KR102670474B1 - 열폭주 전파를 방지하는 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 전지 셀 적층체 및 이를 수용하는 모듈 하우징을 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 상기 모듈 하우징은, 상기 전지 셀 적층체의 하부와 양측면을 지지하는 하부 하우징; 상기 전지 셀 적층체의 상부에 배치되어 상기 하부 하우징과 결합하는 상부 플레이트; 및 상기 전지 셀 적층체의 전면에 배치되는 제1커버 플레이트 및 후면에 배치되는 제2커버 플레이트; 를 포함하고, 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 상기 하부 하우징과 각각 결합하며, 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 복수 개의 벤팅 홀을 포함하고, 상기 제1커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀은 상기 제2커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀과 서로 어긋나게 위치하는 것인, 배터리 모듈을 제공한다.

Description

열폭주 전파를 방지하는 배터리 모듈 {Battery module to prevent thermal runaway propagation}
본 개시는 배터리 모듈의 열폭주 현상에 따른 피해를 최소화할 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지고 있어 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 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.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 복수 개의 전지 셀을 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하여 사용할 수 있고, 상기 전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
적어도 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 적어도 하나 이상의 배터리 모듈을 적층하여 전기 자동차 등의 대용량 배터리로 사용할 수 있다.
한편, 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 이차전지의 이상 발열에 의해 내부 온도가 급속하게 상승하게 되고 열폭주 현상이 일어나 종국에는 이차전지의 폭발로 이어지게 된다. 과전류뿐 아니라, 셀 내부 쇼트, 과충전, 물리적 외부 충격 등에 의해 비이상적 발열 현상이 발생할 경우에도 이차전지의 폭발 또는 발화로 이어져 화재 사고의 위험이 있기 때문에 엄격히 관리될 필요가 있다.
특히 배터리 모듈의 경우 안정성의 문제는 더욱 심각해진다. 모듈 내부에서, 전지 셀의 이상 발열에 의해 발생한 고온의 가스/입자가 모듈 밖으로 빠져나가지 못해 모듈 내부 압력이 상승하여 전지 셀의 열폭주가 전체 배터리 모듈의 폭발 등으로 이어져 큰 피해가 발생하는 문제가 있다.
종래 벤팅 홀 구조를 포함하는 배터리 모듈을 설계하여 열폭주로 발생한 고온의 가스/입자를 배출하였으나, 대용량 배터리 설계를 위해 복수 개의 배터리 모듈을 이용하는 경우 어느 하나의 배터리 모듈의 벤팅 홀에서 배출된 고온의 가스/입자가 인접한 모듈의 벤팅 홀로 유입되어 열폭주 현상이 전파되는 문제가 있다. 또한, 벤팅 홀이 개방된 구조의 배터리 모듈은 정상 작동 환경에서 벤팅 홀을 통해 배터리 모듈 내부로 외부의 수분이나 이물질이 침투하여 쇼트를 유발해 폭발이 일어나게 된다.
따라서, 배터리 모듈의 열폭주 현상 발생 시 고온의 가스/입자들을 효과적으로 배출하면서도 인접한 모듈로의 피해를 최소화할 수 있고, 외부의 수분 또는 이물질의 유입을 방지할 수 있는 기술이 요구되는 실정이다.
본 개시는 배터리 모듈의 열폭주 현상 발생 시 고온의 가스/입자들을 효과적으로 배출하면서도 인접한 모듈로의 피해를 최소화하는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 개시의 다른 목적은 배터리 모듈 내부로 외부의 수분 또는 이물질의 유입을 방지하면서도 열폭주 현상 발생시 고온의 가스/입자들을 효과적으로 배출할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 개시의 일 구현예는, 전지 셀 적층체(110) 및 이를 수용하는 모듈 하우징을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 모듈 하우징은, 상기 전지 셀 적층체(110)의 하부와 양측면을 지지하는 하부 하우징; 상기 전지 셀 적층체(110)의 상부에 배치되어 상기 하부 하우징과 결합하는 상부 플레이트(170); 및 상기 전지 셀 적층체(110)의 전면에 배치되는 제1커버 플레이트 및 후면에 배치되는 제2커버 플레이트; 를 포함하고, 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 상기 하부 하우징과 각각 결합하며, 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 복수 개의 벤팅 홀(200)을 포함하고, 상기 제1커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀은 상기 제2커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀과 서로 어긋나게 위치하는 것인, 배터리 모듈을 제공한다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트는 상기 벤팅 홀(200)을 커버하는 벤팅 시트(300)를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 벤팅 시트(300)는 기재층(310) 및 상기 기재층(310)의 적어도 일면에 형성된 점착층(320)을 포함하고, 상기 점착층(320)은 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)과 대응하는 동일한 형태의 홀을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 기재층(310)은 임계온도에서 변형되면서 벤팅 홀(200)을 개방시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 임계온도는 100 내지 400℃일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 기재층(310)의 방수도는 IEC60529 기준 IP11 이상일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 기재층(310)은 다공질층일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)은 분리 영역을 통해 서로 이격 위치하고, 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)은 상기 분리 영역에 위치하는 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 크기는 상기 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 크기와 서로 다른 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200) 개구부에 결합되어 모듈 내부로부터 벤팅 홀(200)을 통해 배출되는 가스를 모듈 외곽으로 유도하는 가이드부를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 가이드부는 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 외측면의 법선 방향과 상이한 각도로 결합된 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전지 셀 적층체(110)와 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 사이에 버스바 어셈블리(140)를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 버스바 어셈블리(140)는 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)과 대응하는 동일한 형태의 벤팅 홀(200)을 포함하는 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 버스바 어셈블리(140)와 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 사이에 상기 벤팅 홀을 커버하는 벤팅 시트(300)를 더 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 배터리 모듈은 배터리 모듈의 열폭주 현상 발생 시 고온의 가스/입자들을 효과적으로 배출하면서도 인접한 모듈로의 피해를 최소화할 수 있다.
