JP2022506014A - スウェリング吸収及び熱遮断機能を有するパッド複合体を備えるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセル及び隣接したバッテリーセル同士の間に介在される少なくとも一つのパッド複合体を含むセル積層体と、前記セル積層体を収容するモジュールケースと、を含み、前記パッド複合体は、前記バッテリーセルのスウェリングによる体積膨張によって圧縮される一対のスウェリング吸収パッドと、前記一対のスウェリング吸収パッドの間に介在されて隣接したバッテリーセル間の熱伝達を遮断し、予め設定された基準温度以上で膨張する熱遮断パッドと、を含む。
Description
本発明は、スウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）吸収及び熱遮断機能を有するパッド複合体を備えるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より具体的には、スウェリングによるバッテリーセルの膨張によって圧縮されるスウェリング吸収パッドと、バッテリーモジュールの内部温度の上昇によってスウェリング吸収パッドが損傷される場合に膨張し、スウェリング吸収パッドが占めていた空間を埋める熱遮断パッドとを含むパッド複合体が適用されたバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、２０１９年３月４日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００２４８４０号に基づく優先権を主張し、当該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。
一般に、バッテリーモジュールは、長時間使用時に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冷却システムを備え、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において、一部のバッテリーセルが故障によって異常発熱すると温度が継続的に上昇し、臨界温度を超えるようになれば、熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）現象が発生して安全性イシューになり得る。
すなわち、一部のバッテリーセルで発生した熱暴走が短時間に隣接したバッテリーセルへと広がると、バッテリーモジュール全体の温度が急激に上昇し、これは複数のバッテリーモジュールを含むバッテリーパック全体の温度上昇につながるようになって、財産と人命に多大な被害をもたらし得る。したがって、このような熱暴走現象の急激な伝播を防止するため、隣接したバッテリーセルの間に熱遮断のための部材を適用する必要性がある。
また、隣接したバッテリーセルの間には、スウェリングによるバッテリーセルの膨張によって圧縮されてスウェリングを吸収可能な緩衝部材が適用され、このような緩衝部材としては発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ：ｅｘｐａｎｄｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｙｈｙｌｅｎｅ）パッドまたはウレタンパッドなどが用いられ得る。
このような材質の緩衝パッドは、バッテリーモジュールの正常な使用状況では一定水準の弾性を有して、スウェリングによるバッテリーセルの膨張時に圧縮されながらスウェリングを吸収する。また、隣接したバッテリーセル同士の間隔を維持させることで、異常発熱時に隣接したバッテリーセル間の熱伝達を遅延させる機能を果たす。
しかし、このような材質の緩衝パッドは、一部のバッテリーセルで熱暴走現象が生じ、それによってバッテリーモジュール内の温度が臨界値を超える場合は損傷を受け易く、収縮するおそれがある。
このように緩衝パッドが熱によって損傷されて収縮する場合、緩衝パッドを介在して隣接したバッテリーセル同士の間隔が低減し、隣接したバッテリーセル間の熱暴走現象の伝播速度がさらに速くなり得る。
したがって、バッテリーセルのスウェリングによる体積膨張を吸収できると同時に、一部のバッテリーセルで発生した異常発熱によってバッテリーモジュール内の温度が臨界値を超えて上昇しても隣接したバッテリーセル同士の間隔を一定に維持でき、また隣接したバッテリーセル間の熱暴走現象の伝播を遅延させることができる構造を有するバッテリーモジュールの開発が求められている実状である。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーセルのスウェリングによる体積膨張を吸収でき、一部のバッテリーセルで発生した異常発熱によってバッテリーモジュール内の温度が臨界値を超えて上昇しても隣接したバッテリーセル同士の間隔を一定に維持でき、また隣接したバッテリーセル間の熱暴走現象の伝播を遅延させることができる構造を有するバッテリーモジュールを提供することを目的とする。
本発明が解決しようとする技術的課題は上記の課題に制限されず、その他の課題は下記の発明の説明から当業者に明確に理解できるであろう。
上述した課題を解決するため、本発明の一態様によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセル及び隣接したバッテリーセル同士の間に介在される少なくとも一つのパッド複合体を含むセル積層体と、前記セル積層体を収容するモジュールケースと、を含み、前記パッド複合体は、前記バッテリーセルのスウェリングによる体積膨張によって圧縮される一対のスウェリング吸収パッドと、前記一対のスウェリング吸収パッドの間に介在されて隣接したバッテリーセル間の熱伝達を遮断し、予め設定された基準温度以上で膨張する熱遮断パッドと、を含む。
