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KR102723734B1 - An immersion cooling battery system integrated with an enclosure - Google Patents

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Publication number
KR102723734B1
KR102723734B1 KR1020230160698A KR20230160698A KR102723734B1 KR 102723734 B1 KR102723734 B1 KR 102723734B1 KR 1020230160698 A KR1020230160698 A KR 1020230160698A KR 20230160698 A KR20230160698 A KR 20230160698A KR 102723734 B1 KR102723734 B1 KR 102723734B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
immersion
fluid
immersion tank
tank
battery system
Prior art date
Application number
KR1020230160698A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
정창권
서정렬
Original Assignee
인셀(주)
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Publication date
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Application filed by 인셀(주) filed Critical 인셀(주)
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Abstract

본 발명은 액침 방식 열관리 시스템과 배터리를 일체화한 독립형 함체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액침 방식을 적용한 배터리 시스템이 갖는 단점을 보완하고 생산 비용 절감, 제작 간편성, 유지 관리 보수 용이, 효율적인 열관리, 그리고 높은 화재 안전성을 갖춘 액침 방식과 일체화한 배터리 시스템으로 외부 환경 조건과 상관없이 배터리 운전이 가능하며 액침 유체의 누출로 인한 주변 환경 오염 방지를 고려한 함체와 통합된 액침 방식 배터리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a standalone housing that integrates a liquid immersion type thermal management system and a battery, and more specifically, to a liquid immersion type battery system that is integrated with a housing that complements the shortcomings of a battery system applying the liquid immersion type and features reduced production costs, ease of manufacturing, ease of maintenance, efficient thermal management, and high fire safety, and enables battery operation regardless of external environmental conditions and takes into account prevention of contamination of the surrounding environment due to leakage of immersion fluid.

Description

함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템 {An immersion cooling battery system integrated with an enclosure}{An immersion cooling battery system integrated with an enclosure}

본 발명은 액침 방식 열관리 시스템과 배터리를 일체화한 독립형 함체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액침 방식을 적용한 배터리 시스템이 갖는 여러 단점을 보완하여 생산 비용 절감, 제작 간편성, 유지 관리 보수 용이, 효율적인 열관리, 그리고 높은 화재 안전성을 갖춘 액침 방식과 일체화한 배터리 시스템으로 외부 환경 조건과 상관없이 배터리 운전이 가능하며 액침 냉매인 유체의 누출로 인한 주변 환경 오염 방지를 고려한 함체와 통합된 액침 방식 배터리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a standalone housing that integrates a liquid immersion type thermal management system and a battery, and more specifically, to a liquid immersion type battery system that is integrated with a housing that enables battery operation regardless of external environmental conditions and prevents contamination of the surrounding environment due to leakage of the liquid immersion coolant, thereby complementing various shortcomings of a battery system that uses the liquid immersion type, thereby reducing production costs, simplifying manufacturing, facilitating maintenance, and achieving efficient thermal management and high fire safety.

전기 에너지는 다양한 분야에서 사용되고 있으나 전기 에너지를 발생하는 화석 에너지원의 고갈과 온실 가스 배출 감축 정책 그리고 각종 환경 규제 등으로 인해 보다 환경 친화적이며 고갈 염려가 없는 무한한 신재생 에너지를 사용하는 정책이 장려되고 있다. 하지만 신재생 에너지 특성상 지속적이고 안정적인 에너지 공급을 보장할 수 없다.
에너지 저장 장치(ESS)는 신재생 에너지의 간헐성을 보완할 수 있는 장점을 가지고 있어 배터리 기술 발전과 함께 최근들어 급격하게 성장하고 있으며 이러한 추세는 지속될 것으로 보인다.
이러한 시장의 요구에 맞춰 에너지 저장 장치는 에너지 밀도, 효율성, 안전성, 경제성을 개선하기 위해 지속적인 기술 개발이 이루어지고 있다. 에너지 저장 장치에는 여러 가지 타입의 배터리 중 높은 에너지 밀도와 경제성을 이유로 전기화학식 배터리인 리튬이온 배터리를 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 에너지 저장 장치는 비교적 온도에 민감하여 적정한 온도범위를 넘어서서 일정 기간 운전하는 경우, 국부적인 부분에서 과열되거나 배터리 간 온도 편차가 커져 성능과 안전성에 위협이 될 수 있어 적절한 열관리 시스템(thermal management system)이 필요하다.
에너지 저장 장치의 배터리는 충전과 방전 과정에서 열이 발생하게 되는데, 발생하는 열이 지나칠 경우, 배터리의 열화를 가속화 시킬 수 있으며 배터리 열화는 배터리 내부 구성물의 손상을 가져오며 이는 화재의 직접적인 원인이 되기도 한다. 따라서 배터리의 열을 효과적으로 제어하는 것이 배터리 수명과 안전성 측면에서 매우 중요하다.
