JP7350419B2 - 電池モジュール、それを含む電池パックおよび電池モジュールの運搬方法 - Google Patents
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Description
［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年８月５日付韓国特許出願第１０－２０２０－００９７８６７号および２０２１年７月２０日付韓国特許出願第１０－２０２１－００９４７１２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。
本出願は２０２０年８月５日付韓国特許出願第１０－２０２０－００９７８６７号および２０２１年７月２０日付韓国特許出願第１０－２０２１－００９４７１２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、それを含む電池パックおよび電池モジュールの運搬方法に関し、より具体的には吸着力が強化された電池モジュール、それを含む電池パックおよび電池モジュールの運搬方法に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加によりエネルギ源として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、数個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可能であれば小さな大きさと重量に製造されることが好ましいので、高い集積度で積層でき、容量に対して重量が小さい角形電池、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み得る。
電池モジュールを製造するか、または電池モジュールを含む電池パックを製造する過程で電池モジュールに含まれた電池セル積層体を運搬する過程が行われる。この際、中大型電池モジュールに含まれた電池セル数量が多くなって重量が大きくなるので、電池モジュールを運搬する過程で電池モジュールを落とす危険性が大きくなる。
図１は従来の電池モジュールに含まれた電池セルアセンブリを運搬するための方法を説明するための図である。図２は図１の電池セルアセンブリを示す正面図である。
図１を参照すると、従来の電池モジュールに含まれる電池セル積層体１０を運搬する前に、電池セル積層体１０をステージ３０上に配置した状態で、セルスタックロボット４０を用いて電池セル積層体１０の両側面を加圧をする。電池セル積層体１０の両側面が加圧された状態でセルスタックロボット４０が電池セル積層体１０を運搬することになり、加圧によって電池セル積層体１０に含まれたセルが密着し、電池セル積層体１０を運搬する過程でその形態を維持することができる。
図２を参照すると、従来の電池モジュールに含まれる電池セル積層体１０は複数の電池セル１１が積層されて形成される。この際、電池セル積層体１０は個別電池セル１１にテープ１２を付着して複数の電池セル１１が積層されて形成される。しかし、電池モジュール内に含まれる電池セル数量が増えて重量が大きくなることにより個別セルテープを付着して電池セル積層時に発生する積層段差ｄ１および電池セル間の間隔ｄ２により運搬過程で電池セル積層体１０を落とす危険性が大きくなる。
本発明が解決しようとする課題は、吸着力が強化された電池モジュール、それを含む電池パックおよび電池モジュールの運搬方法を提供することにある。
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形成された電池セル積層体、前記電池セル積層体の両端部を覆う絶縁カバー、前記絶縁カバーと隣接する前記電池セル積層体の両端部を囲むホールディング部材、および前記電池セル積層体の上部面に位置する接着部材を含む。
前記接着部材の両面のうち前記電池セル積層体に向かう一面に接着物質が形成され得る。
前記電池モジュールは前記接着部材の両面のうち前記電池セル積層体に向かう一面と反対になる他の一面に形成される吸着補完層をさらに含み得る。
前記吸着補完層は多孔性高分子材料で形成され得る。
前記電池セル積層体の上部面は段差部を形成し、前記段差部に沿って前記接着部材が形成され得る。
前記電池モジュールは前記電池セル積層体に含まれる互いに隣り合う電池セルの間に位置する接着テープをさらに含み得る。
前記電池セルは、電極組立体および前記電極組立体を収納するセルケースを含み、前記電池セル積層体に含まれる互いに隣り合う電池セルは、それぞれのセルケースが直接対面する構造を有し得る。
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、前記電池モジュールが複数取り付けられる複数のモジュール領域を有する下部パックハウジング、前記モジュール領域内で前記下部パックハウジングに塗布された熱伝導性樹脂層、前記複数の電池モジュールを覆う上部パックハウジングを含み、前記熱伝導性樹脂層は前記電池モジュールと前記下部パックハウジングの間に位置する。
