KR20130122057A - 전지팩 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지팩을 냉각하기 위한 전지팩 냉각 시스템으로서, 충방전이 가능한 다수의 판상형 전지셀들 또는 상기 판상형 전지셀 다수를 내장하고 있는 하부단위 모듈들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 상부단위 모듈 다수 개를 포함하는 전지팩으로서, 수직으로 냉매 유로가 형성되어 있는 다수의 상부단위 모듈들을 측면방향으로 상호 접하도록 배열한 모듈 배열체, 상기 배열 상태를 유지할 수 있도록 모듈 배열체에서 최외각 상부단위 모듈을 각각 감싸고 있는 한 쌍의 사이드 장착부재들, 상기 사이드 장착부재들을 상호 결합시키는 적어도 하나 이상의 서포팅 바, 상기 모듈 배열체가 탑재되는 하단 플레이트, 및 상기 모듈 배열체의 외면을 감싸도록 장착되는 팩 케이스를 포함하고 있는 구조의 전지팩; 전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치; 전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기; 및 냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로; 를 포함하고 있는 전지팩 냉각 시스템을 제공한다.

Description

전지팩 냉각 시스템 {Battery Pack Cooling System}

본 발명은 신규한 구조의 전지팩 냉각 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전이 가능한 다수의 판상형 전지셀들 또는 상기 판상형 전지셀 다수를 내장하고 있는 하부단위 모듈들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 상부단위 모듈 다수 개를 포함하는 전지팩; 전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치; 전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기; 및 냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로를 포함하고 있는 전지팩 냉각 시스템에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.

중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

중대형 전지팩이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.

또한, 중대형 전지팩을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.

더욱이, 다수의 전지셀들로 구성된 중대형 전지팩에서, 일부 전지셀의 성능 저하는 전체 전지팩의 성능 저하를 초래하게 된다. 이러한 성능 불균일성을 유발하는 주요 원인 중의 하나는 전지셀 간의 냉각 불균일성에 의한 것이므로, 냉매의 유동시 냉각 균일성을 확보할 수 있는 구조가 요구된다.

한편, 차량용 전지팩의 냉각 시스템은 일반적으로 냉매로서 공기를 사용하는 공냉식 구조로 이루어져 있으며, 냉각 시스템의 외부로부터 공기를 흡입하여 전지팩을 냉각시킨 후 다시 외부로 배출하는 구조로 이루어져 있다. 이러한 냉각 시스템의 외부는 차량의 외부뿐만 아니라, 차량의 트렁크, 탑승공간 등의 내부를 포함하는 개념이다. 그러나, 이러한 구조의 전지팩 냉각 시스템은 많은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 냉매로서 사용되는 공기를 주로 외부로부터 공급받기 때문에 습도, 온도 등의 외부조건에 많은 영향을 받는다. 즉, 공기의 온도 변화에 따라 공기 중의 수분이 응결될 수 있으므로, 온도 및 습도의 조절을 위하여 추가적인 장치가 필요하게 되고, 이로 인하여 냉각 시스템의 크기가 커지거나, 이러한 조절 장치가 없는 경우에 결로에 의한 전기 장치의 이상 작동 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 차량 내부공간의 공기를 사용하는 경우에는 이러한 문제점을 다소나마 해결할 수 있지만, 공기를 흡입 또는 배출하기 위하여 유입구와 배출구가 별도로 구비되어 있어야 하므로, 냉각 시스템의 크기가 더욱 커지는 단점은 여전히 존재한다.

둘째, 냉매의 필터링에 의한 외부물질의 제거에도 불구하고 흡입구와 배출구를 통하여 일부의 외부물질들이 유입되어 전지셀에 접촉되는 경우, 전지셀의 외면에 물리적 또는 화학적 손상을 가할 수도 있다.

또한, 전지셀의 전해액 기화 및 누출이 발생할 경우 폭발이 일어나거나, 탑승자가 누출 기체로부터 개방되어 있어 안전성에 큰 문제점이 있다.

