JP7258410B2 - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０１９年１０月１８日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１２９９４８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関し、より具体的には熱暴走が発生しても隣接するモジュールに影響を減らし得る電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関する

現代社会では携帯電話、ノートブック、カムコーダ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化されるにつれ、前記のようなモバイル機器と関連する分野の技術に対する開発が活発に行われている。また、充放電が可能な二次電池は化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）などの動力源として用いられているため、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。

現在の商用化された二次電池としてはニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあるが、その中でリチウム二次電池はニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起きず充放電が自由で、自己放電率が非常に低くエネルギ密度が高い長所を有するため脚光を浴びている。

このようなリチウム二次電池は主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、すなわち電池ケースを備える。

一般的にリチウム二次電池は外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に内蔵されている缶型二次電池と電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池に分類される。

小型機器に用いられる二次電池の場合、２－３個の電池セルが配置されるか、自動車などのような中大型デバイスに用いられる二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が用いられる。このような電池モジュールは多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されてセル組立体を形成することによって容量および出力が向上する。また、一つ以上の電池モジュールはＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に取り付けられて電池パックを形成することができる。

複数個の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一つの電池セルからなる電池モジュールを先に構成し、このような少なくとも一つの電池モジュールを用いてその他構成要素を追加して電池パックを構成する方法が一般的である。前記電池パックに含まれる電池モジュールの個数、または電池モジュールに含まれる電池セルの個数は求められる出力電圧または充放電容量によって多様に設定することができる。

一方、複数の電池モジュールを用いて電池パックを構成する場合、複数の電池モジュールのうち一部のモジュールに過充電など異常動作によって熱暴走が発生する場合は電池モジュールの外部に高温のガスおよび火炎が発散するが、これによって隣接する電池モジュールが共に損傷する問題がある。

本発明の実施形態は前記のような問題を解決するために提案されたものであって、異常動作によって熱暴走が発生しても、発散する高温のガスおよび火炎を分散させることによって隣接する電池モジュールへの影響を最小化できる電池モジュールおよびそれを含む電池パックの提供をその目的とする。

ただし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、一つ以上の電池セルを含む電池セル組立体、前記電池セル組立体を収納し、前記電池セル組立体の４面を覆う４個の面からなる四角管形状のモジュールフレーム、および前記４個の面のうち２個の面が接するエッジ部に形成された複数の第１ベント孔を含む。

前記第１ベント孔は前記電池セル組立体の上面を覆う前記モジュールフレームの一面および前記電池セル組立体の側面を覆う前記モジュールフレームの他面が接するエッジ部に対応して位置し得る。

前記第１ベント孔は前記エッジ部で前記一面の一部および前記側面の一部が除去されて形成され得る。

前記複数の第１ベント孔は前記モジュールフレームの長手方向に沿う二つのエッジ上にそれぞれ形成され得る。

前記二つのエッジ上に形成された前記第１ベント孔は互いに対称になる位置に形成され得る。

前記二つのエッジ上に形成された前記第１ベント孔は互いにずれる位置に形成され得る。

前記モジュールフレームは前記電池セル組立体の長手方向の両端に位置する開口を含み、前記電池モジュールは前記開口に結合するエンドプレート、および前記エンドプレートに形成された複数の第２ベント孔をさらに含み得る。

前記複数の第１ベント孔は一つのエッジに１個以上形成され得る。

本発明の他の一実施形態による電池パックは、上記した少なくとも一つの電池モジュール、および前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケースを含み得る。

本発明の他の一実施形態によるデバイスは上記した少なくとも一つの電池パックを含み得る。

本発明の実施形態によれば、異常動作によって熱暴走が発生しても、発散する高温のガスおよび火炎を分散させることによって隣接する電池モジュールへの影響を最小化して隣接する電池モジュールの損傷を防止することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図１の電池モジュールに対する分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池パックで熱暴走が発生する場合を説明するための図である。 比較例による電池パックで熱暴走が発生する場合を説明するための図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールの斜視図である。

以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。

また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限定されない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして、図面で、説明の便宜上一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「上に」または「の上に」あるという時、これは他の部分の「すぐ上に」ある場合だけでなくその中間にまた他の部分がある場合も含む。逆にある部分が他の部分の「すぐ上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「上に」または「の上に」あるとは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上に」または「の上に」位置することを意味するものではない。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

図１は本発明の一実施形態による電池モジュール１００の概略的な斜視図であり、図２は図１の電池モジュール１００の分解斜視図である。

図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態による電池モジュール１００は一つ以上の電池セルを含む電池セル組立体４００、電池セル組立体４００を収納するモジュールフレーム２００および電池セル組立体４００の長手方向の両端に位置し、モジュールフレーム２００の開口に結合するエンドプレート３００を含む。

