JP7484021B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は、２０２１年２月１６日付韓国特許出願第１０－２０２１－００２０４４８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これを含む電池パックに関し、より具体的には電池セルのスウェリング現象が効果的に改善され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。

モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイス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ー源としても大きな関心を受けている。

小型モバイル機器にはデバイス１台当たり１個または２～４個の電池セルが使用されることに対し、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、可能な限り小さい大きさと重量で製造されることが好ましいため、高い集積度に積層可能であり、容量に比べて重量が小さい角型電池、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むことができる。

図１は従来の電池モジュールの斜視図である。図２は図１の電池モジュールのモジュールフレームに電池セル積層体を装着することを示す図面である。図３は図１の切断線Ａ－Ａに沿って切断した断面を示す図面である。

図１乃至図３を参照すると、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が一方向に積層された電池セル積層体１２、および電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム３０、４０、電池セル積層体１２の前後面を覆うエンドプレート５０およびエンドプレート５０と電池セル積層体１２の前後面との間に形成されたバスバーフレーム１３を含む。

図２を参照すると、電池モジュール１０は、電池セル積層体１２の両側面に圧縮パッド１５を付着した後、電池セル積層体１２の両側面を加圧した状態で下部フレーム３０に装着される。そのために、従来の電池モジュール１０は、電池セル積層体１２を加圧する別途の加圧工程が要求される点から、工程および生産ラインが複雑になるという問題がある。

図４は図３の一部を拡大して示す図面である。

図４を参照すると、電池セル１１は、充放電過程で幅方向の変形１１Ａが発生して膨らむようになる。しかし、一般的に圧縮パッド１５は電池モジュール１０の幅方向の変形を吸収するには制限的であり、圧縮パッド１５に対して過度に大きい反力が作用する場合、永久的に変形し得るという問題がある。特に、電池セル１１は、充放電過程で膨張および収縮する過程を繰り返すようになり、このような過程の中で電池モジュール１０の幅方向の変形が十分に吸収されなければ、電池モジュールのスウェリング現象およびモジュールフレームの変形も発生するという問題がある。

そのために、電池モジュールの工程を比較的に簡易にしながら、電池セルの膨張および収縮による変形を十分に吸収し、冷却性能が向上した電池モジュールを開発する必要がある。

本発明の解決しようとする課題は、電池セルのスウェリング現象が効果的に改善された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にある。

本発明が解決しようとする課題は、前述した課題に制限されず、言及されていない課題は本明細書および添付した図面から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に明確に理解され得るだろう。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、第１方向に沿って積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体；前記電池セル積層体の前後面および両側面を取り囲む外装部材；前記電池セル積層体の前後面に位置するセンシングブロック；および前記電池セル積層体の側面と前記外装部材との間に配置される弾性部材を含む。

前記外装部材は、前記弾性部材が前記電池セル積層体の側面に配置されている構造の外面を取り囲むことができる。

前記弾性部材は、前記電池セル積層体の側面に付着していてもよい。

前記弾性部材は、前記電池セル積層体の側面に沿って延長されていてもよい。

前記弾性部材は、板スプリングからなることができる。

前記電池モジュールの前記外装部材の外面が露出していてもよい。

前記外装部材は、前記電池セルの幅と同一の幅を有するか、またはこれより小さい幅を有することができる。

前記外装部材は、前記電池セル積層体の下部に隣接して位置することができる。

前記外装部材は、弾性素材からなることができる。

前記外装部材は、前記弾性素材のフィルムからなり、前記弾性部材が前記電池セル積層体の側面に配置されている構造の外面をラッピング（ｗｒａｐｐｉｎｇ）して形成され得る。

前記外装部材は、熱収縮チューブからなり、前記熱収縮チューブの上下面が開放されていてもよい。

本発明の他の一実施形態による電池パックは、前述した電池モジュールを含むことができる。

実施形態によると、本発明は、電池セル積層体の前後面および両側面を取り囲む外装部材を含み、前記外装部材と前記電池セル積層体の側面との間に弾性部材が含まれることで、電池セルのスウェリング現象が効果的に改善された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ができる。

本発明の効果は、前述した効果に制限されず、言及されていない効果は本明細書および添付した図面から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に明確に理解され得るだろう。

