JP2017539070A - 二重側壁構造を有するカートリッジフレーム及びこれを含むバッテリーモジュール - Google Patents

二重側壁構造を有するカートリッジフレーム及びこれを含むバッテリーモジュール Download PDF

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Abstract

モジュール型バッテリーの製造時に積層される複数の単位バッテリーセルの間に挿入されるカートリッジフレーム及びこれを含むバッテリーモジュールを提供する。本発明の一面によるカートリッジフレームは、隣接する単位バッテリーセルの間に挿入され、隣接する単位バッテリーセルを隔離する板状のセル間隔離板と、前記セル間隔離板の周縁のうち、バッテリーセルの電極端子が引き出される方向の周縁を除いた周縁からセル間隔離板の板面に垂直した方向へ延びる側壁部と、を含み、前記側壁部の少なくとも一部が、単位バッテリーセルの側面に面する内側壁が金属からなり、前記内側壁に対向する外側壁がプラスチックからなる。

Description

本発明は、単位バッテリーセルを積層したバッテリーモジュールに関し、より詳しくは、バッテリーモジュールにおいて単位バッテリーセルの間に挿入されるカートリッジフレームの構造に関する。
本出願は、2014年11月05日出願の韓国特許出願第10−2014−0153179号及び2015年08月11日出願の韓国特許出願第10−2015−0113378号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
二次電池は、充電が不可能な一次電池とは違い、充・放電が可能な電池をいい、携帯電話、PDA、ノートブックPCなどの小型先端電子機器分野のみならず、エネルギー貯蔵システム、電気自動車またはハイブリッド自動車の動力源として用いられている。
電気自動車やハイブリッド自動車のモーター駆動などのような大きい電力を要する器機や電力貯蔵装置には、複数個の単位バッテリーセルを積層して直列または並列に接続して構成される大容量のモジュール型バッテリーが用いられることが一般的である。
一方、二次電池は、充放電過程で多量の熱が発生するが、この熱を効率的に冷却しなければ二次電池の寿命が短くなり誤作動を起こすなど、安定性が低下するだけでなく、ひどい場合、発火、爆発などに繋がり得るため、効率的な冷却は、二次電池を含むモジュール型バッテリーの製作において重要な課題である。
また、電気自動車やハイブリッド自動車の場合、交通事故などによってバッテリーセルに深刻な衝撃や物理的損傷、例えば、尖った物体によってバッテリーセルが貫通されるなどの損傷が発生すれば、内部短絡が起こって発火や爆発に繋がり、運転手や搭乗者が危ない状況に直面し得る。
一方、単位バッテリーセルには、金属からなる角形または円筒状のケースの中に収容される缶型バッテリーや、アルミニウムホイルを主材料にし、合成樹脂被服層がラミネートされたシートからなるパウチ包装材の中に電極組立体と電解質が収容されるパウチ型バッテリーがある。
缶型バッテリーは、パウチ型バッテリーに比べて物理的な強度が高いが、相対的に軽くて製作が容易なパウチ型バッテリーが最近広く用いられている。しかし、パウチ型バッテリーは、外部衝撃や内部短絡などに起因する膨張及び爆発に対する耐性、即ち、機械的強度が劣るという短所がある。
このような理由でモジュール型バッテリー、特にパウチ型バッテリーを単位バッテリーセルとして用いるモジュール型バッテリーにおいては、韓国登録特許第10−1307992号公報や韓国登録特許第10−0921346号公報のように、積層される単位バッテリーセルの間に、単位バッテリーセルを収容及び積層しやすい構造のカートリッジフレームを挿入して積層する方式を取っている。
図1は、通常のカートリッジフレームとこれを用いて複数の単位バッテリーセルを積層する構造を概略的に示した斜視図である。
図1を参照すれば、通常のカートリッジフレーム2は、単位バッテリーセル1の形状と大きさに合わせてセル収容部3が形成されるようセル間隔離板2aと側壁2bとを備える構造を有する。
