KR20100041727A - 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실생활에서 많이 사용되고 있는 배터리가 충전과 방전을 잘 하도록 배터리의 온도를 최적으로 유지하기 위하여 냉방 뿐 만아니라 난방까지 겸하는 장치를 설치하고 온도센서에 의한 온도를 감시하면서 배터리의 온도를 운전에 최적으로 유지될 수 있도록 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치에 관한 것이다.
노트북, 로봇, 무정전전원장치, 자전거, 오토바이, 자동차, 태양광발전기, 풍력발전기 등 실생활에서 배터리가 많이 사용된다. 납배터리, 니켈배터리가 지금까지 사용되다가 최근에 리튬이온 배터리와 리튬폴리머배터리 등이 이를 대체하고 있다. 배터리는 화학적 반응에 의해 전기를 저장하는 장치이므로 충전이나 방전시 화학반응을 일으키므로 온도에 따라 화학반응이 달라져서 온도에 매우 민감한 설비이다.
본 발명에서는 배터리(111)가 최적온도에서 충전과 방전을 할 수 있도록 하기 위하여 다수의 배터리셀/팩(71)으로 구성된 배터리(111)를 냉매(112)가 채워진 배터리수용냉매재킷(11) 내부에 넣고 배터리수용냉매재킷(11) 상부에 응축기(12)를 설치하고 상호간에 배관으로 연결하여 배터리(111)의 온도가 적정온도 이상으로 올라갈 경우 배터리(111)외 직접 접하고 있는 냉매(112)가 기화하여 자연적으로 냉매(112)가 순환하면서 배터리(111)를 냉각하도록 하였으며 온도가 적정온도보다 내려가면 배터리수용냉매재킷(11) 내부에 설치한 가열장치(116)에서 열을 발생시켜 냉매를 끓임으로써 냉매의 순환에 의해 열이 배터리에 공급되어 배터리가 제 성능을 발휘할 수 있도록 하였다. 따라서 배터리가 적정온도에서 관리되도록 하여 배터리의 안정성과 운전효율을 획기적으로 높이도록 하였다.

Description

배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 {The cooling and heating system for battery to control temperature}
배터리 냉난방분야
실생활에서는 많은 배터리가 사용된다. 납배터리, 수은배터리, 니켈배터리가 지금까지 많이 사용되다가 최근에 리튬이온 배터리와 리튬폴리머배터리 등이 이를 대체하고 있다. 특히 리튬폴리머배터리는 안정성이 특히 우수하고 무게가 가벼워 향후 전기자동차 및 각종 기기에 사용될 가능성이 높다. 배터리는 화학적 반응에 의해 전기를 저장하는 장치이므로 충전이나 방전시 화학반응을 일으키므로 온도에 매우 민감한 설비이다. 온도가 너무 낮으면 화학반응이 느리게 일어나서 배터리의 성능이 감소하고 온도가 너무 높으면 화학반응이 지나치게 높아서 배터리의 안정성에 문제를 유발시킬 수 있다. 등록번호 10-0792915[하이브리드 전기차량용 고전압 배터리 냉각 장치 및 방법], 등록번호 10-0793495[하이브리드 전기자동차용 배터리 냉각장치 및 냉각방법] 등 공기에 의한 냉각방법이 제시되었으며, 등록번호 10-0774762[하이브리드 전기자동차의 배터리 히팅 제어시스템 및 제어방법]에서는 공랭식으로 배터리 냉난방에 관한 방법을 제시하고 있다.
본 발명에서는 배터리가 최적온도에서 충전과 방전을 할 수 있도록 배터리에 냉각기능을 기본으로 하고 난방 기능을 추가하도록 한다. 또한 배터리를 냉매공간에 넣어서 관리함으로써 배터리 온도가 규정된 값을 넘어서면 배터리와 직접 접하고 있는 냉매가 끓어 기화열로 배터리를 자동적으로 냉각시킬 수 있는 방법을 강구한다.