따라서, 냉매의 유로 구조에 따라 전지팩의 냉각 효율성이 크게 차이가 나므로, 보다 콤팩트하며 안정적인 구조와 함께 냉매를 외부로 빠져나가지 못하게 함으로써 냉각 효율성을 향상시키고, 보다 콤팩트하며 안전성이 높은 전지팩 냉각 시스템에 관한 기술의 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 전지 시스템의 크기를 축소하고, 외부의 조건에 영향을 받지 않아 전지팩의 안전성과 수명을 향상시킬 수 있는 폐쇄형 전지팩 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 조립 과정이 간소하고, 콤팩트하며 안정적인 구조를 가지며, 전지셀들 사이의 유로에 흐르는 냉매의 유량을 균일하게 할 수 있고, 전지셀의 충방전시에 발생한 열을 균일한 냉매의 유동에 의해 효과적으로 제거하는 전지팩을 포함하는 전지팩 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩 냉각 시스템은,

충방전이 가능한 다수의 판상형 전지셀들 또는 상기 판상형 전지셀 다수를 내장하고 있는 하부단위 모듈들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 상부단위 모듈 다수 개를 포함하는 전지팩으로서, 수직으로 냉매 유로가 형성되어 있는 다수의 상부단위 모듈들을 측면방향으로 상호 접하도록 배열한 모듈 배열체, 상기 배열 상태를 유지할 수 있도록 모듈 배열체에서 최외각 상부단위 모듈을 각각 감싸고 있는 한 쌍의 사이드 장착부재들, 상기 사이드 장착부재들을 상호 결합시키는 적어도 하나 이상의 서포팅 바, 상기 모듈 배열체가 탑재되는 하단 플레이트, 및 상기 모듈 배열체의 외면을 감싸도록 장착되는 팩 케이스를 포함하고 있는 구조의 전지팩;

전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치;

전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기; 및

냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로;

를 포함하고 있는 구조로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩 냉각 시스템은, 앞서 정의한 바와 같이, 불활성 기체를 냉매로 사용하는 폐쇄형 공냉식 구조로서, 상기 구조의 전지팩을 냉각하여 온도가 상승된 냉매는 열교환기에 의해 온도가 조절된 뒤, 냉매공급장치에 의해 순환된다.

즉, 폐쇄형 냉각 구조로 인해 차량 내부의 운전자가 누출 기체로부터 격리될 수 있고, 상기 불활성 기체는 전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않으므로 폭발성을 낮출 수 있어 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 전지팩은 측면 방향으로 상부단위 모듈 다수 개가 상호 접하도록 배열되어 모듈 배열체를 이루고 있고, 이러한 모듈 배열체를 하단 플레이트에 탑재하고, 양 측면을 사이드 장착부재들로 감싸며, 사이드 장착부재들에 연결되어 있는 서포팅 바 및 모듈 배열체의 외면을 감싸는 팩 케이스에 의해 모듈 배열체가 고정되는 구조로 이루어져 있어서, 전체적으로 조립 과정이 간소하며, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가진다.

바람직한 하나의 예에서, 상기 상부단위 모듈의 냉각을 위한 냉매는 상기 모듈 배열체의 일측 상단쪽에 위치한 냉매 유입구를 통해 유입되어, 상부단위 모듈의 배열 방향으로 진행하면서 각 상부단위 모듈을 수직으로 관통한 후, 냉매 유입구 방향의 모듈 배열체 하단쪽에 위치한 냉매 배출구를 통해 배출되는 구조일 수 있다.

