KR20140124064A - 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 냉각 시스템은, 냉각판을 통과하는 냉각수의 유량이 고르게 분배되어, 냉각판의 위치에 따른 온도 편차가 줄어들게 되므로 셀 모듈을 고르게 냉각시켜 냉각 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 냉각판의 유로들 중에서 일부 유로에 유동 저항을 발생시키는 날개부들이 구비됨으로써, 상기 날개부들에 의해 유속이 감소되어 냉각수의 일시 정체 현상으로 인해 열전달이 이루어지는 시간이 증가되므로 열전달 효율이 보다 향상될 수 있는 이점이 있다.

Description

전기 자동차의 배터리 냉각 시스템{Battery cooling system of an Electric Vehicle}

본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 원동기를 동력원으로 하여 주행하고 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 하는 기계를 말한다. 상기 자동차는 원동기의 종류에 따라 분류할 수 있다. 상기 자동차는 가솔린 기관을 원동기로 하는 가솔린 자동차와, 디젤 기관을 원동기로 하는 디젤 자동차와, 액화 석유가스를 연료로 하는 LPG차와, 가스 터빈을 원동기로 하는 가스 터빈 자동차와, 모터를 원동기로 하고 배터리에 충전된 전기를 사용하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)로 분류할 수 있다. 가솔린, 디젤, LPG 등의 화석 연료를 사용하는 자동차의 경우, 배기 가스로 인한 환경오염과 석유 자원의 고갈을 일으켜 그 대안으로 전기를 동력으로 움직이는 전기 자동차가 대두되고 있다.

전기 자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 얻는 구동 모터를 이용함으로써, 가솔린이나 디젤 등의 화석연료를 이용하여 동력을 얻는 엔진에 비해 이산화탄소의 배출이 없으므로 친환경 자동차로 각광받고 있다. 최근 들어 치솟는 유가와 배기가스 규제 강화가 전기 자동차 개발의 속도를 빠르게 하고 있으며, 시장 규모도 급성장 중이다.

그러나, 전기 자동차의 경우 고효율을 내기 위해서는 전체 중량이 가볍고 전체 크기가 보다 컴팩트화 되어야 하므로, 컴팩트화된 배터리의 내부를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명의 목적은, 배터리를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전기자동차의 배터리 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 복수의 셀들이 적층된 셀 모듈과, 상기 셀 모듈의 일측면에 접하도록 배치되고, 냉각수가 통과하는 내부 유로를 형성하는 냉각 판과, 상기 냉각 판의 내부에 구비되고, 상기 내부 유로를 복수의 유로로 구획하여 냉각수 유량을 분배하는 복수의 격벽들과, 상기 복수의 유로들 중 적어도 일부에 돌출 형성되어, 냉각수의 유속을 감속시키는 복수의 날개부들을 포함한다.

본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 냉각 시스템은, 냉각판을 통과하는 냉각수의 유량이 고르게 분배되어, 냉각판의 위치에 따른 온도 편차가 줄어들게 되므로 셀 모듈을 고르게 냉각시켜 냉각 효율이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 냉각판의 유로들 중에서 일부 유로에 유동 저항을 발생시키는 날개부들이 구비됨으로써, 상기 날개부들에 의해 유속이 감소되어 냉각수의 일시 정체 현상으로 인해 열전달이 이루어지는 시간이 증가되므로 열전달 효율이 보다 향상될 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 날개부들은, 냉각판의 외측에서 눌러 찍어 내부를 향해 돌출되도록 형성함으로써, 제작이 용이하고 구조가 간단한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈과 냉각판이 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각판의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 A-A선으로 자른 단면도이다.
도 5는 도 3에서 B-B선으로 자른 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템은, 배터리(100), 공기조화유닛(10) 및 배터리 냉각유닛(20)을 포함한다.

상기 배터리(100)는, 에너지 저장 모듈(ESM, Energy Storage Module or RESS, Rechargeable Energy Storage System)이라고도 하며, 이하 배터리라고 한다. 상기 배터리(100)는, 배터리 커버(101), 배터리 캐리어(102), 복수의 셀 모듈 어셈블리(CMA, Cell Module Assembly)(110)를 포함한다.

