KR100896132B1 - 하이브리드 자동차의 에너지 저장 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차의 동력원으로서 연료를 소모하는 엔진과 이와 연동되어 충방전이 가능한 중대형 전지팩을 포함하고 있으며, 상기 엔진에 공급되는 연료가 저장되어 있는 탱크('연료탱크')가 중대형 전지팩 외면의 상당부분을 감싸도록 구성함으로써, 전체적으로 높은 공간 활용도와 외부 충격에 대한 향상된 안전성을 제공할 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공한다.

Description

하이브리드 자동차의 에너지 저장 시스템 {Energy Storage System for Hybrid Vehicle}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩과 연료탱크의 구조를 모식적으로 도시한 사시도이다;

도 2는 도 1의 중대형 전지팩과 연료탱크의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다;

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 전지팩과 연료탱크의 구조를 보여주는 사시도이다;

도 4는 도 3의 중대형 전지팩이 장착된 상태의 연료탱크의 사시도이다.

본 발명은 중대형 전지팩 외면의 상당 부분을 연료탱크로 감싸는 구조로 이루어진 하이브리드 자동차의 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 동력원으로서 연료를 소모하는 엔진과 이와 연동되어 충방전이 가능한 중대형 전지 팩을 포함하고 있으며, 상기 엔진에 공급되는 연료가 저장되어 있는 탱크('연료탱크')가 중대형 전지팩 외면의 상당부분을 감싸도록 구성한 하이브리드 자동차용 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.

그 중, 하이브리드 자동차는 동력원으로서 충방전이 가능한 이차전지를 기반으로 하는 중대형 전지팩과 가솔린, 경유 등을 연소시키는 엔진을 함께 사용하여, 주행 조건 등에 따라 전지팩의 작동과 엔진의 작동을 조율(제어)하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 작동의 효율성을 향상시키면서 연료의 사용을 최소화하기 위해, 차량의 운행 조건에 따라 엔진과 전지시스템의 작동 상태가 변하게 된다. 예를 들어, 차량이 정상 속도로 운행되거나 경사면을 내려오는 운행을 할 때에는, 엔진을 사용하지 않고 전지시스템이 작용하게 되며, 반대로 가속 운행을 행하거나 경사면을 올라가는 운행을 할 경우에는 연료를 사용하는 엔진이 주로 작동하고 그로 인한 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전지를 충전하게 된다.

상기와 같은 하이브리드 자동차의 환경보호 측면, 에너지 효율증가 등의 장점에도 불구하고, 전지팩과 엔진으로 나뉘어진 동력원의 이중 구조로 인하여, 전지팩 관련 장착 공간과 엔진 관련 장착 공간이 함께 요구된다는 문제점이 있다. 이 는 차량의 내부 공간이 한정적임을 고려할 때, 경제성 및 실용성 있는 하이브리드 자동차의 상용화에 있어 장애 요인으로 지적되고 있다.

또한, 중대형 전지팩을 구성하는 이차전지들은 일반적으로 기계적 강도가 크지 못하여 외부 충격의 인가시 안전성이 크게 훼손되는 경향이 있다. 따라서, 전지팩의 외부 충격에 대해 소정의 안전성을 확보할 수 있는 구조가 필수적이고, 이는 장착공간의 증가로 인한 차량 내부공간의 부족과 함께 차체 중량의 증가로 인한 연비 감소의 문제로 연결된다.

한편, 일반적으로 자동차의 주행시 연료탱크와 내부에 채워진 연료와의 상대 운동으로 인해서 진동과 소음이 발생하게 되고(슬로싱 현상), 이는 승차감의 저하와 연료탱크의 안전성을 저해하는 원인이 된다. 이러한 현상의 원인이 되는 슬로싱파의 발생을 최소화하기 위하여 연료탱크 내의 격벽을 가능한 많이 설치하는 방법이 있지만, 다수의 격벽 구조의 설치로 인해 연료 저장 공간이 감소하게 되어, 차량의 중량 감소에 의한 연비 증가라는 최근의 자동차 설계에 대한 흐름과 배치되므로 바람직한 방법이 아니다. 일반적으로 연료탱크에는 슬로싱파의 형성 억제 및 연료탱크 내에 설치되는 부품과 배관의 지지를 목적으로 한 격벽이 1 또는 2 개가 설치되지만, 연료탱크의 제작비용이 증가하게 될 뿐만 아니라 그 효율성이 크지 않아 문제점으로 지적되고 있다. 또한, 연료 탱크에 주유할 수 있는 연료의 양을 극대화 하기 위해 공간을 효율적으로 활용하는 방안 역시, 앞서 언급한 슬로싱파 발생의 최소화를 위한 구조와 더불어 고려되어야 할 중요한 요소이다.

