电池模块及包括该电池模块的电池组

技术领域

本申请要求于2020年4月9日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0043242和2021年4月8日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0046019的优先权和权益，其全部内容通过引用方式并入本文。

本发明涉及一种电池模块及包括该电池模块的电池组，并且更具体地说，涉及一种具有改进的冷却性能的电池模块及包括该电池模块的电池组。

背景技术

在现代社会中，随着诸如移动电话、笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机等的便携装置的日常使用，已经积极开发与便携式装置相关的领域的技术。另外，随着作为解决使用化石燃料的传统汽油车辆的空气污染问题的方式，能够充放电的可充电池用作电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力车辆(P-HEV)的电源，开发可充电电池的必要性日益增加。

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。其中，锂可充电电池由于与镍基可充电电池相比几乎不产生记忆效应，因此以其诸如自由充放电、极低的自放电率、高能量密度之类的优点而备受瞩目。

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和电池壳体，在电极组件中分别涂有这些正极活性材料和负极活性材料的正极板和负极板隔着置于它们之间的隔膜设置，电池壳体将电极组件与电解质溶液一起密封和容纳。

一般而言，根据外部材料的形状，锂可充电电池可以分为其中电极组件内置在金属罐中的罐型可充电电池以及其中电极组件内置在铝层压板的袋中的袋型可充电电池。

在小型装置中使用的可充电电池的情况下，设置2至3个电池单元，但在诸如车辆之类的中型或大型装置中使用的可充电电池的情况下，使用多个电池单元彼此电连接的电池模块。在该电池模块中，多个电池单元彼此串联或并联联接以形成电池单元层叠构件，从而提高容量和输出。另外，可以将至少一个电池模块与诸如电池管理系统(BMS)和冷却系统之类的各种控制和保护系统安装在一起，以形成电池组。

可充电电池，在高于适当温度时，该可充电电池的性能可能劣化，并且在严重的情况下，有爆炸或着火的危险。具体地，在具有多个可充电电池(也就是说，电池单元)的电池模块或电池组中，从多个电池单元发出的热量在狭窄的空间中累积，使得温度可能上升得更快并且更严重。换言之，在层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，但不容易去除在充放电期间在电池单元中产生的热量。如果无法适当地执行电池单元的散热，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。

此外，在包括于车辆电池组中的电池模块的情况下，它经常暴露在阳光直射下，并且可能经受诸如夏季或沙漠地区之类的高温条件。

因此，在构造电池模块或电池组时，确保稳定且有效的冷却性能非常重要。

图1是用于传统的电池模块的立体图，图2是沿图1的线A-A′的截面图。具体地，图2还示出了位于电池模块下方的传热构件和散热器。

参照图1和图2，在传统的电池模块10中，层叠多个电池单元11以形成电池单元层叠构件20，并且电池单元层叠构件20容纳在模块框架30中。

如上所述，由于电池模块10包括多个电池单元11，因此在充电和放电期间产生大量热。作为冷却装置，电池模块10可以包括位于电池单元层叠构件20和模块框架30的底部31之间的导热树脂层40。另外，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下方。传热构件50可以是散热垫，并且散热器60可以具有形成在其内的制冷剂流路。

从电池单元11产生的热量通过导热树脂层40、模块框架30的底部31、传热构件50和散热器60顺序地传递到电池模块10的外部。

然而，在传统的电池模块10的情况下，由于如上的传热路径复杂，难以有效地传递从电池单元11产生的热量。模块框架30本身可能使导热特性劣化，并且可以分别形成在模块框架30、传热部件50、散热器60之间的诸如气隙之类的微细的空气层也可以是导致导热特性劣化的贡献因素。

随着对电池模块的诸如小型化和容量增加之类的其他需求的持续，开发可以满足这些不同要求同时提高冷却性能的电池模块是非常必要的。

发明内容

技术问题

提出本发明的实施方式以解决先前提出的方法的以上问题，并提供一种具有改进的冷却性能的电池模块及包括该电池模块的电池组。

本发明的实施方式要解决的目的不限于上述目的，并且可以在本发明所包含的技术构思的范围内以各种方式扩展。

技术方案

一种根据本发明的实施方式的电池模块，该电池模块包括：电池单元层叠构件，在所述电池单元层叠构件中层叠有多个电池单元；模块框架，该模块框架容纳所述电池单元层叠构件；以及散热器，该散热器位于所述模块框架的底部下方，其中，所述模块框架的所述底部构成所述散热器的上板，并且所述散热器的供给管和所述底部形成制冷剂的流路。

