JP7353704B2 - 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１０月２５日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１３３８０５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、より詳しくは冷却性能を向上させる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。
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ー源として多くの関心を受けている。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することが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二次電池構造に対する必要性が高まるにつれて、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、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用い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、電池セル積層体を収容しており、上部が開放されたＵ字型フレーム、開放されたＵ字型フレーム上部で電池セル積層体を覆う上部プレート、および電池セル積層体とＵ字型フレームの底面の間に形成されている熱伝導性樹脂層を含む。
図１は、従来の電池モジュールを示す斜視図である。図２は、図１の従来の電池モジュールの断面を示す模式図である。
従来は複数の電池セル１１が積層された電池セル積層体１０、電池セル積層体を収容しており、上部が開放されたＵ字型フレーム２０、電池セル積層体の上部を覆って平らに形成された上部プレート３０、および電池セル積層体１０とＵ字型フレーム２０の底面の間に形成されている熱伝導性樹脂層４０を含んでいた。
電池モジュールを冷却するためには、電池セルとフレームの間に熱伝達可能な部品または材質を使用しなければならない。一般に、熱伝達可能な部品または材質は、相対的に熱伝達係数の高いサーマルパッドや熱伝導性樹脂層を用いており、電池セルとフレームの間の間隔が一定でないか間隔が広ければ冷却効率は低下することがある。これにより、効率的な電池モジュールの冷却のためには、電池セルとフレームが同一または最小限の間隔を維持できるように電池モジュールを設計する必要がある。
本発明の解決しようとする課題は、Ｕ字型フレーム形状を有する電池モジュールの冷却性能を向上させることができ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である。
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以下の記載から当業者に明確に理解されるはずである。
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およびこれを含む電池パックは、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しており、上部が開放されたＵ字型フレーム、開放された前記Ｕ字型フレームの前記上部で前記電池セル積層体を覆う上部プレート、および前記電池セル積層体と前記Ｕ字型フレームの底面の間に形成されている熱伝導性樹脂層を含み、前記上部プレートは前記電池セル積層体が位置する方向に陥没形成されている陥没部を含む。
前記陥没部は、前記電池セル積層体を下側に加圧して前記電池セル積層体と前記熱伝導性樹脂層の接触面積を増加させることができる。
前記電池セル積層体の最外側の電池セルと前記Ｕ字型フレームの側面部の間には圧縮パッドが形成され、前記熱伝導性樹脂層は、前記電池セル積層体と対応する部分の厚さより前記圧縮パッドと対応する部分の厚さが厚くてもよい。
前記陥没部は、前記複数の電池セルの全てと垂直方向に対応するように陥没形成できる。
前記陥没部は、長方形形状に陥没していてもよい。
前記陥没部は、楕円形状に陥没していてもよい。
前記陥没部は、前記上部プレートの縁部に沿って陥没していてもよい。
前記陥没部は、複数個で形成できる。
前記陥没部は前記複数の電池セルの長さ方向と垂直な方向を長さ方向として形成され、前記複数の電池セルの全てと垂直方向に対応するように陥没形成された複数の陥没部を含むことができる。
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、電池セルとフレーム間の間隔を最小化して、外部からの荷重作用時に構造的安定性を向上させ、外部からの荷重による電池セルのフレームに対する固定力を向上させ、上部プレートと電池モジュールの間の間隔を最小化させて熱伝導性樹脂層を形成する樹脂の使用量を節減することができ電池モジュールの競争力を確保することができる効果を提供する。
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るはずである。
従来の電池モジュールを示す斜視図である。 図１の従来の電池モジュールの断面を示す模式図である。 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上部プレートの装着前断面を示す概念図である。 本発明の一実施形態による上部プレートの装着後断面を示す概念図である。 本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｂを示した図である。 本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｃを示した図である。 本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｄを示した図である。
以下で説明される実施形態は発明の理解を助け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るように多様に変形して実施できるのが理解されなければならないはずである。但し、本発明を説明することにおいて、関連する公知機能あるいは構成要素に関する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に不明にすることがあ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を助けるために実際縮尺のとおり示されたのではなく、一部構成要素の寸法が誇張されるように示されることがある。