前記スウェリング吸収パッドは、前記基準温度以上で収縮して厚さが減少し得る。
前記熱遮断パッドは、前記基準温度以上で膨張して前記スウェリング吸収パッドの収縮によって生じる空間を埋め得る。
前記基準温度以上で前記熱遮断パッドの厚さ方向の膨張率は５～４０であり得る。
前記バッテリーセルは、パウチ型バッテリーセルであり得る。
前記パッド複合体は一つが備えられ、一つの前記パッド複合体は前記セル積層体の積層方向の中心部に配置され得る。
前記バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを含むセルグループ同士の間毎に配置される複数のスウェリング吸収パッドをさらに含み得る。
前記パッド複合体は、複数個が備えられ、複数のパッド複合体は複数のバッテリーセルを含むセルグループ同士の間毎に配置され得る。
前記スウェリング吸収パッドは、ＥＰＰ及びウレタンの少なくともいずれか一つを含み得る。
前記熱遮断パッドは、エポキシ系樹脂、ブチル系樹脂及び塩化ビニル系樹脂のうち少なくともいずれか一つを含み得る。
一方、本発明の他の一態様によるバッテリーパック及び自動車は、上述したような本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
本発明の一態様によれば、バッテリーセルのスウェリングによる体積膨張を吸収でき、一部のバッテリーセルで発生した異常発熱によってバッテリーモジュール内の温度が臨界値を超えて上昇しても隣接したバッテリーセル同士の間隔を一定に維持でき、また隣接したバッテリーセル間の熱暴走現象の伝播を遅延させることができるバッテリーモジュールを提供することができる。
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形態を例示するものであって、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ものであるため、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。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求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形態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形態に過ぎず、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。
まず、図１～図４を参照して、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを説明する。
図１は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを示した斜視図であり、図２は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるバッテリーセルを示した図である。また、図３は、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるセル積層体を示した図であって、バッテリーモジュールの内部温度が基準温度未満である場合を示した図である。また、図４は、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるセル積層体を示した図であって、バッテリーモジュールの内部温度が基準温度以上である場合を示した図である。
図１～図４を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、セル積層体１００及びセル積層体１００を収容するモジュールケース２００を含む。上記セル積層体１００は、複数のバッテリーセル１１０、及び隣接したバッテリーセル１１０同士の間に介在される少なくとも一つのパッド複合体１２０を含む。
上記バッテリーセル１１０としては、例えばパウチ型バッテリーセルが適用され得る。上記バッテリーセル１１０がパウチ型バッテリーセルである場合、図２に示されたように、バッテリーセル１１０は電極組立体（図示せず）、パウチケース１１１、電極リード１１２及びシーリングテープ１１３を含む形態で具現され得る。
図示していないが、上記電極組立体は、交互に繰り返して積層された正極板と負極板との間にセパレータを介在させた形態を有し、両側の最外郭には絶縁のためにセパレータがそれぞれ位置することが望ましい。
上記正極板は、正極集電体及びその一面上にコーティングされる正極活物質層からなり、一側端部には正極活物質がコーティングされていない正極無地部領域が形成されるが、該正極無地部領域は正極タブとして機能する。
上記負極板は、負極集電体及びその一面または両面上にコーティングされる負極活物質層からなり、一側端部には負極活物質がコーティングされていない負極無地部領域が形成されるが、該負極無地部領域は負極タブとして機能する。
また、上記セパレータは、正極板と負極板との間に介在されて相異なる極性を有する電極板同士が直接接触することを防止するが、正極板と負極板との間で電解質を媒介体にしたイオンの移動を可能にするために多孔性材質からなり得る。
上記セルケース１１１は、電極組立体を収容する収容部１１１ａ、及び収容部１１１ａの周縁方向に延びて電極リード１１２が外部に引き出された状態で熱融着されてシーリングされることで、セルケース１１１を密封するシーリング部１１１ｂを含む。
