JP2016502234A - 電池システム及び電池セルアセンブリー冷却方法 - Google Patents

Abstract

向上した電池システム及び電池セルアセンブリーの冷却方法を提供する。第１及び第２電池セルと前記第１及び第２電池セルの間に位置する冷却フィンを有する電池システムを提供する。冷却フィンは第１及び第２電池セルから熱エネルギーを受け、内部流路で２相冷媒に変換する。圧縮機は気相冷媒をコンデンサーにポンピングする。コンデンサーは気相冷媒から熱エネルギーを抽出することで気相冷媒を液体冷媒に変換する。

Description

本発明は電池システム及び電池セルアセンブリーの冷却方法に関する。

電池システムを構成する電池は充放電過程で発熱し、このような熱が除去されずに蓄積される場合には電池が劣化して性能低下が起こり、安全性の側面でも深刻な問題を引き起こすことがある。
これにより、電池システムには必ず冷却が要求されるが、従来の電池システムは所望水準の冷却を果たすことができなかった。

本発明の発明者らは、向上した電池システム、及び電池セルを冷却するために電池セルの間に位置し、２相冷媒を気相冷媒に変換する冷却フィンを有する電池セルアセンブリー冷却方法に対する必要性を認識した。
したがって、本発明の発明者らは向上した電池システム及び電池セルアセンブリーの冷却方法に対する必要性を認識した。

例示的な一実施例による電池システムを提供する。前記電池システムは、第１及び第２電池セルと前記第１及び第２電池セルの間に位置する冷却フィン（cooling fin）を有する電池セルアセンブリー（battery cell assembly）を含んでいる。前記冷却フィンは、流入口（inlet port）、排出口（outlet port）、及び前記流入口と排出口の間に位置する内部流路（internal flow path）を有している。前記冷却フィンは、流入口で２相冷媒（two-phase refrigerant）を受けるように構成されている。前記冷却フィンは、第１及び第２電池セルからの熱エネルギーを受け、内部流路で前記熱エネルギーを用いて２相冷媒に変換（transition）するように構成されている。前記電池システムは排出口に流動可能に（fluidly）連結され、気相冷媒（gaseous refrigerant）をコンデンサー（condenser）内にポンピング（pump）するように構成されている圧縮機（compressor）を含んでいる。
前記コンデンサーは、圧縮機に流動可能に連結され、圧縮機から気相冷媒を受けるように構成されている。前記コンデンサーは、気相冷媒から熱エネルギーを抽出することで、気相冷媒を液体冷媒に変換するように構成されている。前記電池システムは、コンデンサーと冷却フィンの流入口の間に流動可能に連結される膨脹バルブ（expansion valve）を含んでいる。前記膨脹バルブは、圧縮機からの液体冷媒を受け、液体冷媒の圧力レベルを減らして２相冷媒を得るように構成されている。前記２相冷媒は膨脹バルブから冷却フィンの流入口に流れるように形成されている。

他の例示的な実施例による電池セルアセンブリーの冷却方法を提供する。前記電池セルアセンブリーは、第１及び第２電池セルと前記第１及び第２電池セルの間に位置する冷却フィンを有している。前記冷却フィンは、流入口、排出口、及び前記流入口過排出口の間に位置する内部流路を有している。前記方法は、冷却フィンの流入口内で２相冷媒を受ける過程を含む。前記方法は、冷却フィンの対向側に位置する第１及び第２電池セルから冷却フィンを介して熱エネルギーを受け、冷却フィンの内部流路で前記熱エネルギーを用いて２相冷媒を気相冷媒に変換する過程を含む。前記方法は、排出口から圧縮機に気相冷媒を伝達（routing）する過程を含む。前記方法は、圧縮機によって圧縮機からコンデンサーに気相冷媒をポンピングする過程を含む。前記方法は、コンデンサーによって気相冷媒から熱エネルギーを抽出することで、コンデンサーによって受けた気相冷媒を液体冷媒に変換する過程を含む。前記方法は、液体冷媒をコンデンサーから膨脹バルブにポンピングし、膨脹バルブによって液体冷媒の圧力を減少させることで２相冷媒を得る過程を含む。前記方法は、２相冷媒を膨脹バルブから冷却フィンの流入口に伝達する過程を含む。

