KR20130052502A - 전지팩을 냉각 및 사이클링 하기 위한 시스템 및 그 방법 - Google Patents

전지팩을 냉각 및 사이클링 하기 위한 시스템 및 그 방법 Download PDF

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스코트 아르제널트
켄네스 오스완델
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주식회사 엘지화학
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Abstract

전지팩을 냉각 및 사이클링 하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 가압 공기를 출력하도록 구성되어 있는 공기 공급 장치(air supplying device)를 포함한다. 상기 시스템은 공기 공급 장치로부터 가압 공기를 수령하고 가압 공기에 반응하여 제 1 온도 레벨에서 냉각 공기를 출력하도록 구성되어 있는 소용돌이 튜브 장치(vortex tube device)를 더 포함한다. 상기 시스템은 전지팩에 배치되어 있고, 소용돌이 튜브로부터 냉각 공기를 수령하여 전지팩을 냉각시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 열 교환기(heat exchanger)를 더 포함한다. 상기 시스템은 전지팩에 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩이 냉각될 때에 전지팩을 충전 및 방전시키도록 구성되어 있는 전지 사이클링 장치(battery cycling device)를 더 포함한다.

Description

전지팩을 냉각 및 사이클링 하기 위한 시스템 및 그 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR COOLING AND CYCLING A BATTERY PACK}
본 발명은 전지팩을 냉각 및 사이클링 하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
전지팩은 테스팅 동안 충전되고 방전된다. 그러나, 본 발명자들은 전지팩이 냉각되지 않을 경우에, 테스팅 동안 과열될 수도 있다는 것을 인식하였다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 전지팩을 냉각 및 사이클링 하기 위한 향상된 시스템과 방법의 필요를 인식하게 되었다.
본 발명은 하나의 실시예에 따른 전지팩을 제공한다. 상기 시스템은 가압 공기를 출력하도록 구성되어 있는 공기 공급 장치(air supplying device)를 포함한다. 상기 시스템은 공기 공급 장치로부터 가압 공기를 수령하고, 가압 공기에 반응하여 제 1 온도 레벨에서 냉각 공기를 출력하도록 구성되어 있는 소용돌이 튜브 장치(vortex tube device)를 더 포함한다. 상기 시스템은 또한, 전지팩에 배치되어 있고, 소용돌이 튜브로부터 냉각 공기를 수령하여 전지팩을 냉각시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 열 교환기(heat exchanger)를 포함한다. 상기 시스템은 또한, 전지팩에 전기적으로 연결되어 있는 전지 사이클링 장치(battery cycling device)를 포함한다. 상기 전지 사이클링 장치는 전지팩이 냉각될 때에 전지팩을 충전 및 방전시키도록 구성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩을 냉각시키고 사이클링 하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 공기 공급 장치로부터 가압 공기를 출력하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 또한, 소용돌이 튜브에서 공기 공급 장치로부터 가압 공기를 수령하고, 가압 공기에 반응하여 제 1 온도 레벨에 에서 소용돌이 튜브로부터 냉각 공기를 출력하는 과정을 더 포함한다. 상기 방법은 또한, 전지팩 내에 배치된 적어도 하나의 열 교환기에서 소용돌이 튜브로부터 냉각된 공기를 수령하고, 열 교환기를 이용하여 전지팩을 냉각시키는 과정을 더 포함한다.
상기 방법은 또한, 전지 팩이 냉각될 때에 전지 사이클링 장치를 이용하여 전지팩을 충전 및 방전시키는 과정을 더 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 테스팅 동안에 전지팩이 과열되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩을 냉각시키고 사이클링 하기 위한 시스템의 블록 다이어그램(block diagram)이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다.
도 3은 도 1의 시스템에서 이용된 소용돌이 튜브의 모식도이다.
도 4는 도 3의 소용돌이 튜브의 측면 사시도이다.
도 5는 전지셀들과 열교환기를 포함하는 도 2의 전지팩의 일부에 대한 또 다른 측면 사시도이다.
