JP7049548B2 - バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック - Google Patents
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Description
本発明は、バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関し、より詳しくは、放熱特性が向上できるバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関する。
本出願は、２０１８年９月１２日出願の韓国特許出願第１０－２０１８－０１０９２０９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。
モバイル機器に関する技術開発及び需要が増加するにつれ、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しつつあり、従来、二次電池としてニッケルカドミウム電池または水素イオン電池が用いられていたが、最近は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリー効果がほとんど起こらないため充電及び放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いリチウム二次電池が広く用いられている。
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及び負極活物質がそれぞれ塗布された正極板及び負極板がセパレータを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液とともに封止して収納する外装材、即ち、電池ケースと、を備える。
リチウム二次電池は、正極、負極及びこれらの間に介されるセパレータ及び電解質で構成され、正極活物質及び負極活物質に何を使用するかによって、リチウムイオン電池（ＬＩＢ：Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ）、リチウムポリマー電池（ＰＬＩＢ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ）などに分けられる。通常、これらのリチウム二次電池の電極は、アルミニウムまたは銅シート、メッシュ、フィルム、ホイルなどの集電体に、正極または負極活物質を塗布した後、乾燥することで形成される。
一方、最近、エネルギー源に活用されることを含め、大容量構造に対する必要性が高くなるにつれ、複数のバッテリーセルが直列ないし並列に接続したバッテリーモジュールまたはバッテリーパックに対する需要が増加しつつある。
但し、バッテリーモジュールまたはバッテリーパックは、複数のバッテリーセルが狭い空間に密集する形態で製造されるため、バッテリーセルから発生した熱を外部へ容易に放出することが重要となるが、従来技術のバッテリーモジュールまたはバッテリーパックの場合、放熱が充分でなくて、発熱によってバッテリーモジュールまたはバッテリーパックの容量が低下するという問題点がある。
〔先行技術文献〕
〔特許文献〕
〔特許文献１〕特開２０１３－１２４４１号公報
〔先行技術文献〕
〔特許文献〕
〔特許文献１〕特開２０１３－１２４４１号公報
本発明が、解決しようとする技術的課題は、放熱特性が向上したバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックを提供することである。
上記の課題を達成するため、本発明の一面によれば、少なくとも一つのバッテリーセルと、前記バッテリーセルを囲むように設けられ、少なくとも一つの開口が形成されたケーシングと、前記ケーシングと前記バッテリーセルとの間に介在され、前記ケーシングの前記開口を通して前記ケーシングの外側に露出する熱伝達物質（ＴＩＭ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）と、を含む、バッテリーモジュールを提供することができる。
また、前記開口は、複数個が設けられ、前記ケーシングには、いずれか一つの開口と、隣接する他の一つの開口との間に位置する支持部が備えられ、前記熱伝達物質に接触する前記支持部の接触部には、ラウンド部が形成され得る。
そして、前記支持部は、前記熱伝達物質と同じ平面に位置し、前記支持部と前記熱伝達物質が共に前記ケーシングの外側に露出し得る。
また、前記支持部は前記熱伝達物質と異なる平面に位置し、前記支持部が前記熱伝達物質に埋め込められ、前記支持部を除いた前記熱伝達物質が前記ケーシングの外側に露出し得る。
そして、前記バッテリーセルは、円筒状に形成された円筒型バッテリーセルであり、前記熱伝達物質は、前記円筒型バッテリーセルに密着できるように、前記円筒型バッテリーセルの形状に対応する形状に形成され得る。
また、前記ケーシングは、熱伝導プラスチックからなり得る。
そして、前記ケーシングには、縁部から中心部へ進むほど溝の深さが深くなるように形成される放熱溝が設けられ得る。
また、前記ケーシングに結合し、前記ケーシングの前記開口を通して前記ケーシングの外側に露出した前記熱伝達物質に接触する放熱部材をさらに含み得る。
そして、前記放熱部材の少なくとも一側には、前記熱伝達物質が収容される収容溝が形成され得る。
なお、本発明の他面によれば、前述のバッテリーモジュールを含むバッテリーパックを提供することができる。
本発明の実施例は、熱伝達物質がケーシングの外側に露出して流体と直接接触可能であるため、放熱特性が向上する効果を奏する。
また、ケースと流体との接触面積が増加することによって、放熱特性の向上する効果を奏する。
