JP2022536834A - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

電池モジュールおよびそれを含む電池パック Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、および前記モジュールフレームの下側に形成されて前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクを含み、前記ヒートシンクは、下部プレートおよび冷媒の流動経路である流路部を含み、前記流路部の表面には、ディンプル部が形成される。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年４月２２日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４８６５０号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関し、より詳細には冷却性能を向上させる電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関する。
二次電池はモバイル機器および電気自動車などの多様な製品群においてエネルギ源として多くの関心を集めている。このような二次電池は化石燃料を使用する既存製品の使用を代替できる有力なエネルギ資源であって、エネルギ使用に伴う副産物が発生しないため環境に優しいエネルギ源として脚光を浴びている。
最近、二次電池のエネルギ貯蔵源としての活用をはじめとして大容量二次電池の構造に対する必要性が高まるにつれ、多数の二次電池が直列／並列に連結された電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。
一方、複数の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、電池セルからなる電池モジュールを構成し、このような少なくとも一つの電池モジュールを用いてその他の構成要素を追加して電池パックを構成する方法が一般的である。
このような電池モジュールは複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、電池セル積層体を収容するモジュールフレームおよび複数の電池セルを冷却させるヒートシンクを含む。
図１は従来のヒートシンクと結合された電池モジュールを示す図である。図２は図１のヒートシンクの流路構造を示す平面図である。図３は図２の流路構造に冷媒が流動する姿を示す図である。
図１ないし図３を参照すると、従来の電池モジュールは、複数の電池セル１０が積層形成された電池セル積層体、電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、前記モジュールフレームの底部２０と前記電池セル積層体の間に位置する熱伝導性樹脂層１５を含む。このような電池モジュールは、モジュールフレームの底部２０の下に形成されて複数の電池セル１０に冷却能を提供するヒートシンク３０と結合して電池パックを形成する。この時、ヒートシンク３０は、冷媒が流入するインレット３２、冷媒が流出するアウトレット３３、インレット３２とアウトレット３３を連結する冷却流路３４が形成された冷却プレート３１、および冷却プレート３１を覆う上部プレート２９を含む。ここで、電池モジュールの底部２０とヒートシンク３０との間に熱伝導層１８がさらに形成されてもよい。
従来には、電池モジュールおよび／または電池パックの冷却性能を向上させるために電池パック単位で別途の冷却構造、例えばヒートシンクを必要とする。したがって、冷却構造が複雑になる傾向があった。また、ヒートシンクの内部はモジュールフレームの下面部をカバーするために図２に示すようにベンディングされた流路構造を採用したが、図３に示すように、ベンディングされた流路のコーナーの部分では冷媒の循環がスムーズに行われず流路の他の部分と温度偏差が発生し得る。流路上で温度偏差が発生する場合、電池セル積層体の冷却が均一に行われないため電池モジュールの全般的な冷却性能が低下する恐れがある。
本発明が解決しようとする課題は、冷却性能を向上させる電池モジュールおよび電池パックを提供することにある。
本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解されることができる。
前記課題を実現するための本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、および前記モジュールフレームの下側に形成されて前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクを含み、前記ヒートシンクは、下部プレートおよび冷媒の流動経路である流路部を含み、前記流路部の表面には、ディンプル部が形成される。
