电池模块和包括该电池模块的电池组的制作方法

1.本公开涉及电池模块和包括该电池模块的电池组，更具体地，涉及具有增强的安全性的电池模块和包括该电池模块的电池组。


背景技术：

2.随着技术发展和对移动设备的需求的增加，对作为能源的二次电池的需求迅速增加，因此对能够满足各种需求的电池的许多研究正在出现。
3.二次电池作为电力驱动装置(例如电动自行车、电动车辆和混合电动车辆)的能源以及作为移动装置(例如移动电话、数码相机和膝上型计算机)的能源已经引起了相当大的注意。
4.近来，随着对大容量二次电池结构(包括将二次电池用作能量存储源)的需求的不断增加，对作为多个二次电池串联/并联连接的电池模块组件的多模块结构的电池组的需求不断增长。
5.同时，当多个电池单元串联/并联连接以配置电池组时，配置由至少一个电池单元组成的电池模块，然后向至少一个电池模块添加其他组件以配置电池组的方法是常见的。由于构成这些中型或大型电池模块的电池单元由可充电/可放电的二次电池构成，因此这种高输出和大容量二次电池在充电和放电过程中产生大量的热。
6.电池模块可包括：电池单元堆，多个电池单元堆叠在该电池单元堆中；框架，其用于容纳电池单元堆；以及端板，其用于覆盖电池单元堆的前表面和后表面。
7.图1是示出在着火时安装在传统电池组上的电池模块的外观的图。图2是沿图1的线a-a截取的截面图，该截面图示出了在安装在传统电池组上的电池模块着火期间影响相邻电池模块的火焰的外观。
8.参照图1和图2，传统的电池模块包括：电池单元堆，多个电池单元10堆叠在该电池单元堆中；框架20，其用于容纳电池单元堆；端板30，其形成在电池单元堆的前表面和后表面上；端子汇流条40，其形成为突出到端板30的外部；等等。
9.框架20和端板30可以组合以便通过焊接密封。当用于容纳电池单元堆的框架20和端板30以这种方式组合时，电池单元10的内部压力在电池模块的过充电期间增加以超过电池单元的熔合强度的极限值。在这种情况下，在电池单元10中产生的高温热、气体和火焰可以排放到电池单元10的外部。
10.此时，高温热、气体和火焰可以通过形成在端板30中的开口排出。然而，在其中多个电池模块被布置成使得端板30彼此面对的电池组结构中，从电池模块排出的高温热、气体和火焰可能影响电池模块。由此，形成在电池模块的相邻端板30上的端子汇流条40可能被损坏，并且高温热、气体和火焰可能经由形成在电池模块的相邻端板30中的开口进入电池模块的内部以损坏多个电池单元10。


技术实现要素：

11.技术问题
12.本发明的目的是提供一种电池模块以及包括该电池模块的电池组，该电池模块通过抑制当在电池模块内部发生着火现象时释放的高温热和火焰而具有增强的安全性。
13.然而，本公开的实施方式所要解决的技术问题不限于上述问题，并且可以在本公开所包括的技术思想的范围内进行各种扩展。
14.技术方案
15.根据本公开的一个实施方式，提供一种电池模块，所述电池模块包括：电池单元堆，在所述电池单元堆中堆叠有多个电池单元；以及模块框架，所述模块框架用于容纳所述电池单元堆，其中，在所述模块框架的上侧板、下侧板以及横向侧板当中的一个侧板上形成通气部，其中，所述通气部包括流入口和排出口，所述排出口用于排放通过所述流入口流入的气体，并且其中，所述通气部的所述流入口和所述排出口在所述一个侧板的纵向方向上彼此间隔开地布置。
16.所述电池模块可以包括位于该模块框架的所述一个侧板与所述电池单元堆之间的第一灭火材料层，并且所述第一灭火材料层可以包括灭火剂。
17.包含灭火剂的第二灭火材料层可以形成在所述通气部中。
18.包含灭火剂的第一灭火材料层可以形成在模块框架的所述一个侧板与所述电池单元堆之间，包含灭火剂的第二灭火材料层可以形成在通气部中，并且包含在第一灭火材料层和第二灭火材料层中的灭火剂可以包含碳酸氢钾，并且第一灭火材料层和第二灭火材料层中的至少一者可以在火灾发生期间引起热分解反应。
19.所述第一灭火材料层和所述第二灭火材料层可以彼此连接。
20.所述通气部可以具有孔结构，并且所述孔结构可以具有倾斜结构。
21.所述通气部可以具有形成在所述模块框架的上侧板中的孔结构，并且所述孔结构可以倾斜地穿透所述上侧板。
22.所述通气部可以包括：形成在所述模块框架的上侧板上并面向所述电池单元堆的流入口以及排出通过所述流入口流入的气体的排出口，其中，所述排出口可沿垂直于流入口的方向形成。
23.所述通气部包括连接部，所述连接部形成在所述流入口与所述排出口之间并且在所述排出口所处的方向上引导流入所述流入口中的气体，并且所述连接部的上表面可以倾斜地形成。
