JP6636638B2 - バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック、自動車 - Google Patents
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Description
本発明は、バッテリーセルを有するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック、並びに自動車に関し、より詳しくは、バッテリーセルを冷却できるバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック、並びに自動車に関する。
本出願は、２０１６年３月３日出願の韓国特許出願第１０−２０１６−００２５７３７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。
二次電池は、多様な製品への適用が容易であり、高いエネルギー密度を有する電気的特性を有する。このような二次電池は、携帯用電子器機のみならず電気的駆動源によって駆動する電気車またはハイブリッド車、電力貯蔵装置などに応用されている。
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。
電気車などに適用されるバッテリーパックは、高出力を得るために、複数のバッテリーを含む複数のバッテリーセルを連結した構造を有している。そして、個々のバッテリーセルは電極組立体であって、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、複数の二次電池が直列及び／または並列で接続した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つつある。
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、各二次電池で発生する熱を容易に放出させることが重要となる。二次電池の充電または放電の過程は、電気化学的反応によって行われるため、充放電過程で発生したバッテリーモジュールの熱が効果的に除去されなければ、熱蓄積が起こり、結果としてバッテリーモジュールの劣化が促進してしまい、場合によっては発火または爆発に繋がり得る。
そこで、高出力・大容量のバッテリーモジュール及びそれが取り付けられたバッテリーパックには、これに収納されているバッテリーセルを冷却する冷却装置が必ず必要となる。
通常、冷却装置としては、代表的に、空冷式と水冷式の二つが挙げられるが、漏電や二次電池の防水などの問題から、空冷式が水冷式よりも広く用いられている。
一つの二次電池セルによって生産可能な電力は大きくないため、商用化したバッテリーモジュールは、通常、モジュールケース内に複数個のバッテリーセルを必要な分だけ積層してパッケージングする。そして、個々のバッテリーセルにおいて、電気が生産される過程で発生した熱を冷却して、二次電池の温度を適正に維持するために、バッテリーセルの間に、放熱部材としてバッテリーセルの面積に対応する複数個の冷却フィンを挿入する。各々のバッテリーセルから熱を吸収した冷却フィンは、一枚の冷却プレートに連結され、冷却プレートに熱を伝達する。冷却プレートは、冷却フィンから伝達された熱をさらに熱交換部材に伝達し、熱交換部材は冷却水または冷却空気によって冷却される。
一方、熱交換部材は、単一流路を形成している。単一流路から供給された冷却流体は、上流から冷却プレートと熱交換し、下流へ進む。この際、上流から下流へ進むほど、冷却プレートから伝達された熱によって冷却流体の温度が上昇する。冷却流体の温度が上昇すれば、下流へ進むほど冷却プレートから吸収する熱量が上流よりも少なくなり、熱交換部材の下流における上部に位置するバッテリーセルの冷却効率の劣るという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、 バッテリーセルの冷却効率を向上させることができるバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック、並びに自動車を提供することを目的とする。
