JP2022511485A - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

電池モジュールおよびこれを含む電池パック Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容し、上部が開放されたＵ字型フレーム、および前記開放されたＵ字型フレームの上部で前記電池セル積層体を覆う上部プレートを含み、前記複数の電池セルの積層方向に対して垂直な前記電池セル積層体の面が前記Ｕ字型フレームの底部に装着され、前記Ｕ字型フレームの前記底部における一側に段差部が形成され、前記電池セルは、前記段差部に向かって突出される突出部を含み、前記段差部は、前記Ｕ字型フレームの前記底部のベンディング部により形成される。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１９年６月１２日付韓国特許出願第１０－２０１９－００６９２３２号に基づいた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た全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。
本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より具体的に、空間活用率を向上させ、熱伝導性樹脂の使用量を最小化する電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。
製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源により駆動される電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点から、環境親和性およびエネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
小型モバイル機器にはデバイス１台当たり１個または２～４個の電池セルが使用されることに対し、自動車などのように中大型デバイスには高出力大容量が必要である。したがって、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュールが使用される。
中大型電池モジュールは、可能な限り小さい大きさと重量で製造されることが好ましいため、高い集積度に積層可能であり、容量に比べて重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に使用されている。一方、電池モジュールは、セル積層体を外部衝撃、熱または振動から保護するために、前面と後面が開放されて電池セル積層体を内部空間に収納するフレーム部材を含むことができる。
図１は従来のモノフレームを有する電池モジュールを示す分解斜視図である。
図１を参照すると、電池モジュールは、複数の電池セル１１が積層されて形成された電池セル積層体１２、電池セル積層体１２を覆うように前面と後面とが開放されたモノフレーム２０、およびモノフレーム２０の前面と後面とを覆うエンドプレート６０を含むことができる。このような電池モジュールを形成するために、図１に示した矢印のようにＸ軸方向に沿ってモノフレーム２０の開放された前面または後面に電池セル積層体１２が挿入されるように水平組立が必要である。ただし、このような水平組立が安定的になされるように電池セル積層体１２とモノフレーム２０との間に十分な余裕空間（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）を確保しなければならない。ここで、余裕空間（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）とは、嵌め合いなどにより発生する隙間をいう。
電池セル積層体１２とモノフレーム２０との間に熱伝導性樹脂層（図示せず）を形成することができる。熱伝導性樹脂層は、電池セル積層体から発生した熱を電池モジュール外側に伝達し、電池セル積層体を電池モジュール内に固定する役割を果たすことができる。余裕空間が大きくなれば熱伝導性樹脂層の使用量が必要以上に多くなることがある。
それだけでなく、モノフレーム２０の高さは、電池セル積層体１２の最大高さと挿入過程での組立公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）などを考慮して大きく設計されなければならず、それによって不要に浪費される空間が発生することがある。
本発明が解決しようとする課題は、電池セル積層体を囲むフレーム部材の構造を変形することによって空間活用率を向上させ、熱伝導性樹脂の使用量を最小化する電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することにある。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。
本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容し、上部が開放されたＵ字型フレーム、および前記開放されたＵ字型フレームの上部で前記電池セル積層体を覆う上部プレートを含み、前記複数の電池セルの積層方向に対して垂直な前記電池セル積層体の面が前記Ｕ字型フレームの底部に装着され、前記Ｕ字型フレームの前記底部における一側に段差部が形成され、前記電池セルは、前記段差部に向かって突出される突出部を含み、前記段差部は、前記Ｕ字型フレームの前記底部のベンディング部により形成される。
前記Ｕ字型フレームの前記底部は、第１部分と第２部分とを含み、前記第１部分は前記電池セルの長さ方向を基準として縁に位置し、前記第２部分は前記第１部分内側に位置し、前記第１部分は、前記段差部に対応し、前記段差部を形成するための前記ベンディング部前後における前記Ｕ字型フレームの底部の厚さは互いに同一であり得る。
前記電池モジュールは、前記第２部分における前記Ｕ字型フレームの前記底部と前記電池セル積層体との間に位置する熱伝導性樹脂層をさらに含むことができる。
