KR20220155879A - 가스 벤팅 패스를 구비한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리 셀들, 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징, 상기 모듈 하우징의 내부와 연통하게 마련된 가스 벤팅 채널을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들; 및 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하게 마련되되, 벽체를 형성하는 팩 프레임의 내부에 가스 이동통로를 구비한 팩 케이스;를 포함하며, 각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 벤팅 채널은 상기 가스 이동통로에 연통하게 마련될 수 있다.

Description

가스 벤팅 패스를 구비한 배터리 팩{Battery pack having a gas venting path}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈 내부에 가스 발생시 상기 배터리 모듈의 가스를 안전하고 효율적으로 팩 케이스 외부로 배출시킬 수 있는 가스 벤팅 패스를 구비한 배터리 팩에 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.
최근 많이 사용하고 있는 리튬 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 리튬 이차전지들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용한다.
전기자동차에 요구되는 배터리 팩의 출력이나 용량에 따라 하나의 배터리 모듈에 들어가는 리튬 이차전지의 개수가 증가하거나 하나의 배터리 팩에 들어가는 배터리 모듈의 개수가 증가할 수 있다.
그러나 이처럼 많은 개수의 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩의 경우, 화재 및 폭발이 발생하는 경우 그 피해는 더욱 커질 수 밖에 없다.
예컨대, 일부 배터리 모듈에서 리튬 이차전지 간의 쇼트 또는 비이상적 온도 상승 등과 같은 이벤트가 발생할 경우, 상기 리튬 이차전지들에서 다량의 벤팅 가스가 발생할 수 있으며, 열화가 심화되면 벤팅 가스와 더불어 전극 활물질과 알루미늄 입자 등을 포함한 고온의 스파크가 분출될 수 있다. 이때 상기 벤팅 가스 및 고온의 스파크가 인접 배터리 모듈에 열적 데미지를 주게 되고 이 때문에 다른 배터리 모듈들에 추가 이벤트가 일어날 우려가 매우 커진다.
따라서 일부 배터리 모듈에서 벤팅 가스 및 고온의 스파크가 발생시, 다른 배터리 모듈들에 미치는 영향을 최소화하면서 벤팅 가스를 신속하고 안전하게 배터리 팩 외부로 배출시킬 수 있는 가스 벤팅 패스에 대한 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 일부 배터리 모듈 내부에서 벤팅 가스 또는 스파크가 발생시, 다른 배터리 모듈들에 미치는 영향을 최소화하면서 벤팅 가스를 신속하고 안전하게 팩 케이스 외부로 배출시킬 수 있는 가스 벤팅 패스를 구비한 배터리 팩을 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, 배터리 셀들, 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징, 상기 모듈 하우징의 내부와 연통하게 마련된 가스 벤팅 채널을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들; 및 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하게 마련되되, 벽체를 형성하는 팩 프레임의 내부에 가스 이동통로를 구비한 팩 케이스;를 포함하고, 각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 벤팅 채널은 상기 가스 이동통로에 연통하게 마련된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 가스 벤팅 채널은 중공 구조로 마련된 덕트부와, 상기 덕트부의 일면에 구비되는 가스 인렛부 및 상기 덕트부의 연장 방향으로 상기 가스 인렛부에서 소정 거리 이격된 위치에서 상기 덕트부의 타면에 구비되는 가스 아웃렛부를 포함할 수 있다.
상기 가스 인렛부는 상기 모듈 하우징에 구비되는 제1 개구와 매칭되고 상기 가스 아웃렛부는 상기 팩 프레임에 구비되는 흡인구와 매칭되게 마련될 수 있다.
상기 덕트부는 내부 공간을 구획화하는 복수 개의 격판들을 구비할 수 있다.
상기 덕트부는 상기 복수 개의 격판들 사이마다 길이 방향으로 연장된 복수 개의 좁은 통로를 구비할 수 있다.
상기 벽체를 형성하는 팩 프레임은, 상기 팩 케이스의 좌측 벽체를 형성하는 좌측 사이드 프레임과 상기 팩 케이스의 우측 벽체를 형성하는 우측 사이드 프레임일 수 있다.
상기 좌측 사이드 프레임과 상기 우측 사이드 프레임은 각각, 상기 배터리 모듈의 높이 방향으로 연장된 수직 프레임부와, 상기 수직 프레임부에서 수평 방향으로 연장되고 상기 가스 벤팅 채널과 연결되게 마련된 모듈 연결 프레임부를 포함할 수 있다.
