JP2023525332A - 火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パック - Google Patents
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Abstract
本発明は、火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及び電池パックに関し、より詳細には、モジュールケース；前記モジュールケースの内部空間部に所定距離だけ離隔した状態で収納される２個以上の単位モジュール；及び前記単位モジュールの間に位置し、所定温度以上に加熱されるときに長さが変化する遮断部材；を含むことを特徴とする火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及び電池パックに関する。
Description
本発明は、２０２１年０１月２２日付けの韓国特許出願第２０２１－０００９２１６号に基づいた優先権の利益を主張し、該当の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、火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パックに関し、具体的には、各電池モジュールの間に長さが可変する遮断部材が備えられており、特定の単位モジュールで火災などのイベントが発生したとしても、隣接した単位モジュールに火災や熱気が遷移されることを防止できる火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パックに関する。
近年、化石燃料の使用によって生じる大気汚染及びエネルギーの枯渇による代替エネルギーの開発により、生産された電気エネルギーを貯蔵できる二次電池に関する需要が増加している。充放電が可能な二次電池は、モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などに使用されるなど、日常生活に密接して使用されている。
現代社会で必須的に使用されている各種電子機器のエネルギー源として使用されている二次電池は、モバイル機器の使用量の増加及び複雑化、電気自動車などの開発によって要求される容量が増加している。ユーザーの需要を充足させるために、小型機器には多数の電池セルを配置しているが、自動車などには、多数個の電池セルを電気的に連結する電池モジュール又はこのような電池モジュールを多数備えた電池パックが使用される。
一方、上記のような二次電池が電池自動車などの大容量及び高電圧を必要とするデバイスに使用されるときは、多数の電池セルが配列された構造の電池モジュール及び電池パックなどの形態で使用される。
しかし、二次電池が電力を生成する過程で熱が発生し、短絡、熱衝撃、絶縁破壊などによって特定の電池セルに熱暴走現象が発生すると、電池セルの内部では高温のガス及び火災などが発生するおそれがあり、これは、隣接する各単位セル又は電池モジュールの変形及び破壊を誘発させる。
図１は、従来技術に係る電池モジュールを示した斜視図である。図１に示したように、従来技術に係る電池モジュールは、複数個の積層された電池セル１０と、複数個の電池セル１０を収納するケース２０と、一定個数の電池セル１０の間に所定領域の流路溝が備えられた隔壁３０とを含んでいる。
このような従来技術に係る電池モジュールは、熱を受けた場合に膨張するグラファイトシートが流路溝に備えられており、基準以上の熱を受けたときに膨張し、流路を遮断することによって隣接する各電池セル１０を分離する。
従来技術の電池モジュールに隔壁３０が備えられており、熱暴走及び火災などによる被害が隣接した電池セル１０に遷移されることをある程度は防止できると期待されるが、普段にも、電池セル１０の全ての側面に沿って隔壁３０が形成されており、冷却効率が低いという短所がある。
上記のような問題を解決するための本発明に係る火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パックは、普段は、内外部の空気循環が円滑に行われ、十分な冷却効率を期待し、火災やベンティングガスなどのイベントが発生したときは、隣接する単位モジュールに火災や熱気が移動できないように遮断することによって２次被害を防止できる、火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パックを提供することを目的とする。
また、本発明に係る火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パックは、温度センサーなどを備えていないと共に、イベントが発生したときにのみ隣接する各単位モジュールを互いに遮断できるように簡単な構造を有する遮断部材が備えられた、火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パックを提供することを目的とする。
