KR20200125114A - 차량용 배터리 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치는 복수의 인접한 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들이 삽입되며, 상기 배터리 셀들과 열교환하는 하는 열교환 부재; 및 상기 열교환 부재 하방에 위치하며 상기 열교환 부재와 열교환하여 상기 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 부재;를 포함할 수 있다.

Description

차량용 배터리 냉각 장치{APPARATUS FOR COOLING BATTERY OF VEHICLE}
본 발명은 차량용 배터리 냉각 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 모듈의 구조를 단순화시키는 동시에 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 차량용 배터리 냉각 장치에 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, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 간접 수냉각방식으로 배터리 시스템을 냉각시켰다. 구체적으로 도 1을 참조하면, 배터리 셀(1)에 면접촉된 방열플레이트(2)가 배터리 셀(1)에서 나오는 열을 흡수하여, TIM(Thermal Interface Material)(3)에 열을 전달하고, TIM(3)는 다시 냉각수 채널(4)을 흐르는 냉각수와 열교환하는 방식으로 배터리 셀(1)을 냉각시켰다. 하지만, 종래에는 배터리 셀(1)을 셀 카트리지(5)에 조립하고, 셀 카트리지(5)에 조립된 복수의 셀 모듈을 적층하여 배터리 팩을 구성하였기 때문에 배터리 팩 전체의 중량 및 부피가 증가하며, 제조 단가가 높아진다는 한계점이 있었다.
KR 10-2015-0002982
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 종래와 달리 셀 카트리지 또는 셀 케이스 등의 프레임을 사용하지 않고 열교환 부재에 배터리 셀들을 삽입함으로써, 전체적인 배터리 모듈의 구조를 단순하게 할 수 있고, 제조 원가를 절감시킬 수 있는 차량용 배터리 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치는 복수의 인접한 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들이 삽입되며, 상기 배터리 셀들과 열교환하는 하는 열교환 부재; 및 상기 열교환 부재 하방에 위치하며 상기 열교환 부재와 열교환하여 상기 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 부재;를 포함할 수 있다.
상기 열교환 부재는 상면이 개방된 형태이며, 제1 측면, 제2 측면 및 하면을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열교환 부재는 "U"자 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 배터리 셀과 상기 열교환 부재 하면 사이의 갭에는 열전도성 필러가 내재될 수 있다.
상기 열교환 부재의 하면과 상기 냉각 부재의 상면 사이에 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material)을 더 포함할 수 있다.
상기 인접한 배터리 셀들 사이에는 각 배터리 셀에 면압을 가하기 위한 제1 패드가 삽입될 수 있다.
상기 열교환 부재가 복수개 적층되며, 상기 열교환 부재들 사이에는 각 배터리 셀에 면압을 가하기 위한 제2 패드가 삽입될 수 있다.
상기 열교환 부재의 제1 측면과 상기 제1 측면과 면착되는 배터리 셀 사이에 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재될 수 있다.
상기 열교환 부재의 제2 측면과 상기 제2 측면과 면착되는 배터리 셀 사이에 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재될 수 있다.
상기 인접한 복수의 배터리 셀 사이에는 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재될 수 있다.
상기 열교환 부재의 상면을 커버하는 커버;를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환 부재는 복수개 적층되며, 적층된 복수의 열교환 부재 중 일측 및 타측 최외곽에 위치한 열교환 부재의 외측에는 엔드 플레이트가 각각 구비될 수 있다.
