JP7384532B2 - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

Description

［関連出願との相互参照］
本出願は、２０２０年８月２４日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１０６０９７号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、電池パックおよびこれを含むデバイスに関し、より具体的には、冷却性能と安全性が向上した電池パックおよびこれを含むデバイスに関する。

現代社会では、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常的になることに伴い、このようなモバイル機器と関連した分野の技術に対する開発が活発になってきている。また、充放電が可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）などの動力源として利用されているところ、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。

現在、商用化された二次電池としては、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があるが、このうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池と比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由であり、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のため、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、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する電池ケースとを備える。

一般的にリチウム二次電池は、外装材の形状により、電極組立体が金属カンに内装されているカン型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池とに分類され得る。

小型機器に利用される二次電池の場合、２～３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに利用される二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が利用される。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって容量および出力が向上する。また、一つ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。

二次電池は、適正温度より高くなる場合、二次電池の性能が低下することがあり、激しい場合は爆発や発火の危険もある。特に、多数の二次電池、つまり、電池セルを備えた電池モジュールや電池パックは、狭い空間で多数の電池セルから出る熱が合算されて温度がより速くかつ激しく上がることがある。言い換えると、多数の電池セルが積層された電池モジュールとこのような電池モジュールが装着された電池パックの場合、高い出力を得ることができるが、充電および放電時に電池セルで発生する熱を除去することが容易でない。電池セルの放熱が良好になされない場合、電池セルの劣化が速くなって寿命が短くなり、爆発や発火の可能性が大きくなる。

さらに、車両用バッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールの場合、直射光線によく露出され、夏季や砂漠地域のような高温条件に置かれることがある。

したがって、電池モジュールや電池パックを構成する場合、安定的かつ効果的な冷却性能を確保することは非常に重要であると言える。

図１は従来の電池パックの部分斜視図であり、図２は図１の電池パックに含まれている電池モジュールのマウンティング方法を示す部分斜視図である。

図１および図２を参照すると、従来の電池パックは、複数の電池モジュール１０、および複数の電池モジュールが収納されるパックフレーム１１を含むことができる。説明の便宜のために、図１は一つの電池モジュールだけを示した。

従来の電池パックは、電池モジュール１０の冷却のために冷媒管を設け、冷媒管と連結された冷媒管コネクタ１３を通じて冷媒を供給していた。このような冷媒は、通常、冷却水であり、電池パック内部にこのような冷却水を流して温度を低める流体間接冷却構造を適用していた。

一方、電池モジュール１０をパックフレーム１１に収納する時、４つの角にマウンティングホールを設け、マウンティングボルト１２が前記マウンティングホールを通過してパックフレーム１１と締結され得る。各電池モジュール１０毎にこのようなマウンティング結合が行われ得る。

この時、電池モジュール１０の冷却のための冷媒管コネクタ１３などの冷却構成と電池モジュール１０のマウンティングのためのマウンティングボルト１２などのマウンティング構成とは別個の構成であり、各構成毎に部品が多く、複雑であるという問題がある。

また、組立不良や運行中の事故などの原因により、冷媒管や冷媒管コネクタ１３などから冷媒が漏れる状況が発生することがあるが、このように漏れた冷媒は電池パック内部に浸透して火災や爆発の原因になることがある。

したがって、冷却性能は高めながら、冷媒の漏れによる被害を最小化することができる電池パックを開発するのが要求されている。

本発明が解決しようとする課題は、冷却性能の向上と共に、冷媒漏れによる被害を遮断することができる電池パックおよびこれを含むデバイスを提供することにある。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。

本発明の一実施形態による電池パックは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体、前記電池セル積層体を収納するモジュールフレームおよび前記モジュールフレームの底部の下に位置するヒートシンクを含む複数の電池モジュールと、前記複数の電池モジュールを収納するパックフレームと、前記モジュールフレームの底部、前記ヒートシンクおよび前記パックフレームを締結する冷媒伝達用ボルトとを含む。前記パックフレームは、冷媒の供給と排出のためのパック冷媒管を含み、前記冷媒伝達用ボルトに前記パック冷媒管および前記ヒートシンクを連結する連結管が形成される。前記冷媒伝達用ボルトは、冷媒の温度に反応して前記連結管を開放または遮断する開閉部材を含む。

前記開閉部材は形状記憶合金を含んで前記冷媒の温度に反応することができる。

前記冷媒伝達用ボルトは、前記連結管とつながる第１開口および第２開口を含むことができ、前記第１開口は前記パック冷媒管内部に配置され得、前記第２開口は前記モジュールフレームの底部と前記ヒートシンクの間に配置され得る。前記開閉部材は前記冷媒の温度に反応して、前記第２開口の開閉を調節することができる。

前記開閉部材は、前記連結管を開放または遮断する遮断部、および前記遮断部と連結され、形状記憶合金を含むスプリング部を含むことができる。

前記スプリング部は前記冷媒の温度に反応して形状が変形され得、前記スプリング部の形状変形により前記遮断部が上下に動いて、前記連結管を開放または遮断することができる。

