JP7052064B2 - 隣接バッテリーモジュールに熱を分散可能な構造を有するエネルギー貯蔵システム - Google Patents

隣接バッテリーモジュールに熱を分散可能な構造を有するエネルギー貯蔵システム Download PDF

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Description

本発明は、隣接バッテリーモジュールに熱を分散可能な構造を有するエネルギー貯蔵システムに関し、より具体的には、バッテリーモジュールを収容及び支持するバッテリーラック内に収容された複数のバッテリーモジュールのうち一部のバッテリーモジュールに異常発熱が発生する場合、バッテリーラックを媒介体にしてすべてのバッテリーモジュールに均等に熱を伝達させることで隣接したバッテリーモジュールに熱が集中的に伝達される現象を防止可能な構造を有するエネルギー貯蔵システムに関する。
本出願は、２０１９年１月４日出願の韓国特許出願番号第１０－２０１９－０００１４２１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。
従来のエネルギー貯蔵システムは、長期間使用時の温度上昇による急激な寿命の短縮を防止するという観点から、エネルギー貯蔵システムの使用環境に応じた発熱量及び安全基準温度を考慮して冷却システムを構築してきた。
しかし、多数のバッテリーモジュールを含むエネルギー貯蔵システムにおいて、このような冷却システムの存在にもかかわらず、一部のバッテリーモジュールが異常発熱を起こすことがある。このように一部のバッテリーモジュールが異常発熱を起こす場合、温度が一定の臨界点を超えると熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）が生じ、これによって安全性の問題が生じることになる。
図１を参照すると、従来のエネルギー貯蔵システム１が示されている。このような従来のエネルギー貯蔵システム１の場合、例えば中心部に位置したバッテリーモジュール２で異常発熱が発生すると、殆どの熱がそれに隣接したバッテリーモジュール３に集中するしかない構造を有している。
このような従来のエネルギー貯蔵システム１の構造では、一部のバッテリーモジュールで熱暴走が生じる場合、短時間で隣接したバッテリーモジュールに多くの熱が伝達されながら連鎖的な熱暴走を起こし、大規模の発火及び／または爆発などの多大な被害を引き起こし得る。特に、バッテリーモジュール内で発生した発火による火炎が外部に漏出する場合、人命及び財産の被害につながるおそれがある。
したがって、一部バッテリーモジュールの異常発熱による熱暴走などの問題が生じても、問題が発生したバッテリーモジュールに隣接したバッテリーモジュールに熱が集中することを防止可能な構造を有するエネルギー貯蔵システムの開発が求められている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、一部バッテリーモジュールの異常発熱による熱暴走現象などの問題が生じても、問題が発生したバッテリーモジュールに隣接したバッテリーモジュールに熱が集中することを防止可能な構造を有するエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。
ただし、本発明が解決しようとする技術的課題は上述した課題に制限されず、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しょう。
上述した課題を解決するため、本発明の一実施形態によるエネルギー貯蔵システムは、相互に離隔して並んで配置される一対のラックフレームと、前記ラックフレームに締結される複数のＬ字形ブラケットと、互いに対面する一対のＬ字形ブラケット上に載置されて前記ラックフレームの長手方向に沿って複数の層を成す複数のバッテリーモジュールと、前記バッテリーモジュールとＬ字形ブラケットとの間に介在される第１熱伝達部材と、前記ラックフレームとＬ字形ブラケットとの間に介在される第２熱伝達部材とを含む。
前記第１熱伝達部材は、ヒートパイプまたは熱伝達シートであり得る。
前記熱伝達シートは、グラファイトシートであり得る。
前記第２熱伝達部材は、ＴＩＭ（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）であり得る。
前記バッテリーモジュールの下面及び側面は、前記Ｌ字形ブラケットに密着し得る。