도 7은 도 6의 열교환기의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩을 냉각시키고 순환하기 위한 순서도이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범주가 하기의 내용으로 한정되는 것은 아니다
도 1을 참조하면, 하나의 실시예에 따른 전지팩(22)을 사이클링 하기 위한 시스템(10)이 도시되어 있다. 상기 시스템은 공기 공급 장치(40), 필터(42), 압력 조절기(pressure regulator; 50), 소용돌이 튜브(60), 압력 조절기(70), 도관들(80, 82, 84, 86, 88), 온도 센서(100), 전지 사이클링 장치(battery cycling device; 110), 컴퓨터(112)를 포함한다. 상기 시스템(10)의 장점은 시스템(10)이 전지팩의 사이클 동안에 전지팩(22)을 냉각시키기 위해 건식법을 이용한다는 점이다. 특히, 하나의 실시예에서, 시스템(10)은 물 또는 결빙 방지 또는 또 다른 액체 냉각제를 이용하는 대신에 전지팩(22)을 냉각시키기 위해 냉각 공기를 이용한다.
도 1, 도 6 및 도 7을 참조하면, 전지팩(22)은 전지셀들, 예를 들어, 전지셀들(23, 24, 25)을 포함한 다수의 전지셀을 포함한다. 또한, 전지팩(22)은 열 교환기(26)에 인접하여 배치된 전지셀들, 예를 들어, 전지셀(23, 24, 25)들로부터 열 에너지를 추출하기 위한 열 교환기(26) 등과 같은 다수의 열 교환기들을 포함한다. 하나의 실시예에서, 전지셀들(23, 24, 25)은 파우치형 리튬 이온 전지셀들이다. 물론, 또 다른 실시예에 따르면 다른 유형의 전지셀들이 고려될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 열 교환기(26)는 하우징(housing; 27), 유입구(inlet port; 28), 배출구(outlet port; 29), 하우징(27)에 의해 설정된 내부 유로(internal flow path; 30)를 포함한다. 유입구(28)와 배출구(29)는 하우징(27)과 유동적으로 연결되어 있다. 전지팩(22)의 사이클 동안에, 열 교환기(26)는 이하에서 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이, 전지셀들(23, 24, 25)로부터 에너지를 추출하기 위해 열 교환기(26)를 이용하여 냉각된 공기를 수령한다.
도 1을 참조하면, 공기 공급 장치(40)는 가압 공기를 출력하도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 공기 공급 장치(40)는 공기 압축기(air compressor)이다.
필터(42)는 필터(42)를 통해 흐르는 공기의 미립자를 제거하도록 구성되어 있다. 필터(42)는 도관(80)과 도관(82) 사이에 유동적으로 연결되어 있다.
압력 조절기(50)는 소용돌이 튜브(60)에 공급되는 공기의 압력을 조절하도록 구성되어 있다. 압력 조절기(50)는 소용돌이 튜브(60)에 더 연결되어 있는 도관(83)과 도관(84) 사이에 유동적으로 연결되어 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 소용돌이 튜브(60)는 공기 공급 장치(40)로부터 가압 공기를 수령하고, 가압 공기에 반응하여 제 1 온도 레벨에서 냉각 공기를 출력하도록 구성되어 있다. 소용돌이 튜브(60)는 유입관(inlet tube; 140), 중심 챔버(central chamber; 142), 원뿔형 배출관(outlet tube; 150) 및 배출관(153)을 포함한다. 배출관(152)은 그 안에 장착된 원뿔형 부재(160)를 가지고 있다. 유입관(140)은 중심 챔버(142)와 유동적으로 연결되어 있다.
또한, 원뿔형 배출관(150)과 상기 배출관(152)은 중심 챔버와 유동적으로 연결되어 있다.
또한, 유입관(140)은 도관(84)과 유동적으로 연결되어 있고, 상기 배출관(152)은 도관(86)에 유동적으로 연결되어 있다. 작동하는 동안, 가압 공기는 유입관(140) 내부로 유입된다. 가압 공기가 소용돌이 튜브(60)를 통해 흐름으로써, 가열된 공기는 원뿔형 배출관(150)으로부터 방출되고, 냉각된 공기는 배출관(152)에서 도관(86)으로 방출된다. 냉각된 공기는 전지팩(22) 내의 열 교환기와 전지셀을 냉각시키기 위해 이용된다.
압력 조절기(70)는 도관(86)을 경유하여 소용돌이 튜브(60)로부터 수신되는 공기의 압력 레벨을 조절하도록 구성되어 있다. 압력 조절기(70)는 전지팩(22)에 더 연결된 도관(86)과 도관(88) 사이에 유동적으로 연결되어 있다.
하나의 실시예에 따르면, 압력 조절기(70)는 압력 레벨을 15 PSI(pounds per-square-inch) 이하로 조절한다.
