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KR101301559B1 - 배터리 케이스 - Google Patents

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KR101301559B1
KR101301559B1 KR1020130004987A KR20130004987A KR101301559B1 KR 101301559 B1 KR101301559 B1 KR 101301559B1 KR 1020130004987 A KR1020130004987 A KR 1020130004987A KR 20130004987 A KR20130004987 A KR 20130004987A KR 101301559 B1 KR101301559 B1 KR 101301559B1
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South Korea
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cooling
heating
air
frame
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손일선
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주식회사 이브텍
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Abstract

본 발명은 차량용 배터리 케이스에 관한 것으로, 특히 다수의 배터리로 이루어진 배터리 모듈을 사용하는 자동차나 기계장치 등에서 상기 배터리 모듈의 온도를 효과적으로 냉각하거나 가열할 수 있는 배터리 케이스에 관한 것이다.
본 발명의 배터리 케이스는, 상부가 개방된 하부 프레임과, 상기 하부 프레임에 고정되며 길이방향을 따라 유입 홀과 열교환 홀, 배출 홀이 형성되고 상부에 배터리 모듈을 고정시키는 하부 플레이트와, 상기 배터리 모듈을 감싸게 설치되며 상면에 단자 관통홀이 형성된 내측 상부 프레임과, 상기 내측 상부 프레임의 개방된 전면에 설치되며 하부에 흡입 팬을 구비하는 전면 프레임과, 상기 내측 상부 프레임과 전면 프레임을 감싸게 설치되며 상면에 단자 관통 홀이 형성된 외측 상부 프레임과, 상기 외측 상부 프레임의 후면에 설치되며 배출 팬을 구비하는 후면 플레이트를 포함하되, 상기 내측 상부 프레임의 측면 안쪽에는 상기 배터리 모듈과 밀착하는 상태로 접하며 상기 흡입 팬으로부터 유입된 냉각(가열)공기가 상기 배터리 모듈의 측면을 따라 하부로부터 상부를 향하여 지그재그 방향으로 유도하여 상기 배출 팬 쪽으로 안내하는 안내 격벽을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 케이스 {Battery Case}
본 발명은 배터리 케이스에 관한 것으로, 특히 복수 개의 배터리를 직렬 또는 병렬로 조합한 배터리 모듈을 사용하는 자동차나 기계장치 등에서 상기 배터리 모듈을 외부의 충격으로부터 안전하게 보호하면서 온도를 효과적으로 냉각하거나 가열할 수 있는 배터리 케이스에 관한 것이다.
가솔린이나 경유 등과 같은 화석연료를 사용하는 자동차의 증가는 화석연료의 수요 급증에 따른 심각한 에너지 문제를 야기하고 있으며, 이산화탄소의 과다 배출로 인한 환경오염 및 온실가스 농도 증가 등의 환경 문제는 물론, 수요와 공급의 밸런스 불균형 등으로 인한 가격의 급격한 변동에 따른 다양한 경제 문제를 야기하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서, 자동차분야의 경우에는 자동차의 경량화 및 고 효율화를 통해 연비를 향상시키거나, 화석연료를 친환경 에너지로 대체하려는 기술개발이 활발하게 전개되고 있다.
그 중에서 화석연료를 친환경 대체에너지로 대체하는 기술로서 현재 전기 자동차나 하이브리드 자동차 등이 가장 활발하게 개발이 진행되고 있으며, 일부 상용화도 이루어져 있다.
전기 자동차나 하이브리드 자동차에서는 주 또는 보조 동력원으로서 충전하여 재사용이 가능한 이차배터리를 사용하는데, 상기 이차배터리는 통상 복수 개가 직렬 또는 병렬로 조합된 배터리 모듈(battery module)을 상자 모양의 케이스 또는 트레이(tray)에 수납 내지 고정시킨 상태에서 전기 자동차 등에 탑재하여 주 또는 보조 동력원으로 사용하며, 이때 이차배터리로는 주로 리튬 이차배터리가 사용되고 있다.
그런데 전기 자동차 등에서 사용하는 배터리 모듈은 온도에 따라 효율 및 성능이 크게 좌우되는데, 예컨대 고온에서 방전을 하면 배터리의 수명이 현저히 떨어지는 현상이 발생하는 한편, 저온에서는 배터리가 요구하는 적정 온도범위에 도달할 때까지 배터리의 충/방전 성능이 저하하는 문제가 있다.
따라서 현재 배터리 모듈의 온도를 적정하게 유지하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있는데, 그 하나의 예로서 대한민국 등록특허공보 제10-1051446호로 개시된 "배터리 케이스"(이하 '종래기술의 배터리 케이스'라 한다)가 있다.
상기 종래기술의 배터리 케이스는, 도 1에 도시한 바와 같이, 내부 케이스(10)와 외부 케이스(20) 및 탄성부재(30)와 쿨링 팬(40)을 구비하고 있으며, 상기 내부 케이스(10) 내에는 복수 개의 배터리들이 직렬 또는 병렬로 조합된 배터리 모듈(P)이 수납되어 있다.
상기 배터리 모듈(P)을 수납한 내부 케이스(10)는 외부 케이스(20) 내에 수용되는데, 상기 외부 케이스(20)는 내부 케이스(10)를 수용하는 공간과 제어부품이 설치되는 제어부품 설치부(21)로 이루어져 있으며, 상기 제어부품 설치부(21)가 마련된 외부 케이스(20)의 전면에는 내부 케이스(10)가 수용된 공간으로 냉각공기를 공급하기 위한 쿨링 팬(40)이 설치되는 한편, 상기 내부 케이스(10)를 수용하는 공간이 마련된 쪽의 외부 케이스(20) 후면에는 냉각공기를 외부로 배출하기 위하여 또 다른 쿨링 팬(40)이 설치된다.
