WO2010002137A2 - 냉각 매니폴드를 가지는 전지모듈 및 전지모듈의 냉각방법 - Google Patents

냉각 매니폴드를 가지는 전지모듈 및 전지모듈의 냉각방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery module having a cooling manifold and a cooling method of the battery module.
  • a battery module having a cooling manifold and a cooling method of the battery module are provided.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the battery module of FIG. 2;
  • FIG. 5 is an exploded view of a cooling manifold used in the battery module of FIG. 2;
  • cover plate 86 is connected to the front end 110 of the outer circumferential wall 90.
  • cover plate 86 is made of plastic.
  • cover plate 86 may be made of other materials, such as, for example, steel, ceramics, or metal alloys.
  • cover plate 86 includes openings 250, 252, 254, 256, 258, 260, 262, 264 extending therethrough.

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Abstract

본 발명은 냉각 매니폴드를 가지는 전지모듈을 제공한다. 전지모듈은 다수의 열교환기를 가지는 다수의 전지셀 어셈블리를 포함한다. 전지모듈은 또한, 다수의 전지셀 어셈블리와 작동가능하게 연결되어 있는 냉각 매니폴드를 포함한다. 냉각 매니폴드는 매니폴드부와 커버 플레이트를 가진다. 매니폴드부는 외주벽, 외주벽과 연결되어 있는 후면벽 및 유로 전환기를 가진다. 외주벽은 유입구가 연장되는 상단부를 가진다. 후면벽은 그것을 통해 연장되는 다수의 배출구를 가진다. 커버 플레이트는 후면벽에 대향하는 외주벽과 연결되어 있다. 유로 전환기는 후면벽으로부터 연장되어 있고 유입구 하부에 위치한다. 유로 전환기는 유입구로부터 유체를 수용하여, 다수의 전지셀 어셈블리들의 냉각을 위해, 각각의 배출구를 통한 각각의 열교환기로 유체의 유량(flow rate)이 실질적으로 동일하도록 유체를 전환하도록 형성되어있다.

Description

냉각 매니폴드를 가지는 전지모듈 및 전지모듈의 냉각방법
본원은 냉각 매니폴드를 가지는 전지모듈 및 전지모듈의 냉각방법에 관한 것이다.
전지팩은 사용 중 열을 발생시킨다. 전지팩의 열화를 방지하기 위해서는 전지팩을 냉각해야 한다. 그러나, 현존하는 냉각 시스템으로는 전지팩 내의 전지셀들을 균일하게 냉각시키지 못할 수 있다. 본 발명자들은 만약 전지팩 내의 전지셀들이 균일하게 냉각되지 않으면, 전지셀은 바람직하지 못하게도 서로 다른 출력 전압을 포함한 서로 다른 동작 특성을 가져 바람직하지 않을 수 있음을 인식하였다.
따라서, 본 발명자들은 상기 언급한 결함을 최소화 및/또는 제거하기 위한 냉각 매니폴드(cooling manifold)를 가지는 전지모듈에 대한 필요성을 인식하게 되었다.
본 발명은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 냉각 매니폴드를 가지는 전지모듈 및 전지모듈의 냉각방법을 제공한다.
본 발명자들은 본 발명의 실질적으로 전지모듈 내 전지셀을 균일한 온도로 유지하기 위하여 전지모듈 내 열교환기를 통해 실질적으로 동일한 유량의 유체가 얻어지도록 유체를 전환하는 기술적인 효과를 제공하는 냉각 매니폴드를 가지는 전지모듈이 상기 소망하는 목적들을 모두 만족시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
하나의 예시적인 실시예에 따른 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈은 다수의 열교환기를 가지는 다수의 전지셀 어셈블리를 포함한다. 상기 전지모듈은 또한 다수의 전지셀 어셈블리에 작동가능하게 연결되어 있는 제 1 냉각 매니폴드를 포함한다. 상기 제 1 냉각 매니폴드는 매니폴드부와 커버부를 가진다. 상기 매니폴드부는 외주벽, 상기 외주벽과 연결되어 있는 후면벽, 및 유로 전환기(flow diverter)를 갖는다. 상기 외주벽은 유입구(inlet aperture)가 연장되어 있는 상단부를 갖는다. 상기 후면벽은 그것을 통해 연장되어 있는 다수의 배출구(outlet apertures)를 갖는다. 상기 커버 플레이트는 상기 후면벽과 대향하는 상기 외주벽에 연결되어 있다. 상기 유로 전환기는 상기 후면벽으로부터 연장되어 있고 상기 유입구 하부에 위치하고 있다. 상기 유로 전환기는 상기 유입구로부터 유체를 수용하고, 다수의 전지셀 어셈블리들의 냉각을 위해, 각각의 배출구를 통한 각각의 열교환기로의 상기 유체의 유량(flow rate)이 실질적으로 동일하도록 상기 유체를 전환하도록 이루어져 있다.
