JP7027635B2 - バッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含む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、バッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含む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、２０１８年３月１３日出願の韓国特許出願第１０－２０１８－００２９２１１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。
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）などに普遍的に適用されている。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～４．５Ｖである。したがって、これよりも高い出力電圧が求められる場合、複数のバッテリー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合わせて、複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よって多様に設定され得る。
一方、複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、少なくとも一つのバッテリーセルを含むバッテリーモジュールをまず構成し、このような少なくとも一つのバッテリーモジュールにその他の構成要素を付け加えてバッテリーパックを構成する方法が一般的である。
このような従来のバッテリーモジュールの場合、求められるバッテリー容量の増加とともに、バッテリーセルから発生する熱を効率的に冷却できる技術の重要性が益々大きくなっている。
このような効率的な冷却のため、従来のバッテリーモジュールでは、熱伝導性接着剤をモジュールケースの底部の内側面上または冷却板の上側に塗布することで、少なくとも一つのバッテリーセルを含むバッテリーセル組立体をモジュールケースの底部の内側面上または冷却板の上側に安定的に固定すると同時に、熱伝導性を向上させる構造が導入された。
しかし、このような従来のバッテリーモジュールでは、熱伝導性接着剤を塗布可能な位置がモジュールケースの底部の内側面上または冷却板の上側のみに限定される。バッテリーセル組立体の上側には電圧センシングラインのような別途の構成部品が位置するため、このような構成部品の周辺にバッテリーセル組立体の全体にわたって均一に熱伝導性接着剤を塗布することが困難であるためである。したがって、従来は、バッテリーセル組立体の下側を通じた冷却構造のみが可能であるという限界があるため、バッテリーモジュールが適用される装置のデザインや設計変更に対応することができず、バッテリーセル組立体の下側を通じた冷却性能が十分でない場合、それを向上させることが困難であった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱伝導性接着剤を用いて冷却するバッテリーモジュールにおいて、バッテリーセル組立体の上側を通じた冷却構造も可能にしたバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含む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。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態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。
上記の目的を解決するため、本発明は、複数のバッテリーセルを含むバッテリーセル組立体と、前記バッテリーセル組立体の前方及び後方を覆うセンシングアセンブリと、前記センシングアセンブリが取り付けられた前記バッテリーセル組立体を収納するモジュールケースと、前記モジュールケースの上部内面と前記バッテリーセル組立体の上側との間に介在される熱伝導性接着剤と、を含み、前記センシングアセンブリは、前記バッテリーセル組立体の前方に配置される第１バスバーフレーム組立体と、前記第１バスバーフレーム組立体と対向して前記バッテリーセル組立体の後方に配置される第２バスバーフレーム組立体と、前記第１バスバーフレーム組立体と前記第２バスバーフレーム組立体とを連結し、前記バッテリーセル組立体の上側を対角線方向に横切るセンシングワイヤと、を含み、前記熱伝導性接着剤は前記センシングワイヤの両側に位置することを特徴とするバッテリーモジュールを提供する。
前記モジュールケースは、前記バッテリーセル組立体の上側を覆うトッププレートと、前記トッププレートに対向配置され、前記バッテリーセル組立体の下側を覆うボトムプレートと、前記トッププレート及び前記ボトムプレートと結合され、前記バッテリーセル組立体の両側面に配置される一対のサイドプレートと、を含み、前記バッテリーセルの長手方向の両側に開放される第１開口及び第２開口を形成し、前記モジュールケースの第１開口に結合されて前記バッテリーセル組立体の前方を覆うフロントカバー、及び前記モジュールケースの第２開口に結合されて前記バッテリーセル組立体の後方を覆うリアカバーをさらに含み得る。
前記センシングワイヤは、フレキシブル印刷回路基板（ＦＰＣＢ）として備えられ得る。このとき、前記フレキシブル印刷回路基板を覆うトップカバーをさらに含み得る。前記トップカバーは、両端にフックが形成され、前記第１バスバーフレーム組立体及び前記第２バスバーフレーム組立体にフック挿入用固定孔が形成されて、前記フック挿入用固定孔に前記フックが結合され得る。