前記バッテリーモジュールの側面全体は前記Ｌ字形ブラケットに密着し得る。
前記ラックフレームは、前記第２熱伝達部材及びＬ字形ブラケットを収容する収容溝を備え得る。
前記Ｌ字形ブラケットのうち前記収容溝内に収容された部分の表面と前記ラックフレームの表面とは同一平面を成し得る。
前記第１熱伝達部材は、前記Ｌ字形ブラケットとバッテリーモジュールとの間及び前記ラックフレームとバッテリーモジュールとの間に全て介在され得る。
互いに隣接した層に配置されるバッテリーモジュール同士は、互いに直接的及び間接的に全て離隔し得る。
互いに隣接した一対のバッテリーモジュールのうち下部に位置するバッテリーモジュールは、上部に位置するバッテリーモジュールを支持するＬ字形ブラケットに密着し得る。
前記一対のバッテリーモジュール同士の間には熱遮断部材が介在され得る。
本発明の一実施形態によれば、複数のバッテリーモジュールを含むエネルギー貯蔵システムにおいて、一部バッテリーモジュールの異常発熱による熱暴走現象などの問題が生じても、問題が発生したバッテリーモジュールに隣接したバッテリーモジュールに熱が集中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。
従来のエネルギー貯蔵システムを示した図である。 本発明の一実施形態によるエネルギー貯蔵システムを示した図である。 図２に示されたエネルギー貯蔵システムの部分拡大図である。 図２に示されたエネルギー貯蔵システムの部分拡大図である。 図２に示されたエネルギー貯蔵システムの部分拡大図である。 図２に示されたエネルギー貯蔵システムの部分拡大図である。 本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムを示した図である。 図７に示されたエネルギー貯蔵システムの部分拡大図である。
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、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や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２及び図３を参照すると、本発明の一実施形態によるエネルギー貯蔵システムは、複数のバッテリーモジュール１０、バッテリーラック２０、第１熱伝達部材３０及び第２熱伝達部材４０を含むことができる。
図示していないが、上記バッテリーモジュール１０は、複数のバッテリーセル及びそれを収容するモジュールケースを含む形態で具現され得る。上記バッテリーモジュール１０を構成するバッテリーセルとしては、例えばパウチ型バッテリーセルが適用され得るが、これによって本発明に適用されるバッテリーセルの種類が限定されることはなく、充放電可能な二次電池であれば、角形セル、円筒型セルなどの多様な形態のバッテリーセルが制限なく適用可能である。
また、上記バッテリーモジュール１０を構成する複数のバッテリーセルは、互いに直列、並列または直列と並列とが混合された形態で電気的を接続され得る。上記バッテリーモジュール１０は、バッテリーラック２０内に容易に積層されるように、また、積層時にエネルギー密度を極大化するために、略直方体状で設けられ得る。すなわち、上記バッテリーモジュール１０を構成するモジュールケースは、略直方体状であり得、後述するように容易な熱伝達のため、例えばアルミニウムのような金属材質から構成され得る。
上記バッテリーラック２０は、その内部に形成された空間に複数のバッテリーモジュール１０を収容し、一対のラックフレーム２１及びＬ字形ブラケット２２を含むことができる。
上記一対のラックフレーム２１は、バッテリーモジュール１０の幅よりも若干広い間隔を置いて相互に離隔して並んで配置される。上記ラックフレーム２１は、後述するように、一部のバッテリーモジュール１０から発生した熱暴走が隣接したバッテリーモジュールに急速に拡がる現象を防止するため、発熱点及び／または発火点になるバッテリーモジュール１０の熱をラックフレーム２１の長手方向に沿ってよく伝達しなければならない。
このようなラックフレーム２１の機能を考慮して、上記ラックフレーム２１は、伝導性に優れながらも一定水準以上の剛性を有する金属材質、例えばアルミニウムやスチール材質からなり得る。