電池セル組立体４００は複数の電池セル１１２を含む二次電池の集合体である。電池セル組立体４００は複数の電池セル１１２を含み得、それぞれの電池セルは電極リード１１４を含む。電池セル１１２は板状を有するパウチ型電池セルであり得るが、これに限定されるものではない。電極リード１１４は正極リードまたは負極リードであり、各電池セル１１２の電極リード１１４は端部が一方向に曲がり得、これによって隣接する他の電池セル１１２が有する電極リードの端部と当接する。互いに当接した２個の電極リード１１４は互いに溶接などにより固定され、これにより電池セル組立体４００内部の電池セル１１２間の電気的な接続がなされる。

また、電池セル組立体４００とともにモジュールフレーム２００に収納されるバスバーフレーム５００が設けられる。バスバーフレーム５００はセル組立体４００の上部に位置した上部フレーム５１０、電池セル組立体４００の前面に位置した前面フレーム５２０および電池セル組立体４００の後面に位置した後面フレーム５３０を含み得、電池セル組立体４００を構成する電池セルの電極リード１１４と連結されたバスバー５４０が前面フレーム５２０および後面フレーム５３０に搭載される。

複数の電池セル１１２は電極リード１１４が一側方向に整列するように垂直積層されて電池セル組立体４００をなす。電池セル組立体４００は電池セル組立体４００の長手方向に開放された少なくとも一つの開口を有するモジュールフレーム２００に収納される。この時、電極リード１１４は前記開口を介してモジュールフレーム２００の外側に引き出され、引き出された電極リード１１４はバスバーフレーム５００の前面フレーム５２０および後面フレーム５３０にそれぞれ結合し、ここに搭載されたバスバー５４０と電気的に接続される。ここでバスバーフレーム５００は絶縁性素材、例えば非伝導性合成樹脂からなり、バスバー５４０は伝導性の金属材料からなる。

電池モジュール１００は電池セル組立体４００の上部でモジュールフレーム２００の長手方向に延びて取り付けられて電池セル１１２をセンシングするように構成されたフレキシブル印刷回路基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ，ＦＰＣＢ）（図示せず）を含み得る。さらに電池モジュール１００は各種電装部品を含み得、一例としてＩＣＢ （Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）およびＢＭＳ （Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）などを含み得る。前記ＩＣＢおよびＢＭＳボードなどの電装部品は複数の電池セル１１２と電気的に接続され得る。

電池モジュール１００は電池セル組立体４００の下面とモジュールフレーム２００の間に位置する熱伝導性樹脂層７００をさらに含むことができる。熱伝導性樹脂層７００は熱伝導性樹脂が注入されて形成されたものであり、電池セル組立体４００から発生した熱を電池モジュール１００の底に伝達する役割と共にセル組立体４００を電池モジュール１００内で固定する役割をすることができる。

一方、電池セル組立体４００の側面には放熱板８００が備えられてモジュールフレーム２００に共に収納されるが、特に限定されるものではない。

本実施形態による電池モジュール１００において、モジュールフレーム２００は複数の第１ベント孔２１０を含む。

図１および図２に示すように、複数の第１ベント孔２１０はモジュールフレーム２００の４個の面のうち２個の面が接するエッジ部に形成される。すなわち、モジュールフレーム２００は、電池セル組立体４００の上部を覆う上面および下部を覆う下面を含み、上面と下面を連結する２個の側面を含み、長手方向の両端部が開口された四角管形状を有する。この中、２個の側面と上面が接する２個のエッジ部に複数の第１ベント孔２１０が形成される。

第１ベント孔２１０はエッジ部でモジュールフレーム２００の上面の一部およびモジュールフレーム２００の側面の一部が除去された形状を有する。すなわち、モジュールフレーム２００のいずれか一つの面に形成されるのではなく、一つの第１ベント孔２１０が２個の面にかけて形成される。このような構成によれば、電池モジュール１００の製造過程または使用過程で上下方向または左右方向に圧力が加えられても、第１ベント孔２１０に加えられる負荷が減少するので、第１ベント孔２１０を複数で形成しても電池モジュール１００の剛性などには影響を最小化することができる。

複数の第１ベント孔２１０はモジュールフレーム２００の長手方向に沿う二つのエッジ部それぞれに形成されることができ、この時二つのエッジ部に形成された複数の第１ベント孔２１０は図１および図２に示すように互いに向き合うように対称になる位置に形成される。第１ベント孔２１０の個数および大きさは特に限定されず、電池モジュール１００の仕様、モジュールフレーム２００の剛性ないし使用環境などを考慮して適宜選択することができる。例えば一つのエッジに１個以上の第１ベント孔２１０が形成される。第１ベント孔２１０がいずれか一つのエッジにのみ形成される場合、高温のガスおよび火炎分散効果を期待することは難しいため、それぞれのエッジ部に少なくとも一つの第１ベント孔２１０が形成されることが好ましい。

