WO2023229254A1 - 가스 벤팅 채널과 쿨링 채널을 일체로 통합한 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 배터리 모듈 제조방법 - Google Patents

가스 벤팅 채널과 쿨링 채널을 일체로 통합한 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 배터리 모듈 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more specifically, to a battery module in which a cooling device for eliminating heat generation in the battery module and a gas exhaust device for discharging gas when thermal runaway occurs are integrated into one component.
  • Secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency, not only because they have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also because they do not generate any by-products from energy use.
  • Lithium secondary batteries which have been widely used recently, have an operating voltage of approximately 2.5V to 4.5V. Therefore, in the case of electric vehicles or power storage devices that require large capacity and high output, a battery module in which multiple lithium secondary batteries are connected in series and/or parallel, and a battery pack in which the battery modules are connected in series and/or parallel are constructed. Use as an energy source.
  • the number of lithium secondary batteries contained in one battery module may increase or the number of battery modules contained in one battery pack may increase.
  • venting gas may be generated from the lithium secondary batteries, and if deterioration worsens, flames, electrode active materials, aluminum particles, etc.
  • High-temperature particles including, may be generated, and the flame and high-temperature particles may be ejected from the battery module along with venting gas. The ejected flames and high-temperature sparks cause thermal damage to other battery modules adjacent to the ignited battery module, promoting ignition of other battery modules.
  • venting gas should be discharged to the outside of the battery module, but flames or sparks should not be easily discharged to the outside.
  • venting gas should be discharged to the outside of the battery module, but flames or sparks should not be easily discharged to the outside.
  • gas venting devices and cooling devices have recently been included in battery modules.
  • the gas venting device 2 may be mounted on the top of the battery module 1, and its interior may be configured to communicate with the interior of the battery module 1.
  • This gas venting device 2 serves to suppress the outflow of flame when the internal combustion of the battery module 1 occurs and to discharge the gas to the outside.
  • the cooling device 3 is mounted on the lower part of the battery module 1, has a passage through which coolant flows, and is configured to absorb heat from the battery cells through indirect contact between the coolant and the battery cells.
  • gas venting device 2 and the cooling device 3 are separate components and are respectively applied to the battery module, so they are not efficient in terms of process/cost/tact time/size optimization of the battery module. There are no comments.
  • the two individual parts namely the gas venting device and the cooling device, were integrated into an integrated structure.
  • the two individual parts namely the gas venting device and the cooling device.
  • the present invention was created to solve the above technical problems, and its purpose is to provide a battery module using a new component that integrates a gas venting device and a cooling device, and a method of manufacturing such a battery module.
  • a battery module includes a plurality of battery cells; a module case accommodating the plurality of battery cells therein and having a gas venting hole on at least one side; and a cooling and venting unit that is integrally equipped with a gas venting channel that forms a gas movement path communicating with the gas venting hole and a cooling channel that forms a refrigerant movement path in one body, and is disposed on the outside of the module case.
  • a gas venting channel that forms a gas movement path communicating with the gas venting hole and a cooling channel that forms a refrigerant movement path in one body, and is disposed on the outside of the module case.
  • the cooling and venting unit includes: a channel plate having the gas venting channel on a first side and the cooling channel on a second side opposite to the first side; and a cover plate that covers one of the first side and the second side and is coupled to the channel plate.
  • the first surface may be provided with an embossed portion in which a predetermined area protrudes and is convex, and the gas venting channel may be provided in an area surrounded by the embossed portion.
  • the cooling channel may be provided on the second side opposite to the embossed portion of the first side, and may be an area concavely indented from the surface of the second side in the shape of the embossed portion.
  • the channel plate may be made of metal material.
  • the cover plate may cover a first side of the channel plate, and the second side of the channel plate may be disposed to face the outer side of the module case.
  • the cooling and venting unit may include a gas inlet where a portion of the channel plate in contact with the outer surface of the module case penetrates in the thickness direction and matches the gas venting hole of the module case in the vertical direction.
  • the gas inlet and the gas venting channel communicate, and the gas venting channel extends in a meandering path from one end of the channel plate to the other end, and a gas outlet communicating with the outside may be provided at the other end.
  • the cooling and venting unit may include a refrigerant inlet and a refrigerant outlet respectively provided on one side and the other side of the cooling channel.
  • the refrigerant inlet or the refrigerant outlet may be spaced apart so that a predetermined portion of the edge of the second surface has a gap with the outer surface of the module case.
  • the cooling and venting unit may be coupled to the top of the module case.
  • the cooling and venting unit may be coupled to at least one side portion of the module case.
  • a battery pack including the above-described battery module can be provided.
  • a manufacturing method for manufacturing the above-described battery module comprising: storing the plurality of battery cells inside the module case; Preparing the cooling and venting unit; and coupling the cooling and venting unit to the outer surface of the module case.
  • the step of preparing the cooling and venting unit includes placing a flat metal plate between the upper mold and the lower mold and attaching the cooling and venting unit to the outer surface of the module case.
  • a battery comprising a stamping process of forming a gas venting channel on one side of the metal plate by pressing the metal plate in an upward and downward direction using a mold and forming a cooling channel on the opposite side of the metal plate to prepare the channel plate.
  • a module manufacturing method may be provided.
  • Preparing the cooling and venting unit may further include attaching the cover plate to one surface of the channel plate.
  • the coupling step may include a process of attaching the cooling and venting unit to the outer surface of the module case provided with the gas venting hole by adopting at least one coupling method among welding, bolting, hooking, and adhesive methods. .
  • a battery module using a new component that integrates a gas venting device and a cooling device can be provided.
  • the cooling and venting unit integrating the gas venting device and the cooling device provided according to the present invention, compared to the battery module including the gas venting device and the cooling device provided separately in the past, the assembly of the battery module The process is simple and can reduce cost, time, and the volume of the final product.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the configuration of a battery module including a gas venting device and a cooling device according to the prior art.
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the battery module excluding the cooling and venting unit according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the cooling and venting unit in the battery module of Figure 3.
  • FIG. 5 is a view showing the first side of the channel plate of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a view showing the second side of the channel plate of FIG. 4.
  • Figure 7 is a schematic perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a process diagram for forming a gas venting channel and a cooling channel on the front and back sides of the metal plate, respectively, according to the present invention.
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of a battery module excluding the cooling and venting unit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram of FIG. 3. This is a disassembled perspective view of the cooling and venting unit from the battery module.
  • the battery module 10 includes a cell assembly 100 formed by stacking a plurality of battery cells 111, a module case 200, and a cooling and venting unit 300. ) includes.
  • the battery module 10 includes the cooling and venting unit 300, so that not only can the heat generated by the battery module 10 be eliminated, but also prevent thermal runaway of the battery cells 111. Gas can be discharged while preventing the flame from leaking out.
  • the cooling and venting unit 300 according to the present invention includes a cooling device (3, also referred to as a heat sink in the art) and a gas exhaust device (2) applied to an existing battery module (see FIG. 1). As an integrated component, it handles the cooling function under normal circumstances and can be used as a gas exhaust passage when a thermal event occurs.
  • the battery module 10 includes battery cells 111 and a cell assembly 100 consisting of a bus bar frame assembly for electrical connection of the battery cells 111 and the cell assembly 100. It includes a module case 200 provided to accommodate the inside.
  • a pouch-type battery cell 111 may be used as the battery cell 111.
  • the pouch-type battery cell 111 includes an electrode assembly, a pouch case that accommodates the electrode assembly, and a pair of electrode leads 112 that are connected to the electrode assembly and are drawn out to the outside of the pouch case and function as electrode terminals. It is a composed battery cell.
