WO2024019403A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a vehicle including the same, and more specifically, to a battery pack having excellent stability against thermal events and a vehicle including the same.
  • nickel-cadmium batteries or nickel-hydrogen batteries were widely used as secondary batteries, but recently, lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, allowing for free charging and discharging, a very low self-discharge rate, and high energy density. Batteries are widely used.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxide and carbon material as positive and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with the positive electrode active material and the negative electrode active material are disposed with a separator in between, and an exterior material, that is, a battery case, that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte solution.
  • secondary batteries can be classified into can-type batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • battery packs have been widely used for driving or energy storage in medium to large-sized devices such as electric vehicles or energy storage systems.
  • a conventional battery pack includes one or more battery modules inside a pack case and a control unit that controls charging and discharging of the battery pack.
  • the battery module is configured to include a plurality of battery cells inside a module case.
  • a plurality of battery cells are stored inside a module case to form each battery module, and one or more of these battery modules are stored inside the pack case to form a battery pack.
  • pouch-type batteries have advantages in many aspects, such as being light in weight and requiring less dead space when stacked, but they are vulnerable to external shocks and have somewhat poor assembly properties.
  • battery packs it is common for battery packs to be manufactured by first modularizing a number of cells and then storing them inside a pack case.
  • conventional battery packs may be disadvantageous in terms of energy density, assembly, cooling, etc. due to modularization.
  • conventional battery packs or battery modules may be vulnerable to thermal events. In particular, if a thermal event occurs inside a battery module or battery pack, thermal runaway may occur, resulting in flames and, in severe cases, explosion.
  • the present invention was created to solve the above problems, and its purpose is to provide a battery pack that can ensure excellent safety when a thermal event occurs and a vehicle including the same.
  • a plurality of pouch-type battery cells a pack case storing the pouch-type battery cells in an internal space; and a battery pack including a plurality of cell covers, which are provided in an internal space of the pack case to at least partially surround at least some of the pouch-type battery cells among the plurality of pouch-type battery cells and are configured to change length in the width direction.
  • an discharge hole is formed on at least one side of the pack case, and the communication area with the discharge hole can be varied by changing the length of the cell cover in the width direction.
  • the discharge holes of the pack case may be formed long or formed in multiple numbers along the arrangement direction of the plurality of cell covers.
  • the cell cover may be configured to cover both sides and an upper side of at least some of the pouch-type battery cells.
  • the cell cover includes an upper cover portion formed on the upper side, and the upper cover portion may be configured in a wrinkled shape.
  • a triangle portion folded into a triangle shape may be formed on the upper cover portion.
  • the cell cover may be configured to support the stacked state of the plurality of pouch-type battery cells.
  • the cell cover may be formed in an n-shape.
  • the cell cover may be made of a metal material.
  • a bus bar connecting a plurality of electrode leads may be further included.
  • the cell cover may be configured to partially surround the pouch-type battery cell so that at least one side of the wrapped pouch-type battery cell is exposed to the outside.
  • the cell cover may be configured so that at least one side of the wrapped pouch-type battery cell is exposed toward the bottom of the battery pack.
  • the cell cover may be directly mounted on the pack case.
  • a vehicle including the above-described battery pack can be provided.
  • a plurality of pouch-type battery cells can be stably stored inside a pack case or module case without the need for a stacking frame such as a plastic cartridge or a separate module case.
  • a pouch-type battery cell having a case made of a flexible material can be easily made into a sturdy form, so that a configuration in which the battery cells are directly stacked inside the pack case can be more easily implemented. Accordingly, assembly and mechanical stability of the battery pack or battery module can be improved.
  • thermal runaway occurs in a specific battery cell, it is possible to effectively respond to a thermal event.
  • the accumulation or discharge of heat corresponding to the ignition source can be blocked or appropriately controlled.
  • venting gas emission control, directional venting, and flame exposure suppression can be implemented.
  • the safety of users located on the upper side can be improved by providing directional venting in the lower direction.
  • the module case, etc. can be eliminated, thereby improving cooling performance and energy density.
  • the present invention may have various other effects, and these will be described in each implementation configuration, or the description of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 2 to 4 are diagrams illustrating a process in which a cell cover is coupled to a pouch-type battery cell stored inside a battery pack and two pouch-type battery cells are connected to a bus bar according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a cross-sectional view of a pouch-type battery cell stored inside a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a process in which the length of the cell cover changes according to expansion and contraction of the pouch-type battery cell of FIG. 5.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing the pack case configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a diagram showing a modified embodiment of Figure 5.
  • Figure 9 is a diagram for explaining a vehicle including a battery pack according to each embodiment of the present invention.
  • Coupled to refers not only to the case where one member and another member are directly coupled or directly connected, but also when one member is indirectly coupled to another member through a joint member, or indirectly connected to another member. Also includes cases where it is connected to .
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figures 2 to 4 show a cell cover coupled to a pouch-type battery cell stored inside the battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • It is a diagram illustrating the process of connecting two pouch-type battery cells to a bus bar.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a pouch-type battery cell stored inside a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a pouch of FIG. 5.
  • This is a diagram showing the process of changing the length of the cell cover according to the expansion and contraction of the battery cell.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing the pack case configuration of the battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 8 is This is a diagram showing a modified example of Figure 5.
  • the present invention relates to a battery pack 10 in which the battery cells 100 can be directly stored in the pack case 200 of the battery pack 10 by removing the battery module.
  • the module case of the battery module may not be included in the configuration.
  • the pouch-type battery cell 100 of each embodiment of the present invention may be accommodated in the module case provided in the battery module.
  • the battery module provided with the pouch-type battery cell 100 combined with the cell cover 300 in each embodiment of the present invention also falls within the scope of the present invention.
  • the battery cell 100 refers to a pouch-type battery cell 100.
  • a battery pack 10 includes a pouch-type battery cell 100, a pack case 200, and a cell cover 300.
  • the pouch-type battery cell 100 is a pouch-type secondary battery and may include an electrode assembly, an electrolyte, and a pouch exterior material. A plurality of such pouch-type battery cells 100 may be included in the battery pack 10 . And, these plurality of pouch-type battery cells 100 may be stacked in at least one direction.
  • the pack case 200 has an empty space inside, and pouch-type battery cells 100 can be stored in this inner space.
  • the pouch-type battery cell 100 can be directly seated on the pack case 200.
