KR20180133729A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 배터리 모듈을 냉각하는 냉각유로를 포함하고, 배터리 모듈은 복수개가 제1 방향으로 나란히 배열되며, 냉각유로는, 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 양 측면에 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유입되는 통로를 제공하는 복수개의 유입튜브와, 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유출되는 통로를 제공하는 복수개의 유출튜브를 포함하고, 열전달매체는 복수개의 유입튜브 중 가상선을 기준으로 배터리 모듈의 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브를 통해 냉각유로의 내부로 유입되고, 열전달매체는 복수개의 유출튜브 중 가상선을 기준으로 배터리 모듈의 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브를 통해 냉각유로의 외부로 유출되는 배터리 팩을 개시한다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명의 실시예들은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 팩에 포함되는 각 배터리 셀 간의 온도 편차를 줄일 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
통상적으로 배터리 셀은 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 그 형태를 변화시켜 사용할 수 있다.
예컨대, 휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 배터리 셀의 출력과 용량으로도 소정시간 동안 작동이 가능하다. 하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량을 높일 수 있도록 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 대용량의 배터리 모듈을 구성할 수 있다.
이와 같은 배터리 모듈은 내장된 배터리 셀의 개수에 따라 출력 전압이나 출력 전류를 조절할 수 있다. 또한, 이러한 배터리 모듈을 전기적으로 복수개 연결함으로써 배터리 팩을 구성할 수도 있다.
일반적으로, 배터리 셀은 전기화학적 반응에 의하여 외부전자기기에 에너지를 전달한다. 이때, 전기화학적 반응 중에 배터리 셀은 발열하고, 이러한 열이 축적되는 경우에는 배터리 셀의 열화뿐만 아니라 심한 경우에는 배터리 팩의 안전성에도 문제가 될 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 온도를 제어하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명의 실시예들은 배터리 모듈의 전체 영역에 걸쳐 균일한 열전달매체의 유동을 구현할 수 있는 배터리 팩을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 열전달매체가 흐르는 냉각유로의 과열 영역을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 배터리 모듈을 냉각하는 냉각유로를 포함하고, 배터리 모듈은 복수개가 제1 방향으로 나란히 배열되며, 냉각유로는, 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 양 측면에 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유입되는 통로를 제공하는 복수개의 유입튜브와, 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유출되는 통로를 제공하는 복수개의 유출튜브를 포함하고, 열전달매체는 복수개의 유입튜브 중 가상선을 기준으로 배터리 모듈의 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브를 통해 냉각유로의 내부로 유입되고, 열전달매체는 복수개의 유출튜브 중 가상선을 기준으로 배터리 모듈의 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브를 통해 냉각유로의 외부로 유출되는 배터리 팩을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 유입튜브는 가상선을 기준으로 배터리 모듈의 타측에 위치하는 제2 서브유입튜브를 더 포함하고, 유출튜브는 가상선을 기준으로 배터리 모듈의 타측에 위치하는 제2 서브유출튜브를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 열전달매체는 제1 서브유입튜브를 따라 유동하여 가상선을 기준으로 복수개의 배터리 모듈의 일측을 제1 방향을 따라 순차적으로 냉각시키고, 제2 서브유입튜브를 따라 유동하여 가상선을 기준으로 복수개의 배터리 모듈의 타측을 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 순차적으로 냉각시키며, 제2 서브유출튜브를 따라 유동하여 가상선을 기준으로 복수개의 배터리 모듈의 타측을 제1 방향을 따라 순차적으로 냉각시키고, 제1 서브유출튜브를 따라 유동하여 가상선을 기준으로 복수개의 배터리모듈의 일측을 제2 방향을 따라 순차적으로 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 냉각유로로 유입되는 열전달매체는 제1 서브유입튜브와 제2 서브유입튜브, 제2 서브유출튜브 및 제1 서브유출튜브를 따라 순차적으로 유동할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 냉각유로는, 제1 서브유입튜브의 최하류 측과 제2 서브유입튜브의 최상류 측을 연결하는 유입연결튜브와, 제2 서브유입튜브의 최하류 측과 제2 서브유출튜브의 최상류 측을 연결하는 중간연결튜브와, 제2 서브유출튜브의 최하류 측과 제1 서브유출튜브의 최상류 측을 연결하는 유출연결튜브를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 유입연결튜브를 흐르는 열전달매체는 제1 방향 및 제2 방향 각각과 교차하는 제3 방향을 따라 유동하고, 중간연결튜브와 유출연결튜브를 흐르는 열전달매체는 제3 방향과 반대 방향인 제4 방향을 따라 유동할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 