WO2024186189A1 - 내화 코팅층이 탈리되어 벤팅홀이 개방되는 배터리 모듈 - Google Patents

내화 코팅층이 탈리되어 벤팅홀이 개방되는 배터리 모듈 Download PDF

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battery module
refractory coating
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coating layer
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윤현섭
이정훈
장성환
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more specifically, to a battery module in which a refractory coating layer applied within a mesh plate on the upper part of the module can be partially detached to open a venting hole.
  • a semi-permanent battery that converts electrical energy into chemical energy and can be repeatedly charged and discharged is called a secondary battery, in contrast to a primary battery that cannot be reused after a single use.
  • Secondary batteries include lithium secondary batteries, nickel-cadmium (Ni-Cd) batteries, lead-acid batteries, nickel-metal hydride (Ni-MH) batteries, air-zinc batteries, and alkaline manganese batteries. Of these, lead-acid batteries and lithium secondary batteries are the most actively commercialized secondary batteries.
  • lithium secondary batteries have high energy storage density, can be made lightweight and miniaturized, and have the advantages of excellent safety, low discharge rate, and long lifespan, so they have recently been actively used as electric vehicle batteries.
  • lithium secondary batteries are generally classified into cylindrical, square, and pouch types depending on the manufacturing form, and their use also extends to ESS batteries and other electrical devices in addition to electric vehicle batteries.
  • a battery module is configured by connecting multiple lithium ion battery cells in series and/or parallel, and a battery pack is configured by connecting the battery modules in series and/or parallel.
  • the space between the module case and the pack case can be formed very narrow.
  • the present invention has been created in consideration of the above problems, and has as its primary purpose the provision of a battery module having an improved structure capable of relieving internal pressure by discharging venting gas generated inside the battery module, and preventing flames, etc. emitted from other battery modules in the vicinity from entering.
  • a battery module may include a cell assembly having a plurality of battery cells that are mutually stacked; a module case that accommodates the cell assembly in an internal space and has a venting hole formed therein; and a cover member that covers the venting hole and is disposed on an outer surface of the module case, and has a refractory coating layer on which a refractory coating material is applied that is detached by the pressure of the venting gas when the venting gas is generated inside the module case.
  • the above venting hole can be formed on the upper side of the module case.
  • the above cover member may further include a base layer that is joined so as to face the upper surface of the module case and to which the refractory coating layer is joined.
  • the above refractory coating layer is provided over the entire surface area of the base layer, and may be bonded to a portion or the entire section along the thickness direction of the base layer.
  • the above-mentioned base layer may include at least one mesh plate having a plurality of mesh meshes and gaps; and a support frame disposed at an edge of the mesh plate to support the mesh plate.
  • the above refractory coating layer may be provided such that the refractory coating material is combined with the mesh mesh to block the gap.
  • the above refractory coating layer may include one or more inorganic materials selected from ceramic, silicon, silica aerogel, and silica-based inorganic fibers.
  • the particle size of the above inorganic material may be relatively smaller than the pores.
  • the above-mentioned base layer may include a guide recessed portion that is provided to face the venting hole and guides the introduction of the venting gas.
  • the above guide depression may form an axial slope that becomes narrower in the thickness direction of the base layer when viewed from the upper side of the venting hole.
  • the above refractory coating layer may be partially provided on the surface of the base layer, and may be formed at a position of the base layer facing the venting hole.
  • a battery pack including one or more of the above-described battery modules can be provided.
  • the venting gas when venting gas is generated in the internal space of a battery module, the venting gas can be discharged to the outside to relieve internal pressure, and a battery module having an improved structure can be provided so that flames, etc. discharged from other battery modules in the vicinity cannot flow into the battery module.
  • the venting hole can be opened as the refractory coating layer is detached due to the gas pressure, so that a sufficient path for venting gas to be discharged can be secured. Accordingly, by quickly discharging the venting gas to the outside, heat accumulation and thermal explosion of the battery module can be effectively prevented.
  • the energy density of the battery pack can be prevented from decreasing because there is no need to form a gap or space for opening a separate venting hole.
  • the venting holes of adjacent modules are kept closed by the refractory coating layer that maintains heat resistance, thereby preventing external foreign substances, venting gas discharged outside the battery module, or flames or sparks contained in such venting gas from flowing into other venting holes. Therefore, a chain ignition or thermal runaway phenomenon caused by venting gas or flames in normal battery cells or battery modules can be delayed as much as possible.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the main components of the battery module of Figure 1.
  • FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views of a cover member according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a drawing schematically illustrating a modified example of a cover member of a battery module according to one embodiment of the present invention, in which a refractory coating layer is bonded to a different section in the thickness direction of the base layer.
  • FIG. 6 is a structural cross-sectional view of a battery pack including a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a partially enlarged view of Figure 6.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a cover member in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a drawing schematically illustrating a path through which venting gas is discharged through a cover member in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of a cover member in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a battery module according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the main components of the battery module of FIG. 1.
  • a battery module (10) according to the present invention includes a cell assembly (100), a module case (200), and a cover member (300).
  • each battery cell (110) may mean a secondary battery.
  • the battery cell (110) includes an electrode assembly, a case that accommodates the electrode assembly, and a pair of electrode leads (112) that are connected to the electrode assembly and extend outward from the case to function as electrode terminals.
  • the pair of electrode leads (112) are extended from both ends of the battery cell (110), that is, in the longitudinal direction.
  • the battery cell (110) may have a form in which the electrode lead (112) is positioned only at one end of the battery cell (110).
  • the present invention is not limited by the specific type or form of the battery cell (110), and various battery cells (110) known at the time of application of the present invention may be employed to configure the cell assembly (100) of the present invention.
  • a pouch-type secondary battery having a high energy density and easy stacking is targeted, but it is of course possible for a cylindrical or square secondary battery to be applied as the battery cell (110).
  • These battery cells (110) can be stacked in at least one direction.
  • the battery cells (110) can be stacked in a horizontal direction (width direction of the battery module (10)) while standing upright in the vertical direction, referring mainly to FIG. 2.
  • the above cell assembly (100) is a group of battery cells (110) formed by stacking a plurality of battery cells (110). That is, the cell assembly (100) may be a group of a plurality of pouch-shaped battery cells (110) that are stacked in one direction with their wide surfaces erected, as shown in FIG. 2.
  • the above module case (200) may be configured to have an internal space formed and accommodate battery cells (110) in the internal space.
