KR20240131962A

KR20240131962A - 스프링클러의 신속한 동작이 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 ess

Info

Publication number: KR20240131962A
Application number: KR1020240112235A
Authority: KR
Inventors: 김승현; 정지원; 배경현; 신진규; 이진규
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2024-08-21
Publication date: 2024-09-02
Also published as: EP4027434A1; JP7345630B2; WO2021172756A1; KR20210109713A; US20220263160A1; KR102699541B1; EP4027434A4; CN114365327A; JP2022542326A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 상기 셀 적층체의 적층 방향 일 측에서 상기 모듈 하우징을 관통하는 스프링클러; 및 상기 모듈 하우징의 내에 고정되되, 그 길이 방향 일 측 단부가 상기 스프링클러를 향하도록 수평면에 대하여 경사지게 설치되는 적어도 하나의 가이드 플레이트;를 포함한다.

Description

스프링클러의 신속한 동작이 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 ESS{Battery module having a structure that allows the sprinkler to operate quickly and the Energy Storage System comprising the same}

본 발명은, 스프링클러의 신속한 동작이 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 ESS에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 배터리 모듈 내에서 벤팅 가스가 유출되었을 때 스프링클러에 구비된 유리 벌브쪽으로 고온의 기체가 집중적으로 이동할 수 있도록 유도하여 스프링클러의 신속한 작동을 가능하게 하는 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 ESS에 관한 것이다.

현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 파우치 외장재를 구비한다.

최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차전지가 많이 이용된다.

한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지를 포함하는 배터리 모듈에 대한 수요가 증가하고 있다.

또한, 이러한 배터리 모듈은, 복수의 이차전지를 외부 충격으로부터 보호하거나 수납 보관하기 위해서 금속 재질의 외부 하우징을 구비하는 것이 일반적이었다. 한편, 최근 고용량의 배터리 모듈의 수요가 높아지고 있다.

이러한 고용량의 배터리 모듈의 경우, 내부의 배터리 셀 중 적어도 일부에서 벤팅(venting)이 발생되어 배터리 모듈 내부의 온도가 상승하는 경우 큰 피해를 일으킬 수 있다. 즉, 고용량의 배터리 모듈은, 내부의 온도 증가에 따라 열폭주 현상이 발생되는 경우, 온도가 급격히 상승할 수 있고, 이에 따라 큰 규모의 발화 및/또는 폭발을 일으킬 수 있다.

이에 따라, 배터리 모듈 내에서 배터리 셀의 벤팅에 따른 비정상적인 온도 상승이 일어나는 경우, 즉각적인 조치를 취할 수 있도록 빠르고 완전한 소화 기술을 개발하는 것이 필요한 실정이다.

본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내에서 고온의 벤팅 가스가 유출되었을 때 스프링클러에 구비된 유리 벌브쪽으로 고온의 기체가 집중적으로 이동할 수 있도록 유도하여 스프링클러의 신속한 작동을 가능하게 하는 것을 일 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.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 상기 셀 적층체의 적층 방향 일 측에서 상기 모듈 하우징을 관통하는 스프링클러; 및 상기 모듈 하우징의 내에 고정되되, 그 길이 방향 일 측 단부가 상기 스프링클러를 향하도록 수평면에 대하여 경사지게 설치되는 적어도 하나의 가이드 플레이트;를 포함한다.

상기 가이드 플레이트는 복수 개 구비되며, 복수 개의 상기 가이드 플레이트는 상기 복수의 배터리 셀의 적층 방향을 따라 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.

상기 모듈 하우징은, 상기 셀 적층체의 하면 및 상면을 각각 커버하는 한 쌍의 베이스 커버; 상기 셀 적층체의 측면을 커버하는 한 쌍의 사이드 커버; 상기 셀 적층체의 전면을 커버하는 프론트 커버; 및 상기 셀 적층체의 후면을 커버하는 리어 커버;를 포함할 수 있다.

상기 가이드 플레이트는 상기 사이드 커버의 내측면으로부터 내측으로 돌출되어 상기 셀 적층체의 하면을 커버하는 상기 베이스 커버 측을 향해 경사지게 구성될 수 있다.

