JP7777372B2 - バッテリーセルの熱管理構造 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 掲載日 令和 ４年 ４月２２日 サイト｜ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｄｂｐｉａ．ｃｏ．ｋｒ／ｊｏｕｒｎａｌ／ａｒｔｉｃｌｅＤｅｔａｉｌ？ｎｏｄｅＩｄ＝ＮＯＤＥ１１０６６５０４ 掲載日 令和 ４年 ７月 ４日 サイト｜ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｃｓ．ｌｉｂ．ｐｕｒｄｕｅ．ｅｄｕ／ｃｇｉ／ｖｉｅｗｃｏｎｔｅｎｔ．ｃｇｉ？ａｒｔｉｃｌｅ＝３３４３＆ｃｏｎｔｅｘｔ＝ｉｒａｃｃ 掲載日 令和 ４年 ９月１５日 サイト｜ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ａｂｓ／ｐｉｉ／Ｓ０１９６８９０４２２００８０８１ 学会による発表 開催日 令和 ４年１１月３日 韓国電気学会（Ｔｈｅ Ｋｏｒｅａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ） ２０２２年秋季大会 掲載日 令和 ４年１１月 ９日 サイト｜ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｄｂｐｉａ．ｃｏ．ｋｒ／ｊｏｕｒｎａｌ／ａｒｔｉｃｌｅＤｅｔａｉｌ？ｎｏｄｅＩｄ＝ＮＯＤＥ１１１８１７７１

本発明は、バッテリーセルの熱管理構造に関し、より詳細には、互いに異なる種類の相変化物質で形成されたハイブリッドＰＣＭ部をバッテリーセルに適用し、バッテリーセルの位置による温度偏差を低減させることができ、バッテリーセルの冷却性能及び昇温性能を高めることができるバッテリーセルの熱管理構造に関する。

一般に、バッテリーは、携帯用電子機器、移動通信端末機及び電気自動車などのように、有線で連結できない電気装置で広く使用されている。それによって、バッテリーは、バッテリー市場の拡大趨勢に伴って研究開発が活発化されているが、バッテリーに火災が発生するか、爆発する事故が未だに度々発生している実情である。

上記のようなバッテリーの火災や爆発は、衝撃による損傷、設計エラー、短絡発生及び苛酷な使用環境などの多様な原因で発生しており、完全に防止することは依然として難しい実情である。

近年、電気自動車の普及が迅速に拡散される趨勢である。通常の電気自動車には、高容量のバッテリーパックが使用されている。上記のような電気自動車のバッテリーパックにおいては、性能及び容量を増加させることも重要であるが、火災及び爆発による人命被害及び財産被害を防止することが非常に重要である。このために、近年、高容量、高効率及び高安全性を全て備えたバッテリーパックを開発するための研究開発が活発化されている。

特に、電気自動車の急速充電及び苛酷な運転条件下でバッテリーパックのバッテリーセルで発生する温度上昇を遅延させ、充電効率の増大及び電費向上を目的としており、さらに、温度上昇によるバッテリーセルの異常現象によるバッテリーモジュールの火災危険及び爆発危険を減少させるための技術が持続的に研究・開発されている。近年、相変化過程でさらに多くの熱を吸収する相変化物質（ＰＣＭ、ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を用いてバッテリーセルの冷却性能を高めるための試みがなされている。

一方、従来は、バッテリーセルの下部に冷却板を配置し、バッテリーセルの熱管理を行う方式が広く用いられているが、このような従来の方式によると、冷却板に供給される冷却水の入口と出口との間の温度差によってバッテリーセル内に非常に大きな温度勾配が発生するだけでなく、下部に位置した冷却板によってバッテリーセル内の上部と下部との間の温度差も発生するという問題がある。このようなバッテリーセル内の温度勾配は、バッテリーセル内部の劣化程度の差につながり、バッテリーセル内の温度勾配が大きい状態でバッテリーセルを持続的に運転する場合、バッテリーセルの安定性及び寿命に大きな問題が生じる余地が大きい。

