KR20130011370A

KR20130011370A - 배터리팩용 냉각케이스

Info

Publication number: KR20130011370A
Application number: KR1020110072480A
Authority: KR
Inventors: 임해규
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-30
Also published as: KR101262974B1

Abstract

배터리 팩용 냉각케이스를 제공한다.
본 발명은 복수개의 배터리 셀(103)을 외부로부터 강제유입되는 외부공기로 냉각하는 냉각케이스에 있어서, 냉각용 외부공기가 유입되는 덕트(101)와 연결된 흡입구(112)를 구비하는 상부커버(110) ;상기 상부커버(110)의 하부단이 상부면에 조립되고, 상기 상부커버(110)의 타측에 배치된 냉각팬(102)를 향하는 하부공기통로(105)를 형성하는 바닥판(120) ; 및 상기 상부커버(110)와 배터리 셀(103)사이의 공간을 상하로 분할하고, 상기 흡입구(112)를 통해 강제유입된 냉각용 외부공기를 분배하는 복수개의 분배홀(135)을 관통형성한 수평격벽(130)을 포함한다.

Description

배터리팩용 냉각케이스{Cooling Case for Battery Pack}

본 발명은 배터리팩을 균일하게 냉각하는 냉각케이스에 관한 것으로, 더욱 상세히는 외부로부터 강제유입되는 냉각용 외부공기를 압력강하와 풍량이 같아지도록 수평격벽의 분배홀을 통하여 분배하여 배터리 셀에 공급하여 배터리 셀을 균일하게 냉각할 수 있는 배터리 팩용 냉각케이스에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 모터 구동원을 보조 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량으로서, 모터의 동작을 위한 에너지원인 고전압 배터리가 인버터를 통해 모터와 충방전 가능하게 연결되어 있다.

이러한 하이브리드 차량에 탑재되는 배터리 중 파우치 타입의 배터리는 얇은 판형의 구조로 몇 장을 셀을 하나로 묶어 모듈화시켜 사용하게 되는데, 하이브리드 차량의 사양에 따라 모듈을 직렬로 연결하여 패키지를 구성하고 있다.

직렬로 연결된 배터리 모듈 패키지는 그 충방전시 배터리 셀에서 발열하는 현상이 발생되며, 각 배터리 셀의 온도는 냉각특성에 따라 셀 별로 다르게 나타나기도 하고, 셀의 온도에 따라 충방전 전력이 달라지지만, 배터리 셀은 25~40℃ 범위의 적정 작동온도에서 운전이 되어야 한다.

일반적으로 복수개의 배터리 셀로 이루어진 배터리팩을 냉각하는 장치는 강제 대류 열전달 방식의 냉각 구조로서, 도 1에 도시된 바와 같이 일측 상단에 냉각용 공기가 강제 유입되는 덕트와 연결된 흡입구(2)를 형성한 상부커버(1)와, 상기 상부커버(1)의 타측에 장착된 냉각팬(3)를 향하는 하부공기통로(6)를 형성하도록 상기 상부커버(1)가 상부면에 조립되는 바닥판(5)으로 이루어지는 냉각케이스(10)를 포함한다. 상기 냉각케이스의 내부공간에는 배터리 셀(4)들이 일렬로 배열된다.

이에 따라, 상기 냉각팬(3)의 구동과 함께 상기 흡입구(2)를 통해 외부공기가 강제로 흡입되어 배터리 셀(4)을 냉각시킨 후, 냉각팬(3)을 통해 빠져나가게 된다.

즉, 상기 상부커버(1)와 바닥판(5)사이의 공간으로 공기가 강제 유입될 때, 냉각공기의 유선이 형성됨에 따라, 유입되는 차가운 냉각공기는 각 배터리 셀(4) 사이의 갭(Gap)으로 통과하면서 셀(4)의 열량을 빼앗아 바닥쪽에 형성된 공기통로(5)로 이동한 후, 냉각팬(3)을 거쳐 냉각케이스(10)의 외부로 배출된다.

그런, 상기와 같은 종래의 배터리팩용 냉각케이스는 다음과 같은 단점이 있었다.

