JP7062186B2 - 電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１８年１２月５日付韓国特許出願第１０－２０１８－０１５５５１６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の製造方法に関し、より詳細にはモジュールの冷却性能を向上させるための構成を安定的に達成できる電池モジュールおよびその製造方法に関する。

モバイル機器に対する技術開発と需要の増加につれ、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加している。そのため、多様な要求に応える二次電池に対する研究が多く行われている。

二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートブック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ー源としても多くの関心を集めている。

携帯電話、カメラなどの小型デバイスには一つの電池セルがパックキングされている小型電池パックが使われるが、ノートブック、電気自動車などの中大型デバイスには二つまたはそれ以上の電池セルを並列および／または直列連結した電池パックがパックキングされている中型または大型電池パックが使われている。したがって、前記電池パックに含まれる電池セルの個数は求められる出力電圧または充放電容量に応じて多様に設定することができる。

一方、複数の電池セルを直列／並列連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一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一つの電池モジュールを用いてその他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、求められる電池容量の増加に応じて電池セルで発生する熱を効率的に冷却させる技術の重要性が次第に大きくなっている。このために、電池モジュールで放熱樹脂材をケースの内部に塗布して熱伝導性を向上させることができる構造が導入された。

しかし、このような電池モジュールにおいてケースの内部に注入口を介して放熱樹脂材を注入する場合は、放熱樹脂材が指定された領域に安定的に塗布されず、少ない量で塗布されたり、溢れて塗布されて冷却性能に悪影響を与えたりコストが上昇する問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであり、放熱樹脂材を安定的に塗布して優れた注液品質および冷却性能を有し、製造工程のコストを節減して効率を向上させた電池モジュールおよびその製造方法を提供する。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張することができる。

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、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体、前記電池セル積層体を収納して前記電池セル積層体の長さ方向に開放された少なくとも一つの開口を有するモノフレームであって、前記電池セル積層体の積層面に垂直である上部プレートおよび下部プレートと前記電池セル積層体の積層面に対してと平行である一対の側面プレートとを含むモノフレーム、前記電池セル積層体と前記モノフレームとの間に位置する外側膨張制御パッド、および前記電池セル積層体と前記下部プレートとの間に位置する放熱樹脂材、を含み、前記外側膨張制御パッドは、前記電池セル積層体の一面を覆い、前記電池セル積層体と前記一対の側面プレートとの間に位置する２個の本体部と、前記２個の本体部を連結し、かつ前記電池セル積層体と前記下部プレートとの間で前記電池セル積層体の辺に沿って形成された２個のブリッジ部とを含む。

前記放熱樹脂材は、前記２個の本体部及び前記２個のブリッジ部によって形成された空間内に位置し得る。

前記下部プレートは、前記放熱樹脂材を注入するための複数の注入孔を備え得る。

前記放熱樹脂材は、サーマルレジン（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）であり得る。

前記複数の電池セルの間に位置する複数の内側膨張制御パッドをさらに含み得る。

前記外側膨張制御パッドおよび前記複数の内側膨張制御パッドは、ポリウレタンまたはＥＤＰＭ（Ｅｔｈｌｅｎｅ ＰｒｏｐｙｌｅｎｅＤｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）を含み得る。

本発明の他の実施形態による電池モジュールの製造方法は、複数の電池セルが、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体を製造する段階、前記電池セル積層体の最外側に位置する前記電池セルを覆う２個の本体部と前記２個の本体部を連結し、かつ前記電池セル積層体の辺に沿って形成された２個のブリッジ部とを含む外側膨張制御パッドを形成する段階、前記外側膨張制御パッドが形成された前記電池セル積層体をモノフレームに収容する段階、および前記モノフレームと前記電池セル積層体との間で前記２個の本体部及び前記２個のブリッジ部によって形成された空間内に放熱樹脂材を注入する段階を含む。

前記放熱樹脂材が注入される時、前記２個の本体部及び前記２個のブリッジ部は放熱樹脂材が外側に流れ落ちることを防止するダムの役割をし得る。

前記モノフレームは、前記電池セル積層体の長さ方向に開放された少なくとも一つの開口を有し、前記電池セル積層体の積層面に垂直である上部プレートおよび下部プレートと前記電池セル積層体の積層面に対して平行である一対の側面プレートとを含み、前記放熱樹脂材は、前記モノフレームの下部プレートと前記電池セル積層体との間に注入され得る。

