KR101965899B1 - 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

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설재훈
박영철
한준규
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광주과학기술원
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Abstract

배터리 냉각 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 냉각 시스템은, 전해질을 포함하는 배터리, 슈퍼 캐패시터, 열을 방출하는 열 저장조, 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간의 상기 전해질의 이동 통로를 제공하는 제1 순환 라인, 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간의 상기 전해질의 이동 통로를 제공하는 제2 순환 라인, 및, 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하도록 제어하고, 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 상기 전해질이 순환하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 냉각 시스템{COOLING SYSTEM OF BATTERT}
본 발명은, 슈퍼 캐패시터를 이용하여 냉각 싸이클을 구성함으로써 배터리의 냉각을 효율적으로 수행할 수 있는 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
배터리는 전기화학적 반응을 기반으로 에너지를 변환시킬 수 있는 장치이다.
하지만 부실한 배터리 냉각 시스템 및 낮은 효율의 배터리를 운용 시에 과도한 열 방출로 인하여 국부적인 온도 상승이 발생하고 배터리의 신뢰성과 성능에 손상을 입힐 수가 있다.
특히 배터리의 핵심 구성요소 중 하나인 전해질의 경우 열에 굉장히 민감하기 때문에 고온 환경에 노출이 되면 배터리 전해질이 가지고 있는 전기화학적 안정성 및 낮은 화학 반응성에 심각한 영향을 미칠 수가 있다.
종래의 배터리 열 제어 방법으로는 과도한 열 발생으로 인해 특정 온도에 도달할 경우 자동으로 전원을 차단하여 작동이 되지 않도록 하거나 배터리의 전류가 흐르지 못하도록 모니터링 하면서 차단하는 방법이 있으나, 이 경우에는 배터리의 과열 시 배터리를 사용하지 못하는 문제가 발생할 수 있었다.
또한 종래에는 열전소자를 이용하여 냉각 시스템을 구성하는 방법이 있었으나, 낮은 효율로 인하여 에너지의 소모가 큰 문제점이 있었다.
또한 종래에는 냉각팬에 의한 송풍, 물, 또는 오일 등을 이용하여 냉각시키는 방법이 있었으나, 이는 배터리 시스템이 복잡해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 슈퍼 캐패시터를 이용하여 냉각 싸이클을 구성함으로써 배터리의 냉각을 효율적으로 수행할 수 있는 배터리 열 냉각 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 냉각 시스템은, 전해질을 포함하는 배터리, 슈퍼 캐패시터, 열을 방출하는 열 저장조, 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간의 상기 전해질의 이동 통로를 제공하는 제1 순환 라인, 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간의 상기 전해질의 이동 통로를 제공하는 제2 순환 라인, 및, 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하도록 제어하고, 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 상기 전해질이 순환하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
이 경우 상기 제어부는, 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하는 제1 싸이클 및 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 상기 전해질이 순환하는 제2 싸이클이 반복되도록 제어할 수 있다.
이 경우 상기 제어부는, 상기 제2 싸이클이 진행되는 중 상기 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하고, 상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 상기 제1 싸이클이 진행되는 중 차단할 수 있다.
이 경우 상기 제1 싸이클은, 제1-1 싸이클 및 제1-2 싸이클을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하는 상기 제1-1 싸이클이 진행되는 중 상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단하고, 상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압이 차단된 상태에서 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 상기 제1-2 싸이클이 진행되도록 제어할 수 있다.
한편 상기 제2 싸이클은, 제2-1 싸이클 및 제2-2 싸이클을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 상기 제2-1 싸이클이 진행되는 중 상기 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하고, 상기 슈퍼 캐패시터에 전압이 인가되는 상태에서 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 상기 제2-2 싸이클이 진행되도록 제어할 수 있다.
한편 전해질의 온도를 감지하는 센싱부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 감지된 온도에 기초하여, 상기 제2 싸이클의 시작 시점, 상기 제1 싸이클의 시작 시점, 상기 전압의 인가 시점 및 상기 인가되는 전압의 차단 시점 중 적어도 하나를 결정할 수 있다.
