JP6594435B2 - バッテリーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、一つ以上の二次電池を含むバッテリーに関し、より詳しくは、構造が簡単で体積及び重さが低く、効率的な冷却性能が確保できるバッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
現在、商用化した二次電池には、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあり、このうち、リチウム二次電池は、ニッケル系二次電池に比べてメモリー効果がほとんど起こらず充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
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に用いる。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板が、セパレータを挟んで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して収納する外装材、即ち、電池ケースを備える。
通常、リチウム二次電池は、外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に収納されている缶型の二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに収納されているパウチ型の二次電池に分けられる。
最近は、携帯型電子機器のような小型装置のみならず、自動車や電力貯蔵装置のような中・大型装置にも二次電池が広く用いられている。このような中・大型装置に用いられる場合、容量及び出力を高めるために複数の二次電池が電気的に接続される。特に、このような中・大型装置には、積層が容易であり、重量が軽いなどの長所から、パウチ型二次電池がよく用いられる。
しかし、パウチ型二次電池は、通常、アルミニウムとポリマー樹脂とのラミネートシートの電池ケースで包まれているため、機械的剛性が大きくなく、それ自体だけでは積層状態を維持することが容易でない。したがって、複数のパウチ型二次電池を含んでバッテリーモジュールを構成するとき、二次電池を外部の衝撃などから保護し、その動きを防止し、積層を容易にするために、カートリッジを用いる場合が多い。
カートリッジは、通常、中空の四角プレート形態で構成される場合が多く、ここで、４つの辺部分がパウチ型二次電池の外周部を囲むように構成される。そして、このようなカートリッジは、バッテリーモジュールを構成するために複数積層された形態で用いられ、二次電池はカートリッジが積層されたときに生じる内部の空間に配置される。
通常、バッテリーパックは、直・間接の水冷、空冷などのような多様な方式で冷却が行われる場合が多い。特に、従来のバッテリーパックの場合、充・放電時に発生する熱を除去するために、各二次電池の周辺に金属材質の複数の冷却部材を配置し、冷却部材の周辺に空気や冷却水のような冷媒が供給されるようにする場合が多い。例えば、従来は、冷媒の流動または熱伝導のためのセルカバーまたは冷却プレートのような金属材質の冷却部材を各二次電池の間に介する場合が多かった。
しかし、二次電池の間に、このような冷却部材を介するか、冷媒が流れるための流路を設ける場合、バッテリーモジュールの全体的な体積及び重さが増加するしかなく、構造を複雑にするという短所を有している。したがって、バッテリーモジュールの製造時、工程性が劣り、小型化に限界があり、製造コスト及び時間も増加するという問題点がある。
さらに、冷却部材は、通常、電気伝導性材質の金属を用いる場合が多いため、バッテリーモジュールに冷却部材を具備するためには、電池セルとの絶縁に注意しなければならない。したがって、このような絶縁のための構成などを設けるために、バッテリーモジュールの構造はさらに複雑になるしかなく、体積及びコストも増加するという問題点がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で体積及び重さが小さく、組立性に優れ、冷却性能が安定的に確保できるバッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及び自動車を提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリーモジュールは、電極組立体、及び前記電極組立体を内部空間に収納し、封止部が設けられたパウチ外装材を備え、水平方向へ横たわって上下方向に配列された複数の二次電池と、上下方向に相互積層自在に構成され、前記二次電池の封止部を囲むように前記封止部に接触して結合し、熱伝導性材質から構成された複数のカートリッジと、を含む。
ここで、前記カートリッジは、少なくとも一部分が熱伝導性高分子を含むか、または熱伝導性フィラー及び高分子を含む熱伝導性材料を含むことができる。
また、前記カートリッジは、全体的に同一材質から形成できる。
また、前記カートリッジは、平面視で四角のリング状に形成され、前記パウチ外装材において電極組立体の収納空間の側面外部に接触した状態で前記収納空間の周りを囲むように構成できる。
また、前記カートリッジは、インサート射出成形され、前記二次電池の封止部に接触し結合され得る。
