JP2023531641A - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態による電池パックは、パックフレーム、前記パックフレームの上部に装着される複数の第１電池モジュール、および前記パックフレームの下部に装着される複数の第２電池モジュールを含み、前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールの側面に断熱部材が付着されている。

Description

関連出願との相互引用
本出願は２０２１年３月２４日付韓国特許出願第１０－２０２１－００３８２９６号に基づいた優先権の利益を主張し、当該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。

本発明は電池パックおよびこれを含むデバイスに関するものであって、より具体的には電池モジュール間の熱伝播現象を遅延させる電池パックおよびこれを含むデバイスに関するものである。

製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は携帯用機器だけでなく電気的駆動源によって駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点から環境に優しいおよびエネルギー効率性向上のための新たなエネルギー源として注目されている。

現在商用化された二次電池としてはニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあり、このうちのリチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらなくて充放電が自由であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いという長所で脚光を浴びている。

一般に、リチウム二次電池は外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に内装されている円筒型または角型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池に分類することができる。

最近、二次電池のエネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量二次電池構造に対する必要性が高まるにつれて、複数の二次電池が直列または並列に連結された電池モジュールを集合させた中大型モジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。このような電池モジュールは複数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって容量および出力が向上する。また、複数の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。

特に、電池パックは複数の電池モジュールが組み合わせられた構造からなっているため、一部電池モジュールが過電圧、過電流または過発熱する場合には電池パックの安全性と作動効率が問題になることがある。特に走行距離向上のために電池パック容量は次第に増加する傾向にあり、それにつれてパック内部エネルギーも増加する中で強化される安全性基準を満足し車両および運転者の安全性確保のための構造の設計が必要である。このために特に内部の熱暴走および電池モジュール間の熱伝播現象などを未然に防止し、発生してもその被害を最少化することができる構造の必要性が台頭している。

本発明の解決しようとする課題は、電池モジュール間の熱伝播現象を遅延させる電池パックおよびこれを含むデバイスに関するものである。

本発明が解決しようとする課題が上述の課題に限定されるのではなく、言及されていない課題は本明細書および添付された図面から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。

本発明の一実施形態による電池パックは、パックフレーム、前記パックフレームの上部に装着される複数の第１電池モジュール、前記パックフレームの下部に装着される複数の第２電池モジュール、および前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールの側面に隣接するように位置する断熱部材を含む。

前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールの側面に隣接するように位置するサイドプレートをさらに含み、前記断熱部材は前記サイドプレート上に付着することができる。

前記複数の第１電池モジュールの下部と前記複数の第２電池モジュールの上部の間に位置する水平プレートをさらに含むことができる。

前記パックフレームの上部にガス流動部が位置し、前記ガス流動部は前記サイドプレートと前記水平プレートの間に配置することができる。

前記パックフレームの上側にガス排出部が形成されていてもよい。

前記ガス排出部は、前記パックフレームの上側から前記パックフレームの内部に向かって貫通するガスバルブであってもよい。

前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールは、前記ガス排出部に隣接するように配置することができる。

前記断熱部材は、前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールの側面のうちの前記ガス排出部に隣接した側面に配置することができる。

前記パックフレームの上部にガス流動部が位置し、前記ガス流動部上に前記ガス排出部を配置することができる。

前記ガス流動部は、前記断熱部材と前記パックフレームの側面の間に配置することができる。

前記複数の第２電池モジュールに含まれている前記第２電池モジュールの個数は、前記複数の第１電池モジュールに含まれている前記第１電池モジュールの個数より多くてもよい。

前記ガス流動部は、前記複数の第２電池モジュールのうちの少なくとも一部の第２電池モジュール上に配置することができる。

本発明の他の一実施形態によるデバイスは、前記で説明した電池パックを含む。

実施形態によれば、本発明の電池パックおよびこれを含むデバイスは、パックフレームの上部に装着される複数の電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する電池モジュールの側面に断熱部材が付着されていて、前記パックフレーム内で電池モジュール間の熱伝播現象を遅延させることができる。

本発明の効果が上述の効果に限定されるのではなく、言及されていない効果は本明細書および添付された図面から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。

本発明の一実施形態による電池パックの斜視図である。 図１の電池パックの分解斜視図である。 図１の電池パックに含まれている第１電池モジュールの斜視図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面を簡略に示した図である。 図４の断面で一部電池モジュールのセルイベント発生時熱伝播経路を示した図である。 比較例による電池パックで一部電池モジュールのセルイベント発生時熱伝播経路を示した図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。本発明は様々の異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一な参照符号を付けるようにする。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面において様々の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部層および領域の厚さを誇張して示した。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を“含む”という時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。

また、明細書全体で、“平面上”という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、“断面上”という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。

