电池组和包括该电池组的装置的制作方法

1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月29日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0052259号的权益，通过引用将上述韩国专利申请的全部公开内容结合在此。
3.本发明涉及一种电池组和包括该电池组的装置，更具体地，涉及一种安全性提高的电池组和包括该电池组的装置。


背景技术：

4.具有根据其产品的高应用特性和诸如高能量密度之类的电特性的可再充电电池不仅广泛应用于便携式装置，而且还广泛应用于由电驱动源驱动的电池供电车辆、混合动力车辆、和电力储存装置。这些可再充电电池作为用于改善环境友好性和能量效率的新能源而引起关注，其原因在于它们不产生任何能量使用的副产物，以及其能够显著减少化石燃料的使用的主要优点。
5.市售的二次电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和锂二次电池，其中的锂二次电池与镍基二次电池相比几乎不产生记忆效应，因而优点在于自由充放电，自放电率非常低，并且能量密度较高。
6.锂二次电池通常分别使用锂基氧化物和碳材料作为正极活性材料和负极活性材料。锂二次电池包括：电极组件，在电极组件中，分别施加有正极活性材料和负极活性材料的正极板和负极板在它们之间具有隔膜的情况下进行设置；和将电极组件与电解质溶液一起密封并容纳的外壳材料，即，电池壳体。
7.通常，根据外壳材料的形状，锂二次电池可分为电极组件安装在金属罐中的圆柱型或方型二次电池、以及电极组件安装在铝层压片的袋中的袋型二次电池。
8.近来，除了二次电池用作储能源以外，随着对大容量二次电池结构的需求增加，对中大型模块结构的电池组的需求逐渐增加，在中大型模块结构的电池组中聚集有其中多个二次电池串联或并联连接的电池模块。通过将多个电池单元串联或并联结合并构成电池单元堆叠体来提高电池模块的容量和输出。此外，当多个电池模块与诸如电池管理系统(bms，battery management system)或冷却系统之类的各种控制和保护系统安装在一起时可构成电池组。
9.电池组具有多个电池模块进行组合的结构，因而当电池模块中的一些电池模块接收到过电压或过电流或者它们过热时，电池组的安全性和工作效率会成为问题。特别是，当电池组的容量正趋于逐渐增加来提高里程并且电池组内的能量相应增加时，需要设计一种满足增强的安全标准并实现车辆和驾驶员的安全性的结构。为此，尤其是对于获得用于预先防止内部热失控，并且在发生热失控时将相应损坏最小化的结构的需求在增加。


技术实现要素：

10.技术问题
11.本发明致力于提供一种安全性提高的电池组和包括该电池组的装置。
12.然而，本发明的目的不限于前述目的，可在本发明的精神和范围内以各种方式进行扩展。
13.技术方案
14.本发明一实施方式提供了一种电池组，包括：多个电池模块；沿着所述电池模块的边缘设置的排放诱导框架；以及用于容纳所述电池模块和所述排放诱导框架的外壳，其中在所述排放诱导框架中设置有至少一个熄火构件。
15.所述排放诱导框架可包括与第一方向平行形成的一对垂直梁(beam)和与所述第一方向交叉的第二方向平行形成的一对水平梁(beam)。
16.所述垂直梁可具有管形状，并且包括沿所述垂直梁的长度方向形成的第一盖、和被所述第一盖围绕并且形成为允许排放物通过的第一通道，并且所述水平梁可具有管形状，并且包括沿所述水平梁的长度方向形成的第二盖、和被所述第二盖围绕并且形成为允许所述气体通过的第二通道。
17.所述熄火构件可包括第一熄火构件和第二熄火构件，并且在所述第一通道中可设置有至少一个第一熄火构件，并且在所述第二通道中可设置有至少一个第二熄火构件。
18.所述至少一个第一熄火构件可沿所述第一方向间隔开。
19.设置在所述第一通道中的第一熄火构件的数量可等于或大于设置在所述第二通道中的第二熄火构件的数量。
20.应用到所述第二熄火构件的熄火材料的量可大于应用到所述第一熄火构件的熄火材料的量。
