JP6719562B2 - バッテリーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーモジュールに関し、より詳しくは、優れた冷却性能と安全性、高いエネルギー密度を確保でき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、２０１６年３月１６日出願の韓国特許出願第１０−２０１６−００３１５５７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、すべて本出願に援用される。

近年、ノートパソコン、スマートフォン、スマートウォッチなどのような携帯用電子製品の需要が急激に伸び、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれて、繰り返して充放電可能な高性能二次電池に関する研究が一層活発に行われている。

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されているが、その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て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、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介在して配置された電極組立体、及び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。

一般にリチウム二次電池は、外装材の形状によって、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の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。

最近は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のような中大型装置にも二次電池が広く適用されている。特に、炭素エネルギーが徐々に枯渇し、環境に対する関心が高まるとともに、米国、欧州、日本、韓国を含めて全世界的にハイブリッド自動車と電気自動車に関心が集められている。このようなハイブリッド自動車や電気自動車において最も核心的部品は車両モーターに駆動力を付与するバッテリーパックである。ハイブリッド自動車や電気自動車は、バッテリーパックの充放電を通じて車両の駆動力を得るため、エンジンのみを使用する自動車に比べて燃費が優れ、公害物質を排出しないか又は減少できるという長所から、ユーザーが次第に増加している。

殆どのバッテリーモジュール、特にハイブリッド自動車や電気自動車、ＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）のような中大型バッテリーモジュールには多数の二次電池が含まれ、このような多数の二次電池は互いに直列及び／または並列で連結されて容量及び出力を向上させる。さらに、中大型バッテリーモジュールには、積層が容易であって軽く、多数個を入れられるなどの長所からパウチ型二次電池が多く用いられる。

バッテリーの使用量や使用分野が急激に増え、容量及び出力も大きく増大するにつれて、バッテリーには多様な特性が求められている。

そのうち代表的な１つの特性は、バッテリーモジュールの効果的な冷却性能である。特に、多数の二次電池が密集してバッテリーモジュールを構成する場合、バッテリーモジュールの冷却は非常に重要な問題である。二次電池は夏のように高温環境で使用されることもあり、二次電池自体からも相当の熱が発生し得る。このとき、多数の二次電池が互いに積層されていれば、二次電池の温度はさらに高くなり得る。このように温度が高くなれば、二次電池の性能が低下し、酷い場合は二次電池の発火や爆発につながる危険もある。

また、バッテリーに求められる他の特性の１つとして、バッテリーモジュールの安全性が挙げられる。特に、バッテリーモジュールの場合、過充電や過放電はもちろん、針状体が貫通するなどの多様な原因によって発火する危険性がある。このとき、発火を早期に鎮圧できなければ、バッテリーモジュールが爆発して自動車などに火災が拡散する恐れがあり、多大な財産及び人命被害を引き起こし得る。

バッテリーに求められるさらに他の特性の１つとして、バッテリーモジュールの向上したエネルギー密度が挙げられる。バッテリーモジュールにおいてエネルギー増大に寄与する部分は二次電池であるため、バッテリーモジュール内で二次電池以外の構成要素が占める空間が増えれば、バッテリーモジュールの体積は増加するものの、バッテリーモジュールの出力や容量は減少する。したがって、この場合、エネルギー密度が低下して、バッテリーモジュールの小型化または容量や出力の向上は達成できなくなる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、冷却性能を安定的に確保しながら、高い安全性と高いエネルギー密度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を提供することを目的とする。

本発明の他の目的及び長所は、下記する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分かるであろう。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。

上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリーモジュールは、上下方向に立てられて水平方向に積層された多数のパウチ型二次電池；前記多数の二次電池を内部空間に収納するモジュールケース；前記モジュールケースの内部空間で下部に収容され、前記多数の二次電池の少なくとも下部に接触する下部充填液；及び前記下部充填液より低い比重を有して、前記モジュールケースの内部空間で前記下部充填液の上部に収容される上部充填液を含む。

ここで、前記下部充填液は、前記上部充填液より高い熱伝導度を有するように構成され得る。

また、前記下部充填液は、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導度を有するように構成され得る。

