JP7462828B2 - 絶縁油を用いた冷却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、絶縁油を用いた冷却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、モジュールハウジング内に流れ込む絶縁油がバッテリーセルのエッジとモジュールハウジングとの間の空間を通って流れながらバッテリーセルを冷却させる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する。
本出願は、２０２０年１１月１６日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１５３０１７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。
冷却水を用いた間接水冷方式を採用するバッテリーモジュールの場合、冷却水がバッテリーセルと直接接触せず、バッテリーセルを収容するモジュールハウジングを通じて間接的に接触するため、その冷却性能に限界がある。また、冷却のための流路を形成するため、別途のヒートシンクなどの冷却装置をモジュールハウジングの外側に備えなければならず、バッテリーモジュールの全体体積が大きくなってエネルギー密度の損失が発生する。
このような間接水冷方式の問題を解決するため、冷却のための絶縁油がモジュールハウジング内に直接流れ込んでバッテリーセルと直接接触可能な冷却構造を有するバッテリーモジュールの開発が求められている。
絶縁油を用いた直接冷却構造を有するバッテリーモジュールの場合、効率的な冷却のための流路構造を確保すること、そして絶縁油がモジュールハウジングの外側に漏れないように気密性を維持することが非常に重要である。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、モジュールハウジングの内部に流れ込んだ絶縁油がバッテリーモジュールの長手方向に沿って円滑に流れるための経路を確保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述した課題に制限されず、他の課題は下記の発明の説明から通常の技術者に明らかに理解できるであろう。
上記の課題を達成するため、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及び隣接したバッテリーセル同士の間に介在する冷却フィンを含むセル積層体アセンブリ、前記セル積層体アセンブリの長手方向の一側に結合される前方バスバーフレーム、及び前記セル積層体アセンブリの長手方向の他側に結合される後方バスバーフレームを含むサブモジュールと、前記サブモジュールを収容するメインハウジング、前記メインハウジングの下側開口部を覆う下部カバー、及び前記メインハウジングの上側開口部を覆う上部カバーを含むモジュールハウジングと、前記メインハウジングの長手方向の一側を貫通して設けられ、前記サブモジュールの収容空間の内部に絶縁油を供給する絶縁油インレットと、前記メインハウジングの長手方向の他側を貫通して設けられ、前記サブモジュールの収容空間から絶縁油を外部へと排出する絶縁油アウトレットと、を含む。
前記冷却フィンは、互いに隣接したバッテリーセル同士の間に介在するボディ接触部と、前記ボディ接触部の上端及び下端からそれぞれ折り曲げられて前記バッテリーセルのエッジを覆う一対のエッジカバー部と、を含み得る。
前記上部カバーと前記バッテリーセルのエッジとの間、前記下部カバーと前記バッテリーセルのエッジとの間、及び前記バッテリーセルのエッジと前記エッジカバー部との間には、前記絶縁油の流れをガイドする絶縁油流路が形成され得る。
前記絶縁油インレットから前記モジュールハウジングの内部に流れ込んだ絶縁油は、前記前方バスバーフレームを通って前記絶縁油流路に流れ込み得る。
前記絶縁油流路を通過した絶縁油は、前記後方バスバーフレームを通って前記絶縁油アウトレットから前記モジュールハウジングの外部に排出され得る。
前記バッテリーモジュールは、前記セル積層体アセンブリを構成する複数のバッテリーセルと電気的に接続され、一部が前記上部カバーを通ってモジュールハウジングの外側に露出する一対の端子アセンブリをさらに含み得る。
前記一対の端子アセンブリは、それぞれ、前記前方バスバーフレーム上に固定され、前記セル積層体アセンブリに設けられたバッテリーセルのうち最外郭に位置したバッテリーセルの電極リードと連結される内部端子と、前記上部カバーを貫通して挿入される端子スペーサと、前記モジュールハウジングの内側で前記内部端子と連結され、前記端子スペーサを貫通して前記モジュールハウジングの外側に露出する外部端子と、を含み得る。
前記上部カバーは、前記端子スペーサが挿入されるスペーサ収容溝と、前記スペーサ収容溝の底面を貫通して形成されたスペーサ挿入孔と、を備え得る。
