JP2020523748A - バッテリーパック - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、複数のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールと、バッテリーセルの電極リード及び電極リードに結合されるバスバーが配置されたバッテリーモジュールの側面でバスバーに接触する放熱部材と、を含む。

Description

本発明は、バッテリーパックに関し、より詳しくは、放熱効率を向上させることができるバッテリーパックに関する。
本出願は、２０１７年１２月１日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−０１６４０８４号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加とともに、エネルギー源としての二次電池の需要が急増している。二次電池としては、従来、ニッケルカドミウム電池または水素イオン電池が使用されたが、近年、ニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充電及び放電が自在であって、自己放電率が低くてエネルギー密度が高いリチウム二次電池が広く使用されている。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物及び炭素材をそれぞれ正極活物質及び負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質及び負極活物質がそれぞれ塗布された正極板及び負極板がセパレータを介在して配置された電極組立体、そして電極組立体を電解液とともに密封収納する外装材、すなわち電池ケースを備える。
リチウム二次電池は、正極、負極、これらの間に介在されるセパレータ及び電解質からなり、正極活物質及び負極活物質の種類によってリチウムイオン電池（ＬＩＢ）、リチウムポリマー電池（ＰＬＩＢ）などに分けられる。このようなリチウム二次電池の電極は、通常、アルミニウムまたは銅のシート、メッシュ、フィルム、ホイルなどの集電体に正極または負極の活物質を塗布し乾燥することで形成される。
図１は従来のバッテリーパックの概略的な分解斜視図であり、図２は従来のバッテリーパックの概略的な結合斜視図であり、図３は図２のＡ−Ａ’に沿った概略的な断面図である。
図１〜図３を参照すれば、従来技術のバッテリーパック１はバッテリーモジュール２を含む。バッテリーモジュール２は、図１を基準にして、底部３にサーマルパッド４とヒートシンク５が順次に結合されてバッテリーモジュール２から発生する熱を放出する。しかし、バッテリーセルのうち最も発熱がひどい部分は、バッテリーセルの底面ではなく、電極リードまたは電極リードに直接連結されているバスバー６であるため、従来のようにバッテリーセルが積層されたバッテリーモジュール２の底部３にサーマルパッド４とヒートシンク５が結合されていても、放熱効率が高くないという問題がある。図１及び図２において、参照符号７は下部トレイである。
また、図３のように、バッテリーモジュール２の底部３にサーマルパッド４及びヒートシンク５が結合されるため、サーマルパッド４及びヒートシンク５の厚さだけ、複数のバッテリーモジュール２が収納されたバッテリーパック１の全体高さが増加する問題がある。
また、図１のように、サーマルパッド４及びヒートシンク５がバッテリーモジュール２の底部３の全体大きさに対応する大きさで製作され、大面積のサーマルパッド４及びヒートシンク５が必要であるため、コストが嵩む問題がある。
本発明は、構造的な変更を通じて放熱効率を向上させることができるバッテリーパックを提供することを目的とする。
また、本発明は、全体の厚さを減少させることができるバッテリーパックを提供することを目的とする。
また、本発明は、放熱部材を製作するコストを節減することができるバッテリーパックを提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、複数のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールと、前記バッテリーセルの電極リード及び前記電極リードに結合されるバスバーが配置された前記バッテリーモジュールの側面で前記バスバーに接触する放熱部材と、を含むバッテリーパックが提供される。
また、バッテリーモジュールが複数個備えられ、複数の前記バッテリーモジュールは、単一層で設けられて少なくとも一つの行または一つの列を有するように配列され得る。
