(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-11-19
(54)【発明の名称】電池モジュールおよび当該電池モジュールを含む電池パック
(51)【国際特許分類】
H01M 10/6557 20140101AFI20241112BHJP
H01M 10/613 20140101ALI20241112BHJP
H01M 10/625 20140101ALI20241112BHJP
H01M 10/6568 20140101ALI20241112BHJP
H01M 10/647 20140101ALI20241112BHJP
H01M 50/204 20210101ALI20241112BHJP
H01M 50/588 20210101ALI20241112BHJP
H01M 50/507 20210101ALI20241112BHJP
H01M 50/595 20210101ALI20241112BHJP
H01M 50/593 20210101ALI20241112BHJP
H01M 10/6553 20140101ALI20241112BHJP
【FI】
H01M10/6557
H01M10/613
H01M10/625
H01M10/6568
H01M10/647
H01M50/204 401H
H01M50/588
H01M50/507
H01M50/595
H01M50/593
H01M10/6553
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024529829
(86)(22)【出願日】2023-07-19
(85)【翻訳文提出日】2024-05-20
(86)【国際出願番号】 KR2023010386
(87)【国際公開番号】W WO2024043540
(87)【国際公開日】2024-02-29
(31)【優先権主張番号】10-2022-0106189
(32)【優先日】2022-08-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521065355
【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【氏名又は名称】実広 信哉
(72)【発明者】
【氏名】ジュン・フン・イ
(72)【発明者】
【氏名】ジェウク・リュ
(72)【発明者】
【氏名】ドゥスン・キム
(72)【発明者】
【氏名】テキ・ウム
【テーマコード(参考)】
5H031
5H040
5H043
【Fターム(参考)】
5H031AA09
5H031KK08
5H040AA28
5H040AS07
5H040AT04
5H040AT06
5H040AY04
5H040AY08
5H040NN03
5H043AA04
5H043AA09
5H043AA13
5H043BA19
5H043CA08
5H043FA04
5H043GA24
5H043HA02F
5H043JA02F
5H043JA03F
5H043JA07F
5H043KA45F
5H043LA21F
(57)【要約】
本発明の一実施例による電池モジュールは、少なくとも一つの電池セルを含み、一方向に沿って積層される複数の電池セルグループ;および前記電池セルグループを冷却するヒートシンク;を含む。前記電池セルは、前記電池セルグループが積層される方向と垂直な方向に突出した電極リードを含む。前記ヒートシンクは、前記電池セルグループ同士の間に介在される冷却チューブおよび前記電池セルを基準に前記電極リードが突出される方向に位置し、前記電池セルグループが積層される方向に沿って連結され、前記冷却チューブを連結するマニホールドを含む。冷媒が前記冷却チューブおよび前記マニホールドの内部に沿って流れるように、流路が前記冷却チューブおよび前記マニホールドの内部に形成され、前記冷却チューブが前記電池セルグループの一面に接触する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも一つの電池セルを含む複数の電池セルグループであって、一方向に沿って積層される複数の前記電池セルグループ;および
前記電池セルグループを冷却するヒートシンク;を含む電池モジュールであって、
前記電池セルは、前記電池セルグループが積層される方向と垂直な方向に突出した電極リードを含み、
前記ヒートシンクは、前記電池セルグループ同士の間に介在される冷却チューブと、前記電池セルを基準に前記電極リードが突出される方向に位置し、前記電池セルグループが積層される方向に沿って延び、前記冷却チューブを連結するマニホールドとを含み、
冷媒が前記冷却チューブおよび前記マニホールドの内部に沿って流れるように、流路が前記冷却チューブおよび前記マニホールドの内部に形成され、
前記冷却チューブが前記電池セルグループの一面に接触する、電池モジュール。
【請求項2】
前記電池モジュールは、前記電極リードと接続されるバスバーをさらに含み、
前記バスバーと前記マニホールドとの間に絶縁部材が位置し、
前記絶縁部材の一面は、前記バスバーと接触し、前記絶縁部材の他面は、マニホールドと接触する、請求項1に記載の電池モジュール。
【請求項3】
前記電池モジュールは、前記電池セルを基準に前記電極リードが突出される方向に位置する絶縁フレームをさらに含み、
前記バスバーは、前記絶縁フレームに装着される、請求項2に記載の電池モジュール。
【請求項4】
前記バスバーは、前記絶縁フレームのうち前記電池セルグループと向き合う面の反対面に装着され、
前記電極リードは、前記絶縁フレームに形成されたリードスリットを通過した後、折り曲げられて前記バスバーに接続される、請求項3に記載の電池モジュール。
【請求項5】
前記絶縁フレームに開口穴が形成され、
前記バスバーは、前記開口穴を介して前記マニホールドに向けて露出される、請求項4に記載の電池モジュール。
【請求項6】
前記バスバーは、前記絶縁フレームの一側辺から延び、前記マニホールドに向けて露出される、請求項4に記載の電池モジュール。
【請求項7】
前記絶縁部材は、電気的絶縁性および接着性を有する絶縁テープである、請求項2に記載の電池モジュール。
【請求項8】
前記電池モジュールは、前記電極リードと接続されるバスバーをさらに含み、
前記バスバーと前記マニホールドとが直接接触する、請求項1に記載の電池モジュール。
【請求項9】
前記冷却チューブは、長方形のシート状であり、
前記冷却チューブが、前記電池セルグループの前記一面全体をカバーし、前記電池セルグループの前記一面に接触する、請求項1に記載の電池モジュール。
【請求項10】
前記マニホールドは、円筒形である、請求項1に記載の電池モジュール。
【請求項11】
前記電池セルグループは、少なくとも一つの前記電池セルがラッピング部材で包まれた形態である、請求項1に記載の電池モジュール。
【請求項12】
前記ラッピング部材は、電気的絶縁性を有する、請求項11に記載の電池モジュール。
【請求項13】
