KR20200027709A - 전기자동차의 배터리모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 배터리모듈에 관한 것으로서, 센터프레임과 상기 센터프레임의 중앙에 장착되는 냉각핀 및 상기 냉각핀의 양측에 각각 배치되는 배터리셀로 이루어진 다수개의 서브 모듈 어셈블리; 상기 서브 모듈 어셈블리와 서브 모듈 어셈블리의 사이에 장착되는 파티션; 상기 배터리셀의 측면을 보호하는 측면 플레이트; 상기 배터리셀의 전·후방을 보호하는 커버; 상기 서브 모듈 어셈블리의 상부에 장착되는 센싱 어셈블리; 상기 서브 모듈 어셈블리의 하부에 장착되는 냉각 블록; 및 상기 서브 모듈 어셈블리를 고정하는 롱 볼트;를 포함한다.
본 발명에 의한 전기자동차의 배터리모듈은 배터리 모듈을 구성하는 소재를 변경하고 구조를 개선하여 냉각효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 면압패드 삭제를 통한 부품 경량화 및 중량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전기자동차의 배터리모듈{Battery module of electric vehicle}
본 발명은 전기자동차의 배터리모듈에 관한 것이다.
최근 환경 보호에 대한 관심 증가에 따라 기존의 연소식 엔진을 사용하는 자동차에서 환경 친화적이고, 연비를 고려한 또 다른 형태의 자동차, 즉, 하이브리드 자동차나 연료전지 자동차의 개발이 활발하게 개발되고 있는 실정이다.
하이브리드 자동차는 기존의 엔진과 전기에너지로 구동되는 모터를 연계하여 두 가지의 동력원으로 차량을 구동하는 만큼, 배기가스에 의한 환경오염의 저감과 함께 연비향상의 효과로 인하여 미국과 일본을 중심으로 최근 각광을 받고 있는 현실대안적인 차세대 자동차로 자리매김하고 있다.
일반적으로 하이브리드 차량의 동력원으로는 가솔린 및 디젤로 구동되는 엔진과 보조 동력원으로 모터를 사용하고 있다.
즉, 저속 운전 시는 상기 모터를 동력원으로 하여 주행하고, 일정 속도 이상에서는 동력원을 엔진으로 전환하여 주행하게 된다.
한편, 상기 모터의 구동에 필요한 동력원으로 배터리를 사용하고 있는데, 이러한 배터리는 하이브리드 차량은 물론 전기자동차에서 수명에 중요한 인자로 작용하고 있으므로 이 배터리를 효율적으로 운용하기 위해서는 이에 대한 관리가 철저하게 이루어져야 한다.
특히, 하이브리드 차량 및 전기자동차 등의 모터 구동용 전원으로는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지(RECHARGEABLE BATTERY)를 널리 사용한다.
그리고 저용량의 이차전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용될 수 있다.
그런데 종래의 배터리를 장시간 사용할 경우 배터리로부터 열이 발생하게 되고, 특히 대용량의 배터리의 경우, 충전 또는 방전 시 전류양의 증가에 따라 더 많은 열을 수반하게 되며, 이때 발생한 열이 충분히 제거되지 않는 경우, 배터리의 성능이 저하되거나, 나아가 발화 또는 폭발에 이르기도 한다.
이로 인해, 배터리의 성능을 유지 및 향상시키기 위해서는 배터리의 냉각이 필수적이며, 기존의 배터리 냉각 장치에서는 공냉식이 주로 사용되고 있었다.
그러나 공냉식의 경우, 냉각팬의 설치 위치에 따라, 입구에서 데워진 공기가 뒤쪽으로 흐르면서 배터리가 균일하게 냉각되지 못하는 문제점을 구조적으로 갖고 있으며, 열전도율이 낮은 공기를 사용한다는 점에서 대용량 배터리에 적용하기에는 한계가 존재한다.