また、本発明は、バッテリーセルの冷却時においてバッテリーセルの領域ごとの温度が均一に維持できるバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック、並びに自動車を提供することを他の目的とする。
但し、本発明が解決しようとする課題はこれに限定されず、ここに言及されていないさらに他の技術的課題は、以下に記載された発明の説明からより明確に理解されるだろう。
本発明は、複数個のバッテリーセルを有するバッテリーモジュールを提供する。
本発明の一実施例によれば、バッテリーモジュールは、内部に収容空間を有するカートリッジと、前記収容空間に位置する複数個のバッテリーセルと、前記バッテリーセルを冷却する冷却ユニットと、前記冷却ユニットと熱交換する熱交換ユニットと、含み、前記冷却ユニットは、前記バッテリーセルの一側面と面接触する冷却フィンと、前記冷却フィンと接触する冷却プレートと、を含み、前記熱交換ユニットは、内部空間を有する熱交換チャンバと、前記熱交換チャンバ内に位置し、冷却流体が流れる下部冷却流路と、前記下部冷却流路の上部に位置し、前記下部冷却流路から供給された前記冷却流体が流れる上部冷却流路と、前記下部冷却流路に流れる前記冷却流体を前記上部冷却流路に供給する連結流路と、を含み得る。
一実施例によれば、前記連結流路は、前記下部冷却流路から分岐し、前記冷却流体が流れる方向を基準に上向傾斜するように提供され得る。
一実施例によれば、前記連結流路は複数個が提供され、隣接する前記連結流路は、前記熱交換チャンバの内部で一定距離に離隔して配置され得る。
一実施例によれば、前記熱交換ユニットは、前記下部冷却流路に前記冷却流体を供給する供給管と、前記上部冷却流路に前記冷却流体を外部へ排出する排出管と、をさらに含み得る。
一実施例によれば、前記熱交換チャンバの前記内部空間は、前記供給管と隣接する上流領域及び前記排出管と隣接する下流領域を有し、前記下流領域に位置する前記連結流路の個数は、前記上流領域に位置する前記連結流路の個数よりも多いことがある。
一実施例によれば、前記排出管は、前記供給管よりも高く位置し得る。
一実施例によれば、前記上部冷却流路の面積は、前記冷却プレートの面積よりも大きく提供され得る。
一実施例によれば、前記上部冷却流路と前記下部冷却流路との面積は、同一に提供され得る。
一実施例によれば、前記熱交換ユニットは複数個が提供され、隣接する前記熱交換ユニットの前記供給管同士は、前記熱交換チャンバを基準に反対方向に位置し得る。
一実施例によれば、前記熱交換ユニットは、前記上部冷却流路及び前記下部冷却流路の冷却流体の温度を検査する温度測定部材をさらに含み得る。
本発明は、上述の前記バッテリーモジュールを含むバッテリーパックを提供できる。
本発明は、上述のバッテリーパックを含む自動車を提供できる。
本発明の一実施例によれば、上部冷却流路、連結流路及び下部冷却流路を有する熱交換ユニットによって冷却プレートと熱交換することで、バッテリーセルの冷却効果を向上させることができる。
本発明の効果は上述の効果に限定されず、言及していない効果は、本明細書及び添付の図面から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明確に理解されるだろう。
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。
本発明のバッテリーモジュール１０を説明する前、バッテリーモジュール１０の内部に複数個が装着されるバッテリーセル１００について説明する。本発明の実施例においては、二次電池のうちパウチ型バッテリーセル１００を例に挙げて説明する。図１は、本発明の一実施例によるバッテリーセルの構成を示す分解斜視図であり、図２は、本発明の一実施例によるバッテリーセルの斜視図である。以下、図１及び図２を参照すれば、バッテリーセルは、パウチケース１１０、電極組立体１３０、電極タブ１５０及び電極リード１７０を含む。
