KR101588572B1 - 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩에 관한 것이다. 본 발명은, 다수의 배터리 셀(11)을 포함하는 BMA(battery module assembly)(10); 상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성되며, 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 1차적인 밀폐를 위해 형성되는 1차 밀폐하우징(20a); 1차 밀폐하우징(20a)의 외주면을 감싸는 상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성되어 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 대한 2차적인 밀폐를 위해 형성되는 2차 밀폐하우징(30a); 하부면으로 제 1 냉각핀(60)이 형성된 냉각핀용 하우징(61) 내부의 삽입홈(62)으로 삽입되며, 상부로는 냉각집중용 콜드블록(40)을 통해 2차 콜드 싱크(30)와 맞닿으며, 2차 밀폐하우징(30a)과 냉각핀용 하우징(61)에 의한 밀폐된 구조 내에 형성되는 펠티어 소자(50); 를 포함한다.

Description

공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩{hermetically sealed battery pack based on air cooling type}
본 발명은 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 기존 수냉식에서 공냉식의 냉각방식으로 전환하고, 밀폐된 공간에서 방열이 가능하도록 펠티어 소자를 이용한 신개념 공냉식 방열 방식을 제공하도록 하기 위한 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 상용차량의 배터리팩 장착 모습을 나타내는 도면이며, 도 2는 배터리팩이 장착된 상용차량을 나타내는 도면이다. 이 경우, 트랙션모터(traction motor: a2), 모터 드라이브(motor drive: a1) 외의 배터리팩(1)을 포함하는 상용차량에서 배터리팩(1)은 수밀구조가 요구된다. 즉, 상용차량의 경우, 승용차량보다 비포장의 도로 및 운행조건이 더욱 열악한 상황에서 주행을 할 경우가 많다. 승용차량의 경우, 배터리팩(1)은 트렁크에 장착되어 있지만, 상용차량의 경우 도 1a 및 도 1b와 같이 차량 하부에 배터리팩(1)을 위치하게 된다.
상용차량에서 배터리팩(1)의 위치는 승용차량에 비해 노면과 가까이 있고, 배터리팩(1)을 보호하는 장치는 배터리팩 케이스로만 되어있어 보다 방수와 방진에 강건한 설계가 요구된다.
그러나, 배터리팩(1)의 발열로 인한 냉각구조의 문제가 발생한다. 방수와 방진에 강건한 설계를 하다 보면 밀폐구조로 배터리팩(1)이 설계되는데 배터리의 특성상 열이 발생하고, 배터리 셀과 BMS(battery managament system)는 열에 취약하고 수명에도 직접적으로 영향을 미치는 중요한 이슈여서 방열을 위한 장치가 필수적이다.
현재 제작된 상용차량용 배터리팩(1)은 수냉식으로 냉각을 하는데 배터리팩의 방열을 위해 별도의 수냉 펌프, 라디에이터, 냉각선 등이 별도로 설치되어야 하는 한계점이 있다.
보다 구체적으로, 도 1c는 종래의 기술에 따른 수냉식 HEV 리튬 이온 배터리팩을 나타내는 도면이다. HEV 차량용 리튬 이온 배터리는 순간적인 고전류의 사용으로 인한 발열이 심하고, 셀(cell)의 수명은 열에 영향을 많이 받기 때문에 방열 시스템이 필수조건으로 상술한 바와 같이 방열을 위해서 수냉식 구조를 채택했으나 수냉식 방식에서 배터리팩 내부로 워터 파이프가 지나가므로, 워터 파이프의 파손 시 화재의 위험(안전성의 문제)이 있으며, 별도의 워터펌프를 구동하기 위한 새로운 동력원이 필요한 문제점이 있었다. 이뿐만 아니라, 별도의 냉각수 필요 및 냉각수를 교체하기 위한 비용 발생하며, 냉각수를 냉각시키기 위한 별도의 FAN 필요하고, 냉각수를 냉각시키기 위한 라디에이터를 장착해야하며, 배터리팩을 냉각시키기 위해 추가적으로 장착하는 부속품들의 증가로 인한 비용 상승 및 유지보수 비용의 증가하는 문제점이 발생한다.