서브유출튜브를 통해 냉각유로의 외부로 유출되는 열전달매체는 인접하는 제1 서브유입튜브와 제2 서브유출튜브를 흐르는 열전달매체에 의해 냉각될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 냉각유로는 냉각유로 내부에 형성되는 열전달매체의 유로를 복수개의 채널로 구분하도록 냉각유로 내부에 열전달매체의 유동 방향을 따라 연장 형성되는 리브를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복수개의 배터리 모듈과 냉각유로를 지지하되, 냉각유로가 안착되는 함입부를 포함하는 지지부재를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 배터리 모듈과 냉각유로 사이에 개재되어 배터리 모듈에서 발생하는 열을 냉각유로로 전달하는 열전도 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 열전도 플레이트는, 열전달매체를 제1 서브유입튜브로 유입시키는 유입구와, 열전달매체를 제1 서브유출튜브에서 냉각유로의 외부로 유출시키는 유출구를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 냉각유로와 열전도 플레이트는 일체로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 배터리 모듈과 열전도 플레이트 사이에 개재되어 배터리 모듈의 일면을 완충 지지하는 완충패드를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 열전달매체는 상온에서 상변화가 가능한 냉매(refrigerant)일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩에 의하면, 열전달매체가 유동하는 냉매유로의 과열 영역을 인접하는 다른 냉매유로를 흐르는 상대적으로 저온인 열전달매체를 이용하여 냉각시킬 수 있는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩에 의하면, 냉각유로를 직렬로 배치함으로써 배터리 모듈의 전체 영역에 걸쳐 균일한 열전달매체의 유동을 구현할 수 있으며, 이를 통해 배터리 모듈을 이루는 각 배터리 셀의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A를 절개하여 나타내는 절개 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 팩의 각 구성요스들을 분해하여 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩의 각 구성요소들의 일부를 조립하여 나타내는 부분 사시도이다.
도 5는 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 유동 경로를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 6은 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 온도 변화를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A를 절개하여 나타내는 절개 측면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 배터리 팩의 각 구성요스들을 분해하여 나타내는 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩의 각 구성요소들의 일부를 조립하여 나타내는 부분 사시도이며, 도 5는 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 유동 경로를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
먼저 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 모듈(110)과, 냉각유로(120)와, 지지부재(130)와, 열전도 플레이트(140) 및 완충패드(150)를 포함할 수 있다.
먼저, 배터리 모듈(110)은 고전압의 대용량 배터리 모듈(110)로서, 서로 전기적으로 연결되는 복수개의 배터리 셀(111)들을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(110)에 포함되는 복수개의 배터리 셀(111)들은 제3 방향으로 나란하게 배열될 수 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 복수개의 배터리 셀(111)들은 제1 방향을 따라서도 나란히 복수개가 배열될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 복수개의 배터리 셀(111)들이 제3 방향을 따라 여러 개가 배열되는 구조를 중심으로 설명하기로 한다.
또한, 배터리 모듈(110)은 복수개가 구비되어, 후술할 냉각유로(120)를 통해 유동하는 열전달매체가 주로 유동하는 방향(이하 도 5를 참조하여 설명하겠으나, 열전달매체는 제1 방향 뿐만아니라 유입연결튜브(123), 중간연결튜브(124) 및 유출연결튜브(125)를 통해 제3 방향으로도 유동 가능함)인 제1 방향(또는 제2 방향)을 따라 나란히 배열될 수 있다. 예컨대, 도 1은 모두 네 개의 배터리 모듈(110)이 제1 방향을 따라 배열된 모습을 나타내나, 본 발명의 실시예들은 이러한 배터리 모듈(110)의 개수에 한정되지 않으며, 복수개가 구비될 수 있다.
한편, 배터리 모듈(110)은 배터리 셀(111)을 덮어 밀봉하는 하우징(112)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 하우징(112)은 배터리 셀(111)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 배터리 셀(111)의 측면과 정면의 일부를 개방하는 개구홀(112h)을 포함할 수 있다. 도면에 도시된 개구홀(112h)은 모서리가 굴곡진 직사각형 형태이나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 개구홀(112h)은 상술한 바와 같이 배터리 셀(111)에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방출하기 위함으로, 이러한 목적에 맞는 그 어떠한 형태로도 하우징(112)의 그 어떠한 위치에도 형성이 가능하다. 예컨대, 도면에는 도시되지 않았으나 개구홀(112h)은 하우징(112)의 상면에도 형성될 수 있다.
