KR20120004321A - 공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공랭식 배터리 팩에 관한 것으로, 해결하려는 과제는 스택된 배터리 셀의 온도 편차가 작은 공랭식 배터리 팩을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 수평 방향으로 스택된 다수의 배터리 셀, 배터리 셀을 수용하는 하우징을 포함하고, 하우징은 배터리 셀의 상부에 형성되어, 배터리 셀의 상부에 열전달 매체를 공급하는 제1덕트, 제1덕트의 하부에 형성되어, 다수의 배터리 셀을 지지하며, 열전달 매체를 다수의 배터리 셀의 하부로 공급하는 주몸체 및 주몸체의 하부에 형성되어, 열전달 매체를 외부로 배출하는 제2덕트로 이루어진 공랭식 배터리 팩을 개시한다.

Description

공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차{AIR-COOLED BATTERY PACK AND VEHICLE HAVING THE SAME}
본 발명은 공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차에 관한 것이다.
일반적으로 엔진과 모터의 상호 동작에 의해 주행 가능한 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에는, 전원 장치로서 배터리 팩이 탑재된다. 배터리 팩은 다수의 충전 가능한 배터리 셀과, 상기 다수의 배터리 셀을 수용하는 하우징으로 이루어진다. 여기서, 상기 배터리 셀은 다수개가 수평 방향으로 스택되고, 또한 서로 직렬로 연결된다.
이러한 배터리 팩은 충전 또는 방전시에 상대적으로 높은 전류가 입력되거나 출력되기 때문에, 각 배터리 셀에서 다량의 열이 발생한다. 따라서 각 배터리 셀은 내부의 부피가 팽창하여 스웰링되기 쉽다. 이와 같이 배터리 셀이 스웰링되면 내부 저항이 증가함으로써, 결국 배터리 셀의 전기적 성능이 저하된다. 즉, 배터리 셀이 열화된다.
본 발명의 해결하려는 과제는 스택된 배터리 셀의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 해결하려는 과제는 하우징의 강도를 향상시킬 수 있는 공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 공랭식 배터리 팩(10)은 제1 및 제2배터리 셀들(100); 제1끝단에 입구(211)를 갖고, 상기 제1끝단의 반대쪽인 제2끝단에 경사면(214)을 갖는 제1덕트(210); 및 상기 제1 및 제2배터리 셀들(100)을 에워싸고, 상기 제1덕트(210)에 연결된 주몸체(220)를 포함하고, 상기 경사면(214)은 제1테두리(214-1) 및 상기 제1테두리(214-1)의 반대쪽인 제2테두리(214-2)를 갖고, 상기 제1테두리(214-1)는 상기 배터리 셀들(100)에 근접하며, 상기 경사면(214)은 상기 제2테두리(214-2)가 상기 제1테두리(214-1)보다 상기 입구(211)에 더 가깝도록 경사져 있고, 상기 제1,2배터리 셀들(100) 사이의 상기 제1덕트(210)로부터 열전달 매체가 흐르도록 통로를 제공하는, 상기 제1,2배터리 셀들(100) 사이에 형성된 갭(112)을 포함한다.
출구(231)를 갖는 제2덕트(230)를 더 포함하고, 상기 제1,2배터리 셀들(100)은 상기 제1,2덕트(210,230)의 사이에 위치될 수 있다.
상기 제1,2배터리 셀(110)들의 사이에는 히트 싱크(110)가 더 개재될 수 있다. 상기 갭(112)은 상기 히트 싱크(110)에 형성된 트렌치에 의해 정의될 수 있다.
상기 제1,2배터리 셀들(100)은 제1방향(y-축 방향)으로 스택되고, 상기 제1덕트(210)는 경사진 측면(213a, 213b)을 포함하며, 상기 경사진 측면(213a, 213b) 각각은 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제1테두리(213a-1,213b-1) 및 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제2테두리(213a-2, 213b-2)를 갖고, 상기 제1테두리들(213a-1, 213b-1)은 상기 배터리 셀들(100)에 인접하고, 상기 경사진 측면들(213a, 213b)은 상기 경사진 측면들(213a, 213b)의 제2테두리들(213a-2, 213b-2)이 상기 제1테두리들(213a-1, 213b-1) 사이보다 더 가깝도록 상호간 경사질 수 있다. 출구(231)를 갖는 제2덕트(230)를 더 포함하고, 상기 제1,2배터리 셀들(100)은 상기 제1덕트(210) 및 상기 제2덕트(230)의 사이에 위치되며, 상기 제2덕트(230)는 제1끝단 및 상기 제1끝단의 반대쪽인 제2끝단을 갖고, 상기 제2끝단에 출구(231)를 가지며, 상기 제2덕트(230)는 상기 제1끝단에 경사면(234)을 갖고, 상기 제2덕트(230)의 경사면(234)은 제1테두리(234-1) 및 상기 제1테두리의 반대쪽인 제2테두리(234-2)를 가지며, 상기 제1테두리(234-1)가 상기 배터리 셀들(100)에 인접하고, 상기 제2덕트(230)의 상기 경사면(234)은 상기 제2테두리(234-2)가 상기 제1테두리(234-1)보다 상기 출구(231)에 더 가깝도록 경사질 수 있다.
