WO2025009934A1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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WO2025009934A1
WO2025009934A1 PCT/KR2024/009598 KR2024009598W WO2025009934A1 WO 2025009934 A1 WO2025009934 A1 WO 2025009934A1 KR 2024009598 W KR2024009598 W KR 2024009598W WO 2025009934 A1 WO2025009934 A1 WO 2025009934A1
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rupture
cover member
battery
battery module
venting hole
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PCT/KR2024/009598
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English (en)
French (fr)
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김수열
김광모
정혜미
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LG Energy Solution Ltd
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LG Energy Solution Ltd
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more specifically, to a battery module with enhanced safety, a battery pack including the same, and an automobile.
  • lithium secondary batteries are receiving attention due to their advantages such as the fact that they have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, are free to charge and discharge, have a very low self-discharge rate, and have high energy density.
  • Lithium secondary batteries mainly use lithium oxide and carbon material as positive and negative active materials, respectively.
  • Lithium secondary batteries have an electrode assembly in which positive and negative plates, each coated with the positive and negative active materials, are arranged with a separator between them, and an outer case, i.e. a battery case, that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte.
  • lithium secondary batteries can be classified into can-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the outer packaging material.
  • can-type secondary batteries can be classified into cylindrical batteries and square batteries, depending on their shape.
  • secondary batteries, especially lithium secondary batteries can be said to be of three representative types: pouch-type, square-type, and cylindrical.
  • Secondary batteries are widely used for powering or storing energy in not only small devices such as portable electronic devices, but also medium and large devices such as electric vehicles and energy storage systems (ESS). Furthermore, as the electric vehicle-related industry has grown significantly in recent years, interest in batteries, which can be considered a core technology, has grown even more.
  • These secondary batteries can be housed together inside a module case while being electrically connected in large numbers to form a single battery module.
  • a plurality of these battery modules can be connected to form a single battery pack.
  • thermal propagation may occur in which the event is transmitted to an adjacent cell.
  • thermal propagation phenomenon may also occur between the battery modules. If such thermal propagation occurs between cells and/or modules, problems such as flame exposure, rupture, or explosion may occur outside the battery pack due to high thermal energy.
  • the present invention has been created to solve the above problems, and aims to provide a battery module having an improved structure so as to ensure safety from flames, gases, heat, sparks, etc. (hereinafter, “venting gases”) generated inside or outside the battery module, and a battery pack and automobile including the same.
  • venting gases generated inside or outside the battery module, and a battery pack and automobile including the same.
  • a battery module comprises: a cell assembly including a plurality of battery cells that are mutually stacked; a module case configured to accommodate the cell assembly in an internal space and having a venting hole formed therein; and an inner cover member configured to cover a side surface of the module case on the inside where the venting hole is formed, and having an inner rupture portion formed at a portion corresponding to the venting hole such that a venting gas emitted from the cell assembly side can be discharged through the inner rupture portion into the venting hole.
  • venting hole is formed on the upper side of the module case, and the inner cover member can be positioned on the upper side of the cell assembly.
  • the module case may have a U-frame in which a base plate, a left plate, and a right plate are integrally formed, and a top plate coupled to the top of the U-frame.
  • the inner rupture portion may be configured in a notch shape.
  • the inner rupture portion may be formed multiple times.
  • At least some of the multiple inner ruptures may have different rupture conditions.
  • the inner rupture part may be configured with different rupture conditions depending on the location in the part corresponding to the venting hole.
  • the cell assembly includes a pouch-shaped cell as the battery cell, and the pouch-shaped cell has an adhesive member that maintains the folding structure of the sealing portion partially attached to the sealing portion, and at least a portion of a portion where the adhesive member is not attached can be positioned corresponding to the inner rupture portion.
  • the inner cover member may have a protrusion protruding toward the cell assembly.
  • the inner cover member may have the inner rupture portion positioned relatively in the outer direction.
  • the inner cover member is formed in a shape in which a short end is bent, so that the bent end can be interposed between the cell assembly and the module case.
  • the battery module according to the present invention may further include an outer cover member that covers a side surface on the outside of the module case where the venting hole is formed, and has an outer rupture portion provided in a portion corresponding to the venting hole.
  • the outer rupture portion can be inserted into the venting hole.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention for achieving the above-mentioned purpose includes a battery module according to the present invention.
  • a vehicle includes a battery module according to the present invention.
  • the safety of a battery module or a battery pack, or a device including such a battery module or a battery pack, such as an electric vehicle or an ESS, can be improved.
  • thermal runaway propagation between battery cells or between battery modules can be prevented or delayed.
  • venting gas including heat, gas, flame, etc.
  • the venting gas can be prevented from affecting adjacent cells or adjacent battery modules through convection, radiation, conduction, etc.
  • the effect of blocking or suppressing thermal propagation between adjacent battery cells or between adjacent battery modules can be stably secured.
  • a cover member in a situation where high-pressure venting gas is discharged from a battery cell due to thermal runaway, a cover member can be stably positioned between the battery cell and the module case. Accordingly, since the cover member protects the module case, the problem of the structure of the module case collapsing due to flame or heat can be prevented. Accordingly, thermal runaway propagation between the battery cell or the battery module due to such structural collapse can be more reliably prevented.
  • the present invention may have various other effects, which will be described in each embodiment, or an explanation of effects that can be easily inferred by a person skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a portion of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a portion of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an enlarged view of portion A1 of Figure 3.
  • FIGS. 5 and 6 are perspective views schematically showing the configuration of an inner cover member according to different embodiments of the present invention.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of an inner cover member and a top plate according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 and 9 are enlarged perspective views showing a portion in which one venting hole is formed in a battery module according to different embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 is an enlarged perspective view of a portion in which one venting hole is formed in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a drawing showing a cross-sectional configuration along line A3-A3' of Figure 10.
  • Figures 12 and 13 are drawings sequentially showing a configuration in which the inner rupture part is deformed and ruptured by the pressure of the venting gas in the configuration of Figure 11.
  • Figure 14 is an enlarged view of portion A6 of Figure 12.
  • FIG. 15 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery cell provided in a cell assembly according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a perspective view of an inner cover member according to another embodiment of the present invention as viewed from the lower side.
  • Figure 17 is a partially enlarged cross-sectional view showing the configuration of the inner cover member of Figure 16 mounted on the upper part of the cell assembly.
  • FIG. 18 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing a part of the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 21 is an enlarged view of portion A12 of Figure 20.
  • FIG. 22 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 23 is an enlarged drawing showing the cross-sectional configuration of a portion where a venting hole is formed in the combined state of the battery module of Figure 22.
  • FIG. 24 is a drawing schematically showing a part of the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a drawing schematically showing a part of the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a partially enlarged view schematically illustrating a configuration in which an inner cover member and an outer cover member are deformed due to an increase in internal pressure in a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 27 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a battery module according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a portion of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • a battery module according to the present invention includes a cell assembly (100), a module case (200), and an inner cover member (300).
  • the above cell assembly (100) may include one or more battery cells (110), particularly a plurality of battery cells (110).
  • each battery cell (110) may mean one secondary battery itself, or may mean a battery group in which several secondary batteries are gathered. In this specification, the description is based on the assumption that the battery cell (110) represents one secondary battery.
  • the battery cell (110), i.e., each secondary battery, may be equipped with an electrode assembly, an electrolyte, and a battery case.
  • the shape of the battery case may be configured in various ways, and depending on the shape of the battery case, the battery cell (110) may be classified into a pouch-shaped cell, a cylindrical cell, a square cell, etc. Since the types, shapes, structures, etc. of the battery cell (110) were widely known at the time of filing of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
  • the present invention may be applied to various types of secondary batteries known at the time of filing of the present invention.
  • the battery cell (110) may be a lithium secondary battery, but of course, may be various other types of secondary batteries.
  • a plurality of battery cells (110) may be configured in a form in which they are mutually stacked in at least one direction.
  • a plurality of battery cells (110) may be stacked in a form in which they are arranged in a horizontal direction, particularly in a left-right direction (X-axis direction).
  • a plurality of battery cells (110) provided in the cell assembly (100) may be electrically connected to each other in series and/or in parallel.
  • the X-axis direction in which a plurality of battery cells (110) are stacked is referred to as the left-right direction
  • the Y-axis direction which is a horizontal direction orthogonal to the cell stacking direction
  • the Z-axis direction orthogonal to the X-Y plane is referred to as the up-down direction (vertical direction).
  • the Y-axis direction may also be referred to as the length direction of the cell in the case of a pouch-shaped cell.
  • the left-right direction, the front-back direction, and the up-down direction may also be expressed as the first direction, the second direction, and the third direction, respectively.
  • Each battery cell (110) may be equipped with an electrode terminal (111).
  • each pouch-shaped cell equipped in the cell assembly (100) may be equipped with an electrode terminal (111) that is arranged to protrude in the front-back direction.
  • the electrode terminal (111) may be referred to as an electrode lead or an electrode tab, etc.
  • a plurality of battery cells (110) may be electrically connected to each other in series or in parallel through the electrode terminals (111).
  • the battery module may further include a bus bar (120), etc., to facilitate connection between the plurality of electrode terminals (111) or to sense an electrical signal from the electrode terminals (111).
  • the above module case (200) may be configured to have an empty space formed inside and to accommodate a plurality of cell assemblies (100) in the internal space.
  • the module case (200) may include members for covering the upper, lower, left, right, front, and rear directions centered on the internal space.
  • the members for covering each direction may be configured in a plate shape.
  • the cell assemblies (100) may be positioned in the internal space of the module case (200) limited in this way.
  • the module case (200) may be at least partially configured of a metal and/or plastic material.
  • a specific portion of the module case (200) may be configured of an aluminum material.
  • another portion of the module case (200) may be configured of a plastic material.
  • the above module case (200) may have a venting hole formed therein, as indicated by H1 in FIGS. 1 and 2.
  • the venting hole (H1) may be formed on at least one side of the module case (200) and configured to penetrate the module case (200) in an inner and outer direction. Accordingly, the inner space and the outer space of the module case (200) may be communicated through the venting hole (H1).
  • the venting hole (H1) may become an outlet through which the venting gas, such as a flame, gas, or spark, is discharged when the venting gas is generated from the cell assembly (100) inside the module case (200).
  • the inner cover member (300) may be positioned inside the module case (200). That is, the inner cover member (300) may be accommodated in the internal space of the module case (200) together with the cell assembly (100). Furthermore, the inner cover member (300) may be configured to cover a side surface where the venting hole (H1) is formed. More specifically, the inner cover member (300) may be positioned in a portion where the venting hole (H1) is formed among several spaces between the cell assembly (100) and the module case (200). In other words, the inner cover member (300) may be placed inside the side surface where the venting hole (H1) is formed in the module case (200).
  • the inner cover member (300) may be provided with a refractory material.
  • the inner cover member (300) may be provided with a material such as mica, ceramic, or an inorganic material, or may be made of such a material.
  • the inner cover member (300) may have an inner rupture part (301). Furthermore, the inner rupture part (301) may be provided at a portion corresponding to the venting hole (H1). Therefore, as illustrated in FIG. 1, the inner cover member (300) may be configured such that the inner rupture part (301) is positioned at a portion where the venting hole (H1) is formed when the inner cover member (300) is mounted inside the module case (200). In this case, when the surface of the module case (200) is viewed from the outside of the module case (200), the inner rupture part (301) may be exposed to the outside through the venting hole (H1). When the battery module is in a normal state, the inner rupture part (301) may be configured in a sealed form. Accordingly, even if the inner rupture part (301) is exposed through the venting hole (H1), the cell assembly (100) located inside the inner rupture part (301) may not be exposed to the outside through the venting hole (H1).
  • the inner rupture portion (301) may be configured to be ruptured by pressure or heat.
  • venting gas may be emitted when a thermal event such as thermal runaway occurs in one or more battery cells (110) provided in the cell assembly (100).
  • venting gas may be a broad concept including not only gas emitted from a battery cell due to thermal runaway, but also gas, flame, spark, active material particles, etc. generated from combustion.
  • the inner rupture portion (301) may be configured to be ruptured when such a thermal event occurs in the cell assembly (100).
  • the inner rupture portion (301) may be configured to be at least partially ruptured by pressure or heat of venting gas emitted from the cell assembly (100).
  • the venting gas emitted from the cell assembly (100) side can be discharged through the venting hole (H1) through the ruptured part of the inner rupture part (301).
  • the inner cover member (300) closes the venting hole (H1) of the module case (200) in a normal state, but can rupture during thermal runaway to open the venting hole (H1). Therefore, the venting gas emitted from the cell assembly (100) side can be discharged to the outside of the module case (200) through the venting hole (H1).
  • thermal propagation between battery modules can be suppressed by the inner cover member (300).
  • inner cover members (300) made of a fire-resistant material, thereby suppressing damage to cell assemblies (100) inside other battery modules due to heat of the venting gas or the like.
  • the inner cover member (300) closes the venting hole (H1) in a normal state, the cell assembly (100) may not be exposed to the outside through the venting hole (H1). Accordingly, foreign substances outside the battery module may be prevented from flowing into the cell assembly (100) through the venting hole (H1).
  • the inner cover member (300) that protects the module case (200) from venting gas or heat is located inside the module case (200), the bonding force between the inner cover member (300) and the module case (200) can be stably secured.
  • the inner cover member (300) is positioned on the inner side of the module case (200), so that the problem of the bonding force between the inner cover member (300) and the module case (200) being weakened by the outer side venting gas can be prevented. Accordingly, the inner cover member (300) can stably maintain its position without being detached from the module case (200) to the outside.
  • the effect of preventing the inner cover member (300) from detaching can be secured.
  • the venting gas is discharged outward through the venting hole (H1)
  • the inner cover member (300) can be strongly pressurized outward by the venting gas.
  • the inner cover member (300) since the module case (200) is positioned on the outside of the inner cover member (300), the inner cover member (300) can be continuously supported inward without detaching outward.
  • the above venting hole (H1) may be formed on the upper side of the module case (200), as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the inner cover member (300) may be located on the upper side of the cell assembly (100).
  • the module case (200) when the module case (200) is formed in a roughly rectangular shape, six side surfaces may be formed in the module case (200). At this time, the venting hole (H1) may be formed on the upper surface of the module case (200). In addition, the inner cover member (300) may be located on the upper surface and the lower surface of the upper surface of the cell assembly (100).
  • the inner cover member (300) may be interposed between the cell assembly (100) and the module case (200) in the form of a sheet.
  • the inner cover member (300) may be positioned on top of the cell assembly (100) in a horizontally laid down form. In this case, it may be said that the inner cover member (300) is arranged parallel to the plane (X-Y plane) on which the plurality of battery cells (110) are stacked.
  • high-temperature venting gas can quickly move toward the venting hole (H1) at the top and be discharged to the outside. Therefore, the venting process of the battery module can be performed more smoothly during thermal runaway.
  • the venting gas can be suppressed from moving toward the electrode terminal (111) or the module terminal. Therefore, the module bus bar, etc. provided on the module terminal side can be prevented from being damaged by the venting gas.
  • module case (200) may have a U-frame (210) and a top plate (220), as shown in FIG. 2.
  • the U-frame (210) may be configured in a form in which three unit sides provided in the module case (200) are integrated with each other.
  • the U-frame (210) may be configured such that the base plate (211), the left plate (212), and the right plate (213) are integrally formed in the module case (200). That is, the base plate (211), the left plate (212), and the right plate (213) of the U-frame (210) may be manufactured in the form of one plate from the beginning, but may be distinguished from each other through an additional process such as bending.
  • the U-frame (210) may be configured in a form in which the left and right ends of one plate laid down horizontally are vertically bent upward, respectively.
  • the U-frame (210) may be open at the top, the front side, and the rear side.
  • the top plate (220) can be coupled to the upper opening of the U-frame (210). Furthermore, the top plate (220) can be coupled at both left and right ends to the upper end of the left plate (212) and the upper end of the right plate (213) of the U-frame (210). In particular, in one embodiment of the present invention, a venting hole (H1) can be formed in the top plate (220). At this time, the inner cover member (300) can be positioned at the lower end of the top plate (220).
  • the assemblability of the battery module can be improved.
  • the assembly process of the battery module can be performed by first inserting the cell assembly (100) into the internal space of the U-frame (210) from the upper side of the U-frame (210), then mounting the inner cover member (300) on the upper side of the cell assembly (100), and then mounting the top plate (220) on the upper side of the inner cover member (300).
  • the process of positioning the inner cover member (300) inside the module case (200) can be easily performed.
  • the friction or tolerance between the inner surface of the module case (200) and the inner cover member (300) can be largely considered.
  • the assembly configuration by closely contacting the inner cover member (300) and the top plate (220) to minimize the space therebetween, it can also be advantageous for reducing the volume of the battery module.
  • the module case (200) may further include an end frame (230), as shown in FIG. 2.
  • This end frame (230) may be coupled to the open ends of the front and rear sides of the U-frame (210), thereby closing the front and rear sides of the internal space of the module case (200).
  • the end frame (230) may be positioned in the direction in which the electrode terminals (111) of each battery cell (110) included in the cell assembly (100) are positioned.
  • the end frame (230) may include an electrically insulating material, such as a plastic material.
  • Each component constituting the module case (200), such as the U-frame (210), the top plate (220), and the end frame (230), may be mutually connected in various ways, such as welding, insertion, adhesion, or hooking.
  • all or part of the components of the module case (200) may be made of or include aluminum material in order to have excellent weldability, be advantageous in weight reduction, and stably secure cooling performance.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a part of a configuration of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 can be said to be a drawing of the embodiment of FIG. 1 with the top plate (220) removed.
  • the inner cover member (300) may be configured to cover the upper portion of the cell assembly (100).
  • the inner cover member (300) may be configured to cover the upper portions of all battery cells (110) included in the cell assembly (100).
  • the inner cover member (300) may be configured to have a shape and size that entirely covers the upper portion of the internal space defined by the U-frame (210) and the end frame (230).
  • the inner cover member (300) may have a rectangular shape corresponding to this shape.
  • the inner cover member (300) may be configured to have a shape, size, area, etc. that is the same as or similar to that of the top plate (220).
  • the cell assembly (100) or the top plate (220) can be more stably protected from external factors of the battery module as a whole.
  • the venting gas does not affect the cell assembly (100) inside the battery module.
  • thermal damage to the internal cell assembly (100) or thermal runaway propagation due to heat of the external venting gas, etc. can be more reliably suppressed.
  • the cell assembly (100) inside the battery can be more reliably protected from foreign substances such as dust or conductors outside the battery module.
  • the inner surface of the top plate (220) can be protected from venting gas or heat, etc. generated inside the module case (200).
  • the inner rupture part (301) may be closed when the battery module is in a normal state. In this case, external venting gas or foreign substances may be prevented from flowing into the inside of the normal battery module through the venting hole (H1).
  • the inner rupture part (301) may be configured to rupture so that the internal venting gas may be discharged to the outside. That is, the inner rupture part (301) may be transformed from a closed state to an open state by heat or venting gas. At this time, the inner rupture part (301) may be ruptured in various forms so as to be able to penetrate the inner cover member (300) in an inward and outward direction.
  • the inner rupture portion (301) may be configured in a notch shape. This embodiment configuration will be described in more detail with additional reference to FIG. 4.
  • Figure 4 is an enlarged view of portion A1 of Figure 3.
  • an inner rupture portion (301) may be formed on at least one surface of the inner cover member (300).
  • the inner rupture portion (301) may be formed in a notch shape that is concavely dug inwardly from the surface of the inner cover member (300), as indicated by N in FIG. 4.
  • the notch-shaped inner rupture portion (301) may be provided in a shape that partially thins the thickness of the inner cover member (300).
  • the notch (N) of the inner rupture portion (301) may be formed in a lattice shape. That is, a plurality of notch lines are formed in a long, concavely dug shape of the notch (N), and the inner rupture portion (301) may be configured in a shape in which these plurality of notch lines intersect each other.
  • the inner rupture portion (301) may be configured in a shape in which one or more notch lines extending in the left-right direction and one or more notch lines extending in the front-back direction are orthogonal to each other.
  • a configuration that allows the inner rupture portion (301) to rupture quickly in a situation such as thermal runaway can be more easily achieved.
  • the venting hole (H1) in a normal state, the venting hole (H1) is stably covered by the inner rupture portion (301), but the inner rupture portion (301) can rupture quickly due to the pressure of the venting gas, etc.
  • the inner cover member (300) when the internal pressure increases, deformation of the inner cover member (300) can occur more easily due to the notch (N). Therefore, rupture of the inner rupture portion (301) due to the increase in internal pressure can occur more easily.
