JP2012523085A - 向上させた安全性を有するバッテリーモジュール - Google Patents

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Abstract

本発明は、複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）が積み重ねられ、ユニットセルから発生する熱を吸収するためのヒートシンクがユニットセルの電気接続部に、かつ／または、その電気接続部に接続されたバッテリーモジュール接続部材の外側に取り付けられているバッテリーモジュールを提供する。

Description

本出願は、その開示が参照によって本明細書に組み込まれている、２００９年４月１日に韓国特許庁に出願された韓国特許出願第２００９−００２７９３４号の優先権および利益を主張するものである。
本発明は、安全性を向上させたバッテリーモジュールに関し、より詳細には、複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）が積み重ねられており、ユニットセル間の電気接続部に、かつ／または、その電気接続部に接続されたバッテリーモジュール接続部材の外側にヒートシンクが取り付けられた構造で構成されるバッテリーモジュールに関する。
近年、充放電可能な二次バッテリーが、無線モバイルデバイス用のエネルギー源として広く使われている。また、二次バッテリーは、化石燃料を使用する既存のガソリン車またはディーゼル車によって引き起こされる大気汚染などの問題を解決するために開発された電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、およびプラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ ＨＥＶ）用の電源として、多くの注目を集めている。
小型のモバイルデバイスでは、それぞれのデバイス用に１個または数個のバッテリーセルが用いられる。一方、自動車などの中型または大型のデバイスでは、中型または大型のデバイス用に高電力および大容量が必要であるため、互いに電気的に接続された複数のバッテリーセルを有する中型または大型のバッテリーモジュールが用いられる。
好ましくは、中型または大型のバッテリーモジュールは、できるだけ小型軽量になるように製造される。このため、高集積化して積み重ねることができ、容量比に対して重量の少ない角型バッテリー（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ）またはパウチ型バッテリーが、中型または大型のバッテリーモジュールのバッテリーセル（ユニットバッテリー）として一般に用いられている。特に、現在では、被覆部材としてアルミニウム積層シートを用いるパウチ型バッテリーに多くの関心が集まっているが、これはパウチ型バッテリーの重量が少なく、パウチ型バッテリーの製造コストが低く、またパウチ型バッテリーの形状の変更が容易であるためである。
このような中型または大型のバッテリーモジュールを構成するバッテリーセルは、充放電可能な二次バッテリーである。そのため、二次バッテリーの充放電の間に、高電力、大容量の二次バッテリーから大量の熱が発生する。特に、バッテリーモジュールにおいて広く用いられている各パウチ型バッテリーの積層シートは、バッテリーモジュールの表面を覆う熱伝導性の低いポリマー材料を有するため、バッテリーセルの全体的な温度を効果的に下げることは困難である。
バッテリーモジュールの充放電中にバッテリーモジュールから発生する熱が効果的に取り除かれないと、バッテリーモジュールに熱が蓄積し、その結果、バッテリーモジュールの劣化が加速する。場合によっては、バッテリーモジュールが発火または爆発する恐れがある。このため、高電力、大容量バッテリーである自動車用バッテリーパックでは、バッテリーパックに取り付けられたバッテリーセルを冷却するための冷却システムが必要とされる。
一般に、中型または大型のバッテリーパックに取り付けられる各バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを高集積化して積み重ねることによって製造される。この場合、バッテリーセルは、バッテリーセルの充放電の間に発生する熱が取り除かれるように、バッテリーセルが所定間隔で配置された状態で積み重ねられる。例えば、バッテリーセルは、追加部材を用いずに、バッテリーセルが所定間隔で配置された状態で順次積み重ねることができる。あるいは、バッテリーセルの機械的強度が低い場合には、１つまたは複数のバッテリーセルがカートリッジに取り付けられ、複数のカートリッジが積み重ねられてバッテリーモジュールを構成する。積み重ねられたバッテリーセルの間、または積み重ねられたバッテリーモジュールの間に蓄積する熱を効果的に取り除くために、積み重ねられたバッテリーセルの間、または積み重ねられたバッテリーモジュールの間に冷却剤チャネルを画定することができる。
しかし、この構造では、バッテリーセルの数に対応する複数の冷却剤チャネルを設ける必要があり、そのため、バッテリーモジュールの全体的なサイズが大きくなる。
また、バッテリーモジュールのサイズを考慮して複数のバッテリーセルが積み重ねられる場合には、比較的短い間隔の冷却剤チャネルが設けられる。そのため、冷却構造の設計は複雑になる。すなわち、冷却剤チャネルは、冷却剤吸入口に比べて比較的短い間隔を有し、それによって高圧損失が引き起こされる。そのため、冷却剤吸入口および冷却剤排出口の形状および配置の設計は、非常に困難となる。また、このような圧力損失を防ぐためのファンをさらに設けることができる。しかし、この場合には、消費電力、ファンノイズ、スペースなどによって設計が制約されることがある。
一方、最近注目の的になっているプラグインハイブリッド電気自動車または電気自動車の場合、バッテリーパックには、内燃機関が発生する加速性能に相当する電力が必要とされる。そのため、数分の間、バッテリーパックに非常に大きい電流が流れることがある。この場合には、バッテリーセル間の電気相互接続部から高温の熱が発生し、このような熱は、熱伝導を通じてバッテリーセルに影響を及ぼす。このため、このような熱が制御される構造のバッテリーモジュールを構成する必要がある。
また、高温の熱が高電流によって電気相互接続部から発生する場合、電気相互接続部を管理する必要がある。しかし、電気相互接続部の温度を制御するための、バッテリーセルを冷却する方法の使用、またはアクティブな冷却デバイスの提供は、スペースまたはコストの点で効果的ではない。
