电池模块和包括电池模块的电池组的制作方法

电池模块和包括电池模块的电池组
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0052266号的优先权的权益，通过引用将所述韩国专利申请的全部公开内容并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种电池模块和包括电池模块的电池组，更具体地，涉及具有改进的结构稳定性的电池模块和包括电池模块的电池组。


背景技术：

4.在现代社会，随着移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等便携式装置的日常使用，与便携式装置相关的领域的技术得到了积极的发展。此外，为了解决使用化石燃料的常规汽油车的空气污染，能够充电和放电的可充电电池用作电动车辆(ev)、混合动力电动车辆(hev)和插电式混合动力电动车辆(p-hev)的电源，因此开发可充电电池的必要性正在增加。
5.目前市售的可充电电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和锂可充电电池，在这些电池中，与镍基可充电电池相比，锂可充电电池由于几乎不发生记忆效应，因为诸如自由充放电、极低的自放电率和高能量密度等优点而备受关注。
6.这些锂可充电电池主要使用锂基氧化物和碳材料分别作为正极活性材料和负极活性材料。锂可充电电池具有电极组件以及密封和容纳电极组件和电解质溶液的电池壳体，在电极组件中，分别设置了涂覆有正极活性材料和负极活性材料的正极板和负极板以及正极板和负极板之间的隔膜。
7.通常，锂可充电电池可根据外部材料的形状分为其中电极组件内置于金属罐中的罐式可充电电池和其中电极组件内置于铝层压片的袋中的袋式可充电电池。
8.在小型装置中使用的可充电电池的情况下，设置两个或三个电池单元，但在诸如车辆等中型或大型装置中使用的可充电电池的情况下，使用其中多个电池单元彼此电连接的电池模块。在电池模块中，多个电池单元串联或并联耦接以形成电池单元堆叠，由此提高容量和输出。此外，至少一个电池模块可以与诸如电池管理系统(bms)和冷却系统的各种控制和保护系统一起安装以形成电池组。
9.对于可充电电池来说，当温度高于合适的温度时，可充电电池的性能可能会下降，严重的情况下还有爆炸或着火的危险。特别地，在具有多个可充电电池(即，电池单元)的电池模块或电池组中，来自多个电池单元的热量聚集在狭窄的空间中，使得温度可能升高得更快更严重。换句话说，在堆叠多个电池单元的电池模块和安装有这种电池模块的电池组的情况下，可以获得高输出，但是不容易去除在充电和放电期间在电池单元中产生的热量。如果电池单元的散热执行不当，会加速电池单元的劣化，缩短循环寿命，增加爆炸或着火的可能性。
10.此外，在包含在车辆电池组中的电池模块的情况下，电池模块经常暴露在直射阳
光下并且可能经受高温条件，例如在夏季或沙漠地区。
11.因此，在配置电池模块或电池组时，确保稳定有效的冷却性能非常重要。
12.图1是常规的电池模块的立体图，图2是沿图1中的切割线a-a’的截面图。特别是，图2进一步示出了位于电池模块下方的传热构件和散热器。
13.参考图1和图2，在常规的电池模块10中，多个电池单元11被堆叠以形成电池单元堆叠20，并且电池单元堆叠20容纳在模块框架30中。
14.如上所述，因为电池模块10包括多个电池单元11，所以在充电和放电期间产生大量热量。作为冷却装置，电池模块10可包括位于电池单元堆叠20和模块框架30的底部31之间的导热树脂层40。此外，当电池模块10安装在电池组框架中以形成电池组时，传热构件50和散热器60可以顺序地位于电池模块10的下方。传热构件50可以是散热垫，散热器60可具有形成在其中的制冷剂流动路径。
