KR102653294B1 - 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명은 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 부(100)와, 다수의 상기 배터리 셀 부(100)를 포함하는 배터리 모듈(200)과, 다수의 상기 배터리 모듈(200)을 일정 방향으로 배열하여 포함하는 배터리 팩(300)의 온도 제어 시스템에 있어서, 상기 배터리 모듈(200)은 다수의 상기 배터리 셀 부(100)가 길이 방향으로 일정 간격 이격되어 배치되도록 구성되며, 상기 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 배치된 상기 배터리 셀 부(100) 의 이격 공간에 온도 제어를 열교환 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템을 제공함에 있다.

Description

배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법 {Temperature control system of battery pack and control method thereof}
본 발명은 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량용 배터리의 충전시 발생하는 발열을 냉각하여, 차량용 배터리의 온도 상승을 억제할 수 있는 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
또한, 외기온이 낮을 때, 차량용 배터리의 성능이 낮아지는 것을 방지하기 위하여, 차량용 배터리를 일정 온도로 가열할 수 있는 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
차량용 배터리가 적용된 친환경차(전기차, 플러그인 하이브리드 등)의 경우, 내연가관 차의 주유시간 대비 충전시간이 오래 걸리는 문제점을 해결하기 위하여, 충전 시간을 단축하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
상세하게는, 배터리의 전체 용량을 1시간을 기준으로 모두 사용하는 정도를 C-rate로 정의(예를 들자면, 1시간 만에 사용하는 경우 1 C, 30분 만에 사용하는 경우 2 C)할 경우, C-rate에 따라 배터리 내 발열의 정도가 다르며, 전기적 저항 성분에 의한 발열과 화학적인 상의 변화에 따른 흡/발열이 발생하게 된다. 일반적인 차량용 배터리 충전은 수 C 수준에서 이루어지고 있기 때문에, 내연기관 차의 주유시간과 대비하여 충전시간이 오래 걸리는 문제점이 있기 때문에, 내연기관 차의 주유시간과 상응하는 1분 ~ 5분(60 C ~ 12 C) 내에 배터리를 충전하고자 하는 급속 충전이 연구되고 있다.
그렇지만, 이 경우, 그만큼 배터리의 높은 발열이 일어나는 문제점이 있다.
또한, 배터리는 내부의 이온의 전달 과정이 수반되어 사용되기 때문에, 태생적으로 사용되는 온도에 민감하게 반응할 수 밖에 없다. 특히, 겨울철 저온 환경에서는 이상적인 작동 환경에 비해 성능 저하가 심하기 때문에, 겨울철은 다른 계절에 비해 보다 잦은 충전이 이루어져야 하는 문제점이 있다.
이와 관련해서, 국내 등록 특허 제10-1734717호("차량용 배터리 및 그 제어 방법")에서는 복수의 배터리 셀 사이에 배치된 열전소자를 이용하여, 배터리 셀에 대한 개별 온도를 용이하게 관리할 수 있는 차량용 배터리를 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-1734717호(등록일자 2017.05.02.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 차량용 배터리 내부에 배터리 팩의 온도를 제어하기 위한 공간을 생성하고, 생성한 공간에 열교환 수단을 형성함으로써, 차량용 배터리의 온도를 제어하기 위한 냉각/가열 유체를 제공할 수 있는 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩의 온도 제어 시스템은, 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 부(100)와, 다수의 상기 배터리 셀 부(100)를 포함하는 배터리 모듈(200)과, 다수의 상기 배터리 모듈(200)을 일정 방향으로 배열하여 포함하는 배터리 팩(300)의 온도 제어 시스템에 있어서, 상기 배터리 모듈(200)은 다수의 상기 배터리 셀 부(100)가 길이 방향으로 일정 간격 이격되어 배치되도록 구성되며, 상기 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 배치된 상기 배터리 셀 부(100) 간의 이격 공간에 온도 제어를 위한 제1 열교환 수단(400)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 제1 열교환 수단(400)은 대응되어 배치된 한 쌍의 상기 배터리 셀 부(100) 중 선택되는 하나의 배터리 셀 부(100)의 일측면과 또 다른 하나의 배터리 셀 부(100)의 타측면에 접촉되는 한 쌍의 플레이트(410) 및 상기 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 핀(420)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 핀(420)는 일정 깊이를 가지며 형성되는 홈(421) 및 상기 홈(421)에 수용되는 탄성체(422)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 