JP2024504809A - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態による電池モジュールは、互いに対向する方向に突出した電極リードを含む複数の電池セルが積層された電池セル積層体；前記電池セル積層体を収納するモジュールフレーム；および前記モジュールフレームの底部の下に位置する第１ヒートシンクと第２ヒートシンクを含む。前記第１ヒートシンクと前記モジュールフレームの底部との間および前記第２ヒートシンクと前記モジュールフレームの前記底部との間それぞれに冷媒流路が形成される。前記第１ヒートシンクが形成する冷媒流路と前記第２ヒートシンクが形成する冷媒流路とが互いに分離されている。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２１年２月２３日付韓国の特許出願第１０－２０２１－００２４３０３号および２０２２年１月２８日付韓国の特許出願第１０－２０２２－００１３６３４に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国の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それを含む電池パックに関し、より具体的には冷却性能が改善された電池モジュールおよびそ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、カムコーダ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化するにつれて、前記のようなモバイル機器と関連する分野の技術開発が活発に進められている。また、充放電が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案として、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るため、二次電池に関する開発の必要性が高まっている。

現在、商用化されている二次電池として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。この中で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、自己放電率が非常に低く、エネルギ密度が高いという長所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がセパレータを間に置いて配置された電極組立体および電極組立体を電解液と共に密封収納する電池ケースを備える。

一般にリチウム二次電池は外装材の形状によって、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に分類することができる。

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、一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取り付けら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し得、はなはだしい場合は爆発や発火の危険性もある。特に、多数の二次電池、すなわち、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蓄積されて温度が急速かつ過度に上昇し得る。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取り付けられた電池パックの場合、高い出力を得ることができるが、充電および放電時の電池セルで発生する熱を除去することが容易でない。電池セルの放熱がきちんと行われない場合、電池セルの劣化が早くなることにより寿命が短くなり、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、直射日光に頻繁に晒され、夏季や砂漠地域のような高温条件に置かれ得る。

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、安定かつ効率的な冷却性能を確保することは非常に重要であると言える。

図１は従来の電池モジュールを示す斜視図であり、図２は図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面を示す断面図である。特に図２は電池モジュールの下に位置する熱伝達部材およびヒートシンクをさらに示した。

図１および図２を参照すると、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。

前述したとおり、複数の電池セル１１を含むので電池モジュール１０は充放電の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の間に位置する熱伝導性樹脂層４０を含み得る。また、電池モジュール１０がパックフレームに取り付けられて電池パックを形成する際、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が順に位置する。熱伝達部材５０は放熱パッドであり得る。ヒートシンク６０は内部に冷媒流路が形成されることができる。

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、上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率的に伝達され難い。モジュールフレーム３０自体が熱伝導特性を低下させ得、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る。

電池モジュールについては容量増大のような他の要求が続いているので、冷却性能は高めながらも、このような多様な要求事項を共に満足させる電池モジュールの開発が実質的に必要であると言える。

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それを含む電池パックを提供する。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、互いに対向する方向に突出した電極リードを含む複数の電池セルが積層された電池セル積層体；前記電池セル積層体を収納するモジュールフレーム；および前記モジュールフレームの底部の下に位置する第１ヒートシンクと第２ヒートシンクを含む。前記第１ヒートシンクと前記モジュールフレームの底部の間および第２ヒートシンクと前記モジュールフレームの底部の間それぞれに冷媒流路が形成される。前記第１ヒートシンクが形成する冷媒流路と前記第２ヒートシンクが形成する冷媒流路が互いに分離されている。

前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクは、前記電極リードが突出する方向と平行な方向に沿って離隔して位置し得る。

前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の下面と前記モジュールフレームの底部の間に位置する第１熱伝導性樹脂層および第２熱伝導性樹脂層をさらに含み得る。

前記第１熱伝導性樹脂層および前記第２熱伝導性樹脂層は、前記電極リードが突出する方向と平行な方向に沿って離隔して位置し得る。

前記モジュールフレームの底部の一面と垂直な方向に対して、前記第１熱伝導性樹脂層に対応する部分に前記第１ヒートシンクが位置し得、前記第２熱伝導性樹脂層に対応する部分に第２ヒートシンクが位置し得る。

前記第１ヒートシンクは、前記モジュールフレームの底部と接合される第１下部プレートおよび前記第１下部プレートから下部方向に窪む第１窪み部を含み得る。

前記電池モジュールは、前記電池セル積層体の下面と前記モジュールフレームの底部の間に位置する熱伝導性樹脂層をさらに含み得る。

前記モジュールフレームの底部の一面と垂直な方向に対して、前記熱伝導性樹脂層は、前記第１ヒートシンクが位置する領域と前記第２ヒートシンクが位置する領域をカバーし得る。

