KR20200042419A

KR20200042419A - 자동차용 전지 팩

Info

Publication number: KR20200042419A
Application number: KR1020190125521A
Authority: KR
Inventors: 칼-마이클 마사릭; 마티아스 퓨셔; 토마스 회르만
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: PL3637537T3; HUE057112T2; KR102875132B1; EP3637537B1; EP3637537A1

Abstract

자동차용 전지 팩이 제공된다. 전지 팩은, 복수의 전지 모듈 및 상기 전지 모듈과 열 접촉하는 액체 냉각 회로를 포함한다. 적어도 하나의 전지 모듈은 수직 방향으로 서로 이웃하는 상기 전지 팩의 복수의 레벨 중 2개의 다른 레벨에 배열되고, 상기 액체 냉각 회로는 상기 수직 방향으로 상기 액체 냉각 회로의 가장 높은 지점에 위치한 입구와 상기 가장 높은 지점보다 낮은 상기 액체 냉각 회로의 지점 내에 위치한 출구를 갖는 바이패스 튜브를 포함하며, 상기 2개의 다른 레벨에서 상기 전지 모듈과 열 접촉한다.

Description

자동차용 전지 팩{Battery pack for a vehicle}

본 발명은 자동차 전지 팩의 냉각 회로에 관한 것이다.

최근 몇 년 동안, 물건과 사람들의 운송 수단은 전력을 운전의 원천으로 사용하여 개발되었다. 전기 자동차는 충전식 전지에 저장된 에너지를 사용하여 전기 모터에 의해 추진되는 자동차이다. 전기 자동차는 전적으로 전지에 의해 구동되거나, 예를 들어 가솔린 발전기에 의해 구동되는 하이브리드(hybrid) 자동차의 형태일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 종래의 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전기 자동차 전지(EVB, Electric-Vehicle Battery) 또는 견인 전지(traction battery)는, 전지 전기 자동차(BEV, Battery Electric Vehicles)의 추진에 사용되는 전지다. 전기 자동차 전지는 지속 시간 동안 전력을 공급할 수 있도록 설계되었으므로 시동, 조명 및 점화 전지와는 다르다. 충전식 또는 이차 전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서 일차 전지와 다르며, 후자는 화학 물질을 전기 에너지로 비가역적 변환만 제공한다. 저용량의 충전식 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되는 반면, 고용량의 충전식 전지는 하이브리드 자동차 등의 전원으로 사용된다.

일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충,방전을 가능하게 하기 위해 전해질 용액을 케이스에 주입한다. 예를 들어, 원통형 또는 직사각형인 케이스의 형상은 전지의 용도에 따라 다르다. 랩톱 및 가전 제품에서 사용되는 것으로 널리 알려진 리튬 이온(및 유사한 리튬 폴리머) 전지는 개발중인 최신 전기 자동차 그룹에서 가장 두드러진다.

이차 전지는 고 에너지 밀도를 제공하기 위해, 특히 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위해 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 전지 셀로 형성된 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 따라 고출력 이차 전지를 구현하기 위하여 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자를 연결함으로써 형성된다.

전지 팩은 여러 개의 전지 모듈의 세트이다. 이들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해 직렬, 병렬 또는 두 가지 혼합 방식으로 구성될 수 있다. 전지 팩의 구성 요소에는 개별 전지 모듈과, 그 사이에 전기 전도성을 제공하는 상호 연결부가 포함된다. 전지가 안전 작동 영역 외부에서 작동하지 않도록 보호하고, 그 상태를 모니터링하고, 보조 데이터를 계산하고, 그 데이터를 보고하고, 그 환경을 제어하고, 이를 인증하거나 또는 균형 맞추는 것 등에 의해 전지 팩을 관리하도록 전지 관리 시스템(BMS, Battery Management System)이 제공된다.

이러한 전지 팩의 기계적 통합은, 개개의 구성 요소(예: 전지 모듈)사이, 및 이들 구성 요소와 차량의 지지 구조체 사이에 적절한 기계적인 연결을 필요로 한다. 이 연결은 전지 시스템의 평균 사용 수명 동안 지속적으로 기능을 유지하여야 하고 안전해야 한다. 더욱이, 설치 공간과 호환성의 요구 사항을 충족하여야 한다. 이러한 사항은 특히 모바일용 애플리케이션에서 더더욱 그러하다.

