KR101706211B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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KR101706211B1
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temperature
battery cells
battery
battery pack
housing
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KR1020150138614A
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강원구
최병호
오영식
홍지태
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한화테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 유체 유입구와 유체 배출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 복수개의 배터리 셀을 구비하며, 상기 배터리 셀들 사이에 유동 공간이 배치된 배터리 팩에 있어서, 상기 하우징의 부분 중 상기 배터리 셀에 대응되는 위치에 설치되고, 적어도 하나가 서로 다른 높이를 가지는 복수개의 격벽을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
여러 개의 배터리 셀이 설치된 배터리 팩은 여러 산업 분야에서 사용되고 있다.
특히 최근에는 하이브리드 차량 및 전기 자동차가 활발히 개발됨에 따라 차량의 동력 장치의 에너지원으로 배터리 팩이 많이 사용되고 있다.
배터리 팩이 작동 시 일반적으로 내부의 배터리 셀은 열이 발생하게 된다. 그러한 발열로 인하여 배터리 셀이 고온에 장시간 노출되게 되면 배터리 팩의 성능 및 수명이 저하되게 된다.
따라서 일반적으로 배터리 셀 사이에 유동 통로를 형성하고, 그 유동 통로로 냉각 유체를 이동시켜 열교환을 수행함으로써, 각 배터리 셀의 온도를 낮추는 기술이 개시되어 있다.
공개특허공보 2011-0132793호에는, 냉각수를 이용하여 배터리 셀에서 발생된 열을 효율적으로 방출할 수 있는 기술이 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 배치된 배터리 셀들의 과열을 방지할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유체 유입구와 유체 배출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 복수개의 배터리 셀을 구비하며, 상기 배터리 셀들 사이에 유동 공간이 배치된 배터리 팩에 있어서, 상기 하우징의 부분 중 상기 배터리 셀에 대응되는 위치에 설치되고, 적어도 하나가 서로 다른 높이를 가지는 복수개의 격벽을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
여기서, 상기 격벽은 높이를 조정할 수 있는 가변 격벽일 수 있다.
여기서, 상기 가변 격벽을 움직이는 격벽 구동부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 격벽 구동부는 구동 모터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센서부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 온도 센서부는 복수개의 온도 센서를 포함할 수 있고, 상기 온도 센서는 상기 배터리 셀에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 유체 유입구와 유체 배출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 복수개의 배터리 셀을 구비하며, 상기 배터리 셀들 사이에 유동 공간이 배치된 배터리 팩에 있어서, 상기 하우징의 부분 중 상기 배터리 셀에 대응되는 위치에 설치되고, 높이를 조정할 수 있는 가변 격벽들;과, 상기 가변 격벽을 움직이는 격벽 구동부;와, 상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센서부;와, 상기 온도 센서부에서 측정된 온도를 이용하여 상기 격벽 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
여기서, 상기 온도 센서부는 복수개의 온도 센서를 포함할 수 있고, 상기 온도 센서는 상기 배터리 셀에 설치될 수 있다.
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본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 배터리 팩 내부에 배치된 배터리 셀들 중 과열이 심한 배터리 셀을 집중적으로 냉각시킬 수 있으므로, 배터리 팩 내부의 온도를 균일하게 할 수 있으며, 배터리 팩의 성능 저하 및 수명 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면인데, 배터리 팩의 배터리 셀들의 온도가 비교적 균일한 상태에 있어서 냉각 공기가 배터리 셀들 사이의 각각의 유동 공간으로 균일하게 흐르는 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩의 배터리 셀들 중 좌측의 배터리 셀들의 온도가 비교적 높은 상태에 있어, 주로 좌측의 배터리 셀들의 온도를 낮추기 위해 가벽 격벽의 높이를 조정한 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩의 배터리 셀들 중 우측의 배터리 셀들의 온도가 비교적 높은 상태에 있어, 주로 우측의 배터리 셀들의 온도를 낮추기 위해 가벽 격벽의 높이를 조정한 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩의 배터리 셀들 중 좌측 및 우측의 배터리 셀들의 온도가 비교적 높은 상태에 있어, 주로 좌측 및 우측의 배터리 셀들의 온도를 낮추기 위해 가벽 격벽의 높이를 조정한 모습을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 배터리 팩(100)은, 하우징(110), 배터리 셀부(120), 가변 격벽부(130), 격벽 구동부(140), 온도 센서부(150), 제어부(160)를 포함한다.
