KR20230149506A - 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈 Download PDF

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전용석
정종민
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한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다. 이러한 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리셀 사이의 공간에 배치되며 서로 연통하도록 연결되는 복수 개의 열전도관을 포함하는 진동형 히트파이프를 포함함으로써, 작동유체의 증발에 따른 드라이 아웃(dry-out) 현상이 방지될 수 있다.

Description

3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈{BATTERY MODULE INCLUDING 3D PULSATING HEAT PIPE}
본 발명은, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수 개의 배터리셀 사이의 공간에 배치되며 서로 연통하도록 연결되는 복수 개의 열전도관을 포함함으로써, 작동유체의 증발에 따른 드라이 아웃(dry-out) 현상을 방지할 수 있는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 배터리팩은 한정된 공간에 많은 용량의 배터리를 적재해야 하며, 이러한 구조는 배터리의 온도 상승 및 배터리 셀 간의 온도 편차를 유발한다.
친환경 자동차에 설치된 배터리의 적정 사용 온도는 약 20도 이상 45도 이하이며, 적정 온도 편차는 약 5도 이내이다. 배터리가 적정 사용 온도를 유지하지 못하는 경우, 저온에서는 내부 저항 증가로 인해서 배터리 효율이 감소하고, 고온에서는 배터리 노화 속도 증가 및 열폭주로 인한 안전 사고가 발생할 수 있다. 그리고, 배터리가 적정 온도 편차를 유지하지 못하는 경우, 배터리 셀 간의 전압 차이가 발생하여 배터리의 방전 속도의 차이가 유발됨으로써 배터리팩 전체의 성능이 저하될 수 있다.
그러므로, 배터리가 적정 사용 온도를 유지하고 적정 온도 편차를 가지도록 배터리의 온도를 조절하기 위한 장치가 사용되는데, 예를 들어, 히트파이프를 이용한 배터리 온도 조절 장치가 사용되기도 한다.
히트파이프 중에는 내부에 윅(wick) 구조를 가지는 것이 있는데, 윅 구조를 형성하기 위해서는 복잡한 제조 공정을 거쳐하 하며, 윅 구조를 가지는 히트파이프는 부피가 커지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 진동형 히트파이프가 사용되는데, 진동형 히트파이프는 액상과 기상이 번갈아 나타나는 액체 슬러그 형태의 작동유체가 폐루프의 유로를 순환하면서 자가 진동하도록 구성되며, 순환 유동 및 자가 진동 과정에서 증발영역의 열을 응축영역으로 전달하도록 구성된다.
진동형 히트파이프는 윅 구조를 가지는 히트파이프에 비하여 구조가 간단하고 신뢰성이 높을 뿐만 아니라 부피가 작게 제조될 수 있는 장점이 있으나, 진동형 히트파이프로 유입되는 열량이 많은 경우에 내부에 수용된 작동유체가 전부 증발하여 진동형 히트파이프의 작동이 되지 않는 드라이 아웃(dry-out) 현상이 발생하게 되는 문제가 있다.
그리고, 종래의 진동형 히트파이프는 복수 개의 배터리셀 사이에 배치되는 경우, 복수 개의 배터리셀 간에 온도 편차가 크게 발생하게 되는 문제가 있다.
따라서, 복수 개의 배터리셀이 적정 온도 편차를 가지도록 할 수 있으면서, 많은 양의 열이 유입되어도 드라이 아웃(dry-out) 현상이 발생하지 않는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 일 과제는, 복수 개의 배터리셀 간의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제는, 진동형 히트파이프에 많은 양의 열이 유입되어도 배터리셀의 온도가 적정 온도로 유지될 수 있는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈은, 서로 대향하도록 소정 거리 이격되어 배치되는 복수 개의 배터리셀 및 내부에 작동유체가 충전되고, 상기 복수 개의 배터리셀 사이에 형성된 복수 개의 공간에 배치되어 각각의 상기 배터리셀과 열을 교환하는 진동형 히트파이프를 포함하고, 상기 진동형 히트파이프는, 상기 공간의 상부와 하부 사이를 복수 회에 걸쳐서 왕복하도록 형성되며, 각각의 상기 공간에 배치되는 복수 개의 열전도관을 포함하고. 상기 복수 개의 열전도관은 서로 연통하도록 연결될 수 있다.
