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KR101822304B1 - 배터리 냉각장치 - Google Patents

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KR101822304B1
KR101822304B1 KR1020160138409A KR20160138409A KR101822304B1 KR 101822304 B1 KR101822304 B1 KR 101822304B1 KR 1020160138409 A KR1020160138409 A KR 1020160138409A KR 20160138409 A KR20160138409 A KR 20160138409A KR 101822304 B1 KR101822304 B1 KR 101822304B1
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cooling
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이건구
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 냉각채널 내부에 흐르는 냉각수의 유동분포를 균일하게 구현하여 냉각효율을 향상시키는 기술에 관한 것으로, 냉각수에 의해 배터리모듈과 열교환 가능하게 구비되고, 냉각수가 유출입되도록 인렛 및 아웃렛이 마련된 냉각채널; 상기 냉각채널의 내부에 그 길이방향과 나란하게 분기 형성되어, 인렛을 통해 유입되는 냉각수가 통과하면서 아웃렛을 향해 유동되도록 형성된 분기유로; 및 상기 인렛과 분기유로 사이에 상기 분기유로가 분기된 방향을 따라 소정 간격을 두어 복수 마련되고, 상기 인렛을 통해 유입되는 냉각수의 유동을 안내하여 상기 냉각수가 각 분기유로에 균일하게 유입되도록 하는 유동가이드;를 포함하여 구성되는 배터리 냉각장치가 소개된다.

Description

배터리 냉각장치{APPARATUS FOR COOLING BATTERY}
본 발명은 냉각채널 내부에 흐르는 냉각수의 유동분포를 균일하게 구현하여 냉각효율을 향상시키는 배터리 냉각장치에 관한 것이다.
하이브리드 자동차를 비롯하여 전기자동차나 연료전지 자동차에는 차량 구동을 위한 전기에너지를 공급할 수 있도록 고전압 배터리가 사용된다.
이러한, 고전압 배터리는 다수의 단위전지 또는 모듈을 연결하여 고전압을 만들 수 있는 배터리팩이 구성되며, 이를 이용하여 높은 전력을 발생시킨다.
즉, 고전압 배터리에 저장된 에너지를 인버터를 통해 모터에 전달하여 차량 시동, 가속, 엔진 고효율점 운행 등에 사용하고, 엔진에서 잉여에너지가 발생하면 모터를 발전기로 이용하여 그 잉여 에너지를 고전압 배터리에 저장한다.
다만, 이 같은 고전압 배터리는 사용 전류량이 상당히 크고, 그로 인해 내부에서 발생되는 열이 상당히 많으므로, 고전압 배터리가 사용되는 자동차에는 이를 냉각하기 위한 냉각시스템이 요구되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2016-0113902 A
본 발명은 냉각채널 내부에 흐르는 냉각수의 유동분포를 균일하게 구현하여 냉각효율을 향상시키는 배터리 냉각장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 냉각수에 의해 배터리모듈과 열교환 가능하게 구비되고, 냉각수가 유출입되도록 인렛 및 아웃렛이 마련된 냉각채널; 상기 냉각채널의 내부에 그 길이방향과 나란하게 분기 형성되어, 인렛을 통해 유입되는 냉각수가 통과하면서 아웃렛을 향해 유동되도록 형성된 분기유로; 및 상기 인렛과 분기유로 사이에 상기 분기유로가 분기된 방향을 따라 소정 간격을 두어 복수 마련되고, 상기 인렛을 통해 유입되는 냉각수의 유동을 안내하여 상기 냉각수가 각 분기유로에 균일하게 유입되도록 하는 유동가이드;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 유동가이드는, 상기 냉각채널의 내부에 형성된 상기 인렛의 출구와, 분기유로의 입구 사이에 설치될 수 있다.
상기 분기유로 사이에 냉각채널의 직선 길이방향을 따라 격벽이 형성되고; 상기 격벽으로부터 냉각채널의 길이방향으로 이어지는 연장선상에 유동가이드가 배치될 수 있다.
상기 유동가이드는 각 격벽에 대응하여 개별적으로 배치되고; 상기 유동가이드 사이에는 각 분기유로에 대응하여 통로가 형성될 수 있다.
