JP2022550024A - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

電池モジュールおよびこれを含む電池パック Download PDF

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Abstract

本発明の一実施例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と、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、前記モジュールフレームの底部下側に形成されて、前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクとを含み、前記ヒートシンクは、下部プレートと、冷媒の流動経路を形成する隔壁部とを含み、前記隔壁部は、形状記憶合金で形成され、温度に応じて前記隔壁部の形態が変形することによって、前記冷媒の流動を変更する。

Description

［関連出願との相互参照］
本出願は、２０２０年８月２４日付の韓国特許出願第１０－２０２０－０１０６３３２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これを含む電池パックに関し、より詳しくは、冷却性能を向上させる電池モジュールおよびこ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ー源として大いなる関心を受けている。このような二次電池は、化石燃料を使用する既存の製品の使用を代替できる有力なエネルギー資源であって、エネルギーの使用による副産物が発生せず、環境にやさしいエネルギー源として注目されている。
最近、二次電池のエネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量の二次電池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１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と、電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、複数の電池セルを冷却させるヒートシンクとを含む。
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１を参照すれば、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と、電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、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との間に位置する熱伝導性樹脂層１５とを含む。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に冷却機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とができる。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がさらに形成される。この時、ヒートシンクは、下部プレート３１および上部プレート２９を含み、下部プレート３１と上部プレート２９との間に冷媒が流動することができる。
従来は、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り、冷媒と電池セル積層体との間が上部プレート２９、モジュールフレームの底部２０などからなる多層構造に形成されることによって、電池セルを間接的に冷却するしかないという限界があった。
本発明の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である。
本発明の課題は上記の課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
上記の課題を実現するための、本発明の一実施例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と、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、前記モジュールフレームの底部下側に形成されて、前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクとを含み、前記ヒートシンクは、下部プレートと、冷媒の流動経路を形成する隔壁部とを含み、前記隔壁部は、形状記憶合金で形成され、温度に応じて前記隔壁部の形態が変形することによって、前記冷媒の流動を変更する。
最高温度が形成された部分において、前記隔壁部は、前記冷媒の流動経路上に複数の突出部が追加的に形成されるように変形できる。
前記隔壁部は、前記冷媒の流動方向に向かって斜め方向に突出する複数の突出部が追加的に形成されるように変形できる。
前記複数の突出部は、前記冷媒の流動経路の両側に交互に配置される。
最低温度が形成された部分において、前記隔壁部は、前記最低温度が形成される部分に形成された冷媒の流動経路が迂回経路となるように、近道経路が新設されるように変形できる。
前記隔壁部は、前記近道経路上に形成された隔壁部分が分離されるように変形することによって、前記近道経路が新設される。
分離された前記隔壁部分は、前記近道経路に向かって曲線形態に曲がり分離される。
前記近道経路は、前記迂回経路よりも短い経路であってもよい。
前記ヒートシンクは、冷媒が流入するインレットと、冷媒が排出されるアウトレットとを含み、前記インレットと前記アウトレットは、前記ヒートシンクの一部分に共に形成される。
本発明の他の実施例による電池パックは、前記電池モジュールを含む。
本発明の実施例によれば、温度に応じて冷媒の流動経路を変更して温度偏差を減少させることによって、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と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。
本発明の効果は上記の効果に制限されず、言及されていないさらに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であろう。
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。 本発明の一実施例による電池モジュールの分解斜視図である。 図２の電池モジュールの構成が組立てられた様子を示す図である。 本発明の一実施例による隔壁部が最高温度部で変形した様子を示す図である。 本発明の一実施例による隔壁部が最低温度部で変形した様子を示す図である。
以下に説明される実施例は発明の理解のために例として示したものであり、本発明は、ここで説明される実施例と異なって多様に変形して実施できることが理解されなければならない。ただし、本発明を説明するにあたり、かかる公知の機能あるいは構成要素に関する具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにしうると判断された場合、その詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付した図面は発明の理解のために実際に縮尺通りに示されたものではなく、一部の構成要素の寸法が誇張されて示される。
本出願で使用される第１、第２という用語は多様な構成要素を説明するのに使用できるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。
また、本出願で使用される用語は単に特定の実施例を説明するために使用されたもので、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、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」、「なる」または「構成される」などの用語は、明細書上記載された特徴、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しようとするものであって、１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の存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。
以下、図２および図３を参照して、本発明の一実施例による電池モジュールの構成について説明する。
図２は、本発明の一実施例による電池モジュールの分解斜視図である。図３は、図２の電池モジュールの構成が組立てられた様子を示す図である。
図２および図３を参照すれば、本発明の一実施例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１００と、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２００と、モジュールフレーム２００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）５００とを含む。
本実施例による電池セルは二次電池であって、パウチ型二次電池で構成される。このような電池セルは複数構成され、複数の電池セルは、相互電気的に連結でき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、電極組立体と、セルケースと、電極組立体から突出した電極リードとを含むことができる。