従来の電池モジュールの斜視図である。 図１の電池モジュールのモジュールフレームに電池セル積層体を装着することを示す図面である。 図１の切断線Ａ－Ａに沿って切断した断面を示す図面である。 図３の一部を拡大して示す図面である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの斜視図である。 図５の電池モジュールの分解斜視図である。 図５の上面を示す図面である。 図５の切断線Ｂ－Ｂに沿って切断した断面の一部を示す図面である。 図７の一部を拡大して示す図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の多様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することができるように詳細に説明する。本発明は、多様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、説明上不要な部分は省略し、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の参照符号を付した。

また、図面に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ため、本発明が必ずしも図示されたところに限定されるのではない。図面において、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、説明の便宜のために、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の「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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた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」にあるということは、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「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、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方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側方から見た時を意味する。

以下、本発明の実施形態による電池モジュールについて説明する。ただし、ここで電池モジュールの前後面のうち、前面を基準として説明されるが、必ずしもこれに限定されず、後面である場合にも同一または類似の内容で説明され得る。

図５は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６は図５の電池モジュールの分解斜視図である。図７は図５の上面を示す図面である。

図５乃至図７を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、第１方向（ｙ軸方向）に沿って積層された複数の電池セル１１０を含む電池セル積層体１２０；電池セル積層体１２０の前後面および両側面を取り囲む外装部材１５０；および電池セル積層体１２０の前後面に位置するセンシングブロック１７０を含む。

また、外装部材１５０に取り囲まれている電池セル積層体１２０は、複数の電池セル１１０が積層されているが、電池セル１１０はパウチ型電池セルであることが好ましい。電池セル１１０は、電極組立体を樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチケースに収納した後、前記パウチケースのシーリング部を熱融着して製造され得る。このような電池セル１１０は、複数個で構成され得、複数の電池セル１１０は、互いに電気的に連結され得るように積層された電池セル積層体１２０を形成する。

また、外装部材１５０と電池セル積層体１２０の前後面との間にセンシングブロック１７０が位置することができる。ここで、センシングブロック１７０は、電極リード１１５が突出した電池セル積層体１２０の前後面をそれぞれ覆う。また、センシングブロック１７０は、一種のバスケット形態を有し、電池セル積層体１２０の前後面をそれぞれ覆うように構成され得る。ここで、センシングブロック１７０には少なくとも一つのスリット１７５が形成され、センシングブロック１７０が配置される時、電池セル１１０の電極リード１１５が前記スリットを通過して、電極リード接合体が形成され得る。

そのために、外装部材１５０は、電池セル積層体１２０の前後面に位置したセンシングブロック１７０を共に取り囲むようになり、本実施形態による電池モジュール１００は、センシングブロック１７０の前記スリットを通過して形成された電極リード接合体などに対する絶縁性能を確保することができる。

一例として、センシングブロック１７０は、電気的絶縁を帯びる素材を含むことができ、一例としてプラスチック素材、高分子素材または複合素材を含むことができる。ただし、これに限定されず、少なくとも一つのスリットが形成され得る剛性を確保しながらも、電気絶縁性を有する物質であれば制限されずに適用され得る。

図５乃至図７を参照すると、外装部材１５０は、電池セル積層体１２０の外面を取り囲むことができる。ここで、外装部材１５０は、両側面および前後面からなる部材であって、上下面が開放されていてもよい。つまり、電池セル積層体１２０は、外装部材１５０により両側面および前後面が取り囲まれ、上下面が開放されていてもよい。言い換えると、電池セル積層体１２０の上下面は露出していてもよい。

一例として、外装部材１５０は、弾性素材からなることができる。前記弾性素材は、ポリエチレン（ＰＥ、Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）のような物質のうちの少なくともいずれか一つからなることができる。ここで、外装部材１５０は、前記弾性素材のフィルムあるいは熱収縮チューブが前記電池セル積層体の外面をラッピング（ｗｒａｐｐｉｎｇ）して形成され得る。ここで、前記熱収縮チューブは、上下面が開放されていてもよい。ただし、これに限定されず、外部衝撃を効果的に吸収しながらも、電池セル積層体１２０に含まれている電池セル１１０を十分に加圧できる弾性を有する物質であれば制限されずに適用され得る。

そのために、本実施形態において、外装部材１５０は、電池セルのスウェリング現象を防止し、電池モジュールの寸法安定性を向上させることができる。さらに、外装部材１５０は、それ自体で弾性を有しており、電池セル１１０の体積変化による変形が最小化することができる利点がある。

