JP7379720B2 - バッテリーパック及びそれを含む自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリーパック及びそれを含む自動車に関し、より詳しくは、複層で装着されたバッテリーモジュールを含むバッテリーパック及びそれを含む自動車に関する。
本出願は、２０２０年１０月１６日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１３４５８６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、すべて本出願に組み込まれる。
二次電池は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充放電が可能な電池をいい、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）などに適用されている。現在、広く使用される二次電池の種類としては、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がある。このような単位二次電池セル、即ち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．６Ｖである。したがって、これよりさらに高い出力電圧が要求される場合、複数のバッテリーセルを直列に接続してバッテリーパックを構成する。また、バッテリーパックに要求される充放電容量によって複数のバッテリーセルを並列に接続してバッテリーパックを構成し得る。したがって、上記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの数は、要求される出力電圧または充放電容量によって多様に設定可能である。
なお、複数のバッテリーセルを直列・並列に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、望ましくは、複数のバッテリーセルからなるバッテリーモジュールを先に構成し、このようなバッテリーモジュールを少なくとも一つ用いてその他の構成要素を追加してバッテリーパックを構成する方法が一般的である。ここで、バッテリーモジュールとは、複数のバッテリーセルが直列または並列に接続された構成要素を意味し、バッテリーパックとは、容量及び出力などを高めるために複数のバッテリーモジュールが直列または並列に接続された構成要素を意味する。
通常、車両用のバッテリーパックは、構造的安定性を維持するために、複数のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーを同じ平面上に配設して断層構造として形成される。このようなバッテリーパックは、充放電過程で発熱し、温度が上昇しすぎる場合には効率が低下するため、発生する熱を冷却するためにバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーの下部に冷却装置を取り付ける構造となっている。しかし、このように単層から構成されるバッテリーパックは、高容量／高出力を要する電気自動車に装着されて追加的な容量が要求される場合、容量増加において構造的に多くの制約がある。また、容量追加による冷却装置の構造的拡張も困難である。
最近、特許文献１のように複層で装着されたバッテリーモジュールを含むバッテリーパックが提案されている。
ところが、既存のバッテリーパックにおいて複層のバッテリーモジュールを冷却するための冷却水分配システムは、バッテリーパックの内部に構成されている。複層のバッテリーモジュールを冷却する冷却水分配システムに故障が発生して冷却水が漏洩される場合、バッテリーパック内の電子部品及びバッテリーセルに直接的に接触することによって、絶縁破壊及び発火、爆発までも誘発し得る問題がある。
韓国公開特許公報第１０－２０１７－００８５６８１号
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複層で装着されたバッテリーモジュールを含むことで高容量／高出力にしながらも、冷却構造を改善して安全性を向上できるバッテリーパックを提供することを目的とする。
また、本発明は、このようなバッテリーパックを含む自動車を提供することを他の目的とする。
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、本発明の実施例によってより明らかに理解されるであろう。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。
