KR20160024073A - 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리 - Google Patents

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Abstract

중첩된 배터리셀의 사이에 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 수평방향으로 절곡되어 접촉부를 구성하는 삽입히트파이프; 삽입히트파이프의 접촉부에 면접촉되어 삽입히트파이프와 열적으로 연결된 전도플레이트; 공조면과 방열면으로 구성되며, 전도플레이트에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트를 냉각 또는 가열하는 열전소자; 및 열전소자의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결된 히트싱크;를 포함하는 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리가 소개된다.

Description

고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리 {THERMAL MANAGING UNIT AND HIGH-VOLTAGE BATTERY}
본 발명은 공랭식 또는 수냉식을 대체하며 비교적 간단한 구성으로 고전압배터리의 열을 관리할 수 있도록 하는 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리에 관한 것이다.
HEV/PHEV/EV 등에 적용되는 리튬배터리는 출력, 에너지 밀도 등에 있어서 기존 Ni-MH 배터리에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 그러나, 리튬배터리는 배터리를 사용하는 도중에 발생하는 열로 인하여 혹서기와 같은 고온의 외기조건에서 배터리의 수명이 단축이 되거나, 혹한기와 같은 극저온의 외기조건에서 배터리 출력저하 등이 발생할 수 있다. 따라서 배터리의 수명 및 출력저하 등을 예방하기 위해서 배터리 온도를 관리하는 것이 중요하다.
이러한 열관리를 위하여 고온조건에서 배터리냉각을 위해 공기를 이용하여 배터리를 냉각하는 공랭식 시스템, 물이나 오일 등을 이용하여 배터리를 냉각하는 수냉식시스템이 적용되어왔고, 또한 저온조건에서 배터리를 승온하기 위해서는 히터코어, 면상히터 등이 적용되어 왔다.
그러나, 일반적으로 냉각시스템과 승온시스템은 각각의 목적을 달성하기 위해서 별도의 구성품 즉, 냉각을 위해서는 냉각팬, 펌프, 덕트, 파이프 등이 갖춰져야 하고, 또한 승온을 위해서는 히터코어나 면상히터 등이 장착되어 별도의 로직을 가지고 동작을 할 수밖에 없다.
배터리 냉각을 위해서는 일반적으로 공기를 이용하는 공랭식 시스템과 물이나 오일을 이용하는 수냉식 시스템이 적용되고 있다. 공랭식 시스템의 경우 구성부품이 냉각덕트, 냉각팬 등으로 간단하고, 냉각시스템의 동작로직이 간단한 장점이 있으나, 냉각공기 유로경로의 어려움, 냉각유로로 인한 배터리모듈 부피 축소의 한계, 냉각팬 소음, 낮은 냉각성능 등의 문제점이 있다. 반면, 수냉식 시스템의 경우 냉각성능은 훌륭하나, 복잡한 시스템 구성/동작로직, 시스템 중량과다 및 높은 원가 등의 문제점이 있다.
배터리 승온의 경우 배터리케이스 내부의 공기를 데운 후 데워진 공기로 배터리를 승온하는 방법, 수냉식 시스템에 히터코어를 설치하여 냉매를 데워 배터리를 승온하는 방법 등이 있다. 그러나 이러한 승온시스템의 경우, 배터리승온에 소요되는 시간이 과다하게 소요되고, 배터리모듈 외 배터리하우징, 기타 부품을 동시에 데우는 등 승온효율이 낮은 문제가 있고, 혹은 비열이 높은 냉매를 적정온도까지 승온하는데 소요되는 소비전력이 높고, 냉매펌프를 구동하는 에너지도 소모가 되는 등 소비전력이 과다한 단점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2014-0020376 A
본 발명은 공랭식 또는 수냉식을 대체하며 비교적 간단한 구성으로 고전압배터리의 열을 관리할 수 있도록 하는 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압배터리의 열관리 유닛은, 중첩된 배터리셀의 사이에 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 수평방향으로 절곡되어 접촉부를 구성하는 삽입히트파이프; 삽입히트파이프의 접촉부에 면접촉되어 삽입히트파이프와 열적으로 연결된 전도플레이트; 공조면과 방열면으로 구성되며, 전도플레이트에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트를 냉각 또는 가열하는 열전소자; 및 열전소자의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결된 히트싱크;를 포함한다.
