JP6633190B2 - ヒートシンク及びこれを含むバッテリーモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、空間活用性を向上させるヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）及びこれを含むバッテリーモジュールに関する。
本出願は、２０１５年１１月２０日出願の韓国特許出願第１０−２０１５−０１６３１７４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。
多様な製品への適用が容易であり、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用器機のみならず電気的駆動源によって駆動する電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＥＶ）またはハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＨＥＶ）、電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用に伴う副産物が一切発生しないという点で環境に優しく、エネルギー効率の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
前記電気自動車などに適用される電池パックは、高出力を得るために複数の単位セルを含む複数のセルアセンブリーを直列で連結した構造を有している。そして、前記単位セルは、正極及び負極集電体、セパレーター、活物質、電解液などを含み、構成要素間の電気化学的反応によって反復的な充放電が可能である。
なお、近来、エネルギー貯蔵源としての活用を含めて大容量構造に対する必要性が高まるにつれ、複数のバッテリーモジュールを集合したマルチモジュール構造のバッテリーパックに対する需要が増加している。
マルチモジュール構造のバッテリーパックは、複数の二次電池が狭い空間に密集する形態に製造されるため、各バッテリーモジュールで発生する熱を容易に放出することが重要となる。
前記バッテリーパックを冷却するための方法として、間接水冷式方法が挙げられる。
前記間接水冷式方法は、冷却流路が形成されたヒートシンクを用いてバッテリーモジュールの発熱を防止する方式であって、通常、単一のヒートシンクがバッテリーモジュールの下端部に結合し、バッテリーモジュールの熱を吸収する。
図１及び図２は、間接水冷式方法によって適用された従来のヒートシンクを示す図である。
図１及び図２を参照すれば、従来のヒートシンク１は、セルアセンブリー２の下面に結合し、セルアセンブリー２の熱を冷却する。前記ヒートシンク１の内部には冷却流路が形成され、冷媒流入管３及び冷媒流出管４が形成される。前記冷媒流入管３に冷媒が流入すれば、前記冷媒は、ヒートシンク１の内部に形成された冷却流路を循環してセルアセンブリー２を冷却し、冷媒流出管４を通して流出される。
ところが、従来の間接水冷式方式によるヒートシンク構造は、バッテリーパックの全高を増加させるという問題点を有する。即ち、従来のヒートシンク１の上面とセルアセンブリー２の下面とが密着結合することで、バッテリーパックの全高が増加するようになる。
また、ヒートシンク１の上面とセルアセンブリー２の下面とが結合する場合、冷媒流入管３及び冷媒流出管４で差圧（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が上昇するという問題点も存在する。具体的に、ヒートシンク１は、セルアセンブリー２の下面と密着結合する構造であるため、冷媒流入管３及び冷媒流出管４の各々が二回ずつ折り曲げられ、このような折曲構造によって折り曲げられた部分で差圧が増加するという問題点を有する。即ち、冷媒流入管３及び冷媒流出管４の各々は、垂直方向から水平方向へ１次に折り曲げられ、さらに水平方向から垂直方向へ２次に折り曲げられ、このような複数の折曲構造によって、冷媒流入管３及び冷媒流出管４で差圧が上昇するようになる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、空間活用性を増大させたヒートシンク及びこれを含むバッテリーモジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、冷媒流入管及び冷媒流出管の折曲を最小化して差圧を減少させたヒートシンク及びこれを含むバッテリーモジュールを提供することを他の目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明の一面によるヒートシンクは、冷媒が通過する第１冷却流路が形成され、セルアセンブリーの一側面に結合する第１ヒートシンクと、冷媒が通過する第２冷却流路が形成され、前記セルアセンブリーの他側面に結合する第２ヒートシンクと、を含むことを特徴とする。
