JP7701115B2 - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

Description

関連出願との相互引用
本出願は、２０２０年４月１４日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４４９６７号に基づいた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組み含まれる

本発明は、電池パックおよびこれを含むデバイスに関し、より具体的には安全性を向上させた電池パックおよびこれを含むデバイスに関する。

製品群に応じた適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有している二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源により駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点から、環境にやさしく、エネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。

現在商用化された二次電池としては、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があるが、このうち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ほとんど起こらず、充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いという長所のため、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と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、つまり、電池ケースとを備える。

一般的にリチウム二次電池は、外装材の形状により、電極組立体が金属カンに内装されている角型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池とに分類され得る。

小型機器に利用される二次電池の場合、２～３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに利用される二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が利用される。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって容量および出力が向上する。また、複数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。

電池パックは、多数の電池モジュールが組み合わされた構造からなっているため、一部の電池モジュールが過電圧、過電流または過発熱される場合には電池パックの安全性と作動効率が問題になり得る 。特に走行距離の向上のために電池パック容量は次第に増加する傾向にあり、それに伴ってパック内部エネルギーも増加する中で、強化される安全性基準を満足し、車両および運転者の安全性確保のための構造の設計が必要である。このために、特に内部の熱暴走などを未然に防止し、発生してもその被害を最小化することができるようにモジュール間転移を抑制することができる構造の必要性が台頭している。

本発明の実施形態は、電池内で一部の電池モジュールが過電圧、過電流または過発熱されても、その被害を最小化することができるようにモジュール間転移を抑制することができる電池パックの提供をその目的とする。

ただし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。

本発明の一実施形態による電池パックは、複数の電池モジュール、前記複数の電池モジュールのうち、隣接する電池モジュールの間に配置されるバリアビーム、および前記複数の電池モジュールおよび前記バリアビームを収容するハウジングを含む。

前記バリアビームは、第１方向に沿って延長された垂直ビーム、および前記第１方向に直交する第２方向に沿って延長された水平ビームを含むことができる。

前記ハウジングは、前記複数の電池モジュールが配置された底面、および前記底面の周縁から上部に向かって延長された側面を含む下部ハウジングと、前記下部ハウジングの上部の少なくとも一部を覆う少なくとも一つの上部カバーとを含むことができる。

前記上部カバーと前記バリアビームを結合する少なくとも一つの結合部材をさらに含むことができる。

前記上部カバーは、前記結合部材により前記バリアビームと結合する部分で前記バリアビームに向かって陥没した陥没部を含むことができる。

前記結合部材は、ボルトとナットであり得る。

前記電池パックは、前記複数の電池モジュールと、前記下部ハウジングの側面との間に位置して、前記複数の電池モジュールの周縁に沿って配置されたバリアフレームをさらに含むことができる。

前記バリアフレームの各辺は内部が空になっている管形態であり得る。

前記バリアビームの材質は、スチール（ｓｔｅａｌ）であり得る。

本発明の他の一実施形態によるデバイスは、前記少なくとも一つの電池パックを含むことができる。

本発明の実施形態によれば、電池内で一部の電池モジュールが過電圧、過電流または過発熱されても、高温、高圧のガスおよび火炎が周辺モジュールに伝播することを遮断することができるため、その被害を最小化することができるところ、電池パックの安全性を向上させることができる。

本発明の一実施形態による電池パックの分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池パックで上部カバーとバリアビームの結合部分の断面を拡大して示した図面である。 本発明の一実施形態による電池パックで一部のモジュールに熱暴走が発生した場合の伝達経路を模式化して示した図面である。 比較例による電池パックで一部のモジュールに熱暴走が発生した場合の伝達経路を模式化して示した図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の多様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することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に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、説明上不要な部分は省略し、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した。

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ため、本発明が必ず図示されたところに限定されるのではない。図面において、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。そして図面において、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。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、これは他の部分の「直上」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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。

以下、本発明の一実施形態による電池パックについて説明する。

図１は本発明の一実施形態による電池パックの分解斜視図である。

図１を参照すれば、本発明の一実施形態による電池パック１０は、複数の電池モジュール１００と、複数の電池モジュール１００のうち隣接する電池モジュールとの間に配置されるバリアビーム３００を含む。複数の電池モジュール１００とバリアビーム３００は、パックトレイ２００上に装着されてハウジング４００内に収納され得る。ハウジング４００は、パックトレイ２００を収容する下部ハウジング４１０と、下部ハウジング４１０に結合して電池モジュール１００の上部を覆う上部カバー４２０を含むことができる。

下部ハウジング４１０は、複数の電池モジュール１００とパックトレイ２００が配置される底面と、底面の周縁から上部に向かって延長された側面を含むことができる。このような構成によって、図１に示されているように下部ハウジング４１０の上部は開口された状態を有する。下部ハウジング４１０内部に複数の電池モジュール１００、バリアビーム３００、パックトレイ２００およびその他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が装着され、開口された上部が上部カバー４２０により覆われるように結合され得る。

