JP7098191B2

JP7098191B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP7098191B2
Application number: JP2020556908A
Authority: JP
Inventors: ヒョンソク・シム
Original assignee: LG Energy Solution Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2022-07-11
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: CN110911776A; CN210350040U; US12051791B2; ES2948397T3; US20210151821A1; EP3764454B1; PL3764454T3; CN110911776B; EP3764454A4; KR20200032525A; JP2021518046A; US20240339697A1; KR102358425B1; WO2020060048A1; EP3764454A1; HUE062207T2

Description

〔関連出願との相互引用〕
本出願は２０１８年９月１８日付韓国特許出願第１０－２０１８－０１１１６５６号に基づいた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、電池モジュールに関するものであって、より具体的に、温度偏差を改善した水冷電池冷却装置を含む電池モジュールに関するものである。

製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電池自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点で環境にやさしくエネルギー効率性向上のための新たなエネルギー源として注目されていている。

前記電池自動車などに適用される電池パックは、高出力を得るために複数の単位セルを含む多数のセルアセンブリーを直列に連結した構造を有している。そして、前記単位セルは、正極および負極集電体、セパレータ、活物質、電解液などを含んで、構成要素間の電気化学的反応によって反復的な充放電が可能である。

一方、近来エネルギー貯蔵源としての活用をはじめとして大容量構造に対する必要性が高まるにつれて、多数の二次電池が直列および／または並列に連結された多数の電池モジュールを集合させたマルチモジュール構造の電池パックに対する需要が増加している。

マルチモジュール構造の電池パックは、多数の二次電池が狭い空間に密集する形態に製造されるため、各二次電池から発生する熱を容易に放出することが重要である。二次電池から発生した熱を放出する多様な方法のうちの一つの方法として、大韓民国特許公開公報１０－２０１３－００６２０５６には冷却水による冷却方法を開示している。

図１は、従来の技術による冷却流路が配置された構成図である。

図１を参照すれば、二次電池を冷却させるための冷却流路１０が示されている。冷却流路１０に流れる冷媒は、入口１１に入って出口１２に出るようになる。前記のような構造の冷却流路１０では、二次電池は入口１１側に近い側がさらに多く冷却され、出口１２側に近い側がさらに少なく冷却される問題点がある。即ち、入口１１から遠くて出口１２に

近いほど、冷却水の温度が上昇して冷却効率が落ちるという問題点がある。

前記のような従来の技術の問題点は、二次電池の温度偏差を誘発し、二次電池の温度偏差は二次電池の性能偏差につながる。結局、二次電池を含む電池パックなどシステムの性能低下に連結される。したがって、均一な冷却効果を出すことができる冷却流路の設計が必要である。

本発明が解決しようとする課題は、均一な冷却性能を示す電池モジュールを提供するためのものである。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述の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できる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、一方向に積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、前記電池セルの間に介在される冷却フィン、及び、前記冷却フィンに連結される第１冷却マニホールドおよび第２冷却マニホールドを含み、前記冷却フィンは第１流入口及び第１排出口を有する第１冷却フィンと、第２流入口及び第２排出口を有する第２冷却フィンを含み、前記第１流入口及び前記第２排出口が前記第１冷却マニホールドに連結され、前記第２流入口及び前記第１排出口が前記第２冷却マニホールドに連結される。

前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、２個の領域に区画できる。

前記２個の領域は流入マニホールド及び排出マニホールドから形成され、前記第１流入口は前記第１冷却マニホールドの流入マニホールドに連結され、前記第１排出口は前記第２冷却マニホールドの排出マニホールドに連結され、前記第２流入口は前記第２冷却マニホールドの流入マニホールドに連結され、前記第２排出口は前記第１冷却マニホールドの排出マニホールドに連結できる。

前記第１流入口、前記第１排出口、前記第２流入口、および前記第２排出口はそれぞれ、折り曲げられた部分を有することができる。

前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、前記電池セル積層体の積層方向に沿って伸びていてもよい。

前記冷却フィンは、放熱板と、前記放熱板の縁に形成された冷媒パイプとを含むことができる。

前記冷媒パイプの両端部にそれぞれ前記第１流入口及び前記第１排出口が配置されてもよい。

前記冷却フィンは、放熱板と、前記放熱板の内部に形成された冷媒パイプとを含むことができる。

前記冷媒パイプは、前記電池セル積層体の積層方向に向かう前記電池セルの面と重畳しながらジグザグ構造を有することができる。

前記電池モジュールは、前記電池セルの間に介在される緩衝部材をさらに含むことができる。

本発明の他の一実施形態による電池モジュールは、一方向に積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、前記電池セルの間に介在され流入口と排出口を有する冷却フィン、及び、前記冷却フィンに連結される第１冷却マニホールドおよび第２冷却マニホールドを含み、前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、前記流入口および前記排出口に連結され、前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドそれぞれにおいて前記流入口及び前記排出口は互いに交互に配列される。