したがって、各バッテリーセルの間の温度差を解決するか、各バッテリーセルの上部と下部との間の温度差を解決するために別途のヒートパイプ又は冷却システムを適用する技術が開発されているが、これによると、構造及び制御方式が複雑になり、全体の重量も著しく増加するという限界がある。

本発明は、科学技術情報通信部が出資した研究課題「複合相変化熱伝逹パッケージを適用した次世代の高エネルギー密度バッテリーの熱管理システム最適化研究」（課題番号：１７１１１６２７０８、研究期間：２０１９．０３．０１～２０２３．０２．２８）を通じて高麗大学校産学協力団によって開発された技術に関する。

本発明の実施例は、互いに異なる種類の相変化物質で形成されたハイブリッドＰＣＭ部をバッテリーセルに適用し、バッテリーセルの温度偏差を低減させることができ、その結果、バッテリーセルの冷却性能を向上させ、バッテリーセルの安定性及び寿命を高めることができるバッテリーセルの熱管理構造を提供する。

また、本発明の実施例は、急速充電時、ハイブリッドＰＣＭ部の潜熱を用いてバッテリーセルの発熱量を吸収するための熱バッファー（ｈｅａｔ ｂｕｆｆｅｒ）としての役割をすることができ、冷却又は昇温時におけるバッテリーセルの温度偏差を最小化させ、バッテリーセルの寿命向上及び作動安定性の確保を促進できるバッテリーセルの熱管理構造を提供する。

本発明の一実施例によると、複数個が繰り返し配置されるバッテリーセルと、前記バッテリーセルの一側部に熱伝逹可能に連結され、前記バッテリーセルを冷却させるか、必要時に昇温させるセル冷却部と、前記バッテリーセルで発生する熱を吸収するように前記各バッテリーセルの間にそれぞれ配置され、前記バッテリーセルの温度勾配パターンに対応する形状に分割された複数個の分割領域にそれぞれ配置される互いに異なる種類の相変化物質（ＰＣＭ）で形成されたハイブリッドＰＣＭ部とを含むバッテリーセルの熱管理構造を提供する。

好ましくは、前記ハイブリッドＰＣＭ部は、前記バッテリーセルの温度勾配パターンによって複数個の分割領域に区画され得る。このとき、前記各分割領域に配置された前記各相変化物質は、互いに異なる熱伝導度で提供され得る。

例えば、前記各分割領域には、前記各分割領域に対応する前記バッテリーセルの温度が高くなるにつれて、前記各相変化物質のうち相対的に熱伝導度が高い相変化物質が配置され得ると共に、前記各分割領域に対応する前記バッテリーセルの温度が低くなるにつれて、前記各相変化物質のうち相対的に熱伝導度が低い相変化物質が配置され得る。

好ましくは、前記ハイブリッドＰＣＭ部は、純粋な相変化物質でのみ形成された基準相変化物質、及び前記基準相変化物質より熱伝導度が高い熱伝逹物質を前記基準相変化物質と合成させる方式で前記基準相変化物質より熱伝導度がさらに高く形成された合成相変化物質で提供され得る。

前記合成相変化物質は、前記基準相変化物質に合成される前記熱伝逹物質の含量を調節し、熱伝導度を変更することができる。

前記熱伝逹物質は、前記基準相変化物質より熱伝導度がさらに高い材質の発泡金属（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）、炭素ベース物質（ｃａｒｂｏｎ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、金属フィン及びナノ物質のうち少なくとも一つを含むことができる。

好ましくは、本発明の一実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、ハイブリッドＰＣＭ部の一面に熱伝逹可能に接触し、前記セル冷却部に一側部が連結され、前記ハイブリッドＰＣＭ部と前記セル冷却部との間の熱伝逹通路としての役割をする金属材質のフィン（ｆｉｎ）部材をさらに含むことができる。

好ましくは、本発明の一実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、前記ハイブリッドＰＣＭ部と接触する前記フィン部材の一面に付着し、前記フィン部材の熱伝逹性能を高めるように前記フィン部材より熱伝導度が高い材質で形成された熱伝逹シートをさらに含むことができる。

