KR101936962B1

KR101936962B1 - 차량의 배터리 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101936962B1
Application number: KR1020130075170A
Authority: KR
Inventors: 이정수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: KR20150002982A; US20150004458A1

Abstract

차량의 루프 또는 플로어에 설치되고, 길이방향으로 내부공간을 형성하며, 내부공간의 일측에 블로워가 구비된 배터리 케이스; 배터리 케이스의 내부에, 연속적으로 설치되는 복수개의 배터리 팩; 및 복수개의 배터리 팩에 각각 마련되고, 배터리 케이스 내부에서 각각의 배터리 팩을 감싸도록 형성되며, 일단에는 배터리 케이스의 외부와 연통되는 제1홀이 마련되고, 타단에는 배터리 케이스의 내부와 연통되는 제2홀이 마련되며, 각각의 제2홀이 서로 다른 출구저항을 가지도록 형성되는 이너 덕트; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 냉각 시스템이 소개된다.

Description

차량의 배터리 냉각 시스템{BATTERY COOLING SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 전기자동차 또는 하이브리드 자동차의 배터리 팩 냉각을 효율적으로 수행할 수 있는 차량의 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.

전기자동차 또는 하이브리드 차량의 대중화로 인해 배터리에 대한 중요성이 날로 증가되고 있다. 이러한 관심은 단순히 배터리의 용량에 대한 것뿐만 아니라 배터리의 효율성이나 수명등에 영향을 주는 요소에까지 확장되고 있다.

전기자동차 또는 하이브리드 차량에 사용되는 고전압, 고용량 배터리는 일반적으로 복수개의 배터리셀을 하나의 팩으로 만든 배터리 팩으로 구성되고, 이러한 배터리 팩 또한 복수개로 구비되어 전체 배터리를 구성한다.

복수개의 배터리 팩들이 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 배터리에는 고열을 제어하기 위한 냉각 시스템의 구축이 필수적이다.

이를 위해, 이미 다양한 방법의 배터리 팩 냉각 시스템이 고안되어 왔고, 이중 10-2013-0000060 A의 "차량의 배터리 냉각 구조"에서는 "입구와 출구 사이에 열을 지어 배치되고 상대적으로 상기 입구에 가깝게 배치된 적어도 하나 이상의 배터리모듈로 이루어진 제1군모듈 및 상대적으로 상기 출구에 가깝게 배치된 적어도 하나 이상의 배터리 모듈로 이루어진 제2군모듈과; 상기 입구 쪽으로부터 상기 제1군모듈을 냉각하며 통과한 공기가 상기 제2군모듈을 바이패스하여 상기 출구로 유도되도록 배치한 제1덕트와; 상기 입구 쪽으로부터 상기 제1군모듈을 바이패스한 공기가 상기 제2군모듈을 냉각하면서 통과하도록 유도하도록 배치된 제2덕트"를 구비하는 냉각 시스템에 대해 소개하고 있다.

그러나 이러한 종래의 기술에 의하더라도 각 배터리 팩 간의 냉각 효율은 차이가 날 수 밖에 없으며, 하나의 배터리 팩을 냉각한 공기가 다음 배터리 팩을 냉각하는 방식으로 이루어져 있어 배터리 팩 간의 온도편차가 클 수 밖에 없는 문제점이 발생하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2013-0000060

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 각각의 배터리 팩에 개별적으로 외부와 연결되는 덕트를 구비하고, 각 덕트별로 출구저항을 다르게 함으로써 각 배터리 팩에 유입되는 냉각 유량을 동일하게 하여 배터리 팩간의 온도편차를 최소화하는 차량의 배터리 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 배터리 냉각 시스템은 차량의 루프 또는 플로어에 설치되고, 길이방향으로 내부공간을 형성하며, 내부공간의 일측에 블로워가 구비된 배터리 케이스; 배터리 케이스의 내부에, 연속적으로 설치되는 복수개의 배터리 팩; 및 복수개의 배터리 팩에 각각 마련되고, 배터리 케이스 내부에서 각각의 배터리 팩을 감싸도록 형성되며, 일단에는 배터리 케이스의 외부와 연통되는 제1홀이 마련되고, 타단에는 배터리 케이스의 내부와 연통되는 제2홀이 마련되며, 각각의 제2홀이 서로 다른 출구저항을 가지도록 형성되는 이너 덕트; 를 포함한다.

상기 블로워는 배터리 케이스 내부 공기를 외부로 토출시킬 수 있다.

상기 제1홀을 통해서 외부공기가 배터리 팩으로 유입되고, 배터리 팩으로 유입된 공기가 제2홀을 통해 배터리 케이스 내부로 토출될 수 있다.

