WO2020013455A1 - 전기자동차용 전지팩 냉각 시스템 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법 - Google Patents

전기자동차용 전지팩 냉각 시스템 및 이를 이용한 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack cooling system for an electric vehicle and a cooling method using the same, and more particularly, a battery pack cooling system for an electric vehicle capable of preventing a rise in battery temperature during quick charging and an electric vehicle using the same It relates to a cooling method of a battery pack system for.
  • This application is a priority application for the Korean Patent Application No. 10-2018-0080099 filed on July 10, 2018, and all the contents disclosed in the specification and drawings of the application are incorporated herein by reference.
  • the process of charging a cell involves supplying current to the cell to accumulate charge and energy, which process must be carefully controlled. In general, excessive charge rates or charge voltages can permanently degrade a cell's performance and ultimately lead to complete failure or unexpected failures such as leakage or explosion of highly corrosive chemicals.
  • C-rate “C” is used as a unit of charge rate and discharge rate.
  • 1C means the charge / discharge rate at which the capacity of a fully charged battery is drawn out or filled within an hour, and also the current density at that time.
  • the amount of current required by the devices within a certain time is also greatly increased. Accordingly, the performance of the battery used as the energy source is further higher.
  • Most mobile phones previously required 1 / 2C, but in the future, these features may be further enhanced to require 1C equivalent performance.
  • notebook batteries, battery packs for electric vehicles, and the like require similar charge rates and much higher discharge rates.
  • the filling crate is higher than 1C.
  • the charging of the electric vehicle requires more attention because the internal structure of the battery may be destroyed when the battery is unconditionally charged with a strong voltage and current, which may drastically reduce the durability and output.
  • Li-plating phenomenon becomes a problem because Li is not intercalated and precipitated at the cathode during rapid charging at a high charging current density.
  • continuous charging with a high current may result in high heat generation inside the battery unlike in the normal charging process, and each electrode may form an overvoltage state due to the resistance of the battery.
  • charging of a battery pack for an electric vehicle is controlled by a battery management system (BMS) provided in the battery pack.
  • BMS battery management system
  • the BMS needs to control the fast charging in a short time by setting an appropriate control variable, and the control parameter most related to the endurance life of the battery pack is the temperature of the battery.
  • the current that can be charged may be limited and the battery lifespan may also vary.
  • the BMS detects the battery state of charge and temperature after charging starts and charges until the SOC reaches the target SOC, but if the battery temperature is higher than the critical temperature, the BMS suspends charging It can be configured to charge the battery to the target SOC only while cooling and below the threshold temperature.
  • the battery pack of an electric vehicle generally adopts an air-cooled structure using air, and cools the battery pack by sucking air from the outside or inside the vehicle. It is made up of a structure that discharges it to the outside of the vehicle.
  • the battery pack using only air there is a limit to cooling the battery pack using only air, and in particular, since the circulation of air is not smooth when the vehicle is stopped, there is a limit to cooling the battery pack by releasing heat generated from the battery pack to the outside effectively. There is.
  • Water-cooled cooling is a technology that cools using a heat exchange medium (coolant) such as cooling water.
  • a refrigerant conduit having the same shape as a coil of an electric field plate is installed to enable thermal conduction with the outside of the battery, and the refrigerant flows into the refrigerant conduit. It is a technique of indirectly cooling the battery by using a.
  • Korean Patent Nos. 10-1112442, 10-1205181, 10-1833526, and the like disclose a battery module having a water-cooled cooling device.
  • the water-cooled cooling method is superior in cooling efficiency compared to the air-cooled cooling method. Therefore, it would be desirable if a more specialized cooling method and cooling system were implemented at the time of rapid charging of a battery pack for an electric vehicle using such a water cooling cooling method.
  • An object of the present invention is to provide a battery pack cooling system for an electric vehicle that can be utilized during rapid charging.
  • Another object of the present invention is to provide a cooling method of a battery pack system for an electric vehicle that can be utilized during rapid charging.
  • Battery pack cooling system for an electric vehicle for achieving the above object, a battery pack including a plurality of batteries;
  • a water-cooled cooling device including a refrigerant conduit mounted to the outside of the battery to enable thermal conduction, and introducing a refrigerant into the refrigerant conduit to indirectly cool the battery by using thermal conductivity;
  • the refrigerant conduits of the water-cooled cooling device an inlet refrigerant conduit for introducing the refrigerant into the battery pack and an outlet refrigerant conduit for discharging the refrigerant cooling the battery pack out of the battery pack are provided.