배터리셀은 파우치 타입으로서 수직으로 세워진 상태에서 상호 마주보는 면이 접하도록 중첩될 수 있다.
삽입히트파이프는 중첩된 배터리셀의 사이마다 지면에 수직하여 중력방향으로 배치될 수 있다.
배터리셀의 전체 면적과 면접촉되는 전도패널;을 더 포함하고, 삽입히트파이프는 마주보는 전도패널의 사이에 개재될 수 있다.
삽입히트파이프는 배터리셀의 사이에서 지면을 기준으로 기울어진 사선 방향으로 배치될 수 있다.
전도플레이트는 수평방향으로 배치된 수평히트파이프일 수 있다.
배터리셀의 상방에 배치되며 히트파이프의 노출된 접촉부가 관통하는 체결플레이트;를 더 포함하고, 체결플레이트는 접촉부를 사이에 두고 전도플레이트와 밀착되도록 체결될 수 있다.
체결플레이트에는 접촉부의 상단에 대응되는 형상의 관통홀이 형성되고, 체결플레이트는 상방에서 접촉부가 관통홀을 관통하도록 끼워진 후 측방으로 슬라이딩되어 체결플레이트가 접촉부에 걸림으로써 상방으로 이탈되지 않도록 할 수 있다.
히트싱크는 열전소자의 방열면에 면접촉되는 접촉패널 및 접촉패널의 상단에 마련된 방열핀으로 구성되고, 체결플레이트, 전도플레이트 및 접촉패널이 함께 밀착되도록 체결될 수 있다.
본 발명의 고전압배터리는, 수직으로 세워진 상태에서 상호 마주보는 면이 접하도록 중첩된 복수의 배터리셀; 중첩된 배터리셀의 사이마다 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 수평방향으로 절곡되어 접촉부를 구성하는 삽입히트파이프; 삽입히트파이프의 접촉부에 면접촉되어 삽입히트파이프와 열적으로 연결된 전도플레이트; 공조면과 방열면으로 구성되며, 전도플레이트에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트를 냉각 또는 가열하는 열전소자; 및 열전소자의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결된 히트싱크;를 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리에 따르면, 공랭식 또는 수냉식을 대체하며 비교적 간단한 구성으로 고전압배터리의 열을 관리할 수 있다.
냉각과 승온 기능을 동일부품을 사용하여 구현할 수 있어, 시스템구성이 간단하다. 그리고 기존 공랭식 시스템에서 적용하였던 냉각팬이 삭제되어 냉각시 소음이 없다.
또한, 공랭식 시스템의 배터리모듈 냉각유로 대신 히트파이프를 삽입함으로써 배터리모듈 부피를 축소할 수 있고, 냉각팬, 냉각덕트 등을 삭제할 수 있어 전체 시스템의 부피 축소 및 팩의 기구물 사이즈도 감소로 인해 금형비 등의 절감할 수 있다.
그리고, 공랭식 시스템의 경우 실내공기를 흡입하여 냉각을 실시하여 차량공조 부하 증가 및 실내공기 냉각성능 저하가 있었으나, 본 발명은 이러한 부분이 전혀 필요하지 않아 차량 측면에서 주행거리 증대 및 기타 에너지 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 본 시스템의 적용으로 밀폐형 시스템 구형이 가능하여 냉각공기 흡입구/토출구 등을 통한 물 유입 등을 방지하여 안전사고 예방 측면에서도 유리하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리의 단면도.
도 2 내지 7은 본 발명의 실시예에 따른 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리의 조립 과정을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리의 단면도이고, 도 2 내지 7은 본 발명의 실시예에 따른 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리의 조립 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명은 냉각과 승온의 기능을 통합하는 통합열관리시스템에 관한 발명으로 열전소자와 히트파이프를 적용함으로 필요에 따라 냉각과 승온기능을 구현하도록 구성하였으며, 공랭식에서의 냉각유로 및 냉각덕트, 냉각팬 등을 삭제함으로써 시스템의 단순화, 열관리시스템의 경량화 등을 달성할 수 있게 하여 주행거리 향상, 원가절감 등에 기여할 수 있는 것이다.