상세히, 하우징(112)은 배터리 셀(111)의 넓은 면과 대면하는 한 쌍의 엔드 하우징(112e)과, 엔드 하우징(112e)에 연결되어 배터리 셀(111)의 측면과 대면하는 한 쌍의 사이드 하우징(112s)과, 배터리 셀(111)의 상측과 대면하는 커버 하우징(112c)을 포함할 수 있다. 이러한 엔드 하우징(112e), 사이드 하우징(112s) 및 커버 하우징(112c)은 복수개의 배터리 셀(111)을 하나의 배터리 모듈(110)로써 고정하기 위한 것으로, 이들의 형상은 배터리 모듈(110)의 디자인에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
한편, 배터리 셀(111)은 세퍼레이터(미도시)를 사이에 두고, 이의 양측에 양극판(미도시)과 음극판(미도시)이 배치되는 전극조립체(미도시)를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충전 및 방전시키는 통상적인 구조로 구성될 수 있다. 그리고, 각 배터리 셀(111)의 일면에는 제1 단자(미도시)와 제2 단자(미도시)가 일정 간격을 유지한 상태로 돌출될 수 있다.
그리고, 어느 하나의 배터리 셀(111)의 제1 단자 및 제2 단자는 인접하는 타 배터리 셀(111)의 제1 단자 및 제2 단자와 버스바(미도시)를 매개로 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 단자 및 제2 단자는 각각 양극 또는 음극의 극성을 가질 수 있다.
이와 같이 버스바를 통해 서로 전기적으로 연결된 제1 단자와 제2 단자는 도면에 도시된 바와 같이 각 배터리 모듈(110) 당 하나의 양극 단자(113) 또는 음극 단자(114)로 구성되어 하우징(112) 외부로 노출될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 이러한 양극 단자(113)와 음극 단자(114)는 각 배터리 모듈(110) 사이를 연결하는 버스바를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
다음으로, 냉각유로(120)는 복수개의 유입튜브(121)와, 복수개의 유출튜브(122)와, 유입연결튜브(123)와, 중간연결튜브(124)와, 유출연결튜브(125) 및 리브(126)를 포함할 수 있다.
냉각유로(120)는 배터리 모듈(110)과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 배터리 모듈(110)을 냉각시킬 수 있다. 여기서, 열전달매체는 상온에서 상변화가 가능한 냉매(refrigerant)일 수 있으며, 예컨대, R134a, R1234YF와 같은 프레온 가스계 냉매와 Novec 냉매를 포함할 수 있다. 이러한 냉매의 종류와 관련하여서는 전체적인 배터리 팩(100)의 용량과 사이즈와 같은 배터리 팩(100)의 물리적인 요소와, 배터리 팩(100)에서 발생하는 열과 같은 열역학적인 요소를 모두 고려하여 배터리 모듈(110)을 가장 최적하게 냉각시킬 수 있는 냉매를 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 도 1에 의하면 냉각유로(120)는 배터리 모듈(110)의 하부에 설치되는 것으로 묘사되어 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 냉각유로(120)는 도면에 도시된 방향을 기준으로 배터리 모듈(110)의 측면에도 설치될 수 있으며, 또한 배터리 모듈(110)의 상부에도 설치될 수도 있다. 다만, 이러한 경우에는 각 배터리 셀(111)의 결합에 있어 주요 구성요소인 하우징(112)과 양극 단자(113), 음극 단자(114) 및 버스바(미도시)의 위치가 도 1에 도시된 바와 같이 냉각유로(120)에서 멀리 떨어진 위치에 설치될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 냉각유로(120)가 배터리 모듈(110)의 하부에 설치된 구조를 중심으로 설명하기로 한다.
유입튜브(121)는 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈(110)의 양 측면(S1, S4)에 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유입되는 통로를 제공할 수 있다. 또한, 유출튜브(122)는 상기 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈(110)의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치(S2, S3)되어 열전달매체가 유출되는 통로를 제공할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 유입튜브(121)와 유출튜브(122)의 구조적인 측면에 대해 먼저 자세하게 설명하기로 한다.
