KR20220039226A - 전기 차량용 배터리의 난연 장치 - Google Patents

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Abstract

전기 차량용 배터리의 난연 장치가 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치는 전기 차량용 배터리의 난연 장치로서, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및 상기 복수의 배터리 셀의 사이에 구비되는 난연 시트;를 포함할 수 있다.

Description

전기 차량용 배터리의 난연 장치 {APPARATUS OF RESISTIING FLAME OF BATTERY FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 차량용 배터리의 난연 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 차량에 구비되는 배터리에서 열 폭주가 발생할 때, 배터리 팩과 차체를 절연시킬 수 있는 전기 차량용 배터리의 난연 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 배터리에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다.
이러한 전기 자동차는 충전 및 방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩으로 형성된 배터리를 주 동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
그리고 하이브리드 자동차는 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예를 들면 엔진과 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충전 및 방전을 효율적으로 관리하고, 각 전지 셀의 열화 여부를 판단하여 배터리 셀이 최대한의 성능을 보장하도록 하기 위한 배터리 관리 시스템이 요구된다.
최근 들어, 이러한 전기 자동차에는 리튬-이온 배터리의 사용이 증가하고 있다. 리튬-이온 배터리의 재충전 가능한 배터리의 일종으로, 다양한 혼합 산화물 또는 감람석에 의해 활성화된 양극, 특이 탄소에 의해 활성화되는 음극, 및 유기 전해질 내에 침지된 분리막을 포함하는 다층 구조체를 갖는다.
정상 동작 상태에서, 전기 에너지는 충전 시에 화학 에너지로 변환되고 저장되며, 방전 시에는 저장된 화학 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 좀 더 자세히 설명하면, 충전 시에 양극에 있는 리튬이 이온화되고 음극을 향해 층별로 이동한다. 방전 시에는 이온이 양극으로 이동하고 자신의 원래의 화합물로 복귀한다.
이러한 리튬-이온 배터리는 과전압, 과전류, 또는 과온도의 극단적인 상황에서, 자기 가열(self-heating)이라고 알려진 상태가 발생할 수 있다. 자기 가열에 의해 리튬-이온 배터리는 열 폭주(thermal runaway) 상태에 진입할 수 있다. 자기 가열은 배터리 셀 내부의 전기-화학적 구조에 의해 그 내부의 온도가 올라가는 상태를 의미한다.
배터리 모듈의 내부에서 열 폭주가 발생하면 매우 극적이고 큰 피해를 줄 수 있다. 열 폭주가 발생하면 매우 적은 양의 산소가 생성되고, 내부 온도가 섭씨 800도보다 높게 올라갈 수 있다.
이러한 상황이 발생하면, 차량의 내부에 화재가 발생하거나, 과다한 가스가 발생하거나, 또는 리튬-이온 배터리 셀이 수용되는 케이스가 파괴될 수 있다.
특히, 배터리 모듈 내의 어느 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생하면, 인접한 배터리 셀로 고온의 열기 또는 화염이 전파되고, 이로 인해 배터리 모듈을 구성하는 모든 배터리 셀에서 급속하게 화염이 발생하게 될 수 있다.
하나의 배터리 셀에서 발생한 열 폭주로 인해 배터리 모듈의 전체 배터리 셀로 열 폭주 및 이로 인한 화재가 급속하게 전파되기 때문에, 차량에 탑승한 승객이 대피할 시간적 여유를 확보할 수 없는 문제가 발생하게 된다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 차량에 탑재되는 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀에서 발생한 열 폭주로 인해 인접한 배터리 셀로 고온의 열기와 화염이 전파되는 시간을 최소화할 수 있는 전기 차량용 배터리의 난연 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치는 전기 차량용 배터리의 난연 장치로서, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및 상기 복수의 배터리 셀의 사이에 구비되는 난연 시트;를 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 셀은 서로 인접하고 직렬 연결되는 복수의 직렬 배터리 셀 집합체를 포함하고, 상기 복수의 직렬 배터리 셀 집합체는 서로 병렬 연결되며, 상기 난연 시트는 상기 직렬 배터리 셀 집합체 사이마다 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치는 상기 난연 시트에 적층되고 상기 배터리 셀의 변형에 따른 공차를 방지하는 공차 조절 시트를 더 포함할 수 있다.
