KR20150015216A - 상변환 물질을 이용한 전지팩 가열기 및 이를 포함하는 전지팩 온도조절 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 변환 또는 자극에 의해 상변환(phase change)이 일어나며 상변환시 열을 흡수하거나 방출하는 상변환 물질(PCM: Phase Change Material);전기의 인가시 가열되어, 상변환 물질의 A상(phase)으로부터 B상으로의 상변환을 유도하는 가열부재(heater);상기 상변환 물질의 B상으로부터 A상으로의 상변환이 일어나도록 전기적 또는 물리적 자극을 가하는 활성부재(activator);상변환 물질, 가열부재 및 활성부재를 밀봉된 상태로 내장하고 있는 제 1 저장부재(reservoir);유체가 유입구 및 배출구를 통해 유동될 수 있는 상태로 제 1 저장부재를 내장하고 있는 제 2 저장부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기를 제공한다.

Description

상변환 물질을 이용한 전지팩 가열기 및 이를 포함하는 전지팩 온도조절 장치 {Device for Heating the Battery Pack Using Phase Change Material and Temperature Control Apparatus for the Battery Pack Comprising the Same}
본 발명은 온도 변환 또는 자극에 의해 상변환(phase change)이 일어나며 상변환시 열을 흡수하거나 방출하는 상변환 물질(PCM: Phase Change Material);전기의 인가시 가열되어, 상변환 물질의 A상(phase)으로부터 B상으로의 상변환을 유도하는 가열부재(heater);상기 상변환 물질의 B상으로부터 A상으로의 상변환이 일어나도록 전기적 또는 물리적 자극을 가하는 활성부재(activator);상변환 물질, 가열부재 및 활성부재를 밀봉된 상태로 내장하고 있는 제 1 저장부재;유체가 유입구 및 배출구를 통해 유동될 수 있는 상태로 제 1 저장부재를 내장하고 있는 제 2 저장부재(reservoir);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 충방전이 가능한 이차전지의 경우, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.
이러한 이차전지가 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지모듈을 형성하고 이러한 전지모듈을 다수 개 병렬 또는 직렬로 연결하여 하나의 전지팩을 형성하여 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩의 냉각장치가 필요하게 되었고, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이에 따라, 다양한 냉각장치가 개발되어 상용화되고 있다.
도 1에는 종래의 차량용 전지팩의 냉각장치가 개략적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 상기 차량용 전지팩의 냉각장치(100)는 전지팩(101)을 냉각하기 위해 냉각수의 온도를 하락시키는 열교환기(102), 상기 열교환기(102)에서 배출된 저온의 냉각수(103)를 전지팩(101)으로 이송하는 배관(104), 전지팩(101)과 열교환후 전지팩(101)에서 배출된 고온의 냉각수(105)를 다시 열교환기(102)로 이송하는 배관(106), 및 상기 냉각수의 전체적인 이송을 위한 펌프(107)를 포함하고 있다.
따라서, 전지팩을 통과 후 가열된 냉각수를 열교환기를 통해 다시 냉각하여 전지팩으로 이송함으로써, 전지팩의 열화를 방지하고, 이에 따른 안전성을 향상시킬 수 있다.
그러나, 상기 이차전지를 포함하는 전지팩이 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 다양하고 복합적인 환경에서 구동하는 디바이스 또는 시스템의 동력원으로 사용되기 위해서는, 전지팩의 열화만을 방지하기 위한 냉각장치 이외에 상기 다양한 환경에 대응하기 위한 복합적인 온도 조절 시스템이 요구된다.
특히, 기온이 낮아지는 경우, 대부분의 부품이 금속으로 이루어진 차량은 급격히 온도가 저하되고, 상기 저온 환경에 장시간 방치된 차량의 전지팩 온도 역시 낮아지게 되며, 이는 차량용 전지팩의 성능 저하 및 수명 특성 저하를 유발한다.
