KR20180081996A - 간접 냉각 방식의 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 상호 이웃하게 배치된 복수 개의 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈들과 전기적으로 연결된 전장품; 상부에 상기 복수 개의 배터리 모듈과 전장품을 지지하는 트레이; 및 상기 트레이의 상면과 상기 복수 개의 배터리 모듈의 하면 사이에 개재되되, 냉매가 통과하는 2개의 분리된 유로를 형성하는 제1 유로 및 제2 유로를 내부에 구비하여 상기 배터리 모듈들의 점유 면적을 양분하여 상기 배터리 모듈들을 간접 냉각시키는 히트싱크를 포함할 수 있다.

Description

간접 냉각 방식의 배터리 팩{Battery Pack having indirect cooling system}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 협소한 팩 케이스 내부에 공간 집약적으로 조립될 수 있는 복수 개의 배터리 모듈과 이를 냉각시키기 위한 히트싱크가 일체로 구비된 배터리 팩에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 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.
상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
전기 자동차에 적용되는 멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 무엇보다 차량 내의 설치 공간상 제약이 따르기 때문에 가능한 단위 부피당 에너지 밀도가 높고, 집약적으로 배치된 배터리 모듈들에서 발생하는 열을 용이하게 방출시킬 수 있게 설계하는 것이 중요하다. 배터리 모듈에서 발생한 열을 방출하는 다양한 방법 중 하나의 방법으로서, 대한민국 특허공개공보 제10-2014-0077272호와 같이 냉각수가 통과하는 히트싱크를 사용하여 배터리 모듈들을 간접 냉각시키는 방법이 개시되어 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 히트싱크의 냉각 유로를 개략적으로 도시한 구성도이다. 일례로 종래의 히트싱크는, 도 1을 참조하면, 냉각수가 통과하는 유로(10)의 입구(11)와 출구(12)가 하나씩 마련되며 배터리 모듈의 하부을 지지하는 사각 판 형태를 취한다. 그리고 종래 일반적인 멀티 배터리 모듈 구조의 배터리 팩은 트레이 상에 N×M 행열식으로 배터리 모듈들을 대칭적으로 배열하고, 적어도 하나의 상기 히트싱크를 사용한다.
한편, 전기 자동차는 차종에 따라 배터리 팩의 형상이 다양하게 설계될 수 있는데, 경우에 따라서는 배터리 팩 케이스의 치수와 단위 배터리 모듈의 치수 상의 차이 때문에 팩 케이스 내부에 배터리 모듈들이 N×M 행열식으로 배열되지 못하고 불균등하게 배열될 수도 있다. 그런데 이때 기존의 히트싱크 형태를 그대로 사용할 경우, 배터리 팩 케이스 내부에 히트싱크의 조립이 어려울 뿐만 아니라 불균등 배열된 멀티 배터리 모듈을 효과적으로 냉각시키기도 어렵다. 다시 말하면 멀티 배터리 모듈의 경우, 냉각 대상 면적이 비교적 넓어 여러 개의 히트싱크를 팩 케이스 내부에 조립하게 되는데, 팩 케이스 내부에 많은 수의 히트싱크를 조립할 공간이 부족하고 또한, 히트싱크의 개수가 늘어나면 개별 히트싱크에 대한 급수 및 배수 라인이 복잡해진다. 따라서 특히 불균등 배열된 멀티 배터리 모듈에 냉각을 효율적으로 할 수 있으며 팩 케이스 내부에 컴팩트하게 조립될 수 있는 새로운 구조의 히트싱크가 요구된다.
대한민국 특허공개공보 제10-2014-0077272호 2014.06.24 (주) 대한칼소닉
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 협소한 팩 케이스 내부에 복수 개의 배터리 모듈들과 함께 공간 절약적으로 조립될 수 있으며, 우수한 냉각 성능을 발휘할 수 있는 히트 싱크를 구비한 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상호 이웃하게 배치된 복수 개의 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈들과 전기적으로 연결된 전장품; 상부에 상기 복수 개의 배터리 모듈과 전장품을 지지하는 트레이; 및 상기 트레이의 상면과 상기 복수 개의 배터리 모듈의 하면 사이에 개재되되, 냉매가 통과하는 2개의 분리된 유로를 형성하는 제1 유로 및 제2 유로를 내부에 구비하여 상기 배터리 모듈들의 점유 면적을 양분하여 상기 배터리 모듈들을 간접 냉각시키는 히트싱크를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 히트싱크는, 상기 제1 유로 및 제2 유로의 공통 입구를 형성하는 인렛 포트; 및 상기 제1 유로 및 제2 유로의 개별 출구를 형성하는 2개의 아웃렛 포트를 구비할 수 있다.
