JP2023521905A - 冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法に関し、具体的には、複数の円筒型電池セル(200)と、前記円筒型電池セル(200)を電気的に連結するモジュールフレーム(600)と、前記円筒型電池セル(200)の下部に位置するヒートシンク(300)と、前記ヒートシンク(300)の上面に密着して形成される絶縁層(400)とを含むことを特徴とする冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法に関する。
Description
本出願は2020年08月21日付の韓国特許出願第2020-0105019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この明細書の一部として含まれる。
本発明は冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法に関し、具体的にはヒートシンクと電池セルとの間に位置する絶縁層が別の接着部材なしにヒートシンクの一側面に固定されることで、冷却性能が向上し、製造コストの節減に寄与することができる電池モジュール及びその製造方法に関する。
最近、化石燃料の使用による大気汚染、エネルギー枯渇による代替エネルギーの開発によって生産された電気エネルギーを貯蔵することができる二次電池に対する需要が増加している。充放電の可能な二次電池は、モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車動車などに使われるなど、日常生活に密接に使われている。
現代社会で必要不可欠に使われている各種の電子機器のエネルギー源として使われている二次電池は、モバイル機器の使用量の増加及び複雑化、電気自動車などの開発によって所要容量が増加している。使用者の需要を満たすために、小型機器には多数の電池セルを配置しているが、自動車などには多数の電池セルを電気的に連結するバッテリーモジュールまたこのようなバッテリーモジュールを多数備えたバッテリーパックが使われる。
一方、二次電池は優れた電気的特性を有しているが、過充電、過放電、高温露出、電気的短絡などの異常作動状態で電池の構成要素である活物質、電解質などの分解反応が起こって熱及びガスが発生し、これにより二次電池が膨張する、いわゆるスウェリング現象が起こる問題点がある。スウェリング現象はこのような分解反応を加速化させて、熱暴走(Thermal runaway)現象による二次電池の爆発及び発火をもたらすこともある。
図1は従来技術による電池モジュールの分解斜視図である。図1に示すように、従来技術による電池モジュールは、複数の円筒型電池セル10と、複数の円筒型電池セル10の下部に位置するヒートシンク20と、円筒型電池セル10とヒートシンク20との間に位置して絶縁状態を維持する絶縁層30と、複数の円筒型電池セル10の上部をカバーするモジュールフレーム40とを含む。ここで、円筒型電池セル10と絶縁層30との間、及びヒートシンク20と絶縁層30との間には、これらを互いに固定するための接着層50が介在される。
このように、従来技術による電池モジュールによれば、円筒型電池セル10で発生する熱は下部に位置するヒートシンク20によって冷却されるが、円筒型電池セル10とヒートシンク20との間には絶縁層30及び一対の接着層50が備えられているので、熱伝導効率が低いという問題点がある。
さらに、電池モジュール製造工程の際、ヒートシンク20と絶縁層30とを、かつ絶縁層30と円筒型電池セル10とを互いに固定するにあたり、二つの接着層50を形成しなければならないので、これによる製造コストの上昇と製造工程の効率が低下するという欠点がある。
前記のような問題点を解決するために、本発明は、円筒型電池セルとヒートシンクとの間の距離を最小化することによって冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、原料の使用を減らして製造コストを節減し、さらに製造工程の簡素化によって生産性を向上させることができる、冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記のような目的を達成するための本発明による冷却性能が向上した電池モジュールは、複数の円筒型電池セル(200)と、前記円筒型電池セル(200)を電気的に連結するモジュールフレーム(600)と、前記円筒型電池セル(200)の下部に位置するヒートシンク(300)と、前記ヒートシンク(300)の上面に密着して形成される絶縁層(400)とを含むことを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記円筒型電池セル(200)の下面と前記絶縁層(400)との間には接着層(500)が位置することを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記絶縁層(400)は絶縁性及び熱伝導性を有する素材からなることを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