JP2021518981A - 冷却剤をバッテリーモジュール内に投入可能な構造を有するエネルギー貯蔵システム - Google Patents

冷却剤をバッテリーモジュール内に投入可能な構造を有するエネルギー貯蔵システム Download PDF

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Abstract

本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムは、上下に積層された複数のバッテリーモジュールを含むモジュール積層体と、前記複数のバッテリーモジュールの少なくとも一部でベンティングが発生した場合に、これを感知するベンティング感知部と、前記ベンティング感知部によってバッテリーモジュールのベンティングが感知されると、ベンティングが発生したバッテリーモジュールに冷却剤を供給する冷却剤供給部と、を含む。

Description

本発明は、冷却剤をバッテリーモジュール内に投入することができる構造を有するエネルギー貯蔵システムに関し、より詳しくは、一部のバッテリーモジュールにおいて異常発熱によるガスの発生時、これを感知して当該バッテリーモジュール内に冷却剤が投入されるようにすることで熱暴走現象が他のバッテリーモジュールへ移されないようにするエネルギー貯蔵システムに関する。
本出願は、２０１９年２月１１日出願の韓国特許出願第１０−２０１９−００１５６８５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。
通常、バッテリーモジュールは、長期間の使用時、温度によってバッテリーモジュールの寿命が急激に短縮することを防止するために冷却システムを備えており、このような冷却システムは、バッテリーモジュールの使用環境による発熱量などを考慮して設計される。
しかし、バッテリーモジュールの使用過程で一部のバッテリーセルが故障によって異常発熱症状を示す場合、持続的に温度が上昇することがあり、この場合、臨界温度を超えると、熱暴走現象（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）が発生してしまい、安全性のイシューが発生し得る。
即ち、一部のバッテリーセルで発生した熱暴走現象が短い時間内に隣接したバッテリーセルへ移されると、全体的にバッテリーモジュールの温度が急上昇し、これは複数のバッテリーモジュールを含むエネルギー貯蔵システムの温度上昇につながり、財産と人名に大きい被害を与え得る。
そこで、このような熱暴走現象の急激な拡散を防止するために、一部のバッテリーモジュールで異常発熱が発生した場合に、これを早期に感知し、また、異常発熱が発生したバッテリーモジュールの内部に冷却剤が集中的に投入され得る構造を有するエネルギー貯蔵システムの開発が要求される。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、一部のバッテリーモジュールで異常発熱が発生した場合に、これを迅速に感知し、かつ異常発熱が発生したバッテリーモジュールの内部に冷却剤を集中的に投入することができる構造を有するエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。
但し、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、下記する発明の説明から当業者にとって明確に理解されるであろう。
上記の課題を達成するための本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムは、上下に積層された複数のバッテリーモジュールを含むモジュール積層体と、上記複数のバッテリーモジュールの少なくとも一部でベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）が発生した場合に、これを感知するベンティング感知部と、上記ベンティング感知部によってバッテリーモジュールのベンティングが感知されると、ベンティングが発生したバッテリーモジュールに冷却剤を供給する冷却剤供給部と、を含む。
上記ベンティング感知部は、上記冷却剤供給部内に備えられ得る。
上記バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルと、上記バッテリーセルを収容するモジュールケースと、を含み得る。
上記モジュールケースは、バッテリーモジュールの内圧増加によって破断され、内部ガスを排出するベンティング部を備え得る。
上記ベンティング部は、基準温度以上で溶ける樹脂フィルムであり得る。
上記エネルギー貯蔵システムは、上記バッテリーモジュールの積層方向に沿って延び、上記バッテリーモジュールの一面に備えられたベンティング部と連通する冷却剤供給流路と、上記バッテリーモジュールの積層方向に沿って延び、上記バッテリーモジュールの他面に備えられたベンティング部と連通する冷却剤回収流路と、をさらに含み得る。
上記ベンティング感知部は、上記冷却剤供給流路及び冷却剤回収流路の少なくとも一つの内側に備えられ得る。
上記エネルギー貯蔵システムは、上記冷却剤供給流路と上記バッテリーモジュールの一側に備えられたベンティング部とを連結する第１連結ダクトと、上記冷却剤回収流路と上記バッテリーモジュールの他側に備えれたベンティング部とを連結する第２連結ダクトと、をさらに含み得る。
上記ベンティング感知部は、上記第１連結ダクト及び第２連結ダクトの少なくとも一つの内側に備えられ得る。
上記冷却剤供給流路は、上記冷却剤供給流路の内側面から第１連結ダクトに向ける方向へ下向きに傾いた形態を有する冷却剤ガイドを備え得る。