따라서, 최근에는 공냉식의 한계를 극복하기 위하여 수냉식 냉각장치에 관한 연구가 주류를 이루고 있다.
상기 수냉식 냉각장치는 대한민국 공개특허공보 10-2013-0062056호에 나타나 있는 바와 같이 도 1을 참조하면, 일정거리 이격되어 나란히 형성되는 다수개의 전지셀(10)과, 상기 전지셀(10)들 사이에 각각 개재되어 밀착되며, 상기 전지셀(10)의 전극체(11)보다 넓게 형성되는 방열판(20)과, 냉매 파이프(21)들의 유입구(22)에 연결되어 일측에 유입관(31)이 형성되는 입구 매니폴드(30) 및 상기 냉매 파이프(21)들의 배출구(23)에 연결되어 일측에 배출관(41)이 형성되는 출구 매니폴드(40)를 포함하여 이루어진다.
상기 종래의 수냉식 냉각장치는 나란하게 적층되는 다수개의 상기 전지셀(10)들 사이에 각각 개재되어 밀착되는 상기 방열판(20)의 테두리부에 상기 냉매 파이프(21)가 일체형으로 형성됨으로써, 상기 방열판(20)과 상기 냉매 파이프(21)가 접촉되는 부분의 열전도도가 향상되어 상기 전지셀(10)들의 냉각 효율이 높아지는 장점이 있다.
그러나 상기 수냉식 냉각장치는 냉매 파이프(21)가 상기 전지셀(10)의 둘레에 둘러져 배치됨으로써, 상기 냉매 파이프(21)와 상기 전지셀(10)의 상호 닿는 면적이 적어짐으로서, 상기 냉매 파이프(21)가 상기 전지셀(10)의 둘레에 적은 면적으로만 접함으로써, 상기 전지셀(10)을 효율적으로 냉각시키는데 한계가 있었다.
특히, 상기 냉매 파이프(21)와 접촉되지 않은 상기 전지셀(10)의 면 부분까지 효율적으로 냉각시키기는데 어려움이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2007-0130462호 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0062056호
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로서, 배터리 모듈을 구성하는 소재를 변경하고 구조를 개선하여 냉각효율을 높일 수 있도록 한 전기자동차의 배터리모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차의 배터리모듈은 센터프레임과 상기 센터프레임의 중앙에 장착되는 냉각핀 및 상기 냉각핀의 양측에 각각 배치되는 배터리셀로 이루어진 다수개의 서브 모듈 어셈블리; 상기 서브 모듈 어셈블리와 서브 모듈 어셈블리의 사이에 장착되는 파티션; 상기 배터리셀의 측면을 보호하는 측면 플레이트; 상기 배터리셀의 전·후방을 보호하는 커버; 상기 서브 모듈 어셈블리의 상부에 장착되는 센싱 어셈블리; 상기 서브 모듈 어셈블리의 하부에 장착되는 냉각 블록; 및 상기 서브 모듈 어셈블리를 고정하는 롱 볼트;를 포함한다.
그리고 상기 파티션은 그래핀 라미네이트 공법을 통해 제조될 수 있다.
여기서, 상기 파티션의 하부에는 플레이트 형상의 냉각블록 접촉부가 장착되고, 상기 파티션의 상부에는 플레이트 형상의 공기 접촉부가 장착될 수 있다.
또한, 상기 공기 접촉부의 상면에는 길이방향으로 따라 톱니, 삼각형, 기어 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 공기통로가 연속형성될 수 있다.
그리고 상기 서브 모듈 어셈블리는 12개 이하로 구성되고, 상기 파티션은 11개 이하로 구성될 수 있다.
또한, 상기 측면 플레이트와 커버는 플라스틱 사출물로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 전기자동차의 배터리모듈은 배터리 모듈을 구성하는 소재를 변경하고 구조를 개선하여 냉각효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 면압패드 삭제를 통한 부품 경량화 및 중량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 배터리 냉각장치를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 나타낸 분리사시도.