前記第２ヒートシンクは、前記第２冷却流路の一端と連結される冷媒流入管を含み、前記第１ヒートシンクは、前記第１冷却流路の一端と連結される冷媒流出管を含み得る。前記第２冷却流路の他端は冷媒連結管と連結され、前記第１冷却流路の他端が前記冷媒連結管と連結される。
前記第２冷却流路の他端に第２連結ポートが形成され、前記第２連結ポートに介して前記第２冷却流路の他端が前記冷媒連結管と連結され得る。
また、前記第１冷却流路の他端に第１連結ポートが形成され、前記第１連結ポートを介して前記第１冷却流路の他端が前記冷媒連結管と連結され得る。
前記冷媒流入管を通して流入した冷媒は、前記第２冷却流路、前記冷媒連結管及び前記第１冷却流路を通過した後、前記冷媒流出管を通して流出される。
前記冷媒流入管及び前記冷媒流出管は下方へ折り曲げられ、冷媒入口と冷媒出口とが相互隣接して形成され得る。
一実施例で、前記冷媒流出管は、前記第２ヒートシンクの方向へ水平に延び、 前記第２ヒートシンクの近接箇所で下方へ折り曲げられ得る。
さらに他の実施例において、前記冷媒流入管は、前記第１ヒートシンクの方向へ水平に延び、前記第１ヒートシンクの近接箇所で下方へ折り曲げられ得る。
本発明は、セルアセンブリーの両側面にヒートシンクを結合させることで、バッテリーパックの高さを増加させることなくＺ軸空間を確保するという長所を有する。
特に、本発明の複数のヒートシンクが一つの冷媒流入管及び一つの冷媒流出管を共用するように設計することで、バッテリーモジュールの空間活用性をさらに増大させ、バッテリーモジュールの製造コストを節減できるという利点がある。
また、本発明は、両側面に設けられた複数のヒートシンクによってセルアセンブリーを冷却するため、従来の間接水冷式方法よりもバッテリーモジュールの冷却効率を向上させる効果を奏する。
さらに、本発明の冷媒流入管及び冷媒流出管の折曲を最小化することで、冷媒流入管及び冷媒流出管内で発生する差圧を減少させるという長所も有する。
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。
上述の目的、特徴及び長所は、添付された図面及び以下の詳細な説明を通じてより明らかになり、それによって本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者が本発明の技術的思想を容易に実施することが可能であろう。なお、本発明の説明にあたり、本発明に関連する公知技術ついての具体的な説明が、不要に本発明の要旨をぼやかすと判断される場合、その詳細な説明を略する。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。
図３は、本発明の一実施例によるセルアセンブリー及びヒートシンクの分解図である。
図４は、本発明の一実施例によるセルアセンブリーとヒートシンクが結合したバッテリーモジュールを示す図である。
図３及び図４を参照すれば、本発明によるバッテリーモジュール１００は、セルアセンブリー１１０及び複数のヒートシンク１２０、１３０を含む。
前記セルアセンブリー１１０は、複数の単位セル１１１が側面に積層され、直列または並列で連結したモジュールであって、側面に電極リードが露出し得る。
前記単位セル１１１は、負極板、セパレーター及び正極板を含む負極板、セパレーター及び正極板を含むセルが反復的に積層された構造を有する。
前記セルアセンブリー１１０は、一つ以上の単位セル１１１を含み、単位セルの種類は特に限定されない。各々の単位セル１１１は、再充電が可能であり、充電または放電電圧を考慮して、リチウムイオン電池セル、リチウムポリマー電池セル、ニッケルカドミウム電池セル、ニッケル水素電池セル、ニッケル亜鉛電池セルなどで構成できる。また、前記セルアセンブリー１１０に含まれる単位セル１１１の個数は、要求される出力電圧または充放電容量に応じて多様に設定できる。しかし、本発明が、単位セル１１１の種類、出力電圧、充放電容量などによって限定されることではない。また、本発明は、前記単位セル１１１の電気的接続方法によって制限されない。
各々のヒートシンク１２０、１３０は、間接水冷式方式でセルアセンブリー１１０を冷却するための手段であって、熱伝導性に優れた素材（例えば、アルミニウムなど）から形成され、内部には冷媒の流動空間である冷却流路１２２、１３２が形成される。
各々のヒートシンク１２０、１３０に形成された冷却流路１２２、１３２は、図３及び図４に示した形状としてヒートシンク１２０、１３０に形成されてもよく、多様な形状の冷却流路１２２、１３２が各ヒートシンク１２０、１３０に形成されてもよい。また、第１ヒートシンク１２０及び第２ヒートシンク１３０の各々には、相異なる形状の冷却流路を形成してもよい。
