KR20230009158A

KR20230009158A - 배터리 냉각 장치 및 냉각성능 향상 방법

Info

Publication number: KR20230009158A
Application number: KR1020210089837A
Authority: KR
Inventors: 김화성
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-01-17

Abstract

냉각유체를 사용하여 배터리를 냉각시의 문제를 극복하고자 본 발명의 전기차용 배터리 냉각 장치와 냉각성능 향상 방법으로, 냉각 유체(냉각수, 냉매 등)를 사용하여 배터리(셀)의 양면을 냉각하는 구조에서 상하부의 냉각유로 배치를 통하여 냉각 효율을 최적화하고 배터리셀의 수명을 증대시킬 수 있는 배터리 냉각 장치와 냉각성능 향상 방법이 제공된다. 본 발명의 특징에 따른 냉각유체 이용 배터리 냉각 장치 및 냉각성능 향상 방법은, 냉각유체가 지나가며 배터리의 상면 및 하면과의 열전달을 통하여 배터리(300)를 냉각하는 적어도 하나의 상부 냉각유로(100) 및 적어도 하나의 하부 냉각유로(100')를 포함하되, 상기 상부 냉각유로와 하부 냉각유로의 위치는 수직방향으로 동일하지 않은 위치에 설치된다.

Description

배터리 냉각 장치 및 냉각성능 향상 방법 {Battery cooling apparatus and method of enhancing cooling efficiency}

본 발명은 전기차 등의 배터리를 냉각하는 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 수냉식, 냉매식 등의 냉각유체를 사용하는 냉각 방식에 관한 것이다.

최근 배터리를 이용하여 모터를 구동하는 전기차의 보급이 증대되고 있다. 배터리는 전기차의 수명과 주행거리 등을 결정하는 중요한 부품이다. 이러한 배터리는 충,방전 중에 열이 발생하며 일정 온도로 냉각을 필요로 한다. 현재 이러한 냉각 방식으로는 공기를 이용하는 공냉식과, 냉각수를 이용하는 수냉식, 냉매를 이용하는 냉매식 등이 사용되고 있다. 수냉식, 냉매식 등의 냉각유체를 사용하는 냉각 방식에서는 배터리팩의 하단면에 냉각유로를 가지는 배터리 냉각장치를 장착하여 배터리 충, 방전시 배터리를 냉각한다.

종래의 배터리 냉각장치의 개념을 설명하기 위한 것으로, 도 1a는 배터리모듈 또는 배터리팩의 정면도이고 도 1b는 평면도이다. 배터리모듈 또는 배터리팩을 구성하는 다수의 배터리셀(30)의 하부에, 냉각유로가 형성된 냉각플레이트(10) 또는 개별적인 냉각유로인 튜브(10)가 있다(전자의 경우를 특별히 '플레이트 타입 냉각' 방식이라 부르고 후자의 경우를 '튜브 타입 냉각' 방식이라 부른다). 이들 냉각유로를 통해 냉각재 또는 냉각유체(냉매 또는 냉각수)가 유동하여 냉각/히팅 대상(즉, 배터리셀(30))과 열교환을 한다. In/Out 파이프(12, 14)는 냉각유체가 튜브(10)로 들어가고 나가는 통로이다. 헤더(20)는 다수의 냉각유로를 연결하여서 In/Out 파이프(12, 14)를 통해 출입하는 냉각유체가 냉각유로를 통해 흐를 수 있도록 한다.

냉각유로가 형성된 냉각플레이트 또는 냉각유로 튜브(10)와 배터리셀(30)과의 사이에는 TIM(thermal interface material)(40)이 위치한다. TIM(40)은 상기 냉각플레이트 또는 냉각유로 튜브(10)와 배터리셀(30) 사이의 면착력을 증대시켜 열전달 효율을 높이며, 전기절연의 기능도 한다. 종래에 냉각유로는 대부분 배터리모듈 또는 팩의 하부에 위치한다.

한편, 전기차의 주행거리 증대와 급속충전 시간 단축으로 배터리셀의 발열이 더욱 증대되고, 종래의 냉각유체를 통하여 배터리(모듈 또는 팩)의 하부(바닥면)를 냉각하는 방식에서는 배터리셀 온도 및 내부 온도 간의 편차가 발생되는 문제가 있다.

