CN115803941A - 包括用于抑制热扩散的结构的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池组，该电池组包括：一个或更多个电池模块外壳，在该一个或更多个电池模块外壳中的每一个中容纳多个电池单元；电池组壳体，在该电池组壳体中容纳有所述一个或更多个电池模块外壳；水箱，该水箱设置在电池模块外壳上；以及散热器，该散热器设置在电池模块外壳下方，其中，电池模块外壳中的每一个形成为具有环绕多个电池单元的结构。当在包括多个电池模块的电池组中从电池单元开始着火时，本发明可以防止相邻电池模块之间的热扩散的发生。

Description

包括用于抑制热扩散的结构的电池组
技术领域
本申请要求于2020年11月23日提交的韩国专利申请No.2020-0157819的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本发明涉及包括热扩散抑制结构的电池组。更具体地，本发明涉及包括热扩散抑制结构的电池组，该热扩散抑制结构能够将冷却剂喷射到具有点燃的电池单元的电池模块，以便防止电池组中的点燃的电池单元的火焰扩散。
背景技术
作为锂二次电池的持续研究和开发的结果，已经可以制造和商业化具有增加的容量和改进的输出的锂二次电池。另外，增加了对作为可替代化石燃料(其导致环境污染)的能源的锂二次电池的需求。
因此，锂二次电池对各种装置的应用已经增加。例如，锂二次电池已经被广泛用作作为小型多功能产品的无线移动装置和穿戴在身体上的可穿戴装置的能源，并且还已经被用作作为现有汽油和柴油车辆的替代物或作为储能系统(ESS)的电动车辆和混合动力电动车辆的能源。
如上所述，由于锂二次电池用作大容量、高输出能源，因此确保锂二次电池的安全成为重要的关注主题。
通常，在储能系统中容纳的电池单元中发生火灾的情况下，使用通过单独的浇水装置将水注入电池模块或电池组的方法。
然而，在这种情况下，需要用于浇水装置的设施和空间，并且火灾可能由于因电池单元的排气而排出的气体的感测时间与浇水时间之间的时间差而蔓延。
另选地，可以使用在电池模块或电池组内部或外部设置绝缘材料或灭火剂以便中断电池单元之间的热传递或冷却点燃的电池单元的方法。
然而，在使用绝缘材料的情况下，尽管火焰的传播被中断，但是不执行灭火功能。在使用灭火剂的情况下，灭火剂没有精确地扩散到发生火灾的点，因为考虑到能量密度，灭火剂被设置在电池组中的空的空间中。
作为用于防止电池组的热失控的技术，专利文献1公开了一种设备，该设备被配置成使得包含水的袋位于电池上方，该袋由具有相对低熔点的材料制成，并且当电池的温度升高时，袋熔化并且袋中的水排出到电池。
在专利文献1中，袋的整体由具有低熔点的材料制成。因此，当电池的温度升高时，水不会从袋的特定部分排出，而是在袋熔化的同时，袋中的全部水排出。
因此，在袋被设置成位于电池单元下方的情况下，水不能被注入电池单元中，由此不可能表现出灭火功能。因此，存在这样的限制：袋必须仅在使得袋设置在电池单元上方的特定方向上使用。
专利文献2被配置成使得中间壳体和内壳体被容纳在外壳体中，多个单元被容纳在中间壳体中，灭火剂被容纳在内壳体中，并且当单元产生热达到上限温度或更高时，灭火剂通过注入管被引入中间壳体中。当单元产生热达到上限温度或更高时，注入管被打开，由此容纳在内壳体中的灭火剂被注入到中间壳体中。
在专利文献2中，包括用于喷射灭火剂的压缩气体、用作注入管的喷嘴以及被配置成容纳灭火剂的内壳体，由此需要用于其的附加空间，并且还进一步产生购买灭火剂和压缩气体所需的费用。
专利文献3公开了一种电池模块，该电池模块包括：单元组件；散热器，该散热器定位成与单元组件的外表面邻接，散热器中形成有制冷剂流动路径，制冷剂沿着该制冷剂流动路径流动；以及热收缩管，该热收缩管热收缩，使得单元组件和散热器彼此紧密接触。