  • thermoelectric module having a heat absorbing surface opposed to a conduit and a heat generating surface opposite to the outlet refrigerant conduit;
  • a current sensor detecting a magnitude of a charging current supplied to the battery pack; And determining a charging crate from the magnitude of the charging current, and driving the thermoelectric element module to cause a temperature difference between the heat absorbing surface and the heating surface if the charging crate is greater than or equal to a preset threshold.
  • the endothermic surface is brought into contact with the inlet refrigerant conduit and the heat generating surface is brought into contact with the outlet refrigerant conduit through the thermoelectric module to allow heat exchange between the inlet refrigerant conduit and the outlet refrigerant conduit.
  • the battery pack further includes a pack case, and further includes a cooling member that cools the battery by flowing the refrigerant inside the pack case, and a continuous flow path is formed in the cooling member, Both ends are connected to a refrigerant inlet for introducing the refrigerant into the battery pack and a refrigerant outlet for discharging the refrigerant for cooling the battery pack out of the battery pack, and the inlet-side refrigerant conduit is connected to the refrigerant inlet.
  • the outlet refrigerant conduit is connected to the refrigerant outlet.
  • the battery pack cooling system for an electric vehicle further includes a temperature sensor installed in the battery pack to detect the temperature of the battery pack, the control unit, the temperature sensor for the temperature of the battery pack Determine a rate of change of time and drive the thermoelectric module if the rate of change of time is greater than or equal to a preset value and the charging seed rate is greater than or equal to a preset threshold.
  • the charging current may be supplied from the battery pack external charging device, and the current sensor may be installed in a charging line connecting the battery pack and the external charging device.
  • thermoelectric module Power for driving the thermoelectric module is supplied from an external power supply device
  • the battery pack cooling system for an electric vehicle further includes a switch connected between the external power supply and the thermoelectric module, the control unit, the It may be configured to drive the thermoelectric module by turning on a switch.
  • a method of cooling a battery pack system for an electric vehicle includes a battery pack including a plurality of batteries, and a refrigerant flowing through a refrigerant conduit mounted to enable thermal conduction with the outside of the battery. It is a cooling method of a battery pack system for an electric vehicle comprising a water-cooled cooling device for cooling the battery indirectly.
  • the method comprises: (a) between an inlet refrigerant conduit of the refrigerant conduits of the water-cooled cooling device that flows the refrigerant toward the battery pack and an outlet refrigerant conduit that discharges the refrigerant cooling the battery pack out of the battery pack; Providing a thermoelectric module, wherein the endothermic surface and the heat generating surface of the thermoelectric module are respectively opposed to the inlet refrigerant conduit and the outlet refrigerant conduit; determining a charging seed rate by measuring a magnitude of a charging current flowing in a charging line connecting the battery pack and an external charging device; And (c) driving the thermoelectric module when the charging seed rate is greater than or equal to a preset threshold to cause a temperature difference between the heat absorbing surface and the heat generating surface of the thermoelectric module, thereby lowering the temperature of the refrigerant on the heat absorbing surface. It includes; supplying to the battery pack side.
  • the endothermic surface is brought into contact with the inlet refrigerant conduit so that heat exchange occurs between the inlet refrigerant conduit and the outlet refrigerant conduit through the thermoelectric element module, and the heat generating surface is contacted with the outlet side. Contacting the side refrigerant conduit.
  • thermoelectric device module is driven when the charging seed rate is 2C or more rapid charging.
  • step (c) comprises the steps of measuring the temperature of the battery pack; And driving the thermoelectric module when the time change rate with respect to the temperature of the battery pack is greater than or equal to a preset value and the charging seed rate is greater than or equal to a preset threshold.
  • thermoelectric element module it is preferable to supply power from an external power supply device to drive the thermoelectric element module.
