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KR20220132353A - 냉각수를 활용한 배터리 셀의 열확산 방지 구조를 갖춘 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

냉각수를 활용한 배터리 셀의 열확산 방지 구조를 갖춘 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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KR20220132353A
KR20220132353A KR1020210037564A KR20210037564A KR20220132353A KR 20220132353 A KR20220132353 A KR 20220132353A KR 1020210037564 A KR1020210037564 A KR 1020210037564A KR 20210037564 A KR20210037564 A KR 20210037564A KR 20220132353 A KR20220132353 A KR 20220132353A
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KR
South Korea
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plate
battery
battery cells
battery module
module
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020210037564A
Other languages
English (en)
Inventor
김승준
신은규
유재민
조영범
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
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Priority to US18/021,480 priority patent/US20230291064A1/en
Priority to EP22775980.0A priority patent/EP4199215A4/en
Priority to PCT/KR2022/003717 priority patent/WO2022203278A1/ko
Priority to JP2023509436A priority patent/JP7585458B2/ja
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Abstract

본 발명에 따르면, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀들; 및 상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;를 포함하고, 상기 모듈 케이스는 각각 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀들의 상부에 배치되는 상판부와 상기 복수의 배터리 셀들의 하부에 배치되는 하판부를 포함하고, 상기 상판부와 상기 하판부는 상기 복수의 배터리 셀들과 대면하는 제1 플레이트에 열 용융될 수 있는 멜팅 스팟을 구비하고, 상기 상판부는 상기 제1 플레이트와 마주하는 제2 플레이트에 외부로 가스 방출이 가능한 벤팅구와 상기 벤팅구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 제1 실링 캡을 구비할 수 있다.

Description

냉각수를 활용한 배터리 셀의 열확산 방지 구조를 갖춘 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{A battery module with a heat propagation repression structure using coolant and a battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 발화한 배터리 셀에 냉각수 주입하고 고온의 가스를 외부로 배출시킬 수 있는 경로를 마련하여 배터리 셀들의 연쇄 발화를 조기 차단하며 불꽃의 외부 유출을 방지할 수 있는 열확산 방지 구조를 적용한 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이에, 다양한 디바이스에 대한 이차전지의 적용이 증가하고 있다. 예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
일반적으로 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 이차전지들 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용하고 있다.
이와 같이, 이차전지가 대용량 및 고출력의 에너지원으로 사용됨에 따라 상기 배터리 모듈/팩의 안전성을 확보하는 문제가 중요한 이슈가 되고 있다.
최근의 배터리 모듈은 에너지 밀도 향상을 위해 가능한 많은 수의 이차전지들을 집약적으로 수납하도록 설계되어 있어 이차전지들 중의 하나라도 이상이 생겨 발화할 경우, 그 주변의 다른 이차전지들까지 연쇄 발화하는 열 폭주 현상이 쉽게 일어날 수 있다. 이 때문에 냉각 시스템과 소화 시스템이 배터리 모듈과 배터리 팩을 구성할 때 포함된다.
현재 당해 업계에서 소화 시스템으로 이차전지가 발화한 경우, 이를 예컨대 가스센서로 감지하고 배터리 팩이나 배터리 모듈 내부에 물을 투입하는 주수 방식이 개발되어 있으나, 주수 밸브가 오픈된 시점부터 최초 발화한 이차전지에 물이 접촉할 때까지 소정의 시간차가 있어 이차전지들의 연쇄 발화를 초기 진압하는데 부족한 점이 없지 않다.
