JP7412452B2 - 外部短絡装置及び冷却装置を備えるバッテリーモジュールシステム - Google Patents

外部短絡装置及び冷却装置を備えるバッテリーモジュールシステム Download PDF

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Description

本発明は、外部短絡装置及び冷却装置を備えるバッテリーモジュールシステムに関し、より具体的には、バッテリーモジュールを構成する一部のバッテリーセルで発生した過熱及び／または発火現象が隣接したバッテリーセルに拡散しないように、バッテリーモジュールの内部エネルギーを外部へと放出する外部短絡装置及び外部短絡装置を構成する抵抗体を冷却可能な冷却装置を備えるバッテリーモジュールシステムに関する。
本出願は、２０１９年７月８日付け出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００８２２８９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。
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は、一部のバッテリーセルに短絡が発生するなどの異常が生じて持続的に温度が上昇し、それによりバッテリーセルの温度が臨界温度を超えるようになれば、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で熱暴走現象が発生すれば、安全性の問題が生じ得る。
一部のバッテリーセルで生じた熱暴走現象によって火炎などが発生すれば、これは隣接したバッテリーセルの温度を急激に上昇させ、短時間に隣接したセルへと熱暴走現象が拡散し得る。
結局、一部のバッテリーセルで発生した熱暴走現象またはその兆候を迅速に見つけて対処できなければ、バッテリーセルよりも大容量の電池単位であるバッテリーモジュールまたは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、財産的被害だけでなく安全性の問題までも引き起こすおそれがある。
したがって、バッテリーモジュール内部の一部バッテリーセルで熱暴走現象またはその兆候としての温度上昇及び／またはガス漏れなどが発生する場合、それを迅速に感知してバッテリーモジュールのエネルギーを外部に放出することで、隣接したバッテリーモジュール全体に熱暴走現象が拡散することを防止することが至急に求められている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーモジュール内部の一部バッテリーセルで熱暴走現象またはその兆候としての温度上昇及び／またはガス漏れなどが発生する場合、それを迅速に感知して外部短絡装置を通じてバッテリーモジュールのエネルギーを外部に放出することを目的とする。
また、本発明は、放出されたエネルギーによって温度が上昇する抵抗体を迅速に冷却させることで、外部短絡装置を通じたエネルギー放出による二次的な火事の危険も除去することを他の目的とする。
本発明が解決しようとする技術的課題は上記の課題に制限されず、その他の課題は下記の発明の説明から当業者に明確に理解できるであろう。
上記の課題を達成するため、本発明の一態様によるバッテリーモジュールシステムは、冷却装置と、冷却装置上に位置し、冷却装置と直接または間接的に接触するバッテリーモジュールと、バッテリーモジュールに取り付けられてバッテリーモジュールの温度またはバッテリーモジュールから発生するガスをセンシングするセンサと、センサから送信されるセンシング信号を参照してスイッチングオン／オフ信号を出力するＢＭＳと、バッテリーモジュールの両端の間に接続されてバッテリーモジュールの外部短絡を誘導するものであって、冷却装置上に位置して冷却装置と直接または間接的に接触する抵抗体、及びスイッチングオン／オフ信号に応じてバッテリーモジュールと抵抗体との間を電気的に接続または遮断させるスイッチを含む外部短絡装置と、を含む。
バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体を含み得る。
バッテリーモジュールは、セル積層体の一側及び他側にそれぞれ接続される一対のバスバーフレームを含み得る。
バスバーフレームは、冷却装置に摺動結合され得る。
冷却装置は、その一側に所定の深さで形成された収容溝を備え、収容溝内には熱伝導性プラスチックが充填され得る。
抵抗体は、熱伝導性プラスチック上に位置し、熱伝導性プラスチックと直接または間接的に接触し得る。
冷却装置は、冷却装置と熱伝導性プラスチックとの接触面積が最大になるように、収容溝の底面から突設された複数の放熱フィンを備え得る。
