JP6851514B1

JP6851514B1 - バッテリーモジュール及びその冷却板

Info

Publication number: JP6851514B1
Application number: JP2020000613A
Authority: JP
Inventors: 富民方; 國光任; 國輝游; 國恩梁
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2040-01-07
Also published as: US11335964B2; JP2021111456A; US20210175561A1

Abstract

【課題】サブ領域の熱吸収量に従ってフィンが分布された冷却板を提供すること。【解決手段】充放電により熱を発する複数のセルを含むバッテリーモジュールのための冷却板を開示する。冷却板は冷却板の第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンと、冷却板の第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンと、を含み、第２のサブ領域が複数のセルから吸収する熱の量が第１のサブ領域が複数のセルから吸収する熱の量よりも大きい場合、第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンの第２のフィンカバー範囲は、第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンの第１のフィンカバー範囲より小さい。【選択図】図１

Description

本発明はバッテリーモジュール及びその冷却板に関し、より具体的には、バッテリーモジュールと、バッテリーモジュールが放つ熱に基づいて冷却板内に形成されるフィンの密度が決定されるその冷却板とに関する。

車両は、バッテリーモジュールにパッケージされた複数の個々のバッテリーセルから電力を得る。バッテリーモジュールは、概ね矩形のハウジング内に複数の個々のセルを含み得る。個々のセルが充放電されると、個々のセルはセルの内部抵抗を流れる電流により生じるジュール加熱により熱を発し得る。加えて、個々のセルは、セル内で生じる発熱化学反応を通じて加熱され得る。温度の上昇は化学反応の速度を高め、物理的な歪み（例えば、膨張、短絡、開路）を引き起こし、それ故にセル及びバッテリーモジュールを早期に老朽化させ得る。したがって、モジュールのハウジングに接触する大きな冷却面を有し、バッテリーモジュールから過剰な熱を引き出すことによりセル及びバッテリーモジュールを保護する効果的な冷却システムを提供することが望ましい。

したがって、本発明は、バッテリーモジュールと、バッテリーモジュール及びセルを冷却して保護することが可能なバッテリーモジュールの冷却板とを提供することを目的とする。

本発明は、充放電により熱を発する複数のセルを含むバッテリーモジュールのための冷却板を開示する。冷却板は冷却板の第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンと、冷却板の第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンと、を含み、第２のサブ領域が複数のセルから吸収する熱の量が第１のサブ領域が複数のセルから吸収する熱の量よりも大きい場合、第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンの第２のフィンカバー範囲は、第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンの第１のフィンカバー範囲より小さい。

本発明はバッテリーモジュールをさらに開示する。バッテリーモジュールは、ハウジングと、ハウジング内に含まれる複数のセルであって、複数のセルは充放電されると熱を発する、複数のセルと、複数の母線であって、該複数の母線のうちの1つは前記複数のセルのうちの１つのセルのカソードを前記複数のセルのうちの別のセルのアノードに接続するように構成されている、複数の母線と、複数の母線上に配置される冷却板とを含む。冷却板は、冷却板の第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンと、冷却板の第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンと、を含み、第２のサブ領域が複数のセルから吸収する熱の量が第１のサブ領域が複数のセルから吸収する熱の量よりも大きい場合、第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンの第２のフィンカバー範囲は、第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンの第１のフィンカバー範囲より小さい。

本発明のこれらおよび他の目的は、種々の図面および図面に示されている好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、当業者には明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施形態に係るバッテリーモジュールの斜視図を示す。図２は、本発明の一実施形態に係る、図１のバッテリーモジュールの断面図を示す。図３は、本発明の一実施形態に係る冷却板の斜視図を示す。図４は、冷却板の上面図を示す。図５は、本発明の一実施形態に係る冷却板の上面図を示す。図６は、図３の冷却板内を流れる流体冷却剤のシミュレーションを示す。図７は、本発明の一実施形態に係る、図５の冷却板内を流れる流体冷却剤のシミュレーションを示す。

