KR20100119498A - 전지 시스템, 전지 모듈, 및 전지 모듈을 냉각하기 위한 방법 - Google Patents

전지 시스템, 전지 모듈, 및 전지 모듈을 냉각하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지 시스템, 전지 모듈, 및 전지 모듈을 냉각하기 위한 방법을 제공한다. 상기 전지 모듈은 제 1 전지 셀, 및 제 1 패널부와 상기 제 1 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 배치되어 있는 제 1 및 제 2 레일부를 가지는 제 1 냉각핀을 포함한다. 상기 제 1 전지 셀은 제 1 패널부의 제 1 측면에 인접하여 배치되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 레일부는 제 1 패널부보다 두께가 더 두껍다. 상기 제 1 냉각핀은 제 1 전지 셀로부터 열 에너지를 제 1 냉각핀으로 전도하여 제 1 전지 셀을 냉각시킨다. 상기 전지 모듈은 제 1 및 제 2 레일부를 각각 관통하여 연장되고, 내부를 흐르는 유체를 수용하여, 제 1 냉각핀으로부터 열 에너지를 유체로 전도하는 제 1 및 제 2 도관을 추가로 포함한다.

Description

전지 시스템, 전지 모듈, 및 전지 모듈을 냉각하기 위한 방법 {BATTERY SYSTEMS, BATTERY MODULES, AND METHOD FOR COOLING A BATTERY MODULE}
본 발명은 전지 시스템, 전지 모듈, 및 전지 모듈을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다.
전형적인 공기 냉각 전지 팩에 있어서, 대기로부터 온 주위 공기는 전지 팩 내에서 전지 셀에 가로질러 유도된 후 전지 팩으로부터 배출된다. 그러나, 전형적인 공기 냉각 전지 팩은 전지 팩의 온도를 바람직한 온도 범위 이내로 유지하는데 있어 큰 문제가 있다.
특히, 전지 셀의 최고 작동 온도가 종종 전지를 냉각하기 위해 활용되는 주위 공기의 온도보다 낮을 수 있다. 이러한 상황에서, 공기 냉각 전지 팩에서 전지 셀들을 바람직한 온도 범위로 유지시키는 것은 불가능하다.
따라서, 본 발명자들은 위에서 언급한 문제점을 최소화 및/또는 제거하는 전지 모듈과 상기 전지 모듈을 냉각시키기 위한 방법을 가지는 향상된 전지 시스템의 필요성을 인식해왔다.
따라서, 본 발명자들은 위에서 언급한 문제점을 최소화 및/또는 제거하는 전지 모듈과 상기 전지 모듈을 냉각시키기 위한 방법을 가지는 향상된 전지 시스템의 필요성을 인식해왔다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈이 제공된다. 상기 전지 모듈은 제 1 전지 셀을 포함한다. 상기 전지 모듈은 제 1 패널부(panel portion)와 상기 제 1 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부(rail portion)를 가지고 있는 제 1 냉각핀을 추가로 포함한다. 상기 제 1 전지 셀은 상기 제 1 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치한다. 상기 제 1 및 제 2 레일부는 제 1 패널부보다 두께가 더 두껍다. 상기 제 1 냉각핀은 상기 제 1 전지 셀로부터 열 에너지를 제 1 냉각핀으로 전도하여 제 1 전지 셀을 냉각시킨다. 상기 전지 모듈은 상기 제 1 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있는 제 1 및 제 2 도관을 추가로 포함하며, 상기 도관은 제 1 냉각핀으로부터 열 에너지를 유체쪽으로 전도하기 위해 제 1 및 제 2 도관을 통해 흐르는 유체를 수령한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 시스템이 제공된다. 상기 전지 시스템은 제 1 전지 셀, 제 1 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 가지고 있는 전지 모듈을 포함한다. 상기 제 1 냉각핀은 제 1 패널부와 상기 제 1 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부를 가지고 있다. 상기 제 1 전지 셀은 상기 제 1 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 레일부는 제 1 패널부보다 두께가 더 두껍다. 상기 제 1 냉각핀은 제 1 전지 셀로부터 열 에너지를 제 1 냉각핀으로 전도하여 제 1 전지 셀을 냉각시킨다. 상기 제 1 및 제 2 도관은 상기 제 1 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있고, 상기 도관은 제 1 냉각핀으로부터 열 에너지를 냉각제(refrigerant)로 전도하기 위해 제 1 및 제 2 도관을 통해 흐르는 냉각제를 수령한다. 상기 전지 시스템은 상기 전지 모듈의 제 1 및 제 2 도관에 유체적으로 연통되어 있는 응축기(condenser)를 추가로 포함한다. 상기 응축기는 상기 전지 모듈의 제 1 및 제 2 도관으로부터 냉각제를 수용하여 상기 냉각제로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있다. 상기 전지 시스템은 상기 응축기에 유체적으로 연통되어 있고, 상기 응축기로부터 냉각제를 수령하는 구조로 이루어져 있는 압축기를 추가로 포함한다. 또한, 상기 압축기는 상기 전지 모듈의 제 1 및 제 2 도관에도 유체적으로 연통되어 있으며, 응축기로부터 제 1 및 제 2 도관으로 냉각제를 펌핑하는 구조로 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 시스템이 제공된다. 상기 전지 시스템은 제 1 전지 셀, 제 1 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 가지고 있는 전지 모듈을 포함한다. 상기 제 1 냉각핀은 제 1 패널부와 상기 제 1 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부를 가지고 있다. 상기 제 1 전지 셀은 제 1 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 레일부는 제 1 패널부보다 두께가 더 두껍다. 상기 제 1 냉각핀은 제 1 전지 셀로부터 열 에너지를 제 1 냉각핀으로 전도하여 제 1 전지 셀을 냉각시킨다. 