KR20180066625A - 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 유닛이 구비된 자동차에 장착되는 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈, 적어도 하나의 배터리 모듈의 일측에 구비되며, 적어도 하나의 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 히트 싱크 및 히트 싱크와 냉매 유닛을 연결하며, 냉매 유닛으로부터 냉매를 공급받아 히트 싱크로 순환시켜 냉매 유닛으로 냉매를 내보내는 냉매 드럼을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY PACK AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 종래 배터리 팩은 그 특성 상 냉각이 중요한 요소로 고려되는데, 종래 전기 자동차 등의 자동차에 구비되는 배터리 팩의 경우, 배터리 팩의 냉각 방식으로서, 배터리 팩 내부 배치를 용이하게 하기 위해 배터리 셀과 냉각수를 직접 접촉시키는 직접 냉각 방식 대신 통상적으로 배터리 팩 내 냉각 구조물에서의 열전도와 히트 싱크 내 냉각수 유동에 의한 대류 열전달을 이용한 간접 냉각 방식을 채택하고 있다.
그러나, 종래와 같은 냉각수를 이용한 간접 냉각 방식을 채택한 배터리 팩의 냉각 시, 배터리 팩의 히트 싱크의 유로 방향에 따라 배터리 모듈 간의 온도 편차, 즉, 배터리 모듈 간의 냉각 편차가 크게 나타나는 문제가 있다. 이러한 냉각 편차의 원인은 냉각수의 온도 상승에 따른 냉각 성능 차이에 따른 것으로서, 유량이 낮을수록 배터리 모듈 간의 냉각 편차가 두드러지게 된다. 이와 같은, 배터리 모듈 간의 냉각 편차가 지속될 경우, 배터리 팩의 온도 밸런스가 맞지 않게 되어, 배터리 팩의 수명을 저하시키는 문제가 있다.
그러므로, 배터리 모듈 간의 냉각 편차를 개선하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은 배터리 모듈 간의 냉각 편차를 개선하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 냉매 유닛이 구비된 자동차에 장착되는 배터리 팩으로서, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈; 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 일측에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 히트 싱크; 및 상기 히트 싱크와 상기 냉매 유닛을 연결하며, 상기 냉매 유닛으로부터 냉매를 공급받아 상기 히트 싱크로 순환시켜 상기 냉매 유닛으로 냉매를 내보내는 냉매 드럼;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 배터리 팩은, 상기 냉매 드럼 내에 구비되며, 상기 냉매의 상분리를 위한 적어도 하나의 사이클론 유닛;을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 사이클론 유닛은, 상기 냉매 드럼 내에 배치되며, 상기 냉매를 기체와 액체로 분리하는 유닛 본체; 상기 유닛 본체 내부와 연결되며, 상기 히트 싱크로부터 상기 냉매 드럼 내로 전달된 냉매를 유닛 본체로 안내하는 도입 덕트; 상기 유닛 본체의 일측에 구비되며, 상기 유닛 본체에서 기체로 분리된 냉매를 내보내는 기체 출구; 및 상기 기체 출구의 맞은 편에 구비되며, 상기 유닛 본체에 액체로 분리된 냉매를 내보내는 액체 출구;를 포함할 수 있다.
상기 기체 출구에서 나온 기체 냉매는, 상기 냉매 드럼에서 상기 냉매 유닛으로 이동하며, 상기 액체 출구에서 나온 액체 냉매는, 상기 냉매 드럼에서 상기 냉매 유닛에서 공급된 냉매와 함께 상기 히트 싱크로 이동할 수 있다.
상기 사이클론 유닛은, 복수 개로 구비되며, 상기 복수 개의 사이클론 유닛들은, 상기 냉매 드럼 내에서 병렬 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀은, 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 모듈 간의 냉각 편차를 개선하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 구비되는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 사이클론 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 자동차에 구비되는 배터리 팩의 냉매 순환을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 구비되는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 사이클론 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 자동차(1)는, 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV) 또는 하이브리드 차량(HEV)으로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 자동차(1)는 후술하는 배터리 팩(10)이 장착되는 기타 다른 방식의 차량에도 구비될 수 있음은 물론이다.
이러한 상기 자동차(1)는, 냉매 유닛(5) 및 배터리 팩(10)을 포함할 수 있다.
상기 냉매 유닛(5)은, 상기 자동차(1)의 에어컨 등에 이용되는 것으로서, 상기 자동차(1)의 실내 등을 냉각시키기 위한 것이다. 상기 냉매 유닛(5)에서 이용되는 냉매는 상변화 물질로 구비될 수 있으며, 예로써, 잘 알려진 R134a 냉매로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 냉매는 상변화 물질로서 기타 다른 종류의 냉매로 구비될 수 있음은 물론이다.
상기 배터리 팩(10)은, 상기 자동차(1)의 에너지원으로서, 상기 자동차(1)에 장착될 수 있다. 이러한 상기 배터리 팩(10)은, 배터리 모듈(100), 히트 싱크(200), 냉매 드럼(300) 및 사이클론 유닛(500)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈(100)은, 적어도 하나, 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 복수 개의 배터리 모듈들(100)이 구비된 것으로 한정하여 설명한다.