  • the module case (200) of the present embodiment may include a case body (210) and end plates (220) arranged on the front and rear sides of the case body (210).
  • the case body (210) may be configured as a square tube shape having an open end (O) that is open at both ends in the length direction and a hollow structure with an empty interior.
  • the case body (210) may be configured as a tube shape having an upper surface, a lower surface, a left surface, and a right surface, and having openings formed at the front and rear ends, respectively.
  • the case body may be arranged so that the battery cells (110) can be inserted into the inside along the length direction. That is, the case body (210) may be configured so that the battery cells (110) can be inserted into the inside thereof in a sliding or force-fit manner. For the force-fit connection, there may be almost no gap between the upper and lower surfaces of the case body (210) and the upper and lower surfaces of the battery cells (110), and there may be almost no gap between both sides of the case body (210) and both sides of the battery cells (110).
  • the case body (210) may be configured with a metal material having rigidity and heat resistance in order to physically or chemically protect the accommodated battery cells (110).
  • the end plate (220) may be provided to face one side of the cell assembly (100) so that the electrode leads (112) of the battery cells (110) are positioned, i.e., the part where the electrode leads (112) are fixedly connected to the bus bars on the bus bar frame, are not exposed to the outside, and may be coupled to the open end (O) of the case body (210).
  • the end plate (220) may be configured to have an inner side made of an insulating material and an outer side made of a metal material, for example, and may be configured to be fixedly coupled to the case body (210) by welding. Meanwhile, although not shown for convenience of illustration, the end plate (220) may be partially provided with holes or slits to expose components that need to be exposed to the outside, such as a positive terminal and a negative terminal of the battery module (10) or a connector.
  • the module case (200) having such a configuration may have a venting hole (H1) formed on at least one side.
  • the venting holes (H1) may be formed in multiple numbers on the upper side of the module case (200) so as to be offset to the left and right.
  • the venting holes (H1) may be configured so that, when a venting gas is generated and emitted from a cell assembly (100) housed in an internal space, the generated venting gas can be discharged to the external space of the module case (200).
  • the module case (200) may be configured in a sealed form except for the venting hole (H1).
  • the venting hole (H1) may be formed in a completely open form so as to penetrate the module case (200) in the internal and external directions.
  • the above cover member (300) may be arranged on the outer surface of the module case (200) and configured to close the venting hole (H1) formed in the module case (200) in a normal state.
  • it may be provided on the upper side of the module case (200) as shown in FIGS. 2 and 3. Accordingly, it may be configured to cover the venting hole (H1) formed on the upper surface of the module case (200).
  • the cover member (300) may be configured to selectively open the venting hole (H1) when venting gas is generated from at least one battery cell (110) among the cell assemblies (100) housed inside the module case (200).
  • FIG. 3 and FIG. 4 are cross-sectional views of a cover member according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a drawing schematically illustrating a modified example of a cover member of a battery module (10) according to one embodiment of the present invention, in which a refractory coating layer is bonded to a different section in the thickness direction of the base layer.
  • the above cover member (300), referring mainly to FIGS. 3 and 4, includes a base layer (310) coupled to face the upper surface of the module case (200); and a refractory coating layer (320) coated with a refractory coating material (321) that is released by the pressure of the venting gas when the venting gas is generated inside the module case (200).
  • the above base layer (310) is coupled to face the upper surface of the module case (200) and can be provided to have a size substantially the same as that of the upper surface of the module case (200).
  • the base layer (310) may be at least one mesh plate (311) having a plurality of mesh meshes (312) and gaps (313).
  • the base layer (310) may be configured to block high-temperature flames and sparks that may move together with the venting gas.
  • the base layer (310) is arranged to completely cover the venting hole (H1) to block the entry and exit of flames or sparks generated from the venting hole (H1). Accordingly, flames or sparks accompanying the discharge of the venting gas may be sufficiently filtered and blocked to prevent their discharge to the outside of the battery pack, thereby minimizing the risk of ignition of structures around the battery pack or other battery packs.
  • the base layer (310) may include a support frame (314) that is arranged at the edge of the mesh plate (311) to support the mesh plate (311). Through the support frame (314), the mesh plate (311) can be firmly held even when exposed to high temperatures, thereby preventing warping, deformation, or damage of the plate surface.
  • a venting structure needs to be provided so that the venting gas discharged from inside the battery module (10) can be discharged quickly and effectively.
  • a selectively openable structure is required in which the venting hole (H1) is normally kept closed, but is opened when a thermal event occurs and venting gas is generated.
  • a refractory coating layer (320) may be provided in which a refractory coating material (321) that is released by the pressure of the venting gas when the venting gas is generated inside the module case (200) is applied.
  • the above refractory coating layer (320) can be provided over the entire surface area of the base layer (310).
  • the refractory coating layer (320) may be provided such that the refractory coating material (321) is bonded to the mesh net (312) to block the pore (313), as shown in FIG. 4.
  • the refractory coating layer (320) may include one or more inorganic materials selected from ceramics, silicon, silica aerogel, and silica-based inorganic fibers.
  • the particle size of the inorganic material may be relatively smaller than the pore (313).
  • the refractory coating layer (320) may further include a binder (322) that binds the refractory coating material (321) to the mesh net (312) and various additives.
  • the binder (322) may be a metal-friendly resin, and examples thereof include polyvinyl acetal resin, acrylic resin, polyvinyl chloride resin, polyolefin resin, and epoxy resin.
  • the binder (322) includes the refractory coating material (321) and facilitates attachment to the mesh net (312).
  • the additives may include an adhesion promoter, a dispersant, a release agent, a heat stabilizer, an antioxidant, and the like.
  • the refractory coating layer (320) may be bonded to a portion of the base layer (310) along the thickness direction.
  • the refractory coating layer (320) may be provided in an upper portion (by a preset thickness) of the base layer (310) in the thickness direction of the base layer (310).
  • the refractory coating layer (320) may be provided over the entire section in the thickness direction of the base layer (310).
  • the refractory coating layer (320) may be provided in a thickness equivalent to that of the base layer (310), so that the refractory coating layer (320) may be detached when the venting gas emitted from the venting hole (H1) has a higher pressure.
  • the pressure range of the venting gas in which the venting hole (H1) is completely opened may be increased.
  • a refractory coating layer (320) may be provided under the base layer (310).
  • the refractory coating layer (320) can cover the venting hole (H1) of the module case (200) without any gaps, so that the sealing degree of the venting hole (H1) can be improved compared to FIG. 4, thereby blocking the inflow of foreign substances, flames, or sparks at a higher level.