배터리의 열을 제어하는 방법에는 공랭식, 수랭식, 액침식 등이 있다. 공랭식은 공기를 냉각 매개체(cooling medium)로 사용하며 자연 대류 또는 강제 대류 방식으로 순환시켜 배터리의 열을 식히는 방식으로, 가장 간단하고 경제적인 방법으로 고출력을 요구하지 않는 용도의 배터리 열관리 시스템으로 가장 많이 사용하는 방식이지만 순환하는 공기로 인하여 분진 및 습기가 배터리 내부로 유입 될 수 있으며 공기가 가지고 있는 낮은 비열과 밀도로 냉각 성능이 낮다는 단점이 있다.
수랭식은 배터리 주변으로 냉각판을 통해 냉각수를 순환시키는 간접 냉각 방식으로, 수냉 방식의 냉각 매개체로는 주로 물과 에틸글리콜의 혼합물을 사용하며 냉매가 가진 높은 비열과 밀도로 냉각 효율이 높은 편이지만 추가적인 제작 공정, 높은 제작 난이도와 전도성 냉매로 누수에 의한 쇼트 발생 위험성, 냉매 열교환을 위한 추가적인 장치 필요등으로 공랭식 대비 복잡성과 비용이 증가하는 단점이 있다.
액침식은 열원을 냉매인 유체에 완전 또는 부분 침지(fully or partially immersed)시켜 열원과 냉매 유체의 직접적 접촉으로 냉각하는 방식이다. 액침 냉각에 사용하는 유체는 절연특성을 가지며 열적 안전성이 높은 미네랄 유, 합성유, 실리콘유, 생분해성 식물성유 등이 사용된다.
액침 냉각 방식은 많은 양의 열이 발생하는 IT 기기를 사용하는 데이터 센터나 암호화폐 채굴장등에 십여년 전부터 부분적으로 사용하기 시작하였다. 최근에는 EV용 배터리 열관리 시스템으로 액침 방식을 적용한 사례들이 생기기 시작했다. 특히 고성능 자동차나 고출력을 요구하는 특수 차량에 적용하는 배터리의 경우 충방전 시간 단축과 순간 고기동을 위해 높은 C-rate로 방전을 하게 되며 따라서 많은 열이 발생하게 된다. 따라서 기존 수냉식 열관리 시스템으로도 배터리의 발열을 제어하기 어려워 배터리 모듈을 절연 유체(di-electric fluid)로 채워 배터리의 열을 직접 제어하는 액침 방식을 사용하는 시도가 있다.
냉매 유체로 사용하는 절연성 유체는 열원과 직접 접촉으로 방열 면적이 넓고 공기 대비 열에너지 흡수 능력이 1000배 이상이 되어 냉각 효율이 탁월하여 배터리의 온도를 효과적으로 제어할 수 있다. 가열된 유체는 열교환 장치를 통해 냉각하여 다시 배터리로 복귀하여 순환시킴으로써 냉각효과를 극대화 할 수 있다.
또한 절연 유체가 갖는 높은 열전달 능력과 높은 인화점(high flash point)으로 배터리에서 열 폭주가 발생하더라도 열에너지를 주변으로 신속하게 확산하여 국부적인 핫스폿을 제거할 수 있다. 또한 액침 상태에서는 주변 산소가 충분치 않아 연소조건이 제한되어 열 폭주가 발생하더라도 연소 가능성을 제거하여 화재 안전성이 뛰어난 장점이 있다.
하지만 액침 냉각 방식을 적용한 배터리 시스템은 대부분 EV 배터리를 위주로 연구나 개발이 이루어지고 있으며 배터리 셀을 수용하는 케이싱인 배터리 모듈 내부를 절연 유체로 채워 배터리 셀을 냉각하거나 보다 효과적인 냉각을 위해 매니폴드 및 배관으로 모듈을 연결하여 형성하는 외부 순환 루프를 통해 가열된 유체를 냉각 순환하는 장치를 추가하기도 한다.
그러나 모듈을 유체로 채우는 모듈 단위 침지 설계는 모듈의 높은 밀폐도가 요구되며 이를 위해 특별한 모듈 케이스 제작과 값비싼 커넥터를 사용할 수 밖에 없다. 특히 일반적인 에너지 저장 장치는 배터리 셀을 수용하는 복수개의 모듈을 캐비넛에 나란히 적층하여 단위 면적당 시스템 용량을 증가시키는 형식을 따르며 이때 모듈 개수 만큼 커넥터의 개수가 비례적으로 늘어나 제작 비용 상승을 피할 수 없다. 또한 조립 품질에 따라 늘어나는 컨넥터 개수만큼 잠재적 누유 지점이 증가하여 유지 관리에 문제가 될 소지가 있다.
유체의 열팽창과 수축에 따른 압력 변화를 수용하기 위해 별도의 유체저장장치(reservoir)가 필요할 수 있고 배터리 셀에서 열 폭주가 발생 시 밀폐된 배터리 모듈 내부는 과압상태가 되어 이로부터 내부 장치물이나 모듈 케이스의 구조적 손상으로부터 보호하기 위해 압력 배출 안전 장치가 필요하다. 하지만 안전장치를 통해 압력과 함께 발생하는 누유는 피할 수 없게 된다.
