JP6694076B2 - バッテリーのエッジ面に直接冷却方式を適用したバッテリーパック - Google Patents

バッテリーのエッジ面に直接冷却方式を適用したバッテリーパック Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーパックに関し、より詳しくは、バッテリーパックのエッジ面に冷却面を形成することで、バッテリーの膨れ（swelling）による漏水を遮断し、両方向バッテリーに適用可能な直接冷却方式のバッテリーパックに関する。
本出願は、２０１６年１０月３１日出願の韓国特許出願第２０１６−０１４３３８６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。
バッテリーの冷却はバッテリーの安定的な充放電機能及び寿命に直結する。バッテリー冷却方式としては直接冷却方式と間接冷却方式とがある。直接冷却方式は、冷媒が流れる流路を形成し、該冷却流路がバッテリーセルを直接冷却する方式である。一方、間接冷却方式では流路を設けず、熱伝導部材をバッテリーセルに当接させて熱伝導部材の熱伝導によってバッテリーセルを間接冷却する。
図１ａ、図１ｂ、及び図２は、従来のバッテリーパックを示した図である。
図１ａ及び図１ｂを参照すれば、直接冷却方式が適用されるバッテリーパック１００は六面体を形成する。説明の便宜上、前記六面体はバッテリーセル１０２のリード１０３が位置する上面を
、第１面の対向面であってパックレベル冷却システム１０４が位置する下面を
、バッテリーが積層される方向である
及び
、そして残りの
及び
から構成される。
バッテリーパック１００は、冷却パイプを有する冷却プレート１０１がバッテリーセル１０２の本体の間に位置し、冷却プレート１０１がバッテリーセル１０２を冷却する。隣接したバッテリーセル１０２の間ごとに冷却プレート１０１が位置する場合、３つのバッテリーセル１０２の間には冷却プレート１＋バッテリー１＋冷却プレート２＋バッテリー２＋冷却プレート３＋バッテリー３＋冷却プレート４と最大４つの冷却プレートが位置し得る。バッテリーパック１００の上面である第１面には電極のリード１０３が位置し、その上部はカバーで覆われる。バッテリーパック１００の下面である第２面には、上側の冷却プレート１０１に冷媒（冷却水）を供給するパックレベル冷却システム１０４が位置する。
ここで、パックレベル冷却システム１０４は、リード１０３が位置した第１面の対向面である第２面に位置するため、単方向セルのみに適用でき、両方向セルに対してはパックレベル冷却システム１０４を適用することができない。単方向セルのみに適用可能なシステム１０４の冷却方式構造は限定的であるため、バッテリーのパック／モジュールの設計自由度が低下する。
図２を参照すれば、バッテリーは動作中に膨れ現象によって膨張し、セルの膨れ方向が第３面と第４面の方向に形成される。このとき、冷却プレート１０１の下端が第２面でパックレベル冷却システム１０４に固定された状態で、その上端は第３面と第４面の膨れ方向に離隔する。すると、セル膨れによるプレート１０１上端の離隔によって、下端のプレート１０１とシステム１０４との結合部位である第２面で冷媒の漏水が発生する。冷媒の漏水はバッテリーの寿命を短縮し、バッテリーの不能を引き起こすため、バッテリーから電源の供給を受ける装置（例えば、電気自動車）に悪影響を及ぼす。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーパックの膨れから安全なエッジ面冷却方式を提供することで、漏水を防止し、両方向セルに適用可能な直接冷却方式のバッテリーパックを提供することを目的とする。
また、本発明は、エッジ面に形成された冷却システムのフレームに冷媒孔を形成し、冷媒孔を通る冷媒の流れで形成される冷却面がバッテリーセルを直接冷却する直接冷却方式を提供することを他の目的とする。
上記の課題を達成するため、バッテリーセルのエッジ面に冷却面を形成して膨れによる漏水を防止し、両方向セルに適用可能な直接冷却方式のバッテリーパックは、複数のバッテリーセルが積層されたバッテリーモジュール；前記バッテリーモジュールを収納するケースに該当し、前記バッテリーセルが積層される積層面から９０°方向のエッジ面に冷却面を形成する冷却フレーム；及び前記冷却面の下部に位置し、バッテリーモジュールを収納した冷却フレームが上部に載置されて結合され、内部に冷媒が保管され、保管された冷媒を上部の冷却面に供給するヒートシンクを含んで構成される。