加えて、ハイブリッド電気自動車の電源として使用される従来の中型または大型のバッテリーモジュールでは、高電流は一時的に使われる。しかし、内燃機関が主動力源であり、バッテリーモジュールは補助動力源であるため、高電流の使用時間は非常に短く、そのため、バッテリーセルに影響を及ぼすのに十分な熱は発生しない。このため、電気相互接続部を冷却するための追加の構造または方法は考慮されない。
したがって、高電力および大容量を提供し、セル間の電気相互接続部から発生する熱を効果的に低減することができるバッテリーモジュールの必要性が高く、それによって優れた耐用年数および安全性を実現することができる。
したがって、本発明は、上記の問題、および未だ解決されていない他の技術的問題を解決するようになされている。
具体的には、本発明の目的は、ユニットセル間の電気相互接続部および／またはバッテリーモジュール接続部材から発生する高温の熱を効果的に吸収して、それらの部材の温度を所定レベル以下に維持することができ、それによって優れた耐用年数および安全性を示すことができるバッテリーモジュールを提供することである。
本発明の一態様によれば、上記および他の目的は、複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）が積み重ねられており、ユニットセル間の電気接続部に、かつ／または、その電気接続部に接続されたバッテリーモジュール接続部材の外側にヒートシンクが取り付けられた構造で構成されたバッテリーモジュールを提供することによって達成することができる。
バッテリーセルの種類、すなわち各ユニットモジュールを構成するバッテリーセルの種類は、バッテリーセルが動作中に熱を発生する限り、特に限定されない。例えば、バッテリーセルは二次バッテリーでもよい。当然ながら、一方では燃料電池を含むこともできる。
したがって、本発明によるバッテリーモジュールでは、例えば、ユニットセルの充放電の間、特にユニットセルの高電流放電の間に、ユニットセル間の電気接続部、またはバッテリーモジュール接続部材から発生する高温の熱は、ユニットセル間の電気接続部、またはバッテリーモジュール接続部材における温度の急激な増加を抑制するヒートシンクによって吸収され、それによって、ユニットセル間の電気接続部、またはバッテリーモジュール接続部材の、高温の熱による物理的変形および／または化学的変形に起因するバッテリーモジュールの抵抗変化が効果的に防止される。
上記で説明した、ヒートシンクによって吸収された熱は、非動作状態時または低電流放電状態時などの、例えばバッテリーモジュールの全体的な温度が低下する場合に放出される。したがって、本発明によるバッテリーモジュールは、温度自動制御機能を有する。さらに、ヒートシンクは、バッテリーモジュールの構造、またはバッテリーモジュールの対応する接続部材を大きく変形させることなく、所望の効果をもたらすことができる。
バッテリーモジュールでは、ユニットセルを必要とするバッテリーモジュールの仕様に従って、ユニットセル間の電気接続部、またはバッテリーモジュール接続部材に、１つまたは２つのヒートシンクを取り付けることができる。
ヒートシンクが取り付けられるバッテリーモジュールの対応する部分は、ユニットセル間の電気接続部などの比較的大量の熱が発生する部分と直接接触するか、またはその部分に隣接して配置されるバッテリーモジュール接続部材の外側である。例えば、バッテリーモジュール接続部材は、ユニットセルの電極端子を外部入出力端子に接続するためのバスバー（ｂｕｓ ｂａｒ）でもよい。
ヒートシンクの構造は、ヒートシンクがユニットセル間の電気接続部に加えられる熱を効果的に吸収することができる限り、特に限定されない。好ましい例では、ヒートシンクは、ユニットセル間の電気接続部の外側と緊密に接触するように構成された複数のバー型接触部と、その接触部の対応する端部を一体的に接続するように構成された接続部とを含むことができ、また接触部の間に画定されたスリットにユニットセル間の電気接続部が挿入されるようにバッテリーモジュールに取り付けることができる。
したがって、上記構造で構成されたヒートシンクでは、スリットが接触部の間に画定されており、ユニットセルの電極端子がそのスリットに挿入されるため、ユニットセルの電極端子を固定することができ、それによって容易な組立てを達成しつつ所望の熱放射効果を達成することができる。
好ましい別の例では、ヒートシンクは、バッテリーモジュール接続部材の外面に対応する形状に形成することができ、また電気接続部に接続される部分を除いて、バッテリーモジュール接続部材の内側または外側に取り付けることができる。
上記で説明したように、ヒートシンクは、バッテリーモジュール接続部材の外面に対応する形状に形成されるため、バッテリーモジュール接続部材に加えられる熱を均一に吸収することができる。
場合によっては、ヒートシンクは、高温の熱が発生するバッテリーモジュールの部分に選択的に取り付けることができる。例えば、ヒートシンクは、電圧および／または電流を検出する検知部材の頂部に配置することができる。
一方、ヒートシンクの構造は、ヒートシンクが容易に熱を放散することができる限り、特に限定されない。例えば、ヒートシンクは、吸熱材料が封止部材に含まれる構造で構成することができる。
場合によっては、吸熱材料が不活性材料カプセルによって支えられ、またシート部材が、高い熱伝導性を有する繊維形部材を含み得る状態で、吸熱材料がシート部材に含まれる構造でヒートシンクを構成することができる。すなわち、カプセル化吸熱材料は、大きい特定の表面積によって、熱に対して高い反応を示す。また、シート部材は、金属糸またはグラファイト糸などの高い熱伝導性を有する繊維形部材を含む。そのため、シート部材の熱伝導性をさらに高めることができる。繊維形部材は、様々な形態でシート部材に含むことができる。例えば、繊維形部材は、網形状でシート部材に含むことができる。
吸熱材料の種類は、吸熱材料がバッテリーセルの充放電の間に発生する熱を吸収することができる限り、特に限定されない。好ましくは、吸熱材料は、吸熱材料の相が特定温度で変化するときの潜熱を有する相変化材料である。
相変化材料の相変化は、好ましくは固体相から液体相、または固体相から気体相への、特定温度で起こる。このような相変化を実現するために、相変化材料は、バッテリーモジュール接続部材の単位温度あたりの熱容量より大きい潜熱を少なくとも有する。相変化材料は、単一化合物、混合物、または合成物でもよい。相変化材料の相変化は、特定温度における物理反応を通じて起こり得る。さらに、相変化材料の相変化は、特定温度における可逆物理反応または可逆化学反応を通じて起こり得る。