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、本明細書及び特許請求の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。
図面における各構成要素またはその構成要素をなす特定部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張または省略されるか、概略的に示されることがある。したがって、各構成要素の大きさは、実際の大きさを完全に反映することではない。本発明に関連する公知の機能または構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を不要にぼやかすと判断される場合、その説明を略する。
本明細書において使用される「結合」または「連結（接続）」という用語は、一つの部材と他の部材とが直接結合するか、直接連結（接続）される場合のみならず、一つの部材が継ぎ部材を介して他の部材に間接的に接合するか、間接的に連結（接続）される場合をも含む。
図１は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールの概略的な全体斜視図であり、図２は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールの断面図であり、図３は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールで開口が形成されたケーシングの内側を示した図であり、図４は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールで開口が形成されたケーシングの外側を示した図であり、図５は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールにおいて、熱伝達物質がケーシングの開口を通して露出した様子を示した図であり、図６は、図２のケーシングにおいて、Ａ部分の変形実施例を示した断面図であり、図７は、図６の変形実施例において、熱伝達物質がケーシングの開口を通して露出した様子を示した図であり、図８は、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュールにおいて、熱伝達物質にバッテリーセルが接触した様子を示した図である。
図１～図８を参照すれば、本発明の第１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と、ケーシング２００と、熱伝達物質（ＴＩＭ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）３００を含む。
バッテリーセル１００は、一つ以上が備えられ得る。バッテリーセル１００は、パウチ型であってもよく、図２のように円筒型であってもよい。バッテリーセル１００がパウチ型である場合、バッテリーセル１００には、電極リードが備えられ得、バッテリーセル１００に備えられる電極リードは、外部に露出して外部機器に接続する一種の端子であって、伝導性材質からなり得る。電極リードは、正極リード及び負極リードを含み得る。正極リードと負極リードとは、バッテリーセル１００の長手方向に対して相互反対方向に位置するか、または相互同じ方向に位置し得る。電極リードはバスバーに電気的に結合し得る。バッテリーセル１００は、正極板／セパレータ／負極板の順に配列される単位セル（Ｕｎｉｔ Ｃｅｌｌ）または正極板／セパレータ／負極板／セパレータ／正極板／セパレータ／負極板の順に配列されたバイセル（Ｂｉ－Ｃｅｌｌ）を電池容量に合わせて複数個を積層した構造を有し得る。そして、バッテリーセル１００が円筒型である場合、バッテリーセル１００は、電極組立体、例えば、ゼリーロール形態の電極組立体と、電極組立体と共に電解液が収容される円筒状のバッテリーケースと、バッテリーケースの、例えば、上部に形成された正極端子と、バッテリーケースの、例えば、下部に形状された負極端子と、を含み得る。電極組立体は、正極と負極との間にセパレータが挟まれた状態で積層されてゼリーロール形態で巻き取られた構造であり得、正極には正極リードが付着され、バッテリーケースの、例えば、上部の正極端子に接続し、負極には、負極リードが付着され、バッテリーケースの、例えば、下部の負極端子に接続する。そして、電極組立体の中心部には、円筒状のセンターピンが挿入され得る。このようなセンターピンは、電極組立体を固定及び支持し、充放電及び作動時において、内部反応によって発生するガスを放出する通路として機能できる。一方、バッテリーケースの内部、例えば、上部キャップの下部には、バッテリーケースの内部の圧力上昇によって破裂してガスを排出させるための安全ベントが備えられ得る。以下では、説明の便宜のために、バッテリーセル１００が円筒形状に形成された円筒型バッテリーセル１００の場合を中心にして説明する。