상기 공차 조절 시트는 실리콘 또는 우레탄을 포함할 수 있다.
상기 난연 시트는 운모 또는 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은 파우치 타입의 배터리 셀이고, 상기 파우치 타입의 배터리 셀은 본체부, 및 상기 본체부의 양단에 형성되는 라운딩부를 포함하며, 상기 난연 시트의 면적은 상기 본체부의 면적보다 크게 형성될 수 있다.
상기 배터리 셀은 각형 타입의 배터리 셀이고, 상기 난연 시트의 면적은 상기 각형 타입의 배터리 셀의 면적보다 크게 형성될 수 있다.
상기 난연 시트의 두께는 상기 배터리 셀 중의 어느 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생한 경우, 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀로 설정된 시간 동안 전달되는 열 용량이 배터리 셀 용량의 50%가 되도록 형성될 수 있다.
상기 난연 시트의 두께는 열 폭주가 발생한 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀로 전달되는 열량, 상기 난연 시트의 열 전도도, 상기 배터리 셀과 상기 난연 시트의 접촉 면적, 및 목표하는 난연 지연 시간을 기초로 결정될 수 있다.
상기 난연 시트의 두께는
Figure pat00001
의 수학식을 통해 결정되고, 상기 수학식에서, Q는 인접한 셀로 전달되는 열량, k는 열 전도도, A는 배터리 셀과 난연 시트의 접촉 면적, T1은 열 폭주가 발생한 배터리 셀의 온도, T2는 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀의 온도, t는 난연 지연 시간, 및 l은 난연 시트의 두께일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치는 전기 차량용 배터리의 난연 장치로서, 복수의 배터리 셀이 직렬 연결되는 복수의 직렬 배터리 셀 집합체로 구성되고, 상기 직렬 배터리 셀 집합체는 병렬 연결되는 배터리 모듈; 및 상기 복수의 직렬 배터리 셀 집합체 사이에 구비되는 난연 시트를 포함할 수 있다.
상기 난연 시트는 운모 또는 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치는 상기 난연 시트에 적층되고 상기 배터리 셀의 변형에 따른 공차를 방지하는 공차 조절 시트를 더 포함할 수 있다.
상기 공차 조절 시트는 실리콘 또는 우레탄을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은 파우치 타입의 배터리 셀이고, 상기 파우치 타입의 배터리 셀은 본체부, 및 상기 본체부의 양단에 형성되는 라운딩부를 포함하며, 상기 난연 시트의 면적은 상기 본체부의 면적보다 크게 형성될 수 있다.
상기 배터리 셀은 각형 타입의 배터리 셀이고, 상기 난연 시트의 면적은 상기 각형 타입의 배터리 셀의 면적보다 크게 형성될 수 있다.
상기 난연 시트의 두께는 상기 배터리 셀 중의 어느 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생한 경우, 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀로 설정된 시간 동안 전달되는 열 용량이 배터리 셀 용량의 50%가 되도록 형성될 수 있다.
상기 난연 시트의 두께는 열 폭주가 발생한 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀로 전달되는 열량, 상기 난연 시트의 열 전도도, 상기 배터리 셀과 상기 난연 시트의 접촉 면적, 및 목표하는 난연 지연 시간을 기초로 결정될 수 있다.
