JP7493869B2 - 電池セルの温度均一性が向上した電池モジュール - Google Patents

電池セルの温度均一性が向上した電池モジュール Download PDF

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Description

本出願は、２０２１年２月４日付韓国特許出願第２０２１－００１６１４６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ている全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本願発明は、電池セルの温度均一性が向上した電池モジュールに関する。具体的には、電池モジュールを構成する複数の電池セルに位置によって熱損失差が発生して電池セルに温度偏差が発生することを防止できるように電池セルの温度均一性が向上した電池モジュールに関する。
充放電が可能なリチウム二次電池の安定性向上と容量増加が早く達成されている中、前記リチウム二次電池をエネルギー源として用いるデバイスの種類も増加している。
例えば、前記リチウム二次電池は、多機能小型製品であるワイヤレスモバイル機器（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）又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広範囲に用いられているだけでなく、大気汚染を誘発する既存のガソリン車及びディーゼル車の代案とされている電気自動車とハイブリッド電気自動車などのエネルギー源又は電力貯蔵装置（ＥＳＳ）としても用いられている。
前記リチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、円筒形又は角形の金属缶に電極組立体が内蔵されている円筒形二次電池及び角形二次電池と、アルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに電極組立体が内蔵されているパウチ形二次電池とに分類される。そのうち、パウチ形二次電池は、形態変形が自由であり、且つ体積当たりにエネルギー密度が高いという長所がある。
高出力及び高エネルギー密度が要求される中大型デバイス用エネルギー源として、複数のパウチ形電池セルを密着するように配列して電気的に連結し、モジュールケースに収容することで、電池モジュールを製造することができる。
この時、前記複数のパウチ形電池セルとモジュールケースとの間に放熱性樹脂を付加して、前記電池セルで発生する熱をモジュールケースの外部に排出することができる。
一般に、複数のパウチ形電池セルが積層されてモジュールケースに収容される場合に、個別の電池セルは類似レベルの発熱特性を有するが、電池セルの位置によって熱損失にばらつきが発生するため、全体的に電池セル間に温度偏差が発生する。
具体的には、電池セルのうち、縁部に配置された電池セルは熱損失が多いのに対し、中心部に位置する電池セルは熱損失が少ないため、縁部に配置された電池セルは相対的に温度が低く、中心部に位置する電池セルは相対的に温度が高い。
電池セル間の温度偏差は、電池セルの退化速度差を招くだけでなく、電池モジュールの性能を低下させる原因になり得る。
これと関連して、特許文献１は、複数のセル室が隣接して配置されるモノブロック電池において、外部と接する面積が大きい縁部のセル室の熱損失が大きいことから、中央にあるセル室と温度差が発生することを緩和するために、中央にあるセル室に放熱促進部材を付加することを開示している。
特許文献１は、電池の外壁に熱伝導性に優れた放熱促進部材を配置して電池の温度を下げる技術を開示しているが、冷却装置のような外部部材を使用しないため、電池の温度を迅速かつ持続的に下げることが難しい形態である。
特許文献２は、複数のバッテリーセルを収容する支持部材に複数の貫通孔が形成されており、前記複数の貫通孔は熱伝達物質で充填されており、前記支持部材に接触するようにヒートシンクが配置されたバッテリーモジュールを開示している。
特許文献２の複数のバッテリーセルは、支持部材に含まれた熱伝達物質を通じてヒートシンクに熱を排出できるが、複数のバッテリーセル間に温度偏差が発生することを解決するための技術は開示できずにいる。
したがって、複数の電池セルを含む電池モジュールにおいて電池セル間の温度偏差が発生することを防止し、効果的に熱を排出できる技術が必要な実情である。
