JP5167147B2 - リチウムイオン２次電池システムの冷却構造 - Google Patents

リチウムイオン２次電池システムの冷却構造 Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン２次電池システムの冷却構造に係り、さらに詳しくは、冷却ファンから送風された風が、メインフレームと遮断フレーム間の結合によって形成される放熱部の冷却チャネルだけでなく、リチウム電池ユニットセルにも直接加えられるように、メインフレームの側部に開放構造（流路溝）を形成することにより、放熱効率を極大化する、リチウムイオン２次電池システムの冷却構造に関する。
一般に、１次電池とは異なり充電および放電が可能な２次電池は、例えばデジタルカメラ、セルラー電話、ノートブックコンピュータ、ハイブリッド自動車などの先端分野の開発によって研究が盛んに行われている。２次電池としては、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−メタルハイブリッド電池、ニッケル−水素電池、リチウムイオン２次電池などを挙げることができる。これらの中でも、リチウムイオン２次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上であって、携帯用電子機器の電源として使用されるか、或いは数個〜数十個を直列連結して高出力のハイブリッド自動車に使用されるが、ニッケル−カドミウム電池またはニッケル−メタルハイブリッド電池に比べて作動電圧が３倍も高く、単位重量当りのエネルギー密度の特性も優れるため、その普及が急速に増加している趨勢である。
リチウムイオン二次電池は、多様な形で製造できるが、その代表的な形状としてはリチウムイオン電池に主に用いられる円筒型(cylinder type)および角柱型(prismatic type)
を挙げることができる。最近、脚光を浴びているリチウムポリマー電池は、柔軟性を持つパウチ型(pouched type)として製造されるため、その形状が比較的自由である。また、リチウムポリマー電池は、安全性に優れるうえ、重量も軽いため、携帯用電子機器のスリム化および軽量化に有利である。
図１を参照すると、従来のパウチ型リチウムイオン２次電池１０は、電池部１１と、この電池部１１が収容される空間１２ａを提供するケーシング１２とを含んでいる。
電池部１１は、陽極板１１ａ、セパレータ１１ｃおよび陰極板１１ｂが積層された形状を持つ。電池部１１の各極板は、陽極タップ１３よび陰極タップ１４と電気的に接続されている。
前記陽極板１１ａおよび陰極板１１ｂの一端部は、ケーシング１２の密閉面１２ｂを介してケーシング１２から外部に突出している。突出した陽極タップ１３および陰極タップ１４の一端部は、保護回路基板（図示せず）の端子に接続される。
陽極タップ１３および陰極タップ１４の外面には、密閉面１２ｂと接する部分におけるケーシング１２と電極タップ１３、１４との電気的短絡を防止するために、それぞれ密閉テープ１５が巻かれている。
このようなケーシング１２は、厚膜の金属素材で成形した円筒型または角柱型缶構造とは異なり、中間層が金属箔であり、金属箔の両面に接着される内・外皮層が絶縁性フィルムからなるパウチ型ケーシングである。パウチ型ケーシングは、成形性に優れて自由自在に屈曲可能である。このようなケーシング１２には、上述したように電池部１１を収容することが可能な空間部１２ａが形成されており、空間部１２ａの縁部に沿って熱融着される面に提供する密閉面１２ｂが形成されている。
図２は図１のII−II線に沿った拡大図である。
ケーシング１２は、金属箔、いわゆるアルミニウム箔からなる中間層と、中間層の内面および外面に接着され、中間層を保護する絶縁性フィルムからなる内・外皮層とで構成されている複合フィルムである。
ケーシング１２内に形成された空間１２ａには、陽極板１１ａ、セパレータ１１ｃおよび陰極板１１ｂの順で配列された電池部１１が収容されており、陽極板１１ａおよび陰極板１１ｂからは、図１に示すように、陽極タップ１３と陰極タップ１４が引き出されている。引き出された電極タップ１３、１４の端部は、ケーシング１２の密閉面１２ｂを介して外部に露出しており、密閉面１２ｂでは電極タップ１３、１４の外面に密閉テープ１５が覆われている。
