KR20230137520A - 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

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김우형
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신민철
박해인
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Abstract

본 발명의 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템(1)은 에어 또는 중력 작용에 의한 자유 낙하로 냉각수가 통과되도록 상기 배터리 모듈(10)의 내부 공간에 형성된 하우징 냉각 통로(70), 배터리 모듈(10)을 감싸 에어 또는 냉각수의 유입 경로와 배출 경로를 형성하는 덕트 냉각 통로(80), 및 에어 또는 냉각수를 선택적으로 공급하는 냉각모드 작동부(90)로 구성된 듀얼 냉각 장치(60)가 배터리 모듈(10)의 셀(30)이 내부 공간에 적층된 복수개의 셀(30)을 공냉 방식 또는 수냉 방식으로 선택적인 냉각이 가능함으로써 사용자(또는 고객사) 선택지도 넓혀 줄 수 있고, 특히 액티브 방식의 수냉 모드로 배터리 모듈(10)의 출력 증대 및 급속 충전 모드의 고 발열 상황에서 충분한 냉각성능 확보를 가능하게 한다.

Description

이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템{Cooling Mode Selection type Battery Cooling System}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 특히 수냉 모드와 공냉 모드를 요구 출력 또는 셀 발열 크기에 맞춰 선택적으로 활용할 수 있는 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전동화 차량(즉, HEV(Hybrid Electric Vehicle) 또는 EV(Electric Vehicle))에는 2차 전지 배터리 모듈이 탑재되고, 상기 배터리 모듈에는 배터리 셀의 발열을 냉각하기 위한 냉각 구조가 적용된다.
이러한 상기 냉각 구조는 전동화 차량의 높은 출력 요구 수준에 맞춰 냉각성능을 높일 수 있도록 냉각수를 이용한 수냉식 냉각장치가 주로 적용되고 있으나 외기를 이용한 공랭식 냉각 장치도 적용되고 있다.
일례로 상기 수냉식 냉각장치 중 패시브(Passive) 방식은 냉각관과 배터리 전극간 접촉을 통해 배터리 셀을 냉각시켜 준다.
그러므로 상기 패시브 방식 수냉식 냉각장치는 냉각유로를 별도로 가져감으로써 냉각 시 절연 성능 유지도 함께 필요한 전기제품 특성에 보다 유리하게 적용되고 있다.
국내공개특허 10-2012-0069567 (2012.06.28)
최근 들어 전동화 차량은 높은 출력을 위해 배터리 모듈의 높은 발열량에 대한 효과적인 냉각이 가능하도록 수냉식 냉각장치에서도 액티브(Active) 방식을 필요로 하는데, 이는 상기 액티브 방식은 패시브 방식과 달리 냉각수가 직접적으로 배터리 셀을 냉각할 수 있기 때문이다.
하지만, 상기 수냉식 냉각장치의 액티브 방식은 패시브 방식 대비 절연성능이 높은 냉각수 이용이 요구된다는 기술적 어려움을 해소할 수 있어야 만 된다.
또한, 상기 냉각장치가 수냉방식과 공랭방식 냉각장치를 함께 구성하는 기술로 배터리 모듈의 냉각 성능을 높이고자하지만, 이러한 기술은 공냉 방식 모듈과 수냉 방식 모듈을 별개로 하여 배터리 모듈에 적용됨으로써 배터리 셀 또는 팩 사이즈 증가와 같은 문제가 발생될 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 배터리 셀에 별도의 부자재 추가 없이 수냉방식과 공냉방식으로 직접적인 셀 냉각이 가능함으로써 배터리의 요구 출력 크기에 맞춘 선택적인 냉각성능 활용이 가능하면서 사용자 선택지도 넓혀 줄 수 있고, 특히 수냉방식이 배터리 셀의 냉각성능에 가장 효과적인 액티브 방식으로 제공됨으로써 셀 발열이 많이 발생되는 급속 충전 모드에서 냉각성능 확보에 크게 효과적인 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템 의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템은 복수개의 셀이 적층된 배터리 모듈을 감싸는 듀얼 냉각 장치가 포함되고, 상기 듀얼 냉각 장치는 상기 배터리 모듈에 형성되어 중력 작용에 의한 자유 낙하로 냉각유체를 통과시키는 하우징 냉각 통로, 및 상기 배터리 모듈을 감싸 상기 냉각유체의 유입 경로와 배출 경로를 형성하는 덕트 냉각 통로로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 셀은 원통형 셀이며, 상기 원통형 셀은 상기 셀의 셀 측면부로 냉각구간을 형성하고, 상기 냉각구간은 원통 길이의 2/3 이상으로 상기 냉각유체의 접촉 영역을 형성하는 반면 상기 냉각구간은 양쪽부위가 전원공급 및 전압 센싱을 위한 좌/우측 전극구간으로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 좌/우측 전극구간의 각각에는 상기 냉각유체의 유출을 방지하도록 오링이 적용된다.
