BATTERY PACK WITH STRUCTURE FOR PREVENTION OF HEAT DIFFUSION BETWEEN BATTERY MODULES

17-03-2022 дата публикации
Номер:
WO2022055130A1
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Номер заявки: KR03-01-202163
Дата заявки: 05-08-2021

배터리 모듈들 간의 열확산 방지구조를 적용한 배터리 팩
[1]

본 발명은 2개 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하세는, 어느 하나의 배터리 모듈의 발열시 주변 배터리 모듈에 열이 전파되는 것을 효과적으로 차단할 수 있는 열확산 방지구조를 적용한 배터리 팩에 관한 것이다.

[2]

본 출원은 2020년 09월 14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0117919호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.

[3]

전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환하고 충,방전 반복이 가능한 반영구적인 전지를 한 번 사용 후 재사용이 불가한 일차전지와 구분하여 이차전지라고 지칭한다.

[4]

이차전지로는 리튬 이차전지, 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지, 납축전지, 니켈수소(Ni-MH)전지, 공기아연전지, 알칼리망간전지 등이 존재한다. 이들 중 납축전지와 리튬이차전지가 가장 활발히 상용화된 이차전지라 할 수 있다.

[5]

특히, 리튬이차전지는 에너지 저장밀도가 높고 경량화와 소형화가 가능하고 우수한 안전성, 낮은 방전률, 장수명과 같은 장점을 지니고 있어 최근 전기차 배터리로 활용이 활발하다. 참고로, 리튬 이차전지는 제조형태에 따라 일반적으로 원통형, 각형, 파우치형으로 분류되고, 사용용도도 전기차 배터리 이외에도 ESS 배터리, 기타 전기장치 등에 걸쳐있다.

[6]

현재, 리튬 이차전지 1개(셀)로는 전기차를 구동할 수 있을 만큼의 충분한 출력을 얻을 수 없다. 전기차의 에너지원으로 이차전지를 적용하기 위해서는 복수 개의 리튬이온 전지 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈을 구성해야 하며, 통상 직렬 형태로 상기 배터리 모듈들을 연결하고 이를 기능적으로 유지해주는 BMS(Battery Management System)와 냉각 시스템, BDU(Battery Disconnection Unit), 전기 배선 케이블 등을 포함한 배터리 팩을 구성한다.

[7]

한편, 이차전지는 충방전 시 화학 반응을 수반하기 때문에 적정 온도보다 높은 환경에서 사용되는 경우 성능이 저하될 수 있고, 정적 온도보다 심하게 올라갈 경우 발화나 폭발의 위험이 있다. 이러한 이차전지들을 모듈 하우징의 내부에 집약적으로 수납한 구조로 이루어진 배터리 모듈의 경우, 이차전지들로부터 나오는 열이 합산되어 상기 배터리 모듈의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다.

[8]

더욱이 배터리 팩은 복수 개의 배터리 모듈들을 포함하는데, 일부 배터리 모듈 또는 상기 배터리 모듈을 구성하는 이차전지들 중 일부 이차전지에서 비정상적인 상황이 발생하여 발열이 생길 수 있고, 이러한 발열은 해당 배터리 모듈의 온도를 지속적으로 상승시켜, 소정의 임계 온도를 넘어서게 되면, 주변의 다른 배터리 모듈들까지 열 폭주(thermal runaway) 상황으로 나아갈 수 있다. 만일, 이러한 발열 내지 열 폭주 상황을 제대로 제어하지 못하면, 배터리 팩의 안전성을 제대로 담보할 수 없게 된다.

[9]

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 복수 개의 배터리 모듈들 중 일부 배터리 모듈의 발열시 주변 배터리 모듈로 열 폭주 전파를 효과적으로 차단시킬 수 있는 단열 및 방열 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

[10]

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.

[11]

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수 개의 배터리 셀들과, 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들; 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수납하는 팩 케이스; 상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 서로 마주하는 2개의 배터리 모듈 사이에 개재되는 복수 개의 단열재들; 및 일측은 상기 단열재들 사이에 개재되고 타측은 상기 팩 케이스에 접촉하게 마련되는 열 전도성 시트를 포함할 수 있다.

[12]

상기 팩 케이스는, 안쪽 면에 열전달 물질을 구비하고, 상기 열 전도성 시트는 상기 팩 케이스의 안쪽 면에 대면 접촉하게 상부가 절곡 연장된 형태로 마련된 방열부를 구비할 수 있다.

