KR20060027579A - 전지 모듈 온도 제어 시스템 - Google Patents

전지 모듈 온도 제어 시스템 Download PDF

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KR20060027579A
KR20060027579A KR1020040076440A KR20040076440A KR20060027579A KR 20060027579 A KR20060027579 A KR 20060027579A KR 1020040076440 A KR1020040076440 A KR 1020040076440A KR 20040076440 A KR20040076440 A KR 20040076440A KR 20060027579 A KR20060027579 A KR 20060027579A
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Abstract

본 발명은 전지 모듈에 있어서 전지의 제반 상태를 총괄 관리하는 전지 관리 시스템을 통해 전지 모듈의 온도를 용이하게 조절할 수 있도록, 일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 공기가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 단위 전지를 감싸는 열전달부재와, 상기 열전달부재에 설치되고 상기 하우징의 공기 유통로 상에 위치하여 열을 전달하는 온도조절기, 상기 단위 전지의 온도를 검출하기 위한 온도센서, 상기 온도센서의 신호에 따라 상기 온도조절기를 제어작동하는 BMS(Battery Management System)를 포함하는 전지 모듈 온도 제어 시스템을 제공한다.
단위 전지, BMS, 연산부, 비교부, 출력부, 열전소자

Description

전지 모듈 온도 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈 온도 제어 시스템의 구성을 도시한 개략적인 측 단면도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성하는 경우 전지 모듈의 온도를 용이하게 제어할 수 있도록 된 전지 모듈 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
최근들어 고에너지 밀도의 비수전해해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
이와같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지 는 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
그리고 각각의 단위전지는 통상 각형 전지의 경우 캡 조립체 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 각 단위전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.
여기서 상기한 전지모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 따라 각 단위 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출할 수 있어야 하며, 더욱이 HEV(Hybrid Electric Vehicle)에 적용되는 이차 전지의 경우 온도 관리는 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
열 방출이 제대로 이루어지지 않는 경우 예컨대, 각 단위전지에서 발생되는 열은 전지모듈의 온도 상승을 초래하게 되고 결과적으로 상기 전지모듈이 적용된 기기의 오작동을 발생시키게 된다.
특히, 차량용으로 사용되는 HEV용 전지 모듈의 경우 대전류로 충방전되므로 사용 상태에 따라서 이차 전지의 내부 반응에 의해 열이 발생하여 상당한 온도까지 올라가게 되고, 이는 전지의 고유 특성에 영향을 주어 전지 고유의 성능을 저하시키게 된다.
따라서 차량에 적용되는 HEV용 전지 모듈의 경우 전지 모듈의 온도를 알맞은 상태로 유지시키기 위하여 온도 제어 시스템이 적용되는 데, 주로 주위 분위기 온도를 이용하는 공랭방식이나 또는 차량 내부의 공조 시스템을 이용하여 전지 모듈 내부의 온도를 조절하는 차량 공조시스템 이용방식으로 구분된다.
그런데, 상기 공냉방식의 경우 주위 온도에 의지하는 방식으로 온도 조건이 불리한 열대지역이나 혹한지역과 같이 극한 환경에 대한 대처가 어렵다는 단점이 있다.
또한, 차량의 공조시스템을 이용하는 방식의 경우에는 차량 공조시스템과 전지모듈을 연결하는 설계에 어려움이 따르며 온도 제어가 복잡하다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전지 모듈에 있어서 전지의 제반 상태를 총괄 관리하는 전지 관리 시스템을 통해 전지 모듈의 온도를 용이하게 조절할 수 있도록 된 전지 모듈 온도 제어 시스템을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전지 모듈의 온도 제어 시스템은,
일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 공기가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 단위 전지를 감싸는 열전달부재와, 상기 열전달부재에 설치되고 상기 하우징의 공기 유통로 상에 위치하여 열을 전달하는 온도조절기, 상기 단위 전지의 온도에 따라 상기 온도조절기를 제어작동하는 배터리관리시스템(BMS;Battery Management System, 이하 BMS로 칭한다)를 포함한다.
이에 따라 상기 전지의 온도에 따라 BMS가 온도 조절기를 제어작동하여 전지의 온도를 적정하게 유지하게 된다.
여기서 상기 열전달부재는 히트 싱크로 이루어짐이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 단위 전지를 전체적으로 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 온도조절기는 열전소자로 이루어짐이 바람직하며, 상기 열전달부재에 일정간격을 두고 다수개가 배열 설치되면 더욱 바람직하다.
