KR20110130277A - 전기 자동차용 배터리 팩과, 조립체 및, 이를 이용한 온도제어 시스템 - Google Patents

전기 자동차용 배터리 팩과, 조립체 및, 이를 이용한 온도제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차용 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 자도동차용 배터리 팩의 성능이 저하되지 않도록 배터리를 적정 사용온도로 유지시켜 배터리의 수명단축을 방지하는 전기 자동차용 배터리 팩과 조립체 및 이를 이용한 온도제어 시스템에 관한 것이다.

Description

전기 자동차용 배터리 팩과, 조립체 및, 이를 이용한 온도제어 시스템{Battery pack and battery pack assembly for electric vehicle and temperature control system using thereof}
본 발명은 전기 자동차용 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 자도동차용 배터리 팩의 성능이 저하되지 않도록 전지를 사용 적정온도로 유지시켜 전지의 수명단축을 방지하는 전기 자동차용 배터리 팩과 조립체 및 이를 이용한 온도제어 시스템에 관한 것이다.
전기 자동차는 충방전이 가능한 전지를 탑재하여 상기 전지를 주 동력원으로 이용하고 있다. 이때, 전지는 전기 자동차에 충분한 동력을 공급하기 위하여 복수개 연결되어 사용된다.
이러한 전기 자동차는 현재 주류를 이루고 있는 내연기관이 장착된 차량이 가지고 있는 제반문제점 예컨대, 연료를 사용함으로써 발생하는 배기가스에 의한 환경 문제를 근본적으로 해결하기 위해 개발되었다.
즉, 상기 전기 자동차는 차량의 추진력을 연료의 연소작용에 의해서 얻는 것이 아니라 충전된 전지로부터 제공되는 전력에 의해서 얻도록 되어 있어, 배기가스가 발생되지 않는다는 것에 그 특징이 있다.
따라서, 전기 자동차에서 주행에 필요한 힘을 제공하기 위한 전지는 필수적이며, 가솔린 자동차와 같은 충분한 주행거리 및 동력 성능을 가지기 위해서는 전지의 성능이 매우 중요하다.
상기 전지의 성능에 영향을 미치는 여러 가지 요인 중 온도에 따른 요인이 중요시되고 있다. 즉, 전지의 성능을 최적의 상태로 유지하기 위해서는 전지의 사용에 적정한 온도가 유지되는 것이 바람직하다. 이러한 전지의 적정온도는 전지의 종류에 따라 조금씩 차이가 있으나, 통상적으로 0℃ 내지 40℃, 더욱 바람직하게는 5℃ 내지 35℃의 온도로 유지되는 것이 바람직하다.
예컨대, 전기 자동차의 전지가 과열되는 경우 전지의 성능이 저하되어 전기 자동차의 전원 공급이 원활하게 이루어질 수 없다. 이에, 전지가 과열되지 않도록 주변 온도를 낮추어 전지의 효율이 가장 좋은 온도로 유지하여야 한다.
그러나, 전지의 사용에 따른 적정온도를 유지하기 위하여, 종래에는 공기를 이용하여 과열된 전지를 냉각시키는 공냉 방식의 냉각구조를 사용하고 있으나 주변환경에 따라 냉각효율이 한정적이어서 전지를 보다 효율적으로 냉각시키지 못하는 단점이 있다.