また、前記上部充填液は、前記下部充填液より高い比熱を有するように構成され得る。

また、前記上部充填液は、２０００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上の比熱を有するように構成され得る。

また、前記上部充填液は、前記下部充填液より高い燃焼点を有するように構成され得る。

また、前記上部充填液は、３００℃以上の燃焼点を有するように構成され得る。

また、前記上部充填液は、前記下部充填液より高い耐電圧を有するように構成され得る。

また、前記二次電池は、電極リードが前記上部充填液に全体的に浸漬するように構成され得る。

また、前記二次電池は、隣接する二次電池と対面接触するように積層され得る。

また、前記モジュールケースは、底面に二次電池の長さ方向に沿って長く延びる形態で流入溝が形成され、前記下部充填液は前記モジュールケースの流入溝に満たされ得る。

また、前記モジュールケースは、側面内部に内側に突設された境界突出部を備え、前記境界突出部が前記下部充填液と前記上部充填液との間の境界に位置するように構成され得る。

また、上記の課題を達成するための本発明によるバッテリーパックは、本発明によるバッテリーモジュールを含む。

さらに、上記の課題を達成するための本発明による自動車は、本発明によるバッテリーモジュールを含む。

本発明によれば、バッテリーモジュールの内部空間の上部と下部に、比重、熱伝導度、比熱、燃焼点及び／または耐電圧が異なる液体を充填することで、バッテリーモジュールの冷却、安全性及びエネルギー密度の向上を全て達成することができる。

まず、本発明の一態様によれば、バッテリーモジュールの冷却性能を安定的に確保することができる。

特に、本発明の一実施例によれば、バッテリーモジュールの内部空間の下部に熱伝導度の高い充填液を配置することで、バッテリーモジュールに含まれた二次電池の熱をバッテリーモジュールの外部に排出することができる。したがって、バッテリーモジュールの効果的な冷却を達成することができる。

また、本発明の一態様によれば、バッテリーモジュールのエネルギー密度を向上させることができる。

特に、本発明の場合、バッテリーモジュール下部の充填液を用いて全ての二次電池を冷却できるため、二次電池の間に従来のクーリングフィンのような冷却部材を別に設ける必要がない。したがって、従来のクーリングフィンが占める空間ほどバッテリーモジュールの体積が減るか、又は、二次電池の体積を増大させることができる。

また、本発明の一態様によれば、バッテリーモジュールの安全性を効果的に確保することができる。

特に、本発明の場合、バッテリーモジュールの内部空間の上部に比熱、燃焼点及び／または耐電圧が高い充填液を充填することで、バッテリーモジュールの温度上昇、発火及び／または絶縁破壊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モジュールの構成を概略的に示した断面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した分離斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した正面断面図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した正面断面図である。 本発明のさらに他の実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した正面断面図である。

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。これに先立ち、本明細書及び請求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モジュールの構成を概略的に示した断面図である。

図１を参照すれば、本発明によるバッテリーモジュールは、二次電池１００、モジュールケース２００、下部充填液３００及び上部充填液４００を含むことができる。

前記二次電池１００は、電極組立体と電解液が外装材に収納された形態で構成され、充電及び放電動作を行うことができる。特に、前記二次電池１００は、パウチ型二次電池であり得る。このようなパウチ型二次電池は、電極組立体、電解質及びパウチ外装材を備えることができる。

ここで、電極組立体は、１つ以上の正極板及び１つ以上の負極板がセパレータを介在して配置された形態で構成され得る。より具体的に、電極組立体は、１つの正極板と１つの負極板とがセパレータと共に巻き取られた巻取型、及び多数の正極板と多数の負極板とがセパレータを介在して交互に積層された積層型などに分けられる。

また、パウチ外装材は、外部絶縁層、金属層及び内部接着層を備える形態で構成され得る。このようなパウチ外装材は、電極組立体と電解液など内部構成要素を保護し、電極組立体と電解液による電気化学的性質に対する補完及び放熱性などを向上させるため、金属薄膜、例えばアルミニウム薄膜が含まれた形態で構成され得る。そして、このようなアルミニウム薄膜は、電極組立体及び電解液のような二次電池１００内部の構成要素や二次電池１００外部の他の構成要素との電気的絶縁性を確保するため、絶縁物質から形成された絶縁層の間に介在され得る。