  • Rapid charging requires a different method of cooling than typical charging processes. According to the present invention, it is possible to effectively remove a large amount of heat generated in the battery pack during rapid charging since the thermoelectric element module can be used to cool the refrigerant by operating the thermoelectric module during rapid charging.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery pack cooling system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates a part of a battery pack system that may be included in the battery pack cooling system for an electric vehicle of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of one exemplary cooling member that may be included in the battery pack system of FIG. 2.
  • FIG. 4 schematically illustrates a connection relationship between a thermoelectric module and a refrigerant conduit which may be included in the battery pack cooling system for an electric vehicle of FIG. 1.
  • thermoelectric module that may be included in the battery pack cooling system for an electric vehicle of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a graph simulating the cooling effect of the cooling method of the battery pack system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery pack cooling system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module (TEM) 70 to the battery pack system 10.
  • reference numeral 200 denotes an electric vehicle charging station.
  • the battery pack 1 may be charged by the electric vehicle charging station 200 by connecting the cable 230 of the electric vehicle charging station 200 to the connector 110 of the electric vehicle.
  • the electric vehicle charging station 200 may include an external charging device 210 and an external power supply device 220.
  • the battery pack system 10 includes a battery pack 1 and a water cooling device 20.
  • the battery pack 1 includes a plurality of batteries 1 '.
  • the water-cooled cooling device 20 indirectly cools the battery 1 'by introducing a refrigerant through the refrigerant conduit 30 mounted to the outside of the battery 1' to enable thermal conductivity.
  • the dashed arrow in the figure is the flow direction of the refrigerant.
  • the water-cooled cooling device 20 may further include a heat exchanger (not shown) for heat exchange between the refrigerant conduits 30.
  • the battery pack cooling system 100 for an electric vehicle may be used with air-cooled cooling performed in a conventional electric vehicle.
  • the indoor air (indoor air supplied from the air conditioner device) inside the vehicle is sucked by a cooling fan at a predetermined location such as a package tray, passed through the inside of the battery pack 1, and discharged through a trunk room, etc. You can use together.
  • FIG. 2 illustrates a part of a battery pack system that may be included in the battery pack cooling system for an electric vehicle of FIG. 1.
  • 3 is a schematic diagram of one exemplary cooling member that may be included in the battery pack system of FIG. 2.
  • FIG. 4 schematically illustrates a connection relationship between a thermoelectric module and a refrigerant conduit which may be included in the battery pack cooling system for an electric vehicle of FIG. 1.
  • the battery pack 1 of the battery pack system 10 includes a plurality of batteries 1 ′ and a pack case 2. It has a structure capable of cooling the battery 1 'by flowing a refrigerant inside or outside the pack case 2 or into the pack case 2 itself.
  • the pack case 2 may have a cooling member 3 as shown in FIG. 3.
  • the cooling member 3 is made of a metal plate 4, and may be formed in a structure in which the remaining portion 6 is sealed or solid in a state in which a continuous flow path 5 is formed on an inner surface thereof. Both ends of the flow path 5 have a refrigerant inlet 40 for introducing refrigerant into the battery pack 1 and a refrigerant outlet 50 for discharging the refrigerant having cooled the battery pack 1 out of the battery pack 1.
  • the dashed arrow in the figure is the flow direction of the refrigerant.
  • the refrigerant conduit 30 is connected to the refrigerant inlet 40 and the refrigerant outlet 50 outside the battery pack 1 with respect to the cooling member 3 of the battery pack system 10.
  • the refrigerant conduit 30 is connected to the refrigerant inlet 40 and is connected to the inlet refrigerant conduit 42 and the refrigerant outlet 50, which is a portion near the refrigerant inlet 40, and is close to the refrigerant outlet 50.
  • An outlet side refrigerant conduit 52 is a portion near the refrigerant inlet 40, and is close to the refrigerant outlet 50.
  • An outlet side refrigerant conduit 52 The battery pack system 10 of FIG. 2 also shows part of the inlet refrigerant conduit 42 and the outlet refrigerant conduit 52.
  • thermoelectric power that is, a thermoelectric phenomenon.
  • thermoelectric phenomena mean the reversible and direct conversion of energy between temperature difference and voltage.
  • thermoelectric module 70 in order to thermoelectrically cool by causing a temperature difference across the thermoelectric module 70, the thermoelectric module 70 is supplied with electric power from an external power supply device.
