CN109891625A - 具有改进的安全性的电池模块和电池组 - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施例的电池模块包括：单体堆，该单体堆通过堆叠多个电池单体而形成；模块框架，该模块框架被联接到单体堆的一侧或两侧；以及灭火单元，该灭火单元被容纳在模块框架中，以当达到基准温度或更高温度时排出灭火剂。

Description

具有改进的安全性的电池模块和电池组

技术领域

本公开涉及一种具有改进的安全性的电池模块，更具体地，本公开涉及这样一种电池模块：其包括其中含有灭火剂的灭火单元，从而针对燃烧和爆炸具有改进的安全性。

本申请要求于2017年6月16日在韩国提交的韩国专利申请第10-2017-0076763号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

随着诸如相机、手机和便携式PC这样的便携式电子产品被更广泛地使用，主要用作这些产品的驱动电源的二次电池的重要性日益增加。

在诸如数码相机、手机、笔记本电脑、电动工具、电动自行车、电动车辆、混合动力电动车辆和大容量蓄电设备这样的高科技领域中，正在积极研究不同于无法充电的一次电池的、能够充电和放电的二次电池。

特别地，与诸如铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池之类的其它二次电池相比，锂二次电池具有较高的每单位重量能量密度，并且允许快速充电，因此锂二次电池的使用日益广泛。

锂二次电池的工作电压为3.6V或更高。锂二次电池被用作便携式电子设备的电源，或者多个锂二次电池被串联或并联连接，并且用于高输出的电动车辆、混合动力电动车辆、电动工具、电动自行车、电力存储设备或UPS。

锂二次电池的工作电压是镍镉电池或镍金属氢化物电池的三倍，并且具有较高的每单位重量能量密度。因此，锂二次电池日益被广泛使用。

根据电解质的类型，锂二次电池可以分为使用液体电解质的锂离子电池和使用聚合物固体电解质的锂离子聚合物电池。另外，根据聚合物固体电解质的类型，锂离子聚合物电池可以分为不含任何电解质的纯固体锂离子聚合物电池和使用含有电解质溶液的凝胶聚合物电解质的锂离子聚合物电池。

在使用液体电解质的锂离子电池中，柱形或矩形金属罐通常能够以焊接和密封的形式被用作容器。由于使用金属罐作为容器的罐型二次电池具有固定的形状，因此存在这样的缺点：使用罐型二次电池作为电源的电子产品的设计受限，并且难以减小体积。因此，已经开发并使用了袋型二次电池，所述袋型二次电池以如下方式制备：将电极组件和电解质放入由膜制成的袋封装材料中，并密封所述袋封装材料。

然而，当锂二次电池过热时，其具有爆炸的风险，因此确保安全性非常重要。锂二次电池由于各种因素而过热，其中一个因素是超过限度的过载电流流过锂二次电池。如果过载电流流过，则锂二次电池被焦耳热加热，因此电池的内部温度迅速上升。另外，温度的快速升高引起电解质的分解反应，引起热失控，其最终导致电池爆炸。过载电流发生在如下情况下：尖锐的金属物体穿透锂二次电池、由于介于正极电极和负极电极之间的分隔物发生收缩而破坏正极电极和负极电极之间的绝缘、由于连接到外部的负载或充电电路的异常而使得冲击电流被施加到电池等。

因此，锂二次电池与保护电路结合使用，以保护电池免受诸如过载电流这样异常情况的影响，所述保护电路通常包括熔断器元件，用于当产生过载电流时、不可逆转地断开充电电流或放电电流所流过的线路。

图1是用于说明熔断器元件的布置和操作机构的电路图，该熔断器元件被设置在与包括锂二次电池的电池组联接的保护电路中。

如图1所示，为了在发生过载电流时保护电池组，所述保护电路包括熔断器元件1、感测电阻器2、微控制器3以及开关4，所述感测电阻器2用于感测过载电流，所述微控制器3用于监测过载电流的发生并且当发生过载电流时操作熔断器元件1，所述开关4用于切换工作电流流入熔断器元件1。