또 다른 하나의 예시적인 실시예에 따른 전지모듈의 냉각 방법을 제공한다. 상기 전지모듈은 다수의 전지셀 어셈블리들과 제 1 냉각 매니폴드를 가지고 있다. 상기 다수의 전지셀 어셈블리들은 다수의 열교환기들을 가지고 있다. 상기 방법은 유체를 상기 제 1 냉각 매니폴드 내로 전달하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 제 1 냉각 매니폴드를 통해 연장된 다수의 배출구 각각을 통해 실질적으로 동일한 유량의 유체가 얻어지도록, 유로 전환기를 이용하여 제 1 냉각 매니폴드 내에서 유체를 전환하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 상기 다수의 전지셀 어셈블리들을 냉각하기 위해 각각의 배출구로부터 각각의 열교환기 내로 상기 유체를 전달하는 과정을 더 포함한다.
또 다른 하나의 예시적인 실시예에 따른 전지 모듈을 위한 냉각 매니폴드를 제공한다. 상기 전지모듈은 다수의 전지셀 어셈블리들을 가지고 있다. 상기 냉각 매니폴드는 외주벽, 상기 외주벽에 연결된 후면벽, 및 유로 전환기를 포함하는 매니폴드부를 포함한다. 상기 외주벽은 연장되어 있는 유입구를 포함하는 상단부를 가지고 있다. 상기 후면벽은 그것을 통해 연장된 다수의 배출구들을 가지고 있다. 상기 유로 전환기는 상기 후면벽으로부터 연장되어 있고 상기 유입구 하부에 위치한다. 상기 유로 전환기는 상기 유입구로부터 유체를 수용하고 유체를 전환하여, 각각의 전지셀 어셈블리에 대해 각각의 배출구를 통해 실질적으로 동일한 유량의 유체를 얻도록 이루어져 있다. 상기 냉각 매니폴드는 상기 후면벽에 대향하는 상기 매니폴드부의 외주벽에 연결되는 커버 플레이트를 더 포함한다.
도 1은 하나의 예시적인 실시예에 따른 전지모듈 냉각용 시스템의 모식도이다;
도 2는 또 다른 하나의 예시적인 실시예에 따른 전지모듈의 모식도이다;
도 3은 도 2의 전지모듈에서 이용된 전지셀 어셈블리의 분해도이다;
도 4는 도 2의 전지모듈의 단면도이다;
도 5는 도 2의 전지모듈에서 이용된 냉각 매니폴드의 분해도이다;
도 6은 도 5의 냉각 매니폴드의 매니폴드부의 모식도이다;
도 7은 도 5의 냉각 매니폴드의 매니폴드부의 또 다른 모식도 이다;
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10: 전지모듈의 냉각을 위한 시스템
16: 전지모듈
20: 전지셀 어셈블리
40: 냉각 매니폴드
72: 열교환기
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(16)의 냉각을 위한 시스템(10)이 도시되어 있다. 시스템(10)은 저장소(12), 펌프(14) 및 유로들(conduits; 17, 18, 19)을 가진다. 저장소(12)는 그 안에 유체를 수용하고 있다. 펌프(14)는 저장소(12)로부터 유로(17)를 통해 유체를 펌핑한다. 그런 다음, 펌프(14)는 유체를 유로(18)를 통해 전지모듈(16) 내부로 펌핑한다. 전지모듈(16)은 냉각 매니폴드(40), 열교환기, 및 하기에서 상세히 설명되는 냉각 매니폴드(42)를 포함한다. 냉각 매니폴드(40)는 각각의 열교환기를 통해 전지모듈(16) 내 실질적으로 동일한 유량의 유체를 제공함으로써, 전지모듈 내부의 전지셀로부터 제거된 열에너지가 실질적으로 동일한 양이 되도록 구성된다. 따라서, 전지모듈(16) 내의 모든 전지셀들은 실질적으로 유사한 온도로 유지되어 출력 전압을 포함한 작동 특성이 균일한 전지셀이 된다. 냉각 매니폴드(42)는 전지모듈(16) 내의 열교환기들로부터 가열된 유체를 수용하고, 상기 가열된 유체를 유로(19)를 통해 저장소(12)로 반송한다. 전지셀 어셈블리는 전지셀을 갖는 하우징으로 정의된다. 전지모듈은 적어도 2개 이상의 물리적 또는 전기적으로 서로 연결되어 있는 전지셀 어셈블리로서 정의된다.