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 별도의 수냉 시스템이 없이도 공냉식으로 냉각할 수 있도록 하기 위한 배터리팩에 대한 기술개발이 요구되고 있다.
[관련기술문헌]
1. 배터리팩 수납장치 및 이를 이용한 전력 저장용 배터리팩의 냉각 장치(Apparatus for containing battery pack and apparatus for cooling power storage battery pack using it)(특허출원번호 제10-2011-0038383호)
2. 차량용 이차전지 배터리팩의 냉각장치(Apparatus for cooling secondary battery pack for vehicle)(특허출원번호 제10-2010-0078427호)
3. 배터리팩 냉각장치(Battery pack cooler using heat-pipes)(특허출원번호 제10-2010-0091904호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상용차량에서 배터리팩의 냉각을 위한 수냉 시스템을 대체할 수 있는 공냉식의 냉각 방식을 통해 온도 상승을 고려하여 패터리팩 내부의 온도를 정량적 목표인 42℃ 이하로 달성하도록 하기 위한 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 BMS(battery management system)와 배터리 셀(cell)은 차량의 진동, 온도, 습도 등 가혹한 환경에서 작동되어야 하기 때문에 방열뿐만 아니라, 밀폐 및 단열된 구조에 의해 외부의 열기 및 먼지 등을 차단하도록 하기 위한 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 기존 수냉식에서 공냉식의 냉각방식으로 전환하고, 밀폐된 공간에서 방열이 가능하도록 펠티어 소자를 이용한 신개념 공냉식 방열 방식을 제공하도록 하기 위한 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩은, 다수의 배터리 셀(11)을 포함하는 BMA(battery module assembly)(10); 상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성되며, 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 1차적인 밀폐를 위해 형성되는 1차 밀폐하우징(20a); 1차 밀폐하우징(20a)의 외주면을 감싸는 상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성되어 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 대한 2차적인 밀폐를 위해 형성되는 2차 밀폐하우징(30a); 하부면으로 제 1 냉각핀(60)이 형성된 냉각핀용 하우징(61) 내부의 삽입홈(62)으로 삽입되며, 상부로는 냉각집중용 콜드블록(40)을 통해 2차 콜드 싱크(30)와 맞닿으며, 2차 밀폐하우징(30a)과 냉각핀용 하우징(61)에 의한 밀폐된 구조 내에 형성되는 펠티어 소자(50); 를 포함한다.
이때, 본 발명은, 다수의 배터리 셀(11)의 하부면을 받치는 구조로 다수의 배터리 셀(11)과 직접 접촉하여 1차로 다수의 배터리 셀(11)의 온도를 낮추는 효과를 제공하기 판 형상으로 형성되는 1차 히트싱크(20); 및 1차 히트싱크(20)의 하부면을 받치며 상부면과 전면 및 후면이 개방된 육면체 형상으로 형성되어 다수의 배터리 셀(11)에 대한 발열을 통해 온도를 2차로 낮추는 역할을 수행하는 2차 콜드싱크(30); 를 더 포함한다.
또한, 냉각집중용 콜드블록(40)은, 2차 밀폐하우징(30a)과 맞닿는 사각의 판 형상으로 형성되며, 그 하부에는 펠티어 소자(50)와 맞닿는 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 냉각핀용 하우징(61)은, 2차 밀폐하우징(30a)을 내부의 미리 설정된 높이까지 삽입하기 위한 제 1 삽입단(61a)과, BMS(2), BDU(3) 및 전원 및 제어 플러그(4)를 실장하기 위한 제 2 삽입단(61b)으로 구분되며, 상부면이 개방된 육면체 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 미리 설정된 높이는, 2차 밀폐하우징(30a)의 냉각핀용 하우징(61) 상에서 제 1 삽입단(61a)으로 삽입시, 제 1 삽입단(61a)의 삽입홈(62) 내부에 삽입된 펠티어 소자(50) 및 그 상부의 냉각집중용 콜드블록(40)의 적층 구조의 상부면과 맞닿는 위치인 것이 바람직하다.