前記ディンプル部は、前記流路部の表面で上側に膨らむように形成された複数のディンプルで形成され得る。
前記複数のディンプルは、互いに離隔するように形成され得る。
前記ヒートシンクは、前記冷媒が流入するインレットと前記冷媒が流出するアウトレットをさらに含み、前記ディンプル部は前記インレットおよび前記アウトレットと離隔するように形成され得る。
前記流路部は、前記流路部が形成された方向に沿って前記流路部の内部に形成された隔壁をさらに含み得る。
前記ディンプル部は、前記隔壁と前記流路部の両側壁との間に形成され得る。
前記ヒートシンクは、前記冷媒が流入するインレットと前記冷媒が流出するアウトレットをさらに含み、前記隔壁の開始部分は、前記インレットで離隔して形成され、前記ディンプル部は、前記インレットと離隔するように前記隔壁の開始部分から前記流路部が形成された方向に沿って形成され得る。
前記隔壁の終了部分は、前記アウトレットで離隔して形成され、前記ディンプル部は、前記アウトレットと離隔するように前記隔壁の開始部分から前記隔壁の終了部分まで形成され得る。
前記流路部は、前記下部プレートで下側に陥没形成された構造で形成され、前記流路部の上側は、前記モジュールフレームの底部によってカバーされ、前記流路部と前記モジュールフレームの底部との間の空間に冷媒が流動し得る。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、前記電池モジュールを含む。
本発明の実施形態によれば、流路の表面にディンプル部が形成されて冷媒の熱抵抗を減少させて冷媒の温度偏差を減少させ、電池モジュールの冷却性能を向上させることができる。
また、モジュールフレームとヒートシンクを一体化した冷却構造により冷却構造の単純化を実現することができる。
本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されることができる。
従来のヒートシンクと結合された電池モジュールを示す図である。 図１のヒートシンクの流路構造を示す平面図である。 図２の流路構造に冷媒が流動する姿を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。 図４の電池モジュールの構成が組み立てられた姿を示す図である。 図５で組み立てられた電池モジュールを下側部分に形成されたヒートシンクを中心に見た図である。 図６のヒートシンクを水平方向に切断してＡ－Ａ方向に見たヒートシンクを示す断面図である。 図７のヒートシンクに冷媒が流れる姿を示す図である。 図７のヒートシンクの変形例を示す図である。 図７のヒートシンクの変形例であり、流路に隔壁が形成された姿を示す図である。
以下で説明する実施形態は発明の理解を深めるために例示的に示すものであり、本発明はここで説明される実施形態とは異に多様に変形して実施できることを理解しなければならない。ただし、本発明を説明するにあたり関連する公知機能あるいは構成要素に係る具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付する図面は発明の理解を深めるために実際の縮尺のとおり示されたものでなく、一部の構成要素の寸法を誇張して示す場合もある。
本出願で使用される第１、第２の用語は多様な構成要素を説明するために使用され得るが、構成要素は用語によって限定されるべきではない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使用される。
また、本出願で使用される用語は単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであり、権利範囲を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を示さない限り、複数の表現を含む。本出願で「含む」、「からなる」または「構成される」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものが存在することを指定するためであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものなどの存在または付加の可能性をあらかじめ排除しないものとして理解されなければならない。
以下、図４および図５を参照して、本発明の一実施形態による電池モジュールの構成について説明する。
図４は本発明の一実施形態による電池モジュールの分解斜視図である。図５は図４の電池モジュールの構成が組み立てられた姿を示す図である。
図４および図５を参照すると、本発明の一実施形態による電池モジュール２００は、複数の電池セルが積層された電池セル積層体１００、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２０５およびモジュールフレーム２０５の下側に形成されて複数の電池セルを冷却させるヒートシンク（Ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）３００を含む。
