JP7395226B2 - 電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１９年２月２１日付韓国特許出願第１０－２０１９－００２０５０７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、より詳細には電池モジュールに樹脂が注入されることを容易にモニタリングできる電池モジュールおよびその製造方法に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加につれ、エネルギ源としての二次電池の需要が急激に増加している。そのため、多様な要求に相応でき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。
携帯電話、カメラなどの小型デバイスには一つの電池セルがパッキングされている小型電池パックが使用されるが、ノートブック、電気自動車などの中大型デバイスには二つまたはそれ以上の電池セルを並列および／または直列に連結した電池パックがパッキングされている中型または大型電池パックが使用されている。したがって、前記電池パックに含まれる電池セルの個数は求められる出力電圧または充放電容量によって多様に設定することができる。
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先に構成し、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の場合、求められる電池容量の増加に応じて電池セルから発生する熱を効率的に冷却させる技術の重要性が次第に大きくなっている。このために、電池モジュールで放熱のための樹脂をケース内部に塗布して熱伝導性を向上させ得る構造が導入された。
しかし、このような電池モジュールでケース内部に注入口を介して樹脂を注入する場合は注入量を確認することが難しく、樹脂が少なく注入される場合はケース内部に樹脂が均等に分布されないか、または過度に多い樹脂が注入されて不要に捨てられる樹脂が発生し、追加の樹脂を除去する別途の工程が必要であるという問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためのものであり、樹脂が検出穴等を介して漏れ出ることを防止し、モジュール内部で注入される樹脂の状態を効果的にモニタリングできる電池モジュールおよびその製造方法を提供するためのものである。
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は、内部空間を形成する下部プレートと側壁を含むモジュールフレーム、前記モジュールフレームの前記内部空間に位置し、複数の電池セルが、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体、および前記下部プレートと前記電池セル積層体の間に位置し、検出剤を含む樹脂層を含み、前記下部プレートは少なくとも一つの注入孔を含む。
前記樹脂層は熱伝導性樹脂を含み得る。
前記検出剤は造影剤であり得る。
前記造影剤は粒子状であり得る。
前記検出剤は色素であり、前記下部プレートは前記少なくとも一つの注入孔から離隔している少なくとも一つの透明窓を含み得る。
前記色素は顔料粒子であり得る。
前記少なくとも一つの透明窓は、前記下部プレートに形成された少なくとも一つの検出穴および前記検出穴に対応して前記下部プレートの外面に付着された透明テープを含み得る。
前記少なくとも一つの透明窓は、前記少なくとも一つの検出穴から前記下部プレートの長手方向に沿って離隔し得る。
前記樹脂層は前記透明テープと接触し得る。
本発明の他の一実施形態による電池モジュールの製造方法は、複数の電池セルが、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体をモジュールフレーム内に収容する段階、前記モジュールフレームの下部プレートに形成された少なくとも一つの注入孔を介して前記電池セル積層体と前記下部プレートの間に検出剤を含む樹脂組成物を注入する段階、および前記検出剤を含む前記樹脂組成物の流れをモニタリングして電池セル積層体と前記下部プレートの間に前記樹脂組成物が等しく拡散された時点に前記注入孔を介した前記樹脂組成物の注入を中止する段階を含む。
前記検出剤は造影剤であり、前記モニタリングはコンピュータ断層撮影（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＣＴ）により行われ得る。
前記造影剤は粒子状であり得る。
前記検出剤は色素であり、前記下部プレートは前記少なくとも一つの注入孔から離隔している少なくとも一つの透明窓を含み得る。
前記モニタリングは色差計を利用して前記透明窓の色相変化を観察することによって行われ得る。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、前記した少なくとも一つの電池モジュール、および前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケースを含み得る。
