KR20200115824A - 차량용 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

차량용 배터리 냉각 시스템 Download PDF

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김진원
최준석
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은, 양측에 날개부가 형성되며 서로 평행하게 적층되고 상기 날개부 중 하나 이상의 날개부가 폴딩되지 않은 복수의 배터리 셀 파우치; 상기 복수의 배터리 셀 파우치 사이에 장착되며 상기 배터리 셀 파우치를 고정시키는 중간 하우징; 및 상기 배터리 셀 파우치의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 형성되고 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성되며 상기 유로에 상기 날개부의 일부가 노출되는 냉각 유로부;를 포함할 수 있다.

Description

차량용 배터리 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR BATTERY OF VEHICLE}
본 발명은 차량용 배터리 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀 파우치의 날개부를 폴딩하지 않은 상태에서 해당 날개부를 직접 냉각하여 배터리 셀을 냉각시키는 차량용 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
전기자동차 또는 하이브리드 차량의 대중화로 인해 배터리에 대한 중요성이 날로 증가되고 있다. 이러한 관심은 단순히 배터리의 용량에 대한 것뿐만 아니라 배터리의 효율성이나 수명 등에 영향을 주는 요소까지 확장되고 있다.
전기자동차 또는 하이브리드 차량에 사용되는 고전압, 고용량 배터리는 일반적으로 복수개의 배터리 셀을 하나의 팩으로 만든 배터리 팩으로 구성되고, 이러한 배터리 팩 또한 복수개로 구비되어 전체 배터리를 구성한다.
이러한 복수개의 배터리 팩들은 한정된 좁은 공간에 함께 설치됨으로 인해 배터리 팩에서는 고열의 열이 발생하게 되고, 이는 배터리 전체의 수명에 악영향을 미치는 요소로 작용한다. 따라서 전기자동차 또는 하이브리드 차량에 사용되는 고전압, 고용량 배터리의 고열을 제어하기 위한 냉각 시스템의 구축이 필수적인데, 일반적으로 자동차용 고전압, 고용량 배터리 냉각 방식은 공냉과 수냉으로 구분되며, 각각은 다시 간접 냉각 방식과 직접 냉각 방식으로 구분된다.
한편, 종래에 주로 사용된 간접 공냉방식은 배터리 셀의 표면에 별도의 방열판을 접촉시켜 열을 전도시키고 방열판 한쪽에 열교환을 위해 위치시킨 방열핀을 통해 배터리 셀을 냉각시켰다. 또한, 종래의 직접 공냉방식은 셀 표면에 직접 공기를 흘려 보냄으로써 배터리 셀을 냉각시켰다.
하지만, 종래의 간접 공냉방식은 배터리 셀 사이에 방열핀을 적용해야 했으므로 부피 증대 및 부품 증가로 인한 원가가 상승한다는 한계점이 있었고, 직접 공냉방식은 배터리 셀 사이에 냉각을 위한 유로 갭을 확보해야 했으므로 부피가 증가한다는 한계점이 있었다.
KR 10-2015-0002982
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 배터리 셀 사이에 냉각유로를 형성하지 않고 방열핀 및 방열판의 구성없이 배터리 셀을 냉각시킬 수 있는 차량용 배터리 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은, 양측에 날개부가 형성되며 서로 평행하게 적층되고 상기 날개부 중 하나 이상의 날개부가 폴딩되지 않은 복수의 배터리 셀 파우치; 상기 복수의 배터리 셀 파우치 사이에 장착되며 상기 배터리 셀 파우치를 고정시키는 중간 하우징; 및 상기 배터리 셀 파우치의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 형성되고 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성되며 상기 유로에 상기 날개부의 일부가 노출되는 냉각 유로부;를 포함할 수 있다.
상기 적층된 복수의 배터리 셀 파우치 중 일측 최외곽에 위치한 배터리 셀 파우치의 일측면에 장착되어 상기 배터리 셀 파우치를 보호하는 제1 사이드 하우징 및 타측 최외곽에 위치한 배터리 셀 파우치의 타측면에 장착되어 상기 배터리 셀 파우치를 보호하는 제2 사이드 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀의 상태를 센싱하는 센싱부 및 상기 센싱부를 커버하는 센싱부 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 유로부 내의 냉매를 유동시킴으로써 상기 배터리 셀 파우치의 날개부를 냉각시켜 상기 배터리 셀을 냉각시키는 냉각팬;을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 유로부에는 상기 제1 사이드 하우징 및 상기 제2 사이드 하우징과 결합하기 위한 걸림부가 형성되며,
상기 제1 사이드 하우징 및 상기 제2 사이드 하우징에는 상기 걸림부에 결합되기 위한 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 배터리 셀 파우치는 몸체부 및 날개부를 포함하고,
상기 중간 하우징의 높이는 상기 몸체부의 높이보다 높게 형성되어 상기 중간 하우징의 상단부 및 하단부 중 적어도 하나 이상에 의해 상기 날개부가 고정될 수 있다.