상기 복수 개의 배터리 모듈들(100)은, 각각, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들은, 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있다. 상기 파우치형 이차 전지에 대해서는 잘 알려져 있으므로, 이하, 자세한 설명을 생략한다.
상기 히트 싱크(200)는, 상기 복수 개의 배터리 모듈들(100)을 냉각시키기 위한 것으로서, 상기 복수 개의 배터리 모듈들(100)의 일측, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 모듈들(100)의 하측에 장착될 수 있다. 여기서, 상기 히트 싱크(200)는 내부에 유로를 형성할 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 모듈들(100)과 접촉 배치될 수 있다.
상기 냉매 드럼(300)은 상기 히트 싱크(200)와 상기 냉매 유닛(5)을 연결하며, 상기 냉매 유닛(5)으로부터 상기 냉매를 공급받아 상기 히트 싱크(200)로 순환시켜 상기 냉매 유닛(5)으로 상기 냉매를 다시 내보낼 수 있다. 이를 위해, 상기 냉매 드럼(300)에는 상기 냉매 순환을 위한 구동력을 제공하는 펌프가 구비될 수 있다. 이러한 펌프는 상기 냉매를 순환시킬 수 있다면 상기 냉매 유닛(5) 또는 상기 히트 싱크(200)에 구비되는 것도 가능할 수 있다.
상기 사이클론 유닛(500)은 상기 냉매 드럼(300) 내에 구비되며, 상기 냉매 드럼(300) 내에 유입된 냉매의 상을 보다 효율적으로 분리시킬 수 있다. 이러한 상기 사이클론 유닛(500)은 상기 상분리 효율을 보다 더 높일 수 있게 복수 개로 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 사이클론 유닛들(500)은 상기 냉매 드럼(300) 내에서 상호 병렬 배치될 수 있다.
각각의 사이클론 유닛(500)은, 유닛 본체(510), 도입 덕트(530), 기체 출구(550) 및 액체 출구(570)를 포함할 수 있다.
상기 유닛 본체(510)는 상기 냉매 드럼(300) 내에 배치되며, 상기 냉매를 기체와 액체로 분리할 수 있다. 구체적으로, 상기 유닛 본체(510)는 밀도차에 따른 원심력 차이를 이용하여 상기 냉매를 기체 냉매 및 액체 냉매로 분리시킬 수 있다.
상기 도입 덕트(530)는 상기 유닛 본체(510) 내부와 연결되며, 상기 히트 싱크(200)로부터 상기 냉매 드럼(300) 내로 전달된 냉매를 상기 유닛 본체(510)로 안내할 수 있다.
상기 기체 출구(550)는 상기 유닛 본체(510)의 일측, 본 실시예의 경우, 상기 유닛 본체(510)의 상측에 구비되며, 상기 유닛 본체(510)에서 기체로 분리된 냉매를 내보낼 수 있다. 상기 기체 출구(550)에서 나온 기체 냉매는 상기 냉매 드럼(300)에서 상기 냉매 유닛(5)으로 이동할 수 있다.
상기 액체 출구(570)는 상기 기체 출구(550)의 맞은 편, 본 실시예의 경우, 상기 유닛 본체(510)의 하측에 구비되며, 상기 유닛 본체(510)에서 액체로 분리된 냉매를 내보낼 수 있다. 상기 액체 출구(570)에서 나온 액체 냉매는 상기 냉매 드럼(300)에서 상기 냉매 유닛(5)에서 공급된 냉매와 함께 상기 히트 싱크(200)로 이동할 수 있다.
이하, 이러한 구성들을 포함하는 본 실시예에 따른 상기 자동차(1)에서 상기 배터리 팩(10)의 냉매 순환 동작에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
도 3은 도 1의 자동차에 구비되는 배터리 팩의 냉매 순환을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 상기 자동차(1)의 상기 냉매 유닛(5)은 상기 자동차(1)의 에어컨 등으로 냉매를 공급할 수 있다. 여기서, 상기 냉매 유닛(5)은 일부 냉매를 분기하여 상기 냉매 드럼(300)으로 공급할 수 있다. 여기서, 상기 냉매 드럼(300)으로 공급되는 냉매는 저온의 액체 냉매일 수 있다.
상기 냉매 드럼(300)은 상기 공급된 냉매를 상기 히트 싱크(200)로 전달할 수 있다. 상기 히트 싱크(200)로 전달된 냉매는 상기 히트 싱크(200) 내부의 유로를 통해 유동하면서 상기 배터리 모듈들(300)을 냉각시킬 수 있다.
이후, 상기 히트 싱크(200)에서 나온 냉매는 배터리 모듈들(300)을 냉각시키면서 상변화되어 기체 및 액체 상태의 혼합 상태로 존재할 수 있다. 본 실시예에서는 종래 냉각수 대신에 이러한 상기 냉매의 상변화를 통한 잠열을 이용하기에, 각 배터리 모듈(300) 간 냉매의 온도 편차를 줄일 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 각 배터리 모듈(300) 간 냉각 편차를 줄일 수 있다.
