JP2023527183A - バッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック - 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が上下に積層されて形成されるセル積層体と、前記セル積層体を収容するモジュールハウジングと、前記モジュールハウジングの長手方向の一側に形成される開口部を覆うバスバーフレームアセンブリと、前記バスバーフレームアセンブリとセル積層体との間に介在し、前記バスバーフレームアセンブリに結合される防火シートアセンブリと、を含む。
Description
本発明は、バッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック、そしてこのようなバッテリーパックを含むＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ、エネルギー貯蔵装置）及び自動車に関し、より具体的には、バッテリーセルのベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）が発生したとき、ガスを外側に放出する一方、高温の電極活物質及び金属粒子を含むスパークのバッテリーモジュール外側への流出を抑制し、さらにバッテリーモジュールの内部への酸素流入を遮断することで、バッテリーモジュールの内部で火災が発生することを防止できる構造を有するバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック、そしてこのようなバッテリーパックを含むＥＳＳ及び自動車に関する。
本出願は、２０２１年１月１１日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－０００３５０８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。
ＥＳＳ及び／または電気自動車に適用されるバッテリーパックは、高出力及び高容量を実現可能なリチウム二次電池が適用されたバッテリーモジュールを複数個含む形態で製造され得る。ＥＳＳ及び／または電気自動車が要求するバッテリーパックの出力特性を満足し、高容量を実現するため、一つのバッテリーモジュールに含まれるリチウム二次電池の個数を増加させ、さらに一つのバッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールの個数を増加させることができる。
しかし、このように多数のリチウム二次電池を含むバッテリーパックの場合、火災及び爆発が発生すると、その被害は一層大きくなる。
バッテリーパックで発生する火災は、バッテリーモジュールの内部に配置されたリチウム二次電池の異常な温度上昇と内部ガスの発生とから始まる。リチウム二次電池の温度が異常に上昇し、内部ガスの発生によってリチウム二次電池の内圧が一定水準以上に上昇すれば、リチウム二次電池にベンティングが発生し、それによってリチウム二次電池の外側へと高温のガスが噴出され、さらに電極活物質及びアルミニウム粒子などを含む高温のスパークが噴出される。
このとき、バッテリーモジュールの内圧が増加しないように、ベンティングガス（ｖｅｎｔｉｎｇ ｇａｓ）をバッテリーモジュールの外側へと迅速に排出しなければならない。しかし、ベンティングガスとともに高温のスパークがバッテリーモジュールの外部に排出されると、ベンティングガスと高温のスパークと酸素とが反応して火災が発生し得る。
したがって、バッテリーセル内部の短絡発生などの異常現象によって熱暴走が発生しても、ベンティングガスはバッテリーモジュールの外側へと迅速に排出させる一方、電極活物質及びアルミニウム粒子などを含む高温のスパークが外部に流出することは効果的に防止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。
また、複数のリチウム二次電池同士の短絡を防止するために適用されるバスバーフレームのような構造物が高温のガス及びスパークとの持続的な接触によって損傷される場合、バッテリーモジュールの外部から内部へと酸素が流れ込み易くなり、バッテリーモジュールの内部にまで火災が拡散するおそれがある。また、バスバーフレームが損傷されると、バスバーフレームによって離隔状態を維持していた隣接したリチウム二次電池の電極リード同士が接触してしまい、イベントが拡散し得る。