전지 모듈의 기계적인 통합은 캐리어 프레임워크(carrier framewark)를 제공하고 이 캐리어 프레임워크 위에 전지 모듈을 배치하는 것에 의해 달성될 수 있다. 전지 셀 또는 전지 모듈의 고정은 프레임워크에 갖추어진 함몰부나 볼트 또는 스크류와 같은 기계적인 상호 연결구에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 전지 모듈은 캐리어 프레임워크의 측면에 측면 플레이트를 고정하는 것으로 구속된다. 또한, 커버 플레이트는 전지 모듈의 상단 및 하단에 고정될 수 있다.

전지 팩의 캐리어 프레임워크는 차량의 운반 구조물에 장착된다. 전지 팩이 차량의 바닥에 고정되어야 하는 경우, 전지 팩의 캐리어 프레임워크를 통해 관통하는 가령 볼트에 의해 바닥에서 기계적인 연결이 설정될 수 있다. 프레임워크는 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어져 구조의 총 중량을 낮춘다. 종래 기술에 따른 전지 시스템은 임의의 모듈 구조에도 불구하고, 일반적으로 주위 환경에 대해 전지 시스템을 밀폐시키기 위한 인클로저(enclosure)로서 작용하고 전지 시스템의 구성 요소의 구조적인 보호를 제공하기 위한 전지 하우징을 포함한다. 하우징형 전지 시스템은 일반적으로 애플리케이션 환경(예: 전기 자동차)에 전체로 장착된다.

일부 전지 팩에 있어, 전지 모듈은 전지 팩의 장착 방향에 대해 다른 레벨에 배열될 수 있다. 이 경우, 프레임워크는 전지 팩의 다른 레벨에(또는 이들 사이에) 배치된 가로 보강대(cross braces)와 같은 각각의 지지 구조체를 포함할 수 있다. 전지 모듈은 이 지지 구조체에 의해 프레임워크에 부착될 수 있다.

전지 팩의 열적 제어를 제공하기 위해, 이차 전지로부터 발생된 열을 효율적으로 발열, 방출 및/또는 소산시킴으로써 적어도 하나의 전지 모듈을 안전하게 사용하기 위한 열 관리 시스템이 필요하다. 열 방열/방출/소산이 충분히 수행되지 않으면, 각 전지 셀 사이에 온도 편차가 발생하여 적어도 하나의 전지 모듈은 원하는 양의 전력을 생성할 수 없게 된다. 또한, 내부 온도의 증가는 내부 이상 반응을 가져올 수 있으며 이에 따라 이차 전지의 충전 및 방전 기능이 열화되고 수명이 단축된다. 따라서, 셀에서 발생하는 열을 효율적으로 발열, 방출, 소산시키기 위한 셀 냉각이 요구된다. 예를 들어, 고전압 트랙션 전지 시스템은 수명 및 성능 요건을 충족시키기 위하여 일반적으로 열 조건 시스템(예: 열 관리 시스템)을 포함한다.

열 관리 시스템은, 냉각 회로(예: 액체 냉각 회로)를 포함할 수 있다. 통상적으로 액체 냉각 회로는 전지 모듈과 열 접촉하는 냉각 플레이트, 액체 냉매(예: 액체 냉각 유체)를 전달(또는 이송)하기 위한 파이프 또는 호스, 그리고 차량의 냉각 회로와 냉각 플레이트에 파이프 또는 호스를 연결하기 위한 냉매 인터페이스와 같은 여러 구성 요소들을 포함할 수 있다.

냉각 시스템의 조립 중에 또는 유지 보수 후, 액체 냉각 유체가 냉각 회로에 충전(재중천)되어야 하므로, 관련 냉각 시스템에는 조립 프로세스 동안 도입된 공기를 배출하도록 배기 시스템이 갖추어질 수 있다. 가령, 스프링 타입의 밸브가 대개 공기가 축적되는 냉각 시스템의 가장 높은 지점에 배치될 수 있다. 이 스프링 타입의 밸브는 냉각 회로를 환기시키기 위해 수동으로 작동될 수 있다. 그런데, 이 밸브가 배치된 위치로 인해, 스프링 타입의 밸브는 일반적으로 차량에 설치된 이후 자유롭게 접근하기가 힘들고 냉각 시스템의 환기를 복잡하게 한다. 더욱이, 스프링 타입의 밸브는 다른 물성 특징을 갖는 밸브와 냉각 튜브로 인해 전지 시스템의 수명 동안 이완될 수 있다. 이러한 단점은 다른 레벨 상에 조립된 전지 모듈을 포함한 전지 팩의 냉각 시스템에서 특히 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 관련 기술의 일부 단점을 극복하거나 적어도 완화시키며 액체 냉각 회로의 배출 프로세스가 단순화된 전지 팩을 제공하는 것이다.

