KR101647481B1 - 히트파이프 원리를 적용한 배터리 모듈 설계 - Google Patents

히트파이프 원리를 적용한 배터리 모듈 설계 Download PDF

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이현주
이수인
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Abstract

본 발명은 열관리 효율을 증대하기 위한 배터리 모듈 설계에 관한 것으로 상세하게는, 히트파이프의 원리를 적용한 배터리 모듈 설계에 관한 발명이다.

Description

히트파이프 원리를 적용한 배터리 모듈 설계{Battery module design using heat pipe principle}
본 발명은 열관리 효율을 증대하기 위한 배터리 모듈 설계에 관한 것으로 상세하게는, 히트파이프의 원리를 적용한 배터리 모듈 설계에 관한 발명이다.
하이브리드 자동차(HEV)나 전기 자동차(EV)에서 배터리의 온도조건은 배터리의 성능 및 수명에 큰 영향을 미치는 요소이기 때문에 배터리의 열적 관리 시스템이 필요하다. 따라서 최근에는 배터리의 최적 작동 온도를 유지하기 위해 열전달 성능 및 효율이 우수한 히트파이프를 적용하는 연구가 늘고 있다.
Gaugler가 1942년 최초로 제안한 히트파이프(heat pipe)는 이상(two phase)유동을 이용한 열전달 기기로써, 가장 효율적으로 열을 전달할 수 있는 단일기기이다. 히트파이프는 증발부(evaporator), 단열부(adiabatic section), 응축부(condenser)와 파이프 전체를 감싸고 있는 관벽(container), 그 안쪽에 다공성 물질인 윅(wick)과 이것을 적시고 있는 작동 유체로 구성된다. 이러한 히트파이프의 작동 원리는 증발부에 열이 가해지면 작동 유체가 열을 흡수하여 증기가 되고, 상기 증기는 밀도 및 압력이 상승하게 되어 상대적으로 밀도와 압력이 낮은 응축부로 이동하여 응축되면서 열을 방출하게 된다. 액화된 증기는 윅의 모세관 작용(capillary action)으로 인해 다시 증발부로 돌아오게 된다.
이러한 히트파이프를 하이브리드 자동차(HEV)나 전기 자동차(EV)에 적용한 사례를 보면, 루프형 히트파이프의 한 쪽을 배터리 셀 평면 사이에 면 접촉이 되도록 삽입하여 배터리 가열을 위한 응축부 또는 냉각을 위한 증발부 역할을 하도록 한다. 상기 히트파이프의 다른 한 쪽에는 방열핀을 부착하고 공랭식 또는 수랭식 덕트 안에 설치한다.
즉, 히트파이프가 적용된 대부분의 배터리는 셀과 히트파이프를 교차시켜 설치함으로써 셀의 열관리를 하게 된다. 이러한 방식은 셀과 히트파이프를 각각 제조한 뒤 결합시키는 방식으로 제조공정이 추가되고 크기 또한 증가하는 단점이 있다.
한국등록특허 KR0941215
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 배터리의 최적 작동 온도를 유지하기 위한 배터리 냉각 및 가열 시스템으로 열전달 성능이 우수한 히트파이프 원리를 적용하여 배터리의 제조 및 조립이 용이하고 열관리 효율을 증대시키는데 목적이 있다.
케이스와 상기 케이스의 한 쪽 면에 상기 케이스와 접촉하여 설치되는 냉각부와 상기 케이스 내부에 적층되는 다수 개의 배터리 셀과 상기 배터리 셀의 인접한 두 쪽 면 이상에는 다공성 물질인 윅이 도포되어 상기 케이스 내부의 작동 유체와 상기 배터리 셀이 직접 접촉될 수 있다.
본 발명에 따르면, 온도 조절 능력이 뛰어난 히트파이프의 원리를 배터리 모듈에 적용하여, 제조 및 조립이 용이하며 열 관리의 효율성을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 윅(wick)이 도포된 배터리 셀을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 배터리 셀을 케이스에 수평으로 적층한 배터리 모듈의 단면도.
도 3은 도 1의 배터리 셀을 케이스에 수직으로 적층한 배터리 모듈의 단면도.
도 4는 도 3의 배터리 셀에 경사각을 주어 적층한 배터리 모듈의 단면도.
