JP7034419B2 - 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

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 Download PDF

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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、２０１５年１２月１４日出願の韓国特許出願第１０－２０１５－０１７８１５９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、少なくとも１つ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、このような少なくとも１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。
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、それによって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につながる恐れがある。
したがって、高出力大容量のバッテリーモジュール及びそれを含むバッテリーパックには、そ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ず必要となる。
一般に、冷却装置としては代表的に空冷式と水冷式の２つが挙げられるが、漏電や二次電池の防水問題などのため空冷式が水冷式より広く用いられている。
１つのバッテリーセルによって生産可能な電力は大きくないため、商用化されたバッテリーモジュールは、一般に、複数のバッテリーセルを必要な個数ほど積層してパッケージングしたバッテリーセルアセンブリを備える。ここで、バッテリーセルアセンブリは、最近、高いエネルギー密度及び一層スリムなバッテリーモジュールを実現するため、複数のバッテリーセルを水平方向、すなわち、上下方向に積層してパッケージングする趨勢である。
そして、それぞれのバッテリーセルで電気を生産する過程で発生した熱を冷却するため、バッテリーセルアセンブリの一側、一般に、バッテリーセルアセンブリの上側または下側にヒートシンクを備え、複数のバッテリーセルを冷却する。
しかし、従来のバッテリーモジュールでは、バッテリーモジュールを冷却するとき、ヒートシンクに隣接したバッテリーセルとそうでないバッテリーセルとの間、例えば、ヒートシンクがバッテリーセルアセンブリの上側に取り付けられる場合は、バッテリーセルアセンブリの上側に備えられるバッテリーセルとバッテリーセルアセンブリの下側に備えられるバッテリーセルとの間で冷却偏差が生じる問題がある。
従来のバッテリーモジュールでは、このようなバッテリーセルの冷却偏差のため、複数のバッテリーセルの温度バランスが取れず、バッテリーモジュールの寿命低下の原因になる問題がある。
そこで、バッテリーモジュールを冷却するとき、バッテリーセルの冷却偏差を低減できる方案が求められている。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーモジュールを冷却するとき、バッテリーセルの冷却偏差を低減できる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。
上記の課題を達成するため、本発明は、上下方向に相互積層される複数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アセンブリの一側を覆うヒートシンク；及び前記ヒートシンクと連結され、前記バッテリーセルアセンブリの両側面をそれぞれ覆い、前記複数のバッテリーセルの積層方向に沿って形成される冷媒流路を備える一対の冷却プレート；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。
前記バッテリーセルアセンブリは、前記複数のバッテリーセル；及び前記複数のバッテリーセルの両側面を覆う一対のセルカートリッジ；を含み、前記一対の冷却プレートは、それぞれ、それぞれのセルカートリッジを覆い、それぞれのセルカートリッジにカートリッジ接着部材を通じて固定することができる。
前記一対の冷却プレート及び前記一対のセルカートリッジは、金属材質からなり、前記カートリッジ接着部材は、熱伝導性材質からなる熱接着剤であり得る。
前記複数のバッテリーセルの両側面は、それぞれ、それぞれのセルカートリッジにセル接着部材を通じて固定することができる。
前記セル接着部材は、熱伝導性材質からなる熱接着剤であり得る。
前記一対の冷却プレートは、それぞれ、一端部が前記ヒートシンクと連結され、前記ヒートシンクにヒートシンク接着部材を通じて固定することができる。
前記ヒートシンク接着部材は、熱伝導性材質からなる熱接着剤であり得る。
前記一対の冷却プレートは、それぞれ、前記冷媒流路を備え、それぞれのセルカートリッジに固定されるヒートパイプ；及び前記ヒートパイプの一端部から折り曲げられ、前記ヒートシンクに固定される支持パネル；を含むことができる。
前記ヒートシンクは、前記バッテリーセルアセンブリの上側に備えられ、前記冷媒流路は、前記ヒートシンクの下側に設けられて、前記冷媒流路内で気体または液体に相変化可能な冷媒を流動させることができる。
