KR20220010940A - 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템에 관한 것으로, 이는 m(m은 1 이상의 자연수)개의 배터리 지지대, m+1개의 전극 판, 상기 배터리 지지대에 삽입 고정되는 n×m 개의 배터리들로 구성되는 배터리 패키지; 상기 배터리 패키지의 일측에 위치되어, 외부 공기를 흡입하여 상기 배터리 패키지쪽으로 송풍하는 블로워 팬; 상기 블로워 팬과 상기 배터리 패키지 사이에 삽입되어, 자동차 냉각수가 흐르는 냉각수 라인을 통해 상기 블로워 팬의 공기를 냉각시킨 후 상기 배터리 패키지에 공급하는 수냉 쿨러; 및 상기 배터리 패키지의 타측에 위치되어, 상기 배터리 패키지를 통과하면서 온도 상승한 공기를 외부로 강제 배출시키는 석션 팬을 포함할 수 있다.

Description

수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템{Air-cooled battery heat management system using water cooling}

본 발명은 전기 자동차에 장착되는 배터리 열관리 시스템에 관한 것으로, 특히 자동차 냉각수로 구동되는 수냉 쿨러를 이용하여 배터리 열관리 동작을 수행할 수 있도록 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템에 관한 것이다.

전기 자동차는 최근 들어 치솟는 유가와 배기가스 규제 강화가 전기 자동차 개발의 속도를 빠르게 하고 있으며, 시장 규모도 급성장 중이며, 이는 전기모터에 전기를 공급하는 고용량 배터리, 전기모터를 제어하는 모터 제어기, 배터리 전압을 적절하게 변환시키는 컨버터를 구비하여 구현된다.

고용량 배터리는 필요 시 모터로 전력을 공급하고, 차량 정지 시 재생 동력원으로부터 생성되는 전기 에너지를 충전하는데, 고용량 배터리의 성능이 온도에 따라 크게 좌우되는 단점을 가진다. 예를 들어, 충전과 방전을 하는 동안 방열에 의해 온도가 상승하게 되면, 전해질 분해가 일어나 배터리의 성능이 떨어지고 수명이 현저하게 단축되게 된다.

따라서 배터리의 과열을 방지하여 배터리의 성능을 유지시키고 수명을 연장시키기 위하여 배터리를 적절히 냉각시키는 배터리 냉각장치가 필요하다.

이에 팬을 통해 배터리 패키지에 냉각 공기를 유입시켜 배터리 내부 온도를 낮춰주는 공랭식 배터리 열관리 시스템과, 냉각 유로가 배터리 패키지를 따라 추가 형성시켜 냉각 유로의 한기를 이용하여 배터리 내부 온도를 낮춰주는 수냉식 배터리 열관리 시스템이 제안된 바 있다.

그러나 공랭식 배터리 열관리 시스템은 외부 공기의 온도에 따라 냉각 효율이 크게 달라지는 단점을 가지고, 수냉식 배터리 열관리 시스템은 냉각 유로에 의해 시스템 구조가 매우 복잡해지는 단점을 가진다.

국내 공개특허 10-2020-0011787(공개일자 2020년02월04일)

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전기 자동차에 기본 구비되는 냉각수를 이용하는 수냉 쿨러를 이용하여 보다 간단하면서도 효과적인 배터리 냉각 동작을 수행할 수 있도록 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, m(m은 1 이상의 자연수)개의 배터리 지지대, m+1개의 전극 판, 상기 배터리 지지대에 삽입 고정되는 n×m 개의 배터리들로 구성되는 배터리 패키지; 상기 배터리 패키지의 일측에 위치되어, 외부 공기를 흡입하여 상기 배터리 패키지쪽으로 송풍하는 블로워 팬; 상기 블로워 팬과 상기 배터리 패키지 사이에 삽입되어, 자동차 냉각수가 흐르는 냉각수 라인을 통해 상기 블로워 팬의 공기를 냉각시킨 후 상기 배터리 패키지에 공급하는 수냉 쿨러; 및 상기 배터리 패키지의 타측에 위치되어, 상기 배터리 패키지를 통과하면서 온도 상승한 공기를 외부로 강제 배출시키는 석션 팬을 포함하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템을 제공한다.

