JP6588643B2 - 相異なる厚さを有するクーリングフィンの配列を含む電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、電池モジュールに含まれた電池セルの温度を位置に関係なく均一に下げられるように構造を改善したクーリングフィンの配列を含む電池モジュールに関する。
本出願は、2015年9月21日出願の韓国特許出願第10−2015−0133022号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
近年、車両の排出ガスに因る大気汚染を減らすため、内燃機関及び/または電気モータを用いて駆動力を確保する研究に基づいて車両が製造されている。それにより、車両はハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、そして電気自動車の順に進化してきた。
ハイブリッド自動車及びプラグインハイブリッド自動車は、内燃機関、電気モータと電池パックを備える。電気自動車は、内燃機関なしに、電気モータと電池パックを有する。
電池パックは、少なくとも1つの電池モジュールを有し、空冷式または水冷式の冷却メカニズムを含む。
一例として、特開2013−038001号公報には、複数のクーリングフィン、複数の電池セル、及び熱吸収体を有する電池パックが開示されている。前記複数のクーリングフィンは板状であり、熱吸収体上に立設されて一列に配列される。前記複数の電池セルは、熱吸収体上で複数のクーリングフィンの間に位置する。前記熱吸収体には一側部から冷却剤が流れ込み、他側部から冷却剤が排出される。
前記クーリングフィンは電池セル及び熱吸収体と接触する。電池セルからは、充電及び放電が繰り返される間、熱が発生する。前記電池セルの熱はクーリングフィンを通じて熱吸収体に伝導される。前記熱吸収体は冷却剤を通じてクーリングフィンと熱を交換する。
一方、電池セルの配列において、中央部に位置するセルは外側に位置するセルよりも相対的に速く温度が上昇する。外側に位置するセルから発生した熱が中央部のセルに伝達されて累積されるためである。熱の累積は中央部に位置するセルの劣化速度を速める。その結果、電池パックの寿命が設計仕様より短くなって電池パックの交換周期を短縮させ、経済的負担の原因になる。
一方、米国特許公開US2012/0009455A号公報には、複数の隣接した電池セル;少なくとも幾つかの電池セルの間に位置して前記電池セルと熱交換する熱伝達シート;熱伝達シートと結合し、前記熱伝達シートと熱交換する熱分散部材;熱分散部材と結合し、前記熱分散部材と熱交換する放熱部材を含む電池モジュールが開示されている。
ここに開示された電池モジュールにおいて、中央部分には熱伝達シートの間に補助熱伝達シートがさらに挿入され、全体的な熱伝達シートの厚さが外側部分よりも相対的に厚い。これは熱が多く発生する中央部分の電池セルから熱を迅速に排出させるために提案された構造である。
しかし、厚さの同じ熱伝達シートを複数枚積層すれば、シートの間に存在する接触熱抵抗(contact thermal resistance)により、シート同士の間では面対面の熱伝達が円滑に行われない。
したがって、外側に位置する熱伝達シートよりも内側に位置する熱伝達シートの熱伝導性能が相対的に低い。そのため、中央部分から熱を迅速に排出するためには、かなり多くのシートを積層する必要がある。しかし、このような熱伝達シートの積層構造は電池パックのエネルギー密度を低下させるため、電気自動車やハイブリッド自動車には適用し難い。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、一列に配列される複数の電池セルの反復的な充電及び放電の間、電池セルの配列順に関係なく、各電池セルから発生する熱を迅速に放出して全体電池セルの温度を均一に制御でき、電池パックのエネルギー密度の低下を最小化できるクーリングフィンの配列を含む電池モジュールを提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明による電池モジュールは、一方向に沿って配列された複数の電池構造物;隣接する電池構造物の間に介在された複数のクーリングフィン;前記複数のクーリングフィンの端部と結合したヒートシンクを含み、それぞれのクーリングフィンは一対のクーリングサブフィンが面対面で結合した構造を有し、前記複数のクーリングフィンは中央領域からサイド領域に行くほど、前記一対のクーリングサブフィンのうち少なくとも1つの厚さの差異によってその厚さが減少することを特徴とする。
望ましくは、前記複数のクーリングフィンの厚さは、前記中央領域から前記サイド領域に行くほどその厚さが徐々に減少することができる。
望ましくは、前記電池モジュールは、前記複数の電池構造物の最外側に配置され、1つのクーリングサブフィンからなる外側クーリングフィンをさらに含むことができる。
望ましくは、前記外側クーリングフィンは、「┘」状または「└」状に折り曲げられた金属板からなり得る。
望ましくは、前記複数のクーリングフィンは、それぞれ「┴」状を有し得る。
望ましくは、前記複数のクーリングフィンは、それぞれ、「┘」状に折り曲げられた金属板からなる左側クーリングサブフィンと、「└」状に折り曲げられた金属板からなる右側クーリングサブフィンとを含むことができる。
一態様によれば、前記左側クーリングサブフィンと前記右側クーリングサブフィンのうち前記複数のクーリングフィンの中央領域に対向するものが、前記複数のクーリングフィンのサイド領域に対向するものよりも厚い。