特開平１０－０９２３９４号公報 韓国公開特許第２０２０－０００４２０２号公報
本願発明は、上記のような問題を解決するためのものであり、電池セル間の温度偏差を減らすことによって電池モジュールの性能を向上させることができる構造を含む電池モジュール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願発明に係る電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セルスタックが収容されたモジュールケース、前記電池セルスタックと前記モジュールケースの第１面との間に付加された放熱性樹脂、前記電池セルスタックを冷却させるために前記モジュールケースの第１面の外側に結合する冷却部材、及び前記モジュールケースの第１面と対面する前記冷却部材の外面のうち中心部に付加される熱伝達物質、を含むことができる。
前記複数の電池セルは、パウチ形電池セルであり、前記電池セルスタックは、前記パウチ形電池セルの電極組立体収納部の底面が前記モジュールケースの第１面に垂直となるように積層されており、前記パウチ形電池セルの全長方向の外面が前記モジュールケースの第１面と平行に配置されてよい。
前記熱伝達物質は、前記モジュールケースの全長方向に沿って、前記モジュールケースの全長方向の長さと対応する長さで付加されてよい。
前記モジュールケースの第１面と対面する前記冷却部材の外面のうち、前記モジュールケースの面積と同じ面積を全幅に追って３等分した幅の中心部に、前記熱伝達物質が付加されてよい。
前記熱伝達物質の厚さは、０．５ｍｍ～３ｍｍであってよい。
前記電池セルスタックは、前記電池セル同士の間に配置される冷却プレートを含むことができる。
前記冷却プレートは、前記電池セルスタックの積層方向の中心部にある電池セル同士の間に配置されてよい。
前記冷却プレートは、前記モジュールケースの第１面のうち、前記熱伝達物質と対面する部分の内側面に配置されてよい。
前記冷却部材は、冷媒流入口と冷媒排出口が形成されているヒートシンクであってよい。
前記複数の電池セルの温度偏差は、３℃以内であってよい。
前記冷却部材の全幅及び全長のそれぞれは、前記モジュールケースの全幅及び全長のそれぞれよりも大きくてよい。
本願発明は、また、上記の課題を解決するための手段を様々に組み合わせた形態で提供することもできる。
以上に説明したように、本願発明に係るモジュールケースに収容された電池セルスタックにおいて電池セルの温度偏差が起きることを最小化できる。
したがって、電池セルの温度偏差によって電池モジュールの寿命が短縮したり性能が低下したりすることを防止できる。
第１実施例に係る電池モジュールの分解斜視図である。 図１の熱伝達物質が付加された冷却部材の平面図である。 第２実施例に係る電池モジュールの分解斜視図である。 実施例による電池モジュールにおいて電池セルの温度変化を示すグラフである。 比較例による電池モジュールにおいて電池セルの温度変化を示すグラフである。
以下、添付の図面を参照して、本願発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本願発明を容易に実施できる実施例を詳細に説明する。ただし、本願発明の好ましい実施例に対する動作原理を詳細に説明するとき、関連する公知機能又は構成に関する具体的な説明が本願発明の要旨を却って曖昧にし得ると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
なお、図面中、類似の機能及び作用をする部分に対しては同一の図面符号を使用する。明細書全体を通じて、ある部分が他の部分と連結されているとしているとき、これは、直接に連結されている場合の他に、それらの間にさらに他の素子を介在して間接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ことは、別に断らない限り、他の構成要素を除外する意味ではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。
また、構成要素を限定又は付加して具体化する説明は、特に制限がない限り、いかなる発明に適用されてもよく、特定の発明に関する説明に限定されない。
また、本願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されたものは、特に言及されない限り、複数である場合も含む。