배터리 팩의 모듈(module) 개수는 그 적용차종에 따라 승용차종은 6개의 모듈 또는 9개의 모듈을 적용하고, 버스와 같은 상용차종은 12개의 모듈을 채택하고 있으며, 1개의 모듈당 4장의 배터리 셀 묶음으로 구성되고, 각 셀묶음은 2개의 셀로 구성되어 있는바, 승용에 비해 상용 차량의 배터리 모듈개수 증가로 가로방향의 길이가 증가되고, 각 배터리 냉각유로로 냉각공기를 균등하게 분배하는데 어려움이 있다.

특히, 종래 냉각케이스(10)의 상부커버(1)에는 상기와 같이 배터리 셀위쪽에 흡입구(2)가 형성되고, 배터리 셀 아래쪽에 하부공기통로(6)가 형성되며, 흡입구의 반대쪽에 냉각팬(3)이 형성된 Z 타입 유로구조를 이루기 때문에 배터리 팩에 대한 균등한 온도분포 확보에 어려움이 있었다.

이에 따라, 냉각팬을 가동시켜 외부공기를 냉각케이스(10)의 내부로 유입시킨 후, 배터리 팩의 내부 온도조건을 살펴본 실험 결과, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 냉각케이스(10)로 유입된 냉각용 외부공기의 유동 속도 분포가 상부커버의 길이방향을 따라 편차가 발생함을 알 수 있었다.

즉, 상기 배터리 팩은 냉각팬이 냉각공기가 빠져나가는 출구위치인 냉각팬에 근접하는 배터리 셀이 최소온도이고, 흡입구 위치에 근접하는 배터리 셀이 최고온도를 나타내고 있으며, 이는 냉각팬의 강제흡입에 의해서 이에 근접하는 배터리 셀측으로 다량의 냉각용 외부공기가 흡입되어 배터리 셀간의 온도편차가 발생하는 것이다.

이를 개선하기 위해서 종래에는 균일한 냉각유동 분포를 위해서 흡입덕트의 입사각과 상부커버에 구배를 적용하였으나 이러한 방안은 배러리 셀이 증가하거나 흡입구의 위치가 변경되면, 온도편차가 더 커질 수 있어 초기설계부터 재검토해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 외부로부터 강제유입되는 냉각용 외부공기의 유량을 압력강하와 풍량이 같아지도록 분배하여 배터리 셀에 공급하여 배터리 셀을 균일하게 냉각할 수 있는 배터리 팩용 냉각케이스를 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 복수개의 배터리 셀을 외부로부터 강제유입되는 외부공기로 냉각하는 냉각케이스에 있어서, 냉각용 외부공기가 유입되는 덕트와 연결된 흡입구를 구비하는 상부커버 ; 상기 상부커버의 하부단이 상부면에 조립되고, 상기 상부커버의 타측에 배치된 냉각팬를 향하는 하부공기통로를 형성하는 바닥판 ; 상기 상부커버와 배터리 셀사이이 공간을 상하로 분할하고, 상기 흡입구를 통해 강제유입된 냉각용 외부공기를 분배하는 복수개의 분배홀을 관통형성한 수평격벽;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 냉각케이스를 제공한다.

바람직하게, 상기 복수개의 분배홀은 상기 냉각팬측으로 갈수록 개구크기가 작아지도록 관통형성된다.

바람직하게, 상기 복수개의 분배홀은 원형공으로 형성되거나 사각공으로 구비된다.

바람직하게, 상기 상부커버는 개방된 전,후면을 밀폐하도록 전,후면밀폐판을 각각 구비하고, 상기 전,후면밀폐판사이에는 복수개의 배터리 셀이 올려지는 지지바를 구비한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 흡입구를 갖는 상부커버와 냉각대상물인 배터리 셀사이를 상하분할하도록 배치되는 수평격벽에 흡입구를 통해 강제유입된 냉각용 외부공기를 배터리 셀측으로 분배하는 복수개의 분배홀을 구비함으로써 상부커버의 전체 길이에 대하여 압력손실을 균일하게 하여 냉각팬에 의한 풍량을 균일하게 분배할 수 있기 때문에 배터리 셀을 균일하게 냉각하고, 온도편차를 최소화하여 배터리 셀의 냉각효율을 높이고 내구성을 향상시킬 수 있다.

