JP7105919B2 - 熱暴走現象の発生時、モジュール内部への空気の流入が防止可能な構造を有するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック - Google Patents

熱暴走現象の発生時、モジュール内部への空気の流入が防止可能な構造を有するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック Download PDF

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Description

本発明は、熱暴走現象の発生時、モジュール内部への空気の流入を防止することができる構造を有するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関する。本発明は、より具体的には、モジュールケースの内側エッジ部分に熱膨張物質を適用し、さらに、冷却のための通気部の内部には単方向ベンティングバルブ及び熱膨張物質を適用することで、バッテリーモジュールの内部の温度上昇時、外部からの空気流入を遮断し、かつ外部へのガス排出のみが可能な構造を有するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関する。
本出願は、２０１９年３月６日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００２５９９５号に基づく優先権を主張し、該当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。
複数のバッテリーセルを含む形態のバッテリーモジュールにおいて、一部のバッテリーセルに短絡の発生などの異常が生じて持続的に温度が上昇し、これによってバッテリーセルの温度が臨界温度を超えると、熱暴走現象が発生する。このように一部のバッテリーセルにおいて熱暴走現象が発生すると、安全性のイシューが発生する。
一部のバッテリーセルで起こった熱暴走現象によって火炎などが発生するようになると、隣接したバッテリーセルの温度を急上昇させ、これによって短い時間内に隣接するセルへの熱暴走現象が移され得る。
結局、一部のバッテリーセルで発生した熱暴走現象に迅速に対処できない場合、バッテリーセルよりも大きい容量の電池単位であるバッテリーモジュールやバッテリーパックの発火及び爆発などの災害につながり、これは財産的な被害のみならず、安全性の問題までも惹起し得る。
したがって、バッテリーモジュールの内部における一部のバッテリーセルで熱暴走現象による火炎が発生する場合、火炎に供給される空気を遮断して火炎がさらに広がることを防止することが急務であり、また、バッテリーセルのベンティングによって排出されるガスをバッテリーモジュールの外部へ迅速に排出することでバッテリーモジュールの内圧を低めることも重要な事項である。
特に、空冷式の構造を採択しているバッテリーモジュールの場合、バッテリーモジュールの外部から内部へ空気が円滑に流入する構造を有するべきである。そこで、内部で熱暴走現象が発生する場合、内部に流入する空気は徹底に遮断しながらも、内部で発生したベンティングガスは外部へ迅速に排出可能な構造を有するバッテリーモジュール構造の開発が要求される。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、空冷式構造を有するバッテリーモジュールにおいて、内部で熱暴走現象が発生する場合、火炎が広がることを防止するために、内部へ流入する空気は徹底に遮断しながらも、内部で発生したベンティングガスは外部へ迅速に排出可能にすることを一目的とする。
但し、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、下記する発明の説明から当業者にとって明確に理解されるであろう。
上記の課題を達成するための本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、上記セル積層体を収容するモジュールケースと、上記モジュールケースの両側開口部をカバーする一対のモジュールカバーと、上記モジュールカバーを貫通して設けられる通気部と、を含み、上記通気部は、上記モジュールカバーを貫通する貫通ホールの中心部に配置される単方向ベンティングバルブと、上記貫通ホールの内周面に付着される第１ホール密閉部と、上記単方向ベンティングバルブの外周面に付着される第２ホール密閉部と、を含む。
上記第１ホール密閉部及び第２ホール密閉部は、基準温度以上で膨脹して相互に接して上記貫通ホールを密閉し得る。
上記第１ホール密閉部及び第２ホール密閉部は、エポキシ系樹脂、ブチル系樹脂及び塩化ビニル系樹脂の少なくともいずれか一つを含むシートからなり得る。
上記単方向ベンティングバルブは、モジュールケースの内圧が基準圧力以上である場合、内部から外部へベンティングガスを排出し得る。
上記通気部は上記貫通ホールを横切るバルブ支持部を含み、上記単方向ベンティングバルブは上記バルブ支持部に固定され得る。
上記バッテリーモジュールは、上記モジュールケースの内側エッジ及び上記モジュールケースの内側面とモジュールカバーとが接する境界領域上に付着されるケース密閉部をさらに含み得る。
上記ケース密閉部は、基準温度以上で膨脹して上記モジュールケースの気密性を強化し得る。
上記単方向ベンティングバルブは、少なくとも一つの第１流路を備える下部キャップと、少なくとも一つの第２流路を備え、内部空間が形成されるように上記下部キャップの上部に結合する上部キャップと、上記内部空間に位置し、上記上部キャップから下部キャップに向ける方向へ弾性加圧されて上記第２流路を覆うように設けられる流路蓋と、を含み得る。
