JP7176006B2 - 熱放出が改善され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 - Google Patents

熱放出が改善され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 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーモジュールに関し、より詳しくは、特定電圧以上で電子冷却を起こすことで熱放出を改善したバッテリーモジュールに関する。また、本発明は、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に関する。
本出願は、２０１８年１１月２９日出願の韓国特許出願第１０－２０１８－０１５１２７６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。
現在、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、リチウム二次電池などの二次電池が商用化している。中でもリチウム二次電池は、ニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は、主に、リチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、正極活物質が正極集電体にコーティングされた正極板と、負極活物質が負極集電体にコーティングされた負極板とが、分離膜を介在して配置された構造を有する単位セルを集合させた電極組立体、及び該電極組立体を電解液とともに密封収納する外装材、すなわち電池ケースを備える。リチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が金属缶に収納されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートからなるパウチに収納されているパウチ型二次電池とに分けられる。
近年、携帯型電子機器のような小型装置だけでなく、自動車や電力貯蔵装置（ＥＳＳ）のような中大型装置にも二次電池が広く用いられている。このような中大型装置に用いられる場合、容量及び出力を高めるため、多数の二次電池が電気的に接続されてバッテリーモジュールやバッテリーパックを構成する。特に、このような中大型装置には積層が容易であって軽量であるというなどの長所からパウチ型バッテリーセルが多く用いられる。パウチ型バッテリーセルは、電極リードが接続された電極組立体がパウチケースに電解液とともに収納されて密封された構造を有する。電極リードの一部はパウチケースの外部に露出し、露出した電極リードはパウチ型バッテリーセルが装着される装置に電気的に接続されるか又はパウチ型バッテリーセル相互間を電気的に接続するのに使用される。
一方、リチウム二次電池は過熱されると、爆発するおそれがある。特に、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎ ＨＥＶ）などを含む電気車両に適用するため、多数の高容量バッテリーセルを連結して使用するバッテリーモジュールやバッテリーパックでは、爆発時に非常に大きい事故につながり得ることから、安全性を確保することが主な課題のうち１つである。二次電池の内部温度が上昇すれば電流を遮断して爆発を防止できる従来の手段として、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子、ヒューズなどが提案されている。しかし、これらはバッテリーモジュールやバッテリーパック内で別途の取り付け空間を必要とするという問題がある。
現在、パウチ型バッテリーセルを集積した中大型バッテリーモジュールでは、ＣＩＤ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）と安全性向上機構を取り付けていない。従来の小型円筒形二次電池などで取り付けているＣＩＤの場合、セル内圧が上昇すれば、特定部位が断線してセルに電流を通す通路を遮断する原理によってセルの安全性を確保している。しかし、中大型バッテリーモジュール内のパウチ型バッテリーセルに適用するには抵抗が大きいという問題がある。中大型角形バッテリーセルに適用されているＣＩＤの場合、セル内圧が上昇すれば、強制的に外部短絡（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｈｏｒｔ）を起こしてセル内部のリードを溶かすことで、電流が流れる通路を遮断してセルの安全性を確保している。しかし、このような原理のＣＩＤは、セルがＥＯＬ（Ｅｎｄ ｏｆ Ｌｉｆｅ）区間に入ってセル内圧が上昇する場合にも作動してしまう。また、パウチの変形によって、中大型バッテリーモジュールのパウチ型バッテリーセルには適用し難いという問題がある。
バッテリーモジュール又はバッテリーパックの爆発はそれが採用された電子機器または自動車などの破損をもたらすだけでなく、ユーザの安全を脅かし火災につながり得るため、安全性を確保することは非常に重要である。二次電池が過熱されれば爆発及び／または発火の危険が高まり、過熱による急激な燃焼や爆発は人命及び財産上の被害につながり得る。そこで、二次電池の使用上の安全性を十分に確保できる手段が求められている。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、パウチ型バッテリーセルを集積した中大型バッテリーモジュールにおいて、ＣＩＤやＰＴＣ素子のような安全性向上機構を適用するより、熱放出を改善することで熱蓄積による安全性問題を解消することを提案する。
本発明は、特定電圧以上で電子冷却を起こすことで熱放出を改善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。