상기 인렛 포트는 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 배열 순서상 가운데에 위치하고, 상기 2개의 아웃렛 포트는 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 배열 순서상 양쪽 끝에 위치할 수 있다.
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로는 상기 인렛 포트를 기준으로 냉매의 흐름이 서로 반대 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
상기 히트싱크는 상기 유로가 형성된 본체 프레임과, 상기 본체 프레임의 상부를 덮는 쿨링판을 포함하며, 상기 쿨링판은, 짝수 개의 배터리 모듈을 지지할 수 있는 면적을 가진 적어도 하나의 제1 쿨링판과, 홀수 개의 배터리 모듈을 지지할 수 있는 면적을 가진 적어도 하나의 제2 쿨링판으로 조합하여 구성될 수 있다.
적어도 하나의 상기 제1 쿨링판과 제2 쿨링판 중 일부는 나머지 일부와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다.
상기 제1 쿨링판 및 제2 쿨링판의 코너 영역 또는 테두리 라인 상에는 상기 트레이의 바닥면에 구비되는 볼트 수용홈과 상하로 일치하는 볼트 체결공이 마련될 수 있다.
상기 제1 유로 및 제2 유로는, 직선 구간과 곡선 구간이 병존하는 구불구불한 헤어핀 루프 구조를 취하며, 상기 직선 구간에는 냉매의 흐름을 두 갈래로 나누는 격벽이 마련될 수 있다.
상기 하나의 인렛 포트와 2개의 아웃렛 포트에 연결되는 냉매 순환용 호스를 더 구비하며, 상기 냉매 순환용 호스는 한 갈래로 형성되어 상기 인렛 포트에 냉매를 급수시키는 냉매 유입용 호스와 양 갈래로 형성되어 상기 2개의 아웃렛 포트로부터 냉매를 배수시키는 냉매 유출용 호스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 협소한 팩 케이스 내부에 복수 개의 배터리 모듈들과 함께 공간 절약적으로 조립될 수 있으며, 향상된 냉각 성능을 발휘할 수 있는 히트싱크를 구비한 배터리 팩이 제공될 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 2개의 분리된 유로가 트레이 상에 배터리 모듈들의 점유 면적을 양분하여 배터리 모듈들을 냉각시킴으로써 냉매의 이동 거리를 줄임으로써 입구측과 출구측의 온도 편차를 줄일 수 있다.
또한, 히트싱크의 중심부에 하나의 인렛 포트와 히트싱크의 양쪽 끝에 각각 하나씩 총 2개의 아웃렛 포트를 마련함으로써 압력 강하를 낮춤으로써 냉매의 유속 및 유량을 증가시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 의한 히트싱크의 냉각 유로를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 트레이, 히트싱크 및 배터리 모듈만을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 상부에 배열된 멀티 배터리 모듈을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 트레이 상에 조립된 히트싱크를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 내부 유로를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크의 사시도이다.
도 9는 도 8의 히트싱크의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에서 트레이, 히트싱크 및 배터리 모듈만을 도시한 사시도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수 개의 배터리 모듈들(100)과, 전장품(200), 트레이(300) 및 배터리 모듈들(100)의 냉각을 담당하는 히트싱크(400)를 포함할 수 있다.
먼저, 멀티 배터리 모듈(100)과 전장품(200)에 대해 간략히 설명하면, 멀티 배터리 모듈(100)은 배터리 팩에 요구되는 특정 용량 및 출력을 발휘하도록 직렬 및/또는 병렬 연결된 다수의 단위 배터리 모듈(101,102,103,104,105,106,107)들의 집합체일 수 있다. 즉 배터리 팩의 용량 및 출력은 이러한 단위 배터리 모듈(101,102,103,104,105,106,107)들의 개수 및 그 직렬 및/또는 병렬연결 방식에 의해 결정될 수 있다.