上記の課題を解決するため、本発明によるバッテリーパックは、第１バッテリーモジュールと、第１バッテリーモジュールの上に備えられる第１上部カバーと、第１上部カバーの上において第１バッテリーモジュールの上部に装着される第２バッテリーモジュールと、第２バッテリーモジュールの上に備えられる第２上部カバーと、第１上部カバーと第２上部カバーとの間に位置する冷却装置としての中間上部カバーであって、内部に冷却水流動空間を有するヒートシンク、ヒートシンクの上面にサーマルレジンによって接触している中間上部カバー上部材、及び冷却水流動空間へ冷却水が流出入するためのヒートシンクポート、を含む、中間上部カバーと、第１上部カバーと中間上部カバーが対面する部分に備えられる下部ガスケットと、第２上部カバーと中間上部カバーが対面する部分に備えられる上部ガスケットと、を含む。
ヒートシンクポートは、第１上部カバーの外側に露出するように形成され得る。
冷却水流動空間で冷却水が地面に対して水平に流動し得る。
第１バッテリーモジュールは、一つ以上が備えられて第１バッテリーモジュールアセンブリーを構成し、第２バッテリーモジュールは、第１バッテリーモジュールアセンブリーのうちのいずれか一つ以上の第１バッテリーモジュールの上部に装着され、複層で装着され得る。
第２上部カバーは、第２バッテリーモジュールを覆う収容部と、その周りに、第１上部カバーの上に載置されるフランジ部と、を含み、中間上部カバー上部材は、冷却水流動空間の周りにフランジ部と対応する周縁部と、を含む。
上部ガスケットは、周縁部の上に周縁部に沿って形成され得る。
ヒートシンクは、相互にろう付けされて冷却水流動空間を形成するヒートシンク下部材及びヒートシンク上部材を含み、ヒートシンク下部材は、冷却水流動空間を形成する部分の周りにヒートシンク上部材とろう付けされる部分が立ち上がっており、下部ガスケットは、ろう付けされる部分の下部を含んで第１上部カバーと周縁部の下部との間に備えられる。
第１上部カバーの外周には、中間上部カバーへの締結のために締結部材が突出しており、中間上部カバーの周縁には、締結部材が挿入される溝が形成されている。
なお、本発明によると、前述したバッテリーパックを含む自動車が提供され得る。自動車は、電気自動車（ＥＶ）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ）を含み得る。
本発明によると、バッテリーモジュールを空間効率的に搭載できる複層装着構造のバッテリーパックが提供される。
本発明によると、上部に装着される第２バッテリーモジュールを冷却するための中間上部カバーが第１パックカバーと第２パックカバーとの間に含まれる。冷却装置がバッテリーパックの内部に備えられていない外部冷却方式であり、中間上部カバーで冷却水が漏水してもバッテリーパック内部のバッテリーセルに直接的な影響を与えない。
本発明によると、中間上部カバーが破損される前には、ヒートシンク上部材とヒートシンク下部材とがろう付けされていることでヒートシンクポートから流入した冷却水が漏水されない。中間上部カバーが破損されても下部ガスケット及び上部ガスケットによって、中間上部カバーから漏水される冷却水がバッテリーパックの内部へ流入しにくい。このように、冷却構造の改善によって安全性が向上する。
本発明によると、ろう付け工法によって溶接された冷却水流動空間に冷却水が流れるため、冷却効率が高い。これによって、高容量／高出力が求められるデバイスにバッテリーパックが装着されて追加的な容量を必要とする場合にも、第２バッテリーモジュールを含むことで容量をさらに確保することができ、第２バッテリーモジュールを効率的に冷却することで、充放電過程で発生する多量の熱を円滑に除去してバッテリーパックの安全性を確保することができる。
本発明によると、中間上部カバー上部材がろう付けできない材質からなる場合、サーマルレジンを用いて熱交換をするので、冷却効率を優秀に維持することができる。
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パックの斜視図である。 図１のバッテリーパックの一部の分解斜視図である。 図１のバッテリーパックに含まれる中間上部カバーの組立図と分解斜視図である。 図１のバッテリーパックの概略的な断面図である。 本発明の他の実施例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例を詳しく説明する。ここで説明される実施例は、発明の理解を助けるために例示的に示したものであり、本発明は、ここで説明する実施例とは相違に多様に変形して実施できることを理解せねばならない。なお、発明の理解を助けるために、添付の図面は、実際の縮尺ではなく一部構成要素の寸法が誇張されて示され得る。
即ち、本明細書に記載された実施例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例に過ぎず、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、本発明の一実施例によるバッテリーパックの斜視図である。図２は、図１のバッテリーパックの一部の分解斜視図である。図３は、図１のバッテリーパック内に含まれる中間上部カバーの組立図と分解斜視図である。図４は、図１のバッテリーパックの概略的な断面図である。