相変化材料の代表例としては、パラフィン、ポリエチレングリコール、および無機水和物（例えば、Ｎａ２ＨＰＯ４、１２Ｈ２Ｏ、Ｎａ２ＳＯ４、１０Ｈ２Ｏ、Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏなど）が挙げられるが、相変化材料はそれらに限定されない。これらのうち、パラフィンは、比較的大きい潜熱を有し、安価であり、またパラフィンの分子量に応じて相変化温度を容易に調節することができるため、好ましく用いられる。
また、相変化材料の熱伝導性を向上させるために、高い熱伝導性を示す材料を含むことができる。熱伝導性を向上させる材料の例としては、金属粉およびグラファイト粉が挙げられるが、熱伝導性を向上させる材料はそれらに限定されない。
上記の「特定温度」は、バッテリーパックの性能もしくは耐用年数が下がる温度、またはバッテリーパックの安全性が脅かされる温度を意味する。この特定温度は、バッテリーモジュールの構造または種類に応じて決定することができる。特に、この特定温度は、バッテリーモジュール接続部材の物理的変形および／もしくは化学的変形が直接引き起こされ得る温度でもよく、また連続的な熱の蓄積によって材料の老朽化が引き起こされ得る温度でもよい。この特定温度は、好ましくは５０〜１５０℃、より好ましくは６０〜１２０℃の温度範囲で決定することができる。
この場合、上記の温度範囲で臨界温度が設定される相変化材料は、特定温度以上へのバッテリーモジュールの急激な温度上昇を防止する吸熱材料として、好ましく用いられる。
本発明の別の態様によれば、複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を含むバッテリーモジュールが、ユニットバッテリーとして提供される。
上記で定義したように、ユニットセルスタックを構成するバッテリーセルまたはユニットモジュールは、本明細書ではユニットセルと呼ばれる。
好ましい例では、バッテリーモジュールは、（ａ）ユニットセルが横方向に立っている状態で、互いに直列に接続された複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を含むユニットセルスタックであって、ユニットセルスタックと、（ｂ）ユニットモジュールスタックの一方の面、ならびにユニットモジュールスタックの上部端の一部および下部端の一部を囲うように構成されており、外部入出力端子を正面に設けられている上部ケースと、（ｃ）上部ケースに結合しており、ユニットモジュールスタックの他方の面、ならびにユニットモジュールスタックの上部端の一部および下部端の一部を囲うように構成された下部ケースであって、上部ケースが、ユニットセルの電極端子を外部入出力端子に接続するためのバスバーを正面に設けられている、下部ケースと、（ｄ）下部ケースの正面および背面に画定されたスペースに取り付けられる検知フレーム、それぞれの検知フレームに配置される検知部、ならびに検知部を互いに接続する伝導部を含む検知部材と、（ｅ）絶縁用材料で作られており、ユニットセルの電極端子間の接続部、およびバスバーを外部から保護するために下部ケースの正面に取り付けられる正面カバーとを含むことができる。
上記構造のバッテリーモジュールでは、バッテリーセルスタックは、上部ケースと下部ケースの間の結合によって固定され、また検知部材は、下部ケースに取り付けられる。したがって、全体的な組立てプロセスは簡単であり、バッテリーモジュールは、小型で安定した構造で構成される。
上記で説明したように、ユニットセルスタックは、バッテリーセルまたはユニットモジュールが横方向に立っている状態でケースに取り付けられている。本明細書では、バッテリーセルまたはユニットモジュールの、電極端子が突き出ている部分が、前方方向および後方方向に配置されており、バッテリーセルまたはユニットモジュールの対向する面が横方向に配置されている。したがって、ユニットセルスタックは、バッテリーセルまたはユニットモジュールの電極端子がバッテリーモジュールの前方方向および後方方向に向き、バッテリーセルまたはユニットモジュールのそれぞれの一方の面が底部に向くように立っている。
好ましくは、ユニットセルスタックは複数のユニットモジュールを含み、該各ユニットモジュールは複数のプレート形バッテリーセルを有し、該各プレート形バッテリーセルは、上部端および下部端に形成された電極端子を有するそれぞれが含む、各ユニットモジュールは、バッテリーセルの電極端子が互いに直列に接続され、電極端子間の接続部が曲げられている構造で構成された２つ以上のバッテリーセルを含み、バッテリーセルは積み重ねられており、また、一対の高強度セルカバーは、バッテリーセルの電極端子を除いて、バッテリーセルの外側を囲うために互いに結合している。
それぞれのプレート形バッテリーセルは、わずかな厚さと、バッテリーモジュールを構成するプレート形バッテリーセルが積み重ねられたときの全体のサイズを最小にするのに十分な比較的大きい幅と長さとを有する二次バッテリーでもよい。好ましい例では、それぞれのプレート形バッテリーセルは、樹脂層および金属層を含む積層シートから形成されたバッテリーケースに電極アセンブリが取り付けられ、そのバッテリーケースの上部端および下部端から電極端子が外側に突き出ている構造で構成された二次バッテリーでもよい。具体的には、それぞれのプレート形バッテリーセルは、アルミニウム積層シートから形成されたパウチ形バッテリーケースに電極アセンブリが取り付けられた構造で構成することができる。このような構造を有する二次バッテリーは、パウチ型バッテリーセルと呼ぶことができる。
パウチ型バッテリーセルのケースは、様々な構造で構成することができる。例えば、そのケースは、２つの部材を含むことができる。電極アセンブリは、ケースの上部部分および／または下部部分の内側に形成された受け部分に取り付けることができ、上部接触部分および下部接触部分は、気密封止するように互いに結合され得る。
電極アセンブリは、カソードおよびアノードを含み、バッテリーセルは、これらのカソードおよびアノードを通じて充放電することができる。例えば、電極アセンブリは、セパレータがジェリーロール型構造（ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ ｔｙｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、スタック型構造、またはスタック／折りたたみ型構造（ｓｔａｃｋ／ｆｏｌｄｉｎｇ ｔｙｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）でカソードとアノードの間に配置されつつ、カソードとアノードが積み重ねられるように構成することができる。電極アセンブリのカソードとアノードは、カソードとアノードの電極タブがバッテリーから外側に直接突き出ている構造、またはカソードとアノードの電極タブが追加のリード線に接続された状態でバッテリーから外側に突き出ている構造で構成することができる。