유체가 빠져나감으로써 모듈 내부 배터리 셀의 몸통 일부가 노출하는 부분 침지 상태가 되면 주변 배터리 셀에 직접적으로 전달되는 열적 충격(thermal shock)으로 열 폭주(thermal runaway) 현상이 순식간 주변으로 전이할 수도 있어 화재 안전성 측면에서 바람직하지 못하다. 이를 피하기 위해 일정량의 누유가 발생하더라도 완전 침지 상태를 유지하기 위해서 모듈의 용적을 추가할 수 있으나 이는 공간 효율적인 측면에서 바람직 하지 않다.
보통 복수개의 모듈로 구성한 에너지 저장 장치에는 냉매인 유체로 채워진 모듈을 배관을 사용하여 연결하고 유체를 외부로 이동하는 순환 루프를 형성하도록 한다. 이런 구성은 설치 시 또는 유지 보수시 유체를 새롭게 채우거나 드레인할 때 작업이 매우 번거롭고 작업 동안 바닥에 누유로 작업자 부상위험이 높고 작업 후 설치 장소를 따로 청소해야하는 작업이 추가적으로 필요할 수 있다. 따라서 설치 작업이나 유지 보수 작업 동안, 누유를 방지하거나 누유가 발생하더라도 작업에 영향을 주지 않도록 별도의 수단이 필요하다. 특히 보통의 절연 유체는 자연적으로 분해되지 않아 주변 환경 오염을 일으킬 수 있어 별도의 누유 방지 수단이 필요하다.
따라서, 이러한 배경 기술을 바탕으로, 액침 냉각 방식을 적용한 배터리 시스템과 이를 수용하는 함체를 제공하는 것이 필요하게 되었다.
즉, 본 발명은 ESS용 배터리뿐만 아니라, 다양한 분야에서 사용되는 배터리의 열을 효과적으로 제어하는 데 적용될 수 있다.
Electric energy is used in various fields, but due to the depletion of fossil fuel sources that generate electric energy, policies to reduce greenhouse gas emissions, and various environmental regulations, policies to use infinite renewable energy that is more environmentally friendly and has no depletion concerns are being promoted. However, due to the nature of renewable energy, it cannot guarantee a continuous and stable energy supply.
Energy storage systems (ESS) have the advantage of complementing the intermittency of renewable energy, and have been growing rapidly in recent years along with the advancement of battery technology, and this trend is expected to continue.
To meet these market demands, energy storage devices are undergoing continuous technological development to improve energy density, efficiency, safety, and economy. Among the various types of batteries, lithium-ion batteries, which are electrochemical batteries, are the most widely used in energy storage devices due to their high energy density and economy. However, energy storage devices are relatively sensitive to temperature, and if they are operated for a certain period of time beyond the appropriate temperature range, local overheating may occur or the temperature difference between batteries may become large, which may threaten performance and safety, so an appropriate thermal management system is required.
The batteries of energy storage devices generate heat during the charging and discharging process. If the heat generated is excessive, it can accelerate the deterioration of the battery. Deterioration of the battery can cause damage to the internal components of the battery, which can directly cause fire. Therefore, effectively controlling the heat of the battery is very important in terms of battery life and safety.
There are several methods for controlling battery heat, including air cooling, water cooling, and liquid immersion. Air cooling uses air as a cooling medium and circulates it through natural convection or forced convection to cool the battery. It is the simplest and most economical method and is the most commonly used battery thermal management system for applications that do not require high output. However, the circulating air can cause dust and moisture to enter the battery, and the cooling performance is low due to the low specific heat and density of the air.
Water cooling is an indirect cooling method that circulates coolant through a cooling plate around the battery. Water cooling mainly uses a mixture of water and ethyl glycol as a cooling medium. Although the cooling efficiency is high due to the high specific heat and density of the refrigerant, it has the disadvantages of increased complexity and cost compared to air cooling due to additional manufacturing process, high manufacturing difficulty, risk of short circuit due to leakage due to conductive refrigerant, and need for additional devices for refrigerant heat exchange.
Liquid immersion is a method of cooling by fully or partially immersing the heat source in a refrigerant fluid and allowing direct contact between the heat source and the refrigerant fluid. The fluid used for liquid immersion cooling is mineral oil, synthetic oil, silicone oil, or biodegradable vegetable oil that has insulating properties and high thermal stability.
Liquid immersion cooling has been partially used for about ten years in data centers and cryptocurrency mining farms that use IT devices that generate a lot of heat. Recently, there have been cases where the liquid immersion method has been applied as a battery thermal management system for EVs. In particular, batteries used in high-performance automobiles or special vehicles that require high output are discharged at a high C-rate to shorten the charge/discharge time and enable instantaneous high maneuverability, which results in a lot of heat being generated. Therefore, it is difficult to control the heat generation of the battery even with the existing water-cooling thermal management system, so there are attempts to use an immersion method that directly controls the heat of the battery by filling the battery module with an insulating fluid (di-electric fluid).
