JP7450894B2 - 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
（関連出願との相互参照）
本出願は、２０２０年４月２９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００５２２６２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本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０２０年４月２９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００５２２６２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し、より具体的には、隔壁構造を有する電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、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。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイス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大きな関心が寄せられている。
小型モバイル機器にはデバイス１台あたり１個または２、３個の電池セルが用いられるのに対し、自動車などのような中大型デバイスには高出力大容量が必要である。中大型電池モジュールは可能であれば小型且つ軽量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層可能であり、容量に比べて重量が小さい角形電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に用いられている。したがって、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュールが用いられ、次第により多くの電池セルを電池モジュール内に装着しようとする必要性が増大している。
また、二次電池は、適正温度より高くなる場合、二次電池の性能が低下し、激しい場合、セルイベント（Ｃｅｌｌ ｅｖｅｎｔ）が発生することがあり、一例として、爆発や発火のような熱イベント（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖｅｎｔ）が発生する危険もある。特に、多数の二次電池、つまり、電池セルを備えた電池モジュールや電池パックは、狭い空間で多数の電池セルから出る熱が合わされて温度がより急速且つ激しく上昇することがある。多数の電池セルが積層された電池モジュールと当該電池モジュールが装着された電池パックの場合、高い出力を得ることができるが、電池セルの個数が増えるに伴い、爆発や発火の可能性も大きくなる。さらに、車両用バッテリパックに含まれる中大型電池モジュールの場合、直射光線に頻繁に露出し、夏季や砂漠地域のような高温条件に置かれることがある。これによって、電池モジュール内に爆発や発火が発生する場合、特定の電池セルにおいて発火が他の電池セルに転移してさらなる発火が進行することを防止する必要がある。
図１は、従来の電池モジュールに対する斜視図である。図２は、図１の切断線Ａ－Ａ’に沿った断面図である。図３は、セルイベントが発生した図２の電池モジュールの断面を示す図である。
図１および図２を参照すれば、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が積層されて形成された電池セル積層体１２と、電池セル積層体１２が配置されている下部フレーム２０と、電池セル積層体１２の上部を覆う上部プレート３０とを含む。更に、電池モジュール１０は、電池セル積層体１２の絶縁のために、上部プレート３０と電池セル積層体１２との間に形成された絶縁層４０をさらに含むことができる。
この時、電池モジュール１０は、複数の電池セル１１の互いに隣り合う電池セルの間および電池セル積層体１２の最外側の電池セルと下部フレーム２０の側面部との間に位置する圧縮パッド５０をさらに含むことができる。これによって、圧縮パッド５０と複数の電池セル１１とは１つのスタック（ｓｔａｃｋ）構造物を形成することができ、圧縮パッド５０は電池セル１１のスウェリングも吸収可能である。しかし、既存の圧縮パッド５０は、発火のようなセルイベントの発生時、発火を遮断し、または発火の方向を誘導することができなかった。
一例として、図２および図３を参照すれば、従来の電池モジュール１０は、電池セル積層体１２において圧縮パッド５０によって部分的な区画は可能である。しかし、複数の電池セルのうち一部の電池セルで発火のような第１セルイベントｃｅ１が発生する場合、圧縮パッド５０は発火を遮断し、または発火の方向を誘導することができず、第１セルイベントｃｅ１が発生しなかった一部の電池セルに対しても第１セルイベントｃｅ１が伝播した第２セルイベントｃｅ２が発生する。
これによって、従来の電池モジュール１０は、電池セル積層体１２の一部の電池セルに発火のようなセルイベントが発生すると、発火現象が電池モジュール１０内に含まれている他の電池セルに伝播することがあり、セルイベントがより深刻になる問題があった。
