KR20190042891A - 배터리 열교환용 냉각 플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 자동차의 배터리 열교환 장치로서 배터리 팩의 기저에 설치되는 냉각 플레이트의 내구성, 안정성 및 열교환 성능을 높이는 동시에 제조 단가를 절감하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 냉각 플레이트는, 냉각 대상체가 안착될 수 있는 소정의 면적을 가진 플레이트 상부; 상기 플레이트 상부와 리벳 결합되는 플레이트 하부; 및 상기 소정의 면적의 적어도 일부를 커버하도록 형성된 냉각 폐회로로서, 상기 플레이트 하부에 의하여 지지되며 상기 플레이트 상부 및 상기 플레이트 하부의 결합에 의하여 격납되는 냉각 폐회로를 포함하며, 상기 플레이트 하부에 상기 냉각 폐회로의 입수부 및 출수부가 형성된다.

Description

배터리 열교환용 냉각 플레이트{COOLING PLATE FOR COOLING OF BATTERY CELL}

본 발명은 전기 자동차의 배터리 열교환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 종래의 배터리 열교환 장치에 비하여 배터리 팩의 기저에 설치되는 냉각 플레이트의 내구성, 안정성 및 열교환 성능을 높이는 동시에 제조 단가를 절감할 수 있는 배터리 열교환 장치에 관한 것이다.

통상적으로 전기 자동차(EV; electric vehicle)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 모터 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차를 지칭하는데, 자동차의 소음 및 배출 가스 등의 공해 문제를 해결할 뿐만 아니라 에너지 절약과 관련된 잉여 전력을 유효하게 이용하고 장래의 새로운 교통 수단으로 적용하는 데에 목표를 두고 적극적으로 개발되고 있다. 이 전기 자동차는 크게 배터리 전용 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차로 구분되는바, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 “통상의 기술자”라 함)에게 잘 알려진 바와 같다.

이와 같은 전기 자동차에는 모터에 전류를 공급하는 배터리 팩이 구비된다. 여기에서 배터리 팩은 가동시에 소정의 열을 발생시키는데 주변의 온도에 따라 그 가동 시간도 달라지므로 대부분의 전기 자동차에서는 배터리 팩을 장시간 가동할 수 있도록 그 배터리 팩으로부터 발생된 열을 냉각시키거나 배터리 팩에 임의의 열을 가하여 그 가동 시간을 연장한다.

구체적으로, 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같은 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀은 배터리 내에서 양극판과 음극판으로 조합된 1조로, 하나의 격실로 된 케이스 내에서 전해액 속에 담가 다른 셀과 분리되어 있다. 이러한 배터리 셀로 구성된 배터리 팩에서 발생하는 열을 어떻게 냉각시키는지가 산업의 주요한 이슈가 되어 왔다.

이와 같은 발열은 특히 충전 중에 가장 많이 발생하게 된다. 따라서 배터리는 적절하게 냉각을 시켜주지 않으면 배터리의 성능이 감소하고, 그 수명이 단축되며, 이에 따라 폭발의 가능성이 존재하여 안전에도 심각한 문제가 발생한다.

배터리는 다양한 산업분야에서 사용되고 있는 기본 부품이기 때문에 배터리에 대한 발열은 상당히 중요한 이슈이고, 이에 따라 배터리 발열을 관리하는 것은 꾸준히 연구가 진행되고 있는 실정이다.

종래에 이용되던 배터리 팩의 냉각 방식에는 수냉식과 공랭식이 있는데, 수랭식 냉각의 경우에 수냉매 열교환기를 통과하면서 냉각수를 냉각시키고 수냉매 열교환기가 배터리 팩 모듈과 냉각수 회로로 연결되어, 냉각수가 수냉매 열교환기와 배터리 팩 모듈을 순환하면서 배터리 팩 모듈을 냉각시키도록 구성되며, 공랭식 냉각의 경우 냉매가 냉각용 증발기를 통과하면서 배터리 냉각용 증발기를 냉각시키고, 배터리 냉각용 증발기에서 냉각된 공기가 배터리 팩 모듈의 연결 덕트를 통해 배터리 팩 모듈로 유동되어 배터리 팩을 냉각시키도록 구성된다.

그런데 이와 같이 구성되는 종래 기술의 배터리 열교환 장치로서 배터리 의 기저에 설치되는 냉각 플레이트의 일 예시에는, 도 2a 내지 도 2g에 도시된 냉각 플레이트가 있다.

