JP2009515312A - 電池パックの密封型熱交換システム - Google Patents

Abstract

本願では、複数の単位セルを含む中型または大型電池パックの温度を制御する熱交換システムが開示される。熱交換システムは、電池パックの外面を囲む密封型ハウジングと、ハウジング内に設けられ、熱交換媒体を流すために駆動する駆動ファンと、熱交換媒体の温度を制御するために、ハウジングの一側に設けられた熱交換ユニットと、を含み、熱交換媒体が流れる所定の流路が、ハウジングと電池パックとの間で画定される。本発明による熱効果印システムにおいて、例えば空気からなる熱交換媒体は、電池システムの外側から導入されず、熱交換ユニットによって電池システム内で循環される。この結果、本発明は、電池システムの大きさを小さくすることを達成し、外部条件による影響を減少させ、ノイズを減らし、電池パックの最適な操作温度を効率よく制御する効果を有する。

Description

本発明は、複数の単位セルを含む中型または大型電池パックの温度を制御することができる熱交換システムに係り、より詳細には、電池パックの外面を囲む密封型ハウジングと、ハウジング内に設けられ、熱交換媒体を流すために駆動する駆動ファンと、熱交換媒体の温度を制御するために、ハウジングの一側に設けられた熱交換ユニットと、を含み、熱交換媒体が流れる所定の流路が、ハウジングと電池パックとの間で画定される、電池パックのための熱交換システムに関する。

ガソリンおよびディーゼル油のような化石燃料を使用する乗り物から生じる最も大きな問題の一つは、空気汚染を作ることである。乗り物の電源として充電および放電されることができる二次電池を使用する技術は、上述された問題を解決する一つの方法として、かなり注目を集めている。この結果、電池だけを使用して操作される電気自動車（ＥＶ）と、電池と従来のエンジンを結合させて使用するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）が開発された。電気自動車およびハイブリッド自動車のいくつかは、現在、市販されて使用されている。ニッケル金属ハイブリッド（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池は、電気自動車（ＥＶ）とハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のための電源として、主に使用されている。しかしながら、最近、リチウムイオン二次電池の使用が試みられている。

このような二次電池が電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のための電源として使用されるには、高出力および大容量が必要となる。このため、バッテリーモジュールを構成するように、複数の小さな大きさの二次電池（単位セル）が互いに一列または平行に連結され、電池パックを構成するように、複数のバッテリーモジュールが互いに平行または一列に連結される。

しかしながら、このような高出力、大容量の二次電池は、単位セルの充電または放電の間、単位セルから大量の熱が生成される。単位セルの充電または放電の間に単位セルから生成される熱が効率よく取り除かれないと、熱が単位セル内に蓄積され、単位セルの品質が下がる。この結果、高出力、大容量の二次電池である乗り物の電池パックのために、冷却システムを提供することが必要となる。

一般に、乗り物の電池パックは冷媒として空気を使用する空気冷却構造内に構成されている。空気冷却構造において、空気は、冷却システムの外側から電池パックへと、冷却システム内に導入され、その後冷却システムの外側へ放出される。冷却システムの外側は、乗り物の外側だけでなく、トランクや乗客空間のような乗り物の内側も含む。しかしながら、上述された構造を有する冷却システムは様々な問題を有する。

第一に、冷媒として使用される空気は、乗り物の外側から供給され、湿度および温度のような外部条件によってかなり影響される。このため、空気の温度と湿度を制御するための追加の装置を提供することが必要である。この結果、冷却システムの大きさが大きくなる。乗り物の内側の空気が冷媒として使用されると、上述された問題が幾分か解決される。しかしながら、この場合には、空気を導入し排出するために各々、注入ポートおよび排出ポートを提供することが必要である。この結果、冷却システムの大きさが大きくなる。

第二に、冷媒を濾過することによって異物を除去するけれども、いくつかの異物は、注入ポートおよび排出ポートを通過して導かれ、電池パックの単位セルに接触されると、単位セルの外面が物理的または化学的にダメージをうける。なお、ファンまたはポンプのような冷媒導入装置を操作するために発生するノイズおよび振動が、注入ポートおよび排出ポートを通過して通路へ送られることもある。

上述された問題を解決するために、特開2001-023703号および特開2002-251951号が、電池パックのための密封型ハウジングを開示している。これらの公報の開示において、冷媒注入ポートおよび冷媒排出ポートは省略され、熱は、単位セルから熱を取り除くために単位セルの間に設けられた熱送りプレートまたは幅の広い冷却流路を用いて吸収され、上述されたような注入ポートおよび排出ポートによる問題を解決する。それでもやはり、大きな熱量は公報に開示された構造によっては効率よく除去されない。この結果、公報に開示された構造は、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のような大型の電池パックを使用する乗り物には適していない。

