冷媒の流れ分布の均一性を改善した中型から大型の電池パックケース
本発明は、充放電可能な複数の電池セルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を積み重ねることにより得られた電池モジュールが組み込まれる中型から大型サイズの電池パックケースを提供するものであり、ユニットセルを冷却するための冷媒が電池モジュールの一方の側から反対側までユニットセルの積層方向に対して垂直な方向に流れることができるように、冷媒流入ポートおよび冷媒放出ポートが、同パックケースの上部および下部に互いに反対方向に配置され、同パックケースは、それぞれ、冷媒流入ポートから電池モジュールまでの流れ領域（「冷媒流入部分」）および電池モジュールから冷媒放出ポートまでの流れ領域（「冷媒放出部分」）を有して形成され、冷媒流入部分の上側縁端部に沿って電池モジュールの上側縁端部に対向する内面は、同内面と電池モジュールの上側縁端部の間の距離が、冷媒流入部分の反対側の縁端部の方向に縮小する構造を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒流量の分布の均一性を改善した中型または大型の電池パックケースに関し、より詳細には、充放電可能な複数の積層電池セルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を有する電池モジュールが装着されている中型または大型の電池パックケースに関するものであり、この電池パックケースには、上部および下部にそれぞれ冷媒入口ポートおよび冷媒出口ポートが備わっており、これらのポートは、ユニットセルを冷却する冷媒が電池モジュールの一方の側から他方の側までユニットセルの積層方向に対して垂直な方向へ流れることができるように、反対方向に向けられ、この電池パックケースには、冷媒入口ポートから電池モジュールまで延在する流れ空間（「冷媒導入部分」）および電池モジュールから冷媒出口ポートまで延在する別の流れ空間（「冷媒放出部分」）がさらに備わっており、電池モジュールの頂部と向かい合う冷媒導入部分の上端内部は、冷媒導入部分の上端内部と電池モジュールの頂部間の距離が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に向かって縮小するように構成され、また、冷媒を電池モジュールに導くように下方へ突出した部分が冷媒導入部分の上端内部に形成され、起伏のある部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から所定の距離だけ延在する。
【背景技術】
【０００２】
最近、充放電可能な２次電池が、エネルギー源として無線モバイルデバイスに広く使用されている。また、化石燃料を使用する既存のガソリン車およびディーゼル車によって引き起こされた大気汚染などの問題を解決するために開発されている電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用の電源として、２次電池が非常に注目されている。
【０００３】
小型のモバイルデバイスは、各デバイスにつき１つまたはいくつかの電池セルを使用する。一方、車両などの中型または大型のデバイスは、高出力かつ大容量のものが必要であるため、互いに電気的に接続された複数の電池セルを有する中型または大型の電池モジュールを使用する。
【０００４】
好ましくは、中型または大型の電池モジュールはできるだけ小さなサイズおよび軽い重量を有するように製造される。このために、高集積度で積み重ねることができ、小さな重量対容量比を有するプリズム形電池または小袋形電池が、中型または大型の電池モジュールの電池セルとして通常使用される。具体的には、小袋形電池は、軽量で製造原価が安く、形状変更も簡単であるため、被覆部材としてアルミニウム積層板を使用する小袋形電池に多くの関心が寄せられている。
【０００５】
中型または大型の電池モジュールが、所定の装置またはデバイスによって必要とされる電力および容量を供給するためには、中型または大型の電池モジュールは、複数の電池セルが互いに直列に電気的接続され、かつ外力に対して安定な構造を有するように構成されなければならない。
【０００６】
また、中型または大型の電池モジュールを構成する電池セルは、充放電可能な２次電池である。したがって、電池の充電および放電を通じて、高出力かつ大容量の２次電池から大量の熱が発生する。ユニットセルの充放電の期間中にユニットセルから発生する熱が効果的に除去されないと、熱がそれぞれのユニットセルに蓄積してユニットセルの劣化が加速されることになる。場合によっては、ユニットセルが発火するかまたは爆発する恐れがある。このため、高出力かつ大容量の電池である車両用電池パックには、電池パックに装着された電池セルを冷却するための冷却システムが必要である。
【０００７】
一方、複数の電池セルを含む中型または大型の電池パックでは、いくつかの電池セルの性能劣化が全体の電池パックの性能劣化をもたらす。性能の不均一性をもたらす主な要因の１つに、電池セル間の冷却の不均一性がある。このため、冷媒が流れる間、冷却の均一性を確実にする構造を提供することが要求されている。
【０００８】
いくつかの従来型の中型または大型の電池パックは、電池パックケースの上部および下部において冷媒入口ポートと冷媒出口ポートが反対の方向に向くように配置され、冷媒入口ポートから電池モジュールまで延在する流れ空間の頂部および底部が互いに平行である構造を有するように構成された電池パックケースを使用する。しかし、この構造では、冷媒出口ポートに隣接する電池セルの間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的大きいのに対して、冷媒入口ポートに隣接する電池セルの間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的小さく、その結果、電池セルの均一な冷却を達成するのが困難になる。
【０００９】
このことに関して、韓国特許出願公開第２００６−００３７６００号、韓国特許出願公開第２００６−００３７６０１号、および韓国特許出願公開第２００６−００３７６２７号には、エアガイド面が、電池パックケースの電池セルと反対側の側面の方へ下に傾けられ、その結果、エアガイド面が電池セルにより近くなって、エアガイド面と冷媒入口ポートの間の距離が増加する構造を有するように構成された中型または大型の電池パックが開示されている。具体的には、エアガイド面は、電池パックケースの電池セルと反対側の側面に対して所定の角度、例えば１５度から４５度の角度で傾斜しており、それによって、冷媒出口ポートに隣接する電池セルの間に画定された流れチャンネルに冷媒が過度に導入される現象が発生するのを抑制する。
【００１０】
しかし、本出願の発明者は、前述の構造でさえ電池セル間の温度偏差が大きく、所望レベルの温度均一性を達成することが不可能であるという結果を伴うことに気付いた。
【００１１】
さらに、この構造では、電池セルに隣接したエアガイド面の領域が、電池パックの振動中に電池セルまたは電池モジュールと接触する可能性があり、結果として電池パックからノイズが発生するかまたは電池パックが損傷する恐れがある。したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を所定の高さより低く下げることは不可能であり、結果として、最適の温度偏差を有するパックケースの設計は不可能である。
【００１２】
一方、従来型の電池パックの構造に関して、図１は、電池モジュールが従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを示す斜視図であり、図２は、図１の中型または大型の電池パックケースに装着する電池モジュールを有する中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００１３】
これらの図面を参照すると、中型または大型の電池パック１００は、複数のユニットセル３０が互いに電気的に接続されるように積層される構造を有するように構成された電池モジュール３２、電池モジュール３２が装着される電池パックケース７０、冷媒入口ポート１０から電池モジュール３２まで延在する流れ空間としての冷媒導入部分４０、および電池モジュール３２から冷媒出口ポート２０まで延在する別の流れ空間としての冷媒放出部分５０を含んでいる。
【００１４】
冷媒入口ポート１０を通って導入された冷媒は、冷媒導入部分４０およびそれぞれのユニットセル３０の間に画定された流れチャンネル６０を通って流れる。この時、冷媒が電池セル３０を冷却する。その後、冷媒は冷媒放出部分５０を通って流れ、次いで冷媒出口ポート２０を通って電池パックケースから放出される。
【００１５】
冷媒導入部分４０は、ユニットセル３０が積み重ねられる方向と平行に形成される。上記の構造では、冷媒出口ポート２０に隣接するユニットセル間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的大きいのに対して、冷媒入口ポート１０に隣接するユニットセル間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的小さく、その結果、ユニットセル３０の冷却が均一には達成されず、したがって、冷媒出口２０に隣接したユニットセルと冷媒入口１０に隣接したユニットセルの間の温度偏差が非常に大きい。冷媒が冷媒出口ポート２０側に集中して、その結果冷媒入口ポート１０側の温度が上昇するので、この現象が生じる。
【００１６】
また、図３は、電池モジュールが別の従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００１７】
図３の中型または大型の電池パック１００ａは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図１の中型または大型の電池パック１００と実質的に同一である。しかし、図３の中型または大型の電池パック１００ａは、冷媒入口ポート１０ａおよび冷媒導入部分４０ａが所定の角度で電池パックケース７０ａの方へ傾斜している点が図１の中型または大型の電池パック１００と異なる。すなわち、冷媒導入部分４０ａの上端内部４２ａが、電池パックケース７０の冷媒入口ポート１０ａと反対側の先端の方へ所定の角度で傾斜している。また、電池パックケース７０の冷媒入口ポート１０ａと反対側の先端は、ユニットセル３０の間を流れる冷媒の温度が均一になるように、約１ｍｍの高さＨだけ電池モジュール３２の頂部と離隔される。
【００１８】
この構造では、冷媒入口ポート１０ａに隣接したユニットセル３０の冷却効率が、図１の中型または大型の電池パック１００と比べて比較的大きい。しかし、依然としてかなり大きな温度差が存在する。また、冷媒導入部分４０ａの上端内部が、中型または大型の電池パック１００ａの振動中にユニットセルの頂部と接触し、結果として、中型または大型の電池パックがノイズを発生するかまたは損傷する可能性がある。
【００１９】
したがって、前述の問題を根本的に解決する技術に対する高度な必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】韓国特許出願公開第２００６−００３７６００号
【特許文献２】韓国特許出願公開第２００６−００３７６０１号
【特許文献３】韓国特許出願公開第２００６−００３７６２７号
【特許文献４】韓国特許出願第２００６−４５４４３号
【特許文献５】韓国特許出願第２００６−４５４４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
したがって、本発明は、まだ解決されていない上記の問題、および他の技術的問題を解決するために行なわれた。
【００２２】
中型または大型の電池パックケースに関する様々な広範囲かつ集約的な調査および実験の結果、本出願の発明者は、中型または大型の電池パックケースを、電池モジュールへ冷媒を導くように下方へ突出した部分が電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した冷媒導入部分の上端内部に形成された構造を有するように構成すると、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を適切な高さに、またはより高く保つ一方で、電池セルの間に画定された流れチャンネルを流れる冷媒を均一に分配することができ、それによって電池セルの間に蓄積される熱を効果的に除去し、電池セルの性能および寿命を大幅に改善することが可能であることを発見した。本発明は、これらの発見に基づいて完成されている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の一態様によれば、上記目的および他の目的は、充放電可能な複数の積層電池セルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を有する電池モジュールが装着されている中型または大型の電池パックケースであって、この電池パックケースには、上部および下部にそれぞれ冷媒入口ポートおよび冷媒出口ポートが備わっており、これらのポートは、ユニットセルを冷却する冷媒が、電池モジュールの一方の側からもう一方の側までユニットセルの積層方向に対して垂直な方向へ流れることができるように、反対方向に向けられ、この電池パックケースには、冷媒入口ポートから電池モジュールまで延在する流れ空間（「冷媒導入部分」）および電池モジュールから冷媒出口ポートまで延在する別の流れ空間（「冷媒放出部分」）がさらに備わっており、電池モジュールの頂部と向かい合う冷媒導入部分の上端内部は、冷媒導入部分の上端内部と電池モジュールの頂部の間の距離が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に向かって縮小するように構成され、また、冷媒を電池モジュールに導くように下方へ突出した部分が冷媒導入部分の上端内部に形成され、起伏のある部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から所定の距離だけ延在する、中型または大型の電池パックケースを提供することにより達成され得る。
【００２４】
すなわち、本発明による中型または大型の電池パックケースでは、冷媒を電池モジュールへ導くように下方へ突出した部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した冷媒導入部分の上端内部に形成され、したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を適切な高さに、または電池モジュールの頂部より高く保つ一方で、ユニットセル（電池セルまたはユニットモジュール）の間に画定された流れチャンネルを流れる冷媒の流量を均一に分配することができ、それによって、電池セルの充放電の期間中に電池セルから発生する熱を、冷媒の均一な流れによって効果的に除去することができる。したがって、効率的に冷却してユニットセルの動作性能を改善することが可能である。
【００２５】
また、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端は、適切な高さに、または下方へ突出した部分より高く保たれる。したがって、電池パックによるノイズの発生または電池パックの振動中の冷媒入口ポートと電池パックケースのユニットセルと反対側の先端との間の衝突による損傷を防止することができる。
【００２６】
本発明による、中型または大型の電池パックケースに装着する電池モジュールは、複数のユニットセルを高集積度で積み重ねることにより製造される。ユニットセルは、ユニットセルの充電および放電の期間中にユニットセルから発生する熱を除去するために、互いに所定の距離だけ離隔されるように積み重ねられる。例えば、電池セルは、所定の距離だけ互いに離隔されるように、さらなる部材を使用することなく順次に積み重ねられる。一方、機械的に低強度の電池セルについては、１つまたは複数の電池セルが取付け部材に装着され、複数の取付け部材が積み重ねられて電池モジュールを構成する。本発明では、後者は「ユニットモジュール」と称される。複数のユニットモジュールを積み重ねて電池モジュールを構成する場合には、積層電池セル間に蓄積する熱を効果的に除去するために、電池セルの間および／またはユニットモジュールの間に冷媒の流れチャンネルを形成する。
【００２７】
冷媒導入部分および冷媒放出部分は、電池セルの充電および放電の期間中に電池セルから発生する熱を効果的に除去するための冷媒を、導入したり放出したりする流れ空間である。冷媒導入部分および冷媒放出部分は、それぞれ電池パックケースの上部および下部に反対方向に形成される。場合によっては、冷媒導入部分および冷媒放出部分は、それぞれ電池パックケースの下部および上部に反対方向に形成されてもよい。
