JP7237408B2 - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１９年３月１５日付韓国特許出願第１０－２０１９－００３０１７５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それを含む電池パックに関し、より具体的には熱拡散防止のための電池モジュールに関する。

二次電池は化石燃料を使用する既存の車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などの動力源として注目されている。

小型モバイル機器にはデバイス１台当り一つまたは数個の電池セルが使用されることに対して、自動車などのような中大型デバイスには高出力大容量の必要性により、多数の電池セルを電気的に接続した中大型電池モジュールが使用される。

中大型電池モジュールは可能であれば小さい大きさと重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で充積され得、容量に比べて中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使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は重量が小さくて製造費用が低く、形態変形が容易であるなどの利点により最近多くの関心を集めている。

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が可能な二次電池で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。特に、電池モジュールに広く使用されるパウチ型電池のラミネートシートは熱伝導性が低い高分子物質で表面がコートされているので、電池セル全体の温度を効果的に冷却させることが難しい実情である。

充放電過程で発生した電池モジュールの熱が効果的に除去できなければ、熱蓄積が起きて結果的に電池モジュールの劣化を促進し、場合によっては発火または爆発を誘発し得る。したがって、中大型電池モジュールの多数個を含んで高出力大容量の電池である車両用中大型電池パックや電力ストレージデバイス用中大型電池パックにはそれに内蔵されている電池セルを冷却させる冷却システムが必要である。

一般に冷却システムには水冷式と空冷式を用いるが、漏電や二次電池の防水問題などにより空冷式が広く使用される傾向がある。空冷式構造を有する電池モジュールの場合、電池システムを長期間信頼性を有して使用できるように外部の空気を利用して内部の電池を冷却することができる。しかし、１個の電池セルで熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）が発生して放出される高温のガスと火炎が外部に排出されて隣接する電池セルまたは引火性物質に伝播されると大きな被害を発生させ得る。

本発明が解決しようとする課題は、外部にガスおよび火炎が露出することを防止して隣接領域での熱拡散を防止する電池モジュールおよびそれを含む電池パックを提供する。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、空冷式構造を有する電池モジュールにおいて、複数の電池セルを含む電池セル積層体、前記電池セル積層体と連結され、バスバーを含むバスバーフレーム、および前記電池セル積層体と前記バスバーフレームを覆うカバープレートを含み、前記カバープレートと前記電池セル積層体の間に冷却のための外部空気が流入または排出される冷却流路部が形成され、前記冷却流路部に熱膨張部材が形成され、前記熱膨張部材は前記冷却流路部を基準として前記バスバーが位置する一側と反対側に位置する第１熱膨張部材を含む。

前記冷却流路部は、前記電池セル積層体の一側に位置して冷却のための空気が流入する流入口を有する流入経路部と、前記電池セル積層体の他の一側に位置して冷却のための空気が排出される排出口を有する排出経路部を含み、前記熱膨張部材は前記流入口および／または前記排出口に隣接して形成され得る。

前記電池セルで発生したベントガス（ｖｅｎｔｉｎｇ ｇａｓ）と炎（ｆｌａｍｅ）による熱が前記流入口と前記排出口を介して外部に放出されることが防止されるように前記熱膨張部材の厚さが膨張して前記冷却流路部を遮断し得る。