冷却装置は、モジュール冷却装置及びモジュール冷却装置と接続される抵抗冷却装置を含み、バッテリーモジュールはモジュール冷却装置上に位置し、抵抗体は抵抗冷却装置上に位置し得る。
バッテリーモジュールシステムは、モジュール冷却装置と抵抗冷却装置との間に設けられ、モジュール冷却装置と抵抗冷却装置との間の冷却流体の流れを許容または遮断するバルブを含み得る。
ＢＭＳは、センサから送信されるセンシング信号を参照してバルブ開放／閉鎖信号を出力し得る。
本発明の他の一態様によるエネルギー貯蔵装置は、本発明の一態様によるバッテリーモジュールシステムを含む。
本発明のさらに他の一態様による自動車は、本発明の一態様によるバッテリーモジュールシステムを含む。
本発明の一態様によれば、バッテリーモジュール内部の一部バッテリーセルで熱暴走現象またはその兆候としての温度上昇及び／またはガス漏れなどが発生する場合、それを迅速に感知して外部短絡装置を通じてバッテリーモジュールのエネルギーを外部に放出できることで、二次電池の使用上の安全性を確保することができる。
また、本発明の一態様によれば、放出されたエネルギーによって温度が上昇する抵抗体を迅速に冷却させることで、外部短絡装置を通じたエネルギー放出による二次的な火事危険も除去することができる。
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モジュールシステムを示した概念図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールシステムに適用されるバッテリーモジュールを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モジュールシステムに適用されるバッテリーモジュールと冷却装置との結合関係を示した図である。 本発明の一実施形態による冷却装置と抵抗体との結合構造を示した図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールシステムを示した概念図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求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を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールシステムは、バッテリーモジュール１００、冷却装置２００、外部短絡装置３００、センサ４００及びＢＭＳ５００を含む。
図１及び図２を一緒に参照すると、バッテリーモジュール１００は、冷却装置２００上に位置し、複数のバッテリーセル１１０が積層されて形成されたセル積層体、及びセル積層体の両側にそれぞれ結合されるバスバーフレーム１２０を含む。
バッテリーモジュール１００は、冷却装置２００と直接または間接的に接触し、バッテリーモジュール１００で発生した熱が冷却装置２００を通じて外部に放出される。バッテリーモジュール１００と冷却装置２００との間には、両構成要素間の接触面積を広げるためのシート状のＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ、熱伝導材料）６００が介在され得る。
バッテリーセル１１０は、例えばパウチ型バッテリーセルが適用され得る。バッテリーセル１１０は、長手方向両側からそれぞれ引き出される一対の電極リード１１１を備える。
バスバーフレーム１２０は、一対で備えられ、それぞれのバスバーフレーム１２０は、セル積層体の電極リード１１１が位置した一側及び他側に結合される。バスバーフレーム１２０は、複数のバスバー１２１を備える。バッテリーセル１１０の電極リード１１１は、バスバー１２１に形成されたスリットを通って外側に引き出されて折り曲げられ、バスバー１２１上に載置された状態で溶接などによって固定される。一つのバスバー１２１上に複数の電極リード１１１が接触／固定されることで、互いに隣接した複数のバッテリーセル１１０が電気的に接続され得る。
図１を参照すると、冷却装置２００は、バッテリーモジュール１００の冷却、及び外部短絡装置３００を構成する抵抗体３１０の冷却のための構成要素である。冷却装置２００としては、その内部に冷却水などの冷却流体が流動可能な冷却流路が形成されたヒートシンクが適用され得る。
外部短絡装置３００は、バッテリーモジュール１００の両端の間に接続され、特定条件下でバッテリーモジュール１００の外部短絡を誘導することで、バッテリーモジュール１００の電力を迅速に消耗させる。すなわち、外部短絡装置３００は、バッテリーモジュール１００との関係で外部短絡回路を形成する。