상기 가스 이동통로는 상기 모듈 연결 프레임부에 구비되고, 상기 모듈 연결 프레임부의 일단부는 외기와 통하게 개방 구조로 마련될 수 있다.
상기 가스 벤팅 채널은 상기 모듈 하우징의 상부에 배치되고, 상기 모듈 연결 프레임부는 상기 가스 벤팅 채널의 상부에 배치되고 상기 가스 벤팅 채널과 연통하게 마련될 수 있다.
상기 가스 벤팅 채널은 상기 모듈 하우징의 상부에 배치되고, 상기 모듈 연결 프레임부는 상기 가스 벤팅 채널의 측면부 배치되고 상기 가스 벤팅 채널과 연통하게 마련될 수 있다.
상기 배터리 셀들은 상기 모듈 하우징의 내부 공간을 구획하는 방화벽을 사이에 두고 마주하게 배치되는 제1 그룹 배터리 셀들과 제2 그룹 배터리 셀들을 포함할 수 있다.
상기 제1 개구는 상기 방화벽을 기준으로 상기 모듈 하우징의 상단 좌측편에 구비되는 제1_1 개구와, 상기 모듈 하우징의 상단 우측편에 구비되는 제1_2 개구를 포함하고, 상기 가스 인렛부는 상기 제1_1 개구와 매칭되는 제1 가스 인렛부와, 상기 제1_2 개구와 매칭되는 제2 가스 인렛부를 포함할 수 있다.
상기 가스 아웃렛부는 상기 덕트부의 좌측 가장자리 영역에 마련되는 제1 가스 아웃렛부와 상기 덕트부의 우측 가장자리 영역에 마련되는 제2 가스 아웃렛부를 포함할 수 있다.
상기 제1 개구가 열 용융 가능한 소재로 마련된 마개로 밀봉될 수 있다.
상기 모듈 하우징과 상기 가스 벤팅 채널은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하여 구성된 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일부 배터리 모듈 내부에서 벤팅 가스 또는 스파크가 발생시, 다른 배터리 모듈들에 미치는 영향을 최소화하면서 벤팅 가스를 신속하고 안전하게 팩 케이스 외부로 배출시킬 수 있는 가스 밴팅 패스를 구비한 배터리 팩이 제공될 수 있다.
구체적으로, 각 배터리 모듈은 외측부에 모듈 내부와 연통하는 가스 벤팅 채널이 부착 또는 일체화된 구조로 마련되고, 팩 케이스의 벽체를 형성하는 팩 프레임은 중공 구조로서 내부에 가스 이동통로를 구비하는 구조로 마련된다.
상기 각 배터리 모듈의 가스 벤팅 채널과 상기 팩 케이스의 팩 프레임은 서로 연통하게 구성된다. 따라서 각 배터리 모듈에서 가스가 발생하면, 상기 가스는 가스 벤팅 채널의 내부와 팩 프레임의 가스 이동통로를 따라 팩 케이스 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 가스가 팩 케이스 내부로 확산되지 않음으로 인접한 다른 배터리 모듈은 가스에 의한 열적 데미지를 거의 받지 않는다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 가스 벤팅 채널은 중공 구조의 덕트부와 상기 덕트부의 일면에 구비되는 가스 인렛부, 상기 가스 인렛부와 소정 거리 떨어진 위치에서 상기 덕트부의 타면에 구비되는 가스 아웃렛부를 포함하도록 구성됨으로써, 배터리 모듈의 내부로부터 스파크나 화염은 가스 벤팅 채널 내부로 쉽게 유입되지 않도록 하였다. 따라서 각 배터리 모듈에서 생성된 가스는 팩 케이스 외부로 배출되고 고온의 스파크 입자나 화염은 팩 케이스 외부로 쉽게 배출되지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 팩 케이스의 팩 프레임을 활용하여 가스 벤팅 패스를 구현한 것이므로, 예컨대 팩 케이스 내부 공간에 별도의 부품을 추가하여 가스 벤팅 패스를 구현한 경우와 비교하면 부품수 절감, 조립 공정 단순화, 공간 활용성 측면에서 보다 효과적이라 할 수 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 팩의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 부분 분해 사시도이다
도 3은 도 1의 배터리 팩의 가스 벤팅 패스에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈의 주요 부분 분해 사시도이다.
도 6은 도 4의 배터리 모듈의 하부를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 A 영역에 따른 가스 벤팅 채널의 부분 절개 사시도이다.