또한, 저온으로 인하여 차량 시동이 정상적으로 걸리지 않거나, 전지의 오작동을 일으키는 문제가 발생할 수 있으므로, 종래의 전지팩 냉각장치 이외에 저온 환경에서의 문제점을 해결할 수 있는 복합적인 온도조절 시스템이 요구된다.
따라서, 이러한 요구들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 통해, 상변환 물질을 포함함으로써, 저온상황에서 전지팩의 작동 성능을 개선할 수 있는 전지팩 가열기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 전지팩 냉각장치에 상기 전지팩 가열기를 부가한 전지팩 온도조절 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩 가열기는, 온도 변환 또는 자극에 의해 상변환(phase change)이 일어나며 상변환시 열을 흡수하거나 방출하는 상변환 물질(PCM: Phase Change Material);
전기의 인가시 가열되어, 상변환 물질의 A상(phase)으로부터 B상으로의 상변환을 유도하는 가열부재(heater);
상기 상변환 물질의 B상으로부터 A상으로의 상변환이 일어나도록 전기적 또는 물리적 자극을 가하는 활성부재(activator);
상변환 물질, 가열부재 및 활성부재를 밀봉된 상태로 내장하고 있는 제 1 저장부재;
유체가 유입구 및 배출구를 통해 유동될 수 있는 상태로 제 1 저장부재를 내장하고 있는 제 2 저장부재(reservoir);
를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지팩 가열기 및 이를 포함하는 전지팩 온도조절 시스템은, 상변환시 열을 흡수하거나 방출하는 상변환 물질을 포함함으로써, 상변환 물질의 상변환을 통해 전지팩을 가열하여, 저온상황에서 전지팩의 작동 성능을 개선할 수 있다.
또한, 별도의 설계 변경 없이 종래의 전지팩 냉각 시스템에 부가함으로써, 설계 및 제조비용이 절감되고, 구조가 간소화 되며, 고온 및 저온 등 다양하고 복합적인 상황 하에서 전지팩의 안전성을 향상시키고, 개선된 작동 성능을 발휘할 수 있도록 하는 효과가 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 A상은 고상이고, 상기 B상은 액상일 수 있다.
즉, 상기 상변환 물질은 가열에 의해 고상에서 액상으로 상변환이 일어나면서 열을 흡수하고, 전기적 또는 물리적 자극에 의해 액상에서 고상으로 상변환이 일어나면서 열을 방출한다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 상변환 물질의 최저 융점은 섭씨 40도일 수 있다. 융점이란 일정한 압력하에서 고상과 액상이 평형이 되어 공존할 때의 온도, 즉, 상변환 물질이 상변환을 일으키는 온도로서, 본 발명에 따른 전지팩 가열기의 상변환 물질은, 섭씨 40도 이상의 온도에서, 고상에서 액상으로 상변환이 일어나면서 주변의 열을 흡수하여 잠열로 축적한다.
상기 상변환 물질의 융점이 너무 낮을 경우, 전지팩을 비롯한 장치의 열화나 또는 기온의 상승으로 인하여, 가열부재의 가열 없이, 안정한 상태인 고상의 상변환 물질이 불안정한 과포화 상태의 액상으로 상변환을 일으킬 수 있다.
이러한 경우에, 상기 액상의 상변환 물질은 외부에서 가해지는 약한 충격이나, 작은 정전기에 의해 액상에서 고상으로 상변환을 일으키며 열을 방출할 수 있고, 이에 따라, 전지팩을 비롯한 장치의 열화 및 온도 상승으로 인한 성능 저하를 유발할 수 있으며, 이를 포함하는 장비의 안전성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩 가열기의 상변환 물질의 최저 융점은 너무 낮은 온도 범위에 있지 않아야 하며, 바람직하게는, 섭씨 40도 이상일 수 있다.
또한, 상기 상변환 물질의 단위 질량당 잠열(latent heat)은 150 내지 500 kJ/kg 일 수 있다.
