KR20230028040A - 와류 발생기를 포함하는 액침형 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액침형 배터리 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 냉각 유체와 배터리를 직접 접촉시키고 냉각 블록의 내부에 와류 발생 구조물을 포함시킴으로써, 전기자동차용 배터리 냉각 성능을 향상시키는 액침형 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

와류 발생기를 포함하는 액침형 배터리 냉각 시스템 {IMMERSION TYPE BATTERY COOLING SYSTEM INCLUDING VORTEX GENERATOR}
본 발명은 액침형 배터리 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 냉각 유체와 배터리를 직접 접촉시키고 냉각 블록의 내부에 와류 발생 구조물을 포함시킴으로써, 전기자동차용 배터리 냉각 성능을 향상시키는 액침형 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
차량은 현재 석유와 같은 화석에너지를 동력원으로 사용하고 있으나, 화석에너지는 점차적으로 매장량이 감소되고 있으며 배기가스로 인한 환경오염을 야기하므로, 전기를 동력원으로 사용하는 전기자동차가 개발되고 있다.
전기자동차에 사용되는 배터리의 구조는 통상적으로 리튬이온 이차전지 등으로 구성된 복수 개의 배터리 셀(battery cell)과, 상기 배터리 셀이 복수 개 연결된 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬로 연결한 판상의 배터리 팩(battery pack)으로 구성된다.
배터리 모듈은 충전 또는 방전시 열이 발생하므로 전자자동차에는 통상적으로 배터리와 함께 배터리냉각장치를 함께 구성하며, 배터리냉각장치는 냉각 유체가 유동될 수 있는 구조를 가지고 있다. 냉각 유체가 배터리 모듈이 발산하는 열을 흡수하여 배터리 모듈의 온도를 조절한다.
도 1은 종래 배터리 냉각 시스템을 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면, 종래 배터리 냉각 시스템은 복수개의 배터리 셀이 적층된 파우치형 배터리 팩의 하측에 냉각 블록을 위치시켜 상측의 배터리 팩의 열을 흡수하는 형태로 구성된다.
여기에서, 배터리 팩과 냉각 블록의 접촉면적은 배터리 팩의 하측면의 면적에 국한되기에 배터리 팩의 냉각 효율이 좋지 않다. 향후 지속적인 연구개발로 전기자동차용 배터리의 고밀도화 및 발열량 증가에 대응하기 위해선 배터리 팩의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 냉각 시스템 도입이 요구된다.
또한, 종래 배터리 냉각 시스템은 하측면을 기준으로 냉각이 진행되어 배터리 셀의 낮은 열 전도율로 인해, 배터리 셀 내 온도 편차가 커지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 배터리 셀 내 온도 편차는 배터리의 충전 및 방전 효율 저감 문제로 이어질 수 있다.
따라서, 배터리와 냉각 유체가 직접 접촉되어 배터리를 냉각시키는 냉각 시스템의 구조 설계를 진행함으로써, 상술한 문제를 해결하고 충분한 냉각 성능을 발휘하는 배터리 냉각 시스템 개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허공보 제10-2269252 호 한국등록특허공보 제10-2269290 호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 배터리와 냉각 유체가 직접 접촉되는 직접 냉각 방식을 통해 배터리 냉각 성능이 향상된 액침형 배터리 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 냉각 블록 내벽에 형성된 와류 발생기를 통해 냉각 유체의 유동 특성을 변화시켜 열전달 계수가 향상된 액침형 배터리 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 액침형 배터리 냉각 시스템은 내부에 냉각 유체가 이동 가능한 공간이 구비된 냉각 블록; 및 상기 냉각 블록 내부에 수용된 배터리;를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 냉각 블록은, 내벽에 상기 배터리를 향하여 돌출된 형태로 구성된 와류 발생기(Vortex Generator);가 형성될 수 있다.
제1실시예에서, 상기 냉각 블록은, 상기 냉각 유체가 유입되는 유입구; 및 상기 냉각유체가 배출되는 배출구;가 형성시킬 수 있다.
제1실시예에서, 상기 와류 발생기는, 상기 배터리와 일정 거리(h)로 이격되어 상기 와류 발생기와 상기 배터리 사이로 상기 냉각 유체가 이동될 수 있다.
제1실시예에서, 상기 와류 발생기 및 상기 배터리 사이 거리(h)는, 상기 냉각 블록의 내벽과 상기 배터리 사이 거리(H)의 1/2 이상으로 형성될 수 있다.
제1실시예에서, 상기 와류 발생기 및 상기 배터리 사이 거리(h)는, 3mm 이상으로 형성될 수 있다.
제1실시예에서, 상기 와류 발생기는, 복수개로 구성되어 서로 일정 간격(d)으로 이격된 상태로 상기 냉각 블록 내벽에 형성될 수 있다.
