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JP6510633B2 - 効率的な冷却構造の電池パックケース - Google Patents

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Description

本出願は、２０１４年１０月０６日付けの韓国特許出願第１０−２０１４−０１３４１４７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全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、効率的な冷却構造の電池パックケースに関する。
最近、充放電可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの動力源としても注目されている。
小型モバイル機器には、デバイス１台当たり１個、又は２〜４個の電池セルが使用される一方、自動車などのような中大型デバイスには、高出力大容量の必要性により、多数の電池セルを電気的に接続した電池モジュールが使用される。
中大型電池モジュールは、可能な限り小さい大きさ及び重量で製造されることが好ましいため、高い集積度で充積することができ、容量に比べて重量の小さい角型電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低く、形状の変形が容易であるという利点により、最近多くの関心を集めている。
中大型電池モジュールが所定の装置乃至デバイスで要求される出力及び容量を提供するためには、多数の電池セルを直列、または直列及び並列方式で電気的に接続しなければならず、外力に対して安定した構造を維持できなければならない。
また、中大型電池モジュールを構成する電池セルは、充放電可能な二次電池で構成されているため、このような高出力大容量の二次電池は、充放電過程で多量の熱を発生させ、充放電過程で発生した単位電池の熱が効果的に除去されないと、熱蓄積が起こり、結果的に単位電池の劣化を促進し、場合によっては、発火又は爆発の危険性も存在する。したがって、高出力大容量の電池である車両用電池パックには、それに内蔵されている電池セルを冷却させる冷却システムが必要である。
しかし、従来の冷却システムの構造は、電池パック全体に一つの流路を形成する構造で形成されているため、電池セル間に不均等な冷却を招くだけでなく、電池パックの構造が機構的構造と冷却構造の独立した役割を同時に行うように設計されるため、内部空間が狭い場合に設計上の不便及び作製の困難さがある。
したがって、このような問題点を根本的に解決できる技術に対する必要性が高いのが実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本発明の目的は、別途の冷媒流路を形成するように、電池パックケースに一対の冷媒流入口を形成させることで、２つの電池モジュール群が独立して冷却されるようにする一方、電池パックケースと電池モジュールとの間の空間に別途の傾斜プレートを形成させることによって、単位モジュール間または電池セル間の冷却不均等を解決すると同時に、電池パックケースの剛性を向上させることができる電池パックケースを提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池パックケースは、
多数の電池セルまたは単位モジュールが内蔵されている構造の電池モジュールが順に積層されている電池モジュールアセンブリが収納されている電池パックケースであって、
単位モジュールの冷却のための冷媒が、単位モジュールの積層方向に垂直な方向に電池モジュールの一側から対向側に流動できるように、冷媒流入口と冷媒排出口が、互いに反対方向にモジュールケースの上部及び下部に位置しており、
電池パックケースと電池モジュールとの間には、冷媒の流動を案内する傾斜プレートが形成されている構造となっている。
したがって、本発明に係る電池パックケースは、傾斜プレートが電池パックケースと電池モジュールとの間に装着されているので、電池セルまたは単位モジュールを効果的に冷却させることができるだけでなく、電池パックケースの剛性を向上させることができる。
一具体例において、前記傾斜プレートは、電池パックケースと一体に形成されている構造であってもよい。
前記電池セルは、充放電が可能な二次電池であれば特に制限されず、好ましくは、ニッケル−水素二次電池、またはリチウムイオンを媒介とするリチウム二次電池であってもよく、一例として、電池セルは、限定された空間で高い積層率を提供できるように板状型電池セルであってもよく、前記板状型電池セルは、電池モジュールの構成のために充積されたときに全体サイズを最小化できるように、薄い厚さ、相対的に広い幅及び長さを有する電池セルである。
前記「ニッケル−水素二次電池」は、正極にニッケル、負極に水素吸蔵合金、電解質としてアルカリ水溶液を使用した二次電池であって、単位体積当たりのエネルギー密度がニッケル−カドミウム電池の２倍に近く、ニッケル−カドミウム電池よりも高容量化が可能であり、過充電及び過放電によく耐えることができ、単位体積当たりの容量が大きいので、電気自動車またはハイブリッド電気自動車のエネルギー源として好ましい。
また、前記「リチウム二次電池」は、例えば、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２などの金属酸化物を使用し、負極活物質として炭素材料などを使用し、負極と正極との間に多孔性高分子分離膜を位置させ、ＬｉＰＦ６などのリチウム塩を含有した非水性電解液を入れて製造するようになる。充電時には、正極活物質のリチウムイオンが放出されて負極の炭素層に挿入され、放電時には、逆に、炭素層のリチウムイオンが放出されて正極活物質に挿入され、非水性電解液は、負極と正極との間でリチウムイオンが移動する媒質の役割を果たし、エネルギー密度及び作動電圧が高く、保存及び寿命特性に優れるため、様々な電子製品、電気自動車またはハイブリッド自動車のエネルギー源として好ましい。
