JP7195690B2 - 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２０２０年０４月１３日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４４８７７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の製造方法に関し、より詳細には冷却構造を有する電池モジュールおよびその製造方法に関する。

二次電池はモバイル機器および電気自動車などの多様な製品群でエネルギ源として多くの関心を集めている。このような二次電池は化石燃料を使用する既存製品の使用を代替できる有力なエネルギ資源であって、エネルギ使用にともなう副産物が発生しないため環境に優しいエネルギ源として脚光を浴びている。

最近、二次電池のエネルギ貯蔵源としての活用をはじめとして大容量二次電池構造に対する必要性が高まるにつれ、多数の二次電池が直列／並列に連結された電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。

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、電池セルからなる電池モジュールを構成し、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は複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、電池セル積層体を収容するモジュールフレームおよび複数の電池セルを冷却させるヒートシンクを含む。

図１は従来のヒートシンクと結合された電池モジュールを示す図である。

図１を参照すると、従来の電池モジュールは、複数の電池セル１０が積層形成された電池セル積層体、電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、前記モジュールフレームの底部２０と前記電池セル積層体の間に位置する熱伝導性樹脂層１５を含む。このような電池モジュールは、モジュールフレーム底部２０の下に形成されて複数の電池セル１０に冷却機能を提供するヒートシンク３０と結合して電池パックを形成することができる。このとき、ヒートシンク３０は、冷媒が流入する入口、冷媒が流出する出口、入口と出口を連結する冷却流路が形成された下部プレート３１、および下部プレート３１を覆う上部プレート２９を含む。ここで、電池モジュールの底部２０とヒートシンク３０の間に熱伝導層１８がさらに形成されてもよい。

従来には、電池モジュールおよび／または電池パックの冷却性能を向上させるために電池パック単位で別途の冷却構造、例えばヒートシンク３０を必要とする。したがって、冷却構造が複雑になる傾向があり、冷媒と電池セル積層体１０の間が上部プレート２９、モジュールフレーム底部２９などからなる多層構造で形成されることによって、電池セルを間接的に冷却しなければならないという限界があった。

本発明が解決しようとする課題は、冷却性能を向上させるための冷却構造の組立性を改善した電池モジュールおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の課題は以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は以下の記載から当業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の前後面をカバーするエンドプレート；および前記モジュールフレームの底部に形成されたヒートシンクに冷媒を供給するクーリングポートを含み、前記モジュールフレームは、前記モジュールフレームの底部が前記エンドプレートを超えるように延長形成されたモジュールフレーム突出部を含み、前記クーリングポートは前記モジュールフレーム突出部の上面部に形成され、前記エンドプレートは、前記クーリングポートと対応する部分に形成されたエンドプレート開口部および前記エンドプレート開口部をカバーするように形成される絶縁部材を含む。

前記エンドプレート開口部の高さは、前記クーリングポートの高さと同じであるか大きくてもよい。

前記クーリングポートは前記モジュールフレーム突出部の上面部の上に突出するように形成され得る。

前記モジュールフレーム突出部は前記エンドプレートのプレート面を基準として垂直方向に向かって延長形成され、前記エンドプレート開口部は前記モジュールフレーム突出部と接する部分に形成され得る。

前記エンドプレートの両端の上側には端子バスバーが形成され、前記エンドプレート開口部は前記端子バスバーと対応する部分に形成され得る。

前記絶縁部材は絶縁テープで形成され、前記絶縁テープの縁は前記エンドプレート開口部の周囲面に付着して前記エンドプレート開口部をカバーし得る。

前記モジュールフレーム突出部に対応するように形成されたヒートシンク突出部をさらに含み得る。

本発明の他の一実施形態による電池パックは前記電池モジュールを含む。

本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールの製造方法は、エンドプレート開口部が形成されたエンドプレートを製造する段階；前記エンドプレート開口部がモジュールフレームの底部から延長形成されたモジュールフレーム突出部上に位置するクーリングポートを通過するように前記エンドプレートを移動させる段階；前記エンドプレートを前記モジュールフレームに結合させる段階；および前記エンドプレート開口部をカバーするように絶縁部材を組み立てる段階を含む。

前記エンドプレートを前記モジュールフレームに結合させる段階で、前記エンドプレートは前記モジュールフレームの前後面の角が形成する面と垂直である方向に移動して前記モジュールフレームに結合され得る。

本発明の実施形態によれば、クーリングポートとエンドプレートの間の組み立て干渉がないためエンドプレートの組み立て工程が単純化されて組み立ての難易度が改善されることができる。

