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３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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