또한, 배터리 셀(11)은, HEV 차량용 리튬 이온 배터리 셀이며, 2차 밀폐하우징(30a)에 의한 밀폐 및 단열된 구조에 의해 외부로부터의 고열의 유입을 막고, 펠티어 소자(50)에 의해 냉각된 내부의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 냉각핀(60)은, 냉각핀용 하우징(61)의 하부면에 다수의 판 형상의 방열핀이 각각 균일한 이격 간격을 갖고 하부로 향하도록 형성되어, 차량운행시 외부 공기와 접촉하며 열교환을 위해 형성되는 것이 바람직하다.
또한, BMA(10)를 구성하는 직렬 연결된 다수의 배터리 모듈(11u) 각각은, 각 배터리 모듈(11u) 내의 다수의 배터리 셀(11)을 구분하는 셀 카트리지(11a)의 양측면에 제 2 냉각핀(11b)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 제 2 냉각핀(11b)은, 하나의 배터리 모듈(11u) 내에서의 다수의 배터리 셀(11) 모두와 직접적으로 접촉하는 위치에 배터리 모듈(11u)의 양 측면에서 직교하는 방향을 향하도록 형성된 다수의 판 형상의 방열핀이 균일한 이격 간격을 두고 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩은, 상용차량에서 배터리팩의 냉각을 위한 수냉 시스템을 대체할 수 있는 공냉식의 냉각 방식을 통해 온도 상승을 고려하여 패터리팩 내부의 온도를 정량적 목표인 42℃ 이하로 달성하도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩 은, BMS(battery management system)와 배터리 셀(cell)은 차량의 진동, 온도, 습도 등 가혹한 환경에서 작동되어야 하기 때문에 방열뿐만 아니라, 밀폐 및 단열된 구조에 의해 외부의 열기 및 먼지 등을 차단할 수 있는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩은, 기존 수냉식에서 공냉식의 냉각방식으로 전환하고, 밀폐된 공간에서 방열이 가능하도록 펠티어 소자를 이용한 신개념 공냉식 방열 방식을 제공하는 효과를 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 상용차량의 배터리팩 장착 모습을 나타내는 도면이며, 도 1c는 종래의 기술에 따른 수냉식 HEV 리튬 이온 배터리팩을 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적으로 배터리팩이 장착된 상용차량을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1) 내부의 구성 요소를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)에 사용되는 펠티어 소자(50)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 다른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)의 구성요소간의 결합관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 구성하는 BMA(battery module assembly)(10) 중 배터리 셀(11)과 제 2 냉각핀(11b)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 BMA(10)을 구성하는 배터리 셀(11)에 직접적으로 접촉하는 제 2 냉각핀(11b)의 구조를 나타내는 사시도(도 7a) 및 단면도(도 7b)이다.
도 8은 도 6의 BMA(10)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6의 BMA(10)의 열유동(thermal flow) 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템의 열유동(thermal flow) 상태를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13은 도 10의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 10의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템이 밀폐된 상태를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 1의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)의 전체 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1) 내부의 구성 요소를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)에 사용되는 펠티어 소자(peltier: 50)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 다른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)의 구성요소간의 결합관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 구성하는 BMA(battery module assembly)(10) 중 배터리 셀(11)과 제 2 냉각핀(11b)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 BMA(10)을 구성하는 배터리 셀(11)에 직접적으로 접촉하는 제 2 냉각핀(11b)의 구조를 나타내는 사시도(도 7a) 및 단면도(도 7b)이다.
도 8은 도 6의 BMA(10)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6의 BMA(10)의 열유동(thermal flow) 상태를 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 9를 참조하면, 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)은 다수의 배터리 셀(11)을 포함하는 BMA(battery module assembly: 10), 1차 히트싱크(heatsink: 20), 2차 콜드싱크(coldsink: 30), 1차 밀폐하우징(20a), 2차 밀폐하우징(30a), 냉각집중용 콜드블록(40), 펠티어 소자(peltier: 50), 그리고 제 1 냉각핀(60)을 포함한다.
다수의 배터리 셀(11)을 포함하는 BMA(10)는 하부에 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)에 의해 받쳐지는 형태로 형성된다.