이러한 문제점들 중에서 차량의 공간 활용이라는 측면에서 하이브리드 자동 차가 아닌 일반 연료를 사용하는 자동차의 경우에는 연료탱크에 홈을 형성하여 시동 전지모듈을 장착하는 기술이 일부 알려져 있다.

먼저, 미국특허 제4,013,300호에는 화물용 트럭 하단의 차체 프레임에 홈이 형성되어 있는 연료탱크를 설치하고 상기 연료탱크와 프레임 사이에 시동 전지모듈을 수용하는 기술이 제시되어 있으며, 유럽특허 제1,577,143호에는 화물차량 후미의 병렬 형태의 프레임(twin wheels)을 기준으로 U자 형태의 연료탱크를 설치하고, 연료탱크의 중앙부위, 즉, 병렬 형태의 두 프레임 사이에 전지모듈을 장착하는 기술이 제시되어 있다. 또한, 독일특허 제1,087,028호에는 연료탱크 상부에 전지모듈 수용부를 형성하는 기술이 일부 개시되어 있다.

그러나, 상기 기술들은 일반 유체 연료를 사용하는 자동차의 연료탱크의 구조에 관한 것으로, 차세대 첨단기술로 주목받고 있는 하이브리드 자동차와는 해당 기술 분야가 상이하여 직접 적용하는 것은 무리가 있다.

또한, 상기 기술들은 주로 화물용 차량에 대한 것으로, 연료탱크와 전지모듈이 차체의 외부로 노출되어 있고, 이들 사이에 구조상의 변화를 주어 단순히 시동 전지모듈의 내재화 만을 추구하고 있다. 따라서, 하이브리드 자동차에서, 엔진과 다수의 전지모듈을 포함하는 전지팩으로 구성되는 이중의 동력원을 사용함으로써 발생하는 차량 내부공간의 부족현상을 해결할 수 있는 수단으로 인용되기는 어렵다.

결과적으로, 이러한 문제점들을 해결하기 위해서는, 하이브리드 자동차의 제한된 내부 공간의 효율적 활용을 위하여, 에너지 저장 시스템의 효과적인 배치 구 조 및 배열이 요구되고, 연료 주입량을 극대화하면서, 동시에 구조적 안정성이 보다 우수한 에너지 저장 시스템에 대한 필요성이 높은 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 하이브리드 자동차에 있어서, 중대형 전지팩과 연료탱크의 효과적인 배치를 통해 공간 활용도를 높이고, 연료 주입량을 극대화하며, 특히 전지팩의 외부 충격에 대한 안전성을 향상시킨 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연료탱크의 외면에 전지팩을 삽입할 수 있는 만입부를 형성함으로써 자동차 운행시 발생하는 슬로싱(sloshing) 현상을 감소시킬 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 기타 다른 목적은 상기 에너지 저장 시스템을 이용하여 소망하는 수준의 향상된 안전성과 내부 공간이 확보되는 하이브리드 자동차를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 동력원으로서 연료를 소모하는 엔진과 이와 연동되어 충방전이 가능한 중대형 전지팩을 포함하고 있는 하이브리드 자동차의 에너지 저장 시스템으로서, 상기 엔진에 공급되는 연료가 저장되어 있는 탱크('연료탱크')가 중대형 전지팩의 적어도 2 면 이상을 감싸도록 구성되어 있다.

하이브리드 자동차의 동력원으로는 전지팩 관련 부분과 연료탱크를 포함한 일반 연료 저장 부분으로 나누어지고, 이러한 이중 구조는 상대적으로 많은 면적의 장착 공간을 필요로 한다. 그러나, 본 발명에서는 전지팩 부분을 연료탱크와 구조적으로 일체화시킴으로써 전지팩 부분을 위한 별도의 장착 공간이 요구되지 않아 차량의 내부 공간이 획기적으로 확보될 수 있고, 결과적으로 경량화가 가능하다.

또한, 일반적으로 이차전지의 경우에 기계적 강도가 떨어지는 문제로 인해서, 외부의 충격 등이 가해질 경우에 내부 단락이 발생되어 전지 수명이 단축되거나 발화 내지 폭발의 원인이 되기도 한다. 그러나, 본 발명에서는 상기 전지팩이 연료탱크에 의해 적어도 부분적으로 감싸여지도록 구성함으로써, 외부로부터 충격이 가해지더라도 상기 연료탱크가 충격의 상당 부분을 흡수하여 전지팩에 대한 구조적 안전성이 확보될 수 있다.