상기 제2덕트(230)는 경사진 측면들(233a, 233b)을 포함하고, 상기 제2덕트(230)의 상기 경사진 측면들(233a, 233b)은 각각 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제1테두리(233a-1,233b-1) 및 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제2테두리(233a-2,233b-2)를 갖고, 상기 제1테두리들(233a-1,233b-1)은 상기 배터리 셀들(100)에 인접하고, 상기 경사진 측면들(233a, 233b)은 상기 경사진 측면들(233a, 233b)의 제2테두리들(233a-2,233b-2)이 상기 제1테두리들(233a-1,233b-1) 사이보다 더 가깝도록 상호간 경사질 수 있다. 상기 제1덕트(210)는 수평 방향으로 연장되고, 상기 제1덕트(210)는 상기 제2덕트(230) 위에 있다.
상기 주몸체(220)와 상기 제1,2덕트들(210,230)중 어느 하나의 사이에 형성된 지지면(222)을 더 포함하고, 상기 지지면(222)은 상기 제1,2배터리 셀들(100)을 지지할 수 있다. 상기 지지면(222)은 상기 지지면(222)을 관통하는 관통홀(221)을 포함하고, 상기 관통홀(221)은 상기 갭(112)과 정렬되며, 상기 갭(112)으로부터 상기 출구(231)로 상기 열전달 매체가 흘러 가도록 한다.
상기 제1덕트(210)는 제1면(212)을 포함하고, 상기 제1덕트(210)의 상기 경사면(214)의 상기 제2테두리(214-2)는 상기 제1면(212)의 테두리가 되고, 상기 제1덕트(210)는 상기 배터리들(100)을 향하여 제1면(212)으로부터 연장하는 에어 가이드 베인(217)을 포함하고, 상기 에어 가이드 베인(271)은 상기 열 전달 매체가 상기 배터리 셀들(100)과 상기 에어 가이드 베인(217)의 사이로 흘러가도록 상기 배터리 셀들(100)로부터 이격된다. 상기 제1면(212)은 상기 제1덕트(210)의 외측면일 수 있다. 상기 에어 가이드 베인(217)은 상기 제1면(212)의 폭보다 작은 폭을 갖는다.
상기 제1덕트(210)는 상기 제1면(212)으로부터 상기 배터리 셀들(100)을 향하는 다수의 에어 가이드 베인(217,317)을 포함한다.
상기 제1,2배터리 셀들(100)은 함께 스택되는 동시에 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 배터리 셀들의 제1셋트에 포함되고, 상기 제1,2배터리 셀(100)은 상기 제1셋트 옆의 배터리 셀들의 제2셋트를 포함하고, 상기 제1덕트(210)는 상기 배터리 셀들(100)의 제1,2셋트들의 각각에 대한 흐름 통로를 갖는다.
출구(231)를 갖는 제2덕트(230)를 더 포함하고, 상기 제1,2배터리 셀들(100)은 상기 제1,2덕트(210,230) 사이에 위치되며, 상기 주몸체(220)와 제1,2덕트들(210,230)중 어느 하나와의 사이에 지지면(222)이 위치되고, 상기 지지면(222)은 상기 제1,2배터리 셀(100)들을 지지하며, 상기 제1덕트(210)는 수평인 제1방향으로 연장하고, 상기 제2덕트(230)는 경사진 측면들(233a, 233b)을 포함하고, 상기 제2덕트(230)의 상기 경사진 측면들(233a, 233b)은 각각 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제1테두리(233a-1, 233b-1)와, 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제2테두리(233a-2,233b-2)를 갖고, 상기 제1테두리들(233a-1, 233b-1)은 상기 배터리 셀들(100)에 인접하고, 상기 경사진 측면들(233a, 233b)은 상기 경사진 측면들(233a, 233b)의 제2테두리부(233a-2, 233b-2)가 상기 제1테두리부(233a-1, 233b-1)의 사이보다 더 가깝도록 서로를 향하여 경사지게 형성된다.
본 발명에 의한 자동차(400)는 자동차의 원동력을 공급하는 파워 소스(310); 및 상기 파워 소스(310)에 전기를 공급하도록 하는 배터리 팩(300)을 포함하고, 상기 배터리 팩(300)은 제1 및 제2배터리 셀들(100); 제1끝단에 입구(211)를 갖고, 상기 제1끝단의 반대쪽인 제2끝단에 경사면(214)을 갖는 제1덕트(210); 및 상기 제1 및 제2배터리 셀들(100)을 에워싸고, 상기 제1덕트(210)에 연결된 주몸체(220)를 포함하고, 상기 경사면(214)은 제1테두리(214-1) 및 상기 제1테두리(214-1)의 반대쪽인 제2테두리(214-2)를 갖고, 상기 제1테두리(214-1)는 상기 배터리 셀들(100)에 근접하며, 상기 경사면(214)은 상기 제2테두리(214-2)가 상기 제1테두리(214-1)보다 상기 입구(211)에 더 가깝도록 경사져 있고, 상기 제1,2배터리 셀들(100) 사이의 상기 제1덕트(210)로부터 열전달 매체가 흐르도록 통로를 제공하는, 상기 제1,2배터리 셀들(100) 사이에 형성된 갭(112)을 포함한다.