상기 제 1 및 제 2 도관은 상기 제 1 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 도관은 제 1 냉각핀으로부터 열 에너지를 냉매(coolant)로 전도하기 위해 제 1 및 제 2 도관을 통해 흐르는 냉매를 수령한다. 상기 전지 시스템은 상기 전지 모듈에 유체적으로 연통되어 있는 열 교환기를 더욱 포함한다. 상기 열 교환기는 상기 전지모듈로부터 냉매를 수령하여 열 교환기를 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있다. 상기 전지 시스템은 상기 열 교환기에 유체적으로 연통되어 있는 냉각판을 더욱 포함한다. 상기 냉각판은 냉각판을 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있다. 상기 전지 시스템은 상기 냉각판과 펌프 사이에 유체적으로 연통되어 있는 저장기를 추가로 포함한다. 상기 저장기는 냉각판으로부터 냉매를 수령하여 펌프로 전달하는 구조로 형성되어 있다. 또한, 상기 펌프는 상기 전지 모듈의 제 1 및 제 2 도관에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 펌프는 상기 저장기로부터 제 1 및 제 2 도관으로 냉매를 펌핑하는 구조로 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈 냉각 방법이 제공된다. 상기 전지 모듈은 전지 셀, 냉각 핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 가지고 있다. 상기 냉각핀은 패널부와 상기 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부를 가지고 있다. 상기 전지 셀은 상기 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치한다. 상기 제 1 및 제 2 레일부는 패널부보다 두께가 더 두껍다. 상기 방법은 상기 전지 셀로부터 상기 전지 셀의 제 1 측면에 위치되어 있는 냉각핀의 패널부로 열 에너지를 전도하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 상기 패널부로부터 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부로 열 에너지를 전도하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 상기 제 1 및 제 2 레일부로부터, 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있는 제 1 및 제 2 도관으로 열 에너지를 전도하는 과정을 포함한다. 또한, 상기 방법은 제 1 및 제 2 도관 내에 유체를 수용하고, 제 1 및 제 2 도관으로부터 상기 유체로 열 에너지를 전도하는 과정을 포함한다.
본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈이 제공된다. 상기 전지 모듈은 원통형 전지 셀을 포함한다. 상기 전지 모듈은 관상부(tubular portion)와, 상기 관상부에 연결된 적층식 박스-형상부(laminated box-shaped portion)를 가지고 있는 냉각핀을 포함한다. 상기 관상부는 원통형 전지 셀의 일부를 감싸는 구조로 형성되어 있다. 상기 냉각핀은 전지 셀로부터 열 에너지를 냉각핀으로 전도하여 전지 셀을 냉각시킨다. 또한, 상기 전지 모듈은 상기 냉각핀의 적층식 박스-형상부를 통해 연장되어 있는 도관으로서, 도관을 통해 흐르는 유체를 수령하여 냉각핀으로부터 열 에너지를 유체로 전도하는 구조의 도관을 가지고 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 시스템, 전지 모듈 및 방법은 레일부가 패널부보다 두꺼운 두께를 가짐으로써, 전지 모듈이 상대적으로 얇은 측면을 유지하면서 상대적으로 많은 양의 열 에너지가 도관과 유체로 전도되도록 하여, 전지 모듈에서 전지 셀을 냉각시키는 기술적 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 시스템의 개략도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 상기 도 1의 전지 시스템에 사용되는 전지 모듈의 개략도이다;
도 3은 상기 도 2에서의 전지 모듈의 상단부의 개략도이다;
도 4는 상기 도 2에서의 전지 모듈의 하단부의 개략도이다;
도 5는 상기 도 2에서의 전지모듈에 사용되는 냉각핀의 개략도이다;
도 6은 상기 도 5에서의 냉각핀의 제 1 측면의 개략도이다;
도 7은 상기 도 5에서의 냉각핀의 제 2 측면의 개략도이다;
도 8은 상기 도 5에서의 냉각핀에 사용되는 레일부의 부분의 확대 개략도이다;
도 9는 상기 도 5에서의 냉각핀에 사용되는 레일부의 부분의 다른 확대 개략도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 상기 도 1의 전지 시스템에서 전지 모듈을 냉각시키는 방법의 순서도이다;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 시스템의 개략도이다;
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 다른 상기 도 11의 전지 시스템에서 전지 모듈을 냉각시키는 방법의 순서도이다;
도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 다른 상기 도 11의 전지 시스템에서 전지 모듈을 냉각시키는 방법의 순서도이다;
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 다른 전지 모듈의 개략도이다;
도 15는 상기 도 14의 전지 모듈의 상면 개략도이다;
도 16은 상기 도 14의 전지 모듈에서 사용된 냉각핀의 개략도이다;
도 17은 상기 도 14의 전지 모듈의 또 하나의 개략도이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범주가 하기의 내용으로 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기적 파워를 생산하기 위한 전지 시스템(10)이 도시되어 있다. 상기 전지 시스템(10)은 전지 모듈(20), 압축기(22), 응축기(24), 도관(28, 30, 32), 온도 센서(36), 팬(fan)(38), 및 마이크로프로세서(40)을 포함하고 있다. 상기 전지 모듈(20)의 장점은 패널부와, 전지 셀을 효과적으로 냉각하기 위하여 전지 모듈(20)에 있는 전지 셀로부터 열 에너지를 전도하는 레일부를 모두 가지는 냉각핀을 사용하는 것이다.
