JP2016511509A - 液状冷媒の流出に対する安全性が向上した電池パック - Google Patents

液状冷媒の流出に対する安全性が向上した電池パック Download PDF

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Abstract

本発明は、充放電可能な2つ以上の電池セルが積層されている電池セル積層体を含んでいる1つ以上の電池モジュールと、前記電池モジュールの外部を取り囲んでいるパックケースとを含んでおり、前記パックケースの内部空間から隔離された液状冷媒が、電池セルから伝導された熱を、パックケースの冷却によって除去することを特徴とする電池パックを提供する。

Description

本発明は、液状冷媒の流出に対する安全性が向上した電池パックに係り、詳細には、充放電可能な2つ以上の電池セルが積層されている電池セル積層体を含んでいる1つ以上の電池モジュールと、前記電池モジュールの外部を取り囲んでいるパックケースとを含んでおり、前記パックケースの内部空間から隔離された液状冷媒が、電池セルから伝導された熱を、パックケースの冷却によって除去することを特徴とする電池パックに関する。
ガソリン、軽油などの化石燃料を使用する車両の最も大きな問題点の一つは、大気汚染を誘発するという点である。このような問題点を解決するための方案として、車両の動力源として充放電可能な二次電池を使用する技術が関心を集めている。したがって、バッテリーのみで運行できる電気自動車(EV)、バッテリーと既存のエンジンを併用するハイブリッド電気自動車(HEV)などが開発されており、一部は商用化されている。
そのうち、HEVは、動力源として充放電可能な二次電池をベースとする中大型電池パック、及びガソリン、軽油などを燃焼させるエンジンを共に使用して、走行条件などに応じて電池パックの作動及びエンジンの作動を調整(制御)する構造となっている。すなわち、作動の効率性を向上させながら燃料の使用を最小化するために、車両の運行条件に応じてエンジンと電池システムの作動状態が変わる。例えば、車両が正常速度での運行、または傾斜面を下りてくる運行を行う場合には、エンジンを使用せずに電池システムが作用するようになり、逆に、加速運行または傾斜面を上がる運行を行う場合には、燃料を使用するエンジンが主に作動し、それによる運動エネルギーを電気エネルギーに変換して電池を充電するようになる。
EV、HEVなどの動力源としての二次電池は、主にニッケル金属水素(Ni−MH)二次電池またはリチウム二次電池などが使用されている。このような二次電池がEV、HEVなどの動力源として使用されるためには高出力大容量が要求されるところ、そのために、多数の小型二次電池(単位電池)を直列または並列に接続して電池モジュールを形成し、このような電池モジュールを多数個並列または直列に接続して1つの電池パックを形成して使用している。
しかし、このような高出力大容量の二次電池は、充放電過程において多量の熱を発生させるため、充放電過程で発生した単位電池の熱が効果的に除去されないと、熱蓄積が起こり、結果的に単位電池の劣化を招く。
したがって、多数個の中大型電池モジュールを含み、高出力大容量の電池である車両用電池パックには、それに内蔵されている電池セルまたは電池モジュールを冷却させる冷却システムが必要である。
これと関連して、短時間に電池セルまたは電池モジュールを冷却できるように液状冷媒を用いた冷却技術が注目を集めており、これを適用した車両用電池パックの需要が増加する趨勢にある。
しかし、液状冷媒を用いる冷却技術が適用された電池パックでは、パックケースの内部の積層された電池セルまたは電池モジュールの間に冷媒流路が配置されるか、またはパックケースの内部に配置された別途の熱伝導部材に接触する構造となっているので、流路を連結する各種継ぎ手及び接続部材が必ず存在し、長期間にわたって持続的な振動の影響を受ける車両用電池パックの場合、液状冷媒が電池パックの内部空間に形成された流路を通る途中に、各種継ぎ手から冷媒流路の破損などで冷媒が流出する可能性がある。
この場合、流出した液状冷媒が、電池パックの内部空間に位置したバスバー、ワイヤ及びコネクタなどに接触する場合、絶縁破壊及び短絡などが誘発されて車両の火災などの原因となり得る。
さらに、パックケースの内部空間に冷媒流路の固定のための連結部材が追加されるため、電池パック製造工程の複雑性及び部品管理コストの増加などの問題がある。