출구(231)를 갖는 제2덕트(230)를 더 포함하고, 상기 제1,2배터리 셀들(100)은 상기 제1,2덕트(210,230)의 사이에 위치된다.
상기 제1,2배터리 셀들(100)의 사이에는 히트 싱크(110)가 더 개재된다.
상기 갭(112)은 상기 히트 싱크(110)에 형성된 트렌치에 의해 정의된다.
본 발명에 따른 공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차는 제1덕트 및 제2덕트중에서 열전달 매체의 흐름 방향이 급격히 변경되는 영역에 경사면이 형성됨으로써, 제1덕트 및 제2덕트의 내부에서 열전달 매체 소용돌이(air vortex)가 발생되지 않게 된다. 이에 따라, 모든 배터리 셀에 비슷한 속도 및 압력의 열전달 매체가 공급되고, 따라서 배터리 셀들 사이의 온도 편차가 감소한다. 즉, 배터리 팩의 열전달 매체 입구와 열전달 매체 출구 사이의 온도 편차가 감소한다.
또한, 본 발명에 따른 공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차는 제1덕트중 열전달 매체의 흐름 방향을 하부 방향으로 바꾸는 적어도 하나의 에어 가이드 베인이 더 형성됨으로써, 모든 배터리 셀에 더욱 비슷한 속도 및 압력의 열전달 매체가 공급된다. 이에 따라, 모든 배터리 셀들 사이의 온도 편차가 더욱 감소한다. 즉, 배터리 팩의 열전달 매체 입구와 열전달 매체 출구 사이의 온도 편차가 더욱 감소한다.
또한, 본 발명에 따른 공랭식 배터리 팩 및 이를 갖는 자동차는 제1덕트에 적어도 하나의 에어 가이드 베인이 형성됨으로써, 하우징의 강도도 향상된다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 사시도, Y-Y 단면도, X-X 단면도, 평면도 및 저면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공랭식 배터리 팩 중에서 배터리 셀과 갭을 갖는 히트 싱크 사이의 관계를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩의 열전달 매체 흐름을 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 사시도, X-X 단면도, Y-Y 단면도 및 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 열전달 매체 흐름을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 배터리 팩의 열전달 매체 흐름을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 갖는 자동차를 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 사시도, Y-Y 단면도, X-X 단면도, 평면도 및 저면도이다.
본 발명에 따른 공랭식 배터리 팩(10)은 다수의 배터리 셀(100) 및 하우징(200)을 포함한다. 여기서, 상기 하우징(200)은 제1덕트(210), 주몸체(220) 및 제2덕트(230)를 포함한다.
상기 배터리 셀(100)은 통상의 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 배터리 셀(100)은 다수개가 수평 방향으로 일렬로 스택될 수 있다. 물론, 상기 배터리 셀(100)은 다수개가 수평 방향으로 다수의 열로 스택될 수도 있다. 또한, 배터리 셀(100)과 배터리 셀(100)의 사이에는 열전달 매체가 통과할 수 있는 공간이 구비되거나, 또는 배터리 셀(100)과 배터리 셀(100)의 사이에는 히트 싱크(110)가 개재될 수도 있다. 물론, 상기 히트 싱크(110)에는 수직 방향으로 다수의 갭(112)이 형성되고, 상기 갭(112)을 통하여 열전달 매체가 통과할 수 있다. 도면중 미설명 부호 102는 배터리 셀(100)에 형성된 단자이다.
상기 하우징(200)은 상기 다수의 배터리 셀(100)을 감쌈으로써, 상기 배터리 셀(100)을 외부 환경으로부터 보호할 뿐만 아니라, 열전달 매체의 흐름 통로가 형성되도록 함으로써, 상기 배터리 셀(100)이 효율적으로 냉각되도록 한다.
상술한 바와 같이, 하우징(200)은 제1덕트(210), 주몸체(220) 및 제2덕트(230)를 포함한다. 이러한 하우징(200)은 통상의 플라스틱, 금속, 세라믹 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제1덕트(210)는 배터리 셀(100)의 상부에 형성된다. 상기 제1덕트(210)는 열전달 매체가 유입되는 입구(211)를 포함한다. 좀 더 구체적으로, 상기 제1덕트(210)는 상면(제1면)(212)과, 상기 상면(212)의 양측에 형성된 경사면(213a,213b)과, 상기 입구(211)의 반대 방향에 형성된 제1경사면(214)를 포함한다. 더불어, 4개의 측면(216a,216b,216c,216d)이 상기 입구(211), 상기 양측의 경사면(213a,213b) 및 상기 제1경사면(214)의 하부에 형성된다. 또한, 2개의 연결면(215a, 215b)이 상기 2개의 측면(216b,216c)에 형성되고, 이러한 2개의 연결면(215a, 215b)은 하기할 주몸체(220)에 연결된다. 상기 4개의 측면(216a,216b,216c,216d)은 수직 방향으로 개방되어 있다. 따라서, 상기 제1덕트(210)의 입구(211)를 통해 유입된 열전달 매체는 상기 상면(212), 상기 양측의 경사면(213a,213b), 제1경사면(214) 및 4개의 측면(216a,216b,216c,216d)이 이루는 통로를 통해서 하부의 배터리 셀(100)로 공급된다. 여기서, 상기 제1경사면(214) 및 상기 양측의 경사면(213a,213b)은 열전달 매체 소용돌이(air vortex)가 발생되지 않도록 하는 역할을 한다. 도면중 미설명 부호 215c는 입구(211)의 하부에 형성되어 상기 측면(216d)에 연결된 연결면이다.
