JP7405981B2 - バッテリーラック及びそれを含む電力貯蔵装置 - Google Patents

バッテリーラック及びそれを含む電力貯蔵装置 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーラック及びそれを含む電力貯蔵装置に関し、より詳しくは、複数のバッテリーパックのうち一部で火災や熱暴走が発生した場合、隣接した他のバッテリーパックに火災や熱が伝播することを効果的に防止できるバッテリーラックに関する。
本出願は、２０２０年３月２６日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００３７０３２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。
現在、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、リチウム二次電池などの二次電池が商用化しているが、中でもリチウム二次電池はニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であって、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は、主に、リチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質が塗布された正極板と負極活物質が塗布された負極板とがセパレータを介在して配置された電極組立体、及び電極組立体を電解液とともに封止収納する外装材、例えば電池パウチ外装材を備える。
近年、携帯型電子機器のような小型装置だけでなく、自動車や電力貯蔵装置のような中大型装置にも二次電池が広く適用されている。中大型装置に適用される場合、容量及び出力を高めるため、多数の二次電池が電気的に接続される。特に、このような中大型装置には、積層し易いという長所からパウチ型二次電池が多く用いられている。
一方、近年、エネルギー貯蔵源としての活用を始めとして大容量構造に対する必要性が高くなるとともに、電気的に直列及び／または並列で接続された多数の二次電池、及びこのような二次電池を内部に収容したバッテリーパック及びバッテリー管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を備えたバッテリーラックに対する需要が増加している。
このようなバッテリーラックは、一般に、複数のバッテリーパックを外部衝撃から保護するか又は収納保管するため、金属材質のラックケースを備える。さらに、近年、高容量のバッテリーラックの需要が高くなり、多数のバッテリーパックが収納されたバッテリーラックに対する要求が伸びている。
しかし、従来のバッテリーラックは、複数のバッテリーパックのうちいずれか一つのバッテリーパックの二次電池で熱暴走や火災が発生すると、隣接したバッテリーパックに熱が伝達されて２次熱暴走や２次火災などが起きるおそれがあるため、それを防止するための努力が重ねられている。
特に、熱暴走や火災が発生したバッテリーパックは、その体積が膨張して隣接した他のバッテリーパックと接触し得るため、このような接触によって熱伝達の速度が急激に速まり、熱暴走や火災の伝播速度が一層速くなる問題がある。
上記の問題を避けようとして複数のバッテリーパック同士を離隔して配置すると、一つのバッテリーラックに収容可能なバッテリーパックの個数が減少し、バッテリーラック全体のエネルギー密度が低減するため、バッテリーパック同士を離隔させるには限界がある。
本発明は、上記の問題点を解決するために創案されたものであって、複数のバッテリーパックのうち一部で火災や熱暴走が発生した場合、隣接した他のバッテリーパックに火災や熱が伝播することを効果的に防止できるバッテリーラックを提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の目的を達成するため、本発明の一態様によるバッテリーラックは、
複数のバッテリーパックと、
複数のバッテリーパックが上下に互いに離隔して収納されて複数のバッテリーパック同士の間が上下に連通するように開放された構造を有する収納空間を備え、収納空間には、複数のバッテリーパックと離隔して複数のバッテリーパック同士の間に位置し、バッテリーパックの体積が膨張する場合、バッテリーパックの体積膨張を阻止するように構成されたストッパが備えられたラックケースと、を含む。
また、ラックケースは、収納空間を形成するように構成された上面壁、下面壁、左側壁、右側壁及び背面壁を備える。
さらに、ストッパは、左側壁、右側壁及び背面壁のうち少なくとも一つから水平方向に延びたビーム形態であり得る。
そして、ストッパは、ビーム形態の垂直断面が四角形状、Ｉ字状またはＨ字状であり得る。
さらに、ストッパは、バッテリーパックの体積が膨張する場合、バッテリーパックを押し付けるように構成された本体部と、背面壁、左側壁及び右側壁のうち少なくとも一つに結合された固定部と、を備え得る。