상기 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체의 폭 방향 일 측 및 타 측에 각각 결합되는 한 쌍의 버스바 프레임을 포함할 수 있다.

상기 스프링클러는, 상기 리어 커버의 길이 방향 일 측을 관통하여 상기 버스바 프레임과 상기 사이드 커버 사이에 형성되는 빈 공간 내에 위치할 수 있다.

상기 스프링클러는, 상기 모듈 하우징의 외측에 위치하며, 냉각유체를 공급하는 공급관과 연결되는 커플러; 상기 모듈 하우징의 내측에 위치하며, 상기 커플러와 연결되는 스프링클러 헤드; 및 상기 스프링클러 헤드를 커버하는 절연 커버;를 포함할 수 있다.

상기 스프링클러 헤드는, 상기 커플러의 냉각 유체 분사구를 차단하며, 상기 배터리 모듈 내부의 온도 및 기체의 유속이 기준치 이상이 되면 파단되어 상기 냉각 유체 분사구를 개방시키는 유리 벌브; 및 상기 유리 벌브를 감싸며 상기 유리 벌브를 고정시키는 홀딩 브라켓;을 포함할 수 있다.

상기 절연 커버는 상기 셀 적층체 및 버스바 프레임과 대면하는 제1 영역 및 상기 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역은 가려진 면적이 개방된 면적보다 더 넓게 형성되고, 상기 제2 영역은 가려진 면적보다 개방된 면적이 더 넓게 형성될 수 있다.

상기 제1 영역은 냉각 유체의 분출을 위한 적어도 하나의 커버 홀을 구비할 수 있다.

상기 배터리 모듈은, 상기 프론트 커버를 관통하여 형성되는 에어 인렛; 상기 리어 커버를 관통하여 형성되는 에어 아웃렛; 및 상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛의 내측에 배치되며, 상기 배터리 모듈 내로 유입된 냉각유체와의 접촉에 따라 팽창하여 상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛을 적어도 부분적으로 폐쇄하는 팽창 패드;를 포함할 수 있다.

상기 팽창 패드는, 상기 모듈 하우징의 내측면 상에 부착될 수 있다.

상기 팽창 패드는, 상기 모듈 하우징의 내측면에 형성된 수용 홈 내에 적어도 일부가 삽입될 수 있다.

상기 배터리 모듈은, 상기 팽창 패드의 양 측에 각각 배치되어 상기 팽창 패드의 팽창을 위한 움직임을 가이드 하는 메쉬 플레이트를 포함할 수 있다.

상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛은, 상기 버스바 프레임과 사이드 커버 사이에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 복수 개 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈 내에서 고온의 벤팅 가스가 유출되었을 때 스프링클러에 구비된 유리 벌브쪽으로 고온의 기체가 집중적으로 이동할 수 있게 되며, 이에 따라 스프링클러의 신속한 작동이 가능하게 되어 열폭주 현상에 따른 발화 및/또는 폭발을 방지할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 모듈의 내부 구조가 나타나도록 도시된 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 내부 구조가 나타나도록 도시된 도면으로서, 본 발명에 적용되는 스프링클러가 나타나도록 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 절연 커버를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 사이드 플레이트의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 적용되는 절연 커버를 나타내는 사시도로서, 도 6에 도시도니 절연 커버와는 다른 형태의 절연 커버를 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 절연 커버를 나타내는 정면도이다.
도 10은 본 발명에 적용되는 절연 커버와 가이드 플레이트의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 정면의 일부를 나타내는 도면으로서, 배터리 모듈 내에 배치되는 팽창 패드를 나타내는 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 측부에서 바라본 단면의 일부를 나타내는 도면으로서, 배터리 모듈 내에 배치되는 팽창 패드를 나타내는 도면이다.

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.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)의 전체적인 구조를 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 복수의 배터리 셀(100), 버스바 프레임(200), 모듈 하우징(300), 에어 인렛(400), 에어 아웃렛(500), 스프링클러(600) 및 가이드 플레이트(G)를 포함한다.