一方、モジュールフレーム２００の開口には、エンドプレート３００が結合される。エンドプレート３００には複数の第２ベント孔３１０が形成される。複数の第２ベント孔３１０は両側エンドプレート３００すべてに形成されることもでき、片方のエンドプレート３００にのみ形成されることもできる。高温のガスおよび火炎をより効果的に分散させる側面から、両側エンドプレート３００すべてに形成されることがより好ましい。第２ベント孔３１０は第１ベント孔２１０のように単に高温のガスおよび火炎を分散するためにのみ形成された構成ではないため、既存のバスバー端子などをエンドプレート３００の外側に露出させるために形成された孔がベント孔の機能をするものであっても良い。

図３は本発明の一実施形態による電池パックで熱暴走が発生する場合を説明するための図面であり、図４は比較例による電池パックで熱暴走が発生する場合を説明するための図である。

図３に示すように、電池パック１０には複数の電池モジュール１００が隣接して含まれる。この時、本発明の一実施形態のように、モジュールフレーム２００のエッジ部に複数の第１ベント孔２１０が形成される場合、図３に示すように熱暴走が発生した電池モジュール１００を基準として、いくつの方向に高温のガスおよび火炎が分散するので、電池パック１０内で熱暴走が発生した電池モジュール１００に隣接して位置する電池モジュール１００であっても、高温のガスおよび火炎による影響を少なく受けることができる。

反面、図４に示すように、別にベント孔を備えなかったり、電池モジュール１００の長手方向の端部にのみベント孔３１０が形成される場合、熱暴走が発生した電池モジュール１００から高温のガスおよび火炎が長手方向の端部に集中して発散するので、該当位置に隣接して配置された電池モジュール１００に熱が集中伝達され、高温の火炎が伝播されやすいため、隣接する電池モジュール１００も損傷する可能性が高く安全性が低下する。

このように本発明の一実施形態によれば、モジュールフレーム２００およびエンドプレート３００により電池セル組立体４００の六面をすべて囲む電池モジュール１００の構造においても、熱暴走発生時高温のガスおよび火炎を適切に分散して発散させることが可能であるので、隣接する電池モジュールの損傷を最小化して安全性を向上させることができる。

図５は本発明の他の実施形態による電池モジュールの斜視図である。

図５を参照すると、本発明の他の実施形態では、二つのエッジ部に形成された複数の第１ベント孔２１０が互いにずれる位置に形成されることができる。このように互いに向かい合うエッジ部に形成された複数の第１ベント孔２１０がずれて配置される場合、図３に示すように電池パック１０内で隣接して配置されても第１ベント孔２１０どうしが互いに隣接しなくなるので、熱暴走電池モジュールによる影響をより減少させることができる。すなわち、隣接する電池モジュール１００間の第１ベント孔２１０が互いに隣接しないことによって、熱暴走電池モジュール１００から放出された火炎が隣り合う電池モジュール１００の第１ベント孔２１０に直接伝播することを最小化することができる。このような第１ベント孔２１０の位置および大きさは、特に限定されるものではなく、電池モジュール１００および電池パック１０の構成に適するように適宜変更することができる。

このように、本発明の一実施形態によれば、熱暴走が発生した電池モジュール１００からの高温のガスおよび火炎の発散を分散させることができ、隣接する電池モジュール１００への影響を最小化でき、したがって、電池モジュール１００の損傷を防止できるため安全性を向上させることができる。

一方、本発明の実施形態による電池モジュールは一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。

前述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスとしては、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの輸送手段に適用できるが、本発明はこれに制限されず電池モジュールおよびそれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスへの適用が可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１００ 電池モジュール
２００ モジュールフレーム
３００ エンドプレート
４００ 電池セル組立体
２１０ 第１ベント孔
３１０ 第２ベント孔

Claims (10)

1. 一つ以上の電池セルを含む電池セル組立体；
   前記電池セル組立体を収納し、前記電池セル組立体の４面を覆う４個の面からなる四角管形状のモジュールフレーム；および
   前記４個の面のうち２個の面が接するエッジ部に形成された複数の第１ベント孔を含む、電池モジュール。
2. 前記第１ベント孔は、前記電池セル組立体の上面を覆う前記モジュールフレームの一面および前記電池セル組立体の側面を覆う前記モジュールフレームの他面が接するエッジ部に対応して位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記第１ベント孔は、前記エッジ部で前記一面の一部および前記側面の一部が除去されて形成される、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記複数の第１ベント孔は、前記モジュールフレームの長手方向に沿う二つのエッジ部にそれぞれ形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記二つのエッジ部に形成された前記第１ベント孔は、互いに対称になる位置に形成される、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記二つのエッジ部に形成された前記第１ベント孔は、互いにずれる位置に形成される、請求項４に記載の電池モジュール。
7. 前記モジュールフレームは、前記電池セル組立体の長手方向の両端に位置する開口を含み、
   前記電池モジュールは、前記開口に結合するエンドプレート、および前記エンドプレートに形成された複数の第２ベント孔をさらに含む、請求項１に記載の電池モジュール。
8. 前記複数の第１ベント孔は、一つのエッジに１個以上形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の、少なくとも一つの電池モジュール；および
   前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケース
   を含む、電池パック。
10. 請求項９による少なくとも一つの電池パックを含む、デバイス。

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