JP7418558B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

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Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０２０年４月１４日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００４４９６５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、より具体的には、冷却性能が向上した電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。
現代社会では、携帯電話、ノートパソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化されるにつれ、このようなモバイル機器に関連する分野の技術に対する開発が活発になっている。また、充放電可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方策として、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（Ｐ－ＨＥＶ）などの動力源として用いられていることから、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。
現在商用化された二次電池には、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあるが、なかでも、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由であり、自己放電率が極めて低く、エネルギー密度が高いというメリットから脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板とがセパレータを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する電池ケースとを備える。
一般に、リチウム二次電池は、外装材の形状に応じて、電極組立体が金属缶に内蔵されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池とに分類される。
小型機器に用いられる二次電池の場合、２－３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに用いられる二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が用いられる。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって、容量および出力が向上する。また、１つ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
二次電池は、適正温度より高くなる場合、二次電池の性能が低下することがあり、激しい場合、爆発や発火の危険もある。特に、多数の二次電池、つまり、電池セルを備えた電池モジュールや電池パックは、狭い空間で多数の電池セルから出る熱が合わされて温度がさらに迅速で激しく上昇することがある。言い換えれば、多数の電池セルが積層された電池モジュールとこのような電池モジュールが装着された電池パックの場合、高い出力を得ることができるが、充電および放電時、電池セルから発生する熱を除去することが容易でない。電池セルの放熱がうまく行われない場合、電池セルの劣化が速くなるにつれて寿命が短くなり、爆発や発火の可能性が大きくなる。
さらに、車両用バッテリパックに含まれるバッテリモジュールの場合、直射光線によく露出し、夏季や砂漠地域といった高温の条件におかれることがある。
したがって、電池モジュールや電池パックを構成する場合、安定的でありながらも効果的な冷却性能を確保することは非常に重要といえる。
図１は、従来の電池モジュールに対する斜視図であり、図２は、図１の切断線Ａ－Ａ’に沿った断面図である。特に、図２は、電池モジュールの下に位置した熱伝達部材およびヒートシンクを追加的に示した。
図１および図２を参照すれば、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が積層されて電池セル積層体２０を形成し、電池セル積層体２０は、モジュールフレーム３０に収納される。
先に説明したように、複数の電池セル１１を含むため、電池モジュール１０は、充放電過程で多量の熱を発生させる。冷却手段として、電池モジュール１０は、電池セル積層体２０とモジュールフレーム３０の底部３１との間に位置した熱伝導性樹脂層４０を含むことができる。また、電池モジュール１０がパックフレームに装着されて電池パックを形成する時、電池モジュール１０の下に熱伝達部材５０およびヒートシンク６０が順次に位置することができる。熱伝達部材５０は、放熱パッドであってもよいし、ヒートシンク６０は、内部に冷媒流路が形成される。