また、ラックケースは、複数のバッテリーパックそれぞれの下部を上方に支持するように構成された複数の棚プレートをさらに備え得る。
さらに、ストッパの本体部は、棚プレートに連結されて下方に段差を設けた段差構造を有し得る。
そして、ラックケースは、バッテリーパックの下面と棚プレートとの間に介在され、所定温度以上で固体から液体に相変化するように構成された支え部材をさらに備え得る。
さらに、ラックケースは、
ストッパの上部または下部に位置し、熱伝導を遮断するように構成された断熱パッドをさらに備え得る。
また、ラックケースは、
ストッパの上部または下部に位置し、熱を吸収するように構成された冷却パッドをさらに備え得る。
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の他の一態様による電力貯蔵装置は、上述したバッテリーラックを少なくとも一つ含む。
本発明の一態様によれば、本発明のバッテリーラックは、複数のバッテリーパック、及び複数のバッテリーパックが上下に互いに離隔して収納されて複数のバッテリーパック同士の間が上下に連通するように開放された構造を有する収納空間を備え、収納空間に一部のバッテリーパックの体積膨張を阻止するように構成されたストッパが備えられたラックケースを含むことで、熱暴走や火災によって内部の複数の二次電池の体積が膨張してバッテリーパックの大きさが変形される場合、ストッパによって変形の発生したバッテリーパックが上部や下部に位置した他のバッテリーパックと接触することを阻止できるため、熱暴走や火災が発生したバッテリーパックから隣接した他のバッテリーパックに熱が伝達されて他のバッテリーパックに熱暴走や火災が伝播することを防止することができる。
また、本発明の一態様によれば、本発明のバッテリーラックは、ストッパの上部または下部に位置し、熱伝導を遮断するように構成された断熱パッドをさらに備えることで、熱暴走や火災が発生したバッテリーパックから上段または下段に位置した他のバッテリーパックに熱が伝達されることを遮断することができる。
そして、本発明の一態様によれば、本発明のバッテリーラックは、バッテリーパックの下面と棚プレートとの間に介在され、所定温度以上で固体から液体に相変化するように構成された支え部材をさらに備えることで、複数のバッテリーパックのうち一部のバッテリーパックで熱暴走や火災が発生する場合、発生した熱によって支え部材が薄くなりながら熱暴走や火災が発生したバッテリーパックの位置を下方に移動させることができる。これにより、熱暴走や火災が発生して体積が膨張したバッテリーパックが隣接した他のバッテリーパックと接触することを防止し、熱伝導量を効果的に減らすことができる。結果的に、一部のバッテリーパックで熱暴走や火災が発生しても、隣接した他のバッテリーパックに熱暴走や火災が伝播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ものであるため、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。
本発明の一実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した前方斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部構成であるバッテリーパックを概略的に示した前方斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部構成であるバッテリーパックのセルアセンブリを概略的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部のバッテリーパックの体積膨張を概略的に示した正面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部構成であるラックケースを概略的に示した斜視図である。 図６のＣ－Ｃ’線に沿って切断したバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図である。 本発明の第２実施形態によるバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図である。 本発明の第３実施形態によるバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図である。 本発明の第４実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の第５実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の第６実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の第６実施形態によるバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図である。 本発明の第７実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の第８実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の第９実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の第１０実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。 本発明の実験に使われた熱暴走が発生したバッテリーパックの温度変化グラフである。 本発明の実験に使われた比較例のバッテリーパックの温度変化グラフである。 本発明の実験に使われた実施例のバッテリーパックの温度変化グラフである。
