CN113785434B - 电池模块和包括电池模块的电池组 - Google Patents

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Abstract

本公开内容的一个实施方式包括一种具有风冷型结构的电池模块，该电池模块包括：包括多个电池单元的电池单元堆叠体、连接至电池单元堆叠体并且包括汇流条的汇流条框架、和覆盖电池单元堆叠体和汇流条框架的盖板，其中在盖板与电池单元堆叠体之间形成有供用于冷却的外部空气流入或流出的冷却流路部，其中在冷却流路部中形成有热膨胀构件，并且其中热膨胀构件包括第一热膨胀构件，第一热膨胀构件以冷却流路部为基准位于与汇流条所在的一侧相对的一侧。

Description

电池模块和包括电池模块的电池组
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月15日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0030175号的权益，通过引用将上述专利申请的整个公开内容结合在此。
本公开内容涉及一种电池模块和包括该电池模块的电池组，更具体地，涉及一种防止热量扩散的电池模块。
背景技术
电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆等被提出作为解决由使用化石燃料的常规车辆、柴油车辆等引起的空气污染等的方法，二次电池作为这些车辆的电源已引起相当大的关注。
在小型移动装置中，每个装置使用一个或多个电池单元，而在诸如车辆之类的中型或大型装置中，由于需要高输出和大容量，所以使用其中大量电池单元进行电连接的中型或大型电池模块。
由于优选以尽可能小的尺寸和尽可能轻的重量来制造中型或大型电池模块，所以主要使用可以以高集成度堆叠并且相较于容量来说具有相对轻重量的棱柱形电池、袋形电池等作为中型或大型电池模块的电池单元。特别是，近来，使用铝层压片等作为外壳构件的袋形电池因其诸如重量轻、制造成本低和形状容易改变之类的优点而吸引了大量关注。
由于构成这种中型或大型电池模块的电池单元是可充放电的二次电池，所以这种高输出且大容量的二次电池在充电和放电过程期间中产生大量的热量。特别是，由于广泛用在电池模块中的袋形电池的层压片被表面涂覆有具有低热导率的聚合物材料，所以难以有效地降低所有电池单元的温度。
当在充电和放电过程期间产生的热量未被有效地消除时，会发生热量积累，这会加速电池单元的劣化，并且在一些情况下，电池模块可能起火或爆炸。因此，用于车辆的中型或大型电池组或者用于能量储存装置的中型或大型电池组(即，包括多个中型或大型电池模块的高功率大容量电池)需要冷却系统来冷却安装在电池组中的电池单元。
通常，冷却系统可使用水冷型和风冷型。由于二次电池的漏电或防水问题，倾向于广泛使用风冷型。在具有风冷型结构的电池模块的情况下，可使用外部空气对内部电池进行冷却，使得能够长时间可靠地使用电池系统。然而，当在一个电池单元中引起热失控(thermal runaway)而释放的高温气体和火焰排放到外部并且传播到相邻的电池单元或易燃材料时，这会引起极大的损害。
发明内容
技术问题
本公开内容的目的是提供一种防止气体和火焰暴露于外部并因而防止热量扩散到相邻区域的电池模块和包括电池模块的电池组。
然而，本公开内容的实施方式要解决的问题不限于上述问题，可在本公开内容中包括的技术构思的范围内进行各种扩展。
技术方案
根据本公开内容的一个实施方式，提供了一种具有风冷型结构的电池模块，包括：包括多个电池单元的电池单元堆叠体；汇流条框架，所述汇流条框架连接至所述电池单元堆叠体并且包括汇流条；和盖板，所述盖板覆盖所述电池单元堆叠体和所述汇流条框架，其中在所述盖板与所述电池单元堆叠体之间形成有供用于冷却的外部空气流入或流出的冷却流路部，其中在所述冷却流路部中形成有热膨胀构件，并且其中所述热膨胀构件包括第一热膨胀构件，所述第一热膨胀构件以所述冷却流路部为基准位于与所述汇流条所在的一侧相对的一侧。
所述冷却流路部包括：流入通道部，所述流入通道部位于所述电池单元堆叠体的一侧并且具有供用于冷却的空气流入的流入口；和流出通道部，所述流出通道部位于所述电池单元堆叠体的另一侧并且具有供用于冷却的空气流出的流出口，并且所述热膨胀构件可邻近所述流入口和/或所述流出口形成。