상기 냉각 부재는 내부에 냉각수가 흐르며, 상기 열교환 부재는 상기 냉각수와 열교환하여 상기 배터리 셀들을 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 종래와 달리 셀 카트리지 또는 셀 케이스 등의 프레임을 사용하지 않고 열교환 부재에 배터리 셀들을 삽입함으로써, 전체적인 배터리 모듈의 구조를 단순하게 할 수 있고, 제조 원가를 절감시킬 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 배터리 냉각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A' 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치와 종래의 배터리 냉각 장치의 열유동 해석 결과를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치에 대해 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A'의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(100), 열교환 부재(200) 및 냉각 부재(300)를 포함하며, 열전도성 필러(400), 열전도성 물질(500), 제1 패드(600), 제2 패드(700), 커버(800) 및 엔드 플레이트(900) 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치는 복수의 인접한 배터리 셀(100)을 포함할 수 있으며, 각 배터리 셀(100)은 인접하여 면접촉되면서 적층될 수 있다. 여기서, 각 배터리 셀(100)이 면접촉되어 적층되는 것은 각 배터리 셀(100)에 균일한 면압이 가해지도록 하기 위함이다. 실시예에 따라, 각 배터리 셀(100) 사이에는 배터리 셀(100)에 균일한 면압을 가하기 위한 제1 패드(600)가 삽입될 수 있다. 아울러, 인접한 복수의 배터리 셀(100) 사이에는 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재될 수 있다.
열교환 부재(200)에는 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀(100)이 삽입될 수 있으며 삽입된 배터리 셀들(100)과 열교환하는 역할을 한다. 아울러, 열교환 부재(200)는 복수개가 적층되며, 적층된 열교환 부재들(200) 사이에는 각 배터리 셀(100)에 면압을 가하기 위한 제2 패드(700)가 삽입될 수 있다. 또한, 열교환 부재(200)는 열전도성이 우수한 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 실시예에 따라 열교환 부재(200)는 알루미늄 재질의 방열 플레이트 일 수 있다.
종래에는 각 배터리 셀(100)이 셀 카트리지(미도시) 또는 셀 케이스(미도시) 등의 프레임에 조립됐었는데 본 발명에서는 셀 카트리지 또는 셀 케이스 등의 프레임을 사용하지 않고 열교환 부재(200)에 배터리 셀들(100)을 삽입함으로써, 전체적인 배터리 모듈의 구조를 단순하게 할 수 있고, 제조 원가도 절감시킬 수 있다.
구체적으로, 열교환 부재(200)는 상면이 개방된 형태이며, 제1 측면(210), 제2 측면(220) 및 하면(230)을 포함하여 구성될 수 있다. 실시예에 따라, 열교환 부재(200)는 "U"자 형상으로 이루어질 수 있다. 이때, 배터리 셀(100)과 열교환 부재의 하면(230) 사이의 갭에는 도 3 및 도 4와 같이 열전도성 필러(400) 내재될 수 있다. 이때, 열전도성 필러(400)는 배터리 셀(100)과 열교환 부재 하면(230) 사이에 형성된 갭을 가득 채우도록 밀착되게 내재되어, 배터리 셀(100)에서 발생하는 열을 열교환 부재(200)로 보다 잘 전달되도록 할 수 있다.
아울러, 열교환 부재(200)의 제1 측면(210)과 제1 측면(210)과 면착되는 배터리 셀(100) 사이에는 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재될 수 있다.
아울러, 열교환 부재(200)의 제2 측면(220)과 제2 측면(220)과 면착되는 배터리 셀(100) 사이에는 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재될 수 있다.
본 발명에서 열교환 부재(200)는 내부에 삽입된 배터리 셀(100)에서 발생한 열을 흡수하고, 해당 열을 추후 설명할 냉각 부재(300)에 방열함으로써 배터리 셀(100)을 냉각시키는 역할을 하는데, 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 높이기 위해서는 배터리 셀(100)에서 발생한 열이 열교환 부재(200)에 잘 전달되어야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 상술한 바와 같이 배터리 셀(100)과 열교환 부재의 하면(230) 사이에 열전도성 필러(400)를 삽입하였으며, 추가적으로, 열교환 부재(200)의 제1 측면(210)과 제1 측면(210)과 면착되는 배터리 셀(100) 사이에 서멀 그리스 또는 열전도성 물질을 개재하여 배터리 셀(100)과 열교환 부재(200) 사이의 열전도율이 향상되도록 하였다. 다른 실시예에 따라 제1 측면(210)과 제1 측면(210)과 면착되는 배터리 셀(100) 사이에는 양면 접착제 등이 개재되어 배터리 셀(100)이 열교환 부재(200)에 보다 안정적으로 고정되도록 할 수 있다.