단위 배터리 모듈(101,102,103,104,105,106,107) 각각은 다수의 이차전지들의 집합체일 수 있다. 여기서 다수의 이차전지는 파우치형 이차 전지일 수 있다. 파우치형 이차전지는, 일 방향, 이를테면 상하 또는 좌우 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 단위 배터리 모듈은, 파우치형 이차 전지의 적층을 위해 적층용 프레임을 더 포함할 수 있다. 적층용 프레임은 이차 전지를 적층하는데 이용되는 구성요소로, 이차 전지를 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 이차 전지의 조립을 가이드하는 구성품이다. 이러한 적층용 프레임은, 카트리지 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있다.
전장품(200)은 릴레이 어셈블리, BMS 어셈블리, MSD 어셈블리(210) 등을 포함할 수 있다. 릴레이 어셈블리는 전류가 흐르는 충방전 경로를 선택적으로 개폐하는 스위칭 부품으로 배터리 팩에 이상 상황 발생 시 충방전 전류의 흐름을 차단할 수 있다. BMS 어셈블리는 배터리 모듈들의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 장치를 의미하며, 배터리 팩에 통상적으로 포함되는 구성요소라 할 수 있다. 그리고 MSD(Manual Service Disconnector) 어셈블리는 고전압 배터리의 전원을 물리적인 방법에 의하여 선택적으로 차단하기 위한 시스템으로, 필요 시 서비스 플러그를 분리하여 전원을 차단시킨다.
트레이(300)는 멀티 배터리 모듈(100)과 전장품(200)들을 내부에 수납할 수 있는 공간을 제공하며 차량의 차체에 결합될 수 있는 구조물이다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 트레는 배터리 모듈들과 전장품(200)들을 안착시킬 수 있는 대략 평평하고 넓은 상면과 차량의 차체에 고정시킬 수 있게 브라켓(320)을 구비할 수 있다. 트레이(300)는 배터리 모듈들과 전장품(200)들에 대한 기계적 지지력을 제공하며 외부의 충격 등으로부터 이들을 보호하는 역할을 한다. 따라서 트레이(300)는 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작함이 바람직하다. 도시하지 않았으나, 배터리 팩은 트레이(300)의 상부를 덮는 팩 커버(미도시)를 더 구비할 수 있다. 트레이(300)와 팩 커버는 한 세트로 배터리 팩의 외관을 형성하는 팩 케이스를 형성할 수 있다.
히트싱크(400)는 내부 유로(421,422)에 냉매를 통과시켜 열 접촉에 의해 멀티 배터리 모듈(100)들로부터 열을 흡수하여 이들을 간접 냉각시키는 역활을 하는 구성품으로, 트레이(300)의 상면과 멀티 배터리 모듈(100)의 하면 사이에 개재될 수 있다.
상기 유로(421,422)에 흐르는 냉매는 유로(421,422)에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나 이것에 한정하지 않고, 흐름이 발생하는 것이면, 부동액, 가스 냉매, 공기 등이어도 적용 가능하다.
히트싱크(400)는 열전도성이 높은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 소재로 제작될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 구리, 금, 은도 가능하다. 금속 이외의 질화알루미늄, 탄화규소와 같은 세라믹 물질도 가능하다.
한편, 멀티 배터리 모듈과 전장품(200)을 트레이(300) 상에 조립할 때, 트레이(300)의 치수와 단위 배터리 모듈의 치수상의 차이 때문에 단위 배터리 모듈들이 균등하게 배열되지 못할 수 있다.
예를 들면, 트레이(300) 상에 멀티 배터리 모듈(100)들이 놓이는 면적을 멀티 배터리 모듈의 점유 면적이라 하면, 상기 점유 면적이, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 불균등해 질 수 있다. 본 실시예의 경우, 트레이(300)의 가로가 세로에 비해 상대적으로 길게 형성되어 있어, 6개의 배터리 모듈(101,102,103,104,105,106)이 트레이(300)의 가로 방향을 따라 일렬로 배열되고 나머지 1개의 배터리 모듈(107)은 상기 6개의 배터리 모듈과 방향을 달리하여 배열될 수 있다. 이와 같은 멀티 배터리 모듈의 점유 면적은 상하 좌우가 비대칭적이다.
