KR102603060B1 - 차량용 배터리 냉각 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치는 배터리 셀이 장착되며 하단의 양측면에 관통홀이 형성된 복수의 프레임; 상기 관통홀에 삽입관통되는 파이프; 상기 복수의 프레임의 하단 일측면에 결합되고 상기 파이프의 일단과 연통되며 냉각수가 주입되는 냉각수 주입부; 및 상기 복수의 프레임의 하단 타측면에 결합되고 상기 파이프의 타단과 연통되며 상기 냉각수가 유출되는 냉각수 유출부를 포함할 수 있다.

Description

차량용 배터리 냉각 장치 및 그 제조 방법{COOLING DEVICE FOR BATTERY OF VEHICLE AND MAFUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 차량용 배터리 냉각 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 단순한 구조로 간접 수냉 방식을 이용하여 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있는 차량용 배터리 냉각 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전기자동차 또는 하이브리드 차량의 대중화로 인해 배터리에 대한 중요성이 날로 증가되고 있다. 이러한 관심은 단순히 배터리의 용량에 대한 것뿐만 아니라 배터리의 효율성이나 수명 등에 영향을 주는 요소까지 확장되고 있다.
전기자동차 또는 하이브리드 차량에 사용되는 고전압, 고용량 배터리는 일반적으로 복수개의 배터리셀을 하나의 팩으로 만든 배터리 팩으로 구성되고, 이러한 배터리 팩 또한 복수개로 구비되어 전체 배터리를 구성한다.
이러한 복수개의 배터리 팩들은 한정된 좁은 공간에 함께 설치됨으로 인해 배터리 팩에서는 고열의 열이 발생하게 되고, 이는 배터리 전체의 수명에 악영향을 미치는 요소로 작용한다. 따라서 전기자동차 또는 하이브리드 차량에 사용되는 고전압, 고용량 배터리의 고열을 제어하기 위한 냉각 시스템의 구축이 필수적인데, 일반적으로 자동차용 고전압, 고용량 배터리 냉각 방식은 공냉과 수냉으로 구분되며, 각각은 다시 간접 냉각 방식과 직접 냉각 방식으로 구분된다.
한편, 종래의 사용되는 고전압 배터리 냉각 방식은 도 1에 도시된 방식인데, 도 1을 참조하면, 배터리 셀(600)에서 발열 시, 배터리 셀과 접촉된 냉각플레이트(800)로 열이 전달되고, 냉각플레이트는 TIM(Thermal Interface Material) 및 수냉각 블록(900)으로 열전달을 함으로써 배터리 셀을 냉각시키는 간접 수냉 방식이였다. 하지만, 종래 방식의 경우, 냉각플레이트, TIM 및 수냉각 블록간의 접촉 상태에 따라 냉각 성능이 크게 변한다는 한계가 있었다. 이로 인해 각 부품을 조립할 시, 배터리 셀, 냉각플레이트, TIM 및 수냉각 블록간의 접촉이 균일하도록 해야 했으나, 다수의 배터리 셀을 조립하는데 있어서 조립 공차 등을 고려할 때, 균일한 접촉상태를 구현하는데 한계가 있었다.
KR 10-2015-0002982
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 보다 단순한 구조로 간접 수냉 방식을 이용하여 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있는 차량용 배터리 냉각 장치 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치는 배터리 셀이 장착되며 하단의 양측면에 관통홀이 형성된 복수의 프레임; 상기 관통홀에 삽입관통되는 파이프; 상기 복수의 프레임의 하단 일측면에 결합되고 상기 파이프의 일단과 연통되며 냉각수가 주입되는 냉각수 주입부; 및 상기 복수의 프레임의 하단 타측면에 결합되고 상기 파이프의 타단과 연통되며 상기 냉각수가 유출되는 냉각수 유출부를 포함할 수 있다.
상기 프레임의 양측면에 형성되되 상기 관통홀 상측에 형성되며 방열 성질을 갖는 방열재를 주입하는 방열재 주입부를 더 포함할 수 있다.
상기 방열재 주입부는 상기 프레임의 양측면에서 하향 경사지게 형성될 수 있다.
상기 배터리 셀의 하단 일부와 상기 파이프는 상기 방열재 주입부를 통해 주입된 방열재로 도포될 수 있다.