望ましくは、複数の電池構造物のうち最外側に位置した電池構造物を除いた他の電池構造物のそれぞれは、両側に隣接する2枚のクーリングフィンと面対面で接触することができる。
一態様によれば、前記両側に隣接する2枚のクーリングフィンのうち一側のクーリングフィンを構成する「└」状の右側クーリングサブフィンと、他側のクーリングフィンを構成する「┘」状の左側クーリングサブフィンとは同じ厚さを有し得る。
本発明において、それぞれのクーリングフィンは、前記ヒートシンクの表面に接合した板状の基台;及び前記基台の端部から垂直に突設した板状の側壁を含み、前記側壁はそれと対向する電池構造物と面対面で接触することができる。
一態様によれば、前記複数のクーリングフィンの基台は、前記複数のクーリングフィンの配列の中央領域から外側に行くほど厚さが徐々に減少する傾向を有し得る。
望ましくは、それぞれの電池構造物は、少なくとも1つの電池セル、及び前記少なくとも1つの電池セルを内部に収納するカートリッジを含むことができる。
一態様によれば、前記カートリッジは、前記少なくとも1つの電池セルの扁平な面を露出させる窓を備え、前記窓を通じて露出した前記扁平な面はそれと対向するクーリングフィンの表面と面対面で接触することができる。
本発明において、前記ヒートシンクは、冷却剤が流れ込む流入口、及び前記冷却剤が排出される流出口を備えることができる。また、前記ヒートシンクは、冷却剤が流動可能な中空構造を有し得る。
一態様によれば、前記ヒートシンクは、バルク状の金属板からなり、空気の流れに露出する凹凸構造を備えることができる。この場合、凹凸構造はクーリングフィン構造物が備えられた面の反対面に備えることができる。
望ましくは、前記一対のクーリングサブフィンは、熱伝導性接着剤または熱伝導性両面接着フィルムを用いて相互接合することができる。
本発明によれば、電池モジュールに含まれた複数のクーリングフィンの配列において、中央領域に位置したクーリングフィンの厚さをサイド領域に位置したクーリングフィンの厚さより厚くして、電池モジュールの中央領域でクーリングフィン側への熱伝達速度を増加させることができる。その結果、電池モジュールの中央領域に熱が累積して温度が局所的に上がることを防止でき、電池モジュールの位置と関係なく温度を均一に下げることができる。それにより、電池モジュールの交替周期の短縮を防止することができる。
また、2枚のクーリングサブフィンのみを面対面で接触させてクーリングフィンを構成し、クーリングサブフィンの厚さを調節して中央領域のクーリングフィンの厚さをサイド領域のクーリングフィンの厚さよりも増加させることで、同じ厚さの複数の熱伝達シートを多数積層させてクーリングフィン構造を具現した従来技術に比べて、エネルギー密度の損失を最小化しながら中央領域の熱伝達速度を増加させることができる。すなわち、クーリングフィンの厚さ対比熱伝導性能が従来技術に比べて優れるため、本発明はエネルギー密度の高い電池パックを必要とする電気自動車やハイブリッド自動車の技術分野に有用に適用することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の第1実施例による電池モジュールを概略的に示した斜視図である。 図1の切断線I−I’からみたクーリングフィン構造物及びヒートシンクを示した断面図である。 図1のクーリングフィンを示した斜視図である。 図1の切断線I−I’からみた電池モジュールを示した断面図である。 図4の電池モジュールの変形例を示した断面図である。 図4の電池モジュールの他の変形例を示した断面図である。 本発明の第2実施例による電池モジュールを概略的に示した斜視図である。 図7の切断線II−II’からみたクーリングフィン構造物及びヒートシンクを示した断面図である。 図7の切断線II−II’からみた電池モジュールを示した断面図である。 図9の電池モジュールの変形例を示した断面図である。 図9の電池モジュールの他の変形例を示した断面図である。 図1の電池モジュールの冷却メカニズムを説明する斜視図である。 図1の電池モジュールの冷却メカニズムを説明する斜視図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
後述する実施例において、電池セルとはパウチ型リチウム二次電池を称する。ここで、リチウム二次電池とは、充電及び放電中に、リチウムイオンが作動イオンとして働き、正極と負極とで電気化学的反応を引き起こす二次電池を総称する。しかし、本発明が電池の種類によって限定されることはない。
また、本発明は電池セルの用途によって限定されない。したがって、本発明による電池セルは、電気自動車やハイブリッド自動車の外にも、二次電池が適用できると知られた多様な応用製品、例えばモバイルデバイス、電力貯蔵装置、ドローンのような無人飛行体などに使用される電池にも利用可能である。
図1は本発明の第1実施例による電池モジュールを概略的に示した斜視図であり、図2は図1の切断線I−I’からみたクーリングフィン構造物及びヒートシンクを示した断面図である。また、図3は図1のクーリングフィンの一実施例を示した斜視図であり、図4は図1の切断線I−I’からみた電池モジュールを示した断面図である。
図1〜図4を参照すれば、本発明による電池モジュール100は、ヒートシンク2、複数のクーリングフィン8、18、28、38、48、58、68を含むクーリングフィン配列70、及び複数の電池構造物90を含む。
