KR20130032961A - 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

배터리 팩을 제공한다.
본 발명은 복수의 배터리 모듈(103a,103b,103c,103d)을 일정간격을 두고 직렬로 배치하는 배터리 팩에 있어서, 상기 복수의 배터리 모듈(103a,103b,103c,103d)이 배치되는 내부공간으로 냉각공기가 외부로부터 유입되도록 한 쌍의 흡입구(111,112)를 서로 반대편에 각각 구비하는 냉각케이스(110); 상기 흡입구(111,112)를 통하여 냉각공기를 강제유입하는 흡입력을 발생시키도록 상기 냉각케이스(110)의 내부공간 중앙영역에 배치되는 적어도 하나의 냉각팬 (120);상기 흡입구(111,112)와 인접하는 배터리 모듈(103a,103d)의 하부로 안내되는 냉각공기를 다른 배터리 모듈(103b,103c)의 상부를 통해 상기 냉각팬(120)측으로 안내배출하는 흡입안내덕트(130);를 포함한다.

Description

배터리 팩{Battery Pack}

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각케이스의 내부에 직렬로 배치되는 복수의 배터리모듈을 온도차 없이 균일하게 냉각하면서 냉각성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 전기 자동차는 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 전기 자동차에 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.

상기 배터리 팩은 복수개의 배터리 셀(battery cells)로 이루어지는 배터리 모듈(battery module)과, 이러한 배터리 모듈을 수납하는 공간을 갖는 배터리 케이스(battery case) 등을 포함하고 있다.

이러한 배터리 셀은 2차 전지이고, 예를 들면, 리튬이온 2차전지(lithium-ion secondary battery)로 구비될 수 있다.

상기 2차 전지는 충전이 불가능한 1차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하며, 이러한 2차 전지는 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등과 같은 첨단 전자 기기분야에서 널리 사용되고 있으며, 자동차용 전지로도 사용되고 있는 것이다.

상기 2차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함하며, 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비하며, 전해액은 리튬이온을 포함하는 경우가 많으며, 전극 조립체의 양극판과 음극판은 외루로 인출되는 전극캡을 각각 구비할 수 있다.

복수개의 2차 전지의 단위 전지셀이 수평 또는 수직으로 적층되어 하나의 배터리 모듈이 형성될 수 있으며, 복수의 배터리 모듈이 상하 및/또는 옆으로 적층되어 상,하부케이스로 이루어지는 배터리 케이스의 내부공간에 수납되는 하나의 배터리 팩을 형성하게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 배터리 팩을 도시한 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드 전기차용 대용량 배터리 팩(1)은 케이스의 일측에 냉각용 외부공기가 강제 유입되도록 미도시된 덕트와 연결되는 흡입구(11)를 갖는 케이스(10)를 포함한다.

상기 케이스(10)의 내부공간에는 복수개의 배터리셀을 갖는 배터리 모듈(20)을 일정간격을 두고 냉각팬(30)측으로 배치됨에 따라 상기 냉각팬(30)의 구동과 함께 상기 흡입구(11)를 통해 외부공기가 강제로 흡입되어 배터리 모듈(20)을 순차적으로 냉각시킨 후, 냉각팬(30)을 통해 빠져나가게 된다.

이러한 종래의 배터리 팩은 동력성능을 만족하기 위해 한정된 레이아웃 상에서 직렬로 배터리 모듈을 배치하게 됨에 따라 각 배터리 모듈에 냉각공기가 균일하게 공급되지 못한다.

즉. 냉각공기의 입력 측인 흡입구에 가까운 쪽은 차가운 공기가 통과하지만 입력 측과 먼 출력측인 냉각팬에 가까운 배터리 모듈은 상대적으로 더운 공기를 받게 되어 냉각효과가 떨어지게 된다.

예를 들어 입력 측의 온도를 35도 이라 하고 각 배터리 모듈을 냉각공기가 통과할 때마다 2도씩 상승한다고 가정할 때 첫 번째 배터리 모듈은 20도의 냉각공기를 받게 되지만 4번째 배터리 모듈은 41도로 상승된 냉각공기를 받게 되어 냉각성능이 현저히 떨어지게 된다.

