KR101021114B1 - 차량 구동용 배터리 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 구동용 배터리 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각팬의 위치를 가변시켜 배터리를 균일하게 냉각함으로써, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있는 차량 구동용 배터리 냉각장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 배터리셀들을 감싸며 전후면에 흡기구와 배기구가 형성된 하우징; 상기 하우징의 배기구를 개폐하도록 회전가능하게 설치된 개폐도어; 내부에 냉각팬이 설치되고, 상기 하우징의 배기구측에서 이동가능하게 설치된 냉각팬 내장부; 상기 냉각팬 내장부를 하우징의 배기구 측면을 따라 이동시켜주는 이동수단을 포함하고, 상기 냉각팬의 흡입압력에 의해 개폐도어가 열리고, 상기 냉각팬이 이동하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀부터 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동용 배터리 냉각장치를 제공한다.

배터리셀, 냉각팬, 냉각풍, 개폐도어, 피니언기어, 랙기어

Description

차량 구동용 배터리 냉각장치{Cooling system for battery of driving vehicle}

본 발명은 차량 구동용 배터리 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각팬의 위치를 가변시켜 배터리를 균일하게 냉각함으로써, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있는 차량 구동용 배터리 냉각장치에 관한 것이다.

배터리셀은 배터리유닛을 이루는 기본적인 요소로서, 다수개가 전기적으로 접속되고 기계적으로 연결되어 외부와 전기를 주고 받을 수 있도록 되어 있으며, 각 배터리셀에서는 독자적인 전기/화학적 반응이 일어나게 되어 있어서, 각 배터리셀들의 온도 변화는 독립적으로 이루어진다.

따라서, 배터리유닛의 차원에서는 소속되어 있는 각 배터리셀들이 동일한 온도를 가지고 균일한 전기/화학적 작용을 하도록 하는 것이 필요하며, 특히 배터리셀들을 균일하게 냉각시키는 것은 배터리유닛의 내구성 확보에 매우 중요하게 작용한다.

본 발명과 관련된 일본공개특허 제2005-294023호에는 소형이고 방열성 및 내진동성이 뛰어난 조전지(組電池)가 개시되어 있다. 상기 조전지는 판상의 배터리셀들을 프레임에 나열하고, 상기 프레임을 6단으로 적층한 배터리 유닛으로 구성된다.

상기 배터리 유닛 내의 배터리셀들을 냉각하기 위해 각 프레임마다 일측에 냉매도입구와 타측에 냉매배출구를 형성하여, 상기 냉매도입구를 통해 유입된 냉매가 프레임 내에 나열된 배터리셀들을 냉각시킨후 냉매배출구를 통해 배출되게 되는 구조이다.

그리고, 상기 특허에서 조전지에 냉각풍을 공급하기 위해 조전지의 외장케이스 일측에 냉매도입덕트가 형성되고, 상기 외장케이스 타측에 냉각팬과 냉매배출덕트가 형성되어 있다.

그러나, 상기 냉매도입덕트 근처에 있는 배터리셀들은 냉각성능이 좋아서 온도가 빨리 내려가나 냉각팬과 냉매배출덕트 근처에 있는 배터리셀들은 냉각 성능이 나빠서 온도가 느리게 내려간다.

이로인해 배터리셀의 온도가 불균일하게 되고, 배터터리 유닛에서 최대온도와 최저온도의 차이가 커지게 되며, 그 결과 배터리 유닛의 전체 수명이 온도가 가장 높고 수명이 가장 짧은 배터리셀과 비슷해져서 배터리의 교체수명이 단축되는 요인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량 구동을 위해 배터리팩 내부에 장착되는 배터리셀들을 냉각함에 있어서 냉각팬을 좌우로 직선이동시키거나 360도 회전시켜 상대적으로 온도가 높은 배터리셀을 먼저 냉각함으로써, 배터리셀들을 균일하게 냉각하여 배터리의 수명을 연장할 수 있는 차량 구동용 배터리 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적은 차량 구동용 배터리 냉각장치에 있어서,