배터리수용냉매재킷(11) 내부에 배터리(111), 냉매(112), 가열장치(116)를 넣고 배터리(111)의 최적운전온도를 유지하기 위하여 온도가 이보다 높을 경우 냉매의 기화열로 냉각을 하고 온도가 이보다 낮을 경우 가열장치로 냉매를 가열하여 배터리의 온도를 높이도록 한다. 배터리수용냉매재킷(11) 상부에는 기화한 냉매를 응축시키기 위하여 냉매순환회로가 설치된 응축기(12)를 설치하고 배터리수용냉매재킷(11)과 응축기(12)를 배관으로 폐순환회로가 형성되도록 연결하여 냉매가 가연순환 가능하도록 한다.
실생활에서는 많은 배터리가 사용된다. 배터리는 화학적 반응에 의해 전기를 저장하는 장치이므로 충전이나 방전시 화학반응을 일으키므로 온도에 매우 민감한 설비이다. 온도가 너무 낮으면 화학반응이 느리게 일어나서 배터리의 성능이 감소하고 온도가 너무 높으면 화학반응이 지나치게 높아서 배터리의 안정성에 문제를 유발시킬 수 있다. 따라서 배터리는 냉각 뿐 만 아니라 난방을 겸하여 배터리 관리의 최적온도(Toptimal)를 유지하도록 하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 밀폐된 배터리수용냉매재킷(11) 내부에 다수의 배터리셀/팩(71)로 구성된 배터리(111)와 냉매(112)를 함께 수용하고 배터리(111)에서 발생하는 열에 의해 냉매(112)가 기화하면서 기화열로 냉각되도록 하였으며 기화한 냉매(112)는 배터리수용냉매재킷(11)과 배관으로 냉매순환 폐회로를 형성하고 있는 응축기(12)에서 응축시키도록 하여 액화된 냉매(112)를 중력에 의해 다시 배터리수용냉매재킷(11)으로 유입되도록 하는 자연순환방식을 택함으로 냉매순환에 최소의 에너지를 사용하도록 하였으며 적정한 기화온도의 냉매(112)를 선택함으로써 제어의 필요성을 최소화시켰다. 그리고 배터리수용냉매재킷(11)은 밀폐구조이므로 습기에 의한 배터리(111) 손상을 미연에 방지하였다. 그리고 온도가 낮은 경우 배터리(111) 성능을 높여주도록 배터리수용냉매재킷(11) 내부에 가열장치(116)를 추가하여 최적의 배터리 성능을 유지할 수 있도록 하였다.
도 1은 본 발명이 적용될 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 설명도이다.
도 2는 열교환기형응축기가 설치된 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 설명도이다.
도 3은 2가지 응축기가 설치된 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 설명도이다.
도 4는 배터리 온도특성곡선 설명도이다.
도 5는 배터리수용냉매재킷 사례 내부 설명도이다.
도 6은 가열장치가 추가된 배터리수용냉매재킷 사례 내부 설명도이다.
도 7은 배터리셀/팩이 추가된 배터리수용냉매재킷 사례 내부 설명도이다.