ケーシング２００は、バッテリーセル１００を囲むように設けられる。ケーシング２００は、バッテリーセル１００を囲み、これによって外部の振動や衝撃からバッテリーセル１００を保護することができる。ここで、ケーシング２００は、例えば、上部ケーシング２１０及び下部ケーシング２２０を含んで構成され得る。但し、これに限定されることではない。ケーシング２００、例えば、下部ケーシング２２０には、熱伝達物質３００が外側に露出するように一つ以上の開口２２１（図３及び図４参照）が形成される。但し、必要に応じて上部ケーシング２１０に開口２２１を形成してもよい。このようにケーシング２００に形成された開口２２１を通して熱伝達物質３００がケーシング２００の外側に露出し、熱伝達物質３００が空気のような流体に接触することによって放熱が可能になる。図３及び図４を参照すれば、開口２２１は、複数設けられ得、ケーシング２００には、いずれか一つの開口２２１と隣接する他の一つの開口２２１との間に位置する支持部２２２が備えられ得る。支持部２２２は、ケーシング２００と一体で形成されるか、またはケーシング２００と分離製作した後に多様な方式で結合することで形成され得る。そして、図２を参照すれば、熱伝達物質３００に接触する支持部２２２の接触部２２３には、ラウンド部が形成され得る。このように支持部２２２の接触部２２３にラウンド部が形成されれば、熱伝達物質３００が支持部２２２の接触部２２３に接触するとしても損傷を防止することができる。一方、図２を参照すれば、支持部２２２は、熱伝達物質３００と同じ平面に位置し得る。例えば、図２のＡ部分を参照すれば、支持部２２２と熱伝達物質３００とが、図２を基準にしてケーシング２００の底部となる同じ平面Ｘ１に共に位置し得、これによって、図５のように支持部２２２と熱伝達物質３００とが共にケーシング２００の外側に露出する。変形実施例で、図６を参照すれば、支持部２２２は、熱伝達物質３００と異なる平面に位置し得る。例えば、熱伝達物質３００は、図６を基準にしてケーシング２００の底部となる平面Ｘ２に位置し、支持部２２２は、熱伝達物質３００に埋め込められてケーシング２００の底部よりも上側の平面Ｘ３に位置するように設けられ得る。これによって、図７のように、支持部２２２は、ケーシング２００の外側に露出せず、支持部２２２を除いた熱伝達物質３００のみがケーシング２００の外側に露出する。図５の実施例は、図７の実施例よりも構造的に安定的な効果を奏し、図７の実施例は、図５の実施例よりも熱伝達物質３００と空気との接触面積が広くなり、放熱効率の良くなる効果を奏する。即ち、構造的安定及び放熱効率を考慮して支持部２２２の大きさと位置を適切に調節することができる。
ケーシング２００において、開口２２１が形成されていない部分には、放熱溝２２９が形成され得る（図４参照）。放熱溝２２９は、ケーシング２００の外側、例えば、ケーシング２００の底面に形成され得る。放熱溝２２９は多様に形成され得、例えば、縁部から中心部２２８へ進むほど溝の深さが深くなるように形成され得る。例えば、放熱溝２２９は第１傾斜部２２５及び第２傾斜部２２７によって形成され得る。図４を参照すれば、第１傾斜部２２５は、いずれか一つの縁部、例えば、第１縁部２２４から中心部２２８に向けて傾くように形成され、第２傾斜部２２７は、他の一つの縁部、例えば、第１縁部２２４から離隔した第２縁部２２６から中心部２２８に向けて傾くように形成され、第１傾斜部２２５及び第２傾斜部２２７が中心部２２８で会うように構成され、これによって放熱溝２２９が形成され得る。そして、このような構造の放熱溝２２９は、ケーシング２００、例えば、下部ケーシング２２０の底面に一つ以上形成され得る。一方、放熱溝２２９は、下部ケーシング２２０の底面のみに形成されず、必要に応じて下部ケーシング２２０の側面にも形成可能であり、または上部ケーシング２１０にも形成可能である。このように、ケーシング２００に放熱溝２２９が形成されれば、ケーシング２００と空気との接触面積が広くなるため、放熱効率が向上する。そして、ケーシング２００は、多様な種類の熱伝導プラスチックから製作でき、これによってバッテリーセル１００から発生した熱を効率的に放出することができる。
熱伝達物質３００は、図２及び図８を共に参照すれば、ケーシング２００とバッテリーセル１００との間に介在される。例えば、熱伝達物質３００は、バッテリーセル１００と下部ケーシング２２０との間に位置し、一側が下部ケーシング２２０に接触し、反対側の他側が円筒型バッテリーセル１００の表面に接触するように設けられ得る。熱伝達物質３００は、バッテリーセル１００から発生した熱をバッテリーセル１００の外部に伝達可能な各種物質を含み得る。熱伝達物質３００は、例えば、グラファイトがフォームパッドを囲むように設けられ得るが、これに限定されない。熱伝達物質３００は、ケーシング２００の開口２２１を通してケーシング２００の外側に露出し、これによって、露出した部分が空気と接触して放熱が可能となる。即ち、バッテリーセル１００から発生した熱が熱伝達物質３００を介して外部に伝達されて冷却され、この過程でケーシング２００の開口２２１を通して外部に露出した熱伝達物質３００が空気によって放熱される。熱伝達物質３００は、図８のように円筒型バッテリーセル１００に密着できるように円筒型バッテリーセル１００の形状に対応する形状に形成され得る。即ち、熱伝達物質３００は、断面が円弧形状に形成され得る。例えば、熱伝達物質３００は、正面や背面から見れば、円弧形状であるが、側面から見れば、長手方向の直線状になるように形成され得る。但し、熱伝達物質３００の形状がこれに限定されることではない。
以下、図面を参照して、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュール１０の作用及び効果について説明する。
本発明の第１実施例によるバッテリーモジュール１０は、円筒型バッテリーセル１００とケーシング２００との間に介在される熱伝達物質３００を含み、熱伝達物質３００がケーシング２００の開口２２１を通して外部に露出して外部空気に直接接触できる。これによって、放熱効率が向上する。一方、ケーシング２００の一側には、縁部から中心部２２８に向けて傾くように形成され、中心部２２８へ進むほど溝の深さが深くなる放熱溝２２９が形成され得、このような放熱溝２２９によってケーシング２００と空気の接触面積が増加するので、放熱効率が上昇する。
図９は、本発明の第２実施例によるバッテリーモジュールの断面図である。
以下、図面を参照して本発明の第２実施例によるバッテリーモジュール１０の作用及び効果について説明するが、本発明の第１実施例によるバッテリーモジュール１０で説明した内容と共通する部分は、前述の説明を以って代わりにする。
