JP7423127B2 - 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、２０２０年４月２２日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４８９１７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その製造方法に関し、より詳しくは、組立性が向上した電池モジュールおよびその製造方法に関する。
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、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、電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、および複数の電池セルを冷却させるヒートシンクを含む。
図１は従来のヒートシンクと結合された電池モジュールを示す図面である。
図１を参照すると、従来の電池モジュールは、複数の電池セル１０が積層形成された電池セル積層体、電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、前記モジュールフレームの底部２０と前記電池セル積層体との間に位置する熱伝導性樹脂層１５を含む。このような電池モジュールは、モジュールフレームの底部２０の下に形成されて複数の電池セル１０に冷却機能を提供するヒートシンク３０と結合して電池パックを形成することができる。ここで、電池モジュールの底部２０とヒートシンク３０との間に熱伝導層１８がさらに形成され得る。この時、ヒートシンクは、下部プレート３１および上部プレート２９を含み、下部プレート３１と上部プレート２９の間に冷媒が流動することができる。
従来は、電池モジュールおよび／または電池パックの冷却性能を向上させるために電池パック単位で別途の冷却構造、例えばヒートシンクを必要とする。したがって、冷却構造が複雑になる傾向があり、冷媒と電池セル１０の積層体との間が上部プレート２９、モジュールフレームの底部２０などからなる多層構造で形成されることによって、電池セルを間接的に冷却するしかないという限界があった。
本発明の解決しようとする課題は、組立性が向上した電池モジュールおよび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、言及されていないまた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、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、前記モジュールフレームの下に位置する冷却プレートと、を含み、前記モジュールフレームの底部と前記冷却プレートはヒートシンクを形成し、前記モジュールフレームの底部にはガイド部が形成され、前記冷却プレートは前記ガイド部と対応するように前記モジュールフレームの底部と結合する。
前記ガイド部は、前記モジュールフレームの底部の両側端部に形成され、前記両側端部の周縁辺と平行に打刻された第１ガイド部を含むことができる。
前記第１ガイド部は、前記冷却プレートの両側辺と一致するように配置され得る。
前記ガイド部は、前記モジュールフレームの底部の後端周縁辺に溝形状を有する第２ガイド部を含み、前記溝形状により形成される陥没ラインは前記冷却プレートの後辺と対応するように配置され得る。
前記溝形状は複数個で形成され、前記複数個の溝の陥没ラインは同一線上に位置することができる。
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の製造方法は、冷却プレートの両側辺をモジュールフレームの底部の両側端部に形成された第１ガイド部と対応させる段階と、冷却プレートの後辺を前記モジュールフレームの底部の後端部に陥没形成された第２ガイド部と対応させる段階と、前記冷却プレートを前記モジュールフレームの底部に結合させる段階と、を含む。
前記冷却プレートの両側辺を前記第１ガイド部と対応させる段階において、前記冷却プレートの両側辺を前記第１ガイド部が形成するガイド部ラインと一致させることができる。
前記冷却プレートの後辺を前記第２ガイド部と対応させる段階において、前記冷却プレートの後辺を前記第２ガイド部の陥没ラインと一致させることができる。
前記冷却プレートを前記モジュールフレームの底部に結合させる段階において、前記冷却プレートのフレーム部を前記モジュールフレームの底部に溶接結合することができる。
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を含む。
本発明の実施形態によると、冷却プレートをガイド部に合わせてモジュールフレームの底部に組み立てることによって組立不良およびそれに伴う漏れ現象を防止し、電池モジュールの品質を向上させることができる。
また、モジュールフレームとヒートシンクを一体化させた冷却構造を通じて冷却構造の単純化を実現することができる。
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得るだろう。
