KR20230155794A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20230155794A
KR20230155794A KR1020220055433A KR20220055433A KR20230155794A KR 20230155794 A KR20230155794 A KR 20230155794A KR 1020220055433 A KR1020220055433 A KR 1020220055433A KR 20220055433 A KR20220055433 A KR 20220055433A KR 20230155794 A KR20230155794 A KR 20230155794A
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battery module
venting
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duct member
end cover
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KR1020220055433A
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전해룡
이강구
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에스케이온 주식회사
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Abstract

내부 공간을 가지는 하우징, 내부 공간에 수용되는 복수의 배터리 셀, 및 하우징의 적어도 일측에 결합되는 커버 어셈블리를 포함하며, 커버 어셈블리는 복수의 배터리 셀 중 적어도 일부에서 발생된 가스가 유동할 수 있는 벤팅 유로를 형성하는 덕트 부재, 벤팅 유로와 연결되는 하나 이상의 배출구를 포함하며, 덕트 부재와 제1 방향으로 마주보는 엔드 커버, 및 벤팅 유로에 배치되는 복수의 필터를 포함하고, 복수의 필터는 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 배치되는 배터리 모듈이 제공된다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다.
이러한 이차 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type) 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형의 캔형(can type) 배터리 셀로 제조되어, 다수 개의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 사용하게 된다. 이때, 다수 개의 배터리 셀은 적층된 형태의 셀 적층체를 형성하여 하우징 내부에 배치되어 배터리 모듈이나 배터리 팩과 같은 배터리 장치를 구성하게 된다.
한편, 배터리 셀의 수명이 종료시점에 다다르는 경우, 배터리 셀에 스웰링 현상이 발생하는 경우, 배터리 셀에 과충전이 발생하는 경우, 배터리 셀이 열에 노출되는 경우, 못과 같은 날카로운 물체가 배터리 셀의 외장재를 관통하는 경우, 배터리 셀에 외부 충격이 가해지는 경우 등 다양한 이벤트 발생 시 배터리 셀의 발화로 이어질 수 있다. 배터리 셀에서 분출된 화염이나 고온의 가스는 배터리 장치 내부에 수용되어 있는 이웃하는 다른 배터리 셀들의 연쇄발화를 초래할 수 있다. 따라서 배터리 셀에서 분출된 화염이나 고온의 가스가 다른 배터리 셀에 영향을 주지 않도록 적절히 배출시킬 필요가 있다.
한편, 배터리 장치에서 발생한 화염이 외부로 노출되면, 배터리 장치 주변의 다른 구성요소를 파손 내지 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라 다른 구성요소들이 2차 발화로 이어질 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 화염이 외부로 방출되지 않으면서 효과적으로 가스 배출할 수 있는 배출 구조가 요구된다.
예를 들어, 대한민국 특허 KR 10-2033101 B1은 배터리 셀들의 발화 시 발생되는 화염의 외부 노출을 방지할 수 있는 노출 방지 유로가 내부에 마련되는 배터리 모듈을 개시하고 있다.
하지만, 상기한 종래의 배터리 모듈은 노출 방지 유로가 길게 연장됨에 따라 커버 프레임 및 배터리 모듈의 전체 길이 또는 크기가 점차 증가하게 되어, 배터리 모듈의 공간 효율성이 떨어지게 되며, 배터리 모듈의 에너지 밀도가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 화염이 외부로 방출되는 것을 방지하면서 효과적으로 가스 배출할 수 있는 벤팅 구조를 가진 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 제한된 공간 내에서 가스 배출 경로가 길게 연장될 수 있는 구조를 가지는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 열 폭주 상황에서 발생되는 유해 가스 및 화염을 효과적으로 제거할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에서, 내부 공간을 가지는 하우징, 내부 공간에 수용되는 복수의 배터리 셀, 및 하우징의 적어도 일측에 결합되는 커버 어셈블리를 포함하며, 커버 어셈블리는 복수의 배터리 셀 중 적어도 일부에서 발생된 가스가 유동할 수 있는 벤팅 유로를 형성하는 덕트 부재, 벤팅 유로와 연결되는 하나 이상의 배출구를 포함하며, 덕트 부재와 제1 방향으로 마주보는 엔드 커버, 및 벤팅 유로에 배치되는 복수의 필터를 포함하고, 복수의 필터는 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 배치되는 배터리 모듈이 제공된다.
실시예들에서, 덕트 부재는 덕트 부재는 복수의 필터를 지지하는 바디부, 및 벤팅 유로와 연결되는 하나 이상의 유입구를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 덕트 부재의 바디부는 복수의 필터 중 적어도 하나가 수용될 수 있는 안착부, 및 안착부의 가장자리 중 적어도 일부에서 엔드 커버를 향해 돌출되는 격벽을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 바디부의 일면은 엔드 커버와 대향하고, 바디부의 일면과 반대되는 타면은 복수의 배터리 셀과 대향하며, 안착부는 바디부의 일면에 배치될 수 있다.
실시예들에서, 안착부의 가장자리는 다각형을 이룰 수 있으며, 벤팅 유로는 상기 다각형의 변들 중 적어도 하나를 지나도록 구성될 수 있다.
실시예들에서, 안착부의 가장자리는 격벽이 배치되는 제1 가장자리, 및 격벽이 배치되지 않는 제2 가장자리를 포함하며, 벤팅 유로는 제2 가장자리를 통과할 수 있다.
실시예들에서, 바디부는 제2 가장자리에서 돌출되어 복수의 필터 중 적어도 하나를 지지하는 돌출부를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 격벽은 엔드 커버에 맞닿을 수 있다.
실시예들에서, 하나 이상의 유입구는 바디부를 관통하여 하우징의 내부 공간과 연통될 수 있다.
실시예들에서, 복수의 배터리 셀은 제1 방향과 수직한 제3 방향으로 적층되며, 하나 이상의 유입구는 제3 방향으로 나란히 배치될 수 있다.
실시예들에서, 하나 이상의 배출구는 제3 방향으로 나란히 배치될 수 있다.
실시예들에서, 하나 이상의 유입구는 하나 이상의 배출구와 제2 방향으로 이격되며, 제2 방향은 제1 방향 및 제3 방향에 모두 수직할 수 있다.
실시예들에서, 하나 이상의 유입구는 제1 유입구 및 제2 유입구를 포함하고, 하나 이상의 배출구는 제1 배출구 및 제2 배출구를 포함하며, 벤팅 유로는 제1 유입구와 제1 배출구를 연결하는 제1 벤팅 유로 및 제2 유입구와 제2 배출구를 연결하는 제2 벤팅 유로를 포함하고, 제1 벤팅 유로와 제2 벤팅 유로는 격벽에 의해 서로 분리될 수 있다.
실시예들에서, 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 버스바를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서, 버스바와 엔드 커버 사이에 배치되는 절연 커버를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서, 바디부는 절연 커버와 엔드 커버 사이에 배치되며, 유입구는 버스바와 하우징 사이에 배치될 수 있다.
실시예들에서, 복수의 필터는 서로 다른 종류의 필터로 구성될 수 있다.
실시예들에서, 복수의 필터 중 적어도 하나는 비정형 기공을 가지는 금속 메쉬를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 모듈은 벤팅 유로를 길게 구성하여 열 폭주 상황에서 발생되는 고온의 가스의 온도를 떨어뜨리고, 화염이 배터리 모듈 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리 모듈은 셀 적층체와 엔드 커버 사이의 제한된 공간 내에서 충분히 길게 연장된 벤팅 유로를 가질 수 있다.
