KR20150035058A

KR20150035058A - 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈 및 이를 적용한 차량 배터리 시스템

Info

Publication number: KR20150035058A
Application number: KR20130115180A
Authority: KR
Inventors: 김용정
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-06

Abstract

본 발명의 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈(1)은 셀(Cell)(15)과 냉각유로 패널(17)이 다수로 적층된 CMA(Cell Module Assembly)(10)의 하부에서 냉각수를 저장하는 한쌍의 제1,2유량분배기(50-1,50-2)와, 냉각수가 흐르도록 한쌍의 제1,2유량분배기(50-1,50-2)를 연결하는 냉각수 파이프(30-1,30-2)와, 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용과 냉각수 온도를 올려주는 가열작용이 이루어지는 열전소자(60)로 구성된 온도조절기(20)가 포함됨으로써, 셀(Cell)의 온도 상승을 가져오는 충방전 시 열전소자로 냉각수의 열을 흡열하여 냉각수 온도를 낮추고 반면 출력 저하를 가져오는 저온 방전시 냉각수를 가열해 냉각수 온도를 높여줌으로써 셀(Cell)이 항상 최적 작동온도(25℃~35℃)로 유지될 수 있고, 특히 차량 충돌/진동에 강한 내구성을 가지면서도 손상이나 파손 시 냉각수 유출로 인한 배터리 쇼트(Short)의 가능성이 최소화되는 특징을 갖는다.

Description

냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈 및 이를 적용한 차량 배터리 시스템{Unity Cooling and Heating type Battery Module and Automobile Battery System}

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 특히 셀(Cell)이 항상 최적 작동온도(25℃~35℃)로 유지됨으로써 최대 전류 출력이 이루어지는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈 및 이를 적용한 차량 배터리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 엔진과 모터로 구동하는 하이브리드자동차, 모터로 구동하는 전기자동차, 연료전지차량에서는 높은 전압과 전류를 필요로 하고, 이를 이해 다수의 셀이 인접되게 적층된 배터리 모듈을 사용한다.

통상, 배터리 모듈은 셀(Cell)이 상온인 25℃~35℃에서 최적으로 성능을 발휘함으로써 25℃~35℃의 온도가 유지됨이 매우 중요할 수밖에 없다.

그러므로, 배터리 모듈은 공기를 이용하는 공랭식 냉각장치나 또는 냉각수를 이용하는 수냉식 냉각장치가 적용되고, 이를 이용함으로써 충/방전시 발생되는 열을 낮추어 적정온도가 유지될 수 있다.

국내특허공개10-2010-0003137(2010년01월07일)

상기 특허문헌은 열 교환기를 가진 전지셀 어셈블리를 포함하는 전지모듈의 예를 나타낸다.

이를 위해, 상기 특허문헌은 각각 2개의 측면을 갖고 인접되도록 배열된 제 1 전지셀과 제 2 전지셀 및 제 3 전지셀과, 제 1,2,3 전지셀의 적정 온도 유지를 위한 열 교환기로 전지모듈이 구성되고, 측면/결합 플레이트와 상호 결합 어셈블리 및 커버로 다수의 전지모듈이 서로 조립되며, 서로 조립된 다수의 전지모듈에 냉각 매니폴드가 더 구비된다.

하지만, 상기 특허문헌은 조립 공정측면에서, 다수의 열교환기와 다수의 플레이트들이 각각 별물로 구성됨으로써 전지모듈 조립이 매우 어려울 수밖에 없다.

수밀 구조 측면에서, 냉각 매니폴드의 취약한 고정구조로 인해 차량 충격에 의한 기밀용 가스켓 이탈 가능성이 매우 커짐으로써 취약한 수밀 구조를 가질 수밖에 없다.

냉각성능 측면에서, 냉각 매니폴드로 확보되지 못하는 냉각유로로 인해 전지셀의 탭 면 냉각 성능이 매우 낮고, 특히 다수의 열교환기가 이용됨에도 열교환기의 영향을 받지 못하는 전지셀 부분에서는 냉각성능이 낮은 구조적 한계를 가질 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 셀(Cell)이 다수로 적층된 CMA(Cell Module Assembly)의 온도 상승을 가져오는 충방전 시 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용이 이루어지고, 반면 출력 저하를 가져오는 저온 방전시 냉각수 온도를 올려주는 가열작용이 이루어짐으로써 CMA의 온도가 최적 작동온도(25℃~35℃)로 항상 유지될 수 있는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈 및 이를 적용한 차량 배터리 시스템의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈은 셀(Cell)이 다수로 적층되고, 냉각수 열교환 집중부위를 갖는 냉각유로가 형성되어 상기 셀(Cell)들 사이로 위치된 냉각유로 패널로 이루어진 CMA(Cell Module Assembly); 상기 CMA(Cell Module Assembly)의 하부에서 좌우양쪽으로 각각 구비되어져 상기 냉각수를 저장하는 한쌍의 제1,2유량분배기와, 상기 냉각수가 흐르도록 상기 한쌍의 제1,2유량분배기를 각각 연결하는 한쌍의 인렛 파이프 및 아웃렛 파이프와, 상기 CMA하부에 체결되어 상기 인렛 파이프 및 상기 아웃렛 파이프를 고정하는 클램프와, 상기 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용과 상기 냉각수 온도를 올려주는 가열작용이 이루어지는 열전소자로 이루어진 온도조절기; 상기 온도조절기를 감싸면서 상기 CMA(Cell Module Assembly)의 하부로 결합되는 와이어 연결기; 가 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 냉각수의 가열이나 냉각은 상기 셀(Cell)(15)의 온도가 25℃~35℃로 유지될 수 있는 냉각수 온도를 기준으로 한다.

