KR20190046526A - Heat Pipe For Battery Cooling - Google Patents

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KR20190046526A KR1020170140433A KR20170140433A KR20190046526A KR 20190046526 A KR20190046526 A KR 20190046526A KR 1020170140433 A KR1020170140433 A KR 1020170140433A KR 20170140433 A KR20170140433 A KR 20170140433A KR 20190046526 A KR20190046526 A KR 20190046526A
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박현영
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Abstract

The present invention relates to a heat pipe, which has a constant number of heat pipes to be arranged per a constant number of battery cells, has a shape of transferring heat to a coolant channel positioned at a lower part of the heat pipes, and has a structure being in surface-contact with the coolant channel positioned at the lower part thereof. Therefore, an upper end bonding part (welding and the like) of the heat pipe is protected by a structure having low thermal conductivity, and heat transfer is blocked by an upper module cover rather than a lower coolant channel in the heat pipe. Also, the force pressing downward from an upper part of the heat pipe can be distributed in a longitudinal direction or distributed as distribution load distributed in an area. In addition, when a wick generating the capillary force is disposed, the heat transfer performance can be improved as the wick lifts a working fluid at a lower part of the heat pipe to an upper battery cell surface against the gravity using the capillary force. Also, an upper chamber having a convex structure does not pull the working fluid only from a lower part during a sudden high temperature of the battery cell, but pulls down the working fluid absorbed in an ordinary time, which is in a low load state, in a gravity direction to supplement the heat transfer performance.

Description

배터리 냉각용 히트파이프{Heat Pipe For Battery Cooling}[0001] Heat Pipe For Battery Cooling [

본 발명은 배터리 냉각용 히트파이프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차 배터리 셀 일정 개수 당 히트파이프 일정 개수를 배치하고, 상기 히트파이프의 하측부에 위치한 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 상기 히트파이프는 상기 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 구조인 히트파이프에 관한 것이다.The present invention relates to a heat pipe for cooling a battery, and more particularly, to a heat pipe having a predetermined number of heat pipes per a predetermined number of electric vehicle battery cells and transferring heat to a cooling water channel located at a lower side of the heat pipe, The heat pipe relates to a heat pipe having a structure that faces the cooling water channel located at the lower side.

도 1에 도시된 바와 같이 히트파이프는 1942년 최초 개발되어 1963년 경 부터 인공위성, 발전소 등에 적용되어 사용되어 오고 있으며, 이후 가전기기(컴퓨터, 노트북, 스마트폰, LED TV) 등에 확대 적용 된, 약 50년의 사용 이력이 있는 제품 임. 이를 현재 자동차에 적용 하기 위한 개발을 진행 중이다.As shown in FIG. 1, the heat pipe was first developed in 1942 and has been applied to satellite, power plant and the like since about 1963, and has been widely used for home appliances (computers, notebooks, smart phones, LED TVs) It has 50 years history of use. It is currently under development to be applied to automobiles.

배터리를 사용하는 모든 시스템에서 마찬가지 이지만 특히 사용량이 많은 전기자동차에서는 전장화, 고 출력, 고 에너지 밀도가 요구되기 때문에 냉각이 부족하게 되면 안정성 및 효율이 저하된다.As with all systems that use batteries, however, especially in heavy duty electric vehicles, electrical, high power, and high energy densities are required, resulting in poor stability and efficiency when cooling is insufficient.

배터리의 성능, 수명, 과열(다른 셀로 열전이 → 열 폭주 → 폭발) 방지, 급속 충전 실현을 위하여 적용이 필요하다.It is necessary to apply it to prevent battery performance, life span, overheating (heat transfer to other cells → thermal runaway → explosion), and rapid charge realization.

히트파이프의 열전도 계수(열전달 성능)는 약 2,000~5,000W/mK으로 현재까지 발견된 물성으로서 대체 적용 재질은 없다.Heat conduction coefficient (heat transfer performance) of heat pipe is about 2,000 ~ 5,000W / mK.

또한 히트파이프는 작동유체의 귀환 방법에 따라 히트파이프 (모세관력 메쉬, 그루브 등의 윅에 의한 액체 유동) 또는 열싸이펀 (중력 증발부가 응축부 보다 아래쪽에 위치) 방식으로 나뉘고, 작동 유체 순환 형태에 따라 루프형, 단일형, 진동형 등으로 나뉜다.In addition, the heat pipe is divided into heat pipes (liquid flow by wick such as capillary force mesh and groove) or heat siphon (gravity evaporation is located below the condensation part) according to the returning method of the working fluid, Loop type, single type, and vibration type.

