KR20130060758A - 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치 - Google Patents

전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치 Download PDF

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양주환
허강헌
이소희
최동혁
이성호
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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 전지 시스템을 효율적으로 냉각시키는 장치에 관한 것으로, 열전달 부재; 상기 열전달 부재의 일면에 구비되고, 전기 자동차의 모터를 구동하고 제어하는 전지 시스템; 및 흡열부와 발열부를 구비하고, 상기 흡열부는 상기 열전달 부재의 타면에 접촉되며, 상기 전지 시스템에서 발생한 열을 외부로 전달하는 열전 모듈;을 포함하는 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.

Description

전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치{COOLING APPARATUS FOR BATTERY SYSTEM OF ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 자동차에 채용되는 전지 시스템에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각할 수 있도록 구조가 개선된 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
전기 자동차(Electric vehicle: EV)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차로 분류되며, 배터리전용 전기 자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기 자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 배터리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.
또한, 하이브리드 전기 자동차는 직렬 방식과 병렬 방식으로 분류될 수 있으며, 직렬 방식은 엔진에서 출력되는 기계적 에너지는 발전기를 통하여 전기적 에너지로 바뀌고 이 전기적 에너지가 배터리나 모터로 공급되어 차량은 항상 모터로 구동되는 자동차로 기존의 전기 자동차에 주행거리의 증대를 위하여 엔진과 발전기를 추가시킨 개념이고, 병렬 방식은 배터리 전원으로도 차를 움직이게 할 수 있고 엔진(가솔린 또는 디젤)만으로도 차량을 구동시키는 두 가지 동력원을 사용하고 주행조건에 따라 병렬 방식은 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있다.
또한, 최근 모터/제어기술도 점점 발달하여 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있다. DC모터를 AC모터로 변환함에 따라 출력과 전기 자동차의 동력성능(가속성능,최고속도)이 크게 향상되어 가솔린차에 비하여 손색없는 수준에 도달하였다. 고출력화를 추진하면서 고회전화함에 따라 모터가 경량소형화되어 탑재중량이나 용적도 크게 감소하였다.
이와 같은 전기 자동차는 크게, 모터(전동기), 인버터, 충전기, DC/DC 컨버터, 전지 시스템 등으로 나뉘어 구성되어 있다.
상기 전지 시스템은 전기 자동차를 구동시키기 위한 구동원으로, 상기 전지 시스템은 배터리, 또는 상기 배터리의 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit:PCU) 중 어느 하나를 지칭하는 것으로, 특히, 상기 배터리는 온도에 대하여 매우 민감하다.
즉, 상기 배터리는 충전시나 방전시 열을 발생하며, 상기 발생된 열이 소정의 온도 이상으로 상승할 경우, 배터리가 손상되거나 심하게는 폭발되는 문제점과, 대기온이 낮을시 전지 용량이 10∼20%를 사용할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 충, 방전시에 발생되는 열에 의해 배터리의 온도가 상승되는 것을 방지할 필요가 있다.
도 1은 종래 전기 자동차의 배터리를 공냉식으로 냉각하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리(1)가 케이스(2)의 내부에 구비되고, 이러한 케이스(2)의 상, 하부에는 배터리(1)를 냉각시키기 위한 공기통로(3)가 배치된다. 그리고, 이러한 공기통로(3)는 전방(Ⅰ)으로부터 후방(Ⅱ)으로 형성된다.
따라서, 상기 공기통로(3)의 전방(Ⅰ)에 형성된 유입구(5)로부터 공기가 흡입되어 후방(Ⅱ)에 형성된 유출구(4)로 흐르게 됨으로써 배터리(4)들을 일정 온도 이하로 냉각시킨다.
그러나, 이러한 구조의 냉각 방식은 공기통로의 단면적이 고정되어 있음으로 각각의 배터리를 일정한 량의 공기만에 의하여 냉각시키므로 배터리를 효율적으로 냉각시키지 못하는 문제점이 있다.