(2) 수평격벽에 관통형성되는 분배홀의 관통크기 또는 형상을 변경함으로써 외부로부터 유입되어 배러리 셀측으로 분배공급되는 냉각용 외부공기의 풍량을 조절할 수 있기 때문에 종래 상부커버의 천정면에 경사면을 형성하거나 덕트의 입사각을 조절하는 것에 비하여 설계 자유도를 높일 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 배터리 팩용 냉각케이스를 도시한 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따른 배터리 팩용 냉각케이스에서의 열해석결과를 도시한 그래프와 모식도이다.
도 3(a)(b)은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 팩용 냉각케이스를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩용 냉각케이스를 도시한 전체 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩용 냉각케이스에 채용되는 상부커버와 수평격벽의 조립상태를 도시한 사시도이다
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 배터리 팩용 냉각케이스를 도시한 전체 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따른 배터리 팩용 냉각케이스에 채용되는 상부커버와 수평격벽의 조립상태를 도시한 사시도이다
도 8은 냉각팬 풍량과 압력강하의 변화를 도시한 그래프로서,
(a)는 종래
(b)는 본 발명이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 팩의 냉각케이스(100)는 도 3에 도시한 바와 같이, 외부로부터 강제유입되는 냉각용 외부공기로서 복수개의 배터리 셀을 냉각하는 과정에서 외부공기를 균일하게 분배하도록 상부커버(110), 바닥판(120) 및 수평격벽(130)을 포함한다.

상기 상부커버(110)는 냉각용 외부공기가 유입되는 덕트(101)와 연결되는 흡입구(112)를 일측 상단에 구비하는바, 이러한 상부커버(110)는 상부는 닫혀지고, 전후 및 하부로 개방된 대략 ㄷ단면상 덮개부재로 이루어진다.

상기 상부커버(110)의 천정면은 수평하게 구비될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니며 상기 흡입구(112)로부터 멀어지고 상기 냉각팬(102)에 근접할수록 상기 수평격벽(130)에 근접하도록 일정각도 경사지게 구비될 수 있다.

이러한 상부커버(110)는 개방된 전,후면을 밀폐하도록 전,후면밀폐판(114,116)을 각각 구비하고, 상기 전,후면밀폐판(114,116)사이에는 냉각대상물인 복수개의 배터리 셀(103)이 올려지고, 상기 바닥판(120)사이에 하부공기통로(105)를 형성하는 지지바(115)를 구비한다.

상기 바닥판(120)은 상기 상부커버(110)의 하부로 개방된 하부를 밀폐하면서 상기 상부커버(110)의 타측에 배치된 냉각팬(102)를 향하는 하부공기통로(6)를 형성하도록 상기 상부커버(110)의 하부단이 상부면에 조립되는 판부재이다.

상기 수평격벽(130)은 상기 상부커버(110)와 배터리 셀(103)사이이 공간을 상하로 분할하도록 상기 배터리쉘(130)의 상부에 수평하게 배치되는 판부재이다.

상기 수평격벽은 상기 흡입구(112)를 통해 강제유입된 냉각용 외부공기를 분배하도록 일정간격을 두고 복수개의 분배홀(135)을 관통형성한다.

이에 따라, 상기 강제유입된 외부공기는 상기 분배홀(135)을 통하여 분배되어 상기 수평격벽의 하부측에 배치된 배터리 팩을 냉각하도록 공급되는 것이다.

여기서, 상기 분배홀(135)은 상기 냉각팬(102)측으로 갈수록 개구면적이 작아지도록 관통형성됨으로써 냉각을 위한 외부공기의 강제유입방식(블러워잉 또는 흡입)에 관계없이 수평격벽이 없을 때 공기유량이 많은 부위(흡입구측), 온도가 높은 부위는 분배홀(135)의 관통크기를 크게 하여 압력강하를 낮추고, 공기유량이 작은 부위(냉각팬측), 온도가 낮은 부위는 분배홀(135)의 관통크기를 작게 하여 압력강하를 높일 수 있기 때문에 배터리 쉘간의 압력손실이 균일하게 되어 냉각팬에 의한 풍량을 전체적으로 균일하게 분배하여 균일하게 냉각할 수 있는 것이다.

