KR101750069B1 - 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HEV(Hybrid Electric Vehicle)중 하이브리드 트럭과 같이 차량의 외부에 장착되는 배터리 팩에 관한 것으로서,
하이브리드 차량의 외부에 장착되는 배터리 팩의 냉각을 위해 배터리 팩의 아우터 케이스에 유입구와 유출구가 최적화된 구조로 형성되어, 배터리 팩이 냉각 온도는 낮게 유지되도록 하면서 동시에 유입구 및 유출구의 면적이 작게 형성되어 강성은 높일 수 있는 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩 {Battery pack with optimized inlet and outlet}
본 발명은 HEV(Hybrid Electric Vehicle)중 하이브리드 트럭과 같이 차량의 외부에 장착되는 배터리 팩에 관한 것으로서,
하이브리드 차량의 외부에 장착되는 배터리 팩의 냉각을 위해 배터리 팩의 아우터 케이스에 유입구와 유출구가 최적화된 구조로 형성되어, 배터리 팩이 냉각 온도는 낮게 유지되도록 하면서 동시에 유입구 및 유출구의 면적이 작게 형성되어 강성은 높일 수 있는 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 가솔린이나 중유를 주 연료로 사용하는 내연기관을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발이 활발히 이루어지고 있는 추세이며, 물론 이러한 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 동력원으로는 전지가 사용된다. 최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있는데, 전기 자동차의 모터 구동 등과 같은 큰 전력을 필요로 하는 기기에는, 다수 개의 고출력 이차 전지를 직렬로 연결하여 구성되는 대용량의 배터리 팩이 사용되는 것이 일반적이다.
상술한 바와 같이 대용량의 배터리 팩은 통상적으로 직렬로 연결되는 다수 개의 이차 전지를 포함하여 이루어진다. 특히, HEV용 배터리 팩의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 이차 전지가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전 등을 제어하여 배터리가 적정한 동작 상태로 유지되도록 관리할 필요성이 있다.
또한, 배터리 팩은 충방전 과정에서 고열이 발생하여 전지의 성능과 수명에 영향을 미치므로 적절한 냉각 시스템을 구성하여 냉각을 하게 된다.
이러한 하이브리드 차량 중 하이브리드 트럭의 경우에는 배터리 팩이 차량의 외부에 장착되며, 배터리 팩의 냉각을 위해 아우터 케이스에 냉각 공기가 유동될 수 있도록 유입구와 유출구가 형성된다.
이때, 상기 아우터 케이스는 배터리 팩 내부의 전지 셀들을 지지하고 차량의 진동 및 충격에 견디도록 충분한 강성을 갖도록 형성되어야 한다.
그러나 배터리 팩의 충방전 과정에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시키기 위해서는 유입구의 면적에 비해 유출구의 면적이 수배에 이르도록 형성되어야 하며, 상기 유입구 및 유출구는 아우터 케이스에 구멍을 뚫는 방법으로 형성되기 때문에 상기와 같이 유출구를 크게 형성하는 것은 아우터 케이스의 강성을 약하게 하는 주요한 원인으로 작용하게 된다.
따라서 배터리 팩의 아우터 케이스의 강성을 최대한 유지하면서 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 방법이 요구된다.
또한, 도 1과 같이 배터리 팩의 유입구(11)와 유출구(12)를 서로 반대측에 배치시키고 유입구(11)와 아우터 케이스(10)의 유입측의 각도(A,B)를 형성하여 보다 효율적인 냉각을 할 수 있도록 하는 기술이 공개되어 있다.
