KR20120066340A - 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템 - Google Patents

예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자동차용 냉방시스템의 냉매 또는 자동차로 유입되는 공기로부터 냉기를 전달받은 냉각수를 이용하여 자동차에 탑재된 배터리팩을 냉각시키는 수냉식 배터리팩 냉각시스템에 있어서, 상기 냉방시스템의 작동시, 상기 냉방시스템을 순환하는 냉매의 냉기를 상기 배터리팩으로 유입될 냉각수에 전달하는 판형 열교환기; 및 상기 배터리팩의 냉충전시 또는 상기 자동차의 시동시 상기 배터리팩이 예열될 수 있도록 상기 배터리팩으로 유입될 냉각수를 가열하는 히터;를 포함하고, 상기 히터는 상기 판형 열교환기, 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로 유입시키는 배관 및 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로부터 유출시키는 배관 중 적어도 한 곳에 장착되는 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템을 제공한다.

Description

예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템{BATTERY PACK COOLING SYSTEM WITH PREHEATING FUCTION}
본 발명은 수냉식 배터리팩 냉각시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차에 구비된 냉방시스템의 냉매 또는 자동차로 유입되는 공기로부터 냉기를 전달받은 냉각수를 이용하여 자동차에 장착된 배터리팩을 냉각시키는 수냉식 배터리팩 냉각시스템에 관한 것이다.
전기자동차는 자동차의 구동 에너지를 기존의 자동차와 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 자동차이다. 전기자동차는 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 공해문제의 심각화, 화석 연료의 고갈 등의 문제가 제기되면서 그 개발이 다시 가속화되고 있다. 특히, 전기자동차가 실용화되기 위해서는 전기 자동차의 연료공급원인 배터리팩이 경량화 및 소형화됨과 동시에 그 충전시간이 단축되어야 하는바, 상기 배터리팩에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
상기 배터리팩은 직렬로 연결된 복수의 전지셀을 포함하고 있는데, 상기 배터리팩의 충전과 방전이 이루어지면 상기 전지셀에 열이 발생한다. 그리고 상기 전지셀에 발생한 열이 그대로 방치할 경우 전지셀의 성능이 저하되고 전지셀의 수명이 단축된다. 따라서 전기자동차에는 통상적으로 배터리팩 냉각시스템이 구비된다.
배터리팩 냉각시스템은 냉각유체의 유형에 따라 공냉식과 수냉식으로 구분될 수 있다. 공냉식 냉각시스템에서는 배터리팩 냉각을 위해 냉각기체가 이용되고 수냉식 냉각시스템에서서는 배터리팩 냉각을 위해 냉각수가 이용된다. 이하, 도 1을 참조하여 종래의 수냉식 배터리팩 냉각시스템을 설명한다.
종래의 수냉식 배터리팩 냉각시스템(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉방시스템(20)과, 제1열교환기(30)와, 제2열교환기(40)와 배터리팩(50)을 포함한다.
냉방시스템(20)은 여름철 자동차 실내의 냉방을 위해 구비되는 것으로서, 압축기(22)와, 응축기(24)와, 팽창밸브(26)와, 증발기(28)를 포함한다. 제1열교환기(30)는 냉방시스템(20)의 냉매와 배터리팩 냉각용 냉각수 간 열교환을 위해 구비된다. 팽창밸브(26)를 통과한 저온의 냉매는 제1열교환기(30)에서 상기 냉각수에 냉기를 전달한 후 압축기(22)로 유입되고, 냉매로부터 냉기를 전달받은 냉각수는 밸브(90)를 거쳐 배터리팩(50)을 냉각시킨 후 제1열교환기(30)로 유입된다. 제1열교환기(30)로 유입되는 냉매의 양은 컨트롤 밸브(60)에 의해 조절되고, 냉각수의 순환은 펌프(70)에 의해 이루어진다.
겨울철에는 상기 냉방시스템(20)이 가동되지 않고, 외기의 온도가 낮다. 따라서 겨울철에 밸브(80)를 거쳐 제2열교환기(40)로 유입된 냉각수는 자동차로 유입되는 공기, 즉 램에어(ram air)로부터 냉기를 전달받은 후 배터리팩(50)을 경유하면서 상기 배터리팩(50)을 냉각시킨다.