상기 복수의 셀 모듈 어셈블리(110)는 전류를 생성하는 것으로, 복수의 셀 모듈들(40)이 상하 또는 수평방향으로 적층되어 이루어진다.

상기 셀 모듈(40)은 복수의 셀들(50)을 포함한다. 상기 복수의 셀들(50)은 연직방향으로 세워져 수평방향으로 적층된다. 본 실시예에서는, 상기 복수의 셀들(50)은 좌우방향으로 적층 배치된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 공기조화 유닛(10)은 차실을 냉방시키기 위한 공기조화 장치이다. 상기 공기조화유닛(10)은, 압축기(2), 응축기(3), 증발기(4), 제1팽창밸브(5), 송풍팬(6), 제1,2냉매유로(7)(8)를 포함한다. 상기 제1냉매 유로(7)는 상기 응축기(3)와 상기 팽창장치(5)를 연결한다. 상기 제2냉매 유로(8)는 상기 증발기(4)와 상기 압축기(2)를 연결한다. 상기 제1냉매 유로(7)에는 상기 응축기(3)에서 응축된 냉매 중 적어도 일부를 후술하는 냉각기(30)로 바이패스하는 바이패스 유로(12)가 연결된다. 상기 바이패스 유로(12)에는 제2팽창밸브(16)가 설치된다. 상기 제2냉매 유로(8)에는 상기 냉각기(30)를 통과한 냉매를 안내하는 냉각기 토출 유로(14)가 연결된다.

상기 배터리 냉각 유닛(20)은, 냉각기(30), 냉각수 유로(21)(22), 냉각수 탱크(24), 냉각수 펌프(25), 셀 모듈(40)에 결합된 냉각판(80)을 포함한다.

상기 냉각기(30)는 상기 제1바이패스 유로(12)로 바이패스된 냉매와 냉각수를 열교환시키는 장치이다.

상기 냉각수 탱크(24)는 상기 냉각기(30) 전단에서 냉각 유로에 포함된 기체 제거 및 냉각수 보충을 위해 냉각수를 저장하는 저장소이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 냉각판(80)은 상기 셀 모듈(40)의 일측면에 접하도록 배치되고, 상기 복수의 셀들(50)의 적층방향인 좌우방향으로 냉각수가 흐르도록 내부 유로를 형성한다.

상기 냉각판(80)의 일측에는 상기 냉각기(30)로부터 냉각된 냉각수가 유입되는 냉각수 입구(80a)가 형성되고, 타측에는 상기 냉각판(80)을 통과한 냉각수를 외부로 배출하는 냉각수 출구(80b)가 형성된다.

도 3을 참조하면, 상기 냉각판(80)의 내부 유로는, 복수의 격벽들(83)(93)(94)에 의해 복수의 유로로 구획되고, 상기 복수의 유로들에는 복수의 날개부들(96)(97)이 형성된다.

상기 복수의 격벽들(83)(93)(94)은, 중간 격벽(83), 유입부 격벽(93), 배출부 격벽(94)를 포함한다.

상기 중간 격벽(83)은, 상기 냉각판(80)의 내부 중앙에 형성되어, 상기 냉각판(80)의 내부를 외부로부터 냉각수가 유입되는 유입부(91)와, 상기 유입부(91)를 통과한 냉각수를 외부로 배출하는 배출부(92)로 구획한다. 상기 중간 격벽(93)은 상기 냉각판(80)의 유동방향인 좌우방향으로 길게 형성된다. 상기 중간 격벽(93)은, 상기 냉각판(80)에서 상기 유입부(91)와 배출부(92)가 형성된 좌측면(80c)에 연결되고, 반대편인 우측면(80d)에서 소정간격 이격된 위치까지만 형성되어, 상기 유입부(91)를 통과한 냉각수를 상기 배출부(92)로 안내하도록 연결 유로(82)를 형성한다. 상기 유입부(91)의 좌측면 중앙에는 상기 냉각수 입구(80a)가 형성되고, 상기 배출부(92)의 좌측면 중앙에는 상기 냉각수 출구(80b)가 형성된다.

