JP2019525402A - 相変化物質（ｐｃｍ）カプセルを適用したバッテリー冷却用のヒート・シンク - Google Patents

相変化物質（ｐｃｍ）カプセルを適用したバッテリー冷却用のヒート・シンク Download PDF

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Abstract

バッテリー冷却用のヒート・シンクの冷却流体温度が一定しない問題点をＰＣＭを適用してバッテリーモジュール内を流動する冷却流体の温度を均一に調節することを特徴とするＰＣＭカプセルを適用したバッテリー冷却用のヒート・シンク及びこれを含むバッテリーモジュールに関するもので、バッテリーモジュールに形成されたヒート・シンクの冷却流体の温度差を最小化できる効果及び冷却流体が排出される流出口側の温度が高くなることを防止する効果がある。

Description

本発明はＰＣＭカプセルを適用したバッテリー冷却用のヒート・シンクに関するものであり、より詳細には、本発明はバッテリー冷却用のヒート・シンクの冷却流体温度が一定しない問題点をＰＣＭを適用してバッテリーモジュール内を流動する冷却流体の温度を均一に調節することを特徴とするＰＣＭカプセルを適用したバッテリー冷却用のヒート・シンク及びこれを含むバッテリーモジュールに関する。
製品群による適用容易性が高く、高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はなく、電気的駆動源によって駆動する電気車(ＥＶ、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ)又はハイブリッド車（ＨＥＶ、Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ)などに普遍的に応用されている。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ことができるといった一次的な長所だけでなく、エネルギー使用による副産物が全く発生しないため、環境にもやさしく、エネルギー効率性を高めることができる新たなエネルギー源として注目されている。
前記電気車などに適用されるバッテリーパックは高出力を得るために、複数の単位セル（Ｃｅｌｌ）を含む多数のセルアセンブリを直列に連結した構造になっている。また、前記単位セルは正極と負極集電体、セパレータ、活物質、電解液などを含めて構成要素間の電気化学的反応により反復的な充放電が可能である。一方、近年には、エネルギー貯蔵源としての活用をはじめ、大容量の構造に対する必要性が高まり、多数の二次電池が直列及び/又は並列に連結された多数のバッテリーモジュールを集合させたマルチモジュール構造を有するバッテリーパックの需要が増加している。
前記バッテリーモジュールに適用される二次電池は多様な形状に製造が可能であり、代表的な形状としてはパウチ型、円筒型や角型を挙げることができ、パウチ型の場合、その形状が比較的自由で重さも軽いため、最近になってスリムと軽量化される用途に多く使われている。前記パウチ型二次電池の場合、ケースは厚膜の金属材で成形した円形や角形とは違い、薄膜の金属フィルムとその両面に絶縁性フィルムが取り付けられ自由に曲げることが可能な構造になっており、内部には前記電極群が受容可能な空間部が形成されている。
前記パウチ型二次電池が適用される高出力、大容量の二次電池は薄いプレート構造のセルを一つのモジュールに作り使用していて、要求仕様に従い多数のモジュールを直列に連結しパッケージを構成する。前記多数のモジュールが直列に連結されたパッケージは、充電と放電の際、セルから熱が発生し、前記のセル温度によってバッテリーの充電と放電電力が変わる。したがって、バッテリーの内部温度が、例えば、２５〜４０℃で運転されるようにセル温度を適切な範囲で維持しなければならない。
従来のバッテリーの内部温度を制御するためには、空気を活用した冷却方式と冷却水または冷媒を活用した方式があった。空気を活用した空冷式バッテリーは冷却効率が低く、冷却水または冷媒を活用した水冷方式は複雑な構造であるという問題点があった。従来の水冷方式を利用したバッテリー冷却方式は少なくとも一つの結合溝、少なくとも一つの結合溝付近の周辺領域、及び周辺領域内で少なくとも一つの結合溝の少なくとも片方向に延長される複数の冷却流路を有するバッテリーハウジングと、少なくとも一つの結合溝に収容されたバッテリーセルからなっている。
