KR102218473B1 - 일체형 공기 통풍구들을 가진 배터리 냉각판 - Google Patents

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Abstract

배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템은 챔버를 형성하는 플레이트 조립체를 포함한다. 챔버는 그 안에 유체를 수용하도록 구성된다. 복수의 개구들이 플레이트 조립체를 관통하여 연장한다. 복수의 개구들 각각은 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀의 셀 통풍구와 정렬되도록 구성된다.

Description

일체형 공기 통풍구들을 가진 배터리 냉각판{BATTERY COOLING PLATE WITH INTEGRATED AIR VENTS}
본 발명은 일체형 공기 통풍구들을 가진 냉각판을 포함하는 배터리 모듈들을 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 구동력의 적어도 일부에 전기 전력을 이용하는 차량들은 배터리 셀들을 이용할 수 있다. 배터리 셀들을 이용하는 차량들은 예를 들어, 전기 자동차들, 하이브리드 전기 자동차들, 플러그인 전기 자동차들, 배터리 전기 자동차들, 연료 전지 배터리 전기 자동차들 및 플러그인 하이브리드 자동차들이다.
배터리 셀들은 일반적으로 리튬 이온 화학적 성질을 이용하며, 통상적으로 원통형 또는 프리즘형 케이싱들로 패키징되어 배터리 모듈을 형성한다. 배터리 셀들이 충전 및 방전될 때, 배터리 셀들을 통해 흐르는 전류에 의해 열이 발생된다. 추가로, 발열 화학 반응들에 의해 그리고 전도, 대류 및/또는 방사를 통한 대기 온도들에 의해 셀들에 열이 추가될 수 있다. 추가 열은 배터리 셀들의 온도를 상승시키는데, 이는 배터리 셀들의 효율 및 수명에 부정적인 영향을 미친다. 예를 들어, 상승된 온도들은 왜곡, 팽창 및 단락으로 이어질 수 있다.
배터리 셀들의 수명을 연장시키기 위해서는, 배터리 셀들을 냉각시키는 것이 바람직하다. 배터리 냉각 시스템들의 예들은 배터리 셀들에 인접하게 위치된 냉각판들을 포함한다. 냉각판들은 이들을 통해 흐르는 냉각 유체를 포함한다. 냉각판의 일례가 미국 특허출원 공보 제2013/0192807호에 도시되고 기술되어 있으며, 이 출원의 개시내용은 이로써 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다. 그러나 배터리 셀들의 열 폭주 또는 배터리 셀들로부터 온도 상승들에 의해 야기된 발열 반응에 의해 야기된 가스들을 배출시키는 것이 바람직하다. 배터리 셀들 각각은 가스들을 배출시키기 위해 그 안에 형성된 통풍구들을 갖는다. 불리하게도, 당해 기술분야에 공지된 냉각판들은 배터리 셀들로부터 공기를 적절하게 배출시키기 위한 통기 구멍들을 포함하지 않는다.
이에 따라, 배터리 셀들을 효율적으로 냉각시키기 위해 공기 통풍구들이 안에 형성된 배터리 냉각판이 당해 기술분야에 필요하다.
본 개시내용에 따르면, 배터리 셀들을 효율적으로 냉각시키기 위해 공기 통풍구들이 안에 형성된 배터리 냉각판이 발견된다.
본 개시내용의 제1 실시예에 따르면, 배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템이 개시된다. 냉각 시스템은 챔버를 형성하는 플레이트 조립체를 포함한다. 챔버는 그 안에 유체를 수용하도록 구성된다. 복수의 개구들이 플레이트 조립체를 관통하여 연장한다. 복수의 개구들 각각은 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀의 셀 통풍구와 정렬되도록 구성된다.
본 개시내용의 다른 실시예에 따르면, 배터리 모듈 조립체는 복수의 배터리 셀들을 포함한다. 복수의 배터리 셀들 각각은 그 안에 형성된 셀 통풍구를 갖는다. 플레이트 조립체는 챔버를 형성한다. 챔버는 그 안에 유체를 수용한다. 복수의 개구들이 플레이트 조립체를 관통하여 연장한다. 복수의 개구들 각각은 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀의 셀 통풍구와 정렬되도록 구성된다.
