KR101690234B1

KR101690234B1 - 배터리팩의 온도조절시스템

Info

Publication number: KR101690234B1
Application number: KR1020150154646A
Authority: KR
Inventors: 이상기
Original assignee: (주)캠시스; 코니자동차 (주)
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2016-12-27

Abstract

배터리팩의 온도조절시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 배터리셀과 열교환 되는 열매체의 유동을 조절하여 배터리셀 각각의 온도를 조절할 수 있도록 함으로써 배터리팩의 충전효율 및 방전효율을 극대화 할 수 있으며, 복수의 배터리셀과 열교환 된 열매체에 포함된 열에너지를 다양한 목적으로 활용함으로써 에너지의 활용 효율이 높아질 수 있다.

Description

배터리팩의 온도조절시스템{TEMPERATURE CONTROLLING SYSTEM OF BATTERY PACK}

본 발명은 배터리팩의 온도조절시스템에 관한 것으로, 전기차 등의 에너지원으로 사용되는 배터리팩에 포함된 복수의 배터리셀 각각의 온도를 조절할 수 있는 배터리팩의 온도조절시스템에 관한 것이다.

화석연료의 절약 및 환경오염의 감소 등을 목적으로 전기차(electric car) 또는 하이브리드카(hybrid car)에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되어 이미 상당 부분 실용화 되어 왔으며, 현재는 그 성능과 효율을 극대화하기 위한 연구 및 개발 등이 널리 진행되고 있다.

상술한 전기차 또는 하이브리드카 등에는 동력원으로 전기모터를 사용하며, 전기모터의 에너지원으로는 일반적으로 2차 전지인 배터리셀(battery cell)을 복수 개 집합시켜 배터리모듈(battery module)을 구성하고, 필요에 따라 배터리모듈을 복수 개 연결한 것이 사용되고 있다. 이러한 에너지원을 배터리팩(battery pack) 또는 파워팩(power pack)이라 칭한다.

2차 전지로는 납축전지 배터리가 널리 사용되어 오다가 현재는 환경오염의 가능성이 적고 경량이면서 에너지 밀도가 높은 리튬이온 배터리가 널리 사용되는 추세이다.

배터리셀 내에는 전극 및 전해액 등 다양한 물질이 수용되어 있으며, 이들 물질 사이의 화학적 반응에 의해 발생되는 전류를 이용하고 있다. 그런데 상기 화학적 반응은 온도에 따라 그 효율이 변화되며, 적절한 온도범위보다 낮거나 높은 온도에서는 충전효율 및 방전효율이 저하된다.

따라서, 배터리팩의 온도가 적절한 범위 내에서 유지되도록 하기 위하여 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다.

그 일환으로 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0050799호(선행문헌 1이라 함)에는 배터리셀을 서로 연결하는 부스바에 방열판을 설치하여 배터리팩이 충전되거나 방전될 때 발생하는 열이 발산되도록 하는 내용이 개시되어 있다.

그러나, 상술한 바와 같이 배터리팩의 온도가 적절한 범위보다 낮을 경우에도 배터리팩의 충전효율 및 방전효율이 저하되는데, 선행문헌 1에는 이에 대한 대책이 개시되어 있지 않다.

뿐만 아니라, 배터리팩에는 복수의 배터리셀이 집적되어 있으므로, 물리적으로 배터리팩의 내측에 배치된 배터리셀에는 충전 및 방전 시 발생된 열이 축적되므로 다른 배터리셀보다 온도가 높아지는 경우가 빈번하며, 반대로 배터리팩이 저온의 환경에 노출되었을 경우에는 배터리팩의 가장자리에 배치된 배터리셀이 적절한 온도범위보다 냉각되어 전지특성이 저하되는 경우가 발생되고 있다.

그러므로, 배터리팩에 포함된 복수의 배터리셀의 온도가 각각 조절되도록 함으로써 배터리팩이 최대한 높은 전지특성을 나타내도록 하는 기술의 제안이 필요한 실정이다.

대한민국특허청 공개특허공보 제10-2012-0050799호(발명의 명칭: 방열판이 부착된 배터리 셀 어셈블리, 공개일: 2012년 5월 21일)

본 발명의 실시예는 배터리팩에 포함된 복수의 배터리셀의 온도를 개별적으로 조절할 수 있도록 하고자 한다.