또한, 종래 공냉식 냉각 시스템은 구조상 배터리 셀의 방열을 위한 공기 유동공간이 필요하기 때문에 배터리 시스템의 부피가 크며, 배터리 냉각 및 가열을 위한 관련 부속으로 인해 전체 자동차 구조상의 공간 확대가 필요한 문제점이 있었다. 이러한 문제점은 미래 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 구조의 단순화에 반하는 것으로 배터리 시스템의 냉각 및 가열 효과를 극대화시킬 수 없게 한다.
한편, 도 2는 종래 전기 자동차의 배터리를 수냉식으로 냉각하는 장치를 나타낸 도면으로, 도 2를 참조하면, 배터리의 일면에 냉각 플레이트에 구비되어 있고, 상기 냉각 플레이트 내에는 워터 펌프에 의해 냉각수가 순환된다.
이와 같은 구조에 따라 상기 배터리의 열로 인하여 상기 냉각 플레이트 내의 온도가 상승한 냉각수는 라디에이터로 들어가고, 상기 라디에이터는 전동팬으로 강제 공랭되어 핀으로부터 공기중에 방열된다.
그러나, 이와 같은 종래 수냉식 냉각 시스템은 워터 펌프 및 냉각수가 구비되어야 하는데, 이때 냉각수의 누수위험이 있고, 워터 펌프 구동으로 인한 진동 및 소음이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 전기 자동차의 전지 시스템에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시키기 위하여, 열전달 부재 및 열전 모듈이 구비된 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명은, 열전달 부재; 상기 열전달 부재의 일면에 구비되고, 전기 자동차의 모터를 구동하고 제어하는 전지 시스템; 및 흡열부와 발열부를 구비하고, 상기 흡열부는 상기 열전달 부재의 타면에 접촉되며, 상기 전지 시스템에서 발생한 열을 외부로 전달하는 열전 모듈;을 포함하는 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
이때, 상기 전지 시스템은, 배터리, 또는 상기 배터리의 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛 중 어느 하나인, 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
그리고, 상기 열전 모듈은, 상부 기판 및 하부 기판; 상기 상부 기판 및 하부 기판의 일면에 구비되는 금속 전극; 및 상기 금속 전극 사이에 이격된 다수의 P형 열전 반도체와 N형 열전 반도체;로 구성된, 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
또한, 상기 열전달 부재는, 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 알루미늄(Al) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것으로 이루어지는, 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
또한, 상기 열전 모듈의 발열부에서 발생하는 열을 방출시키기 위한 방열 수단;을 더 포함하는, 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
또한, 상기 방열 수단은, 상기 열전 모듈의 발열부의 일단에 접촉되는 히트 싱크; 및 상기 히트 싱크의 타면에 대향하여 배치된 방열 장치;로 구성된, 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
이때, 상기 방열 장치는, 냉각팬인 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
그리고, 상기 방열 장치에서 배출한 열을 상기 전기 자동차의 외부로 방출하는 배기관;을 더 포함하는 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
또한, 상기 열전 모듈의 발열부와 방열 수단 사이에 구리 플레이트가 접합된, 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치에 따르면, 종래와 달리 워터 펌프를 사용하지 않고 열전 모듈에 의해 냉각이 이루어지므로 누수에 따른 잠재 위험 요소를 제거할 수 있으며, 또한 진동에 따른 소음을 줄일 수 있다.
또한, 냉각 장치 전체의 크기 및 무게가 전반적으로 감소되므로, 그에 따른 연비를 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 전지 시스템이 열전모듈에 의해 직접 냉각되는 방식이므로, 전지 시스템의 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 전기 자동차의 배터리를 공냉식으로 냉각하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 전기 자동차의 배터리를 수냉식으로 냉각하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 열전 모듈을 개략적으로 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명에 사용되는 열전 모듈의 정면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치(100)는, 열전달 부재(110), 전지 시스템(120) 및 열전 모듈(130)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전지 시스템(120)은, 전기 자동차의 모터를 구동하고 제어하는 시스템으로, 전기 자동차를 구동시키기 위한 구동원인 배터리, 또는 상기 배터리의 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit:PCU)을 총칭하고, 상기 열전달 부재(110)의 일면에 구비될 수 있다.