상기 유입부 격벽(93)은 상기 유입부(91)를 복수의 유입 유로로 나눈다. 상기 유입부 격벽(93)은 복수개가 서로 이격되게 형성되고, 각각 상기 유입부(91)에서 냉각수의 유입 방향으로 길게 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 유입부 격벽(93)은 5개로 이루어지고 6개의 유입 유로로 나누는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 냉각수 입구(80a)로부터 유입된 냉각수는 복수의 유입부 격벽들(93)에 의해 복수의 유입 유로로 분배되어 흐르게 된다.

상기 배출부 격벽(94)은 상기 배출부(92)를 복수의 배출 유로로 나눈다. 상기 배출부 격벽(94)은 복수개가 서로 이격되게 형성되고, 각각 상기 배출부(92)에서 냉각수의 배출 방향과 평행한 방향으로 길게 형성된다. 본 실시예에서는 상기 배출부 격벽(94)는 5개로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 유입부 격벽들(93)과 상기 배출부 격벽들(94) 중 적어도 일부에는 복수의 날개부들(96)(97)이 구비된다.

상기 복수의 날개부들(96)(97)은, 상기 유입부(91)측에만 형성된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 유입부(91)와 상기 배출부(92)에 각각 형성되는 것도 물론 가능하다.

상기 복수의 날개부들(96)(97)은, 상기 복수의 유입부 격벽들(93) 중 적어도 일부 격벽들 사이에 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 6개의 유입유로들 중에서 중앙측에 위치한 4개의 유로들에만 상기 복수의 날개부들(96)(97)을 형성한 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 냉각수 입구(80a)가 상기 유입부(80a)의 중앙에 형성되기 때문에, 상기 중앙측에 위치한 유로로 유입되는 냉각수의 유량이 상대적으로 많아질 수 있다. 그러나, 상기 중앙측에 위치한 4개의 유로들에 상기 복수의 날개부들(96)(97)이 형성됨으로써, 상기 날개부들(96)(97)이 유동 저항을 발생시켜 냉각수의 유속 및 유량이 감소하게 되므로, 주변 유로로 유량이 증가하게 된다. 따라서, 상기 복수의 유입유로들의 유량이 비슷해질 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 냉각수 입구(80a)가 중앙측에 형성되어, 상기 복수의 날개부들(96)(97)이 상기 중앙측 유로들에 형성된 것으로 예를 들어 설명하였으나, 상기 냉각수 입구(80a)의 위치는 달라질 수 있으며 상기 복수의 날개부들(96)(97)은 상기 냉각수 입구(80a)와 대향되는 유로들에 형성될 수 있다.

상기 복수의 날개부들(96)(97)은, 상기 유입부 격벽들(93) 사이에서 소정의 각도로 기울어진 방향으로 형성된다. 상기 복수의 날개부들(96)(97)은, 중앙측으로 유입되는 냉각수가 양측방향으로 퍼지도록 상기 복수의 유입유로들 중 최외곽 유로를 향한 방향으로 기울어지게 형성된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 복수의 날개부들(96)(97)은, 상기 냉각판(80)의 상면(81)에서 하향 돌출된 상측 날개부(96)와, 상기 냉각판(80)의 하면(92)에서 상향 돌출된 하측 날개부(97)로 이루어진다. 상기 상측 날개부(96)는, 상기 냉각판(80)의 상면을 외측에서 눌러 찍어서 하향 돌출되게 형성된다. 상기 하측 날개부(97)는 상기 냉각판(80)의 하면을 외측에서 눌러 찍어서 상향 돌출되게 형성된다.

상기 상측 날개부(96)와 상기 하측 날개부(97)는 상기 복수의 유입부 격벽들(93)의 길이 방향을 따라 서로 소정간격 이격되게 교대로 반복하여 배치된다. 즉, 상기 상측 날개부(96)는 상기 유입부 격벽(93)의 길이방향을 따라 소정간격 이격되게 복수개가 배치되고, 상기 하측 날개부(96)는 복수개가 상기 복수의 상측 날개부들(96) 사이 사이에 배치된다.