  • an electromotive voltage is formed on both sides of the thermoelectric element module 70 through power supply from an external power supply, one side is cooled by endotherm and the other side is heated by heat dissipation. Therefore, when a current by the driving power supply is applied, one side of the thermoelectric element module 70 becomes the heat absorbing surface and the other side becomes the heat generating surface.
  • thermoelectric module 70 is particularly installed to be located between the inlet refrigerant conduit 42 and the outlet refrigerant conduit 52 of the water-cooled cooling device 20. It is shown in more detail.
  • thermoelectric element module 70 is attached between the outlet side refrigerant conduit support member 53 surface surrounding the ().
  • the direction in which the current is applied through the driving power supply is the heat absorbing surface of the thermoelectric module 70 attached to the inlet refrigerant conduit 42 or the inlet refrigerant conduit support member 43 surrounding the inlet refrigerant conduit 42.
  • thermoelectric element 70 absorbs heat from the inlet refrigerant conduit 42 and radiates it toward the outlet refrigerant conduit 52, so that heat flow as indicated by arrows in FIG. 4 occurs.
  • the heat absorbing surface 70a is attached to the inlet refrigerant conduit 42 side so that heat exchange occurs between the inlet refrigerant conduit 42 and the outlet refrigerant conduit 52 via the thermoelectric module 70.
  • the heat generating surface 70b is attached to the outlet refrigerant conduit 52 side.
  • the inlet refrigerant conduit support member 43 and the outlet refrigerant conduit support member 53 respectively surround the inlet refrigerant conduit 42 and the outlet refrigerant conduit 52 and serve to structurally support them in the vehicle. It can be done and can be omitted.
  • the heat absorbing surface 70a and the heat generating surface 70b of the thermoelectric element module 70 are provided to face the inlet refrigerant conduit 42 and the outlet refrigerant conduit 52, respectively.
  • the heat absorbing surface 70a is brought into contact with the inlet refrigerant conduit 42 to generate heat exchange between the inlet refrigerant conduit 42 and the outlet refrigerant conduit 52 through the thermoelectric module 70 and the heat generating surface 70b.
  • Contact includes both direct contact or indirect contact through the support members 43, 53.
  • thermoelectric module may include an electrode connecting the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element.
  • thermoelectric module may be disposed outside the thermoelectric module to electrically insulate components such as electrodes from the outside, and include a substrate to protect the thermoelectric module from external physical or chemical elements.
  • thermoelectric module that may be included in the battery pack cooling system for an electric vehicle of FIG. 1.
  • thermoelectric module 70 includes a substrate 75, an electrode 80, and a thermoelectric element 85.
  • the substrate 75 is formed in a plate shape and is disposed outside the thermoelectric module 70 to protect various components of the thermoelectric module 70 such as the thermoelectric element 85 and between the thermoelectric module 70 and the outside. Electrical insulation can be maintained.
  • the substrate 75 may be an alumina substrate.
  • the substrate 75 is provided with a pair of upper substrate 76 and lower substrate 77 facing each other.
  • Electrode 80 is electrically conductive to allow current to flow.
  • the electrode 80 may be provided on the substrate 75.
  • the electrode 80 may be configured to be exposed to at least one surface of the substrate 75 to allow the thermoelectric element 85 to be mounted.
  • at least two thermoelectric elements 85 may be mounted on the electrode 80, providing a path through which current can flow between the two thermoelectric elements 85.
  • the electrode 80 may be provided on the lower surface of the upper substrate 76 and the upper surface of the lower substrate 77 by a method such as deposition, sputtering, direct pressing, printing, and the like. May be disposed to constitute the thermoelectric module 70.
  • a DBC (Direct Bonded Copper) type substrate in which the electrode 80 is formed directly on the substrate 75 may also be used.
  • the electrode 80 is preferably formed of a metal, for example at least one selected from the group consisting of Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr, Ru, Re, Pb, Sn, In and Zn. It may be formed of a metal or an alloy containing at least two of these metals.
  • the upper electrode 81 formed on the upper substrate 76 among the electrodes 80 connects them on the thermoelectric element 85, and the lower electrode 82 formed on the lower substrate 77 among the electrodes 80. Is connected to them under the thermoelectric element (85).
  • the thermoelectric element 85 may be composed of a thermoelectric material, that is, a thermoelectric semiconductor.
