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KR102394801B1 - 차량용 배터리 냉각 장치 - Google Patents

차량용 배터리 냉각 장치 Download PDF

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KR102394801B1
KR102394801B1 KR1020170136250A KR20170136250A KR102394801B1 KR 102394801 B1 KR102394801 B1 KR 102394801B1 KR 1020170136250 A KR1020170136250 A KR 1020170136250A KR 20170136250 A KR20170136250 A KR 20170136250A KR 102394801 B1 KR102394801 B1 KR 102394801B1
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김민욱
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 차량용 배터리 냉각 장치에 관한 것으로서, 액체 상태의 냉매가 배터리 열원과 열접촉하여 기화되면서 기화열로 배터리 냉각을 수행하고, 이때 기체 상태로 변화된 냉매(refrigerant)가 별도의 냉각수(coolant)와 열접촉되어 다시 액화되는 냉매의 상변화가 연속해서 발생되도록 함으로써, 배터리 냉각을 위한 냉각유로의 전(全) 구간에 걸쳐 모든 배터리 셀들의 냉각 효과를 극대화하는 동시에 상기 배터리 셀들의 균일한 냉각이 이루어질 수 있도록 하는 차량용 배터리 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

차량용 배터리 냉각 장치 {Battery cooling device for vehicle}
본 발명은 차량용 배터리 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매의 상변화를 이용하여 배터리 셀의 온도를 일정 범위내로 유지하기 위한 차량용 배터리 냉각 장치에 관한 것이다.
최근 전기자동차는 장거리 및 고출력/고성능 주행, 급속 충전 시간 단축이 요구되고 있으며, 이로 인해 에너지 공급원인 배터리 시스템의 배터리 셀에는 매우 높은 수준의 전류가 흐르게 되어 기존 전기자동차에 적용되던 배터리 셀보다 높은 발열이 발생하게 된다.
배터리 셀에서의 발열은 배터리 내구 수명에 치명적인 영향을 주기 때문에 일정 범위의 온도로 관리되어야 한다.
기존의 전기자동차의 경우 배터리 셀의 온도 관리를 위해, 캐빈 내의 공기를 냉각팬을 이용하여 배터리 시스템에 공급하여 배터리 셀의 냉각에 활용하는 공냉식 시스템, 또는 차량 전방의 라디에이터 혹은 에어컨 컴프레서와 연동된 별도의 칠러에 의해 냉각된 냉각수를 펌프를 이용하여 배터리 시스템에 공급하여 배터리 셀의 냉각에 활용하는 수냉식 시스템을 적용하고 있다.
그러나, 장거리 및 고출력/고성능 주행을 위한 전기자동차의 경우 고전류를 사용하기 때문에 기존의 수냉식 시스템을 적용하더라도 배터리 셀에서 발생되는 열을 냉각하기 위해서는 에어컨 컴프레서(혹은 라디에이터)와 칠러의 용량 증대가 불가피한 문제점이 있다.