パウチケース１１０は、内部空間を有する。パウチケース１１０の内部には、後述の電極組立体１３０及び電解液が位置する。パウチケース１１０の中央領域は、上下方向へ突出して提供される。パウチケース１１０は、上部ケース１１１及び下部ケース１１３を含む。
上部ケース１１１及び下部ケース１１３は、相互組み合わせられて内部空間を形成する。上部ケース１１１の中央領域は、上方へ突出して凹んだ形態を有する。下部ケース１１３は、上部ケース１１１の下部に位置する。下部ケース１１３の中央部には、下方へ突出して凹んだ形態を有する。これとは違って、パウチケース１１０の内部空間は、上部ケース１１１または下部ケース１１３のいずれか一つのみに形成され得る。
上部ケース１１１及び下部ケース１１３は、各々封止部Ｓを有する。上部ケース１１１の封止部Ｓと、下部ケース１１３の封止部Ｓとは、相互対向するように提供され得る。上部ケース１１１の封止部Ｓ及び下部ケース１１３の封止部Ｓは、内側に位置した内部接着層が熱溶着などによって相互接着され得る。封止部Ｓの接着によって内部空間は密閉される。
パウチケース１１０の内部空間には、電解液及び電極組立体１３０が収納される。パウチケース１１０は、外部絶縁層、金属層、及び内部接着層を有し得る。外部絶縁層は、外部の水分、ガスなどの内部への浸透を防止できる。金属層は、パウチケース１１０の機械的強度を向上させることができる。金属層は、アルミニウムとして提供され得る。これとは違って、金属層は、鉄、炭素、クロム、マンガンの合金、鉄、ニッケル及びニッケルの合金、アルミニウムまたはその等価物から選択されたいずれか一つとして提供され得る。金属層として鉄が含有された材質を用いる場合、機械的強度が高くなる。金属層としてアルミニウム材質を用いる場合、軟性がよくなる。金属層の望ましい実施例としてアルミニウムが提供され得る。外部絶縁層及び内部接着層は、ポリマー材質として提供され得る。
電極組立体１３０は、正極板、負極板及び分離膜を含む。電極組立体１３０は、一つ以上の正極板及び一つ以上の負極板が分離膜を挟んで配置されるように提供され得る。電極組立体１３０は、複数の正極板と複数の負極板とが交互に積層されて提供され得る。これとは違って、一つの正極板と負極板とが巻き取られて提供され得る。
電極組立体１３０の電極板は、集電体及び集電体の片面または両面に塗布された活物質スラリーを含む。活物質スラリーは、粒状の活物質、補助導体、バインダー及び可塑剤などの溶媒が添加された状態で撹拌して形成され得る。各々の電極板は、活物質スラリーが塗布されない領域である非コーティング部を有し得る。非コーティング部には、各々の電極板に対応する電極タブ１５０が形成され得る。
電極タブ１５０は、電極組立体１３０から突出するように延びて形成される。電極タブ１５０は、正極タブ１５１及び負極タブ１５３を含む。正極タブ１５１は正極板の非コーティング部から延び得、負極タブ１５３は負極板の非コーティング部から延び得る。
正極タブ１５１及び負極タブ１５３は、バッテリーセル１００に各々一つずつ備えられ得る。これとは違って、正極タブ１５１及び負極タブ１５３は、複数個が備えられ得る。一例で、バッテリーセル１００の電極組立体１３０に正極板及び負極板が各々一枚ずつ含まれた場合、正極タブ１５１及び負極タブ１５３は各々１つずつ含まれ得る。これと違って、正極タブ１５１及び負極タブ１５３は、各々複数個が含まれ得る。電極組立体１３０に正極板及び負極板が各々複数含まれた場合、正極タブ１５１及び負極タブ１５３も複数個含まれ得、１枚の電極板ごとに各々電極タブ１５０が備えられ得る。
電極リード１７０は、バッテリーセル１００を外部の他の装置と電気的に接続させることができる。電極リード１７０は、正極リード１７１及び負極リード１７３を含み得る。電極リード１７０は、パウチケース１１０の内側から外側まで延びるように提供され得る。電極リード１７０の一部領域は、封止部Ｓの間に介され得る。電極リード１７０は、電極タブ１５０と連結される。