バッテリーセルは、合成樹脂または金属材料から作られた高強度セルカバーによって１つまたは複数のバッテリーセルが囲われている構造で構成されたユニットモジュールを構成する。高強度セルカバーは、機械的強度の低いバッテリーセルを保護し、バッテリーセルの充放電の間のバッテリーセルの膨張と収縮の繰返しによるバッテリーセルの変形を抑制して、それぞれのバッテリーセルの封止部分が互いから分離することを防ぐ。したがって、より優れた安全性を有するバッテリーセルを製造することが可能である。
ユニットモジュールにおける１つまたは複数のバッテリーセル、および隣接する別のユニットモジュールにおける別のバッテリーセルは、互いに直列および／または並列に接続される。例えば、複数のユニットモジュールを製造するために、電極端子が互いに隣接して連続的に配置され、２つ以上のバッテリーセルが積み重ねられた構造で折り畳まれ、また折り畳まれたバッテリーセルがセルカバーによって囲われるように、電極端子がバッテリーセルの長手方向に直列に配置された状態で、バッテリーセルの電極端子を互いに結合することができる。
バッテリーセルの電極端子は、溶接、半田付け、および機械的結合などの様々な方法によって互いに結合することができる。好ましくは、バッテリーセルの電極端子は、溶接によって互いに結合する。
ユニットセルの電極端子が互いに接続され、ユニットセルが高集積化して積み重ねられたユニットセルスタックは、組立て構造において互いに結合する上部ケースと下部ケースに垂直に取り付けられる。
上部ケースおよび下部ケースは、上部ケースおよび下部ケースがユニットセルスタックの外側の縁だけを囲う構造で構成されており、そのため、好ましくは上部ケースおよび下部ケースが互いに結合している状態でユニットセルスタックからの熱の容易な放散を達成できるように、ユニットセルスタックの外面の大部分は外部に露出している。したがって、先に説明したように、上部ケースは、ユニットセルスタックの一方の面、ならびにユニットセルスタックの上部端の一部および下部端の一部を囲うように構成されており、下部ケースは、ユニットセルスタックの他方の面、ならびにユニットセルスタックの上部端の一部および下部端の一部を囲うように構成されている。
好ましくは、下部ケースは、その下部ケースの正面および背面の内側に固定溝を設けられており、その固定溝に、ユニットセルの電極端子間の曲げられている直列の接続部が、固定して挿入される。したがって、前方方向および後方方向におけるユニットセルスタックの動きを防ぎ、また電極端子の隣接する接続部の間の安定な絶縁状態を維持することができる。
好ましくは、下部ケースは、その下部ケースの正面に一対のスリットを設けられており、ユニットセルスタックの最も外側の電極端子が、その一対のスリットに貫通して挿入される。ユニットセルスタックが下部ケースに取り付けられる場合、最も外側の電極端子は、スリットを貫通して外部に露出し、次に、その最も外側の電極端子の露出部分は、下部ケースの正面と緊密に接触する。したがって、最も外側の電極端子は、下部ケースの正面に設けられるバスバーに、より容易に接続することができる。
一方、バスバーの上部端は窪んだ溝の形状に形成され、上部ケースと下部ケースが互いに結合しているときに、上部ケースの正面に設けられた外部入出力端子がその窪んだ溝に挿入されるように構成されることが好ましい。したがって、外部入出力端子とバスバーの間の容易な結合を達成することができる。
好ましくは、正面カバーは、組立てによって下部ケースに結合する。また、正面カバーには、電力ケーブルを固定するための穴をさらに設けることができる。電力ケーブルの対応する部分に結合した絶縁用結合部材を、電力ケーブルを固定するための穴に挿入することができる。
上部ケースおよび下部ケースは、ユニットセルスタックが一方のケース（例えば、下部ケース）に取り付けられ、次に、そのケースが組立てによって他方のケース（例えば、上部ケース）に結合するように、互いに結合する。これらのケースは、様々な方法で互いに結合することができる。例えば、これらのケースは、ケースの対向する面に形成されたねじ溝にねじが通って係合される構成、またはケースの一方にフックが形成され、そのフックに対応する結合孔が、追加部材を用いずにケースが互いに結合できるように、他方のケースに形成される構成において、互いに結合することができる。
下部ケースには、下部ケースの正面および／または背面の下部端に下部ケースから突き出る結合部を設けることができ、それによって、結合部の中央に形成された貫通孔を有する結合部が外部デバイスに固定される。
場合によっては、バッテリーモジュールの動作を監視および管理するための検知部材に接続されたバッテリーマネジメントシステム（ＢＭＳ）が、下部ケースの背面に取り付けられてもよい。
本発明の別の態様によれば、優れた熱放射特性を示す中型または大型のバッテリーモジュールが提供される。
具体的には、中型または大型のバッテリーモジュールは、バッテリーセルが順次積み重ねられた状態でモジュールケースに取り付けられた複数のプレート形バッテリーセルであって、樹脂層および金属層を含む積層シートから形成されたバッテリーケースに取り付けられたカソード／セパレータ／カソード構造の電極アセンブリをプレート形バッテリーセルのそれぞれが含む、複数のプレート形バッテリーセルと、バッテリーセル間の２つ以上の境界面に配置された複数の熱放射部材とを含み、また、熱放射部材を一体的に相互接続する熱交換部材がバッテリーセルスタックの一方の面に取り付けられており、それによって、バッテリーセルの充放電の間にバッテリーセルから発生する熱が熱交換部材によって取り除かれる。
一般に、バッテリーモジュールは、バッテリーセルのオーバーヒートを防ぐための（空冷型の）冷却剤チャネルを空気が流れるように冷却剤チャネルを形成するために、バッテリーセルが所定間隔で配置されながら積み重ねられる構造で構成される。しかし、この種類のバッテリーモジュールは、十分な熱放射効果を実現しない。
一方、本発明による上記構造を有するバッテリーモジュールでは、複数の熱放射部材がバッテリーセル間の２つ以上の境界面に配置され、また、熱放射部材を一体的に相互接続する熱交換部材が、バッテリーセルスタックの一方の面に取り付けられる。したがって、それぞれのバッテリーセル間にスペースを設けずに、または、それぞれのバッテリーセル間にわずかなスペースが設けられるものの、従来の冷却システムより高い冷却効率でバッテリーセルスタックを冷却することができ、それによって、バッテリーモジュールの熱放射効率を最大にすることができ、またバッテリーセルを高集積化して積み重ねることができる。