공개특허 제2010-0054684호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 액체 상태의 냉매가 배터리 열원과 열접촉하여 기화되면서 기화열로 배터리 냉각을 수행하고, 이때 기체 상태로 변화된 냉매(refrigerant)가 별도의 냉각수(coolant)와 열접촉되어 다시 액화되는 냉매의 상변화가 연속해서 발생되도록 함으로써, 배터리 냉각을 위한 냉각유로의 전(全) 구간에 걸쳐 모든 배터리 셀들의 냉각 효과를 극대화하는 동시에 상기 배터리 셀들의 균일한 냉각이 이루어질 수 있도록 하는 차량용 배터리 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
다시 말해, 본 발명은 배터리 모듈의 냉각을 위한 냉매(refrigerant)가 흐르는 냉매유로에서 상기 냉매의 연속 상변화(continuous phase change)가 일어나도록 하는 배터리 냉각 구조를 적용하여 상기 냉매유로의 상류측 끝단에 배치된 배터리 셀(퍼스트 셀)에 대한 냉매의 냉각성능이 하류측 끝단에 배치된 배터리 셀(라스트 셀)까지 유지되도록 함으로써, 모든 배터리 셀의 냉각 효과를 극대화하고 모든 배터리 셀에 대해 균일한 냉각이 이루어지도록 하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈의 냉각을 위한 차량용 배터리 냉각 장치로서, 상기 복수의 배터리 셀의 배열방향으로 배치되며, 상기 복수의 배터리 셀과 열교환 가능하게 배치되는 냉매유로; 상기 냉매유로와 열교환 가능하게 배치되며, 상기 냉매유로에서 상기 배터리 셀의 발열에 의해 가열된 냉매를 냉각하여 액화시키기 위한 냉각수가 흐르는 냉각수채널 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 냉매유로는 접촉에 의해 상기 복수의 배터리 셀과 열교환 가능하도록 배치될 수 있으며, 상기 냉각수채널 플레이트는 접촉에 의해 상기 냉매유로와 열교환 가능하도록 배치될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 냉매유로는 상기 배터리 모듈과의 열교환에 의해 냉매가 가열되는 복수의 냉매가열유로 및 상기 냉각수채널 플레이트와의 열교환에 의해 냉매가 냉각되는 복수의 냉매냉각유로를 구비하며, 상기 냉매가열유로와 냉매냉각유로가 상기 배터리 셀의 배열방향으로 교번 배열된다.
이에 따라, 상기 냉매유로에 흐르는 냉매는 상기 냉매가열유로에서 배터리 셀의 발열에 의해 가열되어 기체 상태가 되고 상기 냉매냉각유로에서 냉각수채널 플레이트의 냉각수에 의해 냉각되어 액체 상태가 되며, 이러한 냉매의 상변화는 냉매가 상기 냉매유로를 따라 이동하는 동안 연속해서 발생한다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 냉각수채널 플레이트에는 냉각수가 흐르는 냉각수채널이 구비되며, 상기 냉각수의 유동방향이 상기 냉매유로에 흐르는 냉매의 유동방향과 직각을 이루게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복수의 배터리 셀과 복수의 냉매가열유로는 열전달 성능이 우수한 계면소재를 매개로 열교환 가능하게 접촉할 수 있으며, 상기 냉각수채널 플레이트와 복수의 냉매냉각유로는 또 다른 계면소재를 매개로 열교환 가능하게 접촉할 수 있다.
또한, 상기 냉각수채널 플레이트의 냉각수채널은 복수로 구비될 수 있으며, 상기 복수의 냉각수채널이 각각 상기 복수의 냉매냉각유로와 마주하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 냉각 장치에 의하면, 냉매유로의 상류측 끝단에 배치된 배터리 셀에 대한 냉매의 냉각성능이 하류측 끝단에 배치된 배터리 셀까지 동등 수준으로 유지가능하게 되고, 이에 냉매 유동방향으로 배열되는 모든 배터리 셀의 냉각 효과를 극대화하고, 동시에 상기 모든 배터리 셀의 균일한 냉각이 가능하게 된다.