したがって、冷媒の流出に対する安全性に優れた電池パックに関する必要性が高い実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
具体的に、本発明の目的は、上記問題点を解決できるように、パックケースの内部空間から隔離された液状冷媒が、電池セルから伝導された熱を、パックケースの冷却によって除去するように構成して、液状冷媒がパックケースの内部空間に流入する可能性を根本的に除去した電池パックを提供するものである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池パックは、
充放電可能な2つ以上の電池セルが積層されている電池セル積層体を含んでいる1つ以上の電池モジュールと、
前記電池モジュールの外部を取り囲んでいるパックケースと、
を含んでおり、前記パックケースの内部空間から隔離された液状冷媒が、電池セルから伝導された熱を、パックケースの冷却によって除去するように構成されている。
したがって、電池パックを冷却するための液状冷媒がパックケースの内部空間から隔離された所に位置するので、上述したように、電池パックに対する振動または衝撃によって冷媒流路が破損しても、電池セル及び電池モジュールが配列されているパックケースの内部空間には、液状冷媒が流動するための流路が存在しないので、冷媒が内部空間に流入する可能性が全くなく、流路の固定のための継ぎ手及び固定部材が不要であるので、冷媒流路の破損の可能性が著しく減少しながらも、非常にコンパクトな電池パックを構成することができる。
一具体例において、前記パックケースの外部外面、または冷媒流路を搭載できるように備えられたパックケースの中空空間には、液状冷媒の流動のための冷媒流路が位置しており、詳細には、前記冷媒流路、冷媒流路の流入口及び排出口は、電池セル及び電池モジュールが配列されているパックケースの内部空間から隔離された状態で位置しているので、パックケースの内部空間に液状冷媒が流入することができない。
また、前記パックケースは熱伝導性素材からなっていてもよい。本発明のパックケースは、電池モジュール及び内部空間に搭載される電装部品を密閉及び保護し、支持するだけでなく、電池セルと冷媒の熱交換のための放熱板の役割を兼ねることができるので、外部に隔離された液状冷媒から効果的に熱を除去するようにする熱交換媒体として用いることができる。前記熱伝導性素材は、熱伝導性及び機械的剛性などに優れた素材が好ましく、詳細には、金属素材や、熱伝導性高分子または熱伝導性高分子複合体からなることができるが、これらに限定されるものではない。
前記電池モジュールは、電池セル積層体に対する衝撃または腐食を防止するために、電池セル積層体がモジュールケースに内蔵されている構造からなることができ、前記モジュールケースの一面には、前記電池モジュール間の電気的接続のためのコネクタ、及び機械的締結のための締結溝またはビードが形成されていてもよいが、これらに限定されるものではなく、様々な構造のモジュールケースで構成できることはもちろんである。
一具体例において、電池セル積層体の熱をより効果的に伝導するために、前記電池セル積層体の電池セル間には熱伝導性素材からなる冷却フィンが介在しており、前記冷却フィンは、パックケースへの熱伝導のためにモジュールケースに延びている構造であってもよい。
詳細には、前記冷却フィンが、電池セルの間に介在する第1フィン部材、及びパックケースに熱接触している第2フィン部材からなることができる。この場合、電池セルに直接接触した前記第1フィン部材が、電池セルの熱をモジュールケースに延びた第2フィン部材に伝導し、前記パックケースの一面に熱接触した第2フィン部材は、第1フィン部材から収容された熱をパックケースに伝導させる。
一つの例として、電池セルの間に介在する第1フィン部材と、前記第1フィン部材から延びている第2フィン部材とは互いに一体型からなることができる。すなわち、第1フィン部材がケースに延びた状態で、第2フィン部材は、パックケースの一面に熱接触するように第1フィン部材の端部が垂直に折れ曲がった構造からなることができる。
他の例として、電池セルの間に介在する第1フィン部材と、前記第1フィン部材から延びている第2フィン部材とはそれぞれ別途の部材であって、溶接などで結合された構造であってもよい。この場合、第1フィン部材と第2フィン部材は同じ素材からなってもよく、それぞれ互いに異なる素材からなってもよい。
第2フィン部材の熱伝導性などを考慮して、上記のように一体型構造の冷却フィン及び結合型構造の冷却フィンの両方において、第2フィン部材はパックケースに直接接触する構造であってもよいが、熱伝導性を向上させるための物質または部材がその間に追加されてもよい。
