KR20060036694A - 전지팩의 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 사용될 수 있는 전지팩의 냉각 시스템에 관한 것으로, 균일한 냉매 공급에 의해 전지로부터 발생한 열을 효과적으로 제거하고 그러한 냉각 과정에서 단위전지간의 온도차를 최소화하여 전지의 성능 저하를 억제함으로써 최적의 온도 제어가 가능하며, 전지팩의 일면에 냉매 유도 부재가 설치되므로 전지 시스템의 전체 크기를 최소화할 수 있다.

Description

전지팩의 냉각 시스템 {Cooling System For Battery Pack}
도 1은 종래기술의 전지팩 냉각 시스템을 일부 투시 상태로 보여주는 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 냉각 시스템의 모식도이다;
도 3은 본 발명에 따른 전지팩 냉각 시스템에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 냉매 유도 부재의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 냉각 시스템을 전지팩의 상부에 설치하는 구성의 분해 사시도이다;
도 5는 본 발명의 냉각 시스템을 전지팩의 하부에 설치하는 구성의 분해 사시도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지팩 냉각 시스템 200: 전지군
300: 전지팩 400: 단위전지
500, 700: 냉매 유도 부재 600: 케이스
본 발명은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 사용될 수 있는 전지팩의 냉각 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지팩의 온도를 제어하기 위한 냉각 시스템에서 냉매의 유입부와 배출부가 동일한 면에 위치되어 있고 냉매의 유로가 각각의 전지군에 대해 분별되어 있어서, 단위전지들을 통과하는 냉매의 유량을 일정하게 함으로써 단위전지의 온도 편차를 최소화하고 전지 시스템의 크기를 최소화할 수 있는 전지팩 냉각 시스템의 구성을 제공한다.
가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중의 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 있다. 따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지 등의 사용도 시도되고 있다.
이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지군을 형성하고 이러한 전지군을 다수 병렬 또는 직렬로 연결하여 하나의 전지팩으로 형성하여 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다는 문제점을 가지고 있다. 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효율적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 전지팩에는 냉각 시스템이 필요하다.
전지팩의 냉각을 위한 시스템의 예로서 미국특허 제5,589,290호, 한국 특허출원공개 제2004-45937호 등의 선행기술을 참조할 수 있다. 이들 선행기술들에 사용되고 있는 전지팩 냉각 시스템의 원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1의 전지팩 냉각 시스템(10)은, 다수의 전지들로 구성된 전지팩(20), 전지팩(20)의 하단면에 설치된 냉매 유입부(30), 및 전지팩(20)의 상단면에 설치된 냉매 배출부(40)로 구성되어 있다. 전지팩(20)은 전기적으로 연결되어 있는 다수의 전지군(50)으로 이루어져 있고, 각각의 전지군(50)은 전기적으로 연결되어 있는 다수의 단위전지들(60)로 이루어져 있다. 각 전지군(50)의 단위전지들(60) 사이에는 냉매가 이동할 수 있을 수는 작은 틈이 형성되어 있어서, 유입부(30)로부터 들어온 냉매가 상기 틈을 통해 이동하면서 단위전지(60)에서 발생한 열을 제거한 후 전지팩(20) 상부의 배출부(40)를 통해 배출되게 된다.
그러나, 도 1과 같은 구조의 전지팩 냉각 시스템(10)은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 유입부(30)로부터 유입된 냉매가 각각의 전지군(50)에 균일하게 공급되기 어렵고 따라서 단위전지들(60)간의 온도차가 현격히 커질 수 있다. 최근의 연구 결과에 따르면, 단위전지(60)간의 현격한 온도차는 전지팩(20) 전체의 성능을 크게 저하시키는 주요 원인들 중의 하나인 것으로 확인되었다.