이는, 단상의 현열(sensible heat)을 이용한 냉각 방식 대신, 냉매의 상변화 시에 냉매에서 발생되는 잠열(latent heat)을 이용한 이상 유동(two phase flow)의 냉각 방식을 이용한 배터리 냉각을 적용함에 기인한 것이며, 이 경우 냉매가 배터리 셀에서 흡수할 수 있는 열량이 수배에 해당하기 때문에, 본 발명의 배터리 냉각 장치를 채택하는 경우, 기존의 수냉각 시스템과 같이 에어컨 컴프레서와 칠러의 용량을 증대하는것이 필요 없으며, 상대적으로 적은 유량의 냉매를 이용하여 배터리 셀의 온도를 일정 범위내로 유지 관리할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 장치를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 냉매유로와 냉각수채널 플레이트를 적용한 배터리의 배터리 셀 온도 분포와, 냉각수채널 플레이트 없이 일반 냉매유로만 적용한 배터리의 배터리 셀 온도 분포를 비교하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
전기자동차의 동력원인 배터리 모듈의 냉각을 위해 액체(liquid) 상태의 냉매를 이용하는 경우, 상기 냉매가 냉매유로를 통과할 때 배터리 셀의 발열에 의해 기화되기 전까지는 배터리 셀에서 발생하는 열을 흡수하여 배터리 셀의 냉각이 이루어지지만, 상기 냉매가 기화된 이후에는 냉매를 통한 배터리 셀의 냉각이 거의 수행되지 않게 된다.
또한, 상기 냉매유로에서 배터리 셀의 발열에 의해 가열되고 있는 냉매는, 기체 상태로 변화된 이후에 다시 원래의 상(phase)으로 되돌려지기 어려울 뿐만 아니라, 액체 상태일 때에 비해 기체 상태일 때의 냉각 성능이 현저히 떨어진다.
따라서 상기 냉매유로에 흐르는 냉매가 기화되기 전에 냉각이 이루어지는 배터리 셀과 상기 냉매가 기화된 이후에 냉각이 이루어지는 배터리 셀 간에 냉각량에 큰 차이가 발생하게 되며, 이에 따라 상기 냉매가 기화된 이후에 냉각되는 배터리 셀의 경우 필요로 하는 냉각이 적절히 이루어지지 못하게 되고, 또한 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들의 균일한 냉각이 어렵게 된다.
이에 본 발명에서는 상기 배터리 모듈을 구성하는 개별 셀들의 냉각 효과를 극대화하는 동시에 상기 셀들의 균일한 냉각이 가능하도록 하기 위해, 배터리 모듈의 냉각을 위한 냉매(refrigerant)가 흐르는 냉매유로에서 상기 냉매의 연속 상변화(continuous phase change)가 일어나도록 하는 배터리 냉각 구조를 적용함으로써 상기 냉매유로가 배치되어 있는 배터리 모듈의 전(全) 구간에서 각각의 배터리 셀에 대한 냉매의 냉각성능을 동등 수준으로 유지할 수 있도록 한다.
이를 위하여, 본 발명의 배터리 냉각 장치는 배터리 모듈(120)을 구성하는 복수의 배터리 셀(122)과 열전달 가능하게 배치되는 냉매유로(130), 및 상기 냉매유로(130)와 열전달 가능하게 배치되며 상기 냉매유로(130)에서 배터리 셀(122)의 발열에 의해 가열된 냉매를 냉각시켜 액화하기 위한 냉각수가 흐르는 냉각수채널 플레이트(140)를 포함하여 구성된다(도 1 참조).
여기서, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기 배터리 냉각 장치의 일 실시예를 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈(120)은 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(122)을 조합하여 이루어진 것으로서 배터리 케이스(110)로 둘러싸인 격실에 전해액에 잠기도록 설치될 수 있으며, 각각의 배터리 셀(122)은 전기 생성을 위한 최소 유닛으로서 셀커버(124)에 의해 다른 배터리 셀과 구조적으로 분리될 수 있다.
그리고, 상기 배터리 모듈(120)의 셀 냉각을 위한 냉매가 흐르는 냉매유로(130)는 배터리 모듈(120)과 열교환 가능하게 배치되며, 예를 들어 배터리 모듈(120)과 배터리 케이스(110) 사이에 배치될 수 있다.
