JP7150034B2 - 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９月１３日出願の韓国特許出願第１０－２０１８－０１０９８３５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接続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接続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を用いてその他の構成要素を付け加えることで、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やバッテリーパックの場合、バッテリーの容量及び出力が益々増加する近年の趨勢に伴い、より優れた冷却性能が求められている。そのため、近年のバッテリーセル、例えば、パウチ型二次電池の場合、エネルギー増大のためにパウチ型二次電池の全長が長くなっている。
しかし、このようにパウチ型二次電池の全長が長くなると、バッテリーセル内部における温度のバラツキが大きくなる問題がある。さらに、パウチ型二次電池の電極リード側の発熱によって、電極リードの付近がその他の部分より局所的に温度が高くなる問題がある。
そこで、バッテリーモジュールやバッテリーパックの冷却時に、バッテリーセルの冷却温度のバラツキを改善できる方案が求められている。
したがって、本発明は、バッテリーセルの冷却温度のバラツキを改善することが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。
上記の目的を達成するため、本発明は、少なくとも一つのバッテリーセルと、前記少なくとも一つのバッテリーセルの電極リードと連結され、前記少なくとも一つのバッテリーセルの両側面に備えられるバスバーアセンブリと、前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリを囲みながら、前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリとに直接接触するヒートシンクアセンブリと、を含むバッテリーモジュールを提供する。
前記バスバーアセンブリは、前記少なくとも一つのバッテリーセルの両側に取り付けられるバスバーハウジングと、前記バスバーハウジングに備えられ、前記少なくとも一つのバッテリーセルの電極リードと接触する連結バスバーと、前記連結バスバーまたは前記電極リードの前記ヒートシンクアセンブリ側への連結をガイドする熱伝達部材と、を含み得る。
前記熱伝達部材は、前記連結バスバーに取り付けられ、前記連結バスバーと前記ヒートシンクアセンブリとにそれぞれ直接接触し得る。
前記熱伝達部材は、サーマルインターフェースマテリアル（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）からなり得る。
前記ヒートシンクアセンブリは、前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリの下側を覆う下部ヒートシンクと、前記下部ヒートシンクに対向して配置され、前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリの上側を覆う上部ヒートシンクと、前記上部ヒートシンクと前記下部ヒートシンクとを連結し、前記バスバーアセンブリの両側を覆う一対の側面ヒートシンクと、を含み得る。
前記下部ヒートシンクは、外部より冷却水が供給される冷却水供給部と連結され、内部に前記冷却水が流動できる内部流路が備えられ、前記上部ヒートシンクは、前記冷却水を外部に排出する冷却水排出部と連結され、内部に前記冷却水が流動できる内部流路が備えられ得る。
前記一対の側面ヒートシンクには、それぞれ、前記下部ヒートシンク及び前記上部ヒートシンクの内部流路と連通される内部流路が備えられ得る。
前記冷却水供給部から供給された前記冷却水は、前記下部ヒートシンク、前記一対の側面ヒートシンク、及び前記上部ヒートシンクの内部流路に沿って流動した後、前記冷却水排出部側に送り出され得る。
そして、本発明は、上述した実施形態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、を含むバッテリーパックを提供する。
さらに、本発明は、上述した実施形態による少なくとも一つのバッテリーパックを含む自動車を提供する。
以上のような多様な実施形態によって、バッテリーセルの冷却温度のバラツキを改善することが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図である。 図１のバッテリーモジュールのバスバーアセンブリ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ヒートシンクアセンブリ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熱伝達経路及び冷却水の流動を説明するための図である。 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。 本発明の一実施形態による自動車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とで本発明をより明確にする。後述する実施形態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形態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は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを説明するための図面であり、図２は図１のバッテリーモジュールのバスバーアセンブリを説明するための図であり、図３は図１のバッテリーモジュールのヒートシンクアセンブリを説明するための図である。
図１～図３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１００、バスバーアセンブリ２００及びヒートシンクアセンブリ３００を含むことができる。
前記バッテリーセル１００は、二次電池であって、パウチ型二次電池、角形二次電池または円筒型二次電池であり得る。以下、本実施形態では、前記バッテリーセル１００がパウチ型二次電池であることに限定して説明する。
前記バッテリーセル１００は、少なくとも一つまたはそれ以上の複数で設けられ得る。前記バッテリーセル１００が複数個設けられる場合、前記複数のバッテリーセル１００は相互電気的に接続され得る。
