KR20160024688A - 냉각 효율이 향상된 배터리팩 - Google Patents

Abstract

냉각 효율이 우수하여 전지들간의 온도 편차가 낮고 배터리팩의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 배터리팩을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리팩은 다수의 전지들이 적층 구성된 전지 모듈, 상기 전지 모듈 측면에 결합되고 외부로부터 유입된 냉각 공기가 상기 전지들 사이로 배출될 수 있도록 하는 흡기덕트, 상기 전지 모듈의 다른 측면에 상기 흡기덕트와 대향되게 결합되고, 상기 전지들 사이를 통과한 냉각 공기가 외부로 배출될 수 있도록 하는 배기덕트, 및 상기 유입된 냉각 공기를 상기 흡기덕트와 수직인 방향으로 상기 전지들에 공급하기 위해 상기 전지 모듈과 흡기덕트가 연결되는 부분에 설치된 가이드 핀을 포함한다.

Description

냉각 효율이 향상된 배터리팩{Battery pack of improved cooling efficiency}

본 발명은 단위 이차 전지들을 적층한 모듈형 배터리팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공랭식 구조를 갖는 배터리팩에 관한 것이다.

이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충·방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 에너지 저장 시스템, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용되고 있다.

전기 자동차의 모터 구동 등과 같은 큰 전력을 필요로 하는 기기에는, 다수 개의 고출력 이차 전지를 적층해 직렬로 연결하여 구성되는 대용량의 모듈형 배터리팩이 사용되는 것이 일반적이다. 특히, HEV용 배터리팩의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 이차 전지가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충·방전 등을 제어하여 배터리팩이 적정한 동작 상태로 유지되도록 관리할 필요성이 있다.

이차 전지가 작동하는 동안 발생하는 열은 이차 전지의 온도를 상승시켜, 열을 효율적으로 냉각시키지 않으면 이차 전지의 수명이 짧아지고 오작동을 일으키는 등 안정성이 크게 저하되는 문제가 있어, 냉각은 이차 전지를 포함하는 배터리팩의 제작에 있어서 무엇보다 중요한 과제이다.

도 1에는 종래 배터리팩의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래 배터리팩(10)은 단위 전지(3) 다수 개가 적층되어 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈(5)과, 이러한 전지모듈(5)이 장착되는 팩 케이스(7), 냉매 유입구(9)로부터 전지모듈(5)에 이르는 유동공간인 냉매 유입부(11)와 전지모듈(5)로부터 냉매 배출구(13)에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부(15)로 구성되어 있다.

냉매 유입구(9)로부터 유입된 냉매는 냉매 유입부(11) 및 단위 전지(3) 사이에 형성된 유로(6)를 통과하면서 단위 전지(3)를 냉각시키고 냉매 배출부(15)를 지나 냉매 배출구(13)를 통하여 외부로 배출된다.

냉매 유입부(11)는 단위 전지(3)의 적층방향에 평행하게 형성되어 있으며, 상기와 같은 구조의 경우, 냉매 배출구(13) 근처의 단위 전지 사이의 유로에 냉매가 많이 유입되는 경향이 나타나고, 냉매 유입구(9) 근처의 단위 전지(3) 사이의 유로에는 감소하여 단위 전지(3)간의 냉각이 불균일하고, 냉매 배출구(13) 근처의 단위 전지와 냉매 유입구(9) 근처의 단위 전지들은 높은 온도 편차를 가지게 된다. 이러한 현상은 유량이 냉매 배출구(13)가 있는 쪽으로 몰리면서 냉매 유입구(9) 측의 온도가 상승하기 때문이다.