したがって、高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、外部酸素の流入を遮断し、また隣接したリチウム二次電池の間で短絡が発生してイベントが拡散することを防止可能な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。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、火災のようなイベントが発生したとき、ベンティングガスを迅速に排出させる一方、高温のスパークが外部に流出することを効果的に防止し、さらにベンティングガスが排出された後は、外部空気がバッテリーモジュールの内側へと流れ込むことを遮断することが可能な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。
また、本発明は、高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、外部の酸素をバッテリーモジュールの内部へと容易に流入できなくし、また隣接したリチウム二次電池の間で短絡が発生することを防止可能な構造を有するバッテリーモジュールを提供することを他の目的とする。
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。
上記の課題を達成するため、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が上下に積層されて形成されるセル積層体と、前記セル積層体を収容するモジュールハウジングと、前記モジュールハウジングの長手方向の一側に形成される開口部を覆うバスバーフレームアセンブリと、前記バスバーフレームアセンブリとセル積層体との間に介在し、前記バスバーフレームアセンブリに結合される防火シートアセンブリと、を含む。
前記モジュールハウジングは、前記セル積層体を支持するベースプレートと、前記セル積層体の両側部を覆う一対のサイドプレートと、を含み、前記一対のサイドプレートは、その長手方向の一側端部が前記セル積層体に向かって折り曲げられて形成されたスパーク方向転換部を備え得る。
前記開口部は、前記一対のサイドプレートのそれぞれに備えられた一対のスパーク方向転換部の間に形成され、前記バッテリーセルの電極リードは前記開口部を通って前記モジュールハウジングの外側に露出し得る。
前記バスバーフレームアセンブリは、前記開口部を覆い、前記バッテリーセルの電極リードが通過する複数のフレームスリットを備えるバスバーフレームと、前記バスバーフレームの外側面上に配置され、前記フレームスリットを通過した電極リードと結合される少なくとも一つのバスバーと、を含み得る。
前記防火シートアセンブリは、前記電極リードが通過する複数のシートスリットを備える防火シートと、前記電極リードが通過する複数のカバースリットを備え、前記防火シートを覆うシートカバーと、を含み得る。
前記防火シートは、雲母（ｍｉｃａ）シートであり得る。
前記シートカバーは、前記雲母シートが外気に露出しないように、前記雲母シートを完全に覆い得る。
前記モジュールハウジングは、前記一対のスパーク方向転換部同士を連結し、その中心部が空いている形態を有する締結フレームをさらに含み得る。
前記締結フレームは、前記バスバーフレームアセンブリと防火シートアセンブリとの間に位置し、前記バスバーフレームアセンブリと防火シートアセンブリとは、前記締結フレームに密着し、前記締結フレームの空いている中心部を通じて相互に締結され得る。
前記カバースリットは、前記バスバーフレームアセンブリに向かう方向に沿ってその幅が次第に狭くなる形状を有し得る。
上記の課題を達成するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述した本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
上記の課題を達成するため、本発明のさらに他の一態様によるＥＳＳは、上述した本発明の一態様によるバッテリーパックを含む。
上記の課題を達成するため、本発明のさらに他の一態様による自動車は、上述した本発明の一態様によるバッテリーパックを含む。
本発明の一態様によれば、イベント発生による高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、ベンティングガスを迅速に排出させる一方、高温のスパークが外部に流出することを効果的に防止し、さらにベンティングガスが排出された後は、外部空気がバッテリーモジュールの内側へと流れ込むことを遮断することができる。
また、本発明の一態様によれば、高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、外部の酸素がバッテリーモジュールの内部へと容易に流入できなくし、また隣接したリチウム二次電池の間で短絡が発生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形態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、本明細書及び特許請求の範囲において使われた用語や単語は通常的及び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。