바람직한 실시예로서, 상기 원통형 셀은 셀 바디의 외주면에 외피를 포함하고, 상기 외피는 Polyimide, PVC(Polyvinyl Chloride) 및 Polycarbonate 중 어느 하나를 절연 코팅 또는 절연 필름으로 하여 셀 바디의 표면 절연 작용을 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 하우징 냉각 통로는 셀 유로 갭, 하우징 내측 유로 갭 및 하우징 확산 유로 갭 중 하나 이상으로 형성되고, 상기 셀 유로 갭, 상기 하우징 내측 유로 갭 및 상기 하우징 확산 유로 갭은 셀 간격으로 상기 냉각유체를 통과시켜 주며, 상기 셀 간격은 상기 셀과 상기 셀의 최대 셀 간격 대비 30~100% 미만으로 설정된다.
바람직한 실시예로서, 상기 덕트 냉각 통로는 유입 덕트와 배출 덕트로 구성되며, 상기 유입 덕트는 상기 배터리 모듈의 상부에 위치되어 상기 하우징 냉각 통로로 들어가는 상기 냉각유체를 안내하고, 상기 배출 덕트는 상기 배터리 모듈의 하부에 위치되어 상기 하우징 냉각 통로에서 나오는 상기 냉각유체를 안내한다.
바람직한 실시예로서, 상기 냉각수는 워터 펌프의 구동을 통해 리저버 탱크에서 나와 상기 유입 덕트로 유입되며, 상기 에어는 블로워의 구동을 통해 대기에서 상기 유입 덕트로 유입된다.
바람직한 실시예로서, 상기 워터 펌프와 상기 블로워는 컨트롤러로 제어되고, 상기 컨트롤러는 상기 배터리 모듈의 충진 시 상기 블로워의 구동 중지 후 상기 워터 펌프를 구동한다.
바람직한 실시예로서, 상기 배터리 모듈은 모듈 하우징의 내부공간으로 상기 셀을 적층하고, 상기 모듈 하우징은 하우징 입구와 하우징 출구에 의한 상기 내부공간의 개방 구조로 상기 하우징 냉각 통로를 형성한다.
바람직한 실시예로서, 상기 하우징 입구와 상기 하우징 출구는 상기 덕트 냉각 통로로 감싸이고, 상기 덕트 냉각 통로는 상기 하우징 입구로 상기 냉각유체를 보내주면서 상기 하우징 출구에서 나온 상기 냉각유체를 모아준다.
바람직한 실시예로서, 상기 모듈 하우징은 상기 셀의 전압을 검출하는 전압 센싱부와 결합되고, 상기 전압 센싱부는 상기 셀을 절연시켜 주는 커버와 결합된다.
바람직한 실시예로서, 상기 배터리 모듈은 복수개의 제1,2,3,4 배터리 모듈로 직렬 배열되어 구성된다.