記絶縁層(400)は所定の形状のパターンからなることを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記パターンは格子形状を有することを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記パターンは所定の距離だけ離隔した複数の多角形を有することを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記パターンは複数の円形または楕円形を有することを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記パターンは所定の距離だけ離隔した複数のバー(bar)を有することを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記接着層(500)は硬化性グリース(Grease)及びエポキシ(Epoxy)系接着性グルー(Glue)のうちのいずれか1種からなることを特徴とする。
また、本発明は、前述した電池モジュールを含む電池パックを提供することを特徴 とする。
また、本発明による電池モジュールの製造方法は、ヒートシンク(300)の上面に絶縁層(400)を形成する段階と、前記絶縁層(400)の上面に接着層(500)を形成する段階と、前記接着層(500)の上面に複数の円筒型電池セル(200)を着座させる段階とを含むことを特徴とする、
また、本発明による電池モジュールの製造方法において、前記絶縁層(400)は3Dプリンターで形成することを特徴とする。
以上で説明したように、本発明による冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法によれば、別の接着部材なしにヒートシンクに絶縁層が密着して固定される構造であるので、円筒型電池セルで発生した熱がヒートシンクに速かに伝達されて冷却性能を向上させることができるという利点がある。
また、本発明による冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法によれば、3Dプリンターを用いてヒートシンクに絶縁層を密着して固定させるので、接着部材の使用量を減らすことができ、よって製造コストの節減と製造工程の効率化に寄与することができるという利点がある。
さらに、本発明による冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法によれば、3Dプリンターの経路設定及び出力速度の調節によって、絶縁層の厚さ、広さ及び形状を自由に調節することができるという利点がある。
以下、添付図面に基づき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例の動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省省略する。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、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。
以下、本発明による冷却性能が向上した電池モジュール及びその製造方法について添付図面を参照しながら説明する。
図2は本発明の好適な実施例による電池モジュールの外形斜視図であり、図3は図2に示す電池モジュールの内部の分解斜視図である。
図2及び図3を参照して説明すると、本発明による電池モジュールは、モジュールケース100、円筒型電池セル200、ヒートシンク300、絶縁層400、接着層500、及びモジュールフレーム600を含む。
まず、外形が略六面体のモジュールケース100は、上部ケース110と下部ケース120とを含む。下部ケース120は、底が平たく、縁部に沿って垂直方向に所定の長さだけ延びた側面部が設けられて所定サイズの空間部を形成している。この空間部には、前述した円筒型電池セル200、ヒートシンク300、絶縁層400、接着層500、及びモジュールフレーム600が収納される。そして、上部ケース110は下部ケース120の上部に結合されることで、収納された円筒型電池セル200などを保護する。
図4は本発明の電池モジュールに内蔵される円筒型電池セルの断面図である。円筒型電池セル200は、巻取型構造の電極組立体220を金属缶210に収納し、金属缶210内に電解液を注入した後、金属缶210の開放上端に、電極端子が形成されているキャップアセンブリー230を結合することで製作することができる。
ここで、電極組立体220は、正極221、負極222、及び分離膜223を順に積層し、丸い形態に巻き取ることによって製造される。
電極組立体220の中央部位に形成された貫通形の巻芯部240には円筒状のセンターピン250が挿入されている。センターピン250は一般的に所定の強度を有するために金属素材からなる。このようなセンターピン250は電極組立体220を固定及び支持する作用とともに充放電及び作動の際に内部反応によって発生するガスを放出する通路として機能する。