また、隣接して上下積層されたカートリッジと二次電池とが左側端部から右側端部にまで連続して接触するように構成された縦断面形態を少なくとも一つ以上備えることができる。
また、前記カートリッジは、フック形態の締結突起及び前記締結突起が挿入される締結溝が、相互対応する形態で外周部に複数形成され得る。
また、最上部または最下部に位置する二次電池及びカートリッジの上部または下部を覆い、熱伝導性材質から構成された外部カバーをさらに含むことができる。
また、前記外部カバーは、外部表面に格子形態の凹部が形成され得る。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記二次電池の電圧をセンシングし、前記バッテリーモジュールの電極端子を提供し、前記二次電池の電極リードを外側から覆うセンシングカバーをさらに含むことができる。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、上部及び下部にそれぞれ外部カバーをさらに含み、前記センシングカバーは、上端及び下端がそれぞれ前記外部カバーの上部及び下部の一部を外部から覆うように前記外部カバー側へ延びて形成され、前記延びて形成された部分で前記外部カバーと結合固定され得る。
また、本発明によるバッテリーモジュールは、前記カートリッジの外側で冷媒が流れるように冷媒を供給する冷媒供給ユニットをさらに含むことができる。
また、上記の目的を達成するための本発明によるバッテリーモパックは、本発明によるバッテリーモジュールを含む。
また、上記の目的を達成するための本発明による自動車は、本発明によるバッテリーモジュールを含む。
本発明の一面の場合、カートリッジが熱伝導性材質から構成され、二次電池がカートリッジに接触して結合した形態で構成される。
したがって、本発明のこのような面によれば、二次電池を固定する役割を果たすカートリッジが二次電池の冷却という機能も果たすことができるため、カートリッジの以外に二次電池から熱を吸収して外部へ伝達するための冷却部材を二次電池の間に別途で設けなくてもよい。
また、本発明のこのような面によれば、二次電池の熱がカートリッジを介して側面方向へ直接排出できるため、二次電池の間に空気などを通過させるための流路を別途で設けなくてもよい。
そこで、本発明のこのような側面によれば、構造が簡単で、体積及び重さが小さいながらも冷却性能を安定的に確保できるバッテリーモジュールが提供できる。そして、二次電池の間に冷却部材を備えなくてもよいので、これらを絶縁させるための構成などを設けなくてもよい。
また、本発明の一面の場合、カートリッジがインサート射出成形などの方式で二次電池に一体化して結合できる。
したがって、本発明のこのような面によれば、複数の二次電池及びカートリッジを積層してバッテリーモジュールを組み立てるとき、二次電池の積層が即ちカートリッジの積層になるので、組立てが容易となる。
そのため、本発明のこのような面によれば、バッテリーモジュールの製造工程性が向上し、製造コスト及び時間、組立ての不良率などが減少し、生産性が向上できる。
さらに、本発明の一面によれば、カートリッジと二次電池との空間、二次電池同士の空間及びカートリッジ同士の空間が減り、バッテリーモジュールの大きさを減少させることができる。また、バッテリーモジュールの内部空間に空気層が存在しないか最小化できるため、空気層によって熱伝達が妨げられることを防止することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示す斜視図である。 図１の構成において、一部構成を分離して示した分離斜視図である。 本発明の一実施例によるパウチ型二次電池の構成を概略的に示す分離斜視図である。 図３の構成についての結合斜視図である。 本発明の一実施例による二次電池及びカートリッジの構成を概略的に示す斜視図である。 図５の線Ａ３−Ａ３’に沿って見た断面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの縦断面図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示す斜視図である。 図８の一部構成についての分離斜視図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、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例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例に過ぎず、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１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示す斜視図である。そして、図２は、図１の構成について一部構成を分離して示した分離斜視図である。
図１及び図２を参照すれば、本発明によるバッテリーモジュールは、二次電池１００及びカートリッジ２００を含む。
ここで、二次電池１００は、電極組立体及びパウチ外装材を備えることができる。
前記電極組立体は、一つ以上の正極板及び一つ以上の負極板がセパレータを挟んで配置されるように構成され得る。このような電極組立体の構成については、本発明が属する技術分野における当業者にとって自明な事項であるので、詳細な説明を省略する。