  • the process of providing a notch (N) can be performed more easily. Furthermore, according to the above-described embodiment, the process of providing a shape or size corresponding to a venting hole (H1) for the inner rupture portion (301) can be easily implemented.
  • the notch (N) for forming the inner rupture portion (301) may be provided on the upper surface of the inner cover member (300).
  • the inner rupture portion (301) may be formed in a concave shape in a downward direction on the upper surface of the inner cover member (300).
  • the notch (N) is located on the side of the inner cover member (300) facing the venting hole (H1). Accordingly, the notch may be exposed to the outside of the module case (200) through the venting hole (H1).
  • the inner rupture part (301) of the inner cover member (300) when a venting gas is emitted from the cell assembly (100) inside the module case (200), the inner rupture part (301) of the inner cover member (300) can be quickly ruptured by the internal pressure of the venting gas.
  • the inner cover member (300) when the internal pressure increases due to the venting gas, the inner cover member (300) can be pressurized from the lower side to the upper side.
  • the notch (N) is formed on the upper surface of the inner cover member (300), the damage of the inner rupture part (301) due to the pressurization can be quickly and smoothly performed.
  • the inner cover member (300) can be pressurized from the upper side to the lower side.
  • the notch (N) is not formed on the lower surface of the inner cover member (300), it may not be easily broken by such downward pressure. That is, according to the above-described implementation configuration, it can be said that the inner rupture portion (301) is configured to be easily broken by the inner (lower) pressure of the inner cover member (300) and not easily broken by the outer (upper) pressure.
  • the inner rupture portions (301) may be formed in multiple ways in the inner cover member (300). For example, as shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of inner rupture portions (301) spaced apart from each other in the horizontal direction may be provided on the surface of the sheet-shaped inner cover member (300). In addition, each inner rupture portion (301) may be formed of multiple notch lines.
  • a plurality of venting holes (H1) may be formed.
  • the inner rupture part (301) may be formed to correspond to each venting hole (H1).
  • the inner rupture part (301) may be provided to correspond one-to-one with the venting hole (H1).
  • venting gas can be quickly discharged to the outside through the adjacent inner rupture portion (301) and venting hole (H1).
  • the inner cover member (300) may be configured so that at least one inner rupture portion (301) faces all battery cells (110) included in the cell assembly (100).
  • the cell assembly (100) may include a plurality of battery cells (110) that are stacked in the left-right direction (X-axis direction).
  • the venting holes (H1) may also be arranged in a plurality of directions in the stacking direction (left-right direction) of the battery cells (110). In this case, it can be said that the inner rupture portions (301) are directly arranged on the upper side of all battery cells (110).
  • one inner rupture portion (301) may be arranged corresponding to one or more battery cells (110).
  • the inner cover member (300) may be configured such that two or more inner rupture parts (301) are arranged correspondingly for one battery cell (110).
  • each battery cell (110) may be arranged lengthwise in the front-back direction with the electrode terminal (111) positioned at the front-back direction (Y-axis direction) end.
  • two or more inner rupture parts (301) may also be arranged in the front-back direction.
  • the inner cover member (300) includes a plurality of inner rupture portions (301)
  • at least some of the rupture portions may have different rupture conditions. This will be described in more detail with additional reference to FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5 and FIG. 6 are perspective views schematically showing the configuration of an inner cover member (300) according to different embodiments of the present invention.
  • rupture conditions for two or more inner rupture portions (301) may be configured differently. That is, when a plurality of inner rupture portions (301) are provided in a horizontal direction, at least some of them may rupture under different conditions.
  • the rupture condition of the inner rupture part (301) can be set by considering a factor that can rupture the inner rupture part (301). For example, when the inner rupture part (301) ruptures due to pressure, the rupture condition can be set based on the magnitude of the pressure. That is, two or more inner rupture parts (301) can be configured to have different rupture pressure conditions. In this case, two or more inner rupture parts (301) can rupture at different pressure magnitudes.
  • Different configuration of rupture conditions for two or more inner rupture portions (301) can be implemented in various ways.
  • the rupture conditions between the inner rupture portions (301) can be configured differently by forming the intervals between the notch lines and/or the number of notch lines differently.
  • the inner rupture portions (301) formed with a relatively narrow interval between the notch lines and a large number of notch lines can have a rupture pressure set lower than the other inner rupture portions (301).
  • the notch depths for two or more inner rupture portions (301) may be configured differently. In this case, it can be said that the inner rupture portion (301) with the notch depth formed relatively deep has a lower rupture pressure size set compared to other inner rupture portions (301).
  • the inner rupture portion (301) may be configured to have different rupture conditions by changing the width (horizontal length) of the notch.
  • the inner rupture portion (301) formed with a relatively large notch width may have a lower rupture pressure size than other inner rupture portions (301).
  • two or more inner rupture portions (301) may be configured to have different rupture conditions in the longitudinal direction of the battery cell (110) and/or the stacking direction of the battery cell (110).
  • the inner cover member (300) illustrated in FIGS. 5 and 6 may be a modified example of the inner cover member (300) illustrated in FIGS. 2 and 3. Accordingly, even in the implementation drawings of FIGS. 5 and 6, the X-axis direction may be the stacking direction of the battery cell (110), and the Y-axis direction may be the longitudinal direction of the battery cell (110).
  • a plurality of inner rupture parts (301), such as RY1, RY2, and RY3, may be spaced apart in the longitudinal direction of the battery cell (110) in the front-back direction (Y-axis direction).
  • the inner rupture parts (301) arranged in the front-back direction may be configured to rupture under different conditions.
  • the inner rupture part (301) indicated as RY1, the inner rupture part (301) indicated as RY2, and the inner rupture part (301) indicated as RY3 may have notches formed so that they rupture under different pressure conditions, respectively.
  • the inner rupture part (301) may have a higher rupture condition set for the inner rupture part (301) located relatively toward the outer side in the longitudinal direction of the battery cell (110) than for the inner rupture part (301) located relatively toward the center.
  • RY1 may be the inner rupture part (301) located relatively toward the outer side compared to RY2.
  • the inner rupture part (301) indicated as RY1 may be configured to rupture under a higher pressure condition than the inner rupture part (301) indicated as RY2.
  • the interval between the notch lines of RY1 may be formed wider than the interval between the notch lines of RY2.
  • the number of the notch lines of RY1 may be formed less than the number of the notch lines of RY2.
  • the rupture condition of RY2 can be formed higher than the rupture condition of RY3.
  • the interval between the notch lines of RY2 can be wider than the interval between the notch lines of RY3.
  • the number of notch lines of RY2 can be formed less than the number of notch lines of RY3.
  • the inner rupture part (301) located at the center side in the longitudinal direction of the battery cell (110) may rupture relatively first. Therefore, in the initial stage of thermal runaway when the amount of venting gas discharged is not large, the venting gas is more likely to be discharged from the central portion rather than the longitudinal outer portion of the battery cell (110). Therefore, according to this embodiment of the present invention, the suppression effect on the propagation of thermal runaway between battery modules can be improved. That is, there is a high possibility that another battery module will be arranged adjacent to the longitudinal outer portion of the battery cell (110), and in the above embodiment, the venting gas can be first discharged from a location as far away as possible from the other battery module.
  • a plurality of inner rupture parts (301) may be spaced apart in the left-right direction (X-axis direction) which is the stacking direction of the battery cells (110).
  • the inner rupture parts (301) arranged in the left-right direction may be configured to rupture under different conditions.
  • the inner rupture part (301) indicated by RX1 and the inner rupture part (301) indicated by RX2 may have notches formed so that they rupture under different pressure conditions, respectively.
  • the inner rupture part (301) may be set to have a lower rupture condition for the inner rupture part (301) located relatively toward the center in the stacking direction of the battery cell (110) than for the inner rupture part (301) located relatively toward the outer side.
  • RX2 may be the inner rupture part (301) located relatively toward the center compared to RX1.
  • the central inner rupture part (301) indicated as RX2 may be configured to rupture under a lower pressure condition than the outer inner rupture part (301) indicated as RX1.
  • the spacing between notch lines and the number of notch lines of RX2 may be formed narrower and more numerously than the spacing between notch lines and the number of notch lines of RX1.
  • the inner rupture portion (301) located at the center in the stacking direction of the battery cells (110) may rupture relatively first. Accordingly, the problem of thermal runaway propagation to other battery modules arranged on the outside of the battery module in the stacking direction of the battery cells (110) can be more effectively suppressed.
  • the inner rupture part (301) located relatively toward the outer side in the longitudinal direction or stacking direction of the battery cell (110) may have a lower rupture condition set than the inner rupture part (301) located relatively toward the center.
  • the inner rupture part (301) located toward the outer side in the stacking direction of the battery cell (110) indicated by RX1 may have a lower rupture condition set than the other inner rupture part (301) indicated by RX2, such as by forming a narrower interval between notch lines, forming a deeper notch depth, or forming a wider notch width.
  • the central portion of the module case (200), such as the central portion of the top plate (220) may swell the most.
  • the inner cover member (300) located on the inner side of the top plate (220) also receives the highest pressure in the central portion, so that regardless of the location where the thermal runaway of the cell assembly (100) occurs, the inner rupture portion (301) located on the central side is likely to rupture first.
  • the venting gas is not concentratedly discharged from a specific portion (central portion), but the venting gas can be discharged to the outside as quickly as possible from the location where thermal runaway occurs.
  • the inner cover member (300) includes a plurality of inner rupture portions (301)
  • at least some of the rupture portions may be configured to have different rupture sizes. This will be described in more detail with additional reference to FIG. 7.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of an inner cover member (300) and a top plate (220) according to another embodiment of the present invention.
  • two or more inner rupture portions (301) may be configured to have different rupture sizes, i.e., sizes of portions opened in a ruptured state.
  • two or more inner rupture portions (301) may be configured to have different sizes in a horizontal direction (X-axis or Y-axis direction).
  • the inner rupture part (301) located relatively toward the center may be configured to have a larger rupture size than the inner rupture part (301) located relatively toward the outer side.
  • a plurality of inner rupture parts (301) may be arranged in the front-back direction, that is, in the longitudinal direction of the battery cell (110).
  • the inner rupture part (301) relatively closer to the center may be formed to have a larger size than the inner rupture part (301) relatively closer to the outer side.
  • RY2' located relatively toward the center may be formed to have a larger notch area than RY1'.
  • RY3' located relatively toward the center may be formed to have a larger notch area than RY2'. At this time, the notch area may be formed to be larger by increasing the length of the notch line or forming a larger number of notches.
  • the amount of venting gas discharged can be formed differently in parts.
  • the rupture size of the inner rupture part (301) located in the center is made large, the venting gas can be discharged more from the center than from the outer side of the top plate (220). Accordingly, the influence of the venting gas on other battery modules adjacent in the horizontal direction can be reduced.
  • the venting holes (H1) can also be formed with different sizes.
  • a plurality of venting holes (H1) can be formed in the top plate (220) arranged on the outer side (upper side) of the inner cover member (300) to correspond to each of the multiple inner rupture portions (301).
  • each of the multiple venting holes (H1) can be configured with a different size to correspond to the rupture size of the corresponding inner rupture portion (301).
  • the corresponding venting holes (H1) may be H1Y1', H1Y2', and H1Y3'.
  • the rupture sizes of RY1', RY2', and RY3' have a relationship such as RY1' ⁇ RY2' ⁇ RY3'
  • the hole sizes of H1Y1', H1Y2', and H1Y3' may be formed in a form having a relationship such as H1Y1' ⁇ H1Y2' ⁇ H1Y3'.
  • the size of the venting hole (H1) formed on the central side is formed relatively large compared to the size of the venting hole (H1) formed on the outer side.
  • the plurality of venting holes (H1) have different open areas corresponding to the rupture sizes of the corresponding inner rupture portions (301), the technical effect according to the difference in the rupture sizes of the inner rupture portions (301) can be stably guaranteed.
  • the venting holes (H1) by preventing the venting holes (H1) from being formed unnecessarily large, it is possible to suppress venting gas or foreign substances from flowing in through the venting holes (H1) from the outside of the battery module.
  • the above inner rupture part (301) may be configured with different rupture conditions depending on the location. This will be described in more detail with additional reference to FIGS. 8 and 9.
  • FIGS. 8 and 9 are enlarged perspective views showing a portion in which one venting hole (H1) is formed in a battery module according to different embodiments of the present invention.
  • FIGS. 8 and 9 may be enlarged embodiments of portion A2 of FIG. 1.
  • one inner rupture part (301) may be provided at a position corresponding to one venting hole (H1).
  • the inner rupture part (301) may be configured with different rupture conditions for each position in a portion corresponding to the venting hole (H1). That is, within one inner rupture part (301), the conditions for rupture may be designed partially differently.
  • one inner rupture part (301) may have a plurality of notch lines arranged in the left and right directions as indicated by NY1, NY2, and NY3 at a portion exposed to the venting hole (H1). At this time, two or more notch lines may be configured to have different conditions for rupturing each other, such as rupture pressure conditions.
  • the rupture condition can be set differently depending on the depth or width of the notch.
  • at least two of the three notch lines NY1, NY2, and NY3 can be configured so that the depth of the notch is different.
  • the inner rupture portion (301) may be configured such that the central portion of the venting hole (H1) has a relatively low rupture condition.
  • NY2 may be a notch line positioned closer to the central portion than NY1 or NY3.
  • the notch line depth or notch line width of NY2 may be formed to be deeper or larger than the notch line depth or notch line width of NY1 and NY3.
  • the central portion of the venting hole (H1) in one inner rupture portion (301) can be more easily ruptured. Accordingly, since the ruptured portion of the inner rupture portion (301) is located at the central portion of the venting hole (H1), a wide and stable communication area between the inner rupture portion (301) and the venting hole (H1) can be secured. In this case, the venting gas can be discharged more smoothly through the inner rupture portion (301) and the venting hole (H1).
  • one inner rupture portion (301) may have a plurality of notch lines arranged in the front-back direction as indicated by NX1, NX2, and NX3 at a portion exposed to the venting hole (H1). And, at least two or more of these plurality of notch lines (NX1, NX2, NX3) may be configured to have different rupture conditions.
  • the inner rupture portion (301) may be configured such that the rupture condition is relatively lowered at the central side of the venting hole (H1).
  • NX2 may be formed as a notch line located further toward the central side than NX1, and may have a deeper depth or wider notch line than NX1.
  • NX3 may be formed as a notch line located further toward the central side than NX2, and may have a deeper depth or wider notch line than NX2.
  • the venting hole (H1) is formed larger in the Y-axis direction than in the X-axis direction, so that the longitudinal direction of the venting hole (H1) can be referred to as the Y-axis direction.
  • a greater number of notch lines can be formed along the longitudinal direction of the venting hole (H1). That is, as illustrated in FIG. 9, the number of notch lines exposed to the venting hole (H1) can be formed more in the Y-axis direction, which is the longitudinal direction of the venting hole (H1), than in the X-axis direction.
  • a configuration in which rupture conditions are differentiated between a plurality of notch lines arranged along the longitudinal direction of the venting hole (H1) can be more easily and precisely implemented. Furthermore, in such an implementation configuration, a sufficient gap can be secured between a notch line located at the center side of the venting hole (H1) and a notch line located at the outer side of the venting hole (H1). Therefore, for one inner rupture portion (301), a configuration in which a portion corresponding to the center side of the venting hole (H1) is ruptured better can be more easily implemented. Therefore, the ruptured portion of the inner rupture portion (301) and the venting hole (H1) can be better communicated.
  • FIG. 10 is an enlarged perspective view of a portion in which one venting hole (H1) is formed in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 may be considered another modified example of FIG. 8 or FIG. 9.
  • FIG. 11 is a drawing showing a cross-sectional configuration along line A3-A3' of FIG. 10.
  • the inner cover member (300) and the top plate (220) are shown spaced apart from each other in the vertical direction (Z-axis direction), but this is only for convenience of illustration, and they may be in close contact with each other.
  • the inner rupture portion (301) may have an outer peripheral notch line, as indicated by NC.
  • the outer peripheral notch line (NC) may be configured in a ring shape corresponding to the outer peripheral shape of the venting hole (H1).
  • the outer peripheral notch line (NC) may be formed in an oval ring shape along the edge of the venting hole (H1).
  • the inner cover member (300) is positioned below the top plate (220)
  • the outer peripheral notch line (NC) of the inner rupture portion (301) may be positioned directly below or slightly inside the edge of the venting hole (H1).
  • the outer peripheral notch line (NC) may be positioned inside the venting hole (H1) in the horizontal direction (Y-axis direction).
  • the outer peripheral notch line (NC) of the inner rupture portion (301) can be formed to a size slightly smaller than the venting hole (H1).
  • Figures 12 and 13 are drawings sequentially showing a configuration in which the inner rupture part (301) is deformed and ruptured by the pressure of the venting gas in the configuration of Figure 11.
  • the venting gas may pressurize the inner cover member (300).
  • the inner cover member (300) may be deformed in a form in which the inner rupture portion (301) swells upward through the venting hole (H1).
  • the outer peripheral notch line (NC) of the inner rupture portion (301) is located directly below the venting hole (H1) or further horizontally inside the edge of the venting hole (H1), so that the horizontal inner portion of the outer peripheral notch line (NC) can be entirely exposed upward through the venting hole (H1).
  • two outer peripheral notch lines (NC) are illustrated, and it can be seen that the two outer peripheral notch lines (NC) are located horizontally further inward than the venting hole (H1).
  • the outer circumferential notch line (NC) may be ruptured.
  • the inner ruptured portion (301) located on the inner side of the two outer circumferential notch lines (NC) may be separated from the inner cover member (300) and may be separated and detached to the outside through the venting hole (H1), as indicated by arrow A5. Accordingly, due to the rupture of the inner ruptured portion (301), the space between the two outer circumferential notch lines (NC) may be opened and communicated with the venting hole (H1).
  • the inner rupture portion (301) formed between the two outer notch lines (NC) is easily discharged to the outside of the venting hole (H1), so that a communication configuration between the ruptured portion of the inner rupture portion (301) and the venting hole (H1) can be quickly and smoothly achieved.
  • the inner rupture part (301) is depicted as being completely separated from the inner cover member (300), but the inner rupture part (301) may also be implemented as being only partially separated from the inner cover member (300).
  • the inner rupture portion (301) may have a straight notch line that is elongated in one direction, as indicated by NX and NY in FIGS. 10 and 11, together with the outer notch line (NC).
  • the straight notch line may extend in the left-right direction (X-axis direction) as indicated by NX, or may extend in the front-back direction (Y-axis direction) as indicated by NY.
  • the straight notch line may include two or more kinds of notch lines that extend in different directions in a form that intersects each other.
  • at least a part of the straight notch lines (NX, NY) may be located inside the outer notch line (NC).
  • a plurality of straight notch lines (NX) may be located between two outer notch lines (NC) in the horizontal direction.
  • the rupture configuration of the inner rupture portion (301) can be achieved more smoothly.
  • the straight notch line (NX) can cause the deformation of the inner rupture portion (301) to occur more easily.
  • the straight notch line (NX) can be formed on the upper surface of the inner cover member (300).
  • the inner rupture portion (301) can be bent more easily in the upward direction. Accordingly, the magnitude or acting speed of the force applied to the two outer notch lines (NC) portions, such as the tensile force, can be increased. Therefore, the outer notch line (NC) portion can be ruptured more quickly, so that the rupture operation of the inner rupture portion (301) and the resulting discharge configuration of the venting gas can be more smoothly achieved.
  • the outer notch line (NC) and the notch lines (NX, NY) arranged inside thereof may be formed with notching directions opposite to each other.
  • the outer notch line (NC) may be formed on the inner surface of the inner cover member (300) facing the cell assembly (100), and the straight notch line (NX, NY) may be formed on the outer surface of the inner cover member (300) facing the module case (200).
  • the straight notch line (NX, NY) may be formed in a concave groove shape in a downward direction on the upper surface of the inner cover member (300), and the outer notch line (NC) may be formed in a concave groove shape in an upward direction on the lower surface of the inner cover member (300).
  • the outer peripheral notch line (NC) formed on the lower surface of the inner cover member (300) is indicated in the form of a dotted line, but the outer peripheral notch line (NC) may be formed in the form of a ring that is continuously extended like an ellipse.
  • the outer peripheral notch line (NC) may be formed discontinuously, although the overall shape is formed in the form of a ring.
  • the outer peripheral notch line (NC) may be formed in a form that penetrates the inner cover member (300).
  • Figure 14 is an enlarged view of portion A6 of Figure 12.