상변환 물질의 단위 질량당 잠열이 150 kJ/kg 미만일 경우, 전지팩을 소망하는 온도로 가열하기 위한 정도의 열을 방출할 수 없고, 500 kJ/kg 을 초과할 경우, 너무 많은 발열로 인해, 전지팩 및 연결 배관의 급격한 온도 상승 및 이에 따른 내구성 저하를 유발할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩 가열기에 포함되는 상변환 물질은 상기 범위의 특성을 갖고, 소망하는 효과를 발휘할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 파라핀(paraffin), 폴리에틸렌 글리콜, 과포화 상태의 Na2S2O3·5H2O, CH3CO2Na·3H2O 및 MgCl2·6H2O로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 상변환 물질은 가열하고자 하는 전지팩의 질량 및 비열 등 다양한 요소에 따라서도 적절하게 선택될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 전지팩 가열기는 상변환 물질을 가열할 수 있는 가열부재를 포함하고 있으며, 상기 가열부재는 히팅 코일일 수 있다.
상기 히팅 코일은 상변환 물질을 가열함으로써, 고상에서 액상으로 상변환을 일으킬 수 있는 것이라면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 니크롬(Ni-Cr), 또는 철크롬(Fe-Cr), 또는 철크롬알루미늄(Fe-Cr-Al)으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩 가열기는 액상의 상변환 물질을 고상으로 변환시키기 위한 활성부재를 포함하고 있다.
상기 활성부재는 외부 제어장치에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 외부 제어장치의 전기적 신호에 의해 상변환 물질에 전기적 또는 물리적 자극을 가하는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 외부 제어장치는 BMS(battery management system)일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩 가열기의 상변환 물질은 저온 환경에서 상기 외부 제어장치의 전기적 신호에 의해 활성부재가 상변환 물질에 전기적 또는 물리적 자극을 가하게 되고, 상기 상변환 물질은 자극에 의해 액상에서 고상으로 상변환을 일으키며 열을 방출하여, 전지팩을 가열할 수 있다.
또한, 상기 열 방출 및 상변환이 완료된 고상의 상변환 물질은 차후 가열부재인 히팅 코일에 의해 가열되어 다시 액상으로 변환되기 전까지, 고상으로 존재하게 되고, 전지팩 가열기를 포함하는 장비의 작동간 발생할 수 있는 외부 자극에 대해 안정한 상태를 유지하며, 저장부재에 저장될 수 있다.
상기 저장부재는 상변환 물질, 가열부재 및 활성부재를 밀봉된 상태로 내장하고 있는 제 1 저장부재(reservoir)와 유체가 유입구 및 배출구를 통해 유동될 수 있는 상태로 제 1 저장부재를 내장하고 있는 제 2 저장부재로 구성되어 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 저장부재는 상변환 물질의 상변환시 부피 변화에 따라 크기가 변화될 수 있는 탄성소재로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 모든 물질은 고체에서 액체로 상변화가 진행되면서, 분자의 물리적 배열이 변화하게 되고, 이에 따라, 밀도가 변하면서 부피가 변하게 된다.
특히, 상변환 물질은 일반 물질에 비해, 장비의 작동을 위한 잦은 상변환에 따라, 부피가 더욱 유동적일 수 있으며, 따라서, 상기 상변환 물질을 내장하는 제 1 저장부재는, 상변환 물질의 부피 변화를 고려하여 적절한 부피로 설계될 수 있고, 소재 역시 상변환 물질의 상변환시 부피 변화에 따라 크기가 변화될 수 있는 탄성소재로 이루어질 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 제 1 저장부재 또는 제 2 저장부재는 단면 상으로 원통형, 또는 타원형, 또는 다각형일 수 있으며, 바람직하게는, 상기 저장부재를 통과하는 유체의 흐름 및 열교환 효율을 고려하였을 때, 원통형으로 이루어질 수 있다.