이러한 본 발명의 배터리 냉각 시스템은 배터리 모듈에 대한 냉각 모드 선택이 가능함으로써 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 배터리 모듈의 냉각장치가 수냉 방식과 공냉 방식의 냉각장치를 함께 적용한 일체형 이중 냉각모듈로 HEV 및 EV와 같이 높은 출력의 전동화 차량에 맞춘 배터리 모듈의 고 발열량을 효과적으로 냉각할 수 있다. 둘째, 전동화 차량의 요구사항인 요구 출력 크기에 맞춘 수냉 모드와 공냉 모드의 두가지 타입을 모두 허용함으로써 고객사 또는 사용자의 선택 사항으로 활용되는 배터리 모듈이 구현될 수 있다. 셋째, 배터리 모듈의 요구 출력이 크지 않을 때 공냉 모드를 수행하다 클 때는 수냉 모드를 사용하는 편리함이 제공될 수 있다. 넷째, 수냉 방식 중에서도 냉각수로 배터리 셀이 직접적으로 냉각되는 액티브 방식을 적용함으로써 셀의 발열이 많이 발생되는 급속 충전 모드 시 효과적인 냉각성능이 발휘될 수 있다. 다섯째, 직접적인 셀 냉각이 필요한 원통형 셀에 수냉 방식과 공냉 방식의 냉각장치 적용이 별도의 부자재 추가 없이도 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 배터리 모듈의 이중 모드 겸용이 가능한 듀얼 냉각 장치의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템의 이중 모드 중 수냉 모드 작동 상태이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 배터리 냉각 시스템(1)은 배터리 모듈(10) 및 듀얼 냉각 장치(60)로 구성된다.
특히 상기 듀얼 냉각 장치(60)는 배터리 모듈(10)의 내부에 형성되어 냉각유체의 유입과 배출이 이루어지는 하우징 냉각 통로(70), 외부에서 배터리 모듈(10)을 감싸 냉각유체의 흐름이 하우징 냉각 통로(70)에 연통되는 덕트 냉각 통로(80), 및 냉각유체 흐름을 에어 흐름과 냉각수 흐름을 형성해 주는 냉각모드 작동부(90)로 구성된다.
일례로 상기 냉각유체는 에어(Atmosphere)와 냉각수(Coolant Water)이고, 상기 에어는 외기(즉, 대기)이고, 상기 냉각수는 물(Water) 또는 냉매(Coolant)일 수 있으며, 특히 상기 에어와 상기 냉각수의 각각은 덕트 냉각 통로(80)로 유입, 하우징 냉각 통로(70)로 빠짐, 덕트 냉각 통로(80)로 배출되는 흐름을 형성한다.
이하에서 상기 냉각유체는 공냉 방식과 수냉 방식의 차이를 명확히 하기 위하여 에어와 냉각수로 설명된다.
따라서 상기 배터리 냉각 시스템(1)은 냉각유체를 에어로 사용한 공냉 모드와 냉각유체를 냉각수로 사용한 수냉 모드가 하나의 듀얼 냉각 장치(60)로 선택적인 운용을 가능하게 함으로써 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템으로 특징되며, 이로부터 상기 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템은 공냉 방식과 수냉 방식의 선택를 넓혀 고객사(즉, 자동차 메이커)에게 제공할 수 있고, 특히 냉각성능이 가장 우수한 액티브(Active) 방식 수냉 모드로 배터리 모듈(10)의 급속 충전에 따른 고 발열을 효과적으로 대응할 수 있다.
구체적으로 상기 배터리 모듈(10)은 모듈 하우징(20), 셀(30), 전압 센싱부(40) 및 커버(50)로 동일하게 구성된 4개의 제1,2,3,4 배터리 모듈(10a,10b,10c,10d)을 직렬로 연결하여 이루어짐으로 예시되나, 그 수량은 전동화 차량(즉, HEV 및 EV)의 출력에 맞춰 축소되거나 증대될 수 있다.