上記のような熱伝逹シートは、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）材質で形成され得る。

本発明の実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、互いに異なる種類の相変化物質で形成されたハイブリッドＰＣＭ部をバッテリーセルに適用し、バッテリーセルの位置による温度偏差を低減させることができ、その結果、バッテリーセルの冷却性能を向上させ、バッテリーセルの安定性及び寿命を高めることができる。

また、本発明の実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、バッテリーセルの急速充電時、ハイブリッドＰＣＭ部の潜熱を用いてバッテリーセルで急激に発生する急激な発熱量を吸収するので、ハイブリッドＰＣＭ部が熱バッファーとしての役割をすることができ、バッテリーセルの冷却又は昇温時、ハイブリッドＰＣＭ部によってバッテリーセルの位置別の温度偏差を最小化できるので、バッテリーセルの寿命を向上させ、バッテリーセルの作動安定性を確保することができる。

また、本発明の実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、各バッテリーセルの間にハイブリッドＰＣＭ部、熱伝逹シート及びフィン部材をそれぞれ配置した構造であるので、ハイブリッドＰＣＭ部、熱伝逹シート及びフィン部材を介して各バッテリーセルで発生する熱をセル冷却部に円滑に伝達することができ、バッテリーセルの昇温時には、セル冷却部から伝達される熱を各バッテリーセルに容易に伝達することができる。

また、本発明の実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、バッテリーセルの位置による温度勾配パターンによってハイブリッドＰＣＭ部を複数個の分割領域に分割した後、当該分割領域が互いに異なる熱伝導度を有する相変化物質で形成した構造であるので、互いに異なる熱伝導度の相変化物質で形成されたハイブリッドＰＣＭ部によってバッテリーセルの位置による温度勾配を適宜除去することができ、その結果、バッテリーセルの温度偏差を減少させ、バッテリーセルの性能及び安定性を向上させることができる。

また、本発明の実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、ハイブリッドＰＣＭ部とフィン部材との間に高い熱伝導度を有する熱伝導シートを配置した構造であるので、ハイブリッドＰＣＭ部とセル冷却部との間の熱伝逹効率を高めることができ、セル冷却部から遠く離れたバッテリーセルの特定の部位に対する熱伝逹が安定的に行われるので、ハイブリッドＰＣＭ部及び熱伝導シートによってバッテリーセルの温度偏差を減少させることができる。

また、本発明の実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、ハイブリッドＰＣＭ部を薄い厚さのパウチ形態で製作すると同時に、熱伝逹シートを薄いフィルム形状に製作することによって、各バッテリーセルの間にハイブリッドＰＣＭ部及び熱伝逹シートを配置した場合にもバッテリーセルの重量及び大きさを大幅に増加させないので、バッテリーセルをコンパクトに製作することができる。

また、本発明の実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造は、ハイブリッドＰＣＭ部及び熱伝導シートによってバッテリーセルの温度偏差を減少させるので、バッテリーセルで特定の部位の温度が非正常に増加することを未然に防止することができ、バッテリーセルの非正常な温度増加によるバッテリーセルの火災及び爆発を効果的に防止することができる。

本発明の一実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造を概略的に示した図である。 図１に示したバッテリーセルの熱管理構造の主要部を分解させて示した斜視図である。 図２に示したバッテリーセルの冷却及び昇温による熱伝逹経路を示した図である。 図２に示したバッテリーセルの熱管理構造の他の例を示した図である。 図２及び図４に示したハイブリッドＰＣＭ部の変形例を示した図である。 図１に示したバッテリーセルの急速充電時におけるバッテリーセルの最大温度及び最大温度偏差を示したグラフである。 図１に示したバッテリーセルの昇温時におけるバッテリーセルの最大温度及び最小温度を示した図である。

以下で、本発明に係る各実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明が各実施例によって制限又は限定されることはない。各図面に提示された同一の参照符号は、同一の部材を示す。