モジュールフレーム２００は、電池セル積層体１００を収容する。本実施例によれば、モジュールフレーム２００は、底部２１０および両側面部２２０を含み、電池セル積層体１００の両側面および底面をカバーすることができる。電池セル積層体１００の上側面には上部プレート３００が形成されて、電池セル積層体１００の上面部をカバーすることができる。
電池セル積層体１００の前後面にはエンドプレート４００が形成される。エンドプレート４００は、電池セル積層体１００の前後面をカバーすることができる。モジュールフレーム２００、上部プレート３００およびエンドプレート４００は、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５００は、モジュールフレーム２００の下部に形成される。ヒートシンク５００は、ヒートシンク５００の骨格を形成し、モジュールフレーム２００の底部２１０と接触する下部プレート５１０と、ヒートシンク５００の一側に形成されて、外部からヒートシンク５００の内部に冷媒を供給するインレット５３０と、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し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５４０と、インレット５３０とアウトレット５４０とを連結し、冷媒の流動経路を形成する隔壁部５２０とを含むことができる。この時、インレット５３０とアウトレット５４０は、ヒートシンク５００の一部分に共に形成される。
具体的には、冷媒が流動する流路は、下部プレート５１０と、下部プレート５１０の上側に形成されたモジュールフレームの底部２１０と、モジュールフレームの底部２１０と下部プレート５１０との間に形成された隔壁部５２０とにより形成される。言い換えれば、本実施例による電池モジュールは、モジュールフレーム２００の底部がヒートシンク５００の上部プレート３００に対応する役割を果たす冷却一体型構造を有することができる。
従来は、モジュールフレームの下側に冷媒が流れる構造が別途に形成されていて、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いて、電池モジュールおよび電池モジュールが装着さ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、本発明の一実施例によれば、モジュールフレーム２００の下部にヒートシンク５００を一体化させた構造を採用して、下部プレート５１０とモジュールフレームの底部２１０との間に冷媒が直接流動可能になることによって、直接冷却による冷却効率が上昇し、ヒートシンク５００がモジュールフレームの底部２１０と一体化された構造により、電池モジュールおよび電池モジュールが装着さ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。
以下、図２、図４および図５を参照して、温度に応じた隔壁部の変形について説明する。
図４は、本発明の一実施例による隔壁部が最高温度部で変形した様子を示す図である。図５は、本発明の一実施例による隔壁部が最低温度部で変形した様子を示す図である。
図２、図４および図５を参照すれば、本実施例による隔壁部５２０は、形状記憶合金（ＳＭＡ、Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ）で形成され、温度に応じて隔壁部５２０の形態が変形することによって、それによる冷媒の流動を変更する。
本実施例のように、電池セルが１２個～２４個からなる電池セル積層体が収容される大面積電池モジュールでは、モジュールの大型化によって高温状態で電池モジュール内での電池セルの温度偏差が大きく発生することがあり、大きな温度偏差が発生した場合、電池セルの性能低下が憂慮される。
このようなデメリットを克服するために、従来、電池モジュールの冷却システムを設けて電池モジュール内部の温度を調節しようとする試みがあったが、供給される冷媒の流量または温度の調節だけで電池セルの温度偏差を縮小するには限界があった。
そこで、本実施例によれば、一定の温度に反応する形状記憶合金を、冷却システムとして機能するヒートシンク５００の隔壁部５２０に適用した。これによって、隔壁部５２０が一定の温度に応じて変形することによって、冷媒の流動経路を変更することができる。より詳しくは、温度が高い地点では、相対的に冷媒の流動速度が減少するように流動経路を調節して、温度が高い地点の温度を相対的に大きく低下させ、温度が低い地点では、相対的に冷媒の流動速度が高くなるように流動経路を調節して、温度が低い地点の温度は相対的に小さく低下させることができる。
図４には、隔壁部５２０が最高温度部で変形した様子が示されている。
本実施例によれば、最高温度が形成された部分において、隔壁部５２０は、冷媒の流動経路上に複数の突出部５２０ａが追加的に形成されるように変形できる。隔壁部５２０は、冷媒の流動方向に向かって斜め方向に突出する複数の突出部５２０ａが追加的に形成されるように変形できる。また、複数の突出部５２０ａは、冷媒の流動経路の両側に交互に配置される。
図４に示されているように、最高温度部が形成された地点の前方で隔壁部５２０が複数の突出部５２０ａを有するように変形することによって、複数の突出部５２０ａに出会った流動は、突出部の表面部で渦流が形成されるなど、隔壁部の突出構造の形成により全般的な流動進行速度が顕著に減少できる。そして、流動速度が減少した場合、最高温度部が形成された地点に冷媒が留まる時間が相対的に増加して、最高温度部で発生する熱を相対的に多く受けることによって、当該部分の温度を相対的に大きく低下させることができる。
また、図４に示されているように、アウトレット５４０と相対的に近い所に最高温度部が形成されていて、インレット５３０を通して流入した冷媒が流路を通ってアウトレット５４０に近づくにつれて相対的に冷媒の温度が上昇した状態であるとしても、流速自体が遅くなる以上、当該部分の温度を相対的に大きく低下させることができる。
本実施例では、最高温度部を中心に説明したが、隔壁部の変形が最高温度地点でのみ発生するわけではなく、他の地点より相対的に温度がより高い地点の場合、当該位置の隔壁部が突出して冷媒の流速を減少させることによって、当該部分の温度を他の地点に対比してより低下させることができる。
図５には、隔壁部５２０が最低温度部で変形した様子が示されている。
本実施例によれば、最低温度が形成された部分において、隔壁部５２０は、冷媒の流動経路が迂回経路となるように、近道経路Ｓが新設されるように変形できる。この時、隔壁部５２０は、近道経路Ｓ上に形成された隔壁５２０ｂ部分が分離されるように変形することによって、近道経路Ｓが新設される。本実施例によれば、分離された隔壁５２０ｂ部分は、近道経路Ｓに向かって曲線形態に曲がり分離される。
図５に示されているように、最低温度部が形成された地点の隔壁５２０ｂ部分が分離されて、既存の迂回経路よりも短い近道経路Ｓが新設される。したがって、近道経路Ｓの新設により迂回経路および近道経路の２つの冷媒流動経路が形成され、相対的に迂回経路に流動する冷媒の流量が減少して、冷媒に伝達される熱の量が減少することによって、当該部分の温度を相対的に小さく低下させることができる。
また、迂回経路を通る冷媒の流速が近道経路Ｓが新設される前の流速より増加して、最低温度部が形成された地点に冷媒が留まる時間が相対的に減少することによって、最低温度部で発生する熱を相対的に少なく受けて、最低温度部の温度を他の地点より相対的に小さく低下させることができる。
本実施例では、最低温度部を中心に説明したが、隔壁部の変形が最低温度地点でのみ発生するわけではなく、他の地点より相対的に温度がより低い地点の場合、当該位置の隔壁部が分離されて新たな経路が新設される。これによって新たな経路への流量分散が行われて、当該位置を通過する流量が減少することによって、当該部分の温度を他の地点に対比してより小さく低下させることができる。
上述した電池モジュールは、電池パックに含まれる。電池パックは、本実施例による電池モジュールを１つ以上まと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ってもよい。
前記電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。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運送手段に適用できるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールを用いることができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。
以上、本発明の好ましい実施例について図示および説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されず、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の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な思想や展望から個別的に理解されてはならない。
１００：電池セル積層体
２００：モジュールフレーム
２１０：モジュールフレームの底部
２２０：モジュールフレームの側面部
３００：上部プレート
４００：エンドプレート
５００：ヒートシンク
５１０：下部プレート
５２０：隔壁部
５２０ａ：突出部
５２０ｂ：分離された隔壁
５３０：インレット
５４０：アウトレット
Ｓ：近道経路