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第１モジュールフレーム突出部を含み得、前記第１モジュールフレーム突出部のいずれか一つに冷媒注入ポートが連結され、他の一つに冷媒排出ポートが連結され得る。

前記第１ヒートシンクは、前記第１ヒートシンクの一辺から前記第１モジュールフレーム突出部が位置する部分に突出した第１ヒートシンク突出部を含み得る。

前記第２ヒートシンクは、前記モジュールフレームの底部と接合される第２下部プレートおよび前記第２下部プレートから下部方向に窪む第２窪み部を含み得る。

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第２モジュールフレーム突出部を含み得、前記第２モジュールフレーム突出部のいずれか一つに冷媒注入ポートが連結され、他の一つに冷媒排出ポートが連結され得る。

前記第２ヒートシンクは、前記第２ヒートシンクの一辺から前記第２モジュールフレーム突出部が位置する部分に突出した第２ヒートシンク突出部を含み得る。

本発明の一実施形態による電池パックは、前記電池モジュール；前記第１ヒートシンクが形成する冷媒流路に冷媒を供給する第１パック冷媒供給管；前記第１ヒートシンクが形成する冷媒流路から前記冷媒を排出させる第１パック冷媒排出管；前記第２ヒートシンクが形成する冷媒流路に冷媒を供給する第２パック冷媒供給管；および前記第２ヒートシンクが形成する冷媒流路から前記冷媒を排出させる第２パック冷媒排出管を含む。

本発明の実施形態によれば、電池セルの発熱が激しい部分に熱伝導性樹脂層とヒートシンクを集中して配置して、冷却性能の向上と共に電池セルの温度偏差を減らすことができる。

また、電池モジュールの冷却面に対するヒートシンクの冷媒流路の長さを短縮することができ、冷媒流路の圧力降下を改善することができる。

また、モジュールフレームとヒートシンクの一体化した構造により冷却性能を向上させることができる。

また、不要な冷却構造を除去して原価節減が可能であり、空間活用度を高めることができ、電池モジュールの容量や出力を増大させることができる。

本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた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ものである。

従来の電池モジュールを示す斜視図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’に沿って切断した断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。 図３の電池モジュールに対する分解斜視図である。 図４の電池モジュールに含まれた電池セルの一つを示す斜視図である。 図４の電池モジュールに含まれた第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクを示す斜視図である。 図６の切断線Ｉ－Ｉ’に沿って切断した断面を示す断面図である。 、図３の電池モジュールの下面が見えるように、電池モジュールを下から上に見た様子を示す斜視図である。 図４の電池モジュールに含まれた下部フレーム、第１熱伝導性樹脂層および第２熱伝導性樹脂層を示す斜視図である。 図３の切断線Ｂ－Ｂ’に沿って切断した断面を示す断面図である。 図３の切断線Ｃ－Ｃ’に沿って切断した断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態による電池モジュール、パック冷媒供給管およびパック冷媒排出管を示す斜視図である。 本発明の他の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。 図１３の電池モジュールに含まれた下部フレームと熱伝導性樹脂層を示す斜視図である。

以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が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。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限られない。

本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。

また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限られない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして図面では、説明の便宜上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「上に」または「の上に」あるというとき、これは他の部分の「すぐ上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆にある部分が他の部分の「すぐ上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「上に」または「の上に」あるというのは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上に」または「の上に」位置することを意味するものではない。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

また、明細書全体で、「平面上」というとき、これは対象部分を上から見たときを意味し、「断面上」というとき、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見たときを意味する。

図３は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。図４は図３の電池モジュールに対する分解斜視図である。図５は図４の電池モジュールに含まれた電池セルの一つを示す斜視図である。

図３ないし図５を参照すると、本発明の一実施形態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；電池セル積層体１２０を収納するモジュールフレーム２００；およびモジュールフレーム２００の底部２１０ａの下に位置する第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂを含む。

まず、電池セル１１０はパウチ型電池セルであることが好ましく、長方形のシート状の構造で形成されることができる。例えば、本実施形態による電池セル１１０は、二つの電極リード１１１，１１２が互いに対向してセル本体１１３の一端部１１４ａと他の一端部１１４ｂからそれぞれ突出している構造を有する。すなわち、電池セル１１０は互いに対向する方向に突出した電極リード１１１，１１２を含む。より詳細には電極リード１１１，１１２は電極組立体（図示せず）と連結され、前記電極組立体（図示せず）から電池セル１１０の外部に突出される。

一方、電池セル１１０は、セルケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態でセルケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂとこれらを連結する一側部１１４ｃを接着することにより製造されることができる。換言すれば、本実施形態による電池セル１１０は、総３ケ所のシーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂ，１１４ｓｃを有し、シーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂ，１１４ｓｃは熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、残りの他の一側部は連結部１１５からなる。セルケース１１４は樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなる。