このような機能を実現するため、外部短絡装置３００は、抵抗体３１０及びスイッチ３２０を含む。抵抗体３１０は、冷却装置２００上に位置し、冷却装置２００と直接または間接的に接触する。スイッチ３２０は、ＢＭＳ５００から出力される信号に応じてバッテリーモジュール１００と電気的に接続されるか又は電気的に遮断される。抵抗体３１０の例としては、シャント抵抗が挙げられる。ここで、ＢＭＳとは、Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍの略語であって、「バッテリー管理システム」と称し得る。
スイッチ３２０がターンオンしてバッテリーモジュール１００と抵抗体３１０とが電気的に接続されると、バッテリーモジュール１００の電力が抵抗体３１０を通じて消耗され、それによって抵抗体３１０の温度が上昇する。この場合、抵抗体３１０と直接または間接的に接触する冷却装置２００は、抵抗体３１０で発生した熱を奪って外部に放出させる。抵抗体３１０と冷却装置２００との間には、両構成要素間の接触面積を広げるためのシート状のＴＩＭ６００が介在され得る。
センサ４００は、バッテリーモジュール１００に取り付けられ、バッテリーモジュール１００の温度またはバッテリーモジュールから発生するガスをセンシングする。すなわち、センサ４００は、温度センサまたはガス漏れ感知センサである。センサ４００が温度センサである場合、センサ４００は複数個備えられ得、複数のセンサ４００はバッテリーモジュール１００を構成するそれぞれのバッテリーセル１１０毎に取り付けられ得る。温度センサの取り付け位置は、バッテリーセル１１０の上端または下端に備えられたエッジ部（シーリング部）であり得る。それとも、温度センサの取り付け位置は、セルの電極端子が位置したテラス部、または、電極組立体が収容された収容部であり得る。それとも、温度センサの取り付け位置は、バッテリーセル１１０の電極端子と電気的に接続されたバスバーであり得る。
また、センサ４００がガス漏れ感知センサである場合にも、ガス漏れを迅速且つ正確に感知できるように、センサ４００は複数個備えられ得、複数のセンサ４００は相異なる位置に取り付けられ得る。
温度センサは、一つの本体に多重温度測定ポイントを有し得る。例えば、温度センサの本体は、セル積層体の複数のバッテリーセルが積層された方向に沿って延びた形態であり得る。温度センサの温度測定ポイントは、複数のバッテリーセルの上部のエッジ部（シーリング部）と接触するように構成され得る。
温度センサは、温度測定ポイントでの温度が基準温度（６０℃：警告、１５０℃：安全機能作動基準）以上に上昇する場合、抵抗の大きさの変化をもって信号を伝達（感知）でき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、一つの本体に多重温度測定ポイントを有する温度センサを使用する場合、セル積層体のうちいずれか一つのバッテリーセルが異常作動する場合にもそれを感知できるため、バッテリーモジュールシステムの安定性を高めることができる。さらに、複数の温度測定ポイントのために複数の温度センサを備えた従来技術に比べて、バッテリーモジュールシステムの製造コストを節減し、システムの信号伝達網を単純化することができる。
センサ４００は、誤作動の確率を低めるため、ガスセンサ及び温度センサをすべて備えることが望ましい。
ＢＭＳ５００は、センサ４００から送信されるセンシング信号を参照してスイッチングオン／オフ信号を出力する。また、ＢＭＳ５００は、バッテリーモジュール１００と接続されてバッテリーモジュール１００の充放電を制御する機能を追加的に行い得る。
具体的には、ＢＭＳ５００は、バッテリーモジュール１００の温度が基準温度以上に上昇するか又はバッテリーモジュール１００からガス漏れが感知される場合、スイッチングオン信号を出力し、これによってバッテリーモジュール１００両端の間に接続された外部短絡回路上に電流が流れ、バッテリーモジュール１００の電力が消耗される。このように、バッテリーモジュール１００の電力が消耗される場合、バッテリーモジュール１００のエネルギーが低くなるため、一部のバッテリーセル１１０の異常高温現象または発火／爆発などの問題が隣接したバッテリーセル１１０に拡散することを防止することができる。
一方、ＢＭＳ５００は、バッテリーモジュール１００の温度上昇またはガス漏れによるスイッチングオン信号の出力後、バッテリーモジュール１００の温度が再び安全温度未満に低くなるかまたはガス漏れが一定時間以上感知されない場合、スイッチングオフ信号を出力することで外部短絡回路を通じた電流の流れを遮断する。
図３を参照すると、バッテリーモジュール１００は、図１の図示と異なって、冷却装置２００と摺動結合によって締結され得る。この場合、バスバーフレーム１２０は締結溝１２０ａを備え、冷却装置２００は締結溝１２０ａに対応する位置に対応する形状の締結突起Ｐを備え得る。すなわち、締結溝１２０ａと締結突起Ｐとを通じて、バッテリーモジュール１００は冷却装置２００と摺動結合され得る。ここで、摺動結合とは、バッテリーモジュールが冷却装置２００上に結合した状態で両方向に滑って移動可能に構成されたものを言う。