前記モジュールケースは、前記モジュールケースの上部に形成されて、前記モジュールケースの内部に前記熱伝導性接着剤を注入させるための注入孔を前記センシングワイヤに対応する部分の両側にさらに含み得る。このとき、前記注入孔は、前記センシングワイヤの進行方向に対して０°～３０°の角度を成す方向に沿って並んで複数個が形成され得る。
前記注入孔は、一側に傾いた面取り部が設けられ得る。
また、本発明は、バッテリーパックであって、本発明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。
さらに、本発明は、自動車であって、本発明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。
本発明の一態様によれば、従来のセルカートリッジではなく、四角状の管体のモノフレームタイプのモジュールケースを用いたバッテリーモジュールが提供される。従来のようにセルカートリッジがバッテリーセルのエッジを挟み込んで固定する構造でなくても良いため、全体バッテリーモジュールの設計余裕度が増加し、バッテリーセルのエッジをセルカートリッジの内部に挟み込むときに生じ得る衝撃や振動などがバッテリーセルのエッジに伝達される従来の問題を解決することができる。このようなバッテリーモジュール及びバッテリーパックは、外部の振動に対してバッテリーセルを保護する効果が優れるため、外部の振動に頻繁に晒される自動車などへの適用に好適である。
本発明の他の態様によれば、バッテリーモジュールを組み立て易くて、工程性に優れる。また、Ｏ－リングのようなシーリング部品や冷却フィンのような冷却部品、カートリッジのような補強または固定部品などを省略でき、バッテリーモジュールの部品数を減少させることができる。したがって、本発明のこのような態様によれば、製造コスト及び時間、重量などを減らすことができ、バッテリーモジュールの生産性を向上させることができる。
本発明のさらに他の態様によれば、バッテリーセル組立体の上側全体に亘って均一に熱伝導性接着剤を塗布することができる。したがって、バッテリーセル組立体の下側だけでなく、上側を通じた冷却構造も可能になる。本発明によれば、バッテリーセル組立体の上側を通じても冷却が可能になるため、バッテリーモジュールが適用される装置のデザインや設計変更に対応し易く、バッテリーセル組立体の下側を通じた冷却性能が十分でない場合、それを向上させることができる。
本発明のさらに他の態様によれば、バッテリーセル組立体の上側に熱伝導性接着剤を塗布するため、バッテリーセルとモジュールケースとの間をより確実に固定することができ、衝撃に対してもバッテリーセルの位置を堅固に固定することができる。
本発明のさらに他の態様によれば、熱伝導性接着剤を用いて冷却するバッテリーモジュールにおいて、熱伝導性接着剤の注入効率を高めることができる。
このように本発明は、全体バッテリーパックの構造を複雑にせず、多くの空間を占めないながらも簡単にコンパクトなバッテリーモジュールを提供することができ、バッテリーセルとモジュールケースとの間の固定が確実になり、冷却性能の向上を図ることができる。さらに、このようなバッテリーモジュールを含む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形態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ものであるため、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。
本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを説明するための分解斜視図である。 図１の結合斜視図である。 図１に示されたバッテリーモジュールに含まれるセンシングアセンブリの斜視図である。 図３に示されたセンシングアセンブリの上面図である。 図３に示されたセンシングアセンブリにおいて、トップカバーが第１バスバーフレーム組立体に結合される構造を示した図である。 図３に示されたセンシングアセンブリにおいて、トップカバーが第１バスバーフレーム組立体に結合される構造を示した図である。 図３に示されたセンシングアセンブリにおいて、トップカバーが第１バスバーフレーム組立体に結合される構造を示した図である。 図１に示されたバッテリーモジュールにおいて、センシングアセンブリのトップカバーが結合される前の上面図である。 図１に示されたバッテリーモジュールにおいて、センシングアセンブリのトップカバーが結合された後の上面図である。 図１に示されたバッテリーモジュールにおいて、バッテリーセル組立体の上側に熱伝導性接着剤が塗布された後の上面図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールを説明するための斜視図である。 図９に示されたバッテリーモジュールの上面図である。 図９に示されたバッテリーモジュールの注入孔を説明するための要部断面図である。 図１１のＣ部分の拡大図である。 比較例のバッテリーモジュールの上面図である。 図１３に示されたバッテリーモジュールの下側冷却構造を示した断面図である。 本発明による実験例のバッテリーモジュールの上側冷却構造及び下側冷却構造を示した断面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを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形態を詳しく説明する。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１は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを説明するための分解斜視図であり、図２は図１の結合斜視図である。
図１及び図２を参照すると、バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル組立体１００、センシングアセンブリ２００、モジュールケース３００及び熱伝導性接着剤４００、５００を含むことができる。
