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JP7072662B2 - バッテリーセル組立体、該バッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車 - Google Patents

バッテリーセル組立体、該バッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該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、バッテリーセル組立体、該バッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該バッテリーパックを含む自動車に関する。
本出願は、２０１８年９月２８日出願の韓国特許出願第１０－２０１８－０１１６５２３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。
製品群毎の適用性が高く、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させるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点で環境にやさしく、エネルギー効率向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
現在、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の二次電池が広く使用されている。このような単位二次電池セル、すなわち、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、これよりも高い出力電圧が求められる場合、複数のバッテリーセルを直列で連結してバッテリーパックを構成することがある。また、バッテリーパックに求められる充放電容量に合わせて、複数のバッテリーセルを並列で連結してバッテリーパックを構成することもある。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個数は求められる出力電圧または充放電容量によって多様に設定され得る。
一方、複数のバッテリーセルを直列／並列で連結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を含むバッテリーモジュールをまず構成し、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、さらに他の構成要素を付け加えることで、バッテリーパックを構成する方法が一般的である。
従来のバッテリーモジュールやバッテリーパックの場合、複数のバッテリーセルの組立体としてバッテリーモジュールやバッテリーパックを構成するとき、バッテリーモジュールやバッテリーパックのモデルタイプによって、複数のバッテリーセルの組立体を構成する形態も変更される。
そのため、従来はバッテリーモジュールやバッテリーパックのモデル毎にバッテリーセルの組立体の形状や模様も変わってしまい、共用化し難いという問題がある。したがって、従来のバッテリーモジュールやバッテリーパックでは、バッテリーセルの組立体を構成するとき、製品毎の互換性や拡張性が低くて工程効率が低下するという問題がある。
特に、バッテリーセルが円筒型セルである場合、円筒型セルの形状的特徴のため、円筒型セルからバッテリーセルの組立体を構成するとき、モデルタイプ毎に円筒型セル同士の間にデッドスペースが生じるおそれがあり、モデルタイプによってはスリム化及びエネルギー密度の面で不利である。
したがって、本発明は、共用化可能なバッテリーセル組立体、該バッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該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。
上記の目的を達成するため、本発明は、複数の円筒型セルを含む複数の円筒型セルブロックと、前記複数の円筒型セルブロックの上側を覆い、前記複数の円筒型セルブロックを電気的に接続するブロックカバーと、前記ブロックカバーに対向配置され、前記複数の円筒型セルブロックの下側に配置される冷却プレートと、前記冷却プレートと前記複数の円筒型セルブロックとの間に配置され、前記複数の円筒型セルの底部に対応するように複数の熱伝導材料（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）が備えられる熱伝達部材とを含むことを特徴とするバッテリーセル組立体を提供する。
前記複数の円筒型セルブロックは、隣接する円筒型セルブロックとブロック結合できるように、隣接する円筒型セルブロックと相互に対応する形状を有し得る。