【００２８】
好ましい実例では、下方に突出した部分は、冷媒を渦巻かせるために、起伏のある部分を含んでよい。
【００２９】
この場合、起伏のある部分は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端高さの１０〜５０％に等しい高さを有する。起伏のある部分の高さが、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端高さの５０％を超えると、流れ抵抗が過度に増加し、これは好ましいことではない。一方、起伏のある部分の高さが、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端高さの１０％未満であると、冷媒を渦巻かせることができず、これは好ましいことではない。
【００３０】
起伏のある部分は最も低いポイントを有してよく、それらのポイントのそれぞれが、ユニットセルのうち対応する１つの頂部の中心、前側または後側上に配置される。好ましくは、起伏のある部分には最も低いポイントがあり、それらのポイントのそれぞれが、ユニットセルのうち対応する１つの前側の頂部の上に配置され、というのは、ユニットセルの上を通過する冷媒がユニットセルのそれぞれの後側の上に集中するのが防止され、それによって冷媒の分布の均一性が改善するからである。
【００３１】
起伏のある部分は、下方へ突出するかまたは窪んでいるビードまたは半球の形状に形成されてよい。好ましくは、起伏のある部分は下方への窪みを含む。
【００３２】
別の好ましい実例では、下方へ突出する部分が隔壁を含んでよい。隔壁のない従来型の電池パックケースと比較して、冷媒の分布の均一性が改善される。
【００３３】
場合によっては、下方へ突出する部分が、冷媒導入部分の横方向には不連続に配置されて冷媒導入部分の長手方向には交互に配置された下方への突出部を含んでよい。
【００３４】
下方へ突出する部分が容易に冷媒を導く限り、下方へ突出する部分の長さには特に制限がない。例えば、突出する部分は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端からの電池モジュールの頂部の長さの５〜１００％、好ましくは２０〜１００％に等しい距離だけ下方へ延在してよい。
【００３５】
好ましい実例では、冷媒導入部分の上端内部は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から始まる傾斜面の傾斜が、電池モジュールの頂部から冷媒入口ポートに向かって増加する構造を有するように構成されてよい。
【００３６】
ここで、「傾斜の増加」という表現は、冷媒入口ポート側にある傾斜面が、冷媒入口ポートと反対側にある傾斜面より大きな傾斜を有することを意味する。したがって、傾斜面は、冷媒入口ポートに向かって連続的に、または不連続的に増加し得る。ここで、「不連続な増加」という表現は、傾斜面の間に画定された領域が０度の傾斜を有することがあることを意味する。例えば、セルの積み重ねの頂部に対して０度の傾斜を有する領域が、隣接した傾斜面の間に部分的に形成されてよい。
【００３７】
冷媒導入部分の上端内部の傾斜面の傾斜は、様々な構造の冷媒入口ポートに向かって増加し得る。
【００３８】
好ましい実例では、冷媒導入部分の上端内部は、２つ以上の連続した傾斜面を含んでよい。すなわち、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から冷媒入口ポートに向かってその傾斜が増加する傾斜面が、冷媒導入部分の上端内部に形成されてよい。
【００３９】
本出願の発明者が行なった実験により、冷媒導入部分の上端内部が２つ以上の傾斜面を含む構造を有するように構成されたときには、冷媒導入部分の上端内部が電池モジュールの頂部に対して平行であるとき、または冷媒導入部分の上端内部が単一の傾斜面を含む構造を有するように構成されているときより、ユニットセル間の温度偏差が減少し、したがってユニットセルの性能がさらに改善されることが明らかになった。
【００４０】
具体的な実例では、上端内部の傾斜面は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から始まる第１の傾斜面と、第１の傾斜面と冷媒入口ポートの間に第１の傾斜面より大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面とを含んでよい。
【００４１】
上記の構造では、必要に応じて、下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に第１の傾斜面に形成されてよい。好ましくは、冷媒の総合的な分布の均一性を確実にすることができるので、下方へ突出する部分が全体として第１の傾斜面に形成される。
【００４２】
別の具体的な実例では、上端内部の傾斜面は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から延在する第１の平行面であって、電池モジュールの頂部に対して平行な第１の平行面と、第１の平行面から始まる第１の傾斜面と、第１の傾斜面と冷媒入口ポートの間に配置されて第１の傾斜面より大きな傾斜を有する第２の傾斜面とを含んでよい。
【００４３】
上記の構造では、必要に応じて、下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に第１の平行面に形成されてよい。好ましくは、冷媒の総合的な分布の均一性を確実にすることができるので、下方へ突出する部分が全体として第１の平行面に形成される。
【００４４】
上記の例示的構造では、第２の傾斜面の傾斜が電池モジュールの頂部に対して４５度を超過しない範囲内で、第２の傾斜面が、第１の傾斜面の傾斜より２０〜５００％、好ましくは１００〜３００％大きな傾斜を有する。第２の傾斜面の傾斜が４５度を超過しないので、電池パックケースのサイズの増加を最小限にすることができる。また、第２の傾斜面の傾斜が第１の傾斜面の傾斜より少なくとも２０％大きいので、冷媒流量の望ましい分布均一性を確実にすることができる。
【００４５】
第１の傾斜面は、電池モジュールの頂部に対して１５度以下の傾斜を有してよい。好ましくは、第１の傾斜面は、電池モジュールの頂部に対して２〜７度の傾斜を有する。より好ましくは、第１の傾斜面は、電池モジュールの頂部に対して３〜５度の傾斜を有する。
【００４６】
この場合、第２の傾斜面は、第１の傾斜面の傾斜以下の範囲内で、電池モジュールの頂部に対して１０〜３０度以下の傾斜を有してよい。
【００４７】
一方、冷媒入口ポートは、中型または大型の電池パックが装着されるデバイスの条件次第で、様々な傾斜を有してよい。例えば、冷媒入口ポートは、第２の傾斜面の傾斜以下の傾斜を有してよい。
【００４８】
場合によっては、中型または大型の電池パックが装着されるデバイスの構造の限界により、冷媒入口ポートの傾斜を大きくする必要があるときには、冷媒入口ポートが第２の傾斜面の傾斜より大きな傾斜を有してよい。
【００４９】
本出願の発明者は、冷媒導入部分の上端内部が以前に定義されたような特定の傾斜構造を有するように構成されたとき、冷媒流れチャンネルにおける冷媒流量の均一性に対する冷媒入口ポートの傾斜の影響が軽微であることを実験的に確認した。したがって、冷媒導入部分の上端内部が、本発明のように特定の傾斜構造を有するように構成されるとき、デバイスの実装条件次第で、冷媒入口ポートの傾斜を自由に決定することができる。
【００５０】
好ましい実例では、冷媒入口ポートが第２の傾斜面の傾斜を上回る傾斜を有するという範囲内で、冷媒入口ポートがセルの積み重ねの頂部に対して３０〜６０度の傾斜を有してよい。したがって、電池パックが装着されるデバイスの条件次第で、冷媒入口ポートの傾斜を大きくする必要があるときでさえ、冷媒導入部分の上端内部の特性構造を与えることにより、効果的に所望の冷却効率を達成することができる。
【００５１】
一方、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端は、電池モジュールの高さの２〜３０％に等しい高さだけ電池モジュールの頂部と離隔されてよい。この構造は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に到達する冷媒の量を適切に限定し、それによって、ユニットセルに対する冷媒の一様分布の効果をさらに改善する。
【００５２】
この場合、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端は、電池モジュールの頂部から、好ましくは３〜２０ｍｍ、より好ましくは約５ｍｍの高さだけ離隔される。
【００５３】
電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が、電池モジュールの頂部から約５ｍｍだけ離隔される場合でさえ、下方に突出する部分が冷媒を渦巻かせるので、したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が電池モジュールの頂部から約１ｍｍだけ離隔される場合でさえ、下方に突出する部分が冷媒を渦巻かせる構造によってもたらされる均一な冷却効率を確実にすることができ、また電池パックの振動中に発生する衝撃によって電池モジュールの頂部が損傷を受けるのを防止することができる。
【００５４】
電池セルは、ニッケル水素２次電池またはリチウム２次電池などの２次電池でよい。それらの中で、リチウム２次電池が高エネルギー密度および高い放電電圧を有するので、好ましくはリチウム２次電池が使用される。その形状に基づいて、好ましくはプリズム形電池、小袋形電池または円筒状電池が、電池モジュールを構成する充放電可能なユニットセルとして使用される。より好ましくは、小袋形電池が、製造原価が安く重量が軽いので、電池モジュールのユニットセルとして使用される。
【００５５】
また、本発明による電池パックケースは、冷却効率が深刻な構造、すなわち電池セルの積層方向に対応する電池パックケースの長さが電池セルの横方向に対応する電池パックケースの長さより長い構造において、より好ましい。
【００５６】
一方、冷媒放出部分は、電池モジュールの底部に対して均一の高さを有してよい。すなわち、冷媒放出部分は、セルの積み重ねの底部に対して冷媒放出部分の内側部分の低い方の先端が均一の高さを有する構造を有するように構成されてよい。しかし、この構造は、もちろん冷媒放出効率を改善するために部分的に変更されてよい。
【００５７】
場合によっては、電池パックケースは、冷媒入口ポートを通って導入された冷媒が、電池モジュールを通って流れた後に冷媒出口ポートへ速やかにかつ滑らかに移動するように、冷媒出口ポートにブローイングファンがさらに装着された構造を有するように構成されてよい。この構造では、狭い冷媒入口ポートを通って導入された冷媒が、ブローイングファンから発生する冷媒駆動力により、冷媒入口ポートから遠く離れている電池セルに高い流速で十分に到達し、したがって、同一の冷媒流量の条件で、冷媒流量の比較的一様な分布が達成される。
【００５８】
本発明の別の態様によれば、前述の構造を有する中型または大型の電池パックケースに電池モジュールが装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックが提供される。
【００５９】
本明細書で使用される用語「電池モジュール」は、高出力で大容量の電力を供給するために、２つ以上の充放電可能な電池セルまたはユニットモジュールが機械的に結合され、加えて互いに電気的に接続された構造を有するように構成された電池システムの構造を包括的に意味する。したがって、電池モジュール自体が、単一装置または大型装置の一部分を構成することができる。例えば、大型電池モジュールを構成するために、複数の小型電池モジュールを互いに接続することができる。あるいは、ユニットモジュールを構成するために少数の電池セルを互いに接続することができ、複数のユニットモジュールを互いに接続することができる。
【００６０】
一方、ユニットモジュールは様々な構造で構成されてよく、その例示的実例が以下で説明されることになる。
【００６１】
ユニットモジュールは、それぞれの上端および下端に電極端子が形成されている複数のプレート形の電池セルが互いに直列接続された構造を有するように構成される。具体的には、ユニットモジュールは、電池セルの電極端子間の接続が曲げられ、高強度のセルカバーが電池セルの電極端子を除いて電池セルの外面を覆うように電池セルに結合される積層構造に配置された２つ以上の電池セルを含んでよい。
【００６２】
プレート形の電池セルは、電池モジュールを構成するように電池セルを積み重ねたとき、電池セルの全体のサイズが最小限になるように、厚さが薄く比較的大きな幅と長さを有する。好ましい実例として、電池セルは、樹脂層および金属層を含む積層板で形成された電極組立体が電池ケースに装着され、電極端子が電池ケースの上端および下端から外へ突出する構造を有するように構成された２次電池でよい。具体的には、電池セルは、電極組立体がアルミニウム積層板で形成された小袋形電池ケースに装着される構造を有するように構成されてよい。前述の構造を有するように構成された２次電池は、小袋形電池セルと称されてよい。
【００６３】
ユニットモジュールは、合成樹脂または金属材料で作製された高強度のセルカバーで２つ以上の電池セルを覆うことにより構成され得る。高強度のセルカバーは、電池セルの充電および放電を通じて繰り返される電池セルの伸縮による電池セルの変形を抑制し、機械的に低強度の電池セルを保護し、それによって電池セルのシーリング領域間の分離を防止する。したがって、最終的には安全性がより優れた中型または大型の電池モジュールを製造することができる。
【００６４】
電池セルは、１つのユニットモジュールにおいて互いに直列および／または並列に接続され、あるいは１つのユニットモジュールの電池セルが別のユニットモジュールの電池セルと直列および／または並列に接続される。好ましい実例では、電池セルの電極端子を互いに結合し、電池セルの電極端子が互いに連続的に隣接するように電池セルを長手方向に連続して配置し、２つ以上の電池セルを曲げることによって電池セルを積み重ね、積み重ねられた電池セルの所定数をセルカバーで覆うことにより、複数のユニットモジュールが製造され得る。
【００６５】
電極端子間の結合は、溶接、はんだ付け、および機械的結合などの様々なやり方で達成することができる。好ましくは、電極端子間の結合は、溶接によって達成される。
【００６６】
電極端子が互いに接続された状態の高集積度で積み重ねられた複数の電池セルまたはユニットモジュールは、好ましくは長方形の電池モジュールを構成する組立型の結合構造で互いに結合されるように構成された分離可能な上ケースおよび下ケースの中に垂直に装着される。
【００６７】
複数のユニットモジュールを用いて製造されるユニットモジュールおよび長方形の電池モジュールの詳細は、本願の出願人の名前で出願された韓国特許出願第２００６−４５４４３号および韓国特許出願第２００６−４５４４４号に開示されており、これらの開示は参照によって本明細書に組み込まれる。
【００６８】
本発明による中型または大型の電池パックは、好ましくは、大電力および大容量をもたらすように組み合わせた複数の電池セルから充電および放電の期間中に発生する高熱によってその安全性がひどく低下する恐れのある電気自動車、ハイブリッド電気自動車またはプラグインハイブリッド電気自動車用の電源として使用される。
【００６９】
本発明の上記および他の目的、特徴ならびに他の利点は、添付図面とともに以下の詳細な説明を考慮することから、より明らかに理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】電池モジュールが従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを示す斜視図である。