한편, 배터리팩(50) 내부의 전지셀의 수명 및 효율은 온도가 너무 낮은 경우에도 저하된다. 따라서 기온이 영하로 떨어지는 겨울철에 배터리팩을 충전시킬 때(냉충전시) 또는 자동차의 시동시, 배터리팩의 예열이 필요하다. 그러나 상기 수냉식 배터리팩 냉각시스템(10)은 배터리팩 예열기능을 구비하고 있지 않은바, 배터리팩의 냉충전시 또는 자동차의 시동시 상기 전지셀의 효율 저하를 방지할 수 없을 뿐만 아니라 배터리팩의 냉충전 또는 자동차의 시동으로 인한 전지셀 수명 감소 또한 방지할 수 없다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리팩의 냉충전시 또는 자동차의 시동시 배터리팩을 예열시킬 수 있는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템을 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자동차용 냉방시스템의 냉매 또는 자동차로 유입되는 공기로부터 냉기를 전달받은 냉각수를 이용하여 자동차에 탑재된 배터리팩을 냉각시키는 수냉식 배터리팩 냉각시스템에 있어서, 상기 냉방시스템의 작동시, 상기 냉방시스템을 순환하는 냉매의 냉기를 상기 배터리팩으로 유입될 냉각수에 전달하는 판형 열교환기; 및 상기 배터리팩의 냉충전시 또는 상기 자동차의 시동시 상기 배터리팩이 예열될 수 있도록 상기 배터리팩으로 유입될 냉각수를 가열하는 히터;를 포함하고, 상기 히터는 상기 판형 열교환기, 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로 유입시키는 배관 및 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로부터 유출시키는 배관 중 적어도 한 곳에 장착되는 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템을 제공한다.
바람직하게 상기 판형 열교환기는 서로 평행하게 나열된 복수의 열교환판을 포함하고, 상기 복수의 열교환판 사이의 공간은 번갈아 가면서 상기 냉매의 유로 및 상기 냉각수의 유로로 사용되며, 상기 히터는 상기 복수의 열교환판을 관통하도록 장착된다. 이때, 상기 복수의 열교환판을 관통하도록 장착된 히터는 상기 냉각수의 유로에만 노출되는 것이 더욱 바람직하다.
바람직하게 상기 히터는 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로 유입시키는 배관의 중공 또는 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로부터 유출시키는 배관의 중공에 노출되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 히터는 상기 중공의 중심방향으로 연장하다가 상기 냉각수가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 연장하는 "ㄴ"자 형태로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
바람직하게 상기 히터는 전기에너지에 의해 작동하는 전기히터로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 배터리팩의 냉충전시 또는 자동차의 시동시 배터리팩이 예열될 수 있기 때문에 배터리팩의 성능 및 수명 저하 현상이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 판형 열교환기로 유입된 시점부터 판형 열교환기로부터 유출된 시점까지 냉각수가 복수회에 걸쳐 히터에 의해 가열되고 히터와 냉각수 간 직접적인 접촉이 이루어지기 때문에, 배터리팩의 예열이 신속하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 판형 열교환기의 냉매 유로에 잔류하고 있는 냉매와 히터 간 직접적인 접촉이 방지되기 때문에 상기 냉매가 히터로부터 받는 영향이 최소화될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 냉각수를 판형 열교환기로 유입시키는 배관 또는 냉각수를 판형 열교환기로부터 유출시키는 배관을 통과하는 냉각수와 히터 간 직접적인 접촉이 이루어지기 때문에, 배터리팩의 예열이 신속하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 히터가 "ㄴ"자 형태로 형성되기 때문에 첫째 배터리팩의 예열이 신속하게 이루어질 수 있고, 둘째 냉각수의 흐름이 원활하게 유지될 수 있다.
도 1은 종래의 수냉식 배터리팩 냉각시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 냉각시스템에 구비된 판형 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 판형 열교환기에 장착된 히터를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 냉각시스템의 배관 중공에 히터가 노출된 상태를 도시한 부분단면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 냉각시스템의 배관 외면에 히터가 장착된 상태를 도시한 부분사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉방시스템(120)과, 제1열교환기(130)와, 제2열교환기(140)와 배터리팩(150)을 포함한다.