도 2를 참조하면, 전지모듈(16)은 전지셀 어셈블리(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 및 36) 및 냉각 매니폴드(40, 42)를 포함한다. 전지셀 어셈블리(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 및 36)는 실질적으로 유사한 형태를 가지므로, 이하에서는 전지셀 어셈블리(20)에 대해서만 상세히 설명하기로 한다. 도 3을 참조하면, 전지셀 어셈블리(20)는 프레임 부재(60), 전지셀(62), 고정 부재(securement member; 64), 전지셀(66), 프레임 부재(68), 고정 부재(70), 열교환기(72), 전지셀(74) 및 프레임 부재(76)를 포함한다. 프레임 부재들(60, 68)은 이들 사이에 있는 전지셀(62), 고정 부재(64) 및 전지셀(66)을 지지하기 위해 제공된다. 프레임 부재들(68, 76)은 이들 사이에 있는 고정 부재(70), 열교환기(72) 및 전지셀(74)를 지지하기 위해 제공된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 전지셀들(62, 66, 74)은 리튬 이온 전지셀이다. 작동 중에, 냉각 매니폴드는 열교환기(72)를 통해 소정 유량의 유체를 제공함으로써, 열 에너지가 열교환기(72)에 열적으로 연결된 전지셀들(62, 66, 74)로부터 제거되어 전지셀들(62, 66, 74)이 실질적으로 비슷한 온도로 유지될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 냉각 매니폴드(40)의 구조를 설명한다. 냉각 매니폴드(40)는 매니폴드부(80), 배출나사들(vented screws; 82, 84)과 같은 다수의 배출나사들, 커버 플레이트(86), 개스킷(88) 및 O-링(89)와 같은 다수의 O-링을 포함한다.
매니폴드부(80)는 외주벽(90), 외주벽(90)에 연결된 후면벽(92) 및 후면벽(92)에 연결된 유로 전환기(94)를 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 매니폴드부(80)는 플라스틱으로 이루어진다. 물론, 대안적인 실시예에서, 매니폴드부(80)는 예를 들어, 강철, 세라믹(ceramics) 또는 금속 합금과 같은 다른 재료로 이루어 질 수도 있다.
외주벽(90)은 전단부(110)과 후단부(112)를 포함한다. 또한, 외주벽(90)은 개구(114)가 연장되어 있는 상단부를 가진다. 개구(114)는 펌프(14, 도 1 참조)로부터 유체를 수용한다. 한편, 외주벽(90)은 커버 플레이트(86)를 매니폴드부(80)에 연결하기 위한 탑재 나사들을 받아들이기 위해, 외주벽(90)의 전단부(110) 내로 연장되어 있는 다수의 나선 개구들(150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164)을 포함한다.
도 6과 도 7을 참조하면, 배출나사를 받아들이기 위해 후면벽(92)은 그것을 통해 연장되어 있는 배출구들(180, 182, 184, 186, 188, 190, 192, 194, 196)을 포함한다. 배출나사는 냉각 매니폴드(40)의 내부 영역으로부터 각 전지셀 어셈블리들(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36)로 유체를 전달한다. 비록 단지 배출나사들(82, 84)만이 나타나 있지만, 각각의 개구들(180, 182, 184, 186, 188, 190, 192, 194, 196)은 그것을 통해 연장되는 대응 배출나사를 가질 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 도 2, 도 6 및 도 7을 참조하면, 각각의 개구들(180, 182, 184, 186, 188, 190, 192, 194, 196)을 통하여 연장된 배출나사들은 각각의 전지셀 어셈블리(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36) 내의 각각의 개구들(280, 282, 284, 286, 288, 290, 292, 294, 296)로 수용된다. 개구들(280, 282, 284, 286, 288, 290, 292, 294, 296)은 전지모듈(16) 내 각각의 열교환기들과 유체적으로 연결되어 있다. 배출나사들은 실질적으로 유사한 구조를 가지므로, 단지 배출나사(82)에 대해서만 설명하기로 한다. 특히, 도 5를 참조하면, 배출나사(82)는 헤드부(230), 나사선부(232), 및 헤드부(230)와 나사선부(232)를 통하여 연장되어 있는 개구부(234)를 포함한다. 따라서, 배출나사들은 냉각 매니폴드(40)의 내부 영역과 전지모듈(16) 내 열교환기들의 사이에 유체의 전달을 가능하게 한다.
