KR102481965B1 - 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스 - Google Patents

배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스 Download PDF

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Abstract

배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스 는 다수개의 배터리 셀을 조합하여 전기자동차의 동력원으로 적용되는 배터리 모듈이 복수개 수용되고, 상기 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스로서, 냉각수 유로를 형성하고, 상부에 안착된 배터리 모듈을 냉각시키는 냉각패널, 상기 냉각패널의 둘레를 따라 접합되어 상기 배터리 모듈을 보호하는 가이드 멤버, 상기 냉각패널의 일측에 장착되어 상기 냉각수 유로와 연결되고, 일측에서 절곡되어 선단부가 상기 가이드 멤버에 관통 설치되며, 외부의 냉각수 탱크와 연결되는 냉각포트, 및 상기 가이드 멤버의 상부를 덮어 상기 배터리 모듈이 수용되는 내부를 밀폐하는 커버를 포함한다.

Description

배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스{BATTERY CASE CONTAINING THE COOLING DEVICE OF THE BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접합 구조의 강성을 확보하면서도 수밀성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스 에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 전기 자동차의 모터 구동용 배터리의 경우, 다수의 배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량의 이차전지를 구성하게 된다.
다수의 배터리 모듈이 직렬로 연결된 배터리 팩은 충/방전 시 배터리 셀에서 열이 발생하고, 상기 배터리 셀의 온도에 따라 충방전 전력이 달라지게 된다.
따라서, 상기 배터리 팩의 내부온도가 예를 들어, 25°~40°로 운전되도록 배터리 셀의 온도를 적절한 범위로 유지하여야 한다.
현재 사용되고 있는 전기 자동차용 배터리의 냉각방식은 크게 공랭식과 수냉식으로 나눌 수 있으며, 공냉 및 수냉식 냉각방식은 배터리 모듈 단위로 이루어지는 것이 일반적이다.
공랭식 냉각방식은 냉각팬을 배터리 트레이에 부착하고, 공기를 외부에서 흡입하여 배터리 트레이의 입구 쪽부터 냉각을 시켜 배터리 트레이의 뒤쪽 출구로 공기를 배기시킨다.
그러나 배터리 냉각성능은 입구단에서 데워진 공기가 뒤쪽으로 전달됨으로 배터리의 위치에 따라 냉각특성에 차이가 발생할 수 있으며, 특히 앞쪽보다는 뒤쪽에 위치한 배터리의 냉각효율이 떨어진다고 볼 수 있으며, 전체적으로 공기에 의한 냉각속도가 느린 단점이 있다.
이에, 발열이 상대적으로 많은 배터리 모듈에 대해 수냉판으로 냉각수를 유입시켜 배터리 팩을 냉각시키는 수냉식 냉각방식이 주로 사용되고 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 수냉식 냉각장치는 배터리 모듈의 하측에 냉각 패널을 배치하고, 상기 냉각 패널에 냉각 파이프를 직접 삽입시켜 배터리 모듈을 냉각하고 있는데, 이때, 상기 냉각 패널을 차체에 용접 시, 상기 냉각 파이프에 의해 한번에 용접하기가 어렵고, 용접을 진행한다고 하더라도, 구조의 특성 상, 다른 용접을 적용해야한다는 단점이 있다.
다시 말해, 종류가 다른 용접을 별도로 진행하여 용접점이 많아지면, 내부의 작동유체의 압력이 높아지는 경우, 스웰링 형상 및 누수가 발생할 수 있고, 제품의 내구성이 낮아지는 문제점이 발생한다.
따라서, 냉각 효율을 향상시키면서, 제조 공정을 단순화하며, 중량을 줄여 전기 자동차의 주행거리를 늘릴 수 있는 새로운 배터리 냉각장치에 대한 연구개발이 필요하다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 냉각패널과 가이드 멤버의 접합 시, 다른 부품의 간섭 없이 한번의 공정으로 전주용접할 수 있는 구조로 이루어져 용접점이 줄어들어 접합 구조의 강성을 확보하면서도 수밀성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 다수개의 배터리 셀을 조합하여 전기자동차의 동력원으로 적용되는 배터리 모듈이 복수개 수용되고, 상기 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스로서, 냉각수 유로를 형성하고, 상부에 안착된 배터리 모듈을 냉각시키는 냉각패널, 상기 냉각패널의 둘레를 따라 접합되어 상기 배터리 모듈을 보호하는 가이드 멤버, 상기 냉각패널의 일측에 장착되어 상기 냉각수 유로와 연결되고, 일측에서 절곡되어 선단부가 상기 가이드 멤버에 관통 설치되며, 외부의 냉각수 탱크와 연결되는 냉각포트, 및 상기 가이드 멤버의 상부를 덮어 상기 배터리 모듈이 수용되는 내부를 밀폐하는 커버를 를 포함하는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스를 제공할 수 있다.
또한, 상기 냉각패널은 하측을 향하여 돌출된 일정패턴의 냉각수 홈이 형성되는 하부패널, 및 상기 하부패널의 상부에 접합되고, 상기 냉각수 홈을 밀폐하여 냉각수 유로를 형성하는 상부패널을 포함할 수 있다.
