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JP7237241B2 - 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、２０１９年１０月０４日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－０１２３３９１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を含む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。
このような従来のバッテリーモジュールの場合、充放電による発熱による性能低下を解決することが重要である。このようなバッテリーモジュールの発熱は、バッテリーモジュールの充放電時において、単位面積が最も小さい部分の一つであるバッテリーセルの電極リード部分で抵抗が高いため、このような電極リード部分で発熱が最も多く、これはバッテリーセルのダメージにつながるという問題がある。
そこで、バッテリーモジュールの冷却時、バッテリーモジュールにおいてバッテリーセルの電極リード部分の発熱を制御できるより効果的な方策が求められる。
本発明は、バッテリーセルの電極リード部分の発熱による温度上昇を効果的に抑制することが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、本発明は、バッテリーモジュールであって、相互に積層される複数個のバッテリーセルと、複数個のバッテリーセルを収容するモジュールケースと、モジュールケース内で複数個のバッテリーセルの電極リード部分を少なくとも部分的にカバーするように充填されるサーマルレジンと、サーマルレジンが電極リード部分を少なくとも部分的にカバーするように充填されるとき、電極リード部分の温度を測定可能にモジュールケースに備えられる温度センサーと、温度センサーと電気的に接続し、温度センサーで測定された温度情報に基づいてサーマルレジンの充填を制御する制御ユニットと、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。
バッテリーモジュールは、モジュールケースの一側に形成され、サーマルレジンの充填のためにレジン注入装置からサーマルレジンが注入されるための少なくとも一つのレジン注入ホールを含み、温度センサーは、モジュールケースの他側に備えられ得る。
制御ユニットは、レジン注入装置と電気的に接続し、温度センサーで測定された温度が予め設定された温度以上であるとき、レジン注入装置からのサーマルレジンの注入を中断させ得る。
制御ユニットは、少なくとも一つのレジン注入ホールは、複数個のバッテリーセルの電極リードよりも高い位置に設けられ、温度センサーは、複数個のバッテリーセルの電極リードよりも低い位置に設けられ得る。
モジュールケースの他側には、温度センサーが挿入されるセンサー挿入溝が備えられ得る。
温度センサーは、サーミスタとして備えられ得る。
バッテリーモジュールは、複数個のバッテリーセルの電極リードと電気的に接続し、モジュールケースの両側をカバーするバスバーアセンブリーを含み、制御ユニットは、バスバーアセンブリーに備えられ得る。
バッテリーモジュールは、モジュールケースの一側に形成され、複数個のバッテリーセルの電極リード部分と同一線上に配置される少なくとも一つの充填確認ホールを含み得る。
なお、本発明は、バッテリーパックであって、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と、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、バッテリーパックを提供する。
また、本発明は、自動車であって、前述した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自動車を提供する。
以上のような多様な実施例によって、バッテリーセルの電極リード部分の発熱による温度上昇を効果的に抑制可能な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主要部の断面図である。 図１のバッテリーモジュールのサーマルレジンの注入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サーマルレジンの注入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メカニズム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を説明するための図である。 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。 本発明の一実施例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～図４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、モジュールケース２００、ヒートシンク３００、バスバーアセンブリー４００、サーマルレジン５００、レジン注入ホール６００、充填確認ホール７００、温度センサー８００及び制御ユニット９００を含み得る。
バッテリーセル１００は、二次電池であって、パウチ型二次電池、角形二次電池または円筒型二次電池として設けられ得る。以下、本実施例では、バッテリーセル１００がパウチ型二次電池であることに限定して説明する。
このようなバッテリーセル１００は、複数個が備えられ得る。複数個のバッテリーセル１００は、相互電気的に接続可能に積層され得る。相互間の電気的な接続は、複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０と後述するバスバーアセンブリー４００との電気的接続によって具現できる。
モジュールケース２００は、複数個のバッテリーセル１００を収容し得る。このために、モジュールケース２００には、複数個のバッテリーセル１００を収容するための収容空間が設けられ得る。この他にも、モジュールケース２００内には、バッテリーモジュール１０を構成する各種電装品などの構成部品も収容し得る。