図１は、本発明の一実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造１００を概略的に示した図で、図２は、図１に示したバッテリーセルの熱管理構造１００の主要部を分解させて示した斜視図で、図３は、図２に示したバッテリーセル１１０の冷却及び昇温による熱伝逹経路を示した図で、図４は、図２に示したバッテリーセルの熱管理構造１００の他の例を示した図で、図５は、図２及び図４に示したハイブリッドＰＣＭ部１４０の変形例を示した図である。

図１乃至図４を参照すると、本発明の一実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造１００は、バッテリーセル１１０、セル冷却部１２０、フィン部材１３０、ハイブリッドＰＣＭ部１４０、及び熱伝逹シート１５０を含むことができる。

本実施例のバッテリーセルの熱管理構造１００では、バッテリーセル１１０が長方形の薄い板材構造で形成された場合を説明するが、これに限定されるものではなく、他の形状の構造で形成されてもよい。特に、本実施例では、バッテリーセルの熱管理構造１００に対する説明の便宜のために、前後方向、上下方向及び左右方向を予め設定した状態で説明する。

例えば、バッテリーセル１１０は、セル冷却部１２０の上側に立てられた構造で配置され、前後方向に複数個が交互に配置され得る。そして、セル冷却部１２０はバッテリーセル１１０の下部と連結され得、バッテリーセル１１０のセルタブ１１２はバッテリーセル１１０の上部に配置され得る。

図１乃至図３を参照すると、本発明のバッテリーセル１１０は、複数個が繰り返し配置され得る。上記のようなバッテリーセル１１０は、電気の充電及び放電が行われる構成要素であって、バッテリーモジュールハウジング（図示せず）の内部に収容され得る。通常、バッテリーセル１１０では、充放電過程で熱が発生しながら温度が上昇し得る。

ここで、バッテリーセル１１０は、前後方向に沿って複数個が繰り返し密着するように配置され得る。バッテリーセル１１０の上部には、セルタブ１１２が上側に長く延長され得る。参考として、バッテリーセル１１０の下部は、セル冷却部１２０の上面に熱伝逹可能に連結され得る。

図１を参照すると、本実施例のセル冷却部１２０は、バッテリーセル１１０を冷却させるか、必要時に昇温させるようにバッテリーセル１１０の下部に熱伝逹可能に連結され得る。すなわち、セル冷却部１２０は、バッテリーモジュールの使用時、バッテリーセル１１０を冷却させることによってバッテリーセル１１０の過熱及びそれによる効率低下を防止するか、酷寒の環境で又は実際の使用前にバッテリーセル１１０を昇温させることによってバッテリーセル１１０を予熱することができる。

例えば、セル冷却部１２０は、冷却板１２２及びヒートシンク１２４を含むことができる。

冷却板１２２は、バッテリーセル１１０の下部と連結される構成であって、バッテリーセル１１０の冷却時には、バッテリーセル１１０で発生した熱をヒートシンク１２４に伝達することができ、バッテリーセル１１０の昇温時には、ヒートシンク１２４の熱をバッテリーセル１１０に伝達することができる。このために、冷却板１２２は、熱伝導度が高い金属材質で形成され得る。参考として、冷却板１２２とバッテリーセル１１０の下部との間には熱伝導度に優れたギャップフィラー（ｇａｐ ｆｉｌｌｅｒ）を配置し、冷却板１２２とバッテリーセル１１０との間の間隙を除去することができる。

ヒートシンク１２４は、バッテリーセル１１０の冷却時には、バッテリーセル１１０から冷却板１２２に伝達された熱を吸収した後で外部に放出させることができ、バッテリーセル１１０の昇温時には、バッテリーセル１１０に伝達する熱を冷却板１２２に提供することができる。このために、ヒートシンク１２４は、冷却板１２２の下面に熱伝逹可能に配置され得る。

一例として、ヒートシンク１２４は、外部から流入する冷却水Ｗを用いて冷却板１２２を冷却又は昇温させることができる。このとき、冷却水Ｗは、バッテリーモジュールの外部に配置された別途のヒートポンプシステムを通じて所望の温度に冷却又は加熱され得る。