도 1 및 도 2의 실시예에 따르면, 상기 배터리 모듈(120)이 차량에 탑재된 상태일 때 상기 냉매유로(130)는 배터리 모듈(120)의 하부에 배치되며, 복수의 배터리 셀(122)은 차량의 상하방향에 대해 직각을 이루는 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
냉매유로(130)는 상기 복수의 배터리 셀(122)과 열전달 가능하게 접촉한 상태로 배치되며, 바람직하게는 상기 복수의 배터리 셀(122)의 배열방향을 따라 연장되도록 형성된다. 동시에 상기 냉매유로(130)는 냉매유로(130)에 흐르는 냉매(refrigerant)의 냉각을 위한 냉각수(coolant)가 흐르는 냉각수채널 플레이트(140)와 열전달 가능하게 배치되며, 도 2에 실시예서는 냉각수채널 플레이트(140)와 열교환 가능하게 접촉한다. 상기 냉각수채널 플레이트(140)에는 상기 냉각수(coolant)가 흐르는 냉각수채널(140)이 구비된다.
상기 냉매유로(130)는 복수의 배터리 셀(122)로 이루어진 배터리 모듈(120)과 냉각수가 흐르는 냉각수채널 플레이트(140) 사이에 배치되며, 이에 따라 상기 냉매유로(130)에 흐르는 냉매는 상기 배터리 셀(122)로부터 방출되는 열을 전달받아 가열되는 동시에 상기 냉각수로부터 방출되는 열을 전달받아 냉각된다.
좀더 말하면, 상기 냉매는 냉매유로(130)를 따라 배터리 셀(122)의 배열방향으로 이동하여 흐를 때, 액체 상태에서 배터리 셀(122)로부터 전달되는 열에 의해 가열되어 기화되고, 이후 냉각수채널 플레이트(140)의 냉각수에서 전달되는 열에 의해 냉각되어 다시 액화된다. 이러한 냉매의 반복적인 상변화(phase change)를 통해 배터리 모듈(120)의 개별 셀(122)에 대하여 냉매의 상변화에 따른 큰 냉각효과를 얻을 수 있고, 또한 배터리 모듈(120)의 모든 셀(122)에 대하여 균일한 냉각이 가능하게 된다.
이를 위하여, 상기 냉매유로(130)는 상대적으로 상측에 배치된 복수의 배터리 셀(122)과 하측에 배치된 냉각수채널 플레이트(140)에 모두 접촉할 수 있도록 상하 양측으로 반복해서 굴곡된 요철 구조를 갖는 판형 튜브(tube) 타입으로 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 냉매유로(130)는 배터리 셀(122)과 냉각수채널 플레이트(140) 중 배터리 셀(122)의 하측면에만 접촉하는 복수의 냉매가열유로(132)와 냉각수채널 플레이트(140)에만 접촉하는 복수의 냉매냉각유로(134) 및 배터리 셀(122)과 냉각수채널 플레이트(140) 중 어느 한쪽에도 접촉하지 않고 상기 냉매가열유로(132)와 냉매냉각유로(134) 사이에 일체로 이어지는 냉매이동유로(136)로 구분할 수 있다.
상기 냉매가열유로(132)와 냉매냉각유로(134)는 상기 배터리 셀(122)의 배열방향으로 교번 배열되며, 이때 각각의 냉매가열유로(132)는 각각의 배터리 셀(122)과 열교환 가능하게 배치되고, 각각의 냉매냉각유로(134)는 양쪽의 냉매가열유로(132) 사이에서 냉각수채널 플레이트(140)와 열교환 가능하게 배치된다.
상기 열교환을 위하여, 각각의 냉매가열유로(132)는 각각의 배터리 셀(122)을 마주하도록 배터리 셀(122)의 하측에 배치될 수 있고, 각각의 냉매냉각유로(134)는 양쪽의 냉매가열유로(132) 사이에서 냉각수채널 플레이트(140)와 접촉하도록 배치될 수 있다.