도 8은 도 5의 가스 벤팅 채널의 저면도이다.
도 9는 도 5의 가스 벤팅 채널의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 하우징의 제1 개구를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 가스 아웃렛부 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 12은 도 10의 배터리 모듈이 팩 케이스의 우측 사이드 프레임에 연결된 구조를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈과 팩 케이스 사이의 가스 벤팅 패스를 설명하기 위한 배터리 팩의 부분 단면도이다.
도 14는 도 13의 B영역 확대도이다.
도 15는 도 13의 C영역 확대도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 가스 아웃렛부 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 17은 도 16의 배터리 모듈과 팩 케이스의 우측 사이드 프레임에 연결된 구조를 도시한 도면이다.
도 18은 도 17의 D-D'에 따른 단면도이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 부분 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 배터리 팩의 가스 벤팅 패스에 대한 개념도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 복수 개의 배터리 모듈(100)들과,상기 복수 개의 배터리 모듈(100)들을 수용할 수 있는 팩 케이스(200)를 포함하며, 각 배터리 모듈(100)에서 가스 발생시, 가스 벤팅을 위해 각 배터리 모듈(100)의 상단 양쪽 끝부분이 중공 구조의 팩 프레임(230,240)에 연결된 구성을 포함한다.
자세히 후술하겠으나 본 발명의 배터리 팩(10)은, 도 3과 같이, 각 배터리 모듈(100)에서 발생한 가스가 각 배터리 모듈(100)과 연결되어 있는 팩 프레임의 내부를 통해서 배터리 팩(10)의 외부로 배출될 수 있게 설계되어 있다. 이러한 배터리 팩(10)은 일부 배터리 모듈(100)에서 고온의 가스가 발생하였을 때, 가스가 팩 케이스(200) 내부에서 다른 배터리 모듈(100)로 전파되지 않고 바로 배터리 팩(10)의 외부로 배출되기 때문에 다른 배터리 모듈(100)들에 추가적인 이벤트 발생 가능성이 현저히 낮다.
이하에서 위와 같은 가스 벤팅 패스를 구현하기 위한 본 발명의 배터리 모듈(100)과 팩 케이스(200) 구성에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 사시도이고, 도 5는 도 4의 배터리 모듈(100)의 주요 부분 분해 사시도이며, 도 6은 도 4의 배터리 모듈의 하부를 도시한 도면이고, 도 7은 도 5의 A 영역에 따른 가스 벤팅 채널의 부분 절개 사시도이다.
이들 도면들에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수 개의 배터리 셀(110)들, 모듈 하우징(120), 방화벽(130), 히트싱크(140) 및 가스 벤팅 채널(150)을 포함한다.
상기 배터리 셀(110)로는 에너지 밀도가 높고 적층이 용이한 파우치 타입 배터리 셀(110)이 적용될 수 있다. 상기 파우치 타입의 배터리 셀(110)들은 도 5와 같이, 상하방향(Z축 방향)으로 세워져 수평 방향(Y축 방향)으로 적층된 셀 적층체 형태로 제공될 수 있다. 물론, 본 실시예와 달리, 직육면의 각형 배터리 셀(110)들이나 원통형 배터리 셀(110)들을 사용하여 배터리 모듈(100)을 구성할 수도 있다.
모듈 하우징(120)은 복수 개의 배터리 셀(110)들을 수납하기 위한 구성요소로서 상기 복수 개의 배터리 셀(110)들을 외부의 물리적, 화학적 요소로부터 보호할 수 있게 기계적 강성이 높은 소재로 밀폐된 구조로 형성될 수 있다. 모듈 하우징(120)은 배터리 셀(110)들의 하부를 감싸는 하부 하우징(121)과 배터리 셀(110)들의 상부를 감싸는 상부 하우징(122)을 포함하여 구성될 수 있다. 상부 하우징(122)과 하부 하우징(121)은 대략 U자형 플레이트 형태로 마련되고 볼팅 및/또는 용접으로 상호 결합될 수 있다.
종래기술의 배터리 모듈(미도시)은 하나의 셀 적층체가 하나의 모듈 하우징에 수납 가능하게 구성된 예가 대부분이나, 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 여러 개의 셀 적층체가 하나의 모듈 하우징(120)에 수납 가능하게 구성된다.
이를테면, 도 5에 도시한 바와 같이, 배터리 셀(110)들은 하나의 셀 적층체를 형성하는 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 다른 하나의 셀 적층체를 형성하는 제2 그룹 배터리 셀들(G2)로 구분되고, 상기 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 상기 제2 그룹 배터리 셀들(G2)은 방화벽(130)을 사이에 두고 마주하게 모듈 하우징(120) 내부에 수납되게 구성될 수 있다.