한편, 상기 종래기술의 배터리 케이스에서는 외부 케이스(20)의 내측 벽면 즉, 상면과 하면, 양 측면의 내측에 각각 판 스프링과 같은 탄성부재(30)가 설치되며, 배터리 모듈(P)이 수납된 내부 케이스(10)가 장착될 때 그 외측면이 상기 탄성부재(30)의 중간 지점에 밀착되면서 탄성적으로 지지된다.
따라서, 상기 배터리 모듈(P)이 수납된 내부 케이스(10)가 탄성부재(30)에 의해 외부 케이스(20) 내에서 탄성적으로 지지됨으로써 외부 케이스(20)에 작용하는 진동이나 충격이 내부 케이스(10)로 직접 전달되는 것을 방지할 수 있으며, 동시에 상기 내부 케이스(10)가 탄성부재(30)로 인하여 외부 케이스(20)의 내측 벽면으로부터 이격된 틈 사이로 냉각공기가 흐르게 됨으로써 배터리 모듈(P)을 냉각시킬 수 있게 된다.
대한민국 등록특허 제10-1039759호
그런데 상기 종래기술의 배터리 케이스의 경우는 배터리 모듈(P)을 냉각시킬 수만 있을 뿐이어서 가령 배터리 모듈(P)의 온도가 적정온도 이하로 떨어진 경우에는 배터리 모듈(P)을 가열할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 비록 배터리 모듈(P)을 탄성적으로 지지할 수 있기는 하나, 이로 인하여 배터리 모듈(P) 및 이를 수납하는 내부 케이스(10)가 작은 진동이나 충격에도 흔들리게 되어, 주행 중에 빈번히 진동이 발생하는 자동차 등에 사용하는 경우 배터리 모듈(P)과 연결된 전기계통에 단락을 발생시킬 가능성이 매우 높다는 문제가 있다.
또한, 배터리 모듈(P)과 내부 케이스(10)의 무게로 인하여 외부 케이스(20)의 하부 벽면에 설치된 탄성부재(30)에는 큰 하중이 작용하는 반면, 양 측부 벽면이나 상부 벽면에 설치된 탄성부재(30)에는 상대적으로 작은 하중이 작용하게 되므로, 상기 내부 케이스(10)를 균형있게 지지하는 것이 곤란할 뿐만 아니라, 이로 인하여 내부 케이스(10)의 하부와 양 측부, 상부에서 외부 케이스(20)와 이격된 틈에도 차이가 발생하여 이들 틈 사이로 흐르는 냉각공기의 양이 균일하지 않게 됨으로써 내부 케이스(10)의 위치에 따라 냉각효율이 불균일하다는 문제가 있다.
그리고 내부 케이스(10)의 하부와 양 측부, 상부 각각에서 외부 케이스(20)와 이격된 틈에 탄성부재(30)가 설치되어 있기 때문에 냉각공기가 상기 틈 사이로 흐를 때 탄성부재(30)가 장애물이 되어 와류 등을 발생시키는 등 냉각공기의 원활한 흐름을 저해하여 냉각효율을 저하시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 위와 같은 종래기술의 배터리 케이스가 가지고 있는 문제들을 해결하기 위하여, 상기 배터리 모듈을 선택적으로 냉각 또는 가열할 수 있으며, 상기 배터리 모듈을 견고하게 고정시킬 수 있는 동시에 외부의 강한 충격에도 안전하게 보호할 수 있는 배터리 케이스를 제공하고자 한다.
또한, 배터리 케이스 내로 흡입된 공기가 상기 배터리 모듈의 전체 면에 대해 원활하게 냉각 또는 가열시킬 수 있는 냉각(가열)구조를 제공하여 냉각 또는 가열효율을 높이는 한편, 배터리 케이스를 이중의 단열구조로 해서 상기 배터리 모듈이 외부의 온도에 덜 영향받는 구조를 제공하고자 한다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 배터리 케이스는,
상부가 개방된 하부 프레임과,
상기 하부 프레임에 고정되며 길이방향을 따라 유입 홀과 열교환 홀, 배출 홀이 형성되고 상부에 배터리 모듈을 고정시키는 하부 플레이트와,
상기 배터리 모듈을 감싸게 설치되며 상면에 단자 관통홀이 형성된 내측 상부 프레임과,
상기 내측 상부 프레임의 개방된 전면에 설치되며 하부에 흡입 팬을 구비하는 전면 프레임과,
상기 내측 상부 프레임과 전면 프레임을 감싸게 설치되며 상면에 단자 관통 홀이 형성된 외측 상부 프레임과,
상기 외측 상부 프레임의 후면에 설치되며 배출 팬을 구비하는 후면 플레이트를 포함하되,
상기 내측 상부 프레임의 측면 안쪽에는 상기 배터리 모듈과 밀착하는 상태로 접하며 상기 흡입 팬으로부터 유입된 냉각(가열)공기가 상기 배터리 모듈의 측면을 따라 하부로부터 상부를 향하여 지그재그 방향으로 유도하여 상기 배출 팬 쪽으로 안내하는 안내 격벽을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전면 프레임에는 흡입 팬의 후방에 히터부를 설치하여 흡입 팬으로부터 흡입된 공기를 선택적으로 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안내 격벽은 배터리 모듈의 측면을 아래로부터 위를 향하여 하부, 중간부 및 상부로 구분하였을 때, 상기 하부와 중간부를 구분하는 제1 안내 격벽과, 상기 중간부와 상부를 구분하는 제2 안내 격벽으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 냉각(가열)공기는 상기 제1 안내 격벽과 하부 플레이트, 배터리 모듈의 측면 하부 사이의 통로를 통해 후방으로 흐르는 제1 측면 유동과,