또한, 상기 일정패턴은 차체길이 방향을 기준으로 일측 선단의 일측에 형성된 냉각수 유로의 유입구로부터 시작하여 타측 선단까지 연결되고, 일측 선단으로 되돌아와 일측 선단의 타측에 형성된 냉각수 유로의 배출구에서 끝나되, 상기 냉각수 유로가 차체 하부 전면에 걸쳐 형성되도록 차폭 방향으로 길게 반복적으로 배치되어 그 양단부가 각각 연결되는 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 냉각포트는 상기 냉각수 유로의 유입구와 배출구에 각각 장착될 수 있다.
또한, 상기 가이드 멤버는 상기 냉각패널의 둘레를 따라 단일 공정으로 전주용접될 수 있다.
또한, 상기 전주용접은 마찰교반용접(FSW: Friction Stir Welding)을 통해 수행될 수 있다.
또한, 상기 냉각포트는 중앙부에 형성된 플랜지를 통해 상기 가이드 멤버의 내측면에 지지되며, 상기 플랜지와 상기 가이드 멤버 사이에 실링부재가 장착될 수 있다.
또한, 상기 냉각포트는 외부로 노출된 외주면에 나사탭을 형성하고, 상기 나사탭을 통해 너트가 체결되어 상기 플랜지와 함께 상기 실링부재를 압착하면서, 상기 가이드 멤버에 지지될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈이 수용되는 공간을 구획하며, 상기 가이드 멤버를 연결하는 복수개의 크로스 멤버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스 냉각패널과 가이드 멤버의 접합 시, 다른 부품의 간섭 없이 한번의 공정으로 전주용접할 수 있는 구조로 이루어져 제조공정과 제조시간을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
다시 말해, 상기 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스는 냉각패널과 필수적으로 연결되는 냉각포트를 가이드 멤버를 관통하는 구조로 적용하여 냉각패널과 가이드 멤버 사이의 용접 시, 한 종류의 용접을 통해 단일 공정으로 접합할 수 있어 수밀성을 향상시킬 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스에 적용되는 냉각포트의 확대도이다.
도 4는 도 3의 A-A선에 따른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
또한, 하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스의 분해 사시도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)에는 다수개의 배터리 셀(미도시)을 조합하여 전기자동차의 동력원으로 적용되는 배터리 모듈(20)이 복수개 수용된다.
상기한 배터리 모듈(20)이 복수개 수용되어 배터리 팩 케이스(10)에 의해 패키징됨으로써 배터리 팩(1)을 이룰 수 있다.
상기 배터리 팩(1)은 전기자동차의 출력과 직결되는 보증 가능한 온도를 일정하게 유지해주어야 한다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈(20)의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)는 냉각패널(30), 가이드 멤버(40), 크로스 멤버(50), 냉각포트(60), 및 커버(70)를 포함한다.
상기 냉각패널(30)은 냉각수 유로(33)를 형성하고, 상부에 상기 배터리 모듈(20)이 안착되어 상기 냉각수 유로(33)로 순환하는 냉각수에 의해 상기 배터리 모듈(20)을 냉각시킨다.
이러한 냉각패널(30)은 하부패널(31)과 상부패널(35)로 구성되어 상기 배터리 팩 케이스(10)의 하부를 이룬다.
상기 하부패널(31)에는 하측을 향하여 돌출된 일정패턴의 냉각수 홈이 형성된다.
상기 상부패널(35)은 상기 하부패널(31)의 상부에 접합된다.
상기 상부패널(35)은 판형으로 이루어져 상기 냉각수 홈을 밀폐함으로써, 냉각수 유로(33)를 형성할 수 있다.
즉, 상기 하부패널(31)과 상부패널(35)은 가장자리를 따라 상호 용접되어 내부에 일정패턴의 냉각수 유로(33)를 형성할 수 있다.
이때, 상기 일정패턴은 차체길이 방향을 기준으로 일측 선단의 일측에 형성된 냉각수 유로(33)의 유입구(37)로부터 시작하여 타측 선단까지 연결된 후, 일측 선단으로 되돌아와 일측 선단의 타측에 형성된 냉각수 유로(33)의 배출구(39)에서 끝나는 형상으로 이루어진다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에서는 일측 선단이 차량의 전방에 위치하고, 타측 선단이 차량의 후방에 위치할 수 있다.
더불어, 상기 일정패턴은 상기 냉각수 유로(33)가 차체 하부 전면에 걸쳐 형성되도록 차폭 방향으로 길게 반복적으로 배치되어 그 양단부가 각각 연결되는 형상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 통상적으로 당 업계에서 적용되는 차량의 전방과 후방 사이를 나타내는 차체 길이방향, 차량의 좌측과 우측 사이를 나타내는 차폭 방향, 차량의 상부와 하부 사이를 나타내는 차고 방향을 기준방향으로 설정하기로 한다.
상기와 같은 기준방향의 정의는 상대적인 의미로서, 본 장치의 기준위치 또는 조립 부품의 기준위치 등에 따라서 그 방향이 달라질 수 있으므로, 상기한 기준방향이 본 실시 예의 기준방향으로 반드시 한정되는 것은 아니다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예에서의 단(한쪽/일측 단 또는 다른 한쪽/일측 단)은 어느 한쪽의 끝으로 정의될 수 있고, 그 끝을 포함하는 일정 부분(한쪽/일측 단부 또는 다른 한쪽/일측 단부)으로 정의될 수도 있다.