상기 언급한 바와 같이, 도 1 및 도 7을 참조하면, 전지팩(22)은 적어도 하나의 열 교환기(26)을 포함한다. 열 교환기(26)는, 도관(88)로부터, 전지팩(22)을 냉각시키기 위하여 소용돌이 튜브(60)로부터 수령되는 냉각 공기를 수령하도록 구성되어 있다. 열 교환기(26)는 내부 유로(30)를 통해 흐르고 배출구(29)로부터 통하여 흐르는 냉각 공기를 유입관(28)에 수령한다. 냉각 공기는 열 교환기(26)으로부터 열 에너지를 추출하며, 이는 열 교환기(26)에 인접한 전지셀들로부터 열 에너지를 더 추출한다.
전지 사이클링 장치(battery cycling device; 110)는 전지팩(24)에 전기적으로 연결되어 있다. 전지 사이클링 장치(110)는 전지팩(24)이 냉각될 때에 전지팩(24)을 충전 및 방전시키도록 구성되어 있다.
온도 센서(100)는 전지팩(24)에 인접하여 배치되어 있고, 컴퓨터(112)에 의해 수신되는 전지팩(24)의 온도 레벨을 표시하는 온도 신호를 생성한다.
컴퓨터(112)는 온도 센서(100) 및 전지 사이클링 장치(110)에 작동가능하게 연결되어 있다. 컴퓨터(112)는 온도 신호를 수신하고 온도 신호에 기반한 전지팩(22)의 온도 레벨을 결정하도록 구성되어 있다. 온도 레벨이 임계 온도 레벨보다 낮은 경우에, 컴퓨터(112)는 전지팩을 충전 및 방전시키도록 전지 사이클링 장치(110)를 유도하는 제어 신호를 생성하도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 임계 온도 레벨은 25℃이다. 또 다른 실시예에서, 임계 온도 레벨은 특정 전지팩의 충전 및 방전 특성에 따라 25℃ 미만이거나 또는 25℃ 보다 더 클 수 있다. 컴퓨터(112)는 하기에서 상세하게 설명하는 본 방법을 구현시키기 위한 실행가능한 소프트웨어 지시들 및 연관 데이터를 저장하기 위한 내부 메모리 장치(113)을 가지고 있다. 하나의 실시예에서, 컴퓨터(112)는 메모리 장치에 작동가능하게 연결된 마이크로프로세서를 포함한다. 물론, 또 다른 실시예에서, 컴퓨터(112)는 프로그램 가능한 논리 제어기(programmable logic controller) 또는 필드 프로그램 가능한 논리 배열(field programmable logic array)을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 또 다른 실시예에 따라 전지팩(22)을 냉각 및 순환하기 위한 순서도이다.
단계(300)에서, 공기 공급 장치(40)는 소용돌이 튜브(60)에 필터(42)와 압력 조절기(50)를 통해 흐르는 가압 공기를 출력한다. 단계(300) 이후에, 단계(302)로 진행된다.
단계(302)에서, 소용돌이 튜브(60)는 공기 공급 장치(40)로부터 가압 공기를 수령하고, 가압 공기에 반응하여 제 1 온도 레벨에서 냉각 공기를 출력한다. 냉각된 공기는 압력 조절기(50)을 통하여 이동한다. 단계(303) 이후에, 단계(304)로 진행된다.
단계(304)에서, 전지팩(22)에 배치된 적어도 하나의 열 교환기(26)는 압력 조절기(70)으로부터 냉각 공기를 수령하고, 냉각 공기를 이용하는 전지팩(22)을 냉각시킨다. 단계(304) 이후에, 단계(306)으로 진행된다.
단계(306)에서, 온도 센서(100)는 전지팩(22)의 온도 레벨의 온도 신호를 생성한다. 단계(306) 이후에, 단계(308)로 진행된다.
단계(308)에서, 컴퓨터(112)는 제 1 온도 레벨이 임계 온도 레벨보다 낮은지 아닌지 여부에 대해 결정한다. 단계(308)의 값이 "Yes"일 경우에 단계(310)으로 진행된다. 그렇지 않으면, 단계(312)로 진행된다.
단계(310)에서, 컴퓨터(112)는 전지팩(22)를 충전 및 방전시키도록 전지 사이클링 장치(110)를 유도하는 제어 신호를 생성한다. 단계(310) 이후에, 본 방법은 단계(300)으로 되돌아간다.
단계(310)을 다시 참조하면, 단계(310)의 값이 "No"일 경우에, 본 방법은 단계(312)로 진행된다. 단계(312)에서, 컴퓨터(112)는 전지팩(22)을 충전 및 방전 시키도록 전지 사이클링 장치(110)를 유도하는 제어 신호를 생성한다. 단계(312) 이후에 단계(300)으로 되돌아 간다.