前記複数の円筒型セルブロックは、それぞれ、前記複数の円筒型セルと、前記複数の円筒型セルの底部を収容するボトムカバーと、前記ボトムカバーと結合され、前記複数の円筒型セルの上部を覆うトップカバーと、前記トップカバーの上側に備えられ、前記複数の円筒型セルを電気的に接続する一対のバスバー部材と、前記一対のバスバー部材の間に設けられる絶縁部材とを含み得る。
前記複数の円筒型セルブロックは、それぞれ、前記複数の円筒型セルのうち少なくとも一つで発火したとき、隣接した円筒型セルへの火炎拡散を遮断するための少なくとも一つの断熱部材をさらに含み得る。
前記断熱部材は、複数個が備えられ、前記複数の断熱部材は、前記複数の円筒型セルの側面を覆う第１断熱部材と、前記複数の円筒型セルの上側を覆い、前記トップカバーの内側に配置される第２断熱部材と、前記第２断熱部材と所定距離だけ離隔して配置され、前記トップカバーの上側に露出する第３断熱部材とを含み得る。
前記少なくとも一つの断熱部材は、雲母断熱材からなり得る。
そして、本発明は、上述した実施形態による少なくとも一つのバッテリーセル組立体と、前記少なくとも一つのバッテリーセル組立体をパッケージングするモジュールケースとを含むことを特徴とするバッテリーモジュールを提供する。
前記モジュールケースは、前記少なくとも一つのバッテリーセル組立体を覆うメインカバーと、前記メインカバーと結合され、前記少なくとも一つのバッテリーセル組立体の前方を覆うフロントカバーとを含み得る。
また、本発明は、上述した実施形態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ことを特徴とするバッテリーパックを提供する。
さらに、本発明は、上述した実施形態による少なくとも一つのバッテリーパックを含むことを特徴とする自動車を提供する。
以上のような多様な実施形態によって、共用化可能なバッテリーセル組立体、該バッテリーセル組立体を含むバッテリーモジュール、該バッテリーモジュールを含むバッテリーパック及び該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セル組立体を説明するための図である。 図１のバッテリーセル組立体の分解斜視図である。 図１のバッテリーセル組立体のＡ部分の拡大図である。 図１のバッテリーセル組立体のＢ部分の拡大図である。 図２のバッテリーセル組立体の円筒型セルブロックを説明するための図である。 図５の円筒型セルブロックの分解斜視図である。 図５の円筒型セルブロックの組み立て構造を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールを説明するための図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明するための図である。 本発明の一実施形態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形態を詳しく説明することで本発明をより明確にする。後述する実施形態は発明の理解を助けるため例示的に示されるものであり、本発明が後述する実施形態から多様に変形されて実施できることを理解せねばならない。また、発明の理解を助けるため、添付された図面は、実際の縮尺ではなく、一部構成要素の寸法が誇張して示され得る。
図１は本発明の一実施形態によるバッテリーセル組立体を説明するための図であり、図２は図１のバッテリーセル組立体の分解斜視図であり、図３は図１のバッテリーセル組立体のＡ部分の拡大図であり、図４は図１のバッテリーセル組立体のＢ部分の拡大図であり、図５は図２のバッテリーセル組立体の円筒型セルブロックを説明するための図であり、図６は図５の円筒型セルブロックの分解斜視図であり、図７は図５の円筒型セルブロックの組み立て構造を説明するための図である。
図１～図８を参照すれば、バッテリーセル組立体１０は、円筒型セルブロック１００、ブロックカバー２００、冷却プレート３００及び熱伝達部材４００を含むことができる。
上記円筒型セルブロック１００は、複数個が備えられ得る。上記複数の円筒型セルブロック１００は、相互にブロック結合され得る。そのため、上記複数の円筒型セルブロック１００は、隣接する円筒型セルブロック１００とブロック結合できるように、隣接する円筒型セルブロック１００と相互に対応する形状を有し得る。
具体的に、上記複数の円筒型セルブロック１００の外面は、対面する円筒型セルブロック１００の外面に対応する凹凸形状を有し得る。上記凹凸形状は、凸部と凹部とが交互に備えられる形状であり得る。
上記複数の円筒型セルブロック１００は、それぞれ、円筒型セル１１０、ボトムカバー１２０、トップカバー１３０、一対のバスバー部材１４０、１５０、絶縁部材１６０及び断熱部材１７０、１８０、１９０を含むことができる。
上記円筒型セル１１０は、二次電池であって、複数個が備えられ得る。上記複数の円筒型セル１１０は、相互に電気的に接続できるように、相互に積層され得る。
