KR101878809B1 - 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

전기 자동차의 배터리 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 공기조화장치에서 냉각된 냉기를 차실을 거치지 않고 배터리로 직접 공급함으로써, 차실과 배터리가 독립적으로 냉각되어, 차실 내부의 소음이나 이물질 등이 배터리로 유입되는 것이 방지될 수 있을 뿐만 아니라 차실의 냉방과 배터리의 냉각을 독립적으로 제어할 수 있는 효과가 있다. 또한, 차실을 거치는 경우에 비해 유로 길이가 감소되어, 열 손실이 감소될 수 있기 때문에 냉각 성능이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 내부의 공기 유동을 형성하기 위한 팬의 크기를 축소시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 배터리 내부의 공기를 외부로 배출 안내하는 배출 덕트에 석션 팬을 구비함으로써, 배터리 내부의 공기가 석션 팬에 의해 흡입되어 배출될 수 있다. 팬이 유입 덕트에 구비되어 공기를 배터리 내부로 불어넣는 경우보다 유동 저항이 감소되어, 공기 흐름이 보다 원활해질 수 있기 때문에, 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.

Description

전기 자동차의 배터리 냉각 시스템{Battery cooling system of an Electric Vehicle}
본 발명은 전기자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차는 원동기를 동력원으로 하여 주행하고 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 하는 기계를 말한다. 상기 자동차는 원동기의 종류에 따라 분류할 수 있다. 상기 자동차는 가솔린 기관을 원동기로 하는 가솔린 자동차와, 디젤 기관을 원동기로 하는 디젤 자동차와, 액화 석유가스를 연료로 하는 LPG차와, 가스 터빈을 원동기로 하는 가스 터빈 자동차와, 모터를 원동기로 하고 배터리에 충전된 전기를 사용하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)로 분류할 수 있다.
가솔린, 디젤, LPG 등의 화석 연료를 사용하는 자동차의 경우, 배기 가스로 인한 환경오염과 석유 자원의 고갈을 일으켜 그 대안으로 전기를 동력으로 움직이는 전기 자동차가 대두되고 있다.
전기 자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 얻는 구동 모터를 이용함으로써, 가솔린이나 디젤 등의 화석연료를 이용하여 동력을 얻는 엔진에 비해 이산화탄소의 배출이 없으므로 친환경 자동차로 각광받고 있다. 최근 들어 치솟는 유가와 배기가스 규제 강화가 전기 자동차 개발의 속도를 빠르게 하고 있으며, 시장 규모도 급성장 중이다.
그러나, 전기 자동차의 경우 고효율을 내기 위해서는 전체 중량이 가볍고 전체 크기가 보다 컴팩트화 되어야 하므로, 컴팩트화된 배터리의 내부를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 목적은, 배터리를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 차실을 냉방시키기 위한 공기조화장치와, 차체에 설치되고, 복수의 셀 모듈 어셈블리들을 포함하는 배터리와, 상기 공기조화장치와 상기 배터리를 연결하고, 상기 공기조화장치에서 냉각된 공기를 상기 배터리 내부로 직접 공급하여, 상기 배터리를 냉각시키는 배터리 냉각 유닛을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 냉각 유닛은, 상기 배터리 내부의 공기를 흡입하여 외부로 배출시키는 석션 팬을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 차체에 설치되고, 복수의 셀 모듈 어셈블리들을 포함하는 배터리와, 상기 배터리를 냉기를 이용해 냉각시키는 배터리 냉각 유닛을 포함하고, 상기 배터리 냉각 유닛은, 상기 배터리의 공기 배출부에 설치되어 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들을 냉각시킨 공기를 흡입하여 외부로 배출하는 석션 팬을 포한다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 공기조화장치에서 냉각된 냉기를 차실을 거치지 않고 배터리로 직접 공급함으로써, 차실과 배터리가 독립적으로 냉각되어, 차실 내부의 소음이나 이물질 등이 배터리로 유입되는 것이 방지될 수 있을 뿐만 아니라 차실의 냉방과 배터리의 냉각을 독립적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 공기조화장치와 배터리가 유입 덕트에 의해 직접 연결되기 때문에, 차실을 거치는 경우에 비해 유로 길이가 감소되어, 열 손실이 감소될 수 있기 때문에 냉각 성능이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 내부의 공기 유동을 형성하기 위한 팬의 크기를 축소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기 자동차의 냉각 시스템은, 배터리 내부의 공기를 외부로 배출 안내하는 배출 덕트에 석션 팬을 구비함으로써, 배터리 내부의 공기가 석션 팬에 의해 흡입되어 배출될 수 있다. 상기 석션 팬에 의해 배터리 내부의 공기가 흡입되어 배출되는 것은, 팬이 유입 덕트에 구비되어 공기를 배터리 내부로 불어넣는 경우보다 유동 저항이 감소되어, 공기 흐름이 보다 원활해질 수 있기 때문에, 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
또한, 유입 덕트가 배터리 내부 중심으로 연결되기 때문에, 배터리 내부에서 공기의 순환이 보다 향상되어, 배터리 내부가 고르게 냉각될 수 있다.