상기와 같은 안전성을 보다 효과적으로 확보할 수 있도록, 상기 연료탱크는 중대형 전지팩의 외면 전체를 감싸는 구성이 가장 이상적일 수 있다. 그러나, 중대형 전지팩을 동력원으로 사용하기 위해서는 외부 입출력 단자부와 방열용 냉매 순환부 등 다수의 접속부재를 필요로 하며, 전지팩의 외면에는 이러한 접속부재들을 연결하기 위해 소정의 개방공간이 요구된다. 또한, 연료탱크와 달리 중대형 전지팩은 부품의 교체나 아프터 서비스를 받는 주기가 상대적으로 짧으므로, 전지팩 의 탈착이 용이한 구조가 요구된다.

따라서, 하나의 바람직한 예에서, 상기 연료탱크는 중대형 전지팩의 1 면을 제외한 외면 전체를 감싸도록 구성될 수 있다. 상기 접속부재들은 상기 개방된 면을 통해 연료탱크의 외부로 연결되도록 설치할 수 있으므로, 전지팩의 안전성과 접속부재의 연결을 위한 개방공간의 확보 문제를 일거에 해결할 수 있다.

더욱 바람직하게는 전지팩의 상면을 제외한 나머지 외면 전체가 감싸지도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 연료탱크에 전지팩의 외면 형상에 대응하는 형상으로 수납부를 형성하여, 상기 수납부에 전지팩을 장착하는 방법으로 연료탱크가 전지팩을 감싸도록 구성함으로써, 전지팩의 용이한 장착 및 분리에 의해 조립 과정을 단순화할 수 있다.

액체상태의 연료를 사용하는 자동차의 경우, 연료탱크 자체와 그것에 주입되어 있는 액체 연료 사이의 상대 운동으로 인해, 앞서 설명한 바와 같은 슬로싱(sloshing) 현상이 발생하게 된다. 슬로싱 현상이란, 유체를 저장, 운반하는 용기에서 유체와 용기와의 상대 운동에 의해서 발생하는 현상으로서, 슬로싱에 의해 발생되는 진동을 슬로싱 진동(sloshing vibration), 그리고 슬로싱에 의해서 발생하는 소음을 슬로싱 소음(sloshing noise)이라 한다.

자동차 연료탱크에서 발생하는 슬로싱 진동은 때때로 과도한 충격력을 유발시켜, 첫째, 연료탱크 구조물의 손상을 초래하고, 둘째, 연료탱크의 손상에 의해서 탱크 속의 연료가 누출되는 문제를 유발한다.

또한, 이러한 진동은 슬로싱 소음과 함께 차 실내로 전달되어 승차감을 저하 하는 문제를 유발한다. 따라서, 슬로싱 현상에 의해 발생하는 슬로싱파의 형성을 억제하는 것은 연료탱크의 구조적 안전성과 승차감을 향상시키는 것과 직결되어 있다.

본 발명에 따른 연료탱크는 중대형 전지팩을 감싸도록 구성됨으로써, 자연스럽게 연료탱크 내에 상기와 같은 슬로싱파를 방지할 수 있는 소정 형태의 격벽이 형성되게 된다. 즉, 전지팩이 장착되도록 연료탱크의 외면에는 장방형의 수납부가 형성되게 되고, 이러한 수납부는 연료탱크 내부에 격벽을 형성한 것과 유사한 효과가 나타나게 되므로, 차량의 운행 중에 발생하는 슬로싱파의 형성을 억제하게 된다.

따라서, 하나의 바람직한 예에서, 상기 연료탱크는 중대형 전지팩을 기준으로 그것의 양측에 주요 저장부가 위치하도록 대칭 구조로 이루어질 수 있다. 상기와 같은 구조일 때, 외부로부터 가해지는 충격이 전지팩 쪽으로 직접 전달되는 경로를 최대한 차단하여 전지팩의 안전성 역시 향상되는 효과가 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 중대형 전지팩을 감싸는 구조로 연료 탱크의 구조가 형성되어 있으므로, 소정의 한정된 공간에 연료를 저장할 수 있어 연료 주입량(또는 주유량)을 극대화 할 수 있는 장점도 갖는다.

한편, 중대형 전지팩은 직접 전기를 발생시키는 발전부이고, 연료탱크는 인화성 물질인 가솔린 또는 디젤 등으로 충진되어 있는 것이 일반적이므로, 양자간에 내/외부적인 영향으로 스파크가 발생하여 화재가 발생할 우려가 있다. 이러한 우려를 사전에 방지하기 위하여 연료 저장부와 전지팩의 접촉 계면을 최소화하거나 연료탱크의 발화나 폭발로 연결되지 않게 하는 구성이 필요가 있다.