상기 열전달 부재(110)는, 상기 전지 시스템(120)에서 발생하는 열을 상기 열전 모듈(130)로 전달하는 기능을 수행하는 것으로, 보다 효율적인 열 전달을 위해 열전도도가 우수한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 열전달 부재(110)는, 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 알루미늄(Al) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것으로 이루어질 수 있다.
아래 표 1은 상기 열전달 부재(110)를 이루는 각 소재들의 열전도도로써, 표 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 구리(Cu)의 경우 약 400 W/m.K의 열전도도를 가진다. 따라서, 상기 열전달 부재(110)가 구리(Cu)로 이루어지는 경우, 충, 방전시에 상기 전지 시스템(120)에서 발생되는 열을 상기 열전 모듈(130)로 빠르게 전달하여 냉각 효율을 높일 수 있다.
Figure pat00001
상기 열전 모듈(130)은, 흡열부와 발열부를 구비하고, 상기 흡열부는 상기 열전달 부재(110)의 타면에 접촉되며, 상기 전지 시스템(120)에서 발생한 열을 상기 발열부로 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명에 사용되는 열전 모듈(130)을 개략적으로 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 5는 본 발명에 사용되는 열전 모듈(130)의 정면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 상기 열전 모듈(130)을 구체적으로 살펴보면, 상기 열전 모듈(130)은, 상부 기판(131) 및 하부 기판(132), 그리고 상기 상부 기판(131) 및 하부 기판(132)의 일면에 구비되는 금속 전극(133)과, 상기 금속 전극(133) 사이에 이격된 다수의 P형 열전 반도체(134) 및 N형 열전 반도체(135)를 포함할 수 있다.
상기 금속 전극(133)은 열전 모듈(130)에 전원이 인가되면 상기 P형 열전 반도체(134) 및 N형 열전 반도체(135)에 전류가 흐를 수 있도록 하는 것으로, 보다 구체적으로 살펴 보면 상기 상부 기판(131)의 하면에 구비되는 상부 금속 전극과, 상기 하부 기판(132)의 상면에 구비되는 하부 금속 전극으로 구성될 수 있다.
상기 금속 전극(133)은 열전 모듈(130)에 공급되는 전원의 손실을 최소화하기 위하여 전기전도성이 높은 재질로 형성될 수 있고, 보다 상세하게는, 은(Ag)이나 구리(Cu)등 전도성이 우수한 소재로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 상부 금속 전극과 하부 금속 전극의 일면에는 P형 열전 반도체(134) 및 N형 열전 반도체(135)가 각각 한 개씩 이격되도록 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 상부 전극의 하면 좌측에는 P형 열전 반도체(134)가 구비될 수 있고, 상기 P형 열전 반도체(134)로부터 우측으로 이격된 곳에는 N형 열전 반도체(135)가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 하부 전극의 상면 좌측에는 N형 열전 반도체(135)가 구비될 수 있고, 상기 N형 열전 반도체(135)로부터 우측으로 이격된 곳에는 P형 열전 반도체(134)가 구비될 수 있다.
상기 본 발명에 따른 열전 모듈(130)에 전원이 공급되면 상기 P형 열전 반도체(134) 및 N형 열전 반도체(135)가 전기적으로 직렬 연결되어 전류가 흐르게 되고, 펠티에 효과에 의해 상기 P형 열전 반도체(134) 내의 정공(Hole)은 (-)쪽으로 열을 갖고 이동하고, 상기 N형 열전 반도체(135)의 내의 전자(Electron)는 (+)쪽으로 열을 갖고 이동하여 상기 상부 기판(131)은 가열되고, 상기 하부 기판(132)은 냉각된다.
따라서, 상기 본 발명에서 사용되는 상기 열전 모듈(130)의 하부 기판(132)은 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치(100)에서 흡열부로 작동할 수 있고, 상기 상부 기판(131)은 발열부로 작동할 수 있으며, 이에 따라, 상기 하부 기판(132) 쪽이 상기 열전달 부재(110)의 타면에 접촉할 수 있도록 구성함이 바람직하다.
