WO2024136005A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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WO2024136005A1
WO2024136005A1 PCT/KR2023/013597 KR2023013597W WO2024136005A1 WO 2024136005 A1 WO2024136005 A1 WO 2024136005A1 KR 2023013597 W KR2023013597 W KR 2023013597W WO 2024136005 A1 WO2024136005 A1 WO 2024136005A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery pack
gas
clause
venting
pack
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/013597
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
백승률
양근주
양진오
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
Priority claimed from KR1020230062677A external-priority patent/KR20240098987A/ko
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Publication of WO2024136005A1 publication Critical patent/WO2024136005A1/ko

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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a vehicle including the same. More specifically, it relates to a battery pack that can smoothly discharge gases, etc. to the outside of the pack case when a battery cell is vented, and a vehicle including the same.
  • Secondary batteries which are easy to apply depending on the product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EV, Electric Vehicle) or hybrid vehicles (HEV, Hybrid Electric Vehicle) that are driven by an electrical drive source. It is universally applied. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency, not only because they have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also because they do not generate any by-products due to energy use.
  • EV Electric Vehicle
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • Types of secondary batteries currently widely used include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, and nickel zinc batteries.
  • the operating voltage of these unit secondary battery cells is approximately 2.5V to 4.5V. Therefore, when a higher output voltage is required, a battery pack is formed by connecting a plurality of battery cells in series. Additionally, a battery pack may be constructed by connecting a plurality of battery cells in parallel depending on the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack can be set in various ways depending on the required output voltage or charge/discharge capacity.
  • a battery module containing at least one battery cell is first configured, and other components are added using this at least one battery module.
  • a common method is to construct a battery pack or battery rack.
  • the internal temperature may rise due to abnormalities or misuse of the battery cells, which may result in an increase in the pressure inside the battery cell. Due to this internal pressure, the battery cell may vent or explode, which is very dangerous because if the high-temperature gas and flame discharged at this time are transferred to adjacent battery cells, it can lead to a series of battery cell explosions.
  • conventional cylindrical battery cells are usually manufactured to include a venting structure on the upper side of the cylindrical battery cell where the positive terminal is formed, and in a battery pack or battery module that stores such a cylindrical battery cell in an upright state, the cylindrical battery cell
  • the cylindrical battery cell By providing a predetermined space above the top cover of the pack case or module case, which faces the venting structure of the cylindrical battery cell, in the direction of venting or explosion, so that high-temperature gases and flames can escape, It slows down or prevents the transfer of gases and flames to other battery cells.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack that can more efficiently discharge high-temperature gases and flames to the outside of the battery pack when a battery cell abnormality occurs, and a vehicle including the same.
  • the present invention includes a battery pack, a cell array including a plurality of battery cells, and a pack case for accommodating the cell array, wherein the pack case is in the cell array.
  • a battery comprising a venting device provided to discharge generated gas to the outside of the pack case, and a rib provided at a lower portion of the cell array to guide the gas to the venting device. Packs are provided.
  • the rib may be provided to make surface contact with the lower surface of the cell array.
  • the rib may be adhered and fixed to the lower surface of the cell array.
  • the pack case has an open top and bottom, and may include a case frame that accommodates the cell array, and a bottom cover that covers a lower part of the case frame and is coupled to the case frame. .
  • a plurality of ribs may be provided on the bottom cover, and may be provided to be spaced apart from each other along one direction of the bottom cover.
  • At least one venting passage through which the gas flows is defined by the rib, and the venting passage may be provided to communicate with the venting device.
  • the venting device may be provided on one side of the case frame, and the case frame may include a gas inlet provided between the venting passage and the venting device through which the gas may pass.
  • the gas inlet may be provided independently for each venting flow path.
  • the gas inlet may be provided in a rectangular shape so that the length of the gas inlet in the width direction corresponds to the gap between the ribs.
  • the gas inlets may be provided integrated with each other.
  • the side gas channel may be formed along an extension direction of the case frame.
  • the bottom cover may include a plurality of bottom plates that are coupled to each other by friction stir welding.
  • the case frame and the bottom cover may be joined by friction stir welding.
  • the venting device may be provided on both sides of the case frame.
  • the rib may extend in the direction in which the venting device is located.
  • the case frame may include an indentation that accommodates the venting device.
  • the pack case may accommodate a plurality of the cell arrays, and the case frame may further include a partition partition between the plurality of cell arrays.
  • the venting device may be provided to correspond to each of the plurality of cell arrays.
  • the present invention provides an automobile, characterized in that it includes a battery pack according to the present invention.
  • the safety and reliability of the battery pack can be guaranteed by providing a battery pack that can efficiently guide high-temperature gas and flames that can be generated in an abnormal situation of a battery cell to the venting device.
  • the high temperature gas and flame can be guided in a specific direction and quickly discharged to the outside of the pack case.
  • the space through which the gas vented from the battery cell flows is divided into several areas inside the pack case, which can diversify the emission path of the gas and increase the total emission amount, so even if a large amount of gas is generated, the gas cannot be stored in the battery. It can be discharged smoothly and quickly to the outside of the pack.
  • the present invention may have various other effects, and these will be described in each implementation configuration, or the description of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a combined perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery pack of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III' of the battery pack of FIG. 1.
  • Figure 4 is an enlarged view of portion A of Figure 3.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the direction of gas discharge when a battery cell is vented in the battery pack of FIG. 1.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the venting device included in the battery pack of FIG. 5.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a gas inlet included in the case frame of the battery pack of FIG. 5.
  • Figure 8 is a diagram for explaining another embodiment of a gas inlet of a battery pack.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method of manufacturing a bottom cover included in the battery pack of FIG. 1.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a pack case included in the battery pack of FIG. 1.
  • FIG. 11 is a perspective view of a vehicle including the battery pack of FIG. 1.
  • Figure 1 is a combined perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the battery pack of Figure 1.
  • a battery pack 10 includes a cell array 100 including a plurality of battery cells 110, and a pack accommodating the cell array 100. Includes case 200.
  • the cell array 100 is a collection of battery cells 110. In order to gather the plurality of battery cells 110 into a lump and maintain them as a single unit, a bonding material such as resin may be filled between the battery cells 110.
  • the cell array 100 may be a battery module including a module housing 120 that accommodates the battery cells 110.
  • the module housing 120 is made of a material with high mechanical rigidity to protect the battery cells 110 from external shock and vibration, and is preferably made of a metal material.
  • the battery cell 110 can be any type of secondary battery, such as a prismatic, cylindrical, or pouch-shaped battery cell.
  • the battery cell 110 is provided as a cylindrical battery cell.
  • the battery cell 110 may be a cylindrical battery cell and include a venting structure such as a vent notch at its bottom. The vent notch is broken when the pressure inside the battery cell 110 increases abnormally, allowing the internal gas to be discharged to the outside. In this way, including a vent notch at the bottom of the battery cell 110 can help guide the discharge direction of the venting gas downward of the battery pack 10.
  • a plurality of battery cells 110 may be arranged in columns and rows. A plurality of such cell arrays 100 may be provided in the battery pack 10 .