図１～図４を参照すると、バッテリーパック１０は、トレイ１００と、第１バッテリーモジュール１１０と、第１上部カバー１２０と、下部ガスケット１３０と、中間上部カバー１４０と、上部ガスケット１５０と、第２バッテリーモジュール１６０と、第２上部カバー１７０と、を含む。
トレイ１００には、第１バッテリーモジュール１１０が装着される。トレイ１００は、第１バッテリーモジュール１１０の下部を覆い得る。第１バッテリーモジュール１１０は、一つ以上の平板型バッテリーセルが積層されたものを含み、直方体の形状であり得る。望ましい平板型バッテリーセルは、パウチ型バッテリーセルである。第１バッテリーモジュール１１０は、一つ以上が備えられ、第１バッテリーモジュールアセンブリーを構成し得る。例えば、第１バッテリーモジュール１１０がトレイ１００の中に３行３列に配列されて装着され得る。トレイ１００の下端、またはトレイ１００と第１バッテリーモジュール１１０との間には、第１バッテリーモジュール１１０を冷却するための冷却装置（図示せず）がさらに含まれ得る。このような冷却装置は、冷却水が流れる導管を含む冷却プレートであってもよく、このような冷却装置は第１バッテリーモジュール１１０と熱接触状態で装着され得る。
第１上部カバー１２０は、第１バッテリーモジュール１１０の上に備えられ、第１バッテリーモジュール１１０の上部を覆って第１バッテリーモジュール１１０の上面を保護し、トレイ１００に結合する。トレイ１００と第１上部カバー１２０は、第１バッテリーモジュール１１０への装着部位に対して広い面積を有するプレート形態の部分を有し得る。トレイ１００と第１上部カバー１２０は、第１バッテリーモジュール１１０の下部と上部に各々位置し、第１バッテリーモジュール１１０の下部と上部をカバーし得る。第１上部カバー１２０の外周部には、トレイ１００への締結のために締結部材が挿入され得る。締結部材は、例えば、ボルトまたはリベットなどが用いられ得る。締結部材によってトレイ１００と第１上部カバー１２０が結合する。なお、より確実な他の方法、例えば、溶接またはろう付けまたは接着剤によって接合してもよい。
第１上部カバー１２０の上の、第１バッテリーモジュール１１０の上部には第２バッテリーモジュール１６０が装着される。第２バッテリーモジュール１６０は、一つ以上の平板型バッテリーセルが積層されたものを含み、直方体の形状であり得る。望ましい平板型バッテリーセルは、パウチ型バッテリーセルである。第２バッテリーモジュール１６０の上には第２上部カバー１７０が備えられ、第２バッテリーモジュール１６０の上部を覆うように配置される。第２上部カバー１７０は、第２バッテリーモジュール１６０を保護し、第１上部カバー１２０と結合する。バッテリーパック１０には、第１バッテリーモジュール１１０及び第２バッテリーモジュール１６０の充放電を制御するための各種装置（図示せず）、例えば、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサー、ヒューズなどの電装品がさらに含まれることもあり、第１上部カバー１２０及び第２上部カバー１７０は、これらを保護する。
第２バッテリーモジュール１６０は、一つの第１バッテリーモジュール１１０の上に装着されるか、または二つ以上の第１バッテリーモジュール１１０の上に装着され得る。本実施例では、三つの第１バッテリーモジュール１１０の上に一つの第２バッテリーモジュール１６０が装着される例を示した。このように、空間的に第１バッテリーモジュール１１０の上部に第２バッテリーモジュール１６０が装着されてことで複層装着構造になる。これによって、本発明のバッテリーパック１０は、複層で装着された第１バッテリーモジュール１１０及び第２バッテリーモジュール１６０を含むことで高容量／高出力になる。
中間上部カバー１４０は、第１上部カバー１２０と第２上部カバー１７０との間に位置する冷却装置である。中間上部カバー１４０は、第２バッテリーモジュール１６０の下面に接触して第２バッテリーモジュール１６０を冷却する。中間上部カバー１４０も、冷却水が流動する導管を含む冷却プレートであってもよく、このような中間上部カバー１４０は、第２バッテリーモジュール１６０と熱接触状態で装着され得る。
既存のバッテリーパックにおいて複層のバッテリーモジュールを冷却するための冷却水分配システムは、バッテリーパックの内部に構成されている。一方、本発明の実施例において、冷却装置になる中間上部カバー１４０は、第１上部カバー１２０と第２上部カバー１７０との間に位置することで、バッテリーパック１０内の第１バッテリーモジュール１１０及び第２バッテリーモジュール１６０と分離されている。冷却水が漏洩しても第１上部カバー１２０及び第２上部カバー１７０によって保護されているバッテリーパック１０内の電装品及びバッテリーセルに直接的に接触しなくなるので、絶縁破壊及び発火、爆発危険が減少する。
