KR20200006404A

KR20200006404A - 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법

Info

Publication number: KR20200006404A
Application number: KR1020180080099A
Authority: KR
Inventors: 최윤기
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-01-20
Also published as: EP3723189A4; EP3723189A1; CN111630710B; CN111630710A; JP7062178B2; US11362380B2; US20200295418A1; JP2021506092A; WO2020013455A1; KR102361268B1

Abstract

급속 충전시 활용 가능한 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템은, 전지팩; 수냉식 냉각 장치; 상기 수냉식 냉각 장치의 냉매 도관 사이에 설치된 열전소자모듈; 상기 전지팩에 공급되는 충전 전류의 크기를 검출하는 전류 센서; 및 상기 충전 전류의 크기로부터 충전 씨레이트(C-rate)를 결정하고, 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동시키는 제어 유닛을 포함한다.

Description

전기자동차용 전지팩 냉각 시스템 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법{Cooling system for battery pack of electric vehicle and cooling method for battery pack system of electric vehicle using the same}

본 발명은 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속 충전(Quick Charging) 중 전지 온도 상승을 방지할 수 있는 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법에 관한 것이다.

근래에는, 노트북, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전동 카트, 전동 휠체어, 전동 자전거 등의 수요도 늘어남에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 전 세계적으로 PEV(Plug-in Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등 전기자동차(EV)에 대한 수요가 점차 증가하고 있다.

이에 따라 전기자동차의 핵심적 부품인 전지팩에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있으며, 더불어 전지를 빠르게 충전할 수 있는 급속 충전 기술 개발이 시급하다. 특히 추가적인 에너지원이 없는 PEV에 있어 급속 충전은 매우 중요하게 요구되는 성능이기도 하다.

전지를 충전하는 프로세스는 전지에 전류를 공급하여 전하 및 에너지를 축적하는 것을 포함하며, 이러한 프로세스는 주의 깊게 제어되어야 한다. 일반적으로 과도한 충전율 또는 충전전압은 전지의 성능을 영구적으로 저하시키고 궁극적으로 완전한 실패를 유발하거나 부식성이 강한 화학 물질의 누설 또는 폭발 등의 돌발 장애를 유발할 수 있기 때문이다.

충전율 및 방전율의 단위로 씨레이트(C-rate)인 "C"를 사용하고 있다. 예를 들어 1C란 만충전한 전지의 용량을 1 시간 안에 뽑아 쓰거나 채우는 충방전 속도를 의미하며 그 때의 전류 밀도를 의미하기도 한다. 최근 전자 기기의 기능이 다양화됨에 따라 일정한 시간 내에 기기에 의해 사용되는 전류의 요구량도 큰 폭으로 증가하고 있다. 이에 따라, 그 에너지원으로 사용되는 전지에 있어서도 그 성능이 한층 더 높게 요구되고 있다. 휴대용 전화기의 경우 기존에는 대부분 1/2C를 필요로 하였으나, 향후에는 이러한 기능들이 더 강화되어 1C에 상응하는 성능을 요구할 수 있다. 현재 노트북 전지, 전기자동차용 전지팩 등은 이와 유사한 충전 씨레이트 및 이보다 훨씬 높은 방전 씨레이트를 요구한다.

자동차 시장에서는 충전 시간에 대한 요구가 점점 높아져 이에 맞추기 위해서는 보다 높은 충전 씨레이트가 필요하다. 따라서, 충전 씨레이트는 1C보다 높은 것이 급속 충전의 관점에서 바람직하다. 그러나 전기자동차의 충전은 전지에 무조건 강한 전압과 전류로 충전하게 될 경우 전지 내부 구조가 파괴되어 내구수명과 출력을 급감시킬 수 있으므로 더욱 주의가 필요하다. 예를 들어, 높은 충전전류 밀도로 급속 충전시에는 음극에 Li이 인터칼레이션(intercalation)되지 못하고 석출되므로 Li-플레이팅 현상이 문제가 된다. 그리고, 높은 전류로 지속적으로 충전하게 되면 일반적인 충전 프로세스 때와는 다르게 전지 내부에 높은 열 발생이 동반될 수 있고, 전지의 저항 때문에 각 전극이 과전압 상태를 형성할 수 있다.

일반적으로 전기자동차용 전지팩의 충전은 전지팩에 구비된 BMS(battery Management System)에 의해 제어된다. BMS는 적당한 제어변수를 정해 짧은 시간의 급속 충전을 제어하는 것이 필요하며, 전지팩의 내구수명과 가장 관련이 있는 제어변수로는 전지의 온도를 들 수 있다. 전지의 온도에 따라 충전할 수 있는 전류가 제한될 수 있고 전지 내구수명도 달라질 수 있다. 예를 들어 BMS는 충전 시작 후 전지 SOC(State Of Charge)와 온도를 검출하고 SOC가 목표 SOC에 도달할 때까지 충전하되, 만약 전지 온도가 임계온도 이상의 고온인 경우에는 충전을 일시 중단하여 전지를 냉각하고, 임계온도 미만인 상태에서만 전지를 목표 SOC까지 충전하도록 구성할 수 있다.

이와 같이 전지 온도가 설정된 임계온도 이상으로 상승하게 되면 충전을 중단해야 하는 방식에 의할 경우, 종래의 냉각 방식을 적용할 때에 냉각이 충분하지 않으면 충전 지연이 발생할 수밖에 없다. 따라서, 급속 충전시에는 일반적인 충전 프로세스와는 차별화된 냉각 방법도 필요하다.

일반적인 전지의 냉각 방법으로는 크게 수냉식 냉각법 및 공냉식 냉각법이 알려져 있는데, 전기자동차용 전지팩의 냉각은 공기를 이용한 공냉식 구조를 보통 채택하고 있으며, 차량의 외부 또는 내부의 공기를 흡입하여 전지팩을 냉각시킨 후 차량의 외부로 배출시키는 구조로 이루어져 있다. 하지만 공기만을 이용하여 전지팩을 냉각시키는 데는 한계가 있으며, 특히 차량이 정차하고 있는 경우 공기의 순환이 원활하지 않기 때문에, 전지팩에서 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출시켜 전지팩을 냉각시키는 데는 한계가 있다.

