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JP7644219B2 - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

電池モジュールおよびそれを含む電池パック Download PDF

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Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年１２月７日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１６９３３４号および２０２１年１１月４日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１５０５６１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れを含む電池パックに関し、より具体的には電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させる電池モジュールおよびそ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より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。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源としても多くの関心を集めている。
小型モバイル機器にはデバイス１台当り一つまたは複数の電池セルが使用されることに対して、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できる限り小型で軽量となるように製造されることが好ましいので、高い集積度で積層されることができ、容量に対し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は従来の電池モジュールに含まれた電池セル積層体の上面図である。図３の（ａ）は図２のＡ領域を上から見た平面図であり、図３の（ｂ）は（ａ）の切断面Ｂ－Ｂに沿って切断した断面図である。
図１および図２を参照すると、従来の電池モジュールは複数の電池セル１１が一方向に積層された積層されている電池セル積層体１２、電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム３０，４０、および電池セル積層体１２の前後面をカバーするエンドプレート１５を含む。モジュールフレーム３０，４０は電池セル積層体１２の下部および両側面を覆う下部フレーム３０と電池セル積層体１２の上面を覆う上部プレート４０を含む。
また、電池セル積層体１２は複数の電池セル１１を互いに固定させる固定部材１７を含み、固定部材１７は電池セル積層体１２の中心部および／または端部に位置する。また、電池セル積層体１２で互いに隣り合う一対の電池セルの間に圧縮パッド２０が位置する。
図２および図３を参照すると、従来の電池セル積層体に位置する圧縮パッド２０は電池セル１１の上面または下面に接する。圧縮パッド２０は隣り合う電池セル１１に伝播する衝撃を吸収することができる。また、電池セル１１の発火時、圧縮パッド２０が有する厚さにより熱伝播速度を遅延させることもできる。しかし、電池セル１１の発火時、隣り合う電池セル１１間の熱伝導とともに電池セル１１で発生する火炎による外部熱伝導により２次セル発火が発生し得る。
これによって既存の圧縮パッド２０だけでは熱伝播速度を遅延させる役割を十分に果たしにくい。そのため、従来とは異なり電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させる電池モジュールを開発する必要がある。
本発明が解決しようとする課題は、電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させる電池モジュールおよびそれを含む電池パック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、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、電池セルが複数積層されて形成された電池セル積層体、および前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間に介在しているバリア層を含み、前記バリア層は、前記電池セルと平行なボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含む。
前記拡張部は、フレキシブル（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ）な材質で形成され、少なくとも２個の電池セルの上端部を覆い得る。
前記バリア層は、前記電池セルと平行なように配置された第１バリア層と、前記第１バリア層と前記電池セルの間に配置された第２バリア層とを含み、前記第２バリア層は、前記第１バリア層と平行なように配置されたボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含み得る。
前記第１バリア層は、互いに隣り合う第１電池セルと第２電池セルとの間に位置し、前記第２バリア層は、前記第１バリア層と前記第１電池セルとの間に位置する第２－１バリア層と、前記第１バリア層と前記第２電池セルとの間に位置する第２－２バリア層とを含み、前記第２－１バリア層の第１拡張部と前記第２－２バリア層の第２拡張部とは、同じ方向に曲がり得る。
前記第１拡張部と前記第２拡張部とは、互いに重なり得る。
前記ボディ部は、前記電極リードが位置した前記電池セルの端部を覆う追加拡張部を含み得る。
前記ボディ部の追加拡張部には、前記電極リードが貫通する開口部が形成され得る。
前記バリア層は、難燃部材で形成され得る。
前記第１バリア層は、シリコン素材、マイカ素材またはこれらの混合素材（ｓｈｅｅｔ）で形成され、前記第２バリア層は、マイカ素材で形成され得る。
前記バリア層は、少なくとも２個以上含まれ、前記バリア層のうち隣り合う２個のバリア層の間には、少なくとも２個以上の電池セルが位置し得る。