이와 같이 종래 배터리팩은, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 상호 반대 방향으로 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고, 냉매 유입구로부터 전지 모듈에 이르는 유동 공간의 상면과 하면이 평행한 구조로 형성되어 있는 팩 케이스를 사용하는 구조이고, 이러한 구조에서는 냉매 유입구 근처의 유로에서 유량이 많이 감소하여 전지들간의 온도 편차가 높다는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모듈형 배터리팩의 냉각 효율이 우수하여 전지들간의 온도 편차가 낮고 배터리팩의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 배터리팩을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리팩은 다수의 전지들이 적층 구성된 전지 모듈, 상기 전지 모듈 측면에 결합되고 외부로부터 유입된 냉각 공기가 상기 전지들 사이로 배출될 수 있도록 하는 흡기덕트, 상기 전지 모듈의 다른 측면에 상기 흡기덕트와 대향되게 결합되고, 상기 전지들 사이를 통과한 냉각 공기가 외부로 배출될 수 있도록 하는 배기덕트, 및 상기 유입된 냉각 공기를 상기 흡기덕트와 수직인 방향으로 상기 전지들에 공급하기 위해 상기 전지 모듈과 흡기덕트가 연결되는 부분에 설치된 가이드 핀을 포함한다.

상기 흡기덕트는 냉각 공기가 유입되는 흡기구에 일측이 연결되고 타측이 상기 전지 모듈 측면으로 개구되며, 상기 배기덕트는 냉각 공기가 배출되는 배기구에 일측이 연결되고 타측이 상기 전지 모듈 측으로 개구되며, 상기 흡기덕트는 흡기구에서 멀어질수록 폭이 감소하도록 경사진 구조일 수 있다.

상기 전지 모듈은 판상형이면서 인접한 전지에 대면하도록 적층 배열된 전지들, 및 상기 전지들을 각각 고정하여 적층 구조를 형성하는 카트리지들을 포함하고, 상기 카트리지들은 상기 흡기덕트 및 배기덕트와 연통되어 상기 냉각 공기의 유로가 되는 에어갭을 하나 이상 형성하며, 상기 가이드 핀은 상기 에어갭 시작 부분에 설치된 것일 수 있다.

상기 가이드 핀은 상기 에어갭을 분할하도록 상기 전지면에 수직인 플레이트 구조일 수 있다. 이 때, 상기 가이드 핀은 상기 에어갭을 균등 분할하거나 비균등 분할하는 것일 수 있다. 상기 가이드 핀은 상기 카트리지와 일체형일 수 있다. 상기 가이드 핀은 상기 에어갭 안에서의 냉각 공기 유속을 전지면에 대하여 균일하게 제어하는 것일 수 있다.

상기 가이드 핀은 상기 흡기구에서 멀어질수록 순차적으로 길이, 폭, 개수 또는 그 조합이 변화될 수 있다.

상기 가이드 핀은 점차적으로 좁아지는 단면 형상을 가질 수 있다.

이차 전지는 충·방전을 통해 오랜 기간 사용되므로 사용기간뿐만 아니라 전지의 안정성이 큰 관심의 대상이다. 또한, 배터리팩은 충·방전 과정에서 고열이 발생하여 전지의 성능과 수명에 영향을 미치므로 적절한 냉각 시스템을 구성하여 냉각하는 것이 필요하다.

본 발명에 따르면, 단위 전지 사이의 유로에 흐르는 공기의 유속을 균일하게 분배하고 차압을 감소시킬 수 있으며 그에 따라 단위 전지 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거하여 전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 전지간의 온도 편차를 감소시켜 냉각 균일성을 제공할 수 있으며 이차 전지에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각할 수 있다.

도 1에는 종래 배터리팩의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩에서 전지모듈 부분만을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 전지면과 평행한 단면을 위에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 비교예와 본 발명의 일 실시예에 대해 속도 크기 분포(contour of velocity magnitude)와 속도 벡터(vector of velocity)를 비교한 도면이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩(100)을 나타낸 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩(100)은, 전지 모듈(30), 흡기덕트(40) 및 배기덕트(50)를 포함한다.

전지 모듈(30)은 다수의 전지(20)들이 적층 구성된 것이다. 전지(20)들 각각은 판상형이면서 인접한 전지에 대면하도록 적층 배열된다. 카트리지(25)들은 전지(20)들을 각각 고정하여 적층 구조를 형성한다.

