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JP7325555B2 - バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び電力貯蔵装置 - Google Patents
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バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び電力貯蔵装置 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び電力貯蔵装置に関する。
本出願は、２０１９年７月３日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００８０１９４号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
製品群に応じた適用性が高く、且つ、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車（ＥＶ、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ、Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などに普遍的に適用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少できるという一次的な長所だけでなく、エネルギー使用に伴う副産物が全く生じないという点で、環境にやさしく、エネルギー効率が向上できることから、新しいエネルギー源として注目を集めている。
現在、広く使用される二次電池の種類としては、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セル、即ち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．５Ｖである。したがって、これよりさらに高い出力電圧が要求される場合、複数のバッテリーセルを直列接続してバッテリーパックを構成する。また、バッテリーパックに要求される充放電容量によって複数のバッテリーセルを並列接続してバッテリーパックを構成し得る。したがって、前記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの数は、要求される出力電圧または充放電容量によって多様に設定可能である。
なお、複数のバッテリーセルを直列・並列接続してバッテリーパックを構成する場合、少なくとも一つのバッテリーセルを含むバッテリーモジュールを先に構成し、このような少なくとも一つのバッテリーモジュールを用いてその他の構成要素を追加してバッテリーパックを構成する方法が一般的である。ここで、少なくとも一つのバッテリーモジュールを含むバッテリーパックは、多様な電圧と容量要求条件などによって、このようなバッテリーパックを少なくとも一つ以上含むバッテリーラックが備えられる電力貯蔵装置を構成することもある。
従来、電力貯蔵装置を構成するバッテリーモジュールの場合、複数個のバッテリーモジュールを含むバッテリーパックを収容するコンテナには、バッテリーセルの特徴上、発生し得る過熱などによる火事などに対処するために、コンテナ内に防火施設構造物が備えられる。
しかし、バッテリーモジュール内で火事が発生する場合、迅速な火事鎭圧の難しい問題がある。バッテリーモジュール内で火事が迅速に鎮圧されないか、または火事が広がる速度を遅らせない場合、周辺のバッテリーモジュールへの火事の伝播が速くなる問題がある。これによって、追ってラックコンテナ内の防火施設構造物が動作する時点では、既に復旧しにくい被害が発生した後となる可能性が高いという問題がある。
そこで、火事状況の発生時、より迅速な早期鎭圧が必要であり、特に、火事が起こる前に予め危険を感知して事故を未然に防止する対策が必要である。即ち、内部短絡などによって危険状況が発生した少なくともいずれか一つのバッテリーセルの自己発熱によって隣接するバッテリーセルへの熱伝播による連鎖的な熱暴走現象を防止することが要求される。
このために、バッテリーモジュール単位において少なくとも一つのバッテリーセルの異常状況の発生時、単に熱暴走速度を遅らすよりは、窮極的に熱伝播及び熱暴走を抑制することができる方案が求められる。
本発明は、少なくとも一つのバッテリーセルの異常状況の発生時、熱伝播及び熱暴走を抑制することができるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び電力貯蔵装置を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明は、バッテリーモジュールであって、相互に積層される複数個のバッテリーセルを含む複数個のバッテリーセル組立体と、前記複数個のバッテリーセル組立体の間に備えられ、内部に所定の冷却水が充填され、一端部に内部圧力変化によって開閉される少なくとも一つのメンブレイン部材を備える少なくとも一つの冷却ユニットと、を含むことを特徴とする、バッテリーモジュールを提供する。