본 개시에 따른 배터리 모듈은 배터리 모듈 내부로 외부의 수분 또는 이물질의 유입을 방지하면서도 열폭주 현상 발생시 고온의 가스/입자들을 효과적으로 배출할 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 2는 본 개시에 따른 배터리 모듈의 일 구현예로 복수개의 배터리 모듈을 배치하였을 때 제1커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀이 제2커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀과 서로 어긋나게 위치하는 경우를 도시한 것이다.
도 3은 본 개시에 따른 점착 시트를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 것이다.
도 4는 본 개시에 따른 점착 시트의 구조를 도시한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 개 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서에서 언급되는 '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다', '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
본 명세서에서 서로 어긋나게 위치한다는 것의 의미는 서로 대향하는 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 면의 법선 방향으로 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 개구부 영역에 대응하는 제2커버 플레이트에는 벤팅 홀(200)이 위치하지 않는 것을 의미한다.
본 명세서에서 별다른 수식 없이 언급되는 커버 플레이트(120)는 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트를 모두 포함하는 의미이다.
본 명세서에서 언급되는 임계온도는 기재층(310)의 급격한 형체 변형이 나타나는 온도를 의미하며, 예를 들어 융점 또는 열변형 온도를 의미할 수 있다.
종래 벤팅 홀(200) 구조를 포함하는 배터리 모듈을 설계하여 열폭주로 발생한 고온의 가스/입자를 배출하였으나, 전기 자동차 또는 항공기 등의 산업분야에서 복수 개의 배터리 모듈이 적층된 대용량 배터리를 이용하는 경우, 어느 하나의 배터리 모듈의 벤팅 홀(200)에서 배출된 고온의 가스/입자가 인접한 모듈의 벤팅 홀(200)을 통해 내부로 유입되어 열폭주 현상이 전파되는 문제가 있다. 또한, 정상 작동 환경에서 벤팅 홀(200)을 통해 배터리 모듈 내부로 외부의 수분이나 이물질이 침투하여 쇼트를 유발하고, 화재가 일어나는 문제가 있다. 따라서, 배터리 모듈의 열폭주 현상 발생 시 고온의 가스/입자들을 효과적으로 배출하면서도 인접한 모듈로의 피해를 최소화할 수 있고, 외부의 수분 또는 이물질의 유입을 방지할 수 있는 기술이 요구된다.
이에, 본 개시는 전지 셀 적층체(110) 및 이를 수용하는 모듈 하우징을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 모듈 하우징은, 상기 전지 셀 적층체(110)의 하부와 양측면을 지지하는 하부 하우징; 상기 전지 셀 적층체(110)의 상부에 배치되어 상기 하부 하우징과 결합하는 상부 플레이트(170); 및 상기 전지 셀 적층체(110)의 전면에 배치되는 제1커버 플레이트 및 후면에 배치되는 제2커버 플레이트; 를 포함하고, 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 상기 하부 하우징과 각각 결합하며, 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 복수 개의 벤팅 홀(200)을 포함하고, 상기 제1커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀(200)은 상기 제2커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀(200)과 서로 어긋나게 위치하는 것인, 배터리 모듈을 제공한다.
상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트에 포함된 복수 개의 벤팅 홀(200)은 상기 배터리 모듈 내의 압력을 조절하기 위한 것으로서, 열폭주 현상에 따른 고온의 가스 발생 시 벤팅 홀(200)을 통해 모듈 내부의 가스를 모듈 외부로 배출할 수 있다.