前記電池モジュールは、前記段差部と前記電池セルの前記突出部との間に位置する絶縁シートをさらに含むことができる。
前記絶縁シートは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成され得る。
前記電池モジュールは、前記Ｕ字型フレームの開放された両側にそれぞれ結合されたエンドプレートをさらに含み、前記Ｕ字型フレームの開放された両側は前記電池セル積層体の電極リードが突出された方向を基準として互いに対向することができる。
前記Ｕ字型フレームは、底部、および前記底部により連結され、且つ互いに向き合う２個の側面部を含み、前記２個の側面部間の距離は前記上部プレートの幅と同一であり得る。
前記突出部は、前記電池セルの幅方向に形成され得る。
前記電池セルは、４個の縁のうち３個のシーリング部と１個の連結部を含み、前記電池セルの前記突出部は、前記連結部から突出され得る。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、前述した電池モジュールを含む。
実施形態によると、Ｕ字型フレームを実現して従来の技術に比べて電池セル積層体とフレームとの間の公差を減らして空間活用率を向上させることができる。
また、Ｕ字型フレームの底部縁をプレス成形して電池セル積層体とフレームとの間のギャップを縮小して高さ方向への空間活用性を向上させながら、熱伝導性樹脂の塗布量を最小化することができる。
従来のモノフレームを有する電池モジュールを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。 図２の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるパウチ型電池を示す斜視図である。 図２の電池モジュールでＵ字型フレームを示す斜視図である。 図５でＵ字型フレームの底部に形成された熱伝導性樹脂層を示す斜視図である。 図３のＸＺ平面に沿って切断した断面のうちの一部を示す図面である。 図７の比較例による断面図である。 本発明の他の一実施形態による電池モジュールに含まれている絶縁シートを示す斜視図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ず図示されたところに限定されるのではない。図面において、複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、これは他の部分の「直上」にある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には、中間にまた他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
また、明細書全体において、「平面状」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面状」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。
図２は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。図３は図２の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。図４は本発明の一実施形態によるパウチ型電池を示す斜視図である。
図２および図３を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０を含む電池セル積層体１２０、上部面、前面および後面が開放されたＵ字型フレーム３００、電池セル積層体１２０の上部を覆う上部プレート４００、電池セル積層体１２０の前面と後面とにそれぞれ位置するエンドプレート１５０、および電池セル積層体１２０とエンドプレート１５０との間に位置するバスバーフレーム１３０を含む。
Ｕ字型フレーム３００の開放された両側をそれぞれ第１側と第２側という時、Ｕ字型フレーム３００は、前記第１側と前記第２側とに対応する電池セル積層体１２０の面を除いた残り外面のうち、互いに隣接する前面、下面および後面を連続的に囲むように折り曲げられた板状型構造からなる。Ｕ字型フレーム３００の下面に対応する上面は開放されている。
上部プレート４００は、Ｕ字型フレーム３００により囲まれる前面、下面および後面を除いた残りの上面を囲む一つの板状型構造からなる。Ｕ字型フレーム３００と上部プレート４００とは、互いに対応する角部位が接触された状態で、溶接などにより結合することによって電池セル積層体１２０を囲む構造を形成することができる。つまり、Ｕ字型フレーム３００と上部プレート４００とは、互いに対応する角部位に溶接などの結合方法で形成された結合部ＣＰが形成され得る。
電池セル積層体１２０は、一方向に積層された複数の電池セル１１０を含み、複数の電池セル１１０は、図２に示したように、Ｙ軸方向に積層され得る。電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましい。例えば、図４を参照すると、本実施形態による電池セル１１０は、二つの電極リード１１１、１１２が互いに対向して電池本体１１３の一端部１１４ａと他の一端部１１４ｂとからそれぞれ突出されている構造を有する。電池セル１１０は、電池ケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態で電池ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂと、これらを連結する一側部１１４ｃとを接着することによって製造され得る。言い換えると、本実施形態による電池セル１１０は、合計３ヶ所のシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃを有し、シーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂ、１１４ｓｃは、熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、他の一側部は連結部１１５からなることができる。電池ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂの間が電池セル１１０の長さ方向と定義し、電池ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂを連結する一側部１１４ｃと連結部１１５との間を電池セル１１０の幅方向と定義することができる。