본 개시내용의 또 다른 실시예에 따르면, 배터리 모듈 조립체가 개시된다. 배터리 모듈 조립체는 복수의 배터리 셀들을 포함한다. 복수의 배터리 셀들 각각은 그 안에 형성된 셀 통풍구를 갖는다. 제1 냉각판은 복수의 배터리 셀들과 맞물리며, 이 배터리 셀들을 관통하여 형성된 복수의 개구들을 갖는다. 제2 냉각판은 제1 냉각판과 협력하여 제1 냉각판과 제2 냉각판의 중간에 유체를 수용하기 위한 복수의 유동 채널들을 형성한다. 제2 냉각판은 이를 관통하여 형성된 복수의 개구들을 포함한다. 제2 냉각판의 복수의 개구들 각각 그리고 제1 냉각판의 복수의 개구들 각각은 복수의 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀의 셀 통풍구와 정렬된다.
도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 조립체의 상부 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈 조립체의 배터리 셀들 및 냉각 시스템의 확대된 단편적인 개략적 단면의 정면 입면도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈 조립체의 분해된 상부 사시도이다.
도 4는 4-4 선을 따라 절취된 도 1의 배터리 모듈 조립체의 단면도이다.
아래 상세한 설명 및 첨부 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하고 예시한다. 설명과 도면들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 제작 및 사용할 수 있게 하는 역할을 하며, 어떤 식으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 개시되는 방법들에 관해, 제시되는 단계들은 사실상 예시이며, 따라서 단계들의 순서는 필수적이거나 중대한 것은 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "상당한 정도까지"라는 용어는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명세서 및 도면들의 관점에서 인식하는 바와 같다.
본 명세서에서 사용된 전기 자동차라는 용어는 차량 구동력의 전부 또는 일부에 전기 전력을 이용하는 차량들을 포함하도록 정의된다. 전기 자동차는 하이브리드 전기 자동차들, 플러그인 전기 자동차들, 모든 전기 또는 배터리 전기 자동차들, 플러그인 하이브리드 자동차들, 연료 전지 전기 자동차들 또는 현재 공지되어 있거나 이후에 개발되는 전기 전력을 이용하는 다른 차량을 포함할 수 있다.
도 1 - 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈 조립체(10)는 복수의 개별 배터리 셀들(12) 및 배터리 셀들(12)에 인접하거나 그에 결합된 냉각 시스템(14)을 포함한다. 배터리 셀들(12) 각각은 그 안에 형성되어, 이로부터 공기를 배출하도록 구성된 셀 통풍구(16)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 배터리 셀들(12) 각각은 모양이 원통형이다. 그러나 배터리 셀들(12)은 응용에 따라 다른 형상들을 가질 수 있다고 이해된다. 예를 들어, 배터리 셀들(12)은 프리즘 형태일 수 있다. 배터리 셀들(12)은 (도시되지 않은) 하우징 내에 포함될 수 있다고 또한 이해된다. 추가로, 배터리 셀들(12)은 복수의 엇갈린 행들로 배열된다. 그러나 배터리 셀들(12)은 원하는 대로, 복수의 정렬된 행들, 원형 패턴, 불규칙한 패턴 또는 임의의 다른 패턴으로 배열될 수 있다.
냉각 시스템(14)은 배터리 셀들(12)과 접촉하는 외부 표면(18)을 갖는다. 유리하게는, 냉각 시스템(14)의 외부 표면(18)은 셀 통풍구들(16)이 형성되는 배터리 셀들(12)의 단부에서 배터리 셀들(12)과 접촉한다.
냉각 시스템(14)은 제1 냉각판(20) 및 제2 냉각판(21)으로서 지정된 한 쌍의 냉각판들에 의해 형성된다. 냉각판들(20, 21)은 (도시되지 않은) 유체 소스로부터의 작동 유체를 안에 수용하기 위한 챔버(22)를 형성한다. 작동 유체는 예시 목적들로 개략적으로 도시된 헤더들(24)을 통해 챔버(22)로 그리고 챔버(22)로부터 운반된다. 헤더들(24)은 냉각판들(20, 21)에 그 임의의 측면에서 결합될 수 있다. 작동 유체는 예를 들어 냉매 또는 글리콜이다. 그러나 작동 유체는 원하는 대로 임의의 다른 냉각 유체일 수 있다.