上記ボトムカバー１２０は、上記複数の円筒型セル１１０の底部を収容可能な収容空間を備える。上記ボトムカバー１２０は、上記円筒型セルブロック１００外面の一部を形成し、隣接する上記円筒型セルブロック１００とのブロック結合のための凹凸形状の外面を有し得る。
上記トップカバー１３０は、上記ボトムカバー１２０と結合され、上記複数の円筒型セル１１０の上部を覆う。上記トップカバー１３０は、上記ボトムカバー１２０とともに上記円筒型セルブロック１００の外面を形成し、隣接する上記円筒型セルブロック１００とのブロック結合のための凹凸形状の外面を有し得る。
上記トップカバー１３０には、後述するブロックカバー２００をより安定的に固定するための複数のフック１３５が備えられ得る。上記複数のフック１３５によって、後述するブロックカバー２００を上記トップカバー１３０の外に離脱することなく安定的に固定することができる。
上記一対のバスバー部材１４０、１５０は、上記トップカバー１３０の上側に備えられ得る。上記一対のバスバー部材１４０、１５０は、上記複数の円筒型セル１１０を電気的に接続することができる。
上記一対のバスバー部材１４０、１５０は、正極バスバー１４０及び負極バスバー１５０を含むことができる。
上記正極バスバー１４０は、上記複数の円筒型セル１１０の正極と電気的に接続され、後述する絶縁部材１６０と後述する断熱部材１９０との間に配置され得る。
上記負極バスバー１５０は、上記複数の円筒型セル１１０の負極と電気的に接続され、上記トップカバー１３０と後述する絶縁部材１６０との間に配置され得る。
上記絶縁部材１６０は、上記一対のバスバー部材１４０、１５０の間、すなわち、上記正極バスバー１４０と上記負極バスバー１５０との間に設けられ得る。上記絶縁部材１６０は、上記正極バスバー１４０と上記負極バスバー１５０との間で生じ得る直接的な接触を防止することができる。
上記断熱部材１７０、１８０、１９０は、上記複数の円筒型セル１１０のうち少なくとも一つで発火したとき、隣接した円筒型セル１１０への火炎拡散を遮断するためのものであって、少なくとも一つまたはそれ以上の複数個が設けられ得る。
以下の実施形態では、上記断熱部材１７０、１８０、１９０が複数個設けられることに限定して説明する。
上記複数の断熱部材１７０、１８０、１９０は、雲母断熱材からなり得、第１断熱部材１７０、第２断熱部材１８０及び第３断熱部材１９０を含む。
上記第１断熱部材１７０は、上記複数の円筒型セル１１０の側面を覆うことができる。上記第１断熱部材１７０は、上記複数の円筒型セル１１０のうち少なくとも一つのセルが発火したとき、優先的に隣接した円筒型セル１１０への火炎拡散を遮断することができる。
上記第２断熱部材１８０は、上記複数の円筒型セル１１０の上側を覆い、上記トップカバー１３０の内側に配置され得る。上記第２断熱部材１８０は、上記複数の円筒型セル１１０のうち少なくとも一つのセルが発火したとき、二次的に火炎拡散を遮断し、火炎が上記バスバー部材１５０側に拡散することを遮断することができる。
上記第３断熱部材１９０は、上記第２断熱部材１８０と所定距離だけ離隔して配置され、上記トップカバー１３０の上側に露出し得る。上記第３断熱部材１９０は、上記複数の円筒型セル１１０のうち少なくとも一つのセルが発火したとき、最終的に火炎拡散を遮断し、火炎が後述するブロックカバー２００側に拡散することを遮断することができる。
本実施形態の場合、上記第３断熱部材１９０、第２断熱部材１８０及び第１断熱部材１７０として設けられる上記複数の断熱部材１７０、１８０、１９０によって、上記複数の円筒型セル１１０のうち少なくとも一つの円筒型セル１１０が発火して円筒型セル１１０の全体に拡散する連鎖発火を効果的に防止することができる。
上記ブロックカバー２００は、上記複数の円筒型セルブロック１００の上側を覆い、上記複数の円筒型セルブロック１００を電気的に接続することができる。上記ブロックカバー２００は、上記複数のフック１３５を用いて固定することができる。
上記ブロックカバー２００には、隣接する円筒型セルブロック１００を電気的に接続するためのセルブロック溶接部２０５が備えられ得る。上記セルブロック溶接部２０５を通じて、隣接する円筒型セルブロック１００をレーザー溶接などで相互に電気的に接続することができる。
上記冷却プレート３００は、上記複数の円筒型セル１１０を冷却させるためのものであって、上記ブロックカバー２００に対向配置され、上記複数の円筒型セルブロック１００の下側に配置され得る。
上記熱伝達部材４００は、上記冷却プレート３００と上記複数の円筒型セルブロック１００との間に配置され、上記複数の円筒型セル１１０の底部に対応するように複数の熱伝導材料４５０が備えられ得る。
上記複数の熱伝導材料４５０は、上記複数の円筒型セル１１０の底部に直接接触することができる。上記複数の熱伝導材料４５０を通じて、上記複数の円筒型セルブロック１００で発生する熱を上記冷却プレート３００側へとより迅速に伝達することができる。