底部可以与制冷剂直接接触。

供给管可以为U型管，并且底部可以位于U型管的开口的上侧。

供给管可以至少弯曲一次并从一侧伸展到另一侧。

供给管可以包括用于制冷剂的流入的入口和用于制冷剂的排放的出口。

入口和出口中的至少一个可以包括围绕其外周的密封构件。

散热器可以包括沿平行于底部的方向延伸的下安装部，以及下安装部可以包括通孔。

底部可以包括沿下安装部延伸的上安装部，并且上安装部可以包括通孔。

下安装部的通孔和上安装部的通孔可以被定位成彼此对应。

电池模块可以包括位于模块框架的底部和电池单元层叠构件之间的导热树脂层。

散热器还可以包括与底部接合的下板。

包层位于底部和下板之间。

一种根据本发明的实施方式的电池组，该电池组包括：电池模块；电池组框架，该电池组框架容置所述电池模块；以及电池组制冷剂供给管，该电池组制冷剂供给管位于所述电池组框架和所述散热器之间并且将所述制冷剂供应到所述供给管。

供给管可以包括用于流入制冷剂的入口和用于排放制冷剂的出口，并且形成在电池组制冷剂供给管中的开口可以连接到入口。

入口和出口中的至少一个可以包括围绕其外周的密封构件，并且围绕入口的密封构件可以位于供给管和电池组制冷剂供给管之间。

散热器可以包括沿平行于底部的方向延伸的下安装部，底部可以包括沿下安装部延伸的上安装部，在下安装部和上安装部中的每一个中可以形成有通孔，并且电池组框架可以包括与通孔相对应的紧固孔。

电池组还可以包括通过通孔联接到紧固孔的安装螺栓。

技术效果

根据本发明的实施方式，可以通过模块框架和散热器的一体化结构提供具有改进的冷却性能的电池模块。

此外，通过去除不必要的冷却结构，可以降低成本并增加空间利用率，从而增加电池模块的容量或输出。

附图说明

图1是传统的电池模块的立体图。

图2是沿图1的线A-A′截取的截面图。

图3是根据本发明的实施方式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是从图3的从下方观察电池模块的俯视图。

图6是示出沿图5的线B-B′截取的截面的一部分的截面图。

图7是示出图4的电池模块中所包括的散热器的立体图。

图8是示出沿图7的线D-D′截取的截面的截面图。

图9是示出沿图5的线C-C′截取的截面的截面图。

图10是示出根据本发明的实施方式的电池模块安装于电池组框架的形状的截面图。

图11是示出本发明的变形实施方式的U型框架和散热器的立体图。

图12是示出应用了图11的U型框架和散热器的电池模块安装在电池组框架的形状的截面图。

具体实施方式

在下文中将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的实施方式。如本领域技术人员将意识到的，可以以各种不同的方式来修改所描述的实施方式，所有这些均不背离本发明的精神或范围。

省略了与本发明无关部分的描述，并且贯穿说明书，相似附图标记指代相似的元件。

此外，由于附图中所示的构成构件的尺寸和厚度是为了更好地理解和易于描述而任意给出的，因此本发明不限于所示的尺寸和厚度。在附图中，为了清楚起见，夸大了层、膜、面板、区域等的厚度。在附图中，为了更好地理解和易于描述，夸大了一些层和区域的厚度。

将理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称为在另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上，或者也可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接”另一元件“上”时，不存在居间元件。另外，术语“在～上”是指位于对象部分上或下，但并不本质上是指基于重力方向位于对象部分的上侧。

另外，除非相反明确地描述，否则术语“包括”以及诸如“所包括”或“包括于”之类的变型将被理解为暗示包括所提及的元件，但不排除任何其他元件。

此外，在本说明书中，短语“在平面图上”是指从上方观察对象部分时，而短语“在截面上”是指从侧面观察到的通过垂直切割对象部分所提取的截面。

图3是根据本发明的实施方式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是从图3的下方观察电池模块的俯视图。图6是示出沿图5的线B-B′截取的截面的一部分的截面图。