  • the outer peripheral notch line (NC) may be a point where deformation begins in the inner cover member (300) adjacent to the edge of the venting hole (H1). At this time, the outer peripheral notch line (NC) may receive a force that bends approximately counterclockwise, as indicated by arrow A7.
  • the straight notch line (NX) located at the portion of the inner cover member (300) that bends upward may receive a force that bends approximately clockwise, as indicated by arrow A8. That is, in one inner rupture portion (301), the outer peripheral notch line (NC) and the straight notch line (NX) may each receive a force that bends in different directions, that is, in opposite rotational directions.
  • the outer circumferential notch line (NC) and the straight notch line (NX) can be formed on opposite surfaces.
  • the outer circumferential notch line (NC) and the straight notch line (NX) can be formed on the inner surface and the outer surface of the inner cover member (300), respectively, considering the rotational direction of the tensile force partially applied when the venting gas is pressurized.
  • the rupture of the inner rupture part (301) can be made more quickly.
  • the rupture shape of the inner rupture part (301) can be more easily controlled.
  • the rupture condition of the outer circumferential notch line (NC) can be set lower than that of the straight notch line (NX, NY).
  • the inner rupture portion (301) when the pressure of the venting gas is applied toward the inner rupture portion (301), if the magnitude of the pressure is greater than a certain level, the inner rupture portion (301) may be configured so that the outer notch line (NC) ruptures before the straight notch line (NX, NY).
  • the outer notch line (NC) may be configured to have a deeper notch depth or a wider notch width than the straight notch line (NX, NY).
  • the inner rupture portion (301) can be completely separated from the inner cover member (300) along the outer notch line (NC). Therefore, the rupture shape of the inner rupture portion (301) can be neat, and a wider rupture area can be secured.
  • the outer notch line (NC) matches the size and shape of the venting hole (H1)
  • the communication area between the outer notch line (NC) and the venting hole (H1) can be maximized. Therefore, it can be more advantageous in increasing the discharge performance of the venting gas passing through the inner rupture portion (301).
  • the above cell assembly (100) may include a pouch-shaped cell as a battery cell (110), as shown in FIG. 2. This will be described in more detail with reference to FIG. 15.
  • FIG. 15 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery cell (110) provided in a cell assembly (100) according to one embodiment of the present invention.
  • the pouch-type cell may be a pouch-type battery, and the battery case may be formed of a pouch outer shell.
  • the pouch-type battery may include a storage portion (R) and a sealing portion (S).
  • the storage portion (R) is a portion that stores an electrode assembly and an electrolyte, etc. inside.
  • the sealing portion (S) may be provided on the edge of the storage portion (R) and may be a portion where the pouch outer shell is fused.
  • the storage portion (R) of the pouch-type battery may be formed in an approximately rectangular shape, and a battery in which the sealing portion (S) is formed on four sides (corners) of the storage portion (R) is referred to as a four-sided sealing cell, and a battery in which the sealing portion (S) is formed on three sides (corners) of the storage portion (R) is referred to as a three-sided sealing cell.
  • a three-sided sealing cell is illustrated in FIG. 14, the present invention is not limited to a specific form of the pouch-type battery.
  • At least a part of the sealing portion (S) of such a pouch-shaped cell may be folded in terms of securing space, improving sealing performance, etc.
  • the upper sealing portion (S) where the electrode terminal (111) is not located in the pouch-shaped cell may be folded toward the receiving portion (R).
  • an adhesive member may be attached to the pouch-shaped cell, as indicated by B, so that the folding structure of the sealing portion (S) may be maintained.
  • such an adhesive member (B) may be configured in the form of a tape.
  • the adhesive member (B) may be partially attached to the sealing portion (S).
  • the adhesive members (B) may be attached in multiple forms spaced apart from each other in the longitudinal direction of the battery cell (110) on one sealing portion.
  • a plurality of adhesive members (B) may be attached to the upper sealing portion of the pouch-shaped cell so as to be spaced apart from each other in the Y-axis direction, which is the longitudinal direction of the pouch-shaped cell.
  • the unattached portion (A9) may be positioned below the inner rupture portion (301) in the vertical direction (Z-axis direction).
  • the inner cover member (300) may be provided with a plurality of inner rupture portions (301), and all of the inner rupture portions (301) may at least partially overlap with the unbonded portion (A9) of the battery cell (110).
  • the venting gas when venting gas is emitted from the battery cell (110), the venting gas can move in the vertical direction (Z-axis direction) toward the inner rupture portion (301).
  • the venting gas is likely to be emitted first from the unbonded portion (A9).
  • the inner rupture portion (301) can be positioned in the ejection direction of the unbonded portion (A9), the pressurizing force of the venting gas to the inner rupture portion (301) can be applied as high as possible. Therefore, the rupture of the inner rupture portion (301) can occur more quickly.
  • the venting gas after the inner rupture portion (301) ruptures, the venting gas can be emitted in a straight direction as much as possible through the inner rupture portion (301) and the venting hole (H1), so that the venting gas can be discharged more smoothly.
  • the inner cover member (300) may have a protrusion, such as a portion indicated by P.
  • the protrusion (P) may have a shape that protrudes in an inward direction toward the cell assembly (100).
  • the protrusion (P) may be configured to protrude downward from the lower surface of the inner cover member (300).
  • the protrusion (P) may be formed in a shape that extends long in one direction, particularly in the horizontal direction, as illustrated in Fig. 16. At this time, the longitudinal direction of the protrusion (P) may be the same as the longitudinal direction of the battery cell (110). For example, when the battery cell (110) is formed long in the front-back direction (Y-axis direction), the protrusion (P) may also be formed to extend long in the front-back direction.
  • the inner rupture portion (301) may be located between a plurality of protrusions (P) arranged in a horizontal direction.
  • a plurality of notches (N) constituting the inner rupture portion (301) may be formed between two protrusions arranged spaced apart in the X-axis direction.
  • the protrusions (P) may be configured in a form that divides the space between cells or cell groups in the space between the cell assembly (100) and the lower surface of the inner cover member (300). That is, the protrusions (P) may function as a partition that separates the outer space between the battery cells (110).
  • an inner rupture portion (301) corresponding to each battery cell (110) or cell group separated by the protrusions (P) may be provided on the inner cover member (300).
  • the cell assembly (100) may further include a barrier (120), as illustrated in FIG. 17.
  • This barrier (120) may be directly interposed between adjacent battery cells (110) (or cell groups).
  • the barrier (120) may be formed in a roughly erected plate shape and may be stacked together with the battery cells (110) to be included in the cell assembly (100).
  • the barrier (120) may be a thermal barrier that blocks heat or flames, etc.
  • This thermal barrier may be provided with a material having insulation performance or fire resistance performance, etc., and may play a role in blocking heat or flames, etc. between adjacent battery cells (110).
  • the thermal barrier may include a material such as mica or silicon.
  • the barrier (120) may be a cooling member, such as a cooling fin, interposed between cells to perform cooling. At this time, a cooling path may be formed in the internal space of the barrier (120). Alternatively, a portion or end of the barrier (120) may be configured to be in direct contact with the refrigerant or thermally coupled to another cooling configuration through which the refrigerant flows.
  • the protrusion (P) may be configured to be located on the outside of the barrier (120).
  • a barrier (120) may be placed between each cell group consisting of two battery cells (110). And, the protrusion (P) may be located on the upper side of the barrier (120).
  • the upper space can also be separated by the protrusion (P) for the battery cells (110) (cell group) separated by the barrier (120). Therefore, the thermal runaway propagation between the adjacent battery cells (110) separated by the barrier (120) can be effectively suppressed. Furthermore, when the barrier (120) is a thermal barrier or a cooling member, the adjacent cells can be thermally separated more reliably by the barrier (120) and the protrusion (P).
  • the protrusion (P) can be in direct contact with the barrier (120).
  • the lower end of the protrusion (P) can be configured to be in contact with the upper end of the barrier (120).
  • the space separated by the protrusion (P) and the barrier (120) can be physically separated more reliably. Accordingly, the movement of venting gas or heat between the battery cells (110) is effectively prevented, so that the heat transmission prevention effect between adjacent battery cells (110) can be further improved.
  • Fig. 18 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 18 can be considered another modified example of portion A11 of Fig. 17.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing a part of the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the inner cover member (300) may be configured such that the inner rupture portion (301) is positioned relatively further outward than other portions. More specifically, in the embodiment of FIG. 19, the inner cover member (300) may be mounted on the lower portion of the top plate (220). At this time, the inner cover member (300) may be configured such that the inner rupture portion (301) protrudes relatively upwardly than other portions. In particular, such a protruding configuration may be implemented in the interior of a normal battery module in which venting gas, etc., is not generated.
  • the inner cover member (300) and the top plate (220) are configured in a form that is in close contact with each other, and the inner rupture part (301) can be arranged to correspond to the venting hole (H1). Therefore, when the inner rupture part (301) is configured to protrude outwardly, the inner rupture part (301) can be inserted into the venting hole (H1). In particular, when the degree of protrusion of the inner rupture part (301) is designed to be above a certain level, the inner rupture part (301) can also protrude outward more than the venting hole (H1).
  • the inner cover member (300) may have an inclined portion at or toward the inner rupture portion (301).
  • the inner cover member (300) may have an inclined surface that gradually moves away in the outward direction (+Z-axis direction) as it moves toward the inner rupture portion (301).
  • the assembly position of the inner cover member (300) is guided, so that the assembly between the inner cover member (300) and the top plate (220) can be improved.
  • the bonding between the inner cover member (300) and the top plate (220) can be improved.
  • Fig. 20 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the top plate (220) is shown in a form separated from other components.
  • Fig. 21 is an enlarged view of part A12 of Fig. 20.
  • the inner cover member (300) may be configured in a form in which an end is bent, as indicated by C.
  • the inner cover member (300) may have a left end and a right end bent downward.
  • this end-bending configuration that is, the bent portion (C) of the inner cover member (300) may be interposed between the cell assembly (100) and the module case (200).
  • the right end of the inner cover member (300) may be bent downward to provide a right-side bent portion (C).
  • this right-side bent portion (C) may be interposed between the outermost right side of the cell assembly (100), for example, the rightmost battery cell (110), and the right plate of the U-frame (210).
  • a folded portion (C) may also be formed on the left side of the inner cover member (300), and this left folded portion (C) may be interposed between the left outermost part of the cell assembly (100) and the left plate of the U-frame (210).
  • the inner cover member (300) can be positioned more stably in the internal space of the module case (200). In particular, even when a pressure is applied by a venting gas or external vibration or impact occurs, the end of the inner cover member (300) is sandwiched between the cell assembly (100) and the module case (200), so that positional displacement or shape deformation may not easily occur.
  • the leakage of venting gas through the space between the outermost portion of the cell assembly (100) and the module case (200) can be reduced.
  • the venting gas flowing into the upper space of the outermost battery cell (110) on the right can be blocked from moving in the right direction toward the module case (200) due to the right folded portion (C). Therefore, in the case of this embodiment, the effect of suppressing gas leakage between the module case (200) (e.g., the side plate of the U-frame (210)) and the cell assembly (100) can be further improved.
  • the cell assembly (100) may further include an insulating pad (130) at the outermost edge of the stacking direction of the battery cell (110), as shown in FIGS. 20 and 21.
  • the insulating pad (130) may be interposed between the cell assembly (100) and the module case (200) by including a material having electrical insulation properties, such as a polymer.
  • the insulating pad (130) may be configured to absorb swelling when swelling of the battery cell (110) included in the cell assembly (100) occurs by including a material having elasticity.
  • the folded portion (C) of the inner cover member (300) may be positioned above the insulation pad (130) in the space between the outermost battery cell (110) of the cell assembly (100) and the side plate of the U-frame (210). That is, when the insulation pad (130) is provided at the outermost portion of the cell assembly (100), an empty space corresponding to the thickness of the insulation pad (130) may be formed between the outermost battery cell (110) and the module case (200). At this time, the folded portion (C) of the inner cover member (300) may be inserted into this empty space.
  • the end of the folded portion (C) of the inner cover member (300) may be in contact with the end of the insulating pad (130).
  • the lower end of the folded portion (C) may be in contact with the upper end of the insulating pad (130). In this case, it is possible to more effectively prevent the venting gas from leaking toward the folded portion (C) of the inner cover member (300).
  • Fig. 22 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 23 is an enlarged view showing the cross-sectional configuration of a portion where a venting hole (H1) is formed in the combined state of the battery module of Fig. 22.
  • Fig. 23 can be said to show the cross-sectional configuration along line A13-A13' in the combined state of the battery module of Fig. 22.
  • the battery module according to the present invention may further include an outer cover member (400).
  • the outer cover member (400) may be formed on the outer side of the module case (200).
  • the outer cover member (400) may be configured to cover a side of the module case (200) where the venting hole (H1) is formed from the outer side.
  • the outer cover member (400) may be configured to be positioned on the upper side of the top plate (220) where the venting hole (H1) is formed, and to cover the upper side of the top plate (220).
  • the outer cover member (400) may be formed with an outer rupture portion (401).
  • This outer rupture portion (401) may be formed in a shape and configuration identical to or similar to that of the inner rupture portion (301) of the inner cover member (300).
  • the outer rupture portion (401) may be formed in a notch shape on the surface of the outer cover member (400).
  • the outer rupture portion (401) may be formed in a concave shape on the outer surface of the outer cover member (400), for example, from the upper surface to the lower surface, as indicated by N in FIG. 23.
  • various implementation configurations described above with respect to the inner rupture portion (301) may be applied identically or similarly.
  • the configuration of the inner rupture part (301) described in the embodiments of FIGS. 3 to 14 may be applied identically or similarly.
  • the material of the outer cover member (400) may also be the same as or similar to that of the inner cover member (300).
  • the outer cover member (400) may be provided with a material such as mica, ceramic, or an inorganic material, or may be made of such a material.
  • the outer rupture part (401) may be formed in a portion corresponding to the venting hole (H1).
  • the outer rupture part (401) may be formed on the upper side of the portion where the venting hole (H1) is formed.
  • the inner rupture part (301) may be formed on the lower side of the portion where the venting hole (H1) is formed. Accordingly, it may be said that the outer rupture part (401) of the outer cover member (400) and the inner rupture part (301) of the inner cover member (300) are arranged to face each other with the venting hole (H1) interposed therebetween.
  • the outer cover member (400) when venting gas flows into the venting hole (H1), the outer cover member (400) can be configured so that the introduced venting gas can be discharged to the outside of the module case (200). That is, the outer cover member (400) blocks the venting hole (H1) in a normal state, but when the venting gas flows into the venting hole (H1) and the pressure increases, the outer rupture part (401) can rupture to open the venting hole (H1) to the outside.
  • the inner cover member (300) and the outer cover member (400) may be positioned on both sides with the module case (200) having the venting hole (H1) formed therebetween.
  • the inner rupture part (301) of the inner cover member (300) may rupture first, and then the outer rupture part (401) of the outer cover member (400) may rupture.
  • the module case (200) can be more effectively protected from venting gas discharged from another venting hole (H1) or another battery module.
  • the venting gas may have a very high temperature and may include flames, sparks, high-temperature particles, etc.
  • the module case (200) may melt or be damaged due to the external high temperature, or that the cell assembly (100) inside may be thermally damaged or have thermal runaway propagation.
  • the portion of the module case (200) where the venting hole (H1) is formed may have weak structural rigidity, and may be reversely inflowed through the venting hole (H1) to damage the inner rupture portion (301).
  • the inner cover member (300) can still exist inside the top plate (220). Therefore, the cell assembly inside the top plate (220) can be effectively protected from external venting gas or the like.
  • the inner cover member (300) and the outer cover member (400) can be in close contact with the module case (200).
  • the outer cover member (400) can be laminated on the upper side and the inner cover member (300) can be laminated on the lower side with the top plate (220) interposed therebetween.
  • the venting hole (H1) formed in the top plate (220) can be closed (sealed) on the outside (upper side) by the outside cover member (400) and closed (sealed) on the inside (lower side) by the inside cover member (300).
  • air can be received in this venting hole (H1).
  • an air insulating layer is formed in the venting hole (H1).
  • heat transfer between the inside and the outside of the battery module can be reduced. Therefore, the effect of suppressing thermal runaway propagation between the battery modules can be further improved.
  • high-temperature particles may accumulate on the upper surface of the outer cover member (400) of the top plate (220).
  • the phenomenon of heat of the external high-temperature particles being transferred to the inside of the top plate (220) can be suppressed due to the air insulation layer formed in the venting hole (H1) of the top plate (220).
  • the portion between the top plate (220) and the outer cover member (400), and the portion between the top plate (220) and the inner cover member (300) can be mutually adhered.
  • the air accommodated in the venting hole (H1) can be retained only in the venting hole (H1).
  • the outer rupture part (401) and the inner rupture part (301) can be stably supported at the venting hole (H1) portion due to the air layer. Therefore, deformation or damage caused by the outer rupture part (401) or the inner rupture part (301) not being properly supported due to gravity, vibration, external impact, etc., such as deformation in the form of gradual bending toward the venting hole (H1), can be reduced.
  • the outer rupture part (401) when the inner rupture part (301) is deformed toward the venting hole (H1) in a situation where the venting gas is generated and the internal pressure of the module case (200) increases, the outer rupture part (401) can also be deformed by being pushed outward due to the pressure of the air layer. Therefore, the outer rupture part (401) can be deformed more quickly in a thermal runaway situation. Therefore, the venting performance of the battery module can be further improved.
  • Fig. 24 is a drawing schematically showing a part of the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 24 may be a modified example of the embodiment of Fig. 23.
  • the outer rupture portion (401) can be inserted at least partially into the venting hole (H1). That is, when the battery module is in a normal state, the outer cover member (400) is attached to the outside of the module case (200), and the portion where the outer rupture portion (401) is formed can be inserted into the venting hole (H1). In this case, it can be said that the outer rupture portion (401) is positioned toward the inside of the battery module more than other portions of the outer cover member (400).
  • the outer cover member (400) is attached to the upper surface of the top plate (220), and the outer rupture portion (401) is formed to be concave in the downward direction, and can be inserted entirely toward the venting hole (H1). In this case, it can be said that the outer rupture portion (401) is positioned lower than other portions of the outer cover member (400).
  • Fig. 25 is a drawing schematically showing a part of the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 25 may be another modified example of the embodiment of Fig. 23.
  • the outer rupture portion (401) has a shape that is concave inwardly, but unlike the embodiment of Fig. 24, the inner rupture portion (301) may also have a shape that is concave in the downward direction. That is, in a normal battery module state where thermal runaway does not occur, the inner rupture portion (301) may be formed to be concave in the downward direction in a shape that is approximately parallel to the outer rupture portion (401).
  • the gap between the inner rupture part (301) and the outer rupture part (401) can be widened. Accordingly, by ensuring that a certain level or higher of air insulation layer is secured between the inner rupture part (301) and the outer rupture part (401), the insulation effect can be secured more sufficiently in the venting hole (H1).
  • the inner rupture portion (301) and the outer rupture portion (401) can be inverted from a concave shape to a convex shape when the internal pressure increases. This will be described in more detail with reference to Fig. 26.
  • FIG. 26 is a partially enlarged view schematically illustrating a configuration in which an inner cover member (300) and an outer cover member (400) are deformed due to an increase in internal pressure in a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 can be said to illustrate a form in which the inner cover member (300) and the outer cover member (400) are deformed due to venting gas in the exemplary configuration of FIG. 25.
  • the inner rupture portion (301) of the inner cover member (300) may be reversely deformed from a downwardly curved shape as shown in FIG. 25 to an upwardly curved shape as shown in FIG. 26.
  • the inner rupture part (301) can be ruptured more quickly due to this reverse deformation.
  • the notch opens more when the inner rupture part (301) is reversed, so that the rupture speed of the inner rupture part (301) can be further improved.
  • pressure as indicated by the dotted line in Fig. 26 may be applied to the outer rupture portion (401) by the venting gas or the inner rupture portion (301). And, due to this pressure application, the outer rupture portion (401) may also be reversely deformed from a downwardly curved shape as illustrated in Fig. 25 to an upwardly curved shape as illustrated in Fig. 26. And, due to this reversed deformation, the outer rupture portion (401) may be ruptured more quickly by opening a notch or the like.
  • the rupture speed of the outer rupture portion (401) and the inner rupture portion (301) can be further improved. Accordingly, the venting performance of the battery module can be further improved.
  • Figure 27 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to one embodiment of the present invention.
  • the battery pack according to the present invention may include one or more battery modules according to the present invention described above, as indicated by M.
