JP2023500943A

JP2023500943A - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック

Info

Publication number: JP2023500943A
Application number: JP2022526465A
Authority: JP
Inventors: スン・リュル・ペク; ジョンミン・クァク; ジェホン・チョン
Original assignee: LG Energy Solution Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2023-01-11
Anticipated expiration: 2041-03-02
Also published as: JP7408219B2; CN114762174A; EP4040575A4; US20230006274A1; KR20210157005A; WO2021256661A1; EP4040575A1

Abstract

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが第１方向に積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、前記電池セル積層体とモジュールフレームの下部の間に位置する第１熱伝導性樹脂層、および前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの上部の間に位置する第２熱伝導性樹脂層を含み、前記モジュールフレームの上部には熱伝導性樹脂を注入するための少なくとも一つの第１注液孔が形成されている。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年６月１９日付韓国特許出願第１０－２０２０－００７４７４９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それを含む電池パックに関し、より具体的には冷却性能が向上した電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関する。

モバイル機器に係る技術開発および需要の増加によりエネルギ源としての二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は携帯電話、デジタルカメラ、ノートブック、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギ源としても大きな関心を集めている。

小型モバイル機器にはデバイス１台当り一つまたは数個の電池セルが使用されることに対し、自動車などのように中大型デバイスは高出力大容量を必要とする。したがって、多数の電池セルを電気的に接続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可能ならば小さな大きさと重量で製造されることが好ましいので、高集積度で積層され得、容量に対して中量が小さな角形電池、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、電池モジュールは、電池セル積層体を外部衝撃、熱または振動から保護するために、前面と後面が開放されて電池セル積層体を内部空間に収納するモジュールフレームを含み得る。

図１は従来の電池モジュールの分解斜視図である。図２は図１の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。

図１および図２を参照すると、従来の電池モジュール１０は複数の電池セル１１が一方向に積層された積層されている電池セル積層体１２、電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム、電池セル積層体の前後面をカバーするエンドプレート１５、および、エンドプレート１５と電池セル積層体１２の前後面との間に形成されたバスバーフレーム１３を含む。モジュールフレーム２０は電池セル積層体１２の下部および両側面を覆う下部フレーム３０と電池セル積層体１２の上面を覆う上部プレート４０とを含む。電池モジュール１０は下部フレーム３０で電池セル積層体１２０の下部を覆う底面に熱伝導性樹脂層３１が塗布され、電池セル積層体１２の発生した熱を冷却する。

この時、熱伝導性樹脂層３１は電池セル積層体１２で発生した熱を電池モジュール１０の外側に伝達し、電池セル積層体１２を電池モジュール内に固定する役割をすることができる。

図３は図２の切断線Ａ－Ａを沿って切断した断面図である。

図３を参照すると、従来の電池モジュール１０は電池セル積層体１２の下部を冷却する構造であり、電池セル１１で発生した熱は下部に向かう第１冷却方向Ｄ１に流れる構造である。しかし、熱伝導性樹脂層３１が電池セル積層体１２の下部に対応する位置にのみ形成されており、熱伝導性樹脂層３１と距離が近い電池セル１１の部分は温度が低く、距離が遠い電池セル１１の部分は温度が高く、電池セル１１の内部で温度差が発生する。特に、電池セル１１の上部および両端部に向かう方向に温度が高くなり、電池セル１１の下部および中心部に向かう方向に温度が低くなる。

これは電池セル１１の両端部は陽極および陰極が位置することにより電池モジュール１０の充放電過程で熱が相対的に中心部に比べて多く発生する。しかし、電池セル１１の下部に位置する熱伝導性樹脂層３１は電池セル１１の両端部から下部に伝達される熱のみを冷却させる点で、電池セル１１の両端部で発生した熱を十分に迅速に冷却させることができない。特に、電池セル１１の温度はバッテリの出力を制限する要因の一つであることを考慮すると、電池セル１１内で発生する局部的な温度上昇はバッテリの出力を早期に制限する可能性が高く、これを改善する必要性がある。

本発明の解決しようとする課題は、電池セルの冷却性能が向上した電池モジュールおよびそれを含む電池パックを提供することにある。

本発明が解決しようとする課題は、上述した課題に制限されるものではなく、言及されていない課題は本明細書および添付する図面から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に明確に理解されることができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが第１方向に積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、前記電池セル積層体とモジュールフレームの下部との間に位置する第１熱伝導性樹脂層、および前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの上部との間に位置する第２熱伝導性樹脂層を含み、前記モジュールフレームの上部には熱伝導性樹脂を注入するための少なくとも一つの第１注液孔が形成されている。