[13]

상기 마주하는 2개의 배터리 모듈을 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈이라고 특정할 때, 상기 단열재들은, 상기 제1 배터리 모듈의 일 측면과 상면 일부를 감싸도록 마련된 제1 단열패드; 상기 제2 배터리 모듈의 일 측면과 상면 일부를 감싸도록 마련된 제2 단열패드; 및 상기 제1 단열패드와 상기 제2 단열패드 사이에 배치되는 제3 단열패드를 포함할 수 있다.

[14]

상기 열 전도성 시트는, 상기 제1 단열패드와 상기 제3 단열패드 사이에 개재되는 제1 열 전도성 시트; 및 상기 제2 단열패드와 상기 제3 단열패드 사이에 개재되는 제2 열 전도성 시트를 포함할 수 있다.

[15]

상기 제1 열 전도성 시트와 상기 제2 열 전도성 시트는 상호 대칭적으로 마련될 수 있다.

[16]

상기 제1 열 전도성 시트는 상기 제1 단열패드의 일면과 상기 제3 단열패드의 일면에 접촉되는 제1 흡열부와 상기 제1 단열패드의 상면과 상기 팩 케이스의 안쪽 면에 접촉되는 제1 방열부를 포함하고, 상기 제2 열 전도성 시트는 상기 제2 단열패드의 일면과 상기 제3 단열패드의 타면에 접촉되는 제2 흡열부와 상기 제2 단열패드의 상면과 상기 팩 케이스의 안쪽 면에 접촉되는 제2 방열부를 포함할 수 있다.

[17]

상기 열 전도성 시트는 열 전도율이 200W/mK 이상인 소재로 마련될 수 있다.

[18]

상기 열 전도성 시트는 알루미늄(Al) 및 그라파이트(Graphite) 중 적어도 하나의 소재로 마련될 수 있다.

[19]

상기 모듈 하우징은, 상기 모듈 하우징의 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트;와 바틈 플레이트; 그리고 상기 모듈 하우징의 좌측편과 우측편을 각각 형성하는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 배터리 셀들은 파우치 타입의 배터리 셀들로서, 넓은 면이 세워져 적층 배열되어 상기 모듈 하우징 내부에서 상기 배터리 셀들 중 최외곽의 배터리 셀이 상기 한 쌍의 사이드 플레이트에 대면하게 배치된 형태로 수납되고, 상기 단열재들은 서로 마주하는 상기 2개의 배터리 모듈의 각 사이드 플레이트와 접촉하게 배치될 수 있다.

[20]

강성 재질로 마련되고, 상기 단열재들과 상기 열 전도성 시트를 관통하여 양단이 서로 마주하는 상기 2개의 배터리 모듈의 외측면에 접촉 배치되는 압축 방지체를 더 포함할 수 있다.

[21]

상기 압축 방지체는 경화된 세라믹 섬유(Ceramic Fiber)로 형성될 수 있다.

[22]

본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.

[23]

본 발명의 일 측면에 따르면, 일부 배터리 모듈의 발열시 그 주변의 배터리 모듈로 열의 이동을 차단하거나 열의 이동을 상대적으로 열용량이 큰 팩 케이스로 방열시켜 배터리 모듈들 간의 열폭주 전파를 효과적으로 방지할 수 있다.

[24]

보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 발열시 배터리 모듈들 간의 열의 이동이 1차적으로 단열재에 의해 차단될 수 있고, 단열재에 의한 1차 차단을 넘는 열원은 열 전도성 시트에 의해 팩 케이스로 방열될 수 있다. 따라서 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈들 간의 열폭주 전파가 효과적으로 차단될 수 있어 배터리 팩의 안전성이 보다 향상될 수 있다.

[25]

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

[26]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열재들과 열 전도성 시트를 배터리 모듈들 사이에 적용한 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.

[27]

도 2는 도 1에서 일부 배터리 모듈에서 단열재들, 열 전도성 시트를 분리한 상태를 나타낸 도면이다.

[28]

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 일부 배터리 모듈들 정면에서 바라본 도면이다.

[29]

도 4는 도 3의 A영역 확대도이다.

[30]

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈들 간의 단열 및 방열 구조를 나타내기 위한 배터리 팩의 부분 단면도이다.

[31]

도 6은 도 5의 부분 확대도이다.

[32]

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서 압축 방지체를 적용한 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

[33]

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단열재들, 열 전도성 시트, 압축 방지체의 분해 사시도이다.

[34]

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈들 간의 단열 및 방열 구조를 나타내기 위한 배터리 팩의 부분 단면도이다.