또한, 배터리 모듈은 모듈 전체 크기를 유지하면서 벤팅 유로를 길게 연장할 수 있는 구조를 가지므로, 배터리 모듈의 에너지 밀도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 배터리 모듈은 다양한 형상을 가질 수 있는 덕트 부재를 통해 벤팅 유로의 경로를 다양하게 형성할 수 있다.
또한, 배터리 모듈은 벤팅 유로를 따라 흐르는 가스 또는 화염이 필터를 통과하도록 하여, 유해 가스 및 화염을 제거할 수 있다.
또한, 배터리 모듈은 서로 구획되는 복수의 벤팅 유로를 구성하여 배터리 모듈 내부의 어느 일 부분에서 발생된 가스나 화염이 벤팅 유로를 따라 흘러 배터리 모듈의 다른 부분에 전파되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀의 사시도이다.
도 4는 배터리 모듈에 포함되는 커버 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 5는 커버 어셈블리에 포함되는 덕트 부재 및 필터의 사시도이다.
도 6은 실시예들에 따른 커버 어셈블리에 형성되는 벤팅 유로를 예시적으로 나타낸다.
도 7은 실시예들에 따른 커버 어셈블리에 형성되는 벤팅 유로를 예시적으로 나타낸다.
도 8은 덕트 부재에 형성되는 벤팅 유로의 예시적 경로를 나타낸다.
도 9는 덕트 부재에 형성되는 벤팅 유로의 다른 예시적 경로를 나타낸다.
도 10은 덕트 부재에 형성되는 벤팅 유로의 다른 예시적 경로를 나타낸다.
도 11은 실시예들에 따른 덕트 부재의 정면도이다.
본 발명의 상세한 설명에 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 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서, 서로 다른 실시예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명할 수 있다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 모두 하나의 실시예를 의미하는 것은 아니다.
이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "구성하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다. 예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참고하여, 실시예들에 따른 배터리 모듈(10)을 설명한다.
도 1은 배터리 모듈(10)의 사시도이다. 도 2는 배터리 모듈(10)의 분해 사시도이다. 도 3은 배터리 모듈(10)에 포함되는 배터리 셀의 사시도이다.
배터리 모듈(10)은 내부 공간을 가지는 하우징(400), 내부 공간에 수용되는 셀 적층체(100), 셀 적층체(100)와 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리(200) 및 하우징(400)의 적어도 일측에 결합되는 커버 어셈블리(300)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(100)는 하우징(400)의 내부 공간에 수용되며, 전기적 에너지를 출력하거나 저장할 수 있는 하나 이상의 배터리 셀(110)을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 배터리 셀(110)은 파우치형 배터리 셀일 수 있다. 도 3을 참고하면, 배터리 셀(110)은 파우치(111) 내에 전극 조립체(114)가 수용된 형태로 구성되는 전극 수용부(112) 및 전극 조립체(114)와 전기적으로 연결되며 파우치(111)의 외부로 노출되는 복수의 리드 탭(113)을 포함할 수 있다.
전극 조립체(114)는 복수의 전극판을 포함할 수 있다. 여기서, 전극판은 양극판과 음극판을 포함할 수있다. 전극 조립체(114)는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 구성될 수 있다. 복수의 양극판과 복수의 음극판에는 각각 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함할 수 있으며, 무지부는 서로 동일한 극성끼리 접촉되도록 연결될 수 있다. 서로 동일한 극성의 무지부는 상호간에 전기적으로 연결되어 리드 탭(113)을 통해 배터리 셀(110)의 외부의 다른 구성요소와 전기적으로 연결될 수 있다. 도 3에 도시된 배터리 셀(110)의 경우 2개의 리드 탭(113)은 전극 수용부(112)에서 서로 반대되는 양 방향으로 인출되는 것으로 도시되어 있지만, 전극 수용부(112)의 어느 일 측에서 동일한 방향을 향하여 인출되도록 구성될 수도 있다.
파우치(111)는 전극 조립체(114)를 감싸고 전극 수용부(112)의 외관을 형성하며, 전극 조립체(114) 및 전해액(미도시)이 수용되는 내부 공간을 제공한다. 파우치(111)는 한 장의 외장재가 폴딩되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 파우치(111)는 한 장의 외장재를 반으로 폴딩하고, 그 사이에 전극 조립체(114)가 수용되는 형태로 구성될 수 있다. 외장재는 전극 조립체(114)를 외부 환경으로부터 보호할 수 있는 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄 필름을 포함할 수 있다.
파우치(111)의 가장자리에는 외장재가 접합되어 실링부(115)가 형성될 수 있다. 실링부(115) 형성을 위한 외장재의 접합에는 열융착 방식이 이용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
실링부(115)는 리드 탭(113)이 배치되는 위치에 형성되는 제1 실링부(115a)와, 리드 탭(113)이 배치되지 않는 위치에 형성되는 제2 실링부(115b)로 구분될 수 있다. 실링부(115)의 접합 신뢰성을 높이고 실링부(115)의 면적을 최소화하기 위해, 실링부(115)의 적어도 일부는 한 번 이상 접힌 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 실링부(115b)는 제1 절곡선(C1)을 따라 180° 접힌 후, 다시 제2 절곡선(C2)을 따라 접힐 수 있다. 이때, 제2 실링부(115b)의 절곡 부분에는 접착부재(117)가 충진될 수 있다. 이에 따라, 제2 실링부(115b)는 접착부재(117)에 의해 2회 접힌 형상이 유지될 수 있다. 접착부재(117)는 열 전도도가 높은 접착제로 형성될 수 있다. 예컨대 접착부재(117)는 에폭시나 실리콘으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
파우치(111)가 전극 조립체(114)의 일측 가장자리를 따라 접히는(폴딩되는) 면에는 실링부(115)가 형성되지 않을 수 있다. 파우치(111)가 전극 조립체(114)의 일측 가장자리를 따라 접히는 부분을 실링부(115)와 구분하기 위해 폴딩부(118)라고 정의한다. 즉, 파우치(111)형 배터리 셀(110)은 파우치(111)의 가장자리 4면 중 3면에서 실링부(115)가 형성되며, 나머지 한쪽 면에서 폴딩부(118)가 형성되는 3면 실링 파우치(111) 형태를 가질 수 있다.
실시예들의 배터리 셀(110)은 상술한 3면 실링 파우치(111) 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 2장의 서로 다른 외장재를 겹쳐 파우치를 형성하고, 파우치 둘레의 4면 모두에 실링부가 형성되는 것도 가능하다. 예를 들어, 실링부는 리드 탭이 배치되는 두 면의 실링부, 그리고 리드 탭이 배치되지 않는 다른 두 면의 실링부로 구성될 수 있다.
또한, 실시예들의 배터리 모듈(10)에 포함되는 배터리 셀(110)은 전술한 파우치 타입 배터리 셀(110)로 한정되는 것은 아니며, 원통형 배터리 셀이나 각형 배터리 셀로 구성되는 것도 가능하다.
계속해서 도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면, 배터리 셀(110)들은 일 방향(예를 들어, 도 2의 X축 방향)으로 적층되어 셀 적층체(100)의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 셀 적층체(100)에 포함되는 배터리 셀(110)들의 적층 방향을 '셀 적층 방향'으로 정의한다.