15.从电池单元11产生的热量依次通过导热树脂层40、模块框架30的底部31、传热构件50和散热器60传递到电池模块10的外部。
16.然而，在常规的电池模块10的情况下，如上所述，传热路径复杂，因此难以有效地传递从电池单元11产生的热量。模块框架30本身可能会劣化热传导特性，可能分别形成在模块框架30、传热构件50和散热器60之间的诸如气隙的薄空气层也可能是劣化热传导特性的促成因素。
17.随着对电池模块的诸如缩小尺寸和容量增加的其他需求的持续，有必要开发可满足这些各种要求同时提高冷却性能的电池模块。


技术实现要素：

18.技术问题
19.本发明要解决的任务是提供一种具有改进的结构稳定性的电池模块和包括电池模块的电池组。
20.然而，本发明的目的不限于上述目的，在本发明的精神和范围内可以以各种方式进行扩展。
21.技术方案
22.根据本发明的示例性实施例的电池模块包括：电池单元堆叠，其中堆叠多个电池单元；模块框架，容纳所述电池单元堆叠；端板，位于所述电池单元堆叠的前表面和后表面；和散热器，位于所述模块框架的底部的下方。所述底部构成所述散热器的上板。所述模块框架包括通过突出所述底部的一部分形成的第一模块框架突出部和第二模块框架突出部，并且所述第一模块框架突出部和所述第二模块框架突出部彼此间隔开。所述端板与所述模块框架焊接的焊接部位于所述第一模块框架突出部与所述第二模块框架突出部之间。
23.所述焊接部可形成于所述端板的下边缘与所述底部接触的部位。
24.所述散热器可包括第一散热器突出部和第二散热器突出部，所述第一散热器突出部和所述第二散热器突出部从所述散热器的一侧分别突出到所述第一模块框架突出部和所述第二模块框架突出部所在的部分。
25.在所述第一模块框架突出部和所述第二模块框架突出部中可形成模块框架安装孔。
26.在所述第一散热器突出部和所述第二散热器突出部中可形成散热器安装孔。
27.所述模块框架安装孔和所述散热器安装孔可定位成彼此对应。
28.所述散热器和所述底部可形成制冷剂的流动路径，并且所述底部可以与所述制冷剂接触。
29.所述散热器可包括用于流入所述制冷剂的流入孔和用于排出所述制冷剂的流出孔。
30.所述散热器可包括与所述底部结合的下板和向下侧凹陷的凹陷部分。
31.有益效果
32.根据本发明的示例性实施例，可以通过模块框架和散热器的集成结构提供具有改进的冷却性能的电池模块。
33.此外，可以通过去除不必要的冷却结构来降低成本并增加空间效用，从而增加电池模块的容量或输出。
34.另外，在具有增加的面积的大面积模块中，可以在结构弱的部分形成焊接结构，从而可以增加结构刚度。
35.本发明的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员从所要求保护的范围的描述中可以清楚地理解未提及的其他效果。
附图说明
36.图1是常规的电池模块的立体图。
37.图2是沿图1中的切割线a-a’的截面图。
38.图3是根据本发明的示例性实施例的电池模块的立体图。
39.图4是图3的电池模块的分解立体图。
40.图5是以不同角度观察图3的电池模块的局部立体图。
41.图6是示出包括在图4的电池模块中的u形框架和散热器的立体图。
42.图7是在xy平面中沿z轴方向观察图3的电池模块的俯视图。
43.图8是沿图7中的切割线b-b’截取的截面图。
具体实施方式
44.下文将参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将意识到，所描述的实施例可以以各种不同的方式进行修改，所有这些修改都不背离本发明的精神或范围。
45.与本发明无关的部分的描述被省略，并且在整个说明书中相同的附图标记表示相同的元件。
46.此外，为了更好地理解和易于描述而任意给出了附图中所示的构成构件的尺寸和厚度，所以本发明不限于所示出的尺寸和厚度。在附图中，为了清楚起见，夸大了层、膜、板、区域等的厚度。在附图中，为了更好地理解和易于描述，一些层和区域的厚度被夸大了。
