JP7216809B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Description

関連出願との相互引用
本出願は、２０１９年１０月２４日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１３３０５５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全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。

本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より詳細には、絶縁油を活用した電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。

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においてエネルギー源として大きな関心を受けている。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ー資源であって、エネルギー使用による副産物が発生せず、環境にやさしいエネルギー源として脚光を浴びている。

最近、二次電池のエネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量の二次電池構造に対する必要性が高まり、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、複数個の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、少なくとも一つの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利用してその他の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、電池セルから突出形成された電極リード、上下左右面で形成されて電池セル積層体の上下左右面を覆うフレーム、および電池セル積層体の前後面を覆うエンドプレートを含む。

リチウムイオン電池モジュールは、高温で寿命の劣化が加速されるため、適正温度で使用することが重要である。このために大部分のリチウムイオン電池モジュールは、空冷または水冷方式で冷却を行うが、既存の冷却構造は数段階の界面を経て冷却を行う方式を採用している。ただし、各界面は熱抵抗を高め、各部品は車両の重量を増加させるという問題がある。

また電池モジュールの正極とケースは、常時絶縁性能を維持しなければならず、高い電圧が印加されても破壊されてはならない。しかし、電池モジュールの重量、体積低減のためのレイアウト設計だけでは十分な絶縁距離を確保することが難しいという問題がある。

図１は従来の電池モジュールを示す分解斜視図である。

従来は複数の電池セルが積層形成された電池セル積層体１０、電池セル積層体１０を収容するフレーム２０、電池セル積層体１０の下側とフレーム２０下面との間に形成されて熱を伝達するサーマルレジン３０、サーマルレジン３０の下側に位置して熱を伝達するサーマルパッド４０、サーマルパッド４０の下側に位置して熱を伝達するヒートシンク５０の構成を通じて、複数の電池セルで発生する熱を外部に排出する機能を果たした。

しかし、前述のように数段階の構成を経て冷却を行う従来の冷却システムは、それぞれ構成が追加されることによって電池モジュールの重量が増加し、各構成段階を経ることによる熱抵抗が上昇し、電池モジュールの体積低減のための構成要素の密集化によって電池モジュールの正極とケース間の絶縁距離の確保が難しいという問題があった。

本発明の解決しようとする課題は、重量および熱抵抗を低め、絶縁性能を確保する電池モジュールおよびこれを含む電池パック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、言及されていない他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

前記課題を実現するための本発明の一実施形態による電池モジュールは、エッジ面および平坦面で形成された電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セルから突出形成された電極リード、上下左右面で形成されて前記電池セル積層体の上下左右面を覆うフレーム、および前記電池セル積層体の前後面を覆うエンドプレートを含み、前記電池セルの前記エッジ面と、前記フレームおよび前記エンドプレートとの間には空間部が形成され、前記空間部には前記複数の電池セルを冷却させる絶縁油が満たされて流動し、前記絶縁油は前記電池セルおよび前記電極リードと接触する。

前記空間部は、前記電池セル積層体の前面に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記電池セル積層体の前面を覆う第１エンドプレートとの間に形成された第１空間部、前記電池セル積層体の上側に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記フレームの上面との間に形成された第２空間部、前記電池セル積層体の下側に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記フレームの下面との間に形成された第３空間部、および前記電池セル積層体の後面に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記電池セル積層体の後面を覆う第２エンドプレートとの間に形成された第４空間部を含むことができる。

前記第１空間部及び前記第４空間部は、互いに隣接する２個の電池セルに形成された前記エッジ面と前記エンドプレートとの間の空間に形成され得る。

前記第２空間部及び前記第３空間部は、互いに隣接する２個の電池セルに形成された前記エッジ面と前記フレームとの間の空間に形成され得る。

前記絶縁油は、前記電池セル積層体の前記第１空間部から、前記第２空間部または前記第３空間部を通過して、前記第４空間部に流動することができる。

前記第１エンドプレートの上端には、前記絶縁油が供給される供給部が形成され、前記第２エンドプレートの下端には、前記絶縁油が排出される排出部が形成されてもよい。

前記電極リードは、前記電池セルの両端から前記第１空間部及び前記第４空間部にそれぞれ突出形成されて、前記第１空間部及び前記第４空間部で流動する前記絶縁油と接触することができる。

前記エンドプレートと前記フレームとは接着剤で結合され、前記接着剤を通じて前記エンドプレート及び前記フレームは密封され得る。

前記エンドプレートと前記電池セル積層体との間に形成されたバスバーフレームをさらに含み、前記バスバーフレームは、前記空間部上に位置して前記絶縁油と接触することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、従来の電池セルの冷却のための構成が絶縁油に代替されることによって、熱抵抗および重量が減少し、電池セルと絶縁油が直接接触可能になることによって、絶縁性能が向上する効果を提供する。

