JP6683811B2 - バッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリーパックに関し、より詳しくは、冷却構造及び容積率を改善したバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車に関する。
本出願は、２０１６年４月２５日出願の韓国特許出願第１０−２０１６−００５０１７１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、すべて本出願に援用される。
製品群毎の適用性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車（ＥＶ；Electric Vehicle）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ；Hybrid Electric Vehicle）などに普遍的に用いられている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点で環境にやさしく、エネルギー効率向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
現在、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などの二次電池が広く使用されている。このような単位二次電池セル、すなわち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ〜４．２Ｖである。したがって、これより高い出力電圧が求められる場合、多数の二次電池セルを直列で連結してバッテリーパックを構成することがある。また、バッテリーパックに求められる充放電容量に応じて多数のバッテリーセルを並列で連結してバッテリーパックを構成することもある。したがって、前記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの個数は、求められる出力電圧または充放電容量に応じて多様に設定され得る。
一方、多数のバッテリーセルを直列／並列で連結してバッテリーパックを構成する場合、複数のバッテリーセルからなるバッテリーモジュールをまず構成し、このような複数のバッテリーモジュールを用いてその他の構成要素を付け加え、バッテリーパックを構成する方法が一般的である。
すなわち、バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを横または縦に積層した後、バッテリーセルの最上面又は最下面にバッテリーセルを保護し固定するための外郭フレーム（エンドプレート）を重ねる構造を有する。そして、このようなバッテリーモジュールは、バッテリーパックにさらに収納されて固定される構造を有する。
また、マルチバッテリーモジュール構造のバッテリーパックは、多数の二次電池が狭い空間に密集した形態で製造されるため、各二次電池から発生する熱を容易に放出することが重要である。二次電池の充電／放電の過程は上述したように電気化学的反応によって行われるため、充放電過程で発生したバッテリーモジュールの熱が効果的に除去されなければ、熱蓄積が起き、結果的にバッテリーモジュールの劣化が促進され、場合によっては発火または爆発が起きる恐れがある。したがって、高出力大容量のバッテリーパックにはそれに内蔵されているバッテリーセルを冷却する冷却装置が必ず必要となる。
しかし、従来のバッテリーパックにおいては、冷却フィンまたはヒートシンクなどの冷却装置が占める空間が大きいため、バッテリーセルとそれを含むバッテリーパックの容積率が低下するしかなく、冷却部の追加構成によりバッテリーパックの製造単価が上がるという問題がある。
また、従来のバッテリーパックでは、複数個が積層されるバッテリーセルを固定し剛性を維持するための別途の外郭フレーム（エンドプレート）と、それを収納支持する追加的なパックケースとの二重構造を有するため、製造コストが嵩み、近年の二次電池の軽量化趨勢に背馳するという問題がある。
したがって、本発明は、冷媒を通じてバッテリーセルを直接循環冷却する方式の冷却構成により、バッテリーパックの容積率を増加させ、製造単価を下げるとともに、バッテリーセルを囲む別途の外郭フレーム（エンドプレート）を省略してもパックケースの内部で堅固に支持され剛性を維持しながらも製造コストを低減でき、二次電池の軽量化が可能なバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明は、少なくとも１つのバッテリーセルを含むバッテリーセルアセンブリ；前記バッテリーセルを冷却するための冷媒が流入及び流出される流入部及び流出部が一側に設けられ、前記バッテリーセルアセンブリを収容して固定及び支持するパックケース；及びそれぞれの前記バッテリーセルに接触して冷却するように、前記流入部及び流出部と連通して前記パックケースの内部に前記冷媒を供給及び循環させる冷媒供給循環ユニットを含むことを特徴とするバッテリーパックを提供する。