또한 히트파이프를 적용하지 않고 냉각수를 배터리 셀 옆면으로 순환시키는 직접 강제 수냉식의 경우 히트파이프 간접 수냉식에 비하여 열전달 거리가 길어지고, 열전달 거리가 길수록 열전달 효율 저하, 누수 위험 증가 및 냉각 응답성 느려지는 문제가 생기고 셀 연쇄 반응 시 화재 위험 까지 있다. In addition, direct forced water-cooling, in which cooling water is circulated to the side of the battery cell without applying a heat pipe, has a longer heat transfer distance compared to the heat pipe indirect water-cooling type, and the longer the heat transfer distance, the lower the heat transfer efficiency, And there is a risk of fire in cell chain reaction.

종래의 히트파이프 간접 수냉식의 경우 채널 길이가 감소(약 5배)하고 열전달 거리가 줄어들어 펌프 용량/전력이 줄어드는 효과가 있다.In the conventional heat pipe indirect water cooling type, the channel length is reduced (about 5 times) and the heat transfer distance is reduced, thereby reducing the pump capacity / power.

또한 열전달에 대한 빠른 응답성 및 온도 균일화로 누수/순간적 과열 위험이 감소하고, 시스템 컴팩트/경량화가 가능하여, 유로 구조, 작동 유체량, 필요 체적, 펌프 용량 등이 줄어든다.In addition, the quick response to heat transfer and temperature uniformity reduce the risk of leakage / instantaneous overheating, making the system compact and lightweight, reducing the flow path structure, working fluid volume, required volume and pump capacity.

또한 히트파이프 간접 수냉식은 다른 방식보다 냉각성능이 우세하고 직접 공냉식 보다 전체 부피가 감소한다.In addition, the heat pipe indirect water cooling has higher cooling performance than the other methods and the total volume is lower than direct air cooling.

그러나 종래의 히트파이프는 상부쪽으로 열전달을 차단할 수 없고, 상부에서 아래로 누르는 힘을 나누어 분배할 수 있는 구조가 아니며, 중력을 거슬러 끌어 올리지 못해 열전달 성능이 낮고, 갑작스런 배터리셀의 고온 시 열전달 성능을 보완할 수 없는 문제점이 있었다.However, the conventional heat pipe can not block the heat transfer to the upper side, and it is not a structure that can distribute the pressing force from the upper part to the lower part. Since the gravity is not pulled backward, the heat transfer performance is low, and sudden battery cell heat transfer performance There is a problem that can not be supplemented.

한국공개특허 제2011-0090491호Korea Patent Publication No. 2011-0090491 한국공개특허 제2008-0054283호Korean Patent Publication No. 2008-0054283 한국등록특허 제1670020호Korean Patent No. 1670020

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전도성이 낮은 구조물에 의해 히트파이프 상단 접합부를 보호하고, 히트파이프의 아래로 누르는 힘을 길이 방향 또는 면적에 분포하는 분포 하중으로 나누어 분배할 수 있으며, 모세관력으로 히트파이프 하부의 작동유체를 상부 배터리 셀면으로 중력을 거슬러 끌어 올림에 따라 열전달 성능을 높일 수 있는 히트파이프를 제공하는 데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide a heat pipe structure which protects a heat pipe upper joint by a structure having a low thermal conductivity, divides a force pressing down the heat pipe into a longitudinal load, And it is an object of the present invention to provide a heat pipe capable of increasing the heat transfer performance as the working fluid under the heat pipe is lifted up against the gravity against the upper battery cell surface by the capillary force.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 배터리 셀 일정 개수 당 히트파이프 일정 개수를 배치하고, 상기 히트파이프의 하측부에 위치한 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 상기 히트파이프는 상기 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 구조이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a battery pack having a plurality of heat pipes arranged at a predetermined number of battery cells and transferring heat to a cooling water channel located at a lower side of the heat pipe, It is a structure that the channel and the surface are adhered to.

상기 히트파이프의 하측부의 단면 형상은 “ㅗ 자“이다.The cross-sectional shape of the lower portion of the heat pipe is " cross-shaped ".

상기 히트파이프의 상측부의 단면은 원 또는 각형의 볼록한 공간이다.The cross section of the upper part of the heat pipe is a circular or angular convex space.

상기 냉각수 채널을 상기 히트파이프의 상측부에 배치하는 경우 히트파이프는 상하 반전된 형상으로 배치된다. When the cooling water channel is disposed on the upper side of the heat pipe, the heat pipe is arranged in a vertically inverted shape.