前記電池セルグループは、二つ以上の前記電池セルがラッピング部材で包まれた形態であり、二つ以上の前記電池セルの間のうち少なくとも一カ所に圧縮パッドが介在される、請求項1に記載の電池モジュール。
【請求項14】
前記マニホールドは、前記冷却チューブの一側に位置する第1マニホールドおよび前記冷却チューブの他側に位置する第2マニホールドを含み、
前記第1マニホールド、前記冷却チューブおよび前記第2マニホールドに前記冷媒の循環構造が形成される、請求項1に記載の電池モジュール。
【請求項15】
前記冷媒が流入される流入部が前記第1マニホールドの第1部分に連結され、前記冷媒が排出される排出部が前記第1マニホールドの第2部分に連結され、
前記第1部分と前記第2部分は、分離部材で区分され、
前記冷媒は、前記第1部分、前記第1部分に連結された前記冷却チューブ、前記第2マニホールド、前記第2部分に連結された前記冷却チューブ、および前記第2部分のそれぞれの内部を順に流れる、請求項14に記載の電池モジュール。
【請求項16】
前記冷媒が流入される流入部が前記第1マニホールドに連結され、前記冷媒が排出される排出部が前記第2マニホールドに連結され、
前記冷媒は、前記第1マニホールド、前記冷却チューブ、および前記第2マニホールドのそれぞれの内部を順に流れる、請求項14に記載の電池モジュール。
【請求項17】
請求項1~16のいずれか一項に記載の電池モジュール;
前記電池モジュールが収納されるパックフレーム;および
前記パックフレームの底部の一面と垂直になるように、前記パックフレームの前記底部上に配置される垂直ビーム;を含み、
前記電池モジュールは、前記垂直ビームの間に配置される、電池パック。
【請求項18】
前記電池モジュールと前記パックフレームの前記底部との間に接着部材が位置する、請求項17に記載の電池パック。
【請求項19】
前記電池モジュールの上部に位置し、前記電池セルグループが積層される方向に沿って延び、前記垂直ビームに締結される上部ブラケットをさらに含む、請求項17に記載の電池パック。
【請求項20】
前記電池モジュールは、前記電池セルグループおよび前記ヒートシンクを収納するモジュールフレームをさらに含み、
前記モジュールフレームには突出したモジュール取付部が形成され、
前記モジュール取付部が前記垂直ビームに締結される、請求項17に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[関連出願の相互参照]
本出願は、2022年8月24日付韓国特許出願第10-2022-0106189号に基づく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。
【0002】
本発明は、電池モジュールおよび当該電池モジュールを含む電池パックに関し、より具体的には、直接冷却が可能で冷却性能が向上した電池モジュールおよび当該電池モジュールを含む電池パックに関する。
【背景技術】
【0003】
現代社会では、携帯電話機、ノートパソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化し、このようなモバイル機器と関する分野の技術に対する開発が活発になっている。また、充放電が可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案として、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(P-HEV)などの動力源として利用されており、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。
【0004】
一般的にリチウム二次電池は外装材の形状により、電極アセンブリが金属カンに内装されているカン型二次電池と電極アセンブリがアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池に分類することができる。
【0005】
小型機器に利用される二次電池の場合、2-3つの電池セルが配置されるが、自動車などの中大型デバイスに利用される二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に接続した電池モジュール(Battery module)が利用される。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に接続されて電池セル積層体を形成することにより、容量および出力が向上する。また、一つ以上の電池モジュールは、BDU(Battery Disconnect Unit)、BMS(Battery Management System)、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
【0006】
二次電池は、適正温度より高くなる場合、二次電池の性能が低下する可能性があり、ひどい場合、爆発や発火の危険もある。特に、多数の二次電池、即ち、電池セルを備えた電池モジュールや電池パックは、狭い空間で多数の電池セルから出る熱が合算され、温度がより早く、より激しく上昇することがある。即ち、多数の電池セルが積層された電池モジュールとこのような電池モジュールが装着された電池パックの場合、高い出力を得ることができるが、充電および放電時に電池セルから発生する熱を除去することが容易ではない。電池セルの放熱が適切に行われない場合、電池セルの劣化が早くなり、寿命が短くなり、爆発や発火の可能性が大きくなる。
【0007】
さらに、車両用電池パックに含まれる電池モジュールの場合、直射光線に頻繁に露出され、夏や砂漠地域などの高温条件に置かれることがある。従って、電池モジュールや電池パックを構成する場合、安定的かつ効果的な冷却性能を確保することは非常に重要である。電池モジュールや電池パックの冷却方法は、大きく、冷却水などの冷媒を活用した水冷式方法と、冷却風を活用した空冷式方法に分けられる。そのうち、水冷式冷却は、冷却性能が優れており、大容量の電池モジュールや電池パックから発生する高い熱を効果的に冷却することができる。
【0008】
図1は、従来の電池モジュールに対する斜視図であり、
図2は、
図1の切断線A-A’に沿って切断した断面を示す断面図である。但し、
図2には、説明の便宜上、電池モジュール10の下に配置されるヒートシンク30を追加して示した。
【0009】
図1および
図2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が積層された電池セル積層体12と、電池セル積層体12を収納するモジュールフレーム20を含む。この時、電池セル11は、パウチ型電池セルであり、パウチ型電池セルは、長方形のシート構造をなす。
【0010】
多数の電池セル11が積層されるため、電池モジュール10は、充放電過程で多量の熱を発生させる。パウチ型電池セルを含む電池モジュール10は、電池セル11のエッジを所定の位置および所定の大きさを有するヒートシンク60に間接的にまたは直接的に接触させることによって、冷却される。
【0011】
