JP2024505731A - スウェリング感知手段を備えたバッテリーモジュール - Google Patents
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Abstract
本発明は、スウェリングを早期に感知するために、電極リードを備えた複数のバッテリーセルと、前記複数のバッテリーセルを収納するモジュールケースと、前記電極リードと電気的に連結されるバスバーを備えたＩＣＢ（Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｂｏａｒｄ）組立体と、前記バッテリーセルのスウェリング（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）を感知するスウェリング感知手段とを含むバッテリーモジュールに関するものである。
Description
本出願は２０２１年１０月１８日付の韓国特許出願第２０２１－０１３８２６０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この明細書の一部として含まれる。
本発明はスウェリング感知手段を備えることで、バッテリーセルのスウェリング発生の際、これを早期に感知することができるバッテリーモジュールに関するものである。
スマートフォン、ノートブック型ＰＣ、デジタルカメラなどのモバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するのに伴い、充放電の可能な二次電池に関する技術が活発に研究されている。また、二次電池は大気汚染物質を発生させる化石燃料の代替エネルギー源であり、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）、及びエネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＳ）などに適用されている。
現在広く使われる二次電池の種類には、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セル、すなわち、単位電池セルの作動電圧は約２．０Ｖ～５．０Ｖである。よって、これより高い出力電圧が要求される場合、複数の電池セルを直列に連結してセルモジュールアセンブリーを構成するか、またはセルモジュールアセンブリーを所要出力電圧または充放電容量に応じて直列または並列に連結して電池モジュールを構成することもできる。このように、少なくとも一つの電池モジュールを用いて追加的な構成要素を付け加えて電池パックを製作することが一般的である。
このような電池セルは、過充電、過熱、衝撃、短絡などの問題が発生すると、電池セルの内部でガスが発生して電池セルが膨れ上がるスウェリング（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が起こることがある。
このようなスウェリング現象は電池セルの火災または爆発の前段階で発生することが一般的である。
したがって、電池セルで火災または爆発が発生する前に予め感知するためにスウェリング現象を感知する多様な方法が考案された。
特許文献１はバッテリーパック２００に関するものであり、バッテリーセル１０はモジュールケース５０に収納されて積層され、前記モジュールケース５０の壁面が歪むことを判断することができる水平感知センサー７０を備えている。
水平感知センサー７０は、バッテリーセル１０のスウェリング発生の際、膨張したバッテリーセル１０の側面部によってモジュールケース５０が歪むことを感知することができ、これに基づいて消火薬剤６０を噴射するように、制御部８０から噴射装置６２に信号を伝送して消火薬剤を排出するようになる。
しかし、特許文献１のバッテリーパックとは違い、エネルギー密度を高めるためにバッテリーセルの間に水平を感知することができるモジュールケースなどが存在しないか、または空間なしに緻密に積層されたバッテリーパック／モジュールの場合には、水平感知センサーでスウェリングを感知しにくい問題がある。
特に、バッテリーセルの間に空間なしに緻密に積層されたバッテリーパックまたはモジュールの場合には、特定のバッテリーセルでガスが発生しても、隣接したバッテリーセルと密着している側面部は圧力によって容易に膨張することができず、むしろ、バッテリーセルにおいて電極リードが突出するシーリング部側で先に脹れ上がる現象が発生する。
したがって、バッテリーセルの側面部が密着しているバッテリーパックまたはモジュールのスウェリングを早期に感知するためには、このような現象を活用する感知手段が必要である。
本発明は、前記のような問題点を解決するために、バッテリーセルとＩＣＢとの間の空間に感知ポケットを備えたスウェリング感知手段を含むことで、スウェリングを早期に感知することができるバッテリーモジュールを提供することを目的とする。
前記のような目的を達成するための本発明によるバッテリーモジュールは、電極リードを備えた複数のバッテリーセルと、前記複数のバッテリーセルを収納するモジュールケースと、前記電極リードと電気的に連結されるバスバーを備えたＩＣＢ（Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｂｏａｒｄ）組立体と、前記バッテリーセルのスウェリング（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）を感知するスウェリング感知手段とを含むことを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記バッテリーセルがパウチ型バッテリーセルであることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記スウェリング感知手段が内部に気体または液体が注入されていることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記スウェリング感知手段が、複数の感知ポケットと、前記複数の感知ポケットを連結する連結部と、前記内部に気体または液体を注入するための注入部とを含むことを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記複数の感知ポケットが前記ＩＣＢ組立体と前記バッテリーセルとの間の空間に位置することを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記複数の感知ポケット、前記連結部、及び前記注入部が一体に形成されていることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記スウェリング感知手段が弾性を有する高分子素材から形成されることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記高分子素材が、天然ゴム（Ｎａｔｕｒａｌ Ｒｕｂｂｅｒ、ＮＲ）、ブタジエンゴム（Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（Ｓｔｙｌｒｅｎｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＮＢＲ）、水素化ニトリルブタジエンゴム（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、Ｈ－ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（Ｃｈｌｏｒｏｐｒｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（Ｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｉｓｏｐｒｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＩＩＲ）、アクリルゴム（Ａｃｒｙｌｉｃ Ｒｕｂｂｅｒ、ＡＮＭ／ＡＣＭ）、シリコンゴム（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）、フッ素ゴム（Ｆｌｕｏｒｏ Ｒｕｂｂｅｒ、ＦＫＭ／ＦＰＭ）、及びウレタンゴム（Ｕｒｅｔｈａｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＡＵ／ＥＵ）のうちから選択されるいずれか１種であることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記スウェリング感知手段が内部の圧力変化をモニタリングして前記バッテリーセルのスウェリングを感知することを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、本発明のバッテリーモジュールを含むことを特徴とする。
また、本発明によるデバイスは、本発明のバッテリーパックを含むことを特徴とする。
本発明のバッテリーモジュールは、スウェリング感知手段を備えることで、バッテリーセルが密着して積層された場合にも、スウェリング現象を早期に感知することができる利点がある。
また、本発明のバッテリーモジュールは、スウェリング現象を早期に感知して対応することで、バッテリーセルの火災や爆発などの危険を抑制することができる利点がある。
本出願で、「含む」、「有する」または「備える」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、構成要素、部分品またはこれらの組合せが存在することを規定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、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、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
以下、本発明によるバッテリーモジュールについて添付図面を参照して説明する。
以下、本発明によるバッテリーモジュールにについて添付図面を参照して説明する。
図２は本発明の一実施例によるスウェリング感知手段を備える前のバッテリーモジュールを概略的に示す断面図であり、図３は本発明の一実施例によるスウェリング感知手段を備えたバッテリーモジュールを概略的に示す断面図である。
図２及び図３を参照して本発明のバッテリーモジュール１０００について説明すると、バッテリーモジュール１０００は、積層された複数のバッテリーセル１００、モジュールケース２００、ＩＣＢ組立体３００、及びスウェリング感知手段４００を含んでいる。
まず、バッテリーセル１００は、ケースの形状によって、円筒型バッテリーセル、角型バッテリーセル、及びパウチ型バッテリーセルに分類することができ、本発明のバッテリーセル１００はパウチ型バッテリーセル１００であることが好ましい。
パウチ型バッテリーセル１００とは、一般的に電極組立体を収納する電池ケースがパウチケースであるバッテリーセル１００を意味する。
ここで、パウチケース１２０、通常、内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造を有する。内部層は電極組立体と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有しなければならなく、また外部に対する密閉のために、シーリング性、すなわち内部層同士が熱接着されたシーリング部位は優れた熱接着強度を有しなければならない。
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に優れたポリプロピレン、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択され得るが、これに限定されない。
内部層と接している金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当し、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うことができる。
そして、金属層の他側面には外部層が設けられる。このような外部層は、電極組立体を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、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うことができ、一例としてナイロンまたはポリエチレンテレフタレートルを使うことができるが、これに限定されない。