セル間隔離板2aは、通常、アルミニウムのような熱伝導率の高い金属からなり、バッテリーセル1で発生する熱を吸収して冷却する役割を果し、場合によってセル間隔離板2aの縁に冷媒が流れる冷媒流路を形成するか、セル間隔離板2aに空気が通うよう孔を形成することもできる。
なお、側壁2bは、通常、プラスチックからなり、これはプラスチックが射出成形のような方式によって製造が容易な材料でもあるが、側壁2bは、バッテリーモジュールの製造やメインテナンス時にバッテリーセルの電極端子1aと接触する恐れがあり、絶縁性を確保するためのものである。
ところが、このようにカートリッジフレーム2の側壁2bをプラスチックから形成すれば、バッテリーセル1の発火や燃焼時、溶けるか燃焼しやすく、隣接する他のバッテリーセル1にまで発火または燃焼を移すという問題がある。このような問題は、単位バッテリーセル1がパウチ型バッテリーからなる場合にさらに深刻になり得る。即ち、パウチ型バッテリーにおいては、バッテリーセル1の側面に形成されるラミネートシートの溶着封止部1bが構造的に最も弱い部位である。したがって、バッテリーセル1の異常発熱や内部でガスが発生してバッテリーセル1が膨脹した場合、バッテリーセル1の側面が破裂しやすい。この場合、破裂した部位から出る高温のガスや火炎によって、バッテリーセル1の側面に面しているプラスチック材質のカートリッジフレーム2の側壁2bが溶けるか燃焼し得る。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ある一つの単位バッテリーセルに発火や燃焼が発生しても溶融または燃焼しにくいため、隣接する他のバッテリーセルへの発火や燃焼の転移が難しい構造を有するカートリッジフレーム及びこれを含むバッテリーモジュールを提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明の一面によるカートリッジフレームは、 積層される複数の単位バッテリーセルの間に挿入されるカートリッジフレームであって、隣接する単位バッテリーセルの間に挿入され、隣接する単位バッテリーセルを隔離する板状のセル間隔離板と、前記セル間隔離板の周縁のうち、前記バッテリーセルの電極端子が引き出される方向の周縁を除いた周縁から、前記セル間隔離板の板面に垂直する方向へ延びる側壁部と、を含み、前記側壁部の少なくとも一部は、前記単位バッテリーセルの側面に面する内側壁が金属からなり、前記内側壁に対向する外側壁がプラスチックからなる。
望ましくは、前記セル間隔離板が金属からなり得る。
望ましくは、前記内側壁及び/またはセル間隔離板をなす金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であり得る。
本発明の一面によれば、前記カートリッジフレームは、インサート射出成形によって前記セル間隔離板と前記側壁部とが一体に形成され得る。
本発明の他面によれば、前記カートリッジフレームは、前記セル間隔離板の周縁のうち、前記バッテリーセルの電極端子が引き出される方向の周縁に結合されて前記電極端子が接続する電極端子接続部をさらに含むことができる。
本発明のさらなる他面によれば、前記内側壁と前記外側壁との間に防炎層をさらに介することができる。前記防炎層は、難燃性及び耐熱性のある樹脂組成物からなるか、または耐熱性のあるセラミックス物質からなり得る。一例として、前記樹脂組成物は、発泡化したものを用いることができる。
本発明の更に他の側面によれば、前記側壁部は、前記セル間隔離板から前記単位バッテリーセルの厚さに相応する高さで突出して延び得る。
上記の課題を解決するための本発明の他面によるバッテリーモジュールは、上述のいずれかのカートリッジフレームを複数含み、前記複数のカートリッジフレームの間に一つ以上の単位バッテリーセルを挿入して積層することで成される。
望ましくは、前記バッテリーモジュールは、パウチ型バッテリーセルであり得る。
本発明によれば、カートリッジフレームの側壁部において、単位バッテリーセルの側面に面する内側壁を金属から形成することで、単位バッテリーセルが発火または燃焼したとき、その熱または火炎を金属からなる内側壁が吸収して放熱することで、カートリッジフレームの側壁部が容易に溶融または燃焼することを防止することができる。