具体的には、電池モジュール10は、電池セル積層体12とモジュールフレーム20の底部との間に位置するサーマルレジン層40を含むことができる。また、電池モジュール10がパックフレームに装着されて電池パックを形成する時、電池モジュール10の下に熱伝達部材50およびヒートシンク30が順に位置することができる。熱伝達部材50は、放熱パッドであってもよく、ヒートシンク30は内部に冷却水などの冷媒が流れる冷却流路31が形成されていてもよい。一方向に沿って積層された電池セル11のエッジがサーマルレジン層40と接触し、電池セル11から発生した熱は、サーマルレジン層40、モジュールフレーム20の底部、熱伝達部材50およびヒートシンク30を順に経て、電池モジュール10の外部に排出することができる。即ち、従来の電池モジュール10には、電池セル11のエッジ部分を介して熱を排出する水冷式構造を適用した。
【0012】
このように電池セル11のエッジ部分を活用した水冷式構造は、相対的に簡素化された構造を有するが、冷却性能が低下する。また、電池セル11の高い膨張が発生すると、電池セル11のパウチケースなどにクラックが発生する危険がある。具体的に説明すると、電池セル110は、充放電が繰り返される過程や初期充電過程で、その内部電解質が分解され、ガスが発生して電池セル110が膨らむ現象、即ち、膨張(Swelling)現象またはブリージング(Breathing)現象が発生する可能性がある。
【0013】
電池セルの容量が増加することによって、膨張の程度も大きく増加し、電池モジュールに適用される電池セルの数量も徐々に増加する傾向にあるため、電池モジュール内部の電池セルの膨張を制御することが重要な問題となった。
【0014】
この時、
図2を再び参照すると、一般的に、サーマルレジン層40は接着特性を有しており、電池セル11がこれに固定されるため、y軸と平行な方向への電池セル11の膨張が発生すると、電池セル11のエッジに高いストレスが発生し、これは電池セル11のパウチケースのクラックが発生することにつながる可能性がある。特に、電池セル積層体12から外側に位置する電池セル11ほど、膨張によるストレスが大きく作用し、クラックが発生する危険が大きい。
【0015】
今後、高容量電池モジュールと電池パックを実現するために、パウチ電池セルとして、Pure Siセル、全固体電池、SiO高含量セルを適用することができる。このような電池セルの場合、膨張の程度がより大きい。
【0016】
このように高い膨張程度を有する電池セルを含む電池モジュールに、従来のようなエッジ部分を活用した水冷式方法を適用する場合、電池セルにクラックが発生する危険が大きく、また、過度な応力が作用して電池モジュールの構造的安全性を阻害する可能性がある。
【0017】
このため、高い膨張特性を示す電池セルを含む場合でも、電池セルに発生する構造的損傷を最小化することができる、新規な冷却構造の電池モジュールが要求される実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
本発明が解決しようとする課題は、電池セルと電池セルの電極リードを接続するバスバーのそれぞれに対する直接冷却が可能な電池モジュールおよび当該電池モジュールを含む電池パックを提供することである。
【0019】
しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で様々に拡張することができる。
【課題を解決するための手段】
【0020】
本発明の一実施例による電池モジュールは、少なくとも一つの電池セルを含み、一方向に沿って積層される複数の電池セルグループ;および前記電池セルグループを冷却するヒートシンク;を含む。前記電池セルは、前記電池セルグループが積層される方向と垂直な方向に突出した電極リードを含む。前記ヒートシンクは、前記電池セルグループ同士の間に介在される冷却チューブおよび前記電池セルを基準に前記電極リードが突出される方向に位置し、前記電池セルグループが積層される方向に沿って延び、前記冷却チューブを接続するマニホールドを含む。冷媒が前記冷却チューブおよび前記マニホールドの内部に沿って流れるように、流路が前記冷却チューブおよび前記マニホールドの内部に形成され、前記冷却チューブが前記電池セルグループの一面に接触する。
【0021】
前記電池モジュールは、前記電極リードと接続されるバスバーをさらに含むことができ、前記バスバーと前記マニホールドとの間に絶縁部材が位置することができる。前記絶縁部材の一面は、前記バスバーと接触することができ、前記絶縁部材の他面は、マニホールドと接触することができる。
【0022】
前記電池モジュールは、前記電池セルを基準に、前記電極リードが突出される方向に位置する絶縁フレームをさらに含むことができ、前記バスバーは、前記絶縁フレームに装着することができる。
【0023】
前記バスバーは、前記絶縁フレームのうち、前記電池セルグループと向き合う面の反対面に装着されることができ、前記電極リードは、前記絶縁フレームに形成されたリードスリットを通過した後、折り曲げられて前記バスバーに接続することができる。
【0024】
前記絶縁フレームに開口穴を形成することができ、前記バスバーは、前記開口穴を介して前記マニホールドに向けて露出されることができる。
【0025】
前記バスバーは、前記絶縁フレームの一側辺から延び、前記マニホールドに向けて露出されることができる。
【0026】
前記絶縁部材は、電気的絶縁性および接着性を有する絶縁テープであってもよい。
【0027】
前記電池モジュールは、前記電極リードと接続されるバスバーをさらに含むことができ、前記バスバーと前記マニホールドとが直接接触することができる。
【0028】
前記冷却チューブは、長方形のシート状であってもよく、前記冷却チューブが前記電池セルグループの前記一面全体をカバーし、前記電池セルグループの前記一面に接触することができる。
【0029】
前記マニホールドは、円筒形であってもよい。
【0030】
前記電池セルグループは、少なくとも一つの前記電池セルがラッピング部材に包まれた形態であってもよい。
【0031】
前記ラッピング部材は、電気的絶縁性を有することができる。
【0032】
前記電池セルグループは、二つ以上の前記電池セルがラッピング部材に包まれた形態であってもよく、二つ以上の前記電池セル間の少なくとも一つに圧縮パッドが介在してもよい。
【0033】
前記マニホールドは、前記冷却チューブの一側に位置する第1マニホールドおよび前記冷却チューブの他側に位置する第2マニホールドを含むことができる。前記第1マニホールド、前記冷却チューブおよび前記第2マニホールドにおいて、前記冷媒の循環構造を形成することができる。
【0034】
前記第1マニホールドの第1部分に前記冷媒が流入される流入部が連結されることができ、前記第1マニホールドの第2部分に前記冷媒が排出される排出部が連結されることができ、前記第1部分と前記第2部分は、分離部材で区分することができる。前記冷媒は、前記第1部分、前記第1部分に連結された前記冷却チューブ、前記第2マニホールド、前記第2部分に連結された前記冷却チューブおよび前記第2部分のそれぞれの内部を順に流れることができる。