또한 본 발명의 실시예는 배터리팩에서 발생되는 열을 재활용할 수 있도록 하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 마주 보는 변을 따라 형성된 한 쌍의 열매체관로가 구비되고 그 일면에는 상기 열매체관로의 길이방향을 따라 복수의 슬롯이 일면에 등간격으로 형성된 기판이 구비된 베이스와, 외각이 직육면체 형상으로 각각 형성되고 일측 변에 셀단자가 각각 돌출 배치되며 복수의 상기 슬롯에 상기 셀단자가 각각 삽입되어 상기 기판에 전기적으로 각각 연결된 복수의 배터리셀과, 복수의 상기 배터리셀 또는 상기 기판 중 복수의 상기 배터리셀이 근접한 부분에 각각 설치된 복수의 온도센서와, 상기 기판의 상기 슬롯이 형성된 부분의 타면측에 상기 한 쌍의 열매체관로를 연결하는 보조관로가 각각 형성되고, 복수의 상기 보조관로에는 설치되어 상기 보조관로를 각각 개폐하는 복수의 개폐밸브와, 복수의 상기 온도센서의 신호에 따라 복수의 개폐밸브의 개폐를 각각 조절하는 온도조절유닛을 포함하는 배터리팩의 온도조절시스템이 제공될 수 있다.

상술한 배터리팩의 온도조절시스템에는, 일측 변이 개방된 직사각형 형상을 갖고 상기 배터리셀의 상기 셀단자가 형성된 부분을 제외한 외주연을 감싸며 상기 배터리셀에 결합되며 그 양단부에는 상기 개폐밸브에 연결되는 결합관이 형성된 냉각프레임이 더 포함될 수 있다.

여기서, 상기 배터리셀의 상기 냉각프레임과 접하는 상기 외주연에는 결합돌기가 형성되고, 상기 냉각프레임의 내주연에는 상기 결합돌기에 상응하는 결합홈이 형성될 수 있다.

상술한 배터리팩의 온도조절시스템에는, 상기 기판 상에 등간격으로 배치된 복수의 상기 배터리셀과 상기 냉각프레임의 결합체들 사이마다 각각 삽입되어 복수의 상기 배터리셀 및 상기 냉각프레임과 면접촉 되는 복수의 냉각핀이 더 포함될 수 있다.

여기서, 상기 냉각핀의 일측 변에는 상기 냉각프레임의 외측으로 돌출된 방열핀부가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 냉각프레임 외측 표면에는 요철부가 형성될 수 있다.

상술한 배터리팩의 온도조절시스템에는, 상기 베이스, 복수의 상기 기판, 복수의 상기 냉각프레임 및 복수의 상기 냉각핀을 내부에 수용하여 밀폐하는 모듈프레임이 더 포함될 수 있으며, 상기 모듈프레임에는 상기 한 쌍의 열매체관로와 연결되는 한 쌍의 열매체포트가 형성될 수 있다.

한편, 상술한 배터리팩의 온도조절시스템에는, 상기 열매체관로를 통하여 열매체가 유동되도록 하는 펌프와, 상기 열매체관로를 통과한 상기 열매체와 열교환을 하는 열교환기가 더 포함될 수 있다.

여기서 상술한 배터리팩의 온도조절시스템에는, 상기 열교환기의 양단에 설치된 한 쌍의 전환밸브와, 한 쌍의 상기 전환밸브에 연결된 축열탱크가 더 포함될 수 있고, 상기 온도조절유닛은 복수의 상기 온도센서의 신호에 따라 상기 열매체가 상기 열교환기 또는 상기 축열탱크를 통하여 유동되도록 복수의 상기 전환밸브를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 배터리셀과 열교환 되는 열매체의 유동을 조절하여 배터리셀 각각의 온도를 조절할 수 있도록 함으로써 배터리팩의 충전효율 및 방전효율을 극대화 할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 배터리셀과 열교환 된 열매체에 포함된 열에너지를 다양한 목적으로 활용함으로써 에너지의 활용 효율이 높아질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템이 적용된 차량이 예시된 도면
도 2는 도 1에 도시된 배터리팩의 분해사시도
도 3은 배터리모듈의 구조를 설명하기 위한 분해사시도
도 4는 도 3의 A-A 직선에 따른 단면도
도 5는 배터리모듈에 포함된 냉각핀의 구조를 설명하기 위한 사시도
도 6은 도 5에 B로 표시된 부분의 확대도
도 7은 모듈프레임을 설명하기 위한 분해사시도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템의 작동을 설명하기 위한 계통도

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템이 적용된 차량이 예시된 도면이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템이 구비된 차량(1)에는 차체(10), 바퀴(11, 12), 구동모터(30), 변속기(31) 및 배터리팩(50) 등이 포함된다.