前記互いに隣り合うバリア層の拡張部は、互いに異なる方向に曲がり得る。
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。
実施形態によれば、本発明は、電池セル積層体で互いに隣り合う一対の電池セルの間に形成されたバリア層が難燃部材として機能することによって電池セルの発火時に隣り合う電池セル間の熱伝播速度を遅延させることができる。
また、前記バリア層が電池セルのボディ部だけでなく、これより延びて電池セルのトップ部およびリード部にも適用されることによって、セル外部の火炎により火炎が発生していない電池セルへの熱伝播速度を遅延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るものである。
従来の電池モジュールの斜視図である。 従来の電池モジュールに含まれた電池セル積層体の上面図である。 （ａ）は図２のＡ領域を上から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）の切断面Ｂ－Ｂに沿って切断した断面図である。 比較例による電池セル積層体を形成する方法を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールに含まれる電池セル積層体を形成する方法を示す図である。 図５の電池セル積層体に含まれた一つの電池セル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モジュールに含まれる電池セルで電極リードが突出する方向にバリア層が拡張された様子を示す図である。
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で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で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または類似の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、本発明は必ずしも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誇張して示した。そして図面で、説明の便宜上、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「上に」または「の上に」あるという時、これは他の部分の「すぐ上に」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「すぐ上に」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「上に」または「の上に」あるというのは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上に」または「の上に」位置することを意味するものではない。
また、明細書全体で、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、明細書全体で、「平面上」という時、これは対象部分を上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横から見た時を意味する。
図４は比較例による電池セル積層体を形成する方法を示す図である。
図４を参照すると、電池セル１１を積層する段階で隣り合う電池セル１１と電池セル１１の間に圧縮パッド２０を介在して積層することができる。圧縮パッド２０を積層した後にまた電池セル１１積層を行い続けることができる。この時、圧縮パッド２０は一定の厚さを有することができる。圧縮パッド２０はセルのスエリングを防止する役割をすることができ、セルの発火時にある程度熱伝播を遅延させることができる。電池セル１１と圧縮パッド２０が積層されて電池セル積層体を形成し、後続してリード溶接工程とモジュールフレーム工程によって電池モジュールを形成することができる。
図５は本発明の一実施形態による電池モジュールに含まれる電池セル積層体を形成する方法を示す図である。図６は図５の電池セル積層体に含まれた一つの電池セルを示す斜視図である。
図５を参照すると、本実施形態による電池モジュールに含まれる電池セル積層体は複数の電池セル１１０が積層されて形成され、複数の電池セル１１０のうち互いに隣り合う電池セル１１０の間に介在しているバリア層２００を含む。本実施形態によるバリア層２００は電池セル１１０と平行なように配置されたボディ部２００ｂ１１，２００ｂ２１と、ボディ部２００ｂ１１，２００ｂ２１の一端で曲がって前記電池セル１１０の上端部を覆う拡張部２００ｂ１２，２００ｂ２２を含む。本実施形態によるバリア層２００は、電池セル１１０と平行なように配置された第１バリア層２００ａと、第１バリア層２００ａと電池セル１１０の間に配置された第２バリア層２００ｂを含む。
第２バリア層２００ｂは第１バリア層２００ａと平行なように配置されたボディ部２００ｂ１１，２００ｂ２１とボディ部２００ｂ１１，２００ｂ２１の一端で曲がって電池セル１１０の上端部を覆う拡張部２００ｂ１２，２００ｂ２２を含むことができる。拡張部２００ｂ１２，２００ｂ２２はフレキシブル（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ）な材質で形成され、少なくとも２個の電池セル１１０の上端部を覆うことができる。
より詳細には説明すると、第１バリア層２００ａは互いに隣り合う第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂの間に位置し、第２バリア層２００ｂは第１バリア層２００ａと第１電池セル１１０ａの間に位置する第２－１バリア層２００ｂ１と、第１バリア層２００ａと第２電池セル１１０ｂの間に位置する第２－２バリア層２００ｂ２を含むことができる。この時、第２－１バリア層２００ｂ１の第１拡張部２００ｂ１２と第２－２バリア層２００ｂ２の第２拡張部２００ｂ２２は同じ方向に曲がることができる。この時、第１拡張部２００ｂ１２と第２拡張部２００ｂ２２は互いに重なり、これらが重なる部分は少なくとも一つの電池セル１１０の上端部であり得る。
本実施形態により第１拡張部２００ｂ１２と第２拡張部２００ｂ２２は互いに重なり、かつ電池セル１１０の上端部を覆うことによって、セル間の火炎による外部伝播を遮断することができる。