図１～図３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、複数のバッテリーセル１００が上下方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って積層されて形成されるセル積層体、セル積層体を収容するモジュールハウジング２００、モジュールハウジング２００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側に形成される開口部を覆うバスバーフレームアセンブリ３００、及びバスバーフレームアセンブリ３００とセル積層体との間に介在してバスバーフレームアセンブリ３００に結合される防火シートアセンブリ４００を含む。
前記バッテリーセル１００としては、パウチ型バッテリーセルが適用され得る。この場合、前記バッテリーセル１００は、電極組立体（図示せず）、電極組立体を収容するパウチケース１１０、及び電極組立体と連結されてパウチケース１１０の外側に引き出される一対の電極リード１２０を含む。前記一対の電極リード１２０は、バッテリーセル１００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）に沿って互いに反対方向に引き出される。
前記モジュールハウジング２００は、前記セル積層体を支持するベースプレート２１０、及び前記セル積層体の両側部を覆う一対のサイドプレート２２０を含む。前記一対のサイドプレート２２０は、その長手方向の一側端部が前記セル積層体に向かって折り曲げられて形成されたスパーク方向転換部２００ａを備え得る。
前記モジュールハウジング２００の長手方向の一側に形成される開口部は、一対のサイドプレート２２０のそれぞれに備えられた一対のスパーク方向転換部２００ａの間に形成される。前記バッテリーセル１００の電極リード１２０は、一対のスパーク方向転換部２００ａの間に形成された開口部を通じてモジュールハウジング２００の外側に露出し得る。
本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、上述したようにスパーク方向転換部２００ａを備えることで、バッテリーセル１００のベンティング時に排出される高温のスパークがモジュールハウジング２００の長手方向に沿ってモジュールハウジング２００の外側に噴出されることを防止する。すなわち、前記バッテリーセル１００のベンティング時、セル積層体を構成するそれぞれのバッテリーセル１００の幅方向（Ｙ軸に平行な方向）の両側部から噴出される高温のスパークは、バッテリーモジュールの長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一端部及び／または他端部に向かって移動してからセル積層体に向かう方向にその移動方向が転換される（図２に示された矢印方向を参照）。
前記モジュールハウジング２００は、一対のスパーク方向転換部２００ａ同士を連結し、その中心部が空いている形態を有する締結フレーム２３０をさらに含み得る。前記締結フレーム２３０は、バスバーフレームアセンブリ３００と防火シートアセンブリ４００との間に位置する。前記締結フレーム２３０が設けられる場合、バスバーフレームアセンブリ３００と防火シートアセンブリ４００とは締結フレーム２３０に密着し、締結フレーム２３０の空いている中心部を通じて相互に締結され得る。
一方、図示していないが、本発明のモジュールハウジング２００に設けられる開口部は、モジュールハウジング２００の長手方向の両側に全て形成され得る。この場合、前記一対のスパーク方向転換部２００ａも、モジュールハウジング２００の長手方向の一側及び他側に全て備えられ得る。
図１～図５を参照すると、前記バスバーフレームアセンブリ３００は、バスバーフレーム３１０、及び少なくとも一つのバスバー３２０を含む。前記バスバーフレームアセンブリ３００は、一対で備えられ得、この場合、一対のバスバーフレームアセンブリ３００のそれぞれは、モジュールハウジング２００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側に形成された開口部及び他側に形成された開口部を覆う。
前記バスバーフレーム３１０は、モジュールハウジング２００に形成された開口部を覆い、バッテリーセル１００の電極リード１２０が通過する複数のフレームスリット３１０ｂを備える。前記バスバーフレーム３１０は、防火シートアセンブリ４００との結合のための少なくとも一つのフレーム突起３１０ａをさらに備え得る。
