JP2022523953A - 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た電池セル積層体；および前記電池セル積層体の上面、下面および両側面を囲むラップフィルム（ｗｒａｐ ｆｉｌｍ）を含み、前記ラップフィルムは前記電池セル積層体の上面、下面および両側面で連続的につながる。

Description

関連出願との相互引用
本出願は２０１９年１０月１０日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１２５３０７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するものであって、より具体的に複数の電池セルに対する固定方式が改善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ものである。
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って駆動す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されないという点で環境にやさしいおよびエネルギー効率性向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
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り、このうちのリチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらなくて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で脚光を浴びている。
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挟んで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、即ち、電池ケースを備える。
一般に、リチウム二次電池は外装材の形状によって、電極組立体が金属カンに内装されている角型二次電池と、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に分類できる。
小型モバイル機器にはデバイス１台当り１個～３個の電池セルが使用されるのに反し、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できれば小さい大きさと重量で製造されるのが好ましいので、高い集積度で積層でき容量に対し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、複数の電池セルを外部衝撃、熱または振動から保護するために、電池セルの積層体を内部空間に収納するモジュールフレームを含むことができる。
図１は、従来の電池モジュール１０の斜視図である。但し、電池セルに対する固定方式を説明するためにモジュールフレームの図示を省略した。
図１を参照すれば、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が積層された電池セル積層体２０を含む。
電池セル１１がＹ軸方向に沿って積層されることにおいて、それぞれの電池セル１１の間に両面テープのような接着剤３０を配置させて、電池セル積層体２０を構成する電池セル１１を固定させる。さらに、具体的に図示していないが、再外殻に位置した電池セル１１に圧縮パッドをさらに配置することができ、上記圧縮パッドと電池セル１１の間にも接着剤を配置することができる。
但し、電池セル積層体２０を構成する電池セル１１の数量が多くなるほど、その間に配置されなければならない接着剤３０の数が多くなり、これにより繰り返される工程の数が増加する。即ち、高出力大容量の電池モジュールを実現するために、多数の電池セル１１が必要であるが、従来の接着剤３０による固定方式は不必要な反復工程が要求される問題がある。
また、電池セル１１の積層過程で、ずれが発生するか公差条件を満足しない場合、積層の再作業が必要であり、接着剤３０を使用した従来の固定方式は再作業を行うことが極めて難しいという問題がある。
これにより、工程手続を簡素化し、積層の再作業がより容易なように、電池セル積層体を構成する電池セルの固定方式を改善する必要がある。
本発明の実施形態は既存の提案された方法の上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、電池セル積層体を構成する電池セルの固定方式を改善することをその目的とする。
但し、本発明の実施形態が解決しようとする課題は前述の課題に限定されず、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できる。
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た電池セル積層体；および前記電池セル積層体の上面、下面および両側面を囲むラップフィルム（ｗｒａｐ ｆｉｌｍ）を含み、前記ラップフィルムは前記電池セル積層体の上面、下面および両側面で連続的につながる。
前記それぞれの電池セルの間では接着剤やテープが排除されており、隣接の電池セルが互いに直接接触してもよい。
前記ラップフィルムは、前記電池セル積層体の上面、下面および両側面の全部分を囲むことができる。