배터리셀들을 감싸며 전후면에 흡기구와 배기구가 형성된 하우징; 상기 하우징의 배기구를 개폐하도록 설치된 개폐도어; 내부에 냉각팬이 설치되고, 상기 하우징의 배기구측에서 이동가능하게 설치된 냉각팬 내장부; 상기 냉각팬 내장부를 하우징의 배기구 측면을 따라 이동시켜주는 이동수단을 포함하고, 상기 냉각팬의 흡입압력에 의해 개폐도어가 열리고, 상기 냉각팬이 이동하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀부터 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동용 배터리 냉각장치에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 냉각팬을 이동시키기 위한 이동수단은 하우징의 배기구측 상면에 설치된 랙기어와, 상기 랙기어와 맞물리게 결합되고 냉각팬 내장부의 상단부 하면에 설치되는 피니언기어와, 상기 피니언기어를 구동하는 피니언구동용 모 터를 포함하고, 상기 피니언구동용 모터가 가동됨에 따라 냉각팬 내장부의 냉각팬이 하우징의 배기구측 상면에서 좌우방향으로 이동하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀부터 냉각하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기한 목적은 차량 구동용 배터리 냉각장치에 있어서,

배터리셀들을 감싸며 전후면에 흡기구와 배기구가 형성된 하우징; 상기 하우징의 배기구를 개폐하도록 설치된 개폐도어; 내부에 냉각팬이 설치되고, 상기 하우징의 배기구측에서 회전가능하게 설치된 냉각팬 내장부; 상기 냉각팬 내장부를 하우징의 배기구 측면을 따라 회전시켜주는 회전수단을 포함하고, 상기 냉각팬의 흡입압력에 의해 개폐도어가 열리고, 상기 냉각팬이 회전하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀부터 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동용 배터리 냉각장치에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 회전수단은 하우징의 배기구측 중심부에 설치된 중심축과, 상기 중심축을 중심으로 냉각팬 내장부가 회전가능하도록 냉각팬 내장부의 일측 모서리에 설치된 전동수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 발명에 따른 차량 구동용 배터리 냉각장치에 의하면, 냉각팬이 이동 및 회전하면서 상대적으로 온도가 높은 배터리부터 냉각시킴으로써, 배터리팩 안에 있는 배터리셀들을 균일하게 냉각시킬 수 있고, 배터리셀들의 최고온도 및 최저온도의 차이를 최소화하여 배터리의 수명을 연장할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

본 발명은 하이브리드 차량 등의 구동용 배터리를 냉각하는 장치에 관한 것으로서, 냉각팬(18)의 위치를 가변시켜 배터리의 냉각온도를 균일하게 하는 구조를 갖는 차량구동용 배터리 냉각장치에 관한 것이다.

상기 배터리는 차량을 구동하는 데 사용하는 2차 배터리에 관한 것이다. 상기 배터리는 내부에 다수의 배터리셀(11,21)들이 적층 및 결합된 배터리팩 형태로 제공되며, 냉각풍을 냉각팬(18)에 의해 흡입하여 배터리팩 내부에서 냉각풍과 가열된 배터리셀(11,21)간의 열교환에 의해 배터리셀(11,21)은 냉각되고 냉각풍은 가열되어 냉각팬(18)으로 빠져나가는 구조로 이루어진다.

이와 같은 구조를 이루기 위해 상기 적층 및 결합된 배터리셀(11,21)들을 내부에 수용하는 배터리팩과, 배터리팩 내부로 냉각풍이 흡입 및 배출되는 흡기구 및 배기구(19)와, 냉각풍을 흡입 및 배출시키기 위한 냉각팬(18)과, 냉각팬(18)을 이동 및 회전시키기 위한 이동수단 및 회전수단을 포함한다.

상기 흡기구는 배터리팩 하우징(10,20)에 일측방향(길이가 긴 측면방향)으로 개구되며 배터리팩 안에 적층 및 결합된 배터리셀(11,21)들에 균일하게 작용할 수 있도록 다수의 흡기구가 형성되며, 흡기구를 통해 유입된 냉각풍은 각 배터리셀(11,21)과 동시에 부딪혀서 냉각작용을 동시에 수행한다.