電池セル１１から発生した熱が、熱伝導性樹脂層４０、モジュールフレーム３０の底部３１、熱伝達部材５０およびヒートシンク６０を順次に経て、電池モジュール１０の外部に伝達される。
しかし、従来の電池モジュール１０の場合、前記のように熱伝達経路が複雑で、電池セル１１から発生した熱が効果的に伝達されにくい。モジュールフレーム３０自体が熱伝導特性を低下させることがあり、モジュールフレーム３０、熱伝達部材５０およびヒートシンク６０それぞれの間に形成されるエアギャップ（Ａｉｒ ｇａｐ）などの微細な空気層も熱伝導特性を低下させる要因になりうる。
電池モジュールについては小型化や容量増大といった他の要求もされ続けているので、冷却性能は高めながらもこのような多様な要求事項をともに満足できる電池モジュールを開発することが実質的に必要といえる。
本発明が解決しようとする課題は、冷却性能が向上した電池モジュールおよびこれを含む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、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底部に形成されたヒートシンクと、前記ヒートシンクに冷媒を供給する冷却ポートと、を含み、前記モジュールフレームは、前記モジュールフレームの底部の一部が突出して形成されたモジュールフレーム突出部を含み、前記モジュールフレーム突出部は、前記モジュールフレームの一側において互いに離隔して位置する第１モジュールフレーム突出部および第２モジュールフレーム突出部を含み、前記冷却ポートは、冷媒注入ポートおよび冷媒排出ポートを含み、前記冷媒注入ポートおよび前記冷媒排出ポートそれぞれは、前記第１モジュールフレーム突出部および前記第２モジュールフレーム突出部上に配置される。
前記モジュールフレームの底部は、前記冷媒と接触することができる。
前記ヒートシンクは、前記ヒートシンクの一辺から前記モジュールフレーム突出部が位置した部分に突出したヒートシンク突出部を含むことができる。
前記冷媒注入ポートおよび前記冷媒排出ポートそれぞれに対応するインレットおよびアウトレットが前記ヒートシンク突出部に形成される。
前記冷媒注入ポートと前記冷媒排出ポートは、前記モジュールフレーム突出部の上面部から上に突出した形状を有することができる。
前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の前後面をカバーするエンドプレートをさらに含み、前記モジュールフレーム突出部は、前記エンドプレートを通るように延長形成される。
前記ヒートシンクの内部には、前記モジュールフレームの底部に向かって突出した突出パターンが形成される。
本発明の他の実施例による電池パックは、複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、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底部に形成されたヒートシンクと、前記ヒートシンクに冷媒を供給および前記ヒートシンクから冷媒を排出する冷却ポートとをそれぞれ含む複数の電池モジュール、及び、前記冷却ポートに含まれ互いに離隔して位置する冷媒注入ポートおよび冷媒排出ポートにそれぞれ連結されたパック冷媒供給管およびパック冷媒排出管を有するパック冷媒管を含み、前記パック冷媒管は、互いに隣り合う電池モジュールの間に配置される。
前記パック冷媒管が配置された互いに隣り合う電池モジュール間の空間には、互いに隣り合う電池モジュールそれぞれに形成された冷却ポートがすべて配置される。
前記冷却ポートは、冷媒注入ポートおよび冷媒排出ポートを含み、互いに隣り合う電池モジュールのうち１つの電池モジュールに形成された冷媒注入ポートと他の１つの電池モジュールに形成された冷媒排出ポートとが互いに対向することができる。
前記複数の電池モジュールは、前記電池セルが積層される方向に２列配置され、前記電池セルが積層される方向に垂直な方向に互いに対向する第１電池モジュールと第２電池モジュールとを含み、前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの間に前記冷媒注入ポートおよび前記冷媒排出ポートが配置される。
前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の前後面を覆い、前記モジュールフレームと結合されるエンドプレートをさらに含み、前記モジュールフレーム突出部は、前記エンドプレートを通るように延長形成され、前記モジュールフレーム突出部は、前記パック冷媒管が配置された互いに隣り合う電池モジュール間の空間に位置することができる。
前記パック冷媒供給管と前記パック冷媒排出管は、互いに交差しながら延びることができる。
前記パック冷媒供給管の高さと前記パック冷媒排出管の高さは、互いに異なる。
前記電池パックは、前記パック冷媒管を収納するパック冷媒管ハウジングをさらに含むことができる。
実施例によれば、モジュールフレームとヒートシンクの一体化された電池モジュール構造により冷却性能が向上できる。この時、電池パック内の電池モジュールに冷却ポートがそれぞれ形成されて、各電池モジュール内に均一な冷却性能が発揮できるようにする。