以下、本発明の一実施例であるバッテリーモジュール１０について説明する。図３は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの斜視図であり、図４は、図３の複数個のカートリッジが積層された様子を示す斜視図であり、図５は、図３の正面図である。以下、図３〜図５を参照すれば、バッテリーモジュール１０は複数個のバッテリーセル１００を有する。バッテリーモジュール１０は、バッテリーセル１００、ケース２００、カートリッジ３００、冷却ユニット４００及び熱交換ユニット５００を含む。
バッテリーモジュール１０は、複数個のバッテリーセル１００が収納されるカートリッジ３００が積層されて形成される。以下、複数のバッテリーセル１００が積層される方向を第１方向１２とし、上面視で、前記第１方向１２に垂直した方向を第２方向１４とし、第１方向１２及び第２方向１４にともに垂直した方向を第３方向１６とする。
バッテリーセル１００には、前述のバッテリーセル１００が装着される。
ケース２００は、内部空間を有する。ケース２００の内部空間には、複数個のカートリッジ３００が位置する。ケース２００は、略直方体の形状を有する。ケース２００は、外部の衝撃から内部のバッテリーセル１００を保護できる。
カートリッジ３００は、内部に収容空間を有する。収容空間には、複数個のバッテリーセル１００が装着される。本発明の実施例では、内部に２つのバッテリーセル１００が収容され得る。これとは違って、３つ以上のバッテリーセル１００の収容も可能である。
カートリッジ３００は、第１方向１２から見るとき、長方形の形状として提供される。カートリッジ３００は、内部に空間を有するフレーム形態で提供され得る。カートリッジ３００は、両側面からバッテリーセル１００を支持できる。
カートリッジ３００は、複数個が提供され得る。複数個のカートリッジ３００は、第１方向１２に沿って積層されて位置する。複数個のカートリッジ３００は、ケース２００の内部空間に位置し得る。
図６は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの断面図であり、図７は、図６におけるＢ領域を示した拡大図である。以下、図６及び図７を参照すれば、冷却ユニット４００は、バッテリーセル１００を冷却することができる。冷却ユニット４００は、バッテリーセル１００と接触し、バッテリーセル１００から伝達された熱を冷却フィン４１０、冷却プレート４３０及び熱交換ユニット５００の順に伝達し、バッテリーセル１００を冷却する。
冷却ユニット４００は、冷却フィン４１０及び冷却プレート４３０を含む。
冷却フィン４１０は、バッテリーセル１００から伝達された熱を冷却プレート４３０へ伝達する。冷却フィン４１０は、バッテリーセル１００の一側面と接触して位置する。冷却フィン４１０とバッテリーセル１００とは、面接触する。冷却フィン４１０は、複数個が提供される。複数個のバッテリーセル１００及び冷却フィン４１０は、冷却フィン４１０、バッテリーセル１００、バッテリーセル１００及び冷却フィン４１０の順に第１方向１２に沿って配置され、上述の順のように第１方向１２に沿って反復的に配置される。冷却フィン４１０は、金属材質として提供され得る。一例で、冷却フィン４１０は、アルミニウム材質であり得る。これとは違って、熱伝導の良い他の金属材質として提供可能である。
冷却フィン４１０の第３方向１６の上部面には、カートリッジ３００が位置する。冷却フィン４１０の一面はカートリッジ３００と接触し得る。
冷却フィン４１０は、第３方向１６の下部に折り曲げられた形状を有する。冷却フィン４１０の折曲部は、バッテリーセル１００の方向へ折り曲げられ得る。一例で、図７のように、バッテリーセル１００に向かう方向へ折り曲げられる。冷却フィン４１０の折曲部の折曲方向は、第３方向１６に下方傾斜するように提供される。冷却フィン４１０の折曲部の一面は、カートリッジ３００と接触する。冷却フィン４１０の折曲部は、カートリッジ３００の第３方向１６の下部に位置する。冷却フィン４１０の折曲部と接触するカートリッジ３００部分は、冷却フィン４１０の折曲部に対応する形状として提供され得る。