図１乃至図３を参照すると、本実施例のフィン部材１３０は、ハイブリッドＰＣＭ部１４０とセル冷却部１２０との間の熱伝逹通路としての役割をすることができる。フィン部材１３０は、熱伝導度が高い金属材質で形成され得るが、本実施例では、アルミニウム材質で形成された場合を説明する。ここで、フィン部材１３０は、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の一面に熱伝逹可能に接触し得る。そして、フィン部材１３０の下部は、セル冷却部１２０の冷却板１２２に熱伝逹可能に載置され得る。

例えば、フィン部材１３０は、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の一面に接触するフィンパネル１３２と、フィンパネル１３２の下端部にフランジ形状に設けられ、冷却板１２２に載置されるフィン載置部１３４とを含むことができる。このとき、フィンパネル１３２の接触面は、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の一面に対応する形状に設けられ得、フィン載置部１３４は冷却板１２２に熱伝逹可能に連結され得る。

図１乃至図３を参照すると、本実施例のハイブリッドＰＣＭ部１４０は、バッテリーセル１１０で発生する熱を吸収するように複数個のバッテリーセルの間にそれぞれ配置され得る。上記のようなハイブリッドＰＣＭ部１４０は、多くの種類の相変化物質１４２、１４４を収容する薄い厚さのパウチ構造で設けられ得る。よって、各バッテリーセル１１０の間にハイブリッドＰＣＭ部１４０を設置した場合にも、バッテリーモジュールの大きさ及び重量が大幅に増加せずにコンパクト且つ簡単に形成され得る。

このとき、ハイブリッドＰＣＭ部１４０には、バッテリーセル１１０の温度勾配パターンに対応する形状に分割された複数個の分割領域Ａ、Ｂがそれぞれ形成され得る。上記のようなハイブリッドＰＣＭ部１４０の分割領域Ａ、Ｂは、バッテリーセル１１０の温度勾配パターンによって位置及び個数が決定され得、それぞれの分割領域Ａ、Ｂは、互いに異なる種類の相変化物質（ＰＣＭ）１４２、１４４で形成され得る。

具体的には、ハイブリッドＰＣＭ部１４０は、バッテリーセル１１０の温度勾配パターンによって複数個の分割領域Ａ、Ｂに区画され得る。このとき、各分割領域Ａ、Ｂに配置された各相変化物質１４２、１４４は、バッテリーセル１１０の温度勾配によって互いに異なる熱伝導度を有することができる。

すなわち、各分割領域Ａ、Ｂのうちバッテリーセル１１０の温度が相対的に高い第１分割領域Ａには、各相変化物質１４２、１４４のうち相対的に熱伝導度が高い後述する合成相変化物質１４４が配置され得る。その一方で、各分割領域Ａ、Ｂのうちバッテリーセル１１０の温度が相対的に低い第２分割領域Ｂには、各相変化物質１４２、１４４のうち相対的に熱伝導度が低い後述する基準相変化物質１４２が配置され得る。

したがって、バッテリーセル１１０の温度が高い領域は、第１分割領域Ａの合成相変化物質１４４を通じてバッテリーセル１１０の温度が低い領域よりさらに速く冷却又は昇温され得る。上記のようにバッテリーセル１１０の温度偏差がハイブリッドＰＣＭ部１４０の相変化物質１４２、１４４の熱伝導度の差によって補償される構造であるので、本実施例の熱管理構造１００を通じてバッテリーセル１１０全体が温度偏差なしで冷却又は昇温され得る。

例えば、ハイブリッドＰＣＭ部１４０は、純粋な相変化物質でのみ形成された基準相変化物質１４２、及び基準相変化物質１４２より熱伝導度が高い熱伝逹物質（図示せず）を基準相変化物質１４２と合成させる方式で基準相変化物質１４２より熱伝導度がさらに高く形成された合成相変化物質１４４で提供され得る。