수냉식 냉각법은 냉각수와 같은 열교환매체(냉매)를 이용하여 냉각시키는 기술로서, 전기장판의 코일과 같은 형상을 가진 냉매 도관을 전지 외부와 열전도가 가능하도록 장착하고 상기 냉매 도관에 냉매를 유입하여, 열전도를 이용하여 간접적으로 전지를 냉각시키는 기술이다. 예를 들면, 대한민국 등록특허 제10-1112442호, 제10-1205181호, 제10-1833526호 등에는 수냉식 냉각 장치를 갖는 전지 모듈이 개시되어 있다.

수냉식 냉각법은 공냉식 냉각법에 비해 냉각 효율이 우수하다. 따라서, 이러한 수냉식 냉각법을 이용하여 전기자동차용 전지팩 급속 충전시에 보다 특화된 냉각 방법 및 냉각 시스템이 구현된다면 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 급속 충전시 활용 가능한 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 급속 충전시 활용 가능한 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템은, 다수의 전지를 포함하는 전지팩; 상기 전지 외부와 열전도가 가능하도록 장착된 냉매 도관을 포함하고 상기 냉매 도관에 냉매를 유입하여 열전도를 이용하여 간접적으로 상기 전지를 냉각시키는 수냉식 냉각 장치; 상기 수냉식 냉각 장치의 냉매 도관 중 상기 냉매를 상기 전지팩 쪽으로 유입시키는 입구측 냉매 도관과 상기 전지팩을 냉각시킨 냉매를 상기 전지팩 바깥으로 배출하는 출구측 냉매 도관 사이에 설치되고, 상기 입구측 냉매 도관에 대향된 흡열면과 상기 출구측 냉매 도관에 대향된 발열면을 구비하는 열전소자모듈; 상기 전지팩에 공급되는 충전 전류의 크기를 검출하는 전류 센서; 및 상기 충전 전류의 크기로부터 충전 씨레이트(C-rate)를 결정하고, 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동시켜 상기 흡열면과 상기 발열면 사이에 온도차를 유발시키도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.

바람직하게, 상기 열전소자모듈을 통하여 상기 입구측 냉매 도관과 출구측 냉매 도관 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 흡열면을 상기 입구측 냉매 도관에 접촉시키고 상기 발열면을 상기 출구측 냉매 도관에 접촉시킨다.

상기 전지팩은 팩 케이스를 더 포함하고, 상기 팩 케이스 내부에 상기 냉매를 흘려 상기 전지를 냉각할 수 있는 냉각부재를 더 포함하며, 상기 냉각부재 내에는 연속적인 유로가 형성되어 있고, 상기 유로의 양단은 상기 냉매를 상기 전지팩 쪽으로 유입시키는 냉매 입구와 상기 전지팩을 냉각시킨 냉매를 상기 전지팩 바깥으로 배출하는 냉매 출구에 연결되어 있으며, 상기 입구측 냉매 도관은 상기 냉매 입구에 연결되고, 상기 출구측 냉매 도관은 상기 냉매 출구에 연결된 것이다.

바람직하게, 상기 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템은 전지팩에 설치되어 상기 전지팩의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 온도 센서를 이용하여 상기 전지팩의 온도에 대한 시간 변화율을 결정하고, 상기 시간 변화율이 미리 설정한 값 이상이고 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동하도록 구성된 것이다.

상기 충전 전류는 상기 전지팩 외부 충전 장치에서 공급되고, 상기 전류 센서는 상기 전지팩과 외부 충전 장치를 연결하는 충전 선로에 설치된 것일 수 있다.

상기 열전소자모듈을 구동시키는 전력은 외부 전원 공급 장치에서 공급되고, 상기 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템은 외부 전원 공급 장치와 상기 열전소자모듈 사이에 연결된 스위치를 더 포함하며, 상기 제어 유닛은, 상기 스위치를 턴온시켜 상기 열전소자모듈을 구동시키도록 구성된 것일 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법은, 다수의 전지를 포함하는 전지팩과, 상기 전지 외부와 열전도가 가능하도록 장착된 냉매 도관을 통해 냉매를 유입시켜 간접적으로 상기 전지를 냉각시키는 수냉식 냉각 장치,를 포함하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법이다. 이 방법은, (a) 상기 수냉식 냉각 장치의 냉매 도관 중 상기 냉매를 상기 전지팩 쪽으로 유입시키는 입구측 냉매 도관과 상기 전지팩을 냉각시킨 냉매를 상기 전지팩 바깥으로 배출하는 출구측 냉매 도관 사이에 열전소자모듈을 제공하되, 상기 열전소자모듈의 흡열면과 발열면이 각각 상기 입구측 냉매도관과 상기 출구측 냉매 도관에 대향하도록 제공하는 단계; (b) 상기 전지팩과 외부 충전 장치를 연결하는 충전 선로에 흐르는 충전 전류의 크기를 측정하여 충전 씨레이트를 결정하는 단계; 및 (c) 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동시켜 상기 열전소자모듈의 상기 흡열면과 상기 발열면 사이에 온도차를 유발하여, 상기 흡열면에서 상기 냉매의 온도를 낮추어 상기 전지팩 측으로 공급하는 단계;를 포함한다.

바람직하게, 상기 (a) 단계는, 상기 열전소자모듈을 통하여 상기 입구측 냉매 도관과 출구측 냉매 도관 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 흡열면을 상기 입구측 냉매 도관에 접촉시키고 상기 발열면을 상기 출구측 냉매 도관에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 (c) 단계에서, 상기 충전 씨레이트가 2C 이상의 급속 충전인 경우에 상기 열전소자모듈이 구동되도록 한다.

바람직하게, 상기 (c) 단계는, 상기 전지팩의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 전지팩의 온도에 대한 시간 변화율이 미리 설정한 값 이상이고 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동시키는 단계이다.

상기 (c) 단계에서 상기 열전소자모듈을 구동시키기 위해 외부 전원 공급 장치에서 전력을 공급하는 것이 바람직하다.

급속 충전시에는 일반적인 충전 프로세스와는 차별화된 냉각 방법이 필요하다. 본 발명에 따르면, 급속 충전시에 열전소자모듈을 작동시켜 냉매를 냉각해 전지팩 냉각에 이용할 수 있으므로 급속 충전시 전지팩에서 발생하는 다량의 열을 효과적으로 제거할 수 있다.