特に、パウチ外装材は、２つのパウチ、例えば左側パウチと右側パウチで構成され、そのうち少なくとも１つには凹状の内部空間が形成され得る。そして、このようなパウチの内部空間には電極組立体と電解液が収納される。そして、２つのパウチの外周部にはシーリング部が備えられ、このようなシーリング部が相互融着することで電極組立体と電解液が収容された内部空間を密閉することができる。

パウチ型二次電池は、電極リード１１０を備え、このような電極リード１１０には正極リード及び負極リードが含まれる。ここで、それぞれの電極リード１１０は、板状で構成され、２つのパウチの間に介在した状態で外部に露出して二次電池１００の電極端子として機能することができる。

本発明の一態様によるバッテリーモジュールには、本願の出願時点で公知された多様な形態のパウチ型二次電池が採用され得る。

本発明によるバッテリーモジュールにおいて、パウチ型二次電池１００は複数含まれ得る。これについては、図２を参照してより具体的に説明する。

図２は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した分離斜視図である。

図２を参照すれば、前記パウチ型二次電池１００は、バッテリーモジュールに複数含まれて、少なくとも一方向に積層され得る。特に、複数のパウチ型二次電池１００は、上下方向に立てられて水平方向に積層され得る。すなわち、それぞれのパウチ型二次電池１００は、２つの広い面が左右側にそれぞれ位置し、上部と下部、前方と後方にシーリング部が位置するように、地面に略垂直に立てられる形態で構成され得る。そして、このように立てられた形態の二次電池１００は、隣接する二次電池１００と広い面が相互対面する形態で左右方向に並行に配列され得る。

前記モジュールケース２００は、内部に空いている空間を備え、多数の二次電池１００、下部充填液３００及び上部充填液４００を収容することができる。

例えば、前記モジュールケース２００は、図２に示されたように、略直方体状の下部ケース２１０及び略板状の上部カバー２２０を備える。この場合、下部ケース２１０の内部空間には相互積層された多数の二次電池１００、下部充填液３００及び上部充填液４００が収容される。そして、上部カバー２２０は、下部ケース２１０に二次電池１００が収容された状態で下部ケース２１０の上部開放部を覆って、下部ケース２１０を密閉することができる。このとき、下部充填液３００と上部充填液４００は、下部ケース２１０と上部カバー２２０とが相互結合した状態で、所定の開口部などを通じて下部ケース２１０の内部空間に流れ込ませることができる。

特に、本発明によるバッテリーモジュールのモジュールケース２００には、液体である下部充填液３００と上部充填液４００が満たされるため、密閉構造を達成することが重要である。このとき、下部ケース２１０と上部カバー２２０との間の締結構成は、多様に形成され得る。例えば、下部ケース２１０と上部カバー２２０とは、レーザー溶接などの方式で相互締結され得る。また、下部ケース２１０と上部カバー２２０とは、相互の結合部分の間にゴムのようなシーリング部材を備え、密閉性を向上させることができる。

前記下部充填液３００及び前記上部充填液４００は、液体であって、モジュールケース２００の内部空間に一緒に収容される。このとき、下部充填液３００及び上部充填液４００は、モジュールケース２００の内部空間で別に分離された空間に収容されるものではなく、１つの空間に収容され得る。ただし、下部充填液３００と上部充填液４００とは、比重が異なるため、モジュールケース２００の内部空間で異なる部分に位置できる。すなわち、前記下部充填液３００は上部充填液４００より高い比重を有するように構成され得る。したがって、前記下部充填液３００はモジュールケース２００の内部空間で下部に収容できる。そして、前記上部充填液４００は、前記下部充填液３００より低い比重を有するため、モジュールケース２００の内部空間で下部充填液３００の上部に収容できる。