連結部１１５は、電池セル１１０の一側縁に沿って長く延長されている領域であり、連結部１１５の端部に電池セル１１０の突出部１１０ｐが形成され得る。突出部１１０ｐは、連結部１１５の両端部のうちの少なくとも一つに形成され得、連結部１１５が延長された方向に対して垂直な方向に突出され得る。突出部１１０ｐは、電池ケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂのシーリング部１１４ｓａ、１１４ｓｂのうちの一つと連結部１１５との間に位置することができる。
電池ケース１１４は、一般的に樹脂層／金属薄膜層／樹脂層のラミネート構造からなる。例えば、電池ケース表面がＯ（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）－ナイロン層からなる場合には、中大型電池モジュールを形成するために多数の電池セルを積層する時、外部衝撃により簡単に滑る傾向にある。したがって、これを防止し、電池セルの安定した積層構造を維持するために、電池ケースの表面に両面テープなどの粘着式接着剤または接着時に化学反応により結合される化学接着剤などの接着部材を付着して電池セル積層体１２０を形成することができる。本実施形態において電池セル積層体１２０は、Ｙ軸方向に積層され、Ｚ軸方向にＵ字型フレーム３００の内部に収容されて後述する熱伝導性樹脂層により冷却が行われ得る。これに対する比較例として、電池セルがカートリッジ形態の部品で形成されて電池セル間の固定が電池モジュールフレームで組み立てによりなされる場合がある。このような比較例では、カートリッジ形態の部品の存在により冷却作用が殆どないか、電池セルの面方向に行われ、電池モジュールの高さ方向には冷却が良好に行われない。
図５は図２の電池モジュールでＵ字型フレームを示す斜視図である。図６は図５でＵ字型フレームの底部に形成された熱伝導性樹脂層を示す斜視図である。
図５を参照すると、本実施形態によるＵ字型フレーム３００は、底部３００ａ、および互いに向き合う２個の側面部３００ｂを含む。図２で説明した電池セル積層体１２０がＵ字型フレーム３００の底部３００ａに装着される前に、Ｕ字型フレーム３００の底部３００ａに熱伝導性樹脂を塗布し、熱伝導性樹脂を硬化して図６に示した熱伝導性樹脂層３１０を形成することができる。
熱伝導性樹脂層３１０を形成する前に、つまり、前記塗布した熱伝導性樹脂が硬化する前に、電池セル積層体１２０がＵ字型フレーム３００の底部３００ａに対して垂直な方向に沿って移動しながらＵ字型フレーム３００の底部３００ａに装着され得る。その後、熱伝導性樹脂が硬化して形成された熱伝導性樹脂層３１０は、Ｕ字型フレーム３００の底部３００ａと電池セル積層体１２０との間に位置する。図２および図６を参照すると、熱伝導性樹脂層３１０は、電池セル１１０で発生する熱を電池モジュール１００の底に伝達するとともに、電池セル積層体１２０を固定する役割を果たすことができる。
本実施形態によるＵ字型フレームの底部３００ａは、第１部分３００ａ１と第２部分３００ａ２とを含み、第１部分３００ａ１は電池セル１１０の長さ方向を基準として縁に位置し、第２部分３００ａ２は第１部分３００ａ１内側に位置する。熱伝導性樹脂層３１０は、第２部分３００ａ２に形成され得る。ここで、電池セル１１０の長さ方向とは、図５のＸ軸方向であり得る。この時、第１部分３００ａ１の厚さは第２部分３００ａ２の厚さと同一であり、第２部分３００ａ２から第１部分３００ａ１につながる部分がベンディングされて第１部分３００ａに対応する領域に段差部３００ｓが形成され得る。ここで、段差部とは、周辺と高さ差が発生して生成される構造を示す。
段差部３００ｓは、Ｕ字型フレームの底部３００ａを加工したりＵ字型フレームの底部３００ａ一部をプレス圧縮したりすることによって形成され得る。後述するが、本実施形態による電池セル１１０の突出部１１０ｐが段差部３００ｓに向かって突出されるように電池セル積層体１２０がＵ字型フレーム３００の底部３００ａに装着される。
図２および図３を再び参照すると、本実施形態によるＵ字型フレーム３００の側面部３００ｂと上部プレート４００の幅とは互いに同一であり得る。言い換えると、上部プレート４００のＸ軸方向に沿った角部分とＵ字型フレーム３００の側面部３００ｂのＸ軸方向に沿った角部分とが直接会って溶接などの方法により結合され得る。
図７は図３のＸＺ平面に沿って切断した断面のうちの一部を示す図面である。
図３および図７を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、第１部分３００ａ１と第２部分３００ａ２とを有するＵ字型フレーム３００の底部を含む。第１部分３００ａ１の厚さと第２部分３００ａ２の厚さとが互いに同一であり、ベンディング部３０５により第１部分３００ａ１と第２部分３００ａ２とが連結されている。第２部分３００ａ２は第１部分３００ａ１より高いレベルに位置する。第１部分３００ａ１に形成された段差部３００ｓに向かって電池セル１１０の突出部１１０ｐが突出されている。したがって、突出部１１０ｐが第１部分３００ａ１と第２部分３００ａ２との間の段差に掛かって外部衝撃に起因して流動することを防止することができる。それだけでなく、このようなＵ字型フレーム３００の底部３００ａのプレス成形を通じて電池セル１１０とフレーム部材との間のギャップを減縮することができ、このようなギャップ減縮効果は、高さ方向の組み立てを通じて得ることができるギャップ減縮効果と相乗効果を起こして全体的な空間効率性を最大化することができる。追加的に、電池セル１１０の突出部１１０ｐが段差部３００ｓに形成されることによって、電池セル１１０とＵ字型フレーム３００の底部３００ａとの間に離隔距離が最小化されて空間効率性を高めるだけでなく、熱伝導性樹脂層３１０を形成するために使用される熱伝導性樹脂の使用量を減らして原価を節減することができる。したがって、冷却効率も高めることができる。