前記少なくとも一つのメンブレイン部材は、前記内部圧力が所定の圧力以上であるとき、開放されて前記少なくとも一つの冷却ユニットの内部を外部と連通させ得る。
前記少なくとも一つの冷却ユニットは、前記冷却水と、前記冷却水が充填されるメインケースと、前記メインケースを囲むカバーケースと、前記カバーケース及び前記メインケースの少なくとも一つに備えられ、前記カバーケースの外に露出する前記少なくとも一つのメンブレイン部材と、を含み得る。
前記少なくとも一つのメンブレイン部材は、前記メインケースの上端部に備えられるメンブレインホールと、前記メンブレインホールに対応する位置に設けられ、前記内部圧力の変化によって前記カバーケースに開閉可能に備えられるメンブレインフィルターと、を含み得る。
前記メンブレイン部材は、複数個が設けられ、前記複数個のメンブレイン部材は、相互に所定の距離で離隔して配置され得る。
前記少なくとも一つのメンブレイン部材は、前記内部圧力が所定の圧力未満であるとき、前記メインケースの内部を密閉し、前記内部圧力が所定の圧力以上であるとき、前記メインケースの内部を前記カバーケースの外部と連通させ得る。
前記メインケースは、金属材質であり得る
前記カバーケースは、断熱材であり得る。
なお、本発明は、バッテリーパックであって、前述した実施例による少なくとも一つのバッテリーモジュールと、前記少なくとも一つのバッテリーモジュールをパッケージングするパックケースと、を含むことを特徴とするバッテリーパックを提供する。
また、本発明は、電力貯蔵装置であって、前述した実施例による少なくとも一つのバッテリーパックを含むことを特徴とする電力貯蔵装置を提供する。
以上のような多様な実施例によって、少なくとも一つのバッテリーセルの異常状況の発生時、熱伝播及び熱暴走を抑制することができるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び電力貯蔵装置を提供することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールの断面図である。 図２のバッテリーモジュールの主要部の拡大図である。 図３のバッテリーモジュールの冷却ユニットのメンブレイン部材を説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールの冷却ユニットの内部圧力の上昇時における動作を説明するための図である 図１のバッテリーモジュールの冷却ユニットの内部圧力の上昇時における動作を説明するための図である 図１のバッテリーモジュールの冷却ユニットの内部圧力の上昇時における動作を説明するための図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを説明するための図である。 本発明の一実施例による電力貯蔵装置を説明するための図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。ここで説明される実施例は、発明の理解を助けるために例示的に示したものであり、本発明は、ここで説明する実施例とは相違に多様に変形して実施できることを理解せねばならない。なお、発明の理解を助けるために、添付の図面は、実際の縮尺ではなく一部構成要素が誇張または省略されるか、概略的に示されることがある。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図であり、図２は、図１のバッテリーモジュールを断面図であり、図３は、図２のバッテリーモジュールの主要部の拡大図であり、図４は、図３のバッテリーモジュールの冷却ユニットのメンブレイン部材を説明するための図である。
図１～図４を参照すると、バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル組立体１００及び冷却ユニット２００を含み得る。
前記バッテリーセル組立体１００は、少なくとも一つまたは複数個が備えられ得る。以下、本実施例の前記バッテリーセル組立体１００が複数個で備えられることに限定して説明する。
複数個のバッテリーセル組立体１００は、各々、バッテリーセル１１０及び冷却プレート１３０を含み得る。
前記バッテリーセル１１０は二次電池であって、パウチ型二次電池、角形二次電池または円筒型二次電池であり得る。以下、本実施例においては、前記バッテリーセル１１０がパウチ型二次電池であることに限定して説明する。前記バッテリーセル１１０は、複数個が備えられ得る。前記複数個のバッテリーセル１１０は、相互に電気的に接続可能に積層され得る。