이해를 돕기 위해서, 용어 "유체"는 액체나 기체를 의미한다. 구체적인 예로, 유체는 냉매(coolant)나 냉각제(refrigerant)를 포함할 수 있다. 대표적인 냉매로는 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜을 들 수 있다. 대표적인 냉각제로는 R-11, R-12, R-22, R-134A, R-407C 및 R-410A를 들 수 있다.
도 2 내지 4를 참조하면, 전지 모듈(20)은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전압을 생산하기 위해 제공된다. 상기 전지 모듈(20)은 전지 셀(60, 62, 64), 냉각핀(70, 72, 74) 및 도관(80, 82, 84, 86)을 포함한다.
전지 셀(60)은 사용가능한 전압(operational voltage)을 생산하기 위해 제공된다. 상기 전지 셀(60)은 몸체부(90), 주변연장부(92), 및 전극(94, 96)으로 이루어져 있다. 상기 몸체부(90)는 일반적으로 직사각형 형상이고, 몸체부(90)의 주변에 연장되어 있는 주변연장부(92)를 가진다. 하나의 실시예에서, 전극(94, 96)은 전지 셀(60)의 상부로부터 연장되어 있고, 그 사이에서 발생되는 사용가능한 전압을 가진다.
전지 셀(62)은 사용가능한 전압을 생산하기 위해 제공된다. 상기 전지 셀(62)은 몸체부(100), 주변연장부(102), 및 전극(104, 106)으로 이루어져 있다. 상기 몸체부(100)는 일반적으로 직사각형 형상이고, 몸체부(100)의 주변에 연장되어 있는 주변연장부(102)를 가진다. 하나의 실시예에서, 전극(104, 106)은 전지 셀(62)의 상부로부터 연장되고, 그 사이에서 발생되는 사용가능한 전압을 가진다.
전지 셀(64)은 사용가능한 전압을 생산하기 위해 제공된다. 상기 전지 셀(64)은 몸체부(110), 주변연장부(112), 및 전극(114, 116)으로 이루어져 있다. 상기 몸체부(110)는 일반적으로 직사각형 형상이고, 몸체부(110)의 주변에 연장되어 있는 주변연장부(112)를 가진다. 하나의 실시예에서, 전극(114, 116)은 전지 셀(64)의 상부로부터 연장되고, 그 사이에서 발생되는 사용가능한 전압을 가진다.
하나의 바람직한 실시예로, 각 전지 셀은 리튬이온 전지 셀일 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 전지 셀은 니켈-카드뮴 전지 셀 또는 니켈금속-수소 전지 셀일 수 있다. 또한, 당업자에게 알려진 다른 타입의 전지 셀도 사용될 수 있음은 물론이다.
냉각핀(70, 72, 74)은 전지 셀(60, 62, 64)로부터 열 에너지를 냉각핀(70, 72, 74)으로 전도하여 전지 셀(60, 62, 64)을 냉각시킨다. 특히, 상기 냉각핀(70, 72, 74)는 전지 셀을 바람직한 온도 범위 이내로 유지시킬 수 있고, 한계 온도 수준보다 낮은 온도에서 전지 셀을 유지시킬 수 있다. 하나의 바람직한 예로, 바람직한 온도 범위는 15 ℃ 내지 35 ℃일 수 있다. 다른 하나의 바람직한 예로, 한계 온도 수준은 40 ℃일 수 있다.
도 2, 3, 8 및 9를 참조하면, 냉각핀(70)은 패널부(130)와 레일부(132, 134)로 이루어져 있다. 상기 패널부(130)는 직사각형 형태이고, 레일부(132, 134)는 패널부(130)의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하고 있다. 또한, 상기 레일부(132, 134)의 두께는 패널부(130)의 두께보다 두껍다. 상기 냉각핀(70)은 구리와 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 또한, 레일부(132, 134)의 구조가 실질적으로 서로 유사하기 때문에, 레일부(132)의 구조만 이하에서 자세히 설명한다. 레일부(132)는 서로의 상부에서 접혀있는 주름부(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176)로 구성되어 있다. 냉각핀(70)의 패널부(130)의 제 1 측면은 전지 셀(60)에 대향하여 위치하여, 전지 셀(60)로부터 열 에너지를 냉각핀(70)으로 전도한다. 또한, 패널부(130)의 제 2 측면은 전지 셀(62)에 대향하여 위치하여, 전지 셀(62)로부터 열 에너지를 냉각핀(70)으로 전도한다.