일례로 상기 모듈 하우징(20)은 하우징 냉각 통로(70)가 뚫린 육면체(Hexahedron) 타입 하우징 바디(21), 하우징 바디(21)의 좌/우면에 각각 천공되어 셀(30)이 끼워지는 셀 홀(22), 하우징 바디(21)의 상면을 하우징 냉각 통로(70)의 입구로 하는 하우징 입구(23), 하우징 바디(21)의 하면을 하우징 냉각 통로(70)의 출구로 하는 하우징 출구(24)로 구성된다.
특히 상기 하우징 바디(21)는 셀 홀(22)을 형성한 사출 구조물로 제조되며, 상기 하우징 입/출구(23,24)의 각각은 하우징 바디(21)의 좌/우로 위치된 중간 리브로 개구 영역을 전/후방의 두 부분으로 나눠진다.
일례로 상기 셀(30)은 넓은 측면 표면적을 갖는 원통형 셀이고, 8개의 원통형 셀로 하우징 바디(21)의 셀 홀(22)에 끼워져 모듈 하우징(20)과 조립된다.
그러므로 상기 모듈 하우징(20)은 8개의 셀(30)의 수량에 맞춰 8개의 셀 홀(22)이 형성됨으로써 2개의 셀(30)이 중간 위치인 2개의 셀 홀(22)에 위치되고, 3개의 셀(30)이 상부 위치인 3개의 셀 홀(22)에 위치되며, 3개의 셀(30)이 하부 위치인 3개의 셀 홀(22)에 위치된다.
일례로 상기 전압 센싱부(40)는 모듈 하우징(20)의 좌면에 덧대어지는 좌측 전압 센싱부(40a)와 모듈 하우징(20)의 우면에 덧대어지는 우측 전압 센싱부(40b)로 한 쌍의 좌/우측 전압 센싱부(40a,40b)를 구성함으로써 모듈 하우징(20)과 조립된다.
특히 상기 좌/우측 전압 센싱부(40a,40b)의 각각은 셀 홀(22)과 셀(30)의 수량과 동일한 수량으로 센싱 단자 홀(41)을 형성하고, 상기 우측 전압 센싱부(40b)의 센싱 단자 홀(41)은 셀 버스바(42)로 연결됨으로써 모듈 하우징(20)의 한쪽 면에 구비된 하우징 단자와 접속된다. 이 경우 상기 셀 버스바(42)에는 전압 센싱을 할 수 있는 와이어(도시되지 않음)가 포함된다.
일례로 상기 커버(50)는 좌측 전압 센싱부(40a)에 덧대어지는 좌측 커버(50a)와 우측 전압 센싱부(40b)에 덧대어지는 우측 커버(50b)로 한 쌍의 좌/우측 커버(50a,50b)를 구성함으로써 모듈 하우징(20)과 조립된다.
그러므로 상기 좌/우측 커버(50a,50b)의 각각은 모듈 하우징(20)과 조립된 상태에서 셀(30)과 좌/우측 전압 센싱부(40a,40b)의 일부 외부노출부에 대한 절연 작용도 함께 구현한다.
구체적으로 상기 듀얼 냉각 장치(60)는 하우징 냉각 통로(70), 덕트 냉각 통로(80) 및 냉각모드 작동부(90)로 구성된다.
일례로 상기 하우징 냉각 통로(70)는 모듈 하우징(20)의 하우징 바디(21)에 형성된 하우징 입/출구(23,24)로 개방구조로 형성됨으로써 에어 및 냉각수 중 냉각수가 중력 작용에 의한 자유 낙하로 통과되도록 하고, 그 내부 공간으로 셀 갭(71), 하우징 내측 갭(72) 및 하우징 유도 갭(73)을 포함한다.
그러므로 상기 하우징 냉각 통로(70)는 모듈 하우징(20)의 하우징 입구(23)로 들어온 에어 및 냉각수를 셀 유로 갭(71)/하우징 내측 유로 갭(72)/하우징 확산 유로 갭(73)으로 통과시키면서 셀(30)을 냉각시킨 후 모듈 하우징(20)의 하우징 출구(24)로 빠져 나가도록 작용한다.