上記の目的を達成するため、本発明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み、前記バッテリーセルのそれぞれのリードが互いに接合されたリード接合部が形成されているバッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュールにおいて、前記バッテリーセル組立体の側面に該当する、前記バッテリーセル組立体内のバッテリーセルのうち両側端に位置するバッテリーセルの表面に吸熱部が位置する熱電素子と、前記バッテリーモジュールの過電圧発生時に前記バッテリーモジュールの電流を前記熱電素子側に迂回させる定電圧素子とをさらに含み、前記バッテリーモジュールに過電圧が発生したとき、前記熱電素子を駆動することで前記バッテリーモジュールのバッテリーセル組立体を電子冷却することを特徴とする。
前記定電圧素子は、前記リード接合部に取り付けられ得る。
前記定電圧素子は、前記リード接合部においていずれか１つのバッテリーセルの正極リードと他の１つのバッテリーセルの負極リードとの間に並列で連結され得る。
前記定電圧素子は、ツェナーダイオード（Ｚｅｎｅｒ ｄｉｏｄｅ）またはバリスタ（ｖａｒｉｓｔｏｒ）であり得る。
前記定電圧素子の破壊電圧を前記バッテリーモジュールの満充電電圧よりも大きくすることが望ましい。
前記定電圧素子は、前記バッテリーモジュールの電圧状態を感知するセンシング回路内に備えられ、前記定電圧素子の破壊電圧到達時に前記バッテリーモジュールの電流を前記熱電素子側に流すことができる回路が前記定電圧素子と熱電素子との間に備えられ得る。
前記バッテリーセルは、パウチ型バッテリーセルであり得る。
前記熱電素子は、前記バッテリーセル組立体の側面に板状で備えられ得る。
前記熱電素子上に前記バッテリーセル組立体の側面に垂直な方向に突出した複数の放熱フィンをさらに含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記バッテリーセル組立体の側面を覆うエンドプレートをさらに含み、前記エンドプレートに前記放熱フィンが嵌められる溝が形成され得る。
そして、本発明は、本発明による少なくとも１つのバッテリーモジュールと、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とを含む、バッテリーパックを提供する。
さらに、本発明は、本発明による少なくとも１つのバッテリーパックを含む自動車を提供する。
本発明によるバッテリーモジュールは、定電圧素子と熱電素子をさらに備える。特定電圧以上で所望の方向に電流を流すことができる定電圧素子を用いて、バッテリーモジュールに過電圧が発生したとき、定電圧素子を通じて電流の流れを熱電素子側に迂回させる。迂回させた電流を用いて熱電素子を駆動しバッテリーモジュールを電子冷却することで、過電圧発生によってバッテリーモジュールの温度が急激に上昇する現象を防止することができる。
本発明は、特に、上記バッテリーセル組立体内のバッテリーセルのうち両側端に位置するバッテリーセルの表面に熱電素子を取り付ける。このようにすることで、面積が比較的に広い部分を優先的に冷却可能になって熱放出効果が優れる。また、電子冷却が外側のバッテリーセルで起きるため、外部への熱放出がさらに容易になって冷却効果が優れる。さらに、エンドプレート側に熱電素子に放熱フィン構造を適用するなど熱放出表面積をより広くすることで、電子冷却の効果を極大化するのに有利である。また、定電圧素子と熱電素子とを近距離に配置することができ、バッテリーモジュールの構造が簡単になる。
また、本発明では、熱電素子に放熱フィンを追加的に構成し、エンドプレートに放熱フィンが嵌められる溝を形成することで、エンドプレートがバッテリーセル組立体を収容して支持するだけでなく、熱電素子と放熱フィンも一緒に支持可能な構造になる。放熱フィンの追加によって放熱面積が広がった結果、熱放出がより円滑になり、エンドプレートが放熱フィンを固定するため、構造的強健性も確保することができる。
本発明によれば、過電圧が発生したとき、電流を熱電素子に流して吸熱反応を起こしバッテリーセルを冷却させることで、バッテリーモジュール内の熱蓄積を防止することができる。したがって、バッテリーモジュールの過熱を防止することができ、バッテリーモジュールの安全性に優れる。
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示したブロック図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュールを概略的に示した斜視図である。 図２のバッテリーモジュールに含まれる単位バッテリーセルとしてのパウチ型バッテリーセルの上面図である。 図２のバッテリーモジュールにおいて、隣接した２つのバッテリーセル間のリード接合部部分を概略的に示した図である。 本発明によるバッテリーモジュールに含まれる熱電素子を説明するための部分切開斜視図である。 図５に示した熱電素子の正面図である。 本発明による他のバッテリーモジュールを概略的に示した断面図であり、例えば、図２のＶＩＩ－ＶＩＩ’に沿った断面に対応する。 図７のようなバッテリーモジュールに含まれるエンドプレートを示した図である。 図８のエンドプレートを用いて組み立てるバッテリーモジュールの分解斜視図である。 本発明の他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。 本発明のさらに他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。これに先立ち、本明細書及び特許請求の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示したブロック図である。図１を参照すると、本発明によるバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセル１０を含むバッテリーセル組立体５０、熱電素子６０及び定電圧素子８０を含む。
通常のバッテリーモジュールは、複数のバッテリーセル１０のみを含む。本発明によるバッテリーモジュールは、熱電素子６０と定電圧素子８０をさらに備えたものである。
