KR20200123642A - 배터리팩 온도 조절장치 - Google Patents

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KR20200123642A
KR20200123642A KR1020190046779A KR20190046779A KR20200123642A KR 20200123642 A KR20200123642 A KR 20200123642A KR 1020190046779 A KR1020190046779 A KR 1020190046779A KR 20190046779 A KR20190046779 A KR 20190046779A KR 20200123642 A KR20200123642 A KR 20200123642A
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박찬우
홍성주
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 배터리팩 온도 조절장치에 관한 것으로서, 특히 상변화물질을 이용하여 배터리팩이 과열 또는 과냉되지 않고 최적의 온도에서 최고의 성능을 발휘하도록 할 수 있는 배터리팩 온도 조절장치에 관한 것이다.
본 발명의 배터리팩 온도 조절장치는, 하부에 수용부가 형성되고, 상부에 유체유동부가 형성된 하우징과; 상기 수용부에 충진되고, 온도 변환에 따라 액체와 고체의 상변화가 발생하는 상변화물질(PCM)과; 상기 수용부에서 상변화물질에 침지되어 배치되는 배터리팩과; 하단이 상기 상변화물질에 접하고, 상단이 상방향으로 배치되어 상기 유체유동부에 삽입되는 열전달부재;를 포함하여 이루어지되, 외부에서 상기 유체유동부의 내부로 유입되는 유체는 상기 열전달부재의 상단에 접하면서 이동한 후 외부로 배출되고, 상기 배터리팩의 온도에 의해 상기 상변화물질의 상태가 변화되고, 상기 열전달부재를 통해 상기 상변화물질과 유체유동부는 상호 열이 전달되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리팩 온도 조절장치 { THERMAL MANAGEMENT DEVICE FOR BATTERY PACK }
본 발명은 배터리팩 온도 조절장치에 관한 것으로서, 특히 상변화물질을 이용하여 배터리팩이 과열 또는 과냉되지 않고 최적의 온도에서 최고의 성능을 발휘하도록 할 수 있는 배터리팩 온도 조절장치에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점 뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다.
그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
상기 셀의 온도에 따라 배터리의 충전 및 방전 전력이 달라진다.
따라서, 배터리의 내부온도가 예를 들어 약 25~40도로 운전되도록 셀의 온도를 적절한 범위로 유지하여야 한다.
종래의 배터리의 내부온도를 제어하기 위해서는 공기를 활용한 냉각방식과 냉각수 또는 냉매를 활용한 방식이 있었다.
공기를 활용한 공랭식 배터리는 냉각효율이 낮고, 냉각수 또는 냉매를 활용한 수냉식방식은 구조가 복잡한 문제점이 있었다.
최근에는 상변화물질(PCM)을 이용하여 배터리를 냉각시키는 기술도 개발되고 있다.
그러나 상변화물질이 고체에서 액체로 변화된 이후에는 배터리의 냉각효율이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 겨울철 등에 냉각된 배터리를 바로 사용하면 성능이 저하되는 문제도 있었다.
공개특허 10-2018-0006667 공개특허 10-2018-0080905
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 상변화물질을 이용하여 배터리팩의 열을 외부로 배출하거나 외부의 열을 배터리팩에 전달하여, 배터리팩이 과열되거나 과냉되지 않고 최적의 온도에서 최고의 성능을 발휘하도록 할 수 있는 배터리팩 온도 조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 배터리팩 온도 조절장치는, 하부에 수용부가 형성되고, 상부에 유체유동부가 형성된 하우징과; 상기 수용부에 충진되고, 온도 변환에 따라 액체와 고체의 상변화가 발생하는 상변화물질(PCM)과; 상기 수용부에서 상변화물질에 침지되어 배치되는 배터리팩과; 하단이 상기 상변화물질에 접하고, 상단이 상방향으로 배치되어 상기 유체유동부에 삽입되는 열전달부재;를 포함하여 이루어지되, 외부에서 상기 유체유동부의 내부로 유입되는 유체는 상기 열전달부재의 상단에 접하면서 이동한 후 외부로 배출되고, 상기 배터리팩의 온도에 의해 상기 상변화물질의 상태가 변화되고, 상기 열전달부재를 통해 상기 상변화물질과 유체유동부는 상호 열이 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리팩이 가열되면 상기 상변화물질은 고체에서 액체로 상변화되면서 상기 배터리팩의 열을 빼앗아 상기 배터리팩을 냉각시키고, 액체로 상변화된 상기 상변화물질은 열이 상기 열전달부재를 통해 상부로 이동하여 상기 유체유동부를 유동하는 저온의 유체에 의해 냉각된다.