한편, 상기 구조의 전지팩을 구성하는 상부단위 모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 상부단위 모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 상부단위 모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 상부단위 모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 서포팅 바는 냉매의 유동을 상부단위 모듈의 상단쪽으로 유도할 수 있도록 팩 케이스의 내면에 밀착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 서포팅 바는 각각 모듈 배열체의 전면 및 후면 상단을 가압하는 한 쌍의 프레임 또는 각관으로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 모듈 배열체의 양 측면에 위치하는 사이드 장착부재를 상호 결합하는 1 쌍의 프레임 또는 각관 구조로 이루어진 서포팅 바는 모듈 배열체의 전면 및 후면 상단을 각각 가압함과 동시에 팩 케이스의 내면에 밀착되어 있으므로, 모듈 배열체의 일측 상단으로 유입된 냉매를 모듈 배열체의 폭 방향으로 이동시키면서 각각의 상부단위 모듈을 수직 하향으로 관통한 뒤 냉매가 유입된 방향의 팩 케이스 하단으로 배출하도록 유도할 수 있다.

이러한 구조의 서포팅 바는 사이드 장착부재들을 상호 간에 연결하여 결합시키는 역할과, 냉매가 상부단위 모듈의 측면으로 빠져 나가는 것을 방지하고 상부단위 모듈의 수직 하부 방향으로 냉매의 흐름을 유도하는 역할을 동시에 수행한다. 더욱이, 한 개의 부재가 두 가지 역할을 동시에 수행함으로써, 전지팩 냉각시스템을 제조하는 데 소요되는 부품 수와 전지팩 냉각시스템의 제조 공정 수를 줄일 수 있으므로, 궁극적으로 전지팩 냉각시스템의 제조 비용을 크게 절감시킬 수 있다.

상기에서 모듈 배열체의 전면과 후면은 냉매 유입구와 냉매 배출구를 측면으로 하여 설정된 위치이다. 따라서, 그러한 위치는 설정 기준에 따라서는 좌측과 우측의 위치로 변경될 수도 있으며, 다수의 상부단위 모듈들이 연속적으로 접하면서 배열되어 있는 모듈 배열체를 고정하는 작용을 하는 위치를 의미한다.

본 명세서에서 상기 냉매 유입구 및 냉매 배출구는 전지셀들의 충방전에 따른 열의 발생을 효과적으로 냉각시키기 위한 냉매가 유입 및 배출될 수 있는 유동 공간으로서, 팩 케이스의 상부 또는 하부에 각각 형성된 유동 공간을 의미한다.

상기에서는, 냉매 유입구가 모듈 배열체의 일측 상단에 위치하고 냉매 배출구가 냉매 유입구의 방향으로 모듈 배열체의 하단쪽에 위치하는 것으로 정의되어 있지만, 그와 반대 구조가 가능함은 물론이며, 이러한 구조 역시 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 냉매 유입구의 단면적이 냉매 배출구의 단면적보다 크거나 같으면 유량이 유입구 근처의 상부단위 모듈 사이의 유로에 많이 유입되는 경향이 나타나고, 유입구로부터 먼 쪽의 상부단위 모듈들 사이의 유로에는 유량이 많이 감소하여 상부단위 모듈들 간의 균일한 냉각이 어렵게 된다.

따라서, 본 발명의 또 다른 바람직한 예로서, 상기 냉매 유입구의 수직 단면적은 냉매 배출구의 수직 단면적보다 작은 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 구조는 종래의 냉매 유입구의 수직 단면적이 냉매 배출구의 수직 단면적보다 크거나 동일한 경우와 비교하여, 전지셀들 사이의 유로에 흐르는 냉매의 유량을 균일하게 할 수 있고, 전지셀의 충방전시에 발생한 열을 균일한 냉매의 유동에 의해 효과적으로 제거할 수 있으므로, 냉각 효율성이 높아지고 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 냉매 유입구의 수직 단면적은 냉매 배출구의 수직 단면적을 기준으로 30 내지 90%의 크기를 가지는 구조로 형성될 수 있다. 냉매 유입구의 수직 단면적이 너무 작은 경우에는 냉매의 유동을 위한 에너지 소비량이 지나치게 커지는 문제점이 있고, 반대로 너무 큰 경우에는 앞서 설명한 바와 같은 냉매 유량의 상부단위 모듈간 균일한 분배가 어려울 수 있으므로, 바람직하지 않다.

