JP2022551620A - 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
本発明の一実施例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と、前記電池セル積層体が配置される下部プレートと、前記下部プレートと結合され、前記電池セル積層体の３面を覆うように互いに対向する２つの側面部およびこれらを連結する上面部を含むモジュールフレームとを含み、前記下部プレートには冷却流路が形成されている。
Description
関連出願との相互参照
本出願は、２０１９年１１月２２日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１５１５９６号および２０２０年７月３日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００８２０５４号に基づく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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０１９年１１月２２日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１５１５９６号および２０２０年７月３日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００８２０５４号に基づく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すべ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し、より具体的には、放熱のための構造をより単純かつ効率的に改善し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。
製品群による適用の容易性が高く、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メリットだけでなく、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で環境への配慮およびエネルギー効率性アップのための新たな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台あたり１個または２、３、４個の電池セルが用いられるのに対し、自動車などのような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用いられる。
中大型電池モジュールはできるだけ小さい大きさと重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層可能であり、容量対比重量の小さい角形電池、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用いられている。
一方、複数の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも１つの電池セルからなる電池モジュールを先に構成し、このような少なくとも１つの電池モジュールを用い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の場合、要求される電池容量の増加に伴い、電池セルで発生する熱を効率的に冷却させることが可能な技術の重要性が次第に高まっている。特に、電池モジュール自体で放熱のための構成が含まれているとはいえ、このような構成だけでは放熱が十分でないため、電池パック単位で追加の放熱手段を備える場合がある。しかし、この場合、放熱のための構成が重複して含まれるため、その構造が複雑になり、放熱の効率も低下する問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、放熱のための構造をより単純化して、全体構造を単純かつ効率化できる電池モジュールおよび電池パックを提供することである。
しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は上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可能である。
本発明の一実施例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と、前記電池セル積層体が配置される下部プレートと、前記下部プレートと結合され、前記電池セル積層体の３面を覆うように互いに対向する２つの側面部およびこれらを連結する上面部を含むモジュールフレームとを含み、前記下部プレートには冷却流路が形成されている。
前記電池モジュールは、前記下部プレートと前記電池セル積層体との間に形成された熱伝導性樹脂層をさらに含むことができる。
前記冷却流路は、前記下部プレートの一側面で外部と連結された注入口と、前記一側面と対向する他側面で外部と連結される排出口とを含むことができる。
前記冷却流路は、前記注入口と前記排出口との間で前記下部プレート全体にわたって連結されている。
前記熱伝導性樹脂層は、前記下部プレートおよび前記電池セル積層体と直接接触することができる。
前記下部プレートは、平板状であってもよい。
前記冷却流路は、前記平板状の下部プレートの形成に際して押出によって形成される。
本発明の他の実施例による電池パックは、前述した少なくとも１つの電池モジュールと、前記少なくとも１つの電池モジュールをパッケージングするパックケースとを含むことができる。
前記少なくとも１つの電池モジュールの前記下部プレートは、前記パックケースに固定され、前記パックケースは、平板状であってもよい。
前記電池パックは、前記電池モジュールそれぞれに形成された前記冷却流路が互いに連通するように連結する連結部を含むことができる。
前記連結部は、フレキシブル素材からなる。
本発明の他の実施例によるデバイスは、前述した少なくとも１つの電池パックを含むことができる。
実施例によれば、電池モジュールにおいて放熱構造をより単純化しながらもその効率を増加させることができる。また、このような電池モジュールを含む電池パックにおいても、電池パック単位の追加の放熱手段なくても十分に熱を放出できるようになって、電池パックの構造を単純化することができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、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細に説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、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必要な部分は省略し、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す。