상기 냉방시스템(120)은 여름철 자동차 실내의 냉방을 위해 구비되는 것으로서, 압축기(122)와, 응축기(124)와, 팽창밸브(126)와, 증발기(128)를 포함한다. 압축기(122)는 자동차 엔진에 의해 구동하면서 증발기(128)로부터 인입된 저온저압의 기상 냉매를 고온고압의 기상 냉매로 압축시킨다. 응축기(124)는 압축기(122)로부터 인입된 고온고압의 기상 냉매를 응축하여 액화시키고, 팽창밸브(126)는 응축기(124)로부터 인입된 액상 냉매를 단열팽창시켜 기체와 액체가 혼합된 상태로 형성한다. 팽창밸브(126)를 거친 냉매 중 일부는 증발기(128)에서 주변 공기로부터 열을 흡수하여 기화된 후 압축기(122)로 유입되고, 나머지는 제1열교환기(130)를 경유하면서 배터리팩(150) 냉각용 냉각수로부터 열을 흡수하여 기화된 후 압축기(122)로 유입된다. 냉방시스템(120)으로부터 제1열교환기(130)로 유입되는 냉매의 유량은 컨트롤 밸브(160)에 의해 조절된다.
제1열교환기(130)는, 냉방시스템(120)의 작동시, 냉방시스템(120)으로부터 유입된 냉매의 냉기를 상기 배터리팩(150)으로 유입될 냉각수에 전달하기 위한 것으로서, 판형 열교환기(130)로 이루어진다.
판형 열교환기(130)는 열전도성 재질로 이루어지고 서로 평행하게 나열된 복수의 열교환판(미도시)을 포함한다. 상기 열교환판들 사이에는 냉방시스템(120)으로부터 유입된 냉매를 통과시키기 위한 냉매 유로(미도시)와, 상기 배터리팩(150)으로부터 유입된 냉각수를 통과시키기 위한 냉각수 유로(미도시)가 형성된다. 이때, 상기 냉매 유로와 상기 냉각수 유로는 서로 번갈아 가면서 위치한다.
냉방시스템(120)으로부터 판형 열교환기(130)로 유입된 냉매는 판형 열교환기(130) 내부의 냉매 유로들을 순차적으로 거친 후 판형 열교환기(130)로부터 유출되고, 배터리팩(150)으로부터 판형 열교환기(130)로 유입된 냉각수는 냉매 유로들 사이에 형성된 냉각수 유로들을 순차적으로 거친 후 판형 열교환기(130)로부터 유출되며, 이 과정에서 냉각수는 열교환판을 통해 냉매로부터 냉기를 전달받는다. 냉매로부터 냉기를 전달받은 냉각수는 바이패스 라인에 장착된 제2밸브(190)를 경유하여 배터리팩(150)으로 유입된 후 배터리팩(150)을 냉각시키고, 상기 판형 열교환기(130)로 다시 유입된다. 한편, 냉각수의 순환은 펌프(170)에 의해 이루어지고, 제1밸브(180)는 냉매와 냉각수의 열교환시 제1열교환기(130)와 제2열교환기를 연결하는 배관을 차단한다.
한편, 여름철과 달리 겨울철에는 냉방시스템(120)이 가동되지 않는다. 따라서 냉각수가 자동차의 주행 시 자동차로 유입되는 공기, 즉 램에어(ram air)로부터 냉기를 전달받을 수 있도록 배터리팩 냉각시스템(100)은 제2열교환기(140)를 포함한다. 이와 같은 경우, 컨트롤 밸브(160)는 냉방시스템(120)과 판형 열교환기(130)를 연결하는 배관을 차단하고, 제1밸브(190)는 바이패스 라인을 차단한다.
상기 램에어와의 열교환시, 냉각수는 판형 열교환기(130) 및 제1밸브(180)를 순차적으로 경유한 후 제2열교환기(140)에서 램에어로부터 냉기를 전달받고, 냉기를 전달받은 냉각수는 배터리팩(150)을 냉각시킨 후 판형 열교환기(130)로 다시 유입된다.
앞서 배경기술에서 설명된 바와 같이, 배터리팩(50) 내부에 구비된 전지셀의 수명 및 효율은 전지셀의 온도가 너무 높은 경우뿐만 아니라 너무 낮은 경우에도 저하된다. 따라서 기온이 영하로 떨어지는 겨울철에 배터리팩을 충전시킬 때(냉충전시) 또는 자동차의 시동을 걸 때 배터리팩이 예열될 수 있도록, 상기 배터리팩 냉각시스템(100)은 히터(135)를 포함한다.
상기 히터(135)는 판형 열교환기(130) 내의 냉각수 유로를 경유하는 냉각수를 가열시키기 위해 상기 판형 열교환기(130)에 장착될 수 있다. 이때 히터(135)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 판형 열교환기(130)의 열교환판을 관통하도록 구비되는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 히터(135)가 판형 열교환기(130) 내의 냉각수 유로를 모두 통과하기 때문에 냉각수는 판형 열교환기(130)로 유입된 시점부터 판형 열교환기(130)로부터 유출된 시점까지 복수회에 걸쳐 가열될 수 있다.