한편, 본 실시예에서는, 상기 냉각판(80)으로 공급되는 냉각수가 상기 공기조화유닛(10)에서 냉각된 냉매와 열교환되어 공급되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 외부로부터 냉각수를 직접 공급받는 것도 물론 가능하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 작용을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 상기 공기조화유닛(10)이 작동되면, 상기 공기조화유닛(10)을 순환하면서 상기 응축기(3)에서 냉각된 냉매가 상기 제1바이패스 유로(12)를 통해 상기 냉각기(30)로 유입된다.

상기 냉각기(30)에서는 상기 공기조화유닛(10)의 냉매와 상기 배터리 냉각 유닛(20)의 냉각수가 열교환한다.

상기 냉각기(30)에서 냉각된 냉각수는 상기 냉각수 공급유로(21)를 통해 상기 냉각판(80)으로 공급된다. 상기 냉각수는 상기 냉각수 입구(80a)를 통해 상기 유입부(91)로 공급된다.

상기 유입부(91)로 공급된 냉각수는 상기 복수의 유입부 격벽들(93)에 의해 상기 복수의 유입 유로들로 분배된다.

상기 복수의 유입 유로들 중 상기 복수의 날개부들(96)(97)이 형성된 중앙측 유로에서는, 상기 날개부들(96)(97)에 의해 유동 저항이 발생되고, 이로 인해 냉각수의 유속 및 유량이 감소하게 된다. 따라서, 상기 날개부들(96)(97)이 형성되지 않은 주변 유로로의 유량이 증가될 수 있다. 따라서, 전체 유입 유로들의 유량 및 유속이 유사하게 조절되면, 상기 냉각판(80)의 위치에 따른 온도 편차가 줄어들게 되므로 상기 셀 모듈(40)을 고르게 냉각시켜 냉각 효율이 향상될 수 있다.

또한, 상기 날개부들(96)(97)에 의해 유속이 감소되고, 와류가 형성되어, 냉각수의 일시 정체 현상으로 인해 열전달이 이루어지는 시간이 증가되어, 열전달 효율이 보다 향상될 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

40: 셀 모듈 50: 셀
80: 냉각 판 83: 중간 격벽
91: 유입 유로 92: 배출 유로
93: 유입부 격벽 94: 배출부 격벽
96: 상측 날개부 95: 하측 날개부

Claims (7)

1. 복수의 셀들이 적층된 셀 모듈과;
   상기 셀 모듈의 일측면에 접하도록 배치되고, 냉각수가 통과하는 내부 유로를 형성하는 냉각 판과;
   상기 냉각 판의 내부에 구비되고, 상기 내부 유로를 복수의 유로로 구획하여 냉각수 유량을 분배하는 복수의 격벽들과;
   상기 복수의 유로들 중 적어도 일부에 돌출 형성되어, 냉각수의 유속을 감속시키는 복수의 날개부들을 포함하는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 격벽들은,
   상기 냉각판의 내부를 외부로부터 냉각수가 유입되는 유입부와, 상기 유입부를 통과한 냉각수를 외부로 배출하는 배출부로 구획하는 중간 격벽과;
   상기 유입부를 복수의 유입 유로로 나누는 복수의 유입부 격벽들과;
   상기 배출부를 복수의 배출 유로로 나누는 복수의 배출부 격벽들을 포함하는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 복수의 날개부들은, 상기 복수의 유입부 격벽들 중 적어도 일부 격벽들 사이에 형성된 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 날개부들은,
   상기 복수의 격벽들 사이에서 소정의 각도로 기울어지게 형성된 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 날개부들은,
   상기 냉각판의 내측 상면에서 하향 돌출된 상측 날개부와, 상기 내각판의 내측 하면에서 상향 돌출된 하측 날개부를 포함하는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 상측 날개부와 하측 날개부는 상기 격벽들의 길이방향을 따라 서로 소정간격 이격되게 교대로 반복하여 배치되는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 날개부들은,
   상기 냉각판의 외측벽에서 눌러 찍어서 내부를 향해 돌출된 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.

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