JP7636033B2 - 熱拡散抑制構造を含む電池パック - Google Patents

Description

本出願は、２０２０年１１月２３日付け韓国特許出願第２０２０－０１５７８１７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ている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本願発明は、熱拡散抑制構造を含む電池パックに関する。具体的には、電池パックの内部にある電池セルで発火した火炎が広がることを防止するために、発火した電池セルがある電池モジュールに冷却水を噴射できる熱拡散抑制構造を含む電池パックに関する。

リチウム二次電池に対する持続した研究開発の結果、容量が増加し且つ出力が向上したリチウム二次電池の製造及び商用化が可能になっている。また、環境汚染の問題がある化石燃料を代替できるエネルギー源としてリチウム二次電池の需要が増加しつつある。

そこで、様々なデバイスに対するリチウム二次電池の適用が増加しており、例えば、多機能小型製品であるワイヤレスモバイル機器（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）又は身体に着用するウェアラブル機器（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）のエネルギー源として広範囲に用いられている他にも、既存のガソリン車両及びディーゼル車両の代案として提示される電気自動車とハイブリッド電気自動車などのエネルギー源又は電力貯蔵装置（ＥＳＳ）として用いられている。

このように、リチウム二次電池が大容量及び高出力のエネルギー源として用いられることに伴い、前記リチウム二次電池の安全性を確保する問題が重要な関心対象となっている。

一般に、電力貯蔵装置は、内部に収容された電池セルで火災が発生する場合に、別の注水装置を用いて電池モジュールや電池パックの内部に水を注入する方法を利用している。

しかしながら、このような場合、前記注水装置を備えるための施設と空間が必要であり、電池セルのベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）によって排出されたガスのセンシング時点から注水までにかかる時間差によって発火が広がってしまうという問題がある。

又は、電池モジュールや電池パックの内部又は外部に断熱材や消火薬剤などを配置し、電池セル同士間に熱が伝達されることを遮断したり発火した電池セルを冷却させたりする方法を用いることができる。

しかしながら、断熱材を使用する場合に、火炎の伝播することを防ぐことはできるが、消火機能を発揮できないという問題がある。消火薬剤を使用する場合には、エネルギー密度を考慮して電池パックの内部の空いた空間に消火薬剤を配置しているため、消火薬剤が火災発生地点に正確に撒かれないという問題がある。

このように、電池パックの熱暴走を防止するための技術として、特許文献１は、バッテリーの上部に水を含む封筒が位置し、前記封筒は比較的に融点の低い材料で形成され、前記バッテリー温度が増加すると前記封筒が溶けて内部の水が前記バッテリーに排出される装置を開示している。

特許文献１は、封筒全体が融点の低い材料からなるため、バッテリー温度が増加する場合に、封筒の特定部分のみから水が排出されるのではなく、封筒が溶融しながら内部の水が全て排出されてしまう。

したがって、封筒が電池セルの下部にくるように配置される場合には、水を電池セルに注入することができず、消火機能を発揮できなくなる。このため、封筒が電池セルの上部に配置されるように容器の方向を一定の方向にのみ使用しなければならないという制約がある。

特許文献２は、外ケース内に中ケースと内ケースが収容され、複数の単電池が前記中ケースに収容され、消火剤は前記内ケースに収容され、前記単電池が上限温度以上に発熱すると、前記中ケース内に前記消火剤を投入するための注入管を含む。前記単電池が上限温度以上に発熱すると、前記注入管が開き、前記内ケースに収容された消火剤が中ケース内に注入される。

特許文献２は、消火剤を噴射するための圧縮ガス、注入管として用いるノズル、及び消火剤を内蔵する内ケースを含んでいるところ、それらを備えるための追加空間が必要であり、消火剤及び圧縮ガスを備えるための費用もさらに発生してしまう。

このように、電池パックの内部に収容された電池セルが発火する場合に、火炎が広がることを最小化できながら、追加空間を必要とせず、エネルギー密度が低くなることを防止できる技術に対する必要性が高い実情である。