前記ラップフィルムは、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）およびポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）のうちの少なくとも一つを含むことができる。
前記電池セルは、前記電池セル積層体の両側面と平行に配置されて積層できる。
前記電池セルは電極リードを含み、前記電極リードは前記電池セル積層体の前面および後面に配置できる。
前記ラップフィルムは、前記電池セル積層体を１回～２回囲むことができる。
前記電池セル積層体を収納するモジュールフレームおよび前記モジュールフレームの前面と後面を覆うエンドプレートをさらに含むことができる。
前記モジュールフレームは、前面および後面が開放され、上面、下面および両側面が一体化されたモノフレームであってもよい。
前記モジュールフレームは、前面、後面および上面が開放されたＵ字型フレームおよび前記Ｕ字型フレームの開放された上面を覆う上部カバーを含むことができる。
前記ラップフィルムに多数の貫通ホールが形成できる。
前記電池セル積層体の下端部に位置したラップフィルムに前記多数の貫通ホールが形成できる。
前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の下に位置する熱伝導性樹脂層をさらに含むことができる。
前記熱伝導性樹脂層は、シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）素材、ウレタン（Ｕｒｅｔｈａｎ）素材、およびアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）素材のうちの少なくとも一つを含むことができる。
本発明の実施形態によれば、電池セル積層体を囲むラップフィルム構造によって、電池セル積層体を構成する電池セルの個数が多くなっても、電池セルを簡便に固定させることができる。
また、積層過程でずれが発生するか公差条件を満足しなくても積層の再作業をより容易に行うことができる。
また、ラップフィルムによって電池セル積層体とモジュールフレームの間の電気的絶縁が可能であるため、絶縁のためのその他の部材の挿入が不要である。
また、電池セルのスウェリング現象による電池セル積層体の膨張を抑制して、電池モジュールの外形変化を最小化することができ、電池モジュールおよびこれを含む電池パックの構造的安全性を向上させることができる。
従来の電池モジュールについてモジュールフレームの図示を省略して示した斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールについてモジュールフレームの図示を省略して示した斜視図である。 モノフレームを含む電池モジュールの分解斜視図である。 Ｕ字型フレームを含む電池モジュールの分解斜視図である。 貫通ホールが形成されたラップフィルムを説明するために電池セル積層体を下から見た図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明の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できるように詳しく説明する。本発明は様々な異なる形態に実現でき、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と関係ない部分は省略し、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な参照符号を付けるようにする。
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ので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面で様々な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、一部層および領域の厚さを誇張されるように示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分“の上に”または“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。逆に、ある部分が他の部分の“直上に”あるという時は中間に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”または“上に”あるというのは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって“の上に”または“上に”位置することを意味するのではない。
また、明細書全体で、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くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。
また、明細書全体で、“平面上”という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、“断面上”という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横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１００についてモジュールフレームの図示を省略して示した斜視図である。