  • the pack case 200 is provided with a venting device 224 provided to discharge the gas generated from the cell array 100 to the outside of the pack case 200 and a lower part of the cell array 100 to discharge the gas. It includes a rib 233 that guides the venting device 224. The venting device 224 and the rib 233 are positioned lower than the cell array 100.
  • the pack case 200 accommodates a plurality of the cell arrays 100, and the case frame 220 may further include a partition wall 223 that partitions between the plurality of cell arrays 100.
  • the partition walls 223 may be provided in plural pieces and may be provided to be spaced apart at regular intervals.
  • the cell array 100 may be accommodated inside the pack case 200 while being partitioned by the partition wall 223 and supported by the ribs 233.
  • the venting structure of the battery cell 110 included in the cell array 100 is formed at the bottom of the battery cell 110 as mentioned above, high temperature is discharged downward through the venting structure of the battery cell 110.
  • the gas can be guided to the venting device 224 through the rib 233 located below the cell array 100 and quickly discharged.
  • the gas is blocked from spreading laterally inside the battery pack 10 by the partition wall 223 and the ribs 233, and the gas spreading upward inside the battery pack 10 is blocked by the cell array 100. It may be blocked by
  • the battery pack 10 when a thermal event occurs in a certain battery cell 110 and a high temperature gas or flame is generated, the battery pack 10 according to the present invention applies the venting device 224 to direct the gas in a specific direction rather than in all directions. It can be discharged to the outside of the pack case 200, and in the process of discharging this gas to the outside of the pack case 200, other battery cells 110 can be prevented from receiving thermal damage as much as possible.
  • gas when gas is ejected from a battery cell, pieces of electrode plates or active materials inside the battery cell may be heated to a high temperature and discharged to the outside. These high-temperature particles may be discharged to the outside in the form of sparks. It may appear.
  • the battery pack 10 prevents high-temperature particles from easily escaping directly to the outside of the battery pack 10 even if they are emitted from the battery cell 110, and is vented through the venting device through the space between the ribs 233. By sufficiently lowering the temperature while being guided to the (224) side and allowing it to escape, it is possible to prevent it from acting as an ignition source outside of the battery pack 10.
  • the venting gas spreads in all directions inside the battery pack and then is discharged upward.
  • the venting gas is quickly guided from the bottom of the cell array 100 toward the venting device 224 to the battery pack. (10)
  • the final discharge direction may not be toward the top of the battery pack (10).
  • the venting gas cannot be easily discharged to the outside of the battery pack, and the time for venting gas to be discharged is prolonged, which may significantly reduce the safety of the battery pack.
  • a venting path using the ribs 233 and the venting device 224 is formed in the lower part of the cell array 100, and the venting device 224 is formed in one direction targeting the venting gas. It can be discharged through direction.
  • the discharged gas or flame may not be directed to the upper side.
  • a passenger is located on the upper side of the battery pack 10, such as in an electric vehicle, according to the above-mentioned configuration, it is possible to suppress or delay gas or flame from heading toward the passenger.
  • directional venting is performed downward and to the side of the battery pack 10, thereby improving the safety of users located on the upper side, such as passengers.
  • the effect of guiding the high-temperature gas and flame toward the venting device 224 is significant.
  • the configuration of the pack case 200 including the ribs 233 will be described in more detail with further reference to FIGS. 3 and 4 along with FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III' of the battery pack of FIG. 1, and FIG. 4 is an enlarged view of portion A of FIG. 3.
  • the pack case 200 included in the battery pack 10 is provided in an open top and bottom form to accommodate the cell array 100. It may include a case frame 220.
  • the pack case 200 may include a bottom cover 230 that covers the lower part of the case frame 220 and is coupled to the case frame 220.
  • the bottom cover 230 may include a base 232 that supports the lower part of the cell array 100.
  • the base 232 may be provided in a substantially square plate shape. Additionally, the bottom cover 230 may be extruded so that the ribs 233 are integrally provided with the bottom cover 230. A detailed description of the manufacturing method of the bottom cover 230 will be described later.
  • the case frame 220 may be provided to form a square wall along the outer perimeter of the square plate-shaped base 232.
  • the case frame 220 may include walls in the +X direction, -Y direction, -X direction, and +Y direction.
  • the pack case 200 may include a top cover 210 that covers the upper part of the case frame 220 and can be coupled to the case frame 220.
  • the pack case 200 in which the top cover 210 is coupled to the upper part of the case frame 220 and the bottom cover 230 is coupled to the lower part of the case frame 220 to accommodate the cell array 100 ) can be formed.
  • a plurality of the cell arrays 100 may be provided in the battery pack 10, and each cell array 100 may be separated by the partition wall 223 and placed on the bottom cover 230.
  • the top cover 210 is provided in relatively close contact with the upper surface of the cell array 100 to prevent unnecessary space from being formed between the top cover 210 and the cell array 100.
  • the rib 233 may be provided to make surface contact with the lower surface of the cell array 100. That is, the lower surface of the cell array 100 may be contacted and supported by the upper surface of the rib 233. Since it is a surface contact rather than a point contact or line contact, a relatively large contact area is secured, and the part in contact with the surface acts as a kind of barrier, preventing gas discharged from the battery cells 110 included in the cell array 100. This can prevent it from spreading in all directions. Accordingly, the venting gas can be guided to be discharged in a predetermined direction, that is, to the lower part of the pack case 200, thereby ensuring safety.
  • the ribs 233 may be adhered and fixed to the lower surface of the cell array 100.
  • the ribs 233 and the cell array 100 can be bonded to each other using a structural adhesive or the like to further strengthen the connection and fixation structure.
  • the ribs 233 may be provided in plural numbers on the bottom cover 230 and may be spaced apart from each other along one direction of the bottom cover 230. In this embodiment, an example is given of being spaced apart along the Y direction.
  • the number and thickness of the ribs 233 may be changed depending on the required rigidity or the designer's intention.
  • venting passage S through which the gas flows is defined by the plurality of ribs 233 spaced apart from each other, and the venting passage (S) is provided to communicate with the venting device 224. You can.
  • the venting passage S may be defined as a space between two adjacent ribs 233, and may provide a predetermined space for gas to flow below the cell array 100.
  • the venting passage S formed in the battery pack 10 of the present invention can be effective in smoothly discharging the venting gas to the outside of the battery pack 10 even if a large amount of venting gas is generated.
  • venting passage S may be configured to be individually connected to a plurality of battery cells 110 that may be arranged in a row within the cell array 100. As a result, gas discharged from any battery cell 110 can be prevented from moving to another venting passage S by the rib 233.
  • Each battery cell 110 may be placed on the bottom cover 230, as shown in FIGS. 3 and 4, and when the cell array 100 includes the module housing 120, the module housing 120 ) may have a framework for accommodating and supporting the battery cells 110 and may also include cell venting holes 121 aligned at the bottom of the battery cells 110.
  • the cell venting hole 121 may be provided to communicate with the venting flow path (S), and the gas flows from the inside of the cell array 100 to the outside through the cell venting hole 121, that is, the venting flow path (S). S) can be discharged.