前記バスバーアセンブリ２００は、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の電極リード１５０と連結され、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の両側面に備えられ得る。
このような前記バスバーアセンブリ２００は、バスバーハウジング２１０、連結バスバー２３０及び熱伝達部材２５０を含むことができる。
前記バスバーハウジング２１０は、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の両側に取り付けられ、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の両側を覆うことができる。このような前記バスバーハウジング２１０は、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の両側を覆うことのできる大きさを有し得る。
前記連結バスバー２３０は、前記バスバーハウジング２１０に備えられ、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００との電気的接続のために前記少なくとも一つの電極リード１５０と接触し得る。このような前記連結バスバー２３０は、前記少なくとも一つの電極リード１５０とレーザー溶接などを通じて相互に固定され得る。
前記熱伝達部材２５０は、前記連結バスバー２３０または前記電極リード１５０の後述するヒートシンクアセンブリ３００側への連結をガイドすることができる。具体的には、前記熱伝達部材２５０は、前記連結バスバー２３０に取り付けられ、前記連結バスバー２３０と前記ヒートシンクアセンブリ３００にそれぞれ直接接触し得る。このような前記熱伝達部材２５０は、高い熱伝達効率を有するサーマルインターフェースマテリアルからなり得る。
前記ヒートシンクアセンブリ３００は、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００と前記バスバーアセンブリ２００とを囲みながら、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００と前記バスバーアセンブリ２００とに直接接触し得る。
本実施形態では、このような前記ヒートシンクアセンブリ３００が前記少なくとも一つのバッテリーセル１００と前記バスバーアセンブリ２００を覆うため、別途のモジュールケースなどの構成部品を省略することができる。
これによって、本実施形態においては、前記別途のモジュールケースなどの構成部品が省略されることで、よりスリムでコンパクトな構造を有する前記バッテリーモジュール１０を具現することができる。
以下、このような前記ヒートシンクアセンブリ３００について具体的に説明する。
前記ヒートシンクアセンブリ３００は、下部ヒートシンク３１０、上部ヒートシンク３３０及び側面ヒートシンク３５０を含むことができる。
前記下部ヒートシンク３１０は、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００と前記バスバーアセンブリ２００の下側とを覆うことができる。
このような前記下部ヒートシンク３１０は、外部から冷却水が供給される冷却水供給部４００と連結され、内部に前記冷却水が流動できる内部流路３１５が備えられ得る。
前記上部ヒートシンク３３０は、前記下部ヒートシンク３１０に対向して配置され、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００と前記バスバーアセンブリ２００の上側とを覆うことができる。
このような前記上部ヒートシンク３３０は、前記冷却水を外部に排出する冷却水排出部５００と連結され、内部に前記冷却水が流動できる内部流路３３５が備えられ得る。
前記側面ヒートシンク３５０は、一対で備えられ得る。前記一対の側面ヒートシンク３５０は、前記上部ヒートシンク３３０と前記下部ヒートシンク３１０とを連結し、前記バスバーアセンブリ２００の両側を覆うことができる。
このような前記一対の側面ヒートシンク３５０には、それぞれ、前記下部ヒートシンク３１０及び前記上部ヒートシンク３３０の内部流路３１５、３３５と連通される内部流路３５５が備えられ得る。
以下、このような本実施形態による前記バッテリーモジュール１０の熱伝達経路及び冷却水の流動について具体的に説明する。
図４は、図１のバッテリーモジュールの熱伝達経路及び冷却水の流動を説明するための図である。
図４を参照すると、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００が発熱するとき、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の上下側から発生した熱は、前記ヒートシンクアセンブリ３００の前記下部ヒートシンク３１０及び前記上部ヒートシンク３３０に伝達され得る。前記下部ヒートシンク３１０及び前記上部ヒートシンク３３０は、内部冷却水の流動によって前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の上下側を冷却させることができる。
そして、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の両側、すなわち、前記電極リード１５０と前記バスバーアセンブリ２００の前記連結バスバー２３０側で発生した熱は、前記ヒートシンクアセンブリ３００の前記一対の側面ヒートシンク３５０側に伝達され得る。
ここで、前記バスバーアセンブリ２００の前記熱伝達部材２５０は、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の前記電極リード１５０及び前記連結バスバー２３０側で発生した熱の前記一対の側面ヒートシンク３５０側への熱伝達をより速く促進させることができる。
前記一対の側面ヒートシンク３５０は、内部冷却水の流動によって前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の前記電極リード１５０及び前記連結バスバー２３０側を冷却させることができる。
前記冷却水の流動についてまとめれば、前記冷却水供給部４００から供給された前記冷却水は、前記下部ヒートシンク３１０の前記内部流路３１５、前記一対の側面ヒートシンク３５０の前記内部流路３５５、及び前記上部ヒートシンク３３０の前記内部流路３３５に沿って流動した後、前記冷却水排出部５００側へと送り出され得る。