상기 프레임의 하면에는 상기 관통홀에 삽입관통된 상기 파이프를 지지하는 파이프 지지부가 형성될 수 있다.
상기 복수의 프레임이 적층된 후, 상기 프레임의 개방면을 덮는 프레임 커버를 더 포함할 수 있다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치 제조 방법은 하단의 양측면에 관통홀이 형성되며 상기 관통홀의 상측에 방열 성질을 갖는 방열재를 주입하는 방열재 주입부가 형성된 복수의 프레임을 마련하는 단계; 상기 프레임의 관통홀에 파이프를 삽입관통 하는 단계; 상기 복수의 프레임에 배터리 셀을 장착하는 단계; 상기 배터리 셀이 장착된 복수의 프레임을 적층하는 단계; 및 상기 적층된 프레임의 개방면을 프레임 커버로 덮는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적층된 프레임의 개방면을 프레임 커버 플레이트로 덮는 단계 이후에,
상기 방열재 주입부를 통해 방열재를 주입하고 상기 방열재를 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 프레임의 하단의 양측면에 관통홀을 형성하고, 해당 관통홀에 파이프를 삽입관통시켜 프레임과 냉각유로를 포함하는 수냉각 블록의 구성을 일체화함으로써, 구조를 단순화 시킬 수 있고, 종래의 배터리 냉각 장치와 비교하여 제조 원가를 보다 절감할 수 있으며, 에너지밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 복수의 프레임을 적층하여 하나의 배터리 모듈을 형성할 시, 파이프, 냉각수 주입부 및 냉각수 유출부를 통해 해당 배터리 모듈 내에 냉각 유로가 형성되는 구조로서, 배터리 모듈과 별도로 냉각 유로를 포함하는 냉각 블록의 구성이 필요했던 종래의 배터리 냉각 장치와 비교하여 그 구성을 보다 단순화시킬 수 있으며, 제조 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 고전압 배터리 냉각 방식을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 프레임을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치에서, 프레임에 배터리 셀을 장착시킨 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치에서, 프레임에 배터리 셀을 장착시킨 후 방열재 주입부를 통해 방열재를 주입한 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치에서, 배터리 셀이 발열할 시, 열전달이 이루어지는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치 제조 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각장치에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 사시도이고, 도 3은 차량용 배터리 냉각 장치의 분해 사시도이며, 도 4는 차량용 배터리 냉각 장치의 프레임을 도시한 도면이고, 도 5는 프레임에 배터리 셀을 장착시킨 모습을 도시한 도면이며, 도 6은 프레임에 배터리 셀을 장착시킨 후 방열재 주입부를 통해 방열재를 주입한 것을 나타내는 도면이고, 도 7은 배터리 셀이 발열할 시, 열전달이 이루어지는 것을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각장치(10)는 복수의 프레임(100), 파이프(200), 냉각수 주입부(300), 냉각수 유출부(400)를 포함하여 구성될 수 있으며, 방열재 주입부(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
프레임(100)에는 배터리 셀(600)이 장착될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 프레임(100)의 하단 양 측면에는 관통홀(130)이 형성될 수 있다. 프레임(100)의 하단 양 측면에 형성된 관통홀(130)에는 파이프(200)가 삽입관통될 수 있다. 여기서, 파이프(200)는 열전도성 파이프로서 내부로 냉각수가 통과하는 냉각 유로 역할을 할 수 있다. 이처럼, 본 발명에서는 프레임(100)의 하단의 양측면에 관통홀(130)을 형성하고, 해당 관통홀(130)에 파이프(200)를 삽입관통시켜 프레임(100)과 냉각유로를 포함하는 수냉각 블록의 구성을 일체화함으로써, 구조를 단순화 시켰고, 그에 따라 종래의 배터리 냉각 장치와 비교하여 원가를 보다 절감할 수 있다.
