KR20220136018A - 진동형 히트 파이프 기반 배터리 냉각 모듈 및 이를 포함하는 배터리 유닛 - Google Patents

진동형 히트 파이프 기반 배터리 냉각 모듈 및 이를 포함하는 배터리 유닛 Download PDF

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김성진
이영종
임종현
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 진동형 히트 파이프 기반의 배터리 냉각 모듈 및 이를 포함하는 배터리 유닛에 관한 것으로, 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe)를 이용한 냉각 모듈은 복수의 배터리 셀들이 구비될 수 있는 공간을 형성하면서 상기 복수의 배터리 셀들과 양면 또는 단면이 접촉할 수 있도록 나란히 배치되는 복수의 가열판, 냉각수를 흘릴 수 있는 적어도 하나의 냉각판 및 상기 복수의 가열판 및 상기 적어도 하나의 냉각판과 접촉하고, 진동형 히트 파이프로 동작하도록 내부에 동작 유체가 일부 충전되고 밀폐된 관 형상을 가지는 복수의 채널을 포함할 수 있으며, 제안하는 냉각 모듈은 배터리 셀 내부 온도 차이를 최소화하고, 효율적으로 열을 흡수함으로써 배터리 셀의 전체 온도를 낮출 수 있을 것이다.

Description

진동형 히트 파이프 기반 배터리 냉각 모듈 및 이를 포함하는 배터리 유닛 {Battery Cooling Module based on a Pulsating Heat Pipe and Battery Unit Including The Same}
다양한 실시 예들은 진동형 히트 파이프 기반의 배터리 냉각 모듈 및 이를 포함하는 배터리 유닛에 관한 것이다.
최근 친환경을 위한 전기자동차의 수요가 급증하고 있으며 미래에는 기존에 주로 사용되던 내연기관 자동차의 수요량을 전기자동차의 수요량이 역전할 것으로 전망되고 있다. 이에 따라 전기자동차의 주요 부품인 고성능 고발열 배터리에 대한 수요도 급증하고 있다.
전기자동차에 사용되는 주요 배터리 종류엔 크게 두 종류가 있으며 이는 VRLA (valve regulated lead-acid) 배터리와 리튬이온 베터리이다. 현재는 VRLA 배터리가 주로 사용되고 있으나 리튬이온 배터리의 빠른 충전 속도와 높은 에너지 밀도로 리튬이온 배터리의 사용량이 급증할 것으로 전망된다.
리튬이온 배터리는 전기자동차 뿐만 아니라 에너지 저장 장치(energy storage system, ESS)에서도 일반적으로 사용되어 있다.
그런데 리튬이온 배터리는 높은 온도에 매우 민감하다. 온도가 높아지게 되면 효율이 급격히 저하되어, 배터리 성능이 악화될 뿐만 아니라, 과도한 온도 상승은 전해질의 용해로 열폭주 현상을 일으켜, 화재등의 사고로 이어진다.
전기자동차 시장의 확장으로 인한 고성능 고발열 전기자동차 배터리의 수요 증가, 신재생 에너지 생산의 확대에 의한 ESS 수요의 증가로 리튬이온 배터리의 사용량을 계속적으로 증가할 전망이고, 이를 강화하기 위해서는 효율적인 배터리 열관리 모듈의 개발이 필수적이다.
현재 배터리 냉각을 위해 주로 사용되는 열관리 방식은 유로가 존재하는 냉각판을 이용하는 방식과 금속 방열핀을 통해 열을 흡수하고 발산하는 방식이 있다.
배터리 냉각 방식의 냉각 성능을 평가하기 위한 지표로는 배터리셀 내 최대 온도, 배터리셀 내에서 최대 온도차가 있다. 배터리셀 내에서의 온도차는 열팽창 정도의 차이로 인한 열응력을 발생시키므로 물리적인 손상을 발생시킬 수 있다.
