WO2018225919A1 - 배터리 팩 - Google Patents

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WO2018225919A1
WO2018225919A1 PCT/KR2018/000144 KR2018000144W WO2018225919A1 WO 2018225919 A1 WO2018225919 A1 WO 2018225919A1 KR 2018000144 W KR2018000144 W KR 2018000144W WO 2018225919 A1 WO2018225919 A1 WO 2018225919A1
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heat transfer
sub
transfer medium
inflow
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PCT/KR2018/000144
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김준영
양승우
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삼성에스디아이주식회사
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a battery pack, and more particularly to a battery pack with improved heat exchange efficiency.
  • a battery cell is used as an energy source of a mobile device, an electric vehicle, a hybrid vehicle, electricity, and the like, and may be used by changing its shape according to the type of external device to be applied.
  • a small mobile device such as a mobile phone can operate for a predetermined time even with the output and capacity of a single battery cell.
  • a large capacity battery module may be configured by electrically connecting the battery cells to increase output and capacity.
  • Such a battery module can adjust the output voltage or output current according to the number of built-in battery cells.
  • the battery pack may be configured by electrically connecting a plurality of such battery modules.
  • battery cells transfer energy to external electronic devices by electrochemical reactions.
  • the battery cell generates heat during the electrochemical reaction, and when such heat accumulates, not only the battery cell may deteriorate, but in severe cases, the battery pack may be a problem. Therefore, various studies have been conducted to control the temperature of the battery cell.
  • the background art described above is technical information possessed by the inventors for the derivation of the embodiments of the present invention or acquired in the derivation process, and may be referred to as a publicly known technology disclosed to the general public before the application of the embodiments of the present invention. none.
  • Embodiments of the present invention provide a battery pack capable of uniformly cooling the entire area of the battery module.
  • embodiments of the present invention provides a battery pack that can improve the efficiency of the compressor for compressing the heat transfer medium used for cooling the battery module.
  • An embodiment of the present invention includes a battery module including a plurality of battery cells, and a cooling passage for cooling the battery module through a heat transfer medium disposed adjacent to the battery module and flowing therein, wherein the plurality of battery modules includes a plurality of battery modules.
  • a plurality of inflow tubes arranged side by side in one direction, the cooling flow passage is adjacent to the imaginary line passing through the center of the battery module based on the first direction to provide a passage for the heat transfer medium, and the most downstream side of the inflow tube
  • a battery pack including a plurality of outflow tubes connected to a plurality of outlet tubes disposed adjacent to both sides of a battery module in a first direction and providing a passage through which a heat transfer medium flows out.
  • the battery pack capable of uniformly cooling the entire area of the battery module may be provided by arranging an overheated portion of the refrigerant passage through which the heat transfer medium flows in a low temperature portion of the battery module.
  • the cooling passages in parallel to reduce the length of the overall cooling passage can maintain a differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the heat transfer medium, through which heat transfer It is possible to provide a battery pack capable of improving the efficiency of a compressor for compressing a medium.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a battery pack according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cutaway side view of the A-A of FIG. 1;
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating each component of the battery pack illustrated in FIG.
  • FIG. 4 is a partial perspective view of the assembled parts of the components of the battery pack shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a top view illustrating a flow path of a heat transfer medium flowing through the interior of the cooling passage.
  • FIG. 6 is a top view illustrating a flow path of a heat transfer medium according to another embodiment of the cooling channel shown in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram schematically illustrating a temperature change of a heat transfer medium flowing through the interior of a cooling flow path.
  • An embodiment of the present invention includes a battery module including a plurality of battery cells, and a cooling passage for cooling the battery module through a heat transfer medium disposed adjacent to the battery module and flowing therein, wherein the plurality of battery modules includes a plurality of battery modules.
  • a plurality of inflow tubes arranged side by side in one direction, the cooling flow passage is adjacent to the imaginary line passing through the center of the battery module based on the first direction to provide a passage for the heat transfer medium, and the most downstream side of the inflow tube
  • a battery pack including a plurality of outflow tubes connected to a plurality of outlet tubes disposed adjacent to both sides of a battery module in a first direction and providing a passage through which a heat transfer medium flows out.
  • the heat transfer medium flows along the plurality of inflow tubes to sequentially cool the plurality of battery modules along the first direction, and is led from the inflow tube to the outflow tube and flows along the outflow tube to supply the plurality of batteries.
  • the module may be sequentially cooled along a second direction opposite to the first direction.
  • the cooling flow path includes a hub member including an inlet port through which the heat transfer medium flows in and an outlet port through which the heat transfer medium flows out, an inlet passage leading to the heat transfer medium flowing into the inlet port toward the plurality of inlet tubes, A hub passage including an outlet passage for guiding the heat transfer medium discharged from the outlet tube to the outlet side, and connecting the lowermost side of the plurality of inlet tubes and the most upstream side of the plurality of outlet tubes, the plurality of inlet tubes adjacent to the virtual line;
  • the heat transfer medium flowing through each may further include a turning path diverging from each other.
  • the hub passage may further include a first partition wall installed inside the hub passage to isolate the inflow passage and the outflow passage and prevent mixing of the heat transfer medium flowing through the inflow passage and the heat transfer medium flowing through the outflow passage.
  • the turning passage includes a first sub inlet tube disposed on one side of the plurality of inlet tubes based on a virtual line, and a first sub outlet tube disposed on one side of the plurality of outlet tubes based on the virtual line of the plurality of inlet tubes.
  • the turning passage is formed to extend integrally along the third direction crossing the first and second directions, the turning passage is one of a plurality of inflow tubes disposed on one side of the imaginary line.
  • the plurality of inlet tubes and the plurality of outlet tubes may be arranged to be symmetrical about an imaginary line.
  • the interval is based on the distance between the first sub inflow tube, the first sub outflow tube disposed on one side of the plurality of outlet tubes on the basis of the imaginary line, and the virtual line of the plurality of outflow tubes. It may be narrower than the interval between the second sub outflow passage disposed on the other side.
  • a plurality of battery modules and a cooling passage may be supported, and may further include a support member including a recessed portion in which the cooling passage is seated.
  • it may further include an elastic member which is installed in the recess so as to be interposed between the cooling passage and the support member to elastically support the cooling passage.
  • the battery module may further include a heat conduction plate interposed between the battery module and the cooling channel to support the battery module and transfer heat generated from the battery module to the cooling channel.
  • the buffer module may further include a buffer pad interposed between the battery module and the heat conduction plate to buffer and support one surface of the battery module.
  • the cooling passage may further include a rib extending in the first direction in the cooling passage to divide the flow path of the heat transfer medium formed inside the cooling passage into a plurality of channels.
  • the heat transfer medium may be a refrigerant that can change phase at room temperature.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cutaway side view showing the AA of Figure 1
  • Figure 3 is an exploded view of each component of the battery pack shown in FIG. 4 is a partially exploded perspective view illustrating a part of each component of the battery pack illustrated in FIG. 3
  • FIG. 5 is a top view illustrating a flow path of a heat transfer medium flowing through a cooling passage.
  • 6 is a top view illustrating a flow path of a heat transfer medium according to another embodiment of the cooling channel shown in FIG. 5.
  • a battery pack 100 may include a battery module 110, a cooling passage 120, a support member 130, and an elastic member 140. And, it may include a thermal conductive plate 160 and the buffer pad 150.
  • the battery module 110 is a high-voltage large capacity battery module 110, may include a plurality of battery cells 111 electrically connected to each other.