상기 팩 케이스는 상부단위 모듈의 배열방향에 대응하는 길이가 상부단위 모듈의 폭방향에 대응하는 길이보다 상대적으로 긴 구조로 이루어져 있다.

따라서, 냉매 유입구로부터 유입된 냉매는 상부단위 모듈들의 상면과 팩 케이스 사이에 형성된 긴 냉매 유동 공간을 흐르면서 각각의 상부단위 모듈을 수직으로 관통한 후 냉매 배출구로 배출되는 구조를 가진다.

경우에 따라서는, 상기 팩 케이스의 상단 내면에는 뒤틀림, 진동 등과 같은 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 모듈 배열체의 길이방향으로 다수의 요철부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.

이러한 요철부는 폭 대비 길이가 큰 비드들로서, 팩 케이스의 내측으로 만입된 구조로 이루어진 만입형 비드, 또는 외측으로 돌출된 돌출형 비드 구조로 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 만입형 비드는 모듈 배열체 내부로의 냉매 유동에 대한 영향을 최소화할 수 있도록, 상기 비드의 만입 높이는 냉매 유입구 방향으로 그것의 깊이가 줄어드는 구조로 이루어질 수 있다.

즉, 냉매의 유동이 비드로부터 받는 영향은 냉매 유입구 부근에서 가장 크므로, 냉매 유입구 부근의 비드의 깊이를 상대적으로 작게 하고, 냉매 유입구로부터 멀어질수록 순차적으로 비드의 깊이를 증가시키는 구조를 사용한다. 따라서, 냉매 유입구 쪽의 비드의 깊이를 낮게 형성시키는 구조를 사용하여 비드가 냉매의 유동에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

또 다른 예로서, 상기 돌출형 비드는 모듈 배열체 내부로의 냉매 유동에 대한 영향을 최소화할 수 있도록, 상기 비드의 돌출 높이는 냉매 유입구 방향으로 그것의 높이가 줄어드는 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 구조에 의한 효과는 상기 만입형 비드의 경우와 대략 유사하므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이러한 구조들은, 팩 케이스의 구조적 안정성 저하를 최소화하면서 상부단위 모듈들 사이의 유량 분배 균일성을 더욱 증가시키기 위해, 냉매 유입구쪽 비드의 깊이 또는 높이를 상대적으로 작게 하고, 냉매 유입구로부터 멀어지는 방향에서 순차적으로 비드의 깊이 또는 높이를 증가시키거나, 또는 소정의 깊이 또는 높이까지 순차적으로 증가시킨 후 다음 특정 비드부터 원래의 비드 깊이 또는 높이를 유지하는 구조 등을 모두 포함한다. 이 경우, 깊이 또는 높이가 변하는 비드의 개수는 비드 깊이 조정에 따른 팩 케이스의 구조적 강도가 감소하는 정도를 고려하여 적절히 결정할 수 있다.

냉매의 유동을 방해하지 않는 비드 구조와 관련한 또 하나의 바람직한 예로서, 상기 모듈 배열체 내부로의 냉매 유동에 대한 영향을 최소화할 수 있도록, 냉매 유입구로부터 소정 거리에서 비드가 형성되어 있지 않은 구조로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 비드들은 상부단위 모듈의 폭방향에 평행하게 형성되어 있으며, 상기 냉매 유입구에 인접한 부위에는 비드가 형성되어 있지 않은 구조일 수 있다.

즉, 냉매의 유동이 비드로부터 받는 영향은 냉매 유입구 부근에서 가장 크므로, 냉매 유입구로부터 소정의 간격만큼 떨어진 곳에서부터 비드를 형성하면, 비드가 냉매의 유동에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

상기 하단 플레이트는 모듈 배열체의 양측 하단부만을 지지하도록 굴곡진 구조로 이루어져 있어서, 하단 플레이트의 상면과 모듈 배열체의 하면 사이에 냉매 유로가 형성되고, 상부단위 모듈들을 수직으로 관통한 냉매는 상기 냉매 유로를 따라 냉매 배출구로 배출되는 구조를 가진다.