一方、ここではモジュールケース２００の内部空間に比重が異なる２種類の液体が含まれて、充填液が２つの層を成す構成を主に説明したが、これは一例に過ぎず、他の多様な形態も可能である。例えば、モジュールケース２００の内部空間に比重が異なる３種以上の液体が含まれて、バッテリーモジュールの充填液が３つ以上の層を成す構成も可能である。

本発明によるバッテリーモジュールの場合、パックケースの内部に下部充填液３００と上部充填液４００とが一緒に存在する。このとき、下部充填液３００と上部充填液４００とは、二次電池１００の周辺に位置して、それぞれの異なる特性を用いてバッテリーモジュールの冷却効率を向上させると共に、安全性を向上させることができる。

特に、本発明によるバッテリーモジュールにおいて、前記下部充填液３００は、二次電池１００の少なくとも一部に接触するように構成され得る。

例えば、前記下部充填液３００は、図１に示されたように、少なくとも二次電池１００の下部に接触するように構成され得る。さらに、前記下部充填液３００は、モジュールケース２００に収容された多数の二次電池１００全てに対して下部で接触するように構成され得る。

多数の二次電池１００は、モジュールケース２００の内部で上下方向に立てられた形態で並んで水平方向に配列され得る。したがって、全ての二次電池１００は、モジュールケース２００の下部に位置する下部充填液３００に接触することができる。

望ましくは、前記下部充填液３００は、上部充填液４００より高い熱伝導度を有するように構成され得る。特に、前記下部充填液３００は、常温で０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導度を有する物質を含むように構成され得る。

本発明のこのような構成によれば、下部充填液３００の高い熱伝導特性によって、二次電池１００の熱を吸収して外部に排出することができる。特に、前記下部充填液３００は、二次電池１００の下部と接触して、二次電池１００の下部から熱を吸収し得る。そして、吸収された熱は、下部充填液３００を通じてモジュールケース２００に伝達され得る。したがって、二次電池１００の下部側がモジュールケース２００の内面に直接接触していても、このような直接的な接触部分の外に、下部充填液３００を通じて二次電池１００の熱がモジュールケース２００に伝達され得る。したがって、二次電池１００とモジュールケース２００との間の熱伝導面積が増大し、熱伝達効率を向上させることができる。

特に、二次電池１００は、図１に示されたように、電極リード１１０が水平方向の側面、例えば左右側面に位置し、下部側面には電極リード１１０が位置しないように構成され得る。この場合、二次電池１００内部の熱が下部充填液３００側により容易に伝達され得る。二次電池１００の内部構造上、熱は、厚さ方向よりは上下長さ方向に伝達され易い。例えば、図１の二次電池１００の構成で、上下方向の熱伝導度は３０Ｗ／ｍ・Ｋである一方、厚さ方向の熱伝導度は０．８Ｗ／ｍ・Ｋと相対的に非常に低い。したがって、上記構成のように、下部充填液３００が二次電池１００の下部方向に位置する場合、熱が上下方向に移動するようになるため、熱が二次電池１００の如何なる部分で発生しても下部充填液３００に容易に伝達できる。

さらに、下部充填液３００は、すべての二次電池１００と接触し得る。したがって、下部充填液３００は、すべての二次電池１００から熱を吸収することができる。

このような構成において、本発明によるバッテリーモジュールは、図１に示されたように、冷媒パイプ５００をさらに含むことができる。ここで、冷媒パイプ５００は、中空型であって、内部空間を通じて液体や気体のような冷媒が流れるように形成された構成要素である。例えば、前記冷媒パイプ５００はヒートシンクであり得る。このような冷媒パイプ５００は、モジュールケース２００の下部に位置し得る。さらに、冷媒パイプ５００は、モジュールケース２００の下面に直接接触するように構成され得る。

このような構成によれば、下部充填液３００を通じてモジュールケース２００の下部に伝達された二次電池１００の熱が、冷媒パイプ５００を通じてバッテリーモジュールの外部に排出できる。したがって、バッテリーモジュールの熱が、外部に迅速に排出され、冷却性能をより向上させることができる。

ただし、本発明が必ずしもこのような実施例によって限定されるものではなく、モジュールケース２００の下部に別途のパイプを備えず、空気などの冷媒を直接供給しても良い。例えば、モジュールケース２００を空気によって自然冷却する形態で構成しても良い。