参照图3至图6，根据本发明的实施方式的电池模块100包括其中层叠多个电池单元110的电池单元层叠构件200、容置电池单元层叠构件200的模块框架300、以及位于模块框架300的底部321下方的散热器500。模块框架300的底部321构成散热器500的上板，并且散热器500的供给管510和模块框架300的底部321形成制冷剂流路。稍后将参照图7至图9详细描述散热器500的具体结构。

首先，电池单元110优选地是袋型电池单元。可以通过将电极组件容置在包括树脂层和金属层的层压板的袋状壳体中，然后热密封袋状壳体的密封部分，来制造电池单元110。电池单元110可以形成为矩形片状结构。

电池单元110可以被构造为多个，并且多个电池单元110被层叠为彼此电连接，以形成电池单元层叠构件200。具体地，如图4所示，多个电池单元110可以沿平行于x轴的方向层叠。

容纳电池单元层叠构件200的模块框架300可以包括上盖310和U型框架320。

U型框架320可以包括底部321和从底部321的两端向上延伸的两个侧部322。底部321可以覆盖电池单元层叠构件200的下表面(-z轴方向)，并且侧部322可以覆盖电池单元层叠构件200的两侧(x轴方向和-x轴方向)。

上盖310可以形成为围绕除了被U型框架320覆盖的两侧和下表面之外的上表面(z轴方向)的单个板状结构。上盖310和U型框架320可以形成在相应的角部彼此接触的状态下，通过焊接等接合而上下、左右覆盖电池单元层叠构件200的结构。电池单元层叠构件200可以通过上盖310和U型框架320受到物理保护。为此，上盖310和U型框架320可以包括具有预定强度的金属材料。

另一方面，虽然未具体示出，但根据变形例的模块框架300可以是上表面、下表面和两侧一体化的金属板形式的单框架。也就是说，它不是U型框架320和上盖310彼此联接的结构，而是通过挤压成型制造的，并且可以具有其中上表面、下表面和两侧一体化的结构。

端板600可以位于模块框架300的开口的第一侧(y轴方向)和第二侧(-y轴方向)上，以覆盖电池单元层叠构件200。该端板600可以物理地保护电池单元层叠构件200和其他电气装备免受外部冲击。

同时，尽管未具体示出，但是上面安装有汇流条的汇流条框架和用于电绝缘的绝缘盖可以位于电池单元层叠构件200和端板之间。

图7是示出图4的电池模块中所包括的散热器的立体图。图8是示出沿图7的线D-D′截取的截面的截面图。

参照图4至图8，如上所述，模块框架300的底部321构造散热器500的上板，并且散热器500的供给管510和模块框架300的底部321形成制冷剂的流路。

具体地，散热器500可以包括形成制冷剂流路的供给管510和联接到模块框架300的底部321的下板550。散热器500的供给管510可以为U型管，并且底部321可以位于U型管的开口上侧。更具体地，如图7或图8所示，供给管510是在yz平面或xz平面上切割的截面的U型管，并且上部可以开口。由于散热器500的下板550与模块框架300的底部321接合，因此供给管510和底部321之间的空间成为制冷剂流动的区域，即，制冷剂的流路。因此，底部321可以与制冷剂直接接触。

对散热器500的供给管510的制造方法没有特别限制，但是例如，可以沿向下方向压下板550的一部分，以形成上侧开口的U型供给管510。

另一方面，如图6所示，包括导热树脂的导热树脂层400可以位于模块框架300的底部321和电池单元层叠构件200之间。可以通过向底部321涂布导热树脂并固化所涂的导热树脂，来形成导热树脂层400。

导热树脂可以包括导热粘合材料，具体地，可以包括有机硅材料、聚氨酯材料和亚克力(Acrylic)材料中的至少一种。导热树脂在涂布时可以是液体，但可以通过在涂布后固化来固定构成电池单元层叠构件200的至少一个电池单元110。另外，导热特性优异，使得电池单元110中产生的热量可以快速传递到电池模块的下侧。

在图2所示的传统的电池模块10中，电池单元11产生的热量顺序地通过导热树脂层40、模块框架30的底部31、传热构件50和散热器60的制冷剂，以传递到电池模块10的外部。此外，散热器60的制冷剂流路位于散热器60内部。