상기 복수의 배터리 셀 파우치 사이에 삽입되어 상기 배터리 셀 파우치와 면접촉되고 상기 배터리 셀 파우치의 열을 흡수하여 상기 날개부를 통해 상기 열을 방출하는 열교환부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 직접 공냉 방식과 비교하여 배터리 셀 사이에 냉각 유로는 형성하지 않음으로써, 부피 에너지 밀도가 10%~20% 상승하는 효과가 있다.
또한, 종래의 간접 공냉방식과 비교하여 별도의 방열핀 및 방열판의 구성없이 배터리 셀을 냉각시킴으로써, 방열판 및 방열핀의 재료비를 절감할 수 있다.
아울러, 배터리 셀 파우치의 날개부를 폴딩하지 않음으로써 날개부를 폴딩하는 공정을 삭제할 수 있고 그에 따른 재료비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉각유로부가 배터리 셀 파우치의 상하부에 형성되어 배터리 셀 파우치의 상하부가 냉각되는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 셀 파우치의 양측에 냉각유로부가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서, 배터리 셀 파우치의 날개부가 중간 하우징에 의해 고정된 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서, 배터리 셀 파우치 간에 열교환부가 삽입된 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서, 냉각 유로에 형성된 걸림부가 사이드 하우징부의 돌출부에 결합된 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템이 제조되는 순서를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉각유로부가 배터리 셀 파우치의 상부에만 형성되어 배터리 셀 파우치의 상부가 냉각되는 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 셀 파우치의 일측에만 냉각유로가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량요 배터리 냉각 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉각유로부가 배터리 셀 파우치의 상하부에 형성되어 배터리 셀 파우치의 상하부가 냉각되는 것을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 셀 파우치의 양측에 냉각유로가 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 4는 배터리 셀 파우치의 날개부가 중간 하우징에 의해 고정된 것을 나타내는 도면이며, 도 5는 배터리 셀 파우치 간에 열교환부가 삽입된 것을 나타내는 도면이고, 도 6은 냉각 유로부에 형성된 걸림부가 사이드 하우징부의 돌출부에 결합된 모습을 나타내는 도면이다. 아울러, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템을 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉각 유로부가 배터리 셀 파우치의 상부에만 형성되어 배터리 셀 파우치의 상부가 냉각되는 것을 나타내는 도면이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 셀 파우치의 일측에만 냉각유로부가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은 복수의 배터리 셀 파우치(100), 중간 하우징(200) 및 냉각 유로부(300)를 포함하여 구성되며, 제1 사이드 하우징(400), 제2 사이드 하우징(500), 센싱부(600), 냉각팬(700) 및 열교환부(800) 중 적어도 하나 이상을 더 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리 셀 파우치(100)는 몸체부(110) 및 양측에 형성된 날개부(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 몸체부(110)는 배터리 셀의 본방을 포함하며, 날개부(120)는 배터리 셀 파우치를 실링한 후 양 끝단부를 폴딩하지 않아 형성된 구성일 수 있다. 배터리 셀 파우치(100)는 서로 평행하게 적층될 수 있으며, 양측에 형성된 날개부(120) 중 하나 이상의 날개부(120)는 폴딩되지 않을 수 있다. 실시예에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 셀 파우치(100)의 양측에 형성된 날개부(120) 모두 폴딩되지 않을 수 있으며, 다른 실시예에 따라 도 10에 도시된 바와 같이 배터리 셀 파우치(100)의 양측에 형성된 날개부(120) 중 하측에 형성된 날개부(120)는 폴딩되고 상측에 형성된 날개부(120)만 폴딩되지 않을 수 있다. 여기서, 배터리 셀 파우치(100)의 양측에 형성된 날개부(120)가 폴딩되고 폴딩되지 않는 것은 배터리 셀 파우치(100)의 상하측을 냉각시킬지 또는 배터리 셀 파우치(100)의 상하측 중 일측만 냉각시킬지에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 셀 파우치(100)의 상하측을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템의 경우에는 배터리 셀 파우치(100)의 양측에 형성된 날개부(120)를 모두 폴딩하지 않을 수 있다. 반면, 도 10에 도시된 바와 같이 배터리 셀 파우치(100)의 상측만을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템의 경우에는 배터리 셀 파우치(100)의 상측에 형성된 날개부(120)만 폴딩하지 않을 수 있다.
