JP2022524767A - 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、電極リードを含む複数の電池セルが積層された電池セル積層体、前記電極リードを連結するバスバー、および前記電極リードと接触する温度調節装置を含み、前記温度調節装置は、前記電極リードと接触する熱伝達部材および加熱と冷却の可能な熱電素子を含み、前記熱伝達部材は、金属層および前記金属層と前記電極リードとの間に位置する酸化金属層を含む。

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１０－２０１９－０１２５３０９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、より具体的には、温度調節性能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。
現代社会では携帯電話機、ノートパソコン、キャムコーダー、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化されながら、前記のようなモバイル機器に関連する分野の技術に対する開発が活発になっている。また、充放電の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であって、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用いられているところ、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缶型二次電池と、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。
小型機器に用いら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用いら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）が用いられる。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される。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。
この時、多数の電池セルは充電または放電過程で熱が発生し、密集した状態でこのような熱が速かに排出されない場合、電池セルの劣化が促進され、発火または爆発などが発生することがある。一方、多数の電池セルが低温環境に露出される場合、抵抗の増加によって充放電が円滑に行われず、出力電圧と電流が急激に減少する特性を有している。
したがって、多数の電池セルを備えた電池モジュールに対して外部環境などによって電池モジュールを冷却するか加熱して、その温度を制御する必要がある。この時、電池セルの電極リードやこのような電極リードと連結されたバスバーを直接冷却または加熱するには短絡などの危険があって、内部冷媒流路が形成された冷却プレートを電極リードの反対側に配置することができる。
但し、冷却プレートの内部から冷媒が漏れ出る場合、円滑な冷却が困難であり、漏れ出た冷媒によって短絡現象などの危険が発生する可能性がある。また、実際熱が発生する電極リードを直接冷却する構造ではないので、どうしても冷却の効率においてある程度制限があるしかない。
本発明の実施形態は従来提案された方法の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、電極リードと接触される温度調節装置を備えて効果的な冷却および加熱が可能な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電極リードを含む複数の電池セルが積層された電池セル積層体、前記電極リードを連結するバスバー、および前記電極リードと接触する温度調節装置を含み、前記温度調節装置は前記電極リードと接触する熱伝達部材および加熱と冷却の可能な熱電素子を含み、前記熱伝達部材は金属層および前記金属層と前記電極リードとの間に位置する酸化金属層を含む。
前記金属層はアルミニウムを含むことができ、前記酸化金属層は酸化アルミニウムを含むことができる。
前記熱電素子は、印加される電力方向によって、冷却または加熱できる。
前記電極リードは、前記バスバーまたは他の電極リードと接合される溶接部および前記溶接部と前記電池セルを連結する連結部を含み、前記溶接部のうちの少なくとも一つは、その一面が前記バスバーまたは前記他の電極リードと接合され、前記一面と対向する他面が前記温度調節装置と接触できる。
前記温度調節装置は、前記熱電素子を前記熱伝達部材に固定させる第１ボルトを含むことができる。
前記電極リードが通過するスリットが形成されたバスバーフレームをさらに含み、前記バスバーが前記バスバーフレームに装着できる。
前記温度調節装置は、前記熱伝達部材を前記バスバーフレームに固定させる第２ボルトを含むことができる。
前記温度調節装置は、前記熱電素子および前記熱伝達部材を前記バスバーフレームに固定させる第３ボルトを含むことができる。
前記電極リードは、前記電池セル積層体の一側および前記一側と対向する他側に位置し、前記バスバーフレームは前記電池セル積層体の前記一側および前記他側に配置できる。
本発明の実施形態によれば、温度調節装置が酸化金属層を通じて電極リードと直接接触が可能であって、電池モジュールの効果的な冷却および加熱が可能である。
一方、温度調節装置は金属層および酸化金属層による直接固定が可能であって、電極リードと密着されて接触できる。
一方、温度調節装置は熱電素子を含むので、印加される電力の方向によって電池モジュールの冷却および加熱が全て可能である。
本発明の一実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面図である。 本発明の他の一実施形態による電池モジュールの断面図である。 本発明の比較例による電池モジュールの断面図である。
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。本発明は様々の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るのではない。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”あるという時に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１は、本発明の一実施形態による電池モジュール１００の斜視図である。