이러한 경우에, 상기 제 1 저장부재와 제 2 저장부재는 서로 동일한 형상으로 이루어짐으로써, 유체의 원활한 흐름 및 효율적인 열교환의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 이를 위해, 상기 제 1 저장부재는 제 2 저장부재의 중앙에 위치할 수 있다.
상기 제 2 저장부재는 내부에서 유동하는 유체의 열교환을 위한 배플(baffle)을 더 포함할 수 있다.
상기 배플은 일종의 칸막이로서, 저장부재 내부에서 유동하는 유체가 제 1 저장부재와 제 2 저장부재 사이의 내부 공간을 골고루 유동하면서 효율적인 열교환이 일어날 수 있도록 칸막이를 통한 유로를 형성한다.
이러한 경우에, 상기 배플은 제 2 저장부재의 내면에서 제 1 저장부재의 외면을 감싸는 나선형 구조로 이루어짐으로써, 상기 유체가 제 1 저장부재와 제 2 저장부재 사이의 내부공간을 골고루 유동하며 열교환 효율을 극대화 시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유체는 부동액일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 상기 유체는 에틸렌글리콜을 포함함으로써, 저온상태에서도 유동성 있는 유체 상태로 존재할 수 있고, 전지팩 가열기에 의해 가열되어, 전지팩으로 순환하면서 상기 전지팩을 급속하게 가열할 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지팩 가열기는 상기 유체의 온도를 측정하기 위한 제 1 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 제 1 온도 센서는 전지팩 가열기의 작동 전 온도를 측정하여, 설정 온도 이하에서 외부 제어장치에 전기적 신호를 전달함으로써, 저온상태에서 자동으로 상기 전지팩 가열기가 작동되도록 구성할 수 있으며, 전지팩 가열기의 작동 중 및 작동 후 온도를 측정함으로써, 전지팩 가열기의 오작동으로 인한 과열을 예방할 수 있다.
본 발명은 전지팩 가열기와 전지팩 냉각장치를 더 포함하는 전지팩 온도조절 장치를 제공하는 바, 상기 전지팩 가열기와 전지팩 냉각장치는 적어도 하나 이상의 배관에 의해 전지팩에 연결되어 있고, 유체가 상기 배관을 통해 흐르며 전지팩을 가열 또는 냉각하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 유체가 흐르는 방향은 상기 배관에 설치된 밸브에 의해 냉각장치 또는 가열기 방향으로 조절되며, 이러한 경우에, 상기 밸브는 3방향 밸브(3-way valve)일 수 있다.
구체적으로, 상기 전지팩 온도조절 장치는 종래의 전지팩 냉각장치에 전지팩 가열기를 더 포함하는 구조일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 전지팩에서 배출된 유체가 냉각장치에 유입되도록 연결된 배관, 및 상기 냉각장치를 통과한 유체가 전지팩에 유입되도록 연결된 배관에 각각 3방향 밸브(3-way valve)가 구성되어 있고, 상기 각각의 밸브에는 전지팩 가열기에서 배출된 유체가 전지팩으로 유입되도록 연결된 배관, 및 전지팩을 통과한 유체가 전지팩 가열기로 유입되도록 연결된 배관이 각각 연결된 구조일 수 있다.
일반적인 상황에서, 상기 유체는 3방향 밸브에 의해 냉각장치 방향으로 흐르도록 조절된다.
그러나, 저온상황에서 전지팩의 가열이 필요할 경우, 상기 유체는 3방향 밸브에 의해 가열기 방향으로 흐르도록 조절된다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩 온도제어 시스템과 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩 가열기 및 이를 포함하는 전지팩 온도조절 시스템은, 상변환시 열을 흡수하거나 방출하는 상변환 물질을 포함함으로써, 상변환 물질의 상변환을 통해 전지팩을 가열하여, 저온상황에서 전지팩의 작동 성능을 개선할 수 있다.