前記パックケースは、前記バッテリーセルアセンブリが収納される収納空間を形成するように複数の横区画隔壁及び縦区画隔壁が設けられたケース本体；及び前記ケース本体の上面に設けられたケースカバー；及び前記ケースカバー上に設けられ、前記バッテリーセルアセンブリを弾性加圧する弾性加圧部を含むことができる。
前記ケース本体には、前記バッテリーセルの板面に対応するように内側に傾くか又は垂直に窪んで形成され、前記バッテリーセルアセンブリが安着される安着溝部を設けることができる。
前記弾性加圧部には、一対の傾斜区間、及び前記傾斜区間の端部同士を連結し、前記ケースカバーの板面から窪んで形成された陥没区間が形成され、前記弾性加圧部は、前記陥没区間のうち少なくとも一部領域が前記バッテリーセルアセンブリの上面に接触して押下することができる。
前記バッテリーセルアセンブリと前記弾性加圧部との間には相互固定させる接着部材を介設することができる。
前記ケース本体と前記ケースカバーとは締結用ねじでねじ結合され、前記ケースカバーには前記弾性加圧部の周りに沿って規則的に所定間隔離隔しながら厚さ方向に貫通する第１結合孔を形成し、前記横区画隔壁及び縦区画隔壁には長さ方向に沿って前記第１結合孔に対応する位置に前記締結用ねじが収容される第２結合孔を形成することができる。
前記第１結合孔の内側に長さ方向に沿って窪み、前記締結用ねじが安着支持される安着支持部を設け、前記安着支持部と前記第２結合孔の上面周縁との間に前記冷媒の外部流出を防止するシーリング部材を介設することができる。
前記横区画隔壁及び縦区画隔壁には少なくとも１つの冷媒循環孔を形成することができる。
前記ケースカバーと前記弾性加圧部とはプレス加工によって一体的に製作することができる。
前記パックケースはアルミニウム材質で製作され、前記冷媒は絶縁油であり得る。
また、本発明は、上述した実施例によるバッテリーパックを含むことを特徴とする自動車を提供する。
本発明の一態様によれば、バッテリーセルに対する冷媒の直接接触循環方式の冷却構成により、従来の冷却フィンまたはヒートシンクのような冷却装置を省略できるため、バッテリーパックの容積率を増加でき、構造を単純化することができる。
また、本発明の他の態様によれば、従来の外郭フレーム（エンドプレート）を省略しても、パックケースの内部にバッテリーセルを堅固に支持し剛性を維持しながらも軽量化が可能なバッテリーパックを提供することができる。
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パックの概略的な斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 図３のＢ部分の拡大図である。 図３のＣ部分の拡大図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックの冷媒供給循環ユニットの冷媒循環過程を概略的に説明するための図である。
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とで本発明をより明確にする。後述する実施例は発明の理解を助けるため例示的に示されるものであり、本発明が後述する実施例から多様に変形されて実施できることを理解せねばならない。また、発明の理解を助けるため、添付された図面は、実際の縮尺ではなく、一部構成要素の寸法が誇張して示され得る。
図１は本発明の一実施例によるバッテリーパックの概略的な斜視図であり、図２は図１の分解斜視図であり、図３は図１のＡ−Ａ矢視図であり、図４は図３のＢ部分の拡大図であり、図５は図３のＣ部分の拡大図である。
バッテリーパック１０は、自動車の燃料源として自動車に装着することができる。例えば、前記バッテリーパック１０は、電気自動車、ハイブリッド自動車及びその他バッテリーパック１０を燃料源として使用可能なその他の方式で自動車に装着することができる。また、前記バッテリーパック１０は、前記自動車の外にも、二次電池を使用する電力貯蔵装置（Energy Storage System）などのその他の装置や器具及び設備などにも装着できることは言うまでもない。
図１〜図５を参照すれば、バッテリーパック１０は、少なくとも１つのバッテリーセル１１０を含むバッテリーセルアセンブリ１００；前記バッテリーセル１１０を冷却するための冷媒が流入及び流出される流入部２１１及び流出部２１２が一側に設けられ、前記バッテリーセルアセンブリ１００を収容して固定及び支持するパックケース２００；及びそれぞれの前記バッテリーセル１１０に接触して冷却できるように、前記流入部及び流出部と連通して前記パックケース２００の内部に前記冷媒を供給及び循環させる冷媒供給循環ユニット３００を含むことができる。