또한, 상기 진동형 히트파이프는, 상기 복수 개의 열전도관이 서로 연통하도록, 상기 복수 개의 배터리셀의 상부 외주연에서 상기 복수 개의 열전도관을 서로 연결하는 복수 개의 제1 연결관 및 상기 복수 개의 열전도관이 서로 연통하도록, 상기 복수 개의 배터리셀의 하부 외주연에서 상기 복수 개의 열전도관을 서로 연결하는 복수 개의 제2 연결관을 포함할 수 있다.
또한, 각각의 상기 제1 연결관은 각각의 상기 열전도관과 연결되고, 각각의 상기 제2 연결관은 각각의 상기 열전도관과 연결될 수 있다.
또한, 판 형상으로 형성되며, 일면이 상기 열전도관과 접촉하여 열을 교환하고 다른 일면이 상기 배터리셀과 접촉하여 열을 교환하도록, 서로 대향하는 상기 배터리셀과 상기 열전도관 사이에 각각 배치되는 복수 개의 열전도판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 배터리셀의 상부 외주연에 배치되며, 상기 진동형 히트파이프와 열을 교환하여 상기 작동유체를 냉각하는 냉각부 및 상기 복수 개의 배터리셀의 하부 외주연에 배치되며, 상기 진동형 히트파이프와 열을 교환하여 상기 작동유체를 가열하는 가열부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각부는, 상기 제1 연결관 및 상기 열전도관과 접촉하도록 배치되는 냉각모듈 및 내부에 액체 상태의 냉매가 유송되고, 상기 냉각모듈을 관통하도록 설치되어 상기 제1 연결관 및 상기 열전도관과 열을 교환하는 복수 개의 액체유송관을 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각부는, 상기 제1 연결관 및 상기 열전도관과 인접하도록 상기 복수 개의 배터리셀의 상부 외주연에 설치되는 복수 개의 방열핀을 포함할 수 있다.
과제를 해결하기 위한 기타 실시예들의 구체적인 사항들은 발명의 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
전술한 본 발명의 과제의 해결 수단에 의하면, 본 발명에 따른 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리셀 사이의 공간에 배치되며 서로 연통하도록 연결되는 복수 개의 열전도관을 포함하는 진동형 히트파이프를 포함하므로, 진동형 히트파이프를 통해서 복수 개의 배터리셀 간의 열이 효과적으로 전달되어 복수 개의 배터리셀 간의 온도 편차를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 진동형 히트파이프가 각각의 열전도관과 연결되는 제1 연결관 및 제2 연결관을 포함하므로, 진동형 히트파이프에 많은 양의 열이 유입되어도 드라이 아웃(dry-out) 현상이 발생하지 않아 배터리셀의 온도가 적정 온도로 유지될 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 도면이다.
도 2는 냉각부 및 가열부를 포함하는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 정면도이다.
도 3은 냉매를 이용하는 냉각부가 설치된 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 정면도이다.
도 4는 방열핀을 이용하는 냉각부가 설치된 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 정면도이다.
도 5는 작동유체가 진동 및 순환하여 상하 방향으로 열이 전달되는 진동형 히트파이프를 도시한 정면도이다.
도 6은 작동유체가 복수 개의 열전도관 사이를 이동 가능하도록 복수 개의 열전도관이 서로 연결된 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 측면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈의 구성에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 도면이고, 도 2는 냉각부 및 가열부를 포함하는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 정면도이다.
도 1 및 도2를 참조하여 설명하면, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈은 배터리셀(10), 진동형 히트파이프(20), 냉각부(30), 가열부(40)를 포함한다.
먼저, 배터리셀(10)에 관하여 설명한다.
배터리셀(10)은 전극 조립체로서, 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어 설명하면, 배터리셀(10)은 친환경 자동차에 사용되는 리튬이온배터리셀 일 수 있다.
배터리셀(10)은 복수 개가 서로 대향하도록 소정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 이처럼 복수 개의 배터리셀(10)이 서로 소정 거리 이격되어 배치됨으로써, 복수 개의 배터리셀 사이에는 복수 개의 공간이 형성될 수 있다.