또한, 별도의 설계 변경 없이 종래의 전지팩 냉각장치에 부가함으로써, 설계 및 제조비용이 절감되고, 구조가 간소화 되며, 고온 및 저온 등 다양하고 복합적인 상황 하에서 전지팩의 안전성을 향상시키고, 개선된 작동 성능을 발휘할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 차량용 전지팩 냉각장치의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 가열기의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩 가열기의 모식도이다;
도 4 내지 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 온도조절 시스템의 구조 및 작동 상태를 나타내는 모식도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 가열기의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지팩 가열기(200)는, 상변환 물질, 가열부재(201) 및 활성부재(202)를 밀봉된 상태로 내장하고 있는 제 1 저장부재(203) 및 상기 제 1 저장부재(203)를 내장하고 있는 제 2 저장부재(204)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
상기 가열부재(201)는 전기적 연결부재(205)를 통해 외부 전원(도시하지 않음)과 연결될 수 있고, 전기의 인가시 가열되어, 상변환 물질이 고상으로부터 액상으로의 상변환이 일어나도록 유도한다.
또한, 상기 활성부재(202)는 BMS와 같은 외부 제어장치(도시하지 않음)에 전기적으로 연결(206)되어 있고, 저온상태에서 상기 외부 제어장치의 전기적 신호에 의해, 상변환 물질에 전기적 또는 물리적 자극을 가하여, 액상으로부터 고상으로의 상변환이 일어나도록 유도한다.
상기 상변환 물질은 액상에서 고상으로, 고상에서 액상으로 반복적인 상변환을 일으키며, 이에 따른 분자의 물리적 배열의 변화에 따라, 부피가 변화하므로, 이를 내장하는 제 1 저장부재(203)는 상기 상변환 물질의 부피 변화에 따라 크기가 변화될 수 있는 탄성소재로 이루어져 있다.
상기 제 2 저장부재(204)의 벽면에는 유체가 외부의 전지팩과 유동될 수 있도록 유입구(207) 및 배출구(208)가 형성되어 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩 가열기의 모식도가 도시되어 있다.
상기 전지팩 가열기(300)는 제 2 저장부재(301)의 내면에서 유동하는 유체의 열교환을 위한 배플(302)을 더 포함하고 있다.
이러한 경우에, 상기 배플(302)은 제 2 저장부재(301)의 내면에서 제 1 저장부재(303)의 외면을 감싸는 나선형 구조로 이루어짐으로써, 상기 유체가 제 1 저장부재(303)와 제 2 저장부재(301) 사이의 내부공간(304)을 골고루 유동하며 열교환 효율을 극대화 시킬 수 있다.
구체적으로, 외부의 전지팩과 열교환 후 유입구(305)를 통해 제 2 저장부재(301) 내로 유입된 유체는 제 1 저장부재(303)와 제 2 저장부재(301) 사이의 내부공간(304)에 형성된 나선형 구조의 배플(302)을 따라 흐르고, 이 때, 상기 유체는 제 1 저장부재(303)의 모든 외면과 접촉함으로써, 열교환 효율을 극대화 시킬 수 있다. 열교환이 완료된 유체는 배출구(306)를 통해 다시 전지팩으로 배출됨으로써, 소망하는 온도까지 전지팩을 가열한다.
도 4 내지 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 온도조절 시스템의 구조 및 작동 상태를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
우선, 도 4를 참조하면, 상기 전지팩 온도조절 시스템(400)은 상변환 물질을 포함하는 전지팩 가열기(401)가 종래의 전지팩 냉각장치(402)와 함께 구성되어 있다.
