KR20150105045A - 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 운용방법 - Google Patents

가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 운용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 구성하는 배터리셀의 사이에 삽입되어 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프를 설치함으로써, 상기 배터리모듈이 적정온도를 유지할 수 있도록 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 히트파이프는, 히트파이프(21)와, 일측면이 상기 히트파이프(21)와 접촉되고, 타측면이 친환경 자동차의 배터리 모듈(1)의 내부에 설치되는 배터리 셀(10)에 접하는 제1열전달 플레이트(22)와, 일측면이 상기 히트파이프(21)와 접촉되고, 타측면이 상기 배터리 셀(10)과 인접하게 배치되는 또 다른 배터리 셀(10)에 접하며, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 서로 결합되면서 그 사이에 상기 히트파이프(21)를 수용하는 제2열전달 플레이트(23)를 포함하고, 상기 히트파이프(21)가 배터리 모듈(1)에서 서로 인접한 배터리 셀(10)의 사이에 위치하여 상기 배터리 셀(10)을 냉각시키거나 가열시킨다.

Description

가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 운용방법 {Heat-pipe assembly having heating and cooling function, battery module for eco-friendly vehicle using of the heat-pipe assembly, method for manufacturing of the heat-pipe assembly, method for manufacturing of the battery module, and method for operating of the battery module}
본 발명은 친환경 자동차에 탑재되는 배터리모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 사이에 삽입되어 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프를 설치함으로써, 상기 배터리모듈이 적정온도를 유지할 수 있도록 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제어방법에 관한 것이다.
전기자동차, 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차에는 차량에 탑재된 모터에 전원을 공급하기 위한 배터리 모듈이 장착된다.
상기 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀이 적층되어 배치되고, 서로 전기적으로 연결되어 구성된다.
한편, 상기와 같은 배터리 모듈은 적정온도를 유지하여야, 상기 배터리 모듈이 충분한 성능을 발휘할 수 있다.
그러나, 종래기술에 따른 친환경 자동차용 배터리 모듈을 보면, 상기 배터리 모듈을 가열시키거나 냉각시킬 수 있지 아니하여, 상기 배터리 모듈의 온도가 높거나 낮은 경우 상기 배터리 모듈이 충분한 성능을 발휘하지 못하는 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해서 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 사이에 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터와 같이, 전원이 인가되면 가열되는 히터를 구비하여, 상기 배터리 모듈의 전원을 이용하여 히터를 가열시켜 상기 배터리 모듈을 승온시키는 기술이 제안되고 있다.
한편, 상기 배터리 모듈로 냉각수를 순환시켜, 가열된 배터리 모듈을 냉각시키기도 한다.
그러나, 종래 기술에 따른 배터리 모듈을 보면, 상기 배터리 모듈을 가열시키거나 냉각시키기 위해 별도의 장치가 구비되어야 하고, 차량에서 차지하는 공간이 크고, 차량의 중량을 높이므로 효율을 저하시키는 요인으로 작용한다.
또한, 상기 히터가 장착되는 경우에는 상기 히터를 상기 배터리 셀 또는 배터리 모듈과 연결해야 하므로, 상기 배터리 모듈의 제조시 연결해야할 커넥터가 많아지게 된다.
아울러, 상기 히터는 상기 배터리 셀과 밀착되지 않아, 상기 히터에서 가열된 열이 상기 배터리 셀로 충분히 전달되지 않아, 각 배터리 셀간의 온도 편차가 발생할 수 있다.
그리고, 냉각수를 순환시켜야 하는 경우에는 각종 전장품으로 구성되는 배터리 모듈의 내부로 냉각수를 유동시키기 어렵기 때문에 상기 배터리 모듈의 가열시 상기 배터리 모듈을 신속하게 냉각시키지 못하는 문제점을 안고 있다.
한편, 하기의 선행기술문헌은 '신규한 구조의 단위모듈 및 이를 포함하는 전지모듈'에 관한 것으로서, 둘 또는 그 이상의 판상형 전지셀들이 전기적으로 연결된 상태로 외장부재에 의해 감싸여 있고, 상기 전지셀들 사이의 계면에는, 전류의 인가시 발열에 의해 전지셀의 온도를 승온시키는 발열 부재가 장착되어 있는 전지모듈에 관한 기술이 개시되어 있다.
KR 10-2012-0053596 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈에서, 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 사이에 히트파이프를 이용하여 상기 배터리 셀들을 가열시키거나 냉각시킬 수 있는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 운용방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리는, 히트파이프와, 일측면이 상기 히트파이프와 접촉되고, 타측면이 친환경 자동차의 배터리 모듈의 내부에 설치되는 배터리 셀에 접하는 제1열전달 플레이트와, 일측면이 상기 히트파이프와 접촉되고, 타측면이 상기 배터리 셀과 인접하게 배치되는 또 다른 배터리 셀에 접하며, 상기 제1열전달 플레이트와 서로 결합되면서 그 사이에 상기 히트파이프를 수용하는 제2열전달 플레이트를 포함한다.
한편, 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들이 배열되어 형성되고, 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈에 있어서, 서로 인접한 배터리 셀의 사이에는, 상기 히트파이프 어셈블리가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법은, 서로 결합되어 히트파이프를 수용하는 제1열전달 플레이트와 제2열전달 플레이트에서 상기 히트파이프와 접촉되는 부위에 열전도물질(TIM; Thermal Interface Material)을 도포하는 열전도 물질도포 단계와, 상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트 중 어느 하나의 열전달 플레이트에 상기 히트파이프를 안착시키는 히트파이프 안착 단계와, 상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트 중 나머지 열전달 플레이트를 상기 히트파이프가 안착된 상기 열전달 플레이트에 포개지도록 하는 히트파이프 커버 단계와, 서로 포개어진 플레이트를 서로 결합시켜 상기 히트파이프가 상기 제1열전달 플레이트 및 상기 제2열전달 플레이트에 밀착되도록 하는 플레이트 결합 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 제조방법은, 다수의 슬롯이 평행하게 형성된 하부하우징에 복수의 배터리 셀과 복수의 히트파이프 어셈블리를 삽입하는 배터리 셀 및 히트파이프 어셈블리 삽입 단계와, 서로 인접하게 위치한 배터리 셀들이 전기적으로 연결되도록, 서로 인접한 배터리 셀의 전극을 용접하는 용접 단계와, 상기 배터리 셀들의 상부에 상부하우징을 조립하는 상부하우징 조립 단계와, 상기 배터리 셀의 측면을 커버하도록 상기 상부하우징의 일측에 셀 전극 보호구를 결합하는 셀 전극 보호구 결합 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법은, 친환경 자동차의 배터리 모듈에 설치된 배터리 셀의 온도를 측정하는 배터리 셀 온도측정 단계와, 상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀의 온도를 적정온도로 유지하기 위해서 히트파이프를 구동시켜 상기 배터리 셀을 가열하거나 냉각시키는 기준온도인 열교환 개시 온도보다 높은지를 판단하는 배터리 셀 온도 비교 단계와, 상기 배터리 셀의 온도가 열교환 개시 온도보다 높으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 상기 히트파이프로 냉각유체를 공급하는 배터리 셀 냉각 단계와, 상기 배터리 셀의 온도가 열교환 개시 온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 상기 히트파이프로 가열유체를 공급하는 배터리 셀 가열 단계를 포함한다.