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１は本発明の一実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した前方斜視図であり、図２は本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部構成であるバッテリーパックを概略的に示した前方斜視図であり、図３は本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部構成であるバッテリーパックのセルアセンブリを概略的に示した斜視図である。参考までに、図１において、Ｘ軸方向は左右方向を意味し、Ｙ軸方向は前後方向を意味し、Ｚ軸方向は上下方向を意味する。
図１～図３を参照すると、本発明のバッテリーラック３００は、複数のバッテリーパック２００及びラックケース３１０を含む。
まず、複数のバッテリーパック２００は、上下に配列された形態でラックケース３１０に収容されるように構成され得る。また、複数のバッテリーパック２００は、パックハウジング２１０、モジュールＢＭＳ２３０、及びパックハウジング２１０の内部に備えられ、一方向に積層された複数の二次電池１１０を有するセルアセンブリ１００を備え得る。ここで、モジュールＢＭＳ２３０は、バッテリーパック２００の電流及び温度を測定し、複数の二次電池１１０の充放電を制御するように構成され得る。
また、バッテリーパック２００の前端には二つの外部入出力端子２２１が備えられ得る。二つの外部入出力端子２２１のうち一方は極性が正であり、他方は極性が負である。
具体的には、二次電池１１０は、パウチ型二次電池１１０であり得る。例えば、図３に示されたように、Ｆ方向（図１を参照）から眺めたとき、セルアセンブリ１００は２１個のパウチ型二次電池１１０が前後方向に並んで積層されて構成され得る。
一方、本明細書では、特に言及しない限り、上、下、前、後、左、右の方向に対してＦ方向から眺めたときを基準とする。
さらに、図３のように、Ｆ方向から眺めたとき、正極リード１１２と負極リード１１１とは、二次電池１１０のパウチ１１６の中心を基準にして互いに反対方向である左右方向の端部に形成され得る。すなわち、正極リード１１２は、二次電池１１０の中心を基準にして一端部（左端部）に備えられ得る。また、負極リード１１１は、二次電池１１０の中心を基準にして他端部（右端部）に備えられ得る。
しかし、本発明によるバッテリーパック２００には、上述したパウチ型二次電池１１０のみに限定されず、本願発明の出願時点で公知の多様な二次電池１１０が採用され得る。
以下、「水平方向」とは、バッテリーパック２００を地面においたとき、地面に平行な方向を意味し、上下方向に垂直な平面上の少なくとも一方向であるとも言える。
バッテリーパック２００は、複数の二次電池１１０を電気的に接続するように構成された少なくとも一つのバスバー（図示せず）を備え得る。具体的には、バスバーは、伝導性金属を含み得、例えば、銅、アルミニウム、ニッケルなどを含み得る。
図４は本発明の一実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図であり、図５は本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部のバッテリーパックの体積膨張を概略的に示した正面図であり、図６は本発明の一実施形態によるバッテリーラックの一部構成であるラックケースを概略的に示した斜視図である。
図１とともに図４～図６をさらに参照すると、本発明のラックケース３１０は、内部に複数のバッテリーパック２００が上下に互いに離隔して収納され得る。ラックケース３１０は、複数のバッテリーパック２００同士の間が上下に連通するように開放された構造を有する収納空間３１２を備え得る。例えば、ラックケース３１０は、収納空間３１２を形成する外壁を有し得る。外壁は、上面壁３１０ａ、下面壁３１０ｂ、左側壁３１０ｃ、右側壁３１０ｄ及び背面壁３１０ｅを備え得る。
また、ラックケース３１０の収納空間３１２には、上下方向に配列された複数の棚プレート３１８が左側壁３１０ｃの内面及び右側壁３１０ｄの内面にそれぞれ備えられ得る。複数の棚プレート３１８に複数のバッテリーパック２００が上下方向に所定の間隔で離隔して配置され得る。そして、左右両側に配置された棚プレート３１８の間は、複数のバッテリーパック２００同士の間が上下に連通するように開放された構造で形成され得る。このような開放された構造を通じてバッテリーパック２００同士の間で流れる空気が上下に円滑に移動できる。