前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドそれぞれは２個の領域に区画されており、前記第１冷却マニホールドに連結される前記流入口及び前記排出口は前記２個の領域のうちの互いに異なる領域に連結され、前記第２冷却マニホールドに連結される前記流入口及び前記排出口は前記２個の領域のうちの互いに異なる領域に連結できる。

前記流入口及び前記排出口はそれぞれ、折り曲げられた部分を有することができる。

前記流入口が折り曲げられる方向と前記排出口が折り曲げられる方向とは互いに異なってもよい。

実施形態によれば、冷却フィンの流入口と排出口が交互に配置されるようにして均一な冷却性能を示すようにする電池モジュールを実現することができる。

従来の技術による冷却流路が配置された構成図である。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２の実施形態で冷却マニホールドと冷却パイプの連結関係を示した斜視図である。図２の実施形態による電池モジュールを一側面から見た側面図である。図２の実施形態による電池モジュールに含まれている一つの放熱板を示す正面図である。図５で説明した放熱板と隣接する他の一つの放熱板を示す正面図である。図２の実施形態で緩衝部材が追加された電池モジュールを示す斜視図である。図７の実施形態による電池モジュールを一側面から見た側面図である。図５で説明した冷却フィンの変形例を示す正面図である。図６で説明した冷却フィンの変形例を示す正面図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態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しく説明する。本発明は様々な異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。

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、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。

また、明細書全体で、“平面上”という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、“断面上”という時、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２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３は、図２の実施形態で冷却マニホールドと冷却パイプの連結関係を示した斜視図である。図４は、図２の実施形態による電池モジュールを一側面から見た側面図である。図５は、図２の実施形態による電池モジュールに含まれている一つの放熱板を示す正面図である。図６は、図５で説明した放熱板と隣接する他の一つの放熱板を示す正面図である。

図２～図４を参照すれば、本発明の一実施形態による電池モジュール１０００は、一定の距離だけ離隔して並んで形成される複数個の電池セル１００および互いに隣接する電池セル１００の間にそれぞれ介在されて密着する冷却フィン２００を含む。冷却フィン２００は、後述の図５に示した板状型の放熱板２０５と放熱板２０５の縁に形成された冷媒パイプ２１０とを含む。冷媒パイプ２１０は、放熱板２０５とフック結合するか、冷媒パイプ２１０と放熱板２０５が一体形に形成されてもよい。冷媒パイプ２１０は、電池セル１００の外側に配置されるように形成される。

図示されてはいないが、電池セル１００は板型に形成される電極体の一側または両側に電極タップが形成され、電池セル１００の電極タップは互いに隣接する電池セル１００の電極タップと電気的に直列または並列に連結できる。

図５および図６を参照すれば、冷却フィン２００に含まれている放熱板２０５は板型に形成されて電池セル１００の間にそれぞれ介在された後に密着するようにして、電池セル１００の充電または放電過程で発生する熱が放熱板２０５に急速に伝達されるようにする。そして、放熱板２０５はアルミニウムまたは銅のように熱伝導度の高い材質から形成することができ、このような材質に限定されず、電池セル１００から発生する熱が急速に伝達できる材質であれば放熱板２０５を形成する材質として使用できる。この時、放熱板２０５は、電池セル１００の電極体より広く形成できる。

本実施形態による電池モジュール１０００は、冷却フィン２００に連結される第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００を含む。図２および図３を参照すれば、第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００はそれぞれ、複数個積層された電池セル１００からなる電池セル積層体の積層方向に沿って伸びている。第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００は電池セル積層体の一端部に隣接して位置し、第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００が互いに並んで配置されてもよい。また、第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００はそれぞれ、２個の領域に区画されている。

具体的に、第１冷却マニホールド３００は流入マニホールド３１０及び排出マニホールド３２０の２個の領域を形成し、第２冷却マニホールド４００も流入マニホールド４１０及び排出マニホールド４２０の２個の領域を形成することができる。流入マニホールド３１０、４１０は、冷媒が外部から流入して流入口２１１、２１３を通じて冷却フィン２００に冷媒が供給されて電池セル１００から発生した熱を冷却させるようにする経路を提供する。これに反し、排出マニホールド３２０、４２０は、電池セル１００から発生した熱を冷却させる役割を果たした冷媒を排出口２１２、２１４を通じて冷却フィン２００から回収する経路を提供する。