この様な水冷方式の冷却技術が適用される場合、既存のバッテリーモジュールは、冷却装置を通じてセル表面を冷却する形で技術が開発された。特に、液状流体を通じたヒート・シンクを付着させ間接冷却する方式が主に採用されており、この時、バッテリー性能や寿命を確保するため、パック単位の冷却ではモジュール間の温度勾配が大きくないように設計しなけらばならない。しかし、多数のモジュールが装着される場合、モジュール間の温度差を最小化すべき問題が発生する。
米国特許登録公報９３１２５８０号（２０１６.０４.１２）では、バッテリーモジュール、バッテリーモジュールの構成要素である電池セル組立体、前記の電池セル組立体において、運転中に熱が発生する第1平板面、前記第１平板面に積層された相変化物質（ＰＣＭ）層を含み、前記ＰＣＭ層は所定の熱吸収によって相変化する複数の黒鉛層の周辺に配置された相変化物質で、一定の厚さのＰＣＭ層を介して熱伝導を容易にするための複数の黒鉛層を含むシステムバッテリーモジュールが開示されているが、冷却流体の温度制御のためのＰＣＭカプセルを含めた構成は開示されていない。
米国特許登録公報８１０９３２４号（２０１２.０２.０７）では、熱発生部品の冷却時、要求される熱範囲で溶けられる液相及び/又は固相微細カプセル化された微粒子相変化物質を含むスラリー、高さと幅の縦横比が少なくとも５：１であり、非線形経路で幅が約５０乃至５００マイクロの液状スラリーの通路である複数のマイクロチャンネルを含み、前記熱発生部品に位置するか、又は位置可能な熱交換器、前記の熱交換器のマイクロチャンネル内にスラリーが位置し、前記マイクロチャンネル幅の約５%乃至約２０％の微細カプセル化された微粒子相変化物質の直径;及び熱交換器を介して一定流量の液体スラリーを移動させるためのポンプ及び前記少なくとも１００Ｗ／ｃｍ２の熱容量を有する熱発生部品のための微細チャンネルの熱交換器が開示されているが、バッテリーモジュールに冷却流体の均一な温度制御のためのＰＣＭカプセルを含む構成は開始されていない。
日本特許出願公開公報２０１１−５２７７４０号（２０１１.１１.０４）では、ハウジング内のカプセルのアレイ、このカプセルのアレイは少なくとも二つの対向する熱エネルギー貯蔵材料（ＴＥＳＭ）を含有し、予定の体積を有する複数のカプセルを含有する第1のカプセル構造体を規定するための、これら各々の対面する表面の一部の上で、お互いに接触状態で結合されているフライを含有する。少なくとも一つの第１のアレイ部分及び少なくとも２つの対向するＴＥＳＭ を含有し、予定の体積を有する複数のカプセルを含有する第２のカプセル構造体を規定するための、これらの各々の対面した表面の一部の上で、お互いに接触状態で結合されているフライを含有する。少なくとも一つの第２アレイ部分を含めて、そして第1アレイコンポーネントと第２アレイコンポーネントの間の体積によって規定される流路を含め構成されて、前記第1アレイコンポーネントと、前記第２アレイコンポーネントが約２０ｍｍより小さいギャップ厚さによって分離されていて、前記デバイスがそれぞれの流路が一般的に非平面型の複数の流路を含めて構成される請求項1に記載されたデバイスを開示しているが、バッテリーモジュールに冷却流体の均一な温度制御のためのＰＣＭカプセルを含めた構成は開示されていない。
ＰＨＩＬＬＩＰＳ ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ、Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｍｉｓｓｉｌｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｒｅｃｔｏｒａｔｅ、Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｋｉｒｋｌａｎｄ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｂａｓｅ、ＮＭ ８７１１７−５７７６（１９９３.１１．３０）では，電気車に適用されたニッケル-水素電池の温度制御のためのＰＣＭ適用技術が開示されている。しかし、バッテリーモジュールのヒート・シンク冷却流体の温度制御のためのＰＣＭカプセルの構成は開示されていない。
したがって、高出力、大容量バッテリーパックを構成する広い面積のバッテリーモジュールの冷却のための適用されるヒート・シンクの冷却流体温度の不均一性を改善するためにＰＣＭを適用してバッテリーモジュール内を流動する冷却流体の温度を均一に調節することを特徴とするＰＣＭカプセルを適用したバッテリー冷却用のヒート・シンク及びこれを含むバッテリーモジュール技術は提示されたことがない。