또한, 상기 배기구(19)는 배터리팩 하우징(10,20)에 흡기구의 반대방향으로 서로 마주보게 형성되며, 상기 이동수단은 냉각팬(18)이 내부에 장착된 냉각팬 내장부(12)를 좌우로 이동시키기 위해 배터리팩 하우징(10)의 배기구(19)측 상단에 랙과 피니언의 조합으로 구성된다. 또한, 상기 회전수단은 냉각팬 내장부(22)를 360도로 회전시키기 위해 냉각팬 내장부(22)의 일측모서리가 배기구(19) 측의 중심축(24)에 결합된다. 따라서, 직선이동수단에 의한 경우 냉각팬(18)이 냉각풍의 흐름과 수직인 방향으로 움직이고, 회전수단에 의한 경우 냉각팬(18)이 360도 회전하여 온도가 상대적으로 높은 배터리셀(11,21)을 먼저 냉각하여 배터리셀(11,21)을 균일하게 냉각시킨다.

상기 배기구(19)측 전체면에는 배기구(19)를 개폐하기 위한 다수의 개폐도어(13,23)가 회전가능하게 설치되고, 냉각팬(18)은 배기구(19) 전체면을 커버하지 않고 이동수단 및 회전수단에 의해 상대적으로 온도가 높은 배터리셀(11,21)로 이동 및 회전하면서 냉각풍을 흡입하므로, 냉각팬(18)이 없는 배기구(19) 측에 설치된 개폐도어(13,23)는 닫힘상태로 되고, 냉각팬(18)이 있는 배기구(19) 측에 설치된 개폐도어(13,23)는 열림상태로 되어 배터리셀(11,21)을 균일하게 냉각시킨다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치를 첨부한 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치를 나타내는 사시도이고, 도 2은 도 1에서 직선이동수단을 나타내는 개략도이고, 도 5는 냉각팬이 통해 냉각풍이 배출되는 구조를 설명하기 위한 작동상태도이고, 도 6은 냉각팬이 없는 곳에 위치한 개폐도어의 닫힘상태를 나타내는 작동상태도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치는 크게 배터리팩과,냉각팬(18)이 내부에 장착된 냉각팬 내장부(12)와, 냉각팬 내장부(12)를 이동시키기 위한 이동수단으로 구성된다.

배터리팩은 흡기구와 배기구(19)가 형성된 하우징(10)과, 하우징(10) 내부에 적층 및 결합된 배터리셀(11)을 포함하고, 냉각팬 내장부(12)에는 냉각팬(18)이 설치되어 있다.

상기 하우징(10)은 복수의 배터리셀(11)을 패키지 형태로 모듈화하기 위해 적층 및 결합된 배터리셀(11)들을 모두 감싸는 구조로 이루어지고, 근사 직사각체로서 하우징(10)의 가로방향으로 상하좌우면 전체가 밀폐되고, 하우징(10)의 세로방향으로 전단면에 흡기구가 형성되고, 하우징(10)의 후단면에 배기구(19)가 형성된다.

상기 배기구(19)측에는 배기구(19)를 개폐하도록 다수의 개폐도어(13)가 회전축에 회전가능하게 설치되고, 평상시에는 배기구(19)에서 닫힘상태로 있다가 냉각팬(18)의 흡입압력에 의해 개폐도어(13)가 열림상태로 되게 된다.

상기 냉각팬 내장부(12)의 내부에는 냉각팬(18)이 회전가능하게 설치되고, 냉각팬(18)을 구동시키기 위한 구동모터가 설치되고, 냉각팬(18)의 회전축에 구동모터가 연결되어 구동모터가 가동됨에 따라 냉각팬(18)이 회전하게 된다. 이때, 상기 냉각팬 내장부(12)의 후면에는 장공형태의 배출구(17)가 복수로 평행하게 형성되어 있다.