本発明の一実施例による電池システムの模式図である。 図１の電池システムに使われる電池セルアセンブリーの模式図である。 図２の電池セルアセンブリーの分解図である。 図３の電池セルアセンブリーの部分分解図である。 図４の電池セルアセンブリーに使われる冷却フィンの分解図である。 図４の冷却フィンの部分断面図である。 図４の冷却フィンの他の部分断面図である。 本発明の他の実施例による図２の電池セルアセンブリーを冷却するための方法の流れ図である。

図１〜図７を参照すると、本発明の実施例による電力を生産するための電池システム１０が示されている。電池システム１０は、圧縮機２２、コンデンサー２３、膨脹バルブ２４、電池セルアセンブリー２６、導管５０、５１、５２、５３、温度センサー６０、コンデンサーファン７０、及びマイクロプロセッサー８０を含んでいる。電池システム１０の利点は、以下により詳細に説明するように、電池セルを冷却するために２相冷媒を気相冷媒に変換し、隣接した電池セルの間に位置する冷却フィン１４０をシステム１０が使うことである。
理解のために、“冷媒（refrigerant）”という用語は熱循環過程で液体及びガスの間に可逆的に変換することができる物質に対応する。例示的な冷媒としては、Ｒ−１１、Ｒ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−１３４Ａ、Ｒ−４０７Ｃ、及びＲ−４１０Ａを含む。また、“気相冷媒（gaseous refrigerant）”という用語は主に気状の冷媒に対応する。また、“液体冷媒（liquid refrigerant）”という用語は主に液状の冷媒に対応する。また、“２相冷媒（two-phase refrigerant）という用語は一部が液状で、残りが気状である冷媒に対応する。

圧縮機２２は、マイクロプロセッサー８０の制御信号に応じてガス冷媒９１を導管５１を通じてコンデンサー２３にポンピングして圧縮するように構成されている。図示のように、導管５１は圧縮機２２及びコンデンサー２３の間に流動可能に連結されている。
コンデンサー２３は、導管５１を介して圧縮機２２からガス冷媒９１を受け、ガス冷媒９１から熱エネルギーを抽出することでガス冷媒９１を液体冷媒９２に転換させるために提供される。図示のように、導管５２はコンデンサー２３と膨脹バルブ２４の間に流動可能に連結されている。液体冷媒９２はコンデンサー２４から流出した後、導管５２を通じて膨脹バルブ２４にさらにポンピングされる。
膨脹バルブ２４は導管５２、５３を介してコンデンサー２３と電池セルアセンブリー２６の間に流動可能に連結されている。膨脹バルブ２４はコンデンサー２３から液体冷媒９２を受け、液体冷媒９２の圧力レベルを低めて２相冷媒９３を得るように構成されている。２相冷媒９３は導管５３を介して膨脹バルブ２４から電池セルアセンブリー２６の導管１８２に流れることになる。

図２〜図７を参照すると、例示的な一実施例による電池セルアセンブリー２６を提供する。電池セルアセンブリー２６は長方形の環状フレーム部材（rectangular ring-shaped frame members）１２０、１２２、電池セル１３０、１３２、及び冷却フィン１４０を含む。電池セルアセンブリー２６の利点は、以下により詳細に説明するように、電池セル１３０、１３２を冷却するために液体冷媒９２を気相冷媒９３に変換し、電池セルの間に隣接して位置する冷却フィン１４０を電池セルアセンブリー２６が使用する点である。
長方形の環状フレーム部材１２０、１２２は、電池セル１３０、１３２及び冷却フィン１４０をそれらの間に固定するために一緒に連結されるように構成されている。一実施例において、長方形の環状フレーム部材１２０、１２２はプラスチック（plastic）からなっている。しかし、代替実施例において、長方形の環状フレーム部材１２０、１２２は当業者に知られた他の素材からなることもできる。