上述した構造を持つパウチ型リチウムイオン２次電池１０は、陽極板１１ａと陰極板１１ｂに陽極タップ１３および陰極タップ１４を電気的に接続した後、陽極板１１ａ、セパレータ１１ｃおよび陰極板１１ｂの順で配置した状態で一方向に巻き取って電池部１１を完成する。
完成した電池部１１は、ドローイング(drawing)工程によって空間１２ａが設けられた
ケーシング１２内に実装される。実装の際に、各電極タップ１３および１４の一端部はケーシング１２の外部に露出させる。このような状態でケーシング１２の密閉面１２ｂに所定の熱と圧力を印加して熱融着することにより、パウチ型リチウムイオン２次電池１０を完成する。
完成したパウチ型リチウムイオン２次電池１０は、電池構造を安定化させるために、充電、エイジング、放電などの一連の化成工程を経て電池の異常有無を選別する。
一方、高出力のリチウム電池が要求される例えばハイブリッド自動車などの場合には、図１および図２に示したパウチを数十〜数百個積層し、これを直列連結して高電圧を得る。
このようなパウチ型リチウムポリマー電池は、容易に撓んだり曲がったりすることが可能な軟弱なアルミニウムパウチから構成されており、硬いケーシング装置で保護しなければ長時間使用することができないが、本出願人は、このような課題を勘案し、韓国特許出願第２００５−２４１７２号によって好適な実施例を提案したことがある。
前記文献の技術事項について言及すると、図３に示すように、リチウム電池ユニットセル３１は、その内部にリチウムイオン２次電池を持つパウチ３４、そのパウチ３４の一面に棚状に形成された一対の陽極タップ３２および陰極タップ３３を含んでなるが、その電極タップ３２および３３の各端部は互いに反対方向に折り曲げられた形状を持つ。
図４および図５に示すように、このような電極タップ３２、３３を持つリチウム電池ユニットセル３１は、垂直に並んで立てられた状態を維持し、熱を放出する各リチウム電池ユニットセル３１の温度を低下させるうえ、円滑な放熱を実現するために、別途のフレーム部材を含んでなる。このようなフレーム部材は、リチウム電池ユニットセル３１を収容することが可能な空間部上に格子状通路４１ｂを有するメインフレーム４１と、メインフレーム４１間の隔壁の役割として、その通路に対応する格子状通路４２ｂを有する遮断フレーム４２とからなり、横方向に交互に並んで配置される交互構造を持つ。
また、メインフレーム４１の上部には、リチウム電池ユニットセル３１の収容のための
空間幅より一層小さい薄板状の放熱部４１ａが形成され、メインフレーム４１と遮断フレーム４２との積層結合（交互配置）によって、メインフレーム４１の放熱部４１ａに対応して通気可能な構造の冷却チャネル４３が形成される。
図６および図７は、メインフレーム４１と遮断フレーム４２との積層結合状態でカバー５０が覆い被せられた構成を示すものであって、吸気口５３に冷却ファン５２が偏心状態で設置され、その冷却ファン５２から送風された風が、カバー５１によって区画された空間内でメインフレーム４１と遮断フレーム４２の放熱部４１ａ、すなわち冷却チャネル４３を介して格子状通路４１ｂ、４２ｂを経ることにより、収容されたリチウム電池ユニットセル３１を冷却した後、カバー５１の後方の排気口５４を介して排出されるようになっている。
ところが、冷却ファンから送風された風は、メインフレームと遮断フレームの上端部に形成された放熱部の冷却チャネルを介して格子状通路を経るため、送風の動線が長くて実質的にリチウム電池ユニットセルに対する放熱効率があまり高くなかった。
