JP7138775B2 - 迅速に予熱可能な構造を有するバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、迅速に予熱可能な構造を有するバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より具体的には、物理的衝撃による結晶核形成の原理に従って相変化する物質を含む相変化予熱体を備えるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、２０１９年５月１５日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００５７０４７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。
二次電池は、通常、一定温度以下の条件で性能が急激に低下する。これは、冬場や相対的に極地方に近い地域でＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ ＨＥＶ）、ＢＥＶ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などのように二次電池が適用された車両を使用する場合に問題を引き起こす。
すなわち、気温が低い場合、一晩中駐車していた車両の温度が下がれば、車両内部の二次電池の温度も低下し、翌日の朝始動するとき始動性の低下を引き起こし、さらに、走行時にも電池の寿命や性能に大きい影響を及ぼすようになる。
ヒーターなどを用いて車両を使用する前に予め二次電池を加熱しておく方法も考えられるが、ヒーターに供給される電源も二次電池から供給されるものであるため、二次電池の性能が低下している低温環境では依然として二次電池の性能低下をいう問題が残っている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、少量の電力を消費するだけで自動車の使用前にバッテリーパックを迅速に予熱してバッテリーパックの正常な性能を発揮可能にすることを目的とする。
本発明が解決しようとする技術的課題は上記の課題に制限されず、その他の課題は下記の発明の説明から当業者に明確に理解できるであろう。
上述した課題を解決するため、本発明の一態様によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、前記セル積層体の上部に配置され、結晶核の形成によって相変化することで発熱反応を起こす相変化物質を内部に含む相変化予熱体と、を含む。
前記相変化物質は、水酸化ナトリウム過飽和溶液、酢酸ナトリウム過飽和溶液及びチオ硫酸ナトリウム過飽和溶液のうち少なくとも一つの溶液を含み得る。
前記相変化予熱体は、前記セル積層体の上部に載置されるパウチと、前記パウチ内に含まれる前記相変化物質と、前記パウチ内に位置する第１駆動部と、前記第１駆動部に取り付けられる第１摩擦板と、前記第１駆動部の駆動によって前記第１摩擦板と摩擦を起こして金属結晶核を形成する第２摩擦板と、を含み得る。
前記相変化予熱体は、前記パウチの外部に位置して前記第１駆動部と電気的に接続されるコネクタをさらに含み得る。
前記相変化予熱体は、前記パウチを貫通して前記第１駆動部及び前記第２摩擦板を固定する支持フレームをさらに含み得る。
前記相変化予熱体は、パウチと、前記パウチ内に含まれる前記相変化物質と、前記パウチ内に位置する第１駆動部と、前記第１駆動部に取り付けられる第１摩擦板と、前記パウチ内に位置する第２駆動部と、前記第２駆動部に取り付けられ、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の駆動によって前記第１摩擦板と摩擦を起こして金属結晶核を形成する第２摩擦板と、を含み得る。
前記相変化予熱体は、前記パウチの外部に位置して前記第１駆動部及び前記第２駆動部と電気的に接続されるコネクタをさらに含み得る。
前記相変化予熱体は、前記パウチを貫通して前記第１駆動部及び前記第２駆動部を固定する支持フレームをさらに含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記相変化予熱体の上部に配置され、外部電源と接続されて前記相変化予熱体を加熱することで、固相に相変化した前記相変化物質を再度液相に相変化させるフィルムヒーターをさらに含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記セル積層体の長手方向の一側及び他側を覆う一対のバスバーフレーム、及び前記バスバーフレーム上に固定されて前記バッテリーセルと電気的に接続される複数のバスバーを含む一対のバスバーフレームアセンブリをさらに含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記バスバーフレームアセンブリが外部に露出した状態で前記セル積層体及び相変化予熱体の外周を覆うモジュールケースをさらに含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記バスバーフレームアセンブリを覆う一対のエンドプレートをさらに含み得る。
上述した課題を解決するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述したような本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
上述した課題を解決するため、本発明のさらに他の一態様による自動車は、上述したような本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。