また、本発明によるバッテリーモジュールの構成において、モジュールケース２００は、少なくとも下部を熱伝導度の高い材質、例えば金属材質で構成し得る。例えば、下部ケース２１０は、少なくとも底面がアルミニウムやスチールのように熱伝導度の高い金属材質で構成され得る。

また望ましくは、前記上部充填液４００は、下部充填液３００より高い比熱を有するように構成され得る。特に、前記上部充填液４００は、２０００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上の比熱を有する物質を含み得る。

本発明のこのような構成によれば、上部充填液４００の高い比熱によって、バッテリーモジュールの温度上昇を効果的に抑制することができる。例えば、二次電池１００の内部で熱が発生するか、又は、二次電池１００外部のバスバーなどで熱が発生しても、上部充填液４００によって、バッテリーモジュールの温度が大幅に上昇することを防止することができる。また、バッテリーモジュールの外部で熱が非正常に発生するか、又は、夏のような高温環境に晒される場合にも、上部充填液４００によってバッテリーモジュール外部の熱が二次電池１００に伝達されることを抑制することができる。

したがって、この場合、バッテリーモジュール内外部の温度上昇による二次電池１００の性能低下や、バッテリーモジュールの各構成要素の破損などを防止することができる。

また望ましくは、前記上部充填液４００は、下部充填液３００より高い燃焼点を有するように構成され得る。特に、前記上部充填液４００は、３００℃以上の燃焼点を有する物質を含み得る。

本発明のこのような構成によれば、上部充填液４００の高い燃焼点によって、バッテリーモジュールの発火を効果的に防止することができる。例えば、二次電池１００内外部で非正常に高い熱が発生しても、高い燃焼点を有する上部充填液４００は容易に発火しないため、バッテリーモジュールの火災を防止することができる。

また望ましくは、前記上部充填液４００は、下部充填液３００より高い耐電圧を有するように構成され得る。特に、前記上部充填液４００は、７０ｋＶ以上の耐電圧を有する物質を含み得る。

本発明のこのような構成によれば、上部充填液４００の高い耐電圧特性によって、バッテリーモジュールの電気的絶縁を安定的に達成することができる。さらに、前記上部充填液４００は、モジュールケース２００の内部空間に収納された二次電池１００の電極リード１１０と接触し得る。そして、電気自動車用バッテリーパックなどの場合、高出力を達成するために電圧が非常に高い。したがって、内部短絡などを防止するため、上部充填液４００は高い耐電圧特性を有することで、バッテリーモジュール内部の電気的絶縁特性を安定的に確保することが望ましい。

特に、本発明によるバッテリーモジュールにおいて、二次電池１００、特にすべての二次電池１００は、電極リード１１０が上部充填液４００に全体的に浸漬するように構成され得る。すなわち、上部充填液４００は、モジュールケース２００に充填された状態で、図１に示されたように、モジュールケース２００の内部に収納されたすべての二次電池１００の電極リード１１０に対して、全体部分に接触するように構成され得る。

特に、上部充填液４００は、高い耐電圧特性を有するように構成され得る。したがって、本発明のこのような構成によれば、二次電池１００の電極リード１１０が、高い耐電圧特性を有する上部充填液４００に主に接触するため、電極リード１１０の間の電気的絶縁性をより安定的に確保することができる。

前記上部充填液４００は、二次電池１００の上部と側部周辺を囲むように構成され得る。特に、上部充填液４００は、モジュールケース２００の内部に収容されたすべての二次電池１００の上部と側部に接触するように構成され得る。したがって、上部充填液４００は、すべての二次電池１００の温度上昇、発火及び／または電気的絶縁破壊を抑制して、バッテリーモジュールの安全性を効果的に確保することができる。

一方、モジュールケース２００の内部空間において、上部充填液４００と下部充填液３００は、液体の特性上、バッテリーモジュールの動きや衝撃、振動などによって動くことがある。したがって、二次電池１００の電極リード１１０は、状況によっては上部充填液４００だけでなく下部充填液３００にも接触し得る。したがって、上部充填液４００と下部充填液３００は何れも電気的絶縁性を有する物質で構成され得る。