バッテリーモジュール１００と冷却装置２００とが互いに摺動結合によって締結可能な構造を有する場合、バッテリーモジュール１００を構成するセル積層体と冷却装置２００との間に介在されるシート状のＴＩＭ６００がセル積層体によって圧縮された状態で、バッテリーモジュール１００と冷却装置２００との間の締結が行われ得る。このようにＴＩＭ６００が圧縮された状態でバッテリーモジュール１００と冷却装置２００とが締結される場合、バッテリーモジュール１００と冷却装置２００との間を堅固に結合できることはもちろん、セル積層体と冷却装置２００との接触面積を広げてバッテリーモジュール１００に対する冷却効率も極大化させることができる。
図４を参照すると、図１の図示と異なって、冷却装置２００は、その一側に所定の深さで形成された収容溝Ｇを備え、収容溝Ｇ内には熱伝導性プラスチック７００が充填され得る。この場合、抵抗体３１０は、熱伝導性プラスチック７００上に位置し、熱伝導性プラスチック７００と直接または間接的に接触するようになる。すなわち、抵抗体３１０は、収容溝Ｇ内に充填された熱伝導性プラスチック７００上に直接取り付けられてもよく、抵抗体３１０と熱伝導性プラスチック７００との間にＴＩＭ６００が介在されてもよい。
また、冷却装置２００は、冷却装置２００と熱伝導性プラスチック７００との接触面積が最大になるように、収容溝Ｇの底面から上方に突設された複数の放熱フィン２１０を備え得る。
次いで、図５を参照して、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールシステムについて説明する。
本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールシステムは、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールシステムと比較して、冷却装置２００が二つの部分からなり、バルブ８００がさらに適用される点で異なるだけで、その他の構成要素は実質的に同一である。したがって、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールシステムの説明においては、上述した実施形態と重なる説明は省略し、冷却装置２００Ａ、２００Ｂ及びバルブ８００について主に説明する。
図５を参照すると、冷却装置２００は、モジュール冷却装置２００Ａ、及びモジュール冷却装置２００Ａと接続される抵抗冷却装置２００Ｂを含む。バッテリーモジュール１００はモジュール冷却装置２００Ａ上に位置し、抵抗体３１０は抵抗冷却装置２００Ｂ上に位置する。
バッテリーモジュール１００とモジュール冷却装置２００Ａとが直接接触するか又はその間にＴＩＭ６００が介在された状態で間接的に接触し得ることは上述した実施形態と同様である。また、バッテリーモジュール１００とモジュール冷却装置２００Ａとが摺動結合方式で締結され得ることも上述した実施形態と同様である（図３を参照）。
同様に、抵抗体３１０と抵抗冷却装置２００Ｂとが直接接触するか又はその間にＴＩＭ６００が介在された状態で間接的に接触し得ることは上述した実施形態と同様である。また、抵抗冷却装置２００Ｂの一側に収容溝Ｇが形成され、収容溝Ｇ内に熱伝導性プラスチック７００が充填され得ること、及び、収容溝Ｇの底面上に放熱フィン２１０が突設され得ることも上述した実施形態と同様である（図４を参照）。
バルブ８００は、モジュール冷却装置２００Ａと抵抗冷却装置２００Ｂとの間に設けられ、モジュール冷却装置２００Ａと抵抗冷却装置２００Ｂとの間の冷却流体の流れを許容または遮断する。バルブ８００は、ＢＭＳ５００から出力されるバルブ開放／閉鎖信号に応じて動作する。
具体的には、ＢＭＳ５００は、センサ４００によって感知されたバッテリーモジュール１００の温度が基準温度以上である場合、または、センサ４００によってガス漏れが感知された場合、バルブ開放信号を出力することで、モジュール冷却装置２００Ａ内に流れる冷却流体が抵抗冷却装置２００Ｂの内部にも流れるようにする。また、ＢＭＳ５００は、バルブ開放信号を出力した後、バッテリーモジュール１００の温度が低下してセンサ４００によって感知されたバッテリーモジュール１００の温度が安全温度未満になった場合、または、一定時間以上ガス漏れが感知されない場合、バルブ閉鎖信号を出力することで、モジュール冷却装置２００Ａと抵抗冷却装置２００Ｂとの間の流体の流れを遮断する。