したがって、このようなカートリッジフレームを用いて複数の単位バッテリーセルを積層してバッテリーモジュールを形成した場合、ある一つの単位バッテリーセルが発火するか燃焼しても、隣接する他のバッテリーセルにまで発火や燃焼が転移することを防止することができる。
また、カートリッジフレームにおいて、側壁部の内側壁と外側壁との間に防炎層が介される場合、単位バッテリーセルの発火や燃焼が他のバッテリーセルにまで転移することをより効果的に防止することができる。
本発明は、バッテリーモジュールを構成する単位バッテリーセルがパウチ型バッテリーセルである場合に特に有効である。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
図1は、通常のカートリッジフレーム及びこれを用いて複数の単位バッテリーセルを積層する構造を概略的に示した斜視図である。 本発明の一面による実施例のカートリッジフレームを概略的に示した一部の分解斜視図(a)と線B−Bに沿って見た断面図(b)である。 本発明の他の実施例によるカートリッジフレームの構造を概略的に示した断面図である。 本発明のまた他の実施例によるカートリッジフレームの変形例を概略的に示した断面図である。 本発明の他面による実施例のバッテリーモジュールを概略的に示した斜視図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図2は、本発明の一面による実施例のカートリッジフレームを概略的に示した一部の分解斜視図(a)及び断面図(b)である。
図2を参照すれば、本実施例によるカートリッジフレーム10は、モジュール型バッテリーを製造するために積層される複数の単位バッテリーセル1の間に挿入されるカートリッジフレームであって、大きく見れば、セル間隔離板11及び側壁部12を含み、該セル間隔離板11と側壁部12によって単位バッテリーセル1を収容するセル収容部20が定義される。
セル間隔離板11は、隣接する単位バッテリーセル1の間に挿入され、隣接する単位バッテリーセル1を隔離する板状の部材である。セル間隔離板11はある程度の機械的強度を有する金属やプラスチックなどの材料から形成すればよく、通常、アルミニウム、銅、またはアルミニウムや銅の合金のように熱伝導率の高い金属、望ましくはアルミニウムまたはその合金からなることが、バッテリーセル1で発生する熱を吸収して冷却することに望ましい。また、必要に応じてセル間隔離板11の縁には液相冷媒が流れる冷媒流路を形成するか、セル間隔離板11自体に空気が通るようにセル間隔離板11を横切る複数の貫通流路を形成することもできる。ここで、前記複数の貫通流路は、前記側壁部12を介して外部へ開口することが望ましい。
側壁部12は、セル間隔離板11の周縁からセル間隔離板11の板面に垂直する方向へ延びて形成される。ここで、側壁部12の少なくとも一部は、相違した材質からなる二重壁の構造からなる。具体的に、図2の(b)に示したように、側壁部12において単位バッテリーセル1の側面に面する内側壁12aは金属からなり、内側壁12aに対向する外側壁12bは、従来通常のカートリッジフレームを成す材質であるプラスチックからなる。内側壁12aを形成する金属は、製造工程の便宜や以下に説明するその機能を考慮すれば、前述のセル間隔離板11を成す金属と同様に、アルミニウム、銅、またはアルミニウムや銅の合金のように熱伝導率の高い金属であることが望ましい。ここで、側壁部12の内側壁12aを成す金属とセル間隔離板11を成す金属とは、同一であっても異なっても良い。
このように、単位バッテリーセル1の側面に面する内側壁12aを金属から形成することで、複数の単位バッテリーセル1を積層してバッテリーモジュール(図5の符号100参照)を形成した場合、いずれか一つの単位バッテリーセル1が発火または燃焼した場合、その熱または火炎を金属からなる内側壁12aが受け入れ、吸収して放熱することでカートリッジフレーム10の側壁部12が容易に溶融または燃焼することを防止することができる。