所述热膨胀构件的厚度可膨胀，从而防止由从所述电池单元产生的排出气体(venting gas)和火焰(flame)引起的热量通过所述流入口和所述流出口排放到外部，由此阻断所述冷却流路部。
所述热膨胀构件的厚度膨胀的方向可与所述冷却流路部的延伸方向垂直。
所述热膨胀构件可形成为多个。
所述热膨胀构件和所述汇流条可布置成彼此错位。
所述热膨胀构件和所述汇流条可在与所述冷却流路部的延伸方向垂直的方向上彼此不重叠。
所述热膨胀构件可进一步包括位于所述汇流条上的第二热膨胀构件。
所述第一热膨胀构件和所述第二热膨胀构件的厚度膨胀的方向可彼此相反。
所述盖板包括在面向电极引线与所述汇流条的焊接部的方向上设置的侧板，并且所述第一热膨胀构件可位于所述侧板上。
根据本公开内容的另一个实施方式，提供了一种包括上述电池模块的电池组。
有益效果
根据实施方式，在一般的二次电池操作环境中提供冷却通道，并且在诸如热失控之类的异常情况下，在冷却通道中形成有具有膨胀特性的材料，从而提供能够防止气体和火焰暴露于外部并且防止热量扩散到相邻区域的电池模块和电池组。
附图说明
图1是示出根据本公开内容一实施方式的电池模块结构的透视图。
图2是示出其中在图1的电池模块中汇流条框架被暴露的结构的透视图。
图3是示出其中在图2的电池模块中汇流条框架被暴露的状态的照片。
图4是示出图3的汇流条框架的构造的剖面图。
图5是示出在图1的电池模块的正常操作状态下空气流动的示图。
图6是示出由于在图5的电池模块的电池单元中产生的热失控而传递热量的通道的平面图。
图7是示出图1的电池模块的冷却流路部的示意性平面图。
图8是示出其中由于在图7的电池模块的电池单元中产生的热失控，热膨胀构件变化的状态的平面图。
图9是沿图7和图8的线A-A’截取的剖面图。
图10是示出根据本公开内容另一实施方式的电池模块的冷却流路部的示意性平面图。
图11是示出其中由于在图10的电池模块的电池单元中产生的热失控，热膨胀构件变化的状态的平面图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的各实施方式，使得本领域技术人员能够容易地实现它们。本公开内容可以以各种不同的方式修改，不限于在此阐述的实施方式。
将省略与描述无关的部分以清楚地描述本公开内容，并且在整个申请中相似的参考标号表示相似的元件。
此外，在附图中，为了便于描述，任意地示出了每个元件的尺寸和厚度，本公开内容必然不限于附图中示出的那些。在附图中，为了清楚起见，夸大了层、区域等的厚度。在附图中，为了便于描述，一些层和区域的厚度被夸大地示出。
此外，将理解的是，当诸如层、膜、区域或板之类的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，其可直接在另一元件上或者也可存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“上”时，这意味着不存在其他中间元件。此外，词语“在……上”或“在……上方”是指设置在基准部分上或下方，并不一定是指设置在基准部分的朝向重力的相反方向的上端。
此外，在整个申请中，当一部分被称为“包括”或“包含”某一部件时，这意味着该部分可进一步包括其他部件，而不排除其他部件，除非另有说明。
此外，在整个申请中，当被称为“平面”时指的是当从顶部观看目标部分时，并且当被称为“剖面”时指的是当从垂直切割的横截面的一侧观看目标部分时。
图1是示出根据本公开内容一实施方式的电池模块结构的透视图。图2是示出其中在图1的电池模块中汇流条框架被暴露的结构的透视图。图3是示出其中在图2的电池模块中汇流条框架被暴露的状态的照片。图4是示出图3的汇流条框架的构造的剖面图。
参照图1和图2，根据本实施方式的电池模块500包括具有多个电池单元110的电池单元堆叠体150，并且包括围绕电池单元堆叠体150的盖板100。盖板100包括上下板100T和侧板100S，并且稍后描述的汇流条框架200可设置在侧板100S与电池单元堆叠体150之间。汇流条框架200位于电池单元堆叠体150的侧表面，可在汇流条框架200与侧板100S之间的空间中形成稍后描述的冷却流路部。在此，电池单元堆叠体150的侧表面定义为面向与第一方向X垂直的第二方向Y的表面，第一方向X是在电池单元堆叠体150中电池单元110堆叠的方向。