  • the plurality of battery cells 111 included in the battery module 110 may be arranged side by side in the third direction, but embodiments of the present invention are not limited thereto. That is, the plurality of battery cells 111 may also be arranged in a plurality along the first direction.
  • the plurality of battery cells 111 will be described based on a structure in which a plurality of battery cells 111 are arranged along a third direction for convenience of description.
  • the battery module 110 is provided with a plurality, the direction in which the heat transfer medium flowing through the cooling passage 120 to be described later mainly flows (to be described later, the heat transfer medium through the turning passage 125 as well as the first direction). And may be arranged side by side along a first direction (or a second direction), which may also flow in a third direction.
  • FIG. 1 illustrates that embodiments of the present invention are not limited to the number of such battery modules 110, and a plurality of battery modules 110 may be provided. have.
  • the battery module 110 may further include a housing 112 that covers and seals the battery cell 111.
  • the housing 112 may include an opening hole 112h that opens a part of the side and front of the battery cell 111 so as to discharge heat generated from the battery cell 111 to the outside.
  • Opening hole 112h shown in the figure is a rectangular shape curved corner, embodiments of the present invention is not limited thereto.
  • the opening hole 112h smoothly discharges heat generated from the battery cell 111 to the outside, and may be formed at any position of the housing 112 in any form suitable for this purpose. Do.
  • the opening hole 112h may be formed on the upper surface of the housing 112.
  • the housing 112 includes a pair of end housings 112e facing the wide side of the battery cell 111, and a pair of sides connected to the end housing 112e and facing the side of the battery cell 111.
  • the housing 112s may include a cover housing 112c facing the upper side of the battery cell 111.
  • the end housing 112e, the side housing 112s, and the cover housing 112c are for fixing the plurality of battery cells 111 as one battery module 110, and their shape is the shape of the battery module 110. It can be variously modified according to design.
  • the battery cell 111 includes an electrode assembly (not shown) having a separator (not shown) interposed therebetween, and disposed on both sides thereof with a positive electrode plate (not shown) and a negative electrode plate (not shown). It can be configured in a conventional structure for charging and discharging.
  • a first terminal (not shown) and a second terminal (not shown) may protrude on one surface of each battery cell 111 at a predetermined interval.
  • first terminal and the second terminal of one battery cell 111 may be electrically connected to the first terminal and the second terminal of another adjacent battery cell 111 through a bus bar (not shown).
  • first terminal and the second terminal may have a polarity of the positive electrode or the negative electrode, respectively.
  • the first terminal and the second terminal electrically connected to each other through the busbar may include one positive terminal 113 or one negative terminal 114 for each battery module 110, and thus the housing 112 may be formed. May be exposed to the outside.
  • the positive terminal 113 and the negative terminal 114 may be electrically connected to each other through a bus bar connecting the respective battery modules 110.
  • the cooling passage 120 includes a plurality of inlet tubes 121, a plurality of outlet tubes 122, a hub member 123, a hub passage 124, a turning passage 125, and ribs 126. ) May be included.
  • the cooling passage 120 may be disposed adjacent to the battery module 110 to cool the battery module 110 through a heat transfer medium flowing therein.
  • the heat transfer medium may be a refrigerant capable of phase change at room temperature, and may include, for example, a freon gas-based refrigerant such as R134a and R1234YF and a Novec refrigerant.
  • the battery module may be considered in consideration of both physical elements of the battery pack 100 such as the capacity and size of the overall battery pack 100 and thermodynamic elements such as heat generated from the battery pack 100. It is possible to select and use a refrigerant that can optimally cool the 110.
  • the cooling passage 120 is depicted as being installed under the battery module 110, but embodiments of the present invention are not limited thereto.
  • the cooling channel 120 may be installed on the side of the battery module 110 based on the direction shown in the drawing, or may also be installed on the top of the battery module 110. In this case, however, the positions of the housing 112, the positive terminal 113, the negative terminal 114, and the bus bar (not shown), which are main components in the coupling of each battery cell 111, are illustrated in FIG. 1.
  • the cooling channel 120 may be installed at a position far from the cooling channel 120.
  • the cooling passage 120 will be described based on the structure installed below the battery module 110 as shown in FIG. 1.
  • the inflow tube 121 may be disposed to be adjacent to the virtual line VL passing through the center of the battery module 110 with respect to the first direction to provide a passage through which the heat transfer medium is introduced.
  • the outlet tube 122 may be disposed adjacent to both sides of the battery module 110 with respect to the first direction to provide a passage through which the heat transfer medium flows out.
  • the inlet tube 121 and the outlet tube 122 may be provided in pairs based on the virtual line VL, respectively.
  • one inlet tube 121a installed on one side and the other inlet tube 121b installed on the other side opposite to one side may be disposed to be symmetrical with respect to the virtual line VL.
  • the outlet tube 122 may also be arranged such that one outlet tube 122a installed at one side and the other outlet tube 122b installed at the other side of the outlet tube 122 may be symmetric with each other.
  • the inlet tube 121 is installed in a position closer to the virtual line (VL) than the outlet tube 122, the outlet tube 122 is located farther from the virtual line (VL) than the inlet tube 121, That is, the battery module 110 may be installed at positions adjacent to both sides of the battery module 110.
  • one inflow tube 121a and one outflow tube 122a installed at one side of the virtual line VL as the first sub inflow tube 121a and the first sub outflow tube 122a, respectively.
  • the other inflow tube 121b and the other outflow tube 122b installed on the other side will be defined as a second sub inflow tube 121b and a second sub outflow tube 122b, respectively.
  • an interval (not shown) between the first sub inflow tube 121a and the first sub outflow passage 122a and the first sub inflow tube 121a and the second sub inflow tube 121b are shown.
  • the distance between the second sub inlet tube 121b and the second sub outlet tube 122b and the interval between the second sub inlet tube 122b may correspond to each other. That is, each of the inlet tube 121 and the outlet tube 122 may be arranged at equal intervals.
  • the interval (a) of 221b is the distance (b) between the first sub inlet tube (221a) and the first sub outlet tube (222a) and between the second sub inlet tube (221b) and the second sub outlet tube (222b). It may be formed narrower than the interval (b).
  • the interval (a) of the first sub inlet tube (221a) and the second sub inlet tube (221b) is the interval (b) and the second of the remaining first sub inlet tube (221a) and the first sub outlet tube (222a).
  • the reason why the gap between the sub inflow tube 221b and the second sub outflow tube 222b is narrower is that the center portion of the battery module 110 adjacent to the virtual line VL is generally larger than the side portion. Due to the high temperature, the effects obtained when the inflow tubes 121 and 221 and the outflow tubes 122 and 222 illustrated in FIGS. 5 and 6 have such a structure will be described in detail later with reference to FIG. 7. Shall be.
  • the flow of the heat transfer medium is as follows. As shown in FIG. 5, the heat transfer medium introduced into the cooling passage 120 flows along the plurality of inflow tubes 121 to sequentially move the plurality of battery modules 110 along the first direction (110-1, Cooling in the order of 110-2, 110-3, 110-4). In detail, the heat transfer medium may flow in the first direction along the first sub inlet tube 121a and the second sub inlet tube 121b adjacent to the virtual line VL.
  • the heat transfer medium approaching the most downstream side of the inlet tube 121 along the first sub inlet tube 121a and the second sub inlet tube 121b is led from the inlet tube 121 to the outlet tube 122.
  • Flow along the outlet tube 122 in a second direction opposite to the first direction to sequentially move the plurality of battery modules 110 (in the order of 110-4, 110-3, 110-2, 110-1) Can be cooled.
  • the configuration of the cooling passage 120 will be described in more detail as follows.