【0035】
前記第1マニホールドに前記冷媒が流入される流入部が連結されることができ、前記第2マニホールドに前記冷媒が排出される排出部が連結されることができる。前記冷媒は、前記第1マニホールド、前記冷却チューブおよび前記第2マニホールドのそれぞれの内部を順に流れることができる。
【0036】
本発明の一実施例による電池パックは、前記電池モジュール;前記電池モジュールが収納されるパックフレーム;および前記パックフレームの底部一面と垂直になるように、前記パックフレームの前記底部上に配置される垂直ビーム;を含む。前記電池モジュールは、前記垂直ビームの間に配置される。
【0037】
前記電池モジュールと前記パックフレームの前記底部との間に接着部材が位置することができる。
【0038】
前記電池モジュールの上部に位置し、前記電池セルグループが積層される方向に沿って延び、前記垂直ビームに締結される上部ブラケットをさらに含むことができる。
【0039】
前記電池モジュールは、前記電池セルグループおよび前記ヒートシンクを収納するモジュールフレームをさらに含むことができる。前記モジュールフレームには突出したモジュール取付部が形成されることができ、前記モジュール取付部が前記垂直ビームに締結することができる。
【発明の効果】
【0040】
本発明の実施例によれば、ヒートシンクが電池セルの間に位置する冷却チューブを含み、既存のエッジ冷却構造ではなく、電池セルを表面冷却することが可能であるため、電池モジュールが増大された冷却性能を有する。
【0041】
また、電池セルの電極リードの部分は、電池セル中でも発熱が激しい部分であるが、電池セルの電極リードを接続するバスバーが絶縁部材を媒介としてヒートシンクと接触するように構成することにより、電池モジュールの冷却性能をより高くすることができる。
【0042】
本発明の効果は、以上で言及した効果に限定されるものではなく、言及されなかった他の効果は請求範囲の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【
図1】従来の電池モジュールに対する斜視図である。
【
図2】
図1の切断線A-A’に沿って切断した断面を示す断面図である。
【
図3】本発明の一実施例による電池モジュールを示す斜視図である。
【
図4】
図3の電池モジュールからバスバーアセンブリーを分離して示す分解斜視図である。
【
図5】
図3の電池モジュールからバスバーアセンブリーを除去し、電池セルグループとヒートシンクだけを示す斜視図である。
【
図6】
図3の電池モジュールに含まれている電池セルグループを示す斜視図である。
【
図7】
図6の電池セルグループからラッピング部材を除去し、電池セルと圧縮パッドだけを示す斜視図である。
【
図8】
図7に示された電池セルのうち一つを示す平面図である。
【
図9】
図3および
図4の電池モジュールに含まれているヒートシンクを示す斜視図である。
【
図10】
図9のヒートシンクをxy平面上で-z軸方向に沿って見た様子を示す平面図である。
【
図11】
図3の切断線B-B’に沿って切断した断面の一部を示す部分断面図である。
【
図12】
図3の電池モジュールに含まれている絶縁フレームを示す斜視図である。
【
図13】
図3の切断線C-C’に沿って切断した断面の一部を示す部分断面図である。
【
図14】本発明の他の一実施例による絶縁フレームとバスバーを示す斜視図である。
【
図15】本発明の他の一実施例によるヒートシンクをxy平面上で-z軸方向に沿って見た様子を示す平面図である。
【
図16】本発明の一実施例による電池パックに対する正面図である。
【
図17】本発明の一実施例による電池パックに対する平面図である。
【
図18】本発明の他の一実施例による電池パックを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0044】
以下、添付の図面を参照して、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いて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、いくつかの異なる形態で実施することができ、ここで説明する実施例に限定されない。
【0045】
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、明細書全体を通じ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けるようにする。
【0046】
また、図面で示された各構成の大きさ及び厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明は必ずしも図示されたものに限定されない。図面において、複数の層及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、一部の層及び領域の厚さを誇張して示した。
【0047】
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」または「の上に」ある場合、これは他の部分の「直上」にある場合だけでなく、その途中に別の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上」にあると言うときは、真ん中に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」または「の上に」あるというのは、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を向いて「上」または「の上に」位置することを意味するものではない。
【0048】
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」とは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、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。
【0049】
また、明細書全体において、「平面上」とは、対象部分を上から見たときのことを意味し、「断面上」とは、対象部分を垂直に切った断面を横から見たときのことを意味する。
【0050】
図3は、本発明の一実施例による電池モジュール100を示す斜視図である。
図4は、
図3の電池モジュール100において、バスバーアセンブリー400を分離して示す分解斜視図である。
図5は、
図3の電池モジュール100からバスバーアセンブリー400を除去し、電池セルグループ200とヒートシンク300だけを示す斜視図である。
【0051】
図3~
図5を参照すると、本発明の一実施例による電池モジュール100は、一方向に沿って積層される複数の電池セルグループ200;およびこのような電池セルグループ200を冷却するヒートシンク300;を含む。