上記Ｌ字形ブラケット２２は、略Ｌ字状を有するブラケットである。上記Ｌ字形ブラケットは、一対のラックフレーム２１の対向面上にボルティングなどによって締結され、ラックフレーム２１の長手方向に沿って一定距離だけ離隔して複数個備えられる。この場合、上下で互いに隣接した一対のＬ字形ブラケット２２間の距離は、バッテリーモジュール１０の高さ（図２で上下方向の長さ）を考慮して決定される。
具体的には、上記上下で互いに隣接した一対のＬ字形ブラケット２２間の距離は、互いに隣接した一対のバッテリーモジュール１０同士が接することなく、かつ、互いに隣接した一対のバッテリーモジュール１０のうち下部に位置するバッテリーモジュール１０が上部に位置するバッテリーモジュール１０を支持するＬ字形ブラケット２２と接しないように決定される。すなわち、互いに隣接した層に配置されるバッテリーモジュール１０同士の間は互いに直接的及び間接的に全て離隔した状態を維持する。これは、一部のバッテリーモジュール１０で発熱及び／または発火が発生した場合において、互いに隣接したバッテリーモジュール１０の間で熱が伝達され難くするためである。
上記Ｌ字形ブラケット２２も、ラックフレーム２１と同様に、一部のバッテリーモジュール１０で発生した熱の分散過程で熱が移動する経路に含まれるので、熱伝達の効率性のため、ラックフレーム２１と同一または類似の材質からなり得る。
一対のラックフレーム２１のそれぞれに締結されて同じ高さに位置する一対のＬ字形ブラケット２２は、一つのバッテリーモジュール１０を支持する。これによって、上記バッテリーモジュール１０は、互いに異なる層を成すＬ字形ブラケット２２上に載置されてラックフレーム２１の長手方向に沿って複数のバッテリーモジュール層を形成するようになる。
図２には上記Ｌ字形ブラケット２２及びバッテリーモジュール１０が３つの層を形成する場合が示されているが、本発明がこれに限定されることはない。すなわち、上記Ｌ字形ブラケット２２及びバッテリーモジュール１０は、図２に示されたよりも多数が備えられ、４つまたはそれ以上の層を形成し得る。上記一対のラックフレーム２１の間に形成される空間内に形成される層が多いほど、一部のバッテリーモジュール１０で発生した非正常的な発熱を多くの層に位置する多数のバッテリーモジュール１０に円滑に分散させることができる。
図２及び図３を参照すると、上記第１熱伝達部材３０は、バッテリーモジュール１０とＬ字形ブラケット２２との間に介在され、バッテリーモジュール１０で発生する熱を吸収してＬ字形ブラケット２２側に伝達することができる。このような第１熱伝達部材３０の機能を考慮して、上記第１熱伝達部材３０としてはヒートパイプまたは熱伝達シートが適用され得る。また、上記熱伝達シートとしては、熱伝導率に優れた材質を含むシートが多様に適用され、例えばグラファイトシートが適用され得る。
上記第２熱伝達部材４０は、ラックフレーム２１とＬ字形ブラケット２２との間に介在されて、一部のバッテリーモジュール１０で発生して第１熱伝達部材３０及びＬ字形ブラケット２２を通じて伝達された熱を吸収し、ラックフレーム２１側に伝達することができる。このような第２熱伝達部材４０の機能を考慮して、上記第２熱伝達部材４０としてはＴＩＭ（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）が適用され得る。また、上記ＴＩＭとしては、熱伝導率に優れた材質を含む多様な物質が適用され、例えばサーマルグリース（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒｅａｓｅ）が適用され得る。
上記第１熱伝達部材３０及び第２熱伝達部材４０は、高い熱伝導率を有するだけでなく、金属からなる物体間の接触面積、すなわち、バッテリーモジュール１０の表面とＬ字形ブラケット２２との間の接触面積及びＬ字形ブラケット２２とラックフレーム２１との間の接触面積を極大化する機能を果たすことができる。
図４を参照すると、図３と異なって、バッテリーモジュール１０の底面だけでなく側面までも第１熱伝達部材３０に接し得る。すなわち、図３に示されたような構造、すなわちバッテリーモジュール１０の側面が第１熱伝達部材３０から一定の距離だけ離隔した場合は、熱伝導効率の面、そしてエネルギー密度の面では不利であり得る。
一方、図４に示されたように、バッテリーモジュール１０の幅を拡張してバッテリーモジュール１０の側面を第１熱伝達部材３０に当接させる場合、第１熱伝達部材３０とバッテリーモジュール１０との間の総接触面積をさらに広げて熱伝導効率の面でさらに有利であるだけでなく、決められた空間内でバッテリーモジュール１０の体積を一層増加させてエネルギー密度の面でもさらに有利である。