  • the cooling passage 120 may further include a hub member 123 including an inlet 123a through which the heat transfer medium flows in and an outlet 123b through which the heat transfer medium flows out.
  • the cooling passage 120 corresponds to an evaporator among the compressor, the condenser, the expansion valve, and the evaporator constituting the general refrigeration cycle, and although not shown in the drawing, the inlet 123a is located downstream of the expansion valve. 123b) may be connected to an upstream side of the compressor through a heat transfer pipe (not shown).
  • the inlet 123a of the cooling channel 120 may be introduced into the heat transfer medium of the low temperature low pressure liquid passed through the expansion valve, the heat transfer medium introduced into the cooling channel 120 is the cooling channel 120
  • the heat generated by the battery module 110 may be absorbed and evaporated while passing through).
  • the hub member 123 serves as a passage for transferring the heat transfer medium to the cooling flow path 120, and in detail, may control the flow rate of the heat transfer medium flowing into the cooling flow path 120. That is, although not shown in the drawing, the hub member 123 may be electrically connected to a control unit (not shown) including hardware including a microprocessor and an electric circuit and software for driving the same, and the control unit may be an inlet 123a. And whether the outlet 123b is open or closed can be controlled.
  • the cooling passage 120 is an inlet passage (124a) for guiding the heat transfer medium flowing into the inlet (123a) toward the plurality of inlet tubes 121, and the heat transfer medium discharged from the plurality of outlet tubes 122 outlet ( It may further include a hub passage 124 including an outlet passage 124b leading to the 123b).
  • the hub passage 124 is installed inside the hub to isolate the inflow passage 124a and the outlet passage 124b to prevent mixing of the heat transfer medium flowing through the inflow passage 124a and the heat transfer medium flowing through the outlet passage 124b. It may further include a first partition 124c to be. That is, the first partition 124c has an inflow passage 124a and an outflow passage 124b such that the heat transfer medium flowing into the most upstream side of the inflow tube 121 and the heat transfer medium flowing out from the bottommost side of the outflow tube 122 do not mix with each other. It can serve to physically shield the inner space of the).
  • cooling passage 120 is connected to the most downstream side of the plurality of inlet tubes 121 and the most upstream side of the plurality of outlet tubes 122, the plurality of inlet tubes 121 adjacent to the virtual line (VL) It may further include a turning passage 125 is formed so that the heat transfer medium does not communicate.
  • the turning passage 125 may include a first sub inlet tube 121a disposed at one side of the plurality of inflow tubes 121 and a plurality of virtual lines VL of the plurality of outlet tubes 122.
  • a second sub turn passage 125b connecting the second sub inflow tube 121b to be disposed and the second sub outflow tube 122b disposed on the other side of the plurality of outflow tubes based on the virtual line VL. can do.
  • the turning passage 125 may be integrally formed with the first sub turning passage 125a and the second sub turning passage 125b. It is not limited.
  • the first sub-turn passage 125a and the second sub-turn passage 125b are separated from each other to form the first sub inflow tube 121a and the first sub outflow tube 122a, respectively.
  • it may be formed of a separate component connecting the second sub inlet tube 121b and the second sub outlet tube 122b.
  • the turning passage 125 will be described based on the case where the first sub turning passage 125a and the second sub turning passage 125b are integrally formed. .
  • the turning passage 125 intersects with the first direction and the second direction. It may be formed to extend integrally along the direction.
  • the turning passage 125 isolates the first sub inlet tube 121a and the second sub inlet tube 121b and flows along the first sub inlet tube 121a to maximize the first sub inlet tube 121a.
  • the heat transfer medium reaching the downstream side and the heat transfer medium reaching the downstream side of the second sub inlet tube 121b by flowing along the second sub inlet tube 121b are not mixed with each other in the turning passage 125. It may further include a second partition wall (125c) is installed.
  • the heat transfer medium passing through the most downstream side of the first sub inflow tube 121a is disposed along the first sub turning passage 125a. It can turn to the most upstream side of the sub outflow path 122a.
  • the second partition 125c is installed inside the swirl passage 125 integrally formed, the heat transfer medium passing through the most downstream side of the second bus inflow tube 121b passes through the second sub swirl passage 125b. Therefore, it can turn to the most upstream side of the 2nd sub outflow path 122b.
  • the cooling passage 120 may include a first direction in the cooling passage so as to divide the flow path of the heat transfer medium formed inside the cooling passage 120 into a plurality of channels C1 to C9. It may further include a rib 126 extending along.
  • the inflow tube 121 and the outflow tube 122 are formed in the first direction, which is a direction in which the inflow tube 121 and the outflow tube 122 extend in the plurality of inflow tubes 121 and the outflow tube 122.
  • a rib 126 may be installed to divide the inside of the channel into a plurality of channels C1 to C9.
  • the support member 130 may support the plurality of battery modules 110 and the cooling passage 120, but may include an recess 131 in which the cooling passage 120 is seated. That is, as shown in the figure, the support member 130 is a component that becomes a basic skeleton for supporting all the components of the battery pack 100.
  • the recess 131 is formed to be recessed at a predetermined interval from a contact surface where the support member 130 and the cooling passage 120 contact each other, and the recess 131 may be provided with an elastic member 140.
  • the elastic member 140 may be interposed between the cooling passage 120 and the support member 130 to elastically support the cooling passage 120.
  • the elastic member 140 is a component that improves the adhesion between the cooling passage 120 and the support member 130, and is formed to have the same width as the cooling passage 120 to stably support the cooling passage 120. 130).
  • the buffer pad 150 may be interposed between the battery module 110 and the thermal conductive plate 160 to buffer and support one surface of the battery module 110, that is, the lower surface of the battery cell 111 according to FIG. 2.
  • the buffer pad 150 may be formed of a silicon-based material to serve to minimize a tolerance formed between the battery module 110 and the thermal conductive plate 160.
  • the heat conduction plate 160 may be interposed between the battery module 110 and the cooling passage 120 to transfer heat generated from the battery module 110 to the cooling passage 120. That is, the heat conduction plate 160 may serve to protect the opposing surfaces of the battery module 110 and the cooling passage 120 by preventing the battery module 110 and the cooling passage 120 from directly contacting each other. . In detail, the heat conduction plate 160 is interposed between the buffer pad 150 supporting the battery module 110 and the cooling passage 120 to mechanically connect the cooling passage 120 and the buffer pad 150. Can be.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram schematically illustrating a temperature change of a heat transfer medium flowing through the interior of a cooling flow path.
  • the heat transfer medium introduced into the inflow tube 121 flows in the first direction along the first sub inflow tube 121a and the second sub inflow tube 121b to be adjacent to the virtual line VL.
  • the central portion of the battery module 110 is cooled, and may flow to the outlet tube 122 via the turning passage 125.
  • the heat transfer medium transferred from the turning passage 125 to the outflow tube 122 flows in the second direction along the first sub outflow passage 122a and the second sub outflow passage 122b to both sides of the battery module 110. Can be cooled.
  • the heat transfer medium absorbs heat generated from the battery module 110 while flowing through the cooling flow path 120 to perform a phase change at a constant temperature, and after sufficiently vaporized, the temperature rises rapidly. It may be superheated.
  • the temperature distribution of the heat transfer medium shown in FIG. 7 is defined as the temperature of the heat transfer medium introduced into the inflow tube 121 as T1 and the temperature of the heat transfer medium flowing out of the outlet tube 122 is referred to as T2. If defined, T2 can be formed higher than T1. That is, the heat transfer medium introduced into the cooling channel 120 initially undergoes a phase change at a constant temperature (T1), but is sufficiently vaporized at an adjacent position at the outlet (see FIG. 5 123b) to rapidly increase the temperature so that the temperature of T2 is higher than T1. Can overheat to temperature.