또한, 복수의 셀 모듈들 사이에 공기 통과홀이 형성되고, 내부 배출덕트가 공기 통과홀에 대응되게 결합됨으로써, 석션 팬의 구동시 배터리 내부의 공기가 상기 공기 통과홀을 통과한 후 상기 내부 배출덕트를 통해 배출될 수 있다. 따라서, 복수의 셀 모듈들 사이로 공기 흐름이 원활해져 냉각 성능이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템이 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1의 종단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템이 도시된 평면도이다.
도 5는 도 4의 종단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 셀 모듈 어셈블리와 내부 배출 덕트가 분해된 상태가 도시된 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 배터리 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 전기 자동차의 공기조화장치(20)와 배터리 냉각 유닛(30)이 도시된 사시도이다. 도 2는 도 1의 종단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 배터리 냉각 시스템은, 전력을 공급하여 동력원으로 사용되는 배터리(10)와, 상기 배터리(10)에서 공급되는 전력에 의해 구동하는 구동 모터(미도시)와, 상기 배터리(10)를 냉각시키기 위한 배터리 냉각 유닛(30)과, 상기 전기 자동차의 차실을 공기조화시키는 공기조화장치(20)를 포함한다.
상기 배터리(10)는 에너지 저장 모듈(ESM, Energy Storage Module)라고도 하며, 이하 배터리라고 한다. 상기 배터리(10)는 복수의 셀 모듈 어셈블리(Cell Module Assembly, CMA)(14)들을 포함한다.
상기 복수의 셀 모듈 어셈블리(14)들은 전류를 생성하는 것으로, 복수의 셀 모듈들이 상하방향으로 적층된다. 물론, 복수의 셀 모듈들이 전후 또는 좌우방향으로 적층되는 것도 물론 가능하다.
상기 복수의 셀 모듈 어셈블리(14)는 배터리 캐리어(10a)에 올려지고, 상기 배터리 캐리어(10a)의 상측에는 배터리 커버(10b)가 장착된다.
상기 배터리 캐리어(10a)는 체결부재 등에 의해 차체의 플로어에 결합될 수 있다.
상기 배터리 커버(10b)에는 후술하는 배터리 냉각 유닛(30) 등이 결합될 수 있다.
상기 전기 자동차는 차실을 냉매에 의해 공기조화시키는 공기조화장치(20)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 상기 공기조화장치(20)는 압축기(21), 응축기(22), 증발기(23), 팽창장치(24) 등을 포함하여 구성된다. 상기 압축기(21)와 응축기(22), 증발기(23), 팽창장치(24)는 냉매가 순환하는 냉매 순환 유로(25)로 연결된다. 상기 증발기(23)의 측면에는 외부 공기를 송풍하는 송풍팬(26)이 설치된다.
상기 증발기(23)와 상기 배터리(10)는 후술하는 유입 덕트(32)에 의해 연결되어, 외부 공기가 상기 증발기(23)에서 냉각된 후 상기 배터리(10)로 공급될 수 있다. 또한, 상기 증발기(23)는 차실과도 덕트(미도시)로 연결되어, 상기 증발기(23)에서 냉각된 공기가 상기 차실로 공급될 수 있다. 상기 유입 덕트(32)는 상기 차실과 증발기(23)를 연결하는 덕트(미도시)에 연결되는 것도 가능하고, 상기 증발기(23)측에 직접 연결되는 것도 물론 가능하다.
상기 배터리 냉각 유닛(30)은, 상기 공기조화장치(20)와 연결되어 상기 공기조화장치(20)에서 열교환된 냉기를 상기 배터리(10)의 내부로 직접 공급하여 상기 배터리(10)를 냉각시키도록 구성된다.