バッテリーセル組立体５０は、複数のバッテリーセル１０が相互の側面が隣接して配列されている構造からなっている。このとき、熱電素子６０は、バッテリーセル組立体５０の側面に該当する、バッテリーセル組立体５０内のバッテリーセル１０のうち両側端に位置するバッテリーセル１０の表面に吸熱部が位置する。
詳しくは後述するが、バッテリーセル１０は、それぞれのリードが互いに接合されてリード接合部４０を形成する。定電圧素子８０は、リード接合部４０に取り付けられ得る。
定電圧素子８０は、バッテリーモジュールに過電圧が発生したとき、バッテリーモジュールの電流を熱電素子６０側に迂回させる。定電圧素子８０は、特定電圧以上で所望の方向に電流を流すことができる素子である。定電圧素子８０は、両端子の間に特定電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ；破壊電圧）以上の電圧が印加されるとき、電流が急激に流れるようにする特性を有する。すなわち、本発明で備える定電圧素子８０は、特定電圧以上で電流を迂回、すなわちバイパスさせる素子であって、特定電圧より低い電圧では電流の流れが遮断され、特定電圧より高い電圧では急激に電流を流す素子を意味する。したがって、本発明では、定電圧素子８０の破壊電圧以上で電流の流れが熱電素子６０側になるように、定電圧素子８０を用いて必要な回路を構成することができる。上記破壊電圧の具体的な値は必要に応じて当業者が適切に調整可能である。本発明において、上記破壊電圧が必要以上に高い定電圧素子８０を使用する必要はない。上記破壊電圧の最大値は、それぞれのバッテリーモジュールによって変わる。
このような定電圧素子８０は、本発明によるバッテリーモジュールに適用され、過電圧時に電流を熱電素子６０側に迂回させて熱電素子６０を駆動させることができる。過熱または熱蓄積からバッテリーモジュールを保護することで、バッテリーモジュールの安全性を向上させることができる。
熱電素子６０は、迂回させた電流によって駆動される。熱電素子６０は、電流の供給によって吸熱と発熱可能なペルティエ素子から構成する。ペルティエ素子の吸熱部をバッテリーセル組立体５０内のバッテリーセル１０のうち両側端に位置するバッテリーセル１０の表面側にし、ペルティエ素子の発熱部を空気側にすれば、電流供給による電子冷却を行うことができる。
周知のように、ペルティエ素子は吸熱部と発熱部からなり、本発明は吸熱部をバッテリーセル組立体５０内のバッテリーセル１０のうち両側端に位置するバッテリーセル１０表面に接触させ、発熱部を空気中に露出するように構成する。ペルティエ効果とは、ある種類の金属を対にして電流を流せば、一方の接点は発熱し、他方の接点は吸熱（冷却）する現象を言う。本発明の熱電素子６０は、このようなペルティエ効果を具現した素子であり、現在はＶ－ＶＩ族の合金及びその固溶体からなるｎ型とｐ型の半導体を冷却接点にして銅板を介して連結する形態が一般的である。電流が流れる方向を変えれば、吸熱部分と発熱部分とが変えられ、電流量によって吸熱・発熱量の調節が可能である。
本発明では、熱電素子６０の吸熱部はバッテリーセル組立体５０内のバッテリーセル１０のうち両側端に位置するバッテリーセル１０の表面に接触し、発熱部は空気中に露出するように、熱電素子６０に印加される電流方向を考慮する。熱電素子６０を、バッテリーセル１０の内部またはバッテリーモジュール内の他の位置ではなく、バッテリーセル組立体５０の側面に取り付けることで、面積が比較的に広い部分の優先的な冷却が可能になって熱放出効果が優れる。また、電子冷却が外側のバッテリーセルで起きるため、外部への熱放出がさらに容易になって冷却効果が優れる。また、定電圧素子８０と熱電素子６０とを近距離に配置することができ、バッテリーモジュールの構造が簡単になる。
このように本発明では、過電圧発生時にバッテリーモジュールの電流を用いて熱電素子６０を駆動することで、バッテリーモジュールを電子冷却する。これによって、過電圧発生によってバッテリーモジュールの温度が急激に上昇する現象を防止することができる。
図２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概略的に示した斜視図である。図３は、図２のバッテリーモジュールに含まれる単位バッテリーセルとしてのパウチ型バッテリーセルの上面図である。
図２のバッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、…を電気的に直列で連結した例を図示する。本実施形態では直列連結の例を挙げるが、所望の規格に応じて直列及び／または並列で連結され得る。複数のバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、…は、それぞれ、図３に示したようなパウチ型バッテリーセル１１０であり、互いに同じ構造を有し得る。
図３を参照すると、パウチ型バッテリーセル１１０は、パウチ１１５内に電極組立体１２０と電解液がともに収納されて密封されている。パウチ１１５は、内部に収納された電極組立体１２０と電解液を密封し、外部からこれらを保護するため、金属層、外部樹脂層及び内部樹脂層を含むように構成され得る。
板状の正極リード１２５と負極リード１３０の一端部はそれぞれ電極組立体１２０の両端に接続され、それぞれの他端部はパウチ１１５の外部に露出している。正極リード１２５の一端部は電極組立体１２０の正極板に、負極リード１３０の一端部は電極組立体１２０の負極板に電気的に接続されている。パウチ１１５の外に露出した電極リード１２５、１３０の他端部は、図２のように複数のパウチ型バッテリーセル相互を電気的に接続するのに使用される。