상기한 냉각패널(30)의 둘레를 따라 가이드 멤버(40)가 접합된다.
상기 가이드 멤버(40)는 상기 배터리 모듈(20)을 보호한다.
상기 가이드 멤버(40)는 사각 단면을 가지는 알루미늄 압출재로 이루어질 수 있다.
이러한 가이드 멤버(40)는 상기 냉각패널(30)의 면적에 대응하여 형성되는데, 설정길이로 절단하여 상기 냉각패널(30)의 둘레에 각각 장착될 수 있고, 일체로 형성될 수도 있다.
이러한 가이드 멤버(40)는 상기 냉각패널(30)의 둘레를 따라 단일 공정으로 전주(全周)용접될 수 있다.
예를 들어, 상기 가이드 멤버(40)는 마찰교반용접(FSW: Friction Stir Welding)을 통해 상기 냉각패널(30)과 접합될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 상기 냉각패널(30)과 가이드 멤버(40)의 접합 시 마찰교반용접을 적용하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 용접 방법을 변경하여 적용할 수 있다.
그리고 상기 냉각패널(30)의 상부에는 복수개의 크로스 멤버(50)가 장착될 수 있다.
즉, 상기 크로스 멤버(50)는 상기 배터리 모듈(20)의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)의 내부에 상기 배터리 모듈(20)이 수용되는 공간을 구획하며, 상기 가이드 멤버(40)를 연결하도록 장착될 수 있다.
이러한 크로스 멤버(50)는 차체 길이방향으로 장착될 수 있고, 차폭 방향으로 장착될 수도 있다.
상기 크로스 멤버(50)는 상기 배터리 모듈(20)을 보호함과 동시에, 강성을 확보할 수 있다.
한편, 상기 냉각패널(30)의 일측에는 냉각포트(60)가 장착된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스에 적용되는 냉각포트의 확대도이고, 도 4는 도 3의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 상기 냉각포트(60)는 상기 냉각패널(30)의 일측에 장착되어 상기 냉각수 유로(33)와 연결된다.
상기 냉각포트(60)는 일측에서 절곡되어 선단부가 상기 가이드 멤버(40)에 관통 설치된다.
또한, 상기 냉각포트(60)에는 중앙부에 플랜지(61)가 형성되며, 상기 플랜지(61)를 통해 상기 가이드 멤버(40)의 내측면에 지지된다.
즉, 상기 냉각포트(60)는 일측선단이 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)의 내부에서 상기 냉각패널(30)과 연결되고, 타측선단이 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)의 외부에서 냉각수 탱크(15)와 연결되는 것이다.
또한, 상기 플랜지(61)와 상기 가이드 멤버(40) 사이에는 실링부재(63)가 개재된다.
이러한 냉각포트(60)는 외부의 냉각수 탱크(15)와 연결되어 상기 냉각수 유로(33)로 냉각수가 순환되도록 연결될 수 있다.
그리고 상기 냉각포트(60)는 외부로 노출된 외주면에 나사탭(S)이 형성된다.
상기 냉각포트(60)는 상기 나사탭(S)을 통해 너트(65)가 체결되어 상기 플랜지(61)와 함께 상기 실링부재(63)를 압착하면서 상기 가이드 멤버(40)에 지지될 수 있다.
이로써, 상기 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)는 내부에 수밀을 이룰 수 있다.
그리고 상기 가이드 멤버(40)의 상부에는 커버(70)가 접합된다.
상기 커버(70)는 상기 가이드 멤버(40)의 상부를 덮어 상기 배터리 모듈(20)이 수용되는 내부를 밀폐시킨다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)는 상기 냉각패널(30)과 가이드 멤버(40)의 접합 시, 다른 부품의 간섭 없이 한번의 공정으로 전주용접할 수 있는 구조로 이루어져 제조공정과 제조시간을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
즉, 상기 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)는 냉각패널(30)과 필수적으로 연결되는 냉각포트(60)를 가이드 멤버(40)를 관통하는 구조로 적용하여 냉각패널(30)과 가이드 멤버(40) 사이의 용접 시, 한 종류의 용접을 통해 단일 공정으로 접합할 수 있어 수밀성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스(10)는 상기 냉각패널(30) 상의 냉각수 유로(33)에는 용접을 진행할 필요가 없는 구조로 이루어져 기존의 백비드나 용락으로 인해 냉각수의 유동이 방해되거나, 냉각수 유로(33) 상에 리크가 발생되는 등의 문제를 차단할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 배터리 팩
10: 배터리 팩 케이스
15: 냉각수 탱크
20: 배터리 모듈
30: 냉각패널
31: 하부패널
33: 냉각수 유로
35: 상부패널
37: 유입구
39: 배출구
40: 가이드 멤버
50: 크로스 멤버
60: 냉각포트
61: 플랜지
63: 실링부재
65: 너트
70: 커버