また、本願発明の説明及び特許請求の範囲全般にわたって、「又は」は、特に言及されない限り、「及び」も含むものである。したがって、「Ａ又はＢを含む」とは、Ａを含む、Ｂを含む、Ａ及びＢを含む、３つのいずれの場合をも意味する。
本願発明を、図面を参照して詳細な実施例のように説明する。
図１は、第１実施例に係る電池モジュールの分解斜視図である。
図１を参照すると、第１実施例に係る電池モジュールは、複数の電池セル１１０が積層された電池セルスタック１００が収容されたモジュールケース２００、電池セルスタック１００とモジュールケース２００の第１面２０１との間に付加された放熱性樹脂３００、電池セルスタック１００を冷却させるためにモジュールケース２００の第１面２０１の外側に結合する冷却部材４００、及びモジュールケース２００の第１面２０１と対面する冷却部材４００の外面のうち中心部に付加される熱伝達物質４５０を含む。
電池セルスタック１００は、複数のパウチ形電池セルが、電極組立体収納部の底面１２０が互いに密着する方向に配置されて構成される。電池セル１１０は、電池ケースの外側に電極リード（図示せず）が突出して電気的な連結がなされてよい。
電池セルスタック１００は、パウチ形電池セルの電極組立体収納部の底面１２０がモジュールケース２００の第１面２０１に垂直となるように積層されており、パウチ形電池セルの電極組立体収納部の側面である全長方向Ａの外面１１１がモジュールケース２００の第１面２０１と平行に配置される。
モジュールケース２００の第１面２０１の内側面には放熱性樹脂３００が付加されており、電池セルスタック１００とモジュールケース２００との間に形成される空間を放熱性樹脂３００が埋めてよい。したがって、電池セルスタック１００の熱エネルギーを放熱性樹脂３００を通じてモジュールケースの第１面２０１の外側に排出することができる。
冷却部材４００は、電池セルスタックで発生する熱エネルギーが放熱性樹脂３００を通じて排出されれば、排出された熱エネルギーを速く冷却させるためのものである。したがって、熱交換がなされる冷媒の温度を低く維持できるように、継続して冷媒が冷却部材の内部に流入及び内部から排出されながら流動することが好ましい。
そこで、冷却部材４００は、例えば、冷媒流入口４１０と冷媒排出口４２０が形成されているヒートシンクであってよい。
一方、熱伝達物質４５０を通じて排出される熱エネルギーを速く冷却させることによって、電池セルスタックの中心部にある電池セルの熱放出が円滑になされ得るように、冷却部材４００の平面視のサイズは、熱伝達物質４５０と対面するモジュールケースの第１面２０１の面積よりも十分に大きく形成されることが好ましい。
したがって、冷却部材４００の全幅ｃ１及び全長ｃ２のそれぞれは、モジュールケース２００の全幅ｍ１及び全長ｍ２のそれぞれよりも大きいサイズで形成されてよい。
図２は、図１の熱伝達物質が付加された冷却部材の平面図である。
図２を参照すると、冷却部材４００の上面にモジュールケースを配置するための部分であるモジュールケース配置部２００’があり、モジュールケース配置部２００’の上部と下部のそれぞれには、モジュールケースの位置を固定するためのガイド部４０１が付加されてよい。
冷却部材４００の外面に付加された熱伝達物質４５０は、平面視で長方形の形態で付加され、熱伝達物質の長さは、モジュールケース２００の全長方向Ａに沿ってモジュールケース２００の全長方向Ａの長さと対応する長さで付加される。
熱伝達物質４５０の幅は、モジュールケース２００の第１面２０１と対面する冷却部材４００の外面のうち、モジュールケース２００の面積と同じ面積を有するモジュールケース配置部２００’の全幅ｍ１に沿って３等分した幅と対応する大きさで形成され、前記３等分した幅の中心部に熱伝達物質４５０が付加される。
熱伝達物質の厚さは、０．５ｍｍ～３ｍｍの範囲で形成されてよく、詳細には、１ｍｍ～３ｍｍの範囲で形成されてよい。
このように、一定の厚さを有するように付加される熱伝達物質の両側に、モジュールケースと冷却部材との間にギャップ（ｇａｐ）ができることがある。このようなギャップを埋めるために、熱伝導性の低い素材からなる支持部が配置されてよく、前記支持部の厚さは、熱伝達物質の厚さと同一であってよい。
前記支持部は、熱伝導性の低い素材からなるので、モジュールケースと冷却部材との間に支持部が介在されても、電池セルスタックの中心部に配置された電池セルは、縁部に配置された電池セルに比べて、熱伝達物質を通じてよりよく熱交換され得る。
前記熱伝達物質の素材は、熱伝導性に優れた素材であれば特に限定されず、例えば、ウレタン系、エポキシ系及びシリコン系からなる群から選ばれる１種以上であってよい。