さらに、収納空間３１２には、図５に示されたように、一部のバッテリーパック２００Ａの体積が膨張する場合、バッテリーパック２００Ａの体積膨張を阻止するように構成された少なくとも一つのストッパ３２０が備えられ得る。例えば、ストッパ３２０は、複数のバッテリーパック２００同士の間に位置し得る。ストッパ３２０は、複数のバッテリーパック２００と上下方向（Ｚ軸方向）に離隔するように位置し得る。例えば、ストッパ３２０は、複数のバッテリーパック２００のうち、上段に位置したバッテリーパック２００よりも下部に位置し、下段に位置したバッテリーパック２００よりも上部に位置し得る。
さらに具体的には、バッテリーパック２００は、内部に複数のパウチ型二次電池１１０が備えられるため、バッテリーパック２００の充放電中に、複数のパウチ型二次電池１１０に熱暴走、火災などの異常挙動が起きる場合、複数のパウチ型二次電池１１０の内部に多量のガスが発生してパウチ型二次電池１１０の体積が膨張することで、内圧によってバッテリーパック２００Ａの外形が膨張及び変形するおそれがある。このとき、本発明のストッパ３２０は、図５に示されたように、バッテリーパック２００の体積膨張を下方または上方に阻止するように構成され得る。
したがって、本発明のこのような構成によれば、本発明のバッテリーラック３００は、複数のバッテリーパック２００、及び複数のバッテリーパック２００が上下に互いに離隔して収納されて複数のバッテリーパック２００同士の間が上下に連通するように開放された構造を有する収納空間３１２を備え、収納空間３１２に一部のバッテリーパック２００Ａの体積膨張を阻止するように構成されたストッパ３２０が備えられたラックケース３１０を含むことで、熱暴走や火災によって内部の複数の二次電池１１０の体積が膨張してバッテリーパック２００の大きさが変形される場合、変形の発生したバッテリーパック２００Ａが上部や下部に位置した他のバッテリーパック２００と接触することをストッパ３２０が阻止できるため、熱暴走や火災が発生したバッテリーパック２００Ａから隣接した他のバッテリーパック２００に熱が伝達されて他のバッテリーパック２００に熱暴走や火災が伝播することを防止することができる。
図７は図６のＣ－Ｃ’線に沿って切断したバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図であり、図８は本発明の第２実施形態によるバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図であり、図９は本発明の第３実施形態によるバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図である。
ここで、図７～図９は、説明の便宜上、ラックケース３１０の外壁及びストッパ３２０のみを示した。
図４及び図６とともに図７を参照すると、本発明のストッパ３２０は、左側壁３１０ｃ、右側壁３１０ｄ及び背面壁３１０ｅのうち少なくとも一つから水平方向に延びたビーム形態であり得る。例えば、図７に示されたように、ストッパ３２０は、ラックケース３１０の背面壁３１０ｅの内面から前方に延びた六面体のビーム形態であり得る。図７には一つのストッパ３２０が示されているが、水平方向に並んだ少なくとも三つ以上のストッパ３２０を備えてもよい。
また、図４及び図６とともに図８を参照すると、第２実施形態によるバッテリーラック３００Ａのストッパ３２０Ａは、ラックケース３１０Ａの左側壁３１０ｃの内面から右側壁３１０ｄの内面まで延びたビーム形態であり得る。すなわち、ストッパ３２０Ａは、平面視でＩ字状のビーム形態であり得る。本発明の第２実施形態による図８のストッパ３２０Ａは、ラックケース３１０Ａの左側壁３１０ｃの内面と右側壁３１０ｄの内面と連結された構造を有しているため、単にラックケース３１０Ａの背面壁３１０ｅと連結された構造の図７のストッパ３２０よりも変形されたバッテリーパック２００をさらに強力に阻止することができる。
さらに、図４及び図６とともに図９を参照すると、第３実施形態によるバッテリーラック３００Ｂのストッパ３２０Ｂは、ラックケース３１０Ｂの背面壁３１０ｅの内面から前方に延びた六面体のビームとラックケース３１０Ｂの左側壁３１０ｃの内面から右側壁３１０ｄの内面まで延びたＩ字状のビームとが互いに連結された十字状の形態であり得る。
したがって、本発明の第３実施形態による図９のストッパ３２０Ｂは、背面壁３１０ｅと連結された六面体のビームと、ラックケース３１０Ｂの左側壁３１０ｃ及び右側壁３１０ｄと連結されたＩ字状のビームとが互いに連結された十字状の形態を有することで、第２実施形態による左側壁３１０ｃ及び右側壁３１０ｄと連結されたストッパ３２０Ａと比べて、より多い連結部分を有し得る。これにより、図９のストッパ３２０Ｂは、図８のストッパ３２０Ａよりも変形されたバッテリーパック２００をさらに強力に阻止することができる。