여기에서, 상기 배터리의 길이(L)와 상기 간격(d)의 비율(d/L)이 0.1 이상으로 구성될 수 있다.
제1실시예에서, 상기 배터리는, 복수개의 셀(Cell)이 적층되어 형성될 수 있다.
제1실시예에서, 상기 배터리는, 원통형, 각형, 파우치형 중 어느 하나의 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 액침형 배터리 냉각 시스템은 내부에 냉각 유체가 이동 가능한 공간이 구비된 냉각 블록; 상기 냉각 블록 내부에 수용된 배터리; 및 상기 냉각 블록의 내벽에 고정된 와류 발생기(Vortex Generator);를 포함하고, 상기 냉각 블록 내부에서 상기 배터리와 상기 냉각 유체가 직접 접촉될 수 있다.
제2실시예에서, 상기 와류 발생기는, 상기 냉각 유체가 이동하는 방향을 기준으로 상기 배터리의 상측 및 하측에 위치되며, 상기 배터리와 일정 거리 이격되어 위치될 수 있다.
제2실시예에서, 상기 냉각 유체는, 직접 접촉을 통해 상기 배터리가 발산하는 열을 흡수할 수 있다.
제2실시예에서, 상기 냉각 유체는, 절연 특성을 갖는 유체로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생기는 일정 방향으로 연장된 플레이트; 및 상기 플레이트의 일면에 복수개로 형성된 돌출부;를 포함하고, 상기 돌출부는, 상기 플레이트의 연장 방향으로 서로 일정 거리 이격되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 돌출부는, 일면이 상기 플레이트와 일체화된 기둥 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 돌출부는, 단면이 삼각형 및 부채꼴 중 어느 하나인 기둥 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면 냉각 블록의 구조를 배터리와 냉각 유체가 직접 접촉되도록 구성함으로써, 종래 간접 접촉에 따른 배터리 냉각 대비 배터리 냉각 성능이 향상되는 효과가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 냉각 블록 내벽에 형성된 와류 발생기를 통해, 냉각 유체의 유동 특성을 변화시켜 냉각 유체의 유동 특성을 지속적으로 변화시킴으로써, 냉각 블록 내 열 전달 계수가 향상되는 효과가 발생할 수 있다.
도 1은 종래 배터리 냉각 시스템의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액침형 배터리 냉각 시스템의 구성을 도시한 분해도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액침형 배터리 냉각 시스템의 냉각 유체 흐름 및 냉각 유체의 흐름에 따른 구역별 온도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생기의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 와류 발생기의 다양한 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명에 대한 상세한 설명은 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위한 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 하거나, 어떤 구조와 형상을 “특징”으로 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하거나 다른 구조와 형상을 배제한다는 것이 아니라, 다른 구성요소, 구조 및 형상을 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 제시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 실시예의 의한 발명의 내용을 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
< 액침형 배터리 냉각 시스템 >
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액침형 배터리 냉각 시스템(100)의 구성을 도시한 분해도(도 2(a)) 및 단면도(도 2(b))이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액침형 배터리 냉각 시스템(100)의 구동 방식을 도시한 사시도(도 3(a))와 냉각 유체의 흐름에 따른 구역별 온도를 도시한 단면도(도 3(b))이다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 액침형 배터리 냉각 시스템(100)은 크게 냉각 블록(10), 배터리(20)로 구성되며, 냉각 블록(10)은 와류 발생기(11), 유입구(12) 및 배출구(13)를 포함한다. 상기 각 구성과 세부 구성에 대한 설명은 다음과 같다.