The insulating fluid used as a refrigerant fluid has a large heat dissipation area due to direct contact with the heat source, and its heat energy absorption capacity is more than 1000 times that of air, so it has excellent cooling efficiency and can effectively control the temperature of the battery. The heated fluid can be cooled through a heat exchanger and returned to the battery for circulation, thereby maximizing the cooling effect.
In addition, the high heat transfer capability and high flash point of the insulating fluid allow the thermal energy to be quickly dissipated to the surroundings even if thermal runaway occurs in the battery, thereby eliminating local hot spots. In addition, in the immersion state, the surrounding oxygen is insufficient, so combustion conditions are limited, so even if thermal runaway occurs, the possibility of combustion is eliminated, so there is an advantage of excellent fire safety.
However, most battery systems that use immersion cooling are being researched and developed primarily for EV batteries, and devices are added to cool the battery cells by filling the inside of the battery module, which is the casing that holds the battery cells, with insulating fluid, or by connecting the modules with manifolds and pipes to form an external circulation loop that circulates heated fluid for more effective cooling.
However, the module-by-module immersion design that fills the module with fluid requires high sealing of the module, which requires the production of special module cases and the use of expensive connectors. In particular, general energy storage devices follow a format in which multiple modules that accommodate battery cells are stacked side by side in a cabinet to increase the system capacity per unit area, and at this time, the number of connectors increases proportionally with the number of modules, which inevitably increases the production cost. In addition, depending on the assembly quality, the number of potential leakage points increases as much as the number of connectors increases, which can cause problems in maintenance.
A separate fluid reservoir may be required to accommodate pressure changes due to thermal expansion and contraction of the fluid, and a pressure relief safety device is required to protect the internal components or module case from structural damage due to the overpressure inside the sealed battery module when thermal runaway occurs in the battery cell. However, leakage that occurs with pressure cannot be avoided through the safety device.
If a partial immersion state occurs in which a part of the body of the battery cell inside the module is exposed due to fluid leakage, the thermal shock directly transmitted to the surrounding battery cells may cause thermal runaway to spread to the surroundings in an instant, which is not desirable in terms of fire safety. To avoid this, the module volume can be increased to maintain a complete immersion state even if a certain amount of leakage occurs, but this is not desirable in terms of space efficiency.
In energy storage devices, which are usually composed of multiple modules, modules filled with refrigerant fluid are connected using pipes to form a circulation loop that moves the fluid to the outside. This configuration is very cumbersome to work on when refilling or draining the fluid during installation or maintenance, and there is a high risk of injury to workers due to leakage on the floor during work, and additional work may be required to clean the installation site separately after work. Therefore, separate means are required to prevent leakage during installation or maintenance work, or to prevent work from being affected even if leakage occurs. In particular, since ordinary insulating fluids do not decompose naturally, they can cause environmental pollution, so separate leakage prevention means are required.
Therefore, based on these background technologies, it became necessary to provide a battery system using an immersion cooling method and a body accommodating the same.
That is, the present invention can be applied to effectively control the heat of batteries used in various fields as well as batteries for ESS.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 복수개의 배터리셀을 수용하며 복수의 개구부가 배열되어 유체의 출입이 자유로운 배터리 모듈과, 냉각의 대상이 되는 배터리 셀의 열을 제어하기 위해 상기 배터리 모듈이 잠기는 유체를 포함하며 상기 유체는 절연 특성(di-electric properties)과 우수한 열적 특성(thermodynamic properties)을 특징으로 하고 상기 절연 유체에 배터리 모듈이 잠기도록 채울 수 있는 밀폐된 액침 탱크(immersion tank)를 포함할 수 있다. 이러한 단순 구성으로도 유체가 갖고 있는 높은 열에너지 흡수 능력(=비열x밀도) 덕분에 공기를 냉매로 사용하는 경우보다 훨씬 높은 냉각 효과를 구현할 수 있다. 이러한 방식은 모듈의 높은 등급 밀폐도가 요구되지 않아 복잡한 케이스 설계가 필요없고 특수한 부품 사용을 최소화할 수 있어 제작 조립이 용이하고 경제적이며 설치 및 보수 작업이 간단한 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 액침 탱크 내부와 외부에 유체 이동 수단으로 순환 루프를 형성하며 외부 순환 루프 상에는 유체의 열 에너지를 교환할 수 있는 열교환기를 포함할 수 있다. 내부 순환 루프에는 유체가 탱크 내부로 인입하여 탱크 외부로 복귀하는 과정에서 상기 탱크 내부에 배열된 각각의 모듈 내부를 균등한 유량으로 통과하는 수단을 제공하는 것을 특징으로 하며 배터리의 온도를 효율적으로 제어하고 배터리 셀간 온도 편차를 줄여 시스템의 신뢰성과 효율을 증가하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