한편, 발화한 이차전지에서 발생하는 고온의 가스는 다른 이차전지들로 열을 빠르게 전파시키는 기폭제로 작용한다. 그런데 공냉식 배터리 모듈에 비해 수냉식 배터리 모듈은 통상 밀폐 구조로 이루어져 있기 때문에 고온의 가스가 외부로 원활히 배출되지 못해 이차전지들의 열확산이 더 빠르게 일어나는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 발화한 배터리 셀에 냉각수가 신속히 주입될 수 있을 뿐만 아니라, 벤팅 가스를 원활히 외부로 배출시킬 수 있는 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 따르면, 복수의 배터리 셀들; 및 상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;를 포함하고, 상기 모듈 케이스는 각각 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀들의 상부에 배치되는 상판부와 상기 복수의 배터리 셀들의 하부에 배치되는 하판부를 포함하고, 상기 상판부와 상기 하판부는 상기 복수의 배터리 셀들과 대면하는 제1 플레이트에 열 용융될 수 있는 멜팅 스팟을 구비하고, 상기 상판부는 상기 제1 플레이트와 마주하는 제2 플레이트에 외부로 가스 방출이 가능한 벤팅구와 상기 벤팅구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 제1 실링 캡을 구비한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 벤팅구는 메쉬 구조로 마련될 수 있다.
상기 벤팅구는 상기 제2 플레이트에서 상기 유로를 따라 일 영역에 걸쳐 형성될 수 있다.
상기 상판부와 상기 하판부는 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에 유로가 형성되어 있는 히트싱크로 이루어질 수 있다.
상기 히트싱크는 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트가 알루미늄(A1) 재질인 것 또는 상기 제1 플레이트는 알루미늄(Al) 재질이고 상기 제2 플레이트는 스틸(Steel) 재질로 이종 접합된 것으로 마련될 수 있다.
상기 멜팅 스팟은 상기 상판부에 마련되는 제1 멜팅 스팟과, 상기 하판부에 마련되는 제2 멜팅 스팟을 포함하고, 상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 가운데 두고 상하로 대칭된 위치에 마련될 수 있다.
상기 멜팅 스팟은 상기 제1 플레이트의 두께 방향으로 형성된 관통구와, 상기 관통구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 제2 실링 캡으로 구성되고, 상기 유로를 따라 소정의 간격마다 마련될 수 있다.
상기 제2 실링 캡은, 상기 관통구에 개재되는 몸체; 및 상기 제1 플레이트의 상면과 하면을 감싸도록 상기 몸체의 상단과 하단에서 각각 수평하게 연장 형성되는 탑 플랜지와 바틈 플랜지를 포함할 수 있다.
상기 탑 플랜지와 상기 바틈 플랜지는 서로 대향하는 방향으로 돌출된 하나 이상의 돌기를 구비하고, 상기 제1 플레이트는 상기 돌기와 형합하는 형상의 홈부를 구비할 수 있다.
상기 돌기는 단면 형상이 삼각형, 사다리꼴형, 사각형 및 반원형 중 어느 하나의 형상을 갖도록 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 어느 배터리 셀이 발화할 경우 해당 배터리 셀과 인접한 실링 캡이 녹아 냉각수가 해당 배터리 셀에 바로 투입된다. 이에 따라 배터리 모듈 내의 열 확산이 신속하고 효과적으로 차단될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상판부의 냉각수가 발화한 배터리 셀로 공급된 후 상판부의 유로가 가스 배출 통로로 사용될 수 있다. 고온의 가스는 상판부의 유로를 따라 흐르고 상판부의 벤팅구를 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 벤팅구는 메쉬 구조로 이루어져 있어 고온의 가스와 함께 흩날리는 불꽃의 외부 유출은 차단될 수 있다.
또한, 본 발명은 모듈 케이스의 상판부와 하판부가 히트싱크로 이루어져 있다. 상기 히트싱크는 평상시 냉각 작용을 하고 비상시 소화 작용을 하는 역할을 한다. 즉, 냉각 시스템과 소화 시스템이 같은 부품에 의해 통합적으로 수행된다 할 수 있다. 따라서 배터리 모듈의 에너지 밀도 향상, 부품 수 감소, 비용절감 등의 효과가 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 모듈 케이스의 상판부의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2의 상판부의 저면을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 5는 도 4의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 냉각 구조를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 특정 배터리 셀의 발화시 소화 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 특정 배터리 셀의 가스 배출 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 도 2의 모듈 케이스의 상판부의 변형예를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 각각 도 5의 제2 실링 캡의 변형예들을 도시한 도면들이다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(100)들로 이루어진 셀 적층체와 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스(200)를 포함한다.