在专利文献3中，散热器和单元组件设置成彼此紧密接触，由此可以获得单元组件散热效果；然而，当单元组件中的发生火灾时，不可能表现出防止火焰在相邻电池模块之间扩散的功能。
因此，对于在电池组中容纳的电池单元中发生火灾时，能够在不需要附加空间的情况下使火焰传播最小化并防止能量密度降低的技术存在高需要。
(现有文献)
(专利文献1)日本专利申请公开No.2014-523622(2014.09.11)
(专利文献2)日本专利申请公开No.2012-252909(2012.12.20)
(专利文献3)韩国专利申请公开No.2020-0030964(2020.03.23)
发明内容
技术问题
鉴于上述问题而做出本发明，并且本发明的目的是提供一种热扩散抑制结构的电池组，该热扩散抑制结构能够在电池组中电池单元着火或爆炸时防止构成电池组的多个电池模块之间的热扩散。
技术方案
根据本发明的用于实现上述目的的电池组包括：电池模块外壳，该电池模块外壳被配置成容纳多个电池单元；电池组壳体，该电池组壳体被配置成容纳一个或更多个电池模块外壳；水箱，水箱位于电池模块外壳上方；以及散热器，该散热器位于电池模块外壳下方，其中，电池模块外壳被配置成围绕多个电池单元。
在根据本发明的电池组中，可以在散热器中形成流动路径，该流动路径被配置成引导引入到散热器和从散热器排出的冷却剂的流动。
在根据本发明的电池组中，水箱可以被配置成具有覆盖所有电池模块外壳的上表面的尺寸。
在根据本发明的电池组中，水箱可以附接到电池组壳体的上表面的内部。
在根据本发明的电池组中，电池组壳体可以被配置成具有电池组壳体的上部开口的结构，并且水箱可以联接到电池组壳体，以便覆盖电池组壳体的开口的上表面。
在根据本发明的电池组中，可以在水箱的面对电池模块外壳的一个表面中形成通孔，并且密封构件可以被添加到通孔。
在根据本发明的电池组中，密封构件可以由通过从电池单元排出的高温气体或火花熔化的材料制成。
在根据本发明的电池组中，通孔可以由于密封构件的熔化而被打开，并且容纳在水箱中的冷却剂可以通过通孔喷射到电池模块外壳的外表面。
在根据本发明的电池组中，通孔可以被配置成具有多个孔形成在水箱的一个表面中以便均匀地分散的结构。
在根据本发明的电池组中，分隔壁可以添加在电池模块外壳之间。
在根据本发明的电池组中，通孔可以填充有密封构件，并且密封构件可以包括延伸部分，该延伸部分从水箱的外表面比通孔的周边进一步向外延伸。
在根据本发明的电池组中，电池单元中的每一个可以是袋状电池单元、棱柱形电池单元或圆柱形电池单元。
有利效果
从以上描述中显而易见的是，在根据本发明的电池组中设置有水箱，由此可以在不增加电池组的外部尺寸的情况下快速冷却包括点燃的电池单元的电池模块，因此可以防止热扩散到与其相邻的电池模块。
另外，密封构件被添加到水箱的面对电池模块外壳的一个表面。当由于熔化而去除密封构件时，无论电池组的位置或取向如何，都可以朝向包括点燃的电池单元的电池模块外壳喷射冷却剂。
另外，通孔形成在水箱的一个表面中，并且通孔填充有密封构件，由此可以使由于添加密封构件而导致的电池组的重量增加最小化。
另外，即使在多个电池模块中的任一个中发生火灾，也可以将冷却剂精确地注入其电池模块外壳中。因此，即使当本发明应用于大容量电池组时，也可以获得热扩散中断效果。
而且，在使用水代替灭火剂的情况下，可以降低生产成本。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的电池组的立体图。
图2是根据第一实施方式的电池组的分解立体图。
图3是沿着图1的线A-A’截取的电池组的截面图。
图4是例示根据第一实施方式的当电池组中发生火灾时火焰被熄灭的情况的示意图。