구체적으로, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리의 단면도로서, 본 발명에 따른 고전압배터리의 열관리 유닛은, 중첩된 배터리셀(100)의 사이에 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 수평방향으로 절곡되어 접촉부(220)를 구성하는 삽입히트파이프(200); 삽입히트파이프(200)의 접촉부(220)에 면접촉되어 삽입히트파이프(200)와 열적으로 연결된 전도플레이트(400); 공조면과 방열면으로 구성되며, 전도플레이트(400)에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트(400)와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트(400)를 냉각 또는 가열하는 열전소자(600); 및 열전소자(600)의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결된 히트싱크(500);를 포함한다.
본 발명에 적용가능한 배터리셀(100)은 파우치 타입으로서 수직으로 세워진 상태에서 상호 마주보는 면이 접하도록 중첩될 수 있다. 물론, 배터리셀은 수평방향으로 중첩하여 배치하는 것도 가능할 것이다. 삽입히트파이프(200)는 중첩된 배터리셀(100)의 사이에 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 수평방향으로 절곡되어 접촉부(220)를 구성한다. 따라서, 배터리셀(100)은 삽입히트파이프(200)를 통해 상단으로 열을 전달하거나 혹은 상단으로부터 열을 받아들인다.
그리고 전도플레이트(400)는 삽입히트파이프(200)의 접촉부(220)에 면접촉되어 삽입히트파이프(200)와 열적으로 연결된다. 동시에 전도플레이트(400)에는 열전소자(600)가 장착되어 열전소자(600)-전도플레이트(400)-삽입히트파이프(200)-배터리셀(100)이 열적으로 연결되도록 하는 것이다.
열전소자(600)는 공조면과 방열면으로 구성되며, 전력의 인가시 공조면과 방열면 사이에 인위적인 온도차를 형성하는 p,n 반도체로 구성된다. 따라서, 전력의 인가시 공조면은 차가워지거나 혹은 뜨거워지고 방열면은 반대의 개념으로 열적인 분위기가 형성되고, 전기의 극성을 교환함으로써 공조면이 냉각 혹은 가열되도록 하는 것이다.
따라서, 배터리셀(100)이 과열될 경우에는 열전소자(600)의 공조면을 통해 쿨링함으로써 전도플레이트(400), 삽입히트파이프(200)를 통해 배터리셀(100)이 냉각되는 것이다. 그리고, 배터리셀(100)의 폐열은 열전소자(600)의 방열면으로 통해 방열하도록 한다.
한편, 열전소자(600)는 전도플레이트(400)에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트(400)와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트(400)를 냉각 또는 가열하고, 히트싱크(500)는 열전소자(600)의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결됨으로써 외부로 방열을 수행한다. 이러한 히트싱크(500)에는 주행풍 도는 차량의 내기를 선택적으로 불어줌으로써 효과적으로 방열을 수행할 수 있도록 하고, 히트싱크(500)의 방열핀 부분을 외부로 노출시키고 배터리셀(100)을 포함한 나머지 부분은 하우징의 내부로 수납하여 밀폐할 경우 배터리는 밀폐형으로써 구성되어 먼지나 물 등의 외부 요인에 강건해지고, 동시에 히트싱크를 통해 방열도 원활히 이루어지도록 함으로써 열화를 방지하고 필요한 성능을 확보하며 내구성을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
도 2는 배터리셀의 사이에 삽입히트파이프가 개재된 상태이고, 도 3은 이를 구체적으로 나타낸다. 도 2와 같이 삽입히트파이프(200)는 중첩된 배터리셀(100)의 사이마다 지면에 수직하여 중력방향으로 배치될 수 있다. 물론, 삽입히트파이프(200)는 배터리셀(100)과 함께 수평방향으로 배치하는 것도 가능할 것이다. 다만, 중력방향으로 배치함이 바람직한 이유는 히트파이프의 경우 내부의 미세량의 수분을 이용하는 것이기에 응축수가 하강하는 방향으로 할 경우 그 효과가 제대로 발휘되어 냉각시 유리해지기 때문이다. 따라서, 삽입히트파이프(200)와 배터리셀(100)은 수직방향으로 배치함이 바람직할 것이다.