そこで、本発明は、上述した諸般問題を解決するために創案されたもので、その目的は、冷却ファンから送風された風が、メインフレームと遮断フレーム間の結合によって形成される放熱部の冷却チャネルだけでなく、リチウム電池ユニットセルに直接加えられるように、メインフレームの側部に開口構造、例えば流路溝などを形成することにより、放熱効率を極大化する、リチウムイオン２次電池システムの冷却構造を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、放熱効率をさらに一層高めるために、フレームの側部の開放構造をテーパー状に限定することを特徴とする、リチウムイオン２次電池システムの冷却構造を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、放熱部と格子状通路を有するメインフレームおよび遮断フレームの横方向の交互配置によって、収容されたリチウム電池ユニットセルに対する冷却チャネルが提供され、冷却ファンから送風された風が前記冷却チャネルと前記格子状通路を経てリチウム電池ユニットセルを冷却するようにするリチウムイオン２次電池システムの冷却構造において、前記メインフレームの両側部に、それぞれ冷却ファンから送風された風が、収容されたリチウム電池ユニットセルに直接通じるようにする一対の流路溝を形成することにより、前記一対の流路溝を連結する第２冷却チャネルが構成され、前記一対の流路溝は、前記メインフレームの側部の中心線上に形成されることにより、第２冷却チャネルを構成し、前記一対の流路溝は、前記第２冷却チャネルの長手方向に沿ってお互いに向かって次第に狭くなるテーパー状の断面を備えることを特徴とする、リチウム２次電池フレームの冷却構造を提供する。
好ましくは、流路溝は、メインフレームの側部の中心線を基準として一側に形成される。この際、流路溝は、少なくとも２つが一定の間隔でまたはジグザグ状に形成されることを特徴とする。
好ましくは、流路溝は、第２冷却チャネルの長手方向に沿って対称または非対称をなすテーパー状の断面を備えることを特徴とする。
したがって、本発明は、メインフレームの側面に一対の流路溝を形成することにより、冷却ファンの送風力が最短経路で直接リチウム電池ユニットセルに加えられるため、流路溝なしの従来の冷却構造に比べて冷却効率が著しく増加して電池の内部安定性が良くなるという利点がある。また、本発明は、流路溝の断面をテーパー状に限定することにより、冷却効率を一層高めるという利点を持つ。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、図面において、同一または類似の構成要素については、同一の参照符号を付する。
図８は本発明の一実施例に係るリチウムイオン２次電池システム用メインフレームの冷却構造を示す斜視図である。
本発明の核心的事項は、メインフレーム４１と遮断フレーム４２によって、収容されたリチウム電池ユニットセル３１の冷却をより速く且つ効率よく進行させる方案を提示することである。図６において、冷却ファン５２の送風位置が、冷却カバー５１内で横方向の交互配置を成すメインフレーム４１と遮断フレーム４２の側方であることを考慮し、収容されたリチウム電池ユニットセル３１に冷却ファン５１からの風が直接通じるようにする流路溝４１ｃを、垂直中心線を基準としてメインフレーム４１の側部の一側に形成する。
このような流路溝４１ｃを有するメインフレーム４１は、図９に示すように、遮断フレーム４２との横方向の交互配置の際にフレーム上部側の冷却チャネル４３から独立する第２冷却チャネル４４を構成することができる。
また、本発明の流路溝４１ｃは、図１０に示すように、メインフレーム４１の側面に一定の等間隔をもって対称的に少なくとも２つ形成することができる。
また、本発明の流路溝４１ｃは、図１１に示すように、メインフレーム４１の側面に一定の間隔をもってジグザグ状に多数形成することができる。
一方、上述した本発明の流路溝４１ｃは、メインフレームの両側部にそれぞれ対をなして形成されなければならない。
図１２は従来の技術と流路溝を有する本発明との冷却効率を実験によって比較したグラフである。
図１２を参照すると、本発明の冷却効率の卓越さが認知される。すなわち、従来の流路溝を持っていない比較群は、時間対比３５．６〜３９．６℃の温度範囲を成すが、これに対し、流路溝を持つ本発明は、同一の条件で３１．４〜３２．０℃の温度範囲を成す。よって、本発明の冷却効率が従来の技術と比べられないほど非常に大きいことが分かる。
図１３は本発明の他の実施例に係るリチウムイオン２次電池用フレームの冷却構造を示す斜視図、図１４は図１３のメインフレームが適用された実施例の側面図である。