상기 통로는, 상기 인렛의 출구로부터 냉각채널의 내부에 직선방향으로 이어지는 유동가이드 사이에 형성된 중심통로; 나머지 유동가이드 사이에 형성된 사이드통로;를 포함하되, 상기 중심통로의 너비방향 길이가 상기 사이드통로의 너비방향 길이보다 짧게 형성될 수 있다.
상기 각 사이드통로의 너비방향 길이는 동일하게 형성될 수 있다.
상기 중심통로를 기준으로 일측에 배치된 유동가이드들과 타측에 배치된 유동가이드들은, 직선형상으로 형성된 가상의 배치라인 상에 각각 설치될 수 있다.
상기 유동가이드는 길이방향으로 길게 형성된 판 형상으로 형성되고; 상기 유동가이드의 길이방향이 상기 배치라인의 길이방향과 일치되도록 유동가이드가 설치될 수 있다.
상기 배치라인은 상기 냉각채널의 길이방향과 직교하는 너비방향으로 형성되어, 상기 유동가이드가 상기 냉각채널의 길이방향과 직교하는 너비방향을 따라 설치될 수 있다.
상기 유동가이드는, 상기 인렛의 출구로부터 냉각채널의 내부를 향해 소정 거리 이격되어 설치될 수 있다.
상기 중심통로의 너비방향 길이는 3~7mm로 형성되고; 상기 사이드통로의 너비방향 길이는 8~12mm로 형성되며; 상기 배치라인은 상기 냉각채널의 길이방향과 직교하는 너비방향으로 형성되고; 상기 중심통로를 형성하는 유동가이드와 인렛의 출구의 최단거리는 38~42mm로 형성될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 유동가이드에 의해 냉각채널 내부에 흐르는 냉각수의 흐름을 각 분기유로에 균일하게 유동시키므로, 배터리모듈과 냉각수 간의 열교환 효율을 증대시켜 배터리의 냉각효율을 향상시키는 효과는 물론, 냉각채널 내의 냉각수 유동을 위한 압력손실을 감소시켜 펌핑로스를 저감하게 되는바, 연비도 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용 가능한 배터리모듈과 냉각채널의 결합관계를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 적용 가능한 배터리모듈과 냉각채널의 결합구조를 설명하기 위한 A - A선 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 냉각채널 내부에 배치된 유동가이드의 제1실시예 구조를 예시하여 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 유동가이드의 배치를 위한 설계인자들을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 냉각채널 내부에 배치된 유동가이드의 제2실시예 구조를 예시하여 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 배터리 냉각장치는, 냉각채널(3)과, 분기유로(11) 및 유동가이드(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 먼저 냉각채널(3)은 냉각수에 의해 배터리모듈(1)과 열교환 가능하게 구비되고, 냉각수가 유출입되도록 인렛(5) 및 아웃렛(7)이 마련될 수 있다.
예컨대, 차량에 설치된 배터리모듈(1)의 저면에 냉각채널(3)이 접촉 상태로 구비되어 냉각수와 배터리모듈(1)이 열교환됨으로써, 배터리모듈(1)을 냉각시키게 된다.
이러한, 상기 냉각채널(3)은 대략 직육면체의 형상을 갖으면서 길이방향으로 길게 형성되고, 일단의 중간에 냉각수가 유입되는 인렛(5)이 구비되며, 타단의 중간에 냉각수가 유출되는 아웃렛(7)이 구비될 수 있다.
분기유로(11)는, 상기 냉각채널(3)의 길이방향과 나란하게 분기 형성되어, 인렛(5)을 통해 유입되는 냉각수가 통과하면서 아웃렛(7)을 향해 유동되도록 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 냉각채널(3)의 길이방향과 나란하게 형성된 유로가 상기 냉각채널(3)의 너비방향을 따라 개별적으로 분기 형성됨으로써, 상기 냉각채널(3)의 내부에 유입되는 냉각수가 상기 분기유로(11)를 통과한 후에, 아웃렛(7)을 통해 냉각채널(3) 외부로 배출될 수 있다.
특히, 본 발명의 유동가이드(13)는, 상기 인렛(5)과 분기유로(11) 사이에 상기 분기유로(11)가 분기된 방향을 따라 이웃하는 유동가이드(13)에 대해 소정 간격을 두고 복수 마련될 수 있다. 이에, 상기 인렛(5)을 통해 유입되는 냉각수의 유동흐름이 상기 유동가이드(13)에 의해 분기유로(11)에 안내됨으로써, 상기 유동가이드(13)를 통과한 냉각수가 각 분기유로(11)에 균일하게 유입될 수 있다.