本発明の他の一実施形態によるデバイスは、前記した少なくとも一つの電池パックを含み得る。
実施形態によれば、樹脂が検出穴等を介して漏れ出ることを防止し、モジュール内部で注入される樹脂の状態を効果的にモニタリングできる電池モジュールおよびその製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態による電池モジュールの断面を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールにおいて、下部プレート側から見た状態を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールにおいて、樹脂の流れを説明するために示す図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールの断面を示す図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールにおいて、下部プレート側から見た状態を示す図である。 本発明の他の実施形態による電池モジュールにおいて、樹脂の流れを説明するために示す図である。 比較例による電池モジュールにおいて、樹脂の流れを説明するために示す図である。
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に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又は類似する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、本発明が必ずしも図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拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜上一部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「の上に」または「上に」あるという時、これは他の部分の「真上に」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「真上に」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「の上に」または「上に」あるということは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力逆方向に向かって「の上に」または「上に」位置することを意味するものではない。
また、明細書全体において、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、明細書全体において、「平面上」とする時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、これは対象部分を垂直に切った断面を横から見た時を意味する。
図１は本発明の一実施形態による電池モジュールの断面を示す図面であり、図２は本発明の一実施形態による電池モジュールにおいて、下部プレート側から見た状態を示す図面であり、図３は本発明の一実施形態による電池モジュールにおいて、樹脂の流れを説明するために示す図である。
図１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１１２が並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体１１０および電池セル積層体１１０が収納されるモジュールフレーム１２０を含んで構成される。
電池セル積層体１１０は複数の電池セル１１２を含む二次電池の集合体である。電池セル積層体１１０は複数の電池セル１１２を含み得、それぞれの電池セルは電極リード（図示せず）を含む。複数の電池セル１１２を積層して電極リードに連結して電池セル積層体１１０を形成し得る。電池セル１１２は板状を有するパウチ型電池セルであり得るが、これに限定されるものではない。前記電極リードは、陽極リードまたは陰極リードであり、各電池セル１１２の電極リードは端部が片方の方向に曲がることができ、これによって隣接する他の電池セル１１２が有する電極リードの端部と当接し得る。互いに当接した２個の電極リードは互いに溶接等により固定され得、これにより電池セル積層体１１０内部の電池セル１１２間の電気的連結が行われ得る。
複数の電池セル１１２は電極リードが一側方向に整列されるように垂直積層されて電池セル積層体１１０をなす。電池セル積層体１１０は内部空間を形成する下部プレート１２６と側壁１２４を含むモジュールフレーム１２０内に収容される。例えば、モジュールフレーム１２０は前記電池セル積層体１１０の積層面に垂直である上部プレート１２２および下部プレート１２６と電池セル積層体１１０の積層面と平行し、前記下部プレート１２６と上部プレート１２２を連結する一対の側壁１２４を含み得る。電池セル積層体１１０は上部プレート１２２，下部プレート１２６および一対の側壁１２４により囲まれ得、モジュールフレーム１２０に形成された少なくとも一つの開口（図示せず）により電池セル積層体１１０の電極リードが露出するように収納され得る。この時開口は電極リードを外部と電気的に連結する構成を含むエンドプレート（図示せず）等によって覆われ得る。