둘째, 냉매 유입부(30)와 배출부(40)가 전지팩(20)의 상부와 하부에 각각 설치되므로 그러한 냉매 유도 부재의 설치를 위한 공간이 전지팩(20)의 상부와 하부에 각각 요구되며, 이는 전지 시스템 전체의 크기를 더욱 크게 만들므로 바람직하지 못하다.
따라서, 현재의 전지팩 냉각 시스템은 단위전지들에 대한 최적의 온도 제어를 달성할 수 없을 뿐만 아니라 전지 시스템의 크기를 크게 만드는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 첫번째 목적은 균일한 냉매 공급에 의해 전지로부터 발생한 열을 효과적으로 제거하고 그러한 냉각 과정에서 단위전지간의 온도차를 최소화하여 전지의 성능 저하를 억제함으로써 최적의 온도 제어가 가능한 전지팩 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 전지 시스템의 전체 크기를 최소화하면서 소망하는 냉각을 수행할 수 있는 전지팩 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩 냉각 시스템은, 냉매의 유입부와 배출부가 전지팩의 동일한 면에 위치하고, 상기 유입부와 배출부 간의 냉매 유로는 유입부를 통해 유입된 냉매가 각각 특정한 전지군을 냉각시킨 후 배출부를 통해 배출될 수 있도록 냉매의 유로가 분할되어 있는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 전지팩은 앞서 설명한 바와 같이 다수의 전지군들이 전기적으로 연결되어 있는 구조를 가지고 있고, 상기 전지군은 다수의 소형 전지(단위전지)들이 전기적으로 연결되어 있는 구조를 가지고 있다. 상기 전기적 연결은 소망하는 출력과 용량, 바람직하게는 고출력과 대용량의 전지를 제공할 수 있도록 해당 전지군들 및 단위전지들이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 것을 의미한다. 상기 단위전지는 충방전이 가능한 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 양극, 음극, 분리막 및 전해액이 충방전이 가능한 구조로 밀폐된 용기에 내장되어 있는 이차전지이다. 본 발명에서의 바람직한 단위전지로는 리튬이온 이차전지, 리튬이온 폴리머 이차전지, 니켈 금속수소 전지 등을 들 수 있다.
단위전지들에는 이들이 상호 접한 부위에 냉매의 이동이 가능한 작은 틈이 형성되어 있다. 경우에 따라서는, 냉매의 효율적인 이동을 위하여 단위전지들을 특정한 간격 또는 배열로서 구성할 수도 있다. 냉매는 이러한 틈을 통해 이동하면서 단위전지들에서 발생한 열을 제거하게 된다.
본 발명에서의 냉매는 단위전지의 냉각을 수행할 수 있는 유체라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 공기, 물 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 공 기가 특히 바람직하다. 냉매는 예를 들어 팬과 같은 별도의 장치에서 공급되어 본 발명에 따른 냉각 시스템의 유입부로 유입된다.
본 발명의 전지팩 냉각 시스템에서는 전지팩의 한쪽 면에 냉매의 유입부와 배출부가 함께 형성되어 있으므로 전지 시스템의 전체 크기를 최소화할 수 있다. 또한, 전지군 별로 냉각이 수행될 수 있도록, 하나의 전지군에 특정된 냉매 유로(flow channel)가 구비되어 있어서 유로의 냉매 유량을 균일하게 만들고, 그로 인해 냉각시 단위전지간의 온도차를 최소화할 수 있다.
각 전지군에 냉매의 유로가 할당되도록 구성하는 방법은 다양할 수 있는데, 하나의 바람직한 예에서, 냉매가 전지군 별로 유입되어 냉각순환 후 배출될 수 있도록, 유입부에는 각 전지군을 인접한 전지군들로부터 격리시키기 위한 격벽이 형성되어 있다. 바람직하게는 그러한 격벽이 배출부에도 형성되어 있다. 하나의 예시적 구성에서, 전극간의 유로를 특정하기 위한 상기 격벽은 유입부의 입구 또는 그것의 인근까지 연장되어 있고, 배출구의 출구 또는 그것의 인근까지 연장되어 있다.
유입부와 배출부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 냉매 유도 부재는 전지팩의 상부, 하부 또는 한쪽 측부에 형성되어 있을 수 있다. 경우에 따라서는 상기 냉매 유도 부재가 전지팩의 중앙에 위치하고 그것의 상부와 하부에 각각 전지군을 배열한 구조도 가능하다. 바람직하게는, 상기 냉매 유도 부재가 전지팩의 상부 또는 하부에 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
하나의 바람직한 예에서, 유입부와 배출부는 전지팩의 상부에 형성되어 있 고, 냉매의 유로는 유입구로부터 유입된 냉매가 전지팩의 한쪽 측면쪽으로 이동한 후 전지팩의 측벽(a)을 따라 하향 이동하고, 단위전지들 간의 틈을 통해 대향 측면쪽으로 이동한 뒤, 측벽(b)를 따라 상향 이동하여 배출구를 통해 배출되는 경로를 거치도록 구성되어 있다.
본 발명에 따른 전지팩 냉각 시스템은, 바람직하게는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차, 특히 바람직하게는 하이브리드 전기자동차의 동력원인 전지 시스템에 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩 냉각 시스템을 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 냉각 시스템의 구조가 부분 투시도로서 모식적으로 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 전지팩 냉각 시스템(100)은, 다수의 전지군들(200, 210, 220, 230)이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩(300)과, 그러한 전지팩(300)의 상단면에 설치되어 있는 냉매 유도 부재(500)로 구성되어 있다. 각 전지군(200, 210, 220, 230)은 다수의 단위전지(400)들이 전기적으로 연결되어 있다.
냉매 유도 부재(500)는 냉매 유입부(510)와 배출부(520) 모두 전지팩(300)의 상부에 형성되어 있다. 유입부(510)는 별도의 냉매 공급장치(도시하지 않음)로부터 공급된 냉매가 밀폐된 시스템 내로 도입되기 위한 입구(512)와, 각 전지군(200, 210, 220, 230)으로 향하는 유로를 분할하기 위한 격벽(514)을 포함하고 있다. 배출부(520)는 각 전지군(200, 210, 220, 230) 별로 통과한 냉매(상대적으로 높은 온도의 냉매)가 이동하기 위한 격벽(524)과 그러한 냉매가 시스템(100)의 외부로 배출되는 출구(522)를 포함하고 있다.
시스템(100)의 외면은, 입구(512)와 출구(522)를 제외하고, 냉매가 분산되지 않고 유로를 통해서만 이동할 수 있도록 케이스(600)로 밀봉되어 있다.
입구(512)를 통과하여 유입된 냉매는 격벽(514)에 의해 각각의 유로로 진행 경로가 특정되므로 유로별로 유량은 일정하다. 따라서, 제 1 전지군(200)으로 향하는 유로(FC1)의 냉매 유량은, 제 2 전지군(210)으로 향하는 유로의 냉매 유량(FC2), 제 3 전지군(220)으로 향하는 유로의 냉매 유량(FC3), 제 3 전지군(230)으로 향하는 유로의 냉매 유량(FC3) 등과 모두 동일하다. 유입부(510)의 격벽(514)은 제 1 측벽(110)을 따라 하단면까지 하향 연장되어 있다. 따라서, 입구(512)를 통해 유입된 냉매는 제 1 측벽(110)을 따라 단위전지들(400) 사이의 틈을 통해 반대쪽 제 2 측벽(120)쪽으로 이동한다. 각 전지군(200, 210, 220, 230)은 서로 격리되어 있으므로, 냉매가 제 1 측벽(110)으로부터 제 2 측벽(120)으로 이동하는 과정에서 특정 전지군(e.g., 200)의 냉매가 다른 전지군(e.g., 210)을 통과하지는 못한다. 이러한 과정을 통해, 단위전지들(400)에서 발생한 열은 냉매로 전달된다.