米国特許登録公報９３１２５８０号（２０１６．０４.１２） 米国特許登録公報８１０９３２４号（２０１２.０２．０７） 日本特許出願公開公報２０１１−５２７７４０号（２０１１.１１．０４）
ＰＨＩＬＬＩＰＳ ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ、Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｍｉｓｓｉｌｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｒｅｃｔｏｒａｔｅ、Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｋｉｒｋｌａｎｄ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｂａｓｅ、ＮＭ ８７１１７−５７７６（１９９３.１１．３０）
前記のような従来の問題点を解決するための本発明の主な目的は、バッテリー冷却用のヒート・シンクの冷却流体温度が一定しない問題点をＰＣＭを適用してバッテリーモジュール内を流動する冷却流体の温度を均一に調節することを特徴とするＰＣＭカプセルを適用したバッテリー冷却用ヒート・シンク及びこれを含むバッテリーモジュールを提供することを目的とする。
また、バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールに形成された既存のヒート・シンクの内部構造を変更せず、ＰＣＭカプセルを装着して冷却流体の温度勾配を最小化することが追加的な目的である。
また、バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールに形成された既存のヒート・シンクの冷却流体の誘導に影響を及ばせずに追加冷却の性能を確保し、バッテリーモジュールが適用されたバッテリーパックの性能及び寿命を確保できる案を提供することを追加的な目的とする。
本発明は前記のような従来の問題点を解決するために案出されたものとして、一つ以上の電池からなる電池モジュール；前記電池モジュールが設置されるモジュール アセンブリー；及び前記モジュール アセンブリーは、前記電池モジュールの発熱を吸収するためのヒート・シンクを含み、前記ヒート・シンクの所定位置に冷却流体の温度制御のために形成されたＰＣＭユニット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。
また、前記ヒート・シンクは、前記冷却流体の流入又は流出のための一つ以上の開口及び流路を含むことができる。
また、前記ＰＣＭユニットは、前記のヒート・シンクの冷却流体の温度が所定の温度以上に上昇する位置に形成されてもよい。
また、前記ＰＣＭユニットが形成される位置（Ｌｐ）は、下記の式のＬが０乃至し０．５である。
Ｌｐ＝（（Ｌｏｕｔ−ＬＰＣＭ）／ Ｌｏｕｔ））
（冷却流体の流入口（Ｌｉｎ）は、流路の長さの出発点、冷却流体の流出口（Ｌｏｕｔ）は、流路の長さの終了点、流入口から前記ＰＣＭユニットが形成された長さ（ＬＰＣＭ））
また、前記ＰＣＭユニットに含まれたＰＣＭは、有機ＰＣＭ、無機ＰＣＭ及び共融ＰＣＭの中での一つ又は二つ以上のＰＣＭを含むことができる。
また、前記ＰＣＭユニットに含まれたＰＣＭの形は、前記ＰＣＭユニットを構成する材料に含浸、カプセル化及び形状安定化ＰＣＭの中での一つ又は二つ以上のＰＣＭ形態を含むことができる。
また、前記バッテリーモジュールを構成する一つ以上のセルの間に前記セルから発生する発熱を吸収できる一つ以上のＰＣＭ層を追加で含むことができる。
また、前記バッテリーモジュールを構成する一つ以上のセルの間に、前記セルから発生する発熱が、隣接したセルに伝達することを防止する一つ以上の断熱材層を追加で含むことができる。
また、前記ＰＣＭユニットに含まれるＰＣＭの含量は、前記ヒート・シンクを通過する冷却流体の平均温度の±２℃以内で満足させるように冷却流体の熱を吸収することができる。
また、前記のいずれか一つのバッテリーモジュールが適用された電子機器でもよい。
また、前記のいずれか一つのバッテリーモジュールが適用された電気自動車でもよい。
また、前記のいずれか一つのバッテリーモジュールが適用されたハイブリッド自動車でもよい。