상기 어긋나게 위치하는 것의 의미는 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 면의 법선 방향으로 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 개구부 영역에 대응하는 제2커버 플레이트에는 벤팅 홀(200)이 위치하지 않는 것을 의미한다. 상기 제1커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀(200)을 제2커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀(200)과 서로 어긋나게 위치하도록 설계함으로써 열폭주 현상 발생 시 고온의 가스/입자가 인접한 배터리 모듈 내부로 곧바로 유입되는 것을 억제하고, 이를 통해 열폭주의 전파 또는 연쇄 폭발을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 개시의 배터리 모듈을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 배터리 모듈은 모듈 하우징을 포함하며, 상기 모듈 하우징의 내부 공간에 전지 셀 적층체(110)가 수용된다. 모듈 하우징 내에 전지 셀 적층체(110)가 배치됨으로써 외부 환경으로부터 전지 셀 적층체(110)를 보호할 수 있고, 모듈 하우징을 구성하는 일면의 플레이트는 전지 셀에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열 플레이트로서 기능할 수 있다. 전지 셀 적층체(110)는 본 명세서의 후단에서 자세히 후술한다.
상기 모듈 하우징은 전지 셀 적층체(110)의 하부와 양측면을 지지하는 하부 하우징, 전지 셀 적층체(110)의 상부에 배치되어 상기 하부 하우징과 결합되는 상부 플레이트(170) 및 상기 전지 셀 적층체(110)의 전면에 배치되는 제1커버 플레이트 및 후면에 배치되는 제2커버 플레이트; 를 포함하고, 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 상기 하부 하우징과 각각 결합하여 구성될 수 있다.
상기 하부 하우징은 하부 플레이트(160)와 측면 플레이트(165)를 포함할 수 있다. 상기 하부 플레이트(160) 및 측면 플레이트(165)는 각각 독립적으로 모듈 하우징에 포함될 수 있고, 접합되어 U형 단면을 갖는 형태로 모듈 하우징에 포함될 수도 있다. 필요에 따라 전지 셀 적층체(110)를 견고하게 지지하기 위해, 측면 플레이트(165)는 전지 셀 적층체(110)에 직접 접촉하도록 구성될 수 있다. 필요에 따라 측면 플레이트(165)와 전지 셀 적층체(110) 사이에 방열 패드나 완충 패드 등을 개재하는 등 다양한 변형이 가능할 수 있다.
상부 플레이트(170)는 전지 셀 적층체(110)의 상부에 배치되며, 하부 하우징의 측면 플레이트(165)와 결합될 수 있다. 따라서 하부 하우징과 상부 플레이트(170)의 결합으로 인해 전체적으로 빈 관형 부재의 형상을 가질 수 있다.
상기 모듈 하우징은 하부 플레이트(160)와 상부 플레이트(170)를 연결하도록 모듈 하우징에 형성된 내부공간을 가로질러 배치되는 격벽 부재(155)를 구비할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 격벽 부재(155)와 측면 플레이트(165) 사이에는 복수 개의 배터리 셀이 적층될 수 있다.
상기 격벽 부재(155)는 모듈 하우징의 내부에 상하 방향으로 배치되어 상하 방향의 외부적 요인에 저항하게 된다. 이를 통하여 격벽 부재(155)는 모듈 하우징의 전체적인 강성을 증대시키고, 이에 따라 본 실시예에 의하면 크러쉬(Crush), 크래쉬(Crash), 진동(Vibration), 충격(Shock) 등 기계적인 외부 요인으로 인한 배터리 모듈의 손상을 감소시킬 수 있다. 이러한 격벽 부재(155)는 도 1에 도시된 바와 같이 상부 플레이트(170) 및 하부 플레이와 고정되는 구조를 가질 수 있다.
상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 상기 하부 하우징과 상부 플레이트(170)의 결합에 의해 형성된 빈 관형 부재의 내부공간을 덮도록 상기 전지 셀 적층체(110)의 양단부 방향인 전면 및 후면에서 상기 하부 하우징과 각각 결합할 수 있다.
상기 하부 하우징, 상부 플레이트(170) 및/또는 커버 플레이트(120)는 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 재질로 구성될 수 있고, 이와 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
상기 하부 하우징, 상부 플레이트(170) 및/또는 커버 플레이트(120)의 결합은 접촉면을 용접, 예를 들어 레이저 용접 등을 수행하여 결합할 수 있다. 이외에도 슬라이딩 방식이나 본딩으로 결합하거나, 볼트나 나사 등의 고정 부재를 이용하여 결합하는 등의 방법에 의해 결합할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트는 상기 벤팅 홀(200)을 커버하는 벤팅 시트(300)를 포함할 수 있다. 상기 벤팅 시트(300)는 통기성 및 방수성을 모두 만족하고, 임계 온도 이하에서 소정의 내열 특성이 있는 벤팅 시트(300)로서, 도 3과 같이 벤팅 홀(200)과 대응되는 부분에 위치할 수 있다. 상기 벤팅 시트(300)를 구비하여 정상 작동 환경에서 배터리 모듈 내부로 외부의 수분이나 이물질이 침투하여 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상세하게, 상기 벤팅 시트(300)는 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 내측면 또는 외측면의 어느 한 곳에 구비되거나, 양 측면에 구비될 수 있다. 상기 벤팅 시트(300)는 시트, 필름 또는 테이프 형태일 수 있으나, 이는 일 예시일 뿐 이에 제한받지 않는다.