이와 같이, 좁은 트레이(300) 안에 멀티 배터리 모듈(100)이 불균등하게 배열되어 있는 경우 기존의 히트싱크(400)를 사용하여 냉각 구조를 구성하는데는 제약이 따른다. 기존의 히트싱크(400)는, (도 1 참조) 단위 배터리 모듈 하나 또는 두개의 점유 면적에 대응하는 사각 판상체 형태로 유로의 입구와 출구가 하나씩 형성되어 있다. 이러한 기존의 히트싱크(400)를 사용할 경우 적어도 4개의 히트싱크(400)를 트레이(300) 상에 조립해야 하는데 조립 공간이 부족하고 냉매 급,배수 라인이 복잡해져 조립 자체가 쉽지 않다. 예컨대, 히트싱크(400)에 냉매를 순환시키려면 히트싱크(400)를 외부의 순환펌프와 연결시킬 호스(hose) 또는 파이프(pipe)가 필요한데, 좁은 배터리 팩 내부에 이들 부속 자재들이 늘어나면 냉매 급,배수 라인이 매우 복잡해지고 다른 구성품들과의 간섭도 피하기 어렵다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크(400) 상부에 배열된 멀티 배터리 모듈을 도시한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 트레이(300) 상에 조립된 히트싱크(400)를 도시한 사시도, 도 6은 도 5의 평면도, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크(400) 내부 유로를 도시한 도면, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크(400)의 사시도와 그 평면도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 경우, 특히 위와 같이 불균등 배열 구조를 갖는 멀티 배터리 모듈(100)의 점유 면적을 효과적으로 커버하고 냉매 급,배수 라인도 복잡하지 않은 히트싱크(400)가 제공될 수 있다. 후술하겠지만, 이러한 히트싱크(400)는 사이즈가 멀티 배터리 모듈의 점유 면적과 거의 동일하여 트레이(300)에 조립될 때 불필요한 공간이 없어짐으로써 조립성 및 냉각 성능의 향상을 기대할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 히트싱크(400)는 멀티 배터리 모듈의 점유 면적에 대응하는 본체 프레임(410)과 본체 프레임(410)의 상부를 덮는 쿨링판으로 구성된다. 유로(421,422)는 본체 프레임(410) 내부에 형성될 수 있다.
상기 쿨링판은 대략 평활한 표면을 가지며 상호 이웃한 2개의 단위 배터리 모듈에 상응하는 면적을 가진 적어도 하나의 제1 쿨링판(411)과 하나의 단위 배터리 모듈에 상응하는 면적을 가진 적어도 하나의 제2 쿨링판(412)을 포함할 수 있다.
상기 제1 쿨링판(411)과 제2 쿨링판(412)을 적절히 조합하면 불균등 배열된 멀티 배터리 모듈(100)의 점유 면적에 대응할 수 있다. 이를테면 본 실시예의 경우, 총 7개의 단위 배터리 모듈의 점유 면적에 대응하게 본체 프레임(410) 상부에 3개의 제1 쿨링판(411)이 연속적으로 결합되고 1개의 제2 쿨링판(412)은 불연속적으로 결합된다.
즉 적어도 하나의 상기 제1 쿨링판(411)과 제2 쿨링판(412) 중 일부는 나머지 일부와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 본 실시예와 같이 7번째 배터리 모듈이 일렬로 배열된 6개의 배터리 모듈들과 약간의 갭을 두고 떨어져 배열된 경우, 3개의 제1 쿨링판(411)들은 일체로 제작하고 제2 쿨링판(412)은 별도로 제작하여 이들을 각각 본체 프레임(410) 위에 결합한다.
또한, 제1 쿨링판(411) 및 제2 쿨링판(412)의 코너 영역 또는 테두리 라인 상에는 트레이(300)의 바닥면에 구비되는 볼트 수용홈(미도시)과 상하로 일치하는 볼트 체결공(413)이 마련될 수 있다. 히트싱크(400)는 상하로 일치된 볼트 체결공(413)과 볼트 수용홈에 볼트(B)를 끼워 넣고 조임으로써 트레이(300)에 고정 결합될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 본체 프레임(410) 내부에는 구불구불한 헤어핀(hair-pin) 루프 구조를 취하는 유로(421,422)가 구비된다. 다시 말하면, "U" 자형 유로를 여러 개 연결한 형태로 직선 구간과 곡선 구간이 병존할 수 있다. 그리고 직선 구간에는 냉매의 흐름을 두 갈래로 나누는 격벽(W)이 더 마련될 수 있다.
