KR20200021654A - 차량용 배터리 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리 냉각 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 배터리 셀을 냉각시키기 위한 상변화 물질(PCM, phase change material)을 배터리 셀과 열교환 가능하게 배치하고, 상기 상변화 물질을 냉각시키기 위한 냉각수를 상기 상변화 물질과 열교환 가능하게 배치하여, 상기 배터리 셀의 발열에 의해 상기 상변화 물질이 가열되는 동시에 상기 냉각수의 흡열에 의해 상기 상변화 물질이 냉각될 수 있도록 함으로써 상변화 물질의 연속 상변화를 도모할 수 있는 차량용 배터리 냉각 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

차량용 배터리 냉각 장치 {Battery cooling device for vehicle}
본 발명은 차량용 배터리 냉각 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 상변화 물질을 이용하여 배터리 셀을 냉각하기 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, 배터리 셀을 냉각시키기 위한 상변화 물질(PCM, phase change material)을 배터리 셀과 열교환 가능하게 배치하고, 상기 상변화 물질을 냉각시키기 위한 냉각수를 상기 상변화 물질과 열교환 가능하게 배치하여, 상기 배터리 셀의 발열에 의해 상기 상변화 물질이 가열되는 동시에 상기 냉각수의 흡열에 의해 상기 상변화 물질이 냉각될 수 있도록 함으로써 상변화 물질의 연속 상변화를 도모할 수 있는 차량용 배터리 냉각 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈의 냉각을 위한 차량용 배터리 냉각 장치로서,
상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 일부의 배터리 셀들 사이에 배치되어, 인접한 배터리 셀의 발열에 의해 가열되는 상변화 물질이 구비되어 있는 복수의 셀 커버; 상기 셀 커버를 매개로 상기 상변화 물질과 열교환 가능하게 배치되고, 상기 상변화 물질의 열을 흡수하기 위한 냉각수가 흐르는 냉각 플레이트;를 포함하는 차량용 배터리 냉각 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 셀 커버는 서로 이웃한 배터리 셀들 사이에 배치되는 제1플레이트를 포함할 수 있고, 상기 제1플레이트의 내부에 상기 상변화 물질이 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1플레이트의 내부에는 상기 상변화 물질이 배치되는 수용챔버가 구비될 수 있고, 상기 상변화 물질은 서로 이웃한 배터리 셀들 사이에 전체적으로 배치될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1플레이트는 서로 이웃한 배터리 셀들의 외측면에 접촉하고, 상기 수용챔버 내의 상변화 물질은 상기 제1플레이트를 매개로 이웃한 배터리 셀들의 외측면 전체와 열교환 가능하도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 셀 커버는 제1플레이트로부터 수직하게 연장되어 형성되고 상기 냉각 플레이트의 상단면에 배치되는 제2플레이트를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 제2플레이트는 각 배터리 셀의 하단면에 배치될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 냉각 플레이트는 셀 커버와 접촉에 의해 열교환 가능하게 배치될 수 있다. 상기 냉각 플레이트는 복수의 냉각수 채널이 구비되며, 상기 각 냉각수 채널에는 배터리 셀에서 발생된 열에 의해 액화된 상변화 물질을 고화시키기 위한 상기 냉각수가 흐르게 된다. 상기 복수의 냉각수 채널은 배터리 셀들의 적층방향과 직각을 이루는 방향으로 배열될 수 있고, 상기 각 냉각수 채널은 배터리 셀들의 적층방향으로 연장될 수 있다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 배터리 냉각 장치에 의하면, 상변화 물질이 배터리 셀의 발열에 의해 가열되는 동시에 냉각수에 의해 냉각됨으로써 상기 배터리 셀을 냉각시키는 동안 상기 상변화 물질의 상변화(고체 <-> 액체)가 연속적으로 일어나게 된다. 