JP7222589B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

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Description

関連出願との相互引用
本出願は２０１９年６月２５日付韓国特許出願第１０－２０１９－００７５８２５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するものであって、より具体的には、一つ以上の電池セルが積層されたセル積層体を備え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ものである。
現代社会では携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化されるにつれて、このようなモバイル機器に関連する分野の技術に対する開発が活発になっている。また、充放電の可能な二次電池は化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグ－インハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）などの動力源として用いられているところ、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。
現在商用化された二次電池としてはニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあり、このうちのリチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらなくて充放電が自由であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いという長所で脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、即ち、電池ケースを備える。
一般に、リチウム二次電池は外装材の形状によって、電極組立体が金属カンに内装されているカン型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池とに分類できる。
小型機器に用いられる二次電池の場合、２－３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに用いられる二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が用いられる。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されてセル積層体を形成することによって容量および出力が向上される。また、一つ以上の電池モジュールは、バッテリ管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
この時、コンパクトなセル積層体構成のためにセル積層体を形成する電池セル間の組立公差を最小化する必要がある。
また、充電および放電過程で、電池セルは膨張および収縮する特性があり、前記膨張を効果的に吸収することができる装置が必要である。
本発明の実施形態は前記のような問題点を解決するために提案されたものであって、電池セル間の組立公差を最小化することができながら、電池セルの膨張も効果的に吸収することができる電池モジュールを提供することをその目的とする。
但し、本発明の実施形態が解決しようとする課題は前述の課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張可能である。
本発明の一実施形態による電池モジュールは、一つ以上の電池セルを含む、第１セル積層体と第２セル積層体；前記第１セル積層体と前記第２セル積層体を収納するモノフレーム；前記第１セル積層体と前記第２セル積層体の間に位置するばね；前記第１セル積層体と前記ばねの間に位置する第１プレート；および前記第２セル積層体と前記ばねの間に位置する第２プレートを含み、前記ばねの圧縮方向は前記一つ以上の電池セルの積層方向と平行である。
前記一つ以上の電池セルは、前記モノフレームの両側面と平行となるように直立または倒立状態に積層されてもよい。
前記第１セル積層体と前記第１プレートの間および前記第２セル積層体と第２プレートの間のうちの少なくとも一方にサーミスタ（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）が配置されてもよい。
前記第１プレートおよび第２プレートのうちの少なくとも一方は熱伝達部材を含むことができる。
前記モノフレームは、前面と後面が開放された形態であってもよい。
前記ばねを二つ以上含んでもよい。
前記ばねは、コイルばねであってもよい。
前記第１セル積層体および前記第２セル積層体と共に前記モノフレームに収納される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第１セル積層体および前記第２セル積層体の上部に配置されてもよい。
前記ばねは、前記第１プレートおよび前記第２プレートと接着剤で接着できる。
本発明の実施形態によれば、電池モジュール内部にばねを適用して、電池セル間の組立公差を最小化することができ、電池セルの膨張を効果的に吸収してモジュールフレームに加えられる圧力を減らすことができる。
また、サーミスタ（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）を温度測定に有利な位置に配置することができるため、電池セルの発熱をより効果的に感知するか防止することができる。
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１の電池モジュールに対する分解斜視図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールの断面図である。
以下、添付した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の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しく説明する。本発明は様々の異なる形態に実現でき、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上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一な参照符号を付けるようにする。
また、図面で示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面で、様々な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、図面で、説明の便宜のために、一部層および領域の厚さを誇張されるように示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分“の上に”または“上に”あるという時、これは他の部分“の直上”にある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分“の直上”にあるという時には中間に他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分“の上”にまたは“上に”あるというのは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって“の上に”または“上に”位置することを意味するのではない。
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、これは特に反対になる記載がない限り、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むことができるのを意味する。
図１は本発明の一実施形態による電池モジュール１００の斜視図であり、図２は図１の電池モジュール１００に対する分解斜視図であり、図３は図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面図である。
図１～図３を参照すれば、本発明の一実施形態による電池モジュール１００は、第１セル積層体４１０、第２セル積層体４２０、第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０を収納するモノフレーム２００、第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０の間に位置するばね６００、第１セル積層体４１０とばね６００の間に位置する第１プレート７１０および第２セル積層体４２０とばね６００の間に位置する第２プレート７２０を含む。第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０それぞれは一つ以上の電池セル４００を含むことができるが、それぞれ二つ以上の電池セル４００を含むのが好ましい。
ばね６００の圧縮方向は、第１セル積層体４１０および第２セル積層体４２０を構成する電池セル４００の積層方向（Ｘ方向）と平行である。この時、電池セル４００はモノフレーム２００の両側面２１０と平行となるように直立または倒立状態に積層される。ばね６００は、モノフレーム２００の両側面２１０と垂直な圧縮方向を有するように配置されるのが好ましい。
前記のような構成によって、ばね６００が電池セル４００を密着させて、電池セル４００を電池モジュール１００内で固定させることができ、電池セル４００間の組立公差または電池セル４００とモノフレーム２００間の組立公差を効果的に吸収することができる。
また、充電および放電過程で発生することがある電池セル４００の膨張を、ばね６００が効果的に吸収することができるので、モノフレーム２００に加えられる応力が緩和できる。
一方、本実施形態では、ばね６００が第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０と直接接するのではなく、その間に第１プレート７１０と第２プレート７２０がそれぞれ配置される。また、電池モジュール１００内でばね６００の固定のために、ばね６００は第１プレート７１０および第２プレート７２０と接着剤で接着できる。ばね６００はその形態に制限がないが、コイルばねであるのが好ましい。
第１プレート７１０と第２プレート７２０を通じて、ばね６００の弾性力が第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０の一部に集中されず、均一に適用できる。
また、第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０をモノフレーム２００に収納する過程で、第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０に力を加えてばね６００を圧縮した状態でモノフレーム２００に挿入し、ばね６００の弾性力によって第１セル積層体４１０および第２セル積層体４２０がモノフレーム２００内で固定されるようにすることができる。即ち、より簡便に第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０をモノフレーム２００に収納することができる。
一方、二つ以上のばね６００が第１プレート７１０と第２プレート７２０の間で互いに一定の間隔だけ離隔して配置されるのが好ましい。ばね６００の弾性力が第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０の一部に集中されるのを防止することができるためである。
図４は、本発明の他の実施形態による電池モジュール１００の断面図である。図４を参照すれば、本実施形態の電池モジュール１００内部に、サーミスタ（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）が配置されてもよい。
具体的に、第１セル積層体４１０と第１プレート７１０の間および第２セル積層体４２０と第２プレート７２０の間のうちの少なくとも一方にサーミスタ８００が配置できる。特に、図４のように第１セル積層体４１０と第１プレート７１０の間および第２セル積層体４２０と第２プレート７２０の間の両方ともに位置するのが好ましい。サーミスタ８００は第１セル積層体４１０と第２セル積層体４２０それぞれの電池セルと接着剤によって接着できる。
サーミスタ８００が電池セル４００と隣接するように配置され、またばね６００の弾性力によって電池セル４００と密着できて、電池セル４００で発生した熱をより容易に感知することができて、電池モジュール１００の安全性確保に有利である。
一方、本実施形態での第１プレート７１０および第２プレート７２０のうちの少なくとも一方は熱伝達部材を含むことができる。第１プレート７１０および第２プレート７２０が熱伝達部材を含むことによって、電池セル４００で局部的に発生した熱を拡散させて電池モジュール１００内部の温度偏差を減少させることができる。また、電池セル４００で発生した熱が第１プレート７１０および第２プレート７２０の間の空間に排出されるのにも容易である。
図２を再び参照すれば、本実施形態による電池モジュール１００は、第１セル積層体４１０および第２セル積層体４２０と共にモノフレーム２００に収納されるバスバーフレーム５００をさらに含むことができる。
バスバーフレーム５００は第１および第２セル積層体４１０、４２０の上部に位置した上部フレーム５１０、第１および第２セル積層体４１０、４２０の前面に位置した前面フレーム５２０および第１および第２セル積層体４１０、４２０の後面に位置した後面フレーム５３０を含むことができ、第１および第２セル積層体４１０、４２０を構成する電池セルの電極リードと連結されたバスバー５４０が前面フレーム５２０および後面フレーム５３０に搭載できる。
モノフレーム２００は前面と後面が開放された形態の金属板材であってもよく、第１セル積層体４１０、第２セル積層体４２０およびバスバーフレーム５００が開放された前記前面または後面に収納できる。
前述の電池モジュールは、電池モジュールまたは電池モジュールを含む電池パックの形態で、多様なデバイスに適用できる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用できるが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。
以上で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用い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のである。
１００：電池モジュール
２００：モノフレーム
２１０：両側面
３００：エンドプレート
４００：電池セル
４１０：第１セル積層体
４２０：第２セル積層体
６００：ばね
５００：バスバーフレーム
５４０：バスバー
６００：ばね
７１０：第１プレート
７２０：第２プレート
８００：サーミスタ

