JP7744085B2 - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

Description

［関連出願（ら）との相互引用］
本出願は、２０２１年１１月０３日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１４９６２７号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の書類に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、電池パックおよびこれを含むデバイスに関し、より具体的には外部発火現象を防止することができる電池パックおよびこれを含むデバイスに関する。

現代社会では、携帯電話、ノートパソコン、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的になることに伴い、このようなモバイル機器と関連した分野の技術に対する開発が活発になってきている。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利用されているところ、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。

現在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、このうちリチウム二次電池は、充放電が自由であり、自己放電率が低く、エネルギー密度が高いという長所のため、最も注目されている。

一方、小型デバイスに利用される二次電池の場合、主に２～３個の電池セルが使用されるが、自動車などのような中大型デバイスに利用される二次電池の場合には、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュールまたは電池パックが使用される。

図１は従来の電池パックに形成されたメッシュの発火現象前後の様子を示した図面である。

電池モジュールまたは電池パックに装着された電池セルは、充放電過程で多量の熱を発生させることがあり、過充電などの理由でその温度が適正温度よりも高くなる場合には性能が低下することがあり、温度上昇が過度な場合には爆発または発火することがある。電池セルの発火時、電池モジュール、または電池パックの外部に高温の引火性ガスと共にセルの内部物質が噴出されることがあるが、このような内部物質は主にＣ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｌｉのような物質であり、高温のパーティクル（粒子）、つまり、スパークの形態で噴出される。

一方、このようなスパークは、電池モジュールまたは電池パック内で連続的な熱暴走現象を促進し得るだけでなく、外部に排出されると引火ガスまたは外部の酸素と接触することによって外部発火現象を誘発するという問題がある。したがって、最近は電池モジュールまたは電池パックのフレームにメッシュを形成することで、パーティクルの放出を最小化しようとする試みがある。

しかし、フレームにメッシュを形成しても図１のようにパーティクルがメッシュの開口を閉鎖する場合、内部ガスの放出が制限されるため、電池モジュールまたはパックの内部圧力が急速に増加することによって爆発またはフレームの破損を誘発するという問題がある。したがって、フレームの外部にスパークが放出されることを制限する効果的なフレーム構造が必要であるのが実情である。

本発明が解決しようとする課題は、スパークによる外部発火現象を防止することによって耐久性および安全性が向上した電池パックおよびこれを含むデバイスを提供することにある。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。

本発明の一実施形態による電池パックは、複数の電池セルを含む電池モジュールおよび前記電池モジュールを収容するパックフレームを含み、前記電池モジュールと前記パックフレームとの間には前記電池モジュールから発生したガスを排出するベンティング流路が備えられ、前記ベンティング流路の下面にはフィルターメッシュが形成される。

前記フィルターメッシュは、前記パックフレームの下面と平行に位置することができる。

前記ベンティング流路は、前記パックフレームの下面と離隔して位置することができる。

前記電池モジュールの一面にはベンティング部が形成され、前記電池モジュールは前記ベンティング部が形成された一面が前記ベンティング流路に向かうように配置され得る。

前記電池モジュールの一面にはベンティング部が形成され、前記電池モジュールは前記パックフレームの一面と前記ベンティング部とが向き合うように配置され得る。

前記ベンティング流路は、前記ベンティング部の上側に位置することができる。

前記フィルターメッシュは、前記ベンティング部の上側に位置することができる。

前記ベンティング部は、所定の圧力以上で破断される板の形態であり得る。

前記ベンティング部は、所定の圧力以上で開放されるバルブの形態であり得る。

本発明の他の実施形態によるデバイスは、前述の電池パックを少なくとも一つ含む。

実施形態によれば、本発明の電池パックは、電池パック外部にパーティクルが放出されることを防止することによって、電池パック外部に発火現象が伝播されることを防止することができる。

本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていない他の効果は請求の範囲の記載から当業者に明確に理解され得る。

従来の電池パックに形成されたメッシュの発火現象前後の様子を示した図面である。 本発明の一実施形態による電池パックの斜視図である。 図２による電池パックに含まれている電池モジュールの斜視図である。 図２による電池パックの上面図である。 図２による電池パックの部分断面図である。 フィルターメッシュの位置による効果を比較するための図面である。 フィルターメッシュの位置による効果を比較するための図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の多様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することができるように詳細に説明する。本発明は、以下で説明するもの以外に多様な異なる形態で実現することができ、本発明の範囲は、以下で説明する実施形態により限定されない。