따라서, 상기 배터리 셀이 상변화 물질에 의해 냉각되는 동안 상기 상변화 물질이 상변화에 따른 잠열을 지속적으로 발생할 수 있게 되고, 결과적으로 배터리 셀을 효과적으로 냉각시키는 효과를 얻을 수 있게 된다. 이는 단상의 현열을 이용하여 배터리 셀을 냉각할 때보다 상변화에 의해 발생하는 잠열을 이용하여 배터리 셀을 냉각할 때 상변화 물질이 배터리 셀로부터 흡수할 수 있는 열량이 수배로 증가하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 배터리 냉각 장치를 채택하는 경우, 기존의 수냉각 시스템과 같이 에어컨 컴프레서와 칠러의 용량을 증대하는 것이 필요 없게 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 A-A에서 본 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치를 적용한 배터리 모듈에서의 열전달 경로를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
전기자동차의 동력원인 배터리 모듈의 냉각을 위해 액체 상태의 냉매(refrigerant)를 이용하는 경우, 상기 냉매가 냉매채널에 흐를 때 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 흡수하여 상기 배터리 모듈을 냉각하게 된다. 상기 냉매는 액체 상태일 때에는 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열에 의해 기화되면서 배터리 모듈을 냉각하게 되고, 기화된 이후에는 기체 상태에서 배터리 모듈의 열을 흡수하고 배터리 모듈을 냉각하게 된다. 상기 냉매는 액체 상태일 때 기화되면서 발생하는 증발 잠열(latent heat)을 이용하여 배터리 모듈을 냉각할 수 있는 열량(제1열량)과, 기체 상태일 때 단상의 현열(sensible heat)을 이용하여 배터리 모듈을 냉각할 수 있는 열량(제2열량) 간에 차이가 크다. 상기 열량 간에 차이는 냉매의 종류에 달라질 수 있으나, 상기 제1열량이 상기 제2열량의 약 6배 정도가 된다. 이러한 차이가 발생하는 것은 냉매의 상변화 없이 온도 변화만으로 배터리 모듈을 냉각하는 것보다 냉매의 온도 변화 없이 상변화에 의해 배터리 모듈을 냉각하는 것이 냉각 효과가 훨씬 크기 때문이다.
다시 말해, 상기 냉매는 상변화가 일어나는 순간에는 열전달이 충분히 이루어지고, 상변화(액체->기체)가 발생한 이후에는 열전달 효율이 급속하게 감소한다.
따라서, 상기 냉매가 기화되기 전까지 배터리 모듈에서 흡수하는 열량과 기화된 이후에 흡수하는 열량에 차이가 발생하고, 상기 냉매가 기화된 이후에는 배터리 모듈의 냉각이 거의 이루어지지 않게 된다. 즉, 상기 냉매는 액체 상태일 때에 비해 기체 상태일 때의 냉각 성능이 현저히 떨어진다. 또한, 상기 냉매는 기체 상태로 변화된 이후에도 배터리 셀에서 발생하는 열에 의해 가열되고 있는 상태이기 때문에 다시 원래의 상(phase)으로 복귀하기 어렵다.
좀더 말하면, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들 중에 냉매가 기화되기 전에 냉각이 이루어지는 배터리 셀과 상기 냉매가 기화된 이후에 냉각이 이루어지는 배터리 셀 간에 냉각량에 큰 차이가 발생하고 되고, 냉매가 기화된 이후에 냉각되는 배터리 셀의 경우 필요한 냉각이 거의 이루어지지 않게 되며, 그 결과 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들의 균일한 냉각이 불가능하게 된다.
이에 본 발명에서는 배터리 셀을 냉각시키기 위한 상변화 물질(PCM, phase change material)을 배터리 셀과 열교환 가능하게 배치하고, 상기 상변화 물질을 냉각시키기 위한 냉각수를 상기 상변화 물질과 열교환 가능하게 배치함으로써, 상기 배터리 셀의 발열에 의해 상기 상변화 물질이 가열될 때 상기 냉각수의 흡열에 의해 상기 상변화 물질이 냉각되도록 한다. 이에 따라 상기 상변화 물질은 배터리 셀에 의해 가열되는 동안 연속적인 상변화를 일으킬 수 있게 되고 상변화(고체->액체)에 따른 잠열을 이용하여 배터리 셀을 냉각시킬 수 있게 된다. 즉, 상기 상변화 물질은 배터리 셀에 의해 가열되는 동안 배터리 셀에 대한 냉각성능을 일정 수준으로 유지할 수 있게 된다.
