JP7525647B2 - 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そのバッテリーパックを含む自動車 - Google Patents

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その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、それを含むバッテリーパック及びそのバッテリーパックを含む自動車に関する。
本出願は、２０２０年１０月１３日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１３２０７１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。
製品群に応じた適用性が高く、且つ、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、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）などに普遍的に適用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少できるという一次的な長所だけでなく、エネルギー使用に伴う副産物が全く生じないという点で、環境にやさしく、エネルギー効率が向上できることから、新しいエネルギー源として注目を集めている。
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～４．５Ｖ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、このような少なくとも一つのバッテリーモジュールを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。
マルチモジュール構造のバッテリーパックは、複数の二次電池が狭い空間に密集する形態で製造されるため、各二次電池で発生する熱を容易に放出すること重要である。二次電池バッテリーの充電または放電の過程は、電気化学的反応によって行われるので、充放電過程で発生したバッテリーモジュールの熱が効果的に除去されなければ、熱蓄積が起こり、結果的にバッテリーモジュールの劣化が促進され、場合によっては発火または爆発が起こり得る。
そこで、高出力・大容量のバッテリーモジュール及びそれが装着されたバッテリーパックには、それに内蔵されているバッテリーセルを冷却する冷却システムが必須である。
従来のバッテリーモジュールは、通常、冷却のためにバッテリーセルとヒートシンクとの間に熱伝導物質（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ；ＴＩＭ）を接触させて熱を放出する冷却構造を適用していた。
しかし、このような従来冷却構造では、低い冷却性能によってバッテリーモジュール及びバッテリーパック、延いてはこれらのバッテリーモジュールやバッテリーパックを備える電気自動車などの性能を高めにくくなるという問題がある。
本発明は、冷却性能を極大化することができ、バッテリーセルからベンティングガスが排出されたとき、高温のベンティングガスによって熱暴走現象などのような二次的なイベントが発生することを効果的に防止可能な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その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。
上記の課題を達成するための本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、正極が下方に向かい、負極が上方に向かうように起立して配置される複数個の円筒状バッテリーセルと、前記複数個のバッテリーセルを収容するセルハウジングと、前記セルハウジングの上部をカバーし、前記複数個のバッテリーセルの各々の負極と電気的に接続する上部プレートと、前記上部プレートと対向して配置され、前記セルハウジングの下部をカバーし、前記複数個のバッテリーセルの各々の正極と電気的に接続する下部プレートと、前記複数個のバッテリーセルが部分的に浸漬されるように前記セルハウジング内に満たされ、前記複数個のバッテリーセルを冷却する相変化物質と、を含む。
前記バッテリーモジュールは、前記上部プレートの上側に取り付けられ、前記複数個のバッテリーセルを冷却するヒートシンクを含み得る。
前記相変化物質は、前記複数個のバッテリーセルの温度上昇時に気化して前記上部プレート側へ移動し、前記ヒートシンクによって液化して前記下部プレート側へ移動し得る。
前記セルハウジングの内壁上部には、前記液化した前記相変化物質の前記下部プレート側への移動をガイドするガイドリブが備えられ得る。
前記バッテリーモジュールは、前記セルハウジング内で前記複数個のバッテリーセルの動きを防止するように前記複数個のバッテリーセルを固定する少なくとも一つのセル固定部材をさらに含み得る。
前記セル固定部材は、一対で設けられ、前記一対のセル固定部材は、前記複数個のバッテリーセルの上部が挿入され、前記セルハウジングの内側上部に固定される上部セル固定部材と、前記複数個のバッテリーセルの下部が挿入され、前記セルハウジングの内側下部に固定される下部セル固定部材と、を含み得る。