上記単方向ベンティングバルブは、弾性体からなり、上記モジュールケースの内側から外側に向ける方向に沿って内部空間が次第に狭くなる扇形を有し、上端の対向面が相互に当接し得る。
なお、上記の課題を達成するための本発明の一実施例によるバッテリーパックは、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを複数個含む。
本発明の一面によれば、空冷式構造を有するバッテリーモジュールにおいて、内部で熱暴走現象が発生する場合、火炎が広がることを防止するために、内部へ流入する空気は徹底に遮断しながらも内部に発生したベンティングガスは外部へ迅速に排出できるようになり、これによってバッテリーモジュール使用上の安全性を確保することができる。
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例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。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの内部が見えるように示した図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに適用されるモジュールケースを示す斜視図である。 図３の線Ｘ－Ｘによる断面を示す図である。 図３の線Ｙ－Ｙによる断面を示す図である。 図６は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに適用される通気部が開放された様子を示す図である。 図７は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに適用される通気部が開放された様子を示す図である。 図６及び図７に示した通気部の断面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに適用される通気部が閉塞した様子を示す図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールに適用される通気部が閉塞した様子を示す図である。 図９及び図１０に示した通気部の断面図である。 本発明に適用される単方向バルブの一実施形態を示す分解斜視図である。 図１２に示した単方向バルブが閉塞した様子を示す断面図である。 図１２に示した単方向バルブが開放された様子を示す断面図である。 本発明に適用される単方向バルブの他の実施形態を示す斜視図である。 図１５に示した単方向バルブが開放された様子を示す断面図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の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例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例に過ぎず、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１及び図２を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、セル積層体１００、モジュールケース２００、ケース密閉部２５０、モジュールカバー３００及び通気部４００を含む。
図２を参照すれば、上記セル積層体１００は、複数のバッテリーセル１１０が積層されて形成される。上記バッテリーセル１１０としては、例えば、パウチ型のバッテリーセルが適用され得る。
図１及び図２と共に図３を参照すれば、上記モジュールケース２００は、長手方向の両側に開口が形成された略直方体形状を有する。上記モジュールケース２００は、剛性の確保のためにアルミニウムなどの金属材質からなり得る。
上記モジュールケース２００は、セル積層体１００の上部を覆う上部プレートと、セル積層体１００の下部を覆う下部プレートと、セル積層体１００の両側部をカバーする側部プレートと、を含み得る。上記上部プレートと側部プレートとの結合及び下部プレートと側部プレートとの結合は、溶接によって行われ得る。
図１及び図２と共に図３～図５を参照すれば、上記ケース密閉部２５０は、モジュールケース２００の内側エッジ及びモジュールケース２００の内側面とモジュールカバー３００とが接する境界領域に付着される。即ち、上記ケース密閉部２５０は、モジュールケース２００を構成する上部プレートと側部プレートとが接する境界領域、下部プレートと側部プレートとが接する境界領域及びモジュールケース２００の開口部の内周面に付着される。
上記ケース密閉部２５０は、基準温度以上で膨脹してモジュールケース２００の気密性を強化する。上記バッテリーモジュールの内部に配置される複数のバッテリーセル１１０の一部で短絡などの問題が発生し、これによって温度が上昇して熱暴走現象が発生する場合、隣接したセルへ火炎が移していかないように外部空気の流入を完全に遮断する必要がある。上記ケース密閉部２５０がモジュールケース２００の脆弱部に配置され、熱暴走現象が発生する基準温度以上で膨脹することでバッテリーモジュールの気密性を強化するのである。
このような機能を果たすために、上記ケース密閉部２５０は、エポキシ系樹脂、ブチル系樹脂及び塩化ビニル系樹脂の少なくともいずれか一つを含むシートからなり得る。但し、このようなケース密閉部２５０の構成成分は例示的なものであって、基準温度以上で膨脹して気密性を強化するものであれば、制限なく適用可能である。