前記放熱樹脂材の注入は、前記下部プレートが重力方向で上部に向かうように電池モジュールを配置した状態で行われ得る。

前記下部プレートは、前記放熱樹脂材を注入するための複数の注入孔を備え得る。

実施形態によれば、放熱樹脂材を注入した電池モジュールにおいて特別な追加工程の付加がなくとも放熱樹脂材を安定的に塗布して優れた注液品質および冷却性能を有し、製造工程のコストを節減して効率を向上させた電池モジュールおよびその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図１Ａに示す電池モジュールを１８０度ひっくり返した状態を示す斜視図である。 図１Ｂでモノフレームを除去した状態を示す斜視図である。 図１ＡのＩＩＩ－ＩＩＩ’線に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外側膨張制御パッドを示す展開図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの製造方法を示すフローチャートである。

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又は類似する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、本発明が必ずしも図示されたものに限定されない。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拡大して示した。そして、図面において、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、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「上」または「上に」あるという時、これは他の部分の「真上に」ある場合だけでなく、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「真上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「上」または「上に」あるという場合は基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上」または「上に」位置することを意味するものではない。

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、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象の部分を上から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象の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１Ａ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り、図１Ｂは図１Ａに示す電池モジュールを１８０度ひっくり返した状態を示す斜視図である。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、本発明の一実施形態による電池モジュール１００は、電池セル１１２が積層された電池セル積層体１１０および前記電池セル積層体１１０が収納されるモノフレーム１２０を含んで構成される。

前記電池セル積層体１１０は、複数の電池セル１１２を含む二次電池の集合体である。電池セル積層体１１０は複数の電池セル１１２を含み得、それぞれの電池セルは電極リード１１４を含む。電池セル１１２は、板状を有するパウチ型電池セルであり得るが、これに限定されるものではない。前記電極リード１１４は、陽極リードまたは陰極リードであり、各電池セル１１２の電極リード１１４は端部が一方の方向に曲がることができ、これによって隣接する他の電池セル１１２が有する電極リードの端部と当接し得る。互いに当接した２個の電極リード１１４は互いに溶接などにより固定されることができ、これにより電池セル積層体１１０内部の電池セル１１２間の電気的接続が行われる。

複数の電池セル１１２は、電極リード１１４が一側方向に整列するように垂直積層されて電池セル積層体１１０をなす。前記電池セル積層体１１０は電池セル積層体１１０の長さ方向に開放された少なくとも一つの開口１２８を有し、前記電池セル積層体１１０の積層面に垂直である上部プレート１２２および下部プレート１２６と前記電池セル積層体１１０の積層面に対して平行である一対の側面プレート１２４とを含むモノフレーム１２０に収納される。この時、前記電極リード１１４は前記開口１２８を介して露出し、開口１２８は電極リード１１４を外部と電気的に接続する構成を含むエンドプレート（図示せず）などによって覆われる。

モノフレーム１２０の下部プレート１２６には、後述の放熱樹脂材２００を注入するための複数の注入孔１２９が形成されている。すなわち、モノフレーム１２０内に電池セル積層体１１０が収納された状態で、図１Ｂに示すように下部プレート１２６が上にくるように電池モジュール１００を配置し、下部プレート１２６の注入孔１２９を介して放熱樹脂材２００が注入される。これに関する詳細な説明は後述する。

以下、図１Ａおよび図１Ｂとともに図２ないし図４を参照してモノフレーム１２０内に位置する放熱樹脂材２００および膨張制御パッド（３００，４００）について説明する。

図２は図１Ｂでモノフレームを除去した状態を示す斜視図であり、図３は図１ＡのＩＩＩ－ＩＩＩ’線に沿って切断した断面図であり、図４は本発明の一実施形態による外側膨張制御パッドを示す展開図である。

放熱樹脂材２００は電池セル積層体１１０と下部プレート１２６との間に位置する。放熱樹脂材２００は電池セル積層体１１０から発生する熱を外部に放出できるように熱伝導物質からなり、例えばサーマルレジンで構成することができる。このようなサーマルレジンの例としてはシリコン、ウレタン、エポキシなどが挙げられる。

