JP2024520101A - 電池モジュール及び当該電池モジュールを含む電池パック - Google Patents

電池モジュール及び当該電池モジュールを含む電池パック Download PDF

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Abstract

本発明の一実施例に係る電池モジュールは、複数の電池セルが一方向に積層された電池セル積層体と、前記電池セル積層体を収容し、内部面及び外部面を有するモジュールフレームと、を含み、前記モジュールフレームの一面には、前記内部面及び前記外部面を貫通するベンティング部が少なくとも一つ形成され、前記ベンティング部が形成された前記モジュールフレームの一面と前記電池セル積層体との間にはバリア層及び耐火物層を含むカバー層が位置する。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２１年７月７日付の韓国特許出願第１０－２０２１－００８９２６９号に基づいた優先権の利益を主張して、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、電池モジュール及び当該電池モジュールを含む電池パックに関するものであって、より具体的には、安全性を強化した電池モジュール及び当該電池モジュールを含む電池パックに関するものである。
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加により、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加している。これにより、多様な要求に対応できる二次電池に対する研究が多く行われている。
二次電池は、携帯電話機、デジタルカメラ、ノートパソコン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。
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、大容量二次電池構造に対する必要性が高まって、多数の二次電池が直列／並列に連結された電池モジュールを集合させた中型または大型の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。電池パックは、主に少なくとも一つの電池セルからなる電池モジュールを構成し、少なくとも一つの電池モジュールを用いてその他の構成要素を追加して構成される。電池モジュールを構成する電池セルは、充放電が可能な二次電池で構成されているので、このような高出力大容量二次電池は、充放電過程で多量の熱を発生させる。
図１は、従来の電池モジュールの分解斜視図を示した図である。図２は、従来の電池モジュールの内部発火時に熱暴走現象が転移する様子を示した図である。
図１及び図２を参照すると、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が積層形成された電池セル積層体１２、電池セル積層体１２を収容するフレーム２０、電池セル積層体１２の前後面に形成されたエンドプレート４０などを含む。
電池セル積層体１２は、フレーム２０及びエンドプレート４０の結合によって密閉された構造内に位置してもよい。このとき、フレーム２０は、図１のＡ－Ａ切断面のように空の内部空間を有してもよく、フレーム２０の空の内部空間には、図２に示しているように電池セル１１が一方向で積層されて位置してもよい。
一方、複数の電池セル１１はフレーム２０内で互いから隔離されておらず、一つの空間に密集して位置するので、過充電などの理由により、フレーム２０内部に存在する複数の電池セル１１のうち一つの電池セルのみに熱暴走現象が発生した場合であっても、隣接する他の電池セル１１等に熱暴走現象が急速に転移することになる。
さらに、電池パック内で複数の電池モジュール１０は、少なくとも二つのエンドプレート４０が互いに対向するように配置されるので、電池モジュール１０内で発生した熱、ガスまたは火炎などが電池モジュール１０外部に排出される場合には、隣接した他の電池モジュール１０内の複数の電池セル１１の性能及び安定性に影響を与えることもできる。
したがって、電池モジュール１０の内部発火時に熱電波速度を効果的に遅延させ、発生した熱、ガスまたは火炎が電池モジュール１０の外部に急速に排出されるようにすることによって、耐久性及び安全性が向上した電池モジュール１０の開発が必要な実情である。
本発明が解決しようとする課題は、電池モジュール内の発火現象の発生時に、電池セル間で熱暴走現象が転移することを防止する電池モジュール及び当該電池モジュールを含む電池パックを提供することである。
しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的な思想の範囲で多様に拡張することができる。
本発明の一実施例に係る電池モジュールは、複数の電池セルが一方向に積層された電池セル積層体と、前記電池セル積層体を収容し、内部面及び外部面を有するモジュールフレームと、を含み、前記モジュールフレームの一面には、前記内部面及び前記外部面を貫通するベンティング部が少なくとも一つ形成され、前記ベンティング部が形成された前記モジュールフレームの一面と前記電池セル積層体との間にはバリア層及び耐火物層を含むカバー層が位置する。
前記ベンティング部は、前記モジュールフレームの上面に形成されてもよい。
前記バリア層は、前記耐火物層の下に位置してもよい。
前記耐火物層には、少なくとも一つのサブベンティング部が形成されてもよい。
前記バリア層は、前記サブベンティング部のホールを覆ってもよい。
前記バリア層は、前記バリア層の一面から部分的に突出した突起部を含み、前記突起部は、前記サブベンティング部内に挿入されてもよい。
前記ベンティング部と前記サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの長さ方向で重なってもよい。
前記ベンティング部と前記サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの幅方向で重なってもよい。
前記サブベンティング部または前記ベンティング部のホールは、前記モジュールフレームの一面と鋭角をなしてもよい。
前記耐火物層は、第１耐火物層及び第２耐火物層を含み、前記第１耐火物層は、前記第２耐火物層より前記バリア層に近く位置してもよい。
前記第１耐火物層には、少なくとも一つの第１サブベンティング部が形成され、前記第２耐火物層には、少なくとも一つの第２サブベンティング部が形成されてもよい。