図５を参照すると、上記Ｌ字形ブラケット２２がバッテリーモジュール１０の側面全体を覆うように延び、これによって第１熱伝達部材３０及び第２熱伝達部材４０もそれに対応する長さで上方にさらに延設され得る。
このように、Ｌ字形ブラケット２２、第１熱伝達部材３０及び第２熱伝達部材４０がバッテリーモジュール１０の側面全体を覆うように延びた長さを有する場合、バッテリーモジュール１０に対する安定的な支持だけでなく、接触面積の増加による熱伝達効率の極大化も可能になる。
図６を参照すると、上記ラックフレーム２１は第２熱伝達部材４０及びＬ字形ブラケット２２を収容する収容溝を備える。上記Ｌ字形ブラケット２２及び第２熱伝達部材４０が収容溝内に収容され、これによってＬ字形ブラケット２２のうち収容溝内に収容された部分の表面とラックフレーム２１の表面とが同一平面を成すようになる。
また、上記第１熱伝達部材３０は、同一平面を成すラックフレーム２１の表面及びＬ字形ブラケット２２の表面を全て覆うように延びた長さを有する。すなわち、上記第１熱伝達部材３０は、Ｌ字形ブラケット２２とバッテリーモジュール１０の側面との間及びラックフレーム２１とバッテリーモジュール１０の側面との間に全て介在される。
このようにラックフレーム２１に形成された収容溝内にＬ字形ブラケット２２の一部及び第２熱伝達部材４０の一部が収容される場合、バッテリーモジュール１０で発生した熱をラックフレーム２１側により効率的に伝達することができる。
上述したように、本発明の一実施形態によるエネルギー貯蔵システムは、複数の層を成してバッテリーラック２０内に配置された複数のバッテリーモジュール１０のうち一部で発熱及び／または発火が発生する場合、隣接したバッテリーモジュール１０に熱が直接伝達されるより、ラックフレーム２１を通じて吸収された熱が多くの層に配置された複数のバッテリーモジュール１０に均一に分散される構造を有する。すなわち、本発明の一実施形態によるエネルギー貯蔵システムは、伝導性材質のＬ字形ブラケット２２及び熱伝達部材３０、４０を適用することで、図２に示された矢印方向に沿って熱が迅速に分散される構造を有し、これによって発熱及び／または発火を起こしたバッテリーモジュール１０に隣接したモジュールに熱暴走現象が急速に広がることを防止することができる。
次いで、図７及び図８を参照して、本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムについて説明する。
本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムは、上述した本発明の一実施形態によるエネルギー貯蔵システムと比べて、隣接したバッテリーモジュール１０同士の距離及び熱遮断部材５０の追加的な適用という点で異なるだけで、他の構成要素は実質的に同一である。
したがって、本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムの説明においては、上述した実施形態と異なる部分のみを集中的に説明し、上述した実施形態と重なる説明は省略することにする。
図７及び図８を参照すると、本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムは、上下で互いに隣接した一対のバッテリーモジュール１０のうち下部に位置するバッテリーモジュール１０が上部に位置するバッテリーモジュール１０を支持するＬ字形ブラケット２２に密着した構造を有する。すなわち、本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムは、エネルギー密度の向上のため、上下に配置されて相異なる層を成すバッテリーモジュール１０同士の距離を最小化した構造を有する。
この場合、上下に隣接したバッテリーモジュール１０同士の距離が非常に近くなるため、相互間の直接的な熱伝達が迅速に行われ得る。したがって、このような迅速な熱伝達を防止するため、上下に隣接したバッテリーモジュール１０の間に熱遮断部材５０が適用される。このような熱遮断部材５０の材質としては、加硫繊維シート（ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ ｆｉｂｅｒ ｓｈｅｅｔ）などのような通常の熱遮断部材が適用可能である。