また、前記のいずれか一つのバッテリーモジュールが適用された電力貯蔵装置でもよい。
例示的なバッテリーモジュールのヒート・シンク熱流動の解釈模式図である。 例示的なバッテリーモジュールの冷却流体による温度勾配を示す結果である。 例示的なバッテリーモジュールの冷却流路を細分化した冷却流体による温度勾配を示す結果である。 本発明の一実施例によるＰＣＭカプセルをバッテリーモジュールのヒート・シンクに反映した模式図である。 本発明の一実施例によるＰＣＭカプセルを適用したバッテリーモジュールの温度勾配を示す結果である。 本発明の一実施例によるＰＣＭカプセルの適用の有無によるバッテリーモジュールのヒート・シンクの出口温度の変化グラフである。
以下の添付された図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者が本発明を容易に行える実施例を詳しく説明する。ただし、本発明の望ましい実施例に対する動作原理を詳細に説明することにあたり、関連された公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曇らせると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面全体にわたって類似の機能や作用をする部分については同一の図面符号を使用する。 明細書全体で、ある部分が他の部分と連結されている場合、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中に他の素子を間に置いて間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むということは、特別に反対される記載がない限り、別の構成要素を除外するのではなく、異なる構成要素をさらに含めることを意味する。
本発明について図面に従い詳細に説明する。
バッテリーセル積層体はバッテリーセルが積層されたものである。バッテリーセルは限定された空間で高い積層率を提供できるように、望ましくは板状形のバッテリーセルであり、一面または両面が隣接したバッテリーセルに対面するように積層配列されてバッテリーセル積層体を形成している。
バッテリーセル積層体は図示してないが、バッテリーセル積層のための積層用フレームをさらに含んでもよい。積層用フレームはバッテリーのセルを積層するのに利用される構成として、バッテリーセルをホールディングし、その流動を防止して、相互積層できるように構成されてバッテリーセルの組み立てをガイドする。このような積層用フレームは、カートリッジなど多様な用語で代わることができ、中央部分が空いている四角リング型で構成される。この場合、バッテリーセルの外周部は積層用フレームの四つの辺に位置してもよい。
バッテリーセルは正極板、分離膜及び負極板で構成された電極組立体を有し、各バッテリーセルの正極板と負極板から突き出た多数の正極タップ及び負極タップにそれぞれ正極リード及び負極リードに電気的に接続している。ここで、バッテリーセルはパウチ型バッテリーセルでもよい。パウチ型バッテリーセルは樹脂層と金属層を含むラミネートシートの外装ケースに電極組立体を内蔵した状態で外装ケースの外周面を熱融着して密封した構造である。
バッテリーモジュールに適用された冷却システムは、複数のバッテリーモジュール、前記バッテリーモジュールから発生する熱を吸収するための前記バッテリーに設置される冷却チューブ、前記冷却チューブに流入流路を通じて冷却流体を伝える冷却流体ポンプ、前記冷却流体を貯蔵して前記冷却流体ポンプと連結される冷却流体タンク、及び前記冷却チューブで加熱された吐出流路を介して受け取って冷却させて、冷却させた冷却流体を前記冷却流体タンクに伝達するラジエーターを含む。
このように連結されたバッテリーモジュールのパッケージは、充電と放電の時、バッテリーセルから発熱現象が発生し温度が上がり、このような温度上昇はバッテリーの電気的な性能を低下させることとなる。したがって、バッテリーの適正な温度維持はバッテリーの管理において最も重要な事項の一つである。