상기 냉각팬 내장부(12)를 좌우방향으로 이동시켜주기 위한 이동수단은 배터 리팩 하우징(10)의 상면에 설치된 랙기어(14)와, 냉각팬 내장부(12)의 상측부가 전방향으로 연장된 부분의 하면에 설치된 피니언기어(15)와, 피니언기어(15)를 구동하기 위한 피니언 구동용 모터를 포함한다. 이때, 피니언기어(15)는 랙기어(14)와 맞물리게 설치되고, 상기 피니언기어(15)의 회전축은 피니언 구동용 모터(16)와 연결되어 있으며, 모터가 가동됨에 따라 피니언기어(15)가 회전하면서 피니언기어(15)와 맞물린 랙기어(14)를 따라 냉각팬 내장부(12)가 좌우로 이동하게 된다.

또한, 상기 배터리팩 하우징(10) 내부에는 배터리셀(11)들의 온도를 감지하기 위한 온도센서가 복수 설치되어 있고, 제어부는 온도센서로부터 감지신호를 입력받아 냉각팬(18)이 상대적으로 과열된 배터리셀(11)로 이동할 수 있도록 제어한다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저 냉각팬 내장부(12)의 구동모터를 일정한 속도로 가동한다. 배터리의 과열되는 정도에 따라 배터리 온도가 올라갈 수록 구동모터를 제어하여 냉각팬(18)의 회전속도를 증가시킨다.

냉각팬(18)이 회전함에 따라 흡기구를 통해 냉각풍이 흡입되고, 제어부는 온도센서로부터 감지신호를 입력받아 이동수단의 작동을 제어하여 냉각팬 내장부(12)를 이동시켜 상대적으로 더욱 과열된 배터리를 냉각시킨다.

피니언구동용 모터(16)는 제어부로부터 제어신호를 받아 가동되면서 피니언기어(15)를 회전시키고, 냉각팬 내장부(12)가 피니언기어(15)와 치합된 랙기어(14) 를 따라 이동하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀(11)이 있는 곳으로 이동한다.

계속해서, 과열된 배터리셀(11)이 있는 배기구(19)측으로 이동한 냉각팬 내장부(12)에서는 냉각팬(18)이 가동되어 냉각팬(18)의 흡입압력에 의해 개폐도어(13)가 열림상태로 되고, 냉각풍이 상대적으로 온도가 높은 배터리셀(11)로 유입되어 냉각시킨 후 개폐도어(13)를 거쳐 냉각팬(18)을 통해 배출된다. 물론 온도가 상대적으로 낮은 배터리셀(11)의 경우에도 냉각풍이 공급되나, 초기에 냉각풍이 상대적으로 온도가 높은 배터리셀(11)을 냉각시킨 후에 냉각되게 되므로 상대적으로 온도가 낮은 배터리셀(11)은 상대적으로 온도가 높은 배터리셀(11)의 온도와 균형을 이루면서 냉각되게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에서 "A-A"선을 따라 취한 단면도이다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치는 배터리팩, 배터리팩 하우징(20)의 배기구(19)측에 설치된 개폐도어(13) 등은 상기 일실시예와 구성 및 작용면에서 대동소이하므로 이하 설명에서 생략하고, 냉각팬(18)을 회전시켜주기 위한 회전수단 위주로 설명하기로 한다.

상기 일실시예에서 냉각팬(18)이 배터리팩 하우징(20)의 배기구(19)를 커버하는 범위는 세로방향의 배터리셀(21) 모두를 냉각시키되, 배기구(19) 전체면의 약 1/3에 해당하는 범위이며, 냉각팬(18)이 좌우로 이동하면서 과열된 배터리셀(21)들을 먼저 냉각시킨다.

그러나, 제2실시예에서 냉각팬(18)이 배터리팩 하우징(20)의 배기구(19)를 커버하는 범위는 배기구(19) 전체면의 약 1/4에 해당하는 범위이며, 냉각팬(18)이 360도로 회전하면서 과열된 배터리셀(21)들을 먼저 냉각시킨다.

즉, 냉각팬 내장부(22)의 오른쪽 상단부가 배기구측에 고정설치된 중심축(24)을 중심으로 회전가능하게 결합되며, 상기 냉각팬 내장부(22)가 중심축(24)을 중심으로 일방향으로 회전하면서 냉각팬(18)의 흡입압력에 의해 개폐도어(23)가 열리고 냉각풍이 흡입되어 과열된 배터리셀(21)을 냉각시킨 후 개폐도어(23)를 거쳐 냉각팬(18)을 통해 배출되게 된다.