  • the thermoelectric semiconductor may include various kinds of thermoelectric materials such as chalcogenide, skutterudite, silicide, clathrate, and half heusler. have.
  • thermoelectric materials such as BiTe-based materials and PbTe-based materials may be appropriately doped and used.
  • Various kinds of thermoelectric semiconductors known at the time of filing the present invention may be used as the material of the thermoelectric element 85.
  • the thermoelectric element 85 may be configured in a form in which the thermoelectric material is sintered in a bulk form.
  • a thermoelectric element is often configured in an electrode mainly through a deposition method.
  • the thermoelectric element 85 is not configured to be deposited on the electrode 80, but may be sintered first in a bulk form. After that, the bulk thermoelectric element 850 may be bonded to the electrode 80.
  • a buffer layer (not shown) may be further included between the electrode 80 and the thermoelectric element 85 to improve adhesion.
  • the thermoelectric element 85 may be manufactured in bulk form.
  • the bulk type thermoelectric element 85 includes mixing each raw material of the thermoelectric element 85 to form a mixture, heat treating the mixed raw materials to form a composite, and sintering the composite. It can be produced by a manufacturing method.
  • the thermoelectric material sintered in the sintering step may be formed in bulk form.
  • the thermoelectric material sintered in the bulk form as described above may be processed into a size and / or shape suitable for being applied to the thermoelectric module 70. For example, a thermoelectric material sintered in the form of a cylindrical bulk may be cut into a hexahedral bulk of a smaller size.
  • the ingot which is a thermoelectric material
  • the ingot which is a thermoelectric material
  • the ingot may be pulverized and then subjected to a miniaturized ball-mill process, and then may be a structure formed by cutting the sintered structure.
  • the thermoelectric material processed into a smaller bulk form may be bonded to the electrode 80 of the substrate 75 as the thermoelectric element 85.
  • the bonding between the bulk thermoelectric element 85 and the electrode 80 may be made in various ways such as heat treatment or soldering such as sintering, and the present invention is not limited to a specific bonding method.
  • thermoelectric element 85 since the thermoelectric element 85 has a compact structure through sintering, the thermoelectric element 85 has a conventional thermoelectric element, particularly in a deposition form.
  • the thermoelectric performance can be significantly improved as compared with the conventional thermoelectric device constituted.
  • the thermoelectric element 85 may be referred to as a thermoelectric leg or the like, and may include an n-type thermoelectric element 86 and a p-type thermoelectric element 87.
  • the n-type thermoelectric element 86 may be configured in a form in which the n-type thermoelectric material is sintered in a bulk form.
  • the p-type thermoelectric element 87 may be configured in a form in which the p-type thermoelectric material is sintered in a bulk form.
  • various materials known at the time of filing the present invention may be employed, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the thermoelectric element 85 may form one basic unit by pairing the n-type thermoelectric element 86 and the p-type thermoelectric element 87.
  • the n-type thermoelectric element 86 and the p-type thermoelectric element 87 may be provided in two or more to form a plurality of pairs.
  • the n-type thermoelectric element 86 and the p-type thermoelectric element 87 may be alternately arranged to form a plurality of n-type thermoelectric elements 86 and p-type thermoelectric elements 87 pairs.
  • the n-type thermoelectric element 86 and the p-type thermoelectric element 87 may be electrically connected to each other through the electrode 80.
  • the n-type thermoelectric element 86 may be bonded to one end of the electrode 80
  • the p-type thermoelectric element 87 may be bonded to the other end of the electrode 80.
  • the shapes of the upper electrode 81 and the lower electrode 82 respectively formed on the upper substrate 76 and the lower substrate 77 should be taken into consideration so that they may be thermally connected in parallel and electrically in series.
  • the thermoelectric elements 85 are connected in series, and lead wires 90 are provided at both ends of the thermoelectric elements 85 connected in series to supply electricity from the outside.
  • thermoelectric module 70 The amount and direction of heat absorption and heat generation can be adjusted by the magnitude and direction of the current applied to the thermoelectric module 70.
  • the electrode 80 joined to the n-type thermoelectric element 86 generates heat on the side through which current flows and absorbs heat on the opposite side, and the p-type thermoelectric element 87 generates heat and heat on the contrary.
