JP7601342B2 - 冷却流体の流入部及び排出部が形成された伝熱部材を含む電池パック - Google Patents

Description

本出願は２０２１年１２月２１日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１８３４９０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すべての内容はこの明細書の一部として含まれる。

本発明は冷却流体の流入部及び排出部が形成された伝熱部材を含む電池パックに関するものである。具体的には、密着して配列された電池セルのうち高温の電池セルを早く冷却させるように冷却流体の出入が可能な伝熱部材を含む電池パックに関するものである。

リチウム二次電池は、多機能小型製品である無線モバイル機器（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）または身体に着用するウェアラブル機器（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）のエネルギー源として使われているだけでなく、大気汚染を引き起こす既存のガソリン車両及びディーゼル車両に対する代案として提示される電気自動車やハイブリッド電気自動車などのエネルギー源または電力貯蔵装置としても使われている。

このように、前記リチウム二次電池が大容量及び高出力のエネルギー源として使われるのに伴い、前記リチウム二次電池の安全性を確保する問題が重要な関心対象となっている。

リチウム二次電池は、充電及び放電過程で温度が増加することになり、電池セルの高温化現象は電池セルの性能を低下させる原因になる。よって、電池セルの温度が危険温度以上に上昇することを防止するために、電池パック内に熱伝導度の高い素材からなる伝熱部材を備え、電池セルの熱エネルギーが前記伝熱部材を介して排出されるようにする。

しかし、エネルギー密度の高い電池パックを製造するために、電池セルが密着するように配置される場合、前記伝熱部材を介して熱エネルギーが排出されるよりは、隣接した電池セルへの熱伝播が発生しやすい。

また、前記伝熱部材がむしろ電池セル間の熱伝逹通路として機能すれば、電池セル間の熱伝播速度が急激に増加することになることがある。

したがって、複数の電池セルが密着して配列され、特定の電池セルの温度が急激に上昇する場合、他の電池セルに熱伝逹されることを防止するための技術が必要である。

特許文献１はバッテリーセル、冷却プレート及び吸熱部材を含むバッテリーモジュールを開示しており、前記冷却プレートは、内部にヒートパイプが挿入されている。よって、前記ヒートパイプはバッテリーセルと広い接触面積を確保しているので、前記ヒートパイプを介してバッテリーセルの熱を冷却プレートに排出することができる。

特許文献２は、多数のバッテリーセルのそれぞれの間にヒートパイプが配置され、前記ヒートパイプはＴ字形断面を有し、前記ヒートパイプの下端には冷却ラインが配列されるバッテリーパックを開示する。

しかし、特許文献１及び特許文献２は、電池セルの温度がヒートパイプ内の作動流体の気化温度以上になる場合には電池セルの熱暴走を防止しにくい構造である。

したがって、複数の電池セルが密着するように配列された電池パックにおいて、特定の電池セルで熱暴走現象が発生する場合、前記熱暴走が発生した電池セルを急速に冷却させることで、熱暴走が拡散することを防止することができる技術が必要である。

韓国公開特許第１０－２０１６－００４１４０７号公報 韓国公開特許第１０－２０２０－０１０４６１６号公報

本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、電池パック内で電池セルの熱暴走が拡散することを防止することができるように冷却流体の流入及び排出が可能な伝熱部材を含む電池パックを提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明による電池パックは、複数の電池セルを含む電池セルスタックと、前記電池セルスタックを冷却するための冷却部材と、前記複数の電池セルの熱を前記冷却部材に排出するための伝熱部材と、前記電池セルスタック、前記冷却部材、及び前記伝熱部材を内部に収容するパックケースとを含み、前記伝熱部材には冷却流体の流入部及び排出部が形成されている。

前記伝熱部材は内部に冷媒を含み、前記冷媒が前記電池セルの熱によって蒸発し、前記冷却部材によって凝縮する相転移が起こり、前記冷媒の相転移によって前記複数の電池セルから前記冷却部材に熱伝逹されることができる。

