JP2022520585A - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

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Abstract

本発明は、構造を単純化させた電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関しするものであって、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の前後面を覆うエンドプレート、前記電池セル積層体の前記前後面それぞれと各エンドプレートとの間に形成されたバスバーフレーム、前記電池セル積層体の上側で前記バスバーフレーム間を連結するセンシング部材、前記エンドプレートと前記バスバーフレームとの間に形成される絶縁プレート、および前記電池セル積層体の両側面を覆う側面プレートを含み、前記エンドプレートの両側端には取付部が形成され、前記電池セル積層体の下面は開放され、前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記側面プレートが互いに結合し、前記側面プレートと前記エンドプレートが互いに結合して、前記複数の電池セルを固定させる。

Description

(関連出願との相互引用)
本出願は、２０１９年１０月０７日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１２３７７３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、より詳細には、構造が単純化された電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。
二次電池は、モバイル機器および電気自動車などの多様な製品群においてエネルギー源として大きな関心を受けている。このような二次電池は、化石燃料を使用する既存製品の使用を代替できる有力なエネルギー資源であって、エネルギー使用による副産物が発生せず、環境にやさしいエネルギー源として脚光を浴びている。
最近、二次電池のエネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量の二次電池構造に対する必要性が高まり、多数の二次電池が直列／並列に連結された電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。
一方、複数個の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一つの電池セルからなる電池モジュールを構成し、このような少なくとも一つの電池モジュールを利用してその他の構成要素を追加して電池パックを構成する方法が一般的である。
このような電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、電池セル積層体を収容するフレーム、電池セル積層体の両端にそれぞれ形成されるバスバーフレーム、バスバーフレームの外側に形成されるエンドプレート、エンドプレートの内側に形成される絶縁プレートを含む。
図１は従来の電池モジュールのモジュール構造を示す分解斜視図である。図２は従来の電池モジュールを電池パックに組み立てる時に組み立てられる部品を断面で示す模式図である。
図１を参照すると、従来の電池モジュールは、電池セル１０積層体、電池セル１０積層体の前後面を覆うバスバーフレーム２０、電池セル１０積層体の上端でバスバーフレーム２０を連結する上部プレート２１、電池セル１０積層体、バスバーフレーム２０および上部プレート２１を収容し、金属で形成されたフレーム３０、フレームと電池セル積層体の下面との間に形成された熱伝導性樹脂層１１、バスバーフレーム２０の外側に形成された絶縁カバー４０、絶縁カバー４０の外側に金属材料で形成されたエンドプレート５０から構成される。
この時、フレーム３０は、電池セル１０積層体の上下左右の面を覆い、エンドプレート５０は、電池セル１０積層体の前後面を覆うように形成されて、結果として金属フレームが電池セル１０積層体の六面を囲む構造で形成され、電池セル１０の冷却のために電池セル１０積層体の下面と金属フレームとの間に熱伝導性樹脂層１１を別途に挿入した。
このように電池セル１０積層体の六面を金属フレームが囲み、熱伝導性樹脂層１１を別途に挿入するようになって、電池モジュールの重量が相対的に重くなり、図２に示されているように、電池パックに形成されたヒートシンク３２およびヒートシンク３２の上側に形成された熱伝導層３１と電池セル１０積層体との間に熱伝導性樹脂層１１およびフレーム３０が位置して、冷却経路が複雑になり、冷却性能が減少するという問題がある。
本発明の解決しようとする課題は、軽量化および原価節減が可能な構造を有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。
また本発明の解決しようとする課題は、冷却性能向上が可能な構造を有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。
また本発明の解決しようとする課題は、工程費用および製造時間を減らすことができ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。
本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていない更なる他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。