상기 배터리 냉각 유닛(30)은, 상기 공기조화장치(20)와 상기 배터리(10)를 직접 연결하는 유입 덕트(32)와, 상기 배터리(10) 내부의 공기를 외부로 배출하는 배출 덕트(34)와, 상기 배출 덕트(36)내에 구비된 석션 팬(36)을 포함한다.
상기 유입 덕트(32)는 일단이 상기 공기조화장치(20)에 결합되고 타단은 상기 배터리(10)의 일측에 결합되어, 상기 공기조화장치(20)에서 열교환된 냉기를 상기 배터리(10)의 내부로 안내한다.
상기 배출 덕트(32)는 일단은 상기 배터리(10)의 타측에 결합되고, 타단(38)은 외부를 향하도록 배치된다. 상기 배출 덕트(32)는 냉기의 순환을 위해 상기 유입 덕트(32)와 반대측에 위치하도록 구비되는 것이 바람직하다. 상기 배출 덕트(32)는 상기 석션 팬(36)의 구동시 상기 배터리(10) 내부의 공기가 외부로 배출되도록 안내한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제 1실시예에 따른 작용을 살펴보면 다음과 같다.
상기 공기조화장치(20)가 구동되면, 외부 공기가 상기 송풍팬(26)에 의해 송풍되어 상기 증발기(23)에서 냉각된다.
또한, 상기 석션 팬(36)이 구동되면, 상기 공기조화장치(20)에서 냉각된 공기는 상기 유입 덕트(32)를 통해 상기 배터리(10)로 유입되어, 상기 배터리(10)를 냉각시킨 후 상기 배출 덕트(34)를 통해 배출된다.
상기 공기조화장치(20)에서 냉각된 공기가 상기 차실을 거치지 않고 상기 배터리(10)로 직접 유입되기 때문에, 상기 차실과 상기 배터리(10)가 독립적으로 냉각될 수 있다.
또한, 상기 차실과 상기 배터리(10)의 독립적인 냉각 구조에 의해 상기 차실 내부의 소음이나 이물질 등이 상기 배터리(10)로 유입되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 상기 공기조화장치(20)와 상기 배터리(10)가 상기 유입 덕트(32)에 의해 직접 연결되기 때문에, 유로 길이에 따른 열 손실이 감소되어, 냉각 성능이 향상될 수 있다.
또한, 상기 석션 팬(36)이 상기 배출 덕트(34)에 구비됨으로써, 상기 석션 팬(36)을 이용해 상기 배터리(10) 내부의 공기 배출이 용이해질 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템이 도시된 평면도이다. 도 5는 도 4의 종단면도이다. 도 6은 도 5에 도시된 셀 모듈 어셈블리와 내부 배출 덕트가 분해된 상태가 도시된 사시도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 복수의 셀 모듈 어셈블리들(52)을 포함하는 배터리(50)와, 상기 배터리(50)를 냉기를 이용해 냉각시키는 배터리 냉각 유닛을 포함하고, 상기 배터리 냉각 유닛은 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들(52)을 냉각시킨 공기를 흡입하여 배출하는 석션 팬(68)을 포함한다.
상기 배터리 냉각 유닛은, 외부의 냉기를 상기 배터리(50) 내부로 안내하는 유입 덕트(62)와, 상기 배터리(10)의 내부에서 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들(52)을 통과한 공기가 배출되도록 안내하는 내부 배출 덕트(64)와, 상기 내부 배출 덕트(64)와 연결되고 상기 석션 팬(68)이 설치된 외부 배출 덕트(66)를 포함한다.
상기 유입 덕트(62)는 외부 공기를 바로 유입되도록 안내하는 것도 가능하고, 공기조화장치(미도시)에 연결되어 상기 공기조화장치(미도시)에서 냉각된 공기가 유입되도록 안내하는 것도 가능하고, 차실(미도시)에 연결되어 차실을 냉각시킨 공기가 유입되도록 안내하는 것도 물론 가능하다.
상기 유입 덕트(62)는 상기 배터리(50)에서 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들(52)의 중심에 연결될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들(52)이 4개가 서로 소정간격 이격되게 배치된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 유입 덕트(62)는 상기 4개의 셀 모듈 어셈블리들(52)의 중심측으로 공기가 유입되도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에서는, 상기 유입 덕트(62)는 2개의 단부(62a)(62b)로 분기되어 상기 배터리(50)로 연결되는 것으로 예를 들어 설명하나, 분기되지 않고 하나의 단부가 상기 배터리(50)로 연결되는 것도 물론 가능하다.