本発明の一面によると、エネルギー貯蔵システムを構成する複数のバッテリーモジュールの一部で異常発熱が発生した場合に、バッテリーモジュールの内圧増加によってガスが外部へ迅速に排出され、排出されたガスを迅速に感知して異常発熱が発生したバッテリーモジュールの内部に冷却剤を投入することが可能になる。
このように、一部のバッテリーモジュールへ迅速な冷却剤の投入が可能な構造を有する本発明によるエネルギー貯蔵システムの構造によると、一部のバッテリーモジュールに発生した異常発熱による熱暴走現象を予め防止することができ、これによってエネルギー貯蔵システムの全体に熱暴走現象が拡散することを防止することができる。
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エネルギー貯蔵システムを示す概念図である。 本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムに適用されるバッテリーモジュールを示す図である。 図２に示したバッテリーモジュールの内圧増加によって外部へガスが噴出される様子を示す図である。 図２に示したバッテリーモジュールの一面を示す図であって、バッテリーモジュールに形成されたベンティング部を示す図である。 図４に示したベンティング部の変形例を示す図である。 図１に示した本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムの一部を示す図である。 図６に示したエネルギー貯蔵システムにおいて、一部のバッテリーモジュールでベンティングが発生した場合における冷却剤の移動経路を示す図である。 図１に示したエネルギー貯蔵システムにおいて、一部のバッテリーモジュールでベンティングが発生した場合における冷却剤の移動経路を示す図である。
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。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
先ず、図１を参照すると、本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムは、バッテリーモジュール１０、冷却剤供給部２０、冷却剤供給流路３０、冷却剤回収流路４０、第１連結ダクト５０、第２連結ダクト６０、ベンティング感知部７０及びハウジング８０を含んで具現され得る。
上記バッテリーモジュール１０は、略直方体形状を有し、複数個が備えられる。複数のバッテリーモジュール１０は上下に積層され、一つのモジュール積層体をなす。図２を参照すれば、各々のバッテリーモジュール１０は、複数のバッテリーセル１１及びこれを収容するモジュールケース１２を含む。
上記バッテリーセル１１としては、例えば、パウチタイプのバッテリーセルを適用することができ、複数のバッテリーセル１１は、相互に対向して積層され、一つのセル積層体をなす状態でモジュールケース１２内に収容される。
図３に示すように、上記モジュールケース１２は、バッテリーモジュール１０の異常発熱現象によって内圧が基準値以上に増加する場合において内部に発生したガスが外部へ排出可能な構造を有する。
具体的には、図４及び図５を参照すると、上記モジュールケース１２の一側面及び他側面の各々には、ベンティング部１２ａが備えられる。上記ベンティング部１２ａは、バッテリーモジュール１０に異常発熱現象が発生し、これによってバッテリーモジュール１０の内圧が、安全を考慮して設定された基準値以上に上昇する場合、破断されることでバッテリーモジュール１０の内部に生成されたガスを外部へ排出する。
具体的には示していないが、上記モジュールケース１２の内部に収容されたバッテリーセル１１は、電極組立体をセルケース内に収容した形態を有し、セルケース内には電解液が共に収容される。短絡などの発生によってバッテリーセルが過熱する場合、電解液の副反応などによってバッテリーセルの内部にガスが発生するようになり、ガスによる内圧が一定水準を超えると、セルケースの密封が弱い部分からガスがセルケースの外部へ排出される。
このように、セルケースの外部へ排出されたガス量が多くなると、モジュールケース１２の内部の圧力が上昇し、内圧が基準値以上になると、周辺よりも弱い部分であるベンティング部１２ａに破断が発生することでガスがモジュールケース１２の外部へ排出されるのである。
上記ベンティング部１２ａは、高温条件で迅速に破断しなくてはならず、このような機能を勘案して周辺よりも薄い厚さを有する樹脂フィルムからなり得る。このような樹脂フィルムの厚さ及び樹脂フィルムに適用される樹脂の種類は、略１００℃〜３００℃の温度条件で溶けて完全に破断できるように決定され得る。
上記ベンティング部１２ａは、モジュールケース１２の一側面及び他側面の各々に形成されるが、図４に示したように、モジュールケース１２の長手方向（図４を基準にして左右方向）に沿って不連続的に複数個が形成され得る。
また、上記ベンティング部１２ａは、図５に示したようにモジュールケース１２の一側面及び他側面の各々に一つのみが形成され得、モジュールケース１２の長手方向（図５を基準にし左右方向）に沿って延びた形態を有し得る。
図１を参照すれば、上記冷却剤供給部２０は、モジュール積層体の上部に備えられ、ベンティング感知部７０によって一部のバッテリーモジュール１０のベンティングが感知されると、冷却剤をベンティングが発生したバッテリーモジュール１０の内部に供給してバッテリーモジュール１０の温度上昇を防止する。
このように、上記冷却剤供給部２０は、一部のバッテリーモジュール１０のベンティング発生を条件にして、冷却剤をバッテリーモジュール１０の内部に直接供給することで、異常発火現象を起こしたバッテリーモジュール１０で始まった熱暴走現象がモジュール積層体の全体に拡散することを防止することができる。