도 2a에 사시도로서 예시적으로 도시된 냉각 플레이트의 상부는 도 2b에, 하부는 도 2c에 도시되어 있는데, 상부와 하부 외에 별도의 냉각 회로가 구비되어 있지 않고, 상부와 하부의 용접에 의하여 냉각 회로(10 및 11)가 형성되는 것이 특징인바, 도 2d 및 2e에 도시된 바와 같다. 이와 같은 종래의 냉각 플레이트에 있어서는 냉각 플레이트로부터의 누수가 발생하지 않도록 이를 레이저로 용접하는 작업이 필요한바, 불필요한 높은 제작 단가가 드는 문제점이 있다. 또한, 이와 같은 선행기술의 일 예시에서는 입수부와 출수부 사이에 실질적인 냉각 회로가 형성되지 않아 실제로 냉각수가 냉각 플레이트 전체를 순환한다기보다는 입수부와 출수부의 최단 경로(10)를 지나가는 경향이 있어서 열교환 성능이 떨어진다는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 특1998-047939호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 배터리 팩의 기저에 설치되는 냉각 플레이트의 제작에 레이저 용접을 없애 제작 단가를 절감하고 냉각 플레이트의 전체 부분을 순환하는 냉각 회로를 제공하여 누수를 방지할 수 있는 전기 자동차의 배터리 열교환 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리 팩이 탑재된 전기 자동차의 심한 흔들림에 기인한 충격이 냉각 플레이트에 가해지더라도 냉각 플레이트에 유동하는 냉각 유체, 예컨대 냉각수가 유출되지 않도록 하는 내구성 및 안정성을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각 플레이트는, 냉각 대상체가 안착될 수 있는 소정의 면적을 가진 플레이트 상부; 상기 플레이트 상부와 리벳 결합되는 플레이트 하부; 및 상기 소정의 면적의 적어도 일부를 커버하도록 형성된 냉각 폐회로로서, 상기 플레이트 하부에 의하여 지지되며 상기 플레이트 상부 및 상기 플레이트 하부의 결합에 의하여 격납되는 냉각 폐회로;를 포함하고, 상기 플레이트 하부에 상기 냉각 폐회로의 입수부 및 출수부가 형성된다.

상기 냉각 폐회로는, 소정의 형상을 지닌 단면적을 가지고 상기 입수부로부터 상기 출수부를 향하는 방향으로 순환하도록 구성된 단방향 순환 회로로서, 상기 소정의 면적의 모든 지점과의 최소 거리가 소정 거리 이내에 있도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 플레이트 상부 및 상기 플레이트 하부 각각에 접하는 상기 냉각 폐회로의 상부 및 하부 각각은 상기 냉각 폐회로의 측부보다 긴 길이로 형성될 수 있다.

그리고 상기 냉각 폐회로의 상기 입수부 및 상기 출수부 각각을 지지하는 입수공 및 출수공 각각이 상기 플레이트 하부의 같은 측면 또는 상이한 측면에 형성될 수 있다. 상기 입수공 및 상기 출수공 중 적어도 하나는 상기 소정의 면적과 평행한 방향으로 상기 측면으로부터 연장되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 플레이트 상부 및 상기 플레이트 하부의 외각선은 적어도 일 측부 및 상기 일 측부에 대향되는 타 측부가 파상형으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 냉각 플레이트에는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 냉각이 효율적이다. 본 발명에는 냉각 플레이트 내부에 격납되는 냉각 폐회로가 구비되어 있다. 이러한 냉각 폐회로는 패터리 팩이 안착하는 냉각 플레이트 상부 전체에 대한 열교환 성능을 높이는 효과가 있다.

둘째, 구조가 견고하고 생산 단가가 저렴하다. 종래 기술에 따른 냉각 플레이트의 일 예시로서, 냉각 플레이트 상부와 냉각 플레이트 하부가 서로 결합되어 냉각 유체, 예컨대 냉각수의 순환 회로를 구성하는 기술은 그 결합에 레이저 용접이 요구되므로, 생산 단가가 비싸고, 그 견고함에 의문이 남는다. 특히, 레이저 용접이 이루어진 부분은 전기 자동차의 상하방으로 가해지는 외부 충격에 의하여 스트레스에 노출되며 취약해질 수 있으므로, 이를 회피하기 위한 고급 용접 기술이 이용되어야 한다.