상기 배터리 셀(100)은, 복수개가 구비되며, 복수의 배터리 셀(100)들은 적층되어 하나의 셀 적층체를 이룬다. 상기 배터리 셀(100)로는, 예를 들어 파우치 타입의 배터리 셀이 적용될 수 있다. 상기 배터리 셀(100)은, 길이 방향(도면에 도시된 Y축과 나란한 방향) 양 측으로 각각 인출되는 한 쌍의 전극 리드(110)를 구비한다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 셀 적층체는, 필요에 따라 서로 인접한 배터리 셀(100) 사이에 구비되는 완충 패드를 더 포함할 수도 있다. 이러한 완충 패드는, 셀 적층체를 모듈 하우징(300) 내에 수용시킬 때 셀 적층체가 압축된 상태로 수용될 수 있도록 하며, 이로써 외부 충격에 의한 움직임을 제한할 수 있고, 또한 배터리 셀(100)의 스웰링(swelling)을 억제할 수 있다.

상기 버스바 프레임(200)은, 한 쌍이 구비되며, 각각의 버스바 프레임(200)은, 셀 적층체의 폭 방향(도면에 도시된 Y축과 나란한 방향) 일 측 및 타 측을 커버한다. 상기 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)는 버스바 프레임(200)에 형성된 슬릿을 통해 인출되며, 절곡되어 버스바 프레임(200)에 구비된 버스바 상에 용접 등에 의해 고정된다. 즉, 상기 복수의 배터리 셀(100)들은 버스바 프레임(200)에 구비된 버스바에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 모듈 하우징(300)은, 대략 직육면체 형상을 가지며, 내부에 셀 적층체를 수용한다. 상기 모듈 하우징(300)은, 셀 적층체의 하면 및 상면(X-Y 평면과 나란한 면)을 각각 커버하는 한 쌍의 베이스 커버(310), 셀 적층체의 측면(X-Z 평면과 나란한 면)을 각각 커버하는 한 쌍의 사이드 커버(320), 셀 적층체의 전면(Y-Z 평면과 나란한 면)을 커버하는 프론트 커버(330) 및 셀 적층체의 후면(Y-Z 평면과 나란한 면)을 커버하는 리어 커버(340)를 포함한다.

상기 에어 인렛(400)은, 셀 적층체의 적층 방향(X축과 나란한 방향) 일 측, 즉 배터리 모듈(1)의 길이 방향 일 측에 형성되며, 프론트 커버(330)을 관통하는 홀 형태로 형성된다. 상기 에어 아웃렛(500)은, 셀 적층체의 적층 방향 타 측, 즉 배터리 모듈(1)의 길이 방향 타 측에 형성되며, 리어 커버(340)를 관통하는 홀 형태로 형성된다. 상기 에어 인렛(400)과 에어 아웃렛(500)은 상호 배터리 모듈(1)의 길이 방향(X축과 나란한 방향)을 따라 대각선으로 가로 질러 반대 편에 위치한다.

한편, 상기 버스바 프레임(200)과 사이드 커버(320) 사이에는 빈 공간이 형성된다. 즉, 상기 모듈 하우징(300)의 6개의 외측 면 중 배터리 셀(100)의 길이 방향(Y축과 나란한 방향) 일 측 및 타 측과 대면하는 면과 버스바 프레임(200)의 내측 면 사이에는 배터리 셀(100)의 냉각을 위한 공기가 흐를 수 있는 빈 공간이 형성된다. 상기 빈 공간은, 배터리 모듈(1)의 폭 방향(Y축과 나란한 방향) 양 측에 각각 형성된다.

상기 에어 인렛(400)은 배터리 모듈(1)의 폭 방향(Y축과 나란한 방향) 일 측에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성되고, 에어 아웃렛(500)은 배터리 모듈(1)의 폭 방향 타 측에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성된다.

상기 배터리 모듈(1)에 있어서, 에어 인렛(400)을 통해 내부로 유입된 공기는 배터리 모듈(1)의 폭 방향 일 측에 형성된 빈 공간으로부터 배터리 모듈(1)의 폭 방향 타 측에 형성된 빈 공간으로 이동하면서 배터리 셀(100)을 냉각시킨 후 에어 아웃렛(500)을 통해 외부로 빠져나간다. 즉, 상기 배터리 모듈(1)은 공냉식 배터리 모듈에 해당하는 것이다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 에어 인렛(400)은 그 명칭과는 달리 냉각에 이용되어 온도가 상승한 공기가 빠져나가는 통로로서 이용될 수도 있고, 에어 아웃렛(500) 역시 그 명칭과는 달리 냉각을 위한 외부의 공기가 유입되는 통로로서 이용될 수 있다. 즉, 상기 에어 인렛(400) 및/또는 에어 아웃렛(500)에는 강제 환풍을 위한 임펠러가 설치될 수 있는데, 임펠러의 회전 방향에 따라서 공기의 순환 방향은 달라질 수 있는 것이다.