前記スプリング部はコイル型スプリングまたは板状型スプリングであり得る。

前記パックフレームに冷媒用開口が形成され得、前記冷媒用開口は前記スプリング部の一端部を支える段差部を含むことができる。

前記モジュールフレームは、前記モジュールフレームの底部一部が延長されて形成されたモジュールフレーム延長部を含むことができ、前記ヒートシンクは、前記ヒートシンクの一辺から前記モジュールフレーム延長部が位置した部分に延長されたヒートシンク延長部を含むことができ、前記冷媒伝達用ボルトは、前記モジュールフレーム延長部、前記ヒートシンク延長部および前記パックフレームを締結することができる。

前記パックフレームに冷媒用開口が形成され得、前記モジュールフレーム延長部に第１マウンティングホールが形成され得、前記ヒートシンク延長部に第２マウンティングホールが形成され得る。前記冷媒伝達用ボルトが前記第１マウンティングホール、前記第２マウンティングホールおよび前記冷媒用開口を通過することができる。

前記冷媒伝達用ボルトは、前記連結管とつながる第１開口および第２開口を含むことができ、前記第１開口は前記パック冷媒管内部に配置され得、前記第２開口は前記モジュールフレームの底部と前記ヒートシンクの間に配置され得る。前記第１開口の開口方向は前記連結管の貫通方向と平行であり得、前記第２開口の開口方向は前記連結管の貫通方向と垂直であり得る。

前記冷媒伝達用ボルトは、前記連結管が形成された本体部、および前記本体部の上端に位置したヘッド部を含むことができる。

前記電池パックは、前記本体部を囲むガスケットをさらに含むことができ、前記ガスケットは、前記ヘッド部と前記モジュールフレームの底部一部が延長されて形成されたモジュールフレーム延長部との間、および前記ヒートシンクと前記パックフレームとの間のうちの少なくとも一ヶ所に位置することができる。

前記電池モジュールの前面および後面にそれぞれ突出部が形成され得、前記電池パックは、前記電池モジュールの前面および後面にそれぞれ位置し、前記突出部を囲みながら前記パックフレームに結合される固定ブラケットをさらに含むことができる。

前記パックフレームは、前記電池モジュールを支える支えフレーム、および前記支えフレームの下に位置した下部フレームを含むことができ、前記パック冷媒管は前記支えフレームと前記下部フレームの間に位置することができる。

本発明の実施形態によると、冷媒流路が形成された冷媒伝達用ボルトを通じて、マウンティング固定と加圧シーリングが同時に可能であり、部品数の節減および構造の単純化が可能である。

また、冷媒を供給するために必要な貫通ホール間の整列に対する影響を最小化することができるため、冷媒漏れの可能性を減らすことができる。

また、開閉部材が配置されて、冷媒伝達用ボルトに形成された連結管の開閉が冷媒の温度により能動的に調節され得る。

また、改善された固定ブラケット構造を通じて電池モジュールの堅固な固定と同時に冷媒漏れによる被害を効果的に遮断することができる。

本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は請求の範囲の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。

従来の電池パックの部分斜視図である。 図１の電池パックに含まれている電池モジュールのマウンティング方法を示す部分斜視図である。 本発明の一実施形態による電池パックに含まれている電池モジュールおよびパックフレームを示す斜視図である。 図３の電池モジュールをパックフレームに固定する固定ブラケットを分解して示す斜視図である。 図３の電池モジュールの分解斜視図である。 図３の「Ａ」部分を拡大して示す部分斜視図である。 図６の切断線Ｂ－Ｂ’に沿って切断した断面の部分断面図である。 図７の「Ｅ」部分を拡大して示す部分斜視図である。 図７の「Ｅ」部分を拡大して示す部分斜視図である。 図１０（ａ）～図１０（ｃ）は本発明の一実施形態による冷媒伝達用ボルトを多様な角度で眺めた図面である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は本発明の一実施形態による冷媒伝達用ボルトおよび開閉部材を多様な角度で眺めた図面である。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は本発明の変形された一実施形態による冷媒伝達用ボルトおよび開閉部材を多様な角度で眺めた図面である。 図６の切断線Ｃ－Ｃ’に沿って切断した断面の部分断面図である。 図６の切断線Ｄ－Ｄ’に沿って切断した断面の部分断面図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ず図示されたところに限定されるのではない。図面において、複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、これは他の部分の「直上」にある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。

図３は本発明の一実施形態による電池パックに含まれている電池モジュールおよびパックフレームを示す斜視図である。図４は図３の電池モジュールをパックフレームに固定する固定ブラケットを分解して示す斜視図である。図５は図３の電池モジュールの分解斜視図である。

図３～図５を参照すると、本発明の一実施形態による電池パックは、複数の電池モジュール１００、複数の電池モジュール１００を収納するパックフレーム１１００、および冷媒伝達用ボルトを含む。電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体１２０、電池セル積層体１２０を収納するモジュールフレーム２００、およびモジュールフレーム２００の底部２１０ａの下に位置するヒートシンク３００を含む。前記冷媒伝達用ボルトについては後述する。

電池セル１１０は、パウチ型電池セルであり得る。このようなパウチ型電池セルは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチケースに電極組立体を収納した後、前記パウチケースの外周部を熱融着して形成され得る。この時、電池セル１１０は長方形のシート型構造で形成され得る。