본 발명의 일측면에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법은, 친환경 자동차의 배터리 모듈에 설치된 배터리 셀의 온도를 측정하는 배터리 셀 온도측정 단계와, 상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀을 가열시켜야 하는 온도인 배터리 셀 가열온도보다 낮은 지 판단하는 배터리 셀 가열판단 단계와, 상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 히트파이프로 가열유체를 공급하는 배터리 셀 가열 단계와, 상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 높으면, 상기 배터리 셀을 냉각시켜야 하는 온도인 배터리 셀 냉각온도보다 높은 지 판단하는 배터리 셀 냉각판단 단계와, 상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 높으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 히트파이프로 냉각유체를 공급하는 배터리 셀 냉각 단계를 포함한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 운용방법에 따르면, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들의 사이에 상기 배터리 셀을 가열시키거나 냉각시킬 수 있는 히트파이프를 포함한 히트파이프 어셈블리를 설치함으로써, 상기 히트파이프 어셈블리를 이용하여 상기 배터리 셀을 가열시키거나 냉각시킴으로써, 상기 배터리 모듈을 적정온도로 유지할 수 있고, 이로 인하여, 상기 배터리 모듈의 효율이 향상된다.
상기와 같이, 상기 배터리 모듈이 적정온도로 유지하기 위한 수단인 상기 히트파이프 어셈블리가 상기 배터리 셀들을 가열시키고 냉각시키는 기능을 모두 구현할 수 있기 때문에 차량의 중량을 감소시킬 수 있고, 상기 배터리 모듈의 온도를 적정한 수준으로 유지하기 위한 장치가 작아지기 때문에 차량의 설계의 자유도가 향상된다.
아울러, 상기 히트파이프 어셈블리가 상기 배터리 셀에 밀착되어 상기 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키게 되므로, 상기 배터리 모듈의 주변으로 공기 또는 냉각수가 유동하지 않아도 되므로, 배터리 모듈의 내부에 쇼트 발생과 같은 현상이 발생하지 않으므로 안전성이 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리에 배터리 모듈이 결합된 상태를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에서 히트파이프 어셈블리와 배터리 모듈이 분리된 상태를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 분해사시도.
도 4는 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 히트파이프를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 히트파이프에 열전달물질이 도포된 상태를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 열전달 플레이트에 전극접촉부가 형성된 상태를 도시한 부분 확대 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 열전달 플레이트에 결합부와 결합공이 형성된 상태를 도시한 부분 확대 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법을 도시한 순서도.
도 9는 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법을 도시한 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 분해 사시도.
도 12와 도 13은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈에서 하부하우징에 배터리 히트 파이프 어셈블리와 배터리 셀이 삽입된 상태를 도시한 사시도.
도 14는 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈에서 히트파이프 어셈블리와 배터리 모듈가 하부하우징에 장착된 상태에서 요부를 도시한 평면도.
도 15는 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈에서 상부하우징과 셀 전극 보호구가 결합되기 이전의 전면과 후면을 도시한 정면도 및 배면도.
도 16은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 제조방법을 도시한 순서도.
도 17은 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법은 도시한 순서도.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법은 도시한 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리, 상기 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈, 상기 히트파이프 어셈블리의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 제조방법, 상기 배터리 모듈의 운용방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리는, 히트파이프(21)와, 일측면이 상기 히트파이프(21)와 접촉되고, 타측면이 친환경 자동차의 배터리 모듈(1)의 내부에 설치되는 배터리 셀(10)에 접하는 제1열전달 플레이트(22)와, 일측면이 상기 히트파이프(21)와 접촉되고, 타측면이 상기 배터리 셀(10)과 인접하게 배치되는 또 다른 배터리 셀(10)에 접하며, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 서로 결합되면서 그 사이에 상기 히트파이프(21)를 수용하는 제2열전달 플레이트(23)를 포함한다.
히트파이프(21)는 감압(減壓)한 파이프 내부에 액체를 넣고 일단을 가열하면 액체가 증기로 되어 타단으로 이동하고, 타단에서 방열하여 응축되면 모세관 현상에 의해 액체가 일단으로 다시 돌아오도록 하여 서로 다른 온도를 갖는 2지점 사이에서 열전달을 하도록 하는 부재이다.
상기 히트파이프(21)를 이용하여 친환경 자동차의 배터리 모듈(1)의 내부와 외부가 서로 열교환 하도록 한다.
상기 히트파이프(21)는 일단은 상기 배터리 모듈(1)의 외부로 노출되고, 나머지 부분이 상기 배터리 모듈(1)의 내부에 위치하여, 상기 배터리 모듈(1)을 구성하는 배터리 셀(10)과 열교환을 한다.
즉, 상기 히트파이프(21)는 상기 배터리 모듈(1)의 외부로 노출되는 제1열교환부(21a)과 상기 배터리 모듈(1)의 내부에 삽입되는 제2열교환부(21b)로 이루어진다.
상기 제1열교환부(21a)는 상기 제2열교환부(21b)에 대하여 구부려진 형태로 형성되는데, 이는 상기 히트파이프 어셈블리(20)가 배터리 모듈(1)에 장착되었을 때, 다른 히트파이프 어셈블리(20)의 히트파이프(21)에 형성된 제1열교환부(21a)와 면을 형성함으로써, 외부와 열교환이 용이하도록 하기 위함이다.