また、連結部１１５は電池セル１１０の一エッジに沿って長く伸びることができ、連結部１１５の端部にはバットイヤー１１０ｐが形成される。また、突出した電極リード１１１，１１２を間に置いてセルケース１１４が密封されることにより、電極リード１１１，１１２とセル本体１１３の間にテラス部１１６が形成される。すなわち、電池セル１１０は、電極リード１１１，１１２が突出した方向にセルケース１１４から延長形成されたテラス部１１６を含み得る。

このような電池セル１１０は複数個で構成されることができ、複数の電池セル１１０は相互電気的に接続され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に示すようにｘ軸と平行な方向に沿って複数の電池セル１１０が積層されることができる。そのため、電極リード１１１，１１２はｙ軸方向と－ｙ軸方向にそれぞれ突出する。具体的に図示していないが、電池セル１１０の間には接着部材が位置してもよい。そのため、電池セル１１０同士が互いに接着されて電池セル積層体１２０を形成することができる。

本実施形態による電池セル積層体１２０は、電池セル１１０の個数が従来より多くなる大面積モジュールであり得る。具体的には、電池モジュール１００当たり３２個～４８個の電池セル１１０が含まれ得る。このような大面積モジュールの場合、電池モジュールの水平方向長さが長くなる。ここで、水平方向長さとは、電池セル１１０が積層された方向、すなわちｘ軸と平行な方向への長さを意味する。

一方、電池セル１１０に対する充放電が繰り返し行われると熱が発生するが、中でも電極リード１１１，１１２と隣接する部分で熱が多く発生する。すなわち、セル本体１１３の中央部分よりは、テラス部１１６に近づくほど充放電時に多くの熱が発生する。

電池セル積層体１２０を収納するモジュールフレーム２００は下部フレーム２１０および上部カバー２２０を含み得る。

下部フレーム２１０は底部２１０ａおよび底部２１０ａの両端部で上向きに延びた２個の側面部２１０ｂを含み得る。底部２１０ａは電池セル積層体１２０の下面をカバーし得、２個の側面部２１０ｂは電池セル積層体１２０の両側面をカバーし得る。ここで、電池セル積層体１２０の下面は－ｚ軸方向の面をいい、電池セル積層体１２０の両側面はｘ軸および－ｘ軸方向の面をいう。ただし、これは説明の便宜上指称した面であり、対象になる事物の位置や観測者の位置などによって変わり得る。

上部カバー２２０は下部フレーム２１０により囲まれる電池セル積層体１２０の前記下面および前記両側面を除いた残りの上面（ｚ軸方向の面）を覆う一つの板状構造であり得る。上部カバー２２０と下部フレーム２１０は互いに対応するエッジ部位が接触した状態で、溶接によって接合されることによって、電池セル積層体１２０を上下左右でカバーする構造を形成することができる。上部カバー２２０と下部フレーム２１０により電池セル積層体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と下部フレーム２１０は所定の強度を有するように金属材質を含むことができる。

一方、具体的に図示していないが、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した金属板材形態のモノフレームであり得る。すなわち、下部フレーム２１０と上部カバー２２０が相互結合される構造でなく、押出成形で製造されて上面、下面および両側面が一体化した構造であり得る。

一方、本実施形態による電池モジュール１００は、電池セル積層体１２０の前面と後面をそれぞれカバーする第１エンドプレート４１０および第２エンドプレート４２０を含み得る。ここで、電池セル積層体１２０の前面はｙ軸方向の面をいい、電池セル積層体１２０の後面は－ｙ軸方向の面をいう。

第１エンドプレート４１０および第２エンドプレート４２０はモジュールフレーム２００の開放された両側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。第１エンドプレート４１０および第２エンドプレート４２０それぞれはモジュールフレーム２００の対応するエッジと接触した状態で溶接によって接合されることができる。このような第１エンドプレート４１０および第２エンドプレート４２０は外部の衝撃から電池セル積層体１２０およびその他電装品を物理的に保護することができる。

一方、具体的に図示していないが、電池セル積層体１２０とエンドプレート４１０，４２０の間にはバスバーが取り付けら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の位置することができる。

以下では、図４、図６ないし図９を参照して本実施形態による第１および第２ヒートシンクについて詳しく説明する。

図６は図４の電池モジュールに含まれた第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクを示す斜視図である。図７は図６の切断線Ｉ－Ｉ’に沿って切断した断面を示す断面図である。図８は図３の電池モジュールの下面が見えるように、電池モジュールを下から上に見た様子を示す斜視図である。図９は図４の電池モジュールに含まれた下部フレーム、第１熱伝導性樹脂層および第２熱伝導性樹脂層を示す斜視図である。