상기 배터리 패키지는 n개의 배터리를 내부에 삽입 고정시키며, 일렬 배치되는 m개의 배터리 지지대; 및 상기 m개의 배터리 지지대의 양측과 상기 배터리 지지대 사이에 각각 삽입되어, 상기 n×m개의 배터리를 전기적으로 연결시키는 m+1개의 전극 판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 배터리 지지대 각각이 공기의 와류 현상 발생을 위한 배플 구조를 채택하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극판 각각이 공기의 와류 현상 발생을 위한 배플 구조를 채택하는 것을 특징으로 한다.

더하여, 상기 시스템은 상기 배터리 지지대 또는 상기 전극판 각각에 결합되어, 공기의 와류 현상 발생하는 m+1개의 배플판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 m+1개의 배플판 각각이 위치 가변형으로 구현되어, 상기 배터리 패키지내 공기 와류 영역을 교대 변경할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 배터리는 상기 배터리 패키지와 상기 수냉 쿨러 사이와, 상기 배터리 패키지와 상기 석션 팬 사이에 각각 삽입되는 두 개의 절연 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 자동자 냉각수를 활용하여 냉각 동작을 수행하는 수냉 쿨러를 배터리 패키지에 일측에 위치시키는 간단한 구조를 통해 배터리 패키지에 공급되는 공기를 보다 낮은 온도로 냉각할 수 있도록 한다.

그리고 배터리 패키지의 양측에 배치된 두 개의 팬을 통해 공기 순환율을 최대화시킴으로써, 배터리 냉각 효율이 더욱 높아질 수 있도록 한다.

또한 배터리 패키지에서 공기 와류 현상이 발생하도록 하고, 더 나아가서는 공기 와류 발생 영역의 위치가 수시 또는 주기적으로 변경되도록 함으로써, 배터리 패키지내 모든 배터리들이 동일 비율로 냉각될 수 있도록 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 지지대의 일예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 판의 일예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.

또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.

본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템을 설명하기 위한 도면으로, 도 1은 분해도, 도 2는 결합도, 도 3은 배터리 배치도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 배터리 열관리 시스템은 배터리 패키지(100), 배터리 패키지(100)의 일측에 위치되는 블로워 팬(200), 블로워 팬(200)과 배터리 패키지(100) 사이에 삽입되는 수냉 쿨러(300), 배터리 패키지(100)의 타측에 배치되는 석션 팬(400), 수냉 쿨러(150)와 배터리 패키지(100) 사이, 배터리 패키지(100)와 석션 팬(400) 사이 각각에 삽입되는 2개의 절연 수단(500) 등을 포함하여 구성된다.

배터리 패키지(100)는 다시 m(m은 1 이상의 자연수)개의 배터리 지지대(110), m+1개의 전극 판(120), 그리고 배터리 지지대에 삽입 고정되는 n×m 개의 배터리들(130)로 구성된다. 이때, 배터리는 18650 배터리와 같은 원통형 배터리일 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.

배터리 지지대(110) 각각은 도 4와 같이 내부 공간이 마련된 지지대 프레임(111)과 내부 공간내에서 상하 좌우로 적층되는 n(n은 2 이상의 자연수)개의 끼임 홀(112)을 각각 구비하고, n개의 끼임 홀(112)을 통해 n개의 배터리가 삽입 고정되도록 한다.