  • the thermoelectric module 70 has no mechanically acting part and also has an advantage that the installation position or direction does not affect its operation, which is very suitable for introduction into the water-cooled cooling device (20 in FIG. 1).
  • the thermoelectric module 70 since the thermoelectric module 70 may be manufactured in a thin shape, the thermoelectric module 70 may be inserted into a space between the refrigerant conduits (30 of FIG. 1) and may provide high cooling performance without increasing the size or weight of the water cooling system. have.
  • the heat absorbing surface 70a of the thermoelectric element module 70 surrounds the inlet refrigerant conduit 42 or the inlet refrigerant conduit 42 ( At the same time, the heat generating surface 70b of the thermoelectric module 70 is attached to the outlet refrigerant conduit 52 or the member 53 surrounding the outlet refrigerant conduit 52.
  • the lower substrate 77 side is the heat absorbing surface 70a and the upper substrate 76 side is the heat generating surface 70b. What is necessary is just to determine the direction of the electric current applied to the lead wire 90 so that it may become like this.
  • Figure 5 also shows the heat flow according to the arrow.
  • the use of the battery pack cooling system 100 as described above corresponds to the cooling method of the battery pack system 10. Referring again to FIG. 1, the components of the battery pack cooling system 100 and the use of the battery pack cooling system 100 are described in more detail.
  • the battery pack cooling system 100 further includes a current sensor 92, a temperature sensor 93, a switch 94, and a control unit 95.
  • the current sensor 92 detects the magnitude of the charging current supplied to the battery pack 1.
  • the charging current is supplied from the battery pack 1 external charging device 210, for example, the external charging device 210 may be included in the charging station 200 of the electric vehicle.
  • the current sensor 92 may be installed in the charging line 92 ′ connecting the battery pack 1 and the external charging device 210.
  • the temperature sensor 93 is installed in the battery pack 1 to detect the temperature of the battery pack 1.
  • the temperature sensor 93 is, for example, a thermocouple.
  • Power for driving the thermoelectric module 70 is supplied from the external power supply device 220, for example, the external power supply device 220 may be included in the charging station 200 of the electric vehicle.
  • the switch 94 is connected between the external power supply device 220 and the thermoelectric module 70 to control the connection between the external power supply device 220 and the thermoelectric module 70.
  • the switch 94 may be installed in a power supply line 94 ′ connecting the external power supply device 220 and the thermoelectric module 70.
  • the control unit 95 is connected with the current sensor 92, the temperature sensor 93, and the switch 94, acquires information from the current sensor 92, the temperature sensor 93, and controls the operation of the switch 94. In addition to performing various calculations for the control, the control signal is output to control the current sensor 92, the temperature sensor 93, and the switch 94.
  • the control unit 95 may be a BMS.
  • control unit 95 determines the charging seed rate from the magnitude of the charging current. If the determined charge rate is greater than or equal to a predetermined threshold, the thermoelectric element module 70 is driven to cause a temperature difference between the heat absorbing surface 70a and the heat generating surface 70b. In the present embodiment, when the control unit 95 turns on the switch 94, the thermoelectric module 70 may be driven. In addition, the control unit 95 may determine the rate of change of time with respect to the temperature of the battery pack 1 using the temperature sensor 93. The thermoelectric module 70 may be configured to be driven when the rate of change of time is greater than or equal to a preset value and the charging seed rate is greater than or equal to a preset threshold.
  • the cooling method of the battery pack system 10 using the battery pack cooling system 100 may be performed as follows.
  • thermoelectric module 70 is provided between the outlet refrigerant conduit 52, wherein the heat absorbing surface 70a and the heat generating surface 70b of the thermoelectric module 70 are respectively an inlet refrigerant conduit 42 and an outlet refrigerant. It is provided to face the conduit 52.
  • the charging unit in the charging unit 95 determines do.
  • the control unit 95 drives the thermoelectric module 70 to cause a temperature difference between the heat absorbing surface 70a and the heat generating surface 70b of the thermoelectric module 70. The temperature of the coolant is lowered at the heat absorbing surface 70a and supplied to the battery pack 1 side.
  • the temperature of the battery pack 1 is measured using the temperature sensor 93, and the rate of change of time with respect to the temperature of the battery pack 1 is equal to or greater than a preset value and is charged.
