JP2023536870A - 電池モジュールおよびそ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、第１方向に沿って積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体；前記電池セル積層体の前後面および両側面を包む外装部材；および前記電池セル積層体の前後面に位置するセンシングブロックを含み、前記外装部材と前記電池セル積層体の前後面の間に前記センシングブロックが位置し、前記電池セル積層体の上下面が露出している。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２１年１月１１日付韓国特許出願第１０－２０２１－０００３１８２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、より具体的には電池セルのスウェリング現象を改善し、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。
モバイル機器に対する技術開発と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、ノートパソコン、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多くの関心を集めている。
小型モバイル機器にはデバイス１台当り一つまたは複数の電池セルが使用されることに対して、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る限り小型で軽量となるように製造されることが好ましいので、高い集積度で積層されることができ、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、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むことができる。
図１は従来の電池モジュールの斜視図である。図２は図１の切断線Ａ－Ａに沿って切断した断面を示す図である。図３は図３の一部を拡大して示す図である。
図１ないし図３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電池セル積層体１２、および電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム３０，４０、電池セル積層体１２の前後面をカバーするエンドプレート５０およびエンドプレート５０と電池セル積層体１２の前後面の間に形成されたバスバーフレーム（図示せず）を含む。
モジュールフレーム３０，４０は前後面と上面が開放されている下部フレーム３０および上部プレート４０を含み、下部フレーム３０の両側面にマウンティング部３５が形成されている。ここで、電池モジュール１０はマウンティング部３５に挿入されるマウンティングボルトにより電池パックのパックフレームに固定されるが、これは別の固定部材を要求する点で価格的に不利であり、固定部材が占める空間による電池密度の減少などの問題がある。
電池モジュール１０は電池セル積層体１２の両側面に圧縮パッド１５を付着した後、電池セル積層体１２の両側面を加圧した状態で下部フレーム３０に取り付けられる。そのため、従来の電池モジュール１０は電池セル積層体１２を加圧する別途の加圧工程が求められる点で、工程および生産ラインが複雑になる問題がある。
また、図３を参照すると、電池セル１１は充放電過程で幅方向の変形１１Ａが発生して膨らむ。しかし、一般に圧縮パッド１５は電池モジュール１０の幅方向の変形を吸収するには制限的である問題がある。特に、電池セル１１は充放電過程で膨張および収縮する過程を繰り返し、このような過程の中で電池モジュール１０の幅方向の変形が十分に吸収されない場合、電池モジュールのスウェリング現象およびモジュールフレームの変形が発生する問題がある。
そのため、電池モジュールの工程を比較的簡易にし、かつ電池セルの膨張および収縮による変形を十分に吸収し、冷却性能が向上した電池モジュールを開発する必要がある。
本発明が解決しようとする課題は、電池セルのスウェリング現象を改善し、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ものである。
本発明の一実施形態による電池モジュールは、第１方向に沿って積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体；前記電池セル積層体の前後面および両側面を包む外装部材；および前記電池セル積層体の前後面に位置するセンシングブロックを含み、前記外装部材と前記電池セル積層体の前後面の間に前記センシングブロックが位置し、前記電池セル積層体の上下面が露出していてもよい。