図１３および図１４に示したメインフレーム４１は、一対の流路溝４１ｄが側部の中心線上に形成された以外は、図８示したメインフレーム（第１実施例を参照）の構造と実質的に同様であり、また、遮断フレームは、第１実施例と同様である。よって、流路溝４１ｄを除いた残余部についての説明は省略する。
この実施例において、一対の流路溝４１ｄは、メインフレーム４１の両側部でその中心線上に形成されることを特徴とする。すなわち、第１実施例ではメインフレーム４１と遮断フレーム４２の交互配置によってそれらの間に第２冷却チャネルが形成されるが、これとは異なり、第２実施例ではメインフレーム４１の中心に流路溝４１ｄが形成されるので、遮断フレームと別個に第２冷却チャネル４４が形成できる。
また、このような一対の流路溝４１ｄに対応してメインフレームの格子状通路が形成できる。すなわち、メインフレーム４１の両側部に形成された一対の流路溝４１ｄの間には相対的に大きい格子状通路４１ｂ’が形成されることにより、第２冷却チャネル４４を効果的に構成することができる。
参考までに、第２実施例では、第２冷却チャネル４４を構成する一対の流路溝４１ｄはメインフレームの両側部の下端部に所定の大きさで形成された例が示されているが、これは一実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。すなわち、第２実施例とは異なり、一対の流路溝がメインフレームの両側部に多数形成されてもよく、流路溝それぞれが第２実施例の場合よりさらに大きくまたは小さく形成されてもよい。結局、本発明の特徴に係る流路溝の位置および形状は図１３および図１４に示されているものに限定されないという点に留意する。
図１５〜図１７は、それぞれ本発明によってメインフレーム４１の両側部に構成される一対の流路溝、およびこれらの流路溝を連結する第２冷却チャネル４４ａ、４４ｂ、４４ｃの水平断面を模式的に示す。
例えば、第２冷却チャネル４４ａ、４４ｂ、４４ｃは、一対の流路溝４１ｄおよびこれらの流路溝間の空間（例えば、格子状通路４１ｂ）から構成される。この際、空間の両側面はメインフレームの両面に収容されるリチウム電池ユニットセルのパウチ３４（図４参照）で満たされる。その結果、第２冷却チャネル４４ａ、４４ｂ、４４ｃが構成される。
また、図１８〜図２０はそれぞれ図１５〜図１７に示した断面の第２冷却チャネル４４ａ、４４ｂ、４４ｃを備えた場合における、冷却チャネル４３（またはメインチャネル）を介しての各チャネルに対する送風量をシミュレーションした結果のグラフである。図２１〜図２３はそれぞれ図１５〜図１７に示した断面の第２冷却チャネル４４ａ、４４ｂ、４４ｃを備えた場合における、第２冷却チャネル４４（またはサイドチャネル）を介しての各チャネルに対する送風量をシミュレーションした結果のグラフである。
参考までに、このようなシミュレーションは、総５６個の電池セルが積層された場合を基準として実施された。冷却チャネル（メインチャネル）は５６個、第２冷却チャネル（サイドチャネル）は２８個を基準としてその結果が示されたことに留意すべきである。
これを、図面などを参照して、交互配置によって形成される多数の冷却チャネル（第２冷却チャネルを含む）に対してより効果的で均一な冷却をもたらすことが可能第２冷却チャネルの断面形状（流路溝形状）を形成する。
図１５はメインフレーム４１の両側部に形成された流路溝が互いに平行な２つの断面（Ｓ４１）を持つ一般な形態を示す。このような形態を持つ第２冷却チャネル４４ａは、以下「一般型」と称する。図１６は、メインフレーム４１の両側部に形成された流路溝が傾いた形態の断面（Ｓ４１’）を有し、第２冷却チャネル４４ｂの中心に向かった方向に流路溝の断面が次第に狭くなる形状（テーパー状）を示す。このような形態を持つ第２冷却チャネル４４ｂは以下「Ｘ型」と称する。図１７はメインフレーム４１の両側部に形成さ
れた流路溝が冷却チャネルの長手方向に平行な断面Ｓ４１および冷却チャネルの中心に向かった方向に狭くなるように傾いた断面Ｓ４１’をもって形成される。このような形態を持つ第２冷却チャネル４４ｃは以下「Ｄ型」と称する。参考までに、「Ｄ型冷却チャネルにおいて、流路溝の断面Ｓ４１、Ｓ４１’のうち傾斜面Ｓ４１’が空気の供給方向を基準として先行する。