前記第１サブベンティング部と前記第２サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの長さ方向で重なってもよい。
前記第１サブベンティング部と前記第２サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの幅方向で重なってもよい。
前記バリア層は、溶融点が約３００℃以下である物質を含んでもよい。
前記バリア層は、無機炭酸塩、無機リン酸塩、及び無機硫酸塩からなる群から選択される一つ以上の消火薬剤を含んでもよい。
前記耐火物層は、アルミニウム、ＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｕｓｅ Ｓｔｅｅｌ）またはクラッド金属（ｃｌａｄ ｍｅｔａｌ）を含んでもよい。
本発明の他の実施例に係る電池パックは、前述した電池モジュールを含む。
実施例によると、電池モジュール内の発火現象の発生時に、ガスなどがモジュールフレームのホールを通じて電池モジュール外部に迅速に排出されることによって電池モジュール内部の連続的な熱暴走現象を防止することができる。
本発明の効果は、以上で言及した効果等に制限されず、言及されていない他の効果は、請求の範囲の記載から当業者に明確に理解できるであろう。
従来の電池モジュールの分解斜視図を示した図である。 従来の電池モジュールの内部発火時に熱暴走現象が転移する様子を示した図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールを示す斜視図である。 図３に係る電池モジュールの分解斜視図である。 図３の電池モジュールに含まれた電池セルに対する斜視図である。 図３の切断線Ｂ－Ｂに沿って切り出した断面図である。 図３の切断線Ｃ－Ｃに沿って切り出した断面図である。 図３に係る電池モジュールの内部発火時の様子を示した図である。
以下では、添付した図面を参考にして、本発明の様々な実施例に対し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、以下で説明した以外に、様々な相異な形態に具現可能であり、本発明の範囲は、ここで説明する実施例によって限定されない。
本発明を明確に説明するために、説明するに関係のない部分は省略し、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じ参照符号を付することにする。
また、図面に示している各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために任意に拡大または縮小して示しているものであるので、本発明の内容が図示されたものに限定されないことは自明である。以下の図面では、様々な層及び領域を明確に表現するために各層の厚さを拡大して示している。そして以下の図面では、説明の便宜のために、一部の層及び領域の厚さを誇張して示している。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「の上に」または「上に」あると説明するとき、これは、該当する層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「直上に」ある場合だけでなく、その間に他の部分がある場合も含むものと解釈されるべきである。これと反対に該当する層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「直上に」あると説明するときには、その間に他の部分がないことを意味することができる。また、基準となる部分「の上に」または「上に」あるというのは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向けて「の上に」または「上に」位置することを意味するものではない。一方、他の部分「の上に」または「上に」あると説明することと同様に、他の部分「の下に」または「下に」あると説明することも、前述した内容を参照して理解できるであろう。
また、特定の部材の上面／下面は、どの方向を基準とするかによって異なるものと判断できるので、明細書全体において、「上面」または「下面」は、当該部材においてｚ軸上で互いに対向する二つの面を意味するものと定義する。
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」とするとき、これは特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。
また、明細書全体において、「平面上」とするとき、これは当該の部分を上からみたときを意味し、「断面上」とするとき、これは当該の部分を垂直に切り出した断面を側からみたときを意味する。
以下では、本発明の一実施例に係る電池モジュールについて説明する。
図３は、本発明の一実施例に係る電池モジュールを示す斜視図である。図４は、図３に係る電池モジュールの分解斜視図である。図５は、図３の電池モジュールに含まれた電池セルに対する斜視図である。
図３及び図４を参照すると、本発明の一実施例に係る電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が一方向に沿って積層された電池セル積層体１２０、電池セル積層体１２０を収容するモジュールフレーム２００、電池セル積層体１２０の前面及び／または後面上に位置するバスバーフレーム３００、電池セル積層体１２０の前面及び／または後面を覆う（ｃｏｖｅｒｉｎｇ）エンドプレート４００及びバスバーフレーム３００上に取り付けられるバスバー５１０、５２０を含んでもよい。
図５を参照すると、電池セル１１０は、単位面積当たり積層される数を最大化できるパウチ型で提供されてもよい。パウチ型で提供される電池セル１１０は、正極、負極及び分離膜を含む電極組立体をラミネートシートのセルケース１１４に収納した後、セルケース１１４のシーリング部を熱融着することによって製造されてもよい。しかし、電池セル１１０が必ずパウチ型で提供されるべきものではなく、今後取り付けられるデバイスが求める貯蔵容量が達成される水準下で、角形、円筒形またはその他の多様な形態で提供されてもよい。
電池セル１１０は、二つの電極リード１１１、１１２を含んでもよい。電極リード１１１、１１２は、セル本体１１３の一端からそれぞれ突出している構造を有してもよい。具体的には、各電極リード１１１、１１２の一端は、セルケース１１４の内部に位置することによって電極組立体の正極または負極と電気的に連結され、各電極リード１１１、１１２の他端は、セルケース１１４の外部に引き出されることによって別途の部材、例えば、バスバー５１０、５２０と電気的に連結されてもよい。一方、図４では、電池セル１１０の正極リードと負極リードとが互いに反対方向に突出することを示しているが、必ずしもそうではなく、電池セル１１０の電極リードが同一の方向に突出することも可能である。
