JP2023510277A - バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents
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Abstract
バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車が開示される。本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、フレーム、フレームに対して配列される複数のバッテリーセル、バッテリーセルの一側に接触するヒートシンク、及びヒートシンクに接触し、バッテリーセルの他側に接触する冷却フィンを含む。
Description
本出願は、２０２０年１１月２６日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１６１６５０号に基づく優先権を主張し、当該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。
本発明は、バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より詳しくは、冷却性能を向上させることができるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
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ていたが、近年、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であって、自己放電率が非常に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、リチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と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が塗布された正極板と負極活物質が塗布された負極板とがセパレータを介在して配置された電極組立体と、電極組立体を電解液とともに封止収納する外装材、例えば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二次電池（ＬＩＢ）、リチウムポリマー電池（ＰＬＩＢ）などに分けられる。通常、このようなリチウム二次電池の電極は、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活物質または負極活物質を塗布した後、乾燥することで製造する。
そして、多様な種類の二次電池はバッテリーセルを保護するケースを備え、複数のバッテリーセルが積層されてケースに囲まれたバッテリーモジュール、及び複数のバッテリーモジュールが含まれたバッテリーパックを含む。
バッテリーセルは導電体であるバスバーを通じて互いに電気的に接続され得る。一般に、正極リードはアルミニウム材質から製作され、負極リードは銅材質から製作され、バスバーも銅材質から製作される。
従来のバッテリーモジュールの場合、バッテリーセルが冷却フィンに結合され、バッテリーセルが結合された冷却フィンがヒートシンクに結合され、バッテリーセルで発生した熱が冷却フィンを通じてヒートシンクに連結されて間接的に冷却された。
しかし、このようなバッテリーセルの間接冷却方式は、バッテリーセルの容量が増加すると冷却効率が低下し、また、冷却フィンとヒートシンクとの密着力に応じて冷却性能がばらつくという問題がある。
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、バッテリーセルの容量が増加しても冷却性能を向上できるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車を提供することである。
本発明の一態様によれば、フレームと、前記フレームに配列される複数のバッテリーセルと、バッテリーセルの一側に接触するヒートシンクと、前記ヒートシンクに接触し、前記バッテリーセルの他側に接触する冷却フィンと、を含むバッテリーモジュールが提供される。
また、前記バッテリーセルは、パウチ型のバッテリーセルであり、前記フレームに対して前記バッテリーセルの最も広い面が上方及び下方を向くように上下方向に配列され得る。
そして、前記複数のバッテリーセルは、前記ヒートシンクを中心に対称となるように配置され得る。
また、ヒートシンクを中心に前記ヒートシンクの上側で一つのバッテリーセルの下部が前記ヒートシンクに接触し、前記ヒートシンクの下側で他の一つのバッテリーセルの上部が前記ヒートシンクに接触し得る。
そして、前記冷却フィンは、前記バッテリーセルのうち前記ヒートシンクに接触した部分の反対側に接触する第１部分と、前記第１部分から前記ヒートシンク側に向かって延びる第２部分と、前記第２部分から延びて前記ヒートシンクに接触して固定される第３部分と、を含み得る。
また、前記冷却フィンは、前記バッテリーセルに接触して前記バッテリーセルを支持しながら前記バッテリーセルを冷却するように金属材質から構成され得る。