냉각핀(72)은 패널부(180)와 레일부(181, 182)로 이루어져 있다. 상기 패널부(180)는 직사각형 형태이고, 레일부(181, 182)는 패널부(180)의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하고 있다. 또한, 상기 레일부(181, 182)의 두께는 패널부(180)의 두께보다 두껍다. 상기 냉각핀(72)은 열 전도성 금속과 같은 열 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각핀(72)은 구리와 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 또한, 레일부(181, 182)의 구조는 위에서 검토한 레일부(132)의 구조와 유사하다. 냉각핀(72)의 패널부(180)의 제 1 측면은 전지 셀(62)에 대향하여 위치하여, 전지 셀(62)로부터 열 에너지를 냉각핀(72)으로 전도한다. 또한, 패널부(180)의 제 2 측면은 전지 셀(64)에 대향하여 위치하여, 전지 셀(64)로부터 열 에너지를 냉각핀(72)으로 전도한다.
냉각핀(74)은 패널부(185)와 레일부(186, 187)로 이루어져 있다. 상기 패널부(185)는 직사각형 형태이고, 레일부(186, 187)는 패널부(185)의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하고 있다. 또한, 상기 레일부(186, 187)의 두께는 패널부(185)의 두께보다 두껍다. 상기 냉각핀(74)은 열 전도성 금속과 같은 열 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각핀(74)은 구리와 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 또한, 레일부(186, 187)의 구조는 위에서 검토한 레일부(132)의 구조와 유사하다. 냉각핀(74)의 패널부(185)의 제 1 측면은 전지 셀(64)에 대향하여 위치하여, 전지 셀(64)로부터 열 에너지를 냉각핀(74)으로 전도한다.
도 1 내지 7을 참조하면, 레일부(134, 182, 187)는 상기 레일부에 관통하여 연장되는 홈(138, 140)을 가지고 있다. 도관(80, 82)은 상기 홈(138, 140)을 통하여 각각 연장된다. 또한, 레일부(132, 181, 186)는 홈(142, 144)을 각각 가진다. 도관(84, 86)은 상기 홈(142, 144)을 통하여 각각 연장된다. 상기 도관(80, 82, 84, 86)은 열 전도성 금속과 같은 열 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 도관(80, 82, 84, 86)은 구리 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 상기 도관(80, 82, 84, 86)은 도관(28)의 제 1 단부에 연결되고, 또한, 도관(80, 82, 84, 86)은 도관(30)의 제 2 단부에 연결된다. 작동하는 동안, 냉각핀의 레일부는 열 에너지를 도관(80, 82, 84, 86)으로 전도한다. 도관(80, 82, 84, 86)은 내부를 흐르는 냉각제를 수용하여, 상기 도관으로부터 열 에너지를 냉각제로 전도한다. 본 발명에 따른 전지 모듈의 장점은 레일부가 패널부보다 두꺼운 두께를 가짐으로써, 전지 모듈의 상대적으로 얇은 측면을 유지하면서 상대적으로 많은 양의 열 에너지가 도관과 냉각제로 전도되도록 할 수 있다는 것이다.
도 1 을 참조하면, 압축기(22)는 마이크로프로세서(40)의 조절 신호에 대응하여 도관(28)을 통해서 냉각제를 전지모듈(20)로 펌핑하는 구조로 형성되어 있다. 상기 도관(28)은 유체적으로 압축기(22)와 전지 모듈(20)의 도관(80, 82, 84, 86)에 연통되어 있다. 도관(30)은 전지 모듈(20)의 도관(80, 82, 84, 86)과 응축기(24)에 유체적으로 연통되어 있다. 전지 모듈(20)에 있던 냉각제는 도관(30)을 통하여 응축기(24)로 펌핑된다.
응축기(24)는 내부를 흐르는 냉각제로부터 열 에너지를 추출하여 냉각제를 냉각시키기 위해 제공된다. 도관(32)은 응축기(24)와 압축기(22) 사이에 유체적으로 연통되어 있다. 응축기(24)에 있던 냉각제는 도관(32)을 통하여 압축기(22)로 펌핑된다.
온도 센서(36)는 전지 모듈(20)의 온도 수준을 나타내는 신호를 발생시켜 마이크로프로세서(40)로 보내기 위해 제공된다.
팬(38)은 마이크로프로세서(40)의 조절 신호에 반응하여 응축기(24)를 냉각하기 위하여 응축기(24)를 지나간 공기를 몰아내기 위하여 제공된다.
마이크로프로세서(40)는 배터리 시스템(10)의 작동을 조절하기 위해 제공된다. 특히, 마이크로프로세서(40)는 온도 센서(36)의 신호에 반응하여 압축기(22)와 팬(38)의 작동을 조절하기 위한 조절 신호를 발생시키는 구조로 형성되어 있으며, 이하에서 보다 자세히 설명한다.