제 2 측벽(120)으로 이동한 냉매는 격벽(524)에 의해 분할된 경로(유로)를 따라 배출부(520) 쪽으로 상향 이동되어 출구(522)를 거쳐 배출된다. 냉매가 제 2 측벽(120)을 따라 일단 상승하게 되면, 단위전지들(400)을 통과하는 유량에는 변화가 없으므로, 격벽(524)은 배출부(520)의 제 2 측벽(120)에만 형성되어 있는 구조도 가능하다.
도 3에는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 냉매 유도 부재의 구조가 도시되어 있다.
도 3의 냉매 유도 부재(700)는 그것의 유입부(710)와 배출부(720)의 냉매 유로가 도 2의 냉매 유로와 전반적으로 동일하지만, 격벽(714, 724)의 형상에서 차이가 있다. 즉, 유입부(710)의 격벽(714)은 입구(도시하지 않음)까지 연장되어 있고 제 1 측벽(110)을 향해 완만히 기울어져 있으며, 배출부(720)의 격벽(724) 역시 출구(도시하지 않음)까지 연장되어 있고 제 2 측벽(120)을 향해 완만히 기울어져 있다.
따라서, 본 발명의 원리를 실현할 수 있다는 다양한 구조의 냉매 유도 부재가 가능할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
도 4 및 5에는 냉매 유도 부재를 전지팩의 상부와 하부에 각각 설치하여 전지 시스템을 구성하는 예시적인 도면이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 각각의 전지군(200, 210, 220, 230)을 격리시키는 분리부재(800)가 전지팩(300)의 측면쪽으로 돌출되어 있고 이것이 케이스 덮개(610)와 밀착되므로, 도 4의 시스템에서는 격벽(714, 724)이 전지팩(300)의 측면까지 연장되어 있지는 않다.
도 5를 참조하면, 냉매 유도 부재(700)가 전지팩(300)의 하부에 설치되므로 냉매의 유로는 도 2에서와 반대로 진행된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 전지팩 냉각 시스템은 균일한 냉매 공급에 의해 전지로부터 발생한 열을 효과적으로 제거하고 그러한 냉각 과정에서 단위전지간의 온도차를 최소화하여 전지의 성능 저하를 억제함으로써 최적의 온도 제어가 가능하며, 전지팩의 일면에 냉매 유도 부재가 설치되므로 전지 시스템의 전체 크기를 최소화할 수 있다.

Claims (9)

  1. 냉매의 유입부와 배출부가 전지팩의 동일한 면에 위치하고, 상기 유입부와 배출부 간의 냉매 유로는 유입부를 통해 유입된 냉매가 각각 특정한 전지군을 냉각시킨 후 배출부를 통해 배출될 수 있도록 냉매의 유로가 분할되어 있는 것을 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지팩 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전지는 리튬이온 이차전지, 리튬이온 폴리머 이차전지 또는 니켈 금속수소 전지인 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 공기인 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 냉매가 전지군 별로 유입되어 냉각순환 후 배출될 수 있도록, 상기 유입부에는 각 전지군을 인접한 전지군들로부터 격리시키기 위한 격벽이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 격벽은 배출부에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유입부와 배출부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 냉매 유도 부재는 전지팩의 상부 또는 하부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 냉매 유도 부재는 전지팩의 상부에 형성되어 있고, 냉매의 유로는 유입구로부터 유입된 냉매가 전지팩의 한쪽 측면쪽으로 이동한 후 전지팩의 측벽(a)을 따라 하향 이동하고, 단위전지들 간의 틈을 통해 대향 측면쪽으로 이동한 뒤, 측벽(b)를 따라 상향 이동하여 배출구를 통해 배출되는 경로를 거치도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원인 전지 시스템에 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 하이브리드 전기자동차의 동력원인 전지 시스템에 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩 냉각 시스템.
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