【0052】
電池セルグループ200は、少なくとも一つの電池セルを含み、電池セルは、電池セルグループ200が積層される方向と垂直な方向に突出した電極リード111、112らを含む。
図3~
図5には、電池セルグループ200がy軸と平行な方向に沿って積層され、電池セルの電極リード111、112は、x軸方向および-x軸方向の両方向でそれぞれ突出されることを示している。電池セルグループ200については、以下、
図6~
図8と共により詳しく説明する。
【0053】
ヒートシンク300は、電池セルグループ200同士の間に介在される冷却チューブ310およびマニホールド320(manifold)を含む。マニホールド320は、電池セルを基準に電極リード111、112が突出される方向に位置し、電池セルグループ200が積層される方向に沿って接続され、冷却チューブ310を連結する。冷媒が冷却チューブ310およびマニホールド320の内部に沿って流れるように、流路が冷却チューブ310およびマニホールド320の内部に形成される。前記冷媒は、一例として冷却水であってもよい。本実施例による電池モジュール100は、水冷式冷却構造を有することができる。
【0054】
また、電池セルグループ200同士の間に介在された冷却チューブ310は、電池セルグループ200の一面に接触する。冷却チューブ310は、長方形のシート状であってもよく、このような冷却チューブ310が電池セルグループ200の前記一面全体をカバーし、電池セルグループ200の前記一面に接触することができる。即ち、本実施例による電池モジュール100は、
図1および
図2で説明したエッジ冷却構造の従来技術に基づく電池モジュール10と異なって、冷媒が内部に流れる冷却チューブ310が電池セルグループ200の一面に直接接触する表面冷却構造を有する。表面冷却構造を採用する場合、冷却が行われる面が相対的にはるかに広いため、冷却性能が大きく増大する。また、エッジ冷却構造の従来技術に基づく電池モジュール10と異なって、電池セルがサーマルレジン層40に接着および固定されていないため、電池セルに膨張が発生しても、電池セルのエッジ部分に高いストレスが発生しない。即ち、電池セルのパウチケースのクラックが発生することを防止することができ、電池モジュール100の構造的安全性を高めることができる。
【0055】
以下、
図6~
図8を参照して、本実施例による電池セルグループ200に対して詳しく説明する。
【0056】
図6は、
図3の電池モジュール100に含まれている電池セルグループ200を示す斜視図である。
図7は、
図6の電池セルグループ200からラッピング部材210を除去し、電池セル110と圧縮パッド220だけを示す斜視図である。
図8は、
図7に示された電池セル110のうち一つを示す平面図である。
【0057】
図6~
図8を
図5と共に参照すると、電池セルグループ200は、少なくとも一つの電池セル110を含む。即ち、一つの電池セル110が一つの電池セルグループ200を構成することができ、また、複数の電池セル110が一つの電池セルグループ200を構成することができる。
図6および
図7には、一例として、2つの電池セル110が集まって一つの電池セルグループ200を構成することが示されている。
【0058】
本発明における電池セルグループ200は、冷却チューブ310の間に配置される電池セル110の集合体を区分する単位であってもよい。少なくとも一つの電池セル110が電池セルグループ200を形成し、このような電池セルグループ200が一方向に沿って積層されて電池セル積層体を形成する。
【0059】
本実施例による電池セル110は、パウチ型電池セルであってもよい。このようなパウチ型電池セルは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートインパウチケースに電極アセンブリを収納した後、前記パウチケースの外周部を接着して形成することができる。
図7および
図8に示すように、電池セル110は、長方形シート状を有することができる。具体的には、本実施例による電池セル110は、二つの電極リード111、112が互いに対向し、電池本体113の一端部114aと他端部114bからそれぞれ突出している構造を有する。電池セル110は、電池ケース114に電極アセンブリ(図示せず)を収納した状態で、電池ケース114の一端部114aおよび他端部114bとこれらを連結する一側面部114cを接着することにより製造することができる。即ち、本発明の一実施例による電池セル110は、合計3ヶ所のシーリング部を有し、シーリング部は融着などの方法でシーリングされる構造であり、残りの他側面部114dは、電池ケース114が折り畳まれた部分で構成されることができる。
【0060】
このような電池セル110が電池セルグループ200を形成し、電池セルグループ200が直立したまま一方向に沿って積層されて電池セル積層体を形成する。積層される前記一方向は、電池セル110の電池本体113の一面と垂直な方向であり、本明細書ではy軸方向と平行な方向に該当する。これにより、電極リード111、112が電池セル110から突出する方向は、電池セルグループ200が積層される方向と垂直な方向であるx軸方向と-x軸方向に該当する。また、上述したように、ヒートシンク300のマニホールド320は、電池セル110を基準に、電極リード111、112が突出する方向であるx軸方向と-x軸方向にそれぞれ一つずつ位置することができる。
【0061】
一方、本実施例による電池セルグループ200は、少なくとも一つの電池セル110がラッピング部材210に包まれた形態であってもよい。一例として、
図7には、電池セルグループ200に含まれる2つの電池セル110が示されており、このような電池セル110を共にラッピング部材210で巻いて、
図6に示したような電池セルグループ200を形成することができる。ラッピング部材210は、電気的絶縁性を有することができる。一例として、ラッピング部材210は、電気的絶縁性を有する絶縁テープであってもよい。
【0062】
また、電池セルグループ200内に二つ以上の電池セル110がラッピング部材210で包まれた形態であってもよく、二つ以上の電池セル110間のうち少なくとも一つには圧縮パッド220が介在することができる。電池セル110の膨張時に圧縮パッド220が圧縮され、電池セル110の膨張を吸収することができる。圧縮されて膨張を吸収することができれば、圧縮パッド220の素材に特別な制限はないが、一例として、ポリウレタン(PU)素材を含むことができる。
【0063】
本実施例による電池モジュール100では、電池セルグループ200は、ヒートシンク300の冷却チューブ310の間に配置される電池セル110の集合体を区分する単位に該当する。電池セル110を冷却チューブ310の間に配置する時、電池セル110をラッピング部材210で巻いて電池セルグループ200を形成したため、電池モジュールへの組み立てがより容易になり、組み立て後に構造的にも安定性が高くなる。冷却チューブ310の間に様々な電池セル110を配置する時、ラッピング部材210で巻いて電池セルグループ200を形成しないと、多数の電池セル110が正確に固定されないため、電池モジュールへの組み立てが容易ではなく、組み立て後も安定性が阻害される。また、ラッピング部材210は電気的絶縁性を有するため、電池セル110が漏洩した冷媒と接触して短絡が発生することを防止することができる。