도 5는 도 3의 배터리 모듈에서 냉각부와 접촉하는 면을 요철 구조로 설계한 배터리 모듈의 단면도.
도 6은 도 5에서 배터리 셀의 모든 면에 윅(wick)을 도포한 배터리 모듈의 단면도.
도 7은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제1실시예.
도 8은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제2실시예.
도 9는 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제3실시예.
도 10은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제4실시예.
도 11은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제5실시예.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 윅(wick)이 도포된 배터리 셀을 도시하고 있고, 도 2는 도 1의 배터리 셀을 케이스부에 수평으로 적층한 배터리 모듈의 단면도를 도시하고 있으며, 도 3은 도 1의 배터리 셀을 케이스부에 수직으로 적층한 배터리 모듈의 단면도를 도시하고 있다.
본 발명의 배터리 모듈(2)은 히트파이프의 원리가 적용된 것으로 도시된 바와 같이, 케이스(6)와 상기 케이스(6)의 한 쪽 면에 상기 케이스(6)와 접촉하여 설치되는 냉각부(4)와 상기 케이스(6) 내부에 적층되는 다수 개의 배터리 셀(10)로 구성되며, 상기 배터리 셀(10)의 인접한 두 쪽 면 이상에는 다공성 물질인 윅(wick)(8)이 도포되어 상기 케이스(6) 내부의 작동 유체와 상기 배터리 셀(10)이 직접 접촉되도록 구성된다. 상기 배터리 셀(10)의 탭(18)은 상기 케이스(6)의 한 쪽 면에 설치된다.
다수 개의 상기 배터리 셀(10)이 상기 케이스(6) 내부에 수직으로 적층될 경우, 상기 냉각부(4)는 상기 케이스(6)의 윗면에 설치되고, 상기 다수 개의 배터리 셀(10)이 상기 케이스(6) 내부에 수평으로 적층될 경우, 상기 냉각부(4)는 상기 케이스(6)의 측면에 설치된다.
상기와 같은 형태인 상기 배터리 모듈의 냉각을 고려할 경우, 상기 케이스(6) 내부는 상기 냉각부(4)와 접촉되는 부분이 상기 케이스 내부 작동 유체의 응축부가 되고, 상기 배터리 셀(10)은 상기 케이스(6) 내부 작동 유체의 증발부가 되어, 상기 증발부에서 증발된 상기 케이스(6) 내부 작동 유체가 상기 응축부로 이동하여 응축되면 상기 윅(8)의 모세관 작용으로 인해 상기 증발부로 돌아오는 히트파이프의 원리가 적용된다.
도 2와 같이 상기 다수 개의 배터리 셀이 상기 케이스 내부에 수평으로 적층되는 구조는 상기 배터리 모듈(2)의 가열 또한 고려할 수 있는 구조이다. 도 2의 구조에서 상기 배터리 모듈(2)의 가열을 고려할 경우, 상기 케이스(6) 내부는 상기 냉각부(4)와 접촉되는 부분이 상기 케이스(6) 내부 작동 유체의 증발부가 되고, 상기 배터리 셀(10)은 상기 케이스(6) 내부 작동 유체의 응축부가 되어, 상기 증발부에서 증발된 상기 케이스(6) 내부 작동 유체가 상기 응축부로 이동하여 응축되면 상기 윅(8)의 모세관 작용으로 인해 상기 증발부로 돌아오는 히트파이프의 원리가 적용된다.
상기 배터리 셀(10)은 서로 일정 간격 이격되어 설치되는데, 이격된 상기 배터리 셀(10) 사이는 진공 상태로 유지되어 증발된 상기 케이스(6) 내부 작동 유체의 증기 이동 통로(14)인 단열부의 역할을 하게 된다.
따라서 상기 배터리 셀(10) 사이가 진공 상태로 유지될 수 있도록 상기 케이스(6) 내부의 기체를 배출하기 위해 상기 케이스(6)의 한 쪽에 플러그 또는 밸브(16)가 설치된다.