  • the battery pack according to the present invention may further include various other components in addition to the battery module (M) according to the present invention.
  • the battery pack according to the present invention may further include components of the battery pack known at the time of filing of the present invention, such as a BMS (Battery Management System), a bus bar, a relay, a current sensor, etc.
  • BMS Battery Management System
  • the battery pack according to the present invention may further include a pack case, as indicated by PC in FIG. 27.
  • the pack case (PC) may provide a space in which a battery module (M) according to the present invention may be stored.
  • the pack case (PC) may have a space partitioned by a cross beam or the like for dividing and storing the plurality of battery modules.
  • a venting device as indicated by VD, may be provided on at least one side of the pack case (PC) of the battery pack according to the present invention.
  • the venting device (VD) may serve to discharge venting gas discharged from the venting hole (H1) of each battery module from the inside of the pack case (PC) to the outside.
  • the venting device (VD) may always be maintained in an open state, or may be configured to be switched from a closed state to an open state in a specific situation, such as when the internal pressure increases.
  • a battery pack according to the present invention may include a battery module according to the present invention, but may not include a separate pack case, and may be configured such that the module case (200) of the battery module functions as a pack case (PC).
  • components of the battery pack such as a BMS, a bus bar, and a relay, may be included inside the module case (200).
  • a battery pack of this type is also called a cell-to-pack (CTP) in that the battery cells (110) are directly stored in the pack case (PC).
  • CTP cell-to-pack
  • a venting hole (H1) is formed in a case member, which is a pack case (PC) and a module case (200), and an inner cover member (300) may be positioned on the inside of this case member.
  • an outer cover member (400) may be positioned on the outside of this pack case.
  • the battery module or battery pack according to the present invention can be applied to automobiles such as electric automobiles or hybrid automobiles. That is, the automobile according to the present invention can include the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention. In addition, the automobile according to the present invention can further include various other components included in the automobile in addition to the battery module or battery pack. For example, the automobile according to the present invention can further include a body, a motor, a control device such as an ECU (electronic control unit), etc. in addition to the battery module according to the present invention.
  • ECU electronic control unit

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Abstract

본 발명은 열적 이벤트 등으로부터 안전성을 확보할 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈 등을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 상호 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하도록 구성되며, 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 내측에서 상기 벤팅 홀이 형성된 측면을 커버하며, 상기 벤팅 홀에 대응되는 부분에 내측 파열부가 구비되어 상기 셀 어셈블리 측에서 분출되는 벤팅 가스가 상기 내측 파열부를 통해 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성된 내측 커버 부재를 포함할 수 있다.

Description

배터리 모듈
본 출원은 2023년 7월 6일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2023-0087933호 및 2024년 5월 22일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2024-0066698호에 대한 우선권 주장 출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성이 강화된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등에 관한 것이다.
스마트폰이나 태블릿 PC, 스마트 워치와 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 크게 증대되고, 전기 자동차가 점차 널리 보급되면서, 이에 탑재되는 배터리, 특히 반복적인 충방전이 가능한 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
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 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 또한, 캔형 이차 전지는, 그 형상에 따라, 원통형 전지와 각형 전지로 분류될 수 있다. 현재, 이차 전지, 특히 리튬 이차 전지는, 파우치형, 각형, 원통형의 세 종류가 대표적이라고 할 수 있다.
이차 전지는, 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)과 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 널리 이용되고 있다. 더욱이, 최근에는 전기 자동차 관련 산업군이 크게 성장하면서, 핵심 기술이라 할 수 있는 배터리에 대한 관심이 더욱 커지고 있다.
이러한 이차 전지는 다수가 전기적으로 연결된 상태에서 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 형태로, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
종래의 배터리, 이를테면 파우치 타입 배터리가 적용된 배터리 모듈에서, 내부에 구비된 1개의 셀에서 열 폭주(Thermal runaway)와 같은 열적 이벤트가 발생할 경우, 인접 셀로 이벤트가 전파되는 열적 전파(Thermal propagation)가 발생할 수 있다. 또한, 배터리 팩 내부에 다수의 배터리 모듈이 포함된 경우, 배터리 모듈 사이에서도 열적 전파 현상이 발생할 수 있다. 이러한 셀 간 및/또는 모듈 간 열적 전파가 발생할 경우, 높은 열에너지로 인해 배터리 팩에서 외부로 화염 노출이나 파열(rupture), 폭발 등의 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 열적 전파 현상에 대하여 높은 안전성이 확보될 수 있는 배터리 모듈 내지 배터리 팩의 개발이 시급하다. 특히, 종래에는 이러한 문제를 해결하고자, 배터리 모듈의 외부에 화염 커버(flame cover) 등을 적용하여, 외부와의 사이에서 고온 가스(hot gas) 또는 화염을 방지하고자 하는 기술이 적용되기도 하였다. 그러나, 모듈 외측에 부착된 화염 커버와 모듈 간의 구조적 결합력이 약해, 화염 커버가 이탈되는 현상이 발생하는 경우가 많았다. 따라서, 이러한 종래 기술에 의하면, 배터리 모듈에 대한 화염 차단 효과 등이 안정적으로 확보되기 어려운 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부 또는 외부에서 발생된 화염이나 가스, 열, 스파크 등(이하, 벤팅 가스)으로부터 안전성을 확보할 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 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.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 상호 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하도록 구성되며, 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 내측에서 상기 벤팅 홀이 형성된 측면을 커버하며, 상기 벤팅 홀에 대응되는 부분에 내측 파열부가 구비되어 상기 셀 어셈블리 측에서 분출되는 벤팅 가스가 상기 내측 파열부를 통해 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성된 내측 커버 부재를 포함한다.
여기서, 상기 벤팅 홀은 모듈 케이스의 상부 측에 형성되며, 상기 내측 커버 부재는 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 베이스 플레이트, 좌측 플레이트 및 우측 플레이트가 일체로 형성된 U-프레임 및 상기 U-프레임의 상단에 결합되는 탑 플레이트를 구비할 수 있다.
또한, 상기 내측 파열부는 노치 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 내측 파열부는 복수 형성될 수 있다.
또한, 복수의 내측 파열부 중 적어도 일부는, 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다.
또한, 상기 내측 파열부는, 상기 벤팅 홀에 대응되는 부분에서, 위치 별로 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다.
또한, 상기 셀 어셈블리는, 상기 배터리 셀로서 파우치형 셀을 포함하며, 상기 파우치형 셀은 실링부의 폴딩 구조를 유지하는 접착 부재가 실링부에 부분적으로 부착되되, 상기 접착 부재가 부착되지 않은 부분의 적어도 일부가 상기 내측 파열부에 대응하여 위치할 수 있다.
또한, 상기 내측 커버 부재는, 상기 셀 어셈블리를 향해 돌출된 돌출부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 내측 커버 부재는, 상기 내측 파열부가 상대적으로 외측 방향에 위치할 수 있다.
또한, 상기 내측 커버 부재는 단부가 절곡된 형태로 형성되어, 절곡부가 상기 셀 어셈블리와 상기 모듈 케이스 사이에 개재될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상기 모듈 케이스의 외측에서 상기 벤팅 홀이 형성된 측면을 커버하며, 상기 벤팅 홀에 대응되는 부분에 외측 파열부가 구비된 외측 커버 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 외측 파열부는, 상기 벤팅 홀에 삽입될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈이나 배터리 팩, 또는 이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩을 포함하는 장치, 이를테면 전기 자동차나 ESS의 안전성이 향상될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 셀 간 또는 배터리 모듈 간 열 폭주 전파가 발생하는 것이 방지되거나 지연될 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈 내 1개의 배터리 셀에서 열 폭주 상황 발생 시, 배터리 모듈의 탑 측에 마련된 벤팅 홀로 벤팅 가스(열이나 가스, 화염 등 포함)가 배출될 수 있다. 이때, 벤팅 가스가 대류나 복사, 전도 등을 통해 인접한 셀이나 인접한 배터리 모듈에 영향을 미치는 것이 억제될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 인접한 배터리 셀 간 또는 인접한 배터리 모듈 간, 열 전파(Thermal Propagation) 차단 내지 억제 효과가 안정적으로 확보될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 열 폭주로 인해 배터리 셀로부터 고압의 벤팅 가스가 배출되는 상황에서, 배터리 셀과 모듈 케이스 사이에 커버 부재가 안정적으로 위치할 수 있다. 따라서, 커버 부재가 모듈 케이스를 보호함으로써, 화염이나 열에 의해 모듈 케이스의 구조가 붕괴되는 문제를 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 구조 붕괴로 인해, 배터리 셀이나 배터리 모듈 사이에서 열 폭주 전파가 일어나는 것이 보다 확실하게 방지될 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, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성에 대한 분해 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 3의 A1 부분에 대한 확대도이다.
도 5 및 도 6은, 본 발명의 서로 다른 실시예에 따른 내측 커버 부재의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내측 커버 부재와 탑 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 8 및 도 9는, 본 발명의 서로 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 하나의 벤팅 홀이 형성된 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 하나의 벤팅 홀이 형성된 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 11은, 도 10의 A3-A3'선에 대한 단면 구성을 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은, 도 11의 구성에서 벤팅 가스의 압력에 의해 내측 파열부가 변형 및 파열되는 구성을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 14는, 도 12의 A6 부분에 대한 확대도이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리에 구비된 배터리 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 16은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내측 커버 부재를 하부 측에서 바라본 형태의 사시도이다.
도 17은, 도 16의 내측 커버 부재가 셀 어셈블리의 상부에 장착된 상태의 구성을 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 19는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 20은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 21은, 도 20의 A12 부분에 대한 확대도이다.
도 22는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 23은, 도 22의 배터리 모듈이 결합된 상태에서, 벤팅 홀이 형성된 부분의 단면 구성을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 24는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 25는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 26은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 내압 증가로 인해 내측 커버 부재와 외측 커버 부재가 변형되는 구성을 개략적으로 나타낸 부분 확대도이다.
도 27은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
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 안 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용될 수 있으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 배치, 회전, 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
또한, 본 명세서에는 여러 실시예가 포함되어 있는데, 다른 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 각 실시예에 대하여 차이점이 있는 부분을 중심으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 모듈 케이스(200) 및 내측 커버 부재(300)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀(110), 특히 다수의 배터리 셀(110)을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀(110)은, 하나의 이차 전지 자체를 의미하거나, 여러 이차 전지가 모인 전지 그룹을 의미할 수도 있다. 본 명세서에서는, 배터리 셀(110)이 하나의 이차 전지를 나타내는 것을 기준으로 설명한다.
배터리 셀(110), 즉 각각의 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 이때, 전지 케이스의 형태는 다양하게 구성될 수 있으며, 전지 케이스의 형태에 따라, 배터리 셀(110)은 파우치형 셀, 원통형 셀, 각형 셀 등으로 분류될 수 있다. 이러한 배터리 셀(110)의 종류나 형태, 구조 등에 대해서는, 본 발명의 출원 시점에 널리 알려져 있으므로, 상세한 설명을 생략한다. 본 발명은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 이차 전지가 적용될 수 있다. 또한, 배터리 셀(110)은, 리튬 이차 전지일 수 있으나, 다른 다양한 타입의 이차 전지일 수 있음은 물론이다.
셀 어셈블리(100)에서, 다수의 배터리 셀(110)은 적어도 일 방향으로 상호 적층된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 다수의 배터리 셀(110)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 수평 방향, 특히 좌우 방향(X축 방향)으로 나란하게 배열된 형태로 적층될 수 있다. 그리고, 셀 어셈블리(100)에 구비된 다수의 배터리 셀(110)은 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는, 특별한 설명이 없는 한, 다수의 배터리 셀(110)이 적층된 X축 방향을 좌우 방향, 그리고 이러한 셀 적층 방향에 직교하는 수평 방향인 Y축 방향을 전후 방향, X-Y 평면에 직교하는 Z축 방향을 상하 방향(수직 방향)으로 지칭하여 설명하도록 한다. 더욱이, Y축 방향은, 파우치형 셀의 경우, 셀의 길이 방향으로 지칭될 수도 있다. 또한, 좌우 방향, 전후 방향 및 상하 방향은 각각, 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향 등으로 표현될 수도 있다.
각각의 배터리 셀(110)은, 전극 단자(111)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)에 구비된 각각의 파우치형 셀은, 전후 방향으로 돌출되게 배치된 전극 단자(111)를 구비할 수 있다. 이러한 전극 단자(111)는, 전극 리드 또는 전극 탭 등으로 지칭될 수 있다. 다수의 배터리 셀(110)은, 이러한 전극 단자(111)를 통해 상호 간 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 배터리 모듈은, 이러한 다수의 전극 단자(111) 간 접속을 용이하게 하거나 전극 단자(111)로부터 전기적 신호를 센싱하기 위한 버스바(120) 등을 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간이 형성되며, 이러한 내부 공간에 다수의 셀 어셈블리(100)를 수납하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는, 내부 공간을 중심으로 상, 하, 좌, 우, 전, 후 방향을 커버하기 위한 부재를 포함할 수 있다. 특히, 이와 같이 각 방향을 커버하기 위한 부재는 플레이트 형상으로 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 한정된 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 셀 어셈블리(100)가 위치할 수 있다. 모듈 케이스(200)는, 적어도 부분적으로 금속 및/또는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 특정 부분은 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 모듈 케이스(200)의 다른 부분은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 도 1 및 도 2에서 H1로 표시된 바와 같이, 벤팅 홀이 형성될 수 있다. 이러한 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 적어도 일측에 형성되어, 모듈 케이스(200)를 내외측 방향으로 관통하도록 구성될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200)의 내부 공간과 외부 공간은, 이러한 벤팅 홀(H1)을 통해 연통될 수 있다. 특히, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 내부에서 셀 어셈블리(100)로부터 화염, 가스, 스파크와 같은 벤팅 가스가 발생하는 경우, 벤팅 가스가 배출되는 출구가 될 수 있다.
상기 내측 커버 부재(300)는, 모듈 케이스(200)의 내측에 위치할 수 있다. 즉, 내측 커버 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)와 함께 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 수납될 수 있다. 더욱이, 내측 커버 부재(300)는, 벤팅 홀(H1)이 형성된 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 내측 커버 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200) 사이의 여러 공간 중, 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분에 위치할 수 있다. 다시 말해, 내측 커버 부재(300)는, 모듈 케이스(200)에서 벤팅 홀(H1)이 형성된 측면의 내측에 배치될 수 있다.
상기 내측 커버 부재(300)는, 내화성 재질을 구비할 수 있다. 예를 들어, 내측 커버 부재(300)는, 마이카(mica), 세라믹, 무기 소재 등의 재질을 구비하거나 이러한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 내측 커버 부재(300)는, 내측 파열부(301)를 구비할 수 있다. 더욱이, 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)에 대응되는 부분에 마련될 수 있다. 따라서, 내측 커버 부재(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 내부에 장착된 상태에서, 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분에 내측 파열부(301)가 위치하는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200)의 외측에서 모듈 케이스(200)의 표면을 바라볼 때, 내측 파열부(301)가 벤팅 홀(H1)을 통해 외부로 노출될 수 있다. 배터리 모듈이 정상적인 상태인 경우에는, 내측 파열부(301)는 밀폐된 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 벤팅 홀(H1)을 통해 내측 파열부(301)가 노출되는 상태라 하더라도, 내측 파열부(301)의 내측에 위치하는 셀 어셈블리(100)가 벤팅 홀(H1)을 통해 외부로 노출되지 않을 수 있다.
상기 내측 파열부(301)는, 압력이나 열에 의해 파열 가능하도록 구성될 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에 구비된 하나 이상의 배터리 셀(110)에서 열 폭주(thermal runaway)와 같은 열적 이벤트가 발생한 경우, 벤팅 가스가 분출될 수 있다. 본 명세서에서, 벤팅 가스는, 열 폭주 등으로 인해 배터리 셀로부터 배출되는 가스는 물론이고, 연소로부터 발생하는 가스, 화염, 스파크, 활물질 입자 등을 포함하는 넓은 개념일 수 있다. 내측 파열부(301)는, 이러한 셀 어셈블리(100)의 열적 이벤트 발생 시 파열되도록 구성될 수 있다. 특히, 내측 파열부(301)는, 셀 어셈블리(100) 측에서 분출되는 벤팅 가스의 압력이나 열에 의해 적어도 부분적으로 파열되도록 구성될 수 있다. 내측 파열부(301)가 파열되면, 셀 어셈블리(100) 측에서 분출된 벤팅 가스는, 내측 파열부(301)의 파열된 부분을 통해 벤팅 홀(H1)로 배출될 수 있다. 내측 커버 부재(300)는, 이와 같이, 정상적인 상태에서는 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)을 폐쇄하다가, 열 폭주 시 파열되어 벤팅 홀(H1)을 개방시킬 수 있다. 그러므로, 셀 어셈블리(100) 측에서 분출되는 벤팅 가스는 벤팅 홀(H1)을 통해 모듈 케이스(200)의 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 내측 커버 부재(300)에 의해 배터리 모듈 간 열 전파(thermal propagation)가 일어나는 것을 억제할 수 있다. 예를 들어, 특정 배터리 모듈에서 화염 등을 포함하는 벤팅 가스가 배출되는 경우에도, 주변의 다른 배터리 모듈에는 내화성 재질의 내측 커버 부재(300)가 구비됨으로써, 벤팅 가스의 열 등으로 인해 다른 배터리 모듈 내부의 셀 어셈블리(100)가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 정상적인 상태에서 내측 커버 부재(300)가 벤팅 홀(H1)을 폐쇄시킴으로써, 벤팅 홀(H1)을 통해 셀 어셈블리(100)가 외측으로 노출되지 않을 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 외부의 이물질이 벤팅 홀(H1)을 통해 셀 어셈블리(100) 측으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스나 열로부터 모듈 케이스(200)를 보호하는 내측 커버 부재(300)가 모듈 케이스(200)의 내부에 위치함으로써, 내측 커버 부재(300)와 모듈 케이스(200) 사이의 결합력이 안정적으로 확보될 수 있다.
특히, 다른 배터리 모듈로부터 배출된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 외부 측에 흐르더라도, 내측 커버 부재(300)는 모듈 케이스(200)의 내측에 위치하여, 외부 측 벤팅 가스에 의해 내측 커버 부재(300)와 모듈 케이스(200) 사이의 결합력이 약화되는 문제가 예방될 수 있다. 따라서, 내측 커버 부재(300)가 모듈 케이스(200)로부터 외부로 이탈되지 않고, 위치를 안정적으로 유지할 수 있다.
그리고, 열적 이벤트가 발생한 배터리 모듈에 대해서도, 내측 커버 부재(300)의 이탈 방지 효과가 확보될 수 있다. 예를 들어, 열 폭주 상황에서, 벤팅 가스가 벤팅 홀(H1)을 통해 외부 방향으로 배출되는 경우, 벤팅 가스에 의해 내측 커버 부재(300)가 외측 방향으로 강하게 가압될 수 있다. 하지만, 본 발명의 상기 구성에서는 내측 커버 부재(300)의 외측에 모듈 케이스(200)가 위치함으로써, 내측 커버 부재(300)가 외측 방향으로 이탈되지 않고 내측 방향으로 계속해서 지지될 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 열적 이벤트 상황에서 모듈 케이스(200)의 구조적 붕괴가 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 특히, 배터리 모듈 내부에서 열 폭주 발생 시, 모듈 케이스(200)에서 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분으로 벤팅 가스 및 열이 집중될 수 있어, 해당 부분의 구조적 붕괴가 발생할 가능성이 있다. 하지만, 본 발명의 상기 실시 구성의 경우, 모듈 케이스(200)에서 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분의 내부에 내화성 재질의 내측 커버 부재(300)가 위치하여 모듈 케이스(200)가 보호될 수 있다. 따라서, 벤팅 홀(H1)을 통해 벤팅 가스가 배출되는 상황에서도, 모듈 케이스(200)의 벤팅 홀(H1)이 형성된 측면의 구조적 붕괴를 예방할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 케이스(200)의 구조 붕괴로 인한 배터리 셀(110) 사이, 또는 배터리 모듈 사이의 열 폭주 전파가 방지될 수 있다.
상기 벤팅 홀(H1)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 상부 측에 형성될 수 있다. 이 경우, 내측 커버 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)의 상부 측에 위치할 수 있다.
예를 들어, 모듈 케이스(200)가 대략 직육면체 형태로 형성되는 경우, 모듈 케이스(200)에는 6개의 측면이 형성될 수 있다. 이때, 벤팅 홀(H1)은, 모듈 케이스(200)의 상측면에 형성될 수 있다. 그리고, 내측 커버 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)의 상부 및 상측면의 하부에 위치할 수 있다.
