KR101594385B1 - 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템은 일측에 형성되는 제 1열교환부 및 타측에 형성되는 제 2열교환부를 포함하는 열교환기, 배터리 내부의 고온의 공기를 상기 제 2열교환부로 송풍하고, 냉각된 차거운 공기를 다시 배터리측으로 전달하는 제 1블로워 및 외부로부터 유입된 저온의 공기를 상기 제 1열교환부로 송풍하고, 가열된 뜨거운 공기를 외부로 배출하는 제 2블로워를 포함한다.

Description

열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템{BATTERY COOLING SYSTEM HAVING HEAT EXCHANGER}
본 발명은 차량용 배터리 쿨링 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 열교환기를 이용하여 차량 내부에 장착된 배터리를 냉각시키기 위한 시스템에 관한 것이다.
최근 세계적인 친환경 정책에 힘입어 가솔린 엔진 및 디젤 엔진 등 연소식 엔진 차량은 하이브리드 차량 또는 연료전지 차량으로 진화하고 있다. 하이브리드 차량은 기존의 엔진과 전기 에너지로 구동되는 모터를 연계하여 차량을 구동하므로 배기가스에 의한 대기오염을 줄임과 동시에 연비를 향상시킬 수 있어, 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발한 연구개발의 대상이 되고 있다.
하이브리드 차량은 전기모터에 전기를 공급하는 고용량 배터리, 전기모터를 제어하는 모터 제어기, 배터리 전압을 적절하게 변환시키는 컨버터를 구비한다. 고용량 배터리는 필요 시 모터로 전력을 공급하고, 차량 정지 시 재생 동력원으로부터 생성되는 전기 에너지를 충전한다. 이와 같은 고용량 배터리는 온도에 따라 성능이 크게 좌우되는데, 예를 들면, 충전과 방전을 하는 동안 방열에 의해 온도가 상승하게 되면, 전해질 분해가 일어나 배터리의 성능이 떨어지고 수명이 현저하게 단축되게 된다. 따라서 배터리의 과열을 방지하여 배터리의 성능을 유지시키고 수명을 연장시키기 위하여 배터리를 적절히 냉각시키는 배터리 냉각장치가 필요하다.
배터리 냉각 시스템은 냉각 방식에 따라, 송풍기를 이용하여 배터리 내부에 공기를 강제로 환기시켜 배터리를 냉각하는 공랭식 배터리 냉각 시스템, 배터리 주위에 설치된 냉각수 경로에 순환펌프를 이용하여 냉각수를 순환시켜 배터리를 냉각하는 수냉식 배터리 냉각 시스템 및 배터리 주위에 설치된 냉매 경로에 냉각 사이클의 냉매를 순환시켜 배터리를 냉각하는 냉매식 배터리 냉각 시스템으로 구분될 수 있다.
종래 공냉식 배터리 냉각 시스템은 차량의 실내 공기를 흡입하는 흡입구, 흡입구의 공기를 배터리 케이스 내부로 도입시키는 도입구, 배터리 케이스를 통과한 공기를 배출시키는 배출구를 구비한다.
상기 구성의 종래 배터리 냉각 시스템은 차량의 실내 공기를 흡입하고 흡입된 실내 공기를 배터리 케이스의 내부로 도입시킴으로써, 배터리 케이스 내로 도입된 공기가 배터리 케이스의 내부에 수납된 배터리 등을 냉각시키도록 한다.
그런데 종래 공랭식 배터리 냉각 시스템은 블로워를 이용하여 실내 공기를 흡입하여 배터리를 냉각시키기 때문에 차량의 외기모드시가 아니면 배터리셀의 온도편차를 줄이기 어렵고, 공조기의 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 문제점을 가지고 있다.
한편, 냉매식 배터리 냉각 시스템은 냉각 효율은 우수하지만 에어컨 가동이 불필요한 경우(봄, 가을 또는 배터리 충전 시)에도 배터리를 냉각시키기 위해 에어컨을 가동시켜야 하는 문제점이 있다.
또한 수냉식 배터리 냉각 시스템은 배터리를 열적 균일을 유지하며 배터리를 냉각시킬 수 있는 반면, 전기 절연에 관한 문제가 발생될 수 있다.
하기 선행문헌은 배터리 냉각 장치에 대한 발명이 개시되어 있으나, 일측에 형성되는 제 1교환부 및 타측에 형성되는 제 2교환부를 포함하는 열교환기를 이용한 차량용 배터리 쿨링 시스템에 대한 본 발명의 기술적 특징은 개시하고 있지 않다.