24.所述通气部包括：流入口，所述流入口连接到所述电池单元堆并沿向上方向形成在所述模块框架的上侧板上；排出口，所述排出口沿向上方向形成并排出通过所述流入口流入的气体；以及连接部，所述连接部连接所述流入口和所述排出口，其中，所述连接部可以沿与所述流入口的流入方向以及所述排出口的排出方向垂直的方向形成。
25.可以通过所述第一灭火材料层的热分解反应在所述模块框架的所述一个侧板和所述电池单元堆之间形成排放通道。
26.根据本公开的另一实施方式，提供一种包括上述电池模块的电池组。
27.有利效果
28.根据本公开的实施方式，为了在电池模块中发生热失控现象时控制高温热、气体
和火焰，可以实现具有灭火功能和气体排放功能的孔状模块框架，从而在火焰发生之前防止来自外部的污染，并且在火焰发生时通过化学反应抑制火焰。
29.本公开的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员将根据说明书清楚地理解上文未描述的其它附加效果。
附图说明
30.图1是示出在着火时安装在传统电池组上的电池模块的外观的图；
31.图2是沿图1的线a-a截取的截面图，该截面图示出了在安装在传统电池组上的电池模块着火期间影响相邻电池模块的火焰的外观。
32.图3是示出根据本公开的一个实施方式的电池模块的立体图；
33.图4是图3的电池模块的分解立体图；
34.图5是包括在图4的电池模块中的电池单元的立体图；
35.图6是沿图3的切割线b-b截取的截面图；
36.图7是示出当在根据本实施方式的电池模块中发生火焰时热分解反应之后的状态的截面图；
37.图8是示出根据本公开的另一实施方式的电池模块的立体图；以及
38.图9是示出根据本公开的另一实施方式的电池模块的立体图。
39.附图标记说明
40.200：模块框架
41.310：汇流条框架
42.440：阻挡层
43.440a，440b：灭火材料层
44.450：排出通道
45.900、910、920：通气部
具体实施方式
46.在下文中，将参照附图详细描述本公开的各种实施方式，使得本领域技术人员可以容易地实现它们。本公开可以以各种不同的方式进行修改，并且不限于在此阐述的实施方式。
47.为了清楚地描述本公开，将省略与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
48.此外，在附图中，为了便于描述，任意地示出了每个元件的尺寸和厚度，并且本公开不必限于附图中示出的那些。在附图中，为了清楚起见放大了层、区域等的厚度。在附图中，为了便于描述，一些层和区域的厚度被放大示出。
49.此外，应当理解，当诸如层、膜、区域或板的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，它可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”时，这意味着不存在其它中间元件。此外，词语“在
……
之上”或“在
……
之上”意味着设置在参考部分之上或之下，并且不一定意味着设置在参考部分朝向重力的相反方向的上端。
50.此外，在整个说明书中，当一部分被称为“包括”某一部件时，这意味着该部分可以进一步包括其它部件，而不排除其它部件，除非另有说明。
51.此外，在整个说明书中，当被称为“平面”时，是指当从上侧观察目标部分时，并且当被称为“横截面”时，是指当从垂直切割的横截面的侧面观察目标部分时。
52.图3是示出根据本公开的一个实施方式的电池模块的立体图。图4是图3的电池模块的分解立体图。图5是包括在图4的电池模块中的电池单元的立体图。
53.参照图3至图5，根据本发明的一个实施方式的电池模块100a包括：电池单元堆120，在该电池单元堆120中堆叠有多个电池单元110，所述电池单元110包括沿彼此相反的方向突出的电极引线111和112；用于容纳电池单元堆120的模块框架200；以及第一汇流条框架310，该第一汇流条框架310沿电极引线111突出的一个方向(x轴方向)设置在电池单元堆120的一个表面上。
54.首先，参照图5，电池单元110优选为袋型电池单元。例如，根据本实施方式的电池单元110具有其中两个电极引线111和112彼此面对并且分别从单元主体113的一个端部114a和另一个端部114b突出的结构。更具体地，电极引线111和112连接到电极组件(未示出)，并从电极组件(未示出)突出到电池单元110的外部。