パウチ１１５と電極リード１２５、１３０との間にはリードフィルム１３５が介在される。リードフィルム１３５は、パウチ１１５と電極リード１２５、１３０との間の接着性をさらに改善するために備えられるものである。リードフィルム１３５は、電極リード１２５、１３０とパウチ１１５の金属層との間で短絡が発生することを防止するだけでなく、パウチ１１５の密封性を向上させることができる。金属材質の電極リード１２５、１３０とポリマー材質のパウチ１１５とを熱融着するとき、接触抵抗が多少大きいため、表面密着力が低下し得る。しかし、本実施形態のように、リードフィルム１３５が備えられれば、このような密着力低下現象を防止できる。また、リードフィルム１３５は、絶縁性材質からなり、電極リード１２５、１３０からパウチ１１５に電流が流れることを遮断できることが望ましい。リードフィルム１３５は、絶縁性及び熱融着性を有するフィルムからなる。リードフィルム１３５は、例えばポリイミド（ＰＩ）、ポリプロピレン、ポリエチレン及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などから選択されたいずれか１つ以上の物質層（単一膜または多重膜）からなり得る。
電極組立体１２０は、正極板と負極板とが分離膜を介在して配置された構造を有する単位セルを集合させたものである。単位セルは、積層型、積層・折り畳み型、またはゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）型の電極組立体から製造され得る。様々な形態で電極組立体を製造する方法は周知されているため、詳しい説明は省略する。例えば、電極組立体１２０は、負極版、分離膜及び正極板が積層されてなるものであり得る。電極組立体１２０は、負極板／分離膜／正極板からなるモノセル、若しくは、負極板／分離膜／正極板／分離膜／負極板または正極板／分離膜／負極板／分離膜／正極板からなるバイセル形態であり得る。本実施形態では、正極リード１２５と負極リード１３０とがパウチ１１５から反対方向に引き出された形態である両方向電池を例に挙げているが、正極リード１２５と負極リード１３０がともにパウチ１１５から一方向に引き出される片方向電池の形態を排除することはない。
図２及び図３を一緒に参照すると、バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは、その両端から電極リードが突出し、これら電極リードが反対極性になるように、例えばバッテリーセル１１０ａの正極リード１２５ａがバッテリーセル１１０ｂの負極リード１３０ｂと並ぶように積層されている。すなわち、複数のバッテリーセルは並んで置かれる電極リードが反対極性になるように交互に積層される。バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、…が直列で連結される方式は様々であり得るが、図２では電極リード１２５ａ、１３０ｂの他端部を左側または右側に曲がった形態で折り曲げて平たい接触面を形成した後、これを互いに重ねて溶接で連結する構成を示している。
図２では、全体的に１１個のバッテリーセルが含まれてバッテリーセル組立体１５０を構成する。各バッテリーセルの電極リードは垂直に折り曲げられ、隣接する他のバッテリーセルの電極リードと垂直に折り曲げられた部分同士が重ねられてリード接合部１４０を形成する。より具体的には、積層されたバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、…の一側で、外側に位置する電極リードを除いた内側の電極リードを折り曲げて互いに重ねた後、折り曲げられた電極リード部分同士を電気的に接続する。積層されたバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、…の他側では、電極リードをすべて折り曲げて重ねた後、溶接して折り曲げられた電極リード部分同士を電気的に接続する。一方、バッテリーセルは、カートリッジやスペーサのような中間媒介構造物なしに積層されてもよく、例えば２つ単位で電池セル収納部が形成されているカートリッジに取り付けられている構造で互いに積層されてもよい。
図２では、バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、…が縦方向に立てられて積層されている。電極リードを折り曲げるとき、バッテリーセルにおいてある一方の電極リードは右側（またはバッテリーモジュールの外側）に垂直に折り曲げ、他方の電極リードは左側（またはバッテリーモジュールの内側）に垂直に折り曲げる。これによって、結合されるリード接合部１４０は、コ字状に相異なる極性の電極リードが折り曲げられて重なるようになる。そして、リード接合部１４０は、横方向に沿って平行に配列される。このような過程は反対の順に行われてもよく、例えば、電極リードを先に折り曲げ、折り曲げられた状態でバッテリーセルを積層した後、該当部位を溶接してもよい。
一方、図２には電極リード同士を重ねて直接連結する方式を示したが、バスバーを用いた間接連結方式ももちろん可能である。例えば、電極リードにバスバーを一緒に溶接してバッテリーモジュールを構成する場合、または、電極リードと外部回路とを溶接してバッテリーモジュールを構成する場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。
図４は、図２のバッテリーモジュールにおいて、隣接した２つのバッテリーセル間のリード接合部部分を概略的に示した図である。
図２及び図４を一緒に参照して説明すれば、バッテリーモジュール１００で隣接した２つのバッテリーセルをそれぞれ第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂとすると、第１バッテリーセル１１０ａの正極リード１２５ａと第２バッテリーセル１１０ｂの負極リード１３０ｂとが連結されている。このように第１及び第２バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂが電気的に直列で接続されている。該接続は当業界で通常用いられる方法によって行われ、例えば、超音波溶接によって結合及び連結され得るが、ここに限定されることはない。第１バッテリーセル１１０ａが外側にあるバッテリーセルである場合、図示したように熱電素子１６０が第１バッテリーセル１１０ａの表面に取り付けられる。