前記バッテリーセル組立体１００は、複数のバッテリーセル１１０を含む。前記複数のバッテリーセル１１０は、相互に電気的に連結されるように積層され得る。ここで、前記複数のバッテリーセル１１０の電極リード１２０は、前記センシングアセンブリ２００と電気的に連結される。
前記センシングアセンブリ２００は、前記バッテリーセル組立体１００の前方及び後方を覆う。前記センシングアセンブリ２００は、前記バッテリーセル組立体１００と電気的に連結され、前記バッテリーセル組立体１００の電圧や温度をセンシングすることができる。さらに、前記センシングアセンブリ２００は外部電源などと連結される。
前記センシングアセンブリ２００は、前記バッテリーセル組立体１００の電圧のような電気的特性に対するセンシング情報をバッテリーモジュール１０の外部の他のデバイス（図示せず）に伝送する役割をする。例えば、バッテリーモジュール１０には、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）のような装置が連結されて、充電や放電などのバッテリーモジュール１０の動作を制御するように構成され得る。このとき、センシングアセンブリ２００は、このようなＢＭＳと連結されて、前記バッテリーセル組立体１００のセンシングされた電圧情報などをＢＭＳに提供し、ＢＭＳはこのような情報に基づいてバッテリーモジュール１０を制御し得る。
このような前記センシングアセンブリ２００は、前記バッテリーセル組立体１００の前方に配置される第１バスバーフレーム組立体２１０、前記第１バスバーフレーム組立体２１０と対向して前記バッテリーセル組立体１００の後方に配置される第２バスバーフレーム組立体２２０、及び前記第１バスバーフレーム組立体２１０と前記第２バスバーフレーム組立体２２０とを連結し、前記バッテリーセル組立体１００の上側を対角線方向に横切るセンシングワイヤ２３０を含む。
前記第１バスバーフレーム組立体２１０は、バスバー２１２及びフレーム２１４を含む。前記第２バスバーフレーム組立体２２０もバスバー２２２及びフレーム２２４を含む。
センシングアセンブリ２００のバスバーフレーム組立体２１０、２２０は、前記複数のバッテリーセル１１０の電極リード１２０と電気的に連結されるように、前記複数のバッテリーセル１１０の電極リード１２０が露出している部分に取り付けられるが、本実施形態のバッテリーモジュール１０の場合、正極リードと負極リードとが両方に突出したパウチ型二次電池から構成されているため、二つを一対にしたバスバーフレーム組立体２１０、２２０が前記バッテリーセル組立体１００の前方及び後方に一つずつ取り付けられる。
ここで、バスバーフレーム組立体２１０、２２０は、前記バッテリーセル組立体１００の該当する側面部に着脱自在に結合され、前記バッテリーセル組立体１００の側面部全体を覆うように構成される。バスバーフレーム組立体２１０、２２０とバッテリーセル組立体１００との結合によって、バスバーフレーム組立体２１０、２２０がバッテリーセル組立体１００を一体的に支持することもできる。
前記モジュールケース３００は、内部に空いた空間を有する。前記モジュールケース３００は、前記センシングアセンブリ２００が取り付けられた前記バッテリーセル組立体１００を収納する。前記モジュールケース３００は少なくとも一面が開放された形態で提供され、開放された部分から前記バッテリーセル組立体１００を挿入可能である。前記モジュールケース３００は、全体的に直方体形状に提供され得る。一例として、前記モジュールケース３００は、対向する両側が開放された形態の四角状の管体で提供され得る。
前記モジュールケース３００は、熱伝導性材質からなって、バッテリーセル組立体１００の熱を吸収して外部に発散する役割を果たす。前記モジュールケース３００は、金属素材から形成することができる。金属素材は熱伝導性に優れるため、その全体が放熱機能を有することができる。前記モジュールケース３００の材質は、あらゆる金属素材が可能であるが、熱伝導性、加工性、コストなどを考慮して、ＳＵＳ系列またはアルミニウム系列を使用することが望ましい。
前記モジュールケース３００は、前記バッテリーセル組立体１００の上側を覆うトッププレート３１０を含むことができる。そのため、前記トッププレート３１０は、前記バッテリーセル組立体１００の上側をすべて覆うことができる大きさ及び形状を有する。前記モジュールケース３００は、前記トッププレート３１０に対向配置され、前記バッテリーセル組立体１００の下側を覆うボトムプレート３２０を含むことができる。このような前記ボトムプレート３２０は、前記トッププレート３１０とほぼ同じ形状で提供され、前記バッテリーセル組立体１００を安定的に支持することができる。前記モジュールケース３００は、前記トッププレート３１０及び前記ボトムプレート３２０と結合され、前記バッテリーセル組立体１００の両側面に配置される一対のサイドプレート３３０を含むことができる。一対のサイドプレート３３０は相互対向して、同じ形状及び大きさを有する。
このように前記モジュールケース３００は、前記トッププレート３１０、ボトムプレート３２０及びサイドプレート３３０を含み、前記バッテリーセル１１０の長手方向の両側に開放される第１開口ＯＡ及び第２開口ＯＢを形成する。前記トッププレート３１０、ボトムプレート３２０及びサイドプレート３３０は互いに溶接で連結され得る。例えば、前記トッププレート３１０、ボトムプレート３２０及びサイドプレート３３０は、相互の端部が重ならずにエッジが当接した状態で、摩擦撹拌溶接（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ） によって端面が溶接され得る。他の例として、前記トッププレート３１０、ボトムプレート３２０及びサイドプレート３３０は、相互にボンディングされるか、一体型に形成されるか、ヒンジ構造で結合され得る。このように、前記モジュールケース３００はモノフレームであると言える。