前記端子アセンブリは、前記端子スペーサの周縁と前記スペーサ収容溝の底面との間に介在し、前記外部端子と前記端子スペーサに形成された貫通孔の内側面と前記内部端子とで囲まれた空間に介在する一対のＯリングをさらに含み得る。
前記バッテリーモジュールは、前記上部カバーを幅方向に横切って前記上部カバーと前記メインハウジングとを結束する上部バインダーと、前記下部カバーを幅方向に横切って前記下部カバーと前記メインハウジングとを結束する下部バインダーと、をさらに含み得る。
前記メインハウジングと前記上部カバーとの締結部位及び前記メインハウジングと前記下部カバーとの締結部位にはシーリングのためのガスケットが介在し得る。
上記の課題を達成するため、本発明の一態様によるバッテリーパック及び自動車は、本発明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、モジュールハウジングの内部に流れ込んだ絶縁油がバッテリーモジュールの長手方向に沿って円滑に流れることができる。また、本発明の一態様によれば、モジュールハウジングの内部に流れる絶縁油がモジュールハウジングの外側に漏れることを効果的に防止することができる。
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を示した分解斜視図である。 図１のＡ－Ａ’線に沿った断面図である。 本発明による冷却フィンとバッテリーセルとの結合関係を示した図である。 本発明による冷却フィンとバッテリーセルとの結合関係を示した図である。 本発明による冷却フィンを示した斜視図である。 本発明による上部カバーとメインハウジングとの間の締結部位におけるシーリング構造を示した図である。 本発明による下部カバーとメインハウジングとの間の締結部位におけるシーリング構造を示した図である。 図１のＢ－Ｂ’線に沿った断面図である。 図９の部分拡大図であって、本発明による端子アセンブリの構造を具体的に示した図である。 上部バインダー及び下部バインダーが適用されたバッテリーモジュールを示した図である。
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おいて使われた用語や単語は通常的及び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、本発明の最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及び図２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、サブモジュール１００及びモジュールハウジング２００を含み、端子アセンブリ３００をさらに含み得る。
図２～図６を参照すると、前記サブモジュール１００は、セル積層体アセンブリ１１０、前方バスバーフレーム１２０、及び後方バスバーフレーム１３０を含む。
前記セル積層体アセンブリ１１０は、複数のバッテリーセル１１１、及び隣接したバッテリーセル１１１同士の間に介在する複数の冷却フィン１１２を含み、隣接したバッテリーセル１１１同士の間に介在する少なくとも一つの緩衝パッド１１３をさらに含み得る。前記バッテリーセル１１１、冷却フィン１１２及び緩衝パッド１１３は、地面（Ｘ－Ｙ平面に平行な面）に垂直に起立した形態で積層されて一つのセル積層体アセンブリ１１０を形成する。
前記バッテリーセル１１１としては、長手方向（Ｘ軸に平行な方向）に沿って反対方向に引き出される一対の電極リード１１１ａを備えるパウチ型のバッテリーセルが用いられ得る。
前記冷却フィン１１２は、互いに隣接したバッテリーセル１１１同士の間に介在するボディ接触部１１２ａ、及びボディ接触部１１２ａの上端及び下端からそれぞれ折り曲げられてバッテリーセル１１１のエッジを覆う一対のエッジカバー部１１２ｂを含む。ここで、前記バッテリーセル１１１のエッジとは、バッテリーセル１１１のボディのうち幅方向、すなわちバッテリーモジュールの高さ方向（Ｚ軸に平行な方向）の両面を称する。
前記ボディ接触部１１２ａは、隣接した一対のバッテリーセル１１１のボディの間に介在し、バッテリーセル１１１のボディと接触する。前記ボディ接触部１１２ａは、バッテリーセル１１１のボディ、すなわち電極組立体（図示せず）が収容される領域から発生する熱を冷却フィン１１２の幅方向、すなわちバッテリーモジュールの高さ方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って素早く伝導してエッジカバー部１１２ｂ側へと移動させる。このようにエッジカバー部１１２ｂ側に伝導された熱は、バッテリーセル１１１のエッジとエッジカバー部１１２ｂとの間に形成された絶縁油流路Ｐを通って流れる絶縁油によってバッテリーモジュールの長手方向（Ｘ軸に平行な方向）に沿って移動し、バッテリーモジュールの外部へと排出される。前記絶縁油流路Ｐは、バッテリーセル１１１のエッジとエッジカバー部１１２ｂとの間、バッテリーセル１１１のエッジとモジュールハウジング２００の上部カバー２３０との間、及びバッテリーセル１１１のエッジとモジュールハウジング２００の下部カバー２２０との間に形成される。