또한, 상기 경사면(214)은 제1테두리(214-1) 및 상기 제1테두리(214-1)의 반대쪽인 제2테두리(214-2)를 갖고, 상기 제1테두리(214-1)는 상기 배터리 셀들(100)에 근접하며, 상기 경사면(214)은 상기 제2테두리(214-2)가 상기 제1테두리(214-1)보다 상기 입구(211)에 더 가깝도록 경사져 있다. 더불어, 상기 제1덕트(210)는 경사면(213a,213b)을 포함하며, 상기 경사면(213a, 213b) 각각은 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제1테두리(213a-1,213b-1) 및 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제2테두리(213a-2, 213b-2)를 갖고, 상기 제1테두리들(213a-1, 213b-1)은 상기 배터리 셀들(100)에 인접하고, 상기 경사면들(213a, 213b)은 상기 경사면들(213a, 213b)의 제2테두리들(213a-2, 213b-2)이 상기 제1테두리들(213a-1, 213b-1) 사이보다 더 가깝도록 상호간 경사질 수 있다. 더불어, 상기 제1,2배터리 셀들(100) 사이의 상기 제1덕트(210)로부터 열전달 매체(예를 들면, 공기)가 흐르도록 통로를 제공하는, 상기 제1,2배터리 셀들(100) 사이에 갭(112)이 형성되어 있다.
상기 주몸체(220)는 상기 제1덕트(210)의 하부에 형성된다. 상기 주몸체(220)는 다수의 배터리 셀(100)을 하부에서 지지하는 하부 지지면(222)과, 상기 배터리 셀(100)의 측부를 지지하는 4개의 측부 지지면(223a,223b,223c,223d)을 포함한다. 더불어, 상기 하부 지지면(222)에는 배터리 셀(100)들 사이의 공간과 대응되는 위치에 관통홀(221)이 형성된다. 따라서, 상기 제1덕트(210)로부터 공급된 열전달 매체는 결국 상기 관통홀(221)을 통하여 제2덕트(230)로 흘러 간다.
상기 제2덕트(230)는 상기 주몸체(220)의 하부에 형성된다. 상기 제2덕트(230)는 열전달 매체가 빠져 나가는 출구(231)를 포함한다. 좀 더 구체적으로, 상기 제2덕트(230)는 하면(232)과, 상기 하면(232)의 양측에 형성된 경사면(233a,233b)과, 상기 출구(231)의 반대 방향에 형성된 제2경사면(234)을 포함한다. 더불어, 3개의 연결면(235a,235b,235c)이 상기 양측의 경사면(233a, 233b)과 출구(231)의 상부에 형성되고, 이러한 3개의 연결면(235a,235b,235c)은 상기 주몸체(220)에 연결된다. 상기 주몸체(220)의 각 관통홀(221)로부터 흘러 나온 열전달 매체는 상기 하면(232), 양측의 경사면(233a,233b) 및 제2경사면(234)이 이루는 통로를 통해서 결국 출구(231)로 빠져 나간다. 여기서, 상기 제2경사면(234) 및 상기 양측의 경사면(233a,233b)은 열전달 매체 소용돌이(air vortex)가 발생되지 않도록 하는 역할을 한다.
또한, 상기 제2덕트(230)의 경사면(234)은 제1테두리(234-1) 및 상기 제1테두리의 반대쪽인 제2테두리(234-2)를 가지며, 상기 제1테두리(234-1)가 상기 배터리 셀들(100)에 인접하고, 상기 제2덕트(230)의 상기 경사면(234)은 상기 제2테두리(234-2)가 상기 제1테두리(234-1)보다 상기 출구(231)에 더 가깝도록 경사질 수 있다.
