JP7391451B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０２０年４月９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００４３２４３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、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より詳しくは、冷却性能を向上させる電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。

二次電池は、モバイル機器および電気自動車などの多様な製品群においてエネルギー源として大いなる関心を受けている。このような二次電池は、化石燃料を使用する既存の製品の使用を代替できる有力なエネルギー資源として、エネルギーの使用による副産物が発生せず、環境にやさしいエネルギー源として注目されている。

最近、二次電池のエネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量の二次電池構造に対する必要性が高まるにつれ、多数の二次電池が直列／並列に連結された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。

一方、複数の電池セルを直列／並列に連結して電池パックを構成する場合、電池セルからなる電池モジュールを構成し、このような少なくとも１つの電池モジュールを用いてその他の構成要素を追加して電池パックを構成する方法が一般的である。

このような電池モジュールは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、複数の電池セルを冷却させるヒートシンクとを含む。

図１は、従来のヒートシンクと結合された電池モジュールを示す図である。図２は、図１のヒートシンクの流路構造を示す平面図である。図３は、図２の流路構造に冷媒が流動する様子を示す図である。

図１～図３を参照すれば、従来の電池モジュールは、複数の電池セル１０が積層形成された電池セル積層体と、電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、前記モジュールフレームの底部２０と前記電池セル積層体との間に位置する熱伝導性樹脂層１５とを含む。このような電池モジュールは、モジュールフレームの底部２０の下に形成されて、複数の電池セル１０に冷却機能を提供するヒートシンク３０と結合して電池パックを形成することができる。この時、ヒートシンク３０は、冷媒が流入するインレット３２、冷媒が流出するアウトレット３３、インレット３２とアウトレット３３とを連結する冷却流路３４が形成された下部プレート３１と、下部プレート３１を覆う上部プレート２９とを含む。ここで、電池モジュールの底部２０とヒートシンク３０との間に熱伝導層１８がさらに形成される。

従来は、電池モジュールおよび／または電池パックの冷却性能を向上させるために、電池パック単位で別途の冷却構造、例えば、ヒートシンクを必要とする。したがって、冷却構造が複雑になる傾向があった。また、ヒートシンクの内部を流れる冷媒の圧力降下（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）を最小化するために、図２に示されているように流路の長さを縮小し幅を広げた構造を採用したが、図３に示されているように、流路３４の幅が広い場合、流路の幅の中間部分と両側部分との間に温度偏差が発生しうる。流路上で温度偏差が発生する場合、電池セル積層体の冷却が均一になされず、電池モジュールの全般的な冷却性能が低下する恐れがある。

本発明の解決しようとする課題は、冷却性能を向上させる電池モジュールおよび電池パックを提供することである。

本発明の課題は以上に言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

上記の課題を実現するための、本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、前記モジュールフレームの下側に形成されて前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクとを含み、前記ヒートシンクは、下部プレートと、冷媒の流動経路である流路部と、前記流路部が形成された方向に沿って前記流路部の内部に形成された隔壁とを含み、前記下部プレートは、前記モジュールフレームの底部と結合される。

前記隔壁は、前記モジュールフレームの前記底部と結合される。

前記流路部は、前記下部プレートにおいて下側に陥没形成された構造を有し、前記流路部の上側は、前記モジュールフレームの前記底部によって覆われ、前記流路部と前記モジュールフレームの前記底部との間の空間に前記冷媒が流れる。

前記ヒートシンクは、前記冷媒が流入するインレットと、前記冷媒が流出するアウトレットとをさらに含み、前記隔壁の始点は、前記インレットから離隔して形成される。

前記インレットを通して流入した冷媒は、前記隔壁の始点から第１流路部および第２流路部に区別されて流れる。

前記第１流路部及び前記第２流路部の幅は、前記インレットから前記アウトレットまで一定に形成される。

前記隔壁は、前記流路部の中間部分に沿って前記インレットから前記アウトレットまで延長形成される。

前記流路部がベンディングされる部分は、曲面に形成される。

前記下部プレートは、前記モジュールフレームの下面に対応するように形成される。

本発明の他の実施例による電池パックは、前記電池モジュールを含む。

本発明の実施例によれば、流路長さの変更なく隔壁構造が形成されて冷媒の流動による圧力降下を最小化し、同時に、隔壁を介した流路幅の縮小により流路幅間の温度偏差を低減可能で、電池モジュールの冷却性能を向上させることができる。