특히, 내측 커버 부재(300)는, 시트 형태로서, 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 다수의 배터리 셀(110)이 수평 방향으로 적층된 경우, 내측 커버 부재(300)는 수평 방향으로 눕혀진 형태로 셀 어셈블리(100)의 상부에 위치할 수 있다. 이 경우, 내측 커버 부재(300)는, 다수의 배터리 셀(110)이 적층된 평면(X-Y 평면)과 평행하게 배치된다고 할 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 고온의 벤팅 가스가 상부의 벤팅 홀(H1) 측으로 신속하게 이동하여 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 열 폭주 시 배터리 모듈의 벤팅 과정이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 또한, 셀 어셈블리(100)에서 각 배터리 셀(110)의 전극 단자(111)나 배터리 모듈의 모듈 단자가 전후 방향에 위치하는 경우, 이러한 전극 단자(111)나 모듈 단자 측으로 벤팅 가스가 이동하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 모듈 단자 측에 구비된 모듈 버스바 등이 벤팅 가스에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, U-프레임(210) 및 탑 플레이트(220)를 구비할 수 있다.
여기서, U-프레임(210)은, 모듈 케이스(200)에 구비된 3개의 단위 측면이 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 특히, U-프레임(210)은, 모듈 케이스(200)에서 베이스 플레이트(211), 좌측 플레이트(212) 및 우측 플레이트(213)가 일체로 형성되게 구성될 수 있다. 즉, U-프레임(210)의 베이스 플레이트(211), 좌측 플레이트(212) 및 우측 플레이트(213)는, 처음부터 하나의 플레이트 형태로 제조되되, 벤딩 등 추가적인 공정을 통해 상호 구분될 수 있다. 예를 들어, U-프레임(210)은, 수평 방향으로 눕혀진 하나의 플레이트에 대하여, 좌측 및 우측 단부를 각각 상부 방향으로 수직 절곡하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 U-프레임(210)은, 상부, 전방 측 및 후방 측이 개방될 수 있다.
탑 플레이트(220)는, U-프레임(210)의 상단 개방부에 결합될 수 있다. 더욱이, 탑 플레이트(220)는, 좌우측 양단이 U-프레임(210)의 좌측 플레이트(212)의 상단 및 우측 플레이트(213)의 상단에 결합될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 구성에서, 벤팅 홀(H1)은, 탑 플레이트(220)에 형성될 수 있다. 이때, 내측 커버 부재(300)는, 탑 플레이트(220)의 하부에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 조립성이 개선될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성에 의하면, 먼저 U-프레임(210)의 상부 측에서 셀 어셈블리(100)를 U-프레임(210)의 내부 공간에 삽입한 후, 셀 어셈블리(100)의 상부 측에 내측 커버 부재(300)를 안착시키고, 내측 커버 부재(300)의 상부 측에 탑 플레이트(220)를 안착시키는 방식으로 배터리 모듈의 조립 공정이 수행될 수 있다.
이러한 조립 공정에 따르면, 모듈 케이스(200)의 내부에 내측 커버 부재(300)를 위치시키는 과정이 용이하게 수행될 수 있다. 특히, 내측 커버 부재(300)를 모듈 케이스(200)의 내부에 위치시키는 과정에서, 모듈 케이스(200)의 내면과 내측 커버 부재(300) 사이의 마찰 내지 공차를 크게 고려하지 않을 수 있다. 또한, 상기 조립 구성에 의하면, 내측 커버 부재(300)와 탑 플레이트(220)를 밀착시켜 이들 사이의 공간을 최소화함으로써, 배터리 모듈의 부피 감소에도 유리할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 모듈 케이스(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드 프레임(230)을 더 구비할 수 있다. 이러한 엔드 프레임(230)은, U-프레임(210)의 전방 및 후방 측의 개방단에 결합되어, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 대하여 전방 측과 후방 측을 폐쇄할 수 있다.
특히, 엔드 프레임(230)은, 셀 어셈블리(100)에 포함된 각 배터리 셀(110)의 전극 단자(111)가 위치하는 방향에 위치할 수 있다. 이 경우, 전극 단자(111)에 대한 절연성을 확보하기 위해, 엔드 프레임(230)은 전기 절연성 재질, 이를테면 플라스틱 재질을 포함할 수 있다.
모듈 케이스(200)를 구성하는 각 구성요소, 이를테면 U-프레임(210), 탑 플레이트(220) 및 엔드 프레임(230)은 용접, 삽입, 접착, 후크 등 다양한 방식으로 상호 결합될 수 있다. 특히, 모듈 케이스(200)의 전체 또는 일부 구성요소는, 용접성이 우수하고 경량화에 유리하며, 냉각 성능도 안정적으로 확보하기 위하여, 알루미늄 재질로 이루어지거나 이러한 재질을 포함할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 나타내는 사시도이다. 예를 들어, 도 3은, 도 1의 실시 구성에서 탑 플레이트(220)가 제거된 상태의 도면이라 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 내측 커버 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)의 상단을 커버하도록 구성될 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)가 다수의 배터리 셀(110)이 수평 방향으로 적층된 형태로 구성된 경우, 내측 커버 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)에 포함된 전체 배터리 셀(110)의 상단을 커버하도록 구성될 수 있다. 또한, 내측 커버 부재(300)는, U-프레임(210)과 엔드 프레임(230)에 의해 한정된 내부 공간의 상부 측을 전체적으로 커버하는 형태 및 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, U-프레임(210)과 엔드 프레임(230)에 의해 한정된 내부 공간이 상부 측에서 바라볼 때 직사각형으로 형성된 경우, 내측 커버 부재(300)는 이러한 형태에 대응하여 직사각형 모양을 가질 수 있다. 더욱이, 내측 커버 부재(300)는, 탑 플레이트(220)와 동일 내지 유사한 형상이나 크기, 면적 등을 갖는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 내측 커버 부재(300)가 위치하는 부분에서, 셀 어셈블리(100)나 탑 플레이트(220)가 전체적으로 배터리 모듈의 외부 요인으로부터 보다 안정적으로 보호될 수 있다. 이를테면, 다른 배터리 모듈로부터 배출된 벤팅 가스가 배터리 모듈의 상부 외측에서 흐르는 경우, 벤팅 가스가 배터리 모듈 내부의 셀 어셈블리(100)에 영향을 미치지 않도록 보다 안정적인 보호가 가능하다. 특히, 외부 벤팅 가스의 열 등으로 인한 내부 셀 어셈블리(100)의 열적 손상이나 열 폭주 전파의 문제가 보다 확실하게 억제될 수 있다. 또한, 이 경우, 배터리 모듈 외부의 먼지나 도체 등 이물질 등으로부터 배터리 내부의 셀 어셈블리(100)를 보다 확실하게 보호할 수 있다. 그리고, 이 경우, 모듈 케이스(200)의 내부에서 발생하는 벤팅 가스나 열 등으로부터, 탑 플레이트(220)의 내측 표면이 보호될 수 있다.
상기 내측 파열부(301)는, 배터리 모듈이 정상적인 상태에서는 폐쇄된 상태로 존재할 수 있다. 이 경우, 벤팅 홀(H1)을 통해 정상적인 배터리 모듈의 내부로, 외부의 벤팅 가스나 이물질 등이 유입되는 것이 방지될 수 있다. 그리고, 해당 배터리 모듈의 내부에서 열 폭주와 같은 비정상 상황이 발생한 경우, 내측 파열부(301)는 파열됨으로써 내부의 벤팅 가스가 외부로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 즉, 내측 파열부(301)는, 열이나 벤팅 가스에 의해 폐쇄 상태에서 개방 상태로 변형될 수 있다. 이때, 내측 파열부(301)는, 내측 커버 부재(300)에 대하여 내외측 방향으로 관통될 수 있도록 다양한 형태로 파열될 수 있다.
특히, 내측 파열부(301)는, 노치 형태로 구성될 수 있다. 이러한 실시 구성에 대해서는, 도 4를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는, 도 3의 A1 부분에 대한 확대도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 내측 커버 부재(300)의 적어도 일 표면에는, 내측 파열부(301)가 형성될 수 있다. 특히, 이러한 내측 파열부(301)는, 도 4에서 N으로 표시된 바와 같이, 내측 커버 부재(300)의 표면에서 내측 방향으로 오목한 형태로 파여진 노치 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 내측 커버 부재(300)가 시트 형태로 구성되는 경우, 노치 형태의 내측 파열부(301)는, 내측 커버 부재(300)의 두께를 부분적으로 얇게 하는 형태로 마련될 수 있다.
내측 파열부(301)의 노치(N)는, 격자 형태로 형성될 수 있다. 즉, 오목하게 파여진 노치(N)가 길게 연장된 형태로 노치 라인이 다수 형성되고, 이러한 다수의 노치 라인이 서로 교차하는 형태로 내측 파열부(301)가 구성될 수 있다. 예를 들어, 내측 파열부(301)는, 좌우 방향으로 연장된 하나 이상의 노치 라인과 전후 방향으로 연장된 하나 이상의 노치 라인이 서로 직교하는 형태로 구성될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 열 폭주 등의 상황에서 내측 파열부(301)가 신속하게 파열되도록 하는 구성이 보다 용이하게 달성될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성의 경우, 정상적인 상태에서는 내측 파열부(301)에 의해 벤팅 홀(H1)이 안정적으로 커버되다가, 벤팅 가스의 압력 등에 의해 내측 파열부(301)가 신속하게 파열될 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성의 경우, 내압 증가 시 노치(N)에 의해 내측 커버 부재(300)의 변형이 더욱 잘 일어날 수 있다. 따라서, 내압 증가로 인한 내측 파열부(301)의 파열이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 노치(N)를 마련하는 공정이 보다 쉽게 수행될 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301)에 대하여 벤팅 홀(H1)에 상응하는 형태나 크기로 마련하는 공정이 쉽게 구현될 수 있다.
내측 파열부(301)를 형성하기 위한 노치(N)는, 내측 커버 부재(300)의 상면에 마련될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 내측 파열부(301)는, 내측 커버 부재(300)의 상면에서 하부 방향으로 오목한 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 노치(N)는, 내측 커버 부재(300)에서 벤팅 홀(H1)을 향하는 측에 위치한다고 할 수 있다. 따라서, 노치는, 벤팅 홀(H1)을 통해 모듈 케이스(200)의 외측으로 노출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부의 셀 어셈블리(100)로부터 벤팅 가스가 분출되는 경우, 벤팅 가스의 내압에 의해 내측 커버 부재(300)의 내측 파열부(301)가 신속하게 파열될 수 있다. 셀 어셈블리(100)가 내측 커버 부재(300)의 하부에 위치하는 실시 구성에서, 벤팅 가스로 인한 내압 증가 시, 내측 커버 부재(300)는 하부 측에서 상부 측 방향으로 가압될 수 있다. 이 경우, 노치(N)가 내측 커버 부재(300)의 상면에 형성됨으로써, 가압에 의한 내측 파열부(301)의 파손이 신속하고 원활하게 이루어질 수 있다. 한편, 다른 배터리 모듈로부터 벤팅 가스가 배출되어 벤팅 홀(H1)을 통해 역유입되려고 하는 경우, 내측 커버 부재(300)는 상부 측에서 하부 측 방향으로 가압될 수 있다. 이때, 노치(N)가 내측 커버 부재(300)의 하면에는 형성되지 않음으로써, 이러한 하부 측 방향 가압에 의해서는 쉽게 파손되지 않을 수 있다. 즉, 상기 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301)는, 내측 커버 부재(300)의 내측(하부 측) 가압에 의해서는 쉽게 파열되고, 외측(상부 측) 가압에 의해서는 쉽게 파열되지 않도록 구성된다고 할 수 있다.
상기 내측 파열부(301)는, 내측 커버 부재(300)에서 복수 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 시트 형태의 내측 커버 부재(300)의 표면에는 수평 방향으로 상호 이격된 다수의 내측 파열부(301)가 마련될 수 있다. 그리고, 각각의 내측 파열부(301)는, 복수의 노치 라인으로 이루어질 수 있다.
더욱이, 하나의 모듈 케이스(200)에서, 벤팅 홀(H1)은 복수 개 형성될 수 있다. 그리고, 내측 파열부(301)는, 각각의 벤팅 홀(H1)마다 대응되게 형성될 수 있다. 예를 들어, 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)과 일대일 대응되도록 마련될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)의 어느 부분에서 벤팅 가스가 분출되더라도, 인접하는 내측 파열부(301) 및 벤팅 홀(H1)을 통해 벤팅 가스가 신속하게 외부로 배출될 수 있다.
특히, 내측 커버 부재(300)는, 셀 어셈블리(100)에 포함된 모든 배터리 셀(110)에 대하여, 적어도 하나의 내측 파열부(301)가 대면되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 구성을 참조하면, 셀 어셈블리(100)에는, 좌우 방향(X축 방향)으로 적층된 다수의 배터리 셀(110)이 포함될 수 있다. 그리고, 벤팅 홀(H1) 또한, 배터리 셀(110)의 적층 방향(좌우 방향)으로 다수 배치될 수 있다. 이 경우, 모든 배터리 셀(110)의 상부 측에는 내측 파열부(301)가 직접적으로 대응 배치된다고 할 수 있다. 따라서, 어느 배터리 셀(110)에서 벤팅 가스가 발생하더라도, 벤팅 가스는 그 상부에 직접적으로 위치한 내측 파열부(301)를 파열시켜 벤팅 홀(H1) 측으로 원활하게 배출될 수 있다. 이러한 실시 구성에서, 하나의 내측 파열부(301)는 하나 또는 둘 이상의 배터리 셀(110)에 대응 배치될 수 있다.
또한, 내측 커버 부재(300)는, 하나의 배터리 셀(110)에 대하여 둘 이상의 내측 파열부(301)가 대응 배치되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 실시 구성을 참조하면, 각각의 배터리 셀(110)은 전극 단자(111)가 전후 방향(Y축 방향) 단부에 위치하는 형태로, 전후 방향으로 길게 배치될 수 있다. 이때, 내측 파열부(301) 또한 전후 방향으로 둘 이상 배치될 수 있다.
하나의 배터리 셀(110)을 기준으로 살펴보면, 벤팅 가스가 어느 부분에서 발생할지 정확하게 예측되기 어렵다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 하나의 배터리 셀(110)에 대하여 둘 이상의 내측 파열부(301)가 대응 배치되도록 함으로써, 배터리 셀(110)의 어느 부분에서 벤팅 가스가 분출되더라도, 최대한 가까운 내측 파열부(301)를 통해 벤팅 가스가 신속하게 배출되도록 할 수 있다.
내측 커버 부재(300)에 복수의 내측 파열부(301)가 포함된 실시 구성에서, 적어도 일부 파열부들은, 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5 및 도 6을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5 및 도 6은, 본 발명의 서로 다른 실시예에 따른 내측 커버 부재(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 하나의 내측 커버 부재(300)에 복수의 내측 파열부(301)가 마련된 실시 형태에서, 둘 이상의 내측 파열부(301)에 대한 파열 조건은 서로 다르게 구성될 수 있다. 즉, 수평 방향으로 다수의 내측 파열부(301)가 마련된 경우, 그 중 적어도 일부는, 서로 다른 조건에서 파열될 수 있다.
여기서, 내측 파열부(301)의 파열 조건은, 내측 파열부(301)를 파열시킬 수 있는 인자를 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 내측 파열부(301)가 압력에 의해 파열되는 경우, 파열 조건은, 압력의 크기를 기준으로 설정될 수 있다. 즉, 둘 이상의 내측 파열부(301)는, 파열 압력 조건이 다르게 구성될 수 있다. 이 경우, 둘 이상의 내측 파열부(301)는, 서로 다른 압력 크기에서 파열될 수 있다.
둘 이상의 내측 파열부(301)에 대하여 파열 조건을 다르게 구성하는 것은, 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 내측 파열부(301)가 다수의 노치 라인을 구비하는 경우, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 노치 라인 간 간격 및/또는 노치 라인의 개수를 서로 다르게 형성함으로써, 내측 파열부(301) 간 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다. 이때, 노치 라인의 간격이 상대적으로 좁고 노치 라인의 수가 많게 형성된 내측 파열부(301)는, 다른 내측 파열부(301)에 비해 파열 압력 크기가 낮게 설정된 것일 수 있다.
다른 예로, 내측 파열부(301)가 노치 방식으로 구현된 경우, 둘 이상의 내측 파열부(301)에 대한 노치 깊이가 서로 다르게 구성될 수 있다. 이 경우, 노치 깊이가 상대적으로 깊게 형성된 내측 파열부(301)가, 다른 내측 파열부(301)에 비해, 파열 압력 크기가 낮게 설정된 것이라 할 수 있다.
또다른 예로, 내측 파열부(301)는, 노치의 폭(수평 방향 길이)을 다르게 함으로써 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다. 이 경우, 노치의 폭이 상대적으로 크게 형성된 내측 파열부(301)가, 다른 내측 파열부(301)에 비해, 파열 압력 크기가 낮게 설정된 것일 수 있다.
특히, 둘 이상의 내측 파열부(301)는, 배터리 셀(110)의 길이 방향 및/또는 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 내측 커버 부재(300)는, 도 2 및 도 3에 도시된 내측 커버 부재(300)의 변형예일 수 있다. 따라서, 도 5 및 도 6의 실시 도면에서도, X축 방향은 배터리 셀(110)의 적층 방향이고, Y축 방향은 배터리 셀(110)의 길이 방향일 수 있다.
먼저, 도 5에 도시된 바를 참조하면, RY1, RY2, RY3와 같이, 다수의 내측 파열부(301)가 배터리 셀(110)의 길이 방향인 전후 방향(Y축 방향)으로 이격 배치될 수 있다. 이때, 전후 방향으로 배치된 내측 파열부(301)는, 서로 다른 조건에서 파열되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, RY1으로 표시된 내측 파열부(301), RY2로 표시된 내측 파열부(301), 및 RY3로 표시된 내측 파열부(301)는, 각각 서로 다른 압력 조건에서 파열되도록 노치가 형성될 수 있다.
더욱이, 내측 파열부(301)는, 배터리 셀(110)의 길이 방향으로 상대적으로 외곽 측에 위치한 내측 파열부(301)가, 상대적으로 중앙 측에 위치한 내측 파열부(301)보다, 파열 조건이 높게 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 실시 구성에서, RY2에 비해 RY1이 상대적으로 외곽 측에 위치한 내측 파열부(301)일 수 있다. 이 경우, RY1으로 표시된 내측 파열부(301)가 RY2로 표시된 내측 파열부(301)에 비해 높은 압력 조건에서 파열되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, RY1의 노치 라인 간 간격은, RY2의 노치 라인 간 간격보다 넓게 형성될 수 있다. 그리고, RY1의 노치 라인의 개수는, RY2의 노치 라인의 개수보다 적게 형성될 수 있다. 또한, RY2로 표시된 내측 파열부(301)는 RY3로 표시된 내측 파열부(301)에 비해 상대적으로 외곽 측에 위치한다고 할 수 있으므로, RY2의 파열 조건이 RY3의 파열 조건보다 높게 형성될 수 있다. 이 경우, RY2의 노치 라인 간 간격은, RY3의 노치 라인 간 간격보다 넓을 수 있다. 그리고, RY2의 노치 라인의 개수는, RY3의 노치 라인의 개수보다 적게 형성될 수 있다.
이러한 실시 구성에서는, 셀 어셈블리(100) 측에서 열 폭주 상황이 발생한 경우, 배터리 셀(110)의 길이 방향으로 중앙 측에 위치한 내측 파열부(301)가 상대적으로 먼저 파열될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스의 배출량이 많지 않은 열 폭주 초기 단계에서, 벤팅 가스는 배터리 셀(110)의 길이 방향 외곽보다는 중앙 부분에서 배출될 가능성이 높다. 그러므로, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈 간 열 폭주 전파에 대한 억제 효과가 향상될 수 있다. 즉, 배터리 셀(110)의 길이 방향 외곽 측에는 다른 배터리 모듈이 인접하여 배치될 가능성이 높은데, 상기 실시 구성에서는 다른 배터리 모듈로부터 가급적 멀게 떨어진 위치에서 벤팅 가스가 먼저 배출되도록 할 수 있다.