  • the temperature of the center portion is formed highest, and the temperature of both sides is formed lowest. This is because the heat transfer occurs between the battery cells 111 adjacent to each other, whereas the battery cells 111 located at both sides do not touch the other battery cells 111 on one side.
  • the battery cells 111 of the center portion have a structure in which heat generated from each other is inevitably exchanged with each other, so that heat is not easily released to the outside, but battery cells 111 of both sides have openings formed in the housing 112. This is because heat is naturally emitted to the outside by natural convection since it is exposed to the outside through the hole 112h.
  • the temperature of the central portion may be structurally higher than the temperature of both sides. Therefore, as in the embodiment of the present invention, the first sub inlet tube 121a and the second sub inlet tube 121b are positioned at positions adjacent to the virtual line VL passing through the center of the battery module 110 with respect to the first direction. ) And when the first sub outlet tube 122a and the second sub outlet tube 122b are disposed at positions adjacent to both sides of the battery module 110, the battery module 110 having a relatively high temperature is provided.
  • the central part of the battery module can be cooled by a relatively low temperature (T1) heat transfer medium, and both side portions of the relatively low temperature battery module (110) are cooled by a relatively high temperature (T2) heat transfer medium. It is possible to maximize the uniform cooling effect over the entire region of (110).
  • cooling passage shown in FIG. 7 is a parallel structure including two inlet tubes 121 and an outlet tube 122, respectively, and the length of the entire cooling passage 120 may be reduced as compared with the case in series. According to this structure, the differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the heat transfer medium flowing into or out of the cooling passage 120 can be kept small, thereby improving the efficiency of the compressor compressing the heat transfer medium.
  • the entire area of the battery module may be uniformly cooled.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 배터리 모듈을 냉각하는 냉각유로를 포함하고, 배터리 모듈은 복수개가 제1 방향으로 나란히 배열되며, 냉각유로는, 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유입되는 통로를 제공하는 복수개의 유입튜브와, 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 양 측면에 인접하도록 배치되며 열전달매체가 유출되는 통로를 제공하는 복수개의 유출튜브를 포함하는 배터리 팩을 개시한다.

Description

배터리 팩
본 발명의 실시예들은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환 효율이 향상된 배터리 팩에 관한 것이다.
통상적으로 배터리 셀은 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 그 형태를 변화시켜 사용할 수 있다.
예컨대, 휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 배터리 셀의 출력과 용량으로도 소정시간 동안 작동이 가능하다. 하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량을 높일 수 있도록 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 대용량의 배터리 모듈을 구성할 수 있다.
이와 같은 배터리 모듈은 내장된 배터리 셀의 개수에 따라 출력 전압이나 출력 전류를 조절할 수 있다. 또한, 이러한 배터리 모듈을 전기적으로 복수개 연결함으로써 배터리 팩을 구성할 수도 있다.
일반적으로, 배터리 셀은 전기화학적 반응에 의하여 외부전자기기에 에너지를 전달한다. 이때, 전기화학적 반응 중에 배터리 셀은 발열하고, 이러한 열이 축적되는 경우에는 배터리 셀의 열화뿐만 아니라 심한 경우에는 배터리 팩의 안전성에도 문제가 될 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 온도를 제어하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명의 실시예들은 배터리 모듈 전체 영역을 균일하게 냉각할 수 있는 배터리 팩을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 배터리 모듈의 냉각에 사용되는 열전달매체를 압축하는 압축기의 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 배터리 모듈을 냉각하는 냉각유로를 포함하고, 배터리 모듈은 복수개가 제1 방향으로 나란히 배열되며, 냉각유로는, 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유입되는 통로를 제공하는 복수개의 유입튜브와, 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 양 측면에 인접하도록 배치되며 열전달매체가 유출되는 통로를 제공하는 복수개의 유출튜브를 포함하는 배터리 팩을 개시한다.
본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩에 의하면, 열전달매체가 유동하는 냉매 유로의 과열 부분을 배터리 모듈의 저온부에 배치함으로써 배터리 모듈 전체 영역을 균일하게 냉각할 수 있는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩에 의하면, 냉각유로를 병렬로 배치함으로써 전체적인 냉각유로의 길이를 축소하여 열전달매체의 유입 압력과 유출 압력 사이의 차압을 작게 유지할 수 있으며, 이를 통해 열전달매체를 압축하는 압축기의 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A를 절개하여 나타내는 절개 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 팩의 각 구성요소들을 분해하여 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩의 각 구성요소들의 일부를 조립하여 나타내는 부분 사시도이다.
도 5는 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 유동 경로를 나타내는 상면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 냉각유로의 다른 실시예에 따른 열전달매체의 유동 경로를 나타내는 상면도이다.
도 7은 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 온도 변화를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
본 발명의 일 실시예는, 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 배터리 모듈을 냉각하는 냉각유로를 포함하고, 배터리 모듈은 복수개가 제1 방향으로 나란히 배열되며, 냉각유로는, 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유입되는 통로를 제공하는 복수개의 유입튜브와, 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈의 양 측면에 인접하도록 배치되며 열전달매체가 유출되는 통로를 제공하는 복수개의 유출튜브를 포함하는 배터리 팩을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 열전달매체는, 복수개의 유입튜브를 따라 유동하여 복수개의 배터리 모듈을 제1 방향을 따라 순차적으로 냉각시키고, 유입튜브에서 유출튜브로 인도되어 유출튜브를 따라 유동하여 복수개의 배터리 모듈을 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 순차적으로 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 냉각유로는, 열전달매체가 유입되는 유입구와 열전달매체가 유출되는 유출구를 포함하는 허브부재와, 유입구로 유입되는 열전달매체를 복수개의 유입튜브 측으로 인도하는 유입통로와, 복수개의 유출튜브에서 유출되는 열전달매체를 유출구 측으로 인도하는 유출통로를 포함하는 허브통로와, 복수개의 유입튜브의 최하류 측과 복수개의 유출튜브의 최상류 측을 연결하되, 가상선에 인접하는 복수개의 유입튜브 각각을 흐르는 열전달매체는 서로 분기시키는 선회통로를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 허브통로는 유입통로와 유출통로를 격리하여 유입통로를 흐르는 열전달매체와 유출통로를 흐르는 열전달매체의 혼합을 방지하도록 허브통로의 내부에 설치되는 제1 격벽을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 선회통로는, 복수개의 유입튜브 중 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브와, 복수개의 유출튜브 중 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브를 연결하는 제1 서브선회통로와, 복수개의 유입튜브 중 가상선을 기준으로 일측의 반대편인 타측에 배치되는 제2 서브유입튜브와, 복수개의 유출튜브 중 가상선을 기준으로 타측에 배치되는 제2 서브유출튜브를 연결하는 제2 서브선회통로를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 선회통로는 제1 방향 및 제2 방향과 교차하는 제3 방향을 따라 일체로 연장되도록 형성되고, 선회통로는 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 복수개의 유입튜브 중 하나인 제1 서브유입튜브와, 가상선을 기준으로 일측의 반대편인 타측에 배치되는 복수개의 유입통로 중 다른 하나인 제2 서브유입튜브를 격리하여 제1 서브유입튜브를 흐르는 열전달매체와 제2 서브유입튜브를 흐르는 열전달매체의 혼합을 방지하도록 선회통로 내부에 설치되는 제2 격벽을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복수개의 유입튜브와 복수개의 유출튜브는 가상선을 중심으로 대칭되도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복수개의 유입튜브 중 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브와, 복수개의 유입튜브 중 가상선을 기준으로 일측의 타측에 배치되는 제2 서브유입튜브 사이의 간격은, 제1 서브유입튜브와, 복수개의 유출튜브 중 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브 사이의 간격 및 제2 서브유입튜브와, 복수개의 유출튜브 중 가상선을 기준으로 타측에 배치되는 제2 서브유출통로 사이의 간격보다 좁을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복수개의 배터리 모듈과 냉각유로를 지지하되, 냉각유로가 안착되는 함입부를 포함하는 지지부재를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 냉각유로와 지지부재 사이에 개재되도록 함입부에 설치되어 냉각유로를 탄성 지지하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 배터리 모듈과 냉각유로 사이에 개재되어 배터리 모듈을 지지하며, 배터리 모듈에서 발생하는 열을 냉각유로로 전달하는 열전도 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 배터리 모듈과 열전도 플레이트 사이에 개재되어 배터리 모듈의 일면을 완충 지지하는 완충패드를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 냉각유로는 냉각유로 내부에 형성되는 열전달매체의 유로를 복수개의 채널로 구분하도록 냉각유로 내부에 제1 방향을 따라 연장 형성되는 리브를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 열전달매체는 상온에서 상변화가 가능한 냉매(refrigerant)일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 배터리 팩을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A를 절개하여 나타내는 절개 측면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 배터리 팩의 각 구성요소들을 분해하여 나타내는 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩의 각 구성요소들의 일부를 조립하여 나타내는 부분 사시도이며, 도 5는 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 유동 경로를 나타내는 상면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 냉각유로의 다른 실시예에 따른 열전달매체의 유동 경로를 나타내는 상면도이다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 모듈(110)과, 냉각유로(120)와, 지지부재(130)와, 탄성부재(140)와, 열전도 플레이트(160) 및 완충패드(150)를 포함할 수 있다.