중간 하우징(200)은 복수의 배터리 셀 파우치(100) 사이에 장착되며 배터리 셀 파우치(100)를 고정시키는 역할을 한다. 구체적으로, 도 7을 참조하면 중간 하우징(200)은 중앙에 개방홀이 형성된 사각 형상의 플레이트 형상으로, 개방홀이 형성된 중앙부가 배터리 셀 파우치(100)에서 본방이 형성된 몸체부(110)에 끼워져 장착될 수 있다. 이때, 중간 하우징(200)의 높이는 몸체부(110)의 높이보다 높게 형성되어 중간 하우징의 상단부(210) 및 하단부(220) 중 적어도 하나 이상에 의해 날개부(120)가 고정될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4 및 도 10을 참조하면, 중간 하우징(200)이 배터리 셀 파우치(100)에 장착되면서 중간 하우징(200)의 상단부(210)가 날개부(120)에 밀착됨으로써 해당 날개부(120)가 절곡되지 않고 곧은 형태를 유지하도록 할 수 있고, 그에 따라 냉각 유로부(300) 내에 유동하는 냉매와 접촉되는 표면적을 최대로 할 수 있으며 결과적으로 배터리 셀의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
냉각 유로부(300)는 배터리 셀 파우치(100)의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 형성되고 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성되며 해당 유로에 배터리 셀 파우치(100)의 날개부(120)의 일부가 노출될 수 있다. 본 발명에 따르면, 종래의 간접 공냉방식에서 사용됐던 방열핀 및 방열판의 구성 없이 배터리 셀 파우치(100)의 양측을 폴딩하지 않아 형성된 날개부(120)의 일부가 냉각 유로부(300)에 노출되도록 형성하고, 냉각 유로부(300)에서 냉매가 유동함에 따라 날개부(120)를 냉각시켜 배터리 셀 파우치를 냉각시킴으로써, 배터리 셀 파우치 사이에 별도의 냉각 유로를 형성할 필요가 없고, 방열판 및 방열핀 등의 재료비를 절감할 수 있다. 아울러, 배터리 셀 파우치의 날개부를 폴딩하지 않음으로써 날개부를 폴딩하는 공정을 삭제할 수 있고 그에 따른 재료비를 절감할 수 있다.
한편, 냉각 유로부(300)에는 제1 사이드 하우징(400) 및 제2 사이드 하우징(500)과 결합하기 위한 걸림부(310)가 형성될 수 있다. 아울러, 제1 사이드 하우징(400) 및 제2 사이드 하우징(500)에는 걸림부(310)에 결합되기 위한 돌출부(410, 510)가 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이 냉각 유로부(300)에 형성된 걸림부(310)는 제1 사이드 하우징(400)에 형성된 돌출부(410)에 클립결합 방식으로 결합될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 셀 파우치에 삽입되어 배터리 셀 파우치(100)와 면접촉되고 배터리 셀 파우치(100)의 열을 흡수하여 날개부(120)를 통해 열을 방출하는 열교환부(800)를 더 포함할 수 있다. 여기서 열교환부(800)는 열 전도도가 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 열도도가 높은 열교환부(800)를 배터리 셀 파우치(100) 사이에 삽입하여 열교환부(800)를 통해 배터리 셀 파우치(100)에서 발생한 열을 날개부(120)를 통해 보다 효율적으로 방출되도록 함으로써 배터리 셀 파우치(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 사이드 하우징(400)은 적층되는 배터리 셀 파우치(100) 중 일측 최외곽에 위치한 배터리 셀 파우치(100)의 일측면에 장착되어 외부의 이물질 등으로부터 배터리 셀 파우치(100)를 보호할 수 있다. 아울러, 제2 사이드 하우징(500)은 적층되는 배터리 셀 파우치(100) 중 타측 최외곽에 위치한 배터리 셀 파우치(100)의 타측면에 장착되어 외부의 이물질 등으로부터 배터리 셀 파우치(100)를 보호할 수 있다.
센싱부(600)는 배터리 셀의 상태를 센싱하는 역할을 하며, 센싱부 커버(610)는 센싱부(600)의 단자 등을 보호하는 역할을 한다. 여기서, 센싱부(600)는 배터리의 온도, 전압 및 충전상태(SOC: State of Charge) 등을 측정하는 센서들일 수 있다.
냉각팬(700)은 냉각 유로부(300) 내의 냉매를 유동시킴으로써 배터리 셀 파우치(100)의 날개부(120)를 냉각시킴으로써 배터리 셀을 냉각시키는 역할을 한다. 본 발명에서 냉각 유로부(300) 내의 냉매를 공기일 수 있다. 다시 말해, 냉각팬(700)을 구동시키면 도 2 및 도 9에 도시된 바와 같이 냉각 유로부(300) 내의 공기가 이동하여 날개부(120)를 냉각시킴으로써 배터리 셀을 냉각시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에 따르면, 종래의 직접 공냉 방식과 비교하여 배터리 셀 사이에 냉각 유로는 형성하지 않음으로써, 부피 에너지 밀도가 10%~20% 상승하는 효과가 있다.
또한, 종래의 간접 공냉방식과 비교하여 별도의 방열핀 및 방열판의 구성없이 배터리 셀을 냉각시킴으로써, 방열판 및 방열핀의 재료비를 절감할 수 있다.
아울러, 배터리 셀 파우치의 날개부를 폴딩하지 않음으로써 날개부를 폴딩하는 공정을 삭제할 수 있고 그에 따른 재료비를 절감할 수 있다.
100: 배터리 셀 파우치 110: 몸체부
120: 날개부 200: 중간 하우징
210: 상단부 220: 하단부
300: 냉각 유로부 310: 걸림부
400: 제1 사이드 하우징 410: 돌출부
500: 제2 사이드 하우징 510: 돌출부
600: 센싱부 610: 센싱부 커버
700: 냉각팬 800: 열교환부