상기 냉각부(4)의 내부에는 냉각수 또는 2상(two phase) 유동이 충진되어 상기 케이스(6)의 한 쪽 면을 냉각시키게 되고, 상기 케이스(6) 내부의 작동 유체는 실제 냉각 또는 가열의 온도 범위를 고려하여 선택하게 된다. 특히 본 발명의 상기 케이스(6) 내부의 작동 유체는 상기 배터리 셀(10)에 직접 접촉하게 되므로 전기적인 안전을 고려하여 전기 전도도가 낮은 물질을 사용해야 한다. 예를 들어, 하이브리드 차량에 상기 배터리 모듈(2)을 적용할 경우, 상기 케이스(6) 내부의 작동 유체로 저온의 초순수를 사용할 수 있다. 상기 초순수는 화합 물질이나 합성 물질이 거의 존재하지 않는 고순도의 순수로써, 일반적인 물은 여러 가지 불순물로 인해 전기 전도도가 높지만, 상기 초순수는 특수 공정을 거쳐 여러 가지 불순물을 제거하여 전기 전도도가 매우 낮아 전기에 대한 안전을 확보할 수 있다.
도 4은 도 3의 배터리 셀에 경사각을 주어 적층한 배터리 모듈의 단면도를 도시하고 있다.
일반적인 히트파이프의 경우, 경사각이 증가하면 중력의 영향으로 히트파이프 내부 작동 유체의 회수력이 촉진되어 열전달이 향상되게 된다. 따라서 본 발명의 상기 배터리 셀(10)을 상기 케이스(6)의 아랫면과 수직인 위치에서 20~50도의 경사각을 갖도록 적층하였다. 경사각이 50도 이상이 될 경우 상기 윅(8)의 모세관력이 커져 과잉의 작동 유체가 상기 배터리 셀(10)의 중앙에 축적됨으로 인해 증발된 상기 작동 유체의 밀도가 감소하게 되어 그만큼 이동하는 증기의 양이 줄게 되므로 열전달 효율이 떨어지게 되는 문제점이 생길 수 있다.
도 5는 도 3의 배터리 모듈에서 냉각부와 접촉하는 면을 요철 구조로 설계한 배터리 모듈의 단면도이다.
상기 케이스(6)에서 상기 냉각부(4)와 접촉되는 부분에 요철 구조를 적용하고, 상기 요철 구조 전체에 상기 윅(8)을 도포하였다. 상기 요철 구조가 도면에서는 도 3의 구조에만 적용되어 도시되었지만 도 2의 구조에도 적용되어 사용될 수 있음은 물론이다. 상기 케이스(6)에서 상기 냉각부(4)와 접촉되는 부분에 요철 구조가 적용된 경우, 상기 냉각부(4)의 형상을 상기 케이스(6)의 요철 구조와 끼워 맞출 수 있는 구조로 설계한다. 따라서 상기 냉각부(4)와 상기 케이스(6)의 접촉 면적이 증가되므로 인해 상기 배터리 모듈(2)의 냉각 또는 가열 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 6은 도 5에서 배터리 셀의 모든 면에 윅(wick)을 도포한 배터리 모듈의 단면도이다.
상기 배터리 셀(10)의 모든 면에 상기 윅(8)을 도포하는 것은 도 2, 도 3, 도 4의 구조에도 적용 가능하며, 상기 배터리 셀(10)의 모든 면에 상기 윅(8)이 도포될 경우 상기 케이스(6) 내부의 작동 유체와 상기 배터리 셀(10)의 접촉 면접이 증가하여 상기 배터리 모듈(2)의 냉각 또는 가열 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같이 일반적인 히트파이프의 원리를 본 발명의 상기 배터리 모듈(2)에 적용하여, 상기 케이스(6) 내부에서 상기 냉각부(4)와 접촉되는 부분은 상기 케이스(6) 내부 작동 유체의 응축부의 역할을 하고, 상기 배터리 셀(10)은 상기 케이스(6) 내부 작동 유체의 증발부의 역할을 하며, 상기 증기 이동 통로(14)는 단열부의 역할을 하도록 구성하였다.
상기 배터리 모듈(2)의 상기 냉각부(4)는 일반적인 냉각 유로가 사용될 수도 있지만 히트파이프를 적용하여 사용할 수도 있다.