탄성체(422)는 대응되는 한 쌍의 상기 핀(420)에 의한 한 쌍의 홈(421)에 수용되는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 탄성체(422)의 압축 전 길이는 한 쌍의 홈(421)의 길이 또는 한 쌍의 홈(421)의 깊이보다 긴 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 상기 배터리 모듈(200)의 끝 단에 배치된 상기 배터리 셀 부(100)의 외측면에 온도 제어를 위한 제2 열교환 수단(500)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 제2 열교환 수단(500)은 상기 배터리 셀 부(100)의 일측면에 접촉되는 플레이트(510) 및 상기 플레이트(510)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 핀(520)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 배터리 팩(300)은 상기 배터리 모듈(200), 상기 배터리 모듈(200)의 외측면에 구비된 상기 제2 열교환 수단(500)을 감싸면서, 상기 제2 열교환 수단(500)의 주변으로 유로 공간이 형성되도록 외부 하우징 형태를 갖되, 적어도 하나의 유체 입구부와, 적어도 하나의 유체 출구부를 포함하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 상기 배터리 팩(300)으로 외부 충전 전력을 공급하는 충전 수단(1000)을 더 포함하며, 상기 충전 수단(1000)은 전력을 공급하는 전력 공급 케이블(1100);과, 상기 전력 공급 케이블(1100)과 일정 공간 이격되어 상기 전력 공급 케이블(1100)을 감싸는 형태의 외피를 포함하는 유체 공급 케이블(1200);을 포함하며, 상기 충전 수단(1000)을 통해서 상기 배터리 팩(300)으로 충전 전력이 공급되는 동안, 상기 유체 공급 케이블(1200)은 상기 배터리 팩(300)의 상기 유체 입구부과 연결되어, 소정 온도의 유체가 상기 배터리 팩(300)의 유로 공간으로 공급되어, 상기 배터리 팩(300)의 온도를 제어하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩의 온도 제어 방법은, 차량용 배터리의 급속 충전 수단에 기구비된 연산 처리 수단에서, 급속 충전을 위해 연결된 차량의 배터리 모듈로 충전 전력이 전송되는 동안, 소정 온도의 유체를 제공하는 유체 공급 단계 및 상기 유체 공급 단계에 의해 제공되는 유체가 차량용 배터리에 포함되는 배터리 모듈의 하우징에 형성된 유체 입구부를 통해서 공급되어, 배터리 모듈에 형성된 유로 공간을 통해서 상기 유체가 흐르면서 배터리 모듈에 포함되는 열교환 수단과의 열 교환이 이루어져, 차량용 배터리의 온도 제어가 이루어지는 온도 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 방법을 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩의 온도 제어 방법은, 차량용 배터리의 급속 충전 수단에 기구비된 연산 처리 수단에서, 차량용 배터리의 급속 충전 수단에 기구비된 온도 센서로부터 외기온을 입력받는 온도 입력 단계(S100), 상기 연산 처리 수단에서, 상기 온도 입력 단계(S100)에 의해 입력받은 상기 외기온을 분석하여, 연결된 차량의 배터리 모듈로 소정 온도의 유체를 제공하는 유체 공급 단계(S200) 및 상기 유체 공급 단계(S200)에 의해 제공되는 유체가 차량용 배터리에 포함되는 배터리 모듈의 하우징에 형성된 유체 입구부를 통해서 공급되어, 배터리 모듈에 형성된 유로 공간을 통해서 상기 유체가 흐르면서 배터리 모듈에 포함되는 열교환 수단과의 열 교환이 이루어져, 차량용 배터리의 온도 제어가 이루어지는 온도 제어 단계(S300)를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법은 급속 충전시 차량용 배터리 발열이 발생하는 문제점을 해소하기 위하여, 충전이 이루어지는 동안 배터리 내로 소정 온도의 유체를 공급하여, 열교환을 통한 흡열이 이루어져 급속 충전에 의해 불가피하게 발생하는 배터리의 온도 상승을 억제하여 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 차량의 외기온이 낮을 때, 배터리의 성능이 낮아짐으로써 차량의 주행 거리가 감소하는 문제점을 해소하기 위하여, 배터리 내로 소정 온도의 유체를 공급하여 열교환을 통한 발열이 이루어져 배터리의 이상적인 작동 환경을 조성하여 배터리의 안정성과 효율성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템이 적용된 배터리 모듈(200)을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템에 의한 열교환 수단(400, 500)을 나타낸 예시도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템에 의한 탄성체(422)를 포함한 제1 열교환 수단(400)을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템이 적용된 배터리 팩(300)을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템이 적용된 충전 