前記電池モジュールの前記外装部材の外面が露出していてもよい。
前記外装部材は前記電池セルの幅と同じ幅を有するか、それより小さい幅を有し得る。
前記外装部材は前記電池セル積層体の下部に隣接するように位置し得る。
前記外装部材は弾性素材からなってもよい。
前記外装部材は前記弾性素材のフィルムが前記電池セル積層体の前後面および両側面をラップして形成され得る。
前記外装部材は熱収縮チューブからなり、前記熱収縮チューブの上下面が開放されていてもよい。
前記外装部材と前記電池セル積層体の両側面の間に圧縮パッドが位置し得る。
前記圧縮パッドは前記電池セル積層体の側面に沿って延びていてもよい。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、上述した電池モジュールがパックフレームに取り付けられ、前記パックフレームは少なくとも二つの前記電池モジュールが取り付けられる下部パックフレームおよび前記少なくとも二つの電池モジュールの上部を覆う上部パックフレームを含む。
前記下部パックフレームは前記電池モジュールが取り付けられる複数のモジュール領域を含み、前記複数のモジュール領域は前記下部パックフレームの一側面で他側面に向かって延びている複数のビームで区切られ得る。
前記電池セル積層体の両側面を包む前記外装部材の外面は前記ビームと互いに接し得る。
前記モジュール領域上に熱伝導性樹脂層がそれぞれ形成されていてもよい。
前記電池セル積層体の下面は前記熱伝導性樹脂層と接し得る。
実施形態によれば、本発明は電池セル積層体の前後面および両側面を包む外装部材を含んで、電池セルのスウェリング現象を改善し、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ものである。
従来の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を示す図である。 図３の一部を拡大して示す図である。 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４の電池モジュールの分解斜視図である。 図４の切断線Ｂ－Ｂに沿って切断した断面を示す図である。 本発明の他の一実施形態による電池パックの斜視図である。 図７の電池パックにおける上部パックフレームを分解した斜視図である。 図７の電池パックの構成要素を分解した斜視図である。 図７の切断線Ｃ－Ｃに沿って切断した断面の一部を示す図である。 図１０の一部を拡大して示す図である。
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」という時、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うち前面を基準として説明されるが、必ずしもこれに限定されるものではなく後面である場合にも同一または類似の内容で説明されることができる。
図４は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５は図４の電池モジュールの分解斜視図である。図６は図４の切断線Ｂ－Ｂに沿って切断した断面を示す図である。
図４および図６を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、第１方向に沿って積層された複数の電池セル１１０を含む電池セル積層体１２０；電池セル積層体１２０の前後面および両側面を包む外装部材１５０；および電池セル積層体１２０の前後面に位置するセンシングブロック１７０を含む。
外装部材１５０に包み込んでいる電池セル積層体１２０は複数の電池セル１１０が積層されているが、電池セル１１０はパウチ型電池セルであることが好ましい。電池セル１１０は電極組立体を樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチケースに収納した後前記パウチケースのシーリング部を熱融着して製造されることができる。このような電池セル１１０は複数個で構成されることができ、複数の電池セル１１０は相互電気的に連結されるように積層された電池セル積層体１２０を形成する。
図５および図６を参照すると、外装部材１５０と電池セル積層体１２０の前後面の間にセンシングブロック１７０が位置することができる。ここで、センシングブロック１７０は電極リード（図示せず）が突出した電池セル積層体１２０の前後面をそれぞれ覆う。また、センシングブロック１７０は一種のバスケット形状を有し、電池セル積層体２００の前記前面および前記後面をそれぞれ覆うように構成されることができる。ここで、センシングブロック１７０には少なくとも一つのスリット（図示せず）が形成され、センシングブロック１７０が配置される時電池セル１１０の電極リード（図示せず）が前記スリットを通過して、電極リード接合体が形成されることができる。
