JP6762381B2 - 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この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、バッテリーモジュール、これを含むバッテリーパック及びこのバッテリーパックを含む自動車に関する。
本出願は、２０１７年３月２１日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００３５３９８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。
多様な製品への適用が容易であり、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、携帯用器機のみならず電気的駆動源によって駆動する電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＥＶ）またはハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＨＥＶ）などに普遍的に応用されている。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ことができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用に伴う副産物が一切発生しないという点で環境に優しく、エネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
現在、広く使用される二次電池の種類としては、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がある。このような単位二次電池セル、即ち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ〜４．６Ｖである。したがって、これよりさらに高い出力電圧が要求される場合、複数の二次電池セルを直列接続してバッテリーパックを構成する。また、バッテリーモパックに要求される充放電容量によって複数の二次電池セルを並列接続してバッテリーパックを構成し得る。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、要求される出力電圧または充放電容量によって多様に設定することができる。
一方、複数の二次電池セルを直列・並列接続してバッテリーパックを構成する場合、少なくとも一つのバッテリーセルからなるバッテリーモジュールを先に構成し、このような少なくとも一つのバッテリーモジュールを用いてその他の構成要素を追加してバッテリーパックを構成する方法が通常である。
マルチモジュール構造のバッテリーパックは、複数の二次電池が狭い空間に密集する形態に製造されるため、各二次電池で発生する熱を容易に放出させることが重要となる。二次電池バッテリーの充電または放電の過程は、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、熱蓄積が起こり、結果としてバッテリーモジュールの劣化が促進してしまい、場合によっては発火または爆発に繋がり得る。
そこで、高出力・大容量のバッテリーモジュール及びそれが取り付けられたバッテリーパックには、これに収納されているバッテリーセルを冷却する冷却装置が必須である。
そこで、高出力・大容量のバッテリーモジュール及びそれが取り付けられたバッテリーパックには、これに収納されているバッテリーセルを冷却する冷却装置が必須である。
従来のバッテリーモジュールは、通常、このような冷却のためにバッテリーセルとヒートシンクとの間に熱伝導物質（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ；ＴＩＭ）を接触して熱を放出する冷却構造を適用していた。
しかし、このような従来の冷却構造においては、低い冷却性能によってバッテリーモジュール及びバッテリーパック、延いては、これらのバッテリーモジュールやバッテリーパックを備える電気自動車などの性能を高めにくいという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷却性能を極大化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この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、バッテリーモジュールであって、相互積層される複数個のバッテリーセルと、前記複数個のバッテリーセルを収容するセルハウジングと、前記セルハウジングの上側を全て覆い、前記複数個のバッテリーセルの正極及び負極のいずれか一つの電極と電気的に接続する上部プレートと、前記上部プレートと対向して配置され、前記セルハウジングの下側を全て覆い、前記複数個のバッテリーセルの正極及び負極のうち他の一つの電極と電気的に接続する下部プレートと、を含むことを特徴とするバッテリーモジュールを提供する。
前記バッテリーモジュールは、前記セルハウジング内に前記複数個のバッテリーセルが部分的に浸るように満たされ、前記複数個のバッテリーセルの冷却をガイドするための相変化物質を含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記上部プレートの上側に装着され、前記複数個のセルを冷却するためのヒートシンクを含み得る。
前記相変化物質は、前記複数個のバッテリーセルの温度上昇時に気化して前記上部プレート側へ移動し、前記ヒートシンクによって液化して前記下部プレート側へ移動し得る。
前記セルハウジングの内壁の上側には、前記液化した前記相変化物質の前記下部プレート側への移動をガイドするガイドリブが備えられ得る。