요컨대, 본 발명에 따른 냉각 플레이트는 저렴한 생산 단가로도 견고한 구조로 만들어질 수 있으며 종래에 비하여 더 효율적인 냉각을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 플레이트(이하 “냉각 플레이트”라 함)의 상부에 안착되는 냉각 대상체의 일 예시로서 배터리 팩을 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 2a는 종래 기술에 따른 배터리 팩 냉각 플레이트를 예시적으로 도시한 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 배터리 팩 냉각 플레이트의 상부를 나타낸 평면도이며, 도 2c는 도 2a의 배터리 팩 냉각 플레이트의 하부를 나타낸 평면도이고, 도 2d는 도 2b의 A-A 선을 따라 취한 단면도이며, 도 2e는 도 2c의 B-B 선을 따라 취한 단면도이고, 도 2f는 도 2c의 C-C 선을 따라 취한 단면도이며, 도 2g는 도 2c의 D-D 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 냉각 플레이트를 예시적으로 도시한 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 냉각 플레이트의 상부를 나타낸 평면도이며, 도 3c는 도 3a의 냉각 플레이트의 하부를 나타낸 평면도이다.
도 4a는 도 3b의 A-A 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이며, 도 4b는 도 3c의 B-B 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이다.
도 5a는 도 3c의 C-C 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이며, 도 5b는 도 3c의 D-D 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 통상의 기술자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 플레이트의 상부에 안착될 수 있는 냉각 대상체의 일 예시로서 배터리 팩을 예시적으로 도시한 사시도이다. 도 1에 도시된 배터리 팩의 형상은 예시적인 것으로서, 배터리 팩은 통상의 기술자에게 알려져 있는 형상을 포함하여 다양한 형상을 가질 수 있음은 자명하다. 또한, 본 발명의 냉각 플레이트가 냉각시키는 대상체인 냉각 대상체는 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리, 리튬-기반 배터리, 연료 전지 등에 한정되지 않고, 널리 냉각이 필요한 물건이라면 이에 포함된다고 볼 것이다.

도 3a는 본 발명에 따른 냉각 플레이트를 예시적으로 도시한 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 냉각 플레이트의 상부를 나타낸 평면도이며, 도 3c는 도 3a의 냉각 플레이트의 하부를 나타낸 평면도이다.

도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 플레이트는 냉각 대상체가 안착될 수 있는 소정의 면적을 가진 플레이트 상부(100), 및 플레이트 상부(100)와 리벳(205)에 의하여 결합되는 플레이트 하부(200)를 포함한다. 이와 같은 리벳(205)에 의한 결합은 모든 리벳(205)에 대하여 순차적으로 이루어질 수도 있고 거의 동시에 이루어질 수도 있는데, 이러한 리벳 결합의 장점은 레이저 용접보다 그 단가가 훨씬 싸다는 것이다. 특히 밀봉을 위한 레이저 용접에는 단순 결합을 위한 용접에 비하여 더 높은 신뢰성과 이에 따른 높은 단가가 뒤따르게 되는데, 본 발명에 이용되는 리벳 결합에는 그러한 밀봉이 반드시 필요한 것은 아니라는 장점이 있다.

이 플레이트 상부(100) 및 플레이트 하부(200)의 외각선은 적어도 일 측부 및 상기 일 측부에 대향되는 타 측부가 파상형으로 형성될 수 있는데, 이는 상기 냉각 대상체의 정확한 안착을 안내하기 위한 것으로서 도 3a 내지 3c에 예시적으로 도시된 바와 같다.

또한, 도 3c에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 냉각 플레이트는 상기 소정의 면적의 적어도 일부를 커버하도록 형성된 냉각 폐회로(300)를 더 포함하는데, 이 냉각 폐회로(300)는 플레이트 하부(200)에 의하여 지지되며 플레이트 상부(100) 및 플레이트 하부(200)의 결합에 의하여 격납된다. 플레이트 하부(200)에는 냉각 폐회로(300) 내부를 순환하는 냉각 유체가 출입하기 위한 입수부(310) 및 출수부(320)가 더 형성될 수 있는데, 예컨대 도 3c에 도시된 바와 같이 플레이트 하부(200)의 측면에 형성될 수도 있다.

여기에서 냉각 유체는 공지의 냉각수, 냉매, 공기 등 냉각 목적을 달성할 수 있는 것이라면 무엇이든 다양한 유체가 적용될 수 있음은 물론이며, 취급이 용이한 점과 냉각 효율 및 유동성을 고려하여 냉각수로 하는 것도 바람직하다.

이 냉각 폐회로(300)는, 예를 들어, 제품 내부에 중공을 형성하기 위한 다이캐스팅 공정을 통하여 제조될 수도 있다.

도 4a는 도 3b의 A-A 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이며, 도 4b는 도 3c의 B-B 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이다.

또한, 도 5a는 도 3c의 C-C 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이며, 도 5b는 도 3c의 D-D 선을 따라 취한 냉각 플레이트의 단면도이다.

도 4a, 4b, 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 냉각 폐회로(300)는, 소정의 형상을 지닌 단면적(330)을 가지고 상기 입수부(310)로부터 상기 출수부(320)를 향하는 방향으로 냉각 유체가 순환하도록 구성된 단방향 순환 회로이다. 도 4a, 4b, 5a 및 5b에는 단면적(330)이 직사각형인 것으로 예시적으로 도시되었으나 이에 한정되지 않음을 통상의 기술자는 이해할 수 있을 것이다.