このような電池セル１１０は、複数個で構成され得、複数の電池セル１１０は、互いに電気的に連結され得るように積層されて電池セル積層体１２０を形成する。特に、図５に示されているようにｘ軸と平行な方向に沿って複数の電池セル１１０が積層され得る。

本実施形態による電池セル積層体１２０は、電池セル１１０の個数が従来よりも多くなる大面積のモジュールであり得る。具体的に、電池モジュール１００当たり３２個～４８個の電池セル１１０が含まれ得る。このような大面積のモジュールの場合、電池モジュールの水平方向の長さが長くなるようになる。ここで、水平方向の長さとは、電池セル１１０が積層された方向、つまり、ｘ軸と平行な方向への長さを意味し得る。

電池セル積層体１２０を収納するモジュールフレーム２００は、上部カバー２２０およびＵ字型フレーム２１０を含むことができる。

Ｕ字型フレーム２１０は、底部２１０ａ、および底部２１０ａの両端部から上向きに延長された二つの側面部２１０ｂを含むことができる。底部２１０ａは電池セル積層体１２０の下面（－ｚ軸方向）を覆うことができ、側面部２１０ｂは電池セル積層体１２０の両側面（ｘ軸方向と－ｘ軸方向）を覆うことができる。

上部カバー２２０は、Ｕ字型フレーム２１０により囲まれる前記下面および前記両側面を除いた残りの上面（ｚ軸方向）を囲む一つの板状型構造で形成され得る。上部カバー２２０とＵ字型フレーム２１０は、互いに対応する縁部位が接触された状態で、溶接などにより結合することによって、電池セル積層体１２０を上下左右に覆う構造を形成することができる。上部カバー２２０とＵ字型フレーム２１０を通じて電池セル積層体１２０を物理的に保護することができる。このために上部カバー２２０とＵ字型フレーム２１０は所定の強度を有する金属材質を含むことができる。

一方、具体的に図示していないが、変形例によるモジュールフレーム２００は、上面、下面および両側面が一体化した金属板材形態のモノフレームであり得る。つまり、Ｕ字型フレーム２１０と上部カバー２２０が互いに結合する構造でなく、押出成形により製造されて上面、下面および両側面が一体化した構造であり得る。

エンドプレート４００は、電池セル積層体１２０の前面と後面（ｙ軸方向と－ｙ軸方向）に位置して電池セル積層体１２０を覆うように形成され得る。このようなエンドプレート４００は、外部の衝撃から電池セル積層体１２０およびその他電装品を物理的に保護することができる。

一方、具体的に図示していないが、電池セル積層体１２０とエンドプレート４００の間にはバスバーが装着されるバスバーフレームおよび電気的絶縁のための絶縁カバーなどが位置することができる。

一方、本実施形態による電池モジュール１００は、モジュールフレーム２００の底部２１０ａの下に位置するヒートシンク３００を含む。モジュールフレーム２００の底部２１０ａはヒートシンク３００の上部プレートを構成することができ、ヒートシンク３００の陥没部３４０とモジュールフレーム２００の底部２１０ａが冷媒の流路を形成することができる。

具体的に、ヒートシンク３００は、ヒートシンク３００の骨格を形成し、モジュールフレーム２００の底部２１０ａと溶接などにより直接接合される下部プレート３１０、および冷媒が流動する経路である陥没部３４０を含むことができる。

ヒートシンク３００の陥没部３４０は、下部プレート３１０が下側に陥没形成された部分に該当する。陥没部３４０は、冷媒流路が伸びる方向を基準として垂直にｘｚ平面で切断した断面がＵ字型管であり得、前記Ｕ字型管の開放された上側に底部２１０ａが位置することができる。ヒートシンク３００が底部２１０ａと接しながら、陥没部３４０と底部２１０ａの間の空間が冷媒が流動する領域、つまり、冷媒の流路となる。これによって、モジュールフレーム２００の底部２１０ａが前記冷媒と接触することができる。

ヒートシンク３００の陥没部３４０の製造方法に特別な制限はないが、板状型のヒートシンク３００に対して陥没形成された構造を設けることによって、上側が開放されたＵ字型陥没部３４０を形成することができる。

一方、図示してはいないが、図５のモジュールフレーム２００の底部２１０ａと電池セル積層体１２０の間に熱伝導性樹脂（Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）を含む熱伝導性樹脂層が位置することができる。前記熱伝導性樹脂層は、熱伝導性樹脂（Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）を底部２１０ａに塗布し、塗布された熱伝導性樹脂が硬化して形成され得る。

前記熱伝導性樹脂は、熱伝導性接着物質を含むことができ、具体的にシリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）素材、ウレタン（Ｕｒｅｔｈａｎ）素材およびアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）素材のうちの少なくとも一つを含むことができる。前記熱伝導性樹脂は、塗布時には液状であるが、塗布後に硬化して電池セル積層体１２０を構成する一つ以上の電池セル１１０を固定する役割を果たすことができる。また、熱伝導特性に優れて電池セル１１０で発生した熱を迅速に電池モジュールの下側に伝達することができる。

