JP7457202B2 - バッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック、そしてこのようなバッテリーパックを含むＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ、エネルギー貯蔵装置）及び自動車に関し、より具体的には、バッテリーセルのベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）が発生したとき、ベンティングガスを外側に放出する一方、高温の電極活物質及び金属粒子を含むスパークのバッテリーモジュール外側への流出を抑制することで、火災の発生及び爆発を防止可能な構造を有するバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパック及びＥＳＳに関する。
本出願は、２０２１年１月１５日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－０００６１９６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。
ＥＳＳ、電気自動車などに適用されるバッテリーパックは、高出力及び高容量を実現可能なリチウム二次電池が適用されたバッテリーモジュールを複数個含む形態で製造され得る。ＥＳＳ及び／または電気自動車が要求するバッテリーパックの出力特性を満足し、高容量を実現するため、一つのバッテリーモジュールに含まれるリチウム二次電池の個数を増加させ、さらに一つのバッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールの個数を増加させることができる。
しかし、このように多数のリチウム二次電池を含むバッテリーパックの場合、火災及び爆発が発生すると、その被害は一層大きくなる。
バッテリーパックで発生する火災は、バッテリーモジュールの内部に配置されたリチウム二次電池の異常な温度上昇と内部ガスの発生とから始まる。リチウム二次電池の温度が異常に上昇し、内部ガスの発生によってリチウム二次電池の内圧が一定水準以上に上昇すれば、リチウム二次電池にベンティングが発生し、それによってリチウム二次電池の外側へと高温のガスが噴出され、さらに電極活物質及びアルミニウム粒子などを含む高温のスパークが噴出される。
このとき、バッテリーモジュールの内圧が増加しないように、ベンティングガス（ｖｅｎｔｉｎｇ ｇａｓ）をバッテリーモジュールの外部へと速かに排出しなければならない。しかし、ベンティングガスとともに高温のスパークがバッテリーモジュールの外部に排出されると、ベンティングガスと高温のスパークと酸素とが反応して火災が発生し得る。
したがって、バッテリーセル内部の短絡発生などの異常現象によって熱暴走が発生しても、ベンティングガスをバッテリーモジュールの外側へと迅速に排出させる一方、電極活物質及びアルミニウム粒子などを含む高温のスパークが外部に流出することを効果的に防止できる構造を有するバッテリーモジュールの開発が求められている。
また、複数のリチウム二次電池同士の短絡を防止するために適用されるバスバーフレームのような構造物が、高温のガス及びスパークとの持続的な接触によって損傷される場合、バッテリーモジュールの外部から内部へと酸素が流れ込み易くなり、バッテリーモジュールの内部にまで火災が拡散するおそれがある。また、バスバーフレームが損傷されると、バスバーフレームによって離隔状態を維持していた隣接したリチウム二次電池の電極リード同士が接触してしまい、イベントが拡散し得る。
したがって、高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、外部酸素の流入を遮断し、また隣接したリチウム二次電池の間で短絡が発生してイベントが拡散することを防止することが可能な構造を有するバッテリーモジュールの開発が求められている。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、内部イベントが発生したとき、ベンティングガスを迅速に排出させる一方、高温のスパークが外部に流出することを効果的に防止できる構造を有するバッテリーモジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、外部の酸素がバッテリーモジュールの内部へと容易に流入できなくし、また隣接したリチウム二次電池の間で短絡が発生することを防止可能な構造を有するバッテリーモジュールを提供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は、複数のバッテリーセルが上下に積層されて形成されるセル積層体と、前記セル積層体を支持するベースプレート、及び前記セル積層体の両側部を覆い、その長手方向の一側端部が前記セル積層体に向かって折り曲げられて形成されたスパーク方向転換部を備える一対のサイドプレートを含むモジュールハウジングと、前記モジュールハウジングの長手方向の一側に形成される開口部を覆い、前記セル積層体の長手方向の一側に結合されるバスバーフレーム、及び前記バスバーフレーム上に配置されて前記バッテリーセルの電極リードと結合されるバスバーを含むバスバーフレームアセンブリと、を含む。
前記スパーク方向転換部は、前記サイドプレートが前記サイドプレートの延長方向に対して垂直な方向に２回折り曲げられた形態を有し得る。
前記バッテリーモジュールは、前記バスバーフレームアセンブリとセル積層体との間に介在する防火シートをさらに含み得る。
前記防火シートは、雲母（ｍｉｃａ）材質であり得る。
前記防火シートは、前記バッテリーセルの電極リードが通過する複数のシートスリットを備え得る。