냉각 부재(300)는 열교환 부재(200) 하방에 위치하며 열교환 부재(200)와 열교환하여 배터리 셀들(100)을 냉각시킬 수 있다. 구체적으로, 냉각 부재(300)는 내부에 냉각수가 흐르며, 열교환 부재(200)는 배터리 셀(100)로부터 전달된 열을 냉각수와 열교환함으로써 배터리 셀들(100)을 냉각시킬 수 있다. 아울러, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치는 열교환 부재의 하면(230)과 냉각 부재(300) 사이에 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material)(500)을 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 열교환 부재의 하면(230)과 냉각 부재(300) 사이에 열전도성 물질(500)이 개재됨으로써, 열교환 부재(200)와 냉각 부재(300)간에 열전달이 보다 잘 이루어질 수 있고, 이에 따라 배터리 셀(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
커버(800)는 상면이 개방된 열교환 부재의 상면을 커버하는 역할을 한다. 실시예에 따라 커버(800)는 플라스틱 또는 금속재질로 이루어질 수 있다. 하지만, 커버(800)의 재질은 이에 한정되지 않으며 이외에도 다양한 소재가 본 발명에서의 커버(800)로 사용될 수 있다.
엔드 플레이트(900)는 도 2 및 도 3과 같이 적층된 복수의 열교환 부재(200) 중 일측 및 타측 최외곽에 위치한 열교환 부재(200)의 외측에 구비되며, 열교환 부재(200) 및 배터리 셀들(100)을 지지할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치와 종래의 배터리 냉각 장치의 열유동 해석 결과를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치는 종래의 배터리 냉각 장치에 비해, 배터리 셀이 발열하여 도달하는 최대 온도 및 배터리 셀이 발열 및 냉각되어 변화하는 온도 변화율을 크게 향상시킬 수 있다.
100: 배터리 셀 200: 열교환 부재
210: 제1 측면 220: 제2 측면
220: 하면 300: 냉각 부재
400: 열전도성 필러 500: 열전도성 물질
600: 제1 패드 700: 제2 패드
800: 커버 900: 엔드 플레이트

Claims (13)

  1. 복수의 인접한 배터리 셀들;
    상기 복수의 배터리 셀들이 삽입되며, 상기 배터리 셀들과 열교환하는 하는 열교환 부재; 및
    상기 열교환 부재 하방에 위치하며 상기 열교환 부재와 열교환하여 상기 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 부재는 상면이 개방된 형태이며, 제1 측면, 제2 측면 및 하면을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 부재는 "U"자 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 열교환 부재 하면 사이의 갭에는 열전도성 필러가 내재되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 부재의 하면과 상기 냉각 부재의 상면 사이에 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 인접한 배터리 셀들 사이에는 각 배터리 셀에 면압을 가하기 위한 제1 패드가 삽입된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 부재가 복수개 적층되며, 상기 열교환 부재들 사이에는 각 배터리 셀에 면압을 가하기 위한 제2 패드가 삽입된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 열교환 부재의 제1 측면과 상기 제1 측면과 면착되는 배터리 셀 사이에 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 열교환 부재의 제2 측면과 상기 제2 측면과 면착되는 배터리 셀 사이에 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 인접한 복수의 배터리 셀 사이에는 서멀 그리스(Thermal Grease), 열전도성 물질(TIM: Thermal Interface Material) 및 양면 접착제 중 하나가 개재되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 열교환 부재의 상면을 커버하는 커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 열교환 부재는 복수개 적층되며, 적층된 복수의 열교환 부재 중 일측 및 타측 최외곽에 위치한 열교환 부재의 외측에는 엔드 플레이트가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 부재는 내부에 냉각수가 흐르며, 상기 열교환 부재는 상기 냉각수와 열교환하여 상기 배터리 셀들을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
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