根据本实施方式的电池模块500具有风冷型结构。为了使用外部空气冷却在电池单元110中产生的热量，形成注入外部空气的流入口130a和流出口130b。通过流入口130a进入的空气可经由稍后描述的冷却流路部穿过电池单元110并且再通过流出口130b离开。
参照图3和图4，在汇流条框架200中，从图1中所述的电池单元堆叠体150的电池单元110延伸的电极引线120沿图1中示出的第二方向Y伸展，穿过形成在汇流条框架200中的引线槽(未示出)，在汇流条框架200的后表面处弯折，并且经由激光焊接与汇流条210电连接在一起。此时，由高温气体引起的热量和由热失控产生的火焰可经由电极引线120和汇流条210快速传递到相邻的电池单元110。这就是根据本实施方式，通过稍后描述的热膨胀构件可获得较大的热量传播延迟效果的原因。具体地说，当在位于电池模块500内部的电池单元110中发生热失控时，向与相对弱的密封部对应的电极引线120排出高温气体和火焰，并且这些高温气体和火焰可通过用于冷却电池模块500的通道传播。此时，热量通过暴露于外部的汇流条210极大地传递，该热量可再次进入电池单元110并且在其中引起快速的热量传播。因而，阻断经由汇流条210的热量传递是非常重要的。
下文中，将比较和描述在根据图1至图4中描述的本公开内容实施方式的电池模块中，正常操作状态和在热失控发生期间的热量流动。
图5是示出在图1的电池模块的正常操作状态下空气流动的示图。图6是示出由于在图5的电池模块的电池单元中产生的热失控而传递热量的通道的平面图。
参照图5，空气通过形成在左侧下方的流入口130a进入，穿过冷却流路部131之间的电池单元堆叠体150并穿过形成在右侧上方的流出口130b，并且空气通过形成在右上部的流出口130b排出，从而冷却在内部电池单元中产生的热量。具体地说，冷却流路部131包括流入通道部131a和流出通道部131b，通过流入口130a进入的空气沿着流入通道部131a移动，空气沿向右方向行进，然后沿着流出通道部131b移动，从而使空气通过流出口130b排出。
参照图6，当在电池的正常操作状态下发生热失控(thermal runaway)时，高温气体和火焰通过冷却通道传播。在其中汇流条原样暴露于冷却通道的常规电池模块的情况下，由于快速的热量传递，可同时多发性地发生电池单元之间的热量传递。
图7是示出图1的电池模块的冷却流路部的示意性平面图。图8是示出其中由于在图7的电池模块的电池单元中产生的热失控，热膨胀构件变化的状态的平面图。图9是沿图7和图8的线A-A’截取的剖面图。
为了阻断如参照图6所述的可能发生的快速的热量传递，在根据本实施方式的电池模块中，如图7中所示，在冷却流路部131中形成热膨胀构件400。热膨胀构件400可包括丁基类材料、环氧类材料、氯乙烯类材料和EPDM橡胶材料(三元乙丙橡胶，Ethylenepropylene diene methylene rubber)之一。
根据本实施方式的热膨胀构件400可以以冷却流路部131为基准位于与汇流条210所在的一侧相对的一侧。热膨胀构件400可形成在侧板100S上。优选地，热膨胀构件400可邻近流入口130a和/或流出口130b形成。由于流入口130a和流出口130b最接近外部空气，所以内部产生的火焰遇到氧气并且爆炸的可能性较高，从而在流入口130a和流出口130b附近或者在流入口130a和流出口130b处形成热膨胀构件400是有效的。
热膨胀构件400可形成为多个，可沿着流入通道部131a间隔开形成多个热膨胀构件400，并且可沿着流出通道部131b间隔开形成多个热膨胀构件400。多个热膨胀构件400可布置成与汇流条210错位。在变形的实施方式中，热膨胀构件400和汇流条210可在与冷却流路部131延伸的方向垂直的方向上彼此不重叠。
参照图8，当在电池单元堆叠体150中包括的电池单元中发生热失控时，热膨胀构件400的厚度膨胀，从而使由排出气体(venting gas)和火焰(flame)引起的热量不会通过流入口130a和流出口130b排放到外部。就是说，可通过根据本实施方式的热膨胀构件400阻断冷却流路部131。
参照图9，观察热膨胀构件400膨胀之前和之后的状态，当在图7的电池单元堆叠体150中发生热失控时，覆盖冷却流路部131的横截面的一部分的热膨胀构件400的厚度可膨胀，以阻断冷却流路部131的横截面。在这种情况下，热膨胀构件400的厚度膨胀的方向可与冷却流路部131的延伸方向垂直。就是说，热膨胀构件400的厚度可沿着图8中所示的Y轴方向膨胀。