그러나 이는 유입구(11)와 유출구(12)가 형성되는 위치가 제한적이며 유입구(11) 및 아우터 케이스(10)의 유입측에 형성되는 각도로 인한 구조적인 제약으로, 배터리 팩이 차량의 외부에 장착될 경우 설치되는 위치 및 조립 구조 등의 설계가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리 팩의 아우터 케이스의 강성을 최대한 유지하면서 냉각 성능을 향상시키기 위해 배터리 팩이 냉각 온도는 낮게 유지되도록 하면서 동시에 유입구 및 유출구의 면적이 작게 형성되어 강성은 높일 수 있는 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩은, 냉각 공기가 유입 또는 유출되는 유입구(110) 및 유출구(120)가 형성되는 아우터 케이스(100); 상기 아우터 케이스(100)의 내부에 구비되며 수개의 전지 셀(210)이 일정한 간격을 두고 병렬 배치되어 구성되는 셀 모듈(200); 상기 유입구(110)에 일측이 연결되고 타측은 상기 셀 모듈(200)의 일면에 연결되는 인렛 덕트(300); 및 상기 셀 모듈(200)의 인렛 덕트(300)가 연결된 반대측 면에 일측이 연결되고 타측은 상기 유출구(120)와 연결되는 아웃렛 덕트(400); 를 포함하여 이루어져, 상기 유입구(110)로 유입되는 냉각 공기가 상기 수개의 전지 셀(210)들 사이를 경유한 후 상기 유출구(120)로 배출되며, 상기 아우터 케이스(100)에 형성되는 상기 유입구(110)의 면적은 유출구(120)의 면적 대비 0.6 내지 0.8배로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유입구(110) 및 유출구(120)는 각각 상기 아우터 케이스(100)의 서로 다른 면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 유입구(110)는 상기 셀 모듈(200)의 수개의 전지 셀(210)들 사이에 형성되는 냉각채널(220)을 통과하는 냉각 공기의 유동 방향에 대해 수직으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아우터 케이스(100)는 상기 유입구(110)와 유출구(120)의 외측에 각각 유입구 커버(130) 및 유출구 커버(140)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩은 상기 유출구(120)와 연결되는 송풍팬(500)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 송풍팬(500)은 원심팬(centrifugal fan)인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩은 하이브리드 차량의 외부에 장착되는 배터리 팩의 냉각을 위해 배터리 팩의 아우터 케이스에 유입구와 유출구가 최적화된 구조로 형성되어, 배터리 팩이 냉각 온도는 낮게 유지되도록 하면서 동시에 유입구 및 유출구의 면적이 작게 형성되어 배터리 팩의 강성을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 배터리 팩의 냉각 구조를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 냉각 공기의 흐름을 나타낸 상측 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 실험 예를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 유입구 커버를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 아우터 케이스의 유출구에 연결되는 송풍팬을 나타낸 구성도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2와 같이 본 발명의 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩은 크게 아우터 케이스(100), 셀 모듈(200), 인렛 덕트(300), 아웃렛 덕트(400)로 구성된다.
우선, 상기 아우터 케이스(100)는 측면에 냉각 공기가 유입 또는 유출되도록 유입구(110) 및 유출구(120)가 형성된다.
그리고 상기 아우터 케이스(100)의 내부에 셀 모듈(200)이 구성되며, 상기 셀 모듈(200)은 수개의 전지 셀(210)들이 일정한 간격을 두고 병렬 배치되어 상기 수개의 전지 셀(210)들 사이에 냉각 공기가 흐를 수 있도록 냉각채널(220)이 형성된다.
또한, 상기 유입구(110)와 셀 모듈(200)의 일측은 인렛 덕트(300)로 연결되고, 상기 셀 모듈(200)의 타측과 상기 유출구(120)가 아웃렛 덕트(400)로 연결된다.
그리하여 도 3과 같이 상기 아우터 케이스(100)의 유입구(110)으로 유입되는 냉각 공기는 상기 인렛 덕트(300)를 통과하여 상기 셀 모듈(200)의 수개의 전지 셀(210)들 사이에 형성되는 냉각채널(220)을 따라 유동되어 상기 아웃렛 덕트(400)를 거쳐 상기 유출구(120)로 배출될 수 있도록 구성된다.
즉, 냉각 공기가 상기 전지 셀(210)들 사이에 형성되는 냉각채널(220)을 통과하며 상기 전지 셀(210)의 충방전 과정에서 발생하는 열을 냉각하는 공랭식 구조를 이룬다.
이때, 상기 아우터 케이스(100)에 형성되는 상기 유입구(110)의 면적은 유출구(120)의 면적 대비 0.6 내지 0.8배로 형성된다.
여기에서 상기 유입구(110) 및 유출구(120)는 상기 아우터 케이스(100)에 구멍을 뚫는 방법으로 형성되며, 배터리 팩의 냉각 성능을 향상시키기 위해서는 상기 유입구(110)의 면적에 비해 상기 유출구(120)의 면적이 약3배 이상 크게 형성되어야 하는데, 이로 인해 배터리 팩의 강성을 저하시키는 요인이 되어 하이브리드 차량에 장착 되었을 때 충격 및 진동에 취약해지는 문제점이 발생한다.
또한, 배터리 팩의 강성을 크게 하기위해 상기 유입구(110) 및 유출구(120)를 작게 형성하면 냉각 공기의 풍량이 줄어들어 냉각 성능이 저하될 수 있다.
그러므로 상기 유입구(110) 및 유출구(120)의 크기를 최대한 작게 형성하여 상기 아우터 케이스(100)의 강성을 크게 하면서 동시에 배터리 팩의 냉각 성능을 향상시키기 위해, 상기와 같이 유입구(110)의 면적을 유출구(120) 면적에 비해 0.6 내지 0.8배로 형성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩을 아래의 실험 예를 통해 설명하기로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 배터리 팩에 송풍기를 이용하여 냉각 공기가 유동되도록 구성하고, 열유동 해석(Icepak, ANSYS Fluent Solver)을 통해 아우터 케이스 내부의 셀 모듈의 온도변화를 유입구의 면적을 변화시켜 가면서 분석을 실시하였다.