상기 제1열교환부(21a)와 제2열교환부(21b)의 내부에서는 상기 히트파이프(21)에 봉입된 액체가 순환하면서, 상기 배터리 셀(10)와 외부와 열교환이 가능토록 한다. 즉, 상기 제2열교환부(21b)가 위치한 배터리 셀(10)의 온도가 너무 낮거나 너무 높으면, 상기 배터리 모듈(1)의 효율이 저하되므로, 상기 배터리 모듈(1)의 외부에 위치하는 상기 제1열교환부(21a)의 온도를 높이거나 낮춤으로써, 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)와 제2열교환부(21b)가 서로 열교환함으로써, 궁극적으로는 상기 배터리 셀(10)의 온도를 적정수준으로 유지할 수 있다.
상기 히트파이프(21)는 상기 히트파이프 어셈블리(20)의 내부에서 서로 간격을 두고 복수로 배치된다.
제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)가 상기 히트파이프(21)의 양측면에 각각 접촉하도록 배치되고, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)는 서로 결합된다.
제1열전달 플레이트(22)는 상기 히트파이프(21)의 일측면에 밀착된다. 서로 간격을 두고 배치되는 상기 히트파이프(21)가 상기 배터리 셀(10)과 직접 접촉되도록 할 수도 있으나, 상기와 같이, 상기 히트파이프(21)가 상기 배터리 셀(10)과 직접 접촉되면, 접촉된 부위에서만 열교환이 발생하게 되므로, 상기 배터리 셀(10)의 내부에서 온도편차가 발생함은 물론, 상기 히트파이프(21)와 접촉되지 않은 부분은 온조 조절이 용이하지 않다. 따라서, 상기 히트파이프(21)와 상기 배터리 셀(10) 사이에 금속재질의 제1열전달 플레이트가 개재되도록 함으로써, 상기 배터리 셀(10)의 전체면적에 대해서 상기 히트파이프(21)와 열교환이 가능하도록 한다.
제2열전달 플레이트(23)는 상기 히트파이프(21)의 타측면에 밀착된 상태로 배치되고, 상기 제1열전달 플레이트(22)에 결합된다. 상기 제2열전달 플레이트(23)도 상기 제2열전달 플레이트(23)가 배치된 쪽의 배터리 셀(10)의 전체면적이 고르게 온도분포를 갖도록 한다.
상기 제2열전달 플레이트(23)는 상기 히트파이프(21)를 사이에 두고 서로 결합됨으로써, 상기 히트파이프(21)와 그 양측에 배치된 배터리 셀(10)과 열교환을 하도록 한다.
상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)에서 상기 둘레에 인접한 부위, 즉 상기 배터리 셀(10)의 전극(11)과 접촉하는 부위에는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1열전달 플레이트(22), 상기 제2열전달 플레이트(23)로부터 각각 볼록하게 돌출된 전극접촉부(25)가 형성된다. 상기 전극접촉부(25)를 통하여 다른 부위에 비하여 상기 제1열전달 플레이트(22)과 상기 배터리 셀(10)이 더욱 밀착됨으로써(도 14참조), 상기 전극(11)에 대하여 집중적으로 가열 또는 냉각시킬 수 있다. 상기 전극접촉부(25)는 상기 제1열전달 플레이트(22), 상기 제2열전달 플레이트(23)를 포밍(forming)가공을 함으로써, 형성되도록 할 수 있다. 그리고, 상기 전극접촉부(25)는 상기 히트파이프(21)와 나란한 방향을 따라 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)는 서로 결합되는 구조를 갖는다 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)를 결합하기 위해서, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23) 중 어느 하나의 열전달 플레이트(22)(23)에 나머지 열전달 플레이트(22)(23)를 향하도록 돌출된 결합부(26)가 형성되고, 나머지 열전달 플레이트(22)(23)에 상기 결합부(26)가 끼워지는 결합공(27)이 형성된다. 예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1열전달 플레이트(22)에는 결합부(26)가 형성되고, 상기 제2열전달 플레이트(23)에는 상기 결합부(26)가 끼워지는 결합공(27)이 형성됨으로써, 상기 결합부(26)가 상기 결합공(27)에 끼워짐으로써, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)를 서로 결합시킬 수 있다. 여기서, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상가 제2열전달 플레이트(23)에 각각 결합부(26)와 결합공(27)을 형성하는 방법으로서, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)가 포개어진 상태에서, 상기 제1열전달 플레이트(22)에서 상기 제2열전달 플레이트(23)가 위치한 방향으로 코킹툴(caulking tool)을 작용시키는 코킹에 의해 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)가 서로 결합되도록 하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)에는 좌우를 나누어 각각의 절반부위에 각각 상기 결합공(27)과 결합부(26)가 형성되도록 할 수 있다. 예컨대, 도 3의 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)에서 C-C로 표시된 선을 중심으로 하여 좌측 절반부분에는 결합부(26)가 형성되고, 우측절반에는 결합공(27)이 형성되도록 하고, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23) 중 어느 하나를 뒤집음으로써, 서로 결합될 수 있다.
상기와 같이, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)에서 좌우측에 각각 결합공(27)과 결합부(26)가 형성되도록 하면, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)를 동일한 형상으로 제작할 수 있다. 동일한 형상을 갖는 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)중 어느 하나의 열전달 플레이트(22)(23)를 뒤집으면, 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)에서 서로 마주보는 위치에 결합부(26)와 결합공(27)이 형성되어 있어서, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)의 결합이 가능하다. 또한, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)가 동일한 형상을 가지므로, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)를 제작하기 위한 금형도 하나만 있으면 된다.
한편, 상기 히트파이프(21)의 표면에는 열전도물질(TIM : Thermal Interface Material)이 도포되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)와 접촉되는 제2열교환부(21b)에 열전도물질(24)이 도포됨으로써, 상기 히트파이프(21)와 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)사이의 갭을 없앰으로써, 열교환을 촉진시킨다.