이때 냉매유로(130)는 냉매가열유로(132)와 냉매냉각유로(134)가 각각 배터리 셀(122)과 냉각수채널 플레이트(140)에 면접촉할 수 있도록 굴곡 형성될 수 있다. 배터리 모듈(120)측에 접촉하고 있는 상기 냉매가열유로(132)와 냉각수채널 플레이트(140)측에 접촉하고 있는 상기 냉매냉각유로(134)는 냉매이동유로(136)에 의해 연결되며, 상기 냉매이동유로(136)는 냉매의 유동성을 확보하기 위해 일정 각도로 기울어진 플레이트형 유로로서 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 냉매유로(130)를 이동하는 냉매는 액체 상태로 상기 냉매가열유로(132)에 진입하여 배터리 셀(122)에서 전달되는 열에 의해 가열되고, 이때 상기 냉매가 기화되면서 소요되는 기화열로 배터리 셀(122)의 냉각을 수행한다. 상기 냉매가열유로(132)에서 기화된 냉매는 냉매이동유로(136)에서 기체 상태를 유지하다가, 냉매냉각유로(134)에 진입하면서 냉각수채널 플레이트(140)의 냉각수로부터 전달되는 열에 의해 냉각되어 액체 상태로 변화된다.
즉, 냉매유로(130)에 흐르는 냉매는 액체 상태로 배터리 모듈(120)에 접촉하게 되면 기화되면서 배터리 셀(122)의 냉각을 수행하고, 기체 상태로 냉각수채널 플레이트(140)에 접촉하여 다시 액체 상태로 변화하게 되며, 이러한 냉매의 상변화가 냉매유로(130)를 흐르는 동안 반복적으로 연속해서 발생함에 의해 상기 냉매유로(130)가 배치된 배터리 모듈(120)의 전(全) 구간에서 각각의 배터리 셀(122)에 대해 동등 수준의 냉각을 지속할 수 있게 된다.
만약, 냉각수가 흐르는 냉각수채널 플레이트(140)를 적용하지 않고 냉매가 흐르는 냉매유로(130)만 이용하여 배터리 모듈을 냉각하면, 상기 냉매가 기화된 이후에 액체 상태로 회복이 불가능하기 때문에, 상기 냉매유로(130)에 이웃하고 있는 모든 배터리 셀에 대해 동등 수준의 냉각을 유지하는 것이 불가능하게 된다.
아울러, 상기 냉매유로(130)에서 냉매가열유로(132)와 냉매냉각유로(134) 및 냉매이동유로(136)의 영역이 정확하게 구획되는 것은 아니며, 도 2에 도시된 냉매의 상태 변화는 단지 일예로 도식화하여 나타낸 것일 뿐 이에 의해 상기 냉매유로(130)에서 냉매의 상변화가 일어나는 영역이 한정되는 것도 아니다.
상기 냉매이동유로(136)를 통과하는 냉매는 냉매가열유로(132) 또는 냉매냉각유로(134)에서 변화된 상태를 유지하다가 상대적으로 하류(냉매 유동방향으로 기준으로 함)에 배치된 다른 냉매냉각유로(134) 또는 냉매가열유로(132)에 근접하여서 진입하게 됨에 따라 액상 또는 기상으로 상변화가 일어나게 된다.
또한, 상기 냉각수채널 플레이트(140)에 흐르는 냉각수(coolant)는 냉매유로(130)에서 냉매(refrigerant)의 연속 상변화(continuous phase change)가 가능하도록 하기 위해 기상 냉매를 냉각시켜 액상 냉매로 상변화시킬 수 있는 냉각수가 사용되며, 상기 냉매는 배터리 셀(122)의 작동 온도 범위를 고려하여 선택 적용된다.
한편, 배터리 모듈(120)과 냉매유로(130) 사이에는 냉매 및 냉각수의 유출 시에 냉매 및 냉각수로부터 배터리 모듈(120)을 보호하기 위해 계면소재(150)가 삽입 배치될 수 있다.