前記バッテリーモジュールは、前記セルハウジング内で前記複数個のバッテリーセルの移動を防止できるように前記複数個のバッテリーセルを固定する少なくとも一つのセル固定部材を含み得る。
前記セル固定部材は、一対で設けられ、前記一対のセル固定部材は、前記複数個のバッテリーセルの上部が挿入され、前記セルハウジングの内部における上側に固定される上側セル固定部材と、前記複数個のバッテリーセルの下部が挿入され、前記セルハウジングの内部における下側に固定される下側セル固定部材と、を含み得る。
前記上側セル固定部材及び前記下側セル固定部材には、前記複数個のバッテリーセルの挿入のための複数個のセル挿入孔が形成され得る。
前記上部プレートの縁部は、前記セルハウジングの縁部とシーミング接合され得る。
前記上部プレートは、前記複数個のバッテリーセルのいずれか一つの電極と溶接結合し得る。
前記下部プレートは、前記複数個のバッテリーセルの他の一つの電極と溶接結合し得る。
前記複数個のバッテリーセルは、円筒状の二次電池であり得る。
なお、本発明は、バッテリーパックであって、前述の実施例による少なくとも一つのバッテリーモジュールと、前記少なくとも一つのバッテリーモジュールをパッケージングするパックケースと、を含むことを特徴とするバッテリーパックを提供する。
また、本発明は、自動車であって、前述の実施例による少なくとも一つの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。
以上のような多様な実施例によって、冷却性能を極大化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このバッテリーパックを含む自動車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。
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。ここで説明される実施例は、発明の理解を助けるために例示的に示したものであり、本発明は、ここで説明する実施例とは相違に多様に変形して実施できることを理解せねばならない。なお、発明の理解を助けるために、添付の図面は、実際の縮尺ではなく一部構成要素が誇張または省略されるか、概略的に示されることがある。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図であり、図２は、図１におけるバッテリーモジュールの分解斜視図であり、図３は、図１におけるバッテリーモジュールの断面図であり、図４は、図１におけるバッテリーモジュールの上部プレートとセルハウジングとの結合を説明するための図であり、図５は、図１のバッテリーモジュールにおけるバッテリーセルの電極の接続を説明するための図であり、図６は、図１におけるバッテリーモジュールの冷却原理を説明するための図である。
図１〜図６を参照すれば、バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル１００、セルハウジング２００、少なくとも一つのセル固定部材３００、４００、ヒートシンク５００、相変化物質６００、上部プレート７００及び下部プレート８００を含み得る。
前記バッテリーセル１００は、複数個が備えられ得、前記複数個のバッテリーセル１００は、円筒状の二次電池として備えられ得る。前記複数個のバッテリーセル１００は、相互積層されて電気的に接続し得る。
前記複数個のバッテリーセル１００の上部中央には、正極１１０が備えられ、前記複数個のバッテリーセル１００の縁部を含む外側面及び底面には、負極１３０が備えられ得る。
前記セルハウジング２００は、前記複数個のバッテリーセル１００を収容し得る。このために、前記セルハウジング２００には、前記複数個のバッテリーセル１００を収容できる収容空間が設けられ得る。
前記セルハウジング２００の内部には、ガイドリブ２２０が設けられ得る。
前記ガイドリブ２２０は、前記セルハウジング２００の内壁の上側に備えられ、後述する相変化物質６００の液化（Ｌ）時における前記相変化物質６００の下側への移動をガイドし得る。具体的に、前記ガイドリブ２２０は、後述の液化（Ｌ）する相変化物質６００の後述する下部プレート８００側へのより速い移動をガイドできる。
前記少なくとも一つのセル固定部材３００、４００は、前記セルハウジング２００内で前記複数個のバッテリーセル１００の動きを防止できるよう、前記複数個のバッテリーセル１００を固定し得る。
このような前記セル固定部材３００、４００は、一対として備えられ得る。前記一対のセル固定部材３００、４００は、上側セル固定部材３００及び下側セル固定部材４００からなり得る。
前記上側セル固定部材３００は、前記複数個のバッテリーセル１００の上部が挿入され、前記セルハウジング２００の内部の上側に固定され得る。このために、前記上側セル固定部材３００には、前記複数個のバッテリーセル１００の上部が挿入される複数個のセル挿入孔３５０が形成され得る。
前記下側セル固定部材４００は、前記複数個のバッテリーセル１００の下部が挿入され、前記セルハウジング２００の内部の下側に固定され得る。このために、前記下側セル固定部材４００には、前記複数個のバッテリーセル１００の下部が挿入される複数個のセル挿入孔４５０が形成され得る。
前記ヒートシンク５００は、前記複数個のバッテリーセル１００を冷却するためのものであって、後述する上部プレート７００の上側に装着され得る。このような前記ヒートシンク５００は、後述する上部プレート７００の上側の代りに前記セルハウジング２００に装着してもよい。
前記相変化物質６００は、前記複数個のバッテリーセル１００の冷却をガイドするためのものであって、前記セルハウジング２００内に部分的に満たされ得る。これによって、前記複数個のバッテリーセル１００は、前記セルハウジング２００内で前記相変化物質６００に部分的に浸り得る。
