KR101670020B1

KR101670020B1 - 배터리 모듈 냉각 장치

Info

Publication number: KR101670020B1
Application number: KR1020150096043A
Authority: KR
Inventors: 조중원; 원종필; 이호성; 장영기; 임택규; 오상택; 최동혁; 진성권; 오재영
Original assignee: 서울산업기술주식회사
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2016-10-28

Abstract

본 발명은 배터리 모듈 냉각 장치에 관한 것이다.
전기에너지를 공급함과 동시에 냉각할 수 있도록 구성되고, 배터리셀 및 히트파이프를 지지할 수 있는 배터리 지지대와, 배터리 지지대 상단부에 구성되어 히트파이프를 삽입할 수 있도록 구성된 고정홈과, 배터리 지지대 측면부에 구성되어 배터리셀에서 발생되는 열에너지의 일부를 배출하기 위해 구성된 통품홈으로 이루어진 워엄블럭과, 배터리 지지대의 상단부에 구성되고, 양극판과 음극판이 결합되어 이루어져 있으며, 2.0V의 전기에너지를 공급할 수 있도록 구성된 배터리 셀과, 고정홈에 삽입되어 고정되고, 배터리 셀에 형성된 열에너지를 냉각하기 위해 구성되며, 하단부에 구성된 제1 삽입패널과, 상단부에 구성된 제2 삽입패널로 이루어진 히트파이프 및 배터리셀의 상단부 및 히트파이프 사이에 구성되고, 지그재그형태로 구성되며, 히트파이프에 형성된 열에너지를 원할하게 냉각할 수 있도록 구성된 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 냉각 장치에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈 냉각 장치 {The battery module cooling units}

본 발명은 배터리 모듈 냉각 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 차량용 배터리가 장시간동안 구동될 때 배터리 온도가 상승하게 됨에 따라, 배터리 고온과열현상으로 인한 물리적 결함이 발생하지 않도록 배터리 셀을 냉각시켜 온도를 40℃ 이하로 유지시키는 배터리 모듈 냉각 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 석유가 원료로 사용하고 있는 자동차가 보편화됨에 따라, 교통편이 발달하게 되고, 특히, 버스, 승용차, 화물차 등 종류가 다양화되어 현대에는 없어서는 안될 운송수단으로 자리매김하고 있는 실정이다.

그러나, 주원료인 석유는 지구상에 매장되어 있는 양은 한정되어 있고, 이에 따라 세계 과학자들은 석유를 대체할만한 자원을 개발하고 있으며, 그 중 수소를 이용한 에너지와 전기를 이용한 에너지가 대체 자원으로 떠오르고 있다.

여기서, 각 나라의 기업은 전기자동차를 개발하는데 성공하여 2020년 상용화를 목표로 많은 개발이 이루어지고 있으며, 그 중 핵심기술로 이루어진 전기자동차의 배터리에 관해 많은 연구가 이루어지고 있다.

이에 따라, 대한민국 공개특허 제2014-0007063호는 전기 배터리는 셀들 중 적어도 일부로 형성된 적어도 하나의 종방향 배열을 포함하고, 실질적으로 배열의 종방향 축을 따라 압력을 가하는 압축 수단에 의해 배열의 셀은 서로 대해 고정되면서 서로에 대해 압축되고, 종방향 배열은, 부착 부재에 의해 케이스로 적어도 부분적으로 부착된 압축 수단에 의해, 케이스로 부착되며, 배터리는 냉각 시스템을 포함하고, 냉각 시스템은, 적어도 하나의 종방향 배열의 셀들을, 케이스 내에 위치하거나 케이스의 벽들 중 적어도 하나에 의해 형성되는 하나의 동일한 방열 표면으로 열적으로 연결하는 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층을 포함하여, 배열의 셀 각각에 의해 발생되는 열 에너지를 방열 표면으로 균일하게 방출함을 보장하며, 층 또는 전기 절연성 및 열 전도성 층 중 적어도 하나는 열 겔(thermal gel)로 구성되는, 전기 배터리가 개시된 바가 있다.

그러나, 전기 배터리는 장시간동안 사용할 경우, 냉각이 원활하게 이루어지지 않음에 따라, 전기 배터리 성능저하 및 수명단축이 이루어 질 수 있고, 냉각하는 효율이 저하되어 사고시 폭발 및 화재에 대한 우려가 있었다.