상기 제1 측면 유동을 한 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 측면 후방에서 다시 제1 및 제2 안내 격벽, 배터리 모듈의 측면 중간부 사이의 통로를 통해 전방으로 흐르는 제2 측면 유동과,
상기 제2 측면 유동을 한 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 측면 전방에서 다시 제2 안내 격벽과 내측 상부 프레임의 상면, 배터리 모듈의 측면 상부 사이의 통로를 통해 후방으로 흐르는 제3 측면 유동을 하여 배터리 모듈의 측면을 순차적으로 냉각(가열) 하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제1 안내 격벽은 길이방향 전방 단부가 배터리 모듈의 전면보다 돌출되게 형성되는 한편, 길이방향 후방 단부는 배터리 모듈의 후면으로부터 일정간격 이격된 위치에 있으며,
상기 제2 안내 격벽은 길이방향 후방 단부가 배터리 모듈의 후면보다 돌출되게 형성되는 한편, 길이방향 전방 단부는 배터리 모듈의 전면으로부터 일정간격 이격된 위치에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡입 팬으로 유입된 냉각(가열)공기의 일부는 하부 플레이트에 형성된 유입 홀을 통해 하부 플레이트와 하부 프레임 사이의 통로로 유입되어 열교환 홀을 통해 배터리 모듈의 하면을 냉각(가열)하는 한편,
냉각(가열)공기의 일부는 내측 상부 프레임과 배터리 모듈의 측면, 제1 안내 격벽 사이에 형성된 통로로 유입되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전면 프레임의 하부와 상부에는 각각 흡입 팬과 제어부품 설치부가 설치되되,
상기 제어부품 설치부의 후면은 배터리 모듈의 전면과 이격되며, 상기 전면 프레임 또는 제어부품 설치부의 어느 하나에는 상기 제1 안내 격벽의 돌출된 단부 사이를 밀접 상태로 마감하는 제1 차폐 격벽이 형성되고,
상기 내측 상부 프레임의 후면 안쪽에는 상기 제2 안내 격벽의 돌출된 단부 사이를 밀접 상태로 마감하는 제2 차폐 격벽이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡입 팬의 후방과 제1 차폐 격벽, 배터리 모듈의 전면에 의해 형성되는 충돌냉각(가열)실에서 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 전면 하부를 냉각(가열)하되,
상기 배터리 모듈의 전면 하부를 냉각(가열)시킨 냉각(가열)공기는 제1 측면 유동과, 하부 플레이트의 유입 홀을 통과하면서 배터리 모듈의 하부 측면 및 하면을 냉각(가열)하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 모듈의 하면을 냉각(가열)시킨 냉각(가열)공기는 하부 플레이트의 배출 홀을 통해 배터리 모듈과 후면 플레이트 사이로 배출되어 상기 제2 안내 격벽까지 상승하면서 배터리 모듈의 후면을 냉각하되,
상기 배터리 모듈의 하부 측면을 냉각(가열)시킨 냉각(가열)공기는 상기 하부 플레이트의 배출 홀을 통해 상승하는 냉각(가열)공기와 합해져 제1 안내 격벽 및 제2 안내 격벽 사이의 통로를 따라 제2 측면 유동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 측면 유동을 한 냉각(가열)공기의 일부는 배터리 모듈의 전면 중간부와 상부를 냉각(가열)시킨 후 내측 상부 프레임의 상면과 배터리 모듈의 상면 사이의 통로를 따라 후방으로 흐르고,
상기 제2 측면 유동을 한 냉각(가열)공기의 일부는 배터리 모듈의 측면 상부로 제3 측면 유동하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제3 측면 유동을 한 냉각(가열)공기는 배터리 모듈의 측면 상부 및 후면을 냉각시킨 후 배출 팬을 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 전면, 양측면, 상면, 하면, 그리고 후면을 모두 냉각(가열)시킬 수 있는 구조를 제공함으로써 냉각 또는 가열효율을 한층 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 배터리 모듈이 하부 플레이트와 내측 상부 케이스 등에 의하여 배터리 케이스 내에 견고하게 고정시킬 수 있으며, 배터리 모듈을 상기 내측 상부 케이스와 외측 상부 케이스, 그리고 하부 플레이트와 하부 프레임, 전면 프레임과 후면 프레임으로 전체적으로 2중의 구조로 감싸게 되어 외부의 강한 충격으로부터 배터리 모듈을 안전하게 보호할 수 있는 장점이 있다.
또한, 외부로부터 배터리 케이스 내로 공기를 흡입하는 흡입 팬의 후방에 히터부를 설치함으로써 배터리 모듈의 온도가 적정온도 이하로 떨어졌을 때 상기 히터부를 선택적으로 작동시켜 배터리 모듈을 가열할 수 있는 장점이 있다.
도 1은, 종래기술의 배터리 케이스의 분해 사시도 이다.
도 2는, 본 발명의 배터리 케이스의 사시도 이다.
도 3은, 도 2의 분해 사시도 이다.
도 4는, 도 3의 내측 상부 프레임의 사시도로서, (a)는 전면 쪽에서 바라본 사시도 이고, (b)는 후면 쪽에서 바라본 사시도 이다.
도 5는, 도 3에서 외측 상부 프레임과 전면 프레임을 제거한 상태의 사시도 이다.