前記バスバーフレームは、複数のフレームスリットを備え、前記シートスリットは、前記フレームスリットと対応する位置に対応する個数で形成され得る。
前記防火シートは、少なくとも少なくとも一つのシート孔を備え得る。
前記バスバーフレームは、少なくとも一つのフレーム突起を備え、前記フレーム突起は、前記シート孔に挿入されて前記防火シートを固定し得る。
前記モジュールハウジングは、一対のスパーク方向転換部の間を連結する締結フレームをさらに含み得る。
前記締結フレームは、少なくとも一つの締結突起を備え、前記締結突起は前記シート孔に挿入されて前記防火シートを固定し得る。
上記の課題を達成するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述した本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
上記の課題を達成するため、本発明のさらに他の一態様によるＥＳＳは、上述した本発明の一態様によるバッテリーパックを含む。
上記の課題を達成するため、本発明のさらに他の一態様による自動車は、上述した本発明の一態様によるバッテリーパックを含む。
本発明の一態様によれば、高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、ベンティングガスを迅速に排出させる一方、高温のスパークが外部に流出することを効果的に防止することができる。
また、本発明の一態様によれば、高温のガス及びスパークによって一部構造物が損傷されても、外部の酸素がバッテリーモジュールの内部へと容易に流入できなくし、また隣接したリチウム二次電池の間で短絡が発生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モジュールを示した図である。 図１に示されたバッテリーモジュールにおいて、バスバーフレームアセンブリ及び防火シートが除去された状態を示した平面図である。 図１に示されたバッテリーモジュールの部分断面図である。 本発明のバスバーフレームアセンブリ及び防火シートがモジュールハウジングに結合された状態を示した図である。 本発明のモジュールハウジングの一部、バスバーフレームアセンブリ及び防火シートを示した分解斜視図である。 本発明のモジュールハウジングに防火シートが直接結合される構造を示した図である。
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、本明細書及び特許請求の範囲において使われた用語や単語は通常的及び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～図３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は、複数のバッテリーセル１００が上下方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って積層されて形成されるセル積層体、セル積層体を収容するモジュールハウジング２００、及びモジュールハウジング２００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側及び他側に形成される開口部を覆う一対のバスバーフレームアセンブリ３００を含む。前記バッテリーモジュールは、上述した構成要素の他に、バスバーフレームアセンブリ３００とセル積層体との間に介在されてバスバーフレームアセンブリ３００に結合される防火シート４００をさらに含み得る。
前記バッテリーセル１００としては、パウチ型バッテリーセルが適用され得る。この場合、前記バッテリーセル１００は、電極組立体（図示せず）、電極組立体を収容するパウチケース１１０、及び電極組立体と連結されてパウチケース１１０の外側に引き出される一対の電極リード１２０を含む。前記一対の電極リード１２０は、バッテリーセル１００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）に沿って互いに反対方向に引き出される。
前記モジュールハウジング２００は、前記セル積層体を支持するベースプレート２１０、及び前記セル積層体の両側部を覆う一対のサイドプレート２２０を含む。前記一対のサイドプレート２２０は、その長手方向の一側及び他側端部が前記セル積層体に向かって折り曲げられて形成されたスパーク方向転換部２２０ａを備え得る。
前記スパーク方向転換部２２０ａは、例えばサイドプレート２２０の長手方向の端部がサイドプレート２２０の延長方向に対して略垂直な方向に２回折り曲げられた形態を有し得る。
前記モジュールハウジング２００の長手方向の一側に形成される開口部は、一対のサイドプレート２２０のそれぞれに設けられた一対のスパーク方向転換部２２０ａの間に形成される。前記バッテリーセル１００の電極リード１２０は、一対のスパーク方向転換部２２０ａの間に形成された開口部を通ってモジュールハウジング２００の外側に露出し得る。
本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、上述したようにスパーク方向転換部２２０ａを備えることで、バッテリーセル１００のベンティング時に排出されるスパークがモジュールハウジング２００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）に沿ってモジュールハウジング２００の外側に噴出されることを防止する。