本発明の第２実施例の場合、放熱部材４００がさらに備えれるという点で第１実施例と相違する。
図９を参照すれば、放熱部材４００はケーシング２００に結合し、ケーシング２００の開口２２１を通してケーシング２００の外側に露出した熱伝達物質３００に接触できる。即ち、第１実施例の場合、熱伝達物質３００がケーシング２００の外部に露出してケーシング２００の外側の空気と接触して空冷式で放熱されるが、第２実施例の場合、放熱部材４００がケーシング２００の外部に露出した熱伝達物質３００に接触して、放熱部材４００によって熱伝達物質３００が放熱される。ここで、放熱部材４００は、多様に設けられ得る。
図１０は、本発明の第３実施例によるバッテリーモジュールの部分断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の第３実施例によるバッテリーモジュール１０の作用及び効果について説明するが、本発明の第１実施例及び第２実施例によるバッテリーモジュール１０で説明した内容と共通する部分は、前述の説明を以って代わりにする。
本発明の第３実施例の場合、放熱部材４００に収容溝４１０が形成されるという点で第１実施例及び第２実施例とは相違する。
図１０を参照すれば、放熱部材４００は多様に設けられ得、例えば、放熱部材４００は、冷却プレートとして設けられ得る。冷却プレートは、内部に各種流体が流動するように設けられ得るが、これに限定されない。そして、放熱部材４００の少なくとも一側には、熱伝達物質３００が収容される収容溝４１０が形成され得る。このように、熱伝達物質３００が放熱部材４００に形成された収容溝４１０に収容されれば、構造的に安定するだけでなく、熱伝達物質３００と放熱部材４００との接触面積が増加するので、放熱効率も増大する。
一方、本発明の一実施例によるバッテリーパック（図示せず）は、前述の本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１０を一つ以上含み得る。また、前記バッテリーパック（図示せず）は、このようなバッテリーモジュール１０に加え、バッテリーモジュール１０を収納するためのケース、バッテリーモジュール１０の充放電を制御するための各種装置、例えば、ＢＭＳ、電流センサー、ヒューズなどをさらに含み得る。
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。
本発明は、バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関し、特に、二次電池関連産業に利用可能である。
１０ バッテリーモジュール
１００ 円筒型バッテリーセル（バッテリーセル）
２００ ケーシング
２２１ 開口
３００ 熱伝達物質
１００ 円筒型バッテリーセル（バッテリーセル）
２００ ケーシング
２２１ 開口
３００ 熱伝達物質
Claims (10)
- 少なくとも一つのバッテリーセルと、
前記バッテリーセルを囲むように設けられ、少なくとも一つの開口が形成されたケーシングと、
前記ケーシングと前記バッテリーセルとの間に介在され、前記ケーシングの前記開口を通して前記ケーシングの外側に露出する熱伝達物質と、
を含み、
前記開口は、前記少なくとも一つのバッテリーセルに沿って複数個が設けられており、
前記ケーシングには、いずれか一つの前記開口と、隣接する他の一つの前記開口との間に位置する支持部が備えられているバッテリーモジュール。 - 前記熱伝達物質に接触する前記支持部の接触部には、ラウンド部が形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。
- 前記支持部は、前記熱伝達物質と同じ平面に位置し、前記支持部と前記熱伝達物質が共に前記ケーシングの外側に露出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。
- 前記支持部は前記熱伝達物質と異なる平面に位置し、前記支持部が前記熱伝達物質に埋め込められて、前記支持部を除いた前記熱伝達物質が前記ケーシングの外側に露出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。
- 前記バッテリーセルは、円筒状に形成された円筒型バッテリーセルであり、
前記熱伝達物質は、前記円筒型バッテリーセルに密着できるように、前記円筒型バッテリーセルの形状に対応する形状に形成されている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。 - 前記ケーシングは、熱伝導プラスチックからなることを特徴とする請求項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。
- 前記ケーシングには、縁部から中心部へ進むほど溝の深さが深くなるように形成された放熱溝が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 前記ケーシングに結合し、前記ケーシングの前記開口を通して前記ケーシングの外側に露出した前記熱伝達物質に接触する放熱部材をさらに含む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。
- 前記放熱部材の少なくとも一側には、前記熱伝達物質が収容される収容溝が形成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。
- 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を含む、バッテリーパック。
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