이어서, 진동형 히트파이프(20)에 관하여 설명한다.
진동형 히트파이프(20)는 내부에 작동유체가 충전되고, 복수 개의 배터리셀(10) 사이에 형성된 복수 개의 공간에 배치되어 각각의 배터리셀(10)과 열을 교환할 수 있다.
그리고, 진동형 히트파이프(20)는 열전도성이 우수한 금속재로 형성될 수 있으며, 진동형 히트파이프(20)의 내부는 작동유체가 충전된 다음 진공 상태가 유지될 수 있도록 진공 처리될 수 있다. 이 때, 진동형 히트파이프(20) 내부에 충전되는 작동유체는 통상의 증류수 또는 통상의 냉매가 사용될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 진동형 히트파이프(20)는 열전도관(22), 제1 연결관(24), 제2 연결관(26)을 포함한다.
열전도관(22)은 복수 개의 배터리셀(10) 사이의 공간의 상부와 하부 사이를 복수 회에 걸쳐서 왕복하도록 형성되며, 배터리셀(10) 사이의 각각의 공간에 배치되도록 복수 개가 구비될 수 있다.
열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체는 열을 전달받아 가열되면 액체 상태 및 기체 상태가 공존하는 슬러그 형태로 열전도관(22)의 상부로 이동할 수 있으며, 열을 전달하여 냉각되면 슬러그 형태로 열전도관(22)의 하부로 이동할 수 있다.
이처럼 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 유동 및 진동함으로써, 고온부와 저온부 사이에서 열이 전달될 수 있다.
제1 연결관(24)은 복수 개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 열전도관(22)이 서로 연통하도록 복수 개의 배터리셀(10)의 상부 외주연에서 복수 개의 열전도관(22)을 서로 연결할 수 있다.
이 때, 각각의 제1 연결관(24)은 각각의 열전도관(22)과 연결되도록 구성될 수 있다.
제2 연결관(26)은 복수 개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 열전도관(22)이 서로 연통하도록 복수 개의 배터리셀(10)의 하부 외주연에서 복수 개의 열전도관(22)을 서로 연결할 수 있다.
이 때, 각각의 제2 연결관(26)은 각각의 열전도관(22)과 연결되도록 구성될 수 있다.
이처럼, 복수 개의 열전도관(22)이 제1 연결관(24) 및 제2 연결관(26)에 의해서 서로 연결됨으로써, 작동유체의 증발에 따른 드라이 아웃(dry-out) 현상이 방지될 뿐만 아니라, 배터리셀 간의 온도 편차가 줄어들 수 있다.
구체적으로, 진동형 히트파이프(20)가 제1 연결관(24) 및 제2 연결관(26)을 구비하지 않는 경우에는, 열전도관(22)에 열이 많이 유입되는 경우 열전도관(22) 내부의 작동유체가 모두 증발하여 상부로 이동할 수 있다.
이처럼, 열전도관(22) 내부의 작동유체가 모두 증발하여 상부로 이동하게 되면 열전도관(22) 하부에는 작동유체가 남지 않게 되므로, 열전도관(22)으로 추가적으로 유입되는 열을 이동시킬 수 없게 된다.
그러나, 진동형 히트파이프(20)가 제1 연결관(24) 및 제2 연결관(26)을 구비하는 경우에는, 열전도관(22) 내부의 작동유체가 증발하여 상부로 이동해도 복수 개의 열전도관(22) 간에 제1 연결관(24) 및 제2 연결관(26)을 통해서 작동유체가 순환 가능하므로, 어느 하나의 열전도관(22) 내부의 작동유체가 모두 증발하여 하부에 작동유체가 남지 않게 되는 경우가 발생하지 않게 된다.
그리고, 작동유체가 제1 연결관(24) 및 제2 연결관(26)을 통해서 복수 개의 열전도관(22)을 순환하면서 열을 전달하므로, 각각의 열전도관(22)과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하는 각각의 배터리셀(10) 간의 온도 편차가 감소될 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈(1)은 열전도판을 추가로 포함할 수 있다.