図示していないが、上記セルケース１１１は、樹脂層／金属層／樹脂層が順次に積層された多層のパウチフィルムからなる上部ケースと下部ケースとのそれぞれの周縁部分が当接して熱融着されることで密封される。
一対の電極リード１１２は、それぞれ正極タブ（図示せず）及び負極タブ（図示せず）と接続されてセルケース１１１の外側に引き出される。上記一対の電極リード１１２は、バッテリーセル１１０の長手方向の一側に並んで引き出されるか、または、バッテリーセル１１０の長手方向の一側及び他側にそれぞれ引き出される。すなわち、本発明に適用されるバッテリーセル１１０は、正極リード及び負極リードが同じ方向に引き出される一方向引出型バッテリーセルであってもよく、互いに反対方向に引き出される両方向引出型バッテリーセルであってもよい。
上記シーリングテープ１１３は、電極リード１１２の周りに貼り付けられて、パウチケース１１１のシーリング部１１１ｂの内側面と電極リード１１２との間に介在される。上記シーリングテープ１１３は、電極リード１１２の引き出しによるシーリング部１１１ｂの密封性の低下を防止する。
上記パッド複合体１２０は、隣接したバッテリーセル１１０同士の間に介在され、セル積層体１００の厚さ増加を最小化するため、一つのみが備えられ得る。このように一つのパッド複合体１２０が備えられる場合、パッド複合体１２０はセル積層体１００の積層方向の中心部に配置されることが望ましい。これは、隣接したバッテリーセル１１０間の熱暴走現象の伝播を効率的に遮断するためである。
上記パッド複合体１２０は、一対のスウェリング吸収パッド１２１、及び一対のスウェリング吸収パッド１２１の間に介在される熱遮断パッド１２２を含む。
上記スウェリング吸収パッド１２１は、バッテリーモジュールが充放電を繰り返すことでバッテリーセル１１０にスウェリングが発生し、バッテリーセル１１０が積層方向に膨らむように膨張する場合、圧縮されてスウェリングを吸収する。このような機能を考慮して、上記スウェリング吸収パッド１２１は、弾性を有する材質からなり、例えば発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ）及びウレタンのうち少なくともいずれか一つを含むことができる。
上記スウェリング吸収パッド１２１は、バッテリーモジュールの異常発熱によってバッテリーモジュールの内部温度が約１００℃～３００℃の高温になると損傷されて収縮し、高温状態が一定時間以上続くとその厚さが殆ど０に近くなる。
上記熱遮断パッド１２２は、一対のスウェリング吸収パッド１２１の間に介在され、パッド複合体１２０を介在して両側に位置するバッテリーセル１１０間の熱的移動を最小化する。また、上記熱遮断パッド１２２は、バッテリーモジュールの内部温度が異常に上昇してスウェリング吸収パッド１２１が損傷されて収縮する温度（約１００℃～３００℃）以上になると、膨張する特性を有する。
このような温度に応じた動作特性のため、上記熱遮断パッド１２２は、例えばエポキシ系樹脂、ブチル系樹脂及び塩化ビニル系樹脂のうち少なくとも一つを含むことができる。
上記熱遮断パッド１２２は、バッテリーモジュールの異常発熱によってバッテリーモジュールの内部温度が上昇して基準温度（約１００℃～３００℃）以上になると、膨張してスウェリング吸収パッド１２１の損傷によって形成された空間を埋める。すなわち、上記熱遮断パッド１２２は、バッテリーモジュールの異常発熱によってスウェリング吸収パッド１２１が損傷され、隣接したバッテリーセル１１０同士の間に空いた空間が発生することを防止することで、隣接したバッテリーセル１１０間の距離が近くなることを防止し、これによって熱の移動を効率的に遮断する。
上記熱遮断パッド１２２の膨張率は約５～４０であり、膨張は厚さ方向のみに発生する。したがって、上記熱遮断パッド１２２は、バッテリーモジュールの内部温度が基準温度以上になる場合、十分に膨張して隣接したバッテリーセル１１０同士の間に空いた空間が生じないようにすることができる。
また、上記熱遮断パッド１２２は、約０．０５～０．５Ｗ／ｍ－ｋ範囲の非常に低い熱伝導性を有し、これによってパッド複合体１２０を介在して両側に位置するバッテリーセル１１０間の熱伝達を最小化することができる。
以下、図５を参照して、本発明の他の実施形態によるバッテリー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バッテリーモジュールに適用されるセル積層体を示した図である。
本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールは、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールと比べて、パッド複合体１２０の適用個数が相違するだけで、その他の事項は上述した実施形態と実質的に同一である。
したがって、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいては、複数のパッド複合体１２０の適用位置のみについて説明し、上述した実施形態と重なる事項は具体的な説明を省略する。
図５を参照すると、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールは、複数のパッド複合体１２０を含む。上記パッド複合体１２０は、複数のバッテリーセル１１０を含むセルグループ同士の間毎に配置される。一つのセルグループに含まれるバッテリーセル１１０の個数は、バッテリーモジュールに含まれるバッテリーセル１１０の個数、バッテリーセル１１０の容量、パッド複合体１２０の厚さなどを考慮して決定し得る。
以下、図６を参照して、本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールについて説明する。
