JP2017521816A - 水冷式冷却構造を含む電池モジュール - Google Patents

水冷式冷却構造を含む電池モジュール Download PDF

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Abstract

本発明は、２つ以上の電池セルが互いに密着又は隣接するように側面配列されている電池セルアセンブリ、前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルをそれぞれ覆うように固定されている前面プレート及び後面プレート、電池セルアセンブリの上端に装着され、前記電池セルの電極端子が貫通する貫通溝が形成されている電気絶縁性のカバー部材、前記カバー部材に装着された状態で配列されており、前記電池セルの電極端子にそれぞれ接続されて電池セルの電気的接続及び電圧検出を行う導電性接続部、前記電池セルの間に介在しており、冷媒が内部で流動する中空構造の冷媒流動部が形成されている冷却部材、及び前記冷媒流動部の冷媒を流動させるように冷却部材と連結されているマニホールドを含むことを特徴とする電池モジュールを提供する。

Description

本発明は、水冷式冷却構造を含む電池モジュールに関する。
近年、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）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ 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中大型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ので、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形電池、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。
このような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二次電池は充放電過程で多量の熱を発生させる。特に、前記電池モジュールに広く使用されるパウチ型電池のラミネートシートは、熱伝導性の低い高分子物質で表面がコーティングされているため、電池セル全体の温度を効果的に冷却させることが難しい実情である。
充放電過程で発生した電池モジュールの熱が効果的に除去されないと、熱蓄積が発生し、結果的に電池モジュールの劣化を促進し、場合によっては、発火又は爆発を誘発することがある。したがって、中大型電池モジュールを多数個含み、高出力大容量の電池である車両用中大型電池パックには、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。
中大型電池パックに装着される電池モジュールは、一般に、多数の電池セルを高い密集度で積層する方法で製造し、充放電時に発生した熱を除去できるように、隣接する電池セルを一定の間隔で離隔させて積層する。例えば、電池セル自体を別途の部材なしに所定の間隔で離隔させながら順次積層するか、または機械的剛性が低い電池セルの場合に、１つ又は２つ以上の組み合わせでカートリッジなどに内蔵して単位モジュールを構成し、このような単位モジュールを多数個積層して電池モジュールを構成することができる。したがって、別途のカートリッジは、機械的剛性が高くなるという利点があるが、電池モジュール全体の大きさが大きくなる。
また、積層された電池セル間又は電池モジュール間には、蓄積される熱を効果的に除去できるように、冷媒用流路が電池セル間又は電池モジュール間に形成される構造からなる。
特に、前記冷却構造が水冷式冷却システムである場合、多数の冷媒流路がチャネル構造で前記電池セル間又は電池モジュール間に形成されるため、その設計が非常に複雑であるだけでなく、冷却構造の構成時、電池パックの特定の部位に冷却部材や熱伝導部材が装着される場合、電池パック全体の大きさが大きくなる。
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、電池モジュールの冷却構造及びその他の部品を効率的に構成して電池モジュールの体積を減少させ、冷却性能を向上させ、構造的安定性を向上させることができる電池モジュール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モジュールは、
２つ以上の電池セルが互いに密着又は隣接するように側面配列されている電池セルアセンブリ；
前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルをそれぞれ覆うように固定されている前面プレート及び後面プレート；
電池セルアセンブリの上端に装着され、前記電池セルの電極端子が貫通する貫通溝が形成されている電気絶縁性のカバー部材；
前記カバー部材に装着された状態で配列されており、前記電池セルの電極端子にそれぞれ接続されて電池セルの電気的接続及び電圧検出を行う導電性接続部；
前記電池セルの間に介在しており、冷媒が内部で流動する中空構造の冷媒流動部が形成されている冷却部材；及び
前記冷媒流動部の冷媒を流動させるように冷却部材と連結されているマニホールド；
を含む構造で構成されてもよい。
すなわち、本発明に係る電池モジュールは、冷却構造及びその他の部品を効率的に構成することによって、電池モジュールをさらにコンパクト化し、冷却性能及び構造的安定性を確保する構造で構成することができる。