방화벽(130)에 의해 구획된 하부 하우징(121)의 한 쪽 공간에 제1 그룹 배터리 셀들(G1)이 배치되고 구획된 하부 하우징(121)의 다른 쪽 공간에 제2 그룹 배터리 셀들(G2)이 배치된다. 이렇게 배치된 상기 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 상기 제2 그룹 배터리 셀들(G2)은 그 상부가 상부 하우징(122)으로 덮혀 상부 하우징(122), 하부 하우징(121) 그리고 방화벽(130)으로 둘러싸인 밀폐된 2개의 공간에 각각 수납되게 구성될 수 있다.
여기서 방화벽(130)은 모듈 하우징(120)의 내부 공간을 물리적으로 차단된 2개의 공간으로 구획화시키는 판상의 구조체를 의미한다. 상기 방화벽(130)은 예컨대 내화성 소재로 형성되거나 강성 소재로 형성되되, 그 양면에 내화성 소재(ex : 미카(mica))의 시트가 부착된 것일 수 있다. 이러한 방화벽(130)은 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 제2 그룹 배터리 셀들(G2) 사이의 열 전이를 차단하는 작용과 그 상단과 하단이 각각 상부 하우징(122)과 하부 하우징(121)을 중심부에 연결되어 있어 모듈 하우징(120)의 중심부 처짐을 방지하는 작용을 할 수 있다.
미도시 하였지만, 예컨대 상부 하우징(122)은 중앙 측면 영역이 부분적으로 개방된 개방부를 구비할 수 있다. 상기 개방부는 제1 그룹 배터리 셀들(G1)과 제2 그룹 배터리 셀들(G2)을 전기적으로 연결하기 위한 연결수단을 설치하는데 활용될 수 있다. 상기 연결수단으로는 금속 막대 형상의 버스바가 사용될 수 있으며, 연결수단 설치 후 상기 개방부는 밀봉 처리될 수 있다.
이러한 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100) 하나는 예컨대 하나의 모듈 하우징(120)에 하나의 셀 적층체를 수납한 구조의 배터리 모듈(100) 2개와 같은 용량을 가지면서도 부피는 더 컴팩트하게 구현될 수 있다. 나아가 이러한 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)을 사용하여 배터리 팩(10)을 구성할 경우, 팩 케이스(200)의 좌우 폭(X축 방향)을 줄이는데 유리할 수 있다.
한편, 모듈 하우징(120)의 하단, 다시 말하면 하부 하우징(121)의 저면에는, 도 6에 도시한 것과 같이, 히트싱크(140)가 구비될 수 있다. 여기서 히트싱크(140)는 배터리 셀(110)들과 간접 접촉하여 열을 흡수할 수 있는 냉각 부품을 의미한다. 상기 히트싱크(140)는 내부에 유로를 구비하는 알루미늄 소재의 판상체 형태로 제공될 수 있으며, 본 실시예 처럼 하부 하우징(121)에 일체화시키거나 하부 하우징(121)과의 접촉면에 열전달 물질을 개재하고 하부 하우징(121) 아래에 부착할 수도 있다.
가스 벤팅 채널(150)은 배터리 모듈(100)의 내부에서 생성된 벤팅 가스를 배터리 모듈(100) 외부로 배출하기 위한 구성으로서 일측은 모듈 하우징(120)의 내부와 연통하고 타측은 외기와 연통하게 마련될 수 있다. 이러한 가스 벤팅 채널(150)은 모듈 하우징(120)의 외측에 부착되거나 모듈 하우징(120)과 일체형으로 제공될 수 있다.
본 실시예의 가스 벤팅 채널(150)은 대략 상부 하우징(122)의 상면에 대응하는 사이즈를 가지며, 속이 빈 납짝한 사각 박스형으로 마련되고 모듈 하우징(120)의 상부에 부착될 수 있다. 상기 가스 벤팅 채널(150)은 고온의 가스 또는 고온의 스파크가 유입되어도 변형이 쉽게 일어나지 않도록 내화성 재질로 형성된 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 도 5 및 도 7 내지 도 9 참조하면, 상기 가스 벤팅 채널(150)은 중공 구조로 마련된 덕트부(151)와 상기 덕트부(151)로 가스를 유입시키기 위한 구멍에 해당하는 가스 인렛부(152)와, 상기 덕트부(151)에서 가스를 유출시키기 위한 구멍에 해당하는 가스 아웃렛부(153)를 포함한다.