従来のヒートシンクと結合した電池モジュールを示す図面である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。 比較例として、ヒートシンクの組立ラインが合わない場合を示す図面である。 図２のＡ部分で、本発明の一実施形態による第１ガイド部を示す図面である。 図２のＡ部分で、本発明の一実施形態による第２ガイド部を示す図面である。 図２のＢ部分であり、冷却プレートがモジュールフレームの底部に結合された時の第１ガイド部の部分を示す図面である。 図２のＢ部分であり、冷却プレートがモジュールフレームの底部に結合された時の第２ガイド部の部分を示す図面である。 図７のＣ－Ｃ’部分を示す図面である。
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を参照して、本発明の一実施形態による電池モジュールの構成について説明する。
図２は本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。
図２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、複数の電池セルが積層された電池セル積層体１００、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２００、およびモジュールフレーム２００の下側に形成されて複数の電池セルを冷却させる冷却プレート３００を含む。
本実施形態による電池セルは、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は、複数個で構成され得、複数個の電池セル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。複数個の電池セルは、それぞれ電極組立体、セル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。
モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１００を収容する。本発明の一実施形態によると、モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１００の下面および両側面を覆う下部フレーム２１０、電池セル積層体１００の上面を覆う上部プレート２２０を含むことができる。ただし、モジュールフレーム２００の構造はこれに制限されず、電池セル積層体１００の前後面を除いて４面で囲むモノフレーム形態であり得る。
本実施形態による電池モジュールは、電池セル積層体１００の前後面を覆うエンドプレート４００をさらに含むことができる。前述したモジュールフレーム２００を通じて内部に収容された電池セル積層体１００を物理的に保護することができる。
冷却プレート３００は、モジュールフレーム２００の下部に形成され得る。冷却プレート３００は、冷却プレート３００の骨格を形成し、モジュールフレーム２００の底部２１１と接触するフレーム部３１０、冷却プレート３００の一側に形成されて外部から内部に冷媒を供給するインレット部３２０、ヒートシンクの一側に形成されてヒートシンク内部で流動された冷媒がヒートシンク外部に流出されるようにするアウトレット部３３０、インレット部３２０とアウトレット部３３０を連結し、冷媒が流動する流路部３４０を含むことができる。下側の冷却プレート３００と上側のモジュールフレームの底部２１１が上下に配置され、その間に形成された流路部３４０を通じて冷媒が流動する冷却一体型ヒートシンク（Ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）構造を形成することができる。
具体的に、流路部３４０は、モジュールフレーム２００の底部に該当する下部フレーム２１０の下面と接触するフレーム部３１０が下側に陥没形成された構造であり得る。流路部３４０の上側は開放されることによって流路部３４０とモジュールフレーム２００の底部２１１との間に流路が形成され、前記流路を通じて冷媒が流動することができる。言い換えると、本実施形態による電池モジュールは、モジュールフレーム２００の底部２１１が冷却プレート３００の上部プレートに対応する役割を果たす冷却一体型構造を有することができる。
従来はモジュールフレームの下側に冷媒が流れる構造が別途に形成されており、モジュールフレームを間接的に冷却するしかなかったため、冷却効率が低下し、別途の冷媒流動構造が形成されており、電池モジュールおよび電池モジュールが装着された電池パック上の空間活用率が低くなるという問題があった。しかし、本発明の一実施形態によると、モジュールフレーム２００の下部にヒートシンクを一体化させた構造を採用して、冷却プレート３００の流路部３４０とモジュールフレーム２００の底部２１１との間に冷媒が直接流動できるようになることによって、直接冷却による冷却効率が上昇し、冷却プレート３００がモジュールフレーム２００の底部と一体となった構造を通じて電池モジュールおよび電池モジュールが装着された電池パック上の空間活用率をより向上させることができる。
フレーム部３１０は、モジュールフレーム２００の底部と対応するように形成され得る。モジュールフレーム２００の底部２１１は、下部フレーム２１０の底部に該当し、フレーム部３１０と下部フレーム２１０の底部とは溶接などにより結合することができ、フレーム部３１０を通じて電池モジュール全体の剛性を補強することができる。フレーム部３１０と下部フレーム２１０の底部とは溶接結合を通じて密封されることによって、フレーム部３１０内側に形成された流路部３４０で冷媒が漏出なしに流動することができる。