한편, 프레임(100)의 하면에는 파이프 지지부(130)가 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 프레임(100)의 하단 양측에 형성된 관통홀(130)을 통해 파이프(200)를 삽입관통시키게 되는데 프레임(100)의 양측 중간 하면에 파이프 지지부(130)를 형성함으로써, 프레임(100)에 삽입관통된 파이프(200)를 보다 안정적으로 지지할 수 있다. 아울러, 파이프 지지부(130)는 프레임(100) 하면의 중간 지점에 형성됨으로써, 프레임(100)의 일측면에 형성된 관통홀(130)에 파이프(200)를 삽입관통시킬 시, 파이프(200)가 프레임(100)의 타측면에 형성된 관통홀(130)에 보다 용이하게 삽입관통될 수 있도록 하는 가이드할 수 있다.
아울러, 프레임 커버(140)는 복수의 프레임(100)이 적층된 후, 프레임(100)의 양쪽 개방면을 덮는 덮개로서, 외부로부터 배터리 셀(600) 등에 이물질이 들어오는 것을 방지하는 역할을 한다.
냉각수 주입부(300)는 배터리 셀(600)의 발열 시 배터리 셀600)을 냉각시키기 위한 냉각수가 주입되는 구성으로서, 프레임(100)의 하단 일측면에 결합될 수 있다. 실시예에 따라 냉각수 주입부(300)는 볼팅 결합을 통해 프레임(100)의 일측면에 결합될 수 있다. 하지만, 이는 일실시예에 따른 것으로 냉각수 주입부(300)와 프레임(100) 측면과의 결합에는 다양한 결합 방식이 적용될 수 있다.
아울러, 냉각수 주입부(300)는 관통홀에 삽입된 파이프의 일단과 연통될 수 있다. 다시 말해, 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수 주입부(300)를 통해 냉각수가 주입되면, 해당 냉각수는 냉각수 주입부(300)와 연통된 파이프(200)의 일단으로 주입되고, 파이프(200)의 일단으로 주입된 냉각수는 파이프(200)를 따라 흐르면서 배터리 셀(600)로부터 열을 전달받은 방열재(700)로부터 열을 흡수하여 배터리 셀(600)을 간접적으로 냉각시킬 수 있다.
냉각수 유출부(400)는 프레임(100)의 하단 타측면에 결합될 수 있다. 실시예에 따라 냉각수 유출부(400)는 볼팅 결합을 통해 프레임(100)의 타측면에 결합될 수 있다. 하지만, 이는 일실시예에 따른 것으로 냉각수 유출부(400)와 프레임(100) 측면과의 결합에는 다양한 결ㅈ합 방식이 적용될 수 있다.
아울러, 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수 주입부(300)를 통해 냉각수가 주입되면, 해당 냉각수는 냉각수 주입부(300)와 연통된 파이프(200)의 일단으로 주입되고, 파이프(200)의 일단으로 주입된 냉각수는 파이프(200)를 따라 흐르면서 파이프(200)의 타단과 연통된 냉각수 유출부(400)를 통해 유출될 수 있다.
이처럼, 본 발명은 도 3에 도시된 복수의 프레임(100)을 적층하여 하나의 배터리 모듈을 형성할 시, 파이프(200), 냉각수 주입부(300) 및 냉각수 유출부(400)를 통해 해당 배터리 모듈 내에 냉각 유로가 형성되는 구조로서, 배터리 모듈과 별도로 냉각 유로를 포함하는 냉각 블록의 구성이 필요했던 종래의 배터리 냉각 장치와 비교하여 그 구성을 보다 단순화 시키며, 원가를 절감할 수 있다.
방열재 주입부(500)는 도 4에 도시된 바와 같이 프레임(100)의 양측면에 형성되되 관통홀(130) 상측에 형성되며 방열 성질을 갖는 방열재(700)를 주입시킬 수 있다. 이때, 방열재(700)는 방열 성질 및 접착 성질을 갖는 방열 접착제일 수 있다. 구체적으로, 방열재 주입부(500)는 도 4에 도시된 바와 같이 프레임(100)의 양측면에서 하향 경사지게 형성될 수 있다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 복수의 프레임(100)에 배터리 셀(600)을 장착하고 적층한 후, 방열재 주입부(500)를 통해 방열재(700)를 주입하면 배터리 셀(600)의 하단 일부와 파이프(200)는 방열재(700)로 도포될 수 있는데, 방열재 주입부(500)를 프레임(100)의 양측면에서 하향 경사지게 형성함으로써 방열재(700)가 배터리 셀(600)과 파이프(200)가 보다 균일하게 잘 도포되도록 할 수 있다.