상기 배터리 셀(100)로는 파우치형 배터리 셀(100)이 채용될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(100)은 전극 조립체와 전해액을 파우치 타입의 외장재로 밀봉 수납한 대략 판상형의 배터리 셀(100)로서 본 발명의 출원 시점에 널리 공지된 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 파우치형 배터리 셀(100)들을 각각 상하 방향(±Z)으로 세우고 넓은 면이 서로 대면하게 좌우 방향(±Y)으로 적층하여 셀 적층체를 형성한다. 상기 파우치형 배터리 셀(100)들 사이에는 스웰링 흡수 또는 열전달 목적으로 완충패드 또는 박판 형태의 냉각핀 등이 더 개재될 수도 있다.
배터리 셀(100)들은 반복적인 충방전 과정에서 전극조립체의 팽창과 수축, 충방전의 부산물로 생성된 가스로 인해 팽창할 수 있다. 이때의 배터리 셀(100)들의 팽창력을 흡수하고 모듈 케이스(200)의 변형을 최소화하기 위해 배터리 셀(100)들 사이에 중공 구조의 격벽(300)이 (도 6 참조)더 부가될 수 있다.
자세히 후술하겠으나, 본 실시예의 배터리 모듈(10)은 이러한 파우치형 배터리 셀(100)들의 상단 에지와 하단 에지를 각각 열 전도성 접착제로 모듈 하우징에 고정하고 냉각수(W1)가 간접 접촉되도록 하여 배터리 셀(100)들을 냉각할 수 있게 구성될 수 있다.
한편, 본 실시예는 배터리 셀(100)이 파우치형이나, 파우치형의 대안으로 원통형이나 각형의 배터리 셀(100)들이 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
모듈 케이스(200)는 상기 셀 적층체를 수용하고 외부의 충격이나 진동으로부터 보호하기 위해 기계적 강성이 높은 재질로 마련되고 대략 6면체 박스 형태로 마련될 수 있다. 이를테면, 본 실시예의 모듈 케이스(200)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 셀 적층체의 상부에 배치되는 상판부(210), 셀 적층체의 하부에 배치되는 하판부(220) 및 셀 적층체의 둘레를 감싸는 벽체 프레임(230)을 포함하는 6면체 박스 형태로 형성될 수 있다. 개략적으로 도시하였으나, 상기 벽체 프레임은 셀 적층체의 전면부와 후면부를 커버하는 전/후면 커버 플레이트와 셀 적층체의 측면부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트로 이루어진 4개의 플레이트를 결합한 것일 수 있다.
특히, 본 발명의 모듈 케이스(200)는 평상시 배터리 셀(100)들을 효과적으로 냉각하고 비상시 배터리 셀(100)들의 발화를 신속히 진압하기 위해 상판부(210)와 하판부(220)가 히트싱크로 이루어진다. 여기서 히트싱크는 내부에 냉각수(W1)가 흐를 수 있는 유로를 구비하여 열을 흡수하는데 사용되는 냉각 부품을 의미한다.
일반적으로 종래 기술에 따른 수냉식 배터리 모듈의 경우, 히트싱크가 그 모듈 케이스와 별개의 구성품으로 그 모듈 케이스의 하판 아래에 배치되고 있다. 그러나 본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 히트싱크와 모듈 케이스(200)가 일체형으로 이루어진 것으로서, 모듈 케이스(200)의 상판부(210)와 하판부(220)가 히트싱크에 해당한다. 이러한 모듈 케이스(200) 구성에 의하면, 종래보다 각 배터리 셀(100)들의 열이 히트싱크까지 전달되는 경로가 단축되고 열전달 부품 수 절감 및 배터리 모듈(10)의 에너지 밀도를 높일 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 8을 참조하여 상기 모듈 케이스(200)의 상판부(210)와 하판부(220) 및 배터리 셀(100)들의 냉각과 소화 위한 배터리 모듈(10)의 구조에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4을 참조하면, 모듈 케이스(200)의 상판부(210)는 제1 플레이트(211)와 제2 플레이트(215)를 구비하고 상기 제1 플레이트(211)와 상기 제2 플레이트(215) 사이에 유로(F)가 형성되어 있는 히트싱크로 이루어질 수 있다. 모듈 케이스(200)의 하판부(220)는 후술할 벤팅구(216) 구성을 제외하고 상기 상판부(210)와 같은 구성으로 형성될 수 있다.
