JP7442921B2 - ケースの外部に冷却部を備えたバッテリーパック - Google Patents

Description

本出願は２０２０年０５月２０日付の韓国特許出願第２０２０－００６０５９８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この明細書の一部として含まれる。

本発明はパックケースの外部に冷却部を備えたバッテリーパックに関し、より詳しくはバッテリーモジュールで発生した熱を放出するための冷却部をケースの外部に備え、また冷却部を保護するための補強ケースをさらに備えることにより、冷媒の流出によるイベント発生を根本的に遮断することができる、ケースの外部に冷却部を備えたバッテリーパックに関する。

最近、化石燃料の使用による大気汚染、エネルギー枯渇による代替エネルギーの開発によって生産された電気エネルギーを貯蔵することができる二次電池に対する需要が増加している。充放電の可能な二次電池は、モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車動車などに使われるなど、日常生活に密接に使われている。

現代社会で必要不可欠に使われている各種の電子機器のエネルギー源として使われている二次電池は、モバイル機器の使用量の増加および複雑化、電気自動車などの開発によって所要容量が増加している。使用者の需要を満たすために、小型機器には多数の電池セルを配置しているが、自動車などには多数の電池セルを電気的に連結するバッテリーモジュールまたはこのようなバッテリーモジュールを多数備えたバッテリーパックが使われる。

バッテリーモジュールまたはバッテリーパックは、容量及び出力を向上させるために、多数の電池セルを直列または並列に連結して使っている。多数の電池セルを連結して使用する場合、過負荷などの問題点が発生することがある。特に、バッテリーパックの場合、多数の電池セルを収容しているバッテリーモジュールをケース内に位置させているので、過負荷によってバッテリーパックの内部温度が上昇して電池の異常状態を増幅させるなどの問題が発生している。このような問題を解決するために、一般的なバッテリーパックは電池の内部温度を低めることができる冷却部を備えて電池の安全性を高めている。

図１は従来技術によるバッテリーパックの分解斜視図である。図１に示すように、従来技術によるバッテリーパックは、バッテリーモジュール１０と、これを収納することができる収納部２１を備えたケース２０と、前記バッテリーモジュール１０と前記ケース２０との間、すなわち収納部２１の内部に位置する冷却部３０とを含んでいる。前記冷却部３０は、バッテリーモジュール１０に接触してバッテリーモジュール１０の温度を低めるヒートシンク３１、及びヒートシンク３１に冷媒を供給する冷媒循環管３２からなっている。

しかし、従来技術によるバッテリーパックは、ケース２０の内部に冷却部３０が配置されているので、冷媒が前記ヒートシンク３１または冷媒循環管３２から流出する場合、バッテリーパックに影響を及ぼし、バッテリーパックの安全性を低下させる。さらに、前記ヒートシンク３１または冷媒循環管３２に欠陥が発生しても、ケース２０の内部に位置するので、これを交替しにくい問題点がある。

特許文献１はモジュールケースの外側に装着されるヒートシンクについて言及しているが、これはバッテリーモジュールに関するものであるだけで、パックケースの外部に存在してヒートシンクまたは冷媒循環管を交替することができる形態については言及していない。

韓国公開特許第２０１８－０１１９９９０号公報

本発明は前記のような問題点を解決するためのものであり、バッテリーパックの内部からの冷媒流出のおそれがなくてバッテリー性能及び安全性が向上したバッテリーパックを提供することを目的とする。

また、冷却部に欠陥や損傷が発生するとき、部品の交替が容易であり、維持及び補修が容易であるバッテリーパックを提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するために、本発明によるバッテリーパックは、一つ以上の単位セルを含むバッテリーモジュール（１００）と、前記バッテリーモジュール（１００）を収容する収納部を備えたケース（２００）と、前記ケース（２００）の外側底面に位置する冷却部（３００）と、前記冷却部（３００）を保護する補強部材（４００）と、を含むことを特徴とする。

ここで、前記冷却部（３００）は、冷却流路（３１１）が形成されているヒートシンク（３１０）、並びに前記ヒートシンク（３１０）に冷媒を供給して回収するための冷媒注入口（３２１）及び冷媒排出口（３２２）を備えた冷媒循環管（３２０）を含むことができる。