47.此外，应当理解，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上时，不存在中间元件。此外，在说明书中，词语“在
……
上”或“在
……
上方”是指
位于目标部分上或下，并不一定意味着基于重力方向位于目标部分的上侧。
48.另外，除非明确地做出相反的描述，否则词语“包括”和“包括”的变体将被理解为暗示包含所述元件但不排除任何其他元件。
49.此外，在本说明书中，短语“在平面上”意味着从上方观察目标部分，并且短语“在截面上”意味着从侧面观察通过垂直切割目标部分所截取的截面。
50.图3是根据本发明的示例性实施例的电池模块的立体图。图4是图3的电池模块的分解立体图。图5是以不同角度观察图3的电池模块的局部立体图。
51.参考图3至图5，根据本发明的示例性实施例的电池模块100包括：电池单元堆叠120，其中堆叠多个电池单元110；模块框架200，容纳电池单元堆叠120；端板400，分别位于电池单元堆叠120的前表面和后表面；和散热器300，位于模块框架200的底部210a下方。
52.电池单元110可以是袋型电池单元。这种袋型电池单元可以通过将电极组件容纳在包括树脂层和金属层的层压片的袋壳中，然后热熔合袋壳的外周而形成。在这种情况下，电池单元110可以形成为矩形片型结构。
53.电池单元110可以被配置为多个，并且多个电池单元110被堆叠以彼此电连接，由此形成电池单元堆叠120。特别地，如图4所示，多个电池单元110可沿平行于x轴的方向堆叠。
54.根据本示例性实施例的电池单元堆叠120可以是大面积模块，其中电池单元110的数量大于现有技术的数量。具体地，每个电池模块100可包括32至48个电池单元110。在这种大面积模块的情况下，电池模块的水平方向长度变长。这里，水平方向长度可以指电池单元110堆叠的方向上的长度，即平行于x轴的方向上的长度。
55.用于容纳电池单元堆叠120的模块框架200可包括上盖220和u形框架210。
56.u形框架210可包括底部210a和从底部210a的两端向上延伸的两个侧部210b。底部210a可覆盖电池单元堆叠120的下表面(与z轴相反的方向)，并且侧部210b可覆盖电池单元堆叠120的两个侧表面(x轴方向及与x轴方向相反的方向)。
57.除了被u形框架210覆盖的下表面和两个侧表面之外，上盖220可以形成为围绕上表面(z轴方向)的单个板状结构。上盖220和u形框架210在相应角部彼此接触的状态下通过焊接等结合，由此形成水平和垂直覆盖电池单元堆叠120的结构。可以通过上盖220和u形框架210物理地保护电池单元堆叠120。为此，上盖220和u形框架210可以包括具有预定强度的金属材料。
58.另一方面，虽然未具体示出，但是根据示例性变化例的模块框架200可以是金属板形式的集成了上表面、下表面和两个侧表面的单框架。也就是说，不是u形框架210和上盖220相互耦合的结构，而是可以通过挤压成型制造的结构，因此上表面、下表面和两个侧表面可以是集成的。
59.端板400可以位于电池单元堆叠120的前表面(y轴方向)和后表面(y轴相反方向)上以覆盖电池单元堆叠120。端板400可以物理地保护电池单元堆叠120和其他电子器件免受外部冲击。端板400还可以包括安装部分410。安装部分410可具有从端板400的一个表面突出的结构，并且可以形成通孔。电池模块100可通过安装部分410安装并固定到电池组框架以形成电池组。
60.同时，尽管未具体示出，上面安装有汇流排的汇流排框架和用于电绝缘的绝缘盖
可定位在电池单元堆叠120与端板400之间。
61.在下文中，参考图6和图7详细描述散热器的结构。
62.图6是示出包括在图4的电池模块中的u形框架和散热器的立体图，图7是在xy平面中沿z轴方向观察图3的电池模块的俯视图。也就是说，图7是从下方观察的图3的电池模块的俯视图。