前記上部セル固定部材及び前記下部セル固定部材には、前記複数個のバッテリーセルの挿入のための複数個のセル挿入孔が形成され得る。
前記上部プレートの周縁部は、前記セルハウジングの周縁部とシーム接合され得る。
なお、本発明の一実施例によるバッテリーパックは、前述したような本発明の一実施例による少なくとも一つのバッテリーモジュールと、前記少なくとも一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。
また、本発明の一実施例による自動車は、前述したような本発明の一実施例による少なくとも一つのバッテリーパックを含む。
以上のような多様な実施例において、冷却性能を極大化することができるだけでなく、バッテリーセルからベンティングガスが排出されたとき、高温のベンティングガスによる熱暴走現象などのような二次的なイベントが発生することを効果的に防止可能な構造の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そのバッテリーパックを含む自動車を提供することができる。
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を説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールの分解斜視図である。 図１のバッテリーモジュールの断面図である。 図１のバッテリーモジュールの上部プレートとセルハウジングとの結合を説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールのバッテリーセルの電極の接続を説明するための図である。 図１のバッテリーモジュールの冷却原理を説明するための図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールの一部を示す図である。 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一部を示す図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパック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が誇張されて示され得る。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールを説明するための図であり、図２は、図１のバッテリーモジュールの分解斜視図であり、図３は、図１のバッテリーモジュールの断面図であり、図４は、図１のバッテリーモジュールの上部プレートとセルハウジングとの結合を説明するための図であり、図５は、図１のバッテリーモジュールのバッテリーセルの電極の接続を説明するための図であり、図６は、図１のバッテリーモジュールの冷却原理を説明するための図である。
図１～図６を参照すると、バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル１００、セルハウジング２００、少なくとも一つのセル固定部材３００、４００、ヒートシンク５００、相変化物質６００、上部プレート７００及び下部プレート８００を含み得る。
前記バッテリーセル１００は複数個が備えられ、前記複数個のバッテリーセル１００は、円筒状二次電池として備えられ得る。前記複数個のバッテリーセル１００は、相互に積層されて電気的に接続され得る。
前記バッテリーセル１００が円筒状二次電池である場合において、バッテリーセル１００の長手方向の一側面の中心部には正極１１０が備えられ得る。前記バッテリーセル１００の長手方向の他側面の中心部には、負極１３０が備えられ得る。前記正極１１０が形成された面には、バッテリーセル１００の内圧が一定の水準以上に増加した場合において、安全性の確保のためにベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）されることでバッテリーセル１００の内圧を低めるベンティング部（図示せず）が備えられ得る。
前記セルハウジング２００は、前記複数個のバッテリーセル１００を収容し得る。このために、前記セルハウジング２００には、前記複数個のバッテリーセル１００を収容し得る収容空間が設けられ得る。
前記セルハウジング２００の内部には、ガイドリブ２２０が設けられ得る。
前記ガイドリブ２２０は、前記セルハウジング２００の内壁上部に備えられ、後述する相変化物質６００の液化Ｌ時、前記相変化物質６００の下側への移動をガイドし得る。具体的には、前記ガイドリブ２２０は、内部温度の上昇によって気化Ｖされてからさらに液化Ｌする相変化物質６００、セルハウジング２００の内側面及び上部プレート７００に液化Ｌする相変化物質６００の、後述する下部プレート８００へのより速やかな移動をガイドできる。
前記少なくとも一つのセル固定部材３００、４００は、前記セルハウジング２００内で前記複数個のバッテリーセル１００の動きを防止するように前記複数個のバッテリーセル１００を固定し得る。
このような前記セル固定部材３００、４００は一対で備えられ得る。前記一対のセル固定部材３００、４００は、上部セル固定部材３００及び下部セル固定部材４００からなり得る。