特に、バッテリーの劣化防止及び耐久性向上を図るためには複数のバッテリーを均一な温度に維持する必要があり、複数のバッテリーの温度に差が生じると最大に劣化したバッテリーが全体の性能に影響を及ぼすことになる。しかし、従来のバッテリー冷却装置としては、前記複数のバッテリーの温度を均一に維持することが困難である。一つ以上の電池からなる電池モジュール；前記電池モジュールが設置されるモジュールアセンブリー；及び前記モジュールアセンブリーは前記電池モジュールの発熱を吸収するためのヒート・シンクを含み、前記ヒート・シンクの所定位置に冷却流体の温度制御のために形成されたＰＣＭユニット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。
また、前記ヒート・シンクは、前記冷却流体の流入又は流出のための一つ以上の開口及び流路を含むことができる。
前記冷却流体の流入又は流出のための一つ以上の開口は、その形成の個数には限定しない。
前記流入や流出のための一つ以上の開口は一つの流入口および流出口が形成されることができる。
前記流入又は流出のための一つ以上の開口は、一つの流入口について二つ以上の流出口が形成されることができ、二つ以上の流入口について一つの流出口が形成されてもよい。
前記流入口及び流出口の個数は、前記冷却流体のモジュールから放出される放熱量の吸収程度に従い、冷却流体の温度を均一に維持することができれば制限されない。
また、前記ＰＣＭ ユニットは、前記ヒート・シンクの冷却流体の温度が所定の温度以上に上昇する位置に形成されてもよい。
また、前記ＰＣＭユニットが形成される位置（Ｌｐ）は、下記の式のＬが０乃至０．５である。
Ｌｐ＝（（Ｌｏｕｔ−ＬＰＣＭ）／Ｌｏｕｔ）
（冷却流体の流入口（Ｌｉｎ）は、流路の長さの出発点、冷却流体の流出口（Ｌｏｕｔ）は、流路の長さの終了点、流入口から前記ＰＣＭユニットが形成された長さ（ＬＰＣＭ））
前記ＰＣＭユニットが形成される前記ヒート・シンクの冷却流体の温度は２０℃乃至８０℃であり、４０℃乃至６０℃であることが好ましく、４５℃乃至５５℃であることがより好ましい。
前記ヒート・シンクの冷却流体の温度が前記温度範囲から外れると、バッテリーモジュールの過熱及び温度の不均衡に起因するバッテリーの正常な運営に障害が発生する。
前記ＰＣＭユニットが形成される位置（ Ｌｐ ）は、冷却流体の流入口（Ｌｉｎ）を流路の長さの 出発点、流出口（Ｌｏｕｔ）を流路の長さの終了点、前記流入口から前記ＰＣＭユニットが形成された長さ（ Ｌｐｃｍ ）としたとき、
Ｌｐ＝（（Ｌｏｕｔ−ＬＰＣＭ）／Ｌｏｕｔ）は０乃至０.５である。望ましくは０乃至０．３であり、より望ましくは０乃至０．１である。
前記Ｌｐ値が前記範囲から外れると、前記ヒート・シンクの冷却流体の温度の均一化効果を得ることができない。
前記ＰＣＭユニットが形成される位置は、前記冷却流体の流出口側のヒート・シンク内の溶接ビードに形成されることができる。
前記ヒート・シンクの冷却流体の温度を均一化してバッテリーモジュールの冷却効果を極大化することができれば、前記ＰＣＭユニットの位置は制限しない。
また、前記ＰＣＭユニットに含まれたＰＣＭは、有機ＰＣＭ、無機ＰＣＭ及び共融ＰＣＭの中での一つ又は二つ以上のＰＣＭを含むことができる。
前記有機ＰＣＭはＰａｒａｆｆｉｎ Ｃ１６−Ｃ１８、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ６００、Ｐａｒａｆｆｉｎ ｗａｘ、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｃ１６−Ｃ２８、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｃ２０−Ｃ３３、 Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｃ１３−Ｃ２４、１−Ｄｏｄｅｃａｎｏｌ、１−Ｔｅｔｒａｄｅｃａｎｏｌ、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｃ１８、Ｖｉｎｙｌ ｓｔｅａｒａｔｅの中での一つ又は二つ以上である。
前記無機ＰＣＭはＣａＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、ＫＦ・４Ｈ２Ｏ、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３・５Ｈ２Ｏ、Ｎａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏ、Ｍｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、ＬｉＮＯ３・３Ｈ２Ｏ、Ｎａ（ＣＨ３ＣＯＯ）・３Ｈ２Ｏの中での一つ又は二つ以上である。