(특허 0001) 대한민국 공개특허 제2014-0007063호

종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 차량용 배터리가 장시간동안 구동될 때 배터리 온도가 상승하게 됨에 따라, 배터리 고온과열현상으로 인한 물리적 결함이 발생하지 않도록 배터리 셀을 냉각시켜 온도를 40℃ 이하로 유지시키는 배터리 모듈 냉각 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 배터리의 온도를 40 이하로 유지시켜서 배터리의 성능저하 및 수명단축을 억제하는 배터리 모듈 냉각 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은, 기존의 공냉식 구조에서 히트 파이프를 설치함으로써 열전달 효율이 극대화 되도록 구성된 배터리 모듈 냉각 장치를 제공함에 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 배터리 모듈 냉각 장치에 있어서, 전기에너지를 공급함과 동시에 냉각할 수 있도록 구성되고, 배터리 및 히트 파이프를 고정하기 위해 구성되며, 배터리 셀 및 히트파이프를 지지할 수 있는 배터리 지지대와, 배터리 지지대 상단부에 구성되어 히트파이프를 삽입할 수 있도록 구성된 고정홈으로 이루어진 웜업블럭과, 상기 배터리 지지대의 상단부에 구성되고, 양극판과 음극판이 결합되어 있으며, 3.0V의 전기에너지를 생성할 수 있도록 구성된 배터리 셀과, 상기 고정홈에 삽입되어 고정되고, 상기 배터리 셀에 형성된 열에너지를 냉각하기 위해 구성되며, 하단부에 구성된 제1 삽입패널과, 상단부에 구성된 제2 삽입패널로 이루어진 히트파이프 및 상기 배터리셀의 상단부 및 상기 히트파이프 사이에 구성되고, 지그재그형태로 구성되며, 상기 히트파이프에 형성된 열에너지를 원할하게 냉각할 수 있도록 구성된 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 웜업 블럭은, 8개의 배터리 셀과, 12개의 히트파이프로 이루어진 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트파이프는, 상기 제1 삽입패널과 상기 제2 삽입패널 사이에 구성되고, 일체로 형성된 진공홈이 다수로 이루어진 진공패널이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방열핀은, 지그재그로 형성되어 상단부와 하단부가 관통되어 공기중으로 원할하게 열에너지를 배출할 수 있도록 방열구가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 차량용 배터리가 장시간동안 구동될 때 배터리 온도가 상승하게 됨에 따라, 배터리 고온과열현상으로 인한 물리적 결함이 발생하지 않도록 배터리 셀을 냉각시켜 온도를 40℃ 이하로 유지시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리의 온도를 40℃ 이하로 유지시켜 배터리의 성능저하 및 수명단축을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 공냉식 구조에서 히트 파이프를 설치함으로써 열전달 효율이 극대화 할 수 있다.

도 1은 배터리 모듈 냉각 장치의 제1 실시 예의 전체 구성도,
도 2는 배터리 모듈 냉각 장치의 제1 실시 예의 분해 사시도,
도 3은 배터리 모듈 냉각 장치의 제1 실시 예의 정면도,
도 4는 배터리 모듈 냉각 장치의 제1 실시 예의 히트파이프의 구성도,
도 5는 배터리 모듈 냉각 장치의 제1 실시 예의 방열핀의 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의하여 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

배터리 모듈 냉각 장치(100)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 겨울철 배터리 셀(130)을 냉,난방할 수 있도록 구성된 웜업블럭(110)과, 웜업블럭(110)의 상단부에 구성되어 전기에너지를 생성하는 배터리 셀(130)과, 배터리 셀(130)과 배터리 셀(130) 사이에 구성되어 배터리 셀(130)에 발생하는 열에너지를 전달받는 히트파이프(150) 및 배터리 셀(130)의 상단부에 구성되어 히트파이프(150)에 존재하는 열에너지를 원할하게 배출할 수 있도록 구성된 방열핀(170)으로 이루어져 있다.

웜업블럭(110 ; Warm-up Block)은 저온에서 배터리 셀(130)을 가열할 수 있도록 구성된 장치이고, 복수의 배터리 셀(130)과 히트파이프(150)가 지지할 수 있도록 웜업블럭(110)의 상단부에 배터리지지대(111)가 이루어져 있으며, 웜업블럭(110)의 하단부에는 난방홀(113) 및 냉각홀(115)이 구성되어 있다.