먼저, 배터리 모듈(110)은 고전압의 대용량 배터리 모듈(110)로서, 서로 전기적으로 연결되는 복수개의 배터리 셀(111)들을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(110)에 포함되는 복수개의 배터리 셀(111)들은 제3 방향으로 나란하게 배열될 수 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 즉, 복수개의 배터리 셀(111)들은 제1 방향을 따라서도 나란히 복수개가 배열될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 복수개의 배터리 셀(111)들이 제3 방향을 따라 여러 개가 배열되는 구조를 중심으로 설명하기로 한다.
또한, 배터리 모듈(110)은 복수개가 구비되어, 후술할 냉각유로(120)를 통해 유동하는 열전달매체가 주로 유동하는 방향(후술하겠으나, 열전달매체는 제1 방향 뿐만아니라 선회통로(125)를 통해 제3 방향으로도 유동 가능함)인 제1 방향(또는 제2 방향)을 따라 나란히 배열될 수 있다. 예컨대, 도 1은 모두 네 개의 배터리 모듈(110)이 제1 방향을 따라 배열된 모습을 나타내나, 본 발명의 실시예들은 이러한 배터리 모듈(110)의 개수에 한정되지 않으며, 복수개가 구비될 수 있다.
한편, 배터리 모듈(110)은 배터리 셀(111)을 덮어 밀봉하는 하우징(112)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 하우징(112)은 배터리 셀(111)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 배터리 셀(111)의 측면과 정면의 일부를 개방하는 개구홀(112h)을 포함할 수 있다. 도면에 도시된 개구홀(112h)은 모서리가 굴곡진 직사각형 형태이나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 개구홀(112h)은 상술한 바와 같이 배터리 셀(111)에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방출하기 위함으로, 이러한 목적에 맞는 그 어떠한 형태로도 하우징(112)의 그 어떠한 위치에도 형성이 가능하다. 예컨대, 도면에는 도시되지 않았으나 개구홀(112h)은 하우징(112)의 상면에도 형성될 수 있다.
상세히, 하우징(112)은 배터리 셀(111)의 넓은 면과 대면하는 한 쌍의 엔드 하우징(112e)과, 엔드 하우징(112e)에 연결되어 배터리 셀(111)의 측면과 대면하는 한 쌍의 사이드 하우징(112s)과, 배터리 셀(111)의 상측과 대면하는 커버 하우징(112c)을 포함할 수 있다. 이러한 엔드 하우징(112e), 사이드 하우징(112s) 및 커버 하우징(112c)은 복수개의 배터리 셀(111)을 하나의 배터리 모듈(110)로써 고정하기 위한 것으로, 이들의 형상은 배터리 모듈(110)의 디자인에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
한편, 배터리 셀(111)은 세퍼레이터(미도시)를 사이에 두고, 이의 양측에 양극판(미도시)과 음극판(미도시)이 배치되는 전극조립체(미도시)를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충전 및 방전시키는 통상적인 구조로 구성될 수 있다. 그리고, 각 배터리 셀(111)의 일면에는 제1 단자(미도시)와 제2 단자(미도시)가 일정 간격을 유지한 상태로 돌출될 수 있다.
그리고, 어느 하나의 배터리 셀(111)의 제1 단자 및 제2 단자는 인접하는 타 배터리 셀(111)의 제1 단자 및 제2 단자와 버스바(미도시)를 매개로 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 단자 및 제2 단자는 각각 양극 또는 음극의 극성을 가질 수 있다.
이와 같이 버스바를 통해 서로 전기적으로 연결된 제1 단자와 제2 단자는 도면에 도시된 바와 같이 각 배터리 모듈(110) 당 하나의 양극 단자(113) 또는 음극 단자(114)로 구성되어 하우징(112) 외부로 노출될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 이러한 양극 단자(113)와 음극 단자(114)는 각 배터리 모듈(110) 사이를 연결하는 버스바를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
다음으로, 냉각유로(120)는 복수개의 유입튜브(121)와, 복수개의 유출튜브(122)와, 허브부재(123)와, 허브통로(124)와, 선회통로(125) 및 리브(126)를 포함할 수 있다.
냉각유로(120)는 배터리 모듈(110)과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 배터리 모듈(110)을 냉각할 수 있다. 여기서, 열전달매체는 상온에서 상변화가 가능한 냉매(refrigerant)일 수 있으며, 예컨대, R134a, R1234YF와 같은 프레온 가스계 냉매와 Novec 냉매를 포함할 수 있다. 이러한 냉매의 종류와 관련하여서는 전체적인 배터리 팩(100)의 용량과 사이즈와 같은 배터리 팩(100)의 물리적인 요소와, 배터리 팩(100)에서 발생하는 열과 같은 열역학적인 요소를 모두 고려하여 배터리 모듈(110)을 가장 최적하게 냉각시킬 수 있는 냉매를 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 도 1에 의하면 냉각유로(120)는 배터리 모듈(110)의 하부에 설치되는 것으로 묘사되어 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 냉각유로(120)는 도면에 도시된 방향을 기준으로 배터리 모듈(110)의 측면에도 설치될 수 있으며, 또한 배터리 모듈(110)의 상부에도 설치될 수도 있다. 다만, 이러한 경우에는 각 배터리 셀(111)의 결합에 있어 주요 구성요소인 하우징(112)과 양극 단자(113), 음극 단자(114) 및 버스바(미도시)의 위치가 도 1에 도시된 바와 같이 냉각유로(120)에서 멀리 떨어진 위치에 설치될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 냉각유로(120)가 배터리 모듈(110)의 하부에 설치된 구조를 중심으로 설명하기로 한다.
