KR20210016128A - 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조 - Google Patents

원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조에 관한 것으로, 그 구성은 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는 전기 차량에 전원을 공급하기 위해 6개의 배터리 셀이 상부 케이스 및 하부 케이스의 삽입홈에 각각 삽입되어 스프링과 결속되는 단자홈이 구비된 너트단자를 통해 체결된 다수개의 배터리 셀 모듈을 실장하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩을 효율적으로 냉난방을 제공하기 위해 배터리 셀모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 냉각수 라인을 내장되어 각각 접촉하여 열교환이 이루어지는 알루미늄 열교환 냉각채널; 상기 배터리 셀의 모듈과 알루미늄 냉각채널의 좌우에 접촉 면적을 최대화하기 위해 각각 부착되는 써멀패드; 알루미늄 냉각채널에 냉각수를 공급하는 것으로 구동모터의 동작에 따라 워터펌프에 의해 냉각수가 강제 순환되도록 동작하는 히트펌프 냉난방 라인; 냉각수 순환유로 전환밸브에 의해 개별 순환이 되도록 구동모터에 의해 가열된 냉각수를 라디에이터를 통해 냉각하고 냉각라인 워터펌프에 의해 강제 순환되도록 동작하는 구동모터 냉각라인; 알루미늄 냉각채널과 연결되는 앞단에서 구비되어 배터리 팩 내부에서 배터리 셀 모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 열교환 냉각채널이 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 동작하는 매니폴더; 및 구동모터의 구동에 따라 순환유로 전환밸브에 의해 가열된 냉각수를 구동모터 냉각라인에 의해 가열된 냉각수를 냉각하여 냉각라인 워터펌프를 통해 강제 순환이 되도록 하는 라디에이터;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 배터리 팩 내부에서 배터리 셀 모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 매니폴더가 열교환 냉각채널에 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 하고, 3way밸브의 포트를 연결 또는 차단을 통해 히트펌프 냉난방 라인과 배터리 구동을 위한 구동모터 냉각 라인이 분리됨으로써 상호 열전달이 용이한 효과를 제공한다.

Description

원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조{A Coolong/Heating Structure composed of cylindrical battery Cells}
본 발명은 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로 원통형 배터리셀을 직렬, 병렬로 연결하여 사용하는 대용량 배터리팩으로 구비되는 셀케이스 구조에서 배터리 셀케이스와 셀케이스 사이에 알루미늄 냉각채널을 구비하고, 배터리셀과 알루미늄 냉각채널이 직접 접촉하여 열교환 시 냉각채널의 통로에 구비된 냉각수가 히트펌프와 구동모터를 동작에 따라 냉각 또는 가열됨으로서 배터리 팩의 열교환이 가능한 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 팩 내부에서 배터리 셀 모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 매니폴더가 열교환 냉각채널에 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 하고, 3way밸브의 포트를 연결 또는 차단을 통해 히트펌프 냉난방 라인과 배터리 구동을 위한 구동모터 냉각 라인이 분리됨으로써 상호 열전달이 용이한 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조에 관한 것이다.
현재 많은 곳에서 전기에너지를 저장하는 장치로 배터리를 사용하고 있으며, 1차 전지와 2차 전지 대부분은 원통형(Cylindrical), 각형(Prismatic), 파우치 (Pouch)의 형태를 가지고 있다. 최근에는 여러 개의 배터리 셀을 직/병렬로 연결하여 태양광, 풍력 등에서 만들어진 전기를 저장하여 사용하는 ESS(Energy Storage System) 등에도 사용되고 있다.
한편, 최근 지구온난화와 환경오염에 대한 대안으로 전기차가 떠오르고 있으며, 이에 따라 전기차의 수요가 급등하고 있다. 이에 따라 대용량의 원통형 배터리 셀과 이를 직·병렬로 연결할 수 있는 배터리 팩의 수요도 함께 증가하는 추세이다.
또한, 다수의 배터리를 셀 형태로 사용시 발생하는 열 손실에 따른 배터리 성능 저하를 최소화하기 위해 셀 온도를 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 팩 디자인의 중요성이 부상하고 있다.