즉, 상기 냉각팬의 풍량은 하기 식 1과 같이 압력강하(손실)에 반비례하므로 배터리 셀간 압력강하 값을 수평격벽에 형성되는 분배홀의 형상이나 크기를 이용하여 균일하게 만들어 케이스의 내부로 강제흡입된 냉각용 외부공기의 유량을 균일하게 흐르도록 함으로써 도 8a와 도 8b에 도시한 바와 같이, 냉각용 외부공기의 균일분배가 가능해져 온도편차를 줄이고 배터리 쉘의 내구성을 확보할 수 있는 것이다.

<식 1>

풍량 ∝ (1/압력손실)

한편, 상기 복수개의 분배홀(135)은 도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 냉각팬(102)측으로 갈수록 관통크기가 서서히 작아지는 원형공(135a)으로 형성되거나 도 6과 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 냉각팬(102)측으로 갈수록 관통크기가 서서히 작아지는 사각공(135b)으로 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 냉각팬(102)의 작동시 상기 덕트(101)를 통하여 강제흡입되는 냉각용 외부공기는 상기 상부커버(110)의 흡입구(112)를 통해 상기 상부커버(110)와 수평격벽(130)사이의 상부공간으로 유입된 다음, 상기 수평격벽(130)에 관통형성된 분배홀(135)을 통하여 균일하게 분배되면서 상기 배터리셀(103)이 배치되는 상기 수평격벽9130)과 바닥판사이의 하부공간으로 유입되어 서로 인접하는 배터리셀(103)사이를 통과하면서 이들을 냉각하게 되는 것이다.

이때, 상기 수평격벽(130)이 없을 때 온도가 높고 압력손실이 높았던 흡입구(112)측에서는 수평격벽의 분배홀(135)의 관통크기를 크게 형성하여 압력손실을 낮추어 흡입압력에 기인하는 냉각팬(102)에 의해 흡입되는 풍량을 높이는 반면에 온도가 낮고 압력손실이 낮았던 냉각팬측에서는 분배홀(135)의 관통크기를 작게 형성하여 압력손실을 상대적으로 높여 냉각팬(102)에 의해 흡입되는 풍량을 낮춤으로써 상기 상부커버의 길이방향으로 압력강하와 흡입압력에 기인하는 냉각팬의 풍량을 균일하게 형성하여 배터리 셀을 균일하게 냉각하고 온도편차를 줄일 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

101 : 덕트 102 : 냉각팬 셀
103 : 배터리 셀 104 : 하부공기통로
110 : 상부커버 112 : 흡입구
114,116 : 전,후면 밀폐판 115 : 지지바
120 : 바닥판 130 : 수평격벽
135 : 분배홀

Claims

복수개의 배터리 셀(103)을 외부로부터 강제유입되는 외부공기로 냉각하는 냉각케이스에 있어서,
냉각용 외부공기가 유입되는 덕트(101)와 연결된 흡입구(112)를 구비하는 상부커버(110) ;
상기 상부커버(110)의 하부단이 상부면에 조립되고, 상기 상부커버(110)의 타측에 배치된 냉각팬(102)를 향하는 하부공기통로(105)를 형성하는 바닥판(120) ; 및
상기 상부커버(110)와 배터리 셀(103)사이이 공간을 상하로 분할하고, 상기 흡입구(112)를 통해 강제유입된 냉각용 외부공기를 분배하는 복수개의 분배홀(135)을 관통형성한 수평격벽(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 냉각케이스.
청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 분배홀(135)은 상기 냉각팬(102)측으로 갈수록 개구크기가 작아지도록 관통형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 냉각케이스.
청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 분배홀(135)은 원형공(135a)으로 형성되거나 사각공(135b)으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 냉각케이스.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부커버(110)는 개방된 전,후면을 밀폐하도록 전,후면밀폐판(114,116)을 각각 구비하고, 상기 전,후면밀폐판(114,116)사이에는 복수개의 배터리 셀(103)이 올려지는 지지바(115)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 냉각케이스.