구체적으로, 바닥면을 통하여 배터리셀을 냉각할 경우에, 냉각유체의 온도는 낮고 배터리셀의 온도는 높아서 열교환시 상하 온도차이가 발생하며, 샐의 부하가 클수록 (온도가 높을수록) 상하 온도차이가 더욱 크게 된다. 이러한 문제는 배터리셀의 열화를 촉진하여 수명을 단축시키고 안전상 문제도 발생할 수 있다.

상하 온도차이를 줄이기 위하여 냉각유로를 배터리(모듈 또는 팩)의 배터리셀의 상부와 하부에 배치하게 되면 상부와 하부 간의 온도 차이는 감소되지만, 마찬가지 이유로 배터리셀 내부에서 온도 차이가 발생할 수 있다.

냉각유체를 사용하여 배터리를 냉각하는 시스템에서 상술한 문제를 극복하고자 본 발명의 전기차용 배터리 냉각 장치와 냉각성능 향상 방법을 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 냉각 유체(냉각수, 냉매 등)를 사용하여 배터리(셀)의 양면을 냉각하는 구조에서 상하부의 냉각유로 배치를 통하여 냉각 효율을 최적화하고 배터리셀의 수명을 증대시킬 수 있는 배터리 냉각 장치와 냉각성능 향상 방법이 제공된다.

구체적으로, 본 발명에 따른 냉각유체 이용 배터리 냉각 장치 및 냉각성능 향상 방법은, 냉각유체가 지나가며 배터리의 상면 및 하면과의 열전달을 통하여 배터리를 냉각하는 적어도 하나의 상부 냉각유로 및 적어도 하나의 하부 냉각유로를 포함하되, 상기 상부 냉각유로와 하부 냉각유로의 위치는 수직방향으로 동일하지 않은 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면, 배터리셀의 상하 양면을 냉각하는 구조에서 상하 냉각유로의 오버랩(중첩) 부분을 최소화 하여 배터리셀의 냉각 효율을 증대시킬 수 있다. 그리고 배터리셀의 내부 온도 편차가 최소화되어 배터리셀의 열화가 최소화되고 수명이 증대된다.

도 1a와 도 1b는 일반적인 배터리 냉각장치의 개념 및 주요 구성도
도 2는 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템의 일 실시예의 구성도
도 3은 도 2의 횡단면도
도 4는 본 발명에 따른 냉각유로 배치 개념도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용된 '포함한다(comprise)' 또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템의 일 실시예의 구성도를 나타낸 것으로, 특히, 앞에서 언급한, 냉각유로가 튜브인 튜브 타입 냉각 시스템을 나타낸다. 그러나 냉각유로가 형성되어 있는 플레이트를 사용하는 플레이트 타입 냉각 시스템에도 본 발명의 개념은 동일하게 적용된다. 그리고 도 3은 도 2의 횡단면도이다.

앞에서 설명한 것과 같이, 도 2의 튜브 타입 냉각 시스템은, 냉각유체가 유입되고 배출되는 입구(Inlet Pipe)(120)와 출구(Outlet Pipe)(140), 유입된 냉각유체를 각 튜브로 분배할 수 있도록 유로를 가지는 상부 헤더(200)와 하부 헤더(200'), 냉각유체가 지나가며 배터리셀(300)과 열전달을 통하여 냉각하는 상부 튜브(100)와 하부 튜브(100'), 상부 튜브(100)와 배터리셀, 하부 튜브(100')와 배터리셀(300)의 사이에 면착력을 향상시키고 절연을 위한 상부 TIM(400)과 하부 TIM(400')으로 구성된다. 이와 같이 냉각유체가 이동하며 배터리셀(300)과 열전달 하는 유로를 가지는 튜브(100, 100')는 배터리셀의 상면과 하면에 배치된다. 그리고 이에 따라 헤더도, 상부 헤더(200)와 하부 헤더(200')로 각각 구비된다.