따라서, 종래 전지팩에서 냉각이 충분하지 않은 경우 충전 지연이 발생하는 문제를 개선할 수 있고 열축적이 일어나 전지팩이 열화되는 문제도 개선할 수 있다. 전지팩 열화를 개선하므로 전지팩의 수명을 연장시킬 뿐만 아니라, 발화 또는 폭발을 원천적으로 차단할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템의 모식도이다.
도 2는 도 1의 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템에 포함될 수 있는 전지팩 시스템의 일부를 도시한다.
도 3은 도 2의 전지팩 시스템에 포함될 수 있는 하나의 예시적인 냉각부재의 모식도이다.
도 4는 도 1의 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템에 포함될 수 있는 열전소자모듈과 냉매 도관과의 연결 관계를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 1의 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템에 포함될 수 있는 열전소자모듈의 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법의 냉각 효과를 모사한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템의 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템(100)은 전지팩 시스템(10)에 열전소자모듈(Thermo Electric Module, TEM)(70)을 적용한 것이다.

도 1에서 참조부호 "200"은 전기자동차 충전 스테이션이다. 예를 들어, 전기자동차 충전 스테이션(200)의 케이블(230)을 전기자동차의 커넥터(110)에 연결하여 전기자동차 충전 스테이션(200)에서 전지팩(1)을 충전할 수 있다. 이 때, 전기자동차 충전 스테이션(200)은 외부 충전 장치(210)와 외부 전원 공급 장치(220)를 포함할 수 있다.

전지팩 시스템(10)은 전지팩(1)과 수냉식 냉각 장치(20)를 포함한다.

전지팩(1)은 다수의 전지(1')를 포함하는 것이다.

수냉식 냉각 장치(20)는 전지(1') 외부와 열전도가 가능하도록 장착된 냉매 도관(30)을 통해 냉매를 유입시켜 간접적으로 전지(1')를 냉각시키는 것이다. 도면에서 점선 화살표는 냉매의 흐름 방향이다. 수냉식 냉각 장치(20)에는 냉매 도관(30) 사이의 열교환을 위한 열교환기(미도시)가 더 포함될 수도 있다.

전기자동차용 전지팩 냉각 시스템(100)은 통상의 전기자동차에서 행해지는 공냉식 냉각과 함께 이용될 수 있다. 예컨대 차량 내부의 실내공기(에어컨 장치에서 실내로 공급된 실내공기)를 패키지 트레이 등 실내 소정 위치에서 냉각팬으로 흡입하여 전지팩(1) 내부로 통과시킨 뒤 트렁크 룸 등을 통해 배출하는 내기 냉각 방식을 병용할 수 있다.

도 2는 도 1의 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템에 포함될 수 있는 전지팩 시스템의 일부를 도시한다. 도 3은 도 2의 전지팩 시스템에 포함될 수 있는 하나의 예시적인 냉각부재의 모식도이다. 도 4는 도 1의 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템에 포함될 수 있는 열전소자모듈과 냉매 도관과의 연결 관계를 모식적으로 나타낸 것이다.

이 중에서 먼저 도 2를 참조하면, 전지팩 시스템(10)의 전지팩(1)은 다수의 전지(1')와 팩 케이스(2)를 포함한다. 팩 케이스(2) 내부에 혹은 외부에 혹은 팩 케이스(2) 자체에 냉매를 흘려 전지(1')를 냉각할 수 있는 구조를 가진다.

예를 들어 팩 케이스(2) 내부에는 도 3과 같은 냉각부재(3)를 가질 수 있다. 냉각부재(3)는 금속 판재(4)로 이루어져 있고, 그것의 내면에 연속적인 유로(5)가 형성되어 있는 상태로 나머지 부분(6)이 실링되어 있거나 솔리드인 구조로 이루질 수 있다. 유로(5)의 양단은 냉매를 전지팩(1) 쪽으로 유입시키는 냉매 입구(Inlet, 40)와 전지팩(1)을 냉각시킨 냉매를 전지팩(1) 바깥으로 배출하는 냉매 출구(Outlet, 50)에 연결된다. 도면에서 점선 화살표는 냉매의 흐름 방향이다.

다시 도 1을 참조하면, 냉매 도관(30)은 전지팩 시스템(10)의 냉각부재(3)에 대하여, 전지팩(1) 외부에서 냉매 입구(40)와 냉매 출구(50)에 연결된다. 냉매 도관(30)은 냉매 입구(40)에 연결되며 냉매 입구(40)측에 가까운 부분인 입구측 냉매 도관(42), 냉매 출구(50)에 연결되며 냉매 출구(50)측에 가까운 부분인 출구측 냉매 도관(52)을 포함한다. 도 2의 전지팩 시스템(10)에도 입구측 냉매 도관(42)과 출구측 냉매 도관(52) 일부를 도시하였다.

고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다. 이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전류 인가에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.

본 발명에서는 열전소자모듈(70) 양단에 온도차를 유발하여 열전 냉각하기 위하여, 열전소자모듈(70)에 외부 전원 공급 장치로부터 전력을 공급해 사용한다. 외부 전원 공급 장치로부터의 전력 공급을 통해 열전소자모듈(70) 양쪽 면에 기전압이 형성되면 한쪽 면은 흡열에 의해 차가워지고 다른 면은 방열에 의해 뜨거워진다. 따라서, 구동 전력 공급에 의한 전류가 인가될 때, 열전소자모듈(70)의 한쪽면은 흡열면이 되고 다른 면은 발열면이 되는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 열전소자모듈(70)은 특히 수냉식 냉각 장치(20)의 입구측 냉매 도관(42)과 출구측 냉매 도관(52) 사이에 위치하도록 설치되어 있고, 이를 도 4에 더 자세히 도시하였다.

도 4에 도시한 바와 같이, 입구측 냉매 도관(42)이나 입구측 냉매 도관(42)을 둘러싼 입구측 냉매 도관 지지 부재(43)면과 출구측 냉매 도관(52)이나 출구측 냉매 도관(52)을 둘러싼 출구측 냉매 도관 지지 부재(53)면 사이에 열전소자모듈(70)을 부착한다. 구동 전력 공급을 통한 전류 인가 방향은 열전소자모듈(70)에서 입구측 냉매 도관(42)이나 입구측 냉매 도관(42)을 둘러싼 입구측 냉매 도관 지지 부재(43)면에 부착된 쪽이 흡열면(70a)을 형성하도록 하고, 출구측 냉매 도관(52)이나 출구측 냉매 도관(52)을 둘러싼 출구측 냉매 도관 지지 부재 (53)면에 부착된 쪽이 발열면(70b)을 형성하도록 하게 하는 것이다. 이와 같이 전류가 인가되면 열전소자모듈(70)은 입구측 냉매 도관(42)으로부터 흡열하여 출구측 냉매 도관(52) 쪽으로 방열하므로 도 4에 화살표 표시한 바와 같은 열의 흐름이 발생한다. 바꾸어 말해, 열전소자모듈(70)을 통하여 입구측 냉매 도관(42)과 출구측 냉매 도관(52) 사이에 열교환이 이루어지도록, 흡열면(70a)이 입구측 냉매 도관(42)측에 부착되고 발열면(70b)이 출구측 냉매 도관(52)측에 부착되게 하는 것이다. 여기에서 입구측 냉매 도관 지지 부재(43)와 출구측 냉매 도관 지지 부재(53)는 각각 입구측 냉매 도관(42)과 출구측 냉매 도관(52)을 둘러싸 차량 내에서 이들을 구조적으로 지지하는 역할을 하는 것일 수 있으며 생략 가능한 요소이다.