前記課題を実現するための本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、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の前後面を覆うエンドプレート、前記電池セル積層体の前記前後面それぞれと各エンドプレートとの間に形成されたバスバーフレーム、前記電池セル積層体の上側で前記バスバーフレーム間を連結するセンシング部材、前記エンドプレートと前記バスバーフレームとの間に形成される絶縁プレート、および前記電池セル積層体の両側面を覆う側面プレートを含み、前記エンドプレートの両側端には取付部(mounting member)が形成され、前記電池セル積層体の下面は開放され、前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記側面プレートが互いに結合し、前記側面プレートと前記エンドプレートが互いに結合して、前記複数の電池セルを固定させ、前記電池セル積層体の下面と接触する熱伝導層および前記熱伝導層の下側に位置するヒートシンクを含む。
前記エンドプレートと前記側面プレートは互いに溶接で接合され得る。
前記センシング部材の上側に位置して前記電池セル積層体の上面および前記センシング部材を覆う上部プレートをさらに含むことができる。
前記上部プレートは、プラスチックで形成され得る。
前記上部プレートは、フィルムで形成され得る。
前記側面プレートは、金属で形成され得る。
前記電池セル積層体と前記側面プレートは接着剤で結合することができる。
前記エンドプレートは、前記バスバーフレームと結合することができる。
前記電池セル積層体の下面を覆う下部カバーをさらに含むことができる。
前記下部カバーは、フィルムで形成され得る。
本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、既存のフレームの代わりにエンドプレートと側面プレートを利用して複数の電池セルを固定させる単純な構造を形成して、電池モジュールの軽量化および電池モジュール製造工程時に原価節減が可能な効果を提供する。
また本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、複数の電池セルと電池パックに形成された熱伝導層とが互いに接触するように形成されて、冷却経路を単純化させ、これによる冷却性能を増大させることができる効果を提供する。
また本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、エンドプレートと側面プレートだけを結合させれば良いため、溶接ラインを減らすことができ、これによる工程費用を減らし、製造時間を減らすことができる効果を提供する。
本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。
従来の電池モジュールのモジュール構造を示す分解斜視図である。 従来の電池モジュールを電池パックに組み立てる時に組み立てられる部品を断面で示す模式図である。 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。 本発明の一実施形態による電池モジュールを電池パックに組み立てる時に組み立てられる部品を断面で示す模式図である。 本発明の変形された実施形態による上部プレートが形成された電池モジュールを示す分解斜視図である。 本発明の変形された実施形態による下部カバーが形成された電池モジュールを示す分解斜視図である。
以下で説明される実施形態は、発明の理解のために例示として示したものであって、本発明はここで説明される実施形態とは異なるように多様に変形して実施され得ることが理解されるべきである。ただし、本発明を説明するに当たり、関連した公知の機能あるいは構成要素に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付した図面は、発明の理解のために実際の縮尺のとおり図示されたものでなく、一部の構成要素の寸法が誇張して図示され得る。
本出願で使用される第１、第２用語は、多様な構成要素を説明することに使用され得るが、構成要素は用語により限定されてはならない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。
また、本出願で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、権利範囲を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で「含む」、「なる」または「構成される」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。
以下、図３および図４を参照して本発明の一実施形態による電池モジュールについて説明する。
図３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４は本発明の一実施形態による電池モジュールを電池パックに組み立てる時に組み立てられる部品を断面で示す模式図である。
図３および図４を参照すると、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１００が積層されている電池セル積層体、電池セル積層体の前後面を覆うエンドプレート３００、電池セル積層体とエンドプレート３００との間に形成されたバスバーフレーム２００、電池セル積層体の上側でバスバーフレームを連結するセンシング部材２１０、エンドプレート３００とバスバーフレーム２００との間に形成される絶縁プレート３１０、および電池セル積層体の両側面を覆う側面プレート４００を含み、エンドプレート３００の両側端には取付部３２０が形成され、電池セル積層体の下面は開放され、電池セル積層体の最外側の電池セルと側面プレート４００が互いに結合し、側面プレート４００とエンドプレート３００が互いに結合して複数の電池セルを固定させる。
電池セル１００は、二次電池であって、パウチ型二次電池で構成され得る。このような電池セル１１０は、複数個で構成されることができ、複数の電池セル１１０は互いに電気的に連結され得るように互いに積層されて電池セル積層体を形成することができる。このような複数個の電池セルは、それぞれ電極組立体、電池ケースおよび電極組立体から突出した電極リード（図示せず）を含むことができる。