열전도판은 배터리셀(10)과 진동형 히트파이프(20) 간의 열 교환이 보다 효율적으로 이루어질 수 있게 하는 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어 설명하면, 열전도판은 복수 개가 각각 판 형상으로 형성되며, 일면이 열전도관(22)과 접촉하여 열을 교환하고 다른 일면이 배터리셀(10)과 접촉하여 열을 교환하도록, 서로 대향하는 배터리셀(10)과 열전도관(22) 사이에 각각 배치될 수 있다.
이어서, 냉각부(30)에 관하여 설명한다.
냉각부(30)는 진동형 히트파이프(20)와 열을 교환하여 작동유체를 냉각하는 기능을 수행할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 배터리셀(10)의 상부 외주연에 배치될 수 있다. 그리고, 냉각부(30)는 다양한 방식으로 진동형 히트파이프(20)를 냉각시키도록 구성될 수 있다.
도 3은 냉매를 이용하는 냉각부가 설치된 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 정면도이다.
예를 들어, 도 3을 참조하여 설명하면, 냉각부(30)는 냉매를 이용하여 진동형 히트파이프(20)를 냉각하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 냉각부(30)는 냉각모듈(32-1) 및 액체유송관(32-2)을 포함할 수 있다.
냉각모듈(32-1)은 제1 연결관(24) 및 열전도관(22)과 접촉하도록 배치될 수 있다.
액체유송관(32-2)은 내부에 액체 상태의 냉매가 유송되고, 냉각모듈(32-1)을 관통하도록 설치되어 제1 연결관(24) 및 열전도관(22)과 열을 교환할 수 있다. 이러한 액체유송관(32-2)은 복수 개가 냉각모듈(32-1)을 관통하도록 설치될 수도 있다.
이와 같이 냉각부(30)가 구성됨으로써, 제1 연결관(24) 및 열전도관(22)은 제1 연결관(24) 및 열전도관(22)과 접촉하는 냉각모듈(32-1)을 통해서 액체유송관(32-2)과 열을 교환할 수 있게 되고, 액체유송관(32-2) 내부에서 유송되는 냉매에 의해서 내부에 수용된 작동유체가 냉각될 수 있다.
도 4는 방열핀을 이용하는 냉각부가 설치된 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 정면도이다.
다른 예를 들어, 도 4를 참조하여 설명하면, 냉각부(30)는 공기를 이용하여 진동형 히트파이프(20)를 냉각하도록 구성될 수도 있다.
구체적으로, 냉각부(30)는 방열핀(34)을 포함할 수 있다.
방열핀(34)은 제1 연결관(24) 및 열전도관(22)과 인접하도록 복수 개의 배터리셀(10) 상부 외주연에 설치될 수 있다. 이러한 방열핀(34)은 복수 개가 복수 개의 배터리셀(10) 상부 외주연에 설치될 수도 있다.
이와 같이 냉각부(30)가 구성됨으로써, 방열핀(34)은 제1 연결관(24) 및 열전도관(22)으로부터 전달받은 열을 방열핀(34)과 접촉하는 공기에 전달할 수 있게 되고, 방열핀(34)이 공기에 열을 전달하여 냉각됨에 따라서 제1 연결관(24) 및 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 냉각될 수 있다.
이어서, 가열부(40)에 관하여 설명한다.
가열부(40)는 진동형 히트파이프(20)와 열을 교환하여 작동유체를 가열하는 기능을 수행할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 배터리셀(10)의 하부 외주연에 배치될 수 있다.
이러한 가열부(40)는 다양한 방식으로 진동형 히트파이프(20)의 제2 연결관(26) 및 열전도관(22)을 가열시키도록 구성될 수 있는데, 예를 들어 설명하면, 가열부(40)는 종래의 열선 등으로 구성되어 제2 연결관(26) 및 열전도관(22)을 가열하도록 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈(1)의 작용 및 효과에 관하여 설명한다.
먼저, 배터리셀(10)의 온도를 상승시키는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈(1)의 작용에 관하여 설명한다.