이러한 경우에, 상기 전지팩 가열기(401)와 전지팩 냉각장치(402)는 각각의 장치를 순환하는 배관(403a, 403b, 404a, 404b)에 의해 전지팩(405)에 연결되어 있고, 상기 가열기(401)와 냉각장치(402)를 순환하는 배관(403a, 403b, 404a, 404b)은 전지팩(405)에 유입되는 배관(406a) 및 전지팩(405)에서 배출되는 배관(406b)에 3방향 밸브(407a, 407b)에 의해 연결되어 있다.
상기 3방향 밸브(407a, 407b)는 유체가 흐르는 방향을 냉각장치(402) 또는 가열기(401) 방향으로 조절하는 역할을 하며, 일반적인 상황에서는 전지팩 냉각장치(402) 방향으로 개방되어 있어, 전지팩(405)을 냉각시킨다.
유체는 순환펌프(408)에 의해 흐르며, 냉각장치(402)에서 배출된 차가운 유체(409a)는 제 1 밸브(407a)를 거쳐 전지팩(405)에 유입되고, 전지팩(405)에서 열교환하며 전지팩(405)을 냉각한다. 전지팩(405)과 열교환 후 가열된 유체(409b)는 배관(403b, 406b)을 통해 다시 냉각장치(402)로 유입되어 열교환하며 냉각된다.
상기 전지팩 온도조절 시스템(400)은 전지팩 냉각장치(402) 외에 전지팩 가열기(401)를 포함하는 바, 저온상황에서 상기 전지팩 가열기(401)에 의해 전지팩(405)을 가열하는 구조를 나타낸 모식도가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 저온상황에서 상기 전지팩 온도조절 시스템(500)을 포함하는 장비를 가동할 경우, 우선, 전지팩(505) 및 가열기(501)에 구비된 온도 센서(503a, 503b)가 온도를 측정한다.
상기 전지팩(501)의 가열이 필요한 저온상황이라고 판단될 경우, 외부 제어장치는 전지팩 가열기(502) 내의 활성부재에 전기적 신호를 보내고, 상기 활성부재는 전기적 신호에 따라 상변환 물질에 전기적 또는 물리적 자극을 가함으로써, 상변환 물질이 액상에서 고상으로 상변환을 일으키며 열을 방출하도록 유도한다.
이러한 경우에, 3방향 밸브(504a, 504b)는 냉각장치(505) 방향에서 가열기(502) 방향으로 조절된다.
상기 전지팩 가열기(502)에 포함되어 있는 상변환 물질의 상변환에 의해 뜨거워진 유체(506a)는 배관(507a, 508a)을 통해 전지팩(501)에 유입되고, 저온의 전지팩(501)과 열교환을 일으키며, 전지팩(501)을 가열한다.
전지팩(501)과 열교환 후 냉각된 유체(506b)는 배관(507b, 508b)을 통해 다시 가열기(502)로 유입되어 열교환하며 가열된다.
소망하는 온도로 전지팩(501)이 가열되면, 3방향 밸브(504a, 504b)의 방향은 다시 냉각장치(505) 방향으로 조절되어, 유체가 냉각장치(505) 방향으로 흐르도록 하며, 상기 전지팩 온도조절 시스템(505)은 일반적인 냉각장치의 역할을 하게 된다.
또한, 전지팩 가열기(502) 내의 상변환 물질은 열을 방출하면서, 불안정한 상태의 액상에서 안정한 상태의 고상으로 변환되어, 장비의 작동간 전지팩 가열기(502)의 과열 및 오작동을 방지함으로써, 안정성을 유지한다.
상기 전지팩 온도조절 시스템(500)을 포함하는 장비의 작동이 중지되면, 전지팩(501)은 외부 전원에 연결되어 충전되는 바, 상기 외부 전원에 의해 전지팩(501)이 충전되는 구조를 나타내는 모식도가 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전지팩은(601), 전지팩 온도조절 시스템(600)의 작동이 중지된 후, 전기적 연결부재(602a)에 의해 외부 전원(603)에 연결되어 충전된다.