이와 같이 본 발명에서는 열전소자모듈(70)의 흡열면(70a)과 발열면(70b)이 각각 입구측 냉매도관(42)과 출구측 냉매 도관(52)에 대향하도록 제공된다. 열전소자모듈(70)을 통하여 입구측 냉매도관(42)과 출구측 냉매 도관(52) 사이에 열교환이 이루어지도록, 흡열면(70a)을 입구측 냉매 도관(42)에 접촉시키고 발열면(70b)을 출구측 냉매 도관(52)에 접촉시키면 바람직하다. 접촉은 직접 접촉 또는 지지 부재(43, 53)를 통한 간접 접촉을 모두 포함한다.

일반적으로, 열전소자모듈은 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 열전소자와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 열전소자로 이루어진 p-n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 그리고, 이러한 열전 모듈은 p형 열전소자와 n형 열전소자 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다. 또한, 열전 모듈은 열전 모듈의 외부에 배치되어 전극 등의 구성요소를 외부와 전기적으로 절연시키고, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 열전 모듈을 보호하기 위해 기판을 구비할 수 있다.

도 5는 도 1의 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템에 포함될 수 있는 열전소자모듈의 개략적인 도면이다.

도 5를 참조하면, 열전소자모듈(70)은 기판(75), 전극(80) 및 열전소자(85)를 포함한다.

기판(75)은 판상으로 구성되며 열전소자모듈(70)의 외부에 배치되어 열전소자(85)등 열전소자모듈(70)의 여러 구성요소를 보호하고, 열전소자모듈(70)과 외부 사이에 전기적 절연성을 유지시킬 수 있다. 기판(75)은 알루미나 기판일 수 있다. 기판(75)은 서로 대향하는 상부 기판(76)과 하부 기판(77) 한 쌍으로 구비된다.

전극(80)은 전기 전도성을 가져 전류가 흐를 수 있도록 한다. 그리고, 전극(80)은 기판(75)에 구비될 수 있다. 특히, 전극(80)은 기판(75)의 적어도 일 표면에 노출되도록 구성되어, 열전소자(85)가 마운팅되도록 할 수 있다. 특히, 전극(80)에는 적어도 2개의 열전소자(85)가 마운팅될 수 있으며, 이들 2개의 열전소자(85) 사이에서 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공한다. 상부 기판(76)의 하면, 그리고 하부 기판(77)의 상면에 이러한 전극(80)이 증착, 스퍼터링, 직접 압착, 프린팅 등의 방법으로 구비될 수 있고, 그 사이에 다수의 열전소자(85)가 배치되어 열전소자모듈(70)을 구성할 수 있다. 전극(80)이 기판(75)에 직접 형성된 DBC(Direct Bonded Copper) 타입 기판도 사용할 수 있다. 전극(80)은 바람직하게 금속으로 형성이 되며, 예를 들어 Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr, Ru, Re, Pb, Sn, In 및 Zn 을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들 금속들 중 적어도 2종을 포함하는 합금으로 형성할 수 있다. 전극(80) 중 상부 기판(76)에 형성되는 상부 전극(81)은 열전소자(85) 상부에서 그들끼리를 연결하며, 전극(80) 중 하부 기판(77)에 형성되는 하부 전극(82)은 열전소자(85) 하부에서 그들끼리를 연결한다.

열전소자(85)는, 열전 재료, 즉 열전 반도체로 구성될 수 있다. 열전 반도체에는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 예를 들어, BiTe계 물질, PbTe계 물질 등의 열전 재료를 적절히 도핑하여 사용할 수 있다. 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전 반도체가 열전소자(85)의 재료로 이용될 수 있다.

열전소자(85)는, 열전 재료가 벌크 형태로 소결된 형태로 구성될 수 있다. 종래의 열전 모듈에 있어서 열전소자는 주로 증착법을 통해 전극에 구성되는 경우가 많다. 하지만, 예로서 설명하는 열전소자모듈(70)에서, 열전소자(85)는 전극(80)에 증착되는 형태로 구성되지 않고, 벌크 형태로 먼저 소결될 수 있다. 그리고, 그 이후 이러한 벌크 형태의 열전소자(850)는 전극(80)에 접합될 수 있다. 그리고, 도면에 도시하지는 않았지만, 전극(80)과 열전소자(85) 사이에 접착력 개선을 위한 버퍼층(미도시)을 더 포함하여 이루어질 수도 있다.

먼저, 열전소자(85)는 벌크 형태로 제조될 수 있다. 이 때, 이러한 벌크 형태의 열전소자(85)는, 열전소자(85)의 각 원료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 혼합된 원료를 열처리하여 합성물을 형성하는 단계 및 합성물을 소결하는 단계를 포함하는 제조 방식에 의해 제조될 수 있다. 소결 단계에서 소결된 열전 재료는 벌크 형태로 형성될 수 있다. 다음으로, 이와 같이 벌크 형태로 소결된 열전 재료는, 열전소자모듈(70)에 적용되기에 적합한 크기 및/또는 형태로 가공될 수 있다. 예를 들어, 원통형 벌크 형태로 소결된 열전 재료는, 그보다 작은 크기의 육면체형 벌크 형태로 커팅될 수 있다. 즉, 열전 재료인 잉곳을 분쇄하고, 이후 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정을 건친 후, 소결한 구조물을 커팅하여 형성한 구조물 형태일 수 있다. 그리고, 이와 같이 보다 작은 벌크 형태로 가공된 열전 재료는, 열전소자(85)로서, 기판(75)의 전극(80)에 접합될 수 있다. 여기서, 벌크 형태의 열전소자(85)와 전극(80)의 접합은 소결과 같은 열처리나 솔더링 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 본 발명이 특정 접합 방식으로 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 열전소자(85)가 벌크 형태로 소결된 후 전극(80)에 접합되는 구성에 의하면, 열전소자(85)가 소결을 통해 치밀한 구조를 이루고 있으므로, 종래의 열전소자, 특히 증착 형태로 구성되는 종래의 열전소자에 비해 열전 성능이 상당히 향상될 수 있다.