本実施形態の場合、上記複数の熱伝導材料４５０を備える上記熱伝達部材４００及び上記冷却プレート３００を通じて、上記複数の円筒型セル１１０を冷却させることができる。
図８は、本発明の一実施形態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８を参照すれば、バッテリーモジュール１は、上記バッテリーセル組立体１０及びモジュールケース５０を含むことができる。
上記バッテリーセル組立体１０は、少なくとも一つまたは複数個が備えられ得る。以下の実施形態では、上記バッテリーセル組立体１０が複数個備えられることに限定して説明する。
上記複数のバッテリーセル組立体１０の外面は、隣接するバッテリーセル組立体１０に対応する形状を有し得る。これによって、上記複数のバッテリーセル組立体１０の間は、相互ブロック結合によって連結され得る。
上記モジュールケース５０は、上記少なくとも一つ、本実施形態の場合、上記複数のバッテリーセル組立体１０をパッケージングすることができる。
上記モジュールケース５０は、メインカバー５２及びフロントカバー５６を含むことができる。
上記メインカバー５２は、上記少なくとも一つ、本実施形態の場合、上記複数のバッテリーセル組立体１０を覆うことができる。上記メインカバー５２は、上記複数のバッテリーセル組立体１０の外面に対応する形状を有し得る。
上記フロントカバー５６は、上記メインカバー５２と結合され、上記少なくとも一つ、本実施形態の場合、上記複数のバッテリーセル組立体１０の前方を覆うことができる。上記フロントカバー５６は、上記メインカバー５２とボルト結合または溶接結合を通じて連結され得る。
このように、本実施形態による上記バッテリーモジュール１は、上記複数の円筒型セルブロック１００間のブロック結合を通じて上記バッテリーセル組立体１０を構成し、上記複数のバッテリーセル組立体１０間のブロック結合を通じて上記バッテリーモジュール１を構成できるため、多様なモデルタイプでも上記円筒型セルブロック１００を単位体として活用することができる。これによって、本実施形態によれば、上記バッテリーモジュール１の製品毎の互換性や拡張性を向上させることができる。
また、本実施形態による上記バッテリーモジュール１は、上記複数の円筒型セルブロック１００及び上記複数のバッテリーセル組立体１０がブロック結合を通じて結合するため、バッテリーモジュール１を製造するとき、容易かつ簡便な組み立て性を確保することができる。これによって、本実施形態によれば、上記バッテリーモジュール１の製造工程の効率を著しく向上させることができる。
さらに、本実施形態による上記バッテリーモジュール１は、上記複数の円筒型セルブロック１００及び上記複数のバッテリーセル組立体１０がブロック結合を通じて結合するため、上記円筒型セル１１０同士の間で生じ得るデッドスペースを最小化することができる。これによって、本実施形態によれば、一層スリムかつコンパクトな、高いエネルギー密度を有するバッテリーモジュール１を提供することができる。
図９は本発明の一実施形態によるバッテリーパックを説明するための図であり、図１０は本発明の一実施形態による自動車を説明するための図である。
図９及び図１０を参照すれば、バッテリーパックＰは、上述した実施形態による少なくとも一つのバッテリーモジュール１、及び上記少なくとも一つのバッテリーモジュール１をパッケージングするパックケース５を含むことができる。
上記バッテリーパックＰは、自動車Ｖの燃料源として、自動車Ｖに備えられ得る。例えば、上記バッテリーパックＰは、電気自動車、ハイブリッド自動車及びその他バッテリーパックＰを燃料源として使用可能なその他の方式で自動車Ｖに備えられ得る。
また、上記バッテリーパックＰは、上記自動車Ｖの外にも、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ることは言うまでもない。
このように、本実施形態による上記バッテリーパックＰ、及び上記自動車Ｖのような上記バッテリーパックＰを備える装置や器具及び設備は、上述した上記バッテリーモジュール１を含むため、上述したバッテリーモジュール１による長所をすべて有するバッテリーパックＰ及びこのようなバッテリーパックＰを備える自動車Ｖなどの装置や器具及び設備などを具現することができる。
以上のような多様な実施形態によって、共用化可能な上記バッテリーセル組立体１０、このような上記バッテリーセル組立体１０を含む上記バッテリーモジュール１、このような上記バッテリーモジュール１を含む上記バッテリーパックＰ、及びこのような上記バッテリーパックＰを含む上記自動車Ｖを提供することができる。
以上、本発明の望ましい実施形態を図示し説明したが、本発明が上述した特定の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者によって多様な変形実施が可能であり、このような変形実施は本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはならない。