前記少なくとも一つの第１注液孔は前記モジュールフレームの前記上部の端部に隣接する位置に形成され得る。

前記少なくとも一つの第１注液孔は前記モジュールフレームの前記上部の両端部に隣接する位置にそれぞれ形成され、互いに対向する位置に形成され得る。

前記少なくとも二つの第１注液孔が前記モジュールフレームの上部の一端部に隣接する位置に形成され、前記第１方向と同じ方向に互いに離隔して位置し得る。

前記モジュールフレームは底部と前記底部の両側に連結される２個の側面部とを含むＵ字型フレーム、及び、前記Ｕ字型フレームに取り付けられた前記電池セル積層体を覆う上部プレートを含み、前記上部プレートの下面に位置する少なくとも二つの遮断パッドをさらに含み、前記少なくとも二つのパッドの間に前記第１注液孔が位置し得る。

前記第２熱伝導性樹脂層は前記遮断パッドの間の領域と対応する位置に形成され得る。

前記遮断パッドは前記第１方向と同じ方向に延びて、前記遮断パッドは前記電池セル積層体に向かう方向に突出し得る。

前記第１熱伝導性樹脂層は前記Ｕ字型フレームの下部フレーム上に熱伝導性樹脂が塗布されて形成され得る。

前記モジュールフレームは前記電池セル積層体を収容する互いに対応する上部及び下部と、互いに対応する両側部とを含むモジュールフレームを含み、前記モジュールフレームの前記下部に少なくとも一つの第２注液孔が位置し得る。

前記第１熱伝導性樹脂層は前記少なくとも一つの第２注液孔に熱伝導性樹脂が注入されて形成され得る。

前記少なくとも一つの第２注液孔は前記モジュールフレームの下部面の中心領域に対応する位置に形成され得る。

本発明の他の一実施形態による電池パックは前記で説明した電池モジュールを含む。

実施形態によれば、本発明は電池セル積層体の上部に対応する位置に熱伝導性樹脂層が形成され、電池セル内の局部的な温度上昇抑制および温度差を減少させることができる。

本発明の効果は上述した効果に制限されるものではなく、言及されていない効果は本明細書および添付する図面から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に明確に理解されることができる。

従来の電池モジュールの分解斜視図である。図１の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。図２の切断線Ａ－Ａを沿って切断した断面図である。本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。図４の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。図４の電池モジュールのモジュールフレームの上部を上下にひっくり返した様子を示す斜視図である。図４の電池モジュールでモジュールフレームの上部を除去した状態を示す斜視図である。図４の切断線Ｂ－Ｂを沿って切断した断面図である。本発明の他の実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。図９の電池モジュールを上下にひっくり返した様子を示す斜視図である。

以下、添付する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できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、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対しては同じ参照符号を付ける。

また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限定されない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして図面で、説明の便宜上一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、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み得ることを意味する。

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。

以下では、本発明の実施形態による電池モジュールについて説明する。ただし、ここで電池モジュールの前後面の前面を基準に説明するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、後面の場合も同一または類似の内容で説明される。

図４は本実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。図５は図４の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。

図４および図５を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は複数の電池セル１１０が第１方向（ｙ軸）に積層される電池セル積層体１２０、電池セル積層体１２０を収容するモジュールフレーム２００、電池セル積層体１２０の前面と後面にそれぞれ位置するエンドプレート１５０、および電池セル積層体１２０とエンドプレート１５０との間に位置するバスバーフレーム１３０を含む。モジュールフレーム２００は上部面、前面および後面が開放されたＵ字型フレーム３００と、電池セル積層体１２０の上部を覆う上部プレート４００とを含む。

本実施形態による電池モジュール１００は電池セル積層体１２０とＵ字型フレーム３００の底面との間に第１熱伝導性樹脂層３１０が位置する。第１熱伝導性樹脂層３１０は前記電池セル積層体１２０がＵ字型フレーム３００の底面に取り付けられる前に、Ｕ字型フレーム３００の底面に熱伝導性樹脂が塗布される。以後、熱伝導性樹脂が硬化することにより第１熱伝導性樹脂層３１０が形成される。そのため、第１熱伝導性樹脂層３１０は電池セル１１０で発生する熱を電池モジュール１００の底に伝達して電池セル積層体１２０を固定する。

図６は図４の電池モジュールのモジュールフレームの上部を上下にひっくり返した様子を示す斜視図である。図７は図４の電池モジュールでモジュールフレームの上部を除去した状態を示す斜視図である。

図６および図７を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は上部プレート４００に少なくとも一つの第１注液孔４５０が形成され、熱伝導性樹脂が第１注液孔４５０に注入される。以降、熱伝導性樹脂が硬化することにより第２熱伝導性樹脂層１６０が形成される。