상기 유체유동부에 고온의 유체를 유동시키면 열이 상기 열전달부재를 통해 하부로 이동하여 상기 상변화물질을 고체에서 액체로 상변화시키고, 액체로 상변화된 상기 상변화물질은 상기 배터리팩을 가열시킨다.
상기 열전달부재의 하단은 상기 배터리팩과 이격되어 있다.
상기 상변화물질은 파라핀으로 이루어지고, 상기 열전달부재는 히트파이프로 이루어진다.
상기 열전달부재는 다수개로 이루어져 그 사이에 상기 배터리팩이 배치되고, 상기 유체유동부의 내부에는 다수개의 상기 열전달부재의 상단이 상호 이격되면서 상기 유체유동부의 하부에서 상방향으로 돌출된 상태로 배치되어 있으며, 상기 유체유동부의 상부에는 다수개의 차단판이 하방향으로 돌출되어 상기 열전달부재 사이에서 배치되되, 상기 유체유동부에서 유체가 이동하는 유로는, 상기 열전달부재의 상단과 상기 차단판에 의해 지그재그 형태로 형성된다.
상기 수용부는 상기 유체유동부의 하부까지 형성되어, 상기 유체유동부의 하부에 형성된 상기 수용부에 상기 배터리팩 및 상변화물질이 배치되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 배터리팩 온도 조절장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 배터리팩이 상기 상변화물질 및 열전달부재를 통해 열을 보다 쉽고 효율적으로 방출하거나 전달받아, 배터리팩이 과열되거나 과냉되지 않고 최적의 온도에서 최고의 성능을 발휘하도록 할 수 있다.
특히, 상기 배터리팩을 냉각시키고자 할 경우에는 1차적으로 상기 상변화물질을 통해 냉각시키고, 상기 상변화물질이 액체로 변화된 이후에는 2차적으로 상기 열전달부재 및 유체유동부를 통해 배터리팩을 냉각시킬 수 있어, 배터리팩을 보다 신속하고 효과적이며 지속적으로 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 겨울철 등에서 냉각 상태에 있는 배터리팩을 상기 유체유동부, 열전달부재 및 상변화물질을 통해 가열하여 배터리의 성능을 향상시키도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩 온도 조절장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩 온도 조절장치의 측단면구조도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩 온도 조절장치에서 배터리팩을 냉각시키는 과정을 도시한 과정도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩 온도 조절장치에서 배터리팩을 가열시키는 과정을 도시한 과정도.
본 발명의 배터리팩 온도 조절장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(10)과, 상변화물질(PCM, Phase Change Material, 20)과, 배터리팩(30)과, 열전달부재(40)를 포함하여 이루어진다.
상기 하우징(10)은 내부에 수용부(11)가 형성되고, 상부에는 유체유동부(12)가 형성되어 있다.
이러한 상기 하우징(10)은 대략 육면체 형상으로 이루어지고, 하부에 상기 수용부(11)가 형성되고, 상부에 상기 유체유동부(12)가 형성된다.
상기 유체유동부(12)의 내부에는 외부에서 유입되는 유체(14)가 이동한 후 외부로 배출되게 된다.
이를 위해 상기 유체유동부(12)의 일측에는 유체(14)가 유입되는 유입구가 형성되어 있고, 타측에는 상기 유체(14)가 배출되는 배출구가 형성되어 있다.
이때, 상기 유체(14)는 물, 냉매 등으로 이루어진다.
상기 상변화물질(20)은 상기 수용부(11)에 충진되고, 온도 변화에 따라 액체와 고체의 상변화가 발생한다.
이러한 상기 상변화물질(20)은 파라핀 등으로 이루어진다.
상기 상변화물질(20)은 상기 배터리팩(30) 및/또는 열전달부재(40)의 온도 변화에 따라 액체에서 고체로, 고체에서 액체로 그 상변화가 발생되게 된다.
상기 상변화물질(20)은 실온에서 고체상태로 존재하고 열을 받으면 액체상태로 변화되게 된다.