前記ボトムプレート３２０の上面には、前記バッテリーセル組立体１００を挿入して固定できるように、ガイド構造をさらに形成することができる。ガイド構造とバッテリーセル１１０とは摺動方式で結合される。すなわち、ガイド構造にバッテリーセル１１０の一部が挿入されて結合され得る。一例として、ガイド構造にはバッテリーセル１１０のシーリング部が挿入され得る。ガイド構造は、溝形態で複数個提供され、バッテリーセル１１０と対応する個数で提供され得る。ガイド構造にバッテリーセル１１０が挿入されれば、バッテリーセル１１０をより安定的に支持することができる。
組立工程において、このような前記モジュールケース３００の第１開口ＯＡを通して、前記センシングアセンブリ２００が取り付けられた前記バッテリーセル組立体１００が前記モジュールケース３００の内部に収納される。このとき、前記バッテリーセル組立体１００の上側に熱伝導性接着剤４００を塗布し、前記バッテリーセル組立体１００の下側に他の熱伝導性接着剤５００を塗布した状態で前記モジュールケース３００に収納しても良く、後述する他の実施形態のように、組立工程が完了した後、前記モジュールケース３００の内部に熱伝導性接着剤を注入して熱伝導性接着剤４００、５００を形成しても良い。
前記モジュールケース３００に前記バッテリーセル組立体１００が収納された後、フロントカバー３４０が前記モジュールケース３００の第１開口ＯＡに結合されて、前記バッテリーセル組立体１００の前方を覆う。フロントカバー３４０は第１バスバーフレーム組立体２１０とも結合され得る。このような前記フロントカバー３４０は、前記バッテリーモジュール１０の前面部を形成し得る。そして、リアカバー３５０は、前記モジュールケース３００に前記バッテリーセル組立体１００が収納された後、前記モジュールケース３００の第２開口ＯＢに結合されて、前記バッテリーセル組立体１００の後方を覆う。リアカバー３５０は第２バスバーフレーム組立体２２０とも結合され得る。このような前記リアカバー３５０は、前記バッテリーモジュール１０の後面部を形成し得る。
このようにフロントカバー３４０及びリアカバー３５０は、前記トッププレート３１０及び前記ボトムプレート３２０の前方及び後方に配置され、前記バッテリーセル組立体１００の前方及び後方を覆うことができる。前記フロントカバー３４０及びリアカバー３５０は、前記モジュールケース３００に溶接またはボンディングされ、着脱自在に結合されても良い。
このようにバッテリーモジュール１０は、従来のセルカートリッジではなく、四角状の管状のモノフレームタイプのモジュールケース３００を用いたものである。従来のようにセルカートリッジがバッテリーセルのエッジを挟み込んで固定する構造でなくても良いため、全体バッテリーモジュールの設計余裕度が増加し、バッテリーセルのエッジをセルカートリッジの内部に挟み込むときに生じ得る衝撃や振動などがバッテリーセルのエッジに伝達される従来の問題を解決することができる。このようなバッテリーモジュール１０及びこれを含むバッテリーパックは、外部の振動に対してバッテリーセルを保護する効果が優れるため、外部の振動に頻繁に晒される自動車などへの適用に好適である。
また、モジュールケース３００の開口を通してバッテリーセル組立体１００を収納した後、両側の開口を塞ぐ簡単な操作だけでバッテリーモジュール１０が完成される。このようにバッテリーモジュール１０を組み立て易いため、工程性に優れる。また、Ｏ－リングのようなシーリング部品や冷却フィンのような冷却部品、カートリッジのような補強または固定部品などを省略でき、バッテリーモジュール１０の部品数を減少させることができる。したがって、製造コスト及び時間、重量などを減らすことができ、バッテリーモジュール１０の生産性を向上させることができる。
熱伝導性接着剤４００は、前記モジュールケース３００の上部内面、すなわちトッププレート３１０の底面と前記バッテリーセル組立体１００の上側との間に介在される。前記熱伝導性接着剤４００は前記センシングワイヤ２３０の両側に位置する。このように、電圧センシングラインのような別途の構成部品が位置するバッテリーセル組立体の上側に熱伝導性接着剤を均一に塗布した例は今までなかった。
前記熱伝導性接着剤４００は、熱伝導が可能な冷却用接着剤であって、サーマルレジンからなり得る。サーマルレジンの種類としては、特に制限がないが、放熱シリコーン系接着剤（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｉｌｉｃｏｎｅ－ｂａｓｅｄ ｂｏｎｄ）、放熱アクリル接着剤（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｃｒｙｌｉｃ ｂｏｎｄ）または放熱ポリウレタン接着剤（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｂｏｎｄ）のうちいずれか一つであり得る。
本実施形態において、前記モジュールケース３００の下部内面、すなわちボトムプレート３２０の上面と前記バッテリーセル組立体１００と下側との間に熱伝導性接着剤５００がさらに介在され得る。
このように、バッテリーセル組立体１００の上側全体に亘って均一に熱伝導性接着剤を塗布することができる。したがって、バッテリーセル組立体１００の下側だけでなく、上側を通じた冷却構造も可能になる。本発明によれば、バッテリーセル組立体１００の上側を通じても冷却が可能になるため、バッテリーモジュール１０が適用される装置のデザインや設計変更に対応し易く、バッテリーセル組立体１００の下側を通じた冷却性能が十分でない場合、それを向上させることができる。さらに、バッテリーセル組立体１００の上側に熱伝導性接着剤４００を塗布するため、バッテリーセル１１０とモジュールケース３００との間をより確実に固定することができ、衝撃に対してもバッテリーセル１１０の位置を堅固に固定することができる。