그 이유는 상기 상변화 물질의 일부가 배터리 셀의 발열에 의해 액화되면 상기 상변화 물질의 다른 일부가 액화되면서 배터리 셀을 냉각하게 되고, 상기 상변화 물질의 다른 일부가 배터리 셀을 냉각하는 동안 상기 액화된 상변화 물질의 일부가 냉각수의 흡열에 의해 다시 고화될 수 있기 때문이다.
다시 말해, 본 발명에서는 배터리 셀을 냉각시키기 위한 상변화 물질의 상변화가 발생할 때 상기 상변화 물질이 원래의 상(phase)으로 회복 가능하도록 함으로써 상기 배터리 셀을 냉각시키는 동안 상기 상변화 물질의 냉각성능이 유지될 수 있도록 한다.
첨부된 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 장치를 보여주는 도면이고, 도 3은 도 1의 A-A에서 본 도면이며, 도 4는 상기 차량용 배터리 냉각 장치를 적용한 배터리 모듈에서의 열전달 경로를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 배터리 냉각 장치는 복수의 배터리 셀(110)을 포함하여 구성되는 배터리 모듈(100)을 냉각시키기 위한 장치로서, 상변화 물질(M)의 융해 잠열을 이용하여 계속적으로 배터리 모듈(100)을 냉각시킬 수 있도록 구성된다.
상기 배터리 모듈(100)은 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결된 복수의 배터리 셀(110)을 조합하여 구성될 수 있다. 상기 복수의 배터리 셀(110)은 서로 이웃하여 일방향으로 배열될 수 있고, 상기 각 배터리 셀(110)은 전기 생성을 위한 최소 단위의 유닛으로서 셀 커버(120)에 의해 다른 배터리 셀과 구조적으로 분리되고 지지될 수 있다.
상기 셀 커버(120)는 각 배터리 셀(110)의 외측에 배치되도록 구성되며, 상기 배터리 셀(110)의 발열에 의해 가열되는 상기 상변화 물질(M)이 구비된다. 구체적으로, 상기 셀 커버(120)는 제1플레이트(121)와 제2플레이트(122)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1플레이트(121)는 서로 이웃한 배터리 셀(110)들 사이에 배치될 수 있고, 상기 이웃한 배터리 셀(110)들 간에 접촉면에 대응되는 단면적의 평판으로 구성되거나 또는 상기 접촉면보다 약간 큰 단면적의 평판으로 구성될 수 있다. 상기 제1플레이트(121)는 이웃한 배터리 셀(110)들 사이에 부분적으로 배치되는 것보다 상기 이웃한 배터리 셀(110)들 사이에 전체적으로 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 제1플레이트(121)는 배터리 셀(110)들의 배열방향과 직각을 이루는 방향으로 연장된다. 상기 제1플레이트(121)는 이웃한 배터리 셀(110)들 사이마다 배치될 수 있다.
상기 제1플레이트(121)의 내부에는 상기 상변화 물질(M)이 배치될 수 있다. 이를 위해 상기 제1플레이트(121)의 내부에는 상기 상변화 물질(M)이 채워지는 수용챔버(123)가 구비될 수 있다. 상기 수용챔버(123)는 배터리 셀(110)들의 배열방향과 직각을 이루는 방향으로 연장될 수 있다. 이러한 수용챔버(123)는 상기 이웃한 배터리 셀(110)들의 접촉면에 상응하는 면적의 단면을 가지도록 형성되거나 또는 상기 접촉면보다 약간 작은 면적의 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 따라서 상기 상변화 물질(M)은 서로 이웃한 배터리 셀(110)들 사이에 전체적으로 분포되고 배치될 수 있다. 상기 상변화 물질(M)은 상기 수용챔버(123)에 고체 상태로 삽입되거나 또는 액체 상태로 충진될 수 있다. 상기 상변화 물질(M)은 상온에서 고체 상태를 유지하는 물질이며, 상기 수용챔버(123)에 액체 상태로 주입되는 경우 고화(固化)시키는 공정을 거칠 수 있다.
상기 제2플레이트(122)는 제1플레이트(121)로부터 수직하게 연장되어 일체로 형성될 수 있다. 이때 상기 제2플레이트(122)는 제1플레이트(121)의 하측단에서 배터리 셀(110)들의 적층방향(배열방향)으로 연장될 수 있다. 즉, 상기 제2플레이트(122)는 상기 제1플레이트(121)와 직각을 이루는 방향으로 배치될 수 있다. 또한 상기 제2플레이트(122)는 냉각 플레이트(130)의 상단면 및 배터리 셀(110)의 하단면에 배치될 수 있다.