前記複数のモジュール領域は前記下部パックハウジング内に形成された複数の隔壁によって区切られ、前記隔壁は前記複数の電池モジュールのうち隣り合う電池モジュールの間に位置し得る。
本発明のまた他の一実施形態による電池モジュールの運搬方法は、複数の電池セルを一方向に積層して電池セル積層体を形成する段階、前記電池セル積層体の上部に前記複数の電池セルそれぞれの一側を覆うように接着部材を形成する段階、および前記接着部材上に吸着器を配置して前記吸着器で前記電池セル積層体を含む電池モジュールを運搬する段階を含む。
前記吸着器は前記電池セル積層体の積層方向に垂直な方向に前記接着部材に付着し得る。
前記電池モジュールの運搬方法は、複数のモジュール領域を有する下部パックハウジング内に前記電池モジュールを直接取り付ける段階をさらに含み、前記複数のモジュール領域は複数の隔壁によって区切られ、前記電池モジュールは互いに隣り合う前記隔壁の間に取り付けられ得る。
前記接着部材の両面のうち前記電池セル積層体に向かう一面に接着物質が形成され、前記接着部材は前記電池セルを互いに固定し得る。
実施形態によれば、複数の電池セルを積層した後に電池セル積層体の上部面にテープを付着し、吸着器を用いて電池セル積層体を含む電池モジュールを移動させることによって、移動中に運搬対象物が落ちる危険性を減らすことができる。
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の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。
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、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「上に」または「の上に」あるという時、これは他の部分の「すぐ上に」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「すぐ上に」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「上に」または「の上に」あるというの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「上に」または「の上に」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。
図３は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。図４は図３の電池モジュールに対する分解斜視図である。図５は本発明の一実施形態による接着部材を示す図である。図６は図３の電池モジュールに含まれた電池セルに対する斜視図である。
図３ないし図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１００は複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体２００を含む。
まず、電池セル１１０はパウチ型電池セルであることが好ましく、長方形のシート型構造で形成できる。例えば、本実施形態による電池セル１１０は二つの電極リード１１１，１１２を含み、電極リード１１１，１１２はセル本体１１３を基準として互いに逆方向に向かっている。電極リード１１１，１１２はセル本体１１３の一端部１１４ａと他の一端部１１４ｂからそれぞれ突出している構造を有する。より詳細には電極リード１１１，１１２は電極組立体（図示せず）と連結され、前記電極組立体（図示せず）から電池セル１１０の外部に突出する。二つの電極リード１１１，１１２の一つは陽極リード１１１であり得、他の一つは陰極リード１１２であり得る。すなわち、一つの電池セル１１０を基準として陽極リード１１１と陰極リード１１２が互いに逆方向に向かうように突出する。
一方、電池セル１１０は、セルケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態でセルケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂとこれらを連結する一側部１１４ｃを接着することにより製造されることができる。換言すれば、本実施形態による電池セル１１０は総３ケ所のシーリング部を有し、シーリング部は熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、残りの他の一側部は連結部１１５からなる。セルケース１１４は樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなる。