另一方面，根据本实施方式的电池模块100实现了模块框架300和散热器500的冷却一体化结构，以进一步提高冷却性能。具体地，从电池单元110产生的热量可以通过导热树脂层400、模块框架300的底部321和制冷剂传递到电池模块100的外部。通过去除传统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。具体地，底部321由散热器500的上板构成，并且由于底部321与制冷剂直接接触，因此具有允许通过制冷剂进行更直接的冷却的优点。传统上，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和制冷剂之间，这可以与冷却效率的降低相比。

另外，通过去除不必要的冷却结构，降低了电池模块100的高度，可以降低成本并增加空间利用率。此外，由于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的电池组的容量或输出。

同时，如后所述，底部321可以通过焊接方法接合到散热器500的下板550。本实施方式通过模块框架300的底部321和散热器500的一体化冷却结构，不仅可以如上所述地提高冷却性能，而且还可以支撑容置于模块框架300中的电池单元层叠构件200的负载，并且可以具有增强电池模块100的刚性的效果。

为了有效地冷却，如图5所示，期望的是供给管510形成在模块框架300的底部321的整个区域之上。为此，供给管510可以至少弯曲一次并从一侧通向另一侧。具体地，为了在底部321的整个区域上形成供给管510，期望的是供给管510弯曲若干次。

另一方面，参照图5，根据本实施方式的供给管510可以包括用于流入制冷剂的入口520和用于排放制冷剂的出口530。具体地，当供给管510从一侧连接到另一侧时，入口520可以设置在供给管510的一侧的下端，而出口530可以设置在供给管510的另一侧的下端。制冷剂可以从稍后将描述的电池组制冷剂供给管通过入口520流入底部321和供给管510之间，并且流入的制冷剂可以沿着供给管510移动，然后通过出口530排放到电池组制冷剂的排放管。随着制冷剂从形成在底部321的整个区域之上的供给管510的一侧移动到另一侧，可以实现有效地冷却电池单元层叠构件200的整个区域。

此外，参照图6，入口520和出口530中的至少一个可以包括围绕其外圆周的密封构件521。通过该密封构件521，可以在制冷剂的流入和排放期间防止制冷剂泄漏。根据本实施方式的密封构件521的结构没有限定，但是可以应用所示的密封垫型的构件或阀口的构件，并且可以是O型环的形状。

另一方面，制冷剂是用于冷却的介质，没有特别限制，但可以是冷却水。

在下文中，将参照图9详细描述模块框架300的底部321和散热器500的下板550之间的连接。

图9是示出沿图5的线C-C′截取的截面的截面图。然而，在图9中，为了便于说明，省略了底部321上方的结构。

连同图4、图7和图8一起参照图9，如上所述，底部321可以通过焊接方法接合到散热器500的下板550。具体地，可以使用利用复合金属(clad metal)的钎焊。钎焊是通过在金属材料之间的接合中在金属材料之间提供低熔点金属，而在金属材料不熔融的情况下接合金属材料的方法。通过钎焊，可以在底部321和下板550之间形成包层700。

例如，底部321没有特别限制，但是为了电池模块的强度，可以包括AL60系列材料或SUS材料。散热器500的下板550没有特别限制，但可以包括AL30系列材料或SUS材料，并且可以包括设置在AL30系列材料或SUS材料的层的表面上的AL40系列材料的层。下板550上的AL40系列材料的层用于在钎焊中形成包层。通过对底部321和下板550进行钎焊焊接，在最终组件中，如图9所示，包层700可以位于底部321和下板550之间。为了便于说明，包层700的厚度被夸大了。

作为另一示例，为了电池模块的强度，底部321可以包括AL60系列材料或SUS材料，并且可以包括设置在AL60系列材料或SUS材料的层的表面上的AL30系列材料的层。散热器500的下板550可以包括AL30系列材料或SUS材料，并且可以包含设置在AL30系列材料或SUS材料的层的表面上的AL40系列材料的层。底部321上的AL30基材料的层和下板550上的AL40基材料的层用于在钎焊中形成包层。在底部321上的AL30系列材料的层和下板550上的AL40系列材料的层彼此面对的情况下，可以在底部321和下板550上执行钎焊，以形成包层。也就是说，在该示例中，用于形成包层的层形成在模块框架300的底部321和散热器500的下板550二者上。由此，可以防止钎焊工艺期间产生的微裂纹。