図２を参照すれば、本発明の一実施形態による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体２００および電池セル積層体２００の上面（Ｚ軸方向）、下面（Ｚ軸の反対方向）、および両側面（Ｙ軸方向とその反対方向）を囲むラップフィルム（Ｗｒａｐ ｆｉｌｍ）３００を含む。
また、ラップフィルム３００は、電池セル積層体２００の上面（Ｚ軸方向）、下面（Ｚ軸の反対方向）、および両側面（Ｙ軸方向とその反対方向）で連続的につながる。
図１の従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１の間に接着剤３０を位置させて、電池セル１１を固定させた。これにより、電池セル１１の数量が多くなるほどその間に配置されなければならない接着剤３０の数が多くなり、それぞれの電池セル１１を積層させるたびに接着剤３０塗布および電池セル１１付着の工程を繰り返して実施しなければならない問題があった。言い換えれば、繰り返される工程によって過度な時間と費用が招来される問題があった。
よって、本実施形態による電池モジュール１００は電池セル積層体２００の外周面、即ち、上面、下面、および両側面を囲むラップフィルム３００を備えることによって、電池セル１１０を固定させることができる。これにより、それぞれの電池セル１１０の間に接着剤やテープなどが不要になって排除され、隣接の電池セル１１０が互いに直接接触できる。
各電池セル１１０の間に接着剤を介する必要なく電池セル積層体２００の外周面をラップフィルム３００で囲めばよいため、電池セル１１０の個数が多くなっても、従来の反復工程が必要でなくて時間と費用の節約が可能である。
また、電池セル１１０の積層過程でずれが発生するか公差条件を満足しない場合にも、囲んだラップフィルム３００を除去した後、再び電池セル１１０を積層させ、新たなラップフィルム３００で囲めばよいため、再作業がより容易である。既にそれぞれの電池セル１１同士の接着が完了した従来の電池セル積層体２０の場合、このような再作業過程が極めて難しいという点から、本実施形態は大きな長所を有する。
一方、本実施形態でのラップフィルム３００は、図２のように、電池セル積層体２００の上面（Ｚ軸方向）、下面（Ｚ軸の反対方向）、および両側面（Ｙ軸方向とその反対方向）の全部分を囲むのが好ましい。
これにより、電池セル積層体２００を構成する電池セル１１０を効果的に固定させることができ、さらに電池セル積層体２００とモジュールフレーム（図示せず）間の電気的絶縁を行うことができるためである。
電池セル積層体２００が収納されるモジュールフレームは剛性のために金属物質を含むのが普通であるので、電池セル積層体２００との電気的絶縁が必要である。
よって、電池セル積層体２００の上面（Ｚ軸方向）、下面（Ｚ軸の反対方向）、および両側面（Ｙ軸方向とその反対方向）の全部分を囲むラップフィルム３００は、電池セル１１０の固定だけでなく電池セル積層体２００の電気的絶縁の役割を果たすことができる。したがって、絶縁性能確保のための別途の追加部材を配置する必要がない。
この時、ラップフィルム３００は、電池セル１１０の固定および電池セル積層体２００の電気的絶縁などのために、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）およびポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）のうちの少なくとも一つを含むことができる。言い換えれば、ラップフィルム３００はポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートのうちの少なくとも一つを含む薄いシート構造であって、電池セル１１０の固定および電池セル積層体２００の電気的絶縁性を実現することができる。
一方、本実施形態の電池セル１１０は、電池セル積層体２００の両側面と平行に配置されて積層される。即ち、図２のＹ軸方向に沿って積層される。
この時、電池セル１１０はパウチ型二次電池から構成でき、このようなパウチ型二次電池は反復的な充放電過程で電極が厚くなるか、副反応で内部電解質が分解されてガスが発生することがある。この時、電極膨張および／または発生したガスによってパウチ型二次電池セルが膨れ上がる現象をスウェリング現象という。電池セル１１０のスウェリング現象が深刻化される場合、電池モジュール１００の外形を変化させて電池モジュール１００やこれを含む電池パックの構造的安定性に悪影響を及ぼすことがある。
電池セル積層体２００の上面、下面、および両側面をラップフィルム３００がつながるようにぴんと囲むラップフィルム３００は電池セル１１０の固定だけでなく、電池セル１１０のスウェリング現象による電池セル積層体２００の膨張を効果的に抑制することができる。
特に、積層された電池セル１１０を組み立て初期から強く圧迫する場合、相対的にスウェリングによる厚さ膨張が小さくなると知られていて、ラップフィルム３００は膨張抑制にさらに効果的であり得る。
一方、本実施形態のラップフィルム３００は、電池セル積層体２００を１回～２回囲むことができる。１回未満で囲む場合、電池セル１１０の固定が円滑でないことがあり、２回超過で囲む場合、必要以上のラップフィルム３００によって電池セル積層体２００の高さや幅が厚くなって電池容量が低下される問題が発生することがある。
