JP6650472B2 - エッジ冷却方式の部材を含む電池パック - Google Patents

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１６年１月６日付の韓国特許出願第１０−２０１６−０００１３１０号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、冷却部材の内面に熱伝導のための熱的接触部が形成されている電池パックに関するものである。

最近、充放電が可能な２次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使用されている。また、２次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などの動力源としても注目されている。

小型モバイル機器には、デバイス１台当たり１個、または２〜４個の電池セルが使用される一方、自動車などのような中大型のデバイスは、高出力大容量の必要性により、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池パックが使用される。

中大型電池パックは、可能な限り、小さい大きさおよび重量で製造されることが望ましいので、高い集積度で充積することができ、容量対比重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが中大型電池パックの電池セル（単位電池）として主に使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低く、形態変形が容易であるなどの利点により、最近多くの関心を集めている。

このような中大型電池パックを構成する電池セルは、充放電が可能な２次電池で構成されているため、このような高出力大容量２次電池は充放電過程で多量の熱を発生させる。特に、電池パックに広く使用されるパウチ型電池のラミネートシートは、熱伝導性が低い高分子物質で表面がコーティングされているため、電池セル全体の温度を効果的に冷却させることが難しい。

充放電過程で発生した熱が効果的に除去されないと、熱蓄積が発生し、結果的に電池セルの劣化を促進し、場合によっては発火または爆発を誘発することがある。したがって、高出力大容量の電池パックには、それに内蔵されている電池セルを冷却させる冷却システムが必要である。

電池パックは、一般に、多数の電池セルを高い密集度で積層する方法で製造し、充放電時に発生した熱を除去できるように、隣接する電池セルを一定の間隔で離隔させて積層する。例えば、電池セル自体を別途の部材なしに所定の間隔で離隔させながら順次積層するか、または機械的剛性が低い電池セルの場合に、一つまたは二つ以上の組み合わせでカートリッジなどに内蔵し、このようなカートリッジを多数個積層して電池パックを構成することができる。

従来は、積層配列された電池セル間で発生する熱を効果的に除去できるように、冷媒流路が電池セル間に形成されるか、または電池セル間に冷却フィンを介在して電池セルで発生した熱が冷却フィンを介して（「通して」、以下同じ）電池パック外側に装着された冷却部材で空冷または水冷の方式で冷却が行われるようにした。

図１には、従来の電池パック１００の構造を概略的に示す模式図が示されており、図２には、図１の冷却方式を有する電池パックの平面図が示されている。従来の電池パック１００の場合、積層配列された電池セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ間には冷却フィン２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが介在している。

しかし、電池セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの間に冷却フィン２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを介在する場合、部品の数が多くなり、冷却フィンと冷却部材の間の溶接または締結などの工程が追加され、これによって電池パックの重量を増加させるという短所がある。また、冷却フィンと冷却部材の間には放熱パッドが介在した状態で熱的に相互結合され、冷却部材には冷媒流路を形成させる構造で構成されているため、製造コストが上昇し製造工程が複雑であるという短所がある。

電池セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ間に冷却フィン２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが介在することによって電池パック１００の厚さが増加し、冷却フィン２０ａと電池セル１０ａが接触する面積に比べて放熱効率があまり高くないという問題がある。

したがって、高出力大容量の電力を提供しながらも冷却フィンを除去することによって、既存の冷却効率と同等の水準の放熱効果を有し、電池パックの厚さを減少させて、軽量化された電池パックに関する必要性が高いのが実情である。

本発明は、上記のような従来技術の問題点および過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。

本出願の発明者らは、鋭意研究と多様な実験を重ねた結果、後述するように、特定の形状を有する熱的接触部が形成された冷却部材により、既存に冷却フィンによって行われた冷却方式と同等の水準の放熱効果を確保すると同時に、電池パックの厚さを減らし重量を最少化することによって、軽量化された電池パックを提供することができることを確認し、本発明を完成するに至った。