特開第２０１４－５２３６２２号公報 特開第２０１２－２５２９０９号公報

本願発明は、上記のような問題を解決するためのものであり、複数の電池モジュールを含む電池パックで電池セルの発火及び爆発が起きる場合に、電池モジュール間に熱拡散が起きることを防止できるように熱拡散抑制構造を含む電池パックを提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明に係る電池パックは、複数の電池セルを収容する電池モジュールハウジング、一つ以上の前記電池モジュールハウジングを収納する電池パックケース、及び前記電池モジュールハウジングの一側面の上部に位置し、冷却水を収容しているウォータータンクを含み、前記電池モジュールハウジングは、前記複数の電池セルの外面を包む構造を有してよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記ウォータータンクは、ヒートシンク一体型であり、前記ウォータータンクの内部には、流入及び排出される冷却水の流れをガイドするための流路が形成されてよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記ウォータータンクは、前記電池モジュールハウジング全体の上面を覆う大きさで形成されてよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記ウォータータンクは、前記電池パックケースの上面の内側面に付着してよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記電池パックケースは、上部が開放された形態であり、前記ウォータータンクは、開放された前記電池パックケースの上面を覆う形態で前記電池パックケースと結合してよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記ウォータータンクは、前記電池モジュールハウジングと対面する一面に貫通口が形成されており、前記貫通口には密封部材が付加されていてよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記密封部材は、前記電池セルから放出する高温ガス又はスパークによって溶融する素材からなってよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記密封部材の溶融によって前記貫通口が開放され、前記貫通口から、前記ウォータータンクの内部に収容された冷却水が前記電池モジュールハウジングの外面に投入されてよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記貫通口は、前記ウォータータンクの一面に複数の孔が均一に分散された形態で形成されてよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記電池モジュールハウジング同士の間には隔壁が付加されてよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記密封部材は前記貫通口を充填しており、前記ウォータータンクの外側面から前記貫通口の周りよりも外側にさらに延長された延長部を含んでよい。

本発明に係る電池パックにおいて、前記電池セルは、パウチ形電池セル、角形電池セル又は円筒形電池セルであってよい。

以上で説明したように、本願発明に係る電池パックは、電池パックの内部にウォータータンクを備えることによって、電池パックの外形を増加させない上にも、発火した電池セルを含む電池モジュールを迅速に冷却させることができるので、隣接の電池モジュールに熱が広がることを抑制することができる。

また、電池モジュールハウジングと対面するウォータータンクの一面に密封部材を付加するので、前記密封部材が溶融して除去される場合に、電池パックの位置及び方向に関係なく、発火した電池セルを含む電池モジュールハウジングに向けて冷却水の噴射が可能である。

また、ウォータータンクの一面に貫通口を形成し、密封部材が前記貫通口を充填している形態であるので、密封部材の付加によって電池パックの重さが増加することを最小化できる。

また、複数の電池モジュールのいかなる電池モジュール内で発火が発生しても、当該電池モジュールハウジングに対して正確に冷却水注入が可能な形態であるので、大容量の電池パックに適用しても熱拡散遮断の効果を得ることができる。

また、高単価の消火薬剤の代わりに水を使用する場合に、生産原価を節減することができる。

本発明の第１実施例による電池パックの斜視図である。 第１実施例による電池パックの分解斜視図である。 図１に示した電池パックにおいてＡ－Ａ’線に沿って切断した断面図である。 第１実施例による電池パックで発火発生時に火炎が鎮火される状況を説明するための模式図である。 第２実施例による電池パックの分解斜視図である。 第２実施例による電池パックの断面図である。 第２実施例による電池パックで発火発生時に火炎が鎮火される状況を説明するための模式図である。 第３実施例による電池パックの分解斜視図である。 第３実施例による電池パックの断面図である。 第３実施例による電池パックで発火発生時に火炎が鎮火される状況を説明するための模式図である。