  • the cell cover 300 may be provided to at least partially cover the pouch-type battery cell 100.
  • the cell cover 300 may be configured to cover both sides and the top of at least a portion of the pouch-type battery cell 100. However, it is not limited to this.
  • the cell cover 300 may be configured to partially surround the pouch-type battery cell 100 so that at least one side of the wrapped pouch-type battery cell 100 is exposed to the outside.
  • the cell cover 300 may be configured to support the pouch-type battery cell 100 in an upright state. It is generally not easy to stack the pouch-type battery cells 100 in an upright direction.
  • the cell cover 300 surrounds one or more pouch-type battery cells 100, and the wrapped pouch-type battery cells 100 are in an upright state, that is, in a standing state. It can be configured to maintain .
  • the cell cover 300 may be configured so that at least one side of the wrapped pouch-type battery cell 100 is exposed toward the bottom surface of the battery pack 10.
  • the cell cover 300 configured to surround at least some of the pouch-type battery cells 100 among the plurality of pouch-type battery cells 100 may be stored in the internal space of the pack case 200. .
  • the cell cover 300 may be configured to surround a various number of pouch-type battery cells 100 together.
  • the cell cover 300 may be configured to cover one pouch-type battery cell 100 together.
  • it may be configured to surround two pouch-type battery cells 100 together, or it may be configured to surround three or more pouch-type battery cells 100 together.
  • the cell cover 300 includes an upper cover portion 310 formed on the upper side.
  • the upper cover portion 310 may be formed in various ways, for example, may have a wrinkled shape, but is not limited thereto.
  • an upper cover portion 310 having a wavy or wrinkled shape may be formed on the upper side of the cell cover 300.
  • the upper cover portion 310 may be formed in various sizes or shapes.
  • the wrinkled structure of the upper cover portion 310 may be formed in a concavo-convex shape.
  • the cell cover 300 may have a repeated structure of being concave toward the inner direction where the battery cell 100 is located and convex toward the outer direction.
  • the cell cover 300 may be directly seated on the upper surface of the pack case 200.
  • the lower end of the cell cover 300 may be seated in direct contact with the upper surface of the pack case 200.
  • the cell cover 300 and the pouch-type battery cell 100 can be directly seated in the pack case 200 without being stored in a separate module case.
  • the embodiment in which the module is modularized by being seated in a module case is not excluded.
  • the cooling performance of the battery pack 10 can be secured more effectively.
  • the pouch-type battery cells 100 can be in face-to-face contact with the pack case 200, the heat emitted from each pouch-type battery cell 100 is directly transferred to the pack case 200, improving cooling performance. It can be.
  • the cell cover 300 may be configured to support the stacked state of the plurality of pouch-type battery cells 100.
  • the plurality of pouch-type battery cells 100 may be stacked in a horizontal direction in an erect state, and the cell cover 300 may be configured to stably support the plurality of pouch-type battery cells 100 in an erect state. .
  • the cell cover 300 may be formed in an approximately n-shape. At this time, the front, rear, and bottom of the cell cover 300 may be open.
  • the shape of the cell cover 300 is not limited to an approximately n-shape.
  • the cell cover 300 may be formed in various shapes.
  • the cell cover 300 may be formed in a ' ⁇ ' shape, an 'U' shape, or an 'O' shape.
  • the cell cover 300 may be made of a metal material.
  • the cell cover 300 may be made of a steel material, for example, stainless steel (SUS).
  • the stainless steel material has excellent mechanical strength and rigidity and has a higher melting point than the aluminum material, so even if a flame occurs in any battery cell 100, the cell cover 300 is melted by the flame, etc. more effectively. It can be prevented.
  • the material of the cell cover 300 is not limited to this.
  • the cell cover 300 may be at least partially adhered to the pouch-type battery cell 100. Additionally, thermal resin (not shown) may be interposed between the pouch-type battery cell 100 and the pack case 200 and/or between the cell cover 300 and the pack case 200.
  • the battery pack 10 may further include a bus bar 700 (see FIG. 4).
  • the bus bar 700 may be connected to the electrode leads of one or more pouch-type battery cells 100.
  • the bus bar 700 can connect a plurality of electrode leads to enable serial or parallel connection between the plurality of battery cells 100.
  • electrode leads may be located at the front and rear of each pouch-type battery cell 100.
  • the bus bar 700 is located at the front and rear of the battery cell 100 and can connect electrode leads.
  • the bus bar 700 is made of an electrically conductive material such as copper or aluminum and can be in direct contact with the electrode leads.
  • the battery pack 10 may further include a control module configured to control charging and discharging of the pouch-type battery cells 100.
  • this control module may include a battery management system (BMS) 500 and a battery cutoff unit 600, together with a battery cell 100 and a cell cover 300, pack It can be stored inside the case 200.
  • BMS battery management system
  • the battery pack 10 may further include an end plate (not shown) coupled to the open portion of the cell cover 300.
  • the cell cover 300 may have open front and rear sides provided with electrode leads.
  • an end plate (not shown) may be coupled to the open portion of the cell cover 300.
  • holes or cuts for venting may be formed in the end plate (not shown).
  • a separation structure between the battery cells 100 may be further included.
  • a discharge hole 210 may be formed on at least one side of the pack case 200.
  • one or multiple discharge holes 210 may be formed at the bottom of the pack case 200.
  • the discharge hole 210 may be formed to penetrate the pack case 200 in the inner and outer directions so that gas, etc. in the internal space can be discharged to the outside.
  • the upper cover portion 310 formed on the cell cover 300 is configured to change length in the width direction.
  • the communication area with the discharge hole 210 may be varied by changing the length of the cell cover 300 in the width direction.
  • Figure 6 shows a change in the thickness of the pouch-type battery cell 100 accommodated inside the cell cover 300 in the battery pack 10 according to an embodiment of the present invention (thickness according to expansion and contraction of the pouch-type battery cell 100). The process of changing the width direction length of the cell cover 300 according to the change is shown.
  • FIG. 6 a cell assembly is shown in which three battery cells 100 are each surrounded by three cell covers 300 and are stacked in the left and right directions.
  • Figures 6(a) to 6(c) show a case where three situations occur sequentially in this cell assembly.
  • the three battery cells 100 are, from left to right, a first cell 100a, a second cell 100b, and a third cell 100c. do. Additionally, the three cell covers 300 are referred to as a first cover 300a, a second cover 300b, and a third cover 300c from left to right.