【図２】図１の中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図３】電池モジュールが別の従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図４】電池モジュールが本発明の一実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図５】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図６】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図７】電池モジュールが本発明の様々な実施形態による電池パックケースに装着されるように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図８】電池モジュールが本発明の様々な実施形態による電池パックケースに装着されるように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図９】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図１０】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図１１】図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【図１２】図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【図１３】図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【図１４】図３および図５の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１５】図６および図７の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１６】図９および図１０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１７】図１１〜図１３の起伏のある部分を有するように構成された中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１８】図６の中型または大型の電池パックの中に隔壁が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【図１９】図６および図１８の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図２０】特定の形状を有する下方への突出部が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【図２１】図６および図２０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
次に、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、図示された実施形態によって限定されないことに留意されたい。
【００７２】
図４は、電池モジュールが本発明の一実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００７３】
図４の中型または大型の電池パック１００ｂは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図３の中型または大型の電池パック１００ａと実質的に同一である。しかし、図４の中型または大型の電池パック１００ｂは、冷媒導入部分４０ｂの上端内部における冷媒を渦巻かせるための起伏のある部分４４ｂが、電池パックケース７０ｂの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端からの電池モジュール３２の頂部の長さＤの３５％に等しい距離ｄだけ延在するように形成され、また、電池パックケース７０ｂの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端が、電池モジュール３２の頂部から約５ｍｍの高さだけ離隔される点が図３の中型または大型の電池パック１００ａとは異なる。
【００７４】
したがって、電池パックケース７０ｂの構造では、渦巻冷媒によって冷却効率が改善される。また、電池パックケース７０ｂの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端が、図３の電池パックケースの先端より高く配置されるので、衝突によるノイズおよび損傷は最小限になる。
【００７５】
図５は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００７６】
図５の中型または大型の電池パック１００ｃは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図４の中型または大型の電池パック１００ｂと実質的に同一である。しかし、図５の中型または大型の電池パック１００ｃは、冷媒導入部分４０ｂの上端内部における冷媒を渦巻かせるための起伏のある部分４４ｃが、電池パックケース７０ｃの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端からの電池モジュール３２の頂部の長さＤの１００％に等しい距離ｄ’だけ延在するように形成される点が図４の中型または大型の電池パック１００ｂとは異なる。
【００７７】
図６は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００７８】
図６を参照すると、電池パックケース７０ｄは、ユニットセル３０の積層方向Ｌに対応する電池パックケース７０ｄの長さが、ユニットセル３０の横方向Ｗに対応する電池パックケース７０ｄの長さより長い構造を有するように構成される。また、冷媒が、電池セル３０の積層方向Ｌに対して垂直な方向に電池モジュール３２の一方の側から他方の側まで流れることができるように、冷媒入口ポート１０ｄおよび冷媒出口ポート２０ｄが、それぞれ電池パックケース７０ｄの上部および下部において反対方向に形成される。
【００７９】
冷媒が流れチャンネル６０を通って流れることできるように、それぞれのユニットセル３０の間に小さな流れチャンネル６０が画定される。したがって、冷媒入口ポート１０ｄを通って導入された冷媒は流れチャンネル６０を通って流れる。このとき、ユニットセル３０から発生した熱は、冷媒によって除去される。その後、冷媒は、冷媒出口ポート２０ｄを通って外部へ放出される。
【００８０】
図６の電池パックケース７０ｄは、図６の電池パックケース７０ｄの冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄが諸ステージで増加する傾斜を有する傾斜面の形で構成される点が、図３に示された電池パックケース７０ａとは異なる。すなわち、冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄは、電池パックケース７０ｄの冷媒入口ポート１０ｄと反対側の先端から始まる傾斜面の傾斜が、電池モジュール３２の頂部から冷媒入口ポート１０ｄに向かって増加する構造を有するように構成される。具体的には、冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄは、電池パックケース７０ｄの冷媒入口ポート１０ｄと反対側の先端から始まる第１の傾斜面ａと、第１の傾斜面ａと冷媒入口ポート１０ｄの間に第１の傾斜面ａより大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面ｂとを含む。
【００８１】
冷媒入口ポート１０ｄを通って導入された冷媒が冷媒導入部分４０ｄを通って第１の傾斜面ａおよび第２の傾斜面ｂに沿って流れるとき、冷媒の流れの断面積は、冷媒入口ポート１０ｄからの距離が増加するのに従って傾斜が減少する傾斜面ａおよびｂによって徐々に減少する。その結果、冷媒の流速が徐々に増加するが、冷媒流量が減少し、したがって、均一な冷媒流量がそれぞれの流れチャンネル６０に導入される一方で、冷媒が、冷媒入口ポート１０ｄから遠く離れたユニットセル３０に到達する。
【００８２】
冷媒の分布の均一性を向上するために、第１の傾斜面ａが電池モジュール３２の頂部に対して約５度の傾斜を有し、第２の傾斜面ｂが第１の傾斜面ａの傾斜より２００％大きな傾斜、すなわち電池モジュール３２の頂部に対して約１０度の傾斜を有するように、冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄに第１の傾斜面ａおよび第２の傾斜面ｂが形成される。
【００８３】
一方、図６に示されるように、冷媒入口ポート１０ｄは、第２の傾斜面ｂより小さな傾斜を有する。したがって、冷媒が冷媒入口ポート１０ｄを通って導入され、第２の傾斜面ｂが始まるポイントを通過するとき、冷媒の流速は、冷媒が冷媒入口ポート１０ｂと反対側の電池パックケース７０ｄの先端に到達するまで徐々に増加する。その結果、冷媒入口ポート１０ｂに隣接するユニットセル３０だけでなく冷媒入口ポート１０ｂから遠く離れたユニットセル３０も均一に冷却される。
【００８４】
また、電池パックケース７０ｄは、冷媒導入部分４０ｄの傾斜が冷媒入口ポート１０ｄと反対側の電池パックケース７０ｄの先端に向かって徐々に減少するように、冷媒導入部分４０ｄが諸ステージで傾けられる構造を有するように構成される。したがって、冷媒流量が冷媒出口ポート２０ｄ側で集中する現象の発生を防止することが可能であり、したがって、冷媒入口ポート１０ｄに隣接するユニットセル３０の温度の上昇を防止することができる。
【００８５】
上記の構造で、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が低いと、ユニットセル間の温度偏差が大きい。しかし、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が低すぎると、冷媒導入部分の上端内部が電池モジュールと接触し、その結果、電池モジュールおよび電池パックケースが損傷する。一方、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が高すぎると、所望の冷媒分布の均一性を達成することができない。
【００８６】
図７および図８は、電池モジュールが本発明の様々な実施形態による電池パックケースに装着されるように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００８７】
図７の中型または大型の電池パック１００ｅは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図６の中型または大型の電池パック１００ｄと実質的に同一である。しかし、図７の中型または大型の電池パック１００ｅは、第１の傾斜面ａの上端内部に冷媒を渦巻かせる起伏のある部分４４ｅが形成されるという点が図６の中型または大型の電池パック１００ｄとは異なる。
【００８８】
図８の中型または大型の電池パック１００ｆは、冷媒入口ポート１０ｆが第２の傾斜面ｂの傾斜（１０度）より大きい３０度の角度で傾けられるという点を除いて、図７の中型または大型の電池パック１００ｅと同一である。
【００８９】
しかし、冷媒の一様な分布が、冷媒入口ポート１０ｆの傾斜によってほとんど影響を及ぼされない。したがって、冷媒入口ポート１０ｆの傾斜は、冷却効率を低下させることなく、電池パックが組み込まれるデバイスの構造に基づいて変化され得る。
【００９０】
図９は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００９１】
図９の電池パックケース７０ｇで、冷媒導入部分４０ｇの上端内部４２ｇは、電池パックケース７０ｇの冷媒入口ポート１０ｇと反対側の先端に形成されて所定の高さｈを有する第１の平行面ｃであって電池モジュール３２の頂部に対して平行な第１の平行面ｃと、第１の平行面ｃの一端から始まる第１の傾斜面ａと、第１の傾斜面ａと冷媒入口ポート１０ｇの間に配置されて第１の傾斜面ａより大きな傾斜を有する第２の傾斜面ｂとを含む。
【００９２】
冷媒の分布の均一性を向上するために、第１の平行面ｃ、第１の傾斜面ａおよび第２の傾斜面ｂが、冷媒導入部分４０ｇの上端内部４２ｇに、第１の平行面ｃが電池モジュール３２の頂部に対して０度の傾斜を有し、第１の傾斜面ａが電池モジュール３２の頂部に対して約５度の傾斜を有し、第２の傾斜面ｂが電池モジュール３２の頂部に対して約１０度の傾斜を有するように形成される。
【００９３】
また、冷媒入口ポート１０ｇは、第２の傾斜面ｂの傾斜（１０度）より大きな３０度の角度で傾けられる。
【００９４】
図１０は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００９５】
図１０の中型または大型の電池パック１００ｈは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図９の中型または大型の電池パック１００ｇと実質的に同一である。しかし、図１０の中型または大型の電池パック１００ｈは、第１の平行面ｃの上端内部の全体にわたって冷媒を渦巻かせる起伏のある部分４４ｈが形成されるという点が図９の中型または大型の電池パック１００ｇとは異なる。
【００９６】
図１１〜図１３は、図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【００９７】
これらの図面を図１０と一緒に参照すると、起伏のある部分４４ｉ、４４ｊおよび４４ｋのそれぞれが、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｈと反対側の先端の高さＴの２０％に等しい高さｔを有する。起伏のある部分４４ｉ、４４ｊおよび４４ｋのそれぞれが、下方へ窪んだビードの形状に形成される。
【００９８】
図１１で、起伏のある部分４４ｉのそれぞれの最も低いポイント４４２が、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の中心の上に配置される。図１２で、起伏のある部分４４ｊのそれぞれの最も低いポイント４４４が、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における後側の上に配置される。図１３で、起伏のある部分４４ｋのそれぞれの最も低いポイント４４６が、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における前側の上に配置される。
【００９９】
上記の説明に関連して、図１４は、図３および図５の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１００】
図３および図５と一緒に図１４を参照すると、図１４は、冷媒出口ポートに隣接する電池セルから冷媒入口ポートに隣接する電池セルまで、電池パックケースの中に積み重ねられた電池セルの温度の測定結果を示す。すなわち、電池セルＮｏ．１は冷媒出口ポートに隣接する電池セルを示し、電池セルＮｏ．３５は冷媒入口ポートに隣接する電池セルを示す。
【０１０１】
所定の負荷を電池セルに与え、外部温度を室温レベルに維持するという条件下で、温度測定実験を行なった。図３の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１、すなわち電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した電池セルは−３６％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は３％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３３は最大の相対温度比１４％を有することが判明した。すなわち、電池セル間の温度偏差は５０％であった。電池セルの温度が特定の温度レベルを超過すると、電池セルの寿命は急激に低下する。このような高温および大きな温度偏差により、電池パックを長い期間使用するのが不可能になり、さらに電池パックが爆発する可能性が高まる。
【０１０２】
参考のために、前述の電池セルの相対温度比は、以下で説明される図５に示された電池パックの実験結果に対して同等の相対値であるように示されている。また、電池セル間の相対温度比の偏差は、電池セル間の温度偏差が生じることを意味する。
【０１０３】
一方、図５の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２３％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３１は最大の相対温度比８％を有することが判明した。したがって、図３の電池パックと比較して温度偏差を５０％から３１％に低減し、それによって冷媒の温度分布の均一性を大幅に改善することが可能であることが理解され得る。
【０１０４】
温度偏差が低減される理由は、前述のように、起伏のある部分が冷媒を渦巻かせて、冷媒が冷媒出口ポート側に集中するのを防止することである。
【０１０５】
図１５は、図６および図７の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１０６】
図６の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１、すなわち電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した電池セルは−３２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１８は最大の相対温度比２１％を有することが判明した。すなわち、電池セル間の温度偏差は５３％であった。
