JP7490295B2 - 電池パックおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

［関連出願（ら）との相互引用］
本出願は、２０２０年７月２９日付韓国特許出願第１０－２０２０－００９４３３４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、電池パックおよびその製造方法に関し、より具体的には、絶縁性能と冷却効率が向上した電池パック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が増加することに伴い、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。そのために、多様な要求に応えることができる二次電池に関する多くの研究が行われている。
二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン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、可能な限り小さいサイズ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、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を示す分解斜視図である。図１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を含む電池セル積層体１２、上部面、前面および後面が開放されたＵ字型フレーム３０、電池セル積層体１２の上部を覆う上部プレート４０、電池セル積層体１２の前面と後面にそれぞれ位置するエンドプレート１５、および電池セル積層体１２とエンドプレート１５の間に位置するバスバーフレーム１３を含む。また、電池モジュール１０は、Ｕ字型フレーム３０と電池セル積層体１２の間に位置する熱伝導性樹脂層３１を含む。熱伝導性樹脂層３１は、一種の放熱層であり、放熱機能を有する物質を塗布して形成することができる。
この時、電池セル１１の冷却面は、熱伝導性樹脂層３１と直接接触する面であり、損傷の危険がある。従来使用していた熱伝導性樹脂層３１は、絶縁性能が保障されないため、電池セル１１が損傷されると絶縁の問題が発生するという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、絶縁性能と冷却効率が向上した電池パックおよびその製造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、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。
本発明の一実施形態による電池パックは、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下部面に塗布されている粘着層、複数のモジュール領域を有し、前記電池セル積層体が装着される下部パックハウジング、および前記粘着層と前記下部パックハウジングの間に位置する熱伝導性樹脂層を含み、前記粘着層は、絶縁性を有する。
前記熱伝導性樹脂層は、前記下部パックハウジングに直接接触することができる。
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り区画され、前記隔壁は、前記複数の電池セル積層体のうち隣り合う電池セル積層体の間に位置することができる。
前記熱伝導性樹脂層は、第１熱伝導性樹脂層および第２熱伝導性樹脂層を含み、前記複数のモジュール領域は、前記隔壁により互いに区画される第１領域および第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得る。
前記電池パックは、前記電池セル積層体の両端部を覆う絶縁カバー、および前記絶縁カバーと隣接した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をさらに含み、前記電池セル積層体、前記絶縁カバー、前記ホールディング部材、および前記粘着層を含む電池モジュールが、下部パックハウジングに直接装着され得る。
前記電池パックは、前記複数の電池セル積層体を覆う上部パックハウジングをさらに含むことができる。
本発明の他の一実施形態による電池パック製造方法は、複数の電池セルを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両端部を覆う絶縁カバーを形成する段階、前記絶縁カバーと隣接した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を形成する段階、前記電池セル積層体の下部面に粘着物質を塗布して粘着層を形成する段階、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熱伝導性樹脂層を形成する段階、および前記熱伝導性樹脂層に前記電池セル積層体の下部面が当接するように前記電池セル積層体を前記下部パックハウジング内に装着する段階を含む。
前記粘着層を形成する段階は、前記電池セル積層体を上下反転した状態で前記電池セル積層体の下部面に向かって絶縁性粘着スプレーを噴射する段階を含むことができる。
前記複数のモジュール領域は、複数の隔壁により区画され、前記電池セル積層体は、互いに隣り合う前記隔壁の間に装着され得る。
前記粘着層の厚さは、前記熱伝導性樹脂層の厚さよりも薄く形成され得る。
実施形態によると、電池セル積層体の冷却のための底面に絶縁粘着剤を塗布することによって絶縁性能を維持すると同時に、冷却効率を向上させることができる。
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電池モジュールを示す斜視図である。 図２の電池モジュールの分解斜視図である。 図２の電池モジュールに含まれている電池セルの斜視図である。 本発明の他の一実施形態による電池パックおよびその製造方法を示す斜視図である。 本発明の他の一実施形態による電池パックおよびその製造方法を示す斜視図である。
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。
図２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３は図２の電池モジュールの分解斜視図である。図４は図２の電池モジュールに含まれている電池セルの斜視図である。
図２乃至図４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され得る。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がセル本体１１３を基準に互いに反対側に位置する一端部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。より詳しくは、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のうちの一つは正極リード１１１であり、他の一つは負極リード１１２であり得る。つまり、一つの電池セル１１０を基準に正極リード１１１と負極リード１１２が互いに反対方向に突出し得る。
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って製造され得る。言い換えると、本実施形態による電池セル１１０は、総３ヶ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により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からなることができる。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とができる。
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て電池セル積層体２００を形成する。特に、図５に示すようにｘ軸方向に沿って複数の電池セル１１０が積層され得る。これによって、電極リード１１１、１１２はそれぞれｙ軸方向と－ｙ軸方向に突出し得る。
一方、本実施形態による電池モジュール１００は、図１の従来の電池モジュール１０とは異なり、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。モジュールフレームの代わりに、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を含むことができる。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って、電池セル積層体２００をモジュールフレーム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要求される複雑な工程が不要である。また、除去されたモジュールフレームとエンドプレートの分、電池モジュール１００の重量を大幅に減らすことができるという長所を有する。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、電池パック組立工程の際に再作業性が有利であるという長所を有するが、従来の電池モジュール１０は、モジュールフレームの溶接構造のため不良が発生しても再作業が不可能であったこととは比較され得る。
側面プレート６００は、板状形部材であり、電池セル積層体２００の両側面に位置して電池モジュール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、射出成形で製造されるプラスチック素材を含むことができ、場合によっては板スプリング素材が適用され得る。
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を囲む部材であり、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を固定する機能を担当することができる。このように、ホールディングバンド７００を通じて電池セル積層体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を位置させることができる。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ることができ、具体的に板スプリングの構造が適用され得る。
本実施形態による電池モジュール１００は、図２および図３に示したように、電池セル積層体２００の下部面に塗布されている粘着層１２０をさらに含む。本実施形態による粘着層１２０は、絶縁性を有する粘着物質を電池セル積層体２００の下部面に薄い厚さに塗布することによって形成され得る。従来は電池セル積層体２００の冷却面が後述する熱伝導性樹脂層と直接接触して電池セル積層体２００の冷却面が損傷する危険があった。前記熱伝導性樹脂層は、絶縁性能が保障されないため、電池セルが損傷されると絶縁の問題が発生することがある。
本実施形態による粘着層１２０は、電池セル積層体２００の冷却のための電池セル積層体２００の底面を覆うことによって電池セル積層体２００の絶縁性能を維持すると同時に、冷却効率減少を最小化することができる。好ましくは、粘着層１２０は電池セル積層体２００の底面全部を覆うことができる。
図５および図６は本発明の他の一実施形態による電池パックおよびその製造方法を示す斜視図である。
図５を参照すると、前述した電池モジュール１００を上下反転した状態で電池セル積層体２００の下部面に向かって絶縁性粘着スプレー１３０を噴射することができる。このように、スプレー１３０方式を用いて粘着層１２０は可能な限り薄く塗布されることによって粘着層１２０が冷却抵抗として作用することを最小化することができる。粘着層１２０は、後述する熱伝導性樹脂層よりも薄い厚さに形成することができる。
図６を参照すると、本発明の一実施形態による電池パック１０００は、前述した電池セル積層体２００を含む電池モジュール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との間に位置する熱伝導性樹脂層１２００を含むことができる。
まず、電池モジュール１００は、前述したように、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が複数で集まってパックフレーム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を含むことができ、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が位置することができる。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により区画され得る。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により互いに区画される第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得る。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ことができる。
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得る。前記熱伝導性樹脂は、熱伝導性接着物質を含むことができ、具体的にシリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）素材、ウレタン（Ｕｒｅｔｈａｎ）素材およびアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）素材のうちの少なくとも一つを含むことができる。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を固定する役割を果たすことができる。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。
図２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され得るが、構造的安定性のために露出される電池セル１１０を固定することが必要である。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ようとした。また、モジュールフレームを省略して、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ちに伝達して冷却効率を高めることができる。パックフレームには、図示されていないが、ヒートシンク構造が形成され得る。
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得る。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得るが、これに制限されず、二次電池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。
１１０：電池セル
１２０：粘着層
２００：電池セル積層体
１３０：スプレー
４００：絶縁カバー