図１は、本発明の一実施形態に係るバッテリーモジュール１の斜視図を示す。バッテリーモジュール１は冷却板１０、複数のセル１２、複数の母線１４及びハウジング１６を含む。バッテリーモジュール１は、バッテリ電源を必要とする車両又は任意の装置で利用され得る。ハウジング１６は直方体状であり、複数のセル１２を収容するように構成されている。複数のセル１２のそれぞれは複数の母線１４により直列に接続されている。例えば、１本の母線１４は、１つのセル１２のカソードと別のセル１２のアノードとを接続する。複数の母線１４は複数のセル１２の上部に配置される。複数のセル１２が充放電でされると、複数のセル１２の内部抵抗を電流が流れることによりオーム熱（Ohmic heat）が生じ、オーム熱が放散されて複数の母線１４が加熱される。

冷却板１０は、複数の母線１４の上面に冷却板１０が配置された場合に複数の母線１４を冷却するために用いられる。例えば、複数の母線１４に流れるオーム熱は、冷却板１０に含まれる循環流体冷却剤に放散される。したがって、冷却板１０はバッテリーモジュール１を加熱から保護する。

図２は、バッテリーモジュール１の断面図を示す。複数のセル１２が充放電されると、複数のセル１２においてオーム熱が発せられ、複数の母線１４に向かって上方に流れる。

一実施形態では、複数の母線１４は銅でできており、冷却板１０は、アルミニウム等の熱放散材料でできている。アルミニウム製の冷却板１０が銅の母線１４と短絡するのを避けるために、冷却板１０はバッテリーモジュール１に組み付けられる前に陽極酸化被覆処理を施されて、アルミニウム製の冷却板１０の表面が絶縁膜で被覆され得る。この実施形態では、図２に示すように、冷却板１０と複数の母線１４との間に熱伝導性シリコーンパッド２０が配置されて絶縁及び熱放散が提供される。

図３は、冷却板１０の斜視図である。冷却板１０は入口ヘッダ（inlet header）３０、出口ヘッダ（outlet header）３２、複数のフィン３４、上面３６及び底面３８を含み、上面３６と底面３８との間に流体空間３１が形成されている。

入口ヘッダ３０は流体冷却剤を受け入れるように構成され、流体空間３１は流体冷却剤を収容するように構成され、出口ヘッダ３２は流体冷却剤を出すように構成されている。限定されないが、上面３６及び底面３８は矩形であり、入口ヘッダ３０及び出口ヘッダ３２は矩形の上面３６（又は底面３８）上の対角線の頂点（diagonal vertices）に位置し得る。上面３６及び底面３８はＸＹ面と平行である。複数のフィン３４はＸＹ平面に対して垂直なＺ方向に沿って延びるとともに、上面３６と底面３８との間に接続されている。一実施形態では、複数のフィン３４の各々は円筒状である。

流体冷却剤は、冷却板１０内で循環されるように流れて冷却板１０から熱を吸収する。具体的には、流体冷却剤は入口ヘッダ３０に入れられ、流体空間３１内を流れて熱を吸収し、冷却板１０から吸収した熱を放散するために出口ヘッダ３２から出される。そして、流体冷却剤は再度入口ヘッダ３０に入れられる。一実施形態では、流体冷却剤は限定されないが水又は水とエチレングリコールとの混合物であり得る。

図４は、冷却板１０の上面図を示す。複数のフィン３４は冷却板１０の領域Ａ１において均一に分布している。長さＸ１及び幅Ｙ１が領域Ａ１を形成し、領域Ａ１における各フィン３４の直径がＤ１であり、領域Ａ１における複数のフィン３４の数がＮ１であるとした場合、領域Ａ１の第１のフィンカバー範囲（fin coverage）ＦＣＶ１及び領域Ａ１における複数のフィン３４の接触面積（contact area）ＣＡ１は以下のように表される。