열전소자(85)는, 열전 레그 등으로 지칭될 수 있으며, n형 열전소자(86)와 p형 열전소자(87)를 구비할 수 있다. 여기서, n형 열전소자(86)는, n형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, p형 열전소자(87)는, p형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 n형 열전 재료와 p형 열전 재료로는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 재료가 채용될 수 있으므로, 이에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

열전소자(85)는, n형 열전소자(86)와 p형 열전소자(87)가 쌍을 이루어 하나의 기본 단위를 구성할 수 있다. 그리고, n형 열전소자(86) 및 p형 열전소자(87)는 둘 이상 구비됨으로써, 다수의 쌍을 이룰 수 있다. 또한, 이러한 n형 열전소자(86)와 p형 열전소자(87)는 교호적으로 배열됨으로써 다수의 n형 열전소자(86)-p형 열전소자(87) 쌍을 형성할 수 있다.

n형 열전소자(86)와 p형 열전소자(87)는, 전극(80)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 전극(80)을 기준으로, n형 열전소자(86)는 전극(80)의 일단에 접합되고 p형 열전소자(87)는 전극(80)의 타단에 접합될 수 있다. 열적으로는 병렬로 그리고 전기적으로는 직렬로 연결될 수 있도록, 상부 기판(76)과 하부 기판(77)에 각각 형성되는 상부 전극(81)과 하부 전극(82)의 모양을 고려하여야 한다. 열전소자(85)들은 직렬로 연결되며, 여기에 전기를 외부로부터 공급할 수 있도록, 직렬로 연결된 열전소자(85)들의 양단에 리드 전선(90)이 구비된다.

열전소자모듈(70)에 인가되는 전류의 크기와 방향에 의하여 흡열과 발열의 양과 방향 조절이 가능하다. n형 열전소자(86)와 접합하는 전극(80)은 전류가 흘러 들어가는 측에서 발열하고 그 반대측에서 흡열하며, p형 열전소자(87)는 그 역으로 발열 및 흡열한다. 이러한 열전소자모듈(70)은 기계적으로 작동하는 부분이 없으며 또한 설치 위치나 방향이 그 동작에 영향을 미치지 않는다는 장점이 있어 수냉식 냉각 장치(도 1의 20) 안으로 도입하기에 매우 적절하다. 뿐만 아니라 열전소자모듈(70)은 박형으로 제조할 수 있으므로, 냉매 도관(도 1의 30) 사이의 공간에 삽입하는 것이 가능하고 수냉식 냉각 장치의 크기나 중량 증대없이 높은 냉각 성능을 제공하도록 할 수 있다.

도 4와 도 5를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서는, 열전소자모듈(70)의 흡열면(70a)을 입구측 냉매 도관(42)이나 입구측 냉매 도관(42)을 둘러싼 부재(43)면에 부착하는 동시에 열전소자모듈(70)의 발열면(70b)은 출구측 냉매 도관(52)이나 출구측 냉매 도관(52)을 둘러싼 부재(53)면에 부착한다. 예를 들어 하부 기판(77)측이 흡열면(70a)이 되도록 하고 상부 기판(76)측이 발열면(70b)이 되도록 하는 것이다. 이렇게 되도록 리드 전선(90)에 인가되는 전류의 방향을 정하면 된다. 도 5에도 그에 따른 열의 흐름을 화살표로 표시하였다.

이상 설명한 바와 같은 전지팩 냉각 시스템(100)의 사용은 전지팩 시스템(10)의 냉각 방법에 해당한다. 도 1을 다시 참조하여 전지팩 냉각 시스템(100)의 구성요소 및 전지팩 냉각 시스템(100)의 사용에 대해 더 상세히 설명한다.

전지팩 냉각 시스템(100)은 전류 센서(92), 온도 센서(93), 스위치(94) 및 제어 유닛(95)을 더 포함한다.

전류 센서(92)는 전지팩(1)에 공급되는 충전 전류의 크기를 검출한다. 상기 충전 전류는 전지팩(1) 외부 충전 장치(210)에서 공급되고, 예를 들어 이 외부 충전 장치(210)는 전기자동차의 충전 스테이션(200)에 포함된 것일 수 있다. 전류 센서(92)는 전지팩(1)과 외부 충전 장치(210)를 연결하는 충전 선로(92')에 설치될 수 있다.

온도 센서(93)는 전지팩(1)에 설치되어 전지팩(1)의 온도를 검출한다. 온도 센서(93)는 예컨대 써모커플이다.

열전소자모듈(70)을 구동시키는 전력은 외부 전원 공급 장치(220)에서 공급되고, 예를 들어 이 외부 전원 공급 장치(220)는 전기자동차의 충전 스테이션(200)에 포함된 것일 수 있다. 스위치(94)는 외부 전원 공급 장치(220)와 열전소자모듈(70) 사이에 연결되어, 외부 전원 공급 장치(220)와 열전소자모듈(70)간 연결을 통제한다. 예를 들어, 스위치(94)는 외부 전원 공급 장치(220)와 열전소자모듈(70)를 연결하는 전력 공급 선로(94')에 설치될 수 있다.

제어 유닛(95)은 전류 센서(92), 온도 센서(93) 및 스위치(94)와 연결되어 있고, 전류 센서(92), 온도 센서(93)로부터 정보를 취득하며, 스위치(94) 동작 제어를 위한 각종 연산을 실행할 뿐 아니라, 제어 신호를 출력해 전류 센서(92), 온도 센서(93) 및 스위치(94)를 제어한다. 제어 유닛(95)은 BMS일 수 있다.

특히 제어 유닛(95)은 상기 충전 전류의 크기로부터 충전 씨레이트를 결정한다. 결정된 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 열전소자모듈(70)을 구동시켜 흡열면(70a)과 발열면(70b) 사이에 온도차를 유발시키도록 구성된다. 본 실시예에서, 제어 유닛(95)이 스위치(94)를 턴온시키면 열전소자모듈(70)을 구동시킬 수 있다. 또한, 제어 유닛(95)은, 온도 센서(93)를 이용하여 전지팩(1)의 온도에 대한 시간 변화율을 결정할 수 있다. 상기 시간 변화율이 미리 설정한 값 이상이고, 또한 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 열전소자모듈(70)을 구동하도록 구성될 수도 있다.