また、前記冷却部（３００）は接着部材（３３０）によって前記ケース（２００）と固定することができる。

ここで、前記接着部材（３３０）は熱伝導性材であってもよい。

また、前記冷媒循環管（３２０）は、前記ケース（２００）と結合するための締結部（３１２）をさらに備えることができる。

また、前記ケース（２００）の収納部の底面には、前記バッテリーモジュール（１００）で発生した熱を前記ケース（２００）に伝達するための放熱板（２１０）が位置することができる。

また、前記冷媒循環管（３２０）は、前記補強部材（４００）の外部に位置することができる。

また、前記補強部材（４００）は、前記ケース（２００）の外側底面と向き合う一対の側面と密着することができる。

ここで、前記補強部材（４００）には、複数の開口部（４１０）を形成することができる。

また、前記ヒートシンク（３１０）の両側端部には、前記冷媒循環管（３２０）と連結される冷媒入口（３１３）及び冷媒出口（３１４）が形成され、前記冷媒入口（３１３）及び冷媒出口（３１４）は前記開口部（４１０）を通して外部に突出した状態で位置することができる。

ここで、前記ヒートシンク（３１０）の冷媒入口（３１３）と冷媒循環管（３２０）との間、及び冷媒出口（３１４）と冷媒循環管（３２０）との間には分岐管（３２３）が位置することができる。

また、前記冷媒注入口（３２１）及び冷媒排出口（３２２）はケース（２００）に直接固定することができる。

本発明は前述した特徴のうち相反しない一つまたはそれ以上の構成を備えているバッテリーパックが装着されたデバイスであることができる。

本発明は前述した構成のうち相反しない一つまたはそれ以上の構成を選択して組み合せることができる。

以上で説明したように、本発明によるケースの外部に冷却部を備えたバッテリーパックによれば、冷却部がケースの外部に位置するので、冷却のための冷媒が流出してもバッテリーパックの性能に影響がなくて安全性が向上するという利点がある。

また、本発明によるケースの外部に冷却部を備えたバッテリーパックによれば、冷却部をカバーする補強部材をさらに備えているので、外部衝撃から冷却部を安全に保護することができるという利点がある。

さらに、本発明によるケースの外部に冷却部を備えたバッテリーパックによれば、補強部材には、冷媒循環管とヒートシンクの冷媒出入口とを連結する部位が露出されるように複数の開口部が形成され、よって補強部材全体を分離しなくても冷媒の漏水確認や交替が容易であるという利点がある。

従来技術によるバッテリーパックの分解斜視図である。 本発明の好適な実施例によるバッテリーパックの斜視図である。 図２に示すバッテリーパックを一側面から見た図である。 図２に示すバッテリーパックを正面から見た図である。 図２に示すバッテリーパックを下から見た図である。 図２に示すバッテリーパックで、ケースの上部を分解した斜視図である。 図２に示すバッテリーパックで、ケースの下部を分解した斜視図である。 図２に示すバッテリーパックに装着されるヒートシンクの拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。

また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図２は本発明の好適な実施例によるバッテリーパックの斜視図であり、図３は図２に示すバッテリーパックを一側面から見た図であり、図４は図２に示すバッテリーパックを正面から見た図であり、図５は図２に示すバッテリーパックを下から見た図である。

本発明によるバッテリーパックは、一つ以上の単位セルを含むバッテリーモジュール１００、バッテリーモジュール１００を収容する収納部を備えたケース２００、ケース２００の外側底面に位置する冷却部３００、及び冷却部３００を保護する補強部材４００を含む。

まず、ケース２００について説明すると、一つ以上の単位セル（図示せず）を含むバッテリーモジュール１００を収納するように側壁によって取り囲まれた収納部が形成されている。