本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に拡大したり縮小して示したものであるため、本発明の内容が図示されたものに限定されないことは自明である。以下の図面においては、複数の層および領域を明確に表現するために各層の厚さを拡大して示した。そして以下の図面においては、説明の便宜のために、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の「上」にあると説明する時、これは該当する層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「直上」にある場合だけでなく、その間にまた他の部分がある場合も含むと解釈されなければならない。これとは反対に、該当する層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「直上」にあると説明する時には、その間にまた他の部分がないことを意味し得る。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。一方、他の部分の「上」にあると説明することと同様に、他の部分「下」にあると説明することも、前述の内容を参照して理解され得る。

また、特定の部材の上面／下面は、どの方向を基準とするかによって異に判断され得るため、明細書全体において、「上面」または「下面」は、当該部材でｚ軸上に対向する二面を意味すると定義する。また、側面とは、上面または下面と垂直な面を意味し得る。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

また、明細書全体において、「平面上」という時、これは当該部分を上方から見た時を意味し、「断面上」という時、これは当該部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。

以下、本発明の一実施形態による電池パックについて説明する。

図２は本発明の一実施形態による電池パックの斜視図である。図３は図２による電池パックに含まれている電池モジュールの斜視図である。図４は図２による電池パックの上面図である。図５は図２による電池パックの部分断面図である。図５は電池パックの一部をｙｚ平面で切断した断面であり得る。

図２乃至図５を参照すれば、本発明の一実施形態による電池パック１０００は、少なくとも一つの電池モジュール１００、少なくとも一つの電池モジュール１００を収容するパックフレーム２００、および電池モジュール１００とパックフレーム２００との間に形成されたベンティング流路（ｖｅｎｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ）３００を含むことができる。

本実施形態による電池モジュール１００は、複数の電池セルが積層された電池セル積層体、電池セル積層体を収容するモジュールフレーム１２０、電池セル積層体の前面および／または後面上に位置するバスバーフレーム、バスバーフレーム上に装着されるバスバーおよび／またはセンシングユニットなどを含むことができる。しかし、電池モジュール１００が含む構成要素はこれに限定されるのではなく、設計により電池モジュール１００は前述の構成要素のうちの一部が省略された状態で提供され得、言及されていない他の構成要素が追加された状態で提供され得る。電池モジュール１００に含まれる電池セルの種類は特に制限されず、パウチ型、角型またはジェリーロール（Ｊｅｌｌｙ Ｒｏｌｌ）形態の円筒型の電池セルが全て適用され得る。

モジュールフレーム１２０は、熱伝導度が高い金属を含むことができる。前記金属の例としては、アルミニウム、金、銀、銅、白金またはこれらを含む合金などであり得、前記金属の熱伝導率が高いほどモジュールフレームによる放熱効果が向上するため、熱伝導率値に特別な範囲があるのではない。

一方、モジュールフレーム１２０の一面にはベンティング部１３０が位置することができる。ベンティング部１３０は、電池モジュール１００の発火時、モジュールフレーム１２０内部のガス、スパークまたは火炎などを放出するためのものであり得る。ベンティング部１３０は、モジュールフレーム１２０の一面のうち、下部に位置することができる。ベンティング部１３０が形成されたモジュールフレーム１２０の一面は、電池セル積層体の電極リード、バスバーフレームまたはバスバーと向き合う面であり得る。

ベンティング部１３０の形態は多様になり得るが、一例として、開口形態であり得る。他の例として、ベンティング部１３０は、ラプチャーディスク（Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｄｉｓｃ）のように所定の圧力以上で破断される板の形態であってもよく、また他の例として、リリーフバルブ（Ｒｅｌｉｅｆ ｖａｌｖｅ）のように所定の圧力以上で開放可能なバルブ形態であってもよい。

図２および図４に示されたように、電池パック１０００に提供される電池モジュール１００は、複数であり得る。複数の電池モジュール１００は、パックフレーム２００内で行および列をなして配置され得る。

本実施形態によるパックフレーム２００は、電池モジュール１００およびこれと連結された電装品を外部の物理的衝撃から保護するためのものであり得る。パックフレーム２００は、下面（底面）および側面を含む下部フレームを含むことができる。下面および側面から形成される下部フレームの内部空間に電池モジュール１００が配置された後、上部プレートまたは上部フレームが下部フレームの縁部と結合することによってパックフレーム２００が密封され得る。ここで、上部プレートまたは上部フレームは、パックフレーム２００に含まれると解釈され得るが、必ずしもその限りではない。