一般に、固体と固体との接触面は、実質的に完全な密着が容易でなく、それによって、それらの間に空き空間または空隙が形成されて熱伝導率が減少することがある。
したがって、一具体例において、前記第1フィン部材と電池セルとの接触面及び/又は第2フィン部材とパックケースとの接触面には、サーマルコンパウンドまたはサーマルグリースなどの熱伝導性物質がコーティングされていてもよい。
それによって、前記熱伝導性物質が接触面の間の空き空間または空隙を効果的に充填することによって、熱伝導率の損失を防止することができ、サーマルコンパウンドまたはサーマルグリースは、それ自体で熱伝導性が非常に優れた物質であって、熱交換を促進することができる。
更に他の具体例において、前記第1フィン部材と電池セルとの接触面及び/又は第2フィン部材とパックケースとの接触面には、シリコン素材またはウレタン素材からなる熱伝導パッドが介在していてもよく、それによって、冷却フィンの熱伝導性及び熱伝導率を大きく向上させることができる。
場合によっては、前記冷却フィンの第2フィン部材が熱接触するパックケースの内面または外面には、放熱を促進するようにラジエーター構造の放熱板がさらに形成されていてもよい。
一具体例において、前記パックケースは、電池モジュールの外面の一部を取り囲む第1ケース部材と、電池モジュールの外面の残りを取り囲み、前記第1ケース部材と結合される第2ケース部材とからなる構造であってもよく、このような第1ケース部材及び/又は第2ケース部材に対して冷却が行われ得るように、冷媒流路が該当部位に位置するようになる。
場合によっては、電池パックの冷却効率をより増加させるために、第1ケース部材及び第2ケース部材の全ての外部面に冷媒流路を配置してもよい。
前記パックケースが第1ケース部材及び第2ケース部材で構成されるので、それぞれ独立して大きさ、厚さ、材質などを選択することができ、これは、電池の形状及び大きさを考慮して、パックケースの応用性及び汎用性の拡張の観点で好ましい構造である。
前記構造には、パックケースの内部空間への水分の浸透を完全に遮断するために、前記第1ケース部材と第2ケース部材とが結合される接触部位に、水密性の高いゴムまたはシリコンなどの密封部材が介在してもよい。この場合、パックケースの外部から流出する液状冷媒または水分により発生し得る絶縁または短絡の問題を根本的に防止することによって、電池パックの安全性をより向上させることができる。また、前記密封部材は、第1ケース及び第2ケースの結合を堅固にするので、振動または外力にさらされるパックケースの安定性を向上させることができる。
一具体例において、前記電池パックは、電池セル積層体の温度、パックケースの温度、及び電池パックの外部温度をそれぞれ測定するサーミスタと、前記サーミスタから受信された温度測定値に基づいて、液状冷媒によってパックケースの冷却または加熱が行われるように制御する制御部とをさらに含むことができる。
前記電池セルは、電池モジュール及び電池パックの構成時に高電圧及び高電流を提供できる二次電池であれば特に制限されず、例えば、体積当たりのエネルギー貯蔵量が大きいリチウム二次電池であってもよい。
本発明はまた、前記電池パックを含むデバイスを提供する。
前記デバイスは、高出力大容量の電池パックを搭載する電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電力貯蔵装置などであってもよいが、適用範囲がこれらに限定されるものではない。
このようなデバイスの構造及び製造工程は当業界で公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
本発明の一実施例に係る電池パックの模式図である。 図1のAを拡大した模式図である。 図1の電池セル積層体が内蔵されている電池モジュールの垂直断面図である。 本発明の一実施例に係る冷却フィンの模式図である。 本発明の他の実施例に係る冷却フィンの模式図である。 本発明の更に他の実施例に係る電池モジュールの模式図である。 本発明の更に他の実施例に係る電池パックの模式図である。 図7の電池セル積層体が内蔵されている電池モジュールの垂直断面図である。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのもので、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図1には、本発明の一実施例に係る電池パックの構造が模式的に示されており、図2には、図1のAを拡大した模式図が示されている。説明の便宜のため、図1は、透視図として表現した。