즉, 냉각채널(3)을 이용하는 냉각방식의 경우, 냉각채널(3) 내에서 냉각수의 이동방향과 수직한 방향으로 냉각수가 균일하게 분포되어 흐르게 되면 냉각채널(3)과 열원이 접촉하는 면에서 균일한 열전도를 유도하여 냉각채널(3)의 방열성능을 향상된다.
이에, 본 발명에서는 인렛(5)을 통해 냉각채널(3) 내부에 유입되는 냉각수의 흐름이 유동가이드(13)에 의해 안내되어 유동됨으로써, 냉각수가 인렛(5)과 아웃렛(7) 사이를 가로지르는 중간 부분에 집중되지 않고, 중간 부분의 양측으로 퍼지면서 흐르게 된다.
따라서, 유동가이드(13)에 의해 냉각채널(3) 내부에 흐르는 냉각수의 흐름을 각 분기유로(11)에 균일하게 유동시키므로, 배터리모듈(1)과 냉각수 간의 열교환 효율을 증대시켜 배터리의 냉각효율을 향상시키는 것은 물론, 냉각채널(3) 내의 냉각수 유동을 위한 압력손실을 감소시켜 펌핑로스를 저감하게 되는바, 연비도 향상시키게 된다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 상기 유동가이드(13)는, 상기 냉각채널(3)의 내부에 형성된 상기 인렛(5)의 출구와, 분기유로(11)의 입구 사이에 설치될 수 있다.
그리고, 상기 분기유로(11) 사이에는 냉각채널(3)의 직선 길이방향을 따라 격벽(9)이 형성될 수 있고, 상기 격벽(9)으로부터 냉각채널(3)의 길이방향으로 이어지는 연장선상에 유동가이드(13)가 배치될 수 있다.
특히, 상기 유동가이드(13)는 각 격벽(9)에 대응하여 개별적으로 배치될 수 있고, 상기 유동가이드(13) 사이에는 각 분기유로(11)에 대응하여 통로가 형성될 수 있다.
즉, 상기 냉각채널(3)의 내부에 그 길이방향을 따라 나란하게 다수의 격벽(9)이 설치됨으로써, 상기 격벽(9)에 의해 상기 냉각채널(3)의 내부에 분기유로(11)가 형성될 수 있다. 또한 각 격벽(9)에 대응하여 유동가이드(13)가 각각 설치됨으로써, 상기 유동가이드(13)에 의해 냉각수의 유동이 격벽(9)보다는 분기유로(11) 내부로 유도됨으로써, 냉각수를 각 분기유로(11)에 균일하게 유동시킬 수 있게 된다.
아울러, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에서 상기 통로는 하나의 중심통로(Pc)와 복수의 사이드통로(Ps)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 중심통로(Pc)는 상기 인렛(5)의 출구로부터 냉각채널(3)의 내부에 직선방향으로 이어지는 경로 중, 유동가이드(13) 사이에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 사이드통로(Ps)는 나머지 유동가이드(13) 사이에 형성될 수 있다.
이때에, 상기 중심통로(Pc)의 너비방향 길이가 상기 사이드통로(Ps)의 너비방향 길이보다 짧게 형성될 수 있다.
또한, 상기 각 사이드통로(Ps)의 너비방향 길이는 동일하게 형성될 수 있다.
즉, 냉각채널(3) 내부에 유입되는 냉각수의 흐름이 중심통로(Pc)를 향해 우선하여 유동되므로, 중심통로(Pc)의 간격을 나머지 사이드통로(Ps)들의 간격보다 더 좁게 형성하여, 냉각수가 중심통로(Pc)의 좌우에 형성된 사이드통로(Ps)를 향해 퍼지면서 유동될 수 있도록 하고, 이에 냉각수의 흐름을 각 분기유로(11)에 최대한 균일하게 유동시키게 된다.
더불어, 본 발명에서는 상기 중심통로(Pc)를 기준으로 일측에 배치된 유동가이드(13)들과 타측에 배치된 유동가이드(13)들이, 각각 직선형상으로 형성된 가상의 배치라인(Lp) 상에 설치될 수 있다.
예컨대, 상기 유동가이드(13)는 길이방향으로 길게 형성된 판 형상으로 형성될 수 있고, 상기 유동가이드(13)의 길이방향이 상기 배치라인(Lp)의 길이방향과 일치되도록 유동가이드(13)가 설치될 수 있다.