  • the thermoelectric element module 70 may be driven when the crate satisfies all the conditions of the predetermined threshold or more.
  • the charge rate is less than the preset threshold but the battery pack 1 )
  • the thermoelectric module 70 can be driven, thereby preventing the battery pack 1 from increasing in temperature.
  • thermoelectric module 70 In operation of the thermoelectric module 70, the heat absorbing surface 70a of the thermoelectric module 70 absorbs heat from the inlet refrigerant conduit 42, thereby lowering the inlet refrigerant temperature passing through the inlet refrigerant conduit 42. have.
  • the present invention provides the first characteristic by increasing the cooling performance by applying the thermoelectric module 70 to supply the battery pack 1 by lowering the temperature of a coolant such as cooling water.
  • the heating surface 70b of the thermoelectric module 70 is the outlet refrigerant conduit 52 or the outlet while the heat absorbing surface 70a of the thermoelectric module 70 lowers the inlet refrigerant temperature during the operation of the thermoelectric module 70. Heat is dissipated toward the surface of the member 53 surrounding the side refrigerant conduit 52. The refrigerant passing through the refrigerant refrigerant conduit 52 moves with the heat generated from the heat generating surface 70b of the thermoelectric module 70. As described above, instead of naturally dissipating or accumulating heat in the heat generating surface of the thermoelectric element module 70, the heat generating surface temperature is not increased by removing heat using an outlet refrigerant.
  • thermoelectric module 70 operates only at the time of rapid charging, such as when the charging seed rate is greater than or equal to a preset threshold. Since the thermoelectric module 70 requires power consumption in order to make a temperature difference, the thermoelectric module 70 does not operate in a general charging process, but operates only at a rapid charge time.
  • the fourth feature is to solve the power required to drive the thermoelectric module 70 by using a separate external power when charging the battery pack (1).
  • Power for driving the thermoelectric module 70 is supplied from the external power supply device 220, for example, the external power supply device 220 may be included in the charging station 200 of the electric vehicle.
  • the time it takes to quickly charge a battery in an electric vehicle currently being developed by an automobile manufacturer is about 30 minutes to charge from 5% to 80% SOC.
  • the filling crate is less than about 2C.
  • the electric vehicle takes a considerable amount of time even with a fast charge. Refueling and recharging are the same in terms of recharging the driving energy of the vehicle, and the fueling time and recharging time of the vehicle in long distance driving are important considerations in terms of the merchandise of the vehicle.
  • the charge rate is high to shorten the charging time, but the charge rate should be determined in consideration of the type and characteristics of the battery.
  • a battery for PEV can set the charging seed rate at about 1.5C.
  • a battery for PHEV may have an initial charge rate of 3C.
  • the initial charge rate can be further increased, for example, up to 5C.
  • This charging rate may be limited not only by the type of battery but also by the maximum current of a motor used in an actual vehicle.
  • rapid charging is assumed to indicate that the filling crate is at least 1C, preferably at least 2C.
  • the thermoelectric element module 70 is driven by external power only during rapid charging, and the inlet refrigerant is lowered before entering the battery pack 1 by the thermoelectric element module 70 being operated. Since it cools to temperature, the battery cooling efficiency at the time of rapid charge becomes high.
  • the outlet-side refrigerant cools the heat generating surface 70b of the thermoelectric module 70 so that heat is not accumulated on the heat generating surface 70b of the thermoelectric module 70 and is maintained at a low temperature.
  • thermoelectric module 70 is configured such that proper heat exchange occurs between the inlet refrigerant conduit 42 and the outlet refrigerant conduit 52, thereby cooling the battery pack 1. Cooling performance can be improved by lowering the temperature of the coolant and supplying it to the battery pack 1.
  • the thermoelectric module 70 may be designed to operate with external power that may be supplied from a charging station of an electric vehicle during rapid charging, thereby solving a source of power required when operating the thermoelectric module 70.
  • the thermoelectric module 70 is operated by supplying external power to the thermoelectric module 70 during rapid charging, thereby lowering the temperature even if the temperature of the battery pack 1 increases during rapid charging. It can be used to effectively cool through the refrigerant supply. That is, external power that can be supplied to the charging station of the electric vehicle is supplied to the thermoelectric elements 85 of the thermoelectric element module 70 through the lead wires 90 to the heat absorbing surface 70a and the heat generating surface 70b. Will be configured.