제1 냉각판(20)은 외부 표면(18), 유체 표면(34) 및 제1 냉각판(20)의 두께 전체를 관통하여 연장하는 복수의 개구들(26)을 포함한다. 개구들(26)은 냉각 시스템(14)의 외부 표면(18)에 실질적으로 수직으로 냉각판(20)을 관통하여 연장한다. 개구들(26)의 수는 배터리 셀들(12)의 셀 통풍구들(16)의 수에 의존한다. 예를 들어, 배터리 셀들(12)의 수에 대응하여 16개의 셀 통풍구들(16)이 예시된다. 따라서 개구들(26) 중 16개가 제1 냉각판(20)에 형성된다. 개구들(26) 각각은 배터리 셀들(12)의 셀 통풍구들(16) 중 하나와 실질적으로 정렬된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 실질적으로는 "상당한 정도까지"로 정의된다. 예를 들어, 개구들(26) 각각이 셀 통풍구들(16) 중 하나와 동심으로 정렬되는 것이 바람직하다. 그러나 제1 냉각판(20) 및 배터리 셀들(12)의 제조 및 조립에서의 변동들 및 허용 오차들로 인해, 개구들(26)은 일정하지 않게 또는 비동심원으로 정렬될 수 있다. 개구들(26)이 셀 통풍구들(16)의 직경(DC) 미만인 직경(DA)을 갖는 유리한 결과들이 얻어졌다. 유리하게는, 개구들(26)의 더 작은 직경(DA)은 냉각 시스템(14)에 결합된 배터리 셀들(12) 각각의 간격 및 치수들의 제조 및 조립 변화들, 이를테면 개구들(26) 사이의 치수들의 변화들, 셀 통풍구들(16) 사이의 치수들의 변화들, 및/또는 셀 통풍구들(16) 또는 개구들(26)의 허용 오차들의 변화들을 수용한다. 예를 들어, 셀 통풍구들(16) 중 인접한 셀 통풍구들(16)의 중심 간의 거리는 개구들(26) 중 대응하는 인접한 개구들(26)의 중심 간의 거리보다 약간 더 크거나 약간 더 작을 수 있다. 개구들(26)의 더 작은 직경들(DA)의 결과, 셀 통풍구들(16)이 제1 냉각판(20)의 외측 표면(18)과 부분적으로 중첩한다. 개구들(26)은 셀 통풍구들(16)로부터 환경으로의 유체 연통을 제공하기 위해 또는 차량의 다른 부분에서 가스들의 재활용된 이용을 위해 대응하는 셀 통풍구들(16)과 실질적으로 정렬된다.
제2 냉각판(21)은 제2 냉각판(21)의 유체 표면(30)으로부터 바깥쪽으로 연장하는 복수의 돌출부들(28)을 포함한다. 돌출부들(28) 각각은 실질적으로 모양이 원뿔대형(frustoconical)인데, 이는 제1 냉각판(20)의 유체 표면(34)과 맞물리도록 구성된 실질적으로 평탄 표면(32)을 형성한다. 그러나 돌출부들(28)은 원하는 대로 다른 형상들, 이를테면 제1 냉각판(20)의 유체 표면(34)과 맞물리도록 원하는 대로 원통형, 입방형, 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 돌출부들(28) 각각은 이를 통해 실질적으로 동심원으로 형성된 개구(36)를 갖는다. 개구들(36)은 제2 냉각판(21)을 관통하여 그 평탄 표면(32)에 실질적으로 수직으로 연장한다. 돌출부들(28)의 수 및 개구들(36)의 수는 배터리 셀들(12)의 셀 통풍구들(16)의 수 및 제1 냉각판(20)의 개구들(26)의 수에 의존한다. 예를 들어, 배터리 셀들(12)의 수에 대응하여 16개의 셀 통풍구들(16) 및 제1 냉각판(20)의 16개의 개구들(26)이 예시된다. 따라서 돌출부들(28) 중 16개 그리고 개구들(36) 중 16개가 제2 냉각판(21)에 형성된다. 제2 냉각판(21)의 개구들(36) 각각은 실질적으로 제1 냉각판(20)의 개구(26)들 중 하나와, 그리고 이에 따라 배터리 셀들(12)의 셀 통풍구들(16) 중 하나와 정렬된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 실질적으로는 "상당한 정도까지"로 정의된다. 제2 냉각판(21)의 개구들(36)의 직경(D2)은 제1 냉각판(20)의 개구들(26)의 직경(DA)과 실질적으로 동일하다. 개구들(36)은 셀 통풍구들(16)로부터 환경으로의 유체 연통을 제공하기 위해 또는 차량의 다른 부분에서 가스들의 재활용된 이용을 위해 제1 냉각판(20)의 대응하는 개구들(26) 및 대응하는 셀 통풍구들(16)과 실질적으로 정렬된다.