상기 액침 탱크에는 냉매인 유체의 팽창과 수축을 수용하는 자유공간(free space)과 압력을 균등화하는 안전 장치를 포함하며 상기 안전 장치는 액침 탱크 내부로 외부 먼지, 분진, 습기의 유입을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 액침 탱크는 상시 밀폐구조로 필요시에만 개방할 수 있는 상단 덮개를 포함하도록 하고 배터리를 관리하는 시스템은 상기 액침 탱크 외부에 위치하는 별도의 부속 공간내에 수용하여 유체로부터 용이하게 분리하여 시스템 안전성을 높이는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
실외에 설치하는 경우, 상기 액침 탱크의 주위 적정 위치에 부착되는 복수개의 보강 프레임과 상기 프레임 사이 형성되는 공간을 판넬로 결합하여 액침 탱크를 둘러싸는 외함을 구성할 수 있다. 상기 외함과 액침 탱크 사이에 형성되는 공간에는 단열재를 포함할 수 있고 액침 탱크로부터 누유가 되더라도 외부로 빠져나가지 않도록 비상 저장할 수 있는 이중 함체(double layered enclosure) 형식을 취할 수 있다. 프레임과 외함 판넬의 결합은 단열효과를 저해하지 않으며 외함의 도장 상태에 영향을 주지 않는 수단으로 하여 외부 환경(태양열, 토네이도 등)의 영향으로부터 자유롭고 설치 장소의 오염을 방지하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식의 배터리 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
또한 배터리 폭발로 일차적으로 내부 시설물을 보호하고 이차적으로는 함체가 비산되어 주변 시설물로 사고 위험이 확산되는 것을 방지할 수 있도록 일정 압력에 작동하는 안전장치로 방폭 디스크 또는 압력 배출 밸브를 상기 액침 탱크 상단에 포함할 수 있다. 상기와 같이 이중 함체(double layered enclosure) 형식을 취하는 경우에는 방폭 디스크(explosion proof disk)나 압력 배출 밸브(pressure relief valve)가 배출하는 압력을 함체 외부로 최종적으로 배출하기 위해 상기 외함의 상단에는 배출하는 압력에 의해 한쪽 방향으로 열리는 안전 장치를 포함하거나 상기 외함 상단 측면에 개구부를 두어 압력을 배출하도록 함으로써 폭발로부터 안전한 함체와 통합된 액침 냉각 방식의 배터리 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
The present invention has been devised to improve the above-mentioned problems, and includes a battery module that accommodates a plurality of battery cells and has a plurality of openings arranged so that fluid can freely enter and exit, and a fluid in which the battery module is immersed in order to control the heat of the battery cells to be cooled, the fluid having insulating properties (di-electric properties) and excellent thermal properties (thermodynamic properties), and a sealed immersion tank that can be filled so that the battery module is immersed in the insulating fluid. Even with such a simple configuration, a much higher cooling effect can be realized than when air is used as a coolant due to the high heat energy absorption capacity (=specific heat x density) of the fluid. This method does not require a high degree of module sealing, so a complex case design is not required, and the use of special parts can be minimized, so that manufacturing and assembly are easy and economical, and installation and maintenance are simple, and an immersion cooling type battery system is integrated with the body.
A circulation loop is formed as a fluid movement means inside and outside the above-mentioned immersion tank, and a heat exchanger capable of exchanging the heat energy of the fluid may be included on the external circulation loop. The internal circulation loop is characterized by providing a means for passing the inside of each module arranged inside the tank at an even flow rate during the process of the fluid flowing into the inside of the tank and returning to the outside of the tank, and an immersion cooling type battery system integrated with a body efficiently controlling the temperature of the battery and reducing the temperature difference between battery cells to increase the reliability and efficiency of the system is provided.
The above immersion tank includes a free space that accommodates expansion and contraction of a refrigerant fluid and a safety device that equalizes pressure, and the safety device can serve to prevent external dust, dirt, and moisture from entering the immersion tank. The above immersion tank has a top cover that is a normally sealed structure and can be opened only when necessary, and a system for managing a battery is housed in a separate auxiliary space located outside the immersion tank, thereby providing an immersion cooling type battery system integrated with a body that can be easily separated from the fluid and increases system safety.
In the case of outdoor installation, a plurality of reinforcing frames attached at appropriate locations around the immersion tank and a space formed between the frames can be combined into a panel to form an enclosure surrounding the immersion tank. The space formed between the enclosure and the immersion tank can include an insulating material and can take the form of a double layered enclosure capable of emergency storage so that even if leakage occurs from the immersion tank, it does not escape to the outside. The purpose of the present invention is to provide an immersion cooling battery system integrated with an enclosure, characterized in that the combination of the frame and the enclosure panel does not impair the insulating effect and does not affect the paint condition of the enclosure, and is free from the influence of the external environment (solar heat, tornado, etc.) and prevents contamination of the installation site.
