JP7819419B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２３年１１月２８日付韓国特許出願第１０－２０２３－０１６８５８１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文献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、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より具体的には、電池モジュール内で一つの電池セルで温度が上がる場合に効果的に対処できる電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。

現代社会では携帯電話、ノートパソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化することに伴い、前記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で、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おり、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、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こらず、充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いという長所のため、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間に置いて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電池ケースとを備える。

一般的にリチウム二次電池は、外装材の形状により、電極組立体が金属カンに内蔵されているカン型二次電池と、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とに分類され得る。

最近は携帯型電子機器のような小型装置だけでなく、自動車や電力貯蔵装置のような中大型装置にも二次電池が幅広く利用されている。中大型装置に対する適用を目的で、容量および出力を高めるために多数の二次電池が電気的に連結され得る。この時、パウチ型二次電池は、積層が容易であり、重量が軽いなどの長所によりさらに幅広く利用される傾向にある。

小型機器に利用される二次電池の場合、２～３個の電池セルが配置されるが、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）が利用される。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電池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、ＢＤＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｕｎｉｔ）、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装着されて電池パックを形成することができる。

このように多数の電池セルが密集して形成された電池モジュールおよび電池パックの場合、火災に脆弱なこともある。例えば、いずれか一つの電池セルで異常に高温現象が発生し、これにより発火となる場合、隣接した他の電池セルに熱が伝達されてより大規模火災に拡散しやすい。したがって、一部の電池セルで火災が発生しても、火災は電池モジュール、電池パックを超えて電池ラックや電力貯蔵装置などの全領域に拡大して、人命被害が発生する危険性が増大することはもちろん、経済的損失も莫大であるといえる。したがって、電池ラックまたは電力貯蔵装置に属する全ての電池モジュールが全焼または損傷する前に、火災を迅速かつ正確に鎮圧する必要がある。

これまで電力貯蔵装置のような電池モジュールを含む装置に対して火災を鎮圧する多様な技術が提案されている。しかし、まだ効果的な火災鎮圧技術が設けられておらず、特に、電池モジュールに含まれているリチウムイオンバッテリーなどで発生した火災は、一般的な消火薬剤では鎮圧が容易ではないという問題、多数のバッテリーモジュールが密集した状況で火災が発生したバッテリーモジュールのみについて選別的に火災を鎮圧し難いという問題などが依然として課題として残っている。したがって、高温現象が発生した電池セルを早期に他のセルと分離させて大規模火災に拡散することを効果的に防止することができる方案が要求されている。

本発明が解決しようとする課題は、一部の電池セルで火災が発生しても効果的に火災を鎮圧することによって、より大規模な火災への拡散を防止することができる電池モジュールおよびこれを含む電池パック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モジュールは、複数の電池セルが積層されて形成された電池セル組立体、前記電池セル組立体を収容し、ボトム部を含むモジュールフレーム、および前記電池セル組立体の下部に配置される相変化物質層を含み、前記相変化物質層は、前記複数の電池セルのうち高温現象が発生した電池セルに対応する部分で溶けて消去され、前記相変化物質層が消去された部分で前記ボトム部が開放されて（opened）前記高温現象が発生した電池セルが外部に排出される構成される。

前記モジュールフレームの上面部には、窒素ガスが注入される注入ノズルが形成され得る。

前記注入ノズルを通じて窒素が注入されることによって、前記高温現象が発生した電池セルが下側に加圧されて排出され得る。

前記ボトム部は、高温現象が発生した電池セルが下側に加圧されることによって破断されて開放され得る。

前記複数の電池セルの間には、潤滑油が塗布されていてもよい。

前記複数の電池セルのそれぞれの上部に、前記複数の電池セルのそれぞれを下部に加圧する少なくとも一つのスプリングをさらに含むことができる。

前記高温現象が発生した電池セルが排出された後、前記高温現象が発生した電池セルが配置されていた空間の少なくとも一部を前記スプリングが満たすことができる。

前記ボトム部は、前記電池セルのそれぞれに対応する複数の開閉部を含むことができる。

前記開閉部は、前記高温現象が発生した電池セルが加える熱または圧力により開放されるように構成され得る。

本発明の一実施形態による電池パックは、前記電池モジュールを含む。

本発明の実施形態によれば、火災発生以前に、高温現象が発生した電池セルを、他の電池セルから早期に分離させて火災発生を防止することができる電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することができる。

