JP2023540075A - 温度調節装置を含む電池パック - Google Patents

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Abstract

本発明による電池パックは、複数の電池セルを含む電池セルスタックと、前記電池セルスタックの温度が外部の高温によって高くなることを防止するための温度調節素子と、前記電池セルスタックの下面及び側面に配置されるヒートプレートと、前記電池セルスタック、温度調節素子及びヒートプレートを内部に収容するパックケースと、前記パックケースの内部の熱を外部に排出する冷却ファン（ｆａｎ）とを含み、前記電池セルスタックは、電池パックと連結された電気装置に外部電源が供給される場合は前記電気装置に電流を供給せず、前記電気装置に外部電源が供給されない場合は前記電気装置に電流を供給することができるので、電池パックの内部温度を外部温度より低く維持することができる。

Description

本出願は２０２１年６月１５日付の韓国許出願第２０２１－００７７３６１号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国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。
本発明は温度調節装置を含む電池パックに関するものである。具体的には、外部温度より内部温度を低く維持することができるように温度調節装置を含む電池パックに関するものである。
インターネットを介してのビジネスの拡大と急激に増加する多様なデータを保存するための空間としてインターネットデータセンターを構築し、企業のコンピュータサーバーを保管及び管理するかまたはサーバーを賃貸することを事業化する施設が登場している。
インターネットデータセンターは２４時間稼動しながらインターネット接続環境を常時備えていなければならないので、停電が発生した状況でも緊急電源を供給するための非常電源装置を備えている。
一般に、非常電源装置はサーバー室内にコンピュータサーバーシステムとともに設置されるが、前記コンピュータサーバーシステムの発熱によってサーバー室内の温度が高くなるので、非常電源装置に含まれた電池パックが高温環境に露出されることがある。
前記非常電源装置に含まれる電池パックは満充電状態に保管されても、高温環境に露出される場合、寿命が急激に劣化する問題が発生する。
したがって、高温環境に露出される非常電源装置用電池パックの内部温度が高くならないように調節することで、電池パックの寿命が急激に劣化することを防止するための技術が必要である。
これに関連して、特許文献１はハウジングの内部空気を循環させてバッテリーパックを冷却するための冷却装置を含むエネルギー貯蔵装置に関するものであり、前記冷却装置は、吸熱部がハウジングの内部に向かって配置され、発熱部がハウジングの外部に向かって配置されるペルチェ素子、前記ペルチェ素子の吸熱部に配置される第１ヒートシンクを通して冷却された内部空気を循環させる第１冷却ファン、及び前記ペルチェ素子の発熱部に配置される第２ヒートシンクを通して外部空気を循環させて発熱部を冷却させる第２冷却ファンを含み、バッテリーパックの温度が設定温度以上になって制御部が第１冷却ファンを作動すれば、第１ヒートシンクを通過しながら冷却されたハウジングの内部空気がバッテリーの間の空気循環通路を通過しながらバッテリーセルを直接冷却させる。
特許文献１のバッテリーパックは、冷却された空気がハウジングの内部を循環しながらバッテリーセルを直接冷却させることができる構造を有しているが、２個のヒートシンク及び２個の冷却ファンを含む冷却装置の体積が大きいため、バッテリーパックのエネルギー密度が低くなる問題がある。
また、ペルチェ素子の外面にのみ断熱部材を装着しているので、前記断熱部材が配置されていない部分ではハウジングの外面の熱がハウジングの内部に伝達されやすい構造である。
特許文献２は電池モジュールを冷却させるために熱電素子及び放熱部材を含む電池モジュールに関するものであり、前記放熱部材は、電池セルの界面に介在される冷却ピン、及び一面に前記冷却ピンの一側端部が接しており、他面に熱電素子が付着されている放熱プレートを含み、電池セルから前記放熱部材に伝導された熱は熱電素子に伝導されて冷却される。