이러한 상기 상변화물질(20)은 고체상태에서 액체상태로 상변화할 때, 주변의 열을 빼앗아가게 된다.
상기 배터리팩(30)은 상기 수용부(11)에서 상기 상변화물질(20)의 내부에 침지되어 배치된다.
이러한 상기 배터리팩(30)은 상기 상변화물질(20)의 상변화시 상기 상변화물질(20)과 열을 교환하게 된다.
상기 수용부(11)에 배치되는 상기 배터리팩(30)은 그 개수에 제한이 없다.
상기 열전달부재(40)는 막대 형상으로 이루어지고, 하단이 하부에 위치한 상기 상변화물질(20)에 접하고, 상단이 상방향으로 배치되어 상부에 위치한 상기 유체유동부(12)에 삽입 배치된다.
상기 상변화물질(20)에 접하고 있는 상기 열전달부재(40)의 하단은 상기 배터리팩(30)과 접하도록 할 수도 있으나, 본 실시예의 도면에 도시된 바와 같이 상기 열전달부재(40)의 하단은 상기 배터리팩(30)과 이격되어 있도록 함이 바람직하다.
위와 같이 상기 열전달부재(40)의 하단이 상기 배터리팩(30)과 이격되어 있음으로써, 상기 배터리팩(30)의 열이 상기 열전달부재(40)로 곧바로 전달되지 않고 상기 상변화물질(20)을 통해 이동하도록 할 수 있다.
이러한 상기 열전달부재(40)는 다양한 종래의 수단을 이용할 수 있고, 히트파이프로 이루어짐이 바람직하다.
상기 열전달부재(40)의 상단이 상기 유체유동부(12)에 삽입되어 있기 때문에, 외부에서 유입되어 상기 유체유동부(12)의 내부에 존재하는 유체(14)는 상기 열전달부재(40)의 상단과 접하면서 열을 주거나 받은 후 외부로 배출되게 된다.
상기 열전달부재(40)는 다수개가 상호 이격되어 설치되고, 이격된 다수개의 상기 열전달부재(40) 사이에 상기 배터리팩(30)이 배치된다.
상기 유체유동부(12)의 내부에서 다수개의 상기 열전달부재(40)의 상단은 상기 유체(14)의 이동방향으로 따라 상호 이격되어 배치되고, 상기 열전달부재(40)의 상단은 상기 유체유동부(12)의 하부에서 상방향으로 돌출된 상태로 배치된다.
그리고, 상기 유체유동부(12)의 상부에는 다수개의 차단판(13)이 하방향으로 돌출되어 상기 열전달부재(40) 사이에서 배치된다.
이러한 구조에 의해, 상기 유체유동부(12)에서 유체(14)가 이동하는 유로는, 상기 열전달부재(40)의 상단과 상기 차단판(13)에 의해 지그재그 형태로 형성된다.
따라서, 상기 유체유동부(12)를 이동하는 유체(14)는 상기 열전달부재(40)와 보다 많은 시간동안 접하게 되면서 열을 주거나 받게 된다.
위와 같은 구조를 통해, 상기 배터리팩(30)의 온도에 의해 상기 상변화물질(20)의 상태가 변화되고, 상기 열전달부재(40)를 통해 상기 상변화물질(20)과 유체유동부(12)는 상호 열이 전달된다.
보다 구체적으로, 상기 배터리팩(30)의 열은 상기 상변화물질(20) 및 열전달부재(40)를 통해 상기 유체유동부(12)로 이동하고, 상기 유체유동부(12) 내부에 존재하는 유체(14)의 열은 상기 열전달부재(40) 및 상변화물질(20)을 통해 상기 배터리팩(30)으로 이동되게 된다.
본 실시예의 도면에서 상기 수용부(11)와 유체유동부(12)가 상호 이격되어 있지만, 상기 수용부(11)는 상기 유체유동부(12)의 하부까지 연장 형성되어 상기 수용부(11)와 유체유동부(12)가 상호 이격되지 않게 할 수도 있다.
이때에는 상기 열전달부재(40)가 외부로 노출되지 않게 된다.
따라서, 상기 수용부(11)에는 보다 많은 배터리팩(30)에 배치되고, 상기 유체유동부(12)의 하부에 형성된 상기 수용부(11) 전체에 상기 상변화물질(20)이 충진되며, 이로 인해 보다 많은 배터리팩(30)의 온도를 조절할 수 있게 된다.