  • the pair of electrode leads 112 may be pulled out in opposite directions or in the same direction in the longitudinal direction ( ⁇ X direction) of the battery cell 111.
  • the pouch-type battery cells 111 are stacked in one direction to form a cell stack 110 as shown in FIG. 2 and inserted into the module case 200. Meanwhile, this pouch-type battery cell 111 is an example of a battery cell 111 that can be accommodated in the battery module 10. That is, types of battery cells other than pouch-type battery cells may be stored in the module case.
  • the battery cell that can be stored inside the module case may be any type of battery cell disclosed before the application of the present invention, such as a cylindrical battery cell or a prismatic battery cell.
  • the busbar frame assembly includes a busbar frame 120 and a plurality of busbars 130.
  • the bus bar frame 120 can be manufactured by injection molding from an electrically insulating material and has a substantially plate-shaped body that can cover the front or rear of the cell stack 110, and the electrode leads of the battery cells 111 ( 112) may be provided with a plurality of lead slots so that it can be inserted from the inside of the bus bar frame 120 and pulled out to the outside.
  • the plurality of bus bars 130 may be manufactured in the form of a metal bar made of an electrically conductive material such as copper, aluminum, nickel, etc., and may be fixedly mounted on the outer surface of the bus bar frame 120.
  • the bus bars 130 are disposed on the bus bar frame 120 in the same direction as the stacking direction of the battery cells 111, and the battery cells 111 are connected to the bus bar frame 120 through the lead slot.
  • the electrode leads 112 pulled out to the outside may be connected to each other in series and/or parallel by welding them to the corresponding bus bars 130 .
  • the module case 200 is a component that protects the cell assembly 100 from the outside.
  • the module case 200 covers the case body 210 and the busbar frame 120 assembly portion that can accommodate the cell assembly 100 inside, and is coupled to the case body 210. Includes end cover 220.
  • the module case 200 is made of a metal material with excellent mechanical rigidity, but there is no particular limitation as long as it has excellent mechanical rigidity and heat resistance.
  • the case body 210 is roughly shaped like a square tube including an upper plate 211, a lower plate 212, and both side plates 213 and 214, with both ends along the longitudinal direction open and an empty interior. It can be prepared by: The cell assembly 100 may be inserted into the case body 210 using a slide or press fit method. Meanwhile, in this embodiment, the case body 210 is formed in a square tube shape in which the upper plate 211, the lower plate 212, and both side plates 213 and 214 are integrally manufactured. For example, the case body 210 has the lower plate 212.
  • a 'U frame' in which the side plates 213 and 214 on both sides are integrated and a top plate 211 welded to the top of the 'U frame'.
  • the cell assembly 100 is placed inside the 'U frame', then the top of the cell assembly 100 is covered with the top plate 211, and the edge of the top plate 211 is welded to the top of the 'U frame'. do.
  • the end cover 220 covers the bus bar frame assembly electrically connected to the electrode leads 112, and its edge is welded and/or snap-fitted to the open end of the case body 210. It can be configured to In order to electrically insulate the end cover 220 from the bus bar frame assembly, for example, the inner side of the end cover 220 may be made of an insulating material, or the inner side may be coated with an insulating sheet.
  • the battery cell 111 generates heat due to an electrochemical reaction during the charging and discharging process. If thermal runaway occurs, in which heat rises abnormally rapidly, flames, sparks, and gas may be ejected from the battery cell 111. there is. (Sparks refer to high-temperature particles including electrode active materials and aluminum particles.) At this time, when flames and sparks are emitted to the outside of the battery module 10, they can, for example, act as an ignition source for other surrounding battery modules 10. . Therefore, in order to prevent the spread of fire, it is necessary to prevent flames and sparks from being discharged to the outside of the battery module 10 as much as possible. However, if the gas generated within the battery module 10 is trapped, the internal pressure may rise rapidly, which may cause the battery module 10 to collapse or explode, so the gas cannot be properly discharged to the outside of the battery module 10. There must be.
  • the battery module 10 includes a gas venting hole 215 for discharging gas to the outside when the battery cells 111 thermally runaway.
  • the gas venting hole 215 may be provided on the upper plate 211 of the case body 210, as shown in FIG. 2.
  • the gas venting hole 215 is provided near the edge of the upper plate 211 of the module case 200, close to the electrode leads 112 of the battery cells 111.
  • a metal mesh net (not shown) may be installed in the gas venting hole 215. The metal mesh net may be used to block flame or sparks when gas passes through the gas venting hole 215.
  • this embodiment consists of only one gas venting hole 215, a plurality of gas venting holes 215 may be provided, and the formation location may be different from the present embodiment.
  • the gas that escapes upward from the module case 200 through the gas venting hole 215 flows into the cooling and venting unit 300 shown in FIG. 3 and is provided inside the cooling and venting unit 300. It moves along the gas venting channel 312 and can finally be discharged to the outside through the gas outlet 317 of the cooling and venting unit 300.
  • the cooling and venting unit 300 is configured so that gas can be cooled by indirect contact with cooling water in the process of moving along the gas venting channel 312. Therefore, even if the gas comes out of the battery module 10, the temperature is not high, so other surrounding battery modules 10 may not suffer significant thermal damage.
  • cooling and venting unit 300 that performs this function will be described in more detail.
  • the cooling and venting unit 300 integrates a gas venting channel 312 that communicates with the gas venting hole 215 of the module case 200 and a cooling channel 314 that forms a movement path for the refrigerant into one body. It is provided and disposed on the outside of the module case 200, that is, on the upper plate 211 of the module case 200 in this embodiment.
  • the cooling and venting unit 300 may be provided in a size corresponding to the upper plate 211 of the module case 200, and the gas inlet 316 is a gas vent. It can be mounted on the top plate 211 of the module case 200 to match the hole 215 in the vertical direction. In this way, when the cooling and venting unit 300 is mounted on the upper plate 211 of the module case 200, gas flows into the gas venting channel 312 through the gas inlet 316 from the gas venting hole 215, and the gas It can be discharged to the outside through the gas outlet 317 on the other side of the gas inlet 316 along the venting channel 312.
  • the cooling channel 314 refers to a passage through which the refrigerant can flow, and is structured to be spatially separated from the gas venting channel 312 to prevent the refrigerant from flowing into the gas venting channel 312.
  • Cooling water may be used as the refrigerant, and the refrigerant flows into the cooling channel 314 of the cooling and venting unit 300 as C1 and C3 shown in FIG. 3, and cools as shown in the exemplary configuration of FIG. 6. It moves along the channel 314 and indirectly contacts the battery cells 111 with the upper plate 211 of the module case 200 in between to cool the battery cells. And the refrigerant may be discharged out of the cooling and venting unit 300, as shown in C2 and C4 in FIG. 3.
  • a coolant supply pipe and a coolant discharge pipe may be connected to the refrigerant inlet 301 and the refrigerant outlet 303 of the cooling channel 314, respectively.
  • heat generation in the battery module 10 is eliminated by allowing the coolant to circulate as follows: "coolant supply pipe -> cooling channel (314) -> cooling discharge pipe -> heat exchanger -> cooling supply pipe -> cooling channel (314)" You can make it happen.
  • the cooling and venting unit 300 includes a channel plate 310 and a cover plate 320.
  • the above-described gas venting channel 312 and cooling channel 314 may be provided on both sides of the channel plate 310, respectively.
  • the channel plate 310 is configured so that the upper surface of the channel plate 310 can be used as a gas venting channel 312 and the lower surface of the channel plate 310 can be used as a cooling channel 314.