이때 상기 계면소재(150)는 계면소재(150)를 매개로 배터리 모듈(120)과 냉매유로(130)의 냉매 간에 열전달이 가능하도록 배치된다. 도 2의 실시예에 의하면, 상기 계면소재(150)는 배터리 모듈(120)과 냉매유로(130)의 경계면에 열전달 가능하게 배치되는 판형 구조물로서, 배터리 모듈(120)과 냉매유로(130)의 경계면에서 복수의 배터리 셀(122)과 복수의 냉매가열유로(132)에 동시 접촉하여 배치된다.
또한, 상기 계면소재(150)는 배터리 셀(122)들과 냉매가열유로(132)들 간에 열전달 효율이 저하되는 것을 최소화하기 위해, 표면 접촉에 의한 열전달 효율이 높은 재질로 이루어진다.
그리고, 상기 냉매유로(130)에 구비되는 복수의 냉매냉각유로(134)와 냉각수채널 플레이트(140) 사이에도 계면소재(160)가 삽입 배치될 수 있다.
상기 계면소재(160)는 냉각수의 유출에 대응하여 배터리 모듈(120)에 냉각수가 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 냉매냉각유로(134)의 냉매와 냉각수채널 플레이트(140)의 냉각수 간에 열전달 효율이 저하되는 것을 최소화하기 위해 표면 접촉에 의한 열전달 효율이 높은 재질로 이루어지며, 도 2와 같이 판형 구조물로서 적용될 수 있다.
상기 계면소재(160)는 복수의 냉매냉각유로(134)와 냉각수채널 플레이트(140) 사이에 열전달 가능하도록 배치되며, 도 2의 실시예에 의하면 복수의 냉매냉각유로(134)와 냉각수채널 플레이트(140)에 동시 접촉하도록 배치된다.
참고로, 도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면, 각각의 배터리 셀(122)은 배터리 셀(122)의 적어도 일부를 감싸는 셀커버(124)에 의해 포장되며 상기 셀커버(124)를 통해 냉매유로(130)의 냉매가열유로(132)에 접촉하고 있으며, 이에 상기 배터리 셀(122)과 냉매가열유로(132)가 열전달 가능하게 접촉하고 있는 것으로 설명할 수 있다.
상기 셀커버(124)는 배터리 셀(122)에서 발생되는 열이 냉매가열유로(132)측으로 원활하게 전달될 수 있도록 하는 재질로 이루어진다.
첨부한 도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수채널 플레이트(140a)가 적용된 차량용 배터리 냉각 장치를 나타낸 것이며, 도 3의 경우 셀커버(124)내에 배치되는 배터리 셀이 생략된 것임을 밝혀둔다.
상기 냉각수채널 플레이트(140a)는 냉매유로(130)에서 배터리 셀(122)의 발열에 의해 가열된 냉매를 냉각하기 위한 냉각수가 흐르는 냉각수채널(142a)이 구비될 수 있다.
상기 냉매유로(130)의 냉매냉각유로(134)에서 흐르는 냉매는 냉각수채널(142a)에 흐르는 냉각수에 열을 전달하면서 냉각되므로, 냉매냉각유로(134)의 갯수와 상관없이 냉각수채널을 단일 채널로 구비하는 경우 냉매 유동방향을 기준으로 냉매유로(130)의 상류측 냉매로부터 전달되는 열에 의해 냉각수가 가열되고, 그에 따라 냉매유로(130)의 하류측 냉매의 온도가 상류측 냉매보다 높아질 가능성이 있다.
따라서, 냉매유로(130)를 구성하는 복수의 냉매냉각유로(134)에 대응하여, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 냉각수채널(142a)을 구비한 냉각수채널 플레이트(140a)를 이용하는 것이, 배터리 모듈(120)의 각 셀(122)들에 대한 냉각 성능 확보 및 균일한 냉각에 더욱 효과적이다.
