JP7321298B2 - バッテリーモジュール、それを含むバッテリーラック及び電力貯蔵装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリーモジュール、それを含むバッテリーラック及び電力貯蔵装置に関する。
本出願は、２０１９年７月１０日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００８３３５８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。
製品群に応じた適用性が高く、且つ、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車（ＥＶ、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ、Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などに普遍的に適用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少できるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用に伴う副産物が全く生じないという点で、環境にやさしく、エネルギー効率が向上できることから、新しいエネルギー源として注目を集めている。
現在、広く使用される二次電池の種類としては、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、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、即ち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．５Ｖである。したがって、これよりさらに高い出力電圧が要求される場合、複数のバッテリーセルを直列接続してバッテリーパックを構成する。また、バッテリーパックに要求される充放電容量によって複数のバッテリーセルを並列接続してバッテリーパックを構成し得る。したがって、前記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの数は、要求される出力電圧または充放電容量によって多様に設定可能である。
なお、複数のバッテリーセルを直列・並列接続してバッテリーパックを構成する場合、少なくとも一つのバッテリーセルを含むバッテリーモジュールを先に構成し、このような少なくとも一つのバッテリーモジュールを用いてその他の構成要素を追加してバッテリーパックやバッテリーラックを構成する方法が一般的である。ここで、少なくとも一つのバッテリーモジュールを含むバッテリーラックは、多様な電圧と容量要求条件などによって、このようなバッテリーラックを少なくとも一つ以上備える電力貯蔵装置を構成することもある。
従来、電力貯蔵装置を構成するバッテリーモジュールの場合、複数個のバッテリーモジュールを含むバッテリーラックを収容するラックコンテナ内に、バッテリーセルの特性上、発生し得る過熱などによる火事などに対処するために、防火施設構造物が備えられる。
しかし、バッテリーモジュール内で火事が発生する場合、迅速な火事鎭圧が難しいという問題がある。バッテリーモジュール内で火事が迅速に鎮圧されないか、または火事が広がる速度を遅らせない場合、周辺のバッテリーモジュールへの火事の転移が速くなる問題がある。これによって、追ってラックコンテナ内の防火施設構造物が動作する時点では、既に復旧しにくい被害が発生した後となる可能性が高いという問題がある。
そこで、火事状況の発生時、より迅速な早期鎭圧が必要であり、特に、火事が起こる前に予め危険を感知して事故を未然に防止する対策が必要である。そのために、バッテリーモジュール単位における火事鎮圧及び火事拡散の防止が必要である。
したがって、バッテリーセルの異常状況の発生時、より迅速に熱暴走及び熱伝播を抑制することができるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーラック及び電力貯蔵装置が求められる。
本発明は、バッテリーセルの異常状況の発生時、より迅速に熱暴走及び熱伝播を抑制することができるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーラック及び電力貯蔵装置を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明は、バッテリーモジュールであって、少なくとも一つのバッテリーセルと、前記少なくとも一つのバッテリーセルを収容するためのモジュールケースと、前記モジュールケースに備えられ、前記少なくとも一つのバッテリーセルと電気的に接続するリレーユニットと、前記リレーユニットと電気的に接続し、前記モジュールケースの外側に備えられるシャントユニットと、を含むことを特徴とする、バッテリーモジュールを提供する。
バッテリーモジュールは、前記モジュールケースと前記シャントユニットとの間に備えられるヒートシンクを含み得る。