구동모터(30)는 배터리팩(50)으로부터 전력을 공급 받으며, 구동모터(30)로부터 출력되는 회전력은 변속기(31)에 의해 그 회전비가 조절되어 앞바퀴(11) 또는 뒷바퀴(12)로 전달되어 차량(1)이 운행될 수 있다.

구체적으로 도시되지는 않았으나, 차체(10)에는 프레임이 포함되며, 바퀴(11, 12), 구동모터(30), 변속기(31), 배터리팩(50)은 프레임에 결합될 수 있다. 그리고, 조향장치, 현가장치, 동력전달계통 등 본 발명과 직접적으로 관련이 있지 않은 구성요소는 편의상 도시를 생략하였다.

도 2에는 도 1에 도시된 배터리팩의 분해사시도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 배터리팩(50)에는 배터리모듈조립체(70) 및 배터리하우징(100)이 포함된다.

배터리모듈조립체(70)는 복수의 배터리모듈(71)이 집합되어 이루어진 것으로, 자세하게 도시되지는 않았으나, 배터리모듈(71)에는 복수의 배터리셀(battery cell, 도 3의 130 참조)이 포함될 수 있다.

배터리셀(130)은 전기에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위를 의미한다. 배터리셀에는 양극, 음극, 분리막 및 전해질이 케이스에 수용된 구조를 갖는 것이 일반적이다.

배터리모듈(battery module, 71)은 배터리셀(130)을 외부충격과 열 및 진동 등으로부터 보호하기 위하여 복수 개를 결합시켜 모듈프레임에 수용시킨 조립체를 의미한다. 배터리팩(battery pack, 50)은 복수의 배터리모듈(71)에 배터리관리시스템(battery management system: BMS), 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착한 것을 의미한다. 도시가 생략된 배터리관리시스템은 배터리모듈조립체(70)와 함께 배터리하우징(100) 내에 설치될 수 있다.

참고로, 배터리셀(130), 배터리모듈조립체(70), 배터리팩(50)은 리튬이온 배터리 또는 리튬폴리머 배터리를 상정한 것으로, 도시되지는 않았으나, 배터리팩(50)이 납축전지를 이용한 것일 경우 배터리모듈조립체(70)는 복수의 셀로 이루어진 납축전지로 대체될 수도 있다.

배터리하우징(100)에는 수용부(110) 및 덮개(120)가 포함된다.

수용부(110)에는 수용본체(111)가 포함되며, 수용본체(111)는 일부가 개방되고 내부에 수용공간(112)이 형성된다. 수용공간(112)에는 상술한 배터리모듈조립체(70)가 수용된다.

수용본체(111)에는 열매체포트(114, 115)가 더 포함될 수 있는데, 열매체포트(114, 115)에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.

도 3에는 배터리모듈의 구조를 설명하기 위한 분해사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 A-A 직선에 따른 단면도가 도시되어 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템에는 배터리셀(130), 온도센서(133), 배터리모듈(140) 및 냉각프레임(150)이 포함된다.

배터리셀(130)은 외각이 직육면체 형상으로 형성되고, 일측 변에 전력이 출력되는 단자(131)가 돌출 배치된다. 참고로, 배터리셀(130)에는 상술한 바와 같이 양극 및 음극에 해당되는 전극, 분리막 및 전해질 등이 케이스에 수용되어 이루어지는데, 배터리셀(130)의 외각은 케이스의 형상에 따라 결정된다.

배터리모듈(140)에는 베이스(141)가 포함되는데, 베이스(141)에는 기판(142), 열매체관로(145, 146) 및 개폐밸브(171, 172)가 구비된다.

한 쌍의 열매체관로(145, 146)는 베이스(141)의 마주 보는 변을 따라 형성되는데, 베이스(141)는 도시된 바와 같이 외주연이 직사각형인 평판 형상으로 형성될 수 있다.

기판(142)은 베이스(141)의 일면에 구비되는데, 기판(142)의 일면에는 열매체관로(145, 146)의 길이방향을 따라 복수의 슬롯(143)이 등간격으로 형성된다.

슬롯(143)은 배터리셀(130)의 단자(131)에 상응하게 형성되며, 슬롯(143)에는 단자(131)가 삽입되면서 배터리셀(130)이 베이스(141)의 일면, 즉 기판(142)의 일면에 설치된다. 이때, 기판(142)의 일면 및 배터리셀(130)의 일측 변이 면접촉을 이룰 수 있으며, 단자(131) 및 기판(142)은 전기적으로 연결된다.