먼저 도 5를 참조하면, 유입튜브(121)와 유출튜브(122)는 각각 가상선(VL)을 기준으로 한 쌍씩 구비될 수 있다. 이때, 가상선(VL)을 기준으로 배터리 모듈(110)의 일측(S1, S2를 포함하나, 유입튜브(121a)는 S1에 설치)에 설치되는 하나의 유입튜브(121a)와 일측과 반대편인 타측(S3, S4를 포함하나, 다른 하나의 유입튜브(121b)는 S4에 설치)에 설치되는 다른 하나의 유입튜브(121b)는 서로 대칭하도록 배치될 수 있다. 여기서, '대칭하도록 배치'라 함은 그 형태가 가상선(VL)을 기준으로 정확하게 대칭됨을 의미하는 것이 아니라, 복수개의 유입튜브(121)와 유출튜브(122)의 설치 위치(S1, S4)가 가상선(VL)을 기준으로 서로 대칭됨을 의미한다.
그리고, 유출튜브(122)와 같은 경우도 유입튜브(121)와 마찬가지로, 가상선(VL)을 기준으로 배터리 모듈(110)의 일측(S1, S2를 포함하나, 하나의 유출튜브(122a)는 S2에 설치)에 설치되는 하나의 유출튜브(122a)와 타측(S3, S4를 포함하나, 다른 하나의 유출튜브(122b)는 S3에 설치)에 설치되는 다른 하나의 유출튜브(122b)는 서로 대칭되도록 배치될 수 있다. 단, 유입튜브(121)는 유출튜브(122)보다 가상선(VL)으로부터 더 멀리 떨어진 위치, 즉 배터리 모듈(110)의 양 측면(S1, S4)에 설치되며, 유출튜브(122)는 유입튜브(121)보다 가상선(VL)에 더 인접하는 위치(S2, S3)에 설치될 수 있다.
이하에서, 가상선(VL)을 기준으로 일측(S1, S2)에 설치되는 하나의 유입튜브(121a)와 하나의 유출튜브(122a)를 각각 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출튜브(122a)로, 타측(S3, S4)에 설치되는 다른 하나의 유입튜브(121b)와 다른 하나의 유출튜브(122b)를 각각 제2 서브유입튜브(121b)와 제2 서브유출튜브(122b)로 정의하기로 한다.
상세히, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출튜브(122a)와의 간격과, 제1 서브유출튜브(122a)와 제2 서브유출튜브(122b)와의 간격과, 제2 서브유출튜브(122b)와 제2 서브유입튜브(121b)와의 간격은 서로 대응할 수 있다. 즉, 각각의 유입튜브(121)와 유출튜브(122)는 등 간격(equal interval)으로 배치될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같이 복수개의 유입튜브(121)와 유출튜브(122) 사이의 간격이 서로 대응하는 구조에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출튜브(122a)와의 간격과, 제1 서브유출튜브(122a)와 제2 서브유출튜브(122b)와의 간격과, 제2 서브유출튜브(122b)와 제2 서브유입튜브(121b)와의 간격은 서로가 상이할 수도 있다.
다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출튜브(122a)와의 간격과, 제1 서브유출튜브(122a)와 제2 서브유출튜브(122b)와의 간격과, 제2 서브유출튜브(122b)와 제2 서브유입튜브(121b)와의 간격이 서로 동일하고, 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출튜브,(122a)가 가상선(VL)을 중심으로 제2 서브유입튜브(121b)와 제2 서브유출튜브(122b)에 대칭되는 구조를 중심으로 설명하기로 한다.
또한, 냉각유로(120)는 제1 서브유입튜브(121a)의 최하류 측과 제2 서브유입튜브(121b)의 최상류 측을 연결하여 제1 서브유입튜브(121a)에서 제2 서브유입튜브(121b) 측으로 열전달매체를 전달하는 유입연결튜브(123)를 더 포함할 수 있다.
또한, 냉각유로(120)는 제2 서브유입튜브(121b)의 최하류 측과 제2 서브유출튜브(122b)의 최상류 측을 연결하여 제2 서브유입튜브(121b)에서 제2 서브유출튜브(122b) 측으로 열전달매체를 전달하는 중간연결튜브(124)를 더 포함할 수 있다.
또한, 냉각유로(120)는 제2 서브유출튜브(122b)의 최하류 측과 제1 서브유출튜브(121b)의 최상류 측을 연결하여 제2 서브유출튜브(122b)에서 제1 서브유출튜브(121b) 측으로 열전달매체를 전달하는 유출연결튜브(125)를 더 포함할 수 있다.
즉 정리하면, 유입구(141)를 통해 냉각유로(120)의 내부로 유입된 열전달매체는 제1 서브유입튜브(121a)를 따라 유동하여 가상선(VL)을 기준으로 복수개의 배터리 모듈(110)의 일 측면(S1)을 제1 방향을 따라 순차적으로(110-1, 110-2, 110-3, 110-4) 냉각시키고, 유입연결튜브(123) 측으로 전달될 수 있다.