前記上部セル固定部材３００は、前記複数個のバッテリーセル１００の上部が挿入され、前記セルハウジング２００の内側上部に固定され得る。このために、前記上部セル固定部材３００には、前記複数個のバッテリーセル１００の上部が挿入される複数個のセル挿入孔３５０が形成され得る。
前記下部セル固定部材４００は、前記複数個のバッテリーセル１００の下部が挿入され、前記セルハウジング２００の内側下部に固定され得る。このために、前記下部セル固定部材４００には、前記複数個のバッテリーセル１００の下部が挿入される複数個のセル挿入孔４５０が形成され得る。
前記ヒートシンク５００は、前記複数個のバッテリーセル１００を冷却するためのものであって、後述する上部プレート７００の上部に取り付けられ得る。前記ヒートシンク５００は、後述する上部プレート７００の上部の代りに、前記セルハウジング２００に取り付けられ得る。
前記相変化物質６００は、前記複数個のバッテリーセル１００を効率的に冷却するための絶縁油として機能するものであって、前記セルハウジング２００内に部分的に満たされ得る。これによって、前記複数個のバッテリーセル１００は、前記セルハウジング２００内で前記相変化物質６００に部分的に浸漬され得る。
前記相変化物質６００は、前記複数個のバッテリーセル１００の温度上昇時に気化Ｖして、後述する上部プレート７００側へ移動し、前記ヒートシンク５００によって液化Ｌして、後述する下部プレート８００側へ移動し得る。このような気化Ｖ及び液化Ｌは循環して反復され得、これによって、前記バッテリーセル１００の冷却は、より効果的に行われる。
前記相変化物質６００は、より効果的な循環のために、フッ素系であり、かつ沸点の低い物質として設けられ得る。例えば、前記相変化物質６００は、３５～５０℃の沸点を有する物質として備えられ得る。また、前記相変化物質６００は、消火機能を有する物質を含み得る。これによって、前記バッテリーモジュール１０内における火事の発生時、前記相変化物質６００によって迅速に火事を鎮圧できる。
前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００の上部をカバーするように前記セルハウジング２００と結合し得る。ここで、前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００とシーム構造によって結合し得る。これは、前記セルハウジング２００の気密構造を極大化するためであり、前記セルハウジング２００内の前記相変化物質６００の蒸発を防止するためである。前記シーム構造は、前記上部プレート７００の周縁及び前記セルハウジング２００の上部の周縁で行われ得る。即ち、前記上部プレート７００の周縁は、前記セルハウジング２００の上部の周縁とシーム接合され得る。
前記上部プレート７００は、前記複数個のバッテリーセル１００の負極１３０と電気的に接続される。このために、前記上部プレート７００は、金属材質で設けられ、前記複数個のバッテリーセル１００の負極１３０と溶接によって結合し得る。即ち、本実施例において、前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００を密封するためのカバーとして機能するだけでなく、前記バッテリーセル１００の電気的接続のためのバスバーとしても機能できる。
これによって、本実施例では、前記上部プレート７００によって二つの機能を共に具現可能であることから、前記バッテリーセル１００の負極１３０同士の電気的接続のための別のバスバー構造物が不要となる。
一方、前記上部プレート７００と前記セルハウジング２００との絶縁のために、前記上部プレート７００は、前記セルハウジング２００との結合部分で絶縁処理され得る。本実施例では、前記上部プレート７００は、前記シーム接合される周縁部で絶縁処理されることで前記セルハウジング２００と絶縁され得る。もし、セルハウジング２００が金属材質ではなく非金属材質で備えられるなら、このような絶縁処理は省略可能である。
前記下部プレート８００は、前記上部プレート７００と対向して配置され、前記セルハウジング２００の下部をカバーし得る。このような前記下部プレート８００は、前記セルハウジング２００に一体で形成されるか、または別に備えられて前記セルハウジング２００の底部に取り付けられ得る。
前記下部プレート８００は、前記複数個のバッテリーセル１００の正極１１０と電気的に接続され得る。このように、前記下部プレート８００は、前記セルハウジング２００の底部を密封するためのカバーとして機能するだけでなく、前記上部プレート７００と共に前記バッテリーセル１００の電気的接続のためのバスバーとしても機能できる。
このために、前記下部プレート８００は金属材質で設けられ、前記複数個のバッテリーセル１００の正極１１０と溶接によって結合し得る。一方、前記下部プレート８００が前記セルハウジング２００に一体で形成される場合、前記セルハウジング２００も、金属材質として設けられ得る。この場合、前記セルハウジング２００は、前記上部プレート７００との絶縁のために、前述したように前記上部プレート７００との結合部分に絶縁処理され得る。前記下部プレート８００が前記セルハウジング２００に別に取り付けられる構造である場合、前記セルハウジング２００は非金属材質として設けられ、この場合、前記絶縁処理を省略し得る。