本実施形態では、第１バッテリーセル１１０ａの正極リード１２５ａの他端部と第２バッテリーセル１１０ｂの負極リード１３０ｂの他端部とが第１及び第２バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂの積層方向に沿って相互に向かって折り曲げられ、それぞれの電極リード１２５ａ、１３０ｂから折り曲げられて形成された折曲部同士が重ねられて溶接された平坦部を含むようにリード接合部１４０が形成されている。この平坦部に定電圧素子１８０が取り付けられ得る。
図２に示したように、熱電素子１６０は、バッテリーセル組立体１５０内のバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、のうち両側端に位置するバッテリーセルの表面に取り付けられる。すなわち、熱電素子１６０は、バッテリーセル組立体１５０の側面に備えられ、板状で備えられ得る。
図５は、本発明によるバッテリーモジュールに含まれる熱電素子を説明するための部分切開斜視図である。図６は、図５に示した熱電素子の正面図である。図５及び図６は、熱電素子の一例として熱電モジュールを示している。熱電モジュールは板状で製作できるため、バッテリーセルの表面への取り付けが容易である。
図５及び図６を参照すると、熱電素子１６０は、上部基板１６１、下部基板１６２、上部基板１６１及び下部基板１６２の一面に備えられる金属電極１６３、金属電極１６３の間で離隔している複数のｐ型熱電半導体１６４及びｎ型熱電半導体１６５を含むことができる。金属電極１６３は、熱電素子１６０に電源が印加されればｐ型熱電半導体１６４及びｎ型熱電半導体１６５に電流を流すものであって、より具体的には、上部基板１６１の下面に備えられる上部金属電極、及び下部基板１６２の上面に備えられる下部金属電極から構成される。金属電極１６３は、熱電素子１６０に供給される電流の損失を最小化するため、電気伝導性の高い材質から形成され得、より詳しくは、銀や銅などの伝導性に優れた素材から形成することが望ましい。
上部金属電極及び下部金属電極の一面には、ｐ型熱電半導体１６４及びｎ型熱電半導体１６５がそれぞれ１つずつ離隔するように備えられ得る。より詳しくは、上部電極の下面左側にはｐ型熱電半導体１６４が備えられ、ｐ型熱電半導体１６４から右側に離隔してｎ型熱電半導体１６５が備えられ得る。そして、下部電極の上面左側にはｎ型熱電半導体１６５が備えられ、ｎ型熱電半導体１６５から右側に離隔してｐ型熱電半導体１６４が備えられ得る。
熱電素子１６０に電流が流れれば、ｐ型熱電半導体１６４及びｎ型熱電半導体１６５が電気的に直列で連結されて電流が流れ、ペルティエ効果によってｐ型熱電半導体１６４内の正孔は（－）側に熱を持って移動し、ｎ型熱電半導体１６５の内の電子は（＋）側に熱を持って移動することで、上部基板１６１は加熱され、下部基板１６２は冷却される。
したがって、本発明で使用される熱電素子１６０の下部基板１６２は、本発明によるバッテリーモジュール１００でバッテリーセル表面の吸熱部として、上部基板１６１は発熱部として作動することができる。そのため、下部基板１６２側がバッテリーセルの表面に熱的接触できるように構成することが望ましい。
定電圧素子１８０は、バッテリーモジュール１００に過電圧が発生したとき、バッテリーモジュール１００の電流を熱電素子１６０側に迂回させることで熱電素子１６０を駆動し、上述したようなバッテリーセルの冷却、いわゆる電子冷却を可能にする要素である。定電圧素子１８０は、特定電圧以上で所望の方向に電流を流すことができる素子であり、望ましくはツェナーダイオードまたはバリスタから構成する。
ジェンナーダイオードは、ジェンナー効果を用いた素子である。ジェンナー効果とは、半導体などに高電圧を印加したとき、価電子帯上端のエネルギーが近接部分の伝導帯下端のエネルギーと同一になり、トンネル効果によって価電子帯から伝導帯へと電子が移動する確率が高くなり電流が流れる現象である。すなわち、半導体内で生じたある強い電界の影響により、価電子がトンネル効果によって伝導帯に移動する確率が高くなって現れる電流の増大現象である。このような特性を用いるジェンナーダイオードは、半導体ｐ－ｎ接合体で製造され得るが、比較的に大きい逆方向の電圧を加えたとき、ある電圧で急激に大きい電流が流れ始め、その電圧が一定に維持される特性を有する素子であると知られている。
バリスタは、バリスタの両端に加えられる電圧に応じて抵抗値が変わる非線形半導体抵抗素子であって、可変抵抗（ｖａｒｉａｂｌｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）の略称である。バリスタの種類には、加えられる電圧の極性にかかわらず電圧の大きさのみによって抵抗が決められる対称形バリスタと、加えられる電圧の極性によって抵抗が変わる非対称形バリスタとがある。
定電圧素子１８０の破壊電圧以上で電流の流れが熱電素子１６０側になるように定電圧素子１８０を用いて必要な回路を構成することは、当業者であれば容易である。このように回路を構成すれば、バッテリーモジュール１００の過電圧状況で熱電素子１６０を駆動してバッテリーモジュール１００内の熱蓄積を防止することができる。
定電圧素子１８０の破壊電圧はバッテリーモジュール１００の満充電電圧よりも大きくする。例えば、満充電電圧が４．３Ｖである場合、破壊電圧はそれより１０％だけ大きい４．７３Ｖ、１５％だけ大きい４．９４５Ｖ、または、２０％だけ大きい５．１６Ｖなどに設定し、それに応じた定電圧素子１８０を選択して回路を構成することができる。このような定電圧素子１８０は、商業的に市販されるものを入手して使用できる。多様な破壊電圧を有する定電圧素子が市販されているため、当業者であれば必要に応じて適切な定電圧素子を購入して使用可能である。
望ましくは、定電圧素子１８０は、バッテリーモジュール１００の電圧状態を感知するセンシング回路内に備えられ得る。通常のバッテリーモジュール１００は、電圧状態を感知するセンシング回路と、感知された電圧状態を用いてバッテリーモジュール１００の充放電を制御する制御回路とを有している。本発明は、そのうちのセンシング回路に定電圧素子１８０をさらに含ませる方式で具現されてもよい。