図４及び図６とともに図７をさらに参照すると、ストッパ３２０は、本体部３２１及び固定部３２３を備え得る。本体部３２１は、バッテリーパック２００の体積が膨張する場合、バッテリーパック２００を押し付けるように構成され得る。例えば、本体部３２１は、バッテリーパック２００の変形が発生する可能性が最も高い中央部分に対応するように位置し得る。
また、固定部３２３は、背面壁３１０ｅ、左側壁３１０ｃ及び右側壁３１０ｄのうち少なくとも一つに結合され得る。例えば、図７を参照すると、図７のストッパ３２０は、バッテリーパック２００の前後方向の中心軸と対応する位置に本体部３２１が備えられ、固定部３２３はラックケース３１０の背面壁３１０ｅの内面と結合された構造を有し得る。このとき、溶接結合またはボルト結合が可能である。
さらに、図８を参照すると、図８のストッパ３２０Ａは、バッテリーパック２００の左右方向の中心軸と対応する位置に本体部３２１が備えられ、固定部３２３はラックケース３１０の左側壁３１０ｃの内面及び右側壁３１０ｄの内面にそれぞれ形成され得る。
そして、図９を参照すると、図９のストッパ３２０Ｂは、バッテリーパック２００の前後方向の中心軸及び左右方向の中心軸と対応する位置に本体部３２１が備えられ、固定部３２３はラックケース３１０の背面壁３１０ｅの内面、左側壁３１０ｃの内面及び右側壁３１０ｄの内面にそれぞれ結合された構造を有し得る。
図１０は、本発明の第４実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。
図１０を参照すると、第４実施形態によるバッテリーラック３００Ｃのラックケース３１０Ｃは断熱パッド３５０をさらに備え得る。断熱パッド３５０は、ストッパ３２０の上部または下部に位置し得る。例えば、断熱パッド３５０は、ストッパ３２０の上面に接着剤（図示せず）を用いて貼り付けられ得る。断熱パッド３５０は、ポリイミドなどの耐熱性樹脂、グラスウールやロックウールなどの繊維質、及び／またはセラミック材質を含む断熱材を備え得る。
したがって、本発明のこのような構成によれば、本発明のラックケース３１０Ｃは、ストッパ３２０の上部または下部に位置し、熱伝導を遮断するように構成された断熱パッド３５０をさらに備えることで、熱暴走や火災が発生したバッテリーパック２００から上段または下段に位置した他のバッテリーパック２００に熱が伝達されることを断熱パッド３５０が遮断することができる。
図１１は、本発明の第５実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。
図１１を参照すると、本発明の第５実施形態によるバッテリーラック３００Ｄのラックケース３１０Ｄは、ストッパ３２０の上部または下部に冷却パッド３６０をさらに備え得る。冷却パッド３６０は、熱を吸収するように構成され得る。例えば、冷却パッド３６０は、熱を吸収して気化する冷媒（図示せず）を含み得る。例えば、冷媒は、水、フレオン系冷媒、アンモニア、アセトン、メタノール、エタノール、ナフタレン、硫黄または水銀などであり得る。
したがって、本発明のこのような構成によれば、本発明のラックケース３１０Ｄは、ストッパ３２０の上部または下部に位置し、熱を吸収するように構成された冷却パッド３６０をさらに備えることで、冷却パッド３６０が熱暴走や火災が発生したバッテリーパック２００で発生した熱を吸収し、上段に位置した他のバッテリーパック２００に熱が伝達されることを遮断することができる。
図１２は本発明の第６実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図であり、図１３は本発明の第６実施形態によるバッテリーラックの一部構成を示した水平断面図である。ここで、図１３には、説明の便宜上、バッテリーラックの外壁、棚プレート及びストッパの一部のみを示した。
図１２及び図１３を参照すると、本発明の第６実施形態のバッテリーラック３００Ｅのラックケース３１０Ｅは、複数の棚プレート３１８を備える。複数の棚プレート３１８は、それぞれ、複数のバッテリーパック２００それぞれの下部を上方に支持するように構成され得る。例えば、図１２に示されたように、一対の棚プレート３１８がラックケース３１０Ｅの左側壁３１０ｃの内面及び右側壁３１０ｄの内面にそれぞれ結合され得る。このとき、一つのバッテリーパック２００の下部の両端が一対の棚プレート３１８のそれぞれの上部に載置され得る。このようにラックケース３１０Ｅには、５個のバッテリーパック２００が所定の間隔で離隔して載置されるように総１０個の棚プレート３１８が備えられ得る。
また、図１３に示されたように、本発明の第６実施形態のラックケース３１０Ｅのストッパ３２０Ｅは、棚プレート３１８と連結された本体部３２１Ｅを備え得る。ストッパ３２０Ｅは、棚プレート３１８に載置されたバッテリーパック２００と所定の距離で離隔するように、棚プレート３１８から下方に段差を設けた段差構造３２０ｓを有し得る。例えば、図１２に示されたように、ストッパ３２０Ｅは、本体部３２１Ｅの中央部位を基準にして左右両側に、下方に段差を設けた段差構造３２０ｓが備えられ得る。