도 6은, 도 2의 배터리 케이스를 냉각(가열)공기의 흐름방향으로 일부 절개한 상태를 나타내는 사시도 이다.
도 7은, 배터리 케이스 내를 흐르는 냉각(가열)공기의 흐름을 나타내는 단면도로서, (a)는 배터리 케이스의 측부에서 바라본 냉각(가열)공기의 흐름을 나타내며, (b)는 배터리 케이스의 상부에서 바라본 냉각(가열)공기의 흐름을 나타낸다.
이하, 본 발명의 배터리 케이스의 일 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 참고로, 이하의 설명 및 특허청구범위에서 전면과 후면, 전방과 후방이라 함은 냉각(가열)공기의 흐름방향을 기준으로 각각 상류측과 하류측에 위치하는 면 또는 방향을 말하며, 길이방향이라 함은 냉각(가열)공기의 흐름방향을 따르는 방향을 말한다. 또한, 배터리 케이스 내로 흡입된 공기의 가열 여부에 따라 냉각공기와 가열공기로 구분되게 되는데, 상기 냉각(가열)공기는 이를 통칭하는 의미로 사용하였으며, 이는 이하의 설명과 특허청구범위에서도 동일하다.
본 발명의 배터리 케이스(1000)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 그 외부가 하부 프레임(110)과 외측 상부 프레임(150)으로 둘러싸여 있으며, 상기 외측 상부 프레임(150)의 전면과 후면에는 각각 흡입 팬(210)과 배출 팬(220, 도 2 및 도 3 참조)이 설치되고, 상기 외측 상부 프레임(150)의 상면에는 후술하는 배터리 모듈(100)의 +/- 단자부(102)가 돌출되어 있다.
본 발명의 배터리 케이스(1000)에 대하여 도 3 내지 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 하부 프레임(110)은 배터리 케이스(1000)의 하부를 구성하는 것으로서 상면이 개방된 상태의 사각형 상자형태로 이루어지는데, 그 테두리에는 후술하는 하부 플레이트(120)를 고정하기 위해 절곡된 플랜지부가 마련된다. 여기서, 하부 프레임(110)이 사각형 상자형태라는 것은 하나의 예에 불과하며 이에 한정되지 않는다.
상기 하부 프레임(110)의 상부에는 하부 플레이트(120)가 통상의 체결수단(미도시)에 의해 고정되는데, 상기 하부 플레이트(120)에는 그 전면과 후면에 가까운 곳에 각각 1개 이상의 유입 홀(122)과 배출 홀(124)이 형성되며, 상기 유입 홀(122)과 배출 홀(124) 사이에는 길이방향 및 폭 방향으로 복수 개의 열교환 홀(126)이 형성된다.
그리고 상기 하부 플레이트(120)의 상부에는 복수 개의 배터리가 직렬 또는 병렬로 조합된 배터리 모듈(100)이 고정되는데, 본 실시예에서는 길이방향으로 길게 형성된 한 쌍의 고정 브래킷(170)을 상기 배터리 모듈(100)의 양 측면 아래쪽에 접촉시킨 상태에서 상기 고정 브래킷(170)을 통상의 체결수단(미도시)으로 하부 플레이트(120)의 상면에 체결함으로써 고정한다. 그러나 이러한 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 예컨대 상기 하부 플레이트(120)에 고정 브래킷(170)을 일체로 형성한 후에 배터리 모듈(100)을 고정하는 것도 가능하다.
상기와 같이 하여 배터리 모듈(100)이 하부 플레이트(120)에 고정된 후, 상기 배터리 모듈(100)의 외부에는 내측 상부 프레임(130)이 감싸게 설치된 후 체결수단에 의해 고정된다.
여기서 상기 내측 상부 프레임(130)은, 도 4 (a)와 (b), 도 5에 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100)의 양 측면과 상면, 후면을 감싸는 형태를 가지며, 그 전면은 개방되어 있다.
상기 내측 상부 프레임(130)에 대하여 배터리 모듈(100)을 기준으로 설명하면, 상기 내측 상부 프레임(130)의 양 측면, 상면, 후면은 배터리 모듈(100)로부터 일정한 간격만큼 이격되어 냉각(가열)공기가 흐르는 통로를 제공하되, 상기 후면의 상부에는 냉각(가열)공기를 외부로 배출하는 배출 팬(220)이 삽입되는 팬 관통 홀(138)이 형성되고, 상기 상면에는 배터리 모듈(100)의 +/- 단자부(102)가 관통하는 단자 관통 홀(134)이 형성된다.
또한, 상기 내측 상부 프레임(130)의 측면 안쪽에는 상기 배터리 모듈(100)과 밀착하는 상태로 접하며 상기 흡입 팬(210)으로부터 유입된 냉각(가열)공기가 상기 배터리 모듈(100)의 측면을 따라 하부로부터 상부를 향하여 지그재그 방향으로 유도하여 상기 배출 팬(220) 쪽으로 안내하는 안내 격벽(310)을 포함한다.
즉, 상기 내측 상부 프레임(130)에 안내 격벽(310)을 추가적으로 형성함으로써, 내측 상부 프레임(130)과 배터리 모듈(100) 측면 사이에 통로가 형성되는 것에 의해 냉각(가열)공기가 사행(蛇行)을 하면서 배터리 모듈(100)의 측면을 냉각(가열)하게 되므로 상기 배터리 모듈(100)의 온도를 보다 효과적으로 냉각시키거나 가열시킬 수 있다.
상기 안내 격벽(310)은 배터리 모듈(100)의 측면을 아래로부터 위를 향하여 하부, 중간부 및 상부로 구분하였을 때, 상기 하부와 중간부를 구분하는 제1 안내 격벽(311)과, 상기 중간부와 상부를 구분하는 제2 안내 격벽(312)으로 이루어진다.