図２を参照すると、モジュールフレーム１２０の下部プレート１２６には後述の樹脂層１４０を形成するための樹脂を注入できる少なくとも一つの注入孔１２９が形成されている。すなわち、モジュールフレーム１２０内に電池セル積層体１１０が収納された状態で、下部プレート１２６が上に位置するように電池モジュール１００を配置し、下部プレート１２６の注入孔１２９を介して樹脂が注入される。これと関連する詳細な説明は後述する。
樹脂層１４０はモジュールフレーム１２０の下部プレート１２６と電池セル積層体１１０の間の空間を充電する状態で存在し得る。
樹脂層１４０は熱伝導性樹脂層として熱伝導性樹脂とそれに分散している検出剤を含み得る。
前記熱伝導性樹脂は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、オレフィン樹脂、ＥＶＡ樹脂またはシリコン樹脂のうち一つ以上を含む。
本実施形態における検出剤としては造影剤を含む。造影剤は後述する電池モジュール１００の製造方法において、樹脂組成物の注入状態をモニタリングするために含まれる成分であり、コンピュータ断層撮影（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＣＴ）時に、樹脂の流れが映像として見えるようにＸ線を吸収する特性を有し得る。
このように造影剤を利用して樹脂組成物の注入状態をモニタリングするので、樹脂組成物の注入を確認するための別途の検出穴は必要ない。すなわち、図２に示すように本実施形態の下部プレート１２６には少なくとも一つの注入孔１２９のみ形成され、検出穴は形成されない。検出穴が形成されないため、樹脂組成物の注入時に過注入された樹脂組成物が検出穴を介して漏出されて樹脂組成物が浪費されたり、漏出された樹脂組成物を除去するための別途の工程を行ったりしなくても良い。また、検出穴を形成しなくても造影剤を利用したモニタリングが可能であるので、モジュールフレーム１２０の内部で下部プレート１２６対応領域全体に対して均一に樹脂組成物を注入することができる。
造影剤としては、粒子状の物質を使用することができる。例えば、鉛、バリウム、ガドリニウムなどの金属を含む化合物または錯体などを使用できるが、特に限定されるものではなく、Ｘ線などを吸収する特性を有して検出可能な材料であれば使用可能である。ただし、電池モジュール１００内に含まれる材料であるため、電池セルなどの作動に影響を及ぼさないように絶縁体であることが好ましい。造影剤として使用される粒子は約０．００１μｍ～８０μｍの粒径を有し得る。
造影剤を検出剤として含む樹脂層１４０を形成する場合、樹脂層１４０形成のための樹脂組成物の注入過程でコンピュータ断層撮影を介して樹脂組成物の注入程度をリアルタイムでモニタリングすることができる。以下樹脂組成物の注入をモニタリングする過程を含む電池モジュール１００の製造方法について説明する。
まず、複数の電池セル１１２を積層して電極リードに連結して電池セル積層体１１０を形成し、電池セル積層体１１０をモジュールフレーム１２０の内部に収納する。次にモジュールフレーム１２０の開口にエンドプレートを結合して樹脂組成物注入以前の電池モジュールを完成する。
引き続き、モジュールフレーム１２０の下部プレート１２６が上部に向かうように配置し、下部プレート１２６に形成された注入孔１２９を介して樹脂組成物を注入する。樹脂組成物はアクリル系樹脂組成物、エポキシ系樹脂組成物、ウレタン系樹脂組成物、オレフィン系樹脂組成物、ウレタン系樹脂組成物、エチレン酢酸ビニル（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ：ＥＶＡ）系樹脂組成物またはシリコン系樹脂組成物のうち少なくとも一つを含み得る。また、樹脂組成物は検出剤を含み、本実施形態における検出剤としては造影剤を含む。
また、前記樹脂組成物には、樹脂層の特性を向上させて検出剤の分散を向上させるその他添加物、例えば希釈剤、分散剤、表面処理剤、難燃剤、カップリング剤などが含まれ得る。
この時、造影剤を含む樹脂組成物を注入孔１２９を介して注入しながら、モジュールフレーム１２０内部での樹脂組成物の流れをリアルタイムでモニタリングし、電池セル積層体１１０と下部プレート１２６の間に前記樹脂組成物が均等に拡散された時点に前記注入孔１２９を介した樹脂組成物の注入を中止する。ここで、モニタリングはコンピュータ断層撮影により行われるが、これに限定されるものではなく造影剤を検出できる非破壊検査であれば適用可能である。この時造影剤が樹脂組成物に含まれているので、コンピュータ断層撮影時樹脂組成物の拡散形態がＸ線を吸収する造影剤を撮影することによって映像として出力され、これをモニタリングすることができる。すなわち、図３に示すように、複数の注入孔１２９を介して注入された樹脂組成物は、引き続き樹脂組成物が投入されることにより注入孔１２９から遠ざかる方向に拡散が行われるが、本実施形態では樹脂組成物に造影剤を添加してこれをコンピュータ断層撮影でモニタリングするので図３のような拡散状態をリアルタイムで確認することができる。