そして、本発明は、複数のバッテリーセルを含むバッテリーセルアセンブリ；及び前記バッテリーセルアセンブリの両側面をそれぞれ覆い、前記バッテリーセルアセンブリの冷却のための冷媒流路を備える一対の冷却プレート；を含み、前記バッテリーセルアセンブリの両側面は、それぞれ、それぞれの冷却プレートに熱伝導性材質からなる熱接着剤を通じて固定されることを特徴とするバッテリーモジュールを提供する。
前記冷媒流路には、気体または液体に相変化可能な冷媒が流動することができる。
前記バッテリーモジュールは、前記バッテリーセルアセンブリの一側を覆い、前記一対の冷却プレートと連結されるヒートシンク；をさらに含むことができる。
前記一対の冷却プレートは、それぞれ、一端部が前記ヒートシンクと連結され、前記ヒートシンクに熱伝導性材質からなる熱接着剤を通じて固定することができる。
また、本発明は、上述した実施例による少なくとも１つのバッテリーモジュール；及び前記少なくとも１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；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、上述した実施例による少なくとも１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。
上述した多様な実施例によれば、バッテリーモジュールを冷却するとき、バッテリーセルの冷却偏差を低減できる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ができる。
それにより、バッテリーモジュールのバッテリーセルの温度バランスを維持してバッテリーモジュールの寿命を増大できる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斜視図である。 図１のバッテリーモジュールの断面図である。 図２のバッテリーモジュールのＡ部分の拡大図である。 図１のバッテリーモジュールの他の実施例による冷却プレートを説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールの冷却を説明するための図である。 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。
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モジュールの斜視図であり、図２は図１のバッテリーモジュールの断面図であり、図３は図２のバッテリーモジュールのＡ部分の拡大図であり、図４は図１のバッテリーモジュールの他の実施例による冷却プレートを説明するための図である。
図１～図４を参照すれば、バッテリーモジュール１０は、バッテリーセルアセンブリ１００、ヒートシンク２００及び一対の冷却プレート３００を含むことができる。
前記バッテリーセルアセンブリ１００は、バッテリーモジュール１０を成す各種部品などをパッケージングしたものであって、バッテリーセル１１０及びセルカートリッジ１２０を含むことができる。
前記バッテリーセル１１０は、パウチ型二次電池であり得、複数が備えられて上下方向（Ｚ軸方向）に沿って相互積層され得る。
前記セルカートリッジ１２０は、前記複数のバッテリーセル１１０を支持するためのものであって、一対で備えられる。前記一対のセルカートリッジ１２０はそれぞれ前記複数のバッテリーセル１１０の両側面を覆うことができる。
前記一対のセルカートリッジ１２０は高い熱伝導性を有する金属材質からなり得る。例えば、前記一対のセルカートリッジ１２０は高い熱伝導性を有するアルミニウム材質からなり得る。
このような前記一対のセルカートリッジ１２０は、前記複数のバッテリーセル１１０の両側面にセル接着部材Ｇ１を通じて固定される。具体的に、前記複数のバッテリーセル１１０の両側面は、それぞれ、対向するそれぞれのセルカートリッジ１２０に前記セル接着部材Ｇ１を通じて固定され得る。このような前記セル接着部材Ｇ１を通じて前記一対のセルカートリッジ１２０は前記複数のバッテリーセル１１０をより安定的に支持することができる。
前記セル接着部材Ｇ１は、高い熱伝導性を有する熱伝導性材質からなり得る。例えば、前記セル接着部材Ｇ１は、熱接着剤（thermal adhesive）または熱インターフェース物質（thermal interface materials）からなり得る。
このような前記セル接着部材Ｇ１を通じて、前記複数のバッテリーセル１１０から発生した熱をより効果的に前記一対のセルカートリッジ１２０に伝達することができる。
前記ヒートシンク２００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の一側、具体的に、前記バッテリーセルアセンブリ１００の上側を覆うことができる。
このような前記ヒートシンク２００は、前記バッテリーセルアセンブリ１００から伝達される熱を吸収すると同時に外部に放出できるように、高い熱伝導性を有する材質からなり得る。例えば、前記ヒートシンク２００は高い熱伝導性を有する金属材質からなり得る。
前記一対の冷却プレート３００は、前記バッテリーセルアセンブリ１００を支持し、また、前記バッテリーセルアセンブリ１００から伝達される熱を前記ヒートシンク２００に伝達するためのものであって、前記ヒートシンク２００と連結され、前記バッテリーセルアセンブリ１００の両側面をそれぞれ覆うことができる。
このような前記一対の冷却プレート３００は、それぞれのセルカートリッジ１２０を覆い、それぞれのセルカートリッジ１２０にカートリッジ接着部材Ｇ２を通じて固定され得る。