本発明の効果は、以上で言及した効果に限定されず、言及されていないまた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。

本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。 図１の電池モジュールの分解斜視図である。 図１のＡ－Ａ’断面を示す図面である。 図３で高温現象が発生したセルを排出させる状態を示す図面である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールで、高温現象が発生したセルを排出させる状態を示す図面である。 本発明のまた他の実施形態による電池モジュールで、高温現象が発生したセルを排出させる状態を示す図面である。

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、多様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示したため、本発明が必ずしも図示されたものに限定されるのではない。図面において、複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、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」にあるという時、これは他の部分の「直上」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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた他の部分がないことを意味する。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。

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むことができることを意味する。

また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象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、図１～図４を参照して、本発明の一実施形態による電池モジュールについて説明する。

図１は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図であり、図２は図１の電池モジュールの分解斜視図であり、図３は図１のＡ－Ａ’断面を示す図面であり、図４は図３で高温現象が発生したセルを排出させる状態を示す図面である。

図１～図３を参照すれば、本発明の一実施形態による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が一方向に積層された電池セル組立体１２０、および電池セル組立体１２０を内部に収納するモジュールフレーム２００を含む。

まず、電池セル１１０は、パウチ型電池セルであり得るが、これに限定されずに多様な形態の電池セルが適用され得る。複数の電池セルは互いに電気的に連結されるように積層されて電池セル組立体１２０を形成する。例えば、図２に示されているようにｙ軸と平行な方向に沿って複数の電池セル１１０が積層され得る。これにより、電極リード１１１はｘ軸方向と－ｘ軸方向にそれぞれ突出していることができる。電極リードが突出している方向の電池セル組立体１２０の両面にバスバーフレーム（図示せず）が位置することができる。ただし、これは例示的な配置であり、バスバーフレームの位置はこれに限定されず、電池セル組立体１２０の他の面を覆うように配置されることもできる。つまり、電極リード１１１の突出方向に応じて電極リード１１１とバスバーとの電気的連結が可能な位置であればバスバーフレームの位置も適切に対応して変更され得るが、特に限定されるのではない。

このような電池セル１１０が一方向に沿って積層されて電池セル組立体１２０を形成する。具体的には、電池セル１１０は、電池セル１１０の一面同士で向き合うように直立したまま前記一方向に沿って積層され得る。

本実施形態によるモジュールフレーム２００は、内部に電池セル組立体１２０を収容する部材であり、二つの側面部２１０、２２０、上面部２３０およびボトム部２４０を含むことができる。また、モジュールフレーム２００の一側（ｘ軸方向）と他側（－ｘ軸方向）は開放された形態であり、開放された前記一側または前記他側を通じて電池セル組立体１２０が収納され得る。図２に示されたモジュールフレーム２００は、二つの側面部２１０、２２０、上面部２３０およびボトム部２４０が一体化した形態のモノフレームであり得る。つまり、押出成形により製造されて二つの側面部２１０、２２０、上面部２３０およびボトム部２４０が一体化した形態であり得る。具体的に図示されていないが、本発明の他の一実施形態として、Ｕ字型のフレームと上部プレートが互いに溶接された形態、または逆Ｕ字型のフレームと下部プレートが互いに溶接された形態のモジュールフレームも可能であり、特に限定されずに多様な形態のフレームが適用され得る。モジュールフレーム２００と電池セル１１０の積層方向をみると、電池セル１１０の前記一面がモジュールフレーム２００の側面部２１０、２２０の一面と平行に、電池セル１１０がいずれか一つの側面部２１０から他の側面部２２０まで積層され得る。

一方、本実施形態による電池モジュール１００は、モジュールフレーム２００の開放された前記一側と前記他側にそれぞれ位置するエンドプレート３００をさらに含むことができる。エンドプレート３００は、モジュールフレーム２００の開放された前記一側と前記他側で電池セル組立体１２０を覆うように位置することができる。各エンドプレート３００の角部はモジュールフレーム２００の対応する角部と溶接の方法で接合され得る。エンドプレート３００は、所定の強度を有する金属素材を含むことができ、外部衝撃から電池セル組立体１２０およびその他電装品を保護することができる。