유로(421,422)를 구불구불하게 형성하여 쿨링판(411,412)의 온도 분포가 균일함으로써 멀티 배터리 모듈(100)에 대한 균일 냉각이 가능해질 수 있다. 그리고 헤어핀 루프 구조의 유로(421,422)는 경로 상에 와류가 생성됨으로 뜨거워진 냉매와 차가운 냉매의 혼합이 잘 이루어져 멀티 배터리 모듈(100)에 대한 열 흡수율을 높일 수 있다.
특히, 본 발명의 히트싱크(400)의 유로(421,422)는, 도 7과 같이, 2개로 분리되는 제1 유로(421) 및 제2 유로(422)를 포함한다. 상기 제1 유로(421)과 제2 유로(422)는 냉매의 흐름을 서로 반대 방향으로 유도하여 불균등 배열된 멀티 배터리 모듈(100)의 점유 면적을 양분하여 냉각을 담당한다.
또한, 본 발명에 따른 히트싱크(400)는 상기 제1 유로(421) 및 제2 유로(422)의 공통 입구를 형성하는 하나의 인렛 포트(431)와 상기 제1 유로(421) 및 제2 유로(422)의 개별 출구를 형성하는 2개의 아웃렛 포트(433,435)를 포함한다.
상기 하나의 인렛 포트(431)는 히트싱크(400)의 면적을 절반으로 양분하는 중심부에 위치하고 상기 2개의 아웃렛 포트(433,435)는 인렛 포트(431)를 가운데 두고 히트싱크(400)의 양쪽 끝 부분에 위치한다. 다시 말하면, 하나의 인렛 포트(431)는 복수 개의 배터리 모듈들의 배열 순서상 가운데에 위치하고, 2개의 아웃렛 포트(433,435)는 복수 개의 배터리 모듈의 배열 순서상 양쪽 끝에 위치하는 것과 같다.
예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 좌측을 기준으로 총 7개의 배터리 모듈을 대략 반시계 방향으로 배열할 때 4번째 단위 배터리 모듈(104)이 위치하는 곳에 인렛 포트(431)가 마련될 수 있다. 그리고 2개의 아웃렛 포트(433,435)는 첫번째 단위 배터리 모듈(101)과 7번째 단위 배터리 모듈(107)이 위치하는 곳에 마련될 수 있다. 따라서 인렛 포트(431)와 어느 하나의 아웃렛 포트(433,435) 사이에 멀티 배터리 모듈(100)의 대략 절반이 배열된다. 마찬가지로 인렛 포트(431)와 나머지 하나의 아웃렛 포트(433,435) 사이에 멀티 배터리 모듈(100)의 나머지 절반이 배열된다.
이러한 히트싱크(400) 구성에 의하면 제1 유로(421)와 제2 유로(422)가 각각 대략 절반씩 멀티 배터리 모듈(100)들의 냉각을 담당하게 되므로 제1 유로(421)와 제2 유로(422)가 각각 흡수하는 열량은 대략 전체 멀티 배터리 모듈(100)에서 발생하는 열량의 절반이 될 수 있다. 따라서 제1 유로(421)와 제2 유로(422)를 통과하는 냉매의 온도 상승을 그만큼 줄일 수 있어 멀티 배터리 모듈(100)에 대한 냉각 효율이 향상될 수 있다.
또한, 하나의 인렛 포트(431)를 히트싱크(400)의 중심부에 두고 2개의 아웃렛 포트(433,435)를 히트싱크(400)의 양쪽 끝 부분에 둠으로써 유로 내의 압력 강하를 낮출 수 있다.
유로(421,422) 내의 압력 강하는 유로(421,422)의 입구에서 출구까지의 거리가 늘어날수록 커진다. 본 발명의 경우, 멀티 배터리 모듈(100)의 점유 면적을 양분하여 인렛 포트(431)를 기준으로 양방향으로 냉매를 흘려보냄으로써 인렛 포트(431)와 아웃렛 포트(433,435)까지의 거리를 줄임으로써 유로 내의 압력 강하를 줄일 수 있다. 따라서 본 발명의 경우, 멀티 배터리 모듈(100)의 점유 면적 전체를 하나의 히트싱크(400)로 냉각시킬 수 있으면서도 유로(421,422) 내의 압력 손실을 줄여 냉매의 유속 및 유량이 감소하는 것을 막아 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 하나의 인렛 포트(431)와 2개의 아웃렛 포트(433,435)에 연결되는 냉매 순환용 호스(441,443))를 더 구비한다. 상기 냉매 순환용 호스(441,443)는 한 갈래로 형성되어 인렛 포트(431)에 냉매를 급수시키는 냉매 유입용 호스(441)와 양 갈래로 형성되어 2개의 아웃렛 포트(433,435)로부터 냉매를 배수시키는 냉매 유출용 호스(443)을 포함할 수 있다. 그리고 트레이(300)의 일측에는 상기 냉매 순환용 호스(441,443)를 배터리 팩 내외부로 통과시킬 수 있게 마련된 호스 장착부(310)가 구비될 수 있다.