冷却プレート４３０は、バッテリーセル１００から伝達された熱を外部または熱交換ユニット５００に伝達できる。冷却プレート４３０は、冷却フィン４１０の下部に位置する。冷却プレート４３０は、複数個の冷却フィン４１０と接触できる。一例で、冷却プレート４３０は、アルミニウム材質として提供され得る。これとは違って、熱伝導の良い他の金属材質として提供され得る。
冷却プレート４３０は、第３方向１６の上面が冷却フィン４１０と接触し、他面が熱交換ユニット５００と接触する。冷却プレート４３０は、折曲部を有する。冷却プレート４３０の折曲部は、冷却フィン４１０の折曲部と接触する。冷却プレート４３０の折曲部の折曲方向は、第３方向１６に下方傾斜するように提供される。冷却プレート４３０の折曲部は、冷却フィン４１０の折曲部に対応する個数として提供される。
図７を参照すれば、各々の冷却フィン４１０に形成された折曲部は、冷却フィン４１０と折り曲げられるカートリッジ３００部分の形状に対応する形状を有する。冷却プレート４３０の折曲部は、冷却フィン４１０の折曲部４１１の個数に対応する個数として提供される。図７の一つのカートリッジ３００を基準として見たとき、一つのカートリッジ３００は、二つのバッテリーセル１００を有する。各々のバッテリーセル１００の第１方向１２の両側面には、冷却フィン４１０が位置する。各々の冷却フィン４１０は、第３方向１６の下部方向へ折り曲げられた折曲部を有する。各々の冷却フィン４１０の折曲部４１１における第３方向１６の下部には、冷却プレート４３０の折曲部が位置する。各々の冷却プレート４３０の折曲部の間に、冷却プレート４３０は全体的に扁平な形状として提供される。図７を参照すれば、一つのカートリッジ３００において、第３方向１６の下部に位置する冷却プレート４３０は、中央が扁平であり、第１方向１２の両側面には冷却プレート４３０の折曲部が位置し、内部にバッテリーセル１００の側部が収容される空間を形成する。
図８は、図３の熱交換ユニット５００を示す斜視図であり、図９は、図３の熱交換ユニット５００の断面図である。図８及び図９を参照すれば、熱交換ユニット５００は、冷却プレート４３０と接触し、冷却プレート４３０と熱交換できる。熱交換ユニット５００は、冷却プレート４３０を冷却できる。熱交換ユニット５００は、供給管５５０、熱交換チャンバ５１０、排出管５６０及び温度測定部材５７０を含む。
供給管５５０、熱交換チャンバ５１０及び排出管５６０は、第２方向１４に沿って配置される。供給管５５０は、熱交換チャンバ５１０に冷却流体を供給する。一例で、冷却流体は、冷却水として提供され得る。これとは違って、熱容量が大きい他の流体であり得る。
供給管５５０は、熱交換チャンバ５１０の第２方向１４の一面と結合する。供給管５５０は、後述の下部冷却流路５２０と連結され、下部冷却流路５２０に冷却流体を供給する。
熱交換チャンバ５１０は、冷却流体が流れる流路を内部に有する。熱交換チャンバ５１０は、内部に空間を有する。熱交換チャンバ５１０は、直方体の形状として提供され得る。熱交換チャンバ５１０が冷却プレート４３０と接触する面の面積は、冷却プレート４３０の面積よりも大きく提供され得る。熱交換チャンバ５１０は、金属材質として提供され得る。一例で、熱交換チャンバ５１０は、アルミニウム材質であり得る。これとは違って、熱伝導性の良い金属材質として提供され得る。
熱交換チャンバ５１０の内部には、冷却流体が流れる冷却流路が備えられる。冷却流路は、下部冷却流路５２０、上部冷却流路５３０及び連結流路５４０を含む。
下部冷却流路５２０は、内部空間５０１の第３方向１６の下部に位置する。下部冷却流路５２０は、第３方向１６から見たとき、長方形の形状を有する。下部冷却流路５２０には、供給管５５０から供給された冷却流体が流れる。
上部冷却流路５３０は、内部空間５０１における第３方向１６の上部に位置する。上部冷却流路５３０は、下部冷却流路５２０の上部に位置する。上部冷却流路５３０には、下部冷却流路５２０から供給された冷却流体が流れる。上部冷却流路５３０を流れる冷却流体は、冷却プレート４３０と熱交換できる。上部冷却流路５３０の冷却流体は、冷却プレート４３０と熱交換した後に排出管５６０を通して外部へ排出される。上部冷却流路５３０は、第３方向１６から見たとき、長方形の形状を有する。上部冷却流路５３０は、下部冷却流路５２０と同一の面積として提供され得る。上部冷却流路５３０の面積は、冷却プレート４３０の面積よりも大きく提供され得る。