더불어, 상기 제2덕트(230)는 경사면들(233a, 233b)을 포함하고, 상기 제2덕트(230)의 상기 경사면들(233a, 233b)은 각각 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제1테두리(233a-1,233b-1) 및 상기 제1방향(y-축 방향)으로 연장하는 제2테두리(233a-2,233b-2)를 갖고, 상기 제1테두리들(233a-1,233b-1)은 상기 배터리 셀들(100)에 인접하고, 상기 경사면들(233a, 233b)은 상기 경사면들(233a, 233b)의 제2테두리들(233a-2,233b-2)이 상기 제1테두리들(233a-1,233b-1) 사이보다 더 가깝도록 상호간 경사질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공랭식 배터리 팩 중에서 배터리 셀과 갭을 갖는 히트 싱크 사이의 관계를 도시한 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(110)가 배터리 셀(100)과 배터리 셀(100)의 사이에 개재될 수 있다. 또한, 다수의 갭(112)이 상기 히트 싱크(110)에 형성될 수 있다. 따라서, 열전달 매체는 제1덕트(210)로부터 제2덕트(230)로 상기 갭(112)을 통하여 흘러간다. 즉, 제1덕트(210)로부터 공급된 열전달 매체는 상기 히트 싱크(110)의 갭(112)을 통하여 제2덕트(230)로 용이하게 흘러 간다. 배터리 셀(100)로부터 발생한 열은 이러한 갭(112)을 통해 흘러가는 열전달 매체에 의해 제거된다.
더불어, 상기 히트 싱크(110)는 열방출 성능이 우수한 알루미늄 또는 그 등가물로 이루어질 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 물론, 관통홀(221)이 상기 히트 싱크(110)와 대응되는 주몸체(220)의 하부 지지면(222)에 형성됨으로써, 결국 열전달 매체는 제1덕트(210)로부터 제2덕트(230)로 상기 관통홀(221)을 통하여 흘러간다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩의 열전달 매체 흐름을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열전달 매체는 제1덕트(210)의 입구(211)를 통해 유입되고, 이어서 하부에 위치된 배터리 셀(100)로 공급된다. 따라서, 배터리 셀(100)은 냉각된다. 한편, 상기 열전달 매체의 흐름 방향은 제1덕트(210)의 끝단에 형성된 제1경사면(214)에 의해 크게 바뀐다. 그러나, 상기 제1경사면(214)는 상면(212)과 직각이 아닌 둔각을 이루며 형성되어 있기 때문에, 열전달 매체 소용돌이가 발생하지 않는다. 더불어, 상기 제1경사면(214)와 둔각을 이루는 측면(216a)이 더 형성됨으로써, 마찬가지로 열전달 매체 소용돌이가 발생하지 않는다. 즉, 상기 제1경사면(214) 및 이것에 인접한 측면(216a)에 의해 열전달 매체 소용돌이가 발생하지 않는다. 더불어, 양측의 경사면(213a,213b)이 상면(212)과 둔각을 이루며 형성되어 있기 때문에, 이러한 경사면(213a,213b)에 의한 열전달 매체 소용돌이도 발생하지 않는다. 더욱이, 상기 양측의 경사면(213a,213b)과 둔각을 이루는 측면(216b,216c)이 더 형성됨으로써, 마찬가지로 열전달 매체 소용돌이가 발생하지 않는다.
상기 제1덕트(210)로부터 공급된 열전달 매체는 모두 배터리 셀(100)과 배터리 셀(100) 사이의 공간 또는 히트 싱크(110)에 형성된 갭(112)(예를 들면, 트렌치(trench))를 통하여 하부의 제2덕트(230)로 유출된다. 이와 같은 열전달 매체는 결국 제2덕트(230)의 출구(231)를 통하여 모두 외부로 빠져 나간다.
여기서, 열전달 매체의 흐름 방향은 상기 제2덕트(230)에 형성된 제2경사면(234)에 의해 크게 바뀐다. 그러나, 상기 제2경사면(234)은 상기 주몸체(220)의 측면(223d) 또는 제2덕트(230)의 하면(232)과 둔각을 이루며 형성되어 있기 때문에, 열전달 매체 소용돌이가 발생하지 않는다. 또한, 상기 제2덕트(230)에 형성된 경사면(233a,233b) 역시 주몸체(220) 또는 제2덕트(230)의 하면(232)과 둔각을 이루며 형성되어 있기 때문에, 열전달 매체 소용 돌이가 발생하지 않는다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 하우징(200)중 특정 영역에서 열전달 매체 소용돌이가 발생하지 않는다. 따라서, 하우징(200)의 내측에서 열전달 매체의 흐름 속도 및 압력이 비교적 균일해짐으로써, 배터리 셀(100)들 사이의 온도 편차가 감소한다. 다른 말로 표현하면, 배터리 팩(10)의 열전달 매체 입구(211)에 근접한 배터리 셀(100)의 온도와, 배터리 팩(10)의 열전달 매체 출구(231)에 근접한 배터리 셀(100)의 온도가 거의 비슷해진다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 사시도, X-X 단면도, Y-Y 단면도 및 평면도이다. 여기서, 상술한 구조와 동일한 구조에 대해서는 설명을 생략한다.
도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(20)은 하우징(200)에 에어 가이드 베인(217)이 더 설치될 수 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 제1덕트(210)에 에어 가이드 베인(217)이 설치될 수 있다.