また、バッテリーセル１００は正極及び負極の電極リード１１０がパウチケースの外部に突出／伸張していることが一般的であり、電極リード１１０が突出する方向は、正極及び負極リードが同じ方向に突出することもでき、互いに異なる方向に突出することもできる。
このようなパウチ型バッテリーセル１００は、パウチケースの内部に電極組立体を収納し、電解液を注入した後、密封する工程で製造されるようになる。このようなパウチ型バッテリーセル１００は、通常、電極リード１１０が突出した部分を含めて３面または４面の外郭にシーリング部１２０が形成される。
モジュールケース２００は複数のバッテリーセル１００を収納し、これらを外部の衝撃などから保護する役割を果たすものであり、公知の多様なモジュールケース２００を適用することができる。
次に、ＩＣＢ（Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｂｏａｒｄ）組立体３００は、一般的にバスバー３１０を備え、バッテリーセル１００の電極リード１１０とバスバー３１０とを電気的に連結する役割を果たす。
また、バッテリーセル１００の充放電のうちにバッテリーセル１００の温度または電圧などに対応する各種の電気信号をバッテリー管理システム（ＢＭＳ）などに伝達する機能を果たすこともある。
図４は本発明の一実施例によるスウェリング感知手段を概略的に示す断面図である。
図２～図４を参照して本発明のスウェリング感知手段４００について説明すると、スウェリング感知手段４００は、感知ポケット４１０、連結部４２０、及び注入部４３０を含む。
このようなスウェリング感知手段４００は、バッテリーモジュール１０００に装着した後、内部に気体または液体を注入して使うようになる。
感知ポケット４１０はバッテリーセル１００と隣接したバッテリーセル１００との間の空間、具体的には一つのバッテリーセル１００の電極リード１１０及びその電極リード１１０を包んでいるシーリング部１２０とそれに隣接したバッテリーセル１００の電極リード１１０及びその電極リード１１０を包んでいるシーリング部１２０との間の空間に一つずつ位置するものであり、積層されたバッテリーセル１００の個数によって複数の感知ポケット４１０を備えることができる。
他の観点で見ると、感知ポケット４１０は図３には省略されている図２のＩＣＢ組立体３００とバッテリーセル１００との間の空間に位置するようになる。
連結部４２０はこのような複数の感知ポケット４１０を連結し、感知ポケット４１０に気体または液体を注入する通路として活用される。
次に、注入部４３０は感知ポケット４１０及び連結部４２０に気体または液体を注入するための出入口の役割を果たすものであり、モジュールケース２００の外部に位置し、スウェリング感知手段４００の装着及びバッテリーモジュール１０００の形成の後、外部で気体または液体を注入する役割を果たす。
また、注入部４３０はスウェリング感知手段４００の内部の圧力変化をモニタリングするためのセンサーなどと連結され得る。
このような感知ポケット４１０、連結部４２０、及び注入部４３０は、内部に気体または液体が注入されるために、一体に形成されることが好ましく、さらに、スウェリングによって膨張したバッテリーセル１００の押圧をよくセンシングするために弾性を有する高分子素材から形成されることが好ましい。
このような高分子素材としては、特に、天然ゴム（Ｎａｔｕｒａｌ Ｒｕｂｂｅｒ、ＮＲ）、ブタジエンゴム（Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（Ｓｔｙｌｒｅｎｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＮＢＲ）、水素化ニトリルブタジエンゴム（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、Ｈ－ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（Ｃｈｌｏｒｏｐｒｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＥＰＤＭ）、イソブチレンイソプレンゴム（Ｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｉｓｏｐｒｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＩＩＲ）、アクリルゴム（Ａｃｒｙｌｉｃ Ｒｕｂｂｅｒ、ＡＮＭ／ＡＣＭ）、シリコンゴム（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）、フッ素ゴム（Ｆｌｕｏｒｏ Ｒｕｂｂｅｒ、ＦＫＭ／ＦＰＭ）、及びウレタンゴム（Ｕｒｅｔｈａｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＡＵ／ＥＵ）のうちから選択されるいずれか１種または２種以上を含む複合素材であり得る。
スウェリング感知手段４００は、このような高分子素材を公知の多様な成形方法で一体に形成することで製造することができる。
このようなスウェリング感知手段４００に注入される気体または液体としては、スウェリングによって膨張したバッテリーセル１００をセンシングすることができる公知の多様な気体または液体を使うことができる。
例えば、空気または水が一番容易に入手でき、安く使える流体であり、スウェリング感知手段４００は単純にスウェリングを感知する役割のみを果たすものではなく、内部の気体または液体を用いて火災発生の際に消火する役割を果たすことができるように、内部に消火液を注入することもできる。
このような消火液を注入することで、火災が隣接したバッテリーセル１００に転移することを抑制することができる効果がある。
図５は本発明の一実施例によるスウェリング現象が発生したバッテリーセルを含むバッテリーモジュールを概略的に示す断面図である。
図５を参照して、スウェリング感知手段４００を含むバッテリーモジュール１０００においてスウェリングの発生を感知する過程について説明すると、まず、特定のバッテリーセル１００でスウェリングが発生すると、図５に示したように、隣接したバッテリーセル１００に密着している側面部よりは電極リード１１０が突出した部分のシーリング部１２０で先に膨張Ｓが起きる。