電池セル１３０、１３２はそれぞれ作動電圧（operational voltage）を発生させるように構成されている。一実施例において、それぞれの電池セル１３０、１３２はパウチ型リチウム−イオン電池（pouch-type Lithium-ion battery cells）である。もちろん、当業者に知られた他の形態の電池セルを使うこともできる。また、一実施例において、電池セル１３０、１３２は互いに直列で連結されている。
電池セル１３０は、長方形の環状パウチ１５０及びパウチ１５０から延在している電極１５２、１５４を含む。電池セル１３０は、長方形の環状フレーム部材１２０と冷却フィン１４０の間に位置する。
電池セル１３２は、長方形の環状パウチ１６０、電極１６０、及び他の電極（図示せず）を含む。電池セル１３２は、長方形の環状フレーム部材１２２と冷却フィン１４０の間に位置する。

図２〜図７を参照すると、冷却フィン１４０は、電池セル１３０、１３２からの熱エネルギーを冷却フィン１４０を通じて流動する２相冷媒９３に伝達し、冷却フィン１４０内で２相冷媒９３を気相冷媒９１に変換させて電池セル１３０、１３２を冷却するために提供される。冷却フィン１４０は概して長方形のアルミニウムプレート１８０及びチューブ１１２を含む。
長方形のアルミニウムプレート１８０は、第１側部１９０及び第２側部１９２を有している。プレート１８０は、チューブ１８２の一部を固定するために、それぞれアーチ形（arcuate-shaped）の第１、第２、第３及び第４外周縁部２００、２０２、２０４、２０６（図５に示されている）を有している。言い替えれば、第１、第２、第３及び第４外周縁部２００、２０２、２０４、２０６はチューブ１８２を収容するように形成されているアーチ形溝２０９（図６に示す）を規定する。第１側部１９０は電池セル１３０の長方形側面の実質的に全部を覆う大きさである。第２側部１９２は電池セル１３２の長方形側面の実質的に全部を覆う大きさである。

チューブ１８２は長方形のアルミニウムプレート１８０の第１側面１９０に連結され、プレート１８０の第１、第２、第３及び第４外周縁部２００、２０２、２０４、２０６に連結されており、プレート１８０の第１、第２、第３及び第４外周縁部２００、２０２、２０４、２０６上で延在している。一実施例によれば、前記チューブ１８２はアルミニウムからなっている。しかし、チューブ１８２は当業者に知られた他の素材からなることもできる。図５を参照すれば、チューブ１８２は流入口２２０、チューブ部（tube portions）２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、及び排出口２３２を含んでいる。流入口２２０はチューブ部２２２に連結され、導管２３にさらに連結されている。チューブ部２２２は流入口２２０及びチューブ部２２４の間に連結されている。チューブ部２２６はチューブ部２２４及びチューブ部２２８の間に連結されている。チューブ部２３０はチューブ部２２８及び排出口２３２の間に連結されている。排出口２３２は導管５０に連結されている。

また、図５を参照すると、半田付け（brazing）によって、チューブ部２２２は第４外周縁部２０６に連結され、チューブ部２２４は第１外周縁部２００に連結されている。半田付けによって、チューブ部２２６は第２外周縁部２０２に連結され、チューブ部２２８は第３外周縁部２０４に連結されている。また、チューブ部２３０は第４外周縁部２０６に半田付けで連結されている。

図３〜図５を参照すると、作動のうち、２相冷媒９３は導管５３から流入口２２０に流入する。チューブ部２１２、２２４、２２６、２２８、２１３の少なくとも一部を流動する間、２相冷媒９３は気相冷媒９１に変換されて排出口２３２から流出する。排出口は導管５０に連結されている。特に、電池セル１３０によって発生した熱エネルギーは長方形のアルミニウムプレート１８０を介してチューブ１８２に伝導される。また、電池セル１３２によって発生した熱エネルギーは長方形のアルミニウムプレート１８０を介してチューブ１８２に伝導される。また、チューブ１８２内の熱エネルギーはチューブ１８２の内部流路を通じて流動する２相冷媒９３に伝導され、２相冷媒９３を気相冷媒９１に変換させることで電池セル１３０、１３２の温度を下げる。