一具体例において、前記電池セルは、金属層と樹脂層を含むラミネートシートのケースに電極組立体を内蔵した後、外周面を熱融着シールした構造であってもよい。具体的に、アルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに電極組立体が内蔵されている構造であってもよい。このような構造の電池セルを、「パウチ型電池セル」と呼ぶこともある。
このような電池セルは、２つまたはそれ以上の単位で合成樹脂または金属素材の高強度カバー部材によって覆われた構造で一つの単位モジュールを構成できるところ、前記高強度カバー部材は、機械的剛性が低い電池セルを保護すると共に、充放電時の反復的な膨張及び収縮の変化を抑制して、電池セルのシーリング部位が分離されることを防止する。したがって、究極的に、さらに安全性に優れた中大型電池モジュールの製造が可能になる。
一具体例において、前記単位モジュールは、２つまたはそれ以上の電池セル、及び電極端子の部位を除いて前記電池セルの外面を取り囲むように互いに結合される一対のセルカバーを含む構造であってもよい。
一方、前記冷媒は、例えば、空気であってもよいが、これに限定されるものではない。
一具体例において、前記電池パックケースは、一対の上部ケース及び下部ケースを含む構造であってもよく、例えば、前記上部ケースには、前記傾斜プレートとの間の空間で冷媒が前記電池モジュールの一側から対向側に流動できるように一対の冷媒流入口が、前記下部ケースには、前記冷媒流入口から流入した冷媒が排出される冷媒排出口が、互いに反対方向にそれぞれ形成されている構造からなることができる。
ここで、前記冷媒流入口は、第１電池モジュール群に冷媒が流入する第１冷媒流入口、及び第２電池モジュール群に冷媒が流入する第２冷媒流入口を含んでおり、前記冷媒排出口は、前記第１冷媒流入口と前記第２冷媒流入口との間の仮想の垂直中心線上に形成されている構造であってもよい。
前記第１冷媒流入口及び前記第２冷媒流入口は、それぞれ独立した冷媒流路を有し、互いに離隔している構造であってもよい。
前記構造において、前記冷媒は、前記第１冷媒流入口及び前記第２冷媒流入口にそれぞれ流入し、前記冷媒排出口の部位で合流した後に共に排出される構造であってもよい。
一具体例において、前記第１冷媒流入口及び前記第２冷媒流入口は、前記上部ケースの上側方向に形成されており、前記冷媒排出口は、前記冷媒流入口から垂直断面視で前記冷媒流入口に対して６０°〜１２０°の範囲内に形成されている構造であってもよい。
本発明によれば、前記傾斜プレートは、前記電池パックケースと前記電池モジュールアセンブリの上部及び／又は下部との間に形成されている構造であってもよく、例えば、前記傾斜プレートは、垂直断面視で、前記冷媒流入口から前記冷媒排出口の方向に線形的に減少する形状に形成されている構造であってもよい。
具体的に、前記傾斜プレートには、前記第１電池モジュール群及び前記第２電池モジュール群の上面と対応する部位に冷媒が流動できるように、傾斜面が上向きに突出した形態でそれぞれ形成されている。
場合によって、前記傾斜プレートは、垂直断面視で、前記冷媒流入口から前記冷媒排出口の方向に線形的に増加する形状に形成されている構造であってもよい。
本発明によれば、前記電池パックケースは、単位モジュールの積層方向に対応する長さが、単位モジュールの幅方向に対応する長さよりも相対的に長く形成されている構造であってもよい。
一具体例において、前記冷媒排出部の幅は、前記電池パックケースの幅を基準として１０〜７０％の大きさを有している構造であってもよい。
場合によっては、前記冷媒流入口及び／又は冷媒排出口には冷媒の流動駆動力を提供できるように駆動ファンがさらに装着される構造であってもよい。
本発明はまた、前記電池パックケースに２つ以上の電池モジュールが装着されている電池パック、及び前記電池モジュールまたは電池パックを電源として使用するデバイスを提供する。
本発明に係る電池パックは、所望の出力及び容量に応じて電池モジュールを組み合わせて製造することができ、上述したような装着効率性、構造的安定性などを考慮する場合、限定された装着空間を有し、頻繁な振動及び強い衝撃などに露出する電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車または電力貯蔵装置などのデバイスの電源として好ましく使用することができるが、適用範囲がこれらに限定されるものではない。
このようなデバイスの構造及び製造方法もまた当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
本発明に係るパウチ型電池セルの斜視図である。 図１の電池セルが２つ装着されるセルカバーの斜視図である。 本発明の一実施例に係る電池パックの斜視図である。 図３の電池パックの断面図である。 本発明の一実施例に係る傾斜プレートが装着された電池パックの斜視図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールが装着された電池パックの斜視図である。 図６のＡ−Ａ’の断面図である。 図６のＢ−Ｂ’の断面図である。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのもので、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図１には、パウチ型電池セルの斜視図が模式的に示されており、図２には、単位モジュールの構成のために、図１の電池セルが２つ装着されるセルカバーが斜視図で示されている。