前記伝熱部材は、前記電池セルスタックと前記冷却部材との間に配置される第１伝熱部材と、前記複数の電池セルの間に介在される第２伝熱部材とを含むことができる。

前記伝熱部材の前記流入部及び前記排出部には、前記冷却流体の流入及び排出を制御するためのバルブが装着されることができる。

前記バルブは、前記電池セルの温度が危険温度範囲に上昇すれば、前記冷却流体が前記伝熱部材の内部を通過するように開放することができる。

温度が一定のレベル以上に上昇した電池セルに隣接して配置された前記伝熱部材のバルブのみが開放することができる。

前記第１伝熱部材及び前記第２伝熱部材は平板状の形態を有することができる。

前記危険温度範囲は１５０℃以上であってもよい。

前記電池セルの温度を測定する温度センサー、及び前記温度センサーで測定した温度によって前記バルブの開閉を制御する制御部をさらに含むことができる。

前記伝熱部材は、ヒートパイプであってもよい。

前記伝熱部材の流入部及び排出部は反復的に開放及び閉鎖することができ、前記伝熱部材の内部に少量の冷媒が残存する状態で前記流入部及び排出部が閉鎖することができる。

前記排出部は、前記少量の冷媒を除いた前記伝熱部材の内部空間が真空状態になるように圧力を低めるための減圧弁を備えることができる。

前記電池セルと前記電池セルとの間には前記第２伝熱部材または断熱材が配置されることができる。

前記断熱材は、弾性素材からなることができる。

本発明は、前記電池パックをエネルギー源として含むデバイスを提供する。

また、本発明は、前記課題の解決手段を多様に組み合わせた形態としても提供することができる。

以上で説明したように、本発明による電池パックは、複数の電池セルの熱を冷却部材に排出するための伝熱部材を含むので、電池セルの温度が急激に増加することを防止することができる。

また、電池セルの温度が危ないレベルに上昇する場合、伝熱部材に冷却流体が注入されることによって前記電池セルを急速に冷却することができるので、効果的に熱暴走を遮断することができる。

本発明による電池パックの斜視図である。 第１実施例による電池パックの一部の斜視図である。 図２のＡ－Ａ’についての断面図である。 伝熱部材の流入部及び排出部の開放の前後の状態を示す垂直断面図である。 第２実施例による電池パックの一部の斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただし、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。

また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

また、構成要素を限定するか付け加えて具体化する説明は、特別な制限がない限り、すべての発明に適用可能であり、特定の発明に限定されない。

また、本発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって単数で表示したものは、別に言及しない限り、複数の場合も含む。

また、本発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって「または」は、別に言及しない限り、「及び」を含むものである。したがって、「ＡまたはＢを含む」はＡを含むか、Ｂを含むか、またはＡ及びＢの両者を含む３種の場合を意味する。

本発明を図面に基づいて詳細な実施例と一緒に説明する。

図１は本発明による電池パックの斜視図である。

図１を参照すると、本発明による電池パックは、複数の電池セル１１０を含む電池セルスタック１００、電池セルスタック１００を冷却するための冷却部材２００、複数の電池セル１１０の熱を冷却部材２００に排出するための伝熱部材３００、及び電池セルスタック１００、冷却部材２００、及び伝熱部材３００を内部に収容するパックケース４００を含み、伝熱部材３００には冷却流体の流入部３２１及び排出部３２２が形成されている。

伝熱部材３００は、電池セルスタック１００と冷却部材２００との間に配置される第１伝熱部材３１０、及び複数の電池セル１１０の間に介在される第２伝熱部材３２０を含む。

伝熱部材３００は内部に冷媒を含んでおり、前記冷媒を収容するケースは熱伝導性に優れた素材から構成される。よって、伝熱部材３００を介して電池セルの冷却及び電池セル間の熱移動が起こることができるので、第１伝熱部材３１０を介して電池セル間の温度偏差の発生を防止することができ、電池セル１１０で発生する熱は第１伝熱部材３１０を介して冷却部材２００に排出されることができる。

具体的には、複数の電池セル１１０を含む電池セルスタック１００の下部には電池セル１１０を冷却させるための冷却部材２００が配置され、電池セルスタック１００と冷却部材２００との間には第１伝熱部材３１０が配置される。よって、第１伝熱部材３１０を介して電池セルスタック１００の熱が冷却部材２００に排出されることができる。よって、電池セル１１０の温度を一定の範囲に維持することができる。

パックケース４００内に、電池セルスタック１００、伝熱部材３００、及び冷却部材２００を収容した後、トッププレート４１０でパックケース４００の開放上面を覆って密封することで、電池パックを組み立てることができる。

しかし、図１に示すものとは違い、パックケース４００は、電極端子が突出した方向にエンドプレートが組み立てられるモノフレーム、またはＵ形フレームの形態を有することができ、パックケースの形態によって電池パックの密封方法が変わることができる。