パックフレーム２００は、内部空間で発生する熱を外部に急速に放出するために熱伝導率が高い部分を含むことができる。例えば、パックフレーム２００の少なくとも一部は熱伝導率が高い金属で製造され得、その例としてはアルミニウム、金、銀、銅、白金またはこれらを含む合金などであり得る。また、パックフレーム２００は、部分的に電気絶縁性を有することができ、絶縁が要求される位置には絶縁フィルムが提供されたり、絶縁性塗装が適用され得る。パックフレーム２００で絶縁フィルムまたは絶縁性塗装が適用された部分は、絶縁部と称され得る。

ベンティング流路３００は、電池モジュール１００から発生したガスなどをパックフレーム２００の外部に排出するためのものであり得る。ベンティング流路３００がガスのベンティング経路を制限することによって電池モジュール１００から排出された高温のガスなどが隣接した電池モジュール１００に与える影響は最小化され得る。ベンティング流路３００は、電池モジュール１００とパックフレーム２００との間の離隔空間に形成され得る。各電池モジュール１００からベンティング流路３００に排出された火炎、ガスなどはベンティング流路３００に沿って移動してパックフレーム２００に備えられた排出口を通じて外部に排出され得る。

ベンティング流路３００は、電池パック１０００内の全ての電池モジュール１００と対応するように形成されることが好ましい。例えば、図４に示されたように、電池モジュール１００が２行４列に配置された場合、ベンティング流路３００は各行に配置された電池モジュール１００とパックフレーム２００との間に形成され得る。電池モジュール１００から排出された火炎、ガスなどは点線の矢印に沿ってベンティング流路３００を移動して排出口で排出され得る。

ベンティング流路３００と向き合う電池モジュール１００の一面には、ベンティング部１３０が位置することができる。電池モジュール１００のベンティング部１３０は、ベンティング流路３００に向かって位置することができる。電池モジュール１００は、ベンティング部１３０が形成された一面がベンティング流路３００に向かうように配置され得る。図４に示されたようにベンティング流路３００がパックフレーム２００の縁に沿って形成された場合、電池モジュール１００はベンティング部１３０がパックフレーム２００に向かって位置するように配置され得る。ベンティング流路３００は、ベンティング部１３０と対応するパックフレーム２００の一面に沿って伸びて形成され得る。

図５を参照すれば、ベンティング流路３００は、パックフレーム２００の下面と離隔して位置し、ベンティング流路３００とパックフレーム２００の下面との間には空いた空間が形成され得る。ベンティング流路３００は、電池モジュール１００のベンティング部１３０の上側に位置することができる。ベンティング部１３０は、前記空いた空間と対応するように位置し、ベンティング部１３０を通じて排出されたガス、火炎などは空いた空間に吐出された後、空いた空間の上側に位置したベンティング流路３００に移動することができる。

ベンティング流路３００にはフィルターメッシュ４００が位置することができる。フィルターメッシュ４００は、ベンティング流路３００の下面に形成され得る。電池モジュール１００から空いた空間に吐出されたガスおよび火炎はフィルターメッシュ４００を通じてベンティング流路３００に移動することができる。

フィルターメッシュ４００は、パックフレーム２００の下面と平行に位置することができる。フィルターメッシュ４００がパックフレーム２００の下面と平行に配置されると、電池モジュール１００から排出されたガスおよび火炎はフィルターメッシュ４００を通過してベンティング流路３００に移動し、スパークはフィルターメッシュ４００を通じて移動することができない。フィルターメッシュ４００により高温のパーティクル、つまり、スパークの放出が制限されると、スパークが外部酸素と接触する可能性が低くなり、これにより追加的な発火現象が防止され得る。

フィルターメッシュ４００は、パックフレーム２００の下面と離隔し得る。フィルターメッシュ４００は、電池モジュール１００のベンティング部１３０よりも上側に位置することができる。フィルターメッシュ４００がパックフレーム２００の下面に形成されると、パーティクルが重力方向に落下してフィルターメッシュ４００の開口を閉鎖する虞がある。しかし、本実施形態のベンティング流路３００は、ベンティング部１３０を通じて放出されたガスなどの初期移動経路よりも上側に位置し、電池モジュール１００から排出されたガスなどは重力と反対方向に移動してフィルターメッシュ４００を経てベンティング流路３００に移動することができる。したがって、電池モジュール１００から排出されてガスと共に移動していたパーティクルなどはフィルターメッシュ４００と衝突した後に落下することができ、これによりパーティクルなどによるフィルターメッシュ４００の閉鎖が防止され得る。