一方、キャップアセンブリー230の上端中央部位には突出した形態の正極端子231が形成されており、金属缶210の残りの部位は負極端子232をなす。
もちろん、二次電池として使用可能な電池セルであれば、前述した構成のような円筒型電池セル200に限定されない。
また、図3を参照しながら説明すると、電池セルの充放電を繰り返す過程で熱が発生する。このような熱を冷やすために、下部ケース120の内側底面と円筒型電池セル200との間にはヒートシンク300が位置する。
たとえ図面には詳細に示されていないが、ヒートシンク300は、下部プレートと上部プレートとが所定の距離だけ離隔することによって空間部が形成され、空間部には水、エタノールなどの冷媒が充填された状態で循環する。したがって、円筒型電池セル200で発生した熱は冷媒に伝達されることにより、所定温度を維持するようになる。
ここで、ヒートシンク300は、熱の迅速な移動ができるように、熱伝導性に優れた素材、一例としてアルミニウムからなることができ、また冷媒が循環することができるように、一側には冷媒流入口が備えられるとともに他側には冷媒流出口が備えられることができる。
絶縁層400はヒートシンク300の上面に位置することにより、円筒型電池セル200とヒートシンク300とが互いに通電することを防止する。
具体的には、絶縁層400は3Dプリンターによって形成することができる。ここで、ヒートシンク300の上面に3Dプリンターのノズルから絶縁素材を放射すれば、密着状態を維持しながらヒートシンク300の上面に固定された絶縁層400を形成することができるので、絶縁層400の固定のための別の接着部材が必要ない。
さらに、積層型印刷方式の場合、繰り返し積層が可能なので、絶縁層の厚さ調節が容易であり、また多様な形状の3次元パターンの具現が可能である。一例として、図3のように、絶縁層400は、円形または多角形の断面を有する長棒状のバー(bar)が所定の距離だけ離隔した状態でヒートシンク300の上面に固定されることによって形成されることができる。
一方、絶縁層400を成す素材としては、絶縁性とともに熱伝導性を有する素材であれば特に限定されないが、ポリカーボネート、ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、またはPC-ABS(Polycarbonate-Acrylonitrile Butadiene Styrene)であってもよい。
次に、円筒型電池セル200が絶縁層400に固定されるように、接着層500が円筒型電池セル200と絶縁層400との間に位置する。
このような接着層500は、液状タイプの接着剤を絶縁層400の上面に塗布することによって単一の接着層500が形成されることができる。
ここで、接着層500は、高温でも接着力を喪失せず、円筒型電池セル200の熱気を絶縁層400に伝達することができるように、熱伝導性及び耐熱性を有する素材であり、硬化性グリース(Grease)及びエポキシ(Epoxy)形接着性グルー(Glue)のうちの1種以上であることができ、前述した機能を果たすことができる物質であれば特に限定されない。
円筒型電池セル200の上側に着座するモジュールフレーム600は、バスバー610、突起部620、及び円筒型電池セル200の上面を露出させるための開放部630を含み、円筒型電池セル200を並列にまたは直列に連結するとともに外部衝撃から保護する機能を果たす。
図5は本発明の好適な実施例による絶縁層の多様なパターンを示す図である。本発明による絶縁層は図5(a)~5(c)のような形状を有することができる。
まず、図5(a)の絶縁層400は、所定の高さを有し、内部が空いている三角形が互いに離隔したままで並んで配置されている。前記のような絶縁層400の構造によれば、円筒型電池セル200とヒートシンク300との絶縁を確実に保障しながらも内部が空いているので、電池モジュールの重さを減らすことができるだけでなく原料コストを節減することができる。一方、図5(a)では三角形を示しているが、これは一例示であるだけで、方形、五角形、六角形などの多様な形状の多角形であることができる。
図5(b)は三角形の代わりに内部が空いている円柱形を有し、図5(c)は格子形構造を有する。
たとえ図5では同じ形状が繰り返されるものとして示しているが、三角形と円形、方形と円形など、形状が互いに異なる複数の形状を互いに混合して絶縁層400を形成することも可能である。
次に、前述した本発明の好適な実施例による電池モジュールの製造方法について説明する。
本発明の好適な実施例による電池モジュールの製造方法は、ヒートシンク300の上面に絶縁層400を形成する段階(S1)と、絶縁層400の上面に接着層500を形成する段階(S2)と、接着層500の上面に複数の円筒型電池セル200を着座させる段階(S3)とを含む。
具体的には、ヒートシンク300の上面に絶縁層400を形成する段階(S1)はヒートシンク300の上面に前述した所定の形状のパターンを形成して絶縁層400を提供する段階である。ここで、所定の形状のパターンは3Dプリンターで形成する。
3Dプリンターの出力速度及び経路設定によって、絶縁層400の厚さ、面積、及びパターンを自由に設定することができる。