特に、前記上部充填液４００、または上部充填液４００及び下部充填液３００は、絶縁油から構成され得る。例えば、前記上部充填液４００は、植物性絶縁油からなり得る。特に、植物性絶縁油は、植物性エステルを含み得る。ここで、植物性エステルは、豆のような天然植物群、例えば天然大豆油のエステル化反応を通じて形成され得る。このような天然大豆油は、約１８〜２０％の油脂成分と約８０％の脂肪酸からなる。前記上部充填液４００は、このような天然大豆油のエステル化反応を通じて植物性エステルを含む植物性絶縁油からなり得る。

本発明のこのような構成によれば、バッテリーモジュールの製造や廃棄時に生じ得る環境汚染の問題を予防でき、人体に対する有害性を遮断することができる。また、このような環境にやさしく人体に無害な植物性絶縁油を通じて、上部充填液４００が達成しようとする高比熱、高燃焼点及び／または高耐電圧特性を容易に確保することができる。

また、前記下部充填液３００は、蒸留水で構成され得る。このような蒸留水の場合、電気的絶縁性を有し、絶縁油より比重が高いため、モジュールケース２００の下部に容易に位置させることができる。そして、このような蒸留水は、高い熱伝導率のため、二次電池１００の熱をモジュールケース２００側に迅速且つ円滑に伝達して、バッテリーモジュールの冷却性能を安定的に確保することができる。

上記のように、本発明の一実施例によれば、前記上部充填液４００の高比熱、高燃焼点及び／または高耐電圧特性でよって、バッテリーモジュールの温度上昇又は発火を抑制し、電気的絶縁を確保することができる。したがって、本発明のこのような態様によれば、上部充填液４００によって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。

さらに、前記上部充填液４００は下部充填液３００に比べて、モジュールケース２００の内部に多量充填され得る。例えば、前記上部充填液４００は、全体充填液の８０％以上含まれ得る。特に、二次電池１００は、約７０％以上の面積で上部充填液４００と接触するように構成され得る。したがって、本発明によるバッテリーモジュールの場合、十分な量の上部充填液４００を含むことで、安全性を効果的に向上させることができる。

一方、下部充填液３００は上部充填液４００より少量で含まれても、すべての二次電池１００の熱がバッテリーモジュールの下部に排出されるため、効率的な冷却を達成することができる。

前記上部充填液４００及び前記下部充填液３００は、モジュールケース２００の内部空間に満充填されるように構成され得る。

例えば、図１に示されたように、モジュールケース２００の内部空間には空いている空間なく、上部充填液４００と下部充填液３００ですべて満たされ得る。

本発明のこのような構成によれば、上部充填液４００と下部充填液３００の流動が制限され、上部充填液４００と下部充填液３００の位置を最大限維持することができる。また、十分な量の上部充填液４００を二次電池１００の周辺に位置させることで、上部充填液４００による二次電池１００の温度上昇や発火に対する安全性を確保することができる。そして、上部充填液４００が二次電池１００の電極リード１１０に安定的に位置して、電極リード１１０の絶縁性も良好に確保することができる。

図３は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した正面断面図である。図３は、図２の構成において、モジュールケース２００に二次電池１００、下部充填液３００及び上部充填液４００を収容したとき、Ａ１−Ａ１’線による断面の一形態であると言える。

図３を参照すれば、前記二次電池１００は、隣接する二次電池１００と対面接触するように積層される。すなわち、前記二次電池１００は、上下方向に立てられた形態で左右方向に並んで配置されるが、隣接する二次電池１００と広い面が相互直接接するように構成され得る。

本発明のこのような構成によれば、同じ空間に最も多数の二次電池１００を含むことができる。したがって、バッテリーモジュールのエネルギー密度を向上させることができる。特に、本発明の一態様によれば、各二次電池１００の下部に接触した下部充填液３００によって二次電池１００の熱を外部に排出することができる。したがって、従来のバッテリーモジュールで二次電池１００の間に介在した板状のクーリングフィンなどを設ける必要がない。したがって、クーリングフィンが占める厚さほど二次電池１００をさらに含むか、または、バッテリーモジュールの体積を減らすことができる。