일반적으로 다수개의 배터리 셀을 직렬로 연결하면 전압(단위 V, 볼트)이 상승하게 되고, 병렬로 연결하면 전류량(단위, Ah)이 상승하게 된다. 충전시에도 전지가 감당할 수 있는 전압과 전류 범위에서 전기에너지가 전지에 축적되게 되며, 방전시에도 전기에너지가 나가는 양 또는 속도에 따라 사용 가능한 전기에너지의 양이 결정된다.
전지 셀을 직/병렬 형태로 연결하는 방법에는 병렬연결인 경우 전지 셀의 양극과 양극, 음극과 음극을 금속과 같은 도전체로 연결하며, 직렬연결인 경우 양극과 음극을 반복적으로 연결한다.
현존하는 많은 배터리 팩은 셀은 배터리 셀의 양극과 음극 단자에 니켈 극판을 접촉하여 점(spot)용접을 하여 셀을 직·병렬로 연결하는 방법이 사용되고 있다. 이러한 연결방식을 사용하는 배터리 팩 대부분은 셀 온도 관리를 셀의 양극 음극 단자에 연결된 극판을 공기 혹은 냉각플레이트를 통해 냉각하는 방법을 사용하고 있다.
하지만 이러한 방법은 셀이 조기 노화, 단자 저항 증가, 셀의 내부저항 증가로 인해 성능이 떨어지게 될 경우, 문제의 셀을 검출 및 교체하기가 어렵기 때문에 교체하지 못할 경우 배터리팩 전체 성능이 저하될 수 있다.
또한, 극판을 통해 간접적으로 냉·난방시, 셀과 유체의 접촉 면적이 낮아지기 때문에 셀의 냉·난방 효율성이 상대적으로 낮다.
이에 본 출원인은 다수의 배터리 팩으로 사용시 발생하는 배터리의 내부 열을 히터펌프를 이용하여 효율적으로 경감할 수 있는 열교환 방식의 냉난방 구조에 대하여 제안하고자 한다.
1. 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템 그리고 그 운용방법(Electric vehicle HVAC and battery temperature management system using the self heating plate heat exchanger and its operating method)(특허등록번호 제10-1367212호) 2. 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템 및 그 운용방법(Electric vehicle battery temperature management system conjunction with the HVAC system and its operating method)(특허등록번호 제10-1436960호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원통형 배터리셀을 직렬, 병렬로 연결하여 사용하는 대용량 배터리팩으로 구비되는 셀케이스 구조에서 배터리 셀케이스와 셀케이스 사이에 알루미늄 냉각채널을 구비하고, 배터리셀과 알루미늄 냉각채널이 직접 접촉하여 열교환 시 냉각채널의 통로에 구비된 냉각수가 히트펌프와 구동모터 동작에 따라 냉각 또는 가열됨으로서 배터리 팩의 열교환이 가능한 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조를 제공한다.
또한, 본 발명은 배터리 팩 내부에서 배터리 셀 모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 매니폴더가 열교환 냉각채널에 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 하고, 3way 밸브의 포트를 연결 또는 차단을 통해 히트펌프 냉난방 라인과 배터리 구동을 위한 구동모터 냉각 라인이 분리됨으로써 상호 열전달이 용이한 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조를 제공한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는 전기 차량에 전원을 공급하기 위해 6개의 배터리 셀이 상부 케이스 및 하부 케이스의 삽입홈에 각각 삽입되어 스프링과 결속되는 단자홈이 구비된 너트단자를 통해 체결된 다수개의 배터리 셀 모듈을 실장하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩을 효율적으로 냉난방을 제공하기 위해 배터리 셀모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 냉각수 라인을 내장되어 각각 접촉하여 열교환이 이루어지는 알루미늄 열교환 냉각채널; 상기 배터리 셀의 모듈과 알루미늄 냉각채널의 좌우에 접촉 면적을 최대화하기 위해 각각 부착되는 써멀패드; 알루미늄 냉각채널에 냉각수를 공급하는 것으로 구동모터의 동작에 따라 워터펌프에 의해 냉각수가 강제 순환되도록 동작하는 히트펌프 냉난방 라인; 냉각수 순환유로 전환밸브에 의해 개별 순환이 되도록 구동모터에 의해 가열된 냉각수를 라디에이터를 통해 냉각하고 냉각라인 워터펌프에 의해 강제 순환되도록 동작하는 구동모터 냉각라인; 알루미늄 냉각채널과 연결되는 앞단에서 구비되어 배터리 팩 내부에서 배터리 셀 모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 열교환 냉각채널이 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 