특히, 배터리 셀(110)의 길이 방향 측 단부에는 배터리 셀(110)의 전극 단자(111) 및 이러한 전극 단자(111)와 전기적으로 연결되는 모듈 단자가 배치될 가능성이 높다. 그리고, 이러한 모듈 단자가 위치하는 부분에는 모듈 간 버스바를 통해 다른 배터리 모듈의 모듈 단자가 인접하여 배치되는 경우가 많다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 배터리 셀(110)의 길이 방향으로 중앙 측에서 벤팅 가스가 먼저 배출되도록 하는 경우, 배출된 벤팅 가스의 고열로 인해 인접한 다른 배터리 모듈로 열 폭주 전파가 일어나는 문제가 보다 확실하게 방지될 수 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 바를 참조하면, RX1, RX2로 표시된 바와 같이, 다수의 내측 파열부(301)가 배터리 셀(110)의 적층 방향인 좌우 방향(X축 방향)으로 이격 배치될 수 있다. 이때, 좌우 방향으로 배치된 내측 파열부(301)는, 서로 다른 조건에서 파열되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, RX1으로 표시된 내측 파열부(301)와 RX2로 표시된 내측 파열부(301)는, 각각 서로 다른 압력 조건에서 파열되도록 노치가 형성될 수 있다.
더욱이, 내측 파열부(301)는, 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 상대적으로 중앙 측에 위치한 내측 파열부(301)가, 상대적으로 외곽 측에 위치한 내측 파열부(301)보다, 파열 조건이 낮게 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 실시 구성에서, RX1에 비해 RX2가 상대적으로 중앙 측에 위치한 내측 파열부(301)일 수 있다. 이 경우, RX2로 표시된 중앙 측 내측 파열부(301)가 RX1으로 표시된 외곽 측 내측 파열부(301)에 비해 낮은 압력 조건에서 파열되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, RX2의 노치 라인 간 간격 및 개수는, RX1의 노치 라인 간 간격 및 개수보다 좁고 많이 형성될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 셀 어셈블리(100)의 열 폭주 시, 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 중앙 측에 위치한 내측 파열부(301)가 상대적으로 먼저 파열될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 배터리 모듈의 외부에 배치된 다른 배터리 모듈에 대하여, 열 폭주 전파가 발생하는 문제가 보다 효과적으로 억제될 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6의 실시 구성에서는, 노치 라인 간 간격과 개수 변화를 통해 내측 파열부(301) 사이에서 파열 조건이 다르게 형성되는 실시예가 설명되었으나, 앞서 설명한 바와 같이, 파열 조건이 다르게 형성되는 구성은, 노치의 깊이나 폭 등 다른 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.
다른 예로, 배터리 셀(110)의 길이 방향이나 적층 방향으로 상대적으로 외곽 측에 위치한 내측 파열부(301)는, 상대적으로 중앙 측에 위치한 내측 파열부(301)보다, 파열 조건이 낮게 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 실시 구성에서 RX1으로 표시된 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 외곽 측에 위치하는 내측 파열부(301)는, RX2로 표시된 다른 내측 파열부(301)에 비해, 노치 라인 간 간격이 좁거나 노치의 깊이가 깊게 형성되거나 노치의 폭이 넓게 형성되는 등, 파열 조건이 낮게 설정될 수 있다.
특히, 배터리 모듈의 내압 증가 시, 모듈 케이스(200)의 형태나 재질 등에 따라, 모듈 케이스(200)의 중앙 부분, 이를테면 탑 플레이트(220)의 중앙 부분이 가장 많이 부풀어오를 수 있다. 이 경우, 탑 플레이트(220)의 내측에 위치하는 내측 커버 부재(300) 역시, 중앙 부분이 가장 높은 압력을 받게 되어, 셀 어셈블리(100)의 열 폭주 발생 위치와 관계 없이, 중앙 측에 위치한 내측 파열부(301)가 가장 먼저 파열될 가능성이 높다.
이와 같은 배터리 모듈에 대해서는, 상기 실시 구성과 같이, 외곽 측에 위치하는 내측 파열부(301)의 파열 조건을 낮게 설정함으로써, 셀 어셈블리(100)의 최외곽 측에서 벤팅 가스가 분출되는 경우에도, 해당 벤팅 가스는 외곽 측 내측 파열부(301)에 의해 곧바로 배출될 가능성이 높아질 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스가 특정 부분(중앙 부분)에서 집중 배출되지 않고, 열 폭주가 발생한 위치에서 벤팅 가스가 최대한 신속하게 외부로 배출될 수 있다.
또한, 내측 커버 부재(300)에 복수의 내측 파열부(301)가 포함된 실시 구성에서, 적어도 일부 파열부들은, 파열 크기가 다르게 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내측 커버 부재(300)와 탑 플레이트(220)의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 7을 참조하면, 하나의 내측 커버 부재(300)에 복수의 내측 파열부(301)가 형성된 경우, 둘 이상의 내측 파열부(301)는, 파열 크기, 즉 파열된 상태에서 개방된 부분의 크기가 서로 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 내측 파열부(301)는, 수평 방향(X축 또는 Y축 방향)의 크기가 서로 다르게 구성될 수 있다.
더욱이, 상대적으로 중앙 측에 위치하는 내측 파열부(301)가 상대적으로 외곽 측에 위치하는 내측 파열부(301)보다, 파열 크기가 크게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 실시 구성에서, RY1', RY2', RY3'으로 표시된 바와 같이, 전후 방향, 즉 배터리 셀(110)의 길이 방향으로 다수의 내측 파열부(301)가 배치될 수 있다. 이때, 상대적으로 중앙측에 가까운 내측 파열부(301)가 상대적으로 외곽측에 가까운 내측 파열부(301)에 비해, 크기가 크게 형성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상대적으로 중앙 측에 위치하는 RY2'은 RY1'에 비해 노치 면적이 크게 형성될 수 있다. 또한, 상대적으로 중앙 측에 위치하는 RY3'은 RY2'에 비해 노치 면적이 크게 형성될 수 있다. 이때, 노치 면적은, 노치 라인의 길이를 길게 하거나 개수를 많이 형성함으로써 보다 크게 형성할 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 다수의 내측 파열부(301)가 파열된 상태에서, 부분적으로 벤팅 가스의 배출량이 다르게 형성될 수 있다. 특히, 도 7의 실시 구성과 같이, 중앙 측에 위치하는 내측 파열부(301)의 파열 크기를 크게 하는 경우, 탑 플레이트(220)의 외곽보다는 중앙 측에서 벤팅 가스가 많이 배출되도록 할 수 있다. 따라서, 수평 방향으로 인접하는 다른 배터리 모듈에 대하여 벤팅 가스가 영향을 미치는 것을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 다수의 내측 파열부(301) 간 파열 크기를 다르게 형성하는 실시 구성에서는, 벤팅 홀(H1) 역시 그 크기를 다르게 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 내측 커버 부재(300)의 외측(상부 측)에 배치되는 탑 플레이트(220)에는, 복수의 내측 파열부(301) 각각에 대응되도록, 벤팅 홀(H1)이 복수 형성될 수 있다. 이때, 복수의 벤팅 홀(H1) 각각은, 대응되는 내측 파열부(301)의 파열 크기에 대응하여 크기가 다르게 구성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 7의 실시예에서, 배터리 셀(110)의 길이 방향으로 배치된 다수의 내측 파열부(301)인 RY1', RY2' 및 RY3' 각각에 대하여, 대응되는 벤팅 홀(H1)은 H1Y1', H1Y2' 및 H1Y3'일 수 있다. 이때, RY1', RY2' 및 RY3'의 파열 크기가 RY1'<RY2'<RY3'과 같은 관계를 갖는다면, H1Y1', H1Y2' 및 H1Y3'의 홀 크기는 H1Y1'<H1Y2'<H1Y3'의 관계를 갖는 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 중앙 측에 형성된 벤팅 홀(H1)의 크기는, 외곽 측에 형성된 벤팅 홀(H1)의 크기에 비해 상대적으로 크게 형성된다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 다수의 벤팅 홀(H1)이 각각 대응되는 내측 파열부(301)의 파열 크기에 대응하여 개방된 면적에 차이를 가짐으로써, 내측 파열부(301)의 파열 크기 차이에 따른 기술적 효과가 안정적으로 보장될 수 있다. 또한, 이 경우, 벤팅 홀(H1)이 불필요하게 크게 형성되지 않도록 함으로써, 배터리 모듈의 외측으로부터 벤팅 홀(H1)을 통해 벤팅 가스나 이물질 등이 유입되는 것을 억제할 수 있다.
한편, 도 7의 실시예에서는, 배터리 모듈의 전후 방향(Y축 방향)으로 배치된 내측 파열부(301) 사이에서 파열 크기가 다르게 형성된 구성을 중심으로 설명되었으나, 배터리 모듈의 좌우 방향(X축 방향)으로 배치된 내측 파열부(301) 사이에서도 파열 크기가 다르게 형성될 수 있다. 이에 대해서는 보다 상세한 설명을 생략한다.
상기 내측 파열부(301)는, 위치 별로 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 8 및 도 9를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 8 및 도 9는, 본 발명의 서로 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 하나의 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다. 예를 들어, 도 8 내지 도 9는, 도 1의 A2 부분에 대하여 확대된 실시 형태일 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 하나의 벤팅 홀(H1)에 대응되는 위치에 하나의 내측 파열부(301)가 마련될 수 있다. 이때, 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)에 대응되는 부분에서 위치 별 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다. 즉, 하나의 내측 파열부(301) 내에서, 파열되기 위한 조건은 부분적으로 다르게 설계될 수 있다.
먼저 도 8의 실시예를 참조하면, 하나의 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)로 노출되는 부분에 NY1, NY2, NY3로 표시된 바와 같이 좌우 방향으로 배열된 다수의 노치 라인을 구비할 수 있다. 이때, 둘 이상의 노치 라인은 서로 파열되기 위한 조건, 이를테면 파열 압력 조건이 다르게 구성될 수 있다.
이때, 파열 조건은, 노치의 깊이나 폭 등에 따라 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 3개의 노치 라인인 NY1, NY2, NY3 중 적어도 2개는, 노치의 깊이가 달라지도록 구성될 수 있다.
더욱이, 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)의 중앙 측 부분이 상대적으로 파열 조건이 낮아지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8의 실시예에서, NY2는 NY1이나 NY3에 비해 중앙 측에 위치하는 노치 라인일 수 있다. 이 경우, NY2의 노치 라인 깊이나 노치 라인 폭은, NY1 및 NY3의 노치 라인 깊이나 노치 라인 폭보다 깊거나 크게 형성될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 하나의 내측 파열부(301)에 있어서 벤팅 홀(H1)의 중앙 측 부분이 더욱 쉽게 파열될 수 있다. 따라서, 내측 파열부(301)의 파열된 부분이 벤팅 홀(H1)의 중앙 측에 위치함으로써, 내측 파열부(301)와 벤팅 홀(H1) 사이의 연통 면적이 넓게 안정적으로 확보될 수 있다. 이 경우, 내측 파열부(301) 및 벤팅 홀(H1)을 통한 벤팅 가스의 배출이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 도 9의 실시예를 참조하면, 하나의 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)로 노출되는 부분에 NX1, NX2, NX3로 표시된 바와 같이 전후 방향으로 배열된 다수의 노치 라인을 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 노치 라인(NX1, NX2, NX3) 중 적어도 둘 이상은 파열 조건이 다르게 구성될 수 있다.
더욱이, 도 9의 실시예에서도, 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)의 중앙 측 부분이 상대적으로 파열 조건이 낮아지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, NX2는 NX1보다 중앙 측에 위치하는 노치 라인으로서, NX1보다 노치 라인의 깊이가 깊거나 폭이 넓게 형성될 수 있다. 또한, NX3는 NX2보다 중앙 측에 위치하는 노치 라인으로서, NX2보다 노치 라인의 깊이가 깊거나 폭이 넓게 형성될 수 있다.
특히, 도 9에 도시된 실시 구성에서, 벤팅 홀(H1)은 X축 방향보다는 Y축 방향으로 크게 형성됨으로써, 벤팅 홀(H1)의 길이 방향은 Y축 방향이라 할 수 있다. 이때, 노치 라인은 벤팅 홀(H1)의 길이 방향을 따라 보다 많은 개수가 형성될 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)에 노출된 노치 라인의 개수는, X축 방향보다는 벤팅 홀(H1)의 길이 방향인 Y축 방향에서 더욱 많이 형성될 수 있다.
이 경우, 벤팅 홀(H1)의 길이 방향을 따라 배열된 다수의 노치 라인 사이에서 파열 조건을 다르게 하는 구성이 보다 용이하고 정밀하게 구현될 수 있다. 더욱이, 이와 같은 실시 구성에서는, 벤팅 홀(H1)의 중앙 측에 위치하는 노치 라인과 벤팅 홀(H1)의 외곽 측에 위치하는 노치 라인 사이의 간격이 충분하게 확보될 수 있다. 따라서, 하나의 내측 파열부(301)에 대하여, 벤팅 홀(H1)의 중앙 측에 대응되는 부분이 보다 잘 파열되도록 하는 구성이 더욱 쉽게 구현될 수 있다. 그러므로, 내측 파열부(301)의 파열된 부분과 벤팅 홀(H1)이 보다 잘 연통될 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 하나의 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다. 예를 들어, 도 10은, 도 8이나 도 9에 대한 다른 변형예라 할 수 있다. 도 11은, 도 10의 A3-A3'선에 대한 단면 구성을 나타낸 도면이다. 도 11의 실시 구성에서, 내측 커버 부재(300)와 탑 플레이트(220)는 상하 방향(Z축 방향)으로 서로 이격된 형태로 도시되어 있으나, 이는 도시의 편의를 위한 것일 뿐, 이들 사이는 서로 밀착될 수도 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 내측 파열부(301)는, NC로 표시된 부분과 같이, 외주 노치 라인을 구비할 수 있다. 외주 노치 라인(NC)은, 벤팅 홀(H1)의 외주 형상에 대응되는 링 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 벤팅 홀(H1)이 대략 타원 형상으로 형성된 경우, 외주 노치 라인(NC)은 벤팅 홀(H1)의 테두리를 따라 타원 링 형상으로 형성될 수 있다. 더욱이, 내측 커버 부재(300)가 탑 플레이트(220)의 하부에 위치하는 경우, 내측 파열부(301)의 외주 노치 라인(NC)은 벤팅 홀(H1)의 테두리의 바로 아래 또는 그보다 약간 내측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 11의 실시 구성과 같이, 외주 노치 라인(NC)은, 수평 방향(Y축 방향)으로 벤팅 홀(H1)의 내측에 위치할 수 있다. 이 경우, 내측 파열부(301)의 외주 노치 라인(NC)은, 벤팅 홀(H1)보다 약간 작은 크기로 형성될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301)가 외주 노치 라인(NC)을 따라 파열되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 이에 대해서는, 도 12 및 도 13의 구성을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 12 및 도 13은, 도 11의 구성에서 벤팅 가스의 압력에 의해 내측 파열부(301)가 변형 및 파열되는 구성을 순차적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 12를 참조하면, 셀 어셈블리(100) 측에서 열 폭주가 발생하는 경우, 화살표 A4로 표시된 바와 같이, 벤팅 가스가 내측 커버 부재(300)를 가압할 수 있다. 이 경우, 내측 커버 부재(300)는, 벤팅 홀(H1)을 통해 내측 파열부(301)가 상부 방향으로 부풀어오르는 형태로 변형이 일어날 수 있다. 특히, 내측 파열부(301)의 외주 노치 라인(NC)은, 벤팅 홀(H1)의 바로 아래 또는 그보다 수평 방향으로 벤팅 홀(H1)의 테두리의 내측에 위치함으로써, 외주 노치 라인(NC)의 수평 내측 부분은 전체적으로 벤팅 홀(H1)을 통해 상부 방향으로 노출이 가능하다. 보다 구체적으로, 도 11 및 도 12의 실시예에는 2개의 외주 노치 라인(NC)이 도시되어 있으며, 2개의 외주 노치 라인(NC)은 수평 방향으로 벤팅 홀(H1)보다 내측에 위치한다고 볼 수 있다.
이때, 내측 커버 부재(300)의 상부 방향으로의 변형이 일정 수준 이상이 되면, 외주 노치 라인(NC)이 파열될 수 있다. 이 경우, 도 13에 도시된 바와 같이, 2개의 외주 노치 라인(NC)의 내측에 위치하는 내측 파열부(301)가 내측 커버 부재(300)로부터 분리되어, 화살표 A5로 표시된 바와 같이, 벤팅 홀(H1)을 통해 외부로 분리 이탈될 수 있다. 따라서, 내측 파열부(301)의 파열로 인해 2개의 외주 노치 라인(NC) 사이는 개방되어, 벤팅 홀(H1)과 연통될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서는, 2개의 외주 노치 라인(NC) 사이에 형성된 내측 파열부(301)가 벤팅 홀(H1)의 외측으로 쉽게 배출되어, 내측 파열부(301)의 파열된 부분과 벤팅 홀(H1) 사이의 연통 구성이 신속하고 원활하게 달성될 수 있다.
한편, 도 13의 실시 도면에서는 내측 파열부(301)가 내측 커버 부재(300)로부터 전체적으로 분리되는 형태로 도시되어 있으나, 내측 파열부(301)는 내측 커버 부재(300)로부터 일부분만 분리되는 형태로 구현될 수도 있다.
또한, 내측 파열부(301)는, 외주 노치 라인(NC)과 함께, 도 10 및 도 11에서 NX 및 NY로 표시된 바와 같이, 일 방향으로 길게 연장된 형태의 직선 노치 라인을 구비할 수 있다. 여기서, 직선 노치 라인은, NX로 표시된 바와 같이 좌우 방향(X축 방향)으로 연장될 수도 있고, NY로 표시된 바와 같이 전후 방향(Y축 방향)으로 연장될 수도 있다. 더욱이, 직선 노치 라인에는 서로 다른 방향으로 연장된 2종류 이상의 노치 라인이 서로 교차하는 형태로 포함될 수 있다. 이와 같은 실시 구성에서, 직선 노치 라인(NX, NY)의 적어도 일부는, 외주 노치 라인(NC)의 내부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 11의 실시 구성을 참조하면, 다수의 직선 노치 라인(NX)은, 수평 방향으로 2개의 외주 노치 라인(NC) 사이에 위치할 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301)의 파열 구성이 보다 원활하게 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 12에서 화살표 A4로 표시된 바와 같이 내측에서 벤팅 가스의 가압력이 인가되어 내측 파열부(301)가 변형되는 경우, 직선 노치 라인(NX)은 내측 파열부(301)의 변형이 더 잘 일어나도록 할 수 있다. 특히, 직선 노치 라인(NX)은 내측 커버 부재(300)의 상부 표면에 형성될 수 있다. 이 경우, 내측 파열부(301)가 상부 방향으로 보다 쉽게 휘어질 수 있다. 따라서, 2개의 외주 노치 라인(NC) 부분에 가해지는 힘, 이를테면 인장력의 크기 내지 작용 속도를 높일 수 있다. 그러므로, 외주 노치 라인(NC) 부분이 더욱 신속하게 파손되어, 내측 파열부(301)의 파열 동작과 그로 인한 벤팅 가스의 배출 구성이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 외주 노치 라인(NC)과 그 내부에 배치된 노치 라인(NX, NY)은, 노칭 방향이 서로 반대로 형성될 수 있다. 특히, 외주 노치 라인(NC)은 내측 커버 부재(300)에서 셀 어셈블리(100)와 대면하는 내측면에 형성되고, 직선 노치 라인(NX, NY)은 내측 커버 부재(300)에서 모듈 케이스(200)와 대면하는 외측면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 직선 노치 라인(NX, NY)은 내측 커버 부재(300)의 상부면에서 하부 방향으로 오목한 홈 형태로 형성되고, 외주 노치 라인(NC)은 내측 커버 부재(300)의 하부면에서 상부 방향으로 오목한 홈 형태로 형성될 수 있다. 도 10의 경우, 내측 커버 부재(300)의 상부면이 벤팅 홀(H1)을 통해 노출된 구성이 도시되어 있으므로, 내측 커버 부재(300)의 하부면에 형성된 외주 노치 라인(NC)에 대해서는 점선 형태로 표시되어 있으나, 외주 노치 라인(NC)은 타원과 같이 연속하여 길게 연장된 링 형태로 형성될 수 있다. 물론, 외주 노치 라인(NC)은, 전체적인 형태가 링 형태로 형성되되 불연속적으로 형성될 수도 있다. 더욱이 이 경우, 외주 노치 라인(NC)은, 내측 커버 부재(300)를 관통하는 형태로 형성될 수도 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301)의 파열 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 이에 대해서는, 도 14를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 14는, 도 12의 A6 부분에 대한 확대도이다.