상기 난연 시트의 두께는
Figure pat00002
의 수학식을 통해 결정되고, 상기 수학식에서, Q는 인접한 셀로 전달되는 열량, k는 열 전도도, A는 배터리 셀과 난연 시트의 접촉 면적, T1은 열 폭주가 발생한 배터리 셀의 온도, T2는 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀의 온도, t는 난연 지연 시간, 및 l은 난연 시트의 두께일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치에 의하면, 배터리 셀의 사이에 난연 시트를 구비함으로써, 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생하더라도 인접한 배터리 셀로 고온의 열기와 화염이 전파되는 시간을 최대한 지연시킬 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 팩의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 셀의 구성을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 다른 실시 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 셀의 구성을 도시한 분해사시도이다.
도 7은 도 6의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 다른 실시 예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 난연 시트와 공차 조절 시트가 적층된 모습을 도시한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 팩의 구성을 도시한 분해 사시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치는 복수의 배터리 셀(310)을 포함하는 배터리 모듈(300), 및 적어도 하나 이상의 배터리 모듈(300)을 포함하는 배터리 팩(200)(battery pack)을 포함할 수 있다.
즉, 복수의 배터리 셀(310)이 배터리 모듈(300)을 구성하고, 복수의 배터리 모듈(300)이 배터리 팩(200)을 구성할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 배터리 셀(310)은 파우치 타입, 각형 타입, 또는 원통형 타입으로 구현될 수 있다.
구체적으로, 배터리 팩(200)은 외관을 형성하는 외장 케이스(210), 외장 케이스(210)의 내부에 구비되는 적어도 하나 이상의 배터리 모듈(300), 및 배터리 관리 시스템(230)을 포함할 수 있다.
외장 케이스(210)는 상부 케이스(211), 및 하부 케이스(212)를 포함할 수 있다. 상부 케이스(211)와 하부 케이스(212)가 결합하여 외장 케이스(210)를 구성한다. 외장 케이스(210)는 금속 재질(예를 들어, 탄소강 또는 알루미늄)로 형성된다.
배터리 팩(200)의 외장 케이스(210)의 내부에는 적어도 하나 이상의 배터리 모듈(300), 및 인쇄 회로 기판(320)이 설치된다.
배터리 모듈(300)은 외관을 형성하는 모듈 커버(330)의 내부에 복수의 배터리 셀(310)과 인쇄 회로 기판(320)(PCB: printed circuit board)을 포함할 수 있다.
모듈 커버(330)는 좌측 커버(331), 우측 커버(332), 상측 커버(335), 하측 커버, 전방 커버(333), 및 후방 커버(334)를 포함할 수 있다. 좌측 커버(331), 우측 커버(332), 상측 커버(335), 하측 커버, 전방 커버(333), 및 후방 커버(334)가 결합하여 모듈 커버(330)를 형성하고, 모듈 커버(330)가 복수의 배터리 셀(310)의 외곽을 감싸도록 구비되며, 모듈 커버(330)와 배터리 셀(310)의 사이에 인쇄 회로 기판(320)이 구비된다.
배터리 모듈(300)을 구성하는 복수의 배터리 셀(310)은 좌우 방향 또는 상하 방향으로 적층되고, 복수의 배터리 셀(310)은 병렬 또는 직렬 연결될 수 있다. 좌우 방향 또는 상하 방향으로 적층되는 복수의 배터리 셀(310)의 양단에는 각각 인쇄 회로 기판(320)(PCT: printed circuit board)이 구비되고, 각각의 인쇄 회로 기판(320)은 각각의 배터리 셀(310)의 전압과 온도를 감지하여 배터리 관리 시스템(230)(BMS: battery management system)으로 전송하게 된다.
배터리 관리 시스템(230)은 여러 종류의 센서(예를 들어, 온도 센서, 전압 센서 등)에서 감지된 배터리 셀(310)의 정보를 인쇄 회로 기판(320)을 통해 입력 받아 복수의 배터리 모듈(300)의 상황을 판단하고, 각 배터리 모듈(300)이 최적의 상태를 유지하도록 관리한다.
특히, 배터리 관리 시스템(230)은 배터리의 잔존 용량을 측정하고, 배터리의 SOC(state of charge)가 적정한 수준이 되도록 유지하며, 배터리의 온도를 측정하여 관리하는 등의 기능을 수행한다.