도 6을 참조하면, 유로 전환기(94)는 후면벽(92)과 연결되고 후면벽(92)으로부터 외주벽(90)의 전단(110) 방향으로 연장된다. 유로교환기(94)는 유입구(114) 하부에 위치한다. 유로 전환기(94)는 유입구(114)로부터 유체를 수용하고, 전지셀 어셈블리의 균일한 냉각을 위하여, 각각의 배출구(180, 182, 184, 186, 188, 190, 192, 194, 196)를 통해 전지셀 어셈블리(20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36) 내 각각의 열교환기들로 실질적으로 동일한 유량의 유체를 얻도록, 유체를 전환하도록 이루어져 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 유로 전환기(94)는 상단면 상에 서로 이격되어 있는 글루브들(212, 214, 216)이 있는 플레이트(210)를 포함한다. 글루브들(212, 214, 216)은 후면벽(92)에 인접한 제 1 플레이트(210)의 단부로부터 커버 플레이트(86)를 향해 연장되어 있다. 또한, 하나의 예시적인 실시예에서, 유로 전환기(94)는 각각의 배출구를 통한 유량이 최초 유량의 ±5% 이내가 되도록 이루어져 있다.
도 5를 참조하면, 커버 플레이트(86)는 외주벽(90)의 전단부(110)에 연결된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 커버 플레이트(86)는 플라스틱으로 이루어진다. 물론, 대안적인 실시예에서, 커버 플레이트(86)는 예를 들어, 강철, 세라믹(ceramics) 또는 금속 합금과 같은 다른 재료로 이루어 질 수도 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 커버 플레이트(86)는 그것을 통해 연장되는 개구들(250, 252, 254, 256, 258, 260, 262, 264)을 포함한다. 커버 플레이트(88)를 매니폴드부(80)에 연결하기 위해, 볼트들(300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314)이 커버 플레이트(88)의 각각의 개구들(250, 252, 254, 256, 258, 260, 262, 264)과 매니폴드부(80)의 각각의 개구들(150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164)을 통해 연장된다.
도 1과 도 2를 참조하면, 냉각 매니폴드(42)는 냉각 매니폴드(40)와 실질적으로 유사한 구조를 가진다. 냉각 매니폴드(42)는 전지모듈(16)의 전지셀 어셈블리 내의 열교환기로부터 가열된 유체를 받아들이고 가열된 유체를 유로(19)를 통하여 저장소(12)로 되돌려 보낸다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 다른 전지 모듈에 비해 상당한 이점을 제공하는 냉각 매니폴드를 가진다.
특히, 본 발명의 전지모듈은 실질적으로 전지모듈 내 전지셀을 균일한 온도로 유지하기 위하여 전지모듈 내 열교환기를 통해 실질적으로 동일한 유량의 유체가 얻어지도록 유체를 전환하는 기술적인 효과를 제공하는 냉각 매니폴드를 가진다.
본 발명을 예시적인 실시예를 참고하여 설명하였으나, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 변형을 할 수 있고, 그것의 구성요소를 균등물로 치환하는 것이 가능할 것으로 이해된다. 또한, 본 발명의 핵심적인 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에서 개시 내용에 특정한 상황 또는 재료를 적용하기 위한 많은 변형들이 이루어 질 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명은 본 발명을 구현하기 위해 개시된 구체적인 실시예에 제한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범위 내에 속한 모든 실시예들을 포함할 수 있는 것으로 의도되었다. 나아가, 상기 제 1, 제 2 등의 용어의 사용은 하나의 구성요소를 다른 것과 구별하기 위하여 사용된 것이다.