そして、複数のバッテリーセルのそれぞれの電極リードを連結するバスバーをさらに含み、前記バスバーは、前記ヒートシンクに直接接触し得る。
また、前記バッテリーセルは、前記ヒートシンクまたは前記冷却フィンにサーマルグルー（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｌｕｅ）によって結合され得る。
一方、本発明の他の一態様によれば、上述したバッテリーモジュールを含むバッテリーパックが提供され、また、前記バッテリーモジュールを含む自動車が提供される。
本発明の一態様によれば、ヒートシンクの直接冷却と冷却フィンの間接冷却により、バッテリーセルの容量が増加しても冷却性能を向上させることができる。
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。本明細書及び特許請求の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、本明細書で使用される「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１は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの概略的な全体斜視図であり、図２は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの概略的な分解斜視図であり、図３は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールにおいて、ヒートシンクを中心に複数のバッテリーセルが分離されている様子を示した図であり、図４は図２のＡ－Ａ’に沿った断面図であり、図５は図２のＢ－Ｂ’に沿った断面図である。
図１～図５を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０は、フレーム１００、複数のバッテリーセル２００、ヒートシンク３００、及び冷却フィン４００を含む。
フレーム１００は、略正方形状または長方形状に形成され得るが、これに限定されることはなく、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で円形、楕円形、菱形、三角形などの多様な形状に変形され得る。フレーム１００が長方形状に形成される場合、フレーム１００の長さと幅は取付け場所または使用先の大きさに応じて変更可能である。
バッテリーセル２００は、多様な種類、例えば、円筒型、角形、パウチ型であり得、以下では説明の便宜上、バッテリーセル２００がパウチ型である場合を中心にして説明する。
バッテリーセル２００は、複数個備えられ、複数のバッテリーセル２００がフレーム１００に配列される。図２を参照すると、フレーム１００に対してパウチ型バッテリーセル２００の最も広い面が上方及び下方を向くように上下方向に配列され得る。すなわち、バッテリーセル２００が横たわるようにフレーム１００に配列される。
バッテリーセル２００には電極リード２２０が備えられ、バッテリーセル２００に備えられる電極リード２２０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。
電極リード２２０は、正極リード及び負極リードを含み得る。正極リードと負極リードとは、バッテリーセル２００の長手方向で互いに反対側に配置されてもよく、同一側に位置してもよい。
正極リード及び負極リードは、多様な材質から設けられ得、例えば、正極リードはアルミニウム材質から製作され、負極リードは銅材質から製作され得る。
電極リード２２０はバスバー２１０に電気的に結合され得る。バッテリーセル２００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した構造を有し得る。
そして、バッテリーセル２００を収納するカートリッジ（図示せず）が備えられ得る。カートリッジ（図示せず）はプラスチックの射出成形で製造され得る。
カートリッジにはコネクター要素または端子要素が備えられ得る。コネクター要素は、例えば、バッテリーセル２００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）などに接続されるための多様な形態の電気的接続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２００に連結されるメイン端子として正極端子および負極端子を含み、ターミナルボルトを備えて外部と電気的に接続され得る。一方、バッテリーセル２００は多様な形状を有し得る。
バッテリーセル２００にはカバー５００が結合され得る。ここで、カバー５００は、バッテリーセル２００の少なくとも一部分を囲んでバッテリーセル２００を外力から保護する。
ヒートシンク３００は、バッテリーセル２００の一側に接触する。図３に示されたように、上側と下側にそれぞれ配置されたバッテリーセル２００がその中心に位置したヒートシンク３００に向かって矢印方向に移動すると、図４のようにヒートシンク３００に接触するようになる。
図４を参照すると、バッテリーセル２００の一側はヒートシンク３００に直接接触する。例えば、ヒートシンク３００を中心にヒートシンク３００の上側で一つのバッテリーセル２００ａの下部がヒートシンク３００に接触し、ヒートシンク３００の下側で他の一つのバッテリーセル２００ｂの上部がヒートシンク３００に接触するように設けられ得る。