하우징(110)은 배터리 셀부(120)를 수용하는데, 하우징(110)에는 냉각 유체가 유입되는 유체 유입구(111)와 냉각 유체가 배출되는 유체 배출구(112)가 형성되어 있다.
하우징(110)의 내부 공간에는 배터리 셀부(120)가 배치되어 있는데, 이를 위해 하우징(110)에는 배터리 셀(120)들을 고정하는 고정부(113)가 설치되어 있다.
한편, 배터리 셀부(120)는, 충전/방전이 가능한 이차 전지로 구성된 복수개의 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)을 포함하며, 본 실시예에서는 9개의 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)이 하우징(110)의 내부에 설치된다.
또한 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129) 사이에는 냉각 유체가 유동하여 열교환을 수행할 수 있는 유동 공간(D1)(D2)(D3)(D4)(D5)(D6)(D7)(D8)이 각각 배치되어 있다.
본 실시예에 따른 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)은 이차 전지로 구성되어 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 적용되는 배터리 셀은 사용 시 발열이 일어나는 종류이면 되고, 그 외에 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 셀은 1차 전지, 연료 전지, 태양 전지 등 다양한 종류의 배터리가 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)은 9개로 이루어지고, 유동 공간(D1)(D2)(D3)(D4)(D5)(D6)(D7)(D8)이 8개로 이루어지지만, 본 발명은 이에 한정하지 않음은 물론이다. 즉, 본 발명에 따르면 하우징(110)의 내부 공간에 배치되는 배터리 셀 및 유동 공간의 개수에는 특별한 제한이 없다.
한편, 가변 격벽부(130)는 9개의 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)을 포함하는데, 각각의 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)들은 하우징(110)의 부분 중 각각의 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)에 대응되는 위치에 설치된다.
가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)은 유체 유입구(111)로 들어온 냉각 공기의 흐름을 막아 냉각 공기의 흐름을 가이드하기만 하면 되고 그 구체적인 형상에는 특별한 제한이 없다.
본 실시예에 따른 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)은 9개로 이루어져, 각각의 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)들에 대응되도록 설치되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않음은 물론이다. 즉, 본 발명에 따른 가변 격벽은 배터리 셀에 대응되게 설치되기만 하면 되고, 각각의 배터리 셀에 꼭 대응되도록 설치되지 않아도 된다. 따라서 가변 격벽의 개수는 배터리 셀들의 개수와 일치되지 않을 수 있다. 예를 들면 배터리 2개 당 하나의 가변 격벽이 대응되도록 설치될 수도 있다.
격벽 구동부(140)는 9개의 액추에이터(141)(142)(143)(144)(145)(146)(147)(148)(149)를 포함하는데, 각각의 액추에이터(141)(142)(143)(144)(145)(146)(147)(148)(149)들은 각각 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)들을 움직여 그 높이를 조정한다.
각각의 액추에이터(141)(142)(143)(144)(145)(146)(147)(148)(149)들은 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)을 움직이도록 구성되는데, 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)을 움직일 수만 있다면, 그 구체적인 구성에 있어 특별한 제한은 없다. 예를 들면, 액추에이터(141)(142)(143)(144)(145)(146)(147)(148)(149)들은 스텝 모터, 서보 모터, 피에조 모터 등의 구동 모터와 랙과 피니언 등의 동력 전달 기구를 구비할 수 있으며, 공압 실린더, 유압 실린더 등을 포함하여 구성될 수도 있다.
한편, 온도 센서부(150)는 9개의 온도 센서(151)(152)(153)(154)(155)(156)(157)(158)(159)를 포함하는데, 상기 9개의 온도 센서들은 각각 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)에 설치되어 배터리 셀의 표면 온도를 측정하여 제어부(160)로 전달한다. 온도 센서(151)(152)(153)(154)(155)(156)(157)(158)(159)는 전자식 온도 센서가 사용될 수 있는데, 온도 센서(151)(152)(153)(154)(155)(156)(157)(158)(159)에서 측정된 각각의 온도는 제어부(160)로 보내져 연산 후 격벽 구동부(140)를 제어하는데 사용된다.