동작하는 매니폴더; 및 구동모터의 구동에 따라 순환유로 전환밸브에 의해 가열된 냉각수를 구동모터 냉각라인에 의해 가열된 냉각수를 냉각하여 냉각라인 워터펌프를 통해 강제 순환이 되도록 하는 라디에이터;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는 차량용 배터리 팩의 냉각 모드 구동은 배터리 팩에 실장된 배터리 셀 모듈의 냉각을 위해 히터펌프 냉난방 장치의 히터펌프를 구동하여 배터리 팩 내의 알루미늄 냉각채널 내에 공급된 냉각수를 순환되도록 구동모터의 동작에 따라 워터펌프에 의해 냉각수가 강제 순환되도록 동작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는 차량용 배터리 팩의 초기 가열모드는 구동모터가 구동되어 모터 온도가 적정온도까지 오르기 전에 배터리가 가열된 상태에서의 동작되도록 극저온(-20℃ 이하)에서의 급속 가열은 PTC 히터를 사용하고 이후 적정 온도 유지를 위해 3way밸브의 제1포트와 제2포트를 연결하고 제3포트를 차단한 뒤 냉각수 순환유로 전환밸브를 냉각수 라인별 개별 순환모드에 설정하고 히트펌프의 구동모드를 가열모드로 전환하여 히트펌프 냉난방 라인을 따라 흐르는 냉각수를 열교환기의 열교환을 통해 가열하여 배터리 팩의 온도가 0℃ 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는 차량용 배터리 팩의 초기 가열모드는 구동모터의 구동에 따라 배터리 적정온도로 가열된 상태에서 동작되도록 구동모터의 구동을 통해 모터 온도가 적정온도까지 상승한 뒤 상기 배터리 팩의 적정 배터리 운용 온도 유지를 위해 3way밸브의 제2포트와 제3포트를 연결하고 제1포트를 차단한 뒤 냉각수 순환유로 전환밸브를 냉각수 라인 순환모드에 위치한 후 히트펌프 냉난방 라인과 구동모터 냉각라인을 연결하여 구동모터의 구동에 따라 발열하여 가열된 냉각수를 배터리 팩으로 순환시켜서 배터리 팩의 온도가 0℃ 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는, 배터리 팩 내부에서 배터리 셀 모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 매니폴더가 열교환 냉각채널에 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 하고, 3way 밸브의 포트를 연결 또는 차단을 통해 히트펌프 냉난방 라인과 배터리 구동을 위한 구동모터 냉각 라인이 분리됨으로써 상호 열전달이 용이한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는 극저온에서 사용시 배터리팩 내부의 PTC 히터와 히트펌프를 동시에 가동가능하여 배터리팩을 정상온도까지 급속 가열할 수 있고, 배터리 팩의 충전시 충전 시작 전 충전기의 전류를 사용하여 PTC 히터와 히트펌프를 구동하여 배터리를 정상온도 이상 가열시킨 후 충전이 가능하여 저온충전 배터리 가열이 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조는 배터리 팩의 가열 상태기 히트펌프 냉난방 장치를 가동하지 않아 추가적인 전력소비를 줄여서 전기차량의 주행거리를 향상시킬 수 있고, 구동모터가 구동되어 일정 온도이상 모터 냉각수가 가열되면 배터리 팩의 냉각수 라인으로 가열된 냉각수를 전송되도록 하여 배터리를 가열하고, 구동모터 냉각수를 이용한 배터리 가열시 히트펌프 작동을 정지시켜 배터리 전류사용을 저감시켜 에너지 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 셀 모듈의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 셀 모듈의 분해사시도
도 3은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구성도
도 4는 도 3에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방을 위한 단면도
도 5는 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 냉각 구동을 위한 상태도
도 6은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 초기 가열시 동작절차를 도시한 상태도
도 7은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 가열 상태시 동작절차를 도시한 상태도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 셀 모듈의 열교환 냉난방 구조는 크게 상부케이스(110), 하부케이스(120), 너트단자(130), 스프링(140), 냉난방 판넬(150), 부스판(160) 및 배터리 셀(170)로 구성되는데, 첨부된 도 1은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 셀 모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 셀 모듈의 분해사시도 나타낸다.
첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명에 사용되는 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 세부구조를 살펴보면, 6개의 원통형 배터리 셀(170)이 상부케이스(110) 및 하부케이스(120)의 배터리 삽입홈(도면부호 미도시)에 (+)극과 (-)극이 동일한 방향으로 각각 삽입되어 조립되어 외부에서 부스바 결합시 6개 병렬 구조가 되도록 구성되는데, 상기 상부 케이스(110)는 6P 배터리 셀이 삽입될 수 있도록 배터리 삽입홈이 각각 구성되어 배터리 삽입홈에 원통형 배터리 셀(170)이 각각 삽입되고, 배터리 삽입홈에 각각 삽입된 배터리 셀(170)을 통해 전원을 공급받기 위해 스프링(140)과 결속되는 단자홈이 구비된 너트단자(130)가 구비된다.
상기 하부 케이스(120)는 상기 상부 케이스(110)와 동일한 형태로 원통형 배터리 셀(170)의 반대편에서 셀의 반대 전극이 삽입되도록 배터리 삽입홈, 스프링(140) 및 너트단자(130)가 구비된다.
상기 상부 케이스(110) 및 하부 케이스(120)에 6개의 배터리 셀(170)이 스프링(140) 및 너트단자(130)를 통해 결합되어 하나의 배터리 팩 구조를 형성한다.
상기 냉난방 판넬(150)은 배터리 셀의 충전 또는 방전에 따라 발생하는 열이 전도되도록 구성된 것으로서, 상부 케이스(110) 및 하부 케이스(120)를 통해 삽입된 다수개의 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 셀의 측면의 일단과 각각 접촉하여 다수개의 상부 및 하부 케이스와 판넬 상부 및 하부에 구비된 케이스 체결홈을 통해 볼트 결합되어 배터리 셀의 충전 또는 방전에 따라 발생하는 열을 써멀패드를 통해 냉각파이프로 열이 전도되도록 동작한다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구성도이고, 도 4는 도 3에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방을 위한 단면도를 나타내는데, 본 발명의 열교환 냉난방 구조는 배터리 팩(100), 히트펌프 냉난방 장치(300), 라디에이트(400), 구동모터(500), 순환유로 전환밸브(600), 워터펌프(700), 3way 밸브(800) 및 냉난방라인(900)으로 구성된다. 이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 열교환 냉난방 구조의 세부동작을 살펴보면, 상기 배터리 팩(100)은 전기 차량에 전원을 공급하기 위해 6개의 배터리 셀(170)이 상부 케이스(110) 및 하부 케이스(120)의 삽입홈에 각각 삽입되어 스프링(140)과 결속되는 단자홈이 구비된 너트단자(130)을 통해 체결되어 구비된다.
상기 배터리 팩(100)을 효율적으로 냉난방을 제공하기 위해 배터리 셀모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 냉각수 라인을 내장한 알루미늄 열교환 냉각채널(210)이 구비되어 각각 접촉하여 열교환이 되도록 구성된다.
상기 배터리 셀 모듈(110)과 알루미늄 냉각채널(210)의 접촉면적을 최대화하기 위해 알루미늄 냉각채널(210) 좌우에는 써멀패드가 각각 부착하여 형성된다.
한편, 히트펌프 냉난방 라인(910)은 알루미늄 냉각채널(210)에 냉각수를 공급하는 것으로 구동모터(500)의 동작에 따라 워터펌프(750)에 의해 냉각수가 강제 순환되도록 동작하고, 구동모터 냉각라인(920)은 냉각수 순환유로 전환밸브(600)에 의해 개별 순환이 되도록 구동모터(500)에 의해 가열된 냉각수를 라디에이터(400)를 통해 냉각하고 냉각라인 워터펌프(700)에 의해 강제 순환되도록 동작한다.
또한, 알루미늄 냉각채널(210)과 연결되는 앞단에 매니폴더(220)가 구비되는데, 이는 알루미늄 냉각채널(210)에 각각 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 구성되어 있다.
상기 매니폴더(220)는 배터리 팩(100) 내부에서 배터리 셀 모듈(170)과 배터리 셀 모듈 사이에 열교환 냉각채널(210)이 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널(210)에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 동작한다.
상기 라디에이터(400)는 구동모터(500)의 구동에 따라 순환유로 전환밸브(600)에 의해 가열된 냉각수를 구동모터 냉각라인(920)에 의해 가열된 냉각수를 냉각하여 냉각라인 워터펌프(700)를 통해 강제 순환이 되도록 한다.