前記エッジカバー部１１２ｂは、上述したような絶縁油流路Ｐを形成することの他にも、外部衝撃が加えられてセル積層体アセンブリ１１０がモジュールハウジング２００内で上下方向（Ｚ軸に平行な方向）に動くとき、衝撃を吸収する機能も果たすことができる。また、前記エッジカバー部１１２ｂは、モジュールハウジング２００の下部カバー２２０及び上部カバー２３０と接触して、バッテリーセル１１１で発生した熱が下部カバー２２０及び上部カバー２３０を通じて外部に排出されるようにする。
前記緩衝パッド１１３は、隣接したバッテリーセル１１１同士の間に介在し、バッテリーセル１１１のスウェリングによる体積膨張を吸収することができる。
前記前方バスバーフレーム１２０及び後方バスバーフレーム１３０は、それぞれセル積層体アセンブリ１１０の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側及び他側に結合され、複数のバッテリーセル１１１同士を電気的に接続する。前記バッテリーセル１１１同士の間の電気的接続のため、前方バスバーフレーム１２０及び後方バスバーフレーム１３０はバスバー（図示せず）を備える。前記バスバーは、隣接したバッテリーセル１１１のそれぞれの電極リード１１１ａと結合されて隣接したバッテリーセル１１１同士の間を電気的に接続する。
図３～図５を参照すると、前記モジュールハウジング２００とバッテリーセル１１１のエッジとの間、及び冷却フィン１１２のエッジカバー部１１２ｂとバッテリーセル１１１のエッジとの間には、それぞれ絶縁油流路Ｐが形成される。このような絶縁油流路Ｐは、後述する絶縁油インレットＰ１を通ってモジュールハウジング２００の内部に供給された絶縁油がバッテリーモジュールの長手方向（Ｘ軸に平行な方向）に沿って移動して絶縁油アウトレットＰ２を通って排出されるように絶縁油の流れをガイドする。
このようにモジュールハウジング２００内に供給された絶縁油が絶縁油流路Ｐへと流れ込むように、前方バスバーフレーム１２０とモジュールハウジング２００の上端及び下端との間には絶縁油が流動可能な空間が存在する。同様に、絶縁油流路Ｐの長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側から他側に移動した絶縁油が後方バスバーフレーム１３０を通って絶縁油アウトレットＰ２側へと移動できるように、後方バスバーフレーム１３０とモジュールハウジング２００の上端及び下端との間には絶縁油が流動可能な空間が存在する。
前記モジュールハウジング２００は、サブモジュール１００を収容するメインハウジング２１０、メインハウジング２１０の下側開口部を覆う下部カバー２２０、及びメインハウジング２１０の上側開口部を覆う上部カバー２３０を含む。前記メインハウジング２１０の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の一側には絶縁油インレットＰ１が設けられる。
前記絶縁油インレットＰ１は、メインハウジング２１０の前面を貫通して形成され、これによりモジュールハウジング２００の外部から内部に絶縁油を供給する通路として機能する。前記メインハウジング２１０の長手方向の他側には絶縁油アウトレットＰ２が設けられる。前記絶縁油アウトレットＰ２は、メインハウジング２１０の後面を貫通して形成され、これによりモジュールハウジング２００の内部を通過しながらバッテリーセル１１１を冷却させた絶縁油をモジュールハウジング２００の外部へと排出する通路として機能する。
前記メインハウジング２１０の角領域には、バッテリーモジュールの高さ方向（Ｚ軸に平行な方向）に沿って貫設された締結孔Ｈが設けられ得る。前記締結孔Ｈは、本発明によるバッテリーパックを製造するためにパックハウジング内に少なくとも一つの本発明によるバッテリーモジュールを固定する場合、ボルトなどの締結手段が挿入される空間を提供する。また、前記締結孔Ｈは、複数のバッテリーモジュールを連結してより大容量及び／または高電圧のバッテリーパックを製造しようとする場合、締結ボルト（図示せず）の挿入空間も提供可能である。
前記上部カバー２３０は、後述する端子アセンブリ３００を構成する端子スペーサ３３０が挿入される空間を提供するスペーサ収容溝２３１及びスペーサ挿入孔２３２を備える。前記スペーサ収容溝２３１は、端子アセンブリ３００を構成する外部端子３２０が露出する位置に設けられ、上部カバー２３０の幅方向（Ｙ軸と平行な方向）の両側にそれぞれ設けられる。前記スペーサ挿入孔２３２は、スペーサ収容溝２３１の底面を貫通して形成される。