そして、定電圧素子１８０の破壊電圧に到達したとき、バッテリーモジュール１００の電流を熱電素子１６０側に流すことができるように、定電圧素子１８０と熱電素子１６０との間に回路を備えなければならない。電流経路を設ける各種の回路の構成は、当業者であれば容易に具現可能であるため、詳しい説明は省略する。
望ましくは、定電圧素子１８０は、リード接合部１４０においていずれか１つのバッテリーセル、例えば第１バッテリーセル１１０ａの正極リード１２５ａと他の１つのバッテリーセル、例えば第２バッテリーセル１１０ｂの負極リード１３０ｂとの間に並列で連結される。
このように、本発明では、過電圧が発生したとき、バッテリーモジュール１００の電流を用いて熱電素子１６０を駆動することで、バッテリーモジュール１００を電子冷却する。これにより、過電圧の発生によってバッテリーモジュール１００の温度が急激に上昇する現象を防止することができる。
本発明は、特に、熱電素子１６０をバッテリーセル組立体１５０の側面に取り付ける。このようにすることで、まず面積が比較的に広い部分を一括的に冷却できるため熱放出効果が優れる。また、電子冷却が外側のバッテリーセルで起きるため、外部への熱放出がさらに容易になって冷却効果が優れる。また、定電圧素子１８０と熱電素子１６０とを近距離に配置することができ、バッテリーモジュールの構造が簡単になる。
本発明によるバッテリーモジュールは、熱蓄積がなくて優れた安全性を有するため、高温安定性、長いサイクル特性、高いレート特性などが求められる中大型装置の電源としての使用にも適している。上記中大型装置の望ましい例としては、電気的モータによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；ＥＶ、ＨＥＶ、ＰＨＥＶなどを含む電気自動車；電気自転車（Ｅ－ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ－ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；及びＥＳＳなどが挙げられるが、これらに限定されることはない。
通常のバッテリーモジュールは過充電を防止するための保護回路を備える。保護回路は、充電可能電圧以上の電圧（すなわち、過充電状況）または放電可能電圧以下の電圧（すなわち、過放電状況）が検出されたとき、充電／放電回路を遮断して充電電流や放電電流を阻止するものである。通常、二次電池においては、このような電池保護回路を備えて過充電または過放電による二次電池の損傷を防止しているが、殆ど保護回路ＩＣを備えるか又は別途の複雑な過充電防止回路を構成しているため、コスト及び効率の面で望ましくない。そして、電池保護回路が正常に動作しないとき、特に、過充電防止の制御が正常に機能しないとき、バッテリーモジュールの安全性を確保し難い。また、保護回路の故障によって正常に作動しない場合は、安全性が非常に損なわれる。本発明のバッテリーモジュールは、このような保護回路の有無と関係なく、バッテリーモジュールの過電圧時に熱放出特性を改善できるため、安全性確保に多大に役立つ。また、本発明の定電圧素子は、従来のバッテリーモジュールのセンシング回路に追加的に挿入して新たな回路として構成し易いため、活用が便利である。近年、二次電池を構成する電解質と分離膜、または、電極構造の特性が改善され、電解質と電極組立体自体に過充電を防止するための所定の手段が備えられているため、製造単価の面で保護回路なしにベアセル（ｂａｒｅ ｃｅｌｌ）のみで二次電池を構成しようと多様に試みられている。本発明は、このように保護回路のないベアセルを基本にするバッテリーモジュールにおいても、熱電素子と定電圧素子という最小限の部品だけで過電圧時の熱蓄積のような問題の発生を遮断できるため、基本的でありながらも最小限の安全装置として十分に活用することができる。
図７は本発明による他のバッテリーモジュールを概略的に示した断面図であり、例えば、図２のＶＩＩ－ＶＩＩ’に沿った断面に対応する。図示の便宜上、図７では全体的に４つのバッテリーセルが含まれてバッテリーセル組立体１５０を構成する例を挙げた。図８は、図７のようなバッテリーモジュールに含まれるエンドプレートを示した図である。図９は、図８のエンドプレートを用いて組み立てるバッテリーモジュールの分解斜視図である。
図７を参照すると、上述したように、熱電素子１６０はバッテリーセル組立体１５０の側面に板状で備えられる。この熱電素子１６０上に、バッテリーセル組立体１５０の側面に垂直な方向に突出した複数の放熱フィン１７０をさらに含む。放熱フィン１７０は、図８のようなエンドプレート１９０側に形成される。熱電素子１６０による電子冷却の際、放熱フィン１７０によって熱放出表面積がさらに広くなるため、電子冷却の効果を極大化することができる。
バッテリーモジュール１００’は、バッテリーセル組立体１５０の側面を覆うエンドプレート１９０をさらに含む。図８に示したように、エンドプレート１９０には放熱フィン１７０が嵌められる溝１９１が形成されている。
溝１９１は、放熱フィン１７０を収納する程度の段差を有するものであるか、または、放熱フィン１７０が溝１９１を貫通する程度に形成され得る。エンドプレート１９０の外に放熱フィン１７０が多く突出しないようにすることが従来のデザインルール（ｄｅｓｉｇｎ ｒｕｌｅ）を守る水準になるので望ましい。
図９をさらに参照すると、バッテリーモジュール１００’は、上述したようなバッテリーセル組立体１５０に、モジュールベースプレート１９２、サブエンドプレート１９５、及びエンドプレート１９０をさらに含むことができる。
バッテリーセル組立体１５０は、モジュールベースプレート１９２に取り付けられ得る。