これら図面を参照すると、電池パック100は、電池セル積層体104が内蔵されている電池モジュール102a,102b,102c,102dが、電池モジュール102a,102b,102c,102dの下端または一面を除外した残りの面を取り囲む構造の第1ケース部材110と、電池モジュール102の下端を支持し、第1ケース部材110の下端または一面に結合される第2ケース部材112とが結合された構造のパックケースの内部空間130に一列に配置されている構造となっている。
第1ケース部材110と第2ケース112部材とが結合される接触部位には、水密機能を有するように密封部材107が介在しているので、流出した冷媒または水分に対する安全性がより向上した構造で外部から密閉されている。
第2ケース部材112は、電池パック100の内部空間130から隔離された状態でその中空空間に冷媒流路(図示せず)が装着されており、一側端部に液状冷媒の流入及び排出のための冷媒流路の流入口114及び排出口116が形成されている。したがって、流入口114に流入した冷媒が、第2ケース部材112の中空空間113に形成されている冷媒流路を流動し、第2ケース部材112と熱交換を行った後、排出口116を通して排出される。
このような構造の電池パック100は、内部空間130から隔離された状態で第2ケース部材112に冷媒流路が形成されているので、冷媒の流出が発生しても、パックケースの内部空間130に配列されている電池セル104及び電池モジュール102a,102b,102c,102dへの浸透を根本的に防止することができる。
図3には、図1の電池セル積層体が内蔵されている電池モジュールの垂直断面が示されており、図4には、本発明に係る冷却フィンが模式的に示されている。
これら図面を参照すると、冷却フィン200は、第1フィン部材201の端部が延びて垂直に折れ曲がった第2フィン部材202を形成する一体型構造、または第1フィン部材201’の端部に、パックケース101に熱接触するように第2フィン部材202’が溶接などで結合された結合型構造からなっている。
電池モジュール102aは、第1フィン部材201が介在した状態で電池セル120が積層配列された状態で、一側面または下端面に第1フィン部材201の通路を備えているモジュールケース150に内蔵されている。第1フィン部材201は、電池セルの間に密着しながら、第2フィン部材202に接触するように、電池セル120の積層方向を基準としてモジュールケース150を通して垂直方向に延びており、第2フィン部材202は、第1フィン部材201の延長方向を基準として垂直方向に配置された状態で一面が第1フィン部材201と接触しており、第2フィン部材202とパックケース101との界面には、熱伝達を促進するための熱伝導性パッド210が介在している。
このような電池モジュールの冷却過程は、電池セル120から発生した最初の熱が第1フィン部材201を介して第2フィン部材202に伝達され、パックケース101は、第2フィン部材202の熱を熱伝導性パッド210を通じて収容するようになり、パックケース101の中空空間103に位置した冷媒と熱交換が発生しながら電池モジュール102aが冷却される。
図5には、本発明の他の実施例に係る冷却フィンが模式的に示されている。
図5を参照すると、冷却フィン300の第1フィン部材310は、電池セル320に介在しながら、その界面には、電池セルから発生する初期の熱を迅速に伝導するために、サーマルコンパウンドまたはサーマルグリースなどの熱伝導性物質312、及びウレタン素材またはシリコン素材の熱伝導性パッド314が混用されて介在してもよく、熱伝導性物質312または熱伝導性パッド314が単独で介在してもよい。
図6には、本発明の更に他の実施例に係る電池モジュールを模式的に示している。
図6を参照すると、第2フィン部材202が熱接触するパックケース400の接触面にラジエーター構造の第1放熱板414が形成されており、第1放熱板414の空き空間を最小化するために、サーマルコンパウンドまたはサーマルグリースのように粘度を有し、一定時間が経過した後に固体化する熱伝導性物質416が塗布されているので、第1放熱板414と第2フィン部材202との空き空間を効果的に充填し、熱伝導率及び熱伝導性を増加させる。
場合によっては、熱伝導性物質の塗布なしに、第1放熱板414の周囲に冷却ファン(図示せせず)を設置して、第1放熱板414から対流される熱を空冷式で冷却しながら、第1放熱板414が第2フィン部材202と接触する面は、伝導される熱を水冷式で冷却する構造のハイブリッド型冷却も適用可能である。