バスバーフレーム２００は、電池セル積層体の前後面にそれぞれ形成される。バスバーフレーム２００は、複数個の電池セル１００の電極リードを電気的に連結することができるように前記電池セル積層体の前後面を覆って形成され得る。
センシング部材２１０は、電池セル積層体の前面に形成されたバスバーフレーム２００と電池セル積層体の後面に形成されたバスバーフレーム２００とを電池セル積層体の上側で連結する。このようなセンシング部材２１０を通じて電池セル積層体の前後面にそれぞれ形成されたバスバーフレーム２００を電気的に連結することができる。
エンドプレート３００は、電池セル積層体の前後面を覆うように形成され、バスバーフレーム２００と結合して外部の衝撃からバスバーフレーム２００およびこれと連結された多くの電装品を保護することができる。またフレームの構成要素として電池モジュール取付構造を有することができる。またエンドプレート３００に形成された開口部を通じてバスバーフレーム２００に形成された端子バスバーが外部に突出されるようにすることによって、バスバーフレーム２００と外部電源間の電気的連結を誘導することができる。
絶縁プレート３１０は、電池セル積層体とエンドプレート３００との間に形成されて、電池セル積層体の前後面を覆うように形成される。絶縁プレート３１０は、バスバーフレーム２００を覆うように形成されて、バスバーフレーム２００と外部との電気的連結を遮断させることができる。本発明の一実施形態によると、絶縁プレート３１０は絶縁機能を有するプラスチックで形成され得る。
取付部３２０は、エンドプレート３００の両側端に形成されて、本発明の一実施形態による電池モジュールを取付部３２０を通じて電池パックに結合することができる。取付部３２０は、図３に示されているように、エンドプレート３００の一側端に形成された第１取付部３２１、エンドプレート３００の他側端に形成された第２取付部３２２を含むことができる。それぞれの取付部は、上下方向に貫通形成された結合口を含むことができる。第１取付部３２１は第１結合口３２１ａを含み、第２取付部３２２は第２結合口３２２ａを含むことができる。このような結合口を通じて本発明の一実施形態による電池モジュールを電池パックに結合させることができる。
側面プレート４００は、電池セル積層体の両側面を覆うように形成される。本発明の一実施形態によると、側面プレート４００は金属で形成されることができ、電池セル積層体の両側に形成された最外側の電池セルと両側の側面プレート４００は、それぞれ接着剤で結合することができ、互いに圧着されて結合することもできる。ただし、電池セル積層体と側面プレートの結合方法はこれに限定されず、多様な方式で結合可能である。
エンドプレート３００と側面プレート４００は互いに結合して、プレート内部に位置する複数の電池セル１００を固定させる役割を果たす。このように結合されたエンドプレート３００と側面プレート４００を通じて複数の電池セルで発生し得るセルスウェリング現象を制御することができる。本発明の一実施形態によると、エンドプレート３００と側面プレート４００は互いに溶接で接合され得る。
従来の電池モジュールでは、電池セル積層体の上下左右の面を覆うフレームが形成されて、電池モジュールの重量が相対的に重くなり、フレームを製造することに多くの費用がかかった。しかし、本発明の一実施形態による電池モジュールは、従来のフレームを削除し、その代わりにエンドプレートと側面プレートだけで電池セル積層体を固定および保護できるようにすることによって、電池モジュールの重量を減らすことができ、電池モジュール製作に必要な原価を節減することができる。また従来はフレームとエンドプレートの全ての縁部分を溶接で結合することに比べて、本発明の一実施形態による電池モジュールは、側面プレートとエンドプレートが接する部分だけを溶接で接合すれば良いため、溶接ラインが縮小され、これによる工程費用および製造時間を節減することができる。
本発明の一実施形態による電池モジュールは、電池セル１００積層体の下面が開放されるように形成され得る。電池セル１００積層体の下面が開放されているということは、従来のようにフレームやプレートにより電池セル１００積層体の下面が覆われないことを意味する。したがって、電池モジュールを電池パックに設置時、電池セル積層体の下面は、本発明の一実施形態による電池パックに形成された熱伝導層７００と接触することができ、熱伝導層７００を通じて熱伝導層７００の下側に形成されたヒートシンク８００と連結され得る。
熱伝導層７００は、ＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）で表現されることができ、熱伝導層７００は、電池モジュールの複数の電池セル１００から発生する熱を電池モジュールの外部に伝達することができる。ヒートシンク８００は、熱伝導層７００と接触して、熱伝導層７００から伝達された熱をヒートシンク８００内部に流れる冷媒を通じて外部に放出することができる。
従来は、図２に示されているように、電池セルで発生した熱は熱伝導性樹脂、フレーム、熱伝導層およびヒートシンクを順次に通過してこそ、外部に放出されることができた。しかし、本発明の一実施形態による電池モジュールは、熱伝導性樹脂、フレームが除去され、電池セル１００が直ちに電池パックの熱伝導層７００と接触するため、電池セル１００で発生した熱が熱伝導層７００とヒートシンク８００だけを経て直ちに外部に放出され得ることによって、熱伝達経路が単純化されて冷却性能が向上することができる。また熱伝導性樹脂を用いる必要がないため、電池モジュールの重量を減らすことができ、電池モジュール製造時に原価を節減することができる。
以下、本発明の変形された実施形態により上部プレートが形成された電池モジュールについて説明する。
図５は本発明の変形された実施形態による上部プレートが形成された電池モジュールを示す分解斜視図である。
