KR101670021B1 - 배터리 모듈 난방 장치 - Google Patents

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최동혁
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 난방 장치에 관한 것이다.
전기에너지를 공급함과 동시에 배터리 셀에 열에너지를 공급할 수 있도록 구성되고, 하단부에 복수개로 구성된 홈 중 1, 3, 5번째의 홈에 구성되어 열에너지를 공급 할 수 있도록 구성된 시즈히터와, 하단부에 복수개로 구성된 홈 중 2, 4번째의 홈에 구성되어 PHEV의 경우 엔진 냉각수의 폐열을 이용하여 배터리를 난방할 수 있도록 구성된 쿨런트 라인으로 이루어진 웜업블럭과, 웜업블럭의 상단부에 구성되고, 양극판과 음극판이 결합되어 있으며, 2.0V의 전기에너지를 생성할 수 있도록 구성된 배터리 셀 및 배터리 셀 사이에 구성되고, 시즈히터에서 발생하는 열에너지를 배터리 셀에 균일하게 분포할 수 있도록 구성되며, 하단부에 구성된 제1 삽입패널과, 상단부에 구성된 제2 삽입패널로 이루어진 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 난방 장치에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈 난방 장치 {The battery module Heating units}
본 발명은 배터리 모듈 난방 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 겨울철에 영하의 날씨로 인한 차량의 온도 저하로 배터리 효율이 떨어지는 현상을 억제하기 위해 배터리 온도를 20℃ 내지 30℃의 상태를 유지함으로써 원할하게 배터리가 구동되도록 구성된 배터리 모듈 난방 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 겨울철에 차량의 온도 저하로 인해 배터리의 효율이 낮아지고, 이에 대한 대처가 미흡함에 따라 전기 배터리 성능저하 및 수명단축이 이루어짐에 따라, 전기에너지의 사용증가하는 문제점이 있었다.
(특허 0001) 대한민국 공개특허 제2014-0007063호
종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 겨울철에 영하의 날씨로 인한 차량의 온도 저하로 배터리 효율이 떨어지는 현상을 억제하기 위해 배터리 온도를 20℃ 내지 30℃의 상태를 유지함으로써 원할하게 배터리가 구동되도록 구성된 배터리 모듈 난방 장치을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은, Warm-up 시간내에 빠른 배터리 온도 상승할 수 있도록 웜업블럭 내에 히터 라인과 PHEV의 경우 엔진 냉각수의 페열을 활용할 수 있는 냉각관을 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 난방 장치에 있어서, 전기에너지를 공급함과 동시에 배터리 셀에 열에너지를 공급할 수 있도록 구성되고, 하단부에 복수개의 관통홀이 형성되며, 1, 3, 5번째의 관통홀에 구성되어 열에너지를 공급 할 수 있도록 구성된 히터 라인과, 2, 4번째의 관통홀에 구성되어 겨울철 배터리 저온 시 PHEV의 경우 엔진 냉각수의 폐열을 이용하여 배터리를 난방할 수 있도록 구성된 쿨런트 라인으로 이루어진 웜업블럭과, 상기 웜업블럭의 상단부에 구성되고, 양극판과 음극판이 결합되어 있으며, 2.5V 내지 3.5V의 전기에너지를 생성할 수 있도록 구성된 배터리 셀 및 상기 배터리 셀 사이에 구성되고, 상기 히터 라인에서 발생하는 열에너지를 배터리 셀에 균일하게 분포할 수 있도록 구성되며, 하단부에 구성된 제1 삽입패널과, 상단부에 구성된 제2 삽입패널로 이루어진 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히터 라인은, 1,3,5번째에 형성된 상기 관통홀의 후면부를 단전 또는 실리콘과 같은 재료로 차단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 쿨런트 라인은, 2,4번째에 형성된 상기 관통홀의 후면부를 연결함으로써 PHEV의 엔진냉각수가 순환하는 냉각관이 더 포함되는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트파이프는, 상기 히터 라인 및 상기 쿨런트 라인에서 발생하는 열 및 냉각에너지를 상기 배터리 셀에 균일하게 공급하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트파이프는, 상기 히터 라인 및 쿨런트 라인에서 발생하는 에너지가 제1 삽입패널에서 제2 삽입패널로 이동하는 방향성이 존재하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 겨울철에 영하의 날씨로 인한 차량의 온도 저하로 배터리 효율이 떨어지는 현상을 억제하기 위해 배터리 온도를 20℃ 내지 30℃의 상태를 유지함으로써 원할하게 배터리가 구동될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 웜업블럭 내에 히터 라인과 PHEV의 엔진 냉각수 라인을 제공함으로써 Warm-up 시간내에 빠른 배터리 온도 상승할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 공냉식 구조에서 히트 파이프를 설치함으로써 열전달 효율이 극대화 되도록 구성될 수 있다.
도 1은 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 전체 구성도,
도 2는 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 분해 사시도,
도 3은 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 정면도,
도 4는 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 후면도,
도 5는 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 히트파이프의 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.
도 1은 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 전체 구성도, 도 2는 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 분해 사시도, 도 3은 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 정면도, 도 4는 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 후면도, 도 5는 배터리 모듈 냉각 시스템의 제1 실시 예의 히트파이프의 구성도이다.
배터리 모듈 난방 장치(100)는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(130)에 열에너지를 공급하기 위해 구성된 웜업블럭(110)과, 배터리 모듈 내에 구성된 셀(Cell)로 구성되어 웜업블럭(110)의 상단부에 구성된 배터리 셀(130)과, 배터리 셀(130)과 배터리 셀(130) 사이에 구성되어 열에너지를 원할하게 배터리 셀(130)로 공급할 수 있도록 구성된 히트파이프(150)로 이루어져 있다.
웜업블럭(110 ; Warm-up Block)은 저온의 배터리 셀(130)을 난방하기 위해 구성된 장치이고, 복수의 배터리 셀(130)과 히트파이브(150)가 지지할 수 있도록 웜업블럭(110)의 상단부에 배터리지지대(111)가 이루어져 있으며, 웜업블럭(110)의 하단부에는 복수 개로 이루어진 관통홀(112)이 구성되며, 1,3,5번째에 해당하는 관통홀(112)에는 히터 라인(113)이 구비되고, 2,4번째에 해당하는 관통홀(112)에는 쿨런트 라인(115)이 구성된다.
히터 라인(113)은 웜업블럭(110)의 하단부에 형성된 관통홀(112)의 내주면에 형성되며, 1, 3, 5번째에 해당하는 관통홀(112)에 구성되어 시드 히터(미도시)에서 생성된 에너지를 통해 웜업블럭(110)의 온도를 상승시키는 기능을 수행하도록 구성된다.
또한, 히터 라인(113)은 웜업블럭(110)의 후면부에 단전(斷電) 또는 실리콘과 같은 재료로 후면부에 형성된 홈을 차단하고 정면부에 구성된 홈은 발전기(미도시)와 연결함으로써 소정의 밀폐력을 제공하여 열에너지가 신속하게 히트파이브(150)로 전달할 수 있도록 구성된다.
쿨런트 라인(115 ; coolant Line)은 웜업블럭(110)의 하단부에 복수개로 구성된 홈 중 2, 4번째 홈에 구성되어 PHEV의 경우 엔진 냉각수를 공급 받아 일정한 속도로 순환하도록 구성되며, 엔진 냉각수의 폐열을 이용하여 배터리 셀을 난방하는 기능을 수행할 수 있도록 구성된다.
또한, 쿨런트 라인(115)은 웜업블럭(110)의 후면부에 형성된 홈에 냉각관(115a)을 삽입하여 2번째와 4번째에 형성된 쿨런트 라인(115)이 원활하게 순환이 될 수 있도록 구성된다.
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 배터리 셀(130)과 히트파이브(150)의 일부분이 삽입되어 고정할 수 있도록 구성된 고정홈(117)이 복수개로 이루어져 있다.
고정홈(117)은 배터리지지대(111)의 상단부에 일체로 길게 구성된 홈이고, 복수의 히트파이브(150)가 내측에 삽입됨으로써 견고하게 지지될 수 있음은 물론, 히터 라인(113) 및 쿨런트 라인(115)에서 발생하는 냉각 및 열에너지를 원할하게 전달되도록 함으로써 고온 과열을 방지 및 겨울철 영하권에서도 전기자동차를 시동걸 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
웜업블럭(110)의 타 측면에 구성된 통풍홈(119)은 복수개로 일정한 간격으로 구성된 홈으로, 웜업블럭(110)의 내부가 원할하게 공기순환이 이루어져 배터리 셀(130)에서 발생된 열에너지의 일부를 배출함으로써 배터리 셀(130)이 일부 자연 냉각이 이루어지도록 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 2.5V 내지 3.5V를 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.
고정홈(117)에 삽입되는 히트파이프(150 ; Heat-Pipe)는 도 5에 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, 고정홈(117) 한 곳에 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, 히터 라인(113)으로부터 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 셀(130)로부터 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 구성됨에 따라, 제1 삽입패널(151)에서 제2 삽입패널(153)로 이동하는 방향성이 존재하도록 구성됨은 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.
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 : 난방장치 110 : 웜업블럭
111 : 배터리지지대 113 : 히터 라인
115 : 쿨런트 라인 115a : 냉각관
117 : 고정홈 130 : 배터리 셀
150 : 히트파이프 151 : 제1 삽입패
153 : 제2 삽입패널 155 : 진공패널
155a : 진공홈

