JP7378593B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

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Description

[関連出願との相互引用]
本出願は2020年4月1日付韓国特許出願第10-2020-0039760号に基づいた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全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およびこれ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、安定性が強化された電池モジュールおよびこれ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が増加するにつれてエネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。これにより、多様な要求に応えられ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として大容量二次電池構造に対する必要性が高まるにつれて、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大型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。
一方、複数の電池セルを直列/並列に連結して電池パックを構成する場合、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電池パックを構成する方法が一般的である。このような中大型電池モジュールを構成する電池セルは充放電の可能な二次電池から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。
電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するフレーム、前記電池セル積層体の前後面をカバーするエンドプレートを含む。
図1は、従来の電池パックに装着された電池モジュールの発火時の様子を示した図である。図2は、図1のA-A部分であって、従来の電池パックに装着された電池モジュールの発火時、隣接した電池モジュールに影響を及ぼす火炎の様子を示した図である。
図1および図2を参照すれば、従来の電池モジュールは、複数の電池セル10が積層形成された電池セル積層体、電池セル積層体を収容するフレーム20、電池セル積層体の前後面に形成されたエンドプレート30、エンドプレートの外に突出形成された端子バスバー40などを含む。
フレーム20とエンドプレート30は、溶接を通じて密封されるように結合することができる。このように電池セル積層体を収容するフレーム20とエンドプレート30が結合されれば、電池モジュールの過充電時、電池セル10の内部圧力が増加して電池セル10の融着強度限界値を超える場合、電池セル10から発生した高温の熱、ガスおよび火炎が電池セル10の外部に排出されることがある。
この時、高温の熱、ガスおよび火炎はエンドプレート30に形成された開口部を通じて排出されることがあり、エンドプレート30同士が互いに対向するように複数の電池モジュールを配置する電池パック構造で、高温の熱、ガスおよび火炎を噴出する電池モジュールに隣接する電池モジュールに影響を及ぼすことがある。これによって、隣接する電池モジュールのエンドプレート30に形成された端子バスバー40が損傷することがあり、高温の熱、ガスおよび火炎が隣接する電池モジュールのエンドプレート30に形成された開口部を通じて電池モジュールの内部に入って複数の電池セル10に損傷を与えることがある。
本発明が解決しようとする課題は、電池モジュール内発火現象発生時、排出される高温の熱と火炎を分散させることができる電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することである。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は上述の課題に限定されず、本発明に含まれている技術的思想の範囲で多様に拡張できる。
本発明の一実施形態による電池モジュールは複数の電池セルが積層された電池セル積層体が挿入されるモジュールフレーム、および前記電池セル積層体の前後面を覆って前記モジュールフレームと結合されるエンドプレートを含み、前記エンドプレート上に端子バスバー開口部とコネクタ開口部が形成され、前記端子バスバー開口部および前記コネクタ開口部から離隔した前記エンドプレート下端部にベンティング部が形成される。
前記ベンティング部は、前記エンドプレート下端部に形成されるホール構造であってもよい。
前記ホール構造は、前記電池セルから電極リードが突出して出る方向に形成された排出口を有することができる。
前記ホール構造は、前記エンドプレート下端部に向かってガスが排出される排出口を有することができる。
前記ホール構造は、前記エンドプレートを斜めに貫通することができる。
前記ホール構造は、前記エンドプレートの上端部から前記エンドプレートの下端部に近くなる傾斜方向を有することができる。
前記ベンティング部は、前記エンドプレートの下端部に形成されて前記電池セルから電極リードが突出する方向と対応する流入口、および前記流入口を通じて流入したガスを排出する排出口を含み、前記排出口は、前記流入口と垂直な方向に形成できる。
