JP7317233B2 - ガス遮断構造体を含む電池モジュール - Google Patents
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Description
本出願は２０２０年４月１日付の韓国特許出願第２０２０－００３９８６８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。
本発明はガス遮断構造体を含む電池モジュールに関し、具体的には、特定の電池セルモジュールアセンブリーで発火した場合、火炎が隣接した電池セルモジュールアセンブリーに拡散することを防止するために、電池セルモジュールアセンブリーと連通するダクト内に配置されたガス遮断構造体を含む電池モジュールに関する。
二次電池は適用される分野または製品が要求する出力及び容量によって違う構成を有している。例えば、携帯電話、デジタルカメラ、ノートブック型コンピュータなどのような小型モバイル機器は当該製品の小型軽薄化の傾向に応じて、それに相応するようにデバイス１台当たり一つの電池セルまたは十個内外の電池セルを含んでいる小型電池パックが使われている。一方、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのような中大型デバイスは、高出力大容量の必要性によって、多数のバッテリーセルを電気的に連結した中大型電池パックが使われている。
一般に、電池パックのサイズ及び重量は当該中大型デバイスなどの収容空間および出力などに直接的な関連性があるので、製造業者はできるだけ小型でありながらも軽量の電池パックを製造しようと努力している。
前記二次電池は、充放電の際に熱が発生して温度が増加し、異常作動状態または外部衝撃によって内部構造体が損傷される場合、燃焼および発火を引き起こすことがある。
特に、二次電池用電池セルにおいて電極端子部位は多量の熱が集中する部分で、電池セルの高温化現象による発火が主に発生する地点であり、外部に火炎が流出する通路になることができる。
一方、電池モジュールを構成する複数の電池セルモジュールアセンブリーが個別的に分離されずに電池モジュールハウジング内で連通するように配置される場合には、特定の電池セルモジュールアセンブリーで発火すれば、隣接した電池セルモジュールアセンブリーに熱と火炎が拡散して火事が拡がることができる。
また、電池パックは、内部に収容された電池セルまたは電池モジュールの電気的な連結のためのバスバー、および外部システムとの連結のためのコネクタなどが結合され、電池パック内部の熱を排出するための放熱ファンが設置されるなど、開放した構造を有する場合が多い。
このように、電池パックは内部と外部との間の物質の移動を完全に遮断しにくい構造であるので、電池パックの内部で発生した火炎が隣接区域に伝達されやすく、電池パックの外部から電池パックの内部に酸素を含む空気がずっと供給されて発火状態が持続することができる。
これに関連して、特許文献１は、バッテリーモジュールが発火する場合、バッテリーケース内に外気が流入することを遮断するように熱膨張部材を備えたバッテリーパックを開示しており、特許文献２は、電池異常の際の過熱によって変形されてバッテリーパックケースの開口を閉める構造を有するバッテリーパックを開示する。
しかし、特許文献１および特許文献２は、バッテリーパックの内部で発生した火炎がバッテリーパックの内部で拡散することを防止するための構造を提示することができていない。
このように、電池パックの発火の際、外部からの空気の流入を防止することができ、発火した電池セルモジュールアセンブリーの火炎が隣接した電池セルモジュールアセンブリーに拡散しないようにガスの移動を遮断する構造を有する電池モジュールの必要性が高くなっている。
本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、普段には電池モジュールの温度増加を防止するために空気が循環され、電池モジュールの発火の際には空気および火炎の移動を遮断して連鎖的な発火を防止するようにガス遮断構造体を含む電池モジュールを提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明による電池モジュールは、電池セルが密着して配列された複数の電池セルモジュールアセンブリーと、前記電池セルモジュールアセンブリーの電極リードと電気的に連結されるサイドプレートと、前記サイドプレートの外側に配置されるダクトと、前記ダクト内に配置されるガス遮断構造体とを含み、前記複数の電池セルモジュールアセンブリーは、離隔空間が形成されるように配置されている。