덕트부(151)는 길이와 너비가 모듈 하우징(120)의 상면부 길이와 너비에 대응하고 내부가 비어있어 가스가 유동할 수 있게 마련된다. 또한, 덕트부(151)의 내부에는 너비 방향으로 상호 이격되고 길이 방향으로 길게 연장된 복수 개의 격판(154)들이 구비되어 있어 내부 공간이 구획될 수 있다.
예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이, 덕트부(151)의 내부는 격판(154)들로 구획되고 상기 격판(154)들 사이마다 좁은 통로(157)가 형성되어 있다. 이러한 여러 개의 좁은 통로(157)들은 가스의 이동 속도를 증가시키는데 효과적으로 작용한다. 또한, 상기 좁은 통로(157)들은 고온의 스파크 또는 화염의 이동을 제한하는데 효과적으로 작용할 수 있다. 또한, 상기 좁은 통로(157)나 가스 인렛부(152)에 금속 메쉬망(미도시)을 개재해 고온의 스파크 또는 화염의 이동을 추가적으로 제한할 수도 있다.
가스 인렛부(152)는 덕트부(151)의 저면에 구비되고, 모듈 하우징(120)의 상단에 구비되는 제1 개구(123)와 매칭되게 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 가스 인렛부(152)는 도 8과 같이, 덕트부(151)의 저면 가운데 영역에 위치하며 폭 방향으로 길게 형성된 장공 형태로 마련되고, 서로 소정 간격 이격된 제1 가스 인렛부(152a)와 제2 가스 인렛부(152b)를 포함한다.
모듈 하우징(120)의 제1 개구(123)는 도 10에 도시한 바와 같이, 모듈 하우징(120) 내부의 방화벽(130)을 기준으로 상기 모듈 하우징(120)의 상단 좌측편에 구비되는 제1_1 개구(123a)와, 상기 모듈 하우징(120)의 상단 우측편에 구비되는 제1_2개구(123b)를 포함한다.
상기 모듈 하우징(120)에 가스 벤팅 채널(150)을 부착시 상기 제1 가스 인렛부(152a)는 상기 제1_1 개구(123a)와 매칭되고, 상기 제2 가스 인렛부(152b)는 상기 제1_2개구(123b)와 매칭될 수 있다.
따라서 제1 그룹 배터리 셀들(G1)에서 발생한 가스와 고온의 스파크는 상기 제1_1 개구(123a)와 상기 제1 가스 인렛부(152a)를 통해 덕트부(151) 내부로 유입될 수 있다. 이때, 상기 제1 가스 인렛부(152a)의 연직 상부는 막혀 있기 때문에 제1_1 개구(123a)를 통해 제1 가스 인렛부(152a)로 들어온 가스는 수평 방향으로 이동하나, 고온의 스파크 또는 화염은 다시 모듈 하우징(120)으로 낙하거나 수평 방향으로의 이동성이 약해질 수 있다.
또한, 제1 그룹 배터리 셀들(G1)에서 생성된 열기와 가스, 고온의 스파크는 방화벽(130)에 의해 차단되어 제2 그룹 배터리 셀들(G2)로 전이가 방지되고 제1 가스 인렛부(152a)와 제2 가스 인렛부(152b) 사이의 차단벽(151a)에 의해 덕트부(151)를 통해 제2 그룹 배터리 셀들(G2)로 넘어오지 못한다.(도 14 참조)
상기 제1 개구(123)는 가스나 고온의 스파크에 의해 소실되는 열 용융 가능한 소재(ex : 고무 내지 플라스틱)로 마련된 마개(미도시)로 밀봉처리될 수도 있다. 상기 마개로 평상시 제1 개구(123)를 밀봉해 둠으로써 모듈 하우징(120) 내부로 이물질이 유입되지 않도록 하고, 가스 또는 고온의 스파크 발생시에만 제1 개구(123)가 오픈되도록 할 수 있다. 그러나 상기 마개는 메쉬망으로 대체될 수도 있고 필요에 따라 생략될 수도 있다.
본 실시예에서 가스 아웃렛부(153)는 덕트부(151)의 상면에 구비되며 제1 가스 아웃렛부(153a)와 제2 가스 아웃렛부(153b)를 포함하며, 팩 프레임(230,240)에 구비되는 흡인구(244)와 매칭될 수 있게 구성된다.