セルケース１１４内の電極組立体はシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃによって密封されてもよい。セルケース１１４のシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃは、両端部１１４ａ、１１４ｂとこれらを連結する一側部１１４ｃ上に位置してもよい。
セルケース１１４は、一般的に樹脂層／金属薄膜層／樹脂層のラミネート構造からなっている。例えば、セルケース表面がＯ（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）－ナイロン層でからなっている場合には、中型または大型の電池モジュール１００を形成するために多数の電池セル１１０等を積層するとき、外部衝撃によって滑りやすい傾向がある。したがって、外部衝撃による滑りを防止し、電池セル１１０等の安定した積層構造を維持するために、セルケース１１４の表面に両面テープなどの粘着式接着剤または接着時の化学反応によって結合される化学接着剤などの接着部材を付着して電池セル積層体１２０を形成することができる。
連結部１１５は、前述したシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃが位置しないセルケース１１４の一端で長さ方向に沿って延びる領域を称すものであってもよい。連結部１１５の端部には、バットイヤー（ｂａｔ－ｅａｒ）と呼ばれる電池セル１１０の突起部１１０ｐが形成されてもよい。また、テラス（Ｔｅｒｒａｃｅ）部１１６は、セルケース１１４の縁を基準に、セルケース１１４の外部にその一部が突出した電極リード１１１、１１２とセルケース１１４の内部に位置するセル本体１１３の間の領域を称すものであってもよい。
電池セル積層体１２０は、電気的に連結された複数の電池セル１１０が一方向に沿って積層されたものであってもよい。複数の電池セル１１０が積層された方向（以下、「積層方向」に称す）は、ｙ軸方向（または、－ｙ軸方向であってもよく、以下では、「軸方向」という表現が＋／－方向をいずれも含むものと解釈されてもよい）であってもよい。
一方、電池セル１１０が一方向に沿って配置されることによって電池セル１１０の電極リード等は、電池セル積層体１２０の一面、または、一面及び一面に対向する他面に位置してもよい。このように、電池セル積層体１２０で電極リード１１１、１１２等が位置する面は、電池セル積層体１２０の前面または後面に称されてもよく、ここで、電池セル積層体１２０の前面から後面に向かう方向、またはその反対方向は、電池セル積層体１２０の長さ方向に定義されてもよく、ｘ軸方向であってもよい。電池セル積層体１２０の長さ方向は、電池セル１１０の長さ方向と実質的に同一であってもよい。
また、電池セル積層体１２０で最外郭の電池セル１１０が位置した面は、電池セル積層体１２０の側面に称することができ、電池セル積層体１２０の側面は、ｙ軸上で互いに対向する二つの面として説明することができる。
モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１２０及び電池セル積層体１２０に連結された電装品を外部の物理的衝撃から保護するためのものであってもよい。モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１２０及び電池セル積層体１２０に連結されたモジュールフレーム２００の内部空間に収容してもよい。ここで、モジュールフレーム２００は内部面及び外部面を含み、モジュールフレーム２００の内部空間は内部面によって定義されてもよい。
モジュールフレーム２００の構造は多様であってもよい。一例として、モジュールフレーム２００の構造は、モノフレームの構造であってもよい。ここで、モノフレームは、上面、下面及び両側面が一体化した金属板材の形態であってもよい。モノフレームは、圧出成形で製造されてもよい。他の例として、モジュールフレーム２００の構造は、Ｕ字型フレームと上部プレート（上面）とが結合された構造であってもよい。Ｕ字型フレームと上部プレートとが結合された構造の場合、モジュールフレーム２００の構造は、下面及び両側面が結合されたまたは一体化した金属板材であるＵ字型フレームの上側に上部プレートを結合して形成されてもよく、各フレームまたはプレートはプレス成形で製造されてもよい。また、モジュールフレーム２００の構造は、モノフレームまたはＵ字型フレーム以外にＬ型フレームの構造で提供されてもよく、前述した例で説明していない多様な構造で提供されてもよい。
モジュールフレーム２００の構造は、電池セル積層体１２０の長さ方向に沿って開放された形態で提供されてもよい。電池セル積層体１２０の前面及び後面は、モジュールフレーム２００によって遮られなくてもよい。電池セル積層体１２０の前面及び後面は、後述するバスバーフレーム３００またはエンドプレート４００などによって遮られてもよく、バスバーフレーム３００またはエンドプレート４００などを通じて電池セル積層体１２０の前面及び後面は外部の物理的衝撃などから保護できるはずである。
モジュールフレーム２００の上面／下面、前面／後面、両側面は、前述した電池セル積層体１２０の内容に基づいて説明することができる。具体的には、モジュールフレーム２００の上面／下面は、ｚ軸上で互いに対向する二つの面であり、モジュールフレーム２００の前面／後面は、ｘ軸上で互いに対向する二つの面で、モジュールフレーム２００の両側面は、ｙ軸上で互いに対向する二つの面として説明することができる。ここで、前面から後面または後面から前面に向かう方向は、モジュールフレーム２００の長さ方向であってもよい。
一方、図示していないが、電池セル積層体１２０とモジュールフレーム２００の内部面との間には圧縮パッドが位置してもよい。このとき、圧縮パッドは、電池セル積層体１２０の側面とモジュールフレーム２００の側面との間に位置してもよく、電池セル積層体１２０の両端にある二つの電池セル１１０のうちの少なくとも一つと対向してもよい。
また、電池セル積層体１２０とモジュールフレーム２００の内部面との間には熱伝導性樹脂が注液され、注液された熱伝導性樹脂によって電池セル積層体１２０とモジュールフレーム２００の内部面との間に熱伝導性樹脂層（図示せず）が形成されてもよい。このとき、熱伝導性樹脂層は、電池セル積層体１２０の下面とモジュールフレーム２００の下面（または、底面、底部に称することがある）との間に形成されてもよい。