図４、図６ないし図９を参照すると、本実施形態による第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂは、モジュールフレーム２００の底部２１０ａの下に位置し、第１ヒートシンク３００ａとモジュールフレーム２００の底部２１０ａの間および第２ヒートシンク３００ｂとモジュールフレーム２００の底部２１０ａの間のそれぞれに冷媒流路が形成される。第１ヒートシンク３００ａが形成する冷媒流路と第２ヒートシンク３００ｂが形成する冷媒流路は互いに分離されている。換言すれば、第１ヒートシンク３００ａの内部を流れる冷媒と第２ヒートシンク３００ｂの内部を流れる冷媒は、混ざらず、互いに別個の経路に沿って流れる。ここで、前記冷媒は冷却のための媒介物であって、特に制限はないが、冷却水であり得る。

第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂは、電極リード１１１，１１２が突出する方向と平行な方向に沿って離隔して位置し得る。上述したように、電池セル積層体１２０で電極リード１１１，１１２がｙ軸方向と－ｙ軸方向にそれぞれ突出し得る。第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂは電極リード１１１，１１２の突出方向に合わせて、ｙ軸と平行な方向に沿って離隔して位置し得る。特に、第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂはモジュールフレーム２００の底部２１０ａでの対向する両辺にそれぞれ隣接するように位置し得る。

図５を参照すると、上述したように、電池セル１１０で、セル本体１１３の中央部分よりも、テラス部１１６に近い部分が充放電時に多くの熱が発生する。電池セル積層体１２０を基準とすると電極リード１１１，１１２が突出した部分と隣接する部分に多くの熱が発生する。充放電が繰り返されるほど電池セル１１０の各部分間の温度偏差が激しくなる。このような温度偏差は電池の性能低下につながるので、温度偏差を解消することが重要である。

図４および図６を図５とともに参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂを電池セル１１０のうち発熱が激しい部分に設けることによって、冷却能を集中させて、電池セル１１０の温度偏差を解消しようとした。そのため、本実施形態による電池モジュール１００では電池セル１１０の発熱が激しい両端の部分で熱発散が効率的に行われ、電池セル１１０に対して各部分間の温度偏差を最小化することができる。

以下では、第１ヒートシンク３００ａおよび第２ヒートシンク３００ｂそれぞれの具体的な構造について説明する。

第１ヒートシンク３００ａはモジュールフレーム２００の底部２１０ａと接合される第１下部プレート３１０ａおよび第１下部プレート３１０ａから下部方向に窪む第１窪み部３２０ａを含み得る。第１下部プレート３１０ａは第１ヒートシンク３００ａの骨格を形成し、モジュールフレーム２００の底部２１０ａに溶接の方法で直接接合されることができる。具体的には図７に示すように第１窪み部３２０ａは下部方向に窪む部分であり、その内部に冷媒が流動する経路が形成される。

第１窪み部３２０ａは冷媒流路が伸びる方向と垂直にｘｚ平面やｙｚ平面で切断した断面がＵ字型である管であり得、前記Ｕ字型である管の開放された上側に底部２１０ａが位置し得る。すなわち、図７に示すように、第１窪み部３２０ａは断面上の形状がＵ字型である管であり得る。後述する第２窪み部３２０ｂも同様の構造を有する。第１下部プレート３１０ａが底部２１０ａと接することにより、第１窪み部３２０ａと底部２１０ａの間の空間が冷媒が流動する領域、すなわち冷媒の流路となる。そのため、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。

一方、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の一部が突出して形成された第１モジュールフレーム突出部２１１ａを含み得る。具体的には、第１モジュールフレーム突出部２１１ａはモジュールフレーム２００の底部２１０ａの一部が延びて第１エンドプレート４１０を通過するように形成される。特に、少なくとも２個の第１モジュールフレーム突出部２１１ａが形成され得、そのうちの一つには冷媒注入ポート５１０ａが連結され、他の一つには冷媒排出ポート５２０ａが連結され得る。冷媒注入ポート５１０ａおよび冷媒排出ポート５２０ａはそれぞれ後述する第１パック冷媒供給管および第１パック冷媒排出管に連結され得る。

第１ヒートシンク３００ａは第１ヒートシンク３００ａの一辺から第１モジュールフレーム突出部２１１ａが位置する部分に突出した第１ヒートシンク突出部３００Ｐａを含み得る。少なくとも２個の第１モジュールフレーム突出部２１１ａが形成されるが、第１ヒートシンク突出部３００Ｐａは第１モジュールフレーム突出部２１１ａそれぞれに対応するように形成される。

第１窪み部３２０ａは第１ヒートシンク突出部３００Ｐａの一つから他の一つに繋がる。冷媒注入ポート５１０ａを介して供給された冷媒は、第１モジュールフレーム突出部２１１ａと第１ヒートシンク突出部３００Ｐａの間を経て第１窪み部３２０ａと底部２１０ａの間の空間に初めて流入する。その後、冷媒は第１窪み部３２０ａに沿って移動し、他の第１モジュールフレーム突出部２１１ａと第１ヒートシンク突出部３００Ｐａの間を経て冷媒排出ポート５２０ａを介して排出される。