Ｘ型冷却チャネル４４ｂとＤ型冷却チャネル４４ｃは両方ともテーパーされた断面を持つという点で類似な形態であるが、基本的にＤ型冷却チャネル４４ｃは方向性（空気の供給方向に対する方向性）を持つという点でＸ型冷却チャネル４４ｂとは異なる。
また、第２冷却チャネルが備えられていないリチウムイオン２次電池システムと一般型４４ａ（図１５参照）、Ｘ型４４ｂ（図１６参照）、およびＤ型４４ｃ（図１７参照）の流路溝による第２冷却チャネルを備えたリチウムイオン２次電池システムに対して、それぞれの圧力降下の結果を比較すると、表１の通りである。
Figure 0005167147
表１に示すように、Ｄ型断面の流路溝が適用されて第２冷却チャネルが備えられた場合、最も低い圧力降下が発生することを確認することができる。ところが、このようなＤ型流路溝の断面は空気の供給方向に対して方向性（例えば、その反対方向に空気が供給される場合、その効率が異なる）を持つため、実際システムを構築する形態はＸ型断面の流路溝（図１６参照）を用いて構成することがさらに好ましいことが分かる。
図１８〜図２３は、共通に、リチウムイオン２次電池システムの吸気口（図６の５３参照）の初期広さ（Ｗｉｎ，ｉｎｉ）は５０ｍｍ、吸気口の最終広さ（Ｗｉｎ，ｆｉｎａｌ-）は５０ｍｍ、排気口（図６の５４参照）の初期広さ（Ｗｏｕｔ，ｉｎｉ）は５０ｍｍ
、排気口の最終広さ（Ｗｏｕｔ，ｆｉｎａｌ-）は５０ｍｍと設計され、総５６個の電池
セルが積層されたセル積層体が備えられ、このシステムに対する全体流量は１６８０ＬＰＭに設定されてシミュレーションされたものである。
また、第２冷却チャネル（サイドチャネル）に関する図２１〜図２３の場合、第２冷却チャネルの断面形状によって相異なる結果が図示される。これは第２冷却チャネルの断面形状によってその効果が異なることを示す。一方、冷却チャネル（メインチャネル）に関する図１８〜図２０の場合、冷却チャネル４３が同一の断面から構成されているが、その下部に形成された第２冷却チャネル４４ａ、４４ｂ、４４ｃの形状が異なることにより、相異なる結果が得られる。これは、第２冷却チャネルの断面形状によって、その上部に位置した冷却チャネルを通過する送風量が影響されるという点を示す。
上述したように、本発明は、パウチ型リチウム２次電池（リチウム電池ユニットセル）をフレーム部材（例えば、メインフレームおよび遮断フレーム）を用いて収容積層する場合、当該リチウム電池ユニットセルに対する放熱を効果的に図るために、既存の冷却チャネルに加えて、リチウム電池ユニットセルに直接送風空気を案内するメインフレームの側部の第２冷却チャネル（例えば、本発明の特徴によって、メインフレームの両側部の一対の流路溝によって形成される）を提供し、また、第２冷却チャネルの両端で流路溝の断面
（水平断面）を特定の形状、例えばＸ型断面に限定することにより、その冷却効率を大きく向上させることを主な特徴とする。
また、当業者であれば、本発明の技術的思想が上述の実施例に限定されないことと、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲および精神から逸脱することなく、各種の変形、追加および置換が可能であることを理解するであろう。
従来のパウチ型リチウムイオン２次電池の構造を示す平面図である。 図１のパウチ型リチウムイオン２次電池をII−II線に沿って切開して示す拡大断面図である。 従来のリチウム電池ユニットセルの他の例を示す斜視図である。 図３のリチウム電池ユニットセルを支持するフレーム部材の横方向の交互配置構造を示す分離斜視図である。 図４のリチウム電池ユニットセルに対するフレーム部材の配置状態を示す斜視図である。 図５の交互配置状態のリチウム電池フレーム部材にカバーが覆い被せられた状態を示す斜視図である。 図６の平断面図である。 本発明の一実施例に係るリチウムイオン二次電池用フレームの冷却構造を示す斜視図である。 本発明が適用された状態の一実施例を示す側面図である。 本発明が適用された状態の他の実施例を示す側面図である。 本発明が適用された状態の別の実施例を示す側面図である。 