以下、添付の図面を参照して、本願発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本願発明を容易に実施できる実施例を詳細に説明する。ただし、本願発明の好ましい実施例に対する動作原理を詳細に説明するに当たって、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明が本願発明の要旨を却って曇らせ得ると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

また、図面全体を通じて類似の機能及び作用をする部分に対しては同一の図面符号を使用する。明細書全体において、ある部分が他の部分と連結されているとするとき、これは直接に連結されている場合の他、それらの中間にさらに他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むということは、別に断りのない限り、他の構成要素を除外することではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。

また、構成要素を限定又は付加して具体化する説明は、特に限定がない限り、いずれの発明にも適用可能であり、特定の発明に関する説明に限定されない。

また、本願の発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって単数で表示されたものは、特に言及しない限り、複数である場合も含む。

また、本願の発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって「又は」は、特に言及しない限り、「及び」を含むものである。したがって、「Ａ又はＢを含む」は、Ａを含む、Ｂを含む、Ａ及びＢを含む３つのいずれの場合をも意味する。

また、全ての数値範囲は、明確に除外するという記載がない限り、両端の値とそれらの間の全ての中間値を含む。

本願発明を、図面を参照して詳細な実施例のように説明する。

図１は、本発明の第１実施例による電池パックの斜視図であり、図２は、第１実施例による電池パックの分解斜視図である。

図１及び図２を参照すると、本願発明に係る電池パックは、複数の電池セル２２０を収容する電池モジュールハウジング２１０、一つ以上の電池モジュールハウジング２１０を収納する電池パックケース１００、及び電池モジュールハウジング２１０の一側面上に位置し、冷却水を収容しているウォータータンク３００を含み、電池モジュールハウジング２１０は、複数の電池セル２２０の外面を包む構造を有する。

ウォータータンクの下面には貫通口が形成されており、電池パックが正常状態の時に前記貫通口から冷却水が排出されることを防止するために密封部材３２０が付加されている。密封部材３２０はウォータータンクの下面に付加されており、電池パックの外面からは見えない状態であるが、図１及び図２では、説明の便宜のために密封部材３２０を実線で示している。

一つの具体的な例において、複数の電池セル２２０はパウチ形電池セルであってよく、前記パウチ形電池セルが、電極組立体収納部が互いに密着するように積層された状態で前記電極組立体収納部の底が地面に対して垂直となるように配置された状態であってよい。

前記パウチ形電池セルは、正極リードと負極リードが互いに反対方向に突出する両方向電池セルであってよく、又は、正極リードと負極リードが互いに同一方向に突出する単方向電池セルであってよい。

ウォータータンク３００はヒートシンク一体型であり、ウォータータンク３００の内部には、流入及び排出される冷却水の流れをガイドするための流路３１０が形成されているので、ウォータータンク３００に／から流入／排出される冷却水の温度を一定のレベルに保つことができる。

ウォータータンク３００は、電池モジュールハウジング２１０と対面する下面及びそれと反対方向の上面が広い直方体の形態で形成されてよく、前記上面及び下面の面積は、電池パックケース１００に収容された複数の電池モジュールハウジング２１０全体の上面を覆う大きさを有する。

一つの具体的な例において、電池パックケース１００は、直方体から上面が除去された箱のような形態であって、上部が開放された形態であってよく、ウォータータンク３００は、開放された電池パックケース１００の上面を覆う形態で電池パックケース１００と結合してよい。

すなわち、ウォータータンク３００が電池モジュールハウジング２１０の上面に配置されることにより、上面の開放された電池パックケースの蓋として働き得る。

他の具体的な例において、電池パックケース１００は、直方体から上面が除去されて上部が開放された形態で形成されているケース本体と、前記開放された上面に結合するトッププレートを含む構造であってよい。このとき、前記ウォータータンクはトッププレートと結合した形態であってよい。すなわち、ウォータータンクは、電池パックケースの上面の内側面に付着した形態であってよい。