一方、第２ヒートシンク３００ｂはモジュールフレーム２００の底部２１０ａと接合される第２下部プレート３１０ｂおよび第２下部プレート３１０ｂから下部方向に窪む第２窪み部３２０ｂを含み得る。第２下部プレート３１０ｂは第２ヒートシンク３００ｂの骨格を形成し、モジュールフレーム２００の底部２１０ａに溶接の方法により直接接合され得る。第２窪み部３２０ｂは下部方向に窪む部分であり、その内部に冷媒が流動する経路が形成される。

第２窪み部３２０ｂは冷媒流路が伸びる方向を基準として垂直にｘｚ平面やｙｚ平面で切断した断面がＵ字型である管であり得、前記Ｕ字型である管の開放された上側に底部２１０ａが位置し得る。第２下部プレート３１０ｂが底部２１０ａと接することにより、第２窪み部３２０ｂと底部２１０ａの間の空間が冷媒が流動する領域、すなわち冷媒の流路となる。これにより、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。

一方、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の一部が突出して形成された第２モジュールフレーム突出部２１１ｂを含み得る。具体的には、第２モジュールフレーム突出部２１１ｂはモジュールフレーム２００の底部２１０ａの一部が延びて第２エンドプレート４２０を通過するように形成される。特に、少なくとも２個の第２モジュールフレーム突出部２１１ｂが形成され得、そのうちの一つには冷媒注入ポート５１０ｂが連結され、他の一つには冷媒排出ポート５２０ｂが連結され得る。冷媒注入ポート５１０ｂおよび冷媒排出ポート５２０ｂはそれぞれ後述する第２パック冷媒供給管および第２パック冷媒排出管に連結され得る。この時、第２モジュールフレーム突出部２１１ｂは第１モジュールフレーム突出部２１１ａが形成されていない底部２１０ａの辺に形成される。より具体的には、第１モジュールフレーム突出部２１１ａが形成された底部２１０ａの辺と対向する辺に第２モジュールフレーム突出部２１１ｂが形成される。

第２ヒートシンク３００ｂは第２ヒートシンク３００ｂの一辺から第２モジュールフレーム突出部２１１ｂが位置する部分に突出した第２ヒートシンク突出部３００Ｐｂを含み得る。少なくとも２個の第２モジュールフレーム突出部２１１ｂが形成されるが、第２ヒートシンク突出部３００Ｐｂは第２モジュールフレーム突出部２１１ｂそれぞれに対応するように形成される。

第２窪み部３２０ｂは第２ヒートシンク突出部３００Ｐｂの一つから他の一つに繋がる。冷媒注入ポート５１０ｂを介して供給された冷媒は、第２モジュールフレーム突出部２１１ｂと第２ヒートシンク突出部３００Ｐｂの間を経て第２窪み部３２０ｂと底部２１０ａの間の空間に初めて流入する。その後、冷媒は第２窪み部３２０ｂに沿って移動し、他の第２モジュールフレーム突出部２１１ｂと第２ヒートシンク突出部３００Ｐｂの間を経て冷媒排出ポート５２０ｂを介して排出される。

このように、第１ヒートシンク３００ａの第１窪み部３２０ａが形成する冷媒流路と第２ヒートシンク３００ｂの第２窪み部３２０ｂが形成する冷媒流路は互いに分離されている。特に、図８に示すように、底部２１０ａの下面全体を単一のヒートシンクでカバーするのではなく、互いに分離された第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂが分けてカバーする。単一のヒートシンクのみ配置される場合、一度流入した冷媒が排出されるまでの経路が長くなる。経路が長くなると、冷媒流路の後半部で圧力が低下する問題がある。また、冷媒流路の後半部ではすでに冷媒による熱交換がかなり行われた後であるため冷却性能が低下した状態である。

それに対して、本実施形態による電池モジュール１００は、第１および第２ヒートシンク３００ａ，３００ｂを配置することによって、各ヒートシンクの冷媒経路が短くなる。したがって、後半部での圧力降下の問題を解消でき、各ヒートシンクが有する冷却性能を発熱が激しい部分に集中させることができるため、より効率的な放熱が可能である。特に、本実施形態のように、電池セル１１０の個数が従来より多い大面積モジュールの場合、単一のヒートシンクのみ配置する場合より冷媒流路の圧力維持および冷却性能の側面で効率的である。

また、単一のヒートシンクを含む大面積の電池モジュールが自動車のようなデバイスに配置される場合、前記単一のヒートシンク内部に冷媒を供給および排出するために大容量の冷媒ポンプが必要である。このような大容量の冷媒ポンプは大きな空間を占めるので、自動車のようなデバイス内部の空間効率性が落ちる。