前記のような目的を達成するための本発明による電池パックは、
充放電が可能な複数の電池セルが積層配列されている電池セルアセンブリーと、前記電池セルの充放電過程で発生する熱を除去する一対の冷却部材を含んでおり；
前記冷却部材は、電池セルの積層配列方向に垂直方向の電池セルアセンブリーの第１面および第２面側に位置する第１冷却部材および第２冷却部材から構成されており；
前記第１冷却部材および第２冷却部材それぞれの内面には、熱伝導のために電池セルアセンブリーの第１面および第２面それぞれの外面に密着する形状を有する熱的接触部が形成されている。

電池セルの場合、正極と陰極にそれぞれ分離膜を介在した状態で積層した構造で、電池セルの側面方向の熱伝導度が表面方向より約１０倍以上高い。

したがって、本発明による電池パックは、第１冷却部材および第２冷却部材の内面にそれぞれ形成されている前記熱的接触部が電池セルアセンブリーの第１面および第２面それぞれの外面に密着する形状を有することによって、放熱効率を大きく増加させる効果を有する。つまり、既存に比べて熱伝導が行われる表面積は減少したが、側面方向への熱伝導によって熱伝導効率が大きく増加するようになり、冷却フィンによって表面方向を介して冷却が行われる従来の冷却方式と同等の水準の放熱効果を確保できる。

また、冷却フィンが除去された本発明の電池パックは、冷却フィンと冷却部材の間の締結などに使用される部品の数を減らすことによって軽量化され、冷却フィンの装着のための空間が不要になり、電池パックの厚さを減らすことができる長所がある。

本発明による電池パックで、電池セルの充放電過程で発生する熱は、電池セルの両側端部を介して電池セルアセンブリーの第１面および第２面側にそれぞれ位置する第１冷却部材および第２冷却部材に熱伝導されて除去されることができる。

一具体例において、前記電池セルは隣り合う電池セルが直接対面した状態で積層配列されて電池セルアセンブリーを形成している構造からなることができる。

前記構造で、冷却部材の熱的接触部は、前記電池セルの両側端部が挿入密着する形状からなる構造でありうる。つまり、電池セルの種類によって電池セルの両側端部の形状は多様であるが、熱的接触部は高い熱伝導のために、このような電池セルの両側端部が挿入されて密着する構造を有する。さらに、このような構造は、冷却部材に対する電池セルの定位置装着にも助力する。

本発明の電池パックに使用される電池セルは多様であり、例えば、前記電池セルは、パウチ型電池ケースの収納部に電極組立体が内蔵されており、前記収納部の外周辺が熱融着シーリング部からなるパウチ型電池セルでありうる。

このような電池セル構造で、冷却部材の熱的接触部は、前記パウチ型電池セルの熱融着シーリング部と前記熱融着シーリング部に隣接した収納部の外側壁が密着する形状からなる構造でありうる。

前記収納部の外側壁は、熱融着シーリング部に対して、例えば、９０度乃至１３０度の大きさに傾いている構造であることもあるが、これは、パウチ型電池ケースの収納部の形状により変わることがあるので、前記の範囲に限定されるものではない。

ただし、熱的接触部がパウチ型電池セルの熱融着シーリング部だけでなく、熱融着シーリング部に隣接した収納部の外側壁に密着することによって、収納部内に装着された電極組立体で発生する熱をさらに効果的に除去することができる。

本発明の電池パックは、場合によっては、１つ以上の電池セルがセルカバーに装着されて単位モジュールをなしており、単位モジュールが積層配列されて電池セルアセンブリーを形成している構造からなることもできる。

前記単位モジュールは、例えば２つの電池セルが金属素材のセルカバーに内蔵されている構造からなることによって、機械的剛性が低い電池セルの安全性を確保できる。

このような構造で、冷却部材の熱的接触部は、前記単位モジュールの両側端部が挿入密着する形状からなる構造でありうる。

さらに他の具体例において、電池セルの少なくとも一部が前記電池セルアセンブリーの第１面および第２面に露出した状態でカートリッジに装着されており、１つ以上の電池セルが装着されたカートリッジが積層配列されて電池セルアセンブリーを形成している構造からなることができる。