즉, 웜업블럭(110)은 1,3,5번째에 형성된 홀이 난방홀(113)이며, 이 난방홀(113)은 시트히터(미도시)를 삽입하여 이 시트히터에서 열에너지를 발생시켜 겨울철 영하권에서도 배터리 셀(130)이 원할하게 구동할 수 있도록 구성되고, 2,4번째의 홀은 냉각홀(115)이며, 이 냉각홀(115)은 냉각관(미도시)을 삽입하여 PHEV의 경우 엔진 냉각수의 페열을 사용하여 저온의 배터리 셀(130)을 냉,난방 할 수 있도록 구성된다.

또한, 각각의 난방홀(113) 및 냉각홀(115)은 일정한 이격거리를 유지할 수 있도록 복수의 홈이 구성될 때 일정한 간격으로 구성하여 시트히터 및 냉각관으로부터 냉각 또는 난방이 이루어질 때 서로의 영역이 침범하지 않도록 함으로써 장시간동안 사용하여 내구력 약화를 방지 할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

배터리지지대(111)는 복수의 배터리 셀(130)과 히트파이브(150)가 웜업블럭내에 지지할 수 있도록 구성된 장치이고, 웜업블럭(110)보다 적은 넓이로 구성되어 무게 중심이 한쪽으로 쏠리는 현상을 방지 할 수 있다.

또한, 배터리지지대(111)는 상단부에 구성된 복수의 히트파이브(150)의 일부분이 삽입되어 고정할 수 있도록 구성된 고정홈(117)으로 이루어져 있다.

고정홈(117)은 배터리지지대(111)의 상단부에 일체로 길게 구성된 홈이고, 복수의 히트파이브(150)가 내측에 삽입됨으로써 견고하게 지지될 수 있음은 물론, 배터리 셀(130)로부터 발생하는 열에너지를 원할하게 전달할 수 있도록 구성된다.

웜엄블럭(110)의 상단부에 구성되는 배터리 셀(130)은 배터리 역할을 수행할 수 있도록 구성된 구성요소이고, 고정홈(117)을 기준으로 외곽에는 1개의 배터리 셀(130)이 구성되며, 내부에는 2개의 배터리 셀(130)이 구성되어 총 8개의 배터리 셀(130)이 구성된다.

그리고, 베터리 셀(130)은 웜업블럭(110)의 상단부에 구성되고, 웜업블럭(110)의 상단부를 납땜과 같은 물리적 결합을 수행함으로써 견고하게 결합되도록 구성하는 것이 바람직하나, 이에 한정 하는 것은 아니며, 선택적으로 구성될 수 있음은 물론이다.

또한, 배터리 셀(130)은 양극판과 음극판이 결합되어 하나를 이루는 것으로, 양극판과 음극판 사이에 전해액이 구성되어 전기를 생성하고, 본 발명에서는 3.0V를 생성하여 전기자동차에 공급될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하며, 하나의 냉각 장치(100)에는 24V의 전기에너지를 공급이 가능하도록 구성된다.

아울러, 배터리 셀(130)은 히트파이브(150)과 최대한 밀착하도록 구성되어 배터리 셀(130)로부터 발생되는 열에너지가 히트파이브(150)를 통해 배출 또는 냉각기능이 원할하게 수행할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 고정홈(117)에 삽입되는 히트파이프(150 ; Heat-Pipe)는 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(130)에서 발생하는 열에너지를 배출하기 위해 구성된 것으로, 배터리 셀(130)에서 발생하는 열에너지를 공급 받기 위해 배터리 셀(130)과 밀착되어 구성하는 것이 바람직하며, 하나의 고정홈(117)에 4개 내지 5개의 히트파이프(150)가 삽입된다.

또한, 히트파이프(150)는 하단부에 구성되는 제1 삽입패널(151)과, 상단부에 구성되는 제2 삽입패널(153)과, 제1 삽입패널(151)과 제2 삽입패널(153) 사이에 구성되는 진공패널(155)로 이루어져 있다.

제1 삽입패널(151)은 히트파이프(150)의 하단부에 구성됨으로써 고정홈(117)에 삽입될 수 있도록 구성된 패널이며, 난방홀(113)로부터 발생하는 열에너지를 전달 받을 수 있도록 구성된 패널이다.

제2 삽입패널(153)은 히트파이프(150)의 상단부에 구성됨으로써 히트스프리트(미도시)와 같은 장치와 결합될 수 있도록 구성된 패널이며, 배터리 팩(130)으로부터 발생하는 열에너지를 배출 할 수 있도록 구성된 패널이다.