여기서, 냉각팬 내장부(22)를 회전시키는 수단은, 전동 모터를 이용한다. 전동 모터의 하우징에 볼트 또는 일체 성형 등으로 고정된 냉각팬 내장부(22)는, 각 전지 온도 검출의 결과, 전지 온도의 가장 높은 위치에 회전 제어되어 이동한다.

회전 제어는 전지 온도 상황을 검지하고, 모터의 시동, 회전각, 정지 등을 결정하여 모터에 제어 신호를 보낸다.

이와 같은 구성 및 작용에 의해 냉각팬(18)이 이동 및 회전하면서 상대적으로 온도가 높은 배터리부터 냉각시킴으로써, 배터리팩 안에 있는 배터리셀(11,21)들을 균일하게 냉각시킬 수 있고, 배터리셀(11,21)들의 최고온도 및 최저온도의 차이를 최소화하여 배터리의 수명을 연장할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치를 나타내는 사시도,

도 2은 도 1에서 직선이동수단을 나타내는 개략도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량구동용 배터리 냉각장치를 나타내는 사시도,

도 4는 도 3에서 "A-A"선을 따라 취한 단면도,

도 5는 냉각팬이 통해 냉각풍이 배출되는 구조를 설명하기 위한 작동상태도,

도 6은 냉각팬이 없는 곳에 위치한 개폐도어의 닫힘상태를 나타내는 작동상태도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20 : 하우징 11,21 : 배터리셀

12,22 : 냉각팬 내장부 13,23 : 개폐도어

14 : 랙기어 15 : 피니언기어

16 : 피니언구동용 모터 17,27 : 배출구

18 : 냉각팬 19 : 배기구

24 : 중심축

Claims (4)

1. 차량 구동용 배터리 냉각장치에 있어서,

   배터리셀들을 감싸며 전후면에 흡기구와 배기구가 형성된 하우징;

   상기 하우징의 배기구를 개폐하도록 설치된 개폐도어;

   내부에 냉각팬이 설치되고, 상기 하우징의 배기구측에서 이동가능하게 설치된 냉각팬 내장부;

   상기 냉각팬 내장부를 하우징의 배기구 측면을 따라 이동시켜주는 이동수단을 포함하고, 상기 냉각팬의 흡입압력에 의해 개폐도어가 열리고, 냉각팬이 이동하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀부터 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동용 배터리 냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 냉각팬을 이동시키기 위한 이동수단은 하우징의 배기구측 상면에 설치된 랙기어와, 상기 랙기어와 맞물리게 결합되고 냉각팬 내장부의 상단부 하면에 설치되는 피니언기어와, 상기 피니언기어를 구동하는 피니언구동용 모터를 포함하고, 상기 피니언구동용 모터가 가동됨에 따라 냉각팬 내장부의 냉각팬이 하우징의 배기구측 상면에서 좌우방향으로 이동하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀부터 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량 구동용 배터리 냉각장치.
3. 차량 구동용 배터리 냉각장치에 있어서,

   배터리셀들을 감싸며 전후면에 흡기구와 배기구가 형성된 하우징;

   상기 하우징의 배기구를 개폐하도록 설치된 개폐도어;

   내부에 냉각팬이 설치되고, 상기 하우징의 배기구측에서 회전가능하게 설치된 냉각팬 내장부;

   상기 냉각팬 내장부를 하우징의 배기구 측면을 따라 회전시켜주는 회전수단을 포함하고, 상기 냉각팬의 흡입압력에 의해 개폐도어가 열리고, 상기 냉각팬이 회전하여 상대적으로 온도가 높은 배터리셀부터 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동용 배터리 냉각장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 회전수단은 하우징의 배기구측 중심부에 설치된 중심축과, 상기 중심축을 중심으로 냉각팬 내장부가 회전가능하도록 냉각팬 내장부의 일측 모서리에 설치된 전동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 구동용 배터리 냉각장치.

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