本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていない他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

従来の電池モジュールを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電池セルを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による絶縁油の流れを示す図面である。 図４のＡ－Ａ’部分で、絶縁油が満たされた第２、３空間部を示す断面である。 図４のＢ－Ｂ’部分で、絶縁油が満たされた第１、４空間部を示す断面である。 本発明の一実施形態による供給部および排出部を示す図面である。 本発明の一実施形態による絶縁油の流れを示す図面である。 本発明の一実施形態による電池モジュール間の連結流路を示す図面である。

以下で説明される実施形態は、発明の理解のために例示として示したものであって、本発明はここで説明される実施形態とは異なるように多様に変形して実施され得ることが理解されるべきである。ただし、本発明を説明するに当たり、関連した公知の機能あるいは構成要素に対す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、その詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付した図面は、発明の理解のために実際の縮尺のとおり図示されたものでなく、一部の構成要素の寸法が誇張して図示され得る。

本出願で使用される第１、第２用語は、多様な構成要素を説明することに使用され得るが、構成要素は用語により限定されてはならない。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のみで使用される。

また、本出願で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、権利範囲を限定しようとする意図ではない。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」、「なる」または「構成される」などの用語は、明細書上に記載された特徴、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ものであり、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の存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

以下、図２乃至図６を参照して本発明の一実施形態による電池モジュールについて説明する。

図２は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。図３は本発明の一実施形態による電池セルを示す斜視図である。図４は本発明の一実施形態による絶縁油の流れを示す図面である。図５は図４のＡ－Ａ’部分で、絶縁油が満たされた第２、３空間部を示す断面である。図６は図４のＢ－Ｂ’部分で、絶縁油が満たされた第１、４空間部を示す断面である。

図２乃至図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、エッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄおよび平坦面１１０ｅ、１１０ｆで形成された電池セル１１０が積層されている電池セル積層体１００、電池セル１１０から突出形成された電極リード１２０、上下左右面で形成されて電池セル積層体１００の上下左右面を覆うフレーム２００、および電池セル積層体１００の前後面を覆うエンドプレート３００を含み、電池セル１１０のエッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄと、フレーム２００およびエンドプレート３００との間には空間部４００が形成され、空間部４００には複数の電池セル１１０を冷却させる絶縁油Ｉが満たされて流動し、絶縁油Ｉは電池セル１１０および電極リード１２０と接触する。

電池セル１１０は、二次電池であって、パウチ型二次電池で構成され得る。このような電池セル１１０は、複数個で構成され得、複数個の電池セル１１０は互いに電気的に連結され得るように互いに積層されて電池セル積層体１００を形成することができる。図３に示されているように、複数個の電池セル１１０は、それぞれケースを形成する平坦面１１０ｅ、１１０ｆ、平板面の周縁から延長形成されてケース内部の電極組立体を密封する４方向のエッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、および電極組立体から突出形成された電極リード１２０を含むことができる。

バスバーフレーム１３０は、エンドプレート３００と電池セル積層体１００との間に形成されて、電池セル積層体１００の前後面を覆い、電極リード１２０を電気的に連結することができる。このようなバスバーフレーム１３０は、後述する空間部４００のうち、第１空間部４１０及び第４空間部４４０上に位置して第１空間部４１０及び第４空間部４４０内で流動する絶縁油Ｉと接触することができる。

フレーム２００は、電池セル積層体１００の上下左右面で電池セル積層体１００を収容することができる。本発明の一実施形態によると、フレーム上面２１０と電池セル積層体１００の上側部との間に形成された第２空間部４２０、およびフレーム下面２２０と電池セル積層体１００の下側部との間に形成された第３空間部４３０には、絶縁油Ｉが満たされて流動することができる。

エンドプレート３００は、電池セル積層体１００の前後面を覆うように形成されて、電池セル積層体１００、バスバーフレーム１３０およびこれらと連結されたその他の電装品を物理的に保護することができる。またエンドプレート３１０は、電池モジュールを電池パックにマウンティングする構造を含むことができる。

本発明の一実施形態によると、エンドプレート３００は、フレーム２００と接着剤で結合され得る。接着剤を通じてエンドプレート３００とフレーム２００が密封結合されて、エンドプレート３００およびフレーム２００内部に満たされて流動する絶縁油Ｉが電池モジュール外部に漏れないようにすることができる。エンドプレート３００とフレーム２００の接着前、各構成の接着位置の固定のためにエンドプレート３００とフレーム２００の接合部一部に局部的に溶接を行うことができる。