[35]

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

[36]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열재들과 열 전도성 시트를 배터리 모듈들 사이에 적용한 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에서 일부 배터리 모듈에서 단열재들, 열 전도성 시트를 분리한 상태를 나타낸 도면이다.

[37]

이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수 개의 배터리 모듈(100)들, 복수 개의 단열재(200)들, 열 전도성 시트(300) 및 팩 케이스(400)를 포함하여 구성될 수 있다.

[38]

상기 배터리 모듈(100)은, 다수의 배터리 셀(110)들을 구비할 수 있다. 본 실시예에 적용한 배터리 셀(110)은 이차전지로서 파우치 타입의 이차전지이나, 배터리 모듈(100)이 반드시 파우치 타입의 이차전지로 구성되어야 하는 것은 아니다. 즉, 배터리 모듈(100)은 원통형 내지 각형 이차전지로 구성될 수 있다.

[39]

상기 이차전지는, 전극 조립체, 전해액 및 외장재를 구비할 수 있다. 여기서, 전극 조립체는, 전극과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되어 전극 리드와 연결될 수 있다. 특히, 파우치형 이차전지의 경우, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드와 연결될 수 있으며, 전극 리드는, 파우치 외장재 사이에 개재되어 일단이 외부로 노출됨으로써 전극 단자로서 기능할 수 있다. 외장재는, 내부에 빈 공간을 구비하여 전극 조립체와 전해액을 수납하며, 밀폐된 형태로 구성될 수 있다. 외장재는, 캔형 이차 전지의 경우 금속 재질로 구성되며, 파우치형 이차전지의 경우 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다.

[40]

이러한 이차전지의 구성에 대해서는, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항이므로, 보다 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 팩에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차전지가 채용될 수 있다.

[41]

상기 배터리 모듈(100)은, 상기 배터리 셀(110)들을 수납하기 위해 모듈 하우징을 구비할 수 있다. 모듈 하우징은 배터리 모듈(100)의 외부 내지 외면을 구성한다고 할 수 있으며, 이러한 모듈 하우징의 내부에는 다수의 배터리 셀(110)들이 수납될 수 있다.

[42]

본 실시예에서는 파우치 타입의 배터리 셀(110)들을 세워서 좌우 방향(±X축 방향)으로 적층한 형태로 모듈 하우징에 수납한다. 이때, 적층 배열상 가장 최외곽의 배터리 셀(110)은 후술할 한 쌍의 사이드 플레이트(123,124)에 대면하게 배치될 수 있다. 이러한 배터리 셀(110) 수납 구조에 의하면, 각 배터리 모듈(100)의 에너지 밀도가 극대화될 수 있다.

[43]

모듈 하우징은 대략 직육면체 형태로 형성될 수 있다. 이러한 모듈 하우징은 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트(121)와 바틈 플레이트(122) 그리고 우측편과 좌측편을 각각 형성하는 우측 사이드 플레이트(123)와 좌측 사이드 플레이트(124)를 구비할 수 있다. 또한, 모듈 하우징은 전단부와 후단부가 개방되고 내부에 중공이 형성되어 배터리 셀(110)들이 수납되고 상기 전단부를 덮는 전면 커버(125)와 상기 후단부를 덮는 후면 커버(126)를 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 상기 전면 커버(125)와 상기 후면 커버(126) 중 적어도 하나에 모듈 단자가 구비될 수 있다.

[44]

상기 모듈 하우징은, 내부에 수납된 배터리 셀(110)들을 외부의 물리적, 화학적 요인 등으로부터 보호하기 위해, 밀폐된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 모듈 하우징은, 내부에 수납된 배터리 셀(110)들의 상부, 하부, 좌측부, 우측부, 전방 및 후방이 외부로 노출되지 않도록, 상하, 좌우 및 전후가 모두 막혀진 형태로 구성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 모듈 하우징은, 하나의 배터리 모듈(100)에 대하여 외측을 이루는 구성요소가 되어, 배터리 모듈(100)의 외부와 내부를 구분하는 경계가 될 수 있다.

[45]

상기 모듈 하우징은, 기구적 강성 확보를 위한 금속과 같은 강성 재질과 배터리 모듈(100)의 외부 및 내부에서 전기 절연성을 확보를 위한 전기 절연성 재질을 구비할 수 있다. 이외에도 모듈 하우징은, 다른 다양한 재질로 구성되거나 다른 재질을 더 포함할 수 있다.