インレット部３２０とアウトレット部３３０は、全て冷却プレート３００の一辺に形成され得る。より詳しくは、インレット部３２０とアウトレット部３３０は、全てエンドプレート４００が位置する部分に形成された冷却プレート３００の一辺に形成され得る。インレット部３２０とアウトレット部３３０は、冷却プレート３００の一辺の両端にそれぞれ位置することができる。冷却プレート３００の下側または上側には冷媒供給部および冷媒排出部が形成されて、冷媒供給部を通じて供給された冷媒がインレット部３２０に流入され、アウトレット部３３０を通じて流出された冷媒は冷媒排出部を通じて外部に排出され得る。
流路部３４０は、曲がりながらモジュールフレーム２００の底部を覆うように形成され得る。流路部３４０は、モジュールフレーム２００の底部のうち、フレーム部３１０がモジュールフレーム２００の底部と接触した部分を除いた大部分の領域に形成されることによって、モジュールフレーム２００の底部上側でモジュールフレーム２００の底部の大部分の面積を占めるように配置された電池セル積層体１００の全ての部分が均一に冷却されるようにすることができる。
流路部３４０が曲がる部分は曲面で形成され得る。流路部３４０に角ばっている角部分が形成される場合、角ばっている角部分で冷媒の流動が停滞して温度偏差および圧力降下が大きくなる虞がある。これと関連して、本発明の一実施形態のように流路部３４０で経路が変更される部分を曲面で処理すれば冷媒の流動が自然に行われ得る。
以下、図２乃至図５を参照して本発明の一実施形態による第１、２ガイド部について比較例と共に説明する。
図３は比較例として、ヒートシンクの組立ラインが合わない場合を示す図面である。図４は図２のＡ部分で、本発明の一実施形態による第１ガイド部を示す図面である。図５は図２のＡ部分で、本発明の一実施形態による第２ガイド部を示す図面である。
図２、図４および図５を参照すると、モジュールフレーム２００の底部２１１にはガイド部２１１０が形成され、冷却プレート３００はガイド部２１１０と対応するようにモジュールフレーム２００の底部２１１と結合する。
図３に示されているように、冷却プレート３００をモジュールフレーム底部２１１に組み立てる場合、冷却プレート３００の角部とモジュールフレーム底部２１１角部とが整列されず、組立不良が発生することがあり、組立不良が発生することによって冷却プレート３００とモジュールフレーム底部２１１との間に隙間が発生して、隙間を通じて冷媒が漏れる現象が発生する虞がある。
そこで、本実施形態によると、モジュールフレーム底部２１１にガイド部２１１０が形成され、冷却プレート３００をガイド部２１１０に合うように組み立てることによって組立性を改善し、冷媒の漏出を防止し、電池モジュールの品質を向上させることができる。
本実施形態によるガイド部２１１０は、モジュールフレーム底部２１１の両側端部に形成された第１ガイド部２１１１、およびモジュールフレーム底部２１１の後端周縁辺に溝形状で形成された第２ガイド部２１１２を含むことができる。
以下、図２、図４および図６を参照して本発明の一実施形態による第１ガイド部について説明する。
図４は本発明の一実施形態による第１ガイド部を示す図面である。図６は図２のＢ部分であり、冷却プレートがモジュールフレーム底部と結合した時の第１ガイド部の部分を示す図面である。
本実施形態によると、第１ガイド部２１１１は、モジュールフレーム底部２１１の両側端部で、両側端部の周縁辺２１１ａと平行に打刻され得る。冷却プレート３００がモジュールフレーム底部２１１に組み立てられる場合、第１ガイド部２１１１は、図６に示されているように冷却プレート３００の両側辺３００ａと一致するように配置され得る。第１ガイド部２１１１を通じて冷却プレート３００をモジュールフレーム底部２１１の両側端部の部分を基準として対称に配置させることができる。
以下、図２、図５、図７および図８を参照して本発明の一実施形態による第２ガイド部について説明する。
図５は本発明の一実施形態による第２ガイド部を示す図面である。図７は図２のＢ部分であり、冷却プレートがモジュールフレーム底部に結合された時の第２ガイド部の部分を示す図面である。図８は図７のＣ－Ｃ’部分を示す図面である。
本実施形態によると、第２ガイド部２１１２は、モジュールフレーム底部２１１の後端周縁辺２１１ｂに溝形状で形成され得る。冷却プレート３００がモジュールフレーム底部２１１に組み立てられる場合、第２ガイド部２１１２の陥没ラインＤは、図７および図８に示されているように冷却プレート３００の後辺３００ｂと一致するように配置され得る。本実施形態によると、溝形状の第２ガイド部２１１２は複数個で形成され、複数個の溝の陥没ラインＤは同一線上に位置することができる。第２ガイド部２１１２を通じて冷却プレート３００をモジュールフレーム底部２１１の後辺部と対応するように配置させることができる。
前述した第１ガイド部２１１１、第２ガイド部２１１２を通じて冷却プレート３００をモジュールフレーム底部２１１の所望する位置および角度に正確に組み立てることができる。