本実施形態による電池モジュール１００は、モジュールフレーム２００とヒートシンク３００の冷却一体型構造を実現して、冷却性能をより向上させることができる。モジュールフレーム２００の底部２１０ａがヒートシンク３００の上部プレートに対応する役割を果たすことによって冷却一体型構造を実現することができる。直接冷却による冷却効率が上昇し、ヒートシンク３００がモジュールフレーム２００の底部２１０ａと一体化した構造を通じて電池モジュール１００、および電池モジュール１００が装着された電池パック上の空間活用率をより向上させることができる。

具体的には、電池セル１１０で発生した熱が電池セル積層体１２０と底部２１０ａの間に位置する熱伝導性樹脂層（図示せず）、モジュールフレーム２００の底部２１０ａ、冷媒を経て電池モジュール１００の外部に伝達され得る。従来の不要な冷却構造を除去することによって、熱伝達経路が単純化され、各層の間のエアーギャップを減らすことができるため、冷却効率や性能を増大することができる。特に、底部２１０ａがヒートシンク３００の上部プレートで構成されて、底部２１０ａが直ちに冷媒と接触するため、冷媒を通じたより直接的な冷却が可能であるという長所がある。

また、不要な冷却構造の除去を通じて電池モジュール１００の高さが減少して、原価節減が可能であり、空間活用度を高めることができる。なお、電池モジュール１００がコンパクトに配置され得るため、電池モジュール１００を多数含む電池パックの容量や出力を増大させることができる。

一方、モジュールフレーム２００の底部２１０ａは、ヒートシンク３００のうち、陥没部３４０が形成されていない下部プレート３１０部分と溶接を通じて接合され得る。本実施形態は、モジュールフレーム２００の底部２１０ａとヒートシンク３００の冷却一体型構造を通じて、前述した冷却性能の向上だけでなく、モジュールフレーム２００に収容された電池セル積層体１２０の荷重を支持し、電池モジュール１００の剛性を補強する効果を有することができる。それだけでなく、下部プレート３１０とモジュールフレーム２００の底部２１０ａは、溶接接合などを通じて密封されることによって、下部プレート３１０内側に形成された陥没部３４０で冷媒が漏れなしに流動することができる。

効果的な冷却のために、図５に示されているように、モジュールフレーム２００の底部２１０ａに対応する全領域にわたって陥没部３４０が形成されることが好ましい。このために、陥没部３４０は、少なくとも一回曲がって一側から他側につながり得る。特に、モジュールフレーム２００の底部２１０ａに対応する全領域にわたって陥没部３４０が形成されるために、陥没部３４０は数回曲がることが好ましい。モジュールフレーム２００の底部２１０ａに対応する全領域にわたって形成された冷媒流路の開始点から終了点まで冷媒が移動することによって、電池セル積層体１２０の全領域に対する効率的な冷却が行われ得る。

一方、前記冷媒は、冷却のための媒介物として、特別な制限はないが、冷却水であり得る。

一方、本実施形態によるヒートシンク３００の陥没部３４０には突出パターン３４０Ｄが形成され得る。本実施形態による電池セル積層体１２０のように積層される電池セルの個数が従来と比べて多く増える大面積の電池モジュールの場合、冷媒流路の幅がより広く形成され得るため、温度偏差がより激しくなり得る。大面積の電池モジュールでは、既存の一つの電池モジュール内にほぼ１２個～２４個の電池セルが積層された場合とは異なり、ほぼ３２個～４８個の電池セルが一つの電池モジュール内に積層されている場合を含むことができる。このような場合、本実施形態による突出パターン３４０Ｄは、冷却流路の幅を実質的に縮小させる効果を発生させて圧力降下を最小化し、同時に冷媒流路幅間の温度偏差を減らすことができる。したがって、均一な冷却効果を実現することができる。

以下、図６および図７などを参照して冷媒伝達用ボルトを通じた締結について具体的に説明する。

図６は図３の「Ａ」部分を拡大して示す部分斜視図である。図７は図６の切断線Ｂ－Ｂ’に沿って切断した断面の部分断面図である。

図４～図７を参照すると、本実施形態による電池パックは、モジュールフレーム２００の底部２１０ａ、ヒートシンク３００およびパックフレーム１１００を締結する冷媒伝達用ボルト７００を含む。

本実施形態によるパックフレーム１１００は、冷媒の供給と排出のためのパック冷媒管１１３０、１１４０、およびパック冷媒管１１３０、１１４０に形成された冷媒用開口１１５０、１１６０を含むことができる。具体的に、パック冷媒管１１３０、１１４０は、冷媒の供給のためのパック冷媒供給管１１３０、および冷媒の排出のためのパック冷媒排出管１１４０を含むことができる。また、冷媒用開口１１５０、１１６０は、パック冷媒供給管１１３０と連結された冷媒供給用開口１１５０、およびパック冷媒排出管１１４０と連結された冷媒排出用開口１１６０を含むことができる。

パックフレーム１１００は、電池モジュール１００を支える支えフレーム１１１０、および支えフレーム１１１０の下に位置した下部フレーム１１２０を含むことができる。パック冷媒供給管１１３０とパック冷媒排出管１１４０は支えフレーム１１１０と下部フレーム１１２０の間に位置することができ、より詳しくは、パック冷媒供給管１１３０とパック冷媒排出管１１４０は支えフレーム１１１０の直下に位置して支えフレーム１１１０と一体化した構成であり得る。