このような電池セル１１０は複数で形成され、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て電池セル積層体２００を形成する。特に、図６に示すように第１方向であるｘ軸方向に沿って複数の電池セル１１０が積層される。そのため電極リード１１１，１１２はそれぞれｙ軸方向と－ｙ軸方向に突出する。
一方、本実施形態による電池モジュール１００は、従来の電池モジュールとは異なり、モジュールフレームと金属材質のエンドプレートが除去されたモジュール－レス（ｍｏｄｕｌｅ－ｌｅｓｓ）構造を形成することができる。モジュールフレームに代わって、本実施形態による電池モジュール１００は側面プレート６００とホールディングバンド７００を含み得る。モジュールフレームとエンドプレートが除去されることにより、電池セル積層体２００をモジュールフレームの内部に収納する工程や、モジュールフレームとエンドプレートを組み立てる工程のように精密なコントロールが求められる複雑な工程は不要である。また、除去されたモジュールフレームとエンドプレートだけ電池モジュール１００の重量を大きく減らし得る長所を有する。また、本実施形態による電池モジュール１００はモジュールフレームの除去により、電池パック造粒工程の際の再作業性が有利である長所を有することができる。これに対し、従来の電池モジュールはモジュールフレームの溶接構造によって不良が発生しても再作業が不可能であった。
側面プレート６００は板状部材として、電池セル積層体２００の両側面に位置し、電池モジュール１００の剛性を補完することができる。このような側面プレート６００は弾性性質を有して射出成形で製造されるプラスチック素材を含み得、場合によって板ばね素材が適用される。側面プレート６００の幅は電池セル１１０の幅より大きくてもよい。ここで、側面プレート６００の幅は、ｚ軸方向への長さを意味する。
ホールディングバンド７００は電池セル積層体２００の両端部で電池セル積層体２００を囲む部材であって、電池セル積層体２００を構成する複数の電池セル１１０と側面プレート６００を固定する機能をすることができる。このように、ホールディングバンド７００により電池セル積層体２００および側面プレート６００を固定した後、電極リード１１１，１１２が突出する方向に該当する電池セル積層体２００の前面と後面に絶縁カバー４００を配置する。このようなホールディングバンド７００は所定の弾性力を有する素材からなり、具体的には板ばねの構造が適用される。
先立って説明したこととおり、本実施形態による電池モジュール１００はエンドプレートとバスバーフレームが除去され得、代わりに絶縁カバー４００が設けられる。一方、電池セル積層体２００の外側に位置した電池セル１１０の電極リードは端子バスバー５００と電気的に連結され得る。従来の電池モジュールがバスバーにより電極リードを互いに連結したこととは異なり、本実施形態による電極リード１１１，１１２は互いに直接接合され、そのうちの一部が端子バスバー５００と電気的に連結されることによって、ＨＶ（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ）連結を形成することができる。したがって、本実施形態によるＨＶ連結構造で、バスバーおよびバスバーが取り付けられるバスバーフレームは除去される。ここでＨＶ連結は電力を供給するための電源の役割をするためのものであり、電池セル間の連結や電池モジュール間の連結を意味する。
一方、本実施形態による電池モジュール１００は、電池セル積層体２００の上部面に位置する接着部材１３０を含む。接着部材１３０の両面のうち電池セル積層体２００を向かう一面に接着物質が形成される。接着部材１３０は互いに隣り合う電池セル１１０の間に位置するテープの代わりに電池モジュール１００の運搬中に発生し得る運搬対象物が落ちる危険性を減少させることができる。接着部材１３０は電池セル１１０を互いに固定する役割をすることができる。
本実施形態による接着部材１３０は図５に示すように、接着部材１３０の両面のうち電池セル積層体２００に向かう一面と反対になる他の一面には多孔性高分子材料で形成された吸着補完層１３５が形成される。多孔性高分子材料はシリコン、ゴムなどのような物質で形成することができる。
吸着補完層１３５は、一例としてスポンジ形態であり得、このような吸着補完層１３５は後述する吸着器の真空形成時吸着力を倍加させることができる。本実施形態による吸着補完層１３５は接着部材１３０の基材面に接着されていてもよい。
電池セル積層体２００の上部面は図７および図８に示すように電池セル１１０を積層する時に発生する段差部を有することができる。このような段差部に沿って接着部材１３０が形成されて電池セル１１０の間の段差部によって空気が流入することを防止でき、電池セル１１０積層時に発生する積層段差および電池セル間の間隔による運搬過程での影響力を最小化することができる。