前記電池セルは、電池モジュールの構成のために積層されたとき、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板状型電池セルであってもよい。このような電池セルの例として、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池収納部に内蔵されており、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が熱融着によって密封されて外周面にシーリング部を形成している電池セルを挙げることができ、このような構造の電池セルをパウチ型電池セルと称する。
前記電池セルは、それぞれカートリッジに固定することができ、カートリッジに電池セルが固定された構造が側面配列されるように積層されて電池セルアセンブリを形成する構造からなることができる。
このとき、前記カートリッジには、電池セルアセンブリを固定するための締結部材が挿入される締結口が形成されていてもよい。前記締結口は、カートリッジの角部位に形成されてもよく、前記締結口に締結部材を挿入して、カートリッジの側面配列された積層構造を固定する構造からなることができる。
また、前記カートリッジは、例えば、前記カートリッジを中心に両側に位置した電池セルの外周面シーリング部を固定するフレーム構造で構成されてもよい。
前記電池セルアセンブリは、電池セルの正極端子及び負極端子が上部方向に突出するように電池セルを配列することができ、電池セルが側面配列されて積層されたとき、電池セルの電極端子が電池セルの積層方向に配列された構造を形成することができる。
前記導電性接続部は、カバー部材の貫通口に対応するように配列された状態でカバー部材に結合されていてもよい。したがって、それぞれの貫通口を通して外側に突出した電極端子に前記導電性接続部がそれぞれ接続される構造をなすことができる。前記導電性接続部と電極端子は、溶接又は機械的結合などで結合されて電気的に接続されてもよい。
前記カバー部材は、電池セルアセンブリの上端に安定的に固定された構造を維持するために、カバー部材の縁部に電池セルアセンブリの最外側に装着されている前面プレート及び後面プレートの上部を覆うように下向きに延びている２つ以上の固定部が形成されている構造からなることができる。
一方、本発明は、電池モジュールの作動を制御するＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）をさらに含むことができ、このようなＢＭＳは、上部カバー部材の上部に装着することができる。
前記冷却部材の素材は、熱伝導性を有する素材であれば特に限定されず、例えば、金属素材で形成されてもよい。
このような冷却部材は、両面が電池セルにそれぞれ密着した状態で電池セルの間に介在している板状型の放熱部、前記放熱部の外縁に沿って形成されている冷媒流動部、冷媒が流入する冷媒流入口、及び冷媒が排出される冷媒排出口を含む構造であってもよい。
前記冷却部材の冷媒流入口及び冷媒排出口は、前記マニホールドに連結されて冷媒を流入及び排出するために、前記放熱部の一側に形成されている構造であってもよい。具体的に、前記冷媒流入口及び冷媒排出口は、電池セルアセンブリの下部方向に形成されており、前記冷却部材と連結されているマニホールドは、電池セルアセンブリの下部に装着されていてもよい。
前記冷却部材の冷媒流動部で流動する冷媒は水であってもよく、これに限定されるものではない。
前記カートリッジのフレームの一側には、冷却部材が介在した状態で第１電池セルが装着され、フレームの他側には第２電池セルが装着され得、前記第１電池セルと第２電池セルは冷却部材の両面に密着した構造で形成され得る。すなわち、冷却部材がプレート状であり、電池セルが板状型の構造を有するとき、電池セルの間に冷却部材が介在した状態でこれらが密着した構造で形成され得る。
一方、前記フレームには、冷却部材の冷媒流入口と冷媒排出口が装着されるための装着湾入部が形成されてもよい。このような構造によって、カートリッジによって固定された電池セルが積層された構造で、前記冷却部材が定位置で安定的に固定されて冷却を行う構造で形成され得る。
前記電池セルアセンブリと前記前面プレート又は後面プレートとの間に絶縁性を確保し、外部衝撃に対して電池セルアセンブリを保護するために、前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルと前面プレート及び後面プレートとの間には、１つ以上の絶縁部材がさらに介在していてもよい。
このような絶縁部材は、例えば、多孔性素材からなる第１絶縁部材、及びシート素材からなる第２絶縁部材を含む構造で構成されてもよい。前記第１絶縁部材を構成する多孔性素材の例として発泡樹脂を挙げることができるが、これに限定されるものではない。
具体的に、前記第１絶縁部材は最外側の電池セルと接し、第２絶縁部材は前面プレート又は後面プレートと接する構造であってもよく、前記第２絶縁部材のシート素材は、前面プレート又は後面プレートの内面形状と同じ形状に形成されていてもよい。
本発明はまた、前記電池モジュールを単位体として使用して製造される高出力大容量の電池パックを提供する。前記電池パックは、電池パックケースに１つ又は２つ以上の電池モジュールが搭載されてもよく、電圧測定部材、電源遮断部材などの様々な安全装置、電池パックの全体的な冷却システム、及び外部デバイスに対する装着部材などが含まれた構造であってもよい。
本発明はまた、前記電池パックを含んでいるデバイスを提供する。