図３は図１に示されたバッテリーモジュールに含まれるセンシングアセンブリの斜視図であり、図４は図３に示されたセンシングアセンブリの上面図であり、図５ａ～図５ｃは図３に示されたセンシングアセンブリにおいて、トップカバーが第１バスバーフレーム組立体に結合される構造を示した図である。
図３及び図４を参照すると、上述したように、センシングアセンブリ２００は第１バスバーフレーム組立体２１０、第２バスバーフレーム組立体２２０、及びセンシングワイヤ２３０を含む。前記センシングワイヤ２３０は、前記第１バスバーフレーム組立体２１０と前記第２バスバーフレーム組立体２２０とを連結する。前記センシングワイヤ２３０は、フレキシブル印刷回路基板（ＦＰＣＢ）として設けられる。ＦＰＣＢは、電気絶縁性素材のボードに回路が印刷されており、長方形の帯状に長く延びている。この場合、フレキシブル印刷回路基板を覆うトップカバー２４０をさらに含むことができる。
前記第１バスバーフレーム組立体２１０は、前記バッテリーセル組立体１００の前方に配置され、フロントカバー３４０と結合される。前記第１バスバーフレーム組立体２１０は、前記バッテリーセル組立体１００の前記バッテリーセル１１０の電極リード１２０と電気的に連結される。そのため、前記第１バスバーフレーム組立体２１０には、前記バッテリーセル１１０の電極リード１２０と電気的に接触連結される複数のバスバー２１２、及びバスバー２１２を支持し、外部コネクタまたは入出力端子ターミナルなどを含むフレーム２１４が設けられる。フレーム２１４は、電気絶縁性及び耐衝撃性が優れる強化プラスチックなどから製作され得る。
前記第２バスバーフレーム組立体２２０は、前記バッテリーセル組立体１００を介在して前記第１バスバーフレーム組立体２１０と対向配置され、前記バッテリーセル組立体１００の後方でリアカバー３５０と結合される。前記第２バスバーフレーム組立体２２０は、前記バッテリーセル組立体１００の前記バッテリーセル１１０の電極リード１２０と電気的に連結される。そのため、前記第２バスバーフレーム組立体２２０には、前記バッテリーセル１１０の電極リード１２０と電気的に接触連結される複数のバスバー２２２、及びバスバー２２２を支持し、外部コネクタまたは入出力端子ターミナルなどを含むフレーム２２４が設けられる。フレーム２２４は、電気絶縁性及び耐衝撃性が優れる強化プラスチックなどから製作され得る。
フレーム２１４、２２４は、バスバー２１２、２２２の少なくとも一部を電気的に絶縁するように、前記バスバー２１２、２２２の少なくとも一部を覆う絶縁板の機能も有する。フレーム２１４、２２４上には、前記センシングアセンブリ２００に電気的に連結されたＢＭＳがさらに備えられても良い。
前記センシングワイヤ２３０は、前記バッテリーセル組立体１００の上側を対角線方向に横切る。これによって、前記センシングワイヤ２３０は前記バッテリーセル組立体１００を構成するすべてのバッテリーセル１１０の上側に置かれるようになる。前記センシングワイヤ２３０が特定の個所に偏って配置されないため、前記センシングワイヤ２３０の両側に形成される熱伝導性接着剤４００がすべてのバッテリーセル１１０に対して均一に形成される。これについては、図６～図８を参照して後述する。
図５ａ～図５ｃには、トップカバー２４０と第１バスバーフレーム組立体２１０と結合関係が詳しく示されている。
前記センシングワイヤ２３０を組み立てる際、作業の不良は安全性に直結し、もし被覆が破れてしまえば、絶縁条件を満たすことができないか又は短絡を起こすおそれがある。したがって、前記センシングワイヤ２３０を保護する外装材構造としてトップカバー２４０を適用する。また、ＦＰＣＢのようなセンシングワイヤ２３０は、剛性がないため作業及び拘束が困難である。そこで、ポリイミド（ＰＩ）のようなプラスチック射出物材質のトップカバー２４０を適用することで、前記センシングワイヤ２３０部材の剛性を確保することができる。
図５ａ～図５ｃを参照すると、トップカバー２４０は、両端にフック２４２が形成され、前記第１バスバーフレーム組立体２１０に、特にフレーム２１４に前記フック挿入用固定孔２１６が形成されている。前記フック挿入用固定孔２１６に前記フック２４２が結合されることで、前記トップカバー２４０と前記第１バスバーフレーム組立体２１０とが結合される。前記トップカバー２４０と前記第２バスバーフレーム組立体２２０との結合関係も同様である。このようなフック２４２とフック挿入用固定孔２１６との締結構造は、作業と解体が容易であって、一種のヒンジの役割も果たすため、作業において工程マージンを十分提供する。
本発明のバッテリーモジュール１０は、バッテリーセル組立体１００の上側に熱伝導性接着剤４００を形成できることが大きな特徴であるが、これが可能になった理由はセンシングアセンブリ２００の変更にある。前記センシングアセンブリ２００は、センシングワイヤ２３０が前記バッテリーセル組立体１００の上側を対角線方向に横切って配置されることを特徴とする。図６～図８を参照して、このような配置の特有の著しい効果について説明する。
図６は図１に示されたバッテリーモジュールにおいてセンシングアセンブリのトップカバーが結合される前の上面図であり、図７は図１に示されたバッテリーモジュールにおいてセンシングアセンブリのトップカバーが結合された後の上面図であり、図８は図１に示されたバッテリーモジュールにおいてバッテリーセル組立体の上側に熱伝導性接着剤が塗布された後の上面図である。