前記共融ＰＣＭは４７％Ｃａ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ＋３３％Ｍｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、３７．５％Ｕｒｅａ＋６３．５％ａｃｅｔａｍｉｄｅ、４８％ＣａＣｌ２＋４.３％ＮａＣｌ＋０.４％ＫＣｌ＋４７．３％Ｈ２Ｏ、６６.６％ＣａＣｌ２・６Ｈ２Ｏ＋３３.３％ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、６０％Ｎａ（ＣＨ３ＣＯＯ）・３Ｈ２Ｏ＋４０％ＣＯ（ＮＨ２）、６１.５％ Ｍｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ＋３８.５％ＮＨ４ＮＯ３、５８.７％ Ｍｇ（ＮＯ３）・６Ｈ２Ｏ＋４１.３％ ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、６７．１％Ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ＋３２．９％ｂｅｎｚｏｉｃ ａｃｉｄの中での一つ又は二つ以上である。
また、前記ＰＣＭユニットに含まれたＰＣＭの形は、前記ＰＣＭユニットを構成する材料に含浸、カプセル化及び形状安定化ＰＣＭの中での一つまたは二つ以上のＰＣＭ形態を含むことができる。
前記ＰＣＭユニットを構成する材料に含浸することは、前記ＰＣＭユニットを構成する材料にホールまたは気孔に前記ＰＣＭを投入することによって達成できる。
前記ＰＣＭユニットの材料はホールが形成されるか、多孔性を持つことが可能であれば、制限しない。好ましくは微細ホールが形成された金属または樹脂体である。より好ましくは多孔性セラミックである。
前記ＰＣＭユニットにＰＣＭをカプセル化することは、ゼラチンとアラビックゴムのコアセルベイション反応を利用したカプセル化、ココ脂肪酸（Ｃｏｃｏ ｆａｔｔｙ ａｃｉｄ）とＰＣＭを利用したカプセル化、ｎ−ｈｅｘａｄｅｃａｎｅとＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈ ａｃｒｙｌａｔｅ）を利用したカプセル化、アクリルゴム（Ａｃｒｙｌｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ）によるＰＥＧ（Ｐｏｌｙ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）のカプセル化、ポリビニルアセテート（Ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）とテトラデカン（Ｔｅｔｒａｄｅｃａｎｅ）を利用したカプセル化のいずれかの方法を利用したカプセル化を適用することができる。
形状安定化ＰＣＭ（Ｓｈａｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＰＣＭ、ＳＳＰＣＭ）は、液状のＰＣＭと支持材料の混合で形成することができる。形状安定化ＰＣＭはマクロカプセル化といえる。５０重量部のオクタデカン（Ｏｃｔａｄｅｃａｎｅ）と５０重量部のＨＤＰＥ（Ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｏｌｙ ｅｔｈｙｌｅｎｅ）を混ぜた後、クロム酸（Ｃｈｒｏｍｉｃ ａｃｉｄ）処理して添加剤を入れた後、熱処理して形成することができる。
また、前記バッテリーモジュールを構成する一つ以上のセルの間に前記セルから発生する発熱を吸収できる一つ以上のＰＣＭ層を追加で含むことができる。
また、前記バッテリーモジュールを構成する一つ以上のセルの間に、前記セルから発生する発熱が、隣接したセルに伝達することを防止する一つ以上の断熱材層を追加で含むことができる。
ＰＣＭ層はほとんど２ミリメートル以下、又はセルの厚さと同一である。
前記断熱材層を構成する材料は、ガラス、鉱物、炭素質のような無機質断熱材又は発泡ポリスチレン、発泡ポリウレタン、発泡塩化ビニールのような有機質断熱材である。
また、前記ＰＣＭユニットに含まれるＰＣＭの含量は、前記ヒート・シンクを通過する冷却流体の平均温度の±２℃以内で満足させるように冷却流体の熱を吸収することができる。
(実施例)
