KR101957161B1 - 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

전기 자동차의 배터리 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 배터리 외부 공기를 배터리의 내부로 안내하는 유입 덕트에 열전 반도체 모듈을 구비하여, 배터리 외부로부터 유입되는 공기를 상기 열전 반도체 모듈에 의해 냉각시킨 후 상기 배터리 내부로 공급함으로써, 외부 환경이나 하절기 등의 날씨에 관계없이 항상 냉각된 공기가 유입될 수 있으므로, 냉각 성능이 향상되어 내구성이 증대될 수 있다.

Description

전기 자동차의 배터리 냉각 시스템{Battery cooling system of an Electric Vehicle}
본 발명은 전기자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차는 원동기를 동력원으로 하여 주행하고 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 하는 기계를 말한다. 상기 자동차는 원동기의 종류에 따라 분류할 수 있다. 상기 자동차는 가솔린 기관을 원동기로 하는 가솔린 자동차와, 디젤 기관을 원동기로 하는 디젤 자동차와, 액화 석유가스를 연료로 하는 LPG차와, 가스 터빈을 원동기로 하는 가스 터빈 자동차와, 모터를 원동기로 하고 배터리에 충전된 전기를 사용하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)로 분류할 수 있다.
가솔린, 디젤, LPG 등의 화석 연료를 사용하는 자동차의 경우, 배기 가스로 인한 환경오염과 석유 자원의 고갈을 일으켜 그 대안으로 전기를 동력으로 움직이는 전기 자동차가 대두되고 있다.
전기 자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 얻는 구동 모터를 이용함으로써, 가솔린이나 디젤 등의 화석연료를 이용하여 동력을 얻는 엔진에 비해 이산화탄소의 배출이 없으므로 친환경 자동차로 각광받고 있다. 최근 들어 치솟는 유가와 배기가스 규제 강화가 전기 자동차 개발의 속도를 빠르게 하고 있으며, 시장 규모도 급성장 중이다.
그러나, 전기 자동차의 경우 고효율을 내기 위해서는 전체 중량이 가볍고 전체 크기가 보다 컴팩트해져야 하므로, 컴팩트화된 배터리의 내부를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 목적은, 배터리를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 복수의 셀 모듈 어셈블리들을 포함하는 배터리와, 상기 배터리와 연결되어, 상기 배터리 외부의 공기를 상기 배터리의 내부로 안내하는 유입 덕트와, 상기 유입 덕트에 구비되어, 상기 배터리 외부로부터 상기 유입 덕트로 유입되는 공기를 냉각시키는 열전 반도체 모듈을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 열전 반도체 모듈은, 전원부와 연결된 복수의 열전 반도체 소자들과, 상기 열전 반도체 소자들의 일측에 연결되고, 상기 유입 덕트의 내부에 배치되어, 상기 유입 덕트를 통과하는 공기의 열을 흡수하는 흡열판과, 상기 열전 반도체 소자들의 타측에 연결되고, 상기 유입 덕트의 외부에 배치되어, 열을 방출하는 방열판을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 내부의 온도와 외부 공기의 온도의 차이에 따라 상기 열전 반도체 모듈의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 유입 덕트에 구비되어, 상기 배터리 외부 의 공기를 흡입하여 상기 열전 반도체 모듈 측으로 송풍하는 송풍기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리에서 상기 유입 덕트와 별도로 구비되어, 상기 배터리 내부의 공기가 외부로 빠져나가도록 하는 벤트를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 배터리 외부 공기를 배터리의 내부로 안내하는 유입 덕트에 열전 반도체 모듈을 구비하여, 배터리 외부로부터 유입되는 공기를 상기 열전 반도체 모듈에 의해 냉각시킨 후 상기 배터리 내부로 공급함으로써, 외부 환경이나 하절기 등의 날씨에 관계없이 항상 냉각된 공기가 유입될 수 있으므로, 냉각 성능이 향상되어 내구성이 증대될 수 있다.
또한, 유입 덕트에 열전 반도체 모듈을 구비함으로써, 설치 구조가 간단하고, 배터리 내부 구조의 변경없이 설치가 가능하기 때문에, 적용이 용이하고 교체 및 수리가 용이한 이점이 있다.
또한, 배터리 내부의 온도와 외부 공기의 온도에 따라 열전 반도체 모듈과 송풍기의 작동을 제어함으로써, 보다 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템이 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 열전 반도체 모듈이 도시된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템의 제어 흐름이 도시된 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템이 도시된 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 배터리의 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 열전 반도체 모듈이 도시된 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템은, 전력을 공급하기 위한 배터리(10)와, 상기 배터리(10)와 연결되어 상기 배터리(10) 외부의 공기를 상기 배터리(10)의 내부로 안내하는 유입 덕트(20)와, 상기 유입 덕트(20)에 구비되어, 상기 배터리(10) 외부로부터 상기 유입 덕트(20)로 유입되는 공기를 냉각시키는 열전 반도체 모듈(30)을 포함한다.
상기 배터리(10)는 에너지 저장 모듈(ESM, Energy Storage Module)라고도 하며, 이하 배터리라고 한다. 상기 배터리(10)는 복수의 셀 모듈 어셈블리(Cell Module Assembly, CMA)(14)들을 포함한다.
상기 복수의 셀 모듈 어셈블리(14)들은 전류를 생성하는 것으로, 복수의 셀 모듈들이 상하방향으로 적층된다. 물론, 복수의 셀 모듈들이 전후 또는 좌우방향으로 적층되는 것도 물론 가능하다.
상기 복수의 셀 모듈 어셈블리(14)는 배터리 캐리어(11)에 올려지고, 상기 배터리 캐리어(11)의 상측에는 배터리 커버(12)가 장착된다.
상기 배터리 캐리어(11)는 체결부재 등에 의해 차체의 플로어에 결합될 수 있다.
상기 배터리 커버(12)에는 상기 유입 덕트(20) 등이 결합될 수 있다.
상기 유입 덕트(20)는 일단은 상기 배터리(10)의 외부에 배치되고, 타단은 상기 배터리(10)의 일측에 결합되어, 상기 배터리(10) 외부의 공기를 상기 배터리(10) 내부로 안내할 수 있다.