  • the arrangement position of the refractory coating layer (320) on the base layer (310) can be set differently depending on the pressure of the venting gas, the sealing level, or other design factors.
  • a process for applying the refractory coating layer (320) to the base layer (310) For example, a process for applying the refractory coating material (321) by dissolving it in an adhesive solvent to prepare a coating solution and then spraying it can be performed. Depending on the viscosity of the coating solution, the number of times it is sprayed can vary, and the time and temperature in the subsequent process, such as drying, can also be variously adjusted.
  • a spraying process in this manner, it can be advantageous in the process of applying the refractory coating layer (320) as in (b) of FIG. 4 and FIG. 5.
  • the coating process may be performed by impregnating the base layer (310) in a tank of coating liquid.
  • it may be efficient to form a refractory coating layer (320) over the entire thickness direction of the base layer (310) as shown in (a) of Fig. 5.
  • FIG. 6 is a structural cross-sectional view of a battery pack including a battery module according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a partial enlarged view of FIG. 6.
  • venting operation configuration is explained based on a state in which a refractory coating layer (320) is provided over the entire thickness direction of the base layer (310) as in (a) of Fig. 5.
  • venting hole (H1) is covered with a refractory coating layer (320) and remains closed.
  • the refractory coating layer (320) is separated from the mesh (312) and detached upward by the pressure (high pressure state) of the venting gas.
  • the mesh plate (311) in which the gap (313) is formed is exposed.
  • the venting gas is discharged to the outside of the case body along the gap (313) of the mesh plate (311). Meanwhile, flames or sparks, etc. are blocked from escaping to the outside of the case body by the mesh (312) of the mesh plate (311).
  • the venting gas discharged from the battery module where the event occurred may move along the internal space (430) of the pack case as shown in FIG. 6 and pass over the upper portion of another adjacent battery module (10). Since the refractory coating layer (320) of the cover member (300) of the other battery module exists in a state in which it is not detached from the base layer (310), the other battery module may not be subject to thermal damage due to the venting gas. In addition, since the venting gas moving along the internal space (430) passes over the upper portion of the other battery module in a state in which the pressure is relatively lower than when it is discharged from the event battery module, the refractory coating layer (320) of the other battery module is not detached from the base layer (310) by the venting gas. Accordingly, the venting gas may be prevented from entering the battery module (10).
  • the refractory coating layer (320) blocking the venting hole (H1) can be removed by the pressure of the venting gas, thereby opening the venting hole (H1), so that a sufficient exhaust path can be secured for discharging the venting gas from the inside to the outside of the battery module. Accordingly, the venting gas can be quickly discharged to the outside, thereby effectively preventing heat accumulation and thermal explosion of the battery module (10).
  • the venting hole (H1) of the adjacent battery module is kept closed due to the refractory coating layer (320) that maintains heat resistance, thereby preventing external foreign substances or venting gas discharged to the outside of the battery module (10) where an event occurred, or flames or sparks included in such venting gas, from flowing into another venting hole (H1). Therefore, a chain ignition or thermal runaway phenomenon caused by venting gas or flames, etc. in a normal battery cell (110) or battery module (10) can be delayed as much as possible.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a cover member in a battery module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a drawing schematically illustrating a path through which venting gas is discharged through a cover member in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a battery module according to another embodiment of the present invention has an additional configuration provided on the base layer (310) of the cover member (300A) compared to the above-described embodiment. That is, the base layer (310) may include a guide recessed portion (330) that is provided to face the venting hole (H1) and guides the introduction of the venting gas.
  • the above guide recessed portion (330) may be provided on the lower surface of the base layer (310), as shown in FIGS. 8 and 9.
  • the above guide recessed portion (330) may be positioned so as to directly face the venting hole (H1).
  • the above guide recessed portion (330) may be provided by processing the lower surface of the base layer (310) by partial pressing or by partial cutting.
  • an axial tube slope (331) that becomes narrower in the thickness direction of the base layer (310) when viewed from the upper side from the venting hole (H1) can be formed.
  • This axial pipe slope (331) can be arranged to be connected to the vent hole (H1) but with a reduced inner diameter. This can easily induce the venting gas to enter the cover member (300). In particular, the venting gas that enters the venting hole (H1) can easily enter upward in the thickness direction of the base layer (310) along the axial pipe slope (331).
  • the flow rate of the venting gas can be increased, so that the pressure of the venting gas can be locally increased, and the detachment of the refractory coating layer (320) can be assisted.
  • the thickness of the refractory coating layer (320) can be reduced compared to the first embodiment, and the ratio of the refractory coating layer (320) to the base layer (310) can be controlled by controlling the recessed depth of the guide recessed portion (330).
  • the refractory coating layer (320) can be configured to be relatively easily detached according to the pressure of the venting gas.
  • the venting hole (H1) can be opened as the refractory coating layer (320) is detached due to the gas pressure, so that a sufficient discharge path for the venting gas can be secured. Accordingly, since the venting gas is quickly discharged to the outside, heat accumulation and thermal explosion of the battery module can be effectively prevented.
  • the venting hole (H1) of the adjacent module is kept closed due to the refractory coating layer (320) that maintains heat resistance, thereby preventing external foreign substances, venting gas discharged outside the battery module, or flames or sparks contained in the venting gas from flowing into another venting hole (H1). Therefore, a chain ignition or thermal runaway phenomenon caused by venting gas or flames in a normal battery cell (110) or battery module can be delayed as much as possible.
  • FIG. 10 is a perspective view of a cover member in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the refractory coating layer (320) of another battery module may be partially provided on the plate surface of the base layer (310), as shown in FIG. 10, and may be formed at a position of the base layer (310) facing the venting hole (H1).
  • the cover member (300B) can be manufactured with relatively low cost and labor, while the function of the refractory coating layer (320) that blocks the venting hole (H1), that is, the closing function of the venting hole (H1) is faithfully performed during normal times, while a so-called selective opening/closing configuration that is released when venting gas is generated can be implemented.
  • the venting hole (H1) can be opened as the refractory coating layer (320) is detached due to the gas pressure, so that a sufficient discharge path for the venting gas can be secured. Accordingly, since the venting gas is quickly discharged to the outside, heat accumulation and thermal explosion of the battery module can be effectively prevented.