一方、第2フィン部材202との接触面以外にパックケース400の外面の一部には、放熱を促進するようにラジエーター構造の第2放熱板412が設置されてもよく、周囲に冷却ファンを設置してハイブリッド型冷却構造で構成することができる。また、パックケース400の内面にも、冷媒との熱交換を促進するように、ラジエーター構造の第3放熱板418が設置されてもよい。
図7には、本発明の更に他の実施例に係る電池パックが模式的に示されている。
図7を参照すると、電池パック600は、パックケースを構成する第1ケース部材610及び第2ケース部材612が電池モジュールの外面を取り囲んでおり、第1ケース部材610の一面の中空空間には、電池セル及び電池モジュール700が配列されている内部空間から隔離されながら、電池セル及び電池モジュールを冷却するための冷媒が流動する冷媒流路が配置されており、第1ケース部材610及び電池モジュールの一面を取り囲み、第1ケース部材610の一面に結合される第2ケース部材612が結合されている。第1ケース部材610の一側端部には、液状冷媒の流入及び排出のための冷媒流路(図示せず)の流入口630及び排出口632が形成されており、第2ケース部材612は、第1ケース部材の610の流入口630及び排出口632が形成されている端部を基準として、その対向端部に液状冷媒の流入及び排出のための冷媒流路(図示せず)の流入口622及び排出口620が形成されている。
図7の電池パック600は、第1ケース部材610及び第2ケース部材612に所定の体積の中空空間を含んでおり、第1ケース部材610と第2ケース部材612の中空空間に位置した冷媒の進行方向が互いに反対になって、電池セルまたは電池モジュールの熱交換が均一に行われるように誘導することができる。また、電池パックのサイズ、及び電池パックの容量による発熱量などを考慮して、第1ケース部材610の全ての面に存在する中空空間に冷媒を位置させて冷却効率を増加させることができることはもちろんである。
図8には、図7の電池セル積層体が内蔵されている電池モジュールの垂直断面が示されている。
図8を参照すると、電池モジュール700は、電池セル640が第1フィン部材601と共に積層配列された状態で、上端及び下端に第1フィン部材601の通路を備えているモジュールケース650によって外部と密閉されており、第1フィン部材601は、電池セルの間に密着しながら、第2フィン部材602,602’に接触するように、電池セル640の積層方向を基準としてモジュールケース650を通して垂直方向に延びており、第2フィン部材602,602’は、第1フィン部材601の延長方向を基準として垂直方向に配置された状態で、一面が第1フィン部材601と接触して溶接などにより結合されており、第2フィン部材602,602’と第1ケース部材610及び第2ケース部材612との界面には、熱伝達を促進するための熱伝導性パッド608,608’が介在している。
電池モジュールの冷却過程は、電池セル640から発生した最初の熱が第1フィン部材601を介して第2フィン部材602,602’に伝達され、第1ケース部材610及び第2ケース部材612は、第2フィン部材602,602’の熱を、熱伝導性パッド608,608’を通じて収容するようになり、第1ケース部材610及び第2ケース部材612の中空空間613,613’に位置した冷媒と熱交換が発生して電池モジュール700が冷却される。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池パックは、パックケースの内部空間に液状冷媒が流動するための流路を配置する必要がないので、液状冷媒がパックケースの内部に流出する可能性を根本的に防止するだけでなく、外部から完全に密閉させたパックケースの内部空間に電池セル及び電池モジュールが配列されているので、液状冷媒の流入が防止される。また、電池モジュール及び内部に搭載される電装部品を保護し、支持しながらも、熱交換が可能なパックケースを含んでいるので、非常にコンパクトな電池パックを提供することができる。
103 中空空間
110 ケース部材
112 ケース部材
113 中空空間
150 モジュールケース
200 冷却フィン
201 フィン部材
202 フィン部材
300 冷却フィン
601 フィン部材
602 フィン部材
610 ケース部材
612 ケース部材
650 モジュールケース

Claims (21)