배터리 셀(310)은 복수 개가 직렬로 연결되고, 직렬로 연결되는 복수의 배터리 셀(310)은 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 서로 인접한 복수의 배터리 셀(310)이 직렬 연결되고, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀들(310)이 서로 병렬 연결될 수 있다.
즉, 배터리 모듈(300)은 복수의 배터리 셀(310)이 직렬 연결되는 직렬 배터리 셀 집합체(390)를 포함하고, 복수의 직렬 배터리 셀 집합체(390)가 서로 병렬 연결될 수 있다.
이와 같이, 직렬로 연결되는 직렬 배터리 셀 집합체(390)에 의해 배터리 모듈(300)에서 출력되는 공칭 전압(nominal voltage)가 결정된다. 그리고 직렬 배터리 셀 집합체(390)가 서로 병렬 연결되어 배터리의 출력 전류를 높이고 배터리의 구동 시간을 증가시키게 된다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량에 적용되는 배터리는 각 배터리 셀(310)에서 출력되는 전압이 12V이고 전류는 5A일 수 있다. 이때, 12V를 출력하는 세 개의 배터리 셀이 직렬 연결됨으로써, 직렬 배터리 셀 집합체(390)에서 출력되는 전압은 36V가 되고, 이로 인해 배터리 모듈(300)에서 출력되는 공칭 전압은 36V가 된다. 그리고 세 개의 배터리 셀로 구성되는 네 개의 직렬 배터리 셀 집합체(390)가 병렬 연결되고, 이로 인해 배터리 모듈(300)에서 출력되는 전류는 20A가 된다. 이와 같은 배터리 셀의 구성을 3P4S라 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 셀의 구성을 도시한 사시도이다. 도 4는 도 3의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 일 실시 예를 도시한 도면이다. 그리고 도 5는 도 3의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 다른 실시 예를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 5에 도시된 배터리 셀(310)은 파우치 셀 타입의 배터리 셀의 구성을 도시한 것이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 파우치 셀 타입의 배터리 셀(310)은 파우치 본체와 파우치 본체의 양단에 구비되는 전극 리드를 포함할 수 있다.
파우치 본체는 전극 조립체(도시는 생략함)를 수용하고, 제1 수지층/금속층/제2 수지층을 포함하는 다층의 파우치 필름으로 구성될 수 있다. 전극 리드는 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 인쇄 회로 기판(20)과 전기적으로 연결된다.
파우치 본체는 대략 얇은 육면체 모양으로 형성되는 본체부(311), 및 본체부(311)의 양단에서 굴곡지게 형성되는 라운딩부(312)를 포함할 수 있다.
파우치 셀 타입의 배터리 셀이 복수 개가 적층될 때, 복수의 배터리 셀(310)의 사이에는 난연 시트(400)(flame resisting sheet)가 구비된다. 난연 시트(400)는 배터리 모듈(300)을 구성하는 각각의 배터리 셀(310)의 사이에 설치될 수 있다(도 4 참조). 즉, 난연 시트(400)는 배터리 모듈(300)을 구성하는 각 배터리 셀(310)의 사이에 구비될 수 있다.
실시 예에 따라서는, 난연 시트(400)는 직렬 연결되는 직렬 배터리 셀 집합체(390)의 사이에 구비될 수 있다. 이와 같이, 난연 시트(400)가 직렬 연결되는 직렬 배터리 셀 집합체(390)의 사이에만 구비됨으로써, 배터리 모듈(300)의 부피가 증가하는 것을 방지할 수 있고, 제조 원가를 절감하면서 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 이웃하는 배터리 셀로 고온의 열기와 화염이 전파되는 시간을 최대한 지연시킬 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 난연 시트(400)는 운모 또는 실리콘을 포함할 수 있다(도 5 참조).