In addition, in order to primarily protect internal facilities in the event of a battery explosion and secondarily prevent the risk of an accident from spreading to surrounding facilities due to the enclosure being blown away, an explosion-proof disk or a pressure relief valve may be included as a safety device that operates at a certain pressure at the top of the immersion tank. In the case of adopting a double layered enclosure type as described above, the purpose is to provide an immersion cooling battery system integrated with a safe enclosure from explosion by including a safety device that opens in one direction by the pressure discharged by the explosion proof disk or pressure relief valve to ultimately discharge the pressure discharged by the explosion proof disk or pressure relief valve to the outside of the enclosure, or by providing an opening on the upper side of the enclosure to discharge the pressure.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 복수개의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈; 절연 특성을 가진 유체; 상기 배터리 모듈을 수용하는 공간을 마련하고 상기 유체로 채워 상기 배터리 모듈을 완전히 침지하는 액침 탱크 형태의 배터리 함체; 상기 유체가 배터리 모듈 내부로 입출이 가능하여 배터리 셀과 직접 접촉하도록 상기 배터리 모듈의 외부면에 구비하는 복수개의 개구부; 상기 액침 탱크에는 액침 탱크 내부로 배터리 모듈 인입이 가능하도록 액침 탱크 상단에 위치한 개폐식 상단 덮개;를 포함한다.
상기 유체가 상기 액침 탱크 내부로 인입하고 외부로 복귀하도록 상기 액침 탱크 외부에서 형성하는 외부 순환 루프를 포함하는 순환 배관; 상기 외부 순환 루프 상에는 상기 유체의 순환이 가능하도록 순환 펌프;를 형성한다.
상기 외부 순환 루프 경로 상에 위치하는 열교환기; 상기 열교환기는 순환하는 상기 유체를 냉각하는 쿨링부를 포함한다.
상기 열교환기는 순환하는 상기 유체를 가열하는 힛팅부를 포함한다.
상기 액침 탱크 내 상부면 또는 하부면 중 어느 하나 면에 형성되고 상기 순환 펌프에서 토출하여 상기 액침 탱크 내부로 인입하는 유체를 상기 탱크 내부에서 분배하는 배관인 인입 분배관; 상기 인입하는 유체의 이동 방향에 대응하는 나머지 하나 면에 형성되어 액침 탱크내 유체를 흡입하여 다시 순환 펌프로 복귀하도록 배관인 흡입관;을 포함하며, 상기 인입 분배관과 흡입관에는 유량을 균일하게 분배 또는 흡입하도록 배관의 길이 방향으로 크기가 상이한 개구공이 일렬로 복수개 형성된다.
상기 액침 탱크 내 하부면에 형성되고 상기 액침 탱크내 유체가 상기 액침 탱크 내부로 균등하게 분배되어 이동하도록 하는 복수개의 홀을 포함하는 다공 판넬;을 포함한다.
상기 다공 판넬 아래에는 시작단에서 끝단으로 가면서 경사를 주어 이동하는 유량을 균등하게 분배하는 유량 제어 장치를 형성하여 보다 효율적으로 유체 분배가 이뤄지되도록 한다.
상기 액침 탱크 내 상부에는 일정 깊이의 공기층을 형성하는 자유 공간; 상기 자유 공간의 저면과 맞닿는 유면의 위치를 상기 액침 탱크 상단 덮개를 열지 않고 외부에서 확인할 수 있도록 상기 액침 탱크의 외측 일측면에 형성되는 유면계;를 포함한다.
상기 액침 탱크 상단 덮개에 위치하여 배터리 셀의 고장으로 배출하는 가스와 압력을 신속히 배출하여 상기 액침 탱크와 내부 전기 장치를 보호할 수 있도록 일정 압력에 의해 개방하는 방폭 디스크를 포함한다.
본 발명은 복수개의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈; 절연 특성을 가진 유체; 상기 배터리 모둘을 수용하는 공간을 마련하고 상기 유체로 채워 상기 배터리 모둘을 완전히 침지하는 액침 탱크; 상기 유체가 배터리 모듈 내부로 입출이 가능하여 배터리 셀과 직접 접촉하도록 상기 배터리 모듈의 외부면에 구비하는 복수개의 개구부; 상기 액침 탱크에는 액침 탱크 내부로 배터리 모듈 인입이 가능하도록 액침 탱크 상단에 위치한 개폐식 상단 덮개; 상기 액침 탱크 주위의 적정 위치에 부착되어 상기 액침 탱크를 구조적으로 보강하는 복수개의 보강프레임; 상기 보강프레임들 사이 공간을 연결하는 판넬; 상기 판넬은 상기 액침 탱크를 에워싸는 함체인 외함;을 포함한다.
상기 외함의 일측면에 위치하여 판넬에 부착되는 배터리 관리 시스템이나 기타 전기 보호 장치를 수용하는 부속 박스; 상기 액침 탱크의 유체의 유면 수위를 측정하는 유면계; 상기 부속 박스가 부착되는 외함 판넬의 상부와 이에 대응하는 부속 박스 일면에 구비되고 상기 액침 탱크 내 상부에 공기층으로 채워지는 자유공간에 맞춰 형성되어 액침 탱크로부터 나오는 파워 케이블, 통신 케이블이 상기 부속 박스 내부로 엑세스가 가능하도록 하는 부속 박스 접근부;를 포함하고, 상기 유체가 상기 액침 탱크 내부로 인입하고 외부로 복귀하도록 상기 액침 탱크 외부에서 형성하는 외부 순환 루프 선상에 위치하며 순환하는 유체의 열에너지를 교환하고 상기 외함의 일측면에 위치하는 열 교환기;를 포함한다.