前記エッジ面は、バッテリーセルの四角形のボディ面に形成された４つの線分方向のうち両方向セルの電極方向を除いた残りの一方向に形成される面である。
前記バッテリーモジュールと前記冷却フレームとの間にはＴＩＭ（Thermal Interface Material）が位置し、ＴＩＭが上部のバッテリーモジュールから下部の冷却フレームに熱放出を伝導する。
前記ＴＩＭは、熱レジン（thermal resin）である。
前記冷却フレームの冷却面には、ヒートシンクから供給される冷媒が流れる冷媒孔が形成される。
前記ヒートシンクの上部にバッテリーモジュールを収納した冷却フレームが載置された状態の前記冷却面の断面は、バッテリーセルのエッジ；前記エッジの下側に接するＴＩＭ；前記ＴＩＭの下側に接し、冷媒孔が形成された冷却フレーム；及び前記冷却フレームの下部に結合されるヒートシンクの積層構造を形成する。
本発明の一態様によれば、バッテリーパックの両方向電極面及び膨れ面を除いた一側のエッジ面に直接冷却方式の冷却面を形成することで、膨れによる冷媒の漏水を防止し、両方向セルに適用可能なバッテリーパックを提供することができる。
また、バッテリーパックのケースに該当する冷却フレームに冷媒孔を形成し、冷媒が流れる冷媒孔の面がバッテリーセルのエッジ面の冷却面を形成してバッテリーセルを直接冷却するため、熱放出効果が大きい。
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。
直接冷却方式の冷却システムが適用された従来の単方向バッテリーパックを概略的に示した例示図である。 直接冷却方式の冷却システムが適用された従来の単方向バッテリーパックを概略的に示した例示図である。 直接冷却方式の冷却システムが適用された従来の単方向バッテリーパックを概略的に示した例示図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを概略的に示した例示図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを概略的に示した例示図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを概略的に示した例示図である。 図４のバッテリーパックを概略的に示した断面図である。 図４のバッテリーパックを概略的に示した断面図である。 本発明の他の実施例による間接冷却方式のバッテリーパックの断面図である。 本発明の他の実施例による間接冷却方式のバッテリーパックの断面図である。
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。
図３〜図５は、本発明の一実施例によるバッテリーパック３００を概略的に示した例示図である。
図３を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーパック３００は、バッテリーセル３０１が積層されたバッテリーモジュール、及び前記バッテリーモジュールを収納する冷却フレーム３０２のケースを含んで構成される。
本発明によるバッテリーの冷却システムは、従来のバッテリーパック１００の冷却システムと異なって、バッテリーセル３０１同士の間ごとに位置する冷却プレート１０１が除去されている。冷却プレート１０１が除去されることで、本発明のバッテリーパック３００は体積が減ってバッテリーの軽量化／小型化を実現でき、製造コストを節減することができる。
ここで、バッテリーセル３０１を四角形の１つのボディ面（第３面又は第４面）と仮定すれば、各バッテリーセル３０１のボディ面が積層されることでバッテリーモジュールが形成されるため、ボディ面は積層面に該当する。四角形のボディ面の４つの線分方向のうち両電極の方向で第１面、第２面を形成し、膨れ方向のボディ面（積層面）によって第３面、第４面を形成し、残のりエッジ面によって第５面、第６面を形成する。ここで、冷却面は第６面のエッジ面に形成される。すなわち、積層面である第３面または第４面から９０°方向のエッジ面に冷却面である第６面が位置する。
図４及び図５を参照すれば、バッテリーモジュールを収納した冷却フレーム３０２は、パックレベル冷却システムに該当するヒートシンク４０１に載置され、４つのそれぞれの角で図５に示された矢印方向でボルト５０１によって固定される。
図６は図４のバッテリーパック３００を概略的に示した断面図であり、図７は図６の部分拡大図である。