이러한 상기 제1 안내 격벽(311)과 제2 안내 격벽(312)은 내측 상부 프레임(130)의 측면 상하방향에 각각 배치되는 2 개의 구성으로 형성하는 것이 바람직하나, 4 개의 구성으로 형성할 수도 있다.
즉, 상기 제1 안내 격벽(311)과 제2 안내 격벽(312)을 4 개로 구성하면 배터리 모듈(100)의 측면을 냉각하는 냉각(가열)공기의 이동 경로가 길어지게 되어 배터리 모듈(100)과의 열교환으로 인해 냉각(가열) 효율이 줄어드는 단점이 발생한다.
또한, 상기 안내 격벽(310)과 배터리 모듈(100)의 측면 사이의 통로를 기준으로 볼 때, 상기 냉각(가열)공기는 상기 제1 안내 격벽(311)과 하부 플레이트(120), 배터리 모듈(100)의 측면 하부 사이의 통로를 통해 후방으로 흐르는 제1 측면 유동과, 상기 제1 측면 유동을 한 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 측면 후방에서 다시 제1 및 제2 안내 격벽(311,312), 배터리 모듈(100)의 측면 중간부 사이의 통로를 통해 전방으로 흐르는 제2 측면 유동과, 상기 제2 측면 유동을 한 냉각(가열)공기가 배터리 모듈(100)의 측면 전방에서 다시 제2 안내 격벽(312)과 내측 상부 프레임(130)의 상면, 배터리 모듈(100)의 측면 상부 사이의 통로를 통해 후방으로 흐르는 제3 측면 유동을 하여 배터리 모듈(100)의 측면을 순차적으로 냉각(가열)하게 된다.
그리고, 상기 제1 안내 격벽(311)은 길이방향 전방 단부가 배터리 모듈(100)의 전면보다 돌출되게 형성되는 한편, 길이방향 후방 단부는 배터리 모듈(100)의 후면으로부터 일정간격 이격된 위치에 있으며, 상기 제2 안내 격벽(312)은 길이방향 후방 단부가 배터리 모듈(100)의 후면보다 돌출되게 형성되는 한편, 길이방향 전방 단부는 배터리 모듈(100)의 전면으로부터 일정간격 이격된 위치에 있도록 한다.
한편, 상기 내측 상부 프레임(130)의 바깥쪽 측면, 상면 및 후면에는 내측 상부 프레임(130)의 강성을 보강하는 리브(136)가 돌출되게 형성되는데, 상기 바깥쪽 측면과 상면에 형성된 리브(136)들은 후술할 외측 상부 프레임(150)의 대응하는 측면 안쪽에 접촉하여 외측 상부 프레임(150)과의 간격을 유지하고, 또한 후면에 형성된 리브(136)들은 후술할 후면 플레이트(160)의 대응하는 후면 안쪽에 접촉하여 후면 플레이트(160)와의 간격을 유지하는데에도 기여한다.
상기 내측 상부 프레임(130)의 개방된 전면에는, 도 6에 도시한 바와 같이, 전면 프레임(140)이 설치되는데, 상기 전면 프레임(140)의 하부 전면에 외부의 공기를 배터리 케이스(1000) 내로 흡입하는 흡입 팬(210)이 하나 이상 설치되며, 상기 흡입 팬(210)의 상부에는 전면을 향해 개방된 상자형태의 제어부품 설치부(400)가 마련되고, 상기 제어부품 설치부(400)에는 배터리 모듈(100)의 온도를 측정하고 흡입 팬(210)과 배출 팬(220)의 동작을 제어하며, 후술할 히터부(300) 등을 제어하는 각종 제어부품이 설치되게 되는데, 이들 제어부품은 PCB에 실장된 형태로 모듈화되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 전면 프레임(140)에는 흡입 팬(210)의 후방에 히터부(300)가 설치되는 것이 바람직한데, 상기 히터부(300)는 흡입 팬(210)에 의해 흡입된 공기를 가열하는 것으로 열선 형태로 이루어져도 무방하며, 배터리 모듈(100)의 온도가 적정 온도 이하로 떨어졌을 때 선택적으로 작동된다.
그리고 상기 제어부품 설치부(400)의 후면과 배터리 모듈(100)의 전면 사이에는 일정한 간격만큼 이격되어 상기 충돌냉각(가열)실(500)의 냉각(가열)공기가 상기 안내 격벽(310)을 따라 이동하는 과정에서 배터리 모듈(100)의 전면을 대류 냉각하면서 상부로 흐를 수 있는 통로를 형성하되, 상기 전면 프레임(140) 또는 제어부품 설치부(400)의 어느 하나에는 상기 제1 안내 격벽(311)의 돌출된 단부 사이를 밀접 상태로 마감하는 제1 차폐 격벽(410)이 형성되고, 상기 내측 상부 프레임(130)의 후면 안쪽에는 상기 제2 안내 격벽(312)의 돌출된 단부 사이를 밀접 상태로 마감하는 제2 차폐 격벽(139)이 형성된다.
즉, 상기 제1 차폐 격벽(410)과 제2 차폐 격벽(139)은 흡입 팬(210)으로부터 유입된 냉각(가열)공기가 직접 배터리 모듈(100)의 전면 상부로 상승하거나 배출 홀(124)로부터 빠져나와 배터리 모듈(100)의 후면을 따라 상승하여 배출 팬(220)으로 흐르지 않도록 단속하는 역할을 수행한다.