상기 냉각수의 가열은 저온 방전 시 이루어지고, 상기 냉각수 냉각은 충방전 시 이루어진다.

상기 열전소자는 상기 한쌍의 제1,2유량분배기중 어느 하나에 구비된다.

상기 CMA에는 상기 셀과 상기 냉각유로 패널의 하부를 고정하는 하부 하우징과, 상기 셀과 상기 냉각유로 패널의 상부를 고정하는 상부 하우징과, 상기 셀의 측면에서 상기 셀에 연결된 버스 바가 더 포함된다.

상기 냉각유로 패널의 냉각유로는 유로 저항값을 갖고 M자 형상이다.

상기 하부 하우징의 하부에는 중앙 형성부를 기준으로 좌우 양쪽으로 제1측면 형성부와 제2 측면 형성부가 형성되고, 상기 중앙 형성부에는 상기 인렛 파이프와 상기 아웃렛 파이프 및 클램프가 위치되며, 상기 제1측면 형성부에는 상기 제1유량분배기가 위치되고, 상기 제2 측면 형성부에는 상기 제2유량분배기가 위치된다.

상기 CMA에는 서로 적층된 상기 셀과 상기 냉각유로 패널의 좌우양쪽면에 위치되는 한쌍의 제1,2 사이드패널이 더 포함되고, 상기 한쌍의 제1,2 사이드패널은 포론(Poron)패드로 이루어진다.

상기 제1유량분배기와 상기 인렛 파이프의 연결부위와, 상기 제2유량분배기와 상기 아웃렛 파이프의 연결부위는 각각 수밀 가스켓으로 기밀처리된다.

상기 수밀 가스켓에는 접촉면사이를 밀착시키는 적어도 1개 이상의 블레이드가 형성된다.

상기 제1유량분배기는 상기 냉각수가 모여지는 내부공간을 형성한 챔버 바디와, 상기 수밀 가스켓이 외주면에 결합되어 상기 인렛 파이프의 분기관에 연결되는 연결관과, 상기 냉각수 통로를 형성하는 적어도 1개 이상의 포트로 구성되고; 상기 제2유량분배기는 상기 냉각수가 모여지는 내부공간을 형성한 챔버 바디와, 상기 수밀 가스켓이 외주면에 결합되어 상기 아웃렛 파이프의 분기관에 연결되는 연결관과, 상기 냉각수 통로를 형성하는 적어도 1개 이상의 포트로 구성된다.

상기 클램프는 상기 인렛 파이프와 상기 아웃렛 파이프를 고정하는 파이프 서포트와, 상기 파이프 서포트가 체결되는 볼트를 갖추고 상기 인렛 파이프와 상기 아웃렛 파이프의 사이로 배열된 서포트 바로 구성된다.

상기 열전소자는 상기 제1유량분배기에 서멀그리스(Thermal Grease)로 접합된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량 배터리 시스템은 서로 인접되게 다수로 배열되고 각각에 와이어 연결기가 구비된 CMA와, CMA(10)의 온도가 항상 최적 작동온도로 유지되도록 다수의 CMA에서 순환하는 냉각수를 열전소자로 냉각 또는 가열하는 온도조절기를 갖춘 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈과; 상기 배터리 모듈의 냉각수를 강제 순환시키는 워터펌프와; 상기 배터리 모듈의 전압 검출과 전류 인가를 제어하는 BMS(Battery Management System);가 포함되고, 상기 BMS은 상기 배터리 모듈의 온도가 최적 작동온도보다 높을 때 상기 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용이 이루어지도록 상기 배터리 모듈에 DC(+)를 인가하고, 반면 상기 배터리 모듈의 온도가 최적 작동온도보다 낮을 때 상기 냉각수 온도를 올리는 가열작용이 이루어지도록 상기 배터리 모듈에 DC(-)를 인가한다.