  • the widths of the plurality of battery cells 100a, 100b, and 100c and the plurality of cell covers 300a, 300b, and 300c surrounding them are uniform. can be formed.
  • the battery cell 100 may expand. For example, referring to FIG. 6(b), it can be said that thermal runaway has occurred in the second cell 100b, and in this case, the thickness of the second cell 100b may increase.
  • the cell cover 300 surrounding the battery cell 100 that is, the second cover 300b
  • the second cover 300b has a width, as shown in FIG. 6(b).
  • the direction length increases. That is, the width of the cell cover 300 (here, the second cover 300b) becomes larger.
  • any battery cell 100 its thickness or section may be reduced compared to the initial level due to discharge of discharged material. For example, looking at the second cell 100b in FIG. 6(c), it can be seen that the thickness has been reduced compared to the second cell 100b in FIG. 6(b). In this case, it can be said that the thickness of the second cell 100b increased due to thermal runaway, and then decreased in thickness as thermal runaway was completed.
  • the width direction length of the second cover 300b surrounding the second cell 100b decreases. That is, when the thickness or size of the battery cell 100 decreases, the width direction length of the cell cover 300 surrounding the battery cell 100 may decrease.
  • the width of the first cover 300a surrounding the first cell 100a may be reduced.
  • the width of the first cover 300a may decrease as the width of the second cover 300b increases.
  • the first cover 300a is pressured from right to left, and the thickness of the first cell 100a decreases through completion of thermal runaway. Since is decreased, space is secured inside the first cover 300a by a decrease in the thickness of the first cell 100a, and accordingly, the width of the first cover 300a can be reduced.
  • the length of the cell cover 300 in the width direction can be adaptively changed according to expansion or contraction of the battery cell 100 accommodated therein. Therefore, the shape of the cell cover 300 changes appropriately according to the state of the plurality of battery cells 100, especially thermal runaway situations, so that the overall stacked state of the battery cells 100 and the cell cover 300 is stable without collapsing. can be maintained.
  • the thermal runaway state may propagate to adjacent cells.
  • the width of the cell cover 300 sequentially changes depending on the propagation situation of thermal runaway. By doing so, there may not be a significant change in the overall shape of the battery pack 10.
  • the cell cover 300 may communicate with the discharge hole 210 of the pack case 200. Accordingly, venting gas, etc. inside the cell cover 300 may be discharged to the external space through the discharge hole 210 of the pack case 200.
  • the cell cover 300 may be configured so that the communication area with the discharge hole 210 of the pack case 200 is variable by changing the length in the width direction.
  • the width of the second cover 300b increases.
  • the area of the second cover 300b communicating with the discharge hole 210 formed in the pack case 200 may be expanded.
  • the width of the second cover 300b increases, the width of the other cell cover 300, for example, the first cover 300a, may decrease.
  • the communication area between the first cover (300a) and the discharge hole 210 is reduced, and the second cover (300b) extends to the portion of the discharge hole 210 that was in communication with the first cover (300a), and the communication area is reduced. Area may increase.
  • one cell cover 300 in a normal state, has two discharge holes 210 and a communication pipe (first cover 300a, second cover 300b, and third cover). (300c) are all connected to the two discharge holes 210), but in FIG. 6(b), when the width of the second cover 300b increases due to the expansion of the second cell 100b, the second cover 300b has 3 It may be in communication with two discharge holes 210.
  • the second cover (300b) communicates with the two discharge holes (210), but when the second cell (100b) expands, the second cover (300b) communicates with the three discharge holes (210). , the communication area increases.
  • the number of discharge holes 210 in communication with the cell cover 300 changes according to the expansion or contraction of the battery cell 100 accommodated inside the cell cover 300, thereby increasing the overall communication. Since the area varies, this has the effect of enabling appropriate internal pressure control.
  • the discharge holes 210 can be used in parallel. That is, the cell cover 300 may be configured to use the discharge hole 210 in communication with another cell cover 300 depending on the situation by changing the width.
  • the discharge hole 210 of the pack case 200 may be formed long along the direction in which the plurality of cell covers 300 are placed.
  • the discharge hole 210 of the pack case 200 is elongated in the left and right directions. can be formed.
  • a plurality of discharge holes 210 may be formed along the arrangement direction of the plurality of cell covers 300.
  • a plurality of discharge holes 210 of the pack case 200 may be formed in the left and right directions.
  • the number, arrangement, and shape of the discharge holes 210 may vary.
  • the cell cover 300 may have a wrinkled upper cover portion.
  • the cell cover 300 may be formed in a plate shape with two flat sides and a corrugated upper side.
  • the upper cover portion 310 is formed on the upper side of the cell cover 300, and a triangle portion 319 folded into a triangle shape is formed on the upper cover portion 310. You can. That is, the upper side of the cell cover 300 may be formed in a folded form to have multiple triangular shapes.
  • the top and two sides of the cell cover 300 may have different thicknesses.
  • the upper side may be formed to be thinner than the two side sides.
  • the cell cover 300 may be configured to discharge venting gas downward.
  • the cell cover 300 may be in the form of an n-fin, with the top and left and right sides closed based on the battery cell 100 accommodated therein. At this time, the cell cover 300 may be configured so that the venting gas present inside is discharged downward.
  • a discharge hole 210 may be formed in the bottom of the pack case 200.
  • the discharge hole 210 of the pack case 200 may communicate with the internal space of the cell cover 300, the venting gas generated from the battery cell 100 inside the cell cover 300 is discharged through the discharge hole 210. ) can be discharged to the outside.
  • the cell cover 300 and the battery cell 100 are seated on the bottom of the pack case 200, and the venting gas discharged from the battery cell 100 is directed upward and to the side by the cell cover 300. Exhaust is blocked. Additionally, the venting gas can be discharged only downward through the discharge hole 210 of the pack case 200.
  • the battery pack 10 may include a thermal barrier 800.
  • the thermal barrier 800 may be configured in the form of a pad made of an insulating material and may be interposed between adjacent cell covers 300.
  • the thermal barrier 800 may be formed to have a thickness of approximately 2.0t, but is not limited thereto.
  • the battery pack 10 according to the present invention is formed by stacking a plurality of cell covers 300 and a plurality of battery cells 100, and the outermost layer in the stacking direction of the cell assembly is formed of glass fiber reinforced plastic (GFRP). ) may further include an insulating or prevention pad such as.