このようにバッテリーセル２００がヒートシンク３００に直接接触すると、間接冷却方式に比べて冷却効率が向上するという効果がある。
ここで、図４を参照すると、バッテリーセル２００の他側は冷却フィン４００に接触し、冷却フィン４００はヒートシンク３００に接触するため、バッテリーセル２００の一側ではヒートシンク３００によって直接冷却が行われ、バッテリーセル２００の他側は冷却フィン４００とヒートシンク３００によって間接冷却が行われる。
すなわち、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０では、一つのバッテリーセル２００に直接冷却と間接冷却の２種の冷却方式がすべて適用可能であるため、間接冷却のみに依存する従来技術のバッテリーセルに比べて冷却効率が向上する効果がある。
特に、上述したように、図２を参照すると、フレーム１００に対してパウチ型バッテリーセル２００の最も広い面が上方及び下方を向くように上下方向に配列されるため、バッテリーセル２００とヒートシンク３００との接触面積が増加して冷却性能が高まる。
ヒートシンク３００は、上側と下側の両側で複数のバッテリーセル２００にそれぞれ接触し得る。例えば、図３のように、複数のバッテリーセル２００がヒートシンク３００を中心に対称となるように配置された後、図４のように、ヒートシンク３００の上側と下側の両側で複数のバッテリーセル２００にそれぞれ接触するように設けられ得る。
冷却フィン４００は、ヒートシンク３００にも接触し、バッテリーセル２００の他側にも接触する。すなわち、冷却フィン４００は、バッテリーセル２００の他側を間接的に冷却する。また、冷却フィン４００は、バッテリーセル２００を支持する構造用支持部材の機能も有する。
図３及び図４を参照すると、冷却フィン４００は、第１部分４１０と、第２部分４２０と、第３部分４３０とを含む。
第１部分４１０は、バッテリーセル２００のうちヒートシンク３００に接触した部分の反対側、すなわち、バッテリーセル２００の他側に接触する。すなわち、図４を基準にして、バッテリーセル２００ａの下部にヒートシンク３００が接触し、バッテリーセル２００ａの上部に冷却フィン４００の第１部分４１０が接触する。また、図４を基準にして、バッテリーセル２００ｂの上部にヒートシンク３００が接触し、バッテリーセル２００ｂの下部に冷却フィン４００の第１部分４１０が接触する。
第２部分４２０は、第１部分４１０からヒートシンク３００側に向かって延びる。
そして、第３部分４３０は、第２部分４２０から延びてヒートシンク３００に接触して固定される。
このように冷却フィン４００がヒートシンク３００及びバッテリーセル２００の両方ともに接触するため、バッテリーセル２００は冷却フィン４００を通じて間接的に冷却できる。そして、冷却フィン４００がバッテリーセル２００の上側でバッテリーセル２００に接触してバッテリーセル２００を支持するため、バッテリーセル２００は冷却フィン４００によって安定的に固定できる。
従来、バッテリーセルに使用される冷却フィンの場合、バッテリーセルに接触して間接的に冷却する冷却機能のみを有するが、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０の冷却フィン４００は、従来の冷却フィンとは異なる構造で構成して、バッテリーセル２００を冷却する機能だけでなく、バッテリーセル２００を構造的に支持する機能も有する。
すなわち、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０は、バッテリーセル２００がヒートシンク３００に接触して直接的に冷却され、また、バッテリーセル２００が冷却フィン４００に接触して間接的に冷却されるだけでなく、バッテリーセル２００が冷却フィン４００によって構造的に支持されるように設けられる。
そのため、冷却フィン４００は金属材質から構成され得る。すなわち、冷却フィン４００は、バッテリーセル２００を冷却可能な優れた熱伝導性を有すると同時に、バッテリーセル２００に接触してバッテリーセル２００を支持可能な剛性も共に持たなければならないため、冷却フィン４００は、例えばアルミニウムのような金属材質から製作され得る。ただし、冷却フィン４００の材質がこれに限定されることはない。
図５を参照すると、バスバー２１０は、複数のバッテリーセル２００のそれぞれの電極リード２２０を連結するように設けられる。ここで、バスバー２１０は、ヒートシンク３００に直接接触するように設けられ、これによりバスバー２１０の直接冷却が可能になるという効果がある。
一方、バッテリーセル２００は、ヒートシンク３００または冷却フィン４００にサーマルグルー（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｌｕｅ）によって結合され得る。ただし、これに限定されることはなく、ボンディングまたは両面テープを用いてバッテリーセル２００をヒートシンク３００または冷却フィン４００に結合してもよい。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０の作用及び効果について説明する。