또한, 상기 히터(135)는 판형 열교환기(130) 내의 냉각수 유로에만 노출되는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 히터(135)와 냉각수 간 직접적인 접촉이 이루어지기 때문에 냉각수의 가열이 효율적으로 이루어질 수 있다. 또한, 판형 열교환기(130)의 냉매 유로에 잔류하고 있는 냉매와 상기 히터(135) 간 직접적인 접촉이 방지되기 때문에 냉매가 히터(135)로부터 받는 영향이 최소화될 수 있다.
판형 열교환기(130)로 유입된 냉각수는 판형 열교환기(130) 내부의 냉각수 유로들을 순차적으로 경유하는 동안 상기 히터(130)로부터 열을 전달받아 가열된다. 그리고, 가열된 냉각수는 제2밸브(190)를 경유하여 배터리팩(150)으로 유입된 후 배터리팩(150)을 예열시키고, 상기 판형 열교환기(130)로 다시 유입된다. 냉각수의 순환은 펌프(170)에 의해 이루어지고, 제1밸브(180) 및 컨트롤 밸브(160)는 배터리팩(150) 예열시 닫힌 상태를 유지한다.
한편, 상기 히터(135)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수를 판형 열교환기(130)로 유입시키는 배관에 장착되거나, 냉각수를 판형 열교환기(130)로부터 유출시키는 배관에 장착되거나, 이들 모두에 장착될 수 있다. 이때, 상기 히터(135)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 배관들의 중공에 노출되는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 상기 배관들의 중공에서 히터(135)와 냉각수 간 직접적인 접촉이 이루어지기 때문에 냉각수의 가열이 효율적으로 이루어질 수 있다. 그러나, 히터(135)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 배관들의 외면에 장착되어도 무방하다. 이와 같은 경우, 히터(135)는 상기 배관들의 가열하고, 상기 배관들은 냉각수를 가열하게 된다.
히터(135) 상기 배관들의 중공에 노출될 경우, 히터(135)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 중공의 중심방향으로 연장하다가 냉각수가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 연장하는 "ㄴ"자 형태로 형성됨이 바람직하다. 이와 같은 경우, 첫째 히터(135)와 냉각수 간 접촉면적이 증가하므로 냉각수의 가열이 효율적으로 이루어질 수 있고, 둘째 냉각수의 흐름이 원활하게 유지될 수 있다.
한편 상기 히터(135)는 전기에너지에 의해 작동하는 전기히터로 이루어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템
120 : 냉방시스템 130 : 판형 열교환기(제1열교환기)
135 : 히터 140 : 제2열교환기
150 : 배터리팩 160 : 컨트롤 밸브
170 : 펌프 180 : 제1밸브
190 : 제2밸브

Claims (6)

  1. 자동차용 냉방시스템의 냉매 또는 자동차로 유입되는 공기로부터 냉기를 전달받은 냉각수를 이용하여 자동차에 탑재된 배터리팩을 냉각시키는 수냉식 배터리팩 냉각시스템에 있어서,
    상기 냉방시스템의 작동시, 상기 냉방시스템을 순환하는 냉매의 냉기를 상기 배터리팩으로 유입될 냉각수에 전달하는 판형 열교환기; 및
    상기 배터리팩의 냉충전시 또는 상기 자동차의 시동시 상기 배터리팩이 예열될 수 있도록 상기 배터리팩으로 유입될 냉각수를 가열하는 히터;를 포함하고,
    상기 히터는 상기 판형 열교환기, 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로 유입시키는 배관 및 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로부터 유출시키는 배관 중 적어도 한 곳에 장착되는 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판형 열교환기는 서로 평행하게 나열된 복수의 열교환판을 포함하고, 상기 복수의 열교환판 사이의 공간은 번갈아 가면서 상기 냉매의 유로 및 상기 냉각수의 유로로 사용되며, 상기 히터는 상기 복수의 열교환판을 관통하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 열교환판을 관통하도록 장착된 히터는 상기 냉각수의 유로에만 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로 유입시키는 배관의 중공 또는 상기 냉각수를 상기 판형 열교환기로부터 유출시키는 배관의 중공에 노출된 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히터는 상기 중공의 중심방향으로 연장하다가 상기 냉각수가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 연장하는 "ㄴ"자 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 전기에너지에 의해 작동하는 전기히터인 것을 특징으로 하는 예열기능을 구비한 수냉식 배터리팩 냉각시스템.

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