21.所述电池模块可包括：堆叠有多个电池单元的电池单元堆叠体；用于容纳所述电池单元堆叠体的模块框架；端板，所述端板用于覆盖暴露于所述模块框架的前侧和后侧的所述电池单元堆叠体；和设置在所述端板上并且与所述电池模块的内部连通的至少一个排放门。
22.所述水平梁可包括通过与所述排放门连通而与所述排放门连接的第一连接孔，并且所述第二熄火构件可设置在所述第一连接孔附近。
23.所述第二熄火构件可具有与所述第一连接孔相同的尺寸或者可大于所述第一连接孔，并且所述第二熄火构件可结合在与所述第一连接孔对应的位置，从而封闭并密封所述第一连接孔与所述第二熄火构件之间的间隙。
24.本发明另一实施方式提供了一种包括上述电池组的装置。
25.有益效果
26.根据实施方式，在电池组中设置有排放诱导结构，因而当在电池单元中发生异常现象时，可通过沿预定方向诱导排放的气体来确保电池组的安全性。
附图说明
27.图1示出了根据本发明一实施方式的电池组的分解透视图。
28.图2示出了图1的电池组中的排放诱导框架的分解透视图。
29.图3示出了在根据本发明一实施方式的电池组的特定模块中发生热失控时的传递路径的模拟图。
30.图4示出了图3的部分iv的放大图。
31.图5a和图5b示出了图3的部分v的放大图。
32.图6示出了图1的电池组中包括的电池模块的透视图。
33.图7示出了在z轴方向上从底部至顶部观看的图6的电池模块的透视图。
34.图8示出了图2的部分a的放大图。
35.图9示出了当根据本发明一实施方式的电池组发生异常现象时排放物的流动的示意图。
36.图10示出了当根据比较例的电池组发生异常现象时排放物的流动的示意图。
具体实施方式
37.下文中，将参照示出了本发明实施方式的附图更全面地描述本发明。如本领域技术人员将认识到的，在完全不背离本发明的精神或范围的情况下，所描述的实施方式可以各种不同的方式修改。
38.为了清楚地描述本发明，省略了与描述无关的部件或部分，并且在整个说明书中将由相同的参考标记表示相同的要素。
39.为了更好的理解和便于描述，任意地示出了附图中示出的每个构造的尺寸和厚度，但本发明不限于此。在附图中，为了清楚起见，夸大了层、膜、板、区域等的厚度。为了便于描述，一些层和区域的厚度被夸大。
40.将理解的是，当诸如层、膜、区域、或基板之类的元件被称为在另一元件“上”时，所述元件可直接在所述另一元件上或者也可存在中间元件。相反，当一元件被称为“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。此外，在本技术中，词语“在
……
上”或“在
……
上方”是指位于目标部分上或下方，并不必然是指位于目标部分的基于重力方向的上侧。
41.除非有明确的相反描述，否则词语“包括”以及诸如“包含”或“具有”之类的变形将被理解为暗示包括所述元件，但不排除任何其他元件。
42.此外，在整个申请中，短语“在平面图中”是指从顶部观察目标部分，短语“在剖面图中”是指从侧面观察通过垂直切割目标部分形成的剖面。
43.图1示出了根据本发明一实施方式的电池组的分解透视图。
44.参照图1，根据本发明一实施方式的电池组1000包括多个电池模块100、和沿着多个电池模块100的边缘设置的排放诱导框架300。电池模块100和排放诱导框架300可安装在电池组托盘200上并且可容纳在电池组外壳400中。电池组外壳400可包括用于容纳电池组托盘200的下外壳410、和与下外壳410结合并且覆盖电池模块100的上侧的上盖420。
45.电池模块100分别包括设置在模块框架110中的电池单元堆叠体(未示出)，并且包括用于覆盖暴露于模块框架110的两端的电池单元堆叠体的端板120。在这种情况下，两个端板120之一包括排放门121，排放门121与电池模块100的内部连通并且释放可能在内部产生的火焰或热量。在电池组1000中，排放门121设置为面对电池组1000的外侧，优选地，如图1中所示，排放门121可设置为朝向电池组1000中的在第一方向(x轴方向)上的两端来面对外侧。
46.排放诱导框架300可沿着所有电池模块100的边缘设置。排放诱导框架300可包括沿着电池组1000的各侧以管形状形成并且分别沿第一方向(x轴方向)和第二方向(y轴方