상기 이너 덕트는 블로워 측에 가까이 위치한 것일수록 출구저항이 높아질 수 있다.

제2홀이 상방을 향하도록 상기 이너 덕트의 타단부가 절곡되고, 제2홀의 테두리부가 블로워 측으로 절곡될 수 있다.

블로워 측에 가까이 위치한 이너 덕트일수록 제2홀의 테두리부가 블로워 측으로 절곡되는 정도가 작아질 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 배터리 냉각 시스템에 따르면, 제2홀의 출구저항을 각 이너 덕트별로 다르게 함으로써 각 이너 덕트를 흐르는 냉각유량이 동일하게 되어 각 배터리 셀의 냉각 효율이 동일하게 되고, 이로인해 냉각 효율이 증대되는 효과가 발생한다.

또한, 각 배터리 팩 마다 독립적인 이너 덕트가 구비됨으로써 개별 냉각이 가능하고, 따라서 최대한의 배터리 팩의 갯수로 배터리를 구성할 수 있다.

또한, 각각의 이너 덕트가 외부와 연결되어 외부로부터 공기를 유입시키는 방식이므로, 블로워의 냉각 유량이 증대되고, 이로인해 각 배터리 팩을 통과하는 냉각 유량 또한 증가되므로 전체적인 냉각 효율이 높아지는 효과가 발생할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 냉각 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 냉각 시스템의 공기유량에 대한 시스템 전체 저항 곡선을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 배터리 냉각 시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 냉각 시스템의 구성도로서, 차량의 루프 또는 플로어에 설치되고, 길이방향으로 내부공간을 형성하며, 내부공간의 일측에 블로워(400)가 구비된 배터리 케이스(100); 배터리 케이스(100)의 내부에, 연속적으로 설치되는 복수개의 배터리 팩(200); 및 복수개의 배터리 팩(200)에 각각 마련되고, 배터리 케이스(100) 내부에서 각각의 배터리 팩(200)을 감싸도록 형성되며, 일단에는 배터리 케이스(100)의 외부와 연통되는 제1홀(320)이 마련되고, 타단에는 배터리 케이스(100)의 내부와 연통되는 제2홀(340)이 마련되며, 각각의 제2홀(340)이 서로 다른 출구저항을 가지도록 형성되는 이너 덕트(300); 를 포함한다.

구체적으로는, 상기 배터리 케이스(100)는 차량의 루프 또는 플로어에 설치됨이 바람직 하지만, 여기에 한정되는 것 만은 아니고, 차량의 트렁크나 엔진룸등 다양한 위치에 설치될 수 있다.

또한, 상기 블로워(400)는 배터리 케이스(100) 내부 공기를 외부로 토출시키는 역할을 수행한다.

한편, 배터리 케이스(100)의 내부에는 연속적으로 설치되는 복수개의 배터리 팩(200)이 구비되는데, 상기 배터리 팩(200)은 복수개의 배터리 셀(220)로 구성되어 있고, 각 배터리 셀(220)은 서로 적층되어 쌓이도록 구성되어 있다. 이때, 적층된 배터리 셀(220)들은 서로 완전히 붙어있는 것이 아니고, 각 배터리 셀(220) 사이에는 외부 공기가 통과할 수 있도록 일정한 공간이 형성되어 배터리 셀(220)의 냉각 효율을 극대화시키는 것이 바람직하다.

한편, 상기 이너 덕트(300)는, 상기 제1홀(320)을 통해서 외부공기가 배터리 팩(200)으로 유입되고, 배터리 팩(200)으로 유입된 공기가 제2홀(340)을 통해 배터리 케이스(100) 내부로 토출되도록 마련되는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 상기 제1홀(320)을 통해서 외부공기가 배터리 팩(200)으로 유입되기 위해서 상기 배터리 케이스(100)에는 제1홀(320)의 개수와 일치하는 관통홀(미도시)이 마련되며, 제1홀(320)과 관통홀이 서로 연결됨으로써 외부공기의 유입이 가능해진다.

제1홀(320)을 통해 유입된 외부공기는 상기 이너 덕트(300) 내부에 위치한 배터리 팩(200)을 통과하여 냉각시키게 되며, 배터리 팩(200)을 통과한 공기는 배터리 케이스(100) 내부에 위치한 제2홀(340)로 빠져나오게 되어 블로워(400)를 통해 외부로 토출된다.