수단(1000)을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 방법에 의한 순서 예시도이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법은, 높은 C-rate(current rate)에서 발생하는, 다시 말하자면, 급속 충전시 차량용 배터리 발열이 발생하는 문제점을 해소하기 위하여, 충전이 이루어지는 동안 배터리 내로 소정 온도의 유체를 공급하여, 열교환을 통한 흡열이 이루어져 급속 충전에 의해 불가피하게 발생하는 배터리의 온도 상승을 억제하여 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 차량의 외기온이 낮을 때, 배터리의 성능이 낮아짐으로써 차량의 주행 거리가 감소하는 문제점을 해소하기 위하여, 배터리 내로 소정 온도의 유체를 공급하여 열교환을 통한 발열이 이루어져 배터리의 이상적인 작동 환경을 조성하여 배터리의 안정성 뿐만 아니라 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 크게 보자면, 차량에 구비되는 배터리 팩(300)과, 상기 배터리 팩(300)으로 외부 충전 전력을 공급하는 충전 수단(1000)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 충전 수단(1000)은 통상적으로 전기차 충전 스테이션에 구비되는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템이 적용된 배터리 모듈(200)을 나타낸 예시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템에 의한 열교환 수단(400, 500)을 나타낸 예시도이며, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템에 의한 탄성체(422)를 포함한 제1 열교환 수단(400)을 나타낸 예시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템이 적용된 배터리 팩(300)을 나타낸 예시도이다.
도 1 내지 도 6을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템이 적용된 배터리 팩(300)부터 상세하게 설명한다.
상기 배터리 팩(300)은 도 6에 도시된 바와 같이, 일정 방향으로 배열되는 다수의 배터리 모듈(200)과 제1 열교환 수단(400) 및 제2 열교환 수단(500)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 배터리 모듈(200)은 다수의 배터리 셀 부(100)가 길이 방향(x 방향)으로 일정 간격 이격되어 배치되도록 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 배터리 셀 부(100)는 다수의 배터리 셀을 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 제1 열교환 수단(400)은 상기 배터리 모듈(200)을 기준으로 내부에 배치된 배터리 셀 부(100)와 배터리 셀 부(100) 사이 공간에 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제2 열교환 수단(500)은 상기 배터리 모듈(200)을 기준으로 가장 외측면에 배치된 배터리 셀 부(100)의 외측면, 즉, 상기 배터리 모듈(200)의 최외측면에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 배터리 셀 부(100)에 포함되어 있는 배터리 셀의 개수에 따라 대류열 전달 계수가 상이하기 때문에, 상기 배터리 셀 부(100)에 포함되어 있는 배터리 셀의 개수를 고려하여 상기 배터리 팩(300) 내부로 공급되는 유체의 온도를 제어하는 것이 바람직하며, 상기 배터리 팩(300) 내부로 공급되는 유체의 온도에 대해서는 한정하는 것은 아니다.
자세하게는, 상기 배터리 모듈(200)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 셀 부(100)가 길이 방향으로 일정 간격 이격되어 배치되며, 배치된 상기 배터리 셀 부(100) 간의 이격 공간에 온도 제어를 위한 상기 제1 열교환 수단(400)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 열교환 수단(400)은 상기 이격 공간을 기준으로 대응되어 배치된 한 쌍의 상기 배터리 셀 부(100) 중 선택되는 어느 하나의 배터리 셀 부(100)의 일측면과 또 다른 하나의 배터리 셀 부(100)의 타측면에 접촉되는 한 쌍의 플레이트(410) 및 상기 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 핀(420)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열교환 수단(400)은 상기 플레이트(410)의 외측면에 일정 간격으로 돌출되도록 다수 개의 상기 핀(420)이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 핀(420)의 단면 형상은 원형, 사각형, 마름모 형 등 다양하게 형성될 수 있으나, 상기 핀(420)의 형상은 열교환에 의한 대류열 전달양에 영향을 미치기 때문에, 사각형이나 마름모 형상이 단면적이 보다 넓기 때문에, 열전달 측면에서 원형 형상에 비해 효과적임을 실험을 통해서 알 수 있다. 그렇지만, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하다.