한편, 상기 내측 상부 프레임(130)의 개방된 전면은 전면 프레임(140)에 의해 마감되며, 전면 프레임(140)의 흡입 팬(210)의 후방 공간은 제어부품 설치부(400)의 하면 또는 제1 차폐 격벽(410)과 배터리 모듈(100)의 전면에 의해 공간이 형성되는데, 상기 공간은 흡입 팬(210)에 의해 흡입된 공기가 배터리 모듈(100)의 전면에 충돌하여 냉각 또는 가열하는 충돌냉각(가열)실(500)이 된다.
따라서, 충돌냉각(가열)실(500)의 냉각(가열)공기는 상기 제1 차폐 격벽(410)에 의해 배터리 모듈(100)의 전면 상부로 이동하지 않고 냉각(가열)공기중 일부가 안내 격벽(310)을 따라 배터리 모듈(100)의 양측면 길이방향을 따라 흐르고 나머지 냉각(가열)공기는 하부 플레이트(120)의 유입 홀(122)로 유입되어 배터리 모듈(100)의 하면 하부에 위치하는 하부 플레이트(120)와 하부 프레임(110) 사이의 공간을 통해 후방으로 흐르게 되는데, 이때 상기 배터리 모듈(100)의 하면은 하부 프레임(120)에 형성된 복수 개의 열교환 홀(126)을 통해 냉각(가열)공기와 접촉하여 대류 냉각(가열)되게 된다.
이후, 상기 배터리 모듈(100)의 하면을 냉각시킨 냉각공기는 배출 홀(124)을 통해 상승하더라도 상기 제2 차폐 격벽(139)에 가로막혀 배출 팬(220)으로 직접 흐르지 못한다.
결국, 상기 배터리 모듈(100)의 양측면과 하부 하면을 각각 냉각시킨 냉각(가열)공기는 상기 배터리 모듈(100)의 후방 측면과 후면에서 합류되어 다시 상기 안내 격벽(310)의 이동 경로를 따라 배터리 모듈(100)의 중간부 거쳐 전면으로 이동한 후 배터리 모듈(100)의 전면 상부 통로 및 측면을 경유하여 배기 팬(220) 쪽으로 배출된다.
다음, 상기 내측 상부 프레임(130)의 외측으로는 외측 상부 프레임(150)이 설치되어 고정되는데, 상기 외측 상부 프레임(150)은 하부, 전면 및 후부가 개방된 상자형태이며, 그 상면에는 배터리 모듈(100)의 +/- 단자부(102)가 관통하는 단자 관통 홀(154)이 형성된다.
그리고 상기 외측 상부 프레임(150)의 전면에는 상기 전면 프레임(140)에 의해 마감 설치되고 후부에는 후면 플레이트(160)가 설치되며, 상기 후면 플레이트(160)의 상부에는 냉각(가열)공기를 외부로 배출하기 위한 배출 팬(220)이 설치된다.
한편, 상기 외측 상부 프레임(150)의 개방된 전면과 전면 프레임(140)에 의하여 형성되는 제어부품 설치부(400)의 공간(이를 '전면 단열공간'이라 한다), 상기 내측 상부 프레임(130)의 상면과 전면 프레임(140)의 제어부품 설치부(400) 상면과 외측 상부 프레임(15)의 상면 내측 사이의 공간(이를 '상면 단열공간'이라 한다), 그리고 내측 상부 프레임(130)의 후면과 후면 플레이트(160)의 내측 사이의 공간(이를 '후면 단열공간'이라 한다), 그리고 내측 상부 프레임(130)의 양 측면과 외측 상부 프레임(150)의 양 측면 내측 사이의 공간(이를 '측면 단열공간'이라 한다)은 각각 외부와 차단되는 밀폐된 공간인 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 공간들이 단열의 기능을 하기 때문이다. 여기서, 상기 공간들은 단열의 기능을 수행할 수 있다면 상기 공간이 외부와 완벽하게 차단되는 밀폐된 공간이 아니더라도 무방하다.
또한, 상기의 각 단열공간들에 대하여 전체적으로 또는 선택적으로 단열효과를 높이고자 한다면, 상기 각 단열공간에 별도의 단열재(미도시)를 충전하는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 배터리 케이스(1000)의 일 실시예에 대하여 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명하였는데, 이하에서는 도 7 (a)와 (b)를 참조하면서 상기 배터리 케이스(1000)에서 냉각(가열)공기를 이용하여 배터리 모듈(100)을 냉각 또는 가열하는 과정에 대하여 설명한다. 참고로, 도 7 (a)와 (b)에서 냉각(가열)공기는 화살표로 표시한다.
먼저, 배터리 모듈(100)의 온도가 적정온도의 범위를 벗어나면 제어부품 설치부(400)에 구비된 센서 등의 감지수단이 이를 이상온도로서 감지하게 되며, 상기 배터리 모듈(100)을 냉각하거나 가열하기 위해 흡입 팬(210)과 배출 팬(220)을 동시에 또는 선택적으로 작동시켜 외부로부터 배터리 케이스(1000) 내로 공기를 흡입한다.
상기 흡입 팬(210)을 통과한 공기는 흡입 팬(210)과 배터리 모듈(100)의 전면, 그리고 제어부품 설치부(400)의 하면 사이의 공간인 충돌냉각(가열)실(500)로 들어와 1차적으로 배터리 모듈(100)의 전면에 충돌하여 배터리 모듈(100)을 냉각 또는 가열하게 된다.