以下、本発明の実施形態による電池パックについて説明する。但し、ここで電池パックの一断面を基準にして説明するが、必ずしもこれに限定されるのではなく、電池パックの全体を基準にして同一であるか類似の内容で説明することができる。

図１は、本発明の一実施形態による電池パックの斜視図である。図２は、図１の電池パックの分解斜視図である。

図１および図２を参照すれば、本発明の一実施形態による電池パック１００は、パックフレーム１３０、１４０、パックフレーム１３０、１４０の上部に装着される複数の第１電池モジュール１１０、およびパックフレーム１３０、１４０の下部に装着される複数の第２電池モジュール１２０を含む。

ここで、パックフレーム１３０、１４０は、複数の第１電池モジュール１１０および複数の第２電池モジュール１２０を収容する上部ケース１３０および下部ケース１４０を含むことができる。一例として、上部ケース１３０および下部ケース１４０はボルトおよびナット結合で締結することができる。

また、複数の第１電池モジュール１１０の最下端は第２電池モジュール１２０の最上端より高く配置することができる。一例として、複数の第１電池モジュール１１０と複数の第２電池モジュール１２０は層状構造を形成することができる。言い換えれば、複数の第１電池モジュール１１０を上層に配置し、複数の第２電池モジュール１２０を下層に配置することができる。

また、複数の第２電池モジュール１２０に含まれている第２電池モジュール１２０の個数は複数の第１電池モジュール１１０に含まれている第１電池モジュール１１０の個数より多くてもよい。一例として、図２に示されているように、二つの第１電池モジュール１１０を上層に配置し、四つの第２電池モジュール１２０を下層に配置することができる。

これにより、本実施形態による電池パック１００は、複数の電池モジュール１１０、１２０を層状構造に配置することによって、電池パック１００内装着される電池モジュール１１０、１２０をよりコンパクトに配置することができる。

また、複数の第１電池モジュール１１０の下部と複数の第２電池モジュール１２０の上部の間に位置する水平プレート１５０をさらに含むことができる。言い換えれば、上層に位置した複数の第１電池モジュール１１０と下層に位置した複数の第２電池モジュール１２０の間に水平プレート１５０が介されて、複数の第１電池モジュール１１０および複数の第２電池モジュール１２０が層状構造に区別される。

これにより、本実施形態による電池パック１００は、パックフレーム１３０、１４０内に複数の第１電池モジュール１１０と複数の第２電池モジュール１２０の間に水平プレート１５０を含んで、上層と下層の空間を分離しながらも、電池パック１００の耐久性を追加的に確保することができる。これと共に、各電池モジュール１１０、１２０およびその他の電装品を外部の衝撃から物理的に保護することができる。

また、本実施形態の電池パック１００で、複数の第１電池モジュール１１０のうちのパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０の側面にサイドプレート１６０を隣接するように配置することができる。言い換えれば、サイドプレート１６０は複数の第１電池モジュール１１０のうちのパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０の側面に接する。一例として、サイドプレート１６０は、複数の第１電池モジュール１１０のうちのパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０の側面に結合、締結、または付着されていてもよい。

ここで、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置するということは、パックフレーム１３０、１４０内で複数の第１電池モジュール１１０が並んで配置されている時、最も外側にある第１電池モジュール１１０を意味することができる。

一方、複数の第１電池モジュール１１０のうちのパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０の側面はパックフレーム１３０、１４０内部に露出されていてもよい。しかし、本実施形態で、サイドプレート１６０がパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０の側面に隣接するように位置して、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０を外部衝撃から物理的に保護することができる。

また、本実施形態の電池パック１００で、複数の第１電池モジュール１１０のうちのパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０の側面に断熱部材２００を隣接するように配置することができる。より具体的に、断熱部材２００はサイドプレート１６０上に付着することができる。ここで、断熱部材２００はサイドプレート１６０の外面に沿って延長されていてもよい。

一例として、断熱部材２００はスーパーウール（Ｓｕｐｅｒｗｏｏｌ）のような物質からなる部材であってもよい。但し、これに限定されるのではなく、断熱性素材の物質であれば制限なく使用可能である。

これにより、本実施形態で、パックフレーム１３０、１４０内に熱および高温のガス発生時、サイドプレート１６０に付着されている断熱部材２００によって、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０に対するパックフレーム１３０、１４０内熱および高温のガスによる影響を最少化することができる。

また、パックフレーム１３０、１４０の上側にガス排出部１７０が形成されていてもよい。より具体的に、パックフレーム１３０、１４０で、上部ケース１３０の上側にガス排出部１７０が形成されていてもよい。