  • the venting hole (H1) of the adjacent module is kept closed due to the refractory coating layer (320) that maintains heat resistance, thereby preventing external foreign substances, venting gas discharged outside the battery module, or flames or sparks contained in the venting gas from flowing into another venting hole (H1). Therefore, a chain ignition or thermal runaway phenomenon caused by venting gas or flames in a normal battery cell (110) or battery module can be delayed as much as possible.
  • the battery pack according to the present invention may include one or more battery modules according to the present invention described above.
  • the battery pack according to the present invention may include a plurality of battery modules according to the present invention.
  • each battery module may include a cell assembly (100), a module case (200), and a cover member (300).
  • these plurality of battery modules may be accommodated inside the pack case.
  • thermal runaway propagation between modules can be effectively prevented.
  • the battery pack according to the present invention may further include, in addition to the battery module or pack case, various other components, such as a BMS (Battery Management System), a bus bar, a relay, a current sensor, a fuse, and other battery pack components known at the time of filing of the present invention, in the internal space of the pack case, etc.
  • BMS Battery Management System
  • the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention can be applied to automobiles such as electric automobiles or hybrid automobiles. That is, the automobile according to the present invention can include the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention. In addition, the automobile according to the present invention can further include various other components included in the automobile in addition to the battery module or the battery pack. For example, the automobile according to the present invention can further include a body, a motor, a control device such as an ECU (electronic control unit), in addition to the battery module according to the present invention.
  • ECU electronic control unit
  • the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention can be applied to an energy storage system (ESS). That is, the energy storage system according to the present invention can include the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention.
  • ESS energy storage system

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상호 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 벤팅홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 벤팅홀을 커버하며 상기 모듈 케이스의 외측면에 배치되고, 상기 모듈 케이스의 내부에 벤팅 가스 발생 시, 상기 벤팅 가스의 압력에 의해 탈리되는 내화 코팅물질이 도포된 내화 코팅층을 구비하는 커버 부재를 포함한다.

Description

내화 코팅층이 탈리되어 벤팅홀이 개방되는 배터리 모듈
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 모듈 상부의 메쉬 플레이트 내에 도포된 내화 코팅층이 부분 탈리되어 벤팅홀이 개방될 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2023년 03월 09일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2023-0030912호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환하고 충,방전 반복이 가능한 반영구적인 전지를 한 번 사용 후 재사용이 불가한 일차전지와 구분하여 이차전지라고 지칭한다.
이차전지로는 리튬 이차전지, 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지, 납축전지, 니켈수소(Ni-MH)전지, 공기아연전지, 알칼리망간전지 등이 존재한다. 이들 중 납축전지와 리튬이차전지가 가장 활발히 상용화된 이차전지라 할 수 있다.
특히 리튬 이차전지는 에너지 저장밀도가 높고 경량화와 소형화가 가능하고 우수한 안전성, 낮은 방전률, 장수명과 같은 장점을 지니고 있어 최근 전기차 배터리로 활용이 활발하다. 참고로, 리튬 이차전지는 제조형태에 따라 일반적으로 원통형, 각형, 파우치형으로 분류되고, 사용용도도 전기차 배터리 이외에도 ESS 배터리, 기타 전기장치 등에 걸쳐있다.
현재, 리튬 이차전지 셀 1개의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 전기차의 에너지원으로 이차전지를 적용하기 위해서는 복수 개의 리튬이온 전지 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈을 구성하고, 다시 상기 배터리 모듈들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성한다.
한편, 이차전지는 충방전 시 화학 반응을 수반하기 때문에 적정 온도보다 높은 환경에서 사용되는 경우 성능이 저하될 수 있고, 적정 온도로 열제어가 되지 못할 경우 예기치 못하게 발화나 폭발 가능성이 상존한다. 또한 배터리 모듈은 이러한 이차전지들을 모듈 하우징의 내부에 집약적으로 수납한 구조로 이루어져 있어, 어느 하나의 이차전지라도 열폭주(heat propagation)하여 트리거 셀(trigger cell)이 되면 주변 이차전지들로 열과 화염이 빠르게 전파되기 때문에 이차전지들이 더 쉽게 연쇄 발화할 수 있다.
특히, 집약도 측면에서 제한된 공간 내에 최대한 많은 배터리 모듈이 수용되어야 하기 때문에 배터리 모듈의 내부에 빈 공간이 충분히 마련되어 있지 않다. 예를 들어, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에서, 모듈 케이스와 팩 케이스 사이의 공간은 매우 좁게 형성될 수 있다.
따라서, 이러한 좁은 공간에서도 벤팅 가스를 신속히 배출하는 것과 더불어, 배출된 벤팅 가스가 다른 모듈로 유입되는 것을 막아, TP(Thermal Porpagtion)를 지연 또는 억제시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 내부에서 발생한 벤팅 가스를 배출시켜 내부 압력을 해소할 수 있고, 또한 주변의 다른 배터리 모듈에서 토출된 화염 등이 유입되지 않도록 구조가 개선된 배터리 모듈을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상호 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 벤팅홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 벤팅홀을 커버하며 상기 모듈 케이스의 외측면에 배치되고, 상기 모듈 케이스의 내부에 벤팅 가스 발생 시, 상기 벤팅 가스의 압력에 의해 탈리되는 내화 코팅물질이 도포된 내화 코팅층을 구비하는 커버 부재를 포함할 수 있다.
상기 벤팅홀은 상기 모듈 케이스의 상부 측에 형성될 수 있다.
상기 커버 부재는, 상기 모듈 케이스 상부면에 대면하게 결합되며, 상기 내화 코팅층이 결합되는 기저층을 더 포함할 수 있다.
상기 내화 코팅층은, 상기 기저층의 판면 전 영역에 걸쳐 마련되되, 상기 기저층의 두께 방향을 따라 일부 구간 또는 전 구간에 결합될 수 있다.
상기 기저층은 복수의 메쉬망살과 공극을 가진 적어도 하나의 메쉬 플레이트; 및 상기 메쉬 플레이트 가장자리에 배치되어 상기 메쉬 플레이트를 지지하는 지지 프레임을 포함할 수 있다.
상기 내화 코팅층은 상기 메쉬망살에 상기 내화 코팅물질이 결합되어 상기 공극이 차단되게 마련될 수 있다.
상기 내화 코팅층은 세라믹, 실리콘, 실리카 에어로겔, 실리카계 무기섬유 중 선택된 하나 이상의 무기질 재료를 포함할 수 있다.
상기 무기질 재료의 입도는 상기 공극보다 상대적으로 작을 수 있다.