셀 적층체(100)는 배터리 셀(110)들 사이에 배치되어 열 전파를 차단하는 단열 부재(120)를 포함할 수 있다. 단열 부재(120)는 이웃하는 배터리 셀(110) 사이에 화염이나 고온의 열 에너지가 전파되는 것을 방해하거나 차단하여, 배터리 모듈(10)의 연쇄적 발화를 방지할 수 있다. 이를 위해, 단열 부재(120)는 난연성, 내열성, 단열성, 절연성 중에서 적어도 하나 이상의 성질을 가진 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 내열성은 섭씨 600도 이상의 온도에서도 용융되지 않고 형상이 변하지 않는 성질을 의미할 수 있으며, 단열성은 열 전도도가 1.0W/mK 이하인 성질을 의미할 수 있다. 예를 들어, 단열 부재(120)는 열 및/또는 화염 전파 방지 기능을 수행할 수 있는 운모(Mica), 실리케이트(Silicate), 그라파이트, 알루미나, 세라믹 울, 에어로겔(Aerogel) 중 적어도 일부의 재료를 포함할 수 있다. 다만, 단열 부재(120)의 재료는 이에 한정되지 않으며, 배터리 셀(110)의 열 폭주 상황에서 그 형상을 유지하고, 인접한 다른 배터리 셀(110)에 열이나 화염이 전파되는 것을 방지할 수 있는 것이라면 어떠한 것으로도 형성될 수 있다.
셀 적층체(100)와 하우징(400) 사이에는 방열 부재(600)가 배치될 수 있다. 방열 부재(600)는 일면은 셀 적층체(100)와 접촉되고, 일면과 반대되는 타면은 하우징(400)과 접촉되게 배치될 수 있다. 방열 부재(600)는 열 전도성 접착제(Thermal adhesive)로 제공될 수 있다. 방열 부재(600)는 셀 적층체(100)와 하우징(400) 사이의 공간을 메워 전도에 의한 열 전달이 더욱 활발히 이루어지도록 할 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(10)의 방열 효율이 증대될 수 있다.
셀 적층체(100)에 포함되는 복수의 배터리 셀(110)들은 버스바 어셈블리(200)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
실시예들에서, 버스바 어셈블리(200)는 어느 한 배터리 셀(110)과 다른 배터리 셀(110)을 전기적으로 연결하는 버스바(210) 및 버스바(210)를 지지하는 버스바 프레임(220)을 포함할 수 있다.
버스바 어셈블리(200)는 셀 적층 방향과 수직한 방향으로 셀 적층체(100)와 마주보게 배치될 수 있다.
버스바(210)는 도전성 재료로 형성될 수 있으며, 복수의 배터리 셀(110)을 서로 전기적으로 연결시키는 역할을 수행한다. 버스바(210)는 배터리 셀(110)의 리드 탭(113)과 전기적으로 연결될 수 있다. 버스바(210)와 리드 탭(113)의 연결에는 레이저 용접 등을 비롯한 다양한 용접 방식이 적용될 수 있다. 다만, 연결 방식은 용접에 한정되는 것은 아니며, 두 금속성 재료를 전기적으로 통전 시킬 수 있는 연결 방식이라면 어떠한 것으로도 가능하다.
버스바 프레임(220)은 버스바(210)가 배터리 셀(110)과 안정적으로 연결되도록 지지할 수 있다. 버스바(210)는 버스바 프레임(220)에 고정된 상태로 배터리 셀(110)과 전기적으로 연결될 수 있다.
버스바 프레임(220)은 외부의 충격이나 진동 상황에서 버스바(210)를 구조적으로 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 버스바 프레임(220)은 폴리뷰틸렌테레프탈레이트(PBT), 변성 폴리페닐렌옥사이드(MPPO) 등 가벼우면서도 우수한 기계적 강도를 가지는 플라스틱 소재를 포함할 수 있으며, 이에 따라 절연성을 확보하면서 버스바(210)를 구조적으로 지지할 수 있다. 버스바(210)는 다양한 방법으로 버스바 프레임(220)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 버스바(210)는 열 융착 공정이나 또는 인서트 사출 공정에 의해 버스바 프레임(220)에 고정될 수 있다.
실시예들에서, 버스바(210)는 버스바 프레임(220) 상에 복수 개 배치되어 셀 적층 방향을 따라 나란히 배열될 수 있다.
복수의 버스바(210) 중 적어도 일부는 배터리 모듈(10) 외부의 장치와 전기적 접속에 이용되는 접속 단자(211)를 가질 수 있다. 접속 단자(211)는 커버 어셈블리(300)를 통과하여 배터리 모듈(10) 외부로 노출될 수 있다.
배터리 모듈(10)은 버스바 어셈블리(200)와 연결되는 센싱 모듈(500)을 더 포함할 수 있다. 센싱 모듈(500)은 온도 센서 또는 전압 센서 등을 포함할 수 있다. 센싱 모듈(500)은 배터리 셀(110)의 상태를 센싱하고, 센싱된 정보를 배터리 모듈(10) 외부로 출력할 수 있다.
하우징(400)은 하나 이상의 셀 적층체(100)가 수용될 수 있는 내부 공간을 제공한다. 하우징(400)은 내부 공간에 수용된 셀 적층체(100) 및 기타 전장품을 외부 충격으로부터 보호하기 위해 소정의 강성을 가지는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하우징(400)은 알루미늄 등의 금속 소재를 포함할 수 있다.
하우징(400)은 서로 결합되는 하부 케이스(410) 및 상부 케이스(420)를 포함할 수 있다. 다만, 하우징(400)의 구조는 이에 한정되지 않으며, 적어도 하나의 셀 적층체(100)가 수용될 수 있는 내부 공간을 가질 수 있다면 어떠한 형상으로도 가능하다. 예를 들어, 하우징(400)은 상부 케이스(420)와 하부 케이스(410)가 일체로 형성되며 전면 및 후면이 개방된 일체형 모노 프레임으로 구성될 수 있다.
하우징(400)의 개방된 일측에는 커버 어셈블리(300)가 결합될 수 있다. 커버 어셈블리(300)는 한 쌍으로 제공되어 하우징(400)의 양 측에 각각 결합될 수 있다.
커버 어셈블리(300)에는 배터리 셀(110)의 열 폭주 상황에서 발생된 고온 고압의 가스를 배터리 모듈(10) 외부로 배출하기 위한 벤팅 유로가 형성될 수 있다.
벤팅 유로는 하우징(400)의 내부 공간으로부터 연장되어 커버 어셈블리(300)의 배출구(311)에 연통될 수 있다. 셀 적층체(100)에서 발생되는 가스는 커버 어셈블리(300)의 유입구(332)를 통해 벤팅 유로로 유입되어 유동할 수 있으며, 배출구(311)를 통해 배터리 모듈(10) 외부로 배출될 수 있다.
셀 적층체(100)의 열 폭주 상황에서 고온의 가스와 함께 화염이 발생된 경우, 이러한 화염이 배터리 모듈(10) 외부로 방출되어 2차 피해를 야기할 우려가 있다. 이를 방지하기 위해, 실시예들에 따른 커버 어셈블리(300)는 벤팅 경로가 길게 연장되도록 구성될 수 있으며, 유해 가스 및 화염을 필터링할 수 있는 다양한 안전 부재들을 포함할 수 있다. 이하에서는 도 4 내지 도 7을 참고하여, 실시예들에 따른 커버 어셈블리(300)에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 배터리 모듈(10)에 포함되는 커버 어셈블리(300)의 분해 사시도이다. 도 5는 커버 어셈블리(300)에 포함되는 덕트 부재(330) 및 필터(340)의 사시도이다. 도 6은 실시예들에 따른 커버 어셈블리(300)에 형성되는 벤팅 유로를 예시적으로 나타낸다. 도 7은 실시예들에 따른 커버 어셈블리(300)에 형성되는 벤팅 유로를 예시적으로 나타낸다.