상기 스프링클러(600)는, 예를 들어 냉각수와 같은 냉각 유체를 공급하는 공급관(미도시)과 연결되며, 배터리 모듈(1) 내부의 온도 및 내부 기체의 유속이 일정 수준 이상이 되었을 때 작동하여 배터리 모듈(1)의 내부로 냉각 유체를 공급한다. 즉, 상기 스프링클러(600)는, 배터리 셀(100)에 이상이 발생되어 벤팅(venting)이 일어나고 이로 인해 고온의 가스가 배출되는 경우 이를 감지하여 작동한다. 이와 같이 스프링클러(600)가 작동하면, 배터리 모듈(1) 내부에 냉각 유체가 공급되어 배터리 셀(100)의 과열에 따른 발화 및/또는 폭발을 방지할 수 있게 된다.

상기 스프링클러(600)의 일부는 리어 커버(340)의 외측으로 노출되고, 나머지 부분은 리어 커버(340)를 관통하여 버스바 프레임(200)과 사이드 커버(320) 사이에 형성되는 빈 공간 내에 위치한다. 상기 스프링클러(600)는 리어 커버(340)의 길이 방향(Y축과 나란한 방향) 일 측에 형성된 에어 아웃렛(500)과 반대편에 설치된다.

상기 스프링클러(600)는 커플러(610), 스프링클러 헤드(620) 및 절연 커버(630)를 포함한다. 상기 커플러(610)는 모듈 하우징(300)의 외측에 위치하며, 냉각 유체를 공급하는 공급관(미도시)과 연결된다. 즉, 상기 커플러(610)는 금속 재질로서, 외부 공급관의 체결을 위한 부품이다. 상기 스프링클러 헤드(620)는 모듈 하우징(300)의 내측에 위치하며, 커플러(610)와 연결된다. 상기 절연 커버(630)는 스프링클러 헤드(620)를 커버하며, 이로써 스프링클러 헤드(620)가 배터리 셀(100)의 전극 리드(110) 및/또는 버스바 프레임(200)의 버스바와 직접 접촉하여 단락이 발생되는 것을 방지한다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 스프링클러 헤드(620)는 유리 벌브(621) 및 홀딩 브라켓(622)을 포함한다.

상기 유리 벌브(621)는 커플러(610)의 냉각 유체 분사구(P)를 차단하며, 배터리 모듈(1) 내부의 온도 및 벤팅 가스로 인해 온도가 상승한 내부 기체의 유속이 기준치 이상이 되면 파단되어 냉각 유체 분사구(P)를 개방시킨다. 즉, 상기 유리 벌브(621)는 내부에 온도 상승에 따라 팽창되는 액체를 함유하고 있으며, 이러한 액체는 배터리 모듈(1) 내의 배터리 셀(100)들 중 적어도 일부에서 벤팅이 발생되어 고온의 벤팅 가스가 배터리 모듈(1) 내부를 채우게 되면 팽창한다. 상기 액체의 팽창에 따라 유리 벌브(621)의 내압이 상승하고, 동시에 유리 벌브(621)의 외부에서 고압의 벤팅 가스로 인한 기체의 외력이 함께 작용하게 되면 유리 벌브(621)가 파손되고, 이로써 냉각 유체 분사구(P)를 통해 냉각 유체가 모듈 하우징(300)의 내부를 채우게 된다. 상기 홀딩 브라켓(622)은 금속 재질로서, 유리 벌브(621)를 감싸며 유리 벌브(621)가 움직이지 않도록 고정시킨다.

