 소성 가공하여 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 벤팅덕트는,
    상기 벤팅장치 주변의 각형 셀 상면에 밀착하는 오목부와, 상기 벤팅장치를 감싸는 공간을 형성하는 볼록부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 벤팅덕트의 오목부와 상기 각형 셀 상면의 접촉면에는 단열시트가 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 볼록부는,
    상기 팩 케이스의 사이드 프레임에 대향하는 일측이 덕트출구를 형성하는 한편, 반대측은 폐쇄면을 이루는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각형 셀의 상면에는 상기 벤팅장치 양옆으로 각각 전극단자가 배치되고,
    상기 벤팅덕트의 양옆으로 상기 전극단자를 감싸는 공간을 형성하는 배선덕트가 상기 상부 커버를 소성 가공하여 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배선덕트는 상기 덕트출구에 대해 격리된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 덕트출구는,
    상기 팩 케이스의 사이드 프레임에 구비된 벤팅출구와 연통하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 셀 어레이는,
    상기 각형 셀의 전후면에 접촉하도록 각형 셀 사이에 배치되는 흡열/벤팅 파우치를 포함하고,
    상기 흡열/벤팅 파우치는 액체가 함침된 흡수재를 밀봉 수납하며,
    상기 흡열/벤팅 파우치는 그 테두리를 따라 열융착 실링부를 구비하고,
    상기 열융착 실링부 상에는 상대적으로 파열강도가 낮은 취약부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 흡열/벤팅 파우치의 취약부는 상단 테두리에 배치되고,
    상기 단열시트는 상기 벤팅덕트의 볼록부가 형성하는 공간 안에 상기 취약부에 대응하는 벤팅슬릿을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트는 내부에 공간을 형성하도록 상단이 개방된 "∪" 형태로 절곡된 단일 플레이트로 이루어지고,
    상기 내부 공간에는 액체가 함침된 흡수재를 밀봉 수납하는 흡열/벤팅 파우치가 내장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트는,
    상기 절곡된 플레이트의 양편으로 오목면을 구비하고, 대면하는 상기 오목면이 상호 접합된 접합리브가 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되며,
    상기 흡열/벤팅 파우치는, 상기 접합리브로 구획되는 내부 공간에 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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