その結果として、上記構造を有するバッテリーモジュールは、上記で説明した特定構造を有する熱放射部材および熱交換部材に基づく熱伝導を通じて、バッテリーセルから発生した熱を外部に効果的に放出することができる。
一方、熱放射部材の材料は、それぞれの熱放射部材が高い熱伝導性を示す限り、特に限定されない。例えば、それぞれの熱放射部材は、高い熱伝導性を示す金属シートから作ることができる。熱放射部材は、バッテリーセル間の全ての境界面、またはバッテリーセル間の一部の境界面に配置することができる。熱放射部材がバッテリーセル間の全ての境界面に配置される場合には、それぞれのバッテリーセルは、そのバッテリーセルの両側において異なる熱放射部材と接触した状態となる。一方、熱放射部材がバッテリーセル間の一部の境界面に配置される場合には、一部のバッテリーセルが、それらのバッテリーセルの一方の面のみにおいて熱放射部材と接触した状態となり得る。
また、熱交換部材の材料は、熱交換部材が高い熱伝導性を有する限り、特に限定されない。好ましくは、熱交換部材は、他の材料より高い熱伝導性と機械的強度を示す金属材料から作られる。熱放射部材が熱交換部材に接続されているため、効率的に熱伝達を達成することができる。
好ましくは、熱放射部材は、積み重ねられたバッテリーセルから外側に少なくとも部分的に露出し、その熱放射部材の露出部分がバッテリーセルの横方向に曲げられた状態でバッテリーセルの境界面に配置される。すなわち、バッテリーセルの境界面に配置された熱放射部材は、バッテリーセルから発生した熱を受け取り、受け取った熱を曲げ部分を通じて熱交換部材に容易に伝え、それによってバッテリーセルからの熱の放散を効果的に達成する。
熱交換部材は、溶接および機械的結合などの様々な方法で熱放射部材の曲げ部分に取り付けることができる。それによって、バッテリーセルから発生した熱は、バッテリーセル間に配置された熱放射部材に伝えられ、次に、バッテリーセルスタックの一方の面に取り付けられた熱交換部材を介して効果的に放出される。
一方、中型または大型のバッテリーパックでは、高電力および大容量を提供するために複数のバッテリーセルが用いられる。このようなバッテリーパックを構成するバッテリーモジュールでは、バッテリーパックの安全性を確保するために、より高い熱放射効率が必要とされる。
したがって、本発明のさらなる態様によれば、単体としてのバッテリーモジュールを用い、所望の電力および容量に基づいてバッテリーモジュールを組み合わせることによって製造されるバッテリーパックが提供される。
本発明によるバッテリーパックは、高電力および大容量を提供するために複数のバッテリーセルを含む。そのため、本発明によるバッテリーパックは、バッテリーセルの充放電の間に発生する高温の熱が重大な安全性の問題である、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車用の電源として好ましく用いられる。
特に、バッテリーパックからの高電力を長い時間必要とする電気自動車およびプラグインハイブリッド電気自動車では、高い熱放射特性が必要とされる。したがって、本発明によるバッテリーパックは、電気自動車またはプラグインハイブリッド電気自動車用の電源として、より好ましく用いられる。
上記の説明から明らかであるように、本発明によるバッテリーモジュールは、ユニットセル間の電気接続部に、かつ／または、その電気接続部に接続されたバッテリーモジュール接続部材の外側にヒートシンクが取り付けられた構造において構成されている。そのため、ヒートシンクが、電気接続部および／またはバッテリーモジュール接続部材から発生する高温の熱を吸収して、バッテリーモジュールの温度を所定レベル以下に維持することができ、それによってバッテリーモジュールの爆発が防止される。
また、高温の熱の発生、または熱の蓄積による、ユニットセル間の電気接続部またはバッテリーモジュール接続部材の物理的変形および化学的変形を効果的に防ぎ、最終的にはバッテリーモジュールの全体的な抵抗変化を抑制することができ、それによって、バッテリーモジュールの最適な動作が維持される。
特に、ヒートシンクは、バッテリーモジュールの構造を大きく変えずに、バッテリーモジュールの対応する部分に容易に付けることができる。それにより、ヒートシンクは、高い熱伝導性を示し、そのため、バッテリーモジュールの対応する部分における温度変化に対して優れた反応を示す。
本発明の上記および他の目的、特徴、ならびに他の利点は、添付図面に関連して行う以下の詳細な説明から、より明確に理解されるであろう。
本発明の実施形態によるバッテリーモジュールを示す斜視図である。 図１のヒートシンクを示す典型図である。 上部ケースおよび下部ケースが図１のバッテリーモジュールに取り付けられている構造を示す斜視図である。 ヒートシンクを除く、図３のバッテリーモジュールを示す分解図である。 本発明の別の実施形態によるユニットモジュールスタックを示す斜視図である。 本発明の別の実施形態による中型または大型のバッテリーモジュールの部分構造を示す斜視図である。 図６の熱放射部材を示す典型図である。 図６の中型または大型バッテリーモジュールの一方の面に熱交換部材が取り付けられている構造を示す典型図である。 図８の熱交換部材を示す典型図である。 ヒートシンクがバッテリーモジュールに付けられる前と後のバッテリーモジュールの変化を示すグラフである。
次に、添付図面を参照して本発明の例示的実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示された実施形態によって限定されないことに留意されたい。
図１は、本発明の実施形態によるバッテリーモジュールを示す斜視図であり、図２は、図１のヒートシンクを示す典型図である。
これらの図を参照すると、バッテリーモジュール１００は、充放電が可能な、横方向に積み重ねられている４つのユニットモジュール１２２を含むユニットモジュールスタック１２０と、ユニットモジュール１２２の充放電の間にユニットモジュール１２２から発生する熱を吸収するための、ユニットモジュール１２２の間の電気接続部１３０に接続されるヒートシンク１１０とを含んでいる。