팩 프레임(230,240)과 연결을 위해 상기 제1 가스 아웃렛부(153a)는 덕트부(151)의 좌측 연장 방향(-X축 방향)으로 제1 가스 인렛부(152a)에서 소정 거리 이격된 곳에 구비되고, 상기 제2 가스 아웃렛부(153b)는 덕트부(151)의 우측 연장 방향(+X축 방향)으로 제2 가스 인렛부(152b)에서 소정 거리 이격된 곳에 구비된다.
이를테면, 도 9와 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 제1 가스 아웃렛부(153a)는 덕트부(151)의 상면 좌측 가장자리 영역에 구비되고, 폭 방향(Y축 방향)으로 길게 형성된 장공 형태로 마련되고, 상기 제2 가스 아웃렛부(153b)는 덕트부(151)의 상면 우측 가장자리 영역에 구비되고 폭 방향으로 길게 형성된 장공 형태로 마련될 수 있다.
상기 팩 프레임은 팩 케이스(200)의 좌측 벽체를 형성하는 좌측 사이드 프레임(230)과 팩 케이스(200)의 우측 벽체를 형성하는 우측 사이드 프레임(240)을 의미한다.
상기 팩 케이스(200)는 (도 1 및 도 2 참조) 배터리 모듈(100)들을 수납하기 위한 구성품으로서, 상기 좌측 사이드 프레임(230)과 상기 우측 사이드 프레임(240)의 하부와 상부에 각각 결합되는 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(220) 그리고 팩 케이스(200)의 전면 벽체를 형성하는 프런트 커버(250)와 후면 벽체를 형성하는 리어 커버(260)를 포함할 수 있다.
특히, 좌측 사이드 프레임(230)과 우측 사이드 프레임(240)은 배터리 팩(10)의 가스 벤팅 패스를 형성하는 중요 구성 부분으로서 전술한 가스 벤팅 채널(150)과 통하는 가스 이동통로(FP)가 내부에 구비되어 있다. 이러한 좌측 사이드 프레임(230)과 우측 사이드 프레임(240)은 압출 성형으로 제작될 수 있으며, 팩 케이스(200)의 프런트 커버(250) 쪽 일단부는 개방되고, 리어 커버(260) 쪽 타단부는 폐쇄된 구조로 마련될 수 있다. 따라서 각 배터리 모듈(100)에서 발생한 가스는 가스 벤팅 채널(150)과 좌측 사이드 프레임(230) 또는 우측 사이드 프레임(240)의 가스 이동통로(FP)를 거쳐 팩 케이스(200) 밖으로 유도될 수 있다.
상기 좌측 사이드 프레임(230)과 우측 사이드 프레임(240)은 실질적으로 동일 구조이므로 이하에서 우측 사이드 프레임(240)을 기준으로 설명한다.
상기 우측 사이드 프레임(240)은, 도 12에 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100)의 높이 방향으로 연장된 수직 프레임부(241)와, 상기 수직 프레임부(241)에서 수평 방향으로 연장되고 상기 가스 벤팅 채널(150)과 연결되게 마련된 모듈 연결 프레임부(242)를 포함할 수 있다.
상기 모듈 연결 프레임부(242)는 중공 구조로 형성됨으로써 내부에 가스 이동통로(FP)를 구비한다. 또한, 상기 모듈 연결 프레임부(242)는 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 간격마다 형성되는 복수 개의 흡인구(244)들과, 프런트 커버(250) 쪽 일단부에 하나의 토출구(O)를 구비한다. 각 상기 흡인구(244)는 각 배터리 모듈(100)의 가스 벤팅 채널(150)의 가스 아웃렛부(153)와 매칭되게 마련될 수 있다. 각 상기 흡인구(244)와 가스 아웃렛부(153)의 접촉 계면에는 실링과 밀림 방지를 위해 가스켓이 적용될 수 있다. 또한, 고온의 스파크 또는 화염의 외부 유출 방지를 위해 금속 메쉬망이 각 상기 흡인구(244)에 적용될 수도 있다.
도 13 내지 도 15를 참조하여 살펴보면, 본 실시예의 우측 사이드 프레임(240)의 모듈 연결 프레임부(242)는 가스 벤팅 채널(150)의 상부에 배치된다. 다시 말하면, 모듈 연결 프레임부(242)는 그 일단부가 덕트부(151)의 상면 우측 가장자리 위에 놓이고 흡인구(244)가 제2 가스 아웃렛부(153b)에 수직으로 매칭됨으로써 가스 벤팅 채널(150)과 연통된 구조를 이룬다.