상기와 같은 구성을 갖는 히트파이프 어셈블리(20)를 상기 배터리 모듈(1)의 내부에 배열함으로써, 상기 배터리 모듈(1)의 내부와 외부가 열교환되도록 함으로써, 상기 배터리 모듈(1)의 내부를 적절한 온도로 유지하도록 한다. 즉, 상기 히트파이프 어셈블리(20)에서 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)는 외부로 노출되어 있고, 상기 제2열교환부(21b)는 상기 히트파이프 어셈블리(20)의 내부에 위치하고 있어서, 배터리 셀(10)의 온도가 너무 높다면 상기 제1열교환부(21a)를 상기 배터리 셀(10)이 온도보다 낮은 저온으로 함으로써, 상기 제2열교환부(21b)에서 고온의 배터리 셀(10)로부터 발생된 열을 흡수하여, 제1열교환부(21a)에서 방열시킴으로써, 상기 배터리 셀(10)의 온도를 낮춘다. 반대로, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 너무 낮으면 상기 제1열교환부(21a)를 상기 배터리 셀(10)의 온도보다 높은 고온이 되도록 함으로써, 상기 제1열교환부(21a)의 열을 흡수하여 제2열교환부(21b)에서 방열시켜 상기 배터리 셀(10)을 승온시킴으로써, 상기 배터리 셀(10)의 온도를 높인다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법에 의해 앞서 설명한 바와 같은 히트파이프 어셈블리(20)가 제조된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법은, 서로 결합되어 히트파이프(21)를 수용하는 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)에서 상기 히트파이프(21)와 접촉되는 부위에 열전도물질(TIM; Thermal Interface Material)을 도포하는 열전도 물질도포 단계(S110)와, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23) 중 어느 하나의 열전달 플레이트(22)(23)에 상기 히트파이프(21)를 안착시키는 히트파이프 안착 단계(S120)와, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23) 중 나머지 열전달 플레이트(22)(23)를 상기 히트파이프(21)가 안착된 상기 열전달 플레이트(22)(23)에 포개지도록 하는 히트파이프 커버 단계(S130)와, 서로 포개어진 열전달 플레이트(22)(23)를 서로 결합시켜 상기 히트파이프(21)가 상기 제1열전달 플레이트(22) 및 상기 제2열전달 플레이트(23)에 밀착되도록 하는 플레이트 결합 단계(S140)를 포함한다.
열전도 물질도포 단계(S110)는 히트파이프(21)의 표면에 상기 히트파이프(21)가 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)의 사이, 또는 기타 다른 구성요소와 접촉되는 부위에 갭이 없어지도록 하는 열전도물질(TIM : Thermal Interface Material)을 도포한다(도 5참조). 상기 열전도물질이 도포된 부분에서는 서로 접촉되는 부위의 갭을 없애므로, 열교환을 촉진시킨다.
히트파이프 안착 단계(S120)에서는 상기 제1열전달 플레이트(22) 또는 제2열전달 플레이트(23) 중 어느 하나에 복수의 히트파이프(21)를 서로 간격을 두고 안착시킨다. 예컨대, 도 9의 (a)에는 제1열전달 플레이트(22)에 상기 히트파이프(21)를 안착시키는 것에 대하여 도시되어 있다.
히트파이프 커버 단계(S130)에서는 상기 제1열전달 플레이트(22) 또는 제2열전달 플레이트(23) 중 나머지 열전달 플레이트(22)(23)를 이용하여, 상기 히트파이프(21)의 나머지 일측면을 덮는 단계이다. 예컨대, 상기 히트파이프 안착 단계(S120)에서, 상기 제1열전달 플레이트(22)에 히트파이프(21)가 안착되었다면, 상기 히트파이프 커버 단계(S130)에서는 제2열전달 플레이트(23)를 이용하여 상기 히트파이프(21)의 나머지 일측면을 커버한다. 이로써, 상기 히트파이프(21)의 양측면에는 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)가 서로 포개어진 상태로 배치된다(도 9의 (b) 참조).
플레이트 결합 단계(S140)는 서로 포개어진 상기 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)를 결합시켜, 상기 히트파이프(21), 제1열전달 플레이트(22) 및 제2열전달 플레이트(23)가 일체가 되도록 하는 과정이다. 상기 제1열전달 플레이트(22)와 상기 제2열전달 플레이트(23)가 서로 포개어지고, 그 사이에 히트파이프(21)가 위치하고 있으나, 견고히 조립되지는 않은 상태이다. 따라서, 서로 포개어진 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)를 코킹(caulking)가공을 통하여 서로 결합시킴으로써, 상기 히트파이프(21), 제1열전달 플레이트(22) 및 제2열전달 플레이트(23)가 일체가 되도록 한다. 한편, 상기 플레이트 결합 단계(S140)에서는 상기 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)에 각각 형성된 결합부(26)가 마주보는 다른 열전달 플레이트에 형성된 결합공(27)에 삽입됨으로써, 상기 제1열전달 플레이트(22)와 제2열전달 플레이트(23)가 일체로 결합된다(도 9의 (c) 참조).
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈은, 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈의 내부에 앞서 설명한 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리가 설치된다.
상기 배터리 모듈(1)의 내부에서는 복수의 배터리 셀(10)이 배열되고, 서로 전기적으로 연결되는데, 상기 배터리 셀(10)의 사이에 상기 히트파이프 어셈블리(20)가 배열됨으로써, 상기 배터리 셀(10)을 가열하거나 냉각시켜 상기 배터리 셀(10)들의 온도를 적정수준으로 유지한다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈에서는 하부하우징(31)과 상부하우징(32)(33)의 사이에 복수의 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)가 배치된다. 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)는 서로 교번(交番)하여 배치될 수도 있고, 하나의 히트파이프 어셈블리(20)의 양측면에 각각 배터리 셀(10)이 배치된 것을 하나의 세트로 하여 배치될 수도 있다.
상기 하부하우징(31)은 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)가 설치된 상태에서 진동이나 충격에 이탈되지 않도록 슬롯(31a)이 형성된다. 상기 슬롯(31a)을 길이방향으로 형성되고, 서로 평행하게 복수로 형성됨으로써, 상기 슬롯(31a)에 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)가 고정된다. 상기 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)는 상기 하부하우징(31)의 상방에서 아래방향으로 끼워짐으로써 상기 슬롯(31a)에 끼워진다.