本実施形態によるバリア層２００は難燃部材で形成される。この時、第１バリア層２００ａはシリコン素材、マイカ素材またはこれらの混合素材で形成され、第２バリア層２００ｂはマイカ素材で形成されることができる。第１バリア層２００ａはマイカシート（Ｍｉｃａ ｓｈｅｅｔ）形態で形成されることができ、第２バリア層２００ｂは約１ｍｍ以下の薄い素材のよく曲がることができる形態のマイカ素材を使用することができる。
本実施形態による電池モジュールにはバリア層２００が少なくとも２個以上含まれ、バリア層２００のうち隣り合う２個のバリア層２００の間には少なくとも２個以上の電池セル１１０が位置することができる。
また、本実施形態による互いに隣り合うバリア層２００の拡張部は互いに異なる方向に曲がることができる。例えば、図５に示すように、中央の２個の電池セル１１０を基準として右側に位置するバリア層２００に含まれる拡張部は右側方向に曲がっており、中央の２個の電池セル１１０を基準として左側に位置するバリア層２００に含まれる拡張部は左側方向に曲がることができる。
本実施形態による電池セル１１０はパウチ型電池セルであることが好ましい。例えば、図６を参照すると、本実施形態による電池セル１１０は二つの電極リード１１１，１１２が互いに対向して電池本体１１３の一端部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。電池セル１１０は、電池ケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態で電池ケース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り製造されることができる。換言すれば、本実施形態による電池セル１１０は、総３ケ所のシーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂ，１１４ｓｃを有し、シーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂ，１１４ｓｃは熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、残りの他の一側部は連結部１１５からなる。電池ケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂの間を電池セル１１０の長手方向と定義し、電池ケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂを連結する一側部１１４ｃと連結部１１５の間を電池セル１１０の幅方向と定義することができる。
連結部１１５は電池セル１１０の一縁に沿って長く伸びている領域であり、連結部１１５の端部に電池セル１１０の突出部１１０ｐが形成されることができる。突出部１１０ｐは連結部１１５の両端部の少なくとも一つに形成されることができ、連結部１１５が伸びる方向に垂直な方向に突出することができる。突出部１１０ｐは電池ケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂのシーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂの一つと連結部１１５の間に位置することができる。
電池ケース１１４は一般に樹脂層／金属箔膜層／樹脂層のラミネート構造で形成されている。例えば、電池ケースの表面がＯ（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）－ナイロン層で形成されている場合には、中大型電池モジュールを形成するために多数の電池セルを積層するとき、外部衝撃によって容易に滑る傾向がある。したがって、これを防止し、電池セルの安定した積層構造を維持するために、電池ケースの表面に両面テープなどの粘着式接着剤または接着時の化学反応により結合される化学接着剤などの接着部材を付着して電池セル積層体を形成することができる。本実施形態で電池セル積層体１２０はｙ軸方向に積層されることができる。
図７は本発明の他の一実施形態による電池モジュールに含まれる電池セルで電極リードが突出する方向にバリア層が拡張された様子を示す図である。
一方、図７および以下の説明では第２バリア層２００ｂのボディ部と拡張部を説明するために、上述した第２－２バリア層２００ｂ２のボディ部２００ｂ２１と第２拡張部２００ｂ２２の図面符号を併記したが、これは便宜によるものであり、以下で説明される内容は第２－１バリア層２００ｂ１のボディ部２００ｂ１１と第１拡張部２００ｂ１２にも適用することができる。また、上述した内容では図面番号「２００ｂ２２」が指すものを第２拡張部２００ｂ２２と説明したが、説明の便宜のために図７の説明では「拡張部」と表示する。
図７を参照すると、本実施形態によるバリア層２００は、図６の電池セル１１０のボディ部１１０Ｃを覆う第２バリア層２００ｂを含み、第２バリア層２００ｂは前述した通り第１バリア層２００ａと平行なように配置されたボディ部２００ｂ２１とボディ部２００ｂ２１の一端で曲がって電池セル１１０の上端部１１０Ｔを覆う拡張部２００ｂ２２を含むことができる。
電池セル１１０のボディ部１１０Ｃは電池セル１１０が積層される方向であるｙ軸方向に向かう電池セル１１０の一面を指し、電池セル１１０の上端部１１０Ｔは図６の電池ケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂを連結する一側部１１４ｃに対応する部分であり得る。換言すれば、電池セル１１０の上端部１１０Ｔは電池セル１１０の幅方向を基準として上端部を指すことができる。
この時、第２バリア層２００ｂのボディ部２００ｂ２１の厚さは第２バリア層２００ｂの拡張部２００ｂ２２の厚さより厚くてもよい。第２バリア層２００ｂのボディ部２００ｂ２１が相対的に厚く形成されて隣り合う電池セル１１０間の熱伝播を遮断する難燃性能を高めることができ、相対的に薄く形成される第２バリア層２００ｂの拡張部２００ｂ２２により電池セル積層体を収容するモジュールフレームと電池セル１１０上端部の間のギャップの発生を最小化することができる。また、フレキシブル材質で第２バリア層２００ｂの拡張部２００ｂ２２を形成して、電池セル１１０上端のダブルサイドフォールディング構造を密着して覆うことができる。