上記冷却剤供給部２０によって供給される冷却剤としては、液体状態または気体状態の冷却剤が用いられ得、冷却剤供給部２０がモジュール積層体の上部に位置することを勘案すると、自由落下による迅速な冷却剤供給のために液体状態の冷却剤を使うことがより有利であり得る。
上記冷却剤供給部２０は、冷却剤の供給及び回収のために内部にポンピングモーターなどの駆動装置を備え得、このような駆動装置の駆動によって冷却剤をさらに速く循環させてイベントが発生したバッテリーモジュール１０への迅速な冷却が可能となる。
図１及び図６を参照すれば、上記冷却剤供給流路３０は、バッテリーモジュール１０の積層方向に沿って延びた形態を有し、バッテリーモジュール１０の一側面に備えられたベンティング部１２ａと連通する。また、上記冷却剤回収流路４０は、バッテリーモジュール１０の積層方向に沿って延びた形態を有し、バッテリーモジュール１０の他側面に備えられたベンティング部１２ａと連通する。
上記第１連結ダクト５０は、冷却剤供給流路３０とバッテリーモジュール１０の一側面に備えられたベンティング部１２ａとを連結する。また、上記第２連結ダクト６０は、冷却剤回収流路４０とバッテリーモジュール１０の他側面に備えられたベンティング部１２ａとを連結する。
即ち、本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムは、一部のバッテリーモジュール１０のベンティングが発生したことが感知されると、冷却剤供給部２０から冷却剤を供給し、供給された冷却剤は、冷却剤供給流路３０に沿って下方へ移動し、第１連結ダクト５０を通してベンティングが発生したバッテリーモジュール１０側へ流入する。また、破断された上記ベンティング部１２ａからバッテリーモジュール１０の内部に流入した冷却剤は、バッテリーモジュール１０の内部を冷却した後、第２連結ダクト６０を通して冷却剤回収流路４０側へ抜け出る。
上記バッテリーモジュール１０を冷却した後、冷却剤回収流路４０側へ抜け出た冷却剤は、冷却剤回収流路４０に沿って上方及び／または下方へ移動するようになり、冷却剤回収流路４０内に冷却剤がいっぱい満たされると、冷却剤は冷却剤供給部２０に回収される。
図７を参照すれば、上記冷却剤供給流路３０は、冷却剤供給流路３０の内側面から第１連結ダクト５０に向ける方向へ下向きに傾いた形態を有する冷却剤ガイド３１を備え得る。このような冷却剤ガイド３１は、冷却剤供給流路３０に沿って上方から下方へ移動する冷却剤が第１連結ダクト５０側へさらに容易に移動可能にする。
本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムは、上述したように、冷却剤供給部２０及び流路３０、４０、そしてダクト５０、６０を備えることで、図８に矢印で示したように冷却剤の流れを形成し得る。即ち、本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムは、一部のバッテリーモジュール１０でイベントが発生してガスが排出されると、冷却剤供給部２０−冷却剤供給流路３０−第１連結ダクト５０−イベントが発生したバッテリーモジュール１０−第２ダクト６０−冷却剤回収流路４０−冷却剤供給部２０の経路に冷却剤が循環するようにすることで、バッテリーモジュール１０を迅速に冷却する。
図１をさらに参照すると、上記ベンティング感知部７０は、複数のバッテリーモジュール１０の少なくとも一部でベンティングが発生した場合、これを感知し、感知された信号を冷却剤供給部２０に送出する。上記ベンティング感知部７０は、バッテリーモジュール１０のベンティングによって排出されるガスを感知する方式でベンティング発生の有無を判別する。即ち、上記ベンティング感知部７０は、ガスを感知するセンサーであり得る。
上記バッテリーモジュール１０で発生したベンティングによって排出されるガスを感知するために、ベンティング感知部７０は、冷却剤が循環する閉循環経路上に配置されなければならない。したがって、上記ベンティング感知部７０は、冷却剤供給部２０の内部及び／または冷却剤供給流路３０の内部及び／または冷却剤回収流路４０の内部及び／または第１連結ダクト５０の内部及び／または第２連結ダクト６０の内部に備えられ得る。
費用節減の面及びベンティング発生の迅速な感知の面を共に考慮する場合、上記ベンティング感知部７０は、第１連結ダクト５０の内部または第２連結ダクト６０の内部のいずれか一箇所に備えられることが有利である。
図１を参照すれば、上記ハウジング８０は、前述した本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムを構成する残りの構成要素を収容する。
上述したように、本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムは、一部のバッテリーモジュール１０で異常発熱などのイベントが発生した場合、これを迅速に感知してイベントが発生したバッテリーモジュール１０の内部に冷却剤が集中的に投入できる構造を有し、これによって、一部のバッテリーモジュール１０で発生したイベントがモジュール積層体の全体に拡散することを防止することで、エネルギー貯蔵システムの使用上の安全性を確保することができる。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本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本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
１０ バッテリーモジュール
１１ バッテリーセル
１２ モジュールケース
１２ａ ベンティング部
２０ 冷却剤供給部
３０ 冷却剤供給流路
３１ 冷却剤ガイド
４０ 冷却剤回収流路
５０ 第１連結ダクト
６０ 第２連結ダクト
７０ ベンティング感知部
８０ ハウジング