又は、前記トッププレートが前記ウォータータンクの上面であってよく、ウォータータンクはトッププレートと一体型である形態であってもよい。

電池モジュールハウジング２１０は、パウチ形電池セルの電極組立体収納部の底が地面に対して垂直となるように配置された電池セルスタックにおいて電極組立体収納部の底に平行な電池セルスタックの両面と上面及び下面を包む形態であってよい。

電池セル２２０は、反復した充放電過程で電極組立体の膨脹と収縮が発生する他にも、充放電の副産物としてガスが生成される。このため、電池モジュールハウジングが膨脹することがあるが、電池モジュールハウジング２１０と電池モジュールハウジング２１０との間に隔壁１１０を付加することにより、電池モジュールハウジング２１０の体積膨脹が隣接のモジュールケースに影響を与えることを最小化し、且つ電池モジュールハウジング２１０を固定支持することができる。

図３は、図１に示した電池パックにおいてＡ－Ａ’線に沿って切断した断面図であり、図４は、第１実施例による電池パックで発火発生時に火炎が鎮火される状況を説明するための模式図である。

図３及び図４を参照すると、電池パックケース１００内に複数の電池モジュールハウジング２１０が配置され、電池モジュールハウジング２１０の内部には複数の電池セル２２０が配置される。複数の電池モジュールハウジング２１０の上部にはウォータータンク３００が配置され、ウォータータンク３００の内部には、発熱又は発火した電池セルによって温度が増加した電池モジュールの温度を下げるための冷却水が満たされている。

ウォータータンク３００において電池モジュールハウジング２１０と対面する一面に貫通口が形成され、貫通口には密封部材３２０が付加されて貫通口を密封している。密封部材３２０は、電池セル２２０から放出する高温ガス又はスパークによって溶融する素材からなる。すなわち、電池セル２２０が正常状態の時には密封部材３２０が貫通口を密封した状態を保持するが、電池セル２２０’のように発火した電池セルの温度が増加するにつれて、電池セル２２０’を包む電池モジュールハウジング２１０の温度も密封部材の溶融温度よりも増加し得る。この時、高温の電池モジュールハウジングと隣接している密封部材３２０が溶融し、貫通口３３０が開放される。

ウォータータンク３００に収容された冷却水は、電池モジュールハウジングの温度増加によって気化し、体積が増加して高圧状態になるので、貫通口３３０の開放時に電池モジュールハウジングに向けて噴射される。

本発明の電池モジュールハウジングは、電池セルが露出されない閉鎖型であるので、発火した電池セルには噴射された冷却水が直接投入されず、発火した電池セルが位置する電池モジュールハウジング２１０の外面に噴射され得る。このように、冷却水が電池モジュールハウジング２１０の外面に噴射されることにより、高温の電池モジュールハウジング２１０の温度を減少させることができ、隣接の電池モジュールに熱が広がることを防止又は遅延させることができる。

前記密封部材は、溶融点が約２００℃以下である熱可塑性の高分子樹脂が適用されてよく、例えば、前記熱可塑性の高分子樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレンなど、溶融点が約１００℃以上２００℃以下である物質が使用されてよい。

密封部材３２０は貫通口を充填しており、前記ウォータータンクの外側面から前記貫通口の周りよりも外側にさらに延長された延長部３２５を含んでよい。延長部３２５はウォータータンクの外側面からさらに延長される部分であるので、正常状態の時にはウォータータンクに対する密封部材３２０の結合力を向上させることができ、電池セルの発火発生時には温度上昇によって延長部から溶融し始めて貫通口を開放し得る。

リチウム二次電池からなる電池セルにおいて、電池セルに欠陥が発生したり、過充電又は過熱が発生したときに、電池セルの熱暴走現象が起きることがある。電池セルが熱暴走状態になると、電池セルの温度はガスベンティングが起きる温度である約２６０℃まで上がることがある。また、ガスベンティングが起きる間にも電池セルの温度は上昇し続くことがある。

