JP7246777B2 - 冷却部材を含む電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents

Description

［関連出願との相互参照］
本出願は、２０１８年１１月１６日付の韓国特許出願第１０－２０１８－０１４１８４７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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、電池パックに関し、より具体的には、冷却部材を含む電池パックに関する。

製品群による適用の容易性が高く、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、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置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低減できるという一次的な利点だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点から、やさしい環境およびエネルギー効率性アップのための新たなエネルギー源として注目されている。

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を直列に連結した構造を有している。そして、前記単位セルは、正極および負極集電体、セパレータ、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り繰り返しの充放電が可能である。

一方、近年、エネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量構造への必要性が高まるにつれ、複数の二次電池が直列および／または並列に連結された複数の電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池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電池パックは、複数の二次電池が狭い空間に密集する形態で製造されるため、各二次電池から発生する熱を容易に放出することが重要である。二次電池から発生した熱を放出する多様な方法のうちの一つの方法として、特許文献１に開示されたバッテリパック（以下、「従来技術１」という）は、ハウジング内にバッテリモジュールとこれを冷却するクーリングプレートが備えられた構成が示されている。

しかし、従来技術１のように、バッテリハウジングの内部にクーリングプレートが共に設けられる場合には、熱を速やかに排出するための方法であり、この方法の場合、冷却効率が大きくない限界があった。

大韓民国特許公開公報第１０－２０１６－０１０９６７９号

本発明が解決しようとする課題は、冷却効率を高められる電池パックを提供することである。

しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張可能である。

本発明の一実施例による電池パックは、少なくとも１つの電池セルまたは電池モジュールが内蔵されるハウジングと、前記ハウジングの内部に備えられ、前記電池セルまたは電池モジュールを冷却させる熱交換部材と、前記熱交換部材に連結される冷媒流入ポートおよび冷媒排出ポートと、前記冷媒流入ポートに設けられた急速冷却部材とを含む。

前記冷媒流入ポートおよび前記冷媒排出ポートは、それぞれ前記ハウジングの表面から前記ハウジングの外部に突出した構造を有し、前記急速冷却部材は、前記冷媒流入ポートの外部に設けられる。

前記急速冷却部材は、前記冷媒流入ポートの外部表面を少なくとも部分的に覆うように形成される。

前記冷媒流入ポートが前記ハウジングから突出した長さは、前記冷媒排出ポートが前記ハウジングから突出した長さより長い。

前記冷媒流入ポートの断面積は、前記冷媒排出ポートの断面積より大きい。

前記ハウジングの底面には、傾斜面が形成される。

前記ハウジングの底面には、前記傾斜面が形成された部分に前記熱交換部材を支持するように支持リブが突出できる。

前記急速冷却部材によって前記冷媒流入ポートを通して前記ハウジングに流入する冷媒の温度が摂氏２０度以上摂氏３０度以下を維持できる。

前記ハウジングには、前記冷媒流入ポートおよび前記冷媒排出ポートが通過するポートホールがそれぞれ形成されており、前記ハウジングの底面には、前記熱交換部材のスカート部が挿入されるシーリング部が形成され、前記ポートホールを通して漏洩冷媒が排出できるように、ハウジングの底面は、前記シーリング部から前記ポートホールの方向に次第に低くなる傾斜面を有するように形成される。

本発明の他の実施例によるデバイスは、前述した電池パックを含む。

実施例によれば、電池パックの外部に位置する冷媒流入ポートに直接急速冷却部材を設けることによって、実質的な冷却効率を高められる電池パックを実現することができる。

本発明の一実施例による電池パックの内部構成の分解斜視図である。 図１の電池パックの外部構成の分解斜視図である。 図１の電池パックに含まれているハウジングの底面を眺める方向の斜視図である。 図１の電池パックに含まれているハウジングの底面を示す平面図である。 図１の電池パックに含まれているハウジングに熱交換部材が結合された状態を示す平面図である。 本発明の他の実施例による電池パックに含まれているハウジングの底面を眺める方向の斜視図である。 本発明のさらに他の実施例による電池パックに含まれているハウジングの底面を眺める方向の斜視図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示のところに限定されない。図面において、様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するわけではない。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上からみた時を意味し、「断面上」とする時、これは、対象部分を垂直に切断した断面を横からみた時を意味する。