連結流路５４０は、下部冷却流路５２０及び上部冷却流路５３０と連結される。連結流路５４０は、下部冷却流路５２０を流れる冷却流体を上部冷却流路５３０に供給する。連結流路５４０は、複数個が提供される。隣接する連結流路５４０は、熱交換チャンバ５１０の内部空間５０１で一定距離に離隔して位置する。連結流路５４０は、下部冷却流路５２０から分岐する。連結流路５４０は、冷却流体が流れる方向を基準に上向傾斜するように提供される。連結流路５４０が上向傾斜するように提供され、別途の動力源なく上部冷却流路５３０に冷却流体を供給することができる。
熱交換チャンバ５１０の内部空間５０１は、上流領域５０２及び下流領域５０３を有する。ここで、上流領域５０２は、熱交換チャンバ５１０の内部空間５０１において供給管５５０と隣接する領域であり、下流領域５０３は、熱交換チャンバ５１０の内部空間５０１において排出管５６０と隣接する領域である。
下流領域５０３に位置する連結流路５４０の個数は、上流領域５０２に位置する連結流路５４０の個数よりも多い。一例で、下流領域５０３の連結流路５４０の個数は、上流領域５０２の連結流路５４０の個数の二倍であり得る。これとは違って、上流領域５０２から下流領域５０３へ進むほど連結流路５４０の個数は、漸進的に増加するように提供され得る。
排出管５６０は、上部冷却流路５３０と連結され、上部冷却流路５３０の冷却流体を外部へ排出する。排出管５６０は、熱交換チャンバ５１０の第２方向１４の一面と結合する。排出管５６０は、供給管５５０と対向して位置する。排出管５６０は、供給管５５０よりも高く位置する。一例で、図９のように、排出管５６０は、第３方向１２を基準に供給管５５０よりも高く位置する。
温度測定部材５７０は、上部冷却流路５３０を流れる冷却流体の温度を測定する。温度測定部材５７０は、熱交換チャンバ５１０の内部空間５０１に位置する。一例で、温度測定部材５７０は、上部冷却流路５３０の上部に位置し得る。温度測定部材５７０は、複数個が提供され得る。温度測定部材５７０は、冷却流体の温度を測定し、既に設定されている温度範囲から外れる場合、制御機（図示せず）に知らせることができる。制御機は、温度測定部材５７０で測定された温度が既に設定されている温度範囲以上の場合、バッテリーモジュール１０の温度異常を感知して、これを知らせることができる。
本発明によるバッテリーパックは、上述のバッテリーモジュール１０を一つ以上含む。バッテリーパックには、バッテリーモジュール１０に加え、このようなバッテリーモジュール１０を収納するためのケース、バッテリーモジュール１０の充放電を制御するための各種装置、例えば、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサー、ヒューズなどをさらに含み得る。
本発明によるバッテリーモジュール１０を複数個有するバッテリーパックは、電気車やハイブリッド車のような自動車に適用できる。本発明による自動車は、本発明によるバッテリーパックを含むことができ、このようなバッテリーパックは、本発明によるバッテリーモジュール１０を含むことができる。
上述の例では、熱交換ユニット５００が一つである場合を例に挙げたが、これとは違って、図１０のように２つ、または、図１１のように３つとして提供される得る。この場合、熱交換ユニット５００の内部構成は、上述の熱交換ユニット５００と同一に提供される。但し、隣接する熱交換ユニット５００の供給管５５０同士は、第２方向１４を基準に対向して位置する。即ち、隣接する熱交換ユニット５００同士は、熱交換チャンバ５１０を基準に反対方向に配置され得る。熱交換ユニット５００を複数個提供する場合、冷却流体が流れる冷却流路を基準に、下流における冷却効率低下の問題点を改善することができる。より詳しい効果は、後述する。
以下では、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１０の内部に位置するバッテリーセル１００の冷却効果について説明する。