バッテリーモジュールのＰＣＭを適用したヒート・シンクの冷却効果を分析するために、ＰＣＭの適用によるバッテリーモジュールのヒート・シンク温度変化を比較した。比較例と実施例は、両方同一の容量及びサイズのバッテリーモジュールを対象としたが、バッテリーモジュールのヒート・シンクにＰＣＭを適用した部分のみ異なる。ヒート・シンクの流入口へ流入される冷却流体の温度は２０±５℃に設定し、ＰＣＭの適用によるヒート・シンク流出口の温度とバッテリーモジュールの全体の温度勾配を比較した。
(比較例１)
図１は、例示的なバッテリーモジュールのヒート・シンク熱流動の解釈模式図である。
複数のバッテリーモジュールが積層されたバッテリーパック及びバッテリーモジュールの冷却のために形成された冷却流体が、冷却流路を沿ってバッテリーモジュールを形成した複数のバッテリーと熱交換するためのヒート・シンクを模写した。
図２は、例示的なバッテリーモジュールの冷却流体による温度勾配を示す結果である。
ＰＣＭが適用されてないバッテリーモジュールの温度勾配を見ると、ヒート・シンクの出口側に冷却流体が移動するに従いバッテリーモジュールの発熱量を吸収して、ヒート・シンク内に冷却流体の温度が上昇することが確認できる。このような現象によって、バッテリーモジュール間の温度の不均衡が発生し、バッテリーモジュールを構成するバッテリー性能と寿命が低下する問題点がある。
(比較例２)
図３は、例示的なバッテリーモジュールの冷却流路を細分化した冷却流体による温度勾配を示す結果である。
ＰＣＭを適用せず、ヒート・シンクの冷却流路を細分化して設計した比較例である。前記の単純冷却流路で構成されたヒート・シンクの入口及び出口の温度差を抑えるために、バッテリーモジュール上の冷却流路を細分化して実験を実施した。前記比較例1と比較すると、ヒート・シンクの入口及び出口の温度差が減少したことが確認できる。しかし、冷却流路を細分化して設計するほどヒート・シンクの冷却流体の差圧が発生する問題点が確認された。このような冷却水差圧とバッテリーの温度差の問題を克服する案が要求された。
(実施例)
図４は、本発明の一実施例によるＰＣＭカプセルをバッテリーモジュールのヒート・シンクに反映した模式図である。
バッテリーモジュール、ＴＩＭ、ヒート・シンクに構成された冷却流路に温度による相変化の特性を持つＰＣＭカプセルをヒットシンク上に適用した。ヒート・シンクの出口側の温度に対する影響を抑えるために、出口側のバッテリーモジュールにＰＣＭカプセルを適用した。バッテリーモジュールの適正温度の３０〜４０℃の相変化の温度を持つＰＣＭを適用した。
図５は、本発明の一実施例によるＰＣＭカプセルを適用したバッテリーモジュールの温度勾配を示す結果である。
ＰＣＭカプセルの適用可否によるバッテリーモジュールの温度勾配を見ると、ヒート・シンク冷却流体の入口及び出口の温度差が明確に減少したことが確認できる。出口側のヒート・シンクの中のＰＣＭカプセルを含めて冷却水の温度を均一に維持することと判断される。このことから複数のバッテリーモジュールで構成されたバッテリーパック全体の温度を均一に冷却できると考える。
図６は本発明の一実施例によるＰＣＭカプセルの適用の有無によるバッテリーモジュールのヒート・シンクの出口温度の変化グラフである。
前記実施例を具体的に確認するため、バッテリーパックを構成するバッテリーモジュールのヒート・シンク冷却流体温度を測定した。Ｘ軸の番号はヒート・シンク出口側から形成されたバッテリーモジュールを番号順に付与したものである。青色はＰＣＭモジュールが適用されてないヒート・シンクを含むバッテリーモジュールの温度変化を示し、赤色はＰＣＭモジュールが適用されたヒート・シンクを含むバッテリーモジュールの温度変化を示す。バッテリーモジュールの１番から１０番まで進行すると、バッテリーモジュールの温度が増加することが確認でき、バッテリーモジュールの１番から５番までのヒート・シンク冷却流体の流入口側のバッテリーモジュールの温度は一定であるが、５番から１０番までのヒート・シンク冷却流体の流出側のバッテリーモジュールの温度変化はＰＣＭの適用有無によって、バッテリーの適正駆動温度の３７℃を基準に、１３℃から４℃で温度差が減少し、バッテリーモジュール間の温度差が均一になることが確認できる。
以上で、本発明は記載された実施例を参照して詳しく説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者なら上記に説明した技術的思想を超えない範囲内で様々な置換、付加および変形が可能であることは当然で、このような変形された実施形態も添付した特許請求の範囲によって定められる本発明の保護範囲に属するものと理解されるべきである。