도 4 내지 도 7에서 설명되는 배터리 모듈(10) 및 커버 어셈블리(300)는 앞서 도 1 내지 도 3을 통해 설명된 배터리 모듈(10) 및 커버 어셈블리(300)에 대응되는 것으로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참고하면, 커버 어셈블리(300)는 하우징(400)의 적어도 일측을 커버하는 엔드 커버(310), 엔드 커버(310)와 버스바 어셈블리(200) 사이의 전기적 단락을 방지할 수 있는 절연 커버(320), 벤팅 유로를 형성하는 덕트 부재(330)를 포함할 수 있다.
엔드 커버(310)는 배터리 모듈(10)의 일측 최외곽에 배치되며, 외부 환경으로부터 배터리 모듈(10)의 내부 구성을 보호할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 엔드 커버(310)는 소정의 강성을 가지는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔드 커버(310)는 하우징(400)과 동일한 재료를 포함할 수 있다.
엔드 커버(310)에는 셀 적층체(100)에서 발생된 가스가 배출될 수 있는 하나 이상의 배출구(311)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 배출구(311)는 엔드 커버(310)를 관통하는 홀(Hole)의 형상으로 제공될 수 있다.
도 4에는 도시되지 않으나, 배출구(311)에는 배터리 모듈(10)의 외부의 이물질 등의 유입을 막을 수 있도록 차단막(미도시)이 배치될 수 있다. 열 폭주 상황에서 차단막(미도시)은 변형되거나 파괴되어 셀 적층체(100)에서 발생된 가스가 통과할 수 있다.
엔드 커버(310)에는 복수의 배출구(311)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 엔드 커버(310)에는 복수의 배출구(311)가 셀 적층 방향과 나란한 방향으로 배열될 수 있다.
엔드 커버(310)에는 개구부(312)가 배치될 수 있으며, 버스바 어셈블리(200)의 접속 단자(211)가 개구부(312)를 통과하여 모듈 외부로 노출될 수 있다.
엔드 커버(310)와 버스바 어셈블리(200) 사이에는 절연 커버(320)가 배치될 수 있다. 절연 커버(320)는 엔드 커버(310)와 버스바(210)가 서로 전기적으로 단락되거나 또는 덕트 부재(330)와 버스바(210)가 서로 전기적으로 단락되는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해, 절연 커버(320)는 절연성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연 커버(320)는 플라스틱 사출물로 형성될 수 있다.
절연 커버(320)는 버스바 어셈블리(200)와 제1 방향(예를 들어, 도 4의 Z축 방향)으로 대향하도록 배치되어 엔드 커버(310) 및 덕트 부재(330)가 도전성 버스바(210)와 물리적으로 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
커버 어셈블리(300)에는 셀 적층체(100)에서 발생된 가스가 빠져나갈 수 있는 벤팅 유로(예를 들어, 도 6 내지 도 11의 P)가 형성될 수 있다. 여기서, 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)는 모듈 내부 공간에서 발생된 가스가 엔드 커버(310)의 배출구(311)까지 흘러 나가는 통로 중 적어도 일부로 정의할 수 있다.
셀 적층체(100)에서 발생된 고온, 고압의 가스의 온도를 낮추고, 화염이 배터리 모듈(10) 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해서는 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)를 길게 형성하는 것이 유리하다.
벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)를 되도록 길게 형성하기 위해, 커버 어셈블리(300)는 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)를 길게 연장시킬 수 있는 덕트 부재(330)를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 덕트 부재(330)는 엔드 커버(310)와 대향 배치될 수 있다. 예를 들어, 덕트 부재(330)는 엔드 커버(310)와 제1 방향(도 4의 Z축 방향)으로 마주볼 수 있다. 이 경우, 제1 방향(도 4의 Z축 방향)은 엔드 커버(310)와 셀 적층체(100)가 서로 마주보는 방향과 나란한 방향일 수 있다. 또는, 제1 방향(도 4의 Z축 방향)은 셀 적층 방향과 수직한 방향일 수 있다. 단, 배터리 셀(110)들이 도 2 등에 도시된 것과 다른 방향으로 적층될 경우, 제1 방향(도 4의 Z축 방향)은 셀 적층 방향과 수직하지 않을 수도 있다.
실시예들에서, 벤팅 유로는 덕트 부재(330)의 내부 또는 표면에서 형성될 수 있다.
덕트 부재(330)는 소정의 강성 및 열 저항성을 가지는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 덕트 부재(330)는 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)를 흐르는 가스의 온도 및 압력에 대해 구조적으로 견딜 수 있도록 알루미늄 등의 금속을 포함할 수 있다.
덕트 부재(330)는 덕트 부재(330)의 몸체를 이루고 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)가 형성되는 바디부(331) 및 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)에 연통되는 하나 이상의 유입구(332)를 포함할 수 있다.
다만, 유입구(332)는 덕트 부재(330)와 구별되는 별도의 부재로 제공되어 덕트 부재(330)의 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)에 연통되도록 구성될 수도 있다.
유입구(332)의 일단은 하우징(400)의 내부 공간과 연통될 수 있으며, 일단과 반대되는 타단은 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)에 연통될 수 있다. 예를 들어, 엔드 커버(310)와 마주보는 바디부(331)의 일면에서 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)가 형성될 경우, 유입구(332)는 바디부(331)를 관통하는 홀의 형상으로 제공되어, 하우징(400)의 내부 공간과 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)를 서로 연통시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)는 덕트 부재(330)의 유입구(332) 및 엔드 커버(310)의 배출구(311)와 각각 연통될 수 있도록 구성될 수 있다. 셀 적층체(100)에서 발생된 가스는 유입구(332)를 통해 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)로 유입될 수 있으며, 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)를 따라 배출구(311)까지 흘러갈 수 있다.
덕트 부재(330)에는 복수의 유입구(332)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 덕트 부재(330)에는 복수의 유입구(332)구가 셀 적층 방향과 나란한 방향으로 배열될 수 있다.
실시예들에서, 유입구(332)와 배출구(311)는 제1 방향(도 4의 Z축 방향)과 수직한 제2 방향(예를 들어, 도 4의 Y축 방향)으로 이격되어 배치될 수 있다. 따라서 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)의 적어도 일부는 제2 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 도 6 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 덕트 부재(330)의 유입구(332)와 엔드 커버(310)의 배출구(311)는 제1 방향(Z축 방향)과 수직한 방향으로 서로 이격될 수 있으며, 벤팅 유로(P)는 적어도 일부가 제1 방향(Z축 방향)과 수직한 방향으로 연장되어 유입구(332)와 배출구(311)에 각각 연통될 수 있다.
하우징(400) 내부 공간에서 유입구(332)로 제1 방향(Z축 방향)으로 유입된 가스는 벤팅 유로(P)를 따라 흐르면서 진행 경로가 적어도 한 차례 꺾이게 된다. 이에 따라 가스의 이동 경로가 증가할 수 있다.