상기 제1 플레이트(211)는 배터리 셀(100)들과 대면하게 배치되는 부분으로 열전도성이 우수한 알루미늄(Al)으로 마련되고, 상기 제2 플레이트(215)는 강성이 우수한 스틸(Steel)로 마련될 수 있다. 이종 재질인 상기 제1 플레이트(211)와 상기 제2 플레이트(215)는 예컨대 블레이징(brazing) 용접에 의해 이종 접합될 수 있다.
이처럼 알루미늄의 제1 플레이트(211)과 스틸 재질의 제2 플레이트(215)를 이종 접합해 히트싱크를 제작함으로써 고온의 가스 및 파티클에 의해 히트싱크의 외측부에 구멍이 뚫리는 등의 손상을 방지할 수 있다. 다만, 본 발명의 권리범위가 알루미늄과 스틸로 이종 접합한 히트싱크에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 히트싱크의 제작시, 제작 공정의 용이성과 경량화를 위해 상기 제1 플레이트(211)와 상기 제2 플레이트(215)를 모두 알루미늄 재질으로 하거나 알루미늄 이외에도 경량이면서 강성이 우수한 다른 재질을 사용할 수도 있다.
상기 유로(F)는 평평한 제1 플레이트(211)의 일면에 도 2와 같은 볼록 패턴을 구비한 제2 플레이트(215)를 접합해서 생겨나는 밀폐된 공간으로 정의될 수 있다. 상기 유로(F)의 일측과 타측에는 각각 인렛 포트(P1)와 아웃렛 포트(P2)가 탈착 가능하게 연결될 수 있다.
냉각수(W1)는 상기 인렛 포트(P1)를 통해 유로(F)에 공급되고 상기 아웃렛 포트(P2)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 본 실시예는 상판부(210)와 하판부(220)에 모두 인렛 포트(P1)와 아웃렛 포트(P2)가 설치되어 있으나, 예컨대 상판부(210)에 냉각수(W1)를 채우고 인렛 포트(P1)와 아웃렛 포트(P2)를 연결하지 않을 수도 있다. 이 경우, 상기 상판부(210)는 일정량의 냉각수(W1)를 저장한 워터 탱크처럼 사용될 수 있다.
상기 구성에 의하면, 배터리 셀(100)들에서 발생한 열은 2가지 경로를 통해 방열될 수 있다. 즉, "배터리 셀(100)들의 상단 에지 => 상판부(210)의 알루미늄 재질의 제1 플레이트(211) => 냉각수(W1)"와 "배터리 셀(100)들의 하단 에지 => 하판부(220)의 알루미늄 재질의 제1 플레이트(211) => 냉각수(W1)" 순으로 배터리 셀(100)들의 열이 전도될 수 있다. 따라서 본 발명의 배터리 모듈(10)은 충방전으로 과열된 배터리 셀(100)들의 온도를 빠르게 낮추는데 효과적일 수 있다.
또한, 배터리 셀(100)들 중 하나 또는 일부가 발화할 경우 주변 배터리 셀(100)들로의 연쇄발화를 저지하기 위한 구성으로서, 본 발명에 따른 모듈 케이스(200)의 상판부(210)와 하판부(220)는 제1 플레이트(211)에 멜팅 스팟을 구비한다. 멜팅 스팟은 제1 플레이트(211)에서 열에 의해 용융될 수 있는 부분을 의미한다.
