KR102663657B1 - 차량용 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

차량용 배터리 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은, 내부에 유로를 포함하고, 상기 유로에 냉각수가 주입되는 제1 냉각수 주입부 및 상기 냉각수가 유출되는 제1 냉각수 유출부를 갖는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 파이프 형상으로 내부에 유로가 형성되고, 상기 배터리 모듈의 외부에 설치되어 외부로부터의 충격을 흡수하며, 상기 배터리 모듈의 제1 냉각수 주입부 및 제1 냉각수 유출부와 연통되되, 상기 유로에 냉각수가 주입되는 제2 냉각수 주입부 및 상기 냉각수가 유출되는 제2 냉각수 유출부를 갖는 배터리 모듈 보호부를 포함할 수 있다.

Description

차량용 배터리 냉각 시스템{BATTERY COOLING SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
고유가와 이산화탄소 규제 등으로 인해 기존의 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 친환경자동차의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 순수 전기자동차나 하이브리드 자동차의 경우 자동차 제조사에 따라 이미 상용화하여 출시하고 있거나 상용화를 앞두고 있는 상황이다. 이러한, 전기자동차나 하이브리드 차량에는 고전압 배터리가 탑재되는데 고전압 배터리는 얇은 판형 구조로 된 다수의 배터리셀을 하나의 모듈로 만들어 사용하고 있으며, 차량의 사양에 따라 다수의 모듈을 연결하여 패키지를 구성하여 사용한다.
한편, 배터리팩은 화학반응에 의한 충전과 방전 시 셀에서 열이 발생하는데, 셀의 온도에 따라 배터리의 충전 및 방전 전력이 달라진다. 이에 따라, 배터리의 효율과 수명을 향상시키기 위해 배터리의 온도를 적정 온도로 유지하는 것이 매우 중요하며, 그 결과 배터리의 열을 냉각시키기 위한 냉각 시스템이 구비되지 않으면 안 된다. 아울러, 배터리 모듈은 차량간 충돌이나 심한 외부 충격을 받는 경우 배터리 내 전해액의 연쇄 반응으로 인해 차량 폭발 등의 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에, 배터리 시스템에는 외부 충격 등으로부터 배터리 모듈을 보호할 수 있는 안정장치 등도 필수적으로 필요하다.
이에 따라, 종래에는 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 시스템과 배터리를 외부 충격 등으로부터 보호하기 위한 안전장치 등을 배터리 시스템에 각각 구비하였는데, 이로 인한 차량의 중량 증가 및 설계의 복잡성 등의 한계가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2018-0045621 A1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 배터리 모듈 외부에 배터리 모듈을 보호하는 배터리 모듈 보호부를 설치하여 외부 충격으로부터 배터리 모듈을 보호할 수 있으며, 배터리 모듈 보호부 내에 유로를 통해 냉각수를 주입하여 배터리 모듈을 냉각시킬 수 있는 차량용 배터리 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은, 내부에 유로를 포함하고, 상기 유로에 냉각수가 주입되는 제1 냉각수 주입부 및 상기 냉각수가 유출되는 제1 냉각수 유출부를 갖는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 파이프 형상으로 내부에 유로가 형성되고, 상기 배터리 모듈의 외부에 설치되어 외부로부터의 충격을 흡수하며, 상기 배터리 모듈의 제1 냉각수 주입부 및 제1 냉각수 유출부와 연통되되, 상기 유로에 냉각수가 주입되는 제2 냉각수 주입부 및 상기 냉각수가 유출되는 제2 냉각수 유출부를 갖는 배터리 모듈 보호부를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈의 온도가 사전 설정된 온도 이상일 시, 상기 제2 냉각수 주입부를 통해 냉각수를 주입하여 상기 배터리 모듈의 유로에서 순환시키는 펌프: 및 상기 펌프 및 상기 제2 냉각수 유출부와 연결되며, 상기 제2 냉각수 유출부를 통해 유입되는 냉각수를 냉각시켜 상기 펌프를 통해 상기 제2 냉각수 주입부에 주입하는 라디에이터를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈 보호부의 내부에, 상기 제2 냉각수 주입부를 통해 주입되는 냉각수와 상기 제1 냉각수 유출부를 통해 유출되는 냉각수가 혼합되는 것을 방지하는 격벽부가 형성될 수 있다.
상기 격벽부는 상기 배터리 모듈 보호부의 유로에서 상기 제1 냉각수 유출부와 연통되는 지점과 상기 제2 냉각수 주입부 사이에 형성될 수 있다.