エンドプレート３００は、電池セル積層体１００の前面に形成された第１エンドプレート３１０、電池セル積層体の後面に形成された第２エンドプレート３２０を含むことができる。

空間部４００は、電池セル１１０のエッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄとフレーム２００およびエンドプレート３００との間に形成され、空間部４００には複数の電池セル１１０を冷却させる絶縁油Ｉが満たされて流動し、絶縁油Ｉは電池セル１１０および電極リード１２０と接触して複数の電池セル１１０で発生する熱を冷却させることができる。

空間部４００は、電池セル積層体１００の前面に形成された電池セル１１０のエッジ面１１０ａと電池セル積層体１００の前面を覆う第１エンドプレート３１０との間に形成された第１空間部４１０、電池セル積層体１００の上側に形成された電池セル１１０のエッジ面１１０ｂとフレーム２００の上面２１０との間に形成された第２空間部４２０、電池セル積層体１００の下側に形成された電池セル１１０のエッジ面１１０ｃとフレーム２００の下面２２０との間に形成された第３空間部４３０、および電池セル積層体１００の後面に形成された電池セル１１０のエッジ面１１０ｄと電池セル積層体１００の後面を覆う第２エンドプレート３２０との間に形成された第４空間部４４０を含むことができる。

本発明の一実施形態によると、第１空間部４１０及び第４空間部４４０は、互いに隣接する二つの電池セルに形成されたエッジ面１１０ａ、１１０ｄとエンドプレート３００との間の空間に形成され得る。より詳細には、第１空間部４１０は、互いに隣接する二つの電池セルに形成されたエッジ面１１０ａと第１エンドプレート３１０との間の空間に形成され得る。第４空間部４４０は、互いに隣接する二つの電池セルに形成されたエッジ面１１０ｄと第２エンドプレート３２０との間の空間に形成され得る。

第１空間部４１０及び第４空間部４４０上にはそれぞれ電極リード１２０が配置されて、第１空間部４１０及び第４空間部４４０を満たして流動する絶縁油Ｉと電極リード１２０が直接接触することができる。電極リード１２０は、電池セル１１０で最も熱が多く発生する部分であるため、電極リード１２０と絶縁油Ｉが第１空間部４１０及び第４空間部４４０を通じて直接接触することによって、電池モジュール全体の冷却性能を強化することができる。

第２空間部４２０及び第３空間部４３０は、互いに隣接する二つの電池セルに形成されたエッジ面１１０ｂ、１１０ｃとフレーム２００との間の空間に形成され得る。より詳細には、第２空間部４２０は、互いに隣接する二つの電池セルに形成されたエッジ面１１０ｂとフレーム上面２１０との間の空間に形成され得る。第３空間部４３０は、互いに隣接する二つの電池セルに形成されたエッジ面１１０ｃとフレーム下面２２０との間の空間に形成され得る。

本発明の一実施形態によると、電池セル１１０のエッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ上に空間部４１０、４２０、４３０、４４０が形成され、絶縁油Ｉが空間部４１０、４２０、４３０、４４０に満たされて流動するため、結果として、電池セル１１０のエッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに冷却流路が形成される結果をもたらすことができる。電池セル１１０のエッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは、電池セル１１０の熱伝導率が高い部分であるため、エッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに絶縁油Ｉが直接接触して流動することによって電池セル１１０の冷却性能を向上させることができる。

また本発明の一実施形態によると、平坦面１１０ｅ、１１０ｆには絶縁油Ｉを接触させず、エッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄを通じてのみ絶縁油Ｉを接触させることによって、電池セル１１０の面積中の約１０％だけを占めるエッジ面１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄを通じて電池セル１１０の６面のうち４面を直接接触して冷却可能になることによって、絶縁油Ｉの使用を最小化し、同時に冷却効率を向上させることができる。

また絶縁油Ｉの使用により従来のサーマルレジン、サーマルパッド、ヒートシンクなどの構成が不要になることによって、各構成の熱抵抗が減少し、電池モジュールの軽量化およびコンパクト化が可能になることができる。またサーマルレジン、サーマルパッド付着工程中の界面間の空気層不良などの危険性を未然に防止することができ、電池モジュールが装着された車両事故の発生時に冷却水の漏出による電池モジュールの内部短絡現象を未然に防止することもできる。