상부하우징(32)(33)은 상기 하부하우징(31)에 설치된 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)의 상부를 커버한다. 특히, 상부하우징(32)(33)은 상기 히트파이프 어셈블리(20)가 설치된 상태에서, 상기 제1열교환부(21a)가 노출될 수 있도록, 제1상부하우징(32)과 제2상부하우징(33)으로 구성되고, 상기 제1상부하우징(32)과 상기 제2상부하우징(33)은 상기 히트파이프 어셈블리(20)의 히트파이프(21)에서 외부로 노출된 부분, 즉 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)의 저면 하부를 통과하여 서로 결합된다. 상기와 같이, 상기 제1상부하우징(32)과 제2상부하우징(33)이 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)의 저면 하부를 통과하여 결합됨으로써, 상기 제1상부하우징(32)과 상기 제2상부하우징(33)이 결합된 상태에서도, 상기 제1열교환부(21a)가 외부로 노출되어, 상기 제1열교환부(21a)로 고온의 공기 또는 냉각수를 공급하거나, 저온의 공기 또는 냉각수를 공급함으로써, 상기 배터리 셀(10)의 내부와 외부가 서로 열교환이 가능하도록 한다.
한편, 상기 배터리 셀(10)은 상기 하부하우징(31)에 삽입되어 끼워진 상태에서, 인접한 다른 배터리 셀(10)과 연결된다. 상기 하부하우징(31)에 끼워져 배열된 상태에서, 서로 인접한 배터리 셀(10)의 전극(11)을 용접으로 용접하여 서로 연결되도록 한다. 특히, 상기 배터리 셀(10)들을 용접으로 연결할 때, 레이저용접이 적용되는 것이 바람직하다.
상기 하부하우징(31)과 상기 상부하우징(32)(33)에 의해 패키징된 배터리 셀(10)들의 측면은 전극을 제외한 부분이 셀 전극 보호구(34)가 결합되어, 상기 배터리 셀(10)의 측면이 외부로 노출되는 것을 방지하여, 상기 배터리 셀(10)의 측면을 보호한다.
미설명부호 35는 상기 배터리 셀(10)의 전극(11)에 연결되어, 배터리 모듈(1)의 전압을 측정하기 위한 셀 전압센싱부이다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 제조방법에 의해 앞서 설명한 바와 같은 배터리 모듈(1)이 제조된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법은, 다수의 슬롯(31a)이 평행하게 형성된 하부하우징(31)에 복수의 배터리 셀(10)과 복수의 히트파이프 어셈블리(20)를 삽입하는 배터리 셀 및 히트파이프 어셈블리 삽입 단계(S210)와, 서로 인접하게 위치한 배터리 셀(10)들이 전기적으로 연결되도록, 서로 인접한 배터리 셀(10)의 전극을 용접하는 용접 단계(S220)와, 상기 배터리 셀(10)들의 상부에 상부하우징(32)(33)을 조립하는 상부하우징 조립 단계(S230)와, 상기 배터리 셀(10)의 측면을 커버하도록 상기 상부하우징(32)(33)의 일측에 셀 전극 보호구(34)를 결합하는 셀 전극 보호구 결합 단계(S240)를 포함한다.
배터리 셀 및 히트파이프 어셈블리 삽입 단계(S210)는 배터리 모듈(1)의 하부하우징(31)에 배터리 셀(10)과 히트파이프 어셈블리(20)를 삽입하는 과정이다. 상기 하부하우징(31)에는 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)의 위치를 제한하고 진동이나 충격에 이탈되지 않도록 하는 슬롯(31a)에 형성되어 있으므로, 상기 배터리 셀(10)과 히트파이프 어셈블리(20)는 상기 하부하우징(31)의 슬롯(31a)에 삽입된다(도 12, 도 13 참조).
이때, 상기 히트파이프 어셈블리(20)의 양측면에는 각각 하나의 배터리 셀(10)이 배열되어, 2개의 배터리 셀(10)과 하나의 히트파이프 어셈블리(20)가 하나의 세트로 하여 상기 하부하우징(31)에 삽입되는 것이 바람직하다.
용접 단계(S220)에서는 서로 인접하게 배치된 배터리 셀(10)의 전극(11)을 용접으로 고정시킨다. 상기 배터리 셀(10)의 양단에는 서로 다른 극성의 전극(11)이 형성된다. 그리고, 상기 배터리 셀(10)이 상기 배터리 모듈(1)에 장착되었을 때에는 상기 배터리 셀(10)의 전극(11)은 인접한 다른 배터리 셀(10)읠 다른 극성의 전극(11)와 포개지도록 설치된다. 따라서, 상기 용접 단계(S220)에서는 서로 포개어진 두 전극(11)을 용접으로 연결시킨다. 서로 인접한 두 배터리 셀(10)이 서로 다른 극성의 전극(11)의 연결됨으로써, 두 배터리 셀은 직렬로 연결된다. 이와 같은 방식으로 배터리 모듈(1)에 설치되는 모든 배터리 셀(10)을 연결함으로써, 하나의 배터리 모듈(1)에 포함된 배터리 셀(10)들은 서로 직렬연결 됨으로써, 친환경 자동차를 구동시키는데 필요한 고전압을 출력할 수 있게된다.
특히, 상기 배터리 셀(10)의 전극(11)을 서로 용접할 때에는 레이저 용접으로 용접되는 것이 바람직하다.
상부하우징 조립 단계(S230)에서는 하부하우징(31)에 조립된 배터리 셀(10)과 히트파이프 어셈블리(20)의 상부면을 상부하우징(32)(33)으로 커버한다. 특히, 상부하우징(32)(33)은 제1상부하우징(32)과 제2상부하우징(33)으로 분할되어 있는 바, 상기 제1상부하우징(32)과 제2상부하우징(33)을 서로 슬라이딩결합키켜, 상기 배터리 셀(10)과 상기 히트파이프 어셈블리(20)의 상부면을 커버하도록 한다. 이때, 상기 제1상부하우징(32)과 제2상부하우징(33)은 상기 하부하우징(31)에 배터리 셀(10)이 배열된 방향(도 11에서 좌하에서 우상방향)과 수직한 방향(도 11에서 좌상에서 우하 방향)으로 슬라이딩하여 결합되는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 제1상부하우징(32)과 제2상부하우징(33)을 결합할 때에는 상기 히트파이프 어셈블리(20)에서 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)가 외부로 노출될 수 있도록, 상기 제1열교환부(21a)의 하부를 통과하여 서로 결합되는 것이 바람직하다.