여기서 제어부품 설치부(400)에 구비된 감지수단에서 배터리 모듈(100)의 온도가 적정온도 이하로 떨어졌다고 감지하게 되면 히터부(300)를 작동시켜 외부로부터 흡입된 공기를 가열한다. 따라서 히터부(300)가 작동하지 않은 상태에서의 공기는 냉각공기가 되고, 히터부(300)가 작동한 상태에서의 공기는 가열공기가 되는 것이다.
계속해서, 상기 냉각(가열)공기가 배터리 모듈(100)의 전면에 충돌하여 배터리 모듈(100)의 전면 하부를 냉각시킨 냉각(가열)공기 중 일부는 내측 상부 프레임(130)과 배터리 모듈(100)의 측면, 제1 안내 격벽(311) 사이에 형성된 통로로 유입되어 제1 측면 유동을 통해 배터리 모듈(100)의 하부 양측면을 따라 후방으로 흐르는 한편, 나머지 냉각(가열)공기는 하부 플레이트(120)에 형성된 유입 홀(122)을 통해 배터리 모듈(100)의 하면 하부 쪽으로 유동한다.
상기 제1 안내 격벽(311)을 따라 배터리 모듈(100)의 하부 측면을 따라 후방으로 이동한 냉각(가열)공기는 이동하는 과정에서 상기 배터리 모듈(100)의 하부 양측면을 대류 냉각시키고, 상기 하부 플레이트(120)의 유입 홀(122)로 유입된 냉각(가열)공기는 상기 하부 플레이트(120)와 하부 프레임(110) 사이에 형성된 통로를 통해 배터리 모듈(100)의 후방을 향해 흐르면서 하부 플레이트(120)에 형성된 복수의 열교환 홀(126)을 통해 배터리 모듈(100)의 하면을 대류 냉각(가열)시킨 후 하부 플레이트의 배출 홀(124)을 통해 배터리 모듈(100)과 후면 플레이트(160) 사이로 배출되어 상기 제2 안내 격벽(312)까지 상승하면서 배터리 모듈(100)의 후면을 냉각(가열)시킨다.
그리고, 상기 배터리 모듈(100)의 하부 양측면을 냉각시킨 냉각(가열)공기와, 상기 배터리 모듈(100)의 하면을 냉각(가열)시킨 냉각(가열)공기는 배터리 모듈(100)의 하부 후방에서 서로 합해져 제1 안내 격벽(311) 및 제2 안내 격벽(312) 사이의 통로를 따라 배터리 모듈(100)의 전면으로 흐르는 제2 측면 유동하는 과정에서 배터리 모듈(100)의 중간부 양측을 대류 냉각(가열)시킨다.
그 다음, 상기 제2 측면 유동하여 배터리 모듈(100)의 중간부 양측면을 냉각(가열)시킨 후 배터리 모듈(100)의 전면 쪽으로 이동한 냉각(가열)공기의 일부는 배터리 모듈(100)의 전면 중간부와 상부를 냉각(가열)시킨 후 내측 상부 프레임(130)과 배터리 모듈의 상면 사이의 통로를 따라 배기 팬(220) 쪽으로 흐르는 과정에서 배터리 모듈(100)의 전면 중간부과 상면을 대류 냉각(가열)시킨다.
그리고 상기 제2 측면 유동한 나머지 냉각(가열) 공기는 제2 안내 격벽(312)과 내측 상부 프레임(130)의 상면, 배터리 모듈(100)의 측면 상부 사이의 통로를 통해 후방으로 흐르는 제3 측면 유동을 하는 과정에서 배터리 모듈의 측면 상부 및 후면을 냉각(가열)시킨 후 배출 팬(220)을 통해 외부로 배출된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 냉각(가열)공기가 배터리 모듈(100)의 전면, 양측면, 상면, 하면, 그리고 후면을 모두 냉각(가열)할 수 있는 구조를 제공함으로써 냉각 또는 가열효율을 한층 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 배터리 케이스는 복수 개의 배터리 모듈(100)이 직렬로 조합한 구조에 대해서만 실시예를 도시하였지만, 상기 배터리 케이스는 복수 개의 배터리(100) 모듈이 직렬 또는 병렬적으로 조합된 구조에 대해서도 그에 대응하는 구조로 제작할 수 있는 것은 당연하다.
또한, 본 발명의 배터리 케이스는 특히 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 배터리 케이스로 적합하지만 반드시 이에 한정하지 않고 배터리 모듈을 사용하는 다양한 기술분야에는 모두 적용이 가능하다.
그리고 본 발명은 전술한 일 실시예의 구성만으로 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재된 사항을 포함하고 있는 경우라면 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양하게 변형 실시한 구성도 당연히 본 발명에 포함된다고 해야 할 것이다.