그리고, 제1 서브유입튜브(121a)에서 유입연결튜브(123)로 전달된 열전달매체는 유입연결튜브(123)를 따라 제4 방향으로 유동하여 제2 서브유입튜브(121b) 측으로 전달될 수 있다. 이때, 열전달매체는 유입연결튜브(123)를 따라 제4 방향으로 유동하는 동안 하나의 배터리 모듈(110-4)의 일부 영역을 냉각시킬 수 있음은 물론이다.
다음으로, 열전달매체는 유입연결튜브(123)에서 제2 서브유입튜브(121b) 측으로 전달될 수 있다. 유입연결튜브(123)에서 제2 서브유입튜브(121b) 측으로 전달된 열전달매체는 제2 서브유입튜브(121b)를 따라 유동하여 가상선(VL)을 기준으로 복수개의 배터리 모듈(110)의 타 측면(S4)을 제2 방향을 따라 순차적으로(110-4, 110-3, 110-2, 110-1) 냉각시키고, 중간연결튜브(124) 측으로 전달될 수 있다.
그리고, 제2 서브유입튜브(121b)에서 중간연결튜브(124)로 전달된 열전달매체는 중간연결튜브(124)를 따라 제3 방향으로 유동하여 제2 서브유출튜브(122b) 측으로 전달될 수 있다. 이때, 열전달매체는 중간연결튜브(124)를 따라 제3 방향으로 유동하는 동안 하나의 배터리 모듈(110-1)의 일부 영역을 냉각시킬 수 있음은 물론이다.
다음으로, 열전달매체는 중간연결튜브(124)에서 제2 서브유출튜브(122b) 측으로 전달될 수 있다. 중간연결튜브(124)에서 제2 서브유출튜브(122b) 측으로 전달된 열전달매체는 제2 서브유출튜브(122b)를 따라 유동하여 가상선(VL)과 인접하는 배터리 모듈(110)의 타측(S3)을 제1 방향을 따라 순차적으로(110-1, 110-2, 110-3, 110-4) 냉각시키고, 유출연결튜브(125) 측으로 전달될 수 있다.
그리고, 제2 서브유출튜브(122b)에서 유출연결튜브(125)로 전달된 열전달매체는 유출연결튜브(125)를 따라 제3 방향으로 유동하여 제1 서브유출튜브(122a) 측으로 전달될 수 있다. 이때, 열전달매체는 유출연결튜브(125)를 따라 제3 방향으로 유동하는 동안 하나의 배터리 모듈(110-4)의 일부 영역을 냉각시킬 수 있음은 물론이다.
다음으로, 열전달매체는 유출연결튜브(125)에서 제1 서브유출튜브(122a) 측으로 전달될 수 있다. 유출연결튜브(125)에서 제1 서브유출튜브(122a) 측으로 전달된 열전달매체는 제1 서브유출튜브(122a)를 따라 유동하여 가상선(VL)과 인접하는 배터리 모듈(110)의 일측(S2)을 제2 방향을 따라 순차적으로(110-4, 110-3, 110-2, 110-1) 냉각시킨 후 유출구(142)를 통해 냉각유로(120) 외부로 유출될 수 있다.
상세히, 냉각유로(120)는 일반적인 냉동사이클을 구성하는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 중 증발기에 해당하는 구성으로써, 도면에 도시되지는 않았으나 유입구(141)는 팽창밸브의 하류 측에, 유출구(142)는 압축기의 상류 측에 각각 열전달매체 배관(미도시)을 통해 연결될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 냉각유로(120)의 유입구(141)에는 팽창밸브를 통과한 저온 저압 액상의 열전달매체가 유입될 수 있으며, 냉각유로(120)의 내부로 유입된 열전달매체는 냉각유로(120)를 지나는 동안 배터리 모듈(110)에서 발생하는 열을 흡수하여 기화될 수 있다. 이러한 열전달매체의 유동 특성과 관련하여서는 이하 도 6을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.
즉, 유입구(141)와 유출구(142)는 열전달매체를 냉각유로(120)로 전달하는 통로의 역할을 수행하며, 상세하게는 냉각유로(120)로 유입되는 열전달매체의 유량을 제어할 수도 있다. 예컨대, 도면에 도시되지는 않았으나 유입구(141)와 유출구(142)는 마이크로프로세서와 전기회로를 포함하는 하드웨어와, 이를 구동하는 소프트웨어를 포함하는 제어부(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제어부는 유입구(141) 및 유출구(142)의 개폐 여부와 개폐 정도를 제어할 수 있다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 냉각유로(120)는 냉각유로(120)의 내부에 형성되는 열전달매체의 유로를 복수개의 채널(C1 내지 C4)로 구분하도록 냉각유로의 내부에 열전달매체의 유동 방향을 따라 연장 형성되는 리브(126)를 더 포함할 수 있다.