反面、本実施形態による電池モジュールのように、分離した第１および第２ヒートシンク３００ａ，３００ｂを含む場合、より小さい容量の冷媒ポンプでも同等な熱交換性能および冷却性能を実現できる。すなわち、より小さい容量の冷媒ポンプを用いることができるので、自動車のようなデバイス内部の空間を効率的に活用できるという長所がある。

一方、第１窪み部３２０ａおよび第２窪み部３２０ｂの少なくとも一つは、上部方向に突出した突出パターンＰが形成されることができる。本実施形態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に比べて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できるため温度偏差がより激しい。突出パターンＰ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て同時に冷媒流路幅間の温度偏差を減らすことができる。したがって、均一な冷却効果を実現することができる。

以下では、図９ないし図１１を参照して、本発明の一実施形態による第１熱伝導性樹脂層と第２熱伝導性樹脂層について詳しく説明する。

図１０は図３の切断線Ｂ－Ｂ’に沿って切断した断面を示す断面図である。図１１は図３の切断線Ｃ－Ｃ’に沿って切断した断面を示す断面図である。

図３、図４および図９ないし図１１を共に参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、電池セル積層体１２０の下面とモジュールフレーム２００の底部２１０ａの間に位置する第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂをさらに含み得る。

第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂは、熱伝導性樹脂（Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｎ）を含み得る。モジュールフレーム２００の底部２１０ａに前記熱伝導性樹脂が塗布されて第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂが形成される。前記熱伝導性樹脂は熱伝導性接着物質を含み得、具体的にはシリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）素材、ウレタン（Ｕｒｅｔｈａｎ）素材およびアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）素材の少なくとも一つを含むことができる。このような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を構成する一つ以上の電池セル１１０を固定する役割をすることができる。また、熱伝導特性に優れて電池セル１１０で発生した熱を迅速に電池モジュール１００の外部に伝達して電池モジュールの過熱を防止することができる。

第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂは、電極リード１１１，１１２が突出する方向と平行な方向に沿って離隔して位置し得る。上述したように、電池セル積層体１２０で電極リード１１１，１１２がｙ軸方向と－ｙ軸方向にそれぞれ突出する。第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂは電極リード１１１，１１２の突出方向に合わせて、ｙ軸と平行な方向に沿って離隔して位置し得る。特に、第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂはモジュールフレーム２００の底部２１０ａでの対向する両辺にそれぞれ隣接するように位置し得。さらに、モジュールフレーム２００の底部２１０ａの一面と垂直な方向に対して、第１熱伝導性樹脂層６００ａに対応する部分に第１ヒートシンク３００ａが位置し得、第２熱伝導性樹脂層６００ｂに対応する部分に第２ヒートシンク３００ｂが位置し得る。

第１ヒートシンク３００ａおよび第２ヒートシンク３００ｂと同様に、本実施形態による電池モジュール１００は、第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂを電池セル１１０の発熱が激しい部分に設けることによって、冷却能を集中させて、電池セル１１０の温度偏差を解消しようとする。そのため、本実施形態による電池モジュール１００では電池セル１１０の発熱が激しい両端の部分での熱の発散が効率的に行われ、電池セル１１０について各部分間の温度偏差を最小化することができる。

具体的には、図１０に示すように、電池セル１１０の発熱が激しい部分で発生した熱は、第１熱伝導性樹脂層６００ａ、モジュールフレーム２００の底部２１０ａおよび第１ヒートシンク３００ａを順に経て外部に排出される。具体的に図示していないが、反対側でも同様に、熱が第２熱伝導性樹脂層６００ｂ、モジュールフレーム２００の底部２１０ａおよび第２ヒートシンク３００ｂを順に経て外部に排出される。

一方、図１１に示すように、電池セル１１０の発熱が相対的に弱い部分では、熱伝導性樹脂が塗布されず、電池セル１１０とモジュールフレーム２００の底部２１０ａの間に一種の空気層ＡＬが形成される。空気層ＡＬが断熱層として機能して熱排出を相対的に制限できる。また、該当部分には別途のヒートシンクが配置されない。

上記のように、電池セル１１０の発熱が激しい部分と発熱が微小な部分それぞれに対して熱排出程度を異なるように設計することによって、電池セル１１０の各部分間の温度偏差を解消しようとした。

総合すると、第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂが塗布された部分それぞれに対応するように第１ヒートシンク３００ａおよび第２ヒートシンク３００ｂを配置して電池セル積層体１２０の発熱が激しい部分に対する冷却性能を極大化することができる。また、電池セル積層体１２０の発熱が弱い部分では冷却性能を相対的に制限して温度偏差解消のためのバランスをとろうとした。