すなわち、前記バッテリーセル１００のベンティング時、セル積層体を構成するそれぞれのバッテリーセル１００の幅方向（Ｙ軸に平行な方向）の両側部から噴出される高温のスパークは、バッテリーモジュールの長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一端部及び他端部に向かって移動してからセル積層体に向かう方向にその移動方向が転換される（図２に示された矢印方向を参照）。
前記モジュールハウジング２００は、隣接した一対のスパーク方向転換部２２０ａ同士を連結し、その中心部が空いている形態を有する締結フレーム２３０をさらに含み得る。前記締結フレーム２３０は、バスバーフレームアセンブリ３００と防火シート４００との間に位置する。前記締結フレーム２３０が設けられる場合、バスバーフレームアセンブリ３００と防火シート４００とは締結フレーム２３０に密着し、締結フレーム２３０の空いている中心部を通じて相互に締結され得る。
一方、図示していないが、本発明のモジュールハウジング２００に設けられる開口部は、モジュールハウジング２００の長手方向の両側に全て形成される。したがって、前記一対のスパーク方向転換部２２０ａも、モジュールハウジング２００の長手方向の一側及び他側に全て設けられる。
図１～図５を参照すると、前記バスバーフレームアセンブリ３００は、バスバーフレーム３１０、及び少なくとも一つのバスバー３２０を含む。前記バスバーフレームアセンブリ３００は、一対で設けられ、一対のバスバーフレームアセンブリ３００は、モジュールハウジング２００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側に形成された開口部及び他側に形成された開口部をそれぞれ覆う。
前記バスバーフレーム３１０は、モジュールハウジング２００の長手方向の一側に形成された開口部及び他側に形成された開口部を覆い、セル積層体の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側及び他側に結合される。
前記バスバーフレーム３１０は、電気絶縁性を有する樹脂材質からなり得る。前記バスバーフレーム３１０は、バッテリーセル１００の電極リード１２０が通過する複数のフレームスリット３１０ｂを備える。前記バスバーフレーム３１０は、防火シート４００との結合のため、防火シート４００に向かって突出した形態を有する少なくとも一つのフレーム突起３１０ａをさらに備え得る。
前記バスバーフレーム３１０は、モジュールハウジング２００の長手方向の一端部及び他端部、すなわちスパーク方向転換部２２０ａに対応する形状を有してモジュールハウジング２００に密着する。前記モジュールハウジング２００が上述したように締結フレーム２３０を備える場合、バスバーフレーム３１０は、スパーク方向転換部２２０ａ及び締結フレーム２３０に密着する。
前記バスバー３２０は、バスバーフレーム３１０の外側面上に配置されてフレームスリット３１０ｂを通過した電極リード１２０と結合され、これによって複数のバッテリーセル１００を電気的に接続することができる。前記バスバー３２０は、電極リード１２０が通過するバスバースリット３２０ｂを備え得る。この場合、前記バスバースリット３２０ｂとフレームスリット３１０ｂとは互いに対応する位置に形成される。前記電極リード１２０は、フレームスリット３１０ｂ及びバスバースリット３２０ｂを順に通過した後、折り曲げられてバスバー３２０上に結合される。
図１～図５を参照すると、前記防火シート４００は、バスバーフレームアセンブリ３００とセル積層体との間に介在し、バスバーフレームアセンブリ３００に結合される。前記防火シート４００は、モジュールハウジング２００の長手方向の両側にそれぞれ設けられる。
前記防火シート４００としては、高温のベンティングガス及びスパークに耐えられ、火災が発生したときにも耐えられる雲母（ｍｉｃａ）材質のシートが適用され得る。前記防火シート４００は、電極リード１２０が通過する複数のシートスリット４００ｂを備える。前記シートスリット４００ｂは、バスバーフレーム３１０に形成されたフレームスリット３１０ｂ及びバスバー３２０に形成されたバスバースリット３２０ｂと対応する位置に対応する個数で形成される。これによって、前記バッテリーセル１００の電極リード１２０は、防火シート４００のシートスリット４００ｂ及びバスバーフレーム３１０のフレームスリット３１０ｂを順に通過してバスバー３２０と結合される。
前記防火シート４００は、高温のベンティングガス及びスパークによって樹脂材質のバスバーフレーム３１０が損傷されてもその構造を維持でき、これによって複数のシートスリット４００ｂのそれぞれに挿入された複数の電極リード１２０がその位置を維持できるようにする。また、前記防火シート４００は、高温のベンティングガスをシートスリット４００ｂと電極リード１２０との間の隙間から外部へと排出させる一方、活物質及びアルミニウム粒子などを含む高温のスパークが外部に噴出されることを最小化できる。また、前記防火シート４００は、樹脂材質のバスバーフレーム３１０が損傷されても、バッテリーモジュールの外部から酸素が容易に流れ込まないようにする。
したがって、前記防火シート４００は、バッテリーモジュールの内部でイベントが発生した状況でも、バスバーフレーム３１０の付近で火災が発生する可能性を最小化し、バスバーフレーム３１０の付近で火災が発生したとしても、火災がバッテリーモジュールの内部で拡散する現象を遅延させることができる。また、前記防火シート４００は、バスバーフレーム３１０の損傷によってバッテリーセル１００の間で短絡が発生してイベントが拡がることを防止することができる。
前記バスバーフレーム３１０がフレーム突起３１０ａを備える場合、防火シート４００は、バスバーフレーム３１０との締結のためのフレーム突起３１０ａと対応する位置に形成され、対応する形状を有する少なくとも一つのシート孔４００ａを備え得る。前記フレーム突起３１０ａは、シート孔４００ａに挿入されて防火シート４００を固定する。