ここで、基準相変化物質１４２は、熱伝導度が低い特性を有するパラフィン系列の物質でのみ形成され得る。

そして、合成相変化物質１４４は、基準相変化物質１４２に合成される熱伝逹物質の含量を調節し、熱伝導度を変更することができる。熱伝逹物質は、基準相変化物質１４２より熱伝導度がさらに高い材質の発泡金属、炭素ベース物質、金属フィン、ナノ物質及びパラフィン代替物質のうち少なくとも一つを含むことができる。

参考として、基準相変化物質１４２及び合成相変化物質１４４は、上述した組成にのみ限定されるものではなく、バッテリーセルの熱管理構造１００に対する設計条件及び状況に応じて多様な組成で製作され得る。

図２乃至図３を参照すると、本実施例の熱伝逹シート１５０は、ハイブリッドＰＣＭ部１４０と接触するフィン部材１３０の一面に付着し得る。熱伝逹シート１５０は、フィン部材１３０の熱伝逹性能をさらに高めるようにフィン部材１３０より熱伝導度が高い材質で形成され得る。一例として、熱伝逹シート１５０は、グラファイト材質で形成され得る。

図４は、本発明の一実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造１００に対する他の例を示している。すなわち、図４に示したバッテリーセルの熱管理構造１００では、ハイブリッドＰＣＭ部１４０が３個の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃに区画され得るが、その結果、ハイブリッドＰＣＭ部１４０は、互いに異なる熱伝導度を有する３個の相変化物質１４２、１４４、１４６で形成され得る。

このとき、バッテリーセル１１０の温度が最も高い第１分割領域Ａは、相対的に熱伝導度が最も高い第１合成相変化物質１４６で形成され得、バッテリーセル１１０の温度が２番目に高い第２分割領域Ｂは、相対的に熱伝導度が２番目に高い第２合成相変化物質１４４で形成され得、バッテリーセル１１０の温度が最も低い第３分割領域Ｃは、相対的に熱伝導度が最も低い基準相変化物質１４２で形成され得る。よって、図４に示したバッテリーセルの熱管理構造１００は、図２に比べてバッテリーセル１１０の熱管理をさらに細密に実施することができる。

一方、図５は、多様な形態の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃを有するハイブリッドＰＣＭ部１４０の変形例を示している。図５の（ａ）に示したハイブリッドＰＣＭ部１４０は、３個の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃが傾斜して形成された状態を示しており、図５の（ｂ）に示したハイブリッドＰＣＭ部１４０は、２個の分割領域Ａ、Ｂのうち一つ（例えば、第１分割領域Ａ）が中央に形成された状態を示しており、図５の（ｃ）に示したハイブリッドＰＣＭ部１４０は、３個の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃのうち一つ（例えば、第１分割領域Ａ）が上部に形成され、３個の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃのうち他の一つ（例えば、第２分割領域Ｂ）が中央に形成された状態を示しており、図５の（ｄ）に示したハイブリッドＰＣＭ部１４０は、３個の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃのうち一つ（例えば、第１分割領域Ａ）が上部に形成され、３個の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃのうち他の一つ（例えば、第２分割領域Ｂ）が中央に複数個形成された状態を示している。

しかし、これに限定されるものではなく、上述したように、本実施例のハイブリッドＰＣＭ部１４０の分割領域Ａ、Ｂ、Ｃは、バッテリーセル１１０の温度勾配パターンによって多様に設定及び変更され得る。

以下、上記のように構成された本発明の一実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造１００に対する作動及び作用効果を説明する。

図３に示したように、バッテリーセル１１０の冷却時、バッテリーセル１１０で発生する熱Ｆ１、Ｆ２は、ハイブリッドＰＣＭ部１４０を介して熱伝逹シート１５０に伝達された後、熱伝逹シート１５０及びフィン部材１３０に沿ってセル冷却部１２０の冷却板１２２に伝達される。セル冷却部１２０の冷却板１２２に伝達された熱Ｆ１、Ｆ２は、ヒートシンク１２４を介して外部に排出される。

このとき、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の第１分割領域Ａに設けられた合成相変化物質１４４を介して熱Ｆ１が非常に迅速に伝達され、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の第２分割領域Ｂに設けられた基準相変化物質１４２を介して熱Ｆ２が相対的に遅く伝達される。よって、合成相変化物質１４４を介した熱伝逹量が、基準相変化物質１４２を介した熱伝逹量より大きいので、バッテリーセル１１０の発熱量が高い部位でさらに多くの冷却効果を得ることができる。