또한, 주변 온도가 낮은 동절기의 경우 전지의 사용 적정온도가 낮아져 전지를 냉기로부터 보호하지 못하여 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
이러 따라, 전지의 성능을 최대한으로 사용할 수 없음은 물론, 복수의 전지들 간의 온도가 서로 다르게 되어 각 전지의 용량변화에 따라 개별적인 전지의 과충전 내지 과방전에 의하여 전지의 수명단축이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 냉각수 및/또는 공기를 이용하여 전지의 성능이 저하되지 않게 전지의 사용 적정온도를 용이하게 유지할 수 있는 전기 자동차용 배터리 팩과 조립체 및 이를 이용한 온도제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 복수의 전지가 연결된 전지들 간의 온도 편차를 줄여 각 전지의 용량변화에 따라 수명단축되는 것을 방지할 수 있는 전기 자동차용 배터리 팩과 조립체 및 이를 이용한 온도제어 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전기 자동차용 배터리 팩은, 내부에 소정의 수납공간이 마련되고 공기통풍구가 형성된 케이스; 상기 케이스의 내부에 수용되고, 전기 자동차의 동력원으로 사용되는 충방전이 가능한 복수의 단위전지; 상기 케이스의 내부에 설치되고, 양끝단에 각각 냉각수가 유입되는 유입구와 냉각수가 배출되는 배출구가 형성된 유로관에 단위전지가 설치되도록 이루어진 복수의 열교환 유닛; 냉각수가 유입되는 메인 유입부가 형성되고, 상기 각 열교환 유닛에 형성된 유입구로 냉각수가 유입되도록 각 유입구와 연결된 유입분류관; 및 메인 배출부가 형성되고, 상기 각 열교환 유닛에 형성된 배출구로부터 배출된 냉각수가 메인 배출부로 배출되도록 각 배출구과 연결된 배출분류관;을 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 케이스는, 소정의 수용공간이 형성되도록 전방 플레이트, 후방 플레이트, 양측 플레이트 및 하부 플레이트가 결합된 본체부; 및 상기 본체부의 상측에 설치되고, 전방측과 후방측에 공기통풍구가 형성된 상부 커버;를 구비한다.
바람직하게, 상기 양측 플레이트 및 하부 플레이트에는 외측으로 돌출된 복수의 방열핀이 형성된다.
본 발명에 따른 상기 열교환 유닛은, 소정 길이를 가지며, 양끝단에 형성된 유입구와 배출구가 상측을 향하도록 굴곡져 상기 단위전지의 양측 및 하측 테두리를 감싸도록 이루어진 유로관; 상기 굴곡진 유로관의 길이방향을 따라 형성된 요홈라인; 및 그 양측 가장자리 및 하측 가장자리가 상기 요홈라인에 삽입되어 설치되며, 복수의 관통공이 형성된 패드;를 구비한다.
바람직하게, 상기 각각의 열교환 유닛 사이에는 열교환 유닛 및 단위전지가 케이스 내부에서 밀착되도록 일정한 면압을 제공하는 격벽판이 더 설치되고, 상기 격벽판은 단위전위와 면 접촉되어 열교환 유닛에 열을 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기와 같은 구성의 전기 자동차용 배터리 팩을 복수개 연결하여 조립한 배터리 팩 조립체를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기와 같은 구성의 전기 자동차용 배터리 팩을 적어도 하나 이상 마련하여, 상기 전기 자동차용 배터리 팩의 메인 배출부로부터 배출된 냉각수가 라디에이터를 통해 냉각된 후 메인 유입부로 유입되도록 이루어진 순환로; 상기 순환로에 설치되어 메인 배출부로부터 배출된 냉각수가 선택적으로 히터에 의해 가열된 후 메인 유입부로 유입되도록 이루어진 바이패스 관; 상기 냉각수를 펌핑하는 펌프를 구동하는 모터; 및 상기 냉각수가 순환로 또는 바이패스 관으로 순환되도록 제어하는 제어부;를 포함하는 하는 온도제어 시스템이 제공된다.
바람직하게, 상기 순환로와 바이패스 관의 결합부에는 3개의 통로가 형성된 제1 유로전환밸브 및 제2 유로전환밸브가 설치되고, 상기 제1 유로전환밸브 및 제2 유로전환밸브는 각각 제어부에 의해 선택적으로 순환로와 연결된 통로 및 바이패스 관과 연결된 통로가 개폐된다.