第１ヒートシンク１２０には、ボルトのような締結部材が挿入される複数の貫通孔１２１が形成され、この貫通孔１２１に締結部材が挿入して締結され、第１ヒートシンク１２０がセルアセンブリー１１０の一側面に密着結合する。第１ヒートシンク１２０は、セルアセンブリー１１０の一側面と結合し、冷却流路１２２を流動する冷媒によって、セルアセンブリー１１０の単位セル１１１で発生する熱エネルギーを吸収して発散する。
前記第１ヒートシンク１２０の冷却流路１２２の一端には、冷媒流出管１２４が形成され、他端には連結ポート１２３が形成される。
前記冷媒流出管１２４は、一定の長さを有するパイプ状に製作でき、内部に冷媒の流動空間が形成される。前記冷媒流出管１２４の一端は、冷却流路１２２の一端と連結され、冷媒流出管１２４の他端には冷媒出口ｂが形成される。
また、前記冷媒流出管１２４の一端は、溶接方式、締結方式などによって前記冷却流路１２２の一端と連結され得る。また、前記冷媒流出管１２４と前記冷却流路１２２とは一体型に製作され得る。
第１ヒートシンク１２０の冷却流路１２２の他端に形成された連結ポート１２３は、冷媒連結管１４０と締結方式、溶接方式などで結合し、冷媒が流動する通路を冷却流路１２２と冷媒連結管１４０との間に形成する。前記冷媒連結管１４０を通して伝達された冷媒は、第１ヒートシンク１２０の冷却流路１２２に流入される。
前記冷媒流出管１２４は、第２ヒートシンク１３０の方向へ水平に延び、前記第２ヒートシンク１３０の近接箇所で垂直下方へ折り曲げられて延び、冷媒出口ｂが冷媒入口ａと相互隣接する。このように冷媒出口ｂと冷媒入口ａとが相互隣接して位置することで、冷媒の流入及び流出の制御がさらに容易になる。また、冷媒流出管１２４は下方へ一回のみ折り曲げられるため、従来のヒートシンクに比べて折曲回数が減少し、内部の差圧も減少する。
冷媒流出管１２４と第１ヒートシンク１２０の冷却流路１２２との連結構造によって、第１ヒートシンク１２０の冷却流路１２２を循環した冷媒は、冷媒流出管１２４を通して流出される。
類似に、第２ヒートシンク１３０には、ボルトのような締結部材が挿入される複数の貫通孔１３１が形成され、この貫通孔１３１に締結部材が挿入されて締結され、第２ヒートシンク１３０がセルアセンブリー１１０の他側面に密着結合する。第１ヒートシンク１２０は、セルアセンブリー１１０の一側面に結合し、第２ヒートシンク１３０は、前記一側面に対向する他側面にセルアセンブリー１１０と結合し、各冷却流路１２２、１３２を流動する冷媒が前記セルアセンブリー１１０の単位セル１１１で発生する熱エネルギーを吸収して発散する。
前記第２ヒートシンク１３０の冷却流路１３２の一端には、冷媒流入管１３４が形成され、他端には連結ポート１３３が形成される。
前記冷媒流入管１３４は、一定の長さを有するパイプ状に製作され得、内部に冷媒の流動空間が形成される。前記冷媒流入管１３４の一端は、冷却流路１３２の一端と連結され、冷媒流入管１３４の他端には、冷媒入口ａが形成される。前記冷媒流入管１３４の一端は、溶接方式、締結方式などによって前記冷却流路１３２の一端と連結され得る。また、前記冷媒流入管１３４と前記冷却流路１３２とは一体型に製作され得る。
第２ヒートシンク１３０の冷却流路１３２の他端に形成された連結ポート１３３は、冷媒連結管１４０と締結方式、溶接方式などで結合し、冷媒が流動する通路を冷却流路１３２と冷媒連結管１４０との間に形成し、冷却流路１３２を通して循環した冷媒を冷媒連結管１４０に提供する。
前記冷媒流入管１３４は、垂直下方へ折り曲げられて延び、冷媒入口ａが下方に形成される。特に、冷媒流入管１３４は、下方へ一回のみ折り曲げられるため、従来のヒートシンクに比べて折曲回数が減少し、内部差圧も減少する。
冷媒流入管１３４と第２ヒートシンク１３０の冷却流路１３２及び冷媒連結管１４０の連結構造により、冷媒入口ａを通して流入した冷媒は、第２ヒートシンク１３０の冷却流路１３２及び冷媒連結管１４０を通過する。
また、第１ヒートシンク１２０、第２ヒートシンク１３０及び冷媒連結管１４０の連結構造によって、複数のヒートシンク１２０、１３０を含むバッテリーモジュール１００には、一つの冷媒入口ａ、一つの冷媒流入管１３４、一つの冷媒出口ｂ及び一つの冷媒流出管１２４が形成される。即ち、一つの冷媒入口ａ、一つの冷媒流入管１３４、一つの冷媒出口ｂ及び一つの冷媒流出管１２４が、第１ヒートシンク１２０及び第２ヒートシンク１３０で共用する構造となる。
冷媒流入管１３４に流入した冷媒は、第２ヒートシンク１３０の冷却流路１３２、冷媒連結管１４０、第１ヒートシンク１２０の冷却流路１２２を通過し、単位セル１１１の熱を吸収した後、冷媒流出管１２４を通して流出される。