向)延伸的一对垂直梁310和一对水平梁320，并且它们整体上形成为彼此连通。在本说明书的稍后部分将描述排放诱导框架300的详细构造。
47.电池模块100和排放诱导框架300可安装在电池组托盘200上，并且可在需要时通过固定部件固定至电池组托盘200。电池模块100、排放诱导框架300和电池组托盘200可被容纳在下外壳410中。下外壳410可包括：其上设置电池组托盘200的底侧、和从底侧的边缘向上延伸的侧壁。用于覆盖电池模块100的上部的上盖420可与下外壳410结合，以保护内部电场。在这种情况下，诸如电池管理系统(bms，battery management system)和冷却系统之类的各种控制和保护系统连同电池模块100一起可被安装在电池组外壳400中。
48.可在下外壳410的一个侧壁上形成用于将从内部产生的热量或火焰排放到外部的至少一个破裂部500。在本说明书的稍后部分将描述破裂部500的详细构造。
49.现在将详细描述根据本发明一实施方式的排放诱导框架。
50.图2示出了图1的电池组中的排放诱导框架的分解透视图。
51.参照图1和图2，排放诱导框架300沿着电池组1000的各侧以管形状形成，其可包括分别沿第一方向(x轴方向)和第二方向(y轴方向)延伸的一对垂直梁310和一对水平梁320，并且它们整体上形成为彼此连通。
52.垂直梁310具有沿第一方向(x轴方向)长形延伸的管形状，并且包括用于限定管形状的内部的盖311、和形成在盖311内侧的通道312。盖311可包括在第二方向(y轴方向)上靠近电池模块100设置的第一内盖311a、和面对第一内盖311a并且在第二方向(y轴方向)上远离电池模块100设置的第一外盖311b。第一内盖311a和第一外盖311b中的至少一个包括沿第一方向长形形成的凹槽。就是说，其横截面形成为具有形状(形成为具有从方形管形状去除一个侧面的形状)，并且另一个盖与之结合，因而限定出通道312。然而，不限于此，只要可通过盖311获得管形状即可。
53.水平梁320具有沿第二方向(y轴方向)长形延伸的管形状，并且包括用于限定管形状的内部的盖321、和形成在盖321内侧的通道322。盖321可包括在第一方向(x轴方向)上靠近电池模块100设置的第二内盖321a、和面对第二内盖321a并且在第一方向(x轴方向)上远离电池模块100设置的第二外盖321b。第二内盖321a和第二外盖321b中的至少一个包括沿第二方向长形形成的凹槽。就是说，其横截面形成为具有形状(形成为具有从方形管形状去除一个侧面的形状)，并且另一个盖与之结合，因而限定出通道322。特别是，在本实施方式中，如图2中所示，第二内盖321a和第二外盖321b可分别形成为具有形的横截面，以此可增加水平梁320被组装时的刚性。然而，不限于此，只要可通过盖321获得管形状即可。
54.水平梁320包括形成在面对电池模块100的侧面，即第二内盖321a的一个侧面上的第一连接孔324。第一连接孔324设置为与电池模块100的排放门121连通。水平梁320进一步包括形成在在第二方向上远离电池模块100设置的侧面，即第二外盖321b的一个侧面上的第三连接孔326。设置第三连接孔326以使得破裂部500可与通道322连通。在这种情况下，排放路径支架328可将破裂部500和水平梁320结合，以引导排放门121、水平梁320的通道322和破裂部500彼此连通的路径。
55.垂直梁310包括在与水平梁320相邻设置的各端处形成在第一内盖311a上的第二
连接孔314。水平梁320的通道322可通过第二连接孔314与垂直梁310的通道312连通。
56.破裂部500与水平梁320的通道322连接并且包括当输入的气体具有预定水平以上的压力时破裂的破裂侧面(510，图5b中所示)。此外，破裂部500包括翼部(520，图5b中所示)，翼部520从形成有破裂侧面510的主体突出并且与下外壳410的侧壁结合。翼部520可通过使用诸如螺丝之类的紧固部件固定至下外壳410。在本实施方式中，破裂部500与水平梁320的通道322连接，并且破裂部500隔着下外壳410与水平梁320固定，但不限于此，可适当使用与通气诱导框架300的通道连通并且排放到外部的构造。此外，在本实施方式中举例说明了在一对水平梁320中的一个水平梁中形成两个破裂部500，但不限于此，破裂部500可安装在另一侧的水平梁320中，或者可安装在垂直梁310中，并且可根据需要适当选择相应的位置和数量。