冷却部材２００はケースの内部に冷媒が流動する構成を有することができ、冷却部材２００には前記冷媒の流出入のための流入部及び排出部が形成されることができ、パックケース４００の外部から冷媒が供給され、パックケース４００の外部に冷媒が排出されることができる。

電池セルは金属層及び樹脂層を含むラミネートシートからなるパウチ型電池ケースに電極組立体が収容されたパウチ型電池セルであり得るか、または金属の角形缶または円筒形缶に電極組立体が収納された角型電池セルまたは円筒型電池セルであり得る。

また、図１は正極リード１１１及び負極リード１１２が互いに反対方向に突出した両方向パウチ型電池セルを示しているが、これとは違い、正極リード１１１及び負極リード１１２が同一方向に突出した単方向パウチ型電池セルを適用することができるというのは言うまでもない。

図２は第１実施例による電池パックの一部の斜視図であり、図３は図２のＡ－Ａ’についての断面図であり、図３に示すバルブ３２６は図２では省略した。

図２及び図３を参照すると、図１からパックケース及び冷却部材が省略された状態を示している。

第１伝熱部材３１０及び第２伝熱部材３２０は板状の形態を有する。

第２伝熱部材３２０のｙ方向の長さ及びｚ方向の長さはこれらに対応する電池セル１１０のｙ方向の長さ及びｚ方向の長さより長いか同じ長さを有するように形成されることができる。よって、電池セル１１０と第２伝熱部材３２０との間の接触面を最大にして早い熱交換をなすことができる。

第２伝熱部材３２０の流入部３２１及び排出部３２２はｙ方向に沿って上部及び下部にそれぞれ形成される。電池セルスタック及び第２伝熱部材３２０が上部に配置される第１伝熱部材３１０のｚ方向の長さは電池セル１１０及び第２伝熱部材３２０が密着した構造体のｚ方向の長さと同じにまたはそれより短く形成されることができる。しかし、第１伝熱部材３１０のｘ方向の長さは電池セル１１０と第２伝熱部材３２０とが密着した構造体のｘ方向の長さと同じ程度に形成されることができる。よって、第１伝熱部材３１０は電池セル１１０及び第２伝熱部材３２０と冷却部材との間に熱交換される面積が可能な範囲内で最大になるように形成されることができる。

一方、第１伝熱部材３１０の流入部及び排出部はｘ方向に平行にまたはｚ方向に平行に突出した形態に構成されることができる。

一具体例で、電池セルの発熱による熱暴走現象が発生し得る温度を約１５０℃とするとき、電池セルの温度が１５０℃未満の状態を安全温度範囲とし、１５０℃以上の状態を危険温度範囲とするとき、安全温度範囲で第１伝熱部材３１０及び第２伝熱部材３２０は平板形になり、電池セルとの接触面積が最大になる状態を維持するので、電池セルが円滑に冷却されることで過熱を防止することができる。

図４は伝熱部材の流入部及び流出部の開放の前後の状態を示す垂直断面図である。

図４は伝熱部材のうちの第２伝熱部材３２０の垂直断面図であり、以下で説明する第２伝熱部材についての説明は第１伝熱部材にも同様に適用することができる。

第２伝熱部材３２０は内部に冷媒３２５を含み、冷媒３２５を除いた残りの部分が空間である真空状態に構成されることができる。前記真空状態の空間で冷媒３２５が熱によって蒸発し、冷却部材２００によって凝縮する相転移が起こることができる。このような冷媒の相転移によって複数の電池セル１１０の熱が第２伝熱部材３２０及び第１伝熱部材３１０を介して冷却部材２００に伝達されることができる。

図４で、冷媒がある第２伝熱部材３２０の下部は第１伝熱部材３１０と接触し、第１伝熱部材３１０は冷却部材と接触するように配置されるので、第１伝熱部材３１０の温度は第２伝熱部材３２０の温度より低い状態になる。

したがって、第２伝熱部材３２０の内部において、第１伝熱部材と接触して相対的に温度が低い下部で冷媒が凝縮し、相対的に温度が高い上部で蒸発が起こる過程が循環することができる。

