JP2022521945A - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施形態による電池パックは、一つ以上の電池セルが積層されたセル積層体および前記セル積層体を収納するモジュールフレームを含む電池モジュール、前記電池モジュールを収納するパックフレーム、および前記モジュールフレームの下面と前記パックフレームとの間に位置する熱伝導性樹脂層を含み、前記モジュールフレームの前記下面に開放部が形成されて、前記セル積層体が前記熱伝導性樹脂層と接触する。

Description

関連出願との相互引用
本出願は、2019年6月25日付韓国特許出願第10-2019-0075829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、電池パックおよびこれを含むデバイスに関し、より具体的には、一つまたはそれ以上の電池モジュールを備えた電池パックおよびこれを含むデバイスに関する。
現代社会では、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常的になることに伴い、このようなモバイル機器と関連した分野の技術に対する開発が活発になってきている。また、充放電が可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案として、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(P-HEV)などの動力源として利用されているところ、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。
現在商用化された二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあるが、このうちリチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いという長所のため、脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータをそれらの間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、つまり、電池ケースとを備える。
一般的にリチウム二次電池は、外装材の形状により、電極組立体が金属カンに内装されているカン型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池とに分類され得る。
小型機器に利用される二次電池の場合、2~3個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに利用される二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール(Battery module)が利用される。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されてセル積層体を形成することによって容量および出力が向上する。また、一つ以上の電池モジュールは、BMS(Battery Management System)、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
二次電池は、適正温度より高くなる場合、二次電池の性能が低下することがあり、激しい場合は爆発や発火の危険もある。特に、多数の二次電池、つまり、電池セルを備えた電池モジュールや電池パックは、狭い空間で多数の電池セルから出る熱が合算されて温度がより速くかつ激しく上がることがある。言い換えると、多数の電池セルが積層された電池モジュールとこのような電池モジュールが装着された電池パックの場合、高い出力を得ることができるが、充電および放電時に電池セルで発生する熱を除去することが容易でない。電池セルの放熱が良好になされない場合、電池セルの劣化が速くなって寿命が短くなり、爆発や発火の可能性が大きくなる。
さらに、車両用バッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールの場合、直射日光によく露出され、夏季や砂漠地域のような高温条件に置かれることがある。
したがって、電池モジュールや電池パックを構成する場合、安定的かつ効果的な冷却性能を確保することは非常に重要であると言える。そこで、電池セルで発生する熱を外部に排出するための電池パックの冷却手段として放熱パッド(Thermal pad)や放熱板(Heat sink)などが活用されているが、電池セルと電池モジュール、電池モジュールと電池パックなどにつながる複雑な構造によって、エアーギャップ(Air gap)のように冷却性能を妨害する要因が存在して、効果的な冷却が難しいという問題がある。