1차 히트싱크(20)는 다수의 배터리 셀(11)의 하부면을 받치는 구조로 다수의 배터리 셀(11)과 직접 접촉함으로써, 1차로 다수의 배터리 셀(11)의 온도를 낮추는 효과를 제공하기 위해 판 형상으로 형성된다.
2차 콜드싱크(30)는 1차 히트싱크(20)의 하부면을 받치며 상부면과 전면 및 후면이 개방된 육면체 형상으로 형성됨으로써, 다수의 배터리 셀(11)에 대한 발열을 통해 온도를 2차로 낮추는 역할을 수행한다.
여기서 1차 밀폐하우징(20a)은 상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성됨으로써, 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 1차적인 밀폐를 위해 형성된다.
한편, 2차 밀폐하우징(30a)은 1차 밀폐하우징(20a)의 외주면을 감싸는 상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성됨으로써, 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 대한 2차적인 밀폐를 위해 형성된다.
냉각집중용 콜드블록(40)은 2차 밀폐하우징(30a)과 맞닿는 사각의 판 형상으로 형성되며, 그 하부에는 펠티어 소자(50)와 맞닿는 구조를 갖는다.
펠티어 소자(50)는 제 1 냉각핀(60)이 형성된 냉각핀용 하우징(61) 내부의 삽입홈(62)으로 삽입되며, 상부면에는 냉각집중용 콜드블록(40)과 맞닿는다. 이를 위해 냉각핀용 하우징(61)은 상부 객체와 하부 객체로 이루어지며, 상부 객체 및 하부 객체 각각은 2차 밀폐하우징(30a)을 내부의 미리 설정된 높이까지 삽입하기 위한 제 1 삽입단(61a)과, 후술하는 BMS(2), BDU(3) 및 전원 및 제어 플러그(4)를 실장하기 위한 제 2 삽입단(61b)으로 구분되며, 상부면이 개방된 육면체 형상으로 형성된다. 여기서 미리 설정된 높이는 2차 밀폐하우징(30a)의 냉각핀용 하우징(61) 상에서 제 1 삽입단(61a)으로 삽입시, 제 1 삽입단(61a)의 삽입홈(62) 내부에 삽입된 펠티어 소자(50) 및 그 상부의 냉각집중용 콜드블록(40)의 적층 구조의 상부면과 맞닿는 위치를 의미한다.
이러한 펠티어 소자(50)를 이용한 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)에 있어서, HEV 차량용 리튬 이온 배터리 셀로 이루어지는 배터리 셀(11)은 순간적인 고전류의 사용으로 인한 발열이 심하고, 배터리 셀(11)의 수명은 열에 영향을 가장 많이 받기 때문에 상술한 방열 구조를 통해 외부로부터의 고열의 유입을 막고, 펠티어 소자(50)에 의해 냉각된 내부의 온도를 유지하기 위해 2차 밀폐하우징(30a)과 맞닿는 냉각핀용 하우징(61)에 의한 단열 구조 설계를 제공한다. 결과적으로, 방진 및 방수의 등급 만족을 위한 밀폐 구조의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1) 내부의 펠티어 소자(50)의 위치 및 방열판에 해당하는 제 1 냉각핀(60) 및 제 2 냉각핀(11b)에 대한 최적 형상 구조를 제공한다.
또한, 상술한 바와 같이 냉각을 위해 기존의 수냉식에서 공냉식으로 전환하고, 밀폐된 공간에서 방열이 가능하도록 펠티어 소자(50)를 적용한 신개념 공냉식 방열 방식을 제공함과 동시에 펠티어 소자(50)를 이용해 겨울철에는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1) 내부의 온도를 올리기 위한 열전효과 활용할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 4의 펠티어 소자(50)에 대해서 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 펠티어 소자(50)는 냉각 다비이스(device) 중 하나로, 수 cm 내지 수십 cm 크기까지 크기가 다양하다. 본 발명에서 사용되는 펠티어 소자(50)의 맨 아래와 맨 위에는 도 4b와 같이 세라믹층이 있으며, 열을 효율적으로 전달하면서도 전기의 흐름은 제한하는 역할을 한다. 세라믹층의 내부에 순차적으로 형성된 전도체 층과 반도체 층이 실질적인 본 발명에 따른 펠티어 소자(50)를 이용한 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)에서의 냉각과 가열을 위한 '엔진'에 해당한다.