熔断器元件1被安装在连接到电池组的最外端子的主线路上。所述主线路指的是充电电流或放电电流流过的布线线路。在图1中，示出了熔断器元件1被安装在高电位线路(Pack+)处。

熔断器元件1是三端子元件，其中，两个端子连接到充电或放电电流从中流过的主线路，一个端子连接到开关4。另外，熔断器元件1包括熔断器1a和电阻器1b，所述熔断器1a串联连接到所述主线路，并且在特定温度下发生熔化并且切断；电阻器1b用于向熔断器1a施加热量。

微控制器3周期性地检测感测电阻器2的两端的电压，并且监视是否发生过载电流。如果确定发生过载电流，则微控制器3接通开关4。在此情况下，在主线路上流动的电流被旁通到熔断器元件1，并被施加到电阻器1b。因此，在电阻器1b处产生的焦耳热被传导到熔断器1a，以升高熔断器1a的温度。如果熔断器1a的温度上升到熔化温度，则熔断器1a熔化并发生断裂，使得主线路被不可逆转地断开。如果主线路被断开，则过载电流不再流动，从而克服了由过载电流引起的问题。

但是，上述传统技术存在几个问题。换句话说，如果微控制器3破损，则即使发生过载电流，开关4也不接通。在这种情况下，电流不会流入熔断器元件1的电阻器1b，因此熔断器元件1不工作。另外，保护电路内需要单独用于布置熔断器元件1的空间，并且必须在微控制器3中加载用于控制熔断器元件1的操作的程序算法。因此，不利之处在于，保护电路的空间效率劣化，并且微控制器3的负载增加。

发明内容

技术问题

本公开被设计成解决相关技术的问题，因此本公开旨在提供一种电池模块结构，所述电池模块结构能够在不使得电池模块的结构复杂化的情况下、通过防止发生诸如燃烧和爆炸事件的发生而大大提高使用中的二次电池的安全性。

然而，本公开要解决的技术问题不限于上述内容，本领域技术人员将从以下描述中理解本文未提及的其它目的。

技术方案

在本公开的一个方面中，提供了一种电池模块，包括：单体堆，所述单体堆通过堆叠多个电池单体而形成；模块框架，所述模块框架被联接到单体堆的一侧或两侧；以及灭火单元，所述灭火单元被容纳在模块框架中，以在基准温度或更高温度下喷射灭火剂。

模块框架可以包括：主框架，该主框架被布置在单体堆的中央处，以容纳灭火单元；以及多个副框架，所述多个副框架被布置在主框架的两侧处，并且被分别介于彼此相邻的电池单体之间。

主框架可以具有用于允许喷射灭火剂的多个喷射孔。

喷射孔可以具有锥形形状，使得喷射孔的出口部在向上方向上变宽。

副框架可以支撑电池单体的密封部和电极引线。

灭火单元可以位于形成在主框架中的容纳空间中，并且分别接触位于单体堆的多个电池单体中的中央部分处的两个电池单体的容纳部。

灭火单元可以包括：灭火剂，该灭火剂在基准温度或更高温度下蒸发；以及容纳容器，该容纳容器被构造成容纳灭火剂，并在基准温度或更高温度下破裂。

同时，根据本公开的实施例的电池组被实施为包括电池模块和电池组外壳，该电池组外壳被构造成容纳至少一个电池模块。

有益效果

根据本公开的实施例，能够在不使电池模块的结构复杂化的情况下、通过大大降低发生诸如燃烧和爆炸事件的可能性来确保使用中的二次电池的安全性。

附图说明

附图示出了本公开的优选实施例，并且与前述公开一起用于提供对本公开的技术特征的进一步理解，因此本公开不应被解释为限于附图。

图1是用于说明被设置在联接到电池模块的保护电路中的熔断器元件的布置和操作机构的电路图。

图2是示出根据本公开实施例的电池模块的局部立体图。

图3是示出在根据本公开实施例的电池模块处所采用的电池单体的立体图。

图4是示出在根据本公开实施例的电池模块处所采用的电池单体堆的立体图。

图5是示出在根据本公开实施例的电池模块处所采用的模块框架的立体图。

图6是沿着图2中的A-A'线截取的局部截面图。

图7是示出根据本公开实施例的电池模块的平面图。

图8是示出通过操作根据本公开实施例的电池模块中的灭火单元所喷射的灭火剂的方向的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应当理解的是，说明书和所附权利要求书中使用的术语不应被解释为限于一般含义和字典含义，而是基于允许发明人以最佳解释来适当定义术语的原则，在与本公开的技术方面相对应的含义和概念的基础上进行解释。因此，这里提出的描述仅是用于说明目的的优选示例，并非旨在限制本公开的范围，因此应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，能够进行其他等同和改型。