이하, 상술한 구성으로 이루어진 본 발명의 작동과정에 대하여 살펴본다.
먼저, 상기 배터리팩(30)이 가열된 경우 냉각되는 과정을 도 3을 참고하여 설명한다.
상기 배터리팩(30)에 연결된 전자기기, 전기자동차 등을 사용하게 되면, 상기 배터리팩(30)은 점점 가열된다.
상기 배터리팩(30)이 최적의 온도를 넘어 과열되면, 그때부터는 배터리의 성능이 극히 저하되게 된다.
상기 배터리팩(30)이 가열될 경우, 상기 배터리팩(30)의 열은 상기 배터리팩(30)을 감싸고 있는 상기 상변화물질(20)에 열이 전달된다.
상기 상변화물질(20)은 상기 배터리팩(30)으로부터 받은 열에 의해 고체에서 액체로 상변화되고, 이러한 상기 상변화물질(20)의 상변화과정에서 상기 상변화물질(20)은 상기 배터리팩(30)의 열을 빼앗아 1차적으로 상기 배터리팩(30)을 냉각시키게 된다.
상기 상변화물질(20)이 액체로 상변화된 이후에부터는 상기 배터리팩(30)의 온도를 상기 상변화물질(20) 자체에서 냉각시킬 수는 없다.
본 발명에서는, 액체로 상변화된 상기 상변화물질(20)의 열이 상기 열전달부재(40)를 통해 상부로 이동하기 때문에, 상기 유체유동부(12)를 유동하는 저온의 유체(14)로 전달되면서 상기 열전달부재(40)는 냉각된다.
즉, 상기 배터리팩(30)의 열은 상기 열전달부재(40) 및 유체유동부(12)를 통해 2차적으로 냉각된다.
이러한 과정을 통해, 상기 배터리팩(30)은 1차적으로 상기 상변화물질(20)에 의해 냉각되고, 더 높은 온도로 가열되는 경우에는 2차적으로 상기 열전달부재(40) 및 유체유동부(12)에 의해 냉각되기 때문에, 상기 배터리팩(30)은 상기 상변화물질(20)이 액체로 변화된 이후에도 지속하여 냉각될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 배터리팩(30)이 과열되어 배터리의 성능이 저하되는 것을 방지하여 배터리가 최적의 온도에서 최대 성능을 발휘하도록 할 수 있고, 지나친 과열에 따른 배터리팩(30)의 폭발 등이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 겨울철 등에서 상기 배터리팩(30)이 냉각된 경우 이를 가열하는 과정을 도 4를 참고하여 설명한다.
겨울철 장시간 전자기기, 전기자동차 등을 사용하지 않게 되면, 상기 배터리팩(30)은 저온으로 냉각된 상태에 놓이게 된다.
이 상태에서는 배터리를 사용하게 되면, 배터리의 성능이 극히 저하되게 된다.
따라서, 상기 배터리팩(30)을 초기에 가열할 필요가 있다.
이를 위해 상기 배터리를 사용하기 직전 또는 상기 배터리를 사용하는 초기에, 미리 상기 유체유동부(12)에 고온의 유체(14)를 유동시킨다.
상기 유체유동부(12)를 유동하는 고온 유체(14)의 열은, 1차적으로 상기 열전달부재(40)를 통해 하부로 이동하여 상기 상변화물질(20)로 전달된다.
그러면 상기 상변화물질(20)은 고체에서 액체로 상변화되면서 상기 열전달부재(40)의 열을 빼앗아가게 된다.
따라서, 상기 유체유동부(12)를 유동하는 유체(14)의 열은 보다 신속하게 상기 열전달부재(40)를 통해 상기 상변화물질(20)로 전달된다.
상기 열전달부재(40)를 통해 전달된 열에 의해 액체 상태로 변화된 상기 상변화물질(20)은 온도가 상승하게 되기 때문에, 2차적으로 그 내부에 수용되어 있는 상기 배터리팩(30)을 가열시키게 된다.
이를 통해 냉각상태에 있는 상기 배터리팩(30)을 일정온도로 가열시켜 배터리가 최적의 온도 조건에서 최대 성능을 발휘하도록 할 수 있다.