한편, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 배터리 셀의 냉각 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 배터리 셀(600)이 발열되면, 배터리 셀(600)의 하단에 도포된 방열재(700)를 통해 배터리 셀(600)로부터 방열재(700)로 열전달이 일어나고, 그 다음 방열재(700)와 도포된 파이프(200)로 다시 열전달이 일어나게 된다. 아울러, 냉각수 주입부(300)로 냉각수가 주입되고 파이프(200)를 통해 냉각수가 이동하여 냉각수 유출부(400)를 통해 냉각수가 유출되는 냉각수 순환 과정을 통해, 배터리 셀(600)을 간접 수냉 방식을 통해 냉각시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치 제조 방법의 흐름도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치 제조 방법은 하단의 양측면에 관통홀이 형성되며 상기 관통홀의 상측에 방열 성질을 갖는 방열재를 주입하는 방열재 주입부가 형성된 복수의 프레임을 마련하는 단계, 상기 프레임의 관통홀에 파이프를 삽입관통 하는 단계, 상기 복수의 프레임에 배터리 셀을 장착하는 단계, 상기 배터리 셀이 장착된 복수의 프레임을 적층하는 단계, 및 상기 적층된 프레임의 개방면을 프레임 커버로 덮는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 적층된 프레임의 개방면을 프레임 커버 플레이트로 덮는 단계 이후에, 상기 방열재 주입부를 통해 방열재를 주입하고 상기 방열재를 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치 제조 방법의 각 단계에서의 기술 적인 특징과 상술한 제조 방법의 단계에 따라 제조된 차량용 배터리 냉각 장치를 통해 배터리 셀이 냉각되는 기술적인 특징은 앞서 설명한 차량용 배터리 냉각 장치의 기술적인 특징과 동일하므로 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
10: 배터리 냉각 장치 100: 프레임
110: 파이프 지지부 120: 프레임 커버
130: 관통홀 140: 프레임 커버
200: 파이프 300: 냉각수 주입부
400: 냉각수 유출부 500: 방열재 주입부
600: 배터리 셀 700: 방열재
800: 냉각 플레이트 900: 수냉각 블록
910: 냉각 유로

Claims (8)

  1. 배터리 셀이 장착되며 하단의 양측면에 관통홀이 형성된 복수의 프레임;
    상기 관통홀에 삽입관통되는 파이프;
    상기 복수의 프레임의 하단 일측면에 결합되고 상기 파이프의 일단과 연통되며 냉각수가 주입되는 냉각수 주입부; 및
    상기 복수의 프레임의 하단 타측면에 결합되고 상기 파이프의 타단과 연통되며 상기 냉각수가 유출되는 냉각수 유출부를 포함하고,
    상기 프레임의 양측면에 형성되되 상기 관통홀 상측에 형성되며 방열 성질을 갖는 방열재를 주입하는 방열재 주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 방열재 주입부는,
    상기 프레임의 양측면에서 하향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀의 하단 일부와 상기 파이프는 상기 방열재 주입부를 통해 주입된 방열재로 도포되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임의 하면에는 상기 관통홀에 삽입관통된 상기 파이프를 지지하는 파이프 지지부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 프레임이 적층된 후, 상기 프레임의 개방면을 덮는 프레임 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  7. 하단의 양측면에 관통홀이 형성되며 상기 관통홀의 상측에 방열 성질을 갖는 방열재를 주입하는 방열재 주입부가 형성된 복수의 프레임을 마련하는 단계;
    상기 프레임의 관통홀에 파이프를 삽입관통 하는 단계;
    상기 복수의 프레임에 배터리 셀을 장착하는 단계;
    상기 배터리 셀이 장착된 복수의 프레임을 적층하는 단계; 및
    상기 적층된 프레임의 개방면을 프레임 커버로 덮는 단계를 포함하는 차량용 배터리 냉각 장치 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 적층된 프레임의 개방면을 프레임 커버 플레이트로 덮는 단계 이후에,
    상기 방열재 주입부를 통해 방열재를 주입하고 상기 방열재를 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치 제조 방법.
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