금속 방열핀을 이용한 냉각 방식은 냉각 성능이 높다고 할 수 없으며, 유로가 존재하는 냉각판을 이용한 배터리 냉각 방식은 금속 방열핀을 이용한 방식에 비해 매우 높은 냉각 성능을 가지지만 비교적 긴 유로로 인한 높은 압력 강하로 동일 펌핑 파워에서 적은 유량만을 흘려서 보낼 수 있어 작은 열용량만 가질 수 있다. 그로 인해, 유로의 입구단에서는 냉각 유체에 의해 냉각 성능이 좋지만 유로의 출구단에선 유체의 온도가 상승하게 되고, 입구단에 비해 효율적인 냉각이 불가능하게 된다. 따라서 유로 입구단과 출구단에서의 큰 온도구배를 형성하여 여전히 고발열에선 효율적인 열관리가 불가능하다는 문제점이 있다.
본 개시는 고발열에서도 효율적인 열관리가 가능한 배터리 냉각 장치를 제공함에 있다.
본 개시의 다양한 실시 예는 냉각판에 비해 매우 높은 열전도도를 가지는 진동형 히트파이프를 이용하여 배터리를 효율적으로 냉각할 수 있는 배터리 냉각 장치를 제공하고자 한다.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe)를 이용한 냉각 모듈은 내부에 동작 유체가 일부 충전되는 하나의 밀폐관을 포함하고, 상기 밀폐관은 가상의 직육면체 외관 내부에서 직각으로 계속 구부러지면서 연장되어, 복수의 배터리 셀들이 구비될 수 있는 공간 및 진동형 히트 파이프로 동작하는 복수의 채널을 형성하고, 상기 복수의 채널의 각 채널에서 일부 영역은 냉각부로 동작하고 다른 일부 영역은 가열부로 동작할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe)를 이용한 냉각 모듈은 복수의 배터리 셀들이 구비될 수 있는 공간을 형성하면서 상기 복수의 배터리 셀들과 양면 또는 단면이 접촉할 수 있도록 나란히 배치되는 복수의 가열판, 냉각수를 흘릴 수 있는 적어도 하나의 냉각판 및 상기 복수의 가열판 및 상기 적어도 하나의 냉각판과 접촉하고, 진동형 히트 파이프로 동작하도록 내부에 동작 유체가 일부 충전되고 밀폐된 관 형상을 가지는 복수의 채널을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 배터리 유닛은 복수의 배터리 셀, 각각이 상기 배터리 셀과 동일한 크기를 가지고 상기 복수의 배터리 셀과 접촉하면서 번갈아 배치되는 복수의 가열판, 냉각수를 흘릴 수 있는 적어도 하나의 냉각판 및 상기 복수의 가열판 및 상기 적어도 하나의 냉각판과 접촉하고, 진동형 히트 파이프로 동작하도록 내부에 동작 유체가 일부 충전되고 밀폐된 관 형상을 가지는 복수의 채널을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프 기반의 냉각 장치는 진동형 히트 파이프로 구성된 냉각판의 매우 높은 열전도도로 인하여 배터리 셀 내부 온도 차이 및 복수의 배터리 셀간의 온도 차이를 최소화하고, 효율적으로 열을 흡수함으로써 배터리 셀의 전체 온도를 낮출 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프 기반의 냉각 장치는 배터리 셀 사이사이로 냉각수를 전달할 필요가 없기 때문에 냉각수를 펌핑하기 위한 힘을 매우 낮출 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프 기반의 냉각 장치는 시뮬레이션을 통한 비교 결과 기존의 냉각 장치에 비교하여 최대 온도를 약 10도 낮출 수 있으며, 내부 온도차이는 5배이상 줄일 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe, PHP)의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 진동형 히트 파이프를 이용한 배터리 냉각 모듈의 구조들을 도시한 도면이다.
도 3는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 가열판(122)과 냉각판(112)을 더 구비한 배터리 냉각 모듈(100)의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 배터리 유닛의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 냉각판을 사용하는 경우의 수치해석을 통한 냉각판의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 금속 방열핀을 사용하는 경우의 수치해석을 통한 방열판의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 7은 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프를 이용한 냉각 모듈의 수치해석을 통한 가열판의 온도 분포를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe, PHP)의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 진동형 히트 파이프는 기존의 다른 열 분산 장치와는 달리 내부에 윅(wick) 구조가 없이 매끈한 형태로 가열부(evaporator)(120)와 냉각부(condenser)(110)를 연결하면서, 서로 간에도 연결된 복수의 채널(130)로 구성될 수 있다. 진동형 히트 파이프의 채널(130) 내부는 밀폐, 진공된 상태에서 작동 유체가 일부 주입되어 제작될 수 있다.