57.参照图2，在本实施方式中，除了上述构造以外，还可在排放诱导框架300中设置至少一个熄火构件330。熄火构件330可设置在垂直梁310的通道312和水平梁320的通道322之一内部。熄火构件330可沿着由垂直梁310的通道312和水平梁320的通道322形成的排放引导路径设置。将在本说明书的稍后部分描述熄火构件300的详细构造。
58.通过上述构造，在由垂直梁310和水平梁320构成的方形的排放诱导框架300内部形成整体连通的通道，并且该通道与电池模块100的排放门121和破裂部500连通，从而当电池模块100发生热失控时将热量和火焰诱导到外部并将对外围电池模块的影响最小化。在这种情况下，产生的高压排放气体中包括的火焰在通过排放诱导框架300内部的路径的同时燃烧并且可以以更安全的方式排放到外部。在没有热失控的正常情况下，排放诱导框架300可用作用于稳定地支撑电池模块100的支撑框架并且可提高电池组1000的稳定性。
59.现在将描述用于控制其中在电池组中的一些电池模块中发生诸如过电压、过电流或过热之类的问题的情况的路径。
60.图3示出了在根据本发明一实施方式的电池组的特定模块中发生热失控时的传递路径的模拟图。图4示出了图3的部分iv的放大图。图5a和图5b示出了图3的部分v的放大图。
61.参照图1至图5，当在电池模块100中发生诸如过电压、过电流或过热之类的异常现象(热量问题)时，高压排放的气体通过排放门121从电池模块100的内部排放。在这种情况下，高温高压气体和火焰被诱导至与产生热量的电池模块100的排放门121最近设置的第一连接孔324。通过第一连接孔324输入的高温高压气体和火焰可通过形成在排放诱导框架300中的通道排放到外部。
62.例如，当设置在图3中的位置1的电池模块100中产生热量时，如图4中所示，高压气体和火焰可通过排放门121排放，可穿过水平梁320的通道322，可被直接诱导至破裂部500并且可排放到外部。由此，位置1的电池模块100产生的热量可排放到外部而不会对外围的模块造成影响。
63.此外，当设置在图3中的位置2的电池模块100中产生热量时，如图5a和图5b中所示，高温高压气体和火焰通过排放门121排放，并且输入到水平梁320的通道322。通过第二连接孔314输入到垂直梁310的通道312并且沿通道312移动的高温高压气体和火焰可通过形成在相应垂直梁310的相反端上的第二连接孔314被诱导至破裂部500所在的一侧的水平梁320，并且最终可通过破裂部500排放到外部。就是说，当在电池模块100中产生热量时，高温高压气体和火焰可通过与相应电池模块100的排放门121最近设置的第一连接孔324被诱
导至排放诱导框架300的通路，并且可最终排放到外部。
64.图6示出了图1的电池组中包括的电池模块的透视图。图7示出了在z轴方向上从底部至顶部观看的图6的电池模块的透视图。
65.参照图6和图7，图1的电池组中包括的电池模块100可包括：堆叠有多个电池单元101的电池单元堆叠体102、用于容纳电池单元堆叠体102的模块框架108、以及端板120。电池单元101进行堆叠以相互彼此电连接，从而构成电池单元堆叠体102。特别是，如图6中所示，多个电池单元101可在平行于y轴的方向上堆叠。
66.在这种情况下，根据本发明一实施方式的电池单元堆叠体102可以是包括比现有技术更大数量的电池单元101的大面积模块。例如，每一电池模块100可包括48个电池单元101。关于大面积模块，电池模块的水平方向长度变长。在这种情况下，水平方向长度可表示在电池单元101堆叠的方向上的长度，即，平行于y轴的方向上的长度。
67.用于容纳电池单元堆叠体102的模块框架108可包括上板112和下框架111。下框架111可以是u形框架。u形框架可包括底部和从底部的两端向上延伸的两个侧部。底部可覆盖电池单元堆叠体102的下侧(z轴的相反方向)，侧部可覆盖电池单元堆叠体102的两侧面(y轴方向及其相反方向)。