즉, 유출구 면적을 기준으로 유입구 면적의 비율(유입구 면적/유출구 면적)을 0.45배에서 4.54배 까지 변화시켜가며 셀 모듈의 최대 온도를 가장 낮게 만드는 구조를 도출하였다.
열유동 해석 결과 도 4의 그래프를 참조하면, 유입구의 면적이 유출구 면적 대비 0.6 내지 0.8배로 형성되었을 때의 셀 모듈의 최고온도와, 유입구 면적이 약 3배로 형성되었을 때의 최고온도가 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
즉, 유출구 면적 대비 유입구 면적이 0.6 내지 0.8배로 형성되었을 때의 냉각효과가 유입구 면적이 약3배로 형성되었을 때의 냉각효과와 거의 동일하게 나타난다.
또한, 그래프에서 확인할 수 있듯이 유입구의 면적이 약 3.5배로 형성되었을 때 셀 모듈의 최고온도가 가장 낮은 것을 알 수 있다.
이때, 배터리 팩 아우터 케이스의 강성을 고려하지 않는다면 유입구 면적을 유출구 면적에 비해 약3.5배로 크게 형성하는 것이 냉각성능 면에서는 유리하다고 할 수 있으나, 이는 배터리 팩 아우터 케이스의 강성을 크게 약화시킬 수 있다.
그러므로 유출구 면적 대비 유입구 면적을 0.6 내지 0.8배로 형성하여 유입구 면적을 3배로 형성하였을 때의 셀 모듈의 최고온도와 유사하게 함으로서, 배터리 팩 아우터 케이스의 강성을 높이면서 동시에 냉각 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
그리고 상기와 같이 유출구 면적 대비 유입구의 면적은 0.6 내지 0.8배로 형성되도록 하며, 이중 셀 모듈의 최고온도가 가장 낮은 0.8배로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩은 상기 유입구(110) 및 유출구(120)가 각각 상기 아우터 케이스(100)의 서로 다른 면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이는 상기 유입구(110)와 유출구(120)를 각각 상기 아우터 케이스(100)의 서로 다른 면에 형성하여 냉각 공기가 유입 및 유출되는 방향을 다르게 한 것으로서, 상기 유입구(110)로 유입되어 상기 셀 모듈(200)을 거치며 수개의 전지 셀(210)들을 냉각시킨 후 상기 유출구(120)로 배출되는 냉각 공기가 다시 상기 유입구(110)로 혼입되지 않도록 형성되는 것이다.
하이브리드 차량의 내부에 설치되는 배터리 팩은 일반적으로 차량의 트렁크에 위치하며 별도의 인렛 덕트 및 아웃렛 덕트를 연결하여 배터리 팩을 냉각시키기 위한 냉각 공기가 유입 및 배출되도록 구성되므로 유출구를 통해 배출되는 냉각 공기가 유입구로 혼입되지 않는다.
그러나 하이브리드 트럭과 같이 차량의 외부에 배터리 팩이 설치되는 경우 배터리 팩의 외부에 별도의 인렛 덕트 및 아웃렛 덕트를 연결하지 않기 때문에, 상기 유입구(110)와 유출구(120)가 아우터 케이스(100)의 같은 면에 형성되면 상기 셀 모듈(200)의 전지 셀(210)들 사이의 냉각채널(220)을 통과하며 온도가 상승된 냉각 공기가 상기 유입구(110)로 혼입되어 배터리 팩의 냉각 성능이 저하될 수 있다.
그러므로 이를 방지하기 위해 상기 유입구(110)와 유출구(120)를 각각 상기 아우터 케이스(100)의 서로 다른 면에 형성하여 냉각 공기가 유입 및 유출되는 방향을 다르게 구성하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 유입구(110)는 상기 셀 모듈(200)의 수개의 전지 셀(210)들 사이에 형성되는 냉각채널(220)을 통과하는 냉각 공기의 유동 방향에 대해 수직으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 수개의 전지 셀(210)들 사이에 형성되는 공간인 상기 냉각채널(220)에 상기 유입구(110)가 가깝게 형성되며, 상기 냉각채널(220)을 통과하는 냉각 공기의 유동 방향과 수직이 되도록 상기 유입구(110)가 형성되어, 상기 유입구(110)와 셀 모듈(200)을 연결하는 상기 인렛 덕트(300)의 길이가 짧으며 구부러지지 않도록 구성될 수 있다.
그리하여 상기 유입구(110)로 유입되는 냉각 공기의 유동 저항을 줄일 수 있으며 상기 냉각채널(220)로 냉각 공기의 유입이 원활하게 이루어져 배터리 팩의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 아우터 케이스(100)는 상기 유입구(110)와 유출구(120)의 외측에 각각 유입구 커버(130) 및 유출구 커버(140)가 형성될 수 있다.