종래 기술의 하나 이상의 단점은 후술할 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 회피되거나 적어도 완화된다.

본 발명의 실시예의 측면은 자동차용 전지 팩을 제공하는 것이다. 전지 팩은 복수의 전지 모듈 및 상기 전지 모듈과 열 접촉하는 액체 냉각 회로를 포함한다. 적어도 하나의 전지 모듈은 수직 방향으로 서로 이웃하는 전지 팩의 복수의 레벨 중 2개의 다른 레벨에 배열되고, 액체 냉각 회로는 수직 방향으로 액체 냉각 회로의 가장 높은 지점에 위치한 입구와, 가장 높은 지점보다 낮은 액체 냉각 회로의 지점 내에 위치한 출구를 갖는 바이패스 튜브를 포함하며, 2개의 다른 레벨에서 상기 전지 모듈과 열 접촉한다.

이에 따라 본 발명의 실시예는, 자동차 상의 전지 팩 장착 방향에 대해 전지 팩의 다른 레벨에 배열된 복수의 전지 팩을 포함하는 전지 팩을 제공한다. 예를 들어, 전지 팩은 전지 팩의 바닥부(예: 중력 방향으로 바닥부)에 위치하며 하나 이상의 전지 모듈이 배열된 하부 레벨과, 하나 이상의 전지 모듈이 배열된 상부 레벨을 포함할 수 있다. 상부 레벨은 하부 레벨과 자동차와 마주하는 전지 팩의 위쪽(예: 상단부) 사이에 위치된다. 전지 팩의 프레임워크는 전지 팩의 다른 레벨에서 가로 보강대와 같은 각각의 지지 구조체를 포함할 수 있고, 전지 모듈은 지지 구조체를 통해 전지 팩에 부착될 수 있다.

각 전지 모듈은 전지 모듈의 열 제어를 확보할 수 있도록 냉각 엘리먼트를 구비할 수 있다(예: 포함할 수 있다). 이 냉각 엘리먼트는 공통의 액체 냉각 회로의 부분일 수 있으며, 물과 같은 액체 냉각 유체를 촉진 및 분배 시키기 위하여 추가의 구성 요소를 포함한다. 액체 냉각 회로는 전지 모듈이 배열된 전지 팩의 레벨 위로(또는 이를 통해) 연장된다. 일반적으로, 액체 냉각 유체는 전지 팩의 하부 레벨로 유입되어 전지 팩의 높은 레벨에 비교하여 이 영역(하부 레벨)에서 높은 유속을 일으킬 것이다. 냉각 시스템의 조립 중 또는 유지 보수 후에, 액체 유체는 냉각 회로로 (재)충진 되어야 한다. 그런데, 이 프로세스 동안, 공기가 냉각 시스템으로 유입되어 액체 냉각 회로의 가장 높은 지점에 축적될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예의 일 특징은 관련 기술의 배출 밸브를 대신하여 액체 냉각 회로에 통합된 바이패스 튜브이다. 바이패스 튜브의 상단부는 공기가 축적되는 액체 냉각 회로의 가장 높은 지점에 배치되며, 바이패스 튜브의 하단부는 액체 냉각 회로의 하부에 통합된다. 액체 냉각 회로의 하부(예: 하부 레벨)에서 냉매의 유속이 높기 때문에, 부압이 발생(예: 바이패스 튜브 내에서 발생됨)되고 액체 냉각 회로의 가장 높은 지점에 축적된 공기는 바이패스 튜브를 통해 흡입된다. 따라서, 바이패스 튜브의 하단으로 흐르는 환기가 이루어질 수 있고, 액체 냉각 회로의 가장 높은 지점에 환기 밸브가 배치되는 것이 생략될 수 있다. 가령, 바이패스 튜브의 입구는 액체 냉각 회로 상류의 가장 높은 지점에 위치될 수 있고, 바이패스 튜브의 출구는 액체 냉각 회로 내의 액체 냉각 회로 하류의 낮은 부위(또는 가장 낮은 부위)에 위치될 수 있다. 입구와 출구에서의 압력 차이는 가능한 높아야 한다.