放熱樹脂材２００は、下部プレート１２６に形成された注入孔１２９を介して注入される。この際、注入時樹脂の注入量を適宜調整し、所望する部分、すなわち電池セル積層体１１０と下部プレート１２６との間にのみ十分に注入することができる。仮に、注入量が少なすぎる時には放熱樹脂材２００が下部プレート１２６全面にわたって等しく形成されることができず、熱放出が十分に行われない問題が発生する。また、注入量が過度に多い時には放熱樹脂材２００が不必要な部分にまで流れ、原料損失による製造コストの上昇および放熱樹脂材２００が溢れた部分の品質が低下する問題が発生する。したがって、放熱樹脂材２００の注入量を適宜制御して所望する空間にのみ放熱樹脂材２００が形成されるようにする必要がある。

このために、本実施形態では図２および図３に示すように外側膨張制御パッド３００を活用して放熱樹脂材２００の注入空間を確保した。外側膨張制御パッド３００は、電池セル積層体１１０とモノフレーム１２０との間に位置し、より具体的には電池セル積層体１１０の一面を覆い、電池セル積層体１１０と一対の側面プレート１２４との間に位置する２個の本体部３１０と、前記２個の本体部３１０を連結し、かつ電池セル積層体１１０と下部プレート１２６との間で電池セル積層体１１０の辺に沿って形成された２個のブリッジ部３２０と、を含む。

放熱樹脂材２００は、前記２個の本体部３１０と前記２個のブリッジ部３２０に形成された空間内に位置する。図２に示すように、２個の本体部３１０が電池セル積層体１１０の両面に接するように位置する時、電池セル積層体１１０の高さより突出した部分が、放熱樹脂材２００が位置する空間の長辺を構成し、電池セル積層体１１０と下部プレート１２６との間に位置する２個のブリッジ部３２０が、放熱樹脂材２００が位置する空間の短辺を構成する。これによって、下部プレート１２６と電池セル積層体１１０との間に、２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０により区切られる空間が形成され、下部プレート１２６の注入孔１２９を介して放熱樹脂材２００が該当空間内を埋めるように注入される。

この時、上述の２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０が、放熱樹脂材２００が溢れないように防ぐダムの役割をする。すなわち、放熱樹脂材２００が過度に注入される場合、電池セル積層体１１０の縁部などに沿って放熱樹脂材２００が流れ落ちるが、本実施形態によれば、ダムの役割をする２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０により、放熱樹脂材２００が流れ落ちることなく所望する部分にのみ注入される効果を得ることができる。

特に、本実施形態ではこのようなダムの役割のために追加の部品や設計などの付加することなく膨張制御のために備えるパッドの裁断のみを異なるようにして容易に前記効果を達成することができる。すなわち、図４に示すように、電池セル積層体１１０の積層面に対応する２個の本体部３１０と、これらを連結し、電池セル積層体１１０の辺に沿って形成される２個のブリッジ部３２０とが互いにすべて連結されて一体に形成されるため、このような形状に膨張制御パッドを裁って電池セル積層体１１０に適用することだけで放熱樹脂材２００が注入され得る空間Ａを得ることができる。

また、２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０がダムの役割をするので、放熱樹脂材２００に対して別途精密な制御をしなくても一定の注入量までは溢れることなく放熱樹脂材２００を注入できるので、注入量の制御のために多数の注入孔を備えなくても良い。したがって、注入設備を簡素化することができる。

２個の本体部３１０が電池セル積層体１１０から突出した部分の高さおよび２個のブリッジ部３２０の厚さは、放熱樹脂材２００の種類および粘度などを考慮して適宜選択し得、特に限定されない。

膨張制御パッドとしては、電池セル積層体１１０の内部で、電池セル１１２の間に位置する複数の内側膨張制御パッド４００をさらに含み得る。内側膨張制御パッド４００は、電池セル積層体１１０の積層面と略同じ面積を有することができ、３個ないし４個の電池セル１１２が積層されるたびに一つずつ挿入されるが、特に限定されるものではなく、必要に応じてその数字および厚さを適宜調整することができる。