また、電池モジュール内の電池セル単位数を最大化して電池パック内の電池モジュールの数量を最小化し、これによって冷却ポートの数量を減少させて、電池パック内の冷媒漏れの危険を減少させることができる。
従来の電池モジュールに対する斜視図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’に沿った断面図である。 本発明の一実施例による電池モジュールを示す斜視図である。 図３の電池モジュールの分解斜視図である。 図３の電池モジュールをｚ軸方向に沿って電池モジュールの下から上へ眺めた斜視図である。 本発明の他の実施例による電池パックを示す平面図である。 図６の電池パックにおいてＰで表示した領域を拡大して示す部分斜視図である。 本発明のさらに他の実施例による電池パックにおいて冷媒流路を示す平面図である。 図８の電池パックにおいてパック冷媒管のハウジング構造を示す図である。 比較例による電池モジュールを示す斜視図である。 図１０の電池モジュールを含む電池パック構造を示す平面図である。
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細に説明する。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、特に反対になる記載がない限り、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、対象部分を上から見た時を意味し、「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見た時を意味する。
図３は、本発明の一実施例による電池モジュールを示す斜視図である。図４は、図３の電池モジュールの分解斜視図である。図５は、図３の電池モジュールをｚ軸方向に沿って電池モジュールの下から上へ眺めた斜視図である。
図３および図４を参照すれば、本発明の一実施例による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が積層された電池セル積層体１２０と、電池セル積層体１２０を収納するモジュールフレーム２００と、モジュールフレーム２００の底部２１０ａの下に位置するヒートシンク３００とを含む。モジュールフレーム２００の底部２１０ａは、ヒートシンク３００の上部プレートを構成し、ヒートシンク３００の陥没部３４０とモジュールフレーム２００の底部２１０ａとが冷媒流路を形成する。
まず、電池セル１１０は、パウチ型電池セルであってもよい。このようなパウチ型電池セルは、樹脂層と金属層とを含むラミネートシートのパウチケースに電極組立体を収納した後、前記パウチケースのシーリング部を熱融着して形成される。この時、電池セル１１０は、長方形のシート状構造に形成される。
このような電池セル１１０は複数構成され、複数の電池セル１１０は、相互電気的に連結できるように積層されて電池セル積層体１２０を形成する。特に、図４に示されているように、ｘ軸と平行な方向に沿って複数の電池セル１１０が積層される。
電池セル積層体１２０を収納するモジュールフレーム２００は、上部カバー２２０およびＵ字状フレーム２１０を含むことができる。
Ｕ字状フレーム２１０は、底部２１０ａと、底部２１０ａの両端部から上向延長された２つの側面部２１０ｂとを含むことができる。底部２１０ａは、電池セル積層体１２０の下面をカバーすることができ、側面部２１０ｂは、電池セル積層体１２０の両側面をカバーすることができる。
上部カバー２２０は、Ｕ字状フレーム２１０によって囲まれる前記下面および前記両側面を除いた残りの上面（ｚ軸方向）を囲む１つの板状型構造に形成される。上部カバー２２０とＵ字状フレーム２１０は、互いに対応する角部位が接触した状態で、溶接などによって結合されることによって、電池セル積層体１２０を上下左右にカバーする構造を形成することができる。上部カバー２２０とＵ字状フレーム２１０を介して電池セル積層体１２０を物理的に保護することができる。このために、上部カバー２２０とＵ字状フレーム２１０は、所定の強度を有する金属材質を含むことができる。
一方、具体的に示していないが、変形例によるモジュールフレーム２００は、上面、下面および両側面が一体化された金属板材形態のモノフレームであってもよい。つまり、Ｕ字状フレーム２１０と上部カバー２２０とが相互結合される構造ではなく、押出成形で製造されて上面、下面および両側面が一体化された構造であってもよい。
エンドプレート４００は、モジュールフレーム２００の開放された互いに対応する両側（ｙ軸方向）に位置して電池セル積層体１２０をカバーするように形成される。このようなエンドプレート４００は、外部の衝撃から電池セル積層体１２０およびその他の電装品を物理的に保護することができる。
一方、具体的に示していないが、電池セル積層体１２０とエンドプレート４００との間には、バスバーが装着されるバスバーフレームおよび電気的絶縁のための絶縁カバーなどが位置することができる。