図１を参照すれば、本実施形態による電池モジュール１００は、電極リード３００を含む複数の電池セル２１０が積層された電池セル積層体２００、電極リード３００を連結するバスバー７１０、および電極リード３００と接触する温度調節装置４００を含む。
電極リード３００が電池セル積層体２００の互いに対向する一側および他側に位置するので、電極リード３００と接触する温度調節装置４００は電池セル積層体２００の一側および他側のうちの少なくとも一つに配置されてもよく、図１のように電池セル積層体２００の一側および他側両方ともに配置されてもよい。但し、図１では説明の便宜のためにいずれか一つの温度調節装置４００を電池セル積層体２００と離隔して示した。
一方、電極リード３００を連結するバスバー７１０は、バスバーフレーム７００に装着できる。具体的に、バスバーフレーム７００は、電極リード３００が位置する方向において電池セル積層体２００の一側および他側に配置され、電極リード３００がバスバーフレーム７００に形成されたスリット７２０とバスバー７１０に形成されたバスバースリット７１１を通過した後に折り曲げられてバスバー７１０と連結される。
電極リード３００とバスバー７１０は互いに物理的および電気的に連結されれば連結方法の制限はないが、溶接結合で連結されるのが好ましい。
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を図１と共に参照すれば、温度調節装置４００は、電極リード３００と接触する熱伝達部材５００および加熱と冷却の可能な熱電素子６００を含む。
熱電素子６００は熱電効果（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ）を用いた素子であって、温度の差と電気電圧の間の可逆的であって直接的なエネルギー変換の可能な素子である。言い換えれば、印加される電力の方向によって冷却および加熱が全て可能な素子である。これにより、熱電素子６００は、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）やＢＤＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｕｎｉｔ）と連結された信号線６１０を含み、信号線６１０を通じて印加される電力の方向によって冷却または加熱が可能である。
熱伝達部材５００は、金属層５１０および金属層５１０の一面に形成された酸化金属層５２０を含む。酸化金属層５２０は金属層５１０と電極リード３００との間に位置して、電極リード３００と直接接触する。
金属層５１０はアルミニウムおよび銅のうちの少なくとも一つを含むことができ、酸化金属層５２０は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化ホウ素（ＢＮ）のうちの少なくとも一つを含むことができる。但し、金属層５１０がアルミニウムを含み、酸化金属層５２０が酸化アルミニウムを含むのが好ましい。さらに、熱伝達部材５００は、一面が陽極酸化（Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）処理された金属部材であってもよい。
金属層５１０は熱伝導度が優れるので、熱電素子６００から電極リード３００までの熱の流れやその反対方向の熱の流れが全て円滑に伝達できる。
酸化金属層５２０は電気絶縁性を帯びるセラミック素材であるので、電極リード３００と直接接触が可能である。
酸化金属層５２０の厚さは１０μｍ～１０００μｍであってもよい。酸化金属層５２０の厚さが１０μｍ未満である場合、電気絶縁性能が充分でなくて電極リード３００と金属層５１０間の電流流れが発生する危険がある。一方、酸化金属層５２０の厚さが１０００μｍ超過である場合、熱伝達性能が低下して、熱電素子６００と電極リード３００との間の熱流れに障害になることがある。
金属層５１０の厚さには制限がないが、後述の熱伝達部材５００の固定のために１ｍｍ以上であるのが好ましい。
一方、先に説明した通り、電池セル２１０の電極リード３００はバスバーフレーム７００のスリット７２０及びバスバースリット７１１を通過した後に折り曲げられる。図２のように、電極リード３００は、バスバー７１０または他の電極リードと接合される溶接部３１０および溶接部３１０と電池セルを連結する連結部３２０を含むことができる。
この時、溶接部３１０のうちの少なくとも一つはその一面が他の電極リードと接合され、前記一面と対向する他面が温度調節装置４００、特に熱伝達部材５００の酸化金属層５２０と接触できる。
具体的に図示してはいないが、酸化金属層５２０と接触している溶接部３１０が他の電極リードでないバスバー７１０と直ちに接合されてもよい。
本実施形態では、酸化金属層５２０を通じて熱伝達部材５００が電極リード３００と直接接触できる。熱が集中的に発生する電極リード３００と熱伝達部材５００が直接接触しているため、電極リード３００から発生した熱が熱伝達部材５００を経て熱電素子６００に効果的に排出できる。
逆に、電池モジュール１００が低温環境に露出されて熱電素子６００が熱を発生させる場合にも、前記原理が同様に適用できる。
一方、図３は本発明の他の一実施形態による電池モジュールの断面図であり、図４は本発明の比較例による電池モジュールの断面図である。
以下、図２～図４と共に、比較例に比べて本実施形態での温度調節装置が固定方式において有する利点を説明する。
まず、図２を再び参照すれば、温度調節装置４００は熱電素子６００を熱伝達部材５００に固定させる一つ以上の第１ボルト８１０を含むことができ、熱伝達部材５００をバスバーフレーム７００に固定させる一つ以上の第２ボルト８２０を含むことができる。
即ち、第１ボルト８１０および第２ボルト８２０によって熱電素子６００および熱伝達部材５００をバスバーフレーム７００に直接固定することができる。
第１ボルト８１０及び第２ボルト８２０の個数には特別な制限がないが、安定的な固定のためにそれぞれ二つ以上であるのが好ましい。