一方、図２、図６、図７および図１０を再び参照すると、従来の電池モジュール１０は、ヒートシンク６０内部に冷媒流路が形成されるものであるが、本実施形態による第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂは、上部が開放された形態の第１窪み部３２０ａと第２窪み部３２０ｂを含むので、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。すなわち、モジュールフレーム２００の底部２１０ａが第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂそれぞれの上部プレートとして構成される。そのため、本実施形態による電池モジュール１００は従来のヒートシンク６０に比べてより直接的な熱伝達が可能である長所がある。

以下では、図４、図８、図９および図１２を参照して本発明の一実施形態による電池パックについて詳しく説明する。

図１２は本発明の一実施形態による電池モジュール、パック冷媒供給管およびパック冷媒排出管を示す斜視図である。

図４、図８、図９および図１２を参照すると、本発明の一実施形態による電池パックは、電池モジュール１００、第１パック冷媒供給管１１００ａ、第１パック冷媒排出管１２００ａ、第２パック冷媒供給管１１００ｂおよび第２パック冷媒排出管１２００ｂを含む。

第１パック冷媒供給管１１００ａは第１ヒートシンク３００ａが形成する冷媒流路に冷媒を供給する。具体的には、第１パック冷媒供給管１１００ａが冷媒注入ポート５１０ａと連結され得る。第１パック冷媒供給管１１００ａを介して移動した冷媒は、冷媒注入ポート５１０ａそして第１モジュールフレーム突出部２１１ａと第１ヒートシンク突出部３００Ｐａの間を順に経て第１ヒートシンク３００ａに流入する。

第１パック冷媒排出管１２００ａは、第１ヒートシンク３００ａが形成する冷媒流路から前記冷媒を排出させる。具体的には、第１パック冷媒排出管１２００ａが冷媒排出ポート５２０ａと連結され得る。第１ヒートシンク３００ａに流入した冷媒は、他の第１モジュールフレーム突出部２１１ａと第１ヒートシンク突出部３００Ｐａの間、そして冷媒排出ポート５２０ａを順に経て第１パック冷媒排出管１２００ａに排出される。

一方、第２パック冷媒供給管１１００ｂは第２ヒートシンク３００ｂが形成する冷媒流路に冷媒を供給する。具体的には、第２パック冷媒供給管１１００ｂが冷媒注入ポート５１０ｂと連結され得る。第２パック冷媒供給管１１００ｂを介して移動した冷媒は、冷媒注入ポート５１０ｂそして第２モジュールフレーム突出部２１１ｂと第２ヒートシンク突出部３００Ｐｂの間を順に経て第２ヒートシンク３００ｂに流入する。

第２パック冷媒排出管１２００ｂは、第２ヒートシンク３００ｂが形成する冷媒流路から前記冷媒を排出させる。具体的には、第２パック冷媒排出管１２００ｂが冷媒排出ポート５２０ｂと連結され得る。第２ヒートシンク３００ｂに流入した冷媒は、他の第２モジュールフレーム突出部２１１ｂと第２ヒートシンク突出部３００Ｐｂの間、そして冷媒排出ポート５２０ｂを順に経て第２パック冷媒排出管１２００ｂに排出される。

以下では、図１３および図１４を参照して、本発明の他の一実施形態による電池モジュールについて説明する。

図１３は本発明の他の一実施形態による電池モジュールを示す分解斜視図である。図１４は図１３の電池モジュールに含まれた下部フレームと熱伝導性樹脂層を示す斜視図である。

図１３および図１４を参照すると、本発明の他の一実施形態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；電池セル積層体１２０を収納するモジュールフレーム２００；およびモジュールフレーム２００の底部２１０ａの下に位置する第１ヒートシンク３００ａと第２ヒートシンク３００ｂを含む。モジュールフレーム２００は下部フレーム２１０および上部カバー２２０を含み得、電池セル積層体１２０の前面と後面のそれぞれには第１エンドプレート４１０および第２エンドプレート４２０が配置される。前記各構成の詳しい内容は上述した内容と重複するため省略する。

この時、本実施形態による電池モジュール１００’は、電池セル積層体１２０の下面とモジュールフレーム２００の底部２１０ａの間に位置する熱伝導性樹脂層６００ｃをさらに含み得る。モジュールフレーム２００の底部２１０ａに熱伝導性樹脂が塗布されて熱伝導性樹脂層６００ｃが形成される。前記熱伝導性樹脂の詳しい内容は上述した内容と重複するため省略する。

上述した電池モジュール１００が、第１ヒートシンク３００ａおよび第２ヒートシンク３００ｂに対応する第１熱伝導性樹脂層６００ａおよび第２熱伝導性樹脂層６００ｂを含むことは異なり、本実施形態による電池モジュール１００’は、単一の熱伝導性樹脂層６００ｃを含み得る。

モジュールフレーム２００の底部２１０ａの一面と垂直な方向に対して、本実施形態による熱伝導性樹脂層６００ｃは、第１ヒートシンク３００ａが位置する領域と第２ヒートシンク３００ｂが位置する領域をカバーすることができる。