このような中間上部カバー１４０は、中間上部カバー上部材１４２と、ヒートシンク１４３と、ヒートシンクポート１４６と、を含む。ヒートシンク１４３は、ヒートシンク下部材１４４とヒートシンク上部材１４５とがろう付けされて内部に冷却水流動空間Ｓを有し得る。ヒートシンク１４３の上面には、サーマルレジン１４８によって中間上部カバー上部材１４２が付着される。図３に中間上部カバー１４０の構造を詳しく図示した。
中間上部カバー上部材１４２は、ほぼ扁平な面を有し、ヒートシンク１４３には冷却水が流動する導管になる流路が形成されている。例えば、ヒートシンクポート１４６から流入した冷却水がヒートシンクポート１４６から流出するまで冷却水流動空間Ｓの内部をＳ字状またはジグザグに流動するように、複数のビードや隔壁がヒートシンク下部材１４４の上面に突出し得る。そこにヒートシンク上部材１４５がろう付けされてヒートシンク１４３を構成する。ヒートシンク下部材１４４は、冷却水流動空間Ｓを形成する部分の周りにヒートシンク上部材１４５とろう付けされる部分が立ち上がっている。
ヒートシンク下部材１４４とヒートシンク上部材１４５とは、ろう付けされている。これによって、ヒートシンクポート１４６から流入した冷却水が漏水するおそれがない。また、ろう付け工法によって溶接された冷却水流動空間Ｓに冷却水が流れるので、冷却効率が良い。
中間上部カバー上部材１４２がろう付けできない材質からなる場合、例えば、プレス工法で製作してポリマーなどの材質からなる場合にも、サーマルレジン１４８を用いてヒートシンク１４３を付着することで、サーマルレジン１４８を介して熱交換をするため、冷却効率を優秀に維持することができる。
ヒートシンクポート１４６は、第１上部カバー１７０の外側に露出するように形成される。第１上部カバー１７０の外側からヒートシンクポート１４６を通して冷却水の流入と流出が行われる。もし、ヒートシンクポート１４６の部位で漏水が発生しても、バッテリーパック１０の内部の第１バッテリーモジュール１１０や第２バッテリーモジュール１６０に直接的に冷却水が接触するおそれがない。そして、冷却水流動空間Ｓで冷却水は、地面に対して水平に流動する。第２バッテリーモジュール１６０の広い面に対して効率的な冷却を行い得る。ヒートシンクポート１４６で冷却水流動空間Ｓ内へ冷却水を流動させることで、第２バッテリーモジュール１６０の温度を予め設定された温度以上にならないように制御できる。
第２上部カバー１７０は、第２バッテリーモジュール１６０を覆う収容部１７０ａと、その周りに、第１上部カバー１２０の上に載置されるフランジ部１７０ｂと、を含む。そして、中間上部カバー上部材１４２は、冷却水流動空間Ｓの周りにフランジ部１７０ｂと対応する周縁部１４２ａを含む。
第１上部カバー１２０の外周には、中間上部カバー１４０への締結のために締結部材が突出しており、中間上部カバー上部材１４２の周縁部１４２ａには、締結部材が挿入される溝１４２ｂが形成されている。下部ガスケット１３０及び上部ガスケット１５０にもこの締結部材が挿入される溝が形成され得る。第２上部カバー１７０のフランジ部１７０ｂは、中間上部カバー上部材１４２の周縁部１４２ａに結合することで中間上部カバー上部材１４２と締結された第１上部カバー１２０と結合し得る。なお、より確実な他の方法、例えば、溶接またはろう付けまたは接着剤によって接合され得る。
下部ガスケット１３０は、第１上部カバー１２０と中間上部カバー１４０が対面する部分に備えられて封止する。下部ガスケット１３０は、ろう付け部分の下部を含んで第１上部カバー１２０と周縁部１４２ａの下部との間に備えられ得る。上部ガスケット１５０は、第２上部カバー１７０と中間上部カバー１４０が対面する部分に備えられて封止する。上部ガスケット１５０は、周縁部１４２ａの上に周縁部１４２ａに沿って形成され得る。
このように、第１上部カバー１２０と中間上部カバー１４０との間には、下部ガスケット１３０が位置し、中間上部カバー１４０と第２上部カバー１７０との間には、上部ガスケット１５０が位置する。このように中間上部カバー１４０とバッテリーパック１０の内部は、下部ガスケット１３０及び上部ガスケット１５０によって隔離されている。これによって、中間上部カバー１４０で冷却水が漏水してもバッテリーパック１０の内部へ流入しないので、バッテリーセルを損傷しない。
即ち、本発明によると、中間上部カバー１４０が破損される前には、ヒートシンク下部材１４４とヒートシンク上部材１４５とがろう付けされているので、ヒートシンクポート１４６から流入した冷却水が漏水されない。中間上部カバー１４０が破損しても、下部ガスケット１３０及び上部ガスケット１５０によって、中間上部カバー１４０から漏水した冷却水がバッテリーパック１０の内部へ流入しにくい。このように、冷却構造が改善されて安全性が向上する。
図５は、本発明の他の実施例による自動車を説明するための図である。