ここで、単位セルは、電極組立体、及びこれを収納するセルケースを含むことができる。前記電極組立体は、長いシート状の正極及び負極の間に分離膜が介在されてから巻き取られる構造を有するゼリーロール型組立体、または長方形の正極及び負極が分離膜を挟んでいる状態で積層される構造の単位セルからなるスタック型組立体、単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られるスタックフォルディング型組立体、または単位セルが分離膜を挟んでいる状態で積層されて互いに付着されるラミネーションスタック型組立体などがあるが、これらに限定されない。本発明による電極組立体は、カーブドモジュールを形成するとき、物理的ストレスが一番少ないスタックフォルディング型、またはラミネーションスタック型構造を有することが好ましい。

前記電極組立体はセルケースに収納され、セルケースは通常内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造を有している。内部層は電極組立体と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有しなければならなく、また外部との密閉のためにシーリング性を有しなければならない。すなわち、内部層同士熱接着されたシーリング部位は優れた熱接着強度を持たなければならない。このような内部層の材料としては、耐化学性に優れながらもシーリング性が良いポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンアクリル酸、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、及びポリイミド樹脂から選択することができるが、これらに限定されない。このうちでも、引張強度、剛性、表面硬度、耐衝撃強度などの機械的物性及び耐化学性に優れたポリプロピレンが一番好ましい。

内部層と接している金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当する。このような金属層の好適な材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。

そして、金属層の他側面には外部層を備える。このような外部層は、電極組立体を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができ、一例としてナイロンまたはポリエチレンテレフタレートを使うことができるが、これに限定されない。

たとえ図示しなかったが、ケース２００の上部にはカバーを装着することができる。すなわち、ケース２００の上部にカバーが着座したままで、ボルト、溶接などの公知の結合手段によって固定することができる。この際、堅固な結合のためにまたは外部デバイスに容易に装着できるように、ケース２００とカバーが触れ合う面が延びている形態を有することができる。

一方、ケース２００は、バッテリーモジュール１００が互いに一定間隔を維持するように区画された構造を有することができ、またケース２００の強度を向上させながら放熱しやすくなるように凹凸構造を有することができる。

本発明によるバッテリーパックにおいて、冷却部３００はケース２００の外側底面に位置する。具体的に、冷却部３００は、冷却流路が形成されているヒートシンク３１０、ヒートシンク３１０に冷媒を供給するための冷媒注入口３２１及び循環した冷媒を回収するための冷媒排出口３２２を備えた冷媒循環管３２０、並びに冷媒循環管３２０をケース２００の外側底面に固定するとともにケース２００とヒートシンク３１０との熱交換を容易にする接着部材３３０を含んでなる。この冷却部３００についてのより詳細な説明は後述する。

次に、ヒートシンク３１０を含む冷却部３００を保護するための補強部材４００について説明する。

補強部材４００は冷却部のヒートシンク３１０を保護することができる形状であれば特に限定されないが、一例として、ケース２００の外側底面と向き合っている２対の側面のうち長い側面を取り囲む形態を有することができる。すなわち、補強部材４００は、ケース２００の外側底面と、互いに向き合う一対の側面と密着するように位置することができる。ここで、ケース２００と補強部材４００とはスポット溶接、ネジなどの公知の締結手段で互いに固定することができる。

一方、ヒートシンク３１０の一部及び冷媒循環管３２０は補強部材４００の外部に露出されることが好ましい。これについては後述する。

図６は図２に示すバッテリーパックで、ケースの上部を分解した斜視図である。図６を参照すると、本発明によるバッテリーパックは、ケース２００の収納部である底面、すなわちバッテリーモジュール１００と底面との間に放熱板２１０が位置することにより、バッテリーモジュール１００で発生した熱をケース２００の底面に伝達する。もちろん、ここで、ケース２００の底面に伝達された熱は外側に備えられたヒートシンクに伝達されることにより、バッテリーパックを所定の温度以下に維持することができる。

ここで、放熱板２１０は、図６に示すように、ケース２００とは別個の部材から構成され、バッテリーモジュール１００とケース２００との間に位置することができ、必要によっては、ケース２００の底面上部またはバッテリーモジュール１００の底面にそれぞれ一体になっている形態も可能である。