전지팩을 냉각 및 순환하기 위한 시스템(10) 및 방법은 다른 시스템 및 방법에 대해 실질적인 이점을 제공한다. 특히, 전지팩의 충전 및 방전 동안, 전지팩을 냉각시키기 위해 시스템(10) 및 방법은 소용돌이 튜브로부터의 냉각 공기를 이용한다.
예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 기술하였지만, 당업자들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 구성요소들에 대해 다양한 변형이 행해질 수 있고 균등 치환이 행해질 수 있음을 당업자들은 이해할 것이다. 더욱이, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특별한 상황 또는 물질을 적용하기 위해 많은 수정이 행해질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 개시되어 있는 특정 실시예들로 한정되지 않고, 첨부된 청구항들의 범주에 속하는 모든 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 전지팩을 사이클링 하기 위한 시스템으로서,가압 공기를 출력하도록 구성되어 있는 공기 공급 장치(air supplying device);
    공기 공급 장치로부터 가압 공기를 수령하고 가압 공기에 반응하여 제 1 온도 레벨에서 냉각 공기를 출력하도록 구성되어 있는 소용돌이 튜브 장치(vortex tube device);
    전지팩에 배치되어 있고, 소용돌이 튜브로부터 냉각 공기를 수령하여 전지팩을 냉각시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 열 교환기(heat exchanger);
    전지팩에 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩이 냉각될 때에 전지팩을 충전 및 방전시키도록 구성되어 있는 전지 사이클링 장치(battery cycling device)로 구성되어 있는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전지팩의 온도 레벨을 표시하는 온도신호를 생성하고 전지팩에 인접하여 배치되어 있는 온도 센서; 및
    온도 센서 및 전지 사이클링 장치에 작동 가능하게 연결되어 있고, 온도 신호를 수령하여 온도 신호에 기반한 전지팩의 온도 레벨을 결정하도록 구성되어 있는 컴퓨터;
    를 더 포함하고 있고,
    온도 레벨이 임계 온도 레벨보다 낮은 경우에, 전지팩을 충전 및 방전시키도록 전지 사이클링 장치를 유도하는 제어 신호를 생성하도록 컴퓨터가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 임계 온도 레벨은 25℃인 것을 특징으로 하는 시스템
  4. 제 1 항에 있어서, 소용돌이 튜브와 전지팩 사이에 유동적으로 연결되어 있고 임계 압력 레벨 아래로 냉각 공기의 압력 레벨을 유지하도록 구성되어 있는 압력 조절기(pressure regulator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 임계 압력 레벨은 15PSI(pounds-per-square inch)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 전지팩을 사이클링 하기 위한 방법으로서,
    공기 공급 장치로부터 가압 공기를 출력하는 과정;
    소용돌이 튜브에서 공기 공급 장치로부터 가압 공기를 수령하고, 가압 공기에 반응하여 제 1 온도 레벨에서 소용돌이 튜브로부터 냉각 공기를 출력하는 과정;
    전지팩 내에 배치된 적어도 하나의 열 교환기에서 소용돌이 튜브로부터 냉각된 공기를 수령하고, 열교환기를 이용하여 전지팩을 냉각시키는 과정; 및
    전지팩이 냉각될 때에, 전지 사이클링 장치를 이용하여 전지팩을 충전 및 방전시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전지팩에 인접하여 배치된 온도 센서를 이용하여 전지팩의 온도 레벨을 표시하는 온도신호를 생성하는 과정;
    컴퓨터를 이용하여 온도 신호에 기반한 전지팩의 온도 레벨을 결정하는 과정;
    온도 레벨이 임계 온도 레벨 보다 낮을 경우에, 컴퓨터를 이용하여 전지팩을 충전 및 방전시키도록 전지 사이클링 장치를 유도하기 위한 제어 신호를 생성하는 과정;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 임계 온도 레벨은 25℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 소용돌이 튜브와 전지팩 사이에 유동적으로 연결된 압력 조절기를 이용하여 임계 압력 레벨 아래로 냉각 공기의 압력 레벨을 유지하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 입계 압력 레벨은 15PSI(pounds-per-square inch)인 것을 특징으로 하는 방법.
KR20120102618A 2011-11-11 2012-09-17 전지팩을 냉각 및 사이클링 하기 위한 시스템 및 그 방법 KR20130052502A (ko)

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