バッテリーセルアセンブリ１００は、図２及び図３を主に参照すれば、複数のバッテリーセル１１０が積層され、その他各種の部品を含むことができる。より詳しくは、前記バッテリーセル１１０はパウチ型二次電池であり得、複数が備えられて相互電気的に連結され得る。それぞれのバッテリーセル１１０は、図示していないが、電極組立体、前記電極組立体を収容する電池ケース及び前記電池ケースの外側に突出して前記電極組立体と電気的に連結される電極リードなどの多様な部品を含み得る。ここで、前記電極リードは正極リードと負極リードを含み、前記正極リードは前記電極組立体の正極板に連結され、前記負極リードは前記電極組立体の負極板に連結され得る。
また、積層されたバッテリーセル１１０の側面などには、図示していないが、積層されたバッテリーセル１１０の組立をガイドし、積層時の固定力を確保する別途のセルカートリッジ（図示せず）などが含まれ得る。
前記パックケース２００は、前記バッテリーパック１０の外観を形成し、冷媒が滞留しながら流動する流動空間を提供することができる。このような前記パックケース２００は、前記バッテリーセルアセンブリ１００及び前記冷媒を収容することができる。
このような前記パックケース２００は、図２を主に参照すれば、一側に冷媒が流入及び流出される流入部２１１及び流出部２１２を設けることができる。流入部２１１及び流出部２１２はそれぞれ冷媒供給循環ユニット３００と連通している。一方、本実施例では流入部２１１及び流出部２１２がそれぞれ２個ずつ設けられたが、その個数や位置は本実施例の権利範囲を限定しない。
また、パックケース２００は、内部に収納されたバッテリーセルアセンブリ１００を固定及び支持する役割をする。そのため、パックケース２００は、前記バッテリーセルアセンブリ１００が収納される収納空間を形成するケース本体２１０、前記ケース本体２１０の上面に設けられたケースカバー２３０、及び前記ケースカバー２３０の上側に設けられ、前記バッテリーセルアセンブリ１００を弾性加圧する弾性加圧部２５０を含むことができる。
ケース本体２１０には複数の横区画隔壁２１３及び縦区画隔壁２１４が設けられ、横区画隔壁２１３と縦区画隔壁２１４とで区画されるそれぞれの収納空間にバッテリーセルアセンブリ１００を収納することができる。
そして、前記ケース本体２１０には、図３及び図４に示されたように、前記バッテリーセル１１０の板面に対応するように内側に傾いて窪んで形成され、前記バッテリーセルアセンブリ１００の中央部分が安着固定される安着溝部２１７を設けることができる。安着溝部２１７は、バッテリーセル１１０及びバッテリーセルアセンブリ１００をより容易に固定できるようにする。安着溝部２１７の形状は、本実施例と違って、内側に丸くするか又は垂直に段差を設けて形成しても良い。
ケース本体２１０の上面にはケースカバー２３０を設けることができる。ケースカバー２３０は板状であり、ケース本体２１０との結合のための複数の結合孔２１６、２３１を形成することができる。ケースカバー２３０は、内部のバッテリーセルアセンブリ１００を保護するとともに冷媒の外部流出を防止する。
ケースカバー２３０の板面上には弾性加圧部２５０を設けることができる。弾性加圧部２５０は、バッテリーセルアセンブリ１００に接触し、バッテリーセルアセンブリ１００を下方に押下してバッテリーセルアセンブリ１００を固定する役割をする。
そのため、それぞれの弾性加圧部２５０には、主に図３に示されたように、一対の傾斜区間２５１、及び前記傾斜区間２５１の端部同士を連結し、前記ケースカバー２３０の板面から窪んで形成された陥没区間２５２を形成することができ、前記陥没区間２５２のうち少なくとも一部区間が前記バッテリーセルアセンブリ１００の上面に接触して押下することができる。このような前記ケースカバー２３０と前記弾性加圧部２５０とは、プレス加工によって一体的に製作することができる。それにより、製造コストを節減し、二次電池を軽量化することができる。
また、前記バッテリーセルアセンブリ１００と前記弾性加圧部２５０との間には、相互固定させる接着部材２６０を介設することができる。
このような結合構成、すなわち、ケース本体２１０の安着溝部２１７、ケースカバー２３０の弾性加圧部２５０及び接着部材２６０によって、バッテリーセルアセンブリ１００をパックケース２００内に堅固に固定することができる。すなわち、バッテリーセル１１０を囲む別途の外郭フレーム（エンドプレート）を設けなくても、ケース本体２１０の安着溝部２１７、ケースカバー２３０の弾性加圧部２５０及び接着部材２６０の結合構成によって、パックケース２００の内部で堅固に、且つ、剛性を維持しながら支持及び固定することができる。
一方、パックケース２００は、前記バッテリーセルアセンブリ１００の熱を外部に排出することができる。ここで、前記パックケース２００は、効果的な熱排出のため、高い熱電導度を有するアルミニウム材質で成り得る。
本発明の実施例によるバッテリーパック１０は、冷媒（絶縁油）を用いてバッテリーセル１１０を直接循環冷却する方式の冷却構成を有する。そのため、パックケース２００の一側に冷媒供給循環ユニット３００を設けることができる。
冷媒供給循環ユニット３００は、図２を参照すれば、内部に供給循環用モータ３１０、及び冷媒が流入し滞留する滞留空間３１１を含み、前記冷媒は供給循環用モータ３１０を通じて流入部２１１に供給され、パックケース２００を循環してから流出部２１２を通じて滞留空間３１１に戻ることができる。