前記ヒートシンク2は、クーリングフィン配列70と複数の電池構造物90の下に位置する。前記ヒートシンク2は、一側部に位置する流入口1Aから冷却剤(例えば、水(図12のC))を受け入れ、他側部に位置する流出口1Bを通じて冷却剤Cを排出する。前記冷却剤Cは、ヒートシンク2を通過する間、クーリングフィン構造物70と熱を交換する。前記ヒートシンク2は冷却剤が流動可能な中空構造を有し得る。
他の態様において、前記ヒートシンク2はクーリングフィン配列70が備えられた面の反対面に凹凸構造を有し得る。前記凹凸構造は空気の流れに露出し得る。この場合、前記ヒートシンク2から、冷却剤の流入及び排出、そして冷却剤の循環のための構造は選択的に省略し得る。
前記クーリングフィン配列70は、ヒートシンク2上で一方向に沿って配列される第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68を含む。ここで、クーリングフィンの数は一例に過ぎず、本発明がクーリングフィンの数によって限定されることはない。第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68は熱伝導性に優れた金属材質からなるが、一例として銅やアルミニウムからなり得る。前記クーリングフィンのうち最外郭に位置した第4クーリングフィン38及び第7クーリングフィン68を外郭クーリングフィンと称し得る。
前記第1クーリングフィン8は、クーリングフィン配列70の真ん中領域に位置する。前記第2〜第4クーリングフィン18、28、38は、第1クーリングフィン8の左側に位置して、クーリングフィン配列70の中央領域から一側部に向かって順次配列される。
同様に、前記第5〜第7クーリングフィン48、58、68は、第1クーリングフィン8の右側に位置して、クーリングフィン配列70の中央領域から他側部に向かって順次配列される。前記第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68は下側端部がヒートシンク2と接触する。
前記複数の電池構造物90は、第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68同士の間に形成された空間に位置する。ここで、各電池構造物90は、非制限的な例として、少なくとも1つのパウチ型電池セル82を含むことができる。
前記第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68は、ヒートシンク2上で複数の電池構造物90を挟持構造で囲む。
望ましくは、前記第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68の厚さは、中央領域からサイド領域に行くほど徐々に減少する。
具体的に、前記第1クーリングフィン8はクーリングフィン配列70の真ん中に位置し、第2〜第7クーリングフィン18、28、38、48、58、68よりも厚い厚さT1を有する。
また、前記第2〜第4クーリングフィン18、28、38は左側に行くほど厚さが段々減少する。すなわち、前記第2クーリングフィン18は第3及び第4クーリングフィン28、38のそれぞれよりも厚い厚さT2を有し、前記第3クーリングフィン28の厚さT3は外郭クーリングフィンに該当する第4クーリングフィン38の厚さT4より厚い。
同様に、前記第5〜第7クーリングフィン48、58、68は右側に行くほど厚さが段々減少する。すなわち、前記第5クーリングフィン48は第6及び第7クーリングフィン58、68のそれぞれよりも厚い厚さT2を有し、前記第6クーリングフィン58の厚さT3は外郭クーリングフィンに該当する第7クーリングフィン68の厚さT4より厚い。
望ましくは、前記第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68は、第1クーリングフィン8を基準にして位置と厚さが相互対称を成す。
望ましくは、前記第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68のうち外郭クーリングフィン38、68は「└」状または「┘」状を有し、他のクーリングフィン8、18、28、48、58は2つの電池構造物90を挟持構造で囲むように「┴」状を有する。
一態様によれば、前記第1、第2、第3、第5及び第6クーリングフィン8、18、28、48、58のそれぞれは、図2に示されたように、「┘」状に折り曲げられた金属板からなるクーリングサブフィンと「└」状に折り曲げられた金属板からなるクーリングサブフィンとが相互対向して結合された構造を有する。
すなわち、前記第1クーリングフィン8は、「┘」状の第1左側クーリングサブフィン3と「└」状の第1右側クーリングサブフィン6とが結合された構造を有する。また、前記第2クーリングフィン18は、「┘」状の第2左側クーリングサブフィン13と「└」状の第2右側クーリングサブフィン16とが結合された構造を有する。また、前記第3クーリングフィン28は、「┘」状の第3左側クーリングサブフィン23と「└」状の第3右側クーリングサブフィン26とが結合された構造を有する。また、前記第5クーリングフィン48は、「┘」状の第5左側クーリングサブフィン43と「└」状の第5右側クーリングサブフィン46とが結合された構造を有する。また、前記第6クーリングフィン58は、「┘」状の第6左側クーリングサブフィン53と「└」状の第6右側クーリングサブフィン56とが結合された構造を有する。一方、外郭クーリングフィンに該当する第4クーリングフィン38と第7クーリングフィン68は、それぞれ「└」状と「┘」状を有する単一クーリングサブフィンからなる。