【0064】
さらに、電池セルグループ200の一面に該当するラッピング部材210の外側部分のうち、一部領域には接着剤を塗布することができる。電池セルグループ200の前記一面が冷却チューブ310に接触する際、電池セルグループ200の前記一面の少なくとも一部領域に接着剤が塗布され、電池セルグループ200の前記一面と冷却チューブ310が接着することができる。これにより、組み立て容易性と構造的な安全性を高めることができる。
【0065】
以下、
図9~
図11を参照して、本実施例によるヒートシンクとヒートシンク内部の冷媒循環構造に対して詳しく説明する。
【0066】
図9は、
図3および
図4の電池モジュール100に含まれているヒートシンク300を示す斜視図である。
図10は、
図9のヒートシンク300をxy平面上で-z軸方向に沿って見た様子を示す平面図である。
図11は、
図3の切断線B-B’に沿って切断した断面の一部を示す部分断面図である。
【0067】
上述したように、本実施例によるヒートシンク300は、電池セルグループ200同士の間に介在される冷却チューブ310および冷却チューブ310を連結するマニホールド320を含む。マニホールド320は、電池セル110を基準に電極リード111、112が突出する方向に位置し、電池セルグループ200が積層される方向に沿って連結され、冷却チューブ310を連結する。冷媒が冷却チューブ310およびマニホールド320の内部に沿って流れるように、流路が冷却チューブ310およびマニホールド320の内部に形成される。冷却チューブ310およびマニホールド320は、冷却性能を高めるために、熱伝導度が優れた金属素材を含むチューブ状であってもよい。
【0068】
電池セルグループ200同士の間に介在された冷却チューブ310は、電池セルグループ200の一面に接触する。冷却チューブ310は、長方形のシート状であってもよく、直立したまま電池セルグループ200同士の間に位置することができる。冷却チューブ310が電池セルグループ200の前記一面全体をカバーし、電池セルグループ200の前記一面に接触することができる。電池セルグループ200の最外側で電池セル110を包むラッピング部材210がシート状の冷却チューブ310と接触することができる。
【0069】
また、上述したように、電池セルグループ200の前記一面の少なくとも一部領域に接着剤が塗布され、電池セルグループ200の前記一面と冷却チューブ310が接着することができる。
図11に示したように、冷却チューブ310の内部空間(S)で冷媒が流れ、その周辺の電池セルグループ200を冷却する。
【0070】
一方、マニホールド320は、冷却チューブ310のそれぞれと連結され、マニホールド320の内部空間と冷却チューブ310の内部空間(S)が互いに連通されて冷媒が循環する。一例として、マニホールド320は、円筒形であってもよい。マニホールド320が冷却チューブ310の下端部で連結されるように示されているが、マニホールド320の上下位置に特別な制限はなく、冷却チューブ310の上端部に位置することも可能である。
【0071】
本実施例によるマニホールド320は、冷却チューブ310の一側に位置する第1マニホールド321および冷却チューブ310の他側に位置する第2マニホールド322を含むことができる。電池セル110から互いに反対方向に突出した電極リード111、112に対して、第1マニホールド321は、一方の電極リード111が突出する方向に位置し、第2マニホールド322は、他の電極リード112が突出する方向に位置することができる。即ち、第1マニホールド321と第2マニホールド322は、冷却チューブ310を基準に互いに反対側に位置することができる。
【0072】
本実施例によるヒートシンク300では、第1マニホールド321、冷却チューブ310および第2マニホールド322で前記冷媒の循環構造が形成されることができる。具体的には、第1マニホールド321の第1部分321aに前記冷媒が流入される流入部330が連結されることができ、第1マニホールド321の第2部分321bに前記冷媒が排出される排出部340が連結されることができ、第1部分321aと第2部分321bは、分離部材321cで区分することができる。第1部分321aと第2部分321bは、分離部材321cで遮断されており、第1部分321aの内部空間および第2部分321bの内部空間間の連結は遮断することができる。
【0073】
流入部330に流入した前記冷媒は、第1部分321a、第1部分321aに連結された冷却チューブ310、第2マニホールド322、第2部分321bに連結された冷却チューブ310および第2部分321bのそれぞれの内部を順に流れることができ、最終的には第2部分321bに連結された排出部340を介して排出することができる。流入部330と排出部340は、ポンプなどを含む冷媒循環装置(図示せず)と連結され、前記冷媒がこのような循環構造に沿って流れる。
【0074】
本実施例によるヒートシンク300の場合、電池モジュール100がパックフレームに収納されて電池パックを形成する時、流入部330と排出部340が同じ方向に位置するため、電池パック内部でポンプなどを含む冷媒循環装置を一側にだけ用意すれば良い。これにより、電池パック内部の空間を効率的に構成することができ、冷媒循環装置の複雑に設計する必要がないという長所を有する。
【0075】
以下、本実施例によるバスバーアセンブリー400に対して詳しく説明する。
【0076】
図12は、
図3の電池モジュール100に含まれている絶縁フレーム430を示す斜視図である。
【0077】
図3、
図4および
図12と共に参照すると、本実施例による電池モジュール100は、バスバーアセンブリー400を含むことができ、バスバーアセンブリー400は、電池セル110の電極リード111、112と接続されるバスバー410および電池セル110を基準に電極リード111、112が突出する方向に位置する絶縁フレーム430を含むことができる。
【0078】
電池セル110や電池セルグループ200を基準にした時、ヒートシンク300のマニホールド320と同じ側に絶縁フレーム430が位置することができる。即ち、絶縁フレーム430は複数で構成され、電池セルグループ200の一側と他側のそれぞれに位置することができる。
【0079】
バスバー410は、電気的接続が可能な金属素材を含むことが好ましい。絶縁フレーム430は、電池セル110などと接触して短絡が発生することを防止するために、電気的に絶縁性の素材を含むことが好ましい。一例として、絶縁フレーム430は、プラスチック射出物であってもよい。
【0080】