냉각판들(20, 21)은 예를 들어, 브레이징, 스탬핑 또는 클램핑 동작과 같은 결합 수단에 의해 서로 결합되어 플레이트 조립체를 형성한다. 그러나 원하는 대로 볼트들, 핀들 등과 같은 다른 결합 수단이 이용될 수 있다고 이해된다. 돌출부들(28) 각각의 평탄 표면(32)은 제1 냉각판(20)의 유체 표면(34)과 맞물린다. 챔버(22)는 제2 냉각판(21)의 유체 표면(30)과 제1 냉각판(20)의 유체 표면(34) 중간에 형성된다. 작동 유체가 챔버(22)를 통해 흐른다. 돌출부들(28)은 작동 유체가 흐르는 유동 경로들을 형성한다. 냉각판들(20, 21)은 예를 들어, 알루미늄 또는 강과 같은 열전도성 재료로 형성될 수 있다. 도면들은 개별적으로 형성된 한 쌍의 냉각판들(20, 21)을 예시하고 있지만, 냉각판들(20, 21)은 단일 유닛으로서 일체로 형성될 수 있다고 이해된다.
응용시, 배터리 셀들(12)은 제1 냉각판(20)의 외부 표면(18)과 맞물리게 배치되며, 여기서 배터리 셀들(12)의 셀 통풍구들(16)은 제1 냉각판(20)을 통해 형성된 개구들(26) 및 제2 냉각판(21)에 형성된 개구들(36)과 실질적으로 정렬된다. 작동 유체는 헤더들(24)을 통해 챔버(22)에 제공되어 돌출부들(28) 주위로 챔버(22)를 통해 순환한다. 작동 유체는 배터리 셀들(12)의 냉각을 가능하게 한다. 추가로, 배터리 셀들(12)이 높은 온도들 또는 열 폭주에 의해 야기된 가스들을 배출시키는 경우, 가스들은 개구들(26, 36)을 통해 배터리 셀들(12)로부터 그리고 배터리 모듈 조립체(10)로부터 환경으로 바깥쪽으로 또는 차량의 다른 부분에서 재활용된 이용을 위해 흐를 수 있다.
상기 설명으로부터, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특징들을 쉽게 확인할 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 다양한 용도들 및 조건들에 적응시키도록 본 발명에 대해 다양한 변경들 및 수정들을 실시할 수 있다.

Claims (20)

  1. 배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템으로서,
    챔버를 형성하는 플레이트 조립체 ― 상기 챔버는 상기 챔버 안에 유체를 수용하도록 구성됨 ―; 및
    상기 플레이트 조립체를 관통하여 연장하는 복수의 개구들을 포함하며,
    상기 복수의 개구들 각각은 상기 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀의 셀 통풍구와 정렬되도록 구성되고,
    상기 플레이트 조립체는 제1 냉각판을 포함하고, 상기 제1 냉각판은 평면이고, 상기 제1 냉각판을 관통하여 형성된 복수의 제1 개구들을 가지며,
    상기 플레이트 조립체는 제2 냉각판을 포함하고, 상기 제2 냉각판은 상기 제2 냉각판을 관통하여 형성된 복수의 제2 개구들을 가지며, 상기 제2 냉각판의 상기 복수의 제2 개구들은 상기 제1 냉각판의 상기 복수의 제1 개구들과 정렬되어 상기 플레이트 조립체의 복수의 개구들을 형성하고,
    상기 제2 냉각판은 상기 제2 냉각판의 표면으로부터 연장하는 복수의 돌출부들을 포함하며, 상기 복수의 돌출부들은 상기 제1 냉각판의 표면과 맞물리는 것을 특징으로 하는,
    배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 냉각판의 상기 복수의 제2 개구들 각각은 상기 복수의 돌출부들 중 하나를 통해 형성되는,
    배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 돌출부들 각각은 원뿔대형(frustoconical)인,
    배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 플레이트 조립체를 통해 연장하는 상기 복수의 개구들 각각은 상기 배터리 셀들 중 대응하는 배터리 셀의 셀 통풍구의 직경 미만인 직경을 갖는,
    배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버와 유체 연통하는 한 쌍의 헤더들을 더 포함하는,
    배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 시스템.