도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 절연 커버(630)는 고정부(631) 및 커버부(632)를 포함한다. 상기 고정부(631)는 리어 커버(340)에 클립 고정 방식으로 부착된다. 즉, 상기 고정부(631)의 일부는 리어 커버(340)의 외측에 위치하고, 나머지 일부는 리어 커버(340)의 내측에 위치한다. 상기 커버부(632)는 고정부(631)로부터 대략 수직한 방향으로 연장되며, 스프링클러 헤드(620)를 커버한다.

상기 커버부(632)는 셀 적층체 및 버스바 프레임(200)과 대면하는 제1 영역(632a) 및 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역(632b)을 포함한다. 상기 제1 영역(632a)은 가려진 면적이 개방된 면적보다 더 넓게 형성되고, 제2 영역(632b)은 가려진 면적보다 개방된 면적이 더 넓게 형성된다. 상기 커버부(632)의 적어도 일부가 개방된 형태를 갖는 것은 냉각 유체 분사구(P)를 통해 분사된 냉각 유체가 모듈 하우징(300)의 내부에 원활히 공급될 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 제1 영역(632a)의 개방 면적이 제2 영역(632b)의 개방 면적보다 더 작게 형성되는 것은, 홀딩 브라켓(622)과 전극 리드(110) 간의 접촉 및/또는 홀딩 브라켓(622)과 버스바 간의 접촉에 의한 단락 발생 가능성을 최소화 하기 위함이다. 한편, 상기 제1 영역(632a)은 냉각 유체의 분출을 위한 적어도 하나의 커버 홀(H)을 구비할 수 있다.

도 3 및 도 7을 참조하면, 상기 가이드 플레이트(G)는, 모듈 하우징(300) 내부에 설치되어 모듈 하우징(300) 내에서의 기체의 흐름이 스프링클러(600)를 향할 수 있도록 한다. 상기 가이드 플레이트(G)는, 모듈 하우징(300)의 내부에 고정되되 그 길이 방향(X축과 나란한 방향) 일 측 단부가 스프링클러(600)를 향하도록 경사지게 설치된다. 상기 가이드 플레이트(G)는 복수개가 설치될 수 있다. 상기 가이드 플레이트(G)는 사이드 커버(320)의 내측면으로부터 셀 적층체를 향하는 방향(Y축에 나란한 방향)으로 돌출된 형태를 갖는다. 상기 가이드 플레이트(G)는 별도로 제작되어 사이드 커버(320)에 부착될 수도 있고, 사이드 커버(320)와 일체로 형성될 수도 있다.

상기 배터리 모듈(1) 내부에서 온도 상승에 따라 상승하려는 경향이 강해진 기체는 이러한 가이드 플레이트(G)로 인해, 그 흐름이 스프링클러(600)를 향하도록 유도될 수 있다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 상기 절연 커버(630)는 커버부(632)로부터 배터리 모듈(1)의 길이 방향(도 4의 X축과 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 갖는 오리피스(633)를 더 포함할 수 있다. 상기 오리피스(633)는 커버부(632)로부터 멀어지는 방향을 따라 직경이 점점 좁아지는 속이 빈 원뿔대 형상을 가질 수 있다.

상기 오리피스(633)는 가이드 플레이트(G)(도 3 참조)에 의해 유동 방향이 가이드 된 고온의 기체가 좀 더 집중적으로 스프링클러 헤드(620)를 향해 이동할 수 있도록 한다. 고온의 기체의 이동이 스프링클러 헤드(620)를 향해 집중적으로 이동할 수 있도록 하기 위해, 도 10에 도시된 바와 같이, 가이드 플레이트(G)의 일 측 단부는 오리피스(633)의 입구를 향하도록 설치될 수 있다.

도 11을 참조하면, 상기 배터리 모듈(1)은, 그 내부에 냉각 유체가 공급되었을 때 냉각 유체의 수위가 빠르게 상승할 수 있도록 하기 위해 에어 인렛(400) 및 에어 아웃렛(500)을 적어도 부분적으로 폐쇄하는 팽창 패드(E)를 더 포함 할 수 있다.