이는 각 배터리 모듈을 구성하는 배터리셀의 전기적인 특성과 성능, 내구성에 치명적인 영향을 미치게 되며, 그 결과 배터리 팩 내부의 배터리 모듈간의 성능차이를 유발시켜 배터리 팩의 성능 및 내구성을 저하시키는 주요원인으로 작용하였다.

그리고, 냉각공기가 유입되는 흡입구와 냉각팬이 배터리 팩 상에서 가장 먼 거리에 배치되며, 내부부품들이 공기의 유동저항을 발생시킴으로써 흡입구를 통해 유입되는 공기가 효과적으로 배터리 팩 내부의 각 모듈로 원활하게 전달되지 못함으로써 냉각효율을 저하시키는 요인으로 작용하였다.

또한, 4열의 배터리 모듈이 설치되는 경우 이들을 2단계로 분리하여 앞쪽과 뒤쪽의 각 2번째 열의 배터리 모듈은 온도가 상승된 공기와 접촉됨으로써 바로 앞쪽의 1번째 열의 배터리 모듈의 냉각효율에 비하여 상대적으로 저하되어 균일한 냉각이 곤란해지는 문제점이 있었다.

그리고, 흡입 및 배출덕트가 복수열의 배터리 팩 상부와 배터리 팩 하부에 각각 배치되어 전체적인 배터리 팩의 무게를 증가시킴으로써 연비에 악영향을 미침은 물론 배터리 팩의 내부설계 레이아웃의 자유설계도가 곤란해지고 복잡해지는 문제점이 있었다.

또한, 냉각케이스의 내부로 유입되는 흡입구가 협소하고 그 설치수량이 적어 협소하고 단일 유입통로를 통한 제한적이고, 충분하지 못한 냉각공기의 흡입에 의하여 냉각효율을 증대시키는데 한계가 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 한정된 냉각케이스의 내부공간에서 균일하게 냉각시킬 수 있도록 입력 측에서 유입되는 냉각공기의 온도 및 유량을 동일하게 하면서 출구 측에서 높은 온도를 갖는 냉각공기가 입력측 냉각공기에 영향을 미치지 않도록 하는 배터리 팩을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 케이스 내부공간으로 유입되는 냉각공기의 흡입량을 증대시켜 냉각효율을 높이고, 무게저감을 통하여 연비를 향상시킬 수 있는 한편 설계자유도를 높일 수 있는 배터리 팩을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수의 배터리 모듈을 일정간격을 두고 직렬로 배치하는 배터리 팩에 있어서, 상기 복수의 배터리모듈이 배치되는 내부공간으로 냉각공기가 외부로부터 유입되도록 한 쌍의 흡입구를 서로 반대편에 각각 구비하는 냉각케이스; 상기 흡입구를 통하여 냉각공기를 강제유입하는 흡입력을 발생시키도록 상기 냉각케이스의 내부공간 중앙영역에 배치되는 적어도 하나의 냉각팬; 상기 흡입구와 인접하는 배터리 모듈의 하부로 안내되는 냉각공기를 다른 배터리 모듈의 상부를 통해 상기 냉각팬측으로 안내배출하는 흡입안내덕트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 흡입안내덕트는 상기 흡입구와 인접하는 배터리 모듈의 하부와 냉각케이스의 바닥면사이에 배치되는 수평덕트와, 상기 배터리 모듈과 인접하는 다른 배터리 모듈사이에 배치되고, 상기 수평덕트의 단부로부터 상기 냉각케이스의 천정면으로 연장되는 연장덕트를 포함한다.

바람직하게, 상기 연장덕트의 양단부에는 상기 흡입구와 인접하는 배터리 모듈의 양측으로 유입되는 냉각공기를 상기 냉각팬과 인접하는 다른 배터리 모듈측으로 안내하도록 관통공을 갖는 공기유입날개를 포함한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 복수의 배터리 모듈이 배치되는 냉각케이스의 양측 외부면에 구비된 흡입구로부터 냉각공기를 강제흡입하여 배출하는 냉각팬을 냉각케이스의 중앙영역에 배치하고, 흡입구와 인접하는 배터리 모듈의 하부로 안내되는 냉각공기를 다른 배터리 모듈의 상부를 통해 냉각팬측으로 안내배출하는 흡입안내덕트를 구비함으로써, 가장 낮은 온도의 냉각공기를 동일한 온도조건으로 배터리 모듈와 온도차이없이 열교환시킬 수 있기 때문에 냉각성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

(2) 냉각팬을 냉각케이스의 중앙영역에 배치하여 냉각케이스의 양측 흡입구를 통해 다량의 냉각공기를 외부로부터 내부공간으로 유입함으로써 종래 냉각케이스의 단부에 냉각팬을 배치하는 것에 비하여 2배의 냉각공기를 유입할 수 있기 때문에 냉각팬의 사양을 낮추어 사용할 수 있고, 배터리팩의 전체부피 및 무게를 줄일 수 있다.

