KR102554177B1 - 배터리 팩 및 배터리 팩 냉각장치 - Google Patents

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주식회사 일렉트린
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Abstract

냉각 성능이 개선된 배터리 팩 및 배터리 팩 냉각장치가 개시되어 있다.
이 개시된 배터리 팩은 내부에 수용공간을 가지는 하우징과; 상호 소정 간격 이격되게 하우징 내에 실장 되는 복수의 단위 배터리와; 복수의 단위 배터리 사이에 설치되는 것으로, 수용공간을 복수의 공간으로 구획하는 격벽과; 복수의 단위 배터리가 함침 되도록 수용공간에 채워지는 것으로, 복수의 단위 배터리를 냉각시키는 절연냉각유체를 포함한다.
따라서 배터리 팩은 하우징이 소정 범위 이내의 기울어지더라도 격벽에 의하여 절연냉각유체의 일 방향 쏠림을 방지하여 복수의 단위 배터리가 절연냉각유체 내에 위치되도록 할 수 있다.

Description

배터리 팩 및 배터리 팩 냉각장치{BATTERY PACK AND APPARATUS FOR COOLING THE SAME}
본 발명은 배터리 팩 및 배터리 팩 냉각장치에 관한 것으로, 상세하게는 냉각 성능이 개선된 배터리 팩 및 배터리 팩 냉각장치에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는 소형 모바일 디바이스 뿐만 아니라 전기자동차, 전기추진선박 등 중대형 기기의 동력원으로 주목받고 있다. 특히 중대형 기기에 적용하기 위해서는 대용량 고출력의 배터리 팩이 요구된다. 이에 적용되는 배터리 팩은 다수의 고밀도 이차전지를 전기적으로 연결한 구조를 가진다. 이와 같이 구성된 배터리 팩은 고속 충전 과정이나 장시간 사용시 열적 문제가 발생될 수 있다. 예를 들어 배터리 팩 내부의 온도 상승을 억제하지 못하면, 이차전지의 수명이 급격하게 단축되고, 충방전 효율이 저하됨은 물론 및 화재의 원인이 될 수 있다.
이에 따라 배터리 팩의 온도를 낮출 수 있는 냉각 기술이 요구된다. 냉각 방식은 크게 공냉식과 수냉식으로 구분할 수 있다. 공냉식은 대기로부터의 공기를 팬을 이용하여 흡입한 후, 배터리와 열교환 후 다시 외부로 배출하는 방식이다. 이 공냉식 냉각장치를 적용한 배터리 팩은 팬을 사용하므로, 부피가 크고, 소음 문제 및 팬을 구동하기 위한 전력이 추가적으로 소모되며 냉각 효율이 낮다는 문제점이 있다.
이와 같은 공냉식의 문제점을 해결하고자, 배터리를 유체에 함침시킴으로써 방열 특성을 높이는 방식이 시도되고 있다. 배터리의 내부에 적용되기 위해서는, 전기전도도가 낮고 열전달 효율이 좋은 유체가 필수적이다.
도 1 및 도 2는 일반적인 액침 냉각 방식을 적용한 배터리 팩을 보인 개략적인 도면이다. 도 1을 참조하면, 유체를 함침한 구조의 배터리 팩(10)은 하우징(11)과, 이 하우징 내에 장착된 복수의 단위 배터리(13) 및 하우징(11) 내에 채워진 냉각유체(15)를 포함한다. 이 배터리 팩(10)은 냉각유체(15)가 하우징(11) 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있도록 전체적으로 밀폐된 구조를 가진다. 한편 배터리는 작동 중에 기체를 발생시킬 수 있고, 냉각유체(15)는 주위 온도 등 사용 환경에 따라 체적이 변화할 수 있다. 따라서 하우징 내부 전체를 냉각유체(15)로 채우는 경우, 하우징(11)의 내부 공간이 팽창에 의해 손상되면서 누수 등의 결함이 발생될 수 있다. 이와 같은 점을 고려하여, 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(11) 내에 소정 여유 공간을 두고 냉각유체를 충진한다.
한편 상기한 구조의 배터리 팩을 전기추진선박의 동력원으로 사용하고자 하는 경우, 선박 운행시 수상 또는 해상 환경에서 선박이 크게 흔들릴 수 있다. 또한 선박은 주행 속도에 따라 선미에 비해 선수가 들린 상태 즉 선체가 경사진 상태로 운영될 수 있다.