전지팩 냉각 시스템(100)을 이용한 전지팩 시스템(10)의 냉각 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다.

수냉식 냉각 장치(20)의 냉매 도관(30) 중 냉매를 전지팩(1) 쪽으로 유입시키는 입구측 냉매 도관(42)과 전지팩(1)을 냉각시킨 냉매를 전지팩(1) 바깥으로 배출하는 출구측 냉매 도관(52) 사이에 열전소자모듈(70)을 제공하되, 열전소자모듈(70)의 흡열면(70a)과 발열면(70b)이 각각 입구측 냉매도관(42)과 출구측 냉매 도관(52)에 대향하도록 제공한다.

전류 센서(92)를 이용해, 전지팩(1)과 외부 충전 장치(210)를 연결하는 충전 선로(92')에 흐르는 충전 전류의 크기를 측정하여, 제어 유닛(95)에서 충전 씨레이트를 결정한다. 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 제어 유닛(95)은 열전소자모듈(70)을 구동시켜 열전소자모듈(70)의 흡열면(70a)과 발열면(70b) 사이에 온도차를 유발하여, 흡열면(70a)에서 냉매의 온도를 낮추어 전지팩(1) 측으로 공급한다.

한편, 제어 유닛(95) 구성에 따라서는, 온도 센서(93)를 이용해 전지팩(1)의 온도를 측정하여, 전지팩(1)의 온도에 대한 시간 변화율이 미리 설정한 값 이상이고 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상인 조건을 모두 만족하는 경우에 열전소자모듈(70)을 구동시키도록 할 수도 있다. 단순히 충전 씨레이트만으로 판정하는 경우보다, 전지팩(1)의 온도에 대한 시간 변화율까지 고려하여 열전소자모듈(70) 구동 여부를 판단하게 되면, 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 미만이지만 전지팩(1)의 냉각이 충분하지 못하여 전지팩(1)의 온도가 급상승하는 경우가 발생하더라도 열전소자모듈(70)을 구동시킬 수 있게 되어 전지팩(1) 온도 증가를 방지할 수 있는 효과가 있다.

열전소자모듈(70) 작동시, 열전소자모듈(70)의 흡열면(70a)은 입구측 냉매 도관(42)으로부터 열을 흡수하므로 입구측 냉매 도관(42)을 지나는 입구측 냉매 온도를 낮출 수 있다. 이와 같이 본 발명은 열전소자모듈(70)을 적용해서 냉각수와 같은 냉매 온도를 낮춰 전지팩(1)에 공급되도록 함으로써 냉각 성능을 높이는 것이 첫 번째 특징이다.

열전소자모듈(70) 작동시 열전소자모듈(70)의 흡열면(70a)이 입구측 냉매 온도를 낮추는 동안 열전소자모듈(70)의 발열면(70b)은 출구측 냉매 도관(52)이나 출구측 냉매 도관(52)을 둘러싼 부재(53)면 쪽으로 열을 발산한다. 출구측 냉매 도관(52)을 지나가는 냉매는 열전소자모듈(70)의 발열면(70b)에서 발생되는 열을 가지고 이동한다. 이와 같이 열전소자모듈(70)의 발열면에서 열을 자연 방열시키거나 누적하는 대신 출구측 냉매를 이용하여 열을 제거함으로써 발열면 온도가 증가되지 않도록 하는 것이 두 번째 특징이다.

열전소자모듈(70)은 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상인 경우처럼 급속 충전시에만 작동하도록 하는 점이 세 번째 특징이다. 열전소자모듈(70)은 온도차를 내기 위해서는 전력 소모가 필요한 것이기에, 일반적인 충전 프로세스에서는 동작시키지 않고 급속 충전시에만 동작하도록 한다.

또한, 열전소자모듈(70) 구동에 필요한 전력은 전지팩(1) 충전 시 별도의 외부 전력 사용을 통해 해결하는 것이 네 번째 특징이다. 열전소자모듈(70)을 구동시키는 전력은 외부 전원 공급 장치(220)에서 공급되고, 예를 들어 이 외부 전원 공급 장치(220)는 전기자동차의 충전 스테이션(200)에 포함된 것일 수 있다.

현재 자동차 제조회사에서 개발 중인 전기자동차에서 전지를 급속 충전하는 데 걸리는 시간은 SOC 5%에서 80%까지 충전하는 데 약 30분 정도이다. 충전 씨레이트가 약 2C 미만 정도인 셈이다. 종래 가솔린 또는 디젤 등의 일반 엔진 차량에서 연료의 주유시간이 일반적으로 5분 정도인 것에 비해 전기자동차의 경우 급속 충전이라 하더라도 상당한 시간이 소요되는 것이 현실이다. 주유와 충전은 차량의 구동 에너지를 충전하는 점에서 일맥 상통하며, 장거리 주행시 차량의 주유시간과 충전 시간은 차량의 상품성 측면에서 중요한 고려사항으로 볼 수 있다.

충전 시간 단축을 위해 충전 씨레이트가 높은 것이 좋겠으나 전지의 종류 및 특성을 고려하여 충전 씨레이트를 정하여야 한다. 예를 들어 PEV용 전지는 충전 씨레이트를 1.5C 정도로 정할 수 있다. 다른 예로 PHEV용 전지는 초기 충전 씨레이트를 3C로 정할 수 있다. 더욱 고속의 충전율 및 방전율이 필요한 전지 사양에 따라서는 초기 충전 씨레이트를 더 높일 수 있어, 예컨대 5C로까지 높일 수도 있다. 이와 같은 충전 씨레이트는 전지의 종류뿐 만 아니라, 실제 자동차에서 사용되는 모터의 최대 전류에 의해 제한될 수도 있다. 본 발명에서 급속 충전은 충전 씨레이트가 1C 이상, 바람직하게는 2C 이상을 가리키는 것으로 한다.