도 5는 작동유체가 진동 및 순환하여 상하 방향으로 열이 전달되는 진동형 히트파이프를 도시한 정면도이고, 도 6은 작동유체가 복수 개의 열전도관 사이를 이동 가능하도록 복수 개의 열전도관이 서로 연결된 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈을 도시한 측면도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 배터리셀(10)의 온도가 적정 설정 온도 이하인 경우, 가열부(40)를 이용하여 증발영역(EA)의 진동형 히트파이프(20)를 가열시킨다.
증발영역(EA)의 진동형 히트파이프(20) 내부에 수용된 작동유체는 가열부(40)에 의해서 가열되어 상하 방향(A)으로 진동 및 순환하면서 배터리셀(10)을 가열하게 되고, 응축영역(CA)으로 열(Q)을 전달한다.
그리고, 응축영역(CA)으로 전달된 열(Q)은 응축영역(CA)에 위치한 진동형 히트파이프(20)를 냉각시키는 냉각부(30)에 의해서 외부로 방출된다.
한편, 가열부(40)가 증발영역(EA)에 위치한 진동형 히트파이프(20)에 소정량 이상의 열(Q)을 유입시키는 경우, 소정의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 전부 증발할 우려가 있다.
그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 소정의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 증발하게 되면, 소정의 열전도관(22)과 인접하는 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 제2 연결관(26)을 통해서 전후 방향(B)으로 진동 및 순환하여 소정의 열전도관(22)으로 유입되므로, 소정의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 전부 증발하게 되는 현상이 방지될 수 있다.
이 때, 소정의 열전도관(22)에 작동유체를 공급한 열전도관(22) 내부로는 작동유체가 제1 연결관(24)을 통해서 전후 방향(B)으로 진동 및 순환하여 공급되므로, 어느 하나의 열전도관(22) 내부에 작동유체가 부족하게 되는 현상이 방지될 수 있다.
또한, 복수 개의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 제1 연결관(24) 및 제2 연결관(26)을 통해서 복수 개의 열전도관(22) 내부를 자유롭게 유동하면서 열을 전달하므로, 복수 개의 배터리셀(10) 간의 온도 편차가 감소될 수 있다.
이어서, 배터리셀(10)의 온도를 하강시키는 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈(1)의 작용에 관하여 설명한다.
도 5를 참조하여 설명하면, 배터리셀(10)의 온도가 적정 설정 온도 이상인 경우, 냉각부(30)를 이용하여 응축영역(CA)의 진동형 히트파이프(20)를 냉각시킨다.
응축영역(CA)의 진동형 히트파이프(20) 내부에 수용된 작동유체는 냉각부(30)에 의해서 냉각되어 상하 방향(A)으로 진동 및 순환하면서 배터리셀(10)을 냉각시키게 된다.
그리고, 배터리셀(10)을 냉각시킨 작동유체는 배터리셀(10)에 의해서 가열되어 상하 방향(A)으로 진동 및 순환하면서 다시 응축영역(CA)으로 열(Q)을 전달하게되고, 응축영역(CA)으로 전달된 열(Q)은 냉각부(30)에 의해서 다시 냉각된다.
한편, 배터리셀(10)에 의해서 진동형 히트파이프(20)에 소정량 이상의 열(Q)이 유입되는 경우, 소정의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 전부 증발할 우려가 있다.
그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 소정의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 증발하게 되면, 소정의 열전도관(22)과 인접하는 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 제2 연결관(26)을 통해서 전후 방향(B)으로 진동 및 순환하여 소정의 열전도관(22)으로 유입되므로, 소정의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 전부 증발하게 되는 현상이 방지될 수 있다.
이 때, 소정의 열전도관(22)에 작동유체를 공급한 열전도관(22) 내부로는 작동유체가 제1 연결관(24)을 통해서 전후 방향(B)으로 진동 및 순환하여 공급되므로, 어느 하나의 열전도관(22) 내부에 작동유체가 부족하게 되는 현상이 방지될 수 있다.