また、外装部材１５０の両側面および前後面は、電池セル積層体１２０を取り囲む前に、それぞれ電池セル積層体の外面の大きさと対応する大きさを有することができる。一例として、外装部材１５０の両側面は電池セル積層体１２０の側面と同一の大きさを有するかまたはこれより小さい大きさを有することができる。また、外装部材１５０の前後面は電池セル積層体１２０の上下面と同一の大きさを有するかまたはこれより小さい大きさを有することができる。

そのために、本実施形態において、外装部材１５０は、電池セル積層体１２０を一定方向に加圧し、電池セル積層体１２０を取り囲むことができる。つまり、外装部材１５０は、電池セル積層体１２０に含まれている電池セル１１０を一定方向に加圧することで、電池セルのスウェリング現象を防止し、電池モジュールの寸法安定性を向上させることができる。また、電池セル積層体１２０が外装部材１５０に取り囲まれる工程を通じて、電池セル積層体１２０が同時に加圧されることで、別途に電池セル積層体１２０を加圧する工程が不要となり、工程および生産ラインが簡易になることができる。

また、外装部材１５０は、電池セル１１０の幅と同一の幅を有するか、またはこれより小さい幅を有することができる。一例として、外装部材１５０は、電池セル積層体１２０の下部に隣接して位置することができる。そのために、本実施形態において、外装部材１５０の面積を最小化しながらも、電池セルのスウェリング現象を防止し、電池モジュールの寸法安定性を向上させることができる。

また、外装部材１５０は、電池セル積層体１２０を取り囲んだ状態で、外装部材１５０の外面が露出していてもよい。そのために、電池セル積層体１２０の下面は電池モジュール１００の下部に位置する熱伝達部材（図示せず）と直接接することができるため、電池モジュール１００の冷却性能がより向上することができる。

さらに、電池モジュール１００が電池パックのパックフレーム（図示せず）に装着される場合、外装部材１５０がパックフレーム（図示せず）と接することができる。そのために、本実施形態において、外装部材１５０が従来の電池モジュール１０でのモジュールフレーム３０、４０を代替することができるため、部品最小化による価格競争力が上昇し、工程および費用の効率性を増大させることができるという利点がある。

また、外装部材１５０の内面に電池セル積層体１２０の外面がそれぞれ付着していてもよい。ここで、外装部材１５０に含まれている弾性素材がそれ自体で接着力を有することができる。また、外装部材１５０と電池セル積層体１２０は外装部材１５０の内面と電池セル積層体１２０の外面との間の摩擦力を通じて固定されていてもよい。また、外装部材１５０と電池セル積層体１２０との間に別途の接着層が形成されていてもよい。

一例として、前記接着層は、それぞれテープからなるか、または接着性バインダーがコーティングされて形成され得る。より好ましくは、前記接着層は、接着性バインダーでコーティングされるか、または両面テープからなり、電池セル積層体１２０と外装部材１５０が容易に固定され得る。ただし、これに限定されず、電池セル１１０の間あるいは電池セル１１０と外装部材１５０との間を互いに固定させることができる接着性能を有する物質であれば制限されずに適用され得る。

そのために、電池セル積層体１２０は、外装部材１５０内に安定的に収容され得る。

以下、本実施形態による電池モジュール１００に含まれる弾性部材１９０についてより具体的に説明する。

図５乃至図７を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、電池セル積層体１２０の側面と外装部材１５０との間に配置される弾性部材１９０を含む。一例として、電池モジュール１００において、電池セル積層体１２０の両側面と外装部材１５０との間にそれぞれ弾性部材１９０が配置され得る。

一例として、弾性部材１９０は、板スプリングからなることができる。ただし、これに限定されず、電池セル１１０の膨張時に体積変化を吸収できる程度の弾性復元力を有する素材であれば適用可能である。

また、弾性部材１９０は、電池セル積層体１２０の側面に沿って延長されていてもよい。ここで、弾性部材１９０は、電池セル積層体１２０の外側面に沿って延長されていてもよい。また、弾性部材１９０は、電池セル積層体１２０の外側面に比べて同一であるかまたは小さい大きさを有することができる。

また、外装部材１５０は、弾性部材１９０が電池セル積層体１２０の側面に配置されている構造の外面を取り囲むことができる。一例として、外装部材１５０が弾性素材のフィルムからなる場合、弾性部材１９０が電池セル積層体１２０の側面に配置されている構造の外面をラッピング（ｗｒａｐｐｉｎｇ）して形成され得る。他の一例として、外装部材１５０が熱収縮チューブからなる場合、前記熱収縮チューブの上下面が開放されており、前記熱収縮チューブの側面と電池セル積層体１２０の側面との間に弾性部材１９０が配置されていてもよい。