상기 에어 가이드 베인(217)은 상기 제1덕트(210)중 상면(212)으로부터 하부를 향하여 돌출된 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 에어 가이드 베인(217)은 제1덕트(210)의 상면(212)으로부터 하부로 일정 길이 연장된 4개의 측면(217a) 및 상기 네 개의 측면(217a)에 연결된 바닥면(217b)으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 에어 가이드 베인(217)은 상기 제1덕트(210)와 일체로 형성될 수 있다. 물론, 상기 에어 가이드 베인(217)은 별도로 준비된 후 상기 제1덕트(210)의 상면(212)에 부착될 수도 있다. 더불어, 상기 에어 가이드 베인(217)은 비록 도면에서 평면 또는 단면의 형태가 대략 사각 형태로 도시되어 있으나, 삼각 형태, 반원 형태 또는 반타원 형태 등 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 에어 가이드 베인(217)의 X-X 방향 폭은 상기 제1덕트(210)가 갖는 상면(212)의 X-X 방향 폭보다 작게 형성된다. 따라서, 제1덕트(210)로 유입된 열전달 매체중 일부는 상기 에어 가이드 베인(217)을 통하여 하부로 전환하고, 일부는 에어 가이드 베인(217)과 경사면(213a,213b) 사이의 공간을 통하여 그대로 직진할 수 있다. 또한, 상기 에어 가이드 베인(217)의 Z-Z 방향 두께는 경사면(213a,213b)의 높이보다 작게 형성된다. 따라서, 제1덕트(210)로 유입된 열전달 매체의 수평 방향 흐름이 중단되지 않는다.
또한, 상기 에어 가이드 베인(217)은 하우징(200)의 입구(211)로부터 대략 10번째 배터리 셀(100)과 대응되는 영역에 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 에어 가이드 베인(217)의 설치 위치로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 이러한 에어 가이드 베인(217)의 설치 위치는 제1덕트(210)에 형성된 입구(211)의 위치 및 배터리 셀(100)의 두께에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 열전달 매체 흐름을 도시한 것이다.
본 발명의 발명자들은 에어 가이드 베인(217)이 없는 하우징(200)을 테스트한 결과, 제1덕트(210)의 입구(211)와 가까운 영역에서는 열전달 매체의 속도 및 압력이 상대적으로 작게 나타남을 알았다. 이는 제1덕트(210)의 입구(211)가 1번째 배터리 셀(100)(도 5에서 가장 우측에 위치된 배터리 셀)보다 상부에 형성되어 있기 때문인 것으로 생각된다. 더욱이, 상기와 같이 열전달 매체의 속도 및 압력이 상대적으로 작음으로써, 대략 1~5번째 배터리 셀(100)의 냉각이 제대로 이루어지지 않아, 대략 1~5번째 배터리 셀(100)의 온도가 상대적으로 높게 측정되었다.
이에 따라, 본 발명의 발명자들은 에어 가이드 베인(217)을 대략 10번째 배터리 셀(100)과 대응되는 위치에 설치하고 다시 냉각 테스트를 수행하였다.
그 결과, 상기 1~10번째 배터리 셀(100)과 대응되는 영역의 열전달 매체 속도 및 압력이 다른 영역의 열전달 매체 속도 및 압력과 거의 비슷해짐을 발견하였다. 물론, 이에 따라 상기 1~10번째 배터리 셀(100)의 온도도 다른 영역의 배터리 셀(100)이 갖는 온도와 거의 비슷해졌다. 즉, 본 발명에 따르면, 에어 가이드 베인(217)의 설치에 의해 입구(211)쪽에 가까운 배터리 셀(100)의 온도와, 출구(231)쪽에 가까운 배터리 셀(100)의 온도에 거의 차이가 발생하지 않음을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 단면도이다. 도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 배터리 팩의 열전달 매체 흐름을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(30)은 하우징(200)중 제1덕트(210)에 적어도 2개 또는 그 이상의 개수로 설치된 에어 가이드 베인(217,317)을 포함할 수 있다. 이러한 에어 가이드 베인(217,317)은 열전달 매체의 흐름 방향을 강제로 하부 방향으로 향하게 함으로써, 모든 배터리 셀(100)에 열전달 매체가 균일한 속도 및 압력으로 공급되도록 한다. 따라서, 하우징(200)의 내측에 위치된 모든 배터리 셀(100)의 온도가 균일해진다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(40)은 적어도 2열 또는 그 이상의 열로 수평 방향으로 스택된 배터리 셀(100)을 포함한다. 즉, 주몸체(220)의 하부 지지면(222) 위에 2열 또는 그 이상의 열로 수평 방향으로 배터리 셀(100)이 스택될 수 있다. 더불어 상기 주몸체(220)의 상부에는 공통의 비교적 넓은 제1덕트(210)가 형성되고, 상기 주몸체(220)의 하부에는 공통의 비교적 넓은 제2덕트(230)가 형성된다. 따라서, 공통의 제1덕트(210)를 통해 열전달 매체가 공급되고, 이러한 열전달 매체는 주몸체(220)에 위치된 2열의 배터리 셀(100)을 냉각하게 된다. 더불어, 배터리 셀(100)을 냉각시킨 열전달 매체는 공통의 제2덕트(230)를 통하여 외부로 배출된다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 도시한 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(50)은 적어도 2열 또는 그 이상의 열로 수평 방향으로 스택된 배터리 셀(100)을 포함하는 동시에, 제1덕트(210)에 형성된 공통의 에어 가이드 베인(217)을 포함한다. 