图10是示出根据本公开内容另一实施方式的电池模块的冷却流路部的示意性平面图。图11是示出其中由于在图10的电池模块的电池单元中产生的热失控，热膨胀构件变化的状态的平面图。
参照图10，根据本实施方式的电池模块与参照图8和图9描述的实施方式大致相同。然而，根据本实施方式的热膨胀构件400包括第一热膨胀构件400a和第二热膨胀构件400b。第一热膨胀构件400a可由多个热膨胀构件形成在侧板100S上，并且第二热膨胀构件400b可位于汇流条210上。此时，第一热膨胀构件400a和第二热膨胀构件400b也可布置成彼此错位。
参照图11，当在电池单元堆叠体150中包括的电池单元中发生热失控时，第一热膨胀构件400a和第二热膨胀构件400b的厚度分别膨胀，从而防止由于排出气体(ventinggas)和火焰(flame)引起的热量通过流入口130a和流出口130b排放到外部。就是说，可通过根据本实施方式的热膨胀构件400防止由热失控产生的高温气体和火焰沿箭头方向排放。根据本实施方式，通过在汇流条210的顶部和侧板100S上的交错位置处设置第一热膨胀构件400a和第二热膨胀构件400b，可更有效地减小内部空间，从而阻断冷却流路部131。
在这种情况下，第一热膨胀构件400a和第二热膨胀构件400b的各自的厚度膨胀的方向可彼此相反。
另外，在根据本发明实施方式的电池模块中，可将一个或多个电池模块封装在电池组壳体中，以形成电池组。
上述电池模块和包括电池模块的电池组可应用于各种装置。这些装置可应用于诸如电动自行车、电动车辆或混合动力车辆之类的车辆，但是本公开内容不限于此，而是可应用于能够使用电池模块和包括电池模块的电池组的各种装置，这也属于本公开内容的范围。
尽管上面已经详细描述了本公开内容的优选实施方式，但是本公开内容的范围不限于此，本领域技术人员使用在以下权利要求中限定的本公开内容的基本构思进行的各种修改和改进也属于权利的范围。
参考标记说明
130a：流入口
130b：流出口
210：汇流条
131：冷却流路部
131a：流入通道部
131b：流出通道部
400：热膨胀构件。

Claims (9)

1.一种具有风冷型结构的电池模块，包括：
包括多个电池单元的电池单元堆叠体，
汇流条框架，所述汇流条框架连接至所述电池单元堆叠体并且包括汇流条，和
盖板，所述盖板覆盖所述电池单元堆叠体和所述汇流条框架，
其中在所述盖板与所述电池单元堆叠体之间形成有供用于冷却的外部空气流入或流出的冷却流路部，
其中在所述冷却流路部中形成有热膨胀构件，并且
其中所述热膨胀构件包括：第一热膨胀构件，所述第一热膨胀构件以所述冷却流路部为基准位于与所述汇流条所在的一侧相对的一侧，所述第一热膨胀构件和所述汇流条布置成彼此错位；和位于所述汇流条上的第二热膨胀构件，
其中所述热膨胀构件的厚度膨胀以阻断所述冷却流路部。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，
所述冷却流路部包括：流入通道部，所述流入通道部位于所述电池单元堆叠体的一侧并且具有供用于冷却的空气流入的流入口；和流出通道部，所述流出通道部位于所述电池单元堆叠体的另一侧并且具有供用于冷却的空气流出的流出口，并且
所述热膨胀构件邻近所述流入口和/或所述流出口形成。
3.根据权利要求2所述的电池模块，其中，
所述热膨胀构件的厚度膨胀，从而防止由从所述电池单元产生的排出气体和火焰引起的热量通过所述流入口和所述流出口排放到外部。
4.根据权利要求1所述的电池模块，其中，
所述热膨胀构件的厚度膨胀的方向与所述冷却流路部的延伸方向垂直。
5.根据权利要求4所述的电池模块，其中，
所述热膨胀构件形成为多个。
6.根据权利要求1所述的电池模块，其中，
所述第一热膨胀构件和所述汇流条在与所述冷却流路部的延伸方向垂直的方向上彼此不重叠。
7.根据权利要求1所述的电池模块，其中，
所述第一热膨胀构件和所述第二热膨胀构件的厚度膨胀的方向彼此相反。
8. 根据权利要求1所述的电池模块，其中，
所述盖板包括在面向电极引线与所述汇流条的焊接部的方向上设置的侧板，并且
所述第一热膨胀构件位于所述侧板上。
9.一种电池组，包括根据权利要求1所述的电池模块。
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