本実施形態の場合、前記バスバーアセンブリ２００と接触する前記一対の側面ヒートシンク３５０を通じて、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の前記電極リード１５０及び前記連結バスバー２３０側で発生した熱を効果的に冷却させることができる。また、前記一対の側面ヒートシンク３５０と直接接触する熱伝達部材２５０を通じて、前記冷却効率をより向上させることができる。
このように、本実施形態では、前記一対の側面ヒートシンク３５０を通じて、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の前記電極リード１５０側の発熱によって前記電極リード１５０の付近がその他の部分より局所的に温度が高くなって発生する前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の冷却バラツキを効果的に防止することができる。
したがって、本実施形態においては、前記バスバーアセンブリ２００の前記熱伝達部材２５０及び前記一対の側面ヒートシンク３５０を備える前記ヒートシンクアセンブリ３００を通じて、前記少なくとも一つのバッテリーセル１００の冷却時に生じ得る冷却温度のバラツキを著しく改善することができる。
図５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り、図６は本発明の一実施形態による自動車を説明するための図である。
図５及び図６を参照すると、バッテリーパック１は、上述した実施形態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。
このような前記バッテリーパック１は、自動車Ｖの燃料源として、自動車Ｖ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Ｖ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Ｖ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器具及び設備などにも備えられることは言うまでもない。
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Ｖ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及び前記バッテリーパック１を備える自動車Ｖ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。
以上のような多様な実施形態によって、前記バッテリーセル１００の冷却温度のバラツキを改善することができる前記バッテリーモジュール１０、このような前記バッテリーモジュール１０を含む前記バッテリーパック１、及びこのような前記バッテリーパック１を含む前記自動車Ｖを提供することができる。
以上、本発明の望ましい実施形態を図示し説明したが、本発明が上述した特定の実施形態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
１５０ 電極リード
２００ バスバーアセンブリ
２１０ バスバーハウジング
２３０ 連結バスバー
２５０ 熱伝達部材
３００ ヒートシンクアセンブリ
３１０ 下部ヒートシンク
３１５ 内部流路
３３０ 上部ヒートシンク
３３５ 内部流路
３５０ 側面ヒートシンク
３５５ 内部流路
４００ 冷却水供給部
５００ 冷却水排出部

Claims (6)

  1. バッテリーモジュールであって、
    直立した少なくとも一つのバッテリーセルと、
    前記少なくとも一つのバッテリーセルの電極リードと連結され、前記少なくとも一つのバッテリーセルの両側面に備えられるバスバーアセンブリと、
    前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリを囲みながら、前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリとに直接接触するヒートシンクアセンブリであって、冷却水を流動させるための内部流路を備えるヒートシンクアセンブリと、
    を含み、
    前記バスバーアセンブリは、
    前記少なくとも一つのバッテリーセルの両側に取り付けられるバスバーハウジングと、
    前記バスバーハウジングに備えられ、前記少なくとも一つのバッテリーセルの電極リードと接触する連結バスバーと、
    前記連結バスバーまたは前記電極リードの前記ヒートシンクアセンブリ側への連結をガイドする熱伝達部材と、
    を含み、
    前記バスバーアセンブリの前記バスバーハウジング及び前記熱伝達部材は、前記ヒートシンクアセンブリに直接接触するように、前記冷却水が前記内部流路において流動している前記ヒートシンクアセンブリに隣接して設けられており、
    前記熱伝達部材は、前記連結バスバーに取り付けられ、前記連結バスバーと前記ヒートシンクアセンブリとにそれぞれ直接接触しており、
    前記ヒートシンクアセンブリは、
    前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリの下側を覆う下部ヒートシンクと、
    前記下部ヒートシンクに対向して配置され、前記少なくとも一つのバッテリーセルと前記バスバーアセンブリの上側を覆う上部ヒートシンクと、
    前記上部ヒートシンクと前記下部ヒートシンクとを連結し、前記バスバーアセンブリの両側を覆う一対の側面ヒートシンクと、
    を含み、
    前記一対の側面ヒートシンクには、それぞれ、前記下部ヒートシンク及び前記上部ヒートシンクの内部流路と連通される内部流路が備えられる、バッテリーモジュール。
  2. 前記熱伝達部材は、サーマルインターフェースマテリアルからなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記下部ヒートシンクは、外部より冷却水が供給される冷却水供給部と連結され、
    前記上部ヒートシンクは、前記冷却水を外部に排出する冷却水排出部と連結される、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記冷却水供給部から供給された前記冷却水は、前記下部ヒートシンク、前記一対の側面ヒートシンク、及び前記上部ヒートシンクの内部流路に沿って流動した後、前記冷却水排出部側に送り出される、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 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、バッテリーパック。
  6. 請求項５に記載の少なくとも一つのバッテリーパックを含む、自動車。
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