左側クーリングサブフィンと右側クーリングサブフィンとは、熱伝導性接着剤を用いて結合しても良く、スポット溶接、レーザー溶接、超音波溶接、抵抗溶接などを用いて結合しても良い。また、左側クーリングサブフィンと右側クーリングサブフィンとは、熱伝導性両面接着フィルムを介在して相互結合することができる。
熱伝導性接着剤や熱伝導性両面接着フィルムを用いて左側クーリングサブフィンと右側クーリングサブフィンとを結合すれば、クーリングサブフィン同士の間の隙間が除去され、接触熱抵抗を減少させることができる。
一例として、熱伝導性接着剤としてはダウコーニング社の熱接着剤SE4485を使用でき、熱伝導性両面接着フィルムとしては3M社の熱接着パッド5571を使用することができる。
しかし、本発明はこれらに限定されないため、熱伝導性接着剤や熱伝導性両面接着フィルムは本発明が属した技術分野で周知されたものであれば如何なるものでも使用可能である。
図3及び図4を参照すれば、前記第1左側クーリングサブフィン3は、ヒートシンク2の表面に取り付けられる板状の基台B、及び前記基台Bの端部から直角に突出して上方に延び、電池構造物90と面対面で接触する板状の側壁Wを含む。前記基台Bは、ヒートシンク2と面対面で接触する。望ましくは、前記基台Bは溶接によってヒートシンク2の表面に堅固に固定できる。前記側壁Wは、隣接する二つの電池構造物90を所定距離ほど離隔させる。このような構造は、最外側に位置した第4及び第7クーリングフィン38、68、そして他のクーリングサブフィン6、13、16、23、26、43、46、53、56にも適用され得る。勿論、基台Bの突出方向はクーリングサブフィンの位置によって図3の図示とは反対になり得る。
図2を参照すれば、前記第1左側及び右側クーリングサブフィン3、6は、複数の電池構造物90の配列で中央領域に位置し、同じ厚さT11の側壁Wを有する。
一方、前記第2左側及び右側クーリングサブフィン13、16、第3左側及び右側クーリングサブフィン23、26、第5左側及び右側クーリングサブフィン43、46、そして第6左側及び右側クーリングサブフィン53、56は相異なる厚さの側壁Wを有する。
望ましくは、互いに結合した左側及び右側クーリングサブフィンのうち、サイド領域に向かっている側壁Wが中央領域に向かっている側壁Wより相対的に薄い。
一例として、前記第2左側クーリングサブフィン13の側壁Wの厚さT21は、第2右側クーリングサブフィン16の側壁Wの厚さT11より薄い。前記第3左側クーリングサブフィン23の側壁Wの厚さT31は、第3右側クーリングサブフィン26の側壁Wの厚さT21より薄い。前記第5左側クーリングサブフィン43の側壁Wの厚さT11は、第5右側クーリングサブフィン46の側壁Wの厚さT21より厚い。前記第6左側クーリングサブフィン53の側壁Wの厚さT21は、第6右側クーリングサブフィン56の側壁Wの厚さT31より厚い。
他の態様によれば、1つの電池構造物90を挟持構造で囲む2つの対向するクーリングサブフィンの側壁Wは、同じ厚さを有し得る。すなわち、第4クーリングフィン38と第3左側クーリングサブフィン23、第3右側クーリングサブフィン26と第2左側クーリングサブフィン13、第2右側クーリングサブフィン16と第1左側クーリングサブフィン3、第1右側クーリングサブフィン6と第5左側クーリングサブフィン43、第5右側クーリングサブフィン46と第6左側クーリングサブフィン53、及び第6右側クーリングサブフィン56と第7クーリングフィン68は、それぞれ同じ厚さの側壁Wを有し得る。
図5は、図4の電池モジュールの変形例を示した断面図である。
図5を参照すれば、前記電池モジュール100Aは、図4の電池モジュール100と同様の構成要素を有する。ただし、前記電池モジュール100Aにおいて、複数の電池構造物90のそれぞれは、少なくとも1つの電池セル82、及び前記電池セル82を内部に収納するカートリッジ89を含む。それぞれのカートリッジ89は、複数のクーリングフィン8、18、28、38、48、58、68同士の間に同じ高さレベルで配列され、左右に位置するクーリングフィンと面接触する。
図6は、図4の電池モジュールの他の変形例を示した断面図である。
図6を参照すれば、前記電池モジュール100Bは、図4の電池モジュール100と同様の構成要素を有する。ただし、前記電池モジュール100Bにおいて、複数の電池構造物90のそれぞれは、少なくとも2つの電池セル83、86、及び前記2つの電池セル83、86を内部に収納するカートリッジ89を含む。それぞれのカートリッジ89は、複数のクーリングフィン8、18、28、38、48、58、68同士の間に同じ高さレベルで配列され、左右に位置するクーリングフィンと面接触する。
必須ではないが、図5及び図6に示された各カートリッジ89は、内部に収納されたセルの扁平な表面を露出させる窓を有し得る。そして、各セルの露出した表面は、それと対向するクーリングフィンの表面と直接接触し得る。このような場合、各セルから発生した熱がクーリングフィンに迅速に伝達できる。
図7は本発明の第2実施例による電池モジュールを概略的に示した斜視図であり、図8は図7の切断線II−II’からみたクーリングフィン配列及びヒートシンクを示した断面図である。また、図9は図7の切断線II−II’からみた電池モジュールを示した断面図である。
図7〜図9を参照すれば、本発明の第2実施例による電池モジュール200は、ヒートシンク102、クーリングフィン配列170、及び複数の電池構造物190を含む。