이 때, 전지팩 가열기(604)의 가열부재 역시 전기적 연결부재(602b)에 의해 전지팩(601)과 마찬가지로 외부 전원(603)에 연결된다.
외부 전원(603)과 연결된 가열부재는 히팅 코일로서, 니크롬(Ni-Cr), 또는 철크롬(Fe-Cr), 또는 철크롬알루미늄(Fe-Cr-Al)으로 이루어져 있고, 저항에 의해 가열되어, 가열기 내의 상변환 물질에 대해 고상에서 액상으로 상변환을 유도한다.
상기 고상에서 액상으로 변환된 상변환 물질은 잠열을 축적함으로써, 전지팩 가열기(604)의 재가동시, 활성부재의 자극에 의해 다시 액상에서 고상으로 상변환을 일으키며 전지팩(601)에 유입되는 유체를 가열한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 온도 변환 또는 자극에 의해 상변환(phase change)이 일어나며 상변환시 열을 흡수하거나 방출하는 상변환 물질(PCM: Phase Change Material);
    전기의 인가시 가열되어, 상변환 물질의 A상(phase)으로부터 B상으로의 상변환을 유도하는 가열부재(heater);
    상기 상변환 물질의 B상으로부터 A상으로의 상변환이 일어나도록 전기적 또는 물리적 자극을 가하는 활성부재(activator);
    상변환 물질, 가열부재 및 활성부재를 밀봉된 상태로 내장하고 있는 제 1 저장부재(reservoir);
    유체가 유입구 및 배출구를 통해 유동될 수 있는 상태로 제 1 저장부재를 내장하고 있는 제 2 저장부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 A상은 고상이고, 상기 B상은 액상인 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상변환 물질의 최저 융점은 섭씨 40도인 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상변환 물질의 단위 질량당 잠열(latent heat)은 150 내지 500 kJ/kg 인 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상변환 물질은 파라핀(paraffin), 폴리에틸렌 글리콜, 과포화 상태의 Na2S2O3·5H2O, CH3CO2Na·3H2O 및 MgCl2·6H2O로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부재는 히팅 코일인 것을 특징으로 전지팩 가열기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 히팅 코일은 니크롬(Ni-Cr), 또는 철크롬(Fe-Cr), 또는 철크롬알루미늄(Fe-Cr-Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 활성부재는 외부 제어장치에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 외부 제어장치의 전기적 신호에 의해 상변환 물질에 전기적 또는 물리적 자극을 가하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 외부 제어장치는 BMS(battery management system)인 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 저장부재는 상변환 물질의 상변환시 부피 변화에 따라 크기가 변화될 수 있는 탄성소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 저장부재 또는 제 2 저장부재는 단면 상으로 원통형, 또는 타원형, 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 저장부재와 제 2 저장부재는 서로 동일한 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 저장부재는 제 2 저장부재의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 저장부재는 내부에서 유동하는 유체의 열교환을 위한 배플(baffle)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 배플은 제 2 저장부재의 내면에서 제 1 저장부재의 외면을 감싸는 나선형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 유체는 부동액인 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 유체는 에틸렌글리콜을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 유체의 온도를 측정하기 위한 제 1 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 가열기.
  19. 제 1 항에 따른 전지팩 가열기와 전지팩 냉각장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 온도조절 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 전지팩 가열기와 전지팩 냉각장치는 적어도 하나 이상의 배관에 의해 전지팩에 연결되어 있고, 유체가 상기 배관을 통해 흐르며 전지팩을 가열 또는 냉각하는 것을 특징으로 하는 전지팩 온도조절 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 유체가 흐르는 방향은 상기 배관에 설치된 밸브에 의해 냉각장치 또는 가열기 방향으로 조절되는 것을 특징으로 하는 전지팩 온도조절 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 밸브는 3방향 밸브(3-way valve)인 것을 특징으로 하는 전지팩 온도조절 장치.
  23. 제 19 항에 따른 전지팩 온도제어 시스템과 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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