55.另一方面，在电极组件(未示出)容纳在电池壳体114中的状态下，可以通过接合电池壳体114的两个端部114a和114b以及连接它们的一个侧部114c来制造电池单元110。换言之，根据本实施方式的电池单元110具有总共三个密封部分114sa、114sb和114sc，密封部分114sa、114sb和114sc具有通过诸如热熔合的方法密封的结构，并且剩余的另一侧部分可由连接部115形成。电池壳体114可以由包含树脂层和金属层的层压片形成。
56.此外，连接部115可以沿着电池单元110的一个边缘伸长，并且电池单元110的被称为球棒耳的突出部110p可以形成在连接部115的端部。此外，当电池壳体114被密封且突出的电极引线111和112插入其间时，台阶部116可形成在电极引线111和112与电池主体113之间。也就是说，电池单元110包括台阶部116，该台阶部116形成为在电极引线111和112的突出方向上从单元壳体114延伸。
57.电池单元110可以由多个电池单元构成，并且多个电池单元110可以堆叠成彼此电连接，从而形成电池单元堆120。参照图4，电池单元110可沿y轴方向堆叠以形成电池单元堆120。第一汇流条框架310可以沿电极引线111的突出方向(x轴方向)位于电池单元堆120的一个表面上。尽管没有具体示出，但是第二汇流条框架可以在电极引线112的突出方向(-x轴方向)上位于电池单元堆120的另一表面上。模块框架200可以保护容纳在模块框架200内部的电池单元堆120和连接到其上的电气部件免受外部物理冲击。
58.根据本公开的实施方式的模块框架200可以具有整体式框架结构。首先，整体式框架可以是金属板材料的形式，其中上表面、下表面和两个侧表面是一体的，并且可以通过挤出成型来制造。然而，模块框架200的结构不限于此，并且可以是u形框架和上侧板结合的结构。在其中u形框架和上侧板结合的结构的情况下，可以通过将上侧板结合到u形框架的上侧而形成，u形框架是下表面与两个侧面结合或集成的金属板材料，并且其可以通过压模制造。
59.电池单元堆120和模块框架200的下表面之间可以注入导热树脂，并且可以通过注入的导热树脂在电池单元堆120和模块框架200的下表面之间形成导热树脂层(未示出)。
60.另一方面，模块框架200可以在电极引线111和112的突出方向(x轴方向，-x轴方向)上打开，并且第一端板410和第二端板420可以分别位于模块框架200的两个开口侧上。第一端板410可以在覆盖第一汇流条框架310的同时接合到模块框架200，并且第二端板420可以在覆盖第二汇流条框架(未示出)的同时接合到模块框架200。即，第一汇流条框架310可位于第一端板410和电池单元堆120之间，第二汇流条框架(未示出)可位于第二端板420和电池单元堆120之间。此外，用于电绝缘的绝缘盖800(见图3)可以位于第一端板410和第一汇流条框架310之间。
61.第一端板410和第二端板420定位成分别覆盖电池单元堆120的一个表面和另一个表面。第一端板410和第二端板420可以保护第一汇流条框架310和与其连接的各种电气部件免受外部冲击。为此，它必须具有预定的强度，并且可以包括诸如铝的金属。此外，第一端板410和第二端板420可分别通过诸如焊接的方法接合到模块框架200的相应边缘。
62.第一汇流条框架310位于电池单元堆120的一个表面上以覆盖电池单元堆120，同时引导电池单元堆120和外部设备之间的连接。具体地，汇流条，端子汇流条和模块连接器中的至少一者可以安装在第一汇流条框架310上。特别地，汇流条、端子汇流条和模块连接器中的至少一者可以安装在与第一汇流条框架310面对电池单元堆120的表面相对的表面上。在一个示例中，图4示出了汇流条510和端子汇流条520安装在第一汇流条框架310上的状态。
63.构成电池单元堆120的电池单元110可通过汇流条510或端子汇流条520串联或并联连接，并且电池单元110可通过暴露于电池模块100a外部的端子汇流条520电连接到外部装置或电路。在一个示例中，端子汇流条520可以连接到外部汇流条，该外部汇流条允许与邻近包括端子汇流条520的电池模块的其他电池模块连接。
64.第一汇流条框架310可以包括电绝缘材料。除了汇流条510或端子汇流条520接合到电极引线111的部分之外，第一汇流条框架310限制汇流条510或端子汇流条520与电池单元110接触，从而防止短路发生。
65.另一方面，如上所述，第二汇流条框架可以位于电池单元堆120的另一表面上，并且汇流条和模块连接器可以安装在第二汇流条框架上。电极引线112可以接合到这种汇流条。