상기 팽창 패드(E)는 모듈 하우징(300)의 내측면에 부착되며, 에어 인렛(400)과 에어 아웃렛(500)의 개방 면적보다 작은 사이즈를 갖는다. 상기 팽창 패드(E)는 배터리 모듈(1)의 정상적인 사용 상태에서 에어 인렛(400)과 에어 아웃렛(500)을 통한 공기의 흐름을 원활할 수 있도록 하기 위해 에어 인렛(400)과 에어 아웃렛(500)의 개방 면적 대비 대략 30% 미만의 사이즈를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명의 도면에서는 상기 팽창 패드(E)가 모듈 하우징(300)의 내측면에 부착됨에 있어서 바닥면에 부착된 경우만을 도시하고 있으나, 팽창 패드(E)는 모듈 하우징(300)의 상부 또는 측부에 부착될 수도 있다.

상기 팽창 패드(E)는 배터리 모듈(1)의 내부로 유입된 냉각 유체와 접촉함으로써 팽창되어 에어 인렛(400) 및 에어 아웃렛(500)을 폐쇄한다. 상기 팽창 패드(E)는, 수분을 흡수하는 경우 매우 큰 팽창율을 나타내는 수지를 함유하는 것으로서, 충분한 양의 수분이 제공되는 경우 초기 부피 대비 적어도 대략 2배 이상 그 부피가 증가하는 수지를 함유한다. 상기 팽창 패드(E)에 이용되는 수지로는, 예를 들어 SAF(super absorbent fiber)와 폴리에스테르 스테이플 파이버(polyester staple fiber)가 혼합된 부직포를 들 수 있다. 상기 SAF는 SAP(고흡수성 수지, super absorbent polymer)를 파이버(fiber) 형태로 제작한 것이다.

한편, 상기 팽창 패드(E)의 팽창에 따른 에어 인렛(400) 및 에어 아웃렛(500)의 폐쇄는, 반드시 냉각 유체가 누수될 수 없는 수준의 완전한 폐쇄를 의미하는 것은 아니며, 누수량을 줄일 수 있도록 에어 인렛(400)과 에어 아웃렛(500)의 개방 면적을 줄여주는 경우 역시 포함하는 것이다.

상기 팽창 패드(E)의 적용으로 인해, 적어도 일부 배터리 모듈(1)에서 열 폭주 현상이 발생되어 배터리 모듈(1) 내부로 냉각 유체가 유입되는 경우, 에어 인렛(400) 및 에어 아웃렛(500)은 폐쇄된다. 이처럼 상기 에어 인렛(400)과 에어 아웃렛(500)이 폐쇄되는 경우 배터리 모듈(1)의 내부로 유입된 냉각 유체는 외부로 빠져나가지 않고 배터리 모듈(1)의 내부에 고이게 되며, 이로써 배터리 모듈(1)에 발생된 열 폭주 현상의 빠른 해소가 가능하게 된다.

도 12를 참조하면, 상기 팽창 패드(E)는, 한 쌍이 구비될 수 있으며, 이 경우 한 쌍의 팽창 패드(E)는 모듈 하우징(300)의 내측면 상부와 하부에 각각 부착된다. 상기 한 쌍의 팽창 패드(E)는 서로 대응되는 위치에 부착되어 팽창 시에 상호 접하여 에어 인렛(400) 및 에어 아웃렛(500)을 폐쇄한다.

도 13을 참조하면, 상기 팽창 패드(E)는, 모듈 하우징(300)의 내측면에 소정의 깊이로 형성된 수용 홈(300a) 내에 적어도 일부가 삽입되어 고정될 수 있다.

도 14를 참조하면, 상기 팽창 패드(E)는, 수분의 흡수에 따른 팽창 시에 그 양 측에 각각 배치되는 한 쌍의 메쉬 플레이트(400a, 500a)에 의해 팽창을 위한 움직임이 가이드 될 수 있다. 상기 메쉬 플레이트(400a, 500a)는 메쉬 타입(mesh type)의 플레이트로서 팽창 패드(E)가 팽창되지 않은 상태에서는 공기 및 냉각 유체가 통과될 수 있는 구조를 갖는다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS(Energy storage system)는 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 복수개 포함한다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1: 배터리 모듈
100: 배터리 셀
110: 전극 리드
200: 버스바 프레임
300: 모듈 하우징
310: 베이스 커버
300a: 수용 홈
320: 사이드 커버
330: 프론트 커버
340: 리어 커버
G: 가이드 플레이트
400: 에어 인렛
500: 에어 아웃렛
400a, 500a: 메쉬 플레이트
E: 팽창 패드
600: 스프링클러
610: 커플러
P: 냉각 유체 분사구
620: 스프링클러 헤드
621: 유리 벌브
622: 홀딩 브라켓
630: 절연 커버
631: 고정부
632: 커버부
632a: 제1 영역
H: 커버 홀
632b: 제2 영역
633: 오리피스