전극 판(120) 각각은 구리, 니켈 등과 같은 도전성을 가지는 금속 재질로 구현되어, 배터리 패키지(100)의 양측과 배터리 지지대(110) 사이에 각각 삽입된다. 이는 도 5에서와 같이 배터리 전극이 전기적으로 접촉되는 n 개의 전극 접촉홀(121) 이외에 공기 유동을 지원하는 k개의 개방홀(122)을 각각 구비하여, 전극 판(120)을 통해 n×m 개의 배터리들을 전기적으로 연결시킴과 동시에 배터리 냉각을 위한 공기가 유동될 수 있도록 한다.

더하여 전극 판(120) 각각은 전극판 외곽 영역에 위치하며 "ㄷ"형상으로 돌출되는 외부 연결 단자(123)를 추가 구비할 수 있으며, 이를 통해 외부 장치가 연결될 수도 있도록 한다. 또 다르게는 외부 연결 단자(123)를 통해 다수의 배터리 지지대(110)가 직렬 대신에 병렬 연결될 수도 있도록 한다.

블로워 팬(200)은 배터리 패키지(100)의 일측에 위치되어, 외부 공기를 흡입하여 수냉 쿨러(300)쪽으로 송풍하도록 한다.

수냉 쿨러(300)는 자동차 에어콘 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수의 일부가 흐르는 냉각수 라인을 구비하고, 블로워 팬으로부터 송풍되는 공기를 냉각수 라인의 한기(寒氣)를 통해 소정 온도 냉각시킨 후, 배터리 패키지(100)쪽으로 송풍하도록 한다.

석션 팬(400)은 m+1개의 전극 판(120)의 타측에 위치되어, m개의 배터리 지지대(110)를 모두 통과하면서 온도 상승한 공기를 외부로 강제 배출하도록 한다.

2개의 절연 수단(500) 각각은 천연고무, 실리콘고무 등과 같은 절연재료로 구현되는 2개의 절연 수단(500)을 추가 구비할 수도 있도록 한다. 즉, 수냉 쿨러(150) 사이와 전극판(120)과 석션 팬(400) 사이에 삽입되는 2개의 절연 수단(500)을 통해 배터리의 전류, 전압이 수냉 쿨러(150) 또는 석션 팬(400)으로 누설되는 것을 사전 방지할 수 있도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 수냉 쿨러(300)가 구동되면, 자동차 에어콘 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수의 일부는 수냉 쿨러(300)의 냉각수 라인을 거쳐 흐른 후, 다시 자동차 에어콘 라디에이터쪽으로 배출하도록 한다.

이러한 상태에서 배터리 패키지(100)의 일측에 배치된 블로워 팬(200)이 구동되면, 블로워 팬(200)은 외부의 공기를 흡입하여 수냉 쿨러(300)쪽으로 공급하고, 수냉 쿨러(300)는 외부 공기를 냉각수 라인의 한기(寒氣)를 통해 소정 온도 냉각시킨 후, 배터리 패키지(100) 쪽으로 전달하도록 한다.

또한 배터리 패키지(100)의 타측에 배치된 석션 팬(400)이 동시 구동되면, 배터리 패키지(100)의 공기가 보다 빨리, 보다 강하게 순환하면서, 외부로 배출되게 된다.

즉, 본 발명은 자동자 냉각수를 활용하여 냉각 동작을 수행하는 수냉 쿨러(300)를 배터리 패키지에 일측에 위치시키는 간단한 구조를 통해 배터리 패키지(100)에 공급되는 공기를 보다 낮은 온도로 냉각할 수 있도록 한다. 또한 배터리 패키지(100)의 양측에 배치된 두 개의 팬을 통해 공기 순환율을 최대화시킴으로써, 배터리 냉각 효율이 더욱 높아질 수 있도록 한다.

더하여, 본 발명은 냉각 효율을 더욱 높이기 위해 배터리 패키지(100)내에 공기 와류 현상 발생을 유도할 수도 있도록 한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참고하면, 본 발명의 전극판(120)이 공기의 와류 현상 발생을 위한 배플(baffle) 구조를 채택할 수도 있도록 한다. 또한 필요한 경우에는, 전극판(120) 대신에 배터리 지지대(110)가 배플 구조를 채택할 수도 있도록 한다.