単位バッテリーセル1がパウチ型バッテリーからなる場合、構造的に最も弱い部位であるバッテリーセル1の側面に形成されるラミネートシートの溶着封止部(図1の符号1b参照)が破裂して高温のガスや火炎がカートリッジフレーム10の側壁部12の内側壁12aに直接触れ得るが、本発明はこのような場合に特に有効である。
本発明の他面によれば、側壁部12が溶融または燃焼することをより効果的に遮断するために、側壁部12を構成する内側壁12aと外側壁12bとの間に、図3に示したように防炎層Bを選択的に介することができる。
前記防炎層Bは、難燃性及び耐熱性の良い樹脂からなり得る。このような樹脂の非制限的な例には、WO2012/015128A1に開示のリン系アクリル共重合体を含む熱可塑性樹脂組成物が挙げられる。
前記樹脂組成物は、透明性、耐スクラッチ性、難燃性、耐熱性、機械的物性及び流動特性に優れており、防炎層Bの候補物質として望ましい。前記防炎層Bは、内側壁を構成する金属板に所定の厚さでコーティングされてもよく、内側壁12aと外側壁12bとの間に独立的なシート媒体として挿入され、内側壁12a及び外側壁12bに接合されてもよい。
前記防炎層Bは、例に挙げた熱可塑性樹脂組成物の外にも、難燃性及び耐熱性に優れていると知られた公知の他の樹脂組成物から形成できることは、本発明が属した技術分野における通常の知識を持つ者に自明である。
選択的に、前記防炎層Bは発泡化処理され、規則的または不規則的に分布する気孔をさらに含むことができる。このような気孔は、外側壁12bを構成するプラスチック物質へ熱が伝導されることを遅延することによって、本発明が図る効果をさらに向上させる。
前記防炎層Bは、樹脂組成物の外にもアルミナのように耐熱性に優れたセラミックス物質からなり得る。
一方、側壁部12において、カートリッジフレームの後面側(図2の(a)における丸囲み数字2の部分)に形成された溝13は、複数の単位バッテリーセル1を積層してバッテリーモジュール(図5の符号100参照)を形成するに際し、上下に積層されるカートリッジフレーム10を容易に整列して締結できるようにする締結溝である。したがって、図示していないが、締結溝13に対応する位置の側壁部12の底面には締結溝13に結合されるように対応する形状の締結突起が形成されている。
また、側壁部12において、カートリッジフレームの左右側(図2の(a)における丸囲み数字3及び4の部分)に形成された溝14は、複数の単位バッテリーセル1を積層してバッテリーモジュール100を形成したとき、冷媒役割を果す空気が通るようにする流路を形成するための流路溝である。
但し、側壁部12に形成される締結溝13や締結突起、流路溝14の具体的な形状や形成位置はいくらでも変更可能である。
本実施例によるカートリッジフレーム10は、インサート射出成形によって一体に製造することができる。即ち、先ず、セル間隔離板11を成す金属板及び側壁部12の内側壁12aを成す金属板を、プレス加工などによって希望の形状にする。続いて、この金属板をカートリッジフレーム10の成形のための金型に取り付け、金型内に側壁部12の外側壁12bを形成するためのプラスチックの溶融液を注入する。このようにインサート射出成形を用いてカートリッジフレーム10を製造すれば、セル間隔離板11と、側壁部12の内側壁12aを成す金属板と、側壁部12の外側壁12bを成すプラスチック成形物とを組み立てる別途の工程を経なくても良いので、製造工程が単純化する。
本発明の変形例として、カートリッジフレーム10が図3のように内側壁12aと外側壁12bとの間に防炎層Bが介された構造を有する場合、インサート射出に用いられる金型に内側壁12aを成す金属板を取り付ける前に、防炎層Bを構成するための樹脂組成物を金属板の表面に所定厚さに予めコーティングすることができる。または、防炎層Bを構成するシート(樹脂またはセラミックス材質)を製造規格に合わせて予め製作した後、内側壁12aを構成する金属板に重ねて当てるか接着剤で接合して金型にともに取り付けることができる。このような工法を適用すれば、内側壁12aと外側壁12bとの間に所定厚さを有する防炎層Bが形成される。一方、本実施例によるカートリッジフレーム10において、側壁部12は、セル間隔離板11の全周縁に形成されてはいない。即ち、カートリッジフレーム10の前面側(図2の(a)における丸囲み数字1の部分)に位置するセル間隔離板11の周縁には側壁部12が形成されていない。これは、この部分が単位バッテリーセル1の電極端子(図1の符号1a参照)が突出する部分であって、この部分にはバッテリーモジュール100を成す単位バッテリーセル1の電極端子1a同士を連結するための電極端子接続部15が締結される部位であるためである。