前記シャントユニット及び前記ヒートシンクは、前記モジュールケースの上側に備えられ得る。
前記シャントユニット及び前記ヒートシンクは、前記モジュールケースの下側に備えられ得る。
前記モジュールケースと前記シャントユニットとの間に備えられる断熱ユニットを含み得る。
前記シャントユニット及び前記断熱ユニットは、前記モジュールケースの上側に備えられ得る。
前記シャントユニット及び前記断熱ユニットは、前記モジュールケースの下側に備えられ得る。
なお、本発明は、バッテリーラックであって、前述した実施例による少なくとも一つのバッテリーモジュールと、前記少なくとも一つのバッテリーモジュールを収容するラックケースと、を含む、バッテリーラックを提供する。
前記シャントユニットは、前記ラックケースの上側に備えられ、前記バッテリーラックは、前記ラックケースと前記シャントユニットとの間に備えられ、前記ラックケースの上面に取り付けられる断熱ユニットを含み得る。
また、本発明は、電力貯蔵装置であって、前述した実施例による少なくとも一つのバッテリーラックを含むことを特徴とする電力貯蔵装置を提供する。
以上のような多様な実施例によって、バッテリーセルの異常状況の発生時、より迅速に熱暴走及び熱伝播を抑制することができるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーラック及び電力貯蔵装置を提供することができる。
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説明するための図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。 本発明のさらに他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。 本発明のさらに他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。 本発明の一実施例によるバッテリーラックを説明するための図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーラックを説明するための図である。 本発明の一実施例による電力貯蔵装置を説明するための図である。
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。ここで説明される実施例は、発明の理解を助けるために例示的に示したものであり、本発明は、ここで説明する実施例とは相違に多様に変形して実施できることを理解せねばならない。なお、発明の理解を助けるために、添付の図面は、実際の縮尺ではなく一部構成要素が誇張または省略されるか、概略的に示されることがある。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。
図１を参照すると、バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル１００、モジュールケース２００、冷却ファン３００、リレーユニット４００、シャントユニット（ｓｈｕｎｔ ｕｎｉｔ）５００及びヒートシンク６００を含み得る。
前記バッテリーセル１００は、二次電池であって、パウチ型二次電池、角形二次電池または円筒型二次電池として備えられ得る。以下、本実施例では、前記バッテリーセル１００がパウチ型二次電池であると仮定して説明する。
このようなバッテリーセル１００は、少なくとも一つまたはそれ以上の複数個が設けられ得る。前記バッテリーセル１００が複数個で設けられる場合、前記複数個のバッテリーセル１００は、相互に電気的に接続するように積層され得る。
前記モジュールケース２００は、前記少なくとも一つまたはそれ以上の複数個のバッテリーセル１００を収容し得る。そのために、前記モジュールケース２００には、前記少なくとも一つまたはそれ以上の複数個のバッテリーセル１００を収容できる収容空間が設けられ得る。
前記冷却ファン３００は、前記少なくとも一つまたはそれ以上の複数個のバッテリーセル１００を冷却するためのものであって、前記モジュールケース２００に取り付けられ得る。このような冷却ファン３００は、空冷式の送風ファンとして備えられ得る。
前記リレーユニット４００は、前記モジュールケース２００に備えられ、前記少なくとも一つまたはそれ以上の複数個のバッテリーセル１００と電気的に接続し得る。このようなリレーユニット４００は、後述するシャントユニット５００と電気的に接続し、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の異常状況による過電流の発生時に動作され、異常状況で発生したバッテリーセル１００の電流を前記シャントユニット５００側へ誘導できる。
前記シャントユニット５００は、前記リレーユニット４００と電気的に接続し、前記モジュールケース２００の外側に備えられ得る。具体的には、前記シャントユニット５００は、前記モジュールケース２００の下側で前記モジュールケース２００と所定の距離で離隔して配置され得る。