このように樹脂組成物に造影剤を追加して非破壊検査によりモジュールフレーム１２０内部での樹脂組成物の流れおよび分布をリアルタイムでモニタリングすることによって、樹脂組成物がモジュールフレーム１２０内部の下部プレート１２６に対応する領域全体に均等に分布しているかをリアルタイムで確認し、これにより樹脂組成物の注入を中止することができる。したがって、モニタリングのための検出穴を形成しなくても良いので、検出穴を介して樹脂組成物が漏出されて原料を浪費したり、漏出した樹脂組成物を除去するために別途の工程を行ったりすることなく、樹脂組成物の均等な分布による優れた冷却性能を達成することができる。
引き続き、注入された樹脂組成物を硬化させて樹脂層１４０を形成することによって電池モジュール１００を得る。
以上に説明したように、本実施形態によればモジュールフレーム１２０内部に樹脂層１４０の形成のための樹脂組成物を注入する工程において、樹脂組成物には造影剤を含み、これをコンピュータ断層撮影などの非破壊検査によりリアルタイムでモニタリングし、別途の検出穴は備えないことによって、樹脂組成物の漏出を防止し、下部プレート１２６の内部全体に樹脂組成物が均一に拡散するまで樹脂組成物を十分に注入することができる。これによって樹脂組成物の漏出による原料樹脂組成物の浪費およびそれを除去するための追加工程の発生を防止することができ、また、モジュールケース１２０内部に均一に樹脂組成物を注入して電池モジュール１００の優れた冷却性能を確保することができる。
本発明の他の実施形態において、先立って説明した一実施形態による電池モジュールおよびその製造方法と同じ部分の説明は省略し、差がある部分についてのみ説明する。
図４は本発明の他の実施形態による電池モジュールの断面を示す図面であり、図５は本発明の他の実施形態による電池モジュールにおいて、下部プレート側から見た状態を示す図面であり、図６は本発明の他の実施形態による電池モジュールにおいて、樹脂の流れを説明するために示す図面であり、図７は比較例による電池モジュールにおいて、樹脂の流れを説明するために示す図である。
図４および図５に示すように、本発明の他の実施形態の下部プレート１２６は少なくとも一つの注入孔１２９から離隔している少なくとも一つの透明窓１３０を含む。透明窓１３０は少なくとも一つの注入孔１２９から、下部プレート１２６の長さ方向に沿って離隔（すなわち、図５のｙ軸方向）し、下部プレート１２６の両側端部の近くに位置し得る。例えば、図５に示すように、下部プレート１２６の長手方向の中央付近に下部プレート１２６の幅方向（図５のｘ軸方向）に沿って複数の注入孔１２９が配列され、このような注入孔１２９から下部プレート１２６の長さ方向に沿って両側に離隔（すなわち、図５のｙ軸方向）する位置に、少なくとも一つの透明窓１３０が位置し得る。
透明窓１３０は、下部プレート１２６に形成された少なくとも一つの検出穴１３１と、検出穴１３１に対応して下部プレート１２６の外面に付着された透明テープ１３２を含む。検出穴１３１は透明窓１３０の位置で下部プレート１２６に形成された穴であり、透明テープ１３２はこのような検出穴１３１を外部で塞ぐ形態で付着されている。図５では透明テープ１３２を複数の検出穴１３１にかけて付着したが、小さい片に形成してそれぞれの検出穴に対応するように個別に付着してもよい。
透明テープ１３２は粘着面を有するテープであり得、両面テープと透明な材質のプレートが結合された形態であり得、外部から樹脂層１４０の観察が可能でかつ検出穴１３１を塞ぐことができる形態であれば特に限定されない。
本実施形態における樹脂層１４０は検出剤として色素を含む。色素は顔料粒子であり得、透明窓１３０を介して外部から視認可能な構成であれば、特に限定されない。色素として使用される顔料粒子は約０．００１μｍ～８０μｍの粒径を有し得る。
このように透明窓１３０と色素の構成により、電池モジュール１００の製造時樹脂組成物の注入状態を容易にモニタリングし、さらに超過注入される樹脂組成物が検出穴１３１の外に漏れ出ることを防止すると同時に、樹脂組成物が下部プレート１２６と電池セル組立体１１０の間に均一に拡散することができる。
また、本実施形態の樹脂層１４０を形成する場合、樹脂層１４０形成のための樹脂組成物の注入過程で色差計により透明窓１３０の色相変化を観察することによって樹脂組成物の分布状態を迅速でより正確にモニタリングすることができる。すなわち、下部プレート１２６に形成された注入孔１２９を介して樹脂組成物を注入することにおいて、樹脂組成物に検出剤として色素を含むので、透明窓１３０に樹脂組成物が到達する場合その変化をより容易に導き出すことができる。