本実施形態によるモジュールフレーム２００は、モジュールフレーム２００の底部２１０ａの一部が延長されて形成されたモジュールフレーム延長部２１１を含むことができる。また、本実施形態によるヒートシンク３００は、ヒートシンク３００の一辺からモジュールフレーム延長部２１１が位置した部分に延長されたヒートシンク延長部３１１を含むことができる。モジュールフレーム延長部２１１とヒートシンク延長部３１１は互いに対応する形態を有し、エンドプレート４００を通過するように延長形成され得る。

モジュールフレーム延長部２１１に第１マウンティングホール２１１Ｈが形成され、ヒートシンク延長部３１１に第２マウンティングホール３１１Ｈが形成され得る。

本実施形態による冷媒伝達用ボルト７００は、モジュールフレーム延長部２１１、ヒートシンク延長部３１１およびパックフレーム１１００を締結するが、具体的には、冷媒伝達用ボルト７００が第１マウンティングホール２１１Ｈ、第２マウンティングホール３１１Ｈおよびパックフレーム１１００の冷媒供給用開口１１５０を順次に通過して締結される。

以下、図８～図１１などを参照して冷媒伝達用ボルトを通じた冷媒伝達構造について具体的に説明する。パック冷媒管１１３０、１１４０のうち、パック冷媒供給管１１３０を基準として説明するが、パック冷媒排出管１１４０にも冷媒伝達用ボルト７００を通じた冷媒伝達構造が同様に適用され得る。

図８および図９は図７の「Ｅ」部分を拡大して示す部分斜視図である。図１０ａ～図１０ｃは本発明の一実施形態による冷媒伝達用ボルトを多様な角度で眺めた図面である。図１１ａおよび図１１ｂは本発明の一実施形態による冷媒伝達用ボルトおよび開閉部材を多様な角度で眺めた図面である。

具体的に、図８は開閉部材９００ａにより冷媒流路が開放された状態を示し、図９は開閉部材９００ａにより冷媒流路が遮断された状態を示す。一方、図１０ａ～図１０ｃは説明の便宜のために開閉部材９００ａを除去した様子の冷媒伝達用ボルト７００を示したものであり、図１０ａは冷媒伝達用ボルト７００の斜視図であり、図１０ｂは図１０ａの冷媒伝達用ボルト７００を下から眺めた平面図であり、図１０ｃは図１０ａの冷媒伝達用ボルト７００を覆した後に側面から眺めた側面図である。一方、図１１ａおよび図１１ｂは冷媒伝達用ボルト７００に開閉部材９００ａが配置された様子を示す。
図８～図１１を参照すると、本実施形態による冷媒伝達用ボルト７００には、パック冷媒管１１３０、１１４０およびヒートシンク３００を連結する連結管７１３が形成され、冷媒伝達用ボルト７００は、冷媒の温度に反応して連結管７１３を開放または遮断する開閉部材（ｏｐｅｎｉｎｇ－ｃｌｏｓｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）９００ａを含む。図８にはパック冷媒供給管１１３０とヒートシンク３００を連結する冷媒伝達用ボルト７００の連結管７１３が示されている。

具体的には、冷媒伝達用ボルト７００は、連結管７１３が形成された本体部７１０、および本体部７１０の上端に位置したヘッド部７２０を含むことができる。本体部７１０は第１マウンティングホール２１１Ｈおよび第２マウンティングホール３１１Ｈの内径と対応する直径を有する柱形態の構成であり、具体的に図示していないが、外周面にねじ山が形成され得る。冷媒供給用開口１１５０の内側面にもねじ山が形成され得、本体部７１０がパックフレーム１１００に締結され得る。ヘッド部７２０は本体部７１０よりも直径が大きい構成であり、モジュールフレーム延長部２１１とヒートシンク延長部３１１を密着させることができる。

冷媒伝達用ボルト７００は、連結管７１３とつながり、本体部７１０に形成された第１開口７１１および第２開口７１２を含むことができる。第１開口７１１はパック冷媒供給管１１３０内部に配置され、第２開口７１２はモジュールフレーム２００の底部２１０ａとヒートシンク３００の間に配置され得る。第１開口７１１の開口方向は連結管７１３の貫通方向と平行であり、第２開口７１２の開口方向は連結管７１３の貫通方向と垂直であり得る。第１開口７１１は連結管７１３とつながりながら本体部７１０の一端に位置することができ、第２開口７１２は本体部７１０の外周面に沿って複数個で形成されて連結管７１３とつながり得る。

パック冷媒供給管１１３０を通じて移動した冷媒が第１開口７１１、連結管７１３および第２開口７１２を順次に通過して底部２１０ａとヒートシンク３００の間に流入され得る。流入された冷媒は、前述したとおり、ヒートシンク３００の陥没部３４０に沿って移動して電池モジュール１００を冷却することができる。