このようなシャントユニット５００は、異常状況が発生したバッテリーセル１００と接続したリレーユニット４００が動作するとき、異常状況が発生したバッテリーセル１００を迅速に外部短絡させることができる。
前記ヒートシンク６００は、前記モジュールケース２００と前記シャントユニット５００との間に備えられ得る。具体的には、前記ヒートシンク６００は、前記モジュールケース２００の下側で、前記モジュールケース２００と前記シャントユニット５００との間に備えられ得る。
このようなヒートシンク６００は、水冷式または空冷式構造で設けられ得、前記外部短絡時、前記シャントユニット５００で発生する熱の前記モジュールケース２００側への伝達を最小化することができる。
このように、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル１００の少なくとも一つで異常状況が発生する場合、前記リレーユニット４００及び前記シャントユニット５００を通じて、迅速に前記モジュールケース２００の外側で外部短絡させ、火事や爆発などを未然に防止することができる。
また、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、前記リレーユニット４００及び前記シャントユニット５００による外部短絡を通じて、異常状況が発生したバッテリーセル１００による熱暴走及び熱伝播の危険をバッテリーモジュール１０単位で効果的に防止することができる。
図２は、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。
本実施例によるバッテリーモジュール２０は、前述した実施例の前記バッテリーモジュール１０と類似であるので、以下、前述した実施例と実質的に同一または類似の構成については重複する説明を省略し、前述した実施例との相違点を中心にして説明する。
図２を参照すると、前記バッテリーモジュール２０は、バッテリーセル１００、モジュールケース２００、冷却ファン３００、リレーユニット４００、シャントユニット５０５及びヒートシンク６０５を含み得る。
前記バッテリーセル１００、前記モジュールケース２００、前記冷却ファン３００及び前記リレーユニット４００は、前述した実施例と実質的に同一または類似であるので、以下、重複する説明を省略する。
前記シャントユニット５０５及び前記ヒートシンク６０５は、前記モジュールケース２００の上側に備えられ得る。このように、前記シャントユニット５０５及び前記ヒートシンク６０５は、前記モジュールケース２００の下側のみならず、上側にも備えられ得、前記シャントユニット５０５が前記モジュールケース２００の外側で前記モジュールケース２００から離隔可能であれば、前記モジュールケース２００の左側や右側にも備えられ得る。
図３は、本発明のさらに他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。
本実施例によるバッテリーモジュール３０は、前述した実施例の前記バッテリーモジュール１０と類似であるので、以下、前述した実施例と実質的に同一または類似の構成については重複する説明を省略し、前述した実施例との相違点を中心にして説明する。
図３を参照すると、前記バッテリーモジュール３０は、バッテリーセル１００、モジュールケース２００、冷却ファン３００、リレーユニット４００、シャントユニット５００及び断熱ユニット７００を含み得る。
前記バッテリーセル１００、前記モジュールケース２００、前記冷却ファン３００、前記リレーユニット４００及び前記シャントユニット５００は、前述した実施例と実質的に同一または類似であるので、以下、重複する説明を省略する。
前記断熱ユニット７００は、前記モジュールケース２００と前記シャントユニット５００との間に備えられ得る。具体的には、前記断熱ユニット７００と前記シャントユニット５００は、前記モジュールケース２００の下側に備えられ得、前記断熱ユニット７００は、前記モジュールケース２００の下側で前記シャントユニット５００を前記モジュールケース２００から所定の距離で離隔させ得る。
このような断熱ユニット７００は、前記シャントユニット５００を介した外部短絡時、発生する熱の前記モジュールケース２００側への伝達を防止することができる。そのために、前記断熱ユニット７００は、セラミック断熱材や繊維断熱材であり得る。
このように、本実施例では、前記ヒートシンクの代わりに前記断熱ユニット７００を通じて、前記外部短絡時、前記シャントユニット５００から前記モジュールケース２００側への熱伝達を効果的に防止することができる。
図４は、本発明のさらに他の実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図である。
本実施例によるバッテリーモジュール４０は、前述した実施例の前記バッテリーモジュール３０と類似であるので、以下、前述した実施例と実質的に同一または類似の構成については重複する説明を省略し、前述した実施例との相違点を中心にして説明する。