Claims

복수의 배터리 셀;
상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징;
상기 셀 적층체의 적층 방향의 일 측에서 상기 모듈 하우징을 관통하는 스프링클러; 및
상기 모듈 하우징 내에 고정되되, 그 길이 방향의 일 측 단부가 상기 스프링클러를 향하도록 수평면에 대하여 경사지게 설치되는 적어도 하나의 가이드 플레이트;를
포함하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는 복수 개 구비되며,
복수 개의 상기 가이드 플레이트는 상기 복수의 배터리 셀의 적층 방향을 따라 소정 간격 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 모듈 하우징은,
상기 셀 적층체의 하면 및 상면을 각각 커버하는 한 쌍의 베이스 커버;
상기 모듈 하우징은, 상기 셀 적층체의 측면을 커버하는 한 쌍의 사이드 커버;
상기 셀 적층체의 전면을 커버하는 프론트 커버; 및
상기 셀 적층체의 후면을 커버하는 리어 커버;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제3항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는
상기 사이드 커버의 내측면으로부터 내측으로 돌출되어 상기 셀 적층체의 하면을 커버하는 상기 베이스 커버 측을 향해 경사지게 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제3항에 있어서,
상기 배터리 모듈은,
상기 셀 적층체의 폭 방향 일 측 및 타 측에 각각 결합되는 한 쌍의 버스바 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제5항에 있어서,
상기 스프링클러는,
상기 리어 커버의 길이 방향 일 측을 관통하여 상기 버스바 프레임과 상기 사이드 커버 사이에 형성되는 빈 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 스프링클러는,
상기 모듈 하우징의 외측에 위치하며, 냉각유체를 공급하는 공급관과 연결되는 커플러;
상기 모듈 하우징의 내측에 위치하며, 상기 커플러와 연결되는 스프링클러 헤드; 및
상기 스프링클러 헤드를 커버하는 절연 커버;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 스프링클러 헤드는,
상기 커플러의 냉각 유체 분사구를 차단하며, 상기 배터리 모듈 내부의 온도 및 기체의 유속이 기준치 이상이 되면 파단되어 상기 냉각 유체 분사구를 개방시키는 유리 벌브; 및
상기 유리 벌브를 감싸며 상기 유리 벌브를 고정시키는 홀딩 브라켓;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 절연 커버는 상기 셀 적층체 및 버스바 프레임과 대면하는 제1 영역 및 상기 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역을 포함하며,
상기 제1 영역은 가려진 면적이 개방된 면적보다 더 넓게 형성되고, 상기 제2 영역은 가려진 면적보다 개방된 면적이 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제9항에 있어서,
상기 제1 영역은 냉각 유체의 분출을 위한 적어도 하나의 커버 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제5항에 있어서,
상기 배터리 모듈은,
상기 프론트 커버를 관통하여 형성되는 에어 인렛;
상기 리어 커버를 관통하여 형성되는 에어 아웃렛; 및
상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛의 내측에 배치되며, 상기 배터리 모듈 내로 유입된 냉각유체와의 접촉에 따라 팽창하여 상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛을 적어도 부분적으로 폐쇄하는 팽창 패드;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제11항에 있어서,
상기 팽창 패드는,
상기 모듈 하우징의 내측면 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제11항에 있어서,
상기 팽창 패드는,
상기 모듈 하우징의 내측면에 형성된 수용 홈 내에 적어도 일부가 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제11항에 있어서,
상기 배터리 모듈은,
상기 팽창 패드의 양 측에 각각 배치되어 상기 팽창 패드의 팽창을 위한 움직임을 가이드 하는 메쉬 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제11항에 있어서,
상기 에어 인렛 및 에어 아웃렛은,
상기 버스바 프레임과 사이드 커버 사이에 형성되는 빈 공간과 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 복수 개 포함하는 ESS.