  • the channel plate 310 is a gas inlet formed by penetrating a portion corresponding to the gas venting hole 215 of the module case 200 in the thickness direction among the portion in face-to-face contact with the upper plate 211 of the module case 200. It has (316).
  • the channel plate 310 may be made of a metal material, preferably aluminum (Al) or aluminum alloy with high thermal conductivity.
  • the cover plate 320 may be coupled or attached to the upper surface of the channel plate and may be configured to seal the gas venting channel.
  • This cover plate 320 may be made of the same material as the channel plate 310, or, for example, may be made of a stainless steel (SUS)-based or ceramic-based material with excellent heat resistance.
  • SUS stainless steel
  • the channel plate 310 is provided with a gas venting channel 312 of the same configuration as shown in FIG. 5 on the first side 310a, and as shown in FIG. 6, the channel plate 310 has a gas venting channel 312 on the first side 310a.
  • a cooling channel 314 may be provided on the opposite side, the second side 310b.
  • the first surface 310a includes an embossed portion 311 in which a predetermined area protrudes and is convex, so that the gas venting channel 312 can be formed in the area surrounded by the embossed portion 311. there is.
  • the first surface 310a of the channel plate 310 is provided with a first embossed portion 311A and a second embossed portion 311B on both sides of which are more convex than the center area, and the first embossed portion (311A) and the second embossed portion (311B) may each be provided to snake along the longitudinal direction (X direction) of the channel plate 310.
  • a gas venting channel 312 may be provided in the center area surrounded by the first embossed portion 311A and the second embossed portion 311B. Additionally, additional convex parts may be added within the gas venting channel 312 to divide the flow of gas into several branches.
  • a cover plate 320 may be attached to the first surface 310a to seal the open top of the gas venting channel 312.
  • the cover plate 320 of this embodiment has a main body 321 having an area corresponding to the first surface 310a and is bent and extended downward from the edge of the main body 321 to release gas. It may include a bent portion 322 provided to surround the top and front (-X direction) of the area where the inlet 316 is located. It may be desirable to secure airtightness by welding the cover plate 320 and the channel plate 310.
  • the gas venting channel 312 is formed except for the gas inlet 316 located at one end of the channel plate 310 and the gas outlet 317 located at the other end. This can be completely sealed. Therefore, as shown in G1 of FIG. 5, gas can enter the gas venting channel 312 from the gas venting hole 215 of the module case 200 through the gas inlet 316 and flow along the gas venting channel 312. It can move and be discharged to the outside like G2 through the gas outlet 317. Meanwhile, as shown, the gas venting channel 312 is narrow and the path extends tortuously from one end of the channel plate 310 to the other end, so flames or sparks can easily escape the gas venting channel 312. difficult.
  • the cooling channel 314 is provided on the second side 310b of the channel plate 310 opposite to the embossed portion 311 of the first side 310a. You can.
  • the cooling channel 314 is an area that is concavely indented from the surface of the second side 310b in the shape of the embossed portion 311 by forming an embossed portion 311 on the first surface 310a. can do.
  • the cooling channel 314 is provided on the second side 310b opposite the embossed portion 311 of the first side 310a, and the gas venting channel 312 is provided on the first side 310a to the second side ( It is provided on the opposite side of the convex area 313 between the first cooling channel 314A and the second cooling channel 314B of 310b).
  • a gas venting channel 312 is formed on one side of the metal plate and a cooling channel 314 is formed on the other side as in this embodiment. can be formed.
  • the cooling channel 314 can be sealed except for the refrigerant inlet 301 and the refrigerant outlet 303.
  • the refrigerant inlet 301 refers to the entrance of the cooling channel 314 for introducing the refrigerant into the inside of the cooling channel 314, and the refrigerant outlet 303 refers to the refrigerant discharged to the outside of the cooling channel 314. refers to the outlet of the cooling channel 314.
  • the predetermined portion is separated from the upper surface of the module case 200 so that a predetermined gap is formed between a predetermined portion of the edge of the second surface 310b and the upper surface of the module case 200.
  • the refrigerant inlet 301 and the refrigerant outlet 303 can be secured. That is, the refrigerant inlet 301 and the refrigerant outlet 303 can be formed by processing a portion of both edges along the ⁇ X direction of the channel plate 310 so that they do not contact the upper surface of the module case 200.
  • a connection port 302 may be installed at each of the refrigerant inlet 301 and the refrigerant outlet 303.
  • the connection port 302 is used to easily connect an external pipe (not shown) to the refrigerant inlet 301 or the refrigerant outlet 303 and can be effective in increasing the airtightness of the connection area.
  • the cooling water normally flows through the refrigerant inlet 301 to the cooling channel 314, as indicated by C1 and C3 in FIG. 5. ) flows into the battery module 10 and cools the battery module 10 while moving along the cooling channel 314, as shown in FIG. 6, thereby relieving the heat generated by the battery module 10.
  • the channel plate 310 is cooled by the cooling water, the gas can be cooled while moving along the gas venting channel 312. Therefore, according to the present invention, the temperature of the gas is reduced and discharged to the outside of the battery module 10, so the risk of fire in other surrounding battery modules 10 or structures due to gas discharge is reduced.
  • Figure 7 is a schematic perspective view of a battery module 10A according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module 10A may be configured so that the cooling and venting unit 300 is disposed on at least one side of the module case 200.
  • gas venting holes 215 may be formed on both sides of the module case 200, and cooling and venting units 300 may be attached to both sides of the module case 200, as shown in FIG. 7.
  • the gas venting channel 312 and cooling channel 314 of the cooling and venting unit 300 may also be modified depending on the formation position and number of gas venting holes 215 provided on the side surface of the module case 200.
  • the cooling and venting unit 300 has two refrigerant inlets 301 and two refrigerant outlets 303, but the cooling and venting unit 300 of the present embodiment has one refrigerant inlet ( 301) and one refrigerant outlet 303. That is, the cooling and venting unit 300 attached to the left side of the module case 200 (different from the implemented configuration in FIG. 6) allows coolant to flow through the cooling channel through one refrigerant inlet 301, as shown in C5 in FIG. 7. (314) It may be configured to flow inside, move along the cooling channel 314, and be discharged to the outside through one refrigerant outlet 303 like C6.
  • cooling and venting unit 300 attached to the right side of the module case 200 allows coolant to flow into the cooling channel 314 through one refrigerant inlet 301, as shown in C7 in FIG. It can be configured to move along (314) and be discharged to the outside through one refrigerant outlet (303) like C8.
  • cooling and venting unit 300 is attached to the top and both side surfaces of the module case 200, but the scope of the present invention is not limited thereto. That is, the cooling and venting unit 300 may be configured to be attached to one side of the module case 200 or the lower part of the module case 200.
  • the manufacturing method of the battery module 10 according to the present invention will be briefly described. Since the manufacturing process of the battery module 10 is widely known as of the time of filing of the present invention, a description of the general manufacturing method of the battery module 10 will be omitted so as not to obscure the gist of the present invention, and the main technical features will be explained. I decided to do it.
  • the manufacturing method of the battery module 10 according to the present invention includes the steps of storing a plurality of battery cells 111 inside the module case 200, preparing the cooling and venting unit 300, and the module case. It includes the step of coupling the cooling and venting unit 300 to the outer surface of 200.
  • a flat metal plate is placed between the upper mold 20 and the lower mold 30 and the upper mold 20 and the lower mold ( 30) is used to press the metal plate in the vertical direction to form a gas venting channel 312 on one side of the metal plate, and to form a cooling channel 314 on the opposite side of the metal plate to form a channel plate 310. It includes a stamping process for forming.