前記ベンティング部は、前記流入口と前記排出口の間に形成されて、前記流入口に流入したガスを前記排出口が位置した方向に案内する連結部をさらに含み、前記連結部は前記エンドプレートの上端部から前記エンドプレートの下端部に近くなる方向に傾斜した構造を有することができる。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、前述の電池モジュールを二つ以上含み、前記電池モジュールのうちの第1電池モジュールと第2電池モジュールはそれぞれ互いに対向する一側に開口部が形成される。
前記第1電池モジュールのベンティング部は、前記第2電池モジュールが位置した方向と対向する一側に形成できる。
実施形態によれば、電池モジュール内熱暴走現象発生時、高温の熱とガスおよび火炎を制御するために、電池モジュールの前面または後面中で端子バスバーより下にベンティング部を形成することによって、隣接した電池モジュールに加えられる被害を最少化することができる。
本発明の効果は以上で言及した効果で制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されるはずである。
従来の電池パックに装着された電池モジュールの発火時の様子を示した図である。 図1のA-Aに沿って切断した部分であって、従来の電池パックに装着された電池モジュールの発火時、隣接した電池モジュールに影響を及ぼす火炎の様子を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。 図3の電池モジュールに含まれる電池セルに対する斜視図である。 図3の電池モジュールが結合された様子を示す斜視図である。 図5の切断線B-Bに沿って切断した断面図である。 図6の電池モジュールの発火時、隣接した電池モジュールに影響を及ぼす火炎の様子を示す図である。 本発明の他の一実施形態による電池モジュールを示す断面図である。 本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールを示す断面図である。 本発明の一実施形態による電池パックを上から見た平面図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態につい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することができるように詳しく説明する。本発明は様々な異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、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一な参照符号を付けるようにする。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されるのではない。図面において様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部層および領域の厚さを誇張されるように示した。
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”あるという時、これは他の部分“の直上に”ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分“の直上に”あるという時には中間に他の部分がないことを意味する。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、必ずしも重力反対方向に向かって“の上に”または“上に”位置することを意味するのではない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を“含む”という時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。
また、明細書全体で、“平面上”という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、“断面上”という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。
図3は、本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。図4は、図3の電池モジュールに含まれる電池セルに対する斜視図である。図5は、図3の電池モジュールが結合された様子を示す斜視図である。図6は、図5の切断線B-Bに沿って切断した断面図である。図7は、図6の電池モジュールの発火時、隣接した電池モジュールに影響を及ぼす火炎の様子を示す図である。
図3~図5を参照すれば、本発明の一実施形態による電池モジュール100は、複数の電池セル110が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、および電池セル積層体120の前後面をそれぞれカバーする第1、2エンドプレート301、302を含む。第1、2エンドプレート301、302は、それぞれパックフレームと結合するためのマウンティング部310を含むことができる。
本実施形態によるエンドプレート301上には端子バスバー開口部320とコネクタ開口部330が形成され、端子バスバー開口部320およびコネクタ開口部330から離隔したエンドプレート301下端部にベンティング部400が形成される。本明細書上でベンティング部400とは、電池モジュール100内部の熱やガスを排出するための部分を意味する。
以下、図4を参照して一つの電池セル110の構成について述べる。