일 실시예에 따라 바이패스 튜브의 출구는 전지 팩의 가장 낮은 레벨에 제공된 냉각 튜브 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 바이패스 튜브의 하단부가 배치된 액체 냉각 회로의 부분이 냉각 튜브이다(또는 냉각 튜브 내에 있다). 바이패스 튜브의 하단부는 바이패스 튜브에 부압이 만들어지기 위해 출구가 액체 유체의 흐름 방향을 향하도록(또는 평행하게 향하도록) 배열될 수 있다. 출구는 냉각 튜브 내의 중심에 배치될 수 있는 바, 이로 인해 출구 주위를 흐르는 냉매의 유속은 균일하거나 실질적으로 균일해질 것이다.

바이패스 튜브는 별도의 냉각 회로 구성 요소로 이루어질 수 있고, 냉각 회로의 외측으로부터 바로 접근 가능할 수 있다. 가령, 바이패스 튜브는 냉각 튜브에 제공된 각각의 연결 포트와 결합된 호스를 포함할 수 있다. 반면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 회로는, 전지 팩의 레벨들 사이에 수직하게 연장된 연결 튜브를 포함하며, 바이패스 튜브는 연결 튜브의 내부를 통해 지난다. 예를 들어, 바이패스 튜브는 냉각 회로의 외측으로부터 직접 접근하지 않고 연결 튜브 내부로 연장된다. 이러한 실시예를 통해서는 설치 공간과 조립에 대한 노력이 덜 필요하다.

실시예에 따라, 바이패스 튜브의 출구 단면 크기와 출구가 위치한 냉각 튜브의 단면 크기의 비는 1:2 내지 1:10의 범위일 수 있으며, 1:3 내지 1:5의 범위가 더욱 좋다. 단면 크기가 이 범위 내로 유지되면, 바이패스 튜브 어셈블리가 유속 및 다운스트림(downstream)에 따른 냉각 회로의 열 성능에 큰 영향을 가지지 않게 된다.

바이패스 튜브는 임의의 적합한 물질로 만들어지거나 이를 포함할 수 있다. 그런데, 입구가 플라스틱으로 만들어진 (또는 이를 포함한) 액체 냉각 회로의 구성 요소 내에 위치될 때, 바이패스 튜브 또한 동일한 플라스틱으로 만들어지거나 이를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상이한 열 팽창률에 의해 야기되는 기밀 문제 및 재질 불량을 피할 수 있다. 더욱이, 바이패스 튜브는 전지 팩의 조립 프로세스를 간단화하기 위하여 냉각 회로의 다른 부분에 일체로 형성될 수 있다.

다른 실시예에 따른 측면은, 전술한 실시예 중 임의의 것과 결합될 수 있다. 전지 팩은 전지 팩의 최상위 레벨에 위치한 캐리어 플레이트를 포함할 수 있고, 캐리어 플레이트는 일체형 냉각 채널 구조를 포함할 수 있다. 냉각 회로는 캐리어 플레이트의 일체형 냉각 채널 구조의 유출용 개구에 연결된 냉매 수취부를 더욱 포함할 수 있고, 바이패스 튜브의 입구는 냉매 수취부에 위치할 수 있다. 이에 따라, 추가적인 구성 요소가 냉각 회로에 통합될 필요가 없으며 대신 변형된 냉매 수취부가 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 측면 및 특징은 다음의 설명으로부터 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 간단한 구성을 통해 전지 모듈이 다른 레벨 상으로 조립되는 전지 팩에 있어, 공기 배출을 용이하게 이룰 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 통상의 기술자에게 특징이 명백해질 것이다.
도 1은 전지 팩을 포함한 자동차의 개략도이다.
도 2는 전지 모듈의 사시도이다.
도 3 및 4 각각은 본 발명의 실시예에 따른 액체 냉각 회로의 구성 요소 및 바이패스 튜브를 포함한 2 레벨의 전지 팩을 개략적으로 도시한 전면도와 후면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 바이패스 튜브의 상단부를 확대 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시한 바이패스 튜브의 하단부를 확대 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이패스 튜브를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내고, 중복되는 설명은 생략된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다.