本実施形態によれば、電池セル積層体２００に含まれる互いに隣り合う電池セル１１０が、それぞれのセルケースが直接対面する構造を有することができる。従来には隣り合う電池セル１１０の間に接着テープを形成して電池セル積層体２００を固定する構造であったが、本実施形態によれば、電池セル１１０の間の接着テープを全体または一部の代わりに電池セル積層体２００の上部面に接着部材を形成することができる。ただし、電池セル１１０の間の接着テープ数量を減らしたり、電池セル１１０に付着する接着テープの面積を減らすことができる。換言すれば、電池セル１１０それぞれのセルケースが接着テープなしで互いに密着することもでき、電池セル積層体２００の上部面に形成された接着部材を補完するために電池セル１１０の間に接着テープが形成されたり面積が縮小された形態で接着テープが形成されることができる。
以下では図７および図８を参照して本発明の他の一実施形態による電池モジュールの運搬方法について説明する。
図７は本発明の他の一実施形態による電池モジュールの運搬方法を説明するための図である。図８は図７のＡ領域を拡大して示す図である。
図７および図８を参照すると、本実施形態による電池モジュールの運搬方法は、複数の電池セル１１０を一方向に積層して電池セル積層体２００を形成する段階、電池セル積層体２００の上部に複数の電池セル１１０それぞれの一側を覆うように接着部材１３０を形成する段階、および接着部材１３０上に吸着器２１０を配置して吸着器２１０に電池セル積層体２００を含む電池モジュール１００を運搬する段階を含む。
本実施形態による吸着器２１０は電池セル積層体２００の積層方向に垂直な方向に接着部材１３０に付着する。換言すれば、図４のｚ軸が指す方向の逆方向に吸着器２１０が接着部材１３０に近付いて吸着器２１０が接着部材１３０に吸着する。吸着器２１０は真空方式であり得る。
前述した電池モジュール１００の運搬段階を行うことによって、後述するように、図８に示す複数のモジュール領域を有する下部パックハウジング１１１１内に電池モジュール１００を直接取り付けることができる。
図９は本発明の他の一実施形態による電池パックに対する分解斜視図である。
図９を参照すると、本実施形態による電池パック１０００は図３ないし図８を参照して説明した電池モジュール１００、電池モジュール１００を収納するパックフレーム１１００および電池モジュール１００とパックフレーム１１００の底部１１１１の間に位置する熱伝導性樹脂層１２００を含み得る。
先に、電池モジュール１００は先立って説明したように、絶縁カバーを含み、代わりにモジュールフレームとエンドプレートが除去されたモジュール－レス（ｍｏｄｕｌｅ－ｌｅｓｓ）構造を形成することができる。このような電池モジュール１００が複数でパックフレーム１１００に収納されて電池パック１０００を形成することができる。
パックフレーム１１００は、下部パックハウジング１１１０および下部パックハウジング１１１０を覆う上部パックハウジング１１２０を含み得、下部パックハウジング１１１０の底部１１１１に複数の電池モジュール１００が位置する。下部パックハウジング１１１０は複数のモジュール領域を有し、複数のモジュール領域は下部パックハウジング１１１０内に形成された複数の隔壁１３５０によって区切られる。隔壁１３５０は複数の電池モジュール１００のうち互いに隣り合う電池モジュール１００の間に形成されている。例えば、熱伝導性樹脂層１２００は互いに隣り合う第１熱伝導性樹脂層と第２熱伝導性樹脂層を含み、複数のモジュール領域は隔壁１３５０によって区切られる第１領域と第２領域を含み、前記第１熱伝導性樹脂層は前記第１領域に対応するように形成され、前記第２熱伝導性樹脂層は前記第２領域に対応するように形成される。この時、前記第１熱伝導性樹脂層と前記第２熱伝導性樹脂層は隔壁１３５０により互いに離隔して位置する。
一方、熱伝導性樹脂層１２００は下部パックハウジング１１１０の底部１１１１に熱伝導性樹脂（Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）が塗布されて形成される。前記熱伝導性樹脂は熱伝導性接着物質を含み得、具体的にはシリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）素材、ウレタン（Ｕｒｅｔｈａｎ）素材およびアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）素材のうち少なくとも一つを含み得る。前記熱伝導性樹脂は、塗布時には液状であるが塗布後に硬化して電池モジュール１００を下部パックハウジング１１１０に固定する役割をすることができる。また、熱伝導特性に優れて電池モジュール１００で発生した熱を迅速に底部１１１１に伝達して電池パック１０００の過熱を防止することができる。本実施形態によれば、電池モジュール１００はモジュールフレームが省略されるので、図４の電池セル積層体２００の下部面が下部パックハウジング１１１０に塗布された熱伝導性樹脂層１２００上に直接取り付けられる。この時、接着性能を有する熱伝導性樹脂層１２００により電池セル積層体２００は下部パックハウジング１１１０に固定される。