상기 유입 덕트(20)는 상기 배터리 커버(12)의 상단에 결합된 하나의 덕트로 이루어져 외부 공기를 상기 배터리 커버(12) 내측으로 안내하는 것도 가능하고, 복수개로 이루어져 상기 배터리 커버(12) 내부까지 연결되어 상기 배터리 커버(12) 내부에서 공기 흐름을 안내하는 것도 물론 가능하다. 본 실시예에서는, 상기 유입 덕트(20)는 상기 배터리 커버(12)의 외부에 배치된 외부 유입 덕트(21)와, 상기 외부 유입 덕트(21)에서 연결되고 상기 배터리 커버(12)의 내측에서 길게 배치된 내부 유입 덕트(22)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 외부 유입 덕트(21)에는 외부 공기를 흡입 송풍하는 송풍기(40)가 구비된다. 본 실시예에서 상기 외부 유입 덕트(21)는 상기 배터리(10) 외부의 공기가 유입되는 것으로 한정하여 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 외부 유입 덕트(21)는 차실에 직접 연결되거나, 차실을 공기조화시키는 공기조화기와 연결되어 어느 정도 냉각된 공기가 유입되는 것도 물론 가능하다.
상기 내부 유입 덕트(22)는 상기 배터리(10)의 길이방향으로 길게 형성되되, 다중 절곡되게 형성될 수 있다. 상기 내부 유입 덕트(22)는 상기 배터리(10) 내부의 복수의 셀 모듈들(14)과 간섭이 생기지 않도록 배치될 수 있다. 상기 내부 유입 덕트(22)는 공기 토출구(22a)가 복수개 형성되어, 유입된 공기를 상기 배터리(10) 내부 곳곳으로 토출할 수 있다.
상기 배터리 커버(12)에는 상기 유입 덕트(20)와 별도로 구비되어, 상기 배터리(10) 내부의 공기가 외부로 빠져나가도록 하는 벤트(16)가 구비된다.
상기 벤트(16)는 상기 배터리 커버(12)의 후면에 형성되어, 상기 배터리(10) 내부의 공기가 후방으로 빠져나가도록 형성된 배출구이다. 상기 벤트(16)에는 공기가 빠져나가는 것을 안내하는 에어 가이드(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 벤트(16)는 복수개가 구비될 수 있으며, 본 실시예에서는 서로 소정간격 이격되게 2개가 형성된 것으로 한정하여 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 열전 반도체 모듈(30)은 상기 외부 유입 덕트(21)에 구비된다.
상기 열전 반도체 모듈(30)은, 전원부(31)와 연결된 복수의 열전 반도체 소자들(32)과, 상기 열전 반도체 소자들(32)의 일측에 연결되고, 상기 외부 유입 덕트(21)의 내부에 배치되어 공기의 열을 흡수하는 흡열판(34)과, 상기 열전 반도체 소자들(32)의 타측에 연결되고 상기 외부 유입 덕트(21)의 외부에 배치되어 열을 방출하는 방열판(36)을 포함한다.
상기 열전 반도체 소자들(32)은 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자가 한 쌍을 이루고, 복수의 쌍이 배치되되, 상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자가 교차되도록 배치된다. 상기 열전 반도체 소자(32)의 전극에 전원이 인가되면, 상기 열전 반도체 소자(32)의 양측에 발열 및 흡열 현상이 발생하게 된다.
상기 흡열판(34)에는 복수의 흡열핀들(34a)이 형성되고, 상기 외부 유입 덕트(21)의 내부로 노출된다.
상기 방열판(36)에는 복수의 방열핀들(36a)이 형성되고, 상기 외부 유입 덕트(21)의 외부로 노출된다.
또한, 상기 배터리 냉각 시스템은 상기 배터리(10) 내부의 온도와 외부 공기의 온도 차이에 따라 상기 열전 반도체 모듈(30)의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
도 4를 참조하면, 상기 제어부는 상기 배터리(10)의 전반적인 상태를 관리하고 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS,Battery Module System)(50)과, 상기 배터리 관리 시스템(50)의 신호에 따라 상기 열전 반도체 모듈(30)과 상기 송풍기(40)의 작동을 제어하는 자동차 제어부(60)를 포함한다.
상기 배터리 관리 시스템(50)은 상기 배터리(10) 내부의 온도를 감지하는 배터리 온도센서(52)로부터 신호를 받고, 상기 자동차 제어부(60)로 전송한다.
상기 자동차 제어부(60)는 상기 배터리(10) 외부, 즉 차체 내에 구비된 외부 온도센서(62)로부터 신호를 받고, 상기 배터리 관리 시스템(50)으로부터 받은 신호와 비교하여, 상기 열전 반도체 모듈(30)과 상기 송풍기(40)의 작동을 적절하게 제어하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
상기 배터리 온도 센서(52)에서 상기 배터리(10) 내부의 온도를 감지하여, 상기 배터리 관리 시스템(50)으로 전송한다.
상기 배터리 관리 시스템(50)은 상기 자동차 제어부(60)로 신호를 전송하고, 상기 자동차 제어부(60)는 상기 외부 온도센서(62)에서 감지된 외부 공기 온도와 상기 배터리 온도 센서(52)에서 감지된 상기 배터리(10) 내부 온도를 비교하고, 그에 따라 상기 열전 반도체 모듈(30)과 상기 송풍기(40)의 작동을 제어한다.
상기 송풍기(40)가 작동되면, 외부 공기가 유입되어 상기 외부 유입 덕트(21)를 통과하게 된다.
상기 외부 공기의 온도가 설정 온도보다 높거나, 상기 외부 공기의 온도와 상기 배터리 내부 온도의 차이가 설정 범위 이내일 경우, 상기 열전 반도체 모듈(30)을 이용해 유입되는 외부 공기를 냉각시킬 필요가 있다.
상기 열전 반도체 모듈(30)에 전원이 인가되면, 상기 흡열판(34)에서 흡열 작용이 일어나게 된다.
상기 외부 유입 덕트(21)를 통과하는 공기는 상기 열전 반도체 모듈(30)의 흡열판(34)의 흡열핀들(34a)과 접촉되면서, 냉각될 수 있다.
따라서, 상기 열전 반도체 모듈(30)에 의해 냉각된 공기가 상기 배터리(10) 내부로 공급될 수 있다.
상기 배터리(10) 내부의 온도를 고려하여, 상기 열전 반도체 모듈(30)에 의해 냉각된 공기가 상기 배터리(10) 내부로 공급됨으로써, 상기 배터리(10) 내부의 셀 모듈 어셈블리들(14)이 충분히 냉각될 수 있다. 따라서, 냉각 성능 향상으로 인해 상기 배터리(10)의 내구 수명이 증대될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 배터리 11: 배터리 캐리어
12: 배터리 커버 20: 유입 덕트
21: 외부 유입 덕트 22: 내부 유입 덕트
30: 열전 반도체 모듈 31: 전원부
32: 열전 반도체 소자 34: 흡열판
36: 방열판 40: 송풍기
50: 배터리 관리 시스템 52: 배터리 온도 센서
60: 자동차 제어부 62: 외부 온도 센서