第１のフィンカバー範囲ＦＣＶ１は、領域Ａ１における複数のフィン３４の（上又は下の）円形面積の合計（total circle area）を領域Ａ１で除したものを表し、接触面積ＣＡ１は、領域Ａ１に対して垂直なＺ方向に沿った領域Ａ１における複数のフィン３４の矩形面積の合計（total rectangular area）（円筒の側面領域）を表し、Ｚ１はＺ方向に沿った複数のフィン３４のそれぞれの高さを表す。

しかしながら、出願人はバッテリーモジュール１の加熱は均一でないことに気が付いた。実際には、複数のセル１２から多くの熱を吸収する冷却板１０の特定のサブ領域が存在することが分かった。例えば、複数の母線１４は複数のセル１２からオーム熱を放散するため、複数の母線１４と接触する冷却板１０のサブ領域は、複数の母線１４と接触しない冷却板１０のサブ領域よりも多くの熱を吸収し得る。

冷却板１０の第２のサブ領域Ａ２が複数の母線１４のうちの１つから多くの熱を吸収し、第２のサブ領域Ａ２における複数のフィン４４の数がＮ２とする。長さＸ２及び幅Ｙ２が第２のサブ領域Ａ２を形成し、第２のサブ領域Ａ２における各フィン４４の直径がＤ２とすると、第２のサブ領域Ａ２の第２のフィンカバー範囲及び第２のサブ領域Ａ２における複数のフィン４４の接触面積は以下のように表される。

第２のフィンカバー範囲ＦＣＶ２は、領域Ａ２における複数のフィン４４の（上又は下の）円形面積の合計を領域Ａ２で除したものを表し、接触面積ＣＡ２は、Ｚ方向に沿った領域Ａ２における複数のフィン４４の矩形面積の合計を表す。

冷却板１０において多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ２での熱放散を促進するために、多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ２での流動性は、流体力学に基づけば熱の吸収が少ないサブ領域での流動性よりも高くなければならない。具体的には、流体冷却剤の流動性は、流体冷却剤が小さなフィンカバー範囲に遭遇した場合により高くなるのに対して、流体冷却剤がより大きなフィンカバー範囲に遭遇した場合には流体冷却剤の流動性はより低くなる。したがって、冷却板１０内のサブ領域のフィンカバー範囲はその熱の吸収量に応じて構成されるべきである。例えば、フィンカバー範囲は熱の吸収量に反比例（negatively proportional）すべきである。一実施形態では、第２のサブ領域Ａ２の第２のフィンカバー範囲ＦＣＶ２は、領域Ａ１の第１のフィンカバー範囲ＦＣＶ１よりも小さく、例えば、ＦＣＶ２／ＦＣＶ１＜１である。一実施形態では、限定されないがＦＣＶ２／ＦＣＶ１＝０．６２５又は０．５である。

さらに、冷却板１０において多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ２での熱放散を促進するために、流体冷却剤は冷却板１０がより大きな接触面積を提供した場合に多くの熱を吸収する。例えば、接触面積は熱の吸収量と正比例する。一実施形態では、多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ２における接触面積ＣＡ２は、領域Ａ１における接触面積ＣＡ１と等しいか又は大きくあるべきであり、例えばＣＡ２／ＣＡ１＝＞１である。別の観点からは、多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ２における接触面積ＣＡ２は領域Ａ１おける接触面積ＣＡ１よりも小さくない。

即ち、本発明では、熱の吸収量に従って冷却板のサブ領域におけるフィンの分布が構成される。一実施形態では、フィンカバー範囲は熱の吸収量と反比例し、接触面積は熱の吸収量と正比例する。従って、本発明は、バッテリーモジュールの母線及びセルから多くの熱を吸収する冷却板のサブ領域での熱放散を促進できる。

図５は、本発明の一実施形態に係る冷却板５０の上面図を示す。冷却板５０は、図１のバッテリーモジュール１の冷却板１０を置き換えるように構成されている。冷却板５０は入口ヘッダ５０、出口ヘッダ５２及び複数のフィン５４を含み、冷却板５０内に流体空間５１が形成されている。冷却板５０は複数の第１のサブ領域Ａ５１及び複数の第２のサブ領域Ａ５２を含み、バッテリーモジュール1の複数のセル１２が充放電された場合、第２のサブ領域Ａ５２の熱の吸収量は第１のサブ領域Ａ５１の熱の吸収量よりも大きい。