冷媒パイプ２１０の両端には流入口２１１、２１３と排出口２１２、２１４とがそれぞれ形成されて、冷媒が冷媒パイプ２１０を通過して熱交換を起こすことができるように構成される。本実施形態では流入口２１１、２１３および排出口２１２、２１４が放熱板２０５の一側に形成される形態を示したが、電池セル１００の形状および電極タップが形成される位置によって多様に変形できる。

電池セル１００の充電または放電時、電池セル１００の電極体から発生する熱が放熱板２０５を通じて冷媒パイプ２１０に伝達され、冷媒パイプ２１０の内部を通過する冷媒に伝達されて電池セル１００が冷却される。

複数の冷却フィン２００から選択された第１冷却フィン及び第２冷却フィンは、互いに隣接する冷却フィンであり得る。第１冷却フィンは第１流入口２１１及び第１排出口２１２を有し、第２冷却フィンは第２流入口２１３及び第２排出口２１４を有することができる。本実施形態でおいて第１流入口２１１及び第１排出口２１２は第１冷却フィンに含まれている冷媒パイプ２１０の両端部にそれぞれ位置し、第２流入口２１３及び第２排出口２１４は第２冷却フィンに含まれている冷媒パイプ２１０の両端部にそれぞれ位置する。

第１流入口２１１及び第２排出口２１４は第１冷却マニホールド３００に連結され、第２流入口２１３及び第１排出口２１２は第２冷却マニホールド４００に連結される。具体的に、第１流入口２１１は第１冷却マニホールド３００の流入マニホールド３１０に連結され、第１排出口２１２は第２冷却マニホールド４００の排出マニホールド４２０に連結され、第２流入口２１３は第２冷却マニホールド４００の流入マニホールド４１０に連結され、第２排出口２１４は第１冷却マニホールド３００の排出マニホールド３２０に連結される。

本実施形態による第１冷却マニホールド３００では第１流入口２１１及び第２排出口２１４が交互に配置され、第２冷却マニホールド４００では第１排出口２１２及び第２流入口２１３が交互に配置されることによって、第１冷却フィンと第２冷却フィンとの間に位置する電池セル１００を基準にして、電池セル１００の一面は左側が相対的に冷却され、反対面は右側が相対的に冷却されて、一つの電池セル１００をおいてみる時、均一な冷却性能を示すことができる。本実施形態を拡張して、第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００はそれぞれ、流入口２１１、２１３および排出口２１２、２１４に連結されるようにし、第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００のそれぞれにおいて流入口２１１、２１３及び排出口２１２、２１４が互いに交互に配列されるように設計することによって、電池セル積層体全体的に均一な冷却性能を示すことができる。

図２および図４で、電池セル１００一つずつごとに冷却フィン２００が形成されると示したが、電池モジュール１０００の他の例として、一対の電池セル１００の間に冷却フィン２００が一つずつ介在されて密着してもよい。このような構造に制限されず、二次電池が有する電池容量によって冷却フィン２００の個数は変わってもよい。

第１流入口２１１、第１排出口２１２、第２流入口２１３、および第２排出口２１４はそれぞれ、折り曲げられた部分を有することができる。この時、第１流入口２１１と第２流入口２１３とが折り曲げられる方向は互いに同一であり、第１排出口２１２と第２排出口２１４とが折り曲げられる方向は互いに同一である。しかし、流入口２１１、２１３と排出口２１２、２１４とが折り曲げられる方向は互いに異なる。

このように本実施形態によって冷却フィン２００と冷却マニホールド３００、４００との間の連結部材に折り曲げられた部分を有することによって、第１流入口２１１、第１排出口２１２、第２流入口２１３、および第２排出口２１４が前述の連結関係を実現することができるように第１冷却マニホールド３００及び第２冷却マニホールド４００それぞれの流入マニホールド３１０及び排出マニホールド４２０に安定的に連結される。

図７は、図２の実施形態で緩衝部材が追加された電池モジュールを示す斜視図である。図８は、図７の実施形態による電池モジュールを一側面から見た側面図である。

図７および図８を参照すれば、図２～図６で説明した実施形態と全ての構成要素が同一であり、但し、本実施形態による電池モジュール２０００は互いに隣接する電池セル１００の間に形成された緩衝部材１５０をさらに含む。緩衝部材１５０は二次電池の駆動中に電池セル１００が膨れ上がる時、体積変化による衝撃を緩和する役割を果たすことができる。

図９は、図５で説明した冷却フィンの変形例を示す正面図である。図１０は、図６で説明した冷却フィンの変形例を示す正面図である。

図９および図１０を参照すれば、図５および図６で説明した実施形態と冷却フィン２００の構造に差がある。本実施形態による冷却フィン２００は、放熱板２０５と、放熱板２０５の内部に形成された冷媒パイプ２１０とを含む。