  • one of the upper mold 20 and the lower mold 30 has an embossed surface according to a pre-designed shape, and the other has an engraved surface.
  • the pre-designed shape refers to the desired shape of the gas venting channel 312 or the shape of the cooling channel 314.
  • a process for attaching the cover plate 320 to one surface of the channel plate 310 may be performed.
  • the cover plate 320 is attached to the first side 310a of the channel plate 310, which functions as the gas venting channel 312.
  • the cover plate 320 and the channel plate 310 may be coupled to each other, for example, by welding.
  • cooling and venting unit 300 is prepared in this way, cooling and venting is performed on the outer surface of the module case 200 equipped with the gas venting hole 215 by adopting at least one combination method among welding, bolting, hooking, and adhesive methods. A process of attaching the unit 300 is performed.
  • the channel plate 310 that integrates the gas venting channel 312 and the cooling channel 314 can be formed through a stamping process, and the cooling channel plate 310 and the cover plate 320 are formed.
  • the end venting unit 300 By attaching the end venting unit 300 to the outer surface of the module case 200, the gas exhaust device and cooling device, which were conventionally dual in the battery module 10, can be unified.
  • a battery pack (not shown) according to the present invention may include one or more of the battery modules 10 described above.
  • the battery pack according to the present invention may further include a master BMS (Battery Management System) for integrated control of charging and discharging of one or more battery modules 10, a current sensor, a fuse, etc., and a pack case for accommodating the above-described components. there is.
  • a master BMS Battery Management System
  • the battery pack according to the present invention may be applied to an energy storage device or to a vehicle such as an electric scooter, electric vehicle, or hybrid vehicle.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하고 적어도 일측에 가스 벤팅홀을 구비하는 모듈 케이스; 및 상기 가스 벤팅홀과 연통하는 가스의 이동 경로를 형성하는 가스 벤팅 채널과 냉매의 이동 경로를 형성하는 쿨링 채널을 하나의 몸체에 일체로 구비하고, 상기 모듈 케이스의 외측에 배치되는 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 포함한다.

Description

가스 벤팅 채널과 쿨링 채널을 일체로 통합한 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 배터리 모듈 제조방법
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈의 발열을 해소하기 위한 냉각장치와 열폭주 발생시 가스를 배출하기 위한 가스 배출장치를 하나의 부품으로 일체화시킨 배터리 모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 05월 24일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0063317호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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 화염과 전극 활물질과 알루미늄 입자 등을 포함한 고온의 파티클이 발생할 수 있으며, 상기 화염과 고온의 파티클은 벤팅 가스와 더불어 해당 배터리 모듈의 외부 분출될 수 있다. 이렇게 분출된 화염과 고온의 스파크는 발화한 배터리 모듈과 인접한 다른 배터리 모듈에 열적 데미지를 주어 다른 배터리 모듈들의 발화를 촉진시킨다.
따라서 화재 안전성 확보가 중요한 차량용 배터리 팩의 경우, 배터리 모듈들의 연쇄발화 내지 폭발 위험을 방지 내지 최대한 지연시키기 위해서 벤팅 가스를 배터리 모듈의 외부로 배출하되 이때 화염이나 스파크 등은 외부로 쉽게 배출되지 않도록 할 필요가 있다. 아울러 충방전에 따른 배터리 셀들의 발열을 해소하여 배터리 셀들이 적정 온도를 유지할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
이를 위해, 최근에는 가스 벤팅 장치와 냉각 장치가 배터리 모듈에 포함되고 있다. 예컨대, 도 1과 같이, 가스 벤팅 장치(2)는 배터리 모듈(1)의 상부에 장착되며, 그 내부가 상기 배터리 모듈(1)의 내부와 연통하도록 구성될 수 있다. 이러한 가스 벤팅 장치(2)는 배터리 모듈(1)의 내부 발화시 화염의 외부 유출을 억제하며 가스를 외부로 배출시키는 역할을 한다. 그리고 냉각 장치(3)는 배터리 모듈(1)의 하부에 장착되고 내부에 냉각수가 유동할 수 있는 유로를 구비하고 냉각수와 배터리 셀들이 간접 접촉하여 배터리 셀들의 열을 흡수하도록 구성되어 있다.
그런데, 상기 가스 벤팅 장치(2)와 냉각 장치(3)는 별개의 부품으로서 각각 배터리 모듈에 적용되는 것이어서, 배터리 모듈의 공정/비용/택트 타임(tact time)/사이즈 최적화 관점에서 효율적이 못하다는 지적이 없지 않다.
이에 배터리 모듈의 조립 공정을 단순화하고 비용과 시간, 그리고 최종 제품의 부피를 줄일 수 있도록 두개의 개별 부품 즉 가스 벤팅 장치와 냉각 장치를 일체화된 구조로 만들어 두개의 개별 부품, 즉 가스 벤팅 장치와 냉각 장치를 일체화한 새로운 부품 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 가스 벤팅 장치와 냉각 장치를 일체화한 새로운 부품을 적용한 배터리 모듈 및 이러한 배터리 모듈의 제조 방법을 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 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하고 적어도 일측에 가스 벤팅홀을 구비하는 모듈 케이스; 및 상기 가스 벤팅홀과 연통하는 가스의 이동 경로를 형성하는 가스 벤팅 채널과 냉매의 이동 경로를 형성하는 쿨링 채널을 하나의 몸체에 일체로 구비하고, 상기 모듈 케이스의 외측에 배치되는 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 포함할 수 있다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은, 제1 면에 상기 가스 벤팅 채널을 구비하고 상기 제1 면과 반대되는 제2 면에 상기 쿨링 채널을 구비하는 채널 플레이트; 및 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 어느 한 면을 커버하며 상기 채널 플레이트에 결합되는 커버 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 제1 면은 미리 정해진 영역이 돌출되어 볼록하게 마련되는 양각부를 구비하고, 상기 가스 벤팅 채널은 상기 양각부에 의해 둘러싸인 영역에 마련될 수 있다.
상기 쿨링 채널은 상기 제2 면에서 상기 제1 면의 상기 양각부의 반대쪽으로 구비되고, 상기 양각부의 형상대로 상기 제2 면의 표면으로부터 오목하게 만입된 영역일 수 있다.
상기 채널 플레이트는 메탈 소재로 마련될 수 있다.
상기 커버 플레이트는 상기 채널 플레이트의 제1 면을 커버하고, 상기 채널 플레이트는 상기 제2 면이 상기 모듈 케이스의 외측면에 대향하게 배치될 수 있다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 외측면에 대면 접촉하는 상기 채널 플레이트의 일부분이 두께 방향으로 관통되어 상기 모듈 케이스의 가스 벤팅홀과 상하 방향으로 매칭되는 가스 유입구를 구비할 수 있다.
상기 가스 유입구와 상기 가스 벤팅 채널은 연통하고, 상기 가스 벤팅 채널은 상기 채널 플레이트의 일측 끝에서 타측 끝까지 경로가 구불구불하게 연장되며 상기 타측 끝에는 외부와 통하는 가스 배출구가 마련될 수 있다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은, 상기 쿨링 채널의 일측과 타측에 각각 마련되는 냉매 유입구 및 냉매 배출구를 포함할 수 있다.