이 경우 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 단위 배터리(13) 중 일부 단위배터리(13a)가 장시간 냉각유체(15) 외부로 노출된 상태로, 배터리 팩이 동작할 수 있다. 이에 따라 단위 배터리(13)의 일부가 지속적으로 열손상을 입게 되는 문제점이 있다.
등록특허공보 10-2009221 (공고일: 2019. 08. 09.) 공개특허공보 10-2017-0051024 (공개일: 2017. 05. 11.)
본 발명은 상기한 점을 감안하여 창안된 것으로서, 액침 냉각 방식을적용하여 냉각 성능을 높임과 아울러 냉각유체의 체적 변화에 영향을 받지 않고, 배터리 팩이 소정 기울기로 경사지게 배치되더라도 복수의 단위 배터리가 함침 상태를 유지할 수 있도록 된 구조의 배터리 팩 및 배터리 팩 냉각장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 내부에 수용공간을 가지는 하우징과; 상호 소정 간격 이격되게 상기 하우징 내에 실장 되는 복수의 단위 배터리와; 상기 복수의 단위 배터리 사이에 설치되는 것으로, 상기 수용공간을 복수의 공간으로 구획하는 격벽과; 상기 복수의 단위 배터리가 함침 되도록 상기 수용공간에 채워지는 것으로, 상기 복수의 단위 배터리를 냉각시키는 절연냉각유체를 포함하여, 상기 하우징이 소정 범위 이내의 기울임 발생시에도 상기 격벽에 의하여 상기 절연냉각유체의 일 방향 쏠림을 방지하여 상기 복수의 단위 배터리가 상기 절연냉각유체 내에 위치되도록 될 수 있다.
여기서 복수의 공간으로 구획된 상기 하우징 내부의 수용공간이 상호 연통 되도록, 상기 격벽의 상부는 개방될 수 있다.
또한 상기 하우징이 수평일 때, 상기 절연냉각유체가 상기 격벽의 상부 개방 위치 이상으로 상기 수용공간에 채워지되, 상기 수용공간의 일부는 빈 공간을 유지할 수 있도록 될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리팩 냉각장치는 상기한 배터리 팩을 냉각하는 것으로, 상기 하우징 내의 절연냉각유체를 상기 하우징 외부로 순환시키는 냉각유체 순환경로와; 상기 냉각유체 순환경로에 마련되어, 상기 절연냉각유체를 순환시키는 순환펌프를 포함하며, 상기 하우징에는 상기 절연냉각유체가 배출되는 냉각유체 배출구와, 냉각유체가 유입되는 냉각유체 유입구가 각각 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리팩 냉각장치는 냉각유체 순환경로 상에 마련되는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리팩 냉각장치는 상기 하우징의 외부에 설치되는 것으로, 절연냉각유체를 저장할 수 있는 유체탱크를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 냉각유체 순환경로는, 상기 하우징 내의 상기 절연냉각유체를 상기 유체탱크로 배출하도록, 상기 하우징과 상기 유체탱크 사이에 마련된 냉각유체 드레인경로와; 상기 유체탱크 내의 절연냉각유체를 상기 하우징 내에 주입하도록, 상기 유체탱크와 상기 하우징 사이에 마련된 냉각유체 주입경로를 포함할 수 있다.
또한 상기 순환펌프는, 상기 냉각유체 드레인 경로에 마련되어, 상기 냉각유체 드레인 경로 상의 냉각유체를 펌핑하는 드레인 펌프와; 상기 냉각유체 주입경로에 마련되어, 상기 냉각유체 주입경로 상의 유체를 펌핑하는 주입 펌프를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 하우징 내에 절연냉각유체를 적용하여 하우징 내에 수용되는 복수의 단위 배터리를 직접 냉각시킴으로써, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 복수의 단위 배터리 팩 사이에 하우징 내부의 수용공간을 복수의 공간으로 구획하는 격벽을 설치함으로써, 하우징이 소정 기울기로 기울더라도 단위 배터리 팩이 냉각유체 내에 함침된 상태를 유지하도록 할 수 있다. 이에 따라 단위 배터리가 절연냉각유체 밖으로 노출되어 과열되는 것을 근본적으로 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 격벽의 상부를 개방시킨 상태로 형성함과 아울러 절연냉각유체를 하우징 내부에 채움에 있어서 격벽의 상부 개방 위치 이상으로 채우되 수용공간의 일부에 빈공간이 형성되도록 한다. 이에 따라 초기에 절연냉각유체를 채우거나, 보충하는 경우 어느 한 격벽 내의 공간으로 절연냉각유체를 주입하더라도 전체 수용공간 내에 절연냉각유체를 채울 수 있다. 또한 수용공간 내에 빈공간을 유지함으로써, 절연냉각유체가 열팽창 되더라도 배터리 팩이 손상되는 것을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩 냉각장치는 하우징 내에 수용되는 냉각유체를 하우징 외부로 순환시킴과 아울러 열교환 방식으로 냉각시킨 후 하우징 내부에 주입하는 구조를 포함함으로써 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 배터리 팩 냉각장치는 유체탱크 포함함으로써, 절연냉각유체가 부족한 경우 용이하게 보충할 수 있다.