従来の技術と本発明の冷却効率を実験によって比較して示すグラフである。 本発明の他の実施例に係るリチウムイオン二次電池用フレームの冷却構造を示す斜視図である。 図１３のメインフレームが適用された実施例の側面図である。 図１３のＶ−Ｖ線に沿った流路溝の断面を概略的に示す断面図である。 図１３のＶ−Ｖ線に沿った流路溝の断面を概略的に示す断面図である。 図１３のＶ−Ｖ線に沿った流路溝の断面を概略的に示す断面図である。 図１５〜図１７の流路溝の断面に対応する冷却チャネルに対する冷却効率を実験によって比較して示すグラフである。 図１５〜図１７の流路溝の断面に対応する冷却チャネルに対する冷却効率を実験によって比較して示すグラフである。 図１５〜図１７の流路溝の断面に対応する冷却チャネルに対する冷却効率を実験によって比較して示すグラフである。 図１５〜図１７の流路溝の断面に対応する第２冷却チャネルに対する冷却効率を実験によって比較して示すグラフである。 図１５〜図１７の流路溝の断面に対応する第２冷却チャネルに対する冷却効率を実験によって比較して示すグラフである。 図１５〜図１７の流路溝の断面に対応する第２冷却チャネルに対する冷却効率を実験によって比較して示すグラフである。
符号の説明
３１：リチウム電池ユニットセル
４１：メインフレーム
４１ａ：放熱部
４１ｂ、４２ｂ：格子状通路
４１ｃ、４１ｄ：流路溝
４２：遮断フレーム
４３：冷却チャネル
４４：第２冷却チャネル
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ：第２冷却チャネル
５０：リチウムイオン二次電池システム
５１：カバー
５２：冷却ファン
５３：吸気口
５４：排気口
Ｓ４１、Ｓ４１’：流路溝の断面

Claims (6)

  1. 放熱部と格子状通路を有するメインフレームおよび遮断フレームの横方向の交互配置によって、収容されたリチウム電池ユニットセルに対する冷却チャネルが提供され、冷却ファンから送風された風が前記冷却チャネルと前記格子状通路を経てリチウム電池ユニットセルを冷却するようにするリチウムイオン２次電池システムの冷却構造において、
    前記メインフレームの両側部に、それぞれ冷却ファンから送風された風が、収容されたリチウム電池ユニットセルに直接通じるようにする一対の流路溝を形成することにより、前記一対の流路溝を連結する第２冷却チャネルが構成され、
    前記一対の流路溝は、前記メインフレームの側部の中心線上に形成されることにより、第２冷却チャネルを構成し、
    前記一対の流路溝は、前記第２冷却チャネルの長手方向に沿ってお互いに向かって次第に狭くなるテーパー状の断面を備えることを特徴とする、リチウム２次電池フレームの冷却構造。
  2. 前記一対の流路溝が前記メインフレームの側部の中心線を基準として一側に形成され、前記メインフレームと遮断フレームの交互配置の際に第２冷却チャネルが構成されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン２次電池フレームの冷却構造。
  3. 前記一対の流路溝が一定の間隔で多数形成されることを特徴とする、請求項２に記載のリチウムイオン２次電池システムの冷却構造。
  4. 多数対の流路溝がジグザグ状に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のリチウムイオン２次電池システムの冷却構造。
  5. 前記メインフレームの一対の流路溝それぞれは、前記第２冷却チャネルの長手方向に沿って対称をなすテーパー状の断面を備えることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン２次電池システムの冷却構造。
  6. 前記メインフレームの一対の流路溝それぞれは、前記第２冷却チャネルの長手方向に沿って非対称をなすテーパー状の断面を備えることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン２次電池システムの冷却構造。
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