図１を参照すると、温度センサー６０は、マイクロプロセッサー８０によって受ける電池セル１３０、１３２の温度レベルを示す信号を発生させるために提供される。
コンデンサーファン７０は、マイクロプロセッサー８０からの制御信号に応じてコンデンサー２３を冷却するために、コンデンサー２３を通る空気を送風するために提供される。図示のように、コンデンサーファン７０はコンデンサー２３に近くに位置している。
マイクロプロセッサー８０は電池システム１０の作動を制御するために提供される。特に、マイクロプロセッサー８０は温度センサー６０の信号に応じてコンデンサーファン７０及び圧縮機２２の作動を制御するための制御信号を発生させるように構成されている。 特に、マイクロプロセッサー８０は、電池セル１３０、１３２の温度がスレッショルド温度より高い場合、圧縮機２２及びコンデンサーファン７０を活性化させるための制御信号を発生させるように構成されている。マイクロプロセッサー８０は、ソフトウェア命令及び圧縮機２２及びコンデンサーファン７０を制御するための関連データを記憶する記憶装置８１を使う。したがって、マイクロプロセッサー８０は、ここで記載するように、圧縮機２２及びコンデンサーファン７０を制御するようにプログラムされている。

図１、図３、図５及び図８を参照して、本発明の他の例による電池セルアセンブリー２６を冷却するための方法の流れ図を説明する。
過程３００で、使用者は、第１及び第２電池セル１３０、１３２と第１及び第２電池セル１３０、１３２の間に位置する冷却フィン１４０を有している電池セルアセンブリー２６を提供する。冷却フィン１４０は、流入口２２０、排出口２３２、及び流入口２２０と排出口２３２の間に位置する内部流路を有している。
過程３０２で、使用者は、圧縮機２２、コンデンサー２３及び膨脹バルブ２４を提供する。
過程３０４で、冷却フィン１４０の流入口２２０は膨脹バルブ２４から２相冷媒９３を受ける。
過程３０６で、冷却フィン１４０は、冷却フィン１４０の対向側に位置する第１及び第２電池セル１３０、１３２から熱エネルギーを受け、冷却フィン１４０の内部流路で熱エネルギーを用いて２相冷媒９３を気相冷媒９１に変換する。
過程３０８で、圧縮機２２は、冷却フィン１４０の排出口２３２から気相冷媒９１を受け、圧縮機２２からコンデンサー２３に気相冷媒９１をポンピングする。
過程３１０で、コンデンサー２３は、圧縮機２２から気相冷媒９１を受け、気相冷媒９１から熱エネルギーを抽出することで、気相冷媒９１を液体冷媒９２に変換する。
過程３１２で、膨脹バルブ２４は、コンデンサー２３から液体冷媒９２を受け、液体冷媒９２の圧力を減少させて液体冷媒９２を２相冷媒９３に変換する。
過程３１４で、冷却フィン１４０の流入口２２０は、膨脹バルブ２４から２相冷媒９３を受ける。

電池セルアセンブリー２６及び電池セル冷却する方法は他の電池システム及び方法に比べて相当な利点を提供する。特に、この電池セルアセンブリー２６及び方法は、電池セルを冷却するために２相冷媒を気相冷媒に変換し、電池セルの間に隣接して位置する冷却フィン１４０を使う技術的効果を提供する。
本発明は制限された数の例示例のみに関して具体的に記述されたが、本発明が前記表現された例示に限定されるものではないという点を認識しなければならない。より正確には、本発明は、変形、変更、置換またはここで表現されたものだけでなく、本発明の意図及び範疇に相応する組合せにいくらでも修正可能である。さらに、本発明の多様な例示が表現されたが、本発明の態様はただ表現された例示の一部のみを含むことができるという点を認識しなければならない。したがって、本発明は前記表現によって限定されるものではない。

以上説明したように、本発明の電池セルアセンブリー及び電池セルを冷却させる方法は他の電池システム及び方法に比べて相当な利点を提供する。特に、電池セルアセンブリー及び方法は、電池セルを冷却するために、２相冷媒を気相冷媒に変換し、電池セルの間に隣接して位置する冷却フィンを使う。

１０ 電池システム
２２ 圧縮機
２３ コンデンサー
２４ 膨脹バルブ
２６ 電池セルアセンブリー
５０、５１、５２、５３ 導管
６０ 温度センサー
７０ コンデンサーファン
８０ マイクロプロセッサー
１４０ 冷却フィン