前記相変化物質６００は、前記複数個のバッテリーセル１００の温度上昇時に気化（Ｖ）して、後述する上部プレート７００側へ移動し、前記ヒートシンク５００によって液化（Ｌ）して、後述する下部プレート８００側へ移動し得る。このような気化（Ｖ）及び液化（Ｌ）は、繰り返して反復され得、これによって、前記バッテリーセル１００の冷却がより効果的に行われる。
前記相変化物質６００は、より効果的な循環のために、フッ素系の低い沸点を有する物質であり得る。例えば、前記相変化物質６００は、３５℃〜５０℃の沸点を有する物質であり得る。また、前記相変化物質６００は、消火機能を有する物質を含み得る。これによって、前記バッテリーモジュール１０内における火事発生時、前記相変化物質６００によって迅速に火事を鎮圧することができる。
前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００の上側を全て覆うように前記セルハウジング２００と結合し得る。ここで、前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００とシーミング構造によって結合し得る。これは、前記セルハウジング２００の気密構造を極大化するためのことであって、前記セルハウジング２００内の前記相変化物質６００の蒸発を防止するためである。前記シーミング構造は、前記上部プレート７００の縁部及び前記セルハウジング２００の上側縁部で行われ得る。即ち、前記上部プレート７００の縁部は、前記セルハウジング２００の上側縁部とシーミング接合され得る。
前記上部プレート７００は、前記複数個のバッテリーセル１００の正極１１０及び負極１３０のいずれか一つの電極と電気的に接続し得る。以下、本実施例において、前記上部プレート７００は、前記複数個のバッテリーセル１００の正極１１０と電気的に接続することに限定して説明する。
このために、前記上部プレート７００は、金属材質として設けられ得、前記複数個のバッテリーセル１００の正極１１０と溶接結合し得る。即ち、本実施例において、前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００を密封するためのカバーとして働くだけでなく、前記バッテリーセル１００の電気的接続のためのバスバーとしても働き得る。
これによって、本実施例においては、前記上部プレート７００によってこのような二つの機能を共に具現することができることから、前記バッテリーセル１００の正極１１０の接続のためのさらなるバスバー構造物が不要となる。
一方、前記上部プレート７００と前記セルハウジング２００との絶縁のために、前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００との結合部分で絶縁処理され得る。本実施例において、前記上部プレート７００は、前記シーミング接合される縁部で絶縁処理され、前記セルハウジング２００と絶縁され得る。もし、セルハウジング２００が金属材質ではなく非金属材質として備えられる場合、このような絶縁処理は省略可能である。
前記下部プレート８００は、前記上部プレート７００と対向して配置され、前記セルハウジング２００の下側を全てカバーし得る。このような前記下部プレート８００は、前記セルハウジング２００に一体で形成されるか、別に具備され前記セルハウジング２００の底部に装着され得る。
このような前記下部プレート８００は、前記複数個のバッテリーセル１００の正極１１０及び負極１３０のうち他の一つの電極と電気的に接続し得る。本実施例において、前記上部プレート７００は、前記複数個のバッテリーセル１００の正極１１０と電気的に接続することから、前記下部プレート８００は、前記複数個のバッテリーセル１００の負極１３０と電気的に接続することに限定して説明する。
このように、前記下部プレート８００は、前記セルハウジング２００の底部を密封するためのカバーとして働くだけでなく、前記上部プレート７００と共に前記バッテリーセル１００の電気的接続のためのバスバーとしても働き得る。
このために、前記下部プレート８００は、金属材質として設けられ得、前記複数個のバッテリーセル１００の負極１３０と溶接結合し得る。一方、前記下部プレート８００が前記セルハウジング２００に一体で形成される場合、前記セルハウジング２００も、金属材質として設けられ得る。この場合、前記セルハウジング２００は、前記上部プレート７００との絶縁のために、前述のように前記上部プレート７００との結合部分に絶縁処理され得る。前記下部プレート８００が前記セルハウジング２００に別に装着される構造であれば、前記セルハウジング２００は非金属材質として設けられ得、この場合、前記絶縁処理を省略してもよい。
これによって、本実施例においては、前記下部プレート８００によって前記セルハウジング２００の密封及びバッテリーセル１００の負極１３０の電気的接続を共に具現できるため、前記バッテリーセル１００の負極１３０の接続のためのさらなるバスバー構造物が不要となる。
このように、本実施例においては、前記セルハウジング２００を密封するための前記上部プレート７００及び前記下部プレート８００が、前記バッテリーセル１００の電極１１０、１３０の電気的接続のためのバスバーの機能も共に具現することから、別途の追加的なバスバー構造物を省略することができ、前記バッテリーモジュール１０の製造コストを節減し、製造効率を向上させることができる。
また、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、エネルギー密度の側面においても、省略される別の追加的なバスバー構造物の体積分だけ、バッテリーセル１００の容積をさらに確保することができる。
さらに、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、前記相変化物質６００によって冷却性能も極大化することができる。