한편 상기 슈퍼 캐패시터를 상기 제1 순환 라인 및 상기 제2 순환 라인 중 어느 하나에 연결시키는 밸브를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 싸이클에서 상기 슈퍼 캐패시터가 상기 제1 순환 라인에 연결되도록 상기 밸브를 제어하고, 상기 제2 싸이클에서 상기 슈퍼 캐패시터가 상기 제2 순환 라인에 연결되도록 상기 밸브를 제어할 수 있다.
한편 상기 제1 순환 라인에 배치되어 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하도록 상기 전해질을 펌핑하는 제1 펌프, 및, 상기 제2 순환 라인에 배치되어 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 상기 전해질이 순환하도록 상기 전해질을 펌핑하는 제2 펌프를 더 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 냉각 시스템의 동작 방법은, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질을 순환 시키는 단계, 상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단하는 단계, 상기 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질을 순환 시키는 단계, 및, 상기 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리 냉각 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1 싸이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2 싸이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1 싸이클의 시작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리 냉각 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리 냉각 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 냉각 시스템(100)은, 배터리(310), 제1 순환 라인(320), 제1 온도 센서(323), 제1 펌프(326), 슈퍼 캐패시터(330), 제2 순환 라인(340), 제2 온도 센서(343), 제2 펌프(346), 열 교환기(350), 밸브(360) 및 제어부(370)를 포함할 수 있다.
배터리(310)는 화학 에너지와 전기 에너지의 변환을 통하여 충/방전 될 수 있는 기구로써, 내부에는 전해질을 포함할 수 있다.
배터리(310)는 하이브리드 자동차(HEV; HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 플러그 인 하이브리드 자동차(PHEV; PLUGIN HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 연료전지 자동차(FCEV; FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE), 전기차(EV; ELECTRIC VEHICLE) 중 어느 하나에 장착될 수 있다.
다만 이에 한정되지 아니하며, 본 발명에서 설명하는 배터리(310)는 배터리 전기에너지를 필요로 하는 모든 기기에 장착될 수 있다.
제1 순환 라인(320)은 배터리(310)와 슈퍼 캐패시터(330)를 연결할 수 있다.
그리고 제1 순환 라인(320)은 배터리와 슈퍼 캐패시터 간의 전해질의 이동 통로를 제공할 수 있다.
구체적으로 배터리(310) 내부에서 유출된 전해질은 제1-1순환 라인(320a)을 통하여 슈퍼 캐패시터(330)로 유입될 수 있으며, 슈퍼 캐패시터(330) 내부에서 유출된 전해질은 제1-2 순환 라인(320b)을 통하여 배터리(310)로 유입될 수 있다.
한편 제1 펌프(326)은 제1 순환 라인(320)에 배치되어, 제어부(370)의 제어 하에, 배터리(310)와 슈퍼 캐패시터(330) 간에 전해질이 순환하도록 전해질을 펌핑할 수 있다. 그리고 제1 펌프(326)의 펌핑에 의하여 배터리(310) 및 슈퍼 캐패시터(330) 간의 전해질의 유동 흐름이 형성될 수 있다.
슈퍼 캐패시터는 축전용량이 대단히 큰 캐패시터로 울트라 캐패시터 또는 초고용량 캐패시터라고도 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 캐패시터(330)는 이온의 정전기적 흡착과 탈착이 이루어지는 전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)일 수 있다.
슈퍼 캐패시터(330)에는 배터리(310)에서 유출되어 제1 순환 라인을 통과한 전해질이 유입될 수 있다.
또한 슈퍼 캐패시터(330)에는 열 저장조(350)를 지난 후 제2 순환 라인을 통과한 전해질이 유입될 수 있다.
한편 슈퍼 캐패시터(330)의 양 전극에는, 제어부(370)의 제어 하에, 전압이 인가될 수 있다. 이 경우 해리된 전해질은 정전기력에 의해 슈퍼 캐패시터(330) 내부에서 양이온과 음이온으로 구분될 수 있다.
제2 순환 라인(340)은 슈퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350)를 연결할 수 있다.
그리고 제2 순환 라인(320)은 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간의 전해질의 이동 통로를 제공할 수 있다.