구체적으로 단면 A-A를 참조하면, 상기 셀 유로 갭(71)은 모듈 하우징(20)의 하우징 바디(21) 내부에서 서로 인접된 셀(30)과 셀(30)에 대한 셀 간격(g)으로 형성되며, 상기 하우징 내측 유로 갭(72)은 모듈 하우징(20) 중 하우징 바디(21)의 중간 내벽과 마주한 셀(30)에 대한 중간의 내벽 틈새로 형성되고, 상기 하우징 확산 유로 갭(73)은 모듈 하우징(20) 중 하우징 바디(21)의 상부 내벽과 마주한 셀(30) 및 하부 내벽과 마주한 셀(30)에 대한 상/하부의 내벽 틈새로 형성된다. 이 경우 상기 하우징 내측 유로 갭(72)과 상기 하우징 확산 유로 갭(73)의 내벽 틈새는 셀(30)의 직경과 동일한 원호로 형성된다.
일례로 상기 셀 유로 갭(71)의 셀 간격(g)은 최대 셀 간격과 최소 셀 간격 사이에서 설정되며, 상기 최대 셀 간격을 100%(예, 5mm)로 할 때 상기 최소 셀 간격은 약 30%(예, 1.5mm)를 최소값으로 하여 최대값인 100%를 넘지 않도록 한다. 이 경우 상기 최대 셀 간격은 배터리 모듈(10)의 모듈 사이즈 소형화에 요구되는 변수이고, 상기 최소 셀 간격은 셀간 절연 및 하우징 강도에 요구되는 변수이다.
그러므로 상기 하우징 냉각 통로(70)는 셀 유로 갭(71)과 하우징 내측 유로 갭(72)의 조합으로 기본 유로를 형성함으로써 셀(30)에 대한 냉각 작용을 제공하며, 특히 상기 하우징 확산 유로 갭(73)을 추가유로로 하여 기본 유로와 함께 구성함으로써 배터리 모듈(10)의 출력 증대를 위한 수량 증가 시 요구되는 냉각효율 증대가 이루어질 수 있도록 한다.
일례로 상기 덕트 냉각 통로(80)는 배터리 모듈(10)의 직렬 배열된 제1,2,3,4 배터리 모듈(10a,10b,10c,10d)의 전체 길이를 감싸는 유입 덕트(80a)와 배출 덕트(80b)로 구성되며, 상기 유입 덕트(80a)는 제1,2,3,4 배터리 모듈(10a,10b,10c,10d)과 상부 간격을 형성하도록 감싸주고, 상기 배출 덕트(80b)는 제1,2,3,4 배터리 모듈(10a,10b,10c,10d)과 하부 간격을 형성하도록 감싸준다.
특히 상기 유입 덕트(80a)는 전체 길이를 냉각수 흐름 방향을 따라 축소 단면 구간으로 형성함으로써 제1 배터리 모듈(10a)에서 제4 배터리 모듈(10d)로 갈수록 좁아지는 축소 통로 면적으로 흐름 속도를 보다 빠르게 형성시켜 주는 반면, 상기 배출 덕트(80b)는 전체 길이를 냉각수 흐름 방향을 따라 일정 단면 구간으로 형성함으로써 제1 배터리 모듈(10a)에서 제4 배터리 모듈(10d)로 가더러도 통로 면적이 동일하게 유지되도록 한다. 이 경우 상기 축소 통로 면적은 전체 길이를 따라 테이퍼 구조로 형성될 수 있다.
그러므로 상기 유입/배출 덕트(80a,80b)는 모듈 하우징(20)의 하우징 냉각 통로(70)를 통과하는 에어와 냉각수가 유입 및 배출되는 흐름 통로로 제공된다. 이 경우 상기 유입 덕트(80a)와 상기 배출 덕트(80b)는 서로 연결된 폐회로를 형성함으로써 공냉 모드 또는 수냉 모드의 작동 중 계속적인 순환 흐름을 형성하고, 이러한 폐회로 구조는 통상적인 차량의 냉각수 순환 시스템 방식과 동일하게 적용될 수 있다.