冷媒循環のため、ケース本体２１０の横区画隔壁２１３及び縦区画隔壁２１４にはそれぞれ少なくとも１つの冷媒循環孔２１５が形成され得、冷媒は横区画隔壁２１３と縦区画隔壁２１４とからなる１つの収納空間から他の収納空間に移動することができる。
このような冷媒供給循環ユニット３００を通じて流体状態の冷媒がパックケース２００の内部を冷却循環するためにはパックケース２００の密封構造が必ず必要である。
密封構造について図２、図３及び図５を参照して詳しく説明する。
前記ケース本体２１０と前記ケースカバー２３０とは締結用ねじ２４０でねじ結合され、前記ケースカバー２３０には前記弾性加圧部２５０の周りに沿って規則的に所定間隔離隔しながら厚さ方向に貫通する第１結合孔２３１を形成し、前記横区画隔壁２１３及び縦区画隔壁２１４には長さ方向に沿って前記第１結合孔２３１に対応する位置に前記締結用ねじ２４０が収容される第２結合孔２１６を形成することができる。図３の左側には締結用ねじ２４０が省略した状態が示されている。
そして、第１結合孔２３１の内側には長さ方向に沿って窪み、前記締結用ねじ２４０のヘッドが安着支持される安着支持部２３２を設け、前記安着支持部２３２と前記第２結合孔２１６の上面周縁との間に前記冷媒の外部流出を防止するシーリング部材２４１を介設することができる。シーリング部材２４１によってケース本体２１０とケースカバー２３０とを相互密封することができる。ケース本体２１０とケースカバー２３０との間は、ねじ結合だけでなく、ケース本体２１０に対してケースカバー２３０をスポット溶接などで結合しても良い。
前記冷媒供給循環ユニット３００によって供給及び循環する前記冷媒は、前記バッテリーセルアセンブリ１００を冷却するためのものであって、前記バッテリーセルアセンブリ１００が浸かるように前記パックケース２００内を満たすことができる。具体的に、前記冷媒は、前記パックケース２００内で前記バッテリーセルアセンブリ１００の間の空間にも満たされ、また、前記複数のバッテリーセル１１０の間のそれぞれの空間にも満たされ得る。
前記冷媒は高い熱容量を有する物質からなり得る。そのため、本実施例によれば、前記パックケース２００内に満たされる前記冷媒を通じて前記バッテリーセルアセンブリ１００を冷却するための別途の冷却フィン及びヒートシンクなどの構造物を必要としない。
それによって、本実施例では別途の冷却フィン及びヒートシンクなどの構造物を省略でき、バッテリーセル１１０の容積率を高めて製造コストを節減することができる。
そして、前記冷媒は、絶縁性を有する絶縁油、またはそれを含む物質からなり得る。絶縁油はバッテリーセル１１０と直接接触しながら循環するため、冷却効果が優れる。また、前記冷媒の比熱の差によって、バッテリーセル１１０の発火を阻止又は予防することができる。
また、前記冷媒は、前記パックケース２００内で前記バッテリーセルアセンブリ１００のダンパー役割を果たすことができる。前記バッテリーセルアセンブリ１００の場合、外部の衝撃などに弱い恐れがあるが、前記冷媒が前記バッテリーセルアセンブリ１００のバッテリーセル１１０の間の空間及び前記パックケース２００と前記バッテリーセルアセンブリ１００との間の空間に満たされることで、前記バッテリーセルアセンブリ１００に対する外部の衝撃を減少させ、結果的に、バッテリーパック１０の安全性を保障することができる。
以下、本実施例による前記バッテリーパック１０の具体的な動作について詳しく説明する。
図６は、本発明の一実施例によるバッテリーパックの冷媒供給循環ユニットの冷媒循環過程を概略的に説明するための図である。
まず、図３を参照すれば、前記バッテリーパック１０のそれぞれのバッテリーセル１１０及びバッテリーセルアセンブリ１００は、前記ケースカバー２３０の弾性加圧部２５０及び前記ケース本体２１０の安着溝部２１７を用いて前記ケース本体２１０内に弾性加圧して堅く固定することができる。
それによって、本実施例では前記複数のバッテリーセルアセンブリ１００を前記ケース本体２１０内に装着するとき、前記複数のバッテリーセル１１０の安定的な固定のための別途の外郭フレーム、すなわち、エンドプレートやテンションバーのような追加部品などを必要とせず、前記バッテリーパック１０の製造コストを節減することができる。
図６を主に参照すれば、前記バッテリーパック１０は、前記冷媒供給循環ユニット３００を通じて前記複数のバッテリーセル１１０及びバッテリーセルアセンブリ１００内に前記冷媒を循環させることができる。すなわち、供給循環用モータ３１０から供給された冷媒は流入部２１１を通ってパックケース２００の内部に流れ込み、それぞれのバッテリーセル１１０に直接接触しながら流動して、冷媒循環孔２１５を通ってそれぞれの収納空間で循環することができる。最終的に流出部２１２を通って冷媒供給循環ユニット３００の滞留空間３１１に移動することができる。
本実施例では、このように循環する前記冷媒を通じて前記複数のバッテリーセル１１０の冷却効率を著しく向上させることができる。