예컨대 제2 그룹 배터리 셀들(G2)에서 발생한 가스는 제1_2개구(123b)를 통해 가스 벤팅 채널(150)로 유입되고 덕트부(151)를 따라 우측 방향으로 수평하게 이동하고 제2 가스 아웃렛부(153b)에서 상승하여 우측 사이드 프레임(240)로 유입될 수 있다. 그리고 우측 사이드 프레임(240)의 가스 이동통로(FP)를 따라 팩 케이스(200)의 프런트 커버(250) 쪽으로 이동하고 모듈 연결 프레임부(242)의 토출구(O)를 통해 팩 케이스(200) 밖으로 배출될 수 있다.
한편, 제2 그룹 배터리 셀들(G2)에서 발생한 고온의 스파크 또는 화염의 경우, 제1_2개구(123b)와 제2 가스 인렛부(152b)의 수직 연결 구조에 의해 1차로 외부 유출이 제한되고 덕트부(151)의 내부의 여러 개의 좁은 통로 구조에 의해 2차로 이동성이 제한되며 제2 가스 아웃렛부(153b)와 흡인구(244)의 수직 연결 구조 및 메쉬망에 의해 3차로 외부 유출이 제한될 수 있다. 따라서 고온의 스파크나 화염은 팩 케이스(200) 외부로 쉽게 배출되지 않음으로 배터리 팩(10) 바깥 주변의 화재 위험을 현저히 낮출 수 있다.
이어서 도 16 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10)에 대해 설명하기로 한다.
전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 전술한 실시예와 비교할 때, 가스 벤팅 채널(150A)과 모듈 연결 프레임부(242A)의 연결 구조에 차이가 있고 나머지 구성은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 벤팅 채널(150A)은 모듈 하우징(120)의 상부에 배치되고, 모듈 연결 프레임부(242A)는 상기 가스 벤팅 채널(150A)의 측면부 배치되고 상기 가스 벤팅 채널(150A)과 연통하게 마련된다.
구체적으로 본 실시예의 가스 벤팅 채널(150A)은 덕트부(151)의 양쪽 모서리 영역이 사선으로 잘려나간 형태로 대략 납짝한 사다리꼴 박스 형상으로 마련될 수 있다. 그리고 가스 아웃렛부(153)는 상기 덕트부(151)의 상면과 하면을 연결하는 경사면에 형성될 수 있다. 여기서 상기 덕트부(151)의 경사면이 가스 벤팅 채널(150A)의 측면부에 해당한다.
모듈 연결 프레임부(242A)는 상기 가스 벤팅 채널(150A)의 측면부와 대면하도록 가장자리 모서리 영역이 사선으로 잘려나간 형태로 마련된다. 그리고 모듈 연결 프레임부(242A)의 흡인구(244)는 사선으로 잘려나간 경사면에 구비된다.
상기와 같은 구조로, 상기 모듈 연결 프레임부(242)의 일단부가 상기 가스 벤팅 채널(150A)의 측면부에 연결되고 가스 아웃렛부(153)와 흡인구(244)가 연통된다.
이러한 본 실시예는 배터리 모듈(100)과 팩 프레임(230,240) 간의 인터페이스 치수에 있어 유리한 점이 많다.
도 15와 도 18을 비교하여 보면 알 수 있듯이, 전술한 실시예에 비해 본 실시예는 탑 플레이트(220)의 높이를 낮추는데 용이하고 모듈 연결 프레임부(242)의 폭 방향(X축 방향) 길이를 줄일 수 있다는 이점이 있다. 또한, 본 실시예에 의하면, 가스 벤팅 채널(150A)이 좌측 사이드 프레임(230)의 모듈 연결 프레임부(242)와 우측 사이드 프레임(240)의 모듈 연결 프레임부(242)에 의해 양쪽 측면부가 지지되기 때문에 외부 충격이나 진동에도 가스 벤팅 채널(150A)의 위치가 좌측 또는 우측으로 틀어질 우려가 적은 이점이 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)의 구성에 의하면, 일부 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스 또는 고온의 스파크가 발생시, 다른 배터리 모듈(100)들에 미치는 영향을 최소화하면서 고온의 스파크의 외부 유출은 차단하며, 벤팅 가스만 신속하고 안전하게 팩 케이스(200) 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은 차량 좌석 하부의 차체 프레임 또는 트렁크 공간에 설치될 수 있으며, 차량에 설치시 필요에 따라 팩 케이스의 탑 플레이트가 아래로 오게 상하를 꺼꾸로 뒤집은 상태로 배치될 수도 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 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.