[46]

복수 개의 배터리 모듈(100)들은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상호 결합 가능하게 마련되는 트레이(420)와 팩 커버(410)로 구성된 팩 케이스(400)에 수납될 수 있다. 도면의 편의를 위해 미도시 하였으나, 상기 팩 케이스(400) 내부에는 BMS(Battery Management System)와 냉각 시스템, BDU(Battery Disconnection Unit), 전기 배선 케이블 등이 더 수납될 수 있다.

[47]

상기 복수 개의 배터리 모듈(100)들은 트레이(420) 속에서 상호 간 측면이 대향하는 형태로 좌우 방향(±X축 방향)으로 배열될 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 배터리 모듈(100)은 각각 우측 사이드 플레이트(123)와 좌측 사이드 플레이트(124)가 서로 마주보는 형태로 좌우 방향으로 배열될 수 있다.

[48]

단열재(200)는 상기 복수 개의 배터리 모듈(100)들 사이에 개재될 수 있다. 이를테면 도 2와 같이, 상기 단열재(200)는 배터리 팩에 포함된 전체 배터리 모듈(100)에서 서로 마주하는 2개의 배터리 모듈(100) 사이마다 개재될 수 있다. 즉, 배터리 팩에 N개의 배터리 모듈(100)이 포함되고, 이러한 N개의 배터리 모듈(100)이 좌우 방향으로 배열된 경우, 상기 단열재(200)는 N-1개가 구비되어 배터리 모듈(100) 사이마다 개재될 수 있다.

[49]

상기 단열재(200)는 열 절연성과 내열성이 높은 소재로 마련될 수도 있다. 예를 들면, 발포 폴리스티렌이나 페놀폼 등과 같은 소재가 단열재(200)를 제작하는데 이용될 수 있다. 이러한 단열재(200)는 배터리 모듈(100)에서 발생한 열이 외부로 유출되거나, 외부에서 열이 배터리 모듈(100)로 유입되는 것을 차단하는 역할을 담당할 수 있다.

[50]

따라서 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈(100)들 중 일부 배터리 모듈(100)에 발열이 일어나더라도 그 주변의 다른 배터리 모듈(100)로 열의 전파가 차단 내지 현저히 지연될 수 있다.

[51]

한편, 단열재(200)는 열 전도율이 매우 낮은 소재로 이루어져 있다고는 하나 열 전도가 전혀 일어나지 않는 것은 아니며, 더욱이 단열재(200)의 소재나 두께에 따라 단열 성능에 차이가 있다.

[52]

이에 본 발명의 배터리 팩은 단열재(200) 사이에 구비되는 열 전도성 시트(300)를 더 포함한다.

[53]

상기 열 전도성 시트(300)는 팩 케이스(400)의 안쪽 면에 대면 접촉하게 상부가 절곡 연장된 형태로 마련된 방열부(310b,320b)를 구비하고 어느 하나의 배터리 모듈(100)로부터 단열재(200)를 넘어 전파되는 열을 열용량이 큰 다른 곳으로 방열시켜 다른 배터리 모듈(100)로의 열 전파를 차단 내재 더 지연시키는 역할을 할 수 있다.

[54]

구체적으로, 도 2와 함께 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)들 사이에 단열재(200) 및 열 전도성 시트(300)를 함께 적용한 예를 자세히 설명하기로 한다.

[55]

이하에서 설명의 편의를 위해 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈(100)들 중에서로 이웃하게 마주하는 2개의 배터리 모듈(100)을 임의로 선택하여 좌측을 제1 배터리 모듈(100A)이라 하고 우측을 제2 배터리 모듈(100B)이라고 하기로 한다.

[56]

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 단열재(200)는 제1 단열패드(210), 제2 단열패드(220), 제3 단열패드(230)를 포함한다.

[57]

상기 제1 단열패드(210)는 제1 배터리 모듈(100A)에서 우측 사이드 플레이트(123) 전체와 탑 플레이트(121)의 적어도 일부분을 감쌀 수 있는 형태로 마련되고, 제2 단열패드(220)는 상기 제1 단열패드(210)와 대칭적으로, 제2 배터리 모듈(100B)에서 좌측 사이드 플레이트(124) 전체와 탑 플레이트(121)의 적어도 일부분을 감쌀 수 있는 형태로 마련될 수 있다.

[58]

구체적으로, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 제1 단열패드(210)와 제2 단열패드(220)는 각각, 사이드 플레이트(123,124)에 대응하는 면적으로 형성된 벽체부(210a,220a)와 상기 벽체부(210a,220a)의 상단에서 절곡되어 탑 플레이트(121)에 나란하게 배치되는 절곡부(210b,220b)를 포함할 수 있다.