셀 전극 보호구 결합 단계(S240)는 상기 하부하우징(31)과 상기 상부하우징(32)(33)의 사이에서 외부로 노출된 상기 배터리 셀(10)의 전극(11)부분을 커버하도록, 셀 전극 보호구(34)를 결합한다. 상기 셀 전극 보호구(34)를 상기 배터리 셀(10)들의 양단에 결합함으로써, 상기 배터리 셀(10)의 전극(11)이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법은, 친환경 자동차의 배터리 모듈(1)에 설치된 배터리 셀(10)의 온도를 측정하는 배터리 셀 온도측정 단계(S310)와, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀(10)의 온도를 적정수준으로 유지하기 위해서 히트파이프(21)를 구동시켜 상기 배터리 셀(10)을 가열하거나 냉각시키는 기준온도인 열교환 개시 온도보다 높은지를 판단하는 배터리 셀 온도 비교 단계(S320)와, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 열교환 개시 온도보다 높으면, 상기 배터리 셀(10)의 외부로 노출된 상기 히트파이프(21)로 냉각유체를 공급하는 배터리 셀 냉각 단계(S330)와, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 열교환 개시 온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀(10)의 외부로 노출된 상기 히트파이프(21)로 가열유체를 공급하는 배터리 셀 가열 단계(S340)를 포함한다.
배터리 셀 온도 측정 단계(S310)는 배터리 모듈(1)에 설치된 각 배터리 셀(10)의 온도를 측정하는 과정이다. 상기 배터리 셀(10)들이 적정온도로 유지되어야, 궁극적으로 상기 배터리 모듈(1)이 적정온도를 유지하여 효율을 높일 수 있는 바, 이를 위해 상기 배터리 셀(10)의 온도를 측정한다.
배터리 셀 온도 비교 단계(S320)에서는 BMS(Battery Management System)가 상기 배터리 셀 온도 측정 단계(S310)에서 측정된 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀(10)이 적정온도로 유지하기 위해서 앞서 설명한 히트파이프 어셈블리(20)의 히트파이프(21)를 구동시키기 위한 기준온도인 열교환 개시 온도보다 높은지를 판단한다. 상기 열교환 개시 온도는 히트파이프(21)를 이용하여 상기 배터리 셀(10)을 가열하거나 냉각시키기 위한 기준온도이다. 상기 열교환 개시 온도는 상기 배터리 셀(10)이 최대의 효율로 작동하도록 설정된 온도로서, 25℃ 내지 35℃로 설정될 수 있다. 특히, 상기 열교환 개시온도는 30℃로 설정되는 것이 바람직하다.
배터리 셀 냉각 단계(S330)는 상기 배터리 셀 온도 비교 단계(S320)에서 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 열교환 개시 온도보다 높으면, 상기 BMS가 상기 히트파이프(21)를 구동시켜 상기 배터리 셀(10)을 냉각시키는 과정이다. 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 열교환 개시 온도보다 높은 경우, 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)로 상기 배터리 셀(10)의 온도보다 낮은 저온의 공기 또는 냉각수를 유동시켜 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)의 온도는 낮추도록 한다. 상기 제1열교환부(21a)로 저온의 공기 또는 냉각수가 유동되도록 하면, 상기 히트파이프(21)에서 상기 제1열교환부(21a)는 저온부가 되고, 상기 배터리 셀(10)과 접촉된 부분은 고온부가 되므로, 상기 히트파이프(21)의 내부에서 액체가 상기 제1열교환부(21a)와 상기 제2열교환부(21b)를 순환한다. 따라서, 상기 히트파이프(21)에서 상기 제2열교환부(21b)에서 상기 배터리 셀(10)로부터 흡열하고, 상기 제1열교환부(21a)에서는 방열하는 과정이 반복되므로, 상기 히트파이프(21)를 통하여 상기 배터리 셀(10)과 외부 사이에서 열교환하여 상기 배터리 셀(10)의 온도를 낮출 수 있다.
배터리 셀 가열 단계(S340)는 상기 배터리 셀 온도 비교 단계(S320)에서 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 열교환 개시 온도보다 낮은 경우에 수행된다. 상기 배터리 셀 가열 단계(S340)에서는 상기 BMS가 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)로 상기 배터리 셀(10)의 온도보다 높은 고온의 공기 또는 가열된 상태의 냉각수가 유동하도록 함으로써, 상기 제1열교환부(21a)의 온도를 높인다. 상기 제1열교환부(21a)의 온도를 높임으로써, 제1열교환부(21a)에서 흡열하여 제2열교환부(21b)에서 방열하는 작용을 통하여 상기 배터리 셀(10)의 온도를 상승시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법은, 도 18에 도시된 바와 같이, 친환경 자동차의 배터리 모듈(1)에 설치된 배터리 셀(10)의 온도를 측정하는 배터리 셀 온도측정 단계(S410)와, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀(10)을 가열시켜야 하는 온도인 배터리 셀 가열온도보다 낮은 지 판단하는 배터리 셀 가열 판단 단계(S420)와, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀(10)의 외부로 노출된 히트파이프(21)로 가열유체를 공급하는 배터리 셀 가열 단계(S430)와, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 높으면, 상기 배터리 셀(10)을 냉각시켜야 하는 온도인 배터리 셀 냉각온도보다 높은 지 판단하는 배터리 셀 냉각판단 단계(S440)와, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 높으면, 상기 배터리 셀(10)의 외부로 노출된 히트파이프(21)로 냉각유체를 공급하는 배터리 셀 냉각 단계(S450)를 포함한다.
배터리 셀 온도 측정 단계(S410)에서는 상기 배터리 셀(10)의 현재 온도를 측정한다.
배터리 셀 가열 판단 단계(S420)는 상기 배터리 셀 온도 측정 단계(S410)에서 측정한 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀(10)을 가열시켜야 하는 온도로 미리 설정된 배터리 셀 가열온도보다 낮은 지를 판단하는 과정이다, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 가열 온도보다 낮다면, 상기 배터리 셀(10)의 온도를 높이도록 한다.
배터리 셀 가열 단계(S420)는 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 낮은 경우, 상기 배터리 셀(10)의 온도를 높이기 위해 상기 히트파이프 어셈블리(20)를 이용하여 상기 배터리 셀(10)과 상기 배터리 모듈(1)의 외부와 열교환 한다. 상기 배터리 셀 가열 단계(S420)에서는 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)로 상기 배터리 셀(10)의 온도보다 높은 가열유체, 즉 고온의 공기 또는 가열된 냉각수가 유동하도록 한다. 상기 고온의 공기 또는 가열된 냉각수가 상기 제1열교환부(21a)로 유입되면, 상기 히트파이프(21)에서 상기 제1열교환부(21a)는 고온부가 되고 배터리 셀(10)의 내부에 위치한 제2열교환부(21b)는 저온부가 되어 상기 히트파이프(21) 내부에서 액체가 순환하면서, 상기 제1열교환부(21a)에서는 흡열하고, 상기 제2열교환부(21b)에서는 방열하여 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상승하여 상기 배터리 셀(10)이 적정온도를 유지하도록 한다.