이때, 난연 시트(400)의 면적은 파우치 본체의 면적보다 크게 형성될 수 있다, 파우치 셀 타입의 배터리 셀의 경우, 복수 개의 배터리 셀(310)이 적층될 때, 서로 인접한 배터리 셀의 파우치 본체 측면이 서로 접촉하고, 배터리 셀의 라운딩부(312)는 접촉하지 않게 된다. 따라서, 난연 시트(400)의 면적을 본체부(311)의 면적보다 크게 형성함으로써, 최소한의 난연 시트(400)를 통해 최대한의 난연 기능을 구현할 수 있다. 예를 들어, 난연 시트(400)의 가로 길이와 세로 길이는 파우치 본체의 가로 길이와 세로 길이보다 설정된 길이(예를 들어, 10mm)만큼 각각 크게 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리 셀의 구성을 도시한 분해사시도이다. 도 7은 도 6의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 일 실시 예를 도시한 도면이다. 그리고 도 8은 도 6의 배터리 셀에서 난연 시트가 구비된 다른 실시 예를 도시한 도면이다. 도 6 내지 도 8에 도시된 배터리 셀(310)은 각형 셀 타입의 배터리 셀의 구성을 도시한 것이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 각형 셀 타입의 배터리 셀(310)은 대략 얇은 육면체 모양으로 형성된다.
각형 셀 타입의 배터리 셀이 복수 개가 적층될 때, 복수의 배터리 셀(310)의 사이에는 난연 시트(400)가 구비된다. 난연 시트(400)는 배터리 모듈(300)을 구성하는 각각의 배터리 셀(310)의 사이에 설치될 수 있다(도 5 참조). 즉, 난연 시트(400)는 배터리 모듈(300)을 구성하는 각 배터리 셀(310)의 사이에 구비될 수 있다.
실시 예에 따라서는, 난연 시트(400)는 직렬 연결되는 직렬 배터리 셀 집합체(390)의 사이에 구비될 수 있다. 이와 같이, 난연 시트(400)가 직렬 연결되는 직렬 배터리 셀 집합체(390)의 사이에만 구비됨으로써, 배터리 모듈(300)의 부피가 증가하는 것을 방지할 수 있고, 제조 원가를 절감하면서 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 이웃하는 배터리 셀로 고온의 열기와 화염이 전파되는 시간을 최대한 지연시킬 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 난연 시트(400)는 운모 또는 실리콘을 포함할 수 있다(도 8 참조).
이때, 난연 시트(40)의 면적은 각형 셀 타입의 배터리 셀(310)의 면적보다 크게 형성될 수 있다. 각형 타입 배터리 셀의 배터리 모듈의 경우, 복수 개의 배터리 셀(310)이 적층될 때, 서로 인접한 배터리 셀의 측면이 서로 접촉하게 된다. 따라서, 난연 시트(400)의 면적을 배터리 셀(310)의 면적보다 크게 형성함으로써, 최소한의 난연 시트(400)를 통해 최대한의 난연 기능을 구현할 수 있다. 예를 들어, 난연 시트(400)의 가로 길이와 세로 길이는 배터리 셀의 가로 길이와 세로 길이보다 설정된 길이(예를 들어, 10mm)만큼 각각 크게 형성될 수 있다.
난연 시트(400)에는 배터리 셀의 변형에 따른 공차를 방지하기 위한 공차 조절 시트(410)가 적층될 수 있다(도 9 참조). 일반적으로, 배터리 셀이 충전과 방전을 반복하게 되면, 배터리 셀의 부피가 팽창하게 된다. 이와 같이 배터리 셀의 부피가 팽창하게 되면, 배터리 모듈의 변형이 발생하게 된다. 따라서, 배터리 셀의 사이에 난연 시트(400)와 함께 공차 조절 시트(410)를 설치함으로써, 배터리 모듈의 변형을 방지할 수 있다. 공차 조절 시트(410)는 실리콘 또는 우레탄을 포함할 수 있다. 난연 시트(400)와 공차 조절 시트(410)는 접착제 또는 접착 테이프를 통해 서로 부착될 수 있다.