또한, 상기 열전소자는 자체적으로 전류의 방향에 따라 냉각이 이루어지는 냉각면과 발열이 이루어지는 발열면을 구비하며 상기 열전달부재 외측면에 냉각면 또는 발열면 중 적어도 어느 한쪽면이 부착된 구조로 되어 있다.
또한, 상기 온도 제어 시스템은 하우징 내측에 단위 전지의 온도를 검출하기 위한 온도 센서가 더욱 설치되며, 상기 온도센서는 BMS와 연결되어 BMS에 측정된 신호를 인가하는 구조로 되어 있다.
여기서 상기 온도 제어 시스템은 주위 분위기를 온도 조절용 외기로 이용하는 공냉방식일 수 있다.
또한, 상기 온도 제어 시스템은 차량의 공조 시스템과 연결된 공조 시스템 이용방식일 수 있다.
상기한 구조로 되어 단위 전지의 온도에 따라 BMS가 열전소자를 발열상태 또는 흡열상태로 작동시키게 되면 하우징로 유통되는 공기로 단위 전지의 열을 방출하거나 공기의 열을 단위 전지로 전달하여 전지 모듈을 적정상태로 유지시킬 수 있 게 되는 것이다.
여기서 상기 BMS는 단위 전지에 설치된 온도 센서로부터 감지된 출력신호를 연산하는 연산부와, 상기 연산부로터 연산된 값과 저장되어 있는 기준값을 비교하여 단위 전지의 열적 상태를 검출하는 비교부, 상기 비교부의 신호에 따라 해당 열전소자에 전류 값을 인가하는 출력부를 포함한다.
상기 출력부는 열전소자 각각을 개별적으로 제어 작동시킴이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하 설명에서는 온도 제어 시스템이 전지 모듈 외부의 공기를 그대로 전지 모듈 온도 제어용 공기로 사용하는 공냉방식인 경우를 예로써 설명한다. 물론 본 발명은 상기 구조에 한정되지 않으며 공냉방식 이외에 차량의 공조시스템을 이용하는 방식의 경우에도 적용가능하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈 온도 제어 시스템의 구성을 도시한 개략적인 측 단면도이다.
먼저 대용량의 전지모듈(10)을 살펴보면, 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체를 구비하여 단위 전력을 생산하는 단위 전지(11)와, 상기 단위 전지(11)가 일정 간격을 두고 배열되어 장착되는 하우징(12)을 포함한다.
상기 하우징(12)은 일측면에 단위 전지(11)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어용 공기가 유입되는 유입구(13)가 형성되고 반대쪽 측면에는 단위 전지(11)를 거 친 공기가 배출되는 배출구(14)가 형성된 구조로 되어 있다.
여기서 상기 하우징(12)의 구조와 유입구(13) 및 배출구(14)의 위치 및 하우징(12) 내부에서의 단위 전지의 배열 구조에 대해서는 상기 구조를 만족하는 한 특별히 한정되지 않는다.
본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(12)의 상단에 유입구(13)와 배출구(14)가 형성된 구조에 대해 설명한다.
상기한 구조의 전지 모듈(10)에 있어서 본 실시예에 따른 온도 제어 시스템은, 상기 하우징(12) 내부에서 단위 전지(11)의 외측면에 밀착설치되고 하우징(12) 상부의 공기 유통로(15)로 연장되는 히트싱크(20)와, 상기 히트싱크(20)에 일 측면이 부착설치되어 상기 공기 유통로(15) 상에 위치하는 다수개의 열전소자(21), 상기 단위 전지(11) 일측에 설치되어 단위 전지(11)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(22), 상기 온도센서(22)에 연결되어 검출된 단위 전지(11)의 온도에 따라 상기 열전소자(21)로 출력신호를 인가하기 위한 BMS(30)를 포함한다.
그리고 상기 BMS(30)는 단위 전지에 설치된 온도 센서(22)로부터 감지된 출력신호를 연산하여 현재 단위 전지(11)의 온도를 확인하는 연산부(31)와, 상기 연산부(31)로터 확인된 단위 전지의 실제 온도 값과 데이터에 저장되어 있는 단위 전지의 기준 값을 비교하여 단위 전지의 실제 온도가 기준보다 높은지 또는 낮은지를 검출하는 비교부(32), 상기 비교부(32)의 신호에 따라 해당 열전소자(21)에 전류 값을 인가하여 단위 전지(11)의 온도를 제어하는 출력부(33)를 포함한다.