상기 최적 작동온도는 25℃~35℃이고, 상기 BMS은 DC(+)나 DC(-)인가 시 상기 워터펌프를 가동시킨다.

이러한 본 발명은 셀(Cell)이 다수로 적층된 CMA(Cell Module Assembly)의 온도 상승을 가져오는 충방전 시 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용이 이루어짐으로써 충방전 시에도 항상 최적 작동온도(25℃~35℃)가 유지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 셀(Cell)이 다수로 적층된 CMA(Cell Module Assembly)의 냉각수 온도를 올려주는 가열작용이 이루어지고, 이를 통해 CMA(Cell Module Assembly)가 최적 작동온도(25℃~35℃)로 유지됨으로써 출력 저하를 가져오는 저온 방전이 일어나지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 CMA(Cell Module Assembly)에 다수로 적층된 셀(Cell)과 열교환 작용이 일어나는 냉각수의 온도가 열전소자의 흡열 및 가열작용으로 낮춰지거나 높여짐으로써 CMA(Cell Module Assembly)를 항상 최적 작동온도(25℃~35℃)로 유지시켜주는 구성이 극히 간단하게 이루어지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 CMA(Cell Module Assembly)에 다수로 적층된 셀(Cell)과 열교환 작용이 일어나는 냉각수의 순환이 좌우로 양분된 유체분배기로 이루어지고, 특히 흡열 및 가열작용이 이루어지는 열전소자가 좌우로 양분된 유체분배기이 한쪽으로만 구비됨으로써 CMA(Cell Module Assembly)의 최적 작동온도(25℃~35℃)유지가 보다 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 CMA(Cell Module Assembly)에 다수로 적층된 셀(Cell)과 열교환 작용이 일어나는 냉각수를 순환시키는 한쌍의 유체분배기가 냉각수 파이프를 공용화함으로써 전체적인 부품수량을 크게 줄이고, 특히 CMA(Cell Module Assembly)가 다수로 배열된 배터리 모듈이 보다 콤팩트하게 구성되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 한쌍의 유체분배기와 냉각수 파이프 간 기밀처리가 강화됨으로써 냉각수 순환 시 누수 위험이 없고, 특히 냉각수 파이프가 다수로 배열된 CMA(Cell Module Assembly)를 단단하게 일체화시켜줌으로써 배터리 모듈의 내구성이 크게 강화되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 CMA(Cell Module Assembly)가 다수로 배열된 배터리 모듈이 그 하부로 냉각수 순환용 유체분배기를 위치시켜줌으로써 차량 충돌/진동에 의한 손상이나 파손 시 냉각수 유출로 인한 배터리 쇼트(Short)의 가능성이 최소화되는 효과가 있다.

도 1과 도2는 본 발명에 따른 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈의 구성도이고, 도 3은 배터리 모듈의 기본 단위인 CMA(Cell Module Assembly)의 분해 구성도이며, 도 4는 CMA을 구성하는 셀(Cell)의 배열구성이고, 도 5는 배터리 모듈의 냉각수 온도 조절용 온도조절기의 구성도이며, 도 6과 도 7은 본 발명에 따른 온도조절기의 체결 구조이고, 도 8은 본 발명의 온도조절기를 구성하는 제1,2유량분배기의 상세 구성이며, 도 9는 본 발명에 따른 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈을 적용한 차량 배터리 시스템의 구성이고, 도 10은 본 발명에 따른 차량 배터리 시스템이 냉각수 온도 조절로 배터리 모듈을 항상 최적 작동 온도로 유지시키는 제어의 예이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈(1)은 냉각수의 열교환작용이 일어나는 냉각유로 패널(17)과 함께 셀(Cell)(15)이 다수로 적층된 CMA(Cell Module Assembly)(10)와, 순환되는 냉각수가 냉각 또는 가열됨으로써 CMA(10)를 항상 최적 작동온도(25℃~35℃)로 유지시켜주는 온도조절기(20)로 구성된다.

또한, 상기 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈(1)에는 CMA(10)에서 열교환작용이 일어나는 냉각수를 강제 순환시키는 워터펌프가 더 포함된다.

상기 CMA(10)에는 하부 하우징(11)과 상부 하우징(12)이 포함되고, 상기 하부 하우징(11)은 서로 간에 교대로 반복된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 하부를 고정하며, 상기 상부 하우징(12)은 서로 간에 교대로 반복된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 상부를 고정한다.

또한, 상기 하부 하우징(11)과 상기 상부 하우징(12)으로 묶여져 일체화된 셀(15)의 측면에는 버스바(13)가 구비된다.