본 명세서에서 사용된 용어 "상부단위 모듈"은 둘 또는 그 이상의 충방전 전지셀들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 소형 상부단위 모듈을 다수 개 연결한 대형 상부단위 모듈의 구성도 가능하다.

따라서, 상기 상부단위 모듈은 충방전이 가능한 다수의 판상형 전지셀들 또는 상기 판상형 전지셀 다수를 내장하고 있는 하부 단위모듈들이 모듈 케이스에 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 본 명세서에서 '판상형'은 폭 대비 길이가 상대적으로 큰 직육면체 형상을 의미한다.

한편, 본 발명에서 상기 "불활성 기체"는 열교환 시스템 내부에서 유동이 자유로우며, 전지팩의 작동 적정온도를 용이하게 조절할 수 있도록 하는 기체로서, 바람직하게는 X(X: He, Ne, Ar, Kr, Xe), N₂, 및 CO₂로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다. 이러한 불활성 기체는 수분을 포함하지 않으므로, 종래기술에서 공기를 냉매로 사용할 경우 온도 차에 의해 수분 응결이 일어나는 문제점을 미연에 방지하여 전지팩의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 유로는 냉매가 용이하게 유동할 수 있도록 덕트(duct) 구조로 이루어질 수 있지만, 냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 냉매공급장치는 냉매의 구동력을 제공할 수 있도록, 예를 들어 팬(fan) 또는 송풍기(blower)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 냉매공급장치의 일측에는 냉매를 공급하는 냉매 저장소를 추가로 포함할 수도 있다.

한편, 전지팩의 크기가 크고 냉매의 전체 유량이 많은 대형 공냉 시스템을 형성할 경우에는 상기 열교환기와 냉매공급장치 사이에 냉매 플리넘(plenum)이 추가로 위치할 수 있다. 상기 "냉매 플리넘"은 냉매 저장공간으로서, 냉매의 유동을 균일하게 하는 역할을 한다.

상기 전지셀은 이차전지로서, 대표적으로 니켈 수소 이차전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도가 높고 방전 전압이 큰 리튬 이차전지가 특히 바람직하다. 상부단위 모듈을 구성하는 충방전 단위셀로서 형상 면에서는 각형 전지와 파우치형 전지가 바람직하며, 제조비용이 낮고 중량이 적은 파우치형 전지가 더욱 바람직하다.

본 발명은 또한, 상기 전지팩 냉각 시스템을 포함하고 있는 차량을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 차량은 소망하는 출력 및 용량에 따라 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있다.

동력원들 중의 하나로서 또는 동력원 자체로서 전지팩을 사용하는 상기 차량들의 구조 및 그것의 제조방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩 냉각 시스템은 냉매를 시스템 외부로부터 유입하지 않고, 열교환 장치에 의해 내부에서 불활성 기체를 순환시키는 폐쇄형 냉각 시스템을 사용함으로써, 전지 시스템의 크기를 축소하고, 외부의 조건에 영향을 받지 않아 전지팩의 안전성과 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 전지팩 냉각 시스템을 구성하는 전지팩이 전체적으로 조립 과정이 간소하고, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며, 모듈 배열체의 양측면을 한 쌍의 서포팅 바가 가압하고 있으므로, 냉매가 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예 따른 전지팩 냉각 시스템의 구성 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지팩의 투시 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지팩에서 팩 케이스를 제외한 구조의 사시도이다;
도 4는 도 3의 전지팩에서 Y형 측면 보강부재가 장착된 부위를 확대한 모식도이다;도 5는 도 4의 전지팩에서 우측 부위를 확대한 부분 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉매 유입구에 인접한 부위에 요철부가 형성되지 않은 구조를 가진 전지팩을 나타내는 단면 모식도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉매 유입구 방향으로 요철부의 깊이가 순차적으로 감소하는 구조를 가진 전지팩을 나타내는 단면 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예 따른 전지팩 냉각 시스템의 구성 모식도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전지팩 냉각 시스템(600)은 전지팩(100), 송풍기(200), 열교환기(300), 덕트(400), 및 냉매 플리넘(500)으로 구성되어 있다.