また、モジュールフレームとヒートシンクとを一体化させた冷却構造により冷却構造の単純化を実現することができる。

本発明の効果は以上に言及した効果に制限されず、言及されていないさらに他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

従来のヒートシンクと結合された電池モジュールを示す図である。 図１のヒートシンクの流路構造を示す平面図である。 図２の流路構造に冷媒が流動する様子を示す図である。 本発明の一実施例による電池モジュールの分解斜視図である。 図４の電池モジュールの構成が組立てられた様子を示す図である。 図５で組立てられた電池モジュールを下側部分に形成されたヒートシンクを中心に眺めた図である。 図６のヒートシンクを水平方向に切断してＡ－Ａ方向に眺めたヒートシンクを示す断面図である。 図７のヒートシンクに冷媒が流れる様子を示す図である。 図７のヒートシンクの変形例を示す図である。 図７のヒートシンクの変形例を示す図である。 図７のヒートシンクの変形例を示す図である。

以下に説明される実施例は発明の理解のために例として示したものであり、本発明は、ここで説明される実施例と異なって多様に変形して実施できることが理解されなければならない。ただし、本発明を説明するにあたり、かかる公知の機能あるいは構成要素に関する具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにしうると判断された場合、その詳細な説明および具体的な図示を省略する。また、添付した図面は発明の理解のために実際に縮尺通りに示されたものではなく、一部の構成要素の寸法が誇張されて示される。

本出願で使用される第１、第２という用語は多様な構成要素を説明するのに使用できるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。

また、本出願で使用される用語は単に特定の実施例を説明するために使用されたもので、権利範囲を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」、「行われる」または「構成される」などの用語は、明細書上記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。

以下、図４および図５を参照して、本発明の一実施例による電池モジュールの構成について説明する。

図４は、本発明の一実施例による電池モジュールの分解斜視図である。図５は、図４の電池モジュールの構成が組立てられた様子を示す図である。

図４および図５を参照すれば、本発明の一実施例による電池モジュール２００は、複数の電池セルが積層された電池セル積層体１００と、電池セル積層体１００を収容するモジュールフレーム２０５と、モジュールフレーム２０５の下側に形成されて複数の電池セルを冷却させるヒートシンク（Ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）３００とを含む。

本実施例による電池セルは、二次電池であって、パウチ型二次電池で構成される。このような電池セルは複数構成され、複数の電池セルは、相互電気的に連結できるように相互積層されて電池セル積層体１００を形成することができる。複数の電池セルはそれぞれ、電極組立体と、セルケースと、電極組立体から突出した電極リードとを含むことができる。

モジュールフレーム２０５は、電池セル積層体１００を収容する。本発明の一実施例によれば、モジュールフレーム２０５は、電池セル積層体１００の下面および両側面をカバーする下部フレーム２１０と、電池セル積層体１００の上面をカバーする上部プレート２２０とを含むことができる。ただし、モジュールフレーム２０５の構造はこれに限定されず、電池セル積層体１００の前後面を除いて４面で囲むモノフレーム形態であってもよい。

本実施例による電池モジュール２００は、電池セル積層体１００の前後面をカバーするエンドプレート２３０をさらに含むことができる。前述したモジュールフレーム２０５を介して内部に収容された電池セル積層体１００を物理的に保護することができる。

ヒートシンク３００は、モジュールフレーム２０５の下部に形成される。ヒートシンク３００は、ヒートシンク３００の骨格を形成し、モジュールフレーム２０５の底部と接触する下部プレート３１０と、ヒートシンク３００の一側に形成されて外部からヒートシンク３００の内部に冷媒を供給するインレット３２０と、ヒートシンクの一側に形成されてヒートシンクの内部で流動した冷媒がヒートシンクの外部に流出するようにするアウトレット３３０と、インレット３２０とアウトレット３３０とを連結し、冷媒が流動する流路部３４０とを含むことができる。

本実施例によれば、流路部３４０の内部には、流路部３４０が形成された方向に沿って隔壁３５０が形成される。下部プレート３１０と隔壁３５０とは、モジュールフレーム２０５の底部と溶接などの方法によって結合される。