유입튜브(121)는 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈(110)의 중심을 지나는 가상선(VL)과 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유입되는 통로를 제공할 수 있다. 또한, 유출튜브(122)는 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈(110)의 양 측면에 인접하도록 배치되어 열전달매체가 유출되는 통로를 제공할 수 있다.
이하에서는 도 5와 도 6을 참조하여 유입튜브(121)와 유출튜브(122)의 구조적인 측면에 대해 먼저 자세하게 설명하기로 한다.
먼저 도 5를 참조하면, 유입튜브(121)와 유출튜브(122)는 각각 가상선(VL)을 기준으로 한 쌍씩 구비될 수 있다. 이때, 가상선(VL)을 기준으로 일측에 설치되는 하나의 유입튜브(121a)와 일측과 반대편인 타측에 설치되는 다른 하나의 유입튜브(121b)는 서로 대칭하도록 배치될 수 있다. 그리고, 유출튜브(122) 또한 가상선(VL)을 기준으로 일측에 설치되는 하나의 유출튜브(122a)와 타측에 설치되는 다른 하나의 유출튜브(122b)는 서로 대칭되도록 배치될 수 있다. 단, 유입튜브(121)는 유출튜브(122)보다 가상선(VL)에 더 인접한 위치에 설치되며, 유출튜브(122)는 유입튜브(121)보다 가상선(VL)으로부터 더 멀리 떨어진 위치, 즉 배터리 모듈(110)의 양 측면에 인접하는 위치에 설치될 수 있다.
이하에서, 가상선(VL)을 기준으로 일측에 설치되는 하나의 유입튜브(121a)와 하나의 유출튜브(122a)를 각각 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출튜브(122a)로, 타측에 설치되는 다른 하나의 유입튜브(121b)와 다른 하나의 유출튜브(122b)를 각각 제2 서브유입튜브(121b)와 제2 서브유출튜브(122b)로 정의하기로 한다.
상세히, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출통로(122a)와의 간격(미표시)과, 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유입튜브(121b)와의 간격(미표시)과, 제2 서브유입튜브(121b)와 제2 서브유출튜브(122b)와의 간격(미표시)은 서로 대응할 수 있다. 즉, 각각의 유입튜브(121)와 유출튜브(122)는 등 간격으로 배치될 수 있다.
한편, 도 6은 도 5에 도시된 유입튜브(121)와 유출튜브(122)의 다른 실시예를 나타내는 도면으로, 도 6을 참조하면 제1 서브유입튜브(221a)와 제2 서브유입튜브(221b)의 간격(a)은 제1 서브유입튜브(221a)와 제1 서브유출튜브(222a)와의 간격(b)과 제2 서브유입튜브(221b)와 제2 서브유출튜브(222b)사이의 간격(b)보다 좁게 형성될 수 있다.
이렇게 제1 서브유입튜브(221a)와 제2 서브유입튜브(221b)의 간격(a)이 나머지 제1 서브유입튜브(221a)와 제1 서브유출튜브(222a)와의 간격(b)과 제2 서브유입튜브(221b)와 제2 서브유출튜브(222b)사이의 간격(b)보다 좁게 형성되는 이유는 가상선(VL)에 인접하는 배터리 모듈(110)의 중앙 부위가 측면 부위보다 일반적으로 더 고온이기 때문으로, 도 5 및 도 6에 도시된 유입튜브(121)(221)와 유출튜브(122)(222)가 이러한 구조를 가질 경우 얻을 수 있는 효과에 대해서는 도 7를 참조하여 자세하게 후술하기로 한다.
한편, 열전달매체의 유동과 관련하여서는 다음과 같다. 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각유로(120)로 유입된 열전달매체는 복수개의 유입튜브(121)를 따라 유동하여 복수개의 배터리 모듈(110)을 제1 방향을 따라 순차적으로(110-1, 110-2, 110-3, 110-4 순서대로) 냉각시킬 수 있다. 상세히는, 열전달매체는 가상선(VL)에 인접하는 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유입튜브(121b)를 따라 제1 방향으로 유동할 수 있다.
제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유입튜브(121b)를 따라 유입튜브(121)의 최하류 측에 다다른 열전달매체는 유입튜브(121)에서 유출튜브(122)로 인도되며, 이후 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 유출튜브(122)를 따라 유동하여 복수개의 배터리 모듈(110)을 순차적으로(110-4, 110-3, 110-2, 110-1 순서대로) 냉각시킬 수 있다.
냉각유로(120)의 구성에 대해 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
냉각유로(120)는 열전달매체가 유입되는 유입구(123a)와 열전달매체가 유출되는 유출구(123b)를 포함하는 허브부재(123)를 더 포함할 수 있다.
상세히, 냉각유로(120)는 일반적인 냉동사이클을 구성하는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 중 증발기에 해당하는 구성으로써, 도면에 도시되지는 않았으나 유입구(123a)는 팽창밸브의 하류 측에, 유출구(123b)는 압축기의 상류 측에 각각 열전달매체 배관(미도시)을 통해 연결될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 냉각유로(120)의 유입구(123a)에는 팽창밸브를 통과한 저온 저압 액상의 열전달매체가 유입될 수 있으며, 냉각유로(120)의 내부로 유입된 열전달매체는 냉각유로(120)를 지나는 동안 배터리 모듈(110)에서 발생하는 열을 흡수하여 기화될 수 있다. 이러한 열전달매체의 유동 특성과 관련하여서는 이하 도 7을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.
즉, 허브부재(123)는 열전달매체를 냉각유로(120)로 전달하는 통로의 역할을 수행하며, 상세하게는 냉각유로(120)로 유입되는 열전달매체의 유량을 제어할 수도 있다. 즉, 도면에 도시되지는 않았으나 허브부재(123)는 마이크로프로세서와 전기회로를 포함하는 하드웨어와, 이를 구동하는 소프트웨어를 포함하는 제어부(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제어부는 유입구(123a)와 유출구(123b)의 개폐 여부와 개폐 정도를 제어할 수 있다.
한편, 냉각유로(120)는 유입구(123a)로 유입되는 열전달매체를 복수개의 유입튜브(121) 측으로 인도하는 유입통로(124a)와, 복수개의 유출튜브(122)에서 유출되는 열전달매체를 유출구(123b) 측으로 인도하는 유출통로(124b)를 포함하는 허브통로(124)를 더 포함할 수 있다.
그리고, 허브통로(124)는 유입통로(124a)와 유출통로(124b)를 격리하여 유입통로(124a)를 흐르는 열전달매체와 유출통로(124b)를 흐르는 열전달매체의 혼합을 방지하도록 허브내부에 설치되는 제1 격벽(124c)을 더 포함할 수 있다. 즉, 제1 격벽(124c)은 유입튜브(121)의 최상류 측으로 유입되는 열전달매체와 유출튜브(122)의 최하류 측으로부터 유출되는 열전달매체가 서로 섞이지 않도록 유입통로(124a)와 유출통로(124b)의 내부 공간을 물리적으로 차폐하는 역할을 할 수 있다.
또한, 냉각유로(120)는 복수개의 유입튜브(121)의 최하류 측과 복수개의 유출튜브(122)의 최상류 측을 연결하되, 가상선(VL)에 인접하는 복수개의 유입튜브(121) 상호간에는 열전달매체가 연통되지 않도록 형성되는 선회통로(125)를 더 포함할 수 있다.