일 구현예에서, 상기 벤팅 시트(300)는 기재층(310) 및 상기 기재층(310)의 적어도 일면에 형성된 점착층(320)을 포함하고, 상기 점착층(320)은 상기 커버 플레이트(120)의 벤팅 홀(200)과 대응하는 동일한 형태의 홀(330)을 포함할 수 있다. 상기 벤팅 시트(300)는 점착층(320)을 통해 커버 플레이트(120)에 부착될 수 있다. 도 4를 참고하면, 상기 점착층(320)은 상기커버 플레이트(120)에 형성된 벤팅 홀(200)과 대응하는 동일한 형태의 홀(330)을 포함하는 것으로, 커버 플레이트(120)에 벤팅 시트(300)를 부착 시 벤팅 홀(200) 면적에 해당하는 부분에는 점착층(320)이 없으므로 점착층(320)으로 벤팅 홀(200)을 밀폐하지 않고, 벤팅 홀(200) 이외의 면적에만 점착층(320)이 부착된다. 이에, 상기 벤팅 홀(200)을 통해 유입된 외부의 이물질이나 수분이 점착층(320)에 부착되어 오염되는 것을 방지할 수 있고, 부착력을 유지함으로써 장기 안정성 효과를 가질 수 있다. 또한 벤팅 홀(200)에 해당하는 부분은 기재층(310)만 노출됨으로써 열폭주 현상 발생 시 임계온도 이상에서 기재층(310)이 변형되어 벤팅 홀(200)을 신속히 개방시켜 모듈 내부의 가스를 외부로 효과적으로 배출할 상기 점착층(320)을 구성하는 소재 물질로는 아크릴계, 고무계, 실리콘계 소재를 사용할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 기재층(310)은 임계온도에서 변형되면서 벤팅 홀(200)을 개방시킬 수 있다. 변형이란 융점에서 녹는 양태, 또는 타서 초기 형체가 없어지는 양태 또는 수축을 통해 기재층(310)의 단면적이 감소하는 양태를 모두 포괄하는 것으로, 벤팅 홀(200)을 개방시킬 수 있는 기재층(310)의 변형이라면 이에 제한되지는 않는다. 이에 따라 열폭주 현상 발생 시 기재층(310)의 임계온도 이상에서 변형되어 벤팅 홀(200)을 개방시켜 고온의 가스를 배출함으로써 배터리 모듈의 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 임계온도는 100 내지 400℃일 수 있다. 상기 기재층(310)은 재료적으로 임계온도를 가짐으로써 전술한 바와 같이 임계온도 내외에서 형체의 급격한 변형을 나타내어 벤팅 홀(200)을 개방시킬 수 있다. 배터리 모듈의 정상 작동온도는 100℃ 이하이며, 열폭주 가스의 초기 온도는 통상 약 100 내지 200℃로 고온의 가스이다. 임계온도 이상에서 기재층(310)이 변형되지 않으면 열폭주 현상이 지속될수록 모듈 내부 압력이 지속적으로 상승하여 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 연쇄 폭발이 발생할 수 있다. 상기 기재층(310)을 임계온도에서 변형되는 소재로 형성하여 배터리 모듈이 압력 상승에 의해 폭발하는 문제를 사전에 예방할 수 있고, 모듈을 보다 안전하게 관리할 수 있다. 구체적으로, 상기 임계온도는 150 내지 400℃일 수 있고, 보다 구체적으로 200 내지 350℃일 수 있다. 상기 기재층(310)을 구성하는 소재 물질로는 상기 임계온도를 가지는 재료를 이용할 수 있으며, 예를 들어 합성수지 또는 고무일 수 있고, 구체적으로 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오르에틸렌일, 폴리프로필렌 또는 고무일 수 있다. 보다 구체적으로, 열변형온도 측면에서 폴리테트라플루오르에틸렌일 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
즉, 본 개시의 배터리 모듈은 제1커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀(200)이 제2커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀(200)과 서로 어긋나게 위치함으로써 고온의 가스/입자가 인접한 모듈 내부로 유입되어 열폭주 현상이 전파되는 것을 방지할 수 있고, 정상 작동 환경에서는 벤팅 홀(200)을 커버하는 벤팅 시트(300)에 의해 모듈 내부로 외부의 수분이나 이물질이 침투하여 쇼트가 발생하는 것을 방지함과 동시에 벤팅 홀(200) 면적에 점착층(320)이 없으므로 외부의 이물질이나 수분이 점착층(320)에 부착되어 벤팅 시트(300)의 오염 및 부착력이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한 벤팅 홀(200)에 해당하는 부분은 기재층(310)만 노출됨으로써 열폭주 현상 발생 시 임계온도 이상에서 기재층(310)이 변형되어 벤팅 홀(200)을 신속히 개방시켜 모듈 내부의 가스를 외부로 효과적으로 배출할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 기재층(310)의 방수도는 IEC60529 기준 IP11 이상일 수 있다. 