상기 제1플레이트(121)와 제2플레이트(122)를 포함하는 상기 셀 커버(120)는 ㄴ 모양의 단면을 가질 수 있다. 이러한 셀 커버(120)는 각 배터리 셀(110)의 외측에 배치될 수 있고, 하나의 셀 커버(120)는 하나의 배터리 셀(110)을 ㄴ 모양으로 감싸서 수납할 수 있다. 이때, 복수의 셀 커버(120)는 배터리 셀(110)들의 배열방향으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(100)의 하단면에는 각 배터리 셀(110)의 하단면에 접촉하는 제2플레이트(122)가 배터리 셀(110)들의 배열방향으로 연속 배열될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 3의 예에서는 모든 인접한 배터리 셀(110)들 사이에 셀 커버(120)가 배치되는 예를 도시하고 있으나, 이는 바람직한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상변화 물질(M)을 포함하는 셀 커버(120)는 일부 배터리 셀들 사이에는 배치되지 않을 수도 있다. 다만, 냉각 성능 및 배터리 충방전 성능을 감안할 때, 도 1 내지 도 3에서와 같이, 모든 배터리 셀(110)들 사이에 상변화 물질(M)을 포함하는 셀 커버(120)가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 셀 커버(120)의 하측(구체적으로, 제2플레이트의 하측)에는 셀 커버(120)에 내장(內藏)되어 있는 상변화 물질(M)을 냉각시키기 위한 냉각 플레이트(130)가 배치될 수 있다. 상기 냉각 플레이트(130)는 상변화 물질(M)에서 방출되는 열을 흡수하기 위한 냉각수(C)가 흐르도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 냉각 플레이트(130)는 냉각수(C)가 흐르는 복수의 냉각수 채널(131)을 구비할 수 있다. 이때 상기 복수의 냉각수 채널(131)은 배터리 셀(110)들의 적층방향(즉, 배열방향)과 직각을 이루는 방향으로 배열될 수 있고, 상기 각 냉각수 채널(131)은 배터리 셀(110)들의 배열방향으로 연장될 수 있다. 또한 상기 각 냉각수 채널(131)에 흐르는 냉각수(C)는 냉각수 채널(131)에서 배출된 뒤 냉각 플레이트(130)의 외부에서 냉각되고 다시 상기 냉각수 채널(131)에 공급될 수 있다.
상기 냉각 플레이트(130)는 셀 커버(120)와 열교환 가능하게 배치됨에 의해 상기 셀 커버(120)내 상변화 물질(M)에서 방출되는 열을 냉각수에 의해 흡수할 수 있다. 즉, 상기 냉각 플레이트(130)는 셀 커버(120)를 통해 상변화 물질(M)의 열을 전달받아 흡수하게 된다. 상기 냉각 플레이트(130)는 접촉에 의해 상기 셀 커버(120)와 열교환을 하도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 상기 냉각 플레이트(130)는 셀 커버(120)와 접촉하도록 배치됨에 의해 상기 셀 커버(120)에 내장된 상변화 물질(M)을 냉각시킬 수 있다.
상기 셀 커버(120)의 하측에 배치된 상기 냉각 플레이트(130)는 셀 커버(120)의 제2플레이트(122)를 사이에 두고 배터리 셀(110)의 하단면에 배치될 수 있다. 즉, 상기 냉각 플레이트(130)는 셀 커버(120)의 제2플레이트(122)를 매개로 배터리 셀(110)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 그에 따라, 상기 배터리 셀(110)은 배터리 셀(110)에서 방출되는 열을 제2플레이트(122)를 매개로 냉각 플레이트(130)에 전달할 수도 있다. 상기 제2플레이트(122)를 매개로 냉각 플레이트(130)에 전달되는 배터리 셀(110)의 열량은 상변화 물질(M)을 매개로 냉각 플레이트(130)에 전달되는 배터리 셀(110)의 열량에 비해 매우 적다. 다시 말해, 상기 냉각 플레이트(130)는 셀 커버(120)에 의해 상변화 물질(M)에서 방출되는 열을 흡수하는 동시에 배터리 셀(110)에서 방출되는 열도 흡수할 수 있도록 배치된다. 즉, 상기 냉각 플레이트(130)는 셀 커버(120)와 접촉하도록 배치됨에 의해 배터리 셀(110) 및 상변화 물질(M)을 동시 냉각시킬 수 있게 된다.