Claims (5)

  1. 전기에너지를 공급함과 동시에 배터리 셀에 열에너지를 공급할 수 있도록 구성되고, 하단부에 복수개의 관통홀(112)이 형성되며, 1, 3, 5번째의 관통홀(112)에 구성되어 열에너지를 공급 할 수 있도록 구성된 히터 라인과, 2, 4번째의 관통홀(112)에 구성되어 겨울철 배터리 저온 시 PHEV의 경우 엔진 냉각수의 폐열을 이용하여 배터리를 난방할 수 있도록 구성된 쿨런트 라인으로 이루어진 웜업블럭;
    상기 웜업블럭의 상단부에 구성되고, 양극판과 음극판이 결합되어 있으며, 2.5V 내지 3.5V의 전기에너지를 생성할 수 있도록 구성된 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀 사이에 구성되고, 상기 히터 라인에서 발생하는 열에너지를 배터리 셀에 균일하게 분포할 수 있도록 구성되며, 하단부에 구성된 제1 삽입패널과, 상단부에 구성된 제2 삽입패널로 이루어진 히트파이프;를 포함하고,
    상기 히트파이프는,
    상기 히터 라인 및 상기 쿨런트 라인에서 발생하는 열 및 냉각에너지를 상기 배터리 셀에 균일하게 공급하고, 상기 히터 라인 및 쿨런트 라인에서 발생하는 에너지가 제1 삽입패널에서 제2 삽입패널로 이동하는 방향성이 부여되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 난방 장치.
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 난방 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히터 라인,
    상기 웜업블럭의 후면부에 1,3,5번째의 홈을 단전 또는 실리콘과 같은 재료로 차단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 난방 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 쿨런트 라인은,
    상기 관통홀의 후면부를 연결함으로써 PHEV의 엔진냉각수가 순환하는 냉각관이 더 포함되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 난방 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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