이는 배터리 팩이 하이브리드 차량의 외부에 설치되는 경우에 냉각 공기 중의 이물질이 배터리 팩의 내부로 유입되는 것을 방지하기 위함이며, 도 5와 같이 상기 유입구(110)의 외측으로 "ㄱ"자 형태의 유입구 커버(130)를 형성하여 냉각 공기가 하측에서 유입되도록 하여 이물질이 아래쪽으로 떨어지고 냉각 공기만 유입되도록 구성된다. 마찬가지로 상기 유출구(120)의 외측에도 "ㄱ"자 형태의 유출구 커버(140)를 형성하여 이물질의 유입을 방지하도록 할 수 있다.
그리고 배터리 팩의 냉각 성능을 향상시키기 위해 본 발명의 상기 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩은 도 6과 같이 상기 유출구(120)와 연결되도록 송풍팬(500)이 구성될 수 있다.
즉, 배터리 팩이 하이브리드 차량의 외부에 설치되었을 때, 상기 유입구(110)가 차량의 진행방향 쪽에 형성되는 경우에는 별도의 송풍팬이 구성되지 않아도 차량의 주행에 따른 공기의 압력에 의해 배터리 팩의 냉각에 충분한 풍량이 공급될 수도 있으나, 상기 유입구(110)의 외측에 유입구 커버(130)가 형성되거나 상기 유입구(110)의 방향이 차량의 진행방향이 아닌 다른 면에 형성되어 냉각공기의 흐름에 저항으로 작용하는 경우에는 냉각 성능이 저하되므로 상기 유출구(120)에 연결되도록 상기 송풍팬(500)을 구성하여 냉각 공기를 흡입방식(suction type)으로 강제 순환되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 송풍팬(500)은 원심팬(centrifugal fan)이 사용될 수 있다.
배터리 팩은 장기간 사용에 따라 냉각 공기에 포함되어 유입되는 먼지나 이물질들이 상기 셀 모듈(200)의 전지 셀(210)들 사이에 형성되는 냉각채널(220)에 고착된다. 그리고 상기 냉각채널(220)의 폭은 약3mm이하로 형성되므로 이물질들에 의해 냉각 공기의 유로가 좁아져 압력 손실이 발생되고 냉각 성능이 저하되므로, 상기 원심팬을 이용하여 냉각 공기의 압력을 넓은 범위에서 조절하여 사용하도록 할 수 있다.
그리고 상기 원심팬은 회전날개의 축 방향으로 공기가 유입되어 원주 방향으로 배출되는 방식의 송풍팬이며, 회전날개의 형태에 따라 후곡형(turbo type), 익형(airfoil type), 방사형(radial type) 또는 다익형(sirocco type) 등 다양한 종류의 원심팬이 사용될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : (본 발명의) 유입구 및 유출구 최적화 구조의 배터리 팩
100 : 아우터 케이스
110 : 유입구 120 : 유출구
130 : 유입구 커버 140 : 유출구 커버
200 : 셀 모듈
210 : 전지 셀 220 : 냉각채널
300 : 인렛 덕트
400 : 아웃렛 덕트
500 : 송풍팬

Claims (6)

  1. 냉각 공기가 유입 또는 유출되는 유입구(110) 및 유출구(120)가 형성되는 아우터 케이스(100);
    상기 아우터 케이스(100)의 내부에 구비되며 수개의 전지 셀(210)이 일정한 간격을 두고 병렬 배치되어 구성되는 셀 모듈(200);
    상기 유입구(110)에 일측이 연결되고 타측은 상기 셀 모듈(200)의 일면에 연결되는 인렛 덕트(300); 및
    상기 셀 모듈(200)의 인렛 덕트(300)가 연결된 반대측 면에 일측이 연결되고 타측은 상기 유출구(120)와 연결되는 아웃렛 덕트(400);
    를 포함하여 이루어져, 상기 유입구(110)로 유입되는 냉각 공기가 상기 수개의 전지 셀(210)들 사이를 경유한 후 상기 유출구(120)로 배출되며,
    상기 아우터 케이스(100)에 형성되는 상기 유입구(110)의 면적은 유출구(120)의 면적 대비 0.6 내지 0.8배로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입구(110) 및 유출구(120)는 각각 상기 아우터 케이스(100)의 서로 다른 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유입구(110)는 상기 셀 모듈(200)의 수개의 전지 셀(210)들 사이에 형성되는 냉각채널(220)을 통과하는 냉각 공기의 유동 방향에 대해 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 케이스(100)는 상기 유입구(110)와 유출구(120)의 외측에 각각 유입구 커버(130) 및 유출구 커버(140)가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유출구(120)와 연결되는 송풍팬(500)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송풍팬(500)은 원심팬(centrifugal fan)인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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