본 발명에 따르면 상기 냉각수의 순환과 함께 전기 자동차용 배터리 팩의 공기통풍구로 공기가 투입되거나 별도로 공기가 투입되도록 이루어진다.
본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 팩과 조립체 및 이를 이용한 온도제어 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 선택적으로 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수 또는 히터에 의해 가열된 냉각수를 이용하여 전지 주위로 순환시킴으로써 전지를 용이하게 사용 적정온도로 유지시킬 수 있다.
둘째, 공기를 이용하여 전지의 사용 적정온도를 유지시킬 수 있다. 이때, 상기 공기를 이용한 전지의 온도제어는 냉각수를 순환시켜 전지의 온도를 제어하는 것과 함께 이루어지게나 별도로 이루어질 수 있어 효율적으로 온도를 제어할 수 있다.
셋째, 복수개의 전지가 연결된 배터리 팩 조립체의 각각의 전지의 온도를 적정온도로 유지시킴으로써 온도편차에 따른 각 전지의 용량변화에 의해 발생하는 과충전 내지 과방전을 방지하여 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩을 나타내는 분해 사시도.
도 2는 도 1의 전기 자동차용 배터리 팩의 조립 사시도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩에 구비된 열교환 유닛을 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩의 조립체를 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩의 온도를 제어하는 상태를 나타내는 구성도.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩을 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 전기 자동차용 배터리 팩의 조립 사시도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 전기 자동차용 배터리 팩(100)은 내부에 소정의 수납공간이 마련된 케이스(110)와, 상기 케이스(110)의 내부에 수용된 복수의 단위전지(120)와, 상기 단위전지(120)가 설치되도록 이루어진 복수의 열교환 유닛(130)과, 상기 열교환 유닛(130)에 형성된 유입구(134)로 냉각수가 유입되도록 마련된 유입분류관(140) 및, 상기 열교환 유닛(130)에 형성된 배출구(135)로 냉각수가 배출되도록 마련된 배출분류관(150)을 구비한다.
본 발명의 배터리 팩(100)은 단일 또는 복수개 연결되어 전기 자동차(미도시)의 전원을 공급하도록 전기 자동차에 탑재되어 사용되어 진다. 이러한 배터리 팩(100)들은 전기 자동차에 원활한 전원 공급을 위하여 온도가 제어되는데 상기 온도를 제어하는 시스템에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다.
상기 케이스(110)는 소정의 수용공간이 형성되도록 상부가 개방된 본체부(111) 및, 상기 본체부(111)의 상측에 설치되는 상부 커버(115)를 구비한다.
상기 본체부(111)와 상부 커버(115)가 결합된 케이스(110)의 형상은 사각기둥 형상인 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 후술할 단위전지(120), 열교환 유닛(130), 유입분류관(140) 및 배출분류관(150)이 수납될 수 있다면 어떠한 형상을 갖도록 이루어지더라도 무방하다.
상기 본체부(111)는 상부가 개방되도록 전방 플레이트(101), 후방 플레이트(102), 양측 플레이트(103) 및 하부 플레이트(104)가 결합되어 형성된다.
상기 양측 플레이트(103) 및 하부 플레이트(104)에는 외측으로 돌출된 복수의 방열핀(113)이 형성된다. 상기 방열핀(113)은 후술할 열교환 유닛(130)의 유로관(132)이 형성된 부분과 대응되는 부분에 형성된 것으로서, 열을 보다 효율적으로 방열시키기 위하여 형성된 것이다.
상기 전방 플레이트(101) 및 후방 플레이트(102)의 각 모서리 부근에는 고무패드(112)가 설치된다. 상기 고무패드(112)는 이웃하는 배터리 팩(100)과 연결시 긴밀한 접촉력을 제공함은 물론, 케이스(110)끼리 부딪쳐 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 양측 플레이트(103)에는 케이스(110)의 이동이 용이하도록 손잡이(114)가 마련된다.