したがって、電池モジュールに対する容量増大のような要求が続いている傾向の下、冷却性能を高めながらもこのような多様な要求事項を共に満足できる電池モジュールを開発することが実質的に必要である。
本発明が解決しようとする課題は、隔壁構造を有す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。
本発明が解決しようとする課題が上述した課題に制限されず、述べていない課題は明細書および添付した図面から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に明確に理解されるであろう。
本発明の一実施例によ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と、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、前記電池セル積層体と前記モジュールフレームとの間に位置する隔壁部とを含み、前記隔壁部は、前記電池セル積層体の上部と前記モジュールフレームとの間に位置する第１隔壁部材と、前記第１隔壁部材から垂直な方向に延びる少なくとも１つの第２隔壁部材と、を含む。
前記少なくとも１つの第２隔壁部材は、前記モジュールフレームの下部まで延び、前記電池セル積層体は、前記隔壁部によって第１積層体および第２積層体に区画される。
前記隔壁部は、前記第１積層体で発生したセルイベント（Ｃｅｌｌ ｅｖｅｎｔ）が前記第２積層体に拡散することを遮断することができる。
前記隔壁部が前記第２隔壁部材を少なくとも２つ含み、前記第２隔壁部材は、電池セル積層体の積層方向に互いに同一の間隔を有するように離隔して位置することができる。
前記隔壁部が前記第２隔壁部材を少なくとも２つ含み、前記第２隔壁部材は、電池セル積層体の中心を基準として互いに対称に位置することができる。
前記少なくとも１つの第２隔壁部材は、前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記モジュールフレームの側部との間に位置するか、前記複数の電池セルの互いに隣り合う電池セルの間に位置することができる。
前記隔壁部は、２つの前記第２隔壁部材が前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記モジュールフレームの側部との間にそれぞれ位置し、少なくとも１つの前記第２隔壁部材が前記複数の電池セルの互いに隣り合う電池セルの間に位置することができる。
前記隔壁部は、難燃性および絶縁性を有する機能性素材から構成される。
前記モジュールフレームは、前記電池セル積層体を収容すると共に、上部が開放されたＵ字状フレームと、前記開放されたＵ字状フレームの上部から前記電池セル積層体をカバーする上部プレートとを含むことができる。
前記第１隔壁部材は、前記上部プレートと前記電池セル積層体との間に位置し、２つの前記第２隔壁部材が前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記モジュールフレームの側部との間にそれぞれ位置し、少なくとも１つの前記第２隔壁部材が前記複数の電池セルの互いに隣り合う電池セルの間に位置することができる。
また、本発明の一実施例による電池モジュールを含む電池パックが提供される。
実施例によれば、電池モジュールが隔壁構造を含むことで、一部の電池セルで発生したセルイベントを遮断し、または伝播方向を誘導する電池モジュールが提供される。
本発明の効果が上述した効果に制限されず、述べていない効果は本明細書および添付した図面から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に明確に理解されるであろう。
以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、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できるように詳細に説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
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の参照符号を付す。
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のところに限定されない。図面に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、図面にて、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
さらに、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
また、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上からみた時を意味し、「断面上」とする時、これは、対象部分を垂直に切断した断面を横からみた時を意味する。