여기서 이너 덕트(300)의 제2홀(340)은 서로 다른 출구저항을 가지도록 형성되는데, 블로워(400) 측에 가까이 위치한 것일수록 출구저항이 높아지는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 블로워(400) 측에 가까이 위치할수록 이너 덕트(300)와 블로워 (400)사이에 존재하는 공기 저항이 감소하는 반면, 블로워(400) 측에서 멀어질수록 이너 덕트(300)와 블로워(400) 사이에 존재하는 공기 저항이 증가하게 되어서, 저항이 작은 쪽에 더 많은 공기가 흐르게 되기 때문이다. 만약 모든 이너 덕트(300)의 출구저항이 동일하다고 하면, 블로워(400) 측에 가까이 위치한 이너 덕트(300)에는 더 많은 공기유량이 통과하게 되고, 블로워(400)를 통해서 나가는 전체 공기유량은 정해져 있기 때문에, 자연스럽게 블로워(400) 측에서 가장 멀리 위치한 이너 덕트(300)를 통과하는 공기유량은 감소하게 되는 것이다. 이는 각 배터리 팩(200)간의 냉각율의 차이를 가져오며, 결과적으로 블로워(400) 측에 가까운 배터리 팩(200)과 멀리 위치한 배터리 팩(200)간에 온도차이가 크게 발생하게 되는 원인이 된다.

따라서, 블로워(400) 측에 가까이 위치할수록 이너 덕트(300)의 출구저항을 단계적으로 높임으로써, 각각의 이너 덕트(300)를 흐르는 공기유량이 모두 동일하도록 하고, 이로인해 모든 배터리 팩(200)의 냉각율을 서로 동일하게 하여 전체적인 냉각효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

상기 이너 덕트(300)의 출구저항을 높이는 데에는 다양한 방법이 사용될 수 있는데, 예를들어 제2홀(340)에 필터를 설치하는 것이라든지, 제2홀(340)을 좁게 만들어 저항을 높이는 것과 같은 다양한 방법들이 사용될 수 있다.

또한, 제2홀(340)이 상방을 향하도록 상기 이너 덕트(300)의 타단부(342)가 절곡되고, 제2홀(340)의 테두리부(350)가 블로워(400) 측으로 절곡되도록 형성되어 출구저항을 조절할 수 있다. 이러한 형상을 가지게 되면 별도의 장치를 추가하지 않고도 어렵지 않게 각 이너 덕트(300)의 출구저항을 변화시킬 수 있다.

즉, 제2홀(340)의 테두리부(350)의 절곡되는 정도를 조절함으로써 출구저항을 변화시킬 수 있는데, 블로워(400) 측에 가까이 위치한 이너 덕트(300)일수록 제2홀(340)의 테두리부(350)가 블로워(400) 측으로 절곡되는 정도가 작아지도록 형성될 수 있는 것이다.

구체적으로는, 상기 블로워(400) 측에 가장 가까이 위치한 제2홀(340)의 테두리부(350)를 제1테두리부(351)라 한다면, 상기 제1테두리부(351)는 각도를 거의 혹은 전혀 형성하지 않도록 형성되고(이하 a각도 라고 한다.), 그 다음으로 멀리 위치한 제2홀(340)의 테두리부(350)를 제2테두리부(352)라 한다면, 상기 제2테두리부(352)는 블로워(400) 측으로 일정 부분 절곡되어 각도를 형성하도록 마련된다.(이하 b각도 라고 한다.) 이런 방법으로 블로워(400) 측에서 멀리 떨어진 순으로 제3테두리부(353), 제4테두리부(354)라고 하고 각각의 각도를 c각도, d각도 라고 한다면, 제4테두리부(354)로 진행될수록 점점 절곡되는 정도가 커지도록, 즉,각도의 크기가 d>c>b>a 가 되도록 하여 제4테두리부(354)에서의 출구저항이 가장 작아지도록 형성될 수 있다.

상기와 같은 방법으로 각 이너 덕트(300)의 출구저항을 조절할 수 있는 이유는, 각 이너 덕트(300)를 통과한 외부에서 유입된 공기들이 모두 같은 방향, 즉 블로워(400) 측으로 이동되기 때문이며, 단순히 제2홀(340)의 테두리부(350)의 각도를 조절하는 것만으로도 유입된 공기가 원활하게 블로워(400) 측으로 이동할 수 있는 정도를 조절할 수 있기 때문인 것이다. 즉, 테두리부(350)를 통과할 때의 저항만을 본다면, 제4테두리부(354)를 통과하는 공기는 제1테두리부(351)를 통과하는 공기보다 더 수월하게 즉, 더 적은 저항을 받으면서 유동하게 되는 것이다.

상기와 같은 방법으로 출구저항을 형성하기 위하여는, 이너 덕트(300)의 테두리부(350) 전체가 같은 방향으로 절곡되기 보다는 일부만 절곡되는 것이 바람직하고, 이 경우에는 블로워(400) 측으로 향하는 테두리부(350)가 절곡됨이 바람직하다.