즉, 제1 삽입패널(151)은 열에너지를 전달 받을 수 있도록 구성되고, 제2 삽입패널(153)은 열에너지를 배출할 수 있도록 구성되며, 제1 삽입패널(151)에서 제2 삽입패널(153)로 이동하는 방향성을 부여함으로써 진공상태 및 방향성이 형성된 진공패널(155)은 냉각기능을 극대화로 이루어도록 구성될 수 있음은 물론이다.

제1 삽입패널(151)과 제2 삽입패널(153) 사이에 구성되는 진공패널(155)은 제1 삽입패널(151)과 제2 삽입패널(153)의 끝까지 열에너지 및 냉각에너지를 신속하게 전달하기 위해 구성된 것으로, 배터리 셀(130)에서 발생하는 열에너지를 진공패널(155)로 전달하여 원할하게 냉각시킬 수 있도록 구성된다.

또한, 진공패널(155)은 복수의 진공홈(155a)이 일체로 구성되고, 진공홈(155a)은 제1 삽입패널(151)부터 제2 삽입패널(153)까지 일체의 홈으로 구성되며, 진공홈(155a) 내에 진공처리를 함으로써 신속한 열에너지 및 냉각에너지를 전달할 수 있도록 구성된다.

한편, 히트파이프(150) 사이에 구성되는 방열핀(170)은 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 각도로 지그재그 형태로 구성되어 히트파이프(150)에 형성된 열에너지를 원할하게 대기중으로 배출할 수 있도록 구성된 것으로, 배터리 셀(130)의 상단부 및 히트파이프(150) 사이에 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 방열핀(170)은 지그재그형태로 구성되고, 상방과 하방이 관통되어 히트파이브(150)에서 생성된 열에너지를 원할하게 공기순환할 수 있도록 구성된 방열구(171)가 이루어져 있으며, 철, 구리와 같이 열 전도성이 뛰어난 재질로 구성된다.

아울러, 방열핀(170)은 히트파이프(150) 사이에 납땜 및 본드와 같은 결합부재로 결합됨으로써 히트파이프(150)와 분리되지 않도록 구성되며, 히트파이프(150)의 길이만큼 절단하여 구성되는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 냉각장치 110 : 웜업블럭
111 : 배터리 지지대 113 : 난방홀
115 : 냉각홀 117 : 고정홈
130 : 배터리 셀 150 : 히트파이프
151 : 제1 삽입패널 153 : 제2 삽입패널
155 : 진공패널 155a : 진공홈
170 : 방열핀 171 : 방열구

Claims

전기에너지를 공급함과 동시에 냉각할 수 있도록 구성되고, 배터리 및 히트 파이프를 고정하기 위해 구성되며, 배터리 셀 및 히트파이프를 지지할 수 있는 배터리 지지대와, 배터리 지지대 상단부에 구성되어 히트파이프를 삽입할 수 있도록 구성된 고정홈으로 이루어진 웜업블럭;
상기 배터리 지지대의 상단부에 구성되고, 양극판과 음극판이 결합되어 있으며, 3.0V의 전기에너지를 생성할 수 있도록 구성된 배터리 셀;
상기 고정홈에 삽입되어 고정되고, 상기 배터리 셀에 형성된 열에너지를 냉각하기 위해 구성되며, 하단부에 구성된 제1 삽입패널과, 상단부에 구성된 제2 삽입패널과, 상기 제1 삽입패널과 상기 제2 삽입패널 사이에 구성되고, 일체로 형성된 진공홈이 다수로 이루어진 진공패널로 이루어진 히트파이프; 및
상기 배터리셀의 상단부 및 상기 히트파이프 사이에 구성되고, 지그재그형태로 구성되고, 상기 히트파이프에 형성된 열에너지를 원활하게 냉각되며, 상단부와 하단부가 관통되어 공기중으로 원활하게 열에너지를 배출하는 방열구가 포함된 방열핀;
을 포함하고,
상기 히트파이프는,
상기 제1 삽입패널에서 제2 삽입패널로 이동하는 방향성이 부여되어 상기 배터리 셀에서 발생하는 열에너지를 냉각이 이루어지는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 냉각 장치.
제 1항에 있어서,
상기 웜업 블럭은,
8개의 배터리 셀과, 12개의 히트파이프로 이루어진 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 냉각 장치.
삭제
삭제