図６は、本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるセル積層体を示した図である。
本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールは、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールと比べて、パッド複合体１２０の他にスウェリング吸収パッド１２１がさらに適用された点で相違するだけで、その他の事項は実質的に同一である。
したがって、本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールにおいては、追加的に適用されたスウェリング吸収パッド１２１の適用位置のみについて説明し、上述した実施形態と重なる事項は具体的な説明を省略する。
本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールは、セル積層体１００の厚さ方向の中心部に配置されるパッド複合体１２０の他に、複数のバッテリーセル１１０を含むセルグループ同士の間毎に配置される複数のスウェリング吸収パッド１２１をさらに含む。
このようにセル積層体１００の複数の個所にスウェリング吸収パッド１２１が適用される場合、バッテリーセル１１０のスウェリングによる体積膨張を安定的に吸収することができる。また、本発明のさらに他の実施形態によるバッテリーモジュールは、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールと同様に、セル積層体１００の中心部にパッド複合体１２０が備えられているため、異常な発熱現象が生じる場合も、セル積層体１００の厚さ方向の中心部を境界にして熱暴走現象の伝播を防止または遅延でき、バッテリーモジュール使用上の安全性を確保することができる。
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で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。
１００ セル積層体
１１０ バッテリーセル
１１１ パウチケース、セルケース
１１１ａ 収容部
１１１ｂ シーリング部
１１２ 電極リード
１１３ シーリングテープ
１２０ パッド複合体
１２１ スウェリング吸収パッド
１２２ 熱遮断パッド
２００ モジュールケース
１１０ バッテリーセル
１１１ パウチケース、セルケース
１１１ａ 収容部
１１１ｂ シーリング部
１１２ 電極リード
１１３ シーリングテープ
１２０ パッド複合体
１２１ スウェリング吸収パッド
１２２ 熱遮断パッド
２００ モジュールケース
Claims (12)
- 複数のバッテリーセル及び隣接したバッテリーセル同士の間に介在される少なくとも一つのパッド複合体を含むセル積層体と、
前記セル積層体を収容するモジュールケースと、を含み、
前記パッド複合体は、
前記バッテリーセルのスウェリングによる体積膨張によって圧縮される一対のスウェリング吸収パッドと、
前記一対のスウェリング吸収パッドの間に介在されて隣接したバッテリーセル間の熱伝達を遮断し、予め設定された基準温度以上で膨張する熱遮断パッドと、を含む、バッテリーモジュール。 - 前記スウェリング吸収パッドは、前記基準温度以上で収縮して厚さが減少する、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
- 前記熱遮断パッドは、前記基準温度以上で膨張して前記スウェリング吸収パッドの収縮によって生じる空間を埋める、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
- 前記基準温度以上での前記熱遮断パッドの厚さ方向の膨張率が５～４０である、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
- 前記バッテリーセルは、パウチ型バッテリーセルである、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 一つの前記パッド複合体が備えられ、一つの前記パッド複合体は前記セル積層体の積層方向の中心部に配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 前記バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを含むセルグループ同士の間毎に配置される複数のスウェリング吸収パッドをさらに含む、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
- 複数個の前記パッド複合体が備えられ、複数のパッド複合体は複数のバッテリーセルを含むセルグループ同士の間毎に配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 前記スウェリング吸収パッドは、発泡ポリプロピレン及びウレタンの少なくともいずれか一つを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 前記熱遮断パッドは、エポキシ系樹脂、ブチル系樹脂及び塩化ビニル系樹脂のうち少なくともいずれか一つを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含むバッテリーパック。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含む自動車。
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