【０１０７】
一方、図７の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１５は最大の相対温度比５％を有することが判明した。したがって、図６の電池パックと比較して、温度偏差を５３％から２７％に低減することが可能であることが理解され得る。
【０１０８】
図１６は、図９および図１０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１０９】
図９の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１、すなわち電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した電池セルは−２８％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−９％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．７は最大の相対温度比６２％を有することが判明した。すなわち、電池セル間の温度偏差は９０％であった。
【０１１０】
一方、図１０の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−１０％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−９％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３は最大の相対温度比１３％を有することが判明した。したがって、図９の電池パックと比較して、温度偏差を９０％から２３％へと大幅に低減することが可能であることが理解され得る。
【０１１１】
すなわち、図９に示されたように、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｇと反対側の先端が所定の高さＨを有し、第１の平行面が０度の傾斜を有する場合、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｇと反対側の先端に冷媒が集中して相対温度比が上昇する。一方、図１０に示されたように、第１の平行面ｃにおいて起伏のある部分４４ｈが形成される場合、起伏のある部分４４ｈが冷媒を渦巻かせ、その結果、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｈと反対側の先端に冷媒が集中するのが防止され、温度偏差が大幅に低下する。
【０１１２】
図１７は、図１１〜図１３の起伏のある部分を有するように構成された中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１１３】
図１７に関連した実験は、図１１〜図１３に示されるように起伏のある部分の最も低いポイントの位置が互いに異なることを除けば、図１６と同一条件下で行なわれた。図１７から、起伏のある部分のそれぞれの最も低いポイント４４６が、図１３に示されるようにユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における前側の上に配置されると、電池セル３０の間の温度偏差が比較的小さいことが理解され得る。
【０１１４】
図１８は、図６の中型または大型の電池パックの中に隔壁が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【０１１５】
図６と一緒に図１９を参照すると、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における前側の上に各隔壁４４１が配置される。また、各隔壁４４１は、冷媒導入部分４０ｄの上端内部に、下方へ延在するように形成される。
【０１１６】
図１９は、図６および図１８の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１１７】
図６の電池パックに関して、測定実験により、電池セル間の温度偏差が前述のように５３％であることが判明した。
【０１１８】
一方、図１８の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１５は最大の相対温度比１２％を有することが判明した。したがって、図６の電池パックと比較して、温度偏差を５３％から３４％に低減することが可能であることが理解され得る。
【０１１９】
図２０は、特定の形状を有する下方への突出部が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【０１２０】
図８と一緒に図２０を参照すると、図８の電池パック１００ｆにおいて、起伏のある部分４４ｆの代わりに、特定の形状を有する下方への突出部分４４ｍが形成されている。下方への突出部分４４ｍは、冷媒導入部分４０ｆの横方向ｗにおいて不連続にｆ配置され、冷媒導入部分４０ｆの長手方向ｌにおいて交互に配置されるように形成されている。
【０１２１】
図２１は、図６および図２０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１２２】
図６の電池パックに関して、測定実験により、電池セル間の温度偏差が前述のように５３％であることが判明した。
【０１２３】
一方、図２０の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２８％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１６は最大の相対温度比１０％を有することが判明した。したがって、図６の電池パックと比較して、温度偏差を５３％から３８％に低減することが可能であることが理解され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
上記の説明から明らかなように、本発明による中型または大型の電池パックケースは、冷媒を導くように下方へ突出した部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から所定の距離に配置されるように冷媒導入部分の上端内部に形成される構造を有するように構成される。したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を適切な高さに、またはより高く保つ一方で、電池セルの間に画定された流れチャンネルを流れる冷媒を均一に分配することができ、それによって電池セルの間に蓄積される熱を効果的に除去し、電池セルの性能および寿命を大幅に改善することができる。
【０１２５】
本発明の好ましい実施形態が説明の目的のために開示されているが、当業者なら、添付の特許請求の範囲に開示された本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、様々な変更、追加および代替が可能であることを理解するであろう。
【符号の説明】
【０１２６】
１０ｂ 冷媒入口ポート
１０ｄ 冷媒入口ポート
１０ｇ 冷媒入口ポート
２０ｄ 冷媒出口ポート
３０ ユニットセル
３２ 電池モジュール
４０ｂ 冷媒導入部分
４０ｄ 冷媒導入部分
４０ｇ 冷媒導入部分
４２ｄ 冷媒導入部分４０ｄの内部の上端
４２ｇ 冷媒導入部分４０ｇの内部の上端
４４ｂ 起伏のある部分
４４ｃ 起伏のある部分
４４ｅ 起伏のある部分
４４ｆ 起伏のある部分
４４ｈ 起伏のある部分
４４ｉ 起伏のある部分
４４ｊ 起伏のある部分
４４ｋ 起伏のある部分
４４ｍ 下方への突出部分
５０ 冷媒放出部分
６０ 流れチャンネル
７０ｂ 電池パックケース
７０ｃ 電池パックケース
７０ｇ 電池パックケース
１００ｂ 電池パック
１００ｃ 電池パック
１００ｄ 電池パック
１００ｅ 電池パック
１００ｆ 電池パック
１００ｈ 電池パック
４４１ 隔壁
４４２ 起伏のある部分４４ｉのそれぞれの最も低いポイント
４４３ 起伏のある部分４４ｊのそれぞれの最も低いポイント
４４４ 起伏のある部分４４ｋのそれぞれの最も低いポイント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒流量の分布の均一性を改善した中型または大型の電池パックケースに関し、より詳細には、充放電可能な複数の積層電池セルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を有する電池モジュールが装着されている中型または大型の電池パックケースに関するものであり、この電池パックケースには、上部および下部にそれぞれ冷媒入口ポートおよび冷媒出口ポートが備わっており、これらのポートは、ユニットセルを冷却する冷媒が電池モジュールの一方の側から他方の側までユニットセルの積層方向に対して垂直な方向へ流れることができるように、反対方向に向けられ、この電池パックケースには、冷媒入口ポートから電池モジュールまで延在する流れ空間（「冷媒導入部分」）および電池モジュールから冷媒出口ポートまで延在する別の流れ空間（「冷媒放出部分」）がさらに備わっており、電池モジュールの頂部と向かい合う冷媒導入部分の上端内部は、冷媒導入部分の上端内部と電池モジュールの頂部間の距離が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に向かって縮小するように構成され、また、冷媒を電池モジュールに導くように下方へ突出した部分が冷媒導入部分の上端内部に形成され、起伏のある部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から所定の距離だけ延在する。
【背景技術】
【０００２】
最近、充放電可能な２次電池が、エネルギー源として無線モバイルデバイスに広く使用されている。また、化石燃料を使用する既存のガソリン車およびディーゼル車によって引き起こされた大気汚染などの問題を解決するために開発されている電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用の電源として、２次電池が非常に注目されている。
【０００３】
小型のモバイルデバイスは、各デバイスにつき１つまたはいくつかの電池セルを使用する。一方、車両などの中型または大型のデバイスは、高出力かつ大容量のものが必要であるため、互いに電気的に接続された複数の電池セルを有する中型または大型の電池モジュールを使用する。
【０００４】
好ましくは、中型または大型の電池モジュールはできるだけ小さなサイズおよび軽い重量を有するように製造される。このために、高集積度で積み重ねることができ、小さな重量対容量比を有するプリズム形電池または小袋形電池が、中型または大型の電池モジュールの電池セルとして通常使用される。具体的には、小袋形電池は、軽量で製造原価が安く、形状変更も簡単であるため、被覆部材としてアルミニウム積層板を使用する小袋形電池に多くの関心が寄せられている。
【０００５】
中型または大型の電池モジュールが、所定の装置またはデバイスによって必要とされる電力および容量を供給するためには、中型または大型の電池モジュールは、複数の電池セルが互いに直列に電気的接続され、かつ外力に対して安定な構造を有するように構成されなければならない。
【０００６】
また、中型または大型の電池モジュールを構成する電池セルは、充放電可能な２次電池である。したがって、電池の充電および放電を通じて、高出力かつ大容量の２次電池から大量の熱が発生する。ユニットセルの充放電の期間中にユニットセルから発生する熱が効果的に除去されないと、熱がそれぞれのユニットセルに蓄積してユニットセルの劣化が加速されることになる。場合によっては、ユニットセルが発火するかまたは爆発する恐れがある。このため、高出力かつ大容量の電池である車両用電池パックには、電池パックに装着された電池セルを冷却するための冷却システムが必要である。
【０００７】
一方、複数の電池セルを含む中型または大型の電池パックでは、いくつかの電池セルの性能劣化が全体の電池パックの性能劣化をもたらす。性能の不均一性をもたらす主な要因の１つに、電池セル間の冷却の不均一性がある。このため、冷媒が流れる間、冷却の均一性を確実にする構造を提供することが要求されている。
【０００８】
いくつかの従来型の中型または大型の電池パックは、電池パックケースの上部および下部において冷媒入口ポートと冷媒出口ポートが反対の方向に向くように配置され、冷媒入口ポートから電池モジュールまで延在する流れ空間の頂部および底部が互いに平行である構造を有するように構成された電池パックケースを使用する。しかし、この構造では、冷媒出口ポートに隣接する電池セルの間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的大きいのに対して、冷媒入口ポートに隣接する電池セルの間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的小さく、その結果、電池セルの均一な冷却を達成するのが困難になる。
【０００９】
このことに関して、韓国特許出願公開第２００６−００３７６００号、韓国特許出願公開第２００６−００３７６０１号、および韓国特許出願公開第２００６−００３７６２７号には、エアガイド面が、電池パックケースの電池セルと反対側の側面の方へ下に傾けられ、その結果、エアガイド面が電池セルにより近くなって、エアガイド面と冷媒入口ポートの間の距離が増加する構造を有するように構成された中型または大型の電池パックが開示されている。具体的には、エアガイド面は、電池パックケースの電池セルと反対側の側面に対して所定の角度、例えば１５度から４５度の角度で傾斜しており、それによって、冷媒出口ポートに隣接する電池セルの間に画定された流れチャンネルに冷媒が過度に導入される現象が発生するのを抑制する。
【００１０】
しかし、本出願の発明者は、前述の構造でさえ電池セル間の温度偏差が大きく、所望レベルの温度均一性を達成することが不可能であるという結果を伴うことに気付いた。
【００１１】
さらに、この構造では、電池セルに隣接したエアガイド面の領域が、電池パックの振動中に電池セルまたは電池モジュールと接触する可能性があり、結果として電池パックからノイズが発生するかまたは電池パックが損傷する恐れがある。したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を所定の高さより低く下げることは不可能であり、結果として、最適の温度偏差を有するパックケースの設計は不可能である。
【００１２】
一方、従来型の電池パックの構造に関して、図１は、電池モジュールが従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを示す斜視図であり、図２は、図１の中型または大型の電池パックケースに装着する電池モジュールを有する中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００１３】
これらの図面を参照すると、中型または大型の電池パック１００は、複数のユニットセル３０が互いに電気的に接続されるように積層される構造を有するように構成された電池モジュール３２、電池モジュール３２が装着される電池パックケース７０、冷媒入口ポート１０から電池モジュール３２まで延在する流れ空間としての冷媒導入部分４０、および電池モジュール３２から冷媒出口ポート２０まで延在する別の流れ空間としての冷媒放出部分５０を含んでいる。
【００１４】
冷媒入口ポート１０を通って導入された冷媒は、冷媒導入部分４０およびそれぞれのユニットセル３０の間に画定された流れチャンネル６０を通って流れる。この時、冷媒が電池セル３０を冷却する。その後、冷媒は冷媒放出部分５０を通って流れ、次いで冷媒出口ポート２０を通って電池パックケースから放出される。
【００１５】
冷媒導入部分４０は、ユニットセル３０が積み重ねられる方向と平行に形成される。上記の構造では、冷媒出口ポート２０に隣接するユニットセル間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的大きいのに対して、冷媒入口ポート１０に隣接するユニットセル間に画定された流れチャンネルに導入される冷媒流量が比較的小さく、その結果、ユニットセル３０の冷却が均一には達成されず、したがって、冷媒出口２０に隣接したユニットセルと冷媒入口１０に隣接したユニットセルの間の温度偏差が非常に大きい。冷媒が冷媒出口ポート２０側に集中して、その結果冷媒入口ポート１０側の温度が上昇するので、この現象が生じる。
【００１６】
また、図３は、電池モジュールが別の従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００１７】