図４に示すように、本実施形態による電池モジュール１００は、モジュールフレームが除去されたモジュール－レス（ｍｏｄｕｌｅ－ｌｅｓｓ）構造において、電池セル１１０の一部が外部に露出できるが、構造的安定性のために露出する電池セル１１０を固定することが必須である。そこで、本実施形態による電池パック１０００は底部１１１１に電池モジュール１００、特に電池モジュール１００を構成するそれぞれの電池セル１１０を固定できる熱伝導性樹脂層１２００を形成することによって、構造的安定性を向上させることができる。また、モジュールフレームを省略し、電池セルで発生した熱を熱伝導性樹脂層からパックフレームに直接伝達して冷却効率を上げることができる。図示していないがパックフレームにはヒートシンク構造が形成されることができる。
前述した本実施形態による電池モジュールや電池パックは多様なデバイスに適用されることができる。具体的には、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されるがこれに制限されず、二次電池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。
１１０ 電池セル
１１４ セルケース
１３０ 接着部材
２００ 電池セル積層体
２１０ 吸着器
４００ 絶縁カバー
１３５０ 隔壁
１１４ セルケース
１３０ 接着部材
２００ 電池セル積層体
２１０ 吸着器
４００ 絶縁カバー
１３５０ 隔壁
Claims (11)
- 複数の電池セルが積層されて形成された電池セル積層体、
前記電池セル積層体の両端部を覆う絶縁カバー、
前記絶縁カバーと隣接する前記電池セル積層体の両端部を囲むホールディング部材、および
前記電池セル積層体の上部面に位置する接着部材を含み、
前記接着部材の両面のうち前記電池セル積層体に向かう一面に接着物質が形成され、前記一面と反対になる他の一面に吸着補完層が形成されている、電池モジュール。 - 前記吸着補完層は多孔性高分子材料で形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記電池セル積層体の上部面は段差部を形成し、前記段差部に沿って前記接着部材が形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記電池セル積層体に含まれる互いに隣り合う電池セルの間に位置する接着テープをさらに含む、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記電池セルは、電極組立体および前記電極組立体を収納するセルケースを含み、
前記電池セル積層体に含まれる互いに隣り合う電池セルは、それぞれのセルケースが直接対面する構造を有する、請求項１に記載の電池モジュール。 - 請求項１による電池モジュール、
前記電池モジュールが複数取り付けられる複数のモジュール領域を有する下部パックハウジング、
前記モジュール領域内で前記下部パックハウジングに塗布された熱伝導性樹脂層、
前記複数の電池モジュールを覆う上部パックハウジングを含み、
前記熱伝導性樹脂層は前記電池モジュールと前記下部パックハウジングの間に位置する、電池パック。 - 前記複数のモジュール領域は前記下部パックハウジング内に形成された複数の隔壁によって区切られ、前記隔壁は前記複数の電池モジュールのうち隣り合う電池モジュールの間に位置する、請求項６に記載の電池パック。
- 複数の電池セルを一方向に積層して電池セル積層体を形成する段階、
前記電池セル積層体の上部に前記複数の電池セルそれぞれの一側を覆うように接着部材を形成する段階、および
前記接着部材上に吸着器を配置して前記吸着器で前記電池セル積層体を含む電池モジュールを運搬する段階を含む、電池モジュールの運搬方法。 - 前記吸着器は前記電池セル積層体の積層方向に垂直な方向に前記接着部材に付着する、請求項８に記載の電池モジュールの運搬方法。
- 複数のモジュール領域を有する下部パックハウジング内に前記電池モジュールを直接取り付ける段階をさらに含み、
前記複数のモジュール領域は複数の隔壁によって区切られ、前記電池モジュールは互いに隣り合う前記隔壁の間に取り付けられる、請求項８に記載の電池モジュールの運搬方法。 - 前記接着部材の両面のうち前記電池セル積層体に向かう一面に接着物質が形成され、前記接着部材は前記電池セルを互いに固定する、請求項８に記載の電池モジュールの運搬方法。
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