한편, 도 3과 같이 배터리셀의 전체 면적과 면접촉되는 전도패널(120)이 마련되며, 이 경우에는 삽입히트파이프(200)는 마주보는 전도패널(120)의 사이에 개재될 수 있다. 따라서, 전도패널(120)은 삽입히트파이프(200)를 통해 열전도되며 그 효과는 배터리셀(100)의 전 면적을 걸쳐 고르게 나타날 수 있게 된다. 그리고 동시에 삽입히트파이프(200)는 배터리셀(100)의 사이에서 지면을 기준으로 기울어진 사선 방향으로 배치함으로써 삽입히트파이프(200)와 전도패널(120)이 접촉되는 면적을 증대시킬 수 있는 것이다.
한편, 삽입히트파이프(200)의 접촉부(220)와 밀착되는 전도플레이트(400)는 수평방향으로 배치된 수평히트파이프일 수 있다. 도 6에서 볼 수 있듯이 전도플레이트(400)는 수평방향으로 배치된 수평히트파이프로서 사방에 산재된 삽입히트파이프(200)의 단부에 모두 접촉되어 소수의 열전소자(600)로도 전체적인 방열이 가능한 구조이다.
한편, 도 4 내지 5는 체결플레이트를 나타낸 것으로서, 체결플레이트(300)는 배터리셀(100)의 상방에 배치되며 삽입히트파이프의 노출된 접촉부(220)가 관통하도록 한다. 이를 통해 체결플레이트(300)는 접촉부(220)를 사이에 두고 전도플레이트(400)와 밀착되도록 체결될 수 있다.
한편, 체결플레이트(300)에는 접촉부(220)의 상단에 대응되는 형상의 관통홀(320)이 형성되고, 체결플레이트(300)는 도 4와 같이 상방에서 접촉부(220)가 관통홀(320)을 관통하도록 끼워진 후 도 5와 같이 측방으로 슬라이딩되어 체결플레이트(300)가 접촉부(220)에 걸림으로써 상방으로 이탈되지 않도록 할 수 있다. 그리고 그 상면에 도 6과 같이 전도플레이트(400)가 안착되고 열전소자(600)가 설치된다.
그리고 열전소자(600)의 상면에는 히트싱크(500)가 설치되어 방열을 수행하는데, 히트싱크(500)는 열전소자(600)의 방열면에 면접촉되는 접촉패널 및 접촉패널의 상단에 마련된 방열핀(520)으로 구성되고, 체결플레이트(300), 전도플레이트(400) 및 접촉패널이 함께 밀착되도록 체결될 수 있다.
이에 따라 도 1 및 7과 같이 고전압배터리의 열관리 유닛을 조립할 수 있게 된다. 그리고 도 1과 같이 배터리셀(100)-전도패널(120)-삽입히트파이프(200)-전도플레이트(400)-열전소자(600)가 공조측의 열 전도 흐름을 형성하고, 열전소자(600)-히트싱크(500)는 방열측의 열 전도 흐름을 형성하고, 히트싱크(500)는 대류를 이용하여 외부로 열을 방출하는 것이다.
그리고 삽입히트파이프(200), 전도플레이트(400), 열전소자(600)의 밀착을 위해 체결플레이트(300)가 마련되어 체결되는 것이다.
이러한 고전압배터리의 열관리 유닛이 탑재된 고전압배터리는, 수직으로 세워진 상태에서 상호 마주보는 면이 접하도록 중첩된 복수의 배터리셀(100); 중첩된 배터리셀(100)의 사이마다 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 수평방향으로 절곡되어 접촉부(220)를 구성하는 삽입히트파이프(200); 삽입히트파이프(200)의 접촉부(220)에 면접촉되어 삽입히트파이프(200)와 열적으로 연결된 전도플레이트(400); 공조면과 방열면으로 구성되며, 전도플레이트(400)에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트(400)와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트(400)를 냉각 또는 가열하는 열전소자(600); 및 열전소자(600)의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결된 히트싱크(500);를 포함한다.
본 발명의 고전압배터리의 열관리 유닛 및 고전압배터리에 따르면, 공랭식 또는 수냉식을 대체하며 비교적 간단한 구성으로 고전압배터리의 열을 관리할 수 있다.