68.上板112可形成为具有围绕除被u形框架围绕的下侧和两侧面之外的剩余的上侧(z轴方向)的一个板形结构。上板112和下框架111可在对应的边缘彼此接触的同时通过焊接彼此结合，从而构成用于从上到下以及从左到右覆盖电池单元堆叠体102的结构。可通过上板112和下框架111物理地保护电池单元堆叠体102。为此，上板112和下框架111可包括具有预定刚性的金属材料。
69.在根据本示例性实施方式的端板120上设置有排放门121，排放门121与电池模块100的内部连通并且排放可能在内部产生的火焰或热量。考虑到用于传送信息的连接器连接部分，排放门121可设置在端板120的下侧上。
70.模块框架108可包括形成为使得模块框架108的底部可延伸穿过端板120的模块框架突出部131。在这种情况下，可经由模块框架突出部131向散热器130供应/从散热器130排放通过与模块框架突出部131的上侧连接的冷却端口140输入和输出的冷却剂。
71.图8示出了图2的部分a的放大图。
72.现在将参照根据本实施方式的熄火构件330来描述用于控制在电池组中的一些电池模块中产生诸如过电压、过电流或过热之类的问题的路径。
73.参照图8，熄火构件330可设置在排放诱导框架300内部。通过排放门121从电池模块100排放的排放物的至少一部分可通过熄火构件330。排放物包括高温高压气体和火焰中的至少一种。特别是，熄火构件330阻挡从电池模块100的内部排放的排放物之中的火焰被排放到外部。就是说，熄火构件330可从电池模块100的内部排放的排放物之中去除火焰，并且被去除了火焰的气体可从电池组1000排放到外部。
74.在此，熄火构件330可具有诸如网或管(管道)之类的结构，因此从电池模块100的内部排放的排放物之中的高温高压气体通过熄火构件330，然后被排放到外部，并且排放物之中的火焰可被熄火构件330过滤并去除。因此，熄火构件330阻挡火焰在电池组1000中蔓延，从而防止电池组1000中的衬垫(gasket)熔融。熄火构件330可防止发生火焰喷出到电池组外部的额外事故。然而，熄火构件330不限于上述结构，用于从排放物之中去除火焰并允
许气体通过的任何结构没有限制。
75.关于熄火构件330，根据图6的电池单元101所包括的组成材料，设置在排放诱导框架300中的熄火构件330的数量可改变，或者构成熄火构件的材料可改变。
76.例如，当在图6的电池单元101所包括的组成材料产生热量时排放的火焰的强度或温度相对较高时，可在排放诱导框架300中设置相对较大数量的熄火构件330，或者可给熄火构件330应用相对较多量的熄火材料。相反，当电池单元101所包括的组成材料产生热量时排放的火焰的强度或温度相对较低时，可在排放诱导框架300中设置相对较小数量的熄火构件330，或者可给熄火构件330应用相对较少量的熄火材料。优选地，考虑到制造工艺和制造时间，根据火焰强度或温度来调节熄火构件330的数量可更简单且更容易。
77.图9示出了当根据本发明一实施方式的电池组发生异常现象时排放物的流动的示意图。图10示出了当根据比较例的电池组发生异常现象时排放物的流动的示意图。
78.在图9和图10中，a是气流，b是火焰流，ce是电池单元事故(cell event)。例如，电池单元事故(ce)表示在电池模块100中产生诸如过电压、过电流或过热之类的异常现象(热问题)，并且通过排放门121从电池模块100的内部排放高压排放气体。
79.关于根据本实施方式的电池组1000，可在构成排放诱导框架300的垂直梁310和水平梁320至少之一中设置熄火构件330。可在构成排放诱导框架300的垂直梁310和水平梁320至少之一中分别设置熄火构件330。因此，在由排放诱导框架300诱导的排放物的路径中包括熄火构件330，被去除了火焰的排放气体被排放到外部，可提高电池组1000的安全性。
80.例如，参照图2、图8和图9，熄火构件330可包括第一熄火构件331和第二熄火构件335。第一熄火构件331位于垂直梁310的内部，第二熄火构件335位于水平梁320的内部。