진동형 히트 파이프는 기존의 장치와 달리 윅 구조없이 매끈한 채널 다발로 구성되어 있어 다양한 형상을 구성하기가 용이하다. 따라서 기존의 장치에 비해 공간 활용도가 높고 제작이 용이할 수 있다.
도 1에서 가열부(120)에 열이 인가되고 냉각부(110)에 공기나 냉각수가 인가되면, 진동형 히트 파이프의 채널(130) 내부에 주입된 작동 유체가 가열부(120)와 냉각부(110) 사이에서 진동하게 되어 진동하는 작동 유체의 움직임에 의해 가열부(120)에 인가된 열을 냉각부(110)로 전달할 수 있다. 즉, 채널(130)의 지름이 일정한 값 이하가 되면 내부에 채워진 작동 유체는 액상 슬러그(40a)와 기상 슬러그(40b)의 슬러그-트레인(slug-train) 형태로 구성되어 증발과 응축으로 인한 기체의 압력 차이로 인해 작동 유체가 가열부(120)와 냉각부(110) 사이에서 진동을 하게 되고, 이러한 진동에 의하여 윅 구조없이 열은 가열부(120)에서 냉각부(110)로 효과적으로 전달될 수 있다. 다만, 채널(130) 내부의 작동 유체가 진동하기 위해서는 채널(130)의 지름이 작아야 하는 제약이 있으나, 이는 전체 형상의 크기를 줄일 수 있기 때문에 한편으로 장점이 될 수 있다. 또한, 진동형 히트 파이프는 윅 구조가 없어 부드럽고 쉽게 구부러질 수 있는 관으로 구현될 수 있어 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 도 2a 내지 도 2c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 진동형 히트 파이프를 이용한 배터리 냉각 모듈의 구조들을 도시한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 진동형 히트 파이프를 이용한 배터리 냉각 모듈(100)은 진동형 히트 파이프의 복수 개의 채널(130)을 가진 하나의 단일 관으로 형성될 수 있다.
배터리 냉각 모듈(100)은 전체적으로는 직육면체 형상이면서 사이에 배터리 셀이 삽입될 수 있도록 공간(210a, 210b, 210c, 210d)을 형성하며 진동형 히트 파이프의 복수의 채널(130)들이 형성될 수 있도록 구불구불한 형상으로 구성될 수 있다. 일 실시 예들에 따라 복수의 채널(130)들이 z축을 따라 형성될 수 있다.
도 2a에 도시된 구조인 경우, 삽입된 배터리 셀들에 접촉되는 채널들이 서로 연결되어 있어 각 배터리 셀 간에도 열교환이 가능하여, 배터리 셀 간의 온도 차이를 매우 작게 유지할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라, 도 2b에 도시된 것처럼 진동형 히트 파이프의 2개의 채널을 형성할 수 있는 직사각형 형태의 관을 복수 개 구비하고 전체적으로는 직육면체 형상이면서 사이에 배터리 셀이 삽입될 수 있도록 공간(210a, 210b, 210c, 210d)을 형성하도록 배치함으로써 배터리 냉각 모듈(100)을 형성할 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따라, 도 2c에 도시된 것처럼, 배터리 셀의 한 면에 접촉하여 진동형 히트 파이프 기능을 수행할 수 있는 복수의 채널을 형성하는 단일 관을 복수 개 구비하여 전체적으로는 직육면체 형상이면서 사이에 배터리 셀이 삽입될 수 있도록 공간(210a, 210b, 210c, 210d)을 형성하도록 배치함으로써 배터리 냉각 모듈(100)을 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 도 2a 내지 도 2c의 구조에서 x-y 평면에 해당하는 배터리 냉각 모듈(100)의 상, 하면은 냉각부(110)로 동작할 수 있고, 배터리 셀이 삽입될 수 있는 공간(210a, 210b, 210c, 210d) 주변의 x-z 평면에 형성되는 부분이 가열부(120)로 동작할 수 있다. 이에 따라, 진동형 히트 파이프의 각 채널(130)의 중간부 영역은 배터리 셀과 접촉하여 가열되고, 각 채널(130)의 양쪽 끝은 냉각부(110)로 동작할 수 있다.