상기 멜팅 스팟은 상판부(210)에 마련되는 제1 멜팅 스팟과, 하판부(220)에 마련되는 제2 멜팅 스팟을 포함하며, 상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀(100)을 가운데 두고 상하로 대칭된 위치에 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3과 도 4를 참조하면, 제1 멜팅 스팟은 제1 플레이트(211)의 두께 방향으로 형성된 관통구(212)와, 열 용융 가능한 소재로 형성된 제2 실링 캡(213)으로 구성될 수 있다. 이러한 관통구(212)와 제2 실링 캡(213)은 상판부(210)에 구비되는 유로(F)를 따라 소정 간격마다 마련될 수 있다.
제2 멜팅 스팟은 상기 제1 멜팅 스팟과 마찬가지로 관통구와 제2 실링 캡(223)으로 구성될 수 있고, 하판부(220)에 구비되는 유로(F)를 따라 소정 간격마다 마련될 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제2 실링 캡(213)은 관통구(212)에 개재되는 몸체(213a) 및 제1 플레이트(211)의 상면과 하면을 감싸도록 상기 몸체(213a)의 상단과 하단에서 각각 수평하게 연장 형성되는 탑 플랜지(213b)와 바틈 플랜지(213c)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탑 플랜지(213b)와 상기 바틈 플랜지(213c)는 서로 대향하는 방향으로 돌출된 하나 이상의 돌기(213d)를 구비하고 상기 제1 플레이트(211)는 상기 돌기(213d)와 형합하는 형상의 홈부를 구비할 수 있다. 특히, 상기 돌기(213d)는 나이프 에지(Knife edge) 형상, 즉 단면 형상이 삼각형으로 마련될 수 있다. 예컨대 돌기(213d)는 본 실시예와 달리, 나이프 에지 형상이 아닌 사다리꼴형, 사각형, 반원 형상으로 마련될 수도 있다.
이처럼 본 실시예는 탑 플랜지(213b)와 상기 바틈 플랜지(213c)에 나이프 에지 형상의 돌기(213d)를 적용해 제2 실링 캡(213)의 수밀성 및 결합력 강화를 도모하였다.
상기 제2 실링 캡(213)의 소재로는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)과 같은 플라스틱 수지가 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 플라스틱 소재의 제2 실링 캡(213)과 전술한 알루미늄 소재의 제1 플레이트(211)는 인서트 사출공법으로 일체로 성형될 수 있다. 한편, 상기 제2 실링 캡(213)이 플라스틱 소재인 것에 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 아니된다. 즉, 상기 제2 실링 캡(213)은 예컨대 열 용융성과 실링성을 갖는 고무 등과 같은 다른 소재로 대체될 수도 있음이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 냉각 구조를 설명하기 위한 모식도이다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 도 6과 같이, 평상시 제1 플레이트(211) 상의 관통구(212)가 상기 제2 실링 캡(213)으로 밀봉되어 있다. 따라서 상판부(210)와 하판부(220)의 냉각수(W1)는 관통구(212)를 통해 배터리 셀(100)들 측으로 스며들지 않고 유로(F)를 따라 흐르면서 배터리 셀(100)들의 열을 흡수한다.
전술한 바와 같이, 제1 플레이트(211)는 알루미늄 소재로 이루어져 있어 배터리 셀(100)들의 열이 냉각수(W1)로 빠르게 전달될 수 있다. 열 전달율을 높이기 위한 방편으로 배터리 셀(100)과 접하는 제1 플레이트(211)의 일면에 열전달 물질(400)을 배치하거나 배터리 셀(100)의 에지와 제1 플레이트(211)의 일면 사이 공간을 열전도성 수지로 채울 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에서 특정 배터리 셀(100)의 발화시 소화 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
배터리 셀(100)들 중 어떤 배터리 셀(100)의 온도가 비정상적으로 높거나 발화할 경우, 해당 배터리 셀(100)에서 발생하는 열과 고온의 가스 또는 스파크에 의해 해당 배터리 셀(100)의 상부 및 하부에 위치한 제2 실링 캡(213)이, 도 7과 같이, 용융될 수 있다. 이에 따라 상기 제2 실링 캡(213)이 소실되어 상판부(210)의 냉각수(W1)가 유로(F)에서 개방된 관통구(212)를 통해 해당 배터리 셀(100)로 바로 투입될 수 있다.