본 발명에 의할 경우, 급속 충전시에만 열전소자모듈(70)이 외부 전력을 통해 구동되도록 하고, 작동되는 열전소자모듈(70)에 의해 입구측 냉매는 전지팩(1)에 들어가기 전에 더 낮은 온도로 냉각되므로 급속 충전시의 전지 냉각 효율이 높아진다. 출구측 냉매는 열전소자모듈(70)의 발열면(70b)을 냉각시켜 줌으로써 열전소자모듈(70)의 발열면(70b)에 열이 누적되지 않고 낮은 온도로 유지되게 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 열전소자모듈(70)을 입구측 냉매 도관(42)과 출구측 냉매 도관(52) 사이에 적절한 열교환이 이루어지도록 구성하며, 이를 통해 전지팩(1)을 냉각시키는 냉매의 온도를 낮춰 전지팩(1)으로 공급함으로써 냉각 성능을 높일 수 있다. 열전소자모듈(70)은 급속 충전시 전기자동차의 충전 스테이션으로부터 공급될 수도 있는 외부 전력으로 작동되도록 설계함으로써 열전소자모듈(70) 작동 시 필요한 전력의 공급원(source)을 해결할 수 있다.

본 발명은 이와 같이 급속 충전시에 열전소자모듈(70)에 외부 전력이 공급되도록 하여 열전소자모듈(70)을 작동시킴으로써, 급속 충전시에 전지팩(1)의 온도가 올라가더라도 더욱 온도가 낮아진 냉매 공급을 통해 효과적으로 냉각되도록 하는 데 이용될 수 있다. 즉, 전기자동차의 충전 스테이션으로터 공급될 수 있는 외부 전력이 리드 전선(90)을 통해 열전소자모듈(70)의 열전소자(85)들에 공급되어 흡열면(70a)과 발열면(70b)을 구성하게 된다. 특히 급속 충전시에만 열전소자모듈(70)이 작동하도록 하여 급속 충전시의 냉각에 대응한다. 따라서, 전기자동차용 전지팩의 급속 충전시 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출시켜, 전지팩의 열화를 억제할 수 있다.

한편, 충전 씨레이트에 따른 전지팩 온도 상승폭을 안다면 적정 유지되어야 할 전지팩 온도를 정했을 때 공급되어야 할 냉매 온도를 알 수 있다. 따라서, 이를 위해 필요한 열전소자 종류, 흡열면/발열면의 적절한 온도차를 위해 공급되어야 할 전류의 크기 등 조건을 정할 수 있다. 그리고 실제 열전소자와 냉각 도관 모양 등을 어떻게 구현할 것인지에 관해서는 당업자의 통상의 능력 범위 안에서 얼마든지 변경이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법의 냉각 효과를 모사한 그래프이다. 그래프에서 가로축은 시간(s)이고 세로축은 전지 최고 온도(℃)이다.

도 6은 SOC 5%에서 95%까지 2C로 급속 충전하는 경우를 가정하여 얻었다. 삼차원, 이차원, 일차원 및 영차원 모사 방법 중 영차원 모사 방법인 "Lumped model calculation"을 이용하였다. 충전 시간에 따라 온도가 변화하기 때문에 시간 의존성이 없는 "Steady analysis"가 아닌 시간 의존성이 있는 "Transient analysis"를 이용하였다.

초기 전지 온도는 50 ℃이고, 외기 온도도 50 ℃인 경우를 가정하였다. 초기 전지 온도와 외기 온도 조건은 요구되는 사용 조건에 따라 얼마든지 변경 가능하다. 전지 최고 허용 온도(예를 들어 BMS에서 충전을 허용하는 임계온도)는 60 ℃인 조건이었다. 전지 최고 허용 온도 조건은 전지의 종류에 따라 달라진다. 본 실험예에서는 3성분계 NCM(니켈, 코발트, 망간) 양극 재료를 갖는 전지에서 보통 요구되는 60 ℃로 하였다. 전지부터 냉매까지의 총 열저항은 작은 것이 유리하다. 본 실험예에서는 전기자동차용 전지 스펙에서 보통 바람직하다고 하는 수치인 2.0 K/W인 경우로 가정하여 계산하였다.

본 발명에 따르면 열전소자모듈을 구동시켜 입구측 냉각수 온도를 외기 온도 이하, 예를 들면 10 ℃로까지 낮출 수 있다(본 발명 실시예 1). 이 경우와, 입구측 냉각수 온도가 30 ℃인 경우(비교예 1)와, 입구측 냉각수 온도가 본 모사 실험의 외기 온도와 동일한 50 ℃인 경우(비교예 2)를 선정하여 함께 비교하였다.

도 6에서 보여지는 바와 같이, 전지 온도는 (충전) 시간이 경과함에 따라 증가한다. 전지 최고 온도는 입구측 냉각수 온도가 10 ℃, 30 ℃, 50 ℃로 변화함에 따라 약 1600초 경과 시 55.2 ℃, 65.7 ℃, 76.8 ℃로 각각 변화하였다.

따라서, 본 발명 실시예 1에서와 같이 입구측 냉각수 온도를 10 ℃로 낮출 수 있다면 충전하는 동안 전지 최고 온도를 60 ℃ 이하로 유지시키는 것이 가능하다. 비교예 1, 2는 전지 최고 온도가 60 ℃를 넘어간다.

BMS가 충전 시작 후 전지 SOC와 온도를 검출하고 SOC가 목표 SOC에 도달할 때까지 충전하되, 만약 전지 온도가 임계온도 이상의 고온인 경우에는 충전을 일시 중단하여 전지를 냉각하고, 임계온도 미만인 상태에서만 전지를 목표 SOC까지 충전하도록 구성되어 있는 경우, 본 발명에서와 같이 전지 최고 온도를 60 ℃ 이하로 유지한다면 충전 일시 중단없이 빠른 시간 내에 충전을 완료할 수 있을 것이다. 그러나 본 발명에서와 같은 정도로 냉각수 온도를 낮추어 공급하지 못하는 경우인 비교예 1, 2에 있어서는, 모사한 바와 같이 전지 최고 온도가 60 ℃를 넘어가므로 충전 일시 중단이 필요해 충전 시간이 오래 걸릴 것이다.