二次電池１００は、ケースの材質によって、缶型二次電池とパウチ型二次電池に分けられ、本発明によるバッテリーモジュールには、パウチ型二次電池を採用することができる。このようなパウチ型二次電池は、ケースとして、パウチ外装材を含む。そして、パウチ外装材は、外部絶縁層、金属層及び内部接着層を備えるように構成できる。
図３は、本発明の一実施例によるパウチ型二次電池１００の構成を概略的に示す分離斜視図であり、図４は、図３の構成についての結合斜視図である。
図３及び図４を参照すれば、パウチ型二次電池１００において、パウチ外装材１２０は、上部パウチ１２１及び下部パウチ１２２で構成される。そして、上部パウチ１２１及び下部パウチ１２２の少なくとも一つには、Ｉで示されたように、凹んだ形態の内部空間、即ち、収納空間が形成される。そして、このようなパウチ外装材１２０の内部空間には、電極組立体１１０及び電解質を収納することができる。
また、二次電池１００のパウチ外装材１２０は、Ｓで示さしたように、電極組立体１１０の収納空間を囲んでいる縁部が封止されることで封止部が形成される。即ち、上部パウチ１２１及び下部パウチ１２２は、封止部で内部接着層が熱溶着などの方式で相互接着されることで、内部空間が密閉されるようにすることができる。
また、電極組立体１１０の各電極板には電極タブが備えられ、一つ以上の電極タブが電極リード１１１と接続される。そして、電極リード１１１は、上部パウチ１２１と下部パウチ１２２との縁部の間、即ち、封止部の間に介されてパウチの外部に露出することで、二次電池１００の電極端子として機能できる。
パウチ型二次電池１００は、バッテリーモジュールに複数含まれ得る。そして、このようなパウチ型二次電池１００は、それぞれ水平方向に横たわって上下方向に配列され得る。即ち、パウチ型二次電池１００は、二つの広い面を有する板状型に形成することができ、二つの広い面が上下側に向け、封止された縁部は収納空間に対して水平方向における周り部分に位置するように構成できる。言い換えれば、二次電池１００の上部パウチ１２１及び下部パウチ１２２がそれぞれ上下側に位置するように、二次電池１００は水平方向に横たわれ得る。この場合、二次電池１００は、隣接する二次電池１００に対面するように上下方向に複数積層され得る。
一方、本明細書において、上、下、前、後、左、右などの方向は、説明の便宜のために、電極リード１１１が突出した部分を前方または後方とし、このような電極リード１１１を基準で左側と右側を定義する。即ち、図１のバッテリーモジュールの構成において、電極リード１１１が図示された側からバッテリーモジュールを眺めることを基準で、言い換えれば、矢印Ａ２方向へバッテリーモジュールを眺めることを基準で、手前に電極リード１１１が位置する部分をバッテリーモジュールの前方とし、左側と右側に位置する面をそれぞれバッテリーモジュールの左側と右側とする。また、矢印Ａ２部分の反対面にも電極リード１１１が備えられ得るが、該当部分については、前方の反対側として後方を示す。以下でも、特に述べない限り、このような方向を基準で説明する。
前記カートリッジ２００は、パウチ型二次電池１００の封止部に位置して封止部を囲むように構成される。このようなカートリッジ２００の構成については、図５及び図６を参照し、より具体的に説明する。
図５は、本発明の一実施例による二次電池１００及びカートリッジ２００の構成を概略的に示す斜視図であり、図６は、図５の線Ａ３−Ａ３’に沿って見た断面図である。
先に、図５を参照すれば、前記カートリッジ２００は、パウチ外装材１２０において電極組立体１１０が収納される収納空間Ｉの周りを囲むように構成される。即ち、二次電池１００の封止部は、平面視で、電極組立体１１０の収納空間Ｉの周りに沿って位置し、カートリッジ２００もこのような封止部と類似に電極組立体１１０の収納空間Ｉの周り部分に位置され得る。この場合、カートリッジ２００は、横たわった形態の二次電池１００の平面視で、中央部の収納空間Ｉを除いた部分に位置することで、略リング状に構成され得る。
特に、パウチ型二次電池１００は、図示したように、横たわった状態での平面視の形態が、略四角形となるよう構成される。したがって、カートリッジ２００は、このような二次電池１００の封止部に沿って位置し、四角のリング状に形成される。
また、図６を参照すれば、前記カートリッジ２００は、二次電池１００の封止部を外側から囲むように構成される。即ち、カートリッジ２００は、封止部の上部、下部及び側面部を囲むように、このような部分に接触してこれらと結合固定され得る。
特に、カートリッジ２００は、パウチ外装材１２０において電極組立体１１０の収納空間の側面外部に接触するように構成できる。ここで、収納空間の側面は、パウチ外装材１２０において電極組立体１１０が収納されるために、膨らんで突出した部分における水平方向の側面部分を示す。即ち、パウチ型二次電池１００は、パウチ外装材１２０において電極組立体１１０を収納する収納空間Ｉと封止部Ｓとの間に段差が存在し、図６において、Ｂで示されたように、収納空間Ｉと封止部Ｓとの間に斜面が存在する。このとき、カートリッジ２００は、収納空間Ｉのこのような外側斜面に対しても接触した状態でパウチ外装材１２０に結合するように構成され得る。言い換えれば、カートリッジ２００は、パウチ外装材１２０の封止部と斜面とがともにコーティングされるように構成され得る。