Claims (7)

  1. 一つ以上の電池セルを含む、第１セル積層体と第２セル積層体、
    前記第１セル積層体と前記第２セル積層体を収納するモノフレーム、
    前記第１セル積層体と前記第２セル積層体の間に位置するばね、
    前記第１セル積層体と前記ばねの間に位置する第１プレート、
    前記第２セル積層体と前記ばねの間に位置する第２プレート、および
    前記第１セル積層体および前記第２セル積層体と共に前記モノフレームに収納されるバスバーフレームを含み、
    前記バスバーフレームは、前記第１セル積層体および前記第２セル積層体の上部に位置した上部フレームと、前記第１セル積層体および前記第２セル積層体の前面に位置した前面フレームと、前記第１セル積層体および前記第２セル積層体の後面に位置した後面フレームとを含み、
    前記ばねの圧縮方向は前記一つ以上の電池セルの積層方向と平行であり、
    前記モノフレームは、前記第１セル積層体、前記第２セル積層体及び前記バスバーフレームを収容するように前面と後面が開放された形態であり、
    前記一つ以上の電池セルは、前記モノフレームの両側面と平行となるように積層される、電池モジュール。
  2. 前記第１セル積層体と前記第１プレートの間および前記第２セル積層体と第２プレートの間のうちの少なくとも一方にサーミスタ（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）が位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記第１プレートおよび第２プレートのうちの少なくとも一方は熱伝達部材を含む、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記ばねを二つ以上含む、請求項１～３の何れか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記ばねは、コイルばねである、請求項１～４の何れか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記ばねは前記第１プレートおよび前記第２プレートと接着剤で接着された、請求項１～５の何れか一項に記載の電池モジュール。
  7. 請求項１～６の何れか一項による電池モジュールを一つ以上含む電池パック。
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