바람직하게, 상기 복수의 냉각수채널(142a)은 상기 냉매냉각유로(134)의 위치에 대응하여 각각 냉매냉각유로(134)와 마주하도록 배치되며, 구체적으로 복수의 냉매냉각유로(134) 및 복수의 배터리 셀(122)의 배열방향으로 배치된다. 이때 각각의 냉각수채널(142a)은 냉매유로(130)에서의 냉매 유동방향을 따라 연속적으로 배열될 수 있으며, 냉각수채널(142a)에서의 냉각수 유동방향은 배터리 셀(122)들의 배열방향 및 냉매 유동방향과 직각을 이루도록 적용될 수 있다. 아울러, 냉매가열유로(132)는 배터리 모듈(120)의 각 배터리 셀(122)과 마주하도록 배치될 수 있다.
즉, 상기 냉각수채널 플레이트(140a)는 각기 독립된 격실로서 형성되는 복수의 냉각수채널(142a)을 구비할 수 있으며, 이때 각각의 냉각수채널(142a)이 각각의 냉매냉각유로(134)와 마주하도록 배치될 수 있다. 이 경우 각 냉매냉각유로(134)마다 동일 온도 조건의 냉각수에 의한 냉매 냉각이 가능하며, 각 냉매냉각유로(134)에서의 냉매 냉각이 동등 수준으로 균일하게 이루어질 수 있다. 다시 말해, 각각의 냉매냉각유로(134)에 진입하여 흐르는 냉매의 냉각 및 상변화(액화)가 동일 냉각수 조건으로 수행될 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 차량용 배터리 냉각 장치의 효과를 도 5를 참조하여 좀더 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 냉매유로와 냉각수채널 플레이트를 적용한 제1배터리의 배터리 셀 온도 분포(그래프 A)와, 냉각수채널 플레이트 없이 일반 냉매유로만 적용한 제2배터리의 배터리 셀 온도 분포(그래프 B)를 비교하여 나타낸 것이다.
상기 그래프 A는 배터리 모듈의 냉각을 위한 냉매가 흐르는 냉매가열유로와 냉매이동유로 및 냉매냉각유로가 반복 배치된 형태의 냉매유로와 상기 냉매냉각유로에 진입하는 기체 상태의 냉매를 액체 상태로 상변화시킬 수 있는 냉각수가 흐르는 냉각수채널 플레이트가 적용된 제1배터리의 배터리 셀 온도 분포를 측정하여 나타낸 것이고, 상기 그래프 B는 냉각수채널 플레이트의 적용 없이 배터리 모듈의 냉각을 위한 냉매가 흐르는 평판형의 냉매유로가 적용된 제2배터리의 배터리 셀 온도 분포를 측정하여 나타낸 것이며, 상기 그래프 A와 B는 냉매유로 및 냉각수채널 플레이트의 조건을 제외하고는 동일 실험 조건하에서 배터리 셀 온도 분포를 측정하였다.
특히, 상기 그래프 B는 상기 제2배터리의 배터리 셀 중 기화된 냉매에 의해 냉각되는 소정 배터리 셀의 높이방향 온도 분포를 나타낸 것이고, 상기 그래프 A는 상기 그래프 B에서 선택된 배터리 셀과 동일 위치에 배치되어 있는 소정 배터리 셀의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 5에서 온도측정위치 a와 b는 도 1의 a 지점과 b 지점에 대응되는 배터리 셀의 높이방향 위치를 나타낸 것이며, 상기 a에서의 셀 온도는 배터리 셀의 높이방향 위치 중 냉매냉각유로와 가장 근접하는 도 1의 a 지점에서 측정한 셀 온도이고, 상기 b에서의 셀 온도는 상기 배터리 셀의 높이방향 위치 중 냉매냉각유로와 가장 멀리 떨어진 도 1의 b 지점에서 측정한 셀 온도이다.
도 5에 나타낸 그래프에서 보이듯, 초기 온도 대비 상기 제1배터리의 셀 온도 상승량이 제2배터리의 셀 온도 상승량보다 작음을 알 수 있으며, 또한 배터리 셀의 높이방향 위치에 따른 온도 편차 역시 제2배터리 대비 제1배터리가 작음을 알 수 있다.