本発明の効果は以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求範囲の記載から当業者に明確に理解されることができる。

従来のヒートシンクと結合された電池モジュールを示す図である。 比較例として図示した電池モジュールを示す図である。 図２に形成されたエンドプレートの組み立ての際にクーリングポートによる干渉を示す図である。 図３のエンドプレートがクーリングポートを避けて組み立てられる姿を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。 図５のＡ部分を拡大した図であり、図５のエンドプレート開口部に絶縁部材が付着した姿を示す図である。 本発明の一実施形態によるエンドプレートが組み立てられる姿を示す図である。 本発明の一実施形態による絶縁部材が組み立てられた姿を示す図である。

以下に説明する実施形態は発明の理解を深めるために例示的に示したものであり、本発明はここで説明される実施形態と異なり多様に変形して実施できることが理解されなければならない。ただし、本発明を説明するにあたり関連する公知機能あるいは構成要素に係る具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合はその詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付する図面は発明の理解を深めるために実際の縮尺のとおりに示されたものでなく一部の構成要素のサイズを誇張して示されてもよい。

本出願で使われる第１、第２の用語は多様な構成要素を説明するために使われるが、構成要素は用語によって限定されない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使用される。

また、本出願で使われる用語は単に特定の実施形態を説明するために使われるものであり、権利範囲を限定することを意図しない。単数の表現は文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で「含む」、「からなる」または「構成される」などの用語は明細書上記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものが存在することを指定しようとするためであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものなどの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないものとして理解されなければならない。

以下、図５および図６を参照して、本発明の一実施形態によるクーリングポートが結合された電池モジュールについて説明する。

図５は本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。図６は図５のＡ部分を拡大した図面であり、図５のエンドプレート開口部に絶縁部材が付着した姿を示す図である。

図５および図６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は、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体１００、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２００、電池セル積層体１００の前後面をカバーするエンドプレート４００およびモジュールフレーム２００の底部に形成されたヒートシンク３００に冷媒を供給するクーリングポート５００を含む。モジュールフレーム２００はモジュールフレームの底部がエンドプレート４００を超えるように延長形成されたモジュールフレーム突出部２１１を含む。クーリングポート５００はモジュールフレーム突出部２１１の上面部に形成される。エンドプレート４００はクーリングポート５００と対応する部分に形成されたエンドプレート開口部４１０およびエンドプレート開口部４１０をカバーするように形成される絶縁部材６００を含む。

本実施形態による電池セルは二次電池として、パウチ型二次電池で構成されることができる。このような電池セルは複数で構成され得、複数の電池セルは相互電気的に接続するように相互積層されて電池セル積層体１００を形成することができる。複数の電池セルはそれぞれ電極組立体、セルケースおよび電極組立体から突出した電極リードを含み得る。

モジュールフレーム２００は電池セル積層体１００を収容する。本発明の一実施形態によれば、モジュールフレーム２００は電池セル積層体１００の下面および両側面をカバーする下部フレーム２１０、電池セル積層体１００の上面をカバーする上部プレート２２０を含み得る。モジュールフレーム２００の底部上でエンドプレートを超えるように延長形成されたモジュールフレーム突出部２１１を含む。モジュールフレーム突出部２１１の上側には後述するクーリングポート５００が安着する。

ただし、モジュールフレーム２００構造はこれに制限されず、電池セル積層体１００の前後面を除いて４面から囲むモノフレーム形態であり得る。

本実施形態による電池モジュール２００は、電池セル積層体１００の前後面をカバーするエンドプレート４００をさらに含み得る。上述したモジュールフレーム２００により内部に収容された電池セル積層体１００を物理的に保護することができる。

図５を参照すると、ヒートシンク３００はモジュールフレーム２００の下部に形成される。ヒートシンク３００は、ヒートシンク３００の骨格を形成してモジュールフレーム２００の底部と接触する下部プレート３１０、ヒートシンク３００の一側に形成されて外部からヒートシンク３００の内部に冷媒を供給する入口３２０、ヒートシンクの一側に形成されてヒートシンク内部で流動された冷媒がヒートシンクの外部に流出されるようにする出口３３０、入口３２０と出口３３０を連結して冷媒が流動する流路部３４０を含み得る。