흡기덕트(40)는 전지 모듈(30) 측면에 결합되고 외부로부터 유입된 냉각 공기가 전지(20)들 사이로 배출될 수 있도록 한다. 흡기덕트(40)는 냉각 공기가 유입되는 흡기구(45)에 일측이 연결되고 타측이 전지 모듈(30) 측면으로 개구된다. 그리고, 흡기덕트(40)는 흡기구(45)에서 멀어질수록 폭이 감소하도록 경사진 구조이다.

배기덕트(50)는 전지 모듈(30)의 다른 측면에 흡기덕트(40)와 대향되게 결합된다. 그리고, 전지(20)들 사이를 통과한 냉각 공기가 외부로 배출될 수 있도록 한다. 배기덕트(50)는 냉각 공기가 배출되는 배기구(55)에 일측이 연결되고 타측이 전지 모듈(30) 측으로 개구된다.

흡기덕트(40)와 배기덕트(50)는 이와 같이 전지 모듈(30)의 서로 대향되는 양쪽 측면에 형성되는 것이 바람직하다. 이는 흡기구(45)와 배기구(55)를 각각 전지 모듈(30)의 서로 다른 면에 형성함으로써, 흡기구(45)로 흡기되어 상기 전지 모듈(30)을 거치며 복수 개의 전지(20)들을 냉각시킨 후 배기구(55)로 배기되는 냉각 공기가 다시 흡기구(45)로 무분별하게 혼입되는 것을 방지하기 위함이다. 냉각 공기가 흡기덕트(40)로 유입되는 방향과 배기덕트(50)로부터 배출되는 방향은 서로 동일한 Z 타입이라고 할 수 있다. 냉각 공기가 전지(20)들 사이를 통과하며 전지(20)들의 충·방전 과정에서 발생하는 열을 냉각하는 공랭식 구조를 이룬다.

도 3은 배터리팩(100)에서 전지모듈(30) 부분만을 도시한 사시도이다. 도 4는 배터리팩의 전지면과 평행한 단면을 위에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 전지모듈(30)은 복수 개의 전지(20)들이 일정한 간격을 두고 전지면에 대하여 수직 방향으로 적층되고, 카트리지(25)들은 전지(20)들 사이에 냉각 공기가 흐를 수 있도록 에어갭(26)을 형성한다. 카트리지(25)들은 흡기덕트 및 배기덕트와 연통되어 냉각 공기의 유로가 되는 에어갭(26)을 하나 이상 형성한다. 도시된 예에서는 전지면에 대하여 3 개의 에어갭이 각 전지마다 형성된다. 흡기구(45)는 전지 모듈(30)의 복수 개의 전지(20)들 사이에 형성되는 에어갭(26)을 통과하는 냉각 공기의 유동 방향에 대해 수직으로 형성될 수 있다. 즉, 에어갭(26)에 흡기구(45)가 가깝게 형성되며, 에어갭(26)을 통과하는 냉각 공기의 유동 방향과 수직이 되도록 흡기구(45)가 형성되어, 흡기구(45)와 전지 모듈(30)을 연결하는 흡기덕트(40)의 길이가 짧으며 구부러지지 않도록 구성될 수 있다. 이는 흡기구(45)로 흡기되는 냉각 공기의 유동 저항을 줄일 수 있으며 에어갭(26)으로 냉각 공기의 흡기가 원활하게 이루어져 배터리팩(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

특히, 에어갭(26) 시작 부분에는 가이드 핀(60)이 설치된다. 가이드 핀(60)은 유입된 냉각 공기를 흡기덕트(40)와 수직인 방향으로 전지(20)들에 공급하는 에어갭(26) 부분에 설치되는 것으로, 전지 모듈(30)과 흡기덕트(40)가 연결되는 부분에 설치되어 공기의 균일한 분배를 도모한다. 본 실시예에서는 가이드 핀(60)과 카트리지(25)가 일체형으로 형성된다.