しかしながら、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のような乗り物は、厳しい条件のもと操作される。例えば、冬の季節で低い温度に乗り物があるときには、電池パックが最適に操作されるように冷却システムの操作を停止させる必要がある。また、電池パックの操作温度が最適な温度に制御されるように、電池パック内に導かれる空気の温度を高くする必要がある。この場合には、追加の装置を提供する必要がある。また、電池パックの単位セルが低い温度を有するときには、バッテリー成分はダメージをうける。さらに、バッテリー成分の劣化は、電池パック内に導かれる空気の温度が突然高くなることによって加速される。

このため、本発明は、上述された問題を解決するためにされ、他の技術的な問題も解決される。

上述された問題を解決するための様々な広範かつ集中的な研究および実験の結果として、本発明の発明者は、熱交換システムの外側から冷媒を導入せず、電池パックを冷却するための冷媒を循環させることができる熱交換システムを開発し、電池システムの大きさを小さくすることを達成し、外部条件による影響を減少させ、ノイズを減らし、電池パックの最適な操作温度を効率よく制御する効果を有する熱交換システムを見いだした。

この結果、電池システム内の冷媒を循環させることができる熱交換システムを提供することが本発明の目的である。

本発明によれば、上述された目的と他の目的は、複数の単位セルを含む中型または大型電池パックの温度を制御する熱交換システムにおいて、電池パックの外面を囲む密封型ハウジングと、ハウジング内に設けられ、熱交換媒体を流すために駆動する駆動ファンと、熱交換媒体の温度を制御するために、ハウジングの一側に設けられた熱交換ユニットと、を備え、熱交換媒体が流れる所定の流路が、ハウジングと電池パックとの間で画定される、熱交換システムを提供することによって達成される。

本発明において、“熱交換媒体”は熱交換システム内を自由に流れる媒体であり、電池パックの最適操作温度を容易に制御することができる。好ましくは、熱交換媒体は空気からなる。

電池パックの温度が最適操作温度よりも高いときには、熱交換媒体は電池パックから生じる熱を吸収し、吸収した熱を熱交換ユニットへ伝達し、電池パックから熱を取り除く。他方で、電池パックの温度が最適操作温度よりも低いときには、熱交換媒体は熱交換ユニットから生じる熱を吸収し、吸収した熱を電池パックへ伝達し、電池パックの温度を上昇させる。このように、電池パックの最適操作温度は制御される。

好ましくは、本発明による熱交換ユニットは、バッテリーパック内に取り付けられた制御ユニットまたはバッテリーパックが内部に設けられた装置の制御ユニットによって、制御可能な熱制御部材と、ハウジングの内面に取り付けられ、熱交換部材に接触した内部熱交換部材と、ハウジングの外面に取り付けられ、熱交換部材に接触した外部熱交換部材と、を含む。

制御ユニットは、電池システムの測定された内部温度を制御して最適操作温度になるように熱制御部材を制御する。制御ユニットが電池パック内に取り付けられたときに、制御ユニットは電池パックの電池管理システム（ＢＭＳ）であることが好ましい。

熱制御部材の好ましい例は、電流が供給されときに、両端で、各々、吸熱反応および発熱反応が生じるよう構成された熱電要素である。吸熱反応および圧熱安納が生じる端部は、熱電要素に電流が供給される方向に従って決定される。好ましくは、熱電要素はペルティエ要素からなっている。

電池パックの測定された温度が、最適操作温度よりも高いときには、吸熱反応が内部熱交換部材に隣接した熱交換部材の端部で生じ、発熱反応が外部熱交換部材に隣接した熱交換部材の端部で生じるよう、電流が熱制御部材に供給される。この結果、熱が電池システムから放出される。他方、電池パックの測定された温度が最適操作温度の高さより低いときには、発熱反応が内部熱交換部材に隣接した熱交換部材の端部で生じ、吸熱反応が外部熱交換部材に隣接した熱交換部材の端部で生じるよう、電流が熱制御部材に供給される。この結果、電池システムの内部温度が高くされる。

内部熱交換部材は、熱交換媒体の温度を制御するために、熱交換媒体に直接接触されている。

好ましくは、熱交換部材は、高い伝導性を有する材料からなる複数の羽根が、各熱交換部材と熱交換媒体との間の接触面を最大化するよう、列状に配置されるような構造で構成されている。熱交換部材は、各々、熱制御部材の反対の端部に配置されている。

