JP5175203B2 - 熱電素子を使用するバッテリーパックの熱交換装置 - Google Patents

熱電素子を使用するバッテリーパックの熱交換装置 Download PDF

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Description

発明の分野
本発明は、複数の単位電池を包含する中または大型バッテリーパックが最適な作動条件下で作動できるように、該バッテリーパックの温度を制御することができる熱交換装置に関し、より詳しくは、複数の単位電池を包含する中または大型バッテリーパックが最適な作動条件下で作動できるように、該バッテリーパックの温度を制御する熱交換装置であって、該熱交換装置が、該バッテリーパックの外側表面を取り囲むハウジングの片側に形成された、予め決められた、空気が流れる流路を形成する空気入口及び空気出口、該流路を通して空気を駆動するための、該流路中に取り付けられた駆動ファン、及び該入口に取り付けられた、該空気入口中に導入される空気の温度を制御するペルチェ素子を包含する、熱交換装置に関する。
発明の背景
化石燃料、例えばガソリンおよびディーゼル油、を使用する車両により引き起こされる最も大きな問題の一つは大気汚染である。上記の問題を解決する方法の一つとして、車両の動力源として充電及び放電可能な二次バッテリーを使用する技術に非常に大きな関心が集まっている。そのため、バッテリーだけを使用して作動する電気自動車(EV)、およびバッテリーと従来のエンジンを併用するハイブリッド電気自動車(HEV)が開発されている。現在、電気自動車及びハイブリッド電気自動車の一部は、商業的に使用されている。電気自動車(EV)およびハイブリッド電気自動車(HEV)の動力源としては、ニッケル−金属水素化物(Ni−MH)二次バッテリーが主として使用されている。しかし、最近ではリチウム−イオン二次バッテリーの使用が試みられている。
そのような二次バッテリーを電気自動車(EV)およびハイブリッド電気自動車(HEV)の動力源として使用するには、高出力及び大容量が必要である。この理由から、複数の小型二次バッテリー(単位電池)を互いに直列または並列に接続してバッテリーモジュールを構築し、複数のバッテリーモジュールを互いに並列または直列に接続してバッテリーパックを構築する。
しかし、そのような高出力及び大容量二次バッテリーでは、単位電池の充電及び放電の際に大量の熱が単位電池から発生する。充電及び放電の際に単位電池から発生する熱が効果的に除去されない場合、熱が単位電池中に蓄積する結果、その単位電池が損なわれる。従って、高出力及び大容量二次バッテリーである車両バッテリーパックには、冷却装置を備えることが必要である。
一般的に、車両バッテリーパック用の冷却装置は、冷却剤として空気を使用する空冷構造に構築される。空冷構造では、車両の外側または内側にある空気が導入されてバッテリーパックを冷却し、次いで車両の外に排出される。従って、冷却装置の効率を改良するための様々な技術が開発されている。
例えば、日本国未審査公開特許第1996-148189号明細書は、熱伝達プレートがバッテリーセルにそれぞれ取り付けてあり、放熱フィンが各熱伝達プレートの外側に取り付けてあり、バッテリーの温度に応じて冷却ファンが作動し、それによってバッテリーが冷却される、温度制御装置を開示している。さらに、韓国未審査公開特許第2005-0018518号明細書は、熱吸収部材がバッテリーにそれぞれ取り付けてあり、冷却ファンにより導入された空気を使用してバッテリーが冷却される、冷却装置を開示している。これらの技術は、放熱フィン及び熱吸収部材を独自の様式で使用し、バッテリーの冷却効率を改善する。しかし、それぞれのバッテリーセルに放熱フィンを取り付けること、及びそれぞれのバッテリーセルに熱吸収部材を取り付けることにより、対応する装置の全体的な構造が複雑になる。その結果、対応する装置の組立工程が非常に複雑になる。さらに、そのような試みを上記のように行っても、望ましい程度の冷却効率は得られない。
一方で、電気自動車(EV)及びハイブリッド電気自動車(HEV)のような車両は、過酷な条件下で運転されることがある。例えば、車両が冬季に低温にある場合、バッテリーパックが最適作動温度で作動するように、冷却装置の運転を停止する必要がある。あるいは、バッテリーパックの作動温度を最適温度レベルに制御できるように、バッテリーパック中に導入される空気の温度を増加させる必要がある場合もある。この場合、追加の装置を備える必要がある。さらに、バッテリーパックの単位電池がすでに低温である場合、バッテリー部品が損傷を受けることもある。さらに、バッテリーパック中に導入される空気の急な温度増加により、バッテリー部品の劣化が促進されることがある。
発明の概要