상기 부속 박스의 바닥면에 구비되어 상기 부속 박스내 전기 장치의 발열을 제거하도록 차가운 외부 공기가 인입하는 복수의 하부 개구부; 열에너지를 교환한 후 더워진 공기를 외부로 내보낼 수 있도록 상기 부속 박스 측면 상단에 형성된 루버 타입의 복수의 상단 측면 개구부; 상기 개구부를 통해 외부 곤충이나 이물질이 인입할 수 있는 것을 방지 할 수 있도록 각 개구부 내측면에 구비하는 매쉬망; 상기 루버 타입 상단 측면 개구부를 통해 내부로 유입되는 빗방물을 차단하도록 상기 개구부 내측면을 따라 비스듬하게 구비한 빗물 유입 방지 칸막이를 포함한다.
상기 액침 탱크내에 수용된 유체를 외부로 드레인 하기 위해 상기 액침 탱크 바닥면에 형성한 드레인 배관; 상기 드레인 배관은 배관이 형성된 액침 탱크 바닥면에 대응하는 위치의 외함 바닥 판넬에 형성된 개구공을 통해 외함 밖으로 나오게 되며 이때 드레인 배관과 외함 바닥 판넬 개구공을 결합하는 탱크 핏팅;을 포함하고, 상기 드레인 배관의 종단은 개폐식 잠금 밸브;로 마감한다.
상기 액침 탱크 상단의 개폐식 상단 덮개에 구비하여 탱크 내부에 유체를 채울 수 있는 주유구;를 포함한다.
상기 외함 상단에 구비하여 외함 내부로 접근할 수 있는 착탈식 지붕;을 포함한다.
상기 액침 탱크 상단의 개폐식 상단 덮개에 구비되며 상기 액침 탱크 내에 위치한 배터리 셀의 고장으로 배출하는 가스와 압력을 신속히 배출하여 상기 액침 탱크와 내부 장치를 보호할 수 있도록 일정 압력에 의해 개방하는 방폭 디스크;를 포함한다.
외함 지붕의 측면을 따라 구비되어 방폭 디스크로부터 배출되는 압력과 가스를 외부로 배출하는 복수의 개구부; 상기 개구부를 통해 외부 곤충이나 이물질이 인입할 수 있는 것을 방지 할 수 있도록 개구부 내측면에 구비하는 매쉬망; 상기 개구부를 통해 유입되는 빗방물이 내부로 인입을 방지하는 상기 개구부 내측면을 따라 비스듬하게 구비한 빗물 유입 방지 칸막이; 상기 칸막이에 막혀 모아진 빗방울을 외함 외부로 내보내는 배수공;을 포함한다.
외함 지붕의 일측면과 외함 측면 판넬과 결합하는 힌지; 상기 외함의 양 측면에 구비한 고정 플레이트; 상기 고정 플레이트와 대응하는 위치의 외함 지붕 면에 고정된 볼트; 상기 고정 플레이트에 외함 지붕이 상기 힌지를 축으로 열리는 동안 상기 볼트가 이동하는 경로 H를 따라 구비한 홈; 상기 볼트에 결합하여 상기 고정 플레이트를 압착하며 상기 외함 지붕이 열리는 동안에는 상기 고정플레이트의 홈을 따라 미끄러지는 너트;를 포함하고, 이때 방폭 디스크로부터 배출되는 압력으로 상기 외함 지붕이 열리도록 고정 플레이트를 압착하는 너트에 힘 N이 가해진다.
상기 외함은, 보강 프레임과 상기 판넬 사이 접촉면에 샌드위치된 가스켓; 상기 판넬들, 보강 프레임 및 가스켓을 서로 결합하는 결합 부재로는 스크류, 셀프 태핑, 또는 네일 건을 사용하여 서로 맞닿는 면이 압착하도록 체결하여 결합하는 이중 함체 형식이다.
상기 액침 탱크와 외함 판넬 사이에 형성되는 빈 공간에 수용하여 외부 열의 침입을 차단하는 단열재를 포함한다.
상기 액침 탱크에는 유체의 열팽창과 수축에 따라 발생하는 압력 차이를 균등화하도록, 상기 액침 탱크 상층부에 공기층으로 채워지는 자유공간에 맞춰 형성되는 액침 탱크 측벽에 설치하는 압력 균등 장치;를 더 포함하며, 상기 압력 균등 장치에는 압력을 균등화 과정에 외부로부터 유입되는 공기의 습기를 제거하는 제습제를 포함한다.
In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention includes: a battery module accommodating a plurality of battery cells; a fluid having insulating properties; a battery case in the form of an immersion tank that provides a space accommodating the battery module and fills the space with the fluid to completely immerse the battery module; a plurality of openings provided on an outer surface of the battery module so that the fluid can enter and exit the inside of the battery module and make direct contact with the battery cells; and an openable top cover located on an upper portion of the immersion tank so that the battery module can be introduced into the immersion tank.