상세히, 선회통로(125)는 복수개의 유입튜브(121) 중 가상선(VL)을 중심으로 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브(121a)와 복수개의 유출튜브(122) 중 가상선(VL)을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브(122a)를 연결하는 제1 서브선회통로(125a)와, 복수개의 유입튜브(121) 중 가상선(VL)을 중심으로 일측의 반대편인 타측에 배치되는 제2 서브유입튜브(121b)와, 복수개의 유출 튜브 중 가상선(VL)을 기준으로 타측에 배치되는 제2 서브유출튜브(122b)를 연결하는 제2 서브선회통로(125b)를 포함할 수 있다.
여기서, 일 예시로서 도 5에 도시된 바와 같이 선회통로(125)는 제1 서브선회통로(125a)와 제2 서브선회통로(125b)가 일체로 형성될 수 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 7에 도시된 개념도와 같이, 제1 서브선회통로(125a)와 제2 서브선회통로(125b)는 서로 분리되어 각각 제1 서브유입튜브(121a)와 제1 서브유출튜브(122a)를, 그리고 제2 서브유입튜브(121b)와 제2 서브유출튜브(122b)를 연결하는 개별적인 구성품으로 형성될 수도 있다.
다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 5에 나타난 바와 같이 선회통로(125)는 제1 서브선회통로(125a)와 제2 서브선회통로(125b)가 일체로 형성된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
도 5에 나타난 바와 같이 선회통로(125)는 제1 서브선회통로(125a)와 제2 서브선회통로(125b)가 일체로 형성된 경우, 선회통로는 제1 방향 및 제2 방향과 교차하는 제3 방향을 따라 일체로 연장되도록 형성될 수 있다.
이때, 선회통로(125)는 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유입튜브(121b)를 격리하여 제1 서브유입튜브(121a)를 따라 유동하여 제1 서브유입튜브(121a)의 최하류 측에 도달한 열전달매체와 제2 서브유입튜브(121b)를 따라 유동하여 제2 서브유입튜브(121b)의 최하류 측에 도달한 열전달매체가 서로 혼합되지 않도록 선회통로(125)의 내부에 설치되는 제2 격벽(125c)을 더 포함할 수 있다.
이와 같이 선회통로(125)의 내부에 제2 격벽(125c)이 설치됨에 따라, 제1 서브유입튜브(121a)의 최하류 측을 지난 열전달매체는 제1 서브선회통로(125a)를 따라 제1 서브유출통로(122a)의 최상류 측으로 선회할 수 있다. 마찬가지로, 제2 격벽(125c)이 일체로 형성된 선회통로(125)의 내부에 설치됨에 따라, 제2 버스유입튜브(121b)의 최하류 측을 지난 열전달매체는 제2 서브선회통로(125b)를 따라 제2 서브유출통로(122b)의 최상류 측으로 선회할 수 있다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 냉각유로(120)는 냉각유로(120)의 내부에 형성되는 열전달매체의 유로를 복수개의 채널(C1 내지 C9)로 구분하도록 냉각유로의 내부에 제1 방향을 따라 연장 형성되는 리브(126)를 더 포함할 수 있다.
즉, 복수개의 유입튜브(121)와 유출튜브(122)의 내부에는 유입튜브(121)와 유출튜브(122)가 연장되는 방향인 제1 방향을 따라 유입튜브(121)와 유출튜브(122)의 내부를 복수개의 채널(C1 내지 C9)로 구분하는 리브(126)가 설치될 수 있다.
지지부재(130)는 복수개의 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120)를 지지하되, 냉각유로(120)가 안착되는 함입부(131)를 포함할 수 있다. 즉, 도면에 나타난 바와 같이, 지지부재(130)는 배터리 팩(100)의 모든 구성요소들을 지지하는 기본 골격이 되는 구성요소이다.
함입부(131)는 지지부재(130)와 냉각유로(120)가 접촉하는 접촉면으로부터 소정 간격 함입되도록 형성되는 구조로써, 함입부(131)에는 탄성부재(140)가 설치될 수 있다.
즉, 탄성부재(140)는 냉각유로(120)와 지지부재(130) 사이에 개재되어 냉각유로(120)를 탄성 지지할 수 있다. 상세히, 탄성부재(140)는 냉각유로(120)와 지지부재(130)의 밀착력을 향상시키는 구성요소로써, 냉각유로(120)와 동일한 폭으로 형성되어 냉각유로(120)를 안정적으로 지지부재(130)에 안착시킬 수 있다.
완충패드(150)는 배터리 모듈(110)과 열전도 플레이트(160) 사이에 개재되어 배터리 모듈(110)의 일면, 즉 도 2에 의하면 배터리 셀(111)의 하면을 완충 지지할 수 있다. 예컨대, 완충패드(150)는 실리콘계 재질로 형성되어 배터리 모듈(110)과 열전도 플레이트(160) 사이에 형성되는 공차(tolerance)를 최대한 줄이는 역할을 수행할 수 있다.
열전도 플레이트(160)는 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120) 사이에 개재되어 배터리 모듈(110)에서 발생하는 열을 냉각유로(120)로 전달할 수 있다. 즉, 열전도 플레이트(160)는 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120)가 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 배터리 모듈(110)과 냉각유로(120)의 대향면을 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 상세하게는, 열전도 플레이트(160)는 배터리 모듈(110)을 지지하는 완충패드(150)와 냉각유로(120) 사이에 개재되어 냉각유로(120)와 완충패드(150)를 기구적으로 연결시킬 수 있다.
이하에서는 도 7을 참조하여 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩(100)의 냉각유로(120)의 냉각 작용에 대해 더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7은 냉각유로의 내부를 흐르는 열전달매체의 온도 변화를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 유입튜브(121)로 유입된 열전달매체는 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유입튜브(121b)를 따라 제1 방향으로 유동하여 가상선(VL)에 인접하는 배터리 모듈(110)의 중앙 부위를 냉각시키며, 선회통로(125)를 경유하여 유출튜브(122) 측으로 유동할 수 있다. 선회통로(125)에서 유출튜브(122)로 전달된 열전달매체는 제1 서브유출통로(122a)와 제2 서브유출통로(122b)를 따라 제2 방향으로 유동하여 배터리 모듈(110)의 양 측면을 냉각시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 열전달매체는 냉각유로(120)를 흐르는 동안 배터리 모듈(110)에서 발생하는 열을 흡수하여 일정한 온도에서 상 변화(phase change)를 하고, 충분히 기화된 이후에는 빠르게 온도가 상승하여 과열(superheat)될 수 있다. 이러한 특징을 고려하여 도 7에 나타난 열전달매체의 온도 분포를 살펴보면, 유입튜브(121)로 유입된 열전달매체의 온도를 T1이라고 정의하고, 유출튜브(122)에서 유출되는 열전달매체의 온도를 T2라고 정의할 경우 T2는 T1보다 높게 형성될 수 있다. 즉, 냉각유로(120)로 유입된 열전달매체는 초기에는 일정한 온도(T1)에서 상 변화를 하다가, 유출구(도 5 123b 참조)에서 인접한 위치에서는 충분히 기화되어 급속히 온도가 상승되어 T1보다 높은 T2의 온도로 과열될 수 있다.
한편, 복수개의 배터리 셀(111)들이 나란히 배열된 형태의 배터리 모듈(110)과 같은 경우 중앙 부위의 온도가 가장 높게 형성되며, 양 측면의 온도가 가장 낮게 형성된다. 이는 중앙 부위의 배터리 셀(111)들은 서로 인접하는 배터리 셀(111)들 사이에서 열전달이 일어나는 반면, 양 측면에 위치하는 배터리 셀(111)들은 일측이 다른 배터리 셀(111)과 닿지 않기 때문으로, 중앙 부위의 배터리 셀(111)들은 각각에서 발생하는 열을 서로 교환할 수 밖에 없어 열이 외부로 완활하게 방출되기 어려운 구조이나, 양 측면의 배터리 셀(111)들은 하우징(112)에 형성된 개구홀(112h)을 통해 외부에 노출되어 있으므로, 자연대류에 의해 자연적으로 열이 외부로 방출될 수 있기 때문이다.