온도센서(133)는 배터리셀(130)의 온도를 측정하기 위한 것으로, 온도센서(133)는 도시된 바와 같이 배터리셀(130) 내에 설치될 수도 있고, 도시되지는 않았으나 배터리셀(130)이 근접한 위치의 기판(142)에 설치될 수도 있다.

여기서, 온도센서(133)가 기판에 설치되는 경우, 상술한 바와 같이 배터리셀(130) 및 기판(142)은 면접촉을 이루므로, 배터리셀(130)의 온도변화는 이와 근접한 위치의 기판(142)의 온도를 측정하는 것으로도 감지가 가능하다.

기판(142)의 슬롯(143)이 형성된 부분에의 반대면, 즉 기판(142)의 타면에는 슬롯(143)이 배치된 부분과 상응한 위치에 보조관로(147)가 형성된다. 보조관로(147)는 도시된 바와 같이 그 양단부가 한 쌍의 열매체관로(145, 146)를 연결하도록 형성된다.

따라서, 배터리셀(130)에서 발생된 열은 기판(142)을 통하여 보조관로(147) 내를 유동하는 열매체로 전달되거나, 열매체의 열이 배터리셀(130)로 전달될 수 있다.

개폐밸브(171, 172)는 보조관로(147)의 양단부에 설치되어 보조관로(147)를 개폐한다. 따라서 개폐밸브(171, 172)의 작동에 다라 보조관로(147)를 통한 열매체의 유동이 조절될 수 있다.

한편, 냉각프레임(150)은 배터리셀(130) 및 열매체 사이의 열교환이 더욱 원활하게 일어날 수 있도록 한다.

냉각프레임(150)에는 냉각프레임본체(151)가 포함되며, 냉각프레임본체(151)는 알루미늄과 같이 열전달계수가 높은 소재로 이루어질 수 있다.

냉각프레임본체(151)는 일측 변이 개방된 직사각형 형상, 즉 ㄷ형상을 갖도록 형성된다. 냉각프레임(150)은 배터리셀(130)의 외주연 중 단자(131)가 형성된 일측 변을 제외한 부분을 감싸는 형상으로 배터리셀(130)에 결합된다.

이때, 배터리셀(130)의 외주연에는 도시된 바와 같이 결합돌기(134)가 형성되고, 냉각프레임본체(151)의 내주연에는 결합돌기(134)와 상응하는 형상의 결합홈(154)이 형성될 수 있다.

이는 배터리셀(130) 및 냉각프레임(150)이 견고하게 결합되도록 하는 효과 및 접촉면적의 증가에 따라 이들 사이의 열교환 효율이 증가되는 효과를 얻도록 하기 위한 것이다.

냉각프레임본체(151)의 양단부에는 도시된 바와 같이 결합관(152, 153)이 각각 형성되고, 도시되지는 않았으나 냉각프레임본체(151)의 내부에는 일측 결합관(152)의 단부로부터 타측 결합관(153)이 상통되도록 하는 냉각유로가 형성된다.

베이스(141)의 일면에는 결합관(152, 153)이 삽입되어 고정되는 연결공(144)이 형성된다. 도시된 바와 같이, 연결공(144)은 결합관(152, 153)이 삽입되었을 때 결합관(152, 153)의 단부가 개폐밸브(171, 172)에 연결되는 위치에 형성되거나, 도시되지는 않았으나 결합관(152, 153)이 단부가 보조관로(147)와 상통될 수 있는 위치에 형성된다.

따라서 개폐밸브(171, 172)의 작동에 따라 열매체가 보조관로(147)를 통하여 유동될 때 열매체의 일부는 냉각유로를 통하여 냉각프레임본체(151) 내로 유동된다. 이에 따라 배터리셀(130)과 열매체 사이의 열교환 효율이 더욱 높아질 수 있다.

이상에서는 하나의 배터리셀(130), 하나의 냉각프레임(150) 및 베이스(141) 사이의 결합에 대하여 예시하여 설명하였으나, 베이스(141)에는 복수의 배터리셀(130) 및 복수의 냉각프레임(150)이 결합되어, 배터리모듈(140)은 도 5에 도시된 바와 같은 형상을 갖게 된다.

또한, 보조관로(147) 및 개폐밸브(171, 172) 또한 배터리셀(130)의 수에 상응하는 수가 각각 베이스(141)에 형성 및 설치된다.