図６を参照すれば、バッテリーパック３００の第１面の断面図が示されている。バッテリーセル３０１の熱は下端の冷却面を形成するヒートシンク４０１側に放出される。冷却フレーム３０２の下端の冷却面には冷媒孔６０１が形成される。
図７を参照すれば、下端のバッテリーセル３０１と冷却フレーム３０２との間には熱伝導物質であるＴＩＭ７０１が位置する。ＴＩＭ７０１は熱レジンに該当する。レジンはフレーム３０２とバッテリーセル３０１との間に形成されるギャップを充填して空いている空間を除去する。ギャップの空いている空間を充填するレジンは熱伝導率を向上させ、バッテリーセル３０１から発生した熱が下端のヒートシンク４０１側に素早く排出できるように補助する。ヒートシンク４０１に保管された冷媒７１１は冷却フレーム３０２に流れ、流れ込んだ冷媒７１１が冷媒孔６０１によって形成された流路に沿って流れて第６面に冷却面を形成する。
図８及び図９は、本発明の他の実施例による間接冷却方式のバッテリーパック８００の例示図である。
図８を参照すれば、バッテリーパック８００の第１面の断面図が示されている。バッテリーセル８０１の熱は下端の冷却面を形成するヒートシンク８１１側に放出される。図６と異なって、冷却フレーム８０２の下端に冷媒孔６０１が形成されていない。冷却フレーム８０２の下面に取り付けられたヒートシンク８１１に保管された冷媒８１３は、冷却フレーム８０２に流れ込むことなく、バッテリーセル８０１の熱を冷却する。
図９を参照すれば、バッテリーパック８００は、バッテリーセル８０１、ＴＩＭ７０１、冷却フレーム８０２、熱接着物質９０１、ヒートシンク８１１、及び冷媒８１３の順に断面を形成している。ヒートシンク８１１の冷媒８１３は、冷却フレーム８０２に流れ込まないため、第６面に間接冷却方式の冷却面を形成する。
図７の直接冷却方式と比べると、図７の断面構造では熱接着物質９０１がなく冷却区間が減少するため冷却効率の増加が予想される。また、図７の断面構造は、冷却フレーム３０２の冷媒孔６０１に冷媒７１１が流れ込んで流れるため、直接冷却方式であって冷却効率が増加する。
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。
３００ バッテリーパック
３０１ バッテリーセル
３０２ 冷却フレーム
４０１ ヒートシンク

Claims (5)

  1. バッテリーセルのエッジ面に冷却面を形成して膨れによる漏水を防止し、両方向セルに適用可能な直接冷却方式のバッテリーパックであって、
    互いに面接触して積層された複数のバッテリーセルからなるバッテリーモジュール；
    前記バッテリーモジュールを収納するケースに該当し、前記バッテリーセルが積層される積層面から９０°方向のエッジ面に冷却面を形成する冷却フレーム；及び
    前記冷却面の下部に位置し、前記バッテリーモジュールを収納した冷却フレームが上部に載置されて結合され、内部に冷媒が保管され、保管された冷媒を上部の冷却面に供給するヒートシンク；を含んで構成ており、
    前記冷却フレームの冷却面には、複数の凹凸部が形成されており、
    前記冷却フレームの冷却面の凸部には、前記ヒートシンクから供給される冷媒が流れる冷媒孔が形成されることを特徴とするバッテリーパック。
  2. 前記エッジ面は、前記バッテリーセルの四角形のボディ面に形成された４つの線分方向のうち両方向セルの電極方向を除いた残りの一方向に形成される面であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  3. 前記バッテリーモジュールと前記冷却フレームとの間にはＴＩＭが位置し、前記ＴＩＭが上部のバッテリーモジュールから下部の冷却フレームに熱放出を伝導することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  4. 前記ＴＩＭは、熱レジンであることを特徴とする請求項３に記載のバッテリーパック。
  5. 前記ヒートシンクの上部にバッテリーモジュールを収納した冷却フレームが載置された状態の前記冷却面の断面は、
    バッテリーセルのエッジ；
    前記エッジの下側に接するＴＩＭ；
    前記ＴＩＭの下側に接し、冷媒孔が形成された冷却フレーム；及び
    前記冷却フレームの下部に結合されるヒートシンク；の積層構造を形成することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
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