냉각 블록(10)은 통형 구조의 하우징으로 구성될 수 있다. 여기에서, 냉각 블록(10)은 내부에 배터리(20)를 수용할 수 있으며, 냉각 유체가 이동할 수 있는 공간이 구비된 하우징으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 냉각 블록(10)은 단면이 사각형, 오각형 등의 다각형 또는 원형으로 구성된 통형 구조로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 블록(10)의 형상은 직육면체로 제시되어 설명되나, 이는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니며 상술한 바와 같이 내부에 배터리(20)를 수용하며 냉각 유체가 이동할 수 있는 공간이 구비된 하우징 구조물이라면, 본 발명의 냉각 블록(10)에 해당되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
일 실시예에서, 냉각 블록(10)은 내부로 냉각 유체가 통과되도록 유입구(12) 및 배출구(13)이 형성될 수 있다. 유입구(12) 및 배출구(13)는 일정 크기의 개구 형태로 구성될 수 있으며, 냉각 유체가 냉각 블록(10)의 내부를 순환하고 배출될 수 있도록 서로 마주보는 면에 형성되는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 냉각 블록(10)은 내벽에 와류 발생기(11)가 형성될 수 있다. 여기에서, 와류 발생기(11)는 냉각 블록(10) 내부에서 흐르는 냉각 유체의 유동 특성을 변화시키고자 냉각 유체의 와류를 발생시키는 역할을 수행한다. 이러한 역할을 수행하고자, 와류 발생기(11)는 일정 크기 및 모양으로 냉각 블록(10) 내벽에 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 도 3(b)를 참고하면, 냉각 유체가 냉각 블록(10) 내부를 이동하는 동안 배터리(20)의 열을 흡수함으로써 발생되는 열 경계층이 와류 발생기(11)를 통해 주기적으로 파괴되는 것을 확인할 수 있다. 여기에서, 열 경계층은 냉각 유체의 배터리(20)에서 냉각 블록(10) 내벽 사이에 온도 변화로 인해 발생되며, 이러한 열 경계층의 발달은 배터리(20) 냉각 성능을 저하시키는 요인이다. 따라서, 와류 발생기(11)는 열 경계층을 주기적으로 파괴시킴으로써 배터리(20) 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 와류 발생기(11)는 냉각 블록(10) 내에서 냉각 유체가 이동하는 방향을 기준으로 배터리(20)의 상측 및 하측에 위치될 수 있다. 여기에서, 와류 발생기(11)는 냉각 블록(10)의 내벽에 일체 또는 결합 형태로 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 와류 발생기(11)는 냉각 블록(10) 내부에 수용된 배터리(20)와 일정 거리(h) 이격된 상태로 형성되어 와류 발생기(11)와 배터리(20) 사이로 냉각 유체가 이동될 수 있다. 여기에서, 상기 일정 거리(h) 즉, 와류 발생기(11)와 배터리(20) 사이 거리(h)는 와류 발생기(11)의 끝단부에서 배터리(20)의 표면까지의 직선거리를 의미한다.
일 실시예에서, 와류 발생기(11)와 배터리(20) 사이 거리(h)는 냉각 블록(10)의 내벽과 배터리(20) 사이 거리(H)의 1/2 이상으로 형성될 수 있다. 즉, 와류 발생기(11)는 냉각 블록(10)의 내벽과 배터리(20) 사이 거리(H)의 1/2 미만의 크기로 돌출될 수 있다. 구체적으로, 와류 발생기(11)와 배터리(20) 사이 거리(h)는 3mm 이상으로 형성될 수 있다.
여기에서, 와류 발생기(11)가 과도하게 돌출되어 와류 발생기(11)와 배터리(20) 사이 거리(h)가 3mm 미만으로 과도하게 짧은 경우, 와류 발생기(11)와 배터리(20) 사이를 통과하는 냉각 유체의 지나친 압력 강하 상승이 발생되어 이로 인한 냉각 유체의 유량이 감소되고 액침형 배터리 냉각 시스템(100)의 냉각 효율이 저하될 수 있다.
일 실시예에서, 와류 발생기(11)는 복수개로 구성되어 서로 일정 간격(d)으로 이격된 상태로 냉각 블록(10) 내벽에 형성될 수 있으며, 전체 배터리(20)의 길이(L)와 와류 발생기(11) 사이 간격(d)의 비율(d/L)이 0.1 이상으로 구성될 수 있다. 여기에서, 복수개의 와류 발생기(11)가 상기 비율(d/L)이 0.1 미만으로 지나치게 짧은 간격으로 형성될 경우, 냉각 유체의 유동 특성을 변화시키는 효과가 미미할 수 있기에, 상기 비율(d/L)이 0.1 이상으로 복수개의 와류 발생기(11)가 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
배터리(20)는 일반적으로 전기자동차에 사용되는 리튬 이온 전지로 구성될 수 있다. 여기에서, 배터리(20)은 복수개의 셀(Cell)이 적층되어 형성되며, 원통형, 각형, 파우치형 중 어느 하나의 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 배터리(20)는 냉각 블록(10) 내에 수용될 수 있고, 냉각 블록(10) 내에 수용될 수 있다면 충분하며 배터리 셀(20)의 형태는 특별한 구성의 제한이 있지 않음을 유의한다.
일 실시예에서, 배터리(20)는 냉각 블록(10) 내부에서 냉각 유체와 직접 접촉하여 배터리(20)에서 발산되는 열이 냉각될 수 있다. 여기에서, 냉각 유체는 배터리(20)와 직접 접촉하기에 절연 특성을 갖는 유체로 구성되어 배터리(20)의 손상을 방지할 수 있다.
< 와류 발생기 >
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생기(11)의 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 와류 발생기(11)의 다양한 실시예를 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5를 참고하면, 와류 발생기(11)는 플레이트(1), 돌출부(2)로 구성된다. 각 구성에 대한 설명은 다음과 같다.