本実施形態による冷媒伝達用ボルト７００は、モジュールフレーム２００とヒートシンク３００をパックフレーム１１００にマウンティング固定する機能を担当するだけでなく、電池モジュール１００下端に冷媒を供給する経路として機能することができる。また、冷媒伝達用ボルト７００の締結力により底部２１０ａ、ヒートシンク３００およびパック冷媒供給管１１３０が互いに強く密着するため、密封性が向上してその間の冷媒漏れの可能性を減らすことができる。つまり、マウンティング固定、加圧シーリングおよび冷媒伝達を同時に行うことができるため、部品数の節減および構造の単純化が可能である。また、冷媒伝達用ボルト７００により冷媒供給用開口１１５０と第２マウンティングホール３１１Ｈが整列されるしかないため、冷媒を供給するために必要な貫通ホール間の整列に対する影響を最小化することができ、冷媒漏れの可能性を減らすことができる。

一方、本実施形態による開閉部材９００ａは、冷媒の温度に反応して連結管７１３を開放または遮断する。具体的には、開閉部材９００ａは、形状記憶合金を含んで冷媒の温度に反応することができ、第２開口７１２の開閉を調節することができる。また、開閉の程度を調節して、ヒートシンク３００を流れる冷媒の流量が調節され得る。この時、形状記憶合金は転移温度以下で変形され、転移温度以上になると変形前へ戻る性質を有する合金であり得る。

具体的に、開閉部材９００ａは、連結管７１３を開放または遮断する遮断部９１０ａ、および遮断部９１０ａと連結され、形状記憶合金を含むスプリング部９２０ａを含むことができる。遮断部９１０ａは、第２開口７１２が形成された本体部７１０の外周面を囲む形態であり得、このような遮断部９１０ａの下にスプリング形態のスプリング部９２０ａが連結され得る。

スプリング部９２０ａは、形状記憶合金を含むことができ、前記冷媒の温度に反応して形状が変形され得る。特に、冷媒の温度によりスプリング形態が上下方向に伸びたり縮んだりすることができる。このようなスプリング部９２０ａの形状変形により遮断部９１０ａが上下に動いて、連結管７１３、特に第２開口７１２を開放または遮断することができる。一例として、図８はスプリング部９２０ａが上下方向に縮んで遮断部９１０ａが下に動いて、第２開口７１２が開放された状態を示す。反面、図９はスプリング部９２０ａが上下方向に伸びて遮断部９１０ａが上に動いて、第２開口７１２が遮断された状態を示す。

一方、前述したとおり、本実施形態によるパックフレーム１１００は、パック冷媒管１１３０、１１４０、およびパック冷媒管１１３０、１１４０に形成された冷媒用開口１１５０、１１６０を含むことができる。この時、冷媒用開口１１５０、１１６０は、スプリング部９２０ａの一端部を支える段差部１１５０Ｓを含むことができる。図８および図９を基準として説明すると、冷媒伝達用ボルト７００が通過する冷媒供給用開口１１５０は、段差構造を有する段差部１１５０Ｓを含むことができる。このような段差部１１５０Ｓの上面にスプリング部９２０ａが配置され得る。スプリング部９２０ａが冷媒の温度により上下方向に伸びたり縮んだりする時、段差部１１５０Ｓにより支持されるため、遮断部９１０ａを上下に移動させることができる。

本実施形態による電池パックは、一定の温度に反応する形状記憶合金を利用した開閉部材９００ａを冷媒伝達用ボルト７００に適用することによって、冷媒の温度により能動的に冷媒の供給と遮断を調節することができ、開閉の程度により冷媒の流量も調節することができる。別途の複雑な調節装置なしでも、簡便に電池モジュールの温度により流量が調節される冷媒循環システムを形成することができる。

一方、本実施形態による電池パックは、冷媒伝達用ボルト７００の本体部７１０を囲むガスケット６００をさらに含むことができる。ガスケット６００は、ヘッド部７２０とモジュールフレーム延長部２１１の間、およびヒートシンク３００とパックフレーム１１００の間のうちの少なくとも一ヶ所に位置することができる。このようなガスケット６００を通じて冷媒の漏れを防止することができる。

一方、具体的に図示していないが、第１マウンティングホール２１１Ｈ、第２マウンティングホール３１１Ｈおよびパックフレーム１１００の冷媒排出用開口１１６０も本実施形態による冷媒伝達用ボルト７００により締結され得る。言い換えると、本実施形態によれば、パック冷媒管１１３０、１１４０は全て冷媒伝達用ボルト７００を通じてヒートシンク３００と連結され、第１マウンティングホール２１１Ｈ、第２マウンティングホール３１１Ｈおよび冷媒伝達用ボルト７００は複数個で構成され得る。パック冷媒供給管１１３０からいずれか一つの第２マウンティングホール３１１Ｈと冷媒伝達用ボルト７００を通じて流入した冷媒が陥没部３４０に沿って移動した後、他の一つの第２マウンティングホール３１１Ｈと冷媒伝達用ボルト７００を通じてパック冷媒排出管１１４０に排出され得る。

一方、図１１ａおよび図１１ｂを再び参照すると、本実施形態によるスプリング部９２０ａは、コイル型スプリングであり得る。具体的に、このようなコイル型スプリングは、冷媒伝達用ボルト７００の本体部７１０の外周面を囲みながら、冷媒の温度に反応して上下方向に圧縮などの変形が可能であり得る。