即ち、本実施例によるカートリッジフレーム10は、セル間隔離板11の周縁のうち、単位バッテリーセル1の電極端子1aが引き出される方向の周縁に結合する電極端子接続部15をさらに含むことができる。この電極端子接続部15には、カートリッジフレーム10のセル間隔離板11の前面側の周縁が挿入されて締結される締結溝15bが形成されており、単位バッテリーセル1の電極端子1aが導入されて露出する電極端子貫通溝15aが形成されている。したがって、複数の単位バッテリーセル1を積層してバッテリーモジュール100を形成するに際し、この電極端子貫通溝15aを介して露出する単位バッテリーセル1の電極端子1aを、隣接するバッテリーセル1の電極端子1aと直列または並列に接続することができる。但し、図2に示した電極端子接続部15は一例であって、その具体的な形状と構造はいくらでも変更可能である。
一方、図2において、側壁部12の高さhは、一つの単位バッテリーセル1の厚さtの略2倍となるように設定されており、一つのカートリッジフレーム10には、セル間隔離板11を挟んで上部と下部とにそれぞれ一つずつ、総二つの単位バッテリーセル1が収容され、結果的に、二つの単位バッテリーセル1当り一つずつのカートリッジフレーム10が挿入されてバッテリーモジュール100を構成する。
しかし、側壁部12の高さhは多様に変更することができる。即ち、側壁部12の高さhをより大きくし、隣接するカートリッジフレーム10の間にさらに多くの単位バッテリーセル1を含むようにすることもでき、逆に、側壁部12の高さhをより小さくし、隣接するカートリッジフレーム10の間に一つの単位バッテリーセル1のみが含まれるようにすることもできる(図4の(a)参照)。延いては、図2の(b)及び図4の(a)では、側壁部12がセル間隔離板11を中心にして上下に同一の高さ分だけ延びるが、必ずしもそのようにする必要はない。即ち、図4の(b)に示したように、側壁部12”をセル間隔離板11から上方のみへ延びる構造を取ることもできる。
図5は、本発明の他面による実施例のバッテリーモジュールを概略的に示した斜視図であって、本実施例は、図2に示したカートリッジフレーム10を用いてバッテリーモジュール100を構成した例である。
即ち、本実施例によるバッテリーモジュール100は、前述のカートリッジフレーム10に単位バッテリーセル1を収納し、これらを上下に積層することでモジュール型バッテリーを形成したものである。但し、図5においては、電極端子接続部15の電極端子貫通溝15aを介して露出する電極端子1aは図示していない。一方、バッテリーモジュール100の最上部と最下部には、それぞれ上部カバー16と下部カバー17とを付加してバッテリーモジュール100を完成した。
このように、本発明においては、カートリッジフレーム10の側壁部12において単位バッテリーセル1の側面と面する内側壁12aを金属から形成し、外側壁12bをプラスチックから形成することで、バッテリーモジュール100に含まれた複数の単位バッテリーセル1のうちいずれか一つのバッテリーセル1に発火や燃焼が発生したとき、カートリッジフレーム10の側壁部12が容易に溶けるか燃焼することを防止し、隣接する他のバッテリーセル1への発火や燃焼の転移を防止することができる。また、このような効果は、内側壁12aと外側壁12bとの間に防炎層Bが介されるときにさらに向上できる。本実施例によるバッテリーモジュール100は、バッテリーモジュールを構成する単位バッテリーセル1がパウチ型バッテリーセルである場合に特に有効である。