これらの図面を参照すると、パウチ型電池セル５０は、２つの電極リード５１，５２が互いに対向して電池本体５３の上端部と下端部にそれぞれ突出している構造となっている。外装部材５４は、上下２単位からなっており、その内面に形成されている収納部に電極組立体（図示せず）を装着した状態で、相互接触部位である両側面５５、上端部及び下端部５６，５７を貼り合わせることによって電池セル５０が製造される。
外装部材５４は、樹脂層／金属箔層／樹脂層のラミネート構造となっており、互いに接する両側面５５、上端部及び下端部５６，５７に熱と圧力を加えて樹脂層を互いに融着させることによって貼り合わせることができ、場合によっては、接着剤を用いて貼り合わせてもよい。両側面５５は、上下の外装部材５４の同一の樹脂層が直接接するため、溶融によって均一な密封が可能である。一方、上端部５６と下端部５７には電極リード５１，５２が突出しているため、電極リード５１，５２の厚さ及び外装部材５４の素材との異質性を考慮して、密封性を高めることができるように、電極リード５１，５２との間にフィルム状のシーリング部材５８を介在させた状態で熱融着させる。
セルカバー１００は、図１に示したようなパウチ型電池セル（図示せず）を２つ内蔵し、その機械的剛性を補完するだけでなく、モジュールケース（図示せず）に対する装着を容易にする役割を果たす。前記電池セルは、その一側の電極端子が直列に接続された後、折り曲げられて互いに密着した構造でセルカバー１００の内部に装着される。
セルカバー１００は、相互結合方式の一対の部材１１０，１２０で構成されており、高強度の金属板材からなっている。セルカバー１００の左右両端に隣接する外面には、モジュールの固定を容易にするための段差１３０が形成されており、上端と下端にもまた、同じ役割を果たす段差１４０が形成されている。また、セルカバー１００の上端と下端には幅方向に固定部１５０が形成されているので、モジュールケース（図示せず）に対する装着を容易にする。
図３には、本発明の一実施例に係る電池パックの斜視図が模式的に示されており、図４には、図３の電池パックの断面図が模式的に示されている。
これらの図面を参照すると、電池パック２００は、多数個の電池セル１００からなる単位モジュール（図示せず）が長手方向に積層された形態の電池モジュール（図示せず）、上部ケース２２０と下部ケース２１０からなる電池パックケース（図示せず）、及び前記電池モジュールと上部ケース２２０との間に装着された傾斜プレート２３０を含む構造で構成されている。
上部ケース２２０には一対の冷媒流入口２２１，２２２が形成されており、下部ケース２１０には、冷媒流入口２２１，２２２の対向面に冷媒排出口２１１が形成されている。また、上部ケース２２０の上面には、電池パック２００の剛性を補強するために多数個のビード２２３が形成されている。
傾斜プレート２３０は、冷媒流入口２２１，２２２から冷媒排出口２１１の方向に傾きが減少する形状で装着されている。
図５には、本発明の一実施例に係る傾斜プレートが装着された電池パックの斜視図が模式的に示されており、図６には、本発明の一実施例に係る電池モジュールが装着された電池パックの斜視図が模式的に示されており、図７及び図８には、図６のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’の断面図がそれぞれ示されている。
これらの図面を図１乃至図４と共に参照すると、電池パック２００は、２列に配列されている一対の電池モジュール群３００，５００を含んでおり、電池モジュール群３００は、４個の電池セル１００からなる６個の単位モジュール３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６でそれぞれ構成されており、同様に、電池モジュール群５００は、４個の電池セル１００からなる５個の単位モジュール５０１，５０２，５０３，５０４，５０５でそれぞれ構成されている。
電池モジュール群３００，５００の上面には傾斜プレート２３０が装着されており、傾斜プレート２３０には、電池モジュール群３００，５００の上面における対応する部位に傾斜面２３１が形成されている。傾斜面２３１は、冷媒流入口２２１，２２２から冷媒排出口２１１の方向に傾きが減少する形状で形成されている。
したがって、傾斜プレート２３０に形成された傾斜面２３１によって電池モジュール群３００，５００が空間的に分離されることによって、冷媒流入口２２１から流入した冷媒は電池モジュール群３００を、冷媒流入口２２２から流入した冷媒は電池モジュール群５００をそれぞれ独立に冷却させた後、冷媒排出口２１１で合流して排出される。
以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明したが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池パックは、電池パックケースと電池モジュールとの間に、冷媒の流動を案内する傾斜プレートが形成されているので、電池パックケースの剛性を補強しながらも、電池セルまたは単位セルの温度を効果的に減少させることができる。
また、本発明に係る電池パックは、電池モジュールにおいて冷媒排出部に対向する位置の電池パックケースの部位には、電池モジュール別に冷媒流入口が独立に位置しているので、冷媒が通過する長さと流速が半分に減少して、流動方向の電池モジュールで生じる温度偏差及び差圧を減少させることができる。
２１０ 下部ケース
２１１ 冷媒排出口
２２０ 上部ケース
２２１、２２２ 冷媒流入口
２３０ 傾斜プレート
３００、５００ 電池モジュール群