상기 냉매 유입구 또는 상기 냉매 배출구는 상기 제2 면의 테두리 중 미리 정해진 부분이 상기 모듈 케이스의 외측면과 갭(Gap)을 갖도록 이격되어 마련될 수 있다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 상부에 결합될 수 있다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 적어도 한쪽 측면부에 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 제조하는 제조방법으로서, 상기 복수의 배터리 셀들을 상기 모듈 케이스의 내부에 수납하는 단계; 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 준비하는 단계; 및 상기 모듈 케이스의 외측면에 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 결합하는 단계;를 포함하고, 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 준비하는 단계는, 평평한 금속판을 상부 금형과 하부 금형 사이 배치하고 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 사용하여 상기 금속판을 상하 방향으로 프레스(press)하여 상기 금속판의 한쪽 면에 가스 벤팅 채널을 형성하고 상기 금속판의 반대쪽 면에 쿨링 채널을 형성하여 상기 채널 플레이트를 마련하는 스탬핑 공정을 포함하는 배터리 모듈 제조방법이 제공될 수 있다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 준비하는 단계는, 상기 커버 플레이트를 상기 채널 플레이트의 일면에 부착하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 결합 단계는, 용접, 볼팅, 후킹 및 접착 방식 중 적어도 하나의 결합 방식을 채택하여 상기 가스 벤팅홀이 구비된 상기 모듈 케이스의 외측면에 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 부착하는 공정을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스 벤팅 장치와 냉각 장치를 일체화한 새로운 부품을 적용한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따라 제공되는 가스 벤팅 장치와 냉각 장치를 일체화한 쿨링 앤드 벤팅 유닛에 의하면, 기존에 별개로 제공되는 가스 벤팅 장치와 냉각 장치를 포함한 배터리 모듈과 비교할 때, 배터리 모듈의 조립 공정이 단순하고 비용과 시간, 그리고 최종 제품의 부피를 줄일 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.
도 1은 종래 기술에 따른 가스 벤팅 장치와 냉각 장치를 포함한 배터리 모듈을 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 제외한 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 배터리 모듈에서 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 분해한 사시도이다.
도 5는 도 4의 채널 플레이트의 제1 면을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 채널 플레이트의 제2 면을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 금속판의 앞면과 뒷면에 각각 가스 벤팅 채널과 쿨링 채널을 성형하기 위한 공정도이다.
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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 제외한 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이며, 도 4는 도 3의 배터리 모듈에서 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 분해한 사시도이다.
이들 도면들은 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 복수 배터리 셀(111)들을 적층한 형성한 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 포함한다.
자세히 후술하겠지만, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 포함하고 있어, 배터리 모듈(10)의 발열을 해소할 수 있을 뿐아니라 배터리 셀(111)들의 열폭주 시 화염의 외부 유출을 막으면서 가스를 배출할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은, 기존의 배터리 모듈(도 1 참조)에 적용한 냉각 장치(3, 당업계에서 히트 싱크라고 지칭하기도 함)와 가스 배출 장치(2)를 일체화한 구성품으로서, 평상시에는 냉각 기능을 담당하고 열적 이벤트 발생시에는 가스 배출 통로 사용될 수 있다.
이하에서 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 적용한 배터리 모듈(10)에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(111)들과 상기 배터리 셀(111)들의 전기적 연결을 위한 버스바 프레임 조립체로 구성된 셀 어셈블리(100) 및 상기 셀 어셈블리(100)를 내부에 수용할 수 있게 마련된 모듈 케이스(200)를 포함한다.
상기 배터리 셀(111)로는 파우치형 배터리 셀(111)이 채용될 수 있다. 상기 파우치형 배터리 셀(111)은 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스 및 전극 조립체와 연결되며 파우치 케이스의 외측으로 인출되어 전극 단자로 기능하는 한 쌍의 전극 리드(112)를 포함하여 구성된 배터리 셀이다. 상기 한 쌍의 전극 리드(112)는, 배터리 셀(111)의 길이 방향(±X 방향)으로 서로 반대 방향으로 인출되거나 서로 동일한 방향으로 인출될 수 있다.
상기 파우치형 배터리 셀(111)들을 세워서 일방향으로 적층하여, 도 2에 나타낸 바와 같은 셀 적층체(110)를 형성하고 이를 모듈 케이스(200)에 삽입한다. 한편, 이러한 파우치형 배터리 셀(111)은 배터리 모듈(10)에 수용될 수 있는 배터리 셀(111)의 일예를 개시한 것이다. 즉, 파우치형 배터리 셀이 아닌 다른 유형의 배터리 셀이 모듈 케이스에 수납될 수 있도 있다. 예컨대, 모듈 케이스의 내부에 수납될 수 있는 배터리 셀로는 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀 등 본 발명의 출원전 공개된 어떠한 유형의 배터리 셀이라도 무방하다.
상기 버스바 프레임 조립체는 버스바 프레임(120)과 다수의 버스바(130)들을 포함한다.
상기 버스바 프레임(120)은 전기 절연성 소재로 사출 성형하여 제작될 수 있고 상기 셀 적층체(110)의 전방 또는 후방을 커버할 수 있는 대략 판상체 형태이고, 배터리 셀(111)들의 전극 리드(112)를 버스바 프레임(120)의 내측에서 끼워 넣어 외측으로 빼낼 수 있게 다수의 리드 슬롯들을 구비할 수 있다.
다수의 버스바(130)들은 전기 전도성 재질 이를테면 구리, 알루미늄, 니켈 등과 같은 금속 막대형으로 제작될 수 있고 버스바 프레임(120)의 외측면에 고정되게 장착될 수 있다. 상기 버스바(130)들은 배터리 셀(111)들의 적층 방향과 동일한 방향으로 상기 버스바 프레임(120) 상에 배치되고, 상기 배터리 셀(111)들은 상기 리드 슬롯을 통해 버스바 프레임(120)의 외측으로 빼낸 전극 리드(112)들을 대응하는 버스바(130)들에 용접함으로써 상호 간 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는 상기 셀 어셈블리(100)를 외부로부터 보호하기 위한 구성 요소이다.
본 실시예에 따른 모듈 케이스(200)는, 셀 어셈블리(100)를 내부에 수용할 수 있는 케이스 본체(210)와 버스바 프레임(120) 조립체 부분을 커버하며 상기 케이스 본체(210)와 결합되는 엔드 커버(220)를 포함한다. 상기 모듈 케이스(200)는 기계적 강성이 우수한 금속 재질로 마련되지만, 기계적 강성과 내열성 등이 우수한 것이라면 특별한 제한을 두지 않는다.
상기 케이스 본체(210)는, 도 2와 같이, 대략 상판(211), 하판(212), 양쪽 측면판(213,214)을 포함하고 길이 방향에 따른 양쪽 끝이 개방되어 있고 내부가 비어 있는 사각 관 형상으로 마련될 수 있다. 셀 어셈블리(100)는 상기 케이스 본체(210)의 내부에 슬라이드 내지 억지 끼움 방식으로 삽입될 수 있다. 한편, 본 실시예는 케이스 본체(210)가 상판(211), 하판(212), 양쪽 측면판(213,214)이 일체로 제작된 사각 관형으로 형성된 것이나 예컨대 상기 케이스 본체(210)는 하판(212)과 양쪽 측면판(213,214)이 일체형인 'U 프레임'과 상기 'U 프레임'의 상단에 상판(211)을 용접한 것으로 대체될 수도 있다. 이 경우, 'U 프레임'의 내부에 셀 어셈블리(100)를 배치한 다음, 상판(211)으로 상기 셀 어셈블리(100)의 상부를 덮고 상판(211)의 테두리를 'U 프레임'의 상단에 용접한다.
상기 엔드 커버(220)는 전극 리드(112)들과 전기적으로 연결되어 있는 버스바 프레임 조립체를 커버하며, 그 테두리가 케이스 본체(210)의 개방단에 용접 및/또는 스냅-핏 방식으로 결합될 수 있게 구성될 수 있다. 그리고 상기 엔드 커버(220)는 버스바 프레임 조립체와의 전기적 절연을 위해 예컨대 그 내측이 절연 소재로 이루어지거나, 그 내측면이 절연 시트 등으로 코팅 처리될 수 있다.