도 2는 온도조절기(20)의 구성요소를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 온도조절기(20)에는 CMA(10)에서 열교환작용이 일어나는 냉각수가 순환되는 통로 역할을 하는 한쌍의 인렛/아웃렛 파이프(30-1,30-2)와, 인렛/아웃렛 파이프(30-1,30-2)를 CMA(10)에 고정하는 클램프(40)와, CMA(10)에서 열교환작용이 일어나는 냉각수가 모여 저장되는 한쌍의 제1,2 유량분배기(50-1,50-2)로 구성된다.

이에 더해, 상기 온도조절기(20)에는 냉각수를 가열해 냉각수 온도를 높여주거나 냉각수에서 열을 흡열해 냉각수 온도를 낮춰주는 열전 소자(60)가 더 포함되며, 특히 상기 열전 소자(60)는 한쌍의 제1,2 유량분배기(50-1,50-2)중 제1 유량분배기(50-1)에 만 설치된다.

한편, 도 3은 온도 조절기(20)와 함께 조립되는 CMA(10)의 분해 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, CMA(10)는 서로 간에 교대로 반복된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 하부를 고정하는 하부 하우징(11)과, 서로 간에 교대로 반복된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 상부를 고정하는 상부 하우징(12)과, 상/하부 하우징(11,12)으로 일체화 된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 측면으로 구비된 버스 바(13)로 구성된다.

상기 하부 하우징(11)과 상기 상부 하우징(12)은 서로 분리된 형태로 각각 별물로 제작되며, 특히 상기 하부 하우징(11)에는 그 저면부위로 중앙 형성부(11-1)와 제1,2 측면 형성부(11-2,11-3)가 더 형성된다.

상기 중앙 형성부(11-1)에는 온도조절기(20)의 인렛/아웃렛 파이프(30-1,30-2)와 클램프(40)가 위치되고, 상기 제1 측면 형성부(11-2)에는 온도조절기(20)의 제1유량분배기(50-1)와 함께 열전 소자(60)가 위치되며, 상기 제2 측면 형성부(11-3)에는 온도조절기(20)의 제2유량분배기(50-2)가 위치된다.

상기 버스 바(13)는 셀(15)의 측면에서 셀(15)과 셀(15)을 연결한다. 특히, 버스 바(13)에는 와이어 연결기(70)가 연결됨으로써 셀(15)에서 뽑아낸 전류가 분배된다.

특히, 상기 CMA(10)에는 하부 하우징(11)의 저면부위로 한쌍의 제1,2 유량분배기(50-1,50-2)가 구비되고, 와이어 연결기(70)가 하부 하우징(11)의 저면부위에서 리셉터클(Receptacle) 형식으로 락킹(Locking)된다.

상기 한쌍의 제1,2 유량분배기(50-1,50-2)중 제1 유량분배기(50-1)에는 열전 소자(60)가 구비되고, 상기 열전 소자(60)는 제1유량분배장치(50-1)에 서멀그리스(Thermal Grease)를 통하여 접합된다.

상기 열전 소자(60)는 셀(15)의 온도가 35℃이상일 경우에 DC전류(+전류)가 BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)에 인가됨으로써 제1유량분배기(50-1)에 집결된 냉각수를 추가적으로 냉각시키고, 반면 셀(15)의 온도가 25℃이하일 경우에 DC전류(-전류)가 인가됨으로써 제1유량분배기(50-1)에 집결된 냉각수를 가열시킨다.

상기 와이어 연결기(70)는 BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)에서 전압을 센싱하는 수단과 함께 열전소자(60)의 흡열/발열을 위한 전류인가(DC+,DC-)를 제어하는 수단으로 작용한다.

한편, 도 4는 CMA(10)의 셀(15)과 냉각유로 패널(17)에 대한 레이아웃을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 셀(15)과 냉각유로 패널(17)은 서로 간에 교대로 반복 배치되도록 적층된다. 특히 냉각유로 패널(17)은 셀주요냉각부로 집중된 냉각유로를 형성하면서도 하부하우징(11)의 격벽과 고정되어져 유동이 방지된다.

상기 냉각유로 패널(17)의 냉각 유로는 냉각수가 흐르는 길이로서, 셀(15)과 접촉면적이 최대로 형성될 수 있는 M자 형태의 유로 형상으로 이루어진다. 이러한 냉각 유로는 적절한 유로 저항값을 가지고 있어 각각의 CMA(10)간 냉각수가 동일하게 유입되어 CMA(10)간 온도 편차를 줄여주는 작용이 크게 강화된다.

특히, 냉각 유로는 온도가 가장 높게 발생되는 전지의 극판부를 효과적으로 냉각시키기 위하여 극판부 부분의 유로직경을 크게 함으로써 셀 극판과 직접적으로 접촉될 수 있다.