도 10에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈을 냉각하기 위한 방법의 순서도를 설명한다. 상기 방법은 전지 모듈에 단일 전지 셀, 단일 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 사용하는 것으로 단순화시켜 설명한다. 부가적인 전지 셀, 냉각핀 및 도관이 사용될 수 있음은 물론이다.
단계(200)에서, 온도 센서(36)는 전지 모듈(20)의 온도를 나타내는 제 1 신호를 발생시키고, 마이크로프로세서(40)로 보낸다. 전지 모듈(20)은 전지 셀(60), 냉각핀(70) 및 도관(80, 84)을 가지고 있다. 상기 냉각핀(70)은 패널부(130)와 상기 패널부(130)의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 레일부(132, 134)를 가지고 있다. 상기 전지 셀(60)은 패널부(130)의 제 1 측면에 인접하여 위치하고 있다. 상기 레일부(132, 134)는 패널부(130)보다 두께가 더 두껍다.
단계(202)에서, 마이크로프로세서(40)는 전지 모듈(20)의 온도가 한계 온도 수준보다 높다는 것을 제 1 신호가 표시할 때, 전지 모듈(20)의 도관(80, 84)으로 냉각제를 펌핑하도록 압축기(22)를 유도하는 제 2 신호를 발생시킨다.
단계(204)에서, 마이크로프로세서(40)는 전지 모듈(20)의 온도가 한계 온도 수준보다 높다는 것을 제 1 신호가 표시할 때, 응축기(24)를 냉각시키기 위하여 응축기(24)를 가로질러 공기를 불도록 팬(38)을 유도하는 제 3 신호를 발생시킨다.
단계(206)에서, 전지 셀(60)은 상기 전지 셀(60)을 냉각시키는 냉각핀(70)의 패널부(130)로 열 에너지를 전도한다.
단계(208)에서, 패널부(130)는 냉각핀(70)의 레일부(132, 134)로 열 에너지를 전도한다.
단계(210)에서, 레일부(132, 134)는 냉각핀(70)의 레일부(132, 134)를 각각 관통하여 연장되는 도관(80, 84)로 각각 열 에너지를 전도한다.
단계(212)에서, 도관(80, 84)은 압축기(22)로부터 냉각제를 수용하고, 상기 냉각제로 열 에너지를 전도한다.
단계(214)에서, 응축기(24)는 전지 모듈(20)의 도관(80, 84)으로부터 냉각제를 수용하고, 상기 냉각제로 열 에너지를 전도한다.
단계(216)에서, 냉각제는 응축기(24)로부터 압축기(22)로 되돌아간다.
도 11에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력(electrical power)을 발생시키기 위한 전지 시스템(310)이 설명되어 있다. 전지 시스템(310)은 전지 모듈(320), 펌프(322), 열 교환기(324), 냉각판(325), 저장기(326), 도관(328, 330, 331, 332, 334), 온도 센서(336), 팬(337), 냉각제 시스템(338) 및 마이크로프로세서(340)로 이루어져 있다. 상기 전지 시스템(310)과 전지 시스템(10) 사이의 주된 차이는 전지 시스템(310)이 전지 모듈(320)을 냉각시키기 위하여 냉각제(refrigerant) 대신에 냉매(coolant)를 사용하는 것이다.
상기 전지 모듈(320)은 위에서 언급한 전지 모듈(20)과 동일한 구조를 가진다.
상기 펌프(322)는 마이크로프로세서(340)의 조절 신호에 대응하여 전지 모듈(320)으로 도관(328)을 통하여 냉매를 펌핑하는 구조로 형성되어 있다. 도관(328)은 펌프(322)와 전지 모듈(320) 사이에서 유체적으로 연통되어 있고, 도관(330)은 전지 모듈(320)과 열 교환기(324) 사이에서 유체적으로 연통되어 있다. 전지 모듈(320)에 있던 냉매는 도관(330)을 통하여 열 교환기(324)로 펌핑된다.
상기 열 교환기(324)는 내부에 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하여 상기 냉매를 냉각시키기 위하여 제공된다. 도관(331)은 열 교환기(324)와 냉각판(325) 사이에서 유체적으로 연통된다. 열 교환기(324)에 있던 냉매는 도관(331)을 통하여 냉각판(325)로 펌핑된다.
상기 팬(337)은 마이크로프로세서(340)의 조절 신호에 대응하여 열 교환기(324)를 냉각시키기 위하여 열 교환기(324)를 지나간 공기를 몰아내기 위하여 제공된다. 팬(337)은 열 교환기(324)에 근접하여 위치하게 된다.
상기 냉각판(325)은 내부에 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하여 상기 냉매를 더욱 냉각시키기 위하여 제공된다. 도관(322)는 냉각판(325)와 저장기(326) 사이에서 유체적으로 연통된다. 냉각판(325)에 있던 냉매는 도관(332)를 통하여 저장기(326)로 펌핑된다.
상기 저장기(326)는 최소한 냉매의 부분을 그 안에 저장하기 위하여 제공된다. 도관(334)은 저장기(326)와 펌프(322) 사이에서 유체적으로 연통된다. 저장기(326)에 있던 냉매는 도관(334)를 통하여 펌프(322)로 펌핑된다.