더불어, 상기 핀(420)의 형상 크기에 대해서 실험을 통해서 알아본 결과, 상기 플레이트(410)를 기준으로 상기 핀(420)이 돌출된 높이를 H라 하고, 직경을 D(도 2 참조)라 할 경우, 0.5 < H/D < 4 인 경우(낮은 종횡비를 갖는 형상), H/D 값이 커질수록 열전달이 향상하긴 하지만 열전달 향상률이 미미하고, 오히려 유속에 의한 영향을 크게 받음을 알 수 있어, H/D > 4 인 것(높은 종횡비를 갖는 형상)이 바람직하다. 더불어, H/D는 실험 결과 최대 12 정도가 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 유체의 유동 방향을 기준으로 상기 핀(420)의 배열 폭을 x라 하고, 유체의 유동 방향의 수직하는 상기 핀(420)의 배열 폭을 S라 할 경우, x/D와 S/D는 2.5에서 준수하며, 1에 가까울수록 단위면적 당 구조배열이 촘촘해서 열전달이 향상됨을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 상기 제1 열교환 수단(400)을 통해서, 상기 배터리 셀 부(100)와 흡열/발열 기능 만을 수행하는 것이 아니라, 상기 핀(420) 내부에 탄성체를 구비하여 상기 핀(420)이 상기 플레이트(410)를 밀어, 상기 플레이트(410)가 상기 배터리 셀 부(100)로 일정한 압력을 가하도록 하는 것이 바람직하다. 이를 통해서, 배터리 셀 간의 열 접촉이 향상되게 되며, 전고체 배터리의 경우, 배터리 셀에 일정한 압력이 가해진 채로 작동해야 하기 때문에, 이를 해결할 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 열교환 수단(400)을 통한 압력 인가를 고려할 경우, H/D > 4를 가지면서도, 압력을 가하는 데에 무리가 없도록 안전계수 2가 되는 D를 설정하는 것이 바람직하다.
이때, 안전계수란, 재료의 허용 하중(strength) / 적용되는 하중을 의미한다.
일 예를 들자면, 상기 제1 열교환 수단(400)을 알루미늄을 사용하여 적용할 경우, 최대 허용 압축 강도는 약 140 MPa이며, 안전계수를 고려하여 적용 가능한 하중은 70 MPa임을 알 수 있다. 이를 고려하여, 배터리 셀 부(100)에 F MPa의 하중을 가할 경우, '배터리 셀 부(100)의 가로(a) * 배터리 셀 부(100)의 세로(b) * F MN'의 힘이 전달되며, 상기 핀(420)의 개수가 n개 일 경우, 'a * b * F / (n * 핀(420)의 단면적) MPa'가 70 MPa 이하가 되도록 D를 설정한 후, H/D > 4 가 되도록 H를 선정하는 것이 바람직하다.
상기 제1 열교환 수단(400)은 상술한 바와 같이, 상기 배터리 셀 부(100)로 일정한 압력을 가하도록 하기 위하여, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 실시예로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 실시예 - 제1 열교환 수단
상기 제1 열교환 수단(400)에 포함되어 있는 상기 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 상기 핀(420)이 마주보고 있는 한 쌍의 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 상기 핀(420)을 기준으로 서로 대응되는 위치에 형성될 경우,
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 핀(420)에 일정 깊이를 가지며 형성되는 홈(421)과, 상기 홈(421)에 수용되는 스프링 등과 같은 탄성체(422)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 탄성체(422)는 대응되는 한 쌍의 상기 핀(420)에 의해, 형성되는 한 쌍의 홈(421)에 수용되는 것이 바람직하며, 이때, 상기 탄성체(422)를 통해서 상기 배터리 셀 부(100)로 일정한 압력을 가할 수 있도록, 상기 탄성체(422)의 압축 전 길이는, 한 쌍의 홈(421)의 길이 또는 한 쌍의 홈(421)의 깊이보다 긴 것이 바람직하다.