絶縁層400の上面に接着層500を形成する段階(S2)は、ヒートシンク300の上面と絶縁層400の下面とが付着された状態で絶縁層400の上面に接着層500を位置させる段階である。
ここで、接着層500は、両面に接着剤が塗布されているフィルムを着座させるか液状タイプの接着剤を塗布することによって形成することができる。
そして、接着層500の上面に複数の円筒型電池セル200を着座させる段階(S3)によって円筒型電池セル200が接着層500に固定される。
もちろん、円筒型電池セル200の上部にはモジュールフレーム600が結合される。
一方、前記S1段階からS3段階に先立ち、下部ケース120にヒートシンク300を先に収納させても構わないが、3Dプリンターで絶縁層400を容易に形成するために、ヒートシンク300の上面に絶縁層400を形成するS1段階は下部ケース120に収納するに先立って遂行することが好ましい。
本発明は前述した電池モジュールを収納した電池パックであることができる。また、電池パックはデバイスに装着されることができる。例えば、デバイスは、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などのような大容量の電池を含む電子機器であることができる。
以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にこのような具体的技術はただ好適な実施様態であるだけで、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正も添付の特許請求範囲に属するものであるというのは言うまでもない。
100 モジュールケース
110 上部ケース
120 下部ケース
200 円筒型電池セル
210 金属缶
220 電極組立体
221 正極
222 負極
223 分離膜
230 キャップアセンブリー
231 正極端子
232 負極端子
240 巻芯部
250 センターピン
300 ヒートシンク
400 絶縁層
500 接着層
600 モジュールフレーム
610 バスバー
620 突起部
630 開放部
110 上部ケース
120 下部ケース
200 円筒型電池セル
210 金属缶
220 電極組立体
221 正極
222 負極
223 分離膜
230 キャップアセンブリー
231 正極端子
232 負極端子
240 巻芯部
250 センターピン
300 ヒートシンク
400 絶縁層
500 接着層
600 モジュールフレーム
610 バスバー
620 突起部
630 開放部
Claims (12)
- 複数の円筒型電池セルと、
前記円筒型電池セルを電気的に連結するモジュールフレームと、
前記円筒型電池セルの下部に位置するヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に密着して形成される絶縁層と、
を含む、冷却性能が向上した電池モジュール。 - 前記円筒型電池セルの下面と前記絶縁層との間には接着層が位置する、請求項1に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 前記絶縁層は絶縁性及び熱伝導性を有する素材からなる、請求項1又は2に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 前記絶縁層は所定の形状のパターンを有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 前記パターンは格子形状を有する、請求項4に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 前記パターンは所定の距離だけ離隔した複数の多角形を有する、請求項4に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 前記パターンは複数の円形または楕円形を有する、請求項4に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 前記パターンは所定の距離だけ離隔した複数のバーを有する、請求項4に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 前記接着層は、硬化性グリース及びエポキシ系接着性グルーのうちのいずれか1種以上からなる、請求項2に記載の冷却性能が向上した電池モジュール。
- 請求項1~9のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
- ヒートシンクの上面に絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層の上面に接着層を形成する段階と、
前記接着層の上面に複数の円筒型電池セルを着座させる段階と、
を含む、冷却性能が向上した電池モジュールの製造方法。 - 前記絶縁層は3Dプリンターによって形成する、請求項11に記載の冷却性能が向上した電池モジュールの製造方法。
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