そして、前記放熱部材の内部に中空部が形成され、前記中空部に前記バッテリーモジュールが配置され、前記放熱部材は複数の前記バッテリーモジュールの側面を囲むように形成され得る。
また、前記放熱部材は、帯状に形成されて複数の前記バッテリーモジュールの周縁を囲み、前記放熱部材がバスバーに接触するように設けられ得る。
そして、前記放熱部材は、複数の前記バッテリーモジュールの側面でバスバーに結合されるサーマルパッドと、前記サーマルパッドに結合されるヒートシンクと、を含み得る。
また、前記ヒートシンクには、冷却のための流体が流れる流路が形成され得る。
そして、前記放熱部材は、前記バッテリーモジュールの側面の高さに対応する高さを有し得る。
一方、本発明の他の態様によれば、前記バッテリーパックを含む自動車が提供される。
本発明の実施形態によれば、比較的に発熱が多くないバッテリーモジュールの底部ではなく、発熱が酷い電極リードまたは電極リードに直接連結されているバスバーに放熱部材が直接または間接的に接触するため、放熱効率を向上させることができる。
また、サーマルパッド及びヒートシンクが、バッテリーモジュールの底部ではなく、バッテリーモジュールの側面に結合されるため、バッテリーパックの全体高さを減少させることができる。
また、放熱部材が側面のみでバッテリーモジュールに結合されるため、放熱部材の全体面積が減少し、それによって放熱部材を製作するコストを節減することができる。
従来のバッテリーパックの概略的な分解斜視図である。 従来のバッテリーパックの概略的な結合斜視図である。 図２のＡ−Ａ’に沿った概略的な断面図である。 本発明の第１実施形態によるバッテリーパックの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態によるバッテリーパックの結合斜視図である。 図５のＢ−Ｂ’に沿った概略的な断面図である。 本発明の第１実施形態によるバッテリーパックにおいて、バッテリーモジュールの側面に放熱部材が結合された様子の概略的な斜視図である。 図７のＣ−Ｃ’に沿った概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態によるバッテリーパックにおいて、バッテリーモジュールの側面に放熱部材が結合された様子の概略的な斜視図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図面において、各構成要素またはその構成要素を成す特定部分の大きさは、説明の便宜上及び明確性のため、誇張、省略または概略して示された。したがって、各構成要素の大きさは実際の大きさを専ら反映するものではない。また、関連する公知機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その説明は省略する。
さらに、本明細書で使われる「結合」または「連結」との用語は、一つの部材と他の部材との直接結合または直接連結だけでなく、継ぎ部材を介在した一つの部材と他の部材との間接結合または間接連結も含む。
図４は本発明の第１実施形態によるバッテリーパックの分解斜視図であり、図５は本発明の第１実施形態によるバッテリーパックの結合斜視図であり、図６は図５のＢ−Ｂ’に沿った概略的な断面図であり、図７は本発明の第１実施形態によるバッテリーパックにおいて、バッテリーモジュールの側面に放熱部材が結合された様子の概略的な斜視図であり、図８は図７のＣ−Ｃ’に沿った概略的な断面図である。
図４〜図８を参照すれば、本発明の第１実施形態によるバッテリーパック１０は、バッテリーモジュール１００及び放熱部材２００を含む。図４及び図５において、参照符号３００は下部トレイである。
バッテリーパック１０には複数のバッテリーモジュール１００が多様な方式で積層または配列され得る。以下、説明の便宜上、複数のバッテリーモジュール１００が単一層で設けられ、少なくとも一つの行または一つの列を有するように配列された場合を中心に説明する。ここで、「行」とは図４を基準にしてＸ方向を意味し、「列」は図４を基準にしてＹ方向を意味する。第１実施形態においては、バッテリーモジュール１００が一つの行と六つの列を有するように配列される。このように、複数のバッテリーモジュール１００が単一層で設けられれば、電気自動車などの床下のように高さが制限された空間に容易に配置することができる。ただし、本発明の第１実施形態によるバッテリーパック１０の用途が自動車などに限定されることはない。