これによって、本実施例では、前記下部プレート８００によって前記セルハウジング２００の密封とバッテリーセル１００の正極１１０同士の電気的接続を共に具現可能であることから、前記バッテリーセル１００の正極１１０の接続のための別のバスバー構造物が不要である。
このように、本実施例では、前記セルハウジング２００を密封するための前記上部プレート７００及び前記下部プレート８００が、前記バッテリーセル１００の電極１１０、１３０の電気的接続のためのバスバーの機能も共に果たすため、別の追加的なバスバー構造物が省略可能であり、前記バッテリーモジュール１０の製造コストを節減し、製造効率を向上させることができる。
一方、本発明において、前記バッテリーセル１００は、セルハウジング２００内で正極１１０が下方に向かい、負極１３０が上方に向かうように起立して配置される。即ち、前記バッテリーセル１００は、上述したように、正極１１０が下部プレート８００と対面して接触し、負極１３０が上部プレート７００と対面して接触するように配置される。
円筒状バッテリーセルの場合、長手方向の両側面に各々正極１１０と負極１３０が形成され、正極１１０が形成された面には、周辺領域に比べて剛性が弱く設計され、バッテリーセル１００の内圧増加時に優先的に破断することでバッテリーセル１００の内部に発生したガスが排出されるようにするベンティング部が形成される。
本発明によるバッテリーモジュール１０は、ベンティング部が形成された面、即ち、正極１１０が形成された面が下方に向かう構造を有し、これによって正極１１０が液相の相変化物質６００に浸漬される構造を有する。これによって、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１０は、バッテリーセル１００の内圧増加による高温のベンティングガス噴出時に、バッテリーモジュール１０の内部の温度が急激に上昇することを防止でき、これによってガス噴出による二次的なイベントの発生を防止して二次電池使用上の安全性を確保することができる。
また、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、エネルギー密度の面でも省略可能な別の追加的なバスバー構造物の体積だけバッテリーセル１００の容積を確保できる。また、本実施例による前記バッテリーモジュール１０は、前記相変化物質６００によって冷却性能も極大化できる。
次は、図７を参照して、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールを説明する。本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールは、前述した実施例によるバッテリーモジュールと比較して、下部プレート８００に接触突起８１０が形成された点が相違するだけであり、その外の構成要素は実質的に同一である。したがって、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールを説明する際し、前述した実施例と重複する説明は省略し、異なる部分を中心にして説明する。
前記接触突起８１０は、下部プレート８００から上方へ突出して形成される。前記接触突起８１０は、バッテリーセル１００の正極１１０と対応する位置に形成され、正極１１０と接触する。前記接触突起８１０は、バッテリーセル１００の個数に対応して設けられ得る。
前記接触突起８１０は、下部セル固定部材４００に形成されたセル挿入孔４５０内で、正極１１０が形成されたバッテリーセル１００の一面と下部プレート８００との間を離隔させ、これによって液相の相変化物質６００が満たされる空間を提供する。前記接触突起８１０は、複数のバッテリーセル１００の電気的接続のために導電性材質からなり得る。
このように、前記下部セル固定部材４００に形成されたセル挿入孔４５０内で正極１１０と下部プレート８００との間に空間が形成され、その中に相変化物質６００が満たされる場合、バッテリーセル１００のベンティング発生時に、効果的な冷却及び高温のガスによる発火などの二次イベントの発生を効果的に防止することができる。
一方、図８を参照して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を説明する。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は、図７に示したバッテリーモジュールと比較して下部セル固定部材４００に液相の相変化物質６００が移動する流路Ｐが形成された点で差があるだけで、その外の構成要素は実質的に同一である。これによって、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を説明するに際して、前記流路Ｐを中心にして説明し、前述した実施例と重複する説明は省略する。
前記流路Ｐは、下部セル固定部材４００に形成され、下部セル固定部材４００の上面と下部セル固定部材４００に形成されたセル挿入孔４５０の内側面との間を貫通して形成される。前記液状の相変化物質６００は、流路Ｐを通して正極１１０と下部プレート８００との間の空間へ円滑に流入し得る。
図９は、本発明の一実施例によるバッテリーパックを説明するための図である。
図９を参照すると、バッテリーパック１は、前述した実施例による少なくとも一つのバッテリーモジュール１０と、前記少なくとも一つのバッテリーモジュール１０をパッケージングするパックケース５０と、を含み得る。