バスバーフレーム３００は、電池セル積層体１２０の一面上に位置し、電池セル積層体１２０の一面をカバーすると共に電池セル積層体１２０と外部機器との連結を案内するためのものであってもよい。バスバーフレーム３００は、電池セル積層体１２０の前面または後面上に位置してもよい。バスバーフレーム３００には、バスバー５１０、５２０及びモジュールコネクタのうちの少なくとも一つが取り付けられてもよい。バスバーフレーム３００の一面は、電池セル積層体１２０の前面または後面に連結され、バスバーフレーム３００の他面は、バスバー５１０、５２０に連結されてもよい。バスバーフレーム３００は、二つであってもよく、電池セル積層体１２０の前面と後面上にそれぞれ位置してもよい。
バスバーフレーム３００は、電気的に絶縁である素材を含んでもよい。バスバーフレーム３００は、バスバー５１０、５２０が電極リード１１１、１１２と接合された部分以外に電池セル１１０等の他の部分と接触することを制限することができ、電気的短絡が発生することを防止することができる。
エンドプレート４００は、モジュールフレーム２００の開放された面を密閉することによって、電池セル積層体１２０及び電池セル積層体１２０に連結された電装品を外部の物理的衝撃から保護するためのものであってもよい。このためにエンドプレート４００は、所定の強度を有する物質で製造されてもよい。例えば、エンドプレート４００はアルミニウムのような金属を含んでもよい。
エンドプレート４００は、電池セル積層体１２０の一面上に位置するバスバーフレーム３００またはバスバー５１０、５２０を覆ってモジュールフレーム２００と結合（接合、密封または密閉）されてもよい。エンドプレート４００の各角部は、モジュールフレーム２００の対応する角部と溶接などの方法で結合されてもよい。また、エンドプレート４００とバスバーフレーム３００の間には、電気節絶縁のための絶縁カバー７００が位置してもよい。絶縁カバー７００は、エンドプレート４００の内部面に位置してもよく、エンドプレート４００の内部面に密着されてもよいが、必ずそうではない。
エンドプレート４００は二つであってもよく、電池セル積層体１２０の前面上に位置する第１エンドプレート及び電池セル積層体１２０の後面上に位置する第２エンドプレートを含んでもよい。
バスバー５１０、５２０は、バスバーフレーム３００の一面上に取り付けられ、電池セル積層体１２０または電池セル１１０等と外部機器回路を電気的に連結するためのものであってもよい。バスバー５１０、５２０は、電池セル積層体１２０またはバスバーフレーム３００とエンドプレート４００との間に位置することによって外部の衝撃などから保護することができ、外部の水分などによる耐久性低下を最小化することができる。
バスバー５１０、５２０は、電池セル１１０の電極リード１１１、１１２を通じて電池セル積層体１２０と電気的に連結されてもよい。具体的には、電池セル１１０の電極リード１１１、１１２は、バスバーフレーム３００に形成されたスリットを通過した後、折り曲げられてバスバー５１０、５２０に連結されてもよい。バスバー５１０、５２０によって電池セル積層体１２０を構成する電池セル１１０等は直列または並列に連結されてもよい。
一方、バスバー５１０、５２０は、電池モジュール１００の間に電気的連結を形成するためのターミナルバスバー５２０を含んでもよい。外部の他の電池モジュール１００に連結するために、ターミナルバスバー５２０の少なくとも一部はエンドプレート４００の外部に露出されることがあり、エンドプレート４００には、そのためのターミナルバスバー開口部４００Ｈが備えられてもよい。ターミナルバスバーは、ターミナルバスバー開口部４００Ｈを通じて露出した突起部を通じて他の電池モジュール１００やＢＤＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｕｎｉｔ）に連結され、これらとＨＶ（Ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ）連結を形成してもよい。
図示していないが、電池モジュール１００は、電池セル１１０の過電圧、過電流、過発熱などの現象を検出し、制御するセンシング部材を含んでもよい。センシング部材は、ＬＶ（Ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ）連結のためのものであり、ここでＬＶ連結は、電池セルの電圧などを感知し制御するためのセンシング連結を意味することができる。センシング部材を通じて電池セル１１０の電圧情報及び温度情報が外部ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に伝達されてもよい。
センシング部材は、電池モジュール内部の温度を感知する温度センサー、バスバー５１０、５２０の電圧値をセンシングするセンシング端子、収集されたデータを外部の制御装置に伝達し、外部の制御装置から信号を受信するモジュールコネクタ及び／またはモジュールコネクタを連結するための連結部材を含んでもよい。
ここで、連結部材は、電池セル積層体１２０の上面で長さ方向に沿って延びる形態に配置され、フレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣＢ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）またはフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｆｌａｔ Ｃａｂｌｅ）であってもよい。
また、ここで、モジュールコネクタは、前述したバスバーフレーム３００に取り付けられてもよく、モジュールコネクタの少なくとも一部は、エンドプレート４００に形成されたモジュールコネクタ開口部を通じて外部に露出されてもよい。
一方、前述したように電池セル１１０が高密度に積層された電池モジュール１００の内部では発火現象が現れることがある。一つの電池モジュール１００で発火現象が生じると、電池モジュール１００の熱、ガスまたは火炎などがそれに隣接した電池モジュール１００に伝達されることがあるので、電池モジュール１００の間に連続的な発火現象が生じることもあり、これにより電池モジュール１００または電池モジュール１００を含む電池パックの耐久性及び安定性が低下するという問題があった。
したがって、以下では、前記のような発火現象を解消することによって電池モジュール１００の耐久性及び安定性を向上させることができるカバー層（ｃｏｖｅｒ ｌａｙｅｒ）８００及びベンティング部（ｖｅｎｔｉｎｇ ｐａｒｔ）９００に関して説明することにする。