상기 온도 센서(336)는 전지 모듈(320)의 온도 수준을 나타내는 신호를 발생시키고 마이크로프로세서(340)로 보내기 위하여 제공된다.
상기 냉각제 시스템(338)은 마이크로프로세서(340)의 조절 신호에 대응하여 열 교환기(324)를 냉각시키기 위하여 제공된다. 냉각제 시스템(338)은 냉각판(325)에 작동 가능하게 연결되어 있다.
상기 마이크로프로세서(340)는 전지 시스템(310)의 작동을 조절하기 위하여 제공된다. 특히, 마이크로프로세서(340)는 온도 센서(336)의 신호에 대응하여, 펌프(322)와 냉각제 시스템(338)의 작동을 조절하기 위한 조절 신호를 발생시키는 구조로 형성되어 있으며, 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 12 및 13에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈(320)을 냉각시키기 위한 방법의 순서도가 제공된다. 상기 방법은 전지 모듈에 단일 전지 셀, 단일 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 사용하는 것으로 단순화시켜 설명한다. 부가적인 전지 셀, 냉각핀 및 도관이 사용될 수 있음은 물론이다. 하나의 예에서, 상기 전지 모듈(320)은 전지 모듈(20)과 동일한 구조를 가지고 있다.
단계(350)에서, 온도 센서(336)는 전지 모듈(320)의 온도를 나타내는 제 1 신호를 발생시키고, 마이크로프로세서(340)로 보낸다. 전지 모듈(320)은 전지 셀, 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 가지고 있다. 상기 냉각핀은 패널부와 상기 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부를 가지고 있다. 상기 전지 셀은 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치하고 있다. 상기 제 1 및 제 2 레일부는 패널부보다 두께가 더 두껍다.
단계(352)에서, 마이크로프로세서(340)는 전지 모듈(320)의 온도가 한계 온도 수준보다 높다고 제 1 신호가 표시할 때, 저장기(326)로부터 냉매를 전지 모듈(320)의 제 1 및 제 2 도관으로 펌핑하도록 펌프(322)를 유도하는 제 2 신호를 발생시킨다.
단계(354)에서, 마이크로프로세서(340)은 전지 모듈(320)의 온도가 한계 온도 수준보다 높다고 제 1 신호가 표시할 때, 열 교환기(324)를 냉각시키기 위하여 열 교환기를 가로질러 공기를 불도록 팬(337)을 유도하는 제 3 신호를 발생시킨다. 상기 열 교환기(324)는 전지 모듈(320)의 제 1 및 제 2 도관에 유체적으로 연통되어 있다.
단계(360)에서, 마이크로프로세서(340)은 전지 모듈(320)의 온도가 한계 온도 수준보다 높다고 제 1 신호가 표시할 때, 냉각판(325)을 냉각시키기 위하여 냉각판(325)으로 냉각제를 펌핑하도록 냉각제 시스템(338)을 유도하는 제 4 신호를 발생시킨다. 상기 냉각판(325)은 열 교환기(324)에 유체적으로 연통된다.
단계(364)에서, 전지 셀은 열 에너지를 전지 셀을 냉각시키는 냉각핀의 패널부로 전도한다.
단계(366)에서, 상기 패널부는 열 에너지를 상기 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부로 전도한다.
단계(368)에서, 상기 제 1 및 제 2 레일부는 열 에너지를 상기 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 각각 관통하여 연장되는 제 1 및 제 2 도관으로 각각 전도한다.
단계(370)에서, 상기 제 1 및 제 2 도관은 펌프(322)로부터 냉매를 수용하고, 상기 냉매로 열 에너지를 전도한다.
단계(372)에서, 열 교환기(324)는 상기 전지 모듈(320)의 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드(cooling manifold)로부터 냉매를 수용하고, 내부에서 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출한다.
단계(373)에서, 냉각판(325)은 전지 모듈(320)의 제 1 및 제 2 도관으로부터 냉매를 수용하고, 내부에서 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출한다.
단계(374)에서, 저장기(326)는 냉각판(325)로부터 냉매를 수용하고, 상기 저장기(326)로부터 펌프(322)로 냉매를 돌려보낸다.
도 14 내지 17을 참조하면, 전지 모듈(400)은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전압을 발생시키기 위하여 제공된다. 상기 전지 모듈(400)은 원통형 전지 셀(402), 냉각핀(404) 및 도관(406)으로 구성되어 있다. 전지 모듈(400)은 전지 모듈(20)을 전지 모듈(400)로 대체함으로써 시스템(10)에 사용될 수 있다. 또한, 상기 전지 모듈(400)은 전지 모듈(320)을 전지 모듈(400)로 대체함으로써 시스템(310)에 사용될 수 있다.
상기 전지 셀(402)은 사용가능한 전압을 발생시키기 위하여 제공된다. 전지 셀(402)은 일반적으로 원통형태이다. 하나의 실시예에서, 전지 셀(402)은 상기 전지 셀(402)의 반대 단부에 위치하고, 그 사이에서 발생되는 사용가능한 전압을 가지는 제 1 및 제 2 전극을 가지고 있다.