상세하게는, 도 3의 a)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 홈(421)에 수용되는 상기 탄성체(422)에 의해 상기 플레이트(410)로 압력이 가해짐으로써, 상기 배터리 셀 부(100)로 일정한 압력을 인가할 수 있다.
다만, 차량용 배터리의 경우, 동작되는 동안 외부 상황에 따라 충격이 가해질 수 있고, 이에 따라 서로 대응되는 위치에 형성되어 한 쌍의 홈(421)을 이루고 있는 한 쌍의 상기 핀(420)의 접촉면이 틀어질 수 있고, 이 경우, 상기 탄성체(422)가 상기 홈(421)에서 탈락되거나 일정한 압력을 가할 수 없게 된다.
이를 해소하기 위하여, 도 3의 b)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 홈(420)을 이루고 있는 한 쌍의 상기 핀(420) 중 어느 하나의 핀(420)의 외주면의 일부 영역에 소정 길이와 높이를 갖는 볼록부를 형성함으로써, 한 쌍의 홈(420)을 이루고 있는 한 쌍의 상기 핀(420) 간의 접촉 결합 안정성을 향상시킬 수 있다.
제2 실시예 - 제1 열교환 수단
상기 제1 열교환 수단(400)에 포함되어 있는 상기 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 상기 핀(420)이 마주보고 있는 한 쌍의 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 상기 핀(420)을 기준으로 서로 대응되는 위치에 형성될 경우,
도 4에 도시된 바와 같이, 서로 대응되는 위치에 형성되는 한 쌍의 상기 핀(420) 중 어느 하나의 핀(420)만 홈(421)을 형성하고, 또 다른 하나의 핀(420)이 형성된 상기 홈(421)에 삽입되도록 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 홈(421)에 탄성체(422)를 수용함으로써, 상기 홈(421)에 삽입되는 상기 핀(420)에 의해 상기 탄성체(422)로 압력이 가해져 상기 배터리 셀 부(100)로 일정한 압력을 인가할 수 있다.
상기 제2 실시예에 의한 제1 열교환 수단(400)의 경우, 삽입 결합이 요구되기 때문에, 서로 대응되는 위치에 형성되어 한 쌍을 이루고 있는 상기 플레이트(410)에 돌출되어 형성된 상기 핀(420) 간의 최초 결합의 곤란성이 있을 수 있으나, 최초 결합이 이루어진 이후에는, 상기 탄성체(422)가 상기 홈(421)에서 탈락되거나, 삽입 결합이 틀어질 경우가 낮기 때문에, 결합 안정성이 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 도 4에서는 동일한 방향으로 삽입 결함이 이루어졌으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 상기 홈(421)이 형성되는 핀(420)의 위치를 한정하는 것이 아니기 때문에, 삽입 결합의 방향은 자유롭게 형성될 수 있다.