도 4 및 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 구성하는 서브 모듈 어셈블리를 나타낸 분리사시도 및 조립사시도.
도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 구성하는 파티션을 나타낸 사시도.
도 7(a) 및 7(b)은 본 발명에 따른 도 6의 A 부분 및 B 부분 확대도.
도 8은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 구성하는 파티션, 냉각핀, 냉각핀의 결합상태를 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈의 냉각 흐름을 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 나타낸 분리사시도이며, 도 4 및 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 구성하는 서브 모듈 어셈블리를 나타낸 분리사시도 및 조립사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리모듈을 구성하는 파티션을 나타낸 사시도이며, 도 7(a) 및 7(b)은 본 발명에 따른 도 6의 A 부분 및 B 부분 확대도이다.
본원발명인 전기자동차의 배터리모듈(100)은 서브 모듈 어셈블리(110), 파티션(120), 측면 플레이트(130), 커버(140), 센싱 어셈블리(150), 냉각 블록(160), 롱 볼트(170)를 포함한다.
상기 서브 모듈 어셈블리(110)는 센터프레임(112)과 상기 센터프레임(112)의 중앙에 장착되는 냉각핀(114) 및 상기 냉각핀(114)의 양측에 각각 배치되는 배터리셀(116)로 이루어진다.
여기서, 상기 서브 모듈 어셈블리(110)는 다수개수로 구성되고, 본원발명에서 상기 서브 모듈 어셈블리(110)는 12개 이하로 구성된다.
그리고 상기 센서프레임(112)은 플라스틱 사출물로 제작되고, 내부에는 두 개의 배터리셀(116)을 고정 및 지지할 수 있도록 장착공간이 형성된다.
또한, 상기 냉각핀(114)은 배터리셀(116)과 배터리셀(116)의 사이에 장착되고, 상기 배터리셀(116)에 전달받은 열을 냉각 블록(160)에 전도하게 된다.
즉, 상기 냉각핀(114)은 배터리셀(116)의 측면과 밀착되면서 전면을 통해 전달받은 열을 하부에 위치하는 냉각 블록(180)에 전도시키게 된다.
이때, 상기 냉각핀(114)은 열 전도율이 우수한 알루미늄 등의 금속재질로 형성된다.
또한, 상기 배터리셀(116)은 배터리 격실 내 전해액 속에 양극판 및 음극판군을 이루는 최소 유닛으로, 상기 배터리셀(116)은 도시된 도면에 한정되지 않으며 공지된 배터리셀(116)이 적용될 수 있다.
그리고 상기 배터리셀(116)은 종래의 일 면이 냉각핀에 접촉하고 타 면은 면압패드와 맞닿는 구조에서 도시된 도 2 및 8과 같이 일 면이 냉각핀(114)에 접촉하고 타 면이 그래핀 라미네이트 공법을 통해 표면 처리된 파티션(120)과 접촉하는 구조로 형성됨에 따라 냉각 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 파티션(120)은 서브 모듈 어셈블리(110)와 서브 모듈 어셈블리(110)의 사이에 장착된다.
이때, 상기 파티션(120)은 다수개수로 구성되고, 본원발명에서 상기 파티션(120)은 11개 이하로 구성된다.
그리고 상기 파티션(120)은 플라스틱 사출물로 제작된 후, 그래핀 라미네이트 공법을 표면처리 되어, 상기 배터리셀(116)의 냉각기능을 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 그래핀 라미네이트란 그래핀을 다층으로 적층한 열 코팅용으로 유망한 재료이며, 그래핀 그 자체로는 열전도도가 2,000W/mK에 달하고, 기질 상에 위치하면 그래핀 자체보다 상당히 낮은 90W/mK 수준으로 떨어지지만, 플라스틱의 일반적인 열전도도는 0.2W/mK 정도로 일반 플라스틱 대비하여 상당히 높은 열전도도 향상 효과를 가져온다.