内側膨張制御パッド４００および外側膨張制御パッド３００は、電池セル１１２が膨張する場合、圧縮されて緩衝作用をすることによってセルスエリングを制御することができる。したがって、電池セル１１２の膨張による電池セル１１２およびモノフレーム１２０の損傷を防止することができる。このために、前記内側膨張制御パッド４００および外側膨張制御パッド３００は、ポリウレタン（ＰＵ）またはＥＤＰＭ（Ｅｔｈｌｅｎｅ ＰｒｏｐｙｌｅｎｅＤｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）などのようなソフトな弾性材質を有する素材を含み得る。これらの素材は振動に対する吸水性および圧縮による反発力に優れるので、複数の電池セル１１２にセルスエリング現象が発生しても優れた寸法安定性を有する電池モジュール１００を提供できるようにガイドすることができる。

以上のように、２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０を有する外側膨張制御パッド３００が、電池セル積層体１１０とモノフレーム１２０の下部プレート１２６との間に注入される放熱樹脂材２００が流れないようにダムの役割をすることによって特別な追加工程の付加がなくとも放熱樹脂材２００を安定的に塗布して優れた注液品質および冷却性能を有し、製造工程のコストを節減して効率を向上させた電池モジュール１００を提供することができる。

以下、図５をさらに参照して本発明の一実施形態による電池モジュールの製造方法について説明する。

図５は本発明の一実施形態による電池モジュールの製造方法を示すフローチャートである。

先に、複数の電池セル１１２を積層して電極リード１１４に連結して電池セル積層体１１０を形成する（Ｓ１０）。

この時、複数の電池セル１１２の間に複数の内側膨張制御パッド４００を共に積層して形成することができる。

次いで、電池セル積層体１１０の最外側に位置する電池セルを覆う２個の本体部３１０と前記２個の本体部３１０を連結し、かつ前記電池セル積層体１１０の辺に沿って形成された２個のブリッジ部３２０を含む外側膨張制御パッド３００を形成する（Ｓ２０）。

すなわち、電池セル積層体１１０の積層面に対応する２個の本体部３１０と、これらを連結する２個のブリッジ部３２０とが互いにすべて連結されて一体に形成された形態で図４のように膨張制御パッドを裁って外側膨張制御パッド３００を形成する。そして、前記外側膨張制御パッド３００の２個の本体部３１０が電池セル積層体１１０の最外側に位置する電池セルをそれぞれ覆うように配置する。そのため２個の本体部３１０の間に位置する２個のブリッジ部３２０が電池セル積層体１１０の２個の辺に沿って位置するように配置する。

次いで、電池セル積層体１１０と外側膨張制御パッド３００の結合体をモノフレーム１２０の内部に収納する（Ｓ３０）。

この時、２個のブリッジ部３２０がモノフレーム１２０の下部プレート１２６側に位置し、２個の本体部３１０がモノフレーム１２０の側面プレート１２４とそれぞれ対向するように配置する。電池セル積層体１１０の電極リード１１４はモノフレーム１２０の開口１２８を介して露出する。この時、開口１２８を電極リード１１４と外部を電気的に接続する構成を含むエンドプレート（図示せず）などで覆うことができる。

次いで、モノフレーム１２０を１８０度回転して下部プレート１２６が重力方向で上部に向かうようにした後、下部プレート１２６に形成された複数の注入孔１２９を介して放熱樹脂材２００を注入する（Ｓ４０）。

この時、上述の２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０が、放熱樹脂材２００が溢れないように防ぐダムの役割をする。すなわち、放熱樹脂材２００が過度に注入される場合、電池セル積層体１１０の縁部などに沿って放熱樹脂材２００が流れ落ちるが、本実施形態によれば、ダムの役割をする２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０により、放熱樹脂材２００が流れ落ちることなく、所望する部分にのみ注入される効果を得ることができる。

注入される放熱樹脂材２００の粘度は、２００ｋＣｐ～３００ｋＣｐであり得る。ただし、本発明の構造を適用する場合、ダムの役割をする２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０を含むので、動的流れ性、粘度、樹脂タイプなどの樹脂の特性とは関係なく放熱樹脂材２００を所望する領域に塗布させることができるだけでなく、所望しない領域に流れ落ちることを防止できるので、放熱樹脂材２００の粘度も特に限定されず適用可能である。