図4を参照すれば、電池セル110は二次電池であって、パウチ型二次電池から構成できる。このような電池セル110は、電極組立体113、セルケース114、および電極組立体113から突出した電極リード111、112を含むことができる。
電極組立体113は、正極板、負極板、およびセパレータなどから構成できる。セルケース114は電極組立体113をパッケージングするためのものであって、樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなり得る。このようなセルケース114は、ケース本体113Bおよびセルテラス116を含むことができる。
ケース本体113Bは、電極組立体113を収容することができる。このために、ケース本体113Bには電極組立体113を収容することができる収容空間が設けられている。セルテラス116はケース本体113Bから延長され、電極組立体113を密封することができるようにシーリングできる。
電極リード111、112は、電極組立体113と電気的に連結できる。このような電極リード111、112は負の電極リード111と正の電極リード112を含む1対として備えられる。一対の電極リード111、112の一部はそれぞれ、セルケース114の前方(+X軸方向)および後方(-X軸方向)でセルテラス116の外に突出し得る。
一方、電池セル110は、セルケース114に電極組立体113を収納した状態でセルケース114の両端部114a、114bとこれらを連結する一側部114cをシーリングすることによって製造できる。言い換えれば、本実施形態による電池セル110は総3箇所のシーリング部114sa、114sb、114scを有し、シーリング部114sa、114sb、114scは熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、残り他の一側部は連結部115からなり得る。
また、連結部115は電池セル110の一周縁に沿って長く伸びており、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の突出部110pが形成できる。また、突出した電極リード111、112を挟んでセルケース114が密封できる。
前述の電池セル110の構成は一例であり、電池セル積層体を構成するための電池セル110形態は多様に変形できる。
電池セル110は複数個で構成でき、複数の電池セル110は相互電気的に連結できるように積層されて電池セル積層体120を形成することができる。電池セル積層体120の上側には上部プレート130が配置でき、電極リード111、112が突出した方向である電池セル積層体120の前面と後面にはそれぞれバスバーフレーム140が配置できる。電池セル積層体120、上部プレート130およびバスバーフレーム140はモジュールフレーム200に共に収容できる。
電池セル積層体120とモジュールフレーム200の下面の間には熱伝導性樹脂が注液でき、注液された熱伝導性樹脂を通じて電池セル積層体120とモジュールフレーム200の下面の間に熱伝導性樹脂層(図示せず)が形成できる。モジュールフレーム200を通じてモジュールフレーム200内部に収容された電池セル積層体120およびこれと連結された部品を外部の物理的衝撃から保護することができる。
バスバーフレーム140は電池セル積層体120の前面と後面にそれぞれ位置して、電池セル積層体120をカバーすると同時に電池セル積層体120と外部機器との連結を案内することができる。具体的には、バスバーフレーム140にはバスバー141および端子バスバー142が装着できる。電池セル110の電極リード111、112がバスバーフレーム140に形成されたスリットを通過した後に曲げられてバスバー141や端子バスバー142と接合できる。バスバー141を通じて電池セル積層体120を構成する電池セル110が直列または並列連結でき、電池モジュール100の外部に露出される端子バスバー142を通じて外部機器や回路と電池セル110が電気的に連結できる。また、バスバーフレーム140にコネクタ(図示せず)が装着でき、センシングアセンブリー(図示せず)を通じて測定された電池セル110の温度や電圧データがコネクタ(図示せず)を通じて外部BMS(Battery Management System)などに伝達できる。
エンドプレート301、302は、電池セル積層体120の前面と後面をカバーするように形成される。具体的には、電池セル積層体120の前面および後面それぞれに第1エンドプレート301と第2エンドプレート302が配置できる。エンドプレート301、302は外部の衝撃からバスバーフレーム140およびこれと連結された様々な電装品を保護することができ、このために所定の強度を有しなければならずアルミニウムのような金属を含むことができる。
エンドプレート301、302にはバスバーフレーム140に装着された端子バスバー142およびコネクタ(図示せず)が外部と連結されるための端子バスバー開口部320およびコネクタ開口部330が形成され、開口部320、330を通じて電池セル110から発生したガスや熱が電池モジュール100の外部に排出できる。エンドプレート301、302とモジュールフレーム200は溶接で結合され、モジュールフレーム200およびエンドプレート301、302内部に位置した複数の電池セル110は、溶接を通じて密封されたエンドプレート301、302とモジュールフレーム200結合構造を通じて、上述の開口部320、330を除いては外部との連結が遮断できる。
従来の電池モジュールは、前述の通り、開口部を通じて電池セルから発生した高温の熱、ガスまたは火炎を排出することができる。しかし、エンドプレート同士が互いに対向するように複数の電池モジュールを配置する電池パック構造で、電池モジュールから噴出された高温の熱、ガスおよび火炎などが隣接の電池モジュールを損傷させることがある。