  • GFRP glass fiber reinforced plastic
  • glass fiber reinforced plastic may be formed to a thickness of 0.35t, but is not limited thereto.
  • the battery pack 10 according to the present invention may further include a heating pad.
  • one or more battery modules may be stored in the battery pack 10.
  • the configurations described in the various embodiments described above, particularly the contents of the battery cell 100 and the cell cover 300, may be applied to the battery module.
  • a battery module according to another aspect of the present invention is a battery module stored in the inner space of the pack case 200, and includes a plurality of pouch-type battery cells 100 and the pouch-type battery cells 100 in the inner space. ) and a module case having an discharge hole 210 formed on at least one side, and at least partially surrounding at least some of the plurality of pouch-type battery cells 100 in the inner space of the module case. and may include a plurality of cell covers 300 configured to change length in the width direction.
  • An exhaust hole 210 may be formed at the bottom of the module case to discharge venting gas inside the cell cover 300. Additionally, the discharge hole 210 of the module case may be configured to communicate with the storage space of the cell cover 300 stored inside the module case. In this implementation configuration, when venting gas or the like is generated from the battery cell 100 stored inside the cell cover 300, the generated venting gas may be discharged downward rather than upward or forward or backward.
  • the cell cover 300 may be configured so that the communication area with the discharge hole 210 of the module case is variable by changing the length in the width direction.
  • the discharge hole 210 of the module case may be configured to communicate with the discharge hole 210 of the pack case 200.
  • the above-described description of the battery pack 10 may be applied in the same or similar manner, so detailed description is omitted.
  • Figure 9 is a diagram for explaining a vehicle including a battery pack according to each embodiment of the present invention.
  • the automobile 20 may include one or more battery packs 10 according to each of the above-described embodiments.
  • the vehicle 20 includes various vehicles 20 that are designed to use electricity, such as electric vehicles or hybrid vehicles.
  • the present invention relates to a battery pack and a vehicle including the same, and is particularly applicable to industries related to secondary batteries.

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Abstract

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 파우치형 배터리 셀들; 내부 공간에 파우치형 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스; 및 팩 케이스의 내부 공간에서, 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련되며, 폭 방향으로 길이 변화가 가능하게 구성된 다수의 셀 커버를 포함한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 출원은 2022년 07월 20일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2022-0089756호 및 2022년 07월 20일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2022-0089757호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 열적 이벤트에 대한 안정성 등이 우수한 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
각종 모바일 기기와 전기 자동차, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 크게 증가함에 따라, 에너지원으로서의 이차 전지에 대한 관심과 수요가 급격히 증가하고 있다.
종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 니켈수소 전지 등이 많이 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 전기 자동차나 에너지 저장 시스템과 같은 중대형 장치에 구동용이나 에너지 저장용으로 배터리 팩이 널리 사용되고 있다.
종래 배터리 팩은 팩 케이스 내부에 하나 이상의 배터리 모듈과 배터리 팩의 충방전을 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 여기서, 배터리 모듈은 모듈 케이스의 내부에 다수의 배터리 셀을 포함하는 형태로 구성된다.
즉, 종래 배터리 팩의 경우, 다수의 배터리 셀(이차 전지)이 모듈 케이스 내부에 수납되어 각각의 배터리 모듈을 구성하고, 이러한 배터리 모듈이 하나 이상 팩 케이스 내부에 수납되어 배터리 팩을 구성한다.
특히, 파우치형 전지의 경우, 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(dead space)가 적다는 등의 여러 측면에서 장점을 갖고 있지만, 외부의 충격에 취약하고, 조립성이 다소 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 다수의 셀을 먼저 모듈화시킨 후, 팩 케이스의 내부에 수납되는 형태로 배터리 팩이 제조되는 것이 일반적이다.
하지만, 종래 배터리 팩의 경우, 모듈화 등으로 인해 에너지 밀도와 조립성, 냉각성 등의 측면에서 불리할 수 있다. 또한, 종래 배터리 팩이나 배터리 모듈의 경우, 열적 이벤트에 취약할 수 있다. 특히, 배터리 모듈이나 배터리 팩 내부에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 열폭주가 일어나게 되어 화염이 발생하고 심한 경우 폭발이 발생할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 열적 이벤트 발생 시 우수한 안전성을 확보할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 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 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 파우치형 배터리 셀들; 내부 공간에 상기 파우치형 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 내부 공간에서, 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련되며, 폭 방향으로 길이 변화가 가능하게 구성된 다수의 셀 커버를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 팩 케이스에는 적어도 일측에 배출홀이 형성되며, 상기 셀 커버의 폭 방향의 길이 변화를 통해 상기 배출홀과의 연통 면적이 가변되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 팩 케이스의 배출홀은, 상기 다수의 셀 커버의 배치 방향을 따라 길게 형성되거나 다수 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 적어도 일부 파우치형 배터리 셀의 양 측면과 상측을 감싸도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상측에 형성된 상측 커버부를 포함하며, 상기 상측 커버부는 주름진 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 상측 커버부에는 트라이앵글 형상으로 접혀진 트라이앵글부가 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들의 적층 상태를 지지하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 n자 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 금속 재질로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 다수의 전극 리드를 연결하는 버스바를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는, 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는, 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 배터리 팩의 바닥면을 향하여 노출되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 팩 케이스에 직접 안착될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 플라스틱 카트리지와 같은 적층용 프레임이나 별도의 모듈 케이스 등의 구성이 없이도, 다수의 파우치형 배터리 셀을 팩 케이스나 모듈 케이스 내부에 안정적으로 수납할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 연성 재질 케이스를 갖는 파우치형 배터리 셀을 쉽게 견고한 형태로 만들어, 팩 케이스 내부에서 직접 적층되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 따라서, 배터리 팩이나 배터리 모듈의 조립성과 기계적 안정성 등이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 특정 배터리 셀에서 열폭주 발생 시, 열적 이벤트에 효과적으로 대응할 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 화염이 발생되는 3요소(연료, 산소, 발화원) 중, 발화원에 해당하는 열의 축적이나 배출을 차단 내지 적절하게 제어하도록 할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 경우, 열 축적 차단 및 화염 배출을 방지하기 위하여, 벤팅 가스의 배출 제어와 디렉셔널 벤팅(directional venting), 그리고 화염 노출 억제 등을 구현할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 하부 방향으로 디렉셔널 벤팅이 이루어지도록 함으로써, 탑승자와 같이 상부 측에 위치한 사용자 등의 안전성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 화염 병렬 배출을 통해 모듈 내압을 빠르게 해소함으로써, 열적 이벤트 발생 시, 내부 단락이나 구조적 붕괴 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, CTP(Cell To Pack) 컨셉으로서, 모듈 케이스 등이 제거되어, 냉각 성능과 에너지 밀도 등이 향상될 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
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 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 분리 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부에 수납되는 파우치형 배터리 셀에 셀 커버가 결합되고 2개의 파우치형 배터리 셀이 버스바에 연결되는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부에 수납되는 파우치형 배터리 셀의 단면도이다.