상기 셀 커버(120)는 열전도에 유리한 금속 재질로 형성될 수 있으며, 알루미늄 등과 같이 열전달율이 높은 금속 재질로 형성될 수 있다.
아울러, 상기 셀 커버(120)의 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130) 사이에는 셀 커버(120)와 냉각 플레이트(130) 간에 열교환율을 향상시킬 수 있는 계면시트(140)가 배치될 수 있다. 상기 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130)는 서로 면접촉이 가능한 표면을 가지기는 하나, 마이크로스케일의 거친 표면을 가지는 고체이기 때문에, 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130)의 계면 사이에 공극이 존재하게 된다. 따라서 상기 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130)가 서로 접촉을 할 경우 실제로 접촉하는 면적은 매우 작다. 또한 상기 계면 사이의 공극은 상대적으로 열전도가 낮은 공기로 채워지기 때문에 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130)의 계면(접촉면)을 통한 열전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 이에 셀 커버(120)와 냉각 플레이트(130) 간에 원활한 열전달을 위해, 상기 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130) 사이에 셀 커버와 냉각 플레이트의 계면 공극을 메우기 위한 상기 계면시트(140)가 배치될 수 있다. 상기 계면시트(140)가 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130) 사이의 공극을 메움으로써 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130) 사이의 열접촉저항을 최소화하고 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130) 사이의 열전달을 원활하게 할 수 있다. 즉, 상기 제2플레이트(122)와 냉각 플레이트(130) 사이에 계면시트(140)를 접촉시켜 배치함으로써 셀 커버(120)와 냉각 플레이트(130) 간에 열전달 효율을 증대시킬 수 있다. 여기서, 상기 계면시트(140)는 높은 열전달율을 가지는 열전달 물질(TIM, Thermal Interface Material)로 형성될 수 있다.
한편, 상기 상변화 물질(M)은 고체에서 액체로 변화하며 융해 잠열을 발생하는 물질이 사용될 수 있다. 다시 말해, 상기 상변화 물질(M)은 상온에서는 고체 상태로 유지되고 배터리 셀(110)에 의해 가열되면 액체 상태로 변화하는 물질이 사용될 수 있다. 상기 상변화 물질(M)은 전기적 절연성을 가지는 물질이 사용되며, 따라서 셀 커버(120) 외부로 누출되는 상황이 발생하더라도 전기 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명에서 셀 커버(120)에 내장된 상변화 물질(M)은, 액체 상태의 상변화 물질과 고체 상태의 상변화 물질이 혼합된 중간 형태일 수 있으며, 셀 커버(120) 주변의 온도가 상승하면 열을 흡수하고, 셀 커버(120) 주변의 온도가 낮아지면 응고되어 열을 방출하는 축열, 발열의 특성을 반복적으로 나타내는 물질을 의미할 수 있다.
특히, 본 발명에서의 상변화 물질(M)은, 차량용 배터리 셀의 냉각 성능 확보에 효과적으로 기여할 수 있도록 하기 위해, 상기 배터리 셀의 운전 온도 범위내에서 상변화가 이루어질 수 있는 물질이어야 한다. 바람직하게, 상기 상변화 물질(M)의 용융점은 30℃ ~ 45℃ 의 범위 내에 존재하여야 한다. 상기 용융점을 가지는 상변화 물질을 채택하는 경우, 그 상변화 물질은 배터리 셀(110)의 과열이 일어나기 전에 상기 상변화 물질의 융해 잠열에 의해 배터리 셀(110)의 온도를 안정적으로 유지할 수 있게 된다. 그 이유는, 차량용 배터리 셀로 적용되는 대부분의 리튬 이온 배터리 셀의 경우 45℃ ~ 50℃의 범위내로 최고 온도가 유지되어야 목표하는 내구 수명을 확보할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 범위(30℃ ~ 45℃)의 용융점을 가지는 상변화 물질의 경우 배터리 셀(110)에서 발생하는 열에너지보다 상변화 물질에서 흡수하는 열에너지가 크며, 그에 따라 배터리 셀(110)의 온도를 상기 용융점 이하로 유지할 수 있게 되기 때문이다.