도 1은 본 발명이 적용될 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 설명도이다. 배터리는 적정온도에서 최대로 충전과 방전을 하는 설비이므로 온도조절이 매우 중요하다. 다수의 배터리셀/팩(71)을 직렬 또는 병렬로 연결시킨 배터리(111)와 냉매(112)를 수용하는 단일공간을 가지는 밀폐된 구조이면서 하부 일측에 액체냉매유입구(18)가 설치되고 상부 일측에는 기체냉매유출구(19)가 설치되도록 배터리수용냉매재킷(11)을 형성시킨다. 냉매(112)는 배터리(111)로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있으며 배터리수용냉매재킷(11)을 채운다. 배터리수용냉매재킷(11) 외부면 일측에 단자대(113)를 설치하고 배터리(111)에서 인출한 양극인출선(114) 및 음극인출선(115)을 배터리수용냉매재킷(11) 내부에서 외부로 기밀을 유지하면서 인출되도록 하여 외부면에 설치된 단자대(113)에 연결한다. 배터리수용냉매재킷(11) 상부에 냉매 순환통로를 가지는 응축기(12)를 설치하는데 응축기(12)에는 바람을 제공하도록 냉각팬(미도시)을 설치할 수도 있다. 배터리수용냉매재킷(11) 상부 기체냉매유출구(19)와 응축기(12) 상부 인출배관을 기체배관(13)으로 상호 관통되도록 연결하고 배터리수용냉매재킷(11) 하부 액체냉매유입구(18)와 응축기(12) 하부 인출배관을 액체배관(14)으로 상호 관통되도록 연결한다. 배터리수용냉매재킷(11) 내부에 수용한 배터리(111)로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있는 냉매(112)를 배터리수용냉매재킷(11)내부에 채우고 냉매(112)를 가열하여 공기를 배출시킴으로써 응축기(12)는 진공이 되도록 한다. 기체배관(13) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 밸브가 달린 기체유출구(16)를 설치할 수 있으며 액체배관(14) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 밸브가 달린 액체유출구(15)를 설치할 수 있다. 기체유출구(16)에는 일정압력 이상에서 방압하는 기능을 부가할 수 있다. 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(13) 관로상과 액체배관(14) 관로 상에 온도제어장치가 겸비된 냉각조절밸브(17)를 각각 설치할 수 있다. 온도가 낮을 경우 배터리(111)의 온도를 높이기 위하여 가열할 필요가 있으므로 배터리수용냉매재킷(11) 내부 일측에 가열장치(116)를 추가로 설치하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 가열장치(116)는 전기가열식 가열장치나 온풍순환식 가열장치 중의 하나를 택할 수 있는데 가열장치(116)는 냉매(112)를 끓임으로써 배터리(111)를 간접적으로 가열시킨다. 온풍순환식 가열장치의 경우 외부에서 만들어진 온풍을 활용하는 것으로 예를 들면 전기자동차의 경우 자동차 실내의 바람을 온풍순환식 가열장치에 통과하도록 하여 가열시킬 수 있다. 냉매(112)는 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 중의 하나를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 특히 리튬폴리머배터리의 최적온도가 약25℃임을 감안할 때 냉매 HFC-245fa, HFC-245cb, HFC-245ca, HCFC141-b는 비등점이 15℃, 17℃, 26℃, 32℃이므로 배터리 포장의 열전달경사를 감안하면 최적의 냉매일 수가 있다. 액체유출구(15), 기체유출구(16), 냉각조절밸브(17)를 모두 설치하지 않고 냉각장치를 단순화시키는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 노트북, 로봇, 무정전전원장치, 자전거, 오토바이, 자동차, 태양광발전기, 풍력발전기 중의 하나에 사용되는 배터리(111)에 본 발명을 적용하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 배터리수용냉매재킷(11)은 밀폐구조이므로 습기의 침입을 걱정하지 않아도 된다. 배터리수용냉매재킷(11)은 단열성이 뛰어난 재질을 사용하여 외부온도에 따라 배터리의 온도가 수시로 변하지 않도록 할 수도 있다. 배터리수용냉매재킷(11)은 온도에 따라 냉매공간이 변하면서 필요한 냉매 량을 최소화시키기 위해 변형가능한(flexible) 재질인 합성수지, 알루미늄파우치중의 하나로 만들 수도 있고 형태는 벨로우즈 형태로 만들 수 있다. 온도가 내려가면 배터리수용냉매재킷(11) 내부의 압력이 내려가면 배터리수용냉매재킷(11) 공간이 축소되어 냉매 수용공간이 줄어들 수 있다. 냉매 수용공간이 줄면 냉매가 적게 소요되고 이는 무게를 가볍게 할 뿐 만아니라 냉매의 열에 의한 관성이 적어서 냉매의 동작을 빠르게 할 수 있다. 작동원리는 다음과 같다. 배터리(111)에서 열이 발생하면 배터리수용냉매재킷(11)에 채워진 냉매(112)는 배터리(111)로부터 열을 전달받아 기화를 하면서 증발잠열로 배터리(111)를 냉각시킨다. 배터리수용냉매재킷(11)에서 기화된 기체냉매는 기체배관(13)을 통하여 응축기(12)에 유입되어 열을 버리고 액화되고 액체로 변한 냉매(112)는 중력에 의해 액체배관(14)을 통해 다시 배터리수용냉매재킷(11) 하부로 유입되면서 냉각의 한 주기를 마친다. 배터리의 폐열과 중력에 의하여 냉매의 순환이 이루어지므로 자연순환방식이다. 냉매의 순환속도가 배터리의 열의 과다에 의해 결정되므로 매우 효율적인 냉각시스템이다.