일례로, 도 4와 같이, 중심통로(Pc)의 일측에 배치된 유동가이드(13)들이 하나의 배치라인(Lp)상에 설치되고, 또한 중심통로(Pc)의 타측에 배치된 유동가이드(13)들은 다른 하나의 배치라인(Lp)상에 설치됨으로써, 전체 유동가이드(13)들이 'V'자 형상을 그리며 배치될 수 있다.
다른 예시로서, 상기 배치라인(Lp)은 상기 냉각채널(3)의 길이방향과 직교하는 너비방향으로 형성되어, 상기 유동가이드(13)가 상기 냉각채널(3)의 길이방향과 직교하는 너비방향을 따라 설치될 수 있다.
즉, 도 5와 같이, 중심통로(Pc)의 일측에 형성된 배치라인(Lp)이 분기유로(11)와 직교하는 방향(냉각채널(3)의 너비방향)으로 형성되고, 중심통로(Pc)의 타측에 형성된 배치라인(Lp) 역시 분기유로(11)와 직교하는 방향으로 형성됨으로써, 전체 유동가이드(13)들이 '-'자 형상을 그리며 배치될 수 있다.
아울러, 본 발명의 상기 유동가이드(13)는, 상기 인렛(5)의 출구로부터 냉각채널(3)의 내부를 향해 소정 거리 이격되어 설치될 수 있다.
즉, 중심통로(Pc) 양측에 위치한 유동가이드(13)와 인렛(5)의 출구 사이를 소정 간격 이격하여 설치하게 된다.
한편, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명은 냉각채널(3) 내부에서의 냉각수 유속분포를 균일하게 가져갈 수 있도록 앞서 설명된 4개의 설계인자를 고려하여 유동가이드(13)가 배치될 수 있다.
상기 설계인자로는, 중심통로(Pc)의 너비방향 길이와, 사이드통로(Ps)의 너비방향 길이와, 배치라인(Lp)이 냉각채널(3)의 너비방향과 이루는 각도, 그리고 중심통로(Pc)를 형성하는 유동가이드(13)와 인렛(5) 출구 사이의 최단거리일 수 있다.
바람직하게는, 상기 중심통로(Pc)의 너비방향 길이는 3~7mm로 형성될 수 있고, 상기 사이드통로(Ps)의 너비방향 길이는 8~12mm로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 배치라인(Lp)은 상기 냉각채널(3)의 길이방향과 직교하는 냉각채널(3)의 너비방향으로 형성됨으로써, 상기 배치라인(Lp)과 냉각채널(3)의 너비방향이 이루는 각도는 0°일 수 있고, 또한 상기 중심통로(Pc)를 형성하는 유동가이드(13)와 인렛(5) 출구의 최단거리는 38~42mm로 형성될 수 있다.
즉, 각 설계인자 별로 복수의 설계값을 설정하고, 설정된 각 케이스에 대한 유동 해석을 통해 냉각수의 유속분포를 계산하여 유속에 대한 균일도를 계산할 수 있는데, 유속균일도가 0에 가까울수록 유속이 균일한 것으로 판단할 수 있다.
아래의 표 1은 복수의 설계인자를 고려한 여러 케이스와 함께, 각 케이스에 대한 유속균일도를 예시하여 나타낸 것이다.
Case 중심통로 간격(a) 사이드통로 간격(b) 배치라인 각도(c) 인렛출구 -유동가이드 간격(d) 유속균일도
1 5mm 5mm 0° 20mm 11.4982
2 10mm 5mm 0° 40mm 25.1995
3 5mm 10mm 0° 40mm 7.7354
4 10mm 10mm 0° 20mm 24.2853
5 5mm 5mm 45° 40mm 9.7802
6 10mm 5mm 45° 20mm 29.2666
7 5mm 10mm 45° 20mm 9.782
8 10mm 10mm 45° 40mm 24.288
즉, 상기 케이스에 대한 각 유로의 개별 유속균일도 간의 관계를 통해 아래의 예시와 같은 유속균일도에 대한 관계식을 도출할 수 있으며, 이에 전체 유속균일도가 최대한 0에 가까운 설계값을 도출하여 유동가이드(13)를 배치할 수 있다.