이에 본 발명의 다른 실시예에 따른 공랭식 배터리 열관리 시스템은 도 8에서와 같이, 배터리 패키지(100)에 유입된 냉각 공기가 배터리 패키지(100)내에서 상하 또는 좌우로 유동하면서 배터리 패키지(100)내 배터리를 냉각시킨 후, 외부로 배출되도록 한다.

다만, 이러한 경우 배터리 패키지(100)내 공기 와류 발생 영역이 고정되어, 공기 와류 발생 영역 이외에 위치한 배터리들의 냉각 효율이 급격히 떨어질 수 있으며, 이는 차후 일부 배터리들의 비정상적인 열화 발생 원인이 되기도 한다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템을 설명하기 위한 도면으로, 이는 공기 와류 발생 영역이 수시 또는 주기적으로 변경할 수 있도록 한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리 지지대(110) 또는 전극판(120)에 결합되는 배플판(150)을 추가 구비하되, 베플판(150)이 위치 가변형으로 구현함으로써, 공기 와류 발생 영역이 수시 또는 주기적으로 변경될 수도 있도록 한다.

보다 구체적으로, 배터리 지지대(110) 또는 전극판(120)에 가이드 홈(151)을 마련한 후, 배플판(150)의 상단에 가이드 홈에 삽입 및 슬라이딩되는 걸림 돌기(152)를 추가 형성함으로써, 사용자가 걸림 돌기(152)를 통해 배플판(150)의 위치를 수동 조정할 수 있도록 한다.

그 결과, 배터리 패키지(100)내 공기 와류 영역이 도 10에서와 같이 수시 또는 주기적으로 교대될 수 있으며, 최종적으로 모든 배터리가 동일 비율로 냉각될 수 있도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (7)

1. m(m은 1 이상의 자연수)개의 배터리 지지대, m+1개의 전극 판, 상기 배터리 지지대에 삽입 고정되는 n×m 개의 배터리들로 구성되는 배터리 패키지;
   상기 배터리 패키지의 일측에 위치되어, 외부 공기를 흡입하여 상기 배터리 패키지쪽으로 송풍하는 블로워 팬;
   상기 블로워 팬과 상기 배터리 패키지 사이에 삽입되어, 자동차 냉각수가 흐르는 냉각수 라인을 통해 상기 블로워 팬의 공기를 냉각시킨 후 상기 배터리 패키지에 공급하는 수냉 쿨러; 및
   상기 배터리 패키지의 타측에 위치되어, 상기 배터리 패키지를 통과하면서 온도 상승한 공기를 외부로 강제 배출시키는 석션 팬을 포함하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 패키지는
   n개의 배터리를 내부에 삽입 고정시키며, 일렬 배치되는 m개의 배터리 지지대; 및
   상기 m개의 배터리 지지대의 양측과 상기 배터리 지지대 사이에 각각 삽입되어, 상기 n×m개의 배터리를 전기적으로 연결시키는 m+1개의 전극 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 배터리 지지대 각각이
   공기의 와류 현상 발생을 위한 배플 구조를 채택하는 것을 특징으로 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 전극판 각각이
   공기의 와류 현상 발생을 위한 배플 구조를 채택하는 것을 특징으로 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 배터리 지지대 또는 상기 전극판 각각에 결합되어, 공기의 와류 현상 발생하는 m+1개의 배플판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 m+1개의 배플판 각각이
   위치 가변형으로 구현되어, 상기 배터리 패키지내 공기 와류 영역을 교대 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 배터리는
   상기 배터리 패키지와 상기 수냉 쿨러 사이와, 상기 배터리 패키지와 상기 석션 팬 사이에 각각 삽입되는 두 개의 절연 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉 쿨러를 이용한 공랭식 배터리 열관리 시스템.

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