구체적으로 슈퍼 캐패시터 내부에서 유출된 전해질은 제2-1순환 라인(340a)을 통하여 열 저장조로 이동할 수 있으며, 열 저장조를 지나간 전해질은 제2-2 순환 라인(340b)을 통하여 슈퍼 캐패시터 내부로 유입될 수 있다.
한편 제2 펌프(346)은 제2 순환 라인(340)에 배치되어, 제어부(370)의 제어 하에, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하도록 전해질을 펌핑할 수 있다. 그리고 제2 펌프(346)의 펌핑에 의하여 슈퍼 캐패시터 및 열 저장조 간의 전해질의 유동 흐름이 형성될 수 있다.
열 저장조(Thermal Reservoir)(350)는 제2 순환 라인(340)에 설치되고 열 전도성을 가지는 재질로 형성될 수 있다.
열 저장조(Thermal Reservoir)(350)는 슈퍼 캐패시터에서 유출되어 제2 순환 라인(340)을 통과한 후 열 저장조를 지나가는 전해질로부터 열을 전달받아 외부로 방출할 수 있다.
한편 밸브(360)는 제어부(370)의 제어 하에, 슈퍼 캐패시터(330)를 제1 순환 라인(320) 및 제2 순환 라인(340) 중 어느 하나에 연결시킬 수 있다.
구체적으로 밸브(360)는 제1 밸브(360a) 및 제2 밸브(360b)를 포함할 수 있다. 여기서 제1 밸브(360a) 및 제2 밸브(360b)는 3방 밸브(tree way valve)일 수 있다.
또한 제어부(370)의 제어 하에, 제1 밸브(360a)는 슈퍼 캐패시터(330)를 제1-1 순환 라인(320a)과 연결시키고 제2 밸브(360b)는 슈퍼 캐패시터(330)를 제1-2 순환 라인(320b)과 연결시킴으로써, 배터리 및 슈퍼 캐패시터 간의 전해질의 이동 통로를 형성할 수 있다.
또한 제어부(370)의 제어 하에, 제1 밸브(360a)는 슈퍼 캐패시터(330)를 제2-2 순환 라인(340b)과 연결시키고 제2 밸브(360b)는 슈퍼 캐패시터(330)를 제2-1 순환 라인(340a)과 연결시킴으로써, 배터리 및 열 저장조 간의 전해질의 이동 통로를 형성할 수 있다.
한편 배터리 냉각 시스템(100)은 전해질의 온도를 감지하는 센싱부를 포함할 수 있다.
여기서 센싱부는 제1 순환 라인(320)을 통과하는 전해질의 온도를 감지하는 제1 온도 센서(323) 및 제2 순환 라인(340)을 통과하는 전해질의 온도를 감지하는 제2 온도 센서(343)를 포함할 수 있다.
또한 제1 온도 센서(323)는 제1-1 순환 라인(320a)에 배치되는 제1-1 온도 센서(323a) 및 제1-2 순환 라인(320b)에 배치되는 제1-2 온도 센서(323b)를 포함할 수 있다.
또한 제2 온도 센서(343)는 제2-1 순환 라인(340a)에 배치되는 제2-1 온도 센서(343a) 및 제2-2 순환 라인(340b)에 배치되는 제2-2 온도 센서(343b)를 포함할 수 있다.
한편 제1-1 온도 센서(323a) 및 제1-2 온도 센서(323b)는 배터리(310)에 인접하여 배치될 수 있으며, 제2-1 온도 센서(343a) 및 제2-2 온도 센서(343b)는 열 저장조(350)에 인접하여 배치될 수 있다.
제어부(370)는 배터리 냉각 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
제어부(370)는 마이컴, 마이크로 프로세서, 프로세서 등의 용어와 혼용되어 사용될 수 있다.
제어부(370)는 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하도록 밸브(360)를 제어할 수 있으며, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하도록 밸브(360)를 제어할 수 있다.
또한 제어부(370)는 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1 싸이클 및 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2 싸이클 이 반복되도록 밸브(360)를 제어할 수 있다.
또한 제어부(370)는 제2 싸이클이 진행되는 중 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가할 수 있다. 또한 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터에 인가된 전압을 제1 싸이클이 진행되는 중 차단할 수 있다.