具体的には、流路部３４０は、モジュールフレーム２０５の底部に相当する下部フレーム２１０の下面と接触する下部プレート３１０が下側に陥没形成された構造を指すことができる。流路部３４０の上側は開放されることによって流路部３４０とモジュールフレーム２０５の底部との間に流路が形成され、前記流路を通して冷媒が流動できる。言い換えれば、本実施例による電池モジュール２００は、モジュールフレーム２０５の底部がヒートシンク３００の上部プレートに対応する役割を果たす冷却一体型構造を有することができる。

従来は、モジュールフレームの下側に冷媒が流れる構造が別途に形成されていて、モジュールフレームを間接的に冷却するしかなかったので、冷却効率が低下し、別途の冷媒流動構造が形成されていて、電池モジュールおよび電池モジュールが装着された電池パック上の空間活用率が低くなる問題があった。しかし、本発明の一実施例によれば、モジュールフレーム２０５の下部にヒートシンク３００を一体化させた構造を採用して、流路部３４０とモジュールフレーム２０５の底部との間に冷媒が直接流動可能になることによって、直接冷却による冷却効率が上昇し、ヒートシンク３００がモジュールフレーム２０５の底部と一体化された構造により、電池モジュールおよび電池モジュールが装着された電池パック上の空間活用率をより向上させることができる。

また、本発明の一実施例による電池セル積層体１００のように積層される電池セルの個数が従来に比べて多く増加する大面積電池モジュールの場合、流路の幅がより広く形成されて温度偏差がより激しいことがある。

本実施例による隔壁３５０は、流路部３４０の流路長さの変更なく流路部３４０の幅を縮小させて圧力降下を最小化し、同時に、流路幅間の温度偏差を低減することができる。隔壁３５０の上端と下部プレート３１０の上端とは、モジュールフレーム２０５の下面と溶接などの方法によって結合される。隔壁３５０によって、流動する冷媒の圧力降下および温度偏差を最小化できるだけでなく、下部プレート３１０のほかに隔壁３５０もモジュールフレーム２０５の底部と結合して、モジュールフレーム２０５およびモジュールフレーム２０５に収容された電池セル積層体１００の荷重を支持し、電池モジュール２００の剛性を補強する効果を有することができる。

以下、図６～図８を参照して、本発明の一実施例によるヒートシンク構造についてより詳しく説明する。

図６は、図５で組立てられた電池モジュールを下側部分に形成されたヒートシンクを中心に眺めた図である。図７は、図６のヒートシンクを水平方向に切断してＡ－Ａ方向に眺めたヒートシンクを示す断面図である。図８は、図７のヒートシンクに冷媒が流れる様子を示す図である。

図６～図８を参照すれば、本発明の一実施例によるヒートシンク３００において、下部プレート３１０は、モジュールフレーム２０５の底部に対応するように形成される。モジュールフレーム２０５の底部は、下部フレーム２１０の底部に相当し、下部プレート３１０と下部フレーム２１０の底部は溶接で結合され、下部プレート３１０を介して電池モジュール全体の剛性を補強することができる。下部プレート３１０と下部フレーム２１０の底部とは溶接結合により密封されることによって、下部プレート３１０の内側に形成された流路部３４０で冷媒が漏れることなく流動できる。

インレット３２０とアウトレット３３０とは、いずれもヒートシンク３００の一辺に形成される。より詳しくは、インレット３２０とアウトレット３３０とは、いずれもエンドプレート２３０が位置した部分に形成されたヒートシンク３００の一辺に形成される。インレット３２０とアウトレット３３０とは、ヒートシンク３００の一辺の両端にそれぞれ位置することができる。ヒートシンク３００の下側または上側には冷媒供給部および冷媒排出部が形成されて、冷媒供給部を通して供給された冷媒がインレット３２０に流入し、アウトレット３３０を通して流出した冷媒は冷媒排出部を通して外部に排出される。

流路部３４０は、ベンディングされながらモジュールフレーム２０５の底部をカバーするように形成される。流路部３４０は、モジュールフレーム２０５の底部のうち下部プレート３１０がモジュールフレーム２０５の底部と接触した部分を除いた大部分の領域に形成されることによって、モジュールフレーム２０５の底部の上側でモジュールフレーム２０５の底部の大部分の面積を占めるように配置された電池セル積層体１００のすべての部分が均等に冷却できるようにする。