제3 실시예 - 제1 열교환 수단
상기 제1 열교환 수단(400)에 포함되어 있는 상기 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 상기 핀(420)이 마주보고 있는 한 쌍의 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 상기 핀(420)을 기준으로 서로 대응되는 위치에 형성될 경우,
도 5에 도시된 바와 같이, 서로 대응되는 위치에 형성된 한 쌍의 상기 핀(420), 각각 일정 깊이를 가지며 홈(421)이 형성되는 제1 핀(420a), 상기 제1 핀(420a)에 삽입 결합되는 제2 핀(420b)을 포함하여 되며, 한 쌍의 상기 핀(420)은 각각의 상기 제2 핀(420b)이 접촉 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 홈(421)의 타측부에 탄성체(422)가 수용되어, 상기 제2 핀(420b)이 서로 대응되는 위치에 형성된 다른 제2 핀(420b)과의 접촉 결합에 의해 상기 홈(421)에 삽입됨으로써 상기 탄성체(422)로 압력을 가하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 배치된 상기 배터리 셀 부(100) 간의 이격 공간, 즉, 한 쌍의 상기 배터리 셀 부(100)가 만드는 이격 공간이 아니라, 상기 배터리 모듈(200)의 가장 외측면에 배치된 상기 배터리 셀 부(100)의 열교환 또한 고려하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈(200)의 끝 단에 배치된 상기 배터리 셀 부(100)의 외측면에 온도 제어를 위한 제2 열교환 수단(500)을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제2 열교환 수단(500)은 상기 배터리 셀 부(100)의 일측면에 접촉되는 플레이트(510) 및 상기 플레이트(510)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 핀(520)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
사용 중인 배터리를 냉각하는 기술로는, 수랭/공랭 방법이 있으며, 수랭 방법의 경우, 냉각 채널(냉각 유로)을 지나는 유체의 밀도가 공랭에 비해 높아 동일 조건에서 우수한 냉각 성능을 갖지만, 전기차 주행거리는 공차중량에 영향을 받기 때문에, 전기차용 배터리의 경우, 수랭 방법보다는 공랭 방법을 사용하는 것이 유리하다.
냉각의 성능은 열의 전도와 유동에 의한 매커니즘인 대류 열전달에 의해 좌우되고, 냉각 성능을 높이고자 확장 표면(fin)을 이용하거나, 유동을 난류화하여 대류 열전달 계수를 향상시키는 기술이 있다.
다만, 전기차용 배터리의 경우, 차량 내 위치되는 만큼 차량의 전폭과 전장 또는 축거에 제한되므로 작은 공간에서 효율적으로 냉각이 필요한 가스터빈 블레이드에서 사용하는 공랭 방법을 적용하는 것이 바람직하며, 일 예를 들자면, 필름 냉각, 충돌 제트, 냉각 핀, 요철 채널 등이 있다.
이를 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템은, 배터리 팩의 온도를 흡열/가열하고자 하는 목적과, 배터리 셀 부로 일정한 압력을 가하기 위한 목적을 모두 만족하기 위하여, 상기 제1 열교환 수단(400)과 상기 제2 열교환 수단(500)을 냉각핀 방법을 활용하고 있다. 이에 따라, 상기 제1 열교환 수단(400)과 상기 제2 열교환 수단(500)을 이루고 있는 소재를 냉각핀 방법을 고려하여 채택하는 것이 바람직하며, 이에 대해서 한정하는 것은 아니다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 상기 배터리 모듈(200)의 내부엔 상기 제1 열교환 수단(400)이 다수 개 구비되어 있으며, 외부엔 적어도 두 개의 상기 제2 열교환 수단(500)이 모듈을 이루고 있으며, 상기 배터리 팩(300)은 도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 상기 배터리 모듈(200)이 일정 방향으로 다수 개 배열되어 포함되게 된다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 열교환 수단(400)과 상기 제2 열교환 수단(500)을 통해서 배터리 팩의 온도를 흡열/가열하여 온도를 제어하기 위해서는, 상기 배터리 팩(300) 내부에 유로 채널(유로 공간)을 형성하는 것이 바람직하다.
상세하게는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 팩(300)은 상기 배터리 모듈(200), 상기 배터리 모듈(200)의 외측면에 구비된 상기 제2 열교환 수단(500)을 감싸면서, 상기 제2 열교환 수단(500)의 주변으로 유로 공간이 형성되도록 외부 하우징 형태를 갖는 것이 바람직하다.
이때, 상기 하우징에는 적어도 하나의 유체 입구부와, 적어도 하나의 유체 출구부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유체 입구부를 통해서 소정 온도의 유체가 전달되면, 상기 하우징에 형성되어 있는 유로 공간을 따라 유체가 흐르면서, 상기 제1 열교환 수단(400), 제2 열교환 수단(500)과의 열 교환이 이루어져, 배터리 팩 내부 온도의 흡열 또는 가열이 이루어지고, 유체는 상기 유체 출구부로 배출되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 유체 출구부는 상기 배터리 팩(300) 내부의 유체의 흐름(유동)을 원활히 하기 위한 펌프(미도시)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템은 상술한 바와 같이, 상기 충전 수단(1000)을 통해서, 종래의 전기차 충전 스테이션에 포함되어 있는 충전 케이블과 같이, 상기 배터리 팩(300)으로 외부 충전 전력을 공급하게 된다.