前記デバイスは、例えば、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、及び電力貯蔵装置から選択されるいずれか１つであってもよいが、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作製方法は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。
本発明の一実施例に係る電池モジュールの斜視図である。
図１の一部の部位を分解した構造の分解斜視図である。
図２の電池セルに関する拡大図である。
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あり、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、本発明の一実施例に係る電池モジュール１００の斜視図が示されており、図２には、図１の一部の部位を分解した構造の分解斜視図が示されている。
図１及び図２を参照すると、電池モジュール１００は、電池セルアセンブリ１２０、前面プレート１３２及び後面プレート１３６、カバー部材１４０、導電性接続部１５０、冷却部材１６０、及びマニホールド１７０を含む構造で構成されている。
電池セルアセンブリ１２０は、電池セル１１０が互いに隣接するように側面配列されており、このような電池セル１１０は、それぞれカートリッジ１２５に固定されて側面積層された構造で形成されている。電池セル１１０は、電極端子が上部方向に突出するように側面配列されている。そして、カートリッジ１２５は、電池セルの外周面シーリング部を固定するフレーム構造で形成されており、角部にはそれぞれ、電池セルアセンブリ１２０を固定するための締結口１２６が形成されている。すなわち、締結口１２６に締結部材１２８が挿入され、カートリッジ１２５の側面配列された積層構造を固定する構造からなっている。
電池セルアセンブリ１２０を保護する前面プレート１３２及び後面プレート１３６は、それぞれ電池セルアセンブリ１２０の最外側に位置した電池セルを覆うように固定されており、締結部材１２８によってカートリッジ１２５と共に固定される。
カバー部材１４０は、電池セルアセンブリ１２０の上端に装着されており、電池セル１１０の電極端子１１１，１１２が貫通する貫通溝が形成されている。このようなカバー部材１４０は、電池セルアセンブリ１２０の上端に安定的に固定されるように、縁部に前面プレート１３２及び後面プレート１３６の上部を覆うように下向きに延びている多数の固定部１４２が形成されている。
導電性接続部１５０は、それぞれカバー部材１４０の貫通口に対応するように配列された状態でカバー部材１４０に結合されており、貫通口を通して外側に突出した電極端子１１１，１１２と結合されて電気的に接続される。このような導電性接続部１５０は、電池セル１１０の電気的接続及び電圧検出を行う構造からなっている。
冷却部材１６０は、両面が電池セル１１０にそれぞれ密着した状態で電池セル１１０の間に介在している板状型の放熱部１６２、放熱部１６２の外縁に沿って形成されている冷媒流動部１６４、冷媒が流入する冷媒流入口１６６、及び冷媒が排出される冷媒排出口１６７を含む構造で構成されている。
冷却部材１６０の冷媒流入口１６６及び冷媒排出口１６７は、マニホールド１７０に連結されて冷媒を流入及び排出するために、放熱部１６２の下端に形成されており、冷却部材１６０と連結されているマニホールド１７０は電池セルアセンブリ１２０の下部に装着されている。
このような冷却部材１６０は、その両側面にそれぞれ電池セル１１０が密着するようにすることによって電池セル１１０の冷却効率を極大化させる構造からなっている。
また、フレームには、冷却部材１６０の冷媒流入口１６６及び冷媒排出口１６７が装着されるための装着湾入部１２９が形成されているため、冷却部材１６０を定位置で安定的に固定する構造をなしている。
前面プレート１３２と電池セルアセンブリ１２０との間、及び後面プレート１３６と電池セルアセンブリ１２０との間にはそれぞれ絶縁部材１８０が介在している。
このような絶縁部材１８０は、衝撃吸収のための発泡樹脂で形成されている第１絶縁部材１８４と、絶縁性の確保のために前面プレート１３２又は後面プレート１３６の内面形状と同じ形状に形成されている第２絶縁部材１８２とを含んでいる。
一方、カバー部材１４０の上部には、電池モジュール１００の作動を制御するＢＭＳ１９０が装着されている。
図３には、図２の電池セルに関する拡大図が示されている。
図３を参照すると、電池セル１１０は、長方形の板状型電池セルであって、ラミネートシートの電池ケース１１３に電極組立体（図示せず）を電解液（図示せず）と共に内蔵し、熱融着によって外周面１１４をシールした構造からなっている。電極タブ１１１，１１２は電池ケース１１３の一側に形成されている。
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、本発明に係る電池モジュールは、電池モジュールの冷却構造及びその他の部品を効率的に構成して、電池モジュールの体積を減少させ、冷却性能を向上させ、構造的安定性を向上させる効果を提供する。
１００ 電池モジュール
１１０ 電池セル
１１１、１１２ 電極端子
１１３ 電池ケース
１１４ 外周面
１２０ 電池セルアセンブリ
１２５ カートリッジ
１２６ 締結口
１２８ 締結部材
１２９ 装着湾入部
１３２ 前面プレート
１３６ 後面プレート
１４０ カバー部材
１４２ 固定部
１５０ 導電性接続部
１６０ 冷却部材
１６２ 放熱部
１６４ 冷媒流動部
１６６ 冷媒流入口
１６７ 冷媒排出口
１７０ マニホールド
１８０ 絶縁部材
１８２ 第２絶縁部材
１８４ 第１絶縁部材