즉, 복수개의 유입튜브(121)와 유출튜브(122)의 내부, 그리고 유입연결튜브(123), 중간연결튜브(124) 및 유출연결튜브(125)의 내부에는 열전달매체의 유동 방향을 따라 유입튜브(121)와 유출튜브(122), 유입연결튜브(123), 중간연결튜브(124) 및 유출연결튜브(125) 내부를 복수개의 채널(C1 내지 C4)로 구분하는 리브(126)가 설치될 수 있다.
한편, 지지부재(130)는 복수개의 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120)를 지지하되, 냉각유로(120)가 안착되는 함입부(131)를 포함할 수 있다. 즉, 도면에 나타난 바와 같이, 지지부재(130)는 배터리 팩(100)의 모든 구성요소들을 지지하는 기본 골격이 되는 구성요소이다.
열전도 플레이트(140)는 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120) 사이에 개재되어 배터리 모듈(110)에서 발생하는 열을 냉각유로(120)로 전달할 수 있다. 즉, 열전도 플레이트(140)는 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120)가 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120)의 대향면을 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 상세하게는, 열전도 플레이트(140)는 배터리 모듈(110)을 지지하는 완충패드(150)와 냉각유로(120) 사이에 개재되어 냉각유로(120)와 완충패드(150)를 기구적으로 연결시킬 수 있다.
또한, 열전도 플레이트(140)는 열전달매체를 제1 서브유입튜브(121a)로 유입시키는 유입구(141)와, 열전달매체를 제1 서브유출튜브(122a)에서 냉각유로(120)의 외부로 유출시키는 유출구(142)를 포함할 수 있다.
한편, 도 3은 냉각유로(120)와 열전도 플레이트(140)가 서로 분리된 것으로 묘사하고 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 즉, 도면에 도시되지는 않았으나 열전도 플레이트(140)는 냉각유로(120)와 일체로 형성될 수 있다.
완충패드(150)는 배터리 모듈(110)과 열전도 플레이트(140) 사이에 개재되어 배터리 모듈(110)의 일면, 즉 도면에 의하면 하면을 완충 지지할 수 있다. 예컨대, 완충패드(150)는 실리콘계 재질로 형성되어 배터리 모듈(110)과 열전도 플레이트(140) 사이에 형성되는 공차(tolerance)를 최대한 줄이는 역할을 수행할 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩(100)의 냉각유로(120)의 냉각 작용에 대해 더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6은 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 온도 변화를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 제1 서브유입튜브(121a)로 유입된 열전달매체는 T1의 온도를 유지하며 제1 서브유입튜브(121a), 유입연결튜브(123), 제2 서브유입튜브(121b), 중간연결튜브(124), 제2 서브유출튜브(122b), 유출연결튜브(125) 및 제1 서브유출튜브(122a)의 상류 측을 차례대로 유동하며, 유출구(142)에 인접하는 제1 서브유출튜브(122a)의 최하류 측에 이르러서는 T1보다 높은 T2의 온도를 갖고 유출구(142)를 통해 냉각유로(120)의 외부로 유출될 수 있다.
상세히, 열전달매체는 냉각유로(120)를 흐르는 동안 배터리 모듈(110)에서 발생하는 열을 흡수하여 일정한 온도에서 상 변화(phase change)를 하고, 충분히 기화된 이후에는 빠르게 온도가 상승하여 과열(superheat)될 수 있다.
이러한 특징을 고려하여 도 6에 나타난 열전달매체의 온도 분포를 살펴보면, 제1 서브유입튜브(121a)로 유입된 열전달매체의 온도를 T1이라고 정의하고, 제1 서브유출튜브(122a)에서 유출되는 열전달매체의 온도를 T2라고 정의할 경우, T2는 T1보다 높게 형성될 수 있다.
즉, 냉각유로(120)로 유입된 열전달매체는 초기에는 일정한 온도(T1)에서 상 변화를 하다가, 유출구(142)에서 인접한 위치, 즉 제1 서브유출튜브(122a)의 최하류 측에서는 충분히 기화된 상태임에 따라 급속히 온도가 상승하여 T1보다 높은 T2의 온도로 과열될 수 있다.