따라서, 하나의 바람직한 예에서, 상기 연료탱크는 높이 대비 큰 폭과 길이의 장방형 구조 또는 상기 장방형 형상에서 중심부가 나뉘어진 말 안장형(saddle back design) 구조로 이루어져 있고, 그것의 일 측부에 주요 저장부가 위치하며, 상기 주요 저장부가 위치한 대향 측부에 상기 중대형 전지팩이 장착되어 있는 구조로 이루어 질 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 중대형 전지팩과 연료탱크가 접하는 계면에는 내연성의 완충부재를 추가로 장착함으로써 상기의 문제를 해결할 수도 있다. 또한, 상기 완충부재는 자동차의 운행 중에 발생하는 진동으로 전지팩과 연료탱크가 서로 부딪힐 경우에 이를 완충시켜 주는 완충재로서 역할도 하게 된다.

이러한 완충부재의 소재는 상기와 같은 작용할 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 충격에 대한 소정의 댐핑 특성을 나타내며 내연성의 소재인 것이 더욱 바람직하다.

상기 연료 탱크의 소재는 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 금속, 수지, 수지 복합체 등을 들 수 있다.

구체적으로는, 스틸, 스테인레스 스틸 등의 금속; 고분자량 HDPE 등의 폴리올레핀 수지; 차단성을 높이기 위해 표면에 불소 코팅(fluorination), 황화 코팅(sulfonation) 등을 행한 폴리올레핀 수지; 폴리올레핀 수지와 폴리아마이드계 수지, 또는 EVOH 등을 블랜딩하여 차단막을 형성시키는 소재(예를 들어, Selar^TM: DuPont 사); HDPE, 및 차단성 물질인 EVOH, polyamide, MXD 6 등을 포함하는 다층 구조체; Polyphenylene sulfide (PPS) 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 이들은 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.

바람직하게는, 우수한 차단성과 기계적 강도 등을 나타내는 수지 복합체로 만들어질 수 있으며, 상기 수지 복합체는, 예를 들어,

a) 폴리올레핀 수지 1 내지 97 중량부;

b) i) 에틸렌-비닐 알코올 공중합체(EVOH)/층상점토화합물(clay) 나노복합체;

ii) 폴리아미드(polyamide)/층상점토화합물 나노복합체;

iii) 아이오노머(ionomer)/층상점토화합물 나노복합체; 및

iv) 폴리비닐알코올(PVA)/층상점토화합물 나노복합체로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 차단성 나노복합체 1 내지 95 중량부; 및

c) 상용화제 1 내지 95 중량부;

를 포함하는 차단성 나노복합체 블렌드 조성물 등이 사용될 수 있다. 상기와 같은 차단성 나노복합체 블렌드 조성물의 구체적인 내용은 본 출원인의 한국특허 제0508907호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

상기 나노복합체 블렌드 조성물은 기계적 강도가 우수하고, 산소 차단성, 유기용매 차단성, 및 습기 차단성의 내화학적 차단성이 우수할 뿐만 아니라, 동시에 단층, 다층 중공형성, 및 필름가공에 사용할 수 있는 장점이 있다.

연료탱크를 제조하는 방법은 소재의 종류 등에 따라 달라질 수 있으며, 스틸 등의 금속인 경우, 예를 들어, 프레스 성형, 하이드로포밍(Hydroforming) 등의 방법이 사용될 수 있으며, 고분자 또는 수지 복합체 등인 경우, 예를 들어, 진공성형(Thermoforming), 압공 성형(Blowmolding), 사출 성형(Injection Molding) 등이 사용될 수 있다.

상기 중대형 전지팩은, 고출력 대용량의 동력원을 형성하기 위한 전지모듈; 전지모듈의 작동을 제어하기 위한 제어부재; 및 전지모듈들 상호간의 전기적 연결과, 이들로부터 전력을 공급받아 외부기기에 제공하거나 외부의 전력에 의해 전지모듈을 충전하기 위한 전기적 연결, 및 제어부재와의 연결을 효과적으로 수행할 수 있는 접속부재 등의 일체의 전장장치를 포함할 수 있다.

상기 중대형 전지팩에는 고출력 대용량의 제공을 위해 하나 또는 둘 이상의 전지모듈들을 포함할 수 있다. 전지모듈의 단위전지로는, 예를 들어, 니켈 수소금속 이차전지, Ni-Cd 이차전지, PbA 이차전지, 수퍼 캐패시터 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용할 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 둘 이상의 조합으로 사용할 수도 있다.