前記熱膨張部材の厚さ膨張方向は、前記冷却流路部が延びる方向に垂直であり得る。

前記熱膨張部材は複数形成され得る。

前記熱膨張部材と前記バスバーは互いにずらして配列され得る。

前記熱膨張部材と前記バスバーは前記冷却流路部が延びる方向に垂直である方向に互いに重ならなくてもよい。

前記熱膨張部材は、前記バスバー上に位置する第２熱膨張部材をさらに含み得る。

前記第１熱膨張部材と前記第２熱膨張部材それぞれの厚さが膨張する方向が互いに反対であり得る。

前記カバープレートは、前記電極リードと前記バスバーの溶接部分と対向する方向に位置する側面プレートを含み、前記第１熱膨張部材は前記側面プレート上に位置し得る。

本発明の他の一実施形態による電池パックは上で説明した電池モジュールを含む。

実施形態によれば、一般的な二次電池作動環境では冷却のための経路を提供し、熱暴走のような非正常的な状況では膨張する特性を有する物質を冷却経路に形成することによって外部にガスおよび火炎が外部に露出することを防止して隣接領域への熱拡散を防止できる電池モジュールおよび電池パックを実現することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュール構造を示す斜視図である。 図１の電池モジュールでバスバーフレームが露出した構造を示す斜視図である。 図２の電池モジュールでバスバーフレームが露出した姿を示す写真である。 図３のバスバーフレームの構成を示す断面図である。 図１の電池モジュールの正常動作状態での空気の流れを示す図である。 図５の電池モジュールの電池セルで発生した熱暴走によって熱が伝達される経路を示す平面図である。 図１の電池モジュールの冷却流路部を示す概略的な平面図である。 図７の電池モジュールの電池セルで発生した熱暴走によって熱膨張部材が変化した姿を示す平面図である。 図７および図８の切断線Ａ－Ａ’に沿って切った断面図である。 本発明の他の一実施形態による電池モジュールの冷却流路部を示す概略的な平面図である。 図１０の電池モジュールの電池セルで発生した熱暴走によって熱膨張部材が変化した姿を示す平面図である。

以下、添付する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が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。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、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と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一又は類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。

また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面で複数の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。そして図面で、説明の便宜上、一部層および領域の厚さを誇張して表した。

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「真上に」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「真上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分の「上に」または「の上に」あるということは、基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上に」または「上に」位置することを意味するものではない。

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、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、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み得ることを意味する。

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」とする時、これは対象部分を垂直に切った断面を横から見た時を意味する。

図１は本発明の一実施形態による電池モジュール構造を示す斜視図である。図２は図１の電池モジュールでバスバーフレームが露出した構造を示す斜視図である。図３は図２の電池モジュールでバスバーフレームが露出した姿を示す写真である。図４は図３のバスバーフレームの構成を示す断面図である。

図１および図２を参照すると、本実施形態による電池モジュール５００は複数の電池セル１１０を含む電池セル積層体１５０を含み、このような電池セル積層体１５０を囲んでいるカバープレート１００を含む。カバープレート１００は上下部プレート１００Ｔと側面プレート１００Ｓを含み、側面プレート１００Ｓと電池セル積層体１５０の間に後述するバスバーフレーム２００が配置され得る。電池セル積層体１５０の側面にバスバーフレーム２００が位置し、バスバーフレーム２００と側面プレート１００Ｓの間の空間に後述する冷却流路部が形成され得る。ここで、電池セル積層体１５０の側面は電池セル積層体１５０で電池セル１１０が積層される方向である第１方向Ｘと垂直である第２方向Ｙに向かう面と定義することができる。

本実施形態による電池モジュール５００は空冷式構造を有し、外部空気を使用して電池セル１１０で発生した熱を冷ますために、外部空気が注入される流入口１３０ａと排出口１３０ｂが形成されている。流入口１３０ａを介して入ってきた空気は後述する冷却流路部を介して電池セル１１０を通過して再び排出口１３０ｂを介して抜け出る。

図３および図４を参照すると、バスバーフレーム２００には図１で説明した電池セル積層体１５０の電池セル１１０から延びた電極リード１２０が図１に示す第２方向Ｙに延び、バスバーフレーム２００に形成されたリードスロット（図示せず）を通過してバスバーフレーム２００の後面で折り曲げられ、バスバー２１０とともにレーザ溶接により電気的に接続されている。この時、熱暴走によって発生した高温のガスと火炎による熱が電極リード１２０とバスバー２１０を介して隣接する電池セル１１０に速く伝達され得るが、本実施形態によれば後述する熱膨張部材によって大きな熱伝播遅延効果が得られるからである。具体的には、電池モジュール５００の内部に位置する電池セル１１０で熱暴走が発生すると、相対的に脆弱なシーリング部に該当する電極リード１２０側に高温のガスおよび火炎が排出され、これらは電池モジュール５００を冷却させるための経路を介して伝播されることができる。この時、外部に露出したバスバー２１０を介して熱が大きく伝達され、この熱が再び電池セル１１０の内部に入ってきて内部の急速な熱伝播を誘発し得るのでバスバー２１０を介して熱伝達を遮断することが大変重要である。