バッテリーパック１０は、上部ケース（図示せず）及びパックカバー（図示せず）を含み、上部ケースが複数のバッテリーモジュール１００を収容して保護するようにパックカバーに結合され得る。上部ケース及びパックカバーは、一つまたは複数のバッテリーモジュール１００を収納する。すなわち、上部ケース及びパックカバーの内部に少なくとも一つのバッテリーモジュール１００を配列し、上部ケース及びパックカバーがバッテリーモジュール１００を囲んで保護することができる。すなわち、上部ケース及びパックカバーは、バッテリーモジュール１００の全体を囲み、これによって外部の振動や衝撃からバッテリーモジュール１００を保護する。上部ケース及びパックカバーは、バッテリーモジュール１００の形状に対応する形状に形成され得る。例えば、単一層に配列されたバッテリーモジュール１００の全体形状が六面体状である場合、上部ケース及びパックカバーもそれに対応するように六面体状に設けられ得る。上部ケース及びパックカバーは、例えば、金属材質のプレートを折り曲げて製造され、これによって上部ケースとパックカバーとが一体型で製造され得る。ここで、上部ケースとパックカバーとが一体型で製造される場合、結合工程が簡単且つ単純になる効果がある。または、上部ケースとパックカバーとが分離型で製造され、溶接、リベット、ボルト、ピン、ブラケットまたはモーメント接合方式などの多様な方式で結合されるように設けられても良い。そして、バッテリーパック１０には、バッテリーモジュール１００の充放電を制御するための各種の装置、例えばＢＭＳＢａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサ、ヒューズなどが含まれ得る。
バッテリーモジュール１００は複数のバッテリーセル１１０を含む。バッテリーセル１１０は、正極板−セパレータ−負極板の順に配列される単位セル（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）または正極板−セパレータ−負極板−セパレータ−正極板−セパレータ−負極板の順に配列されたバイセル（ｂｉ−ｃｅｌｌ）を、電池容量に合わせて複数個積層させた構造を有し得る。そして、バッテリーセル１１０（図６を参照）には、電極リード１１１（図８を参照）が備えられる。電極リード１１１は外部に露出して外部機器に連結される一種の端子であって、伝導性材質が使用され得る。ここで、電極リード１１１はバスバー１２０に電気的に結合され得る（図８を参照）。図４にはバスバー１２０が電極リード１１１に結合された様子が概略的に示されており、伝導性の金属材質バスバー１２０がフレーム機能を共に果たすこともできる。または、金属材質のフレームがバスバー１２０に結合され、放熱部材２００がフレームに結合されて、放熱部材２００がフレームを通じてバスバー１２０に間接的に結合されるように構成されても良い。電極リード１１１は正極電極リード及び負極電極リードを含む。正極電極リードと負極電極リードとはバッテリーセル１１０の長手方向に対して互いに逆方向に配置されても良く、同じ方向に位置しても良い。一方、バッテリーモジュール１００には、バッテリーセル１１０を収納する複数のカートリッジが備えられ得る。それぞれのカートリッジはプラスチックの射出成形で製造され、バッテリーセル１１０を収納可能な収納部が形成された複数のカートリッジが積層され得る。複数のカートリッジが積層されたカートリッジ組立体には、コネクタ要素または端子要素が備えられる。コネクタ要素は、例えば、バッテリーセル１１０の電圧または温度に関するデータを提供可能なＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、図示せず）などとの連結のための多様な形態の電気的連結部品又は連結部材が含まれ得る。そして、端子要素は、バッテリーセル１１０に連結されるメイン端子として正極端子及び負極端子を含み、ターミナルボルトが備えられて外部と電気的に連結され得る。
放熱部材２００は、図４、図５及び図７を参照すれば、単一層で配列されたバッテリーモジュール１００の側面でバッテリーモジュール１００に備えられたバスバー１２０に接触する。バッテリーモジュール１００の側面とは、バッテリーモジュール１００が図４のように配列されているとき、電極リード１１１が突出してバスバー１２０に結合された部分、すなわち、電極リード１１１がバスバー１２０に結合されているバッテリーモジュール１００の一部分を意味する。
放熱部材２００は、図４に示されたように、内部に中空部２３０が形成され、バッテリーモジュール１００は放熱部材２００の中空部２３０に配置される。そして、中空部２３０が形成された放熱部材２００が複数のバッテリーモジュール１００の側面を囲み得る（図５及び図７を参照）。そして、放熱部材２００は、図４のように、帯状に形成され得るが、このように放熱部材２００が帯状に形成される場合、放熱部材２００が複数のバッテリーモジュール１００の周縁全体を囲みながらバスバー１２０に接触するため、バッテリーセル１１０から発生する熱を電極リード１１１及びバスバー１２０を通じて放熱部材２００によって直接放出することができる。