이와 같이, 복수개의 배터리 셀(111)들을 포함하는 배터리 모듈(110)과 같은 경우 구조적으로 중앙 부위의 온도가 양 측면의 온도보다 높게 형성될 수 밖에 없다. 따라서, 본 발명의 실시예와 같이 제1 방향을 기준으로 배터리 모듈(110)의 중심을 지나는 가상선(VL)과 인접하는 위치에 제1 서브유입튜브(121a)와 제2 서브유입튜브(121b)를 배치하고, 배터리 모듈(110)의 양 측면에 인접하는 위치에 제1 서브유출튜브(122a)와 제2 서브유출튜브(122b)를 배치할 경우, 상대적으로 온도가 높은 배터리 모듈(110)의 중앙 부위는 상대적으로 저온(T1)의 열전달매체로 냉각시킬 수 있으며, 또한 상대적으로 온도가 낮은 배터리 모듈(110)의 양 측면 부위는 상대적으로 고온(T2)의 열전달매체로 냉각시킴으로써, 배터리 모듈(110)의 전체 영역에 걸쳐 균일한 냉각 효과를 극대화시킬 수 있다.
또한, 도 7에 나타난 냉각유로는 각각 두 개의 유입튜브(121)와 유출튜브(122)를 포함하는 병렬 구조로써, 전체적인 냉각유로(120)의 길이는 직렬일 경우와 비교하여 축소될 수 있다. 이러한 구조에 따라, 냉각유로(120)에 유입 또는 유출되는 열전달매체의 유입 압력과 유출 압력 사이의 차압을 작게 유지할 수 있으며, 이를 통해 열전달매체를 압축하는 압축기의 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩에 의하면 배터리 모듈 전체 영역을 균일하게 냉각할 수 있다.

Claims (14)

  1. 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈과 인접하게 배치되어 내부에 흐르는 열전달매체를 통해 상기 배터리 모듈을 냉각하는 냉각유로;를 포함하고,
    상기 배터리 모듈은 복수개가 제1 방향으로 나란히 배열되며,
    상기 냉각유로는,
    상기 제1 방향을 기준으로 상기 배터리 모듈의 중심을 지나는 가상선과 인접하도록 배치되어 상기 열전달매체가 유입되는 통로를 제공하는 복수개의 유입튜브와,
    상기 유입튜브의 최하류 측에 연결되어 상기 제1 방향을 기준으로 상기 배터리 모듈의 양 측면에 인접하도록 배치되며 상기 열전달매체가 유출되는 통로를 제공하는 복수개의 유출튜브를 포함하는, 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달매체는,
    상기 복수개의 유입튜브를 따라 유동하여 상기 복수개의 배터리 모듈을 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 냉각시키고,
    상기 유입튜브에서 상기 유출튜브로 인도되어 상기 유출튜브를 따라 유동하여 상기 복수개의 배터리 모듈을 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 순차적으로 냉각시키는, 배터리 팩.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각유로는,
    상기 열전달매체가 유입되는 유입구와 상기 열전달매체가 유출되는 유출구를 포함하는 허브부재와,
    상기 유입구로 유입되는 상기 열전달매체를 상기 복수개의 유입튜브 측으로 인도하는 유입통로와, 상기 복수개의 유출튜브에서 유출되는 상기 열전달매체를 상기 유출구 측으로 인도하는 유출통로를 포함하는 허브통로와,
    상기 복수개의 유입튜브의 최하류 측과 상기 복수개의 유출튜브의 최상류 측을 연결하되, 상기 가상선에 인접하는 상기 복수개의 유입튜브 각각을 흐르는 상기 열전달매체는 서로 분기시키는 선회통로를 더 포함하는, 배터리 팩.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 허브통로는 상기 유입통로와 상기 유출통로를 격리하여 상기 유입통로를 흐르는 상기 열전달매체와 상기 유출통로를 흐르는 열전달매체의 혼합을 방지하도록 상기 허브통로의 내부에 설치되는 제1 격벽을 더 포함하는, 배터리 팩.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 선회통로는,
    상기 복수개의 유입튜브 중 상기 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브와, 상기 복수개의 유출튜브 중 상기 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브를 연결하는 제1 서브선회통로와,
    상기 복수개의 유입튜브 중 상기 가상선을 기준으로 상기 일측의 반대편인 타측에 배치되는 제2 서브유입튜브와, 상기 복수개의 유출튜브 중 상기 가상선을 기준으로 상기 타측에 배치되는 제2 서브유출튜브를 연결하는 제2 서브선회통로를 포함하는, 배터리 팩.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 선회통로는 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향과 교차하는 제3 방향을 따라 일체로 연장되도록 형성되고,
    상기 선회통로는 상기 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 상기 복수개의 유입튜브 중 하나인 제1 서브유입튜브와, 상기 가상선을 기준으로 상기 일측의 반대편인 타측에 배치되는 상기 복수개의 유입통로 중 다른 하나인 제2 서브유입튜브를 격리하여 상기 제1 서브유입튜브를 흐르는 상기 열전달매체와 상기 제2 서브유입튜브를 흐르는 상기 열전달매체의 혼합을 방지하도록 상기 선회통로 내부에 설치되는 제2 격벽을 더 포함하는, 배터리 팩.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 복수개의 유입튜브와 상기 복수개의 유출튜브는 상기 가상선을 중심으로 대칭되도록 배치되는, 배터리 팩.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 복수개의 유입튜브 중 상기 가상선을 기준으로 일측에 배치되는 제1 서브유입튜브와, 상기 복수개의 유입튜브 중 상기 가상선을 기준으로 상기 일측의 타측에 배치되는 제2 서브유입튜브 사이의 간격은,
    상기 제1 서브유입튜브와, 상기 복수개의 유출튜브 중 상기 가상선을 기준으로 상기 일측에 배치되는 제1 서브유출튜브 사이의 간격 및 상기 제2 서브유입튜브와, 상기 복수개의 유출튜브 중 상기 가상선을 기준으로 상기 타측에 배치되는 제2 서브유출통로 사이의 간격보다 좁은, 배터리 팩.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복수개의 배터리 모듈과 상기 냉각유로를 지지하되, 상기 냉각유로가 안착되는 함입부를 포함하는 지지부재를 더 포함하는, 배터리 팩.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 냉각유로와 상기 지지부재 사이에 개재되도록 상기 함입부에 설치되어 상기 냉각유로를 탄성 지지하는 탄성부재를 더 포함하는, 배터리 팩.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 냉각유로 사이에 개재되어 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 상기 냉각유로로 전달하는 열전도 플레이트를 더 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 열전도 플레이트 사이에 개재되어 상기 배터리 모듈의 일면을 완충 지지하는 완충패드를 더 포함하는, 배터리 팩.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각유로는 상기 냉각유로 내부에 형성되는 상기 열전달매체의 유로를 복수개의 채널로 구분하도록 상기 냉각유로 내부에 상기 제1 방향을 따라 연장 형성되는 리브를 더 포함하는, 배터리 팩.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 열전달매체는 상온에서 상변화가 가능한 냉매(refrigerant)인, 배터리 팩.
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