상기 기저층은, 상기 벤팅홀에 대면하게 마련되어 상기 벤팅 가스의 인입을 가이드하는 가이드 함몰부를 포함할 수 있다.
상기 가이드 함몰부는 상기 벤팅홀에서 상부 측으로 바라볼 때 상기 기저층의 두께방향으로 갈수록 축관되는 축관 경사면이 형성될 수 있다.
상기 내화 코팅층은 상기 기저층의 판면에 부분적으로 마련되되, 상기 벤팅홀에 대면하는 상기 기저층의 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈의 내부 공간에서 벤팅 가스 발생시, 상기 벤팅 가스를 외부로 배출시켜 내부 압력을 해소할 수 있고, 주변의 다른 배터리 모듈에서 토출된 화염 등은, 당해 배터리 모듈로 유입되지 않도록 구조가 개선된 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
특히, 배터리 모듈이 팩 케이스의 내부에 수납된 상태에서, 배터리 모듈과 팩 케이스 사이의 공간이 좁게 형성되더라도, 가스 압력으로 인해 내화 코팅층이 탈리되면서 벤팅홀이 개방될 수 있어 벤팅 가스의 배출 경로가 충분히 확보될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스가 외부로 신속하게 배출됨으로써, 배터리 모듈의 열축적 및 열폭발 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 별도의 벤팅홀 개방을 위한 간극이나 공간 형성이 불필요하여 배터리 팩의 에너지 밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 인접한 모듈의 벤팅홀은 내열성이 유지되는 내화 코팅층으로 인해 폐쇄된 상태를 유지하여 외부의 이물질 또는 배터리 모듈 외부로 배출된 벤팅 가스 또는 이러한 벤팅 가스에 포함된 화염이나 스파크 등이 다른 벤팅홀로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 벤팅 가스나 화염 등에 의해 정상적인 배터리 셀이나 배터리 모듈로 연쇄 발화나 열폭주 현상이 최대한 지연될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 주요 구성들에 대한 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커버 부재의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 커버 부재의 변형예로서, 기저층의 두께 방향의 다른 구간에 내화 코팅층이 결합된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 구조 단면도이다.
도 7은 도 6의 부분 확대도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커버 부재의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커버 부재를 통해 벤팅 가스가 배출되는 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커버 부재의 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 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 주요 구성들에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 커버 부재(300)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀(110)을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀(110)은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은 도 2를 주로 참조하면 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체와 연결되며 케이스의 외측으로 인출되어 전극 단자로 기능하는 한 쌍의 전극 리드(112)를 포함한다. 상기 한 쌍의 전극 리드(112)는, 배터리 셀(110)의 양단 즉, 길이 방향으로 인출된다.
필요에 따라 상기 배터리 셀(110)은 전극 리드(112)가 배터리 셀(110)의 일 단부에만 위치하는 형태를 가질 수도 있다. 한편, 본 발명은 이러한 배터리 셀(110)의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 셀(110)이 본 발명의 셀 어셈블리(100)를 구성하는데 채용될 수 있다. 본 실시예에서는 에너지 밀도가 높고 적층이 용이한 파우치 타입 이차전지를 대상으로 하나, 원통형 또는 각형 이차전지가 배터리 셀(110)로 적용될 수 있음은 물론이다.
이러한 배터리 셀(110)은 적어도 일 방향으로 적층 배열될 수 있다. 본 실시예에서는 배터리 셀(110)들은 도 2를 주로 참조하면, 각각 상하 방향으로 기립된 상태에서 수평 방향(배터리 모듈(10)의 폭방향)을 따라 배열된 형태로 적층될 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는 복수 개의 배터리 셀(110)들을 적층하여 형성한 배터리 셀(110)들의 집합체이다. 즉, 상기 셀 어셈블리(100)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 넓은 면이 세워져 일 방향으로 적층된 복수 개의 파우치형 배터리 셀(110) 집단일 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는 내부 공간이 형성되고 상기 내부 공간에 배터리 셀(110)들을 수용하도록 구성될 수 있다. 본 실시예의 상기 모듈 케이스(200)는 케이스 본체(210)와, 케이스 본체(210)의 전면 및 후면에 배치되는 엔드 플레이트(220)를 포함할 수 있다.
케이스 본체(210)는 길이 방향 양쪽 끝이 오픈된 개방단부(O)를 구비하고 내부가 비어 있는 중공 구조로 이루어진 사각 관 형상으로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 케이스 본체(210)는 상부면, 하부면, 좌측면 및 우측면을 가지며, 전단과 후단에 각각 개구가 형성된 관 형태로 구성될 수 있다.
그리고 상기 케이스 본체는 배터리 셀(110)들을 길이 방향을 따라 내부에 삽입할 수 있게 마련될 수 있다. 즉, 케이스 본체(210)는 그 내부에 배터리 셀(110)들을 슬라이드 내지 억지 끼움 방식으로 삽입시킬 수 있게 구성될 수 있다. 억지 끼움 결합을 위해, 케이스 본체(210)의 상, 하부면과 배터리 셀(110)들의 상, 하단 사이에는 갭이 거의 없으며, 케이스 본체(210)의 양쪽 측면과 배터리 셀(110)들의 양쪽 측부에 사이에도 갭이 거의 없도록 구성될 수 있다. 이러한 케이스 본체(210)는 수용된 배터리 셀(110)을 물리적으로 또는 화학적으로 보호하기 위하여 강성과 내열성을 가진 메탈 소재로 구성될 수 있다.
엔드 플레이트(220)는 배터리 셀(110)들의 전극 리드(112)들이 위치한 셀 어셈블리(100)의 일측면부, 즉 버스바 프레임 상의 버스바들에 전극 리드(112)들이 고정되게 연결된 부분이 외부로 노출되지 않도록 하기 위해 상기 셀 어셈블리(100)의 일측면부와 마주하며 상기 케이스 본체(210)의 개방단부(O)에 결합될 수 있게 마련될 수 있다. 상기 엔드 플레이트(220)는 예컨대 안쪽은 절연 소재로 이루지고 바깥쪽은 금속 소재로 이루어지도록 구성되고, 상기 케이스 본체(210)와 용접으로 고정 결합되게 구성될 수 있다. 한편, 도면의 편의상 미도시 하였으나, 엔드 플레이트(220)는 배터리 모듈(10)의 양극 터미널과 음극 터미널 또는 커넥터와 같이 외부로 노출이 필요한 부품의 노출을 위해 부분적으로 홀이나 슬릿을 구비할 수 있다.