상기 상부 커버(115)는 본체부(111)의 상측에 설치된다. 이러한 상부 커버(115)에는 공기 통풍구(116)가 형성된다. 상기 공기 통풍구(116)는 케이스(110)의 내부에 수납된 단위전지(120)를 냉각 또는 가열시키기 위하여 형성된 것으로서, 바람이 통하도록 케이스(110)의 전방측과 후방측에 형성된다.
이때, 본 명세서에서는 상기 공기 통풍구(116)가 상부 커버(115)에 형성된 것으로 도시하고 설명되었으나, 대안으로서 본체부(111)의 전방 플레이트(101)와 후방 플레이트(102)에 형성될 수도 있다. 또한, 공기 통풍구(116)가 케이스(110)의 전방과 후방측에 형성되지 않더라도 공기가 순환될 수 있다면 어떠한 위치에 형성되어도 무방하다.
부가적으로, 상부 커버(115)에는 단위전지(120)의 양극단자(미도시)와 음극단자(미도시)를 각 극성에 따라 연결하여 형성된 양극단자부(121)와 음극단자부(122)가 외부로 노출되도록 단자삽입홀(117)이 형성되고, 유입분류관(140)의 메인 유입부(141)와 배출분류관(150)의 메인 배출부(151)가 외부로 노출되도록 냉각수관삽입홀(118)이 형성된다.
상기 복수의 단위전지(120)는 배터리 팩(100)의 사용 용량에 따라 선택적으로 증감되어 케이스(110)에 수납될 수 있다. 각 단위전지(120)는 충전과 방전이 가능한 2차 전지로서, 양극판, 분리막, 음극판 순으로 적층되거나 감겨져 있는 구조로 사용된다. 이러한 단위전지(120)는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 분류되는데, 본 발명에 사용되는 단위전지(120)는 이러한 모든 2차 전지를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 단위전지(120)를 이루는 형상은 그 구조에 따라 원통형, 각형, 파우치형으로 구분되는데, 본 발명에서는 각형의 이차전지가 사용되는 것으로 설명하며, 전지의 형상에 따라 배터리 팩(100)의 케이스(110)의 형상 및 구조가 변형될 수 있음은 자명하다.
한편, 각 단위전지(120)에는 양극단자와 음극단자가 형성되는데, 각 극성이 동일한 방향으로 위치되도록 복수의 단위전지(120)가 배열되며, 동일한 극성끼리 전기적으로 연결되도록 접지되어 형성된 양극단자부(121)와 음극단자부(122)가 설치된다.
상기 열교환 유닛(130)은 단위전지(120)를 냉각 또는 가열시키는 역할을 하는 것으로서, 냉각수가 이동하는 경로를 제공한다.
구체적으로, 도 4를 참조하면 열교환 유닛(130)은 냉각수가 이동될 수 있도록 내부가 중공되어 양끝단에 각각 유입구(134)와 배출구(135)가 형성된 유로관(132) 및 상기 유로관(132)에 설치된 패드(136)를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 유로관(132)은 양끝단에 형성된 유입구(134)와 배출구(135)가 상측을 향하도록 굴곡져 단위전지(120)의 양측 및 하측을 감싸도록 형성된다. 이때, 유로관(132)에는 패드(136)가 용이하게 설치되어 상기 패드(136)가 움직이지 못하도록 상기 유로관(132)의 길이방향을 따라 요홈라인(133)이 형성된다. 예를 들어, 상기 요홈라인(133)은 유로관(133)과 함께 굴곡진 형상을 따라 형성되어 패드(136)의 양측 가장자리와 하측 가장자리가 삽입되도록 이루어진다.
즉, 이와 같은 열교환 유닛(130)의 구조에 따라 상기 패드(136)는 단위전지(120)와 면접촉하도록 이루어진다. 이러한 패드(136)는 열을 전달하는 매개체의 역할을 수행하는 것으로서, 열전도율이 우수한 구리나 금속재질로 이루어질 수 있다. 이에, 패드(136)는 상기 단위전지(120)로부터 발생한 열을 유로관(132)으로 전달하거나 유로관(132)으로부터 열을 전달받아 단위전지(120)에 전달시켜 보다 효율적으로 단위전지(120)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.