放熱部材２００は、サーマルパッド２１０及びヒートシンク２２０を含むことができる。サーマルパッド２１０は複数のバッテリーモジュール１００の側面でバスバー１２０に結合され、ヒートシンク２２０はサーマルパッド２１０に結合される（図８を参照）。このようにバスバー１２０に結合されるサーマルパッド２１０、及びサーマルパッド２１０に結合されるヒートシンク２２０によって、バッテリーセル１１０の内部で発生した熱をバスバー１２０を通じて直接放熱することができる。
放熱部材２００は、バッテリーモジュール１００の側面の高さに対応する高さを有するように設けられ得る。すなわち、バッテリーモジュール１００の側面高さとバスバー１２０の高さとは実質的に同一に形成され、放熱部材２００、すなわち、サーマルパッド２１０及びヒートシンク２２０の高さはバスバー１２０の高さと実質的に同一に形成され得る。ただし、必ずしも同じである必要はなく、必要に応じて適切な高さが選択され得る。
放熱部材２００のヒートシンク２２０の内部には、図８のように、冷却のための流体が流れる流路２２１が形成される。そして、図４を参照すれば、ヒートシンク２２０には流体が流れ込む流入口２２２、及び流体が流れ出る流出口２２３が形成される。流入口２２２を通じて流れ込んだ流体は、ヒートシンク２２０の内部に形成された流路２２１に沿って流れた後、流出口２２３から流れ出る（図７の矢印Ｌを参照）。流体が流路２２１に沿って流れる間に、ヒートシンク２２０に結合されたサーマルパッド２１０との熱伝逹が行われる。
上述したように、バッテリーセル１１０のうち最も発熱が酷い部分は、バッテリーセル１１０の底面ではなく、電極リード１１１または電極リード１１１に直接連結されているバスバー１２０であるため、本発明の第１実施形態によるバッテリーパック１０の放熱部材２００がバッテリーモジュール１００の側面でバスバー１２０に結合されることで、従来のバッテリーモジュール１００の底部に結合される場合に比べて、放熱効率を一層増大させることができる。そして、放熱部材２００は帯状で形成されてバッテリーモジュール１００の側面のみに接触するため、バッテリーモジュール１００の底全体に接触する従来の放熱部材２００に比べて面積が著しく減少し、それによって製造コストを節減することができる。また、図６を参照すれば、放熱部材２００がバッテリーモジュール１００の底部ではなく、バッテリーモジュール１００の側面に結合されるため、従来技術の図３に比べて、バッテリーパック１０の全体高さを減らすことができる。
以下、本発明の第１実施形態によるバッテリーパック１０の作用及び効果について説明する。
複数のバッテリーモジュール１００は、単一層で設けられて少なくとも一つの行または一つの列を有するように配列される。このとき、バッテリーセル１１０の電極リード１１１及び電極リード１１１に結合されたバスバー１２０は、バッテリーモジュール１００の側面に配置される。放熱部材２００は、サーマルパッド２１０及びヒートシンク２２０を含み、内部に中空部２３０が形成されて帯状で形成されて、バッテリーモジュール１００の側面を囲むように設けられる。そして、サーマルパッド２１０はバッテリーモジュール１００の側面に位置しているそれぞれのバスバー１２０に接触し、ヒートシンク２２０はサーマルパッド２１０に結合される。ヒートシンク２２０の内部には流路２２１が形成され、流体がヒートシンク２２０内部の流路２２１に沿って移動しながらサーマルパッド２１０と熱交換を行う。これによって、バッテリーセル１１０で発生した熱を電極リード１１１及びバスバー１２０を通じてサーマルパッド２１０及びヒートシンク２２０に移動させて放熱することができる。
図９は、本発明の第２実施形態によるバッテリーパック１０において、バッテリーモジュール１００の側面に放熱部材２００が結合された様子の概略的な斜視図である。
以下、図面を参照して本発明の第２実施形態によるバッテリーパック１０の作用及び効果について説明するが、本発明の第１実施形態によるバッテリーパック１０で説明した内容と共通する部分は上述した説明で代替することにする。
本発明の第２実施形態の場合、バッテリーモジュール１００が複数の行と複数の列を有するように配列されて放熱部材２００に結合される点で、一つの行と複数の列を有するように配列される第１実施形態と相違する。
すなわち、第１実施形態ではバッテリーモジュール１００が一つの行と六つの列を有するように配列されるが、第２実施形態ではバッテリーモジュール１００が二つの行と六つの列を有するように配列される。一方、バッテリーモジュール１００の行と列の個数は多様であり得、場合によっては一つの行と一つの列、すなわち一つのバッテリーモジュール１００が一つのバッテリーパック１０に含まれることもあり得る。