さらに、図３及び図４を参照すると、本発明の一実施例に係るモジュールフレーム２００は、モジュールフレーム２００内部面と外部面とを貫通するベンティング部９００を含んでもよい。ベンティング部９００は、モジュールフレーム２００の内部面に形成された流入口（ｉｎｌｅｔ）９００ａ及び外部面に形成された排出口（ｏｕｔｌｅｔ）９００ｂを連通するホール（ｈｏｌｅ）形態を有してもよい。ベンティング部９００は、モジュールフレーム２００及びエンドプレート４００などによって密閉された電池モジュール１００の内部と電池モジュール１００の外部とを連通するためのものであってもよい。
ベンティング部９００は、電池モジュール１００の内部で発火した時に、発生する熱、ガスまたは火炎などを電池モジュール１００の外部に排出するように設けられている。ベンティング部９００は、モジュールフレーム２００の内部発火現象を緩和させ、圧力または温度の上昇を最少化することによって熱暴走現象の連続的な発生や転移を防止することができる。具体的には、モジュールフレーム２００の内部で発火した場合に、電池セル１１０の発火による熱、ガス、スパーク、火炎などがベンティング部９００を通じて電池モジュール１００の外部に排出されることによって、内部火災を迅速に鎮圧し、発火現象をより緩和することができる。また、ベンティング部９００を通じて熱、ガスなどが排出されることによって、電池モジュール１００内部の圧力または温度が過度に上昇することを防止することができ、内部空間において熱暴走が転移する速度も遅延させることができる。
ベンティング部９００は、モジュールフレーム２００の少なくとも一面に形成されてもよい。ベンティング部９００は、モジュールフレーム２００の上面に形成されてもよい。ベンティング部９００は、モジュールフレーム２００で電池セル積層体１２０の積層方向または長さ方向に沿って延びる面に形成されてもよい。
モジュールフレーム２００の上面に形成されたベンティング部９００は、少なくとも一つ以上であってもよい。モジュールフレーム２００に形成されたベンティング部９００の数が多いほど、モジュールフレーム２００の発火現象をさらに急速に緩和することができる。ベンティング部９００が複数の場合、ベンティング部９００は一方向に沿って並べられた行及び前記一方向と垂直する方向に沿って並べられた列をなして配置されてもよい。このとき、ベンティング部９００は、前述した図面等のようにモジュールフレーム２００の一面上に全体にわたって形成されてもよいが、必ずしもそうではなく、モジュールフレーム２００の一面のうちの一部に形成されてもよい。
ベンティング部９００が有する流入口９００ａ及び排出口９００ｂの形状は、前述した図面等のように曲率を有するラウンド形状であってもよいが、必ずしもそうではなく、ベンティング部９００の流入口９００ａ及び排出口９００ｂは、円形、楕円形または頂点を有する多角形に提供されてもよい。また、ベンティング部９００を通じて排出される熱、ガスまたは火炎は、電池モジュール１００の外部により迅速に拡散することが好ましいので、排出口９００ｂの大きさは、流入口９００ａの大きさよりさらに大きく提供されてもよい。
一方、ベンティング部９００の流入口９００ａから排出口９００ｂに向かう方向は、電池モジュール１００内部のガスが外部に排出される排出方向であってもよい。前述した図面では、ベンティング部９００の流入口９００ａから排出口９００ｂに向かう方向が、ベンティング部９００が形成されたモジュールフレーム２００の一面と垂直するものと示されているが、必ずしもそうではなく、ベンティング部９００の流入口９００ａ及び排出口９００ｂの位置を変更することによって排出方向が前記モジュールフレーム２００の一面と鋭角をなすようにホール構造が形成されてもよい。このようにベンティング部９００のホールが斜め構造を有することによって、電池モジュール１００内部の露出を最小化し、空気中に漂う異物が重力によって電池モジュール１００内部に入り込む現象を防止することができる。
ベンティング部９００の流入口９００ａ及び排出口９００ｂの位置を変更することによって排出方向が角（鋭角）をなすと、ベンティング部９００から排出される熱、ガスまたは火炎の方向を切り換える（調節）することができる。これにより排出経路の長さが増加し、ベンティング部９００の排出口９００ｂを通じて排出されるガスなどがより低い温度を有することができる。また、ベンティング部９００の排出方向が隣接した電池モジュール１００が位置しない方向に形成された場合には、隣接した電池モジュール１００の間に熱が伝播する現象を最小化することもできる。
ベンティング部９００が複数の場合、複数のベンティング部９００の排出方向は互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。複数のベンティング部９００の排出方向が互いに異なるように形成されると、ベンティング部９００から排出されるガスなどが多様な方向に向けて電池モジュール１００外部のさらに広い空間に拡散することができる。これにより電池モジュール１００からガス排出が迅速に行われ、電池モジュール１００の発熱防止のような効果を達成することができる。
一方、本実施例のように、モジュールフレーム２００に内部と外部とを連通するためのベンティング部９００が備えられる場合、モジュールフレーム２００外部の埃、不純物などがベンティング部９００のホール構造を通じてモジュールフレーム２００内部に入り込むか、内部発火時にベンティング部９００に沿って外部の酸素が供給されることによって熱暴走現象が促進されることがある。また、モジュールフレーム２００のベンティング部９００を通じて排出されるガス、スパークなどはその温度及び圧力が非常に高い状態であることもあるので、排出されたガス、スパークなどが隣接した電池モジュール１００に伝達され、隣接した電池モジュール１００に熱暴走現象を誘発するという問題がある。
したがって、本実施例のベンティング部９００には、熱暴走現象が生じる前にホールを閉鎖（ｃｌｏｓｉｎｇ）し、熱暴走現象の発生時にホールを開放（ｏｐｅｎｉｎｇ）して、放出されるガスなどの温度及び圧力を下げることができるカバー層８００が提供されてもよい。
さらに、図４を参照すると、本発明の一実施例に係る電池モジュール１００は、ベンティング部９００のホール構造の開口を覆う（ｃｏｖｅｒｉｎｇ）カバー層８００を含んでもよい。
ここで、「カバー層」という表現は、ベンティング部９００のホールを塞ぐために膜の形態を表現するためのものであるので、蓋、フード（ｈｏｏｄ）、リッド（ｌｉｄ）、キャップ（ｃａｐ）またはこれと類似の他の単語等に変更して表現可能なことを予め明らかにしておく。