また、電池パックに対しては、小型化や剛性確保、容量増大のような他の要求も続いているため、冷却性能は高めながらも、このような多様な要求事項を共に満足できるバッテリーモジュールを開発することが実質的に必要であると言える。
本発明の実施形態は、前記のような問題点を解決するために提案されたものであって、冷却性能だけでなく、容量および出力が増大された電池パックおよびこれを含むデバイスを提供することをその目的とする。
ただし、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パックは、一つ以上の電池セルが積層されたセル積層体および前記セル積層体を収納するモジュールフレームを含む電池モジュール、前記電池モジュールを収納するパックフレーム、および前記モジュールフレームの下面と前記パックフレームとの間に位置する熱伝導性樹脂層を含み、前記モジュールフレームの前記下面に開放部が形成されて、前記セル積層体が前記熱伝導性樹脂層と接触する。
前記熱伝導性樹脂層は、熱伝導性接着物質を含むことができる。
前記熱伝導性樹脂層は、熱伝導性樹脂が前記セル積層体と接触したまま固化された形態であり得る。
前記電池パックは、前記熱伝導性樹脂層と前記パックフレームの底部との間に位置する放熱器をさらに含むことができる。
前記モジュールフレームのうちの少なくとも一つは、U字型フレームであり、前記U字型フレームの下面に前記開放部が形成され得る。
前記U字型フレームの上面にはカバーが位置し、前記U字型フレームと前記カバーとが溶接結合して結合部を形成することができる。
前記モジュールフレームのうちの少なくとも一つは、前面及び後面が開放されたモノフレームであり、前記モノフレームの下面に前記開放部が形成され得る。
前記電池モジュールは、二つ以上であり得る。
前記パックフレームは、前記電池モジュールの側面の間に形成された隔壁を含むことができる。
前記電池モジュールの側面が前記隔壁と密着され得る。
前記電池モジュールの側面方向に沿って配置された電池モジュールは、その側面が互いに密着され得る。
前記一つ以上の電池セルは、前記モジュールフレームの両側面と平行になるように直立または倒立形態に積層され、前記一つ以上の電池セルのそれぞれが前記熱伝導性樹脂層と接触することができる。
前記開放部は、前記モジュールフレームの前面および後面のそれぞれから離隔され得る。
前記開放部は、前記モジュールフレームの両側面と隣接することができる。
本発明の実施形態によると、電池モジュールのモジュールフレームに形成された電池セルの露出構造を通じて冷却妨害要因を減らして冷却性能を高めた電池パックを提供することができる。
また、電池パック内部に熱伝達部材を二重に配置する必要がないため、原価節減が可能であり、それに対する品質検査も一つに減らすことができるため、工程の簡素化および工程費用の節減が可能である。
また、電池パックの体積を減らすことによって、小型化に有利であり、同一の大きさにも電池パックの容量や出力を増大させることができる。
本発明の一実施形態による電池パックに対する斜視図である。 図1の切断線A-A’に沿って切断した断面図である。 U字型フレームを含む電池モジュールに対する分解斜視図である。 モノフレームを含む電池モジュールに対する分解斜視図である。 図3の電池モジュールに対する斜視図である。 本発明の他の一実施形態による電池パックを説明するための断面図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施例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例に限定されない。
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。
図1は本発明の一実施形態による電池パック100に対する斜視図である。
図1を参照すると、本発明の一実施形態による電池パック100は、電池モジュール200および電池モジュール200を収納するパックフレーム400を含む。図1には6個の電池モジュール200が収納されているが、個数に制限はなく、必要に応じて一つまたはそれ以上の電池モジュール200がパックフレーム400に収納され得る。
図2は図1の切断線A-A’に沿って切断した断面図である。
図2を参照すると、電池モジュール200は、一つ以上の電池セル310が積層されたセル積層体300およびセル積層体300を収納するモジュールフレーム210を含む。モジュールフレーム210の下面とパックフレーム400との間に熱伝導性樹脂層500が位置し、モジュールフレーム210の下面に開放された開放部240が形成されてセル積層体300が熱伝導性樹脂層500と接触することができる。また、熱伝導性樹脂層500とパックフレーム400の底部との間に放熱器(Heat sink)600が位置することができる。