도 5와 같은 측정 결과로부터, 본 발명에 따른 냉매유로와 냉각수채널 플레이트를 적용한 제1배터리의 개별 셀 냉각 성능이 향상된 것을 확인할 수 있으며, 또한 단일 셀의 높이방향 위치에 따른 온도 편차 감소에도 효과적임을 확인할 수 있다.
이는 상기 제1배터리의 경우 냉매가 기화되면 냉각수를 이용하여 액상으로 회복시킬 수 있기 때문에 냉매의 상변화 시(액상->기상) 발생되는 잠열이 냉매유로에서의 냉매 이동방향으로 지속적으로 발생되는 반면, 상기 제2배터리의 경우 냉매가 기체 상태로 변화된 이후에는 액상으로 회복되지 못하며 따라서 냉매가 기화된 이후에는 단상의 현열을 이용하여 셀 냉각이 이루어지기 때문이다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
110 : 배터리 케이스
120 : 배터리 모듈
122 : 배터리 셀
124 : 셀커버
130 : 냉매유로
132 : 냉매가열유로
134 : 냉매냉각유로
136 : 냉매이동유로
140,140a : 냉각수채널 플레이트
142,142a : 냉각수채널
150,160 : 계면소재

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈의 냉각을 위한 차량용 배터리 냉각 장치로서,
    상기 복수의 배터리 셀의 배열방향으로 배치되며, 상기 복수의 배터리 셀과 열교환 가능하게 배치되는 냉매유로;
    상기 냉매유로와 열교환 가능하게 배치되며, 상기 냉매유로에서 상기 배터리 셀의 발열에 의해 가열된 냉매를 냉각하여 액화시키기 위한 냉각수가 흐르는 냉각수채널 플레이트;를 포함하며,
    상기 냉매유로는 상기 배터리 셀과의 열교환에 의해 냉매가 가열되는 복수의 냉매가열유로와 상기 냉각수채널 플레이트와의 열교환에 의해 냉매가 냉각되는 복수의 냉매냉각유로 및 상기 냉매가열유로와 냉매냉각유로 사이에 연결된 복수의 냉매이동유로를 가지며,
    상기 냉매가열유로와 냉매냉각유로는 상기 배터리 셀의 배열방향으로 교번 배열되고, 상기 냉매가열유로는 상측에 배치된 배터리 셀에 접촉하고, 상기 냉매냉각유로는 하측에 배치된 냉각수채널 플레이트에 접촉하며, 상기 냉매이동유로는 상기 배터리 셀과 냉각수채널 플레이트 중 어느 한쪽에도 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매유로는 접촉에 의해 상기 복수의 배터리 셀과 열교환 가능하도록 배치되며, 상기 냉각수채널 플레이트는 접촉에 의해 상기 냉매유로와 열교환 가능하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매유로에 흐르는 냉매는 상기 냉매가열유로에서 배터리 셀의 발열에 의해 가열되어 기체 상태가 되고 상기 냉매냉각유로에서 냉각수채널 플레이트의 냉각수에 의해 냉각되어 액체 상태가 되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수채널 플레이트에는 냉각수가 흐르는 냉각수채널이 구비되며, 상기 냉각수의 유동방향이 상기 냉매유로에 흐르는 냉매의 유동방향과 직각을 이루는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀과 복수의 냉매가열유로는 계면소재를 매개로 열교환 가능하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수채널 플레이트와 복수의 냉매냉각유로는 계면소재를 매개로 열교환 가능하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 냉각수채널은 냉각수채널 플레이트에 복수로 구비되며, 상기 복수의 냉각수채널이 각각 상기 복수의 냉매냉각유로와 마주하도록 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매유로는 요철 구조를 갖는 판형 튜브인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  10. 삭제
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