방수도가 상기 등급을 만족하는 기재층(310)을 이용하는 경우, 정상 작동 환경에서 외부의 수분이 모듈 내부로 유입되어 부식 또는 쇼트를 유발하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 상기 방수도는 비제한적으로 IP15 이하일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 기재층(310)은 다공질층일 수 있다. 상기 IP11 등급 이상의 방수도를 가지는 소재를 연신하여 미세 다공성 홀을 형성하는 등의 공법으로 통기성을 구현할 수 있다. 기체 투과도가 상기 범위를 만족하는 경우, 정상 작동 환경에서도 모듈 내부와 외부의 공기 순환 및 환기가 효과적으로 일어나게 된다. 상기 기재층(310)이 통기성 및 방수도를 모두 만족함에 따라, 정상 작동 환경에서 상기 미세 다공성 홀을 통해 공기는 통과할 수 있으면서, 수분 통과는 억제되어 배터리 모듈의 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 상기 기재층의 기체 투과도는 600 내지 1000ml/min일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)은 분리 영역을 통해 서로 이격 위치하고, 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)은 상기 분리 영역에 위치할 수 있다. 도 2를 참고하면, 상기 제1커버 플레이트의 면의 법선 방향으로 제1커버 플레이트와 제2커버 플레이트를 겹쳐보았을 때, 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)은 분리 영역을 통해 이격 위치되어 있고, 개구부 영역에 대응하는 제2커버 플레이트에는 벤팅 홀(200)이 존재하지 않는다. 즉, 상기 분리 영역에 대응하도록 제2커버 플레이트에 벤팅 홀(200)을 위치시켜 서로 어긋나게 할 수 있다.
다른 일 구현예에서, 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)은 커버 플레이트(120) 상단부로부터 1/3 거리 내에만 위치하고, 다른 벤팅 홀(200)은 제2커버 플레이트의 하단부로부터 1/3 거리 내에만 존재하도록 설계하여, 서로 어긋나게 위치할 수 있다. 이와 같이, 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)과 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)을 서로 어긋나게 설계하여 위치적으로 상이하게 형성됨으로써 열폭주 현상 발생 시 고온의 가스/입자가 인접한 배터리 모듈 내부로 곧바로 유입되지 않을 수 있고, 이를 통해 열폭주의 전파 또는 연쇄 폭발을 효과적으로 방지할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 크기는 상기 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 크기와 서로 다른 것일 수 있다. 상기와 같이 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)과 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)이 서로 어긋나게 위치하는 경우, 크기를 서로 다르게 설계함으로써 고온의 가스/입자 유입 방지 효과를 극대화할 수 있다. 예를 들어, 벤팅 홀(200)이 사각 형상인 경우, 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 크기를 1 내지 5cm 및 6 내지 10cm로 두 범위로 나누어 설계하고, 이와 대응되는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 크기를 6 내지 10cm 및 1 내지 5cm로 설계하여 대응되는 각 벤팅 홀(200)의 크기를 다르게 할 수 있다. 각 벤팅 홀(200)이 다른 크기를 가짐으로써 고온의 가스/입자가 인접한 모듈의 벤팅 홀(200)을 통해 모듈 내부로 유입되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있고, 열폭주 전파 현상을 억제할 수 있다. 벤팅 홀(200)의 크기를 상기와 같이 두 범위로 나누는 경우 그 비율은 3:7 내지 7:3일 수 있다.