한편, 도면으로 나타내지는 않았지만, 플레이트 타입 냉각 시스템도 도 2, 3의 구성과 유사하다. 예를 들어, 냉각유체가 유입되고 배출되는 입구 및 출구, 내부에 냉각유로(도 2의 튜브에 해당)가 형성된 플레이트 상판, 내부에 유로가 형성된 플레이트 하판으로 구성될 수 있다. 상기 플레이트 상판과 하판은 각각, 용접, 본딩 등의 공정을 거쳐 하나의 유로를 형성한다. 플레이트와 배터리셀(300) 사이에도 TIM(400)이 배치되어 절연과 면착성 증대의 역할을 한다.

이렇게 배터리셀의 상부 및 하부에 별도의 냉각유로를 형성하되, 다음과 같은 방식으로 세부 구성을 해서 본 발명의 목적을 달성하고자 한다.

(1) 도 3에서 보듯이, 하나의 상부 냉각 플레이트 냉각유로 또는 튜브(100)의 면적(유체 면적)보다 하나의 하부 냉각 플레이트 냉각유로 또는 튜브(100')의 면적이 작다(도면과 달리 하나의 상부 냉각 플레이트 냉각유로 또는 튜브(100)의 면적이 하나의 하부 냉각 플레이트 냉각유로 또는 튜브(100')의 면적보다 작을 수도 있음). 대신에 전체의 면적 총합은 동일하도록 상부 냉각유로 또는 튜브(100)의 수량보다 하부 냉각유로 또는 튜브(100')의 수량이 더 많다. 또한, 상부 냉각유로 또는 튜브(100)와 하부 냉각유로 또는 튜브(100)와의 수직방향으로의 배치가 최대한 중첩되지 않게 어긋나게 설치한다. 이로써 배터리셀(300)의 열화없이 냉각 효율을 극대화할 수 있다.

(2) 위 (1)번과 같은 맥락으로, 상하간에 동일한 면적의 냉각유로 또는 튜브(100)를 사용하더라도 그 위치를 조절함으로써 냉각유로 또는 튜브(100, 100')의 상하 간에 중첩부가 최소화되도록 할 수 있다. 이를 도 4(냉각유로 배치도)에 나타내었다. 도 4에서 상부 튜브(100), 즉, 상부 냉각유로와 하부 튜브(100'), 즉, 하부 냉각유로의 상하 중첩 면적을 'A', 상부 튜브(100)(및 하부 튜브(100'))의 면적을 'B'라 할 때, A ≤ 0.7*2B의 관계가 되도록 튜브(냉각유로)의 상하 중첩 면적 A를 튜브 면적(즉, 상부 튜브(100)와 하부 튜브(100')의 총 면적)의 70% 이하로 설계한다. 더 바람직하게는 상하 중첩되는 면적 A를 상부 튜브(100)와 하부 튜브(100')의 총 면적의 50% 이하로 설계한다(A ≤ 0.5*2B).

(3) 상부 및 하부 냉각유로에 상이한 이종 냉각유체를 사용

예를 들어, 상부 냉각유로에 냉각유체로 냉각수(coolant)를 사용하게 되면 튜브 또는 튜브에서 누수 발생시에 배터리셀에 문제가 발생할 가능성이 있기 때문에, 상부 냉각유로에는 냉매 가스를 사용하고 하부 냉각유로에는 냉각수를 사용한다.

(4) 냉각유로의 형상

위와 같이 상하로 상이한 냉각유체의 사용, 유로 파이프의 레이아웃, 열교환 성능 등을 고려하여 상부 및 하부 냉각유로의 내부 형상을 다르게 구성한다.