さらに、本実施形態では透明テープ１３２により検出穴１３１が塞がっているので、先立って説明したように樹脂組成物が検出穴１３２の外に漏出されることを防止すると同時に、樹脂組成物が下部プレート１２６と電池セル組立体１１０の間に均一に拡散することができる。図６に示すように、注入孔１２９を介して注入された樹脂組成物は下部プレート１２６の端部に向かって拡散され、検出穴１３１の位置に到達すると検出穴１３１の外部に形成された透明テープ１３２により外部への漏出が防止され、透明テープ１３２による圧力によって再び下部プレート１２６の内側に移動する。これによって図６の（ａ）および（ｂ）（（ｂ）は、（ａ）の線ｂ－ｂ’に従う断面図である）に示すように、検出穴１３１に隣接する部分だけでなく、検出穴１３１からさらに離れた部分および下部プレート１２６の最も終端部にまで樹脂組成物が等しく拡散することができる。また、これによって形成された樹脂層１４０は図６の（ｂ）に示すように検出穴１３１内部を満たして透明テープ１３２と接するように形成される。
反面、図７に示すように、透明窓１３０の形態でない単に下部プレート１２６に形成された穴形態の検出穴１３１だけを備える場合、検出穴１３１に樹脂組成物が観察され、その注入を中止しても検出穴１３１に近い部分にのみ樹脂組成物が分布しており、検出穴１３１から離隔した部分には樹脂組成物が到達しなくなる。その結果、樹脂層１４０が形成されない部分が存在するようになり、電池モジュール１００に対する十分な冷却性能を得ることができなくなる。また、図７の構成で本実施形態の図６に示すように下部プレート１２６の最も終端部にまで樹脂組成物を拡散させるために注入量を増加させる場合、検出穴１３１を介して樹脂組成物が溢れ、原料樹脂組成物が浪費され、溢れた樹脂組成物を除去するための追加の工程が必要であるという問題が発生する。
以上、説明したように、本実施形態によれば、モジュールフレーム１２０内部に樹脂層１４０の形成のための樹脂組成物を注入する工程において、樹脂組成物には色素を含み、検出穴１３１とこれを塞ぐ透明テープ１３２で構成された透明窓１３０で樹脂組成物の拡散をモニタリングすることによって、樹脂組成物の漏出を防止し、下部プレート１２６の内部全体に樹脂組成物が均一に拡散するまで樹脂組成物を十分に注入することができる。これによって樹脂組成物の漏出による原料樹脂組成物の浪費およびそれを除去するための追加工程発生を防止することができ、また、モジュールケース１２０の内部に均一に樹脂組成物を注入して電池モジュール１００の優れた冷却性能を確保することができる。
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、次の請求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。
１００ 電池モジュール
１１０ 電池セル積層体
１１２ 電池セル
１２０ モジュールフレーム
１２４ 側壁
１２６ 下部プレート
１２９ 注入孔
１３０ 透明窓
１３１ 検出穴
１３２ 透明テープ
１４０ 樹脂層

Claims (7)

  1. 内部空間を形成する下部プレートと側壁を含むモジュールフレーム；
    前記モジュールフレームの前記内部空間に位置し、複数の電池セルが、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体；および
    前記下部プレートと前記電池セル積層体の間に位置し、検出剤を含む樹脂層を含み、
    前記下部プレートは少なくとも一つの注入孔を含み、
    前記検出剤はコンピュータ断層撮影の際にＸ線を吸収する造影剤であり、
    前記造影剤は、鉛、バリウムまたはガドリニウムを含む化合物または錯体である電池モジュール。
  2. 前記樹脂層は熱伝導性樹脂を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記造影剤は粒子状である、請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 複数の電池セルが、並んで互いに隣接して積層された電池セル積層体をモジュールフレーム内に収容する段階；
    前記モジュールフレームの下部プレートに形成された少なくとも一つの注入孔を介して前記電池セル積層体と前記下部プレートの間に検出剤を含む樹脂組成物を注入する段階；および
    前記検出剤を含む前記樹脂組成物の流れをモニタリングして前記電池セル積層体と前記下部プレートの間に前記樹脂組成物が等しく拡散された時点に前記注入孔を介した前記樹脂組成物の注入を中止する段階を含み、
    前記検出剤はＸ線を吸収する造影剤であり、
    前記モニタリングはコンピュータ断層撮影（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＣＴ）により行われる、電池モジュールの製造方法。
  5. 前記造影剤は粒子状である、請求項４に記載の電池モジュールの製造方法。
  6. 請求項１に記載の少なくとも一つの電池モジュール、および
    前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケース
    を含む、電池パック。
  7. 請求項６に記載の少なくとも一つの電池パックを含む、デバイス。
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