도 1은 일반적인 액침 냉각 방식을 적용한 배터리 팩을 보인 개략적인 도면.
도 2는 도 1의 배터리 팩이 경사지게 배치된 모습을 보인 개략적인 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 보인 개략적인 도면.
도 4는 도 3의 배터리 팩이 경사지게 배치된 모습을 보인 개략적인 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩 냉각장치를 보인 개략적인 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리팩 냉각장치를 보인 개략적인 도면.
이하 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩 및 배터리 팩 냉각장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 보인 개략적인 도면이고, 도 4는 도 3의 배터리 팩이 경사지게 배치된 모습을 보인 개략적인 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 하우징(110), 복수의 단위 배터리(130), 격벽(150) 및 절연냉각유체(170)를 포함한다.
하우징(110)은 내부에 수용공간(111)을 가지며, 밀폐된 구조로 이루어진다. 복수의 단위 배터리(130)는 하우징(110) 내의 수용공간(111)에 실장된다. 이 복수의 단위 배터리(130) 팩은 상호 전기적으로 결선되어 있으며, 충방전이 가능한 이차전지로 구성될 수 있다. 여기서 복수의 단위 배터리(130)는 상호 소정 간격 이격되게 배치될 수 있으며, 격벽(150)은 복수의 단위 배터리(130) 사이에 설치되는 것으로 수용공간(111)을 복수의 공간으로 구획한다. 도 2는 격벽(150)이 복수의 단위 배터리(130) 각각의 사이에 모두 설치된 것을 예로 들어 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니며 적어도 2 이상의 공간으로 수용공간으로 구획하는 것도 포함한다.
상기 절연냉각유체(170)는 복수의 단위 배터리(130)가 함침 되도록 수용공간(111)에 채워지는 것으로, 복수의 단위 배터리에 접촉되어 직접 직접 냉각시킨다. 이 절연냉각유체(170)의 일례로서 3M(사)의 Novec?? 엔지니어드 유체를 적용할 수 있다. 이 Novec?? 엔지니어드 유체는 전기 절연유체로서 배터리와 접촉시 안전하며 싱글-페이즈(Single-phase) 또는 투-페이즈(Two-phase) 방식을 통해 냉각하므로 효율적이면서 균일하게 냉각할 수 있다.
이와 같이 구성함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 하우징(110)이 소정 범위 이내의 기울임 발생시에도 절연냉각유체(170)의 일 방향 쏠림을 격벽(150)에 의하여 방지할 수 있다. 이에 따라 배터리 팩(100)의 설치 환경에 따라 배터리 팩(100)이 소정 범위 내에서 경사지게 배치되더라도 복수의 단위 배터리(130)가 절연냉각유체(170) 내에 함침된 상태로 위치되도록 할 수 있다. 이에 따라 단위 배터리가 냉각유체 외부로 노출되어 과열되는 것을 근본적으로 방지할 수 있다.