上述したように、本発明によるバッテリーモジュールシステムは、バッテリーモジュール１００を構成する一部のバッテリーセル１１０で異常高温現象またはガス漏れが感知されたとき、外部短絡装置３００を通じてバッテリーモジュール１００のエネルギーレベルを低減できるように構成され、これによって二次電池の使用上の安全性を確保することができる。また、本発明によるバッテリーモジュールシステムは、外部短絡装置３００を通じてバッテリーモジュール１００のエネルギーレベルを低減させた場合、温度が上昇した抵抗体３１０を迅速に冷却可能な構造を有する。
また、本発明によるエネルギー貯蔵装置は、上述のバッテリーモジュールシステムを含むことができる。さらに、エネルギー貯蔵装置（図示しない）は、バッテリーモジュールシステムを内部に収容するラックケース（図示しない）を備え得る。
さらに、本発明による自動車（図示しない）は、上述のバッテリーモジュールシステムを含むことができる。さらに、自動車は、例えば、バッテリーモジュールシステムから電源の供給を受ける電気モータ（図示しない）を備えた電気自動車であり得る。
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るものではなく、本発明の属する技術分野で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 バッテリーモジュール
１１０ バッテリーセル
１１１ 電極リード
１２０ バスバーフレーム
１２０ａ 締結溝
１２１ バスバー
２００ 冷却装置
２００Ａ モジュール冷却装置
２００Ｂ 抵抗冷却装置
２１０ 放熱フィン
３００ 外部短絡装置
３１０ 抵抗体
３２０ スイッチ
４００ センサ
７００ 熱伝導性プラスチック
８００ バルブ

Claims (9)

  1. 冷却装置と、
    前記冷却装置上に位置し、前記冷却装置と直接または間接的に接触するバッテリーモジュールと、
    前記バッテリーモジュールに取り付けられて前記バッテリーモジュールの温度またはバッテリーモジュールから発生するガスをセンシングするセンサと、
    前記センサから送信されるセンシング信号を参照してスイッチングオン／オフ信号を出力するＢＭＳと、
    前記バッテリーモジュールの両端の間に接続されて前記バッテリーモジュールの外部短絡を誘導するものであって、前記冷却装置上に位置して前記冷却装置と直接または間接的に接触する抵抗体、及び前記スイッチングオン／オフ信号に応じて前記バッテリーモジュールと抵抗体との間を電気的に接続または遮断させるスイッチを含む外部短絡装置と、
    を含み、
    前記バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体と、前記セル積層体の一側及び他側にそれぞれ接続される一対のバスバーフレームと、を含み、
    前記バスバーフレームは、前記冷却装置に摺動結合される、バッテリーモジュールシステム（前記冷却装置と前記バッテリーモジュールとが電気的に接続されるものを除く）。
  2. 前記冷却装置は、その一側に所定の深さで形成された収容溝を備え、
    前記収容溝内には熱伝導性プラスチックが充填される、請求項１に記載のバッテリーモジュールシステム。
  3. 前記抵抗体は、前記熱伝導性プラスチック上に位置し、前記熱伝導性プラスチックと直接または間接的に接触する、請求項２に記載のバッテリーモジュールシステム。
  4. 前記冷却装置は、前記熱伝導性プラスチックと接触するように前記収容溝の底面から突設された複数の放熱フィンを備える、請求項２又は３に記載のバッテリーモジュールシステム。
  5. 前記冷却装置は、モジュール冷却装置及び前記モジュール冷却装置と接続される抵抗冷却装置を含み、
    前記バッテリーモジュールは前記モジュール冷却装置上に位置し、前記抵抗体は前記抵抗冷却装置上に位置する、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システム。
  6. 前記バッテリーモジュールシステムは、前記モジュール冷却装置と前記抵抗冷却装置との間に設けられ、前記モジュール冷却装置と前記抵抗冷却装置との間の冷却流体の流れを許容または遮断するバルブを含む、請求項５に記載のバッテリーモジュールシステム。
  7. 前記ＢＭＳは、前記センサから送信されるセンシング信号を参照してバルブ開放／閉鎖信号を出力する、請求項６に記載のバッテリーモジュールシステム。
  8. 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システムを含む、エネルギー貯蔵装置。
  9. 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システムを含む、自動車。
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