배터리 셀 냉각 판단 단계(S440)는 상기 배터리 셀 가열 판단 단계(S420)에서 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 높은 경우에 수행된다. 상기 배터리 셀 냉각 판단 단계(S440)에서는 상기 배터리 셀(10)의 온도를 상기 배터리 셀(10)을 냉각하는 기준온도로 미리 설정된 배터리 셀 냉각온도와 비교하여, 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 높은지를 판단한다.
배터리 셀 냉각 단계(S450)에서는 상기 배터리 셀 냉각 판단 단계(S440)에서 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 높으면, 상기 히트파이프 어셈블리(20)를 이용하여 상기 배터리 셀(10)을 냉각시킨다. 상기 배터리 셀 냉각 단계(S450)에서는 상기 히트파이프(21)의 제1열교환부(21a)로 상기 배터리 셀(10)의 온도보다 낮은 냉각유체, 즉 저온의 공기 또는 냉각수가 유동하도록 한다. 상기 제1열교환부(21a)로 저온의 공기 또는 냉각수가 유동하면, 상기 히트파이프(21)의 제2열교환부(21b)에서 흡열한 후, 상기 제1열교환부(21a)에서 방열되면서, 상기 배터리 셀(10)이 냉각된다.
상기 배터리 셀 냉각 판단 단계(S440)에서 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀 온도측정 단계(S410)로 리턴된다.
여기서, 상기 배터리 셀 온도측정 단계(S410)이후에 상기 배터리 셀 냉각판단 단계(S440)와 상기 배터리 셀 냉각단계(S450)가 수행되고, 상기 배터리 셀 냉각판단 단계(S440)에서 상기 배터리 셀(10)의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀 가열판단 단계(S420)와 상기 배터리 셀 가열단계(S430)가 수행될 수도 있다.
한편, 상기 배터리 셀 가열온도는 상기 배터리 셀 냉각온도보다 낮게 설정되도록 하여, 상기 배터리 셀(10)이 상기 배터리 셀 가열온도와 상기 배터리 셀 냉각온도 사이의 온도를 유지하도록 한다.
상기의 각 단계는 BMS(Battery Management System)에서 제어를 수행한다.
1 : 배터리 모듈 10 : 배터리 셀
11 : 전극 20 : 히트파이프 어셈블리
21 : 히트파이프 21a : 제1열교환부
21b : 제2열교환부 22 : 제1열전달 플레이트
23 : 제2열전달 플레이트 24 : 열전도물질
25: 전극접촉부 26 : 결합부
27 : 결합공 31 : 하부하우징
31a : 슬롯 32 : 제1상부하우징
33 : 제2상부하우징 34 : 셀 전극 보호구
S110 : 열전도 물질도포 단계 S120 : 히트파이프 안착 단계
S130 : 히트파이프 커버 단계 S140 : 플레이트 결합 단계
S210 : 배터리 셀 및 히트파이프 어셈블리 삽입 단계
S220 : 용접 단계 S230 : 상부하우징 조립 단계
S240 : 셀 전극 보호구 결합 단계 S310 : 배터리 셀 온도측정 단계
S320 : 배터리 셀 온도비교 단계 S330 : 배터리 셀 냉각 단계
S340 : 배터리 셀 가열 단계 S410 : 배터리 셀 온도측정 단계
S420 : 배터리 셀 가열 판단 단계 S430 : 배터리 셀 가열 단계
S440 : 배터리 셀 냉각 판단 단계 S450 : 배터리 셀 냉각 단계

Claims (38)

  1. 히트파이프와,
    일측면이 상기 히트파이프와 접촉되고, 타측면이 친환경 자동차의 배터리 모듈의 내부에 설치되는 배터리 셀에 접하는 제1열전달 플레이트와,
    일측면이 상기 히트파이프와 접촉되고, 타측면이 상기 배터리 셀과 인접하게 배치되는 또 다른 배터리 셀에 접하며, 상기 제1열전달 플레이트와 서로 결합되면서 그 사이에 상기 히트파이프를 수용하는 제2열전달 플레이트를 포함하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프는,
    일단에 인접한 부위가 상기 제1열전달 플레이트 및 제2열전달 플레이트의 외부로 노출되고, 상기 배터리 모듈의 외부와 열교환하는 제1열교환부가 형성되고,
    상기 제1열전달 플레이트 및 제2열전달 플레이트에 수용된 나머지 부분이 상기 배터리 셀과 열교환하는 제2열교환부를 형성하는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1열교환부는 상기 제2열교환부에 대하여 구부려진 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프의 표면에는 열전도물질(TIM; Thermal Interface Material)이 도포되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트 중 어느 하나의 열전달 플레이트에는 나머지 열전달 플레이트를 향하도록 돌출된 결합부가 형성되고,
    나머지 열전달 플레이트에는 상기 결합부가 끼워져 결합되는 결합공이 형성되어,
    상기 결합부가 상기 결합공에 끼워짐으로써, 상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트가 결합되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트는, 상기 좌측 또는 우측 절반부분에 상기 결합부가 형성되고, 나머지 절반부분에 상기 결합공이 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트는 동일한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 결합부와 상기 결합공은 상기 제1열전달 플레이트와 제2열전달 플레이트가 포개진 상태에서 코킹(cauking)가공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트 중 적어도 어느 하나의 열전달 플레이트에서 상기 배터리 셀의 전극에 인접한 부위에는 상기 열전달 플레이트로부터 돌출되도록 형성되는 전극접촉부가 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극접촉부는, 포밍(forming)가공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전극접촉부는 상기 히트파이프와 나란한 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프는 서로 간격을 두고 복수로 배열되고, 상기 제1열전달 플레이트와 제2열전달 플레이트의 사이에 복수의 히트파이프가 설치되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리.