또한, 서로 간에 교대로 반복된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)에는 제1,2 사이드패널(19-1,19-2)이 더 구비되고, 상기 제1 사이드패널(19-1)이 서로 적층된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 한쪽 측면에 위치되면, 상기 제2 사이드패널(19-2)은 그 반대쪽 측면에 위치된다.

특히, 제1,2 사이드패널(19-1,19-2)은 고무재질로 겉은 매끈하게 처리된 포론(Poron)패드로 이루어짐으로써 셀(15)의 부풀어 오름(Swelling)이 발생하더라도 인접한 CMA와 직접 접촉이 이루어지지 않도록 작용하고, 단열 역할과 함께 셀(15)과 냉각 유로 간 접촉성을 증대시켜 준다.

한편, 도 5는 온도조절기(20)의 세부 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 인렛 파이프(30-1)는 냉각수가 흐르는 중공 파이프 형상으로 이루어지고, 다수의 분기관(31)이 간격을 두고 중공파이프에서 분기된 구조로 이루어진다. 상기 분기관(31)은 1개의 CMA(10)를 담당하므로, 분기관(31)의 수량은 CMA(10)의 수량과 동일하다.

특히, 아웃렛 파이프(30-2)는 다수의 분기관(31)이 분기된 중공 파이프로 이루어짐으로써 인렛 파이프(30-1)와 동일하게 구성된다.

그러므로, 인렛 파이프(30-1)와 아웃렛 파이프(30-2)는 각각 별물로 제조되지 않고 인렛 파이프(30-1)나 아웃렛 파이프(30-2)중 어느 하나만 제조된 후 그 용도에 따라 각각 전용될 수 있다. 이러한 인렛 파이프(30-1)나 아웃렛 파이프(30-2)의 구성은 비용 절감도 달성된다.

상기 인렛 파이프(30-1)와 상기 아웃렛 파이프(30-2)는 CMA(10)의 하부 하우징(11)에 위치되고, 구체적으로 하부 하우징(11)의 저면부위를 이루는 중앙 형성부(11-1)로 위치되어져 클램프(40)로 고정된다.

그러므로, 차량 충돌/진동에 의하여 인렛 파이프(30-1)나 아웃렛 파이프(30-2)가 파괴됨으로써 냉각수가 바닥으로 유출되더라도 배터리 쇼트(Short)의 가능성이 최소화될 수 있다

상기 클램프(40)는 인렛 파이프(30-1)와 아웃렛 파이프(30-2)의 상하좌우 사방 유동을 방지함으로써 수밀 유지 기능이 더욱 강화되는 파이프 서포트(41)와, 파이프 서포트(41)가 체결되는 볼트(43)를 갖추고 인렛 파이프(30-1)와 아웃렛 파이프(30-2)의 사이로 배열된 서포트 바(42)로 구성된다.

이로 인해, 배터리 모듈(1)의 내구성이 더욱 강화될 수 있다.

도 6에 예시된 체결구조와 같이, 상기 제1유량분배기(50-1)는 인렛 파이프(30-1)의 분기관(31)과 연결되고, 상기 제2유량분배기(50-2)는 아웃렛 파이프(30-2)의 분기관(31)과 연결되며, CMA(10)의 하부 하우징(11)의 저면부위를 이루는 제1,2 측면 형성부(11-2,11-3)에 각각 고정된다.

그러므로, 차량 충돌/진동에 의하여 제1유량분배기(50-1)나 제2유량분배기(50-2)가 파괴됨으로써 냉각수가 바닥으로 유출되더라도 배터리 모듈의 하부로 배출될 수 있고, 이로부터 배터리 쇼트(Short)의 가능성이 최소화될 수 있다.

한편, 도 7은 제1유량분배기(50-1) 및 제2유량분배기(50-2)의 연결관(53)에 구비된 수밀 가스켓(55)의 수밀 구조를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 제1유량분배기(50-1)는 워터펌프로 강제 펌핑된 냉각수가 1차적으로 집결됨으로써 리저버 탱크와 같이 냉각수 저장 용기로도 작용될 수 있다.

또한, 제1유량분배기(50-1)는 인렛 파이프(30-1)와 가스켓으로 수밀을 유지함과 더불어 후프(Hoop)를 이용한 2차적인 락킹(Locking)이 이루어지고, 와류(Vortex)발생이 방지된 상태로 내부 냉각수가 흐르며, 열전소자(60)의 열이 냉각수로 직접 전달될 수 있는 가이드 리브 형상이 구비될 수 있다.

특히, 수밀 가스켓(55)에는 제1,2,3 블레이드(55a,55b,55c)가 형성되고, 상기 제1,2,3 블레이드(55a,55b,55c)는 수밀 가스켓(55)의 외주면에 단차를 형성해줌으로써 연결관(53)과 분기관(31)이 결합된 상태에서 다단계의 수밀 구조를 형성할 수 있다.