図７は、本発明の一実施例によるバッテリーパックを説明するための図である。
図７を参照すれば、バッテリーパック１は、前述の実施例による少なくとも一つのバッテリーモジュール１０及び前記少なくとも一つのバッテリーモジュール１０をパッケージングするパックケース５０を含み得る。
このような前記バッテリーパック１は、自動車の燃料源として、自動車に具備できる。例えば、前記バッテリーパック１は、電気自動車、ハイブリッド自動車及びその他のバッテリーパック１を燃料源として利用可能なその他の方式で自動車に備えられ得る。また、前記バッテリーパック１は、前記自動車のみならず、二次電池を用いる電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などのその他の装置や器具及び設備などにも備えられ得る。
このように、本実施例による前記バッテリーパック１と前記自動車のような前記バッテリーパック１を備える装置や器具及び設備は、前述の前記バッテリーモジュール１０を含むことから、前述のバッテリーモジュール１０による長所を全て有するバッテリーパック１及びこのバッテリーパック１を備える自動車などの装置や器具及び設備などを具現することができる。
以上、本発明の望ましい実施例について図示及び説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって多様に変形できることは言うまでもなく、かかる変形は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはいけない。
１ バッテリーパック
１０ バッテリーモジュール
５０ パックケース
１００ バッテリーセル
１１０ 正極
１３０ 負極
２００ セルハウジング
２２０ ガイドリブ
３００ 上側セル固定部材
３５０ セル挿入孔
４００ 下側セル固定部材
４５０ セル挿入孔
５００ ヒートシンク
６００ 相変化物質
７００ 上部プレート
８００ 下部プレート
１０ バッテリーモジュール
５０ パックケース
１００ バッテリーセル
１１０ 正極
１３０ 負極
２００ セルハウジング
２２０ ガイドリブ
３００ 上側セル固定部材
３５０ セル挿入孔
４００ 下側セル固定部材
４５０ セル挿入孔
５００ ヒートシンク
６００ 相変化物質
７００ 上部プレート
８００ 下部プレート
Claims (11)
- バッテリーモジュールであって、
相互積層される複数個のバッテリーセルと、
前記複数個のバッテリーセルを収容するセルハウジングと、
前記セルハウジングの上側を全て覆い、前記複数個のバッテリーセルの正極及び負極のいずれか一つの電極と電気的に接続する上部プレートと、
前記上部プレートと対向して配置され、前記セルハウジングの下側を全て覆い、前記複数個のバッテリーセルの正極及び負極のうち他の一つの電極と電気的に接続する下部プレートと、
前記セルハウジング内に前記複数個のバッテリーセルが部分的に浸るように満たされ、前記複数個のバッテリーセルの冷却をガイドするための相変化物質と
を含み、
前記上部プレートによって前記セルハウジングを密封して前記セルハウジング内の前記相変化物質の蒸発を防止するように、前記上部プレートの縁部が前記セルハウジングの縁部とシーミング接合され、且つ、前記シーミング接合される縁部で絶縁処理されることを特徴とするバッテリーモジュール。 - 前記上部プレートの上側に装着され、前記複数個のセルを冷却するためのヒートシンクを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。
- 前記相変化物質は、前記複数個のバッテリーセルの温度上昇時に気化して前記上部プレート側へ移動し、前記ヒートシンクによって液化して前記下部プレート側へ移動することを特徴とする請求項２に記載のバッテリーモジュール。
- 前記セルハウジング内で前記複数個のバッテリーセルの移動を防止できるように前記複数個のバッテリーセルを固定する少なくとも一つのセル固定部材を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。
- 前記セル固定部材は、一対で設けられ、
前記一対のセル固定部材は、
前記複数個のバッテリーセルの上部が挿入され、前記セルハウジングの内部における上側に固定される上側セル固定部材と、
前記複数個のバッテリーセルの下部が挿入され、前記セルハウジングの内部における下側に固定される下側セル固定部材と、を含むことを特徴とする請求項４に記載のバッテリーモジュール。 - 前記上側セル固定部材及び前記下側セル固定部材には、前記複数個のバッテリーセルの挿入のための複数個のセル挿入孔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モジュール。
- 前記上部プレートは、前記複数個のバッテリーセルのいずれか一つの電極と溶接結合す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。
- 前記下部プレートは、
前記複数個のバッテリーセルの他の一つの電極と溶接結合す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。 - 前記複数個のバッテリーセルは、
円筒状の二次電池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。 - 請求項１に記載の少なくとも一つのバッテリーモジュールと、
前記少なくとも一つのバッテリーモジュールをパッケージングするパックケースと、を含むことを特徴とするバッテリーパック。 - 請求項１０に記載の少なくとも一つ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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