도 2는 열교환기형응축기가 설치된 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 설명도이다. 도2는 도1에서 응축기(12)로 열교환기형응축기(21)를 설치한 것이 특징이다. 열교환기형응축기(21)는 상호 열교환하도록 형성된 별도의 1차냉각공간과 2차냉각공간을 갖추고 있다. 열교환기형응축기(21) 1차냉각공간에는 배터리수용냉매재킷(11)으로부터 기화한 냉매가 순환하며 열교환기형응축기(21) 2차냉각공간에는 냉열원(22)으로부터 냉열을 공급하는 냉각유체(미도시)가 순환하도록 한다. 열교환기형응축기(21)의 2차냉각공간과 냉열원(22)은 상부측은 상부배관(23)과 하부측은 하부배관(24)으로 관통하도록 연결하여 냉열원(22)에서 만들어진 냉각유체(미도시)가 열교환기형응축기(21)의 2차냉각공간으로 순환할 수 있도록 폐회로를 형성한다. 냉열원(22)과 열교환기형응축기(21)의 2차냉각공간을 연결하는 폐회로는 냉동회로, 냉수회로, 냉기회로 중 하나로 한다. 작동원리는 다음과 같다. 배터리수용냉매재킷(11)에서 기화한 냉매(112)가 열교환기형응축기(21) 1차냉각공간에 유입되고 냉열원(22)에서 냉각된 냉각유체(미도시)가 열교환기형응축기(21)의 2차냉각공간에 유입되면 열교환기형응축기(21) 1차냉각공간의 기화한 냉매(112)를 냉각시켜 응축시킴으로써 진공상태를 유지하여 배터리수용냉매재킷(11)에서 계속 냉매(112)가 기화하도록 하여 이 기화열로 배터리수용냉매재킷(11) 내부의 배터리(111)를 냉각시키도록 한다. 냉열원(22)의 온도를 낮추면 강력하게 냉각을 시킬 수 있다.
도 3은 2가지 응축기가 설치된 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치 설명도이다. 도1과 도2에서 설명한 냉각장치 2개를 동시에 적용시킨 사례를 보여준다. 배터리수용냉매재킷(11) 하나에 기체배관(13), 응축기(12), 액체배관(14) 다시 배터리수용냉매재킷(11)으로 폐회로를 형성하는 냉매순환회로를 2개 설치하고 그 중 하나의 냉매순환회로에는 응축기(12) 대신 열교환기형응축기(21)를 설치하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 약한 냉각성능이 필요한 경우 응축기(12)가 설치된 냉각장치만으로 냉각을 하고 더 강한 냉각성능이 요구될 경우 열교환기형응축기(21)가 설치된 냉각장치를 추가로 가동하면서 냉열원(22)의 온도를 낮추면 냉각성능은 매우 좋아진다.