一方、上述の実施例で、冷媒流出管１２４は、第２ヒートシンク１３０の方向へ水平に延び、前記第２ヒートシンク１３０の近接箇所で垂直下方へ折り曲げられて延び、冷媒出口ｂが冷媒入口ａと相互隣接したものとして説明したが、冷媒流入管１３４が第１ヒートシンク１２０の方向へ水平に延び、前記第１ヒートシンク１２０の近接箇所から垂直下方へ折り曲げられ、さらに下方へ垂直に延び得る。
即ち、他の実施例として、冷媒流出管１２４は、第２ヒートシンク１３０へ水平に延びることなく垂直下方へすぐ折り曲げられて延びるとともに、冷媒流入管１３４が第１ヒートシンク１２０の方向へ水平に延び、前記第１ヒートシンク１２０の近接箇所で垂直下方へ折り曲げられて延び得る。前記他の実施例では、冷媒入口及び冷媒出口が第１ヒートシンク１２０の近傍に位置するようにする。また、さらに他の実施例として、冷媒流出管１２４及び冷媒流入管１３４が共に水平に延びた後、特定箇所（例えば、第１ヒートシンクと第２ヒティシングクとの中間箇所）で垂直下方へ各々折り曲げられて延び、冷媒入口と冷媒出口とが相互隣接して位置し得る。
本発明の実施例によるバッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーモジュール及び前記バッテリーモジュールの充放電を制御するバッテリー管理システムを含むバッテリーパックの一構成要素となり得る。本発明の実施例によるバッテリーパックは、前記バッテリーパック及びバッテリーパックから電力の供給を受ける負荷を含むバッテリー駆動システムの一構成要素となり得る。
前記バッテリー駆動システムの一例としては、電気車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自転車（Ｅ−Ｂｉｋｅ）、電動工具（Ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）、電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）、無停電電源装置（ＵＰＳ）、携帯用コンピューター、携帯電話、携帯用オーディオ装置、携帯用ビデオ装置などがあり、前記負荷の一例には、バッテリーパックが供給する電力によって回転力を提供するモーター、またはバッテリーパックが供給する電力を各種回路部品が要する電力に変換する電力変換回路であり得る。
上述のように、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１００は、セルアセンブリー１１０の両側面にヒートシンク１２０、１３０を結合することで、バッテリーパックの高さを増加させることなくバッテリーパックのＺ軸空間を確保することができる。また、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１００は、複数のヒートシンク１２０、１３０が一つの冷媒流入管１３４と一つの冷媒流出管１２４を共用するように設計されることで、空間活用性をさらに増大させ、製造コストを節減することができる。また、前記バッテリーモジュール１００は、両側面に設けられた複数のヒートシンク１２０、１３０によってセルアセンブリー１１０を冷却するため、従来の間接水冷式方法よりも冷却効率が向上する。さらに、前記バッテリーモジュール１００は、冷媒流入管１３４及び冷媒流出管１２４の折曲を最小化することで、冷媒流入管１３４及び冷媒流出管１２４内で発生する差圧を減少させる。
以上、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述した実施例及び添付された図面によって限定されない。
１００ バッテリーモジュール
１１０ セルアセンブリー
１１１ 単位セル
１２０ ヒートシンク（第１ヒートシンク）
１２１ 貫通孔
１２２ 冷却流路
１２３ 連結ポート
１２４ 冷媒流出管
１３０ ヒートシンク（第２ヒートシンク）
１３１ 貫通孔
１３２ 冷却流路
１３３ 連結ポート
１３４ 冷媒流入管
１４０ 冷媒連結管
ａ 冷媒入口
ｂ 冷媒出口
１１０ セルアセンブリー
１１１ 単位セル
１２０ ヒートシンク（第１ヒートシンク）
１２１ 貫通孔
１２２ 冷却流路
１２３ 連結ポート
１２４ 冷媒流出管
１３０ ヒートシンク（第２ヒートシンク）
１３１ 貫通孔
１３２ 冷却流路
１３３ 連結ポート
１３４ 冷媒流入管
１４０ 冷媒連結管
ａ 冷媒入口
ｂ 冷媒出口
Claims (6)
- 一つ以上の単位セルを含むセルアセンブリーを冷却するためのヒートシンクであって、
冷媒が通過する第１冷却流路が形成され、前記セルアセンブリーの一側面に結合する第１ヒートシンクと、