Claims (9)

  1. 다수개의 배터리 셀을 조합하여 전기자동차의 동력원으로 적용되는 배터리 모듈이 복수개 수용되고, 상기 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스로서,
    냉각수 유로를 형성하고, 상부에 안착된 배터리 모듈을 냉각시키는 냉각패널;
    상기 냉각패널의 둘레를 따라 접합되어 상기 배터리 모듈을 보호하는 가이드 멤버;
    상기 냉각패널의 일측에 장착되어 상기 냉각수 유로와 연결되고, 일측에서 절곡되어 선단부가 상기 가이드 멤버에 관통 설치되며, 외부의 냉각수 탱크와 연결되는 냉각포트; 및
    상기 가이드 멤버의 상부를 덮어 상기 배터리 모듈이 수용되는 내부를 밀폐하는 커버를 포함하며,
    상기 가이드 멤버는
    상기 냉각패널의 둘레를 따라 단일 공정으로 전주용접되는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각패널은
    하측을 향하여 돌출된 일정패턴의 냉각수 홈이 형성되는 하부패널; 및
    상기 하부패널의 상부에 접합되고, 상기 냉각수 홈을 밀폐하여 냉각수 유로를 형성하는 상부패널;
    을 포함하는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일정패턴은
    차체길이 방향을 기준으로 일측 선단의 일측에 형성된 냉각수 유로의 유입구로부터 시작하여 타측 선단까지 연결되고, 일측 선단으로 되돌아와 일측 선단의 타측에 형성된 냉각수 유로의 배출구에서 끝나되, 상기 냉각수 유로가 차체 하부 전면에 걸쳐 형성되도록 차폭 방향으로 길게 반복적으로 배치되어 그 양단부가 각각 연결되는 형상으로 이루어지는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각포트는
    상기 냉각수 유로의 유입구와 배출구에 각각 장착되는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전주용접은
    마찰교반용접(FSW: Friction Stir Welding)을 통해 수행되는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각포트는
    중앙부에 형성된 플랜지를 통해 상기 가이드 멤버의 내측면에 지지되며, 상기 플랜지와 상기 가이드 멤버 사이에 실링부재가 장착되는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각포트는
    외부로 노출된 외주면에 나사탭을 형성하고, 상기 나사탭을 통해 너트가 체결되어 상기 플랜지와 함께 상기 실링부재를 압착하면서, 상기 가이드 멤버에 지지되는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈이 수용되는 공간을 구획하며, 상기 가이드 멤버를 연결하는 복수개의 크로스 멤버를 더 포함하는 배터리 모듈의 냉각장치를 포함하는 배터리 팩 케이스.
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