도 5에는 배터리모듈(140)에 포함된 냉각핀(160)의 구조를 설명하기 위한 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5에 B로 표시된 부분의 확대도가 도시되어 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템에는 냉각핀(160)이 더 포함된다.

냉각핀(160)에는 평판 형상의 핀본체(161)가 포함되고, 핀본체(161)의 일측에는 상기 냉각프레임(150)의 가장자리를 덮을 수 있는 방열핀부(162)가 형성된다. 일 실시예로 상기 방열핀부(162)는 상기 냉각프레임(150)의 상단 가장자리를 덮기 위하여 상기 냉각핀(160)의 상단에 형성될 수 있다.
방열핀부(162)에는 도시된 바와 같이, 상기 냉각프레임(150)을 향하여 고정리브(163)가 돌출 형성된다. 냉각핀(160)은 알루미늄과 같이 열전달계수가 높은 소재로 이루어질 수 있다.

베이스(141) 상에는 배터리셀(130) 및 냉각프레임(150)의 결합체가 복수 개 결합된다. 여기서, 베이스(141)에는 상술한 바와 같이 슬롯(도 3 및 도 4의 143)이 등간격으로 형성되어 있으므로, 복수의 배터리셀(130)과 냉각프레임(150)의 결합체는 베이스(141) 상에 등간격으로 배치된다.

따라서, 복수의 배터리셀(130) 및 냉각프레임(150) 조립체 사이에는 등간격의 틈(gap)들이 형성된다.

핀본체(161)는 이들 틈에 각각 삽입된다. 이에 따라, 핀본체(161)의 양면은 복수의 배터리셀(130) 및 냉각프레임(150) 조립체와 면접촉을 하게 되며, 이에 따라 냉각핀(160) 및 복수의 배터리셀(130) 및 냉각프레임(150) 조립체 사이에는 열전달이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

방열핀부(162)는 도시된 바와 같이 핀본체(161)의 냉각프레임(150)보다 외측으로 돌출되도록 형성되며, 이에 따라 핀본체(161)로 전달된 열은 방열핀부(162)를 통하여 주변으로 방출될 수 있다.

한편, 방열핀부(162)에는 도시된 바와 같이 고정리브(163)가 돌출 형성되는데, 냉각프레임본체(151)에는 고정리브(163)에 상응하는 위치에 상응하는 형상의 고정홈(155)이 형성되어 고정리브(163)가 고정홈(155)에 삽입될 수 있다.

이러한 고정홈(155) 및 고정리브(163)의 결합은 배터리셀(130), 냉각프레임(150) 및 냉각핀(160)의 결합상태를 견고하게 하는 동시에 접촉면적의 증가로 열전달 효율이 증가되는 효과를 얻도록 한다.

도시되지는 않았으나, 냉각프레임본체(151) 중 방열핀부(162)와 접촉되는 부분을 제외한 부분에는 요철부가 형성되도록 하여 주변 공기와 접촉되는 표면적이 증가되도록 함으로써 열의 방출성능이 향상되도록 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 배터리모듈(140)은 복수의 배터리셀(130) 및 베이스(141)로 이루어지며, 냉각프레임(150) 및 냉각핀(160)이 더 포함될 수 있다.

그런데 배터리모듈(140)은 열이나 진동, 분진 등에 취약하고, 특히 단자(131) 및 슬롯(143)의 결합부에 분진이나 수분이 침투할 경우 오작동의 가능성이 높아질 수 있다.

따라서, 배터리모듈(140)을 보호하기 위하여 배터리모듈(140)을 모듈프레임에 수용시킬 수 있는데, 이에 대해서는 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7에는 모듈프레임을 설명하기 위한 분해사시도가 도시되어 있다.

모듈프레임에는 배터리모듈(140)이 수용되는 모듈프레임본체(191) 및 모듈프레임본체(191의 개방된 부분을 커버하여 모듈프레임이 밀폐되도록 하는 모듈덮개(195)가 포함된다.

이때, 모듈프레임본체(191)에는 배터리모듈(140)의 열매체관로(145, 146)와 연결되는 열매체포트(192, 193)가 형성되어, 열매체가 열매체포트(192, 193)를 통하여 열매체관로(145, 146)로 유동되도록 할 수 있다. 도 2에 도시된 배터리모듈(71)은 이와 같이 배터리모듈(140)이 모듈프레임에 의해 밀폐된 모습을 도시한 것이다.

도시되지는 않았으나, 상술한 기판(도 4의 142)에는 다수의 도선이 구비된다. 이 도선을 통하여 배터리모듈(140)로부터 출력되는 전류, 온도센서(133)로부터 출력되는 전기적 신호, 개폐밸브(171, 172)를 구동시키기 위한 전기적 신호 등이 전달될 수 있다.