한편, 배터리의 냉난방은 히트펌프 냉난방 장치(300)와 구동모터(500) 그리고 PTC히터(230)가 담당하며 3way 밸브(800)와 냉각수 순환유로 전환밸브(600)의 유로를 변경하여 배터리를 효율적으로 냉난방 할 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 열교환 냉난방 구조는 3way밸브(800)의 포트(810,820,830)를 연결 또는 차단을 통해 히트펌프 냉난방 라인(910)과 배터리 구동을 위한 구동모터 냉각 라인(920)이 분리됨으로써 상호 열전달이 가능하도록 구성된다.
첨부된 도 5는 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 냉각 모드로 구구동을 위한 상태도를 도시한 것으로 그 동작을 살펴보면, 먼저, 차량용 배터리 팩의 냉각 모드 구동은 배터리 팩(100)에 실장된 배터리 셀 모듈(110)의 냉각을 위해 히터펌프 냉난방 장치(300)의 히터펌프(310)을 구동하여 배터리 팩(100) 내의 알루미늄 냉각채널(210) 내에 공급된 냉각수를 순환되도록 구동모터(500)의 동작에 따라 워터펌프(750)에 의해 냉각수가 강제 순환되도록 동작되게 된다.
보다 세부적으로, 히터펌프 냉난방장치와 결된 3way밸브(800)의 동작을 통해 순환유로 전환밸브(600)를 전환하여 동작하는데, 3way밸브(800)의 제1포트(810)와 제2포트(820)을 연결하고 제3포트(830)을 차단한 뒤 냉각수 순환유로 전환밸브(600)를 냉각수 라인별 개별 순환모드에 두고 히트펌프(310)의 구동 모드를 냉각으로 하고 히트펌프 냉난방 라인(910)을 따라 흐르는 냉각수를 열교환기(320)에서 열교환을 통해 냉각수를 냉각시켜서 배터리 팩(100)의 온도를 제어한다. 이때, 배터리 팩(100)의 온도는 40℃ 이상 오르지 않도록 제어한다.
도 6은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 초기 가열시 동작절차를 도시한 상태도로서, 배터리 팩의 초기 가열모드는 상기 구동모터(500)가 구동되어 모터 온도가 적정온도까지 오르기 전에 배터리가 가열된 상태에서의 동작하는 모드로서, 극저온(-20℃ 이하)에서의 급속 가열은 PTC히터(230)를 사용하고 이후 적정 온도 유지를 위해 3way밸브(800)의 제1포트(810)와 제2포트(820)을 연결하고 제3포트(830)을 차단한 뒤 냉각수 순환유로 전환밸브(600)를 냉각수 라인별 개별 순환모드에 두고 히트펌프(310)의 구동모드를 가열모드로 하고 히트펌프 냉난방 라인(910)을 따라 흐르는 냉각수를 열교환기(320)의 열교환을 통해 가열시켜서 배터리 팩(100)의 온도가 0℃ 이상이 되도록 제어한다.
따라서, 본 발명의 열교환 냉난방 구조는 상기와 같이 극저온에서 사용시 배터리팩 내부의 PTC 히터(230)와 히트펌프(310)가 동시에 가동되어 배터리팩을 정상온도까지 급속 가열할 수 있고, 배터리 팩(100)의 충전시 충전 시작 전 충전기의 전류를 사용하여 PTC 히터(230)와 히트펌프(310)를 구동하여 배터리를 정상온도 이상 가열시킨 후 충전이 가능하여 저온충전 배터리 가열 구조 및 배터리 가열 구조를 제공한다.
이때, 3way 밸브(800)는 배터리 냉난방을 위한 히트펌프 순환라인과 통합순환 라인의 냉각수 순환 유로를 변경하여 동작한다.
도 7은 본 발명에 따른 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 가열 상태시 동작절차를 도시한 상태도로서, 상기 도 6의 절차에 따라 구동모터(500)의 구동에 따라 배터리 적정온도로 가열된 상태에서 동작하는 모드로서, 상기 구동모터(500)가 구동되어 모터 온도가 적정온도까지 상승한 뒤 상기 배터리 팩(100)의 배터리 셀(110)를 가열하게 되는데, 이때, 적정 배터리 운용 온도 유지를 위해 3way밸브(800)의 제2포트(820)와 제3포트(830)를 연결하고 제1포트(810)을 차단한 뒤 냉각수 순환유로 전환밸브(600)를 냉각수 라인 순환모드에 위치한 후 히트펌프 냉난방 라인(910)과 구동모터 냉각라인(920)을 연결하여 구동모터(500)의 구동에 따라 발열하여 가열된 냉각수를 배터리 팩(100)으로 순환시켜서 배터리 팩(100)의 온도가 0℃ 이상이 되도록 제어한다.