상기 냉각핀(404)은 상기 전지 셀(402)을 냉각시키기 위하여 전지 셀(402)로부터 열 에너지를 전도하기 위하여 제공된다. 특히 냉각핀(404)은 전지 셀을 바람직한 온도 범위 이내로 유지시킬 수 있고, 전지 셀을 한계 온도 수준보다 낮은 온도로 유지시킬 수 있다.
상기 냉각핀(404)은 관상부(410)와 적층식 박스-형상부(412)로 이루어져 있다. 상기 관상부(410)는 전지 셀(402)의 주변을 감싸는 구조로 형성되어 있다. 상기 적층식 박스-형상부(412)는 상기 관상부(410)에 연결되어 있고, 다수의 일반적인 직사각형 형태의 층으로 구성되어 있다. 상기 적층식 박스-형상부(412)는 그에 관통하는 홈(414)을 가지고 있다. 냉각핀(404)은 구리 및 알루미늄으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 구성될 수 있다. 상기 관상부(410)는 전지 셀(402)로부터 열 에너지를 냉각핀(404)의 적층식 박스-형상부(412)로 전도하여 전지 셀(402)을 냉각시킨다.
상기 도관(406)은 상기 적층식 박스-형상부(412)의 홈(414) 내에 위치하고 있다. 작동하는 동안, 적층식 박스-형상부(4112)는 열 에너지를 도관(406)에 전도한다. 도관(406)은 내부에서 흐르는 유체를 수용하며, 상기 도관(406)으로부터 열 에너지를 유체로 전도한다.
상기 전지 시스템, 전지 모듈, 및 전지 모듈을 냉각시키는 방법은 다른 시스템, 모듈 및 방법에 비해 실질적인 장점을 제공한다. 특히, 상기 전지 시스템, 전지 모듈 및 방법은 레일부가 패널부보다 두꺼운 두께를 가짐으로써, 전지 모듈이 상대적으로 얇은 측면을 유지하면서 상대적으로 많은 양의 열 에너지가 도관과 유체로 전도되도록 하여, 전지 모듈에서 전지 셀을 냉각시키는 기술적 효과를 제공한다.
본 발명을 예시적인 실시예들을 참조하여 기술하였지만, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변화들을 가하고 구성요소들을 균등물로 치환될 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다. 더불어, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않으면서 특정한 상황 또는 소재를 본 발명의 교시에 적용시키기 위해 많은 변형들이 가해질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 개시되어 있는 특정한 실시예들로 한정되기 않고 본 발명이 하기 청구범위의 범주내에 속하는 모든 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다. 더욱이, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 구성요소들을 서로 구별시키기 위해 사용되었다. 또한, 용어 a, an 등의 사용은 양적인 한정을 내포하는 것이 아니라, 지시된 항목들의 적어도 하나의 존재를 의미한다.

Claims (17)

  1. 제 1 전지 셀;
    제 1 패널부(panel portion)와 상기 제 1 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부(rail portion)를 가지고 있는 제 1 냉각핀으로서, 제 1 전지 셀은 제 1 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치되어 있고, 제 1 및 제 2 레일부는 제 1 패널부보다 두께가 더 두꺼우며, 제 1 전지 셀로부터 열 에너지를 제 1 냉각핀으로 전도하여 제 1 전지 셀을 냉각시키는 제 1 냉각핀; 및
    제 1 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있는 제 1 및 제 2 도관으로서, 제 1 냉각핀으로부터 열 에너지를 유체쪽으로 전도하기 위해 제 1 및 제 2 도관을 통해 흐르는 유체를 수령하는 제 1 및 제 2 도관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 패널부의 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면에 인접하여 위치되어 있는 제 2 전지 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 2 패널부와 상기 제 2 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 레일부를 가진 제 2 냉각핀을 더 포함하고 있고, 제 2 전지 셀은 제 2 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치하고, 제 3 및 제 4 레일부는 제 2 패널부보다 두께가 더 두꺼우며, 제 2 냉각핀은 제 2 전지 셀로부터 열 에너지를 제 2 냉각핀으로 전도하여 제 2 전지 셀을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각핀은 열전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도관은 열전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 패널부는 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 전지 셀, 제 1 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 가지고 있고, 상기 제 1 냉각핀은 제 1 패널부와 상기 제 1 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부를 가지고 있으며, 제 1 전지 셀은 제 1 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치되어 있고, 제 1 및 제 2 레일부는 제 1 패널부보다 두께가 더 두꺼우며, 제 1 전지 셀로부터 열 에너지를 제 1 냉각핀으로 전도하여 제 1 전지 셀을 냉각시키고, 제 1 및 제 2 도관은 상기 제 1 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있고, 제 1 냉각핀으로부터 열 에너지를 냉각제(refrigerant)로 전도하기 위해 제 1 및 제 2 도관을 통해 흐르는 냉각제를 수령하는 구조의 전지모듈;
    상기 전지모듈의 제 1 및 제 2 도관에 유체적으로 연통되어 있고, 전지모듈의 제 1 및 제 2 도관으로부터 냉각제를 수용하여 상기 냉각제로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있는 응축기(condenser); 및
    상기 응축기에 유체적으로 연통되어 있고 응축기로부터 냉각제를 수령하는 구조로 이루어져 있는 압축기로서, 압축기는 전지모듈의 제 1 및 제 2 도관에도 유체적으로 연통되어 있으며, 응축기로부터 제 1 및 제 2 도관으로 냉각제를 펌핑하는 구조로 형성되어 있는 압축기(compressor);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전지모듈의 온도를 표시하는 제 1 신호를 발생시키는 구조로 형성되어 있는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에 작동 가능하게 연결되어 있고, 전지모듈의 온도가 한계 온도 수준보다 높다고 제 1 신호가 표시할 때, 응축기로부터 전지모듈의 제 1 및 제 2 도관으로 냉각제를 펌핑하도록 압축기를 유도하는 제 2 신호를 발생시키는 구조로 형성되는 마이크로프로세서;
    를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지시스템.