도 6은 도 5의 파우치형 배터리 셀의 팽창 및 수축에 따라 셀 커버의 길이가 변화하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 팩 케이스 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 분리 사시도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부에 수납되는 파우치형 배터리 셀에 셀 커버가 결합되고 2개의 파우치형 배터리 셀이 버스바에 연결되는 과정을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부에 수납되는 파우치형 배터리 셀의 단면도이고, 도 6은 도 5의 파우치형 배터리 셀의 팽창 및 수축에 따라 셀 커버의 길이가 변화하는 과정을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 팩 케이스 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 8은 도 5의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명은 배터리 모듈을 제거하여 배터리 셀(100)을 배터리 팩(10)의 팩 케이스(200)에 직접 수납할 수 있는 배터리 팩(10)에 관한 발명이다.
이에 의하면, 배터리 팩(10) 내에서 배터리 모듈의 모듈 케이스 등이 차지하던 공간에 배터리 셀(100)을 더 수납할 수 있으므로 공간 효율성이 증대되고 배터리 용량이 향상되는 효과가 있다. 즉, 본 발명에서 배터리 모듈의 모듈 케이스는 구성에 포함되지 않을 수 있다.
다만, 모듈 케이스를 사용하는 실시예를 배제하는 것은 아니며, 필요에 따라, 배터리 모듈에 구비된 모듈 케이스에 본 발명의 각 실시예의 파우치형 배터리 셀(100)이 수납되도록 구성될 수도 있다.
즉, 본 발명의 각 실시예에서의 셀 커버(300)가 결합된 파우치형 배터리 셀(100)이 구비된 배터리 모듈 역시 본 발명의 권리범위 내에 속한다.
그리고, 본 명세서에서 간단하게 배터리 셀(100)이라고 기재된 경우에도 상기 배터리 셀(100)은 파우치형 배터리 셀(100)을 의미한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 파우치형 배터리 셀(100)과, 팩 케이스(200)와, 셀 커버(300)를 포함한다.
파우치형 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지로서, 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 포함할 수 있다. 이러한 파우치형 배터리 셀(100)은 배터리 팩(10)에 복수 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 복수의 파우치형 배터리 셀(100)은 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다.
팩 케이스(200)는 내부에 빈 공간이 형성되며, 이러한 내부 공간에 파우치형 배터리 셀(100)들을 수납할 수 있다. 특히, 본 발명에서 파우치형 배터리 셀(100)은 팩 케이스(200)에 직접적으로 안착될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)의 양 측면과 상측을 감싸도록 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 셀 커버(300)는 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀(100)을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)을 세워진 상태로 지지하도록 구성될 수 있다. 파우치형 배터리 셀(100)은 일반적으로 상하 방향으로 세워진 형태로 적층시키는 것이 용이하지 않다.
하지만, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)에서 셀 커버(300)는 하나 또는 그 이상의 파우치형 배터리 셀(100)을 감싸면서, 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 세워진 상태, 즉, 기립 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
그리고, 셀 커버(300)는 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 배터리 팩(10)의 바닥면을 향하여 노출되도록 구성될 수 있다.
그리고 도 1을 참조하면, 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)을 감싸도록 구성된 셀 커버(300)는 팩 케이스(200)의 내부 공간에 수납될 수 있다.
셀 커버(300)는 다양한 개수의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는 1개의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 또는, 2개의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수도 있고, 3개 이상의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수도 있다.
셀 커버(300)는 상측에 형성된 상측 커버부(310)를 포함한다. 상측 커버부(310)는 다양하게 형성될 수 있으며, 예를 들어 주름진 형태로 구성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 셀 커버(300)의 상측에 물결 모양 또는 주름 모양을 가지는 상측 커버부(310)가 형성될 수 있다. 여기서, 상측 커버부(310)는 다양한 크기 내지 다양한 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 상측 커버부(310)의 주름진 구조는 요철 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는 배터리 셀(100)이 위치한 내측 방향을 향해 오목하게 형성되고 외측 방향을 향해 볼록하게 형성되는 구조가 반복될 수 있다.
도 1을 참조하면, 셀 커버(300)는 팩 케이스(200)의 상부 표면에 직접 안착될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)의 하단부는 팩 케이스(200)의 상부 표면에 직접 접촉하여 안착될 수 있다.
특히, 셀 커버(300)와 파우치형 배터리 셀(100)은 별도의 모듈 케이스에 수납되지 않고 팩 케이스(200)에 바로 안착될 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이 모듈 케이스에 안착되어 모듈화되는 실시예를 제외하는 것은 아니다.
이에 의하면, 배터리 팩(10)의 냉각 성능이 보다 효과적으로 확보될 수 있다. 특히, 파우치형 배터리 셀(100)가 팩 케이스(200)에 대면 접촉될 수 있으므로, 각각의 파우치형 배터리 셀(100)로부터 방출된 열이 팩 케이스(200)로 직접 전달되어, 냉각 성능이 향상될 수 있다.
셀 커버(300)는 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들의 적층 상태를 지지하도록 구성될 수 있다. 특히, 복수의 파우치형 배터리 셀(100)은 세워진 상태로 수평 방향으로 적층될 수 있는데, 셀 커버(300)는 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들을 세워진 상태로 안정적으로 지지하도록 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 셀 커버(300)는 대략 n자 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 셀 커버(300)의 전방, 후방 및 하방은 개방되어 있을 수 있다.