상기 히트파이프의 상측부에 열전도성이 일정치 보다 낮은 구조물을 끼우거나 인서트 사출한다.A structure having a thermal conductivity lower than a predetermined value is inserted or injected into the upper portion of the heat pipe.

상기 히트파이프의 상측부에 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 준다.A convex structure is provided on the upper side of the heat pipe to provide a wider space than the lower side.

상기 히트파이프의 볼록한 구조의 내부에는 히트파이프 모세관력을 발생 시키는 윅을 배치한다.A wick for generating a heat pipe capillary force is disposed inside the convex structure of the heat pipe.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 열전도성이 낮은 구조물에 의해 히트파이프 상단 접합부(용접 등)를 보호하고, 히트파이프에서 아래쪽 냉각채널이 아닌 상부 모듈 커버 등으로 열전달을 차단하며, 히트파이프의 상부에서 아래로 누르는 힘을 길이 방향 또는 면적에 분포하는 분포 하중으로 나누어 분배할 수 있다.According to the present invention, Protect the heat pipe upper joints (welding, etc.) by a low thermal conductivity structure, block heat transfer from the heat pipe to the upper module cover or the like, not the lower cooling channel, and force downward from the top of the heat pipe, The distribution can be divided by the distribution load distributed over the area.

또한 본 발명은 모세관력을 발생 시키는 윅을 배치하면, 상기 윅이 모세관력으로 히트파이프 하부의 작동유체를 상부 배터리 셀면으로 중력을 거슬러 끌어 올림에 따라 열전달 성능을 높일 수 있다.In addition, when the wick for generating a capillary force is disposed, the heat transfer performance of the wick can be increased as capillary force lifts the working fluid below the heat pipe back to the upper battery cell surface against gravity.

또한 볼록한 구조의 상부 챔버가 갑작스런 배터리셀의 고온 시 작동유체를 하부에서만 끌어오지 않고 저부하 상태인 평상시 흡수하고 있던 작동유체를 중력방향으로 끌어내려 열전달 성능을 보완할 수 있다.Also, the upper chamber of the convex structure pulls the working fluid, which is absorbed normally at a low load state, in the gravity direction without pulling the operating fluid at the time of high temperature of the battery cell suddenly, thereby complementing the heat transfer performance.

즉, 중력 역행 모세관력에 의지하는 작동유체 귀환에 대한 보완이 가능하다.That is, it is possible to compensate for the return of the working fluid depending on the gravitational backward capillary force.

도 1은 종래 발명에 따른 히트파이프의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 히트파이프의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 히트파이프의 구체적인 구성을 보여주는 도면이다.1 is a view showing a structure of a heat pipe according to the prior art.
2 is a view showing the overall structure of a heat pipe according to the present invention.
3 is a view showing a specific structure of a heat pipe according to an embodiment of the present invention.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.For a better understanding of the present invention, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention may be modified into various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described in detail below. The present embodiments are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention. Therefore, the shapes and the like of the elements in the drawings can be exaggeratedly expressed to emphasize a clearer description. It should be noted that in the drawings, the same members are denoted by the same reference numerals. Further, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily obscured by the gist of the present invention are omitted.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같이 배터리 셀(10)의 일정 개수 당 히트파이프(100) 일정 개수를 배치한다.The present invention places a certain number of heat pipes 100 per certain number of battery cells 10 as shown in the figure.

적용 형태를 보면, 배터리는 크게 원통형과 파우치형(평판형)으로 나뉘는데 본 발명에서는 파우치 형을 중심으로 설명한다. In the application form, the battery is largely divided into a cylindrical type and a pouch type (flat plate type). In the present invention, a pouch type is mainly described.

파우치형 배터리 셀은 제작상 크기는 다르나 자동차용은 대략 150 x 300 mm 너비에 10~15mm 두께를 가진다.The pouch-type battery cell has a width of about 150 mm x 300 mm and a thickness of 10 mm to 15 mm for automobiles, although the size of the battery is different from that of the battery.

따라서 평판형의 면상에 평판으로 접촉할 수 있는 평판형 히트파이프를 적용 한다.Therefore, a flat plate heat pipe capable of contacting with a flat plate on a flat plate surface is applied.

본 발명에서의 평판형 히트파이프의 제작 방법은 AL을 압출하여 내부 공간을 형상하는 방법과, 금속 판재(SUS/Cu/Al 등)를 2장 겹치게 접합하여 제작한다.A method of manufacturing a flat plate heat pipe according to the present invention is a method of forming an inner space by extruding an AL and a method of joining two sheets of metal plate (SUS / Cu / Al) to overlap each other.