상기 벤팅 홀(200)의 형상에 특별한 제한이 있는 것은 아니며 다양하게 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 벤팅 홀(200)을 사각 형상으로 구비하는 경우 크기는 1 내지 10cm일 수 있다. 가로 길이가 긴 타원형의 형상으로 구비하는 경우, 가로 지름은 1 내지 10cm일 수 있고, 세로 지름은 1 내지 3cm일 수 있다. 상기 벤팅 홀(200)의 위치는 특별한 제한이 없으며 커버 플레이트(120) 내에서 고온의 가스/입자를 효과적으로 배출할 수 있는 위치에 존재할 수 있다. 예를 들어, 커버 플레이트(120)의 전부분에 위치할 수 있고, 커버 플레이트(120)의 세로 방향의 양끝단으로부터 소정거리 내에 위치하거나 또는 가로 방향의 양끝단으로부터 소정거리 내에 위치할 수 있다. 전술한 바와 같이, 열폭주 전파 현상을 억제하기 위해 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)과 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)을 서로 어긋나게 위치하는 것을 전제로 하며, 그 크기 또한 서로 다르게 설계하여 그 효과를 극대화할 수 있다. 상기 벤팅 홀(200)은 가로 방향 또는 세로 방향 모두 동일한 분리 영역으로 이격될 수 있고, 다른 분리 영역으로 이격 될 수 있다 이격되는 분리 영역의 크기는 특별한 제한이 있는 것은 아니나 예를 들어, 가로 방향 및 세로 방향 모두 동일한 분리 영역으로 이격되는 경우 0.1 내지 1cm일 수 있고, 다른 분리 영역으로 이격되는 경우 가로 방향 0.1mm 내지 0.3mm 및 세로 방향 0.5 내지 0.8mm로 이격되어 배치될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200) 개구부에 결합되어 모듈 내부로부터 벤팅 홀(200)을 통해 배출되는 가스를 모듈 외곽으로 유도하는 가이드부를 더 포함할 수 있다. 상기 외곽은 모듈 하우징의 외곽을 의미하는 것으로, 예를 들어 커버 플레이트(120)의 단면을 기준으로 모서리 방향을 의미할 수 있다. 상기커버 플레이트(120)의 벤팅 홀(200) 개구부에 가이드부를 부착하여, 모듈 내부로부터 벤팅 홀(200)을 통과하는 고온의 가스/입자의 흐름을 모듈의 외곽으로 유도함으로써, 인접한 배터리 모듈 내부로 고온의 가스/입자가 유입되는 것을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다
일 구현예에서, 상기 가이드부는 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 외측면의 법선 방향과 상이한 각도로 결합된 것일 수 있다. 가이드부가 결합되는 각도를 법선 방향과 상이한 각도로 조절함으로써, 모듈 내부로부터 벤팅 홀(200)을 통과하는 고온의 가스/입자의 흐름이 인접한 배터리 모듈의 벤팅 홀(200)을 통과하지 않도록 하고, 모듈 외곽으로 효과적으로 유도할 수 있다. 상기 가이드부는 상기 벤팅 홀(200) 개구부와 결합된 연결부를 통해 연통하여 결합될 수 있다. 가이드부의 말단부는 외측면의 법선 방향에서 10 내지 90°, 구체적으로 20 내지 80° 각도를 형성하여 결합된 것일 수 있다.
상기 가이드부의 형상은 가스/입자의 흐름을 모듈 외곽으로 유도할 수 있는 것이면 제한 없이 이용 가능하며, 예를 들어, 중공관 형태의 파이프 형상을 가진 가이드부를 커버 플레이트(120)의 각 벤팅 홀(200)의 경계면에 부착하여, 고온의 가스/입자의 흐름을 적층된 배터리 모듈 외곽으로 유도할 수 있다.
상기 전지 셀 적층체(110)는 전지 셀이 복수 개로 적층되어 구성될 수 있다.
상기 전지 셀은 파우치형 이차전지, 각형 이차전지 또는 원통형 이차전지를 포함할 수 있고, 이외에도 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 이차전지를 포함할 수 있다. 본 개시에서는 일 구현예에서 파우치형 이차전지를 설명한다.
전지 셀은 전극 조립체 및 전해액이 수용된 파우치형 이차전지가 적어도 하나 이상 적층된 형태로 구성될 수 있다. 전극 조립체는 다수의 전극판, 전극 탭을 구비하여 파우치 내에 수납된다. 상기 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되며, 전극 조립체는 양극판과 음극판의 넓은 면이 서로 마주보도록 한 상태에서 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 구성될 수 있다. 상기 다수의 양극판 및 음극판에는 각각 전극 탭이 구비되며, 서로 동일한 극성으로 접촉하여 동일한 전극 리드에 연결될 수 있고, 상기 전극 리드의 일부가 파우치 외부로 노출될 수 있다.
일 구현예에서, 전지 셀의 양단부 사이의 가로 길이가 일단부의 세로 길이보다 훨씬 긴 장폭의 전지 셀을 이용하는 경우, 전지 셀은 일단부에 양극 리드 및 음극 리드를 포함할 수 있고, 타단부에 음극 리드 및 양극 리드를 포함할 수 있다. 상기 일단부와 타단부에 포함되는 양극 리드 및 음극 리드 각각은 좌우 반전하여 배치할 수 있다. 이 경우 상호 거리가 가까운 전극 리드로 전류가 흐를 수 있어 전지 셀의 내부저항을 최소화할 수 있다. 상기 전지 셀의 전극 리드가 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 전지 셀의 일단부에 양극 리드 및 타단부에 음극 리드가 위치할 수 있고, 이외에도 전지 셀의 일단부에만 상기 양극 리드 및 음극 리드가 위치할 수 있으며 이는 배터리 모듈을 구현하는 과정에서 필요에 따라 적절하게 설계 변경할 수 있다.