従って、本発明は、上記の問題および他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
上記の問題を解決するための様々な広範囲で集中的な研究及び実験の結果、本発明者らは、バッテリーパックを冷却するための空気を熱交換装置の中に導入する空気入口の内側に熱電素子を取り付けることにより、バッテリーパックの最適作動温度を容易に制御し、外部条件により引き起こされる影響を軽減し、騒音及び振動を低減できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成した。
本発明により、上記の、及び他の目的は、複数の単位電池を包含する中または大型バッテリーパックが最適な作動条件下で作動できるように、該バッテリーパックの温度を制御する熱交換装置であって、該熱交換装置が、該バッテリーパックの外側表面を取り囲むハウジングの片側に形成された、予め決められた、空気が流れる流路を形成する空気入口及び空気出口、該流路を通して空気を駆動するための、該流路中に取り付けられた駆動ファン、及び該入口に取り付けられた、該空気入口中に導入される空気の温度を制御するペルチェ素子を備えてなる、熱交換装置を提供することにより、達成される。
ペルチェ素子は、熱電素子の一種であり、この熱電素子に電流が供給された時、吸熱反応及び発熱反応がその熱電素子の対向する末端でそれぞれ起こるように構築されている。熱電素子の、吸熱反応及び発熱反応が起こる末端は、電流が熱電素子に供給される方向に応じて決定される。
好ましくは、第一熱伝導部材が空気入口の内側に配置され、第二熱伝導部材が空気入口の外側に配置され、ペルチェ素子は、第一熱伝導部材と第二熱伝導部材との間に配置され、それによって、ペルチェ素子による空気の温度制御がより容易に行われ、従って、ペルチェ素子の作動効率も向上する。
好ましくは、第一熱伝導部材及び第二熱伝導部材は、複数の、高い熱伝導率を有する材料から製造されたフィンが一列に配置された構造に構築され、それによって、第一及び第二伝導部材と空気との間の接触面積が最大限になる。
駆動ファンは、熱交換装置の外側にある空気が、空気入口を通り、バッテリーパックに沿って流れ、空気出口を通って熱交換装置から外に流れるのに必要な駆動力を供給する。駆動ファンは、流路中のどの位置に取り付けてもよい。好ましくは、駆動ファンは、空気入口中のペルチェ素子の前または後ろに取り付ける。
ペルチェ素子および/または駆動ファンの操作は、バッテリーパック中に取り付けた制御ユニットまたはバッテリーパックが中に取り付けられている装置の制御ユニットにより制御することができる。好ましくは、ペルチェ素子および/または駆動ファンの操作は、バッテリーパックのバッテリー管理装置(BMS)により、バッテリーモジュールまたはバッテリーパックの単位電池に取り付けた、それらの温度を測定するためのサーミスタの信号情報に基づいて制御される。
従って、サーミスタにより検出されたバッテリーパックの全体的な温度状態の情報により、バッテリーパックの温度が高すぎると決定された場合、電流は、ペルチェ素子の、空気入口に向いた末端に、吸熱反応が誘発される方向で供給され、駆動ファンが作動する。その結果、冷却された空気が空気入口を通して熱交換装置中に供給される。
反対に、バッテリーパックの温度が低すぎる場合、電流は、ペルチェ素子の、空気入口に向いた末端に、発熱反応が誘発される方向で供給され、駆動ファンが作動する。その結果、加熱された空気が空気入口を通して熱交換装置中に供給される。
状況により、複数のサーミスタにより検出された単位電池またはバッテリーモジュールの温度が一様ではないと決定された場合、ペルチェ素子には電流が全く供給されないまま、駆動ファンだけが作動し、空気を急速に循環させ、バッテリーパックの全体的な温度が一様に制御される。
好ましい実施態様では、空気入口及び空気出口は互いに隣接し、ペルチェ素子が空気入口と空気出口との間に配置される。より好ましくは、第一及び第二熱伝導部材をペルチェ素子の対向する主要表面に取り付け、第一熱伝導部材を空気入口の内側に配置し、第二熱伝導部材を空気出口の内側に配置する。前に説明した、第二熱伝導部材を空気入口の外側に配置する本発明の実施態様とは異なり、上記の構造を有する熱交換装置では、第二熱伝導部材を空気出口の内側に配置する。そのため、熱交換装置の全体的なサイズが大幅に縮小される。また、空気は、第一熱伝導部材及び第二熱伝導部材の両方を通過する。そのため、ペルチェ素子は高い熱伝導率を有し、従って、ペルチェ素子の作動効率が改良される。
好ましくは、熱伝導部材が空気の入口及び出口の内側にそれぞれ配置されている構造では、空気入口の、熱交換装置の外側にある空気と直接接触する末端、及び空気出口の、熱交換装置の外側にある空気と直接接触する末端は、同一平面上には配置されていない。例えば、空気入口の末端は、車両のトランクまたは乗客部分と連絡し、空気出口の末端は、車両の外側と連絡することができる。その結果、空気出口から排出された空気が空気入口を通して熱交換装置中に再導入されることが、効果的に防止される。