以下、モジュールフレーム210の下面に形成された開放部240について、図3および図4と共に説明する。図3および図4は、本発明の実施形態に適用され得る電池モジュール200a、200bに対する分解斜視図である。具体的に、図3はU字型フレーム210aを含む電池モジュール200aに対する分解斜視図であり、図4はモノフレーム210bを含む電池モジュール200bに対する分解斜視図である。また、図3および図4共に、説明の便宜のために電池モジュール200a、200bの下面が上方を見るようにひっくり返した様子を示す。
図2のモジュールフレーム210は、金属板材であって、U字型フレームやモノフレームが適用され得、図3の電池モジュール200aは、U字型フレームが適用されたものであり、図4の電池モジュール200bは、モノフレームが適用されたものである。
図3を参照すると、本実施形態の電池モジュール200aは、セル積層体300を収納するU字型フレーム210aを含むことができる。U字型フレーム210aは、上面、前面および後面が開放された形態であり、開放された上面にはカバー230が結合され、開放された前面および後面にはエンドプレート220が結合され得る。
この時、先に言及した通り、U字型フレーム210aの下面に開放部240aが形成されてセル積層体300が開放部240aを通じて露出される。
図4を参照すると、本実施形態の電池モジュール200bは、セル積層体300を収納するモノフレーム210bを含むことができる。モノフレーム210bは、前面および後面が開放された形態であり、開放された前面および後面にはエンドプレート220が結合され得る。
同様に、モノフレーム210bの下面に開放部240bが形成されてセル積層体300が開放部240bを通じて露出される。
図2乃至図4を再び参照すると、モジュールフレーム210、つまり、U字型フレーム210aやモノフレーム210bの下面に形成された開放部240、240a、240bを通じて、セル積層体300が熱伝導性樹脂層500と接触する。セル積層体300の電池セル310で発生した熱は熱伝導性樹脂層500と、熱伝導性樹脂層500の下に位置した放熱器600とを通じて伝達され得る。
開放部240、240a、240bが形成されていなければ、熱伝導性樹脂層500のような熱伝達部材をセル積層体300とモジュールフレーム210との間、およびモジュールフレーム210と放熱器600との間に二重に配置するしかない。熱伝達のために電池セルと電池モジュールの間及び電池モジュールと電池パックの間のエアーギャップ(Air gap)を全て除去しなければならないためである。
しかし、本実施形態では、開放部240、240a、240bが形成されているため、熱伝導性樹脂層500を二重に配置する必要がない。したがって、原価節減が可能であり、熱伝達部材の界面に対する品質検査を一つに減らすことができるため、工程の簡素化および工程費用の節減も可能である。
また、熱伝導性樹脂層を二重に配置した場合と比較して、電池パック100の高さが減少することができる。通常、電池パックが自動車の底に位置する場合、高さ方向に対する制限が大きいが、本実施形態による電池パック100は高さに対する制限を減らすことができるという長所がある。
他の観点からみると、限定された空間で、熱伝導性樹脂層の個数が減少した分、電池セル310の体積が増加することができるため、電池パック100の容量および出力が向上する効果がある。
また、開放部240、240a、240bが形成されていなければ、セル積層体300と放熱器600との間に二重の熱伝達部材が位置し、また二重の熱伝達部材の間にモジュールフレームが位置するため、電池セル310から発生した熱が効果的に伝達され難い。モジュールフレーム自体が熱伝導特性を低下させることができ、モジュールフレームと二重の熱伝達部材との間に形成され得る微細な空気層も熱伝達特性を低下させる要因になり得るためである。これとは異なり、本実施形態での開放部240、240a、240bは、セル積層体300と放熱器600との間の熱伝達経路を単一の熱伝導性樹脂層500に単純化させることができるため、電池パック100の冷却性能を増大させることができる。
放熱器600の構成なしに、熱伝導性樹脂層500がパックフレーム400の底部と直接接触した場合にも、このような原理は同様に適用され得る。
図5は、図3の電池モジュール200aに対する斜視図である。ただし、図3とは異なり、結合された状態であり、ひっくり返さず、上面が上方を見る様子を示した。
図5を図3と共に参照すると、U字型フレーム210aの開放された上面にカバー230が結合され、カバー230は一つの板状型構造からなることができる。U字型フレーム210aとカバー230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セル積層体300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210aとカバー230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。