首先，将参考图2描述根据本公开实施例的电池模块的整体构造。

图2是示出根据本公开实施例的电池模块的局部立体图。

参考图2，根据本公开实施例的电池模块可以包括：单体堆20，所述单体堆20通过堆叠多个电池单体10而形成；模块框架30，所述模块框架30被联接到所述单体堆20的至少一侧；以及灭火单元40(参见图6)，所述灭火单元40被容纳在模块框架30中。

接下来，将参考图3详细描述本公开中采用的电池单体10。

图3是示出在根据本公开实施例的电池模块处所采用的电池单体的立体图。

参考图3，在根据本公开实施例的电池模块处所采用的电池单体10包括：电极组件(未示出)、袋壳11、电极引线12和密封剂13。

电极组件(未示出)被构造成使得正极电极板、分隔物和负极电极板至少层叠一次，并且分隔物优选位于最外侧处，以确保绝缘。根据实施例，所述电极组件可以具有各种结构，诸如卷绕型、堆叠型和堆叠/折叠型结构。

正极电极板被构造成使得正极电极活性材料被涂覆在由导电板制成的正极电极集电器的至少一个表面上。同样地，负极电极板被构造成使得负极电极活性材料被涂覆在由导电板制成的负极电极集电器的至少一个表面上。

正极电极板和负极电极板具有未涂覆正极电极活性材料和负极电极活性材料的未涂覆区域，并且所述未涂覆区域用作被联接到电极引线的电极突片。

所述分隔物位于正极电极板和负极电极板之间，以使得正极电极板和负极电极板彼此电绝缘，并且所述分隔物可以具有多孔薄膜形状，以允许锂离子在正极电极板和负极电极板之间转移。所述分隔物可以由例如使用聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)的多孔膜或其复合膜制成。

袋壳11由具有多层膜形式的外部材料制成，其具有金属层和包围金属层的树脂层，并且袋壳11可以由上壳体和下壳体构成。

如果所述袋壳11由上述上壳体和下壳体构成，则下壳体具有容纳部11a，所述容纳部凸状地突出，以容纳电极组件。另外，上壳体可以具有凸状地突出的容纳部11a或者具有未形成容纳部11a的扁平形状。

换句话说，电池单体可以是在两个表面处突出的双面突出型电池单体，或者是仅在一个表面处突出的单面突出型电池单体。在本公开的附图中，为了便于说明，仅示出了电池单体是单面突出型单体的情况，但是本公开不限于此。

同时，如果电池单体是双向突出单体，则上壳体和下壳体可以分别具有与容纳部11a的外周区域相对应的密封部11b、11c。另外，如果电池单体是单向突出单体，则下壳体可以具有与容纳部11a的外周区域相对应的密封部11b、11c，并且上壳体可以具有形成在与下壳体的密封部11b、11c相接触的区域中的密封部11b、11c。

袋壳11将电极组件容纳在容纳部11a中，并且上壳体和下壳体的密封部11b、11c通过热熔而彼此邻接且密封。上壳体和下壳体的密封部11b、11c可以由具有热熔性的树脂材料制成，从而其可以在接触状态下通过热熔而彼此结合。

电极引线12被连接到电极组件的电极突片，并从袋壳11中引出，以用作将电极组件电连接到外部部件的介质。所述电极引线包括被连接到正极电极板的正极电极引线和被连接到负极电极板的负极电极引线。更详细地，所述正极电极引线被连接到设置在正极电极板处的未涂覆的正极电极区域，所述负极电极引线被连接到设置在负极电极板处的未涂覆的负极电极区域。