まず、図６を参照すると、上述したように、第１バスバーフレーム組立体２１０と第２バスバーフレーム組立体２２０とを連結するセンシングワイヤ２３０が前記バッテリーセル組立体１００の上側を対角線方向に横切って設けられる。センシングワイヤ２３０は、バッテリーセル組立体１００を構成するバッテリーセル１１０の特定の個所に偏って配置されないため、バッテリーセル組立体１００の上側をすべて通る。最も望ましくは、すべてのバッテリーセル１１０を通るか、または、センシングワイヤ２３０を基準にして完璧に対称となるように配置される。バッテリーセル組立体１００の立場では、バッテリーセル組立体１００を構成するバッテリーセル１１０がほとんど類似した環境に置かれるのである。一部のバッテリーセル上にはセンシングワイヤが通り、他のバッテリーセル上にはセンシングワイヤが通らない場合のように、バッテリーセルの位置によってそれぞれのバッテリーセルが置かれる環境が変わらないのである。したがって、バッテリーセル組立体１００を構成するバッテリーセル１１０の特性を均一に維持しながら使用することができる。
図７を参照すると、トップカバー２４０がセンシングワイヤ２３０を覆う。前記トップカバー２４０は、前記センシングワイヤ２３０を保護する外装材構造であるため、前記センシングワイヤ２３０の配置に沿って、前記バッテリーセル組立体１００の上側を対角線方向に横切って設けられる。
次いで、図８を参照すると、熱伝導性接着剤４００が前記センシングワイヤ２３０の両側に形成される。前記センシングワイヤ２３０及びトップカバー２４０は、前記バッテリーセル組立体１００の上側に突出している。トップカバー２４０の上面とモジュールケース３００の上部底面とがぴったり組み合わせられるようにモジュールケース３００が設計されれば、前記センシングワイヤ２３０及びトップカバー２４０が形成された部分以外の周辺に、前記バッテリーセル組立体１００の上側と前記モジュールケース３００の上部底面との間に空いた空間が形成され、前記熱伝導性接着剤４００はこの空いた空間を占めるようになる。
前記センシングワイヤ２３０が前記バッテリーセル組立体１００の上側を対角線方向に横切って置かれるため、前記センシングワイヤ２３０の両側に形成される熱伝導性接着剤４００は、前記バッテリーセル組立体１００を構成するすべてのバッテリーセル１１０上側に均一に形成される。したがって、前記熱伝導性接着剤４００が特定の個所に偏って一部のバッテリーセル１１０のみを冷却することがない。
従来のバッテリーモジュールでは、熱伝導性接着剤を塗布可能な位置がモジュールケースの底部の内側面上または冷却板の上側のみに限定される問題がある。バッテリーセル組立体の上側に電圧センシングラインのような別途の構成部品が位置することから、このような構成部品の周辺にバッテリーセル組立体の全体に亘って均一に熱伝導性接着剤を塗布し難いためである。本発明では、前記センシングワイヤ２３０を対角線に配置することによって、センシングワイヤ２３０の周辺でバッテリーセル組立体１００の全体に亘って均一に熱伝導性接着剤４００を塗布することができる。したがって、本発明によれば、下側冷却だけでなく、上側冷却が必要な場合にも対応でき、バッテリーセル組立体の上側を通じた冷却によってバッテリーセルの発熱問題を解決することができる。さらに、バッテリーセル組立体を構成するすべてのバッテリーセルに対し、熱伝導性接着剤４００を通じて均一に熱を除去できるため、一部のバッテリーセルの放熱が十分に行われずにそれらバッテリーセルのみで劣化が早く進行するという問題が生じない。
従来は、バッテリーセル組立体の構造上、バッテリーセル組立体の上側に熱伝導性接着剤を塗布する試みがなされていなかった。しかし、本発明においては、バッテリーセル組立体に含まれるセンシングアセンブリの構造を変更することでこれを可能にし、それによって冷却性能効果の向上及びバッテリーセルの固定効果が優れるため、単なる設計変更事項と言えない。
図９は本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールを説明するための斜視図であり、図１０は図９に示されたバッテリーモジュールの上面図である。図１１は図９に示されたバッテリーモジュールの注入孔を説明するための要部断面図であり、図１２は図１１のＣ部分の拡大図である。
本実施形態によるバッテリーモジュール２０は、上述した実施例のバッテリーモジュール１０と実質的に同一または類似するため、同一または類似の構成について重なる説明を省略し、上述した実施例との相違点を中心に説明する。
バッテリーモジュール２０は、モジュールケース３００の上部、すなわちトッププレート３１０に前記モジュールケース３００の内部に熱伝導性接着剤を注入するための注入孔３１２を備える。注入孔３１２は、センシングワイヤ２３０に対応する部分の両側に設けられる。
組立工程において、モジュールケース３００にバッテリーセル組立体（図１の１００を参照）を収納した後、フロントカバー３４０及びリアカバー３５０も取り付ける。その後、前記熱伝導性接着剤を注入する前に、作業者などによって前記モジュールケース３００を水平に配置する。
その後、作業者などによって、前記モジュールケース３００の内部に前記熱伝導性接着剤を塗布できるように、注入ノズルを前記モジュールケース３００の上部に設けられた注入孔３１２に挿入した後、前記熱伝導性接着剤を前記モジュールケース３００の内側に注入する。これによって、前記バッテリーセル組立体１００の上側にセンシングワイヤ２３０の両側に熱伝導性接着剤４００を形成することができる。
注入する前に前記モジュールケース３００を水平にし、その後前記熱伝導性接着剤を地面に対して垂直方向に注入するため、前記モジュールケース３００の内部に前記熱伝導性接着剤を均一に分布させることができる。
特に、前記注入孔３１２は、前記センシングワイヤ２３０の進行方向に対して０°～３０°の角度を成す方向に沿って並んで複数個が備えられる。前記センシングワイヤ２３０の進行方向に対して０°の角度を成す方向に沿って前記注入孔３１２が備えられるとは、前記注入孔３１２が前記センシングワイヤ２３０と並んで形成されることを意味する。このような角度は、前記モジュールケース３００の内部に前記熱伝導性接着剤を均一に塗布するため、調整されても良い。