한국공개특허공보 제10-2011-0130313호
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
일측에 형성되는 제 1열교환부 및 타측에 형성되는 제 2열교환부를 포함하는 열교환기를 이용하여 냉각 효율성이 증대된 차량용 배터리 쿨링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템은 일측에 형성되는 제 1열교환부 및 타측에 형성되는 제 2열교환부를 포함하는 열교환기, 배터리 내부의 고온의 공기를 상기 제 2열교환부로 송풍하고, 냉각된 차거운 공기를 다시 배터리측으로 전달하는 제 1블로워 및 외부로부터 유입된 저온의 공기를 상기 제 1열교환부로 송풍하고, 가열된 뜨거운 공기를 외부로 배출하는 제 2블로워를 포함한다.
상기 열교환기는 제 1파이프, 일측면이 상기 제 1파이프 일측의 상면 및 하면과 각각 접촉되어 배치되는 제 1열전소자 및 제 2열전소자 및 일측이 상기 제 1열전소자 및 제 2열전소자의 타측면에 각각 접촉되어 배치되는 제 2파이프를 포함한 열전소자 조립유닛을 포함할 수 있다.
특히, 상기 열교환기는 복수개의 상기 열전소자 조립유닛이 적층되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수개의 열전소자 조립유닛 사이에는 전도부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1파이프의 타측에 형성된 제 1방열핀 및 상기 제 2파이프의 타측에 형성된 제 2방열핀 중 적어도 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열교환기는 일측과 타측에 제 1열교환부 및 제 2열교환부가 각각 형성된 히트파이프를 구비하는 히트파이프 조립유닛을 포함하는 것이 가능하다.
특히, 상기 열교환기는 복수개의 히트파이프 조립유닛이 적층되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 히트파이프의 일측 및 타측 중 적어도 하나에 배치된 열교환핀을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템은 일측에 형성되는 제 1열교환부 및 타측에 형성되는 제 2열교환부를 함께 구비한 열교환기 및 제 1열교환부와 제 2열교환부로 공기를 송풍하는 제 1블로워 및 제 2블로워를 이용하여 냉각된 공기를 배터리측으로 전달하는 동시에 가열된 공기를 외부로 배출함으로써, 간단한 구성으로 차량용 배터리의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템의 전체적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서, 열전소자 조립유닛을 적용한 열교환기의 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서, 히트파이프를 적용한 열교환기의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템의 전체적인 구성에 대해서 살펴보도록 하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템의 전체적인 구성을 도시한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기(10), 제 1블로워(30) 및 제 2블로워(40)를 포함하고 있다.
열교환기(10)는 열교환기(10)의 일측에 형성되는 제 1열교환부와 타측에 형성되는 제 2열교환부를 포함하고 있으며, 이러한 특징을 구현하기 위해서는 열교환기(10)를 구성하는 소자를 열전소자(Thermo-Electric Device, TED) 또는 히트파이프(Heat Pipe)를 이용할 수 있으며, 이에 대한 상세한 내용은 후술하도록 하겠다.
제 1블로워(30)는 배터리(20) 내부의 고온의 공기를 제 2열교환부로 송풍하고, 냉각된 차거운 공기를 다시 배터리(20)측으로 전달하는 기능을 수행한다.
이 때 상기 배터리(20)는 배터리 커버에 의해 보호되며, 배터리 커버는 단열 처리됨으로써 열원 방출을 방지하게 된다.
제 2블로워(40)는 흡입구(50)를 통해 외부로부터 유입된 저온의 공기를 제 1열교환부로 송풍하고, 가열된 뜨거운 공기를 배출구(60) 쪽으로 송풍하는 기능을 수행한다.
제 1블로워(30) 및 제 2블로워(40)는 동시에 작동되는 것이 일반적이나, 각각 독립적으로 동작이 가능하도록 제어되는 것도 가능할 것이다.
이러한 제 1블로워(30) 및 제 2블로워(40)의 동작 제어를 위한 별도의 제어부를 더 구비하는 것도 가능하며, 특히 배터리(20)의 온도를 센싱하고, 센싱한 값에 기초하여 제 1블로워(30) 및 제 2블로워(40)의 동작을 제어함으로써 불필요한 전력 소모를 방지하는 것도 가능할 것이다.
즉, 무더운 여름철의 경우 배터리의 효율적인 냉각을 위해서 배터리 쿨링 시스템 내부의 열기를 최대한 밖으로 방출하는 것이 요구되므로 제 1블로워(30) 및 제 2블로워(40)가 동시에 작동되는 것이 바람직하지만, 제 1블로워(30)의 구동만으로도 배터리를 충분히 냉각시키는 것이 가능할 경우라면 제 2블로워(40)의 동작을 정지시킴으로써 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있게 되는 것이다.
나아가, 제 2블로워(40)에 의해 뜨거운 공기를 배출구(60)를 통해 외부로 배출시키지 않고, 차량 내부로 배출되도록 함으로써 겨울철 차량 내부의 난방 기능을 수행하도록 하는 것도 가능할 것이다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템은 상술한 바와 같이 차량 내부의 공기를 이용하여 배터리를 냉각시키는 것이 아니라 차량 외부로부터 유입된 공기를 이용하여 배터리를 냉각시킴으로써 냉각 효율성을 증가시킬 수 있게 된다.