具体的に、前記電池セルは、パウチ型電池ケースの収納部に電極組立体が内蔵されており、前記収納部の外周辺が熱融着シーリング部からなるパウチ型電池セルであり、前記熱融着シーリング部の端部が電池セルアセンブリーの第１面および第２面に露出した状態でカートリッジに装着されている構造からなることができる。

このような構造で、冷却部材の熱的接触部は、前記熱融着シーリング部の露出した端部と前記熱融着シーリング部が位置したカートリッジの外側壁が密着する形状からなる構造でありうる。

一具体例において、前記冷却部材の熱的接触部と電池セルアセンブリーの界面に熱伝導向上のための熱伝導部材がさらに介在している構造からなることができる。熱伝導部材によって、前記熱的接触部と電池セルアセンブリーの界面上に存在する空気を除去することによって、熱伝導度を高めることができる効果がある。

このような効果を効果的に発揮することができるように、熱伝導部材は熱伝導性の充填樹脂（ｒｅｓｉｎ）、または熱伝導性のフィルム、または熱伝導性のパッドのうちいずれか一つからなることができるが、これに限定されるものではない。

本発明による電池パックで、前記冷却部材は、空冷式冷却構造または水冷式冷却構造からなることができる。

前記空冷式冷却構造は、例えば、冷却部材の外面に空気を接触させる方式で具現でき、このために、冷却部材の外面に広い接触面積の提供のための凹凸構造を形成することもできる。

前記水冷式冷却構造は、例えば、水のような冷媒を冷却部材の外面に接触させたりまたは冷媒が冷却部材を貫通する構造によって具現できる。

場合によっては、空冷と水冷を組み合わせる複合冷却構造も可能であり、これらは全て本発明の範疇に含まれるものと解釈されなければならない。

本発明はまた、前記電池パックを電源として使用するデバイスを提供する。

前記デバイスの種類は、特に制限されるものではなく、例えば、モバイル電子機器、電池基盤モータによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）を含む電気車（車両）；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；または電力貯蔵用システムなどが含まれる。

また、本発明による電池パックは、単位面積に比べて高い熱伝導効率を有するため、ドローン（Ｄｒｏｎｅ）のような高電流（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ８Ｃ）放電を要する小型デバイスの電源として使用することもできる。

電池パックを電源として使用する前記多様なデバイスは当業系に公知されているので、これに対する詳しい説明は省略する。

従来の電池パックの構造を概略的に示す模式図である。 図１の冷却方式を有する電池パックの平面図である。 本発明の一実施形態による電池パックの構造を概略的に示す模式図である。 本発明の一実施形態による電池パックの平面図である。 冷却部材の熱的接触部と電池セルアセンブリーの第１面の外面が密着した構造の拡大図である。 本発明の一実施形態による電池セルがカートリッジに装着された電池パックの断面図である。 冷却部材の熱的接触部と電池セルアセンブリーの界面に熱伝導部材が介在している構造を概略的に示す模式図である。

以下、本発明の実施形態による図面を参照して本発明を詳述するが、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。

図３には、本発明の一実施形態による電池パックの概略的な構造が示されており、図４には、図３の電池パックの平面図が示されている。

図３および図４を参照すれば、電池パック３００は、複数の電池セル１０が直接対面した状態で積層配列されている電池セルアセンブリー２００と、電池セルの積層方向に垂直方向側に位置する冷却部材２１０、２２０とからなる。

電池セル１０の積層方向に垂直方向の電池セルアセンブリー２００の第１面２０１および第２面２０２は、電池セルの電極端子１１を基準に互いに反対側に位置する。冷却部材２１０、２２０は、電池セルアセンブリー２００の第１面２０１および第２面２０２の側にそれぞれ位置する第１冷却部材２１０と第２冷却部材２２０とからなる。このような構造を介して、電池セル１０で発生した熱は電池セル１０の両側端部、つまり、電池セルアセンブリー２００の第１面２０１および第２面２０２にそれぞれ位置する第１冷却部材２１０および第２冷却部材２２０に熱伝導されて除去される。