図７及び図８を参照すると、前記メインハウジング２１０と上部カバー２３０との締結部位及びメインハウジング２１０と下部カバー２２０との締結部位にはシーリングのためのガスケットＧが介在し得る。また、前記メインハウジング２１０と上部カバー２３０との間の締結部位及びメインハウジング２１０と下部カバー２２０との締結部位には突起－溝締結構造が適用され得る。このような突起－溝締結構造にガスケットＧがさらに適用される場合、絶縁油の漏れ防止効果を極大化可能である。
図９及び図１０を参照すると、前記端子アセンブリ３００は、セル積層体アセンブリ１１０を構成する複数のバッテリーセル１１１と電気的に接続され、一部が上部カバー２３０を通ってモジュールハウジング２００の外側に露出する。前記端子アセンブリ３００は、内部端子３１０、外部端子３２０、及び端子スペーサ３３０を含む。前記端子アセンブリ３００は、気密性向上のために一対のＯリングＲをさらに含み得る。
前記内部端子３１０は、前方バスバーフレーム１２０上に固定され、セル積層体アセンブリ１１０に設けられたバッテリーセル１１１のうち最外郭に配置されたバッテリーセル１１１の電極リード１１１ａと連結される。すなわち、前記端子アセンブリ３００は、バッテリーモジュールの高電位端子として機能し、一対で設けられてそれぞれ正極端子及び負極端子として機能する。前記内部端子３１０は、電極リード１１１ａと締結される部分である電極リード締結部３１１、及び電極リード締結部３１１の一側端部からほぼ垂直方向に延長されて外部端子３２０と結合される端子結合部３１２を含む。
前記外部端子３２０は、その一側がモジュールハウジング２００の内側で内部端子３１０の端子結合部３１２に結合され、その他側は端子スペーサ３３０を貫通してモジュールハウジング２００の外側に露出する。前記外部端子３２０の一側は内部端子３１０に押込み方式で結合され得る。
前記端子スペーサ３３０は、上部カバー２３０を貫通して挿入される。前記端子スペーサ３３０は、上部カバー２３０に形成されたスペーサ挿入孔２３２内に挿入され、その周縁がスペーサ収容溝２３１の底面上に載置される。
前記一対のＯリングＲは、外部端子３２０が引き出された部位における油漏れを防止するため、気密性が弱い領域に介在する。前記一対のＯリングＲのうち一方は、端子スペーサ３３０の周縁とスペーサ収容溝２３１の底面との間に介在する。前記一対のＯリングＲのうち他方は、外部端子３２０と端子スペーサ３３０に形成された貫通孔の内側面と内部端子３１０とで囲まれた空間に介在する。
このような一対のＯリングＲの適用によって、外部端子３２０が端子スペーサ３３０を貫通することで生じ得る隙間及び端子スペーサ３３０が上部カバー２３０を貫通することで生じ得る隙間から絶縁油が漏れることを防止することができる。
図１１を参照すると、前記バッテリーモジュールは、上部バインダー４００Ａ、及び下部バインダー４００Ｂをさらに含み得る。
前記上部バインダー４００Ａは、上部カバー２３０を幅方向（Ｙ軸に平行な方向）に沿って横切って上部カバー２３０とメインハウジング２１０とを結束する。前記上部バインダー４００Ａの長手方向（Ｙ軸に平行な方向）の両端部はメインハウジング２１０に溶接され得る。前記下部バインダー４００Ｂは、下部カバー２２０を幅方向（Ｙ軸に平行な方向）に沿って横切って下部カバー２２０とメインハウジング２１０とを結束する。前記下部バインダー４００Ｂの長手方向（Ｙ軸に平行な方向）の両端部はメインハウジング２１０に溶接され得る。
前記上部バインダー４００Ａ及び下部バインダー４００Ｂは、モジュールハウジング２００の長手方向（Ｘ軸に平行な方向）の中心部に位置する。このような上部バインダー４００Ａ及び下部バインダー４００Ｂの位置は、バッテリーセル１１１のスウェリングによるモジュールハウジング２００の変形を効率的に抑制できる位置である。このようなスウェリングの効率的な抑制を通じてモジュールハウジング２００の変形を最小化することで、メインハウジング２１０と下部カバー２２０との結合部位及びメインハウジング２１０と上部カバー２３０との結合部位における気密性弱化による油漏れの発生を防止することができる。
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有する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 サブモジュール
１１０ セル積層体アセンブリ
１１１ バッテリーセル
１１２ 冷却フィン
１１３ 緩衝パッド
１２０ 前方バスバーフレーム
１３０ 後方バスバーフレーム
２００ モジュールハウジング
２１０ メインハウジング
２２０ 下部カバー
２３０ 上部カバー
２３１ スペーサ収容溝
２３２ スペーサ挿入孔
３００ 端子アセンブリ
３１０ 内部端子
３１１ 電極リード締結部
３１２ 端子結合部
３２０ 外部端子
３３０ 端子スペーサ
４００Ａ 上部バインダー
４００Ｂ 下部バインダー

Claims (13)