一方、図７及び図８にはバッテリーモジュール１０の側面と第１熱伝達部材３０との間が離隔した場合のみが示されているが、本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムにおいても、上述した実施形態と同様に、図４～図６に示されたような構造の適用が可能である。
すなわち、本発明の他の実施形態によるエネルギー貯蔵システムの場合にも、上述した実施形態と同様に、バッテリーモジュール１０の側面が第１熱伝達部材３０と密着する構造及び／またはバッテリーモジュール１０の側面全体が第１熱伝達部材３０によって覆われる構造及び／または第２熱伝達部材４０とＬ字形ブラケット２２がラックフレーム２１に形成された収容溝内に収容される構造が適用され得る。
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。
１ エネルギー貯蔵システム
１０ バッテリーモジュール
２０ バッテリーラック
２１ ラックフレーム
２２ Ｌ字形ブラケット
３０ 第１熱伝達部材
４０ 第２熱伝達部材
５０ 熱遮断部材

Claims (11)

  1. 相互に離隔して並んで配置される一対のラックフレームと、
    前記ラックフレームに締結される複数のＬ字形ブラケットと、
    互いに対面する一対のＬ字形ブラケット上に載置されて前記ラックフレームの長手方向に沿って複数の層を成す複数のバッテリーモジュールと、
    前記バッテリーモジュールとＬ字形ブラケットとの間に介在される第１熱伝達部材と、
    前記ラックフレームとＬ字形ブラケットとの間に介在される第２熱伝達部材とを含み、
    前記ラックフレームが、前記第２熱伝達部材及びＬ字形ブラケットを収容する収容溝を備える、エネルギー貯蔵システム。
  2. 前記第１熱伝達部材がヒートパイプまたは熱伝達シートである、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
  3. 前記熱伝達シートがグラファイトシートである、請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。
  4. 前記第２熱伝達部材がＴＩＭである、請求項１～３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
  5. 前記バッテリーモジュールの下面及び側面が前記Ｌ字形ブラケットに密着する、請求項１～４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
  6. 前記バッテリーモジュールの側面全体が前記Ｌ字形ブラケットに密着する、請求項５に記載のエネルギー貯蔵システム。
  7. 前記Ｌ字形ブラケットのうち前記収容溝内に収容された部分の表面と前記ラックフレームの表面とが同一平面を成す、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
  8. 前記第１熱伝達部材が、前記Ｌ字形ブラケットとバッテリーモジュールとの間及び前記ラックフレームとバッテリーモジュールとの間に全て介在されている、請求項７に記載のエネルギー貯蔵システム。
  9. 互いに隣接した層に配置されるバッテリーモジュール同士が、互いに直接的及び間接的に全て離隔する、請求項１～８のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵システム。
  10. 相互に離隔して並んで配置される一対のラックフレームと、
    前記ラックフレームに締結される複数のＬ字形ブラケットと、
    互いに対面する一対のＬ字形ブラケット上に載置されて前記ラックフレームの長手方向に沿って複数の層を成す複数のバッテリーモジュールと、
    前記バッテリーモジュールとＬ字形ブラケットとの間に介在される第１熱伝達部材と、
    前記ラックフレームとＬ字形ブラケットとの間に介在される第２熱伝達部材とを含み、
    互いに隣接した一対のバッテリーモジュールのうち下部に位置するバッテリーモジュールが、上部に位置するバッテリーモジュールを支持するＬ字形ブラケットに密着する、エネルギー貯蔵システム。
  11. 前記一対のバッテリーモジュール同士の間に熱遮断部材が介在される、請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
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