한편, 도면에 도시된 본 발명의 실시예들에 따른 냉각유로(120)와 같이 직렬 구조가 아닌 병렬 구조로 냉각유로(이하, '병렬냉각유로')를 구성할 경우, 각각의 서로 분기되는 병렬냉각유로에 대해 균일하게 열전달매체 분배가 이루어지지 않는다면 유량 불균등 유입에 따라 서로 다른 배터리 모듈(110)에 대해, 또는 각 배터리 모듈(110)의 서로 다른 영역에 대해 열전달매체의 냉각 성능이 상이하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(100)을 전체적으로 바라본 관점에서 각각의 배터리 모듈(110)의 온도가 상이하게 형성될 수 있다(이를 온도 편심 현상이라 한다).
일반적으로, 복수개의 배터리 모듈(110)을 포함하는 배터리 팩(100)의 경우, 배터리 팩(100)의 성능은 각각의 배터리 모듈(110)을 구성하는 배터리 셀(111)의들 중 가장 높은 온도를 갖는 배터리 셀(111)의 온도에 따라 제어될 수 있다.
즉, 배터리 팩(100)의 성능은 설계 시 가장 높은 온도를 갖는 배터리 셀(111)을 기준으로 결정되며, 성능 뿐만 아니라 배터리 팩(100)의 수명 또한 가장 높은 온도를 갖는 배터리 셀(111)의 열화 정도에 따라 크게 영향을 받으므로, 배터리 팩(100)의 성능과 수명의 극대화를 위해서는 전반적인 배터리 셀(111)들에 대한 냉각 성능 뿐만 아니라 냉각 이후 배터리 셀(111)들의 온도 편차를 줄이는 것이 중요하다. 이러한 점을 고려하면, 병렬냉각유로 보다는 본 발명의 실시예들과 같이 직렬로 구성된 냉각유로(120)를 채용할 경우 배터리 모듈(110)의 전체 영역에 걸쳐 균일한 열전달매체의 유동을 구현할 수 있으며, 결과적으로 각 배터리 셀(111)들의 온도 편차를 줄이는 데 더 효과적인 구조일 수 있다.
추가적으로, 각 배터리 셀(111)들 간의 온도 편차를 줄이기 위해 냉각유로(120)를 직렬로 구성할 경우에는, 도 6의 참조부호 T2와 같이 열전달매체의 과열로 인해 상변화 온도(T1)보다 더 높은 온도를 갖는 과열 영역(SH)을 적절하게 냉각시킬 필요가 있다. 이러한 과열 영역(SH)에서는 열전달매체 자체의 온도가 매우 상승하므로 이에 따라 과열 영역(SH)에 인접하는 배터리 모듈(110)의 온도가 상승하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 바로 이러한 열전달매체의 과열 영역(SH)을 효과적으로 냉각시켜 배터리 모듈(110)의 온도 편심 현상을 방지할 수 있는 구조로써, 도 6에 나타난 바와 같이 열전달매체의 과열 영역(SH)이 형성되는 제1 서브유출튜브(122a)의 하류 측을 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유출튜브(122b)를 흐르는 열전달매체로 냉각시킬 수 있다. 즉, 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유출튜브(122b)를 흐르는 열전달매체의 온도는 T1으로써, 이는 상변화 온도를 의미하므로 과열 온도(T2)보다 낮은 온도이므로 결과적으로 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유출튜브(122b)를 흐르는 T1의 온도를 갖는 열전달매체를 이용하여 과열 온도(T2)를 갖는 과열 영역(SH)의 열전달매체를 냉각시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 배터리 팩 122: 유출튜브
110: 배터리 모듈 122a: 제1 서브유출튜브
111: 배터리 셀 122b: 제2 서브유출튜브
112: 하우징 123: 유입연결튜브
112c: 커버 하우징 124: 중간연결튜브
112e: 엔드 하우징 125: 유출연결튜브
112h: 개구홀 126: 리브
112s: 사이드 하우징 130: 지지부재
113: 양극 단자 131: 함입부
114: 음극 단자 140: 열전도 플레이트
120: 냉각유로 141: 유입구
121: 유입튜브 142: 유출구
121a: 제1 서브유입튜브 150: 완충패드
121b: 제2 서브유입튜브

Claims (14)

  1. 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 상기 배터리 모듈을 냉각하는 냉각유로;를 포함하고,
    상기 배터리 모듈은 복수개가 제1 방향으로 나란히 배열되며,
    상기 냉각유로는,
    상기 제1 방향을 기준으로 상기 배터리 모듈의 양 측면에 인접하도록 배치되어 상기 열전달매체가 유입되는 통로를 제공하는 복수개의 유입튜브와,
    상기 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 상기 제1 방향을 기준으로 상기 배터리 모듈의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치되어 상기 열전달매체가 유출되는 통로를 제공하는 복수개의 유출튜브를 포함하고,
    상기 열전달매체는 상기 복수개의 유입튜브 중 상기 가상선을 기준으로 상기 배터리 모듈의 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브를 통해 상기 냉각유로의 내부로 유입되고,