냉각과 승온 기능을 동일부품을 사용하여 구현할 수 있어, 시스템구성이 간단하다. 그리고 기존 공랭식 시스템에서 적용하였던 냉각팬이 삭제되어 냉각시 소음이 없다.
또한, 공랭식 시스템의 배터리모듈 냉각유로 대신 히트파이프를 삽입함으로써 배터리모듈 부피를 축소할 수 있고, 냉각팬, 냉각덕트 등을 삭제할 수 있어 전체 시스템의 부피 축소 및 팩의 기구물 사이즈도 감소로 인해 금형비 등의 절감할 수 있다.
그리고, 공랭식 시스템의 경우 실내공기를 흡입하여 냉각을 실시하여 차량공조 부하 증가 및 실내공기 냉각성능 저하가 있었으나, 본 발명은 이러한 부분이 전혀 필요하지 않아 차량 측면에서 주행거리 증대 및 기타 에너지 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 본 시스템의 적용으로 밀폐형 시스템 구형이 가능하여 냉각공기 흡입구/토출구 등을 통한 물 유입 등을 방지하여 안전사고 예방 측면에서도 유리하다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 배터리셀 200 : 삽입히트파이프
300 : 체결플레이트 400 : 전도플레이트
600 : 열전소자

Claims (10)

  1. 중첩된 배터리셀의 사이에 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 절곡되어 접촉부를 구성하는 삽입히트파이프;
    삽입히트파이프의 접촉부에 면접촉되어 삽입히트파이프와 열적으로 연결된 전도플레이트;
    공조면과 방열면으로 구성되며, 전도플레이트에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트를 냉각 또는 가열하는 열전소자; 및
    열전소자의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결된 히트싱크;를 포함하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    배터리셀은 파우치 타입으로서 상호 마주보는 면이 접하도록 중첩된 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서,
    삽입히트파이프는 중첩된 배터리셀의 사이마다 지면에 수직하여 중력방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  4. 청구항 1에 있어서,
    배터리셀의 전체 면적과 면접촉되는 전도패널;을 더 포함하고, 삽입히트파이프는 마주보는 전도패널의 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  5. 청구항 1에 있어서,
    삽입히트파이프는 배터리셀의 사이에서 지면을 기준으로 기울어진 사선 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  6. 청구항 1에 있어서,
    전도플레이트는 수평방향으로 배치된 수평히트파이프인 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  7. 청구항 1에 있어서,
    배터리셀의 상방에 배치되며 히트파이프의 노출된 접촉부가 관통하는 체결플레이트;를 더 포함하고, 체결플레이트는 접촉부를 사이에 두고 전도플레이트와 밀착되도록 체결된 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  8. 청구항 7에 있어서,
    체결플레이트에는 접촉부의 상단에 대응되는 형상의 관통홀이 형성되고, 체결플레이트는 상방에서 접촉부가 관통홀을 관통하도록 끼워진 후 측방으로 슬라이딩되어 체결플레이트가 접촉부에 걸림으로써 상방으로 이탈되지 않는 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  9. 청구항 7에 있어서,
    히트싱크는 열전소자의 방열면에 면접촉되는 접촉패널 및 접촉패널의 상단에 마련된 방열핀으로 구성되고, 체결플레이트, 전도플레이트 및 접촉패널이 함께 밀착되도록 체결된 것을 특징으로 하는 고전압배터리의 열관리 유닛.
  10. 상호 마주보는 면이 접하도록 중첩된 복수의 배터리셀;
    중첩된 배터리셀의 사이마다 개재되고, 상단부가 노출된 상태에서 수평방향으로 절곡되어 접촉부를 구성하는 삽입히트파이프;
    삽입히트파이프의 접촉부에 면접촉되어 삽입히트파이프와 열적으로 연결된 전도플레이트;
    공조면과 방열면으로 구성되며, 전도플레이트에 공조면이 면접촉되어 전도플레이트와 열적으로 연결되고, 공조면을 통해 전도플레이트를 냉각 또는 가열하는 열전소자; 및
    열전소자의 방열면에 면접촉되어 방열면과 열적으로 연결된 히트싱크;를 포함하는 고전압배터리.
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