図６を参照すると、図４及び図５とは異なり、防火シート４００がモジュールハウジング２００の締結フレーム２３０に締結される構造が示されている。この場合、前記締結フレーム２３０は、防火シート４００に向かって突出した少なくとも一つの締結突起２３０ａを備え得る。
前記締結突起２３０ａは、防火シート４００に設けられたシート孔４００ａと対応する位置に対応する個数で備えられ得る。前記締結突起２３０ａは、シート孔４００ａに挿入されて防火シート４００を固定する。
前記締結フレーム２３０を含むモジュールハウジング２００は、バッテリーモジュールの剛性を確保し、内部イベントの発生時に排出される高温のガス及びスパークに耐えられるように、全体的に金属材質からなり得る。この場合、前記締結突起２３０ａも金属材質からなり得、これによって締結フレーム２３０と防火シート４００との締結部位が高温のガス及びスパークによって破損されることを防止することができる。
一方、本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、上述したような本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを含む。また、本発明の一実施形態によるＥＳＳは、上述した本発明の一態様によるバッテリーパックを含む。また、本発明の一実施形態による自動車は、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーパックを含む。前記自動車は、電気自動車を含む。
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 ・・・バッテリーセル
１１０ ・・・パウチケース
１２０ ・・・電極リード
２００ ・・・モジュールハウジング
２１０ ・・・ベースプレート
２２０ ・・・サイドプレート
２２０ａ ・・・スパーク方向転換部
２３０ ・・・締結フレーム
２３０ａ ・・・締結突起
３００ ・・・バスバーフレームアセンブリ
３１０ ・・・バスバーフレーム
３１０ａ ・・・フレーム突起
３１０ｂ ・・・フレームスリット
３２０ ・・・バスバー
３２０ｂ ・・・バスバースリット
４００ ・・・防火シート
４００ａ ・・・シート孔
４００ｂ ・・・シートスリット

Claims (13)

  1. 複数のバッテリーセルが上下に積層されて形成されるセル積層体と、
    前記セル積層体を支持するベースプレート、及び前記セル積層体の両側部を覆い、その長手方向の一側端部が前記セル積層体に向かって折り曲げられて形成されたスパーク方向転換部を備える一対のサイドプレートを含むモジュールハウジングと、
    前記モジュールハウジングの長手方向の一側に形成される開口部を覆い、前記セル積層体の長手方向の一側に結合されるバスバーフレーム、及び前記バスバーフレーム上に配置されて前記バッテリーセルの電極リードと結合されるバスバーを含むバスバーフレームアセンブリと、を含むバッテリーモジュール。
  2. 前記スパーク方向転換部は、
    前記サイドプレートが前記サイドプレートの延長方向に対して垂直な方向に２回折り曲げられた形態を有する、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記バッテリーモジュールは、
    前記バスバーフレームアセンブリと前記セル積層体との間に介在する防火シートをさらに含む、請求項１または２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記防火シートは、
    雲母材質である、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記防火シートは、
    前記バッテリーセルの電極リードが通過する複数のシートスリットを備える、請求項３または４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記バスバーフレームは、複数のフレームスリットを備え、
    前記シートスリットは、前記フレームスリットと対応する位置に対応する個数で形成されている、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記防火シートは、
    少なくとも一つのシート孔を備える、請求項３から５のうちのいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記バスバーフレームは、少なくとも一つのフレーム突起を備え、
    前記フレーム突起は、前記シート孔に挿入されて前記防火シートを固定する、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記モジュールハウジングは、一対のスパーク方向転換部の間を連結する締結フレームをさらに含む、請求項７または８に記載のバッテリーモジュール。
  10. 前記締結フレームは、少なくとも一つの締結突起を備え、
    前記締結突起は、前記シート孔に挿入されて前記防火シートを固定する、請求項９に記載のバッテリーモジュール。
  11. 請求項１から１０のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含む、バッテリーパック。
  12. 請求項１１に記載のバッテリーパックを含む、ＥＳＳ。
  13. 請求項１１に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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