図７を参照すると、本実施形態によるバリア層２００は、電池セル１１０から突出する電極リード１１１，１１２周辺部の電池セル１１０の端部を覆う第３バリア層２００ｃをさらに含むことができる。第３バリア層２００ｃには電極リード１１１，１１２が貫通する開口部２００Ｄが形成されることができる。第３バリア層２００ｃは第２バリア層２００ｂが延びて形成されるか、第１バリア層２００ａが延びて形成されることができる。第３バリア層２００ｃは「追加拡張部」と称することもできる。
一方、本発明の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それを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。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できるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびそれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスに適用することが可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。
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。
１１０ 電池セル
１１１、１１２ 電極リード
１２０ 電池セル積層体
２００ バリア層
２００ａ 第１バリア層
２００ｂ 第２バリア層
２００ｂ１ バリア層
２００ｂ１１ ボディ部
２００ｂ１２ 第１拡張部
２００ｂ２ バリア層
２００ｂ２１ ボディ部
２００ｂ２２ 第２拡張部
２００ｃ 第３バリア層

Claims (11)

  1. 電池セルが複数積層されて形成された電池セル積層体、および
    前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間に介在して、前記複数の電池セル間の熱伝播を遅延させるバリア層を含み、
    前記バリア層は、前記電池セルと平行なボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含み、
    前記バリア層は、前記電池セルと平行なように配置された第１バリア層と、前記第１バリア層と前記電池セルの間に配置された第２バリア層とを含み、
    前記第２バリア層は、前記第１バリア層と平行なように配置されたボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含む、電池モジュール。
  2. 前記拡張部は、フレキシブルな材質で形成され、少なくとも２個の電池セルの上端部を覆う、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記第１バリア層は、互いに隣り合う第１電池セルと第２電池セルとの間に位置し、前記第２バリア層は、前記第１バリア層と前記第１電池セルとの間に位置する第２－１バリア層と、前記第１バリア層と前記第２電池セルとの間に位置する第２－２バリア層とを含み、
    前記第２－１バリア層の第１拡張部と前記第２－２バリア層の第２拡張部とは、同じ方向に曲がる、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記第１拡張部と前記第２拡張部とは、互いに重なる、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記ボディ部は、電極リードが位置した前記電池セルの端部を覆う追加拡張部を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記ボディ部の追加拡張部には、前記電極リードが貫通する開口部が形成されている、請求項５に記載の電池モジュール。
  7. 電池セルが複数積層されて形成された電池セル積層体、および
    前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間に介在しているバリア層を含み、
    前記バリア層は、前記電池セルと平行なボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含み、
    前記バリア層は、前記電池セルと平行なように配置された第１バリア層と、前記第１バリア層と前記電池セルの間に配置された第２バリア層とを含み、
    前記第２バリア層は、前記第１バリア層と平行なように配置されたボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含み、
    前記バリア層は、難燃部材で形成される電池モジュール。
  8. 電池セルが複数積層されて形成された電池セル積層体、および
    前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間に介在しているバリア層を含み、
    前記バリア層は、前記電池セルと平行なボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含み、
    前記バリア層は、前記電池セルと平行なように配置された第１バリア層と、前記第１バリア層と前記電池セルの間に配置された第２バリア層とを含み、
    前記第２バリア層は、前記第１バリア層と平行なように配置されたボディ部と、前記ボディ部の一端で曲がって前記電池セルの上端部を覆う拡張部とを含み、
    前記第１バリア層は、シリコン素材、マイカ素材またはこれらの混合素材で形成され、前記第２バリア層は、マイカ素材で形成される、電池モジュール。
  9. 前記バリア層は、少なくとも２個以上含まれ、前記バリア層のうち隣り合う２個のバリア層の間には、少なくとも２個以上の電池セルが位置する、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 前記互いに隣り合うバリア層の拡張部は、互いに異なる方向に曲がる、請求項９に記載の電池モジュール。
  11. 請求項１～１０のいずれか一項による電池モジュールを含む、電池パック。
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