다만, 배터리 내부는 이물질 또는 수분의 유입을 방지하기 위하여 밀폐되어 있기 때문에, 배터리 내부로 공기를 직접 유입시키는 것이 아니라 히트파이프를 통해 열(Heat)만 전달함으로써 배터리가 냉각되게 된다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서의 열교환기 구성의 일 구현예를 구체적으로 살펴보도록 하겠다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서, 열전소자를 적용한 열교환기의 사시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서의 열전소자 조립유닛을 적용한 열교환기는 제 1파이프(110), 제 2파이프(140, 150), 제 1열전소자(120), 제 2열전소자(130)를 포함하는 열전소자 조립유닛(100)을 포함한다.
제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130)는 그 일측면이 제 1파이프(110)의 일측의 상면 및 하면과 각각 접촉되어 배치된다.
결국, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제 1열전소자(120)와 제 2열전소자(130) 사이에 제 1파이프(110)의 일측이 배치되는 구조가 형성되게 된다.
이러한 제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130)의 타측면에는 제 2파이프(140, 150)이 접촉되어 배치되게 된다.
한편, 열전소자는 열전재료를 이용하여 직류전원의 공급만으로 냉각 및 가열 등을 동시에 이룰 수 있는 열과 전기의 교환이 가능한 소자로써, 전원을 공급하면 그 특성상 한쪽면은 냉각이 되지만 반대면은 가열현상이 일어나게 된다.
이를 이용하여 제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130)에서 제 1파이프(110)와 접촉되는 면이 냉각되도록 제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130)에 전원을 공급하게 되면, 제 1파이프(110)가 냉각되어 열교환기(10)의 제 2열교환부를 형성하게 되고, 제 2파이프(140, 150)는 가열되어 열교환기(10)의 제 1열교환부를 형성하게 된다.
반대로, 제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130)에서 제 1파이프(110)와 접촉되는 면이 가열되도록 제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130)에 전원을 공급하게 되면, 제 1파이프(110)는 가열되어 열교환기(10)의 제 1열교환부를 형성하게 되고, 제 2파이프(140, 150)는 냉각되어 열교환기(10)의 제 2열교환부를 형성하게 된다.
한편, 제 1파이프(110)의 타측과 제 2파이프(140, 150)의 타측은 가급적 멀리 이격되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템의 목적을 달성하기 위해서는 제 1블로워(30) 또는 제 2블로워(40)가 제 1파이프(110) 또는 제 2파이프(140, 150)의 타측을 향하여 공기를 송풍해야 한다.
이때, 제 1파이프(110)의 타측과 제 2파이프(140, 150)의 타측이 가깝게 형성된다면, 결국 열교환기(10)에서의 제 1열교환부와 제 2열교환부가 가깝게 형성되게 되므로, 차가운 공기와 뜨거운 공기가 열교환기 내부에서 혼합됨으로써 차량용 배터리 쿨링 시스템의 효율이 저하될 수 있게 된다.
따라서, 도 2 및 도 3과 같이 제 1파이프(110)와 제 2파이프(140, 150)의 길이방향의 각도가 90도 정도가 되도록 열전소자 조립유닛(100)을 형성할 수도 있으며, 나아가 180도가 되도록 형성되는 것이 바람직할 것이다.
한편, 열교환기(10)는 하나의 열전소자 조립유닛(100)만으로 구성되는 것도 가능하지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 복수개의 열전소자 조립유닛(100)을 적층시켜 형성하는 것이 배터리의 냉각 성능 향상을 위해 바람직할 것이다.
또한 제 1파이프(110)의 타측 및 제 2파이프(140, 150)의 타측 중 적어도 하나에는 방열핀을 형성할 수 있으며, 특히 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제 1파이프(110)의 타측에 제 1방열핀(170)을 형성시키고, 제 2파이프(140, 150)의 타측에는 제 2방열핀(180)을 각각 형성시키는 것이 가장 바람직할 것이다.
제 1방열핀(170) 및 제 2방열핀(180)의 형성에 의하여 열교환기(10)의 열교환 면적의 증가로 인하여 좀 더 효율적인 냉각 성능 향상이 가능해진다.
나아가, 열교환기(10)가 복수개의 열전소자 조립유닛(100)을 적층시켜 형성되는 경우, 열전소자 조립유닛(100) 사이에는 전도부재(160)를 배치시키는 것이 가능하다.
이를 통해서, 각 열전소자 조립유닛(100)간의 열전도 효율을 증대시킬 수 있다.