한편, 배터리 셀(111)은 충방전 과정에서 전기화학적 반응으로 인해 열이 발생하게 되는데, 열이 비정상적으로 급격히 상승하는 열폭주가 일어나면 상기 배터리 셀(111)에서 화염, 스파크 및 가스가 분출될 수 있다. (스파크는 전극 활물질과 알루미늄 입자 등을 포함한 고온의 파티클을 의미한다.) 이때 화염과 스파크는 배터리 모듈(10)의 외부로 배출되면 예컨대 주변의 다른 배터리 모듈(10)에 대해 발화원으로 작용할 수 있다. 그러므로 화재 확산을 방지하기 위해서 화염과 스파크가 최대한 배터리 모듈(10)의 외부로 배출되지 않도록 할 필요가 있다. 그러나 배터리 모듈(10) 안에 생성된 가스가 갇혀 있게 되면 내부 압력이 급격히 상승하게 되어 배터리 모듈(10)의 붕괴 내지 폭발이 야기될 수 있음으로 가스는 배터리 모듈(10)의 외부로 적절히 배출될 수 있도록 해야 한다.
이에 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(111)들의 열폭주시 가스를 외부로 배출시키기 위한 가스 벤팅홀(215)을 포함한다. 구체적으로, 상기 가스 벤팅홀(215)은, 도 2와 같이, 케이스 본체(210)의 상판(211)에 구비될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(111)의 경우, 충방전시 전극 리드(112) 주변의 온도가 가장 높고 열폭주가 발생하면 해당 부위에서 가스가 방출될 가능성이 높은 편이다. 이에 본 실시예에서 가스 벤팅홀(215)은 배터리 셀(111)들의 전극 리드(112)와 가까운 모듈 케이스(200)의 상판(211) 가장자리 부근에 마련되어 있다. 그리고 상기 가스 벤팅홀(215)에는 금속 메쉬망(미도시)이 설치될 수도 있다. 상기 금속 메쉬망은 가스가 상기 가스 벤팅홀(215)을 통과할 때 화염이나 스파크를 차단하는데 사용될 수 있다.
본 실시예는 가스 벤팅홀(215)을 하나만 구성하였지만, 상기 가스 벤팅홀(215)은 복수 개가 구비될 수도 있고, 그 형성 위치도 본 실시예와 다르게 마련될 수도 있다.
상기 가스 벤팅홀(215)을 통해 모듈 케이스(200)로부터 상부 방향으로 빠져 나온 가스는 도 3에 도시한, 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)으로 유입되고 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)의 내부에 구비되어 있는 가스 벤팅 채널(312)을 따라 이동하여 최종적으로 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)의 가스 배출구(317)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
특히, 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은 가스가 상기 가스 벤팅 채널(312)을 따라 이동하는 과정에서 냉각수와 간접 접촉하여 냉각될 수 있게 구성되어 있다. 따라서 가스가 배터리 모듈(10) 외부로 나오더라도 온도가 높지 않아 주변의 다른 배터리 모듈(10)이 열적 데미지를 크게 입지 않을 수 있다.
이하에서 이와 같은 작용을 하는 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)의 가스 벤팅홀(215)과 연통하는 가스 벤팅 채널(312)과 냉매의 이동 경로를 형성하는 쿨링 채널(314)을 하나의 몸체에 일체로 구비하고 상기 모듈 케이스(200)의 외측, 즉 본 실시예에서는 모듈 케이스(200)의 상판(211)에 배치된다.
즉, 도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)의 상판(211)에 대응하는 사이즈로 마련될 수 있고, 가스 유입구(316)가 가스 벤팅홀(215)과 상하 방향으로 매칭되게 모듈 케이스(200)의 상판(211)에 장착될 수 있다. 이처럼 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 모듈 케이스(200)의 상판(211)에 장착하면, 가스가 가스 벤팅홀(215)에서 가스 유입구(316)를 통해 가스 벤팅 채널(312)로 유입되고 상기 가스 벤팅 채널(312)을 따라 가스 유입구(316) 반대편의 가스 배출구(317)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 쿨링 채널(314)은 냉매가 유동할 수 있는 유로를 의미하며, 냉매가 가스 벤팅 채널(312)로 유입되지 않도록 상기 가스 벤팅 채널(312)과는 공간적으로 분리된 구조로 이루어져 있다. 냉매로는 냉각수가 채용될 수 있고, 상기 냉매는, 도 3에 표시한 C1과 C3 와 같이 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)의 쿨링 채널(314)로 유입되어, 도 6의 실시 구성과 같이, 쿨링 채널(314)을 따라 이동하며 모듈 케이스(200)의 상판(211)을 사이에 두고 배터리 셀(111)들과 간접 접촉하여 상기 배터리 셀들을 냉각시킨다. 그리고 상기 냉매는 도 3의 C2와 C4와 같이, 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300) 밖으로 배출될 수 있다.
도면의 편의상 미도시 하였으나, 상기 쿨링 채널(314)의 냉매 유입구(301)와 냉매 배출구(303)에는 냉각수 공급 파이프와 냉각수 배출 파이프가 각각 연결될 수 있다. 그리고 냉각수가 "냉각수 공급 파이프 -> 쿨링 채널(314) -> 냉각 배출 파이프 -> 열 교환기 -> 냉각 공급 파이프-> 쿨링 채널(314)" 과 같이 순환하도록 하여 배터리 모듈(10)의 발열이 해소될 수 있도록 할 수 있다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은, 도 4와 같이, 채널 플레이트(310)와 커버 플레이트(320)를 포함한다.
상술한 가스 벤팅 채널(312)과 쿨링 채널(314)은 상기 채널 플레이트(310)의 양면에 각각 구비될 수 있다. 이를테면, 채널 플레이트(310)의 상부면은 가스 벤팅 채널(312)로 사용되고 그 하부면은 쿨링 채널(314)로 사용될 수 있게 채널 플레이트(310)가 구성된다. 그리고 상기 채널 플레이트(310)는 모듈 케이스(200)의 상판(211)과 대면 접촉하는 부분 중 상기 모듈 케이스(200)의 가스 벤팅홀(215)에 대응하는 일부분이 두께 방향으로 관통되어 형성된 가스 유입구(316)를 갖는다. 또한, 채널 플레이트(310)는 메탈 소재로 마련되고, 바람직하게는 열전도성이 높은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금으로 마련될 수 있다.
상기 커버 플레이트(320)는 상기 채널 플레이트의 상부면에 결합 내지 부착되고 가스 벤팅 채널을 밀폐시키도록 구성될 수 있다. 이러한 커버 플레이트(320)는 채널 플레이트(310)와 같은 소재로 마련되거나, 예컨대 내열성이 우수한 스테인레스(SUS) 계열 또는 세라믹 계열의 소재로 마련될 수도 있다.
보다 구체적으로, 상기 채널 플레이트(310)는 제1 면(310a)에 도 5와 같은 실시 구성의 가스 벤팅 채널(312)을 구비하고 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 제1 면(310a)의 반대면인 제2 면(310b)에 쿨링 채널(314)을 구비할 수 있다.
상기 제1 면(310a)은 미리 정해진 영역이 돌출되어 볼록하게 마련되는 양각부(311)를 포함하고 있어, 상기 양각부(311)에 의해 둘러싸인 영역에 상기 가스 벤팅 채널(312)이 형성될 수 있다.