그리고, 모듈프레임에는 상술한 기판(도 4의 142)과 전기적으로 연결되는 복수의 소켓 등이 설치되어, 배터리모듈(140)로부터 출력되는 전류 및 상술한 각종 전기적 신호 등이 모듈프레임 내외로 전달될 수 있도록 한다.

이와 같은 배터리모듈(71)은 단독으로 사용될 수도 있으나, 차량(도 1의 1)과 같이 고전압을 요하는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 배터리모듈(71)을 결속시켜 배터리모듈조립체(70)를 형성하여 사용될 수도 있다.

이때, 복수의 배터리모듈(71)을 결속하는 과정에서 열매체가 이들 사이를 원활이 유동할 수 있도록 복수의 열매체포트(192, 193)는 연결관(72, 73)으로 연결되도록 할 수 있으며, 열매체포트(192, 193) 중 일부는 수용본체(111)의 열매체포트(114, 115)에 연결되도록 할 수 있다.

도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템의 작동을 설명하기 위한 계통도가 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 배터리팩의 온도조절시스템에는 온도조절유닛(14), 펌프(187) 및 열교환기(181)가 포함된다.

온도조절유닛(14)은 앞에서 설명한 바와 같이 기판(도 4의 142)을 통하여 배터리팩(50) 내에 설치된 복수의 온도센서(133) 및 복수의 개폐밸브(도 4의 171, 172)와 전기적으로 연결된다. 그리고, 온도조절유닛(14)은 펌프(187)에 전기적으로 연결된다.

배터리팩(50)에 설치된 열매체포트(114, 115) 사이에는 열교환기(181) 및 펌프(187) 사이를 열매체가 순환할 수 있도록 폐쇄회로로 연결하는 열매체라인이 설치된다.

펌프(187)는 열매체라인을 통하여 열매체가 유동되도록 하며, 열교환기(181)는 주변의 공기 또는 다른 유체와 열교환기(181) 내를 유동하는 열매체 사이에 열교환이 일어나도록 한다.

온도조절유닛(14)은 온도센서(133)의 신호에 따라 개폐밸브(171, 172) 및 펌프(187)의 작동을 각각 조절하는 제어수단으로, 온도조절유닛(14)은 별도로 구성될 수도 있고, 배터리팩(50)에 구비된 배터리관리시스템(도시되지 않음) 또는 차량(도 1의 1)에 구비된 전기제어유닛(도시되지 않음)에 포함되도록 구성될 수도 있다.

앞에서 설명한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템의 작동을 예시하면 아래와 같다.

배터리팩(50)으로부터 출력되는 전력을 이용하여 차량(도 1의 1)을 운행하는 경우, 차량(1)의 운행 중 구동모터(30)를 작동시켜 주행을 하거나 감속하는 동작을 반복하게 된다.

이에 따라 배터리팩(50)은 방전 및 회생제동에 의한 충전의 반복으로 배터리셀(130) 내부에서 일어나는 화학적 반응에 의해 열이 발생된다. 이 열에 의해 배터리팩(50)에 포함된 배터리셀(130)의 온도가 점차 상승된다.

앞에서 설명한 바와 같이 배터리셀(130)은 그 온도가 적절한 범위 내에 있을 때에 충전효율 및 방전효율이 높게 유지되며 전지특성이 좋아질 수 있다. 그러므로, 온도조절유닛(14)은 복수의 온도센서(133)에 의해 감지된 복수의 배터리셀(130)의 온도를 미리 정해진 온도와 비교한다.

비교 결과, 복수의 배터리셀(130) 전부의 온도가 미리 정해진 온도보다 높을 경우, 온도조절유닛(14)은 펌프(187)가 작동되도록 하여 열매체가 배터리팩(50) 내로 순환되도록 한다.

그리고, 온도조절유닛(14)은 개폐밸브(171, 172)가 개방되도록 하여 복수의 배터리셀(130)에서 발생된 열이 열매체와 열교환 되도록 한다.

배터리팩(50)을 순환하고 유출된 열매체는 열교환기(181)를 거치며 냉각된 후 펌프(187)에 의해 다시 배터리팩(50)으로 유입된다. 즉, 열매체는 배터리팩(50)을 거치며 배터리셀(130)로부터 전달받은 열을 열교환기(181)를 거치며 방출하여 냉각되고, 냉각된 열매체가 다시 배터리셀(130)과 열교환하게 되므로 배터리셀(130)은 냉각된다.