電池モジュール１００は、電池セル組立体１２０とモジュールフレーム２００のボトム部２４０との間に位置した相変化物質層４００をさらに含むことができる。相変化物質層４００は相変化物質（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ、ＰＣＭ）を含むことができる。相変化物質は、周辺の温度が上昇すると熱を吸収し、周辺の温度が低くなると結晶化されて熱を放出する蓄熱、発熱の特徴を反復的に示す物質であり、電池セル１１０の通常の状態では電池セル１１０からの熱を吸収して冷却効果を得ることができる。また、このような相変化物質層４００に含まれている相変化物質は、特定温度、特に電池セル１１０の発火温度に近接した高温で溶けて、高温現象が発生した電池セル１１０を支持している部分が消去される特徴を有することができる。このような相変化物質としては、パラフィン、各種塩水化物（Ｓａｌｔ ｈｙｄｒａｔｅ）、ポリエチレングリコール（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｇｌｙｃｏｌ、ＰＳＧ）などを使用することができる。また、相変化物質層４００は、相変化物質を単独で含むことができるだけでなく、工程上の取り扱いの容易性などのために多様な材料と混合して使用することができるが、特に限定されない。

このような相変化物質層４００は、前述のように複数の電池セル１１０のうち一部の電池セルに高温現象が発生する場合、当該電池セルで発生した熱を吸収して溶けることによって消去され得る。つまり、図４に示されているように、高温現象が発生した電池セル１１０’に対応する部分が溶けて消去され、次いで、対応する部分のボトム部２４０が開放されることによって高温現象が発生した電池セル１１０’が外部に排出され得る。高温現象が発生した電池セル１１０’が外部に排出される過程は、重力により、または高温現象が発生した電池セル１１０’から発生したベンティングガスの圧力により下へ墜落することによって行われ得る。この時、相変化物質層４００の下部のボトム部２４０は、高温および圧力により破断されることによって開放され得る。

または、これに加えて、発火が完全に発生する前に、高温現象が発生した電池セル１１０’を人為的に排出させることも可能である。このために、モジュールフレーム２００の上面部２３０に窒素注入のための注入ノズル５００をさらに含むことができる。このような注入ノズル５００は、電池モジュール１００の外部に別途備えられる窒素貯蔵容器（図示せず）と連結されて、特定温度に到達時に開放されて電池モジュール１００内部に窒素を注入させることによって電池モジュール１００内部の圧力を高めることができる。これにより、上部から電池セル１１０を加圧させることができ、この過程で高温現象が発生した電池セル１１０’はその下部の相変化物質層４００が高温および加圧により消去され、高温現象が発生した電池セル１１０’のみを下へ押し出して排出させることができる。したがって、高温現象が発生した電池セル１１０’を、発火が発生する前に排出して発火を防止することができる。

一方、このように高温現象が発生した電池セル１１０’を排出させる際に、円滑な排出のために電池セル１１０の間に潤滑油が塗布されていてもよい。これにより、隣接した電池セル１１０間の摩擦力を減少させて、高温現象が発生した電池セル１１０’の排出時、より迅速に外部に排出する効果を得ることができる。

以上のように、本発明の一実施形態によれば、電池セル組立体１２０の下部に相変化物質層４００を含むことで、高温現象が発生した電池セル１１０’の発生時、相変化物質層４００が溶けて消去されることによって、高温現象が発生した電池セル１１０’を外部（下部）に迅速に排出させることができ、これにより、高温現象が発生した電池セル１１０’を他の電池セル１１０から分離させることによって火災の拡散を防止し、火災の発生を予防することができるため、電池モジュール１００の安全性を向上させることができる。一方、本実施形態では、電池セル組立体１２０がモジュールフレーム２００に収納されてモジュールフレーム２００外部に排出される場合を例として説明したが、これに限定されず、電池セル１１０が複数組み合わされて配置された構造であれば如何なる構造にも適用可能である。

以下、図５をさらに参照して本発明の他の実施形態による電池モジュールについて説明する。

図５は本発明の他の実施形態による電池モジュールで、高温現象が発生したセルを排出させる状態を示す図面である。

図５を参照すれば、本発明の他の実施形態による電池モジュール１００では、複数の電池セル１１０のそれぞれの上部に、電池セル１１０を下部に加圧する少なくとも一つのスプリング４１０を含むことができる。例えば、スプリング４１０は、電池セル１１０の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って複数備えられ得る。スプリング４１０の弾性により、電池セル１１０は下部に加圧される状態であり得る。この時、図５に示されているように高温現象が発生した電池セル１１０’が発生する場合、スプリング４１０により加圧された状態であるため、より迅速に高温現象が発生した電池セル１１０’が下側に加圧および排出され得る。つまり、注入ノズル５００を通じた窒素注入がなくても、または窒素注入と共に、高温現象が発生した電池セル１１０’を効果的に加圧して排出させることが可能である。