图5是根据第二实施方式的电池组的分解立体图。
图6是根据第二实施方式的电池组的截面图。
图7是例示根据第二实施方式的当电池组中发生火灾时火焰被熄灭的情况的示意图。
图8是根据第三实施方式的电池组的分解立体图。
图9是根据第三实施方式的电池组的截面图。
图10是例示根据第三实施方式的当电池组中发生火灾时火焰被熄灭的情况的示意图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得该发明的优选实施方式可以由本发明所属领域的普通技术人员容易地实现。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的操作原理时，当并入本文的已知功能和配置的详细描述可能模糊本发明的主题时，将省略对已知功能和配置的详细描述。
另外，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代执行类似功能或操作的部分。在一个部分在整个说明书中被称为连接到另一部分的情况下，不仅该一个部分可以直接连接到该另一部分，而且该一个部分可以经由又一部分间接连接到该另一部分。另外，除非另有说明，否则包括某个元件并不意味着排除其它元件，而是意味着可以进一步包括这样的元件。
另外，除非特别限制，否则通过限制或添加来实施元件的描述可以应用于所有发明，并且不限制具体的发明。
此外，在该发明的说明书和本申请的权利要求中，除非另有说明，否则单数形式旨在包括复数形式。
此外，在该发明的说明书和本申请的权利要求中，除非另有说明，否则“或”包括“和”。因此，“包括A或B”意味着三种情况，即包括A的情况、包括B的情况以及包括A和B的情况。
另外，除非上下文另有明确说明，否则所有数值范围包括最低值、最高值和最低值与最高值之间的所有中间值。
将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1是根据本发明第一实施方式的电池组的立体图，并且图2是根据第一实施方式的电池组的分解立体图。
参照图1和图2，根据本发明的电池组包括：配置成容纳多个电池单元120的电池模块外壳110、配置成容纳一个或更多个电池模块外壳110的电池组壳体100、位于电池模块外壳110上方的水箱200以及位于电池模块外壳110下方的散热器300，其中，电池模块外壳110中的每一个被配置成围绕多个电池单元120。
在水箱200的下表面中形成有通孔。密封构件220被添加到通孔，以便当电池组处于正常状态时防止冷却剂通过通孔排出。由于密封构件220被添加到水箱的下表面，因此密封构件从电池组的外部不可见。然而，为了便于描述，密封构件220在图1和图2中以实线示出。
在具体示例中，多个电池单元120中的每一个可以是袋状电池单元，并且电极组件容纳部分的底部被设置成在袋状电池单元被层叠使得电极组件容纳部分彼此紧密接触的状态下垂直于地面。
袋状电池单元可以是具有沿相反方向突出的正极引线和负极引线的双向电池单元，或者是具有沿同一方向突出的正极引线和负极引线的单向电池单元。
被配置成引导引入散热器和从散热器排出的冷却剂的流动的流动路径310形成在散热器300中，并且引入散热器300和从散热器300排出的冷却剂的温度可以保持在预定水平。即使由于锂二次电池的重复充电和放电而在电池单元120中产生热，也可以抑制电池组的整体温度的升高。
水箱200形成为矩形平行六面体形状，其中，水箱的面对电池模块外壳的下表面和水箱的与下表面相对的上表面是宽的，并且上表面和下表面中的每一个的面积具有覆盖容纳在电池组壳体100中的所有多个电池模块外壳110的上表面的尺寸。