好ましくは、気密密封された型のハウジングが、その一個以上の内側表面に形成された仕切を有し、熱交換媒体を予め決められた流路に分割する。また、ハウジングは絶縁材料から製造するのが好ましい。流路を分割するための仕切構造の詳細は、本特許出願の出願者の名称で提出された韓国特許出願第2004-85765号明細書に開示されている。上記特許出願の開示の全文をここに参考として含める。
本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
好ましい実施態様の詳細な説明
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。
図1は、本発明の好ましい実施態様による熱交換装置を包含するバッテリー機構を典型的に例示する。図面を理解し易くするために、バッテリー機構のほとんどの部品を透視図として示す。
図1に関して、バッテリー機構400は、バッテリーパック200及び制御装置300が熱交換装置100の中に取り付けられた構造で構築されている。バッテリーパック200は、単位電池として複数の小袋形バッテリーが、互いに積み重ねられ、次いで、バッテリー同士が互いに電気的に接続された状態で、シース部材、例えばカートリッジまたはフレーム、に取り付けられている。バッテリーパック200の操作は、制御装置300、例えばバッテリー管理装置(BMS)、により制御される。
熱交換装置100は、空気入口101及び空気出口102がハウジング110の片側に形成される構造に構築されており、空気入口101及び空気出口102が互いに分離されるように空気の流路を形成し、空気を流れるように駆動する駆動ファン(図には示していない)がハウジング110の中に取り付けられており、ペルチェ素子130が空気入口101に取り付けられている。
ペルチェ素子130には、第一熱伝導部材140及び第二熱伝導部材150が取り付けてある。第一熱伝導部材140は、空気入口101の内側に配置されている。第二熱伝導部材150は、空気入口101の外側に配置され、ペルチェ素子130が、第一熱伝導部材140と第二熱伝導部材150の間に挿入されている。そのため、空気が空気入口101を通して熱交換装置100中に導入されると、空気は第一熱伝導部材140を通過する。
第一熱伝導部材140及び第二熱伝導部材150は、複数のフィン141が空気の導入方向で一列に配置され、第一熱伝導部材140と空気との間の接触面積及び第二熱伝導部材150と空気との間の接触面積を増加する構造に構築されている。フィン141は、高い熱伝導率を有する材料から製造する。
図2は、図1に示す熱交換装置の、導入された空気から熱を除去する過程を例示する、垂直断面図である。
図2に関して、バッテリーパック200の温度が最適作動温度レベルよりも高い場合、電流が、バッテリー管理装置(BMS)(図には示していない)の操作により、一方向でペルチェ素子130に供給され、第一熱伝導部材140に隣接する末端で吸熱反応が誘発され、第二熱伝導部材150に隣接する末端で発熱反応が誘発される。その結果、空気は、空気入口101で冷却され、次いで熱交換装置100の中に供給される。続いて、空気は、バッテリーパック200から発生した熱を吸収し、次いで、空気出口102を通して熱交換装置100から排出される。
一方、バッテリーパック200の温度が最適作動温度レベルよりも低い場合、電流が、反対方向でペルチェ素子130に供給され、第一熱伝導部材140に隣接する末端で発熱反応が誘発され、第二熱伝導部材150に隣接する末端で吸熱反応が誘発される。その結果、空気は、空気入口101で加熱される。加熱された空気は、バッテリーパック200の温度を適切な温度レベルに増加させ、次いで、空気出口102を通して熱交換装置100から排出される。
図3は、本発明の別の好ましい実施態様による熱交換装置を部分的に例示する透視図である。
図3に関して、熱交換装置100aは、空気入口101aおよび空気出口102aが互いに隣接して配置され、ペルチェ素子130が、空気入口101aと空気出口102aの間に挿入される構造に構築されている。特に、ペルチェ素子130の上部に取り付けられた第一熱伝導部材140は、空気入口101aの内側に配置され、ペルチェ素子130の底部に取り付けられた第二熱伝導部材150は、空気出口102aの内側に配置されている。そのため、熱交換装置100aの全体的なサイズが、図1に示す熱交換装置100のサイズと比較して、大幅に低下している。さらに、第一熱伝導部材140及び第二熱伝導部材150は、空気入口101aおよび空気出口102a中の空気流のために、高い熱伝導率を有するが、これを以下に、図4を参照しながら、より詳細に説明する。
