JP2023534980A - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、前記電池セル積層体の下部および両側面を収容する下部フレームと、前記電池セル積層体の上面を覆うモジュールフレーム上部と、前記モジュールフレーム上部と前記電池セル積層体の上部との間に位置する消火部材とを含み、前記モジュールフレーム上部の中心部と前記モジュールフレーム上部の周辺部との間に位置し、かつ、前記電池セル積層体に向かって貫通しているベンティング部を含む。

Description

［関連出願との相互参照］
本出願は、２０２１年１月１９日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０００７６５７号に基づく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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より具体的には、電池モジュール内の発火時に火炎を効果的に抑制し、内部ガスを効果的に排出させる電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギー源としても多くの関心を集めている。
小型モバイル機器にはデバイス１台あたり１個または２、３、４個の電池セルが用いられるのに対し、自動車などのような中大型デバイスには高出力大容量が必要である。したがって、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュールが用いられる。
中大型電池モジュールは、できるだけ小さい大きさと重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層可能であり、容量に比べて重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に用いられている。一方、電池モジュールは、電池セル積層体を外部衝撃、熱または振動から保護するために、前面と後面が開放されて電池セル積層体を内部空間に収納するモジュールフレームを含むことができる。
図１は、従来の電池モジュールを示す斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ軸に沿った断面図である。
図１および図２を参照すれば、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が一方向に積層されている電池セル積層体１２と、電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム３０、４０と、電池セル積層体１２の前後面をカバーするエンドプレート５０と、エンドプレート５０と電池セル積層体１２の前後面との間に形成されたバスバーフレーム（図示せず）とを含む。ここで、モジュールフレーム３０、４０は、前後面と上面が開放されている下部フレーム３０および上部プレート４０を含む。ここで、電池セル積層体１２とモジュールフレーム３０、４０との間には圧縮パッド１５が含まれている。
ここで、電池モジュール１０は、モジュールフレーム３０、４０によって電池モジュール１０の内部が密閉されている構造を有し、電池セル積層体１２に含まれている一部の電池セル１１で発火した時、他の隣接した電池セル１１に火炎および／または熱が伝播しうる。これとともに、電池モジュール１０内の圧力が発火によって大きく増加し、隣接した電池モジュール１０に対しても影響を及ぼすなど発火現象の連続性を有する問題がある。
これによって、従来とは異なり、電池モジュール１０内の発火時に熱伝播速度を効果的に遅延させ、安全性が向上した電池モジュールを開発する必要がある。
本発明の解決しようとする課題は、電池モジュール内の発火時に火炎を効果的に抑制し、内部ガスを効果的に排出させる電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することである。
本発明が解決しようとする課題が上述した課題に制限されるわけではなく、言及されていない課題は本明細書および添付し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であろう。
本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、前記電池セル積層体の下部および両側面を収容する下部フレームと、前記電池セル積層体の上面を覆う上部プレートと、前記モジュールフレーム上部と前記電池セル積層体の上部との間に位置する消火部材とを含み、前記モジュールフレーム上部の中心部と前記モジュールフレーム上部の周辺部との間に位置し、かつ、前記電池セル積層体に向かって貫通しているベンティング部を含む。
前記ベンティング部は、前記モジュールフレーム上部の中心部を囲む額縁型構造に形成されている。
前記ベンティング部は、前記モジュールフレーム上部の中心部と前記モジュールフレーム上部の周辺部とを連結する少なくとも１つの連結部を含むことができる。