図１～図３を参照すれば、上記モジュールカバー３００は、モジュールケース２００の長手方向の両側の開口部をカバーするものであって、開口部と対応する形状を有する。上記モジュールカバー３００は、金属材質のモジュールケース２００との接合のために金属材質からなり、モジュールケース２００との接合は溶接によって行われ得る。
前述したように、上記ケース密閉部２５０は、モジュールケース２００とモジュールカバー３００とが接する境界領域にも設けられるため、バッテリーモジュールの内部温度が基準温度以上に上昇する場合においてモジュールケース２００とモジュールカバー３００との結合部位の気密性が保障される。
図１及び図２と共に図６～図１１を参照すれば、上記通気部４００は、モジュールカバー３００の長手方向の一側に設けられ、一対のモジュールカバー３００の各々に設けられる通気部４００は相互に反対側に位置する。上記通気部４００は、貫通ホールＨ、バルブ支持部４１０、単方向ベンティングバルブ４２０、第１ホール密閉部４５０及び第２ホール密閉部４６０を含む。
上記貫通ホールＨは、モジュールカバー３００の長手方向の一側を貫通して形成され、バッテリーモジュールの正常な使用状態においてバッテリーモジュールの内部に位置するバッテリーセル１１０の冷却のための空気の通路として機能する。即ち、上記バッテリーモジュールの長手方向の一側に形成される貫通ホールＨがインレット（ｉｎｌｅｔ）として機能する場合、その反対側に位置する貫通ホールＨはアウトレット（ｏｕｔｌｅｔ）として機能する。
上記バルブ支持部４１０は、貫通ホールＨを横切り、その長手方向の中心部には単方向ベンティングバルブ４２０が設けられる。即ち、上記バルブ支持部４１０は、単方向ベンティングバルブの固定のために備えられる構成要素である。
上記単方向ベンティングバルブ４２０は、バルブ支持部４１０の長手方向の中心部に固設され、バッテリーセル１１０のベンティングによるガス発生によってバッテリーモジュールの内圧が基準圧力以上に上昇する場合、バッテリーモジュールの内部で外部に向ける方向へガスを排出する。即ち、上記単方向ベンティングバルブ４２０は、バッテリーモジュールの外部から空気が流入することは遮断し、内圧の増加時のみに開放されて、内部から外部に向ける方向のみへ気体を排出する。このような単方向ベンティングバルブ４２０の具体的な構造の例示は、図１２～図１６を参照して後述する。
上記第１ホール密閉部４５０は、貫通ホールＨの内周面に付着される。上記第２ホール密閉部４６０は、単方向ベンティングバルブの外周面に付着される。上記第１ホール密閉部４５０及び第２ホール密閉部４６０は、基準温度以上で膨脹して相互に接し、これによって貫通ホールＨを密閉する。
このような機能を果たすために、上記第１ホール密閉部４５０及び第２ホール密閉部４６０は、前述したケース密閉部２５０と同様にエポキシ系樹脂、ブチル系樹脂及び塩化ビニル系樹脂の少なくともいずれか一つを含むシートからなり得る。但し、このような第１ホール密閉部４５０及び第２ホール密閉部４６０の材質は例示であり、基準温度以上で膨脹して貫通ホールＨを密閉できるものであれば、制限なく適用可能である。
図９～図１１に示したように、上記第１ホール密閉部４５０及び第２ホール密閉部４６０が膨脹して貫通ホールＨが密閉された場合、これ以上バッテリーモジュールの外部から空気が流入されず、熱暴走現象による火炎が広がらない。また、温度の上昇によってモジュールケース２００の内部にバッテリーセル１１０から流出したガスが増加し、これによってバッテリーモジュールの内圧が基準圧力以上になれば、単方向ベンティングバルブ４２０が開放されてガスが外部へ排出され、これによってバッテリーモジュールの内圧増加による爆発が防止される。
上述したように、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、内部温度の上昇時に膨脹してバッテリーモジュールを密閉する密閉部２５０、４５０、４６０及び内圧増加によって内部から外部のみへガスを排出できる単方向ベンティングバルブ４２０を備えることで、熱暴走現象の発生時における外部空気の流入を完全に遮断し、内部のガスを外部へ迅速に排出して発火／爆発の危険を除去することができる。
次は、本発明に適用される単方向ベンティングバルブ４２０の例示的な構造を図１２～図１６を参照して説明する。
先ず、図１２～図１４を参照すれば、上記単方向ベンティングバルブ４２０の一実施形態が示されている。これによれば、上記単方向ベンティングバルブ４２０は、少なくとも一つの第１流路４２１ａを備える下部キャップ４２１、少なくとも一つの第２流路４２２ａを備える上部キャップ４２２、流路蓋４２３及び弾性加圧部材４２４を含む単方向バルブであり得る。
上記上部キャップ４２２は、下部キャップ４２１の上部に設けられることで、内部空間Ｓを形成する。上記流路蓋４２３は内部空間Ｓ内に位置し、スプリングなどの弾性加圧部材４２４によって上部キャップ４２２から下部キャップ４２１に向ける方向へ弾性加圧されることで第１流路４２１ａを覆う。
上記バッテリーモジュールの内圧が基準圧力以上になると、上記流路蓋４２３が弾性加圧部材４２４を圧縮することで第１流路４２１ａの密閉状態が解除され、バッテリーモジュールの内部のガスが内部空間Ｓ及び第２流路４２２ａを通してバッテリーモジュールの外部へ排出される（図１４の矢印参照）。
次に、図１５及び図１６を参照すると、単方向ベンティングバルブ４２０の他の実施形態が示されている。これによれば、上記単方向ベンティングバルブ４２０はゴム材質などの弾性体からなり、バッテリーモジュールの内側から外側に向ける方向に沿って内部空間がますます狭くなる扇形を有し、上端（図１６を基準にして見れば、上部の終端を意味する）の対向面が相互に当接している構造を有する。このような単方向ベンティングバルブ４２０の下端（図１６を基準にして見れば、下部の終端を意味する）は対向面が相互に離隔している。