図２を再び参照すれば、電池セル１１０は電極組立体（図示せず）と連結された電極リード１２０を含み、このような電極リード１２０は電池セル積層体２００の前面（Ｘ軸方向）および後面（Ｘ軸反対方向）に配置することができる。
本発明の実施形態で、電池セル積層体はモジュールフレームに内蔵され、このようなモジュールフレームはモノフレームまたはＵ字型フレームであってもよい。図３および図４はそれぞれモノフレームとＵ字型フレームを説明するための図である。以下、図３および図４と共に説明する。
図３は、モノフレーム４００を含む電池モジュール１００ａに対する分解斜視図である。図３を参照すれば、本発明の電池モジュール１００ａは電池セル積層体２００が収納されるモノフレーム４００を含むことができる。
モノフレーム４００は前面（Ｘ軸方向）および後面（Ｘ軸反対方向）が開放され、上面（Ｚ軸方向）、下面（Ｚ軸の反対方向）、および両側面（Ｙ軸方向とその反対方向）が一体化された金属板材構造であってもよい。モノフレーム４００の開放された前面および後面はエンドプレート６００が結合できる。
モノフレーム４００の開放された前面または後面に電池セル積層体２００が挿入でき、電池セル積層体２００を囲むラップフィルム３００がこのような挿入工程で、ガイド部材のような機能を担当することができる。即ち、電池セル積層体２００の上面、下面、および両側面がラップフィルム３００で囲まれていて挿入過程での引っ掛かる現象などを防止することができるので、電池セル積層体２００が容易にモノフレーム４００の開放された前面または後面に挿入できる。
また、電池セル積層体２００の両側面に圧縮パッド（図示せず）が配置でき、ラップフィルム３００が、電池セル積層体２００の挿入過程で、上記圧縮パッドが巻き込まれるのを予防することができる。
図４は、Ｕ字型フレーム５００を含む電池モジュール１００ｂに対する分解斜視図である。図４を参照すれば、Ｕ字型フレーム５００は、前面（Ｘ軸方向）、後面（Ｘ軸反対方向）および上面（Ｚ軸方向）が開放されて、底部５０１および底部５０１の対向する両端部から上部方向に延長された両側面部５０２を備えた構造であってもよい。
Ｕ字型フレーム５００の開放された上面は上部カバー５１０が結合され、Ｕ字型フレーム５００の開放された前面および後面はそれぞれエンドプレート６００が結合できる。
電池セル積層体２００の前面および後面に電極リード１２０が配置でき、電極リード１２０はバスバーフレーム７００に装着されたバスバー７１０と電気的に連結できる。
Ｕ字型フレーム５００の開放された上面に電池セル積層体２００が挿入でき、電池セル積層体２００を囲むラップフィルム３００がこのような挿入工程で、ガイド部材のような機能を担当することができる。即ち、電池セル積層体２００の両側面がラップフィルム３００で囲まれていて挿入過程で両側面部５０２による引っ掛かる現象などを防止することができるので、電池セル積層体２００が易く挿入できる。
また、電池セル積層体２００の両側面に圧縮パッド（図示せず）が配置でき、ラップフィルム３００が、電池セル積層体２００の挿入過程で、上記圧縮パッドが両側面部５０２によって巻き上がるのを予防することができる
図３を再び参照すれば、電池モジュール１００ａは、電池セル積層体２００の下に位置する熱伝導性樹脂層８００を含むことができる。より詳しくは、熱伝導性樹脂層８００が電池セル積層体２００とモノフレーム４００の底部の間に配置できる。
熱伝導性樹脂層８００は熱伝導性樹脂（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｓｉｎ）が注入されて形成されたものであって、熱伝導性接着物質を含むことができ、具体的には、流動性を有する熱伝導性樹脂を注入し、その後、熱伝導性樹脂が電池セル積層体２００と接触したまま固化されて形成できる。即ち、電池セル積層体２００から発生した熱を電池モジュール１００ａの底に伝達する役割を果たすことができる。
具体的に図示していないが、モノフレーム４００に電池セル積層体２００を収納した後、モノフレーム４００の下部に形成された注入口を通じて熱伝導性樹脂を注入して熱伝導性樹脂層８００を形成することができる。
図４を再び参照すれば、電池モジュール１００ｂは、電池セル積層体２００の下に位置する熱伝導性樹脂層８００を含むことができる。より詳しくは、熱伝導性樹脂層８００が電池セル積層体２００とＵ字型フレーム５００の底部５０１の間に配置できる。
図３と同様に、熱伝導性樹脂層８００は熱伝導性樹脂が塗布されて形成されたものであって、電池セル積層体２００から発生した熱を電池モジュール１００ｂの底に伝達する役割を果たすことができる。
Ｕ字型フレーム５００の底部５０１に熱伝導性樹脂を塗布し、電池セル積層体２００をその上に配置した後、上記熱伝導性樹脂を固化させて熱伝導性樹脂層８００を形成することができる。
一方、熱伝導性樹脂層８００の熱伝導性樹脂は熱伝導性接着物質を含むことができ、具体的には、シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）素材、ウレタン（Ｕｒｅｔｈａｎ）素材、およびアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）素材のうちの少なくとも一つを含むことができる。このような熱伝導性樹脂層８００は熱伝導特性が優れるため電池セルから発生した熱を迅速に伝達して電池モジュール１００ａ、１００ｂの過熱を防止することができる。