다만, 상기 충전 수단(1000)은 상기 배터리 팩(300) 내부로 소정 온도의 유체를 공급하게 된다. 이를 위해, 상기 충전 수단(1000)은 도 7에 도시된 바와 같이, 전력을 공급하는 전력 공급 케이블(1100)과, 상기 전력 공급 케이블(1100)을 감싸는 형태의 외피를 포함하는 유체 공급 케이블(1200)을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 전력 공급 케이블(1100)이 종래의 충전 케이블에 해당하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템의 충전 수단(1000)은 상기 전력 공급 케이블(1100)과 동일한 라인을 사용하며 상기 전력 공급 케이블(1100)을 감싸는 형태의 외피를 포함하는 상기 유체 공급 케이블(1200)을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 충전 수단(1000)을 통해서 상기 배터리 팩(300)으로 충전 전력이 공급되는 동안, 상기 유체 공급 케이블(1200)은 상기 배터리 팩(300)의 상기 유체 입구부와 연결되어, 소정 온도의 유체가 상기 배터리 팩(300)의 내부에 형성된 유로 공간으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 통해서, 공급된 유체의 온도를 활용하여 상기 배터리 팩(300)의 온도를 제어하게 된다.
설명하기 용이하도록 상기 유체를 압축공기로 한정할 경우, 상기 배터리 팩(300)으로 상기 충전 수단(1000)을 통해서 충전 전력과 압축 공기를 공급받게 된다.
충전 전력을 배터리 셀을 충전하게 되고, 압축 공기는 상기 배터리 팩(300) 내부에 형성된 상기 유로 공간을 지나면서 상기 제1 열교환 수단(400)과 제2 열교환 수단(500) 과의 열교환을 수행하게 된다. 이때, 상술한 바와 같이, 배터리가 충전이 이루어지는 동안에는 통상적으로 배터리 셀의 발열이 일어나기 때문에, 미리 설정된 온도(낮은 온도)의 압축 공기를 공급하여, 배터리 셀의 발열을 해소하는 것이 바람직하다.
이때, 압축 공기를 제공하기 위한 압축기를 차량에 직접 탑재하지 않기 때문에, 차량 자체의 공차중량에는 영향을 주지 않으면서 발열을 해소할 수 있는 장점이 있다.
또한, 추운 외기온으로 인해, 주차 중인 차량의 배터리의 온도가 이상적인 온도보다 낮은 경우에는, 미리 설정된 온도(높은 온도)의 압축 공기를 공급하여, 배터리 셀을 일정 온도만큼 가열함으로써, 배터리가 가지고 있는 성능을 발현할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 방법은, 온도 입력 단계(S100), 유체 공급 단계(S200) 및 온도 제어 단계(S300)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 추운 외기온으로 인해, 주차 중인 차량의 배터리의 온도가 이상적인 온도보다 낮은 경우의 온도 제어 실시예이다.
상기 온도 입력 단계(S100)는 차량용 배터리의 급속 충전 수단에 미리 구비된 연산 처리 수단에서, 차량용 배터리의 급속 충전 수단(일 예를 들자면, 상기 충전 수단(1000))에 미리 구비된 온도 센서로부터 차량의 외기 온도를 입력받는 것이 바람직하다.
상기 유체 공급 단계(S200)는 상기 연산 처리 수단에서, 상기 온도 입력 단계(S100)에 의해 입력받은 상기 외기온을 분석하여, 연결된 차량의 배터리 모듈로 소정 온도의 유체를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 온도 제어 단계(S300)는 상기 유체 공급 단계(S200)에 의해 제공되는 유체가 차량용 배터리에 포함되는 배터리 모듈(300)의 하우징에 형성된 유체 입구부를 통해서 공급되어, 상기 배터리 모듈(300)에 형성된 유로 공간으로 상기 유체가 흐르면서, 상기 배터리 모듈(300)에 포함되는 열교환 수단(400, 500)과의 열 교환이 이루어져 차량용 배터리의 온도 제어가 이루어지는 것이 바람직하다.