モジュールケース２００の一側、具体的には、モジュールケース２００の上側には、バッテリーモジュール１０のバッテリーセル１００を冷却するためのヒートシンク３００が取り付けられ得る。
また、モジュールケース２００には、レジン充填流路２５０及びセンサー挿入溝２７０が備えられ得る。
レジン充填流路２５０は、モジュールケース２００内に設けられ、後述する少なくとも一つのレジン注入孔６００と複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０部分とを連結できる所定の空間を形成することができる。
センサー挿入溝２７０は、モジュールケース２００の他側に備えられ得る。具体的には、センサー挿入溝２７０は、モジュールケース２００の高さ方向においてバッテリーセル１００の電極リード１５０と同一線上に備えられ得る。このようなセンサー挿入溝２７０には、後述する温度センサー８００が挿入して装着され得る。
ヒートシンク３００は、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、モジュールケース２００の上側に設けられ得る。このようなヒートシンク３００は、モジュールケース２００を介して後述するサーマルレジン５００と対向して配置され得る。
ヒートシンク３００は、空冷式または水冷式構造で設けられ得る。以下、本実施例においては、ヒートシンク３００が、冷却水が流動する水冷式構造で設けられることに限定して説明する。
バスバーアセンブリー４００は、バッテリーセル１００の電極リード１５０と電気的に接続し得る。このようなバスバーアセンブリー４００は、モジュールケース２００の両側をカバーし得る。
サーマルレジン５００は、モジュールケース２００の内側でヒートシンク３００と対向して配置され、モジュールケース２００内で複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０を少なくとも部分的にカバーするように充填され得る。
サーマルレジン５００は、高い熱伝導度を有すると共に、絶縁特性を有する材質として設けられ得る。このようなサーマルレジン５００は、バッテリーセル１００の冷却をガイドすると共に、モジュールケース２００内でバッテリーセル１００の安定的な固定をガイドできる。
レジン注入孔６００は、モジュールケース２００の一側、具体的には、モジュールケース２００の上側に形成され、サーマルレジン５００の充填のための所定の大きさを有する穴として設けられ得る。
このようなレジン注入孔６００は、複数個が備えられ得る。
複数個のレジン注入孔６００は、モジュールケース２００の一側中央、具体的には、モジュールケース２００の上側中央に相互所定の距離で離隔して配置され得る。
ここで、複数個のレジン注入孔６００は、複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０よりも高い位置に設けられ得る。これによって、レジン注入装置Ａを用いてサーマルレジン５００を注入するとき、電極リード１５０側への注入が自重によって自然に行われ、注入効率が向上する。
充填確認孔７００は、モジュールケース２００の一側、具体的には、モジュールケース２００の上側に形成され、複数個のレジン注入孔６００と離隔するモジュールケース２００の上側縁部に設けられ得る。
充填確認孔７００は、複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０部分の充填有無の確認が容易となるようにモジュールケース２００の高さ方向において複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０部分と同一線上に配置され得る。
充填確認孔７００は、一対が備えられ得る。一対の充填確認孔７００は、複数個のレジン注入孔６００を間に置いて相互対向して配置され得る。
充填確認孔７００からサーマルレジン５００を注入するとき、製造者などは、充填がまともに行われているか否かを、バッテリーセル１００の電極リード１５０部分から確認することができる。
具体的には、サーマルレジン５００が注入されながら、バッテリーセル１００の電極リード１５０を部分的にカバーできるようにサーマルレジン５００が充填され得る。
その後、サーマルレジン５００の注入が続ければ、バッテリーセル１００の電極リード１５０と同一線上に配置された充填確認孔７００側へサーマルレジン５００が流入し得る。
製造者などは、このような充填確認孔７００側へのサーマルレジン５００の流入を確認することで、バッテリーセル１００の電極リード１５０部分の充填を確認すると共に、モジュールケース２００の内部でサーマルレジン５００が充分充填されたことを確認することができる。
もし、充填確認孔７００の外へサーマルレジン５００が溢れるほどになれば、製造者などはレジン注入装置Ａによるサーマルレジン５００の注入を中断し、サーマルレジン５００の注入工程を完了し得る。サーマルレジン５００の注入工程が完了すれば、その後、充填確認孔７００及びレジン注入孔６００が設けられたモジュールケース２００の上側にはヒートシンク３００が取り付けられ得る。
温度センサー８００は、サーマルレジン５００が電極リード１５０部分を少なくとも部分的にカバーするように充填されるとき、電極リード１５０部分の温度を測定できるようにモジュールケース２００に備えられ得る。
このような温度センサー８００は、サーミスタとして備えられ得る。
温度センサー８００は、モジュールケース２００の他側に備えられ、センサー挿入溝２７０に挿入して取り付けられ得る。具体的には、温度センサー８００は、モジュールケース２００内で複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０よりも低い位置に設けられ得る。また、温度センサー８００は、電極リード１５０を挟んで充填確認ホール７００と対向して配置され得る。
制御ユニット９００は、温度センサー８００と電気的に接続し、温度センサー８００で測定された温度情報に基づいてサーマルレジン５００の充填を制御し得る。