도 4는 배터리 온도특성곡선 설명도이다. 배터리는 화학적 반응에 의해 전기를 저장하는 장치이므로 충전이나 방전시 화학반응을 일으키므로 온도에 매우 민감한 설비이다. 온도가 너무 낮으면 화학반응이 느리게 일어나서 배터리의 성능이 감소하고 온도가 너무 높으면 화학반응이 지나치게 높아서 배터리의 안정성에 문제를 유발시킬 수 있다. 도4에서 보듯이 최적온도(Toptimal)에서 배터리의 최대출력(Pmax)이 발생함을 알 수 있듯이 배터리 관리에는 냉각 뿐 만아니라 최적온도를 유지하기 위한 난방도 필요한 요소 중의 하나이다.
도 5는 배터리수용냉매재킷 사례 내부 설명도이다. 배터리수용냉매재킷(11)의 한 가지 사례로서 다수의 배터리셀/팩(71)을 직렬 또는 병렬로 연결시킨 배터리(111)와 냉매(112)를 수용하는 공간을 가진 하부통(50)과 이 하부통(50)의 상부를 막는 뚜껑(51)으로 밀폐공간을 만들고 이들을 다수의 체결구(57)로 체결시킨다. 필요에 따라 경계면에 개스킷(미도시)을 설치할 수도 있다. 그 내부 공간에는 배터리설치대(52)가 설치할 수 있다. 배터리설치대(52)는 다수의 세로지지대(53), 다수의 가로지지대(54), 다수의 다리(55), 배터리설치판(56)으로 구성된다. 그리고 배터리설치대(52)는 배터리수용냉매재킷(11) 내부에 움직이지 않도록 고정되며 냉매(112)의 순환에 장애를 주지 않도록 한다.
도 6은 가열장치가 추가된 배터리수용냉매재킷 사례 내부 설명도이다. 도5에서 배터리수용냉매재킷(11) 내부 일측에 가열장치(116)를 추가한 것이 다르다. 도4에서 살펴보았듯이 배터리(111)는 관리에 있어서 최적온도(Toptimal)가 존재하므로 온도가 내려갈 경우 배터리(111)가 최고의 성능을 내지 못하므로 가열을 하여 배터리(111) 온도를 높일 필요가 있다. 배터리(111)와 가열장치(116)가 모두 절연성이 좋은 냉매(112) 속에 존재하므로 전기적 손상을 시키지 않고 액체냉매가 직접 배터리(111)와 가열장치(116)에 접하므로 냉각성능은 최대로 발휘할 수 있다.
도 7은 배터리셀/팩이 추가된 배터리수용냉매재킷 사례 내부 설명도이다. 높은 전압 또는 큰 에너지를 사용하기 위하여 배터리(111)는 다수의 배터리셀이나 다수의 배터리팩을 직렬 또는 병렬로 연결시켜 만든다.
11 : 배터리수용냉매재킷 12 : 응축기
13 : 기체배관 14 : 액체배관
15 : 액체유출구 16 : 기체유출구
17 : 냉각조절밸브 18 : 액체냉매유입구
19 : 기체냉매유출구 21 : 열교환기형응축기
22 : 냉열원 23 : 상부배관
24 : 하부배관 50 : 하부통
51 : 뚜껑 52 : 배터리설치대
53 : 세로지지대 54 : 가로지지대
55 : 다리 56 : 배터리설치판
57 : 체결구 71 : 배터리셀/팩
111 : 배터리 112 : 냉매
113 : 단자대 114 : 양극인출선
115 : 음극인출선 116 : 가열장치

Claims (11)

  1. 다수의 배터리셀/팩(71)을 직렬 또는 병렬로 연결시킨 배터리(111)와; 배터리(111)와 냉매(112)를 수용하는 단일공간을 가지는 밀폐된 구조이면서 하부 일측에 액체냉매유입구(18)가 설치되고 상부 일측에는 기체냉매유출구(19)가 설치되는 배터리수용냉매재킷(11)과; 배터리(111)로부터 받는 폐열에 의해 끓을 수 있으며 배터리수용냉매재킷(11)을 채우는 냉매(112)와; 배터리수용냉매재킷(11) 외부면 일측에 설치되는 단자대(113)와; 배터리수용냉매재킷(11) 내부에서 외부로 기밀을 유지하면서 인출되도록 하여 외부면에 설치된 단자대(113)에 연결하는 배터리(111)에서 인출한 양극인출선(114) 및 음극인출선(115)과; 배터리수용냉매재킷(11) 상부에 설치되는 냉매 순환통로를 가지는 응축기(12)와; 배터리수용냉매재킷(11) 상부 기체냉매유출구(19)와 응축기(12) 상부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 기체배관(13)과; 배터리수용냉매재킷(11) 하부 액체냉매유입구(18)와 응축기(12) 하부 인출배관을 상호 관통되도록 연결하는 액체배관(14)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  2. 