이 외에도, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 방법은, 상기 연산 처리 수단에서, 차량용 배터리의 급속 충전 수단에서, 차량의 급속 충전이 이루어지는 동안 배터리의 발열을 해결하기 위하여, 충전 전력이 공급되는 동안, 유체가 차량용 배터리에 포함되는 배터리 모듈(300)의 하우징에 형성된 유체 입구부를 통해서 공급되어, 상기 배터리 모듈(300)에 형성된 유로 공간으로 상기 유체가 흐르면서, 상기 배터리 모듈(300)에 포함되는 열교환 수단(400, 500)과의 열 교환이 이루어져 차량용 배터리의 온도 제어가 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 온도 제어 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 배터리 셀 부
200 : 배터리 모듈
300 : 배터리 팩
400 : 제1 열교환 수단
410 : 플레이트 420 : 핀
421 : 홈 422 : 탄성체
500 : 제2 열교환 수단
510 : 플레이트 520 : 핀

Claims (11)

  1. 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 부(100)와, 다수의 상기 배터리 셀 부(100)를 포함하는 배터리 모듈(200)과, 다수의 상기 배터리 모듈(200)을 일정 방향으로 배열하여 포함하는 배터리 팩(300)의 온도 제어 시스템에 있어서,
    상기 배터리 모듈(200)은
    다수의 상기 배터리 셀 부(100)가 길이 방향으로 일정 간격 이격되어 배치되도록 구성되며,
    상기 배터리 팩의 온도 제어 시스템은
    배치된 상기 배터리 셀 부(100) 간의 이격 공간에 온도 제어를 위한 제1 열교환 수단(400);
    을 더 포함하며,
    상기 제1 열교환 수단(400)은
    대응되어 배치된 한 쌍의 상기 배터리 셀 부(100) 중 선택되는 하나의 배터리 셀 부(100)의 일측면과 또 다른 하나의 배터리 셀 부(100)의 타측면에 접촉되는 한 쌍의 플레이트(410); 및
    상기 플레이트(410)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 핀(420);
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 핀(420)는
    일정 깊이를 가지며 형성되는 홈(421); 및
    상기 홈(421)에 수용되는 탄성체(422);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 탄성체(422)는
    대응되는 한 쌍의 상기 핀(420)에 의한 한 쌍의 홈(421)에 수용되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 탄성체(422)의 압축 전 길이는
    한 쌍의 홈(421)의 길이 또는 한 쌍의 홈(421)의 깊이보다 긴 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 온도 제어 시스템은
    상기 배터리 모듈(200)의 끝 단에 배치된 상기 배터리 셀 부(100)의 외측면에 온도 제어를 위한 제2 열교환 수단(500);
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2 열교환 수단(500)은
    상기 배터리 모듈(200)의 끝 단에 배치된 상기 배터리 셀 부(100)의 외측면에 접촉되는 플레이트(510); 및
    상기 플레이트(510)의 외측면에 돌출되도록 형성되는 다수 개의 핀(520);
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 배터리 팩(300)은
    상기 배터리 모듈(200), 상기 배터리 모듈(200)의 외측면에 구비된 상기 제2 열교환 수단(500)을 감싸면서, 상기 제2 열교환 수단(500)의 주변으로 유로 공간이 형성되도록 외부 하우징 형태를 갖되,
    적어도 하나의 유체 입구부와, 적어도 하나의 유체 출구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 온도 제어 시스템은
    상기 배터리 팩(300)으로 외부 충전 전력을 공급하는 충전 수단(1000);
    을 더 포함하며,
    상기 충전 수단(1000)은
    전력을 공급하는 전력 공급 케이블(1100);과, 상기 전력 공급 케이블(1100)과 일정 공간 이격되어 상기 전력 공급 케이블(1100)을 감싸는 형태의 외피를 포함하는 유체 공급 케이블(1200);을 포함하며,
    상기 충전 수단(1000)을 통해서 상기 배터리 팩(300)으로 충전 전력이 공급되는 동안, 상기 유체 공급 케이블(1200)은 상기 배터리 팩(300)의 상기 유체 입구부과 연결되어, 소정 온도의 유체가 상기 배터리 팩(300)의 유로 공간으로 공급되어, 상기 배터리 팩(300)의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
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