一方、図2乃至図4を再び参照すると、本実施形態での熱伝導性樹脂層500は、熱伝導性樹脂(Thermal resin)を含むことができ、特に熱伝導性接着物質を含むことができる。例えばシリコン(Silicone)系素材、ウレタン(Urethane)系素材およびアクリル(Acrylic)系素材のうちの少なくとも一つを含むことができ、特にウレタン系素材を含むことが好ましい。
熱伝導性樹脂層500は、熱伝導度に優れた熱伝導性樹脂を含んでいるため、セル積層体300と放熱器600との間で熱伝達量および熱伝達速度などを一層高めることができる。
それだけでなく、前記熱伝導性樹脂は、熱伝導性接着物質を含むものであって、塗布時には液状であるが、セル積層体300が開放部240、240a、240bを通じてその上に積層された後は固化される物質であり得る。したがって、熱伝導性樹脂層500は、セル積層体300およびこれを含む電池モジュール200、200a、200bを電池パック100内で固定させることができる。つまり、本実施形態での熱伝導性樹脂層500は、開放部240、240a、240bを通じてセル積層体300に対する放熱特性を向上させるだけでなく、セル積層体300を効果的に固定する効果を有する。
このような固定のために、熱伝導性樹脂層500は、剥離強度試験(Peel test)を実施した時、400g/cm以上の剥離強度を有することが好ましい。また、剪断強度試験(Shear strength test)を実施した時、1.4Mpa以上の接着強度を有することが好ましい。
図1を再び参照すると、電池モジュール200をパックフレーム400内に固定するために、電池モジュール200の4つの角(黒色の矢印)にフックやボルトなどの締結構造を形成することができる。これは電池モジュール200が後述するデバイスに適用される時、振動や衝撃などに対する安全性を確保するためのものである。
しかし、本実施形態では、図2での熱伝導性樹脂層500を通じて電池モジュール200を電池パック100内に固定させることができるため、フック構造やボルトなどの締結構造を電池モジュール200の4つの角(黒色の矢印)のうち2ヶ所または1ヶ所にだけ位置させることができ、場合によっては前記締結構造なしに熱伝導性樹脂層500だけで電池モジュール200を固定することも可能である。
一方、図1および図2を再び参照すると、パックフレーム400は、電池モジュール200の側面の間に形成された隔壁410をさらに含むことができる。このような隔壁410は、電池パック100が自動車などのデバイスに適用される時、外部衝撃などから電池パック100を支持することができ、また電池パック100内で電池モジュール200の流動を防止することができる。また、電池モジュール200の側面が隔壁410と密着したり所定の間隔で離隔され得るが、このような効果を得るためには、図2でのように電池モジュール200の側面が隔壁410と密着した構造を形成することがより好ましい。
一方、図6は本発明の他の実施形態による電池パック100aを説明するための断面図である。図6を参照すると、電池パック100aが隔壁を備えていないパックフレーム400aを含み、電池モジュール200の側面同士で密着された構造を形成することもできる。つまり、電池モジュールのうち、その側面方向に沿って配置された電池モジュール200が、その側面を通じて互いに密着された構造であり得る。
それ以外の構成は図1および図2の電池パック100と互いに同一乃至類似の構成が適用されて、電池モジュール200のセル積層体300は、モジュールフレーム210の下面に形成された開放部240を通じて熱伝導性樹脂層500aと接合し、熱伝導性樹脂層500aの下には放熱器600aが位置することができる。ただし、パックフレーム400aが隔壁を備えないため、図6でのように、側面に沿って密着した電池モジュール200は、一つの熱伝導性樹脂層500aを共有することができる。
先に言及した通り、図2および図6の熱伝導性樹脂層500、500aがセル積層体300や電池モジュール200、200a、200bを固定することができるため、固定のためのボルトのような別途の締結部材を減らしたりなくすことができる。したがって、ボルトやナットが締結されるために必要な空間の代わりに、図2でのように電池モジュール200が隔壁410と密着された構造を形成したり、図6でのように電池モジュール200同士で互いに密着された構造を形成することができる。それによって、電池モジュール200がコンパクトに配置され得るため、電池パック100、100aの体積の減少または電池容量の増大につながり得る。
図2を再び参照すると、セル積層体300を構成する電池セル310がモジュールフレーム210の両側面と平行になるように直立または倒立形態に積層されることが好ましい。これによって電池セル310のそれぞれが開放部240に露出されて熱伝導性樹脂層500と接触することができる。