以下、本発明の一実施例による二次電池用電極について説明する。ただし、ここで電池モジュールの前後面のうち前面を基準として説明されるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、後面の場合にも同一または類似の内容で説明される。
図４は、本発明の一実施例による電池モジュールを示す分解斜視図である。図５は、図４の電池モジュールの構成要素を結合した状態を示す部分斜視図である。図５の部分斜視図は、図４の電池モジュールにおいて上部プレートを除去した様子を示す。
図４および図５を参照すれば、本発明の一実施例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２００と、電池セル積層体２００を収容するモジュールフレーム３００と、電池セル積層体２００とモジュールフレーム３００との間に位置する隔壁部５００と、電池セル積層体２００の前後面に位置するエンドプレート６００とを含む。
モジュールフレーム３００は、上部面、前面および後面が開放され、且つ底部３２１および側部３２２を含むＵ字状フレーム３２０と、電池セル積層体２００の上部を覆う上部プレート３１０とを含む。ただし、モジュールフレーム３００はこれに限定されたわけではなく、Ｌ字状フレームまたは前後面を除いて電池セル積層体２００を囲むモノフレームのような他の形状のフレームに代替可能である。
電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましい。電極組立体を樹脂層と金属層とを含むラミネートシートのパウチケースに収納した後、前記パウチケースのシーリング部を熱融着して製造される。このような電池セル１１０は、複数から構成され、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た電池セル積層体２００を形成する。特に、図４に示されているように、ｘ軸と平行な方向に沿って複数の電池セル１１０が積層可能である。
ただし、本発明の一実施例による電池モジュール１００は、電池セル積層体１２０が既存の電池モジュールに比べて相対的に多い電池セルの個数を含む大面積モジュールであってもよい。大面積モジュールの場合、電池モジュールの水平方向の長さが相対的に長くなる。ここで、電池モジュールの水平方向の長さとは、電池セルが積層された方向への長さを意味することができる。これによって、電池モジュール１００が大面積モジュールに相当する場合、電池セル積層体２００に含まれている電池セル１１０の個数がより多くなるに伴い、発生する熱も増加し得る。このために、電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０のうち特定の電池セルで発生するセルイベントが他の電池セルに伝播することによってさらなるセルイベントが発生するのを防止する必要がある。
ここで、セルイベント（Ｃｅｌｌ ｅｖｅｎｔ）は、電池モジュール１０に含まれている複数の電池セル１１０の少なくとも１つの電池セルで発生する緊急状況で、電池セルまたは電池モジュールの漏液、電池セルの機械的損傷、温度上昇により発火する熱イベント（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖｅｎｔ）の発生などを含む。特に、熱イベント（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖｅｎｔ）は、電池セルが発火することによって火炎および／または排出ガス（ｖｅｎｔｉｎｇ ｇａｓ）が発生することを含む。熱イベント（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖｅｎｔ）は、特に電池モジュール１００および電池モジュール１００を含む電池パックの内部に拡散することがあり、周辺の電池モジュールまたは電池モジュール１００内の電池セル１１０の温度を上昇させて連鎖的なさらなるセルイベントが発生する危険がある。
図４および図５を参照すれば、本発明の一実施例による隔壁部５００は、電池セル積層体２００の上部とモジュールフレーム３００との間に位置する第１隔壁部材５１０を含み、第１隔壁部材５１０から垂直な方向に延びる少なくとも１つの第２隔壁部材５２０を含む。ここで、隔壁部５００は、難燃性および絶縁性を有する材質の機能性素材から構成される。これによって、隔壁部５００は、セルイベントの発生時、絶縁性および難燃性に優れてセルイベントが激しくなるのを防止することができ、セルイベントの拡散抑制および進行方向を誘導することができる。
第１隔壁部材５１０は、モジュールフレーム３００の上部プレート３１０に対応する形状を有することができる。好ましくは、第１隔壁部材５１０は、平面プレートに対応する形状を有し、且つ電池セル積層体２００の上部に対応する大きさを有することができる。
第２隔壁部材５２０は、第１隔壁部材５１０からモジュールフレーム３００の下部３２１まで延びることができる。これによって、電池セル積層体２００に含まれている複数の電池セル１１０の一部は、第１隔壁部材５１０および第２隔壁部材５２０に空間的に閉鎖可能である。
また、第２隔壁部材５２０は、モジュールフレーム３００の側部３２２に対応する形状を有することができる。さらに、第２隔壁部材５２０は、電池セル積層体２００の電池セル１１０に対応する形状を有することができる。好ましくは、第２隔壁部材５２０は、平面プレートに対応する形状を有し、且つ電池セル１１０の上面または下面に対応する大きさを有することができる。