상기와 같은 구조에 따라, 상기 전지 시스템(120)에서 발생한 열은 상기 열전달 부재(110)를 통하여 상기 열전 모듈(130)의 흡열부에서 발열부로 전달되어 외부로 방출하게 된다.
보다 효과적으로 열을 방출하기 위하여, 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 열전 모듈(130)의 발열부의 일면에 구비되는 방열 수단(140)을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 방열 수단(140)에 의해 상기 열전 모듈(130)의 발열부에서 발생하는 열을 보다 효과적으로 외부로 방출시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 방열 수단(140)은 상기 열전 모듈(130)의 발열부의 일단에 접촉되는 히트 싱크(141) 및 상기 히트 싱크(141)의 타면에 대향하여 배치된 방열 장치(142)로 구성될 수 있으며, 상기 방열 장치(142)는, 예컨대 냉각팬으로 구성될 수 있다.
그리고, 이에 더하여 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 방열 장치(142)에서 배출한 열을 상기 전기 자동차의 외부로 방출하는 배기관(150)을 더 포함할 수 있다.
따라서, 도면에는 자세히 도시되어 있지 아니하나, 상기 배기관(150)의 출구는 전기 자동차의 외부로 노출될 수 있도록 형성하고, 상기 방열 장치(142)에서 배출되는 열이 모두 전기 자동차의 외부로 빠져나갈 수 있도록 상기 배기관(150)의 입구의 직경은 상기 방열 장치(142), 예컨대 냉각팬의 직경보다 더 크게 형성하여 상기 배기관(150)이 상기 방열 장치(142)를 모두 덮을 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치(100)는, 상기 열전 모듈(130)의 발열부와 방열 수단(140)의 접합력을 향상시키기 위하여, 상기 열전 모듈(130)의 발열부와 방열 수단(140) 사이에 구리 플레이트(미도시)가 구비될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치(100)에 따르면, 종래와 달리 워터 펌프를 사용하지 않고 열전 모듈(130)에 의해 냉각이 이루어지므로 누수에 따른 잠재 위험 요소를 제거할 수 있으며, 또한 진동에 따른 소음을 줄일 수 있다.
또한, 냉각 장치 전체의 크기 및 무게가 전반적으로 감소되므로, 그에 따른 연비를 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 전지 시스템(120)이 열전모듈에 의해 직접 냉각되는 방식이므로, 전지 시스템(120)의 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있는 효과를 제공한다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치
110 : 전지 시스템
120 : 열전달 부재
130 : 열전 모듈
131 : 상부 기판
132 : 하부 기판
133 : 금속 전극
134 : P형 열전 반도체
135 : N형 열전 반도체
140 : 방열 수단
150 : 배기관

Claims (9)

  1. 열전달 부재;
    상기 열전달 부재의 일면에 구비되고, 전기 자동차의 모터를 구동하고 제어하는 전지 시스템; 및
    흡열부와 발열부를 구비하고, 상기 흡열부는 상기 열전달 부재의 타면에 접촉되며, 상기 전지 시스템에서 발생한 열을 외부로 전달하는 열전 모듈;
    을 포함하는
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 시스템은,
    배터리, 또는 상기 배터리의 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛 중 어느 하나인,
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 모듈은,
    상부 기판 및 하부 기판;
    상기 상부 기판 및 하부 기판의 일면에 구비되는 금속 전극; 및
    상기 금속 전극 사이에 이격된 다수의 P형 열전 반도체와 N형 열전 반도체;로 구성된,
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 부재는,
    구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 알루미늄(Al) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것으로 이루어지는,
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 모듈의 발열부에서 발생하는 열을 방출시키기 위한 방열 수단;
    을 더 포함하는,
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 방열 수단은,
    상기 열전 모듈의 발열부의 일단에 접촉되는 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크의 타면에 대향하여 배치된 방열 장치;
    로 구성된,
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 방열 장치는,
    냉각팬인,
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 방열 장치에서 배출한 열을 상기 전기 자동차의 외부로 방출하는 배기관;
    을 더 포함하는
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 열전 모듈의 발열부와 방열 수단 사이에 구리 플레이트가 접합된,
    전기 자동차의 전지 시스템 냉각 장치.
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