에어갭(26)과 가이드 핀(60)은 도 3 안의 확대 그림에 잘 나타나 있다.

가이드 핀(60)은 에어갭(26)을 분할하도록 전지면에 수직인 플레이트 구조일 수 있다. 플레이트의 길이는 5mm ~ 10mm일 수 있다. 가이드 핀(60)은 도시한 바와 같이 폭이 일정한 형상일 수도 있고, 유속 증가를 위해 점차적으로 좁아지는 단면 형상을 가질 수도 있다. 가이드 핀(60)은 도시한 바와 같이 에어갭(26)을 균등 분할할 수 있다. 에어갭(26)을 균등 분할한다 함은 일정한 간격으로 가이드 핀(60)이 형성되는 것을 가리킨다. 가이드 핀(60)은 에어갭(26) 안에서의 냉각 공기 유속을 전지면에 대하여 균일하게 제어한다.

도 5는 비교예와 본 발명의 일 실시예에 대해 속도 크기 분포(contour of velocity magnitude)와 속도 벡터(vector of velocity)를 비교한 도면이다.

먼저, 비교예는 가이드 핀을 제외하고는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩(100)과 동일하게 구성하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩(100)은 흡기덕트 폭이 16mm, 배기덕트 폭이 25mm, 에어갭 폭은 60mm이며, 길이 10mm의 가이드 핀을 에어갭마다 4개씩 등간격으로 설치한 경우였다. 유입되는 냉각 공기의 유속은 2m/s이었다.

도 5의 (a)와 (b)는 비교예와 본 발명의 일 실시예에 대해 속도 크기 분포를 나타내고, (c)와 (d)는 속도 벡터를 나타낸다.

비교예의 결과인 (a)와 (c)를 보면, 냉각 공기가 전지 사이의 에어갭을 흐를 때 한 쪽으로 치우쳐 흐르게 되면서 전지를 고르게 냉각시키지 못하는 것을 볼 수 있다. 이에 반해, 본 발명의 결과인 (b)와 (d)를 보면, 에어갭 내에서 한쪽으로 치우치는 공기의 흐름을 개선하여 전지를 고르게 냉각시킬 수 있다. 이와 같이 에어갭 시작 부분, 즉 공기 채널 입구에 가이드 핀을 설치하여 냉각 공기가 채널 유입과 동시에 고르게 나뉘어 들어갈 수 있도록 함에 따라 냉각 공기 유속을 하나의 에어갭 안에서부터 균일하게 함으로써 전체 전지면에 대하여 온도 편차없이 균일하게 냉각하는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

한편, 도 2 내지 도 4에 도시한 배터리팩(100)과 같은 구조에서는 흡기구(45)로부터 멀어질수록 흡기덕트(40)와 배기덕트(50)간의 압력차가 커지는 문제를 해소하기 위하여 흡기덕트(40)를 경사구조로 형성하지만, 가이드 핀이 없는 도 5의 비교예 결과에서 보듯이 전지(20)들 사이의 공간, 즉 에어 갭(26)에서도 흡기구(45)와 멀게 위치하는 공간일수록 냉각 공기가 빠르게 통과되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 하나의 전지(20) 내에서도 온도 편차를 일으키므로 이를 개선할 필요가 있다. 하나의 에어 갭(26) 안에서도 흡기구(45)와 멀게 위치하는 공간에 대한 유속 불균일을 해소하기 위하여, 가이드 핀(60)의 구성은 다양하게 변경할 수 있다.