구체적으로 설명하여, 본 발명에 따른 히트파이프는 높은 열전달 성능(AL의 25배)과, 무동력/무전력으로 수명이 높고, 진동/소음이 작다.Specifically, the heat pipe according to the present invention has a high heat transfer performance (25 times as much as the AL) and high durability and low vibration / noise due to non-power / no power.

또한 히트파이프는 경량화(AL의 1/2이하 무게)가 가능하고, 고 신뢰성(15년 이상)을 가지며 적용 자유도가 높아 다양한 후가공이 가능하다.In addition, heatpipes can be lightweight (less than half of AL), have high reliability (more than 15 years)

예를 들어 배터리 셀(10) 2개당 히트파이프(100) 1개로 냉각을 하여 하측부인 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 시스템의 요구 조건에 따라 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면 접촉하기 위해서 면착하는 구조이다.For example, the heat pipe 100 is cooled by one heat pipe 100 per two battery cells 10 and heat is transferred to the lower side cooling water channel. In order to make surface contact with the cooling water channel located at the lower side according to the requirements of the system, Good is the structure.

즉 상기 히트파이프(100)의 하측부에 위치한 냉각수 채널로 열을 이송하는 형태이며, 상기 히트파이프(100)는 상기 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 구조인 데, 히트파이프(100)의 하측부의 단면 형상은 ㅗ 자(또는 T 자)인 것이 바람직하다.That is, heat is transferred to the cooling water channel located at the lower side of the heat pipe 100, and the heat pipe 100 is structured to face the cooling water channel located at the lower side. It is preferable that the cross-sectional shape of the lower side is a letter (or T letter).

만일 T 자가 아니더라도 냉각수 채널과 면착하기 용이한 밑바닥이 평평한 형상이면 가능하다. 만일 상기 냉각수 채널을 상기 히트파이프(100)의 상측부에 배치될 경우 “T 자”형상임이 바람직하다.Even if it is not T, it is possible to have a flat bottom shape which is easy to come in contact with the cooling water channel. If the cooling water channel is disposed on the upper side of the heat pipe 100, it is preferable that the cooling water channel has a " T " shape.

본 발명의 일실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 히트파이프(100)의 상측부의 단면은 원 또는 각형의 볼록한 공간이다.In an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the upper surface of the heat pipe 100 is a circular or square convex space.

상기 히트파이프(100)의 상측부에 열전도성이 일정치 보다 낮은 구조물을 끼우거나 인서트 사출한다.A structure having a thermal conductivity lower than a predetermined value is inserted or injected into the upper portion of the heat pipe 100.

상기 히트파이프(100)의 상측부에 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 준다.A convex structure is provided on the upper side of the heat pipe 100 to provide a larger space than the lower side.

상기 히트파이프(100)의 상측부에 열전도성이 낮은 구조물(120)을 끼우고, 내부에는 모세관력을 발생시키는 윅이 있으며, 윅을 둘러싸도록 윅챔버(Wick Chamber; 110)을 배치한다.A wick chamber 110 is disposed in the upper portion of the heat pipe 100 so as to surround the wick 120. The wick chamber 110 surrounds the wick.

만일 상기 냉각수 채널을 상기 히트파이프(100)의 상측부에 배치될 경우 상술한 구조물의 위치의 상부와 하부가 바뀌면 된다.If the cooling water channel is disposed on the upper side of the heat pipe 100, the upper and lower portions of the structure described above may be changed.

구체적으로 본 발명은 히트파이프(100)의 단면으로 볼 때 상측부에는 횡단면이 원 또는 볼록한 공간을 두고, 하측부는 냉각수 채널과 면착하는 구조이다.Specifically, the present invention is a structure in which a cross section of the heat pipe 100 has a circular or convex space on its upper side, and a lower side thereof has a cooling water channel.

예를 들어 상기 원 또는 볼록한 공간의 형상의 상부에는 커버로 플라스틱 등 열전도성이 낮은 구조물(120)을 끼우거나 인서트 사출한다.For example, a structure 120 having a low thermal conductivity, such as plastic, is inserted or injected into a cover on the top of the shape of the circular or convex space.