具体的には、流路部３４０はモジュールフレーム２００の底部に該当する下部フレーム２１０の下面と接触する下部プレート３１０が下側に陥没形成された構造を指す。流路部３４０の上側は開放されることによって流路部３４０とモジュールフレーム２０５の底部の間に流路が形成され、前記流路を介して冷媒が流動する。すなわち、本実施形態による電池モジュール２００は、モジュールフレーム２００の底部がヒートシンク３００の上部プレートに対応する役割をする冷却一体型構造を有することができる。

従来にはモジュールフレームの下側に冷媒が流れる構造が別に形成されており、モジュールフレームを間接的に冷却しなければならないので、冷却効率が低下して別途の冷媒流動構造が形成されており、電池モジュールおよび電池モジュールが取り付けられた電池パック上の空間活用率が低くなる問題があった。しかし、本発明の一実施形態によれば、モジュールフレーム２００の下部にヒートシンク３００を一体化させた構造を採用し、流路部３４０とモジュールフレーム２００の底部の間に冷媒が直接流動できるようになり、直接冷却による冷却効率が上昇し、ヒートシンク３００がモジュールフレーム２００の底部と一体化した構造により電池モジュールおよび電池モジュールが取り付けられた電池パック上の空間活用率をより向上させることができる。

下部プレート３１０はモジュールフレーム２００の底部と対応するように形成されることができる。モジュールフレーム２００の底部は下部フレーム２１０の底部に該当し、下部プレート３１０と下部フレーム２１０の底部は溶接で結合され得、下部プレート３１０により電池モジュール全体の剛性を補強することができる。下部プレート３１０と下部フレーム２１０の底部は溶接結合により密封されることによって、下部プレート３１０の内側に形成された流路部３４０から冷媒が漏出することなく流動することができる。

入口３２０と出口３３０はいずれもヒートシンク３００の一辺に形成される。より詳細には、入口３２０と出口３３０はいずれもエンドプレート４００が位置した部分に形成されたヒートシンク３００の一辺に形成される。入口３２０と出口３３０はヒートシンク３００の一辺の両端にそれぞれ位置する。入口３２０と出口３３０は、モジュールフレーム突出部２１１の下面部と連結されるように、モジュールフレーム突出部２１１と対応する位置に形成される。ヒートシンク３００はモジュールフレーム突出部２１１に対応するように形成されたヒートシンク突出部３００ｐを含み、入口３２０と出口３３０はヒートシンク３００の一辺から突出形成されたヒートシンク突出部３００ｐ上に位置する。

流路部３４０はベンディングされることによりモジュールフレーム２００の底部をカバーするように形成される。流路部３４０はモジュールフレーム２００の底部の下部プレート３１０がモジュールフレーム２００の底部と接触した部分を除いた大部分の領域に形成されることによって、モジュールフレーム２００の底部の上側でモジュールフレーム２００の底部の大部分の面積を占めるように配置された電池セル積層体１００のすべての部分が均等に冷却されるようにすることができる。

流路部３４０がベンディングされる部分は曲面に形成される。そのため、隔壁３５０がベンディングされる部分も曲面に形成される。流路部３４０に角ばった角の部分が形成される場合、角ばった角の部分で冷媒の流動が停滞して温度偏差および圧力降下が大きくなる恐れがある。これと関連して、本発明の一実施形態のようにベンディングされる部分は曲面処理すると冷媒の流動がスムーズに行われるようにすることができる。

クーリングポート５００はモジュールフレーム突出部２１１の上面部と連結されてモジュールフレーム突出部２１１を介してヒートシンク３００に冷媒を供給する。クーリングポート５００はモジュールフレーム突出部２１１の上面部の上に突出するように形成される。より詳細には、クーリングポート５００と連結されたモジュールフレーム突出部２１１上には連結具が形成され、連結具はヒートシンク３００の入口３２０および出口３３０と連結される。したがって、クーリングポート５００を介して供給される冷媒はモジュールフレーム突出部２１１上に形成された連結具およびヒートシンク突出部３００ｐに形成された入口３２０を順に通過してヒートシンク３００の内部に流入する。また、ヒートシンク３００の内部を循環した冷媒はヒートシンク突出部３００ｐに形成された出口３３０、モジュールフレーム突出部２１１に形成された連結具を順に通過してクーリングポート５００を介して外部に排出される。