본 실시예에 따른 온도 센서(151)(152)(153)(154)(155)(156)(157)(158)(159)는 각각 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)에 설치되어 그 표면 온도를 측정하는데, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따르면 온도 센서는 배터리 셀에 설치되지 않고, 하우징(110)의 안쪽 면에 설치될 수도 있으며, 그 경우에 온도 센서는 적외선 등을 이용하여 비접촉식으로 배터리 셀의 온도를 측정할 수 있다.
본 실시예에 따른 온도 센서부(150)는 상기 배터리 셀의 표면 온도를 측정하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 온도 센서부는 배터리 셀의 표면 온도를 측정하지 않고, 배터리 셀 근방의 공간의 온도를 측정하거나 하우징 내부의 부분 중 배터리 셀 부근의 온도를 측정할 수 있다. 그 경우 온도 센서의 개수는 배터리 셀의 개수와 일치하지 않을 수도 있다.
한편, 제어부(160)는 온도 센서부(150)의 각 온도 센서(151)(152)(153)(154)(155)(156)(157)(158)(159)에서 측정된 온도를 전달받아 연산하여 격벽 구동부(140)의 구동을 제어한다. 즉 제어부(160)는 온도 센서부(150)로부터의 측정된 온도 결과를 이용하여 격벽 구동부(140)를 제어함으로써 가변 격벽부(130)의 높이를 조정한다. 이 때 제어부(160)의 제어 방법으로 일반적인 피드백 제어가 이용될 수 있다.
제어부(160)는 집적회로칩 등의 회로 소자가 실장된 회로 기판으로 구현될 수 있고, 배터리 팩(100)의 메인 제어부(미도시)에 저장되는 컴퓨터 프로그램의 형식으로 구현될 수도 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조로 하여, 본 실시예에 따른 배터리 팩(100)의 냉각 제어 작용에 대해 설명한다.
배터리 팩(100)이 설치된 후, 배터리 셀부(120)의 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)이 작동하게 되면, 각각의 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)에서 열이 발생하게 된다.
배터리 팩(100)의 유체 유입구(111)에서는 냉각 유체로서 냉각 공기가 유입되게 된다. 유체 유입구(111)로 유입된 냉각 공기는, 유동 공간(D1)(D2)(D3)(D4)(D5)(D6)(D7)(D8)을 지나면서 열을 교환하여 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)들을 냉각시키고, 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)로부터 열을 전달 받은 공기는 유체 배출구(112)로 이동하여 배출됨으로써, 배터리 팩(100)의 냉각 작용이 이루어진다.
한편, 온도 센서부(150)의 9개의 온도 센서(151)(152)(153)(154)(155)(156)(157)(158)(159)는 각각 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)의 표면 온도를 측정하여 제어부(160)로 전달한다.
제어부(160)는, 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)들 의 평균 온도를 구한다. 이어, 제어부(160)는 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)들 중 일부의 온도가, 상기 전체 배터리 셀들의 평균 온도와 비교하여 미리 설정된 균일 범위 내에 있거나 미리 설정된 안전 온도를 초과하지 않으면, 격벽 구동부(140)를 작동시켜 도 1에 도시된 것과 같이, 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)의 높이를 우측으로 갈수록 순차적으로 높게 함으로써, 각각의 유동 공간(D1)(D2)(D3)(D4)(D5)(D6)(D7)(D8)으로 흐르는 냉각 공기의 유량이 균일하게 되도록 한다.
한편, 배터리 팩(100)의 작동 중에 좌측의 배터리 셀(121)(122)(123)의 온도가 전체 배터리 셀들의 평균 온도와 비교하여 미리 설정된 균일 범위를 초과하거나 미리 설정된 안전 온도를 초과하게 되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(160)는 격벽 구동부(140)를 작동시켜, 가변 격벽(134)(135)(136)(137)(138)(139)의 높이를 크게 높여, 냉각 공기의 흐름이 유동 공간(D1)(D2)(D3)을 통해 집중적으로 흐르도록 한다. 그렇게 되면 냉각 공기의 증가된 유량에 의해 발열량이 많은 배터리 셀(121)(122)(123)의 온도는 집중적으로 낮춰지게 된다.