前記ヒートシンク102は、クーリングフィン配列170と複数の電池構造物190の下に位置し、図1のヒートシンク2と同じ形状及び同じ機能を有する。
前記クーリングフィン配列170は、ヒートシンク102上で一方向に沿って配列される第1〜第7クーリングフィン108、118、128、138、148、158、168を含む。
前記第1〜第7クーリングフィン108、118、128、138、148、158、168は、上述した第1実施例と同様に、中央領域からサイド領域に行くほど厚さが段々薄くなる。
第2実施例において、クーリングフィン配列170と複数の電池構造物190とは、図1のクーリングフィン配列70と複数の電池構造物90との結合関係と同様の結合関係を有する。
すなわち、前記第1クーリングフィン108は、第1左側及び右側クーリングサブフィン103、106を有する。前記第2クーリングフィン118は、第2左側及び右側クーリングサブフィン113、116を有する。前記第3クーリングフィン128は、第3左側及び右側クーリングサブフィン123、126を有する。前記第5クーリングフィン148は、第5左側及び右側クーリングサブフィン143、146を有する。前記第6クーリングフィン158は、第6左側及び右側クーリングサブフィン153、156を有する。前記第1、第2、第3、第5、第6左側及び右側クーリングサブフィン103、106、113、116、123、126、143、146、153、156、そして第4及び第7クーリングフィン138、168のそれぞれは、図示されたように、「└」状または「┘」状である。
前記第1、第2、第3、第5、第6左側及び右側クーリングサブフィン103、106、113、116、123、126、143、146、153、156、そして外郭クーリングフィンに該当する第4及び第7クーリングフィン138、168は、図2の第1、第2、第3、第5、第6左側及び右側クーリングサブフィン3、6、13、16、23、26、43、46、53、56、そして外郭クーリングフィンに該当する第4及び第7クーリングフィン38、68にそれぞれ対応する厚さの側壁Wを有する。
しかし、前記第1、第2、第3、第5、第6左側及び右側クーリングサブフィン103、106、113、116、123、126、143、146、153、156、そして第4及び第7クーリングフィン138、168は、基台Bの厚さが中央領域から外側に行くほど徐々に減少する。
具体的に、前記第1左側及び右側クーリングサブフィン103、106は、複数の電池構造物190同士の間の中央領域に位置し、同じ厚さT7の基台Bを有する。また、前記第2左側クーリングサブフィン113の基台Bの厚さT6は、第2右側クーリングサブフィン116の基台Bの厚さT7より薄い。また、前記第3左側クーリングサブフィン123の基台Bの厚さT5は、第3右側クーリングサブフィン126の基台Bの厚さT6より薄い。
同様に、前記第5左側クーリングサブフィン143の基台Bの厚さT7は、第5右側クーリングサブフィン146の基台Bの厚さT6より厚い。また、前記第6左側クーリングサブフィン153の基台Bの厚さT6は、第6右側クーリングサブフィン156の基台Bの厚さT5より厚い。
一方、外郭クーリングフィンに該当する前記第4及び第7クーリングフィン138、168は、同じ厚さT5の基台Bを有する。
他の態様によれば、電池構造物190を左側と右側とから挟持構造で囲む2つの対向するクーリングサブフィンの基台Bの厚さは同一であり得る。一例として、第1左側クーリングサブフィン103と第2右側クーリングサブフィン116とは、基台Bの厚さT7が同一であり得る。同様に、図8で厚さを示す参照符号が同じ基台Bは、厚さが同一であり得る。
図10は、図9の電池モジュールの変形例を示した断面図である。
図10を参照すれば、前記電池モジュール200Aは図9の電池モジュール200と同様の構成要素を有する。ただし、前記電池モジュール200Aにおいて、複数の電池構造物190のそれぞれは、少なくとも1つの電池セル182及びそれを内部に収納するカートリッジ189を含む。それぞれのカートリッジ189は、中央領域からサイド領域に行くほど高さが増加する。それぞれのカートリッジ189を囲む左側及び右側のクーリングサブフィンを構成する基台Bの厚さが中央領域からサイド領域に行くほど段々減少するためである。また、それぞれのカートリッジ189は、ヒートシンク102の上部表面を基準に複数のクーリングフィン108、118、128、138、148、158、168同士の間に同じ高さレベルで配列され得る。
図11は、図9の電池モジュールの他の変形例を示した断面図である。
図11を参照すれば、前記電池モジュール200Bは、図9の電池モジュール200と同様の構成要素を有する。ただし、前記電池モジュール200Bにおいて、複数の電池構造物190のそれぞれは、少なくとも2つの電池セル182、186及びそれを内部に収納するカートリッジ189を含む。それぞれのカートリッジ189は、中央領域からサイド領域に行くほど高さが増加する。それぞれのカートリッジ189を囲む左側及び右側のクーリングサブフィンを構成する基台Bの厚さが中央領域からサイド領域に行くほど段々減少するためである。また、それぞれのカートリッジ189は、ヒートシンク102の上部表面を基準に複数のクーリングフィン108、118、128、138、148、158、168同士の間に同じ高さレベルで配列される。