Claims (9)

  1. 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下部面に塗布されている粘着層、
    複数のモジュール領域を有し、前記電池セル積層体が装着される下部パックハウジング、および
    前記粘着層と前記下部パックハウジングの間に位置する熱伝導性樹脂層を含み、
    前記粘着層は、絶縁性を有する、電池パックであって、
    前記電池セル積層体の両端部を覆う絶縁カバー、および
    前記絶縁カバーと隣接した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をさらに含み、
    前記電池セル積層体、前記絶縁カバー、前記ホールディング部材、および前記粘着層を含む電池モジュールが、下部パックハウジングに直接装着されている、電池パック。
  2. 前記熱伝導性樹脂層は、前記下部パックハウジングに直接接触する、請求項１に記載の電池パック。
  3. 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り区画され、前記隔壁は、複数の前記電池セル積層体のうち隣り合う電池セル積層体の間に位置する、請求項１に記載の電池パック。
  4. 前記熱伝導性樹脂層は、第１熱伝導性樹脂層および第２熱伝導性樹脂層を含み、
    前記複数のモジュール領域は、前記隔壁により互いに区画される第１領域および第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、請求項３に記載の電池パック。
  5. 複数の前記電池セル積層体を覆う上部パックハウジングをさらに含む、請求項１に記載の電池パック。
  6. 複数の電池セルを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両端部を覆う絶縁カバーを形成する段階、
    前記絶縁カバーと隣接した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を形成する段階、
    前記電池セル積層体の下部面に絶縁性を有する粘着物質を塗布して粘着層を形成する段階、
    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熱伝導性樹脂層を形成する段階、および
    前記熱伝導性樹脂層に前記電池セル積層体の下部面が当接するように前記電池セル積層体を前記下部パックハウジング内に装着する段階を含む、電池パック製造方法。
  7. 前記粘着層を形成する段階は、前記電池セル積層体を上下反転した状態で前記電池セル積層体の下部面に向かって絶縁性粘着スプレーを噴射する段階を含む、請求項６に記載の電池パック製造方法。
  8. 前記複数のモジュール領域は、複数の隔壁により区画され、前記電池セル積層体は、互いに隣り合う前記隔壁の間に装着される、請求項７に記載の電池パック製造方法。
  9. 前記粘着層の厚さは、前記熱伝導性樹脂層の厚さよりも薄く形成される、請求項６～８のいずれか一項に記載の電池パック製造方法。
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