도 3는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 가열판(122)과 냉각판(112)을 더 구비한 배터리 냉각 모듈의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리 냉각 모듈(200)은 도 2a 내지 도 2c에서 형성된 진동형 히트 파이프의 채널에 추가적인 냉각이 가능하도록 냉각부(110)에 냉각판(112)을 부가할 수 있다. 일 실시 예에 따라 냉각판(112)은 냉각부(110)의 윗면 또는 아랫면에서 냉각부(110)와 접촉하도록 구비될 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라, 냉각판(112)은 내부에 냉각부(110)가 포함되도록 채널(130)의 끝부분, 즉 냉각부(110)가 냉각판(112)의 내부에 위치하도록 구비될 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라, 냉각판(112)은 일부가 채널(130)의 일부가 되도록 형성할 수 있다. 추가적으로 냉각판(112)에는 냉각수가 일방향에서 유입되어 타방향으로 흘러갈 수 있도록 유로가 구비되어 있거나, 전체가 하나의 유로로 동작할 수도 있다.
또한 배터리 냉각 모듈(200)은 삽입된 배터리 셀로부터 용이하게 열을 흡수하기 위하여 가열판(122)을 더 구비할 수 있다.
일 실시 예에 따라 가열판(122)은 채널(130)의 가열부(120)와 삽입되는 배터리셀 사이에서 양쪽과 접촉하도록 구비되어, 배터리 셀과의 접촉 면적을 넓혀 배터리 셀의 열이 채널쪽으로 더 빨리 전달되도록 할 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라 가열판(122)은 내부에 채널(130)이 포함되도록 채널을 감싸며 형성될 수 있다. 또 다른 일 실시 예에 따라, 가열판(122)은 복수의 관통홀을 구비하고, 각각의 관통홀이 채널(130)의 일부가 되도록 구성될 수 있다. 이 경우 가열판(122)은 y축 방향의 길이는 짧고, x축 방향의 길이는 긴 박막 평면으로 형성될 수 있고, z축을 따라 채널의 일부가 될 수 있는 원통형 통로가 복수 개 형성되어 있을 수 있다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 배터리 유닛의 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리 유닛(300)은 배터리 냉각 모듈(200) 및 배터리 냉각 모듈(200) 내의 공간에 삽입된 복수의 배터리 셀(310)로 구성될 수 있다.
배터리 냉각 모듈(200)의 가열판(122)은 배터리 셀(310)과 직접 접촉하여 배터리 셀(310)에서 발생하는 열에 의하여 가열되고, 가열된 열은 배터리 냉각 모듈(200)에 형성된 진동형 히트 파이프의 채널(130) 내의 유체의 진동에 의하여 냉각부(110)로 전달될 수 있다. 냉각부(110)로 전달된 열을 냉각될 수 있으며, 냉각 성능을 높이고자 냉각부(110)에는 냉각판(112)이 추가적으로 부착될 수 있다. 냉각판(112)에는 냉각 공기나 냉각수가 공급되어 채널(130)의 냉각부(110)와 접촉하여 냉각 성능을 더욱 높일 수 있다.
도 5 내지 7은 수치해석을 이용하여 종래의 두 가지 배터리 냉각 방식과 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프를 이용한 냉각 방식의 냉각 성능을 도시한 도면이다.
수치해석을 위하여 실온의 물이 냉각수로 공급되고, 배터리 셀의 크기는 200mm * 160mm * 4mm이고, 열유속은 0.5W/cm2이고, 냉각수가 흐르는 유로의 치수는 1.5mm * 1mm이고, 냉각수를 공급하는 펌핑 파워(pumping power)는 0.012Nm의 조건을 사용하였다.
도 5는 종래의 냉각판을 사용하는 경우의 수치해석을 통한 냉각판의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 5의 결과는 종래의 냉각판 방식에 따라 도 4의 가열판(122) 대신에 내부에 냉각수가 흐르는 유로가 형성되어 있는 냉각판이 구비되는 것을 전제로 한 결과이다.