여기에서, 용어 "상부" 및 "하부"는 z 축에 따라 정의된다. 예를 들어, 상부 커버는 z 축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 그 하부에 위치한다. 도면에서, 구성요소의 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 각 구성요소의 크기 또는 두께는 설명의 목적으로 임의로 제시될 수 있으며, 따라서 본 발명의 실시예는 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

"제 1" 및 "제 2"라는 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 것이다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제 1 요소는 제 2 요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로, 제 2 요소는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 제 1 요소로 명명될 수 있다.

전기 또는 하이브리드 차량의 전지 팩은 큰 공간을 요구하므로 일반적으로 차량의 하부 쪽에 위치한다. 가령, 전지 팩은 차량 운반 구조물의 바닥에 고정될 수 있다. 관련 기술에 따른 전지 팩은 어떤 모듈식 구조에도 불구하고 대개 외부 환경에 대해 전지 팩을 밀폐시키기 위한 인클로저의 역할을 하고 전지 팩의 구성 요소를 구조적으로 보호하는 전지 하우징을 포함한다. 하우징형 전지 팩은 일반적으로 애플리케이션 환경(예: 전기 자동차)에 전체(예: 유닛으로서)로 장착된다. 대안적으로 전지 팩은, 차량 운반 구조물에 구조적으로 일체화될 수 있으며 구조적 일체화를 위해 차량 몸체에 연결되도록 구성된 부착 수단을 포함할 수 있다. 즉, 차량 몸체 부분은 전지 시스템 캐리어를 포함할 수 있으며, 전지 시스템 캐리어는 차량 몸체에 장착 또는 부착되는 대신 차량 몸체에 직접 일체화될 수 있다. 본 발명은 앞서 설명한 변형예(예: 별도 또는 내장형 전지 팩)들 중 어느 하나로 실현될 수 있다.

도 1은 자동차(300)의 운반 구조물(예: 프레임)의 바닥부에 장착된 전지 팩(200)을 포함한 자동차(300)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 전지 팩(100)의 예시적인 실시예를 보여 주고 있다.

도 2를 참조하면, 전지 모듈(100)은 일 방향으로 배열된 복수의 전지 셀(10)을 포함한다. 한 쌍의 엔드 플레이트(18)가 전지 셀의 최외측(예: 최외측 전지 셀의 외측)의 넓은 면에 마주하도록 제공되며, 연결 플레이트(19)가 한 쌍의 엔드 플레이트(18)와 상호 연결되도록 구성된다. 이로 인해 복수의 전지 셀(10)이 다같이 고정된다. 전지 모듈(100)의 양 측면 상에 제공된 체결부(18a)는 볼트(40)에 의해 캐리어 플레이트(31)에 체결된다. 따라서, 캐리어 플레이트(31)의 상면은 전지 모듈(100)을 지지한다. 캐리어 플레이트(31)는 모듈 하우징(30)의 일부일 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에 있어, 각 전지 셀(10)은 각형 (또는 사각형) 셀이며, 전지 모듈(100)을 구성하기 위해 전지 셀(10)의 넓은 면이 모여, 다시 말해 넓은 면이 서로 이웃하도록 배치되어 적층된다. 또한, 각 전지 셀(10)은 전극 조립체 및 전해질을 수용하도록 구성된 전지 케이스를 포함한다. 전지 케이스는 캡 조립체(14)에 의해 밀봉되어 봉지된다. 캡 조립체(14)는 서로 다른 극성을 갖는 양극 전극 단자(11)와 음극 전극 단자(12), 그리고 벤트(13)와 같이 제공된다. 벤트(13)는 전지 셀(10)의 안전 수단으로서 전지 셀(10)에서 발생된 가스가 전지 셀(10)의 외측으로 방출되도록 하는 통로로 작용한다.

이웃하는(또는 인접한) 전지 셀의 양극 및 음극 전극 단자(11,12)는 버스 바(15)를 통해 서로 전기적으로 연결되며, 버스 바(15)는 너트(16) 등에 의해 고정될 수 있다. 이에 따라 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(10)을 하나의 번들로 서로 전기적으로 연결하는 것에 의해 전력원으로서 사용될 수 있다. 전지 팩(10)은 복수의 전지 모듈(100)을 포함할 수 있다.