好ましい実施の形態において、密封型ハウジングが、一つ以上の内面に設けられ、該内面で熱交換媒体を所定の流路に分離する仕切りを有し、また、密封型ハウジングが絶縁体からなっている。流路を分離するための仕切り構造の詳細は、本願の出願人によって出願された韓国特許出願2004-85765号に開示されている。上述された特許出願の開示は、本願にその全文が充分に説明され参照として組み入れられる。

好ましくは、駆動ファンは、熱交換ユニットに隣接して配置され、熱交換媒体のスムーズな流れおよび迅速な熱交換反応が達成される。

低温の熱交換媒体と高温の熱交換媒体との間の混合を防止するために、熱交換システムが、熱交換媒体を電池パックから熱交換ユニットへ通して流すための第一パイプと、熱交換媒体を熱交換ユニットから電池パックへ通して流すための第二パイプと、をさらに含み、第一パイプと第二パイプは互いに分離され、第一パイプと第二パイプは互いに間隙を介して配置される、ことが好ましい。

本発明の上述および他の目的、特徴および他の利点が、添付された図面と連携された以下の詳細な記載から、より明瞭に理解されるだろう。

発明を実施するための形態

ここで、本発明の好ましい実施の形態が、添付された図面を参照として、詳細に記載される。しかしながら、本発明の範囲は、記載された実施の形態によって限定されないことには、注意すべきである。

図１は、本発明による密封型の熱交換システムを含む電池システムを示している。

図１に示すように、電池システム４００は、電池パック２００と制御ユニット３００が熱交換システム１００内に配置される構造で構成されている。

電池パック２００は、小袋形状の電池セルのような複数の単位セルが互いに束になり、カートリッジやフレームのような被覆部材に取り付けられ、単位セルが互いに電気的に接続されるように、構成されている。バッテリーパック２００の操作は、例えば電池管理システム（ＢＭＳ）のような制御ユニット３００によって制御される。

熱交換システム１００は、電池パック２００、熱交換媒体としての空気がスムーズに流れるように駆動する駆動ファン１２０、および、空気の温度を制御するための熱交換ユニット１３０の外面を囲むハウジング１１０を含む。

複数の仕切り１１１が、空気が通過する空気流路を分割するために、ハウジング１１０の内部下端面および内部上端面で形成される。低温空気と高温空気の間での混ざり合いを防止するために、熱交換システム１００は、電池パック２００から熱交換ユニット１３０へと空気が流れる第一パイプ１０１と、熱交換ユニット１３０から電池パック２００へと空気が流れる第二パイプ１０２と、をさらに含む。第一パイプ１０１と第二パイプ１０２は、互いに分離され、第一パイプ１０１と第二パイプ１０２は互いに間隙を介して配置される。

駆動ファン１２０は、第一パイプ１０１を通過して流れる空気が熱交換ユニット１３０に迅速に移動し、熱交換ユニット１３０を通過した空気が迅速に第二パイプ１０２を通過して流れることができるように、内部熱交換部材１３２の下方に配置されている。

熱交換ユニット１３０は、内部熱交換部材１３２と外部熱交換部材１３３との間に入れられた熱制御部材としてのペルティエ要素１３１を含み、内部熱交換部材１３２と外部熱交換部材１３３の各々は、ペリティエ要素１３１の反対主面に配置されている。

内部熱交換部材１３２は、高い熱伝導性を有する部材からなる複数の羽根が、内部熱交換部材１３２と熱交換媒体すなわち空気との間の接触面積を増加させ、熱交換効率を改善するよう、一列に配置されている構造で構成されている。羽根は、空気の流れ方向に平行に配置されている。空気が第一パイプ１０１と第二パイプ１０２との間に垂直に流れるので、羽根も互いに平行に配置されている。同様に、外部熱交換部材１３３は、外部空気との熱交換の効率を改善するよう、上述された羽根配置タイプ構造で構成されている。

熱交換ユニット１３０の駆動ファン１２０およびペルティエ要素１３１の操作は、電池パック２００の制御ユニット３００によって制御されてもよいし、電池システム４００が取り付けられている装置の制御ユニットによって直接制御されてもよい。例えば、サーミスタ（図示せず）が単位セルまたは電池パックのバッテリーモジュールに取り付けられてもよく、サーミスタから送られる温度に関連した信号が、駆動ファン１２０および熱交換ユニット１３０の操作を制御するために、制御ユニット３００によって検知される。

図２は、図１に示された熱交換システムの拡大断面図であり、電池システムの内部から熱を取り除くための工程を典型的に示している。

図２に示すように、電池パックの検知された温度が適切な温度の高さよりも高いときには、制御ユニット３００（図１参照）の制御のもと、電流がペルティエ要素１３１にＡ方向で提供され、吸熱反応が内部熱交換部材１３２で生じ、発熱反応が外部熱交換部材１３３で生じる。この結果、電池パック２００からの熱を吸収した高温の空気が第一パイプ１０１を通過して内部熱交換部材１３２に移動されると、内部熱交換部材１３２の吸熱反応によって、かなりの熱量が高温の空気から内部熱交換部材１３２に移り、空気の温度が下げられる。そして、低温の空気は、第二パイプ１０２を通過して電池パック２００まで移動する。