本発明のこのような構成によれば、カートリッジ２００と二次電池１００との接触面積が広くなり、二次電池１００とカートリッジ２００との熱伝達効率が増大する。即ち、二次電池１００で発生した熱は、パウチ外装材１２０の封止部のみならず、斜面を介してカートリッジ２００に直接伝導でき、このような熱の伝達経路に空気層が介されないことで空気層によって熱抵抗が発生することを防止することができる。したがって、この場合、二次電池１００とカートリッジ２００との熱伝達速度及び熱伝達量が増大するため、カートリッジ２００による冷却性能がより改善する。
望ましくは、前記カートリッジ２００は、インサート射出方式で、二次電池１００の封止部に結合され得る。即ち、前記カートリッジ２００は、金型内にパウチ型二次電池１００が挿入された状態で二次電池１００の封止部に樹脂を供給してコーティングされるようにすることで、封止部と一体化するように形成できる。
本発明のこのような構成によれば、カートリッジ２００が二次電池１００に結合固定された状態で存在するので、バッテリーモジュールの組立工程性が向上する。即ち、本発明のこのような構成によれば、複数の二次電池１００及びカートリッジ２００を積層してバッテリーモジュールを構成するとき、二次電池１００の積層とカートリッジ２００の積層とを別々に行わなくてもよく、一回の積層工程でカートリッジ２００の積層と二次電池１００の積層とを同時に行うことができる。
また、本発明のこのような構成によれば、二次電池１００の動きを防止することができ、カートリッジ２００と二次電池１００との間の空間が減少し、バッテリーモジュールの全体的な体積が減少する。それに加えて、本発明のこのような構成によれば、カートリッジ２００と二次電池１００との距離が近くなり、二次電池１００からカートリッジ２００への熱伝達効率が向上する。さらに、このような熱伝達効率の向上は、本発明によるバッテリーモジュールの場合、下記で説明するように、カートリッジ２００が熱伝導性材質から構成されることで、より効果的に達成できる。
本発明によるバッテリーモジュールにおいて、前記カートリッジ２００は、少なくとも一部分が熱伝導性材質から構成可能である。従来のカートリッジの場合、大体に熱伝導性のないポリマー材質から構成され、カートリッジを介して熱伝導がほとんど行われないため、別途の冷却部材を設ける場合が多い。しかし、本発明によるバッテリーモジュールに含まれるカートリッジ２００の場合、少なくとも一部分が内側から外側にまで熱伝導性材質から構成されることで、このようなカートリッジ２００の熱伝導性材質部分を介して、二次電池１００の熱がカートリッジ２００の外部へ伝達可能となる。そのため、本発明のこのような面によれば、二次電池１００の間のようにカートリッジ２００の内部に別途の冷却部材を備えなくても、効果的な冷却性能を確保することができる。
特に、前記カートリッジ２００は、少なくとも一部分が熱伝導性高分子を含むか、または熱伝導性フィラー及び高分子を含む熱伝導性材料から構成できる。即ち、カートリッジ２００は、一般的な金属や金属合金材料ではない高分子を主材料で構成され得る。このように高分子に基づく熱伝導性材料の場合、金属よりも重さが小さくてバッテリーモジュールの軽量化の達成に容易であり、成形に有利となり、熱膨脹係数及び電気伝導性が低いため、電気的絶縁性を確保しやすい。本発明は、カートリッジ２００の材料として、本発明の出願時点において公知の多様な高分子基盤の熱伝導性材料を採用することができる。
例えば、前記カートリッジ２００は、通常の高分子材料に熱伝導性を有するフィラーが混合された複合材料形態の材質から構成できる。ここで、フィラーには、ケイ素化合物、アルミニウム化合物、マグネシウム化合物、ホウ素化合物などが含まれ得る。例えば、熱伝導性材料に含まれるフィラーとして、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、無水炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウムなどを用いることができる。但し、本発明が必ずしもこれらに限定されることではなく、外にも多様なフィラーをカートリッジ２００の材料として用いることができる。
前記カートリッジ２００に用いられる高分子材料には、ポリプロピレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ナイロン、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトンなどの多様な材料を含むことができる。また、外にも多様な高分子材料を本発明のカートリッジ２００材料に用いることができる。
特に、前記カートリッジ２００を構成する熱伝導性材料は、熱伝導度が１Ｗ／ｍＫ以上である物質からなり得る。例えば、このような熱伝導性材料は、２Ｗ／ｍＫ〜２０Ｗ／ｍＫの高分子プラスチック材料である。さらに、熱伝導性材料は、５Ｗ／ｍＫ以上の高分子プラスチック材料からなり得る。
従来、カートリッジの素材として用いられるプラスチックの場合、大体に熱伝導度が０．１〜０．４Ｗ／ｍＫにすぎない。しかし、本発明によるカートリッジ２００の場合、熱伝導度がこれよりも高いポリマー素材を用いることで、カートリッジによって熱伝達及び排出が行われるようにすることができる。そのため、本発明のこのような実施例によれば、カートリッジの内部に金属材質の冷却プレートのような冷却部材を別途で設けなくても、二次電池１００の熱がカートリッジ２００を介して外側へ効果的に伝達されるようにすることができる。