カバー層８００は、ベンティング部９００が形成されたモジュールフレーム２００またはエンドプレート４００の一面の下に位置してもよい。一例として、カバー層８００は、電池セル積層体１２０の上面とモジュールフレーム２００の上面との間に位置してもよい。
カバー層８００は、流入口９００ａを覆うように配置されることによってベンティング部９００のホールをカバーすることができる。カバー層８００はベンティング部９００のホールを覆うための板状形態で提供されてもよい。カバー層８００は、ベンティング部９００のホールを覆うためのパッド形態で提供されてもよい。
カバー層８００は、多数の層を含んでもよい。カバー層８００は、熱または圧力によって部分的に破断可能なバリア層８１０及び所定の温度または圧力を耐えられる耐火物で製造された耐火物層８２０、８３０を含んでもよい。ここで、バリア層８１０は、耐火物層８２０、８３０より電池セル積層体１２０に近く位置してもよく、その位置を考慮して、バリア層８１０は第１層に、耐火物層８２０、８３０は第２層に指すことができる。また、ここで耐火物層は、図４に示しているように２個以上の層を含んでもよく、説明の便宜のために、相対的にバリア層８１０に近く位置した層は第１耐火物層８２０に、遠く位置した層は第２耐火物層８３０に指すことができる。または、その位置上、バリア層８１０は第１層に、第１耐火物層８２０は第２層に、第２耐火物層８３０は第３層に指すこともできる。
一方、耐火物層８２０、８３０には、多数のベンティング部が形成されてもよい。モジュールフレーム２００に形成されたベンティング部９００との区別のために、耐火物層８２０、８３０に形成されたベンティング部は、サブベンティング部８２２、８３２に指すことができる。それぞれのサブベンティング部８２２、８３２は流入口及び排出口を有してもよく、流入口は排出口より相対的に下に位置してもよい。耐火物層８２０、８３０に形成されたサブベンティング部８２２、８３２は、電池セル１１０で発生したガス、スパークなどが電池モジュール１００内の他の空間で移動せず、ベンティング部９００に排出されるようにガスの排出経路を案内することができる。
耐火物層８２０、８３０は、高温高圧の環境で一定の時間耐えられる物質で製造されてもよい。例えば、耐火物層８２０、８３０は、アルミニウム、ＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｕｓｅ Ｓｔｅｅｌ）またはクラッド金属（ｃｌａｄ ｍｅｔａｌ）を素材として製造されてもよい。耐火物層８２０、８３０は、高温高圧の環境で一定の時間耐えられる射出物であってもよい。
バリア層８１０は、耐火物層８２０、８３０と電池セル積層体１２０との間に位置し、電池モジュール１００に熱暴走現象が生じる前には、電池モジュール１００内部に異物が投入されることを防止し、電池モジュール１００に熱暴走現象が発生した後には、熱または圧力によって除去されることによってベンティング部９００及びサブベンティング部８２２、８３２を開放することができる。図４では、具体的に示されていないが、バリア層８１０の上面は部分的に突出してもよく、突出した部分が第１耐火物層８２０に形成された第１サブベンティング部８２２に挿入されることによって電池モジュール１００内部への異物の流入を最小化することができる。
バリア層８１０は、電池モジュール１００の内部温度によって溶融する素材を含んでもよい。バリア層８１０は、電池セル１１０から放出される熱、高温のガスまたはスパークによって溶融する素材を含んでもよい。バリア層８１０は、溶融点が所定の範囲以下である物質で製造されてもよい。バリア層８１０は、溶融点が３００℃以下である物質で提供されてもよい。具体的な例を挙げると、バリア層８１０は溶融点が約２００℃以下である熱可塑性高分子樹脂を含んでもよい。より具体的には、バリア層８１０はポリエチレン、ポリプロピレンなど溶融点が約１００℃以上２００℃以下である物質で製造されてもよい。
バリア層８１０は、電池モジュール１００の内部発火時に、発火現象を緩和するための物質を含んでもよい。例えば、バリア層８１０は、消火（ｆｉｒｅ ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ）薬剤を含んでもよい。バリア層８１０が消火薬剤を含むと、電池モジュール１００は自己消火機能を有することができる。ここで、消火薬剤は、粉末形態の消火薬剤物質であってもよい。消火薬剤は、電池モジュール１００の内部発火時に熱分解反応を通じて二酸化炭素及び水蒸気を発生させることができ、発生した二酸化炭素及び水蒸気は外部の酸素が電池モジュール１００内部に流入することを防止することによって火炎を抑制することができる。消火薬剤は、吸熱反応である熱分解反応を行うことによって電池モジュール内で発生した熱を吸収することができ、二酸化炭素及び水蒸気を発生させることによって外部の酸素供給も、遮断することができる。これにより電池モジュール１００内部の火炎及び熱電波速度を効果的に遅延させることができ、電池モジュールの安全性を向上させることができる。
バリア層８１０は、無機炭酸塩、無機リン酸塩、及び無機硫酸塩からなる群から選択される一つ以上の消火薬剤を含んでもよい。消火薬剤物質のより具体的な例としては、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）、及び「炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）とヨウ素（（ＮＨ２）２ＣＯ）」の混合物などであってもよい。カバー層８００が炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）を含む場合、炭酸水素カリウムの熱分解反応を通じて炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）が生成されてもよい。生成された水蒸気は、電池モジュール１００内部の火炎を相殺させ、生成された二酸化炭素は火炎が酸素などと接触することを遮断することができる。ただし、本実施例の消火薬剤物質は、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。
このように、バリア層８１０は、前述した物性を有する物質で製造されて提供されてもよいが、複数の物性を含む物質または各物性を含む物質等の複合体で提供されてもよい。
以下では、本実施例の電池モジュールにカバー層が提供されることによって生じる効果をより詳細に説明する。
図６は、図３の切断線Ｂ－Ｂに沿って切り出した断面図である。図７は、図３の切断線Ｃ－Ｃに沿って切り出した断面図である。図８は、図３に係る電池モジュールの内部発火時の様子を示した図である。ここで、図６は、電池モジュール１００の長さ方向での断面を示したものであり、図７は、電池モジュール１００の幅方向での断面を示したものである。