ヒートシンク１１０は、ユニットモジュール１２２の間の電気接続部１３０の外側と緊密に接触するように構成された３つのバー型接触部１１２と、該バー型接触部１１２の対応する端部を一体的に接続するように構成された接続部１１４とを含む。この構造では、ユニットモジュール１２２の電極端子が互いに電気的に接続されている電気接続部１３０が、ヒートシンク１１０の接触部１１２の間に画定されたスリット１１６に挿入されるように、ヒートシンク１１０が、バッテリーモジュール１００に取り付けられる。
さらに、ヒートシンク１１０は、ユニットモジュール１２２の間の電気接続部１３０に加えられた熱をより効果的に吸収するために、３つのバー型接触部１１２および接続部１１４によって構成される封止部材内に、パラフィンなどの高吸熱性材料を含む。
図３は、図１のバッテリーモジュールに上部ケースおよび下部ケースが取り付けられている構造を典型的に示す斜視図である。
図１と共に図３を参照すると、バッテリーモジュール２００は、ユニットモジュールスタック１２０、ユニットモジュールスタック１２０を部分的に囲うための上部ケース２１０および下部ケース２２０、検知部材（図示せず）、ならびに正面カバー２３０を含んでいる。それぞれの構成要素を、図４を参照して詳細に説明する。
ヒートシンク２４０は、バスバー２５０の外面に対応する形状に形成されている。ヒートシンク２４０は、ユニットモジュール間の電気接続部に接続される部分を除いて、バスバー２５０の内側に取り付けられる。場合によっては、ヒートシンク２４０は、バスバー２５０の外側に取り付けることもできる。
正面カバー２３０のところに、電力ケーブルを固定するための穴２３２が形成されている。電力ケーブルの対応する部分に結合した絶縁用結合部材（図示せず）が、電力ケーブルを固定するための穴２３２に挿入される。
図４は、ヒートシンクを除く、図３のバッテリーモジュールを典型的に示す分解図である。
図４を参照すると、バッテリーモジュール２００ａは、先に説明したように、ユニットモジュールスタック１２０、ユニットモジュールスタック１２０を部分的に囲うための上部ケース２１０および下部ケース２２０、検知部材２６０、ならびに正面カバー２３０を含んでいる。
下部ケース２２０は、ユニットモジュールスタック１２０の他方の面、ならびにユニットモジュールスタック１２０の上部端の一部および下部端の一部を囲うために、上部ケース２１０に結合する。下部ケースの正面には、ユニットモジュールスタック１２０の電極端子を上部ケース２１０の正面に設けられた外部入出力端子２７０に接続するための一対のバスバー２５０が設けられる。すなわち、上部ケース２１０と下部ケース２２０がユニットモジュールスタック１２０の外側の縁だけを囲い、それによって、上部ケース２１０と下部ケース２２０が互いに結合している状態でユニットモジュールスタック１２０からの熱の容易な放散を達成できるようにユニットモジュールスタック１２０の外面の大部分が外部に露出した構造で、上部ケース２１０と下部ケース２２０が構成されている。
バスバー２５０の上部端は、窪んだ溝の形状に形成されており、上部ケース２１０と下部ケース２２０が互いに結合しているときに、その窪んだ溝に、上部ケース２１０の正面に設けられた外部入出力端子２７０が挿入される。
上部ケース２１０および下部ケース２２０の内側には複数の取付け溝２２２が形成されており、この取付け溝２２２の中に、バッテリーセルまたはユニットモジュールの外側の縁が挿入される。
また、ユニットモジュールスタック１２０が取り付けられている状態で効果的な冷却を達成するために、冷却剤（主に空気）が流れる複数の貫通孔２１２が、上部ケース２１０および下部ケース２２０に形成されている。
ユニットモジュールスタック１２０の電極端子間の接続部１３０、およびバスバー２５０を外部から保護するために、絶縁用材料で作られている正面カバー２３０が、下部ケース２２０の正面に取り付けられる。
下部ケース２２０の正面の左側と右側には一対のスリットが形成されており、これらのスリットを貫通して、ユニットモジュールスタック１２０の最も外側の電極端子が挿入される。ユニットモジュールスタック１２０が下部ケース２２０に取り付けられている場合、ユニットモジュールスタック１２０の最も外側の電極端子は、スリットを貫通して露出しており、次に、ユニットモジュールスタック１２０の最も外側の電極端子は、ユニットモジュールスタック１２０の最も外側の電極端子が下部ケース２２０の正面と接触するように曲げられる。それによって、ユニットモジュールスタック１２０の最も外側の電極端子は、下部ケース２２０の正面に設けられるバスバー２５０と、より簡単に接触する。
検知部材２６０は、下部ケース２２０の正面および背面に画定されたスペースに取り付けられる検知フレーム２６６、それぞれの検知フレーム２６６に配置される検知部２６２、ならびに検知部２６２を互いに接続するワイヤ型伝導部２６４を含む。場合によっては、バッテリーモジュールの動作を監視および管理するための、図示されていないバッテリーマネジメントシステム（ＢＭＳ）が検知部材２６０に接続されるように、ＢＭＳを下部ケース２２０の背面に取り付けることができる。
図５は、本発明の別の実施形態によるユニットモジュールスタックを典型的に示す斜視図である。
図５を参照すると、ユニットモジュールスタック３００は、４つのユニットモジュール２００および２０１を含んでいる。ユニットモジュール２００のそれぞれは、各ユニットモジュールに取り付けられた２つのバッテリーセル（図示せず）を有する。そのため、ユニットモジュールスタック３００は、合計８つのバッテリーセルを含む。各バッテリーセル間の電極端子は、互いに直列に接続されており、また、各ユニットモジュール間の電極端子も互いに直列に接続されている。電極端子接続部３１０は、ユニットモジュールスタックを構成するために断面において「［」形に曲げられている。最も外側のユニットモジュール２００および２０１の外側電極端子３２０および３２１は、この外側電極端子３２０および３２１が他の電極端子接続部３１０よりわずかに突き出ている状態で、断面において「┐」形に、内向きに曲げられている。
図６は、本発明の別の実施形態による中型または大型のバッテリーモジュールの部分構造を典型的に示す斜視図であり、図７は、図６の熱放射部材を示す典型図である。
これらの図を参照すると、８つのカートリッジ４１０が順次積み重ねられた構造で構成されたバッテリーモジュール４００では、カートリッジ４１０から発生する熱（具体的には、それぞれのカートリッジに取り付けられたバッテリーセルから発生する熱）が熱放射部材４２０に伝えられるように、４つの熱放射部材４２０が、それぞれのカートリッジ４１０の境界面に部分的に配置されている。そのため、高い熱放射効果が達成される。