バッテリーセル組立体１５０の全面及び後面のそれぞれには、バッテリーセル１１０を電気的に接続するバスバーアセンブリ（図示せず）が取り付けられ得る。バスバーアセンブリは、バッテリーセル組立体１５０内のバッテリーセル１１０に形成された電極リードと電気的に接続され、外部機器と電気的接続を成す役割をする。スレーブＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、図示せず）は、バスバーアセンブリの一面に取り付けられ、バッテリーセル組立体１５０から電圧及び温度を検出してバッテリーモジュール１００’を制御することができる。
サブエンドプレート１９５は、バスバーアセンブリ及びスレーブＢＭＳの外面にそれぞれ取り付けられ得る。サブエンドプレート１９５は、バスバーアセンブリ及びスレーブＢＭＳが外部に露出しないようにする。
本実施形態において、エンドプレート１９０は上部ハウジングに該当し、バッテリーセル組立体１５０の上面に取り付けられ、モジュールベースプレート１９２と結合されてバッテリーセル組立体１５０を収納する構造からなっている。エンドプレート１９０は、バッテリーモジュール１００’が完成されれば、バッテリーセル組立体１５０の両側面に位置する。
図８及び図９を一緒に参照すると、具体的には、エンドプレート１９０は、下方に直立する第１プレート１９０ａ、第１プレート１９０ａと両立しながら下方に直立する第２プレート１９０ｂ、及びバッテリーセル組立体１５０の上面を覆う上部プレート１９０ｃを含むことができる。第１プレート１９０ａはバッテリーセル組立体１５０の一側面に接する。第２プレート１９０ｂはバッテリーセル組立体１５０の他側面に接する。上部プレート１９０ｃは、第１プレート１９０ａの上部エッジ及び第２プレート１９０ｂの上部エッジから延長された形態を有する。
溝１９１は、第１プレート１９０ａと第２プレート１９０ｂに形成されている。第１プレート１９０ａと第２プレート１９０ｂは、熱電素子１６０の厚さを考慮して、全体的な外観が従来のエンドプレートに比べて大きくならないように、そして全体的なバッテリーモジュール１００’の大きさが従来よりも大きくならないように、それぞれの厚さを決める。組み立ての際、エンドプレート１９０に形成された溝１９１に放熱フィン１７０が嵌められる。エンドプレート１９０がバッテリーセル組立体１５０を収容して支持するだけでなく、熱電素子１６０と放熱フィン１７０も一緒に支持できる構造である。放熱フィン１７０の追加によって放熱面積が広がった結果、熱放出がさらに円滑になり、エンドプレート１９０が放熱フィン１７０を固定するため、構造的強健性も確保することができる。
図１０は、本発明の他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１１は、本発明のさらに他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１０及び図１１を参照すると、バッテリーパック２００は、上述した実施形態による少なくとも１つのバッテリーモジュール、例えば二番目の実施形態のバッテリーモジュール１００及びそれをパッケージングするパックケース２１０を含むことができる。また、本発明によるバッテリーパック２００は、このようなバッテリーモジュール１００とパックケース２１０の外に、バッテリーモジュール１００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むことができる。
このようなバッテリーパック２００は、自動車３００の燃料源として自動車３００に備えられ得る。例えば、バッテリーパック２００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２００を燃料源として利用可能なその他の方式で自動車３００に備えられ得る。
望ましくは、自動車３００は電気自動車であり得る。バッテリーパック２００は、電気自動車のモータ３１０に駆動力を提供して自動車３００を駆動させる電気エネルギー源として使用できる。この場合、バッテリーパック２００は、１００Ｖ以上の高い公称電圧を有する。ハイブリッド自動車用であれば、２７０Ｖに設定されている。
バッテリーパック２００は、モータ３１０及び／または内燃機関の駆動により、インバータ３２０によって充電または放電できる。バッテリーパック２００は、ブレーキ（ｂｒａｋｅ）と結合された回生充電装置によっても充電できる。バッテリーパック２００は、インバータ３２０を通じて自動車３００のモータ３１０に電気的に接続され得る。
上述したように、バッテリーパック２００にはＢＭＳも含まれている。ＢＭＳは、バッテリーパック２００内のバッテリーセルの状態を推定し、推定した状態情報を用いてバッテリーパック２００を管理する。例えば、バッテリーパック２００のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）、最大入出力電力許容量、出力電圧などのバッテリーパック２００の状態情報を推定し管理する。そして、このような状態情報を用いてバッテリーパック２００の充電または放電を制御し、さらにはバッテリーパック２００の交替時期の推定も可能である。
ＥＣＵ３３０は、自動車３００の状態を制御する電子的制御装置である。例えば、アクセラレータ、ブレーキ、速度などの情報に基づいてトルク情報を決定し、モータ３１０の出力をトルク情報に応じて制御する。また、ＥＣＵ３３０は、ＢＭＳから伝達されたバッテリーパック２００のＳＯＣ、ＳＯＨなどの状態情報に基づいてバッテリーパック２００が充電または放電できるように、インバータ３２０に制御信号を伝送する。インバータ３２０は、ＥＣＵ３３０の制御信号に基づいてバッテリーパック２００を充電または放電させる。モータ３１０は、バッテリーパック２００の電気エネルギーを用いてＥＣＵ３３０から伝達される制御情報（例えば、トルク情報）に基づいて自動車３００を駆動する。
このような自動車３００は、本発明によるバッテリーパック２００を含み、バッテリーパック２００は上述したように安全性が向上したバッテリーモジュール１００を含む。したがって、バッテリーパック２００の安定性が向上し、このようなバッテリーパック２００は、安定性に優れて長期間使用可能であるため、これを含む自動車３００は安全であって運用が容易である。