必須ではないが、図10及び図11に示された各カートリッジ189は、内部に収納された電池セルの扁平な表面を露出させる窓を有し得る。そして、各電池セルの露出した表面は、それと対向するクーリングフィンの表面と直接接触し得る。このような場合、各電池セルから発生した熱がクーリングフィンに迅速に伝達できる。
図12及び図13は、図1の電池モジュールの冷却メカニズムを説明する斜視図である。
図12及び図13を参照すれば、前記電池モジュール100は、ヒートシンク2上に第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68及び複数の電池構造物90を有し得る。
前記第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68は、中央領域から外側に行くほど壁の厚さが徐々に減少する傾向を有する。前記複数の電池構造物90は、第1〜第7クーリングフィン8、18、28、38、48、58、68同士の間に位置する。
複数の電池構造物90のそれぞれは、少なくとも1つ以上の電池セル90を含むカートリッジであり得る。選択的に、前記カートリッジは、前記電池セル90の表面を露出させる窓を備えることができ、前記露出した電池セル90の表面はそれと対向するクーリングフィンの表面と直接接触することができる。
前記ヒートシンク2は、流入口1Aから流出口1Bに向かって冷却剤Cの流れを維持させる。各電池構造物90は、電池モジュール100の充電または放電中に、熱を発生させる。発生した熱の殆どは各電池構造物90を囲むクーリングフィンに伝達され(H1参照)、一部は電池モジュール100の中央領域にも伝達される(H2参照)。
各クーリングフィンに伝達された熱は、図13に示されたように、ヒートシンク102に向かって伝達される。図13において、矢印HF1〜HF7が示す方向は各クーリングフィンの熱伝達方向を示したものである。しかし、各クーリングフィンの厚さは、電池モジュール100の中央領域から外側に行くほど漸進的に減少する。したがって、各クーリングフィンは熱伝達能力の面で差を見せる。すなわち、クーリングフィンの厚さが厚いほど熱伝達能力が良い。したがって、電池モジュール100の中央部分がサイド部分よりも熱伝達が迅速に行われる。
図13において、矢印HF1〜HF7の長さは、各クーリングフィンが有する熱伝達能力の相対的差異を示している。図示によれば、電池モジュール100の中央部分でヒートシンク102への熱伝達が最も速く、電池モジュール100の外側に行くほど熱伝達が段々遅くなる。したがって、電池モジュール100の外側に位置した電池構造物90から発生した熱が電池モジュール100の中央部分に伝達されても、ヒートシンク102への迅速な熱伝達のため、電池モジュール100の中央部分に熱が累積しない。また、電池モジュール100の中央部分では熱伝達が速く、電池モジュール100のサイド部分に行くほど熱伝達が遅くなるため、電池モジュール100の温度を位置に関係なく均一に制御することができる。それにより、電池モジュール100に含まれたセルの一部の退化が進むことで電池パックの交替周期が短縮されるという従来の問題を解決することができる。
また、各クーリングフィンはバルク状からなる一対のクーリングサブフィンが面対面で結合されているため、厚さの薄い3枚以上のシートを繰り返し積層してクーリングフィンを製作した場合より接触熱抵抗が著しく低い。
また、各クーリングフィンの厚さは、クーリングサブフィンの厚さによって調節されるため、一対のクーリングサブフィン同士の間の接触熱抵抗は実質的に変化がない。
また、本発明の他の態様によれば、一対のクーリングサブフィンが結合した構造を有するクーリングフィンのうち、真ん中に位置したクーリングフィンを除いた他のクーリングフィンの場合、それぞれを構成する左右のクーリングサブフィンは相異なる厚さを有し得る。すなわち、中央領域に向かっているクーリングサブフィンがサイド領域に向かっているクーリングサブフィンよりも厚い。
このような実施例において、サイド領域に向かっているクーリングサブフィン部分よりも中央領域に向かっているクーリングサブフィン部分でさらに活発に熱伝達が行われる。熱伝達が行われる方向への断面積が増加すれば、熱抵抗がその分減少するためである。これは、電池モジュール100の中央領域で熱蓄積が起きることをより効果的に抑制できるという利点を提供する。
また、本発明のさらに他の態様によれば、クーリングフィンを構成する基台は、図8に示されたように、中央領域からサイド領域に行くほどその厚さが徐々に減少し得る。この場合、電池モジュール100の中央領域でより迅速に熱を外部に排出することができる。基台の厚さが増加すれば、基台内で温度勾配が増加し、ヒートシンクへの熱伝達量が増加するためである。
また、本発明のさらに他の態様によれば、相互結合したクーリングサブフィンの間に熱伝導性接着剤または熱伝導性両面接着フィルムが介在されている場合、クーリングサブフィン同士の間に存在する隙間が除去され、クーリングサブフィン同士の間の熱伝達性能がさらに向上できる。隙間が除去されれば、接触熱抵抗が減少するためである。
以上のように、本発明によるクーリングフィン構造物は、電池モジュール100の中央部分で熱を迅速に排出できる構造的特徴を有している。したがって、従来技術に開示された電池モジュールよりクーリングフィンの厚さを減少させても、従来技術と同等な熱伝導性能を具現することができる。それにより、電池パックのエネルギー密度を従来技術より増大させながらも、電池パックの冷却均一性を向上できるという有用な効果を期待することができる。