또한, 상기 파티션(120)의 하부에는 냉각블록 접촉부(122)가 장착된다.
즉, 상기 파티션(120)은 하부에 플레이트 형상의 냉각블록 접촉부(122)를 장착하여 냉각 접촉면적 증대에 따른 냉각 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 파티션(120)의 상부에는 공기 접촉부(124)가 장착된다.
즉, 상기 파티션(120)의 상부에 플레이트 형상의 공기 접촉부(124)를 장착하여 공기와의 접촉면적 증대에 따른 냉각 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 공기 접촉부(124)의 상면에는 길이방향으로 따라 톱니, 삼각형, 기어 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 공기통로(126)가 연속형성되어 공기의 접촉면적을 넓히면서도 용이하게 공기를 이송시킬 수 있게 된다.
상기 측면 플레이트(130)는 배터리셀(116)의 측면을 보호하게 된다.
즉, 상기 측면 플레이트(130)는 양측 서브 모듈 어셈블리(110)를 구성하는 끝단에 위치하는 배터리셀(116)을 외부의 영향으로부터 보호하게 된다.
그리고 상기 측면 플레이트(130)는 플라스틱 사출물로 제작되고, 그 크기 및 형상은 배터리셀(116)의 크기 및 형상에 따라 변경될 수 있다.
상기 센싱 어셈블리(150)는 서브 모듈 어셈블리(110)의 상부에 장착된다.
여기서, 상기 센싱 어셈블리(150)는 도시된 도면에 한정되지 않으며 공지된 센싱 어셈블리가 선택적으로 사용될 수 있으며 별도의 설명은 생략하기로 한다.
상기 냉각 블록(160)은 서브 모듈 어셈블리(110)의 하부에 장착된다.
그리고 상기 냉각 블록(160)은 사각 플레이트 형상으로 상부에 일정간격을 두고 이격되게 냉각핀 면착부(162)와 파티션 면착부(164)가 형성되고, 내부에는 냉각수가 이동할 수 있도록 통로가 형성된다.
상기 롱 볼트(170)는 서브 모듈 어셈블리(110)를 고정하게 된다.
즉, 상기 롱 볼트(170)는 서브 모듈 어셈블리(110)의 개수와 대향되게 형성된 후 상기 서브 모듈 어셈블리(110)의 전후방을 고정하게 된다.
이때, 상기 구조물(센터프레임과 파티션)간 이격거리를 허용하여 상기 롱 볼트(170)의 체결시 가압력으로 면압을 제공하게 된다.
상기와 같이 구성되는 전기자동차의 배터리모듈의 실시 예를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 센터프레임(112)과 상기 센터프레임(112)의 중앙에 장착되는 냉각핀(114) 및 상기 냉각핀(114)의 양측에 각각 배치되는 배터리셀(116)로 이루어진 서브 모듈 어셈블리(110)를 다수개수 형성한다.
그리고 상기 서브 모듈 어셈블리(110)와 서브 모듈 어셈블리(110)의 사이에 플라스틱 사출물로 제작한 후, 그래핀 라미네이트의 공법으로 표면 처리한 다음, 하부에는 플레이트 형상의 냉각블록 접촉부(122)를 장착하고, 상부에는 플레이트 형상의 공기 접촉부(124)가 장착되는 파티션(120)을 각각 설치한다.
다음으로, 사각 플레이트 형상으로 형성되며, 상부에 일정간격을 두고 이격되게 냉각핀 면착부(162)와 파티션 면착부(164)가 형성되고, 내부에는 냉각수가 이동할 수 있도록 통로가 형성되는 냉각 블록(160)을 형성한다.