이때, 상기 배터리 팩의 가열 상태는 히트펌프 냉난방 장치(200)를 가동하지 않아 추가적인 전력소비를 줄여서 전기차량의 주행거리를 향상시킬 수 있고, 구동모터가 구동되어 일정 온도이상 모터 냉각수가 가열되면 배터리 팩의 냉각수 라인으로 가열된 냉각수를 내보내어 배터리를 가열하고, 구동모터 냉각수를 이용한 배터리 가열시 히트펌프 작동을 정지시켜 배터리 전류사용을 저감시켜 에너지 절약 할 수 있다.
한편, 상기 배터리 셀(170)과 알루미늄 냉각채널(210)의 접촉면적을 최대화하기 위해 알루미늄 냉각채널(210) 좌우에는 써멀패드를 부착하고 있다.
상기 써멀패드는 실리콘 소재로 하나의 판넬로 형성된 냉난방 판넬(150)의 좌우 측면에서 배터리 셀(170)과 직접 접촉된다.
보다 세부적으로 상기 냉각 파이프(520)는 다수개의 직렬과 병렬로 연결된 리튬 전지셀의 온도가 균일하게 유지될 수 있도록 각각의 리튬 전지셀의 옆면에 유로가 형성된 알루미늄 또는 구리 소재로 안쪽이 비어있어 물 또는 냉매가 흐를 수 있는 구조를 가지고, 상기 서멀패드는 냉각파이프와 접촉되어 구성되는데, 써멀패드(Thermal Pad)는 실리콘 또는 카본 소재로 배터리 셀의 리튬전지의 외부가 금속 니켈소재이고, 냉각파이프의 소재가 알루미늄 또는 구리소재이므로 접촉에 의한 열전달이 용이하도록 완충이 가능하면서 열전도도가 높고, 전기전도도는 없는 소재가 사용된다.
즉, 상기 냉난방 판넬(150)은 중심부에 물과 같은 유체가 흐를수 있는 원형 파이프 구조를 가지고 상부와 하부에 사각 공백의 냉각 파이프가 구비되고, 냉각 파이프의 양쪽에는 실리콘 소재의 써멀패드가 부착되어 있어 원통형 배터리 셀(170)과 냉각파이프 사이의 접촉을 통하여 열을 전달해주는 통로가 되는데, 써멀패드는 쿠션을 가지고 수축과 팽창이 가능한 소재가 구비되어 열전달 기능이 우수하면서도 전기적으로는 절연의 특성의 소재로 구비된다.
100 : 배터리 팩
110 : 상부케이스 120 : 하부케이스
130 : 너트단자 140 : 스프링
150 : 냉난방 판넬 160 : 부스판
170 : 배터리 셀
210 : 알루미늄 냉각채널 220 : 매니폴더
230 : PTC히터 300 : 히트펌프 냉난방 시스템
310 : 히트펌프 320 : 열교환기
400 : 라디에이터 500 : 구동모터
600 : 냉각수 순환유로 전환밸브
700 : 구동모터 냉각라인 워터펌프
750 : 히트펌프 냉난방라인 워터펌프
800 : 3way 밸브 810 : 제 1 포트
820 : 제 2 포트 830 : 제 3 포트
910 : 히트펌프 냉난방라인
920 : 구동모터 냉각라인

Claims (5)

  1. 전기 차량에 전원을 공급하기 위해 6개의 배터리 셀 모듈이 상부 케이스(110) 및 하부 케이스(120)의 삽입홈에 각각 삽입되어 스프링(140)과 결속되는 단자홈이 구비된 너트단자(130)을 통해 체결된 다수개의 배터리 셀 모듈(110)을 실장하는 배터리 팩(100);
    상기 배터리 팩(100)을 효율적으로 냉난방을 제공하기 위해 배터리 셀모듈과 배터리 셀 모듈 사이에 냉각수 라인을 내장되어 각각 접촉하여 열교환이 이루어지는 알루미늄 열교환 냉각채널(210);
    상기 배터리 셀(170)의 모듈과 알루미늄 냉각채널(210)의 좌우에 접촉 면적을 최대화하기 위해 각각 부착되는 써멀패드;
    알루미늄 냉각채널(210)에 냉각수를 공급하는 것으로 구동모터(500)의 동작에 따라 워터펌프(750)에 의해 냉각수가 강제 순환되도록 동작하는 히트펌프 냉난방 라인(910);
    냉각수 순환유로 전환밸브(600)에 의해 개별 순환이 되도록 구동모터(500)에 의해 가열된 냉각수를 라디에이터(400)를 통해 냉각하고 냉각라인 워터펌프(700)에 의해 강제 순환되도록 동작하는 구동모터 냉각라인(920);