한편, 도 8은 제1유량분배기(50-1) 및 제2유량분배기(50-2)의 상세 구성으로서, 제1유량분배기(50-1) 및 제2유량분배기(50-2)는 동일한 구성으로 이루어짐을 나타낸다.

일례로, 제1유량분배기(50-1)는 냉각수의 와류(Vortex)발생을 줄이는 구조가 포함된 내부공간을 형성한 챔버 바디(51)와, 인렛 파이프(30-1)의 분기관(31)에 연결되는 연결관(53)과, 연결관(53)의 기밀을 유지하는 수밀 가스켓(55)과, 냉각수를 유입하거나 배출하는 통로로 작용하는 제1,2,3,4 포트(57-1,57-2,57-3,57-4)로 구성된다.

그리고, 제2 유량분배기(50-2)는 챔버 바디(51)와 연결관(53), 수밀 가스켓(55) 및 제1,2,3,4 포트(57-1,57-2,57-3,57-4)로 구성되고, 이러한 구성요소는 제1유량분배기(50-1)의 구성요소와 동일하다, 다만, 제1유량분배기(50-1)는 인렛 파이프(30-1)의 분기관(31)에 연결되는 반면 제2유량분배기(50-2)는 이웃렛 파이프(30-2)의 분기관(31)에 연결되는 차이만 있다.

그러므로, 제1유량분배기(50-1)와 제2유량분배기(50-2)는 어느 하나만 제조된 후 용도에 따라 각각 전용될 수 있다. 이러한 제1유량분배기(50-1)와 제2유량분배기(50-2)의 구조는 비용 절감을 이를 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명에 따른 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈을 적용한 차량 배터리 시스템의 구성 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 차량 배터리 시스템은 서로 인접되게 다수로 배열되고 각각에 와이어 연결기(70)가 구비된 CMA(10)와, CMA(10)의 온도가 항상 최적 작동온도(25℃~35℃)로 유지되도록 다수의 CMA(10)에서 순환하는 냉각수를 열전소자(60)로 냉각 또는 가열하는 온도조절기(20)를 갖춘 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈(1)과; 와이어 연결기(70)를 통한 CMA(10)의 전압 검출과 열전소자(60)의 전류 인가를 제어하는 BMS(Battery Management System)(100)와; CMA(10)의 각각에 대한 온도 검출이 이루어지는 온도검출기(200)와; BMS(100)제어로 열전소자(60)에 DC(+)나 DC(-)를 공급하는 전원공급기(300)와; 냉각수를 강제 순환시키는 워터펌프(400);로 구성된다.

상기 CMA(10)는 하부 하우징(11)과 상부 하우징(12)이 구비되고, 하부 하우징(11)은 서로 간에 교대로 반복된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 하부를 고정하며, 상부 하우징(12)은 서로 간에 교대로 반복된 셀(15)과 냉각유로 패널(17)의 상부를 고정한다. 하부 하우징(11)과 상부 하우징(12)으로 묶여진 셀(15)의 측면에는 버스바(13)가 구비된다. 이는, 도 3과 도 4를 통해 기술된 CMA(10)와 동일한 구성이다.

상기 온도조절기(20)는 냉각수가 유출입되는 한쌍의 인렛/아웃렛 파이프(30-1,30-2)와, 인렛/아웃렛 파이프(30-1,30-2)를 CMA(10)에 체결하는 클램프(40)와, CMA(10)로 냉각수를 분배하는 한쌍의 제1,2 유량분배기(50-1,50-2)와, 냉각수를 가열해 냉각수 온도를 높여주는 열전 소자(60)로 구성된다. 이는, 도 5내지 도 8을 통해 기술된 온도조절기(20)와 동일한 구성이다.

상기 BMS(100)는 배터리를 제어하도록 HEV(Hybrid Electronic Vehicle)차량이나 EV(Electronic Vehicle)차량에 설치된 BMS(Battery Management System)와 동일하다, 다만, 상기 BMS(100)에는 열전소자(60)로 공급되는 전류를 DC(+)나 DC(-)로 제어하는 기능과 이에 관련된 연관 기능이 더 포함되는 차이가 있다.

상기 온도검출기(200)는 일반적인 온도 센서로 이루어진다. 상기 전원공급기(300)는 DC전류의 (+)나 (-)를 제어한다. 상기 워터펌프(400)는 제1유량분배기(50-1)의 냉각수를 제2 유량분배기(50-2)쪽으로 강제 순환시키는 작용을 한다.

한편, 도 10은 본 실시예에 따른 차량 배터리 시스템에서 냉각수 온도 조절로 배터리 모듈을 항상 최적 작동 온도로 유지시키는 제어의 예를 나타낸다.