다만, 셀 커버(300)의 형상이 대략 n자 형상에 한정되는 것은 아니다. 셀 커버(300)는 다양한 형상으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 셀 커버(300)는, 'ㅁ'자 형상, 'U'자 형상 또는 'O'자 형상 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 셀 커버(300)는 금속 재질로 제작될 수 있다. 특히, 셀 커버(300)는 스틸 재질, 예를 들어, 스테인레스 스틸(Stainless Steel, SUS) 재질로 제작될 수 있다.
이 경우, 스테인레스 스틸 재질은 기계적 강도 내지 강성이 우수하고, 알루미늄 재질에 비해 녹는점이 높으므로, 임의의 배터리 셀(100)에서 화염이 발생하더라도 화염 등에 의해 셀 커버(300)가 용융되는 것이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
즉, 파우치형 배터리 셀(100)의 손상이나 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 파우치형 배터리 셀(100)의 핸들링이 보다 용이해질 수 있다. 다만, 셀 커버(300)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)과 적어도 부분적으로 접착될 수 있다. 또한, 파우치형 배터리 셀(100)과 팩 케이스(200) 사이 및/또는 셀 커버(300)와 팩 케이스(200) 사이에는 써멀 레진(미도시)이 개재될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 버스바(700, 도 4 참조)를 더 포함할 수 있다. 버스바(700)는 하나 이상의 파우치형 배터리 셀(100)의 전극 리드와 연결될 수 있다.
특히, 버스바(700)는 다수의 전극 리드를 연결하여, 다수의 배터리 셀(100) 간 직렬 또는 병렬 연결이 이루어지도록 할 수 있다. 예를 들어, 각각의 파우치형 배터리 셀(100)의 전방 및 후방에는 전극 리드가 위치할 수 있다. 이때, 버스바(700)는 이러한 배터리 셀(100)의 전방 및 후방에 위치하여, 전극 리드 사이를 연결할 수 있다.
버스바(700)는 구리나 알루미늄과 같은 전기 전도성 재질로 구성되어 전극 리드에 직접 접촉될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 파우치형 배터리 셀(100)들의 충방전을 제어하도록 구성된 제어 모듈을 더 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 이러한 제어 모듈은 배터리 관리 시스템(500, Battery Management System, BMS)과 배터리 차단 유닛(600)을 포함할 수 있으며, 배터리 셀(100) 및 셀 커버(300)와 함께, 팩 케이스(200)의 내부에 수납될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 셀 커버(300)의 개방 부분에 결합되는 엔드 플레이트(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는, 전극 리드가 구비된 전방 및 후방 측이 개방될 수 있다. 그리고, 이러한 셀 커버(300)의 개방 부분에 엔드 플레이트(미도시)가 결합될 수 있다. 더욱이, 엔드 플레이트(미도시)에는 벤팅을 위한 홀이나 절개부 등이 형성될 수 있다.
그리고, 셀 커버(300)에 복수의 배터리 셀(100)이 수용된 경우, 배터리 셀(100) 간 분리 구조가 더 포함될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 팩 케이스(200)에는 적어도 일측에 배출홀(210)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 다수의 배출홀(210)이 팩 케이스(200)의 바닥부에 형성될 수 있다.
여기서, 배출홀(210)은 팩 케이스(200)를 내외측 방향으로 관통하는 형태로 형성되어 내부 공간의 가스 등이 외부로 배출되도록 구성될 수 있다.
그리고, 셀 커버(300)가 다수로 구비되는 경우, 셀 커버(300)에 형성된 상측 커버부(310)는 폭 방향으로 길이 변화가 가능하게 구성된다. 여기서, 셀 커버(300)의 폭 방향의 길이 변화를 통해 배출홀(210)과의 연통 면적이 가변되도록 구성될 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서 셀 커버(300) 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(100)의 두께 변화(파우치형 배터리 셀(100)의 팽창 및 수축에 따른 두께 변화)에 따라 셀 커버(300)의 폭 방향 길이가 변화하는 과정이 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 3개의 배터리 셀(100)이 3개의 셀 커버(300)에 의해 각각 감싸진 상태에서 좌우 방향으로 적층된 셀 어셈블리가 도시되어 있다.
그리고, 도 6(a) 내지 도 6(c)는 이러한 셀 어셈블리에 대하여, 3가지 상황이 순차적으로 발생한 경우를 도시한다.
도 6(a) 내지 도 6(c)를 기준으로 3개의 배터리 셀(100)에 대해, 좌측에서부터 우측 방향으로 제1 셀(100a), 제2 셀(100b) 및 제3 셀(100c)이라 한다. 또한, 3개의 셀 커버(300)에 대해서는, 좌측에서부터 우측 방향으로, 제1 커버(300a), 제2 커버(300b) 및 제3 커버(300c)라 한다.
먼저, 도 6(a)를 참조하면, 일반적이거나 정상적인 팩 상태에서 다수의 배터리 셀(100a, 100b, 100c)과, 이들을 각각 감싸는 다수의 셀 커버(300a, 300b, 300c)의 폭이 서로 균일하게 형성될 수 있다.
그러다가, 임의의 배터리 셀(100)에서 열 폭주(Thermal Runaway) 등이 발생하여 진행 중인 경우, 배터리 셀(100)이 팽창할 수 있다. 예를 들어, 도 6(b)를 참조하면, 제2 셀(100b)에서 열 폭주가 발생한 상황이라 할 수 있으며, 이때 제2 셀(100b)의 두께는 증가할 수 있다.
그리고, 이러한 배터리 셀(100)의 두께나 구획 증가로 인해 해당 배터리 셀(100)을 감싸는 셀 커버(300), 즉 제2 커버(300b)는, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 폭 방향 길이가 증가한다. 즉, 셀 커버(300, 여기서는 제2 커버(300b))는 그 폭이 커지게 된다.
한편, 임의의 배터리 셀(100)에서 열 폭주 진행이 완료되면, 토출물 배출로 인해 그 두께나 구획이 초기 대비 축소될 수 있다. 예를 들어, 도 6(c)의 제2 셀(100b)을 살펴보면, 도 6(b)의 제2 셀(100b)에 비해 그 두께가 줄어들었음을 알 수 있다. 이 경우, 제2 셀(100b)은 열 폭주로 인해 두께가 증가하였다가 열 폭주가 완료되어 두께가 감소하였다고 할 수 있다.