さらに、本発明の一面によれば、カートリッジ２００が二次電池１００に対してインサート射出成形物として結合しているため、二次電池１００の熱は、空気層を介さず直接カートリッジ２００に伝達できる。そして、カートリッジ２００は、熱伝導性材質から構成されるため、カートリッジ２００に伝達された熱は、カートリッジ２００を介してバッテリーモジュールの外部へ排出できる。
望ましくは、前記カートリッジ２００は、全体的に同一材質から形成できる。即ち、図５及び図６に示した構成において、一つのカートリッジ２００は、全体的に同種の熱伝導性材質から構成される。例えば、前記カートリッジ２００は、全体的に同種の熱伝導性高分子から構成されるか、または全体的に同種の熱伝導性フィラー及び高分子から構成される。
本発明のこのような構成によれば、カートリッジ２００をインサート射出成形などの方式で二次電池１００の封止部に設ける構成をより容易に達成することができる。例えば、一つの溶融物を金型に注入することで、一つのカートリッジ２００を全体的に成形できるため、カートリッジ２００の製造が容易となり、製造時間が短縮する。
図７は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの縦断面図である。例えば、図７は、図１の線Ａ１−Ａ１’に沿って見た断面図である。
図７は、バッテリーモジュールを積層方向に切断した形態の縦断面を示し、複数のカートリッジ２００及び複数の二次電池１００は、同種同士が上下方向に積層されて構成されている。
ここで、本発明によるバッテリーモジュールは、少なくとも一つの縦断面形態において、隣接して積層されたカートリッジ２００と二次電池１００とが左側端部から右側端部にまで連続して接触するように構成される。
即ち、それぞれのカートリッジ２００は、隣接して積層されたカートリッジ２００と上部及び下部が全体的に接触しており、それぞれの二次電池１００ も隣接して積層された二次電池１００と上部及び下部が全体的に接触する。例えば、図７の構成において、Ａ４線を基準で見れば、上から３番目に位置するカートリッジ２００及び二次電池１００の下部は、上から４番目に位置するカートリッジ２００及び二次電池１００の上部と左側端部から右側端部にまで継続接触している。
特に、カートリッジ２００と二次電池１００は、一つの直線を基準で上下接触するように構成され得る。このために、カートリッジ２００は、上部及び下部が平たく構成され、上下方向の高さは、二次電池１００の高さと実質的に同一に構成され得る。また、二次電池１００は、電極組立体１１０の収納空間の上部及び下部が平たく構成され得る。
そして、このようなカートリッジ２００及び二次電池１００の連続的な接触構成は、他の全てのカートリッジ２００及び二次電池１００にも適用することができる。
本発明のこのような構成によれば、二次電池１００からカートリッジ２００ 方向への熱伝達がより効率的に行われる。即ち、本発明の一面によれば、二次電池１００で発生した熱は、カートリッジ２００側へ地面に水平な方向に移動でき、上下積層された二次電池１００の間及び上下積層されたカートリッジ２００の間が全て接触して構成されれば、熱が移動する経路に空気層が存在しないようになる。したがって、この場合、空気層によって熱の移動が妨げられることを減らすことができ、冷却性能を安定的に確保することができる。
また、本発明のこのような構成によれば、二次電池１００同士及びカートリッジ２００同士の接触面積が増大するため、これらの間でも熱伝達効率が向上する。例えば、ある二次電池１００で熱が発生した場合、このような熱は、該当の二次電池１００に結合固定されたカートリッジ２００のみならず、他の二次電池１００及び他のカートリッジ２００にも容易に伝達できる。したがって、他の二次電池１００及びカートリッジ２００を介しても熱を排出することができるため、熱排出経路が多くなり、全体的な冷却性能が向上する。
さらに、本発明のこのような構成によれば、二次電池１００とカートリッジ２００との間の空間がなくなるか、または細くなるので、バッテリーモジュールの大きさがより小くなる。
前記カートリッジ２００は、上下方向に相互積層自在に構成できる。このために、前記カートリッジ２００は、上部及び下部に他のカートリッジ２００が積層されるように表面が平たいか、相互対応するように形成され得る。
特に、前記カートリッジ２００は、相互対応する締結突起２０１及び締結溝２０２が外周部に形成され得る。
例えば、図５を参照すれば、カートリッジ２００は四角のリング状に形成され、二つの長辺及び二つの短辺を有し、長辺には、それぞれ六つの締結突起２０１及び六つの締結溝２０２が形成されており、短辺には、二つの締結突起２０１及び二つの締結溝２０２が形成されている。ここで、締結突起２０１はフック形態に構成され、締結溝２０２は、このようなフック形態に対応する孔の形態に形成され得る。そして、締結突起２０１は、カートリッジ２００の上面から上方へ突出するように構成され、外側方向、即ち、水平方向にフック係止部が突出するように構成され得る。また、締結溝２０２は、カートリッジ２００の側面を水平方向へ貫通するように形成できる。