第１伝熱部材３１０も上下方向を基準に第２伝熱部材３２０と同じ方式の相転移が起こることができる。

例えば、前記第１伝熱部材及び第２伝熱部材はヒートパイプからなることができ、公知のヒートパイプの種類に関係なく本発明の伝熱部材に適用可能である。

一具体例で、電池セルの温度が１５０℃以上になって危険温度範囲まで上昇する場合、電池セルの熱暴走現象を抑制し、隣接した電池セルに火炎が伝達されることを防止するために、伝熱部材に冷却流体を注入することで、電池セルを急速冷却させることができる。

詳細には、伝熱部材の流入部３２１及び排出部３２２のそれぞれには冷却流体３２７の流入及び排出を制御するためのバルブ３２６が装着されることができる。電池セルの温度が危険温度範囲に上昇すれば、冷却流体３２７が伝熱部材３００の内部を通過するようにバルブ３２６が開放する。

流入部３２１にあるバルブ３２６及び排出部３２２にあるバルブ３２６が開放し、冷却流体が伝熱部材を通過して流れるように連続的に供給すれば、冷却流体が流れる第２伝熱部材３２０と接触している電池セルを急速冷却させることができる。

バルブ３２６の形態及び位置は特に限定されず、冷却流体の流入及び排出を調節することができる形態であれば、当該技術分野で公知の形態のバルブを適用することができる。

一方、電池セルスタックを構成する複数の電池セルのうち、特定の電池セルのみが危険温度範囲に温度が上昇することがある。流入部３２１及び排出部３２２のバルブは前記特定の電池セルに隣接した第２伝熱部材３２０でのみ開放することができる。すなわち、伝熱部材のバルブは個別的に開閉調節可能な形態を有することができる。

ここで、電池セルスタック及び第２伝熱部材の下部に配置された第１伝熱部材３１０は第２伝熱部材３２０のような流入部及び排出部を含むことができるが、垂直方向に冷却流体が流れる第２伝熱部材３２０とは違い、水平方向に冷却流体が流れるように流入部及び排出部が配置されることができる。

例えば、平面上で長方形構造を有する第１伝熱部材において２個の外周辺が直角に交わるコーナー部のうちのいずれか一つに流入部が形成され、前記流入部が形成されたコーナー部を除いた残りの３個のコーナー部のうちのいずれか一つに排出部が形成されることができる。

このように、本発明による電池パックは、電池セルの温度に応じてバルブが開閉するので、電池セルの温度を測定する温度センサー、及び前記温度センサーで測定した温度に応じて前記バルブの開閉を制御する制御部をさらに含むことができる。

例えば、前記温度センサーによって電池セルと伝熱部材とが交わる接触面が減ることを防止するために、前記温度センサーは第２伝熱部材と対面する電池セルスタックの外面の反対側外面上に付着されることができる。すなわち、電池セルスタックの下面と第２伝熱部材とが対面する場合、電池セルスタックの上面上に温度センサーが配置されることができる。

本発明による電池パックは、電池セルが過熱して熱暴走が起こって火災の危険が発生する場合、伝熱部材を開放して冷却流体を供給することで、過熱した電池セルを急速冷却させて安全性を確保することができる。

電池パックの正常使用過程で、伝熱部材は真空状態で少量の冷媒を含み、前記冷媒の相転移過程によって電池セルの温度を一定のレベルに維持することができる。

しかし、電池セルの熱暴走が起こる場合、伝熱部材に冷却流体を供給すれば、伝熱部材の真空状態が解除される。

このような場合、伝熱部材の機能を喪失して、伝熱部材の交替が必要になる。

よって、本発明は、伝熱部材を再使用するために、流入部及び排出部はバルブが反復的に開放及び閉鎖するようにし、開放した伝熱部材が閉鎖するときは、伝熱部材の内部に冷媒として少量の冷却流体が残存する状態で流入部及び排出部を閉鎖し、排出部に減圧弁を備えることで、少量の冷媒を除いた伝熱部材の内部空間が真空状態になるようにすることができる。

冷媒３２５は膨張変形に必要な温度を考慮して選択することができ、例えば、メタノール、エタノール及び水からなる群から選択することができる。

冷却流体３２７は、危険温度範囲に加熱された電池セルを急速冷却させることができるものであれば、その素材を特に限定せず、冷媒３２５と同じ物質を使うことができる。例えば、メタノール、エタノール及び水からなる群から選択されることができる。