또한, 상기 비교부(32)는 자체 메모리에 단위 전지(11)의 가장 바람직한 작 동 온도범위에 대한 데이터가 내장되어 있어서, 이를 상기 연산부로부터 인가된 실제 단위 전지의 온도 값과 비교하게 된다.
상기 비교부(32)에 저장되는 단위 전지의 기준 온도 범위는 30 - 40℃임이 바람직하다.
또한, 상기 출력부(33)는 비교부(32)에서 출력된 신호에 따라 각 열전소자(21)에 개별적으로 전류값을 인가하게 되며, 이때 각 열전소자(21)로 인가되는 전류값에 따라 제어작동되는 열전소자의 개수와 동작내용이 달라져 단위 전지의 온도를 바람직한 작동범위 이내로 조절할 수 있게 된다.
즉, 상기 BMS(30)의 출력부(33)는 상기 비교부(32)에 저장된 기준 온도 값과 실제 단위 전지(11)의 온도의 차이에 따라 제어작동시킬 열전소자(21)의 개수를 설정하고, 설정된 열전소자(21)에 출력신호를 인가하여 열전소자가 발열작용 또는 흡열작용을 수행하도록 함으로써, 열전소자(21)는 유통로(15)를 지나는 공기로 열을 방열하거나 유통로(15)를 지나는 공기의 열을 흡수하여 단위 전지(11)로 보내게 되는 것이다.
여기서 상기 온도 센서(22)는 각 단위 전지(11)에 대해 하나씩 설치되고 각각 개별적으로 상기 BMS(30)의 연산부(31)와 연결되며, 설치 위치는 단위 전지(11)의 온도를 정확하게 검출할 수 있는 위치면 특별히 한정되지 않는다.
따라서 상기 BMS(30)는 각 단위 전지(11)의 온도를 개별적으로 실시간 확인할 수 있게 된다.
또한, 상기 열전소자(21)는 일정 간격을 두고 배치되며, 바람직하게는 상기 단위 전지의 개수와 대응되는 개수로 구비되어 상기 단위 전지(11)와 대응되는 위치에서 히트싱크(20) 일측에 설치된다.
또한, 상기 열전소자(21)는 이극형 반도체를 조합했을 때에 생기는 냉각효과를 이용한 소자로써, 즉, 이종 금속에서는 금속 내의 전자의 퍼텐셜에너지에 차가 있기 때문에 퍼텐셜에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자를 운반하는 데는 외부로부터 에너지를 얻어야 할 필요가 있으므로 접점에서 열에너지를 빼앗기고, 반대의 경우에는 열에너지가 방출되며, 이 원리에 따라 전류의 방향을 전환함으로써 방열과 흡열이 이루어지게 된다.
상기 열전소자(21)에 대해서는 당업자 수준에서 이미 많은 기술이 개시되어 있으므로 이하 설명을 생략한다.
이와같이 상기 열전소자(21)는 자체적으로 전류의 방향에 따라 일면에서 열이 방출되거나 흡수되며, 본 실시예에서는 상기 히트싱크(20) 외측면에 일면이 부착되어 히트싱크(20)로 전달된 열을 흡수하거나 히트싱크(20)로 열을 방열시키게 된다.
이하 상기 온도 제어 시스템의 작용에 대해 살펴보면, 송풍기 등을 통해 강제 공급된 공기는 하우징(12)의 유입구(13)를 통해 하우징(12) 내부로 유입되어 히트싱크(20)와 하우징(12)에 의해 만들어지는 유통로(15)를 따라 진행된 후 하우징(12)에 형성된 배출구(14)를 통해 외부로 빠져나가게 된다.
이 과정에서 단위 전지(11)에서 발생되는 열은 히트싱크(20)를 통해 전달되어 히트싱크(20)를 지나는 공기에 의해 냉각되게 된다.
또한, 단위 전지(11)에 설치된 온도센서(22)는 지속적으로 단위 전지(11)의 온도를 검출하게 되고 검출된 신호는 BMS(30)의 연산부(31)로 로 인가된다.
이에 상기 연산부(31)는 상기 온도센서(22)의 신호를 연산하여 단위 전지의 실제 온도 값을 계산하게 되고, 이 계산된 값은 상기 BMS(30)의 비교부로 보내지게 된다.