상기 배터리 모듈(2)이 차량에 장착될 경우, 차량의 시스템과 연동되도록 장착되어야 한다. 일반적으로 차량의 냉각 시스템은 냉각 유로의 냉각수로 냉각이 필요한 구성품을 냉각하고, 뜨거워진 상기 냉각수는 라디에이터에서 순환시켜 냉각하게 된다.
도 7은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제1실시예를 도시하고 있다.
차량 라디에이터(20) 냉각부의 냉각 유로(22)를 상기 배터리 모듈(2)까지 연장시켜, 상기 라디에이터(20) 냉각부의 냉각 유로(22)가 상기 배터리 모듈(2)의 상기 냉각부(4)로도 사용될 수 있도록 설계된다.
도 8은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제2실시예를 도시하고 있다.
도 7의 구조에서 상기 차량 라디에이터(20) 냉각부의 냉각 유로(22)로 히트파이프를 적용하여 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부(4)로도 히트파이프가 적용된 구조로, 상기 라디에이터(20)가 상기 히트파이프(22)의 증발부가 되도록 설계하였다. 이러한 구조일 경우 상기 차량 라디에이터(20)와 상기 배터리 모듈(2) 사이 거리를 결정함에 있어서 상기 히트파이프(22)의 길이에 따른 냉각 효율이 고려되어야 한다.
도 9는 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제3실시예를 도시하고 있다.
일반적인 차량에 도 8의 구조를 적용할 경우, 라디에이터(20)는 차량의 앞 쪽에 위치하고 상기 배터리 모듈(2)은 차량의 뒤쪽에 위치하여, 상기 차량 라디에이터(20) 냉각부의 냉각 유로(22)와 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부(4)로 적용된 히트파이프(4, 22)의 길이가 너무 길어져 냉각 효율이 떨어지고 가격이 상승하는 문제가 발생할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 도 9와 같이 일반적인 상기 차량 라디에이터(22) 냉각부의 냉각 유로(22)를 상기 배터리 모듈(2)에서 일정 거리 이격된 위치까지 설치하고, 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부(4)로 히트파이프를 적용하여, 상기 차량 라디에이터(20) 냉각부의 냉각 유로(22)에 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부(4)인 히트파이프가 연결되도록 설계한다.
상기 차량 라디에이터(20) 냉각부의 냉각 유로(22)와 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부인 히트파이프(4)가 연결되는 부분은, 상기 배터리 모듈(2)을 냉각시키고자 할 경우에는 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부인 히트파이프(4)의 응축부가 되고, 상기 배터리 모듈(2)을 가열시키고자 할 경우에는 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부인 히트파이프(4)의 증발부가 된다.
도 10은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제4실시예를 도시하고 있다.
상기 도 10의 구조에서 상기 차량 라디에이터(20) 냉각부의 냉각 유로(22)와 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부인 히트파이프(4) 사이에 열교환기(24)가 장착되어 보다 높은 열전달 효율을 얻도록 구성할 수 있다.
도 11은 도 3의 배터리 모듈을 차량에 장착한 제5실시예를 도시하고 있다.
일반적으로 차량의 밑 부분은 언더커버로 덮여져 있어 이를 방열판으로 사용 할 수 있다. 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부(4)로 히트파이프를 적용하고, 상기 히트파이프(4)가 차량의 언더커버(26)와 연결되도록 하여, 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부인 히트파이프(4)가 상기 차량의 언더커버(26)와 연결되는 부분이 상기 배터리 모듈(2)의 냉각부인 히트파이프(4)의 응축부가 되도록 구성되는 것이다.