上記のような目的を達成するために、本発明に係る火災遷移防止構造が備えられた電池モジュールは、モジュールケース１００；前記モジュールケース１００の内部空間部に所定距離だけ離隔した状態で収納される２個以上の単位モジュール２００；及び前記単位モジュール２００の間に位置し、所定温度以上に加熱されるときに長さが変化する遮断部材３００；を含むことを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記モジュールケース１００は、上部ケース１１０、側部ケース１２０及び下部ケース１３０を含み、前記上部ケース１１０の下面及び前記下部ケース１３０の上面のうち一つ以上には、前記遮断部材３００を支持できるように所定間隔だけ離隔した一対のガイド突起が備えられていることを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記遮断部材３００は、所定距離だけ離隔した状態で平板構造からなる一対のガイド壁３１０と、前記一対のガイド壁３１０の間の空間部に位置する遮断壁３２０と、前記遮断壁３２０に隣接して位置する膨張部材３３０と、前記一対のガイド壁３１０の両側端部を互いに連結する一対の補助壁３４０とを含み、前記膨張部材３３０によって前記遮断壁３２０がガイド壁３１０の外部に突出し得るように、前記一対の補助壁３４０のうちいずれか一つ以上は、所定温度以上に加熱されるときに溶融又は変形する素材からなることを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記遮断壁３２０は、前記膨張部材３３０を挟んで互いに向かい合いながら位置する一対からなることを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記一対の補助壁３４０の全ては、所定温度以上に加熱されるときに溶融又は変形する素材からなることを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記遮断部材３００は、単位モジュール２００の側面に沿って所定間隔だけ離隔した状態で２個ずつ位置することを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記膨張部材３３０はコイルスプリングであることを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記遮断部材３００は、所定距離だけ離隔した状態で平板構造からなる一対のガイド壁３１０と、前記一対のガイド壁３１０の間の空間部に位置しながら所定距離だけ離隔して位置する一対の遮断壁３２０と、所定温度以上に加熱されるとき、前記遮断壁３２０がガイド壁３１０の外部に突出し得るように前記一対の遮断壁３２０の間に位置する膨張部材３３０とを含むことを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記遮断部材３００は、単位モジュール２００の側面に沿って所定間隔だけ離隔した状態で２個ずつ位置し、互いに向かい合いながら位置する遮断部材３００のガイド壁３１０の端部には補助壁３４０が備えられていることを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記ガイド壁３１０、遮断壁３２０及び補助壁３４０は、耐熱性を有する素材であって、前記膨張部材３３０は、所定温度に加熱されるときに形状が変わる形状記憶合金からなることを特徴とする。
また、本発明に係る電池モジュールにおいて、前記膨張部材３３０はコイル状であることを特徴とする。
また、本発明は、前記言及した電池モジュールを含む電池パックであることを特徴とする。
以上で説明したように、本発明に係る火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及び電池パックによると、所定温度に加熱されるときにのみ、火災や熱気が隣接する電池モジュールに移動することを防止できる遮断部材が備えられており、電池モジュールや電池パックの冷却性能を維持しながらも２次被害を防止できるという長所がある。
また、本発明に係る火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及び電池パックによると、遮断部材は、火災やベンティングガスなどを感知するための別途のセンサーを備えないので、作動の信頼性が高いだけでなく、構造が簡単であるという利点がある。
以下、添付の図面を参照して、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できる実施例を詳細に説明する。ただし、本発明の好ましい実施例に対する動作原理を詳細に説明するにおいて、関連する公知の機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を必要以上に不明瞭にし得ると判断される場合は、それについての詳細な説明を省略する。
また、図面全体にわたって類似する機能及び作用をする部分に対しては、同一の図面符号を使用する。明細書全体において、一つの部分が他の部分と連結されているとしたとき、これは、直接連結されている場合のみならず、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、一つの構成要素を含むことは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