  • a packing member (not shown) may be attached to the cell venting hole 121.
  • the packing member normally seals the cell venting hole 121 to prevent foreign substances from outside entering the module housing 120.
  • the packing member is a material that can rupture above a certain pressure or melt by heat, and may be made of, for example, a plastic material. That is, when there is an issue of internal ignition of the cell array 100, the cell venting hole 121 may be opened if the packing member made of plastic is lost due to the pressure or heat of the discharged gas.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the direction of gas discharge when a battery cell is vented in the battery pack of FIG. 1, and FIG. 6 is an enlarged view of the venting device included in the battery pack of FIG. 5.
  • the venting device 224 may be provided on both sides of the case frame 220.
  • the venting device 224 is provided on the wall in the Y direction, but it may also be provided on the wall in the X direction.
  • the venting device 224 is provided on both sides of the case frame 220, when the battery cell 110 is abnormal, high temperature gas and flame can be discharged in both directions of the pack case 200. It is easy to discharge gas, etc. to the outside of the pack case 200.
  • the rib 233 may extend in the direction where the venting device 224 is located. This structure of the ribs 233 can guide the high-temperature gas and flame toward the venting device 224 so that the high-temperature gas and flame are discharged through the venting device 224. Additionally, in the actual configuration, the ribs 233 may extend in the direction in which the partition wall 223 extends. Accordingly, the venting passage S formed by the rib 233 may not be blocked by the partition wall 223.
  • venting device 224 may be provided to correspond to each of the plurality of cell arrays 100. That is, the plurality of cell arrays 100 are partitioned by the partition wall 223, and the venting device 224 is provided in each area where the cell array 100 partitioned by the partition wall 223 is disposed. You can. Accordingly, even if a thermal event occurs in any cell array 100, it is possible to prevent gases from moving to other adjacent cell arrays 100 and causing a chain explosion.
  • the case frame 220 is formed by the side frame 221 on which the venting device 224 is provided and a portion of the side frame 221 being depressed inward to form the venting device 224.
  • the case frame 220 may include an indentation 222 that accommodates. The indented portion 222 prevents the venting device 224 from being exposed to the outside of the pack case 200.
  • the venting device 224 may include an external venting hole 224a formed by perforating a portion of the outer surface of the side frame 221, and a venting valve 224b that selectively opens and closes the external venting hole 224a. there is.
  • the case frame 220 may include a gas inlet 225 provided between the venting passage S and the venting device 224 through which the gas can pass.
  • There may be a plurality of gas inlets 225, and the gas inlets 225 may be formed on both sides of the case frame 220, like the venting device 224. That is, the gas inlet 225 may be provided to communicate with both sides of the venting flow path (S).
  • the gas inlet 225 may be provided on the inner side of the case frame 220, which is the side toward which the venting passage S faces, and the venting device 224 may be provided on the outer side of the case frame 220. It can be provided.
  • the detailed shape and structure of the gas inlet 225 will be described later.
  • the case frame 220 may include a side gas channel (C) connected to the gas inlet 225 and the venting device 224 so that the gas flows therein. That is, the case frame 220 may be provided with a side gas channel (C) inside the side frame 221, which is a space through which the gas flows.
  • the side gas channel (C) may be formed along the extending direction of the case frame 220. As shown in FIG. 5 , when the case frame 220 is provided as a square wall, the side gas channel C can be formed only on the wall where the venting device 224 is provided.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a gas inlet included in the case frame of the battery pack of FIG. 5.
  • the gas inlet 225 included in the case frame 220 of the battery pack 10 may be provided independently for each venting passage S.
  • the gas inlet 225 may be provided to correspond one-to-one with the plurality of venting passages S.
  • the gas generated from any one battery cell 110 moves only along the venting passage (S) connected to the one battery cell 110, and thus flows to the rib 233 that defines the venting passage (S). Therefore, the possibility of the gas spreading to other venting passages (S) is extremely low.
  • gas or flame generated from any battery cell 110 moves along each gas inlet 225 provided in the case frame 220 and venting device 224. It can be discharged to the outside of the battery pack 10 through .
  • the gas inlet 225 may be provided in a rectangular shape so that the length L of the gas inlet 225 in the width direction corresponds to the distance D between the ribs 233.
  • a larger amount of gas can flow into the side gas channel (C) and be discharged to the outside of the battery pack 10 more quickly than if the gas inlet 225 was provided as a circular hole with a small diameter.
  • Figure 8 is a diagram for explaining another embodiment of a gas inlet of a battery pack.
  • the gas inlet 225' is provided in an integrated manner, unlike the gas inlet 225 in the above-described embodiment, which is provided individually for each venting passage S. It has been done. That is, it may be provided so that gas flowing through a plurality of venting passages S can flow into the gas inlet 225'.
  • the gas inlet 225' may be provided for each cell array 100 provided in the area between the partition walls 223 and may be formed long along both sides of the case frame 220, that is, in the Y direction. As a result, a larger amount of gas can flow into the side gas channel (C) than the gas inlet 225 of the above-described embodiment and be discharged to the outside of the battery pack 10 more quickly.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method of manufacturing a bottom cover included in the battery pack of FIG. 1
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a pack case included in the battery pack of FIG. 1.
  • the bottom cover 230 can be extruded in one step.
  • the bottom cover 230 may include a plurality of bottom plates 231a to 231d that are coupled to each other by friction stir welding.
  • a plurality of bottom plates 231a ⁇ d are extruded, and the sides of the plurality of bottom plates 231a ⁇ d are friction stir welded to each other to produce a single bottom cover 230. .
  • the bottom cover 230 may be manufactured by extrusion so that the ribs 233 are integrally provided with the bottom cover 230.
  • the ribs 233 may be formed to extend in one direction (X direction or Y direction) along the extrusion direction. Since the rib 233 is provided integrally with the bottom cover 230, the process of coupling the rib 233 to the bottom cover 230 is unnecessary, and since there is no defect in the coupling portion, the gas can be routed through another venting channel. The likelihood of it spreading to (S) may be further reduced.
  • the case frame 220 and the bottom cover 230 may be joined by friction stir welding. Specifically, the bottom cover 230 is seated on the case frame 220 of the pack case 200, and the bottom cover 230 and the case frame 220 are overlapped and friction stir welded to form the pack case 200. can do. As a result, the gas flowing through the venting passage S can be prevented from leaking to the outside of the pack case 200 and can be discharged to the outside only through the venting device 224.
  • FIG. 11 is a perspective view of a vehicle including the battery pack of FIG. 1.
  • the present invention can provide a car 20 characterized by including a battery pack 10 according to the above-described embodiments. That is, the battery pack 10 according to the present invention can be applied to automobiles such as electric vehicles or hybrid vehicles.
  • the battery pack 10 may be installed in the car body frame or trunk space under the vehicle seat.
  • high-temperature gas and flame generated from the battery cell 110 can be efficiently guided to the venting device 224 and quickly discharged to the outside.
  • a battery pack 10 and a vehicle 20 including the same can be provided.
  • the battery pack 10 according to the present invention can be applied to ESS (Energy Storage System) and various electrical devices in addition to automobiles.
