JP2023512819A - パックケースに冷媒循環路を備えた電池パック - Google Patents

Abstract

本発明は冷媒循環路を備えた電池パックに関するものであり、具体的には、一つ以上の電池モジュール（１００）と、前記電池モジュール（１００）を収納するパックケース（２００）と、前記電池モジュール（１００）で発生した熱を放出するように前記パックケース（２００）の内側上面と前記電池モジュール（１００）との間に位置する冷却部（３００）とを含み、前記パックケース（２００）には前記冷却部（３００）に冷媒を供給してから回収するための冷媒循環路（２３１）が形成されていることを特徴とするパックケースに冷媒循環路を備えた電池パックに関する。

Description

本出願は２０２０年０６月０２日付の韓国特許出願第２０２０－００６６４６７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この明細書の一部として含まれる。

本発明はパックケースに冷媒循環路を備えた電池パックに関し、具体的には電池モジュールで発生した熱を放出するための冷媒循環路をフレームの内部に備えているので、既存の冷却性能を維持しながらも冷媒の漏洩を防止するとともに電池パックの体積を減らすことができる、パックケースに冷媒循環路を備えた電池パックに関する。

最近、化石燃料の使用による大気汚染、エネルギー枯渇による代替エネルギーの開発によって生産された電気エネルギーを貯蔵することができる二次電池に対する需要が増加している。充放電の可能な二次電池は、モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車動車などに使われるなど、日常生活に密接に使われている。

現代社会で必要不可欠に使われている各種の電子機器のエネルギー源として使われている二次電池は、モバイル機器の使用量の増加および複雑化、電気自動車などの開発によって所要容量が増加している。使用者の需要を満たすために、小型機器には多数の電池セルを配置しているが、自動車などには多数の電池セルを電気的に連結するバッテリーモジュールまたこのようなバッテリーモジュールを多数備えたバッテリーパックが使われる。

バッテリーモジュールまたはバッテリーパックは、容量及び出力を向上させるために、多数の電池セルを直列または並列に連結して使っている。多数の電池セルを連結して使用する場合、過負荷などの問題点が発生することがある。特に、バッテリーパックの場合、多数の電池セルを収容しているバッテリーモジュールがケース内に位置しているので、過負荷によってバッテリーパックの内部温度が上昇して電池の異常状態を増幅させるなどの問題が発生している。このような問題を解決するために、一般的なバッテリーパックは電池の内部温度を低めることができる冷却部を備えて電池の安全性を高め、空間効率を改善してエネルギー密度を高める必要がある。

図１は従来技術による電池モジュールの断面図である。図１に示すように、従来技術による電池モジュールは、電池セルを収納するモジュールケース２０、電池モジュールの下面に位置するヒートシンク３０、及び前記電池モジュールの下面を取り囲む保護部材４０を含んでいる。ここで、電池モジュールの下面と接触するヒートシンク３０は所定の領域に切開された開放部を備えて電池モジュールに対する冷却効率を向上させ、保護部材４０を通してヒートシンクの冷媒が接触界面の外に漏洩することを防止する電池モジュールである。

このように、従来技術は、電池モジュールとヒートシンク３０の冷媒との間の熱交換過程を改善して冷却性能を向上させたが、ヒートシンク３０に対して冷媒を供給及び回収するための冷媒供給ライン（図示せず）が露出される構造であるので、電池パックの体積が大きいという問題点がある。

また、冷媒が流れる冷媒供給ライン（図示せず）が外部に露出されているので、外部衝撃の際、損傷による冷媒漏洩によって深刻な事故につながることがある。

韓国登録特許第２０５００２５号公報

本発明は前記のような問題点を解決するためのものであり、電池パックの内部からの冷媒流出を最小化することができる電池パックを提供することを目的とする。

また、本発明は、冷却のための各種の部品によって体積が増加することを抑制することができる電池パックを提供することを目的とする。

さらに、本発明は、外部衝撃によってフレームが損傷しても冷媒の流出を制限することができる電池パックを提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するために、本発明による電池パックは、一つ以上の電池モジュール（１００）と、前記電池モジュール（１００）を収納するパックケース（２００）と、前記電池モジュール（１００）で発生した熱を放出するように前記パックケース（２００）の内側上面と前記電池モジュール（１００）との間に位置する冷却部（３００）とを含むことを特徴とする。