第１冷却部材２１０および第２冷却部材２２０には、電池セルアセンブリー２００の第１面２０１および第２面２０２それぞれの外面に密着する形状を有する熱的接触部２１１、２２１が形成されている。熱的接触部２１１、２２１は、電池セルアセンブリー２００を間において、互いに対向しており、第１冷却部材２１０に形成された熱的接触部２１１と、第２冷却部材２２０に形成された熱的接触部２２１はそれぞれ第２冷却部材２２０と第１冷却部材２１０の方向に突出している。熱的接触部２１１、２２１と電池セルアセンブリー２００の第１面２０１および第２面２０２とが密着するほど熱伝導度が高くなって放熱効率を高めることができる。

図５には、冷却部材の熱的接触部と電池セルアセンブリーの第１面の外面が密着した構造の拡大図が示されている。

図５を参照すれば、電池セルアセンブリー２００の第１面２０１側に位置した電池セルの端部に挿入密着する形状からなる熱的接触部２１１が示されている。

電池セルアセンブリー２００の第１面２０１に位置した電池セル１０ａの端部は、パウチ型電池ケースの収納部の熱融着シーリング部３０と前記収納部の外側壁３１とからなる。

熱融着シーリング部３０は、第１冷却部材２１０と電池セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃの配列方向に垂直方向に対面した状態で、熱融着シーリング部３０の隣接した両側に位置した収納部の外側壁３１に比べて突出した形状からなっている。

収納部の外側壁３１は、熱融着シーリング部３０と第１冷却部材２１０が対面する外側辺を除いた残りの外側辺を基準に９０度乃至１３０度の大きさに傾いた構造からなる。

熱的接触部２１１は、このような構造を有する熱融着シーリング部３０と収納部の外側壁３１に挿入密着する形状からなることによって、熱伝導度を高めることができるだけでなく、電池セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃを冷却部材２１０に定位置装着させることができる。

具体的に、熱的接触部２１１は、電池セル１０ａの端部に側面方向に位置しており、電池セルの側面方向の熱伝導度は、表面方向による場合より約１０倍以上高いので、本発明による電池パックは、熱伝導が行われる面積対比高い放熱効率の達成が可能である。

また、このような構造で、電池セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ間に冷却フィンを介在するための別途の空間を用意する必要がないので、電池セル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ間の間隔４０、４１が狭まり、薄い厚さの高出力大容量の電池パック３００の製造が可能であり、冷却フィンと冷却部材の間の締結などに使用される部品の数を減らすことによって、電池パックの重量を最少化できる。

図６には、本発明の実施例による電池パックで、電池セルの一部がカートリッジに装着されている構造が概略的に示されている。

パウチ型電池セルの場合械的剛性が低いので、一つまたは二つ以上の組み合わせでカートリッジに内蔵し、このようなカートリッジを積層することによって機械的剛性を補完することができる。

パウチ型電池セル１０は、パウチ型電池ケースの収納部に電極組立体が内蔵されており、収納部の外周辺に熱融着シーリング部３０が形成されている。電池セル１０がカートリッジ３１０に装着された状態で、熱融着シーリング部の端部３０が電池セルアセンブリーの第１面２０１および第２面２０２に露出している。パウチ型電池セル１０の充放電過程で発生した熱は、前記露出した熱融着シーリング部の端部３０を通じてそれぞれ第１冷却部材２１０および第２冷却部材２２０に熱伝導されることによって、放熱効果を得ることができる。

図７は、冷却部材の熱的接触部と電池セルアセンブリーの界面に熱伝導部材が介在している構造を概略的に示す模式図である。

熱伝導部材２５０が電池セルアセンブリー２００の界面に介在することによって、電池セル１０の充放電過程で発生した熱を冷却部材２１０、２２０に伝導して冷却することができる。また、空気は非常に低い熱伝導度を有するため、熱的接触部２１１と電池セルアセンブリー２００の間に存在する空気を除去することによって、熱伝導度を高めることができる効果がある。

以上、本発明の実施例による図面を参照して説明したが、本発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、前記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行えるだろう。

以上で説明したように、本発明による電池パックは、電池セルの積層配列方向に垂直方向の電池セルアセンブリーの第１面および第２面側に位置する冷却部材の内面に前記電池セルアセンブリーの第１面および第２面それぞれの外面に密着する形状を有する熱的接触部を形成することによって、既存に冷却フィンによって行われていた冷却方式と同等の水準の放熱効果を確保すると同時に、電池パックの厚さを減らし、重量を最少化することによって、軽量化された電池パックを提供する。