一実施形態では、複数の第２のサブ領域Ａ５２及び複数の母線１４のＸＹ平面上への突出が重なる。一実施形態では、複数の第１のサブ領域Ａ５１及び複数の母線１４のＸＹ平面上への突出は重ならない。図５に示すように、複数のフィン５４の一部は第２のサブ領域Ａ５２の各々において分布がわずかであるが、複数のフィン５４の一部は第１のサブ領域Ａ５１の各々において密に分布されている。一実施形態では、第２のサブ領域Ａ５２のフィンカバー範囲は第１のサブ領域Ａ５１のフィンカバー範囲よりも小さい。一実施形態では、第２のサブ領域Ａ５２において分布されるフィン５４の接触面積は、第１のサブ領域Ａ５１において分布されるフィン５４の接触面積と等しいか又は大きい。一実施形態では、複数のフィン５４の各々は円筒状であり、冷却板５０の上面と底面との間に接続されている。

従って、多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ５２の流動性は、吸収する熱が小さい第１のサブ領域Ａ５１の流動性よりも高く、バッテリーモジュール１の母線１４及びセル１２から多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ５２での熱放散を促進する。

図６は、図３の冷却板１０内を流れる流体冷却剤のシミュレーションを示す。図７は、図５の冷却板５０内を流れる流体冷却剤のシミュレーションを示す。図６及び図７において流体冷却剤は白色であり、冷却板１０は灰色である。冷却板１０のフィン１４は均一に分布されているため、流体冷却液は冷却板１０内を均一に流れる。これに対して、本発明の冷却板５０のフィン５４は均一に分布されていないため、本発明の冷却板５０において、フィン５４がまばらな第２のサブ領域Ａ５２に流れる流体冷却剤が多く、フィン５４が密な第１のサブ領域Ａ５１に流れる流体冷却剤は少ない。従って、本発明の冷却板５０は、バッテリーモジュール1の母線１４及びセル１２から多くの熱を吸収する第２のサブ領域Ａ５２での熱放散を促進する。

以上をまとめると、本発明では、熱の吸収量に従って冷却板のサブ領域におけるフィンの分布が構成される。一実施形態では、フィンカバー範囲は熱の吸収量に反比例し、接触面積は熱の吸収量に正比例する。従って、本発明は、バッテリーモジュールの母線及びセルから多くの熱を吸収する冷却板のサブ領域での熱放散を促進できる。

当業者であれば、本発明の教示を保持しながら装置及び方法に多くの修正及び変更を加えることができることを容易に理解できる。従って、上記の開示は、添付のクレームの範囲によってのみ限定されると解釈すべきである。

１バッテリーモジュール
１０冷却板
１２セル
１４母線
１６ハウジング
３０入口ヘッダ
３１流体空間
３２出口ヘッダ
３４複数のフィン
３６上面
３８底面
５０冷却板
５１流体空間
５２出口ヘッダ
５３入口ヘッダ
５４複数のフィン

Claims

充放電により熱を発する複数のセルを含むバッテリーモジュールのための冷却板であって、
当該冷却板の第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンと、
当該冷却板の第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンと、
を含み、
前記第２のサブ領域が前記複数のセルから吸収する熱の量が前記第１のサブ領域が前記複数のセルから吸収する熱の量よりも大きい場合、前記第２のサブ領域に分布する前記複数の第２のフィンの第２のフィンカバー範囲は、前記第１のサブ領域に分布する前記複数の第１のフィンの第１のフィンカバー範囲より小さく、
前記複数の第１のフィン及び前記複数の第２のフィンのそれぞれは円筒状であり、前記第２のフィンカバー範囲は、前記複数の第２のフィンの円形面積の合計を前記第２のサブ領域の面積で除したものを表し、前記第１のフィンカバー範囲は、前記複数の第１のフィンの円形面積の合計を前記第１のサブ領域の面積で除したものを表し、
前記第２のサブ領域が前記セルから吸収する熱の量が前記第１のサブ領域が前記セルから吸収する熱の量よりも大きい場合、前記第２のサブ領域で分布する前記複数の第２のフィンの第２の接触面積は、前記第１のサブ領域で分布する前記複数の第１のフィンの第１の接触面積と等しいか又は大きい、冷却板。
前記第１のフィンカバー範囲は下記式で表され、