난연 시트(400)는 배터리 셀(310)과 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 난연 시트(400)는 난연 성능을 높이기 위해 배터리 셀(310)의 크기보다 크게 형성될 수 있다. 예를 들어, 난연 시트(400)는 배터리 셀(310)의 최외곽 크기보다 약 5mm 이상 크게 형성될 수 있다.
난연 시트(400)는 배터리 셀(310)의 측면에 접착제 또는 접착 테이프를 통해 부착될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 난연 시트(400)의 두께는 다음의 수학식 1을 통해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
수학식 1에서, Q는 인접한 셀로 전파되는 열량(Wh)이고, k는 열 전도도(W/mK)이며, A는 배터리 셀과 난연 시트(400)의 접촉 면적(㎡)이고, T1은 열 폭주 발생한 배터리 셀의 온도(K)이며, T2는 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀의 온도(K)이고, t는 난연 지연 시간(sec)이며, l은 난연 시트(400)의 두께이다.
예를 들어, 열 전도도가 0.062(W/mK)의 난연체를 사용하여 3분의 지연 효과를 얻기 위한 난연 시트(400)의 두께를 선정한다고 가정한다.
배터리 셀과 난연 시트(400)의 접촉 면적이 300mm X 100mm이고, 열 폭주가 발생한 셀의 온도가 섭씨 600도이며, 열 폭주가 발생한 셀과 인접한 셀의 온도가 섭씨 25도이면, 위의 수학식 1을 통해 두께가 1.5mm인 난연 시트(400)를 사용하는 경우, 열 폭주가 발생한 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀로 3분간 36 Wh의 열량이 전달되는 것을 알 수 있다.
앞에서 예를 들어 설명한 바와 같이, 열 폭주가 발생한 배터리 셀로부터 설정된 시간 동안(예를 들어, 3분) 인접한 배터리 셀로 전달되는 열량은 배터리 셀 용량의 50% 이내가 되도록 난연 시트(400)의 두께를 설정할 수 있다.
이와 같이, 설정된 시간(예를 들어, 3분)동안 인접한 배터리 셀로 전달되는 열량이 배터리 셀 용량의 50%가 되도록 설정하는 것은, 차량에 탑승한 승객이 배터리에서 열 폭주가 발생한 것을 인지하고, 차량으로부터 대피하기 위한 시간을 확보하기 위함이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 배터리의 난연 장치는, 배터리 셀의 사이에 난연 시트(400)를 설치함으로써, 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생하더라도, 인접한 배터리 셀로 고온의 열기와 화염이 전파되는 시간을 지연시킬 수 있다. 따라서, 배터리 셀에서 열 폭주가 발생하는 경우, 이로 인해 차체로 화염이 전파되는 것을 최대한 지연시켜 차량의 탑승객이 차량에서 대피할 수 있는 시간을 최대한 확보할 수 있다.