그리고, 도 6(c)에서 제2 셀(100b)의 두께가 감소하면 제2 셀(100b)을 감싸고 있는 제2 커버(300b)의 폭 방향 길이는 감소한다. 즉, 배터리 셀(100)의 두께 내지 크기가 감소하는 경우, 배터리 셀(100)을 감싸고 있는 셀 커버(300)의 폭 방향 길이는 감소할 수 있다.
또한, 도 6(a) 및 도 6(b)를 비교하여 살펴보면, 도 6(a)의 정상적인 상태에서의 제1 셀(100a)의 두께가 도 6(b)에서는 감소하였다고 할 수 있는데, 이는, 제1 셀(100a)의 열 폭주가 진행 후 완료되었기 때문이라고 할 수 있다.
이 경우, 제1 셀(100a)을 감싸는 제1 커버(300a)의 폭은 감소할 수 있다. 특히, 도 6(b)를 참조하면, 제1 커버(300a)는 제2 커버(300b)의 폭이 증가함으로 인해 그 폭이 감소할 수 있다.
즉, 도 6(b)에서 제2 커버(300b)의 폭의 증가로 인해 제1 커버(300a)는 우측에서 좌측 방향으로 압력을 받고, 열 폭주의 완료를 통해 제1 셀(100a)의 두께가 감소하였기 때문에 제1 셀(100a)의 두께의 감소만큼 제1 커버(300a) 내부에는 공간이 확보되며, 이에 따라, 제1 커버(300a)의 폭이 감소될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 팽창 내지 수축에 따라 셀 커버(300)의 폭 방향 길이가 적응적으로 변화할 수 있다. 따라서, 다수의 배터리 셀(100)의 상태, 특히 열폭주 상황 등에 따라 셀 커버(300)의 형태가 적절하게 변화함으로써 전체적인 배터리 셀(100) 및 셀 커버(300)의 적층 상태가 붕괴되지 않고 안정적으로 유지될 수 있다.
더욱이, 임의의 배터리 셀(100)에서 열 폭주가 발생하면 인접한 셀로 열 폭주 상태가 전파될 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 열 폭주의 전파 상황에 따라 셀 커버(300)의 폭이 순차적으로 변화함으로써, 배터리 팩(10) 전체의 형태에는 큰 변화를 일으키지 않을 수 있다.
또한, 셀 커버(300)는 팩 케이스(200)의 배출홀(210)과 연통될 수 있다. 따라서, 셀 커버(300) 내부의 벤팅 가스 등은 팩 케이스(200)의 배출홀(210)을 통해 외부 공간으로 배출될 수 있다.
여기서, 벤팅 가스 등이 팩 케이스(200)의 외부로 적절하게 배출되도록 함으로써, 팩 케이스(200)의 내압 증가로 인한 배터리 팩(10)의 폭발을 방지하는 한편, 고온의 벤팅 가스로 인해 팩 케이스(200) 내부에 열이 축적되어 열 폭주 상황이 심화되거나 전파되는 것을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
셀 커버(300)는 폭 방향의 길이 변화를 통해 팩 케이스(200)의 배출홀(210)과의 연통 면적이 가변되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 6(a)로부터 도 6(b)로 상태가 변화하면, 제2 커버(300b)는 그 폭이 커진다. 이때, 제2 커버(300b)는 팩 케이스(200)에 형성된 배출홀(210)과 연통되는 면적이 더 넓어질 수 있다.
특히, 제2 커버(300b)가 폭이 커질 때 다른 셀 커버(300), 예를 들어, 제1 커버(300a)의 폭이 작아질 수 있다. 이 경우, 제1 커버(300a)와 배출홀(210)의 연통 면적은 줄어들게 되고, 제2 커버(300b)는 제1 커버(300a)와 연통되던 배출홀(210) 부분까지 확장되어, 그 연통 면적이 증가할 수 있다.
예를 들어, 도 6(a)에서와 같이 정상적인 상태에서 하나의 셀 커버(300)는 2개의 배출홀(210)과 연통(제1 커버(300a), 제2 커버(300b) 및 제3 커버(300c) 모두 2개의 배출홀(210)에 연통)되지만, 도 6(b)에서 제2 셀(100b)의 팽창으로 제2 커버(300b)의 폭이 증가하면 제2 커버(300b)는 3개의 배출홀(210)과 연통될 수 있다.
즉, 정상적인 상태에서 제2 커버(300b)는 2개의 배출홀(210)과 연통되었지만, 제2 셀(100b)이 팽항하는 경우 제2 커버(300b)는 3개의 배출홀(210)과 연통되므로, 연통 면적이 증가한다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(300)의 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 팽창 내지 수축에 따라 해당 셀 커버(300)와 연통되는 배출홀(210)의 개수가 변화하여 전체 연통 면적이 달라지므로, 이에 의해, 적절한 내압 제어가 가능한 효과가 있다.
특히, 셀 커버(300)의 내부에 수용된 배터리 셀(100)에서 열 폭주 상황이 진행하는 경우 배출홀(210)을 통해 다량의 벤팅 가스가 배출될 수 있다. 이때, 해당 셀 커버(300)와 배출홀(210)의 연통 면적이 증가하므로, 이에 의해 셀 커버(300)의 내압이 지나치게 증가하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 열 폭주가 이미 완료된 배터리 셀(100)의 경우 벤팅 가스의 배출량은 많지 않을 것이므로, 해당 배터리 셀(100)이 수용된 셀 커버(300)와 배출홀(210)의 연통 면적이 감소하여 상황에 따라 적응적으로 효율적인 배출 구조가 구현될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 상기 실시 구성에서, 배출홀(210)은 병렬적으로 사용될 수 있다. 즉, 셀 커버(300)는 폭 변화를 통해 상황에 따라 다른 셀 커버(300)와 연통된 배출홀(210)을 사용하도록 구성될 수 있다.
여기서, 팩 케이스(200)의 배출홀(210)은 다수의 셀 커버(300)의 배치 방향을 따라 길게 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부에 배터리 셀(100)을 수용하는 다수의 셀 커버(300)가 좌우 방향으로 나란하게 배치된 경우 팩 케이스(200)의 배출홀(210)은 좌우 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다.
또는, 도 7을 참조하면, 예를 들어, 배출홀(210)은 다수의 셀 커버(300)의 배치 방향을 따라 다수 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기와 같은 실시 구성에서, 팩 케이스(200)의 배출홀(210)은 좌우 방향으로 다수 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 배출홀(210)의 개수, 배치 및 형상은 다양할 수 있다.