在具体示例中，电池组壳体100可以是矩形平行六面体盒，上表面从该矩形平行六面体盒去除，使得电池组壳体的上部开口，并且水箱200可以联接到电池组壳体100，以便覆盖电池组壳体100的开口的上表面。
也就是说，水箱200设置在电池模块外壳110的上表面处，因此水箱可以用作具有开口的上表面的电池组壳体的盖。
在另一具体示例中，电池组壳体100可以是包括矩形平行六面体壳体主体的结构，上表面从该矩形平行六面体壳体主体去除，使得电池组壳体的上部开口，并且顶板联接到开口的上表面。此时，水箱200可以联接到顶板。也就是说，水箱200可以附接到顶板的内表面。
另选地，顶板可以是水箱的上表面，并且水箱可以与顶板是一体的。
电池模块外壳110可以被配置成围绕电池单元层叠体的相对侧表面、平行于电极组件容纳部分的底部并且围绕电池单元层叠体的上表面和下表面，其中，袋状电池单元的电极组件容纳部分的底部被设置成垂直于地面。
在电池单元120的重复充电和放电期间，电极组件膨胀和收缩，并且气体作为充电和放电的副产物而产生。因此，电池模块外壳可能膨胀。分隔壁130可以添加在一个电池模块外壳110与另一电池模块外壳110之间，以便使一个电池模块外壳110的膨胀对与其相邻的电池模块外壳的影响最小化，并且固定和支撑电池模块外壳110。
图3是沿着图1的线A-A’截取的电池组的截面图，并且图4是例示根据第一实施方式的当电池组中发生火灾时火焰被熄灭的情况的示意图。
参照图3和图4，多个电池模块外壳110设置在电池组壳体100中，并且多个电池单元120设置在每个电池模块外壳110中。水箱200设置在多个电池模块外壳110上方，并且水箱200的内部填充有冷却剂，冷却剂被配置成降低由加热或点燃的电池单元增加的电池模块的温度。
通孔形成在水箱200的面对电池模块外壳110的一个表面中，并且密封构件220被添加到通孔以便气密地密封通孔。密封构件220由通过从电池单元120排出的高温气体或火花熔化的材料制成。也就是说，当电池单元120处于正常状态时，保持通孔被密封构件220气密密封的状态。然而，随着点燃的电池单元(例如电池单元120’)的温度升高，围绕电池单元120’的电池模块外壳110的温度可能超过密封构件的熔化温度。此时，与高温的电池模块外壳相邻的密封构件220熔化，由此打开通孔230。
水箱200中容纳的冷却剂由于电池模块外壳的温度升高而蒸发，由此冷却剂的体积增加，因此冷却剂转变为高压状态。因此，当通孔230打开时，冷却剂可以在高压下朝向电池模块外壳喷射。
此时，不与点燃的电池单元120’相邻的密封构件220的形状可以被维持而不熔化。因此，冷却剂可以仅通过已经去除密封构件的通孔喷射。
根据本发明的电池模块外壳是封闭式电池模块外壳，没有电池单元从其暴露。因此，冷却剂不能直接引入点燃的电池单元中，而是可以喷射到具有点燃的电池单元的电池模块外壳110的外表面。如上所述，冷却剂被喷射到电池模块外壳110的外表面以降低高温电池模块外壳110的温度，由此可以防止或延迟热扩散到与其相邻的电池模块。
密封构件可以由熔点为约200℃或更低的热塑性聚合物树脂制成。例如，具有约100℃至约200℃的熔点的材料(诸如，聚乙烯或聚丙烯)可以用作热塑性聚合物树脂。
通孔填充有密封构件220，并且密封构件可以包括延伸部分225，延伸部分225从水箱的外表面比通孔的周边进一步向外延伸。延伸部分225是从水箱的外表面进一步延伸的部分。在正常状态下，延伸部分可以增加水箱与密封构件220之间的联接力。当在电池单元中发生火灾时，延伸部分和密封构件可以由于温度升高而依次熔化，由此可以打开通孔。
当由锂二次电池构成的电池单元有缺陷、过度充电或过热时，在电池单元中发生热失控现象。当电池单元处于热失控状态时，电池单元的温度可以升高到发生气体排出的温度，例如约260℃。另外，在发生气体排出的同时，电池单元的温度可以持续增加。