  1. 充放電可能な2つ以上の電池セルが積層されている電池セル積層体を含んでいる1つ以上の電池モジュールと、
    前記電池モジュールの外部を取り囲んでいるパックケースと、
    を含んでおり、
    前記パックケースの内部空間から隔離された液状冷媒が、電池セルから伝導された熱を、パックケースの冷却によって除去することを特徴とする、電池パック。
  2. 前記電池モジュールは、電池セル積層体がモジュールケースに内蔵されている構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  3. 前記電池セル積層体の電池セルの間には冷却フィンが介在しており、前記冷却フィンは、パックケースへの熱伝導のためにモジュールケースに延びていることを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  4. 前記冷却フィンは、電池セルの間に介在する第1フィン部材と、パックケースに熱接触するように前記第1フィン部材から延びている第2フィン部材とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  5. 前記第2フィン部材は、パックケースに直接接触していることを特徴とする、請求項4に記載の電池パック。
  6. 前記第1フィン部材と電池セルとの接触面、及び/又は第2フィン部材とパックケースとの接触面に熱伝導性物質がコーティングされていることを特徴とする、請求項4に記載の電池パック。
  7. 前記熱伝導性物質は、サーマルコンパウンドまたはサーマルグリースであることを特徴とする、請求項6に記載の電池パック。
  8. 前記第1フィン部材と電池セルとの接触面、及び/又は第2フィン部材とパックケースとの接触面に熱伝導パッドが介在していることを特徴とする、請求項4に記載の電池パック。
  9. 前記熱伝導パッドは、シリコン素材またはウレタン素材からなることを特徴とする、請求項8に記載の電池パック。
  10. 前記パックケースは、電池モジュールの外面の一部を取り囲む第1ケース部材と、電池モジュールの外面の残りを取り囲み、前記第1ケース部材と結合される第2ケース部材とからなることを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  11. 前記パックケースは熱伝導性素材からなることを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  12. 前記熱伝導性素材は、金属素材、熱伝導性高分子または熱伝導性高分子複合体からなることを特徴とする、請求項11に記載の電池パック。
  13. 前記第1ケース部材と第2ケース部材とが結合される接触部位には密封部材が介在していることを特徴とする、請求項10に記載の電池パック。
  14. 前記密封部材は、ゴムまたはシリコンであることを特徴とする、請求項13に記載の電池パック。
  15. 前記パックケースの外部外面またはパックケースの中空空間には、液状冷媒の流動のための冷媒流路が位置することを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  16. 前記冷媒流路、冷媒流路の流入口及び排出口は、パックケースの内部空間から隔離された状態で位置していることを特徴とする、請求項15に記載の電池パック。
  17. 前記冷却フィンの第2フィン部材が熱接触するパックケースの内面または外面には、ラジエーター構造の放熱板が形成されていることを特徴とする、請求項4に記載の電池パック。
  18. 前記電池セル積層体の温度、パックケースの温度、及び電池パックの外部温度をそれぞれ測定するサーミスタと、前記サーミスタから受信された温度測定値に基づいて、液状冷媒によってパックケースの冷却または加熱が行われるように制御する制御部とをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  19. 前記電池セルはリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項1に記載の電池パック。
  20. 請求項1に記載の電池パックが装着されていることを特徴とする、デバイス。
  21. 前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とする、請求項20に記載のデバイス。
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