特に、このような締結突起２０１及び締結溝２０２は、カートリッジ２００の外周部、即ち、側面部に位置できる。この場合、締結突起２０１及び締結溝２０２のような締結構成を形成するためにカートリッジ２００の全体的な大きさが大きくなることを防止することができる。
このような締結突起２０１及び締結溝２０２は、カートリッジ２００が上下方向に積層されるとき、上部及び下部に位置する他のカートリッジ２００の締結突起２０１及び締結溝２０２と結合することで、カートリッジ２００及び二次電池１００を相互固定することができる。そして、このような構成によって、本発明によるバッテリーモジュールは、カートリッジ２００同士を固定するためにボルト結合構成などを別途で備えなくてもよい。したがって、これによって、バッテリーモジュールについての製造コストが節減され、工程が簡素化し、重さを低めることができる。
また望ましくは、本発明によるバッテリーモジュールは、複数の図面に示したように、外部カバー３００をさらに含むことができる。
図１、図２及び図７を参照すれば、前記外部カバー３００は、バッテリーモジュールの上部及び／または下部に位置し、バッテリーモジュールの上部及び／または下部を覆う。例えば、前記外部カバー３００は、最上部に位置する二次電池１００及びカートリッジ２００の上部に位置し、これらを覆うことができる。また、前記外部カバー３００は、最下部に位置する二次電池１００及びカートリッジ２００の下部に位置し、これらを覆うことができる。したがって、前記外部カバー３００は、最上部及び最下部に位置する二次電池１００の外部露出を遮断し、バッテリーモジュール外部の物理的または化学的な要素に対して二次電池１００及びカートリッジ２００を保護することができる。
特に、このような外部カバー３００は、カートリッジ２００と同様に熱伝導性材質から構成できる。この場合、外部カバー３００は、カートリッジ２００と同一材質または相異する熱伝導性材質から構成できる。例えば、外部カバー３００は、熱伝導性高分子、または熱伝導性フィラー及び高分子から構成できる。
本発明のこのような構成によれば、二次電池１００で発生した熱は、側面部に位置したカートリッジ２００のみならず、最上部及び／または最下部に位置した外部カバー３００を介しても排出できるため、バッテリーモジュールの全体的な冷却性能がより向上できる。
このような外部カバー３００は、外部表面に格子形態の凹部が形成され得る。例えば、上部に位置した外部カバー３００の場合、図１及び図２に示したように、上面に凹部が形成され、このような凹部は格子形態に形成される。
本発明のこのような構成によれば、ポリマー材質から構成できる外部カバー３００に対し、機械的強度を高める一方、外気との接触面積を増大させることで外部カバー３００による冷却性能をより向上させることができる。
図８は、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示す斜視図であり、図９は、図８の一部構成についての分離斜視図である。
図８及び図９を参照すれば、本発明によるバッテリーモジュールは、センシングカバー４００をさらに含むことができる。
前記センシングカバー４００は、バッテリーモジュールにおいて、電極リード１１１が備えられて突出した側に位置し、二次電池１００の電極リード１１１を外側から覆うことができる。例えば、電極リード１１１が二次電池１００の前方側及び後方側に突出するように形成された両方向二次電池１００がバッテリーモジュールに含まれた場合、センシングカバー４００は、バッテリーモジュールの前方側及び後方側に位置できる。このようなセンシングカバー４００は、外部の物理的、化学的要素から二次電池１００の電極リード１１１を保護することができる。特に、このようなセンシングカバー４００は、下記のバスバーやコネクターの接続端子のような特定構成を除いては、全体的にプラスチックのような電気的に非伝導性材質から構成され、電極リード１１１と電気的に絶縁し、電極端子４２０を除いては、二次電池１００の電極リード１１１が電気的に外部に露出することを遮断できる。
また、前記センシングカバー４００は、二次電池１００の電圧をセンシングすることができる。このために、前記センシングカバー４００は、金属材質のセンシング用バスバー４１１を備え、二次電池１００の電極リード１１１と接触するようにすることができる。特に、センシングカバー４００は、複数のセンシング用バスバー４１１を備えて二次電池１００の電極リード１１１の連結部分ごとに相異なるセンシング用バスバー４１１が接触するようにすることができる。この場合、センシングカバー４００は、全ての二次電池１００に対してそれぞれの電圧をセンシングすることができる。
そして、センシングカバー４００は、外部の他の装置、例えば、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に電圧センシング情報を伝達するための接続コネクター４５０を備え、センシング用バスバー４１１と接続コネクター４５０とが相互接続するように構成することができる。この場合、センシング用バスバー４１１を介してセンシングされた二次電池１００の電圧センシング情報は、コネクター４５０に接続されたケーブルを介して ＢＭＳなどに供給され、ＢＭＳなどの装置が二次電池１００の充放電の制御に用いれ得る。