また、バッテリーパック２００は、自動車３００の外にも、二次電池を用いるＥＳＳ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、本実施形態によるバッテリーパック２００、及び自動車３００のようなバッテリーパック２００を備える装置や器具及び設備は、上述したバッテリーモジュール１００を含むため、上述したバッテリーモジュール１００による長所をすべて有するバッテリーパック２００及びこのようなバッテリーパック２００を備える自動車３００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ず、本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。
１０ バッテリーセル
４０ リード接合部
５０ バッテリーセル組立体
６０ 熱電素子
８０ 定電圧素子
１００ バッテリーモジュール
１００’ バッテリーモジュール
１１０ バッテリーセル
１１０ａ 第１バッテリーセル
１１０ｂ 第２バッテリーセル
１１５ パウチ
１２０ 電極組立体
１２５ 正極リード
１２５ａ 正極リード
１３０ 負極リード
１３０ｂ 負極リード
１３５ リードフィルム
１４０ リード接合部
１５０ バッテリーセル組立体
１６０ 熱電素子
１６１ 上部基板
１６２ 下部基板
１６３ 金属電極
１６４ ｐ型熱電半導体
１６５ ｎ型熱電半導体
１７０ 放熱フィン
１８０ 定電圧素子
１９０ エンドプレート
１９０ａ 第１プレート
１９０ｂ 第２プレート
１９０ｃ 上部プレート
１９１ 溝
１９２ モジュールベースプレート
１９５ サブエンドプレート
２００ バッテリーパック
２１０ パックケース
３００ 自動車
３１０ モータ
３２０ インバータ

Claims (11)

  1. 複数のバッテリーセルを含み、前記バッテリーセルのそれぞれのリードが互いに接合されたリード接合部が形成されているバッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュールにおいて、
    前記バッテリーセル組立体の側面に該当する、前記バッテリーセル組立体内のバッテリーセルのうち両側端に位置するバッテリーセルの表面に吸熱部が位置する熱電素子と、
    前記バッテリーモジュールの過電圧発生時に前記バッテリーモジュールの電流を前記熱電素子側に迂回させて前記熱電素子を駆動することで前記バッテリーモジュールのバッテリーセル組立体を電子冷却する定電圧素子とをさらに含む、バッテリーモジュール。
  2. 前記定電圧素子は、前記リード接合部に取り付けられた、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記定電圧素子は、前記リード接合部においていずれか１つのバッテリーセルの正極リードと他の１つのバッテリーセルの負極リードとの間に並列で連結されている、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記定電圧素子は、ツェナーダイオードまたはバリスタである、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記定電圧素子の破壊電圧が前記バッテリーモジュールの満充電電圧よりも大きい、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記定電圧素子は、前記バッテリーモジュールの電圧状態を感知するセンシング回路内に備えられ、前記定電圧素子の破壊電圧到達時に前記バッテリーモジュールの電流を前記熱電素子側に流すことができる回路が前記定電圧素子と熱電素子との間に備えられている、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記熱電素子は、前記バッテリーセル組立体の側面に板状で備えられる、請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記熱電素子上に、前記バッテリーセル組立体の側面に垂直な方向に突出した複数の放熱フィンをさらに含む、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 複数のバッテリーセルを含み、前記バッテリーセルのそれぞれのリードが互いに接合されたリード接合部が形成されているバッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュールにおいて、
    前記バッテリーセル組立体の側面に該当する、前記バッテリーセル組立体内のバッテリーセルのうち両側端に位置するバッテリーセルの表面に吸熱部が位置する熱電素子と、
    前記バッテリーモジュールの過電圧発生時に前記バッテリーモジュールの電流を前記熱電素子側に迂回させる定電圧素子とをさらに含み、
    前記バッテリーモジュールに過電圧が発生したとき、前記熱電素子を駆動することで前記バッテリーモジュールのバッテリーセル組立体を電子冷却し、
    前記熱電素子は、前記バッテリーセル組立体の側面に板状で備えられ、
    前記熱電素子上に、前記バッテリーセル組立体の側面に垂直な方向に突出した複数の放熱フィンをさらに含み、
    前記バッテリーセル組立体の側面を覆うエンドプレートをさらに含み、前記エンドプレートに前記放熱フィンが嵌められる溝が形成されている、バッテリーモジュール。
  10. 少なくとも１つの請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールと、
    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とを含む、バッテリーパック。
  11. 少なくとも１つの請求項１０に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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