  • ESS Electronicgy Storage System

Landscapes

  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Gas Exhaust Devices For Batteries (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 셀 어레이, 및 상기 셀 어레이를 수용하는 팩 케이스를 포함하며, 상기 팩 케이스는 상기 셀 어레이에서 발생되는 가스를 상기 팩 케이스의 외부로 배출하도록 구비되는 벤팅 디바이스 및 상기 셀 어레이의 하부에 구비되어 상기 가스를 상기 벤팅 디바이스로 안내하는 리브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 배터리 셀의 벤트(vent) 시 가스 등을 팩 케이스의 외부로 원활하게 배출시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은, 2022년12월21일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2022-0181098호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
또한, 본 출원은, 2023년05월15일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2023-0062677호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점 뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 복수 개의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩이나 배터리 랙(rack)을 구성하는 방법이 일반적이다.
종래 배터리 셀이 적용된 배터리 팩이나 배터리 모듈의 경우, 배터리 셀의 이상 및 오사용으로 인해 내부 온도가 상승할 수 있고, 그로 인해 배터리 셀 내부 압력 상승을 초래할 수 있다. 이러한 내부 압력으로 인해 배터리 셀은 벤트 또는 폭발할 수 있는데, 이때 배출되는 고온의 가스와 화염이 인접한 배터리 셀들로 전이되면 연쇄적인 배터리 셀의 폭발을 초래할 수 있기 때문에 매우 위험하다.
따라서, 예를 들어, 종래 원통형 배터리 셀은 보통 양극 단자가 형성되는 원통형 배터리 셀의 상부 쪽에 벤팅 구조를 포함하게 제조되고, 그러한 원통형 배터리 셀을 직립 상태로 수납하는 배터리 팩이나 배터리 모듈에서 원통형 배터리 셀이 벤트 또는 폭발하게 되는 방향, 즉, 원통형 배터리 셀의 벤팅 구조가 대면하게 되는 팩 케이스나 모듈 케이스의 탑 커버 위쪽에 소정의 공간을 마련하여 고온의 가스와 화염이 빠져나갈 수 있도록 구성함으로써, 고온의 가스와 화염이 다른 배터리 셀들로 전이되는 시간을 늦추거나 전이를 방지하고 있다.
그런데, 이러한 종래 구조에서는 고온의 가스와 화염이 탑 커버 위쪽으로만 유도되기 어렵고 배터리 팩이나 배터리 모듈 내부에서 사방으로 퍼져 나가게 됨으로써 배터리 팩이나 배터리 모듈 외부로 이러한 가스 등을 효율적으로 배출하는 데에 한계가 있어 개선이 요구된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리 셀의 이상 상황 시 고온의 가스와 화염을 보다 효율적으로 배터리 팩의 외부로 배출할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 셀 어레이(cell array), 및 상기 셀 어레이를 수용하는 팩 케이스를 포함하며, 상기 팩 케이스는 상기 셀 어레이에서 발생되는 가스를 상기 팩 케이스의 외부로 배출하도록 구비되는 벤팅 디바이스(venting device) 및 상기 셀 어레이의 하부에 구비되어 상기 가스를 상기 벤팅 디바이스로 안내하는 리브(rib)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 리브는 상기 셀 어레이의 하부면에 면접촉되도록 구비될 수 있다.
상기 리브는 상기 셀 어레이의 하부면에 접착되어 고정될 수 있다.
상기 팩 케이스는 상하부가 개방된 형태로 구비되어 상기 셀 어레이를 수용하는 케이스 프레임(case frame) 및 상기 케이스 프레임의 하부를 커버하며 상기 케이스 프레임과 결합되는 바텀 커버(bottom cover)를 포함할 수 있다.
상기 리브는 상기 바텀 커버에 복수 개로 구비되고, 상기 바텀 커버의 일방향을 따라 상호 이격되도록 구비될 수 있다.
상기 리브에 의해 상기 가스가 유동하는 적어도 하나의 벤팅 유로가 정의되고, 상기 벤팅 유로는 상기 벤팅 디바이스와 연통되도록 구비될 수 있다.
상기 바텀 커버는 상기 리브가 상기 바텀 커버와 일체로 구비되도록 압출 제작될 수 있다.
상기 케이스 프레임의 일측에 상기 벤팅 디바이스가 구비되고, 상기 케이스 프레임은 상기 벤팅 유로와 상기 벤팅 디바이스 사이에 구비되어 상기 가스가 통과할 수 있는 가스 유입구를 포함할 수 있다.
상기 가스 유입구는 상기 벤팅 유로마다 독립적으로 구비될 수 있다.
상기 가스 유입구의 너비방향의 길이가 상기 리브 사이의 간격과 대응되도록 상기 가스 유입구는 장방형 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 가스 유입구끼리 통합되어 구비될 수 있다.
상기 케이스 프레임은 내부에 상기 가스가 유동하도록 상기 가스 유입구 및 상기 벤팅 디바이스와 연결되는 사이드 가스 채널(side gas channel)을 포함할 수 있다.
상기 사이드 가스 채널은 상기 케이스 프레임의 연장 방향을 따라 형성될 수 있다.
상기 바텀 커버는 상호 마찰 교반 용접(friction stir welding)되어 결합되는 복수 개의 바텀 플레이트(bottom plate)를 포함할 수 있다.
상기 케이스 프레임 및 상기 바텀 커버는 마찰 교반 용접되어 결합될 수 있다.
상기 벤팅 디바이스는 상기 케이스 프레임의 양측에 구비될 수 있다.
상기 리브는 상기 벤팅 디바이스가 위치하는 방향으로 연장될 수 있다.
상기 케이스 프레임은 상기 벤팅 디바이스를 수용하는 만입부를 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스는 상기 셀 어레이를 복수 개 수용하고, 상기 케이스 프레임은 복수 개의 상기 셀 어레이 사이를 구획하는 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 벤팅 디바이스는 복수 개의 상기 셀 어레이마다 대응되도록 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 자동차로서, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 이상 상황 시 생성될 수 있는 고온의 가스와 화염을 효율적으로 벤팅 디바이스 측으로 유도할 수 있는 배터리 팩을 제공하여 배터리 팩의 안전성과 신뢰성을 보장할 수 있다.
또한, 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생하여 고온의 가스나 화염이 생성되면, 고온의 가스와 화염을 특정 방향으로 유도하여 팩 케이스의 외부로 신속하게 배출시킬 수 있다.
또한, 배터리 셀에서 벤트된 고온의 가스 등을 팩 케이스 외부로 배출시키는 과정에서 다른 배터리 셀들이 최대한 열적 데미지를 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 배터리 셀에서 벤트된 가스가 유동하는 공간이 팩 케이스 내부에서 여러 영역으로 분리되어 가스의 배출 경로를 다각화할 수 있고, 총 배출양이 증대될 수 있으므로, 많은 양의 가스가 발생하더라도 가스를 배터리 팩의 외부로 원활하고 신속하게 배출할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
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 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 결합 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩의 Ⅲ-Ⅲ' 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 부분 확대도이다.