또한 제어부(370)는 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1-1 싸이클이 진행되는 중 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단하고, 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압이 차단된 상태에서 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1-2 싸이클이 진행되도록 밸브를 제어할 수 있다.
또한 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2-1 싸이클이 진행되는 중 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하고, 슈퍼 캐패시터에 전압이 인가되는 상태에서 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2-2 싸이클이 진행되도록 밸브를 제어할 수 있다.
또한 제어부(370)는 센싱부에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여, 제2 싸이클의 시작 시점, 제1 싸이클의 시작 시점, 전압의 인가 시점 및 인가되는 전압의 차단 시점 중 적어도 하나를 결정할 수 있다.
또한 제어부(370)는, 제1 싸이클에서 슈퍼 캐패시터가 제1 순환 라인에 연결되도록 밸브를 제어하고, 제2 싸이클에서 슈퍼 캐패시터가 제2 순환 라인에 연결되도록 밸브를 제어할 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 각 싸이클에서의 배터리 냉각 시스템의 동작을 시간 순서대로 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1 싸이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 제1-1 싸이클을 도시한 도면으로, 도 3을 참고하면, 현재 슈퍼 캐패시터(330)에는 전압이 인가되어 있으며(V=Vp), 이에 따라 정전기력에 의해 슈퍼 캐패시터(330) 내부의 전해질(110)의 양이온 및 음이온 들이 구분되어 있는 상태이다.
또한 슈퍼 캐패시터(330)와 배터리(310)는 열 평형을 이루고 있는 상태이다. 즉 슈퍼 캐패시터(330)의 전기 이중층과 배터리(310)의 온도는 모두 T1으로 동일한 상태이다.
전해딜의 유동은 있으나, 열 평형을 이루어 열의 이동이 없는 상태는 도 3에서 일점 쇄선 화살표로 도시하였다.
또한 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터(330)가 제1 순환 라인(320)에 연결되도록 제1 밸브(360a) 및 제2 밸브(360b)를 제어하고, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하도록 제1 펌프(326)를 제어할 수 있다. 그리고 제1 펌프(326)는 제1 순환 라인(320)에서 전해질을 펌핑함으로써, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간의 전해질의 유동 흐름을 형성할 수 있다.
도 4는 제1-2 싸이클을 도시한 도면으로, 도 4를 참고하면, 제어부(370)는 제1 싸이클이 진행되는 중(구체적으로 제1-1 싸이클이 진행되는 중), 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단할 수 있다.(V=0)
구체적으로 제어부(370)는 제1 온도 센서(323)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여, 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단할 수 있다.
예를 들어 제어부(370)는 제1-1 온도 센서(323a)에서 감지된 전해질의 온도와 제1-2 온도 센서(323b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우, 즉 배터리(310)와 슈퍼 캐패시터(330)가 열 평형을 이룬 상태에서, 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단할 수 있다.
즉 제어부(370)는 제1 온도 센서(323)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압의 차단 시점을 결정할 수 있다.
한편 제1-1 온도 센서(323a)에서 감지된 전해질의 온도와 제1-2 온도 센서(323b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우에 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압이 차단 되는 것으로 설명하였으나 이에 한정하지 않으며, 제1-1 온도 센서(323a)에서 감지된 전해질의 온도와 제1-2 온도 센서(323b)에서 감지된 전해질의 온도의 차가 기 설정된 값보다 작을 때 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압이 차단되는 방식으로도 구현이 가능하다.
한편 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압이 차단되는 경우에는 정전기력이 제거되면서, 슈퍼 캐패시터(330) 내부의 전해질(120)의 양이온과 음이온은 서로 혼합될 수 있다.
이 경우 슈퍼 캐패시터(330) 내부의 전해질(120)의 앤트로피가 증가하면서 전해질(120)의 온도가 낮아질 수 있다.
즉 전해질(120)의 온도가 ΔT1만큼 낮아져서 전해질(120)의 온도는 T1- ΔT1가 될 수 있다.
이 경우 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압이 차단되어 전해질(120)의 온도가 낮아진 상태에서, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1-2 싸이클이 진행되도록 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터(330)가 제1 순환 라인(320)에 연결된 상태를 유지하도록 제1 밸브(360a) 및 제2 밸브(360b)를 제어하고, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 계속 순환하도록 제1 펌프(326)를 제어할 수 있다.