熱放射部材４２０がカートリッジ４１０のフレーム４６０に安定して取り付けられて固定される助けとなるように、弾性押圧部材４３０および４４０が、８つのカートリッジ４１０のフレーム４６０の外側に取り付けられている。
一方、熱放射部材４２２、４２４、４２６、および４２８のそれぞれは、高い熱伝導性を示す金属シートから作られる。熱放射部材４２２、４２４、４２６、および４２８の露出部分４３２、４３４、４３６、および４３８は、カートリッジ４１０の横方向に曲げられている。
したがって、バッテリーセル４５０の充放電の間にバッテリーセル４５０から発生する熱は、それぞれのカートリッジ４１０の間に配置された熱放射部材４２０に伝えられ、次に熱交換部材（図示せず）を介して外部に放出されるため、バッテリーモジュールが小型構造で構成されていても高い熱放射効率を達成することができる。
図８は、熱交換部材が図６の中型または大型バッテリーモジュールの一方の面に取り付けられている構造を示す典型図であり、図９は、図８の熱交換部材を示す典型図である。
これらの図を図６と共に参照すると、モジュールケース５１０に取り付けられたバッテリーモジュール５００は、複数のカートリッジ４１０を順次積み重ねることによって構成されたスタックの頂部に、熱交換部材５２０が取り付けられる構造で構成されている。
熱交換部材５２０は、熱放射部材４２０が緊密に接触するように、モジュールケース５１０の頂部に取り付けられる底面部５２２と、底面部５２２に接続される側面部５２８および５２９であって、側面部５２８および５２９の長手方向に延在する冷却剤チャネル５２４および５２６を設けられている、側面部５２８および５２９と、底面部５２２から上方に伸びている状態で側面部５２８と５２９の間に配置された複数の熱放射フィン５２３とを含む。
すなわち、冷却剤チャネル５２４および５２６は、水などの冷却剤が冷却剤チャネル５２４および５２６を流れることができるように設けられ、また熱放射フィン５２３は、空気が流れるように所定間隔Ｄで配置されている。したがって、熱放射部材４２０から伝わる熱を、高い信頼性と優れた冷却効率で取り除くことができる。
図１０は、ヒートシンクがバッテリーモジュールに付けられる前と後のバッテリーモジュールの変化を示すグラフである。
図１０を参照すると、ヒートシンクが取り付けられたバッテリーモジュールでは、ヒートシンクが取り付けられていないバッテリーモジュールに比べて、ヒートシンクが、高電流によって電気接続部から発生した大量の高温の熱を吸収して、バッテリーモジュールの温度を約１時間の間、４２℃以下に維持し、それによってバッテリーモジュールの爆発を防止している。
説明のために本発明の例示的実施形態を開示したが、当業者は、添付の特許請求の範囲に開示されている本発明の主旨および範囲から逸脱することなく様々な変更、追加、および代用が可能であることを理解するであろう。
１００ バッテリーモジュール
１１０ ヒートシンク
１１２ バー型接触部
１１４ 接続部
１１６ スリット
１２０ ユニットモジュールスタック
１２２ ユニットモジュール
１３０ 電気接続部
２００ バッテリーモジュール
２００ａ バッテリーモジュール
２０１ バッテリーモジュール
２１０ 上部ケース
２１２ 貫通孔
２２０ 下部ケース
２２２ 取付け溝
２３０ 正面カバー
２３２ 穴
２４０ ヒートシンク
２５０ バスバー
２６０ 検知部材
２６４ ワイヤ型伝導部
２６６ 検知フレーム
２７０ 外部入出力端子
３００ ユニットモジュールスタック
３１０ 電極端子接続部
３２０ 外部電極端子
３２１ 外部電極端子
４００ バッテリーモジュール
４１０ カートリッジ
４２０ 熱放射部材
４２２ 熱放射部材
４２４ 熱放射部材
４２６ 熱放射部材
４２８ 熱放射部材
４３０ 弾性押圧部材
４４０ 弾性押圧部材
４５０ バッテリーセル
４６０ フレーム
５００ バッテリーモジュール
５１０ モジュールケース
５２０ 熱交換部材
５２２ 底面部
５２３ 熱放射フィン
５２４ 冷却剤チャネル
５２６ 冷却剤チャネル
５２８ 側面部
５２９ 側面部

Claims (25)

  1. 複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）が積み重ねられており、前記ユニットセルの間の電気接続部に、かつ／または、前記電気接続部に接続されたバッテリーモジュール接続部材の外側にヒートシンクが取り付けられた構造において構成されたバッテリーモジュール。
  2. 前記バッテリーモジュール接続部材が、前記ユニットセルの電極端子を外部入出力端子に接続するためのバスバーであることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記ヒートシンクが、前記ユニットセルの間の前記電気接続部の外側と緊密に接触するように構成された複数のバー型接触部と、前記接触部の対応する端部を一体的に接続するように構成された接続部とを含み、前記ユニットセルの間の前記電気接続部が前記接触部の間に画定されたスリットに挿入されるように前記バッテリーモジュールに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記ヒートシンクが、前記バッテリーモジュール接続部材の外面に対応する形状に形成されており、前記電気接続部に接続される部分を除いて、前記バッテリーモジュール接続部材の内側または外側に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記ヒートシンクが、電圧および／または電流を検出する検知部材の頂部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記ヒートシンクが、吸熱材料が封止部材に含まれる構造で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  7. 吸熱材料が不活性材料カプセルによって支えられ、またシート部材が、高い熱伝導性を有する繊維形部材を含む状態で、前記吸熱材料が前記シート部材に含まれる構造で前記ヒートシンクが構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記吸熱材料が、前記吸熱材料の相が特定温度で変化するときの潜熱を有する相変化材料であることを特徴とする請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記相変化材料が、パラフィン、ポリエチレングリコール、および無機水和物からなる群から選択される１つ、またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項８に記載のバッテリーモジュール。