81.垂直梁310包括至少一个第一熄火构件331，当垂直梁310包括多个第一熄火构件331时，第一熄火构件331可以以预定间隔设置。相比于水平梁320，垂直梁310可包括相对更大数量的第一熄火构件331，因此与水平梁320相比，可有效地从垂直梁310去除火焰。第一熄火构件331距发生电池单元事故(ce)的位置越远，熄火材料的应用量可越少，其尺寸可越小，或者第一熄火构件331之间的间隙可增加，从而降低电池组1000的制造成本并且简化制造工艺。
82.水平梁320可包括至少一个第二熄火构件335，第二熄火构件335可位于电池模块100的排放门121附近。参照图2，第二熄火构件335可具有与第一连接孔324相同的尺寸或者大于第一连接孔324，第二熄火构件335可结合在与第一连接孔324对应的位置，从而封闭并密封第一连接孔与第二熄火构件之间的间隙。
83.因此，第二熄火构件335可减少因电池模块100的电池单元事故(ce)而产生的火焰量。火焰不会在排放门121与水平梁320之间泄漏。可防止排放门121与水平梁320之间的区域由于因电池模块100的电池单元事故(ce)产生的火焰而熔融。
84.与第一熄火构件331相比，第二熄火构件335设置为最靠近发生电池单元事故(ce)的位置，因此熄火材料的应用量可较多或者其尺寸会较大。因此，相比于第一熄火构件331，第二熄火构件335可去除更大量的火焰，电池组1000可获得更高的稳定性。
85.参照图9，当本实施方式的电池组1000中的初始电池单元发生电池单元事故(ce)时，来自图7和图8中所示的电池单元101的排放气体通过排放门121排放到电池模块100的外部。特别是，关于根据本实施方式的电池组1000，由电池模块100产生的排放物可通过排
放门121排放，并且可不同地控制气体和火焰。
86.根据图9中用虚线标记的第一流(a)，排放物之中的气体从排放门121流动到破裂部500。在这种情况下，气体可通过熄火构件330，然后可流动，从而防止由气体引起的压力增加而导致的爆炸事故。
87.根据图9中用虚线标记的第二流(b)，可防止排放物之中的火焰从排放门121流动到破裂部500。当火焰经过熄火构件330时，其流动量可逐渐减小。可选择性地去除在电池模块100中因电池单元事故(ce)而产生的排放物之中的火焰。虽然火焰可被诱导流入排放诱导框架300中，但是由于在火焰的流动路径(b)上设置有熄火构件，所以可更有效地去除火焰。
88.因此，根据本实施方式的电池组1000在排放诱导框架300中包括至少一个熄火构件330，以便控制电池组1000中的排放气体并且同时选择性地去除火焰，可显著提高安全性。
89.参照图10，常规的电池组20不具有根据本发明实施方式的诸如排放诱导件、排放门以及排放诱导框架之类的系统，所以由电池模块10产生的排放气体和火焰会零星地排放。与此不同，如上所述，根据本实施方式的电池组1000可诱导排放气体和火焰在预定路径上出来，并且可将被去除了火焰的气体排放到外部，从而提高安全性并防止发生额外的电池单元事故。
90.上述电池模块和包括该电池模块的电池组可应用于各种装置。这些装置可应用于诸如电动自行车、电动汽车和混合动力汽车之类的交通工具，但是本发明不限于此，可应用于能够使用电池模块和包括该电池模块的电池组的各种装置，这也属于本发明的范围。
91.尽管已经结合目前被认为是实际的实施方式描述了本发明，应当理解，本发明并不限于所公开的实施方式，而是相反，本发明旨在覆盖所附权利要求书的精神和范围内包括的各种变形和等同布置。
92.[标号说明]
[0093]
114v：排放诱导件
[0094]
121：排放门
[0095]
200：电池组托盘
[0096]
300：排放诱导框架
[0097]
310：垂直梁
[0098]
320：水平梁
[0099]
311：垂直梁的盖
[0100]
312：垂直梁的通道
[0101]
321：水平梁的盖
[0102]
322：水平梁的通道
[0103]
324：第一连接孔
[0104]
314：第二连接孔
[0105]
326：第三连接孔
[0106]
400：外壳
[0107]
500：破裂部。