이와 같은 구성의 상기 모듈 케이스(200)는, 적어도 일측에 벤팅홀(H1)이 형성될 수 있다. 상기 벤팅홀(H1)은 도 2에서 H1로 표시된 바와 같이, 상기 모듈 케이스(200)의 상부 측에 좌우측으로 치우쳐져서 복수개가 형성될 수 있다. 이러한 벤팅홀(H1)은, 내부 공간에 수납된 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 생성되어 분출된 경우, 생성된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 외부 공간으로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 벤팅홀(H1)을 제외하고는 밀폐된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 벤팅홀(H1)은, 모듈 케이스(200)를 내외부 방향으로 관통하도록, 완전히 개방된 형태로 형성될 수 있다.
상기 커버 부재(300)는 상기 모듈 케이스(200)의 외측면에 배치되어, 정상적인 상태에서 모듈 케이스(200)에 형성된 벤팅홀(H1)을 폐쇄시키도록 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 모듈 케이스(200) 상부 측에 마련될 수 있다. 이에 따라 모듈 케이스(200) 상부면에 형성된 벤팅홀(H1)을 커버하도록 구성될 수 있다.
이러한 상기 커버 부재(300)는 모듈 케이스(200)의 내부에 수납된 셀 어셈블리(100) 중 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 벤팅 가스가 발생하게 되면, 벤팅홀(H1)을 선택적으로 개방시키도록 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커버 부재의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 커버 부재의 변형예로서, 기저층의 두께 방향의 다른 구간에 내화 코팅층이 결합된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 커버 부재(300)는 도 3 및 도 4를 주로 참조하면, 상기 모듈 케이스(200) 상부면에 대면하게 결합되는 기저층(310); 및 상기 모듈 케이스(200)의 내부에 벤팅 가스 발생 시, 상기 벤팅 가스의 압력에 의해 탈리되는 내화 코팅물질(321)이 도포된 내화 코팅층(320)을 포함한다.
상기 기저층(310)은 상기 모듈 케이스(200) 상부면에 대면하게 결합되며, 상기 모듈 케이스(200) 상부면의 크기와 실질적으로 동일하게 마련될 수 있다.
이러한 상기 기저층(310)은 복수의 메쉬망살(312)과 공극(313)을 가진 적어도 하나의 메쉬 플레이트(311)일 수 있다. 이러한 기저층(310)은 벤팅 가스와 함께 이동할 수 있는 고온의 화염과 스파크를 차단하기 위한 구성일 수 있다. 상기 기저층(310)은 상기 벤팅홀(H1)을 완전히 커버하게 배치되어 상기 벤팅홀(H1)에서 발생되는 화염이나 스파크 등의 입출을 차단할 수 있다. 이로써, 벤팅 가스 배출시 동반되는 화염이나 스파크를 충분히 여과하고 차단하여 배터리 팩 외부로 배출을 저지시켜 배터리 팩 주변의 구조물이나 다른 배터리 팩의 발화 위험을 최소화할 수 있다.
그리고 상기 기저층(310)은 상기 메쉬 플레이트(311) 가장자리에 배치되어 상기 메쉬 플레이트(311)를 지지하는 지지 프레임(314)을 포함할 수 있다. 상기 지지 프레임(314)을 통해 상기 메쉬 플레이트(311)가 고온에 노출되더라도 견고히 잡아줄 수 있어 판면 뒤틀림이나 변형, 파손을 방지할 수 있다.
한편, 배터리 모듈(10)의 내부에서 배출된 벤팅 가스를 신속하고 효과적으로 배출할 수 있도록 벤팅 구조가 마련될 필요가 있다. 특히, 벤팅홀(H1)이 평상 시에는 폐쇄된 상태를 유지하다가, 열적 이벤트가 발생되어 벤팅 가스가 발생 시에는 벤팅홀(H1)이 개방되는 선택적으로 개방되는 개폐 구조가 요구된다.
이에 본 실시예에서는 상기 모듈 케이스(200)의 내부에 벤팅 가스 발생 시, 상기 벤팅 가스의 압력에 의해 탈리되는 내화 코팅물질(321)이 도포된 내화 코팅층(320)이 마련될 수 있다.
상기 내화 코팅층(320)은 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 기저층(310)의 판면 전 영역에 걸쳐 마련될 수 있다.
이러한 상기 내화 코팅층(320)은 주로 도 4를 참조하면, 상기 메쉬망살(312)에 상기 내화 코팅물질(321)이 결합되어 상기 공극(313)이 차단되게 마련될 수 있다. 여기서 내화 코팅층(320)은 세라믹, 실리콘, 실리카 에어로겔, 실리카계 무기섬유 중 선택된 하나 이상의 무기질 재료를 포함할 수 있다. 그리고 상기 무기질 재료의 입도는 상기 공극(313)보다 상대적으로 작을 수 있다.
또한, 상기 내화 코팅층(320)은, 상기 내화 코팅물질(321)을 메쉬망살(312)에 결합하는 바인더(322)와, 각종 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더(322)는 금속 친화적인 수지가 채택될 수 있으며, 예를 들어 폴리비닐아세탈 수지, 아크릴 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리올레핀 수지, 및 에폭시 수지 등이 대상이 될 수 있다. 상기 바인더(322)는 내화 코팅물질(321)을 포함하며, 메쉬망살(312)에 부착을 용이하게 한다. 그리고 첨가제는 부착 증진제, 분산제, 이형제, 열안정제, 산화방지제 등이 포함될 수 있다.
이러한 내화 코팅층(320)은 상기 기저층(310)의 두께 방향을 따라 일부 구간에 결합될 수 있다. 일례로 도 2 내지 도 4에서처럼, 상기 내화 코팅층(320)은 상기 기저층(310)의 두께 방향에서 상기 기저층(310)의 상부 구간(미리 설정된 두께만큼)에 마련될 수 있다.
또는 다른 변형예로서, 도 5의 (a)에서처럼, 상기 내화 코팅층(320)이 상기 기저층(310)의 두께 방향으로 전 구간에 걸쳐 마련될 수 있다. 이 경우, 도 4 또는 도 5의 (b) 대비해서, 기저층(310)의 두께만큼 내화 코팅층(320)이 마련되어 있어 벤팅홀(H1)에서 분출되는 벤팅 가스가 더 높은 압력일 때 내화 코팅층(320)이 탈리되는 구성이 될 수 있다. 즉, 벤팅홀(H1)이 완전 개방되는 벤팅 가스의 압력 범위를 높일 수 있다.