このような前記カートリッジ接着部材Ｇ２を通じて、前記一対の冷却プレート３００は前記バッテリーセルアセンブリ１００をより安定的に支持することができる。
ここで、前記カートリッジ接着部材Ｇ２は、前記セル接着部材Ｇ１と同様に、高い熱伝導性を有する熱伝導性材質からなり得る。例えば、前記カートリッジ接着部材Ｇ２は熱接着剤または熱インターフェース物質からなり得る。
このような前記カートリッジ接着部材Ｇ２を通じて、前記一対のセルカートリッジ１２０に伝達された熱をより効果的に前記一対の冷却プレート３００に伝達することができる。
前記一対の冷却プレート３００は、より効果的な熱伝達のため、高い熱伝導性を有する金属材質からなり得る。例えば、前記一対の冷却プレート３００は高い熱伝導性を有するアルミニウム材質からなり得る。それにより、前記一対のセルカートリッジ１２０に伝達された熱を前記一対の冷却プレート３００により効果的に伝達することができる。
そして、前記一対の冷却プレート３００の一端部、具体的に、前記一対の冷却プレート３００の上端部は前記ヒートシンク２００と連結され、前記ヒートシンク２００にヒートシンク接着部材Ｇ３を通じて固定され得る。このような前記ヒートシンク接着部材Ｇ３を通じて、前記一対の冷却プレート３００は前記ヒートシンク２００をより安定的に支持することができる。
ここで、前記ヒートシンク接着部材Ｇ３は、前記セル接着部材Ｇ１及び前記カートリッジ接着部材Ｇ２と同様に、高い熱伝導性を有する熱伝導性材質からなり得る。例えば、前記ヒートシンク接着部材Ｇ３は熱接着剤または熱インターフェース物質からなり得る。
このような前記ヒートシンク接着部材Ｇ３を通じて、前記一対の冷却プレート３００に伝達された熱をより効果的に前記ヒートシンク２００に伝達することができる。
そして、前記一対の冷却プレート３００には、それぞれ前記複数のバッテリーセル１１０の冷却効率を増大できるように、前記ヒートシンク２００の下側で前記複数のバッテリーセル１１０の積層方向（Ｚ軸方向）に沿って形成される冷媒流路３０５を備えることができる。

このような前記一対の冷却プレート３００は、それぞれ、ヒートパイプ３１０及び支持パネル３２０を含むことができる。
前記ヒートパイプ３１０は前記冷媒流路３０５を備え、それぞれのセルカートリッジ１２０及びヒートシンク２００に固定される。具体的に、それぞれのヒートパイプ３１０は対向するそれぞれのセルカートリッジ１２０に前記カートリッジ接着部材Ｇ２を通じて固定され、対向するヒートシンク２００に前記ヒートシンク接着部材Ｇ３を通じて固定され得る。
前記支持パネル３２０は、前記ヒートパイプ３１０の一端部から水平方向（Ｙ軸方向）に沿って折り曲げられ、前記ヒートシンク２００に固定される。具体的に、前記支持パネル３２０は対向するヒートシンク２００に前記ヒートシンク接着部材Ｇ３を通じて固定され得る。
前記支持パネル３２０を通じて、前記一対の冷却プレート３００は前記ヒートシンク２００をより安定的に支持することができ、前記支持パネル３２０の面積ほどの放熱面積を確保できるため、冷却効率をより増大させることができる。
一方、図４に示されたように、一対の冷却プレート４００は放熱溝４５０をさらに含むこともできる。前記放熱溝４５０は、それぞれの冷却プレート４００の外面に備えられ、相互所定距離離隔して複数備えられ得る。
前記複数の放熱溝４５０を通じて、前記一対の冷却プレート４００はより広い表面積を確保できるため、前記一対の冷却プレート４００の冷却効率をより増大させることができる。
以下、このような構造の本実施例による前記バッテリーモジュール１０の冷却過程についてより詳しく説明する。
図５は、図１のバッテリーモジュールの冷却を説明するための図である。
図５を参照すれば、バッテリーモジュール１０を冷却するとき、前記バッテリーセルアセンブリ１００の複数のバッテリーセル１１０から発生した熱は前記セル接着部材Ｇ１、前記一対のセルカートリッジ１２０、前記カートリッジ接着部材Ｇ２、前記一対の冷却プレート３００及び前記ヒートシンク接着部材Ｇ３を経てヒートシンク２００に伝達される。
ここで、前記セル接着部材Ｇ１、前記一対のセルカートリッジ１２０、前記カートリッジ接着部材Ｇ２、前記一対の冷却プレート３００及び前記ヒートシンク接着部材Ｇ３は、高い熱伝導性を有する材質からなるため、前記複数のバッテリーセル１１０の熱を効果的に前記ヒートシンク２００に伝達することができる。
さらに、前記一対の冷却プレート３００は、前記複数のバッテリーセル１１０の積層方向（Ｚ軸方向）に沿って備えられるため、前記バッテリーセルアセンブリ１００の上側に備えられるバッテリーセル１１０及び前記バッテリーセルアセンブリ１００の下側に備えられるバッテリーセル１１０のそれぞれから発生する熱を全て効果的に吸収し、前記ヒートシンク２００に伝達することができる。
そして、前記一対の冷却プレート３００の前記冷媒流路３０５に備えられる前記冷媒Ｒを通じても、前記複数のバッテリーセル１１０を冷却できるため、前記バッテリーモジュール１０を冷却するとき、冷却効率をより増大させることができる。
さらに、前記冷媒流路３０５に備えられる前記冷媒Ｒは前記冷媒流路３０５内で気体または液体に相変化できるため、このような潜熱を通じても前記複数のバッテリーセル１１０の冷却を補助することができる。
前記冷媒Ｒの相変化を見れば、前記冷媒Ｒは、前記一対の冷却プレート３００及び前記ヒートシンク２００の温度が上昇すれば、気体に蒸発（Ｅ）して前記冷媒流路３０５の上側に移動することができる。前記冷媒流路３０５の上側は、前記ヒートシンク２００に隣接して配置されるため、前記ヒートシンク２００及び前記一対の冷却プレート３００の温度が下降すれば、前記蒸発（Ｅ）した前記冷媒Ｒは液体に凝縮（Ｃ）して前記冷媒流路３０５の下側に移動することができる。