Claims (12)

  1. 다수의 열교환기들을 가지고 있는 다수의 전지셀 어셈블리들; 및
    다수의 전지셀 어셈블리들과 작동가능하게 연결된 제 1 냉각 매니폴드(cooling manifold)를 포함하고,
    상기 제 1 냉각 매니폴드는 매니폴드부와 커버 플레이트를 포함하고 있고, 상기 매니폴드부는 외주벽(peripheral wall), 외주벽에 결합되는 후면벽(rear wall), 및 유로 전환기(flow diverter)를 가지고 있으며, 상기 외주벽은 유입구(inlet aperture)가 연장되어 있는 상단부를 가지고 있고, 상기 후면벽은 그것을 통해 연장되어 있는 다수의 배출구를 가지고 있으며, 상기 커버 플레이트는 후면벽과 대향하는 외주벽에 결합되어 있고, 상기 유로 전환기는 후면벽으로부터 연장되어 있고 유입구 하부에 위치하고 있으며, 상기 유입구로부터 유체를 수용하여, 다수의 전지셀 어셈블리들의 냉각을 위해, 각각의 배출구를 통한 각각의 열교환기로의 유체의 유량(flow rate)이 실질적으로 동일하도록 유체를 전환하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유로 전환기는 서로 이격되어 있는 다수의 그루브들(grooves)을 갖는 제 1 플레이트를 포함하고 있고, 다수의 그루브들은 후면벽에 인접한 제 1 플레이트의 단부로부터 커버 플레이트를 향해 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 매니폴드부와 커버 플레이트는 모두 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 다수의 열교환기로부터 유체를 수용하도록 구성되어 있는 제 2 냉각 매니폴드를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 배출구를 통한 유체의 유량은 최초 유량(first flow rate)의 ±5% 이내인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 각각의 전지셀 어셈블리는 전지셀을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 전지모듈의 냉각 방법으로서, 전지모듈은 다수의 전지셀 어셈블리들과 제 1 냉각 매니폴드를 가지고 있고, 상기 다수의 전지셀 어셈블리들은 다수의 열교환기들을 가지고 있으며,
    유체를 제 1 냉각 매니폴드 내로 전달하는 과정;
    유체의 실질적으로 동일한 유량이 제 1 냉각 매니폴드를 통해 연장된 다수의 배출구 각각에서 얻어지도록, 유로 전환기를 이용하여 제 1 냉각 매니폴드 내에서 유체를 전환하는 과정; 및
    다수의 전지셀 어셈블리들을 냉각하기 위해 각각의 배출구로부터 각각의 열교환기 내로 유체를 전달하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 각각의 배출구를 통한 유체의 유량은 최초 유량의 ±5% 이내인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 전지모듈용 냉각 매니폴드로서, 상기 전지모듈은 다수의 전지셀 어셈블리들을 가지고 있고,
    외주벽, 상기 외주벽에 연결된 후면벽, 및 유로 전환기를 포함하고 있는 매니폴드부로서, 상기 외주벽은 연장되어 있는 유입구를 포함하는 상단부를 가지고 있고, 상기 후면벽은 그것을 통해 연장된 다수의 배출구들을 가지고 있으며, 상기 유로 전환기는 후면벽으로부터 연장되어 있고 유입구 하부에 위치하고 있으며, 상기 유로 전환기는 유입구로부터 유체를 수용하여, 각각의 전지셀 어셈블리에 대해 실질적으로 동일한 유량의 유체가 각각의 배출구에서 얻어지도록 유체를 전환하도록 구성되어 있는 매니폴드부; 및
    상기 후면벽에 대향하는 매니폴드부의 외주벽에 연결되는 커버 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈용 냉각 매니폴드.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유로 전환기는 서로 이격되어 있는 다수의 그루브들을 가지고 있는 제 1 플레이트를 포함하고 있고, 다수의 그루브들은 후면벽에 인접한 제 1 플레이트의 단부로부터 커버 플레이트를 향해 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 매니폴드.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 매니폴드부와 커버 플레이트는 모두 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각 매니폴드.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 각각의 배출구를 통한 유량은 최초 유량의 ±5% 이내인 것을 특징으로 하는 냉각 매니폴드.
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