상기 제어부재는, 예를 들어, 전지모듈의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System), 전지모듈의 전압을 낮추는 HVEC(High Voltage Energy Converter), 전지모듈의 충전을 행하는 DC-DC 컨버터(Converter), 및/또는 파워트레인을 제어하는 TIM(Traction Inverter Module) 등일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 중대형 전지팩은 하나 또는 둘 이상의 전지모듈 및 제어부재의 외면을 전체적으로 감싸는 팩 하우징에 의해 밀폐된 구조로 이루 어짐으로써, 하나의 단위로서 안정적으로 장착될 수 있다. 상기 팩 하우징에는 전기적 연결을 위한 접속부재가 추가로 형성되어 있을 수 있으며, 바람직하게는 팩 하우징에 일체로서 성형되는 구조일 수 있다.

팩 하우징과 연료탱크와의 사이에 이격 공간이 있는 경우, 외부적 충격이 가해지면 연료 탱크 내에서 전지팩이 이동되어 팩 하우징이 파괴될 수도 있으므로, 전지팩의 장착을 더욱 안정적이고 견고하게 하기 위하여, 상기 팩 하우징은 연료탱크에 장착된 상태에서 그것의 외면 형상에 대략 일치하는 구조를 가지도록 제조되는 것이 바람직하다.

상기 팩 하우징은 전기 절연성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 그 자체가 전기 절연성 소재로 되어 있거나 또는 전기 절연성 물질로 코팅되어 있어서 단위전지를 포함한 전지 모듈과의 쇼트를 방지할 수 있다.

중대형 전지팩에 있어서, 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다. 따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에 필요한 냉각 시스템으로서, 냉매의 순환을 위한 구동력을 제공하는 냉각팬을 더 포함할 수 있다. 상기 냉각팬은 냉매(주로 공기)가 냉매 유입부를 통해 유입되어 상기 전지팩을 통과한 후 시스템 외부로 배출될 수 있는 구동력을 제공하는 역할을 한다.

상기 냉각팬은 전지팩과 함께 연료탱크의 수납부에 삽입되는 구조나, 연료 탱크 외부에 별도로 장착되는 구조일 수 있으며, 바람직하게는 콤팩트한 구조를 형성할 수 있도록 전지팩과 함께 연료탱크 수납부에 삽입되는 구조로 이루어져 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 냉각팬은 전지팩과 함께 연료탱크에 의해 감싸지는 형태, 즉, 연료탱크의 수납부 일측에 장착되는 구조일 수 있다. 바람직하게는 팩 하우징의 일측 외면은 냉각팬이 장착될 수 있도록 부분적으로 만입되어 있는 형태로 구성되어 있어서, 상기 만입부에 냉각팬이 삽입됨으로써 냉각팬이 차지하는 공간을 최소화 할 수 있다.

상기 냉매 유입부 및 냉매 배출부는 방열용 냉매 순환부로서, 상기 중대형 전지팩의 개방된 면을 통해 연료탱크의 외부로 연결되어 있을 수도 있고, 연료탱크와 전지팩의 접촉 계면에 위치되어 있을 수도 있다. 후자의 경우, 냉매의 유입부와 배출부는 연료탱크의 동일한 면에 위치할 수도 있고, 각각 다른 면에 분리되어 위치할 수도 있다.

효율적이고 균일한 냉매 공급을 위해, 상기 냉각팬에 대응하는 위치의 연료탱크 상에 냉매 배출부가 형성되어 있고, 냉각팬에 대향하는 위치의 연료탱크 및 팩 하우징 상에 각각 냉매 유입부가 형성되어 있는 구조가 바람직하다. 이러한 구조에 의해, 단위전지로부터 발생한 열을 효과적으로 제거하고 그러한 냉각 과정에서 단위전지들간의 온도차를 최소화할 수 있다.

여기서, "냉각팬에 대향하는 위치"는, 냉각팬에 대응하는 위치에 형성된 배출부의 위치와 정 반대의 위치만을 의미하는 것은 아니고, 유입된 냉매가 배출부 쪽으로 바로 이동하지 않고, 전지팩을 통과한 후 배출부를 통해 배출될 수 있도록 냉매 배출부의 위치와 대략 반대 방향에 위치하는 것을 의미하므로, 예를 들어, 냉매 배출부의 위치에서 대각선 방향에 냉매 유입부가 위치할 수도 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 중대형 전지팩이 장착된 상태에서 개방된 면을 통해 이물질이 유입되거나 전지팩이 탈착되는 것을 방지하고, 전지팩의 냉각이 효율적으로 이루어질 수 있도록 팩 커버가 추가로 장착될 수 있다. 이러한 팩 커버는, 예를 들어, 팩 커버를 조립식으로 연료탱크의 해당 부위에 결합시키는 볼트, 후크 등의 체결부재, 팩 커버가 소정의 각도로 회전될 수 있도록 연료탱크의 해당 부위에 연결된 경첩 구조 또는 힌지 구조 등에 의해 연료탱크에 장착될 수 있지만, 장착을 위한 체결 구조가 상기의 부재 내지 구조로 한정되는 것은 아니다. 이러한 체결 구조는 기 형성된 연료탱크에 후속 조립과정에서 결합될 수도 있고, 연료탱크의 제조시 성형 등의 방법으로 일체로 형성할 수도 있다.