이 경우 배터리(310)의 온도는 T1이고 슈퍼 캐패시터(330)의 온도는 T1- ΔT1이기 때문에, 배터리(310)와 슈퍼 캐패시터(330) 사이에는 열 교환이 이루어질 수 있다.
즉 전해질이 배터리(310)와 슈퍼 캐패시터(330) 간에 순환함으로써, 배터리(310)의 높은 온도(T1)의 전해질은 슈퍼 캐패시터(330)로 이동하고 슈퍼 캐패시터(330)의 낮은 온도(T1- ΔT1)의 전해질은 배터리(310)로 이동할 수 있다.
도 4에서는 높은 온도에서 낮은 온도로의 이동을 실선 화살표로, 낮은 온도에서 높은 온도로의 이동을 점선 화살표로 도시하였다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2 싸이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제2-1 싸이클을 도시한 도면으로, 도 5를 참고하면, 제어부(370)는 제1 싸이클이 완료되면, 제2 싸이클의 동작이 시작되도록 밸브(360) 및 제2 펌프(346)를 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(370)는 제1 온도 센서(323)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여, 제1 싸이클의 완료를 감지하고 제2 싸이클의 동작이 시작되도록(더욱 구체적으로는 제2-1 싸이클의 동작이 시작되도록) 밸브(360) 및 제2 펌프(346)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1-1 온도 센서(323a)에서 감지된 전해질의 온도와 제1-2 온도 센서(323b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우(즉 배터리(310)와 슈퍼 캐패시터(330)가 열 평형을 이룬 상태에서), 제어부(370)는 제1 싸이클의 완료를 감지하고 제2 싸이클의 동작이 시작되도록 밸브(360) 및 제2 펌프(346)를 제어할 수 있다.
즉 제어부(370)는 제1 온도 센서(323)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여 제2 싸이클의 시작 시점을 결정할 수 있다.
한편 제1-1 온도 센서(323a)에서 감지된 전해질의 온도와 제1-2 온도 센서(323b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우에 제2 싸이클이 시작되는 것으로 설명하였으나 이에 한정하지 않으며, 제1-1 온도 센서(323a)에서 감지된 전해질의 온도와 제1-2 온도 센서(323b)에서 감지된 전해질의 온도의 차가 기 설정된 값보다 작을 때 제2 싸이클이 시작되는 방식으로도 구현이 가능하다.
제2 싸이클이 시작되는 경우, 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터(330)가 제2 순환 라인(340)에 연결되도록 제1 밸브(360a) 및 제2 밸브(360b)를 제어하고, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하도록 제2 펌프(346)를 제어할 수 있다. 그리고 제2 펌프(346)는 제2 순환 라인(340)에서 전해질을 펌핑함으로써, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간의 전해질의 유동 흐름을 형성할 수 있다.
이 경우 열 저장조(350)의 온도는 슈퍼 캐패시터(330)의 온도보다 낮을 수 있다. 따라서 슈퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350) 사이에는 열 교환이 이루어질 수 있다.
즉 전해질이 슈퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350) 간에 순환함으로써, 슈퍼 캐패시터(330)의 높은 온도의 전해질은 열 저장조(350)로 이동하고, 열 저장조(350)를 통과한 낮은 온도의 전해질은 슈퍼 캐패시터(330)로 이동할 수 있다.
도 5에서는 높은 온도에서 낮은 온도로의 이동을 실선 화살표로, 낮은 온도에서 높은 온도로의 이동을 점선 화살표로 도시하였다.
한편 도 6에서는, 제 2-1 싸이클이 진행됨에 따라, 전해질의 유동은 있으나 열 평형을 이루어 열의 이동이 없는 상태를 일점 쇄선 화살표로 도시하였다.
한편 열 평형을 이룬 상태에서 슈퍼 캐패시터의 온도 및 열 저장조의 온도를 T2라 가정한다.
도 7은 제2-2 싸이클을 도시한 도면으로, 도 7을 참고하면, 제어부(370)는 제2 싸이클이 진행되는 중(구체적으로 제2-1 싸이클이 진행되는 중), 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가할 수 있다. (V=Vp)
구체적으로 제어부(370)는 제2 온도 센서(343)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여, 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가할 수 있다.