また、前記センシングカバー４００は、バッテリーモジュールの電極端子４２０を提供することができる。例えば、図８及び図９に示したように、センシングカバー４００は、前方側へ突出して形成された二つの電極端子、即ち、正極端子及び負極端子を備えることができる。このような電極端子４２０は、外部の他の器機、例えば、充電装置や放電装置（負荷）、または他のバッテリーモジュールに接続することに用いることができる。そして、このような電極端子４２０は、バッテリーモジュールに含まれた二次電池１００の電極リード１１１と接続用バスバー４１２などによって相互接続され得る。
一方、バッテリーモジュールに含まれた複数の二次電池１００は、相互電気的に直列または並列に接続されるために、少なくとも二つの電極リード１１１が相互接続し得る。この際、前記センシングカバー４００は、直接接続された電極リード１１１が載置されるようにし、相互接続しない電極リード１１１ の間は、相互物理的に分離されるように載置部４３０を備えることができる。
前記載置部４３０は、センシングカバー４００の本体と同様に電気的に非伝導性の材質から構成され、接続されてはいけない電極リード１１１が意図せず相互接続することを防止し、バッテリーモジュールで内部短絡などが発生することを防止することができる。また、前記載置部４３０は、相互接続した電極リード１１１の下部が載置され、電極リード１１１を上方に支持できるため、電極リード１１１とセンシング用バスバー４１１とが相互安定的に接触するようにすることができる。
特に、バッテリーモジュールの上部及び下部にそれぞれ外部カバー３００が含まれる構成において、前記センシングカバー４００は、上端及び下端が外部カバー３００の上部及び下部の一部を外側から覆うように外部カバー３００ 側へ延びて形成され得る。そして、センシングカバー４００は、このように延びて形成された部分で外部カバー３００と結合固定されるように構成され得る。
例えば、図９に示したように、センシングカバー４００は、上端及び下端が折り曲げられてバッテリーモジュールの中心側に向けて水平方向へ延びて形成されるように構成できる。そして、図８に示したように、センシングカバー４００が外部カバー３００に結合した状態では、このようなセンシングカバー４００の延長部分が、上部側の外部カバー３００の上部及び下部側の外部カバー３００の下部を覆うように構成され得る。
この際、バッテリーモジュールの上部側に位置する外部カバー３００は、前方側の角部分に上方へ突出するように形成されたカバー突起３２０が一つ以上形成され得る。そして、センシングカバー４００の上端の延長部分には、このようなカバー突起３２０に対応する位置及び形態でカバー孔４４０が一つ以上形成され得る。したがって、外部カバー３００のカバー突起３２０は、図８に示したように、センシングカバー４００のカバー孔４４０に挿入されることで、センシングカバー４００と外部カバー３００とは、互に締結固定できる。
本発明のこのような構成によれば、センシングカバー４００の外部カバー３００への結合工程が容易に行われる。また、本発明のこのような構成によれば、センシングカバー４００と外部カバー３００との締結構成を安定的に維持でき、これらの間の空間から異物が流入しにくくなる。
一方、外部カバー３００は、図９に示したように、センシングカバー４００の上端及び下端の延長部分が載置される部分について、他の部分よりも厚さを薄く構成することができる。このような構成によれば、センシングカバー４００が外部カバー３００に結合した状態で、センシングカバー４００と外部カバー３００との結合部分によってバッテリーモジュールの全体高さが大きくなることを防止することができる。
本発明によるバッテリーモジュールは、冷媒供給ユニットをさらに含むことができる。
前記冷媒供給ユニットは、冷媒、例えば、空気のような冷却用気体、または水のような冷却用液体をバッテリーモジュールに供給することができる。特に、前記冷媒供給ユニットは、図７に示したように、バッテリーモジュールの左側及び右側に冷媒が流れるようにすることができる。このために、前記冷媒供給ユニットは、ダクトやパイプ、ファンやポンプなどを備えることができる。
本発明によるバッテリーモジュールは、二次電池１００からカートリッジ２００側へ熱が主に水平方向に移動できるため、冷媒はバッテリーモジュールの水平方向における端部であるカートリッジ２００の外側へ供給されて流れることがよい。この場合、全てのカートリッジ２００が冷媒に直接接触し得るため、二次電池１００の全体に対し、均一な冷却性能を安定的に確保することができる。
本発明によるバッテリーパックは、本発明によるバッテリーモジュールを一つ以上含むことができる。また、本発明によるバッテリーパックは、このようなバッテリーモジュールに加え、このようなバッテリーモジュールを収納するためのパックケース、バッテリーモジュールの充放電を制御するための各種装置、例えば、ＢＭＳ、電流センサー、ヒューズなどをさらに含むことができる。
本発明によるバッテリーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用できる。即ち、本発明による自動車は、本発明によるバッテリーモジュールを含む。特に、電気自動車のようにバッテリーから駆動力を得る自動車の場合、バッテリーモジュールの小型化及び軽量化とともに冷却性能が非常に重要となる。したがって、このような自動車に本発明によるバッテリーモジュールを適用する場合、バッテリーモジュールの収納空間及び重さを減らしながらも効果的な冷却性能によって安定的かつ安全なバッテリーモジュールを提供することができる。