図３の中型または大型の電池パック１００ａは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図１の中型または大型の電池パック１００と実質的に同一である。しかし、図３の中型または大型の電池パック１００ａは、冷媒入口ポート１０ａおよび冷媒導入部分４０ａが所定の角度で電池パックケース７０ａの方へ傾斜している点が図１の中型または大型の電池パック１００と異なる。すなわち、冷媒導入部分４０ａの上端内部４２ａが、電池パックケース７０の冷媒入口ポート１０ａと反対側の先端の方へ所定の角度で傾斜している。また、電池パックケース７０の冷媒入口ポート１０ａと反対側の先端は、ユニットセル３０の間を流れる冷媒の温度が均一になるように、約１ｍｍの高さＨだけ電池モジュール３２の頂部と離隔される。
【００１８】
この構造では、冷媒入口ポート１０ａに隣接したユニットセル３０の冷却効率が、図１の中型または大型の電池パック１００と比べて比較的大きい。しかし、依然としてかなり大きな温度差が存在する。また、冷媒導入部分４０ａの上端内部が、中型または大型の電池パック１００ａの振動中にユニットセルの頂部と接触し、結果として、中型または大型の電池パックがノイズを発生するかまたは損傷する可能性がある。
【００１９】
したがって、前述の問題を根本的に解決する技術に対する高度な必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】韓国特許出願公開第２００６−００３７６００号
【特許文献２】韓国特許出願公開第２００６−００３７６０１号
【特許文献３】韓国特許出願公開第２００６−００３７６２７号
【特許文献４】韓国特許出願第２００６−４５４４３号
【特許文献５】韓国特許出願第２００６−４５４４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
したがって、本発明は、まだ解決されていない上記の問題、および他の技術的問題を解決するために行なわれた。
【００２２】
中型または大型の電池パックケースに関する様々な広範囲かつ集約的な調査および実験の結果、本出願の発明者は、中型または大型の電池パックケースを、電池モジュールへ冷媒を導くように下方へ突出した部分が電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した冷媒導入部分の上端内部に形成された構造を有するように構成すると、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を適切な高さに、またはより高く保つ一方で、電池セルの間に画定された流れチャンネルを流れる冷媒を均一に分配することができ、それによって電池セルの間に蓄積される熱を効果的に除去し、電池セルの性能および寿命を大幅に改善することが可能であることを発見した。本発明は、これらの発見に基づいて完成されている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の一態様によれば、上記目的および他の目的は、充放電可能な複数の積層電池セルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を有する電池モジュールが装着されている中型または大型の電池パックケースであって、この電池パックケースには、上部および下部にそれぞれ冷媒入口ポートおよび冷媒出口ポートが備わっており、これらのポートは、ユニットセルを冷却する冷媒が、電池モジュールの一方の側からもう一方の側までユニットセルの積層方向に対して垂直な方向へ流れることができるように、反対方向に向けられ、この電池パックケースには、冷媒入口ポートから電池モジュールまで延在する流れ空間（「冷媒導入部分」）および電池モジュールから冷媒出口ポートまで延在する別の流れ空間（「冷媒放出部分」）がさらに備わっており、電池モジュールの頂部と向かい合う冷媒導入部分の上端内部は、冷媒導入部分の上端内部と電池モジュールの頂部の間の距離が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に向かって縮小するように構成され、また、冷媒を電池モジュールに導くように下方へ突出した部分が冷媒導入部分の上端内部に形成され、起伏のある部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から所定の距離だけ延在する、中型または大型の電池パックケースを提供することにより達成され得る。
【００２４】
すなわち、本発明による中型または大型の電池パックケースでは、冷媒を電池モジュールへ導くように下方へ突出した部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した冷媒導入部分の上端内部に形成され、したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を適切な高さに、または電池モジュールの頂部より高く保つ一方で、ユニットセル（電池セルまたはユニットモジュール）の間に画定された流れチャンネルを流れる冷媒の流量を均一に分配することができ、それによって、電池セルの充放電の期間中に電池セルから発生する熱を、冷媒の均一な流れによって効果的に除去することができる。したがって、効率的に冷却してユニットセルの動作性能を改善することが可能である。
【００２５】
また、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端は、適切な高さに、または下方へ突出した部分より高く保たれる。したがって、電池パックによるノイズの発生または電池パックの振動中の冷媒入口ポートと電池パックケースのユニットセルと反対側の先端との間の衝突による損傷を防止することができる。
【００２６】
本発明による、中型または大型の電池パックケースに装着する電池モジュールは、複数のユニットセルを高集積度で積み重ねることにより製造される。ユニットセルは、ユニットセルの充電および放電の期間中にユニットセルから発生する熱を除去するために、互いに所定の距離だけ離隔されるように積み重ねられる。例えば、電池セルは、所定の距離だけ互いに離隔されるように、さらなる部材を使用することなく順次に積み重ねられる。一方、機械的に低強度の電池セルについては、１つまたは複数の電池セルが取付け部材に装着され、複数の取付け部材が積み重ねられて電池モジュールを構成する。本発明では、後者は「ユニットモジュール」と称される。複数のユニットモジュールを積み重ねて電池モジュールを構成する場合には、積層電池セル間に蓄積する熱を効果的に除去するために、電池セルの間および／またはユニットモジュールの間に冷媒の流れチャンネルを形成する。
【００２７】
冷媒導入部分および冷媒放出部分は、電池セルの充電および放電の期間中に電池セルから発生する熱を効果的に除去するための冷媒を、導入したり放出したりする流れ空間である。冷媒導入部分および冷媒放出部分は、それぞれ電池パックケースの上部および下部に反対方向に形成される。場合によっては、冷媒導入部分および冷媒放出部分は、それぞれ電池パックケースの下部および上部に反対方向に形成されてもよい。
【００２８】
好ましい実例では、下方に突出した部分は、冷媒を渦巻かせるために、起伏のある部分を含んでよい。
【００２９】
この場合、起伏のある部分は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端高さの１０〜５０％に等しい高さを有する。起伏のある部分の高さが、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端高さの５０％を超えると、流れ抵抗が過度に増加し、これは好ましいことではない。一方、起伏のある部分の高さが、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端高さの１０％未満であると、冷媒を渦巻かせることができず、これは好ましいことではない。
【００３０】
起伏のある部分は最も低いポイントを有してよく、それらのポイントのそれぞれが、ユニットセルのうち対応する１つの頂部の中心、前側または後側上に配置される。好ましくは、起伏のある部分には最も低いポイントがあり、それらのポイントのそれぞれが、ユニットセルのうち対応する１つの前側の頂部の上に配置され、というのは、ユニットセルの上を通過する冷媒がユニットセルのそれぞれの後側の上に集中するのが防止され、それによって冷媒の分布の均一性が改善するからである。
【００３１】
起伏のある部分は、下方へ突出するかまたは窪んでいるビードまたは半球の形状に形成されてよい。好ましくは、起伏のある部分は下方への窪みを含む。
【００３２】
別の好ましい実例では、下方へ突出する部分が隔壁を含んでよい。隔壁のない従来型の電池パックケースと比較して、冷媒の分布の均一性が改善される。
【００３３】
場合によっては、下方へ突出する部分が、冷媒導入部分の横方向には不連続に配置されて冷媒導入部分の長手方向には交互に配置された下方への突出部を含んでよい。
【００３４】
下方へ突出する部分が容易に冷媒を導く限り、下方へ突出する部分の長さには特に制限がない。例えば、突出する部分は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端からの電池モジュールの頂部の長さの５〜１００％、好ましくは２０〜１００％に等しい距離だけ下方へ延在してよい。
【００３５】
好ましい実例では、冷媒導入部分の上端内部は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から始まる傾斜面の傾斜が、電池モジュールの頂部から冷媒入口ポートに向かって増加する構造を有するように構成されてよい。
【００３６】
ここで、「傾斜の増加」という表現は、冷媒入口ポート側にある傾斜面が、冷媒入口ポートと反対側にある傾斜面より大きな傾斜を有することを意味する。したがって、傾斜面は、冷媒入口ポートに向かって連続的に、または不連続的に増加し得る。ここで、「不連続な増加」という表現は、傾斜面の間に画定された領域が０度の傾斜を有することがあることを意味する。例えば、セルの積み重ねの頂部に対して０度の傾斜を有する領域が、隣接した傾斜面の間に部分的に形成されてよい。
【００３７】
冷媒導入部分の上端内部の傾斜面の傾斜は、様々な構造の冷媒入口ポートに向かって増加し得る。
【００３８】
好ましい実例では、冷媒導入部分の上端内部は、２つ以上の連続した傾斜面を含んでよい。すなわち、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から冷媒入口ポートに向かってその傾斜が増加する傾斜面が、冷媒導入部分の上端内部に形成されてよい。
【００３９】
本出願の発明者が行なった実験により、冷媒導入部分の上端内部が２つ以上の傾斜面を含む構造を有するように構成されたときには、冷媒導入部分の上端内部が電池モジュールの頂部に対して平行であるとき、または冷媒導入部分の上端内部が単一の傾斜面を含む構造を有するように構成されているときより、ユニットセル間の温度偏差が減少し、したがってユニットセルの性能がさらに改善されることが明らかになった。
【００４０】
具体的な実例では、上端内部の傾斜面は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から始まる第１の傾斜面と、第１の傾斜面と冷媒入口ポートの間に第１の傾斜面より大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面とを含んでよい。
【００４１】
上記の構造では、必要に応じて、下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に第１の傾斜面に形成されてよい。好ましくは、冷媒の総合的な分布の均一性を確実にすることができるので、下方へ突出する部分が全体として第１の傾斜面に形成される。
【００４２】
別の具体的な実例では、上端内部の傾斜面は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から延在する第１の平行面であって、電池モジュールの頂部に対して平行な第１の平行面と、第１の平行面から始まる第１の傾斜面と、第１の傾斜面と冷媒入口ポートの間に配置されて第１の傾斜面より大きな傾斜を有する第２の傾斜面とを含んでよい。
【００４３】
上記の構造では、必要に応じて、下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に第１の平行面に形成されてよい。好ましくは、冷媒の総合的な分布の均一性を確実にすることができるので、下方へ突出する部分が全体として第１の平行面に形成される。
【００４４】
上記の例示的構造では、第２の傾斜面の傾斜が電池モジュールの頂部に対して４５度を超過しない範囲内で、第２の傾斜面が、第１の傾斜面の傾斜より２０〜５００％、好ましくは１００〜３００％大きな傾斜を有する。第２の傾斜面の傾斜が４５度を超過しないので、電池パックケースのサイズの増加を最小限にすることができる。また、第２の傾斜面の傾斜が第１の傾斜面の傾斜より少なくとも２０％大きいので、冷媒流量の望ましい分布均一性を確実にすることができる。
【００４５】
第１の傾斜面は、電池モジュールの頂部に対して１５度以下の傾斜を有してよい。好ましくは、第１の傾斜面は、電池モジュールの頂部に対して２〜７度の傾斜を有する。より好ましくは、第１の傾斜面は、電池モジュールの頂部に対して３〜５度の傾斜を有する。
【００４６】
この場合、第２の傾斜面は、第１の傾斜面の傾斜以下の範囲内で、電池モジュールの頂部に対して１０〜３０度以下の傾斜を有してよい。
【００４７】
一方、冷媒入口ポートは、中型または大型の電池パックが装着されるデバイスの条件次第で、様々な傾斜を有してよい。例えば、冷媒入口ポートは、第２の傾斜面の傾斜以下の傾斜を有してよい。
【００４８】
場合によっては、中型または大型の電池パックが装着されるデバイスの構造の限界により、冷媒入口ポートの傾斜を大きくする必要があるときには、冷媒入口ポートが第２の傾斜面の傾斜より大きな傾斜を有してよい。
【００４９】
本出願の発明者は、冷媒導入部分の上端内部が以前に定義されたような特定の傾斜構造を有するように構成されたとき、冷媒流れチャンネルにおける冷媒流量の均一性に対する冷媒入口ポートの傾斜の影響が軽微であることを実験的に確認した。したがって、冷媒導入部分の上端内部が、本発明のように特定の傾斜構造を有するように構成されるとき、デバイスの実装条件次第で、冷媒入口ポートの傾斜を自由に決定することができる。
【００５０】
好ましい実例では、冷媒入口ポートが第２の傾斜面の傾斜を上回る傾斜を有するという範囲内で、冷媒入口ポートがセルの積み重ねの頂部に対して３０〜６０度の傾斜を有してよい。したがって、電池パックが装着されるデバイスの条件次第で、冷媒入口ポートの傾斜を大きくする必要があるときでさえ、冷媒導入部分の上端内部の特性構造を与えることにより、効果的に所望の冷却効率を達成することができる。
【００５１】
一方、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端は、電池モジュールの高さの２〜３０％に等しい高さだけ電池モジュールの頂部と離隔されてよい。この構造は、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に到達する冷媒の量を適切に限定し、それによって、ユニットセルに対する冷媒の一様分布の効果をさらに改善する。
【００５２】
この場合、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端は、電池モジュールの頂部から、好ましくは３〜２０ｍｍ、より好ましくは約５ｍｍの高さだけ離隔される。
【００５３】
電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が、電池モジュールの頂部から約５ｍｍだけ離隔される場合でさえ、下方に突出する部分が冷媒を渦巻かせるので、したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が電池モジュールの頂部から約１ｍｍだけ離隔される場合でさえ、下方に突出する部分が冷媒を渦巻かせる構造によってもたらされる均一な冷却効率を確実にすることができ、また電池パックの振動中に発生する衝撃によって電池モジュールの頂部が損傷を受けるのを防止することができる。
【００５４】
電池セルは、ニッケル水素２次電池またはリチウム２次電池などの２次電池でよい。それらの中で、リチウム２次電池が高エネルギー密度および高い放電電圧を有するので、好ましくはリチウム２次電池が使用される。その形状に基づいて、好ましくはプリズム形電池、小袋形電池または円筒状電池が、電池モジュールを構成する充放電可能なユニットセルとして使用される。より好ましくは、小袋形電池が、製造原価が安く重量が軽いので、電池モジュールのユニットセルとして使用される。