상기 팩 커버의 소재는 내화성을 가지고, 차단성이 우수한 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 연료탱크와 동일한 소재이거나, 내화성이 우수한 고분자 수지로 제조될 수 있다.

또한, 상기 팩 커버는 바람직하게는 연료탱크에 장착된 상태에서 그것의 외면 형상에 대략 일치하는 형상으로 제조됨으로써, 전체적으로 콤팩트한 구조를 제공한다.

본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 한정된 장착공간을 가지며 갖은 진동과 강한 충격 등에 노출되어 구조적 안전성을 요구하는 하이브리드 전기자동차 등에 바람직하게 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 에너지 저장 시스템을 포함하는 것으로 구성되어 있는 하이브리드 자동차를 제공하는 바, 이러한 하이브리드 자동차의 구성 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료탱크와 중대형 전지팩의 구조에 대한 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 상기 구조의 단면도가 도시되어 있다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(500)은 전체적으로 장방형의 중대형 전지팩(100)과 연료탱크(200)로 이루어져 있다.

연료탱크(200)의 하단 중앙부에는 중대형 전지팩(100)의 1 면을 제외한 5 면이 감싸여질 수 있도록 전지팩(100)에 대응하는 형상의 수납부(210)가 형성되어 있다. 이러한 수납부(210)로 인해, 연료탱크(200)는 크게 우측 저장부(220)와 좌측 저장부(230)로 나뉘게 된다. 우측 저장부(220)의 상단 또는 상측부에는 연료 주입 파이프(222)가 설치되어 있고, 좌측 저장부(230)의 하단 또는 하측부에 연료 배출 파이프(232)가 설치되어 있다.

전지팩(100)은 하면을 제외한 나머지 면이 연료탱크(200)에 의해 감싸여 있고, 하면을 통해 접속부재(도시하지 않음) 등이 연결되게 된다.

이러한 구조로 인해, 외부로부터 에너지 저장 시스템(500)에 가해지는 충격은 전지팩(100)으로 직접 전달되지 않고 연료탱크(200)를 경유하여 전달되므로, 그 만큼 전지팩(100)의 안전성이 향상된다. 또한, 연료탱크(200)의 수납부(210)는 그 자체로서 연료탱크(200) 내부에 격벽을 형성하게 되므로, 자동차 운행시 발생하는 슬로싱파의 형성을 억제하는 효과가 있다.

수납부(210)의 형성 위치는 연료탱크(200) 상면, 하면 또는 모서리부일 수도 있고, 중대형 전지팩(100)과 연료탱크(200)의 형상은 장방형 이외에 다양한 형태가 가능함은 물론이다.

다음으로 도 2를 참조하면, 연료탱크(200)와 중대형 전지팩(100)이 접하게 되는 계면에는 소정의 댐핑 특성을 발휘하는 내연성의 완충부재(260)가 장착되어 있다. 완충부재(260)는 하이브리드 전기자동차의 운행 중에 발생하는 진동을 상당부분 완화시켜 연료탱크(200) 또는 전지팩(100)으로 전달하게 되므로, 앞서 설명한 바와 같은 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 전지팩(100)에서 발생한 스파크로 인해 연료탱크(200)에 화재가 발생할 가능성을 제거하는 역할을 한다.

도 3에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 연료탱크와 중대형 전지팩의 구조에 대한 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 중대형 전지팩이 장착된 상태의 연료탱크의 사시도가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 이들 도면에서는 전지팩을 구성하는 전지모듈을 1 단위의 전지모듈로 표현하였지만, 다수의 전지모듈들이 사용될 수 있으며, 연료탱크를 대략 장방형 구조로 도시하였지만, 앞서 설명한 바와 같이, 장방형 형상에서 중심부가 나뉘어진 말 안장형(saddle back design) 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 중대형 전지팩(100)은 장방형의 전지모듈(110), 인 버터(120) 및 LDC(130)와 이들이 내장되는 팩 하우징(140)으로 구성되어 있다. 인버터(120)는 전지모듈(110)의 상단면의 일측 단부에 장착되어 있고, 전지모듈(110)의 전압을 낮추는 역할을 하는 LDC(130)가 전지모듈(110)의 측면에 장착되어 있다. 전지모듈(110), 인버터(120), LDC(130) 등은 그 외면을 전체적으로 감싸는 팩 하우징(140)에 의해 밀폐되어 있다.