그리고, 이러한 혼합 냉매는 다시 상기 냉매 드럼(300)으로 공급될 수 있다. 상기 냉매 드럼(300) 내에 공급된 혼합 냉매는 상기 냉매 드럼(300) 내에서 상기 사이클론 유닛들(500)의 상기 도입 덕트(530)로 안내될 수 있다. 이후, 상기 혼합 냉매는 상기 사이클론 유닛들(500)의 상기 유닛 본체(510) 내에서 상대적으로 저온인 액체 냉매 및 상대적으로 고온인 기체 냉매로 분리될 수 있다.
상기 분리된 기체 냉매는 상기 사이클론 유닛들(500)의 상기 기체 출구(550)를 통해 배출되며, 상기 분리된 액체 냉매는 상기 사이클론 유닛들(500)의 상기 액체 출구(570)를 통해 배출될 수 있다.
이후, 상기 기체 출구(550)를 통해 배출된 기체 냉매는 상기 냉매 드럼(300)을 나와 상기 냉매 유닛(5)으로 이동되며, 상기 액체 출구(570)를 통해 배출된 액체 냉매는 다시 상기 냉매 유닛(5)에서 공급된 액체 냉매와 함께 상기 히트 싱크(200)로 이동될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 냉매의 순환 과정 동안 상기 히트 싱크(200)로 공급되는 냉매의 실질적으로 거의 대부분을 지속적으로 액체 상태로 유지한 채 상기 히트 싱크(200)로 유입시킬 수 있다.
그러므로, 본 실시예에서는, 간접 냉각 방식에서, 상기 히트 싱크(200)로 유입되는 냉매를 저온의 균질한 액체 상태로 지속적으로 공급할 수 있기에, 상기 냉각되는 상기 배터리 모듈들(100)을 냉각 효율을 보다 더 높일 수 있다. 아울러, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는, 상기 히트 싱크(200) 통과 시의 상변화 잠열을 이용하여 상기 배터리 모듈들(300)을 냉각시키기에, 상기 지속적인 순환 냉각 시, 상기 배터리 모듈(300) 간 온도 편차가 거의 발생하지 않을 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 시, 상이 변화하며 나타나는 잠열을 이용하기에, 높은 인가 전류 발생 시에도 상기 배터리 모듈들(100)의 온도 제어가 용이할 수 있다.
아울러, 본 실시예에서는, 상기 냉매 드럼(300)을 통한 냉매의 유동이 기체 및 액체의 밀도 차이에 의한 자연 순환에 의해 이루어질 수 있기에, 상기 순환 시 강제 순환 방식에 비해 차압이 감소하여 저사양의 펌프 사용이 가능할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에서는, 상기 배터리 모듈(100) 간의 냉각 편차를 개선하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩(10) 및 이러한 배터리 팩(10)을 포함하는 자동차(1)를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
1: 자동차
5: 냉매 유닛
10: 배터리 팩
100: 배터리 모듈
200: 히트 싱크
300: 냉매 드럼
500: 사이클론 유닛
510: 유닛 본체
530: 도입 덕트
550: 기체 출구
570: 액체 출구

Claims (7)

  1. 냉매 유닛이 구비된 자동차에 장착되는 배터리 팩에 있어서,
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈;
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 일측에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크와 상기 냉매 유닛을 연결되며, 상기 냉매 유닛으로부터 냉매를 공급받아 상기 히트 싱크로 순환시켜 상기 냉매 유닛으로 냉매를 내보내는 냉매 드럼;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 드럼 내에 구비되며, 상기 냉매의 상분리를 위한 적어도 하나의 사이클론 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 사이클론 유닛은,
    상기 냉매 드럼 내에 배치되며, 상기 냉매를 기체와 액체로 분리하는 유닛 본체;
    상기 유닛 본체 내부와 연결되며, 상기 히트 싱크로부터 상기 냉매 드럼 내로 전달된 냉매를 유닛 본체로 안내하는 도입 덕트;
    상기 유닛 본체의 일측에 구비되며, 상기 유닛 본체에서 기체로 분리된 냉매를 내보내는 기체 출구; 및
    상기 기체 출구의 맞은 편에 구비되며, 상기 유닛 본체에 액체로 분리된 냉매를 내보내는 액체 출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기체 출구에서 나온 기체 냉매는,
    상기 냉매 드럼에서 상기 냉매 유닛으로 이동하며,
    상기 액체 출구에서 나온 액체 냉매는,
    상기 냉매 드럼에서 상기 냉매 유닛에서 공급된 냉매와 함께 상기 히트 싱크로 이동하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 사이클론 유닛은,
    복수 개로 구비되며,
    상기 복수 개의 사이클론 유닛들은,
    상기 냉매 드럼 내에서 병렬 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀은,
    파우치형 이차 전지로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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