本実施例によるモジュールフレーム２００は、モジュールフレーム２００の底部２１０ａが延びてエンドプレート４００を通るように形成されたモジュールフレーム突出部２１１を含む。この時、モジュールフレーム突出部２１１の上面部と連結される冷却ポート５００によって流入および排出される冷媒が、モジュールフレーム突出部２１１を通してヒートシンク３００に供給およびヒートシンク３００から排出される。本実施例による冷却ポート５００は、冷媒注入ポート５００ａおよび冷媒排出ポート５００ｂを含み、冷媒注入ポート５００ａおよび冷媒排出ポート５００ｂは、後述するパック冷媒供給管およびパック冷媒排出管とそれぞれ連結される。モジュールフレーム突出部２１１は、モジュールフレーム２００の一側において第１モジュールフレーム突出部および第２モジュールフレーム突出部を含み、冷媒注入ポート５００ａは、前記第１モジュールフレーム突出部上に配置され、冷媒排出ポート５００ｂは、前記第２モジュールフレーム突出部上に配置される。
本実施例によるヒートシンク３００の下部プレート３１０には突出パターン３４０Ｄが形成される。本発明の一実施例による電池セル積層体１２０のように積層される電池セルの個数が従来より多く増加する大面積電池モジュールの場合、冷媒流路の幅がより広く形成されて温度偏差がより激しくなりうる。大面積電池モジュールでは、かつて１つの電池モジュール内に約１２個～２４個の電池セルが積層された場合に比べて、約３２個～４８個の電池セルが１つの電池モジュール内に積層されている場合を含むことができる。この場合、本実施例による突出パターン３４０Ｄは、冷却流路の幅を実質的に縮小させる効果を発生させて圧力降下を最小化し、同時に冷媒流路幅間の温度偏差を低減することができる。したがって、均一な冷却効果を実現することができる。
以下、図４および図５を参照して、本実施例によるヒートシンクについて具体的に説明する。
図４および図５を参照すれば、上述のとおり、モジュールフレーム２００の底部２１０ａは、ヒートシンク３００の上部プレートを構成し、ヒートシンク３００の陥没部３４０とモジュールフレーム２００の底部２１０ａとが冷媒の流路を形成する。
具体的には、ヒートシンク３００は、モジュールフレーム２００の下部に形成され、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２００の底部２１０ａと溶接などで直接結合する下部プレート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３００の一側に形成されて、ヒートシンク３００の内部で流動した冷媒がヒートシンク３００の外部に排出され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経路である陥没部３４０とを含むことができる。インレット３２０とアウトレット３３０は、モジュールフレーム突出部２１１の下面部と連結されるように、モジュールフレーム突出部２１１と対応する位置に形成される。このために、インレット３２０とアウトレット３３０は、ヒートシンク３００の一辺からモジュールフレーム突出部２１１が位置した部分に突出したヒートシンク突出部３００Ｐに形成される。ヒートシンク突出部３００Ｐとモジュールフレーム突出部２１１は、互いに溶接などの方法で直接結合できる。
ヒートシンク３００の陥没部３４０は、下部プレート３１０が下側に陥没形成された部分に相当する。陥没部３４０は、冷媒流路が延びる方向を基準として垂直にｘｙ平面で切断した断面がＵ字状管であってもよいし、前記Ｕ字状管の開放された上側に底部２１０ａが位置することができる。ヒートシンク３００が底部２１０ａと接しかつ、陥没部３４０と底部２１０ａとの間の空間が冷媒の流動する領域、つまり、冷媒の流路となる。これによって、モジュールフレーム２００の底部２１０ａが前記冷媒と直接接触することができる。
ヒートシンク３００の陥没部３４０の製造方法に特別な制限はないが、板状型のヒートシンク３００に対して陥没形成された構造を設けることによって、上側が開放されたＵ字状陥没部３４０を形成することができる。
一方、図示しないが、図４のモジュールフレーム２００の底部２１０ａと電池セル積層体１２０との間に熱伝導性樹脂（Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）を含む熱伝導性樹脂層が位置することができる。前記熱伝導性樹脂層は、熱伝導性樹脂（Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）を底部２１０ａに塗布し、塗布された熱伝導性樹脂が硬化して形成される。
前記熱伝導性樹脂は、熱伝導性接着物質を含むことができ、具体的には、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）素材、ウレタン（Ｕｒｅｔｈａｎ）素材およびアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）素材のうちの少なくとも１つを含むことができる。前記熱伝導性樹脂は、塗布時には液状であるが、塗布後に硬化して電池セル積層体１２０を構成する１つ以上の電池セル１１０を固定する役割を果たすことができる。また、熱伝導特性に優れて、電池セル１１０から発生した熱を迅速に電池モジュールの下側に伝達することができる。