エンドプレート４００上には、クーリングポート５００と対応する部分に形成されたエンドプレート開口部４１０を含む。エンドプレート開口部４１０は、クーリングポート５００が通過できる大きさで形成される。例えば、エンドプレート開口部４１０の高さはクーリングポート５００の高さと同じであるか大きくてもよい。これによりエンドプレート４００をモジュールフレーム２００に組み立てる場合、エンドプレート４００をクーリングポート５００を通過する方向に組み立てることができる。前記組み立ての際、クーリングポート５００がエンドプレート開口部４１０を通過するようにエンドプレート４００が移動するので、エンドプレート開口部４１０は詰まった部分はなくエンドプレート本体を完全に貫くように形成されることができる。

モジュールフレーム突出部２１１は、エンドプレート４００のプレート面を基準として垂直方向に向かって延長形成され、エンドプレート開口部４１０はモジュールフレーム突出部２１１と接する部分に形成される。クーリングポート５００がモジュールフレーム突出部２１１と連結されているのでエンドプレート開口部４１０もエンドプレート本体の下端が開放されるように形成されて開口部４１０の下端がモジュールフレーム突出部２１１と接するように形成される。また、モジュールフレーム突出部２１１がエンドプレート４００のプレート面を基準として垂直方向に延びるので、エンドプレート４００が結合されるモジュールフレーム２００の角が形成する面と垂直である方向にモジュールフレーム突出部２１１からの干渉を受けることなく組み立てられる。

エンドプレートの両端の上側には端子バスバー４２０が形成され、エンドプレート開口部４１０は端子バスバー４２０と対応する部分に形成される。

絶縁部材６００はクーリングポート５００と対応する部分に形成されたエンドプレート開口部４１０をカバーするように形成される。エンドプレート開口部４１０を介してエンドプレートの内部に位置したバスバーが外部に露出する危険性があるので、エンドプレート開口部４１０に絶縁部材６００を組み立て電池モジュールの内外部の電気的連結を遮断させることができる。

本発明の一実施形態による絶縁部材６００は絶縁テープで形成される。絶縁テープの縁はエンドプレート開口部４１０の周囲面に付着してエンドプレート開口部４１０をカバーする。ただし、絶縁部材６００の種類は絶縁テープに限定されず、絶縁可能な材料または部品に多様に適用することができる。

以下、図５ないし図８を参照して、本発明の一実施形態によるクーリングポートが結合された電池モジュールの製造方法について図２ないし図４に示された比較例と比較して説明する。

図２は比較例として図示した電池モジュールを示す図である。図３は図２に形成されたエンドプレートの組み立て際のクーリングポートによる干渉を示す図である。図４は図３のエンドプレートがクーリングポートを避けて組み立てられる姿を示す図である。図７は本発明の一実施形態によるエンドプレートが組み立てられる姿を示す図である。図８は本発明の一実施形態による絶縁部材が組み立てられた姿を示す図である。

図７および図８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の製造方法は、エンドプレート開口部４１０が形成されたエンドプレート４００を製造する段階、エンドプレート開口部４１０がクーリングポート５００を通過するようにエンドプレート４００を移動させ、エンドプレート４００をモジュールフレーム２００に結合させる段階（図７）および絶縁部材６００をエンドプレート開口部４１０をカバーするように組み立てる段階（図８）を含む。

エンドプレート４００をモジュールフレーム２００に結合させる段階で、エンドプレート４００はモジュールフレーム２００の前後面の角が形成する面と垂直である方向に移動してモジュールフレームに結合される。

図２ないし図４を参照すると、本発明の比較例による電池モジュールは、電池セル積層体を収容するモジュールフレーム４０、電池セル積層体の前後面をカバーするエンドプレート５０、モジュールフレーム４０の底部から突出形成されたモジュールフレーム突出部６０、モジュールフレーム突出部６０の上面部に形成されたクーリングポート７０を含み得る。

従来のクーリングポート７０はモジュールフレーム４０の製作の際にモジュールフレーム突出部６０と結合され、モジュールフレームアセンブリを形成した状態でエンドプレート５０を組み立てる。このとき、図３に示すように、エンドプレート５０をエンドプレートの付着面と垂直である方向に組み立てるとき、モジュールフレーム突出部６０から上側に突出したクーリングポート７０によって組み立ての際に干渉が発生し得る。したがって、エンドプレート５０を組み立てるために、図４に示すようにクーリングポート７０とモジュールフレーム４０の間の空間に向かってエンドプレート５０を垂直にたてた状態でモジュールフレーム突出部６０が位置した下側方向に移動させ、その後再びエンドプレート５０をエンドプレートの付着面と垂直である方向に移動させて組み立てる。