以下、本発明に係る火災遷移防止構造が備えられた電池モジュール及びこれを含む電池パックについて、添付の各図面を参考にしながら説明する。
図２は、本発明の好ましい第１実施例に係る電池モジュールの斜視図で、図３は、本発明の好ましい第１実施例に係る電池モジュールの分解斜視図で、図４は、本発明の好ましい第１実施例に係る遮断部材の分解斜視図である。
図２乃至図４を参照しながら説明すると、本発明の好ましい第１実施例に係る電池モジュールは、モジュールケース１００と、モジュールケース１００に収納される２個以上の単位モジュール（Ｃｅｌｌ Ｍｏｄｕｌｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２００と、単位モジュール２００の間に位置する遮断部材３００とを含んで構成される。
まず、モジュールケース１００について詳細に説明すると、複数個の単位モジュール２００を覆うモジュールケース１００は、上部ケース１１０、側部ケース１２０及び下部ケース１３０を含んで構成される。
平板状の上部ケース１１０は、外部衝撃から単位モジュール２００及び遮断部材３００を保護できるように、これらの上部に位置する。そして、遮断部材３００が直立した状態を維持できるように、上部ケース１１０の下面には、所定間隔だけ離隔した一対からなる上部ガイド突起１１１が形成されることが好ましい。もちろん、各単位モジュール２００と密着することによって遮断部材３００が支持され得るなら、上部ガイド突起１１１が省略されても構わない。
略平板構造の側部ケース１２０は、単位モジュール２００及び遮断部材３００の側面を保護し、平板状の下部ケース１３０は、単位モジュール２００及び遮断部材３００の下面を保護する。
ここで、下部ケース１３０の上面には、上部ガイド突起１１１と同一の構造、すなわち、所定間隔だけ離隔した一対からなる下部ガイド突起１３１が備えられるが、これは、上部ガイド突起１１１と共に、遮断部材３００の下側縁部及び上側縁部を支持する機能を行う。
単位モジュール２００は、垂直又は水平方向に並んで積層された複数個の電池セル２１０、エンドプレート２２０及びバスバーアセンブリー２３０を含んで構成される。
電池セル２１０は、セル組立体、セル組立体を収納するセルケース、及び一対のリードを含んで構成される。
セル組立体は、長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在した後で巻き取られる構造からなるゼリーロール型セル組立体、又は長方形の正極及び負極が分離膜を介在した状態で積層される構造の各単位セルで構成されるスタック型セル組立体、各単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られるスタック－フォールディング型セル組立体、又は各単位セルが分離膜を介在した状態に積層され、相互間に付着するラミネーション－スタック型セル組立体などからなり得るが、これに限定しない。
上記のようなセル組立体はセルケースに内蔵され、セルケースは、通常、内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造からなっている。内部層は、セル組立体と直接接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有さなければならなく、また、外部との密閉のために高いシーリング性を示すように、内部層同士が熱接着したシーリング部位は、優れた熱接着強度を有さなければならない。このような内部層の材料としては、耐化学性に優れながらもシーリング性の良いポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンアクリル酸、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂及びポリイミド樹脂から選ばれ得るが、これに限定しなく、引張強度、剛性、表面硬度、耐衝撃強度などの機械的物性及び耐化学性に優れたポリプロピレンが最も好ましい。
内部層と接している金属層は、外部から水分や各種ガスが電池の内部に浸透することを防止するバリアー層に該当し、このような金属層の好ましい材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使用することができる。
そして、金属層の他側面には外部層が備えられ、このような外部層としては、セル組立体を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保できるように引張強度、透湿防止性及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使用することができ、一例として、ナイロン又はポリエチレンテレフタレートを使用できるが、これに限定しない。
一方、正極リード及び負極リードからなる各リードは、セル組立体の正極タブと負極タブとがそれぞれ電気的に連結された後、ケースの外部に露出する構造からなり、上記のような電池セルは、一般的に知られている各構成に該当するので、これについてのより詳細な説明は省略する。
複数個の電池セル２１０を固定できるように各電池セル２１０の両側面には一対のエンドプレート２２０が位置し、必要によっては、一対のエンドプレート２２０を互いに連結する上部及び／又は下部プレートがさらに備えられ得る。