本発明によるＰＣＭカプセルを適用したバッテリー冷却用のヒート・シンク及びこれを含むバッテリーモジュールによると、バッテリーモジュールに形成されたヒート・シンクの冷却流体の温度差を最小化できる効果がある。
また、本発明は冷却流体が排出される流出口側の温度が高くなることを防止する効果がある。
また、本発明はバッテリーモジュールに形成された既存のヒート・シンクの内部構造を変更せずに、冷却流体の温度勾配を最小化し、バッテリーモジュール設計費用及び製作費用を削減できる効果がある。
また、本発明はバッテリーモジュールの充電と放電の時、セル間の温度偏差を最小化し、局部発熱を減少させ、バッテリーの性能及び寿命を向上させる効果がある。
１００：バッテリーモジュール
２００：ヒート・シンク
２１０：冷却流体流入口
２２０：冷却流体流出口
２３０：冷却流体流路
３００：ＴＩＭ

Claims (13)

  1. 一つ以上の電池からなる電池モジュール、
    前記電池モジュールが設置されるモジュールアセンブリー 及び
    前記モジュールアセンブリーは、前記電池モジュールの発熱を吸収するためのヒート・シンクを含み、
    前記ヒート・シンクの所定位置に冷却流体の温度制御のために形成されたＰＣＭユニットを含むことを特徴とするバッテリーモジュール。
  2. 前記ヒート・シンクは、前記冷却流体の流入又は流出のための一つ以上の開口及び流路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。
  3. 前記ＰＣＭ ユニットは、前記ヒート・シンクの冷却流体の温度が所定の温度以上に上昇する位置に形成さ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。
  4. 前記ＰＣＭユニットが形成される位置（Ｌｐ）は、下記の式のＬが０乃至０．５であることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリーモジュール。
    Ｌｐ＝（（Ｌｏｕｔ−ＬＰＣＭ）／Ｌｏｕｔ）
    （冷却流体の流入口（Ｌｉｎ）は、流路の長さの出発点、冷却流体の流出口（Ｌｏｕｔ）は、流路の長さの終了点、流入口から前記ＰＣＭユニットが形成された長さ（ＬＰＣＭ））
  5. 前記ＰＣＭユニットに含まれたＰＣＭは、有機ＰＣＭ、無機ＰＣＭ及び共融ＰＣＭの中での一つ又は二つ以上のＰＣＭ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。
  6. 前記ＰＣＭユニットに含まれたＰＣＭの形は、前記ＰＣＭユニットを構成する材料に含浸、カプセル化及び形状安定化ＰＣＭの中での一つまたは二つ以上のＰＣＭ形態を含むことを特徴とする、請求項５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を構成する一つ以上のセルの間に前記セルから発生する発熱を吸収できる一つ以上のＰＣＭ層を追加で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。
  8. 前記バッテリーモジュールを構成する一つ以上のセルの間に、前記セルから発生する発熱が、隣接したセルに伝達することを防止する一つ以上の断熱材層を追加で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. 前記ＰＣＭユニットに含まれるＰＣＭの含量は、前記ヒート・シンクを通過する冷却流体の平均温度の±２℃以内で満足させるように冷却流体の熱を吸収できることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールが適用されていることを特徴とする、電子機器。
  11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールが適用されていることを特徴とする、電気自動車。
  12. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールが適用されていることを特徴とする、ハイブリッド自動車。
  13. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールが適用されていることを特徴とする、電力貯蔵装置。
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