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６ 単位モジュール
５０１、５０２、５０３、５０４、５０５ 単位モジュール

Claims (18)

  1. ２つ以上の電池セルまたは単位モジュールが内蔵されている構造の電池モジュールが順に積層されている電池モジュールアセンブリが収納されている電池パックケースであって、
    単位モジュールの冷却のための冷媒が、単位モジュールの積層方向に垂直な方向に電池モジュールの一側から対向側に流動できるように、冷媒流入口と冷媒排出口が、互いに反対方向に電池パックケースの上部及び下部に位置しており、
    電池パックケースと電池モジュールとの間には、冷媒の流動を案内する傾斜プレートが形成されており、
    前記電池パックケースは、一対の上部ケース及び下部ケースを含んでおり、
    前記上部ケースには、前記傾斜プレートとの間の空間で冷媒が前記電池モジュールの一側から対向側に流動できるように一対の冷媒流入口が、前記下部ケースには、前記冷媒流入口から流入した冷媒が排出される冷媒排出口が、互いに反対方向にそれぞれ形成されており、
    前記冷媒流入口は、第１電池モジュール群に冷媒が流入する第１冷媒流入口、及び第２電池モジュール群に冷媒が流入する第２冷媒流入口を含んでおり、前記冷媒排出口は、前記第１冷媒流入口と前記第２冷媒流入口との間の仮想の垂直中心線上に形成されていることを特徴とする、電池パックケース。
  2. 前記傾斜プレートは、電池パックケースと一体に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  3. 前記電池セルは、ニッケル−水素二次電池またはリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  4. 前記電池セルは、金属層及び樹脂層を含むラミネートシートの電池ケースに電極組立体が内蔵されているパウチ型電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  5. 前記単位モジュールは、電極端子が直列に互いに接続されており、前記電極端子の接続部が折り曲げられて積層構造をなしている２つまたはそれ以上の電池セル、及び前記電極端子の部位を除いて前記電池セルの外面を取り囲むように互いに結合される一対のセルカバーを含んで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  6. 前記冷媒は空気であることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  7. 前記一対の冷媒流入口である第１冷媒流入口及び第２冷媒流入口は、それぞれ独立した冷媒流路を有し、互いに離隔していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  8. 冷媒は、前記一対の冷媒流入口である第１冷媒流入口及び第２冷媒流入口にそれぞれ流入し、前記冷媒排出口の部位で合流した後に共に排出されることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  9. 前記一対の冷媒流入口である第１冷媒流入口及び第２冷媒流入口は、前記上部ケースの上側方向に形成されており、前記冷媒排出口は、前記冷媒流入口から垂直断面視で前記冷媒流入口に対して６０°〜１２０°の範囲内に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  10. 前記傾斜プレートは、電池パックケースと電池モジュールアセンブリの上部及び／又は下部との間に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  11. 前記傾斜プレートは、垂直断面視で、前記冷媒流入口から前記冷媒排出口の方向に線形的に減少する形状に形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の電池パックケース。
  12. 前記傾斜プレートは、垂直断面視で、前記冷媒流入口から前記冷媒排出口の方向に線形的に増加する形状に形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の電池パックケース。
  13. 前記電池パックケースは、単位モジュールの積層方向に対応する長さが単位モジュールの幅方向に対応する長さよりも相対的に長く形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  14. 前記冷媒排出口の幅は、前記電池パックケースの幅を基準として１０〜７０％の大きさを有していることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  15. 前記冷媒流入口及び／又は冷媒排出口には、冷媒の流動駆動力を提供できるように駆動ファンがさらに装着されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックケース。
  16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の電池パックケースに電池モジュールアセンブリが装着されている構造の電池パック。
  17. 請求項１６に記載の電池パックを電源として使用することを特徴とする、デバイス。
  18. 前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置であることを特徴とする、請求項１７に記載のデバイス。
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