したがって、本発明のこのような構成によれば、ストッパ３２０Ｅの本体部３２１Ｅが棚プレート３１８に連結され、下方に段差を設けた段差構造３２０ｓを有することで、ストッパ３２０Ｅが段差構造３２０ｓによってバッテリーパック２００の膨張を弾力的に阻止できるだけでなく、より強い下方の力を発揮することができる。
図１４は、本発明の第７実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。
図１４を参照すると、第７実施形態によるバッテリーラック３００Ｆのラックケース３１０Ｆは、上下方向に所定の厚さを有する支え部材３４０をさらに備え得る。支え部材３４０は、バッテリーパック２００の下面と棚プレート３１８との間に介在され得る。例えば、図１４に示されたように、二つの支え部材３４０が左右側に配置された二つの棚プレート３１８の上面に位置し得る。そして、二つの支え部材３４０の上面には、バッテリーパック２００が載置され得る。
また、支え部材３４０は、所定温度以上で固体から液体に相変化するように構成され得る。例えば、支え部材３４０に含まれる相変化物質の代表的な例としては、安価であって分子量によって相変化温度を調節し易いパラフィンが挙げられる。しかし、必ずしもこのような素材に限定されることはない。パラフィンは、９０℃～２００℃で相変化するように構成され得る（例えば、パラフィン１６３、米国産）。
さらに、支え部材３４０は、バッテリーパック２００の熱暴走や火災時に発生した熱を吸収して相変化し得る。支え部材３４０は、固体から液体に相変化するとき、液体に変化した一部が棚プレート３１８とバッテリーパック２００との間の空間から外部に流れるように構成され得る。これにより、支え部材３４０は、相変化する量が多くなるほどその厚さが薄くなる。また、支え部材３４０の上下方向の厚さが薄くなるほど、バッテリーパック２００の位置が徐々に下がり得る。すなわち、バッテリーパック２００で発生した熱によって支え部材３４０が溶けて流れ、これによってバッテリーパック２００の位置が低くなることで、バッテリーパック２００の体積膨張によるバッテリーパック２００上部の上方への移動を減少させることができる。
したがって、本発明のこのような構成によれば、本発明の他の実施形態によるラックケース３１０Ｆは、バッテリーパック２００の下面と棚プレート３１８との間に介在され、所定温度以上で固体から液体に相変化するように構成された支え部材３４０をさらに備えることで、複数のバッテリーパック２００のうち一部のバッテリーパック２００で熱暴走や火災が発生する場合、発生した熱によって支え部材が薄くなりながら熱暴走や火災が発生したバッテリーパック２００の位置を下方に移動させることができる。これにより、熱暴走や火災が発生して体積が膨張したバッテリーパック２００が隣接した他のバッテリーパック２００と接触することを防止し、熱伝導量を効果的に減らすことができる。結果的に、一部のバッテリーパック２００で熱暴走や火災が発生しても、隣接した他のバッテリーパック２００に熱暴走や火災が伝播することを防止することができる。
図１５は、本発明の第８実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。
図１５を参照すると、図１５のバッテリーラック３００Ｇのストッパ３２０Ｇは、ビーム形態の垂直断面が四角形状であり得る。すなわち、ストッパ３２０Ｇは中空の角管形態であり得る。
したがって、本発明による図１５のストッパ３２０Ｇは、ビーム形態の垂直断面が四角形状であるため、バッテリーパックと接触する場合、ストッパ３２０Ｇの上部または下部がバッテリーパックの体積膨張を阻止でき、内部の空いた空間を通じて空気層を形成できるため、隣接した他のバッテリーパックに熱が伝達されることを効果的に低減させることができる。
図１６は、本発明の第９実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。
図１６を参照すると、第９実施形態によるバッテリーラック３００Ｈのストッパ３２０Ｈは、ビーム形態の垂直断面がＨ字状であり得る。すなわち、ストッパ３２０Ｈは、Ｈ形鋼の形態であり得る。具体的には、ストッパ３２０Ｈは、上下方向に延びた左側プレート３２０Ｈ１、左側プレート３２０Ｈ１から水平方向に延びて地面に平行な形態の水平プレート３２０Ｈ２、及び水平プレート３２０Ｈ２の右側端部から上下方向に延びた右側プレート３２０Ｈ３を備え得る。
したがって、本発明による図１６のストッパ３２０Ｈは、ビーム形態の垂直断面がＨ字状であるため、バッテリーパック２００と接触する場合、ストッパ３２０Ｈの左側プレート３２０Ｈ１及び右側プレート３２０Ｈ３の上端または下端でバッテリーパック２００の体積膨張を阻止でき、左側プレート３２０Ｈ１と右側プレート３２０Ｈ３との間の空いた空間を通じて空気層を形成できるため、隣接した他のバッテリーパック２００に熱が伝達されることを効果的に低減させることができる。
図１７は、本発明の第１０実施形態によるバッテリーラックを概略的に示した正面図である。