前記ベンティング部を形成するそれぞれの角に少なくとも１つの前記連結部が形成されている。
前記ベンティング部は、第１ベンティング部および前記第２ベンティング部を含み、前記第２ベンティング部は、前記第１ベンティング部に囲まれる前記モジュールフレーム上部の中心部に位置し、かつ、前記第１ベンティング部と離隔して位置することができる。
前記連結部は、第１連結部および前記第２連結部を含み、前記第１連結部は、前記第１ベンティング部を形成するそれぞれの角に形成されており、前記第２連結部は、前記第２ベンティング部を形成するそれぞれの角に形成されている。
前記ベンティング部は、前記電池セル積層体に向かって斜線方向に貫通している。
前記斜線方向は、前記モジュールフレーム上部を基準として前記電池セル積層体の中心部に向かう角度を有することができる。
前記ベンティング部の一端部は、外部に露出しており、前記ベンティング部の他端部は、前記消火部材と隣接して位置することができる。
前記消火部材は、前記モジュールフレーム上部と前記電池セル積層体の上部との間で前記電池セル積層体の積層方向に沿って延びている。
前記消火部材の厚さは、前記モジュールフレーム上部と前記電池セル積層体の上部との間に離隔している距離と同一であるか、これより小さい。
前記消火部材は、消火（ｆｉｒｅ ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ）薬剤が含まれている消火物質からなってもよい。
本発明の他の実施例による電池パックは、上記で説明した電池モジュールを含む。
実施例によれば、本発明は、電池セル積層体の上部に消火部材が位置し、モジュールフレーム上部にベンティング部が形成されている電池モジュールおよびこれを含む電池パックであって、電池モジュール内の発火時に火炎を効果的に抑制し、内部ガスを効果的に排出させることができる。
本発明の効果が上述した効果に制限されるわけではなく、言及されていない効果は本明細書および添付し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であろう。
従来の電池モジュールを示す斜視図である。 図１のＡ－Ａ軸に沿った断面図である。 本発明の一実施例による電池モジュールの斜視図である。 図３のＢ－Ｂ軸に沿った断面図である。 図３の電池モジュールの上面図である。 図３の電池モジュールのモジュールフレーム上部を示す図である。 図４の一部を拡大して示す図である。 図４の一部を拡大して示す図である。 図８の一部を拡大して示す図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、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できるように詳細に説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
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の参照符号を付す。
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のものに限定されない。図面において様々な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、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、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、本発明の実施例による電池モジュールについて説明する。ただし、ここで電池モジュールの前後面のうち前面を基準として説明されるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、後面の場合にも、同一または類似の内容で説明される。
図３は、本発明の一実施例による電池モジュールの斜視図である。図４は、図３のＢ－Ｂ軸に沿った断面図である。
図３および図４を参照すれば、本発明の一実施例による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が積層されている電池セル積層体１２０と、電池セル積層体１２０を収容するモジュールフレーム３００、４００とを含む。また、前記電池セル積層体１２０の前後面とエンドプレート５００との間にはバスバーフレーム（図示せず）が位置し、前記バスバーフレーム（図示せず）にはバスバーが位置することができる。さらに、前記電池セル積層体１２０の側面とモジュールフレーム３００、４００との間に圧縮パッド１５０が位置することができる。
モジュールフレーム３００、４００は、電池セル積層体１２０の下部および両側面を収容するモジュールフレーム下部３００と、電池セル積層体１２０の上面を覆うモジュールフレーム上部４００とを含む。ただし、これに限定されたものではなく、Ｌ字状フレームまたはＵ字状フレームおよび上部プレートのような他の形状のフレームに代替されてもよい。