  9. 제 1 전지 셀, 제 1 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 가지고 있고, 상기 제 1 냉각핀은 제 1 패널부와 상기 제 1 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부를 가지고 있으며, 제 1 전지 셀은 제 1 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치되어 있고, 제 1 및 제 2 레일부는 제 1 패널부보다 두께가 더 두꺼우며, 제 1 전지 셀로부터 열 에너지를 제 1 냉각핀으로 전도하여 제 1 전지 셀을 냉각시키고, 제 1 및 제 2 도관은 상기 제 1 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있고, 제 1 냉각핀으로부터 열 에너지를 냉매(coolant)로 전도하기 위해 제 1 및 제 2 도관을 통해 흐르는 냉매를 수령하는 구조의 전지모듈;
    상기 전지모듈에 유체적으로 연통되어 있는 열 교환기로서, 전지모듈로부터 냉매를 수령하여 열 교환기를 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있는 열 교환기(heat exchanger);
    상기 열 교환기에 유체적으로 연통되어 있는 냉각판으로서, 냉각판을 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있는 냉각판(cold plate);
    상기 냉각판과 펌프 사이에 유체적으로 연통되어 있으며, 냉각판으로부터 냉매를 수령하여 펌프로 전달하는 구조로 형성되어 있는 저장기(reservoir); 및
    상기 전지모듈의 제 1 및 제 2 도관에 유체적으로 연통되어 있고, 저장기로부터 제 1 및 제 2 도관으로 냉매를 펌핑하는 구조로 형성되어 있는 펌프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지시스템.
  10. 전지 셀, 냉각핀, 및 제 1 및 제 2 도관을 가지고 있고, 상기 냉각핀은 패널부와 상기 패널부의 제 1 및 제 2 단부에 각각 위치하는 제 1 및 제 2 레일부를 가지고 있으며, 상기 전지 셀은 패널부의 제 1 측면에 인접하여 위치되어 있고, 제 1 및 제 2 레일부는 패널부보다 두께가 더 두꺼운 구조의 전지모듈을 냉각하는 방법으로서,
    상기 전지 셀로부터 상기 전지 셀의 제 1 측면에 위치되어 있는 냉각핀의 패널부로 열 에너지를 전도하여 전지 셀의 냉각을 수행하는 과정;
    상기 패널부로부터 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부로 열 에너지를 전도하는 과정;
    상기 제 1 및 제 2 레일부로부터, 냉각핀의 제 1 및 제 2 레일부를 통해 각각 연장되어 있는 제 1 및 제 2 도관으로 열 에너지를 전도하는 과정; 및
    상기 제 1 및 제 2 도관 내에 유체를 수용하고, 제 1 및 제 2 도관으로부터 상기 유체로 열 에너지를 전도하는 과정;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 유체는 냉각제인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    온도센서를 이용하여 전지모듈의 온도를 표시하는 제 1 신호를 발생시키는 과정; 및
    마이크로프로세서를 이용하여, 전지모듈의 온도가 한계 온도 수준보다 높다는 것을 제 1 신호가 표시할 때, 제 1 및 제 2 도관을 통해 냉각제를 펌핑하도록 압축기를 유도하는 제 2 신호를 발생시키는 과정;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 유체는 냉매인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    온도센서를 이용하여 전지모듈의 온도를 표시하는 제 1 신호를 발생시키는 과정; 및
    마이크로프로세서를 이용하여, 전지모듈의 온도가 한계 온도 수준보다 높다는 것을 제 1 신호가 표시할 때, 제 1 및 제 2 도관을 통해 냉매를 펌핑하도록 펌프를 유도하는 제 2 신호를 발생시키는 과정;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 원통형 전지 셀;
    관상부(tubular portion)와, 상기 관상부에 연결된 적층식 박스-형상부(laminated box-shaped portion)를 가지고 있는 냉각핀으로서, 상기 관상부는 원통형 전지 셀의 일부를 감싸는 구조로 형성되어 있으며, 상기 전지 셀로부터 열 에너지를 냉각핀으로 전도하여 전지 셀을 냉각시키는 구조의 냉각핀; 및
    상기 냉각핀의 적층식 박스-형상부를 통해 연장되어 있는 도관으로서, 도관을 통해 흐르는 유체를 수령하여 냉각핀으로부터 열 에너지를 유체로 전도하는 구조의 도관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 냉각핀은 열전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 도관은 열전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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