이를테면, 상기 채널 플레이트(310)의 제1 면(310a)은 양쪽 사이드가 가운데 영역보다 볼록하게 양각된 제1 양각부(311A)와 제2 양각부(311B)가 구비되고, 상기 제1 양각부(311A)와 상기 제2 양각부(311B)는 채널 플레이트(310)의 길이 방향(X 방향)을 따라 각각 구불구불하게 이어지게 마련될 수 있다. 이러한 제1 양각부(311A)와 제2 양각부(311B)에 의해 둘러싸인 가운데 영역에 가스 벤팅 채널(312)이 마련될 수 있다. 또한, 가스 벤팅 채널(312) 내에는 가스의 흐름을 여러 갈래로 나누도록 볼록한 파트들이 더 추가될 수 있다.
이러한 가스 벤팅 채널(312)의 개방된 상부를 밀폐하기 위해 커버 플레이트(320)가 상기 제1 면(310a)에 부착될 수 있다. 구체적으로 본 실시예의 커버 플레이트(320)는 (도 4 참조) 상기 제1 면(310a)에 대응하는 면적으로 갖는 본체부(321)와 상기 본체부(321)의 모서리에서 아래로 절곡 연장되어 가스 유입구(316)가 있는 영역의 상부 및 전방(-X 방향)을 감싸도록 마련된 절곡부(322)를 포함할 수 있다. 상기 커버 플레이트(320)와 채널 플레이트(310)는 용접 결합하여 기밀성 확보하는 것이 바람직할 수 있다.
이처럼 상기 커버 플레이트(320)가 채널 플레이트(310)에 결합됨으로써 가스 벤팅 채널(312)은 채널 플레이트(310)의 일측 끝에 위치한 가스 유입구(316)와 타측 끝에 위치한 가스 배출구(317)를 제외한 나머지 부분이 완전히 밀폐될 수 있다. 따라서 도 5의 G1 과 같이, 가스가 모듈 케이스(200)의 가스 벤팅홀(215)에서 상기 가스 유입구(316)를 통해 가스 벤팅 채널(312)로 들어올 수 있고 상기 가스 벤팅 채널(312)을 따라 이동하여 가스 배출구(317)를 통해 G2와 같이 외부로 배출될 수 있다. 한편, 도시된 바와 같이, 가스 벤팅 채널(312)은 폭이 좁고 채널 플레이트(310)의 일측 끝에서 타측 끝까지 경로가 구불구불하 연장되어 있어 화염이나 스파크는 쉽게 가스 벤팅 채널(312)을 빠져 나오기 어렵다.
한편, 상기 쿨링 채널(314)은, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 채널 플레이트(310)의 제2 면(310b)에서 상기 제1 면(310a)의 양각부(311)의 반대쪽으로 구비될 수 있다. 부연하면, 상기 쿨링 채널(314)은 제1 면(310a)에 양각부(311)를 형성함으로써, 상기 양각부(311)의 형상대로 제2 면(310b)의 표면으로부터 오목하게 만입된 영역이라 할 수 있다.
즉, 쿨링 채널(314)은 제2 면(310b)에서 제1 면(310a)의 양각부(311) 반대쪽에 구비되고, 가스 벤팅 채널(312)은 제1 면(310a)에서 제2 면(310b)의 제1 쿨링 채널(314A)과 제2 쿨링 채널(314B) 사이에 볼록한 영역(313)의 반대쪽에 구비된다. 예컨대 양각부(311)와 같은 형상으로 양각된 금형을 사용하여 평평한 금속판을 스탬핑하면 본 실시예와 같이 금속판의 한쪽 면에는 가스 벤팅 채널(312)이 형성되고 반대 쪽 면에는 쿨링 채널(314)이 형성될 수 있다.
상기와 같이 쿨링 채널(314)을 갖는 채널 플레이트(310)의 제2 면(310b)을 모듈 케이스(200)의 상면에 대향하게 배치하면, 상기 쿨링 채널(314)의 오픈된 아랫쪽(-Z 방향)이 모듈 케이스(200)의 상면에 의해 커버될 수 있다. 따라서 쿨링 채널(314)은 냉매 유입구(301)와 냉매 배출구(303)를 제외한 나머지 부분이 밀폐될 수 있다. 여기서 상기 냉매 유입구(301)는 냉매를 쿨링 채널(314)의 내부로 유입시키기 위한 쿨링 채널(314)의 입구를 의미하고 상기 냉매 배출구(303)는 냉매를 쿨링 채널(314)의 외부로 배출시키기 위한 쿨링 채널(314)의 출구에 의미한다.
도 6과 같이, 제2 면(310b)의 테두리 중 미리 정해진 부분과 상기 모듈 케이스(200)의 상면 사이에 소정의 갭(gap)이 형성되도록 상기 미리 정해진 부분을 모듈 케이스(200)의 상면으로부터 이격되게 하여 냉매 유입구(301)와 냉매 배출구(303)를 확보할 수 있다. 즉, 채널 플레이트(310)에서 ±X 방향에 따른 양쪽 테두리 중 일부분을 모듈 케이스(200)의 상면에 비접촉하도록 가공함으로써 상기 냉매 유입구(301)와 상기 냉매 배출구(303)가 형성될 수 있다.
이러한 냉매 유입구(301)와 냉매 배출구(303)에는 각각 접속 포트(302)가 장착될 수 있다. 상기 접속 포트(302)는 외부 파이프(미도시)를 냉매 유입구(301) 또는 냉매 배출구(303)에 수월하게 연결하는데 사용되고 연결 부위의 기밀성을 높이는데 효과적일 수 있다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)에 의하면, 평상시 냉각수가 도 5의 C1, C3로 표시한 바와 같이, 냉매 유입구(301)를 통해 쿨링 채널(314)로 유입되고 도 6과 같이, 쿨링 채널(314)을 따라 이동하면서 배터리 모듈(10)을 냉각시켜 배터리 모듈(10)의 발열을 해소할 수 있다.
그리고 배터리 셀(111)들의 열폭주 시, 도 5의 G1 으로 표시한 바와 같이, 가스가 모듈 케이스(200)의 가스 벤팅홀(215)에서 올라와 가스 유입구(316)를 통해 가스 벤팅 채널(312)로 유입되고, 가스 벤팅 채널(312)을 따라 이동하고 가스 배출구(317)를 통해 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)의 외부로 배출될 수 있다. 이때, 채널 플레이트(310)는 냉각수에 의해 냉각된 상태이므로 가스가 상기 가스 벤팅 채널(312)을 따라 이동하면서 냉각될 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 가스의 온도가 저감되어 배터리 모듈(10)의 외부로 배출되게 되므로 가스 배출로 인한 주변의 다른 배터리 모듈(10)이나 구조물의 화재 위험성이 낮아진다.
이어서 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10A)에 대해 간략히 살펴본다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10A)의 개략적인 사시도이다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10A)은, 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 적어도 한쪽 측면부에 배치되게 구성될 수 있다. 예를들면, 모듈 케이스(200)의 양쪽 측면부에 가스 벤팅홀(215)을 구성하고 도 7과 같이, 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 모듈 케이스(200)의 양쪽 측면부에 부착할 수 있다. 이때 모듈 케이스(200)의 측면부에 구비되는 가스 벤팅홀(215)의 형성 위치, 개수 등에 따라서 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)의 가스 벤팅 채널(312)과 쿨링 채널(314)도 변형될 수도 있다.