電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましい。電極組立体を、樹脂層と金属層とを含むラミネートシートのパウチケースに収納した後、前記パウチケースのシーリング部を熱融着して製造される。このような電池セル１１０は、複数個から構成され、複数の電池セル１１０は、相互電気的に連結できるように積層された電池セル積層体１２０を形成する。特に、図３および図４に示されているように、ｙ軸と平行な積層方向に沿って複数の電池セル１１０が積層される。
また、図３および図４を参照すれば、本実施例による電池モジュール１００は、モジュールフレーム上部４００と電池セル積層体１２０の上部との間に位置する消火部材１７０を含む。
さらに、消火部材１７０は、モジュールフレーム上部４００の下面に付着している。一例として、消火部材１７０は、モジュールフレーム上部４００の下面に別の接着層を介して付着している。他の例として、消火部材１７０は、シートあるいはフォーム形状を有し、かつ、消火部材１７０自体が有する接着力によってモジュールフレーム上部４００の下面に付着していてもよい。他の例として、消火部材１７０は、液状形態で用意されており、モジュールフレーム上部４００の下面に所定の厚さに塗布あるいは噴射されてもよい。ただし、これに限定されるものではなく、消火部材１７０は、多様な形態でモジュールフレーム上部４００の下面に付着してもよい。
また、消火部材１７０は、モジュールフレーム上部４００と電池セル積層体１２０の上部との間で電池セル積層体１２０の積層方向（ｙ軸方向）に沿って延びている。より具体的には、消火部材１７０の幅は、モジュールフレーム上部４００と電池セル積層体１２０の上部との間で電池セル積層体１２０の積層方向（ｙ軸方向）に沿って延びている。より好ましくは、消火部材１７０の幅は、モジュールフレーム上部４００と電池セル積層体１２０の上部との間で電池セル積層体１２０の上部の幅と同一であるか、これより小さく延びている。
また、消火部材１７０は、モジュールフレーム上部４００と電池セル積層体１２０との間の離隔している空間に位置することができる。より具体的には、消火部材１７０の厚さは、モジュールフレーム上部４００と電池セル積層体１２０の上部との間に離隔している距離と同一であるか、これより小さい。
これによって、本実施例による電池モジュール１００において消火部材１７０が電池セル積層体１２０の上部に対応する位置に配置されて、電池セル積層体１２０の一部の電池セル１１０において火炎発生時、電池セル１１０で発生した火炎の強度を効果的に抑制させることができる。さらに、電池モジュール１００の安全性も向上できる。
また、消火部材１７０は、消火（ｆｉｒｅ ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ）薬剤が含まれている消火物質からなってもよい。ここで、消火部材１７０は、フォーム（ｆｏａｍ）、エアロゲルブランケット（Ａｅｒｏｇｅｌ Ｂｌａｎｋｅｔ）、雲母シート（ＭＩＣＡ Ｓｈｅｅｔ）形態の部材であってもよい。また、前記消火薬剤物質は、一般に使用される粉末状の消火薬剤物質であってもよい。一例として、前記消火薬剤物質は、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）、リン酸アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ３）、および「炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）と尿素（（ＮＨ２）２ＣＯ）」の混合物のいずれか１つであってもよい。特に、消火部材１７０に含まれている消火薬剤物質は、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）を含むことができる。ただし、前記消火薬剤物質はこれに限定されず、消火機能を行う物質であれば制限なく使用可能である。
これによって、本実施例による電池モジュール１００内に発火現象が発生した時、消火部材１７０が電池セル積層体１２０の上部に隣接して位置して、電池セル１１０で発生した火炎の強度を効果的に抑制することができる。これとともに、消火部材１７０による電池セル１１０で発生した火炎の消火過程で、二酸化炭素および水蒸気が発生できる。このような反応は吸熱反応で電池セル１１０の熱を吸収することができ、酸素供給も遮断可能で、電池セル１１０間の火炎および熱伝播速度が効果的に遅延可能である。また、電池モジュール１００の安全性も向上できる。
以下、モジュールフレーム上部４００およびベンティング部４１０についてより具体的に説明する。
図５は、図３の電池モジュールの上面図である。図６は、図３の電池モジュールのモジュールフレーム上部を示す図である。
図４～図６を参照すれば、本実施例において、モジュールフレーム上部４００は、モジュールフレーム上部４００の中心部とモジュールフレーム上部の周辺部との間に位置し、かつ、電池セル積層体１２０に向かって貫通しているベンティング部４１０を含む。