一方、図5において、複数のカートリッジフレーム10及び単位バッテリーセル1は、上下方向に積層されることに示し、図2〜図4においても、カートリッジフレーム10を上下積層方向に合わせて図示し説明したが、積層方向によって本発明が限定されることではない。即ち、複数のカートリッジフレーム10及び単位バッテリーセル1は、左右及び前後方向に積層され得る。したがって、前述の説明において、上、下、左、右、前、後のような方向を示す用語は相対的なものであり、観測者の位置に応じて相対的に変わり得る。
本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、だれでも多様に変形できることは言うまでもなく、かかる変形は請求範囲内に含まれる。
本発明のカートリッジフレームは、その内部で発生した火炎による側壁部の溶融または燃焼を防止することができ、火炎が隣接領域へ移ることを防止することができる。したがって、本発明によるカートリッジフレームを採用したバッテリーモジュールは、火炎に対する耐性が向上する。特に、カートリッジフレームの側壁部に防炎層が含まれた場合、発明の効果がさらに増す。また、本発明によるカートリッジフレームは、爆発や発火の危険があるパウチセルを積層するモジュール型バッテリーの製作に特に有効である。
1 バッテリーセル
1a 電極端子
1b 溶着封止部
2 カートリッジフレーム
2a セル間隔離板
2b 側壁
3 セル収容部
10 カートリッジフレーム
11 セル間隔離板
12 側壁部
12a 内側壁
12b 外側壁
13 締結溝
14 流路溝
15 電極端子接続部
15a 電極端子貫通溝
15b 締結溝
16 上部カバー
17 下部カバー
20 セル収容部
100 バッテリーモジュール

Claims (11)

  1. 積層される複数の単位バッテリーセルの間に挿入されるカートリッジフレームであって、
    隣接する単位バッテリーセルの間に挿入され、隣接する単位バッテリーセルを隔離する板状のセル間隔離板と、
    前記セル間隔離板の周縁のうち、前記バッテリーセルの電極端子が引き出される方向の周縁を除いた周縁から、前記セル間隔離板の板面に垂直する方向へ延びる側壁部と、を含み、
    前記側壁部の少なくとも一部は、前記単位バッテリーセルの側面に面する内側壁が金属からなり、前記内側壁に対向する外側壁がプラスチックからなることを特徴とするカートリッジフレーム。
  2. 前記セル間隔離板が金属からなることを特徴とする請求項1に記載のカートリッジフレーム。
  3. 前記金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のカートリッジフレーム。
  4. 前記カートリッジフレームは、インサート射出成形によって前記セル間隔離板と前記側壁部とが一体に形成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のカートリッジフレーム。
  5. 前記セル間隔離板の周縁のうち、前記バッテリーセルの電極端子が引き出される方向の周縁に結合されて前記電極端子が接続する電極端子接続部をさらに含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のカートリッジフレーム。
  6. 前記内側壁と前記外側壁との間に防炎層が介されることを特徴とする請求項1に記載のカートリッジフレーム。
  7. 前記防炎層は、難燃性及び耐熱性のある樹脂組成物からなることを特徴とする請求項6に記載のカートリッジフレーム。
  8. 前記樹脂組成物は、発泡化したことを特徴とする請求項7に記載のカートリッジフレーム。
  9. 前記防炎層は、耐熱性のあるセラミックス物質からなることを特徴とする請求項6に記載のカートリッジフレーム。
  10. 前記側壁部が、前記セル間隔離板から前記単位バッテリーセルの厚さに相応する高さで突出して延びたことを特徴とする請求項1に記載のカートリッジフレーム。
  11. 請求項1または請求項2に記載のカートリッジフレームを複数含み、
    前記複数のカートリッジフレームの間に一つ以上の単位バッテリーセルを挿入して積層することで成されるバッテリーモジュール。
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