도 5는 도 1의 배터리 팩에서 배터리 셀의 벤트 시 가스 배출 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 배터리 팩에 포함되는 벤팅 디바이스의 확대도이다.
도 7은 도 5의 배터리 팩의 케이스 프레임에 포함되는 가스 유입구의 확대도이다.
도 8은 배터리 팩의 가스 유입구의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 배터리 팩에 포함되는 바텀 커버의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1의 배터리 팩에 포함되는 팩 케이스의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 1의 배터리 팩이 포함되는 자동차의 사시도이다.
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 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 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 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 복수 개의 배터리 셀(110)을 포함하는 셀 어레이(100), 상기 셀 어레이(100)를 수용하는 팩 케이스(200)를 포함한다.
상기 셀 어레이(100)는 배터리 셀(110)들의 집합체이다. 상기 복수 개의 배터리 셀(110)들을 한 덩어리로 모아 하나의 단위체 상태로 유지하기 위하여 배터리 셀(110)들 사이에 레진과 같은 결합 물질이 채워져 있을 수 있다. 다른 예로, 상기 셀 어레이(100)는 이러한 배터리 셀(110)들을 수용하는 모듈 하우징(120)을 포함하는 배터리 모듈일 수도 있다. 상기 모듈 하우징(120)은 상기 배터리 셀(110)들을 외부 충격, 진동으로부터 보호할 수 있게 기계적 강성이 높은 소재로서, 바람직하게는 금속 소재로 마련될 수 있다.
상기 배터리 셀(110)은 각형, 원통형 또는 파우치형 배터리 셀 등 어떠한 형태의 이차전지라도 적용될 수 있으며, 본 실시예에서는 배터리 셀(110)이 원통형 배터리 셀로 구비되는 것을 예로 들고 있다. 특히, 배터리 셀(110)은 원통형 배터리 셀이면서 그 바닥부에 벤트 노치와 같은 벤팅 구조를 포함하는 것일 수 있다. 상기 벤트 노치는 배터리 셀(110) 내부의 압력이 비정상적으로 상승 시 파단되어, 내부의 가스를 외부로 배출하게 한다. 이와 같이 벤트 노치를 배터리 셀(110)의 바닥부에 포함하고 있으면, 벤팅 가스의 배출 방향을 배터리 팩(10)의 하방으로 유도하기에 도움이 될 수 있다. 상기 셀 어레이(100) 안에서 복수 개의 배터리 셀(110)은 열과 행으로 배치될 수 있다. 이러한 셀 어레이(100)는 배터리 팩(10)에 복수 개로 구비될 수 있다.
상기 팩 케이스(200)는 상기 셀 어레이(100)에서 발생되는 가스를 상기 팩 케이스(200)의 외부로 배출하도록 구비되는 벤팅 디바이스(224) 및 상기 셀 어레이(100)의 하부에 구비되어 상기 가스를 상기 벤팅 디바이스(224)로 안내하는 리브(233)를 포함한다. 상기 벤팅 디바이스(224)와 상기 리브(233)가 상기 셀 어레이(100)보다 아래쪽으로 위치하도록 함이 특징이다.
상기 팩 케이스(200)는 상기 셀 어레이(100)를 복수 개 수용하고, 상기 케이스 프레임(220)은 복수 개의 상기 셀 어레이(100) 사이를 구획하는 격벽(223)을 더 포함할 수 있다. 상기 격벽(223)은 복수 개로 구비될 수 있으며, 일정한 간격으로 이격되도록 구비될 수 있다.
상기 셀 어레이(100)는 상기 격벽(223)으로 구획되면서도 상기 리브(233)에 의해 떠받쳐진 상태로 상기 팩 케이스(200) 내부에 수용될 수 있다. 상기 셀 어레이(100)에 포함되는 배터리 셀(110)의 벤팅 구조를 앞서 언급한 바와 같이 배터리 셀(110)의 바닥부 쪽에 형성하면, 배터리 셀(110)의 벤팅 구조를 통하여 하방으로 배출되는 고온의 가스를 상기 셀 어레이(100) 하부에 위치하는 상기 리브(233)를 통해 상기 벤팅 디바이스(224)로 안내하여 신속하게 배출할 수 있다. 상기 가스가 배터리 팩(10) 내부에서 측면으로 퍼지는 것은 격벽(223) 및 리브(233)에 의해 차단이 되고, 상기 가스가 배터리 팩(10) 내부에서 상방으로 퍼지는 것은 상기 셀 어레이(100)에 의해 차단이 될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 어떤 배터리 셀(110)에서 열적 이벤트가 발생하여 고온의 가스나 화염 등이 생성되면, 상기 가스를 사방이 아닌 특정 방향으로 벤팅 디바이스(224)를 통해 팩 케이스(200)의 외부로 배출시킬 수 있으며, 이러한 가스를 팩 케이스(200) 외부로 배출시키는 과정에서 다른 배터리 셀(110)들이 최대한 열적 데미지를 받지 않도록 할 수 있다. 또한, 일반적으로 배터리 셀에서 가스가 분출될 때에 배터리 셀 내부의 전극판 조각이나 활물질 조각 등이 고온으로 가열된 상태에서 외부로 배출될 수 있는데, 이러한 고온의 파티클은 스파크(spark)와 같은 형태로 나타날 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 배터리 셀(110)에서 고온의 파티클이 배출되더라도 이것이 배터리 팩(10)의 외부로 바로 쉽게 빠져나가지 않도록 하고 상기 리브(233) 사이의 공간을 통하여 상기 벤팅 디바이스(224) 측으로 유도되는 동안 충분히 온도를 낮추어 빠져나갈 수 있게 함으로써, 배터리 팩(10)의 외부에서 발화원으로 작용하는 것을 방지할 수 있다.
종래 배터리 팩에서는 벤팅 가스가 배터리 팩의 내부에서 사방으로 퍼진 후 상방으로 배출되지만, 본 실시 구성에 따르게 되면, 벤팅 가스가 셀 어레이(100)의 하방에서 벤팅 디바이스(224) 측으로 신속히 유도되어 배터리 팩(10) 내부에서 사방으로 퍼질 가능성이 적으며, 최종 배출 방향도 배터리 팩(10)의 상방을 향하지 않을 수 있다. 배터리 팩 내부에서 발생한 가스를 한 방향이 아니라 여러 방향으로 배출하는 경우 벤팅 가스를 배터리 팩의 외부로 쉽게 배출하지 못하며, 벤팅 가스를 배출하는 시간이 길어져서 배터리 팩의 안전성이 크게 떨어질 가능성이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 리브(233)와 벤팅 디바이스(224)를 이용한 벤팅 경로가 상기 셀 어레이(100)의 하부에 형성되고, 벤팅 가스를 목표하는 하나의 방향, 이를테면 벤팅 디바이스(224)가 형성된 방향을 통하여 배출할 수 있다.