예를 들어 제어부(370)는 제2-1 온도 센서(343a)에서 감지된 전해질의 온도와 제2-2 온도 센서(343b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우, 즉 수퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350)가 열 평형을 이룬 상태에서, 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가할 수 있다.
즉 제어부(370)는 제2 온도 센서(343)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여 슈퍼 캐패시터에 대한 전압의 인가 시점을 결정할 수 있다.
한편 제2-1 온도 센서(343a)에서 감지된 전해질의 온도와 제2-2 온도 센서(343b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우에 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하는 것으로 설명하였으나 이에 한정하지 않으며, 제2-1 온도 센서(343a)에서 감지된 전해질의 온도와 제2-2 온도 센서(343b)에서 감지된 전해질의 온도의 차가 기 설정된 값보다 작을 때 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하는 방식으로도 구현이 가능하다.
한편 슈퍼 캐패시터에 전압이 인가되는 경우에는 정전기력이 발생하면서 슈퍼 캐패시터(330) 내부의 전해질(120)의 양이온과 음이온이 구분될 수 있다.
이 경우 슈퍼 캐패시터(330) 내부의 전해질(120)의 앤트로피가 감소하면서 전해질(120)의 온도가 높아질 수 있다.
즉 전해질(120)의 온도가 ΔT2만큼 낮아져서 전해질(120)의 온도는 T2+ ΔT2가 될 수 있다.
이 경우 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터에 전압이 인가되어 전해질(120)의 온도가 높아진 상태에서, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2-2 싸이클이 진행되도록 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터(330)가 제2 순환 라인(340)에 연결된 상태를 유지하도록 제1 밸브(360a) 및 제2 밸브(360b)를 제어하고, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 계속 순환하도록 제2 펌프(346)를 제어할 수 있다.
이 경우 열 저장조(350)의 온도는 T2이고 슈퍼 캐패시터(330)의 온도는 T2 + ΔT2이기 때문에, 슈퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350) 사이에는 열 교환이 이루어질 수 있다.
즉 전해질이 슈퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350) 간에 순환함으로써, 슈퍼 캐패시터(330)의 높은 온도(T2 + ΔT2)의 전해질은 열 저장조(350)로 이동하고 열 저장조(350)의 낮은 온도(T2)의 전해질은 슈퍼 캐패시터(330)로 이동할 수 있다.
도 7에서는 높은 온도에서 낮은 온도로의 이동을 실선 화살표로, 낮은 온도에서 높은 온도로의 이동을 점선 화살표로 도시하였다.
한편 제어부(370)는 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1 싸이클 및 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2 싸이클이 반복되도록 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(370)는, 제2 싸이클이 완료된 경우 제1 싸이클이 다시 시작되도록 배터리 냉각 시스템(100)의 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1 싸이클의 시작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참고하면, 제어부(370)는 제2 싸이클이 완료되면, 제1 싸이클의 동작이 시작되도록 밸브(360) 및 제1 펌프(326)를 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(370)는 제2 온도 센서(323)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여, 제2 싸이클의 완료를 감지하고 제1 싸이클의 동작이 시작되도록(더욱 구체적으로는 제1-1 싸이클의 동작이 시작되도록) 밸브(360) 및 제1 펌프(326)를 제어할 수 있다.
예를 들어 제어부(370)는 제2-1 온도 센서(343a)에서 감지된 전해질의 온도와 제2-2 온도 센서(343b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우, 즉 슈퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350)가 열 평형을 이룬 상태에서, 제2 싸이클의 완료를 감지하고 제1 싸이클의 동작이 시작되도록 밸브(360) 및 제1 펌프(343)를 제어할 수 있다.
즉 제어부(370)는 제2 온도 센서(343)에서 감지된 전해질의 온도에 기초하여 제1 싸이클의 시작 시점을 결정할 수 있다.