特許文献２は放熱部材及び熱電素子が電池セル積層体と直接接触するように配置することにより、電池セルの熱が伝導方式によって少なくなることができる形態であるが、電池モジュールの内部の熱を外部に排出するための構造を有して含んでいないので、電池モジュールの内部温度を外部の温度より低く維持することができる構造を有していない。
このように、高温の環境に配置される電池パックの温度増加を最小化することで、電池パックの寿命が劣化することを防止することができる技術の必要性が高い実情である。
韓国公開特許第２０２０－００３４０５８号公報 韓国公開特許第２０１５－０１３１７５９号公報
本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、電池パックの内部温度を外部温度より低く維持するように温度調節装置を含む電池パックを提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明による電池パックは、複数の電池セルを含む電池セルスタックと、前記電池セルスタックの温度が外部の高温によって高くなることを防止するための温度調節素子と、前記電池セルスタックの下面及び側面に配置されるヒートプレートと、前記電池セルスタック、温度調節素子及びヒートプレートを内部に収容するパックケースと、前記パックケースの内部の熱を外部に排出する冷却ファン（ｆａｎ）とを含み、前記電池セルスタックは、電池パックと連結された電気装置に外部電源が供給される場合は前記電気装置に電流を供給せず、前記電気装置に外部電源が供給されない場合は前記電気装置に電流を供給する。
前記冷却ファンは前記パックケースの長軸方向の両端のうちの一端に位置し、前記温度調節素子は前記冷却ファンの内側に位置することができる。
前記ヒートプレートは、前記電池セルスタックの下面に位置する平面部、及び前記温度調節素子の内側に位置する側面部を含むことができる。
前記ヒートプレートは内部に空間が形成されており、前記空間には温度によって流動する冷媒が収容されることができる。
前記冷媒は前記電池セルスタックの熱によって気化して前記側面部に沿って上昇し、上昇した冷媒は前記温度調節素子によって冷却されて下降し、前記平面部に沿って移動する循環が形成されることができる。
前記温度調節素子はペルチェ素子であってもよい。
前記温度調節素子と前記冷却ファンとの間にはヒートシンクが配置されることができる。
前記電池セルスタックと前記平面部との間には放熱部材が位置することができる。
前記電池セルスタックの外面のうちの少なくとも一部には断熱材がさらに付加されることができる。
前記平面部の外面には断熱材がさらに付加されることができる。
前記電気装置はコンピュータサーバーシステムであってもよい。
前記電池セルスタックの温度は前記コンピュータサーバーシステムの温度より低く維持されることができる。
また、本発明は前記技術的解決方法を多様に組み合わせた形態としても提供することができる。
以上で説明したように、本発明による電池パックは、電池パックの外部に追加として冷却装置を備えなくても、電池パックの外部温度より内部温度を低く維持することができる。
したがって、本発明の電池パックが高温環境に置かれても自ら温度を低めることで、寿命特性が低下することを防止することができる。
また、ヒートプレートと電池セルスタックとが接触する面積を広く確保しているので、電池セルスタックの温度を早く調節することができる。
また、電池セルスタックの外面に断熱材が付加されることで、電池パックが高温環境にあっても電池セルスタックの温度が外部の高温によって高くなることを防止することができる。
本発明による電池パックの分解斜視図である。 コンピュータサーバー室内に配置されたコンピュータサーバーシステム及び電池パックにおける熱の移動を示す模式図である。 図１の電池パックの一部構成要素の斜視図である。 図１の電池パックの一部構成要素の側面図である。 ヒートプレートの内部の熱伝逹を示す図である。
以下、添付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に対する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。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言う場合には、これは直接的に連結されている場合だけではなく、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。