상기 실시 구성에 의하면, 열폭주 등의 상황에서 배터리 셀(110)로부터 고온의 가스나 화염 등이 배출되는 경우, 배출된 가스나 화염이 상부측으로 향하지 않을 수 있다. 특히, 전기 자동차 등과 같이, 배터리 팩(10)의 상부측에 탑승자가 위치하는 경우, 상기 실시 구성에 의하면, 가스나 화염 등이 탑승자 측으로 향하는 것을 억제하거나 지연시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 배터리 팩(10)의 하방 및 측방으로 디렉셔널 벤팅(directional venting)이 이루어지도록 함으로써, 탑승자와 같이 상부 측에 위치한 사용자 등의 안전성을 높일 수 있다.
특히, 상기 리브(233)의 특별한 구조와 배치 등으로 인해 상기 고온의 가스와 화염 발생 시 상기 벤팅 디바이스(224) 측으로 유도하는 효과가 현저하다. 이하에서, 도 1 및 도 2와 함께 도 3 및 도 4를 더 참조하여 이러한 리브(233)를 포함하는 팩 케이스(200) 구성에 대해 더욱 자세히 설명하기로 한다.
도 3은 도 1의 배터리 팩의 Ⅲ-Ⅲ' 단면도이고, 도 4는 도 3의 A 부분 확대도이다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)에 포함되는 팩 케이스(200)는 상하부가 개방된 형태로 구비되어 상기 셀 어레이(100)를 수용하는 케이스 프레임(220)을 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스(200)는 상기 케이스 프레임(220)의 하부를 커버하며 상기 케이스 프레임(220)과 결합되는 바텀 커버(230)를 포함할 수 있다. 상기 바텀 커버(230)는 상기 셀 어레이(100)의 하부를 지지하는 베이스(232)를 포함할 수 있다. 상기 베이스(232)는 대략 사각판 형태로 마련될 수 있다. 또한, 상기 바텀 커버(230)는 상기 리브(233)가 상기 바텀 커버(230)와 일체로 구비되도록 압출 제작될 수 있다. 상기 바텀 커버(230)의 제작 방식에 대한 자세한 설명은 후술한다.
상기 케이스 프레임(220)은 상기 사각판 형태의 베이스(232)의 외곽 둘레를 따라 사각형의 벽체를 형성하도록 구비될 수 있다. 이를테면, 도 2의 실시 구성에서 상기 케이스 프레임(220)은 +X 방향, -Y 방향, -X 방향 및 +Y 방향의 벽체를 포함할 수 있다.
한편, 상기 팩 케이스(200)는 상기 케이스 프레임(220)의 상부를 커버하며 상기 케이스 프레임(220)과 결합 가능하게 마련되는 탑 커버(210)를 포함할 수 있다. 상기 케이스 프레임(220)의 상부에 상기 탑 커버(210)가 결합되고 상기 케이스 프레임(220)의 하부에 상기 바텀 커버(230)가 결합되어 상기 셀 어레이(100)가 수용되는 상기 팩 케이스(200)를 형성할 수 있다. 상기 셀 어레이(100)는 복수 개가 상기 배터리 팩(10)에 구비될 수 있으며, 각각의 셀 어레이(100)는 상기 격벽(223)에 의해 분리되어 상기 바텀 커버(230)에 안착될 수 있다. 상기 탑 커버(210)는 상대적으로 상기 셀 어레이(100)의 상면에 밀착되게 구비되어 상기 탑 커버(210)와 상기 셀 어레이(100) 사이에 불필요한 공간이 형성되지 않도록 할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 상기 리브(233)는 상기 셀 어레이(100)의 하부면에 면 접촉되도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 셀 어레이(100)의 하부면은 상기 리브(233)의 상단면에 의해 접촉되어 지지될 수 있다. 점 접촉이나 선 접촉이 아닌 면 접촉이므로, 상대적으로 넓은 접촉 면적이 확보되고, 면 접촉된 부분이 일종의 배리어 역할을 하여, 상기 셀 어레이(100)에 포함되는 배터리 셀(110)로부터 배출되는 가스가 사방으로 퍼지는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 벤팅 가스를 정해진 방향, 즉 상기 팩 케이스(200)의 하부로 배출되도록 가이드할 수 있으므로 안전성을 확보할 수 있다.
이때, 상기 리브(233)는 상기 셀 어레이(100)의 하부면에 접착되어 고정될 수 있다. 상기 리브(233)와 셀 어레이(100)는 구조용 접착제 등을 통해 상호 접착되어 연결 및 고정 구조를 더욱 견고하게 할 수 있다. 상기 리브(233)는 상기 바텀 커버(230)에 복수 개로 구비되고, 상기 바텀 커버(230)의 일방향을 따라 상호 이격되도록 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 Y 방향을 따라 이격되어 있는 예를 들고 있다. 상기 리브(233)의 개수와 두께는 요구되는 강성이나 설계자의 의도에 따라 변경될 수 있다.
이에 따라, 상호 이격되는 복수 개의 상기 리브(233)에 의해 상기 가스가 유동하는 적어도 하나의 벤팅 유로(S)가 정의되고, 상기 벤팅 유로(S)는 상기 벤팅 디바이스(224)와 연통되도록 구비될 수 있다. 상기 벤팅 유로(S)는 인접하는 두 개의 리브(233) 사이의 공간으로 정의가 될 수 있으며, 상기 셀 어레이(100)의 하측에서 가스가 유동하는 소정의 공간을 마련할 수 있다.
이처럼, 상기 리브(233)를 상기 셀 어레이(100)의 하부에 구비함으로써, 팩 케이스(200)의 내부에서 셀 어레이(100)가 배치되는 공간과 벤팅 가스가 이동하는 공간을 상하로 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 리브(233)에 의해 상기 가스가 유동하는 공간, 즉 벤팅 유로(S)가 여러 영역으로 분리되어 상기 가스의 배출 경로를 다각화할 수 있고, 총 배출 경로의 부피도 증대될 수 있다. 따라서, 본 발명의 배터리 팩(10)에 형성되는 벤팅 유로(S)는 많은 양의 벤팅 가스가 발생하더라도 배터리 팩(10)의 외부로 벤팅 가스를 원활하게 배출하는데 효과적일 수 있다.
그리고, 상기 벤팅 유로(S)는 셀 어레이(100) 안에서 일렬로 배치될 수 있는 복수 개의 배터리 셀(110)에 개별적으로 연결되게 구성될 수 있다. 이로써, 임의의 배터리 셀(110)에서 배출되는 가스가 상기 리브(233)에 의해 다른 벤팅 유로(S)로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
각 배터리 셀(110)들은, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 바텀 커버(230)에 배치될 수 있으며, 셀 어레이(100)가 모듈 하우징(120)을 포함하는 경우, 모듈 하우징(120)은 배터리 셀(110)들을 수납하여 지지하는 뼈대를 가지면서 배터리 셀(110)들의 하부에 정렬되는 셀 벤팅홀(121)도 구비할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(110)의 단락 또는 과충전으로 인한 발화 이슈가 있을 때 배터리 셀(110)에서 화염, 고온의 파티클 및 벤팅 가스가 생성될 수 있다. 이때, 상기 셀 벤팅홀(121)은 상기 벤팅 유로(S)와 연통되도록 구비될 수 있으며, 상기 가스는 상기 셀 벤팅홀(121)을 통해 셀 어레이(100)의 내부에서 외부, 즉 벤팅 유로(S)로 배출될 수 있다.