전지 셀 적층체(110)는 상기 전지 셀을 수평으로 눕힌 상태에서 복수 개의 전지 셀을 상하 방향으로 적층하여 전지 셀 적층체(110)를 구성할 수 있다. 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 수직으로 세운 상태에서 좌우 방향 또는 수평 방향으로 적층 배치되어 전지 셀 적층체(110)를 구성할 수도 있고, 이는 배터리 모듈을 구현하는 과정에서 필요에 따라 적절하게 설계 변경할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전지 셀 양단부의 실링력은 다른 면의 실링력보다 약하게 할 수 있다. 전극 리드가 위치하는 방향인 전지 셀 양단부의 실링력을 다른 면의 실링력보다 약하게 구성하여, 전지 셀의 이상 발열 발생 시 커버 플레이트(120) 방향으로 가스를 배출하도록 구성할 수 있다. 전지 셀로부터 발생한 고온의 가스가 벤팅 홀(200)이 구비된 커버 플레이트(120) 방향으로 향하도록 하여 벤팅 홀(200)에 의한 가스 배출 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전지 셀 적층체와 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 사이에 버스바 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 도 3을 참고하면, 커버 플레이트(120)와 전지 셀 적층체(110) 사이에는 버스바 어셈블리(140)가 개재될 수 있고, 전지 셀의 전극 리드가 배치된 일면 또는 양면에 위치할 수 있다. 상기 버스바 어셈블리(140)에는 상기 복수 개의 전지 셀을 전기적으로 상호 연결하는 버스바, 회로 기판, 회로 기판에 실장되는 센서 등 다수의 전자 소자가 개재될 수 있고, 이를 통해 전지 셀의 전압을 센싱하는 기능을 수행할 수도 있다. 상기 배터리 모듈은 다양한 양태로 구성될 수 있으며, 예를 들어 전지 셀 적층체(110) - 버스바 어셈블리(140) - 절연 플레이트(130) - 커버 플레이트(120) 순서로 개재되어 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 버스바 어셈블리는 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀과 대응하는 동일한 형태의 벤팅 홀을 포함할 수 있다. 벤팅 홀(200)을 통해 모듈 내부에서 발생한 가스를 신속히 외부로 배출할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 버스바 어셈블리(140)와 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 사이에 상기 벤팅 홀을 커버하는 벤팅 시트를 더 포함할 수 있다. 전술한 벤팅 시트(300)를 버스바 어셈블리(140) 측에도 부착할 수 있으며, 배터리 모듈 내부로 외부의 수분이나 이물질이 침투하는 것을 방지하는 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 다른 일 예로, 상기 절연 플레이트(130)와 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 사이에 상기 벤팅 홀을 커버하는 벤팅 시트를 더 포함할 수 있다.
상기 버스바 어셈블리(140)는 전극 리드가 삽입 배치되는 관통 홀이 별도로 구비될 수 있으며, 전극 리드는 버스바 어셈블리(140)를 관통하여 버스바 어셈블리(140)의 외측에서 상호 연결될 수 있다. 버스바 어셈블리(140)는 접속 단자를 포함할 수 있고, 상기 전극 리드는 접속 단자를 통해 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 커버 플레이트(120)는 버스바 어셈블리(140)의 접속 단자를 외부로 노출시키기 위한 관통 홀을 구비할 수 있다. 접속 단자는 커버 플레이트(120)에 형성된 관통 홀을 통해 외부로 노출된다.
이하 본 개시를 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 개시의 일 구현예에 따른 배터리 모듈의 열폭주 전파 억제 효과를 평가하기 위해, 제1커버 플레이트에 사각 형상의 크기 5cm인 벤팅 홀이 1cm 간격으로 이격되어 형성되어 있고, 상기 벤팅 홀과 제2커버 플레이트의 벤팅 홀이 어긋나게 배치된 배터리 모듈을 준비하였다. 각 커버 플레이트의 내측면 및 외측면에는 벤팅 시트(300)가 부착되어 있고, 상기 벤팅 시트로는 방수도 IP11등급, 기체 투과도 850mL/min인 폴리테트라플루오르에틸렌 기재층(310) 및 기재층(310) 양면에 형성된 점착층(320)을 포함하는 벤팅 시트(300)를 이용하였다. 상기 점착층(320)은 아크릴 점착제를 포함하는 것으로, 상기 점착층(320)에는 벤팅 홀과 동일한 홀이 형성되어 있다. 그리고, 배터리 모듈의 안전성 시험 중 하나인 GB/T-38031 시험을 참고하여, 상기 배터리 모듈의 커버 플레이트(120)가 서로 대면하는 방향으로 2개의 배터리 모듈을 인접하여 배치하였고, 1개의 배터리 모듈의 임의의 전지 셀 하나를 300℃ 이상 가열하여 의도적으로 열폭주 상황을 모사하였다.
실시예 2
실시예 1에서, 제1커버 플레이트에 형성된 벤팅 홀(200)의 크기를 3cm 및 7cm로 50:50 비율로 나누어 설계하고, 반대로 상기 벤팅 홀(200)과 대응되는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 크기는 3cm 및 7cm로 50:50 비율로 나누어 설계하여, 대응되는 각 벤팅 홀(200)의 크기를 서로 반대로 설계한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 구성의 배터리 모듈을 준비하여 열폭주 상황을 모사하였다.
실시예 3
실시예 1에서, 상기 각 커버 플레이트(120)에 형성된 벤팅 홀(200) 개구부에 가이드부를 결합시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 구성의 배터리 모듈을 준비하여 열폭주 상황을 모사하였다. 구체적으로, 상기 가이드부는 양단부에 형성된 중공의 크기가 5cm인 알루미늄 중공 원형 막대 파이프로서, 배터리 모듈이 적층된 법선 방향에서 상방 60° 각도로 각각의 벤팅 홀(200) 개구부에 결착시켰다.