  10. 前記バッテリーモジュールが、複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）をユニットバッテリーとして含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  11. 前記バッテリーモジュールが、
    （ａ）前記ユニットセルが横方向に立っている状態で、互いに直列に接続された複数のバッテリーセルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を含むユニットセルスタックと、
    （ｂ）ユニットモジュールスタックの一方の面、ならびに前記ユニットモジュールスタックの上部端の一部および下部端の一部を囲うように構成されており、外部入出力端子を正面に設けられている上部ケースと、
    （ｃ）前記上部ケースに結合しており、前記ユニットモジュールスタックの他方の面、ならびに前記ユニットモジュールスタックの上部端の一部および下部端の一部を囲うように構成された下部ケースであって、前記上部ケースが、前記ユニットセルの電極端子を前記外部入出力端子に接続するためのバスバーを正面に設けられている、下部ケースと、
    （ｄ）前記下部ケースの正面および背面に画定されたスペースに取り付けられる検知フレーム、それぞれの前記検知フレームに配置される検知部、ならびに前記検知部を互いに接続する伝導部を含む検知部材と、
    （ｅ）絶縁用材料で作られており、前記ユニットセルの電極端子間の接続部、およびバスバーを外部から保護するために前記下部ケースの正面に取り付けられる正面カバーと
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載のバッテリーモジュール。
  12. 前記ユニットセルスタックが複数のユニットモジュールを含み、該各ユニットモジュールが複数のプレート形バッテリーセルを含み、該各プレート形バッテリーセルが、上部端および下部端に形成された電極端子を有しており、
    前記ユニットモジュールのそれぞれが、前記バッテリーセルの電極端子が互いに直列に接続され、前記電極端子の間の接続部が曲げられている構造で構成された２つ以上のバッテリーセルを含み、前記バッテリーセルが積み重ねられており、また、一対の高強度セルカバーが、前記バッテリーセルの電極端子を除いて、前記バッテリーセルの外側を囲うために互いに結合していることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーモジュール。
  13. 前記下部ケースが、前記下部ケースの正面および背面の内側に固定溝を設けられており、前記電極端子の間の接続部が前記固定溝に固定して挿入されることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーモジュール。
  14. 前記下部ケースが、前記下部ケースの正面に一対のスリットを設けられており、前記ユニットセルスタックの最も外側の電極端子が、前記一対のスリットに貫通して挿入されることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーモジュール。
  15. 前記最も外側の電極端子が、前記下部ケースの正面に設けられる前記バスバーに接続されるように、それぞれのスリットに貫通して挿入された後に曲げられることを特徴とする請求項１４に記載のバッテリーモジュール。
  16. 前記バスバーの上部端が窪んだ溝の形状に形成され、前記上部ケースと前記下部ケースが互いに結合しているときに、前記上部ケースの正面に設けられた前記外部入出力端子が前記窪んだ溝に挿入されることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーモジュール。
  17. 前記正面カバーが、組立てによって前記下部ケースに結合することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーモジュール。
  18. 電力ケーブルを固定するための溝が前記正面カバーに設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーモジュール。
  19. 前記下部ケースの正面および／または背面の下部端に前記下部ケースから突き出る結合部が前記下部ケースに設けられており、それによって、前記結合部の中央に形成された貫通孔を有する前記結合部が外部デバイスに固定されることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーモジュール。
  20. 前記バッテリーモジュールは、前記バッテリーセルが順次積み重ねられた状態で、モジュールケースに取り付けられた複数のプレート形バッテリーセルであって、樹脂層および金属層を含む積層シートから形成されたバッテリーケースに取り付けられたカソード／セパレータ／カソード構造の電極アセンブリを前記プレート形バッテリーセルのそれぞれが含む、複数のプレート形バッテリーセルと、前記バッテリーセルの間の２つ以上の境界面に配置された複数の熱放射部材を含み、前記熱放射部材を一体的に相互接続する熱交換部材が前記バッテリーセルスタックの一方の面に取り付けられており、それによって、前記バッテリーセルの充放電の間に前記バッテリーセルから発生する熱が前記熱交換部材によって取り除かれることを特徴とする請求項１０に記載のバッテリーモジュール。
  21. 前記熱放射部材のそれぞれが、高い熱伝導性を示す金属シートから作られていることを特徴とする請求項２０に記載のバッテリーモジュール。
  22. 前記熱交換部材が、高い熱伝導性を示す金属材料から作られていることを特徴とする請求項２０に記載のバッテリーモジュール。
  23. 前記熱放射部材が前記積み重ねられたバッテリーセルから外側に少なくとも部分的に露出し、また前記熱放射部材の前記露出部分が前記バッテリーセルの横方向に曲げられた状態で、前記熱放射部材が前記バッテリーセルの境界面に配置されていることを特徴とする請求項２０に記載のバッテリーモジュール。
  24. 請求項１に記載のバッテリーモジュールを単体として含むバッテリーパック。
  25. 電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車用の電源として使用されることを特徴とする請求項２４に記載のバッテリーパック。
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