また、従属項に記載した限定事項はこの明細書に記載されたすべての実施例に適用可能である。
また、本発明の説明及び請求範囲全般にわたって単数で表示されたものは、別に言及しない限り、複数の場合も含む。
図面を参照して詳細な実施例に基づいて本発明を説明する。
図１は本発明による電池パックの分解斜視図である。
図１を参照すると、本発明による電池パックは、複数の電池セルが密着して配列されている電池セルスタック１００、電池セルスタック１００の温度が外部の高温によって高くなることを防止するための温度調節素子２１０、電池セルスタック１００の下面及び側面に配置されるヒートプレート２２０、電池セルスタック１００、温度調節素子２１０及びヒートプレート２２０を内部に収容するパックケース３００、及びパックケース３００の内部の熱を外部に排出する冷却ファン２３０を含む。
本発明による電池パックは非常電源装置用電池パックである。電池セルスタックは、電池パックと連結された電気装置に外部電源が供給される場合は前記電気装置に電流を供給せず、前記電気装置に外部電源が供給されない場合は前記電気装置に電流を供給することができる。
複数の電池セルは円筒型電池セルとして示されているが、これとは違い、パウチ型電池セルまたは角型電池セルを適用することができる。図１は円筒型電池セルがカートリッジに装着され、密着して配置された構造を示している。
電池セルは充放電過程で温度が高くなるので、電池セルの充放電による温度増加だけではなく、高温の外部環境によって電池セルの温度が増加することができる。電池セルが充電された状態で高温環境に置かれれば寿命特性が低下するので、本発明は、このような問題を解決するために、電池パックの内部に温度調節素子を備えて電池セルの温度を低めることができる技術を提示している。
特に、本発明の電池パックは、コンピュータサーバーシステムに外部電源が供給されない場合、前記コンピュータサーバーシステムに即刻電源を供給するための非常電源装置用電池パックであり、前記コンピュータサーバーシステムに隣接して配置されることができる。前記コンピュータサーバーシステムは２４時間稼動しながらずっと熱を放出するので、前記コンピュータサーバーシステムの温度は約４０℃以上になることができる。
よって、本発明による非常電源装置用電池パックは、内部の温度を外部の温度より低く維持することができる冷却用装置を備えている。
本発明が備えている冷却のための装置は、外部温度によって温度が高くなった電池セルの熱が移動することができるように電池セルスタックに隣接して配置されるヒートプレート２２０、ヒートプレート２２０と密着するように配置され、ヒートプレートの温度を低めるための温度調節素子２１０、及び温度調節素子２１０から排出される熱を電池パックの外部に排出する冷却ファン２３０から構成されることができる。
冷却ファン２３０は電池パックの内部を循環する熱を排出するための構造であるので、パックケース３００の長軸方向Ｌの両端のうちの一端に配置され、温度調節素子２１０は冷却ファン２３０の内側に位置する。
電池セルスタック１００の外面のうちの少なくとも一部には断熱材４００がさらに付加されることができる。図１は、電池セルスタック１００の下面及び一側面にヒートプレート２２０が付加された状態で、電池セルスタックの長軸方向Ｌの三つの外周面のそれぞれ及びヒートプレート２２０の下面に板状断熱材４００が付加された形態を示している。
このように、電池セルスタック１００の外面に付加される断熱材４００の面積が増加するほど電池パックの外部温度による電池セルスタックの温度増加率を低めることができる。
前記断熱材の種類は特に限定されないが、ポリウレタンフォーム、発泡ゴム、珪藻土またはパーライトなどからなる無機断熱材などを使うことができる。
一方、電池セルスタック１００の温度を測定し、温度調節素子２１０に電流を流すかまたは冷却ファン２３０を作動するために、電池セルスタックの一側にＢＭＳモジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｍｏｄｕｌｅ）２７０を備えることができる。例えば、前記ＢＭＳモジュールは、電圧管理のための素子及び温度測定のための素子などを含むことができる。