    상기 열전달매체는 상기 복수개의 유출튜브 중 상기 가상선을 기준으로 상기 배터리 모듈의 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브를 통해 상기 냉각유로의 외부로 유출되는, 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유입튜브는 상기 가상선을 기준으로 상기 배터리 모듈의 타측에 위치하는 제2 서브유입튜브를 더 포함하고,
    상기 유출튜브는 상기 가상선을 기준으로 상기 배터리 모듈의 타측에 위치하는 제2 서브유출튜브를 더 포함하는, 배터리 팩.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 열전달매체는
    상기 제1 서브유입튜브를 따라 유동하여 상기 가상선을 기준으로 상기 복수개의 배터리 모듈의 일측을 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 냉각시키고,
    상기 제2 서브유입튜브를 따라 유동하여 상기 가상선을 기준으로 상기 복수개의 배터리 모듈의 타측을 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 순차적으로 냉각시키며,
    상기 제2 서브유출튜브를 따라 유동하여 상기 가상선을 기준으로 상기 복수개의 배터리 모듈의 타측을 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 냉각시키고,
    상기 제1 서브유출튜브를 따라 유동하여 상기 가상선을 기준으로 상기 복수개의 배터리모듈의 일측을 상기 제2 방향을 따라 순차적으로 냉각시키는, 배터리 팩.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 냉각유로로 유입되는 상기 열전달매체는 상기 제1 서브유입튜브와 상기 제2 서브유입튜브, 상기 제2 서브유출튜브 및 상기 제1 서브유출튜브를 따라 순차적으로 유동하는, 배터리 팩.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 냉각유로는,
    상기 제1 서브유입튜브의 최하류 측과 상기 제2 서브유입튜브의 최상류 측을 연결하는 유입연결튜브와,
    상기 제2 서브유입튜브의 최하류 측과 상기 제2 서브유출튜브의 최상류 측을 연결하는 중간연결튜브와,
    상기 제2 서브유출튜브의 최하류 측과 상기 제1 서브유출튜브의 최상류 측을 연결하는 유출연결튜브를 더 포함하는, 배터리 팩.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 유입연결튜브를 흐르는 상기 열전달매체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 각각과 교차하는 제3 방향을 따라 유동하고,
    상기 중간연결튜브와 상기 유출연결튜브를 흐르는 상기 열전달매체는 상기 제3 방향과 반대 방향인 제4 방향을 따라 유동하는, 배터리 팩.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 서브유출튜브를 통해 상기 냉각유로의 외부로 유출되는 상기 열전달매체는 인접하는 상기 제1 서브유입튜브와 상기 제2 서브유출튜브를 흐르는 상기 열전달매체에 의해 냉각되는, 배터리 팩.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각유로는 상기 냉각유로 내부에 형성되는 상기 열전달매체의 유로를 복수개의 채널로 구분하도록 상기 냉각유로 내부에 상기 열전달매체의 유동 방향을 따라 연장 형성되는 리브를 더 포함하는, 배터리 팩.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복수개의 배터리 모듈과 상기 냉각유로를 지지하되, 상기 냉각유로가 안착되는 함입부를 포함하는 지지부재를 더 포함하는, 배터리 팩.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 냉각유로 사이에 개재되어 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 상기 냉각유로로 전달하는 열전도 플레이트를 더 포함하는, 배터리 팩.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 열전도 플레이트는,
    상기 열전달매체를 상기 제1 서브유입튜브로 유입시키는 유입구와,
    상기 열전달매체를 상기 제1 서브유출튜브에서 상기 냉각유로의 외부로 유출시키는 유출구를 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 냉각유로와 상기 열전도 플레이트는 일체로 형성되는, 배터리 팩.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 열전도 플레이트 사이에 개재되어 상기 배터리 모듈의 일면을 완충 지지하는 완충패드를 더 포함하는, 배터리 팩.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달매체는 상온에서 상변화가 가능한 냉매(refrigerant)인, 배터리 팩.
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