本発明の一態様によれば、少量の電力を消費するだけで自動車の使用前にバッテリーモジュールを迅速に予熱することができ、これによって自動車に搭載されたバッテリーモジュールの正常な性能を引き出すことができる。
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って、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の完成斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるセル積層体を示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるセル積層体及びバスバーフレームアセンブリを示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用されるセル積層体、バスバーフレームアセンブリ及び相変化予熱体が結合された形態を示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される相変化予熱体の一実施形態を示した詳細図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールに適用される相変化予熱体の他の実施形態を示した詳細図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールの一部構成要素を示した斜視図である。
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～図４を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、セル積層体１００、バスバーフレームアセンブリ２００、外部端子３００、相変化予熱体４００、モジュールケース５００及びエンドプレート６００を含む。
図４に示されたように、前記セル積層体１００は、広い面同士が対面して積層された複数のバッテリーセル１１０を含む。前記セル積層体１００は、最外側及び／または隣接したバッテリーセル１１０の間に介在される少なくとも一つ以上の緩衝パッドＰを含むことができる。
すなわち、前記セル積層体１００は、バスバーフレームアセンブリ２００、外部端子３００及び相変化予熱体４００と結合された状態でモジュールケース５００に挿入され得るが、このとき、セル積層体１００の体積を最大にしながらも容易に挿入できるように、スポンジなどのような弾性を有する材質からなる緩衝パッドＰをさらに適用可能である。
前記バッテリーセル１１０としては、パウチ型バッテリーセルが適用され得る。このようなパウチ型バッテリーセル１１０は、長手方向の両側にそれぞれ引き出される一対の電極リード１１１を含む。
図３を参照すると、前記バスバーフレームアセンブリ２００は、セル積層体１００の長手方向の一側及び他側を覆うバスバーフレーム２１０、及びバスバーフレーム２１０上に固定されてバッテリーセル１１０と電気的に接続される複数のバスバー２２０を含む形態で具現され得る。
前記バスバーフレーム２１０は、例えば樹脂のような絶縁性を有する材質からなり得る。前記バスバーフレーム２１０及びバスバー２２０は、電極リード１１１が引き出されるように、互いに対応する位置に形成されたスリットを備える。前記スリットを通って引き出された電極リード１１１は、バスバー２２０上に密着するように折り曲げられて溶接などによってバスバー２２０に固定される。
前記外部端子３００は、バスバーフレーム２１０上に固定され、セル積層体１００の幅方向（図３のＸ軸方向）に沿って両側の最外郭に位置する電極リード１１１と接続される。
図４及び図５を参照すると、前記相変化予熱体４００は、セル積層体１００の上部（図４において、Ｚ軸方向の上方）に配置され、結晶核の形成によって相変化することで発熱反応を起こす相変化物質を内部に含む。
前記相変化予熱体４００は、このような相変化に伴う発熱反応によって下部に位置するセル積層体１００を予熱することで、バッテリーモジュールの性能が低温によって低下することを防止する。
より具体的には、前記相変化予熱体４００は、パウチ４１０、相変化物質Ｍ、支持フレーム４２０、第１駆動部４３０、第１摩擦板４４０、第２摩擦板４６０、連結ライン４７０及びコネクタ４８０を含む。
前記パウチ４１０は、内部に相変化物質Ｍを収容し、セル積層体１００の上部に載置されてセル積層体１００と直接接触する。より具体的には、前記パウチ４１０は、前記セル積層体１００を構成するそれぞれのバッテリーセル１１０の側部と直接接触するようになる。
前記相変化物質Ｍは、過飽和溶液の状態で存在している途中、物理的な衝撃によって結晶核が提供されれば結晶化の進行によって固相へと相変化を起こす物質である。このような相変化過程を通じて発熱反応が起き、発熱反応によって発生した熱はパウチ４１０を通じて伝導されて相変化予熱体４００の下部に位置するセル積層体１００を予熱するのに用いられる。
前記相変化物質Ｍとしては、例えば、水酸化ナトリウム過飽和溶液、酢酸ナトリウム過飽和溶液及びチオ硫酸ナトリウム過飽和溶液のうち少なくとも一つを含む過飽和溶液を用いることができる。後述するように、物理的な衝撃によって微細な金属粒子が過飽和溶液内に提供されれば、該金属粒子を結晶核にして過飽和溶液内で結晶化が進行し、これによって結晶が生成されながらパウチ内の過飽和溶液は固相へと相変化する。