유속균일도 = -0.36 + 3.21a - 0.48b + 0.024c - 0.098d
위의 케이스에서는 중심통로(Pc)의 간격이 5mm이고, 사이드통로(Ps)의 간격이 10mm이며, 배치라인(Lp)의 각도가 0°이고, 인렛(5) 출구와 유동가이드(13) 사이의 거리가 40mm인 3번 케이스의 설계인자가 유속균일도가 가장 0에 가까운 최적 설계값임을 확인할 수 있다.
이 같은 관계식을 통해, 본 발명에서는 중심통로(Pc)의 간격을 줄이는 것이 사이드통로(Ps)의 간격을 증가시키는 것보다 유속균일도를 0에 가깝게 도출하기가 상대적으로 더 수월함을 알 수 있고, 이에 설계값 변경을 통해 유속균일도가 0에 가까운 케이스의 도출이 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 인렛(5)을 통해 냉각채널(3) 내부에 유입되는 냉각수의 흐름이 유동가이드(13)에 의해 안내되어 유동됨으로써, 중심통로(Pc)에 집중되지 않고, 중심통로(Pc) 양측의 사이드통로(Ps)로 퍼지면서 유동된다.
따라서, 유동가이드(13)에 의해 냉각채널(3) 내부에 흐르는 냉각수의 흐름을 각 분기유로(11)에 균일하게 유동시키므로, 배터리모듈(1)과 냉각수 간의 열교환 효율을 증대시켜 배터리의 냉각효율을 향상시키는 것은 물론, 냉각채널(3) 내의 냉각수 유동을 위한 압력손실을 감소시켜 펌핑로스를 저감하게 되는바, 연비도 향상시키게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 배터리모듈 3 : 냉각채널
5 : 인렛 7 : 아웃렛
9 : 격벽 11 : 분기유로
13 : 유동가이드

Claims (11)

  1. 냉각수에 의해 배터리모듈과 열교환 가능하게 구비되고, 냉각수가 유출입되도록 인렛 및 아웃렛이 마련된 냉각채널;
    상기 냉각채널의 내부에 그 길이방향과 나란하게 분기 형성되어, 인렛을 통해 유입되는 냉각수가 통과하면서 아웃렛을 향해 유동되도록 형성된 분기유로; 및
    상기 냉각채널의 내부에 형성된 상기 인렛의 출구와 상기 분기유로의 입구 사이에 설치되고, 상기 인렛과 분기유로 사이에 상기 분기유로가 분기된 방향을 따라 소정 간격을 두어 복수 마련되고, 상기 인렛을 통해 유입되는 냉각수의 유동을 안내하여 상기 냉각수가 각 분기유로에 균일하게 유입되도록 하는 유동가이드;를 포함하며,
    상기 분기유로 사이에 냉각채널의 직선 길이방향을 따라 격벽이 형성되고, 상기 격벽으로부터 냉각채널의 길이방향으로 이어지는 연장선상에 유동가이드가 배치되며, 상기 유동가이드는 각 격벽에 대응하여 개별적으로 배치되고, 상기 유동가이드 사이에는 각 분기유로에 대응하여 통로가 형성되며,
    상기 통로는, 상기 인렛의 출구로부터 냉각채널의 내부에 직선방향으로 이어지는 유동가이드 사이에 형성된 중심통로와 나머지 유동가이드 사이에 형성된 사이드통로를 포함하고,
    상기 중심통로를 기준으로 일측에 배치된 유동가이드들과 타측에 배치된 유동가이드들은, 직선형상으로 형성된 가상의 배치라인 상에 각각 설치되되, 상기 유동가이드는 길이방향으로 길게 형성된 판 형상으로 형성되고 상기 유동가이드의 길이방향이 상기 배치라인의 길이방향과 일치되도록 유동가이드가 설치되며,
    상기 배치라인은 상기 인렛의 출구에 가장 인접한 상기 중심통로로부터 상기 분기유로 방향으로 갈수록 냉각채널의 길이방향과 직교하는 너비방향의 양 측 방향으로 향하도록 형성되어, 전체 상기 유동가이드가 V자 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 중심통로의 너비방향 길이가 상기 사이드통로의 너비방향 길이보다 짧게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 냉각장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 사이드통로의 너비방향 길이는 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 냉각장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 유동가이드는,
    상기 인렛의 출구로부터 냉각채널의 내부를 향해 소정 거리 이격되어 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 냉각장치.
  11. 삭제
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