상기 냉매 유입용 호스(441)는 일단이 호스 장착부(310)에 고정 결합되고 타단은 인렛 포트(431)에 연결된다. 그리고 상기 냉매 배출용 호스(443)는 일단이 냉매 유입용 호스(441)와 이웃하게 호스 장착부(310)에 고정 결합되고, 배터리 팩 내부에서 양 갈래로 분기된 두개의 라인(443a,443b)을 형성하여 그 2개의 타단이 2개의 아웃렛 포트(433,435)에 연결된다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 팩은 하나의 히트싱크(400)로 냉매의 입구와 출구가 하나씩 있는 2개의 히트싱크(400)의 냉각 성능을 발휘하면서도 배터리 팩 내부에 필요한 냉매 순환용 호스의 개수를 줄일 수 있다. 이에 따라 배터리 팩 내부의 냉매 공급 및 배출 라인을 간소화시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함할 수 있다.
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.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
100: 배터리 모듈 100: 전장품
300: 트레이 310: 호스 장착부
400: 히트싱크 411: 제1 쿨링판
412: 제2 쿨링판 413: 볼트 체결공
421: 제1 유로 422: 제2 유로
431: 인렛 포트 433,435: 아웃렛 포트
441: 냉매 유입용 호스 443: 냉매 배출용 호스

Claims (10)

  1. 상호 이웃하게 배치된 복수 개의 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈들과 전기적으로 연결된 전장품;
    상부에 상기 복수 개의 배터리 모듈과 전장품을 지지하는 트레이; 및
    상기 트레이의 상면과 상기 복수 개의 배터리 모듈의 하면 사이에 개재되되, 냉매가 통과하는 2개의 분리된 유로를 형성하는 제1 유로 및 제2 유로를 내부에 구비하여 상기 배터리 모듈들의 점유 면적을 양분하여 상기 배터리 모듈들을 간접 냉각시키는 히트싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는,
    상기 제1 유로 및 제2 유로의 공통 입구를 형성하는 인렛 포트; 및
    상기 제1 유로 및 제2 유로의 개별 출구를 형성하는 2개의 아웃렛 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인렛 포트는 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 배열 순서상 가운데에 위치하고, 상기 2개의 아웃렛 포트는 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 배열 순서상 양쪽 끝에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 유로 및 상기 제2 유로는 상기 인렛 포트를 기준으로 냉매의 흐름이 서로 반대 방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는 상기 유로가 형성된 본체 프레임과, 상기 본체 프레임의 상부를 덮는 쿨링판을 포함하며,
    상기 쿨링판은, 짝수 개의 배터리 모듈을 지지할 수 있는 면적을 가진 적어도 하나의 제1 쿨링판과, 홀수 개의 배터리 모듈을 지지할 수 있는 면적을 가진 적어도 하나의 제2 쿨링판을 조합한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 쿨링판과 제2 쿨링판 중 일부는 나머지 일부와 소정 간격 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 쿨링판 및 제2 쿨링판의 코너 영역 또는 테두리 라인 상에는 상기 트레이의 바닥면에 구비되는 볼트 수용홈과 상하로 일치하는 볼트 체결공이 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유로 및 제2 유로는,
    직선 구간과 곡선 구간이 병존하는 구불구불한 헤어핀 루프 구조를 취하며,
    상기 직선 구간에는 냉매의 흐름을 두 갈래로 나누는 격벽이 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 하나의 인렛 포트와 2개의 아웃렛 포트에 연결되는 냉매 순환용 호스를 더 구비하며,
    상기 냉매 순환용 호스는 한 갈래로 형성되어 상기 인렛 포트에 냉매를 급수시키는 냉매 유입용 호스와 양 갈래로 형성되어 상기 2개의 아웃렛 포트로부터 냉매를 배수시키는 냉매 유출용 호스를 포함하는 것을 특징으로 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
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