以下では図１ないし図４で説明した本発明の実施形態による電池モジュールで正常動作状態と熱暴走発生時熱の流れを比較して説明する。

図５は図１の電池モジュールの正常動作状態での空気の流れを示す図である。図６は図５の電池モジュールの電池セルで発生した熱暴走によって熱が伝達される経路を示す平面図である。

図５を参照すると、左側の下に形成された流入口１３０ａを介して空気が入ってきて冷却流路部１３１の間の電池セル積層体１５０を通過して右側上部に形成された排出口１３０ｂに空気が抜け出ることにより内部の電池セルで発生した熱を冷却させることができる。具体的には、冷却流路部１３１は流入経路部１３１ａと排出経路部１３１ｂを含み、流入口１３０ａを介して入ってきた空気が流入経路部１３１ａに沿って移動し、右側方向に沿って空気が通過した後排出経路部１３１ｂに沿って移動することにより排出口１３０ｂに空気が抜け出る。

図６を参照すると、電池の正常動作状態で熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）が発生すると冷却経路を介して高温のガスおよび火炎が伝播され、バスバーが冷却経路にそのまま露出している従来の電池モジュールのような場合には急激な熱伝達により同時多発的に電池セル間の熱伝達が発生し得る。

図７は図１の電池モジュールの冷却流路部を示す概略的な平面図である。図８は図７の電池モジュールの電池セルで発生した熱暴走によって熱膨張部材が変化した姿を示す平面図である。図９は図７および図８の切断線Ａ－Ａ’に沿って切った断面図である。

図６で説明したように、発生し得る急激な熱伝達を遮断するために本実施形態による電池モジュールは図７のように冷却流路部１３１に熱膨張部材４００が形成されている。熱膨張部材４００はブチル系物質、エポキシ物質、塩化ビニル系物質およびＥＰＤＭゴム物質（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ）の中で一つを含み得る。

本実施形態による熱膨張部材４００は冷却流路部１３１を基準としてバスバー２１０が位置する一側と反対側に位置し得る。熱膨張部材４００は側面プレート１００Ｓ上に形成され得る。好ましくは熱膨張部材４００は流入口１３０ａおよび／または排出口１３０ｂに隣接して形成され得る。流入口１３０ａおよび排出口１３０ｂは外部空気と最接近しているため、内部で発生した火炎が酸素と接して爆発可能性が高いので、流入口１３０ａおよび排出口１３０ｂに近くまたは流入口１３０ａおよび排出口１３０ｂ部分に熱膨張部材４００を形成することが効果的である。

熱膨張部材４００は複数形成され得、流入経路部１３１ａに沿って複数の熱膨張部材４００が離隔形成され、排出経路部１３１ｂに沿って複数の熱膨張部材４００が離隔形成され得る。複数形成された熱膨張部材４００はバスバー２１０と互いにずらして配列され得る。変形実施形態として熱膨張部材４００とバスバー２１０は冷却流路部１３１が延びる方向に垂直である方向に互いに重ならなくてもよい。

図８を参照すると、電池セル積層体１５０に含まれた電池セルで熱暴走が発生すると、熱膨張部材４００の厚さが膨張してベントガス（ｖｅｎｔｉｎｇ ｇａｓ）と炎（ｆｌａｍｅ）による熱が流入口１３０ａと排出口１３０ｂを介して外部に放出されないようにする。すなわち、本実施形態による熱膨張部材４００により冷却流路部１３１が遮断され得る。

図９を参照すると、熱膨張部材４００の膨張前後の姿を見る時、冷却流路部１３１の断面の一部を覆っていた熱膨張部材４００が図７の電池セル積層体１５０で熱暴走が発生すると厚さが膨張して冷却流路部１３１の断面を遮断することができる。この時、熱膨張部材４００の厚さが膨張する方向は冷却流路部１３１が延びる方向に垂直であり得る。すなわち、図８で示すＹ軸方向に沿って熱膨張部材４００の厚さが膨張し得る。