以上のように、本発明を限定された実施例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。
なお、本明細書において、上、下、左、右、前、後のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は相対的な位置を示し、説明の便宜のためのものであるだけで、対象となる事物の位置や観測者の位置などによって変わり得ることは、当業者にとって自明である。
１００ 二次電池
１１０ 電極組立体
１１１ 電極リード
１２０ パウチ外装材
１２１ 上部パウチ
１２２ 下部パウチ
２００ カートリッジ
２０１ 締結突起
２０２ 締結溝
３００ 外部カバー
３２０ カバー突起
４００ センシングカバー
４１１ センシング用バスバー
４１２ 接続用バスバー
４２０ 電極端子
４３０ 載置部
４４０ カバー孔
４５０ 接続コネクター

Claims (12)

  1. 電極組立体、及び前記電極組立体を内部空間に収納し、封止部が設けられたパウチ外装材を備え、水平方向へ横たわって上下方向に配列された複数の二次電池と、
    上下方向に相互積層自在に構成され、前記二次電池の封止部を囲むように前記封止部に接触して結合し、１Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を有する熱伝導性材質から構成された複数のカートリッジと、
    を含むバッテリーモジュールであって、
    前記カートリッジは、上部開口部及び底部開口部を有し、
    隣接する二次電池は、前記カートリッジの上部開口部及び底部開口部を通じて互いと直接的に接触しており、
    前記バッテリーモジュールは、最上部または最下部に位置する二次電池及びカートリッジの上部または下部を覆い、前記カートリッジの前記熱伝導性材質と同一の又は相異する熱伝導性材質から構成された外部カバーをさらに含み、
    前記カートリッジ及び前記外部カバーは、少なくとも一部分が熱伝導性高分子を含むか、または熱伝導性フィラー及び高分子を含む熱伝導性材料を含み、
    前記外部カバーは、最上部または最下部に位置する二次電池及びカートリッジと直接的に接触していることを特徴とするバッテリーモジュール。
  2. 前記カートリッジは、全体的に同一材質から形成された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. 前記カートリッジは、平面視で四角のリング状に形成され、前記パウチ外装材において電極組立体の収納空間の側面外部に接触した状態で前記収納空間の周りを囲むように構成された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. 前記カートリッジは、インサート射出成形され、前記二次電池の封止部に接触し結合された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. 隣接して上下積層されたカートリッジと二次電池とが左側端部から右側端部にまで連続して接触するように構成された縦断面形態を少なくとも一つ以上備え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. 前記カートリッジは、フック形態の締結突起及び前記締結突起が挿入される締結溝が、相互対応する形態で外周部に複数形成された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. 前記外部カバーは、外部表面に格子形態の凹部が形成された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モジュール。
  8. 前記二次電池の電圧をセンシングし、前記バッテリーモジュールの電極端子を提供し、前記二次電池の電極リードを外側から覆うセンシングカバーをさらに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。
  9. 上部及び下部にそれぞれ外部カバーをさらに含み、
    前記センシングカバーは、上端及び下端がそれぞれ前記外部カバーの上部及び下部の一部を外部から覆うように前記外部カバー側へ延びて形成され、前記延びて形成された部分で前記外部カバーと結合固定され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. 前記カートリッジの外側で冷媒が流れるように冷媒を供給する冷媒供給ユニットをさらに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. 請求項１〜請求項１０のうち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。
  12. 請求項１〜請求項１０のうち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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