一例として、弾性部材１９０は、それ自体で有する接着力により電池セル積層体１２０の側面に配置されていてもよい。この時、弾性部材１９０と電池セル積層体１２０は外装部材１５０により加えられる面圧により固定され得る。

そのために、弾性部材１９０と電池セル１１０は別途の接着層なしでも互いに安定的に固定され得る。

他の一例として、弾性部材１９０は、電池セル積層体１２０の側面に付着していてもよい。より具体的には、弾性部材１９０と電池セル１１０との間に別途の接着層（図示せず）が位置することができる。一例として、前記接着層（図示せず）は、両面テープまたは接着剤のような接着部材により形成され得る。ただし、前記接着層は前述した内容に限定されず、電池セル１１０および弾性部材１９０を互いに固定させることができる接着性能を有する物質であれば制限されない。

そのために、本実施形態の電池モジュール１００は、電池セル１１０と弾性部材１９０との間が互いに接着され得るため、電池セル積層体１２０の前記第１方向（ｙ軸方向）への剛性およびエネルギー密度がより向上することができる。

図８は図５の切断線Ｂ－Ｂに沿って切断した断面の一部を示す図面である。図９は図７の一部を拡大して示す図面である。

図８および図９を参照すると、電池セル積層体１２０の前記第１方向（ｙ軸方向）を基準として、電池モジュール１００内の電池セル積層体１２０に含まれている電池セル１１０で発生する膨張による反力が弾性部材１９０に直接的に加えられ得る。ここで、弾性部材１９０は、それ自体で有する弾性復元力により、電池セル１１０で発生する膨張による反力を吸収することができる。

そのために、弾性部材１９０は、電池セル積層体１２０に含まれている電池セル１１０で発生する膨張を効果的に吸収することで、電池セル積層体１２０の最外郭で電池セル１１０の膨張による反力を十分に支持することができる。

さらに、電池セル積層体１２０の前記第１方向（ｙ軸方向）を基準として、外装部材１５０は電池セル１１０で発生する膨張による反力が加えられる方向とは反対方向に電池セル積層体１２０および弾性部材１９０の外面を加圧することができる。

そのために、本実施形態による電池モジュール１００は、外装部材１５０が電池セル積層体１２０の外面を加圧するのと共に弾性部材１９０による弾性復元力により電池セル１１０で発生する膨張を支持することができるため、電池モジュール１００内の電池セル１１０のスウェリング現象をより効果的に防止することができる。

本発明の他の一実施形態による電池パックは、前記で説明した電池モジュールを含む。一方、本実施形態による電池モジュールは、一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。

前述した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、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、電池モジュールおよびこれを含む電池パック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ず、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多様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
１２０：電池セル積層体
１５０：外装部材
１７０：センシングブロック
１９０：弾性部材

Claims (12)

1. 第１方向に沿って積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体；
   前記電池セル積層体の前後面および両側面を取り囲む外装部材；
   前記電池セル積層体の前後面に位置するセンシングブロック；および
   前記電池セル積層体の側面と前記外装部材との間に配置される弾性部材を含む電池モジュール。
2. 前記外装部材は、前記弾性部材が前記電池セル積層体の側面に配置されている構造の外面を取り囲む、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記弾性部材は、前記電池セル積層体の側面に付着している、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記弾性部材は、前記電池セル積層体の側面に沿って延長されている、請求項２または３に記載の電池モジュール。
5. 前記弾性部材は、板スプリングからなる、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
6. 前記電池モジュールの前記外装部材の外面が露出している、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記外装部材は、前記電池セルの幅と同一の幅を有するか、またはこれより小さい幅を有する、請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記外装部材は、前記電池セル積層体の下部に隣接して位置する、請求項７に記載の電池モジュール。
9. 前記外装部材は、弾性素材からなる、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
10. 前記外装部材は、前記弾性素材のフィルムからなり、前記弾性部材が前記電池セル積層体の側面に配置されている構造の外面をラッピング（ｗｒａｐｐｉｎｇ）して形成される、請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記外装部材は、熱収縮チューブからなり、
    前記熱収縮チューブの上下面が開放されている、請求項９に記載の電池モジュール。
12. 請求項１～１１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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