또한, 복수 개의 열전도관(22) 내부에 수용된 작동유체가 제1 연결관(24) 및 제2 연결관(26)을 통해서 복수 개의 열전도관(22) 내부를 자유롭게 유동하면서 열을 전달하므로, 복수 개의 배터리셀(10) 간의 온도 편차가 감소될 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리셀 사이의 공간에 배치되며 서로 연통하도록 연결되는 복수 개의 열전도관을 포함하는 진동형 히트파이프를 포함하므로, 진동형 히트파이프를 통해서 복수 개의 배터리셀 간의 열이 효과적으로 전달되어 복수 개의 배터리셀 간의 온도 편차를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 진동형 히트파이프가 각각의 열전도관과 연결되는 제1 연결관 및 제2 연결관을 포함하므로, 진동형 히트파이프에 많은 양의 열이 유입되어도 드라이 아웃(dry-out) 현상이 발생하지 않아 배터리셀의 온도가 적정 온도로 유지될 수 있는 효과를 제공한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈
10 : 배터리셀
20 : 진동형 히트파이프
22 : 열전도관
24 : 제1 연결관
26 : 제2 연결관
30 : 냉각부
40 : 가열부

Claims (7)

  1. 서로 대향하도록 소정 거리 이격되어 배치되는 복수 개의 배터리셀; 및
    내부에 작동유체가 충전되고, 상기 복수 개의 배터리셀 사이에 형성된 복수 개의 공간에 배치되어 각각의 상기 배터리셀과 열을 교환하는 진동형 히트파이프를 포함하고,
    상기 진동형 히트파이프는,
    상기 공간의 상부와 하부 사이를 복수 회에 걸쳐서 왕복하도록 형성되며, 각각의 상기 공간에 배치되는 복수 개의 열전도관을 포함하고.
    상기 복수 개의 열전도관은 서로 연통하도록 연결되는, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동형 히트파이프는,
    상기 복수 개의 열전도관이 서로 연통하도록, 상기 복수 개의 배터리셀의 상부 외주연에서 상기 복수 개의 열전도관을 서로 연결하는 복수 개의 제1 연결관; 및
    상기 복수 개의 열전도관이 서로 연통하도록, 상기 복수 개의 배터리셀의 하부 외주연에서 상기 복수 개의 열전도관을 서로 연결하는 복수 개의 제2 연결관을 포함하는, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    각각의 상기 제1 연결관은 각각의 상기 열전도관과 연결되고,
    각각의 상기 제2 연결관은 각각의 상기 열전도관과 연결되는, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    판 형상으로 형성되며, 일면이 상기 열전도관과 접촉하여 열을 교환하고 다른 일면이 상기 배터리셀과 접촉하여 열을 교환하도록, 서로 대향하는 상기 배터리셀과 상기 열전도관 사이에 각각 배치되는 복수 개의 열전도판을 포함하는, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리셀의 상부 외주연에 배치되며, 상기 진동형 히트파이프와 열을 교환하여 상기 작동유체를 냉각하는 냉각부; 및
    상기 복수 개의 배터리셀의 하부 외주연에 배치되며, 상기 진동형 히트파이프와 열을 교환하여 상기 작동유체를 가열하는 가열부를 포함하는, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 제1 연결관 및 상기 열전도관과 접촉하도록 배치되는 냉각모듈; 및
    내부에 액체 상태의 냉매가 유송되고, 상기 냉각모듈을 관통하도록 설치되어 상기 제1 연결관 및 상기 열전도관과 열을 교환하는 복수 개의 액체유송관을 포함하는, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 제1 연결관 및 상기 열전도관과 인접하도록 상기 복수 개의 배터리셀의 상부 외주연에 설치되는 복수 개의 방열핀을 포함하는, 3차원 진동형 히트파이프를 포함하는 배터리 모듈.
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JP2013157111A (ja) * 2012-01-27 2013-08-15 Showa Denko Kk 組電池の冷却兼加熱構造
CN105280978A (zh) * 2014-07-24 2016-01-27 广州贝特缪斯能源科技有限公司 一种基于金属板式脉动热管的动力电池热管理系统
CN109994799A (zh) * 2019-03-04 2019-07-09 南京航空航天大学 一种圆柱锂离子电池模组并行式管道热管理装置
CN112072203B (zh) * 2020-08-25 2021-12-10 东北林业大学 一种电动汽车电池包及其电池模组热管理单元

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