【００５５】
また、本発明による電池パックケースは、冷却効率が深刻な構造、すなわち電池セルの積層方向に対応する電池パックケースの長さが電池セルの横方向に対応する電池パックケースの長さより長い構造において、より好ましい。
【００５６】
一方、冷媒放出部分は、電池モジュールの底部に対して均一の高さを有してよい。すなわち、冷媒放出部分は、セルの積み重ねの底部に対して冷媒放出部分の内側部分の低い方の先端が均一の高さを有する構造を有するように構成されてよい。しかし、この構造は、もちろん冷媒放出効率を改善するために部分的に変更されてよい。
【００５７】
場合によっては、電池パックケースは、冷媒入口ポートを通って導入された冷媒が、電池モジュールを通って流れた後に冷媒出口ポートへ速やかにかつ滑らかに移動するように、冷媒出口ポートにブローイングファンがさらに装着された構造を有するように構成されてよい。この構造では、狭い冷媒入口ポートを通って導入された冷媒が、ブローイングファンから発生する冷媒駆動力により、冷媒入口ポートから遠く離れている電池セルに高い流速で十分に到達し、したがって、同一の冷媒流量の条件で、冷媒流量の比較的一様な分布が達成される。
【００５８】
本発明の別の態様によれば、前述の構造を有する中型または大型の電池パックケースに電池モジュールが装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックが提供される。
【００５９】
本明細書で使用される用語「電池モジュール」は、高出力で大容量の電力を供給するために、２つ以上の充放電可能な電池セルまたはユニットモジュールが機械的に結合され、加えて互いに電気的に接続された構造を有するように構成された電池システムの構造を包括的に意味する。したがって、電池モジュール自体が、単一装置または大型装置の一部分を構成することができる。例えば、大型電池モジュールを構成するために、複数の小型電池モジュールを互いに接続することができる。あるいは、ユニットモジュールを構成するために少数の電池セルを互いに接続することができ、複数のユニットモジュールを互いに接続することができる。
【００６０】
一方、ユニットモジュールは様々な構造で構成されてよく、その例示的実例が以下で説明されることになる。
【００６１】
ユニットモジュールは、それぞれの上端および下端に電極端子が形成されている複数のプレート形の電池セルが互いに直列接続された構造を有するように構成される。具体的には、ユニットモジュールは、電池セルの電極端子間の接続が曲げられ、高強度のセルカバーが電池セルの電極端子を除いて電池セルの外面を覆うように電池セルに結合される積層構造に配置された２つ以上の電池セルを含んでよい。
【００６２】
プレート形の電池セルは、電池モジュールを構成するように電池セルを積み重ねたとき、電池セルの全体のサイズが最小限になるように、厚さが薄く比較的大きな幅と長さを有する。好ましい実例として、電池セルは、樹脂層および金属層を含む積層板で形成された電極組立体が電池ケースに装着され、電極端子が電池ケースの上端および下端から外へ突出する構造を有するように構成された２次電池でよい。具体的には、電池セルは、電極組立体がアルミニウム積層板で形成された小袋形電池ケースに装着される構造を有するように構成されてよい。前述の構造を有するように構成された２次電池は、小袋形電池セルと称されてよい。
【００６３】
ユニットモジュールは、合成樹脂または金属材料で作製された高強度のセルカバーで２つ以上の電池セルを覆うことにより構成され得る。高強度のセルカバーは、電池セルの充電および放電を通じて繰り返される電池セルの伸縮による電池セルの変形を抑制し、機械的に低強度の電池セルを保護し、それによって電池セルのシーリング領域間の分離を防止する。したがって、最終的には安全性がより優れた中型または大型の電池モジュールを製造することができる。
【００６４】
電池セルは、１つのユニットモジュールにおいて互いに直列および／または並列に接続され、あるいは１つのユニットモジュールの電池セルが別のユニットモジュールの電池セルと直列および／または並列に接続される。好ましい実例では、電池セルの電極端子を互いに結合し、電池セルの電極端子が互いに連続的に隣接するように電池セルを長手方向に連続して配置し、２つ以上の電池セルを曲げることによって電池セルを積み重ね、積み重ねられた電池セルの所定数をセルカバーで覆うことにより、複数のユニットモジュールが製造され得る。
【００６５】
電極端子間の結合は、溶接、はんだ付け、および機械的結合などの様々なやり方で達成することができる。好ましくは、電極端子間の結合は、溶接によって達成される。
【００６６】
電極端子が互いに接続された状態の高集積度で積み重ねられた複数の電池セルまたはユニットモジュールは、好ましくは長方形の電池モジュールを構成する組立型の結合構造で互いに結合されるように構成された分離可能な上ケースおよび下ケースの中に垂直に装着される。
【００６７】
複数のユニットモジュールを用いて製造されるユニットモジュールおよび長方形の電池モジュールの詳細は、本願の出願人の名前で出願された韓国特許出願第２００６−４５４４３号および韓国特許出願第２００６−４５４４４号に開示されており、これらの開示は参照によって本明細書に組み込まれる。
【００６８】
本発明による中型または大型の電池パックは、好ましくは、大電力および大容量をもたらすように組み合わせた複数の電池セルから充電および放電の期間中に発生する高熱によってその安全性がひどく低下する恐れのある電気自動車、ハイブリッド電気自動車またはプラグインハイブリッド電気自動車用の電源として使用される。
【００６９】
本発明の上記および他の目的、特徴ならびに他の利点は、添付図面とともに以下の詳細な説明を考慮することから、より明らかに理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】電池モジュールが従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを示す斜視図である。
【図２】図１の中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図３】電池モジュールが別の従来型の中型または大型の電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図４】電池モジュールが本発明の一実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図５】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図６】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図７】電池モジュールが本発明の様々な実施形態による電池パックケースに装着されるように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図８】電池モジュールが本発明の様々な実施形態による電池パックケースに装着されるように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図９】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図１０】電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【図１１】図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【図１２】図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【図１３】図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【図１４】図３および図５の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１５】図６および図７の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１６】図９および図１０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１７】図１１〜図１３の起伏のある部分を有するように構成された中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図１８】図６の中型または大型の電池パックの中に隔壁が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【図１９】図６および図１８の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図２０】特定の形状を有する下方への突出部が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【図２１】図６および図２０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
次に、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、図示された実施形態によって限定されないことに留意されたい。
【００７２】
図４は、電池モジュールが本発明の一実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００７３】
図４の中型または大型の電池パック１００ｂは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図３の中型または大型の電池パック１００ａと実質的に同一である。しかし、図４の中型または大型の電池パック１００ｂは、冷媒導入部分４０ｂの上端内部における冷媒を渦巻かせるための起伏のある部分４４ｂが、電池パックケース７０ｂの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端からの電池モジュール３２の頂部の長さＤの３５％に等しい距離ｄだけ延在するように形成され、また、電池パックケース７０ｂの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端が、電池モジュール３２の頂部から約５ｍｍの高さだけ離隔される点が図３の中型または大型の電池パック１００ａとは異なる。
【００７４】
したがって、電池パックケース７０ｂの構造では、渦巻冷媒によって冷却効率が改善される。また、電池パックケース７０ｂの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端が、図３の電池パックケースの先端より高く配置されるので、衝突によるノイズおよび損傷は最小限になる。
【００７５】
図５は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００７６】
図５の中型または大型の電池パック１００ｃは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図４の中型または大型の電池パック１００ｂと実質的に同一である。しかし、図５の中型または大型の電池パック１００ｃは、冷媒導入部分４０ｂの上端内部における冷媒を渦巻かせるための起伏のある部分４４ｃが、電池パックケース７０ｃの冷媒入口ポート１０ｂと反対側の先端からの電池モジュール３２の頂部の長さＤの１００％に等しい距離ｄ’だけ延在するように形成される点が図４の中型または大型の電池パック１００ｂとは異なる。
【００７７】
図６は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００７８】
図６を参照すると、電池パックケース７０ｄは、ユニットセル３０の積層方向Ｌに対応する電池パックケース７０ｄの長さが、ユニットセル３０の横方向Ｗに対応する電池パックケース７０ｄの長さより長い構造を有するように構成される。また、冷媒が、電池セル３０の積層方向Ｌに対して垂直な方向に電池モジュール３２の一方の側から他方の側まで流れることができるように、冷媒入口ポート１０ｄおよび冷媒出口ポート２０ｄが、それぞれ電池パックケース７０ｄの上部および下部において反対方向に形成される。
【００７９】
冷媒が流れチャンネル６０を通って流れることできるように、それぞれのユニットセル３０の間に小さな流れチャンネル６０が画定される。したがって、冷媒入口ポート１０ｄを通って導入された冷媒は流れチャンネル６０を通って流れる。このとき、ユニットセル３０から発生した熱は、冷媒によって除去される。その後、冷媒は、冷媒出口ポート２０ｄを通って外部へ放出される。
【００８０】
図６の電池パックケース７０ｄは、図６の電池パックケース７０ｄの冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄが諸ステージで増加する傾斜を有する傾斜面の形で構成される点が、図３に示された電池パックケース７０ａとは異なる。すなわち、冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄは、電池パックケース７０ｄの冷媒入口ポート１０ｄと反対側の先端から始まる傾斜面の傾斜が、電池モジュール３２の頂部から冷媒入口ポート１０ｄに向かって増加する構造を有するように構成される。具体的には、冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄは、電池パックケース７０ｄの冷媒入口ポート１０ｄと反対側の先端から始まる第１の傾斜面ａと、第１の傾斜面ａと冷媒入口ポート１０ｄの間に第１の傾斜面ａより大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面ｂとを含む。
【００８１】
冷媒入口ポート１０ｄを通って導入された冷媒が冷媒導入部分４０ｄを通って第１の傾斜面ａおよび第２の傾斜面ｂに沿って流れるとき、冷媒の流れの断面積は、冷媒入口ポート１０ｄからの距離が増加するのに従って傾斜が減少する傾斜面ａおよびｂによって徐々に減少する。その結果、冷媒の流速が徐々に増加するが、冷媒流量が減少し、したがって、均一な冷媒流量がそれぞれの流れチャンネル６０に導入される一方で、冷媒が、冷媒入口ポート１０ｄから遠く離れたユニットセル３０に到達する。
【００８２】
冷媒の分布の均一性を向上するために、第１の傾斜面ａが電池モジュール３２の頂部に対して約５度の傾斜を有し、第２の傾斜面ｂが第１の傾斜面ａの傾斜より２００％大きな傾斜、すなわち電池モジュール３２の頂部に対して約１０度の傾斜を有するように、冷媒導入部分４０ｄの上端内部４２ｄに第１の傾斜面ａおよび第２の傾斜面ｂが形成される。
【００８３】
一方、図６に示されるように、冷媒入口ポート１０ｄは、第２の傾斜面ｂより小さな傾斜を有する。したがって、冷媒が冷媒入口ポート１０ｄを通って導入され、第２の傾斜面ｂが始まるポイントを通過するとき、冷媒の流速は、冷媒が冷媒入口ポート１０ｂと反対側の電池パックケース７０ｄの先端に到達するまで徐々に増加する。その結果、冷媒入口ポート１０ｂに隣接するユニットセル３０だけでなく冷媒入口ポート１０ｂから遠く離れたユニットセル３０も均一に冷却される。
【００８４】
また、電池パックケース７０ｄは、冷媒導入部分４０ｄの傾斜が冷媒入口ポート１０ｄと反対側の電池パックケース７０ｄの先端に向かって徐々に減少するように、冷媒導入部分４０ｄが諸ステージで傾けられる構造を有するように構成される。したがって、冷媒流量が冷媒出口ポート２０ｄ側で集中する現象の発生を防止することが可能であり、したがって、冷媒入口ポート１０ｄに隣接するユニットセル３０の温度の上昇を防止することができる。
【００８５】
上記の構造で、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が低いと、ユニットセル間の温度偏差が大きい。しかし、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が低すぎると、冷媒導入部分の上端内部が電池モジュールと接触し、その結果、電池モジュールおよび電池パックケースが損傷する。一方、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端が高すぎると、所望の冷媒分布の均一性を達成することができない。
【００８６】
図７および図８は、電池モジュールが本発明の様々な実施形態による電池パックケースに装着されるように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００８７】