１ バッテリーモジュール
５ パックケース
１０ バッテリーセル組立体
５０ モジュールケース
５２ メインカバー
５６ フロントカバー
１００ 円筒型セルブロック
１１０ 円筒型セル
１２０ ボトムカバー
１３０ トップカバー
１３５ フック
１４０ 正極バスバー
１５０ 負極バスバー
１６０ 絶縁部材
１７０ 第１断熱部材
１８０ 第２断熱部材
１９０ 第３断熱部材
２００ ブロックカバー
２０５ セルブロック溶接部
３００ 冷却プレート
４００ 熱伝達部材
４５０ 熱伝導材料

Claims (10)

  1. バッテリーセル組立体であって、
    複数の円筒型セルを含む複数の円筒型セルブロックと、
    前記複数の円筒型セルブロックの上側を覆い、前記複数の円筒型セルブロックを電気的に接続するブロックカバーと、
    前記ブロックカバーに対向配置され、前記複数の円筒型セルブロックの下側に配置される冷却プレートと、
    前記冷却プレートと前記複数の円筒型セルブロックとの間に配置され、前記複数の円筒型セルの底部に対応するように複数の熱伝導材料が備えられる熱伝達部材とを含み、
    前記ブロックカバーは、隣接する円筒型セルブロックを電気的に接続するためのセルブロック溶接部を備え、隣接する円筒型セルブロックは、前記セルブロック溶接部を通じて相互に溶接される、バッテリーセル組立体。
  2. 前記複数の円筒型セルブロックは、隣接する円筒型セルブロックとブロック結合できるように、隣接する円筒型セルブロックと相互に対応する形状を有する、請求項１に記載のバッテリーセル組立体。
  3. 前記複数の円筒型セルブロックは、それぞれ、
    前記複数の円筒型セルと、
    前記複数の円筒型セルの底部を収容するボトムカバーと、
    前記ボトムカバーと結合され、前記複数の円筒型セルの上部を覆うトップカバーと、
    前記トップカバーの上側に備えられ、前記複数の円筒型セルを電気的に接続する一対のバスバー部材と、
    前記一対のバスバー部材の間に設けられる絶縁部材とを含む、請求項２に記載のバッテリーセル組立体。
  4. 前記複数の円筒型セルブロックは、それぞれ、前記複数の円筒型セルのうち少なくとも一つで発火したとき、隣接した円筒型セルへの火炎拡散を遮断するための少なくとも一つの断熱部材をさらに含む、請求項３に記載のバッテリーセル組立体。
  5. バッテリーセル組立体であって、
    複数の円筒型セルを含む複数の円筒型セルブロックと、
    前記複数の円筒型セルブロックの上側を覆い、前記複数の円筒型セルブロックを電気的に接続するブロックカバーと、
    前記ブロックカバーに対向配置され、前記複数の円筒型セルブロックの下側に配置される冷却プレートと、
    前記冷却プレートと前記複数の円筒型セルブロックとの間に配置され、前記複数の円筒型セルの底部に対応するように複数の熱伝導材料が備えられる熱伝達部材とを含み、
    前記複数の円筒型セルブロックは、それぞれ、
    前記複数の円筒型セルの上部を覆うトップカバーと、
    前記複数の円筒型セルのうち少なくとも一つで発火したとき、隣接した円筒型セルへの火炎拡散を遮断するための複数の断熱部材とをさらに含み、
    前記複数の断熱部材は、
    前記複数の円筒型セルの側面を覆う第１断熱部材と、
    前記複数の円筒型セルの上側を覆い、前記トップカバーの内側に配置される第２断熱部材と、
    前記第２断熱部材と所定距離だけ離隔して配置され、前記トップカバーの上側に露出する第３断熱部材とを含む、バッテリーセル組立体。
  6. 前記少なくとも一つの断熱部材は、雲母断熱材からなる、請求項４または５に記載のバッテリーセル組立体。
  7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の少なくとも一つのバッテリーセル組立体と、
    前記少なくとも一つのバッテリーセル組立体をパッケージングするモジュールケースとを含む、バッテリーモジュール。
  8. 前記モジュールケースは、
    前記少なくとも一つのバッテリーセル組立体を覆うメインカバーと、
    前記メインカバーと結合され、前記少なくとも一つのバッテリーセル組立体の前方を覆うフロントカバーとを含む、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 請求項７または８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に記載の少なくとも一つのバッテリーパックを含む、自動車。
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