本出願で使用される第１、第２の用語は多様な構成要素を説明するのに使用できるが、構成要素は用語によって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としてのみ使用される。
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って意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で“を含む”、“からなる”または“から構成される”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のを指定しようとするものであって、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と理解されなければならない。
以下、図３～図５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３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４は、本発明の一実施形態による上部プレートの装着前断面を示す概念図である。図５は、本発明の一実施形態による上部プレートの装着後断面を示す概念図である。
図３～図５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は、複数の電池セル１１０が積層されている電池セル積層体１００、電池セル積層体１００を収容しており、上部が開放されたＵ字型フレーム２００、開放されたＵ字型フレーム２００の上部で電池セル積層体１００を覆う上部プレート３００、および電池セル積層体１００とＵ字型フレーム２００の底面の間に形成されている熱伝導性樹脂層４００を含み、上部プレート３００は電池セル積層体１００が位置する方向に陥没形成されている陥没部３１０を含む。
電池セル１１０は二次電池であって、パウチ型二次電池から構成できる。複数のこのような電池セル１１０で構成され、複数の電池セル１１０は相互に電気的に連結されるように相互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。このような複数の電池セルはそれぞれ電極組立体、電池ケースおよび電極組立体から突出した電極リードを含むことができる。
Ｕ字型フレーム２００は、上部が開放され、電池セル積層体１００を収容するように形成されている。Ｕ字型フレーム２００は互いに対向する２つの側面部および底部から形成され、電池セル積層体１００は、左右面は２つの側面部とそれぞれ対応し、下面は底部と対応するようにＵ字型フレーム２００の内部に収容される。
圧縮パッド２１０は、電池セル積層体１００の最外側の電池セルとＵ字型フレーム２００の側面部の間に形成できる。圧縮パッド２１０を通じて、電池セル１１０から発生するスウェリングを吸収することができる。
両面テープ２２０は、電池セル積層体１００の電池セル１１０の間および電池セル積層体１００の最外側の電池セルと圧縮パッド２１０の間に形成できる。両面テープ２２０によって電池セル１１０および圧縮パッド２１０を互いに接着して固定させることができる。
上部プレート３００は、上部が開放されたＵ字型フレーム２００の上部で電池セル積層体１００をカバーするように形成されている。この時、上部プレート３００とＵ字型フレーム２００は、溶接によって接合できる。Ｕ字型フレーム２００および上部プレート３００によって電池セル積層体１００を上下左右にカバーすることができる。
熱伝導性樹脂層４００は、Ｕ字型フレーム２００の底面と電池セル積層体１００の間に形成できる。熱伝導性樹脂層４００は樹脂から形成でき、複数の電池セル１１０と接触して複数の電池セル１１０から発生する熱を電池モジュールの外部に伝達して電池モジュールの冷却機能を担当することができる。
上部プレート３００は、電池セル積層体１００が位置する方向に陥没形成されている陥没部３１０を含むことができる。陥没部３１０は、複数の電池セル１１０全てと垂直方向に対応するように陥没形成され得る。
従来は、電池モジュール内部の電池セルなどを固定するために圧縮パッドによる面圧、電池セルの間に付着された両面テープ、電池セルの下端に形成された熱伝導性樹脂層によって電池モジュール内部の電池セルを固定した。
本発明の一実施形態によれば、上部プレート３００で電池セルが位置する方向に陥没部３１０が形成され、陥没部３１０は電池セル積層体１００を上側から下側に加圧して、Ｕ字型フレーム２００と複数の電池セル１１０間の間隔が最小化されるようにすることによって複数の電池セル１１０の固定力を向上させ、外部からの荷重から複数の電池セル１１０の構造的安定性を向上させることができる。
また陥没部３１０は、電池セル積層体１００を下側に加圧して電池セル積層体１００と熱伝導性樹脂層４００の接触面積を増加させることができる。複数の電池セル１１０の下端は屈曲するように形成されて、電池セル積層体１００が下側に加圧時、熱伝導性樹脂層４００が複数の電池セル１１０が形成する屈曲の間に挿入され、これによって複数の電池セル１１０と熱伝導性樹脂層４００間の接触面積が増加できる。電池セル積層体１００と熱伝導性樹脂層４００の接触面積が増加されることによって電池モジュールの冷却性能が向上できる。
また相対的に熱伝導性樹脂層４００を挟んだ電池セル積層体１００とＵ字型フレーム２００の底面の間の間隔が減ることによって、熱伝導性樹脂層４００の厚さが減少でき、これによって熱伝導性樹脂層４００を形成する樹脂の使用量を節減することができ電池モジュールの価格競争力を向上させることができる。
電池セル積層体１００と対応する部分に形成された熱伝導性樹脂層４００の一部は、Ｕ字型フレーム２００の両端に形成された圧縮パッド２１０と対応する部分に移動できる。この時、熱伝導性樹脂層４００は、図５に示されているように、電池セル積層体１００と対応する部分の厚さより圧縮パッド２１０と対応する部分の厚さが厚く形成できる。
以下、図３および図６～図８を参照して本発明の一実施形態および変形された実施形態による上部プレートの構造について説明する。