図８は図７の比較例による断面図である。
図８を参照すると、図８の比較例でＵ字型フレームの底部は、フレーム底部の加工またはプレス圧縮を通じて段差部を生成することができる。この時、Ｕ字型フレーム底部は厚さが互いに異なる第１部分３００ａ１’と第２部分３００ａ２’とを含む。本比較例の場合、図７の実施形態と同様に熱伝導性樹脂の使用量を減らすことができる。しかしながら、第２部分３００ａ２’に該当するＵ字型フレーム底部の厚さは減らすことができない。これに対して、図７の実施形態による電池モジュールでは、プレス成形を通じて段差部３００ｓを形成することによってフレーム底部の厚さを縮小することができるため、電池モジュールを装着する電池パックのケースの高さを減らす設計が可能である。
図９は本発明の他の一実施形態による電池モジュールに含まれている絶縁シートを示す斜視図である。
図６、図７および図９を参照すると、本実施形態による電池モジュールは、段差部３００ｓに形成された絶縁シート３１５をさらに含むことができる。絶縁シート３１５は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成され得、前述した電池セル１１０の突出部１１０ｐと段差部３００ｓとの間に位置することができる。絶縁シート３１５は、電池セル１１０の突出部１１０ｐとＵ字型フレーム３００の底部３００ａとの間を電気的に絶縁する機能を果たす。この時、絶縁シート３１５は、電池セル１１０の突出部１１０ｐと接触することができる。追加的に、段差部３００ｓにアンダーカット形状３００ｒが形成され得る。アンダーカット形状３００ｒは、ラウンド形態であり得る。段差部３００ｓに形成されたアンダーカット形状３００ｒにより絶縁シート３１５の形状を単純化することができる。つまり、絶縁シート３１５をプレス成形部内側にだけ適用してアンダーカット形状３００ｒに隣接する絶縁シート３１５の角を直角形態に単純化して形成することができる。
一方、本発明の実施形態による電池モジュールは、一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。
前述した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用され得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを用いることができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。
以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
１００：電池モジュール
３００：Ｕ字型フレーム
３００ａ：底部
３００ｂ：側面部
３００ｒ：アンダーカット形状
３１０：熱伝導性樹脂層
４００：上部プレート

Claims (10)

  1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、
    前記電池セル積層体を収容し、上部が開放されたＵ字型フレーム、および
    前記開放されたＵ字型フレームの上部で前記電池セル積層体を覆う上部プレート
    を含み、
    前記複数の電池セルの積層方向に対して垂直な前記電池セル積層体の面が前記Ｕ字型フレームの底部に装着され、
    前記Ｕ字型フレームの前記底部における一側に段差部が形成され、前記電池セルは、前記段差部に向かって突出される突出部を含み、
    前記段差部は、前記Ｕ字型フレームの前記底部のベンディング部により形成される電池モジュール。
  2. 前記Ｕ字型フレームの前記底部は、第１部分と第２部分とを含み、
    前記第１部分は前記電池セルの長さ方向を基準として縁に位置し、前記第２部分は前記第１部分内側に位置し、
    前記第１部分は、前記段差部に対応し、前記段差部を形成するための前記ベンディング部前後における前記Ｕ字型フレームの底部の厚さは互いに同一である、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記第２部分における前記Ｕ字型フレームの前記底部と前記電池セル積層体との間に位置する熱伝導性樹脂層をさらに含む、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記段差部と前記電池セルの前記突出部との間に位置する絶縁シートをさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記絶縁シートは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成される、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記Ｕ字型フレームの開放された両側にそれぞれ結合されたエンドプレートをさらに含み、前記Ｕ字型フレームの開放された両側は前記電池セル積層体の電極リードが突出された方向を基準として互いに対向する、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記Ｕ字型フレームは、底部、および前記底部により連結され、且つ互いに向き合う２個の側面部を含み、
    前記２個の側面部間の距離は前記上部プレートの幅と同一である、請求項１～６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  8. 前記突出部は、前記電池セルの幅方向に形成される、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  9. 前記電池セルは、４個の縁のうち３個のシーリング部と１個の連結部を含み、
    前記電池セルの前記突出部は、前記連結部から突出されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む電池パック。
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