以下、図７乃至図９を参照して本発明の一実施形態による供給部および排出部を通じた絶縁油の流れについて説明する。

図７は本発明の一実施形態による供給部および排出部を示す図面である。図８は本発明の一実施形態による絶縁油の流れを示す図面である。図９は本発明の一実施形態による電池モジュール間の連結流路を示す図面である。

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第１エンドプレート３１０の上端には絶縁油Ｉが供給される供給部５００が形成され、第２エンドプレート３２０の下端には絶縁油Ｉが排出される排出部６００が形成され得る。したがって、供給部５００に供給された絶縁油Ｉは、第１空間部４１０から、第２空間部４２０または第３空間部４３０を通過して、第４空間部４４０に流動することができる。第４空間部４４０に流動した絶縁油Ｉは、排出部６００を通じて電池モジュールの外部に排出され得る。

各電池モジュールに形成された供給部５００及び排出部６００は、連結流路７００を通じて互いに連結され得る。本発明の一実施形態によると、連結流路７００は、ホースで形成され得るが、これに限定されず、絶縁油Ｉの流路抵抗が最小化される材質で形成されて絶縁油Ｉを安定的に供給することができれば十分である。

本発明の一実施形態によると、供給部５００は、第１エンドプレート３１０の上端に形成され、排出部６００は、第２エンドプレート３２０の下端に形成され得る。このように供給部５００を排出部６００より上側に位置させることによって、モジュール内部の流路抵抗と電池モジュール間を連結する連結流路７００の抵抗との差を考慮して絶縁油Ｉを電池モジュールに安定的に供給することができる。

前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され得る。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され得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールを用いることができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。

以上では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、本発明は前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逸脱せずに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り多様な変形実施が可能であることはもちろん、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。

１００：電池セル積層体
１１０：電池セル
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ：エッジ面
１１０ｅ、１１０ｆ：平坦面
１２０：電極リード
１３０：バスバーフレーム
２００：フレーム
２１０：フレーム上面
２２０：フレーム下面
３００：エンドプレート
３１０：第１エンドプレート
３２０：第２エンドプレート
４００：空間部
４１０：第１空間部
４２０：第２空間部
４３０：第３空間部
４４０：第４空間部
５００：供給部
６００：排出部
７００：連結流路
Ｉ：絶縁油

Claims (8)

1. エッジ面および平坦面で形成された電池セルが積層されている電池セル積層体、
   前記電池セルから突出形成された電極リード、
   上下左右面で形成されて前記電池セル積層体の上下左右面を覆うフレーム、および
   前記電池セル積層体の前後面を覆うエンドプレート
   を含み、
   前記電池セルの前記エッジ面と、前記フレームおよび前記エンドプレートとの間には空間部が形成され、
   前記空間部には前記複数の電池セルを冷却させる絶縁油が満たされて流動し、前記絶縁油は前記電池セルおよび前記電極リードと接触しており、
   前記空間部は、
   前記電池セル積層体の前面に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記電池セル積層体の前面を覆う第１エンドプレートとの間に形成された第１空間部、
   前記電池セル積層体の上側に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記フレームの上面との間に形成された第２空間部、
   前記電池セル積層体の下側に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記フレームの下面との間に形成された第３空間部、および
   前記電池セル積層体の後面に形成された前記電池セルの前記エッジ面と前記電池セル積層体の後面を覆う第２エンドプレートとの間に形成された第４空間部
   を含み、
   前記電極リードは、前記電池セルの両端から前記第１空間部及び前記第４空間部にそれぞれ突出形成されて、前記第１空間部及び前記第４空間部で流動する前記絶縁油と接触する、電池モジュール。
2. 前記第１空間部及び前記第４空間部は、互いに隣接する２個の電池セルに形成された前記エッジ面と前記エンドプレートとの間の空間に形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記第２空間部及び前記第３空間部は、互いに隣接する２個の電池セルに形成された前記エッジ面と前記フレームとの間の空間に形成される、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記絶縁油は、前記電池セル積層体の前記第１空間部から、前記第２空間部または前記第３空間部を通過して、前記第４空間部に流動する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
5. 前記第１エンドプレートの上端には、前記絶縁油が供給される供給部が形成され、
   前記第２エンドプレートの下端には、前記絶縁油が排出される排出部が形成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
6. 前記エンドプレートと前記フレームとは接着剤で結合され、前記接着剤を通じて前記エンドプレート及び前記フレームは密封される、請求項１に記載の電池モジュール。
7. 前記エンドプレートと前記電池セル積層体との間に形成されたバスバーフレームをさらに含み、
   前記バスバーフレームは、前記空間部上に位置して前記絶縁油と接触する、請求項１又は５に記載の電池モジュール。
8. 請求項１～６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。

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