第１注液孔４５０は上部プレート４００上に形成される。第１注液孔４５０は上部プレート４００の端部に隣接する位置に形成される。第１注液孔４５０は少なくとも２個の注液孔を含み得、前記少なくとも２個の注液孔は上部プレート４００の両端部に隣接するが、互いに対向する位置に形成される。また、第１注液孔４５０は上部プレート４００の一端部に少なくとも２個の注液孔が離隔して形成される。この時、第１注液孔４５０は上部プレート４００の反対端部にも同様に少なくとも２個の注液孔が離隔して形成されることもできる。

図１ないし図３の従来の電池セルを参照すると、第１注液孔４５０は電池セル１１０の冷却効率が最も低い位置と対応する位置に形成される。そのため、第１注液孔４５０に熱伝導性樹脂が注入されて形成された第２熱伝導性樹脂層１６０が電池セル１１０の冷却効率が最も低い位置と対応する位置に形成される。これにより、本実施形態による電池モジュール１００は電池セル１１０の冷却効率が向上することができ、電池セル１１０の位置による温度差を減少させることができる。

第１注液孔４５０は上部プレート４００の一端部に少なくとも２個の注液孔が離隔して形成される場合、前記少なくとも２個の注液孔は前記第１方向（ｙ軸）と対応する方向に互いに離隔して位置する。そのため、一つの注液孔によって注入されて形成されることに比べて、本実施形態による電池モジュール１００は第２熱伝導性樹脂層１６０が前記第１方向と対応する方向に等しく注入される。これにより、本実施形態による電池モジュール１００は電池セル１１０の冷却効率が電池セル積層体の位置に関係なく均等に向上することができ、電池セル１１０の位置による温度差もまた均等に減少させることができる。

図６および図７を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は上部プレート４００の下面に少なくとも二つの遮断パッド４７０が位置する。少なくとも二つの遮断パッド４７０は前記第１方向（ｙ軸）と対応する方向に延びる。少なくとも二つの遮断パッド４７０は電池セル積層体１２０に向かう方向（ｚ軸）と対応する方向に突出する。好ましくは、少なくとも二つの遮断パッド４７０は電池セル積層体に向かう方向（ｚ軸）と対応する方向に突出するが、電池セル積層体の上部と接する。そのため、遮断パッド４７０は、第１注液孔４５０に注入される熱伝導性樹脂が遮断パッド４７０を外れた領域まで塗布されることを遮断することができる。

第１注液孔４５０は少なくとも二つの遮断パッド４７０の間に位置する。そのため、第２熱伝導性樹脂層１６０は少なくとも二つの遮断パッド４７０の間の領域と対応する位置に形成される。すなわち、遮断パッド４７０は第２熱伝導性樹脂層１６０が形成される領域を調整でき、第１注液孔４５０に注入される熱伝導性樹脂が不要な領域まで注入されることを防止することができる。

一例として、電池セル１１の中心部に該当する領域は下部に位置した熱伝導性樹脂層３１だけでも十分に冷却が行われており、本件の実施形態で電池セル１１０の中心部に対応する領域まで第２熱伝導性樹脂層１６０を形成するのは不要であるからである。そのため、遮断パッド４７０は電池セル１１０の両端部に対応する領域に隣接する位置に形成されることがより好ましい。

また、遮断パッド４７０は熱伝導性樹脂が塗布される領域を制限し、電池モジュール１００を追加的な分解および造粒工程を経ず、所望する位置に熱伝導性樹脂を均等に塗布することができる。また、遮断パッド４７０は熱伝導性樹脂が不要な領域まで注入された熱伝導性樹脂に対するコストの損失を減らすことができる。

図８は図４の切断線Ｂ－Ｂを沿って切断した断面図である。図４ないし８を参照すると、電池モジュール１００に含まれた電池セル積層体１２０の下部には第１熱伝導性樹脂層３１０が接しており、電池セル積層体１２０の上部の少なくとも一部領域には第２熱伝導性樹脂層１６０が接する構造を有することができる。そのため、電池モジュール１００は従来の電池モジュール１０とは別に、電池セル積層体１２０の上部および下部をすべて冷却する構造であり、電池セル積層体１２で発生した熱は上部および下部をすべて向かう第２冷却方向Ｄ２に流れる構造である。

そのため、従来の電池モジュール１０とは異なり、本実施形態による電池モジュール１００は電池セル積層体１２０の上部および両端部に向かう方向で発生する熱を第２熱伝導性樹脂層１６０により冷却させることができる。これにより、本実施形態による電池モジュール１００は電池セル１１０の両端部で発生する局部的な温度上昇を抑制でき、電池セル内の温度差を減少させることができる。また、電池セル１１０を含むバッテリの出力が早期に制限されることを防止することができる。