図７の中型または大型の電池パック１００ｅは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図６の中型または大型の電池パック１００ｄと実質的に同一である。しかし、図７の中型または大型の電池パック１００ｅは、第１の傾斜面ａの上端内部に冷媒を渦巻かせる起伏のある部分４４ｅが形成されるという点が図６の中型または大型の電池パック１００ｄとは異なる。
【００８８】
図８の中型または大型の電池パック１００ｆは、冷媒入口ポート１０ｆが第２の傾斜面ｂの傾斜（１０度）より大きい３０度の角度で傾けられるという点を除いて、図７の中型または大型の電池パック１００ｅと同一である。
【００８９】
しかし、冷媒の一様な分布が、冷媒入口ポート１０ｆの傾斜によってほとんど影響を及ぼされない。したがって、冷媒入口ポート１０ｆの傾斜は、冷却効率を低下させることなく、電池パックが組み込まれるデバイスの構造に基づいて変化され得る。
【００９０】
図９は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００９１】
図９の電池パックケース７０ｇで、冷媒導入部分４０ｇの上端内部４２ｇは、電池パックケース７０ｇの冷媒入口ポート１０ｇと反対側の先端に形成されて所定の高さｈを有する第１の平行面ｃであって電池モジュール３２の頂部に対して平行な第１の平行面ｃと、第１の平行面ｃの一端から始まる第１の傾斜面ａと、第１の傾斜面ａと冷媒入口ポート１０ｇの間に配置されて第１の傾斜面ａより大きな傾斜を有する第２の傾斜面ｂとを含む。
【００９２】
冷媒の分布の均一性を向上するために、第１の平行面ｃ、第１の傾斜面ａおよび第２の傾斜面ｂが、冷媒導入部分４０ｇの上端内部４２ｇに、第１の平行面ｃが電池モジュール３２の頂部に対して０度の傾斜を有し、第１の傾斜面ａが電池モジュール３２の頂部に対して約５度の傾斜を有し、第２の傾斜面ｂが電池モジュール３２の頂部に対して約１０度の傾斜を有するように形成される。
【００９３】
また、冷媒入口ポート１０ｇは、第２の傾斜面ｂの傾斜（１０度）より大きな３０度の角度で傾けられる。
【００９４】
図１０は、電池モジュールが本発明の別の実施形態による電池パックケースに装着される構造を有するように構成された中型または大型の電池パックを特徴的に示す垂直断面図である。
【００９５】
図１０の中型または大型の電池パック１００ｈは、ユニットセル３０、電池モジュール３２、冷媒放出部分５０および流れチャンネル６０に関して、図９の中型または大型の電池パック１００ｇと実質的に同一である。しかし、図１０の中型または大型の電池パック１００ｈは、第１の平行面ｃの上端内部の全体にわたって冷媒を渦巻かせる起伏のある部分４４ｈが形成されるという点が図９の中型または大型の電池パック１００ｇとは異なる。
【００９６】
図１１〜図１３は、図１０に示された起伏のある部分の様々な実施形態を特徴的に示す部分的垂直断面図である。
【００９７】
これらの図面を図１０と一緒に参照すると、起伏のある部分４４ｉ、４４ｊおよび４４ｋのそれぞれが、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｈと反対側の先端の高さＴの２０％に等しい高さｔを有する。起伏のある部分４４ｉ、４４ｊおよび４４ｋのそれぞれが、下方へ窪んだビードの形状に形成される。
【００９８】
図１１で、起伏のある部分４４ｉのそれぞれの最も低いポイント４４２が、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の中心の上に配置される。図１２で、起伏のある部分４４ｊのそれぞれの最も低いポイント４４４が、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における後側の上に配置される。図１３で、起伏のある部分４４ｋのそれぞれの最も低いポイント４４６が、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における前側の上に配置される。
【００９９】
上記の説明に関連して、図１４は、図３および図５の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１００】
図３および図５と一緒に図１４を参照すると、図１４は、冷媒出口ポートに隣接する電池セルから冷媒入口ポートに隣接する電池セルまで、電池パックケースの中に積み重ねられた電池セルの温度の測定結果を示す。すなわち、電池セルＮｏ．１は冷媒出口ポートに隣接する電池セルを示し、電池セルＮｏ．３５は冷媒入口ポートに隣接する電池セルを示す。
【０１０１】
所定の負荷を電池セルに与え、外部温度を室温レベルに維持するという条件下で、温度測定実験を行なった。図３の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１、すなわち電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した電池セルは−３６％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は３％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３３は最大の相対温度比１４％を有することが判明した。すなわち、電池セル間の温度偏差は５０％であった。電池セルの温度が特定の温度レベルを超過すると、電池セルの寿命は急激に低下する。このような高温および大きな温度偏差により、電池パックを長い期間使用するのが不可能になり、さらに電池パックが爆発する可能性が高まる。
【０１０２】
参考のために、前述の電池セルの相対温度比は、以下で説明される図５に示された電池パックの実験結果に対して同等の相対値であるように示されている。また、電池セル間の相対温度比の偏差は、電池セル間の温度偏差が生じることを意味する。
【０１０３】
一方、図５の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２３％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３１は最大の相対温度比８％を有することが判明した。したがって、図３の電池パックと比較して温度偏差を５０％から３１％に低減し、それによって冷媒の温度分布の均一性を大幅に改善することが可能であることが理解され得る。
【０１０４】
温度偏差が低減される理由は、前述のように、起伏のある部分が冷媒を渦巻かせて、冷媒が冷媒出口ポート側に集中するのを防止することである。
【０１０５】
図１５は、図６および図７の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１０６】
図６の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１、すなわち電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した電池セルは−３２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１８は最大の相対温度比２１％を有することが判明した。すなわち、電池セル間の温度偏差は５３％であった。
【０１０７】
一方、図７の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１５は最大の相対温度比５％を有することが判明した。したがって、図６の電池パックと比較して、温度偏差を５３％から２７％に低減することが可能であることが理解され得る。
【０１０８】
図１６は、図９および図１０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１０９】
図９の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１、すなわち電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端に隣接した電池セルは−２８％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−９％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．７は最大の相対温度比６２％を有することが判明した。すなわち、電池セル間の温度偏差は９０％であった。
【０１１０】
一方、図１０の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−１０％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−９％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３は最大の相対温度比１３％を有することが判明した。したがって、図９の電池パックと比較して、温度偏差を９０％から２３％へと大幅に低減することが可能であることが理解され得る。
【０１１１】
すなわち、図９に示されたように、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｇと反対側の先端が所定の高さＨを有し、第１の平行面が０度の傾斜を有する場合、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｇと反対側の先端に冷媒が集中して相対温度比が上昇する。一方、図１０に示されたように、第１の平行面ｃにおいて起伏のある部分４４ｈが形成される場合、起伏のある部分４４ｈが冷媒を渦巻かせ、その結果、電池パックケースの冷媒入口ポート１０ｈと反対側の先端に冷媒が集中するのが防止され、温度偏差が大幅に低下する。
【０１１２】
図１７は、図１１〜図１３の起伏のある部分を有するように構成された中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１１３】
図１７に関連した実験は、図１１〜図１３に示されるように起伏のある部分の最も低いポイントの位置が互いに異なることを除けば、図１６と同一条件下で行なわれた。図１７から、起伏のある部分のそれぞれの最も低いポイント４４６が、図１３に示されるようにユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における前側の上に配置されると、電池セル３０の間の温度偏差が比較的小さいことが理解され得る。
【０１１４】
図１８は、図６の中型または大型の電池パックの中に隔壁が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【０１１５】
図６と一緒に図１９を参照すると、ユニットセル３０の対応する１つの頂部の流れ方向における前側の上に各隔壁４４１が配置される。また、各隔壁４４１は、冷媒導入部分４０ｄの上端内部に、下方へ延在するように形成される。
【０１１６】
図１９は、図６および図１８の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１１７】
図６の電池パックに関して、測定実験により、電池セル間の温度偏差が前述のように５３％であることが判明した。
【０１１８】
一方、図１８の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は−２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１５は最大の相対温度比１２％を有することが判明した。したがって、図６の電池パックと比較して、温度偏差を５３％から３４％に低減することが可能であることが理解され得る。
【０１１９】
図２０は、特定の形状を有する下方への突出部が形成された構造を特徴的に示す部分図である。
【０１２０】
図８と一緒に図２０を参照すると、図８の電池パック１００ｆにおいて、起伏のある部分４４ｆの代わりに、特定の形状を有する下方への突出部分４４ｍが形成されている。下方への突出部分４４ｍは、冷媒導入部分４０ｆの横方向ｗにおいて不連続にｆ配置され、冷媒導入部分４０ｆの長手方向ｌにおいて交互に配置されるように形成されている。
【０１２１】
図２１は、図６および図２０の中型または大型の電池パックの電池セルの温度変化の測定結果を示すグラフである。
【０１２２】
図６の電池パックに関して、測定実験により、電池セル間の温度偏差が前述のように５３％であることが判明した。
【０１２３】
一方、図２０の電池パックに関して、測定実験により、電池セルＮｏ．１は−２８％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．３５は２％の相対温度比を有し、電池セルＮｏ．１６は最大の相対温度比１０％を有することが判明した。したがって、図６の電池パックと比較して、温度偏差を５３％から３８％に低減することが可能であることが理解され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
上記の説明から明らかなように、本発明による中型または大型の電池パックケースは、冷媒を導くように下方へ突出した部分が、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端から所定の距離に配置されるように冷媒導入部分の上端内部に形成される構造を有するように構成される。したがって、電池パックケースの冷媒入口ポートと反対側の先端を適切な高さに、またはより高く保つ一方で、電池セルの間に画定された流れチャンネルを流れる冷媒を均一に分配することができ、それによって電池セルの間に蓄積される熱を効果的に除去し、電池セルの性能および寿命を大幅に改善することができる。
【０１２５】
本発明の好ましい実施形態が説明の目的のために開示されているが、当業者なら、添付の特許請求の範囲に開示された本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、様々な変更、追加および代替が可能であることを理解するであろう。
【符号の説明】
【０１２６】
１０ｂ 冷媒入口ポート
１０ｄ 冷媒入口ポート
１０ｇ 冷媒入口ポート
２０ｄ 冷媒出口ポート
３０ ユニットセル
３２ 電池モジュール
４０ｂ 冷媒導入部分
４０ｄ 冷媒導入部分
４０ｇ 冷媒導入部分
４２ｄ 冷媒導入部分４０ｄの内部の上端
４２ｇ 冷媒導入部分４０ｇの内部の上端
４４ｂ 起伏のある部分
４４ｃ 起伏のある部分
４４ｅ 起伏のある部分
４４ｆ 起伏のある部分
４４ｈ 起伏のある部分
４４ｉ 起伏のある部分
４４ｊ 起伏のある部分
４４ｋ 起伏のある部分
４４ｍ 下方への突出部分
５０ 冷媒放出部分
６０ 流れチャンネル
７０ｂ 電池パックケース
７０ｃ 電池パックケース
７０ｇ 電池パックケース
１００ｂ 電池パック
１００ｃ 電池パック
１００ｄ 電池パック
１００ｅ 電池パック
１００ｆ 電池パック
１００ｈ 電池パック
４４１ 隔壁
４４２ 起伏のある部分４４ｉのそれぞれの最も低いポイント
４４３ 起伏のある部分４４ｊのそれぞれの最も低いポイント
４４４ 起伏のある部分４４ｋのそれぞれの最も低いポイント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な複数の積層電池セルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を有する電池モジュールが装着される電池パックケースであって、
前記電池パックケースには、上部および下部にそれぞれ冷媒入口ポートおよび冷媒出口ポートが備えられており、これらのポートが、前記ユニットセルを冷却する冷媒が前記電池モジュールの一方の面から他方の面まで前記ユニットセルの積層方向に対して垂直な方向へ流れることができるように反対方向に向けられ、
前記電池パックケースには、前記冷媒入口ポートから前記電池モジュールまで延在する流れ空間（「冷媒導入部分」）および前記電池モジュールから前記冷媒出口ポートまで延在する別の流れ空間（「冷媒放出部分」）がさらに備えられており、
前記電池モジュールの頂部と向かい合う前記冷媒導入部分の上端内部が、前記冷媒導入部分の前記上端内部と前記電池モジュールの前記頂部の間の距離が前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の先端に向かって縮小するように構成され、
前記冷媒を前記電池モジュールに導くように下方へ突出した部分が前記冷媒導入部分の前記上端内部に形成され、前記起伏のある部分が、前記冷媒入口ポートと反対側の前記電池パックケースの前記先端から所定の距離だけ延在する電池パックケース。
【請求項２】
前記下方に突出した部分が、前記冷媒を渦巻かせるために、起伏のある部分を備える請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項３】