バスバーアセンブリー２３０は、積層された複数個の電池セル２１０から突出延長された正極リードと負極リードを直列又は並列タイプで連結するためのものであって、両方向の電池セル２１０であるときは、単位モジュール２００の前面及び後面（Ｘ軸方向）にそれぞれ備えられ、単方向の電池セル２１０の場合は、前面又は後面の一側方向にのみ備えられる。
本発明では、両方向の電池セル２１０が収納された単位モジュール２００を例に挙げて説明する。
次は、遮断部材３００について説明する。遮断部材３００は、普段は、冷却用空気が各単位モジュール２００を自由に通過し得るように許容するが、火災やベンティングガスなどのイベントが発生したときは、隣接する単位モジュール２００に火災や熱気が移動できないように遮断する機能を行う。
具体的には、遮断部材３００は、モジュールケース１００に収納される２個以上の単位モジュール２００の間に位置し、所定距離だけ離隔した状態で平板構造からなる一対のガイド壁３１０と、一対のガイド壁３１０の間の空間部に位置する遮断壁３２０と、遮断壁３２０に隣接して位置する膨張部材３３０と、一対のガイド壁３１０の両側端部を互いに連結する一対の補助壁３４０とを含んで構成される。
ここで、一対のガイド壁３１０及び遮断壁３２０は、高温でも形状を維持できるように耐熱性を有する素材、一例として、アルミニウム（Ａｌ）又はステンレス鋼などからなる。
平板状の遮断壁３２０は、一対のバスバーアセンブリー２３０に向かって移動できるように所定距離だけ離隔した状態で一対からなり、これらの遮断壁３２０の間には膨張部材３３０が介在している。
普段は圧縮され、外力が除去されると長さが増加し得るなら、膨張部材３３０は、その外形を特に限定しないが、一例として、コイルスプリングであり得る。
一方、一対の補助壁３４０は、所定温度以上、例えば、特定の単位モジュール２００に火災が発生したり、ベンティングガスが噴出されることによって加熱されるときに溶融、変形又は破損し得る素材であれば特に限定しなく、一例として、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、又はポリスチレン系樹脂であり得る。
図５は、本発明の好ましい第１実施例に係る遮断部材で火災が発生したときの遮断壁の動きを説明するための平面図である。
上述した構成からなる遮断部材の作動原理を説明すると、電池モジュールが正常に作動するとき、遮断部材３００は、隣接する各電池モジュールの間、より詳細には、膨張部材３３０が圧縮された状態であり、電池モジュールのエンドプレート２２０の長さ（Ｘ軸方向）より短いので、冷却用空気が円滑に循環する。
しかし、特定の単位モジュール２００で火災などが発生し、温度が上昇すると、補助壁３４０が溶融、変形又は破損し、このとき、膨張部材３３０の弾性力によって遮断壁３２０が瞬間的に突出しながら各単位モジュール２００を迅速に遮断し、火災が遷移されることを防止する。
図６は、本発明の好ましい第２実施例に係る遮断部材の分解斜視図である。
図６を参照して説明すると、本発明の好ましい第２実施例に係る電池モジュールは、図２乃至図５で説明した本発明の好ましい第１実施例に係る電池モジュールの遮断部材３００の一部の構成を除いては同一であるので、同一の構成に対する説明は省略する。
本発明の好ましい第２実施例に係る遮断部材３００は、モジュールケース１００に収納される２個以上の単位モジュール２００の間に位置し、所定距離だけ離隔した状態で平板構造からなる一対のガイド壁３１０と、一対のガイド壁３１０の間の空間部に位置する一対の遮断壁３２０と、一対の遮断壁３２０の間に位置する膨張部材３３０とを含んで構成される。
第２実施例に係る遮断部材３００を構成する膨張部材３３０は、所定温度以上に加熱されるとき、ガイド壁３１０の外側に一対の遮断壁３２０を押し出せるように形状が変わるチタン－ニッケル系合金、銅－亜鉛系合金、又は、バナジウム、クロム、マンガン及びコバルトのうち一つ以上を含む合金などの形状記憶合金からなり、外形はコイル状であると良い。
図７は、本発明の好ましい第３実施例に係る電池モジュールの分解斜視図で、図８は、本発明の好ましい第３実施例に係る遮断部材で火災が発生したときの遮断壁の動きを説明するための平面図である。
図７及び図８を参照すると、本発明の好ましい第３実施例に係る電池モジュールは、上部ケース１１０、下部ケース１３０及び遮断部材３００の一部の構成を除いては、図２乃至図５で説明した第１実施例に係る電池モジュールと同一であるので、同一の構成に対する説明は省略する。
本発明の好ましい第３実施例に係る上部ケース１１０の下面には、幅方向（Ｘ軸方向）に沿って所定距離だけ離隔した一対の上部ガイド突起１１１が備えられる一方で、下部ケース１３０の上面には、所定距離だけ離隔した一対の下部ガイド突起１３１が設けられている。
そして、遮断部材３００は、単位モジュール２００の側面（Ｘ軸方向）に沿って所定間隔だけ離隔した状態で２個ずつ位置する。
ここで、遮断部材３００は、一対のガイド壁３１０、一つの遮断壁３２０、コイルスプリングからなる膨張部材３３０、及びガイド壁３１０の両側端部を連結する補助壁３４０で構成されるが、遮断壁３２０と密着している補助壁３４０は、温度が上昇すると溶融、変形又は破損する素材からなり、膨張部材３３０と密着している補助壁３４０、ガイド壁３１０及び遮断壁３２０は耐熱性素材で構成される。