1000 : 배터리 케이스 100 : 배터리 모듈
102 : +/- 단자부
110 : 하부 프레임 120 : 하부 플레이트
122 : 유입 홀 124 : 배출 홀
126 : 열교환 홀 130 : 내측 상부 프레임
134 : 단자 관통 홀
136 : 리브 138 : 팬 관통 홀
140 : 전면 프레임 150 : 외측 상부 프레임
152 : 팬 관통 홀 154 : 단자 관통 홀
160 : 후면 플레이트 210 : 흡입 팬
220 : 배출 팬 300 : 히터부
310 : 안내 격벽 311 : 제1 안내 격벽
312 : 제2 안내 격벽 400 : 제어부품 설치부
500 : 충돌냉각(가열)실

Claims (11)

  1. 상부가 개방된 하부 프레임과,
    상기 하부 프레임에 고정되며 길이방향을 따라 유입 홀과 열교환 홀, 배출 홀이 형성되고 상부에 배터리 모듈을 고정시키는 하부 플레이트와,
    상기 배터리 모듈을 감싸게 설치되며 상면에 단자 관통홀이 형성된 내측 상부 프레임과,
    상기 내측 상부 프레임의 개방된 전면에 설치되며 하부에 흡입 팬을 구비하는 전면 프레임과,
    상기 내측 상부 프레임과 전면 프레임을 감싸게 설치되며 상면에 단자 관통 홀이 형성된 외측 상부 프레임과,
    상기 외측 상부 프레임의 후면에 설치되며 배출 팬을 구비하는 후면 플레이트와,
    상기 내측 상부 프레임의 측면 안쪽에는 상기 배터리 모듈과 밀착하는 상태로 접하며 상기 흡입 팬으로부터 유입된 냉각(가열)공기가 상기 배터리 모듈의 측면을 따라 하부로부터 상부를 향하여 지그재그 방향으로 유도하여 상기 배출 팬 쪽으로 안내하는 안내 격벽을 포함하며,
    상기 전면 프레임의 흡입 팬으로부터 흡입된 냉각(가열)공기 중 일부는 상기 안내 격벽을 따라 배터리 모듈의 양측면으로 흐르고 나머지 냉각(가열)공기는 하부 플레이트의 유입 홀로 유입되어 배터리 모듈의 하면 하부에 위치하는 하부 플레이트와 하부 프레임 사이의 공간을 통해 후방으로 흐르는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안내 격벽은 배터리 모듈의 측면을 아래로부터 위를 향하여 하부, 중간부 및 상부로 구분하였을 때, 상기 하부와 중간부를 구분하는 제1 안내 격벽과, 상기 중간부와 상부를 구분하는 제2 안내 격벽으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각(가열)공기는 상기 제1 안내 격벽과 하부 플레이트, 배터리 모듈의 측면 하부 사이의 통로를 통해 후방으로 흐르는 제1 측면 유동과,
    상기 제1 측면 유동을 한 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 측면 후방에서 다시 제1 및 제2 안내 격벽, 배터리 모듈의 측면 중간부 사이의 통로를 통해 전방으로 흐르는 제2 측면 유동과,
    상기 제2 측면 유동을 한 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 측면 전방에서 다시 제2 안내 격벽과 내측 상부 프레임의 상면, 배터리 모듈의 측면 상부 사이의 통로를 통해 후방으로 흐르는 제3 측면 유동을 하여 배터리 모듈의 측면을 순차적으로 냉각(가열) 하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 안내 격벽은 길이방향 전방 단부가 배터리 모듈의 전면보다 돌출되게 형성되는 한편, 길이방향 후방 단부는 배터리 모듈의 후면으로부터 일정간격 이격된 위치에 있으며,
    상기 제2 안내 격벽은 길이방향 후방 단부가 배터리 모듈의 후면보다 돌출되게 형성되는 한편, 길이방향 전방 단부는 배터리 모듈의 전면으로부터 일정간격 이격된 위치에 있는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 흡입 팬으로 유입된 냉각(가열)공기의 일부는 하부 플레이트에 형성된 유입 홀을 통해 하부 플레이트와 하부 프레임 사이의 통로로 유입되어 열교환 홀을 통해 배터리 모듈의 하면을 냉각(가열)하는 한편,
    냉각(가열)공기의 일부는 내측 상부 프레임과 배터리 모듈의 측면, 제1 안내 격벽 사이에 형성된 통로로 유입되는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전면 프레임의 하부와 상부에는 각각 흡입 팬과 제어부품 설치부가 설치되되,
    상기 제어부품 설치부의 후면은 배터리 모듈의 전면과 이격되며, 상기 전면 프레임 또는 제어부품 설치부의 어느 하나에는 상기 제1 안내 격벽의 돌출된 단부 사이를 밀접 상태로 마감하는 제1 차폐 격벽이 형성되고,
    상기 내측 상부 프레임의 후면 안쪽에는 상기 제2 안내 격벽의 돌출된 단부 사이를 밀접 상태로 마감하는 제2 차폐 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡입 팬의 후방과 제1 차폐 격벽, 배터리 모듈의 전면에 의해 형성되는 충돌냉각(가열)실에서 냉각(가열)공기가 배터리 모듈의 전면 하부를 냉각(가열)하되,
    상기 배터리 모듈의 전면 하부를 냉각(가열)시킨 냉각(가열)공기는 제1 측면 유동과, 하부 플레이트의 유입 홀을 통과하면서 배터리 모듈의 하부 측면 및 하면을 냉각(가열)하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 하면을 냉각(가열)시킨 냉각(가열)공기는 하부 플레이트의 배출 홀을 통해 배터리 모듈과 후면 플레이트 사이로 배출되어 상기 제2 안내 격벽까지 상승하면서 배터리 모듈의 후면을 냉각하되,
    상기 배터리 모듈의 하부 측면을 냉각(가열)시킨 냉각(가열)공기는 상기 하부 플레이트의 배출 홀을 통해 상승하는 냉각(가열)공기와 합해져 제1 안내 격벽 및 제2 안내 격벽 사이의 통로를 따라 제2 측면 유동하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 측면 유동을 한 냉각(가열)공기의 일부는 배터리 모듈의 전면 중간부와 상부를 냉각(가열)시킨 후 내측 상부 프레임의 상면과 배터리 모듈의 상면 사이의 통로를 따라 후방으로 흐르고,
    상기 제2 측면 유동을 한 냉각(가열)공기의 일부는 배터리 모듈의 측면 상부로 제3 측면 유동하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 측면 유동을 한 냉각(가열)공기는 배터리 모듈의 측면 상부 및 후면을 냉각시킨 후 배출 팬을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
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