また、図3および図4を再び参照すると、開放部240a、240bは、モジュールフレーム210a、210bの前面および後面からそれぞれ離隔されていてもよい。つまり、モジュールフレーム210a、210bの下面で、開放部240a、240bが形成されていない部分がモジュールフレーム210a、210bの前面および後面のそれぞれと隣接していてもよい。開放部240a、240bが下面の全ての領域に形成されていれば、電池モジュール200a、200bの製造工程や電池パックに対する組立工程において、セル積層体300またはその一部が離脱する問題があり得る。先に言及した電池セル310の積層形態と方向を考慮すると、開放部240a、240bがモジュールフレーム210a、210bの前面および後面のそれぞれと離隔したまま形成されることによって、セル積層体300が離脱することを防止することができる。
一方、開放部240a、240bは、モジュールフレーム210a、210bの両側面と隣接していてもよい。先に言及した電池セル310の積層形態及び方向を考慮すると、開放部240a、240bがモジュールフレーム210a、210bの両側面と隣接していてこそ、セル積層体300の両端を構成する電池セルを含む全ての電池セルが熱伝導性樹脂層と接触することができるためである。セル積層体300を構成する電池セルの全てが熱伝導性樹脂層と接触してこそ、効果的な放熱が可能である。
前述した電池パックは、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、ハイブリッドなどの運送手段に適用され得るが、これに制限されず、二次電池を用いることができる多様なデバイスに適用可能である。
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:電池パック
200、200a、200b:電池モジュール
210:モジュールフレーム
300:セル積層体
400:パックフレーム
500:熱伝導性樹脂層
600:放熱器

Claims (15)

  1. 一つ以上の電池セルが積層されたセル積層体および前記セル積層体を収納するモジュールフレームを含む電池モジュール、
    前記電池モジュールを収納するパックフレーム、および
    前記モジュールフレームの下面と前記パックフレームとの間に位置する熱伝導性樹脂層
    を含み、
    前記モジュールフレームの前記下面に開放部が形成されて、前記セル積層体が前記熱伝導性樹脂層と接触する電池パック。
  2. 前記熱伝導性樹脂層は、熱伝導性接着物質を含む、請求項1に記載の電池パック。
  3. 前記熱伝導性樹脂層は、熱伝導性樹脂が前記セル積層体と接触したまま固化された形態である、請求項1又は2に記載の電池パック。
  4. 前記熱伝導性樹脂層と前記パックフレームの底部との間に位置する放熱器をさらに含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の電池パック。
  5. 前記モジュールフレームのうちの少なくとも一つは、U字型フレームであり、
    前記U字型フレームの下面に前記開放部が形成された、請求項1~4のいずれか一項に記載の電池パック。
  6. 前記U字型フレームの上面にはカバーが位置し、
    前記U字型フレームと前記カバーとが溶接結合して結合部を形成する、請求項5に記載の電池パック。
  7. 前記モジュールフレームのうちの少なくとも一つは、前面及び後面が開放されたモノフレームであり、
    前記モノフレームの下面に前記開放部が形成された、請求項1~4のいずれか一項に記載の電池パック。
  8. 前記電池モジュールは、二つ以上である、請求項1~7のいずれか一項に記載の電池パック。
  9. 前記パックフレームは、前記電池モジュールの側面の間に形成された隔壁を含む、請求項8に記載の電池パック。
  10. 前記電池モジュールの側面が前記隔壁と密着されている、請求項9に記載の電池パック。
  11. 前記電池モジュールの側面方向に沿って配置された電池モジュールは、その側面が互いに密着されている、請求項8~10のいずれか一項に記載の電池パック。
  12. 前記一つ以上の電池セルは、前記モジュールフレームの両側面と平行になるように直立または倒立形態に積層され、
    前記一つ以上の電池セルのそれぞれが前記熱伝導性樹脂層と接触する、請求項1~11のいずれか一項に記載の電池パック。
  13. 前記開放部は、前記モジュールフレームの前面および後面のそれぞれから離隔されている、請求項1~12のいずれか一項に記載の電池パック。
  14. 前記開放部は、前記モジュールフレームの両側面と隣接した、請求項1~13のいずれか一項に記載の電池パック。
  15. 請求項1~14のいずれか一項に記載の電池パックを一つ以上含むデバイス。
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