また、モジュールフレーム上部４００において、ベンティング部４１０は、モジュールフレーム上部４００の中心部を囲む額縁型構造に形成されている。一例として、ベンティング部４１０は、４個の角を有する額縁型構造に形成されている。ここで、前記４個の角は、互いに垂直な方向に配置されて連結される。ただし、ベンティング部４１０の形状はこれに限定されるものではなく、多様な形状を有する構造に形成されていてもよい。
これによって、電池モジュール１００内に発火現象が発生した時、先に言及した消火部材１７０の一部が溶ける場合、ベンティング部４１０を介して内部電池モジュール１００内のガスが排出できる。
また、図５および図６を参照すれば、ベンティング部４１０は、モジュールフレーム上部４００の中心部とモジュールフレーム上部４００の周辺部とを連結する少なくとも１つの連結部４５０を含むことができる。より具体的には、ベンティング部４１０を形成するそれぞれの角に少なくとも１つの連結部４５０が形成されている。一例として、ベンティング部４１０が４個の角からなる額縁型構造を有する場合、前記４個の角にそれぞれ少なくとも１つの連結部４５０が形成されている。
ここで、連結部４５０は、難燃性および／または耐火性物質を含む素材であってもよい。より具体的には、連結部４５０は、難燃性および／または耐火性物質がコーティングされている弾性素材であってもよい。ただし、これに限定されるものではなく、電池モジュール１００の発火時に発生する火炎または高温のガスに変形しない程度の十分な難燃性および／または耐火性を有する素材であれば適用可能である。
これによって、連結部４５０は、電池モジュール１００の発火時にも変形せず、モジュールフレーム上部４００の中心部とモジュールフレーム上部４００の周辺部との間で十分に支持されており、ベンティング部４１０を介して高温のガスおよび／または火炎が外部に十分に排出できる。
また、本実施例において、ベンティング部４１０は、第１ベンティング部４１１および第２ベンティング部４１５を含み、第２ベンティング部４１５は、第１ベンティング部４１１に囲まれるモジュールフレーム上部４００の中心部に位置し、かつ、第１ベンティング部４１１と離隔して位置することができる。ここで、連結部４５０は、第１連結部４５１および第２連結部４５５を含み、第１連結部４５１は、第１ベンティング部４１１を形成するそれぞれの角に形成されており、第２連結部４５５は、第２ベンティング部４１５を形成するそれぞれの角に形成されている。ただし、他の実施例によれば、ベンティング部４１０において、第１ベンティング部４１１および第２ベンティング部４１５のうちの１つが省略されていたり、別のベンティング部が追加的に配置されてもよい。
これによって、電池モジュール１００内の発火現象によって電池モジュール１００内の圧力が過度に増加しても、ベンティング部４１０が囲むモジュールフレーム上部４００の中心部が垂直方向に膨張し、この時、連結部４５０が膨張したモジュールフレーム上部４００の中心部を支持することができる。つまり、膨張しているモジュールフレーム上部４００の中心部とベンティング部４１０との間の空間を通して電池モジュール１００内のガスを外部に排出することができる。また、連結部４５０にモジュールフレーム上部４００の中心部が過度に膨張しないように防止することによって、ベンティング部４１０を介してベンティングガスが過度に急速に排出されるのを防止することができる。つまり、電池モジュール１００の発火時間を遅延させて、電池モジュール１００の安全性がさらに向上できる。
図７および図８は、図４の一部を拡大して示す図である。図９（ａ）は、図７の上部プレートを拡大して示す図であり、図９（ｂ）は、図８の一部を拡大して示す図である。図７～図９は、図４を参照する時、ベンティング部４１０が第１ベンティング部４１１および第２ベンティング部を含む場合を基準として説明したもので、図７～図９における第１ベンティング部４１１および第２ベンティング部４１５をベンティング部４１０と通称して説明する。
図７、および図８を参照すれば、ベンティング部４１０の一端部は、外部に露出しており、ベンティング部４１０の他端部は、消火部材１７０と隣接して位置することができる。より具体的には、ベンティング部４１０の他端部は、消火部材１７０の一面と互いに接することができる。言い換えれば、ベンティング部１４０の他端部は、消火部材１７０で密閉されている。
これによって、図７および図９（ａ）を参照すれば、電池モジュール１００の正常作動時にはベンティング部４１０が密閉されていて、外部汚染物あるいは外部空気が電池モジュール１００内に流入するのを防止することができる。また、図８および図９（ｂ）を参照すれば、電池モジュール１００内の発火時には消火部材１７０が火炎に先に接して、火炎を効果的に抑制することができる。
これとともに、消火部材１７０が電池モジュール１００内の火炎を消化する過程で消火部材１７０の少なくとも一部が溶け、消火部材１７０が接していたベンティング部４１０の一部が開放される。これによって、ベンティング部４１０を介して電池モジュール１００内の火炎が大部分除去された状態で、電池モジュール１００の内部に残存するガスが外部に排出できる。