또한, 직렬로 연결되는 복수의 직렬 배터리 셀 집합체(390) 사이에만 난연 시트(400)를 설치됨으로써, 배터리 모듈의 부피가 증가하는 것을 방지할 수 있고, 배터리 모듈의 제조 원가를 절감할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
200: 배터리 팩
210: 외장 케이스
211: 상부 케이스
212: 하부 케이스
230: 배터리 관리 시스템
300: 배터리 모듈
310: 배터리 셀
320: 인쇄 회로 기판
330: 모듈 커버
331: 좌측 커버
332: 우측 커버
333: 전방 커버
334: 후방 커버
335: 상측 커버
390: 배터리 셀 집합체
400: 난연 시트
410: 공차 조절 시트

Claims (19)

  1. 전기 차량용 배터리의 난연 장치로서,
    복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및
    상기 복수의 배터리 셀의 사이에 구비되는 난연 시트;
    를 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀은 서로 인접하고 직렬 연결되는 복수의 직렬 배터리 셀 집합체를 포함하고,
    상기 복수의 직렬 배터리 셀 집합체는 서로 병렬 연결되며,
    상기 난연 시트는 상기 직렬 배터리 셀 집합체 사이마다 구비되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 난연 시트에 적층되고 상기 배터리 셀의 변형에 따른 공차를 방지하는 공차 조절 시트;
    를 더 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공차 조절 시트는
    실리콘 또는 우레탄을 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 난연 시트는
    운모 또는 실리콘을 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치 타입의 배터리 셀이고,
    상기 파우치 타입의 배터리 셀은 본체부, 및 상기 본체부의 양단에 형성되는 라운딩부를 포함하며,
    상기 난연 시트의 면적은 상기 본체부의 면적보다 크게 형성되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 각형 타입의 배터리 셀이고,
    상기 난연 시트의 면적은 상기 각형 타입의 배터리 셀의 면적보다 크게 형성되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 난연 시트의 두께는
    상기 배터리 셀 중의 어느 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생한 경우, 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀로 설정된 시간 동안 전달되는 열 용량이 배터리 셀 용량의 50%가 되도록 형성되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 난연 시트의 두께는
    열 폭주가 발생한 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀로 전달되는 열량, 상기 난연 시트의 열 전도도, 상기 배터리 셀과 상기 난연 시트의 접촉 면적, 및 목표하는 난연 지연 시간을 기초로 결정되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 난연 시트의 두께는
    Figure pat00004
    의 수학식을 통해 결정되고,
    상기 수학식에서, Q는 인접한 셀로 전달되는 열량, k는 열 전도도, A는 배터리 셀과 난연 시트의 접촉 면적, T1은 열 폭주가 발생한 배터리 셀의 온도, T2는 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀의 온도, t는 난연 지연 시간, 및 l은 난연 시트의 두께인 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  11. 전기 차량용 배터리의 난연 장치로서,
    복수의 배터리 셀이 직렬 연결되는 복수의 직렬 배터리 셀 집합체로 구성되고, 상기 직렬 배터리 셀 집합체는 병렬 연결되는 배터리 모듈; 및
    상기 복수의 직렬 배터리 셀 집합체 사이에 구비되는 난연 시트;
    를 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 난연 시트는
    운모 또는 실리콘을 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 난연 시트에 적층되고 상기 배터리 셀의 변형에 따른 공차를 방지하는 공차 조절 시트;
    를 더 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공차 조절 시트는
    실리콘 또는 우레탄을 포함하는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치 타입의 배터리 셀이고,
    상기 파우치 타입의 배터리 셀은 본체부, 및 상기 본체부의 양단에 형성되는 라운딩부를 포함하며,
    상기 난연 시트의 면적은 상기 본체부의 면적보다 크게 형성되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 각형 타입의 배터리 셀이고,
    상기 난연 시트의 면적은 상기 각형 타입의 배터리 셀의 면적보다 크게 형성되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 난연 시트의 두께는
    상기 배터리 셀 중의 어느 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생한 경우, 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀로 설정된 시간 동안 전달되는 열 용량이 배터리 셀 용량의 50%가 되도록 형성되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 난연 시트의 두께는
    열 폭주가 발생한 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀로 전달되는 열량, 상기 난연 시트의 열 전도도, 상기 배터리 셀과 상기 난연 시트의 접촉 면적, 및 목표하는 난연 지연 시간을 기초로 결정되는 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 난연 시트의 두께는
    Figure pat00005
    의 수학식을 통해 결정되고,
    상기 수학식에서, Q는 인접한 셀로 전달되는 열량, k는 열 전도도, A는 배터리 셀과 난연 시트의 접촉 면적, T1은 열 폭주가 발생한 배터리 셀의 온도, T2는 열 폭주가 발생한 배터리 셀과 인접한 배터리 셀의 온도, t는 난연 지연 시간, 및 l은 난연 시트의 두께인 전기 차량용 배터리의 난연 장치.
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