반도체 층의 경우 P형 반도체와 N형 반도체 전체가 직렬로 이어져서 최대한의 냉각효율을 끌어내도록 구성되어 있다. 본 발명에서 P형 및 N형 반도체가 직렬로 연결되어 있는 구조의 펠티어 소자(50)를 이용하여 가열과 냉각을 하기 위해서는 두 개의 서로 다른 금속이 2개의 접점을 갖고 있어야 한다는 전제 조건이 필요하다. 펠티어 소자(50)는 간단한 구조와 환경친화성, 그리고 높은 신뢰성(물리적인 동작 구조를 전혀 가지지 않는 전기 회로로만 구성되기 때문에 고장 날 여지가 거의 없음)을 가지고 있어서 국부 냉각기 등에 널리 사용되고 있다.
도 4b의 펠티어 소자(50)의 내부 구조 및 도 4c의 펠티어 소자(50)의 원리를 참조하여 본 발명에서의 펠티어 소자(50)에 의한 펠티어 효과(peltier effect)를 좀 더 살펴보도록 한다.
본 발명의 펠티어 소자(50)의 펠티어 효과는 전도체 층을 이루는 금속과 반도체를 접속한 두 점 사이에 폐회로를 구성, 전류를 흘리면 한쪽은 열이 발생하고 다른 쪽은 열을 흡수하는 현상으로, 두 개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고 양단에 온도차가 주면 두 접점 사이에 전위차가 발생한다. 이를 열전현상이라 부르고 이때 발생한 전위차를 열기전력이라고 한다. 이러한 열전현상은 양 단간의 온도차를 이용하여 기전력을 얻어내는 제베크 효과, 기전력으로 냉각과 가열을 하는 펠티에 효과, 도체의 선상의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 톰슨 효과로 구분하여 설명 가능하다.
본 발명에서의 펠티어 소자(50)는 두 개의 서로 다른 금속이 2개의 접점을 가지고 붙어있을 때, 이 두 금속에 전류를 흘려 주면 한쪽 면에서는 지속적으로 열이 흡수되어 차가워지고 반대쪽 면에서는 지속적으로 열이 방출되어 뜨거워지게 된다. 이때 +극과 -극을 반대로 하여 전류를 흘려주게 되면 열을 방출/흡수하는 면 역시 반대로 되어 가열이 되었던 면은 냉각이 되고 냉각되었던 면은 가열이 되게 된다. 이러한 원리를 응용하여, 본 발명에서의 펠티어 소자(50)의 흡열부에 열에너지를 가해주면 양면에 온도차가 생겨 전류가 발생하게 된다. 펠티어 소자(50)의 냉각과 가열의 사이에는 일정한 온도 차이가 생기가 되어 뜨거운 쪽에 열을 식혀, 온도를 낮춰주면 반대쪽 면인 차가운 쪽은 온도가 더 내려가게 된다.
즉, 본 발명에서의 펠티어 소자(50)에 의한 펠티어 효과는 두 가지의 다른 물질들이 가는 접합을 거쳐 전류가 흐를 때 일어나는 열의 방출과 흡수를 의미하며, 전류가 어떤 한 방향으로 흐를 때 열이 발생 되지만, 그 반대방향으로 흐르면 열을 흡수하기 때문에, 펠티어 효과는 가역적이다.
이와 같은 펠티어 소자(50)의 특성을 이용하여 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 냉각하여 완전 밀폐형의 배터리 팩을 제조할 수 있다.
제 1 냉각핀(60)은 냉각핀용 하우징(61)의 하부면에 다수의 판 형상의 방열핀이 각각 균일한 이격 간격을 갖고 하부로 향하도록 형성된다. 제 1 냉각핀(60)은 차량운행시 외부 공기와 접촉하며 열교환을 위해 형성된다.