또한, 전술한 실시예는 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)이 2개의 냉매 유입구(301)와 2개의 냉매 배출구(303)를 가지고 있으나, 본 실시예의 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은 1개의 냉매 유입구(301)와 1개의 냉매 배출구(303)를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, (도 6의 실시 구성과 다르게) 모듈 케이스(200)의 좌측면부에 부착된 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은 도 7의 C5와 같이, 냉각수가 1개의 냉매 유입구(301)를 통해 쿨링 채널(314) 내부로 유입되고 상기 쿨링 채널(314)을 따라 이동하여 C6와 같이 1개의 냉매 배출구(303)를 통해 외부로 배출되도록 구성될 수 있다. 그리고 모듈 케이스(200)의 우측면부에 부착된 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은 도 7의 C7과 같이, 냉각수가 1개의 냉매 유입구(301)를 통해 쿨링 채널(314) 내부로 유입되고 상기 쿨링 채널(314)을 따라 이동하여 C8과 같이 1개의 냉매 배출구(303)를 통해 외부로 배출되도록 구성될 수 있다.
한편, 상술한 본 실시예들은 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)이 모듈 케이스(200)의 상부, 양쪽 측면부에 부착된 예들이나, 이에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다. 즉, 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)은 모듈 케이스(200)의 한 쪽 측면부 또는 모듈 케이스(200)의 하부에 부착되도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 제조방법에 대해 간략히 설명하기로 한다. 배터리 모듈(10)의 제조 과정은 본 발명의 출원시점을 기준으로 널리 공지되어 있음으로 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 일반적인 배터리 모듈(10)의 제조방법에 대한 설명은 생략하고 주요한 기술적 특징에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 제조방법은, 복수의 배터리 셀(111)들을 모듈 케이스(200)의 내부에 수납하는 단계와 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 준비하는 단계 및 상기 모듈 케이스(200)의 외측면에 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 결합하는 단계를 포함한다.
상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 준비하는 단계는, 도 8에 도시한 바와 같이, 평평한 금속판을 상부 금형(20)과 하부 금형(30) 사이 배치하고 상기 상부 금형(20)과 상기 하부 금형(30)을 사용하여 상기 금속판을 상하 방향으로 프레스(press)하여 상기 금속판의 한쪽 면에 가스 벤팅 채널(312)을 형성하고 상기 금속판의 반대쪽 면에 쿨링 채널(314)을 형성하여 채널 플레이트(310)를 성형하는 스탬핑(stamping) 공정을 포함한다.
여기서 상기 상부 금형(20)과 상기 하부 금형(30) 중 어느 하나는 미리 설계한 형상대로 표면이 양각된 것이고, 다른 하나는 표면이 음각된 것이다. 그리고 상기 미리 설계한 형상은 목적하는 가스 벤팅 채널(312)의 형상 또는 쿨링 채널(314)의 형상을 의미한다.
채널 플레이트(310)의 성형이 완료되면, 커버 플레이트(320)를 상기 채널 플레이트(310)의 일면에 부착하기 위한 공정이 수행될 수 있다. 바람직하게는 가스 벤팅 채널(312)로 기능한느 채널 플레이트(310)의 제1 면(310a)에 커버 플레이트(320)를 부착한다. 이때 커버 플레이트(320)와 채널 플레이트(310)는 예컨대 용접에 의해 상호 결합될 수 있다.
이렇게 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)이 준비되면 용접, 볼팅, 후킹 및 접착 방식 중 적어도 하나의 결합 방식을 채택하여 가스 벤팅홀(215)이 구비되어 있는 모듈 케이스(200)의 외측면에 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 부착하는 공정을 수행한다.
상술한 바와 같이, 스탬핑 공정을 통해 가스 벤팅 채널(312)과 쿨링 채널(314)을 일체화한 채널 플레이트(310)를 성형할 수 있고, 이러한 채널 플레이트(310)와 커버 플레이트(320)로 구성된 쿨링 앤드 벤팅 유닛(300)을 모듈 케이스(200)의 외측면에 부착함으로써 종래에 배터리 모듈(10)에서 이원화되어 있던 가스 배출 장치와 냉각 장치를 일원화시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈(10)의 충방전을 통합 제어하기 위한 마스터 BMS (Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등과 상술한 구성품을 수용하기 위한 팩 케이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 에너지 저장 디바이스에 적용되거나, 전기 스쿠터, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 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.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀들;
    상기 복수의 배터리 셀들을 내부에 수용하고 적어도 일측에 가스 벤팅홀을 구비하는 모듈 케이스; 및
    상기 가스 벤팅홀과 연통하는 가스의 이동 경로를 형성하는 가스 벤팅 채널과 냉매의 이동 경로를 형성하는 쿨링 채널을 하나의 몸체에 일체로 구비하고, 상기 모듈 케이스의 외측에 배치되는 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은,
    제1 면에 상기 가스 벤팅 채널을 구비하고 상기 제1 면과 반대되는 제2 면에 상기 쿨링 채널을 구비하는 채널 플레이트; 및
    상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 어느 한 면을 커버하며 상기 채널 플레이트에 결합되는 커버 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 면은 미리 정해진 영역이 돌출되어 볼록하게 마련되는 양각부를 구비하고, 상기 가스 벤팅 채널은 상기 양각부에 의해 둘러싸인 영역에 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 쿨링 채널은 상기 제2 면에서 상기 제1 면의 상기 양각부의 반대쪽으로 구비되고, 상기 양각부의 형상대로 상기 제2 면의 표면으로부터 오목하게 만입된 영역인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 채널 플레이트는 메탈 소재로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 커버 플레이트는 상기 채널 플레이트의 제1 면을 커버하고,
    상기 채널 플레이트는 상기 제2 면이 상기 모듈 케이스의 외측면에 대향하게 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은,
    상기 모듈 케이스의 외측면에 대면 접촉하는 상기 채널 플레이트의 일부분이 두께 방향으로 관통되어 상기 모듈 케이스의 가스 벤팅홀과 상하 방향으로 매칭되는 가스 유입구를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 유입구와 상기 가스 벤팅 채널은 연통하고,
    상기 가스 벤팅 채널은 상기 채널 플레이트의 일측 끝에서 타측 끝까지 경로가 구불구불하게 연장되며 상기 타측 끝에는 외부와 통하는 가스 배출구가 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은,
    상기 쿨링 채널의 일측과 타측에 각각 마련되는 냉매 유입구 및 냉매 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉매 유입구 또는 상기 냉매 배출구는 상기 제2 면의 테두리 중 미리 정해진 부분이 상기 모듈 케이스의 외측면과 갭(Gap)을 갖도록 이격되어 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 상부에 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛은, 상기 모듈 케이스의 적어도 한쪽 측면부에 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 따른 배터리 모듈의 제조방법으로서,
    상기 복수의 배터리 셀들을 상기 모듈 케이스의 내부에 수납하는 단계;
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 준비하는 단계; 및
    상기 모듈 케이스의 외측면에 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 결합하는 단계;를 포함하고,
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 준비하는 단계는,
    평평한 금속판을 상부 금형과 하부 금형 사이 배치하고 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 사용하여 상기 금속판을 상하 방향으로 프레스(press)하여 상기 금속판의 한쪽 면에 가스 벤팅 채널을 형성하고 상기 금속판의 반대쪽 면에 쿨링 채널을 형성하여 상기 채널 플레이트를 마련하는 스탬핑 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 준비하는 단계는,
    상기 커버 플레이트를 상기 채널 플레이트의 일면에 부착하는 공정을 더 포함하고,
    상기 결합 단계는,
    용접, 볼팅, 후킹 및 접착 방식 중 적어도 하나의 결합 방식을 채택하여 상기 가스 벤팅홀이 구비된 상기 모듈 케이스의 외측면에 상기 쿨링 앤드 벤팅 유닛을 부착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
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