한편, 배터리 팩(100)의 작동 중에 우측의 배터리 셀(127)(128)(129)의 온도가 전체 배터리 셀들의 평균 온도와 비교하여 미리 설정된 균일 범위를 초과하거나 미리 설정된 안전 온도를 초과하게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(160)는 격벽 구동부(140)를 작동시켜, 가변 격벽(131)(132)(133)(134)(135)(136)의 높이를 낮추고, 가변 격벽(137)(138)(139)의 높이를 우측으로 갈수록 순차적으로 높게 함으로써 냉각 공기의 흐름이 유동 공간(D6)(D7)(D8)을 통해 집중적으로 흐르도록 한다. 그렇게 되면 냉각 공기의 증가된 유량에 의해 발열량이 많은 배터리 셀(127)(128)(129)의 온도는 집중적으로 낮춰지게 된다.
한편, 배터리 팩(100)의 작동 중에 좌측의 배터리 셀(121)(122)(123)과 우측의 배터리 셀(127)(128)(129)의 온도가 전체 배터리 셀들의 평균 온도와 비교하여 미리 설정된 균일 범위를 초과하거나 미리 설정된 안전 온도를 초과하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(160)는 격벽 구동부(140)를 작동시켜, 가변 격벽(135)(136)의 높이를 낮추고, 가변 격벽(131)(132)(133)(134)의 높이를 우측으로 갈수록 순차적으로 높게 한다. 아울러 제어부(160)는 가변 격벽(137)(138)(139)의 높이도 우측으로 갈수록 순차적으로 높게 함으로써 냉각 공기의 흐름이 유동 공간(D1)(D2)(D3)(D6)(D7)(D8)을 통해 집중적으로 흐르도록 한다. 그렇게 되면 냉각 공기의 증가된 유량에 의해 발열량이 많은 배터리 셀(121)(122)(123)(127)(128)(129)의 온도는 집중적으로 낮춰지게 된다.
이상과 같은 과정은 배터리 팩(100)의 제어 과정의 예들로서, 전술한 예들 외에도 상기 각 배터리 셀들의 온도 변화에 따라 여러 가지 변형 예가 가능하다. 또한 그러한 배터리 팩(100)의 제어 과정은 배터리 팩(100)이 작용하는 동안 계속 진행되게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 배터리 팩(100)은, 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129)의 각각의 온도를 측정하고, 그 측정된 온도를 이용하여 격벽 구동부(140)를 적절히 제어함으로써, 과열된 배터리 셀을 집중적으로 냉각시킬 수 있게 된다. 그렇게 되면, 과열된 배터리 셀의 성능 저하 및 고장을 방지하고, 배터리 셀의 수명을 증가시킬 수 있다. 또한 배터리 셀(121)(122)(123)(124)(125)(126)(127)(128)(129) 간의 온도 편차를 줄여 배터리 팩(100) 내의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.
본 발명의 일 측면들은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명은 배터리 팩을 제조하거나 이용하는 산업에 사용될 수 있다.
100: 배터리 팩 110: 하우징
120: 배터리 셀부 130: 가변 격벽부
140: 격벽 구동부 150: 온도 센서부
160: 제어부

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  7. 유체 유입구와 유체 배출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 복수개의 배터리 셀들을 구비하며, 상기 배터리 셀들 사이에 유동 공간이 배치된 배터리 팩에 있어서,
    상기 하우징의 부분 중 상기 배터리 셀에 대응되는 위치에 설치되고, 높이를 조정할 수 있는 가변 격벽들;
    상기 가변 격벽을 움직이는 격벽 구동부;
    상기 배터리 셀들의 각각의 온도를 측정하는 복수개의 온도 센서를 구비하는 온도 센서부; 및
    상기 온도 센서부에서 측정된 온도를 이용하여 상기 격벽 구동부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 온도 센서부에서 측정된 온도를 전달받아 상기 배터리 셀들의 평균 온도를 구하고, 상기 배터리 셀들 중 일부의 온도를 상기 배터리 셀들의 평균 온도와 비교하여 상기 격벽 구동부를 작동시킴으로써 상기 가변 격벽들의 높이를 조정하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 셀들 중 일부의 온도가 미리 설정된 균일 범위 내에 있거나 미리 설정된 안전 온도를 초과하는지에 따라 상기 격벽 구동부를 작동시켜 상기 가변 격벽들의 높이를 조정하는 배터리 팩.
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