상기 내부 배출 덕트(64)는 상기 4개의 셀 모듈 어셈블리들(52)에 직접 연결된 후 합해지는 형상으로 이루어진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 셀 모듈 어셈블리(52)는 복수의 셀 모듈(52a)들이 적층되어 이루어진다. 상기 복수의 셀 모듈들(52a) 사이는 서로 소정간격 이격된 공간이 형성되고, 그 공간이 공기 통과홀(52b)을 형성하여, 상기 공기 통과홀(52b)을 통해 냉기가 통과하면서 상기 셀 모듈들(52a)을 냉각시킬 수 있다.
상기 내부 배출 덕트(64)의 일측 단부(64a)는 상기 셀 모듈 어셈블리(52)의 공기 통과홀(52b)에 대응되도록 결합된다.
상기 내부 배출 덕트(64)의 타측 단부(64b)는 상기 외부 배출 덕트(66)에 결합된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제 2실시예에 따른 배터리 냉각 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 석션 팬(68)을 구동하게 되면, 상기 배터리(50) 내외부의 압력차에 의해 외부 공기가 상기 유입 덕트(62)를 통해 상기 배터리(50) 내부 중심으로 유입된다.
상기 배터리(50) 내부로 유입된 냉기는 상기 셀 모듈 어셈블리(52)의 외측을 냉각시킨다. 또한, 냉기는 상기 석션 팬(68)의 흡입력에 의해 상기 공기 통과홀(52b)을 통과한 후, 상기 내부 배출 덕트(64)로 빠져나갈 수 있다. 즉, 상기 셀 모듈 어셈블리(52)의 공기 통과홀(52b)에 연결된 상기 내부 배출 덕트(64)는 상기 공기 통과홀(52b)내부의 공기를 빨아들이게 되고, 상기 공기 통과홀(52b)내부의 압력이 낮아지게 되므로 상기 셀 모듈 어셈블리(52) 주변의 공기가 상기 공기 통과홀(52b)로 유입되게 된다. 따라서, 냉기가 상기 공기 통과홀(52b)을 통과하여 상기 내부 배출 덕트(64)를 통해 빠져나갈 수 있다.
상기 공기 통과홀(52b)으로 공기를 불어 넣어 통과시키는 경우, 상기 공기 통과홀(52b)의 크기가 작기 때문에 유동 저항이 많이 발생하게 되어 공기 흐름이 원활하게 이루어질 수 없다. 반면, 상기 석션 팬(68)을 이용해 상기 공기 통과홀(52b)로부터 공기를 빼내는 경우는 저항이 감소되어, 공기 흐름이 보다 원활해짐에 따라 공기 통과율이 향상될 수 있다. 따라서, 상기 셀 모듈 어셈블리(52) 내부의 냉각 성능이 향상될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10,50: 배터리 14,52: 셀 모듈 어셈블리
20: 공기조화장치 30: 배터리 냉각 유닛
32,62: 유입 덕트 34: 배출 덕트
36,68: 석션 팬 64: 내부 배출덕트
66: 외부 배출덕트

Claims (7)

  1. 차체에 설치되고, 복수의 셀 모듈 어셈블리들을 포함하는 배터리와;
    상기 배터리를 공기를 이용해 냉각시키는 배터리 냉각 유닛을 포함하고,
    상기 배터리 냉각 유닛은,
    상기 배터리 내부를 통과한 공기를 흡입하여 외부로 배출하는 석션 팬과,
    상기 배터리의 외부에 구비되고, 일단이 상기 배터리 내부와 연통되는 유입 덕트와,
    상기 배터리의 내부에 구비되고, 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들의 수만큼 분기되어, 각각의 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들에 연결되는 복수의 흡입 단부를 포함하는 내부 배출 덕트와,
    상기 배터리의 외부에 구비되고, 상기 내부 배출 덕트의 토출 단부와 연통되고, 상기 석션 팬이 구비되어, 상기 배터리 내부를 통과한 공기를 흡입하여 외부로 배출하는 외부 배출 덕트를 포함하는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    각각의 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들은,
    일 방향으로 적층되는 복수의 셀 모듈들을 포함하고, 인접하는 셀 모듈 사이에 공기 통과홀이 형성되고,
    상기 내부 배출 덕트의 상기 복수의 흡입 단부 각각은, 상기 공기 통과홀로부터 공기를 흡입하여 배출하도록 상기 공기 통과홀에 대응되게 결합되는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입 덕트는, 상기 배터리에서 상기 복수의 셀 모듈 어셈블리들의 중심에 연결되는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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