在多个电池单元被容纳在电池组壳体中以制造电池组的情况下，当一个电池单元处于热失控状态时，热量和火焰可能被传递到与其相邻的电池单元，由此相邻的电池单元可能过热并且可能因此处于热失控状态。处于热失控状态的电池单元可能加热与其相邻的另一电池单元，由此可能发生热失控链反应。因此，当电池组壳体中存在处于热失控状态的电池单元时，可能发生多个电池单元的热失控，并且这可能更广泛地扩散，由此可能导致很大的损坏。在多个电池单元处于热失控状态的情况下，电池单元可能达到约1000℃或更高的温度，并且保持该温度直到电池单元被火灾完全破坏，由此用户可能处于危险中。
因此，在点燃的电池单元的火焰和热扩散到与其相邻的电池单元之前，熄灭点燃的电池单元是非常重要的。
因此，在根据本发明的电池组中，容纳冷却剂的水箱200设置在与电池模块外壳110的上部相邻的位置处，并且冷却剂流出所通过的通孔由具有低熔点的密封构件气密地密封。因此，当密封构件220被点燃的电池单元熔化时，通孔230打开。因此，容纳在水箱200中的冷却剂通过通孔喷射到电池模块外壳110的外表面。根据本发明的电池模块外壳是封闭式电池模块外壳，其配置成使得电池单元不暴露于从水箱喷射的冷却剂。因此，冷却剂被喷射到电池模块外壳的外表面，由此可以防止或延迟热扩散到与其相邻的电池模块。
可以防止过热或点燃的袋状电池单元产生的火焰通过上述过程扩散在电池模块之间，因此可以确保使用位于外部的浇水设置熄灭电池单元的火焰所需的时间。
另外，当根据本发明的电池组安装在靠近用户的位置(例如在电动车辆中)时，可以延迟电池单元的火焰扩散，因此可以确保用户安全撤离的时间。
形成在水箱200中的通孔可以配置成具有多个孔形成在水箱的一个表面中以便均匀地分散的结构。因此，即使在某个电池模块中发生火灾，冷却剂也可以准确地喷射到包括点燃的电池单元的电池模块外壳。也就是说，可以考虑电池模块外壳的尺寸和数量以及设置在电池模块外壳中的电池单元的形状、尺寸和数量来设置形成在水箱中的通孔的数量。
图5是根据第二实施方式的电池组的分解立体图，图6是根据第二实施方式的电池组的截面图，并且图7是例示根据第二实施方式的当电池组中发生火灾时火焰被熄灭的情况的示意图。
参照图5至图7，电池组包括配置成容纳多个电池单元120的电池模块外壳110、配置成容纳一个或更多个电池模块外壳110的电池组壳体100、位于电池模块外壳110上方的水箱200、以及位于电池模块外壳110下方的散热器300，其中，电池模块外壳110中的每一个被配置成围绕多个电池单元120的外表面。
多个电池单元120中的每一个是棱柱形电池单元，其通常被配置成具有六面体结构并且具有容纳在由金属材料制成的电池壳体中的电极组件，其中，正极端子和负极端子可以从棱柱形电池单元的上表面突出以面对水箱200。棱柱形电池单元可以设置成彼此紧密接触，使得棱柱形电池单元的相对宽的侧表面层叠成彼此相邻。
另外，在水箱200的面对多个电池模块外壳的一个表面中形成通孔，并且由具有低熔点的材料制成的密封构件220被添加到通孔。当在电池单元中发生火灾时，密封构件可以熔化以打开通孔，并且容纳在水箱中的冷却剂可以通过通孔喷射到电池模块外壳110的外表面。
此外，根据第一实施方式的电池组的描述同样适用于根据第二实施方式的电池组。另外，第二实施方式的与第一实施方式相同的部件可以用相同的附图标记表示。
图8是根据第三实施方式的电池组的分解立体图，图9是根据第三实施方式的电池组的截面图，并且图10是例示根据第三实施方式的当电池组中发生火灾时火焰被熄灭的情况的示意图。
参照图8至图10，电池组包括配置成容纳多个电池单元120的电池模块外壳110、配置成容纳一个或更多个电池模块外壳110的电池组壳体100、位于电池模块外壳110上方的水箱200、以及位于电池模块外壳110下方的散热器300，其中，电池模块外壳110中的每一个被配置成围绕多个电池单元120的外表面。