また、図３を参照すれば、二次電池１００は、モジュールケース２００の内部空間の下面、すなわち底面に直接接触した形態で立てられ得る。このとき、モジュールケース２００の底面の上部には二次電池１００の形状に対応する形態で凹凸部が形成され得る。

特に、二次電池１００は、下側シーリング部を少なくとも一方向に折り曲げ得る。このとき、折り曲げられた下側シーリング部は、図面にＧで示したような凹部に挿入され得る。この場合、二次電池１００とモジュールケース２００の底面との間隔が近くなるため、二次電池１００からモジュールケース２００の底面への熱伝達量及び速度を増大させることができる。

一方、二次電池１００は、モジュールケース２００の底面に直接接触して立てられず、カートリッジのような他の構成要素によって支持されて立てられても良い。

図４は、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した正面断面図である。図４は、図３に示された構成の一変形例であると言える。

図４を参照すれば、モジュールケース２００の底面には、Ｂで示したように、下方に凹んだ形状の流入溝が形成され得る。このような流入溝Ｂは、二次電池１００の長さ方向に沿って長く延びる形態で形成され得る。例えば、それぞれの二次電池１００がバッテリーモジュールの前後方向に長く延びる形態で立てられた場合、流入溝Ｂもバッテリーモジュールの前後方向に長く延びる形態で形成される。そして、下部充填液３００は、このようなモジュールケース２００の流入溝Ｂに流れ込んで満たされ得る。

ここで、下部充填液３００が満たされる流入溝Ｂは、二次電池１００の下側シーリング部、特に折り曲げられたシーリング部が挿入される凹部Ｇと別に構成され得る。すなわち、モジュールケース２００は、シーリング部が挿入される凹部Ｇと別途に、シーリング部が挿入されず、下部充填液３００のみが満たされる流入溝Ｂを備える。したがって、このような流入溝Ｂの場合、シーリング部が挿入されることなく、下部充填液３００のみが流れ込んで流動できる経路さえ提供すれば良いため、凹部Ｇより大きさ、例えば深さや幅が小さく構成され得る。

また、下部充填液３００が満たされる流入溝Ｂは、少なくとも二次電池１００の長さより長く構成され得る。すなわち、流入溝Ｂの前後方向の長さは、二次電池１００の前後方向の長さより長く構成され得る。この場合、バッテリーモジュールを上部から下方に眺めるとき、前記流入溝は二次電池１００の前後側に露出する。したがって、下部充填液３００は二次電池１００の前後側から流入溝に流れ込んで流入溝に沿って広がることができる。

本発明のこのような構成によれば、二次電池１００の水平長さ方向に長く形成された流入溝に沿って下部充填液３００が流動することができる。したがって、二次電池１００の下部全体部分に下部充填液３００が広がることができる。したがって、下部充填液３００を通じる二次電池１００の冷却効率がより増大し、二次電池１００とモジュールケース２００底面との間の空間から空気を最大限除去することができる。

図５は、本発明のさらに他の実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した正面断面図である。図５は、図３に示された構成の他の変形例であると言える。

図５を参照すれば、前記モジュールケース２００は、Ｐで示されたように、側面内部に内側に突設された境界突出部が備えられ得る。特に、前記境界突出部Ｐは、下部充填液３００と上部充填液４００との間の境界面に位置し得る。この場合、境界突出部Ｐの上部には上部充填液４００が位置し、境界突出部Ｐの下部には下部充填液３００が位置し得る。

本発明のこのような構成によれば、境界突出部Ｐによって、下部充填液３００と上部充填液４００との間の境界を確実に分けることができる。したがって、下部充填液３００及び上部充填液４００の位置をより安定的に維持することができる。すなわち、境界突出部Ｐによって、下部充填液３００と上部充填液４００相互間の位置移動を制限することができる。したがって、この場合、下部充填液３００と上部充填液４００それぞれの特性をより効果的に発揮することができる。