一方、図１２ａおよび図１２ｂは、本発明の変形された一実施形態による冷媒伝達用ボルトおよび開閉部材を多様な角度で眺めた図面である。

図１２ａおよび図１２ｂを参照すると、本実施形態による開閉部材９００ｂは、遮断部９１０ｂおよびスプリング部９２０ｂを含むことができる。この時、遮断部９１０ｂは前述した構成と類似乃至同一であり得るが、スプリング部９２０ｂは板状型スプリングであり得る。具体的に、複数の板状型スプリングは、遮断部９１０ｂに沿って一定の間隔で離隔して配置され、冷媒の温度に反応して上下方向に圧縮などの変形が可能であり得る。

このような本実施形態によるスプリング部９２０ａ、９２０ｂは、一つの例示的構造であり、遮断部９１０ａ、９１０ｂを上下方向に移動させることができれば、その形態の特別な制限はない。

以下、図１３および図１４などを参照して固定ブラケットを通じた固定方式について具体的に説明する。

図１３は図６の切断線Ｃ－Ｃ’に沿って切断した断面の部分断面図であり、図１４は図６の切断線Ｄ－Ｄ’に沿って切断した断面の部分断面図である。

図４、図５、図１３および図１４を参照すると、本実施形態による電池モジュール１００の前面および後面にそれぞれ突出部４１０が形成される。電池モジュール１００の前面および後面にエンドプレート４００が位置することができるが、突出部４１０はエンドプレート４００に形成され得る。具体的に、突出部４１０は電池セル１１０の積層方向と垂直方向（ｙ軸と平行な方向）に向かって突出した構造であり得る。つまり、電池モジュール１００の前面に形成された突出部４１０はｙ軸方向に向かって突出し、電池モジュール１００の後面に形成された突出部４１０は－ｙ軸方向に向かって突出し得る。

また、突出部４１０は、電池モジュール１００の前面の下側縁部と電池モジュール１００の後面の下側縁部にそれぞれ形成され得る。なお、電池モジュール１００の前面と後面のそれぞれに対して互いに離隔した二つの突出部４１０が形成され得る。

固定ブラケット５００は、突出部４１０を囲みながらパックフレーム１１００に結合することができる。具体的に、突出部４１０は、エンドプレート４００から突出して形成されることによって上面と３個の側面を有するが、固定ブラケット５００は、突出部４１０の上面と一側面を囲む固定部５１０を含むことができる。なお、固定部５１０は突出部４１０の他の二つの側面をさらに囲むことができる。

一方、固定ブラケット５００にブラケットホール５００Ｈが形成され、パックフレーム１１００にパックフレームホール１１１１Ｈが形成される。本実施形態による電池パックは、パックフレームホール１１１１Ｈとブラケットホール５００Ｈを通過するブラケットボルトＢ１、およびブラケットボルトＢ１と結合するブラケットナットＮ１を含むことができる。

具体的に、ブラケットホール５００Ｈとパックフレームホール１１１１Ｈが互いに対応するように位置し、ブラケットボルトＢ１がパックフレームホール１１１１Ｈとブラケットホール５００Ｈを通過して上向きに直立することができる。その後、ブラケットボルトＢ１がブラケットナットＮ１と結合して固定ブラケット５００がパックフレーム１１００に固定され得る。効果的な固定のためにパックフレームホール１１１１Ｈ、ブラケットホール５００Ｈ、ブラケットボルトＢ１およびブラケットナットＮ１は、それぞれ複数で構成されることが好ましく、図４には一実施形態として、それぞれ４個ずつ構成された様子が示されている。

電池モジュール１００を間に置いて互いに対向して配置される二つの固定ブラケット５００が電池モジュール１００の突出部４１０を囲みながら、ブラケットボルトＢ１とブラケットナットＮ１を通じてパックフレーム１１００に結合するため、電池モジュール１００がパックフレーム１１００に収納および固定され得る。

一方、図１３に示されているように、本実施形態による電池パックは、突出部４１０とパックフレーム１１００の間に位置する絶縁部材８００をさらに含むことができる。絶縁部材８００は、電気的絶縁を帯びるパッド形態の部材であり得る。エンドプレート４００とパックフレーム１１００の間に異種材質接触によるガルバニック腐食（Ｇａｌｖａｎｉｃ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）が発生することがあるが、その間に絶縁部材８００を配置することによって、ガルバニック腐食の発生を予防することができる。

一方、図６を再び参照すると、本実施形態による固定ブラケット５００は、モジュールフレーム延長部２１１を覆う蓋部５２０を含むことができる。また、蓋部５２０の左、右にはブラケットボルトＢ１とブラケットナットＮ１の締結構造がそれぞれ位置することができる。ブラケットボルトＢ１とブラケットナットＮ１で固定される固定ブラケット５００に蓋部５２０を形成することによって、モジュールフレーム延長部２１１を加圧することができる。したがって、モジュールフレーム延長部２１１およびヒートシンク延長部３１１が密着してその間の冷媒漏れの可能性を減らすことができる。また、冷媒伝達用ボルト７００のヘッド部７２０がエンドプレート４００、モジュールフレーム延長部２１１および蓋部５２０に囲まれたまま密閉され得る。蓋部５２０を通じて密閉することによって、漏れた冷媒が周辺の部品に浸透することを遮断することができる。つまり、蓋部５２０自体が冷媒の漏れ防止機能を遂行することができる。