図４を参照すると、前記バッテリーモジュール４０は、バッテリーセル１００、モジュールケース２００、冷却ファン３００、リレーユニット４００、シャントユニット５０５及び断熱ユニット７０５を含み得る。
前記バッテリーセル１００、前記モジュールケース２００、前記冷却ファン３００及び前記リレーユニット４００は、前述した実施例と実質的に同一または類似であるので、以下、重複する説明を省略する。
前記シャントユニット５０５及び前記断熱ユニット７０５は、前記モジュールケース２００の上側に備えられ得る。このように、前記シャントユニット５０５及び前記断熱ユニット７０５は、前記モジュールケース２００の下側ではなく、上側にも備えられ得、前記シャントユニット５０５が前記モジュールケース２００の外側で前記モジュールケース２００から離隔可能であれば、前記モジュールケース２００の左側や右側にも備えられ得る。
図５は、本発明の一実施例によるバッテリーラックを説明するための図である。
図５を参照すると、バッテリーラック１は、前述した実施例の少なくとも一つまたはそれ以上の複数個のバッテリーモジュール１０、前記少なくとも一つまたはそれ以上の複数個のバッテリーモジュール１０を収容するラックケース５０及び前記バッテリーラック１の管理及び制御などのためのＢＭＳユニット７０を含み得る。
本実施例による前記バッテリーラック１は、前述した実施例の前記バッテリーモジュール１０を含むことで、前述した実施例の前記バッテリーモジュール１０の長所を全て含むバッテリーラック１を提供できる。
一方、前記バッテリーラック１０は、前記バッテリーモジュール１０の外にも前述した実施例の前記バッテリーモジュール２０、３０、４０を含み得、この際、前述した実施例の前記バッテリーモジュール２０、３０、４０の長所を全て含むバッテリーラック１を提供することもできる。
図６は、本発明の他の実施例によるバッテリーラックを説明するための図である。
本実施例によるバッテリーラック２は、前述した実施例の前記バッテリーラック１と類似であるので、以下、前述した実施例と実質的に同一または類似の構成については重複する説明を省略し、前述した実施例との相違点を中心にして説明する。
図６を参照すると、前記バッテリーラック２は、複数個のバッテリーモジュール１５、ラックケース５０、ＢＭＳユニット７０及び断熱ユニット８０を含み得る。
前記複数個のバッテリーモジュール１５は、各々、バッテリーセル１００、モジュールケース２００、冷却ファン３００及びリレーユニット４００を含み得る。前記バッテリーセル１００、前記モジュールケース２００、前記冷却ファン３００及び前記リレーユニット４００は、前述した実施例と実質的に同一または類似であるので、以下、重複する説明を省略する。
一方、前記複数個のバッテリーモジュール１５は、シャントユニット５５０を含み得る。
前記シャントユニット５５０は、前記複数個のバッテリーモジュール１５のリレーユニット４００と統合的に接続し、前記ラックケース５０の上側で前記ラックケース５０から離隔するように配置され得る。
前記ラックケース５０は、前記複数個のバッテリーモジュール１５を収容し得る。このような前記ラックケース５０は、前記複数個のバッテリーモジュール１５を上下方向へ積層し得る。
前記ＢＭＳユニット７０は、前記複数個のバッテリーモジュール１５と電気的に接続し、前記バッテリーラック２を管理及び制御し得る。具体的には、前記ＢＭＳユニット７０は、前記複数個のバッテリーモジュール１５の前記バッテリーセル１００と前記リレーユニット４００と電気的に接続し得、複数個のバッテリーモジュール１５の前記リレーユニット４００の動作などを制御することができる。
前記断熱ユニット８０は、前記ラックケース５０と前記シャントユニット５５０との間に備えられ、前記ラックケース５０の上面に取り付けられ得る。このような断熱ユニット８０は、前記シャントユニット５５０を通じる外部短絡時に発生する熱が、前記ＢＭＳユニット７０側へ伝達することを効果的に防止することができる。
一方、前記断熱ユニット８０の代りに前述した実施例の前記ヒートシンクや所定のエアギャップを通じても前記シャントユニット５５０から前記ＢＭＳユニット７０側への熱伝達を防止することができる。
本実施例の場合、前記バッテリーモジュール１５の少なくとも一つのバッテリーモジュール１５の異常状況の発生による過熱が発生する場合、前記ＢＭＳユニット７０は、前記異常状況が発生したバッテリーモジュール１５のリレーユニット４００を動作させて、前記シャントユニット５５０を通じて異常状況が発生したバッテリーモジュール１５を外部短絡させることができる。
このように、本実施例による前記バッテリーラック２は、前記バッテリーモジュール１５の少なくとも一つのバッテリーモジュール１５の異常状況の発生時、前記異常状況が発生したバッテリーモジュール１５のみを外部短絡させることで、異常状況の発生時におけるバッテリーモジュール１５の損失を最小化することができる。
また、本実施例による前記バッテリーラック２は、前記シャントユニット５５０が前記バッテリーラック２の単位で一つのみが備えられるため、前記バッテリーラック２の製造コストを節減すると共に、システム全体をより簡素化することができる。