図６および図７はフィルターの位置による効果を比較するための図面である。図６はフィルターメッシュ４００がパックフレーム２００の下面と垂直に形成された例示であり、図７はフィルターメッシュ４００がパックフレーム２００の下面と平行に形成された例示である。

図６および図７を参照すれば、電池モジュール１００から排出されたガスなどはフィルターメッシュ４００を通過して移動し、パーティクルはフィルターメッシュ４００により移動が制限されて外部に排出されないことが可能である。

図６のフィルターメッシュ４００は、電池モジュール１００から吐出されたガスの初期移動方向と垂直に配置されるため、ガスと共に排出されたパーティクルは方向転換なしにフィルターメッシュ４００と衝突することができる。図６のフィルターメッシュ４００は、多数のパーティクルを効果的に捕集することができるという長所がある反面、時間の経過によりフィルターメッシュ４００の開口をパーティクルが閉鎖することがあり、ガスの排出通路が密閉されるという問題点がある。パーティクルがフィルターメッシュ４００の開口を閉鎖することによって内部ガスの排出が制限されるため、所定の時間が経過した後にはフィルターメッシュ４００の開口が閉鎖されることがあり、電池パック１０００の内部圧力が増加してパックフレーム２００の崩壊または爆発が発生することがある。

一方、図７のフィルターメッシュ４００は、電池モジュール１００から吐出されたガスの初期移動方向と平行に配置されるため、ガスと共に排出されたパーティクルは、重力と反対方向に上昇してフィルターメッシュ４００と衝突することがある。したがって、図７のようにフィルターメッシュ４００が形成された場合には、パーティクルがフィルターメッシュ４００と衝突する可能性が低いか、または衝突してもエネルギーを失って落下し得る。図７のフィルターメッシュ４００は、図６のフィルターメッシュ４００よりもパーティクルにより閉鎖される可能性が低くなり得、フィルターメッシュ４００の閉鎖によるパックフレーム２００の崩壊または爆発の問題が最小化され得る。

また、フィルターメッシュ４００が図７の形態で提供されることによって、フィルターメッシュ４００がより小さい開口を有するように細かく形成されることも可能である。フィルターメッシュ４００が図６の形態で提供される場合には、閉鎖を防止するために多少大きい開口を有するように形成されることが好ましいが、図７の形態で提供される場合にはそのような制限がないため多様な設計の利点がある。

一方、上記で具体的に言及されてはいないが、本発明の一実施形態による電池パックは、電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）および／または冷却装置などを追加に含むことができる。

本発明の一実施形態による電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。例えば、電池パックが適用されるデバイスは、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段であり得る。しかし、前述のデバイスがこれに制限されるのではなく、前述の例示以外に多様なデバイスに本実施形態による電池パックが使用され得るが、これも本発明の権利範囲に属する。

以上で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のではなく、特許請求の範囲で規定されている本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１０００：電池パック
１００：電池モジュール
２００：パックフレーム
３００：ベンティング流路
４００：フィルターメッシュ

Claims (10)

1. 複数の電池セルを含む電池モジュールおよび
   前記電池モジュールを収容するパックフレームを含み、
   前記電池モジュールと前記パックフレームとの間には前記電池モジュールから発生したガスを排出するベンティング流路が備えられ、
   前記電池モジュールの一面にはベンティング部が形成され、
   前記ベンティング流路と前記パックフレームの下面との間には空いた空間が形成され、
   前記ベンティング部は、前記空いた空間と対応するように位置し、
   前記ベンティング流路の下面には、前記空いた空間に面するフィルターメッシュが形成された電池パック。
2. 前記フィルターメッシュは、前記パックフレームの下面と平行に位置する、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記ベンティング流路は、前記パックフレームの下面と離隔して位置する、請求項１に記載の電池パック。
4. 前記電池モジュールは前記ベンティング部が形成された一面が前記ベンティング流路に向かうように配置される、請求項１に記載の電池パック。
5. 前記電池モジュールは前記パックフレームの一面と前記ベンティング部とが向き合うように配置される、請求項１に記載の電池パック。
6. 前記ベンティング流路は、前記ベンティング部の上側に位置する、請求項１に記載の電池パック。
7. 前記フィルターメッシュは、前記ベンティング部の上側に位置する、請求項１に記載の電池パック。
8. 前記ベンティング部は、所定の圧力以上で破断される板の形態である、請求項１に記載の電池パック。
9. 前記ベンティング部は、所定の圧力以上で開放されるバルブの形態である、請求項１に記載の電池パック。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の電池パックを少なくとも一つ含むデバイス。