  1. 複数のバッテリーセル及び隣接したバッテリーセル同士の間に介在する冷却フィンを含むセル積層体アセンブリ、前記セル積層体アセンブリの長手方向の一側に結合される前方バスバーフレーム、及び前記セル積層体アセンブリの長手方向の他側に結合される後方バスバーフレームを含むサブモジュールと、
    前記サブモジュールを収容するメインハウジング、前記メインハウジングの下側開口部を覆う下部カバー、及び前記メインハウジングの上側開口部を覆う上部カバーを含むモジュールハウジングと、
    前記メインハウジングの長手方向の一側を貫通して設けられ、前記サブモジュールの収容空間の内部に絶縁油を供給する絶縁油インレットと、
    前記メインハウジングの長手方向の他側を貫通して設けられ、前記サブモジュールの収容空間から絶縁油を外部へと排出する絶縁油アウトレットと、
    を含む、バッテリーモジュール。
  2. 前記冷却フィンは、
    互いに隣接したバッテリーセル同士の間に介在するボディ接触部と、
    前記ボディ接触部の上端及び下端からそれぞれ折り曲げられて前記バッテリーセルのエッジを覆う一対のエッジカバー部と、
    を含む、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記上部カバーと前記バッテリーセルのエッジとの間、前記下部カバーと前記バッテリーセルのエッジとの間、及び前記バッテリーセルのエッジと前記エッジカバー部との間には、前記絶縁油の流れをガイドする絶縁油流路が形成されている、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記絶縁油インレットから前記モジュールハウジングの内部に流れ込んだ絶縁油は、前記前方バスバーフレームを通って前記絶縁油流路に流れ込む、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記絶縁油流路を通過した絶縁油は、前記後方バスバーフレームを通って前記絶縁油アウトレットから前記モジュールハウジングの外部に排出される、請求項４に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記バッテリーモジュールは、
    前記セル積層体アセンブリを構成する複数のバッテリーセルと電気的に接続され、一部が前記上部カバーを通ってモジュールハウジングの外側に露出する一対の端子アセンブリをさらに含む、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. 前記一対の端子アセンブリは、それぞれ、
    前記前方バスバーフレーム上に固定され、前記セル積層体アセンブリに設けられた前記バッテリーセルのうち最外郭に位置したバッテリーセルの電極リードと連結される内部端子と、
    前記上部カバーを貫通して挿入される端子スペーサと、
    前記モジュールハウジングの内側で前記内部端子と連結され、前記端子スペーサを貫通して前記モジュールハウジングの外側に露出する外部端子と、
    を含む、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記上部カバーは、
    前記端子スペーサが挿入されるスペーサ収容溝と、
    前記スペーサ収容溝の底面を貫通して形成されたスペーサ挿入孔と、
    を備える、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 前記端子アセンブリは、
    前記端子スペーサの周縁と前記スペーサ収容溝の底面との間に介在し、前記外部端子と前記端子スペーサに形成された貫通孔の内側面と前記内部端子とで囲まれた空間に介在する一対のＯリングをさらに含む、請求項８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、
    前記上部カバーを幅方向に横切って前記上部カバーと前記メインハウジングとを結束する上部バインダーと、
    前記下部カバーを幅方向に横切って前記下部カバーと前記メインハウジングとを結束する下部バインダーと、
    をさらに含む、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。
  11. 前記メインハウジングと前記上部カバーとの締結部位及び前記メインハウジングと前記下部カバーとの締結部位には、シーリングのためのガスケットが介在している、請求項１から１０のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  12. 請求項１から１１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。
  13. 請求項１から１１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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