ここで、前記パックケース（２００）には、前記冷却部（３００）に冷媒を供給してから回収するための冷媒循環路（２３１）が形成されることができる。

また、本発明による電池パックにおいて、前記パックケース（２００）は、前面フレーム（２１０）、後面フレーム（２２０）、及び前記前面フレーム（２１０）と前記後面フレーム（２２０）とを連結する一対の側面フレーム（２３０）を含むことを特徴とする。

ここで、前記冷媒循環路（２３１）は前記一対の側面フレーム（２３０）に備えられることができる。

また、本発明による電池パックにおいて、前記前面フレーム（２１０）には所定の距離で離隔した一対の冷媒流入ポート（２１１）及び冷媒流出ポート（２１２）が形成され、前記冷媒流入ポート（２１１）及び前記冷媒流出ポート（２１２）のそれぞれには、前記冷媒循環路（２３１）と連通する冷媒移送管（２１３）が連結されることを特徴とする。

また、本発明による電池パックにおいて、前記側面フレーム（２３０）の冷媒循環路（２３１）付近には前記冷媒循環路（２３１）に平行な空気循環路（２３２）が位置することを特徴とする。

また、本発明による電池パックにおいて、前記空気循環路（２３２）には、外部空気が通過することができる一つ以上の切開部（２３３）が形成されていることを特徴とする。

また、本発明による電池パックにおいて、前記冷却部（３００）は、ヒートシンク（３１０）、前記ヒートシンク（３１０）と前記パックケース（２００）との間の第１放熱板（３２０）、及び前記ヒートシンク（３１０）と前記パックケース（２００）の底面との間の第２放熱板（３３０）を含むことを特徴とする。

また、本発明による電池パックにおいて、前記ヒートシンク（３１０）は、冷媒が循環する空間部を提供するための一対の下部プレート（３１０’）及び上部プレート（３１０”）、及び前記冷媒循環路（２３１）と着脱可能に結合される冷媒流入口（３１１）及び冷媒流出口（３１２）を含むことを特徴とする。

また、本発明による電池パックにおいて、前記側面フレーム（２３０）の底面には、前記冷媒流入口（３１１）及び冷媒流出口（３１２）と連結される締結ホール（２３４）が形成されることを特徴とする。

また、本発明による電池パックにおいて、前記パックケース（２００）の冷媒循環路（２３１）には、前記冷却部（３００）に冷媒を供給してから回収するための冷媒循環管（３１３）が収納されることを特徴とする。

また、本発明は前述した特徴のうちの一つ以上を含む電池パックが装着されたデバイスであることができる。

以上で説明したように、本発明によるパックケースに冷媒循環路を備えた電池パックによれば、側面フレーム２３０自体に冷媒循環路２３１を備えているので、外部衝撃の際にも冷媒の流出を最小化することができるという利点がある。

また、本発明によるパックケースに冷媒循環路を備えた電池パックによれば、側面フレーム２３０自体に冷媒循環路２３１を備えているので、全体的な体積を減らすことができ、よってエネルギー密度の向上に寄与することができる。

さらに、本発明によるパックケースに冷媒循環路を備えた電池パックによれば、冷媒循環路２３１に沿って空気循環路２３２を側面フレーム２３０にさらに備えているので、冷却効率を高めることができ、さらに全体重さも減らすことができるという利点がある。

従来技術による電池モジュールの断面図である。 本発明の好適な実施例による電池パックの斜視図である。 本発明の好適な実施例による電池パックの分解斜視図である。 図２のＡ－Ａ’線に沿って切断した断面図である。 本発明の好適な実施例による側面フレームを示す斜視図である。 本発明の好適な実施例による側面フレームが結合される状態を説明するための斜視図である。 本発明の好適な実施例による冷却部の分解斜視図である。 本発明の好適な第２実施例による電池パックを説明するための部分斜視図である。