구체적으로, 상기 상변화 물질(M)은 유기계 상변화 물질(organic phase change material)과 무기계 상변화 물질(inorganic phase change material)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이거나 또는 선택된 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 여기서, 상기 유기계 상변화 물질은 파라핀계와 비파라핀계를 포함한다. 상기 파라핀계는 37℃의 용융점을 가지는 파라핀 왁스 등을 포함하고, 상기 상기 비파라핀계는 캄페닐론(Camphenilon, 융점: 39℃), 카프릴론(Caprylon, 융점: 40℃) 등을 포함한다. 그리고, 상기 무기계 상변화 물질은 염수화물(salt hydrate), 금속물(metallics), 공융혼합물(eutectic)을 포함하며, 상기 금속물은 30℃의 융점을 가지는 갈륨(Gallium) 등을 포함한다. 상기 공융혼합물은 융해로 생긴 액상이 원래의 고체상과 같은 조성을 나타내는 고체 혼합물이며, 갈륨-갈륨 안티몬 공용혼합물(융점: 29.8℃) 등을 포함한다.
상기 상변화 물질(M)은 배터리 셀(110)에 의해 가열되는 경우 용융점에 도달하기 전에는 상변화 없이 배터리 셀(110)의 현열을 흡수하여 온도가 상승하게 된다. 상기 상변화 물질(M)은 배터리 셀(110)에 의해 가열되어 용융점에 도달하게 되면 고체 상태에서 액체 상태로 상변화가 발생된다. 상기 상변화 물질(M)은 상기 상변화가 일어나는 동안에도 융해 잠열에 의해 배터리 셀(110)의 열을 흡수하나 상변화 물질(M)의 온도는 일정하게 유지된다. 다시 말해, 상기 상변화 물질(M)은 배터리 셀(110)의 발열에 의해 온도가 상승하여 용융점에 도달하게 되면 상기 상변화 물질(M)의 일부가 융해되기 시작하며 상기 상변화 물질(M)이 완전(100%) 융해되기 전까지는 용융점의 온도로 유지된다.
상기 상변화 물질(M)은 배터리 셀(110)의 발열에 의해 상변화가 일어날 때 배터리 셀(110)에서 발생하는 최대 열에너지보다 큰 열에너지를 흡수할 수 있다. 따라서, 상변화 물질(M)의 상변화에 따른 융해 잠열에 의해 냉각되는 배터리 셀(110)은 상변화 물질(M)의 용융점 이하로 온도 유지가 가능하게 된다.
이때, 냉각수(C)는 상기 상변화 물질(M)의 상변화 여부에 상관없이 지속적으로 상변화 물질(M)을 냉각시킨다. 즉, 상기 냉각수(C)는 상변화 물질(M)의 현열에 의해 배터리 셀(110)을 냉각시키는 경우는 물론이고, 상변화 물질(M)의 잠열에 의해 배터리 셀(110)을 냉각시키는 경우에도 상변화 물질(M)을 계속적으로 냉각시킨다. 이에 따라 상변화 물질(M)의 적어도 일부가 고체 상태를 유지하게 되고, 결과적으로 배터리 셀(110)의 발열에 의한 상변화 물질(M)의 상변화가 지속 가능하게 되며, 배터리 셀(110)을 계속 상기 상변화 물질(M)의 잠열에 의해 냉각시킬 수 있게 된다.
여기서, 도 4를 참조하여 배터리 모듈(100)에서의 열전달 경로를 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 도 4에 표시된 화살표는 배터리 셀(110)의 발열을 기준으로 배터리 모듈(100)의 열전달 방향을 나타낸 것이다.