이하에서는 덕트 부재(330)에 의해 형성되는 벤팅 유로(P)에 대해 상세히 서술한다.
실시예들에서, 커버 어셈블리(300)는 벤팅 유로를 길게 연장할 수 있도록 구성된 덕트 부재(330)를 포함할 수 있다. 덕트 부재(330)는 단독으로, 또는 커버 어셈블리(300)의 다른 구성 요소와 조합되어 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)로 기능하는 공간을 형성할 수 있다.
실시예들에서, 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이에서 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)가 형성될 수 있다. 도 5를 참고하면, 덕트 부재(330)는 바디부(331)에서 엔드 커버(310)를 향하는 방향으로 돌출되는 하나 이상의 격벽(333)을 포함할 수 있다 격벽(333)은 엔드 커버(310)에 맞닿아 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이의 공간을 복수의 서브 공간으로 구획할 수 있다. 각각의 서브 공간들은 가스가 흐를 수 있는 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)로 기능할 수 있다.
또는, 도면에 도시된 바와 달리, 벤팅 유로는 덕트 부재(330)의 내부에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 덕트 부재(330)의 바디부(331)의 내부에는 하나 이상의 격벽으로 구획된 복수의 공간이 형성될 수 있으며, 이 공간들을 통해 가스가 유동하여 엔드 커버(310)의 배출구(311)로 배출될 수 있다.
덕트 부재(330)는 벤팅 유로와 연통되는 유입구(332)를 포함할 수 있다. 유입구(332)는 덕트 부재(330)와 버스바 어셈블리(200) 사이에 배치되는 절연 커버(320)를 회피하여 하우징(400)의 내부 공간에 연통될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 덕트 부재(330)의 유입구(332)는 절연 커버(320)와 하우징(400) 사이에 배치되어 하우징(400)의 내부 공간과 연통될 수 있다. 이에 따라, 셀 적층체(100)에서 발생된 가스 또는 화염은 절연 커버(320)에 방해받지 않고 유입구(332)로 유입될 수 있다.
또는, 유입구(332)는 절연 커버(320)를 통과하여 하우징(400)의 내부 공간에 연통될 수 있다. 이 경우, 절연 커버(320)는 유입구(332)의 적어도 일부를 감싸는 형상을 가질 수 있다.
유입구(332)는 버스바 어셈블리(200)의 버스바(210)를 회피하여 하우징(400)의 내부 공간에 연통될 수 있다. 예를 들어, 유입구(332)는 하우징(400)과 버스바(210) 사이에 배치될 수 있으며, 이에 따라, 하우징(400) 내부 공간의 가스나 화염이 버스바(210)를 회피하여 유입구로 유동될 수 있다.
유입구(332)를 통해 유입된 가스나 화염은 덕트 부재(330)에 의해 형성되는 벤팅 유로(P)를 따라 흐르면서 온도 및 에너지가 감소할 수 있다.
벤팅 유로(P)에 흐르는 가스 또는 화염을 더욱 안전하게 처리하기 위해, 커버 어셈블리(300)에는 하나 이상의 필터(340)가 배치될 수 있다. 필터(340)는 벤팅 유로(P)를 따라 하나 이상 배치될 수 있으며, 이에 따라, 벤팅 유로(P)를 흐르는 가스나 화염은 필터(340)를 통과하면서 필터(340)의 물리적, 재료적 성질에 따라 적절히 처리될 수 있다.
도 5를 참고하면, 필터(340)는 덕트 부재(330)에 대해 고정될 수 있다. 예를 들어, 필터(340)는 덕트 부재(330)의 바디부(331)의 일면에 고정될 수 있다.
덕트 부재(330)의 일면에는 필터(340)가 안착되는 안착부(334)가 형성될 수 있다.
덕트 부재(330)의 격벽(333)은 안착부(334)의 가장자리 중 적어도 일부에 배치될 있다. 이에 따라 안착부(334) 및 격벽(333)으로 둘러 싸인 필터 수용 공간(336)이 형성될 수 있다.
필터 수용 공간(336)은 복수 개 형성될 수 있다. 각 필터 수용 공간(336)은 서로 연통되어 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 유입구(332)와 연통되는 제1 필터 수용 공간(336a)은 적어도 일측이 개방되어 제2 필터 수용 공간(336b)과 연통될 수 있다. 제2 필터 수용 공간(336b)은 제1 필터 수용 공간(336a)과 연통되는 일측 외 다른 부분이 개방되어 제3 필터 수용 공간(336c)과 연통될 수 있다. 제3 필터 수용 공간(336c)은 엔드 커버(310)의 배출구(311)와 마주보고 연통되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 유입구(332)로부터 유입된 가스는 제1 내지 제3 필터 수용 공간(336a, 336b, 336c)을 거쳐 배출구(311)로 빠져나갈 수 있다.
덕트 부재(330)는 바디부(331)의 일면에서 돌출되어 필터(340)를 지지하는 돌출부(335)를 포함할 수 있다. 돌출부(335)는 각 필터 수용 공간(336)의 사이에 배치되어 필터(340)를 지지하도록 구성될 수 있다. 돌출부(335)의 높이는 격벽(333)의 높이보다 낮게 구성될 수 있으며, 이에 따라 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P) 내부의 가스나 화염이 돌출부(335)를 넘어서 흘러갈 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 필터 수용 공간(336a)과 제2 필터 수용 공간(336b) 사이 또는 제2 필터 수용 공간(336b)과 제3 필터 수용 공간(336c) 사이에 돌출부(335)가 배치될 수 있으며, 이 때 돌출부(335)는 격벽(333)보다 낮은 높이로 돌출될 수 있다. 유입구(332)로부터 제1 필터 수용 공간(336a)으로 유입된 가스는 돌출부(335)를 넘어 제2 필터 수용 공간(336b)으로 흘러 갈 수 있다.
실시예들에서, 적어도 일부 필터 수용 공간(336)에는 필터(340)가 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 서로 연통되는 제1 내지 제3 필터 수용 공간(336a, 336b, 336c) 중 제2 필터 수용 공간(336b)에는 필터(340)가 배치되지 않을 수 있다. 각 필터 수용 공간(336)에서 필터(340)의 배치 여부는 배터리 모듈(10)에 요구되는 배기 조건에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
도 5를 참고하여 필터 수용 공간(336)에 관해 계속 설명한다.
복수의 필터(340) 중 적어도 하나는 덕트 부재(330)의 안착부(334)에 수용될 수 있다. 안착부(334)는 덕트 부재(330)의 바디부(331)에서 엔드 커버(310)를 향하는 일면에 배치될 수 있다. 안착부(334)는 복수 개로 제공될 수 있으며, 복수의 안착부(334) 중 적어도 일부에 하나 이상의 필터(340)가 수용될 수 있다. 복수의 안착부(334) 중 일부에는 필터(340)가 배치되지 않을 수도 있다.
격벽(333)은 안착부(334)의 가장자리 중 적어도 일부에 배치될 수 있다. 격벽(333)은 바디부(331)에서 엔드 커버(310)를 향하는 방향으로 돌출될 수 있다.
안착부(334)는 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 것과 같이, 안착부(334)는 가장자리가 육각형을 이루도록 구성될 수 있다. 다만, 안착부(334)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다. 안착부(334)의 가장자리가 삼각형, 사각형 또는 다각형을 이루도록 구성될 수도 있다.