前記注入孔３１２同士は、相互に所定の距離だけ離隔し得る。前記モジュールケース３００の内部に前記熱伝導性接着剤を均一に塗布するため、注入孔３１２同士の離隔距離が同一であっても良く、徐々に変わるように調整されても良い。
前記注入孔３１２の一側、具体的に、前記モジュールケース３００の上部であるトッププレート３１０の外側に露出する端部には傾いた面取り部３１４を設けることができる。前記面取り部３１４は、前記熱伝導性接着剤の注入のための注入ノズルの前記注入孔３１２への位置決めをガイドすると同時に、前記注入ノズルとの接触面積を増加させて前記注入ノズルを装着するとき密閉力を向上させることができる。
以下、本発明によるバッテリーモジュールの冷却性能についてシミュレーション実験した結果を説明する。
図１３は比較例のバッテリーモジュールの上面図であり、図１４は図１３に示されたバッテリーモジュールの下側冷却構造を示した断面図である。
図１３のようなバッテリーモジュールは、本発明と比べるため、本発明者らが仮定した構造である。図１３を参照すると、本発明と比較するため、センシングワイヤ２３０’の位置をバッテリーセル組立体１００の一側に偏らせて配置し、バッテリーセル組立体１００の上側には熱伝導性接着剤を含まないようにした。バッテリーセル組立体１００の下側には、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫである熱伝導性接着剤５００を塗布し、モジュールケース３００としてはＡｌ材質を用いて、バッテリーセル組立体１００－熱伝導性接着剤５００－ボトムプレート３２０の熱伝逹経路を構成した。センシングワイヤ２３０’が偏っている構造であるため、バッテリーセル組立体１００の上側に熱伝導性接着剤を塗布できず、下側冷却のみが可能であった。バッテリーセル１１０の上端からモジュールケース３００の下端、すなわちボトムプレート３２０までの熱抵抗は約１．４Ｋ／Ｗにシミュレートされた。
図１５は、本発明による実験例のバッテリーモジュールの上側冷却構造及び下側冷却構造を示した断面図である。
図１５は、実施例によるバッテリーモジュール１０に該当する。上述したように、センシングワイヤ２３０の位置をバッテリーセル組立体１００の対角線方向にし、バッテリーセル組立体１００の上側にも均一に熱伝導率３Ｗ／ｍＫの熱伝導性接着剤４００を設けた。バッテリーセル組立体１００の下側にも熱伝導率３Ｗ／ｍＫの熱伝導性接着剤５００を塗布し、モジュールケース３００としてはＡｌ材質を用いた。これによって、本発明による実験例では、図１５の（ａ）のように、バッテリーセル組立体１００－熱伝導性接着剤４００－トッププレート３１０の熱伝逹経路だけでなく、（ｂ）のようにバッテリーセル組立体１００－熱伝導性接着剤５００－ボトムプレート３２０の熱伝逹経路を構成することができた。本発明による実験例の場合、バッテリーセル組立体の上側冷却及び下側冷却がすべて可能であった。特に、上側冷却の場合、センシングアセンブリ２００のトップカバー２４０が位置する部位に局所的な熱性能損失を除いて、バッテリーセル１１０の上端からモジュールケース３００の上端、すなわちトッププレート３１０までの熱抵抗は約０．８Ｋ／Ｗにシミュレートされて、比較例の熱抵抗よりかなり低い数値を見せた結果、冷却性能が著しく優れるということが確認できた。また、比較例と同様に、下部冷却まで加えられるため、これを考慮すれば、全体的な熱抵抗は０．８Ｋ／Ｗ以下にさらに減少すると予想できる。
図１６は、本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明するための図である。
図１６を参照すると、バッテリーパック１は、上述した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を含むことができる。
ここで、前記少なくとも一つのバッテリーモジュールは、上述した実施例の前記バッテリーモジュール２０としても備えられ得る。もちろん、前記バッテリーモジュールは、上述した実施例の前記バッテリーモジュール１０と前記バッテリーモジュール２０との集合体としても備えられ得る。また、本発明によるバッテリーパック１は、このようなバッテリーモジュール１０及びパックケース５０の外に、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。
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備えられ得る。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の自動車に備えられ得る。
もちろん、前記バッテリーパック１は、前記自動車の外にも、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機具及び設備などにも備えられ得る。
このように、本実施形態による前記バッテリーパック１及び前記自動車のような前記バッテリーパック１を備える装置や機具及び設備は、上述した前記バッテリーモジュール１０を含むことで、上述したバッテリーモジュール１０による長所をすべて有するバッテリーパック１及びこのようなバッテリーパック１を備える自動車などの装置や機具及び設備などを具現することができる。
以上のような多様な実施形態によって、前記バッテリーセル１１０の容積率を確保しながらもよりコンパクトなサイズを具現可能な、前記バッテリーモジュール１０、２０、前記バッテリーモジュール１０、２０を含む前記バッテリーパック１、及び前記バッテリーパック１を含む自動車を提供することができる。
一方、本明細書において、上、下、左、右などのように方向を表す用語が使われたが、このような用語は説明の便宜上使用されたものであって、観測者の位置や対象になる物の位置などによって変わり得ることは本発明の当業者にとって自明である。