また、ベンティング部４１０は、電池セル積層体１２０に向かって斜線方向に貫通している。ここで、前記斜線方向は、モジュールフレーム上部４００を基準として電池セル積層体１２０の中心部に向かう角度を有することができる。一例として、ベンティング部４１０は、４個の角を有する額縁型構造を有する場合、互いに対面する角は、モジュールフレーム上部４００を中心に互いに対称の斜線方向に貫通している。
これによって、本実施例による電池モジュール１００において、ベンティング部４１０が斜線方向に形成されていて、外部物質が流入するのを間接的に遮断することができる。これとともに、電池モジュール１００内の発火時にベンティング経路を最大限に長く確保して、電池モジュール１００内の火炎および／またはガスが外部に排出される速度を遅延させることができる。
本発明の他の実施例による電池パックは、上記で説明した電池モジュールを含む。一方、本実施例による電池モジュールは、１つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。
上述した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。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、本発明の好ましい実施例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ものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
１１０：電池セル
１２０：電池セル積層体
１７０：消火部材
３００、４００：モジュールフレーム
４１０：ベンティング部
４５０：連結部
５００：エンドプレート

Claims (13)

  1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、
    前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、
    前記モジュールフレーム上部と前記電池セル積層体の上部との間に位置する消火部材とを含み、
    前記モジュールフレーム上部の中心部と前記モジュールフレーム上部の周辺部との間に位置し、かつ、前記電池セル積層体に向かって貫通しているベンティング部を含む電池モジュール。
  2. 前記ベンティング部は、前記モジュールフレーム上部の中心部を囲む額縁型構造に形成されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記ベンティング部は、前記モジュールフレーム上部の中心部と前記モジュールフレーム上部の周辺部とを連結する少なくとも１つの連結部を含む、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記ベンティング部を形成するそれぞれの角に少なくとも１つの前記連結部が形成されている、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記ベンティング部は、第１ベンティング部および第２ベンティング部を含み、
    前記第２ベンティング部は、前記第１ベンティング部に囲まれる前記モジュールフレーム上部の中心部に位置し、かつ、前記第１ベンティング部と離隔して位置する、請求項３または４に記載の電池モジュール。
  6. 前記連結部は、第１連結部および第２連結部を含み、
    前記第１連結部は、前記第１ベンティング部を形成するそれぞれの角に形成されており、
    前記第２連結部は、前記第２ベンティング部を形成するそれぞれの角に形成されている、請求項５に記載の電池モジュール。
  7. 前記ベンティング部は、前記電池セル積層体に向かって斜線方向に貫通している、請求項２に記載の電池モジュール。
  8. 前記斜線方向は、前記モジュールフレーム上部を基準として前記電池セル積層体の中心部に向かう角度を有する、請求項７に記載の電池モジュール。
  9. 前記ベンティング部の一端部は、外部に露出しており、前記ベンティング部の他端部は、前記消火部材と隣接して位置する、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 前記消火部材は、前記モジュールフレーム上部と前記電池セル積層体の上部との間で前記電池セル積層体の積層方向に沿って延びている、請求項９に記載の電池モジュール。
  11. 前記消火部材の厚さは、前記モジュールフレーム上部と前記電池セル積層体の上部との間に離隔している距離と同一であるか、これより小さい、請求項１０に記載の電池モジュール。
  12. 前記消火部材は、消火薬剤が含まれている消火物質からなる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む電池パック。
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