제1항에 있어서, 기체배관(13) 상부 관로 일측에 내부 공기를 배출하기 위하여 설치되는 밸브가 달린 기체유출구(16)와; 액체배관(14) 하부 관로 일측에 냉각시스템 내부의 액체 냉매를 유출시킬 수 있도록 설치되는 밸브가 달린 액체유출구(15)와; 냉각성능을 조절하는 역할을 하도록 기체배관(13) 관로상과 액체배관(14) 관로 상에 설치되는 온도제어장치가 겸비된 냉각조절밸브(17)로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  3. 제1항에 있어서, 배터리수용냉매재킷(11) 내부 일측에 가열장치(116)를 추가로 설치하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  4. 제3항에 있어서, 가열장치(116)가 전기가열식 가열장치나 온풍순환식 가열장치 중의 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  5. 제1항에 있어서, 냉매(112)가 프레온냉매, 자연냉매, 액화가스 중의 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  6. 제1항에 있어서, 배터리(111)가 노트북, 로봇, 무정전전원장치, 자전거, 오토바이, 자동차, 태양광발전기, 풍력발전기 중의 하나에 사용되는 배터리인 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  7. 제1항에 있어서, 배터리수용냉매재킷(11)이 단열성이 뛰어난 재질을 사용하거나 변형 가능한 재질인 합성수지, 알루미늄파우치중의 하나로 만들거나 벨로우즈 형태로 만드는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  8. 제1항에 있어서, 응축기(12)가 상호 열교환하도록 형성된 별도의 1차냉각공간과 2차냉각공간을 갖춘 열교환기형응축기(21)이고 열교환기형응축기(21)의 2차냉각공간과 냉열원(22)은 상부측은 상부배관(23)과 하부측은 하부배관(24)으로 관통하도록 연결하여 냉열원(22)에서 만들어진 냉각유체(미도시)가 열교환기형응축기(21)의 2차냉각공간으로 순환할 수 있도록 폐회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  9. 제8항에 있어서, 냉열원(22)과 열교환기형응축기(21)의 2차냉각공간을 연결하는 폐회로가 냉동회로, 냉수회로, 냉기회로 중 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  10. 제1항에 있어서, 배터리수용냉매재킷(11) 하나에 기체배관(13), 응축기(12), 액체배관(14) 다시 배터리수용냉매재킷(11)으로 폐회로를 형성하는 냉매순환회로를 2개 설치하고 그 중 하나의 냉매순환회로에는 응축기(12) 대신 열교환기형응축기(21)를 설치하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
  11. 제1항에 있어서, 배터리수용냉매재킷(11)이 배터리(111)와 냉매(112)를 수용하는 공간을 가진 하부통(50)과 이 하부통(50)의 상부를 막는 뚜껑(51)으로 밀폐공간을 만들고 이들을 다수의 체결구(57)로 체결하고 그 내부 공간에 다수의 세로지지대(53), 다수의 가로지지대(54), 다수의 다리(55), 배터리설치판(56)으로 구성되는 배터리설치대(52)를 설치하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도조절을 위한 냉난방장치.
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