일반적으로 전지 셀(10)은 충전/방전되는 반면, 많은 양의 열을 발생한다. 발생된 열은 전지 셀(10) 내에 누적되고 이로 인해 전지 셀(10)의 열화가 가속된다. 이에 따라, 전지 모듈(100)의 캐리어 플레이트(31)는 그 측벽에 위치한 2개의 유입용 개구(311)를 갖는 일체형 냉각 채널(예: 일체형 냉각 구조)를 더욱 포함한다. 일체형 냉각 채널 구조는 전지 셀(10)을 냉각 시키기 위하여 전지 셀(10)의 바닥면 주위에 제공된다. 일체형 냉각 채널 구조는 유입용 개구(311) 및 캐리어 플레이트(31)의 대향 측벽에 위치한 유출용 개구(미도시)와 유동적으로 연결되는 냉매 채널을 포함한 중공 프로파일을 포함한다. 중공 프로파일은 원형 또는 사각형의 단면과 같은 다양한 단면의 형상을 가질 수 있다. 중공 프로파일은 압출 알루미늄 프로파일로 이루어지는 것이 좋다. 이러한 경량의 압출 프로파일은 효율적인 가격으로 용이한 제조를 가능하게 한다.

일체형 냉각 채널 구조는 전지 팩(200)의 액체 냉각 회로의 부분이다. 액체 냉각 회로는 일체형 냉각 채널 구조를 갖는 캐리어 플레이트(31)에 추가하여 액체 냉매의 전달(또는 전송)을 위한 펌프, 파이프 또는 호스 및, 캐리어 플레이트(31)와 자동차의 냉각 회로에 파이프 또는 호스를 연결하기 위한 냉매 분배기 또는 인터페이스와 같은 여러 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예에 따라, 전지 팩(200)는 다중 레벨(예: 2 레벨)의 전지 팩일 수 있다. 전지 팩(200)은 제1 전지 모듈(100.1)이 공통 평면(명확성을 위해 하나의 전지 모듈(100.1)만이 도시됨)에 놓인 하부 레벨(또는 바닥부)(210)과 제2 전지 모듈(100.2)이 배열된(명확성을 위해 하나의 전지 모듈(100.2)이 도시됨) 상부 레벨(220)을 포함한다. 전지 팩(200)이 자동차(300)에 장착될 때, 상부 레벨(220)은 자동차의 언더바디와 마주, 즉, 가깝게 배치된다.

전지 모듈(100.1, 100.2)은 각기 2개의 측면 플레이트(33.1, 33.2)와 함께 전지 모듈(100.1, 100.2)의 하우징의 일부를 구성하는 캐리어 플레이트(31.1, 31.2) 상에 제공된다(또는 이를 포함한다). 측면 플레이트(33.1,33.2)와 캐리어 플레이트(31.1, 31.2)는 압출 알루미늄으로 만들어지거나 이를 포함할 수 있다. 전지 모듈(100.1, 100.2)의 전지 셀(10)은 각기 캐리어 플레이트(100.1, 100.2)의 상면에 배열된다. 캐리어 플레이트(31.1, 31.2)의 일체형 냉각 채널 구조와 유체 연결되는 유입용 개구(도 3에는 미도시)가 도 2에 도시된 것처럼 캐리어 플레이트(31.1, 31.2)의 측벽에 제공된다. 도 4에 개략적으로 도시된 모듈 하우징의 대향 단부에는 일체형 냉각 채널 구조의 대응 유출용 개구(미도시)가 캐리어 플레이트(31.1, 31.2)에 제공된다.

또한, 액체 냉각 회로가 전지 팩(200)의 각 레벨(210,220)에서 전지 모듈(100.1, 100.2)과 열적으로 접촉한다. 도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예에 따라, 냉각 회로는 캐리어 플레이트(31.1, 31.2)의 일체형 냉각 회로 구조의 유입용 개구와 각기 결합되는 냉매 분배기(60.1, 60.2) 및, 캐리어 플레이트(31.1, 31.2)의 일체형 냉각 채널 구조의 유출용 개구와 각기 결합되는 냉매 수취부(61.1, 61.2)를 포함한다.

또한, 연결 튜브(62.1, 62.2)가 전지 팩(200)의 레벨들(210,220) 사이에 냉매 유체 순환을 이룰 수 있도록 하기 위하여, 전지 팩(200)의 레벨들(210,220) 사이에 수직으로(예: 중력 방향으로) 연장된다. 도시된 실시예에 있어, 연결 튜브(62.1, 62.2)은 각기 냉매 분배기(60.1)과 냉매 수취부(61.1)와 일체로 구성되나, 본 발명이 반드시 이로써 한정되는 것은 아니다.