上述した電池モジュール100の冷却メカニズムは、他の実施例においても同様に適用されるため、他の実施例を対象にした冷却メカニズムの説明は省略する。
<実験例>
以下、本発明による電池モジュールの冷却性能を評価した実験結果を説明する。
実施例では、図8に示された構造でクーリングフィンの配列を設計した。クーリングフィンの金属材質はアルミニウムにした。真ん中のクーリングフィン108は、厚さ1mmの2枚のクーリングサブフィンを結合して厚さ2mmに製作した。また、真ん中のクーリングフィン108の両側に位置する2枚のクーリングフィン118、148は、厚さ1mmのクーリングサブフィンと厚さ0.4mmのクーリングサブフィンとを結合して厚さ1.4mmに製作した。また、前記2枚のクーリングフィン118、148の外側に位置する2枚のクーリングフィン128、158は、厚さ0.4mmの2枚のクーリングサブフィンを結合して厚さ0.8mmに製作した。最後に、最外郭に位置するクーリングフィン138、168は、厚さ0.4mmのクーリングサブフィン1枚で製作した。各クーリングサブフィンにおいて、側壁と基台の厚さは同一である。クーリングサブフィンは3M社の両面接着フィルム1363−30で接合した。
一方、本発明の効果を検証するため、比較例では、図8に示された構造でクーリングフィンの配列を設計したが、すべてのクーリングサブフィンの厚さを0.4mmに同一に設計した。したがって、比較例は隣接する電池構造物同士の間に介在されたクーリングフィン108、118、128、148、158の厚さがすべて0.8mmと同一であり、最外郭にあるクーリングフィン138、168は厚さが0.4mmである。各クーリングサブフィンにおいて、側壁と基台の厚さは同一である。3M社の両面接着フィルム1363−30で接合した。
実施例及び比較例において、隣接するクーリングフィン同士の間には36Ahの容量を有するパウチ型電池セルを2つ含む電池カートリッジを挿入した。前記電池カートリッジは、電池セルの扁平な表面を露出させる窓を有し、前記露出した扁平な表面はクーリングフィンの表面と接触する。また、ヒートシンクの内部に冷媒として常温の水を循環できるように、冷媒循環装置をヒートシンクに結合した。
その後、電池モジュールが電気自動車に搭載される状況を仮定して都心運行条件で充電と放電を繰り返しながら各電池セルの温度を測定し、電池セル間の温度偏差と電池セルの最高温度を測定した。その結果、比較例では温度偏差が3.3℃、電池セルの最高温度が40.9℃であって、実施例では温度偏差が0.5℃、電池セルの最高温度が38℃であった。
このような実験結果から、本発明は、電池モジュールの中央領域で熱の蓄積を防止し、熱をヒートシンクへと効果的に伝達することで、電池モジュールの充放電動作の際、電池セル相互間の温度偏差を減らし、電池セルの最高温度を減少できることを確認できた。
本発明は、クーリングフィンの個数、クーリングフィンの材質、及びクーリングフィンの具体的な形状によって限定されない。したがって、本発明の技術的思想は、複数のクーリングフィンを配列し、それらの間に電池構造物を挿入した構造を有する電池モジュールにおいて、少なくとも中央領域に近接して位置したクーリングフィンをバルク状からなる2枚のクーリングサブフィン同士を結合した構造として具現し、クーリングサブフィンの厚さを調節することで各クーリングフィンの厚さを中央領域からサイド領域に行くほど徐々に減少させた構造的特徴にあるということを本発明が属した技術分野で通常の知識を持つ者は十分理解できるであろう。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
本発明によれば、電池モジュールに含まれた複数のクーリングフィンの配列において、中央領域に位置したクーリングフィンの厚さをサイド領域に位置したクーリングフィンの厚さより増加させて、電池モジュールの中央領域でクーリングフィン側への熱伝達速度を増加させることができる。その結果、電池モジュールの中央領域に熱が累積して温度が局所的に上がることを防止でき、電池モジュールの位置と関係なく温度を均一に下げることができる。それによって、電池モジュールの交替周期の短縮を防止することができる。
また、2枚のクーリングサブフィンのみを面対面で接触させてクーリングフィンを構成し、クーリングサブフィンの厚さを調節して中央領域のクーリングフィンの厚さをサイド領域のクーリングフィンの厚さよりも増加させることで、同じ厚さの複数の熱伝達シートを多数積層させてクーリングフィン構造を具現した従来技術に比べて、エネルギー密度の損失を最小化しながら中央領域の熱伝達速度を増加させることができる。すなわち、クーリングフィンの厚さ対比熱伝導性能が従来技術に比べて優れるため、本発明はエネルギー密度の高い電池パックを必要とする電気自動車やハイブリッド自動車の技術分野に有用に適用することができる。
1 クーリングサブフィン
1A 流入口
1B 流出口
2 ヒートシンク
3 第1左側クーリングサブフィン
6 第1右側クーリングサブフィン
6 クーリングサブフィン
8 第1クーリングフィン
8 クーリングフィン
13 第2左側クーリングサブフィン
16 第2右側クーリングサブフィン
18 第2クーリングフィン
23 第3左側クーリングサブフィン
26 第3右側クーリングサブフィン
28 第3クーリングフィン
38 第4クーリングフィン
43 第5左側クーリングサブフィン
46 第5右側クーリングサブフィン
48 第5クーリングフィン
53 第6左側クーリングサブフィン
56 第6右側クーリングサブフィン