このようなシーリング部１２０の膨張によって電極リード１１０の間に位置するスウェリング感知手段４００の感知ポケット４１０が押圧される現象によって内部の気体または液体の流動が発生し、これを注入部４３０に連結されたセンサーでセンシングすることで、バッテリーモジュールの内部にスウェリングが発生したことを感知することができる。
したがって、バッテリーモジュール１０００の作動を中止し、スウェリングが発生したバッテリーセル１００を除去するなどの後続措置を速かに遂行することができる。
また、本発明のバッテリーモジュール１０００は、既存のバッテリーモジュール１０００の製造工程に比べて、予め一体に形成されたスウェリング感知手段４００を空間に装着して製造することができるので、既存のバッテリーモジュール１０００の設計や生産工程の大部分を共有することができ、製造コストの上昇を最大限抑制することができる利点がある。
また、このような本発明のバッテリーモジュール１０００を一つ以上含み、ＢＭＳなどの各種の装置を付加してバッテリーパックを製造することができ、このようなバッテリーパックまたはバッテリーモジュール１０００は各種のデバイスの電力供給源として使うことができる。
以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にこのような具体的技術はただ好適な実施様態であるだけで、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正も添付の特許請求範囲に属するものであるというのは言うまでもない。
１０００ バッテリーモジュール
１００ バッテリーセル
１１０ 電極リード
１２０ シーリング部
２００ モジュールケース
３００ ＩＣＢ組立体
３１０ バスバー
４００ スウェリング感知手段
４１０ 感知ポケット
４２０ 連結部
４３０ 注入部
１００ バッテリーセル
１１０ 電極リード
１２０ シーリング部
２００ モジュールケース
３００ ＩＣＢ組立体
３１０ バスバー
４００ スウェリング感知手段
４１０ 感知ポケット
４２０ 連結部
４３０ 注入部
Claims (11)
- 電極リードを備えた複数のバッテリーセルと、
前記複数のバッテリーセルを収納するモジュールケースと、
前記電極リードと電気的に連結されるバスバーを備えたＩＣＢ（Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｂｏａｒｄ）組立体と、
前記バッテリーセルのスウェリング（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）を感知するスウェリング感知手段と、
を含む、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に記載のバッテリーモジュール。
- 前記スウェリング感知手段は、内部に気体または液体が注入されている、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
- 前記スウェリング感知手段は、複数の感知ポケットと、前記複数の感知ポケットを連結する連結部と、前記内部に気体または液体を注入するための注入部とを含む、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
- 前記複数の感知ポケットは、前記ＩＣＢ組立体と前記バッテリーセルとの間の空間に位置する、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
- 前記複数の感知ポケット、前記連結部、及び前記注入部は一体に形成されている、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
- 前記スウェリング感知手段は、弾性を有する高分子素材から形成される、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
- 前記高分子素材は、天然ゴム（Ｎａｔｕｒａｌ Ｒｕｂｂｅｒ、ＮＲ）、ブタジエンゴム（Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（Ｓｔｙｌｒｅｎｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＮＢＲ）、水素化ニトリルブタジエンゴム（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、Ｈ－ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（Ｃｈｌｏｒｏｐｒｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（Ｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｉｓｏｐｒｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＩＩＲ）、アクリルゴム（Ａｃｒｙｌｉｃ Ｒｕｂｂｅｒ、ＡＮＭ／ＡＣＭ）、シリコンゴム（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）、フッ素ゴム（Ｆｌｕｏｒｏ Ｒｕｂｂｅｒ、ＦＫＭ／ＦＰＭ）、及びウレタンゴム（Ｕｒｅｔｈａｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ、ＡＵ／ＥＵ）のうちからで選択されるいずれか１種である、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
- 前記スウェリング感知手段は、内部の圧力変化をモニタリングして前記バッテリーセルのスウェリングを感知する、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
- 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を含む、バッテリーパック。
- 請求項１０に記載のバッテリーパックを含む、デバイス。
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