上記バッテリーモジュールの内圧が基準圧力以上になると、単方向ベンティングバルブ４２０をなす弾性体の上端が開けられることでバッテリーモジュールの密閉状態が解除され、バッテリーモジュールの内部のガスが図１６の矢印方向に沿って外部へ排出される。
一方、本発明の説明において、上記単方向ベンティングバルブ４２０の具体的な例として二つの形態の単方向バルブ構造を例に挙げたが、本発明がこれに限定されることではない。即ち、上記バッテリーモジュールの内圧が基準圧力以上になる場合、内部の気体を外部へ排出可能な構造を有するものであれば、制限なく本発明によるバッテリーモジュールに適用可能である。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野における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。
１００ セル積層体
１１０ バッテリーセル
２００ モジュールケース
２５０ ケース密閉部
３００ モジュールカバー
４００ 通気部
４１０ バルブ支持部
４２０ 単方向ベンティングバルブ
４２１ 下部キャップ
４２１ａ 第１流路
４２２ 上部キャップ
４２２ａ 第２流路
４２３ 流路蓋
４２４ 弾性加圧部材
４５０ 第１ホール密閉部
４６０ 第２ホール密閉部

Claims (10)

  1. 複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、
    前記セル積層体を収容するモジュールケースと、
    前記モジュールケースの両側開口部をカバーする一対のモジュールカバーと、
    前記モジュールカバーを貫通して設けられる通気部と、を含み、
    前記通気部は、
    前記モジュールカバーを貫通する貫通ホールの中心部に配置される単方向ベンティングバルブと、
    前記貫通ホールの内周面に付着される第１ホール密閉部と、
    前記単方向ベンティングバルブの外周面に付着される第２ホール密閉部と、を含み、
    前記貫通ホールは、基準温度未満では空気の通路として機能し、基準温度以上では、膨張により相互に接した前記第１ホール密閉部及び第２ホール密閉部によって密閉される、バッテリーモジュール。
  2. 複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、
    前記セル積層体を収容するモジュールケースと、
    前記モジュールケースの両側開口部をカバーする一対のモジュールカバーと、
    前記モジュールカバーを貫通して設けられる通気部と、を含み、
    前記通気部は、
    前記モジュールカバーを貫通する貫通ホールの中心部に配置される単方向ベンティングバルブと、
    前記貫通ホールの内周面に付着される第１ホール密閉部と、
    前記単方向ベンティングバルブの外周面に付着される第２ホール密閉部と、を含む、バッテリーモジュールであって、
    前記第１ホール密閉部及び第２ホール密閉部は、基準温度以上で膨脹して相互に接して前記貫通ホールを密閉することを特徴とする、バッテリーモジュール。
  3. 前記第１ホール密閉部及び第２ホール密閉部は、エポキシ系樹脂、ブチル系樹脂及び塩化ビニル系樹脂の少なくともいずれか一つを含むシートからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記単方向ベンティングバルブは、モジュールケースの内圧が基準圧力以上である場合、内部から外部へベンティングガスを排出することを特徴とする、請求項２又は３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記通気部は前記貫通ホールを横切るバルブ支持部を含み、前記単方向ベンティングバルブは前記バルブ支持部に固定されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記バッテリーモジュールは、前記モジュールケースの内側エッジ及び前記モジュールケースの内側面とモジュールカバーとが接する境界領域上に付着されるケース密閉部をさらに含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記ケース密閉部は、基準温度以上で膨脹して前記モジュールケースの気密性を強化することを特徴とする、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記単方向ベンティングバルブは、
    少なくとも一つの第１流路を備える下部キャップと、
    少なくとも一つの第２流路を備え、内部空間が形成されるように前記下部キャップの上部に結合する上部キャップと、
    前記内部空間に位置し、前記上部キャップから前記下部キャップに向ける方向へ弾性加圧されて前記第２流路を覆うように設けられる流路蓋と、を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記単方向ベンティングバルブは、弾性体からなり、前記モジュールケースの内側から外側に向ける方向に沿って内部空間が次第に狭くなる扇形を有し、上端の対向面が相互に当接していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  10. 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複数個含む、バッテリーパック。
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