다시 말하면, 발화한 배터리 셀(100)의 상부에 위치한 제2 실링 캡(213)이 융융됨으로서 해당 배터리 셀(100)의 바로 위에서 냉각수(W1)가 투입될 수 있다. 이에 따라 최초 발화한 배터리 셀(100)의 진화가 빠르게 이루어져 주변 배터리 셀(100)들로 열 확산이 저지될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에서 특정 배터리 셀(100)의 가스 배출 상황을 설명하기 위한 모식도이다.
배터리 셀(100)의 발화시 생성되는 고온의 가스 및 상기 가스와 함께 비산되는 불꽃도 연쇄발화의 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 고온의 가스와 불꽃으로부터 주변 배터리 셀(100)들을 보호하기 위해, 본 실시예에 따른 모듈 케이스(200)는, 도 8과 같이, 상판부(210)의 제2 플레이트(215)에 벤팅구(216)가 마련되어 있다.
보다 구체적으로, 도 2와 및 도 8을 함께 참조하면, 상기 벤팅구(216)는 유로(F)를 따라 제2 플레이트(215)의 일 영역에 걸쳐 형성되고 하나 이상 구비될 수 있다.
특히, 상기 벤팅구(216)는 메쉬 구조로 마련될 수 있다. 본 실시예의 벤팅구(216)는 제2 플레이트(215)의 일 영역을 메쉬 구조로 가공한 것이다. 상기 벤팅구(216)의 대안예로, 제2 플레이트(215)에 개구를 형성하고 상기 개구에 메쉬망 또는 메쉬 구조의 커버를 설치하는 방안이 고려될 수도 있다.
도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 벤팅구(216)는 열 용융 가능한 소재로 형성된 제1 실링 캡(217)으로 밀봉될 수 있다. 따라서 정상 상태의 배터리 모듈(10)의 경우, 벤팅구(216)가 막혀 있어 유로(F)의 냉각수(W1)가 모듈 케이스(200) 외부로 누수되지 않는다. 또한, 모듈 케이스(200) 외부에서 이물질이 상기 벤팅구(216)로 유입될 우려도 없다.
그러나 배터리 셀(100)이 발화할 경우, 도 8과 같이 냉각수(W1)가 상판부(210)의 유로(F)에서 관통구(212)를 통해 배터리 셀(100)로 투입되고 나면 상판부(210)의 유로(F)에 빈 공간이 생겨난다. 이때의 상판부(210)의 유로(F)가 가스 배출 경로로 활용될 수 있다. 고온의 가스와 불꽃은 개방된 관통구(212)를 통해 상판부(210)의 유로(F)를 따라 이동하고 제1 실링 캡(217)을 용융시킨다. 이로 인해 제1 실링 캡(217)이 소실되어 벤팅구(216)가 개방되면 모듈 케이스(200) 내외부의 압력차에 의해 고온의 가스가 빠른 속도로 상기 벤팅구(216)를 통해 배출될 수 있다. 이때 불꽃 또는 스파크는 유로(F)를 따라 이동하는 과정에서 온도 저하로 소멸하거나 메쉬 구조의 벤팅구(216)에 의해 필터링될 수 있다. 따라서 불꽃 또는 스파크의 외부 유출은 차단되고 가스만 외부로 신속히 배출될 수 있다.
이어서 하기 도면들을 참조하여 본 실시예의 변형예를 설명하기로 한다.
도 9는 도 2의 모듈 케이스(200)의 상판부(210)의 변형예를 도시한 도면이고, 도 10 및 도 11은 각각 도 5의 제2 실링 캡(213)의 변형예들을 도시한 도면들이다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 간략히 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면, 본 변형예에 따른 모듈 케이스(200)의 상판부(210A)는, 도 5의 벤팅구(216)보다 길이 방향으로 길게 연장된 형태의 벤팅구(216)를 구비한다. 이처럼 벤팅구(216)를 확대함으로써 다량의 가스 배출을 보다 원활하고 빠르게 배출할 수 있다.