上部カバー４２０は、図１に示されているように、２つに分割された構造であってもよく、全体が一体に形成されてもよく、または２つより多数に分割された構造であってもよい。また、上部カバー４２０をさらに覆う追加のケースカバーなどをさらに備えることもでき、特に限定されない。上部カバー４２０は複数の電池モジュール１００にわたって形成される場合、図１に示したように、電池モジュール１００の間のバリアビーム３００に対応する部分で陥没部４２２を有することができる。陥没部４２２により上部カバー４２０がバリアビーム３００と接触するようになり、これによって一つの電池モジュール１００が配置された部分が空間的に分離され得る。このように上部カバー４２０を備え、上部カバー４２０に、バリアビーム３００と対応する部分で陥没部４２２を有するようにすることによって、いずれか一つの電池モジュール１００に過電圧、過電流または過発熱（熱問題）が発生して高温、高圧のガスおよび火炎が発生しても、上部空間を通じて隣接した電池モジュール１００に伝達されることを遮断することができる。また、このような熱問題が発生しない平常時には、電池モジュール１００の上面に隣接して配置された上部カバー４２０が電池モジュール１００の振動を抑制する構造物の役割を果たすことで、電池パック１０全体の安定性を向上させることができる。

複数の電池モジュール１００のうち、隣接する電池モジュール１００の間には、バリアビーム３００が配置される。バリアビーム３００は、スチール（ｓｔｅａｌ）などの材質からなる柱形状の構造であり、図１に示されているように、例えば４個の電池モジュール１００を含む電池パック１０では垂直ビーム３１０と水平ビーム３２０が交差するように配置されて十字形態を有することができる。このような形態は、一体に形成されてもよく、一つの垂直ビーム３１０の左右側に短く形成された水平ビーム３２０が結合されてもよく、特に限定されない。また、電池モジュール１００の個数が多くなる場合、電池モジュール１００の間を全て区画できる格子形態に配置されてもよい。

バリアビーム３００によって、電池モジュール１００が隣接するモジュールから互いに遮断されて孤立状態で配置され得る。これによって、いずれか一つの電池モジュール１００で過電圧、過電流または過発熱（熱問題）が発生して高温、高圧のガスおよび火炎が発生しても、これらが周辺モジュールに伝達されることがバリアビーム３００により遮断され得るため、熱問題の追加発生などを防止することができる。また、このような熱問題が発生しない平常時には、バリアビーム３００が電池モジュール１００を安定的に支持する構造物の役割を果たすことで、電池パック１０全体の剛性を向上させることができる。

一方、複数の電池モジュール１００全体の周縁に沿ってはバリアフレーム５００が配置され得る。つまり、バリアフレーム５００は、複数の電池モジュール１００と、下部ハウジング４１０の側面との間で、複数の電池モジュール１００の全体周縁を囲むように配置され得る。バリアフレーム５００は、その上部で上部カバー４２０と結合することができる。これによって、一つの電池モジュール１００が配置された空間が、バリアビーム３００、バリアフレーム５００および上部カバー４２０の結合により他の部分と遮断されて孤立した独立空間を形成することができる。

また、バリアフレーム５００は、その内部が空いている管形態に形成されることもできる。この場合、バリアフレーム５００内部の通路と電池モジュール１００が連通することができる連結ホールを設けて、熱問題が発生した電池モジュール１００で生成された高温、高圧のガスおよび火炎を定めた経路に沿って移動させることによって他のモジュールへの影響を遮断しながら外側に放出させることができる。

複数の電池モジュール１００、バリアビーム３００、およびバリアフレーム５００は、パックトレイ２００上に装着され得、必要に応じて固定手段によりパックトレイ２００に固定され得る。電池モジュール１００、バリアビーム３００、およびバリアフレーム５００は、パックトレイ２００に装着された状態で下部ハウジング４１０内に収容され得る。

以下、本発明の一実施形態による電池パックで上部カバーとバリアビームの結合部分についてより詳細に説明する。

図２は本発明の一実施形態による電池パックで上部カバーとバリアビームの結合部分の断面を拡大して示した図面である。

図１および図２を参照すれば、上部カバー４２０にはバリアビーム３００に対応する領域で陥没部４２２が備えられ、陥没部４２２の内側面とバリアビーム３００が接触するように形成される。陥没部４２２とバリアビーム３００が接触した状態で、上部カバー４２０とバリアビーム３００に形成されたホールを通じてボルト４３１とナット４３２が結合することによって、上部カバー４２０とバリアビーム３００が固定され得る。このような固定手段は、特に限定されるのではなく、溶接または接着剤によっても結合可能である。このように上部カバー４２０とバリアビーム３００が陥没部４２２で結合することによって、バリアビーム３００により区画された領域が上部でも互いに遮断および孤立され得る。また、図面に示していないが、バリアフレーム５００と上部カバー４２０が重複する部分でも同一の方式で結合させることによって各電池モジュール１００がそれぞれ遮断および孤立された空間内に収容され得るようになる。これによって、一つの電池モジュール１００で発生した高温、高圧のガスおよび火炎が全ての方向で遮断されて隣接する電池モジュール１００への伝播を確実に遮断することができる。また、上部カバー４２０とバリアビーム３００が固定手段により固定されることによって電池モジュール１００が当該構造物により安定的に支持され得るため、平常時にも電池パック１０の安定性を向上させることができる。