상기 제1 냉각수 주입부 및 제1 냉각수 유출부와 제2 냉각수 주입부 및 제2 냉각수 유출부 사이에 마련되어, 상기 배터리 모듈 보호부와 상기 배터리 모듈을 연통/차단시키는 차단 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 차단 밸브는 상기 배터리 모듈 보호부의 압력이 사전 설정된 압력 이상인 경우, 상기 배터리 모듈 보호부와 상기 배터리 모듈의 연결을 차단할 수 있다.
상기 배터리 모듈이 복수인 경우, 각 배터리 모듈의 제1 냉각수 주입부의 직경이 상이할 수 있다.
상기 제1 냉각수 주입부의 직경은 상기 배터리 모듈이 펌프와 멀어지는 방향에 위치할수록 커질 수 있다.
상기 배터리 모듈 보호부는 상기 배터리 모듈이 탑재될 수 있는 탑재부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈 보호부가 배터리 모듈을 냉각시키는 냉각 장치 및 배터리 모듈을 외부 충격으로부터 보호하는 보호 장치 역할을 동시에 함으로써, 차량 중량의 증가를 방지할 수 있고, 원가를 절감할 수 있다.
또한, 차량의 충돌 등을 포함한 외부 충격 등에 의해 배터리 모듈 보호부의 압력이 사전 설정된 압력 이상인 경우, 차단 밸브를 통해 배터리 모듈 보호부와 배터리 모듈의 연결을 차단함으로써, 배터리 모듈 내부에서 냉각수가 유출되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서, 배터리 모듈 보호부에 주입된 냉각수를 통해 배터리 모듈이 냉각되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 모듈 보호부에 주입된 냉각수를 통해 배터리 모듈이 냉각되는 모습을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은 배터리 모듈(100), 배터리 모듈 보호부(200), 펌프(300) 및 라디에이터(400)를 포함하여 구성될 수 있으며, 실시예에 따라 배터리 모듈(100)과 배터리 모듈 보호부(200) 사이에 차단 밸브(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀들이 적층되어 이루어지며 적층된 배터리 셀들을 덮는 커버 등을 포함하여 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 모듈(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 유로(110)를 포함할 수 있으며, 해당 유로(110)에 냉각수가 주입되는 제1 냉각수 주입부(120) 및 냉각수가 유출되는 제1 냉각수 유출부(130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 도면에 도시된 바와 같이 배터리 모듈(100)은 복수로 구성될 수 있는데, 실시예에 따라 각 배터리 모듈의 제1 냉각수 주입부(120)의 직경은 상이할 수 있다. 보다 구체적으로, 펌프(300)와 멀어지는 방향에 위치할수록 해당 배터리 모듈(100)의 제1 냉각수 주입부(120)의 직경은 커질 수 있다. 예를 들어, 복수 배터리 모듈(100)의 제1 냉각수 주입부(120)의 직경이 동일할 경우, 펌프(300)와 멀어지는 방향에 위치할수록 해당 배터리 모듈(100)의 제1 냉각수 주입부(120)에 주입되는 냉각수의 압력이 감소하여 해당 배터리 모듈(100)의 유로(110)에 유입되는 냉각수의 양이 감소함으로써, 해당 배터리 모듈(100)에서 냉각수 순환이 효율적으로 이루어지지 않을 수 있다. 이와 같은 문제를 방지하기 위해, 펌프(300)와 멀어지는 방향에 위치할수록 해당 배터리 모듈(100)의 제1 냉각수 주입부(120)의 직경을 크게 형성함으로써, 보다 많은 냉각수량을해당 배터리 모듈(100)의 유로(110)로 주입시켜 냉각수가 보다 효율적으로 순환되도록 할 수 있다.
배터리 모듈 보호부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 파이프 형상으로 배터리 모듈(100)의 외부에 설치될 수 있다. 여기서 배터리 모듈 보호부(200)는 외부로부터의 충격을 효과적으로 흡수하며 배터리 모듈(100)을 보호할 수 있는 강성이 확보되는 소재로 이루어지는 것이 바람직할 것이다.
구체적으로, 배터리 모듈 보호부(200)는 파이프 형상으로서 내부에는 유로가 형성될 수 있으며, 해당 유로에 냉각수가 주입되는 제2 냉각수 주입부(210) 및 해당 냉각수가 유출되는 제2 냉각수 유출부(220)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 배터리 모듈 보호부(200)의 유로는 배터리 모듈(100)의 제1 냉각수 주입부(120) 및 제1 냉각수 유출부(130)와 연통될 수 있는데, 제2 냉각수 주입부(210)에 주입된 냉각수가 제1 냉각수 주입부(120)를 통해 배터리 모듈(100) 내부의 유로(110)로 주입될 수 있고, 해당 냉각수는 배터리 모듈(100) 내부의 유로를 순환한후 제1 냉각수 유출부(130)를 통해 유출됨으로써 배터리 모듈(100)을 냉각시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명은 배터리 모듈 보호부가 배터리 모듈을 냉각시키는 냉각 장치 및 배터리 모듈을 외부 충격으로부터 보호하는 보호 장치의 역할을 동시에 함으로써, 차량의 중량 증가를 방지할 수 있으며, 배터리 냉각장치 및 안전장치를 각각 제조할 때와 비교하여 원가를 절감할 수 있다.