LDC(130)가 위치하는 전지모듈(110)의 일측 측면 상단부에는, 냉매의 순환을 위한 구동력을 제공하는 냉각팬(300)이 장착될 수 있는 공간이 제공되어 있다. 그에 대응하는 팩 하우징(140)의 해당 부위에는 만입부(142)가 형성되어 있어서, 전지모듈(110) 등을 팩 하우징(140) 내에 장착한 상태에서 만입부(142)에 냉각팬(300)이 설치된다.

팩 하우징(140)에서 만입부(142)가 형성되어 있는 측면의 반대쪽(대향편) 모서리 근처에는 냉매 유입부(144)가 형성되어 있어서, 냉매 유입부(144)로부터 유입된 냉매는 냉매 유입부(144)의 대향 측면에 위치한 냉각팬(300)의 구동에 의해 전지모듈(110)을 골고루 통과하여 외부로 배출될 수 있다.

한편, 연료탱크(200)의 일 측부에는 중대형 전지팩(100)의 팩 하우징(140) 중 1 면을 제외한 5 면이 감싸여질 수 있도록, 전지팩(100)에 대응하는 형상의 수납부(210)가 형성되어 있다. 따라서, 수납부(210)에 중대형 전지팩(100)을 용이하게 장착할 수 있고, 연료탱크(200)와 중대형 전지팩(100)은 전체적으로 하나의 구조로 구성될 수 있으며, 연료탱크(200)의 주요 저장부와 중대형 전지팩(100)의 접촉계면을 최소화함으로써 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 중대형 전지팩(100) 의 상단면과 연료탱크의 상단면이 대략 일치하는 형상으로 제조됨으로써, 더욱 콤팩트한 구조가 만들어질 수 있다.

팩 하우징(140)에 형성되어 있는 냉매 유입부(144)의 위치와 대응하는 위치로서, 수납부(210)가 형성된 연료탱크(200)의 측부에서 외부와 접촉하는 측면의 모서리 부근 단부에는, 연료탱크(200)의 냉매 유입부(240)가 형성되어 있다. 따라서, 팩 하우징(140)의 냉매 유입구(144)와 연료탱크(200)의 냉매 유입구(240)는 서로 연통되고, 그에 따라, 냉매는 연료탱크(200)에 형성된 냉매 유입부(240) 및 팩 하우징(140)에 형성된 냉매 유입부(144)를 차례로 통과 하여 전지팩(100) 내부로 유입된다.

또한, 연료탱크(200)에 형성된 냉매 유입부(240)의 대략 대각선 방향으로서, 냉각팬(300)이 삽입되는 만입부(210) 상단의 모서리 부근에는 연료탱크(200)의 냉매 배출부(250)가 형성되어 있다. 따라서, 전지팩(100)을 관통한 냉매는 냉각팬(300)의 구동력에 의해 냉매 배출부(250)를 통해 연료탱크(200)의 외부로 배출된다.

전지팩(100)이 연료탱크(200)에 장착된 상태에서 팩 하우징(140)의 상단면을 덮을 수 있도록, 연료탱크(200)의 수납부(210)에 대응하는 크기를 갖는 팩 커버(400)가 수납부(210) 상에 장착된다. 팩 커버(400)는 앞서 설명한 바와 같이 볼트 등의 체결부재나 경첩 구조, 힌지구조 등에 의해 수납부(210) 상에 장착되며, 그러한 장착 상태에서 연료탱크(200)의 상면과 대략 일치하는 형상으로 이루어져 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(500)은 연료탱크(200)에 형성된 수납부(210)에 중대형 전지팩(100) 및 냉각팬(도시하지 않음)을 장착한 다음, 수납부(210)에 팩 커버(400)를 장착하여 최종적으로 제조된다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차용 에너지 저장 시스템은 중대형 전지팩과 연료탱크의 효과적인 배치를 통해 공간 활용도를 높여, 더욱 콤팩트한 구조와 연료 주입량의 극대화를 실현할 수 있으며, 전지팩의 외부 충격에 대한 안전성을 향상시킬 수 있고, 자동차 운행시 발생하는 슬로싱(sloshing) 현상을 감소시켜 연료탱크의 구조적 안정성과 향상된 승차감을 제공할 수 있다. 아울러, 배터리 팩을 충격에서 보호하는 외부 하우징(housing)을 기존에 사용하는 연료 탱크와 공유함으로써 경량화를 동시에 이룰 수 있다.