このような制御ユニット９００は、バスバーアセンブリー４００に備えられ得、温度センサー８００との電気的接続のために、温度センサー８００と有線または無線で接続し得る。また、制御ユニット９００は、サーマルレジン５００の充填制御のために、レジン注入装置Ａとも有線または無線方式で電気的に接続し得る。
具体的には、制御ユニット９００は、レジン注入装置Ａと電気的に接続し、温度センサー８００で測定された温度が予め設定された温度以上であるとき、レジン注入装置Ａからのサーマルレジンの注入を中断させ得る。予め設定された温度とは、サーマルレジン５００の充填長さがモジュールケース２００の高さ方向において電極リード１５０の下端と同一であるか、または電極リード１５０の下端から所定の長さで延びた長さと対応する所定の長さで予め測定された温度であり得る。
このように、本実施例では、制御ユニット９００と温度センサー８００によっても、サーマルレジン５００の適正な注入を制御することができる。本実施例の場合、製造者が充填確認ホール７００を通じた目視確認に失敗するか、またはミスがあるなどの予期せぬ状況が発生しても、このような温度センサー８００と制御ユニット９００を通じた注入制御によってサーマルレジン５００の充填不良の危険を根本的に遮断することができる。
図５は、図１のバッテリーモジュールの冷却メカニズムを説明するための図である。
図５を参照すれば、バッテリーモジュール１０の発熱時、バッテリーセル１００の電極リード１５０の部分で最も高い発熱Ｈが発生し得る。これは、バッテリーセル１００の電極リード１５０部分の断面積が、他のバッテリーモジュール１０の構成部品の断面積よりも相対的に小さいことから、充放電による電流の流れにおいて抵抗が最も高いためである。
本実施例の場合、このようなバッテリーセル１００の電極リード１５０の発熱部分Ｈにサーマルレジン５００が充填されているため、電極リード１５０の発熱部分Ｈの熱をヒートシンク３００側へ効果的に伝達できる。
具体的には、電極リード１５０の発熱部分Ｈの熱は、サーマルレジン５００を介してモジュールケース２００の上側へ移動し、その後、直ちにモジュールケース２００の上側に配置されているヒートシンク３００に伝達されるため、バッテリーモジュール１０のモジュールケース２００の内部で最も高い熱が発生する電極リード１５０部分の熱による温度上昇を効果的に抑制することができる。
このように、本実施例では、バッテリーセル１００の電極リード１５０部分を少なくとも部分的にカバーするサーマルレジン５００を介してバッテリーセル１００の温度上昇によるダメージを最小化してバッテリーセル１００の寿命を延長することができ、バッテリーセル１００の発熱による性能低下を効果的に防止することができる。
また、本実施例では、このようなサーマルレジン５００を注入して充填することでバッテリーセル１００の電極リード１５０部分をカバーするので、電極リード１５０部分の冷却のために完成付属品のような形態の熱伝導部材などをモジュールケース２００の内側にさらに追加しなくてもよいので、組立工程がより簡便になる。
具体的に説明すれば、もし、電極リード１５０部分の冷却のために、事前に予め完成した所定の形状を有する熱伝導部材などをさらに追加する場合、組立工程時において、モジュールケース２００内における他の電装品やバッテリーセル１００との干渉などが発生し、このような構成部品やバッテリーセル１００などの破損が発生する危険が大きくなり得、また、このような追加の熱伝導部材をモジュールケース内で組み立てるに際し、組立公差などによる誤組立の可能性も大きくなり得る。
しかし、本実施例の場合、サーマルレジン５００の充填工程によってバッテリーセル１００の電極リード１５０部分をカバーするため、熱伝導部材などの追加的な組立構造とは異なり、モジュールケース２００の内部のその他の電装品やバッテリーセル１００の破損危険がなく、また、組立公差などによる誤組立の問題が根本的に防止される。
図６～図８は、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ための図である。
本実施例によるバッテリーモジュール２０は、前述した実施例のバッテリーモジュール１０と類似であるので、前述した実施例と実質的に同一または類似の構成については重複する説明を省略し、以下、前述した実施例との相違点を中心にして説明する。
図６～図８を参照すると、バッテリーモジュール２０は、バッテリーセル１００、モジュールケース２００、ヒートシンク３００、バスバーアセンブリー４００、サーマルレジン５００、レジン注入ホール６００、充填確認ホール７００、温度センサー８００及び制御ユニット９００を含み得る。
バッテリーセル１００、モジュールケース２００、ヒートシンク３００、サーマルレジン５００、レジン注入ホール６００、充填確認ホール７００、温度センサー８００及び制御ユニット９００は、前述した実施例と実質的に同一または類似であるので、以下、重複する説明を省略する。
バスバーアセンブリー４００には、透明ウィンドウ４５０が備えられ得る。
透明ウィンドウ４５０は、複数個のバッテリーセル１００の電極リード１５０と平行な水平方向に設けられ、電極リード１５０側に充填されるサーマルレジン５００をバッテリーモジュール１０の両側面の外側から目視で確認可能に備えられ得る。
このような透明ウィンドウ４５０には、レベリングライン４５５が備えられ得る。レベリングライン４５５は、サーマルレジン５００の充填高さを確認できるように透明ウィンドウ４５０の高さ方向に沿って形成され得る。
このように、本実施例によるバッテリーモジュール２０は、レベリングライン４５５を備えた透明ウィンドウ４５０を通じて、バッテリーモジュール１０の両側面の外側からサーマルレジン５００の電極リード１５０部分の充填程度をより容易に確認できるようにガイドすることができる。即ち、製造者などは、電極リード１５０の水平方向からサーマルレジン５００の充填程度を目視で確認可能であるため、製造者などのユーザの目視確認の正確度が大幅向上する。