図１は、本発明の一実施例による電池パックの内部構成の分解斜視図である。

図２は、図１の電池パックの外部構成の分解斜視図である。図３は、図１の電池パックに含まれているハウジングの底面を眺める方向の斜視図である。

図１および図２を参照すれば、本実施例による電池パックは、ハウジング１０と、ハウジング１０内に収納される電池モジュールＭと、収納された電池モジュールＭを覆うカバーとを含むことができる。電池モジュールＭが収納される前に、ハウジング１０の底側に熱交換部材５０が設けられる。

ハウジング１０は、上部が開放された六面体形の構造からなり、ハウジング１０の上部にはカバー１１が結合される。このようなハウジング１０の形状および構造は図示の構造に限定されず、内部に電池セルまたは電池モジュールが設けられる構造であれば、実施条件に応じて多様に変形可能である。

ハウジング１０の内部には、複数の電池モジュールＭが設けられる。例えば、図１のように、垂直に立てられた電池モジュールＭが連続的に配列される。

ハウジング１０の底面１３には、電池モジュールＭの温度を調節できるように熱交換部材５０が設けられる。熱交換部材５０は、冷却システムの主要構成要素であって、内部に冷媒が通過するようになり、電池モジュールＭの温度を調節できるように構成される。

このような熱交換部材５０は、図２に示すように、上部プレート５１と下部プレート５５とが結合され、内部に冷媒が通過するようになる冷却プレート型構造に形成される。上部プレート５１は、熱伝達部材などを介して上部に配置される電池モジュールＭなどと接触するように構成され、下部プレート５５は、冷媒が流入および排出される冷媒流入ポート６１および冷媒排出ポート６３が連結されるように構成される。

上部プレート５１と下部プレート５５は、図示のように、一定の厚さを有する四角平面構造に形成され、縁周部分が相互接合されてその内部に冷媒が流動するように構成されてもよい。

下部プレート５５は、ある程度の深さを有するパン（pan）のような構造に形成され、縁部分に水平方向にフランジ部５７が形成される。上部プレート５１は、平面構造に形成され、縁周部分が下部プレート５５のフランジ部５７よりも拡張された構造に形成される。特に、上部プレート５１の縁周端部分には、下側に折り曲げられたスカート部５３が形成される。

上部プレート５１と下部プレート５５との接合構造は、上部プレート５１が下部プレート５５上に載せられた状態で、下部プレート５５のフランジ部５７と該フランジ部５７に接する上部プレート５１の底面とを相互接合する構造からなり、このような構造で内部に冷媒が通過する熱交換部材５０が構成される。

上部プレート５１の縁周部分に形成されたスカート部５３は、以下に説明するハウジング１０のシーリング部２０に挿入または結合されるように構成される。

図３を参照すれば、本実施例による電池パックに含まれている冷媒流入ポート６１に急速冷却部材６５が設けられている。急速冷却部材６５は、セル自体の開発だけでは限界がある発熱の問題を解決するために、冷媒を直接低下させる機能をする。この時、冷媒の温度が過度に低くなると、電池セルの寿命および効率がむしろ低下しうるが、本実施例では、電池の性能が急低下しないようにするために、冷媒流入ポート６１を通してハウジング１０に流入する冷媒が約摂氏２０度未満の温度に下がらないように調節することができる。言い換えれば、急速冷却部材６５によって冷媒流入ポート６１を通してハウジング１０に流入する冷媒の温度が摂氏２０度以上摂氏３０度以下を維持できるようにする。これは、外部で急速冷却を進行させる場合、冷媒流入ポート６１の面積および急速冷却を進行させる時間などを調節することによって冷却効率を調節できるからである。冷媒流入ポート６１に流入する一般的な冷媒の温度は、約摂氏４０度以上摂氏５０度以下であってもよい。

以上説明した冷媒流入ポート６１を通してハウジング１０に流入する冷媒の温度範囲は一例であり、電池セルの種類と性能、本実施例による電池パックが装着される自動車などの冷媒の温度範囲および冷媒の循環速度などに応じてやや異なって説明可能である。言い換えれば、発熱量に応じて前記冷媒の温度範囲の上限および下限を調整することができる。

図４は、図１の電池パックに含まれているハウジングの底面を示す平面図である。図５は、図１の電池パックに含まれているハウジングに熱交換部材が結合された状態を示す平面図である。

図４および図５を参照すれば、ハウジング１０の底面１３には、熱交換部材５０のスカート部５３が挿入されるシーリング部２０が形成される。本実施例のように、熱交換部材５０の周面が四角形状に形成された場合に、シーリング部２０も四角形状に形成されることが好ましい。

シーリング部２０は、溝構造に形成され、熱交換部材５０のスカート部５３が挿入されて挟まれる構造に形成されることが好ましいが、シーリング部２０において内側壁２１が省かれた構造に構成されることも可能である。