另一方面，虽然没有具体示出，但是根据本发明的另一实施方式，底部321和下板550可以在没有形成以上包层的情况下焊接并接合。

图10是示出根据本发明的实施方式的电池模块安装于电池组框架的形状的截面图。

一起参照图3、图4和图10，根据本发明的实施方式的电池模块100可以容置在电池组框架1100中，以形成电池组。也就是说，根据本实施方式的电池组包括电池模块100，电池模块100包括散热器500、容置电池模块100的电池组框架1100、以及位于电池组框架1100和散热器500之间的用于向散热器500的供给管510供应制冷剂的电池组制冷剂供给管1200。

如上所述，供给管510可以包括用于制冷剂的流入的入口520和用于制冷剂的排放的出口530，开口1210形成在电池组制冷剂供给管1200中，并且开口1210可以与入口520连接。具体地，开口1210设置在与入口520相对应的位置，同时面向供给管510，并且开口1210和入口520可以彼此接触并彼此连接。尽管未具体示出，但是在电池组制冷剂的排放管(未示出)中也可以形成连接到出口530的开口。

因此，已经沿着电池组制冷剂供给管1200移动的制冷剂可以通过入口520流入散热器500的供给管510中。沿着供给管510行进的制冷剂可以穿过出口530返回到电池组制冷剂出口管(未示出)。

此外，如上所述，入口520和出口530中的至少一个可以包括围绕其外周的密封构件521。围绕入口520的密封构件521可以位于供给管510和电池组制冷剂供给管1200之间，并且围绕出口530的密封构件可以位于供给管510和电池组制冷剂的排放管(未示出)之间。通过该密封构件521，可以在制冷剂的流入和排放期间防止制冷剂泄漏。

图11是示出根据本发明的变型实施方式的U型框架和散热器的立体图。图12是示出应用了图11的U型框架和散热器的电池模块安装至电池组框架的形状的截面图。

参照图11和图12，根据本发明的修改的实施方式的散热器500a可以包括沿着与模块框架的底部321平行的方向(y轴方向)延伸的下安装部540，也就是说，U型框架320和通孔541可以形成在下安装部540中。下安装部540的通孔541可以在垂直于底部321的方向(z轴方向)上贯穿并形成。

同时，底部321可以包括沿着下安装部540延伸的上安装部340，并且通孔341可以形成在上安装部340中。上安装部340的通孔341可以在与底部321垂直的方向(z轴方向)上贯穿并形成。

下安装部540和上安装部340可以被构造为交叠，使得下安装部540的通孔541和上安装部340的通孔341可以被定位为彼此对应。

电池组框架1100可以包括对应于通孔341和541的紧固孔1110，并且安装螺栓1120可以通过通孔341和541联接到紧固孔1110。此时，电池组制冷剂供给管1200可以设计为避开电池组框架1100上的安装螺栓1120并且在其上穿过。

模块框架300和散热器500a可以通过下安装部540、上安装部340和安装螺栓1120固定到电池组框架1100。另外，通过安装螺栓1120的紧固力，底部321、散热器500a和电池组制冷剂供给管1200彼此牢固地粘附，因此可以降低制冷剂在它们之间泄漏的可能性。

同时，可以在供给管510中形成单元隔板511。单元隔板511可以向上突出以形成沿着供给管510伸展的结构。供给管510的宽度被加宽并且单元隔板511形成在其中心，从而减小了制冷剂的流路宽度，从而使制冷剂的压力劣化最小化，同时减小了制冷剂的温度偏差。

在本实施方式中，使用了诸如前、后、左、右、上、下之类的指示方向的术语，但这些术语仅是为了便于说明，并且可以根据作为目标的对象的位置或观察者的位置而改变。

根据以上描述的本实施方式的一个或更多个电池模块可以与诸如电池管理系统(BMS)和冷却系统之类的各种控制和保护系统一起安装，以形成电池组。

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，还可以应用于可以使用可充电电池的各种装置。

虽然已经结合目前认为是实际实施方式的内容描述了本发明，但是要理解，本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

附图标记列表

100：电池模块

110：电池单元

200：电池单元层叠构件

300：模块框架

310：上盖

320：U型框架

321：底部

400：导热树脂层

500、500a：散热器

510：供给管

600：端板

1100：电池组框架

1200：电池组制冷剂供给管