    알루미늄 냉각채널(210)과 연결되는 앞단에서 구비되어 배터리 팩(100) 내부에서 배터리 셀 모듈(170)과 배터리 셀 모듈 사이에 열교환 냉각채널(210)이 각각 설치되고 각 열교환 냉각채널(210)에 시간 동일한 유량의 냉각수가 흐를 수 있도록 유량을 분배하도록 동작하는 매니폴더(220); 및
    구동모터(500)의 구동에 따라 순환유로 전환밸브(600)에 의해 가열된 냉각수를 구동모터 냉각라인(920)에 의해 가열된 냉각수를 냉각하여 냉각라인 워터펌프(700)를 통해 강제 순환이 되도록 하는 라디에이터(400);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 냉난방은 히트펌프 냉난방 장치(300)와 구동모터(500) 그리고 PTC히터(230)가 담당하며 3way밸브(800)와 냉각수 순환유로 전환밸브(600)의 유로를 변경하여 배터리로 효율적인 냉난방을 제공하고,
    3way 밸브(800)의 포트(810,820,830)를 연결 또는 차단을 통해 히트펌프 냉난방 라인(910)과 배터리 구동을 위한 구동모터 냉각 라인(920)이 분리되어 상호 열전달이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    차량용 배터리 팩의 냉각 모드 구동은
    배터리 팩(100)에 실장된 배터리 셀 모듈(110)의 냉각을 위해 히터펌프 냉난방 장치(300)의 히터펌프(310)을 구동하여 배터리 팩(100) 내의 알루미늄 냉각채널(210) 내에 공급된 냉각수를 순환되도록 구동모터(500)의 동작에 따라 워터펌프(750)에 의해 냉각수가 강제 순환되도록 동작되는 것을 특징으로 하는 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    차량용 배터리 팩의 초기 가열모드는
    구동모터(500)가 구동되어 모터 온도가 적정온도까지 오르기 전에 배터리가 가열된 상태에서의 동작되도록 극저온(-20℃ 이하)에서의 급속 가열은 PTC히터(230)를 사용하고 이후 적정 온도 유지를 위해 3way밸브(800)의 제1포트(810)와 제2포트(820)을 연결하고 제3포트(830)을 차단한 뒤 냉각수 순환유로 전환밸브(600)를 냉각수 라인별 개별 순환모드에 설정하고 히트펌프(310)의 구동모드를 가열모드로 전환하여 히트펌프 냉난방 라인(910)을 따라 흐르는 냉각수를 열교환기(320)의 열교환을 통해 가열하여 배터리 팩(100)의 온도가 0℃ 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    차량용 배터리 팩의 초기 가열모드는
    구동모터(500)의 구동에 따라 배터리 적정온도로 가열된 상태에서 동작되도록 구동모터(500)의 구동을 통해 모터 온도가 적정온도까지 상승한 뒤 상기 배터리 팩(100)의 적정 배터리 운용 온도 유지를 위해 3way밸브(800)의 제2포트(820)와 제3포트(830)를 연결하고 제1포트(810)을 차단한 뒤 냉각수 순환유로 전환밸브(600)를 냉각수 라인 순환모드에 위치한 후 히트펌프 냉난방 라인(910)과 구동모터 냉각라인(920)을 연결하여 구동모터(500)의 구동에 따라 발열하여 가열된 냉각수를 배터리 팩(100)으로 순환시켜서 배터리 팩(100)의 온도가 0℃ 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 원통형 셀이 적용된 전기 차량용 배터리 팩의 열교환 냉난방 구조.
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