図３に示したように、バッテリーセル１１０の昇温時にセル冷却部１２０から伝達される熱Ｈ１、Ｈ２は、熱伝逹シート１５０及びフィン部材１３０に沿ってハイブリッドＰＣＭ部１４０に伝達された後、ハイブリッドＰＣＭ部１４０を通じてバッテリーセル１１０を加熱する。

このとき、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の第１分割領域Ａに設けられた合成相変化物質１４４を通じてバッテリーセル１１０の上部を非常に迅速に昇温させ、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の第２分割領域Ｂに設けられた基準相変化物質１４２を通じてバッテリーセル１１０の下部を相対的に遅く昇温させる。よって、合成相変化物質１４４を介した熱伝逹量Ｈ１が、基準相変化物質１４２を介した熱伝逹量Ｈ２より大きいので、セル冷却部１２０から遠く離れたバッテリーセル１１０の上部に対する昇温効果をさらに高めることができる。

一方、バッテリーモジュールの急速充電を常温で行い、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の融点以上の温度に到逹した場合は、ハイブリッドＰＣＭ部１４０の高い潜熱によってバッテリーセル１１０の最大温度と最大温度偏差を大きく減少させる熱バッファーとしての効果を有することができる。

また、バッテリーモジュールの冷却又は昇温を行う場合は、セル冷却部１２０の冷却板１２２から熱伝逹シート１５０が付着したフィン部材１３０を介して各バッテリーセル１１０の上部まで熱伝逹が迅速に起こり得る。すなわち、冷却又は昇温時に冷却板１２２からフィン部材１３０に熱伝逹が起こり、フィン部材１３０に付着した熱伝導度が非常に高い熱伝逹シート１５０を介して、冷却板１２２に対して垂直なバッテリーセル１１０の上部方向に熱伝達が迅速に行われる。

このとき、冷却板１２２から遠く離れているハイブリッドＰＣＭ部１４０の上部に位置した第１分割領域Ａの合成相変化物質１４４を介して、熱伝逹シート１５０からバッテリーセル１１０の上部に熱が迅速に伝達される。その一方で、冷却板１２２の近くにあるハイブリッドＰＣＭ部１４０の下部に位置した第２分割領域Ｂの基準相変化物質１４２により、バッテリーセル１１０の下部では、上部側に比べて熱伝逹シート１５０との熱伝逹が少なく起こる。

上記のようにバッテリーセル１１０の上部及び下部に対する熱伝逹がハイブリッドＰＣＭ部１４０によって適宜調節されることによって、バッテリーセル１１０の上部及び下部の全てが均一且つ迅速に冷却又は昇温されることが可能である。

参考として、各バッテリーセル１１０の間の熱伝導度が高い熱伝逹シート１５０をフィン部材１３０に付着すると、冷却板１２２から垂直方向に熱伝逹が迅速に発生し得るが、その結果、熱管理構造の問題であるバッテリーセル１１０の上下部の温度偏差を解決することができる。

図６は、図１に示したバッテリーセル１１０の急速充電時におけるバッテリーセル１１０の最大温度及び最大温度偏差を示したグラフで、図７は、図１に示したバッテリーセル１１０の昇温時におけるバッテリーセル１１０の最大温度及び最小温度を示した図である。

すなわち、図６及び図７は、本実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造１００が適用されたバッテリーモジュール（例えば、「提案設計」と表示される）と、本実施例に係るバッテリーセルの熱管理構造１００が適用されていない既存のバッテリーモジュール（「ベースライン」と表示される）との間の比較実験グラフである。

図６に示したように、「提案設計」の急速充電時、最大温度（Ｔｍａｘ）及び最大温度偏差（ΔＴｍａｘ）が「ベースライン」より全般的に小さく現れている。特に、「提案設計」は、相変化物質の潜熱を用いるので、融点（Ｍｅｌｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）未満の温度で安定的に維持される特性を示すが、「ベースライン」は、融点より高く上昇してから急激に下降する温度変化を示しており、製品の寿命低下及び安全性問題をもたらし得る。