一例として、ガス排出部１７０は、パックフレーム１３０、１４０の上側からパックフレーム１３０、１４０の内部に向かって貫通するガスバルブであってもよい。他の一例として、ガス排出部１７０は、上部ケース１３０の上側から下部ケース１４０の内部に向かって貫通するガスバルブであってもよい。但し、ガス排出部１７０の形態はバルブ形態に限定されるのではなく、パックフレーム１３０、１４０内部のガスを排出させることができる形態であれば制限されずに使用可能である。

これにより、本実施形態で、パックフレーム１３０、１４０内に熱および高温のガス発生時、パックフレーム１３０、１４０内部の熱および高温のガスはガス排出部１７０を通じて排出できる。

また、パックフレーム１３０、１４０の上部にガス流動部１８０を配置することができる。より具体的に、パックフレーム１３０、１４０の上部にガス流動部１８０が位置し、ガス流動部はサイドプレート１６０と水平プレート１５０の間に配置することができる。

また、ガス流動部１８０は、下層に装着されている複数の第２電池モジュール１２０のうちの少なくとも一部の第２電池モジュール１２０上に配置することができる。言い換えれば、ガス流動部１８０は、パックフレーム１３０、１４０上層に装着されている複数の第１電池モジュール１１０が位置しない空間を意味することができる。

一方、一部電池モジュール１１０、１２０で発火イベント発生時、熱および高温のガスがパックフレーム１３０、１４０内に発生することがある。ここで、本実施形態の電池パック１００で、ガス流動部１８０がパックフレーム１３０、１４０上部に位置して、ガス流動部１８０によって熱および高温のガスを一定時間収容することができる。これにより、ガス流動部１８０は、パックフレーム１３０、１４０内の熱および高温のガスが外部に排出されるのを遅延させることができる。

また、ガス流動部１８０上にガス排出部１７０を配置することができる。即ち、一部電池モジュール１１０、１２０で発火イベント発生時、熱および高温のガスがパックフレーム１３０、１４０内のガス流動部１８０に移動することになり、ガス流動部１８０に収容された熱および高温のガスはガス排出部１７０を通じて外部に排出できる。

ここで、図２を参照すれば、複数の第１電池モジュール１１０のうちのパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０は、ガス排出部１７０に隣接するように配置することができる。ここで、断熱部材２００は、複数の第１電池モジュール１１０のうちのパックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０の側面のうちのガス排出部１７０に隣接した側面に配置することができる。また、ガス流動部１８０は、断熱部材２００とパックフレーム１３０、１４０の側面の間に配置することができる。

一方、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０は、パックフレーム１３０、１４０内部の熱および高温のガスがガス排出部１７０およびガス流動部１８０を通じて排出される経路に隣接するように配置することができる。しかし、サイドプレート１６０に付着されている断熱部材２００によって、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０に対する熱および高温のガスが排出される経路による影響を最少化することができる。

図３は、図１の電池パックに含まれている第１電池モジュールの斜視図である。

図３を参照すれば、本発明の一実施形態で、第１電池モジュール１１０は複数の電池セル１１１を含むことができる。より具体的に、複数の電池セル１１１が予め設定された方向に沿って積層された後、モジュールフレーム１１５に装着されて第１電池モジュール１１０を構成することができる。

複数の電池セル１１１はその種類に特別な制限がないのでパウチ型二次電池または角型二次電池であってもよいが、パウチ型二次電池であるのが好ましい。

一方、第１電池モジュール１１０を例を挙げて本発明での電池モジュールについて説明したのであるので、第２電池モジュール１２０（図２）の場合にも先に説明した第１電池モジュール１１０と相互同一乃至類似の構造を有することができる。

図４は、図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面を簡略に示した図である。図５は、図４の断面で一部電池モジュールのセルイベント発生時熱伝播経路を示した図である。

図４および図５を参照すれば、本実施形態の電池パック１００で、複数の第２電池モジュール１２０のうちの一部第２電池モジュール１２０でセルイベント（ＣＥ）が発生することがある。ここで、セルイベント（ＣＥ）は、電池モジュール１１０、１２０内で過電圧、過電流または過発熱などの異常現象が発生して、電池モジュール１１０、１２０が高温およびガス発生が起こるのを意味することができる。

以下、第２電池モジュール１２０でセルイベント（ＣＥ）が発生したことを前提にして説明されるが、第１電池モジュール１１０で発生した場合にも同一であるか類似に説明することができる。

図４を参照すれば、本実施形態の電池パック１００で、複数の第２電池モジュール１２０のうちの一部第２電池モジュール１２０でセルイベント（ＣＥ）が発生したのを確認することができる。図５を参照すれば、セルイベント（ＣＥ）が発生した第２電池モジュール１２０から発生される熱および高温のガスによって、隣接するように位置する第２電池モジュール１２０にセルイベント（ＣＥ）が伝播されることがある。