[59]

상기 벽체부(210a,220a)와 절곡부(210b,220b) 구성에 의하면, 사이드 플레이트(123,124) 전체와 상기 사이드 플레이트(123,124)와 탑 플레이트(121)로 이어지는 코너 영역을 통한 열의 내외부 유출입이 차단될 수 있다.

[60]

또한, 상기 탑 플레이트(121)위에 절곡부(210b,220b)가 배치되고 상기 절곡부(210b,220b)는 벽체부(210a,220a)보다 더 두껍게 마련될 수 있다. 이러한 절곡부(210b,220b)는 팩 커버(410)에서 전달될 수 있는 진동이나 충격으로부터 배터리 모듈(100)을 보호하는 완충재로 작용할 수 있다.

[61]

또한, 제1 단열패드(210)와 제2 단열패드(220)는 상부에 절곡부(210b,220b)가 구비되어 있어, 배터리 모듈(100) 사이에 개재할 때, 각각 배터리 모듈(100)의 좌측 상단 부위와 우측 상단 부위에 거치가 가능하다. 이는 조립 과정에서 제1 배터리 모듈(100A)에 제1 단열패드(210)를 올려놓고 제2 배터리 모듈(100B)에 제2 단열패드(220)를 올려놓은 다음 이들을 수월하게 밀착시킬 수 있게 하여 조립 편의성 측면에서도 장점으로 작용한다.

[62]

제3 단열패드(230)는 사각 판형으로 마련되어 상기 제1 단열패드(210)와 상기 제2 단열패드(220) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제3 단열패드(230)는 후술할 제1 열 전도성 시트(310)와 제2 열 전도성 시트(320) 간의 열 교환을 차단하는 역할을 한다.

[63]

다시 도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 열 전도성 시트(300)는 제1 열 전도성 시트(310)와 제2 열 전도성 시트(320)를 포함하고, 열 전도율이 200W/mK 이상인 소재로 마련될 수 있다. 이러한 열 전도성 시트(300) 소재로는 예컨대 알루미늄(Al)이나 그라파이트(Graphite)가 이용될 수 있다. 비금속 계열인 그라파이트를 이용하는 것이 전기 절연성 측면에서 유리하다 할 수 있다. 그러나 상기 그라파이트의 대안으로 알루미늄을 사용하거나 그라파이트와 알루미늄을 복합적으로 사용할 수도 있다.

[64]

상기 제1 열 전도성 시트(310)는 제1 단열패드(210)와 제3 단열패드(230) 사이에 개재될 수 있고, 상기 제2 열 전도성 시트(320)는 제2 단열패드(220)와 제3 단열패드(230) 사이에 개재될 수 있다.

[65]

또한, 상기 제1 열 전도성 시트(310)는 상기 제1 단열패드(210)의 일면과 상기 제3 단열패드(230)의 일면에 접촉되는 제1 흡열부(310a)와, 상기 제1 단열패드(210)의 상면과 상기 팩 케이스(400)의 안쪽 면에 접촉되는 제1 방열부(310b)를 포함할 수 있다.

[66]

상기 제1 흡열부(310a)는 제1 단열패드(210)의 벽체부(210a) 및 제3 단열패드(230)의 좌측면과 대면 접촉하고, 상기 제1 방열부(310b)는 팩 커버(410)의 안쪽 면에 대면 접촉하게 구성될 수 있다.

[67]

상기 구성에 의하면, 예컨대 제1 배터리 모듈(100A)의 발열시 제1 단열패드(210)를 넘어오는 열은 제1 흡열부(310a)로 흡수되어 제1 방열부(310b)를 통해 팩 커버(410)로 빠르게 방출될 수 있다. 상기 팩 커버(410)는 제1 배터리 모듈(100A)에 비해 상대적으로 열용량이 매우 큰 구조물이므로 상기 제1 열 전도성 시트(310)의 열을 충분히 흡수할 수 있다.

[68]

상기 팩 커버(410)의 안쪽 면에는 열전달 물질(412)이 더 구비될 수 있다. 여기서 팩 커버(410)의 안쪽 면은 팩 커버(410) 전체를 말한다. 즉, 상기 팩 커버(410)의 안쪽 면은 제1 방열부(310b)와 접촉하는 곳과 그렇지 않은 곳을 모두 포함한다. 이를테면, 팩 커버(410)의 안쪽 면 전체를 그라파이트로 코팅 처리해서 상기 제1 방열부(310b)로부터 흡수된 열을 팩 커버(410) 전체에 고르게 분산시켜 국부적인 온도 상승을 막을 수 있다.