前記サイドプレートは、前記電池セルモジュールアセンブリーと前記ダクトとが連通するように開放型構造を有することができる。
前記電池セルモジュールアセンブリーは、複数の電池セルがハウジングに収納された形態を有し、前記ハウジングの開放面は、前記サイドプレートと結合されることができる。
前記サイドプレートは、前記電池セルモジュールアセンブリーの電極リードが突出する方向に電池モジュールの側面全体を覆う一体型構造を有することができる。
前記ガス遮断構造体は、前記ダクト内で前記離隔空間に対応する位置に配置されることができる。
前記サイドプレートは、前記電池セルモジュールアセンブリーの全長方向の両端にそれぞれ位置する第１サイドプレートと第２サイドプレートとを含むことができ、前記第１サイドプレートの外側には第１ダクトが位置し、前記第２サイドプレートの外側には第２ダクトが位置することができる。
前記電池モジュールは、冷媒が前記第１ダクトの第１側端を通して流入して電池セルモジュールアセンブリーを通過した後、前記第２ダクトの第２側端を通して排出される構造を有することができる。
前記ガス遮断構造体は、前記ダクトを開閉する遮断膜と、前記遮断膜を固定する固定部とを含むことができ、電池モジュールの発熱の際に前記固定部が溶融して前記遮断膜の固定が解除されれば、前記ダクトを通してのガス流れを遮断するように前記遮断膜が回転する形態を有することができる。
前記ガス遮断構造体は、前記ダクトを開閉する遮断膜、前記遮断膜の第１側端に連結された温度ヒューズ、および前記遮断膜の第１側端の反対側の第２側端に連結された弾性体を含むことができ、電池モジュールの発熱の際に前記温度ヒューズが切れれば、前記弾性体の弾性力によって遮断膜が回転して前記ダクトを通してのガス流れを遮断することができる。
前記遮断膜は、回転のための中心軸を基準に互いに反対方向に延びた２個の羽根を含むことができ、前記羽根は、前記中心軸の一側端から見て一字形または螺旋形を有することができる。
前記ダクトの内側面には、回転する遮断膜を停止させるための突出部が形成されることができる。
前記突出部は、前記ダクトの一部が内側に湾入した形態、またはダクトの内側面に突起が付着された形態を有することができる。
また、本発明は、前記電池モジュールを含む電池パックを提供する。
以上で説明したように、本発明による電池モジュールは内部に収容された電池セルモジュールアセンブリーが独立したハウジングに収容された形態を有することにより、サイドプレート（ｓｉｄｅ ｐｌａｔｅ）の外側に空気循環のための通路としてダクト（ｄｕｃｔ）を備えることができる。
また、電池モジュールは、ダクトを通して流入した空気が電池セルモジュールアセンブリーを通過してから排出される方式で循環することにより、電池モジュールの冷却機能を発揮することができる。
また、空気が循環するダクト内に配置されたガス遮断構造体によって特定の電池セルモジュールアセンブリーの火炎が隣接した電池セルモジュールアセンブリーに拡散することを防止することができる。
また、発火した電池セルモジュールアセンブリーを交替して電池モジュールの再使用が可能である。
以下、添付図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
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。明細書全般で、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はなく、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。
また、構成要素を限定するか付加して具体化する説明は、特別な制限がない限り、すべての発明に適用することができ、特定の発明に限定されない。
また、本発明の説明及び請求範囲全般にわたって単数で表示したものは、別に言及しない限り、複数の場合も含む。
また、本発明の説明及び請求範囲全般にわたって“または”は、特に言及しない限り、“及び”を含むものである。したがって、“ＡまたはＢを含む”は、Ａを含むか、Ｂを含むか、及びＡ及びＢの両者を含む３種の場合を全部意味する。
また、すべての数値範囲は、明らかに除くという記載がない限り、両端の値とその間のすべての中間値を含む。
本発明を図面に基づいて詳細な実施例と一緒に説明する。
図１は本発明による電池モジュールの斜視図、図２は図１の電池モジュールから電池セルモジュールアセンブリーの上面を除去した状態を示す平面図である。