한편 제2-1 온도 센서(343a)에서 감지된 전해질의 온도와 제2-2 온도 센서(343b)에서 감지된 전해질의 온도가 동일한 경우에 제1 싸이클이 시작되는 것으로 설명하였으나 이에 한정하지 않으며, 제2-1 온도 센서(343a)에서 감지된 전해질의 온도와 제2-2 온도 센서(343b)에서 감지된 전해질의 온도의 차가 기 설정된 값보다 작을 때 제1 싸이클이 시작되는 방식으로도 구현이 가능하다.
제1 싸이클이 시작되는 경우, 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터(330)가 제1 순환 라인(320)에 연결되도록 제1 밸브(360a) 및 제2 밸브(360b)를 제어하고, 배터리(310)와 슈퍼 캐패시터(330) 간에 전해질이 순환하도록 제1 펌프(326)를 제어할 수 있다. 그리고 제1 펌프(326)는 제1 순환 라인(320)에서 전해질을 펌핑함으로써, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간의 전해질의 유동 흐름을 형성할 수 있다.
이 경우 슈퍼 캐패시터(330)의 온도는 배터리(310)의 온도보다 낮을 수 있다. 따라서 슈퍼 캐패시터(330)와 배터리(310) 사이에는 열 교환이 이루어질 수 있다.
즉 전해질이 슈퍼 캐패시터(330)와 배터리(310) 간에 순환함으로써, 배터리(310)의 높은 온도의 전해질은 슈퍼 캐패시터(330)로 이동하고, 슈퍼 캐패시터(330)의 낮은 온도의 전해질은 배터리(310)로 이동할 수 있다.
도 8에서는 높은 온도에서 낮은 온도로의 이동을 실선 화살표로, 낮은 온도에서 높은 온도로의 이동을 점선 화살표로 도시하였다.
이 경우 제1-1 싸이클이 진행됨에 따라, 전해질의 유동은 있으나 열 평형을 이루는 상태, 즉 도 3에서 설명한 상태가 될 수 있다. 그리고 도 3 내지 도 8의 과정이 다시 반복될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 슈퍼캐패시터를 이용하여 열역학 싸이클을 구성하는 방법으로써 높은 신뢰성과 고효율 특성을 유지할 수 있는 능동적 배터리 열관리 방법을 제공할 수 있다.
한편, 도 5에서 설명한 제 2-1 싸이클에서 전압의 인가 없이 전해질을 순환시킴으로써 슈퍼 캐패시터(330)와 열 저장조(350) 간에 열 평형을 이루는 과정, 및, 도 8에서 설명한 제 1-1 싸이클에서 전압의 인가의 중단 없이 전해질을 순환시킴으로써 슈퍼 캐패시터(330)와 배터리(310) 간에 열 평형을 이루는 과정은 생략될 수 있다.
예를 들어 제어부(730)는, 제1 온도 센서(323)에서 감지된 온도에 기초하여 전압의 인가의 중단 시점을 판단하는 것 없이, 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 제1 싸이클이 시작되면 슈퍼 캐패시터에 대한 전압의 인가를 중단할 수 있다.
또 다른 예를 들어 제어부(730)는, 제2 온도 센서(343)에서 감지된 온도에 기초하여 전압의 인가 시점을 판단하는 것 없이, 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 제2 싸이클이 시작되면 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른, 배터리 냉각 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어부(370)는 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하도록 제어할 수 있다(S910).
또한 센싱부는 제1 순환 라인의 전해질의 온도를 감지할 수 있다(S920).
그리고 제1 순환 라인의 전해질의 온도에 기초하여, 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단할 수 있다(S930).
그리고 센싱부는 제1 순환 라인의 전해질의 온도를 감지할 수 있다(S940).
그리고 제1 순환 라인의 전해질의 온도에 기초하여, 제어부(370)는 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질이 순환하도록 제어할 수 있다(S950).
한편 센싱부는 제2 순환 라인의 전해질의 온도를 감지할 수 있다(S960).
또한 제어부(370)는 제2 순환 라인의 전해질의 온도에 기초하여, 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가할 수 있다(S970).
한편 센싱부는 제2 순환 라인의 전해질의 온도를 감지할 수 있다(S980).
이 경우 상기 과정이 다시 반복될 수 있다. 즉 제2 순환 라인의 전해질의 온도에 기초하여, 제어부(370)는 배터리와 슈퍼 캐패시터 간에 전해질을 순환할 수 있다(S910).