冷媒パイプ２１０は、電池セル積層体の積層方向に向かう電池セル１００の面と重畳しながらジグザグ構造を有することができる。言い換えれば、冷媒パイプ２１０がジグザグ構造を有しながら実質的に電池セルの全体面と重畳するように配置されて電池セル１００を冷却させることができる。この時、冷媒パイプ２１０の両端には流入口２１１、２１３と排出口２１２、２１４とがそれぞれ形成されて、冷媒が冷媒パイプ２１０を通過して熱交換を起こすことができるように構成される。

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用い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のである。

１０：冷却流路
２００：冷却フィン
２０５：放熱板
２１０：冷媒パイプ
２１１、２１３：流入口
２１２、２１４：排出口
３００、４００：冷却マニホールド

Claims

一方向に積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、
前記電池セルの間に介在される冷却フィン、及び、
前記冷却フィンに連結される第１冷却マニホールドおよび第２冷却マニホールドを含み、
前記冷却フィンは、第１流入口及び第１排出口を有する第１冷却フィンと、第２流入口及び第２排出口を有する第２冷却フィンとを含み、
前記第１流入口及び前記第２排出口が前記第１冷却マニホールドに連結され、前記第２流入口及び前記第１排出口が前記第２冷却マニホールドに連結され、
前記第１流入口、前記第１排出口、前記第２流入口、および前記第２排出口はそれぞれ、折り曲げられた部分を有する、電池モジュール。
前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、２個の領域に区画されている、請求項１に記載の電池モジュール。
前記２個の領域は流入マニホールド及び排出マニホールドから形成され、前記第１流入口は前記第１冷却マニホールドの流入マニホールドに連結され、前記第１排出口は前記第２冷却マニホールドの排出マニホールドに連結され、前記第２流入口は前記第２冷却マニホールドの流入マニホールドに連結され、前記第２排出口は前記第１冷却マニホールドの排出マニホールドに連結される、請求項２に記載の電池モジュール。
前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、前記電池セル積層体の積層方向に沿って伸びている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
前記冷却フィンは、放熱板と、前記放熱板の内部に形成された冷媒パイプとを含む、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。
前記冷媒パイプは、前記電池セル積層体の積層方向に向かう前記電池セルの面と重畳しながらジグザグ構造を有する、請求項５に記載の電池モジュール。
一方向に積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、
前記電池セルの間に介在される冷却フィン、及び、
前記冷却フィンに連結される第１冷却マニホールドおよび第２冷却マニホールドを含み、
前記冷却フィンは、第１流入口及び第１排出口を有する第１冷却フィンと、第２流入口及び第２排出口を有する第２冷却フィンとを含み、
前記第１流入口及び前記第２排出口が前記第１冷却マニホールドに連結され、前記第２流入口及び前記第１排出口が前記第２冷却マニホールドに連結され、
前記冷却フィンは、放熱板と、前記放熱板の縁に形成された冷媒パイプとを含む、電池モジュール。
前記冷媒パイプの両端部にそれぞれ前記第１流入口及び前記第１排出口が位置する、請求項７に記載の電池モジュール。
前記電池セルの間に介在される緩衝部材をさらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
一方向に積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、
前記電池セルの間に介在され流入口と排出口を有する冷却フィン、及び、
前記冷却フィンに連結される第１冷却マニホールドおよび第２冷却マニホールドを含み、
前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、前記流入口および前記排出口に連結され、前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドそれぞれにおいて前記流入口及び前記排出口は互いに交互に配列され、
前記流入口及び前記排出口はそれぞれ、折り曲げられた部分を有する、電池モジュール。
前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ２個の領域に区画されており、前記第１冷却マニホールドに連結される前記流入口及び前記排出口は前記２個の領域のうちの互いに異なる領域に連結され、前記第２冷却マニホールドに連結される前記流入口及び前記排出口は前記２個の領域のうちの互いに異なる領域に連結される、請求項１０に記載の電池モジュール。
前記流入口が折り曲げられる方向と前記排出口が折り曲げられる方向とは互いに異なる、請求項１０又は１１に記載の電池モジュール。
一方向に積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、
前記電池セルの間に介在され流入口と排出口を有する冷却フィン、及び、
前記冷却フィンに連結される第１冷却マニホールドおよび第２冷却マニホールドを含み、
前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、前記流入口および前記排出口に連結され、前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドそれぞれにおいて前記流入口及び前記排出口は互いに交互に配列され、
前記第１冷却マニホールド及び前記第２冷却マニホールドはそれぞれ、前記電池セル積層体の積層方向に沿って伸びている、電池モジュール。