このような前記冷媒Ｒの相変化は、前記一対の冷却プレート４００及び前記ヒートシンク２００の温度変化に従って繰り返し、前記冷媒Ｒは前記冷媒流路３０５内で気体または液体に相変化しながら、前記バッテリーモジュール１０を冷却するとき、前記バッテリーセル１１０の冷却を補助することができる。
このように、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、前記バッテリーモジュール１０を冷却するとき、前記一対の冷却プレート３００、４００を通じて前記バッテリーセルアセンブリ１００の前記複数のバッテリーセル１１０の冷却偏差を著しく減らすことができる。
したがって、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、前記バッテリーセルアセンブリ１００の前記複数のバッテリーセル１１０の温度バランスを維持し、バッテリーモジュールの寿命を著しく増大させることができる。
図６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６を参照すれば、上述した実施例による少なくとも１つのバッテリーモジュール１０及び前記少なくとも１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装着することができる。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バッテリーパック１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１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。
このように、本実施例による前記バッテリーパック１、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、上述した前記バッテリーモジュール１０を含むため、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器具及び設備などを実現することができる。
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。
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 バッテリーセルアセンブリ
１１０ バッテリーセル
１２０ セルカートリッジ
２００ ヒートシンク
３００ 冷却プレート
３０５ 冷媒流路
３１０ ヒートパイプ
３２０ 支持パネル
４００ 冷却プレート
４５０ 放熱溝

Claims (7)

  1. 上下方向に相互積層される複数のバッテリーセルを含むバッテリーセルアセンブリと、
    前記バッテリーセルアセンブリの上側を覆うヒートシンクと、
    前記ヒートシンクと連結され、前記バッテリーセルアセンブリの両側面をそれぞれ覆い、前記複数のバッテリーセルの積層方向に沿って形成される冷媒流路を備える一対の冷却プレートと、
    を含み、
    前記一対の冷却プレートはそれぞれ、一端部が前記ヒートシンクと連結され、前記ヒートシンクに熱伝導性材質からなる熱接着剤を通じて固定されており、
    前記バッテリーセルアセンブリは、前記複数のバッテリーセル、及び前記複数のバッテリーセルの両側面を覆う一対のセルカートリッジを含み、
    前記一対の冷却プレートは、それぞれ、それぞれのセルカートリッジを覆い、それぞれのセルカートリッジにカートリッジ接着部材を通じて固定されており、
    前記一対の冷却プレート及び前記一対のセルカートリッジは、金属材質からなり、
    前記カートリッジ接着部材は、熱伝導性材質からなる熱接着剤であることを特徴とするバッテリーモジュール。
  2. 前記複数のバッテリーセルの両側面は、それぞれ、それぞれのセルカートリッジにセル接着部材を通じて固定され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。
  3. 前記セル接着部材は、熱伝導性材質からなる熱接着剤であ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. 前記一対の冷却プレートは、それぞれ、
    前記冷媒流路を備え、それぞれのセルカートリッジに固定されるヒートパイプと、
    前記ヒートパイプの一端部から折り曲げられ、前記ヒートシンクに固定される支持パネルと、
    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。
  5. 前記ヒートシンクは、前記バッテリーセルアセンブリの上側に備えられ、
    前記冷媒流路は、前記ヒートシンクの下側に設けられて、前記冷媒流路内で気体または液体に相変化可能な冷媒を流動させ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. 少なくとも１つの請求項１に記載のバッテリーモジュールと、
    前記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。
  7. 少なくとも１つの請求項６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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