本実施形態で前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されているが、このような用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象となる事物の位置や観測者の位置などにより変わり得る。

前述した本実施形態による一つまたはそれ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。

前記電池モジュールや電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。具体的には、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用され得るが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。

以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１００：電池モジュール
２００：モジュールフレーム
２１１：モジュールフレーム延長部
３００：ヒートシンク
３１１：ヒートシンク延長部
７００：冷媒伝達用ボルト
７１３：連結管
９００ａ、９００ｂ：開閉部材
１１００：パックフレーム

Claims (15)

1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体、前記電池セル積層体を収納するモジュールフレームおよび前記モジュールフレームの底部の下に位置するヒートシンクを含む複数の電池モジュールと、
   前記複数の電池モジュールを収納するパックフレームと、
   前記モジュールフレームの底部、前記ヒートシンクおよび前記パックフレームを締結する冷媒伝達用ボルトと、
   を含み、
   前記パックフレームは、冷媒の供給と排出のためのパック冷媒管を含み、
   前記冷媒伝達用ボルトに前記パック冷媒管および前記ヒートシンクを連結する連結管が形成されており、
   前記冷媒伝達用ボルトは、冷媒の温度に反応して前記連結管を開放または遮断する開閉部材を含む電池パック。
2. 前記開閉部材は形状記憶合金を含んで前記冷媒の温度に反応する、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記冷媒伝達用ボルトは、前記連結管とつながる第１開口および第２開口を含み、
   前記第１開口は前記パック冷媒管の内部に配置されており、
   前記第２開口は前記モジュールフレームの底部と前記ヒートシンクの間に配置されており、
   前記開閉部材は前記冷媒の温度に反応して、前記第２開口の開閉を調節する、請求項１または２に記載の電池パック。
4. 前記開閉部材は、前記連結管を開放または遮断する遮断部、および前記遮断部と連結され、形状記憶合金を含むスプリング部を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池パック。
5. 前記スプリング部は前記冷媒の温度に反応して形状が変形され、
   前記スプリング部の形状変形により前記遮断部が上下に動いて、前記連結管を開放または遮断する、請求項４に記載の電池パック。
6. 前記スプリング部はコイル型スプリングまたは板状型スプリングである、請求項４または５に記載の電池パック。
7. 前記パックフレームに冷媒用開口が形成されており、
   前記冷媒用開口は前記スプリング部の一端部を支える段差部を含む、請求項４から６のいずれか一項に記載の電池パック。
8. 前記モジュールフレームは、前記モジュールフレームの底部一部が延長されて形成されたモジュールフレーム延長部を含み、
   前記ヒートシンクは、前記ヒートシンクの一辺から前記モジュールフレーム延長部が位置した部分に延長されたヒートシンク延長部を含み、
   前記冷媒伝達用ボルトは、前記モジュールフレーム延長部、前記ヒートシンク延長部、および前記パックフレームを締結する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池パック。
9. 前記パックフレームに冷媒用開口が形成され、
   前記モジュールフレーム延長部に第１マウンティングホールが形成され、
   前記ヒートシンク延長部に第２マウンティングホールが形成され、
   前記冷媒伝達用ボルトが前記第１マウンティングホール、前記第２マウンティングホールおよび前記冷媒用開口を通過する、請求項８に記載の電池パック。
10. 前記冷媒伝達用ボルトは、前記連結管とつながる第１開口および第２開口を含み、
    前記第１開口は前記パック冷媒管の内部に配置されており、
    前記第２開口は前記モジュールフレームの底部と前記ヒートシンクの間に配置されており、
    前記第１開口の開口方向は前記連結管の貫通方向と平行であり、
    前記第２開口の開口方向は前記連結管の貫通方向と垂直である、請求項１から９のいずれか一項に記載の電池パック。
11. 前記冷媒伝達用ボルトは、前記連結管が形成された本体部、および前記本体部の上端に位置したヘッド部を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電池パック。
12. 前記本体部を囲むガスケットをさらに含み、
    前記ガスケットは、前記ヘッド部と前記モジュールフレームの底部一部が延長されて形成されたモジュールフレーム延長部との間、および前記ヒートシンクと前記パックフレームとの間のうちの少なくとも一ヶ所に位置する、請求項１１に記載の電池パック。
13. 前記電池モジュールの前面および後面にそれぞれ突出部が形成されており、
    前記電池モジュールの前面および後面にそれぞれ位置し、前記突出部を囲みながら前記パックフレームに結合される固定ブラケットをさらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電池パック。
14. 前記パックフレームは、前記電池モジュールを支える支えフレーム、および前記支えフレームの下に位置した下部フレームを含み、
    前記パック冷媒管は前記支えフレームと前記下部フレームの間に位置する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電池パック。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の電池パックをさらに含むデバイス。

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