バスバー410は、絶縁フレーム430のうち電池セルグループ200と向き合う面の反対面に装着することができる。電池セル110から突出した電極リード111、112が絶縁フレーム430に形成されたリードスリット430Sを通過した後、折り曲げられてバスバー410と接続することができる。より具体的には、一方の電極リード111は、電池セルグループ200の前記一側に位置する絶縁フレーム430のリードスリット430Sを通過した後、バスバー410と接続することができ、他の電極リード112は、電池セルグループ200の前記他側に位置する絶縁フレーム430のリードスリット430Sを通過した後、バスバー410と接続することができる。電極リード111、112とバスバー410間の連結方式に特別な制限はないが、一例として溶接接合を行うことができる。
【0081】
このような方式で、電池セル110が直列または並列に互いに電気的に接続されることができる。
【0082】
一方、絶縁フレーム430には、ヒートシンク300の流入部330と排出部340が貫通できるように冷媒ホール(430RH)が備えられることができる。また、具体的に図示しなかったが、絶縁フレーム430には、電池モジュール100の外部電力連結のためのターミナルバスバーや電圧と温度のセンシング情報伝達のためのモジュールコネクタを装着することができる。
【0083】
一方、
図13は、
図3の切断線C-C’に沿って切断した断面の一部を示す部分断面図である。
【0084】
図3、
図4、
図12および
図13を共に参照すると、バスバー410とヒートシンク300のマニホールド320は、その間に位置する絶縁部材420を介して接触することができる。即ち、バスバー410のうち、電極リード111、112が接続される部分以外の部分の表面に絶縁部材420が付着することができ、バスバー410が、絶縁部材420が付着された面を介してヒートシンク300のマニホールド320と接触することができる。絶縁部材420の一面はバスバー410と接触し、絶縁部材420の他面はマニホールド320と接触することができる。
【0085】
一例として、絶縁フレーム430には開口穴(430H)が形成されることができ、バスバー410が開口穴(430H)を介してヒートシンク300のマニホールド320に向けて露出され、バスバー410とマニホールド320が絶縁部材420を媒介として互いに接触することができる。バスバー410が電極リード111、112部分を除く電池セル110の他の部分と接触することを防止するために、バスバー410を絶縁フレーム430のうち、電池セルグループ200と向き合う面の反対面に装着した。この時、バスバー410に対する直接冷却構造を形成するために、絶縁フレーム430に開口穴(430H)を形成し、バスバー410がこのような開口穴(430H)を通過して、マニホールド320の近くに延びるようにした。
【0086】
電池セル110の充放電が繰り返されると、電池セル110に熱が発生するが、このような熱を制御することが重要である。電池セルの放熱が適切に行われない場合、電池セルの劣化が早くなり、寿命が短くなり、爆発や発火の可能性が大きくなる。特に、電池セル110のうち、電極リード111、112および電極リード111、112と隣接した電池ケース114の一端部114aおよび他端部114b(
図8参照)に多くの熱が発生する。従って、電池モジュール100内で電極リード111、112に直接接合された部分であるバスバー410にも多くの熱が発生する。
【0087】
本実施例による電池モジュール100は、バスバー410を冷媒が流れるヒートシンク300のマニホールド320に直接接触させることによって、発熱が激しいバスバー410に対する直接的な冷却構造を実現した。バスバー410に対する直接的な冷却構造が可能であるため、電池モジュールの全体的な冷却性能向上に役立ち、バスバー410に直接接合された電極リード111、112に発生した熱も容易に排出することができる。
【0088】
一方、絶縁部材420は、電気的絶縁性および接着性を有する絶縁テープであってもよい。ヒートシンク300の熱伝導度を高めるために、ヒートシンク300に含まれている冷却チューブ310およびマニホールド320が金属素材を含むことができる。バスバー410がこのようなマニホールド320に触れる場合、短絡が発生する可能性があるため、電気的絶縁性および接着性を有する絶縁部材420を間において接触することが好ましい。
【0089】
万一、本発明の他の実施例として、マニホールド320が金属素材ではなく、電気的絶縁性の素材を含む場合、バスバー410が絶縁部材420を必要としないでマニホールド320に直接接触することができる。
【0090】
図14は、本発明の他の一実施例による絶縁フレーム430’とバスバー410を示す斜視図である。
【0091】
図14を参照すると、本発明の他の一実施例による絶縁フレーム430’にバスバー410を装着することができる。電極リードが絶縁フレーム430’に形成されたリードスリット430Sを通過した後、折り曲げられてバスバー410と接続することができる。具体的な説明は、前述した内容と重複するため省略する。
【0092】
本実施例において、バスバー410は、絶縁フレーム430’の一側辺から延び、ヒートシンクのマニホールドに向けて露出されることができる。
図14に示すように、バスバー410が絶縁フレーム430’よりも下方向にさらに延びることができる。
図12および
図13に示された開口穴(430H)が形成された絶縁フレーム430と異なり、本実施例における絶縁フレーム430’は、バスバー410がマニホールドに向けて露出されるように、高さが短縮することができる。
【0093】
一方、
図15は、本発明の他の一実施例によるヒートシンク300’をxy平面上で-z軸方向に沿って見た様子を示す平面図である。
【0094】
図15を参照すると、本発明の他の一実施例によるヒートシンク300’は、冷却チューブ310および冷却チューブ310を連結するマニホールド320を含む。また、マニホールド320は、冷却チューブ310の一側に位置する第1マニホールド321および冷却チューブ310の他側に位置する第2マニホールド322を含むことができる。
【0095】
本実施例によるヒートシンク300’では、第1マニホールド321、冷却チューブ310および第2マニホールド322で、前記冷媒の循環構造が形成されることができる。具体的には、第1マニホールド321に前記冷媒が流入される流入部330が連結されることができ、第2マニホールド322に前記冷媒が排出される排出部340が連結されることができる。
【0096】
流入部330に流入した前記冷媒は、第1マニホールド321、冷却チューブ310、第2マニホールド322のそれぞれの内部を順に流れることができ、最終的には第2マニホールド322に連結された排出部340を介して排出することができる。流入部330と排出部340は、ポンプなどを含む冷媒循環装置(図示せず)と連結され、前記冷媒がこのような循環構造に沿って流れる。
【0097】