液状で注入された放熱樹脂材２００は注入が完了して自然硬化することによって完成することができる。

以上のように、２個の本体部３１０および２個のブリッジ部３２０を有する外側膨張制御パッド３００が、電池セル積層体１１０とモノフレーム１２０の下部プレート１２６との間に注入される放熱樹脂材２００が流れないようにダムの役割をする状態で放熱樹脂材２００を注入することによって、特別な追加工程を付加しなくとも放熱樹脂材２００を安定的に塗布して優れた注液品質および冷却性能を有し、製造工程のコストを節減して効率を向上させた電池モジュール１００の製造方法を提供することができる。

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、次の請求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：電池セル積層体
１２０：モノフレーム
２００：放熱樹脂材
３００：外側膨張制御パッド

Claims (9)

1. 複数の電池セルが、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体、
   前記電池セル積層体を収納して前記電池セル積層体の長さ方向に開放された少なくとも一つの開口を有するモノフレームであって、前記電池セル積層体の積層面に垂直である上部プレートおよび下部プレートと前記電池セル積層体の積層面に対して平行である一対の側面プレートとを含むモノフレーム、
   前記電池セル積層体と前記モノフレームとの間に位置する外側膨張制御パッド、および
   前記電池セル積層体と前記下部プレートとの間に位置する放熱樹脂材、
   を含み、
   前記外側膨張制御パッドは、前記電池セル積層体の一面を覆い、前記電池セル積層体と前記一対の側面プレートとの間に位置する２個の本体部と、前記２個の本体部を連結し、かつ前記電池セル積層体と前記下部プレートとの間で前記電池セル積層体の辺に沿って形成された２個のブリッジ部とを含み、
   前記放熱樹脂材は、前記２個の本体部及び前記２個のブリッジ部によって形成された空間内に位置し、
   前記下部プレートは、前記放熱樹脂材を注入するための複数の注入孔を備える、電池モジュール。
2. 前記放熱樹脂材は、サーマルレジン（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）である、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記複数の電池セルの間に位置する複数の内側膨張制御パッドをさらに含む、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記外側膨張制御パッドおよび前記複数の内側膨張制御パッドは、ポリウレタンまたはＥＤＰＭ（Ｅｔｈｌｅｎｅ ＰｒｏｐｙｌｅｎｅＤｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）を含む、請求項３に記載の電池モジュール。
5. 複数の電池セルが、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体を製造する段階；
   前記電池セル積層体の最外側に位置する前記電池セルを覆う２個の本体部と前記２個の本体部を連結し、かつ前記電池セル積層体の辺に沿って形成された２個のブリッジ部とを含む外側膨張制御パッドを形成する段階；
   前記外側膨張制御パッドが形成された前記電池セル積層体をモノフレームに収容する段階；および
   前記モノフレームと前記電池セル積層体との間で前記２個の本体部及び前記２個のブリッジ部によって形成された空間内に放熱樹脂材を注入する段階を含む、電池モジュールの製造方法。
6. 前記放熱樹脂材が注入される時、前記２個の本体部及び前記２個のブリッジ部は放熱樹脂材が外側に流れ落ちることを防止するダムの役割をする、請求項５に記載の電池モジュールの製造方法。
7. 前記モノフレームは、前記電池セル積層体の長さ方向に開放された少なくとも一つの開口を有し、前記電池セル積層体の積層面に垂直である上部プレートおよび下部プレートと前記電池セル積層体の積層面に対して平行である一対の側面プレートとを含み、
   前記放熱樹脂材は、前記モノフレームの下部プレートと前記電池セル積層体との間に注入される、請求項５又は６に記載の電池モジュールの製造方法。
8. 前記放熱樹脂材の注入は、前記下部プレートが重力方向で上部に向かうように電池モジュールを配置した状態で行われる、請求項７に記載の電池モジュールの製造方法。
9. 前記下部プレートは、前記放熱樹脂材を注入するための複数の注入孔を備える、請求項７又は８に記載の電池モジュールの製造方法。

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