다음으로, 도 10과 도 11은 각각 제2 실링 캡(213)의 변형예들을 도시한 도면들로서, 상기 도 10 내지 도 11과 같이 제2 실링 캡(213)과 제1 플레이트(211) 간의 실링 면적 최적화 및 결합력 강화를 위해 돌기(213d)의 형상, 개수 및 위치가 다양하게 마련될 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 구성들과 그 작용에 의하면, 배터리 셀(100)들의 냉각 성능이 우수할 뿐 아니라 배터리 셀(100)의 발화시 해당 배터리 셀(100)에 냉각수(W1)를 바로 투입할 수 있어 배터리 모듈(10) 내의 열 확산을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 배터리 셀(100)의 발화시 발생하는 가스 및 불꽃, 스파크 등을 상판부(210)의 유로(F)로 안내하되 불꽃, 스파크 등의 외부 유출은 차단하면서 가스만을 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은 배터리 모듈 이외에, 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스(미도시), 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치(미도시), 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 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.
본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 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.
10: 배터리 모듈
100: 배터리 셀
200: 모듈 케이스
210: 상판부
211: 제1 플레이트
212: 관통구
213,223: 제2 실링 캡
215: 제2 플레이트
216: 벤팅구
217: 제1 실링 캡
220: 하판부
300: 격벽
400: 열전달 물질
W1: 냉각수, F : 유로, P1: 인렛 포트 P2 : 아웃렛 포트

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 셀들; 및
    상기 복수의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;를 포함하고,
    상기 모듈 케이스는
    각각 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀들의 상부에 배치되는 상판부와 상기 복수의 배터리 셀들의 하부에 배치되는 하판부를 포함하고,
    상기 상판부와 상기 하판부는 상기 복수의 배터리 셀들과 대면하는 제1 플레이트에 열 용융될 수 있는 멜팅 스팟을 구비하고,
    상기 상판부는 상기 제1 플레이트와 마주하는 제2 플레이트에 외부로 가스 방출이 가능한 벤팅구와 상기 벤팅구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 제1 실링 캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅구는 메쉬 구조로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅구는 상기 제2 플레이트에서 상기 유로를 따라 일 영역에 걸쳐 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상판부와 상기 하판부는 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에 유로가 형성되어 있는 히트싱크로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히트싱크는 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트가 알루미늄(A1) 재질인 것 또는 상기 제1 플레이트는 알루미늄(Al) 재질이고 상기 제2 플레이트는 스틸(Steel) 재질로 이종 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 멜팅 스팟은 상기 상판부에 마련되는 제1 멜팅 스팟과, 상기 하판부에 마련되는 제2 멜팅 스팟을 포함하고,
    상기 제1 멜팅 스팟과 상기 제2 멜팅 스팟은 적어도 하나의 상기 배터리 셀을 가운데 두고 상하로 대칭된 위치에 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 멜팅 스팟은 상기 제1 플레이트의 두께 방향으로 형성된 관통구와, 상기 관통구를 밀봉하되 열 용융 가능한 소재로 형성된 제2 실링 캡으로 구성되고,
    상기 유로를 따라 소정의 간격마다 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 실링 캡은,
    상기 관통구에 개재되는 몸체; 및 상기 제1 플레이트의 상면과 하면을 감싸도록 상기 몸체의 상단과 하단에서 각각 수평하게 연장 형성되는 탑 플랜지와 바틈 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탑 플랜지와 상기 바틈 플랜지는 서로 대향하는 방향으로 돌출된 하나 이상의 돌기를 구비하고,
    상기 제1 플레이트는 상기 돌기와 형합하는 형상의 홈부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 돌기는 단면 형상이 삼각형, 사다리꼴형, 사각형 및 반원형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
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