송풍기(200)는 불활성 기체를 전지팩(100)으로 이송시키는 구동력을 제공하고, 불활성 기체는 전지팩(100)으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지하는 기체로 이루어져 있다.

열교환기(300)는 전지팩(100)을 통과한 불활성 기체의 온도를 낮추는 역할을 한다. 일반적으로, 전지팩(100)은 충방전시 전지셀들의 발열로 인해 온도가 상승하게 된다. 따라서, 전지팩(100)을 통과한 불활성 기체는 전지셀들로부터 전달된 열에 의해 온도가 높은 상태이므로, 열교환기(300)에 의해 온도가 낮아진 상태에서 다시 순환하게 된다.

경우에 따라서는, 다양한 요인에 의해 전지팩(100)의 온도가 지나치게 낮을 경우, 예를 들어, 겨울철의 주변 온도 등에 의해 전지팩(100)의 온도가 낮을 경우, 열교환기(300)는 불활성 기체의 온도를 적정 온도로 상승시켜, 전지팩(100)을 구성하는 전지셀(10)의 온도를 상승시켜 적절한 작동 상태를 제공할 수도 있다.

덕트(400)는 불활성 기체(20)가 순환할 수 있도록 전지팩(100), 송풍기(200), 및 열교환기(300)를 유체적으로 폐쇄형으로 연결하고 있다. 또한, 대형 공냉 시스템의 경우, 송풍기(200)와 열교환기(300)의 사이에 냉매 플리넘(500)을 위치시켜, 냉매의 유동을 균일하게 할 수도 있다.

따라서, 폐쇄형의 전지팩 냉각 시스템(600)은 전지팩(100)을 통과하는 과정에서 온도가 상승된 불활성 기체가 열교환기(300)에 의해 온도가 조절된 후, 송풍기(200)에 의해 순환됨으로써, 차량 내부의 운전자가 누출 기체로부터 격리되고, 불활성 기체는 전지팩(100)으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않으므로 폭발성을 낮출 수 있어 전지팩(100)의 안전성을 크게 향상시킨다.

도 2에는 도 1의 전지팩의 투시 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전지팩에서 팩 케이스를 제외한 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 10개의 상부단위 모듈들(110)을 측면방향으로 상호 접하도록 배열한 모듈 배열체(110a), 모듈 배열체(110a)가 탑재되는 하단 플레이트(120), 모듈 배열체(110a)에서 최외각 상부단위 모듈들(112, 114)을 각각 감싸고 있는 한 쌍의 사이드 장착부재(130), 사이드 장착부재들을 상호 결합시키는 2개의 서포팅 바(140), 및 모듈 배열체(110a)의 외면을 감싸도록 장착되는 팩 케이스(170)로 구성되어 있다.

상부단위 모듈(110)은 충방전이 가능한 다수의 판상형 전지셀들 또는 판상형 전지셀 다수를 내장하고 있는 하부단위 모듈들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.

또한, 상부 단위모듈들(110)은 하단 플레이트(120) 상에 수직으로 세워져서 측면 방향으로 배열되며, 그것의 상면에는 냉매가 상부 단위모듈(110)을 수직으로 관통할 수 있는 다수의 관통구들(116)이 형성되어 있다.

사이드 장착부재(130)는 최외각 상부 단위모듈들(112, 114)의 외면과 밀착되고 하단 플레이트(120)에 결합되어 있다. 경우에 따라서는, 사이드 장착부재(130)는 별도의 판상형 구조체가 아닌 전지팩을 구성하는 구성요소 자체일 수 있다. 예를 들어, 도면에서는 하나의 사이드 장착부재만이 판상형 구조체인 것으로 도시되어 있다.