図５は第２実施例による電池パックの一部の斜視図である。

図５を参照すると、本発明による電池パックからパックケース及び冷却部材が省略された状態を示している。

電池セル１１０の下部には第１伝熱部材３１０が配置され、電池セル１１０の間には第２伝熱部材３２０または断熱材３３０が配置される。

すなわち、一の電池セル１１０と他の一の電池セル１１０との間には第２伝熱部材３２０及び断熱材３３０のうちのいずれか一つが配置され、すべての電池セルは少なくとも一側外面で第２伝熱部材３２０と接触している。

したがって、断熱材３３０を介して隣り合う電池セル間の熱交換を遮断することができ、伝熱部材を介して電池セルの熱を外部に排出することができる。

一方、電池セルは反復的な充放電過程で体積の膨張及び収縮が起こるリチウム二次電池であるので、電池パックの使用過程で電池セルの体積変化が発生することがある。しかし、電池セルスタックの体積は電池パック内に備えられた一定の空間を超えないことが好ましいので、断熱材３３０として弾性素材からなる断熱材を配置することで、電池セルスタックの体積増加を緩衝することができる。

本発明による電池パックをエネルギー源として含むデバイスを提供することができる。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、ESS、電気カート、電気二輪車などが相当することができる。

このように、本発明による電池パックを高容量及び高出力の必要なデバイスに適用しても、電池セルの急激な温度上昇を防止し、電池セル間の熱伝導を遮断することができるので、安全性が向上した電池パックを提供することができる。

本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。

１００ 電池セルスタック
１１０ 電池セル
１１１ 正極リード
１１２ 負極リード
２００ 冷却部材
３００ 伝熱部材
３１０ 第１伝熱部材
３２０ 第２伝熱部材
３２１ 流入部
３２２ 排出部
３２５ 冷媒
３２６ バルブ
３２７ 冷却流体
３３０ 断熱材
４００ パックケース
４１０ トッププレート

Claims (12)

1. 複数の電池セルを含む電池セルスタックと、
   前記電池セルスタックを冷却するための冷却部材と、
   前記複数の電池セルの熱を前記冷却部材に排出するための伝熱部材と、
   前記電池セルスタック、前記冷却部材、及び前記伝熱部材を内部に収容するパックケースと、
   を含み、
   前記伝熱部材には冷却流体の流入部及び排出部が形成され、
   前記伝熱部材は、ヒートパイプであり、
   前記伝熱部材の前記流入部及び前記排出部には、前記冷却流体の流入及び排出を制御するためのバルブが装着され、
   温度が一定のレベル以上に上昇した電池セルに隣接して配置された前記伝熱部材のバルブのみが開放する、電池パック。
2. 前記伝熱部材は内部に冷媒を含み、
   前記冷媒が前記電池セルの熱によって蒸発し、前記冷却部材によって凝縮する相転移が起こり、
   前記冷媒の相転移によって前記複数の電池セルから前記冷却部材に熱伝逹される、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記伝熱部材は、
   前記電池セルスタックと前記冷却部材との間に配置される第１伝熱部材と、
   前記複数の電池セルの間に介在される第２伝熱部材と、
   を含む、請求項１に記載の電池パック。
4. 前記バルブは、前記電池セルの温度が危険温度範囲に上昇すれば、前記冷却流体が前記伝熱部材の内部を通過するように開放する、請求項１に記載の電池パック。
5. 前記第１伝熱部材及び前記第２伝熱部材は平板状の形態を有する、請求項３に記載の電池パック。
6. 前記危険温度範囲は１５０℃以上である、請求項４に記載の電池パック。
7. 前記電池セルの温度を測定する温度センサー、及び前記温度センサーで測定した温度によって前記バルブの開閉を制御する制御部をさらに含む、請求項１に記載の電池パック。
8. 前記伝熱部材の前記流入部及び前記排出部は反復的に開放及び閉鎖することができ、
   前記伝熱部材の内部に少量の冷媒が残存する状態で前記流入部及び前記排出部が閉鎖する、請求項１に記載の電池パック。
9. 前記排出部は、前記少量の冷媒を除いた前記伝熱部材の内部空間が真空状態になるように圧力を低めるための減圧弁を備える、請求項８に記載の電池パック。
10. 前記電池セルと前記電池セルとの間には前記第２伝熱部材または断熱材が配置される、請求項３に記載の電池パック。
11. 前記断熱材は、弾性素材からなる、請求項１０に記載の電池パック。
12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載の電池パックをエネルギー源として含む、デバイス。

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