式中、ＦＣＶ１は第１のフィンカバー範囲であり、Ｎ１は前記第１のサブ領域において分布する前記複数の第１のフィンの数であり、Ｄ１は前記複数の第１のフィンのそれぞれの直径であり、Ｘ１は前記第1のサブ領域の長さであり、Ｙ１は前記第1のサブ領域の幅であり、
前記第２のフィンカバー範囲は下記式で表され、

式中、ＦＣＶ２は第２のフィンカバー範囲であり、Ｎ２は前記第２のサブ領域に分布する前記複数の第２のフィンの数であり、Ｄ２は前記複数の第２のフィンのそれぞれの直径であり、Ｘ２は前記第２のサブ領域の長さであり、Ｙ２は前記第２のサブ領域の幅である、請求項１に記載の冷却板。
前記複数の第１のフィン及び前記複数の第２のフィンのそれぞれは円筒状であり、前記第２の接触面積は、前記第２のサブ領域に対して垂直な方向に沿った前記複数の第２のフィンの矩形面積の合計を表し、前記第１の接触面積は、前記第１のサブ領域に対して垂直な方向に沿った前記複数の第１のフィンの矩形面積の合計を表し、
前記第１の接触面積は下記式で表され、

式中、ＣＡ１は第１の接触面積であり、Ｎ１は前記第１のサブ領域に分布する前記複数の第１のフィンの数であり、Ｄ１は前記複数の第１のフィンのそれぞれの直径であり、Ｚ１は前記複数の第１のフィンのそれぞれの高さであり
前記第２の接触面積は下記式で表され、

式中、ＣＡ２は第２の接触面積であり、Ｎ２は前記第２のサブ領域に分布する前記複数の第２のフィンの数であり、Ｄ２は前記複数の第２のフィンのそれぞれの直径であり、Ｚ１は前記複数の第２のフィンのそれぞれの高さである、請求項２に記載の冷却板。
流体冷却剤を受け入れるように構成された入口ヘッダと
上面と、
底面であって、前記上面と該底面との間に流体空間が形成され、該流体空間は前記流体冷却剤を収容するように構成されている、底面と、
前記流体冷却剤を出すように構成された出口ヘッダと、
をさらに含み、
前記複数の第１のフィン及び前記複数の第２のフィンは前記上面と前記底面との間に接続される、請求項1に記載の冷却板。
前記バッテリーモジュールは複数の母線を含み、該複数の母線のうちの1つは前記複数のセルのうちの１つのセルのカソードを前記複数のセルのうちの別のセルのアノードに接続するように構成され、
前記第２のサブ領域及び前記複数の母線の平面上への突出は重なり、前記第１のサブ領域及び前記複数の母線の前記平面上への突出は重ならない、請求項１に記載の冷却板。
ハウジングと、
前記ハウジング内に含まれる複数のセルであって、該複数のセルは充放電されると熱を発する、複数のセルと、
複数の母線であって、該複数の母線のうちの1つは前記複数のセルのうちの１つのセルのカソードを前記複数のセルのうちの別のセルのアノードに接続するように構成されている、複数の母線と、
前記複数の母線上に配置される冷却板であって、該冷却板は、
該冷却板の第１のサブ領域に分布する複数の第１のフィンと、
該冷却板の第２のサブ領域に分布する複数の第２のフィンと、
を含み、
前記第２のサブ領域が前記複数のセルから吸収する熱の量が前記第１のサブ領域が前記複数のセルから吸収する熱の量よりも大きい場合、前記第２のサブ領域に分布する前記複数の第２のフィンの第２のフィンカバー範囲は、前記第１のサブ領域に分布する前記複数の第１のフィンの第１のフィンカバー範囲より小さい、冷却板と、
を含むバッテリーモジュールであって、
前記複数の第１のフィン及び前記複数の第２のフィンのそれぞれは円筒状であり、前記第２のフィンカバー範囲は、前記複数の第２のフィンの円形面積の合計を前記第２のサブ領域の面積で除したものを表し、前記第１のフィンカバー範囲は、前記複数の第１のフィンの円形面積の合計を前記第１のサブ領域の面積で除したものを表し、
前記第２のサブ領域が前記セルから吸収する熱の量が前記第１のサブ領域が前記セルから吸収する熱の量よりも大きい場合、前記第２のサブ領域で分布する前記複数の第２のフィンの第２の接触面積は、前記第１のサブ領域で分布する前記複数の第１のフィンの第１の接触面積と等しいか又は大きい、バッテリーモジュール。
前記第１のフィンカバー範囲は下記式で表され、