도 12 및 도 14를 참조하면, 내측 파열부(301)가 벤팅 가스에 의해 가압되는 경우, 외주 노치 라인(NC)은 벤팅 홀(H1)의 테두리와 인접하여 내측 커버 부재(300)에서 변형이 시작되는 지점이 될 수 있다. 이때, 외주 노치 라인(NC)은, 화살표 A7으로 표시된 바와 같이 대략 반시계 방향으로 휘어지는 힘을 받을 수 있다. 반면, 내측 커버 부재(300)에서 상부 방향으로 휘어지는 부분에 위치하는 직선 노치 라인(NX)은, 화살표 A8로 표시된 바와 같이 대략 시계 방향으로 휘어지는 힘을 받을 수 있다. 즉, 하나의 내측 파열부(301)에서, 외주 노치 라인(NC)과 직선 노치 라인(NX)은, 서로 다른 방향, 다시 말해 반대되는 회전 방향으로 휘어지는 힘을 각각 받을 수 있다.
그러므로, 도 11 내지 도 14 등에 도시된 바와 같이, 외주 노치 라인(NC)과 직선 노치 라인(NX)은 서로 반대 표면에 형성될 수 있다. 특히, 외주 노치 라인(NC)과 직선 노치 라인(NX)은, 벤팅 가스가 가압될 때, 부분적으로 가해지는 인장력의 회전 방향을 고려하여, 각각 내측 커버 부재(300)의 내측 표면 및 외측 표면에 형성될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301)의 파열이 보다 신속하게 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 이 경우, 내측 파열부(301)의 파열 형상을 보다 용이하게 제어할 수 있다.
한편, 상기 실시예와 같이, 내측 파열부(301)에 외주 노치 라인(NC)과 직선 노치 라인(NX, NY)이 함께 구비되는 경우, 외주 노치 라인(NC)이 직선 노치 라인(NX, NY)에 비해 파열 조건이 낮게 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 내측 파열부(301) 측으로 벤팅 가스의 가압력이 작용할 때, 가압력의 크기가 일정 수준 이상이 되면, 직선 노치 라인(NX, NY)보다 외주 노치 라인(NC)이 먼저 파열되도록 내측 파열부(301)가 구성될 수 있다. 이를 위해, 외주 노치 라인(NC)은, 직선 노치 라인(NX, NY)보다 노치의 깊이가 깊거나 노치의 폭이 넓게 구성될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 도 13에 도시된 바와 같이, 외주 노치 라인(NC)을 따라 내측 파열부(301)가 내측 커버 부재(300)로부터 전체적으로 완전하게 분리될 수 있다. 따라서, 내측 파열부(301)의 파열 형상이 깔끔할 수 있고, 파열 면적이 보다 넓게 확보될 수 있다. 특히, 외주 노치 라인(NC)을 벤팅 홀(H1)의 크기 및 형상에 부합시키는 경우, 외주 노치 라인(NC)과 벤팅 홀(H1)의 연통 면적을 최대화할 수 있다. 그러므로, 내측 파열부(301)를 통과하는 벤팅 가스의 배출 성능을 높이는데 보다 유리할 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(110)로서 파우치형 셀을 포함할 수 있다. 이에 대해서는, 도 15를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리(100)에 구비된 배터리 셀(110)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 15를 참조하면, 파우치형 셀은, 하나의 파우치형 전지로서, 전지 케이스가 파우치 외장재로 이루어질 수 있다. 또한, 파우치형 전지는, 수납부(R) 및 실링부(S)를 포함할 수 있다. 여기서, 수납부(R)는 전극 조립체와 전해액 등을 내부에 수납하는 부분이다. 그리고, 실링부(S)는 수납부(R)의 테두리 부분에 구비되어, 파우치 외장재가 융착된 부분일 수 있다. 파우치형 전지의 수납부(R)는 대략 직사각형으로 형성될 수 있는데, 실링부(S)가 수납부(R)의 4개의 변(모서리) 부분에 형성된 전지는 4면 실링 셀, 실링부(S)가 수납부(R)의 3개의 변(모서리) 부분에 형성된 전지는 3면 실링 셀로 지칭되기도 한다. 도 14에서는 3면 실링 셀이 도시되어 있으나, 본 발명이 이러한 파우치형 전지의 특정 형태로 한정되는 것은 아니다.
이러한 파우치형 셀의 실링부(S) 중 적어도 일부는, 공간 확보, 실링 성능 향상 등의 측면에서 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 도 15의 실시 구성에서, 파우치형 셀에서 전극 단자(111)가 위치하지 않는 상부 측 실링부(S)는 수납부(R) 측으로 폴딩될 수 있다. 이때, 파우치형 셀에는, B로 표시된 바와 같이, 접착 부재가 부착되어, 실링부(S)의 폴딩 구조가 유지되도록 할 수 있다. 특히, 이러한 접착 부재(B)는, 테이프 형태로 구성될 수 있다.
더욱이, 접착 부재(B)는 실링부(S)에 대하여 부분적으로 부착될 수 있다. 특히, 접착 부재(B)는, 하나의 실링부에서 배터리 셀(110)의 길이 방향으로 서로 이격된 형태로 복수 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 15의 실시예에서 다수의 접착 부재(B)는, 파우치형 셀의 상단 실링부에서 파우치형 셀의 길이 방향인 Y축 방향으로 서로 이격되게 부착될 수 있다. 이 경우, A9로 표시된 부분과 같이, 파우치형 셀의 상단 실링부에는 접착 부재(B)가 부착되지 않은 부분이 존재할 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 파우치형 셀의 상단 실링부(S)의 외측에는, 내측 커버 부재(300)가 대면 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바를 참조하면, 다수의 파우치형 셀이 상하 방향으로 세워진 상태로 수평 방향으로 적층된 형태로 셀 어셈블리(100)가 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 셀 어셈블리(100)의 상부 측에는 내측 커버 부재(300)가 배치될 수 있다.
이때, 셀 어셈블리(100)에 포함된 배터리 셀(110)의 상단 실링부(S)에서 접착 부재(B)가 부착되지 않은 부분의 적어도 일부는 내측 파열부(301)에 대응하여 위치할 수 있다. 즉, 내측 커버 부재(300)의 내측 파열부(301)는, 배터리 셀(110)의 실링부(S)에서 미접착부(A9)와 적어도 부분적으로 대면 배치될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 셀 어셈블리(100)의 상부 측에 내측 커버 부재(300)가 위치하는 경우, 미접착부(A9)의 적어도 일부는, 수평 방향으로 내측 파열부(301)와 중첩되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 내측 파열부(301)의 수직 방향(Z축 방향) 하부에 미접착부(A9)가 위치할 수 있다. 특히, 내측 커버 부재(300)에는 복수의 내측 파열부(301)가 구비될 수 있는데, 모든 내측 파열부(301)는 배터리 셀(110)의 미접착부(A9)와 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(110)로부터 벤팅 가스가 분출되는 경우, 벤팅 가스가 내측 파열부(301)를 향하여 수직 방향(Z축 방향)으로 이동할 수 있다. 특히, 배터리 셀(110)의 열 폭주 상황에서, 벤팅 가스는 미접착부(A9)에서 먼저 분출될 가능성이 높다. 상기 실시 구성에서는, 미접착부(A9)의 분출 방향에 내측 파열부(301)가 위치할 수 있으므로, 내측 파열부(301)에 대한 벤팅 가스의 가압력이 최대한 높게 인가될 수 있다. 그러므로, 내측 파열부(301)의 파열이 보다 신속하게 이루어질 수 있다. 또한, 내측 파열부(301)가 파열된 이후, 벤팅 가스가 내측 파열부(301) 및 벤팅 홀(H1)을 통해 가급적 직선 방향으로 배출될 수 있으므로, 벤팅 가스의 배출이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
도 16은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내측 커버 부재(300)를 하부 측에서 바라본 형태의 사시도이다. 도 17은, 도 16의 내측 커버 부재(300)가 셀 어셈블리(100)의 상부에 장착된 상태의 구성을 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 내측 커버 부재(300)는, P로 표시된 부분과 같이, 돌출부를 구비할 수 있다. 여기서, 돌출부(P)는 셀 어셈블리(100)를 향하는 내측 방향으로 돌출된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100)의 상부에 내측 커버 부재(300)가 위치하는 경우, 돌출부(P)는 내측 커버 부재(300)의 하부 표면에서 하부 방향으로 돌출되게 구성될 수 있다.
돌출부(P)는, 도 16에 도시된 바와 같이, 일 방향, 특히 수평 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 돌출부(P)의 길이 방향은 배터리 셀(110)의 길이 방향과 동일할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(110)이 전후 방향(Y축 방향)으로 길게 형성된 경우, 돌출부(P) 역시 전후 방향으로 길게 연장 형성될 수 있다.
또한, 돌출부(P)는, 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 인접하는 배터리 셀(110) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이, 다수의 배터리 셀(110)이 좌우 방향(X축 방향)으로 나란하게 배열된 경우, 돌출부(P)는 인접하는 2개의 배터리 셀(110) 사이의 상부 측에 배치될 수 있다. 더욱이, 돌출부(P)는, 도 16에 도시된 바와 같이, 하나의 내측 커버 부재(300)에서 다수 구비될 수 있다. 이때, 다수의 돌출부(P)는, 서로 다른 배터리 셀(110) 사이의 상부 공간에 배치될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 돌출부(P)는 인접하는 배터리 셀(110) 또는 인접하는 배터리 셀(110) 그룹 사이의 벤팅 가스 내지 열이 이동하는 것을 차단할 수 있다. 특히, 도 17에서 A10으로 표시된 부분과 같이, 셀 어셈블리(100)와 내측 커버 부재(300) 사이에는 빈 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 빈 공간을 통해 벤팅 가스나 열이 이동할 우려가 있다. 하지만, 상기 실시 구성의 경우, 돌출부(P)에 의해 인접하는 배터리 셀(110) 간 벤팅 가스나 열의 이동이 억제될 수 있다. 예를 들어, 도 17의 실시 구성에서, 특정 배터리 셀(110)로부터 상부 측 빈 공간(A10)으로 벤팅 가스가 배출된 경우, 돌출부(P)에 의해 배터리 셀(110)의 적층 방향(X축 방향)으로 벤팅 가스가 이동하는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 인접하는 배터리 셀(110) 또는 셀 그룹 사이의 열 폭주 전파 문제가 보다 효과적으로 억제될 수 있다.
상기 실시 구성에서, 내측 파열부(301)는, 수평 방향으로 배치된 다수의 돌출부(P) 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이, 내측 파열부(301)를 구성하는 다수의 노치(N)는, X축 방향으로 이격 배치된 2개의 돌출부 사이에 형성될 수 있다. 더욱이, 돌출부(P)는, 셀 어셈블리(100)와 내측 커버 부재(300)의 하면 사이의 공간에서, 셀 간 또는 셀 그룹 간 공간을 구분하는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 돌출부(P)는, 배터리 셀(110) 사이의 외측 공간을 분리시키는 격벽으로서 기능할 수 있다. 이때, 돌출부(P)에 의해 분리된 배터리 셀(110) 내지 셀 그룹마다 각각 대응되는 내측 파열부(301)가 내측 커버 부재(300)에 구비될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 돌출부(P)에 의해 구분되는 배터리 셀(110)(또는 셀 그룹)마다 벤팅 성능이 안정적으로 확보될 수 있으며, 열 폭주 전파도 보다 효과적으로 억제될 수 있다.
또한, 셀 어셈블리(100)는, 도 17에 도시된 바와 같이, 배리어(120)를 더 구비할 수 있다. 이러한 배리어(120)는, 인접하는 배터리 셀(110)(또는 셀 그룹) 사이에 직접적으로 개재될 수 있다. 특히, 배리어(120)는, 대략 세워진 플레이트 형태로 형성되어, 배터리 셀(110)과 함께 적층되어 셀 어셈블리(100)에 포함될 수 있다.
여기서, 배리어(120)는, 열이나 화염 등을 차단하는 써멀 배리어(thermal barrier)일 수 있다. 이러한 써멀 배리어는, 단열 성능 내지 내화 성능 등을 갖는 재질을 구비하여, 인접하는 배터리 셀(110) 사이에서 열 내지 화염 등을 차단하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 써멀 배리어는, 마이카(mica)나 실리콘 등의 재질을 포함할 수 있다.
또는, 배리어(120)는, 셀 사이에 개재되어 냉각을 수행하는 냉각 부재, 이를테면 냉각 핀(cooling fin)일 수 있다. 이때, 배리어(120)의 내부 공간에는, 냉각을 위한 유로가 형성될 수도 있다. 또는, 배리어(120)의 일부 내지 단부는, 냉매와 직접 접촉하거나, 냉매가 흐르는 다른 냉각 구성과 열적으로 결합되도록 구성될 수 있다.
또는, 배리어(120)는, 셀 사이에 개재되어, 배터리 셀(110)의 스웰링 내지 변형을 흡수 내지 완충시키는 역할을 수행하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 배리어(120)는 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 이 밖에도, 배터리 셀(110) 사이에 개재되는 배리어(120)는, 다른 다양한 목적 내지 기능을 갖도록 다양한 구조 내지 형태로 구성될 수 있다.
이와 같이 배터리 셀(110) 사이에 배리어(120)가 포함되는 실시 구성에서, 돌출부(P)는 배리어(120)의 외측에 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바를 참조하면, 2개의 배터리 셀(110)로 이루어진 셀 그룹 사이마다 배리어(120)가 배치될 수 있다. 그리고, 돌출부(P)는 이러한 배리어(120)의 상부 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배리어(120)에 의해 구분되는 배터리 셀(110)(셀 그룹)에 대하여, 상부 측 공간도 돌출부(P)에 의해 분리될 수 있다. 따라서, 배리어(120)에 의해 구분되는 인접하는 배터리 셀(110) 사이에서 열 폭주 전파가 일어나는 것이 효과적으로 억제될 수 있다. 더욱이, 배리어(120)가 써멀 배리어이거나 냉각 부재인 경우, 배리어(120)와 돌출부(P)에 의해, 인접하는 셀 사이가 열적으로 보다 확실하게 구분될 수 있다.
특히, 돌출부(P)는, 배리어(120)에 직접 접촉할 수 있다. 예를 들어, 도 17에서 A11로 표시된 부분과 같이, 돌출부(P)의 하단은 배리어(120)의 상단과 접촉하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 돌출부(P)와 배리어(120)에 의해 구분되는 공간이 물리적으로 보다 확실하게 분리될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(110) 사이에서 벤팅 가스나 열 등이 이동하는 것이 효과적으로 저지됨으로써, 인접하는 배터리 셀(110) 사이의 열 전파 방지 효과가 더욱 향상될 수 있다.
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다. 예를 들어, 도 18은, 도 17의 A11 부분에 대한 다른 변형예라 할 수 있다.
도 18을 참조하면, 배리어(120)의 단부는 돌출부(P)에 삽입될 수 있다. 보다 구체적으로, 돌출부(P)에는, I로 표시된 부분과 같이 삽입홈이 형성될 수 있다. 예를 들어, 돌출부(P)가 배리어(120)의 상부에 위치하는 경우, 돌출부(P)의 하면에 삽입홈(I)이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 삽입홈(I)에 배리어(120)의 상단이 삽입될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 돌출부(P)와 배리어(120) 사이의 공간 분리가 보다 확실하게 이루어질 수 있다. 특히, 이 경우, 돌출부(P)와 배리어(120) 사이의 틈으로 벤팅 가스 등이 이동하는 것이 보다 확실하게 차단될 수 있다. 또한, 이 경우, 돌출부(P)와 배리어(120)의 결합력이 향상될 수 있다. 따라서, 벤팅 가스나 화염 등으로 인한 압력에도 돌출부(P)나 배리어(120)의 이동 내지 이탈을 최소화함으로써, 배터리 모듈의 전체적인 구조 붕괴를 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 차량 운행 등의 상황에서 배터리 모듈에 진동이나 충격이 가해지더라도, 돌출부(P)와 배리어(120)의 위치가 안정적으로 유지될 수 있다. 그리고, 이로 인해 셀 어셈블리(100) 또한 그 위치나 적층 상태의 변형이 방지되거나 최소화될 수 있다.
도 19는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 19를 참조하면, 내측 커버 부재(300)는, 내측 파열부(301)가 다른 부분보다 상대적으로 외측 방향에 위치하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 19의 실시예에서는, 내측 커버 부재(300)가 탑 플레이트(220)의 하부에 장착될 수 있다. 이때, 내측 커버 부재(300)는, 내측 파열부(301)가 다른 부분에 비해 상대적으로 상부 방향으로 돌출되게 구성될 수 있다. 특히, 이러한 돌출 구성은, 벤팅 가스 등이 발생하지 않은 정상적인 배터리 모듈의 내부에서 구현될 수 있다.
더욱이, 내측 커버 부재(300)와 탑 플레이트(220)는 서로 밀착된 형태로 구성되고, 내측 파열부(301)는 벤팅 홀(H1)에 대응되게 배치될 수 있다. 따라서, 내측 파열부(301)가 외측으로 볼록하게 돌출 구성된 경우, 내측 파열부(301)는 벤팅 홀(H1)에 삽입될 수 있다. 특히, 내측 파열부(301)의 돌출 정도가 일정 수준 이상으로 설계되는 경우, 내측 파열부(301)는 벤팅 홀(H1)보다 외측으로 돌출될 수도 있다.
또한, 내측 커버 부재(300)에서 내측 파열부(301)가 돌출되도록 구성된 경우, 내측 커버 부재(300)는, 내측 파열부(301)에서 또는 내측 파열부(301)를 향하는 부분에서 경사진 부분을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 19의 실시예에서 E로 표시된 부분과 같이, 내측 커버 부재(300)는, 내측 파열부(301)를 향할수록 외측 방향(+Z축 방향)으로 점점 멀어지는 형태의 경사면을 구비할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100) 측에서 벤팅 가스가 발생한 경우, 도 19에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 벤팅 가스가 내측 파열부(301) 측으로 향하는 것이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성에서는, 내측 커버 부재(300)의 경사부(E)를 따라 벤팅 가스의 배출이 내측 파열부(301)로 원활하게 가이드될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301) 측의 공간이 상대적으로 넓게 형성되므로, 내측 파열부(301) 측에 벤팅 가스가 집중될 수 있다. 따라서, 내측 파열부(301)의 파열이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 실시 구성과 같이 내측 파열부(301)가 벤팅 홀(H1)에 삽입되는 경우, 내측 커버 부재(300)의 조립 위치가 가이드되어, 내측 커버 부재(300)와 탑 플레이트(220) 사이의 조립성이 향상될 수 있다. 또한, 이 경우, 조립 이후에도, 내측 커버 부재(300)와 탑 플레이트(220) 사이의 결합성이 개선될 수 있다.
도 20은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 20에서는, 탑 플레이트(220)가 다른 구성요소들로부터 분리된 형태가 도시되어 있다. 도 21은, 도 20의 A12 부분에 대한 확대도이다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 내측 커버 부재(300)는, C로 표시된 부분과 같이, 단부가 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 20에 도시된 바와 같이, 내측 커버 부재(300)는, 좌측 단부 및 우측 단부가 하부 방향으로 절곡될 수 있다. 그리고, 이러한 단부 절곡 구성, 즉 내측 커버 부재(300)의 절곡부(C)는, 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 도 21을 살펴보면, 내측 커버 부재(300)의 우측 단부는 하부 방향으로 절곡되어 우측 절곡부(C)가 마련될 수 있다. 그리고, 이러한 우측 절곡부(C)는 셀 어셈블리(100)의 우측 최외곽, 이를테면 가장 우측의 배터리 셀(110)과 U-프레임(210)의 우측판 사이에 개재될 수 있다. 또한, 도 20의 실시 구성에서, 내측 커버 부재(300)의 좌측에도 절곡부(C)가 형성될 수 있고, 이러한 좌측 절곡부(C)는 셀 어셈블리(100)의 좌측 최외곽과 U-프레임(210)의 좌측판 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 내측 커버 부재(300)가 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 보다 안정적으로 위치할 수 있다. 특히, 벤팅 가스에 의한 가압력이나 외부의 진동 내지 충격 발생 시에도, 내측 커버 부재(300)의 단부가 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200) 사이에 끼워진 형태로 인해, 위치 이탈이나 형태 변형이 쉽게 일어나지 않을 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)의 최외곽 부분과 모듈 케이스(200) 사이의 공간을 통한 벤팅 가스의 누출을 줄일 수 있다. 예를 들어, 도 21의 실시 구성을 참조하면, 우측 최외곽 배터리 셀(110)의 상부 측 공간으로 유입된 벤팅 가스는 우측 절곡부(C)로 인해 모듈 케이스(200)를 향하는 우측 방향으로 이동하는 것이 차단될 수 있다. 그러므로, 이러한 실시 구성의 경우, 모듈 케이스(200)(이를테면 U-프레임(210)의 측판)와 셀 어셈블리(100) 사이의 가스 유출 억제 효과가 보다 향상될 수 있다.