여기에서 단방향은 와류를 제외하고는 냉각 유체가 입수부(310)에서 출수부(320)로 흐르며 그 반대로는 흐르지 않음을 의미한다.

도 4a, 4b, 5a 및 5b에 예시적으로 도시된 바와 같이 플레이트 상부(100)와 플레이트 하부(200) 각각에 접하는 냉각 폐회로(300)의 상부(332) 및 하부(334) 각각은 냉각 폐회로(300)의 측부(336)보다 긴 길이로 형성될 수 있다. 예컨대, 단면적(330)은 그 상부(332) 및 하부(334)가 그 측부(336)보다 길게 형성됨으로써 냉각 유체의 원활한 유동이 촉진될 수 있다.

한편, 앞서 언급된 바와 같이 냉각 폐회로(300)가 상기 소정의 면적의 적어도 일부를 커버하도록 형성되었다는 것은, 상기 소정의 면적의 모든 지점과 냉각 폐회로(300) 간의 최소 거리가 소정 거리 이내에 있도록 냉각 폐회로(300)가 구성됨을 의미한다. 여기에서 소정 거리는 상기 소정의 면적의 최소 폭(width)의 1/2보다 짧은 것이 바람직하다.

다시 도 3c를 참조하면, 냉각 폐회로(300)의 입수부(310)를 지지하는 입수공(210)과 냉각 폐회로(300)의 출수부(320)를 지지하는 출수공(220)이 플레이트 하부(200)의 같은 측면에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하고 상이한 측면에 형성되어도 무방할 것이다. 입수공(210), 출수공(220), 입수부(310) 및 출수부(320)가 도면들에 도시된 위치 및 형상은 예시적인 것에 지나지 않는바, 통상의 기술자는 다양한 위치나 형상을 상정할 수 있을 것이다.

입수공(210)과 출수공(220) 중 적어도 하나는 상기 소정의 면적과 평행한 방향으로 상기 측면으로부터 연장되어 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 냉각 플레이트에는 별도의 냉각 폐회로(300)가 포함되므로, 최소한의 열교환 성능이 보장되며, 외부 충격에 의하여 냉각 플레이트 상부(100)와 하부(200) 간에 다소 이격이 발생하게 되더라도 냉각 유체의 누출이 방지되어 안정성이 도모된다. 이에 따라, 냉각 플레이트의 수명이 증가되는 효과가 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 통상의 기술자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 플레이트 상부
200: 플레이트 하부
205: 리벳 결합부
210: 입수공
220: 출수공
300: 냉각 폐회로
310: 냉각 폐회로의 입수부
320: 냉각 폐회로의 출수부
330: 냉각 폐회로의 단면적
332: 냉각 폐회로의 상부
334: 냉각 폐회로의 하부
336: 냉각 폐회로의 측부

Claims (6)

1. 냉각 대상체가 안착될 수 있는 소정의 면적을 가진 플레이트 상부;
   상기 플레이트 상부와 리벳 결합되는 플레이트 하부; 및
   상기 소정의 면적의 적어도 일부를 커버하도록 형성된 냉각 폐회로로서, 상기 플레이트 하부에 의하여 지지되며 상기 플레이트 상부 및 상기 플레이트 하부의 결합에 의하여 격납되는 냉각 폐회로;를 포함하되,
   상기 플레이트 하부에 상기 냉각 폐회로의 내부를 순환하는 냉각 유체가 출입하기 위한 입수부 및 출수부가 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 플레이트.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 폐회로는,
   소정의 형상을 지닌 단면적을 가지고 상기 입수부로부터 상기 출수부를 향하는 방향으로 상기 냉각 유체가 순환하도록 구성된 단방향 순환 회로로서, 상기 소정의 면적의 모든 지점과의 최소 거리가 소정 거리 이내에 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각 플레이트.
3. 제1항에 있어서,
   상기 플레이트 상부 및 상기 플레이트 하부 각각에 접하는 상기 냉각 폐회로의 상부 및 하부 각각은 상기 냉각 폐회로의 측부보다 긴 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 플레이트.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 폐회로의 상기 입수부 및 상기 출수부 각각을 지지하는 입수공 및 출수공 각각이 상기 플레이트 하부의 같은 측면 또는 상이한 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 플레이트.
5. 제4항에 있어서,
   상기 입수공 및 상기 출수공 중 적어도 하나는,
   상기 소정의 면적과 평행한 방향으로 상기 측면으로부터 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 플레이트.
6. 제1항에 있어서,
   상기 플레이트 상부 및 상기 플레이트 하부의 외각선은 적어도 일 측부 및 상기 일 측부에 대향되는 타 측부가 파상형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 플레이트.

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