本実施形態による電池セルは二次電池として、パウチ型二次電池で構成されることができる。このような電池セルは複数で構成され得、複数の電池セルは相互電気的に接続されるように相互積層されて電池セル積層体１００を形成することができる。複数の電池セルはそれぞれ電極組立体、セルケースおよび電極組立体から突出した電極リードを含み得る。
モジュールフレーム２０５は電池セル積層体１００を収容する。本発明の一実施形態によれば、モジュールフレーム２０５は電池セル積層体１００の下面および両側面をカバーする下部フレーム２１０、電池セル積層体１００の上面をカバーする上部プレート２２０を含み得る。ただし、モジュールフレーム２０５の構造はこれに制限されず、電池セル積層体１００の前後面を除いて４面で囲むモノフレーム形態であり得る。
本実施形態による電池モジュール２００は、電池セル積層体１００の前後面をカバーするエンドプレート２３０をさらに含み得る。前述したモジュールフレーム２０５により内部に収容された電池セル積層体１００を物理的に保護することができる。
ヒートシンク３００はモジュールフレーム２０５の下部に形成される。ヒートシンク３００は、ヒートシンク３００の骨格を形成してモジュールフレーム２０５の底部と接触する冷却プレート３１０、ヒートシンク３００の一側に形成されて外部からヒートシンク３００の内部に冷媒を供給するインレット３２０、ヒートシンクの一側に形成されてヒートシンクの内部で流動された冷媒がヒートシンクの外部に流出するようにするアウトレット３３０、及び、インレット３２０とアウトレット３３０とを連結して冷媒が流動する流路部３４０を含み得る。
具体的には、流路部３４０はモジュールフレーム２０５の底部に該当する下部フレーム２１０の下面と接触する冷却プレート３１０が下側に陥没形成された構造を指す。流路部３４０の上側は開放されることによって流路部３４０とモジュールフレーム２０５の底部との間に流路が形成され、前記流路を介して冷媒が流動することができる。すなわち、本実施形態による電池モジュール２００は、モジュールフレーム２０５の底部がヒートシンク３００の上部プレートに対応する役割をする冷却一体型構造を有することができる。
従来にはモジュールフレームの下側に冷媒が流れる構造が別に形成されており、モジュールフレームを間接的に冷却するしかないので、冷却効率が低下し、別途の冷媒流動構造が形成されており、電池モジュールおよび電池モジュールが取り付けられた電池パック上の空間活用率が低くなる問題があった。しかし、本発明の一実施形態によれば、モジュールフレーム２０５の下部にヒートシンク３００を一体化させた構造を採用し、流路部３４０とモジュールフレーム２０５の底部との間に冷媒が直接流動できるようにすることによって、直接冷却による冷却効率が上昇し、ヒートシンク３００がモジュールフレーム２０５の底部と一体化した構造により電池モジュールおよび電池モジュールが取り付けられた電池パック上の空間活用率をより向上させることができる。
流路部３４０の表面にはディンプル部３５０が形成される。従来の平らな表面を有する流路部の構造上では、曲がった流路のコーナーの部分や流路の両終端部など流動に急激な変化が発生する部分で温度偏差が発生して該当部分で電池モジュールの冷却が円滑に行われない問題があった。また、電池セル積層体で積層されている電池セルの個数が従来に比べて多く増える大面積電池モジュールの場合、流路の幅がさらに広く形成されることができ、温度偏差がより激しい。
そのため、本発明の一実施形態によれば、流路部３４０の表面にディンプル部３５０を形成することによって、冷媒の流動速度を調節して流路部３４０のすべての部分で均一に冷却をさせることができる。したがって、最大上昇温度を下降させることができ、流路部分間の冷却温度の偏差を最小化させることができ、熱抵抗を改善することができるため、全般的な電池モジュールおよびそれを含む電池パックの冷却性能が向上することができる。このような温度偏差の減少および冷却性能の向上効果は、本発明の一実施形態として、流路の幅がさらに広く形成される大面積電池モジュールでより有効に奏される。
以下、図６ないし図９を参照して、本発明の実施形態によるディンプル部が形成されたヒートシンク構造についてより詳細に説明する。
図６は図５で組み立てられた電池モジュールを下側部分に形成されたヒートシンクを中心に見た図である。図７は図６のヒートシンクを水平方向に切断してＡ－Ａ方向に見たヒートシンクを示す断面図である。図８は図７のヒートシンクに冷媒が流れる姿を示す図である。図９は図７のヒートシンクの変形例を示す図である。