도 5를 참조하면, 셀 커버(300)는 상측 커버부가 주름진 형태로 구성될 수 있다. 특히, 셀 커버(300)는 2개의 측면이 평평한 플레이트 형상으로 형성되고, 1개의 상측이 주름 가공된 형태로 형성될 수 있다.
도 5의 변형 실시예로 도 8을 참조하면, 상측 커버부(310)는 셀 커버(300)의 상측에 형성되며, 상측 커버부(310)에는 트라이앵글 형상으로 접혀진 트라이앵글부(319)가 형성될 수 있다. 즉, 셀 커버(300)의 상측은 다수의 삼각 형상을 가지도록 폴딩된 형태로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 이러한 실시 구성에 의해, 내부 배터리 셀(100)의 열 폭주 상황 등에서 폭 방향 길이 변화가 보다 용이하게 구현될 수 있다. 여기서, 셀 커버(300)의 상측과 2개의 측면은 두께가 다르게 구성될 수 있다. 특히, 상측은 2개의 측면보다 얇게 형성될 수 있다.
또한, 셀 커버(300)는 벤팅 가스가 하부 방향으로 배출되도록 구성될 수 있다. 특히, 셀 커버(300)는, n-fin 형태로서 내부에 수용된 배터리 셀(100)을 기준으로, 상부와 좌우 측면은 폐쇄된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 셀 커버(300)는 내부에 존재하는 벤팅 가스가 하부 방향으로 배출되도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이 팩 케이스(200)의 바닥부에는 배출홀(210)이 형성될 수 있다. 그리고, 팩 케이스(200)의 배출홀(210)은 셀 커버(300)의 내부 공간과 연통될 수 있으므로, 셀 커버(300) 내부의 배터리 셀(100)로부터 발생된 벤팅 가스는 배출홀(210)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
즉, 팩 케이스(200)의 바닥부에는 셀 커버(300)와 배터리 셀(100)이 안착되는데, 배터리 셀(100)로부터 배출된 벤팅 가스는 셀 커버(300)에 의해 상측 및 측면 방향으로의 배출이 차단된다. 그리고, 벤팅 가스는 팩 케이스(200)의 배출홀(210)을 통해 하부 방향으로만 배출될 수 있다.
이와 같은 실시 구성의 경우, 셀 커버(300) 및 팩 케이스(200)를 통해 디렉셔널 벤팅(directional venting), 즉, 미리 설정된 방향으로 벤팅되는 것이 가능해지는 효과가 있다. 더욱이, 본 발명의 실시 구성에 의하면, 셀 커버(300)에 의한 디렉셔널 벤팅과 함께 신속하면서 원활한 가스 배출로 내압 해소 효과가 효율적으로 달성될 수 있다.
그리고, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 써멀 배리어(800)를 포함할 수 있다. 써멀 배리어(800)는 단열 재질의 패드 형태로 구성될 수 있으며, 인접하는 셀 커버(300) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 써멀 배리어(800)는 대략 2.0t 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 다수의 셀 커버(300)와 복수의 배터리 셀(100)이 적층되어 형성된 셀 어셈블리의 적층 방향 최외곽에 유리섬유강화플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastic, GFRP)과 같은 절연 내지 방지 패드를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리섬유강화플라스틱은 0.35t의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 히팅 패드를 더 포함할 수 있다.
한편, 배터리 팩(10)에는 하나 이상의 배터리 모듈이 수납될 수 있다. 이때, 앞서 설명된 여러 실시예들에 설명된 구성들, 특히 배터리 셀(100)과 셀 커버(300)에 대한 내용들은 배터리 모듈에 적용될 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 팩 케이스(200)의 내부 공간에 하나 이상 수납되는 배터리 모듈로서, 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들과, 내부 공간에 상기 파우치형 배터리 셀(100)들을 수납하며 적어도 일측에 배출홀(210)이 형성된 모듈 케이스와, 모듈 케이스의 내부 공간에서, 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련되며, 폭 방향으로 길이 변화가 가능하게 구성된 다수의 셀 커버(300)를 포함할 수 있다.
모듈 케이스의 바닥부에는 셀 커버(300) 내부의 벤팅 가스를 배출시키기 위한 배출홀(210)이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 모듈 케이스의 배출홀(210)은 모듈 케이스의 내부에 수납된 셀 커버(300)의 수납 공간과 연통되도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서는, 셀 커버(300)의 내부에 수납된 배터리 셀(100)로부터 벤팅 가스 등이 발생하는 경우, 발생된 벤팅 가스는 상측이나 전후방으로 배출되지 않고, 하측으로 배출될 수 있다.
특히, 셀 커버(300)는, 폭 방향의 길이 변화를 통해 모듈 케이스의 배출홀(210)과의 연통 면적이 가변되도록 구성될 수 있다. 그리고, 모듈 케이스의 배출홀(210)은 팩 케이스(200)의 배출홀(210)과 연통되도록 구성될 수 있다.
배터리 모듈에 포함된 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들과 셀 커버(300)의 경우, 전술한 배터리 팩(10)에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.
도 9는 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(20)는 전술한 각 실시예에 따른 배터리 팩(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동차(20)는 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 사용하도록 마련되는 각종 자동차(20)를 포함한다.
이상에서 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.
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 특히, 이차 전지와 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (14)

  1. 복수의 파우치형 배터리 셀들;
    내부 공간에 상기 파우치형 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스의 내부 공간에서, 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련되며, 폭 방향으로 길이 변화가 가능하게 구성된 다수의 셀 커버를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스에는 적어도 일측에 배출홀이 형성되며,
    상기 셀 커버의 폭 방향의 길이 변화를 통해 상기 배출홀과의 연통 면적이 가변되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팩 케이스의 배출홀은, 상기 다수의 셀 커버의 배치 방향을 따라 길게 형성되거나 다수 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 적어도 일부 파우치형 배터리 셀의 양 측면과 상측을 감싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상측에 형성된 상측 커버부를 포함하며,
    상기 상측 커버부는 주름진 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상측 커버부에는 트라이앵글 형상으로 접혀진 트라이앵글부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들의 적층 상태를 지지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 n자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 금속 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    다수의 전극 리드를 연결하는 버스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 감싸진 파우치형 배터리 셀의 적어도 일측이 배터리 팩의 바닥면을 향하여 노출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 팩 케이스에 직접 안착되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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