また、図１に示すように、本発明による電池パックは、電池セルスタック１００に付加された断熱材４００を固定するために、内部カバー３１０及び内部トレイ３２０をさらに含むことができる。
図２はコンピュータサーバー室内に配置されたコンピュータサーバーシステム及び電池パックにおける熱の移動を示す模式図である。
図２を参照すると、コンピュータサーバー室内で電池パック及びコンピュータサーバーシステムはラック（ｒａｃｋ）に取り付けられ、隣接して配置されることができる。コンピュータサーバーシステムは２４時間作動しながら熱を発散し、コンピュータサーバーシステムから発散された熱は隣接して配置された電池パックに移動（矢印で表示）して電池パックの温度を上げる。
前記電池パックは、前記コンピュータサーバーシステムに外部電源が供給される場合は電池パックに電流が供給されなく、前記コンピュータサーバーシステムに外部電源が供給されない場合は電池パックに電流が供給される非常電源装置用であるので、満充電状態の電池パックが配置されることができる。
しかし、コンピュータサーバーシステムから発散する熱によって電池パックの温度が増加する場合、電池パック内の電池セルが劣化して寿命が劣化することがある。
よって、本発明は、電池パック内に配置される冷却のための装置が稼動することにより、自ら電池セルスタックの熱を電池パックの外部に排出（矢印で表示）することができるので、電池パックが高温環境にあっても電池セルスタックの温度増加を抑制し、一定の温度を維持することができる。よって、電池セルスタックの温度は前記コンピュータサーバーシステムの温度より低い状態を維持することができる。例えば、前記コンピュータサーバーシステムの温度が４０℃の場合、電池セルスタックを含む電池パックの温度はコンピュータサーバー室の内部温度である２５℃と同等な水準を維持することができる。
図３は図１の電池パックの一部構成要素の斜視図であり、図４は図１の電池パックの一部構成要素の側面図である。
図３は複数の電池セル１０１が密着して配列されている電池セルスタック１００の周辺にヒートプレート２２０及び冷却のための装置が付加された状態を示す斜視図であり、図４は図３に断熱材４００がさらに付加された状態の側面図である。
図３及び図４を参照すると、ヒートプレート２２０は、電池セルスタック１００の下面に位置する平面部２２１、及び温度調節素子２１０の内側に位置する側面部２２２を含む。
すなわち、ヒートプレート２２０は平面部２２１の一端が直角に折り曲げられて上方に延びる側面部２２２から構成されるとこで、広い面積で電池セルスタックに隣接して配置されるので、電池セルスタックの熱が早くヒートプレート２２０に移動することができる。
これに関連して、一般的に電極端子部で最も多く発熱する点を考慮して、円筒型電池セルを含む電池セルスタックの場合には、前記円筒型電池セルのトップキャップがヒートプレート２２０の平面部２２１と対面するように配置される場合、電池セルスタックの温度を早く低めることができる。
また、図４を参照すると、電池セルスタック１００の下面と平面部２２１との間には放熱部材２５０が配置されることができる。よって、電池セルスタック１００と平面部２２１との間の空間が放熱部材２５０で満たされることによって密着して配列されることができる。したがって、電池セル１０１が排出する熱が放熱部材２５０を介してヒートプレート２２０に早く伝達されることができる。
このように、電池セルスタック１００の外面に放熱部材２５０が付加された場合、平面部２２１の外面には断熱材４００がさらに付加されることができる。図４は平面部の下面だけではなく、電池セルスタック１００の下面を除いた外面全体に断熱材４００が付加された形態を示している。ただ、電池パックの設計によって、図１に示すように、断熱材４００は電池パックの長軸方向Ｌの三つの外周面と平面部の下面に付加されることができる。
一具体例で、温度調節素子２１０はペルチェ素子を使うことができる。また、温度調節素子２１０と冷却ファン２３０との間にはヒートシンク２４０が配置されることができる。前記ペルチェ素子の放熱部に隣接してヒートシンク２４０が位置し、ヒートシンク２４０に隣接して冷却ファン２３０が位置するので、電池セルスタックの温度が設定温度以上になれば、ペルチェ素子及び冷却ファンが作動することで、ペルチェ素子の放熱部から発生した熱をパックケースの外部に排出することができる。
図５はヒートプレートの内部の熱伝逹を示す。