また、固相に相変化を起こした過飽和溶液は、約５９℃以上の温度に加熱される場合、吸熱反応によって再び過飽和溶液へと相変化してセル積層体１００を予熱可能な状態に戻る。本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールは、ＨＥＶ、ＰＨＥＶ、ＢＥＶなどのような車両に適用できるが、このように発熱反応が完了した相変化予熱体４００を再び本来の状態に相変化させるのに必要なエネルギーは、車両運行過程でのバッテリーモジュールの使用によって発生した熱から得られる。また、車両の運行距離が比較的に短いため、発熱反応を完了し固相に相変化した相変化予熱体４００を本来の状態に相変化させるのに必要な熱を十分に得られない場合は、追加的な熱源を必要とする。これについて詳しくは、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールを参照して後述する。
前記支持フレーム４２０は、パウチ４１０の一部を貫通し、これによって一部はパウチ４１０の内側に、他の一部はパウチ４１０の外側に位置する。前記支持フレーム４２０は、一端部が二つに分岐して形成された第１支持フレーム４２１及び第２支持フレーム４２２を備える。前記第１支持フレーム４２１及び第２支持フレーム４２２は、パウチ４１０の内側に位置する。
前記第１駆動部４３０は、第１支持フレーム４２１の端部に固定される。前記第１駆動部４３０は、回転モータであり得る。前記第１摩擦板４４０は、第１駆動部４３０に取り付けられて第１駆動部４３０の駆動によって回転可能である。
前記第２摩擦板４６０は、第２支持フレーム４２２の端部に固定されて第１摩擦板４４０と対面接触する。したがって、前記第１摩擦板４４０と第２摩擦板４６０とは、第１駆動部４３０の駆動によって接触面同士が摩擦を起こして微細な金属粒子を形成する。すなわち、前記第１摩擦板４４０と第２摩擦板４６０とは何れも金属材質からなり、このようにして形成された微細な金属粒子は相変化を起こすための金属結晶核として作用する。
一方、図６を参照すると、図５に示されたものと異なって、第２摩擦板４６０が第２支持フレーム４２２に固定されておらず、第２支持フレーム４２２に固定された第２駆動部４５０に取り付けられている。前記第２駆動部４５０も第１駆動部４３０と同様に、回転モータであり得る。このように、前記第１摩擦板４４０と第２摩擦板４６０とがすべて回転する方式で摩擦を起こす場合、より円滑に金属結晶核が形成されることで、さらに迅速に相変化による発熱反応を誘導することができる。
次いで、図４～図６を参照すると、前記連結ライン４７０は、パウチ４１０の内部に位置する第１駆動部４３０及び第２駆動部４５０をパウチ４１０の外部に位置するコネクタ４８０と電気的に接続する。前記連結ライン４７０は、支持フレーム４２０を貫通して延長され得る。
前記コネクタ４８０は、第１駆動部４３０及び第２駆動部４５０に電力を供給するための電源との接続のための構成要素であって、例えば自動車のキーオン（ｋｅｙ ｏｎ）時に電流が流れる回路ライン上に接続され得る。この場合、自動車のユーザが始動のためにキーオンする場合、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールまたは別途に設けられた他のバッテリーから供給された電力によって第１駆動部４３０及び第２駆動部４５０が駆動して金属結晶核が生成され、これによってバッテリーモジュールの予熱が可能になる。このような結晶化を用いた発熱反応は、外部の物理的な衝撃によっては発生せず、内部の金属が結晶核を生成することによってのみ発生するが、このような金属結晶核は非常に小さいエネルギーだけでも生成可能であるため、消費する電力が大きくなくて効率的である。
再び図１～図４を参照すると、前記モジュールケース５００は、バスバーフレームアセンブリ２００が外部に露出した状態でセル積層体１００及び相変化予熱体４００の外周を覆う。
前記エンドプレート６００は、一対が備えられ、それぞれのエンドプレート６００はバスバーフレームアセンブリ２００を覆う。
以下、図７を参照して、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。本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールは、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールと比べて、フィルムヒーター７００をさらに含む点が異なるだけで、その他の構成要素は実質的に同一である。
したがって、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールについては、上述した実施形態と重なる説明は省略し、フィルムヒーター７００を重点的に説明する。
図７を参照すると、前記フィルムヒーター７００は、相変化予熱体４００の上部に配置されて相変化予熱体４００を覆うフィルム７１０、及びフィルム７１０に内蔵される熱線７２０を含む。前記フィルムヒーター７００は、外部電源と接続されて相変化予熱体４００を加熱する。すなわち、前記フィルムヒーター７００は、液相から固相に相変化を起こして発熱反応が完了した相変化予熱体４００を、再び液相に相変化させるため、一定温度以上（約５９℃以上）に加熱する。
通常、車両の走行中にはバッテリーモジュールが使用状態であるため十分な熱が発生して、自動車の始動前に液相から固相に相変化した相変化予熱体４００は、自動車の走行過程で再び液相に相変化する。しかし、車両の走行距離が十分でないか又は走行とキーオフとが短い間隔で繰り返される場合は、バッテリーモジュールの温度が十分に上昇せず、相変化予熱体４００がそのまま固相を維持する場合もあり得る。
したがって、前記フィルムヒーター７００は、自動車の充電、すなわちバッテリーモジュールの充電時に充電器と接続され、電力の供給を受けて駆動することで、相変化予熱体４００を加熱して相変化予熱体４００内部の相変化物質Ｍの温度を約５９℃以上に上昇させることができる。このように温度が上昇すれば、前記相変化予熱体４００は再度液相に相変化を起こし、バッテリーモジュールを予熱する準備が完了する。