図６ないし図８を参照すると、本発明の一実施形態によるヒートシンク３００で、冷却プレート３１０はモジュールフレーム２０５の底部と対応するように形成される。モジュールフレーム２０５の底部は下部フレーム２１０の底部に該当し、冷却プレート３１０と下部フレーム２１０の底部とは溶接で結合でき、冷却プレート３１０により電池モジュール全体の剛性を補強することができる。冷却プレート３１０と下部フレーム２１０の底部とは溶接結合により密封されることによって、冷却プレート３１０の内側に形成された流路部３４０で冷媒が漏出することなく流動することができる。
インレット３２０とアウトレット３３０とはいずれもヒートシンク３００の一辺に形成される。より詳細には、インレット３２０とアウトレット３３０とはいずれもエンドプレート２３０が位置した部分に形成されたヒートシンク３００の一辺に形成される。インレット３２０とアウトレット３３０とはヒートシンク３００の一辺の両端にそれぞれ位置する。ヒートシンク３００の下側または上側には冷媒供給部および冷媒排出部が形成され、冷媒供給部を介して供給された冷媒がインレット３２０に流入し、アウトレット３３０を介して流出した冷媒は冷媒排出部を介して外部に排出される。
流路部３４０は冷媒が流れる方向に沿って屈曲することによりモジュールフレーム２０５の底部をカバーするように形成される。流路部３４０はモジュールフレーム２０５の底部の冷却プレート３１０がモジュールフレーム２０５の底部と接触した部分を除いた大部分の領域に形成される。したがって、モジュールフレーム２０５の底部の上側でモジュールフレーム２０５の底部の大部分の面積を占めるように配置された電池セル積層体１００のすべての部分が均一に冷却されるようにすることができる。
ディンプル部３５０は流路部３４０の表面で上側に膨らんで半球形に形成された複数のディンプルで形成される。すなわち、電池モジュールを下から上に見るとき、ヒートシンク３００の下部面が凹んだ形状であり得る。複数の前記ディンプルは互いに離隔するように形成される。したがって、図８に示すように、冷媒が複数のディンプルで形成されたディンプル部３５０の間を通過することにより流動が均一に形成されて最大冷却温度、温度偏差、熱抵抗などの冷却性能の指標が改善されることができる。ディンプル部３５０はインレット３２０およびアウトレット３３０と離隔するように形成されることができる。
ディンプル部３５０は図９に示された構造を含んで多様な形態に変形されたディンプル部の構造を有するヒートシンクを実現することができる。
以下、図６および図１０を参照して、本発明の変形された実施形態による隔壁構造が形成されたヒートシンクについて説明する。
図１０は図７のヒートシンクの変形例であり、流路に隔壁が形成された姿を示す図である。
本実施形態によれば、流路部３４０の内部には流路部３４０が形成された方向に沿って隔壁３６０が形成される。本実施形態による隔壁３６０は流路部３４０の流路長さの変更なく流路部３４０の幅を縮小させて圧力降下を最小化し、同時に流路幅間の温度偏差を減らすことができる。隔壁３６０の上端と冷却プレート３１０の上端とはモジュールフレーム２０５の下面と溶接などの方法によって結合される。
隔壁３６０により、流動する冷媒の圧力降下および温度偏差を最小化できるだけでなく、冷却プレート３１０の他に隔壁３６０もモジュールフレーム２０５の底部と結合してモジュールフレーム２０５およびモジュールフレーム２０５に収容された電池セル積層体の荷重を支持し、電池モジュールの剛性を補強する効果を有することができる。
隔壁３６０は流路部３４０の中央部分に沿ってインレット３２０からアウトレット３３０まで延長形成され得る。これによりインレット３２０に流入した冷媒は隔壁３６０に沿ってアウトレット３３０まで案内される。
隔壁３６０の開始点はインレット３２０で離隔して形成され、インレット３２０を介して流入した冷媒は隔壁３６０の開始点から隔壁３６０により形成された第１流路部３４１および第２流路部３４２に区別されて流れる。この時、第１流路部３４１および第２流路部３４２の幅は同一に形成され、第１流路部３４１および第２流路部３４２の幅はインレット３２０からアウトレット３３０まで一定に形成される。したがって、第１，２流路部３４１，３４２のいずれか一方に流動が偏らず、第１，２流路部３４１，３４２のいずれか一つの流路部の幅がさらに広いことにより発生し得る流路部ごとの温度偏差の差を最小化することができる。また、流路部３４０の幅が一定に形成されて幅が広くなったり減るときに発生し得る圧力降下および温度偏差の発生の可能性を最小化することができる。
ディンプル部３５０は隔壁３６０と流路部３４０の両側壁との間に形成される。すなわち、第１流路部３４１及び第２流路部３４２の表面にディンプル部３５０が形成される。隔壁３６０の開始部分はインレット３２０で離隔して形成され、ディンプル部３５０はインレット３２０と離隔するように隔壁３６０の開始部分から流路部３４０が形成された方向に沿って形成されることができる。また、隔壁３６０の終了部分はアウトレット３３０で離隔して形成され、ディンプル部３５０はアウトレット３３０と離隔するように隔壁３６０の開始部分から隔壁３６０の終了部分まで形成されることができる。隔壁３６０に区分された第１，２流路部３４１，３４２それぞれにディンプル部３５０が形成されることにより第１，２流路部３４１，３４２での温度偏差を改善して冷却性能を向上させることができる。