すなわち、熱伝導性樹脂層６００ｃは、第１ヒートシンク３００ａが位置する領域と第２ヒートシンク３００ｂが位置する領域をカバーするだけでなく、その間の領域までカバーすることができる。そのため、電池セル１１０の中央部分での放熱性能を補完することができる。

適用される電池セル１１０の種類、個数、大きさなどに基づいて、電池モジュール単位での放熱性能向上と温度偏差の最小化のために、第１および第２熱伝導性樹脂層６００ａ，６００ｂや単一の熱伝導性樹脂層６００ｃを選択して適用することができる。

本実施形態で前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は説明の便宜のためのものであり、対象になる事物の位置や観測者の位置などによって変わり得る。

前述した本実施形態による一つまたはそれ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＢＤＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｕｎｉｔ）、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取り付けられて電池パックを形成することができる。

前記電池モジュールや電池パックは多様なデバイスに適用することができる。具体的には、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用できるが、これに制限されず、二次電池を使用できる多様なデバイスに適用することが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態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、次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。

１００ 電池モジュール
２００ モジュールフレーム
２１０ａ 底部
３００ａ 第１ヒートシンク
３００ｂ 第２ヒートシンク

Claims (14)

1. 互いに対向する方向に突出した電極リードを含む複数の電池セルが積層された電池セル積層体、
   前記電池セル積層体を収納するモジュールフレーム、および
   前記モジュールフレームの底部の下に位置する第１ヒートシンクと第２ヒートシンクを含み、
   前記第１ヒートシンクと前記モジュールフレームの底部との間および前記第２ヒートシンクと前記モジュールフレームの前記底部との間それぞれに冷媒流路が形成され、
   前記第１ヒートシンクが形成する冷媒流路と前記第２ヒートシンクが形成する冷媒流路とが互いに分離されている、電池モジュール。
2. 前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクは、前記電極リードが突出する方向と平行な方向に沿って離隔して位置する、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下面と前記モジュールフレームの前記底部との間に位置する第１熱伝導性樹脂層および第２熱伝導性樹脂層をさらに含む、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記第１熱伝導性樹脂層および前記第２熱伝導性樹脂層は、前記電極リードが突出する方向と平行な方向に沿って離隔して位置する、請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記モジュールフレームの前記底部の一面と垂直な方向に対して、前記第１熱伝導性樹脂層に対応する部分に前記第１ヒートシンクが位置し、前記第２熱伝導性樹脂層に対応する部分に第２ヒートシンクが位置する、請求項３又は４に記載の電池モジュール。
6. 前記第１ヒートシンクは、前記モジュールフレームの前記底部と接合される第１下部プレートおよび前記第１下部プレートから下部方向に窪む第１窪み部を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記電池セル積層体の下面と前記モジュールフレームの前記底部との間に位置する熱伝導性樹脂層をさらに含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
8. 前記モジュールフレームの前記底部の一面と垂直な方向に対して、前記熱伝導性樹脂層は前記第１ヒートシンクが位置する領域と前記第２ヒートシンクが位置する領域とをカバーする、請求項７に記載の電池モジュール。
9. 前記モジュールフレームは、前記モジュールフレームの前記底部の一部が突出して形成された第１モジュールフレーム突出部を含み、
   前記第１モジュールフレーム突出部のいずれか一つに冷媒注入ポートが連結され、他の一つに冷媒排出ポートが連結される、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
10. 前記第１ヒートシンクは、前記第１ヒートシンクの一辺から前記第１モジュールフレーム突出部が位置する部分に突出した第１ヒートシンク突出部を含む、請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記第２ヒートシンクは、前記モジュールフレームの前記底部と接合される第２下部プレートおよび前記第２下部プレートから下部方向に窪む第２窪み部を含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。
12. 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第２モジュールフレーム突出部を含み、
    前記第２モジュールフレーム突出部のいずれか一つに冷媒注入ポートが連結され、他の一つに冷媒排出ポートが連結される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電池モジュール。
13. 前記第２ヒートシンクは、前記第２ヒートシンクの一辺から前記第２モジュールフレーム突出部が位置する部分に突出した第２ヒートシンク突出部を含む、請求項１２に記載の電池モジュール。
14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載の電池モジュール、
    前記第１ヒートシンクが形成する冷媒流路に冷媒を供給する第１パック冷媒供給管、
    前記第１ヒートシンクが形成する冷媒流路から前記冷媒を排出させる第１パック冷媒排出管、
    前記第２ヒートシンクが形成する冷媒流路に冷媒を供給する第２パック冷媒供給管、および
    前記第２ヒートシンクが形成する冷媒流路から前記冷媒を排出させる第２パック冷媒排出管
    を含む、電池パック。

Images