구체적으로 상기 냉각모드 작동부(90)는 워터 펌프(90a)와 블로워(Blower)(90c)로 구성된다. 이 경우 상기 워터 펌프(90a)는 전동식 워터펌프(Electric Water Pump)이다.
일례로 상기 워터 펌프(90a)는 배출 덕트(80b)의 출구쪽에 위치되고, 리저버 탱크(90b)에 충진된 냉각수를 유입 덕트(80a) 쪽으로 유입하여 배출 덕트(80b)로 빼내주는 유체 펌핑력을 형성한다. 그리고 상기 블로워(90c)는 배출 덕트(80b)의 출구쪽 또는 유입 덕트(80a)의 출구쪽에 위치되고, 외기를 유입 덕트(80a) 쪽으로 유입하여 배출 덕트(80b)로 빼내주는 진공 흡입력을 형성한다.
특히 상기 냉각모드 작동부(90)는 컨트롤러(200)와 연계되고, 상기 컨트롤러(200)는 운전석 버튼(도시되지 않음)의 버튼 조작 신호 또는 BMS(Battery Management System)(도시되지 않음)의 배터리 충전신호를 입력으로 확인하여 워터 펌프(90a)와 블로워(90c)를 각각 제어한다.
한편 도 2를 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)은 오링(100)을 포함하고, 상기 오링(100)은 모듈 하우징(20)의 셀 홀(22)에 셀(30)이 끼워진 상태에서 배터리 모듈(10)의 하우징 냉각 통로(70)에 대한 밀폐로 기밀을 형성하여 준다.
특히 상기 오링(100)은 셀(30) 당 2~6개를 적용하여 에어 또는 냉각수의 유출을 방지하여 준다.
또한, 상기 셀(30)은 셀 바디(31)의 원통 길이(A)를 냉각구간(30a)(B)과 이를 제외한 좌/우측 전극구간(30b,30c)(A-B)으로 구분함으로써 측면 표면적이 가장 넓어 냉각위치로 용이한 원통형 셀(30)의 특성을 이용한다. 이 경우 상기 좌/우측 전극구간(30b,30c)의 각각은 전원공급 및 전압 센싱을 위한 위치로 설정되는 셀 바디(31)의 양끝단부위이다.
일례로 상기 원통 길이(A)는 셀 바디(31)의 전체 길이를 1로 하는 경우, 상기 냉각구간(30a)(B)을 원통 길이(A)의 2/3로 하여 상기 좌/우측 전극구간(30b,30c)(A-B)이 나머지 1/3로 형성되도록 한다. 특히 상기 냉각구간(30a)(B)은 원통 길이(A)의 2/3 이상으로 설정하여 냉각 효과를 최대화할 수 있다.
특히 상기 셀(30)은 셀 바디(31)의 외주면에 외피(33)를 포함할 수 있고, 상기 외피(33)는 셀 바디(31)의 표면 절연을 높여줌으로써 수냉 모드에서 냉각수를 통한 절연 이슈가 발생될 소지를 방지하여 준다. 이 경우 상기 외피(33)는 셀(30)이 냉각수에 대한 절연성이 높은 경우엔 셀 바디(31)에 적용되지 않는다.
일례로 상기 외피(33)는 셀 바디(31)의 외주면에 덧대어져 표면층으로 형성되는 절연 코팅 또는 절연 필름을 적용할 수 있고, 상기 절연 코팅은 에폭시 분체 도료를 적용하여 셀 바디(31)의 표면에 코팅되며, 상기 절연 필름은 셀 바디(31)의 표면에 부착되며, 상기 절연 재질은 Polyimide, PVC(Polyvinyl Chloride) 및 Polycarbonate 중 어느 하나가 적용된다.
한편, 도 3을 도 1과 함께 참조하여 상기 배터리 냉각 시스템(1)에서 듀얼 냉각 장치(60)를 통해 구현되는 공냉 모드와 수냉 모드의 동작은 아래와 같다.