그리고, BMA(10)를 구성하는 다수의 배터리 모듈(11u) 각각은 다수의 배터리 셀(11)을 구분하는 셀 카트리지(11a)의 양측면에 제 2 냉각핀(11b)을 형성한다. 여기서 제 2 냉각핀(11b)은 하나의 배터리 모듈(11u) 내에서의 다수의 배터리 셀(11) 모두와 직접적으로 접촉하는 위치에 배터리 모듈(11u)의 양 측면에서 직교하는 방향을 향하도록 형성된 다수의 판 형상의 방열핀이 균일한 이격 간격을 두고 형성된다.
다수의 배터리 모듈(11u)은 리튬 이온 배터리 모듈로 도 9와 같이 6개의 직렬 연결을 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1) 상에서 BMA(battery module assembly)(10)을 형성한다.
도 10은 본 발명에 따른 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 11은 도 10의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템의 열유동(thermal flow) 상태를 나타내는 도면이다. 도 12 및 도 13은 도 10의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템의 단면도를 나타내는 도면이다. 도 14는 도 10의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템이 밀폐된 상태를 나타내는 도면이다.
도 10 내지 도 14를 참조하면, 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템은 도 3 내지 도 9에서 상술한 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1) 외에 BMS(battery management system: 2), BDU(battery disconnect unit: 3) 및 전원 및 제어 플러그(4)를 포함한다.
BMS(2)는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)과 연결된 구조로, 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 콘트롤러나 장치와 서로 통신이 가능하도록 하기 위한 CAN(Controller Area Network) 통신을 위한 온 보드(On Board) 형태로 제공된다.
BMS(2)는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 구성하는 배터리 셀(11)에 대한 온도 센싱과 배터리 셀(11)의 상태를 모니터링 하기 위해 형성된다. 이를 위해 BMS(2)는 배터리 셀(11)의 카트리지에 부착된 온도센서(미도시)로부터 측정된 실시간 온도 정보를 확인할 뿐만 아니라, 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)을 이용한 상용차량용 리튬 이온 배터리 시스템의 전압, 전류, 온도를 모니터링한다.
뿐만 아니라, BMS(2)는 리튬 이온 배터리 셀인 각 배터리 셀(11) 간의 전압레벨을 균등하게 유지하도록 하며, 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1) 내부의 온도를 측정하여, 펠티어 소자(50)의 동작 유무를 제어할 뿐만 아니라, 과충전 및 과방전 방지, 배터리 잔량 측정, 소비 전류 측정, 쇼트 방지 기능을 수행한다.
BDU(3)는 냉각핀용 하우징(61)의 제 2 삽입단(61b)으로 상술한 BMS(2)와 함께 장착되도록 소형으로 설계된다. 즉, 냉각핀용 하우징(61)의 제 1 삽입단(61a)에 형성된 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)와 연결되어 형성된 BMS(2)의 전단, 그리고 전원 및 제어 플러그(4)의 후단에 형성된다.
그리고 도 14와 같이, 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)은 냉각핀용 하우징(61)의 제 1 삽입단(61a) 상부를 덮기 위한 제 1 외장케이스(71)와, BMS(2), BDU(3) 및 전원 및 제어 플러그(4)를 실장하기 위한 제 2 삽입단(61b) 상부를 덮기 위한 제 2 외장케이스(72)를 구비함으로써, 차량에 장착이 가능할 뿐만 아니라, 먼지로부터 완벽하게 보호 및 모든 방향에서 분사되는 낮은 압력의 물에 대한 완벽한 수밀구조의 배터리 케이스를 제공한다.