図１０は本発明の他の一実施形態による電池モジュールの冷却流路部を示す概略的な平面図である。図１１は図１０の電池モジュールの電池セルで発生した熱暴走によって熱膨張部材が変化した姿を示す平面図である。

図１０を参照すると、本実施形態による電池モジュールは図８および図９で説明した実施形態とほぼ同様である。ただし、本実施形態による熱膨張部材４００は第１熱膨張部材４００ａと第２熱膨張部材４００ｂを含む。第１熱膨張部材４００ａは側面プレート１００Ｓ上に複数形成され得、第２熱膨張部材４００ｂはバスバー２１０上に位置し得る。この時、第１熱膨張部材４００ａと第２熱膨張部材４００ｂは互いにずらして配列され得る。

図１１を参照すると、電池セル積層体１５０に含まれた電池セルで熱暴走が発生すると第１熱膨張部材４００ａと第２熱膨張部材４００ｂの厚さがそれぞれ膨張してベントガス（ｖｅｎｔｉｎｇ ｇａｓ）と炎（ｆｌａｍｅ）による熱が流入口１３０ａと排出口１３０ｂを介して外部に放出されないようにする。すなわち、本実施形態による熱膨張部材４００により熱暴走によって発生した高温のガスと火炎が矢印方向に排出されることを防止することができる。本実施形態によれば、バスバー２１０の上部と側面プレート１００Ｓ上に交差して第１熱膨張部材４００ａと第２熱膨張部材４００ｂを配置することによってより効率的に内部空間を減らして冷却流路部１３１を遮断することができる。

この時、第１熱膨張部材４００ａと第２熱膨張部材４００ｂそれぞれの厚さが膨張する方向は互いに反対であり得る。

一方、本発明の実施形態による電池モジュールは一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。

前述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用されることができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用されるが、本発明はこれに制限されず電池モジュールおよびそれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスに適用可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。

以上、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ものではなく、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利用し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。

１３０ａ 流入口
１３０ｂ 排出口
２１０ バスバー
１３１ 冷却流路部
１３１ａ 流入経路部
１３１ｂ 排出経路部
４００ 熱膨張部材

Claims (9)

1. 空冷式構造を有する電池モジュールにおいて、
   複数の電池セルを含む電池セル積層体、
   前記電池セル積層体と連結され、バスバーを含むバスバーフレーム、および
   前記電池セル積層体と前記バスバーフレームを覆うカバープレートを含み、
   前記カバープレートと前記電池セル積層体の間に冷却のための外部空気が流入または排出される冷却流路部が形成され、
   前記冷却流路部に熱膨張部材が形成され、
   前記熱膨張部材は前記冷却流路部を基準として前記バスバーが位置する一側と反対側に位置する第１熱膨張部材を含み、
   前記熱膨張部材と前記バスバーは互いにずらして配列され、
   前記熱膨張部材は、前記バスバー上に位置する第２熱膨張部材をさらに含む、電池モジュール。
2. 前記冷却流路部は、前記電池セル積層体の一側に位置して冷却のための空気が流入する流入口を有する流入経路部と、前記電池セル積層体の他の一側に位置して冷却のための空気が排出される排出口を有する排出経路部を含み、
   前記熱膨張部材は、前記流入口および／または前記排出口に隣接して形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記電池セルで発生したベントガスと炎による熱が前記流入口と前記排出口を介して外部に放出されることが防止されるように前記熱膨張部材の厚さが膨張して前記冷却流路部を遮断する、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記熱膨張部材の厚さ膨張方向は、前記冷却流路部が延びる方向に垂直である、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
5. 前記熱膨張部材は複数形成される、請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記熱膨張部材と前記バスバーは、前記冷却流路部が延びる方向に垂直である方向に互いに重ならない、請求項１に記載の電池モジュール。
7. 前記第１熱膨張部材と前記第２熱膨張部材それぞれの厚さが膨張する方向が互いに反対である、請求項１に記載の電池モジュール。
8. 前記カバープレートは電極リードと前記バスバーの溶接部分と対向する方向に位置する側面プレートを含み、
   前記第１熱膨張部材は前記側面プレート上に位置する、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
9. 請求項１～８のいずれか一項による電池モジュールを含む、電池パック。

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