前記冷却プレート１３０は、複数個が備えられ得る。前記複数個の冷却プレート１３０は、前記複数個のバッテリーセル１１０の間に配置され得る。前記複数個の冷却プレート１３０は、高い熱伝導度を有する材質からなり得る。一方、前記複数個の冷却プレート１３０には、各々、空冷式の方式でバッテリーセル１１０を冷却する少なくとも一つのエア空間が備えられ得る。
前記冷却ユニット２００は、前記複数個のバッテリーセル組立体１００を冷却し、異常状況による熱伝播及び熱暴走を抑制するためのものであって、少なくとも一つまたはそれ以上の複数個が備えられ、前記複数個のバッテリーセル組立体１００の間に備えられ得る。
以下、本実施例では、前記冷却ユニット２００が複数個で備えられることに限定して説明する。
前記複数個の冷却ユニット２００は、各々、冷却水２１０、メインケース２３０、カバーケース２５０及びメンブレイン部材２７０を含み得る。
前記冷却水２１０は、前記冷却ユニット２００の内部、具体的には、後述するメインケース２３０の内部に所定の量で充填され得る。このような冷却水２１０は、水であり得る。本実施例による前記複数個の冷却ユニット２００は、前記水で構成される冷却水２１０によって異常状況による前記バッテリーセル組立体１００の熱暴走を防止することができる。具体的には、前記水で構成される冷却水２１０の蒸発潜熱を用いて前記バッテリーセル組立体１００の自己発熱を吸収し、隣接するバッテリーセル組立体１００の温度を熱暴走温度（通常約２００℃以上の温度）以下に維持させることができる。
前記メインケース２３０は、前記冷却水２１０を所定の量で充填するためのものであって、金属材質であり得る。本実施例において、前記メインケース２３０は、アルミニウム材質であり得る。
前記メインケース２３０の内部には、前記冷却水２１０が所定の量で充填され得る。ここで、前記メインケース２３０の内部の上端部には、前記冷却水２１０が充填されず、所定の空間が形成され得る。
前記カバーケース２５０は、前記メインケース２３０を囲み得る。このようなカバーケース２５０は、断熱材であり得る。例えば、前記カバーケース２５０は、ＥＰＰフォーム（Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｏａｍ）で設けられ得る。しかし、これに限定されることではなく、前記カバーケース２５０は、その他の公知の断熱材で設けられ得る。
前記カバーケース２５０は、熱暴走前のバッテリーセル組立体１００のバッテリーセル１１０の発熱または外部における発熱時、前記メインケース２３０の内部の前記冷却水２１０の早期の相変化を防止し、前記熱暴走時に円滑な相変化をガイドできる。
前記メンブレイン部材２７０は、前記冷却ユニット２００の一端部、具体的には、前記メインケース２３０の上端部の内部圧力変化によって開閉され得る。このようなメンブレイン部材２７０は、前記内部圧力が所定の圧力以上であるとき、開放されて前記少なくとも一つの冷却ユニット２００の内部、具体的には、前記メインケース２３０の内部を外部と連通させることができる。より具体的には、前記メンブレイン部材２７０は、前記内部圧力が所定の圧力未満であるとき、前記メインケース２３０の内部を密閉し、前記内部圧力が所定の圧力以上であるとき、前記メインケース２３０の内部を前記カバーケース２５０の外部と連通させ得る。
このようなメンブレイン部材２７０は、前記カバーケース２５０及び前記メインケース２３０の少なくとも一つに備えられ、前記カバーケース２５０の外に露出し得る。
前記メンブレイン部材２７０は、少なくとも一つまたはそれ以上の複数個が備えられ得る。以下、本実施例では、前記メンブレイン部材２７０が複数個で備えられることに限定して説明する。前記複数個のメンブレイン部材２７０は、相互に所定の距離で離隔して配置され得る。
以下、前記複数個のメンブレイン部材２７０についてより具体的に説明する。
前記複数個のメンブレイン部材２７０は、各々、メンブレインホール２７２及びメンブレインフィルター２７６を含み得る。
前記メンブレインホール２７２は、前記メインケース２３０の上端部に備えられ得る。このようなメンブレインホール２７２は、後述するメンブレインフィルター２７６に対向するように配置され得る。
前記メンブレインフィルター２７６は、前記メンブレインホールに対応する位置に設けられ得る。このようなメンブレインフィルター２７６は、前記カバーケース２５０に備えられ、前記内部圧力変化によって前記カバーケース２５０に開閉可能に備えられ得る。このため、前記カバーケース２５０には、前記メンブレインフィルター２７６が開閉可能に装着される所定のホールが形成され得る。
前記メンブレインフィルター２７６が開放される場合、前記メインケース２３０の上端部は、前記メンブレインホール２７２を通じて前記カバーケース２５０の外に露出し得る。一方、前記メンブレインフィルター２７６は、前記メインケース２３０に備えられ、前記メンブレインホール２７２を開閉するように備えられることも可能である。この場合、前記カバーケース２５０には、前記メンブレインフィルター２７６の開放時、前記メンブレインフィルター２７６が干渉されず、前記メンブレインホール２７２を前記カバーケース２５０の外に露出できる開口が設けられ得る。