  • the thermoelectric element module 70 operates only at the time of rapid charging, thereby corresponding to cooling at the time of rapid charging. Therefore, the heat generated during the rapid charging of the battery pack for the electric vehicle can be effectively released to the outside, and the deterioration of the battery pack can be suppressed.
  • thermoelectric element if the battery pack temperature rise width according to the charging rate is known, it is possible to know the refrigerant temperature to be supplied when the battery pack temperature to be properly maintained. Therefore, it is possible to determine the conditions such as the type of thermoelectric elements required for this purpose, the amount of current to be supplied for the proper temperature difference between the heat absorbing surface and the heat generating surface. And how to implement the actual thermoelectric element and the cooling conduit shape, etc. can be changed as much as possible within the ordinary skill of those skilled in the art.
  • FIG. 6 is a graph simulating the cooling effect of the cooling method of the battery pack system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis is time (s) and the vertical axis is the battery maximum temperature (° C).
  • Figure 6 was obtained assuming a quick charge of 2C from 5% to 5% SOC.
  • the initial battery temperature is 50 ° C. and the outside air temperature is 50 ° C.
  • Initial cell temperature and ambient temperature conditions can be changed as many as required.
  • the cell maximum allowable temperature eg, critical temperature allowing charging in BMS
  • Battery maximum allowable temperature conditions depend on the type of battery.
  • the temperature was usually 60 ° C, which is usually required for a battery having a three-component NCM (nickel, cobalt, manganese) cathode material. It is advantageous that the total thermal resistance from the cell to the refrigerant is small.
  • the temperature of the inlet-side cooling water can be lowered to below 10 ° C., for example, to 10 ° C. (Invention Example 1).
  • the case where the inlet side cooling water temperature was 30 ° C (Comparative Example 1) and the case where the inlet side cooling water temperature was 50 ° C equal to the outside air temperature of this simulation experiment (Comparative Example 2) were selected and compared.
  • the battery temperature increases with passage of (charge) time.
  • the maximum temperature of the battery was changed to 55.2 ° C, 65.7 ° C, and 76.8 ° C after about 1600 seconds as the inlet coolant temperature was changed to 10 ° C, 30 ° C, and 50 ° C.
  • Example 1 of the present invention if the inlet cooling water temperature can be lowered to 10 ° C as in Example 1 of the present invention, it is possible to maintain the battery maximum temperature below 60 ° C during charging. In Comparative Examples 1 and 2, the battery maximum temperature exceeds 60 ° C.
  • the BMS After the BMS starts charging, it detects the battery SOC and temperature and charges until the SOC reaches the target SOC, but if the battery temperature is higher than the threshold temperature, the battery is temporarily suspended to cool the battery and only below the threshold temperature. If the battery is configured to charge to the target SOC, it will be possible to complete the charging in a short time without suspending charging if the battery maximum temperature is maintained below 60 ° C as in the present invention. However, in Comparative Examples 1 and 2, which are cases in which the cooling water temperature is not supplied to the same level as in the present invention, the maximum temperature of the battery exceeds 60 ° C. as described, and thus, the charging pause is required and the charging time will be long.
  • the present invention relates to a cooling system for cooling a battery pack including a plurality of batteries and a cooling method using the same, wherein the cooling system includes a refrigerant conduit through which a refrigerant flows and a thermoelectric module outside the refrigerant conduit. And a heat absorbing surface of the thermoelectric element module is attached to the inlet side refrigerant conduit side, and a heat generating surface may be attached to the outlet side refrigerant conduit side.
  • the thermoelectric element module is operated with external power supplied at the time of charging at the charging station (charging station) of the electric vehicle with respect to the electric vehicle on which the battery pack is mounted. By the thermoelectric module, since the cooled refrigerant performs battery pack cooling, the cooling performance against excessive battery pack heat generation during rapid charging may be improved.

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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
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. 본 출원은 2018년 7월 10일자로 출원된 대한민국 특허출원 번호 제10-2018-0080099호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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.

Claims (11)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 제7항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
    상기 열전소자모듈을 구동시키기 위해 외부 전원 공급 장치에서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전지팩 시스템의 냉각 방법.
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