以下、図６および図７を参照して、本発明の一実施形態による電池モジュールの製造方法について説明する。
図６および図７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、冷却プレート３００の両側辺３００ａをモジュールフレーム底部２１１の両側端部に形成された第１ガイド部２１１１と対応させる段階（図６）、冷却プレート３００の後辺３００ｂをモジュールフレーム底部２１１の後端部に陥没形成された第２ガイド部２１１２と対応させる段階（図７）、および冷却プレート３００をモジュールフレーム底部に結合させる段階を含む。
本実施形態によると、冷却プレート３００の両側辺３００ａを第１ガイド部２１１１と対応させる段階において、冷却プレート３００の両側辺３００ａを第１ガイド部２１１１が形成するガイド部ラインと一致させることができる。
冷却プレート３００の後辺を第２ガイド部２１１２と対応させる段階において、冷却プレート３００の後辺３００ｂを第２ガイド部２１１２の陥没ラインＤと一致させることができる。冷却プレート３００の組立時、第１、２ガイド部２１１１、２１１２が形成するラインと冷却プレート３００を一致させて組み立てることによって、冷却プレート３００をモジュールフレーム底部２１１の角部と対応する位置に正確に配置させることができる。
冷却プレート３００をモジュールフレーム底部２１１に結合させる段階において、冷却プレート３００のフレーム部３１０をモジュールフレーム底部２１１に溶接結合することができる。溶接結合を通じて冷却プレート３００とモジュールフレーム底部２１１を密封結合して内部で流れる冷媒の漏出を防止することができる。
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。
２００：モジュールフレーム
２１０：下部フレーム
２２０：上部プレート
２１１：モジュールフレーム底部
２１１ａ：モジュールフレーム底部の両側端部周縁辺
２１１ｂ：モジュールフレーム底部の後端周縁辺
２１１０：ガイド部
２１１１：第１ガイド部
２１１２：第２ガイド部
３００：冷却プレート
３００ａ：冷却プレートの両側辺
３００ｂ：冷却プレートの後辺
３１０：フレーム部
３２０：インレット部
３３０：アウトレット部
３４０：流路部
Ｄ：陥没ライン

Claims (8)

  1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、
    前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、
    前記モジュールフレームの下に位置する冷却プレートと、
    を含み、
    前記冷却プレートの上部全体が前記モジュールフレームの底部に対向した状態で、前記モジュールフレームの底部と前記冷却プレートはヒートシンクを形成しており、
    前記冷却プレートと前記モジュールフレームの底部は密封されており、
    前記モジュールフレームの底部にはガイド部が形成されており、前記冷却プレートは前記ガイド部と対応するように前記モジュールフレームの底部と結合しており、
    前記ガイド部は、前記モジュールフレームの底部の両側端部に形成されており、前記両側端部の周縁辺と平行に打刻された第１ガイド部を含み、
    前記第１ガイド部は、前記冷却プレートの両側辺と一致するように配置されている、電池モジュール。
  2. 前記ガイド部は、前記モジュールフレームの底部の後端周縁辺に溝形状を有する第２ガイド部を含み、前記溝形状により形成される陥没ラインは前記冷却プレートの後辺と対応するように配置されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記溝形状は複数個で形成されており、前記複数個の溝の陥没ラインは同一線上に位置する、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 冷却プレートの両側辺をモジュールフレームの底部の両側端部に形成された第１ガイド部と対応させる段階と、
    冷却プレートの後辺を前記モジュールフレームの底部の後端部に陥没形成された第２ガイド部と対応させる段階と、
    前記冷却プレートを前記モジュールフレームの底部に結合させる段階と、
    を含む電池モジュールの製造方法。
  5. 前記冷却プレートの両側辺を前記第１ガイド部と対応させる段階において、前記冷却プレートの両側辺を前記第１ガイド部が形成するガイド部ラインと一致させる、請求項４に記載の電池モジュールの製造方法。
  6. 前記冷却プレートの後辺を前記第２ガイド部と対応させる段階において、前記冷却プレートの後辺を前記第２ガイド部の陥没ラインと一致させる、請求項４または５に記載の電池モジュールの製造方法。
  7. 前記冷却プレートを前記モジュールフレームの底部に結合させる段階において、前記冷却プレートのフレーム部を前記モジュールフレームの底部に溶接結合する、請求項４から６のいずれか一項に記載の電池モジュールの製造方法。
  8. 請求項１から３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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