そのため、外装部材１５０は電池セル積層体１２０の前後面に位置するセンシングブロック１７０を共に包むようになり、本実施形態による電池モジュール１００はセンシングブロック１７０の前記スリットを通過して形成された電極リード接合体などに対する絶縁性能を確保することができる。
一例として、センシングブロック１７０は電気的絶縁を示す素材を含み得、一例としてプラスチック素材、高分子素材または複合素材を含むことができる。ただし、これに限定されるものではなく、少なくとも一つのスリットが形成され得る剛性を確保しながらも、電気絶縁性を有する物質であれば制限なく適用することができる。
図４ないし図６を参照すると、外装部材１５０は電池セル積層体１２０の外面を包むことができる。ここで、外装部材１５０は両側面および前後面からなる部材であって、上下面が開放されている。すなわち、電池セル積層体１２０は外装部材１５０により両側面および前後面が包まれ、上下面が開放されていることができる。言葉を変えれば、電池セル積層体１２０の上下面は露出していることができる。
一例として、外装部材１５０は弾性素材からなる。前記弾性素材はポリエチレン（ＰＥ，Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ，Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）のような物質のうち少なくともいずれか一つからなる。ここで、外装部材１５０は前記弾性素材のフィルムあるいは熱収縮チューブが前記電池セル積層体の外面をラップ（ｗｒａｐｐｉｎｇ）して形成されることができる。ここで、前記熱収縮チューブは上下面が開放されている。ただし、これに限定されるものではなく、外部衝撃を効果的に吸収しながらも、電池セル積層体１２０に含まれた電池セル１１０を十分に加圧できる弾性を持つ物質であれば制限なく適用することができる。
そのため、本実施形態で、外装部材１５０は電池セルのスウェリング現象を防止して、電池モジュールの寸法安定性を向上させることができる。これと共に、外装部材１５０はそれ自体で弾性を有しており、電池セル１１０の体積変化によって変形されることを最小化できる利点がある。
また、外装部材１５０の両側面および前後面は電池セル積層体１２０を包む前に、それぞれ電池セル積層体の外面の大きさと対応する大きさを有することができる。一例として、外装部材１５０の両側面は電池セル積層体１２０の側面と同じ大きさを有するか、それより小さい大きさを有することができる。また、外装部材１５０の前後面は電池セル積層体１２０の上下面と同じ大きさを有するか、それより小さい大きさを有することができる。
そのため、本実施形態で、外装部材１５０は電池セル積層体１２０を一定の方向に加圧し、電池セル積層体１２０を包むことができる。すなわち、外装部材１５０は電池セル積層体１２０に含まれた電池セル１１０を一定の方向に加圧して、電池セルのスウェリング現象を防止し、電池モジュールの寸法安定性を向上させることができる。また、電池セル積層体１２０が外装部材１５０に包まれる工程により、電池セル積層体１２０が同時に加圧され、別に電池セル積層体１２０を加圧する工程が必要でないので、工程および生産ラインが簡易になる。
また、外装部材１５０は電池セル１２０の幅と同じ幅を有するか、それより小さい幅を有することができる。一例として、外装部材１５０は電池セル積層体１２０の下部に隣接するように位置することができる。そのため、本実施形態で、外装部材１５０の面積を最小化しながらも、電池セルのスウェリング現象を防止して、電池モジュールの寸法安定性を向上させることができる。
また、外装部材１５０は電池セル積層体１２０を包んだ状態で、外装部材１５０の外面が露出していることができる。すなわち、後述する工程で電池モジュール１００が電池パック１０００のパックフレーム１２００，１３００に取り付けられる場合、外装部材１５０がパックフレーム１２００，１３００と接することができる。
そのため、本実施形態で、外装部材１５０が従来の電池モジュール１０でのモジュールフレーム３０，４０の代わりとなることができ、工程およびコストの効率性を増大させ得る利点がある。
また、外装部材１５０の内面に電池セル積層体１２０の外面がそれぞれ付着している。ここで、外装部材１５０に含まれた弾性素材自体が接着力を有することができる。また、外装部材１５０と電池セル積層体１２０は外装部材１５０の内面と電池セル積層体１２０の外面の間の摩擦力により固定されている。また、外装部材１５０と電池セル積層体１２０の間に別途の接着層が形成されていることができる。