図３は、第２実施例に係る電池モジュールの分解斜視図である。
図３を参照すると、第２実施例に係る電池モジュールは、複数の電池セル１１０が積層された電池セルスタック１００が収容されたモジュールケース２００、電池セルスタック１００とモジュールケース２００の第１面２０１との間に付加された放熱性樹脂３００、電池セルスタック１００を冷却させるためにモジュールケース２００の第１面２０１の外側に結合する冷却部材４００、及びモジュールケース２００の第１面２０１と対面する冷却部材４００の外面のうち中心部に付加される熱伝達物質４５０を含む。
電池セルスタック１００は、複数のパウチ形電池セルが電極組立体収納部の底面１２０が互いに密着する方向に配置されて構成される。電池セル１１０は、電池ケースの外側に電極リード（図示せず）が突出して電気的な連結がなされてよい。
電池セルスタック１００は、パウチ形電池セルの電極組立体収納部の底面１２０がモジュールケース２００の第１面２０１に垂直となるように積層されており、パウチ形電池セルの電極組立体収納部の側面である全長方向Ａの外面１１１がモジュールケース２００の第１面２０１と平行に配置される。
電池セルスタック１００は、電池セル１１０同士の間に配置される冷却プレート５１０を含む。冷却プレート５１０は、電池セルスタック１００の積層方向Ｂの中心部にある電池セル同士の間に配置され、図３には３個の冷却プレート５１０が電池セル１１０同士の間に配置された状態を示している。
冷却プレート５１０の配置によって、電池セルスタック１００の中心部にある電池セルの熱排出がより効果的になされ得る。
また、冷却プレート５１０がモジュールケース２００の第１面２０１のうち熱伝達物質４５０と対面する電池セル同士の間に配置されるので、冷却プレート５１０と熱伝達物質４５０とが隣接して配置され得る。したがって、電池セルスタック１００の中心部にある電池セル１１０の放熱効果が増加し得る。
その他、前記第１実施例に係る電池モジュールと第２実施例に係る電池モジュールに含まれる同一の構成要素に関する説明は、前記第１実施例に係る電池モジュールの説明に記載された内容が、前記第２実施例に係る電池モジュールに関する説明に同一に適用されてよい。
以下では、本願発明の実施例を参照して説明するが、これは、本願発明のより容易な理解のためのもので、本願発明の範疇を限定するものではない。
＜実施例＞
２４個のパウチ形電池セルを含む電池モジュールを準備し、該２４個のパウチ形電池セルに順に１番電池セルから２４番電池セルまでと番号を付した。前記電池モジュールの内部に熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）を挿入して１１番電池セル（＃１１）と２４番電池セル（＃２４）の表面に付着させた。
図１に示したように、冷却部材の上面のうち電池モジュールが配置される部分と対応する面積を３等分し、中央の部分のみに熱伝達物質を１ｍｍ厚で塗布した。
前記熱電対を充放電器（メーカー：ＰＮＥソリューション（６０Ｖ／６００Ａ仕様のモジュール充放電器））と連結し、前記電池モジュールに充電と放電を繰り返し行いながら、１１番電池セル（＃１１）と２４番電池セル（＃２４）の温度を測定した。
図４は、実施例による電池モジュールにおいて電池セルの温度変化を示すグラフである。
図４は、３回目の充電サイクルの一部を示している。
図４を参照すると、中心部に配置された１１番電池セルの温度は、初期と後期を除けば、縁部に配置された２４番電池セルの温度よりも高く測定された。
中心部に配置された１１番電池セルと縁部に配置された２４番電池セルとの温度偏差の最大値は２．４℃であり、平均温度偏差は約１℃であった。
＜比較例＞
前記実施例において熱伝達物質を冷却部材の上面のうち電池モジュールが配置される部分と対応する面積全体に塗布した以外は、前記実施例と同一にして電池モジュールを準備した。
前記実施例と同一に前記電池モジュールに充電と放電を繰り返し行いながら、複数のパウチ形電池セルのうち、中心部に配置された１１番電池セル（＃１１）と縁部に配置された２４番電池セル（＃２４）のそれぞれの温度を測定した。
図５は、比較例による電池モジュールにおいて電池セルの温度変化を示すグラフである。
図５は、３回目の充電サイクルの一部を示している。
図５を参照すると、中心部に配置された１１番電池セルの温度は全体的に、縁部に配置された２４番電池セルの温度よりも高く測定された。
中心部に配置された１１番電池セルと縁部に配置された２４番電池セルとの温度偏差の最大値は７．１℃であり、平均温度偏差は約４℃であった。