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、本発明は上述した特定の実施形態に限定されず、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者であれば、本発明の技術思想及び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。
１ バッテリーパック
３ 熱伝導率
１０ バッテリーモジュール
２０ バッテリーモジュール
５０ パックケース
１００ バッテリーセル組立体
１００ バッテリーセル組立体
１１０ バッテリーセル
１２０ 電極リード
２００ センシングアセンブリ
２１０ 第１バスバーフレーム組立体
２１２ バスバー
２１４ フレーム
２１６ フック挿入用固定孔
２２０ 第２バスバーフレーム組立体
２２２ バスバー
２２４ フレーム
２３０ センシングワイヤ
２３０’ センシングワイヤ
２４０ トップカバー
２４２ フック
３００ モジュールケース
３１０ トッププレート
３１２ 注入孔
３１４ 面取り部
３２０ ボトムプレート
３３０ サイドプレート
３４０ フロントカバー
３５０ リアカバー
４００ 熱伝導性接着剤
５００ 熱伝導性接着剤

Claims (12)

  1. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーセル組立体と、
    前記バッテリーセル組立体の前方及び後方を覆うセンシングアセンブリと、
    前記センシングアセンブリが取り付けられた前記バッテリーセル組立体を収納するモジュールケースと、
    前記モジュールケースの上部内面と前記バッテリーセル組立体の上側との間に介在される熱伝導性接着剤と、
    を含み、
    前記センシングアセンブリは、
    前記バッテリーセル組立体の前方に配置される第１バスバーフレーム組立体と、
    前記バッテリーセル組立体の後方に配置される第２バスバーフレーム組立体と、
    前記第１バスバーフレーム組立体と前記第２バスバーフレーム組立体とを連結し、前記バッテリーセル組立体の上側を対角線方向に横切るセンシングワイヤと、
    を含み、
    前記熱伝導性接着剤は、前記センシングワイヤの両側に位置することを特徴とするバッテリーモジュール。
  2. 前記モジュールケースは、
    前記バッテリーセル組立体の上側を覆うトッププレートと、
    前記トッププレートに対向配置され、前記バッテリーセル組立体の下側を覆うボトムプレートと、
    前記トッププレート及び前記ボトムプレートと結合され、前記バッテリーセル組立体の両側面に配置される一対のサイドプレートと、
    を含み、
    前記バッテリーセルの長手方向の両側に開放される第１開口及び第２開口を形成し、
    前記モジュールケースの第１開口に結合されて前記バッテリーセル組立体の前方を覆うフロントカバー、及び前記モジュールケースの第２開口に結合されて前記バッテリーセル組立体の後方を覆うリア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。
  3. 前記トッププレート、前記ボトムプレート及び前記サイドプレートは、単一の構造体として形成されてい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。
  4. 前記センシングワイヤは、フレキシブル印刷回路基板として備えられることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記フレキシブル印刷回路基板を覆うトップカバーをさらに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。
  6. 前記トップカバーは、両端にフックが形成され、前記第１バスバーフレーム組立体及び前記第２バスバーフレーム組立体にフック挿入用固定孔が形成されて、前記フック挿入用固定孔に前記フックが結合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。
  7. 前記モジュールケースの上部に形成されて、前記モジュールケースの内部に前記熱伝導性接着剤を注入するための注入孔を前記センシングワイヤに対応する部分の両側にさらに含む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. 前記注入孔は、前記センシングワイヤの進行方向に対して０°～３０°の角度を成す方向に沿って並んで複数個が備えられることを特徴とする請求項７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記注入孔には一側に傾いた面取り部が設けられることを特徴とする請求項７又は８に記載のバッテリーモジュール。
  10. 請求項１～９のいずれか一項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。
  11. 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。
  12. 請求項１～９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを製造するための方法であって、
    前記バッテリーセル組立体に前記センシングアセンブリを取り付けるステップと、
    前記センシングアセンブリを取り付けた前記バッテリーセル組立体を、前記モジュールケース内に収容するステップと、
    前記モジュールケースの上部内面と前記バッテリーセル組立体の上側との間に、且つ前記バッテリーセル組立体の上側を対角線方向に横切る前記センシングワイヤの両側に前記熱伝導性接着剤を設けるステップと、
    を備える、バッテリーモジュールを製造するための方法。
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