혹은, 이너 덕트(300)의 타단부(342)가 원통형이나 기타 특정한 형상의 관로로 형성되는 것이 아니라 타단부(342)의 절반 만으로만 유로를 형성하도록 마련될 수 있고, 이 경우 이너 덕트(300)의 하단부가 사용되고 상단은 개방되도록 하는 것이 바람직하다.

일부만 절곡되도록 함으로써, 각 이너 덕트(300)의 유동량을 원활하게 살리되, 일부 저항만을 줌으로써, 각 이너 덕트(300)의 공기유량을 동일하게 하면서 동시에 전체적인 공기유량을 증대시킬 수 있는 것이다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 배터리 냉각 시스템에 따르면, 제2홀(340)의 출구저항을 각 이너 덕트(300)별로 다르게 함으로써 각 이너 덕트(300)를 흐르는 냉각유량이 동일하게 되어 각 배터리 셀(220)의 냉각 효율이 동일하게 되고, 이로인해 냉각 효율이 증대되는 효과가 발생한다.

또한, 각 배터리 팩(200) 마다 독립적인 이너 덕트(300)가 구비됨으로써 개별 냉각이 가능하고, 따라서 최대한의 배터리 팩(200)의 갯수로 배터리를 구성할 수 있다.

또한, 각각의 이너 덕트(300)가 외부와 연결되어 외부로부터 공기를 유입시키는 방식이므로, 블로워(400)의 냉각 유량이 증대되고, 이로인해 각 배터리 팩(200)을 통과하는 냉각 유량 또한 증가되므로 전체적인 냉각 효율이 높아지는 효과가 발생한다.

이와 관련하여 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 냉각 시스템의 공기유량에 대한 시스템 전체 저항 곡선을 나타낸 도면으로, 여기서 시스템 전체 저항은 블로워(400)가 배터리 케이스(100) 내부의 전체 공기를 토출시키는데 극복해야 하는 저항 정도를 의미한다. X축은 공기유량이고, Y축은 압력, 즉 시스템 전체 저항 정도이다.

도 2의 A 곡선은 종래기술의 공기유량에 대한 시스템 전체 저항 곡선이고, B 곡선은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기유량에 대한 시스템 전체 저항 곡선이다. 그래프를 통해 확연히 알 수 있듯이, 본 발명을 통해 전체 시스템 저항은 절반 수준으로 낮아졌고, 동시에 배터리 케이스(100)의 내부에 흐르는 공기유량은 증가하였다. 즉, 전체적인 냉각 효율이 높아지는 효과가 발생하였음을 볼 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 배터리 케이스 200 : 배터리 팩
220 : 배터리 셀 300 : 이너 덕트
320 : 제1홀 340 : 제2홀
342 : 타단부 350 : 테두리부
351 : 제1테두리부 352 : 제2테두리부
353 : 제3테두리부 354 : 제4테두리부
400 : 블로워

Claims

차량의 루프 또는 플로어에 설치되고, 길이방향으로 내부공간을 형성하며, 내부공간의 일측에 블로워가 구비된 배터리 케이스;
배터리 케이스의 내부에, 연속적으로 설치되는 복수개의 배터리 팩; 및
복수개의 배터리 팩에 각각 마련되고, 배터리 케이스 내부에서 각각의 배터리 팩을 감싸도록 형성되며, 일단에는 배터리 케이스의 외부와 연통되는 제1홀이 마련되고, 타단에는 배터리 케이스의 내부와 연통되는 제2홀이 마련되며, 각각의 제2홀이 서로 다른 출구저항을 가지도록 형성되는 이너 덕트; 를 포함하되,
제2홀이 상방을 향하도록 상기 이너 덕트의 타단부가 절곡되고, 제2홀의 테두리부가 블로워 측으로 절곡되며,
블로워 측에 가까이 위치한 이너 덕트일수록 제2홀의 테두리부가 블로워 측으로 절곡되는 정도가 작아지는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 냉각 시스템.
청구항 1항에 있어서,
상기 블로워는 배터리 케이스 내부 공기를 외부로 토출시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 냉각 시스템.
청구항 1항에 있어서,
상기 제1홀을 통해서 외부공기가 배터리 팩으로 유입되고, 배터리 팩으로 유입된 공기가 제2홀을 통해 배터리 케이스 내부로 토출되는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 냉각 시스템.
청구항 1항에 있어서,
상기 이너 덕트는 블로워 측에 가까이 위치한 것일수록 출구저항이 높아지는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 냉각 시스템.
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