複数の電池セルを電池パックケースに収容して電池パックを製造する場合に、一つの電池セルが熱暴走状態になると、高熱及び火炎が隣接の電池セルに伝達され、隣接の電池セルも過熱されて熱暴走状態になることがある。さらに、熱暴走状態になった電池セルは他の隣接の電池セルを加熱させ、熱暴走の連鎖反応が起きることがある。したがって、熱暴走された電池セルが電池パックケース内に発生すると、複数の電池セルの熱暴走を招き、これはさらに広範囲に広がって大きな損害を起こすことがある。このように複数の電池セルが熱暴走状態になると、約１，０００℃以上の温度に到達することがあり、これは電池セルが全焼するまで持続し、使用者が危険な状況に陥ることがある。

したがって、発火した電池セルの火炎及び高熱が隣接の電池セルに広がる前に、発火した電池セルを消火させることが非常に重要な課題である。

そこで、本願発明に係る電池パックは、電池モジュールハウジング２１０の上部と隣接した位置に、冷却水を収容しているウォータータンク３００を備え、前記冷却水が流れ出る貫通口を溶融点の低い密封部材が密封しており、発火した電池セルによって密封部材３２０が溶融すると貫通口３３０が開放される。したがって、前記貫通口から、ウォータータンク３００の内部に収容された冷却水が電池モジュールハウジング２１０の外面に噴射される。本願発明に係る電池モジュールハウジングは、ウォータータンクから噴射された冷却水に電池セルが露出されない閉鎖型であるので、冷却水は電池モジュールハウジングの外面に噴射され、隣接の電池モジュールに熱が拡散することを防止又は遅延させることができる。

このような過程によって、過熱又は発火したパウチ形電池セルによる火炎が電池モジュール間に広がることを防止でき、外部の注水施設を用いて電池セルの火炎を鎮火するのにかかる時間を確保することができる。

また、本願発明の電池パックが電気自動車のように使用者と近接する位置に装着される場合に、電池セルの火炎が広がることを遅延させることによって使用者が安全に対処できる時間を確保することができる。

ウォータータンク３００に形成された貫通口は、ウォータータンクの一面に複数の孔が均一に分散された形態で形成されてよく、いかなる電池モジュールの内部で発火が起きても、発火した電池セルを含む電池モジュールハウジングへの冷却水の噴射が正確になされ得る。すなわち、ウォータータンクに形成された貫通口の個数は、電池モジュールハウジングの大きさと個数、前記電池モジュールハウジングに配置される電池セルの形態、大きさ及び個数などを考慮して設計されてよい。

図５は、第２実施例による電池パックの分解斜視図であり、図６は、第２実施例による電池パックの断面図であり、図７は、第２実施例による電池パックで発火発生時に火炎が鎮火される状況を説明するための模式図である。

図５～図７を参照すると、電池パックは、複数の電池セルを収容する電池モジュールハウジング２１０、一つ以上の電池モジュールハウジング２１０を収納する電池パックケース１００、電池モジュールハウジング２１０の上部に位置し、冷却水を収容しているウォータータンク３００を含み、電池モジュールハウジング２１０は、複数の電池セル２２０の外面を包む構造を有する。

複数の電池セル２２０は、全体的に六面体の構造を有し、金属素材からなる電池ケースに電極組立体が収納された角形電池セルであり、正極端子及び負極端子は、ウォータータンク３００と対面するように上面から突出する形態であってよい。角形電池セルは、相対的に面積の広い側面が隣接して積層されるように密着配置されてよい。

また、ウォータータンク３００は、複数の電池モジュールハウジングと対面する一面に貫通口が形成され、前記貫通口には、溶融点の低い素材からなる密封部材３２０が付加されているので、電池セルの発火時に密封部材が溶融しながら前記貫通口が開放され、前記貫通口から、ウォータータンクの内部に収容された冷却水が電池モジュールハウジング２１０の外面に噴射され得る。

その他に、前記第２実施例による電池パックに関する説明は、前記第１実施例による電池パックに関する説明を同一に適用できる。また、第１実施例と第２実施例の構成要素のうちその対象が同一である範囲で同一の図面符号が適用される。