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のところに限定されない。図面において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」あるとする時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに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」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「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、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するわけではない。
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」とする時、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包含できることを意味する。
さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、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、本発明の一実施例による電池モジュールを示す分解斜視図であり、図２は、本発明の一実施例による電池モジュールの下部プレートの内部構造を模式化して示す図であり、図３は、図１の電池モジュールの構成要素が結合した状態におけるｚ軸方向に沿った断面を示す図である。
図１～図３を参照すれば、本実施例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と、電池セル積層体１２０が配置される下部プレート３００と、下部プレート３００と結合し、下部面、前面および後面が開放されて電池セル積層体１２０の３面を覆うように形成されたモジュールフレーム４００と、電池セル積層体１２０の前面および後面にそれぞれ位置するエンドプレート１５０とを含む。
モジュールフレーム４００は、図１に示されているように、電池セル積層体の３面を覆うように互いに対向する２つの側面部およびこれらを連結する上面部を含む。つまり、モジュールフレーム４００の開放された両側をそれぞれ第１側および第２側とする時、モジュールフレーム４００は、前記第１側および前記第２側に対応する電池セル積層体１２０の面を除く残りの外面のうち、互いに隣接した前面、上面および後面を連続的に囲むように折曲げられた板状型構造からなる。ここで、電池セル積層体１２０の前面および後面を覆う部分は、モジュールフレーム４００の互いに対向する２つの側面部をなし、これらの間で上面を覆う部分が、モジュールフレーム４００の上面部をなす。モジュールフレーム４００の上面部に対応する下面は開放されている。
下部プレート３００は、モジュールフレーム４００によって囲まれる電池セル積層体１２０の前面、上面および後面を除いた残りの下面に対応する板状型構造からなる。モジュールフレーム４００と下部プレート３００は、互いに対応する角部位が接触した状態で、溶接などによって結合されることによって、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、モジュールフレーム４００と下部プレート３００は、互いに対応する角部位に溶接などの結合方法で結合可能である。
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１に示すように、Ｙ軸方向に積層される。電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましい。それぞれの電池セル１１０に含まれている電極リードは、正極リードまたは負極リードであり、各電池セル１１０の電極リードは、端部が一方向に曲がり、これによって隣接した他の電池セル１１０が有する電極リードの端部と当接することができる。互いに当接した２つの電極リードは、互いに溶接などにより固定され、これによって電池セル積層体１２０内部の電池セル１１０間の電気的連結が行われる。また、電池セル積層体１２０の両端部に整列された電極リードはバスバーフレーム１３０に結合して、バスバーフレーム１３０に搭載されたバスバーと電気的に連結可能である。
下部プレート３００の内部には、冷却のための流体が連通可能な冷却流路３２０が形成されている。冷却流路３２０は、図２に示されているように、下部プレート３００の一側面で外部と連結された注入口３２１と、一側面と対向する他側面で外部と連結された排出口３２２とを含み、下部プレート３００の内部でこれら注入口３２１と排出口３２２との間を連結するように形成される。図２に示されているように、冷却流路３２０が下部プレート３００全体にわたって配置されるように一側面と他側面との間を往復するように形成されるが、これに限定されるものではなく、冷却流路３２０が下部プレート３００に均一に配置できる構成であれば適切に選択可能である。
下部プレート３００と電池セル積層体１２０との間には、熱伝導性樹脂層３１０が位置する。熱伝導性樹脂層３１０は、電池セル積層体１２０から発生する熱を外部に放出できる熱伝導性の物質からなり、例えば、サーマルレジンで構成される。このようなサーマルレジンの例としては、シリコーン、ウレタン、エポキシなどが挙げられる。
熱伝導性樹脂層３１０は、下部プレート３００上に熱伝導性樹脂を塗布した後、これを硬化することによって形成される。特に、本実施例では、開放された状態の下部プレート３００上に熱伝導性樹脂を塗布して熱伝導性樹脂層３１０を形成するため、四角管状のモノフレームで構成された電池モジュールに比べて、容易に熱伝導性樹脂層３１０を形成することができ、特に塗布される熱伝導性樹脂の量及び位置を制御することが容易であるため、製造過程で熱伝導性樹脂が過剰注入されて、製造費用が上昇し、電池モジュールの重量が増加するのを防止することができる。また、熱伝導性樹脂が十分に硬化したことを確認した後、モジュールフレーム４００の組立を進行させるため、未硬化などによる不良の発生を最小化することができる。
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が下部プレート３００上に配置され、熱伝導性樹脂を硬化することによって、電池セル積層体１２０を下部プレート３００に固定させることができる。つまり、熱伝導性樹脂層３１０は、電池セル１１０から発生する熱を下部プレート３００に伝達し、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。
本実施例による電池モジュール１００では、熱伝導性樹脂層３１０と直接接触している下部プレート３００の内部に冷却流路３２０が形成されているため、熱伝導性樹脂層３１０から熱が伝達された下部プレート３００がそれ自体でヒートシンクの役割を果たし、結果的に電池セル１１０から効果的に熱を放出することができる。特に、このような効果のために、電池モジュール１００に装着される別途の放熱パッドや、または後述の電池パックに備えられた追加の放熱手段を備えなくても十分な放熱効果を得ることができる。