63.参考图4、图6和图7，底部210a构成散热器300的上板，并且散热器300和模块框架200的底部210a可以形成制冷剂的流动路径。
64.具体地，散热器300可包括：下板310，其形成散热器300的骨架并且通过焊接等接合到模块框架200的底部210a；凹陷部分340，其为制冷剂流过的路径。
65.散热器300的凹陷部分340对应于下板310向下凹陷的部分。基于制冷剂流动路径延伸的方向，凹陷部分340可以是在xz平面中垂直切割的横截面为u形的管，并且底部210a可以定位在u形管的开口上侧。由于散热器300与底部210a接触，所以凹陷部分340与底部210a之间的空间成为制冷剂流过的区域，即制冷剂的流动路径。因此，模块框架200的底部210a可与制冷剂接触。
66.对散热器300的凹陷部分340的制造方法没有特别限制，通过提供相对于板状散热器300形成凹陷的结构，就可以形成上侧开口的u形凹陷部分340。
67.另一方面，尽管未示出，包括热树脂的导热树脂层可以位于图4的模块框架200的底部210a与电池单元堆叠120之间。可通过将热树脂涂覆到底部210a并固化涂覆的热树脂来形成导热树脂层。
68.热树脂可以包括导热粘合剂材料，具体地，硅树脂材料、聚氨酯材料和丙烯酸材料中的至少一种。热树脂在涂覆期间可以是液体，但是在涂覆之后固化，由此用于固定构成电池单元堆叠120的至少一个电池单元110。此外，热树脂具有优良的导热特性，使得由电池单元110产生的热可以快速传递到电池模块的下侧。
69.在图2所示的常规电池模块10中，由电池单元11产生的热量在依次通过导热树脂层40、模块框架30的底部31、传热构件50和散热器60的制冷剂时传递到电池模块10的外部。此外，散热器60的制冷剂流动路径位于散热器60的内部。
70.另一方面，根据本示例性实施例的电池模块100实现了散热器300与模块框架200的冷却集成结构，由此进一步提高了冷却性能。因为模块框架200的底部210a用于对应于散热器300的上板，所以可以实现冷却集成结构。由于直接冷却而增加了冷却效率，并且通过散热器300与模块框架200的底部210a的集成结构可以进一步提高电池模块100和安装有电池模块100的电池组1000的空间利用率。
71.具体地，电池单元110中产生的热量可以通过位于电池单元堆叠120与模块框架200的底部210a之间的导热树脂层(未示出)和制冷剂传递到电池模块100的外部。通过去除常规的不必要的冷却结构，可以简化传热路径并且可以减少层之间的每个气隙，因此可以提高冷却效率或性能。特别地，底部210a由散热器300的上板构成，并且因为底部210a与制冷剂直接接触，所以具有允许通过制冷剂进行更直接冷却的优点。常规上，如图2所示，传热构件50和散热器60的上部构造位于底部31与制冷剂之间，这会降低冷却效率。
72.此外，通过去除不必要的冷却结构，降低了电池模块100的高度，从而可以降低成本并增加空间效用。此外，因为可以紧凑地设置电池模块100，所以可以增加包括多个电池
模块100的电池组1000的容量或输出。
73.另一方面，模块框架200的底部210a可以通过焊接结合到下板310中的没有形成散热器300的凹陷部分340的部位。在本示例性实施例中，通过模块框架200的底部210a和散热器300的集成冷却结构，除了提高上述冷却性能之外，还可以具有支撑容纳在模块框架200中的电池单元堆叠120的负载的效果和增强电池模块100的刚度的效果。此外，下板310和模块框架200的底部210a通过焊接等密封，使得制冷剂可以从形成在下板310内的凹陷部分340流动而没有泄漏。