以下、添付図面に基づき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例の動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があ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、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで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のは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図２は本発明の好適な実施例による電池パックの斜視図であり、図３は本発明の好適な実施例による電池パックの分解斜視図である。

図２及び図３を参照して説明すると、本発明による電池パックは、電池モジュール１００、前記電池モジュール１００を収容するパックケース２００、及び前記電池モジュール１００で発生する熱を冷却させるための冷却部３００を含む。

まず、電池モジュール１００について説明すると、一つ以上の単位セルを含む。ここで、単位セルは電極組立体及びこれを収納するセルケースを含むことができる。前記電極組立体は、長いシート状の正極及び負極の間に分離膜が介在された状態で巻き取られる構造を有するゼリーロール型組立体、長方形の正極及び負極が分離膜を間に介在した状態で積層される構造の単位セルから構成されるスタック型組立体、単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られるスタックフォルディング型組立体、または単位セルが分離膜を間に介在した状態で積層されて互いに付着されるラミネーションスタック型組立体などからなることができるが、これに限定されない。本発明による電極組立体は、カーブドモジュールを形成するときに物理的ストレスが一番小さいスタックフォルディング型、またはラミネーションスタック型構造を有することが好ましい。

前記電極組立体はセルケースに収納され、セルケースは、通常に内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造を有する。内部層は電極組立体と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有しなければならなく、かつ外部に対する密閉のためにシーリング性、すなわち、内部層同士熱接着されたシーリング部位は優れた熱接着強度を有しなければならない。このような内部層の材料としては、耐化学性に優れながらもシーリング性が良いポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル酸ポリエチレン、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、及びポリイミド樹脂から選択されることができるが、これらに限定されなく、引張強度、剛性、表面硬度、耐衝撃強度などの機械的物性及び耐化学性に優れたポリプロピレンが一番好ましい。

内部層と接している金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当し、このような金属層の好適な材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。

そして、金属層の他側面には外部層を備えている。このような外部層は、電極組立体を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性、及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができる。一例として、ナイロンまたはポリエチレンテレフタレートを使うことができるが、これに限定されない。

たとえ図面には総９個の電池モジュール１００を収納しているものが図示されているが、これは一例示に過ぎないだけで、いくらでも変更が可能である。

パックケース２００は電池モジュール１００を収納し、外部衝撃などから電池モジュール１００を保護するためのものであり、前面フレーム２１０、後面フレーム２２０、及び一対の側面フレーム２３０を含んでなる。

具体的には、前面フレーム２１０には、所定の距離で離隔されている一対の冷媒流入ポート２１１及び冷媒流出ポート２１２が固定されており、そしてこれらのポートから側面フレーム２３０に向かって延びた一対の冷媒移送管２１３が連結される。

したがって、所定の温度に冷却された外部からの冷媒は冷媒流入ポート２１１に注入された後、冷媒流入ポート２１１と連結されている冷媒移送管２１３に移動する。そして、電池モジュール１００の熱を吸収して所定の温度に高くなった冷媒は他の冷媒移送管２１３及び冷媒流出ポート２１２を通して排出され、所定の温度に冷却された後、再供給される。

ここで、一対の冷媒移送管２１３は側面フレーム２３０に冷媒を供給してから回収する。これについての詳細な説明は後述する。

一方、パックケース２００の底面には、電池モジュール１００が互いに一定の間隔を維持することができるように、複数の区画壁を備えることができる。

電池モジュール１００で発生する熱を冷却させるための冷却部３００は電池モジュール１００とパックケース２００の内側上面との間に位置し、ヒートシンク３１０、及びヒートシンク３１０とパックケース２００との間の第１放熱板３２０を含んでなる。これについての詳細な説明は後述する。

図４は図２のＡ－Ａ’線に沿って切断した断面図であり、図５は本発明の好適な実施例による側面フレームを示す斜視図であり、図６は本発明の好適な実施例による側面フレームが結合される状態を説明するための斜視図である。