또한, 사이드 장착부재(130)는 그것의 단부에서 돌출된 하단 연장부(135)가 하단 플레이트(120)의 탑재부(122)상에 접하도록 위치시키고, 하단 플레이트(120)에 형성되어 있는 장방형의 체결용 홈(도시하지 않음)과 사이드 장착부재(130)의 하단 연장부(135)에 형성되어 있는 원형의 체결용 홈(136)을 이용하여 암나사/수나사식 체결구조로 결합한다.

모듈 배열체(110a)의 상면에는 한 쌍의 서포팅 바(140)가 모듈 배열체의 상단 양측 모서리를 가압하면서 사이드 장착부재(130)의 양측 상단부와 각각 결합되어 있다. 이러한 서포팅 바(140)는, 구체적으로, 각각 모듈 배열체(110a)의 전면 및 후면 상단을 가압하는 1 쌍의 프레임으로 이루어져 있다. 이러한 프레임은 냉매의 유동을 상부 단위모듈(110)의 상단쪽으로 유도할 수 있도록 팩 케이스(170)의 내면에 밀착되어 있어서, 상부 단위모듈들(110)을 냉각시키는 냉매가 모듈 배열체(110a)의 측면으로 빠져나가지 못하도록 차단한다.

냉매는 모듈 배열체(110a)의 전면 일측 상단(A)으로 유입된 후 모듈 배열체(110a)의 길이 방향(L)으로 이동하면서 각 상부 단위모듈을 수직 하향으로 관통한 뒤 모듈 배열체(110a)의 전면 일측 하단(B)으로 배출된다.

또한, 팩 케이스(170)가 상부 단위모듈들(110)의 외면을 감쌀 수 있도록, 팩 케이스(170)의 연장부(도시하지 않음)가 하단 플레이트(120)의 연장부(125)에 장착되어 있다. 더욱이, 팩 케이스(170)의 상단 내면에는 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 모듈 배열체(110a)의 길이방향으로 다수의 요철부들(172)이 형성되어 있다.

도 4에는 도 3의 전지팩에서 Y형 측면 보강부재가 장착된 부위를 확대한 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전지팩에서 우측 부위를 확대한 부분 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 팩 케이스(도시하지 않음)에 밀착되는 서포팅 바(140)는, 사이드 장착부재들(130)을 상호간 연결함과 동시에 냉매를 상부 단위모듈(110)들의 측면으로 빠져나가지 못하도록 하고, 이는 냉매를 상부 단위모듈들 (110) 사이에 위치하고 있는 관통구들(116)의 수직 하향 방향으로 관통하도록 유도함으로써 냉각 효율성을 향상시킨다.

도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉매 유입구에 인접한 부위에 요철부가 형성되지 않은 구조를 가진 전지팩을 나타내는 단면 모식도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 냉매 유입구(174)로 유입된 냉매는 화살표 방향과 같이 각각의 상부 단위모듈들(110) 사이를 수직으로 관통하여 상부 단위모듈들(110)을 냉각시킨 후 냉매 배출구(176)로 배출되는 구조로 이루어져 있다.

팩 케이스(170a)에는 냉매 유입구(174)에 인접한 부위(S)를 제외하고 요철부인 만입형 비드들(172)이 냉매 유입구(174)로부터 유체의 진행 방향으로 냉매의 유동을 방해하지 않는 구조로 폭 대비 길이가 큰 요철 형상의 구조로 형성되어 있다.

냉매 유입구(174)의 수직 단면적(a)은 냉매 배출구(176)의 수직 단면적(b)과 비교하여 대략 70%의 크기를 가지고 있으므로, 냉매 유입구(174) 부위의 냉매 유속이 냉매 배출구(176) 부위의 냉매 유속보다 상대적으로 높게 되어, 냉매 유입구(174)로부터 먼 거리에 위치한 상부 단위모듈(110r)까지 냉매를 균등하게 분포시킬 수 있다.