図７に示したように、「提案設計」の昇温時、最大温度及び最大温度の差が「ベースライン」より全般的に小さく現れている。特に、「提案設計」は、相変化物質の潜熱を用いるので、温度が一定の範囲で水平に維持される傾向を示すが、「ベースライン」は、温度の変化が非常に急激に行われていることを確認することができる。

以上のように、本発明の実施例では、具体的な構成要素などの特定の事項と限定された実施例及び図面によって説明したが、これは、本発明のより全般的な理解を促進するために提供されたものに過ぎなく、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正及び変形が可能である。よって、本発明の思想は、説明した実施例に限って定めてはならなく、後述する特許請求の範囲のみならず、この特許請求の範囲と均等であるか、等価的変形を有する全てのものが本発明の思想の範疇に属すると言えるだろう。

Claims (9)

1. 複数個が繰り返し配置されるバッテリーセル；
   前記バッテリーセルの一側部に熱伝逹可能に連結され、前記バッテリーセルを冷却させるか、必要時に昇温させるセル冷却部；及び
   前記バッテリーセルで発生する熱を吸収するように各前記バッテリーセルの間にそれぞれ配置され、前記バッテリーセルの温度勾配パターンに対応する形状に分割された複数個の分割領域にそれぞれ配置される互いに異なる種類の相変化物質（ＰＣＭ）で形成されたハイブリッドＰＣＭ部；を含むバッテリーセルの熱管理構造。
2. 前記ハイブリッドＰＣＭ部は、前記バッテリーセルの温度勾配パターンによって複数個の分割領域に区画され、
   各前記分割領域に配置された各前記相変化物質は、互いに異なる熱伝導度で提供されることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーセルの熱管理構造。
3. 各前記分割領域には、
   各前記分割領域に対応する前記バッテリーセルの温度が高くなるにつれて、各前記相変化物質のうち相対的に熱伝導度が高い相変化物質が配置され、
   各前記分割領域に対応する前記バッテリーセルの温度が低くなるにつれて、各前記相変化物質のうち相対的に熱伝導度が低い相変化物質が配置されることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリーセルの熱管理構造。
4. 前記ハイブリッドＰＣＭ部は、
   純粋な相変化物質でのみ形成された基準相変化物質；及び
   前記基準相変化物質より熱伝導度が高い熱伝逹物質を前記基準相変化物質と合成させる方式で前記基準相変化物質より熱伝導度がさらに高く形成された合成相変化物質；で提供される、請求項３に記載のバッテリーセルの熱管理構造。
5. 前記合成相変化物質は、
   前記基準相変化物質に合成される前記熱伝逹物質の含量を調節し、熱伝導度を変更することを特徴とする、請求項４に記載のバッテリーセルの熱管理構造。
6. 前記熱伝逹物質は、
   前記基準相変化物質より熱伝導度がさらに高い材質の発泡金属、炭素ベース物質、金属フィン及びナノ物質のうち少なくとも一つを含む、請求項５に記載のバッテリーセルの熱管理構造。
7. 前記ハイブリッドＰＣＭ部の一面に熱伝逹可能に接触し、前記セル冷却部に一側部が連結され、前記ハイブリッドＰＣＭ部と前記セル冷却部との間の熱伝逹通路としての役割をする金属材質のフィン部材；をさらに含む、請求項１に記載のバッテリーセルの熱管理構造。
8. 前記ハイブリッドＰＣＭ部と接触する前記フィン部材の一面に付着し、前記フィン部材の熱伝逹性能を高めるように前記フィン部材より熱伝導度が高い材質で形成された熱伝逹シート；をさらに含む、請求項７に記載のバッテリーセルの熱管理構造。
9. 前記熱伝逹シートは、グラファイト材質で形成されたことを特徴とする、請求項８に記載のバッテリーセルの熱管理構造。