도 5에서 화살표(510)는 냉각수가 유입되는 유로 입구를 나타내고 화살표(520)는 냉각판의 유로를 따라 흐른 냉각수가 배출되는 유로 출구를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 냉각수가 유입되는 유로 입구 근방에서의 냉각판의 온도는 낮게 나타나는 반면에 냉각수가 배출되는 유로 출구 근방에서의 냉각판의 온도는 높게 나타남을 알 수 있다. 그리고 냉각판의 최고 온도는 326.9K이고, 최저 온도는 303.7K이고, 평균 온도는 319.1K이다. 최고 온도와 최저 온도간의 온도 차이는 23.2K이다.
도 6은 종래의 금속 방열핀을 사용하는 경우의 수치해석을 통한 방열판의 온도 분포를 도시한 도면이다.
금속 방열핀을 사용하는 냉각 방식은 배터리 셀의 위 및/또는 아래에 냉각판을 두어 냉각수를 흘려주고, 배터리 셀 사이에는 금속 방열핀을 구비한 방열판을 두어 금속 방열핀에서 흡수한 열이 방열판을 통해 냉각판으로 전달되어 냉각되는 구조이다.
도 6의 결과는 종래의 금속 방열핀을 사용하는 냉각 방식에 따라 도 4의 가열판(122) 위치에 구비되는 방열판의 온도 분포를 도시한 것이다.
도 6에서 화살표(610)는 냉각판(630)으로 냉각수가 유입되는 유로 입구를 나타내고 화살표(620)는 냉각판(630)을 통과한 냉각수가 배출되는 유로 출구를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 냉각판(630) 근방에서의 방열판의 온도는 낮게 나타나는 반면에 냉각판(630)으로부터 먼 방열판의 중심부에서는 온도가 높게 나타남을 알 수 있다. 그리고 방열판의 최고 온도는 337.4K이고, 최저 온도는 311.9K이고, 평균 온도는 330.3K이다. 최고 온도와 최저 온도간의 온도 차이는 25.5K이다.
이 결과를 참조하면 종래의 금속 방열핀을 사용하는 냉각 방식보다 냉각판을 사용하는 냉각 방식이 성능이 더 좋음을 알 수 있다.
도 7은 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프를 이용한 냉각 모듈의 수치해석을 통한 가열판의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 7에서 화살표(710)는 냉각판(112)으로 냉각수가 유입되는 유로 입구를 나타내고 화살표(720)는 냉각판(112)을 통과한 냉각수가 배출되는 유로 출구를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 가열판 전체적으로 유사한 온도 분포를 가짐을 알 수 있다. 그리고 가열판의 최고 온도는 317.2K이고, 최저 온도는 313.3K이고, 평균 온도는 317.1K이다. 최고 온도와 최저 온도간의 온도 차이는 3.9K이다.
표 1은 종래의 냉각 방식과 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프를 이용한 냉각 방식의 결과를 비교한 것이다.
도 5의
냉각판 방식		 도 6의
금속 방열핀 방식		 본 개시의 제안 방식
최고온도 (K) 326.9 337.4 317.2
최저온도 (K) 303.7 311.9 313.3
온도차 (K) 23.2 25.5 3.9
위의 표 1을 참조하면, 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프를 이용한 냉각 방식이 종래의 방식에 비하여 최대온도를 더욱 작게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 위치간의 온도차를 3.9K로 아주 작게 함으로써 냉각 성능이 뛰어남을 알 수 있다.
즉, 본 개시에서 제안하는 냉각 방식은 진동형 히트 파이프의 높은 열전도도로 인하여 기존 금속 방열핀 방식 및 냉각판 방식에 비해 최대 온도를 낮추면서 내부 온도차이를 매우 작게 유지할 수 있다.