S10에서 BMS의 제어가 이루어지면, S20과 같이 BMS는 배터리 모듈(1) 또는 CMA(10)의 온도가 최적 작동온도를 기준으로 하여 과열되었거나 또는 과냉각상태인지를 판단한다.

이때, BMS는 30ㅀ를 기준으로 하여 30ㅀ이상일 때 과열로 판단하여 S30과 S31로 제어하는 반면, 25ㅀ이하일 때 과냉각으로 판단하여 S40과 S41로 제어한다. 통상, 30ㅀ이상의 온도 상승은 배터리모듈의 충방전에 의한 셀 온도 상승을 의미하고, 반면 25ㅀ이하의 온도 저하는 배터리모듈의 저온 방전에 의한 셀 온도 저하를 의미한다.

냉각수 냉각 과정은 S31에서 DC(+)가 열전소자에 인간되고 나면, S32와 같이 DC(+)가 인가된 열전소자의 작용으로 냉각수의 열이 흡열됨으로서 간단하게 이루어진다.

이때, 워터펌프(400)가 함께 작동됨으로써 CMA(10)의 냉각수가 제1유량분배기(50-1)로 유입되고, 열전소자(60)의 작용으로 열이 흡수되어 냉각된 냉각수가 제2 유량분배기(50-2)쪽으로 순환된다.

이러한 열전소자(60)의 DC(+)인가와 워터펌프(400)의 가동 상태는 BMS(2100)가 셀(15)이나 CMA(10)나 배터리모듈(1)의 온도가 최적 작동온도(25ㅀ~ 30ㅀ)임을 확인할 때 까지 지속된다.

냉각수 가열 과정은 S41에서 DC(-)가 열전소자에 인간되고 나면, S42와 같이 DC(-)가 인가된 열전소자의 작용으로 냉각수가 가열됨으로서 간단하게 이루어진다.

이러한 열전소자(60)의 DC(-)인가와 워터펌프(400)의 가동 상태는 BMS(2100)가 셀(15)이나 CMA(10)나 배터리모듈(1)의 온도가 최적 작동온도(25ㅀ~ 30ㅀ)임을 확인할 때 까지 지속된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈(1)은 셀(Cell)(15)과 냉각유로 패널(17)이 다수로 적층된 CMA(Cell Module Assembly)(10)의 하부에서 냉각수를 저장하는 한쌍의 제1,2유량분배기(50-1,50-2)와, 냉각수가 흐르도록 한쌍의 제1,2유량분배기(50-1,50-2)를 연결하는 냉각수 파이프(30-1,30-2)와, 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용과 냉각수 온도를 올려주는 가열작용이 이루어지는 열전소자(60)로 구성된 온도조절기(20)가 포함됨으로써, 셀(Cell)의 온도 상승을 가져오는 충방전 시 열전소자로 냉각수의 열을 흡열하여 냉각수 온도를 낮추고 반면 출력 저하를 가져오는 저온 방전시 냉각수를 가열해 냉각수 온도를 높여줌으로써 셀(Cell)이 항상 최적 작동온도(25℃~35℃)로 유지될 수 있다.

특히, 본 실시예에 따른 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈(1)은 차량 충돌/진동에 강한 내구성을 가지면서도 손상이나 파손 시 냉각수 유출로 인한 배터리 쇼트(Short)의 가능성이 최소화될 수 있다.

1 : 배터리 모듈 10 : CMA(Cell Module Assembly)
11 : 하부 하우징 11-1 : 중앙 형성부
11-2,11-3 : 제1,2 측면 형성부
12 : 상부 하우징 13 : 버스 바
15 : 셀(Cell) 17 : 냉각유로 패널
19-1,19-2 : 제1,2 사이드패널
20 : 온도조절기 30-1 : 인렛 파이프
30-2 : 아웃렛 파이프 31 : 분기관
40 : 클램프 41 : 파이프 서포트
42 : 서포트 바 43 : 볼트
50-1,50-2 : 제1,2 유량분배기
51 : 챔버 바디 53 : 연결관
55 : 수밀 가스켓 55a,55b,55c : 제1,2,3 블레이드
57-1,57-2,57-3,57-4 : 제1,2,3,4 포트
60 : 열전 소자 70 : 와이어 연결기
100 : BMS(Battery Management System)
200 : 온도검출기 300 : 전원공급기
400 : 워터펌프