Claims (10)

  1. 上下に積層された複数のバッテリーモジュールを含むモジュール積層体と、
    前記複数のバッテリーモジュールの少なくとも一部でベンティングが発生した場合に、これを感知するベンティング感知部と、
    前記ベンティング感知部によってバッテリーモジュールのベンティングが感知されると、ベンティングが発生したバッテリーモジュールに冷却剤を供給する冷却剤供給部と、を含む、エネルギー貯蔵システム。
  2. 前記ベンティング感知部は、前記冷却剤供給部内に備えられることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
  3. 前記バッテリーモジュールは、
    複数のバッテリーセルと、
    前記バッテリーセルを収容するモジュールケースと、を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のエネルギー貯蔵システム。
  4. 前記モジュールケースは、
    バッテリーモジュールの内圧増加によって破断され、内部ガスを排出するベンティング部を備えることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー貯蔵システム。
  5. 前記ベンティング部は、
    基準温度以上で溶ける樹脂フィルムであることを特徴とする、請求項４に記載のエネルギー貯蔵システム。
  6. 前記エネルギー貯蔵システムは、
    前記バッテリーモジュールの積層方向に沿って延び、前記バッテリーモジュールの一面に備えられたベンティング部と連通する冷却剤供給流路と、
    前記バッテリーモジュールの積層方向に沿って延び、前記バッテリーモジュールの他面に備えられたベンティング部と連通する冷却剤回収流路と、をさらに含むことを特徴とする、請求項４または５に記載のエネルギー貯蔵システム。
  7. 前記ベンティング感知部は、
    前記冷却剤供給流路及び冷却剤回収流路の少なくとも一つの内側に備えられることを特徴とする、請求項６に記載のエネルギー貯蔵システム。
  8. 前記エネルギー貯蔵システムは、
    前記冷却剤供給流路と前記バッテリーモジュールの一側に備えられたベンティング部とを連結する第１連結ダクトと、
    前記冷却剤回収流路と前記バッテリーモジュールの他側に備えられたベンティング部とを連結する第２連結ダクトと、をさらに含むことを特徴とする、請求項６または７に記載のエネルギー貯蔵システム。
  9. 前記ベンティング感知部は、
    前記第１連結ダクト及び第２連結ダクトの少なくとも一つの内側に備えられることを特徴とする、請求項８に記載のエネルギー貯蔵システム。
  10. 前記冷却剤供給流路は、
    前記冷却剤供給流路の内側面から第１連結ダクトに向ける方向へ下向きに傾いた形態を有する冷却剤ガイドを備えることを特徴とする、請求項８または９に記載のエネルギー貯蔵システム。
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