図４～図６を参照して説明すると、本発明による電池パックの側面フレーム２３０は、前面フレーム２１０と後面フレーム２２０とを互いに連結するように所定の距離で離隔した一対からなり、それぞれの側面フレーム２３０は、冷媒移送管２１３と連結された冷媒循環路２３１、空気循環路２３２、切開部２３３、及び締結ホール２３４を備えている。

まず、冷媒移送管２１３の一側と連結される冷媒循環路２３１は側面フレーム２３０の長手方向に沿って長く穿設された形状を有するように形成される。したがって、冷媒流入ポート２１１と連通する冷媒移送管２１３と連結される冷媒循環路２３１にはヒートシンク３１０に供給される冷たい冷媒が流れ、冷媒流出ポート２１２と連通する冷媒移送管２１３と連結される冷媒循環路２３１には吸熱によって一定の温度に上昇した冷媒が移動する。

従来においては、冷媒循環管が別個に製作された後、パックケースの側面または底面に連結される構造であるので、外部衝撃によって破損しやすい構造であり、さらに破損によって漏出する冷媒は新しいイベントを引き起こすという欠点がある。

これに対し、本発明の冷媒循環路２３１は側面フレーム２３０自体に備えられるので、外部衝撃に対しても破損のおそれを最小化することができるだけでなく、全体体積を減らすことができるという利点がある。

空気循環路２３２は冷媒が漏出しないように冷媒循環路２３１及び分離壁を挟んで位置し、冷媒循環路２３１を移動する冷媒が最大限自然に冷却されるように冷媒循環路２３１に平行に長く形成されている。

さらに、空気循環路２３２には外部空気が通過することができる一つ以上の切開部２３３が形成されているので、より効率的な冷却が可能である。すなわち、側面フレーム２３０には冷媒循環路２３１に沿って空気循環路２３２がさらに備えられているので、電池パックを速やかに冷却させることができるだけではなく全体の重さも減らすことができる。

一方、一対の側面フレーム２３０の底面には、冷媒循環路２３１と連通する一つ以上の締結ホール２３４、より具体的には電池モジュール１００の下に位置するヒートシンク３１０の冷媒流入口３１１または冷媒流出口３１２と同じ個数の締結ホール２３４が形成されている。

例えば、冷媒流入ポート２１１及び冷媒移送管２１３と順次連結される側面フレーム２３０の場合、側面フレーム２３０の底面の締結ホール２３４はヒートシンク３１０の冷媒流入口３１１とそれぞれ締結及び固定され、よって冷媒流入ポート２１１に流入した冷媒は冷媒移送管２１３及び冷媒循環路２３１の順に移動した後、ヒートシンク３１０の冷媒流入口３１１に供給される。

同様に、冷媒流出ポート２１２及び冷媒移送管２１３が連結されている他の側面フレーム２３０にも前記と構造と同じ構造に結合され、昇温した冷媒はヒートシンク３１０の冷媒流出口３１２、冷媒移送管２１３、及び冷媒流出ポート２１２の順に循環する。

図７は本発明の好適な実施例による冷却部の分解斜視図である。図７を参照して冷却部について説明すると、冷却部３００は、ヒートシンク３１０、第１放熱板３２０、及び第２放熱板３３０を含んでなる。

ヒートシンク３１０は、冷媒が循環する空間部を提供するように、一対の下部プレート３１０’及び上部プレート３１０”から構成される。ここで、下部プレート３１０’には互いに向き合う一対の冷媒流入口３１１及び冷媒流出口３１２が形成されており、前述したように、側面フレーム２３０の底面の締結ホール２３４が結合される。

一方、ヒートシンク３１０と電池モジュール１００との間には第１放熱板３２０、かつヒートシンク３１０の下には第２放熱板３３０が位置することにより、電池モジュール１００で発生する熱をヒートシンク３１０に伝達する。

特に、第１放熱板３２０及び第２放熱板３３０はヒートシンク３１０の上面及び下面にヒートシンク３１０をもう一度取り囲む形状に位置するので、冷媒漏洩が発生しても電池パックの内部に冷媒が染みこむことを防止することができる利点がある。