실시예 4
상기 실시예 1에서, 상기 각 커버 플레이트 내측면 및 외측면에 벤팅 시트(300)가 부착되지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 구성의 배터리 모듈을 준비하여 열폭주 상황을 모사하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서, 상기 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)의 개구부 영역에 대응하는 제2커버 플레이트에 벤팅 홀(200)이 배치되도록 설계한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 구성의 배터리 모듈을 준비하여 열폭주 상황을 모사하였다.
평가예
열폭주 현상을 1시간 동안 지속시키면서 인접한 배터리 모듈에 열폭주 현상이 전파되는지 확인하였다.
열폭주 및 발화를 발생시키지 않은 정상 작동 환경에서 배터리 모듈을 5분 동안 운전하면서 모듈의 쇼트 발생 여부를 평가하였다.
실시예 1 내지 3의 경우 제1커버 플레이트의 벤팅 홀(200)과 제2커버 플레이트의 벤팅 홀(200)이 어긋나게 배치되어 있어, 1개의 배터리 모듈에서 발생한 열폭주를 1시간동안 지속시키더라도 인접한 배터리 모듈에 열폭주 현상이 전파되지 않음을 확인하였다.
반면, 비교예 1의 경우, 1개 배터리 모듈의 열폭주 현상 발생 시 5분만에 인접한 배터리 모듈의 열폭주 현상이 전파되었음을 확인하였다.
또한, 정상 작동 환경에서의 운전 결과, 실시예 1 내지 3은 벤팅 시트(300)의 존재로 인해 쇼트도 발생하지 않음을 확인하였다.
실시예 4의 경우 1개의 배터리 모듈에 열폭주 현상에 발생더라도 인접한 배터리 모듈에 열폭주 현상이 전파되지 않았으나, 정상 작동 환경에서 모듈 내 이물질 및 습기가 다량 유입되어 배터리 모듈의 안정적인 운전에 적합하지 않음을 확인하였고, 특히 이물질 유입으로 인해 쇼트가 발생하였음을 확인하였다.
이상 본 개시의 실시예들을 설명하였으나, 본 개시는 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 전지 셀 적층체, 120: 커버 플레이트, 130: 절연 플레이트, 140: 버스바 어셈블리, 155: 격벽 부재, 160: 하부 플레이트, 165: 측면 플레이트, 170: 상부 플레이트, 200: 벤팅 홀, 300: 벤팅 시트, 310: 기재층, 320: 점착층, 330: 점착층에 형성된 홀

Claims (14)

  1. 전지 셀 적층체 및 이를 수용하는 모듈 하우징을 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 모듈 하우징은, 상기 전지 셀 적층체의 하부와 양측면을 지지하는 하부 하우징;
    상기 전지 셀 적층체의 상부에 배치되어 상기 하부 하우징과 결합하는 상부 플레이트; 및
    상기 전지 셀 적층체의 전면에 배치되는 제1커버 플레이트 및 후면에 배치되는 제2커버 플레이트; 를 포함하고,
    상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 상기 하부 하우징과 각각 결합하며,
    상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 복수 개의 벤팅 홀을 포함하고,
    상기 제1커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀은 상기 제2커버 플레이트에 포함되는 벤팅 홀과 서로 어긋나게 위치하는 것이며,
    상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트는 상기 벤팅 홀을 커버하는 벤팅 시트를 더 포함하고,
    상기 벤팅 시트는 기재층 및 상기 기재층의 적어도 일면에 형성된 점착층을 포함하고, 상기 점착층은 상기 제1커버 플레이트 및 제2커버 플레이트의 벤팅 홀과 대응하는 동일한 형태의 홀을 포함하는,
    배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 임계온도에서 변형되면서 벤팅 홀을 개방시키는, 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 임계온도는 100 내지 400℃인, 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기재층의 방수도는 IEC60529 기준 IP11 이상인, 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 다공질층인, 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1커버 플레이트의 벤팅 홀은 분리 영역을 통해 서로 이격 위치하고, 제2커버 플레이트의 벤팅 홀은 상기 분리 영역에 위치하는 것인, 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1커버 플레이트의 벤팅 홀의 크기는 상기 제2커버 플레이트의 벤팅 홀의 크기와 서로 다른 것인, 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 벤팅 개구부에 결합되어 모듈 내부로부터 벤팅 홀을 통해 배출되는 가스를 모듈 외곽으로 유도하는 가이드부를 더 포함하는, 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 외측면의 법선 방향과 상이한 각도로 결합된 것인, 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀 적층체와 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 사이에 버스바 어셈블리를 더 포함하는, 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 버스바 어셈블리는 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트의 벤팅 홀과 대응하는 동일한 형태의 벤팅 홀을 포함하는 것인, 배터리 모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 버스바 어셈블리와 상기 제1커버 플레이트 또는 제2커버 플레이트 사이에 상기 벤팅 홀을 커버하는 벤팅 시트를 더 포함하는 것인, 배터리 모듈.
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