한편 상술한 바와 같이, S920 단계와 S960 단계는 생략될 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
310: 배터리 320: 제1 순환 라인
330: 슈퍼 캐패시터 340: 제2 순환 라인
350: 열 저장조 370: 제어부

Claims (9)

  1. 내부의 전해질을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 내부에서 상기 전해질이 유출되고, 내부로 상기 전해질이 유입되는 배터리;
    내부로 상기 전해질이 유입되고, 내부에서 상기 전해질이 유출되는 슈퍼 캐패시터;
    열을 방출하는 열 저장조;
    상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간의 상기 전해질의 이동 통로를 제공하는 제1 순환 라인;
    상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간의 상기 전해질의 이동 통로를 제공하는 제2 순환 라인; 및
    상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하도록 제어하고, 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 상기 전해질이 순환하도록 제어하는 제어부를 포함하는
    배터리 냉각 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하는 제1 싸이클 및 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 상기 전해질이 순환하는 제2 싸이클이 반복되도록 제어하는
    배터리 냉각 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 싸이클이 진행되는 중 상기 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하고, 상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 상기 제1 싸이클이 진행되는 중 차단하는
    배터리 냉각 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 싸이클은,
    제1-1 싸이클 및 제1-2 싸이클을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하는 상기 제1-1 싸이클이 진행되는 중 상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단하고, 상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압이 차단된 상태에서 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 전해질이 순환하는 상기 제1-2 싸이클이 진행되도록 제어하는
    배터리 냉각 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 싸이클은,
    제2-1 싸이클 및 제2-2 싸이클을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 상기 제2-1 싸이클이 진행되는 중 상기 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하고, 상기 슈퍼 캐패시터에 전압이 인가되는 상태에서 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 전해질이 순환하는 상기 제2-2 싸이클이 진행되도록 제어하는
    배터리 냉각 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    전해질의 온도를 감지하는 센싱부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 감지된 온도에 기초하여, 상기 제2 싸이클의 시작 시점, 상기 제1 싸이클의 시작 시점, 상기 전압의 인가 시점 및 상기 인가되는 전압의 차단 시점 중 적어도 하나를 결정하는
    배터리 냉각 시스템.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 슈퍼 캐패시터를 상기 제1 순환 라인 및 상기 제2 순환 라인 중 어느 하나에 연결시키는 밸브를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 싸이클에서 상기 슈퍼 캐패시터가 상기 제1 순환 라인에 연결되도록 상기 밸브를 제어하고, 상기 제2 싸이클에서 상기 슈퍼 캐패시터가 상기 제2 순환 라인에 연결되도록 상기 밸브를 제어하는
    배터리 냉각 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 순환 라인에 배치되어 상기 배터리와 상기 슈퍼 캐패시터 간에 상기 전해질이 순환하도록 상기 전해질을 펌핑하는 제1 펌프; 및
    상기 제2 순환 라인에 배치되어 상기 슈퍼 캐패시터와 상기 열 저장조 간에 상기 전해질이 순환하도록 상기 전해질을 펌핑하는 제2 펌프를 더 포함하는
    배터리 냉각 시스템.
  9. 내부의 전해질을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하고 내부에서 상기 전해질이 유출되고 내부로 상기 전해질이 유입되는 배터리와, 내부로 상기 전해질이 유입되고 내부에서 상기 전해질이 유출되는 슈퍼 캐패시터 간에 전해질을 순환 시키는 단계;
    상기 슈퍼 캐패시터에 인가되는 전압을 차단하는 단계;
    상기 슈퍼 캐패시터와 열 저장조 간에 전해질을 순환 시키는 단계; 및
    상기 슈퍼 캐패시터에 전압을 인가하는 단계를 포함하는
    배터리 냉각 시스템의 동작 방법.
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KR19990024407U (ko) * 1997-12-12 1999-07-05 양재신 전기차량 배터리의 온도조절장치
KR20070020841A (ko) * 2005-08-17 2007-02-22 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차전지 및 이를 이용한 하이브리드 전지
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KR20150042821A (ko) * 2012-09-21 2015-04-21 도요타 지도샤（주） 전동차량

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