図５を参照すると、自動車２００は、前述した実施例のバッテリーパック１０を含み得る。このような自動車２００は、電気自動車またはハイブリッド自動車、その他のバッテリーパック１０を燃料源として備える自動車であり得る。
本実施例による自動車２００は、前述した実施例のバッテリーパック１０を含むことから、前述した実施例のバッテリーパック１０の長所を全て含む。バッテリーパック１０は、自動車２００の他にも、バッテリーパック１０をエネルギー源にする電力貯蔵装置やその他の装置や器具などにも備えられ得ることは勿論である。
以上、本発明の望ましい実施例について図示及び説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該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多様に変形できることは言うまでもなく、かかる変形は、特許請求の範囲内に含まれる。
１０ バッテリーパック
１００ 第１バッテリーモジュール
１２０ 第１上部カバー
１３０ 下部ガスケット
１４０ 中間上部カバー
１４２ 中間上部カバー上部材
１４３ ヒートシンク
１４６ ヒートシンクポート
１５０ 上部ガスケット
１６０ 第２バッテリーモジュール
１７０ 第２上部カバー

Claims (9)

  1. 第１バッテリーモジュールと、
    前記第１バッテリーモジュールの上に備えられる第１上部カバーと、
    前記第１上部カバーの上において前記第１バッテリーモジュールの上部に装着される第２バッテリーモジュールと、
    前記第２バッテリーモジュールの上に備えられる第２上部カバーと、
    前記第１上部カバーと第２上部カバーとの間に位置する冷却装置としての中間上部カバーであって、内部に冷却水流動空間を有するヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面にサーマルレジンによって接触している中間上部カバー上部材と、前記冷却水流動空間へ冷却水が流出入するためのヒートシンクポートと、を含む、中間上部カバーと、
    前記第１上部カバーと前記中間上部カバーが対面する部分に備えられる下部ガスケットと、
    前記第２上部カバーと前記中間上部カバーが対面する部分に備えられる上部ガスケットと、
    を含む、バッテリーパック。
  2. 前記ヒートシンクポートが、前記第１上部カバーの外側に露出するように形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパック。
  3. 前記冷却水流動空間で前記冷却水が地面に対して水平に流動することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーパック。
  4. 前記第１バッテリーモジュールは、一つ以上が備えられて第１バッテリーモジュールアセンブリーを構成し、
    前記第２バッテリーモジュールは、前記第１バッテリーモジュールアセンブリーのうちのいずれか一つ以上の前記第１バッテリーモジュールの上部に装着され、複層で装着されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  5. 前記第２上部カバーは、前記第２バッテリーモジュールを覆う収容部と、その周りが前記第１上部カバーの上に載置されるフランジ部と、を含み、
    前記中間上部カバー上部材は、前記冷却水流動空間の周りに前記フランジ部と対応する周縁部を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  6. 前記上部ガスケットは、前記周縁部の上に前記周縁部に沿って形成されることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリーパック。
  7. 前記ヒートシンクは、相互にろう付けされて前記冷却水流動空間を形成するヒートシンク下部材及びヒートシンク上部材を含み、
    前記ヒートシンク下部材は、前記冷却水流動空間を形成する部分の周りに前記ヒートシンク上部材とろう付けされる部分が立ち上がっており、
    前記下部ガスケットは、前記ろう付けされる部分の下部を含んで前記第１上部カバーと前記周縁部の下部との間に備えられることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリーパック。
  8. 前記第１上部カバーの外周には、前記中間上部カバーへの締結のために締結部材が突出しており、
    前記中間上部カバーの周縁には、前記締結部材が挿入される溝が形成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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