한편, 상기 패드(136)에는 일정간격으로 복수의 관통공(137)이 형성된다. 상기 관통공(137)은 열을 방열시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 관통공(137)에 의해 방열된 열은 케이스(110)의 공기 통풍구(116)를 통하여 순환되는 바람에 의해 보다 효율적으로 제거될 수 있다.
상기와 같은 열교환 유닛(130)에는 두 개의 단위전지(120)가 패드(136)를 사이에 두고 설치되는 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않으며, 하나의 열교환 유닛(130)에 하나의 단위전지(120)가 설치될 수도 있다. 이에, 사용되는 단위전지(120)의 개수에 따라 열교환 유닛(130)의 개수가 결정되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 각각의 열교환 유닛(130)의 사이 및 열교환 유닛(130)과 케이스(110)의 전방 플레이트(101) 및 후방 플레이트(102) 사이에는 격벽판(138)이 더 설치된다. 상기 격벽판(138)은 단위전지(120)가 케이스(110)와 접촉되는 것을 방지함은 물론, 이웃하는 각각의 단위전지(120)가 접촉되는 것을 방지한다. 이러한 격벽판(138)은 열교환이 원활하게 이루어지도록 열전달 매개체의 역할과 함께 각 열교환 유닛(130) 및 단위전지(120)가 케이스(110) 내부에서 흔들림 없이 밀착되어 설치되도록 일정한 면압을 제공하는 역할을 한다.
상기 유입분류관(140)은 상기 복수의 열교환 유닛(130)에 형성된 각각의 유입구(134)와 연결된다. 이러한 유입분류관(140)은 원통형의 파이프 관 형상을 갖도록 이루어지며, 냉각수가 유입되는 하나의 메인 유입부(141)와 각각의 유입구(134)와 연결되는 복수의 보조 유입부(144)가 형성된다. 이때, 보조 유입부(144)는 열교환 유닛(130)의 개수와 동일한 수를 갖는다. 이에, 상기 메인 유입부(141)를 통해 유입된 냉각수는 각각의 유입구(134)로 동시에 공급된다.
상기 배출분류관(150)은 상기 복수의 열교환 유닛(130)에 형성된 각각의 배출구(135)와 연결된다. 이러한 배출분류관(150)은 원통형의 파이프 관 형상을 갖도록 이루어지며, 냉각수가 배출되는 하나의 메인 배출부(151)와 각각의 배출구(135)와 연결된 복수의 보조 배출부(155)가 형성된다. 이때, 보조 배출부(155)는 열교환 유닛(130)의 개수와 동일한 수를 갖는다. 즉, 상기 유입구(134)를 통해 유입된 냉각수가 유로관(132)을 지나 각각의 배출구(135)를 통해 메인 배출부(151)로 배출되도록 이루어진다.
한편, 상기 메인 배출부(151)로 배출된 냉각수는 다시 메인 유입부(141)로 유입되어 냉각수가 순환되도록 이루어지는데, 이때, 메인 배출부(151)로 배출된 냉각수는 라디에이터(도 6의 '320' 참조)에 의해 냉각된 후 메인 유입부(141)로 유입되거나 히터(도 6의 '340' 참조)에 의해 가열된 후 메인 유입부(141)로 유입된다. 이러한 냉각수의 순환에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다.
즉, 상기와 같이 냉각 또는 가열된 냉각수가 유로관(132)을 통해 흐르도록 이루어짐에 따라 상기 유로관(132)과 접촉된 패드(136) 및 단위전지(120)가 열교환됨으로써 단위전지(120)의 온도를 조절할 수 있게 된다.