図１及び図２を参照すると、バッテリーセル２００は、複数個備えられ、複数のバッテリーセル２００はフレーム１００に対してバッテリーセル２００の最も広い面が上方及び下方を向くように、すなわち、バッテリーセル２００が横たわるように上下方向に配列され得る。
そして、図３及び図４を参照すると、バッテリーセル２００の一側はヒートシンク３００に直接接触し、バッテリーセル２００の他側はヒートシンク３００に接触した冷却フィン４００に接触するため、バッテリーセル２００にはヒートシンク３００による直接冷却及び冷却フィン４００による間接冷却、すなわち、直接冷却と間接冷却が両方ともに行われる。
また、冷却フィン４００がバッテリーセル２００の他側でバッテリーセル２００に接触してバッテリーセル２００を支持するため、バッテリーセル２００は冷却フィン４００によって構造的に支持できる。
そして、図５を参照すると、バスバー２１０もヒートシンク３００に直接接触するため、これにより、バスバー２１０の直接冷却が可能になる効果がある。
一方、本発明の一実施形態によるバッテリーパック（図示せず）は、上述したような本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１０を一つ以上含む。また、前記バッテリーパック（図示せず）は、このようなバッテリーモジュール１０の他に、このようなバッテリーモジュール１０を収納するためのハウジング、バッテリーモジュール１０の充放電を制御するための各種の装置、例えばＢＭＳ、電流センサ、ヒューズなどをさらに含み得る。
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モジュール１０またはバッテリーパック（図示せず）を含み、前記バッテリーパック（図示せず）には前記バッテリーモジュール１０が含まれ得る。そして、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール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）に適用可能である。
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、バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、特に、二次電池関連産業に適用可能である。
１０ バッテリーモジュール
１００ フレーム
２００ バッテリーセル
３００ ヒートシンク
４００ 冷却フィン
１００ フレーム
２００ バッテリーセル
３００ ヒートシンク
４００ 冷却フィン
Claims (10)
- フレームと、
前記フレームに配列される複数のバッテリーセルと、
バッテリーセルの一側に接触するヒートシンクと、
前記ヒートシンクに接触し、前記バッテリーセルの他側に接触する冷却フィンと、
を含む、バッテリーモジュール。 - 前記バッテリーセルは、パウチ型のバッテリーセルであり、前記フレームに対して前記バッテリーセルの最も広い面が上方及び下方を向くように上下方向に配列されている、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
- 前記複数のバッテリーセルは、前記ヒートシンクを中心に対称となるように配置されている、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
- 前記ヒートシンクを中心に前記ヒートシンクの上側で一つのバッテリーセルの下部が前記ヒートシンクに接触しており、前記ヒートシンクの下側で他の一つのバッテリーセルの上部が前記ヒートシンクに接触している、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
- 前記冷却フィンは、
前記バッテリーセルのうち前記ヒートシンクに接触した部分の反対側に接触する第１部分と、
前記第１部分から前記ヒートシンク側に向かって延びる第２部分と、
前記第２部分から延びて前記ヒートシンクに接触して固定される第３部分と、
を含む、請求項４に記載のバッテリーモジュール。 - 前記冷却フィンは、前記バッテリーセルに接触して前記バッテリーセルを支持しながら前記バッテリーセルを冷却するように金属材質から構成された、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 複数のバッテリーセルのそれぞれの電極リードを連結するバスバーをさらに含み、
前記バスバーは、前記ヒートシンクに直接接触している、請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。 - 前記バッテリーセルは、前記ヒートシンクまたは前記冷却フィンにサーマルグルーによって結合されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 請求項１～８のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含むバッテリーパック。
- 請求項１～８のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含む自動車。
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