図４に示すようにエンドプレート５０を２段階にわたって組み立てなければならないので、組み立て工程が複雑になり、エンドプレート５０をモジュールフレーム４０の角の部分と結合させるために高い移送精密度が求められる問題があった。

そこで、本発明の一実施形態による電池モジュールの製造方法は、クーリングポート５００と対応する位置でクーリングポート５００が通過できる大きさを有するエンドプレート開口部４１０が形成されたエンドプレート４００を設け、エンドプレート開口部４１０がクーリングポートを通過する方向にエンドプレート４００を移動させる工程だけでエンドプレート４００とモジュールフレーム２００が組み立てられるようにすることによって、比較例による２段階の組み立てが不要になり、組み立て工程が単純になり、組立性が向上することができる。

また、エンドプレート開口部４１０を介してバスバーが外部に露出されるなどの理由で電池モジュールの絶縁性能に問題が発生する恐れがあるので、エンドプレート４００の組み立て完了後に絶縁部材６００をエンドプレート開口部４１０に組み立てることによって電池モジュールの絶縁性能を確保することができる。

上述した電池モジュールは電池パックに含まれ得る。電池パックは、本実施形態による電池モジュールを一つ以上集めて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）と冷却装置などを追加してパッキングした構造であり得る。

前記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搬送手段に適用されるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュール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図示して説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく当該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よって多様な変形実施が可能であることはもちろんであり、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別に理解されてはならない。

１０ 電池セル
１０ 電池セル積層体
２０ 底部
３０ ヒートシンク
４０ モジュールフレーム
５０ エンドプレート
６０ モジュールフレーム突出部
７０ クーリングポート
１００ 電池セル積層体
２００ モジュールフレーム
２０５ モジュールフレーム
２１０ 下部フレーム
２１１ モジュールフレーム突出部
２２０ 上部プレート
３００ ヒートシンク
３００ｐ ヒートシンク突出部
４００ エンドプレート
４１０ エンドプレート開口部
４２０ 端子バスバー
５００ クーリングポート
６００ 絶縁部材

Claims (10)

1. 複数の電池セルが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の前後面をカバーするエンドプレート；および
   前記モジュールフレームの底部に形成されたヒートシンクに冷媒を供給するクーリングポートを含み、
   前記モジュールフレームは、前記モジュールフレームの前記底部が前記エンドプレートを超えるように延長形成されたモジュールフレーム突出部を含み、
   前記クーリングポートは前記モジュールフレーム突出部の上面部に形成され、
   前記エンドプレートは、前記クーリングポートと対応する部分に形成されたエンドプレート開口部および前記エンドプレート開口部をカバーするように形成される絶縁部材を含む、電池モジュール。
2. 前記エンドプレート開口部の高さは、前記クーリングポートの高さと同じであるか大きい、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記クーリングポートは前記モジュールフレーム突出部の前記上面部の上に突出するように形成される、請求項１または２に記載の電池モジュール。
4. 前記モジュールフレーム突出部は前記エンドプレートのプレート面を基準として垂直方向に向かって延長形成され、
   前記エンドプレート開口部は前記モジュールフレーム突出部と接する部分に形成される、請求項１～３の何れか一項に記載の電池モジュール。
5. 前記エンドプレートの両端の上側には端子バスバーが形成され、
   前記エンドプレート開口部は前記端子バスバーと対応する部分に形成される、請求項１～４の何れか一項に記載の電池モジュール。
6. 前記絶縁部材は絶縁テープで形成され、前記絶縁テープの縁は前記エンドプレート開口部の周囲面に付着して前記エンドプレート開口部をカバーする、請求項１～５の何れか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記モジュールフレーム突出部に対応するように形成されたヒートシンク突出部をさらに含む、請求項１～６の何れか一項に記載の電池モジュール。
8. エンドプレート開口部が形成されたエンドプレートを製造する段階；
   前記エンドプレート開口部がモジュールフレームの底部から延長形成されたモジュールフレーム突出部上に位置するクーリングポートを通過するように前記エンドプレートを移動させる段階；
   前記エンドプレートを前記モジュールフレームに結合させる段階；および
   前記エンドプレート開口部をカバーするように絶縁部材を組み立てる段階を含む、電池モジュールの製造方法。
9. 前記エンドプレートを前記モジュールフレームに結合させる段階で、
   前記エンドプレートは前記モジュールフレームの前後面の角が形成する面と垂直である方向に移動して前記モジュールフレームに結合される、請求項８に記載の電池モジュールの製造方法。
10. 請求項１～７の何れか一項による電池モジュールを含む、電池パック。

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