このように、本願発明のように冷却部材の中心部にのみ熱伝達物質を塗布して適用する場合には、電池セルスタックの中心部に配置された電池セルと縁部に配置された電池セルとの温度偏差が顕著に減ることが確認できる。
したがって、電池セル間における温度偏差の減少によって電池モジュールの寿命が増加でき、電池モジュールの性能低下を防止することができる。
本願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、上記の内容に基づいて本願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。
以上に説明したように、本願発明に係るモジュールケースに収容された電池セルスタックにおいて電池セル間に温度偏差が起きることを最小化することができる。
したがって、電池セルの温度偏差によって電池モジュールの寿命が短縮したり性能が低下したりすることを防止できる。
１００ 電池セルスタック
１１０ 電池セル
１１１ 全長方向の外面
１２０ 電極組立体収納部の底面
２００ モジュールケース
２００’ モジュールケース配置部
２０１ 第１面
３００ 放熱性樹脂
４００ 冷却部材
４０１ ガイド部
４１０ 冷媒流入口
４２０ 冷媒排出口
４５０ 熱伝達物質
５１０ 冷却プレート
ｃ１，ｍ１ 全幅
ｃ２，ｍ２ 全長

Claims (11)

  1. 複数の電池セルが積層された電池セルスタックが収容されたモジュールケース；
    前記電池セルスタックと前記モジュールケースの第１面との間に付加された放熱性樹脂；
    前記電池セルスタックを冷却させるために前記モジュールケースの第１面の外側に結合する冷却部材；及び
    前記モジュールケースの第１面と対面する前記冷却部材の外面のうち中心部のみに付加されている熱伝達物質；
    を含む電池モジュール。
  2. 前記複数の電池セルは、パウチ形電池セルであり、
    前記電池セルスタックは、前記パウチ形電池セルの電極組立体収納部の底面が前記モジュールケースの第１面に垂直となるように積層されており、
    前記パウチ形電池セルの全長方向の外面が前記モジュールケースの第１面と平行に配置される、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記熱伝達物質は、前記モジュールケースの全長方向に沿って、前記モジュールケースの全長方向の長さと対応する長さで付加される、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記モジュールケースの第１面と対面する前記冷却部材の外面のうち、前記モジュールケースの面積と同じ面積を全幅に追って３等分した幅の中心部に前記熱伝達物質が付加される、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記熱伝達物質の厚さは、０．５ｍｍ～３ｍｍである、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  6. 前記電池セルスタックは、前記電池セル同士の間に配置される冷却プレートを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記冷却プレートは、前記電池セルスタックの積層方向の中心部にある電池セル同士の間に配置される、請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 前記冷却プレートは、前記モジュールケースの第１面のうち、前記熱伝達物質と対面する部分の内側面に配置される、請求項６に記載の電池モジュール。
  9. 前記冷却部材は、冷媒流入口と冷媒排出口が形成されているヒートシンクである、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 前記複数の電池セルの温度偏差は、３℃以内である、請求項１～９のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  11. 前記冷却部材の全幅及び全長はそれぞれ、前記モジュールケースの全幅及び全長よりも大きい、請求項１～１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。
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