한편, 셀 어셈블리(100)는, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(110)의 적층 방향 최외곽에 절연 패드(130)를 더 구비할 수 있다. 이러한 절연 패드(130)는, 폴리머 등 전기적 절연성을 갖는 재질을 포함하여 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 절연 패드(130)는 탄성을 갖는 재질을 포함하여, 셀 어셈블리(100)에 포함된 배터리 셀(110)의 스웰링 발생 시, 스웰링을 흡수하도록 구성될 수도 있다.
이와 같이 셀 어셈블리(100)의 최외곽에 절연 패드(130)가 포함된 구성에서, 내측 커버 부재(300)의 절곡부(C)는, 셀 어셈블리(100)의 최외곽 배터리 셀(110)과 U-프레임(210)의 측판 사이의 공간에서, 절연 패드(130)의 상부에 위치할 수 있다. 즉, 셀 어셈블리(100)의 최외곽에 절연 패드(130)가 구비된 경우, 최외곽 배터리 셀(110)과 모듈 케이스(200) 사이에는, 절연 패드(130)의 두께에 대응하는 빈 공간이 형성될 수 있다. 이때, 내측 커버 부재(300)의 절곡부(C)는 이러한 빈 공간에 삽입될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 내측 커버 부재(300)의 결합성을 높이면서도, 내측 커버 부재(300)에 의한 배터리 모듈의 부피 증가를 최소화할 수 있다. 특히, 내측 커버 부재(300)의 절곡부(C)의 단부는 절연 패드(130)의 단부와 접촉될 수 있다. 예를 들어, 도 21의 실시 구성에서, 절곡부(C)의 하단부는, 절연 패드(130)의 상단부와 접촉될 수 있다. 이 경우, 내측 커버 부재(300)의 절곡부(C) 측으로 벤팅 가스가 유출되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
도 22는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다. 도 23은, 도 22의 배터리 모듈이 결합된 상태에서, 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분의 단면 구성을 확대하여 나타낸 도면이다. 예를 들어, 도 23은, 도 22의 배터리 모듈이 결합된 상태에서 A13-A13'선에 대한 단면 구성을 나타낸 것이라 할 수 있다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 외측 커버 부재(400)를 더 포함할 수 있다. 상기 외측 커버 부재(400)는, 모듈 케이스(200)의 외측에 형성될 수 있다. 특히, 외측 커버 부재(400)는, 모듈 케이스(200)에서 벤팅 홀(H1)이 형성된 측면을 외측에서 커버하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 외측 커버 부재(400)는, 벤팅 홀(H1)이 형성된 탑 플레이트(220)의 상부 측에 위치하여, 탑 플레이트(220)의 상부 측을 커버하도록 구성될 수 있다.
상기 외측 커버 부재(400)는, 외측 파열부(401)가 형성될 수 있다. 이러한 외측 파열부(401)는, 내측 커버 부재(300)의 내측 파열부(301)와 동일 또는 유사한 형태 및 구성 등으로 형성될 수 있다. 특히, 외측 파열부(401)는, 외측 커버 부재(400)의 표면에서 노치 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 외측 파열부(401)는, 도 23에서 N으로 표시된 바와 같이, 외측 커버 부재(400)의 외측 표면, 이를테면 상면에서 하부 방향으로 오목한 형태로 형성될 수 있다. 이러한 외측 파열부(401)에 대해서는, 앞서 내측 파열부(301)에 대하여 설명된 여러 실시 구성이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 외측 파열부(401)의 구성에 대해서는, 도 3 내지 도 14의 실시예에서 설명된 내측 파열부(301)의 구성이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다. 또한, 외측 커버 부재(400)의 재질 또한, 내측 커버 부재(300)와 동일 또는 유사한 재질일 수 있다. 이를테면, 외측 커버 부재(400)는, 마이카(mica), 세라믹, 무기 소재 등의 재질을 구비하거나 이러한 재질로 이루어질 수 있다.
외측 파열부(401)는, 벤팅 홀(H1)에 대응되는 부분에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 23에 도시된 바와 같이, 외측 파열부(401)는, 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분의 상부 측에 형성될 수 있다. 이때, 내측 파열부(301)는, 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분의 하부 측에 형성될 수 있다. 따라서, 벤팅 홀(H1)을 사이에 두고, 외측 커버 부재(400)의 외측 파열부(401)와 내측 커버 부재(300)의 내측 파열부(301)가 서로 마주보는 형태로 대응 배치된다고 할 수도 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 벤팅 홀(H1)로 벤팅 가스가 유입되면, 외측 커버 부재(400)는, 유입된 벤팅 가스가 모듈 케이스(200)의 외측으로 배출 가능하도록 구성될 수 있다. 즉, 외측 커버 부재(400)는, 정상적인 상태에서는 벤팅 홀(H1)을 막고 있다가, 벤팅 홀(H1)로 벤팅 가스가 유입되어 압력이 높아지게 되면, 외측 파열부(401)가 파열되어, 벤팅 홀(H1)을 외측으로 개방시킬 수 있다.
더욱이, 벤팅 홀(H1)이 형성된 모듈 케이스(200)를 사이에 두고, 내측 커버 부재(300)와 외측 커버 부재(400)가 양측에 위치할 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200)의 내압이 높아지게 되면, 내측 커버 부재(300)의 내측 파열부(301)가 먼저 파열된 후 외측 커버 부재(400)의 외측 파열부(401)가 파열될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 다른 벤팅 홀(H1)이나 다른 배터리 모듈로부터 배출된 벤팅 가스로부터 모듈 케이스(200)를 보다 효과적으로 보호할 수 있다. 특히, 벤팅 가스는 매우 높은 온도를 가질 수 있고, 화염이나 스파크, 고온 입자 등이 포함될 수 있다. 이 경우, 외부의 고온으로 인해 모듈 케이스(200)가 용융 내지 손상되거나, 그 내부에 있는 셀 어셈블리(100)가 열적 손상 내지 열 폭주 전파가 발생할 우려가 있다. 뿐만 아니라, 모듈 케이스(200)에서 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분은 구조적 강성이 약할 수 있고, 벤팅 홀(H1)을 통해 역유입되어 내측 파열부(301)를 손상시킬 수도 있다. 하지만, 상기 실시 구성과 같이 모듈 케이스(200) 외측에 외측 커버 부재(400)가 위치하는 경우, 모듈 케이스(200) 외부에 존재하는 벤팅 가스 등으로부터 모듈 케이스(200)나 모듈 케이스(200)의 내부 구성요소에 대한 손상 내지 열 폭주 전파가 발생하는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 내측 커버 부재(300)와 외측 커버 부재(400)의 2매의 내화 시트가 탑 플레이트(220)의 상단과 하단에 각각 적용되어, 외부의 고온 내지 고압 환경에 대한 보호 효과가 더욱 향상될 수 있다. 예를 들어, 인접한 배터리 모듈로부터 분출된 고온, 고압의 벤팅 가스 등으로부터 외측 커버 부재(400)가 파열된다 하더라도, 탑 플레이트(220)의 내측에는 내측 커버 부재(300)가 여전히 존재할 수 있다. 그러므로, 외부의 벤팅 가스 등으로부터 탑 플레이트(220) 내부의 셀 어셈블리가 유효하게 보호될 수 있다.
특히, 벤팅 홀(H1)이 형성된 측면에서, 내측 커버 부재(300)와 외측 커버 부재(400)는 모듈 케이스(200)에 밀착하여 접촉될 수 있다. 예를 들어, 도 23에 도시된 바를 참조하면, 탑 플레이트(220)를 사이에 두고, 상측에는 외측 커버 부재(400)가 적층되고 하측에는 내측 커버 부재(300)가 적층될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 탑 플레이트(220)에 형성된 벤팅 홀(H1)은, 외측(상부 측)이 외측 커버 부재(400)에 의해 폐쇄(밀폐)되고, 내측(하부 측)이 내측 커버 부재(300)에 의해 폐쇄(밀폐)될 수 있다. 그리고, 이러한 벤팅 홀(H1)에는 공기가 수용될 수 있다. 이 경우, 벤팅 홀(H1)에는 공기 단열층이 형성된다고 할 수 있다. 그리고, 이러한 공기 단열층으로 인해, 배터리 모듈의 내외부 간 열 전달이 감소될 수 있다. 그러므로, 배터리 모듈 간 열 폭주 전파 억제 효과가 더욱 개선될 수 있다.
예를 들어, 다른 배터리 모듈의 열 폭주로 인해, 탑 플레이트(220)의 외측 커버 부재(400)의 상부면에 고온 파티클이 쌓이는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 탑 플레이트(220)의 벤팅 홀(H1)에 형성된 공기 단열층으로 인해, 외부 고온 파티클의 열이 탑 플레이트(220)의 내측으로 전달되는 현상이 억제될 수 있다.
특히, 상기 실시 구성에서, 벤팅 홀(H1)이 형성된 부분을 제외하고, 탑 플레이트(220)와 외측 커버 부재(400) 사이, 탑 플레이트(220)와 내측 커버 부재(300) 사이는 상호 접착될 수 있다. 이 경우, 벤팅 홀(H1)에 수용된 공기는 벤팅 홀(H1)에만 보유될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 공기층으로 인해 벤팅 홀(H1) 부분에서 외측 파열부(401)와 내측 파열부(301)가 안정적으로 지지될 수 있다. 따라서, 중력이나 진동, 외부 충격 등에 의해 외측 파열부(401)나 내측 파열부(301)가 제대로 지지되지 못함으로써 발생하는 변형 내지 손상, 이를테면 벤팅 홀(H1)을 향하여 점차 휘어지는 형태의 변형 등을 줄일 수 있다. 또한, 이 경우, 벤팅 가스가 발생하여 모듈 케이스(200)의 내압이 증가하는 상황에서, 내측 파열부(301)가 벤팅 홀(H1) 측으로 변형되는 경우, 공기층의 압력으로 인해 외측 파열부(401)도 외측으로 밀려 변형될 수 있다. 따라서, 열 폭주 상황에서 외측 파열부(401)가 보다 신속하게 파열될 수 있다. 그러므로, 배터리 모듈의 벤팅 성능이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성과 같이, 외측 커버 부재(400) 및 내측 커버 부재(300)와 모듈 케이스(200) 사이가 접착되는 경우, 이들 사이의 틈으로 벤팅 가스 등이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 틈으로 유입된 벤팅 가스가 다른 배터리 셀(110) 등으로 향하여, 다른 배터리 셀(110)에 대하여 열 폭주 전파가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 24는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 24는, 도 23의 실시 형태에 대한 변형예일 수 있다.
도 24를 참조하면, 외측 파열부(401)는, 적어도 부분적으로 벤팅 홀(H1)에 삽입될 수 있다. 즉, 배터리 모듈이 정상적인 상태에서 외측 커버 부재(400)는 모듈 케이스(200)의 외측에 부착되되, 외측 파열부(401)가 형성된 부분은 벤팅 홀(H1)에 삽입될 수 있다. 이 경우, 외측 파열부(401)는, 외측 커버 부재(400)의 다른 부분보다 배터리 모듈의 내측을 향하여 위치한다고 할 수 있다. 예를 들어, 도 24에 도시된 바와 같이, 외측 커버 부재(400)는 탑 플레이트(220)의 상면에 부착되되, 외측 파열부(401)는 하부 방향으로 오목하게 형성되어, 전체적으로 벤팅 홀(H1) 측으로 삽입될 수 있다. 이 경우, 외측 파열부(401)는 외측 커버 부재(400)의 다른 부분보다 하부 측에 위치한다고 볼 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 홀(H1)에 대한 외측 파열부(401)의 삽입 구성으로 인해, 외측 커버 부재(400)의 조립 위치가 가이드되어, 배터리 모듈의 조립성이 향상될 수 있다. 또한, 이 경우, 외측 커버 부재(400)가 모듈 케이스(200)의 외측에 부착된 상태에서 수평 방향 이동이 억제됨으로써, 외측 커버 부재(400)와 모듈 케이스(200) 사이의 결합성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 배터리 모듈의 외부에 흐르는 벤팅 가스 등에 의해 외측 파열부(401)의 파손이 억제될 수 있다. 예를 들어, 도 24에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 다른 배터리 모듈로부터 배출된 벤팅 가스가 배터리 모듈의 상부 측에서 수평 방향으로 흐르는 경우, 벤팅 가스가 외측 파열부(401)에 접촉하는 것을 감소시킬 수 있다. 그러므로, 이 경우, 다른 배터리 모듈로부터 배출된 벤팅 가스가 벤팅 홀(H1)을 통해 역유입되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
도 25는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 25는, 도 23의 실시 형태에 대한 다른 변형예일 수 있다.
도 25를 참조하면, 도 24의 실시 구성과 마찬가지로 외측 파열부(401)가 내측 방향으로 오목한 형상을 가지되, 도 24의 실시 구성과 달리 내측 파열부(301)도 하부 방향으로 오목한 형상을 가질 수 있다. 즉, 열 폭주가 발생하지 않은 정상적인 배터리 모듈 상태에서, 내측 파열부(301)는, 외측 파열부(401)와 대략 평행한 형태로 하부 방향으로 오목하게 형성될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 내측 파열부(301)와 외측 파열부(401) 사이의 간격을 넓힐 수 있다. 따라서, 내측 파열부(301)와 외측 파열부(401) 사이의 공기 단열층이 일정 수준 이상 확보되도록 하여, 벤팅 홀(H1)에서 단열 효과가 보다 충분하게 확보될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에서, 내측 파열부(301)와 외측 파열부(401)는, 내압 증가 시 오목한 형상이 볼록한 형상으로 반전될 수 있다. 이에 대해서는, 도 26을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 26은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 내압 증가로 인해 내측 커버 부재(300)와 외측 커버 부재(400)가 변형되는 구성을 개략적으로 나타낸 부분 확대도이다. 예를 들어, 도 26은, 도 25의 실시 구성에서 벤팅 가스에 의해 내측 커버 부재(300)와 외측 커버 부재(400)가 변형된 형태를 나타낸 것이라 할 수 있다.
도 26을 참조하면, 모듈 케이스(200)의 내측, 이를테면 내측 커버 부재(300)의 하부에서 벤팅 가스가 발생하여 내압이 증가하게 되면, 내측 커버 부재(300)의 내측 파열부(301)는, 도 25에 도시된 바와 같은 하부 방향으로 굴곡진 형태에서 도 26에 도시된 바와 같은 상부 방향으로 굴곡진 형태로 반전 변형될 수 있다.
이때, 내측 파열부(301)는 이러한 반전 변형으로 인해, 보다 신속하게 파열될 수 있다. 특히, 내측 파열부(301)에 N으로 표시된 바와 같은 노치가 형성된 경우, 내측 파열부(301)의 반전 시 노치가 더욱 많이 벌어져, 내측 파열부(301)의 파열 속도가 더욱 향상될 수 있다.
또한, 외측 파열부(401)에는, 벤팅 가스 또는 내측 파열부(301)에 의해 도 26의 점선으로 표시된 바와 같은 압력이 인가될 수 있다. 그리고, 이러한 압력 인가로 인해, 외측 파열부(401) 역시, 도 25에 도시된 바와 같은 하부 방향으로 굴곡진 형태에서 도 26에 도시된 바와 같은 상부 방향으로 굴곡진 형태로 반전 변형될 수 있다. 그리고, 이러한 반전 변형으로 인해 외측 파열부(401)는 노치 등이 벌어져 보다 신속하게 파열될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 외측 파열부(401)와 내측 파열부(301)의 파열 속도가 더욱 향상될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 벤팅 성능이 더욱 좋아질 수 있다.
도 27은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 27을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, M으로 표시된 바와 같이, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈(M) 이외에 다른 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 팩은, BMS(Battery Management System)나 버스바, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 도 27에서 PC로 표시된 바와 같이, 팩 케이스를 더 포함할 수 있다. 이러한 팩 케이스(PC)는, 본 발명에 따른 배터리 모듈(M)이 수납될 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 특히, 배터리 팩에 다수의 배터리 모듈(M)이 포함되는 경우, 팩 케이스(PC)는, 크로스 빔 등을 통해 다수의 배터리 모듈을 분할 수납하기 위한 공간이 구획될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 팩 케이스(PC)의 적어도 일측에는, VD로 표시된 바와 같은 벤팅 디바이스가 마련될 수 있다. 이러한 벤팅 디바이스(VD)는 각 배터리 모듈의 벤팅 홀(H1)로부터 배출된 벤팅 가스에 대하여, 팩 케이스(PC)의 내부로부터 외부로 배출시키는 역할을 수행할 수 있다. 벤팅 디바이스(VD)는 항상 개방된 상태를 유지하거나, 내압이 증가하는 등 특정 상황에서 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 전환되도록 구성될 수도 있다.
다른 예로, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함하되, 팩 케이스를 별도로 포함하지 않고, 배터리 모듈의 모듈 케이스(200)가 팩 케이스(PC)로서 기능하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200)의 내부에 BMS나 버스바, 릴레이와 같은 배터리 팩의 구성요소가 포함될 수 있다. 이와 같은 형태의 배터리 팩에 대해서는, 배터리 셀(110)이 팩 케이스(PC)에 직접 수납된다는 측면에서 셀투팩(cell to pack; CTP)으로 불리기도 한다. 최근에는, 이러한 CTP 형태의 배터리 팩에 대한 개발도 활성화되고 있으며, 본 발명은 이러한 CTP 형태의 배터리 팩에 대해서도 적용될 수 있다. 이 경우, 팩 케이스(PC)이자 모듈 케이스(200)인 케이스 부재에 벤팅 홀(H1)이 형성되며, 이러한 케이스 부재의 내측에 내측 커버 부재(300)가 위치할 수 있다. 또한, 이러한 팩 케이스의 외부에 외측 커버 부재(400)가 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈이나 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩 이외에 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 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.
[부호의 설명]
100: 셀 어셈블리
110: 배터리 셀, 111: 전극 단자
120: 배리어
130: 절연 패드
200: 모듈 케이스
210: U-프레임
211: 베이스 플레이트, 212: 좌측 플레이트, 213: 우측 플레이트
220: 탑 플레이트
230: 엔드 프레임
300: 내측 커버 부재
301: 내측 파열부
400: 외측 커버 부재
401: 외측 파열부
H1: 벤팅 홀
N: 노치
P: 돌출부
C: 절곡부

Claims (15)

  1. 상호 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리;
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하도록 구성되며, 벤팅 홀이 형성된 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스의 내측에서 상기 벤팅 홀이 형성된 측면을 커버하며, 상기 벤팅 홀에 대응되는 부분에 내측 파열부가 구비되어 상기 셀 어셈블리 측에서 분출되는 벤팅 가스가 상기 내측 파열부를 통해 상기 벤팅 홀로 배출 가능하도록 구성된 내측 커버 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 홀은 모듈 케이스의 상부 측에 형성되며,
    상기 내측 커버 부재는 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, 베이스 플레이트, 좌측 플레이트 및 우측 플레이트가 일체로 형성된 U-프레임 및 상기 U-프레임의 상단에 결합되는 탑 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내측 파열부는 노치 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내측 파열부는 복수 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    복수의 내측 파열부 중 적어도 일부는, 파열 조건이 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내측 파열부는, 상기 벤팅 홀에 대응되는 부분에서, 위치 별로 파열 조건이 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는, 상기 배터리 셀로서 파우치형 셀을 포함하며,
    상기 파우치형 셀은 실링부의 폴딩 구조를 유지하는 접착 부재가 실링부에 부분적으로 부착되되, 상기 접착 부재가 부착되지 않은 부분의 적어도 일부가 상기 내측 파열부에 대응하여 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 내측 커버 부재는, 상기 셀 어셈블리를 향해 돌출된 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 내측 커버 부재는, 상기 내측 파열부가 상대적으로 외측 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 내측 커버 부재는 단부가 절곡된 형태로 형성되어, 절곡부가 상기 셀 어셈블리와 상기 모듈 케이스 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스의 외측에서 상기 벤팅 홀이 형성된 측면을 커버하며, 상기 벤팅 홀에 대응되는 부분에 외측 파열부가 구비된 외측 커버 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 외측 파열부는, 상기 벤팅 홀에 삽입된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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