同时，密封部11b、11c分别包括台部11b和翼部11c，所述台部11b位于电极引线12被引出的方向上，所述翼部11c位于垂直于电极引线12的引出方向的方向上。

虽然未在图中示出，但是所述翼部11c可以朝向容纳部11a的侧表面折叠，以使得电池单体10的体积最小化。如果翼部11c如上所述被折叠，则容纳部11a和翼部11c可以通过粘合剂等彼此结合。

密封剂13介于密封部11b、11c的内表面和电极引线12之间，以防止从袋壳11中引出的电极引线12与密封部11b、11c的内表面之间的密封力发生劣化。

接下来，将参考图4详细描述在根据本公开实施例的电池模块处采用的单体堆。

图4是示出在根据本公开实施例的电池模块处采用的电池单体堆的立体图。

参考图4，单体堆20通过将多个电池单体10堆叠成彼此面对而形成。

尽管本公开的附图仅示出了一个单体堆20由六个电池单体10组成，但这仅是示例，构成单体堆20的电池单体10的数量不限于此。也就是说，应用于本公开的单体堆20可以根据需要由各种数量的电池单体10组成。

单体堆20的电池单体10可以通过粘合剂和/或被施加在电池单体10的面对表面之间的粘合带而彼此固定。另外，当单体堆20的每个电池单体10是单向突出单体时，电池单体10可以被布置成使得电池单体10的容纳部11a(参见图3)面对单体堆20的中央。在这种情况下，位于单体堆20的中央处的一对电池单体10被布置成使其容纳部11a彼此接触。

接下来，将参考图5至图7详细描述在根据本公开实施例的电池模块处采用的模块框架30。

图5是示出在根据本公开实施例的电池模块处采用的模块框架的立体图。图6是沿着图2中的A-A'线截取的局部截面图，图7是示出根据本公开实施例的电池模块的平面图。

参考图5至图7，模块框架30包括一个主框架31和位于主框架31两侧处的多个副框架32。

模块框架30被联接到单体堆20的一侧或两侧，以支撑电池单体10的台部11b和电极引线12，并且还提供用于灭火单元40的容纳空间。

在模块框架30中，主框架31和副框架32可以彼此连接。替代地，主框架31和副框架32可以彼此分开。

主框架31被布置在放置表面上，在所述放置表面处，在堆叠方向上位于单体堆20的中央处的、所述一对电池单体10的容纳部11a(即，在堆叠方向上位于单体堆20的中央处的、所述一对电池单体10的侧表面)彼此相遇。主框架31具有多个喷射孔31a，所述喷射孔沿着电池单体10的宽度方向、即主框架31的长度方向形成。另外，主框架31中形成有容纳空间S，以容纳灭火单元40。

当主框架31被联接到单体堆20时，优选的是，容纳所述灭火单元40的容纳空间S保持密封，从而除了喷射孔31a之外不与外部连通。这是为了在喷射灭火剂时增加喷射压力，如后文所释。

喷射孔31a可以具有锥形，使得喷射孔31a的出口部在向上方向上变宽。如果喷射孔31a如此成形，则当喷射灭火剂时，喷射范围变宽，从而使得灭火效果最大化。

副框架32被布置在主框架31的两侧处，并且被布置在电池单体10的容纳部11a的侧表面上，以支撑台部11b和电极引线12。

换句话说，基于主框架31位于一侧处的电极引线12彼此联接，以形成一个电极引线组件，并且基于主框架31位于与上述一侧相反的另一侧处的电极引线12彼此联接，以形成另一个电极引线组件。这里，副框架32可以用作支撑结构，以允许电极引线组件保持稳定的联接状态。

接下来，将参考图6详细描述在根据本公开实施例的电池模块处采用的灭火单元40。

参考图6，灭火单元40被容纳在模块框架30内、特别是主框架31内，并且被布置在单体堆20的一侧处的中央部分中，以在基准温度或更高温度下喷射灭火剂，从而预先防止发生起火。