図２に示された従来の電池モジュール１０は、電池セル１１から発生した熱が、熱伝導性樹脂層４０、モジュールフレーム３０の底部３１、熱伝達部材５０およびヒートシンク６０の冷媒を順次に経て、電池モジュール１０の外部に伝達される。また、ヒートシンク６０の冷媒の流路は、ヒートシンク６０の内部に位置する。
これに対し、本実施例による電池モジュール１００は、モジュールフレーム２００とヒートシンク３００との冷却一体型構造を実現して、冷却性能をより向上させることができる。モジュールフレーム２００の底部２１０ａ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ことによって、冷却一体型構造を実現することができる。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２００の底部２１０ａ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。
具体的には、電池セル１１０から発生した熱が、電池セル積層体１２０と底部２１０ａとの間に位置する熱伝導性樹脂層（図示せず）、モジュールフレーム２００の底部２１０ａ、冷媒を経て、電池モジュール１００の外部に伝達される。従来の不必要な冷却構造を除去することによって、熱伝達経路が単純化され、各層間のエアギャップを低減できるため、冷却効率や性能が増大できる。特に、底部２１０ａがヒートシンク３００の上部プレートとして構成されて、底部２１０ａが直に冷媒と当接するため、冷媒を通したより直接的な冷却が可能というメリットがある。従来は、図２に示しているように、底部３１と冷媒との間に熱伝達部材５０およびヒートシンク６０の上部構成が位置して冷却効率が低下することと比較可能である。
また、不必要な冷却構造の除去により電池モジュール１００の高さが減少し、コスト節減が可能であり、空間活用度を高めることができる。さらに、電池モジュール１００がコンパクトに配置できるので、電池モジュール１００を多数含む電池パックの容量や出力を増大させることができる。
一方、モジュールフレーム２００の底部２１０ａは、ヒートシンク３００のうち陥没部３４０が形成されない下部プレート３１０部分と溶接により接合可能である。本実施例は、モジュールフレーム２００の底部２１０ａとヒートシンク３００との冷却一体型構造により、上述した冷却性能の向上だけでなく、モジュールフレーム２００に収容された電池セル積層体１２０の荷重を支持し電池モジュール１００の剛性を補強する効果を有することができる。それだけでなく、下部プレート３１０とモジュールフレーム２００の底部２１０ａは、溶接結合など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陥没部３４０で冷媒が漏れることなく流動できる。
効果的な冷却のために、図５に示されているように、モジュールフレーム２００の底部２１０ａに対応する全領域にわたって陥没部３４０が形成されることが好ましい。このために、陥没部３４０は、少なくとも１回曲がって一側から他側につながる。特に、モジュールフレーム２００の底部２１０ａに対応する全領域にわたって陥没部３４０が形成されるために、陥没部３４０は数回曲がることが好ましい。
後述するパック冷媒供給管からインレット３２０を通して冷媒が底部２１０ａと陥没部３４０との間に流入し、流入した冷媒が冷媒流路に沿って移動した後、アウトレット３３０を通してパック冷媒排出管に排出される。モジュールフレーム２００の底部２１０ａに対応する全領域にわたって形成された冷媒流路の始点から終点まで冷媒が移動することによって、電池セル積層体１２０の全領域に対する効率的な冷却が行われる。
一方、前記冷媒は、冷却のための媒体であり、特別な制限はないが、冷却水であってもよい。
図６は、本発明の他の実施例による電池パックを示す平面図である。図７は、図６の電池パックにおいてＰで表示した領域を拡大して示す部分斜視図である。
図６および図７を参照すれば、本実施例による電池パック１０００は、図４にて説明した複数の電池セル１１０が積層されている電池セル積層体１２０と、電池セル積層体１２０を収容するモジュールフレーム２００と、モジュールフレームの底部２１０ａに形成されたヒートシンク３００と、ヒートシンク３００に冷媒を供給およびヒートシンク３００から冷媒を排出する冷却ポート５００とをそれぞれ含む複数の電池モジュール１００と、冷却ポート５００に含まれ互いに離隔して位置する冷媒注入ポート５００ａおよび冷媒排出ポート５００ｂにそれぞれ連結されたパック冷媒供給管６００ａおよびパック冷媒排出管６００ｂを有するパック冷媒管６００とを含む。
図４および図６を参照すれば、本実施例による電池パック１０００に含まれている複数の電池モジュール１００は、電池セル１１０が積層される方向に２列配置され、電池セル１１０が積層される方向に垂直な方向に互いに対向する第１電池モジュールと第２電池モジュールとを含む。前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとは、図６にて左右に互いに離隔している電池モジュール１００を指すことができる。前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの間に冷媒注入ポート５００ａおよび冷媒排出ポート５００ｂが配置される。