図７は図２に示すバッテリーパックで、ケースの下部を分解した斜視図であり、図８は図２に示すバッテリーパックに装着されるヒートシンクの拡大断面図である。

図５、図７及び図８を一緒に参照しながら説明すると、本発明によるバッテリーパックのケース２００の下部には冷却部３００と補強部材４００とが順次位置する。

より具体的に説明すると、冷却部３００はおよそ平板状になった一つ以上のヒートシンク３１０、冷媒循環管３２０、及び接着部材３３０から構成される。ヒートシンク３１０は、なるべく冷媒が均一に循環するようにジグザグ状を有する冷却流路３１１、冷媒循環管３２０を流れる冷媒を受けるために冷却流路３１１の一側と連結された冷媒入口３１３、及び吸熱によって昇温した冷媒を排出するために冷却流路３１１の他側に連結された冷媒出口３１４を含んでいる。

ここで、冷媒入口３１３及び冷媒出口３１４は前記ヒートシンク３１０の両端の一側に互いに向き合うように位置することができる。これにより、前記バッテリーパック内で前記冷媒入口３１３及び前記冷媒出口３１４の位置を調節して、前記冷媒循環管３２０で流入または流出する冷媒の移動距離を減らすことができる。

一方、図面符号３１２は締結部を示すものであり、ヒートシンク３１０をケース２００に固定するとき、ボルト、ナットなどの公知の固定手段が位置することができる空間部を提供する。そして、たとえ図面はヒートシンク３１０が３個であるものを示しているが、これは一の例示に過ぎないだけで、いくらでも増減が可能である。

ヒートシンク３１０の冷媒入口３１３に冷媒を供給し、また冷媒出口３１４から流出する冷媒を誘導するための冷媒循環管３２０はケース２００の一部外郭に沿って取り囲む形状、つまり略Ｌ字形を有する。

このようなヒートシンク３１０は、所定の温度に冷却された状態の冷媒が供給される冷媒注入口３２１、ヒートシンク３１０を通過した冷媒が排出される冷媒排出口３２２、及びそれぞれのヒートシンク３１０と冷媒循環管３２０を連結する分岐管３２３を含んでなる。

ここで、分岐管３２３はヒートシンク３１０の冷媒入口３１３及び冷媒出口３１４と同じ個数からなることが好ましい。これにより、問題が発生したヒートシンク３１０のみを選択的に交替することが可能であるので、維持及び補修の費用を節減することができる。

一方、冷媒注入口３２１及び冷媒排出口３２２はケース２００の一側面に締結される一方で、冷媒循環管３２０の分岐管３２３はヒートシンク３１０に連結されることにより、冷媒循環管３２０はケース２００に堅固に固定することができる。

前記のようなヒートシンク３１０及び冷媒循環管３２０は熱を容易に伝達することができる素材からなることが好ましい。一例として、熱伝導性に優れたアルミニウムからなることができる。

次に、ケース２００の外側下面とヒートシンク３１０との間に介在される接着部材３３０は、これらを互いに結合する機能の他にも、ケース２００とヒートシンク３１０との間の浮き上がり現象を防止して熱伝逹効率を極大化するためである。

熱伝導性に優れるとともに十分な接着力を有していれば接着部材３３０の素材は特に限定されないが、一例として、シリコン、エポキシ、ポリウレタン、アクリル、フェノール樹脂、ポリエステル、ガラスフリットなどの樹脂類とすることができ、必要によって、これらの樹脂類に、銀、銅、ニッケル、銀－鉛、銀－銅などの金属またはカーボン粒子をさらに含むことができる。

次に、冷却部３００の下に位置しながら外部衝撃などからヒートシンク３１０及び冷媒循環管３２０を保護するための補強部材４００は略Ｕ字形を有し、ヒートシンク３１０の底面からケース２００の側面まで延びる。

特に、補強部材４００の側面には一つ以上の開口部４１０、具体的にはヒートシンク３１０の冷媒入口３１３及び冷媒出口３１４と同じ個数の開口部４１０が形成され、これにより、ヒートシンク３１０の冷媒入口３１３及び冷媒出口３１４は開口部４１０を通して突出した状態で露出された後、分岐管３２３と連結されるので、補強部材４００を分離しなくても異常有無の観測が可能であり、さらに維持補修が非常に容易であるという利点がある。