更具体地，灭火单元40被容纳在主框架31内所形成的容纳空间S(参见图5)中，并且被布置在所述一对电池单体10的容纳部11a的、分别位于单体堆20的电池单体10的堆叠方向的中央部分处的侧表面上。由于灭火单元40的位置与电池单体10中具有相对大发热量的电极引线12相邻，因此被布置在该位置处的灭火单元40允许灭火单元40根据温度上升而快速工作。

灭火单元40被构造成使得粉末或液体形式的灭火剂在基准温度或更高温度下蒸发并膨胀，从而以高压喷射。换句话说，灭火单元40包括由树脂制成的容纳容器，所述容纳容器在电池模块的正常使用温度下保持密封状态，而在基准温度或更高温度下熔化并破裂，并且粉末或液体形式的灭火剂被容纳在所述容纳容器中。

本发明中所应用的灭火剂可以从通常用于灭火的各种灭火剂中选择，而不受限制，并且灭火原理也可以采用熄灭、冷却灭火或两者。

如果由于诸如发生短路之类的异常使用状态而导致电池模块的温度升高、因此容纳容器被熔化并且破裂，因为布置有灭火单元40的位置处的温度升高超过基准温度，因此其中的灭火剂通过强压力喷射，从而灭火或阻止燃烧。

除了灭火剂之外，所述容纳容器可以填充有高压气体，使得灭火剂可以在一定温度或更高温度下通过强压力从破裂的容纳容器中喷射。在这种情况下，根据温度升高而膨胀的气体向容纳容器的内壁施加高压。如果温度达到容纳容器的熔点，则被熔化且被弱化的容纳容器发生破裂，并且灭火剂可以与填充在容纳容器中的气体被一起喷射。

同时，根据本公开的上述一个实施例的电池模块可以被容纳在电池组外壳(未示出)中，以构造单个电池组。

换句话说，根据本公开实施例的电池组包括至少一个根据本公开的实施例的电池模块，并且所述电池模块可以被容纳在电池组外壳中。

根据本公开实施例的电池组具有这样的结构：当电池组外壳中的温度升高到基准温度或更高温度时，通过喷射孔31a来喷射灭火剂，从而能够灭火或防止燃烧。

已经详细描述了本公开。然而，应该理解的是，虽然这些详细描述和具体实施例示出了本发明的优选实施例，但仅以说明的方式给出，根据所述详细描述，本领域技术人员将清楚理解本公开的范围内的各种变化和改型。

Claims (8)

1.一种电池模块，包括：

单体堆，所述单体堆通过堆叠多个电池单体来形成；

模块框架，所述模块框架被联接到所述单体堆的一侧或两侧；和

灭火单元，所述灭火单元被容纳在所述模块框架中，以在基准温度或更高温度下喷射灭火剂。

2.根据权利要求1所述的电池模块，

其中，所述模块框架包括：

主框架，所述主框架被布置在所述单体堆的中央处，以容纳所述灭火单元；和

多个副框架，所述多个副框架被布置在所述主框架的两侧处，并且分别介于彼此相邻的电池单体之间。

3.根据权利要求2所述的电池模块，

其中，所述主框架具有多个喷射孔，以允许喷射所述灭火剂。

4.根据权利要求3所述的电池模块，

其中，所述喷射孔具有锥形形状，使得所述喷射孔的出口部在向上方向上变宽。

5.根据权利要求2所述的电池模块，

其中，所述副框架支撑所述电池单体的密封部和电极引线。

6.根据权利要求2所述的电池模块，

其中，所述灭火单元位于形成在所述主框架中的容纳空间中，并且分别接触位于所述单体堆的多个电池单体中的中央部分处的两个电池单体的容纳部。

7.根据权利要求1所述的电池模块，

其中，所述灭火单元包括：

灭火剂，所述灭火剂在所述基准温度或更高温度下蒸发；和

容纳容器，所述容纳容器被构造成容纳所述灭火剂，并在所述基准温度或更高温度下破裂。

8.一种电池组，包括：

至少一个根据权利要求1至7中的任一项所述的电池模块；和

电池组外壳，所述电池组外壳被构造成容纳所述至少一个电池模块。