図１２は、熱交換チャンバの内部の温度変化を概略的に示すグラフであり、図１３は、熱交換チャンバの内部に単一流路が形成された熱交換ユニット５００を示す断面図である。
図１３を参照すれば、通常の熱交換チャンバ３の内部には、単一流路４が形成される。供給管５は、熱交換チャンバ３に冷却流体を供給する。熱交換チャンバ３に供給された冷却流体は、単一流路４を流れる。熱交換チャンバ３の冷却流体は、排出管６を通して外部へ排出される。この際、熱交換チャンバ３の内部に単一流路４が形成される場合、冷却流体は上流から下流へ流れる。この過程で、上流で冷却プレートと熱交換した冷却流体は、下流へ進むほど温度が上昇する。冷却流路が単一流路４として形成され、全体的な冷却流体の温度は下流へ進むほど上昇する。この場合、下流における冷却プレートとの熱交換量が少なく、冷却流路の下流における上部に位置するバッテリーセルの冷却効率が低下するという問題点がある。また、冷却流路の下部に流れる冷却流体は、冷却プレートと直接接触せず、熱交換に寄与できないという問題点がある。
これとは違って、本発明では、熱交換ユニット５００の内部に形成された流路が、上部冷却流路５３０及び下部冷却流路５２０に分けられる。冷却プレート４３０は、上部冷却流路５３０に流れる冷却流体と熱交換できる。この際、上部冷却流路５３０の下流へ進むほど、熱交換に寄与しなかった下部の冷却流体が連結流路５４０を通して供給され、上部冷却流路５３０の下流の冷却効率を向上させることができる。また、熱交換チャンバ５１０の下部に流れる冷却流体も、冷却プレート４３０と直接接触して熱交換できる。即ち、供給管５５０を通して伝達する冷却流体の全体が熱交換に寄与でき、冷却効率を向上させることができる。また、下流領域５０３の連結流路５４０を上流領域５０２の連結流路５４０よりも多い個数にすることで、下流領域５０３でより多い下部冷却流路５２０の冷却流体が供給でき、バッテリーセル１００の冷却効率を最大化することができる。
図１２は、上部冷却流路を流れる冷却流体の温度を概略的に示したグラフである。グラフの横軸Ｌは、熱交換チャンバ５１０の上流を基準にして下流への進行長さを示す。グラフの縦軸Ｔは、上部冷却流路５３０を流れる冷却流体の温度を示す。図１２のグラフを参照すれば、連結流路５４０を提供することで上部冷却流路５３０の温度が一定の水準Ｔ１に維持されることを確認することができる。
また、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュール１０は、熱交換ユニット５００を複数個提供できる。この場合、隣接する熱交換ユニット５００の供給管５５０の位置を反対方向へ提供する。各々の熱交換ユニット５００の冷却流体を互いに反対方向から供給することで、単一の熱交換ユニット５００を提供する場合よりも冷却効果をさらに向上させることができる。
上述のように本発明のバッテリーモジュール１０は、上部冷却流路５３０、下部冷却流路５２０及び連結流路５４０を含む熱交換ユニット５００を有することで、バッテリーセル１００の冷却効率を向上させることができる効果を奏する。
以上の詳細な説明は、本発明を例示する。また、上述の内容は、本発明の望ましい実施形態を説明することであり、本発明は、多様な他の組合せ、変更及び環境で使用できる。即ち、本明細書に開示された発明の概念範囲、開示内容と均等な範囲及び／または当業界の技術または知識の範囲内で変更または修正が可能である。上述の実施例は、本発明の技術的思想を具現するための最善の状態を説明することであり、本発明の具体的な適用分野及び用途において要求される多様な変更も可能である。したがって、以上の発明の詳細な説明は、開示の実施状態に本発明を制限しようとする意図ではない。また、添付の請求範囲は、他の実施状態も含むことに解釈すべきである。
３ 熱交換チャンバ
４ 単一流路
５ 供給管
６ 排出管
１０ バッテリーモジュール
１２ 第１方向
１４ 第２方向
１６ 第３方向
１００ バッテリーセル
１１０ パウチケース
１１１ 上部ケース
１１３ 下部ケース