Claims (8)

1. 第１及び第２電池セルと前記第１及び第２電池セルの間に位置する冷却フィン（cooling fin）を有している電池セルアセンブリー（battery cell assembly）であって、前記冷却フィンは流入口（inlet port）、排出口（outlet port）、及び前記流入口と排出口の間に位置する内部流路（internal flow path）を有し、第１及び第２電池セルからの熱エネルギーを受け、内部流路で前記熱エネルギーを用いて２相冷媒（two-phase refrigerant）に変換（transition）するように構成される電池セルアセンブリーと、
   前記排出口に流動可能に（fluidly）連結され、気相冷媒（gaseous refrigerant）をコンデンサー（condenser）内にポンピング（pump）するように構成される圧縮機（compressor）と、
   前記圧縮機に流動可能に連結され、圧縮機から気相冷媒を受けるように構成され、気相冷媒から熱エネルギーを抽出することで気相冷媒を液体冷媒に変換するように構成されるコンデンサーと、
   コンデンサーと冷却フィンの流入口の間に流動可能に連結される膨脹バルブ（expansion valve）であって、前記膨脹バルブは圧縮機からの液体冷媒を受けて液体冷媒の圧力レベルを減らして２相冷媒を得るように構成され、前記２相冷媒は膨脹バルブから冷却フィンの流入口に流れるように形成される膨脹バルブと、
   を含むことを特徴とする、電池システム。
2. 前記冷却フィンは概して長方形のプレート（rectangular-shaped plate）及びチューブ（tube）を有し、前記長方形のプレートは第１側部（side）及び第２側部を有し、前記チューブは長方形のプレートの第１側面に連結され、長方形のプレートの少なくとも第１、第２及び第３外周縁部（peripheral edge portions）上で延在しており、その内部に内部流路を規定していることを特徴とする、請求項１に記載の電池システム。
3. 前記長方形のプレートはアルミニウムからなり、前記チューブはアルミニウムからなることを特徴とする、請求項２に記載の電池システム。
4. 前記長方形のプレートは、第１電池セルの長方形のプレートの側面（side surface）の実質的に全部を覆う大きさになっていることを特徴とする、請求項２に記載の電池システム。
5. 前記長方形のアルミニウムプレートの第１、２及び第３外周縁部はチューブを受けるように形成されているアーチ形の溝（arcuate-shaped groove）を規定することを特徴とする、請求項２に記載の電池システム。
6. チューブは、熱エネルギーの少なくとも一部をチューブ内に流動する２相冷媒に伝達するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の電池システム。
7. 前記電池セルアセンブリーは第１及び第２長方形の環状フレーム部材（rectangular ring-shaped frame members）をさらに含み、前記冷却フィンと第１及び第２電池セルが第１及び第２長方形の環状フレーム部材の間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の電池システム。
8. 第１及び第２電池セルと前記第１及び第２電池セルの間に位置する冷却フィンを有し、前記冷却フィンは流入口、排出口、及び前記流入口と排出口の間に位置する内部流路を有するように構成された電池セルアセンブリーの冷却方法であって、
   冷却フィンの流入口内で２相冷媒を受ける過程と、
   冷却フィンの対向側に位置する第１及び第２電池セルから冷却フィンを介して熱エネルギーを受け、冷却フィンの内部流路で前記熱エネルギーを用いて２相冷媒を気相冷媒に変換する過程と、
   排出口から圧縮機に気相冷媒を伝達（routing）する過程と、
   圧縮機によって圧縮機からコンデンサーに気相冷媒をポンピングする過程と、
   コンデンサーによって気相冷媒から熱エネルギーを抽出することで、コンデンサーによって受けた気相冷媒を液体冷媒に変換する過程と、
   液体冷媒をコンデンサーから膨脹バルブにポンピングし、膨脹バルブによって液体冷媒の圧力を減少させて２相冷媒を得る過程と、
   ２相冷媒を膨脹バルブから冷却フィンの流入口に伝達する過程と、
   を含むことを特徴とする、方法。

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