以下、電池パック内の一部の電池モジュールで過電圧、過電流または過発熱などの問題が発生した場合、高温、高圧のガスおよび火炎の伝播について比較例と共に説明する。

図３は本発明の一実施形態による電池パックで一部のモジュールに熱暴走が発生した場合、伝達経路を模式化して示した図面であり、図４は比較例による電池パックで一部のモジュールに熱暴走が発生した場合の伝達経路を模式化して示した図面である。

図３に示されているように、電池モジュール１００の間に配置されたバリアビーム３００を含む本発明の実施形態によれば、一部の電池モジュール１００内で熱問題により高温、高圧のガスおよび火炎が発生しても、当該ガスおよび火炎が隣接する電池モジュール１００に伝播されずに、バリアビーム３００により遮断されてその内部のみで影響を与えるようになる。したがって、追加の熱問題の発生を防止することができる。

反面、このようなバリアビーム３００の構造が適用されていない従来の電池パック１０の場合、図４に示されているように１番モジュールで発生したベンティングガス（高温、高圧のガスと火炎）が、無作為に２～４番のモジュール全体に伝達され、結局、電池パック１０内部の全てのモジュールの温度上昇および連鎖的な追加の熱暴走発生の危険に晒される結果を招く。

このように、本発明の一実施形態によれば、バリアビーム３００を備えることによって、平常時には電池モジュール１００を安定的に支持する構造物として作用し、電池パック１０内部で熱問題が発生する場合に発生した高圧のベンティングガス（高温、高圧のガスと火炎）が隣接する電池モジュール１００に伝播されることを遮断することができるところ、周辺モジュールへの拡散を防止することができる。また、このようなバリアビーム３００と、電池モジュール１００を覆う上部カバー４２０とが結合することによって、電池モジュール１００毎に孤立された個別空間を提供するようになり、より確実に周辺モジュールへの拡散を防止することができる。同時に上部カバー４２０も電池モジュール１００の振動を抑制する構造物の役割を果たすことができるところ、電池パック１０の安定性をより向上させることができる。

前述した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。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得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用することができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する

以上で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ず、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多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１０：電池パック
１００：電池モジュール
２００：パックトレイ
３００：バリアビーム
３１０：垂直ビーム
３２０：水平ビーム
４００：ハウジング
４１０：下部ハウジング
４２０：上部カバー
４２２：陥没部
５００：バリアフレーム

Claims (9)

1. 複数の電池モジュール、
   前記複数の電池モジュールのうち、隣接する電池モジュールの間に配置され、前記隣接する電池モジュールを互いから遮断するバリアビーム、および
   前記複数の電池モジュールおよび前記バリアビームを収容するハウジングであって、前記複数の電池モジュールが配置された底面、および前記底面の周縁から上部に向かって延長された側面を含む下部ハウジングと、前記下部ハウジングの上部の少なくとも一部を覆う少なくとも一つの上部カバーとを含むハウジング、
   を含み、
   前記上部カバーは、前記バリアビームと結合する部分で前記バリアビームに向かって陥没した陥没部を含み、
   前記バリアビームの上面と前記陥没部の下面とが面接触することにより、前記隣接する電池モジュールがそれぞれ配置された空間が互いから空間的に非連続に分離される、電池パック。
2. 前記バリアビームは、第１方向に沿って延長された垂直ビーム、および前記第１方向に直交する第２方向に沿って延長された水平ビームを含む、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記上部カバーと前記バリアビームを結合する少なくとも一つの結合部材をさらに含む、請求項１又は２に記載の電池パック。
4. 前記陥没部は、前記結合部材により前記バリアビームと結合する部分で前記バリアビームに向かって陥没する、請求項３に記載の電池パック。
5. 前記結合部材は、ボルトとナットである、請求項３又は４に記載の電池パック。
6. 前記複数の電池モジュールと、前記下部ハウジングの側面との間に位置して、前記複数の電池モジュールの周縁に沿って配置されたバリアフレームをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電池パック。
7. 前記バリアフレームの各辺は内部が空になっている管形態である、請求項６に記載の電池パック。
8. 前記バリアビームの材質は、スチール（ｓｔｅａｌ）である、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池パック。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の少なくとも一つの電池パックを含むデバイス。

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