[69]

즉, 제1 배터리 모듈(100A)의 열은 제1 단열패드(210)에 의해 1차로 차단되고, 제1 단열패드(210)를 넘어온 열은 제1 열 전도성 시트(310)를 통해 배터리 모듈(100)들의 상부에 위치한 팩 커버(410)로 빠져나간다. 더욱이 상기 제1 열 전도성 시트(310)의 우측에는 제3 단열패드(230)가 위치해 있어 제1 단열패드(210)를 넘어온 열이 상기 제3 단열패드(230)에 의해 2차로 차단될 수 있다.

[70]

제2 열 전도성 시트(320)는 상기 제2 단열패드(220)의 일면과 상기 제3 단열패드(230)의 타면에 접촉되는 제2 흡열부(320a)와 상기 제2 단열패드(220)의 상면과 상기 팩 케이스(400)의 안쪽 면에 접촉되는 제2 방열부(320b)를 포함할 수 있다.

[71]

제2 흡열부(320a)는 제2 단열패드(220)의 벽체부(220a) 및 제3 단열패드(230)의 우측면과 대면 접촉하고, 상기 제2 방열부(320b)는 팩 커버(410)의 안쪽 면에 대면 접촉하게 구성될 수 있다.

[72]

상기 구성에 의하면, 상술한 제1 배터리 모듈(100A)의 발열시 상기 제3 단열패드(230)를 넘어오는 열은 제2 단열패드(220)에 의해 제2 배터리 모듈(100B)로의 이동이 차단되고, 제2 흡열부(320a)로 흡수되어 제2 방열부(320b)를 통해 팩 커버(410)로 빠르게 방출될 수 있다.

[73]

정리하면, 제1 배터리 모듈(100A)과 제2 배터리 모듈(100B) 사이에는 제1 단열패드(210), 제1 열 전도성 시트(310), 제3 단열패드(230), 제2 열 전도성 시트(320), 제2 단열 패드가 구비되어 있다. 그러므로 제1 배터리 모듈(100A)의 열은 5단계(1차 단열 > 1차 열 분산 > 2차 단열 > 2차 열 분산 > 3차 단열)를 거쳐야 제2 배터리 모듈(100B)에 도달한다. 그러나 상기 5단계를 거치는 과정에서 대부분의 열이 차단되거나 외부로 빠져나가 제2 배터리 모듈(100B)에 도달하는 열은 미미하다 할 수 있다.

[74]

이와 같이 본 발명의 구성과 작용에 의하면, 배터리 팩에 포함된 일부 배터리 모듈(100)에 문제가 생겨 온도가 상승한다 해도 인접한 주변의 배터리 모듈(100)로 열원의 이동을 효과적으로 차단할 수 있다. 이에 따라 배터리 팩에 포함된 모든 배터리 모듈(100)이 열 폭주하게 되는 상황을 저지하고 배터리 팩의 폭발과 같은 2차 사고를 예방할 수 있다.

[75]

이어서, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기로 한다.

[76]

전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와 차이점을 위주로 설명하기로 한다.

[77]

본 실시예에 따른 배터리 팩은 전술한 실시예와 비교할 때, 압축 방지체(500)를 더 구비하는 것을 특징으로 하고 나머지 구성들은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다.

[78]

배터리 팩의 사용이 지속됨에 따라, 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀(110)에서 스웰링 현상이 발생할 수 있는데, 이러한 배터리 셀(110)의 스웰링 현상으로 인해 배터리 모듈(100)의 일부분이 팽창할 수 있다. 이때, 배터리 모듈(100) 사이의 단열재(200)가 압축될 경우 단열재(200)의 열 차단 능력이 현저히 저하될 수 있다. 부연하면, 통상의 단열재(200)는 기공 속의 공기의 단열성을 이용하는 다공질 구조로 이루어져 있기 때문에 이러한 단열재(200)가 압축되면 상기 다공질 구조가 깨어져서 열 차단 능력이 저하될 수 있다.

[79]

상기 압축 방지체(500)는 상술한 바와 같이 배터리 모듈(100)의 일부분이 팽창하여 단열재(200)가 압축되는 것을 방지해주는 역할을 한다.

[80]

상기 압축 방지체(500)는 강성 재질로 마련되고, 단열재(200)들과 열 전도성 시트(300)를 관통하여 양단이 서로 마주하는 2개의 배터리 모듈(100)의 외측면에 접촉 배치하게 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 압축 방지체(500)는 세라믹 섬유(Ceramic Fiber)소재로 파이프 내지 튜즈 형상으로 진공 성형하여 경화 과정을 거쳐 마련될 수 있다.