66.根据本实施方式，可以在第一端板410中形成端子汇流条520暴露于其中的开口。开口可以是端子汇流条开口。在一个示例中，如图3和图4所示，端子汇流条520所暴露的端子汇流条开口410h可以形成在第一端板410中。与汇流条510相比，端子汇流条520还包括向上突出部分。这种向上突出部分通过端子汇流条开口410h暴露于电池模块100a的外部。经由端子汇流条开口410h暴露的端子汇流条520可连接到另一电池模块或电池断开单元(bdu)以形成高电压(hv)连接。
67.图6是沿图3的切割线b-b截取的截面图。图7是示出根据本实施方式的电池模块中发生火焰时的热分解反应之后的状态的截面图。
68.参考图3和图6，根据该实施方式的电池模块包括位于模块框架200的上侧板和电池单元堆120之间的阻挡层440。根据本实施方式的阻挡层440包括灭火剂。这里，灭火剂可以是粉末形式的灭火剂材料。在一个示例中，灭火剂可以是碳酸氢钠(nahco3)，碳酸氢钾(khco3)，磷酸铵(nh4h2po3)和“碳酸氢钾(khco3)和尿素((nh2)2co)”的混合物中的任一种。
具体地，包括在根据本实施方式的阻挡层440中的灭火剂材料可以包括碳酸氢钾(khco3)。碳酸钾(k2co3)、水蒸气(h2o)和二氧化碳(co2)可以通过碳酸氢钾的热分解反应产生，并且水蒸气消去火焰，并且二氧化碳可以阻止火焰与氧气等接触。然而，灭火剂材料不限于此，并且可以没有限制地使用执行灭火功能的任何材料。
69.当电池模块内部发生火焰时，如以下化学式1所示的热分解反应可发生在阻挡层440中，从而可产生二氧化碳和水蒸气。此时产生的二氧化碳和水蒸气产生切断氧气供应的窒息效应，从而可以抑制火焰。具体地，热分解反应是吸热反应，其可以吸收电池模块中产生的热，并且还可以切断氧气供应，从而有效地延迟火焰和热传播速率，并且可以提高电池模块的安全性。
70.2khco3→
k2co3 h2o co2－q化学式1
71.通气部900可以形成在根据本实施方式的模块框架200的上侧板中。通气部900具有孔结构，并且可以包括流入口901、排出口902和连接部903。通气部900可以包括连接到电池单元堆120的流入口901、用于排放通过流入口901流入的气体的排出口902，以及用于连接流入口901和排出口902的连接部903。连接部903可以形成为与流入口901和排出口902的流入和排出方向形成角度。
72.这里，流入口901和排出口902可以沿上侧板的纵向(x轴方向)彼此间隔地布置。连接流入口901和排出口902的假想直线可以与上侧板的纵向(x轴方向)形成角度。连接流入口901和排出口902的假想直线可以与上侧板形成一角度。连接部903可以具有与上侧板形成角度的倾斜结构。
73.通气部900的孔结构可以具有倾斜结构。此时，孔结构可以倾斜地穿透模块框架200的上侧板。如图7所示，当通过阻挡层440的热分解反应打开通气部900时，确保了火焰和气体排出通道，并且可以通过倾斜结构最小化电池模块内部的直接暴露。
74.再参考图6，根据本实施方式的阻挡层440可以包括第一灭火材料层440a和第二灭火材料层440b。第一灭火材料层440a可以位于模块框架200的上侧板与电池单元堆120之间，并且第二灭火材料层440b可以位于通气部900中。第一灭火材料层440a和第二灭火材料层440b包含灭火剂。如上所述，当电池模块内部发生火焰时，包含灭火剂的第一灭火材料层440a和第二灭火材料层440b中的至少一者可引起热分解反应。第一灭火材料层440a和第二灭火材料层440b可以彼此连接。
75.在电池模块中发生火焰之前，由于第二灭火材料层440b阻挡通气部900，所以可以防止来自外部的污染物流入电池模块中。如果在电池模块内部发生火焰，则第一灭火材料层440a和第二灭火材料层440b被热分解，使得通气部900打开，并且火焰和气体可以通过通气部900喷射。此时，存储在电池模块内的热能可以被释放。
76.虽然已经描述了上述通气部900形成在模块框架200的上侧板上，但是形成通气部900的位置不限于模块框架200的上侧板，并且可以形成在下侧板和横向侧板上。
77.根据该实施方式，如图7所示，排放通道450可形成在模块框架200的上部与电池单元堆120之间。在火焰发生之前，第一灭火材料层440a形成在形成排放通道450的部分中。由于第一灭火材料层440a的热分解反应，在模块框架200的一个侧板和电池单元堆120之间形成排放通道450，并且从电池模块的一侧产生的气体或热量可以移动通过排放通道450。此后，其可以经由通气部900从电池模块排出，或者可以在阻挡层440的热分解过程中熄灭。