図８は、第３実施例による電池パックの分解斜視図であり、図９は、第３実施例による電池パックの断面図であり、図１０は、第３実施例による電池パックで発火発生時に火炎が鎮火される状況を説明するための模式図である。

図８～図１０を参照すると、電池パックは、複数の電池セルを収容する電池モジュールハウジング２１０、一つ以上の電池モジュールハウジング２１０を収納する電池パックケース１００、電池モジュールハウジング２１０の上部に位置し、冷却水を収容しているウォータータンク３００を含み、電池モジュールハウジング２１０は、複数の電池セル２２０の外面を包む構造を有する。

複数の電池セル２２０は全体的に円筒形の構造を有し、金属素材からなる電池ケースに電極組立体が収納された円筒形電池セルであり、正極端子がウォータータンク３００と対面するように上方に突出する形態で配置されてよい。

また、ウォータータンク３００は、複数の電池モジュールハウジングと対面する一面に貫通口が形成され、前記貫通口には、溶融点の低い素材からなる密封部材３２０が付加されているので、電池セルの発火時に密封部材が溶融しながら前記貫通口が開放され、前記貫通口から、ウォータータンクの内部に収容された冷却水が電池モジュールハウジング２１０の外面に噴射され得る。

その他に、前記第３実施例による電池パックに関する説明は、前記第１実施例による電池パックに関する説明を同一に適用できる。また、第１実施例と第３実施例の構成要素のうちその対象が同一である範囲で同一の図面符号が適用される。

本願発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本願発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。

１００ 電池パックケース
１１０ 隔壁
２１０ 電池モジュールハウジング
２２０，２２０’ 電池セル
３００ ウォータータンク
３１０ 流路
３２０ 密封部材
３２５ 延長部
３３０ 貫通口

Claims (7)

1. 複数の電池セルを収容する電池モジュールハウジング；
   一つ以上の前記電池モジュールハウジングを収納する電池パックケース；及び
   前記電池モジュールハウジングの一側面上に位置し、冷却水を収容しているウォータータンク；
   を含み、
   前記電池モジュールハウジングは、前記複数の電池セルの外面を包む構造を有する電池パックにおいて、
   前記ウォータータンクは、前記電池モジュールハウジングと対面する一面に貫通口が形成されており、前記貫通口には密封部材が付加されており、
   前記密封部材は、前記電池セルから放出する高温ガス又はスパークによって溶融する素材からなり、
   前記密封部材の溶融によって前記貫通口が開放され、前記貫通口から、前記ウォータータンクの内部に収容された冷却水が前記電池モジュールハウジングの外面に投入され、
   前記貫通口は、前記ウォータータンクの一面に複数の孔が均一に分散された形態で形成されており、
   前記密封部材は前記貫通口を充填しており、前記ウォータータンクの外側面から前記貫通口の周りよりも外側にさらに延長された延長部を前記ウォータータンクの下面のみに含み、
   前記ウォータータンクは、ヒートシンク一体型であり、前記ヒートシンクによって前記冷却水の温度を一定のレベルに保つ、電池パック。
2. 前記ウォータータンクの内部には、流入及び排出される冷却水の流れをガイドするための流路が形成されている、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記ウォータータンクは、前記電池モジュールハウジング全体の上面を覆う大きさで形成される、請求項１または２に記載の電池パック。
4. 前記ウォータータンクは、前記電池パックケースの上面の内側面に付着した形態である、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池パック。
5. 前記電池パックケースは、上部が開放された形態であり、
   前記ウォータータンクは、開放された前記電池パックケースの上面を覆う形態で前記電池パックケースと結合する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池パック。
6. 前記電池モジュールハウジング同士の間には隔壁が付加されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池パック。
7. 前記電池セルは、パウチ形電池セル、角形電池セル又は円筒形電池セルである、請求項１～６のいずれか一項に記載の電池パック。

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