[81]

본 실시예의 압축 방지체(500)는 제1 압축 방지체(510)와 제2 압축 방지체(520)를 포함한 2개 파트로 구성될 수 있다. 그리고 본 실시예의 제1 단열패드(210), 제1 열 전도성 시트(310), 제3 단열패드(230), 제2 열 전도성 시트(320), 제2 단열패드(220)는 각각 상기 제1 압축 방지체(510) 또는 상기 제2 압축 방지체(520)를 삽입시킬 수 있게 마련된 관통홀(H)들을 구비할 수 있다. 여기서 상기 제3 단열패드(230)는 2장으로 구성될 수 있다.

[82]

상기 제1 압축 방지체(510)와 상기 제2 압축 방지체(520)는, 각각 삽입제한부(P2)와 삽입관부(P1)를 구비할 수 있다. 상기 삽입제한부(P2)는 관통홀(H)보다 큰 직경을 가지고, 삽입관부(P1)는 관통홀(H)보다 작은 직경을 갖도록 마련될 수 있다.

[83]

도 8을 참조할 때, 상기 제1 압축 방지체(510)는 좌측에서 우측 방향으로 제1 단열패드(210), 제1 열 전도성 시트(310), 한 장의 제3 단열패드(230) 순으로 각 관통홀(H)에 삽입될 수 있고, 상기 제2 압축 방지체(520)는 우측에서 좌측 방향으로 제2 단열패드(220), 제2 열 전도성 시트(320), 나머지 한 장의 제3 단열패드(230) 순으로 각 관통홀(H)에 삽입될 수 있다.

[84]

이렇게 삽입된 제1 압축 방지체(510)의 삽입관부(P1)와 제2 압축 방지체(520)의 삽입관부(P1)는 각각 끝단이 서로 접촉할 수 있다. 이때, 상기 삽입관부(P1)들의 어느 한 곳의 끝단에 접착 테이프 등을 붙여 쉽게 떨어지지 않도록 구성해도 좋다.

[85]

또한, 상기 제1 단열패드(210)와 상기 제2 단열패드(220)는 각각 관통홀(H) 둘레가 상기 삽입제한부(P2)의 두께만큼 함몰 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 압축 방지체(510)와 제2 압축 방지체(520)를 각각 제1 단열패드(210)와 제2 단열패드(220)에 삽입하였을 때, 상기 제1 압축 방지체(510)의 삽입제한부(P2)는 상기 제1 단열패드(210)의 일면에서 돌출되지 않고 상기 제2 압축 방지체(520)의 삽입제한부(P2)는 상기 제2 단열패드(220)의 일면에서 돌출되지 않을 수 있다.

[86]

이 같은 구성으로 단열재(200)들과 압축 방지체(500)를 제1 배터리 모듈(100A)과 제2 배터리 모듈(100B) 사이에 개재하면, 도 9와 같이, 단차없이 상기 제1 단열패드(210)의 일면과 상기 제1 압축 방지체(510)의 삽입제한부(P2)가 제1 배터리 모듈(100A)의 우측 사이드 플레이트(123)에 접촉하고 마찬가지로 단차없이 상기 제2 단열패드(220)의 일면과 상기 제2 압축 방지체(520)의 삽입제한부(P2)가 제2 배터리 모듈(100B)의 좌측 사이드 플레이트(124)에 접촉할 수 있다.

[87]

그러므로 제1 배터리 모듈(100A) 내지 제2 배터리 모듈(100B) 내부의 배터리 셀(110)들의 스웰링 시 상기 압축 방지체(500)가 제1 배터리 모듈(100A)의 우측 사이드 플레이트(123)와 제2 배터리 모듈(100B)의 좌측 사이드 플레이트(124)를 지지하는 작용을 할 수 있다. 따라서 단열재(200)들이 항시 압축되지 않은 원상태를 유지할 수 있어 단열 기능이 온전히 발휘될 수 있어 예컨대, 제1 배터리 모듈(100A)의 발열 시 열폭주 현상이 제2 배터리 모듈(100B)에 전파되지 않게 열을 안정적으로 차단할 수 있다.

[88]

한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 특히, 전기 자동차 등의 경우, 배터리 팩에는 많은 이차전지가 포함될 수 있는데, 본 발명에 따르면, 어느 이차전지에서 열이 발생하더라도, 해당 이차전지가 속한 배터리 모듈(100)에서 주변의 다른 배터리 모듈(100)로의 열폭주 전파 현상 등을 효과적으로 차단할 수 있다.