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り、図１０は、本発明の一実施例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（２０）及び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を含み得る。
少なくとも一つのバッテリーモジュール１０（２０）は、前述した実施例のバッテリーモジュールの少なくとも一つを備えてもよく、複数個を備えてもよい。バッテリーモジュール１０（２０）が複数個備えられる場合、前述した実施例のバッテリーモジュール１０とバッテリーモジュール２０との集合体として設けられることも可能である。
このようなバッテリーパック１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、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、バッテリーパック１は、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、その他の装置や器具及び設備などにも備えられ得る。
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Ｖ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、前述のバッテリーモジュール１０、２０を含むことから、前述のバッテリーモジュール１０、２０による長所を全て有するバッテリーパック１及びこれを備える自動車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例において、バッテリーセル１００の電極リード１５０部分の発熱による温度上昇を効果的に抑制することができるバッテリーモジュール１０、２０、これを含むバッテリーパック１及びこのバッテリーパック１を含む自動車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、請求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
２０ 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
１５０ 電極リード
２００ モジュールケース
２５０ レジン充填流路
２７０ センサー挿入溝
３００ ヒートシンク
４００ バスバーアセンブリー
４５０ 透明ウィンドウ
４５５ レベリングライン
５００ サーマルレジン
６００ レジン注入孔
７００ 充填確認孔
８００ 温度センサー
９００ 制御ユニット

Claims (10)

  1. バッテリーモジュールであって、
    相互に積層される複数個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モジュールケースと、
    前記モジュールケース内で前記複数個のバッテリーセルの電極リード部分を少なくとも部分的にカバーするように充填されるサーマルレジンと、
    前記サーマルレジンが前記電極リード部分を少なくとも部分的にカバーするように充填されるとき、前記電極リード部分の温度を測定可能に前記モジュールケースに備えられる温度センサーと、
    前記温度センサーと電気的に接続し、前記温度センサーで測定された温度情報に基づいて前記サーマルレジンの充填を制御する制御ユニットと、を含むことを特徴とする、バッテリーモジュール。
  2. 前記バッテリーモジュールは、
    前記モジュールケースの一側に形成され、前記サーマルレジンの充填のためにレジン注入装置からサーマルレジンが注入されるための少なくとも一つのレジン注入ホールを含み、
    前記温度センサーは、
    前記モジュールケースの他側に備えられることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記制御ユニットは、
    前記レジン注入装置と電気的に接続し、前記温度センサーで測定された温度が予め設定された温度以上であるとき、前記レジン注入装置からの前記サーマルレジンの注入を中断させ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. 前記少なくとも一つのレジン注入ホールは、
    前記複数個のバッテリーセルの電極リードよりも高い位置に設けられ、
    前記温度センサーは、
    前記複数個のバッテリーセルの電極リードよりも低い位置に設けられることを特徴とする、請求項２または３に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記モジュールケースの他側には、
    前記温度センサーが挿入されるセンサー挿入溝が備えられ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。
  6. 前記温度センサーは、サーミスタとして備えられることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記バッテリーモジュールは、
    前記複数個のバッテリーセルの電極リードと電気的に接続し、前記モジュールケースの両側をカバーするバスバーアセンブリーを含み、
    前記制御ユニットは、
    前記バスバーアセンブリーに備えられることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記バッテリーモジュールは、
    前記モジュールケースの一側に形成され、前記複数個のバッテリーセルの電極リード部分と同一線上に配置される少なくとも一つの充填確認ホール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。
  9. 請求項１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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