したがって、特定の単位モジュール２００で火災などが発生し、温度が上昇すると、遮断壁３２０と密着している補助壁３４０のみが溶融、変形又は破損するので、遮断壁３２０は、一側方向、すなわち、バスバーアセンブリーが備えられた方向に突出する構造である。
図９は、本発明の好ましい第４実施例に係る遮断部材で火災が発生したときの遮断壁の動きを説明するための平面図である。
図９を参照すると、本発明の好ましい第４実施例に係る電池モジュールの遮断部材３００の一部の構成を除いては、図７及び図８で説明した第３実施例に係る電池モジュールと同一であるので、同一の構成に対する説明は省略する。
本発明の好ましい第４実施例に係る電池モジュールにおいて、遮断部材３００は、一対のガイド壁３１０と、一対のガイド壁３１０の一側端部を連結する一つの補助壁３４０と、所定温度以上に加熱されるときに形状が変わる形状記憶合金素材からなる膨張部材３３０と、膨張部材と密着する一つの遮断壁３２０とで構成される。
したがって、特定の単位モジュール２００で火災などが発生し、温度が上昇すると、コイル状の膨張部材３３０が膨張し、このとき、遮断壁３２０は、一側方向、すなわち、補助壁３４０のない方向、すなわち、バスバーアセンブリーが備えられた方向に突出しながら各単位モジュール２００を互いに隔離して遮断する。
本発明の属した分野で通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
１００ モジュールケース
１１０ 上部ケース
１１１ 上部ガイド突起
１２０ 側部ケース
１３０ 下部ケース
１３１ 下部ガイド突起
２００ 単位モジュール
２１０ 電池セル
２２０ エンドプレート
２３０ バスバーアセンブリー
３００ 遮断部材
３１０ ガイド壁
３２０ 遮断壁
３３０ 膨張部材
３４０ 補助壁
１１０ 上部ケース
１１１ 上部ガイド突起
１２０ 側部ケース
１３０ 下部ケース
１３１ 下部ガイド突起
２００ 単位モジュール
２１０ 電池セル
２２０ エンドプレート
２３０ バスバーアセンブリー
３００ 遮断部材
３１０ ガイド壁
３２０ 遮断壁
３３０ 膨張部材
３４０ 補助壁
Claims (12)
- モジュールケース；
前記モジュールケースの内部空間部に所定距離だけ離隔した状態で収納される２個以上の単位モジュール；及び
前記単位モジュールの間に位置し、所定温度以上に加熱されるときに長さが変化する遮断部材；を含む電池モジュール。 - 前記モジュールケースは、上部ケース、側部ケース及び下部ケースを含み、
前記上部ケースの下面及び前記下部ケースの上面のうち一つ以上には、前記遮断部材を支持できるように所定間隔だけ離隔した一対のガイド突起が備えられている、請求項１に記載の電池モジュール。 - 前記遮断部材は、所定距離だけ離隔した状態で平板構造からなる一対のガイド壁と、前記一対のガイド壁の間の空間部に位置する遮断壁と、前記遮断壁に隣接して位置する膨張部材と、前記一対のガイド壁の両側端部を互いに連結する一対の補助壁と、を含み、前記膨張部材によって前記遮断壁が前記ガイド壁の外部に突出し得るように、前記一対の補助壁のうちいずれか一つ以上は、所定温度以上に加熱されるときに溶融又は変形する素材からなる、請求項１または２に記載の電池モジュール。
- 前記遮断壁は、前記膨張部材を挟んで互いに向かい合いながら位置する一対からなる、請求項３に記載の電池モジュール。
- 前記一対の補助壁の全ては、所定温度以上に加熱されるときに溶融又は変形する素材からなる、請求項４に記載の電池モジュール。
- 前記遮断部材は、前記単位モジュールの側面に沿って所定間隔だけ離隔した状態で２個ずつ位置する、請求項３から５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記膨張部材はコイルスプリングである、請求項３から６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記遮断部材は、所定距離だけ離隔した状態で平板構造からなる一対のガイド壁と、前記一対のガイド壁の間の空間部に位置しながら所定距離だけ離隔して位置する一対の遮断壁と、所定温度以上に加熱されるとき、前記遮断壁が前記ガイド壁の外部に突出し得るように前記一対の遮断壁の間に位置する膨張部材と、を含む、請求項１または２に記載の電池モジュール。
- 前記遮断部材は、前記単位モジュールの側面に沿って所定間隔だけ離隔した状態で２個ずつ位置し、互いに向かい合いながら位置する前記遮断部材の前記ガイド壁の端部には補助壁が備えられている、請求項８に記載の電池モジュール。
- 前記ガイド壁、前記遮断壁及び前記補助壁は、耐熱性を有する素材であって、
前記膨張部材は、所定温度に加熱されるときに形状が変わる形状記憶合金からなる、請求項９に記載の電池モジュール。 - 前記膨張部材はコイル状である、請求項１０に記載の電池モジュール。
- 請求項１から１１のいずれか一項に記載の前記電池モジュールを含む電池パック。
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