한편, 배터리 모듈 보호부(200) 내부에는 제2 냉각수 주입부(210)를 통해 주입되는 냉각수와 제1 냉각수 유출부(130)를 통해 유출되는 냉각수가 혼합되는 것을 방지하는 격벽부(230)가 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 격벽부(230)는 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 모듈 보호부(200)의 유로에서 제1 냉각수 유출부(130)와 연통되는 지점과 제2 냉각수 주입부(210) 사이에 형성될 수 있다. 다시 말해, 격벽부(230)를 배터리 모듈 보호부(200)의 유로에서 제1 냉각수 유출부(130)와 연통되는 지점과 제2 냉각수 주입부(210) 사이에 형성함으로써, 제2 냉각수 주입부(210)를 통해 주입되는 냉각수와 배터리 모듈(100) 내의 유로(110)를 순환하면서 배터리 모듈(100)의 열을 흡수한 후 제1 냉각수 유출부(130)를 통해 유출되는 냉각수가 혼합되지 않도록 하여 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 배터리 모듈 보호부(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 모듈(100)이 탑재될 수 있는 탑재부(240)를 더 포함할 수 있다. 아울러, 도면에 도시되지는 않았지만, 배터리 모듈 보호부(200)는 브라켓 등을 추가로 포함할 수 있으며, 배터리 모듈(100)을 탑재부(240)에 탑재시킨 후, 브라켓 등을 통해 배터리 모듈을 차량 바디에 간편하게 탑재할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템의 배터리 모듈 보호부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 역류방지 밸브(600)를 더 포함할 수 있다. 여기서 역류방지 밸브(600)는 제1 냉각수 유출부(130)로부터 유출되어 역류방지 밸브(600)를 통과한 냉각수가 다시 역류하는 것을 방지하며 해당 냉각수가 제2 냉각수 유출부(220)를 통해 유출되도록 함으로써 냉각수의 순환이 보다 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다.
펌프(300)는 배터리 모듈 보호부(200)의 제2 냉각수 주입부(210)와 연결되며 배터리 모듈(100)의 온도가 사전 설정된 온도 이상일 시, 제2 냉각수 주입부(210)를 통해 냉각수를 주입하여 냉각수를 배터리 모듈(100)의 유로(110)에서 순환시키는 역할을 한다. 여기서, 도면에 도시되지는 않았으나, 배터리 모듈(100) 내에는 배터리 모듈(100)의 온도를 센싱하는 온도 센서 등이 포함될 수 있으며, 센싱된 배터리 모듈(100)의 온도가 사전 설정된 온도 이상일 시, 펌프(300)는 제2 냉각수 주입부(210)를 통해 냉각수를 주입시킬 수 있다.
라디에이터(400)는 도 2에 도시된 바와 같이 펌프(300) 및 제2 냉각수 유출부(220)와 연결되며, 제2 냉각수 유출부(220)를 통해 유입된 냉각수를 냉각시켜 펌프(300)를 통해 제2 냉각수 주입부(210)에 주입되도록 할 수 있다. 여기서, 라디에이터(400)에서 제2 냉각수 유출부(220)를 통해 유입된 냉각수를 냉각시키는 것은 기 공지된 기술에 해당하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
차단 밸브(500)는 제1 냉각수 주입부(120) 및 제1 냉각수 유출부(130)와 제2 냉각수 주입부(210) 및 제2 냉각수 유출부(220) 사이에 마련되어, 배터리 모듈 보호부(200)와 배터리 모듈(100)을 연통/차단 시키는 역할을 한다. 좀 더 구체적으로, 차단 밸브(500)는 차량용 배터리 냉각 시스템이 정상작동 할 시 배터리 모듈 보호부(200)와 배터리 모듈(100)을 연통시킬 수 있다. 다시 말해, 배터리 모듈(100)의 온도가 사전 설정된 온도 이상인 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 펌프(300)에서 제2 냉각수 주입부(210)를 통해 냉각수를 주입하면, 해당 냉각수는 차단 밸브(500) 거쳐 제1 냉각수 주입부(120)에 주입되어 배터리 모듈(100) 내의 유로(110)를 순환하면서 배터리 모듈(100)의 열을 흡수한 후, 제1 냉각수 유출부(130) 및 차단 밸브(500)를 통과하여 제2 냉각수 유출부(220)로 유출될 수 있다.