여기서, 상기 에어 가이드 베인(217)에 의해 제1덕트(210)를 통해 공급되는 열전달 매체의 일부가 하부 방향으로 방향을 전환한다. 따라서, 주몸체(220)의 하부 지지면(222) 위에 2열 또는 그 이상의 열로 수평 방향으로 스택된 배터리 셀(100)에 균일한 속도 및 압력의 열전달 매체가 제공된다. 따라서, 2열 또는 그 이상의 열로 수평 방향으로 스택된 배터리 셀(100)의 온도가 거의 균일해진다. 다르게 표현하면, 열전달 매체 입구에 가까운 배터리 셀(100)의 온도와, 열전달 매체 출구에 가까운 배터리 셀(100)의 온도에 차이가 발생하지 않게 된다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 팩을 갖는 자동차를 도시한 개략도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 자동차(400)는 예를 들어, 플러그 인 전기 자동차, 모터 사이클, 자전거, 스쿠터, 또는 가스나 디젤 전기 하이브리드 자동차, 모터 사이클, 자전거, 스쿠터와 같이 승객이나 화물을 옮기고, 사람에 의해 제어되거나, 자동으로 제어되는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차일 수 있다. 전기 자동차는 배터리로부터 출력되는 전기적 에너지에 의해 구동되는 전기 엔진을 이용한다. 전기 자동차는 메인 파워 소스/ 또는 백업 파워 소스와 같이 파워를 공급하는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩이 이용될 수 있다. 하이브리드 자동차는 내연 엔진 및 전기 모터와 같은 두 종류의 파워 소스를 구동 파워로서 이용할 수 있다. 다른 예로서, 내연 엔진은 전기를 발생시키기 위해 이용될 수도 있다. 다른 예로서, 수소 연료 전지와 같은 연료 전지가 전기를 발생시키기 위해 이용될 수도 있다.
다른 실시예에서, 자동차(400)는 자동차에 구동력을 제공하는 파워 소스를 포함하고, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)이 파워 소스에 전기 공급을 위해 제공된다. 일례로, 배터리 팩은 케이스(310)에 장착된다. 일례로, 케이스(310)는 상술한 하우징(200)일 수도 있다. 다른 예로, 상기 하우징(200)은 케이스(310)일 수도 있다. 상기 케이스(310)는 주변 공기가 통과할 수 있도록 입구 또는 출구(320)에 연결될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 공랭식 배터리 팩을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10,20,30,40,50; 본 발명에 따른 배터리 팩
100; 배터리 셀 102; 단자
110; 히트 싱크 112; 갭
200; 하우징 210; 제1덕트
211; 입구 212; 상면
213a,213b; 제1경사면 214; 제1경사면
215a,215b; 제1연결면 216a, 216b, 216c, 216d; 측면
217; 에어 가이드 베인 220; 제2주몸체
221; 관통홀 222; 하부 지지면
223a,223b,223c,223d; 측부 지지면 230; 제2덕트
231; 출구 232; 하면
233a,233b; 제2경사면 234; 제2경사면
235a,235b,235c; 제2연결면

Claims (20)

  1. 제1 및 제2배터리 셀들;
    제1끝단에 입구를 갖고, 상기 제1끝단의 반대쪽인 제2끝단에 경사면을 갖는 제1덕트; 및
    상기 제1 및 제2배터리 셀들을 에워싸고, 상기 제1덕트에 연결된 주몸체를 포함하고,
    상기 경사면은 제1테두리 및 상기 제1테두리의 반대쪽인 제2테두리를 갖고, 상기 제1테두리는 상기 배터리 셀들에 근접하며, 상기 경사면은 상기 제2테두리가 상기 제1테두리보다 상기 입구에 더 가깝도록 경사져 있고,
    상기 제1,2배터리 셀들 사이의 상기 제1덕트로부터 열전달 매체가 흐르도록 통로를 제공하는, 상기 제1,2배터리 셀들 사이에 형성된 갭을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    출구를 갖는 제2덕트를 더 포함하고,
    상기 제1,2배터리 셀들은 상기 제1,2덕트의 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2배터리 셀들의 사이에는 히트 싱크가 더 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 갭은 상기 히트 싱크에 형성된 트렌치에 의해 정의됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2배터리 셀들은 제1방향으로 스택되고,
    상기 제1덕트는 경사진 측면을 포함하고,
    상기 경사진 측면 각각은 상기 제1방향으로 연장하는 제1테두리 및 제1방향으로 연장하는 제2테두리를 갖고,
    상기 제1테두리들은 상기 배터리 셀들에 인접하고,
    상기 경사진 측면들은
    상기 경사진 측면들의 제2테두리들이 상기 제1테두리들 사이보다 더 가깝도록 상호간 경사진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    출구를 갖는 제2덕트를 더 포함하고,
    상기 제1,2배터리 셀들은 상기 제1덕트 및 상기 제2덕트의 사이에 위치되며,
    상기 제2덕트는 제1끝단 및 상기 제1끝단의 반대쪽인 제2끝단을 갖고, 상기 제2끝단에 출구를 가지며,