よって、本実施形態によるエンドプレート301下端部にベンティング部400が形成されて、開口部320、330を通じて排出される熱、ガスおよび火炎などを分散させることができる。このようなベンティング部400は、エンドプレート301下端部に形成されたホール構造であり得る。エンドプレート301下端部は、端子バスバー開口部320およびコネクタ開口部330から離隔した部分である。本実施形態によるホール構造は図3、図5、および図6に示したように、エンドプレート301下端部がy軸に沿って長く切断されたも形状であり得る。このような形状は変形可能であり、一例としてy軸に沿って切断された部分が複数個で形成できる。
ベンティング部400を通じて電池モジュール100内部の排出経路を多様化させて、発火時に電池モジュール100の一部分にのみ排出が集中する現象を防止し、高温の熱、ガスおよび火炎の排出を分散させることができる。特に、ベンティング部400と対向する方向に隣接する他の一つの電池モジュールが配置でき、ベンティング部400と対向する電池モジュール部分には別途の開口部が形成されないようにして、隣接した電池モジュールの被害を最少化することができる。
電池セル110中、電極リード111、112およびそれと隣接したセルテラス116に熱が多く発生し、またセルテラス116が電池モジュール100内部の圧力変化によって密封が解除されながら高温の熱、ガスおよび火炎が排出されることがある。この時、本実施形態によるベンティング部400がエンドプレート301に形成されて、高温の熱、ガスおよび火炎を即刻に電池モジュール100外部に排出することができる。
図示していないが、第2エンドプレート302下端部にもベンティング部500が追加形成できる。
図7は、図6の電池モジュールの発火時、隣接した電池モジュールに影響を及ぼす火炎の様子を示す図である。
図7を参照すれば、図6の実施形態による電池モジュール100が発火するようになると、一次的に端子バスバー開口部320とコネクタ開口部330を通じて電池セル110から発生したガスや熱が電池モジュール100外部に排出されるようになる。ここで、排出されるガスや熱が隣接の電池モジュール100’の開口部320’を通じて伝達されるようになることによって、火炎が容易に伝播し安全性が低下するようになる。しかし、本実施形態によれば、端子バスバー開口部320およびコネクタ開口部330から離隔したエンドプレート301下端部にベンティング部400が形成されることによって、多くのガスと熱を分散させることができる。この時、隣接した電池モジュール100’においてベンティング部400と対向する部分には別途の開口部が形成されないようにして、隣接した電池モジュールの被害を最少化することができる。
図8は、本発明の他の一実施形態による電池モジュールを示す断面図である。
図8を参照すれば、本実施形態によるベンティング部500は、エンドプレート301下端部に向かってガスが排出される排出口を有することができる。一例として、ベンティング部500はホール構造であり、前記ホール構造はエンドプレート301を斜めに貫通することができる。具体的には、斜めに貫通されたベンティング部500の内側流入口は外側排出口よりエンドプレート301の上端部に近く形成され、外側排出口は内側流入口よりエンドプレート301の下端部に近く形成できる。
前記のような構造を通じて、ベンティング部500を通じて排出される熱やガスに自然に方向性を付与することができる。即ち、隣接した電池モジュールの端子バスバー開口部とコネクタ開口部から遠く位置した電池モジュール部分にガスを排出するように誘導することができ、これによってエンドプレート301と隣接した他の電池モジュールの損傷を防止することができる。
また、本実施形態によるベンティング部500は貫通されたホール構造であって別途の追加空間が必要でなく、モジュールフレーム200を貫通することのみで簡単に排出されるガスの方向性を付与することができるという長所がある。
図9は、本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールを示す断面図である。
図9を参照すれば、ベンティング部600は、エンドプレート301の下端部に形成されて電池セル110から電極リード111が突出する方向と対応する流入口610、流入口610を通じて流入したガスを排出する排出口620、および流入口610と排出口620を連結する連結部630を含むことができる。
排出口620は、流入口610と垂直な方向に形成できる。また、連結部630はエンドプレート301から突出した形態を有することができ、傾斜して形成できる。
前記のような構造によって、本実施形態によるベンティング部600は、電池モジュール内部の熱やガスをより確実に図7に示した隣接の電池モジュール100’方向に噴出されないように誘導することができる。即ち、熱やガスの方向性をより確実に付与することができるという長所を有する。また、連結部630が一種の蓋の役割を果たして、外部の異物が電池モジュール内部に入るのを遮断することができる。
一方、前述の本発明の実施形態によるベンティング部400、500、600の個数に特別な制限はなく、一つであってもよく、また複数で構成されてもよい。
図3を再び参照すれば、本発明の実施形態によるモジュールフレーム200は、モノフレームの構造またはU字型フレームとに上部カバーが結合された構造であり得る。まず、モノフレームは上面、下面および両側面が一体化された金属板材の形態であってもよく、押出成形で製造できる。その次に、U字型フレームとに上部カバーが結合された構造の場合、下面および両側面が一体化された金属板材であるU字型フレームの上側に上部カバーを結合して形成でき、プレス成形で製造できる。