図１７を参照すると、図１７のバッテリーラック３００Ｉのストッパ３２０Ｉは、ビーム形態の垂直断面がＩ字状であり得る。具体的には、ストッパ３２０Ｉは、水平方向に延びた上部プレート３２０Ｉ１、上部プレート３２０Ｉ１から下方に延びて地面に垂直に立てられた形態の中間プレート３２０Ｉ２、及び中間プレート３２０Ｉ２の下端から水平方向に延びた下部プレート３２０Ｉ３を備え得る。
したがって、本発明による図１７のバッテリーラック３００Ｉのストッパ３２０Ｉは、ビーム形態の垂直断面がＩ字状であるため、バッテリーパック２００と接触する場合、ストッパ３２０Ｉの上部プレート３２０Ｉ１の上端または下部プレート３２０Ｉ３の下端でバッテリーパック２００の体積膨張を阻止でき、上部プレート３２０Ｉ１と下部プレート３２０Ｉ３との間の空いた空間を通じて空気層を形成できるため、隣接した他のバッテリーパック２００に熱が伝達されることを効果的に低減させることができる。
一方、図１をさらに参照すると、バッテリーラック３００は、複数のバッテリーパック２００の最上部にラックＢＭＳを備え得る。ここで、ラックＢＭＳは、バッテリーラック３００に備えられた複数のバッテリーパック２００の充放電を中央制御するバッテリー管理システムであり得る。
本発明による電力貯蔵装置（図示せず）は、上述した本発明によるバッテリーラック３００を一つ以上含み得る。特に、電力貯蔵装置は、本発明によるバッテリーラック３００を複数含み得る。そして、このような複数のバッテリーラック３００は、ラックバスバー（図示せず）を通じて相互に電気的に接続され得る。本発明による電力貯蔵装置は、スマートグリッドシステムや電気充電スチーションなどの多様な形態で具現され得る。
以下、比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら比較例及び実施例によって制限されるものではない。本発明による実施例は多様な他の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施例に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は、当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
［比較例］
本発明の比較例として、二つのバッテリーパック、及び該二つのバッテリーパックを上下に互いに離隔して配置するように構成されたラックケースを含むバッテリーラックを用意した。このとき、二つのバッテリーパックのうち上部に位置したバッテリーパックの下面に、上下方向の厚さが６ｍｍである断熱部材を設けた。
その後、下部に位置したバッテリーパックに収納された二次電池同士の短絡を誘導して、意図的に熱暴走を発生させた。熱暴走が発生した二次電池の体積が膨張し、それによってバッテリーパックの外観が膨れ上がって体積が膨張し、膨張したバッテリーパックの上面が上部に位置するバッテリーパックの下面に位置した断熱部材に密着した。比較例では、下部バッテリーパックの二次電池の短絡を誘導した後、１５０分間二つのバッテリーパックの温度をそれぞれ測定し、実験結果を図１８及び図１９に示した。このとき、図１８は、熱暴走が発生したバッテリーパックの温度変化を示したグラフである。そして、図１９は、上部に位置したバッテリーパックの温度変化を示したグラフである。
［実施例］
本発明の実施例は、比較例と同様に、二つのバッテリーパック、及び該二つのバッテリーパックを上下に互いに離隔して配置するように構成されたラックケースを含むバッテリーラックを用意した。このとき、二つのバッテリーパックのうち上部に位置したバッテリーパックの下面に、上下方向の厚さが６ｍｍである断熱部材を設けた。
ただし、実施例では、比較例と異なって、ラックケースにストッパがさらに備えられた。このようなストッパは、図５及び図６に示されたように、下部に位置したバッテリーパックの体積が膨張する場合、バッテリーパックの体積膨張を阻止するように二つのバッテリーパック同士の間に位置し、前後方向に長く延びたプレート状である。このとき、ストッパの下面から断熱部材の下面までの距離が２．８ｍｍになるようにした。
その後、二つのバッテリーパックのうち相対的に下部に位置したバッテリーパックに対して意図的に熱暴走を発生させた。比較例と異なって、図５のように、熱暴走が発生した下部に位置したバッテリーパックの体積が膨張したものの、ラックケースに備えられたストッパによってバッテリーパックの体積膨張が阻止された。
本発明の実施例によるバッテリーラックは、このようにストッパによって下部のバッテリーパックの体積膨張が阻止されることで、下部に位置したバッテリーパックが断熱部材と２．８ｍｍだけ離隔した状態を維持することができた。そして、下部バッテリーパックの二次電池の短絡を誘導した後、１５０分間実施例によるバッテリーパックの温度を測定した。熱暴走を誘発させた下部のバッテリーパックは、図１８の温度変化グラフに類似した温度変化の様相を見せた。上部に位置したバッテリーパックの温度変化は図２０に示した。