１３０ 電極組立体
１５０ 電極タブ
１５１ 正極タブ
１５３ 負極タブ
１７０ 電極リード
１７１ 正極リード
１７３ 負極リード
２００ ケース
３００ カートリッジ
４００ 冷却ユニット
４１０ 冷却フィン
４１１ 折曲部
４３０ 冷却プレート
５００ 熱交換ユニット
５０１ 内部空間
５０２ 上流領域
５０３ 下流領域
５１０ 熱交換チャンバ
５２０ 下部冷却流路
５３０ 上部冷却流路
５４０ 連結流路
５５０ 供給管
５６０ 排出管
５７０ 温度測定部材
４ 単一流路
５ 供給管
６ 排出管
１０ バッテリーモジュール
１２ 第１方向
１４ 第２方向
１６ 第３方向
１００ バッテリーセル
１１０ パウチケース
１１１ 上部ケース
１１３ 下部ケース
１３０ 電極組立体
１５０ 電極タブ
１５１ 正極タブ
１５３ 負極タブ
１７０ 電極リード
１７１ 正極リード
１７３ 負極リード
２００ ケース
３００ カートリッジ
４００ 冷却ユニット
４１０ 冷却フィン
４１１ 折曲部
４３０ 冷却プレート
５００ 熱交換ユニット
５０１ 内部空間
５０２ 上流領域
５０３ 下流領域
５１０ 熱交換チャンバ
５２０ 下部冷却流路
５３０ 上部冷却流路
５４０ 連結流路
５５０ 供給管
５６０ 排出管
５７０ 温度測定部材
Claims (8)
- バッテリーモジュールであって、
内部に収容空間を有するカートリッジと、
前記収容空間に位置する複数個のバッテリーセルと、
前記バッテリーセルを冷却する冷却ユニットと、
前記冷却ユニットと熱交換する熱交換ユニットと、を含み、
前記冷却ユニットは、
前記バッテリーセルの一側面と面接触する冷却フィンと、
前記冷却フィンと接触する冷却プレートと、を含み、
前記熱交換ユニットは、
内部空間を有する熱交換チャンバと、
前記熱交換チャンバ内に位置し、冷却流体が流れる下部冷却流路と、
前記下部冷却流路の上部に位置し、前記下部冷却流路から供給された前記冷却流体が流れる上部冷却流路と、
前記下部冷却流路に流れる前記冷却流体を前記上部冷却流路に供給する連結流路と、を含み、
前記連結流路が、前記下部冷却流路から分岐し、前記冷却流体が流れる方向を基準に上向傾斜するように提供されており、
前記連結流路は複数個が提供され、隣接する前記連結流路は、前記熱交換チャンバの内部で一定距離に離隔して配置されており、
前記熱交換ユニットは、
前記下部冷却流路に前記冷却流体を供給する供給管と、
前記上部冷却流路に前記冷却流体を外部へ排出する排出管と、をさらに含み、
前記熱交換チャンバの前記内部空間は、前記供給管と隣接する上流領域及び前記排出管と隣接する下流領域を有し、
前記下流領域に位置する前記連結流路の個数は、前記上流領域に位置する前記連結流路の個数よりも多い、バッテリーモジュール。 - 前記排出管が、前記供給管よりも高く位置することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
- 前記上部冷却流路の面積が、前記冷却プレートの面積よりも大きく提供されることを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリーモジュール。
- 前記上部冷却流路と前記下部冷却流路との面積は、同一に提供されることを特徴とする請求項３に記載のバッテリーモジュール。
- 前記熱交換ユニットは複数個が提供され、
隣接する前記熱交換ユニットの前記供給管同士は、前記熱交換チャンバを基準に反対方向に位置することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。 - 前記熱交換ユニットは、前記上部冷却流路及び前記下部冷却流路の冷却流体の温度を検査する温度測定部材をさらに含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の前記バッテリーモジュールを含むバッテリーパック。
- 請求項７に記載の前記バッテリーパックを含む自動車。
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