図10は、本発明の一実施形態による電池パック1000を上から見た平面図である。
図10を参照すれば、本発明の一実施形態による電池パック1000は、前述の電池モジュール100a、100bを二つ以上含むことができる。
電池モジュール100a、100bはパックフレーム1100に収容でき、BMS(Battery Management System)、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着できる。
第1電池モジュール100aと第2電池モジュール100bはそれぞれ互いに対向する一側に開口部320a、330a、320b、330bが形成できる。
具体的には、第1電池モジュール100aの第1エンドプレート301aと第2電池モジュール100bの第2エンドプレート302bが互いに対向してもよい。この時、第1エンドプレート301aに端子バスバー開口部320aおよびコネクタ開口部330aが形成でき、第2エンドプレート302bに端子バスバー開口部320bおよびコネクタ開口部330bが形成できる。
本実施形態による電池モジュール100aは第1エンドプレート301a下端部に前述のベンティング部を設けることによって、開口部320a、330aを通じて排出される熱、ガスおよび火炎などを減らすことができる。
また、第1電池モジュール100aと隣接し、互いに対向する第2電池モジュール100bに含まれている第2エンドプレート302b下端部には別途ベンティング部を形成しないことによって、第2電池モジュール100bに加えられる損傷を最少化することができる。
本実施形態による電池モジュール100a、100bは、パックフレーム1100の側面部1110から離隔してもよい。図示していないが、電池モジュール100a、100bがモジュールフレーム200側面部とパックフレーム1100の間に形成される支持部材を有することができる。前記支持部材はパックフレーム1100内で電池モジュール100a、100bが流動するのを防止することができる。
前述の本実施形態による電池モジュールや電池パックは多様なデバイスに適用できる。具体的には、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用できるが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。
以上で本発明の好ましい実施形態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のではなく、次の特許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および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。
200:モジュールフレーム
301、302:エンドプレート
400、500、600:ベンティング部
320、330:開口部

Claims (9)

  1. 電池モジュールを二つ以上含む電池パックであって、
    前記電池モジュールは、
    複数の電池セルが積層された電池セル積層体が挿入されるモジュールフレーム、および
    前記電池セル積層体の前後面を覆って前記モジュールフレームと結合されるエンドプレートを含み、
    前記エンドプレート上に端子バスバー開口部とコネクタ開口部が形成され、前記端子バスバー開口部および前記コネクタ開口部から離隔した前記エンドプレート下端部にベンティング部が形成され
    前記電池モジュールのうちの第1電池モジュールと第2電池モジュールはそれぞれ互いに対向する一側に前記端子バスバー開口部及び前記コネクタ開口部が形成される、電池パック
  2. 前記ベンティング部は、前記エンドプレート下端部に形成されるホール構造である、請求項1に記載の電池パック
  3. 前記ホール構造は、前記電池セルから電極リードが突出して出る方向に形成された排出口を有する、請求項2に記載の電池パック
  4. 前記ホール構造は、前記エンドプレート下端部に向かってガスが排出される排出口を有する、請求項2に記載の電池パック
  5. 前記ホール構造は、前記エンドプレートを斜めに貫通する、請求項4に記載の電池パック
  6. 前記ホール構造は、外側排出口より前記エンドプレートの上端部により近く内側流入口が形成されて斜めに貫通する構造を有する、請求項5に記載の電池パック
  7. 前記ベンティング部は、
    前記エンドプレートの下端部に形成されて前記電池セルから電極リードが突出する方向と対応する流入口、および
    前記流入口を通じて流入したガスを排出する排出口を含み、
    前記排出口は、前記流入口と垂直な方向に形成される、請求項1に記載の電池パック
  8. 前記ベンティング部は、
    前記流入口と前記排出口の間に形成されて、前記流入口に流入したガスを前記排出口が位置した方向に案内する連結部をさらに含み、
    前記連結部は、外側排出口より前記エンドプレートの上端部により近く内側流入口が形成されて斜めに貫通する構造を有する、請求項7に記載の電池パック
  9. 前記第1電池モジュールのベンティング部は、前記第2電池モジュールが位置した方向と対向する一側に形成される、請求項1から8のいずれか一項に記載の電池パック。
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