本実施例によるヒートシンク300’の場合、冷却チューブ310内部の前記冷媒が一方向にのみ流れ、その経路が短縮されるため、相対的に少ないポンプの圧力でも前記冷媒が循環できるという長所を有する。また、前記冷媒が一方向にのみ流れるため、各電池セル110に対して均一な冷却効果が実現できるという長所がある。
【0098】
以下、本実施例による電池モジュールを含む電池パックに対して詳しく説明する。
【0099】
図16と
図17は、各々本発明の一実施例による電池パックに対する正面図と平面図である。具体的には、
図3の電池モジュール100が2つ含まれている電池パック1000において、yz平面で-x軸方向に沿って見た様子を
図16に示し、xy平面で-z軸方向に沿って見た様子を
図17に示した。
【0100】
図3、
図16および
図17を参照すると、本発明の一実施例による、電池パック1000は、電池モジュール100、電池モジュール100が収納されるパックフレーム1100、パックフレーム1100の底部(1100F)の一面と垂直になるようにパックフレーム1100の底部(1100F)上に配置される垂直ビーム1200を含む。電池モジュール100は、垂直ビーム1200の間に配置される。電池パック1000内に備えられる電池モジュール100の数に特別な制限はなく、一つまたはその以上の電池モジュール100が配置されることができる。
【0101】
この時、電池モジュール100とパックフレーム1100の底部(1100F)との間には接着部材1400が位置することができる。電池モジュール100は、接着性を有する接着部材1400を通じてパックフレーム1100の底部(1100F)に固定することができる。本実施例による電池モジュール100は、電池セル110が特定フレームに収納された形態ではなく、電池セルグループ200とヒートシンク300が直接に接着部材1400に固定されたままパックフレーム1100に装着される形態であってもよい。
【0102】
また、電池パック1000は、電池モジュール100の上部に位置し、電池セルグループ200が積層される方向に沿って連結され、垂直ビーム1200に締結される上部ブラケット1300をさらに含むことができる。上部ブラケット1300は、垂直ビーム1200に組み立てられることができ、上部ブラケット1300と垂直ビーム1200間の組み立て方式に特別な制限はなく、接着剤、溶接接合やボルティング組み立てなどを適用することができる。電池モジュール100は、垂直ビーム1200と上部ブラケット1300を介してパックフレーム1100上に取り付けて固定することができる。
【0103】
総合すると、本実施例による電池モジュール100は、別途のフレームに収納されてフレームのままパックフレームに固定されるのではなく、底部(1100F)上の接着部材1400、垂直ビーム1200および上部ブラケット1300などによって固定される形態である。別途のフレームに収納されるのではないため、フレームの重量と体積を減らして簡素化された構造を実現することができ、空間活用性や電池容量増加に効果的である。
【0104】
但し、フレームに収納されるのではないため、電池モジュール100は、電池セル110の膨張に対する十分な構造的剛性を備えていない。これに対し、本実施例では電池モジュール100の側面を垂直ビーム1200に密着させることにより、垂直ビーム1200が電池セル110の膨張に対する構造的剛性を補完することができるように設計した。
【0105】
一方、電池モジュール100と垂直ビーム1200との間、または電池モジュール100と上部ブラケット1300との間のうち少なくとも一カ所には、公差補償のためのパッド1500が配置することができる。
【0106】
図18は、本発明の他の一実施例による電池パックを示す斜視図である。
【0107】
図18を参照すると、本発明の他の一実施例による電池パック1000は、電池モジュール100、電池モジュール100が収納されるパックフレーム1100、パックフレーム1100の底部(1100F)の一面と垂直になるように、パックフレーム1100の底部(1100F)上に配置される垂直ビーム1200を含み、電池モジュール100は、垂直ビーム1200の間に配置される。
【0108】
電池モジュール100は、電池セルグループ200およびヒートシンク300を収納するモジュールフレーム500をさらに含むことができる。モジュールフレーム500は、底面および前記底面の対向する両辺から上方向に延びる側面510を含み、上部が開放された形態であってもよい。
【0109】
モジュールフレーム500の側面510には、側面510と垂直方向に突出したモジュール取付部500Mが形成されることができ、モジュール取付部500Mが垂直ビーム1200に締結されることができる。一例として、モジュール取付部500Mに貫通ホールが形成されることができる。ボルト部材がこのような貫通ホールを通過した後、垂直ビーム1200に締結されるボルティング組み立てが行われることができる。
【0110】
本実施例による電池パック1000において、電池モジュール100の側面を垂直ビーム1200に密着させ、モジュールフレーム500のモジュール取付部500Mが垂直ビーム1200に締結されるように構成することにより、電池セル110の膨張に対する構造的剛性を補完し、電池モジュール100がパックフレーム1100に強固に固定されるように設計した。
【0111】
本実施例では、前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は説明の便宜のためのものであり、対象となる事物の位置や観測者の位置などにより異なる場合がある。
【0112】
前述した本実施例による一つまたはその以上の電池モジュールは、BMS(Battery Management System)、BDU(Battery Disconnect Unit)、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着され、電池パックを形成することができる。
【0113】
前記電池モジュールや電池パックは、様々なデバイスに適用することができる。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やESS(Energy Storage System)に適用されるが、これに限定されず、二次電池を使用できる様々なデバイスに適用可能である。
【0114】
以上、本発明の好ましい実施例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、次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を用い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ものである。
【符号の説明】
【0115】
100 電池モジュール
110 電池セル
200 電池セルグループ
300 ヒートシンク
310 冷却チューブ
320 マニホールド
400 バスバーアセンブリー
410 バスバー
【国際調査報告】