안착부(334)의 가장자리는 격벽(333)이 배치되는 제1 가장자리(334a) 및 가스 유동이 차단되지 않는 제2 가장자리(334b)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 가장자리(334b)에는 격벽(333)보다 낮게 돌출되어 필터(340)를 지지하는 돌출부(335)가 배치될 수 있다. 또는, 제2 가장자리(334b)에는 제1 가장자리(334a)의 격벽(333)과는 달리 가스나 화염이 통과할 수 있는 관통 홀을 가지는 격벽이 배치될 수 있다. 또는, 제2 가장자리(334b)는 돌출되는 부분이 없이 평평한 상태로 구성될 수도 있다.
어느 한 안착부(334)의 제2 가장자리(334b)는 인접하는 다른 안착부(334)의 제2 가장자리(334b)와 맞닿을 수 있다. 제1 가장자리(334a) 부분은 격벽(333)에 의해 막혀 있으며, 제2 가장자리(334b) 부분은 가스나 화염이 유동할 수 있도록 개방되어 있으므로, 각 안착부(334)에 대응되는 필터 수용 공간(336)은 제2 가장자리(334b) 부분을 통해 서로 연통될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 각 필터 수용 공간들(336)을 통과하는 벤팅 유로(도 6 내지 도 11의 P)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 6 및 도 7에서는 필터 수용 공간(336)들이 배터리 모듈(10)의 높이 방향(예를 들어, 도 6 및 도 7의 Y축 방향)으로 연통되며, 그에 따라 벤팅 유로(P)가 형성되는 모습을 나타내고 있다. (도 6에서 절연 커버(320)는 생략되었다.) 다만, 이는 예시일 뿐이며, 필터 수용 공간들(336)은 다양한 방향으로 서로 연통될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 8 내지 도 10을 참고하여 후술한다.
계속해서 도 4 내지 도 7을 참고하면, 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이에 벤팅 유로(P)가 형성되는 경우, 덕트 부재(330)의 필터 수용 공간(336)은 엔드 커버(310)를 향하는 일측이 개방된 형상으로 구성될 수 있다. 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310)가 결합됨에 따라, 필터 수용 공간(336)의 개방된 상기 일측을 엔드 커버(310)가 덮을 수 있으며, 덕트 부재(330)의 안착부(334), 엔드 커버(310) 그리고 격벽(333)으로 둘러 싸인 공간에서 벤팅 유로(P)가 형성될 수 있다.
복수의 필터(340)는 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이 공간에 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 필터(340)는 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이에서 제1 방향(Z축 방향)과 수직한 평면 상에 배치될 수 있다.
복수의 필터(340)는 일 방향으로 나란히 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 필터(340)는 제1 방향(Z축 방향)과 수직한 제2 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 나란히 배치될 수 있다. 여기서 제1 방향(Z축 방향)은 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310)가 서로 마주보는 방향일 수 있다. 복수의 필터(340)가 제2 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 나란히 배치됨에 따라, 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이의 협소한 공간에 많은 수의 필터(340)를 배치할 수 있다.
유입구(332)로부터 유입된 가스는 벤팅 유로(P)를 따라 흐르면서 각각의 필터 수용 공간(336)에 배치된 필터(340)를 통과할 수 있다. 이 경우, 복수의 필터(340)는 각각 고유한 성질을 가지는 다종의 필터(340)로 구성될 수 있다.
복수의 필터(340)는 서로 다른 종류의 필터(340)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 제1 필터(340a), 제2 필터(340b), 및 제3 필터(340c)는 서로 다른 종류의 필터(340)일 수 있다.
복수의 필터(340) 중 적어도 일부는 복합층을 가지는 금속 망 필터나 다공성 메탈 폼(Metal Foam)으로 구성되는 메쉬 필터일 수 있다. 다공성 메탈 폼은 비정형 기공을 가지는 다공질 구조로 구성될 수 있다. 메쉬 필터는 반응성 물질(예를 들어, 열 폭주 상황에서 발생되는 도전성 파티클 등)이 배터리 모듈(10) 외부로 배출되는 것을 차단하고, 필터(340)를 통과하는 가스의 온도를 낮춰 화염을 제거할 수 있다. 이 경우, 메쉬 필터는 황동, 청동, 구리, SUS, 알루미늄 등의 금속 소재를 하나 이상 포함할 수 있다. 이러한 필터를 이하에서 '제1 종 필터'로 정의한다.
복수의 필터(340) 중 적어도 일부는 셀 적층체(100)에서 발생되는 유독 가스를 필터링할 수 있는 정화 필터로 구성될 수 있다. 이 경우, 정화 필터는 활성탄(Charcoal) 또는 세라믹 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 필터를 이하에서 '제2 종 필터'로 정의한다.
복수의 필터(340) 중 적어도 일부는 배터리 모듈(10) 외부로부터 내부로의 수분이나 이물질의 침투를 막는 차단 필터로 구성될 수 있다. 이 경우, 차단 필터는 고어텍스, PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene), 니들펠트, 폴리에스테르 등의 섬유 계열 소재를 적어도 하나 포함할 수 있다. 이러한 필터를 이하에서 '제3 종 필터'로 정의한다.
커버 어셈블리(300)에 복수의 벤팅 유로가 형성되는 경우, 각각의 벤팅 유로에는 하나 이상의 필터 세트가 배치될 수 있다. 여기서 필터 세트는 벤팅 유로(P) 내부를 흐르는 가스 또는 화염이 차례로 또는 동시에 통과되도록 구성된 필터들의 집합을 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 5 및 도 6는 덕트 부재(330)에서 복수의 유입구(332) 및 복수의 배출구(311)에 각각 연통되는 복수의 벤팅 유로(P)가 구성되며, 각 벤팅 유로(P)에 하나의 필터 세트가 배치된 모습을 나타낸다. 어느 한 벤팅 유로(P)에 배치되는 필터 세트는 제1 종, 제2 종 및 제3 종 필터가 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 하나의 필터 세트는 제2 방향으로 배열되는 복수의 필터들(340)을 포함하며, 제1 종, 제2 종 및 제3 종 필터가 차례대로 배치된 것일 수 있다. 다만, 필터(340)의 배치는 상술한 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 어느 한 벤팅 유로에 배치되는 복수의 필터(340)는 제1 종 및 제2 종 필터의 조합, 또는 제1 종 및 제3 종 필터의 조합일 수도 있다. 또는, 복수의 필터(340)는 동일한 종류의 필터(예를 들어, 모두 제1 종 필터)로 제공될 수도 있다.
각각의 필터 수용 공간(336)에 배치되는 필터(340)는 필터 수용 공간(336)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 안착부(334)가 육각형의 형태로 구성될 경우, 필터(340)는 안착부(334)와 엔드 커버(310) 사이의 거리에 대응하는 높이를 가진 육각 기둥의 형태로 구성되어 필터 수용 공간(336)에 수용될 수 있다.
필터(340)는 필터 수용 공간(336)에 억지 끼움 되어 고정되거나 혹은 덕트 부재(330)의 돌출부(335)에 의해 지지되어 고정될 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 모듈(10)에 있어서, 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이의 좁은 공간에 복수의 필터(340)를 집약적으로 배치하고, 유입구(332)를 통해 유입된 가스 및 화염이 이들 필터(340)를 거치도록 벤팅 경로를 구성하여, 배터리 모듈(10)의 공간 효율성을 극대화할 수 있다.