図５を参照すると、本発明の変形された実施形態による電池モジュールは、センシング部材の上側に位置して電池セル１００の積層体の上面およびセンシング部材を覆う上部プレート５００をさらに含むことができる。
本発明の変形された実施形態による上部プレート５００は、金属より軽いプラスチックで形成されるか、プラスチックより軽いフィルムで形成されてもよい。したがって、従来の金属で形成されたフレームの上側構造に比べて電池モジュールの重量が軽くなることができ、同時に上部プレート５００を通じて電池セル積層体の上側で電池モジュールの電装構造を保護することができる。
前述した内容以外は本発明の一実施形態による電池モジュールおよび電池パックの内容と同一である。
以下、本発明の変形された実施形態により下部カバーが形成された電池モジュールについて説明する。
図６は本発明の変形された実施形態による下部カバーが形成された電池モジュールを示す分解斜視図である。
図６を参照すると、本発明の変形された実施形態による電池モジュールは、電池セル１００積層体の下面を覆う下部カバー６００をさらに含むことができる。本発明の変形された実施形態によると、下部カバー６００は、金属より軽いフィルムで形成され得る。したがって、従来の金属で形成されたフレームの下側構造に比べて電池モジュールの重量が軽くなることができ、下部カバー６００を通じて電池モジュールを電池パックに組み立てる時、電池セル積層体の下面に発生し得る予期せぬ損傷を未然に防止することができる。
前述した内容以外は本発明の一実施形態による電池モジュールおよび電池パックの内容と同一である。
前述した電池モジュールは、電池パックに含まれ得る。電池パックは、本実施形態による電池モジュールを一つ以上集めて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）と冷却装置などを追加してパッキングした構造であり得る。このような電池パックには複数の電池モジュールが設置されることができ、複数の電池モジュールに形成された電池セル積層体の下面と電池パックに形成された熱伝導層とが接触することによって、電池セルで発生する熱を熱伝導層と接触形成されたヒートシンクを通じて外部に放出することができる。
前記電池パックは、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。
以上では本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は前述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により多様な変形実施が可能であることはもちろん、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。
１０：電池セル
２０：バスバーフレーム
２１：上部プレート
３０：フレーム
３１：熱伝導層
３２：ヒートシンク
５０：エンドプレート
１００：電池セル
１１０：電池セル
２００：バスバーフレーム
２１０：センシング部材
３００：エンドプレート
３１０：絶縁プレート
３２０：取付部
３２１、３２２：第１、２取付部
３２１ａ、３２２ａ：第１、２結合口
４００：側面プレート
５００：上部プレート
６００：下部カバー
７００：熱伝導層
８００：ヒートシンク

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の前後面を覆うエンドプレート；
    前記電池セル積層体の前記前後面それぞれと各エンドプレートとの間に形成されたバスバーフレーム；
    前記電池セル積層体の上側で前記バスバーフレーム間を連結するセンシング部材；
    前記エンドプレートと前記バスバーフレームとの間に形成される絶縁プレート；および
    前記電池セル積層体の両側面を覆う側面プレートを含み、
    前記エンドプレートの両側端には取付部が形成され、
    前記電池セル積層体の下面は開放され、
    前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記側面プレートが互いに結合し、前記側面プレートと前記エンドプレートが互いに結合して、前記複数の電池セルを固定させる電池モジュール。
  2. 前記エンドプレートと前記側面プレートは互いに溶接で接合される、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記センシング部材の上側に位置して前記電池セル積層体の上面および前記センシング部材を覆う上部プレートをさらに含む、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記上部プレートは、プラスチックまたはフィルムで形成される、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記側面プレートは、金属で形成される、請求項１～４の何れか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記電池セル積層体と前記側面プレートは接着剤で結合する、請求項１～５の何れか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記エンドプレートは、前記バスバーフレームと結合する、請求項１～６の何れか一項に記載の電池モジュール。
  8. 前記電池セル積層体の下面を覆う下部カバーをさらに含む、請求項１～７の何れか一項に記載の電池モジュール。
  9. 前記下部カバーは、フィルムで形成される、請求項８に記載の電池モジュール。
  10. 請求項１～９の何れか一項に記載の電池モジュール；
    前記電池モジュールの下側で前記電池セル積層体の下面と接触する熱伝導層；および
    前記熱伝導層の下側に位置するヒートシンクを含む電池パック。
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