74.为了有效冷却，如图6和图7所示，优选地，凹陷部分340形成在对应于模块框架200的底部210a的整个区域之上。为此，凹陷部分340可以至少弯折一次并从一侧通向另一侧。特别地，凹陷部分340优选地弯折数次以在对应于模块框架200的底部部分210a的整个区域之上形成凹陷部分340。当制冷剂从对应于模块框架200的底部210a的整个区域之上形成的制冷剂流动路径的起点移动到终点时，可以实现电池单元堆叠120的整个区域的有效冷却。
75.另一方面，制冷剂是用于冷却的介质，没有特别限制，制冷剂可以是冷却水。
76.同时，根据本示例性实施例的散热器300可包括用于制冷剂流入的流入孔320和用于制冷剂流出的流出孔330。具体地，当散热器300的凹陷部分340从一侧连接到另一侧时，流入孔320可以设置在凹陷部分340的一侧的下端，并且流出孔330可以设置在凹陷部分340的另一侧的下端。制冷剂首先通过流入孔320从稍后描述的电池组制冷剂供应管流入底部210a与凹陷部分340之间，并且流入的制冷剂沿凹陷部分340移动，然后可以通过流出孔330流出到电池组制冷剂排放管。当制冷剂从形成在底部210a的整个区域之上的凹陷部分340的一侧移动到另一侧时，可以实现电池单元堆叠120的整个区域的有效冷却。
77.另一方面，再次参考图4，根据本示例性实施例，可以在散热器300的凹陷部分340形成单元阻挡物350。具体地，单元阻挡物350具有形成为在与凹陷部分340的凹陷方向相反的方向上突出的结构，并且可以沿凹陷部分340连续。与现有技术相比，在大面积电池模块中堆叠的电池单元的数量大大增加，例如根据本示例性实施例的电池单元堆叠120，在这种情况下，可以形成更宽的制冷剂流动路径，从而温度偏差可能更严重。与约12至24个电池单元堆叠在一个电池模块中的情况相比，在大面积电池模块中，可以包括约32至48个电池单元110堆叠在一个电池模块中的情况。在这种情况下，根据本示例性实施例的单元阻挡物350产生了减小冷却流动路径宽度的效果，从而最小化压降并且同时减小制冷剂流动路径宽度之间的温度偏差。因此，可以实现均匀的冷却效果。
78.以下参考图8对焊接部的结构和散热器的安装结构进行详细说明。
79.图8是沿图7中的切割线b-b’截取的截面图。然而，为了便于说明，图8进一步示出位于电池模块下方的电池组制冷剂供应管和电池组框架。
80.参考图4、图5、图6和图8，根据本示例性实施例的模块框架200包括第一模块框架突出部211a和第二模块框架突出部211b，第一模块框架突出部211a和第二模块框架突出部211b在模块框架200的底部210a的一部分突出的同时形成为穿过端板400，并且第一模块框架突出部211a和第二模块框架突出部211b被定位成彼此间隔开。更详细地，第一模块框架突出部211a和第二模块框架突出部211b可以分别位于底部210a的一个角落的两端。
81.散热器300可以包括从散热器300的一侧分别突出到第一模块框架突出部211a和第二模块框架突出部211b所在的部分的第一散热器突出部311a和第二散热器突出部311b。
82.在这种情况下，如图5所示，根据本示例性实施例的电池模块100包括其中将端板400和模块框架200焊接结合的焊接部500，并且焊接部500位于第一模块框架突出部211a与第二模块框架突出部211b之间。更具体地，两个安装部分410可以位于第一模块框架突出部211a与第二模块框架突出部211b之间，并且焊接部500可以位于两个安装部分410之间。另外，焊接部500可以形成在端板400的下边缘和模块框架200的底部210a彼此接触的部位。
83.如上所述，根据本示例性实施例的电池模块100可以是具有较长的水平方向长度的大面积模块，并且随着长度的增加，水平方向长度的中部必然在结构上对振动或外部冲击的抵抗性很弱。
84.因此，根据本示例性实施例，通过将焊接部500设置到结构弱的部分而不在结构弱的部分上设置第一模块框架突出部211a和第二模块框架突出部211b，可以增加电池模块100的刚度并且可以增加结构安全性。