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分解斜視図である。図６は、本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｂを示した図である。図７は、本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｃを示した図である。図８は、本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｄを示した図である。
図３を参照すれば、本発明の一実施形態による陥没部３１０ａは長方形形状に陥没できる。上部プレート３００に形成された長方形形状の陥没部３１０ａは複数の電池セル１１０全てと垂直方向に対応するように陥没形成されて、複数の電池セル１１０を下側に加圧して複数の電池セル１１０の固定力を向上させ、熱伝導性樹脂層４００との接触面積を増加させて冷却性能を向上させることができる。
図６を参照すれば、本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｂは楕円形状に陥没できる。上部プレート３００に形成された楕円形状の陥没部３１０ｂは複数の電池セル１１０全てと垂直方向に対応するように形成されて、複数の電池セル１１０を下側に加圧して複数の電池セル１１０の固定力を向上させ、熱伝導性樹脂層４００との接触面積を増加させて冷却性能を向上させることができる。
図７を参照すれば、本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｃは上部プレート３００の縁部に沿って陥没できる。上部プレート３００に形成された縁部形状の陥没部３１０ｃは複数の電池セル１１０全てと垂直方向に対応するように形成されて、複数の電池セル１１０を下側に加圧して複数の電池セル１１０の固定力を向上させ、熱伝導性樹脂層４００との接触面積を増加させて冷却性能を向上させることができる。
図８を参照すれば、本発明の変形された実施形態による陥没部３１０ｄは、複数の電池セル１１０の長さ方向と垂直な方向を長さ方向として形成され、複数の電池セル１１０全てと垂直方向に対応するように形成された複数の陥没部３１０ｄを含むことができる。複数の陥没部３１０ｃによって複数の電池セル１１０を下側に加圧して複数の電池セル１１０の固定力を向上させ、熱伝導性樹脂層４００との接触面積を増加させて冷却性能を向上させることができる。
先に説明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クした構造であってもよい。
前記電池パックは、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、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用できるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュール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説明したが、本発明は前述の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することなく当該発明の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のはもちろんであり、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならないはずである。
１０：電池セル積層体
１１：電池セル
２０：Ｕ字型フレーム
３０：上部プレート
４０：熱伝導性樹脂層
１００：電池セル積層体
１１０：電池セル
２００：Ｕ字型フレーム
２１０：圧縮パッド
２２０：両面テープ
３００：上部プレート
３１０（３１０ａ、ｂ、ｃ、ｄ）：陥没部
４００：熱伝導性樹脂層

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しており、上部が開放されたＵ字型フレーム；
    開放された前記Ｕ字型フレームの前記上部で前記電池セル積層体を覆う上部プレート；および
    前記電池セル積層体と前記Ｕ字型フレームの底面の間に形成されている熱伝導性樹脂層を含み、
    前記上部プレートは、前記電池セル積層体の前記複数の電池セルの積層方向に垂直な方向に陥没形成されている陥没部を含み、
    前記電池セル積層体は、最外側の電池セルが前記Ｕ字型フレームの互いに対向する２つの側面部とそれぞれ対応するように前記Ｕ字型フレームの内部に収容され、
    前記陥没部は、前記電池セル積層体を加圧する電池モジュール。
  2. 前記陥没部は、前記電池セル積層体を下側に加圧して前記電池セル積層体と前記熱伝導性樹脂層の接触面積を増加させる、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記電池セル積層体の前記最外側の電池セルと該最外側の電池セルとそれぞれ対応する前記Ｕ字型フレームの前記２つの側面部の間には圧縮パッドが形成され、
    前記熱伝導性樹脂層は、前記電池セル積層体と対応する部分の厚さより前記圧縮パッドと対応する部分の厚さが厚い、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記陥没部は、前記複数の電池セルの全てと垂直方向に対応するように陥没形成されている、請求項１～３の何れか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記陥没部は、長方形形状に陥没している、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記陥没部は、楕円形状に陥没している、請求項４に記載の電池モジュール。
  7. 前記陥没部は、前記上部プレートの縁部に沿って陥没している、請求項１～６の何れか一項に記載の電池モジュール。
  8. 前記陥没部は、複数個で形成されている、請求項１～７の何れか一項に記載の電池モジュール。
  9. 前記陥没部は前記複数の電池セルの長さ方向と垂直な方向を長さ方向として形成され、前記複数の電池セルの全てと垂直方向に対応するように陥没形成された複数の陥没部を含む、請求項８に記載の電池モジュール。
  10. 請求項１～９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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