도시된 바와 같이, 상기 컨트롤러(200)는 배터리 충전신호 입력을 배터리 충전(또는 급속 충전)에 따른 수냉 모드로 인식하여 워터 펌프(90a)를 수냉모드 스위칭 신호 출력으로 구동시킴으로써 유입 덕트(80a)->제1,2,3,4 배터리 모듈(10a,10b,10c,10d)의 하우징 냉각 통로(70)->배출 덕트(80b)로 냉각수 흐름을 형성해 주거나 또는 버튼 조작 신호 입력을 차량 주행에 따른 공냉 모드로 인식하여 블로워(90c)를 공냉 모드 스위칭 신호 출력으로 구동시킴으로써 유입 덕트(80a)->제1,2,3,4 배터리 모듈(10a,10b,10c,10d)의 하우징 냉각 통로(70)->배출 덕트(80b)로 에어 흐름을 형성해 준다. 이 경우 “->”는 흐름 진행을 의미한다.
일례로 상기 에어 또는 상기 냉각수는 유입 덕트(80a)를 통해 제1,2,3,4 배터리 모듈(10a,10b,10c,10d)의 하우징 입구(23)에서 하우징 냉각 통로(70)로 들어가고, 하우징 냉각 통로(70)에서 하우징 출구(24)를 나와 배출 덕트(80b)로 모여진다. 이 경우 상기 냉각수는 하우징 냉각 통로(70)에서 중력 작용의 자유 낙하를 형성한다.
특히 상기 에어 또는 상기 냉각수는 하우징 냉각 통로(70)의 기본 유로 구조(도 3의 모듈 내부 단면도 좌측 참조)에선 셀 유로 갭(71)과 하우징 내측 유로 갭(72)을 통과하면서 셀(30)을 냉각시키고, 반면 하우징 냉각 통로(70)의 추가 유로 구조(도 3의 모듈 내부 단면도 우측 참조)에선 셀 유로 갭(71)과 하우징 내측 유로 갭(72) 및 하우징 확산 유로 갭(73)을 통과하면서 셀(30)을 냉각시켜준다.
그러므로 상기 하우징 냉각 통로(70)의 추가 유로 구조는 기본 유로 구조 대비 추가된 하우징 확산 유로 갭(73)으로 셀(30)과 에어 또는 냉각수 간 접촉 영역을 증가시킴으로써 냉각효율이 더욱 향상될 수 있도록 하고, 이러한 냉각효율 증대는 HEV 및 EV와 같은 전동화 차량의 출력 증대에 따른 배터리 모듈(10)의 고 발열 상태도 충분히 감당할 수 있게 된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이중 모드 겸용식 배터리 냉각 시스템(1)은 에어 또는 중력 작용에 의한 자유 낙하로 냉각수가 통과되도록 상기 배터리 모듈(10)의 내부 공간에 형성된 하우징 냉각 통로(70), 상기 배터리 모듈(10)을 감싸 에어 또는 냉각수의 유입 경로와 배출 경로를 형성하는 덕트 냉각 통로(80), 및 에어 또는 냉각수를 선택적으로 공급하는 냉각모드 작동부(90)로 구성된 듀얼 냉각 장치(60)가 배터리 모듈(10)의 셀(30)이 내부 공간에 적층된 복수개의 셀(30)을 공냉 방식 또는 수냉 방식으로 선택적인 냉각이 가능함으로써 사용자(또는 고객사) 선택지도 넓혀 줄 수 있고, 특히 액티브 방식의 수냉 모드로 배터리 모듈(10)의 출력 증대 및 급속 충전 모드의 고 발열 상황에서 충분한 냉각성능 확보가 가능하다.