위와 같이 본 발명은 배터리팩(30)이 상기 상변화물질(20) 및 열전달부재(40)를 통해 열을 보다 쉽고 효율적이고 지속으로 방출하거나 전달받아, 배터리가 최적의 온도 조건에서 최고의 성능을 발휘하도록 할 수 있다.
특히, 상기 배터리팩(30)을 냉각시키고자 할 경우에는 1차적으로 상기 상변화물질(20)을 통해 냉각시키고, 상화변화물질이 액체로 변화된 이후에는 2차적으로 상기 열전달부재(40) 및 유체유동부(12)를 통해 냉각시키기 때문에, 상기 배터리팩(30)의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 겨울철 등에서 냉각 상태에 있는 배터리팩(30)을 상기 유체유동부(12), 열전달부재(40) 및 상변화물질(20)을 통해 가열하여 배터리의 성능을 향상시키도록 할 수 있다.
이러한 본 발명은 배터리가 장착되는 전자기기, 전기자동차 등에 적용될 수 있다.
본 발명인 배터리팩 온도 조절장치는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10 : 하우징, 11 : 수용부, 12 : 유체유동부, 13 : 차단판, 14 : 유체,
20 : 상변화물질,
30 : 배터리팩,
40 : 열전달부재.

Claims (7)

  1. 하부에 수용부가 형성되고, 상부에 유체유동부가 형성된 하우징과;
    상기 수용부에 충진되고, 온도 변환에 따라 액체와 고체의 상변화가 발생하는 상변화물질(PCM)과;
    상기 수용부에서 상변화물질에 침지되어 배치되는 배터리팩과;
    하단이 상기 상변화물질에 접하고, 상단이 상방향으로 배치되어 상기 유체유동부에 삽입되는 열전달부재;를 포함하여 이루어지되,
    외부에서 상기 유체유동부의 내부로 유입되는 유체는 상기 열전달부재의 상단에 접하면서 이동한 후 외부로 배출되고,
    상기 배터리팩의 온도에 의해 상기 상변화물질의 상태가 변화되고,
    상기 열전달부재를 통해 상기 상변화물질과 유체유동부는 상호 열이 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리팩 온도 조절장치.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 배터리팩이 가열되면 상기 상변화물질은 고체에서 액체로 상변화되면서 상기 배터리팩의 열을 빼앗아 상기 배터리팩을 냉각시키고,
    액체로 상변화된 상기 상변화물질은 열이 상기 열전달부재를 통해 상부로 이동하여 상기 유체유동부를 유동하는 저온의 유체에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 배터리팩 온도 조절장치.
  3. 청구항1에 있어서,
    상기 유체유동부에 고온의 유체를 유동시키면 열이 상기 열전달부재를 통해 하부로 이동하여 상기 상변화물질을 고체에서 액체로 상변화시키고,
    액체로 상변화된 상기 상변화물질은 상기 배터리팩을 가열시키는 것을 특징으로 하는 배터리팩 온도 조절장치.
  4. 청구항1에 있어서,
    상기 열전달부재의 하단은 상기 배터리팩과 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리팩 온도 조절장치.
  5. 청구항1에 있어서,
    상기 상변화물질은 파라핀으로 이루어지고,
    상기 열전달부재는 히트파이프로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리팩 온도 조절장치.
  6. 청구항1에 있어서,
    상기 열전달부재는 다수개로 이루어져 그 사이에 상기 배터리팩이 배치되고,
    상기 유체유동부의 내부에는 다수개의 상기 열전달부재의 상단이 상호 이격되면서 상기 유체유동부의 하부에서 상방향으로 돌출된 상태로 배치되어 있으며,
    상기 유체유동부의 상부에는 다수개의 차단판이 하방향으로 돌출되어 상기 열전달부재 사이에서 배치되되,
    상기 유체유동부에서 유체가 이동하는 유로는, 상기 열전달부재의 상단과 상기 차단판에 의해 지그재그 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리팩 온도 조절장치.
  7. 청구항1에 있어서,
    상기 수용부는 상기 유체유동부의 하부까지 형성되어, 상기 유체유동부의 하부에 형성된 상기 수용부에 상기 배터리팩 및 상변화물질이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리팩 온도 조절장치.

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KR20180080905A (ko) 2017-01-05 2018-07-13 주식회사 엘지화학 상변화물질(pcm) 캡슐을 적용한 배터리 냉각용 히트 싱크

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