상기와 같은 구조를 갖는 배터리 팩(100)은 하나의 제품으로서 사용이 가능하나, 통상적으로 전기 자동차에 사용되는 배터리의 용량은 60Ah, 전압은 300V이상이어야 하므로, 배터리 팩(100)이 복수개 연결되어 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 배터리 팩(100)에 수용된 각 단위전지(120)의 용량과 전압은 60Ah, 3.7V로서, 도시된 바와 같이, 6개의 열교환 유닛(130)에 각각 두 개의 단위전지(120)가 설치됨으로써, 단일 배터리 팩(100)의 용량은 60Ah이고, 전압은 44.4V이다. 이에, 8개의 배터리 팩(100)을 연결하여 60Ah급, 355V의 배터리 팩 조립체를 전기 자동차용 전원 공급원으로 사용하는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 상기 배터리 팩 조립체(200)는 복수의 배터리 팩(100)이 연결되어 제조되는 것으로서, 배터리 팩(100)의 메인 유입부(141)와 이웃하는 메인 배출부(151)를 연결하는 튜브(210) 및, 상기 이웃하는 배터리 팩(100)의 양극단자부(121)와 음극단자부(122)를 연결하는 버스 바(220)를 구비한다.
이와 같은 배터리 팩 조립체(200)는 최외측에 위치된 배터리 팩(100)의 메인 유입부(141)를 통해 유입된 냉각수가 튜브(210)를 통하여 이웃하는 배터리 팩(100)으로 순차적으로 이동되고, 또 다른 최외측에 위치된 배터리 팩(100)의 메인 배출부(151)를 통해 배출된 냉각수가 다시 메인 유입부(141)로 유입되도록 이루어진다.
또한, 복수의 단위전지(120)가 연결되어 형성된 양극단자부(121)와 음극단자부(122)는 버스 바(220)에 의해 전기적으로 연결됨으로써 배터리 팩 조립체(200)는 전기 자동차에 전원을 공급하는 하나의 파워 모듈로서 사용될 수 있게 된다.
그러면, 이와 같은 배터리 팩 조립체(200)를 전기 자동차에 탑재하여 이의 온도를 제어하는 시스템에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 상기 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩(100)은 요구되는 용량에 따라 복수개로 연결된 조립체(200)로 마련되어 전기 자동차에 탑재된다.
도 6을 참조하면, 온도 제어 시스템은, 배터리 팩 조립체(200)와, 냉각수를 펌핑하는 펌프(미도시)를 구동하는 모터(M)와, 라디에이터(320)에 의해 냉각된 냉각수가 상기 배터리 팩 조립체(200)의 메인 유입부(141)를 통해 메인 배출부(151)로 배출되어 다시 메인 유입부(141)로 유입되도록 순환되게 이루어진 냉각수 순환로(310)와, 상기 메인 배출부(151)로 배출된 냉각수가 히터(340)에 의해 가열되어 메인 유입부(141)로 유입되도록 상기 순환로(310)에 설치된 바이패스 관(330) 및, 상기 냉각수가 선택적으로 순환로(310) 또는 바이패스 관(330)으로 순환되도록 제어하는 제어부(350)를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 제어부(350)에 의해 냉각수의 경로가 제어되도록 상기 순환로(310)와 바이패스 관(330)의 결합부에 제1 유로전환밸브(351) 및 제2 유로전환밸브(352)가 더 설치된다.
상기 제1 유로전환밸브(351) 및 제2 유로전환밸브(352)는 3방(3-way) 밸브로서 제어부(350)에 의해 선택적으로 개폐되도록 이루어진다.