図4は、図3に示す熱交換装置100aの垂直断面図である。
図4に関して、熱交換装置100a中に導入される空気は、図2に関して説明したのと同じ原理により、空気入口101中でペルチェ素子130により冷却または加熱される。ペルチェ素子130から空気への低温または高温の熱移動は、第一熱伝導部材140がペルチェ素子130の上部に取り付けられた状態で、空気入口101aの内側に配置された第一熱伝導部材140により、高い効率で達成される。
他方、ペルチェ素子130の底部に取り付けられた第二熱伝導部材150は、空気出口102aの内側に配置されている。その結果、第二熱伝導部材150は、空気出口102aを通って流れる空気と直接接触する。そのため、単位時間あたりの第二熱伝導部材150と接触する空気の量は、第二熱伝導部材が空気入口の外側に配置されている熱交換装置100と比較して、大きく増加する。この構造により、電流がペルチェ素子130に供給された時に、第二熱伝導部材150の温度を急速に低下または上昇させ、従って、第二熱伝導部材150で発熱反応または吸熱反応が起こる。従って、第二熱伝導部材150の熱的制御により、ペルチェ素子130の作動効率がさらに向上する。
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置き換えが可能である。
産業上の利用可能性
上記の説明から明らかなように、本発明の熱交換装置は、空気入口の内側に取り付けた熱電素子を有し、これを通して、バッテリーパックを冷却するための空気が熱交換装置中に導入される。その結果、本発明により、バッテリーパックの最適作動温度を容易に制御し、外部条件により引き起こされる影響を低減させ、騒音及び震度を低下させることができる。
図1は、本発明の好ましい実施態様による熱交換装置を包含するバッテリー機構を例示する透視図である。 図2は、図1に示す熱交換装置の空気入口及び空気出口を、部分的に拡大して例示する、垂直断面図である。 図3は、本発明の別の好ましい実施態様による熱交換装置を部分的に例示する透視図である。 図4は、図3の垂直断面図である。

Claims (7)

  1. 複数の単位電池を包含する中型または大型バッテリーパックが最適な作動条件下で作動できるように、前記バッテリーパックの温度を制御する熱交換装置であって、
    前記熱交換装置が、
    前記バッテリーパックの外側表面を取り囲むハウジングの片側に形成され、空気が流れる予め決められた流路を形成し、空気が空気入口から導入され、前記バッテリーパックを通過して、空気出口から排出される、空気入口及び空気出口と、
    前記流路を通して空気を駆動するための、前記流路中に取り付けられた駆動ファンと、
    前記入口に取り付けられ、前記空気入口中に導入される空気の温度を制御する、ペルチェ素子と、及び
    前記ペルチェ素子に供給される電流の方向に応じて吸熱反応及び発熱反応が起こる、前記ペルチェ素子の対向する主要表面に取り付けられた第一熱伝導部材及び第二熱伝導部材とを備えてなり、
    前記第一熱伝導部材が前記空気入口の内側に配置されてなり、
    前記第二熱伝導部材が前記空気入口の外側に配置されてなり、
    前記空気入口及び前記空気出口が互いに隣接し、前記ペルチェ素子が前記空気入口と前記空気出口との間に配置されてなり、
    前記第二熱伝導部材が前記空気出口の内側に配置されてなる、熱交換装置。
  2. 前記熱伝導部材が、高い熱伝導率を有する材料から製造された、複数のフィンが一列に配置された構造に構築されてなる、請求項1に記載の熱交換装置。
  3. 前記駆動ファンおよび/または前記ペルチェ素子の操作が、前記バッテリーパック中に取り付けた制御ユニット、或いは前記バッテリーパックが中に取り付けられている装置の制御ユニットにより制御されてなる、請求項1に記載の熱交換装置。
  4. 前記駆動ファンおよび/または前記ペルチェ素子の操作が、前記バッテリーパックのバッテリー管理装置(BMS)により、バッテリーモジュールまたは前記バッテリーパックの単位電池に取り付けた、前記バッテリーモジュールまたは前記バッテリーパックの前記単位電池の温度を測定するためのサーミスタの信号情報に基づいて制御される、請求項3に記載の熱交換装置。
  5. 前記ハウジングが、前記ハウジングの一個以上の内側表面に形成された仕切を有し、熱交換媒体を予め決められた流路に分割する、請求項1に記載の熱交換装置。
  6. 前記ハウジングが絶縁材料から製造される、請求項1に記載の熱交換装置。
  7. 前記空気入口の末端及び前記空気出口の末端が、同一平面上に配置されていない、請求項1に記載の熱交換装置。
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