유입구(70)를 통해 냉각 회로로 인도된 액체 유체는 전지 팩(200)의 하부 레벨(201)에서 우선 냉매 분배기(60.1)로 유입될 것이다. 그리고 나서 액체 유체의 일부는 연결 튜브(62.1)를 통해 상부 레벨(220) 상의 냉매 분배기(60.2)를 지나고 캐리어 플레이트(31.2)의 일체형 냉각 채널 구조를 통과한다. 반면, 액체 유체의 나머지 일부는 하부 레벨(210)의 캐리어 플레이트(31.1)의 일체형 냉각 채널 구조를 통과한다. 이후 액체 유체는 냉매 수취부(61.1, 61.2)를 통해 캐리어 플레이트(31.1,31.2)를 각기 빠져 나간다. 하부 레벨(210)에서 냉매 수취부(61.1)를 통과한 후, 액체 유체(예: 모든 액체 유체)는 냉각 회로의 유출구(71)를 향해 흐른다. 유출구(71)를 향해 흐르는 냉각 튜브(63)내의 액체 유체의 유속은 상부 레벨(220)에서 냉매 수취부(61.2) 내의 액체 유체의 유속보다 높다.

도 4에 도시된 바와 같이, 액체 냉각 회로는 도시된 실시예에서, 냉매 수취부(61.2)의 최상부인 냉각 회로의 가장 높은 지점에 위치된 입구(81)를 갖는 바이패스 튜브(80)를 포함한다. 도시된 실시예에서 바이패스 튜브(80)의 출구(83, 예: 출구 개구/예: 도 6 참조)는 냉각 튜브(63) 내의 냉각 회로의 하부 지점에 위치된다.

바이패스 튜브(80)의 출구(83)의 단면 크기 대 이 출구(83)가 위치한 냉각 튜브(63)의 단면 크기 비는 약 1:2 내지 1:10의 범위일 수 있으며, 약 1:3 내지 1:5의 범위가 더욱 좋다. 바이패스 튜브(80)의 단면 크기는 바이패스 튜브(80)의 모든 섹션 내에서 실질적으로 동일(예: 전체적으로 실질적으로 일정)할 수 있다. 예를 들어, 입구(81)가 위치한 바이패스 튜브(80)의 단면 크기는 출구(83)가 위치한 바이패스 튜브(80)의 단면 크기와 유사할 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 바이패스 튜브(80)는 가요성 호스인 제1 섹션(82.1)과 단단한 플라스틱 물질로 만들어지거나 이를 포함하여 연결 튜브(62.2) 및 냉매 수취부(61.1)에 견고히 고정되는 제2 섹션(82.2)을 포함한다. 일 실시예에서 바이패스 튜브(80)의 제2 섹션(82.2)은 연결 튜브(62.2)와 냉매 수취부(61.1)와 동일 플라스틱 물질로 만들어지거나 이와 동일한 물질을 포함한다. 상부 레벨(22)에서, 냉매 수취부(61.2)에 공기가 축적되면, 공기는 입구(81, 유입 개구)를 통해 흡입되고 바이패스 튜브(80)와 유출구(71)를 통해 냉각 회로를 빠져 나가게 될 것이다.

도 5는 바이패스 튜브(80)의 입구(81)가 위치된 냉매 수취부(61.2)의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다. 설명을 위해, 액체 유체(90)가 도 5에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 액체 유체(90) 위의 영역(91)으로 공기가 축적된다. 바이패스 튜브(80)의 입구(81)는 냉각 회로의 가장 높은 지점에 있는 바(존재하며), 이에 영역(91) 내의 공기는 부압이 바이패스 튜브(8)의 하단부에 존재할 때, 입구(81)를 통해 지날 수 있다.

도 6은 바이패스 튜브(80)의 출구(83)가 냉각 튜브(63) 내의 중심에 위치된 상태의 냉각 튜브(63)의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다. 설명의 편의상, 냉각 회로의 유출구(71)를 향해 냉각 튜브(63)를 통해 흐르는 액체 유체(90)는 도면에 특별히 도시하지 않았다. 여기서 공기는 바이패스 튜브(80)의 내부 공간(84)을 통해 이동한다. 바이패스 튜브(80)는 냉각 튜브(63)의 벽을 통과하여 지나 액체 유체(90)의 흐름 방향으로 휘어진다(예: 이의 방향으로 연장되도록 구부러진다). 냉각 튜브(63) 내의 액체 유체(80)의 유속이 상부 레벨(220)의 냉매 수취부(61.2) 내의 유속보다 높을 때, 공간(84) 내의 공기는 바이패스 튜브(80) 밖으로 흡입되어 냉각 회로의 유출구(71)를 향해 이동할 것이다.