  9. 배터리 모듈 조립체로서,
    복수의 배터리 셀들 ― 상기 복수의 배터리 셀들 각각은 그 안에 형성된 셀 통풍구를 가짐 ―;
    챔버를 형성하는 플레이트 조립체 ― 상기 챔버는 상기 챔버 안에 유체를 수용함 ―; 및
    상기 플레이트 조립체를 관통하여 연장하는 복수의 개구들을 포함하며,
    상기 복수의 개구들 각각은 상기 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀의 셀 통풍구와 정렬되도록 구성되고,
    상기 플레이트 조립체는 제2 냉각판과 맞물리는 제1 냉각판으로 형성되고,
    상기 제1 냉각판 및 상기 제2 냉각판 각각은 그 안에 형성된 개구들을 가지며, 상기 제1 냉각판의 개구들과 상기 제2 냉각판의 개구들은 정렬되어 상기 플레이트 조립체의 복수의 개구들을 형성하고,
    상기 제2 냉각판은 상기 제2 냉각판의 표면으로부터 연장하는 복수의 돌출부들을 포함하고, 상기 복수의 돌출부들은 상기 제1 냉각판의 표면과 맞물리는 것을 특징으로 하는,
    배터리 모듈 조립체.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들 각각은 원통형 형상을 갖는,
    배터리 모듈 조립체.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들 각각은 프리즘 형상을 갖는,
    배터리 모듈 조립체.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들은 엇갈린 행들로 배열되는,
    배터리 모듈 조립체.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 유체는 냉매 및 글리콜 중 하나인,
    배터리 모듈 조립체.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 개구들 각각은 상기 배터리 셀들 중 대응하는 배터리 셀의 셀 통풍구의 직경 미만인 직경을 갖는,
    배터리 모듈 조립체.
  17. 배터리 모듈 조립체로서,
    복수의 배터리 셀들 ― 상기 복수의 배터리 셀들 각각은 그 안에 형성된 셀 통풍구를 가짐 ―;
    상기 복수의 배터리 셀들과 맞물리며, 상기 배터리 셀들을 관통하여 형성된 복수의 개구들을 갖는 제1 냉각판; 및
    상기 제1 냉각판과 협력하여 상기 제1 냉각판과 제2 냉각판의 중간에 유체를 수용하기 위한 복수의 유동 채널들을 형성하는 제2 냉각판을 포함하며,
    상기 제2 냉각판은 상기 제2 냉각판을 관통하여 형성된 복수의 개구들을 포함하고,
    상기 제2 냉각판의 복수의 개구들 각각 그리고 상기 제1 냉각판의 복수의 개구들 각각은 상기 복수의 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀의 셀 통풍구와 정렬되며,
    상기 제2 냉각판은 상기 제2 냉각판의 표면으로부터 연장하는 복수의 돌출부들을 포함하며, 상기 복수의 돌출부들은 상기 제1 냉각판의 표면과 맞물리는 것을 특징으로 하는,
    배터리 모듈 조립체.
  18. 삭제
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 냉각판의 복수의 개구들의 직경 및 상기 제2 냉각판의 복수의 개구들의 직경은 상기 복수의 배터리 셀들 중 대응하는 배터리 셀의 셀 통풍구의 직경 미만인,
    배터리 모듈 조립체.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들 각각은 원통형 형상 및 프리즘형 형상 중 하나를 갖는,
    배터리 모듈 조립체.
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