流路部３４０がベンディングされる部分は、曲面に形成される。これによって、隔壁３５０がベンディングされる部分も、曲面に形成される。流路部３４０に角張った角部分が形成される場合、角張った角部分で冷媒の流動が停滞して温度偏差および圧力降下が大きくなる恐れがある。これに関連し、本発明の一実施例のようにベンディングされる部分は曲面に処理すれば、冷媒の流動が自然に行われるようにできる。

隔壁３５０は、流路部３４０の中間部分に沿ってインレット３２０からアウトレット３３０まで延長形成される。これによって、インレット３２０に流入した冷媒は、隔壁３５０に沿ってアウトレット３３０まで案内される。

隔壁３５０の始点は、インレット３２０から離隔して形成されて、インレット３２０を通して流入した冷媒は、隔壁３５０の始点から隔壁３５０を介して形成された第１流路部３４１および第２流路部３４２に区別されて流れる。この時、第１流路部３４１および第２流路部３４２の幅は同一に形成され、第１流路部３４１および第２流路部３４２の幅は、インレット３２０からアウトレット３３０まで一定に形成される。したがって、第１、第２流路部３４１、３４２のいずれか一方に流動が偏らず、第１、第２流路部３４１、３４２のうちの１つの流路部の幅がより広かったりして発生しうる流路部ごとの温度偏差の差を最小化できる。また、流路部３４０の幅が一定に形成されて幅が広がったり縮小する時に発生しうる圧力降下および温度偏差の発生の可能性を最小化できる。

図９～図１１は、図７のヒートシンクの変形例を示す図である。

図９～図１１を参照すれば、実施例によれば、図７で説明した隔壁３５０は、多様な形態に変形された隔壁構造４５０、５５０、６５０を有するヒートシンクを実現することができる。

上述した電池モジュールは、電池パックに含まれる。電池パックは、本実施例による電池モジュールを１つ以上集めて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）や冷却装置などを追加してパッキングした構造であってもよい。

前記電池パックは、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、電池モジュール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図示および説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることはもちろんであり、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。

２０５：モジュールフレーム
２１０：下部フレーム
２２０：上部プレート
３００：ヒートシンク
３１０：下部プレート
３２０：インレット
３３０：アウトレット
３４０：流路部
３４１：第１流路部
３４２：第２流路部
３５０：隔壁

Claims (8)

1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、
   前記電池セル積層体を収容するモジュールフレームと、
   前記モジュールフレームの下側に形成されて前記複数の電池セルを冷却させるヒートシンクと、
   を含み、
   前記ヒートシンクは、下部プレートと、冷媒の流動経路である流路部と、前記流路部が形成された方向に沿って前記流路部の内部に形成された隔壁とを含み、
   前記下部プレートは、前記モジュールフレームの底部と結合され、
   前記ヒートシンクは、前記冷媒が流入する１つのインレットと、前記冷媒が流出する１つのアウトレットとをさらに含み、
   前記隔壁の始点は、前記インレットから離隔して形成されており、前記隔壁の終点は、前記アウトレットから離隔して形成されており、
   前記インレットを通して流入した冷媒は、前記隔壁の前記始点から前記離隔の前記終点まで第１流路部および第２流路部に区別されて流れる電池モジュール。
2. 前記隔壁は、前記モジュールフレームの前記底部と結合される、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記流路部は、前記下部プレートにおいて下側に陥没形成された構造を有し、前記流路部の上側は、前記モジュールフレームの前記底部によって覆われ、前記流路部と前記モジュールフレームの前記底部との間の空間に前記冷媒が流れる、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記第１流路部の幅及び前記第２流路部の幅は、前記インレットから前記アウトレットまで一定に形成される、請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記隔壁は、前記流路部の中間部分に沿って前記インレットから前記アウトレットまで延長形成される、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
6. 前記流路部がベンディングされる部分は、曲面に形成される、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記下部プレートは、前記モジュールフレームの下面に対応するように形成される、請求項１～６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む電池パック。

Images