(3) 종래 배출덕트의 채용없이 흡입덕트만을 채용하면서 내부덕트 사이즈를 줄임으로써 냉각공기의 유동저항을 줄여 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 배터리 모듈의 양측으로 흐르는 냉각공기를 안내하는 측면안내덕트를 구비하여 보다 많은 양의 냉각공기를 효과적으로 받아들일 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 배터리 팩을 도시한 구성도이다.
도 2(a)(b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩에 구비되는 공기유입날개를 도시한 상세도이다.

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 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 도 2(a)(b)와 도 3에 도시한 바와 같이, 외부로부터 강제유입되는 냉각용 외부공기인 냉각공기로서 복수의 배터리 모듈(103a,103b,103c,103d)을 균일하게 냉각하도록 냉각케이스(110), 냉각팬(120) 및 흡입안내덕트(130)를 포함한다.

상기 냉각케이스(110)는 상기 복수의 배터리 모듈(103a,103b,103c,103d)이 배치되는 일정크기의 내부공간을 갖도록 상부케이스와 하부바닥판으로 이루어질 수 있으며, 외부로부터 강제로 냉각공기가 자연스럽게 유입되도록 좌우양측에 흡입구(111,112)를 각각 구비한다.

이러한 흡입구(111,112)는 상기 냉각케이스(110)의 중앙을 기준으로 하여 좌우대칭구조로 구비되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 냉각케이스(110)의 내부공간에는 4열의 배터리 모듈(103a, 103b,103c,103d)이 냉각공기의 흡입방향으로 일정간격을 두고 복수개 구비되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 2열 또는 그 이상의 열로 구비될 수 있다.

상기 냉각팬(120)은 전원인가시 작동되어 상기 냉각케이스의 좌우양측에 구비된 흡입구(111,112)를 통하여 냉각공기를 강제유입하는 흡입력을 발생시키는 블러워부재이다.

이러한 냉각팬(120)은 상기 냉각케이스(110)의 내부공간 중앙영역에 배치됨으로써 상기 냉각케이스(110)의 좌우양측에 구비된 흡입구(111,112)를 통해 강제흡입되는 냉각공기는 냉각케이스(110)의 중앙영역으로 흐르는 유체흐름을 형성하고, 상기 배터리 모듈와 열교환되면서 이를 냉각시킨 냉각공기는 상기 냉각케이스(110)와 대응하는 냉각케이스의 외부면에 형성된 배출구(미도시)를 통하여 외부로 배출되는 것이다.

여기서, 상기 냉각팬(120)은 일측 흡입구(111)에 근접하는 제1,2열 배터리 모듈(103a,103b)과, 제3,4열 배터리 모듈(103c,103d)사이에 해당하는 중앙영역에 배치되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 배터리 모듈의 설치갯수에 따라 전체갯수의 1/2 영역과 대응하는 중앙영역에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 흡입안내덕트(130)는 상기 냉각케이스(110)의 좌우양측 흡입구(111,112)와 인접하는 첫번째 배터리 모듈(103a,103d)의 하부와 냉각케이스의 바닥면사이로 안내되는 냉각공기를 이에 인접하는 다른 두번째 배터리 모듈(103b,103d)의 상부와 냉각케이스의 천정면사이를 통해 상기 냉각케이스의 중앙영역에 배치된 냉각팬(120)측으로 안내배출하도록 구비되는 덕트부재이다.

이러한 흡입안내덕트(130)는 도 3에 도시한 바와 같이, 좌우양측 흡입구(111,112)와 인접하는 배터리 모듈(103a,103d)의 하부와 냉각케이스(110)의 바닥면사이에 배치되는 수평덕트(131)와, 상기 배터리 모듈(103a,103d)과 인접하는 다른 배터리 모듈(103b,103c)사이에 배치되고, 상기 수평덕트(131)의 단부로부터 상기 냉각케이스(110)의 천정면으로 연장되는 연장덕트(132)를 포함한다.