前記バスバーフレーム３１０は、モジュールハウジング２００の長手方向の一端部及び／または他端部に対応する形状を有してモジュールハウジング２００に密着される。前記モジュールハウジング２００が上述したように締結フレーム２３０を備える場合、バスバーフレーム３１０はスパーク方向転換部２００ａ及び締結フレーム２３０に密着される。
前記バスバー３２０は、バスバーフレーム３１０の外側面上に配置されてフレームスリット３１０ｂを通過した電極リード１２０と結合され、これによって複数のバッテリーセル１００を電気的に接続することができる。前記バスバー３２０は、電極リード１２０が通過するバスバースリット３２０ｂを備え得る。この場合、前記バスバースリット３２０ｂとフレームスリット３１０ｂとは互いに対応する位置に形成され得る。
図１～図６を参照すると、前記防火シートアセンブリ４００は、防火シート４１０及びシートカバー４２０を含む。前記防火シートアセンブリ４００は、バスバーフレームアセンブリ３００と同じ個数で備えられ得る。
前記防火シート４１０としては、高温のベンティングガス及びスパークに耐えられる雲母（ｍｉｃａ）材質のシートが適用され得る。前記防火シート４１０は、電極リード１２０が通過する複数のシートスリット４１０ｂを備える。
前記防火シート４１０は、高温のベンティングガス及びスパークによって樹脂材質のバスバーフレーム３１０が損傷されてもその構造を維持でき、これによって複数のシートスリット４１０ｂのそれぞれに挿入された複数の電極リード１２０がその位置を維持できるようにする。また、前記防火シート４１０は、高温のベンティングガスをシートスリット４１０ｂと電極リード１２０との間の隙間から外側へと排出させる一方、活物質及びアルミニウム粒子などを含む高温のスパークが外部に噴出されることを最小化できる。また、前記防火シート４１０は、樹脂材質のバスバーフレーム３１０が損傷されても、バッテリーモジュールの外部から酸素が容易に流れ込まないようにする。
したがって、前記防火シート４１０は、バッテリーモジュールの内部でイベントが発生した状況でも、バスバーフレーム３１０の付近で火災が発生する可能性を最小化し、バスバーフレーム３１０の付近で火災が発生したとしても、火災がバッテリーモジュールの内部で拡散する現象を遅延させることができる。また、前記防火シート４１０は、バスバーフレーム３１０の損傷によってバッテリーセル１００の間で短絡が発生してイベントが拡がることを防止することができる。
前記シートカバー４２０は、防火シート４１０が外側に露出しないように防火シート４１０を完全に覆う。これは、雲母材質の防火シート４１０が吸湿性を有するため、雲母材質の防火シート４１０がシートカバー４２０の外気に晒されると、水分を吸収し、水分を吸収すれば、絶縁性能が低下するおそれがあるためである。
前記シートカバー４２０は、樹脂射出物であり得、この場合、防火シート４１０はインサート射出によってシートカバー４２０内に配置され得る。前記シートカバー４２０は、電極リード１２０が通過する複数のカバースリット４２０ｂを備える。前記カバースリット４２０ｂは、バスバーフレームアセンブリ３００に向かう方向に沿ってその幅が次第に狭くなる形状を有し得る。
これは、高温のベンティングガス及びスパークによって樹脂射出物からなるシートカバー４２０が溶融する場合、カバースリット４２０ｂが迅速に閉鎖されてバッテリーモジュールの外部から空気が流入することを遮断するためである。このように外部空気の流入が迅速に遮断されれば、バッテリーモジュール内部への酸素の供給が遮断されるため、バッテリーモジュールの内部で火災が拡散することを防止することができる。
前記カバースリット４２０ｂとシートスリット４１０ｂとフレームスリット３１０ｂとは、互いに対応する位置に形成される。
前記バスバーフレーム３１０がフレーム突起３１０ａを備える場合、防火シート４１０及びシートカバー４２０は、バスバーフレーム３１０との締結のためのフレーム突起３１０ａと対応する位置に形成され、対応する形状を有する少なくとも一つのシート孔４１０ａ及びカバー孔４２０ａをそれぞれ備える。
一方、本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、上述したような本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを含む。前記バッテリーパックは、複数のバッテリーモジュールを含み得る。本発明の一実施形態によるＥＳＳは、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーパックを含む。本発明の一実施形態による自動車は、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーパックを含む。前記自動車は、電気自動車を含む。
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 ・・・バッテリーセル