前述した電池モジュールは電池パックに含まれ得る。電池パックは、本実施形態による電池モジュールを一つ以上集めて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）と冷却装置などを追加してパッキングした構造であり得る。
前記電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの搬送手段に適用できるが、本発明はこれに制限されず電池モジュールを使用できる多様なデバイスに適用することが可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。
以上、本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱す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有する者によって多様な変形実施が可能であることはもちろんであり、このような変形実施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ならない。
２０５ モジュールフレーム
２１０ 下部フレーム
２２０ 上部プレート
２３０ エンドプレート
３００ ヒートシンク
３１０ 冷却プレート
３２０ インレット
３３０ アウトレット
３４０ 流路部
３４１ 第１流路部
３４２ 第２流路部
３５０ ディンプル部
３６０ 隔壁

Claims (10)

  1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体、
    前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、および
    前記モジュールフレームの下側に形成されて前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクを含み、
    前記ヒートシンクは、下部プレートおよび冷媒の流動経路である流路部を含み、
    前記流路部の表面には、ディンプル部が形成された、電池モジュール。
  2. 前記ディンプル部は、前記流路部の表面で上側に膨らむように形成された複数のディンプルで形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記複数のディンプルは、互いに離隔するように形成される、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記ヒートシンクは、前記冷媒が流入するインレットと前記冷媒が流出するアウトレットとをさらに含み、
    前記ディンプル部は、前記インレットおよび前記アウトレットと離隔するように形成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  5. 前記流路部は、前記流路部が形成された方向に沿って前記流路部の内部に形成された隔壁をさらに含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記ディンプル部は、前記隔壁と前記流路部の両側壁との間に形成される、請求項５に記載の電池モジュール。
  7. 前記ヒートシンクは、前記冷媒が流入するインレットと前記冷媒が流出するアウトレットとをさらに含み、
    前記隔壁の開始部分は、前記インレットで離隔して形成され、
    前記ディンプル部は、前記インレットと離隔するように前記隔壁の開始部分から前記流路部が形成された方向に沿って形成される、請求項５又は６に記載の電池モジュール。
  8. 前記隔壁の終了部分は、前記アウトレットで離隔して形成され、
    前記ディンプル部は、前記アウトレットと離隔するように前記隔壁の開始部分から前記隔壁の終了部分まで形成される、請求項７に記載の電池モジュール。
  9. 前記流路部は、前記下部プレートで下側に陥没形成された構造で形成され、
    前記流路部の上側は前記モジュールフレームの底部によってカバーされ、
    前記流路部と前記モジュールフレームの底部との間の空間に冷媒が流動する、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 請求項１～９のいずれか一項による電池モジュールを含む、電池パック。
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