예를 들면, 단위전지(120)가 과열된 경우 제1 유로전환밸브(351) 및 제2 유로전환밸브(352)는 제어부(350)에 의해 바이패스 관(330)과 연결된 통로를 닫힘 상태로 변경하고 순환로(310)와 연결된 통로를 열림 상태로 하여 냉각수가 순환되도록 한다. 이에, 과열된 단위전지(120)의 열을 흡수한 냉각수가 라디에이터(320)에 의해 냉각되어 배터리 팩 조립체(200)로 다시 공급되도록 함으로써 냉각된 냉각수를 순환시켜 배터리 팩 조립체(200)의 온도를 낮추게 된다. 이때, 화살표 A는 라디에이터(320)를 경유하여 순환로(310)를 통해 순환되는 냉각수의 흐름 상태를 나타낸다.
또한, 단위전지(120)가 적정온도 이하로 내려갈 경우, 제1 유로전환밸브(351) 및 제2 유로전환밸브(352)는 제어부(350)에 의해 순환로(310)와 연결된 통로를 닫힘 상태로 변경하고 바이패스 관(330)과 연결된 통로를 열림 상태로 변경하여 냉각수가 순환되도록 한다. 이때, 바이패스 관(330)으로 흐르는 냉각수는 히터(340)에 의해 가열되어 배터리 팩 조립체(200)로 공급됨으로써 전지가 사용 적정온도를 갖도록 온도를 조절하게 된다. 화살표 B는 히터(340)를 경유하여 바이패스 관(330)을 통해 순환되는 냉각수의 흐름 상태를 나타낸다.
한편, 상기 제1 및 제2 유로전환밸브(351)(352)가 3방 밸브인 것으로 설명되었으나, 이에 한정되지 않으며, 또 다른 대안으로서 상기 순환로(310)와 바이패스 관(330)이 연결되는 부분의 순환로(310) 및 바이패스 관(330) 각각에 밸브를 설치할 수도 있다. 즉, 순환로(310)와 바이패스 관(330)에 설치된 각 밸브의 동작을 서로 반대되는 동작을 갖도록 함으로써 냉각수가 순환되는 경로를 조절할 수도 있다.
이러한 제어부(350)에 의하여 밸브를 개폐시키는 것은 이미 널리 알려진 공지의 기술이므로 밸브에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
부가적으로, 냉각수의 순환을 보다 용이하게 조절하기 위하여 상기 배터리 팩 조립체(200)에 온도센서(미도시)가 설치될 수 있다. 즉, 상기 온도센서에 의해 사용되는 전지의 온도를 측정하여 측정된 데이터를 제어부(350)로 송신하면, 상기 제어부(350)는 측정된 데이터에 따라 전지의 사용 적정한 온도를 유지하도록 선택적으로 전지를 냉각시키거나 가열시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 배터리 팩 조립체(200)에 공기를 공급하여 공기가 순환되도록 할 수 있다. 예컨대, 공기는 외부로부터 흡입되거나 별도의 송풍기(미도시)에 의해 발생되어 배터리 팩(100)에 형성된 공기 통풍구(116)로 공급될 수 있다.