상술한 실시예에서는 가이드 핀(60)이 에어 갭(26)을 등간격으로 분할하는 예를 들었다. 다른 예로, 가이드 핀(60)은 에어갭(26)을 비균등 분할할 수 있다. 에어갭(26)을 비균등 분할한다 함은 가이드 핀(60) 사이의 간격이 변화되면서 가이드 핀(60)이 형성되는 것을 가리킨다. 가이드 핀(60) 사이의 간격이 크면 유속의 저항을 덜 받게 된다. 그리고, 가이드 핀(60)은 흡기구(45)에서 멀어질수록 순차적으로 길이, 폭, 개수 또는 그 조합이 변화될 수 있다. 예를 들어, 흡기구(45)에서 멀어질수록 가이드 핀(60)의 길이가 길어지거나 개수가 많아지거나 폭(두께)이 커지는 등의 방식으로 변화시켜 유속의 저항 정도를 조절할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 가이드 핀은 전지들 사이를 통과하는 냉각 공기의 유속을 균일하게 하는 효과가 있다. 이로 인해 전지의 최대온도 및 전지간의 온도편차가 종래에 비해 현격하게 감소되며, 하나의 전지 내에서도 온도 편차가 발생하는 것을 방지할 수 있어, 배터리팩의 수명이 종래에 비해 연장되고, 배터리팩의 폭발 가능성이 배제되는 효과가 발생한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

20...전지 25...카트리지
30...전지 모듈 40...흡기덕트
50...배기덕트 45...흡기구
55...배기구 60...가이드 핀
100..배터리팩

Claims (9)

1. 다수의 전지들이 적층 구성된 전지 모듈;
   상기 전지 모듈 측면에 결합되고 외부로부터 유입된 냉각 공기가 상기 전지들 사이로 배출될 수 있도록 하는 흡기덕트;
   상기 전지 모듈의 다른 측면에 상기 흡기덕트와 대향되게 결합되고, 상기 전지들 사이를 통과한 냉각 공기가 외부로 배출될 수 있도록 하는 배기덕트; 및
   상기 유입된 냉각 공기를 상기 흡기덕트와 수직인 방향으로 상기 전지들에 공급하기 위해 상기 전지 모듈과 흡기덕트가 연결되는 부분에 설치된 가이드 핀을 포함하는 배터리팩.
2. 제1항에 있어서,
   상기 흡기덕트는 냉각 공기가 유입되는 흡기구에 일측이 연결되고 타측이 상기 전지 모듈 측면으로 개구되며, 상기 배기덕트는 냉각 공기가 배출되는 배기구에 일측이 연결되고 타측이 상기 전지 모듈 측으로 개구되며, 상기 흡기덕트는 흡기구에서 멀어질수록 폭이 감소하도록 경사진 구조인 것을 특징으로 하는 배터리팩.
3. 제1항에 있어서, 상기 전지 모듈은
   판상형이면서 인접한 전지에 대면하도록 적층 배열된 전지들; 및
   상기 전지들을 각각 고정하여 적층 구조를 형성하는 카트리지들을 포함하고,
   상기 카트리지들은 상기 흡기덕트 및 배기덕트와 연통되어 상기 냉각 공기의 유로가 되는 에어갭을 하나 이상 형성하며, 상기 가이드 핀은 상기 에어갭 시작 부분에 설치된 것을 특징으로 하는 배터리팩.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가이드 핀은 상기 에어갭을 분할하도록 상기 전지면에 수직인 플레이트 구조인 것을 특징으로 하는 배터리팩.
5. 제4항에 있어서,
   상기 가이드 핀은 상기 에어갭을 균등 분할하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
6. 제4항에 있어서,
   상기 가이드 핀은 상기 카트리지와 일체형인 것을 특징으로 하는 배터리팩.
7. 제4항에 있어서,
   상기 가이드 핀은 상기 에어갭 안에서의 냉각 공기 유속을 전지면에 대하여 균일하게 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
8. 제2항에 있어서,
   상기 가이드 핀은 상기 흡기구에서 멀어질수록 순차적으로 길이, 폭, 개수 또는 그 조합이 변화되는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
9. 제1항에 있어서,
   상기 가이드 핀은 점차적으로 좁아지는 단면 형상을 가진 것을 특징으로 하는 배터리팩.

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