하지만, 차량 충돌 등이 발생하여 배터리 모듈 보호부(200) 내부의 압력이 급격히 증가하여 사전 설정된 압력 이상인 경우, 차단 밸브(500)는 배터리 모듈 보호부(200)와 배터리 모듈(100)의 연결을 차단할 수 있다. 여기서, 차단 밸브(500)는 실시예에 따라 특정 압력을 기준으로 온/오프되는 스위치 등이 작동하여 배터리 모듈 보호부(200)와 배터리 모듈(100) 간의 연결을 차단시킬 수 있는 기계식 밸브일 수 있으며, 다른 실시예에 따라 센싱된 배터리 모듈 보호부(200)의 압력이 사전 설정된 압력 이상인 경우, 배터리 모듈 보호부(200)와 배터리 모듈(100) 간의 연결을 자동으로 차단시킬 수 있는 전자식 밸브 등일 수 있다.
이처럼, 본 발명은 차량 충돌 등을 포함하여 외부로부터 사전 설정된 압력 이상의 압력이 가해질 시, 차단 밸브가 작동하여 배터리 모듈 보호부와 배터리 모듈 간을 차단함으로써, 배터리 모듈 내부로 냉각수가 흐르지 않게 하며, 배터리 모듈 내부의 유로가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
100: 배터리 모듈 110: 유로
120: 제1 냉각수 주입부 130: 제1 냉각수 유출부
200: 배터리 모듈 보호부 210: 제2 냉각수 주입부
220: 제2 냉각수 유출부 230: 격벽부
240: 탑재부 300: 펌프
400: 라디에이터 500: 차단 밸브
600: 역류 방지 밸브

Claims (9)

  1. 내부에 냉각수가 순환하는 유로를 포함하고, 상기 유로에 냉각수가 주입되는 제1 냉각수 주입부 및 상기 냉각수가 유출되는 제1 냉각수 유출부를 갖는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    파이프 형상으로 내부에 유로가 형성되고, 상기 배터리 모듈의 외부에 설치되어 외부로부터의 충격을 흡수하며, 상기 배터리 모듈의 제1 냉각수 주입부 및 제1 냉각수 유출부와 연통되되, 상기 유로에 냉각수가 주입되는 제2 냉각수 주입부 및 상기 냉각수가 유출되는 제2 냉각수 유출부를 갖는 배터리 모듈 보호부를 포함하며,
    제2 냉각수 주입부를 통과한 냉각수는 분기되어 각 배터리 모듈의 제1 냉각수 주입부로 유입되어 각 배터리 모듈을 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 온도가 사전 설정된 온도 이상일 시, 상기 제2 냉각수 주입부를 통해 냉각수를 주입하여 상기 배터리 모듈의 유로에서 순환시키는 펌프: 및
    상기 펌프 및 상기 제2 냉각수 유출부와 연결되며, 상기 제2 냉각수 유출부를 통해 유입되는 냉각수를 냉각시켜 상기 펌프를 통해 상기 제2 냉각수 주입부에 주입하는 라디에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 모듈 보호부의 내부에,
    상기 제2 냉각수 주입부를 통해 주입되는 냉각수와 상기 제1 냉각수 유출부를 통해 유출되는 냉각수가 혼합되는 것을 방지하는 격벽부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 격벽부는,
    상기 배터리 모듈 보호부의 유로에서 상기 제1 냉각수 유출부와 연통되는 지점과 상기 제2 냉각수 주입부 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 냉각수 주입부 및 제1 냉각수 유출부와 제2 냉각수 주입부 및 제2 냉각수 유출부 사이에 마련되어, 상기 배터리 모듈 보호부와 상기 배터리 모듈을 연통/차단시키는 차단 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 차단 밸브는,
    상기 배터리 모듈 보호부의 압력이 사전 설정된 압력 이상인 경우, 상기 배터리 모듈 보호부와 상기 배터리 모듈의 연결을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈이 복수인 경우, 각 배터리 모듈의 제1 냉각수 주입부의 직경이 상이한 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 냉각수 주입부의 직경은,
    상기 배터리 모듈이 펌프와 멀어지는 방향에 위치할수록 커지는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 모듈 보호부는,
    상기 배터리 모듈이 탑재될 수 있는 탑재부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
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