前記起伏のある部分が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端の高さの１０〜５０％に等しい高さを有する請求項２に記載の電池パックケース。
【請求項４】
前記起伏のある部分が最も低いポイントを有し、それらのポイントのそれぞれが、前記ユニットセルのうち対応する１つの前記頂部の中心、前側または後側上に配置される請求項２に記載の電池パックケース。
【請求項５】
前記起伏のある部分には最も低いポイントがあり、それらのポイントのそれぞれが、前記ユニットセルのうち対応する１つの前記頂部の前側上に配置される請求項４に記載の電池パックケース。
【請求項６】
前記起伏のある部分が、下方へ突出するかまたは窪んでいるビードまたは半球の形状に形成される請求項２に記載の電池パックケース。
【請求項７】
前記起伏のある部分が下方への窪みを備える請求項６に記載の電池パックケース。
【請求項８】
前記下方へ突出する部分が隔壁を備える請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項９】
前記下方へ突出する部分が、前記冷媒導入部分の横方向には不連続に配置されて前記冷媒導入部分の長手方向には交互に配置された下方への突出部を備える請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項１０】
前記突出する部分が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端からの前記電池モジュールの前記頂部の長さの５〜１００％に等しい距離だけ下方へ延在する請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項１１】
前記冷媒導入部分の前記上端内部が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端から始まる傾斜面の傾斜が前記電池モジュールの前記頂部から前記冷媒入口ポートに向かって増加する構造を有するように構成される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項１２】
前記冷媒導入部分の前記上端内部が、２つ以上の連続した傾斜面を備える請求項１１に記載の電池パックケース。
【請求項１３】
前記上端内部の前記傾斜面が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端から始まる第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面と前記冷媒入口ポートの間に前記第１の傾斜面より大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面とを備える請求項１２に記載の電池パックケース。
【請求項１４】
前記下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に前記第１の傾斜面に形成される請求項１３に記載の電池パックケース。
【請求項１５】
前記上端内部の前記傾斜面が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端から延在する第１の平行面であって、前記電池モジュールの前記頂部に対して平行な第１の平行面と、前記第１の平行面から始まる第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面と前記冷媒入口ポートの間に前記第１の傾斜面より大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面とを備える請求項１２に記載の電池パックケース。
【請求項１６】
前記下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に前記第１の平行面に形成される請求項１５に記載の電池パックケース。
【請求項１７】
前記第２の傾斜面の前記傾斜が前記電池モジュールの前記頂部に対して４５度を超過しない範囲内で、前記第２の傾斜面が、前記第１の傾斜面の傾斜より２０〜５００％大きな傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項１８】
前記第１の傾斜面が、前記電池モジュールの前記頂部に対して１５度以下の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項１９】
前記第２の傾斜面が、前記第１の傾斜面の傾斜を超過する範囲内で、前記電池モジュールの頂部に対して１０〜３０度以下の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項２０】
前記冷媒入口ポートが、前記第２の傾斜面の傾斜以下の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項２１】
前記冷媒入口ポートが、前記第２の傾斜面の傾斜以上の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項２２】
前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端が、前記電池モジュールの高さの２〜３０％に等しい高さだけ前記電池モジュールの前記頂部と離隔される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２３】
前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端が、前記電池モジュールの前記頂部から３〜２０ｍｍの高さだけ離隔される請求項２２に記載の電池パックケース。
【請求項２４】
前記電池パックケースが、前記ユニットセルの前記積層方向における前記電池パックケースの長さが前記ユニットセルの前記横方向における前記電池パックケースの長さより長い構造を有するように構成される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２５】
前記冷媒放出部分が、前記電池モジュールの底部に対して均一の高さを有する請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２６】
前記電池パックケースが、前記冷媒入口ポートを通って導入された前記冷媒が前記電池モジュールを通って流れた後に前記冷媒出口ポートへ移動するように、前記冷媒入口ポートまたは前記冷媒出口ポートにブローイングファンがさらに装着されるように構成される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２７】
請求項１に記載の電池パックケースに電池モジュールが装着される構造を有するように構成された電池パック。
【請求項２８】
前記電池パックが、電気自動車、ハイブリッド電気自動車またはプラグインのハイブリッド電気自動車用に電源として使用される請求項２７に記載の電池パック。
【請求項１】
充放電可能な複数の積層電池セルまたはユニットモジュール（「ユニットセル」）を有する電池モジュールが装着される電池パックケースであって、
前記電池パックケースには、上部および下部にそれぞれ冷媒入口ポートおよび冷媒出口ポートが備えられており、これらのポートが、前記ユニットセルを冷却する冷媒が前記電池モジュールの一方の面から他方の面まで前記ユニットセルの積層方向に対して垂直な方向へ流れることができるように反対方向に向けられ、
前記電池パックケースには、前記冷媒入口ポートから前記電池モジュールまで延在する流れ空間（「冷媒導入部分」）および前記電池モジュールから前記冷媒出口ポートまで延在する別の流れ空間（「冷媒放出部分」）がさらに備えられており、
前記電池モジュールの頂部と向かい合う前記冷媒導入部分の上端内部が、前記冷媒導入部分の前記上端内部と前記電池モジュールの前記頂部の間の距離が前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の先端に向かって縮小するように構成され、
前記冷媒を前記電池モジュールに導くように下方へ突出した部分が前記冷媒導入部分の前記上端内部に形成され、前記起伏のある部分が、前記冷媒入口ポートと反対側の前記電池パックケースの前記先端から所定の距離だけ延在する電池パックケース。
【請求項２】
前記下方に突出した部分が、前記冷媒を渦巻かせるために、起伏のある部分を備える請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項３】
前記起伏のある部分が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端の高さの１０〜５０％に等しい高さを有する請求項２に記載の電池パックケース。
【請求項４】
前記起伏のある部分が最も低いポイントを有し、それらのポイントのそれぞれが、前記ユニットセルのうち対応する１つの前記頂部の中心、前側または後側上に配置される請求項２に記載の電池パックケース。
【請求項５】
前記起伏のある部分には最も低いポイントがあり、それらのポイントのそれぞれが、前記ユニットセルのうち対応する１つの前記頂部の前側上に配置される請求項４に記載の電池パックケース。
【請求項６】
前記起伏のある部分が、下方へ突出するかまたは窪んでいるビードまたは半球の形状に形成される請求項２に記載の電池パックケース。
【請求項７】
前記起伏のある部分が下方への窪みを備える請求項６に記載の電池パックケース。
【請求項８】
前記下方へ突出する部分が隔壁を備える請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項９】
前記下方へ突出する部分が、前記冷媒導入部分の横方向には不連続に配置されて前記冷媒導入部分の長手方向には交互に配置された下方への突出部を備える請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項１０】
前記突出する部分が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端からの前記電池モジュールの前記頂部の長さの５〜１００％に等しい距離だけ下方へ延在する請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項１１】
前記冷媒導入部分の前記上端内部が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端から始まる傾斜面の傾斜が前記電池モジュールの前記頂部から前記冷媒入口ポートに向かって増加する構造を有するように構成される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項１２】
前記冷媒導入部分の前記上端内部が、２つ以上の連続した傾斜面を備える請求項１１に記載の電池パックケース。
【請求項１３】
前記上端内部の前記傾斜面が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端から始まる第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面と前記冷媒入口ポートの間に前記第１の傾斜面より大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面とを備える請求項１２に記載の電池パックケース。
【請求項１４】
前記下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に前記第１の傾斜面に形成される請求項１３に記載の電池パックケース。
【請求項１５】
前記上端内部の前記傾斜面が、前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端から延在する第１の平行面であって、前記電池モジュールの前記頂部に対して平行な第１の平行面と、前記第１の平行面から始まる第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面と前記冷媒入口ポートの間に前記第１の傾斜面より大きな傾斜を有するように配置された第２の傾斜面とを備える請求項１２に記載の電池パックケース。
【請求項１６】
前記下方へ突出する部分が、全体としてまたは部分的に前記第１の平行面に形成される請求項１５に記載の電池パックケース。
【請求項１７】
前記第２の傾斜面の前記傾斜が前記電池モジュールの前記頂部に対して４５度を超過しない範囲内で、前記第２の傾斜面が、前記第１の傾斜面の傾斜より２０〜５００％大きな傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項１８】
前記第１の傾斜面が、前記電池モジュールの前記頂部に対して１５度以下の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項１９】
前記第２の傾斜面が、前記第１の傾斜面の傾斜を超過する範囲内で、前記電池モジュールの頂部に対して１０〜３０度以下の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項２０】
前記冷媒入口ポートが、前記第２の傾斜面の傾斜以下の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項２１】
前記冷媒入口ポートが、前記第２の傾斜面の傾斜以上の傾斜を有する請求項１３または１５に記載の電池パックケース。
【請求項２２】
前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端が、前記電池モジュールの高さの２〜３０％に等しい高さだけ前記電池モジュールの前記頂部と離隔される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２３】
前記電池パックケースの前記冷媒入口ポートと反対側の前記先端が、前記電池モジュールの前記頂部から３〜２０ｍｍの高さだけ離隔される請求項２２に記載の電池パックケース。
【請求項２４】
前記電池パックケースが、前記ユニットセルの前記積層方向における前記電池パックケースの長さが前記ユニットセルの前記横方向における前記電池パックケースの長さより長い構造を有するように構成される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２５】
前記冷媒放出部分が、前記電池モジュールの底部に対して均一の高さを有する請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２６】
前記電池パックケースが、前記冷媒入口ポートを通って導入された前記冷媒が前記電池モジュールを通って流れた後に前記冷媒出口ポートへ移動するように、前記冷媒入口ポートまたは前記冷媒出口ポートにブローイングファンがさらに装着されるように構成される請求項１に記載の電池パックケース。
【請求項２７】
請求項１に記載の電池パックケースに電池モジュールが装着される構造を有するように構成された電池パック。
【請求項２８】
前記電池パックが、電気自動車、ハイブリッド電気自動車またはプラグインのハイブリッド電気自動車用に電源として使用される請求項２７に記載の電池パック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公表番号】特表２０１２−５１９３５３（Ｐ２０１２−５１９３５３Ａ）
【公表日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５１９８３（Ｐ２０１１−５５１９８３）
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００１１８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９８５９８
【国際公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（５００２３９８２３）エルジー・ケム・リミテッド (1,221)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００１１８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９８５９８
【国際公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（５００２３９８２３）エルジー・ケム・リミテッド (1,221)
【Ｆターム（参考）】
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