一方、複数の第１電池モジュール１１０と複数の第２電池モジュール１２０の間に水平プレート１５０が位置して、セルイベント（ＣＥ）が発生した第２電池モジュール１２０から発生される熱および高温のガスが第１電池モジュール１１０に直接伝達されることのを防止するか、伝達される時間をより遅延させることができる。

但し、セルイベント（ＣＥ）が発生した第２電池モジュール１２０から発生される高温のガスはパックフレーム１３０、１４０内に位置するガス流動部１８０に移動するようになり、ガス流動部１８０に移動した高温のガスはガス排出部１７０を通じて外部に排出できる。

この過程で、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０は、セルイベント（ＣＥ）が発生した第２電池モジュール１２０から発生される高温のガスがガス排出部１７０およびガス流動部１８０を通じて排出される経路に隣接するように配置することができる。

しかし、図５に示されているように、本実施形態の電池パック１００で、サイドプレート１６０に付着されている断熱部材２００によって、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１０に対する熱および高温のガスが排出される経路による影響を最少化することができる。即ち、セルイベント（ＣＥ）が発生した第２電池モジュール１２０から第１電池モジュール１１０への熱伝達を最少化して、セルイベント（ＣＥ）が伝播される時間を効果的に遅延させることができる。

図６は、比較例による電池パックで一部電池モジュールのセルイベント発生時熱伝播経路を示した図である。

これとは異なり、図６を参照すれば、比較例による電池パック１０の場合、複数の第２電池モジュール１２のうちの一部第２電池モジュール１２でセルイベント（ＣＥ）が発生する場合、隣接した第２電池モジュール１２にセルイベント（ＣＥ）が伝播されることがある。これと共に、第２電池モジュール１２で発生した高温のガスがガス流動部１８に移動することによって、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１にガス流動部１８に移動した高温のガスによる熱が伝達されることがある。

即ち、比較例による電池パック１０の場合、パックフレーム１３０、１４０内で最外郭に位置する第１電池モジュール１１がパックフレーム１３、１４内熱および高温のガスに露出しやすくて、一部電池モジュール１１０、１２０で発生したセルイベント（ＣＥ）が比較的に伝播しやすい。これに対比して、前述のように、本発明の一実施形態による電池パック１００は、セルイベント（ＣＥ）が発生した第２電池モジュール１２０から第１電池モジュール１１０への熱伝達を最少化して、セルイベント（ＣＥ）が伝播する時間を効果的に遅延させることができる。

一方、本実施形態による電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用することができるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用することができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。

以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々の変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。

１００：電池パック
１１０：第１電池モジュール
１２０：第２電池モジュール
１３０：上部ケース
１４０：下部ケース
１５０：水平プレート
１６０：サイドプレート
１７０：ガス排出部
１８０：ガス流動部
２００：断熱部材

Claims (13)

1. パックフレーム、
   前記パックフレームの上部に装着される複数の第１電池モジュール、
   前記パックフレームの下部に装着される複数の第２電池モジュール、および
   前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールの側面に隣接するように位置する断熱部材を含む電池パック。
2. 前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールの側面に隣接するように位置するサイドプレートをさらに含み、
   前記断熱部材は前記サイドプレート上に付着される、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記複数の第１電池モジュールの下部と前記複数の第２電池モジュールの上部の間に位置する水平プレートをさらに含む、請求項２に記載の電池パック。
4. 前記パックフレームの上部にガス流動部が位置し、
   前記ガス流動部は前記サイドプレートと前記水平プレートの間に位置する、請求項３に記載の電池パック。
5. 前記パックフレームの上側にガス排出部が形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池パック。
6. 前記ガス排出部は、前記パックフレームの上側から前記パックフレームの内部に向かって貫通するガスバルブである、請求項５に記載の電池パック。
7. 前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールは、前記ガス排出部に隣接するように位置する、請求項５又は６に記載の電池パック。
8. 前記断熱部材は、前記複数の第１電池モジュールのうちの前記パックフレーム内で最外郭に位置する第１電池モジュールの側面のうちの前記ガス排出部に隣接した側面に位置する、請求項５から７のいずれか一項に記載の電池パック。
9. 前記パックフレームの上部にガス流動部が位置し、
   前記ガス流動部上に前記ガス排出部が位置する、請求項５から８のいずれか一項に記載の電池パック。
10. 前記ガス流動部は、前記断熱部材と前記パックフレームの側面の間に位置する、請求項９に記載の電池パック。
11. 前記複数の第２電池モジュールに含まれている前記第２電池モジュールの個数は、前記複数の第１電池モジュールに含まれている前記第１電池モジュールの個数より多い、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電池パック。
12. 前記ガス流動部は、前記複数の第２電池モジュールのうちの少なくとも一部の第２電池モジュール上に位置する、請求項４、９、又は１０に記載の電池パック。
13. 請求項１から１２のいずれか一項による電池パックを含むデバイス。

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