本実施例において、パック冷媒管６００は、互いに隣り合う電池モジュール１００の間に配置される。パック冷媒管６００が配置された互いに隣り合う電池モジュール１００間の空間には、互いに隣り合う電池モジュール１００それぞれに形成された冷却ポート５００がすべて配置される。この時、互いに隣り合う電池モジュール１００のうち１つの電池モジュールに形成された冷媒注入ポート５００ａと他の１つの電池モジュール１００に形成された冷媒排出ポート５００ｂとが互いに対向しながら配置される。
図６および図７を参照すれば、パック冷媒供給管６００ａとパック冷媒排出管６００ｂは、互いに交差しながら延びることができる。このようなパック冷媒管６００の配置構造を有することによって、電池パック１０００内に複数の電池モジュール１００と冷却構造との一体型構造を実現しながら空間活用率を高めると同時に冷却効率も向上させることができる。このようなパック冷媒管６００の配置構造を有することができるように、パック冷媒供給管６００ａの高さとパック冷媒排出管６００ｂの高さとは、互いに異なる。パック冷媒供給管６００ａの高さとパック冷媒排出管６００ｂの高さとが互いに異なる部分は、一部であってもよい。
図５にて説明した電池モジュール１００に含まれているモジュールフレーム突出部２１１は、エンドプレート４００を通るように延長形成され、モジュールフレーム突出部２１１は、パック冷媒管６００が配置された互いに隣り合う電池モジュール１００間の空間に位置することができる。図５にて説明したヒートシンク３００は、ヒートシンク３００の一辺からモジュールフレーム突出部２１１が位置した部分に突出したヒートシンク突出部３００Ｐを含み、ヒートシンク突出部３００Ｐとモジュールフレーム突出部２１１とは、互いに結合できる。この時、ヒートシンク突出部３００Ｐとモジュールフレーム突出部２１１とは、溶接などの方法で直接結合可能である。
図８は、本発明のさらに他の実施例による電池パックにおいて冷媒流路を示す平面図である。図９は、図８の電池パックにおいてパック冷媒管のハウジング構造を示す図である。図８および図９の実施例は、図６および図７にて説明した実施例と大部分の構成が同一であり、パック冷媒管ハウジングを電池パックがさらに含むという点で差異がある。
図６および図８を参照すれば、電池パック１０００内において、複数の電池モジュール１００は、パックフレーム１１００に囲まれた空間内に配置され、パックフレーム１１００の一側から冷媒が供給される。
図８および図９を参照すれば、本実施例によるパック冷媒管６００は、パック冷媒管ハウジング７００に収納される。パック冷媒管ハウジング７００は、上部ハウジング７００ａおよび下部ハウジング７００ｂを含み、パック冷媒管６００は、下部ハウジング７００ｂに装着された状態で、上部ハウジング７００ａで覆われる。下部ハウジング７００ｂの一側には、パック冷媒管６００が貫通する開口部７００Ｐが形成される。開口部７００Ｐを通してパック冷媒供給管６００ａとパック冷媒排出管６００ｂが延びて、冷媒供給部（図示せず）から冷媒がパック冷媒管６００に供給されて、各電池モジュール１００のヒートシンクに供給されたり、ヒートシンクから排出される。
上述した本実施例による電池パックに含まれている複数の電池モジュールの１つには約３２個～４８個の電池セルが含まれ、前記電池モジュールは、１つの電池パックに１０個以下で含まれる。このように、本実施例による電池パックは、大面積電池モジュールを含む。
以下、図１０および図１１を参照して、比較例による電池パック構造を説明する。
図１０は、比較例による電池モジュールを示す斜視図である。図１１は、図１０の電池モジュールを含む電池パック構造を示す平面図である。
図１０および図１１を参照すれば、１つの電池モジュール７０内に含まれている電池セル積層体を構成する電池セルの個数が約１２個～２４個に相当し、電池モジュール７０の幅が上述した実施例に比べて相対的に小さい。本比較例において、図１０に示しているように、電池モジュール７０の一側にモジュールフレーム突出部８０が形成され、モジュールフレーム突出部８０上に冷却ポート９０が形成されている。
図１１を参照すれば、図１０にて説明した電池モジュールが電池パック内に複数配置されており、冷却ポート９０と連結されるパック冷媒管が互いに隣り合う電池モジュール７０の間に配置されている。前記パック冷媒管が各電池モジュールに形成された冷却ポート９０と連結されており、これらの間の連結地点は、電池パックにおいて冷媒漏れが可能な部分になる。このように、１つの電池パック内に配置された電池モジュールの個数が相対的に多くなると、冷媒漏れの危険が大きくなりうる。これに対し、上述した本実施例による電池パックの場合、大面積電池モジュールを含むため、１つの電池パック内の電池モジュール数が減少できる。したがって、冷却一体型構造を有しながらも電池パック単位で冷却ポートの個数を最小化することができ、これによって冷媒漏れの地点が減少するため、電池パック単位で冷却効率を向上させることができる。