一方、補強部材４００は、外部衝撃に強く自然的放熱が容易であるように熱伝導性に優れた金属材の凹凸構造を有することができる。

もちろん、補強部材４００は、ボルト、溶接などの公知の固定手段によってケース２００の側面またはフランジ部に固定することができる。

次に、前述した構成を有する本発明のバッテリーパックの製造方法について簡単に説明する。

本発明によるバッテリーパックの製造方法は、Ｓ１）一つ以上の単位セルを含むバッテリーモジュール１００をケース２００の収納部に収納する段階、Ｓ２）ケース２００の外側底面に冷却部３００を付着する段階、及びＳ３）冷却部３００の外側に補強部材４００を装着する段階を含むことができる。

一方、Ｓ１）段階では、バッテリーモジュール１００とケース２００の底面との間に放熱板２１０を配置する段階をさらに遂行することができる。

本発明は前述した特徴のうちの一つ以上の特徴を有しているバッテリーパックが装着されたデバイスとすることができ、前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド電気自動車などのように大容量電池を含む電子機器とすることができる。

本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。

１０、１００ バッテリーモジュール
２０、２００ ケース
２１ 収納部
２１０ 放熱板
３０、３００ 冷却部
３１、３１０ ヒートシンク
３１１ 冷却流路
３１２ 締結部
３１３ 冷媒入口
３１４ 冷媒出口
３２、３２０ 冷媒循環管
３２１ 冷媒注入口
３２２ 冷媒排出口
３２３ 分岐管
３３０ 接着部材
４００ 補強部材
４１０ 開口部

Claims (11)

1. 一つ以上の単位セルを含むバッテリーモジュール（１００）と、
   前記バッテリーモジュール（１００）を収容する収納部を備えたケース（２００）と、
   前記ケース（２００）の外側底面に位置する冷却部（３００）と、
   前記冷却部（３００）を保護する補強部材（４００）と、
   を含み、
   前記冷却部（３００）は、冷却流路（３１１）が形成されているヒートシンク（３１０）、並びに前記ヒートシンク（３１０）に冷媒を供給して回収するための冷媒注入口（３２１）及び冷媒排出口（３２２）を備えた冷媒循環管（３２０）を含み、
   前記ヒートシンク（３１０）は、前記ケース（２００）と結合するための締結部（３１２）をさらに備える、バッテリーパック。
2. 前記冷却部（３００）は接着部材（３３０）によって前記ケース（２００）と固定されている、請求項１に記載のバッテリーパック。
3. 前記接着部材（３３０）は熱伝導性材である、請求項２に記載のバッテリーパック。
4. 前記ケース（２００）の収納部の底面には、前記バッテリーモジュール（１００）で発生した熱を前記ケース（２００）に伝達するための放熱板（２１０）が位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
5. 前記冷媒循環管（３２０）は、前記補強部材（４００）の外部に位置する、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
6. 前記補強部材（４００）は、前記ケース（２００）の外側底面と、互いに向き合う一対の側面と密着している、請求項５に記載のバッテリーパック。
7. 前記補強部材（４００）には、複数の開口部（４１０）が形成されている、請求項６に記載のバッテリーパック。
8. 前記ヒートシンク（３１０）の両側端部には、前記冷媒循環管（３２０）と連結される冷媒入口（３１３）及び冷媒出口（３１４）が形成され、
   前記冷媒入口（３１３）及び前記冷媒出口（３１４）は前記開口部（４１０）を通して外部に突出した状態で位置する、請求項７に記載のバッテリーパック。
9. 前記ヒートシンク（３１０）の前記冷媒入口（３１３）と前記冷媒循環管（３２０）との間、及び前記冷媒出口（３１４）と前記冷媒循環管（３２０）との間には分岐管（３２３）が位置する、請求項８に記載のバッテリーパック。
10. 前記冷媒注入口（３２１）及び前記冷媒排出口（３２２）は前記ケース（２００）に直接固定されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載のバッテリーパックが装着された、デバイス。

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