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.
10 : 배터리 팩 100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀 120: 모듈 하우징
121: 하부 하우징 122: 상부 하우징
123: 제1 개구 123a: 제1_1 개구
123b: 제1_2 개구 130: 방화벽
140: 히트싱크 150: 가스 벤팅 채널
151: 덕트부 152: 가스 인렛부
152a: 제1 가스 인렛부 152b: 제2 가스 인렛부
153: 가스 아웃렛부 153a: 제1 가스 아웃렛부
153b: 제2 가스 아웃렛부 154: 격판
200: 팩 케이스 210: 베이스 플레이트
220: 탑 플레이트 230: 좌측 사이드 프레임
240: 우측 사이드 프레임 241: 수직 프레임부
242: 모듈 연결 프레임부 244: 흡인구
250: 프런트 커버 260: 리어 커버
FP: 가스 이동통로 G1: 제1 그룹 배터리 셀들
G2: 제2 그룹 배터리 셀들 O: 토출구

Claims (16)

  1. 배터리 셀들, 상기 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징, 상기 모듈 하우징의 내부와 연통하게 마련된 가스 벤팅 채널을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들; 및
    상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수용하게 마련되되, 벽체를 형성하는 팩 프레임의 내부에 가스 이동통로를 구비한 팩 케이스;를 포함하고,
    각 상기 배터리 모듈의 상기 가스 벤팅 채널은 상기 가스 이동통로에 연통하게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 채널은 중공 구조로 마련된 덕트부와, 상기 덕트부의 일면에 구비되는 가스 인렛부 및 상기 덕트부의 연장 방향으로 상기 가스 인렛부에서 소정 거리 이격된 위치에서 상기 덕트부의 타면에 구비되는 가스 아웃렛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 인렛부는 상기 모듈 하우징에 구비되는 제1 개구와 매칭되고 상기 가스 아웃렛부는 상기 팩 프레임에 구비되는 흡인구와 매칭되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에서,
    상기 덕트부는 내부 공간을 구획화하는 복수 개의 격판들을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 덕트부는 상기 복수 개의 격판들 사이마다 길이 방향으로 연장된 복수 개의 좁은 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 벽체를 형성하는 팩 프레임은, 상기 팩 케이스의 좌측 벽체를 형성하는 좌측 사이드 프레임과 상기 팩 케이스의 우측 벽체를 형성하는 우측 사이드 프레임인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 좌측 사이드 프레임과 상기 우측 사이드 프레임은 각각, 상기 배터리 모듈의 높이 방향으로 연장된 수직 프레임부와, 상기 수직 프레임부에서 수평 방향으로 연장되고 상기 가스 벤팅 채널과 연결되게 마련된 모듈 연결 프레임부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 이동통로는 상기 모듈 연결 프레임부에 구비되고, 상기 모듈 연결 프레임부의 일단부는 외기와 통하게 개방 구조로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 채널은 상기 모듈 하우징의 상부에 배치되고, 상기 모듈 연결 프레임부는 상기 가스 벤팅 채널의 상부에 배치되고 상기 가스 벤팅 채널과 연통하게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 가스 벤팅 채널은 상기 모듈 하우징의 상부에 배치되고, 상기 모듈 연결 프레임부는 상기 가스 벤팅 채널의 측면부 배치되고 상기 가스 벤팅 채널과 연통하게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 상기 모듈 하우징의 내부 공간을 구획하는 방화벽을 사이에 두고 마주하게 배치되는 제1 그룹 배터리 셀들과 제2 그룹 배터리 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 개구는 상기 방화벽을 기준으로 상기 모듈 하우징의 상단 좌측편에 구비되는 제1_1 개구와, 상기 모듈 하우징의 상단 우측편에 구비되는 제1_2 개구를 포함하고,
    상기 가스 인렛부는 상기 제1_1 개구와 매칭되는 제1 가스 인렛부와, 상기 제1_2 개구와 매칭되는 제2 가스 인렛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 가스 아웃렛부는 상기 덕트부의 좌측 가장자리 영역에 마련되는 제1 가스 아웃렛부와 상기 덕트부의 우측 가장자리 영역에 마련되는 제2 가스 아웃렛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 개구가 열 용융 가능한 소재로 마련된 마개로 밀봉된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징과 상기 가스 벤팅 채널은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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