한편, 배터리팩(50)에 포함된 복수의 배터리셀(130)은 상술한 바와 같이 그 배치된 위치 등이 상이하므로, 복수의 배터리셀(130)의 온도는 서로 편차를 가질 수 있다.

만약, 복수의 배터리셀(130) 중 일부의 온도가 미리 정해진 온도보다 높을 경우, 온도조절유닛(14)은 펌프(187)를 가동시키며 복수의 개폐밸브(171, 172) 중 냉각하고자 하는 배터리셀(130)에 근접설치 된 것들만 개방되도록 하여 열매체가 해당되는 배터리셀(130)이 배치된 위치의 보조관로(147) 및 냉각유로(156)를 통하여 유동되도록 할 수 있다. 즉, 복수의 배터리셀(130) 중 일부만 냉각되도록 할 수 있다.

이를 위해서는 복수의 배터리셀(130)과 여기에 관련된 복수의 온도센서(133) 및 복수의 개폐밸브(171, 172)에 미리 각각의 고유번호를 부여하고 이를 온도조절유닛(14)에 입력함으로써 상기와 같은 동작이 구현되도록 할 수 있다.

이와 같이 배터리팩(50)에 포함된 복수의 배터리셀(130)의 온도편차를 감소시켜 최대수의 배터리셀(130)의 온도가 높은 효율을 갖는 온도범위 내에 있도록 유지하면, 배터리팩(50) 전체의 충전효율 및 방전효율을 극대화 할 수 있으며, 배터리팩(50)의 수명 또한 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 배터리팩(50)을 냉각하는 경우에는 상술한 바와 같이 열교환기(181)를 통하여 폐열이 방출된다.

동절기의 경우에는 이러한 폐열이 차량(1) 내의 난방에 활용되도록 할 수 있다. 즉, 열교환기(181)가 공조기의 히터일 경우에는 폐열을 활용할 수 있게 되므로 차량(1)이 소모하는 에너지가 절약될 수 있다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템에는 한 쌍의 전환밸브(185, 186) 및 축열탱크(182)가 포함될 수 있다.

한 쌍의 전환밸브(185, 186)는 열교환기(181)와 배터리팩(50) 사이의 열매체라인에 설치될 수 있으며, 축열탱크(182)는 전환밸브(185, 186)로부터 분기된 새로운 열매체라인에 설치될 수 있다.

여기서, 전환밸브(185, 186)는 열매체의 유로를 변경할 수 있는 밸브이며, 축열탱크(182)는 비열이 큰 축열재가 내장되어 열기 또는 냉기를 비교적 장시간 축적시킬 수 있는 것을 의미한다.

전환밸브(185, 186)는 온도조절유닛(14)에 전기적으로 연결되어, 온도조절유닛(14)에 의해 열매체가 열교환기(181) 또는 축열탱크(182)를 통하여 유동되도록 조절될 수 있다.

일교차가 큰 기후일 때를 예로 들면, 기온이 높은 주간에는 전환밸브(185, 186)를 작동시켜 점선 화살표로 표시된 바와 같이 열매체가 축열탱크(182)를 통하여 유동되도록 함으로써 배터리팩(50)으로부터 발생된 열이 축열탱크(182)에 저장되도록 할 수 있다.

그리고 야간에 기온이 급강하되어 배터리팩(50)이 매우 저온인 환경에 노출될 경우, 복수의 온도센서(133)에 의해 배터리셀(130)의 전부 또는 일부의 온도가 적절한 온도범위보다 낮아졌음이 온도조절유닛(14)에 의해 감지될 수 있다.

이럴 경우, 온도조절유닛(14)은 열매체가 점선으로 표시된 화살표와 같이 축열탱크(182)를 거쳐 유동되도록 하여 축열탱크(182)에 저장된 열이 열매체를 통하여 배터리팩(50)으로 전달되도록 할 수 있다.