上述した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、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できるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む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細に説明したが、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。
２００：モジュールフレーム
２１１：モジュールフレーム突出部
３００：ヒートシンク
５００：冷却ポート
６００：パック冷媒管
７００：パック冷却管ハウジング

Claims (12)

  1. 複数の電池セルが積層されている電池セル積層体と、
    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底部に形成されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクに冷媒を供給する冷却ポートと、
    を含み、
    前記モジュールフレームは、前記モジュールフレームの底部の一部が突出して形成されたモジュールフレーム突出部を含み、
    前記モジュールフレーム突出部は、前記モジュールフレームの一側において互いに離隔して位置する第１モジュールフレーム突出部および第２モジュールフレーム突出部を含み、
    前記冷却ポートは、冷媒注入ポートおよび冷媒排出ポートを含み、前記冷媒注入ポートおよび前記冷媒排出ポートそれぞれは、前記第１モジュールフレーム突出部および前記第２モジュールフレーム突出部上に配置されており、
    前記モジュールフレームの底部は、前記冷媒と接触しており、
    前記ヒートシンクは、前記ヒートシンクの一辺から前記モジュールフレーム突出部が位置した部分に突出したヒートシンク突出部を含み、
    前記冷媒注入ポートおよび前記冷媒排出ポートそれぞれに対応するインレットおよびアウトレットが前記ヒートシンク突出部に形成されている、電池モジュール。
  2. 前記冷媒注入ポートと前記冷媒排出ポートは、前記モジュールフレーム突出部の上面部から上に突出した形状を有する、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記電池セル積層体の前後面をカバーするエンドプレートをさらに含み、
    前記モジュールフレーム突出部は、前記エンドプレートを通るように延長形成される、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記ヒートシンクの内部には、前記モジュールフレームの底部に向かって突出した突出パターンが形成されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電池モジュールを複数、備える電池パックであって、
    前記冷却ポートに含まれ互いに離隔して位置する冷媒注入ポートおよび冷媒排出ポートにそれぞれ連結されたパック冷媒供給管およびパック冷媒排出管を有するパック冷媒管をさらに含み、
    前記パック冷媒管は、互いに隣り合う電池モジュールの間に配置される電池パック。
  6. 前記パック冷媒管が配置された互いに隣り合う電池モジュール間の空間には、互いに隣り合う電池モジュールそれぞれに形成された冷却ポートがすべて配置される、請求項５に記載の電池パック。
  7. 前記冷却ポートは、冷媒注入ポートおよび冷媒排出ポートを含み、
    互いに隣り合う電池モジュールのうち１つの電池モジュールに形成された冷媒注入ポートと他の１つの電池モジュールに形成された冷媒排出ポートとが互いに対向する、請求項６に記載の電池パック。
  8. 前記複数の電池モジュールは、前記電池セルが積層される方向に２列配置され、前記電池セルが積層される方向に垂直な方向に互いに対向する第１電池モジュールと第２電池モジュールとを含み、
    前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの間に前記冷媒注入ポートおよび前記冷媒排出ポートが配置される、請求項７に記載の電池パック。
  9. 前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の前後面を覆い、前記モジュールフレームと結合されるエンドプレートをさらに含み、
    前記モジュールフレームのモジュールフレーム突出部は、前記エンドプレートを通るように延長形成され、前記モジュールフレーム突出部は、前記パック冷媒管が配置された互いに隣り合う電池モジュール間の空間に位置する、請求項５に記載の電池パック。
  10. 前記パック冷媒供給管と前記パック冷媒排出管とは、互いに交差しながら延びている、請求項５に記載の電池パック。
  11. 前記パック冷媒供給管の高さと前記パック冷媒排出管の高さとは、互いに異なる、請求項１０に記載の電池パック。
  12. 前記パック冷媒管を収納するパック冷媒管ハウジングをさらに含む、請求項５に記載の電池パック。
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