또한, 냉매 유입구(174)에 인접한 부위(S)를 제외한 팩 케이스(170a)의 부위에 만입형 비드들(172)이 형성되어 있어서 냉매 유입구(174)보다 먼 거리에 위치한 상부 단위모듈(110r)까지 냉매를 보다 효율적으로 균등하게 분포시킬 수 있다. 즉, 냉매 유입구(174)와 상부 단위모듈들(110, 110n, 110r) 간의 거리차에 따른 유량차의 차이를 더욱 줄일 수 있다.

도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉매 유입구 방향으로 요철부의 깊이가 순차적으로 감소하는 구조를 가진 전지팩을 나타내는 단면 모식도가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 팩 케이스(170b)는 상부단위 모듈 배열방향(L)에 대응하는 길이가 상부단위 모듈의 폭 방향(W)에 대응하는 길이보다 상대적으로 길고, 요철부인 만입형 비드들(172)은 상부단위 모듈의 폭 방향(W)에 평행하게 형성되어 있다.

또한, 냉매 유입구(174)에 인접한 부위에서 비드들(172)의 요철 깊이는 냉매 유입구(174) 방향으로 순차적으로 줄어드는 구조(h1<h2<h3)로 이루어져 있다. 이러한 비드(172) 구조로 인해 냉매 유량 분배의 균일성을 더욱 높일 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

1. 전지팩을 냉각하기 위한 전지팩 냉각 시스템으로서,
   충방전이 가능한 다수의 판상형 전지셀들 또는 상기 판상형 전지셀 다수를 내장하고 있는 하부단위 모듈들이 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 상부단위 모듈 다수 개를 포함하는 전지팩으로서, 수직으로 냉매 유로가 형성되어 있는 다수의 상부단위 모듈들을 측면방향으로 상호 접하도록 배열한 모듈 배열체, 상기 배열 상태를 유지할 수 있도록 모듈 배열체에서 최외각 상부단위 모듈을 각각 감싸고 있는 한 쌍의 사이드 장착부재들, 상기 사이드 장착부재들을 상호 결합시키는 적어도 하나 이상의 서포팅 바, 상기 모듈 배열체가 탑재되는 하단 플레이트, 및 상기 모듈 배열체의 외면을 감싸도록 장착되는 팩 케이스를 포함하고 있는 구조의 전지팩;
   전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치;
   전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기; 및
   냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로;
   를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부단위 모듈의 냉각을 위한 냉매는 상기 모듈 배열체의 일측 상단쪽에 위치한 냉매 유입구를 통해 유입되어, 상부단위 모듈의 배열 방향으로 진행하면서 각 상부단위 모듈을 수직으로 관통한 후, 냉매 유입구 방향의 모듈 배열체 하단쪽에 위치한 냉매 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 서포팅 바는 냉매의 유동을 상부단위 모듈의 상단쪽으로 유도할 수 있도록 팩 케이스의 내면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 서포팅 바는 각각 모듈 배열체의 전면 및 후면 상단을 가압하는 한 쌍의 프레임 또는 각관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 상부단위 모듈 배열방향에 대응하는 길이가 상부단위 모듈의 폭방향에 대응하는 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스의 상단 내면에는 모듈 배열체의 길이방향으로 다수의 요철부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 플레이트는 모듈 배열체의 양측 하단부만을 지지하도록 굴곡진 구조로 이루어져 있어서, 하단 플레이트와 모듈 배열체 사이에 냉매 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 불활성 기체는 X(X: He, Ne, Ar, Kr, Xe), N₂, 및 CO₂로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 유로는 덕트 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매공급장치는 팬 또는 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기와 냉매공급장치 사이에는 냉매의 유동을 균일하게 하기 위한 냉매 플리넘이 추가로 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
13. 제 1 항에 따른 전지팩 냉각 시스템을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 차량.

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