隔壁部５００は、第２隔壁部材５２０を少なくとも２つ含むことができ、第２隔壁部材５２０は、電池セル積層体の積層方向に一定の間隔を有するように離隔して位置することができる。一例として、第２隔壁部材５２０は、電池セル積層体の積層方向に互いに同一の間隔を有するように離隔して位置することができる。一例として、第２隔壁部材５２０は、電池セル積層体２００の中心を基準として互いに対称に位置することができる。
一例として、第２隔壁部材５２０は、電池セル積層体の積層方向に離隔し、且つ中心領域の電池セル１１０が位置した領域は第２隔壁部材５２０が外側領域の電池セル１１０に比べて狭い間隔で離隔して位置することができる。これは、中心領域の電池セル１１０が外側領域の電池セル１１０に比べて電池セル１１０から発生した熱が相対的に少なく冷却されることによって熱イベントが発生する確率が高くて、電池モジュール１００はセルイベントがより一層効果的に統制できる。
また、隔壁部５００は、少なくとも１つの第２隔壁部材５２０が電池セル積層体２００の最外側の電池セルと前記モジュールフレームの側部３２２との間に位置するか、前記複数の電池セル１１０の互いに隣り合う電池セルの間に位置することができる。
一例として、隔壁部５００は、２つの第２隔壁部材５２０が電池セル積層体２００の最外側の電池セルとモジュールフレームの側部３２２との間にそれぞれ位置し、少なくとも１つの第２隔壁部材５２０が前記複数の電池セルの互いに隣り合う電池セルの間に位置することができる。
一例として、電池モジュール１００のモジュールフレーム３００は、電池セル積層体２００を収容すると共に上部が開放されたＵ字状フレーム３２０と、前記開放されたＵ字状フレームの上部から電池セル積層体２００をカバーする上部プレート３１０とを含むことができる。この時、第１隔壁部材５１０は、上部プレート３１０と電池セル積層体２００との間に位置し、２つの第２隔壁部材５２０が電池セル積層体２００の最外側の電池セルと前記モジュールフレームの側部３２２との間にそれぞれ位置し、少なくとも１つの第２隔壁部材５２０が複数の電池セル１１０の互いに隣り合う電池セルの間に位置することができる。
これによって、隔壁部５００は、電池セル積層体２００において外部衝撃に弱い最外側の電池セルを保護しながらも、電池セル積層体２００のセルイベントがより一層効果的に統制できる。
図６は、図４の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。図７は、図６の切断線Ｂ－Ｂ’に沿った断面の一部領域を示す断面図である。特に、図７は、図６の切断線Ｂ－Ｂ’に沿った断面に含まれている電池セル積層体２００の一部領域を拡大して示す図である。
図４、図５、および図７を参照すれば、本発明の一実施例による電池モジュール１００は、隔壁部５００を含むことで、電池モジュール１００内の複数の電池セル１１０が区画化される。一例として、電池セル積層体２００は、隔壁部５００によって第１積層体１１１および第２積層体１１３に区画される。この時、第１積層体１１１および第２積層体１１３は、電気的に連結され、且つ空間的に分離可能である。好ましくは、第１積層体１１１および第２積層体１１３は、空間的に互いに分離され、且つ各空間は閉鎖可能である。
図８は、セルイベントＣＥが発生した図６の電池モジュールの断面を示す図である。図７および図８を参照すれば、第１積層体１１１でセルイベントＣＥが発生する場合、隔壁部５００は、セルイベントＣＥが隔壁部５００の外部に拡散することを遮断することができる。一例として、第１積層体１１１でセルイベントＣＥが発生しても、隔壁部５００は、第２積層体１１３が位置した区画やモジュールフレーム３００の外部にセルイベントＣＥが拡散することを遮断することができる。すなわち、隔壁部５００がセルイベントＣＥで発生した火炎、排出ガス（ｖｅｎｔｉｎｇ ｇａｓ）に対して抵抗可能で、セルイベントＣＥが外部に拡散するのを防止することができる。
これによって、特定の電池セル１１０でセルイベントが発生しても、他の電池セル１１０に拡散するのを防止して、さらなるセルイベントが発生する危険を低減することができる。また、特定の電池セル１１０でセルイベントが発生した場合、特定の電池セル１１０が含まれている区画に対してのみセルイベントの進行方向を誘導可能で、セルイベントが激しくなるのを防止することができる。さらに、セルイベントが発生した特定の電池セル１１０が含まれている区画に対して、セルイベントが発生した根源地を迅速に追跡可能で、製品の補修が容易に行われる。
必要に応じて、本発明の電池モジュール１００は、冷却手段として、電池セル積層体２００と隔壁部５００との間に熱伝導性樹脂層（図示せず）を追加的に含むことができる。あるいは、隔壁部５００とモジュールフレーム３００との間に熱伝導性樹脂層（図示せず）を追加的に含むことができる。あるいは、電池セル積層体２００とモジュールフレームの下部３２１との間に熱伝導性樹脂層（図示せず）を追加的に含むことができる。これによって、本発明の電池モジュール１００はセルイベントが発生するのを防止することができる。
上述した本実施例による１つまたはそれ以上の電池モジュールは、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されて電池パックを形成することができる。