(5) 냉각유로 경로(path)

상하 냉각 Path를 다르게 구성하여 배터리셀 내의 온도 편차를 줄일 수 있다. 예를 들, 출구측의 냉각유체의 온도가 높아지는 현상으로 인한 배터리셀의 온도 상승과 온도 편차를 최소화하기 위하여 상부 및 하부의 입출구(inlet, outlet) 위치를 다르게 배치할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

냉각유체를 이용한 배터리 냉각 장치가,
냉각유체가 지나가며 배터리의 상면 및 하면과의 열전달을 통하여 배터리를 냉각하는 적어도 하나의 상부 냉각유로 및 적어도 하나의 하부 냉각유로를 포함하되,
상기 상부 냉각유로와 하부 냉각유로의 위치는 수직방향으로 동일하지 않은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 장치.
제1항에 있어서, 상기 냉각유체를 상기 상부 냉각유로 및 하부 냉각유로로 분배하는 상부 헤더 및 하부 헤더를 추가로 포함하는 배터리 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 개별 상부 냉각유로의 면적과 상기 개별 하부 냉각유로의 개별 면적이 상이한 배터리 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 상부 및 하부의 냉각유로의 중첩된 부분의 면적은
상기 상부 또는 하부의 냉각유로의 총 면적의 70% 이하인 배터리 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 상부 및 하부의 냉각유로의 중첩된 부분의 면적은
상기 상부 또는 하부의 냉각유로의 총 면적의 50% 이하인 배터리 냉각 장치.
제1항에 있어서, 상기 상부 냉각유로의 형상과 하부 냉각유로의 형상이 상이한 배터리 냉각 장치.
제1항에 있어서, 상기 상부 냉각유로의 경로와 하부 냉각유로의 경로가 상이한 배터리 냉각 장치.
냉각유체를 이용한 배터리 냉각 장치가, 냉각유체가 지나가며 배터리의 상면 및 하면과의 열전달을 통하여 배터리를 냉각하는 적어도 하나의 상부 냉각유로 및 적어도 하나의 하부 냉각유로를 포함하되,
상기 상부 및 하부 냉각유로에 상이한 이종의 냉각유체가 사용되는 배터리 냉각 장치.
제8항에 있어서,
상기 상부 냉각유로에 사용되는 냉각유체는 냉매이고,
상기 하부 냉각유로에 사용되는 냉각유체는 냉각수인 배터리 냉각 장치.
냉각유체가 지나가며 배터리의 상면 및 하면과의 열전달을 통하여 배터리를 냉각하는 적어도 하나의 상부 냉각유로 및 적어도 하나의 하부 냉각유로가 포함된 배터리 냉각 장치에서,
상기 적어도 하나의 상부 냉각유로와 적어도 하나의 하부 냉각유로를 수직방향으로 동일하지 않은 위치에 설치하는 것을 포함하는 배터리 냉각성능 향상 방법.
제10항에 있어서,
상기 개별 상부 냉각유로의 면적과 상기 개별 하부 냉각유로의 개별 면적을 상이하게 형성하는 것을 추가로 포함하는 배터리 냉각성능 향상 방법.
제10항에 있어서, 상기 상부 및 하부의 냉각유로의 중첩된 부분의 면적은 상기 상부 또는 하부의 냉각유로의 총 면적의 70% 이하가 되도록 하는 것을 추가로 포함하는 배터리 냉각성능 향상 방법.
제10항에 있어서, 상기 상부 및 하부의 냉각유로의 중첩된 면적은 상기 상부 또는 하부의 냉각유로의 총 면적의 50% 이하가 되도록 하는 것을 추가로 포함하는 배터리 냉각성능 향상 방법.
냉각유체가 지나가며 배터리의 상면 및 하면과의 열전달을 통하여 배터리를 냉각하는 적어도 하나의 상부 냉각유로 및 적어도 하나의 하부 냉각유로가 포함된 배터리 냉각 장치에서,
상기 상부 및 하부 냉각유로에 상이한 이종의 냉각유체를 사용하는 것을 포함하는 배터리 냉각성능 향상 방법.
제14항에 있어서,
상기 상부 냉각유로에 냉매를 냉각유체로 사용하고
상기 하부 냉각유로에 냉각수를 냉각유체로 사용하는 배터리 냉각성능 향상 방법.
제14항에 있어서, 상기 상부 냉각유로의 형상과 하부 냉각유로의 형상을 상이하게 형성하는 것을 추가로 포함하는 배터리 냉각성능 향상 방법.
제14항에 있어서, 상기 상부 냉각유로의 경로와 하부 냉각유로의 경로를 상이하게 형성하는 것을 추가로 포함하는 배터리 냉각성능 향상 방법.