상술한 수치 해석은 하나의 배터리 셀에 대한 수치 해석 결과를 보여주고 있으나, 복수의 배터리 셀에 대한 경우에, 본 명세서에서 제안하는 진동형 히트 파이프를 이용한 냉각 모듈은 각 배터리 셀에 대한 채널들이 서로 연결되어 있어 각 배터리 셀 간에도 열교환이 가능하여, 배터리 셀 간의 온도 차이도 매우 작게 유지할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe)를 이용한 냉각 모듈은 내부에 동작 유체가 일부 충전되는 하나의 밀폐관을 포함하고, 상기 밀폐관은 가상의 직육면체 외관 내부에서 직각으로 계속 구부러지면서 연장되어, 복수의 배터리 셀들이 구비될 수 있는 공간 및 진동형 히트 파이프로 동작하는 복수의 채널을 형성하고, 상기 복수의 채널의 각 채널에서 일부 영역은 냉각부로 동작하고 다른 일부 영역은 가열부로 동작할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 채널의 각 채널은 일부가 상기 복수의 배터리 셀보다 상하방향 또는 좌우방향으로 돌출될 수 있는 길이로 구비되고, 상기 각 채널의 상기 배터리 셀보다 돌출된 영역은 상기 냉각부로 동작할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 냉각 모듈은 냉각수를 흘릴 수 있는 냉각판을 더 포함하고, 상기 돌출된 영역이 상기 냉각판 내부로 삽입될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 냉각 모듈은 가열판을 더 포함하고, 상기 각 채널의 상기 배터리 셀보다 돌출된 영역을 제외한 나머지 영역은 상기 가열판 내부로 삽입될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe)를 이용한 냉각 모듈은 복수의 배터리 셀들이 구비될 수 있는 공간을 형성하면서 상기 복수의 배터리 셀들과 양면 또는 단면이 접촉할 수 있도록 나란히 배치되는 복수의 가열판, 냉각수를 흘릴 수 있는 적어도 하나의 냉각판 및 상기 복수의 가열판 및 상기 적어도 하나의 냉각판과 접촉하고, 진동형 히트 파이프로 동작하도록 내부에 동작 유체가 일부 충전되고 밀폐된 관 형상을 가지는 복수의 채널을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 채널 각각은 상기 가열판보다 길이가 길고, 상기 복수의 채널 각각은 상기 가열판 내부를 관통하여 배치되고, 상기 복수의 채널 각각의 상기 가열판에서 돌출된 영역의 적어도 일부는 상기 냉각판 내부에 배치될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 냉각 모듈의 가열판은 복수의 관통홀(through hole)을 구비하고, 상기 복수의 관통홀 각각은 상기 밀패된 관 형상의 채널의 일부가 되도록 할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 냉각 모듈의 복수의 채널은 하나의 밀폐된 관을 직각으로 계속 구부리면서 연장하여 형성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 배터리 유닛은 복수의 배터리 셀, 각각이 상기 배터리 셀과 동일한 크기를 가지고 상기 복수의 배터리 셀과 접촉하면서 번갈아 배치되는 복수의 가열판, 냉각수를 흘릴 수 있는 적어도 하나의 냉각판 및 상기 복수의 가열판 및 상기 적어도 하나의 냉각판과 접촉하고, 진동형 히트 파이프로 동작하도록 내부에 동작 유체가 일부 충전되고 밀폐된 관 형상을 가지는 복수의 채널을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 배터리 유닛의 적어도 하나의 냉각판은 상기 번갈아 배치된 복수의 가열판 및 복수의 배터리 셀 상부 및 하부에 배치되고, 상기 복수의 채널 각각은 상하방향으로 상기 가열판보다 길이가 길고, 상기 복수의 채널 각각은 상기 가열판 내부를 관통하여 배치되고, 상기 복수의 채널 각각의 상기 가열판에서 돌출된 영역의 적어도 일부는 상기 적어도 하나의 냉각판 내부에 배치될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 배터리 유닛의 가열판은 복수의 관통홀(through hole)을 구비하고, 상기 복수의 관통홀 각각은 상기 밀패된 관 형상의 채널의 일부가 될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 배터리 유닛의 복수의 채널은 하나의 밀폐된 관을 직각으로 계속 구부리면서 연장하여 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 개시에서 제안하는 진동형 히트 파이프를 이용한 냉각 모듈및 이를 포함하는 배터리 유닛은 진동형 히트파이프로 구성된 냉각판의 매우 높은 열전도도로 인하여 배터리 셀 내부 온도차이를 최소화하고, 효율적으로 열을 끌어옴으로써 전체 온도를 낮추고, 배터리 셀 사이사이로 냉각수를 흘릴 필요가 없기 때문에 냉각수를 주입하기 위한 펌핑 파워(pumping power)를 매우 낮출 수 있다. 그 결과로, 기존의 냉각 방식과 비교하여, 최대 온도를 약 10도 낮출 수 있으며, 내부 온도차이는 5배 이상 줄일 수 있을 것으로 보인다. 이러한 배터리 냉각 시스템의 기술적 차별점은 전체 배터리 시장을 선점할 수 있는 발판으로 활용될 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe)를 이용한 냉각 모듈에 있어서,