Claims (23)

1. 동력원으로서 연료를 소모하는 엔진과 이와 연동되어 충방전이 가능한 중대형 전지팩을 포함하고 있는 하이브리드 자동차의 에너지 저장 시스템으로서, 상기 엔진에 공급되는 연료가 저장되어 있는 탱크('연료탱크')가 중대형 전지팩의 적어도 2 면 이상이 외부로 개방되지 않는 형태로 중대형 전지팩을 감싸면서 상기 에너지 저장 시스템 상에 장착되어 있고, 상기 중대형 전지팩의 팩 하우징은 연료탱크에 장착된 상태에서 연료탱크의 외면 형상에 일치하는 구조를 가진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료탱크는 중대형 전지팩의 1 면을 제외한 외면 전체를 감싸도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 연료탱크는 중대형 전지팩의 상면을 제외한 외면 전체를 감싸도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 연료탱크는 중대형 전지팩을 기준으로 중대형 전지팩의 양측에 연료 저장부가 각각 위치하도록 대칭 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 연료탱크는 높이 대비 큰 폭과 길이의 장방형 구조 또는 상기 장방형 형상에서 중심부가 나뉘어진 말 안장형(saddle back design) 구조로 이루어져 있고, 연료탱크의 일측에 연료 저장부가 위치하며, 상기 연료 저장부가 위치한 대향측에 중대형 전지팩이 장착되는 수납부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 연료탱크는 금속, 수지 및 수지 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 수지 복합체는,

   a) 폴리올레핀 수지 1 내지 97 중량부;

   b) i) 에틸렌-비닐 알코올 공중합체(EVOH)/층상점토화합물(clay) 나노복합체;

   ⅱ) 폴리아미드(polyamide)/층상점토화합물 나노복합체;

   ⅲ) 아이오노머(ionomer)/층상점토화합물 나노복합체; 및

   ⅳ) 폴리비닐알코올(PVA)/층상점토화합물 나노복합체로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 차단성 나노복합체 1 내지 95 중량부; 및

   c) 상용화제 1 내지 95 중량부;

   를 포함하는 차단성 나노복합체 블렌드 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
8. 제 6 항에 있어서, 연료 탱크는, 스틸 또는 스테인레스 스틸; 폴리올레핀 수지; 표면이 불소 코팅(fluorination) 또는 황화 코팅(sulfonation)된 폴리올레핀 수지; 폴리올레핀 수지와 폴리아마이드계 수지, 또는 EVOH를 블랜딩하여 미세 차단막을 형성하는 소재; 차단성 물질을 포함하는 다층 구조체; 및 Polyphenylene sulfide (PPS)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 중대형 전지팩은 전지모듈 및 상기 전지모듈의 작동을 제어하는 부재("제어부재")가 팩 하우징에 의해 밀폐된 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지모듈은 니켈 수소 금속 이차전지, Ni-Cd 이차전지, PbA 이차전지, 수퍼 캐패시터 및 리튬 이차전지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합을 단위전지로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 제어부재는 전지모듈의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System), 전지모듈의 전압을 낮추는 HVEC(High Voltage Energy Converter), 전지모듈의 충전을 행하는 DC-DC 컨버터(Converter), 및 파워트레인을 제어하는 TIM(Traction Inverter Module)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
12. 삭제
13. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 저장 시스템은 냉매의 순환을 위한 구동력을 제공하는 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 연료탱크는 상기 냉각팬의 적어도 2 면 이상을 감싸도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
15. 제 14 항에 있어서, 팩 하우징의 일측 외면에는 상기 냉각팬이 장착될 수 있는 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
16. 제 1 항에 있어서, 중대형 전지팩의 외부 입출력 단자부와 방열용 냉매 순환부는 상기 중대형 전지팩의 개방된 면을 통해 연료탱크의 외부로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
17. 제 13 항에 있어서, 연료탱크에는 상기 냉각팬에 대응하는 위치에 냉매 배출구가 형성되어 있고, 상기 냉각팬에 대향하는 위치의 연료탱크 및 팩 하우징에는 각각 냉매 유입구가 형성되어 있어서, 냉각팬의 작동시 상기 유입구를 통해 냉매가 유입되어 상기 전지팩을 통과한 후 상기 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하 는 에너지 저장 시스템.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 중대형 전지팩과 연료탱크가 접하는 계면에는 내연성의 완충부재가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
19. 제 2 항에 있어서, 상기 중대형 전지팩이 장착된 상태에서 상기 중대형 전지팩의 개방된 외면에는 팩 커버가 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 팩 커버는 조립식 체결부재, 경첩 구조 또는 힌지 구조의 체결구조에 의해 연료탱크에 장착되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 체결 구조는 기 형성된 연료탱크에 후속 조립과정에서 결합되거나, 연료탱크의 제조시 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
22. 제 19 항에 있어서, 상기 팩 커버는 내화성의 수지 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
23. 제 1 항 내지 제 11 항 및 제 13 항 내지 제 22 항 중 어느 하나의 항에 따른 에너지 저장 시스템을 포함하고 있는 하이브리드 자동차.

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