一例として、前記接着層はそれぞれテープからなるか、接着性バインダがコートされて形成されることができる。より好ましくは、前記接着層は接着性バインダでコートされるか両面テープからなり、電池セル積層体１２０と外装部材１５０が容易に固定されることができる。ただし、これに限定されるものではなく、電池セル１１０間あるいは電池セル１１０と外装部材１５０の間を互いに固定させ得る接着性能を持っている物質であれば制限なく適用することができる。
そのため、電池セル積層体１２０は外装部材１５０内に安定的に収容されていることができる。
図４ないし図６を参照すると、外装部材１５０と電池セル積層体１２０の外側面間に圧縮パッド１１５が位置する。ここで、圧縮パッド１１５は電池セル積層体１２０の外側面に沿って延びている。また、圧縮パッド１１５は電池セル積層体１２０の外側面に比べて同一であるか小さい大きさを有することができる。
一例として、圧縮パッド１１５はポリウレタン素材のパッドであり得る。ただし、これに限定されるものではなく、電池セル１１０の膨張時に体積変化を吸収できるほどの素材であれば適用可能である。
そのため、圧縮パッド１１５は電池セル積層体１２０に含まれた電池セル１１０で発生する膨張を容易に吸収して、外装部材１５０が電池セル積層体１２０の外面を加圧することを補助することができる。
また、圧縮パッド１１５と電池セル１１０は外装部材１５０から加えられる面圧によって固定されることができる。そのため、圧縮パッド１１５と電池セル１１０は別の接着層がなくとも互いに安定的に固定されていることができる。
また、圧縮パッド１１５と電池セル１１０の間に接着層が位置することができる。一例として、前記接着層は両面テープまたは接着剤のような接着部材によって形成されることができる。ただし、前記接着層は上述した内容に限定されず、電池セル１１０および圧縮パッド１１５を互いに固定させることができる接着性能を持っている物質であれば制限されない。
そのため、本実施形態の電池モジュール１００は電池セル１１０と圧縮パッド１１５の間が相互接着されることができ、電池セル積層体１２０の前記第１方向（積層方向）への剛性およびエネルギ密度がより向上することができる。
図７は本発明の他の一実施形態による電池パックの斜視図である。図８は図７の電池パックにおける上部パックフレームを分解した斜視図である。図９は図７の電池パックの構成要素を分解した斜視図である。
図７ないし図８を参照すると、本発明の他の一実施形態による電池パック１０００は前記で説明した電池モジュール１００を含む。一方、電池モジュール１００は一つまたはそれ以上がパックフレーム１２００，１３００内にパッケージングされ、電池パック１０００を形成することができる。
より具体的には、図８を参照すると、下部パックフレーム１３００は電池モジュール１００が取り付けられる複数のモジュール領域を含み、前記複数のモジュール領域は下部パックフレーム１３００の一側面で他側面に向かって延びている複数のビーム１３１０で区切られる。複数のビーム１３１０は電池パック１０００が取り付けられるデバイスの進行方向を基準として垂直あるいは水平方向に延びている。一例として、前記デバイスは自動車であり得、複数のビーム１３１０は電池パック１０００が取り付けられる自動車の進行行方向を基準として垂直あるいは水平方向に延びていることができる。
また、図８および図９を参照すると、本実施形態による電池パック１０００で、複数のビーム１３１０で区分される前記モジュール領域上に熱伝導性樹脂層１３４０がそれぞれ形成されていることができる。一例として、熱伝導性樹脂層１３４０は複数のビーム１３１０で区分される前記モジュール領域に取り付けられる電池モジュール１００と対応する位置にそれぞれ形成されていることができる。
一例として、熱伝導性樹脂層１３４０は下部パックフレーム１３００上に熱伝導性樹脂が塗布されて形成されることができる。すなわち、電池モジュール１００が前記モジュール領域上に取り付けられる前に、あらかじめ塗布されている前記熱伝導性樹脂が硬化することにより、熱伝導性樹脂層１３４０が形成されることができる。そのため、熱伝導性樹脂が硬化することにより、電池モジュール１００の下面と下部パックフレーム１３００が互いに安定的に固定されることができる。また、別途の固定部材が求められない点で、価格競争力が向上して、電池密度が増加する利点がある。
図１０は図７の切断線Ｃ－Ｃに沿って切断した断面の一部を示す図である。図１１は図１０の一部を拡大して示す図である。
図９および図１０を参照すると、本実施形態による電池パック１０００で、電池モジュール１００の電池セル積層体１２０の下面が露出しており、電池セル積層体１２０の下面と熱伝導性樹脂層１３４０は互いに接することができる。そのため、電池セル積層体１２０の内部で発生した熱が熱伝導性樹脂層１３４０に直接伝達されることができ、電池モジュール１００の冷却性能がより向上することができ、電池セル１１０の寿命もまた向上することができる。