さらに、本実施例では、このような冷媒循環構造を通じて、従来冷却のために設けられた冷却装置、すなわち、複数の冷却フィン及びヒートシンクなどの部品などを省略できることで製造コストを節減でき、これら部品の分前記バッテリーセル１１０の容積率を高めて、前記バッテリーセル１１０のエネルギー密度を増大させることができる。
このように、本実施例によれば、製造コストの節減とともに、前記バッテリーセル１１０のエネルギー密度を高めて冷却性能を向上できる前記バッテリーパック１０を提供することができる。さらに、本実施例による前記バッテリーパック１０を備える前記自動車のような装置や器具及び設備も、上述した前記バッテリーパック１０による長所をすべて有することができる。
以上、本発明の望ましい実施例を図示し説明したが、本発明が上述した特定の実施例に限定されることはなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者によって多様な変形実施が可能であり、このような変形実施は本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはならない。
１０ バッテリーパック
１００ バッテリーセルアセンブリ
１１０ バッテリーセル
２００ パックケース
２１０ ケース本体
２１１ 流入部
２１２ 流出部
２１３ 横区画隔壁
２１４ 縦区画隔壁
２１５ 冷媒循環孔
２１６ （第２）結合孔
２１７ 安着溝部
２３０ ケースカバー
２３１ （第１）結合孔
２３２ 安着支持部
２４１ シーリング部材
２５０ 弾性加圧部
２５１ 傾斜区間
２５２ 陥没区間
２６０ 接着部材
３００ 冷媒供給循環ユニット
３１０ 供給循環用モータ
３１１ 滞留空間

Claims (8)

  1. 少なくとも１つのバッテリーセルを含むバッテリーセルアセンブリ；
    前記バッテリーセルを冷却するための冷媒が流入及び流出される流入部及び流出部が一側に設けられ、前記バッテリーセルアセンブリを収容して固定及び支持するパックケース；及び
    それぞれの前記バッテリーセルに接触して冷却するように、前記流入部及び流出部と連
    通して前記パックケースの内部に前記冷媒を供給及び循環させる冷媒供給循環ユニット；
    を含み、
    前記パックケースは、
    前記バッテリーセルアセンブリが収納される収納空間を形成するように複数の横区画隔壁及び縦区画隔壁が設けられたケース本体と、
    前記ケース本体の上面に設けられたケースカバーと、
    前記ケースカバー上に設けられ、前記バッテリーセルアセンブリを弾性加圧する弾性加圧部と、
    を含み、
    前記ケース本体と前記ケースカバーとは締結用ねじでねじ結合され、前記ケースカバーには前記弾性加圧部の周りに沿って規則的に所定間隔離隔しながら厚さ方向に貫通する第１結合孔が形成され、前記横区画隔壁及び縦区画隔壁には長さ方向に沿って前記第１結合孔に対応する位置に前記締結用ねじが収容される第２結合孔が形成され、
    前記第１結合孔の内側に長さ方向に沿って窪み、前記締結用ねじが安着支持される安着支持部が設けられ、前記安着支持部と前記第２結合孔の上面周縁との間に前記冷媒の外部流出を防止するシーリング部材が介設されることを特徴とするバッテリーパック。
  2. 前記ケース本体には、前記バッテリーセルの板面に対応するように内側に傾くか又は垂直に窪んで形成され、前記バッテリーセルアセンブリが安着される安着溝部が設けら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. 前記弾性加圧部は、一対の傾斜区間、及び前記傾斜区間の端部同士を連結し、前記ケースカバーの板面から窪んで形成された陥没区間が形成され、前記弾性加圧部は、前記陥没区間のうち少なくとも一部領域が前記バッテリーセルアセンブリの上面に接触して押下す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. 前記バッテリーセルアセンブリと前記弾性加圧部との間には相互固定させる接着部材が介設されることを特徴とする請求項３に記載のバッテリーパック。
  5. 前記横区画隔壁及び縦区画隔壁には少なくとも１つの冷媒循環孔が形成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。
  6. 前記ケースカバーと前記弾性加圧部とはプレス加工によって一体的に製作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。
  7. 前記パックケースはアルミニウム材質で製作され、前記冷媒は絶縁油であ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。
  8. 請求項１に記載のバッテリーパックを含むことを特徴とする自動車。
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