図５を参照すると、ヒートプレート２２０は内部に空間が形成されており、前記空間には温度によって流動する冷媒が収容されている。点線矢印は冷媒の流動を示す。外部電気装置によって温度が増加した電池セルスタック１００の熱がヒートプレート２２０に移動すれば、冷媒が気化して側面部２２２に沿って上昇し、上昇した冷媒はペルチェ素子のような温度調節素子２１０によって冷却されて下降し、平面部２２１に沿って移動する循環がなされる。
すなわち、ヒートプレートを介して温度調節素子であるペルチェ素子の吸熱部に移動した熱は冷却されて平面部に移動し、冷却ファン２３０が作動することで、外部空気とヒートシンクとの間で熱交換がなされるので、ペルチェ素子の放熱部の熱を電池パックの外部に排出することができる。
このように、本発明はヒートプレートの内部の冷媒循環によって電池セルスタックの温度を低めることができる構造を有することで、電池パックの温度を自ら低く維持することができる。
したがって、本発明の電池パックはコンピュータサーバー室のように高温の外部環境に配置されても寿命低下の問題を抑制することができ、長時間経過しても放電率が低いので、急な停電のような状況に備えて使うのに適した機能を有している。
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 電池セルスタック
１０１ 電池セル
２１０ 温度調節素子
２２０ ヒートプレート
２２１ 平面部
２２２ 側面部
２３０ 冷却ファン
２４０ ヒートシンク
２５０ 放熱部材
２７０ ＢＭＳモジュール
３００ パックケース
３１０ 内部カバー
３２０ 内部トレイ
４００ 断熱材

Claims (12)

  1. 複数の電池セルを含む電池セルスタックと、
    前記電池セルスタックの温度が外部の高温によって高くなることを防止するための温度調節素子と、
    前記電池セルスタックの下面及び側面に配置されるヒートプレートと、
    前記電池セルスタック、温度調節素子及びヒートプレートを内部に収容するパックケースと、
    前記パックケースの内部の熱を外部に排出する冷却ファン（ｆａｎ）と、
    を含み、
    前記電池セルスタックは、電池パックと連結された電気装置に外部電源が供給される場合は前記電気装置に電流を供給せず、前記電気装置に外部電源が供給されない場合は前記電気装置に電流を供給する、非常電源装置用電池パック。
  2. 前記冷却ファンは前記パックケースの長軸方向の両端のうちの一端に位置し、
    前記温度調節素子は前記冷却ファンの内側に位置する、請求項１に記載の非常電源装置用電池パック。
  3. 前記ヒートプレートは、前記電池セルスタックの下面に位置する平面部、及び前記温度調節素子の内側に位置する側面部を含む、請求項１または２に記載の非常電源装置用電池パック。
  4. 前記ヒートプレートは内部に空間が形成されており、前記空間には温度によって流動する冷媒が収容されている、請求項３に記載の非常電源装置用電池パック。
  5. 前記冷媒は前記電池セルスタックの熱によって気化して前記側面部に沿って上昇し、上昇した冷媒は前記温度調節素子によって冷却されて下降し、前記平面部に沿って移動する循環が形成される、請求項４に記載の非常電源装置用電池パック。
  6. 前記温度調節素子はペルチェ素子である、請求項１または２に記載の非常電源装置用電池パック。
  7. 前記温度調節素子と前記冷却ファンとの間にはヒートシンクが配置される、請求項１または２に記載の非常電源装置用電池パック。
  8. 前記電池セルスタックと前記平面部との間には放熱部材が位置する、請求項３に記載の非常電源装置用電池パック。
  9. 前記電池セルスタックの外面のうちの少なくとも一部には断熱材がさらに付加されている、請求項１または２に記載の非常電源装置用電池パック。
  10. 前記平面部の外面には断熱材がさらに付加されている、請求項３に記載の非常電源装置用電池パック。
  11. 前記電気装置はコンピュータサーバーシステムである、請求項１または２に記載の非常電源装置用電池パック。
  12. 前記電池セルスタックの温度は前記コンピュータサーバーシステムの温度より低く維持される、請求項１１に記載の非常電源装置用電池パック。
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