Claims (10)

  1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、
    前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、
    前記モジュールフレームの底部下側に形成されて、前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクとを含み、
    前記ヒートシンクは、下部プレートと、冷媒の流動経路を形成する隔壁部とを含み、
    前記隔壁部は、形状記憶合金で形成され、温度に応じて前記隔壁部の形態が変形することによって、前記冷媒の流動を変更する電池モジュール。
  2. 最高温度が形成された部分において、前記隔壁部は、前記冷媒の流動経路上に複数の突出部が追加的に形成されるように変形する、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記隔壁部は、前記冷媒の流動方向に向かって斜め方向に突出する複数の突出部が追加的に形成されるように変形する、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記複数の突出部は、前記冷媒の流動経路の両側に交互に配置される、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 最低温度が形成された部分において、前記隔壁部は、前記最低温度が形成される部分に形成された冷媒の流動経路が迂回経路となるように、近道経路が新設されるように変形する、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記隔壁部は、前記近道経路上に形成された隔壁部分が分離されるように変形することによって、前記近道経路が新設される、請求項５に記載の電池モジュール。
  7. 分離された前記隔壁部分は、前記近道経路に向かって曲線形態に曲がり分離される、請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 前記近道経路は、前記迂回経路よりも短い経路である、請求項５に記載の電池モジュール。
  9. 前記ヒートシンクは、冷媒が流入するインレットと、冷媒が排出されるアウトレットとを含み、前記インレットと前記アウトレットは、前記ヒートシンクの一部分に共に形成された、請求項１に記載の電池モジュール。
  10. 請求項１に記載の電池モジュールを含む電池パック。
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