Claims

셀(Cell)이 다수로 적층되고, 냉각수 열교환 집중부위를 갖는 냉각유로가 형성되어 상기 셀(Cell)들 사이로 위치된 냉각유로 패널로 이루어진 CMA(Cell Module Assembly);
상기 CMA(Cell Module Assembly)의 하부에서 좌우양쪽으로 각각 구비되어져 상기 냉각수를 저장하는 한쌍의 제1,2유량분배기와, 상기 냉각수가 흐르도록 상기 한쌍의 제1,2유량분배기를 각각 연결하는 한쌍의 인렛 파이프 및 아웃렛 파이프와, 상기 CMA하부에 체결되어 상기 인렛 파이프 및 상기 아웃렛 파이프를 고정하는 클램프와, 상기 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용과 상기 냉각수 온도를 올려주는 가열작용이 이루어지는 열전소자로 이루어진 온도조절기;
상기 온도조절기를 감싸면서 상기 CMA(Cell Module Assembly)의 하부로 결합되는 와이어 연결기;
가 포함된 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 냉각수의 가열이나 냉각은 상기 셀(Cell)의 온도가 25℃~35℃로 유지될 수 있는 냉각수 온도를 기준으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 2에 있어서, 상기 냉각수의 가열은 저온 방전 시 이루어지고, 상기 냉각수 냉각은 충방전 시 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 열전소자는 상기 한쌍의 제1,2유량분배기중 어느 하나에 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 CMA에는 상기 셀과 상기 냉각유로 패널의 하부를 고정하는 하부 하우징과, 상기 셀과 상기 냉각유로 패널의 상부를 고정하는 상부 하우징과, 상기 셀의 측면에서 상기 셀에 연결된 버스 바가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 5에 있어서, 상기 냉각유로 패널의 냉각유로는 유로 저항값을 갖고 M자 형상인 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 5에 있어서, 상기 하부 하우징의 하부에는 중앙 형성부를 기준으로 좌우 양쪽으로 제1측면 형성부와 제2 측면 형성부가 형성되고, 상기 중앙 형성부에는 상기 인렛 파이프와 상기 아웃렛 파이프 및 클램프가 위치되며, 상기 제1측면 형성부에는 상기 제1유량분배기가 위치되고, 상기 제2 측면 형성부에는 상기 제2유량분배기가 위치된 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 5에 있어서, 상기 CMA에는 서로 적층된 상기 셀과 상기 냉각유로 패널의 좌우양쪽면에 위치되는 한쌍의 제1,2 사이드패널이 더 포함되고, 상기 한쌍의 제1,2 사이드패널은 포론(Poron)패드로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 제1유량분배기와 상기 인렛 파이프의 연결부위와, 상기 제2유량분배기와 상기 아웃렛 파이프의 연결부위는 각각 수밀 가스켓으로 기밀처리된 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 9에 있어서, 상기 수밀 가스켓에는 접촉면사이를 밀착시키는 적어도 1개 이상의 블레이드가 형성된 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 9에 있어서, 상기 제1유량분배기는 상기 냉각수가 모여지는 내부공간을 형성한 챔버 바디와, 상기 수밀 가스켓이 외주면에 결합되어 상기 인렛 파이프의 분기관에 연결되는 연결관과, 상기 냉각수 통로를 형성하는 적어도 1개 이상의 포트로 구성되고;
상기 제2유량분배기는 상기 냉각수가 모여지는 내부공간을 형성한 챔버 바디와, 상기 수밀 가스켓이 외주면에 결합되어 상기 아웃렛 파이프의 분기관에 연결되는 연결관과, 상기 냉각수 통로를 형성하는 적어도 1개 이상의 포트로 구성된 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 클램프는 상기 인렛 파이프와 상기 아웃렛 파이프를 고정하는 파이프 서포트와, 상기 파이프 서포트가 체결되는 볼트를 갖추고 상기 인렛 파이프와 상기 아웃렛 파이프의 사이로 배열된 서포트 바로 구성된 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 열전소자는 상기 제1유량분배기에 서멀그리스(Thermal Grease)로 접합되는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도 조절타입 배터리 모듈.
청구항 1내지 13중 어느 한 항의 구성을 갖는 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈의 냉각수를 강제 순환시키는 워터펌프와, 상기 배터리 모듈의 전압 검출과 전류 인가를 제어하는 BMS(Battery Management System);가 포함되고,
상기 BMS은 상기 배터리 모듈의 온도가 최적 작동온도보다 높을 때 상기 냉각수 온도를 낮추는 흡열작용이 이루어지도록 상기 배터리 모듈에 DC(+)를 인가하고, 반면 상기 배터리 모듈의 온도가 최적 작동온도보다 낮을 때 상기 냉각수 온도를 올리는 가열작용이 이루어지도록 상기 배터리 모듈에 DC(-)를 인가하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
청구항 14에 있어서, 상기 최적 작동온도는 25℃~35℃인 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.
청구항 14에 있어서, 상기 BMS은 DC(+)나 DC(-)인가 시 상기 워터펌프를 가동시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 시스템.