図１および図２を参照すると、本発明による電池モジュール１００は、複数の電池セルモジュールアセンブリー１１０がその間に離隔空間１１５を有するように配置され、それぞれの電池セルモジュールアセンブリー１１０には電池セル１１１が密着して配列されている。
電池セルモジュールアセンブリー１１０は複数の電池セル１１１がハウジングに収納された形態を有し、電池モジュールハウジング内で電池セルモジュールアセンブリーが個別ハウジングに収容されて独立的に配置された形態を有する。
このように、本発明は独立したハウジングを使う電池セルモジュールアセンブリーを含むので、従来に電池モジュールハウジング内で電池セルモジュールアセンブリーが個別ハウジングに収容されずに開放した形態として存在することにより、発火の際に火炎が易く拡散する問題を解決することができる。
電池セルモジュールアセンブリー１１０のハウジングはモノフレームプレの形態を有し、電極リードが突出する方向は開放している構造を有する。このように開放した構造を有するハウジングの開放面にサイドプレート１２０が結合されることによって電池モジュールが組み立てられる。
電池セル１１１の電極リードと電気的に連結されるサイドプレート１２０は、電池セルモジュールアセンブリー１１０の全長方向の両端にそれぞれ位置する第１サイドプレートと第２サイドプレートとを含む。
サイドプレート１２０は、電池セルモジュールアセンブリー１１０の電極リードが突出する方向の第１面、および電池セルモジュールアセンブリーの間に形成される離隔空間１１５の第１面全体を覆う一体型構造を有する。
すなわち、サイドプレート１２０は複数の電池セルモジュールアセンブリーおよびこれらの離隔空間が形成する第１面全体を覆うことができるサイズを有する。
このように、本発明による電池モジュールは電池セルモジュールアセンブリーが個別ハウジングに収容された形態を有し、一体型構造のサイドプレートを含むので、別途の電池モジュールケースが必要でない。
前記第１サイドプレート及び第２サイドプレートのそれぞれの外側には空気が流れることができるダクト１３０が配置される。前記第１サイドプレートの外側には第１ダクトが位置し、前記第２サイドプレートの外側には第２ダクトが位置する。
本発明による電池モジュールは、ダクトを通して流入した空気が電池セルモジュールアセンブリーを通過して反対側ダクトを通して排出される構造を有し、サイドプレートは空気が循環することができるように電池セルモジュールアセンブリーとダクトが連通するように開放型構造を有することができる。
一具体例で、第１ダクトの一側端と連結されるファン（ｆａｎ）１１２によって電池モジュールの外部から電池モジュールの内部に冷媒の役割を果たす空気が流入する。図２に点線矢印で示すように、空気は第１ダクトの第１側端を通して流入して開放型構造のサイドプレートを通り、電池セルモジュールアセンブリー１１０を通過した後、反対側サイドプレートの開放型構造を通って第２ダクトの第２側端を通して排出される。
このような空気の流れによって、加熱された電池モジュールを冷却することができる。
一方、本発明によるダクトの構造に関連して、サイドプレートがダクト１３０の一側面を構成することができる。もしくは、サイドプレートの外側に四角柱状の別途のダクトが配置され、前記サイドプレートと重なるダクトの一側面にサイドプレートを介して電池セルモジュールアセンブリーと連通する構造が形成されることができる。
図３は図１の電池モジュールの部分拡大斜視図、図４はガス遮断構造体の作動前の状態を示す部分拡大図、図５は図４のガス遮断構造体が作動した状態を示す部分拡大図である。
図３から図５を参照すると、ダクト１３０内にガス遮断構造体１４０が位置する。具体的には、ガス遮断構造体１４０は隣接した電池セルモジュールアセンブリー１１０の間に火炎が移動することを遮断するように、ダクト１３０内で離隔空間１１５に対応する位置に配置される。
サイドプレート１２０は、電池セルモジュールアセンブリーとダクト１３０が連通するように一部が切断されて折り曲げられた形態を有する開放部１２２を含む。
開放部の形態は図３～図５に示す形態に限定されず、貫通口またはスリットが形成された形態を有することができる。
ガス遮断構造体１４０は、ダクト１３０を開閉する遮断膜１４２と、遮断膜１４２を固定する固定部１４１とを含む。
図４は電池モジュールが正常状態の場合に遮断膜１４２を固定部１４１が把持して固定した状態を示し、遮断膜１４２は空気の流れ方向（点線矢印で表示）に平行に配置されている。