78.参照图1和图2，在常规电池模块的情况下，通过电池模块的开口喷射的高温热、气体和火焰可影响相邻的电池模块。特别地，为了hv连接而彼此面对的相邻电池模块可能对包括端子汇流条40或电池单元10在内的其它电气部件造成损坏。
79.与传统情况不同，在根据本实施方式的电池模块100a中，通气部900形成在模块框架200的上侧板上，使得可以通过第一端板410的开口(例如，端子汇流条开口410h)来限制从电池单元110产生的高温热、气体、火焰等的排放。当火焰传递到端子汇流条520时，连接相邻电池模块的外部汇流条可能由于内部短路而熔化并进一步点燃，内部短路很可能传递到相邻电池模块。根据本实施方式，可以减少对相邻电池模块和hv连接结构的损坏。
80.图8是示出根据本公开的另一实施方式的电池模块的立体图。
81.参见图8，根据本实施方式的通气部910可以形成为相对于电池单元堆120沿向上方向通气。通气部910可以包括流入口911、排出口912和连接部913。通气部910可以包括：流入口911，其连接到电池单元堆120并且在模块框架200的上表面上沿向上方向形成；排出口912，其沿向上方向形成并且排出通过流入口911流入的气体；以及连接部913，其连接流入口911和排出口912。连接部913可以沿与流入口911的流入方向以及排出口912的排出方向垂直的方向形成。这里，流入口911和排出口912可以沿上侧板的纵向(x轴方向)彼此间隔地布置。连接流入口911和排出口912的假想直线可以与上侧板的纵向(x轴方向)形成角度。连接流入口911和排出口912的假想直线可以与上侧板形成角度。
82.通气部910可以朝向电池模块的上侧排放电池模块内部的高温热、气体和火焰，由此最小化对通过邻接端板布置的其他电池模块的损坏。然而，由于排出口912朝向向上的方向形成，空气中的杂质会由于重力而进入出口912。因此，连接部913可以在垂直于排出口912的方向上形成，由此最小化流入排出口912的杂质通过流入口911流入电池模块的现象。
83.此外，用于阻挡通过排出口912进入的异物的异物阻挡部(未示出)形成在连接部913上，从而防止异物从排出口912经由连接部913进入流入口911。
84.图9是示出根据本公开的另一实施方式的电池模块的立体图。
85.参见图9，根据本实施方式的通气部920包括形成在模块框架200的上表面上以连接到电池单元堆的流入口921以及排放流过流入口921的气体的排出口922，其中排出口922可以形成在与流入口921垂直的方向上。此外，通气部920包括形成在流入口921和排出口922之间的连接部923，该连接部923沿排出口922所处的方向引导流入到流入口921的气体，并且连接部923的上表面可以倾斜地形成。连接部923可以具有与上侧板形成角度的倾斜结构。这里，流入口921和排出口922可以沿上侧板的纵向(x轴方向)彼此间隔地布置。连接流入口921和排出口922的假想直线可以与上侧板的纵向(x轴方向)形成角度。连接流入口921和排出口922的假想直线可以与上侧板形成角度。
86.排出口922沿垂直于流入口921和模块框架200的上表面的方向形成，从而能够防止空气中漂浮的杂质由于重力而进入排出口922的现象。另外，连接部923的上表面朝向排出口922倾斜地形成，流入到流入口921的高温热、气体和火焰通过连接部923切换方向，并通过排出口922自然排出。
87.上述电池模块可以包括在电池组中。电池组可以具有这样的结构，其中根据本实施方式的一个或多个电池模块与控制和管理电池的温度、电压等的电池管理系统(bms)和冷却装置聚集并封装在一起。
88.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。这样的装置可以应用于诸如电动自行车、电动车辆或混合动力车辆的车辆装置，但是本公开不限于此，并且可以应用于可以使用电池模块的各种装置，这也属于本公开的范围。
89.尽管以上参考优选实施方式示出和描述了本发明，但是本公开的范围不限于此，并且本领域技术人员可以设计出许多其它修改和实施方式，这些修改和实施方式将落入所附权利要求中描述的本发明的原理的精神和范围内。
90.与相关申请的交叉引用
91.本技术要求于2020年12月4日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2020-0168895和于2021年11月4日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2021-0150562的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。