이처럼, 본 발명은 다수의 전지를 포함하는 전지팩을 냉각하기 위한 냉각 시스템 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것으로, 상기 냉각 시스템은 내부에 냉매가 유동하는 냉매 도관과 이 냉매 도관 외부에 열전소자모듈을 포함하고 있으며, 상기 열전소자모듈의 흡열면은 입구측 냉매 도관측에 부착되며, 발열면은 출구측 냉매 도관측에 부착되는 것일 수 있다. 상기 열전소자모듈은 상기 전지팩이 장착되는 전기자동차에 대하여 전기자동차의 충전 스테이션(충전소)에서 충전시에 공급되는 외부 전력으로 작동된다. 상기 열전소자모듈에 의해, 냉각된 냉매가 전지팩 냉각을 수행하므로, 급속 충전시의 과도한 전지팩 발열에 대한 냉각 성능이 향상될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1 : 전지팩 1': 전지
2 : 팩 케이스 3 : 냉각부재
4 : 금속 판재 5 : 유로
6 : 나머지 부분 10 : 전지팩 시스템
20 : 수냉식 냉각 장치
30 : 냉매 도관 40 : 냉매 입구
42 : 입구측 냉매 도관 43 : 입구측 냉매 도관 지지 부재
50 : 냉매 출구 52 : 출구측 냉매 도관
53 : 출구측 냉매 도관 지지 부재 70 : 열전소자모듈
70a : 흡열면 70b : 발열면
75 : 기판 76 : 상부 기판
77 : 하부 기판 80 : 전극
81 : 상부 전극 82 : 하부 전극
85 : 열전소자 86 : n형 열전소자
87 : p형 열전소자 90 : 리드 전선
92 : 전류 센서 92' : 충전 선로
93 : 온도 센서 94 : 스위치
94' : 전력 공급 선로 95 : 제어 유닛
100 : 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템
110 : 커넥터 200 : 전기자동차 충전 스테이션
210 : 외부 충전 장치 220 : 외부 전원 공급 장치
230 : 케이블

Claims

다수의 전지를 포함하는 전지팩;
상기 전지 외부와 열전도가 가능하도록 장착된 냉매 도관을 포함하고 상기 냉매 도관에 냉매를 유입하여 열전도를 이용하여 간접적으로 상기 전지를 냉각시키는 수냉식 냉각 장치;
상기 수냉식 냉각 장치의 냉매 도관 중 상기 냉매를 상기 전지팩 쪽으로 유입시키는 입구측 냉매 도관과 상기 전지팩을 냉각시킨 냉매를 상기 전지팩 바깥으로 배출하는 출구측 냉매 도관 사이에 설치되고, 상기 입구측 냉매 도관에 대향된 흡열면과 상기 출구측 냉매 도관에 대향된 발열면을 구비하는 열전소자모듈;
상기 전지팩에 공급되는 충전 전류의 크기를 검출하는 전류 센서; 및
상기 충전 전류의 크기로부터 충전 씨레이트(C-rate)를 결정하고, 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동시켜 상기 흡열면과 상기 발열면 사이에 온도차를 유발시키도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 것인 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열전소자모듈을 통하여 상기 입구측 냉매 도관과 출구측 냉매 도관 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 흡열면을 상기 입구측 냉매 도관에 접촉시키고 상기 발열면을 상기 출구측 냉매 도관에 접촉시킨 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전지팩은 팩 케이스를 더 포함하고, 상기 팩 케이스 내부에 상기 냉매를 흘려 상기 전지를 냉각할 수 있는 냉각부재를 더 포함하며,
상기 냉각부재 내에는 연속적인 유로가 형성되어 있고, 상기 유로의 양단은 상기 냉매를 상기 전지팩 쪽으로 유입시키는 냉매 입구와 상기 전지팩을 냉각시킨 냉매를 상기 전지팩 바깥으로 배출하는 냉매 출구에 연결되어 있으며,
상기 입구측 냉매 도관은 상기 냉매 입구에 연결되고, 상기 출구측 냉매 도관은 상기 냉매 출구에 연결된 것임을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템은 상기 전지팩에 설치되어 상기 전지팩의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하고,
상기 제어 유닛은, 상기 온도 센서를 이용하여 상기 전지팩의 온도에 대한 시간 변화율을 결정하고, 상기 시간 변화율이 미리 설정한 값 이상이고 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동하도록 구성된 것임을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 충전 전류는 상기 전지팩 외부 충전 장치에서 공급되고, 상기 전류 센서는 상기 전지팩과 외부 충전 장치를 연결하는 충전 선로에 설치된 것임을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열전소자모듈을 구동시키는 전력은 외부 전원 공급 장치에서 공급되고,
상기 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템은 외부 전원 공급 장치와 상기 열전소자모듈 사이에 연결된 스위치를 더 포함하며,
상기 제어 유닛은, 상기 스위치를 턴온시켜 상기 열전소자모듈을 구동시키도록 구성된 것임을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템.
다수의 전지를 포함하는 전지팩과,
상기 전지 외부와 열전도가 가능하도록 장착된 냉매 도관을 통해 냉매를 유입시켜 간접적으로 상기 전지를 냉각시키는 수냉식 냉각 장치,를 포함하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법에 있어서,
(a) 상기 수냉식 냉각 장치의 냉매 도관 중 상기 냉매를 상기 전지팩 쪽으로 유입시키는 입구측 냉매 도관과 상기 전지팩을 냉각시킨 냉매를 상기 전지팩 바깥으로 배출하는 출구측 냉매 도관 사이에 열전소자모듈을 제공하되, 상기 열전소자모듈의 흡열면과 발열면이 각각 상기 입구측 냉매도관과 상기 출구측 냉매 도관에 대향하도록 제공하는 단계;
(b) 상기 전지팩과 외부 충전 장치를 연결하는 충전 선로에 흐르는 충전 전류의 크기를 측정하여 충전 씨레이트를 결정하는 단계; 및
(c) 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동시켜 상기 열전소자모듈의 상기 흡열면과 상기 발열면 사이에 온도차를 유발하여, 상기 흡열면에서 상기 냉매의 온도를 낮추어 상기 전지팩 측으로 공급하는 단계;를 포함하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법.
제7항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
상기 열전소자모듈을 통하여 상기 입구측 냉매 도관과 출구측 냉매 도관 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 흡열면을 상기 입구측 냉매 도관에 접촉시키고 상기 발열면을 상기 출구측 냉매 도관에 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법.
제7항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
상기 충전 씨레이트가 2C 이상의 급속 충전인 경우에 상기 열전소자모듈이 구동되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법.
제7항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
상기 전지팩의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 전지팩의 온도에 대한 시간 변화율이 미리 설정한 값 이상이고 상기 충전 씨레이트가 미리 설정된 임계치 이상이면 상기 열전소자모듈을 구동시키는 단계인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법.
제7항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
상기 열전소자모듈을 구동시키기 위해 외부 전원 공급 장치에서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법.