図９を参照すれば、バッテリーモジュール１００が二つの行と六つの列を有するように配列される。そして、放熱部材２００は、第一行のバッテリーモジュール１００と第二行のバッテリーモジュール１００との間で折り曲げられて、第一行のバッテリーモジュール１００及び第二行のバッテリーモジュール１００のそれぞれと接触することができる。ここで、流入口２２２を通じて流れ込んだ流体は、ヒートシンク２２０の内部に形成された流路２２１に沿って流れた後、流出口２２３から流れ出る（図９の矢印Ｍを参照）。図９を参照すれば、一つの放熱部材２００が第一行のバッテリーモジュール１００及び第二行のバッテリーモジュール１００の全部を囲むように設けられる。これによって、二つの放熱部材２００が第一行のバッテリーモジュール１００及び第二行のバッテリーモジュール１００のそれぞれを囲むように設けられた場合に比べて、流入口２２２及び流出口２２３の個数を減らすことができる。ただし、必要に応じて二つの放熱部材２００が第一行のバッテリーモジュール１００及び第二行のバッテリーモジュール１００のそれぞれを囲むように設けられても良い。
一方、本発明の一実施形態による自動車（図示せず）は、上述したバッテリーパック１０を含むことができ、前記バッテリーパック１０は前記バッテリーモジュール１００を備えることができる。そして、本発明の第１実施形態または第２実施形態によるバッテリーパック１０は、前記自動車（図示せず）、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車のような電気を使用する所定の自動車（図示せず）に適用できる。
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
本発明は、バッテリーパックに関し、特に、二次電池関連産業に適用可能である。
１ バッテリーパック
２ バッテリーモジュール
３ 底部
４ サーマルパッド
５ ヒートシンク
６ バスバー
７ 下部トレイ
１０ バッテリーパック
１００ バッテリーモジュール
１１０ バッテリーセル
１１１ 電極リード
１２０ 金属材質バスバー、バスバー
２００ 放熱部材
２１０ サーマルパッド
２２０ ヒートシンク
２２１ 流路
２２２ 流入口
２２３ 流出口
２３０ 中空部
３００ 下部トレイ

Claims (8)

  1. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールと、
    前記バッテリーセルの電極リード及び前記電極リードに結合されるバスバーが配置された前記バッテリーモジュールの側面で前記バスバーに接触する放熱部材と、
    を含むバッテリーパック。
  2. バッテリーモジュールが複数個備えられ、
    複数の前記バッテリーモジュールは、単一層で設けられて少なくとも一つの行または一つの列を有するように配列されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  3. 前記放熱部材の内部に中空部が形成され、前記中空部に前記バッテリーモジュールが配置され、前記放熱部材は複数の前記バッテリーモジュールの側面を囲むように形成されることを特徴とする請求項２に記載のバッテリーパック。
  4. 前記放熱部材は、帯状で形成されて複数の前記バッテリーモジュールの周縁を囲み、前記放熱部材が前記バスバーに接触するように設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載のバッテリーパック。
  5. 前記放熱部材は、
    複数の前記バッテリーモジュールの側面でバスバーに結合されるサーマルパッドと、
    前記サーマルパッドに結合されるヒートシンクと、
    を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  6. 前記ヒートシンクには、冷却のための流体が流れる流路が形成されることを特徴とする請求項５に記載のバッテリーパック。
  7. 前記放熱部材は、前記バッテリーモジュールの側面の高さに対応する高さを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  8. 請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む自動車。
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