도 5 내지 도 7에서는 배터리 모듈(10)의 높이 방향으로 벤팅 유로(P)가 구성된 모습을 나타내나, 실시예들에 따른 커버 어셈블리(300)에 형성되는 벤팅 유로(P)의 경로는 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 도 8 내지 도 10을 참고하여, 실시예들에 따른 커버 어셈블리(300)가 형성하는 다양한 경로의 벤팅 유로(P)를 설명한다.
도 8은 덕트 부재(330)에 형성되는 벤팅 유로(P)의 예시적 경로를 나타낸다. 도 9는 덕트 부재(330)에 형성되는 벤팅 유로(P)의 다른 예시적 경로를 나타낸다. 도 10은 덕트 부재(330)에 형성되는 벤팅 유로(P)의 다른 예시적 경로를 나타낸다. 도 8 내지 도 10에서 설명되는 배터리 모듈, 커버 어셈블리 및 덕트 부재(330)는 앞서 도 1 내지 도 7에서 설명되는 배터리 모듈(10), 커버 어셈블리(300) 및 덕트 부재(330)에 각각 대응되는 것으로, 중복되는 설명은 생략한다.
커버 어셈블리(예를 들어, 도 1 내지 도 7의 300)의 덕트 부재(330)와 엔드 커버(예를 들어, 도 2 내지 도 7의 310) 사이에는 셀 적층체(100)에서 발생된 가스나 화염이 유동할 수 있는 벤팅 유로(P)가 형성될 수 있다.
도 8을 참고하면, 엔드 커버(310)와 마주보는 바디부(331)의 일면에는 격벽(333)이 배치되어 필터(340)가 수용될 수 있는 복수의 필터 수용 공간(336)을 형성할 수 있다.
필터 수용 공간(336)에서 격벽(333)이 배치되지 않는 부분(예를 들어, 도 8에서 돌출부(335)가 배치되는 부분)은 개방될 수 있다. 필터 수용 공간(336)은 개방된 부분을 통해 다른 필터 수용 공간(336)과 연통될 수 있다. 즉, 복수의 필터 수용 공간(336)은 가스 및 화염이 유동할 수 있도록 서로 연통될 수 있으며, 이에 따라 어느 한 필터 수용 공간(336)에서 다른 필터 수용 공간(336)으로 이어지는 벤팅 유로(P)가 형성될 수 있다.
어느 한 필터 수용 공간(336)은 제1 방향(예를 들어, Z축 방향)과 수직한 방향으로 적어도 일측이 개방되어 이웃하는 다른 필터 수용 공간(336)과 연통될 수 있다. 이 경우, 제1 방향(Z축 방향)은 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310)가 서로 마주보는 방향일 수 있다.
실시예들에서, 필터 수용 공간(336)에서 개방되는 부분을 다양하게 변경하여 벤팅 유로(P)를 여러 경로로 구성할 수 있다. 예를 들어, 어느 한 필터 수용 공간(336)에 대응하는 안착부(334)가 육각형의 형태로 구성될 경우, 필터 수용 공간(336)은 안착부(334)의 가장자리 여섯 개의 변 중 적어도 한 변에 대응되는 부분이 개방될 수 있으며, 개방된 부분을 통해 가스가 흘러 나갈 수 있다.
예를 들어, 도 8은 배터리 모듈(10)의 높이 방향으로 연통되는 복수의 필터 수용 공간(336)을 가지는 덕트 부재(330)를 나타내고 있다. 도 9 및 도 10은 각각 도 8의 벤팅 유로(P)와 다른 경로를 형성할 수 있는 덕트 부재(330)를 나타내고 있다.
어느 한 필터 수용 공간(336)은 하나 또는 둘 이상의 측면이 개방될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 어느 한 필터 수용 공간(336b)은 네 측면이 개방되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 유입구(332)와 연통되는 제1 필터 수용 공간(336a)으로 유입된 가스는 네 측면이 개방된 제2 필터 수용 공간(336b)으로 유입된 후 세 갈래로 나뉘어 다른 필터 수용 공간(336c)으로 흘러 나갈 수 있다.
필터 수용 공간(336)의 개방 방향에 따라, 벤팅 유로(P)는 복수 회 꺾여 배출구(311)까지 연결될 수 있다. 이에 따라 셀 적층체(예를 들어, 도 2의 100)에서 발생된 고온 고압의 가스, 화염 및 연소 파티클은 복수의 필터 수용 공간(336)들이 서로 다양한 방향으로 이어져 형성된 벤팅 유로(P)를 따라 흐르는 동안 내부 에너지가 감소하게 되어, 안정한 상태로 배터리 모듈(예를 들어, 도1 및 도 2의 10) 외부로 배출될 수 있다.
실시예들에서, 벤팅 유로(P)는 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310)가 서로 마주보는 방향과 수직한 평면과 나란하면서 복수 회 꺾인 경로를 가지도록 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의할 경우, 셀 적층체(100)와 엔드 커버(310) 사이의 한정적인 공간에서 최대한 긴 벤팅 유로(P)를 구성할 수 있다. 즉, 벤팅 유로(P)를 길게 구성하기 위해, 배터리 모듈(10)의 길이 방향(예를 들어, 커버 어셈블리(300)와 셀 적층체(100)가 마주보는 방향인 제1 방향)으로 그 크기를 증가시키지 않으면서도 충분히 긴 벤팅 유로(P)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(10)의 공간 효율성을 증대시킬 수 있으며, 긴 벤팅 유로(P)를 이용하여 고온의 가스 및 화염을 안정적으로 처리할 수 있다.
커버 어셈블리(300)에서 벤팅 유로(P)는 복수 개 형성될 수 있다. 예를 들어, 커버 어셈블리(300)에는 복수의 유입구(332)에 각각 연결되는 복수의 벤팅 유로(P)가 형성될 수 있다.
복수의 벤팅 유로(P)는 서로 중첩되지 않을 수 있다. 즉, 서로 다른 유입구와 연결되는 복수의 벤팅 유로는 각각 서로 다른 배출구에 도달할 수 있다. 예를 들어, 도 8 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 서로 다른 두 유입구(332)로 유입된 가스는 각각 서로 다른 두 벤팅 유로(P)를 따라 흘러 서로 다른 배출구(311)로 배출될 수 있다. 서로 다른 두 벤팅 유로(P)는 격벽(333)에 의해 서로 분리되어 서로 만나지 않을 수 있다. 이에 따라 셀 적층체(100)의 일부분의 열 폭주에 의해 방출된 가스는 어느 한 벤팅 유로(P)를 통해 안전하게 배출될 수 있으며, 이웃하는 다른 벤팅 유로(P)나 셀 적층체(100)의 다른 부분으로 전파되지 않을 수 있다.
다만, 필터 수용 공간(336)의 개방 방향을 다양하게 설정하여, 둘 이상의 유입구(332)와 모두 연통되는 하나의 벤팅 유로나, 또는 둘 이상의 배출구(311)와 모두 연통되는 하나의 벤팅 유로를 구성할 수도 있다.
도 11은 실시예들에 따른 덕트 부재(330)의 정면도이다.
도 8 내지 도 10에서, 덕트 부재(330)의 안착부(334)의 가장자리가 육각형을 이루고 있으나, 안착부(334)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 덕트 부재(330)의 안착부(334)는 그 가장자리가 사각형을 이루도록 구성될 수도 있다.