１１０ ・・・パウチケース
１２０ ・・・電極リード
２００ ・・・モジュールハウジング
２００ａ ・・・スパーク方向転換部
２１０ ・・・ベースプレート
２２０ ・・・サイドプレート
２３０ ・・・締結フレーム
３００ ・・・バスバーフレームアセンブリ
３１０ ・・・バスバーフレーム
３１０ａ ・・・フレーム突起
３１０ｂ ・・・フレームスリット
３２０ ・・・バスバー
３２０ｂ ・・・バスバースリット
４００ ・・・防火シートアセンブリ
４１０ ・・・防火シート
４１０ａ ・・・シート孔
４１０ｂ ・・・シートスリット
４２０ ・・・シートカバー
４２０ａ ・・・カバー孔
４２０ｂ ・・・カバースリット
１１０ ・・・パウチケース
１２０ ・・・電極リード
２００ ・・・モジュールハウジング
２００ａ ・・・スパーク方向転換部
２１０ ・・・ベースプレート
２２０ ・・・サイドプレート
２３０ ・・・締結フレーム
３００ ・・・バスバーフレームアセンブリ
３１０ ・・・バスバーフレーム
３１０ａ ・・・フレーム突起
３１０ｂ ・・・フレームスリット
３２０ ・・・バスバー
３２０ｂ ・・・バスバースリット
４００ ・・・防火シートアセンブリ
４１０ ・・・防火シート
４１０ａ ・・・シート孔
４１０ｂ ・・・シートスリット
４２０ ・・・シートカバー
４２０ａ ・・・カバー孔
４２０ｂ ・・・カバースリット
Claims (13)
- 複数のバッテリーセルが上下に積層されて形成されるセル積層体と、
前記セル積層体を収容するモジュールハウジングと、
前記モジュールハウジングの長手方向の一側に形成される開口部を覆うバスバーフレームアセンブリと、
前記バスバーフレームアセンブリとセル積層体との間に介在し、前記バスバーフレームアセンブリに結合される防火シートアセンブリと、を含む、バッテリーモジュール。 - 前記モジュールハウジングは、
前記セル積層体を支持するベースプレートと、
前記セル積層体の両側部を覆う一対のサイドプレートと、を含み、
前記一対のサイドプレートは、
その長手方向の一側端部が前記セル積層体に向かって折り曲げられて形成されたスパーク方向転換部を備える、請求項１に記載のバッテリーモジュール。 - 前記開口部は、前記一対のサイドプレートのそれぞれに設けられた一対のスパーク方向転換部の間に形成され、
前記バッテリーセルの電極リードは前記開口部を通って前記モジュールハウジングの外側に露出している、請求項２に記載のバッテリーモジュール。 - 前記バスバーフレームアセンブリは、
前記開口部を覆い、前記バッテリーセルの電極リードが通過する複数のフレームスリットを備えるバスバーフレームと、
前記バスバーフレームの外側面上に配置され、前記フレームスリットを通過した電極リードと結合される少なくとも一つのバスバーと、を含む、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。 - 前記防火シートアセンブリは、
前記バッテリーセルの電極リードが通過する複数のシートスリットを備える防火シートと、
前記バッテリーセルの電極リードが通過する複数のカバースリットを備え、前記防火シートを覆うシートカバーと、を含む、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。 - 前記防火シートは、
雲母シートである、請求項５に記載のバッテリーモジュール。 - 前記シートカバーは、
前記雲母シートが外気に露出しないように、前記雲母シートを完全に覆っている、請求項６に記載のバッテリーモジュール。 - 前記モジュールハウジングは、
前記一対のスパーク方向転換部同士を連結し、その中心部が空いている形態を有する締結フレームをさらに含む、請求項３に記載のバッテリーモジュール。 - 前記締結フレームは、前記バスバーフレームアセンブリと前記防火シートアセンブリとの間に位置し、
前記バスバーフレームアセンブリと前記防火シートアセンブリとは、前記締結フレームに密着し、前記締結フレームの空いている中心部を通じて相互に締結されている、請求項８に記載のバッテリーモジュール。 - 前記カバースリットは、
前記バスバーフレームアセンブリに向かう方向に沿ってその幅が次第に狭くなる形状を有する、請求項５から７のうち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のうち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１１に記載のバッテリーパックを含む、エネルギー貯蔵装置。
- 請求項１１に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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