また、図５に示されているように高温現象が発生した電池セル１１０’が排出された後、弾性を失ったスプリング４１０はその状態で高温現象が発生した電池セル１１０’が排出されて空いた空間にそのまま配置されることで、高温現象が発生した電池セル１１０’が配置されていた空間の少なくとも一部を満たすことができるようになる。これにより、残りの電池セル１１０も積層された構造を維持することができる。

以下、図６をさらに参照して本発明のまた他の実施形態による電池モジュールについて説明する。

図６は本発明のまた他の実施形態による電池モジュールで、高温現象が発生したセルを排出させる状態を示す図面である。

図６を参照すれば、本発明のまた他の実施形態による電池モジュール１００は、ボトム部２４０に、電池セル１１０のそれぞれに対応する複数の開閉部２４１を含む。このような開閉部２４１は、正常状態では閉じられた形態で構成され、異常状況が発生して一定水準以上の熱や圧力が生成されて印加されると開かれるように構成され得る。当該構成は、多様な方式で具現され得る。例えば、正常状態では相変化物質層４００により開閉部２４１を支持する部分が固定されている中で、相変化物質層４００が消去される場合に、開閉部２４１を支持する部分が共に消去されて開放される構成も可能である。または、開閉部２４１の間の接合部分を、他の部分に比べて低い融点を有するようにするか、小さい厚さを有するようにして、高温で先に溶融されるように構成することによって開閉部２４１が開放されるようにすることも可能である。このように別途設定した開閉部２４１を備えることによって、より迅速に高温現象が発生した電池セル１１０’を外部に排出することができる。

本実施形態で前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されているが、このような用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象となる事物の位置や観測者の位置などにより変わり得る。

前述した本実施形態による一つまたはそれ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＢＤＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｕｎｉｔ）、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装着されて電池パックを形成することができる。

前記電池モジュールや電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。具体的には、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段やＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）に適用され得るが、これに限定されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。

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、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。

１００：電池モジュール
１１０：電池セル
１２０：電池セル組立体
２００：モジュールフレーム
２４０：ボトム部
２４１：開閉部
３００：エンドプレート
４００：相変化物質層
４１０：スプリング
５００：注入ノズル

Claims (10)

1. 複数の電池セルが一面同士で向き合うように直立して一方向に沿って積層されて形成された電池セル組立体、
   前記電池セル組立体を収容し、ボトム部を含むモジュールフレームであって、前記ボトム部は、前記一方向に平行かつ前記複数の電池セルの下に位置する、モジュールフレーム、および
   前記電池セル組立体の下部かつ前記ボトム部の上部に配置される相変化物質層を含み、
   前記相変化物質層は、前記複数の電池セルのうち高温現象が発生した電池セルに対応する部分で溶けて消去され、
   前記相変化物質層が消去された部分で前記ボトム部が開放されて前記高温現象が発生した電池セルが外部に排出される電池モジュール。
2. 前記モジュールフレームの上面部には、窒素ガスが注入される注入ノズルが形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記注入ノズルを通じて窒素が注入されることによって、前記高温現象が発生した電池セルが下側に加圧されて排出される、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記ボトム部は、前記高温現象が発生した電池セルが下側に加圧されることによって破断されて開放される、請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記複数の電池セルの間には、潤滑油が塗布されている、請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記複数の電池セルのそれぞれの上部に、前記複数の電池セルのそれぞれを下部に加圧する少なくとも一つのスプリングをさらに含む、請求項１に記載の電池モジュール。
7. 前記高温現象が発生した電池セルが排出された後、前記高温現象が発生した電池セルが配置されていた空間の少なくとも一部を前記スプリングが満たす、請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記ボトム部は、前記電池セルのそれぞれに対応する複数の開閉部を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
9. 前記開閉部は、前記高温現象が発生した電池セルが加える熱または圧力により開放されるように構成される、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の電池モジュールを含む電池パック。