여기서 격벽(150)에 의하여 복수의 공간으로 구획된 수용공간(111)의 일부가 상호 연통 되도록, 격벽(150)의 상부는 개방될 수 있다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(110)이 배치될 때, 절연냉각유체(170)가 격벽(150)의 상부 개방 위치 이상으로 수용공간(111)에 채워지되 수용공간의 일부에 빈 공간이 형성 될 수 있을 정도로 채워질 수 있다. 즉 단위 배터리(130), 격벽(150) 및 절연냉각유체(170)의 부피 총합이 수용공간(111)의 전체 부피 대비 작게 형성된다. 따라서 수용공간(111) 내의 여유 공간이 있으므로, 단위 배터리(130)의 동작시 가스가 발생되거나 배터리 팩(100)의 주변 온도 변화에 기인하여 절연냉각유체(170)가 열팽창 되더라도 밀폐된 하우징(110)이 내압에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩 냉각장치를 보인 개략적인 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내각장치는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 배터리 팩(100)을 냉각하기 위한 것으로, 냉각유체 순환경로(210) 및 순환펌프(230)를 포함할 수 있다. 또한 하우징(110)에는 절연냉각유체(150)가 하우징(110) 외부로 배출되는 냉각유체 배출구(113)와, 냉각유체가 하우징(110) 내로 유입되는 냉각유체 유입구(115)가 각각 형성된다. 냉각유체 배출구(113)는 하우징(110)의 하부에 설치되며, 필요시 자중(自重)에 의하여 하우징(110) 내의 냉각유체를 외부로 배출할 수 있다. 이 냉각유체 배출구(113)에는 절연냉각유체(170)를 순환시키지 않는 경우, 절연냉각유체(170)가 외부로 배출되지 않도록 수동 또는 전자적으로 제어되는 밸브(250)가 설치될 수 있다.
상기 냉각유체 순환경로(210)는 일단이 냉각유체 배출구(113)와 연결되고, 타단이 냉각유체 유입구(115)에 연결되는 것으로, 하우징(110) 내의 절연냉각유체(170)를 하우징(110) 외부로 순환시키는 경로이다. 순환펌프(230)는 냉각유체 순환경로(210)에 마련되어, 절연냉각유체(170)가 냉각유체 순환경로(210) 내에서 순환되도록 한다. 이와 같이 절연냉각유체를 하우징(110) 외부로 순환시킴으로써, 장시간 배터리 동작에 따라 절연냉각유체(170)의 온도가 상승하는 경우, 하우징(110) 외부에서 냉각시킴으로써 보다 효율적으로 배터리를 냉각시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩 냉각장치는 냉각유체 순환경로(210) 상에 마련되는 열교환기(270)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 하우징(110) 외부로 배출된 절연냉각유체는 열교환기(270)를 통하여 냉각 된 후 다시 하우징(110) 내에 주입되므로, 보다 효율적으로 배터리 팩(100)을 냉각시킬 수 있다. 여기서 열교환기(270)를 대체하거나 열교환기에 추가하여 공냉식으로 냉각유체를 냉각시킬 수 있는 방열핀(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리팩 냉각장치를 보인 개략적인 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리팩 냉각장치는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 배터리 팩(100)을 냉각하기 위한 것으로, 유체탱크(300), 냉각유체 순환경로(311)(315) 및 순환펌프(331)(335)를 포함한다.
유체탱크(300)는 여분의 절연냉각유체를 보관하는 장소로, 하우징(110) 내의 절연냉각유체(170)가 부족한 경우 이를 보충하거나, 하우징(110) 내에서 절연냉각유체(170)와 교환됨으로서 하우징(110) 내의 절연냉각유체(170)가 과열되는 것을 방지한다.
하우징(110)에는 수용공간(111) 내의 절연냉각유체(170)가 하우징(110) 외부로 배출되는 제1냉각유체 배출구(113)와, 유체탱크(300)로부터 하우징(110) 내로 냉각유체가 유입되는 제1냉각유체 유입구(115)가 형성될 수 있다. 제1냉각유체 배출구(113)는 하우징(110)의 하부에 설치되며, 필요시 자중(自重)에 의하여 하우징(110) 내의 절연냉각유체(170)를 하우징(110)의 외부로 배출할 수 있다. 또한 제1냉각유체 배출구(113)에는 절연냉각유체(170)를 순환시키지 않는 경우, 절연냉각유체(170)가 외부로 배출되지 않도록 수동 또는 전자적으로 제어되는 제1밸브(351)가 설치될 수 있다.
상기 유체탱크(300)에는 하우징(110)에서 배출된 절연냉각유체가 유입되는 제2냉각유체 유입구(301)와, 내부의 절연냉각유체를 외부로 배출하는 제2냉각유체 배출구(305)가 형성될 수 있다.
상기 냉각유체 순환경로는 냉각유체 드레인경로(311)와, 냉각유체 주입경로(315)를 포함할 수 있다. 냉각유체 드레인경로(311)는 제1냉각유체 배출구(113)와 제2냉각유체 유입구(301) 사이에 마련되어 하우징(110) 내의 절연냉각유체(170)를 유체탱크(300)로 배출하는 경로이다. 냉각유체 주입경로(315)는 제2냉각유체 배출구(305)와 제1냉각유체 유입구(115) 사이에 마련되어 유체탱크(300) 내의 절연냉각유체(170)를 하우징(110) 내부로 배출하는 경로이다.