図６及び図７を参照すると、モジュールフレーム２００に形成されたベンティング部９００と耐火物層８２０、８３０に形成されたサブベンティング部８２２、８３２の少なくとも一部は、電池モジュール１００の長さ方向（ｘ軸）で重なってもよい。ベンティング部９００とサブベンティング部８２２、８３２の少なくとも一部は、電池モジュール１００の幅方向（ｙ軸）で重なってもよい。
モジュールフレーム２００に形成されたベンティング部９００と第２耐火物層８３０に形成された第２サブベンティング部８３２、または第２サブベンティング部８３２と第１耐火物層８２０に形成された第１サブベンティング部８２２の少なくとも一部は、電池モジュール１００の長さ方向（ｘ軸）で重なってもよい。ベンティング部９００と第２サブベンティング部８３２、または第２サブベンティング部８３２と第１サブベンティング部８２２の少なくとも一部は幅方向（ｙ軸）で重なってもよい。
モジュールフレーム２００及び耐火物層８２０、８３０に形成されたホール等が互いに部分的に重なると、ホールを通じて電池モジュール１００の外部に排出されるガスなどの経路を切り換えることができる。具体的には、モジュールフレーム２００及び耐火物層８２０、８３０に形成されたホール等が互いに完全に対応していないため、図６及び図７に示された矢印のようにガスなどが排出される経路はｚ軸と角をなすことができる。ガスなどが排出される経路はジグザグ形状に形成することができる。モジュールフレーム２００及び耐火物層８２０、８３０に形成されたホール等が互いに完全に対応していないため、互いに対応する場合と比較してその排出経路がさらに長くなることができる。ガスの排出経路は、電池セル積層体１２０の上面からモジュールフレーム２００の間の最短距離よりさらに長くしてもよい。ガスの排出経路が長くなることによって、電池モジュール１００外部に排出されるガスの温度及び圧力はさらに低くなることができ、隣接した電池モジュール１００に影響を与えないほど低いエネルギーを有することができる。
具体的に示されていないが、モジュールフレーム２００及び耐火物層８２０、８３０に形成されたベンティング部９００及びサブベンティング部８２２、８３２は、斜めホールの構造を有してもよい。各ベンティング部９００及びサブベンティング部８２２、８３２のホールがモジュールフレーム２００の一面と鋭角をなすように形成されると、前述した排出経路の切り換えをさらに効果的に具現することができる。
図８を参照すると、電池モジュール１００の内部、具体的には、一部の電池セル１１０で火炎、ガスまたはスパークが生じると、発火現象周辺のバリア層８１０は熱または圧力によって物理的に破れるかまたは化学的に溶融して貫通（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ）されることがあり、これによりベンティング部９００及びサブベンティング部８２２、８３２が開放されることもある。電池モジュール１００内部の熱、ガスまたはスパークは開放されたベンティング部９００及びサブベンティング部８２２、８３２を通じて排出することができ、電池モジュール１００の発火現象を緩和することができる。ここで、バリア層８１０が貫通される、つまり、開放される過程は吸熱反応を伴うことがあり、バリア層８１０が内部の熱を吸収することによって電池モジュール１００内部の温度が低くなることがある。バリア層８１０の吸熱反応を通じてベンティング部９００の外部に放出される熱、ガスなどは隣接した電池モジュール１００に影響を与えないほどエネルギーを失う可能性があり、スパークはエネルギーを失い、パーティクルに変化して隣接した電池モジュール１００の熱暴走現象を促進しない可能性がある。
一方、以上ではバリア層８１０の効果について、バリア層８１０が化学的反応を通じて開放されることを中心に説明しているが、バリア層８１０が圧力などによって物理的に開放される場合であっても、バリア層８１０が除去される過程でガスまたはスパークの運動エネルギーは減少することになるので、電池モジュール１００の外部に放出される熱、ガスなどは隣接した電池モジュール１００に影響を与えない程度にエネルギーを失い、スパークはエネルギーを失って、パーティクルに変化するので、隣接した電池モジュール１００の熱暴走現象を抑制することができる。
一方、バリア層８１０は、所定の範囲以上の熱または圧力が加わるときだけ開放できるので、発火現象が現れた周辺に位置したバリア層８１０だけが個別的に開放できる。バリア層８１０は、多数のベンティング部９００及びサブベンティング部８２２、８３２のうちの一部だけを開放することによって、さらなる酸素の流入による熱暴走現象の促進を防止することができる。
具体的には、第１電池セル１１０ａに発火現象が生じると、第１電池セル１１０ａに対応するバリア層８１０の第１部分８１０ａが開放されることによって第１電池セル１１０ａで発生したガス、火炎などを排出することができる。このとき、電池モジュール１００内で発火現象が生じていない第２電池セル１１０ｂの上部に位置したバリア層８１０の第２部分８１０ｂは開放されず、第２部分８１０ｂに対応する第１サブベンティング部８２２は閉鎖された状態であってもよい。このように、発火現象が生じていない他の部分のバリア層８１０が閉鎖された状態を維持することによって外部酸素が電池モジュール１００内部にさらに流入することを遮断することができ、電池モジュール１００内部で生じた火炎などが流入した酸素によって増幅されることを抑制することができる。
一方、バリア層８１０は、バリア層８１０の一面から部分的に突出した突起部８１２を含んでもよい。突起部８１２は、バリア層８１０の上面に形成されてもよい。このとき、突起部８１２の大きさは、第１サブベンティング部８２２の大きさと類似しているか、それより小さくてもよく、これにより突起部８１２は第１耐火物層８２０に形成された第１サブベンティング部８２２に挿入されてもよい。突起部８１２の外形は、第１サブベンティング部８２２の内形に対応してもよく、これによって第１サブベンティング部８２２のホールは突起部８１２によって閉じられて（ｃｌｏｓｉｎｇ）もよい。バリア層８１０の突起部８１２が第１耐火物層８２０の第１サブベンティング部８２２のホールを埋めるように提供されると、バリア層８１０で突起部８１２が形成された領域は厚い厚さを有することとなる。バリア層８１０に突起部８１２が形成されると、バリア層８１０が電池モジュール１００内部で占める空間は同一であるが、電池モジュール１００がガスなどを外部に放出するために厚いバリア層８１０が開放されなければならないので、バリア層８１０による火災鎮圧効果がさらに大きい可能性がある。しかし、必ずしもそうではなく、バリア層８１０に突起部８１２が形成されず、バリア層８１０が平らな形状を有するように提供されることも可能である。