前記電池モジュールや電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。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、これに限定されず、二次電池を使用できる多様なデバイスに適用可能である。
以上、本出願で説明する発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本出願で説明する発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本出願で説明する発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本出願で説明する発明の権利範囲に属する。
１０：電池モジュール
１１：電池セル
１２：電池セル積層体
３０：上部プレート
１００：電池モジュール
１１０：電池セル
１１１：第１積層体
１１３：第２積層体
１２０：電池セル積層体
２００：電池セル積層体
３００：モジュールフレーム
３１０：上部プレート
３２０：Ｕ字状フレーム
３２１：下部
３２２：側部
５００：隔壁部
５１０：第１隔壁部材
５２０：第２隔壁部材
６００：エンドプレート
１１：電池セル
１２：電池セル積層体
３０：上部プレート
１００：電池モジュール
１１０：電池セル
１１１：第１積層体
１１３：第２積層体
１２０：電池セル積層体
２００：電池セル積層体
３００：モジュールフレーム
３１０：上部プレート
３２０：Ｕ字状フレーム
３２１：下部
３２２：側部
５００：隔壁部
５１０：第１隔壁部材
５２０：第２隔壁部材
６００：エンドプレート
Claims (9)
- 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、
前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、
前記電池セル積層体と前記モジュールフレームとの間に位置する隔壁部とを含み、
前記隔壁部は、
前記電池セル積層体の上部と前記モジュールフレームとの間に位置する第１隔壁部材と、
前記第１隔壁部材から垂直な方向に延びる少なくとも１つの第２隔壁部材と、
を含み、
前記少なくとも１つの第２隔壁部材は、前記モジュールフレームの下部まで延び、前記電池セル積層体は、前記隔壁部によって第１積層体および第２積層体に区画され、
前記第１積層体及び前記第２積層体はそれぞれ、複数の電池セルを含み、
前記第２隔壁部材は前記電池セル積層体の積層方向に離隔し、且つ前記第２隔壁部材が前記電池セル積層体の中心領域において前記電池セル積層体の外側領域より狭い間隔で離隔して位置しており、
前記隔壁部は、前記第１積層体で発生したセルイベント（Ｃｅｌｌ ｅｖｅｎｔ）が前記第２積層体に拡散することを遮断する、電池モジュール。 - 前記隔壁部が前記第２隔壁部材を少なくとも２つ含み、前記第２隔壁部材は、前記電池セル積層体の積層方向に互いに同一の間隔を有するように離隔して位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記隔壁部が前記第２隔壁部材を少なくとも２つ含み、前記第２隔壁部材は、前記電池セル積層体の中心を基準として互いに対称に位置する、請求項１または２に記載の電池モジュール。
- 前記少なくとも１つの第２隔壁部材は、前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記モジュールフレームの側部との間に位置するか、前記複数の電池セルの互いに隣り合う電池セルの間に位置する、請求項１～３の何れか一項に記載の電池モジュール。
- 前記隔壁部は、２つの前記第２隔壁部材が前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記モジュールフレームの側部との間にそれぞれ位置し、
少なくとも１つの前記第２隔壁部材が前記複数の電池セルの互いに隣り合う電池セルの間に位置する、請求項１～４の何れか一項に記載の電池モジュール。 - 前記隔壁部は、難燃性および絶縁性を有する素材から構成される、請求項１～５の何れか一項に記載の電池モジュール。
- 前記モジュールフレームは、前記電池セル積層体を収容すると共に、上部が開放されたＵ字状フレームと、前記開放されたＵ字状フレームの上部から前記電池セル積層体をカバーする上部プレートとを含む、請求項１～６の何れか一項に記載の電池モジュール。
- 前記第１隔壁部材は、前記上部プレートと前記電池セル積層体との間に位置し、
２つの前記第２隔壁部材が前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記Ｕ字状フレームの側部との間にそれぞれ位置し、少なくとも１つの前記第２隔壁部材が前記複数の電池セルの互いに隣り合う電池セルの間に位置する、請求項７に記載の電池モジュール。 - 請求項１～８の何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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