ハウジング１０の底面１４は、図３および図４に示されるように、中間部分が下側に突出して形成され、底面１４の最も低い部分に熱交換部材５０に連結される冷媒流入ポート６１および冷媒排出ポート６３が挿入されるようにポートホール２８がそれぞれ形成される。

ハウジング１０の底面１３は、もし発生しうる漏洩冷媒がポートホール２８を通して排出できるように、シーリング部２０からポートホール２８の方向に次第に低くなる傾斜面２５を有するように形成されることが好ましい。

この時、傾斜面２５が形成された部分は、熱交換部材５０の底面を支持できるように支持リブ２６が上側に突出して形成されることが好ましい。支持リブ２６は、図４に示されるように、漏洩冷媒の円滑な排出のためにポートホール２８を中心に長く形成された放射状構造に配置されることが好ましい。

このようにハウジング１０の底面１３を傾斜して構成する理由は、熱交換部材５０から冷媒が漏洩する場合に、冷媒が傾斜面に沿って流れた後に、ポートホール２８を通してハウジング１０の外部に円滑に排出できるようにするためである。

本実施例では、傾斜面２５の構造により漏洩冷媒が下方に流れる構造を例示したが、傾斜面を構成するのではなく、ハウジング１０の底面１３に漏洩冷媒が排出されるように排出流路を形成して構成することも可能である。

ポートホール２８は、漏洩冷媒が円滑に排出されるように、冷媒流入ポート６１または冷媒排出ポート６３が設けられた状態で隙間またはホールが形成されるように構成することができる。このために、図４のように、ポートホール２８の内面が凹凸構造２９に形成されてもよい。これとは異なり、漏洩冷媒をハウジング１０の外部に排出する部分を、ポートホール２８ではない、ハウジング１０の底面１３に別途のホールを形成して構成することも可能である。

一方、上記の説明および図面では、クーリングプレート構造の熱交換部材５０について説明したが、これに限定されず、内部に冷媒が流動するパック型または筒型構造であれば、公知の多様な熱交換部材に、本発明の漏洩冷媒の流入を遮断する構造を適用して構成することが可能である。

本実施例による電池パックは、水冷式冷却システムを用いることができる。水冷式冷却システムの場合には、ラジエータと電池パックとを互いに連結してラジエータの低温の冷媒を電池パックに送り、熱交換させて電池パックを冷却させ、熱交換で温度が上昇した冷媒は再びラジエータに送られるようにできる。

一般に、冷却のための基本概念を、次の式（１）および式（２）で表すことができる。

冷却＝Ｑ_発熱－Ｑ_冷却 … 式（１）

Ｑ_冷却＝（Ｔ_{ｃｏｏｌａｎｔ}＋Ｔ_ｃｅｌｌ）／Ｒ_ｈｅａｔ … 式（２）

ここで、Ｑ_発熱は電池パックから発生する発熱量であり、Ｑ_冷却は電池パックから発生する冷却熱であり、Ｔ_{ｃｏｏｌａｎｔ}は冷媒の温度であり、Ｔ_ｃｅｌｌは電池セル自体の温度であり、Ｒ_ｈｅａｔは抵抗熱である。

理論的に、発熱はＩ^２Ｒ（Ｉは電流、Ｒは抵抗）で適用可能であるが、電流使用量を増やして燃費効率を増加させ、１つの電池パックで様々な等級の車両に利用するためには、必然的に発熱がより増加しうる。発熱によって電池の使用環境が高温環境になれば、大部分の電池の寿命が急激に減少し、使用危険度も増加する。また、電池の性能を高めるために抵抗を急激に低下させても、これと同時に、電流使用量は大きくなるため、発熱の問題は電池セルの開発では解決することが困難である。

電流による電池セルまたは電池モジュールまたは電池パックの最大温度は、周囲温度（ambient temperature）に応じて決定されるのではなく、冷媒と電池セル自体の温度に応じて定められるため、本発明の実施例によれば、実質的な使用温度を効果的に低下させることができる。具体的に、本実施例によれば、図３に示すように、冷媒流入ポート６１に急速冷却部材６５が設けられる。

本実施例による急速冷却部材６５は、冷媒流入ポート６１に設けられ、電池パックの内部に流入する冷媒を直接冷却させることができる。このように、電池パックの外部に急速冷却部材６５を設けるため、電池パックの温度に影響を与えない。冷却による発熱は冷媒排出ポート６３を通して抜け出ることができる。