이때, 상기 공기 통풍구(116)로 공급된 공기는 과열된 전지를 냉각시거나, 히터에 의해 가열된 공기가 공급되어 전지를 가열시킬 수도 있다. 또한, 상기 냉각수가 순환되는 상태에서 공기를 공급하여 냉각수와 함께 배터리 팩 조립체(200)의 온도를 제어하도록 사용될 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 단위전지(120)의 과열 및 주변환경에 따른 온도변화에 따라 용이하게 온도를 조절할 수 있도록 이루어진 구조를 갖는다. 즉, 열교환 유닛(130)은 각 단위전지(120)의 양측과 하측을 감싸며 면접촉되도록 이루어짐에 따라 단위전지(120)의 온도변화에 신속하게 대처할 수 있음은 물론, 각 단위전지(120) 간의 온도편차가 발생하지 않도록 함으로써 전지의 수명단축을 방지할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 전기 자동차용 배터리 팩 110 : 케이스
120 : 단위전지 130 : 열교환 유닛
140 : 유입분류관 150 : 배출분류관
200 : 배터리 팩 조립체 310 : 순환로
320 : 라디에이터 330 : 바이패스 관
340 : 히터 350 : 제어부

Claims (9)

  1. 내부에 소정의 수납공간이 마련되고 공기통풍구가 형성된 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수용되고, 전기 자동차의 동력원으로 사용되는 충방전이 가능한 복수의 단위전지;
    상기 케이스의 내부에 설치되고, 양끝단에 각각 냉각수가 유입되는 유입구와 냉각수가 배출되는 배출구가 형성된 유로관에 단위전지가 설치되도록 이루어진 복수의 열교환 유닛;
    냉각수가 유입되는 메인 유입부가 형성되고, 상기 각 열교환 유닛에 형성된 유입구로 냉각수가 유입되도록 각 유입구와 연결된 유입분류관; 및
    메인 배출부가 형성되고, 상기 각 열교환 유닛에 형성된 배출구로부터 배출된 냉각수가 메인 배출부로 배출되도록 각 배출구과 연결된 배출분류관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는,
    소정의 수용공간이 형성되도록 전방 플레이트, 후방 플레이트, 양측 플레이트 및 하부 플레이트가 결합된 본체부; 및
    상기 본체부의 상측에 설치되고, 전방측과 후방측에 공기통풍구가 형성된 상부 커버;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양측 플레이트 및 하부 플레이트에는 외측으로 돌출된 복수의 방열핀이 형성된 것을 특징으로 하는 전지 자동차용 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은,
    소정 길이를 가지며, 양끝단에 형성된 유입구와 배출구가 상측을 향하도록 굴곡져 상기 단위전지의 양측 및 하측 테두리를 감싸도록 이루어진 유로관;
    상기 굴곡진 유로관의 길이방향을 따라 형성된 요홈라인; 및
    그 양측 가장자리 및 하측 가장자리가 상기 요홈라인에 삽입되어 설치되며, 복수의 관통공이 형성된 패드;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 열교환 유닛 사이에는 열교환 유닛 및 단위전지가 케이스 내부에서 밀착되도록 일정한 면압을 제공하는 격벽판이 더 설치되고,
    상기 격벽판은 단위전위와 면 접촉되어 열교환 유닛에 열을 전달하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 팩.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전기 자동차용 배터리 팩을 복수개 구비하고,
    상기 복수개의 전기 자동차용 배터리 팩은 서로 이웃하는 전기 자동차용 배터리 팩의 메인 유입부와 메인 배출부가 연통하도록 설치되는 튜브와, 복수의 단위전지들의 극성에 따라 연결된 양극단자부와 음극단자부를 연결하는 버스 바에 의해 조립된 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 팩 조립체.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전기 자동차용 배터리 팩의 온도를 제어하는 시스템으로서,
    상기 전기 자동차용 배터리 팩은 적어도 하나 이상 마련되고,
    상기 전기 자동차용 배터리 팩의 메인 배출부로부터 배출된 냉각수가 라디에이터를 통해 냉각된 후 메인 유입부로 유입되도록 이루어진 순환로;
    상기 순환로에 설치되어 메인 배출부로부터 배출된 냉각수가 선택적으로 히터에 의해 가열된 후 메인 유입부로 유입되도록 이루어진 바이패스 관;
    상기 냉각수를 펌핑하는 펌프를 구동하는 모터; 및
    상기 냉각수가 순환로 또는 바이패스 관으로 순환되도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 순환로와 바이패스 관의 결합부에는 3개의 통로가 형성된 제1 유로전환밸브 및 제2 유로전환밸브가 설치되고,
    상기 제1 유로전환밸브 및 제2 유로전환밸브는 각각 제어부에 의해 선택적으로 순환로와 연결된 통로 및 바이패스 관과 연결된 통로가 개폐되는 것을 특징으로 하는 온도제어 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 냉각수의 순환과 함께 전기 자동차용 배터리 팩의 공기통풍구로 공기가 투입되거나 별도로 공기가 투입되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 온도제어 시스템.
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