상기 순환펌프는 드레인 펌프(331) 및 주입펌프(335)를 포함할 수 있다. 드레인 펌프(331)는 냉각유체 드레인경로(311)에 마련되어, 절연냉각유체가 냉각유체 드레인경로(311)을 따라 이동되도록 펌핑한다. 주입 펌프(335)는 냉각유체 주입경로(315)에 마련되어, 절연냉각유체가 냉각유체 주입경로(315)를 따라 이동되도록 펌핑한다.
상기한 바와 같이, 유체탱크(300)를 포함함으로써, 하우징(110) 내의 절연냉각유체(170)가 부족한 경우 보충함과 아울러, 순환펌프 및 냉각유체 순환경로를 통하여, 절연냉각유체가 하우징(110) 내부와 유체탱크(300) 사이를 순환하도록 함으로써 보다 방열효율을 높일 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100: 배터리 팩 110: 하우징
111: 수용공간 130: 단위 배터리
113: 냉각유체 배출구, 제1냉각유체 배출구
115: 냉각유체 유입구, 제1냉각유체 유입구
150: 격벽 170: 절연냉각유체
210: 냉각유체 순환경로 230: 순환펌프
250: 밸브 270: 열교환기
300: 유체탱크
301: 제2냉각유체 유입구 305: 제2냉각유체 배출구
311: 냉각유체 드레인경로 315: 냉각유체 주입경로
331: 드레인 펌프 335: 주입펌프

Claims (6)

  1. 배터리 팩에 있어서,
    내부에 수용공간을 가지는 하우징과;
    상호 소정 간격 이격되게 상기 하우징 내에 실장 되는 복수의 단위 배터리와;
    상기 복수의 단위 배터리 사이에 설치되어 되는 것으로, 상기 수용공간을 복수의 공간으로 구획하는 격벽과;
    상기 복수의 단위 배터리가 함침 되도록 상기 수용공간에 채워지는 것으로, 상기 복수의 단위 배터리를 냉각시키는 절연냉각유체를 포함하며,
    상기 격벽의 상부는 복수의 공간으로 구획된 상기 하우징 내부의 수용공간이 상호 연통 되도록 개방되고,
    상기 격벽의 하부는 복수의 공간으로 구획된 상기 하우징 내부의 수용공간 각각에 채워지는 절연냉각유체가 이웃하는 수용공간으로 이동되지 않도록 상기 하우징의 저면에 연결되어, 상기 하우징이 소정 범위 이내에서 경사지더라도 상기 격벽에 의하여 상기 절연냉각유체의 일 방향 쏠림을 방지하여 상기 복수의 단위 배터리가 상기 절연냉각유체 내에 위치되도록 된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징이 수평일 때, 상기 절연냉각유체가 상기 격벽의 상부 개방 위치 이상으로 상기 수용공간에 채워지되, 상기 수용공간의 일부는 빈 공간을 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항 또는 제3항에 따른 배터리 팩과;
    상기 하우징 내의 절연냉각유체를 상기 하우징 외부로 순환시키는 냉각유체 순환경로와;
    상기 냉각유체 순환경로에 마련되어, 상기 절연냉각유체를 순환시키는 순환펌프를 포함하며,
    상기 하우징에는 상기 절연냉각유체가 배출되는 냉각유체 배출구와, 냉각유체가 유입되는 냉각유체 유입구가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 냉각장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유체 순환경로 상에 마련되는 열교환기를 더 포함하는 배터리 팩 냉각장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하우징의 외부에 설치되는 것으로, 절연냉각유체를 저장할 수 있는 유체탱크를 더 포함하며,
    상기 냉각유체 순환경로는,
    상기 하우징 내의 상기 절연냉각유체를 상기 유체탱크로 배출하도록, 상기 하우징과 상기 유체탱크 사이에 마련된 냉각유체 드레인경로와;
    상기 유체탱크 내의 절연냉각유체를 상기 하우징 내에 주입하도록, 상기 유체탱크와 상기 하우징 사이에 마련된 냉각유체 주입경로를 포함하고,
    상기 순환펌프는,
    상기 냉각유체 드레인 경로에 마련되어, 상기 냉각유체 드레인 경로 상의 냉각유체를 펌핑하는 드레인 펌프와;
    상기 냉각유체 주입경로에 마련되어, 상기 냉각유체 주입경로 상의 유체를 펌핑하는 주입 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 냉각장치.
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