    상기 제2덕트는
    상기 제1끝단에 경사면을 갖고,
    상기 제2덕트의 경사면은
    제1테두리 및 상기 제1테두리의 반대쪽인 제2테두리를 가지며,
    상기 제1테두리가 상기 배터리 셀들에 인접하고,
    상기 제2덕트의 상기 경사면은
    상기 제2테두리가
    상기 제1테두리보다 상기 출구에 더 가깝도록 경사진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2덕트는 경사진 측면들을 포함하고,
    상기 제2덕트의
    상기 경사진 측면들은 각각 상기 제1방향으로 연장하는 제1테두리 및 상기 제1방향으로 연장하는 제2테두리를 갖고,
    상기 제1테두리들은 상기 배터리 셀들에 인접하고,
    상기 경사진 측면들은
    상기 경사진 측면들의 제2테두리들이 상기 제1테두리들 사이보다 더 가깝도록 상호간 경사진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1덕트는 수평 방향으로 연장되고,
    상기 제1덕트는 상기 제2덕트 위에 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 주몸체와 상기 제1,2덕트들중 어느 하나의 사이에 형성된 지지면을 더 포함하고, 상기 지지면은 상기 제1,2배터리 셀들을 지지함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지지면은
    상기 지지면을 관통하는 관통홀을 포함하고,
    상기 관통홀은 상기 갭과 정렬되며,
    상기 갭으로부터 상기 출구로 상기 열전달 매체가 흘러 가도록 함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1덕트는 제1면을 포함하고,
    상기 제1덕트의 상기 경사면의 상기 제2테두리는 상기 제1면의 테두리가 되고,
    상기 제1덕트는
    상기 배터리들을 향하여 제1면으로부터 연장하는 에어 가이드 베인을 포함하고,
    상기 에어 가이드 베인은
    상기 열 전달 매체가 상기 배터리 셀들과 상기 에어 가이드 베인의 사이로 흘러가도록 상기 배터리 셀들로부터 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1면은 상기 제1덕트의 외측면인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 에어 가이드 베인은 상기 제1면의 폭보다 작은 폭을 가짐을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1덕트는
    상기 제1면으로부터 상기 배터리 셀들을 향하는 다수의 에어 가이드 베인을 포함함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2배터리 셀들은 함께 스택되는 동시에 제1방향으로 연장하는 배터리 셀들의 제1셋트에 포함되고,
    상기 제1,2배터리 셀들은 상기 제1셋트 옆의 배터리 셀들의 제2셋트를 포함하고,
    상기 제1덕트는
    상기 배터리 셀들의 제1,2셋트들의 각각에 대한 흐름 통로를 가짐을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제15항에 있어서,
    출구를 갖는 제2덕트를 더 포함하고, 상기 제1,2배터리 셀들은 상기 제1,2덕트 사이에 위치되며,
    상기 주몸체와 제1,2덕트들중 어느 하나와의 사이에 지지면이 위치되고, 상기 지지면은 상기 제1,2배터리 셀들을 지지하며,
    상기 제1덕트는 수평인 제1방향으로 연장하고,
    상기 제2덕트는 경사진 측면들을 포함하고, 상기 제2덕트의 상기 경사진 측면들은 각각 상기 제1방향으로 연장하는 제1테두리와, 상기 제1방향으로 연장하는 제2테두리를 갖고, 상기 제1테두리들은 상기 배터리 셀들에 인접하고, 상기 경사진 측면들은 상기 경사진 측면들의 제2테두리부가 상기 제1테두리부의 사이보다 더 가깝도록 서로를 향하여 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 자동차의 원동력을 공급하는 파워 소스; 및
    상기 파워 소스에 전기를 공급하도록 하는 배터리 팩을 포함하고,
    상기 배터리 팩은
    제1,2배터리 셀들;
    제1끝단에 입구를 갖고, 상기 제1끝단의 반대쪽인 제2끝단에 경사면을 갖는 제1덕트; 및
    상기 제1 및 제2배터리 셀들을 에워싸고, 상기 제1덕트에 연결된 주몸체를 포함하고,
    상기 경사면은 제1테두리 및 상기 제1테두리의 반대쪽인 제2테두리를 갖고, 상기 제1테두리는 상기 배터리 셀들에 근접하며, 상기 경사면은 상기 제2테두리가 상기 제1테두리보다 상기 입구에 더 가깝도록 경사져 있고,
    상기 제1,2배터리 셀들 사이의 상기 제1덕트로부터 열전달 매체가 흐르도록 통로를 제공하는, 상기 제1,2배터리 셀들 사이에 형성된 갭을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차.
  18. 제17항에 있어서,
    출구를 갖는 제2덕트를 더 포함하고,
    상기 제1,2배터리 셀들은 상기 제1,2덕트의 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1,2배터리 셀들의 사이에는 히트 싱크가 더 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 갭은 상기 히트 싱크에 형성된 트렌치에 의해 정의됨을 특징으로 하는 배터리 팩.
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