多个电池单元120中的每一个是圆柱形电池单元，其通常被配置成具有圆柱形结构并且具有容纳在由金属材料制成的电池壳体中的电极组件，其中，正极端子可以向上突出以面对水箱200。
另外，在水箱200的面对多个电池模块外壳的一个表面中形成通孔，并且由具有低熔点的材料制成的密封构件220被添加到通孔。当在电池单元中发生火灾时，密封构件可以熔化以打开通孔，并且容纳在水箱中的冷却剂可以通过通孔喷射到电池模块外壳110的外表面。
此外，根据第一实施方式的电池组的描述同样适用于根据第三实施方式的电池组。另外，第三实施方式的与第一实施方式相同的部件可以用相同的附图标记表示。
本发明所属领域的技术人员将理解的是，在基于以上描述的本发明的范畴内，各种应用和修改都是可行的。
(附图标记的描述)
100：电池组壳体
110：电池模块外壳
120、120’：电池单元
130：分隔壁
200：水箱
220：密封构件
225：延伸部分
230：通孔
300：散热器
310：流动路径

Claims (12)

1.一种电池组，所述电池组包括：
电池模块外壳，所述电池模块外壳被配置成容纳多个电池单元；
电池组壳体，所述电池组壳体被配置成容纳所述电池模块外壳中的一个或更多个；
水箱，所述水箱位于所述电池模块外壳上方；以及
散热器，所述散热器位于所述电池模块外壳下方，其中，
所述电池模块外壳被配置成围绕所述多个电池单元。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，
在所述散热器中形成流动路径，所述流动路径被配置成引导引入到所述散热器和从所述散热器排出的冷却剂的流动。
3.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述水箱被配置成具有覆盖所有所述电池模块外壳的上表面的尺寸。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述水箱附接到所述电池组壳体的上表面的内部。
5.根据权利要求1所述的电池组，其中，
所述电池组壳体被配置成具有该电池组壳体的上部开口的结构，并且
所述水箱联接到所述电池组壳体，以便覆盖所述电池组壳体的开口的上表面。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中，
在所述水箱的面对所述电池模块外壳的一个表面中形成通孔，并且
密封构件被添加到所述通孔。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述密封构件由通过从所述电池单元排出的高温气体或火花熔化的材料制成。
8.根据权利要求1所述的电池组，其中，
所述通孔由于所述密封构件的熔化而被打开，并且
容纳在所述水箱中的冷却剂通过所述通孔喷射到所述电池模块外壳的外表面。
9.根据权利要求6所述的电池组，其中，所述通孔被配置成具有多个孔形成在所述水箱的一个表面中以便均匀地分散的结构。
10.根据权利要求1所述的电池组，其中，在所述电池模块外壳之间添加分隔壁。
11.根据权利要求6所述的电池组，其中，
所述通孔填充有所述密封构件，并且
所述密封构件包括延伸部分，所述延伸部分从所述水箱的外表面比所述通孔的周边进一步向外延伸。
12.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述电池单元中的每一个是袋状电池单元、棱柱形电池单元或圆柱形电池单元。
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