플레이트(1)는 일정 방향으로 연장된 평판이다. 일 실시예에서, 플레이트(1)는 냉각 유체와 같은 다양한 유체에 접촉될 수 있기에 유체 흐름에 저항이 가지 않도록 표면이 매끈한 상태로 형성될 수 있다. 그리고, 플레이트(1)는 유체를 통한 손상이 발생하지 않도록 유체와의 비반응성 특성을 갖는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
돌출부(2)는 플레이트(1)의 일측으로 흐르는 유체의 유동 특성을 변화시켜 와류를 발생시키는 역할을 수행한다. 이러한 역할을 수행하기 위해, 돌출부(2)는 플레이트(1)의 일면에 형성되며 플레이트(1)와 일체화된 기둥 형태로 구성될 수 있다. 구체적으로, 돌출부(2)는 일정 방향으로 흐르는 유체와 돌출부(2)의 일면과 면 접촉하게 되고 돌출부(2)와 면 접촉된 유체는 돌출부(2)의 면을 따라 흐르게 되어 돌출부(2)를 거치지 않은 유체에 비해 유속이 느려짐에 따라 전체 유체의 구역별 유량이 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 돌출부(2)는 단면이 삼각형, 사각형 등의 다각형, 원형, 부채꼴형 중 어느 하나인 기둥 형태로 형성될 수 있다. 도 5(a) 내지 도 5(d)를 참고하면, 돌출부(2)는 단면을 구성하는 도형의 내각에 따라 다양한 형태의 기둥형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 돌출부(2)는 단면이 삼각형인 삼각기둥으로 구성될 경우, 끝단부를 위치에 해당하는 단면 삼각형의 내각에 따라 돌출부(2)의 뾰족함의 정도가 조정될 수 있다. 그리고, 돌출부(2)는 단면이 부채꼴인 원기둥으로 구성될 경우, 단면 부채꼴의 내각에 따라 유체와 접촉되는 단면적의 크기가 조정될 수 있다
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 액침형 배터리 냉각 시스템
10: 냉각 블록
11: 와류 발생기 12: 유입구 13: 배출구
20: 배터리
1: 플레이트
2: 돌출부

Claims (15)

  1. 내부에 냉각 유체가 이동 가능한 공간이 구비된 냉각 블록; 및
    상기 냉각 블록 내부에 수용된 배터리;를 포함하며,
    상기 냉각 블록은,
    내벽에 상기 배터리를 향하여 돌출된 형태로 구성된 와류 발생기(Vortex Generator);가 형성된 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 블록은,
    상기 냉각 유체가 유입되는 유입구; 및 상기 냉각유체가 배출되는 배출구;가 형성된 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    상기 배터리와 일정 거리(h)로 이격되어 상기 와류 발생기와 상기 배터리 사이로 상기 냉각 유체가 이동되는 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 와류 발생기 및 상기 배터리 사이 거리(h)는,
    상기 냉각 블록의 내벽과 상기 배터리 사이 거리(H)의 1/2 이상으로 형성된 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 와류 발생기 및 상기 배터리 사이 거리(h)는,
    3mm 이상으로 형성된 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    복수개로 구성되어 서로 일정 간격(d)으로 이격된 상태로 상기 냉각 블록 내벽에 형성되며,
    상기 배터리의 길이(L)와 상기 간격(d)의 비율(d/L)이 0.1 이상으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    복수개의 셀(Cell)이 적층되어 형성된 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    원통형, 각형, 파우치형 중 어느 하나의 형태로 구성된 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  9. 내부에 냉각 유체가 이동 가능한 공간이 구비된 냉각 블록;
    상기 냉각 블록 내부에 수용된 배터리; 및
    상기 냉각 블록의 내벽에 고정된 와류 발생기(Vortex Generator);를 포함하고,
    상기 냉각 블록 내부에서 상기 배터리와 상기 냉각 유체가 직접 접촉되는 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    상기 냉각 유체가 이동하는 방향을 기준으로 상기 배터리의 상측 및 하측에 위치되며,
    상기 배터리와 일정 거리 이격되어 위치되는 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 유체는,
    직접 접촉을 통해 상기 배터리가 발산하는 열을 흡수하는 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 유체는,
    절연 특성을 갖는 유체로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 액침형 배터리 냉각 시스템.
  13. 일정 방향으로 연장된 플레이트; 및
    상기 플레이트의 일면에 복수개로 형성된 돌출부;를 포함하고,
    상기 돌출부는,
    상기 플레이트의 연장 방향으로 서로 일정 거리 이격되어 형성된 것
    을 특징으로 하는 와류 발생기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    일면이 상기 플레이트와 일체화된 기둥 형태로 형성된 것
    을 특징으로 하는 와류 발생기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    단면이 삼각형 및 부채꼴 중 어느 하나인 기둥 형태로 형성된 것
    을 특징으로 하는 와류 발생기.
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