이후, 상기 냉각 블록(160)의 상부에 다수개의 서브 모듈 어셈블리(110)와 파티션(120)을 장착한 후, 서브 모듈 어셈블리(110)의 양측 끝단에 위치하는 배터리셀(116)의 외부로 플레이트 형상의 측면 플레이트(130)를 각각 배치한 다음, 상기 서모 모듈 어셀블리(110)와 측면 플레이트(130)의 전후방으로 롱 볼트(170)을 체결하여 고정한다.
그리고 상기 서브 모듈 어셈블리(110)의 상부에 센싱 어셈블리(150)를 장착한 후 상기 서브 모듈 어셈블리(110)의 전후방으로 커버(140)를 장착하면, 전기자동차의 배터리모듈(100)의 조립은 완료된다.
여기서, 상기 전기자동차의 배터리모듈의 조립 순서는 상기와 다르게 이루어질 수 있음을 밝힌다.
이와 같은 상태에서 상기 전기자동차의 배터리모듈(100)의 냉각 흐름을 살펴보면 하기와 같다.
첫 번째로, 상기 전기자동차의 배터리모듈(100)은 냉각 블록(160)에서 공급되는 냉각수가 냉각핀(114)을 거쳐 배터리셀(116)에 전달되어 상기 배터리셀(116)을 냉각하게 된다.
두 번째로, 상기 전기자동차의 배터리모듈(100)은 냉각 블록(160)에서 공급되는 냉각수가 파티션(120)을 거쳐 배터리셀(116)에 전달되어 상기 배터리셀(116)을 냉각할 뿐만 아니라 상기 파티션(120)을 거치는 공기를 통해서도 배터리셀(116)을 냉각하게 된다.
이와 같이 본원발명인 전기자동차의 배터리모듈은 파티션에 그래핀 라미네이트 기술을 적용하여 열전도도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 냉각핀 사이의 공간을 활용하여 파티션 및 냉각블록의 접촉면적을 증대시킬 수 있게 된다.
아울러 파티션의 상부에 장착되는 공기 접촉부를 통해 공냉이 가능하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전기자동차의 배터리모듈
110 : 서브 모듈 어셈블리 112 : 센터프레임
114 : 냉각핀 116 : 배터리셀
120 : 파티션 122 : 냉각블록 접촉부
124 : 공기 접촉부 126 : 공기통로
130 : 측면 플레이트 140 : 커버
150 : 센싱 어셈블리 160 : 냉각 블록
170 : 롱 볼트

Claims (7)

  1. 센터프레임과 상기 센터프레임의 중앙에 장착되는 냉각핀 및 상기 냉각핀의 양측에 각각 배치되는 배터리셀로 이루어진 다수개의 서브 모듈 어셈블리;
    상기 서브 모듈 어셈블리와 서브 모듈 어셈블리의 사이에 장착되는 파티션;
    상기 배터리셀의 측면을 보호하는 측면 플레이트;
    상기 배터리셀의 전·후방을 보호하는 커버;
    상기 서브 모듈 어셈블리의 상부에 장착되는 센싱 어셈블리;
    상기 서브 모듈 어셈블리의 하부에 장착되는 냉각 블록; 및
    상기 서브 모듈 어셈블리를 고정하는 롱 볼트;를 포함하는 전기자동차의 배터리모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파티션은 그래핀 라미네이트 공법을 통해 제조되는 것인 전기자동차의 배터리모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파티션의 하부에는 플레이트 형상의 냉각블록 접촉부가 장착되는 것인 전기자동차의 배터리모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파티션의 상부에는 플레이트 형상의 공기 접촉부가 장착되는 것인 전기자동차의 배터리모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공기 접촉부의 상면에는 길이방향으로 따라 톱니, 삼각형, 기어 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 공기통로가 연속형성되는 것인 전기자동차의 배터리모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 서브 모듈 어셈블리는 12개 이하로 구성되고, 상기 파티션은 11개 이하로 구성되는 것인 전기자동차의 배터리모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측면 플레이트와 커버는 플라스틱 사출물로 형성되는 것인 전기자동차의 배터리모듈.
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