一方、前述した電池モジュール１００は、電池パックに含まれてもよい。電池パックは、本実施例に係る電池モジュールを一つ以上含み、電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）及び冷却装置などを追加してパッキングした構造であってもよい。
電池モジュール及び当該電池モジュール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可能であるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュール及び当該電池モジュールを含む電池パックを用いられ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。
以上では、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、次の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な変形及び改良形態も、本発明の権利範囲に属するものである。
１０ 電池モジュール
１１ 電池セル
１２ 電池セル積層体
２０ フレーム
４０ エンドプレート
１００ 電池モジュール
１１０ａ 第１電池セル
１１０ｂ 第２電池セル
１１０ｐ 突起部
１１０ 電池セル
１１１ 電極リード
１１２ 電極リード
１１３ セル本体
１１４ セルケース
１１４ａ 両端部
１１４ｂ 両端部
１１４ｃ 一側部
１１４ｓａ シーリング部
１１４ｓｂ シーリング部
１１４ｓｃ シーリング部
１１５ 連結部
１１６ 部
１２０ 電池セル積層体
２００ モジュールフレーム
３００ バスバーフレーム
４００ エンドプレート
４００Ｈ ターミナルバスバー開口部
５１０ バスバー
５２０ バスバー
７００ 絶縁カバー
８００ カバー層
８１０ バリア層
８１０ａ 第１部分
８１０ｂ 第２部分
８１２ 突起部
８２０ （第１）耐火物層
８２２ （第１）サブベンティング部
８３０ 第２耐火物層
８３２ （第２）サブベンティング部
９００ ベンティング部
９００ａ 流入口（ｉｎｌｅｔ）
９００ｂ 排出口（ｏｕｔｌｅｔ）
Ｂ－Ｂ 切断線
ＢＭＳ 外部
Ｃ－Ｃ 切断線

Claims (17)

  1. 複数の電池セルが一方向に積層された電池セル積層体と、
    前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームであって、内部面及び外部面を有するモジュールフレームと、
    を含む電池モジュールであって、
    前記モジュールフレームの一面には、前記内部面及び前記外部面を貫通するベンティング部が少なくとも一つ形成され、
    前記ベンティング部が形成された前記モジュールフレームの前記一面と前記電池セル積層体との間には、バリア層及び耐火物層を含むカバー層が位置する、電池モジュール。
  2. 前記モジュールフレームの前記一面は、前記モジュールフレームの上面である、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記バリア層は、前記耐火物層の下に位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 前記耐火物層には、少なくとも一つのサブベンティング部が形成された、請求項１に記載の電池モジュール。
  5. 前記バリア層は、前記サブベンティング部のホールを覆う、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記バリア層は、前記バリア層の前記一面から部分的に突出した突起部を含み、前記突起部は、前記サブベンティング部内に挿入される、請求項４に記載の電池モジュール。
  7. 前記ベンティング部と前記サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの長さ方向で重なる、請求項４に記載の電池モジュール。
  8. 前記ベンティング部と前記サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの幅方向で重なる、請求項４に記載の電池モジュール。
  9. 前記サブベンティング部または前記ベンティング部のホールは、前記モジュールフレームの前記一面と鋭角をなす、請求項４に記載の電池モジュール。
  10. 前記耐火物層は、第１耐火物層及び第２耐火物層を含み、
    前記第１耐火物層は、前記第２耐火物層より前記バリア層に近く位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
  11. 前記第１耐火物層には、少なくとも一つの第１サブベンティング部が形成され、
    前記第２耐火物層には、少なくとも一つの第２サブベンティング部が形成される、請求項１０に記載の電池モジュール。
  12. 前記第１サブベンティング部と前記第２サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの長さ方向で重なる、請求項１１に記載の電池モジュール。
  13. 前記第１サブベンティング部と前記第２サブベンティング部の少なくとも一部とは、前記電池モジュールの幅方向で重なる、請求項１１に記載の電池モジュール。
  14. 前記バリア層は、溶融点が約３００℃以下である物質を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
  15. 前記バリア層は、無機炭酸塩、無機リン酸塩、及び無機硫酸塩からなる群から選択される一つ以上の消火薬剤を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
  16. 前記耐火物層は、アルミニウム、ＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｕｓｅ Ｓｔｅｅｌ）またはクラッド金属（ｃｌａｄ ｍｅｔａｌ）を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
  17. 少なくとも一つの請求項１～１６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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