도 7은 바이패스 튜브(80.2)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 단면도이다. 이 실시예에서, 전지 팩은 도 3 및 도 4를 통해 설명된 전술한 실시예와 유사한 상부 레벨(22)과 하부 레벨(210)을 포함한 2 레벨의 전지 팩으로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이로 한정되지는 않는다. 냉매 수취부(61.4)는 캐리어 플레이트(31.2)의 일체형 냉각 채널 구조의 유출용 개구와 결합된다. 연결 튜브(62.3)는 냉매 수취부(61.4)의 하부에 긴밀하게 설치된다. 또한, 연결 튜브(62.3)는 냉매 수취부(61.3)와 일체로 구성되며 냉각 튜브(63.2)가 전지 팩의 하부 레벨(201)에 제공된다. 바이패스 튜브(80.2)가 연결 튜브(62.3)의 내부를 통해 지난다. 바이패스 튜브(80.2)의 입구(81.2)가 냉매 수취부(61.4)의 상부벽에 가깝게 배치되어 정렬(예: 근처에 조립)된다. 또한, 바이패스 튜브(80.2)의 출구(83.2)는 냉각 튜브(63.2) 내에 위치된다. 바이패스 튜브(80.2)는 연결 튜브(62.3)에 견고히 고정될 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

80, 80.2: 바이패스 튜브 81, 81.2: 입구
83, 83.2: 출구 100.1, 100.2: 전지 모듈
200: 전지 팩 300: 자동차

Claims

자동차용 전지 팩으로서,
복수의 전지 모듈; 및
상기 전지 모듈과 열 접촉하는 액체 냉각 회로
를 포함하고,
적어도 하나의 전지 모듈은 수직 방향으로 서로 이웃하는 상기 전지 팩의 복수의 레벨 중 2개의 다른 레벨에 배열되고,
상기 액체 냉각 회로는, 상기 수직 방향으로 상기 액체 냉각 회로의 가장 높은 지점에 위치한 입구와 상기 가장 높은 지점보다 낮은 상기 액체 냉각 회로의 지점 내에 위치한 출구를 갖는 바이패스 튜브를 포함하며, 상기 2개의 다른 레벨에서 상기 전지 모듈과 열 접촉하는, 전지 팩.
제1항에 있어서,
상기 액체 냉각 회로는, 냉각 튜브를 더욱 포함하고,
상기 바이패스 튜브의 출구는 상기 전지 팩의 가장 낮은 레벨의 상기 냉각 튜브에 있는, 전지 팩.
제2항에 있어서,
상기 액체 냉각 회로는 상기 전지 팩의 레벨에서 이웃한 레벨들 사이에 수직하게 연장된 연결 튜브를 더욱 포함하고,
상기 바이패스 튜브는 상기 연결 튜브의 내부를 통해 지나는, 전지 팩.
제2항에 있어서,
상기 바이패스 튜브의 입구의 단면 크기와 상기 출구가 위치한 상기 냉각 튜브의 단면 크기의 비가 1:2 내지 1:10의 범위인, 전지 팩.
제2항에 있어서,
상기 바이패스 튜브의 입구의 단면 크기와 상기 출구가 위치한 상기 냉각 튜브의 단면 크기의 비가 1:3 내지 1:5의 범위인, 전지 팩.
제1항에 있어서,
상기 전지 팩은 상기 전지 팩의 최상위 레벨에 위치한 캐리어 플레이트를 더욱 포함하고, 상기 캐리어 플레이트는 일체형 냉각 채널 구조를 포함하며,
상기 전지 모듈 중 적어도 하나는 상기 캐리어 플레이트에 배열되고,
상기 액체 냉각 회로는 상기 캐리어 플레이트의 상기 일체형 냉각 채널 구조의 유출용 개구에 연결된 냉매 수취부를 더욱 포함하고,
상기 바이패스 튜브의 상기 입구는 상기 냉매 수취부에 위치한, 전지 팩.