固定部の構造は図４に示す形態に限定されなく、正常状態で遮断膜を安定的に把持して固定し、発熱または発火の際に早く溶融して遮断膜の固定を解除することができる構造であれば、特に限定されない。
図５は右側にある電池セルモジュールアセンブリー１１０が発熱して固定部１４１が溶融することにより遮断膜１４２の固定が解除された状態を示す。固定部１４１は高温で溶融することができる素材からなる。例えば、ガラス転移温度または融点が３００℃以下の高分子樹脂からなることができる。
固定部１４１が溶融すれば、遮断膜１４２の固定が解除され、ダクトを通して流れる気体の流れによって遮断膜が回転することになる。
具体的には、右側電池セルモジュールアセンブリー１１０で加熱された気体が図面上の左側に向かって移動し、ファンによって電池モジュールの外部から電池モジュールの内部に流入する空気は図面上の右側に向かって流入する。ここで、前記加熱された気体と流入する空気との圧力差によって、回転していた遮断膜１４２はダクト１３０の内側面に形成された突出部１４４にかかって停止する。
このように、停止した遮断膜１４２によって、ダクトを通して流れる気体の流れを遮断するので、加熱された気体が隣接した電池セルモジュールアセンブリーに拡散することを防止することができるだけでなく、酸素を含む外部空気が発火した電池セルモジュールアセンブリーに流入して燃焼を持続させることを防止することができる。
図６は一実施例によるガス遮断構造体を示す平面図である。
図６を参照すると、ガス遮断構造体２４０は、ダクトを開閉する遮断膜２４２、遮断膜２４２の第１側端に連結された温度ヒューズ２４７、および遮断膜２４２の第１側端の反対側の第２側端に連結された弾性体２４８を含み、電池モジュールの発熱の際に温度ヒューズ２４７が切れれば、弾性体２４８の弾性力によって遮断膜２４２が回転してダクトを完全に塞げるようになる。よって、ダクトを通してのガスの流れを遮断する。
したがって、図５の説明で記載したように、加熱された気体が隣接した電池セルモジュールアセンブリーに拡散することを防止することができるだけでなく、酸素を含む外部空気が発火した電池セルモジュールアセンブリーに流入して燃焼を持続させることを防止することができる。
図６には省略されているが、図５のダクトの内側面に形成された突出部が図６のダクトの内側面にも形成されることができ、前記突出部によって遮断膜の回転を止めることができる。
また、図５には突出部がダクトの外側部の内側面に形成された状態を示しているが、突出部はダクトの底の内側面に形成されるか、またはサイドプレートの内側面に形成されることができる。
図７はガス遮断構造体の遮断膜の形態を示す平面図である。
図７の（ａ）に示す遮断膜３４２は図５および図６に示す遮断膜１４２、２４２と同じ形態のものであり、回転のための中心軸３４３を基準に互いに反対方向に延びた２個の羽根３４９を含む。羽根３４９は、中心軸３４３の一側端から見るとき、一字形を有する。
図７の（ｂ）に示す遮断膜４４２は、回転のための中心軸４４３を基準に互いに反対方向に延びた２個の羽根４４９を含む。羽根４４９は、中心軸４４３の一側端から見るとき、螺旋形を有する。
図７には省略されているが、図５のダクトの内側面に形成された突出部が図７のダクトの内側面にも形成されることができ、前記突出部によって遮断膜の回転を止めることができる。
このように、本発明によるガス遮断構造体は、ダクトを通過する気体の圧力差によって遮断膜が早く回転してダクトを通過する気体を完全に遮断することができる。よって、電池セルモジュールアセンブリーの内部で発生した火炎及び熱が拡散することを遮断することができ、電池モジュールの外部の空気が電池モジュールの内部に流入することを防止することができるので、大型火事につながることを防止することができる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範囲内で多様な応用及び変形の実施が可能であろう。
以上で説明したように、本発明による電池モジュールは、内部に収容された電池セルモジュールアセンブリーが独立したハウジングに収容された形態を有することにより、サイドプレート（ｓｉｄｅ ｐｌａｔｅ）の外側に空気循環のための通路としてダクト（ｄｕｃｔ）を備えることができる。
また、電池モジュールは、ダクトを通して流入した空気が電池セルモジュールアセンブリーを通過してから排出される方式で循環することにより電池モジュールの冷却機能を発揮することができる。
また、空気が循環するダクト内に配置されたガス遮断構造体によって特定の電池セルモジュールアセンブリーの火炎が隣接した電池セルモジュールアセンブリーに拡散することを防止することができる。