図１０および図１１を参照すると、本実施形態による電池パック１０００で、電池モジュール１００の外装部材１５０の外面がビーム１３１０と互いに接することができる。より具体的には、電池セル積層体１２０の両側面を包む外装部材１５０の外面がビーム１３１０と互いに接することができる。ここで、電池パック１０００の充放電過程で発生する幅方向の変形１１０Ａに対して、ビーム１３１０はビーム１３１０と接する外装部材１５０の外面を加圧することができる。
一例として、ビーム１３１０は弾性素材からなる。前記弾性素材は板ばねのようなスチール素材であるかプラスチック射出物材質のうち少なくともいずれか一つからなる。ただし、これに限定されるものではなく、外部衝撃を効果的に吸収しながらも、電池モジュール１００の外装部材１５０の外面を十分に加圧できる弾性を持つ物質であれば制限なく適用することができる。
そのため、本実施形態による電池パック１０００は電池モジュール１００の両側面をビーム１３１０により電池モジュール１００の幅方向、言葉を変えれば電池セル積層体１２０の積層方向に弾性力を有し、電池モジュール１００で発生する電池セルのスウェリング現象を防止して、電池モジュールの寸法安定性を向上させることができる。
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
１１５ 圧縮パッド
１２０ 電池セル積層体
１５０ 外装部材
１７０ センシングブロック
１０００ 電池パック
１２００ 上部パックフレーム
１３００ 下部パックフレーム
１３１０ ビーム
１３４０ 熱伝導性樹脂層

Claims (14)

  1. 第１方向に沿って積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体；
    前記電池セル積層体の前後面および両側面を包む外装部材；および
    前記電池セル積層体の前後面に位置するセンシングブロックを含み、
    前記外装部材と前記電池セル積層体の前後面の間に前記センシングブロックが位置し、
    前記電池セル積層体の上下面が露出している、電池モジュール。
  2. 前記電池モジュールの前記外装部材の外面が露出している、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記外装部材は前記電池セルの幅と同じ幅を有するか、それより小さい幅を有する、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記外装部材は前記電池セル積層体の下部に隣接するように位置する、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記外装部材は弾性素材からなる、請求項３または４に記載の電池モジュール。
  6. 前記外装部材は前記弾性素材のフィルムが前記電池セル積層体の前後面および両側面をラップして形成される、請求項５に記載の電池モジュール。
  7. 前記外装部材は熱収縮チューブからなり、
    前記熱収縮チューブの上下面が開放されている、請求項５または６に記載の電池モジュール。
  8. 前記外装部材と前記電池セル積層体の両側面の間に圧縮パッドが位置する、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  9. 前記圧縮パッドは前記電池セル積層体の側面に沿って延びている、請求項８に記載の電池モジュール。
  10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の電池モジュールがパックフレームに取り付けられ、
    前記パックフレームは少なくとも二つの前記電池モジュールが取り付けられる下部パックフレームおよび前記少なくとも二つの電池モジュールの上部を覆う上部パックフレームを含む、電池パック。
  11. 前記下部パックフレームは前記電池モジュールが取り付けられる複数のモジュール領域を含み、
    前記複数のモジュール領域は前記下部パックフレームの一側面で他側面に向かって延びている複数のビームで区切られる、請求項１０に記載の電池パック。
  12. 前記電池セル積層体の両側面を包む前記外装部材の外面は前記ビームと互いに接する、請求項１１に記載の電池パック。
  13. 前記モジュール領域上に熱伝導性樹脂層がそれぞれ形成されている、請求項１１または１２に記載の電池パック。
  14. 前記電池セル積層体の下面は前記熱伝導性樹脂層と接する、請求項１３に記載の電池パック。
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