이 경우, 사각형을 이루는 가장자리 중 일부 가장자리(334a)에는 격벽(333)이 배치되고, 다른 일부 가장자리(334b)에는 격벽(333)이 배치되지 않을 수 있다. 이에 따라, 격벽(333)이 배치되지 않은 가장자리(334b) 부분을 통해 어느 한 필터 수용 공간(336)에서 다른 필터 수용 공간(336)으로 가스 또는 화염이 유동하여 벤팅 유로(P)가 형성될 수 있다.
안착부(334) 가장자리는 도 11에 도시된 사각형 형상 외에도 다양한 형상의 다각형으로 구성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 유로(P)는 이러한 다각형의 변들 중 적어도 하나를 지나도록 구성될 수 있다.
도 11에 도시된 덕트 부재(330)에서 안착부(334) 가장자리의 형상이 사각형을 이루는 것을 제외하면, 앞서 도 1 내지 도 10에서 설명되는 덕트 부재(330)에 관한 기술적 특징이 모두 적용될 수 있는 바, 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에서, 배터리 모듈(10)은 모듈 내부에서 벤팅 유로(P)를 길게 구성하여 열 폭주 상황에서 발생되는 고온의 가스의 온도를 떨어뜨리고, 화염이 배터리 모듈(10) 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리 모듈(10)은 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이에서 복수 회 꺾인 형태의 벤팅 유로(P)를 형성하여, 가스 및 화염의 유동 경로를 더욱 길게 확보할 수 있다. 이 경우, 벤팅 유로(P)는 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310)가 서로 마주보는 방향과 수직한 평면과 나란한 방향으로 연장되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(10)의 크기를 증가시키지 않으면서 최대한 긴 경로를 가지는 벤팅 유로(P)를 구성할 수 있다.
덕트 부재(330)와 엔드 커버(310)의 사이에는 필터(340)가 수용될 수 있는 복수의 필터 수용 공간(336)이 배치될 수 있다. 복수의 필터 수용 공간(336)들은 서로 연통되어 다양한 경로를 가지는 벤팅 유로(P)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 덕트 부재(330)와 엔드 커버(310) 사이의 좁은 공간에서 다양한 경로의 벤팅 유로(P)를 형성할 수 있다.
셀 적층체(100)에서 발생된 가스는 필터 수용 공간(336)에 수용된 필터(340)를 통과하는 동안 온도가 낮아지거나, 유해한 물질이 필터링되어, 안전한 상태로 배터리 모듈(10) 외부로 배출될 수 있다. 또한, 열 폭주 상황에서 발생된 화염이 벤팅 유로(P)를 따라 흐르면서 안전하게 제거될 수 있다.
복수의 벤팅 유로(P)는 서로 중첩되거나 만나지 않도록 구성되어, 어느 한 벤팅 유로(P)로 유입된 가스나 화염이 다른 벤팅 유로(P)로 흘러가지 않을 수 있다. 이에 따라, 셀 적층체(100)의 어느 한 부분에서 발생된 가스나 화염이 벤팅 유로(P)를 따라 흘러 셀 적층체(100)의 다른 부분에 전파되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 평균적인 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 또한, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
10... 배터리 모듈 100... 셀 적층체
110... 배터리 셀 120... 단열 부재
200... 버스바 어셈블리 210... 버스바
300... 커버 어셈블리 310... 엔드 커버
311... 배출구 320... 절연 커버
330... 덕트 부재 331... 바디부
332... 유입구 333... 격벽
334... 안착부 335... 돌출부
336... 필터 수용 공간 340... 필터
400... 하우징 500... 센싱 모듈
600... 방열 부재

Claims (18)

  1. 내부 공간을 가지는 하우징;
    상기 내부 공간에 수용되는 복수의 배터리 셀; 및
    상기 하우징의 적어도 일측에 결합되는 커버 어셈블리를 포함하며,
    상기 커버 어셈블리는
    복수의 배터리 셀 중 적어도 일부에서 발생된 가스가 유동할 수 있는 벤팅 유로를 형성하는 덕트 부재;
    상기 벤팅 유로와 연결되는 하나 이상의 배출구를 포함하며, 상기 덕트 부재와 제1 방향으로 마주보는 엔드 커버; 및
    상기 벤팅 유로에 배치되는 복수의 필터를 포함하고,
    상기 복수의 필터는 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 배치되는 배터리 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 덕트 부재는
    상기 복수의 필터를 지지하는 바디부; 및
    상기 벤팅 유로와 연결되는 하나 이상의 유입구를 포함하는 배터리 모듈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 덕트 부재의 상기 바디부는
    상기 복수의 필터 중 적어도 하나가 수용될 수 있는 안착부; 및
    상기 안착부의 가장자리 중 적어도 일부에서 상기 엔드 커버를 향해 돌출되는 격벽을 포함하는 배터리 모듈.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 바디부의 일면은 상기 엔드 커버와 대향하고, 상기 바디부의 상기 일면과 반대되는 타면은 복수의 배터리 셀과 대향하며,
    상기 안착부는 상기 바디부의 상기 일면에 배치되는 배터리 모듈.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 안착부의 상기 가장자리는 다각형을 이루며,
    상기 벤팅 유로는 상기 다각형의 변들 중 적어도 하나를 지나는 배터리 모듈.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 안착부의 상기 가장자리는
    상기 격벽이 배치되는 제1 가장자리; 및
    상기 벤팅 유로가 통과하는 제2 가장자리를 포함하는 배터리 모듈.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 바디부는 상기 제2 가장자리에서 돌출되어 상기 복수의 필터 중 적어도 하나를 지지하는 돌출부를 포함하는 배터리 모듈.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 엔드 커버에 맞닿는 배터리 모듈.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유입구는 상기 바디부를 관통하여 상기 하우징의 내부 공간과 연통되는 배터리 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀은 상기 제1 방향과 수직한 제3 방향으로 적층되며,
    상기 하나 이상의 유입구는 상기 제3 방향으로 나란히 배치되는 배터리 모듈.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배출구는 상기 제3 방향으로 나란히 배치되는 배터리 모듈.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유입구는 상기 하나 이상의 배출구와 상기 제2 방향으로 이격되며,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향 및 상기 제3 방향에 모두 수직한 배터리 모듈.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유입구는 제1 유입구 및 제2 유입구를 포함하고,
    상기 하나 이상의 배출구는 제1 배출구 및 제2 배출구를 포함하며,
    상기 벤팅 유로는 상기 제1 유입구와 상기 제1 배출구를 연결하는 제1 벤팅 유로 및 상기 제2 유입구와 상기 제2 배출구를 연결하는 제2 벤팅 유로를 포함하고,
    상기 제1 벤팅 유로와 상기 제2 벤팅 유로는 격벽에 의해 서로 분리되는 배터리 모듈.
  14. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 버스바를 더 포함하는 배터리 모듈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 버스바와 상기 엔드 커버 사이에 배치되는 절연 커버를 더 포함하는 배터리 모듈.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 바디부는 상기 절연 커버와 상기 엔드 커버 사이에 배치되며,
    상기 유입구는 상기 버스바와 상기 하우징 사이에 배치되는 배터리 모듈.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 필터는 서로 다른 종류의 필터로 구성되는 배터리 모듈.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 복수의 필터 중 적어도 하나는 비정형 기공을 가지는 금속 메쉬를 포함하는 배터리 모듈.
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