[89]

이러한 구성의 배터리 팩은 특정 배터리 모듈(100)에서 발열, 화염 등과 같은 이벤트가 발생하였을 때 주변 배터리 모듈(100)로의 열폭주 현상 등이 차단 내지 충분히 지연될 수 있어, 사용자의 안전 및 2차 사고 방지를 위한 조치를 하는데 필요한 시간을 확보할 수 있다.

[90]

한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

[91]

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.



[1]

A battery pack according to the present invention comprises: a plurality of battery modules comprising a plurality of battery cells and a module housing for accommodating the plurality of battery cells; a pack case for accommodating the plurality of battery modules; a plurality of insulators interposed between two battery modules facing each other from among the plurality of battery modules; and a thermally conductive sheet having one side interposed between the insulating materials and the other side provided in contact with the pack case.

[2]



복수 개의 배터리 셀들과, 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 하우징을 구비한 복수 개의 배터리 모듈들;

상기 복수 개의 배터리 모듈들을 수납하는 팩 케이스;

상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 서로 마주하는 2개의 배터리 모듈 사이에 개재되는 복수 개의 단열재들; 및

일측은 상기 단열재들 사이에 개재되고 타측은 상기 팩 케이스에 접촉하게 마련되는 열 전도성 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제1항에 있어서,

상기 팩 케이스는, 안쪽 면에 열전달 물질을 구비하고,

상기 열 전도성 시트는 상기 팩 케이스의 안쪽 면에 대면 접촉하게 상부가 절곡 연장된 형태로 마련된 방열부를 구비하는 것을 특징으로 배터리 팩.

제1항에 있어서,

상기 마주하는 2개의 배터리 모듈을 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈이라고 특정할 때,

상기 단열재들은,

상기 제1 배터리 모듈의 일 측면과 상면 일부를 감싸도록 마련된 제1 단열패드; 상기 제2 배터리 모듈의 일 측면과 상면 일부를 감싸도록 마련된 제2 단열패드; 및 상기 제1 단열패드와 상기 제2 단열패드 사이에 배치되는 제3 단열패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제3항에 있어서,

상기 열 전도성 시트는,

상기 제1 단열패드와 상기 제3 단열패드 사이에 개재되는 제1 열 전도성 시트; 및

상기 제2 단열패드와 상기 제3 단열패드 사이에 개재되는 제2 열 전도성 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제4항에 있어서,

상기 제1 열 전도성 시트와 상기 제2 열 전도성 시트는 상호 대칭적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제5항에 있어서,

상기 제1 열 전도성 시트는 상기 제1 단열패드의 일면과 상기 제3 단열패드의 일면에 접촉되는 제1 흡열부와 상기 제1 단열패드의 상면과 상기 팩 케이스의 안쪽 면에 접촉되는 제1 방열부를 포함하고,

상기 제2 열 전도성 시트는 상기 제2 단열패드의 일면과 상기 제3 단열패드의 타면에 접촉되는 제2 흡열부와 상기 제2 단열패드의 상면과 상기 팩 케이스의 안쪽 면에 접촉되는 제2 방열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제1항에 있어서,

상기 열 전도성 시트는 열 전도율이 200W/mK 이상인 소재로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제7항에 있어서,

상기 열 전도성 시트는 알루미늄(Al) 및 그라파이트(Graphite) 중 적어도 하나의 소재로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제1항에 있어서,

상기 모듈 하우징은,

상기 모듈 하우징의 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트;와 바틈 플레이트; 그리고 상기 모듈 하우징의 좌측편과 우측편을 각각 형성하는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하고,

상기 배터리 셀들은 파우치 타입의 배터리 셀들로서, 넓은 면이 세워져 적층 배열되어 상기 모듈 하우징 내부에서 상기 배터리 셀들 중 최외곽의 배터리 셀이 상기 한 쌍의 사이드 플레이트에 대면하게 배치된 형태로 수납되고,

상기 단열재들은 서로 마주하는 상기 2개의 배터리 모듈의 각 사이드 플레이트와 접촉하게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제1항에 있어서,

강성 재질로 마련되고, 상기 단열재들과 상기 열 전도성 시트를 관통하여 양단이 서로 마주하는 상기 2개의 배터리 모듈의 외측면에 접촉 배치되는 압축 방지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제10항에 있어서,

상기 압축 방지체는 경화된 세라믹 섬유(Ceramic Fiber)로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.