さらに、前記境界突出部Ｐは、最外郭二次電池１００の側面に接触するように構成され得る。すなわち、多数の二次電池１００が左右方向に並んで配置された場合、境界突出部Ｐはモジュールケース２００の左側部及び右側部の内部に形成され、最も左側に位置した二次電池１００及び最も右側に位置した二次電池１００にそれぞれ接触するように構成され得る。

本発明のこのような実施例によれば、境界突出部Ｐによって最外郭の二次電池１００の外側で下部充填液３００及び上部充填液４００の移動をより確実に抑制することができる。

本発明によるバッテリーパックは、本発明によるバッテリーモジュールを１つ以上含み得る。また、本発明によるバッテリーパックは、このようなバッテリーモジュールの外に、このようなバッテリーモジュールを収納するためのパックケース、バッテリーモジュールの充放電を制御するための各種の装置、例えばＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサ、ヒューズなどをさらに含み得る。

本発明によるバッテリーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用され得る。すなわち、本発明による自動車は、本発明によるバッテリーモジュールを含み得る。特に、電気自動車やハイブリッド自動車などに適用される中大型バッテリーモジュールの場合、多数の二次電池を含むだけでなく、各二次電池の出力電流も大きい場合が多い。したがって、本発明によるバッテリーモジュールを適用することで、自動車用バッテリーパックの冷却性能と安全性をより効果的に確保することができる。

一方、本明細書において、上、下、左、右、前、後のような方向を示す用語が使われたが、このような用語は説明の便宜上使用されただけで、対象になる物の位置や観測者の位置などによって変わり得ることは当業者にとって自明である。

以上のように、本発明を限定された実施例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。

１００ 二次電池
１１０ 電極リード
２００ モジュールケース
２１０ 下部ケース
２２０ 上部カバー
３００ 下部充填液
４００ 上部充填液
５００ 冷媒パイプ

Claims (14)

1. 上下方向に立てられて水平方向に積層された多数のパウチ型二次電池；
   前記多数の二次電池を内部空間に収納するモジュールケース；
   前記モジュールケースの内部空間で下部に収容され、前記多数の二次電池の少なくとも下部に接触する下部充填液；及び
   前記下部充填液より低い比重を有して、前記モジュールケースの内部空間で前記下部充填液の上部に収容され、前記多数の二次電池の上部に接触する上部充填液を含み、
   全てのパウチ型二次電池は水平方向に並んで配列され、前記下部充填液は全てのパウチ型二次電池の下部に接触し、
   前記モジュールケースの前記内部空間は、前記上部充填液及び前記下部充填液で満たされることを特徴とするバッテリーモジュール。
2. 前記下部充填液は、前記上部充填液より熱伝導度が高いことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
3. 前記下部充填液は、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導度を有することを特徴とする請求項２に記載のバッテリーモジュール。
4. 前記上部充填液は、前記下部充填液より比熱が高いことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
5. 前記上部充填液は、２０００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以上の比熱を有することを特徴とする請求項４に記載のバッテリーモジュール。
6. 前記上部充填液は、前記下部充填液より燃焼点が高いことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
7. 前記上部充填液は、３００℃以上の燃焼点を有することを特徴とする請求項６に記載のバッテリーモジュール。
8. 前記上部充填液は、前記下部充填液より耐電圧が高いことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
9. 前記二次電池は、電極リードが前記上部充填液に全体的に浸漬されたことを特徴とする請求項８に記載のバッテリーモジュール。
10. 前記二次電池は、隣接する二次電池と対面接触するように積層されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
11. 前記モジュールケースは、底面に二次電池の長さ方向に沿って長く延びる形態で流入溝が形成され、前記下部充填液が前記モジュールケースの流入溝に満たされたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
12. 前記モジュールケースは、側面内部に内側に突設された境界突出部を備え、前記境界突出部が前記下部充填液と前記上部充填液との間の境界に位置するように構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モジュール。
13. 請求項１〜請求項１２のうちいずれか１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。
14. 請求項１〜請求項１２のうちいずれか１項に記載のバッテリーモジュールを含む自動車。

Images