Claims (7)

  1. 양측에 날개부가 형성되며 서로 평행하게 적층되고 상기 날개부 중 하나 이상의 날개부가 폴딩되지 않은 복수의 배터리 셀 파우치;
    상기 복수의 배터리 셀 파우치 사이에 장착되며 상기 배터리 셀 파우치를 고정시키는 중간 하우징; 및
    상기 배터리 셀 파우치의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 형성되고 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성되며 상기 유로에 상기 날개부의 일부가 노출되는 냉각 유로부;를 포함하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층된 복수의 배터리 셀 파우치 중 일측 최외곽에 위치한 배터리 셀 파우치의 일측면에 장착되어 상기 배터리 셀 파우치를 보호하는 제1 사이드 하우징 및 타측 최외곽에 위치한 배터리 셀 파우치의 타측면에 장착되어 상기 배터리 셀 파우치를 보호하는 제2 사이드 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀의 상태를 센싱하는 센싱부 및 상기 센싱부를 커버하는 센싱부 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 유로부 내의 냉매를 유동시킴으로써 상기 배터리 셀 파우치의 날개부를 냉각시켜 상기 배터리 셀을 냉각시키는 냉각팬;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각 유로부에는 상기 제1 사이드 하우징 및 상기 제2 사이드 하우징과 결합하기 위한 걸림부가 형성되며,
    상기 제1 사이드 하우징 및 상기 제2 사이드 하우징에는 상기 걸림부에 결합되기 위한 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀 파우치는 몸체부 및 날개부를 포함하고,
    상기 중간 하우징의 높이는 상기 몸체부의 높이보다 높게 형성되어 상기 중간 하우징의 상단부 및 하단부 중 적어도 하나 이상에 의해 상기 날개부가 고정되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 파우치 사이에 삽입되어 상기 배터리 셀 파우치와 면접촉되고 상기 배터리 셀 파우치의 열을 흡수하여 상기 날개부를 통해 상기 열을 방출하는 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.

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