차량에 상기 배터리 모듈(2)을 장착한 본 발명의 실시예에서는 도 3의 구성만 도시하였지만 도 2, 도 4, 도 5, 도 6에 도시된 상기 배터리 모듈(2) 또한 도 7에서 도 11의 실시예에 적용될 수 있음은 물론이다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 배터리 모듈
4 : 배터리 모듈의 냉각부
6 : 케이스
8 : 윅
10 : 배터리 셀
12 : 응축 및 단열부
14 : 증기 이동 통로
16 : 밸브 장치
18 : 셀의 탭
20 : 라디에이터
22 : 라디에이터 냉각 유로
24 : 열교환기
26 : 차량의 언더커버

Claims (17)

  1. 케이스와;
    상기 케이스의 한 쪽 면에 상기 케이스와 접촉하여 설치되는 냉각부;와
    상기 케이스 내부에 적층되는 다수 개의 배터리 셀;과
    상기 배터리 셀의 인접한 두 쪽 면 이상에는 다공성 물질인 윅;이 도포되어
    상기 케이스 내부의 작동 유체와 상기 배터리 셀이 직접 접촉되며,
    상기 케이스에서 상기 냉각부와 접촉되는 부분에는 요철 구조가 적용되고,
    상기 냉각부의 형상은 상기 케이스의 요철 구조와 끼워 맞출 수 있는 구조로 형성되며,
    상기 케이스의 요철 구조 전체에 상기 윅이 도포되는 것
    을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수 개의 배터리 셀은 상기 케이스 내부에 수직으로 적층되며, 상기 냉각부는 상기 케이스의 윗면에 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수 개의 배터리 셀은 상기 케이스 내부에 수평으로 적층되며, 상기 냉각부는 상기 케이스의 측면에 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 냉각을 고려할 때,
    상기 케이스 내부에서 상기 냉각부와 접촉되는 부분은 상기 케이스 내부 작동 유체의 응축부가 되고, 상기 배터리 셀은 상기 케이스 내부 작동 유체의 증발부가 되어, 상기 증발부에서 증발된 상기 케이스 내부 작동 유체가 상기 응축부로 이동하여 응축되면 상기 윅의 모세관 작용으로 인해 상기 증발부로 돌아오는 히트파이프의 원리가 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 가열을 고려할 때,
    상기 케이스 내부에서 상기 냉각부와 접촉되는 부분은 상기 케이스 내부 작동 유체의 증발부가 되고, 상기 배터리 셀은 상기 케이스 내부 작동 유체의 응축부가 되어, 상기 증발부에서 증발된 상기 케이스 내부 작동 유체가 상기 응축부로 이동하여 응축되면 상기 윅의 모세관 작용으로 인해 상기 증발부로 돌아오는 히트파이프의 원리가 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 서로 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 배터리 셀 사이는 진공 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 셀 사이가 진공 상태로 유지될 수 있도록 상기 케이스 내부의 기체를 배출하기 위해 상기 케이스의 한 쪽 면에 플러그 또는 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부 내부에는 냉각수 또는 2상 유동이 충진되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 윅을 적시고 있는 상기 케이스 내부의 작동 유체는 초순수(ultrapure water)를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 상기 냉각부는 히트파이프인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 상기 케이스 아랫면과 수직인 위치에서 20~50도의 경사각을 갖도록 적층되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제5항 또는 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항의 배터리 모듈이 장착된 차량에 있어서,
    차량 라디에이터 냉각부의 냉각유로를 상기 배터리 모듈까지 연장시켜, 상기 라디에이터 냉각부의 냉각유로가 상기 배터리 모듈의 냉각부로도 사용되는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 원리가 적용된 배터리 모듈이 장착된 냉각 시스템.
  14. 제13항에 있어서
    상기 차량 라디에이터 냉각부의 냉각유로로 히트파이프를 적용한 것을 특징으로 하는 히트파이프의 원리가 적용된 배터리 모듈이 장착된 냉각 시스템.
  15. 제13항에 있어서
    상기 차량 라디에이터 냉각부의 냉각유로를 상기 배터리 모듈에서 일정 거리 이격된 위치까지 설치하고, 상기 배터리 모듈의 냉각부로 히트파이프를 적용하여, 상기 차량 라디에이터 냉각부의 냉각유로에 상기 배터리 모듈의 냉각부가 연결되는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 원리가 적용된 배터리 모듈이 장착된 냉각 시스템.
  16. 제15항에 있어서
    상기 차량 라디에이터 냉각부의 냉각유로와 상기 배터리 모듈의 냉각부인 히트파이프 사이에는 열교환기가 설치되는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 원리가 적용된 배터리 모듈이 장착된 냉각 시스템.
  17. 제15항에 있어서
    상기 배터리 모듈의 냉각부로 히트파이프를 적용하고, 상기 히트파이프가 차량의 언더커버와 연결되어, 상기 히트파이프에서 상기 차량의 언더커버와 연결되는 부분이 상기 히트파이프의 응축부가 되는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 원리가 적용된 배터리 모듈이 장착된 냉각 시스템.
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