Claims (24)

  1. ２つ以上の電池セルが互いに密着又は隣接するように側面配列されている電池セルアセンブリと、
    前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルをそれぞれ覆うように固定されている前面プレート及び後面プレートと、
    電池セルアセンブリの上端に装着され、前記電池セルの電極端子が貫通する貫通溝が形成されている電気絶縁性のカバー部材と、
    前記カバー部材に装着された状態で配列されており、前記電池セルの電極端子にそれぞれ接続されて電池セルの電気的接続及び電圧検出を行う導電性接続部と、
    前記電池セルの間に介在しており、冷媒が内部で流動する中空構造の冷媒流動部が形成されている冷却部材と、
    前記冷媒流動部の冷媒を流動させるように冷却部材と連結されているマニホールドと、
    を含むことを特徴とする、電池モジュール。
  2. 前記電池セルは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの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に記載の電池モジュール。
  3. 前記電池セルアセンブリは、電池セルがそれぞれカートリッジに固定された構造が側面配列されるように積層されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 前記カートリッジには、電池セルアセンブリを固定するための締結部材が挿入される締結口が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記カートリッジは、両側に位置する電池セルの外周面シーリング部を固定するフレームで構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の電池モジュール。
  6. 前記電池セルアセンブリは、電池セルの正極端子及び負極端子が上部方向に突出するように電池セルが配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  7. 前記導電性接続部は、カバー部材の貫通口に対応するように配列された状態でカバー部材に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  8. 前記電池モジュールの作動を制御するＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）をさらに含んでおり、上部カバー部材の上部にＢＭＳが装着されることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  9. 前記カバー部材の縁部には、前面プレート及び後面プレートの上部を覆うように下向きに延びている２つ以上の固定部が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  10. 前記冷却部材は金属素材からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  11. 前記冷却部材は、両面が電池セルにそれぞれ密着した状態で電池セルの間に介在している板状型の放熱部、前記放熱部の外縁に沿って形成されている冷媒流動部、冷媒が流入する冷媒流入口、及び冷媒が排出される冷媒排出口を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  12. 前記冷媒流入口及び冷媒排出口は、前記放熱部の一側に形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の電池モジュール。
  13. 前記冷媒流入口及び冷媒排出口は、電池セルアセンブリの下部方向に形成されており、前記冷却部材と連結されているマニホールドは、電池セルアセンブリの下部に装着されていることを特徴とする、請求項１２に記載の電池モジュール。
  14. 前記冷媒は水であることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  15. 前記フレームの一側に、冷却部材が介在した状態で第１電池セルが装着されており、フレームの他側に第２電池セルが装着されており、前記第１電池セルと第２電池セルは冷却部材の両面に密着していることを特徴とする、請求項５に記載の電池モジュール。
  16. 前記フレームには、冷却部材の冷媒流入口及び冷媒排出口が装着されるための装着湾入部が形成されていることを特徴とする、請求項１５に記載の電池モジュール。
  17. 前記電池セルアセンブリの最外側の電池セルと前面プレート及び後面プレートとの間には、１つ以上の絶縁部材がさらに介在していることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
  18. 前記絶縁部材は、多孔性素材からなる第１絶縁部材及びシート素材からなる第２絶縁部材で構成されていることを特徴とする、請求項１７に記載の電池モジュール。
  19. 前記第１絶縁部材は発泡樹脂からなることを特徴とする、請求項１８に記載の電池モジュール。
  20. 前記第１絶縁部材は最外側の電池セルと接し、第２絶縁部材は前面プレート又は後面プレートと接することを特徴とする、請求項１８に記載の電池モジュール。
  21. 前記第２絶縁部材のシート素材は、前面プレート又は後面プレートの内面形状と同じ形状に形成されていることを特徴とする、請求項２０に記載の電池モジュール。
  22. 請求項１乃至２１のいずれかに記載の電池モジュールを単位体として使用して製造される、高出力大容量の電池パック。
  23. 請求項２２に記載の電池パックを含んでいる、デバイス。
  24. 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２３に記載のデバイス。
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