상기 셀 벤팅홀(121)에는 패킹부재(미도시)가 부착될 수 있다. 패킹부재는 평상시 셀 벤팅홀(121)을 밀봉하여 외부에서 이물질이 모듈 하우징(120) 내부로 유입되지 않도록 한다. 상기 패킹부재는, 일정 압력 이상에서 파열되거나 열에 의해 녹을 수 있는 소재로서, 예컨대, 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 즉, 셀 어레이(100)의 내부 발화 이슈가 있을 때, 배출되는 가스의 압력 또는 열에 의해 플라스틱 재질인 패킹부재가 소실되면 상기 셀 벤팅홀(121)이 개방될 수 있다.
도 5는 도 1의 배터리 팩에서 배터리 셀의 벤트 시 가스 배출 방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 배터리 팩에 포함되는 벤팅 디바이스의 확대도이다.
도 5에 따르면, 상기 벤팅 디바이스(224)는 상기 케이스 프레임(220)의 양측에 구비될 수 있다. 도 5에서는 상기 벤팅 디바이스(224)가 Y 방향의 벽체에 구비되어 있으나, X 방향의 벽체에 구비되어 있어도 무방하다. 상기 벤팅 디바이스(224)가 상기 케이스 프레임(220)의 양측에 구비됨에 따라, 배터리 셀(110)의 이상 상황 시, 고온의 가스와 화염은 상기 팩 케이스(200)의 양방향으로 배출될 수 있어 상기 가스 등을 상기 팩 케이스(200)의 외부로 배출하기에 용이하다.
이때, 상기 리브(233)는 상기 벤팅 디바이스(224)가 위치하는 방향으로 연장될 수 있다. 이러한 상기 리브(233)의 구조는 상기 고온의 가스와 화염을 상기 벤팅 디바이스(224)를 통해 배출되도록 상기 고온의 가스와 화염을 상기 벤팅 디바이스(224) 측으로 유도할 수 있다. 또한, 실시 구성에서 상기 리브(233)는 상기 격벽(223)이 연장되는 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 상기 리브(233)에 의한 벤팅 유로(S)가 상기 격벽(223)에 의해 가로막히지 않을 수 있다.
또한, 상기 벤팅 디바이스(224)는 복수 개의 상기 셀 어레이(100)마다 대응되도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 셀 어레이(100)는 상기 격벽(223)에 의해 구획되고, 상기 벤팅 디바이스(224)는 상기 격벽(223)에 의해 구획되는 셀 어레이(100)가 배치되는 영역에 각각 구비될 수 있다. 이로써, 어떠한 셀 어레이(100)에서 열적 이벤트가 발생하더라도, 인접한 다른 셀 어레이(100)에 가스 등이 이동하여 연쇄적으로 폭발하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 상기 케이스 프레임(220)은 상기 벤팅 디바이스(224)가 구비되는 사이드 프레임(221) 및 상기 사이드 프레임(221)의 일부가 내측으로 함몰되어 형성되어 상기 벤팅 디바이스(224)를 수용하는 만입부(222)를 포함할 수 있다. 상기 만입부(222)는 상기 벤팅 디바이스(224)가 상기 팩 케이스(200)의 외부로 노출되는 것을 방지한다.
상기 벤팅 디바이스(224)는 상기 사이드 프레임(221)의 외측면의 일부가 타공되어 형성되는 외부 벤팅홀(224a) 및 상기 외부 벤팅홀(224a)을 선택적으로 개폐하는 벤팅 밸브(224b)로 이루어질 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 상기 케이스 프레임(220)은 상기 벤팅 유로(S)와 상기 벤팅 디바이스(224) 사이에 구비되어 상기 가스가 통과할 수 있는 가스 유입구(225)를 포함할 수 있다. 상기 가스 유입구(225)는 복수 개로 구비될 수 있으며, 상기 가스 유입구(225)는 상기 벤팅 디바이스(224)와 마찬가지로 상기 케이스 프레임(220)의 양측에 형성될 수 있다. 즉, 상기 가스 유입구(225)는 상기 벤팅 유로(S)의 양측과 연통되도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 가스 유입구(225)는 상기 벤팅 유로(S)가 향하는 면인 상기 케이스 프레임(220)의 내측면에 구비될 수 있으며, 상기 벤팅 디바이스(224)는 상기 케이스 프레임(220)의 외측면에 구비될 수 있다. 상기 가스 유입구(225)의 자세한 형상, 구조 등은 후술한다.
상기 케이스 프레임(220)은 내부에 상기 가스가 유동하도록 상기 가스 유입구(225) 및 상기 벤팅 디바이스(224)와 연결되는 사이드 가스 채널(C)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 케이스 프레임(220)은 상기 사이드 프레임(221)의 내부에 상기 가스가 유동하는 공간인 사이드 가스 채널(C)을 구비할 수 있다. 상기 사이드 가스 채널(C)은 상기 케이스 프레임(220)의 연장 방향을 따라 형성될 수 있다. 도 5와 같이, 상기 케이스 프레임(220)이 사각형의 벽체로 구비되는 경우, 상기 사이드 가스 채널(C)은 상기 벤팅 디바이스(224)가 구비되는 벽체에만 형성될 수 있다.
어느 배터리 셀(110)에서 고온의 가스나 화염 등이 발생하는 경우 상기 가스가 배출되는 방향을 자세히 설명하면, 상기 가스는 상기 셀 벤팅홀(121)에서 상기 리브(233)로 둘러싸인 상기 벤팅 유로(S)로 유입되고, 상기 벤팅 유로(S)를 유동하는 가스는 양측에 구비되는 상기 가스 유입구(225)를 통해 상기 사이드 가스 채널(C)로 유입될 수 있다. 이후, 상기 가스는 상기 벤팅 디바이스(224)를 통해 상기 팩 케이스(200)의 외부로 배출될 수 있다. 이로써, 배터리 셀(110)의 이상 상황 시 고온의 가스와 화염을 보다 효율적으로 벤팅 디바이스(224) 측으로 유도할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 도 5의 배터리 팩의 케이스 프레임에 포함되는 가스 유입구의 확대도이다.
상기 가스 유입구(225)의 구조에 대해 자세히 설명한다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 케이스 프레임(220)에 포함되는 가스 유입구(225)는 상기 벤팅 유로(S)마다 독립적으로 구비될 수 있다. 다시 말해, 상기 가스 유입구(225)는 복수 개의 상기 벤팅 유로(S)와 일대일로 대응되도록 구비될 수 있다. 이로써, 어떤 하나의 배터리 셀(110)에서 발생한 가스는 상기 어떤 하나의 배터리 셀(110)과 연결된 벤팅 유로(S)를 따라서만 이동하게 되므로 상기 벤팅 유로(S)를 정의하는 리브(233)로 인해 상기 가스가 다른 벤팅 유로(S)로 번질 가능성이 극히 낮다.