또한 상술한 바와 같이 제 1파이프(110) 및 제 2파이프(140, 150)의 타측에 형성된 제 1방열핀(170) 및 제 2방열핀(180)이 형성될 경우, 열전소자 조립유닛(100)의 적층시 각 열전소자 조립유닛(100) 사이에 방열핀의 높이정도의 이격된 공간이 필요하게 되는데, 전도부재(160)의 배치로 인하여 각 열전소자 조립유닛(100) 사이의 유지 공간이 확보될 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서의 열교환기 구성의 다른 구현예를 구체적으로 살펴보도록 하겠다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서, 히트파이프를 적용한 열교환기의 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서의 히트파이프를 적용한 열교환기는 히트파이프(210)를 구비한 히트파이프 조립유닛(200)을 포함한다.
히트파이프(Heat Pipe)는 진공의 관 내에 적량의 액체를 봉입한 기구이며, 이로써 같은 단면적을 갖는 금속봉에 비하여 상당히 많은 열을 전달할 수 있는 파이프이며, 한 끝에서 가열하면 액체가 증발하여 관의 중앙부를 지나 다른 끝에 응축되어 냉각되는 특성을 가지고 있다.
상술한 히트파이프의 특성을 이용하게 되면 일측과 타측에 각각 형성되는 제 1열교환부 및 제 2열교환부가 형성되는 열교환기(10)의 형성이 가능하게 된다.
특히 히트파이프(210)의 형상은 히트파이프(210)의 일단 및 타단이 가급적 멀리 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
히트파이프(210)의 일단 및 타단이 가깝게 형성된다면, 결국 열교환기(10)에서의 제 1열교환부와 제 2열교환부가 가깝게 형성되게 되므로, 차가운 공기와 뜨거운 공기가 열교환기 내부에서 혼합됨으로써 차량용 배터리 쿨링 시스템의 효율이 저하될 수 있게 된다.
따라서 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 히트파이프(210)의 일단 및 타단이 이격되도록 히트파이프(210)의 형상을 형성시는 것이 바람직할 것이다.
한편, 열교환기(10)는 하나의 히트파이프 조립유닛(200)만으로 구성되는 것도 가능하지만, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 히트파이프 조립유닛(200)을 적층시켜 형성하는 것이 배터리의 냉각 성능 향상을 위해 바람직할 것이다.
또한 히트파이프(210)의 일측 및 타측 중 적어도 하나에는 열교환핀(220, 230)을 배치시키는 것이 가능하며, 가장 바람직하게는 일측 및 타측 모두 열교환핀(220, 230)을 배치시킴으로써 열교환기(10)의 열교환 면적의 증가를 통해 좀 더 효율적인 냉각 성능 향상이 가능해진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템에서의 열교환기(10)의 구현예로써 열전소자 및 히트파이프를 적용하는 예에 대하여 상술하였으나, 열전소자 및 히트파이프를 함께 적용하는 것도 가능할 것이다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 열교환기 20: 배터리
30: 제 1블로워 40: 제 2블로워
50: 흡입구 60: 배출구
100: 열전소자 조립유닛 110: 제 1파이프
120: 제 1열전소자 130: 제 2열전소자
140, 150: 제 2파이프 160: 전도부재
170: 제 1방열핀 180: 제 2방열핀
200: 히트파이프 조립유닛 210: 히트파이프
220, 230: 방열핀

Claims (8)

  1. 일측에 형성되는 제 1열교환부 및 타측에 형성되는 제 2열교환부를 포함하는 열교환기(10);
    배터리 내부의 고온의 공기를 상기 제 2열교환부로 송풍하고, 냉각된 차거운 공기를 다시 배터리(20)측으로 전달하는 제 1블로워(30); 및
    외부로부터 유입된 저온의 공기를 상기 제 1열교환부로 송풍하고, 가열된 뜨거운 공기를 외부로 배출하는 제 2블로워(40);
    를 포함하고,
    상기 열교환기(10)는
    단일의 제 1파이프(110);
    일측면이 상기 제 1파이프(110) 일측의 상면 및 하면과 각각 접촉되어 배치되는 제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130); 및
    일측이 상기 제 1열전소자(120) 및 제 2열전소자(130)의 타측면에 각각 접촉되어 배치되는 제 2파이프(140, 150);
    를 포함한 열전소자 조립유닛(100)을 포함하며,
    상기 제 1파이프(110)의 타측에는 제 1방열핀(170)이 구비되고,
    상기 제 2파이프(140, 150)의 타측에는 제 2방열핀(180)이 구비되며,
    상기 열전소자 조립유닛(100)은 공기흐름 방향(x, y)과 수직한 방향(Z)으로 복수 개 적층되고,
    상기 복수의 열전소자 조립유닛(100) 사이에는 전도부재(160)가 구비되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 구비한 차량용 배터리 쿨링 시스템.
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