実験の結果、比較例では、図１８のように、熱暴走が発生したバッテリーパックは、実験開始後約４０分から温度が急激に上昇し、温度が約９００℃まで上昇した。そして、図１９のように、約４０分から熱暴走したバッテリーパックから発生した熱が上部に位置したバッテリーパックに伝導されながらバッテリーパックの温度が徐々に上昇した。その後、約１２０分から上部に位置したバッテリーパックの二次電池で熱暴走が発生し、９００℃以上に温度が上昇したと見られる。
一方、実施例では、図２０のように、熱暴走が発生したバッテリーパックから一部の熱が上部に位置したバッテリーパックに伝達され、約６０分から徐々に温度が上昇し、約１５０分に１００℃を超えたと見られる。すなわち、比較例のバッテリーラックと異なって、実施例のバッテリーラックの上部に位置したバッテリーパックの温度の急激な上昇はなかった。これは、本発明の実施例のバッテリーラックはストッパによって二つのバッテリーパック同士の間に２．８ｍｍ厚さの空気層が維持できるため、空気層による断熱効果が発揮され、上部に位置したバッテリーパックが熱暴走するほどに昇温しなかったためである。したがって、本発明のバッテリーラックは、ラックケースに備えられたストッパを備えることで、複数のバッテリーパック間に熱暴走が伝播することを効果的に防止することができる。
なお、本明細書において、上、下、左、右、前、後のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は説明の便宜のためのものであるだけで、対象となる事物の位置や観測者の位置などによって変わり得ることは、当業者にとって自明である。
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。
３００：バッテリーラック
２００：バッテリーパック
１００：セルアセンブリ
１１０：二次電池
２１０：パックハウジング
３１０：ラックケース
３１２：収納空間
３２０：ストッパ
３２１、３２３：本体部、固定部
３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ：上面壁、下面壁、左側壁、右側壁、背面壁
３５０：断熱パッド
３６０：冷却パッド
３１８：棚プレート
２３０：モジュールＢＭＳ
３２０ｓ：段差構造
３４０：支え部材
２２１：外部入出力端子

Claims (9)

  1. 複数のバッテリーパックと、
    前記複数のバッテリーパックが上下に互いに離隔して収納されて前記複数のバッテリーパック同士の間が上下に連通するように開放された構造を有する収納空間を備え、前記収納空間には、前記複数のバッテリーパックと離隔して前記複数のバッテリーパック同士の間に位置し、前記バッテリーパックの体積が膨張する場合、前記バッテリーパックの体積膨張を阻止するように構成されたストッパが備えられたラックケースと、
    を含み、
    前記ラックケースは、前記収納空間を形成するように構成された上面壁、下面壁、左側壁、右側壁及び背面壁を備え、
    前記ストッパは、前記左側壁、右側壁及び背面壁のうち少なくとも一つから水平方向に延びたビーム形態であり、
    前記ラックケースの背面壁の内面から前方に延びたビームと前記ラックケースの左側壁の内面から右側壁の内面まで延びたビームとが互いに交差して連結された形態を有する、バッテリーラック。
  2. 前記ストッパは、前記ビーム形態の垂直断面が四角形状、Ｉ字状またはＨ字状である、請求項１に記載のバッテリーラック。
  3. 前記ストッパは、前記バッテリーパックの体積が膨張する場合、前記バッテリーパックを押し付けるように構成された本体部と、前記背面壁、左側壁及び右側壁のうち少なくとも一つに結合された固定部と、を備える、請求項１または２に記載のバッテリーラック。
  4. 前記ラックケースは、前記複数のバッテリーパックそれぞれの下部を上方に支持するように構成された複数の棚プレートをさらに備える、請求項３に記載のバッテリーラック。
  5. 前記ストッパの本体部は、前記棚プレートに連結されて下方に段差を設けた段差構造を有する、請求項４に記載のバッテリーラック。
  6. 前記ラックケースは、前記バッテリーパックの下面と前記棚プレートとの間に介在され、所定温度以上で固体から液体に相変化するように構成された支え部材をさらに備える、請求項４または５に記載のバッテリーラック。
  7. 前記ラックケースは、
    前記ストッパの上部または下部に位置し、熱伝導を遮断するように構成された断熱パッドをさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリーラック。
  8. 前記ラックケースは、
    前記ストッパの上部または下部に位置し、熱を吸収するように構成された冷却パッドをさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリーラック。
  9. 請求項１から８のうちいずれか一項に記載のバッテリーラックを少なくとも一つ含む、電力貯蔵装置。
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