또한, 도 5의 (b)에서처럼 기저층(310) 하부에 내화 코팅층(320)이 마련되게 할 수 있다. 이 경우에는 모듈 케이스(200)의 벤팅홀(H1)을 상기 내화 코팅층(320)이 빈틈이 없이 바로 커버할 수 있어 도 4 대비할 때 벤팅홀(H1)의 밀봉 정도가 향상될 수 있어 이물질이나 화염, 스파크의 유입을 보다 더 높은 수준으로 차단할 수 있다. 이처럼, 벤팅 가스의 압력 정도나, 밀봉 수준 또는 다른 설계 인자들에 의해서 기저층(310) 상에 내화 코팅층(320)의 배치 위치는 달리 설정될 수 있다.
이러한 내화 코팅층(320)을 상기 기저층(310)에 도포하는 공정으로는 여러가지 방안이 고려될 수 있다. 일례로, 점착 용매에 내화 코팅물질(321)을 용해시켜 코팅액을 제조한 다음, 스프레이 방식으로 분무하는 도포 공정이 수행될 수 있다. 코팅액의 점성 정도에 따라, 분무 횟수가 달라질 수 있으며, 건조 등의 후공정에서의 시간과 온도 등도 다양하게 조절될 수 있다. 이와 같은 스프레이 방식의 분무 공정을 통해 내화 코팅층(320)을 형성하게 되는 경우, 도 4과 도 5의 (b)에서와 같은 내화 코팅층(320)을 도포하는 공정 시에 유리할 수 있다.
또는, 코팅액의 수조에 기저층(310)을 함침시켜 도포 공정을 수행할 수도 있다. 이럴 경우, 도 5의 (a)와 같이 기저층(310)의 두께 방향 전구간에 걸쳐 내화 코팅층(320)을 형성할 때 효율적일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 구조 단면도이고, 도 7은 도 6의 부분 확대도이다.
이하 벤팅 동작 구성은 도 5의 (a)에서처럼 기저층(310)의 두께 방향 전 구간에 걸쳐 내화 코팅층(320)이 마련된 상태를 바탕으로 설명한다.
평상 시에는 벤팅홀(H1)은 내화 코팅층(320)이 커버되어 폐쇄된 상태를 유지한다.
만약 특정 이벤트 셀이 발화하여 다량의 벤팅 가스가 발생하면 상부에 형성된 벤팅홀(H1)로 분출된다.
이때, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 벤팅 가스의 압력(고압 상태)에 의해 내화 코팅층(320)이 메쉬망살(312)로부터 분리되어 상방으로 탈리된다. 이와 동시에 공극(313)이 형성되어 있는 메쉬 플레이트(311)가 노출된다. 벤팅 가스는 메쉬 플레이트(311)의 공극(313)을 따라 케이스 본체 외부로 토출된다. 한편, 화염이나 스파크 등은 메쉬 플레이트(311)의 메쉬망살(312)에 의해 케이스 본체 외부로 빠져나오지 못하고 차단된다.
이벤트가 발생한 배터리 모듈에서 토출된 벤팅 가스는, 도 6과 같이, 팩 케이스의 내부 공간(430)을 따라 이동하여 인접한 다른 배터리 모듈(10)의 상부를 지나갈 수 있다. 상기 다른 배터리 모듈(10)은 커버 부재(300)의 내화 코팅층(320)이 기저층(310)에서 탈리되지 않은 상태로 존재하므로 상기 벤팅 가스로 인한 열적 데미지를 받지 않을 수 있다. 또한, 상기 내부 공간(430)을 따라 이동하는 벤팅 가스는 상기 이벤트 배터리 모듈에서 토출될 때에 비해 상대적으로 압력이 낮아진 상태로 상기 다른 배터리 모듈의 상부를 지나가므로 상기 다른 배터리 모듈의 내화 코팅층(320)은 상기 벤팅 가스에 의해 기저층(310)에서 탈리되지 않는다. 이에 따라 상기 벤팅 가스가 배터리 모듈(10)로의 진입이 차단될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 이벤트 발생시, 벤팅홀(H1)을 막고 있던 내화 코팅층(320)이 벤팅 가스의 압력에 의해 탈리되면서 상기 벤팅홀(H1)이 개방될 수 있어 벤팅 가스를 배터리 모듈의 내부에서 외부로 배출시킬 수 있는 배출 경로가 충분히 확보될 수 있다. 이에 따라 벤팅 가스가 외부로 신속하게 배출됨으로써, 배터리 모듈(10)의 열축적 및 열폭발 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 이러한 실시 구성에 따라, 인접한 배터리 모듈의 벤팅홀(H1)은 내열성이 유지되는 내화 코팅층(320)으로 인해 폐쇄된 상태를 유지하여 외부의 이물질 또는 이벤트가 발생한 배터리 모듈(10) 외부로 배출된 벤팅 가스 또는 이러한 벤팅 가스에 포함된 화염이나 스파크 등이 다른 벤팅홀(H1)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 벤팅 가스나 화염 등에 의해 정상적인 배터리 셀(110)이나 배터리 모듈(10)로 연쇄 발화나 열폭주 현상이 최대한 지연될 수 있다.
또한, 벤팅 가스나 화염 등을 배출시키기 위한 내부 공간(430)을 넓게 확보하기 위해, 배터리 모듈(10)이나 배터리 팩의 에너지 밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이어서 도 7 내지 도 9을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈의 다른 실시예들에 대해 간략히 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커버 부재의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커버 부재를 통해 벤팅 가스가 배출되는 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 전술한 실시예와 비교할 때, 커버 부재(300A)의 기저층(310)에 추가 구성이 마련된다. 즉, 상기 기저층(310)은, 상기 벤팅홀(H1)에 대면하게 마련되어 상기 벤팅 가스의 인입을 가이드하는 가이드 함몰부(330)를 포함할 수 있다.
상기 가이드 함몰부(330)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 기저층(310)의 저면에 마련될 수 있다. 상기 가이드 함몰부(330)는 벤팅홀(H1)에 바로 면접하게 배치될 수 있다. 상기 가이드 함몰부(330)는 기저층(310)의 저면을 부분 프레싱하여 가공되거나 또는 부분 커팅되어 마련될 수 있다.
그리고 상기 가이드 함몰부(330)에는, 상기 벤팅홀(H1)에서 상부 측으로 바라볼 때 상기 기저층(310)의 두께방향으로 갈수록 축관되는 축관 경사면(331)이 형성될 수 있다.