상기 수평덕트(131)와 연장덕트(132)로 이루어진 흡입안내덕트(130)를 구비함으로써 상기 흡입구(111,112)를 통해 강제 흡입되는 냉각공기 중 상기 흡입구(111,112)와 인접하는 배터리 모듈(103a,104d)과 열교환되지 않은 냉각공기를 상기 냉각팬(120)에 인접하는 다른 배터리 모듈(103b,103c)에 직접 공급하는 공기통로를 형성할 수 있기 때문에 냉각공기의 온도차없이 동일한 온도의 냉각공기를 각 배터리 모듈에 공급하여 냉각성능의 차이없이 균일한 냉각효율을 얻을 수 있는 한편, 전체적으로 덕트의 길이를 줄여 냉각공기의 유동손실을 줄일 수 있는 것이다.

또한, 배터리 모듈의 상부에 배치하였던 종래의 배출덕트를 삭제함으로써 배터리 팩의 전체무게를 줄이고, 이로 인하여 중량감소에 기인하는 연비향상을 도모할 수 있는 것이다.

한편, 상기 연장덕트(132)의 양단부에는 좌우양측 흡입구(111,112)와 인접하는 배터리 모듈(103a,103d)의 양측으로 유입되는 냉각공기를 상기 냉각팬(120)과 인접하는 다른 배터리 모듈(103b,103c)측으로 안내하도록 관통공(133a)을 갖는 공기유입날개(133)를 구비하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 흡입구(111,112)를 통해 강제유입된 냉각공기 중 상기 배터리 모듈과 열교환되지 않고 상기 배터리 모듈(103a,103d)의 양측으로 통과하는 일부 냉각공기를 상기 공기유입날개와 관통공을 통해서 상기 냉각팬(120)과 인접하는 다른 배터리 모듈(103b,130c)측으로 안내하여 배터리 모듈에 대한 냉각효율을 높일 수 있다.

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.

103a,103b,103c,103d : 배터리 모듈
110 : 냉각케이스 111,112 : 흡입구
120 : 냉각팬 130 : 흡입안내덕트
131 : 수평덕트 132 : 연장덕트
133 : 공기유입날개 133a : 관통공

Claims (3)

1. 복수의 배터리 모듈(103a,103b,103c,103d)을 일정간격을 두고 직렬로 배치하는 배터리 팩에 있어서,
   상기 복수의 배터리 모듈(103a,103b,103c,103d)이 배치되는 내부공간으로 냉각공기가 외부로부터 유입되도록 한 쌍의 흡입구(111,112)를 서로 반대편에 각각 구비하는 냉각케이스(110);
   상기 흡입구(111,112)를 통하여 냉각공기를 강제유입하는 흡입력을 발생시키도록 상기 냉각케이스(110)의 내부공간 중앙영역에 배치되는 적어도 하나의 냉각팬 (120);
   상기 흡입구(111,112)와 인접하는 배터리 모듈(103a,103d)의 하부로 안내되는 냉각공기를 다른 배터리 모듈(103b,103c)의 상부를 통해 상기 냉각팬(120)측으로 안내배출하는 흡입안내덕트(130);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
2. 제1항에 있어서,
   상기 흡입안내덕트(130)는 상기 흡입구(111,112)와 인접하는 배터리 모듈(103a,103d)의 하부와 냉각케이스(110)의 바닥면사이에 배치되는 수평덕트(131)와, 상기 배터리 모듈(103a,103d)과 인접하는 다른 배터리 모듈(103b,103c)사이에 배치되고, 상기 수평덕트(131)의 단부로부터 상기 냉각케이스(110)의 천정면으로 연장되는 연장덕트(132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
3. 제1항에 있어서,
   상기 연장덕트(132)의 양단부에는 상기 흡입구(111,112)와 인접하는 배터리 모듈(103a,103d)의 양측으로 유입되는 냉각공기를 상기 냉각팬(120)과 인접하는 다른 배터리 모듈(103b,103c)측으로 안내하도록 관통공(133a)을 갖는 공기유입날개(133)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

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