  13. 복수의 배터리 셀들이 배열되어 형성되고, 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈에 있어서,
    서로 인접한 배터리 셀의 사이에는, 상기 제1항 내지 제10항 중 어느 한항에 기재된 히트파이프 어셈블리가 설치되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    복수의 슬롯이 서로 평행하게 형성된 하부하우징를 포함하고,
    상기 슬롯에는 상기 배터리 셀과 상기 히트파이프 어셈블리가 삽입되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 히트파이프 어셈블리는,
    상기 하부하우징의 상방에서 아래방향으로 끼워져 상기 슬롯에 끼워지는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 셀들의 상단에는 상기 배터리 셀들의 상단을 커버하는 상부하우징을 더 포함하고,
    상기 히트파이프의 일단이 상기 상부하우징의 외측으로 노출되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 상부하우징은 서로 분할되는 제1상부하우징과 제2상부하우징으로 구비되고,
    상기 제1상부하우징과 제2상부하우징은, 상기 배터리 셀이 배열된 방향과 수직한 방향으로 슬라이딩되어 상기 제1상부하우징과 상기 제2상부하우징이 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1상부하우징과 상기 제2상부하우징은 상기 히트파이프에서 외부로 노출된 부분의 하부를 통과하여 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 인접한 다른 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 전극은 인접한 배터리 셀의 다른 극성을 갖는 전극과 레이저 용접으로 용접되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 상부하우징의 일측에는 상기 배터리 셀의 측면이 외부로 노출되지 않도록 하는 셀 전극 보호구가 결합되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈.
  22. 서로 결합되어 히트파이프를 수용하는 제1열전달 플레이트와 제2열전달 플레이트에서 상기 히트파이프와 접촉되는 부위에 열전도물질(TIM; Thermal Interface Material)을 도포하는 열전도 물질도포 단계와,
    상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트 중 어느 하나의 열전달 플레이트에 상기 히트파이프를 안착시키는 히트파이프 안착 단계와,
    상기 제1열전달 플레이트와 상기 제2열전달 플레이트 중 나머지 열전달 플레이트를 상기 히트파이프가 안착된 상기 열전달 플레이트에 포개지도록 하는 히트파이프 커버 단계와,
    서로 포개어진 플레이트를 서로 결합시켜 상기 히트파이프가 상기 제1열전달 플레이트 및 상기 제2열전달 플레이트에 밀착되도록 하는 플레이트 결합 단계를 포함하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 플레이트 결합 단계에서는 서로 포개진 제1열전달 플레이트와 제2열전달 플레이트를 코킹가공하여 서로 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리의 제조방법.
  24. 다수의 슬롯이 평행하게 형성된 하부하우징에 복수의 배터리 셀과 복수의 히트파이프 어셈블리를 삽입하는 배터리 셀 및 히트파이프 어셈블리 삽입 단계와,
    서로 인접하게 위치한 배터리 셀들이 전기적으로 연결되도록, 서로 인접한 배터리 셀의 전극을 용접하는 용접 단계와,
    상기 배터리 셀들의 상부에 상부하우징을 조립하는 상부하우징 조립 단계와,
    상기 배터리 셀의 측면을 커버하도록 상기 상부하우징의 일측에 셀 전극 보호구를 결합하는 셀 전극 보호구 결합 단계를 포함하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 제조방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 상부하우징 조립 단계에서는,
    서로 분할된 제1상부하우징과 제2상부하우징을 상기 배터리 셀들이 배열된 방향과 수직한 방향으로 슬라이딩 결합시키는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 제조방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 상부하우징 조립 단계에서는,
    상기 히트파이프 어셈블리에 포함된 히트파이프이 일단이 노출된 상태로 상기 배터리 셀들에 조립되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 제조방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 용접 단계에서는 레이저 용접으로 용접되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 제조방법.
  28. 친환경 자동차의 배터리 모듈에 설치된 배터리 셀의 온도를 측정하는 배터리 셀 온도측정 단계와,
    상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀의 온도를 적정온도로 유지하기 위해서 히트파이프를 구동시켜 상기 배터리 셀을 가열하거나 냉각시키는 기준온도인 열교환 개시 온도보다 높은지를 판단하는 배터리 셀 온도 비교 단계와,
    상기 배터리 셀의 온도가 열교환 개시 온도보다 높으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 상기 히트파이프로 냉각유체를 공급하는 배터리 셀 냉각 단계와,
    상기 배터리 셀의 온도가 열교환 개시 온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 상기 히트파이프로 가열유체를 공급하는 배터리 셀 가열 단계를 포함하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 냉각유체는 상기 배터리 셀보다 낮은 온도인 냉각공기 또는 냉각수인 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 가열유체는 상기 배터리 셀보다 높은 온도인 가열공기 또는 가열된 냉각수인 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 열교환 개시 온도는 25℃ 내지 35℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 열교환 개시 온도는 30℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  33. 친환경 자동차의 배터리 모듈에 설치된 배터리 셀의 온도를 측정하는 배터리 셀 온도측정 단계와,
    상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀을 가열시켜야 하는 온도인 배터리 셀 가열온도보다 낮은 지 판단하는 배터리 셀 가열판단 단계와,
    상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 히트파이프로 가열유체를 공급하는 배터리 셀 가열 단계와,
    상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 가열온도보다 높으면, 상기 배터리 셀을 냉각시켜야 하는 온도인 배터리 셀 냉각온도보다 높은 지 판단하는 배터리 셀 냉각판단 단계와,
    상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 높으면, 상기 배터리 셀의 외부로 노출된 히트파이프로 냉각유체를 공급하는 배터리 셀 냉각 단계를 포함하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 배터리 셀 냉각판단 단계에서 상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀 온도측정 단계로 리턴되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 배터리 셀 가열온도는 상기 배터리 셀 냉각온도보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 냉각유체는 상기 배터리 셀보다 낮은 온도인 냉각공기 또는 냉각수인 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 가열유체는 상기 배터리 셀보다 높은 온도인 가열공기 또는 가열된 냉각수인 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
  38. 제33항에 있어서,
    상기 배터리 셀 온도측정 단계이후에는,
    상기 배터리 셀 냉각판단 단계와 상기 배터리 셀 냉각단계가 수행되고,
    상기 배터리 셀 냉각판단 단계에서 상기 배터리 셀의 온도가 상기 배터리 셀 냉각온도보다 낮으면, 상기 배터리 셀 가열판단 단계와 상기 배터리 셀 가열단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각기능을 갖는 히트파이프 어셈블리를 이용한 친환경 자동차용 배터리 모듈의 운용방법.
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