一方、本発明の他の一実施形態によるバッテリーパックは、上述したような本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを少なくとも一つ以上含む形態で具現できる。また、本発明のさらに他の一実施形態による自動車は、上述したような本発明の一実施形態によるバッテリーパックを含む形態で具現できる。
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。
１００ セル積層体
１１０ パウチ型バッテリーセル、バッテリーセル
１１１ 電極リード
２００ バスバーフレームアセンブリ
２１０ バスバーフレーム
２２０ バスバー
３００ 外部端子
４００ 相変化予熱体
４１０ パウチ
４２０ 支持フレーム
４２１ 第１支持フレーム
４２２ 第２支持フレーム
４３０ 第１駆動部
４４０ 第１摩擦板
４５０ 第２駆動部
４６０ 第２摩擦板
４７０ 連結ライン
４８０ コネクタ
５００ モジュールケース
６００ エンドプレート
７００ フィルムヒーター
７１０ フィルム
７２０ 熱線

Claims (14)

  1. 複数のバッテリーセルを含むセル積層体と、
    前記セル積層体の上部に配置され、結晶核の形成によって相変化することで発熱反応を起こす相変化物質を内部に含む相変化予熱体と、
    を含み、
    前記相変化予熱体は、互いに接触した２つの摩擦板を備えており、
    前記２つの摩擦板のうち少なくとも１つの摩擦板が回転可能であり、
    前記２つの摩擦板による摩擦により金属結晶核を形成する、バッテリーモジュール。
  2. 前記相変化物質は、水酸化ナトリウム過飽和溶液、酢酸ナトリウム過飽和溶液及びチオ硫酸ナトリウム過飽和溶液のうち少なくとも一つの溶液を含む、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記相変化予熱体は、
    前記セル積層体の上部に載置されるパウチと、
    前記パウチ内に含まれる前記相変化物質と、
    前記パウチ内に位置する第１駆動部と、
    前記第１駆動部に取り付けられる第１摩擦板と、
    前記第１駆動部の駆動によって前記第１摩擦板と摩擦を起こして金属結晶核を形成する第２摩擦板と、
    を含む、請求項１又は２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記相変化予熱体は、前記パウチの外部に位置して前記第１駆動部と電気的に接続されるコネクタをさらに含む、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記相変化予熱体は、前記パウチを貫通して前記第１駆動部及び前記第２摩擦板を固定する支持フレームをさらに含む、請求項３又は４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記相変化予熱体は、
    パウチと、
    前記パウチ内に含まれる前記相変化物質と、
    前記パウチ内に位置する第１駆動部と、
    前記第１駆動部に取り付けられる第１摩擦板と、
    前記パウチ内に位置する第２駆動部と、
    前記第２駆動部に取り付けられ、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の駆動によって前記第１摩擦板と摩擦を起こして金属結晶核を形成する第２摩擦板と、
    を含む、請求項１又は２に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記相変化予熱体は、前記パウチの外部に位置して前記第１駆動部及び前記第２駆動部と電気的に接続されるコネクタをさらに含む、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記相変化予熱体は、前記パウチを貫通して前記第１駆動部及び前記第２駆動部を固定する支持フレームをさらに含む、請求項６又は７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記バッテリーモジュールは、前記相変化予熱体の上部に配置され、外部電源と接続されて前記相変化予熱体を加熱することで、固相に相変化した前記相変化物質を再度液相に相変化させるフィルムヒーターをさらに含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  10. 前記バッテリーモジュールは、前記セル積層体の長手方向の一側及び他側を覆う一対のバスバーフレーム、及び前記バスバーフレーム上に固定されて前記バッテリーセルと電気的に接続される複数のバスバーを含む一対のバスバーフレームアセンブリをさらに含む、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。
  11. 前記バッテリーモジュールは、前記バスバーフレームアセンブリが外部に露出した状態で前記セル積層体及び相変化予熱体の外周を覆うモジュールケースをさらに含む、請求項１０に記載のバッテリーモジュール。
  12. 前記バッテリーモジュールは、前記バスバーフレームアセンブリを覆う一対のエンドプレートをさらに含む、請求項１０又は１１に記載のバッテリーモジュール。
  13. 請求項１～１２の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。
  14. 請求項１～１２の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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