なお、前記バッテリーパック１は、自動車のエネルギー源として自動車に備えられ得る。例えば、バッテリーパック１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１をエネルギー源として使用可能なその他の方式で自動車に備えられ得る。また、バッテリーパック１は、自動車の他にも、二次電池を用いる電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などのその他の装置や器具及び設備などにも備えられ得ることは、勿論である。
このように、本実施例によるバッテリーパック１と自動車のようなバッテリーパック１を備える装置や器具及び設備は、前述したバッテリーモジュール１０を含むことから、前述したバッテリーモジュール１０による長所を全て有するバッテリーパック１及びそれを備える自動車などの装置や器具及び設備などが具現可能である。
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、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはいけない。
１ バッテリーパック
１０ バッテリーモジュール
５０ パックケース
１００ バッテリーセル
１１０ 電極（正極）
１３０ 電極（負極）
２００ セルハウジング
２２０ ガイドリブ
３００ 上部セル固定部材
３５０ セル挿入孔
４００ 下部セル固定部材
４５０ セル挿入孔
５００ ヒートシンク
６００ 相変化物質
７００ 上部プレート
８００ 下部プレート
８１０ 接触突起

Claims (10)

  1. 正極が下方に向かい、負極が上方に向かうように起立して配置される複数個の円筒状のバッテリーセルと、
    前記複数個のバッテリーセルを収容するセルハウジングと、
    前記セルハウジングの上部をカバーし、前記複数個のバッテリーセルの各々の負極と電気的に接続する上部プレートと、
    前記上部プレートと対向して配置され、前記セルハウジングの下部をカバーし、前記複数個のバッテリーセルの各々の正極と電気的に接続する下部プレートと、
    前記複数個のバッテリーセルが部分的に浸漬されるように前記セルハウジング内に満たされ、前記複数個のバッテリーセルを冷却する相変化物質と、を含み、
    前記下部プレートは、前記正極と対応する位置で、前記下部プレートから上方へ突出して形成され、前記正極と接触する接触突起を含み、
    前記接触突起は、前記正極が形成された前記バッテリーセルの一面と前記下部プレートとの間に、前記相変化物質が満たされる空間を提供する、ことを特徴とする、バッテリーモジュール。
  2. 前記上部プレートの上側に取り付けられ、前記複数個のバッテリーセルを冷却するヒートシンクを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記相変化物質が、
    前記複数個のバッテリーセルの温度上昇時に気化して前記上部プレート側へ移動し、前記ヒートシンクによって液化して前記下部プレート側へ移動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. 前記セルハウジングの内壁上部には、
    前記液化した前記相変化物質の前記下部プレート側への移動をガイドするガイドリブが備えられることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記セルハウジング内で前記複数個のバッテリーセルの動きを防止するように前記複数個のバッテリーセルを固定する少なくとも一つのセル固定部材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モジュール。
  6. 前記セル固定部材は、
    一対で設けられ、
    前記一対のセル固定部材は、
    前記複数個のバッテリーセルの上部が挿入され、前記セルハウジングの内側上部に固定される上部セル固定部材と、
    前記複数個のバッテリーセルの下部が挿入され、前記セルハウジングの内側下部に固定される下部セル固定部材と、を含むことを特徴とする、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記上部セル固定部材及び前記下部セル固定部材には、
    前記複数個のバッテリーセルの挿入のための複数個のセル挿入孔が形成され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. 前記上部プレートの周縁部は、
    前記セルハウジングの周縁部とシーム接合され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モジュール。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の少なくとも一つのバッテリーモジュールと、
    前記少なくとも一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。
  10. 請求項９に記載のバッテリーパックを少なくとも一つ含む、自動車。
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