前記のようなヒートシンク３１０、第１放熱板３２０、及び第２放熱板３３０は熱伝導性に優れた素材からなることが好ましい。一例として、アルミニウムからなることができる。

図８は本発明の好適な第２実施例による電池パックを説明するための部分斜視図である。

図８を参照して説明すると、本発明の好適な第２実施例は、冷媒循環管３１３をさらに備えた電池パックであることができる。

図２～図７を参照しながら説明した実施例では側面フレーム２３０の冷媒循環路２３１を通して冷媒が循環する一方で、第２実施例は冷媒循環管３１３をさらに備える。

すなわち、冷媒移送管２１３に流入するか排出される冷媒は冷媒循環管３１３を経由するように、冷媒移送管２１３と冷媒循環管３１３とが互いに連結され、冷媒循環管３１３は側面フレーム２３０の冷媒循環路２３１内に配置される。

このように、冷媒循環路２３１の内部に冷媒循環管３１３が位置することにより、外部衝撃などによって側面フレーム２３０が損傷しても冷媒の漏洩をより確かに遮断することができ、イベントの発生を抑制することができる。

本発明は前述した特徴のうちでいずれか一つ以上の特徴を有しているバッテリーパックが装着されたデバイスであることができ、前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などのように大容量の電池を含む電子機器であることができる。

本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。

１００ 電池モジュール
２００ パックケース
２１０ 前面フレーム
２１１ 冷媒流入ポート
２１２ 冷媒流出ポート
２１３ 冷媒移送管
２２０ 後面フレーム
２３０ 側面フレーム
２３１ 冷媒循環路
２３２ 空気循環路
２３３ 切開部
２３４ 締結ホール
３００ 冷却部
３１０ ヒートシンク
３１０’ 下部プレート
３１０” 上部プレート
３１１ 冷媒流入口
３１２ 冷媒流出口
３１３ 冷媒循環管
３２０ 第１放熱板
３３０ 第２放熱板

Claims (10)

1. 一つ以上の電池モジュールと、
   前記電池モジュールを収納するパックケースと、
   前記電池モジュールで発生した熱を放出するように前記パックケースの内側上面と前記電池モジュールとの間に位置する冷却部と、
   を含み、
   前記パックケースには、前記冷却部に冷媒を供給してから回収するための冷媒循環路が形成されている、パックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
2. 前記パックケースは、前面フレーム、後面フレーム、及び前記前面フレームと後面フレームとを連結する一対の側面フレームを含み、
   前記冷媒循環路は前記一対の側面フレームに備えられている、請求項１に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
3. 前記前面フレームには所定の距離で離隔した一対の冷媒流入ポートおよび冷媒流出ポートが形成され、
   前記冷媒流入ポート及び前記冷媒流出ポートのそれぞれには前記冷媒循環路と連通する冷媒移送管が連結される、請求項２に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
4. 前記側面フレームの冷媒循環路付近には、前記冷媒循環路に平行な空気循環路が位置する、請求項２に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
5. 前記空気循環路には外部空気が通過することができる一つ以上の切開部が形成されている、請求項４に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
6. 前記冷却部は、ヒートシンク、前記ヒートシンクと前記パックケースとの間の第１放熱板、及び前記ヒートシンクと前記パックケースの底面との間の第２放熱板を含む、請求項４に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
7. 前記ヒートシンクは、冷媒が循環する空間部を提供するための一対の下部プレート及び上部プレート、及び前記冷媒循環路と着脱可能に結合される冷媒流入口及び冷媒流出口を含む、請求項６に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
8. 前記側面フレームの底面には、前記冷媒流入口及び冷媒流出口と連結される締結ホールが形成される、請求項７に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
9. 前記パックケースの冷媒循環路には、前記冷却部に冷媒を供給してから回収するための冷媒循環管が収納される、請求項１から８のいずれか一項に記載のパックケースに冷媒循環路を備えた電池パック。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の電池パックを含む、デバイス。

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