이러한 축관 경사면(331)은, 벤팅홀(H1)에 연이어 연결되되 내경이 줄어들게 축관되도록 마련될 수 있다. 이를 통해 벤팅 가스가 커버 부재(300) 측으로 용이하게 진입되도록 유도할 수 있다. 특히, 벤팅홀(H1)로 진입된 벤팅 가스는 상기 축관 경사면(331)을 타고 기저층(310)의 두께 방향으로 상방으로 용이하게 진입될 수 있다.
또한, 축관 경사면(331)으로 인해 내경이 줄어든만큼, 벤팅 가스의 유속을 증가시킬 수 있어 벤팅 가스의 압력을 국부적으로 상승시킬 수 있고, 내화 코팅층(320)의 탈리를 보조할 수 있다.
또한, 가이드 함몰부(330)가 마련되어 있어, 내화 코팅층(320)의 두께가 제1 실시예에 비해 줄어들 수 있으며, 가이드 함몰부(330)의 함몰 깊이를 조절함으로써 기저층(310) 대비 내화 코팅층(320)의 비율을 조절할 수 있다. 또한, 벤팅 가스의 압력에 따른 내화 코팅층(320)을 상대적으로 용이하게 탈리되게 구성될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈과 모듈 케이스(200) 사이의 공간이 좁게 형성되더라도, 가스 압력으로 인해 내화 코팅층(320)이 탈리되면서 벤팅홀(H1)이 개방될 수 있어 벤팅 가스의 배출 경로가 충분히 확보될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스가 외부로 신속하게 배출됨으로써, 배터리 모듈의 열축적 및 열폭발 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 이러한 실시 구성에 따라, 인접한 모듈의 벤팅홀(H1)은 내열성이 유지되는 내화 코팅층(320)으로 인해 폐쇄된 상태를 유지하여 외부의 이물질 또는 배터리 모듈 외부로 배출된 벤팅 가스 또는 이러한 벤팅 가스에 포함된 화염이나 스파크 등이 다른 벤팅홀(H1)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 벤팅 가스나 화염 등에 의해 정상적인 배터리 셀(110)이나 배터리 모듈로 연쇄 발화나 열폭주 현상이 최대한 지연될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커버 부재의 사시도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 다른 배터리 모듈의 상기 내화 코팅층(320)은 도 10을 참조하면, 상기 기저층(310)의 판면에 부분적으로 마련되되, 상기 벤팅홀(H1)에 대면하는 상기 기저층(310)의 위치에 형성될 수 있다.
이럴 경우, 상대적으로 적은 비용 및 적은 공수로 커버 부재(300B)를 제작할 수 있는데 반해, 벤팅홀(H1)을 차단하는 내화 코팅층(320)의 기능 즉, 평상 시에 벤팅홀(H1)의 폐쇄 기능을 충실히 수행되면서, 벤팅 가스 발생 시에 탈리되는 이른바, 선택적 개폐 구성이 구현될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈과 모듈 케이스(200) 사이의 공간이 좁게 형성되더라도, 가스 압력으로 인해 내화 코팅층(320)이 탈리되면서 벤팅홀(H1)이 개방될 수 있어 벤팅 가스의 배출 경로가 충분히 확보될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스가 외부로 신속하게 배출됨으로써, 배터리 모듈의 열축적 및 열폭발 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 이러한 실시 구성에 따라, 인접한 모듈의 벤팅홀(H1)은 내열성이 유지되는 내화 코팅층(320)으로 인해 폐쇄된 상태를 유지하여 외부의 이물질 또는 배터리 모듈 외부로 배출된 벤팅 가스 또는 이러한 벤팅 가스에 포함된 화염이나 스파크 등이 다른 벤팅홀(H1)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 벤팅 가스나 화염 등에 의해 정상적인 배터리 셀(110)이나 배터리 모듈로 연쇄 발화나 열폭주 현상이 최대한 지연될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 용량 및/또는 출력 증대를 위하여, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 다수 포함할 수 있다. 이때, 각 배터리 모듈에는, 앞서 설명한 여러 구성이 적용될 수 있다. 예를 들어, 각 배터리 모듈에는, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 커버 부재(300)가 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 배터리 모듈은, 팩 케이스 내부에 수용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 경우, 전방이나 후방 측에 다른 배터리 모듈이 위치하더라도, 모듈 간 열폭주 전파 등이 효과적으로 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈이나 팩 케이스 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS(Battery Management System)나 버스바, 릴레이, 전류 센서, 퓨즈 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 팩 케이스의 내부 공간 등에 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩 이외에 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩은, 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (12)

  1. 상호 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하며, 벤팅홀이 형성된 모듈 케이스; 및
    상기 벤팅홀을 커버하며 상기 모듈 케이스의 외측면에 배치되고, 상기 모듈 케이스의 내부에 벤팅 가스 발생 시, 상기 벤팅 가스의 압력에 의해 탈리되는 내화 코팅물질이 도포된 내화 코팅층을 구비하는 커버 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅홀은 상기 모듈 케이스의 상부 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커버 부재는, 상기 모듈 케이스 상부면에 대면하게 결합되며, 상기 내화 코팅층이 결합되는 기저층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내화 코팅층은, 상기 기저층의 판면 전 영역에 걸쳐 마련되되, 상기 기저층의 두께 방향을 따라 일부 구간 또는 전 구간에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 기저층은 복수의 메쉬망살과 공극을 가진 적어도 하나의 메쉬 플레이트; 및
    상기 메쉬 플레이트 가장자리에 배치되어 상기 메쉬 플레이트를 지지하는 지지 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 내화 코팅층은 상기 메쉬망살에 상기 내화 코팅물질이 결합되어 상기 공극이 차단되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 내화 코팅층은 세라믹, 실리콘, 실리카 에어로겔, 실리카계 무기섬유 중 선택된 하나 이상의 무기질 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무기질 재료의 입도는 상기 공극보다 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 기저층은, 상기 벤팅홀에 대면하게 마련되어 상기 벤팅 가스의 인입을 가이드하는 가이드 함몰부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가이드 함몰부는 상기 벤팅홀에서 상부 측으로 바라볼 때 상기 기저층의 두께방향으로 갈수록 축관되는 축관 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 내화 코팅층은 상기 기저층의 판면에 부분적으로 마련되되, 상기 벤팅홀에 대면하는 상기 기저층의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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