이러한 열전도성이 낮은 구조물에 의해 히트파이프(100) 상단 접합부(예 : 용접 등)를 보호하고, 히트파이프(100)에서 아래쪽 냉각채널이 아닌 상부 모듈 커버 등으로 열전달을 차단하며, 히트파이프(100)의 상부에서 아래로 누르는 힘을 길이 방향 또는 면적에 분포하는 분포 하중으로 나누어 분배할 수 있다.This low thermal conductivity structure protects the upper end junction of the heat pipe 100 (e.g., welding), blocks heat transfer from the heat pipe 100 to the upper module cover or the like other than the lower cooling channel, ) Can be distributed by dividing the downward pressing force by the distribution load distributed in the longitudinal direction or the area.

또한, 배터리 셀의보다 상부에 위치한 히트파이브에는 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 주고, 내부에는 모세관력을 발생 시키는 윅(110)을 배치한다.Further, the heat fins located above the battery cells are provided with a wick 110 which gives a space larger than that of the lower portion by giving a convex structure and generates a capillary force inside.

상술한 바와 같이 모세관력을 발생 시키는 윅챔버(110)을 배치하면, 히트파이프 내의 윅에 의해 모세관력으로 히트파이프(100) 하부의 작동유체(예 : 물 등)를 상부 배터리 셀면(고온부)으로 중력을 거슬러 끌어 올림에 따라 결정되는 열전달 성능에 도움을 줄 수 있다. When the wick chamber 110 for generating the capillary force is disposed as described above, the capillary force of the wick in the heat pipe causes the working fluid (e.g., water) under the heat pipe 100 to flow to the upper battery cell surface It can help with heat transfer performance as determined by gravity lift.

또한 배터리 셀의보다 상부에 위치한 볼록한 구조의 상부 윅챔버와 단면이 원형인 윅에 의해 갑작스런 배터리셀의 고온 시 작동유체를 하부에서만 끌어오지 않고 저부하 상태인 평상시 흡수하고 있던 작동유체를 중력방향으로 끌어내려 열전달 성능을 보완할 수 있다. 이를 위해 윅도 단면이 원형이나 볼록한 형태이다. In addition, the upper wick chamber having a convex structure positioned above the battery cell and the wick having a circular section have a structure in which a working fluid, which is absorbed at a low load, Which can complement the heat transfer performance. For this purpose, the wick section is round or convex.

즉, 중력 역행 모세관력에 의지하는 작동유체 귀환에 대한 보완이 가능하다.That is, it is possible to compensate for the return of the working fluid depending on the gravitational backward capillary force.

10 : 배터리 셀
100 : 히트파이프
110 : 윅챔버
120 : 구조물10: Battery cell
100: Heat pipe
110: Wick chamber
120: Structure

Claims (4)

2개의 베터리 셀 사이에 상기 배터리 셀과 평행되도록 배치되고,
하측부는 상기 2개의 배터리 셀의 하측부보다 연장되어, 상기 배터리 셀의 하측부에 위치한 냉각수 채널과 면착하는 배터리 냉각용 히트파이프에 있어서,
상기 히트파이프의 하측부의 횡단면 형상은 상기 2개의 배터리 셀의 하측부로부터 멀어지고 상기 냉각수 채널과 가까워질수록 확장되며,
상기 히트파이프의 상측부는 상기 2개의 배터리 셀의 하측부보다 연장되고, 횡단면이 원인 윅챔버가 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프.Wherein the battery cell is disposed between two battery cells in parallel with the battery cell,
And a lower portion extending from a lower portion of the two battery cells, the cooling pipe having a cooling water channel located at a lower portion of the battery cell,
The cross-sectional shape of the lower portion of the heat pipe is expanded away from the lower portion of the two battery cells and closer to the cooling water channel,
Wherein an upper portion of the heat pipe extends from a lower portion of the two battery cells, and a cross-sectional surface of the heat pipe has a wick chamber. 제1항에 있어서,
상기 히트파이프의 윅챔버는 상측부에 볼록한 구조를 주어 아래보다 넓은 공간을 주는 것을 특징으로 하는 히트파이프.The method according to claim 1,
Wherein the wick chamber of the heat pipe has a convex structure on the upper side portion to provide a wider space than the wick chamber. 제2항에 있어서,
상기 윅챔버의 커버는 열전도성이 일정치 보다 낮은 구조물을 끼우거나 인서트 사출하는 것을 특징으로 하는 히트파이프.3. The method of claim 2,
Wherein the cover of the wick chamber has a structure in which a thermal conductivity is lower than a predetermined value or inserts an insert. 제3항에 있어서,
상기 윅챔버의 내부에는 히트파이프 모세관력을 발생 시키는 윅이 구형이나 볼록한 형태로 배치하는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
The method of claim 3,
Wherein a wick for generating a heat pipe capillary force is disposed in a spherical or convex shape in the wick chamber.
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