Claims (10)

1. 電池パックであって、
   充放電が可能な複数の電池セルが積層配列されている電池セルアセンブリーと、
   前記電池セルの充放電過程で発生する熱を除去する一対の冷却部材とを備えてなるものであり、
   前記冷却部材は、前記電池セルアセンブリーの積層配列方向に沿った前記電池セルアセンブリーの側面である第１面側及び第２面側にそれぞれ位置する第１冷却部材と第２冷却部材とにより構成されてなり、
   前記第１冷却部材及び前記第２冷却部材のそれぞれの内面には、熱伝導のために、前記電池セルアセンブリーの第１面及び第２面のそれぞれの外面に密着する形状を備えた熱的接触部を備えてなり、
   前記冷却部材における前記熱的接触部と前記電池セルアセンブリーとの界面には、熱伝導向上のための熱伝導部材がさらに介在してなり、
   前記熱伝導部材は、熱伝導性の充填樹脂（ｒｅｓｉｎ）、熱伝導性のフィルム、又は熱伝導性のパッドであり、
   前記冷却部材は、空冷式冷却構造を備えてなり、
   前記電池セルは、隣り合う前記電池セルが直接対面した状態で積層配列されて前記電池セルアセンブリーを構成したものであり、
   前記冷却部材における前記熱的接触部は、前記電池セルの両側端部が挿入密着する形状を備えてなり、
   前記電池セルは、パウチ型電池ケースの収納部に電極組立体が内蔵されてなるものであり、前記収納部の外周辺が熱融着シーリング部を備えたパウチ型電池セルであり、
   前記熱的接触部は、前記パウチ型電池セルにおける前記熱融着シーリング部と密着しつつ、前記熱融着シーリング部に隣接した収納部の外側壁とも密着する形状を備えてなり、
   １つ以上の前記電池セルがセルカバーに装着されて単位モジュールを構成してなり、
   前記単位モジュールが積層配列されて前記電池セルアセンブリーを形成してなり、
   前記熱的接触部は、前記熱融着シーリング部と前記収納部の外側壁に挿入密着する形状からなることを特徴とする、電池パック。
2. 前記電池セルの充放電過程で発生する熱は、前記電池セルの両側端部を介して前記冷却部材に熱伝導され除去されることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記収納部における前記外側壁は、前記熱融着シーリング部に対して９０度乃至１３０度の傾きを有してなることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
4. 前記単位モジュールは、２つの前記電池セルが金属素材による前記セルカバーに内蔵されてなるものであることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
5. 前記冷却部材の前記熱的接触部は、前記単位モジュールの両側端部が挿入密着する形状を備えてなることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
6. 前記電池セルの少なくとも一部が、前記電池セルアセンブリーの第１面及び第２面に露出した状態でカートリッジに装着されてなるものであり、１つ以上の前記電池セルが装着された前記カートリッジは、積層配列されて前記電池セルアセンブリーを構成してなるものであることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
7. 前記電池セルは、前記パウチ型電池ケースの収納部に前記電極組立体が内蔵されたものであり、前記収納部の外周辺が前記熱融着シーリング部を備えた前記パウチ型電池セルであり、前記熱融着シーリング部の端部が前記電池セルアセンブリーの第１面及び第２面にそれぞれ露出した状態でカートリッジに装着されたものであることを特徴とする、請求項６に記載の電池パック。
8. 前記冷却部材における前記熱的接触部は、前記熱融着シーリング部の露出した端部と、前記熱融着シーリング部が位置したカートリッジの外側壁とが密着する形状を備えてなることを特徴とする、請求項６に記載の電池パック。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の電池パックを備えてなることを特徴とする、デバイス。
10. 前記デバイスは、モバイル電子機器、電池基盤モータによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）及びハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）を包含する電気車両、電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）及び電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を包含する電気二輪車、電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）又は電力貯蔵用システムであることを特徴とする、請求項９に記載のデバイス。