この時、図５は貫通ホール３１０が形成されたラップフィルム３００ａを説明するための図であって、電池セル積層体２００ａを下から見た図である。
図５を図３および図４と共に参照すれば、本発明のラップフィルム３００ａに多数の貫通ホール３１０が形成できる。
特に、電池セル積層体２００ａの下端部に位置したラップフィルム３００ａに多数の貫通ホール３１０が形成できる。
また、電池セル積層体２００ａの下端部だけでないラップフィルム３００ａの全ての領域に貫通ホール３１０が形成されてもよい。
先に説明した通り、電池セル積層体２００ａから発生した熱の伝達のために、電池セル積層体２００ａとモジュールフレーム４００、５００の底部の間に熱伝導性樹脂層８００が配置できる。
ラップフィルム３００ａに形成された貫通ホール３１０によって電池セル積層体２００ａに含まれている複数の電池セルが熱伝導性樹脂層８００と直接接触できて、熱伝導性樹脂層８００を通じた電池セル積層体２００ａの熱伝達がより効果的に行われる。
前述の本実施形態による一つまたはそれ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。
上記電池モジュールや電池パックは多様なデバイスに適用できる。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できるが、これに制限されず、二次電池を使用す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るのではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。
１００：電池モジュール
１１０：電池セル
２００：電池セル積層体
３００：ラップフィルム
４００：モノフレーム
５００：Ｕ字型フレーム
５１０：上部カバー
６００：エンドプレート

Claims (15)

  1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体；および
    前記電池セル積層体の上面、下面および両側面を囲むラップフィルムを含み、
    前記ラップフィルムは、前記電池セル積層体の上面、下面および両側面で連続的につながる、電池モジュール。
  2. 前記それぞれの電池セルの間では接着剤およびテープが排除されており、隣接の電池セルが互いに直接接触している、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記ラップフィルムは、前記電池セル積層体の上面、下面および両側面の全部分を囲む、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記ラップフィルムは、ポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートのうちの少なくとも一つを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記電池セルは、前記電池セル積層体の両側面と平行に配置されて積層される、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記電池セルは電極リードを含み、
    前記電極リードは前記電池セル積層体の前面および後面に位置する、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記ラップフィルムは前記電池セル積層体を１回～２回囲む、請求項１～６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  8. 前記電池セル積層体を収納するモジュールフレームおよび前記モジュールフレームの前面と後面を覆うエンドプレートをさらに含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  9. 前記モジュールフレームは、前面および後面が開放され、上面、下面および両側面が一体化されたモノフレームである、請求項８に記載の電池モジュール。
  10. 前記モジュールフレームは、前面、後面および上面が開放されたＵ字型フレームおよび前記Ｕ字型フレームの開放された上面を覆う上部カバーを含む、請求項８に記載の電池モジュール。
  11. 前記ラップフィルムに多数の貫通ホールが形成された、請求項１～１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  12. 前記電池セル積層体の下端部に位置したラップフィルムに前記多数の貫通ホールが形成された、請求項１１に記載の電池モジュール。
  13. 前記電池セル積層体の下に位置する熱伝導性樹脂層をさらに含む、請求項１１に記載の電池モジュール。
  14. 前記熱伝導性樹脂層は、シリコン素材、ウレタン素材、およびアクリル素材のうちの少なくとも一つを含む、請求項１３に記載の電池モジュール。
  15. 請求項１～１４のいずれか一項に記載の電池モジュールを一つ以上含む、電池パック。
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