上述したように、内部熱交換部材１３２および外部熱交換部材１３３は、複数の羽根が一列に配置される構造で構成されている。特に、内部熱交換部財１３２の羽根は、互いに平行に垂直方向に配置されている。図２は、内部熱交換部材１３２の一側の最外部の羽根だけを示している。他方、外部熱交換部材１３３の羽根１３４は、互いに水平方向に配置されている。羽根１３４の配置は図２で明確に示されている。

図３は、図１に示された熱交換システムの拡大断面図であり、電池システムの内部へ熱を移すための工程を典型的に示している。

図３に示すように、電池パック２００の検知された温度が適切な温度の高さよりも低いときには、制御ユニット３００（図１参照）の制御のもと、電流がペルティエ要素１３１にＢ方向で提供され、発熱反応が内部熱交換部材１３２で生じ、吸熱反応が外部熱交換部材１３３で生じる。この結果、電池パック２００を通過した低温の空気が第一パイプ１０１を通過して内部熱交換部材１３２に移動され、内部熱交換部材１３２の発熱反応によって、熱が内部熱交換部材１３２から低温の空気に移り、空気の温度が上げられる。そして、低温の空気は、第二パイプ１０２を通過して電池パック２００まで移動する。

本発明の好ましい実施の形態は、示された目的のために開示されているが、当業者は、添付された請求項に開示された本発明の範囲と精神から離れることなく、様々な修正、追加および交換が可能であることを理解するだろう。

上述から明瞭なように、本発明による熱交換システムでは、熱交換媒体としての空気は、熱交換システムの外側から導入されず、熱交換ユニットによって熱交換システム内で循環される。この結果、本発明は、電池システムの大きさの減少を達成し、外部条件に起因する影響を減少させ、ノイズを減少させ、電池パックの温度の最適な操作を効率よく制御するという効果を有する。

本発明による密封型の熱交換システムを含む電池システムを示す斜視図。 電池システムの内部から熱を取り除く工程を典型的に示した、図１に示された熱交換システムの拡大断面図。 電池システムの内部へ熱を移動させる工程を典型的に示した、図１に示された熱交換システムの拡大断面図。

Claims (11)

1. 複数の単位セルを含む中型または大型電池パックの温度を制御する熱交換システムにおいて、
   電池パックの外面を囲む密封型ハウジングと、
   ハウジング内に設けられ、熱交換媒体を流すために駆動する駆動ファンと、
   熱交換媒体の温度を制御するために、ハウジングの一側に設けられた熱交換ユニットと、を備え、
   熱交換媒体が流れる所定の流路が、ハウジングと電池パックとの間で画定される、熱交換システム。
2. 熱交換媒体は空気からなる、請求項１による熱交換システム。
3. 熱交換ユニットは、
   バッテリーパック内に取り付けられた制御ユニットまたはバッテリーパックが内部に設けられた装置の制御ユニットによって、制御可能な熱制御部材と、
   ハウジングの内面に取り付けられ、熱交換部材に接触した内部熱交換部材と、
   ハウジングの外面に取り付けられ、熱交換部材に接触した外部熱交換部材と、
   を含む、請求項１による熱交換システム。
4. 熱交換部材はペルティエ要素からなる、請求項３による熱交換システム。
5. 熱交換部材は、高い熱伝導性を有する材料から作られた複数の羽根が一列に配置された構造で構成されている、請求項３による熱交換システム。
6. 熱制御部材は、電池パックの電池管理システム（ＢＭＳ）によって制御される、請求項３による熱交換システム。
7. 密封型ハウジングは、一つ以上の内面に設けられ、該内面で熱交換媒体を所定の流路に分離する仕切りを有する、請求項１による熱交換システム。
8. 密封型ハウジングは絶縁体からなる、請求項１による熱交換システム。
9. 駆動ファンは、熱交換ユニットに隣接して配置されている、請求項１による熱交換システム。
10. 熱交換媒体を電池パックから熱交換ユニットへ通して流すための第一パイプと、
    熱交換媒体を熱交換ユニットから電池パックへ通して流すための第二パイプと、をさらに備えた、請求項１による熱交換システム。
11. 第一パイプと第二パイプは互いに分離され、
    第一パイプと第二パイプは互いに間隙を介して配置される、請求項１０による熱交換システム。

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