式中、ＦＣＶ１は第１のフィンカバー範囲であり、Ｎ１は前記第１のサブ領域において分布する前記複数の第１のフィンの数であり、Ｄ１は前記複数の第１のフィンのそれぞれの直径であり、Ｘ１は前記第1のサブ領域の長さであり、Ｙ１は前記第1のサブ領域の幅であり、
前記第２のフィンカバー範囲は下記式で表され、

式中、ＦＣＶ２は第２のフィンカバー範囲であり、Ｎ２は前記第２のサブ領域に分布する前記複数の第２のフィンの数であり、Ｄ２は前記複数の第２のフィンのそれぞれの直径であり、Ｘ２は前記第２のサブ領域の長さであり、Ｙ２は前記第２のサブ領域の幅である。請求項６に記載のバッテリーモジュール。
前記複数の第１のフィン及び前記複数の第２のフィンのそれぞれは円筒状であり、前記第２の接触面積は、前記第２のサブ領域に対して垂直な方向に沿った前記複数の第２のフィンの矩形面積の合計を表し、前記第１の接触面積は、前記第１のサブ領域に対して垂直な方向に沿った前記複数の第１のフィンの矩形面積の合計を表し、
前記第１の接触面積は下記式で表され、

式中、ＣＡ１は第１の接触面積であり、Ｎ１は前記第１のサブ領域に分布する前記複数の第１のフィンの数であり、Ｄ１は前記複数の第１のフィンのそれぞれの直径であり、Ｚ１は前記複数の第１のフィンのそれぞれの高さであり、
前記第２の接触面積は下記式で表され、

式中、ＣＡ２は第２の接触面積であり、Ｎ２は前記第２のサブ領域に分布する前記複数の第２のフィンの数であり、Ｄ２は前記複数の第２のフィンのそれぞれの直径であり、Ｚ１は前記複数の第２のフィンのそれぞれの高さである、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
前記冷却板は、
流体冷却剤を受け入れるように構成された入口ヘッダと
上面と、
底面であって、前記上面と該底面との間に流体空間が形成され、該流体空間は前記流体冷却剤を収容するように構成されている、底面と、
前記流体冷却剤を出すように構成された出口ヘッダと、
をさらに含み、
前記複数の第１のフィン及び前記複数の第２のフィンは前記上面と前記底面との間に接続され、
前記第２のサブ領域及び前記複数の母線の平面上への突出は重なっており、前記第１のサブ領域及び前記複数の母線の前記平面上への突出は重なっていない、請求項６に記載のバッテリーモジュール。
前記冷却板と前記複数の母線との間に配置され、前記冷却板と前記複数の母線との間に絶縁及び放散を提供するように構成された熱伝導性シリコーンパッドをさらに含む、請求項６に記載のバッテリーモジュール。