図９は本発明の他の実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。図１０は図９の電池モジュールを上下にひっくり返した様子を示す斜視図である。

図９および図１０を参照すると、本実施形態による電池モジュール１０１は図５ないし図９で説明された電池モジュール１００の説明と同様であり、相異なる部分についてのみ詳細に説明する。

本実施形態による電池モジュール１０１はモジュールフレーム５００を含み、モジュールフレーム５００は電池セル積層体１１０を収容する互いに対応する上部及び下部と、互いに対応する両側部とを含むモジュールフレーム（あるいはモノフレーム）を含む。

本実施形態による電池モジュール１０１はモジュールフレーム５００の上部に少なくとも一つの第１注液孔５５０が形成され、第１注液孔５５０に係る説明は図５ないし図９で説明された第１注液孔４５０と同様である。さらに本実施形態による電池モジュール１０１はモジュールフレーム５００の下部に少なくとも一つの第２注液孔５６０が形成される。ここで、少なくとも一つの第２注液孔５６０はモジュールフレーム５００の下部の中心領域に対応する位置に形成される。

また、本実施形態による電池モジュール１０１はモジュールフレーム５００の下部に少なくとも一つのチェック孔５７０が形成される。少なくとも一つのチェック孔５７０はモジュールフレーム５００の下部の端部に隣接する位置に形成され、第２注液孔５６０と離隔して形成される。そのため、第２注液孔５６０により注入される熱伝導性樹脂が必要以上注入される場合、熱伝導性樹脂がチェック孔５７０を通じて電池モジュール１０１の外側に吐出され、これにより注液量を調節することができる。

ただし、モジュールフレーム５００はこれに限定されたものでなく、二つのＬ字型フレームが結合される形状のフレームに代えてもよい。この場合にもモジュールフレーム５００の上部には第１注液孔４５０，５５０が形成されることができ、モジュールフレーム５００の下部にはＵ字型フレームのように熱伝導性樹脂があらかじめ塗布されたり、別途の注液孔を通じて熱伝導性樹脂が注入されることができる。

一方、本実施形態による電池モジュールは一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。

前述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。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そ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することが可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。

以上、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ものではなく、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
１１０電池セル
１２０電池セル積層体
３００Ｕ字型フレーム
４００上部プレート
５００モノフレーム

Claims

複数の電池セルが第１方向に積層されている電池セル積層体、
前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、
前記電池セル積層体とモジュールフレームの下部との間に位置する第１熱伝導性樹脂層、および
前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの上部との間に位置する第２熱伝導性樹脂層を含み、
前記モジュールフレームの上部には熱伝導性樹脂を注入するための少なくとも一つの第１注液孔が形成されている、電池モジュール。
前記少なくとも一つの第１注液孔は前記モジュールフレームの前記上部の端部に隣接する位置に形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
前記少なくとも一つの第１注液孔は前記モジュールフレームの前記上部の両端部に隣接する位置にそれぞれ形成され、互いに対向する位置に形成される、請求項２に記載の電池モジュール。
前記少なくとも二つの第１注液孔が前記モジュールフレームの前記上部の一端部に隣接する位置に形成され、前記第１方向と同じ方向に互いに離隔して位置する、請求項２に記載の電池モジュール。
前記モジュールフレームは底部と前記底部の両側に連結される２個の側面部とを含むＵ字型フレーム、及び、前記Ｕ字型フレームに取り付けられた前記電池セル積層体を覆う上部プレートを含み、
前記上部プレートの下面に位置する少なくとも二つの遮断パッドをさらに含み、
前記少なくとも二つの遮断パッドの間に前記第１注液孔が位置する、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
前記第２熱伝導性樹脂層は前記遮断パッドの間の領域と対応する位置に形成される、請求項５に記載の電池モジュール。
前記遮断パッドは前記第１方向と同じ方向に延びて、
前記遮断パッドは前記電池セル積層体に向かう方向に突出する、請求項５に記載の電池モジュール。
前記第１熱伝導性樹脂層は前記Ｕ字型フレームの下部フレーム上に熱伝導性樹脂が塗布されて形成される、請求項５に記載の電池モジュール。
前記モジュールフレームは前記電池セル積層体を収容する互いに対応する上部及び下部と、互いに対応する両側部とを含むモジュールフレームを含み、
前記モジュールフレームの前記下部に少なくとも一つの第２注液孔が位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
前記第１熱伝導性樹脂層は前記少なくとも一つの第２注液孔に熱伝導性樹脂が注入されて形成される、請求項９に記載の電池モジュール。
前記少なくとも一つの第２注液孔は前記モジュールフレームの下部面の中心領域に対応する位置に形成される、請求項９に記載の電池モジュール。
請求項１による電池モジュールを含む、電池パック。