Claims (5)

  1. 복수의 셀 모듈 어셈블리들을 포함하는 배터리와;
    상기 배터리와 연결되어, 상기 배터리 외부의 공기를 상기 배터리의 내부로 안내하는 유입 덕트와;
    상기 유입 덕트에 구비되어, 상기 배터리 외부로부터 상기 유입 덕트로 유입되는 공기를 냉각시키는 열전 반도체 모듈과;
    상기 유입 덕트에 구비되어, 상기 배터리 외부의 공기를 흡입하여 상기 열전 반도체 모듈 측으로 송풍하는 송풍기와;
    상기 배터리 내부의 온도를 감지하는 배터리 온도 센서와;
    외부 공기 온도를 감지하는 외부 온도 센서와;
    상기 외부 온도 센서에서 감지된 외부 공기 온도와 상기 배터리 온도 센서에서 감지된 상기 배터리 내부 온도를 비교하고,
    상기 열전 반도체 모듈 및 상기 송풍기를 작동하여 상기 유입 덕트로 유입되는 공기를 냉각시키는 제어부를 포함하는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전 반도체 모듈은,
    전원부와 연결된 복수의 열전 반도체 소자들과,
    상기 열전 반도체 소자들의 일측에 연결되고, 상기 유입 덕트의 내부에 배치되어, 상기 유입덕트를 통과하는 공기의 열을 흡수하는 흡열판과,
    상기 열전 반도체 소자들의 타측에 연결되고, 상기 유입 덕트의 외부에 배치되어, 열을 방출하는 방열판을 포함하는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리에서 상기 유입 덕트와 별도로 구비되어, 상기 배터리 내부의 공기가 외부로 빠져나가도록 하는 벤트를 더 포함하는 전기 자동차의 배터리 냉각 시스템.
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