이러한 가스 유입구(225)의 구성에 의하면, 임의의 배터리 셀(110)에서 발생한 가스 또는 화염은 상기 케이스 프레임(220)에 구비되는 각각의 가스 유입구(225)를 따라 이동하고, 벤팅 디바이스(224)를 통해 배터리 팩(10)의 외부로 배출될 수 있다. 이때, 상기 가스 유입구(225)의 너비방향의 길이(L)는 상기 리브(233) 사이의 간격(D)과 대응되도록 상기 가스 유입구(225)가 장방형 형상으로 구비될 수 있다. 이로써, 상기 가스 유입구(225)가 작은 직경의 원형 홀로 구비되는 것보다 많은 양의 가스가 상기 사이드 가스 채널(C)로 유입되어 보다 신속하게 배터리 팩(10)의 외부로 배출될 수 있다.
도 8은 배터리 팩의 가스 유입구의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
다른 실시예에 따른 가스 유입구(225`)는 전술한 실시예의 가스 유입구(225)가 각 벤팅 유로(S)마다 개별적으로 구비되어 있는 것과 달리, 전술한 실시예의 가스 유입구(225)끼리 통합되어 구비된 것이다. 즉, 복수 개의 벤팅 유로(S)를 유동하는 가스가 상기 가스 유입구(225`)로 유입될 수 있도록 구비될 수 있다. 가스 유입구(225')는 상기 격벽(223) 사이의 영역에 구비되는 각 셀 어레이(100)마다 구비되어 상기 케이스 프레임(220)의 양측면, 즉 Y 방향을 따라 길게 형성될 수 있다. 이로써, 전술한 실시예의 가스 유입구(225)보다 많은 양의 가스가 상기 사이드 가스 채널(C)로 유입되어 보다 신속하게 배터리 팩(10)의 외부로 배출될 수 있다.
도 9는 도 1의 배터리 팩에 포함되는 바텀 커버의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 도 1의 배터리 팩에 포함되는 팩 케이스의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
상기 바텀 커버(230)는 한 번에 압출 제작될 수 있다. 또는, 도 9와 같이 상기 바텀 커버(230)는 상호 마찰 교반 용접되어 결합되는 복수 개의 바텀 플레이트(231a~d)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 먼저, 복수 개의 바텀 플레이트(231a~d)를 압출 제작하고, 상기 복수 개의 바텀 플레이트(231a~d)의 측면을 서로 맞대서 마찰 교반 용접하여 하나의 바텀 커버(230)로 제작할 수 있다.
상기 바텀 커버(230)는 상기 리브(233)가 상기 바텀 커버(230)와 일체로 구비되도록 압출 제작될 수 있다. 상기 바텀 커버(230)가 압출 제작됨에 따라 상기 리브(233)는 압출 방향을 따르는 일방향(X 방향 또는 Y 방향)으로 연장되어 형성될 수 있다. 상기 리브(233)가 상기 바텀 커버(230)에 일체로 구비되므로 상기 리브(233)를 상기 바텀 커버(230)에 결합하는 공정이 불필요하고, 결합 부위의 결손 등이 없으므로 상기 가스가 다른 벤팅 유로(S)로 번질 가능성이 더욱 낮아질 수 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 상기 케이스 프레임(220) 및 상기 바텀 커버(230)는 마찰 교반 용접되어 결합될 수 있다. 구체적으로, 상기 바텀 커버(230)를 팩 케이스(200)의 케이스 프레임(220)에 안착시키고, 상기 바텀 커버(230)와 케이스 프레임(220)을 겹쳐서 마찰 교반 용접하여 팩 케이스(200)를 형성할 수 있다. 이로써, 상기 벤팅 유로(S)를 유동하는 가스가 상기 팩 케이스(200)의 외부로 누출되는 것을 방지하고, 상기 벤팅 디바이스(224)를 통해서만 외부로 배출되도록 할 수 있다.
도 11은 도 1의 배터리 팩이 포함되는 자동차의 사시도이다.
한편, 본 발명은 전술한 실시예들에 따른 배터리 팩(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차(20)를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 배터리 팩(10)은 차량 좌석 하부의 차체 프레임 또는 트렁크 공간에 설치될 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀(110)의 이상 상황 시 상기 배터리 셀(110)에서 발생하는 고온의 가스와 화염을 효율적으로 벤팅 디바이스(224) 측으로 유도하여 외부로 신속히 배출할 수 있는 배터리 팩(10) 및 이를 포함하는 자동차(20)를 제공할 수 있다.
참고로, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 자동차 이외에 ESS(Energy Storage System)나 다양한 전기 장치에 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (21)

  1. 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 셀 어레이; 및
    상기 셀 어레이를 수용하는 팩 케이스;를 포함하며,
    상기 팩 케이스는
    상기 셀 어레이에서 발생되는 가스를 상기 팩 케이스의 외부로 배출하도록 구비되는 벤팅 디바이스; 및
    상기 셀 어레이의 하부에 구비되어 상기 가스를 상기 벤팅 디바이스로 안내하는 리브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리브는 상기 셀 어레이의 하부면에 면접촉되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리브는 상기 셀 어레이의 하부면에 접착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스는
    상하부가 개방된 형태로 구비되어 상기 셀 어레이를 수용하는 케이스 프레임; 및
    상기 케이스 프레임의 하부를 커버하며 상기 케이스 프레임과 결합되는 바텀 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리브는 상기 바텀 커버에 복수 개로 구비되고, 상기 바텀 커버의 일방향을 따라 상호 이격되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리브에 의해 상기 가스가 유동하는 적어도 하나의 벤팅 유로가 정의되고,
    상기 벤팅 유로는 상기 벤팅 디바이스와 연통되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 바텀 커버는 상기 리브가 상기 바텀 커버와 일체로 구비되도록 압출 제작되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 케이스 프레임의 일측에 상기 벤팅 디바이스가 구비되고,
    상기 케이스 프레임은
    상기 벤팅 유로와 상기 벤팅 디바이스 사이에 구비되어 상기 가스가 통과할 수 있는 가스 유입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가스 유입구는 상기 벤팅 유로마다 독립적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가스 유입구의 너비방향의 길이가 상기 리브 사이의 간격과 대응되도록 상기 가스 유입구는 장방형 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 가스 유입구끼리 통합되어 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 케이스 프레임은
    내부에 상기 가스가 유동하도록 상기 가스 유입구 및 상기 벤팅 디바이스와 연결되는 사이드 가스 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 사이드 가스 채널은 상기 케이스 프레임의 연장 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 바텀 커버는 상호 마찰 교반 용접되어 결합되는 복수 개의 바텀 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 케이스 프레임 및 상기 바텀 커버는 마찰 교반 용접되어 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅 디바이스는 상기 케이스 프레임의 양측에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 리브는 상기 벤팅 디바이스가 위치하는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 케이스 프레임은 상기 벤팅 디바이스를 수용하는 만입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제4항에 있어서,
    상기 팩 케이스는 상기 셀 어레이를 복수 개 수용하고,
    상기 케이스 프레임은 복수 개의 상기 셀 어레이 사이를 구획하는 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 벤팅 디바이스는 복수 개의 상기 셀 어레이마다 대응되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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