図７は、本発明の一実施例による電力貯蔵装置を説明するための図である。
図７を参照すると、電力貯蔵装置Ｅは、エネルギー源として、家庭用または産業用に用いられ得る。このような電力貯蔵装置Ｅは、前述した実施例の少なくとも一つ、本実施例の場合、複数個のバッテリーラック１、及び前記複数個のバッテリーラック１を収容するラックコンテナＣを含み得る。
本実施例による前記電力貯蔵装置Ｅは、前述した実施例の前記バッテリーラック１を含むことから、前述した実施例の前記バッテリーラック１の長所を全て含む電力貯蔵装置Ｅを提供することができる。
一方、前記バッテリーラック１は、電気自動車、ハイブリッド自動車などの自動車にも備えられ得、この場合、前述した実施例の前記バッテリーラック１の長所を全て含む自動車を提供することができることは勿論である。
また、前記バッテリーラック１の以外の前述した実施例の前記バッテリーラック２も、前記電力貯蔵装置Ｅや前記自動車に備えられ得、この場合にも、前述した実施例の前記バッテリーラック２の長所を全て含む電力貯蔵装置Ｅや自動車を提供することができる。
以上のような多様な実施例によって、バッテリーセル１００の異常状況の発生時、より迅速に熱暴走及び熱伝播を抑制することができるバッテリーモジュール１０、１５、２０、３０、４０、それを含むバッテリーラック１、２及び電力貯蔵装置Ｅを提供することができる。
以上、本発明の望ましい実施例について図示及び説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該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多様に変形できることは言うまでもなく、かかる変形は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはいけない。
１ バッテリーラック
２ バッテリーラック
１０ バッテリーモジュール
１５ バッテリーモジュール
２０ バッテリーモジュール
３０ バッテリーモジュール
４０ バッテリーモジュール
５０ ラックケース
７０ ＢＭＳユニット
８０ 断熱ユニット
１００ バッテリーセル
２００ モジュールケース
３００ 冷却ファン
４００ リレーユニット
５００ シャントユニット
５０５ シャントユニット
５５０ シャントユニット
６００ ヒートシンク
６０５ ヒートシンク
７００ 断熱ユニット
７０５ 断熱ユニット

Claims (9)

  1. バッテリーモジュールであって、
    少なくとも一つのバッテリーセルと、
    前記少なくとも一つのバッテリーセルを収容するためのモジュールケースと、
    前記モジュールケースに備えられ、前記少なくとも一つのバッテリーセルと電気的に接続するリレーユニットと、
    前記リレーユニットと電気的に接続し、前記モジュールケースの外側に備えられるシャントユニットと、
    前記モジュールケースと前記シャントユニットとの間に備えられて、前記シャントユニットから前記モジュールケースへの熱伝達を抑制する水冷式または空冷式構造のヒートシンクと、を含むことを特徴とする、バッテリーモジュール。
  2. 前記シャントユニット及び前記ヒートシンクは、
    前記モジュールケースの上側に備えられることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記シャントユニット及び前記ヒートシンクは、
    前記モジュールケースの下側に備えられることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記モジュールケースと前記シャントユニットとの間に備えられる断熱ユニットを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記シャントユニット及び前記断熱ユニットは、
    前記モジュールケースの上側に備えられることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記シャントユニット及び前記断熱ユニットは、
    前記モジュールケースの下側に備えられることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の少なくとも一つのバッテリーモジュールと、
    前記少なくとも一つのバッテリーモジュールを収容するラックケースと、を含む、バッテリーラック。
  8. 前記シャントユニットは、前記ラックケースの上側に備えられ、
    前記バッテリーラックは、前記ラックケースと前記シャントユニットとの間に備えられ、前記ラックケースの上面に取り付けられる断熱ユニットを含むことを特徴とする、請求項７に記載のバッテリーラック。
  9. 請求項７又は８に記載の少なくとも一つのバッテリーラックを含む、電力貯蔵装置。
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