その次に、図３を参照すれば、温度調節装置４００ａは熱電素子６００ａおよび熱伝達部材５００をバスバーフレーム７００に固定させる一つ以上の第３ボルト８３０を含むことができる。このために、図３の熱電素子６００ａは、図２の熱電素子６００とは異なり、横幅が熱伝達部材５００と対等なように拡張できる。
第３ボルト８３０の個数には特別な制限がないが、安定的な固定のために二つ以上であるのが好ましい。
反面、図４を参照すれば、本発明の比較例による電池モジュールは絶縁シート５０を備えることができる。
溶接部３１及び連結部３２を含む電極リード３０、バスバー７１およびバスバーフレーム７０の構成は図２および図３の電池モジュールと相互同一乃至類似している。
但し、熱電素子６０と電極リード３０との間に熱伝達部材でない絶縁シート５０が介される点から本発明の実施形態と差がある。
このような絶縁シート５０は電気的絶縁性と共に熱伝導性を有するシート形態の部材であって、熱電素子６０から電極リード３０に、またはその反対方向に熱が流れるようにする媒介物に該当する。
但し、絶縁シート５０と電極リード３０との間または絶縁シート５０と熱電素子６０との間の微細な空気層が最小化されるように絶縁シート５０が密着されなければならないが、その特性上、絶縁シート５０を直接固定させることができない。
これにより、図４のように熱電素子６０を外側から加圧する追加密着部材９０および密着部材９０をバスバーフレーム７０に固定させるボルト８０が必要である。即ち、温度調節装置４００、４００ａの直接固定が可能な本発明の実施形態と異なり、絶縁シート５０を活用する比較例の場合、追加密着部材９０の配置のための追加空間が必要である。
また、電池モジュールは外部から機械的振動や衝撃が加えられやすい電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用できるが、絶縁シート５０は機械的振動や衝撃によって容易に離脱または脱落される問題がある。
また、絶縁シート５０が熱伝導性を有する素材を含んでも、金属だけの熱伝導度を有することができないので、熱伝導特性が相対的に劣る問題もある。具体的に、絶縁シート５０は繊維（Ｆｉｂｅｒ）素材のシリコンオキシドなどを含むことができるが、その熱伝導度は数Ｗ／ｍ・Ｋ水準にしかならない。反面、酸化アルミニウムなどの酸化金属層は熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・Ｋ水準であり、アルミニウムなどの金属層は熱伝導度が数百Ｗ／ｍ・Ｋ水準である点から、本発明の熱伝達部材５００は絶縁シート５０を活用する場合に比べて熱伝導特性が優れるという長所を有する。
また、熱電素子６０と絶縁シート５０との間に空気層がある程度形成されるしかないため、熱伝達に制限がある。
このような絶縁シート５０とは異なり、本実施形態の温度調節装置４００、４００ａは、熱伝達部材５００が直接固定できて追加部材が必要でなく、外部からの機械的振動や衝撃に一層安定的である。
また、金属層５１０と薄い酸化金属層５２０を含むため、優れた熱伝導特性を有することができる。
また、熱電素子６００、６００ａも第１ボルト８１０や第３ボルト８３０によって熱伝達部材５００に直接固定されるので、安定的な固定が可能であり、その間に空気層なく互いに密着できる。
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。
前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
２００：電池セル積層体
３００：電極リード
４００：温度調節装置
５００：熱伝達部材
５１０：金属層
５２０：酸化金属層
６００：熱電素子
７００：バスバーフレーム
７１０：バスバー

Claims (10)

  1. 電極リードを含む複数の電池セルが積層された電池セル積層体、
    前記電極リードを連結するバスバー、および
    前記電極リードと接触する温度調節装置
    を含み、
    前記温度調節装置は、前記電極リードと接触する熱伝達部材および加熱と冷却の可能な熱電素子を含み、
    前記熱伝達部材は、金属層および前記金属層と前記電極リードとの間に位置する酸化金属層を含む、電池モジュール。
  2. 前記金属層はアルミニウムを含み、
    前記酸化金属層は酸化アルミニウムを含む、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記熱電素子は、印加される電力方向によって、冷却または加熱される、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
  4. 前記電極リードは、前記バスバーまたは他の電極リードと接合される溶接部および前記溶接部と前記電池セルを連結する連結部を含み、
    前記溶接部のうちの少なくとも一つは、その一面が前記バスバーまたは前記他の電極リードと接合され、前記一面と対向する他面が前記温度調節装置と接触する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記温度調節装置は、前記熱電素子を前記熱伝達部材に固定させる第１ボルトを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記電極リードが通過するスリットが形成されたバスバーフレームをさらに含み、
    前記バスバーが前記バスバーフレームに装着される、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記温度調節装置は、前記熱伝達部材を前記バスバーフレームに固定させる第２ボルトを含む、請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 前記温度調節装置は、前記熱電素子および前記熱伝達部材を前記バスバーフレームに固定させる第３ボルトを含む、請求項６に記載の電池モジュール。
  9. 前記電極リードは、前記電池セル積層体の一側および前記一側と対向する他側に位置し、
    前記バスバーフレームは前記電池セル積層体の前記一側および前記他側に位置する、請求項６～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 請求項１～９のいずれか一項による電池モジュールを一つ以上含む電池パック。
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