도 4에 보듯이, 급속 충전 등에 의해 배터리 셀(110)이 높은 온도로 발열하게 되면, 배터리 셀(110)에서 방출되는 열이 셀 커버(120)의 제1플레이트(121)를 통해 상변화 물질(M)로 전달되고, 상기 상변화 물질(M)에 흡수된 배터리 셀(110)의 열이 셀 커버(120)의 제2플레이트(122) 및 계면시트(140)를 통해 냉각 플레이트(130)에 전달된다. 상기 냉각 플레이트(130)에 전달된 배터리 셀(110)의 열은 냉각수(C)에 의해 흡수되고, 이러한 냉각수(C)에 의해 상변화 물질(M)의 냉각이 지속적으로 이루어지게 된다.
상기 냉각수(C)의 흡열을 기준으로 배터리 모듈(100)에서의 열전달 경로를 살펴보면, 냉각 플레이트(130)의 냉각수(C) -> 셀 커버(120) -> 상변화 물질(M) -> 배터리 셀(110)의 순으로 열전달이 이루어질 수 있다.
상기 상변화 물질(M)은 배터리 셀(110)의 열에 의해 고상에서 액상으로 변화하게 될 때 융해 잠열을 발생하고, 상기 냉각수(C)에 의해 다시 액상에서 고상으로 복귀하게 된다. 이러한 상변화 과정이 반복됨에 의해 배터리 셀(110)은 상기 상변화 물질(M)의 융해 잠열에 의해 지속적으로 냉각될 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 배터리 냉각 장치는 배터리 셀(110)의 발열에 의해 액화된 상변화 물질(M)을 고체로 회복시켜 상기 상변화 물질(M)의 상변화가 연속적으로 일어날 수 있도록 함에 의해 상변화 물질(M)의 잠열을 이용한 배터리 셀(110)의 냉각이 지속될 수 있도록 한다.
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.
100 : 배터리 모듈
110 : 배터리 셀
120 : 셀 커버
121 : 제1플레이트
122 : 제2플레이트
123 : 수용챔버
130 : 냉각 플레이트
131 : 냉각수 채널
140 : 계면시트
M : 상변화 물질
C : 냉각수

Claims (16)

  1. 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈의 냉각을 위한 차량용 배터리 냉각 장치로서,
    상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 일부의 배터리 셀들 사이에 배치되어, 인접한 배터리 셀의 발열에 의해 가열되는 상변화 물질이 구비되어 있는 복수의 셀 커버;
    상기 셀 커버를 매개로 상기 상변화 물질과 열교환 가능하게 배치되고, 상기 상변화 물질을 냉각하기 위한 냉각수가 흐르는 냉각 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 커버는 서로 이웃한 배터리 셀들 사이에 배치되는 제1플레이트를 포함하고, 상기 제1플레이트의 내부에 상기 상변화 물질이 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1플레이트의 내부에는 상기 상변화 물질이 배치되는 수용챔버가 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1플레이트는 서로 이웃한 배터리 셀들의 외측면에 접촉하고, 상기 수용챔버 내의 상변화 물질은 상기 제1플레이트를 매개로 이웃한 배터리 셀들의 외측면 전체와 열교환 가능하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 셀 커버는 제1플레이트로부터 수직하게 연장되어 형성되고 상기 냉각 플레이트의 상단면에 배치되는 제2플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2플레이트는 각 배터리 셀의 하단면에 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 셀 커버와 접촉에 의해 열교환 가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 복수의 냉각수 채널이 구비되며, 상기 각 냉각수 채널에는 배터리 셀에서 발생된 열에 의해 액화된 상변화 물질을 고화시키기 위한 상기 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 냉각수 채널은 배터리 셀들의 적층방향과 직각을 이루는 방향으로 배열되고, 상기 각 냉각수 채널은 배터리 셀들의 적층방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 커버와 냉각 플레이트 사이에는 상기 셀 커버와 냉각 플레이트의 계면 공극을 메우기 위한 계면시트가 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 상변화 물질은 고체에서 액체로 변화하며 융해 잠열을 발생하는 물질인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 상변화 물질은 30℃ ~ 45℃ 의 용융점을 가지는 물질인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 상변화 물질은 유기계 상변화 물질과 무기계 상변화 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이거나 또는 선택된 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 유기계 상변화 물질은 파라핀계와 비파라핀계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 무기계 상변화 물질은 염수화물(salt hydrate), 금속물(metallics), 공융혼합물(eutectic)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 상변화 물질은 파라핀 왁스인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 장치.
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