상기 비교부(32)는 연산부(31)로부터 인가된 각 단위 전지(11)의 실제 온도와 비교부에 미리 저장되어 있는 단위 전지의 바람직한 온도 기준 값을 비교하여 단위 전지의 실제 온도가 상기 기준 값보다 높은지 또는 낮은지에 대한 출력신호를 출력부(33)로 보내게 된다.
이에 상기 출력부(33)는 상기 비교부(32)의 신호에 따라 예컨대, 단위 전지의 실제 온도가 설정된 기준 온도보다 높은 경우에는 해당 열전소자(21)에 출력신호를 보내 열전소자(21)를 제어작동시키게 된다.
여기서 상기 해당 열전소자(21)는 단위 전지의 실제 온도와 기준 온도의 차이에 따라 작동되는 개수가 정해질 수 있으며, 각 단위 전지 중 특히 이상 온도를 나타내는 단위 전지(11)에 근접 위치하고 있는 열전소자(21)만을 제어작동시킬 수 있다.
또한, 상기 열전소자(21)는 일면이 유통로(15)의 공기와 접하고 반대쪽면은 히트싱크(20)에 접하고 있어서 상기와 같이 전원이 인가되면 열전소자(21) 자체의 발열작동에 의해 히트싱크(20)와 접한 면에서는 열을 흡수하고 유통로(15)와 접한 면으로는 열을 방출시키게 되어 히트싱크(20)로 흡수된 열을 신속하게 유통로(15) 를 지나는 공기 중으로 방열시키게 된다.
이에 따라 단위 전지(11)의 온도를 신속하게 낮출 수 있게 되는 것이다.
이와는 반대로 단위 전지(11)의 온도가 적정 온도 이하인 경우에는 BMS(30)의 출력부(33)는 상기 열전소자(21)에 반대의 전류를 인가하여 열전소자(21)를 흡열작동시키게 된다.
따라서 열전소자(21)는 유통로(15)를 지나는 공기 중의 열을 흡수하여 히트싱크(20)와 접한 면을 통해 방열시키게 되고, 이렇게 열전소자(21)로부터 방열된 열은 히트싱크(20)를 통해 단위 전지(11)로 전달되어 단위 전지(11)의 온도를 상승시키게 된다.
상기한 본 발명의 전지 모듈의 온도 제어 시스템은, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 열전소자의 온도 조절 방식을 통해 능동적으로 전지 모듈의 온도를 제어할 수 있게 되며, 온도 조절이 용이한 장점이 있다.
또한, 간단한 구조로 되어 공랭식이나 차량의 공조 시스템을 이용하는 방식 모두에 용이하게 적용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 일정간격으로 배열되는 다수개의 단위 전지와, 상기 단위 전지가 내장되고 온도 제어용 공기가 유통되는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서,
    상기 단위 전지를 감싸는 열전달부재와, 상기 열전달부재에 설치되고 상기 하우징의 공기 유통로 상에 위치하여 열을 전달하는 온도조절기, 상기 단위 전지의 온도를 검출하기 위한 온도센서, 상기 온도센서의 신호에 따라 상기 온도조절기를 제어작동하는 BMS(Battery Management System)를 포함하는 전지 모듈 온도 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 BMS는 단위 전지에 설치된 온도 센서로부터 감지된 출력신호를 연산하는 연산부와, 상기 연산부로터 연산된 값과 저장되어 있는 기준값을 비교하여 단위 전지의 열적 상태를 검출하는 비교부, 상기 비교부의 신호에 따라 해당 열전소자에 전류 값을 인가하는 출력부를 포함하는 전지 모듈 온도 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열전달부재는 히트 싱크로 이루어지는 전지 모듈 온도 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 단위 전지를 감싸는 구조로 된 전 지 모듈 온도 제어 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 온도조절기는 간격을 두고 배열되는 적어도 하나 이상의 열전소자로 이루어지는 전지 모듈 온도 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 열전소자는 각 단위 전지에 대응되는 위치에 설치되는 전지 모듈 온도 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 센서는 각 단위 전지에 개별적으로 설치되는 전지 모듈 온도 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 하우징 주위 분위기를 온도 조절용 외기로 이용하는 공냉방식인 전지 모듈 온도 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은 차량의 공조 시스템과 연결된 공조 시스템 이용방식인 전지 모듈 온도 제어 시스템.
KR1020040076440A 2004-09-23 2004-09-23 전지 모듈 온도 제어 시스템 KR20060027579A (ko)

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