冷媒が通過する第２冷却流路が形成され、前記セルアセンブリーの他側面に結合する第２ヒートシンクと、を含み、
前記第２ヒートシンクが、前記第２冷却流路の一端と連結される冷媒流入管を含み、
前記第１ヒートシンクが、前記第１冷却流路の一端と連結される冷媒流出管を含み、
前記第２冷却流路の他端が冷媒連結管と連結され、前記第１冷却流路の他端が前記冷媒連結管と連結され、
前記冷媒流入管、前記冷媒流出管、及び前記冷媒連結管が前記セルアセンブリーに対して同じ側に位置し、
前記冷媒流入管が、前記第２冷却流路の一端から、前記第１ヒートシンクの方へ水平に延びることなく垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びるとともに、前記冷媒流出管が、前記第１冷却流路の一端から前記第２ヒートシンクの方へ水平に延び、前記第２ヒートシンクの近傍箇所で垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びるか、又は、
前記冷媒流出管が、前記第１冷却流路の一端から、前記第２ヒートシンクの方へ水平に延びることなく垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びるとともに、前記冷媒流入管が、前記第２冷却流路の一端から前記第１ヒートシンクの方へ水平に延び、前記第１ヒートシンクの近傍箇所で垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びることによって、
冷媒入口と冷媒出口とが相互隣接して形成される、ヒートシンク。 - 前記第２冷却流路の他端に第２連結ポートが形成され、前記第２連結ポートに介して前記第２冷却流路の他端が前記冷媒連結管と連結され、
前記第１冷却流路の他端に第１連結ポートが形成され、前記第１連結ポートを介して前記第１冷却流路の他端が前記冷媒連結管と連結されることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。 - 前記冷媒流入管を通して流入した冷媒が、前記第２冷却流路、前記冷媒連結管及び前記第１冷却流路を通過した後、前記冷媒流出管を通して流出することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
- 前記冷媒流出管が、前記第２ヒートシンクの方向へ水平に延び、前記第２ヒートシンクの近接箇所で下方へ折り曲げられることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
- 前記冷媒流入管が、前記第１ヒートシンクの方向へ水平に延び、前記第１ヒートシンクの近接箇所で下方へ折り曲げられることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
- 冷媒が通過する第１冷却流路が形成され、セルアセンブリーの一側面に結合する第１ヒートシンクと、
冷媒が通過する第２冷却流路が形成され、前記セルアセンブリーの他側面に結合する第２ヒートシンクと、
両側面に前記第１ヒートシンク及び前記第２ヒートシンクが結合される前記セルアセンブリーと、を含み、
前記第２ヒートシンクが、前記第２冷却流路の一端と連結される冷媒流入管を含み、
前記第１ヒートシンクが、前記第１冷却流路の一端と連結される冷媒流出管を含み、
前記第２冷却流路の他端が冷媒連結管と連結され、前記第１冷却流路の他端が前記冷媒連結管と連結され、
前記冷媒流入管、前記冷媒流出管、及び前記冷媒連結管が前記セルアセンブリーに対して同じ側に位置し、
前記冷媒流入管が、前記第２冷却流路の一端から、前記第１ヒートシンクの方へ水平に延びることなく垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びるとともに、前記冷媒流出管が、前記第１冷却流路の一端から前記第２ヒートシンクの方へ水平に延び、前記第２ヒートシンクの近傍箇所で垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びるか、又は、
前記冷媒流出管が、前記第１冷却流路の一端から、前記第２ヒートシンクの方へ水平に延びることなく垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びるとともに、前記冷媒流入管が、前記第２冷却流路の一端から前記第１ヒートシンクの方へ水平に延び、前記第１ヒートシンクの近傍箇所で垂直下方へ一回のみ折り曲げられて延びることによって、
冷媒入口と冷媒出口とが相互隣接して形成される、バッテリーモジュール。
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