85.同时，模块框架安装孔211h可以形成在第一模块框架突出部211a和第二模块框架突出部211b中，并且散热器安装孔311h可以形成在第一散热器突出部311a和第二散热器突出部311b中。
86.对模块框架安装孔211h和散热器安装孔311h的数量没有特别限制，但优选模块框架安装孔211h和散热器安装孔311h的数量相同，并且更优选地，将模块框架安装孔211h和散热器安装孔311h定位成彼此对应。例如，图6示出四个模块框架安装孔211h和四个散热器安装孔311h定位成彼此对应。
87.参考图8，电池模块100可以安装在电池组框架1100上以形成电池组。此时，电池组制冷剂供应管1200可以位于电池模块100与电池组框架1100之间。
88.电池组制冷剂供应管1200是用于将制冷剂供应到电池模块的构造，并且可以形成用于制冷剂供应的开口1210。上述散热器300的流入孔320可以定位成对应于用于制冷剂供应的开口1210并且它们可以彼此连接。因此，沿着电池组制冷剂供应管1200移动的制冷剂可以通过用于制冷剂供应的开口1210和流入孔320流入散热器300和底部210a之间。
89.此外，虽然未具体示出，但是可提供电池组制冷剂排放管(未示出)，其中用于制冷剂排放的开口(未示出)形成在电池模块100与电池组框架1100之间。上述散热器300的流出孔330可以定位成对应于用于排放制冷剂的开口并且它们可以彼此连接。已经沿着凹陷部分340移动的制冷剂可以通过流出孔330和用于排放制冷剂的开口排放到电池组制冷剂排放管。
90.同时，在电池组框架1100中，可以形成对应于模块框架安装孔211h和散热器安装孔311h的紧固孔1110，并且安装螺栓1120可以穿过模块框架安装孔211h和散热器安装孔311h而耦接到紧固孔1110。此时，电池组制冷剂供应管1200可设计为避开电池组框架1100上的安装螺栓1120。
91.模块框架200和散热器300可以通过安装螺栓1120固定到电池组框架1100。此外，通过安装螺栓1120的紧固力，底部210a、散热器300和电池组制冷剂供给管1200彼此牢固地附接，因此提高了密封性并且可以降低它们之间的制冷剂泄漏的可能性。特别地，因为流入孔320和流出孔330可以分别与第一散热器突出部311a和第二散热器突出部311b相邻，所以有效阻止了制冷剂从流入孔320和流出孔330泄漏。
92.同时，流入孔320和流出孔330中的至少一个可以包括围绕其外周的密封构件321。
密封构件321可以位于散热器300下方，更具体地，密封构件321可以位于散热器300和电池组制冷剂供应管1200之间。通过该密封构件321，可以防止制冷剂在制冷剂的流入和流出期间泄漏。根据本示例性实施例的密封构件321的结构没有限制，但是可以应用如图所示的垫圈类型的构件或阀口构件。
93.在本示例性实施例中，已经使用了诸如前、后、左、右、上、下等方向的术语，但是这些术语只是为了便于解释，并且可以根据要针对的目标的位置或观察者的位置而变化。
94.根据上述本示例性实施例的一个或多个电池模块可以与诸如电池管理系统(bms)和冷却系统的各种控制和保护系统一起安装以形成电池组。
95.电池模块或电池组可以应用于各种装置。具体地，可以应用于诸如电动自行车、电动车辆、混合动力车辆等的交通工具，但不限于此，也可以应用于可以使用可充电电池的各种装置。
96.虽然已经结合目前被认为是具有实施性的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。
97.附图标记
98.100：电池模块
99.200：模块框架
100.210a：底部
101.211a：第一模块框架突出部
102.211b：第二模块框架突出部
103.300：散热器
104.311a：第一散热器突出部
105.311b：第二散热器突出部
106.500：焊接部