また、発火した電池セルモジュールアセンブリーを交替して電池モジュールを再使用することが可能である。
１００ 電池モジュール
１１０ 電池セルモジュールアセンブリー
１１１ 電池セル
１１２ ファン
１１５ 離隔空間
１２０ サイドプレート
１２２ 開放部
１３０ ダクト
１４０、２４０ ガス遮断構造体
１４１ 固定部
１４２、２４２、３４２、４４２ 遮断膜
１４４ 突出部
２４７ 温度ヒューズ
２４８ 弾性体
３４３、４４３ 中心軸
３４９、４４９ 羽根
１１０ 電池セルモジュールアセンブリー
１１１ 電池セル
１１２ ファン
１１５ 離隔空間
１２０ サイドプレート
１２２ 開放部
１３０ ダクト
１４０、２４０ ガス遮断構造体
１４１ 固定部
１４２、２４２、３４２、４４２ 遮断膜
１４４ 突出部
２４７ 温度ヒューズ
２４８ 弾性体
３４３、４４３ 中心軸
３４９、４４９ 羽根
Claims (13)
- 電池セルが密着して配列された複数の電池セルモジュールアセンブリーと、
前記電池セルモジュールアセンブリーの電極リードと電気的に連結されるサイドプレートと、
前記サイドプレートの外側に配置されるダクトと、
前記ダクト内に配置されるガス遮断構造体と、
を含み、
前記複数の電池セルモジュールアセンブリーは、離隔空間が形成されるように配置されている、電池モジュール。 - 前記サイドプレートは、前記電池セルモジュールアセンブリーと前記ダクトとが連通するように開放型構造を有する、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記電池セルモジュールアセンブリーは、複数の電池セルがハウジングに収納された形態を有し、
前記ハウジングの開放面は、前記サイドプレートと結合される、請求項１または２に記載の電池モジュール。 - 前記サイドプレートは、前記電池セルモジュールアセンブリーの電極リードが突出する方向に電池モジュールの側面全体を覆う一体型構造を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記ガス遮断構造体は、前記ダクト内で前記離隔空間に対応する位置に配置される、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記サイドプレートは、前記電池セルモジュールアセンブリーの全長方向の両端にそれぞれ位置する第１サイドプレートと第２サイドプレートとを含み、
前記第１サイドプレートの外側には第１ダクトが位置し、前記第２サイドプレートの外側には第２ダクトが位置する、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。 - 前記電池モジュールは、冷媒が前記第１ダクトの第１側端を通して流入して電池セルモジュールアセンブリーを通過した後、前記第２ダクトの第２側端を通して排出される構造を有する、請求項６に記載の電池モジュール。
- 前記ガス遮断構造体は、前記ダクトを開閉する遮断膜と、前記遮断膜を固定する固定部とを含み、
電池モジュールの発熱の際に前記固定部が溶融して前記遮断膜の固定が解除されれば、前記ダクトを通してのガス流れを遮断するように前記遮断膜が回転する形態を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。 - 前記ガス遮断構造体は、前記ダクトを開閉する遮断膜、前記遮断膜の第１側端に連結された温度ヒューズ、および前記遮断膜の第１側端の反対側の第２側端に連結された弾性体を含み、
電池モジュールの発熱の際に前記温度ヒューズが切れれば、前記弾性体の弾性力によって遮断膜が回転して前記ダクトを通してのガス流れを遮断する、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。 - 前記遮断膜は、回転のための中心軸を基準に互いに反対方向に延びた２個の羽根を含み、
前記羽根は、前記中心軸の一側端から見て一字形または螺旋形を有する、請求項８または９に記載の電池モジュール。 - 前記ダクトの内側面には、回転する遮断膜を停止させるための突出部が形成されている、請求項８または９に記載の電池モジュール。
- 前記突出部は、前記ダクトの一部が内側に湾入した形態、またはダクトの内側面に突起が付着された形態を有する、請求項１１に記載の電池モジュール。
- 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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