1 : 배터리 냉각 시스템
10 : 배터리 모듈 10a,10b,10c,10d : 제1,2,3,4 배터리 모듈
20 : 모듈 하우징 21 : 하우징 바디
22 : 셀 홀 23 : 하우징 입구
24 : 하우징 출구 30 : 셀
30a : 냉각구간 30b ; 좌측 전극구간
30c : 우측 전극구간 31 : 셀 바디
33 : 외피 40 : 전압 센싱부
40a,40b : 좌/우측 전압 센싱부
41 : 센싱 단자 홀 42 : 셀 버스바
50 : 커버
50a,50b : 좌/우측 커버 60 : 듀얼 냉각 장치
70 : 하우징 냉각 통로 71 : 셀 유로 갭
72 : 하우징 내측 유로 갭 73 : 하우징 확산 유로 갭
80 : 덕트 냉각 통로 80a : 유입 덕트
80b : 배출 덕트 90 : 냉각모드 작동부
90a : 워터 펌프 90b : 리저버 탱크
90c : 블로워(Blower) 100 : 오링
200 : 컨트롤러

Claims (17)

  1. 셀 측면부로 냉각구간을 형성한 원통형 셀이 복수개로 적층된 배터리 모듈,
    냉각유체를 통과시켜주도록 상기 배터리 모듈의 내부를 관통하는 하우징 냉각 통로, 및
    상기 냉각유체의 유입 경로와 배출 경로를 형성하도록 상기 배터리 모듈의 외부를 감싸는 덕트 냉각 통로
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각구간은 원통 길이의 2/3 이상으로 상기 냉각유체의 접촉 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 냉각구간은 양쪽부위가 전원공급 및 전압 센싱을 위한 좌/우측 전극구간으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 좌/우측 전극구간의 각각에는 상기 냉각유체의 유출을 방지하도록 오링이 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 원통형 셀은 셀 바디의 외주면에 외피를 포함하고,
    상기 외피는 셀 바디의 표면 절연 작용을 하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 외피는 절연 코팅 또는 절연 필름인 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 절연 코팅 또는 상기 절연 필름은 Polyimide, PVC(Polyvinyl Chloride) 및 Polycarbonate 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징 냉각 통로는 셀 유로 갭, 하우징 내측 유로 갭 및 하우징 확산 유로 갭 중 하나 이상으로 형성되고,
    상기 셀 유로 갭, 상기 하우징 내측 유로 갭 및 상기 하우징 확산 유로 갭은 셀 간격으로 상기 냉각유체를 통과시켜 주는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 셀 간격은 상기 셀과 상기 셀의 최대 셀 간격 대비 30~100% 미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 덕트 냉각 통로는 유입 덕트와 배출 덕트로 구성되며,
    상기 유입 덕트는 상기 배터리 모듈의 상부에 위치되어 상기 하우징 냉각 통로로 들어가는 상기 냉각유체를 안내하고,
    상기 배출 덕트는 상기 배터리 모듈의 하부에 위치되어 상기 하우징 냉각 통로에서 나오는 상기 냉각유체를 안내하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 냉각유체는 워터 펌프의 구동을 통해 리저버 탱크에서 나와 상기 유입 덕트로 유입되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 냉각유체는 블로워의 구동을 통해 대기에서 상기 유입 덕트로 유입되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 워터 펌프와 상기 블로워는 컨트롤러로 제어되고,
    상기 컨트롤러는 상기 배터리 모듈의 충진 시 상기 블로워의 구동 중지 후 상기 워터 펌프를 구동하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 모듈은 모듈 하우징의 내부공간으로 상기 셀을 적층하고,
    상기 모듈 하우징은 하우징 입구와 하우징 출구에 의한 상기 내부공간의 개방 구조로 상기 하우징 냉각 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 하우징 입구와 상기 하우징 출구는 상기 덕트 냉각 통로로 감싸이고,
    상기 덕트 냉각 통로는 상기 하우징 입구로 상기 냉각유체를 보내주면서 상기 하우징 출구에서 나온 상기 냉각유체를 모아주는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 모듈 하우징은 상기 셀의 전압을 검출하는 전압 센싱부와 결합되고,
    상기 전압 센싱부는 상기 셀을 절연시켜 주는 커버와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 모듈은 복수개의 제1,2,3,4 배터리 모듈로 직렬 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템.
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