이에 따라 미리 정해진 온도보다 온도가 낮아진 배터리셀(130)의 온도가 적절한 범위까지 상승되도록 함으로써 배터리팩(50)이 높은 효율을 유지하도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩의 온도조절시스템에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 차량 10: 차체
11, 12: 바퀴 14: 온도조절유닛
15: 온도센서 30: 구동모터
31: 변속기 50: 배터리팩
70: 배터리모듈조립체 71: 배터리모듈
72, 73: 연결관 100: 배터리하우징
110: 수용부 111: 수용본체
112: 수용공간 114, 115: 열매체포트
120: 덮개 130: 배터리셀
131: 셀단자 132: 패키지
133: 온도센서 134: 결합돌기
140: 배터리모듈 141: 베이스
142: 기판 143: 슬롯
144: 연결공 145, 146: 열매체관로
147: 보조관로 150: 냉각프레임
151: 냉각프레임본체 152, 153: 결합관
154: 결합홈 155: 고정홈
160: 냉각핀 161: 핀본체
162: 방열핀부 163: 고정리브
171, 172: 개폐밸브 181: 열교환기
182: 축열탱크 185, 186: 전환밸브
187: 펌프 191: 모듈프레임
192, 193: 열매체포트 195: 모듈덮개

Claims

마주 보는 변을 따라 형성된 한 쌍의 열매체관로가 구비되고, 그 일면에는 상기 열매체관로의 길이방향을 따라 복수의 슬롯이 일면에 등간격으로 형성된 기판이 구비된 베이스;
외각이 직육면체 형상으로 각각 형성되고, 일측 변에 셀단자가 각각 돌출 배치되며, 복수의 상기 슬롯에 상기 셀단자가 각각 삽입되어 상기 기판에 전기적으로 각각 연결된 복수의 배터리셀;
복수의 상기 배터리셀 또는 상기 기판 중 복수의 상기 배터리셀이 근접한 부분에 각각 설치된 복수의 온도센서;
상기 기판의 상기 슬롯이 형성된 부분의 타면측에 상기 한 쌍의 열매체관로를 연결하는 보조관로가 각각 형성되고, 복수의 상기 보조관로에는 설치되어 상기 보조관로를 각각 개폐하는 복수의 개폐밸브; 및
복수의 상기 온도센서의 신호에 따라 복수의 개폐밸브의 개폐를 각각 조절하는 온도조절유닛;
을 포함하는 배터리팩의 온도조절시스템.
제1항에 있어서,
일측 변이 개방된 직사각형 형상을 갖고, 상기 배터리셀의 상기 셀단자가 형성된 부분을 제외한 외주연을 감싸며 상기 배터리셀에 결합되며, 그 양단부에는 상기 개폐밸브에 연결되는 결합관이 형성된 냉각프레임;
을 더 포함하는 배터리팩의 온도조절시스템.
제2항에 있어서,
상기 배터리셀의 상기 냉각프레임과 접하는 상기 외주연에는 결합돌기가 형성되고, 상기 냉각프레임의 내주연에는 상기 결합돌기에 상응하는 결합홈이 형성된
배터리팩의 온도조절시스템.
제2항에 있어서,
상기 기판 상에 등간격으로 배치된 복수의 상기 배터리셀과 상기 냉각프레임의 결합체들 사이마다 각각 삽입되어, 복수의 상기 배터리셀 및 상기 냉각프레임과 면접촉 되는 복수의 냉각핀;
을 더 포함하는 배터리팩의 온도조절시스템.
제4항에 있어서,
상기 냉각핀의 상단에는 상기 냉각프레임의 가장자리를 덮는 방열핀부가 형성되고,
상기 방열핀부는 상기 방열핀부를 향해 고정리브가 형성되는 한편, 상기 냉각프레임은 상기 고정리브와 대응하는 위치에 고정홈이 형성되어,
상기 고정리브와 상기 고정홈이 결합되어 상기 결합체들을 결합시킬 수 있는
베터리팩의 온도조절시스템.
삭제
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 베이스, 복수의 상기 기판, 복수의 상기 냉각프레임 및 복수의 상기 냉각핀을 내부에 수용하여 밀폐하는 모듈프레임;
을 더 포함하고,
상기 모듈프레임에는 상기 한 쌍의 열매체관로와 연결되는 한 쌍의 열매체포트가 형성된
배터리팩의 온도조절시스템.
제1항에 있어서,
상기 열매체관로를 통하여 열매체가 유동되도록 하는 펌프; 및
상기 열매체관로를 통과한 상기 열매체와 열교환을 하는 열교환기;
를 더 포함하는 배터리팩의 온도조절시스템.
제8항에 있어서,
상기 열교환기의 양단에 설치된 한 쌍의 전환밸브; 및
한 쌍의 상기 전환밸브에 연결된 축열탱크;
를 포함하고,
상기 온도조절유닛은 복수의 상기 온도센서의 신호에 따라 상기 열매체가 상기 열교환기 또는 상기 축열탱크를 통하여 유동되도록 복수의 상기 전환밸브를 조절하는
배터리팩의 온도조절시스템.