以下、本実施例による前記冷却ユニット２００の内部圧力が上昇するときの具体的な動作について説明する。
図５～図７は、図１のバッテリーモジュールの冷却ユニットの内部圧力の上昇時における動作を説明するための図である。
図５～図７を参照すると、前記バッテリーモジュール１０において、前記バッテリーセル組立体１００の少なくとも一つのバッテリーセル１１０で内部短絡などによる異常状況が発生したとき、前記バッテリーセル組立体１００の温度が上昇し得る。このような温度上昇によって、前記冷却ユニット２００の前記メインケース２３０内部の前記冷却水２１０の温度が上昇して前記冷却水２１０が水蒸気Ｇに相変化し得る。
前記水蒸気Ｇが一定量発生すると、前記メインケース２３０の内部圧力が上昇するようになり、前記所定の圧力以上に内部圧力が上昇する場合、前記メンブレイン部材２７０の前記メンブレインフィルター２７６が開放され得る。
このようなメンブレインフィルター２７６の開放によって、前記メインケース２３０内部の前記水蒸気Ｇは、前記メンブレインホール２７２を経て前記カバーケース２５０の外へ排出され得る。このようなメンブレイン部材２７０によって、前記異常状況の発生時に前記冷却ユニット２００内部の過度な圧力上昇を防止することができる。
また、排出された水蒸気Ｇは、異常状況の発生によって前記バッテリーセル組立体１００で発生し得るベンティングガス、スパーク、火炎などの隣接するバッテリーセル組立体１００への移しなどを最小化することができる。
本実施例の場合、前記水で備えられる前記冷却水２１０の充填構造である前記冷却ユニット２００によって、別のセンサー、制御器などの付加設備なく自然的な対流熱伝達及び相変化による効果的な冷却システムを作動させることができる。
したがって、本実施例においては、前記冷却ユニット２００によって前記バッテリーセル組立体１００の前記少なくとも一つのバッテリーセル１１０における異常状況の発生時に惹起され得る熱伝播及び熱暴走をより効率的に抑制することができ、このような熱伝播及び熱暴走の危険を事前に一層効果的に遮断することができる。
図８は、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。
本実施例によるバッテリーパック２０は、前述した実施例による前記バッテリーパック１０と類似であるので、前述した実施例と実質的に同一または類似な構成については重複する説明を省略し、以下、前述した実施例との差異を中心にして説明する。
図８を参照すると、前記バッテリーパック２０は、バッテリーセル組立体１００及び冷却ユニット２０５を含み得る。
前記バッテリーセル組立体１００は、前述した実施例と実質的に同一または類似であるので、以下、重複する説明を省略する。
前記冷却ユニット２０５の外面には、前記冷却ユニット２０５の長手方向、高さ方向の少なくとも一方向へ所定の長さに形成される複数個の溝部２９０が形成され得る。本実施例による前記冷却ユニット２０５は、前記複数個の溝部２９０を通じて前記冷却ユニット２０５の外表面積をさらに確保することができる。
図９は、本発明の一実施例によるバッテリーパックを説明するための図である。
図９を参照すると、バッテリーパック１は、前述した実施例による少なくとも一つのバッテリーモジュール１０（２０）及び前記少なくとも一つのバッテリーモジュール１０（２０）をパッケージングするパックケース５０を含み得る。
このようなバッテリーパック１は、自動車の燃料源として自動車に備えられ得る。例えば、前記バッテリーパック１は、電気自動車、ハイブリッド自動車及びその他のバッテリーパック１を燃料源として利用可能なその他の方式で自動車に備えられ得る。また、前記バッテリーパック１は、前記自動車の外にも、二次電池を用いる電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などのその他の装置や器具及び設備などにも具備可能であることは勿論である。
このように、本実施例による前記バッテリーパック１は、前述した前記バッテリーモジュール１０（２０）を含むことから、前述したバッテリーモジュール１０（２０）による長所を全て有するバッテリーパック１を具現することができる。
図１０は、本発明の一実施例による電力貯蔵装置を説明するための図である。
図１０を参照すると、電力貯蔵装置Ｅは、エネルギー源として家庭用または産業用に用いられ得る。このような電力貯蔵装置Ｅは、前述した実施例の少なくとも一つ、本実施例の場合、複数個のバッテリーパック１及び前記複数個のバッテリーパック１を収容するコンテナＣを含み得る。
本実施例による前記電力貯蔵装置Ｅは、前述した実施例の前記バッテリーパック１を含むことから、前述した実施例の前記バッテリーパック１の長所を全て含む電力貯蔵装置Ｅを提供することができる。