    내부에 동작 유체가 일부 충전되는 하나의 밀폐관을 포함하고,
    상기 밀폐관은 가상의 직육면체 외관 내부에서 직각으로 계속 구부러지면서 연장되어, 복수의 배터리 셀들이 구비될 수 있는 공간 및 진동형 히트 파이프로 동작하는 복수의 채널을 형성하고,
    상기 복수의 채널의 각 채널에서 일부 영역은 냉각부로 동작하고 다른 일부 영역은 가열부로 동작하는, 냉각 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 채널의 각 채널은 일부가 상기 복수의 배터리 셀보다 상하방향 또는 좌우방향으로 돌출될 수 있는 길이로 구비되고,
    상기 각 채널의 상기 배터리 셀보다 돌출된 영역은 상기 냉각부로 동작하는, 냉각 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    냉각수를 흘릴 수 있는 냉각판을 더 포함하고,
    상기 돌출된 영역이 상기 냉각판 내부로 삽입되는, 냉각 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    가열판을 더 포함하고,
    상기 각 채널의 상기 배터리 셀보다 돌출된 영역을 제외한 나머지 영역은 상기 가열판 내부로 삽입되는, 냉각 모듈.
  5. 진동형 히트 파이프(pulsating heat pipe)를 이용한 냉각 모듈에 있어서,
    복수의 배터리 셀들이 구비될 수 있는 공간을 형성하면서 상기 복수의 배터리 셀들과 양면 또는 단면이 접촉할 수 있도록 나란히 배치되는 복수의 가열판;
    냉각수를 흘릴 수 있는 적어도 하나의 냉각판; 및
    상기 복수의 가열판 및 상기 적어도 하나의 냉각판과 접촉하고, 진동형 히트 파이프로 동작하도록 내부에 동작 유체가 일부 충전되고 밀폐된 관 형상을 가지는 복수의 채널을 포함하는, 냉각 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 채널 각각은 상기 가열판보다 길이가 길고,
    상기 복수의 채널 각각은 상기 가열판 내부를 관통하여 배치되고,
    상기 복수의 채널 각각의 상기 가열판에서 돌출된 영역의 적어도 일부는 상기 냉각판 내부에 배치되는, 냉각 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가열판은 복수의 관통홀(through hole)을 구비하고,
    상기 복수의 관통홀 각각은 상기 밀폐된 관 형상의 채널의 일부가 되도록 하는, 냉각 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 채널은 하나의 밀폐된 관을 직각으로 계속 구부리면서 연장하여 형성된, 냉각 모듈.
  9. 배터리 유닛에 있어서,
    복수의 배터리 셀;
    각각이 상기 배터리 셀과 동일한 크기를 가지고 상기 복수의 배터리 셀과 접촉하면서 번갈아 배치되는 복수의 가열판;
    냉각수를 흘릴 수 있는 적어도 하나의 냉각판; 및
    상기 복수의 가열판 및 상기 적어도 하나의 냉각판과 접촉하고, 진동형 히트 파이프로 동작하도록 내부에 동작 유체가 일부 충전되고 밀폐된 관 형상을 가지는 복수의 채널을 포함하는, 배터리 유닛.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각판은 상기 번갈아 배치된 복수의 가열판 및 복수의 배터리 셀 상부 및 하부에 배치되고,
    상기 복수의 채널 각각은 상하방향으로 상기 가열판보다 길이가 길고,
    상기 복수의 채널 각각은 상기 가열판 내부를 관통하여 배치되고,
    상기 복수의 채널 각각의 상기 가열판에서 돌출된 영역의 적어도 일부는 상기 적어도 하나의 냉각판 내부에 배치되는, 배터리 유닛.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 가열판은 복수의 관통홀(through hole)을 구비하고,
    상기 복수의 관통홀 각각은 상기 밀폐된 관 형상의 채널의 일부가 되는, 배터리 유닛.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 채널은 하나의 밀폐된 관을 직각으로 계속 구부리면서 연장하여 형성된, 배터리 유닛.
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