また、冷却流路３２０が形成された部分が、平板状の下部プレート３００であるため、冷却流路３２０の形成工程も単純化することができる。つまり、冷却流路３２０は、下部プレート３００を構成するアルミニウムなどの金属材質を押出して形成することができるが、このような冷却流路３２０が一体に形成された構造がＵ字状または四角管状のフレームである場合、冷却流路３２０の形成工程も複雑になる。しかし、本実施例では、平板状の単純な形状を有する下部プレート３００に冷却流路３２０を形成するため、より容易に製造することが可能である。つまり、冷却流路３２０を含む平板状の下部プレート３００を形成する場合、これを実現するための金型の大きさも小さくすることができ、構造も単純化することができる。これに対し、四角管状のモノフレームや、Ｕ字状の下部フレームの一部に冷却流路を形成しようとする場合、押出対象になる構造が複雑で大きいため、これを実現するための金型も同じく大きくて複雑に設計されて、製造単価が上昇し、工程も複雑になる問題がある。
以上のように、本実施例による電池モジュール１００によれば、単純な構造によって電池セル１１０から発生する熱を効率的に放出することができる。また、このような構造を得るために、冷却流路３２０が形成された下部プレート３００を形成する過程および下部プレート３００に熱伝導性樹脂層３１０を形成する工程も単純化できることから、製造工程および費用を減少させることができる。
図４は、本発明の他の実施例による電池パックを示す斜視図であり、図５は、図４の電池パックを上部から示す図である。
図４および図５を参照すれば、本発明の実施例による電池モジュールは、１つまたはそれ以上がパックケース１００１内にパッケージングされて電池パック１０００を形成することができる。
本発明の実施例による電池パック１０００では、別途の放熱手段をさらに含まなくてもよいので、パックケース１００１の構造が図４に示されているように単純な平板状に単純化することができる。つまり、従来は、電池モジュール１００が収納されるパックケース１００１自体に追加の冷却流路を形成したり、または電池モジュール１００を装着する時、その下部に別途のサーマルパッドなどを備えなければならなかった。しかし、本実施例では、電池モジュール１００において電池セル積層体１２０が装着される下部プレート３００自体に冷却流路３２０が備えられているため、電池パック１０００単位で別途の放熱手段なくても十分に熱を放出することができる。したがって、電池パック１０００の構造を単純化することができる。
本実施例による電池パック１０００では、電池パック１０００に含まれている複数の電池モジュール１００それぞれに形成された冷却流路３２０が互いに連通できるように、これらを連結する連結部１００２を含む。つまり、１つの電池モジュール１００の排出口３２２と隣接する電池モジュール１００の注入口３２１とを連結部１００２によって連結することによって、電池パック１０００全体にわたって冷却流路３２０が連通できるように構成する。これによって、電池パック１０００内において電池モジュール１００内の冷却流路３２０が１つに連結できるため、このような１つの冷却流路３２０に冷却流体を注入することによって、容易に電池パック１０００の放熱効果を得ることができる。
この時、連結部１００２は、フレキシブルな材質、例えば、樹脂などで形成される。これによって、電池モジュール１００を結合して電池パック１０００を形成する過程における取扱性を向上させることができる。
上記で説明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可能である。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できるが、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使用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、本発明の好ましい実施例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ものではなく、以下の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。
１００：電池モジュール
１５０：エンドプレート
３００：下部プレート
４００：モジュールフレーム
３２０：冷却流路
１０００：電池パック
１５０：エンドプレート
３００：下部プレート
４００：モジュールフレーム
３２０：冷却流路
１０００：電池パック
Claims (12)
- 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、
前記電池セル積層体が配置される下部プレートと、
前記下部プレートと結合され、前記電池セル積層体の３面を覆うように互いに対向する２つの側面部およびこれらを連結する上面部を含むモジュールフレームと、
を含み、
前記下部プレートには冷却流路が形成された電池モジュール。 - 前記下部プレートと前記電池セル積層体との間に形成された熱伝導性樹脂層をさらに含む、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記冷却流路は、前記下部プレートの一側面で外部と連結された注入口と、前記一側面と対向する他側面で外部と連結される排出口とを含む、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記冷却流路は、前記注入口と前記排出口との間で前記下部プレート全体にわたって連結されている、請求項３に記載の電池モジュール。
- 前記熱伝導性樹脂層は、前記下部プレートおよび前記電池セル積層体と直接接触する、請求項２に記載の電池モジュール。
- 前記下部プレートは、平板状である、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記冷却流路は、前記平板状の下部プレートの形成に際して押出によって形成される、請求項６に記載の電池モジュール。
- 請求項１～７のいずれか１項に記載の少なくとも１つの電池モジュールと、
前記少なくとも１つの電池モジュールをパッケージングするパックケースと
を含む電池パック。 - 前記少なくとも１つの電池モジュールの前記下部プレートは、前記パックケースに固定され、前記パックケースは、平板状である、請求項８に記載の電池パック。
- 前記電池モジュールそれぞれに形成された前記冷却流路が互いに連通するように連結する連結部を含む、請求項８に記載の電池パック。
- 前記連結部は、フレキシブル素材からなる、請求項１０に記載の電池パック。
- 請求項８に記載の少なくとも１つの電池パックを含むデバイス。
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