58 第6クーリングフィン
68 第7クーリングフィン
70 クーリングフィン配列
70 クーリングフィン構造物
82 電池セル
83 電池セル
86 電池セル
89 カートリッジ
90 電池構造物
100 電池モジュール
100A 電池モジュール
100B 電池モジュール
102 ヒートシンク
103 第1左側クーリングサブフィン
108 第1クーリングフィン
113 第2左側クーリングサブフィン
116 第2右側クーリングサブフィン
118 第2クーリングフィン
123 第3左側クーリングサブフィン
126 第3右側クーリングサブフィン
128 第3クーリングフィン
138 第4クーリングフィン
143 第5左側クーリングサブフィン
146 第5右側クーリングサブフィン
148 第5クーリングフィン
153 第6左側クーリングサブフィン
156 第6右側クーリングサブフィン
158 第6クーリングフィン
168 第7クーリングフィン
170 クーリングフィン配列
182 電池セル
186 電池セル
189 カートリッジ
190 電池構造物
200 電池モジュール
200A 電池モジュール
200B 電池モジュール

Claims (15)

  1. 一方向に沿って配列された複数の電池構造物と、
    隣接する電池構造物の間に介在された複数のクーリングフィンと、
    前記複数のクーリングフィンの端部と結合したヒートシンクと、を含み、
    それぞれのクーリングフィンは、一対のクーリングサブフィンが面対面で結合した構造を有し、前記複数のクーリングフィンは中央領域からサイド領域に行くほど、前記一対のクーリングサブフィンのうち少なくとも1つの厚さが減少することによってその厚さが減少することを特徴とする電池モジュール。
  2. 前記複数のクーリングフィンの厚さは、前記中央領域から前記サイド領域に行くほどその厚さが徐々に減少することを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 前記複数の電池構造物の最外側に配置され、1つのクーリングサブフィンからなる外側クーリングフィンをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  4. 前記外側クーリングフィンは、「┘」状または「└」状に折り曲げられた金属板からなることを特徴とする請求項に記載の電池モジュール。
  5. 前記複数のクーリングフィンは、それぞれ「┴」状を有することを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  6. 前記複数のクーリングフィンは、それぞれ、「┘」状に折り曲げられた金属板からなる左側クーリングサブフィンと、「└」状に折り曲げられた金属板からなる右側クーリングサブフィンとを含むことを特徴とする請求項5に記載の電池モジュール。
  7. 前記左側クーリングサブフィンと前記右側クーリングサブフィンのうち前記複数のクーリングフィンの中央領域に対向するものが前記複数のクーリングフィンのサイド領域に対向するものよりも厚いことを特徴とする請求項6に記載の電池モジュール。
  8. 複数の電池構造物のうち最外側に位置した電池構造物を除いた他の電池構造物のそれぞれは、両側に隣接する2枚のクーリングフィンと面対面で接触することを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  9. 前記両側に隣接する2枚のクーリングフィンのうち一側のクーリングフィンを構成する「└」状の右側クーリングサブフィンと、他側のクーリングフィンを構成する「┘」状の左側クーリングサブフィンとは同じ厚さを有することを特徴とする請求項8に記載の電池モジュール。
  10. それぞれのクーリングフィンは、前記ヒートシンクの表面に接合した板状の基台と、
    前記基台の端部から垂直に突設した板状の側壁と、を含み、
    前記側壁はそれと対向する電池構造物と面対面で接触することを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  11. 前記複数のクーリングフィンの基台は、前記複数のクーリングフィンの配列の中央領域から外側に行くほど厚さが徐々に減少する傾向を有することを特徴とする請求項10に記載の電池モジュール。
  12. それぞれの電池構造物は、少なくとも1つの電池セル、及び前記少なくとも1つの電池セルを内部に収納するカートリッジを含むことを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  13. 前記カートリッジは、前記少なくとも1つの電池セルの扁平な面を露出させる窓を備え、
    前記窓を通じて露出した前記扁平な面はそれと対向するクーリングフィンの表面と面対面で接触することを特徴とする請求項12に記載の電池モジュール。
  14. 前記ヒートシンクは、冷却剤が流れ込む流入口、及び前記冷却剤が排出される流出口を備えることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  15. 前記一対のクーリングサブフィンは、熱伝導性接着剤または熱伝導性両面接着フィルムを用いて相互接合していることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
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