以上のような多様な実施例によって、少なくとも一つのバッテリーセル１１０における異常状況の発生時、熱伝播及び熱暴走を抑制することができるバッテリーモジュール１０、それを含むバッテリーパック１及び電力貯蔵装置Ｅを提供することができる。
結局、本実施例においては、前記冷却ユニット２００によって、少なくとも一つのバッテリーセル１１０における異常状況の発生時、バッテリーモジュール１０単位の熱伝播及び熱暴走をさらに効果的かつ基本的に抑制することができる。
以上、本発明の望ましい実施例について図示及び説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって多様に変形できることは言うまでもなく、かかる変形は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはいけない。
１ バッテリーパック
１０ バッテリーモジュール
２０ バッテリーパック
５０ パックケース
１００ バッテリーセル組立体
１１０ バッテリーセル
１３０ 冷却プレート
２００ 冷却ユニット
２０５ 冷却ユニット
２１０ 冷却水
２３０ メインケース
２５０ カバーケース
２７０ メンブレイン部材
２７２ メンブレインホール
２７６ メンブレインフィルター
２９０ 溝部

Claims (10)

  1. バッテリーモジュールであって、
    相互に積層される複数個のバッテリーセルを含む複数個のバッテリーセル組立体と、
    前記複数個のバッテリーセル組立体の間に備えられ、内部に所定の冷却水が充填され、一端部に内部圧力変化によって開閉される少なくとも一つのメンブレイン部材を備える少なくとも一つの冷却ユニットと、を含み、
    前記少なくとも一つのメンブレイン部材は、前記複数個のバッテリーセル組立体の間に配置された前記少なくとも一つの冷却ユニットの各々の上端部に設けられることを特徴とする、バッテリーモジュール。
  2. 前記少なくとも一つのメンブレイン部材は、
    前記内部圧力が所定の圧力以上であるとき、開放されて前記少なくとも一つの冷却ユニットの内部を外部と連通させることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. バッテリーモジュールであって、
    相互に積層される複数個のバッテリーセルを含む複数個のバッテリーセル組立体と、
    前記複数個のバッテリーセル組立体の間に備えられ、内部に所定の冷却水が充填され、一端部に内部圧力変化によって開閉される少なくとも一つのメンブレイン部材を備える少なくとも一つの冷却ユニットと、を含み、
    前記少なくとも一つの冷却ユニットは、
    前記冷却水と、
    前記冷却水が充填されるメインケースと、
    前記メインケースを囲むカバーケースと、
    前記カバーケース及び前記メインケースの少なくとも一つに備えられ、前記カバーケースの外に露出する前記少なくとも一つのメンブレイン部材と、を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記少なくとも一つのメンブレイン部材は、
    前記メインケースの上端部に備えられるメンブレインホールと、
    前記メンブレインホールに対応する位置に設けられ、前記内部圧力の変化によって前記カバーケースに開閉可能に備えられるメンブレインフィルターと、を含むことを特徴とする、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記メンブレイン部材は、複数個が設けられ、
    前記複数個のメンブレイン部材は、相互に所定の距離で離隔して配置されることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記少なくとも一つのメンブレイン部材は、
    前記内部圧力が所定の圧力未満であるとき、前記メインケースの内部を密閉し、前記内部圧力が所定の圧力以上であるとき、前記メインケースの内部を前記カバーケースの外部と連通させることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記メインケースが、金属材質であることを特徴とする、請求項３～６のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記カバーケースが、断熱材であることを特徴とする、請求項３～７のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  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バッテリーモジュールと、
    前記少なくとも一つのバッテリーモジュールをパッケージングするパックケースと、を含む、バッテリーパック。
  10. 請求項９に記載の少なくとも一つのバッテリーパックを含む、電力貯蔵装置。
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