그리고, 도 15는 도 1의 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩(1)의 전체 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1: 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩
2: BMS(battery management system)
3: BDU(battery disconnect unit)
4: 전원 및 제어 플러그
10: BMA(battery module assembly)
11: 배터리 셀
11a: 셀 카트리지
11b: 제 2 냉각핀
11u: 배터리 모듈
20: 1차 히트싱크(heatsink)
20a: 1차 밀폐하우징
30: 2차 콜드싱크(coldsink)
30a: 2차 밀폐하우징
40: 냉각집중용 콜드블록
50: 펠티어 소자(peltier)
60: 제 1 냉각핀
61: 냉각핀용 하우징
61a: 제 1 삽입단
61b: 제 2 삽입단
62: 삽입홈

Claims (9)

  1. 다수의 배터리 셀(11)을 포함하는 BMA(battery module assembly)(10);
    상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성되며, 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 1차적인 밀폐를 위해 형성되는 1차 밀폐하우징(20a);
    1차 밀폐하우징(20a)의 외주면을 감싸는 상부면이 개방된 육면체 형상이 상부 객체 및 하부 객체로 형성되어 1차 히트싱크(20) 및 2차 콜드싱크(30)와 접촉된 다수의 배터리 셀(11)에 대한 2차적인 밀폐를 위해 형성되는 2차 밀폐하우징(30a);
    하부면으로 제 1 냉각핀(60)이 형성된 냉각핀용 하우징(61) 내부의 삽입홈(62)으로 삽입되며, 상부로는 냉각집중용 콜드블록(40)을 통해 2차 콜드 싱크(30)와 맞닿으며, 2차 밀폐하우징(30a)과 냉각핀용 하우징(61)에 의한 밀폐된 구조 내에 형성되는 펠티어 소자(50); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  2. 청구항 1에 있어서, 1차 히트싱크(20)는,
    다수의 배터리 셀(11)의 하부면을 받치는 구조로 다수의 배터리 셀(11)과 직접 접촉하여 1차로 다수의 배터리 셀(11)의 온도를 낮추는 효과를 제공하기 판 형상으로 형성되며,
    2차 콜드싱크(30)는,
    1차 히트싱크(20)의 하부면을 받치며 상부면과 전면 및 후면이 개방된 육면체 형상으로 형성되어 다수의 배터리 셀(11)에 대한 발열을 통해 온도를 2차로 낮추는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  3. 청구항 1에 있어서, 냉각집중용 콜드블록(40)은,
    2차 밀폐하우징(30a)과 맞닿는 사각의 판 형상으로 형성되며, 그 하부에는 펠티어 소자(50)와 맞닿는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  4. 청구항 1에 있어서, 냉각핀용 하우징(61)은,
    2차 밀폐하우징(30a)을 내부의 미리 설정된 높이까지 삽입하기 위한 제 1 삽입단(61a)과, BMS(2), BDU(3) 및 전원 및 제어 플러그(4)를 실장하기 위한 제 2 삽입단(61b)으로 구분되며, 상부면이 개방된 육면체 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 미리 설정된 높이는,
    2차 밀폐하우징(30a)의 냉각핀용 하우징(61) 상에서 제 1 삽입단(61a)으로 삽입시, 제 1 삽입단(61a)의 삽입홈(62) 내부에 삽입된 펠티어 소자(50) 및 그 상부의 냉각집중용 콜드블록(40)의 적층 구조의 상부면과 맞닿는 위치인 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  6. 청구항 1에 있어서,
    배터리 셀(11)은, HEV 차량용 리튬 이온 배터리 셀이며,
    2차 밀폐하우징(30a)에 의한 밀폐 및 단열된 구조에 의해 외부로부터의 고열의 유입을 막고, 펠티어 소자(50)에 의해 냉각된 내부의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  7. 청구항 1에 있어서, 제 1 냉각핀(60)은,
    냉각핀용 하우징(61)의 하부면에 다수의 판 형상의 방열핀이 각각 균일한 이격 간격을 갖고 하부로 향하도록 형성되어, 차량운행시 외부 공기와 접촉하며 열교환을 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  8. 청구항 1에 있어서,
    BMA(battery module assembly)(10)를 구성하는 직렬 연결된 다수의 배터리 모듈(11u) 각각은,
    각 배터리 모듈(11u) 내의 다수의 배터리 셀(11)을 구분하는 셀 카트리지(11a)의 양측면에 제 2 냉각핀(11b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
  9. 청구항 8에 있어서, 제 2 냉각핀(11b)은,
    하나의 배터리 모듈(11u) 내에서의 다수의 배터리 셀(11) 모두와 직접적으로 접촉하는 위치에 배터리 모듈(11u)의 양 측면에서 직교하는 방향을 향하도록 형성된 다수의 판 형상의 방열핀이 균일한 이격 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩.
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