本発明の実施例によれば、急速冷却部材６５を冷媒流入ポート６１に設けた構造による冷却システムは、Ｔ_{ｃｏｏｌａｎｔ}を直接低下させることができる方法であり、このような方法はＴ_ｃｅｌｌまでも影響されて実質的な冷却効果を高めることができる。従来多く用いている冷却フィンおよびペリメータ（perimeter）による冷却は、発生する熱を外部に送り出すだけの、つまり、Ｒ_ｈｅａｔだけを調節して冷却させる方式であるが、本発明の実施例によれば、Ｒ_ｈｅａｔだけでなく、Ｔ_ｃｅｌｌおよびＴ_{ｃｏｏｌａｎｔ}に同時に影響する冷却方式である。したがって、本実施例による冷却方式によれば、冷却効率を従来に比べて大きく向上させることができる。

図６は、図３の電池パックの変形例に含まれているハウジングの底面を眺める方向の斜視図である。図７は、図６の電池パックの変形例に含まれているハウジングの底面を眺める方向の斜視図である。

本実施例による急速冷却部材を用いて冷媒を冷却する時、冷媒流入ポート６１の長さおよび面積の少なくとも１つを調節することによって、冷却される冷媒の温度をさらに低下させることができる。具体的には、図６を参照すれば、冷媒流入ポート６１の長さを長くして、電池パックの内部に流入する冷媒の温度をさらに低下させることができる。この時、冷媒流入ポート６１の長さが長くなると同時に、冷媒流入ポート６１に設けられた急速冷却部材６５の長さも長く形成することができる。

それだけでなく、図７を参照すれば、冷媒流入ポート６１の断面積を大きくして、電池パックの内部に流入する冷媒の温度をさらに低下させることができる。ここで、断面積は、冷媒流入ポート６１の長手方向（冷媒の流入方向）に垂直な方向に切断した面の面積を意味することができる。この時、冷媒流入ポート６１の断面積が大きくなると同時に、冷媒流入ポート６１に設けられた急速冷却部材６５の面積も大きく形成される。

上述した電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用可能であるが、本発明はこれに限定されず、電池パックを使用できる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳しく説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１０：ハウジング
２５：傾斜面
２６：支持リブ
５０：熱交換部材
６１：冷媒流入ポート
６３：冷媒排出ポート
６５：急速冷却部材

Claims (9)

1. 少なくとも１つの電池セルまたは電池モジュールが内蔵されるハウジングと、
   前記ハウジングの内部に備えられ、前記電池セルまたは前記電池モジュールを冷却させる熱交換部材と、
   前記熱交換部材に連結される冷媒流入ポートおよび冷媒排出ポートと、
   前記冷媒流入ポートに設けられた急速冷却部材と、
   を含み、
   前記冷媒流入ポートおよび前記冷媒排出ポートは、それぞれ前記ハウジングの外部に突出した構造を有し、前記急速冷却部材は、前記冷媒流入ポートに設けられており、
   前記ハウジングの底面には、傾斜面が形成されており、
   前記ハウジングの底面の前記傾斜面が形成された部分に、前記熱交換部材が支持されている、電池パック。
2. 前記冷媒流入ポートおよび前記冷媒排出ポートは、それぞれ前記ハウジングの表面から前記ハウジングの外部に突出した構造を有している、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記急速冷却部材は、前記冷媒流入ポートの外部表面を少なくとも部分的に覆うように形成される、請求項２に記載の電池パック。
4. 前記冷媒流入ポートが前記ハウジングから突出した長さは、前記冷媒排出ポートが前記ハウジングから突出した長さより長い、請求項２または３に記載の電池パック。
5. 前記冷媒流入ポートの断面積は、前記冷媒排出ポートの断面積より大きい、請求項２から４のいずれか一項に記載の電池パック。
6. 前記ハウジングの底面には、前記傾斜面が形成された部分に前記熱交換部材を支持するように支持リブが突出している、請求項１から５のいずれか一項に記載の電池パック。
7. 前記急速冷却部材によって前記冷媒流入ポートに流入する冷媒の温度が摂氏２０度以上摂氏３０度以下を維持する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電池パック。
8. 前記ハウジングには、前記冷媒流入ポートおよび前記冷媒排出ポートが通過するポートホールがそれぞれ形成されており、前記ハウジングの底面には、前記熱交換部材のスカート部が挿入されるシーリング部が形成されており、
   前記ポートホールを通して漏洩冷媒が排出できるように、ハウジングの底面は、前記シーリング部から前記ポートホールの方向に次第に低くなる傾斜面を有するように形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池パック。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の電池パックを含むデバイス。

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