A circulation pipe including an external circulation loop formed outside the immersion tank so that the fluid can be introduced into the immersion tank and returned to the outside; a circulation pump is formed on the external circulation loop so that the fluid can be circulated.
A heat exchanger positioned on the external circulation loop path; the heat exchanger includes a cooling section for cooling the circulating fluid.
The above heat exchanger includes a heating unit that heats the circulating fluid.
An inlet distribution pipe is formed on one of the upper and lower surfaces of the immersion tank and is a pipe for distributing fluid discharged from the circulation pump and introduced into the immersion tank within the tank; a suction pipe is formed on the other surface corresponding to the direction of movement of the incoming fluid and is a pipe for sucking the fluid within the immersion tank and returning it to the circulation pump; and a plurality of openings of different sizes are formed in a row in the length direction of the pipes in the inlet distribution pipe and the suction pipe so as to uniformly distribute or suck a flow rate.
It includes a porous panel formed on a lower surface within the immersion tank and including a plurality of holes that allow the fluid within the immersion tank to be evenly distributed and moved within the immersion tank.
Below the above-mentioned porous panel, a flow control device is formed to evenly distribute the moving fluid by giving a slope from the start to the end, thereby enabling more efficient fluid distribution.
The above immersion tank comprises: a free space forming an air layer of a certain depth at the upper portion thereof; an oil level gauge formed on one outer side of the above immersion tank so that the position of an oil level in contact with the bottom surface of the free space can be checked from the outside without opening the top cover of the above immersion tank;
It includes an explosion-proof disc located on the top cover of the immersion tank and opened by a certain pressure to quickly discharge gas and pressure discharged due to a failure of the battery cell, thereby protecting the immersion tank and internal electrical devices.
The present invention comprises: a battery module accommodating a plurality of battery cells; a fluid having insulating properties; an immersion tank providing a space for accommodating the battery modules and filling the tank with the fluid to completely immerse the battery modules; a plurality of openings provided on an outer surface of the battery module so that the fluid can enter and exit the inside of the battery module and make direct contact with the battery cells; an openable top cover positioned on an upper portion of the immersion tank so that the battery module can be introduced into the immersion tank; a plurality of reinforcing frames attached at appropriate positions around the immersion tank to structurally reinforce the immersion tank; a panel connecting spaces between the reinforcing frames; and an outer case, the panel being a body enclosing the immersion tank.
An accessory box which accommodates a battery management system or other electrical protection devices, which is located on one side of the housing and is attached to the panel; a level gauge which measures the fluid level of the immersion tank; an accessory box access section which is provided on the upper part of the housing panel to which the accessory box is attached and on one side of the accessory box corresponding thereto and which is formed in accordance with a free space filled with an air layer at the upper part inside the immersion tank so that a power cable and a communication cable coming from the immersion tank can access the inside of the accessory box; and a heat exchanger which is located on an external circulation loop line formed outside the immersion tank so that the fluid flows into the immersion tank and returns to the outside, and which exchanges thermal energy of the circulating fluid and is located on one side of the housing.
The accessory box includes: a plurality of lower openings formed on the bottom surface thereof to admit cool outside air to remove heat generated by an electric device inside the accessory box; a plurality of upper side openings of a louver type formed on the upper side of the accessory box to discharge heated air to the outside after exchanging heat energy; a mesh net formed on the inner surface of each opening to prevent outside insects or foreign substances from entering through the openings; and a rainwater inflow prevention partition obliquely formed along the inner surface of the openings to block rainwater from entering inside through the louver type upper side openings.
A drain pipe formed on the bottom surface of the immersion tank to drain the fluid contained in the immersion tank to the outside; the drain pipe is formed so as to come out of the outer case through an opening formed in the bottom panel of the outer case at a position corresponding to the bottom surface of the immersion tank where the pipe is formed, and at this time, a tank fitting that connects the drain pipe and the opening of the bottom panel of the outer case; and the end of the drain pipe is finished with an openable locking valve.
It includes a fuel port provided on the openable top cover at the top of the above-mentioned immersion tank, capable of filling the inside of the tank with fluid.
A removable roof is provided on the top of the enclosure and provides access to the interior of the enclosure.
The above-mentioned immersion tank is provided with an openable top cover, and includes an explosion-proof disc that opens by a certain pressure to quickly discharge gas and pressure discharged due to a failure of a battery cell located within the above-mentioned immersion tank, thereby protecting the above-mentioned immersion tank and internal devices.
It includes: a plurality of openings provided along the side of the outer roof to discharge pressure and gas discharged from the explosion-proof disk to the outside; a mesh net provided on the inner side of the opening to prevent external insects or foreign substances from entering through the opening; a rainwater inflow prevention partition provided obliquely along the inner side of the opening to prevent raindrops entering through the opening from entering the inside; and a drainage hole for discharging raindrops collected by the partition to the outside of the outer box.
A hinge coupled with one side of an outer case roof and an outer case side panel; fixed plates provided on both sides of the outer case; a bolt fixed to the outer case roof surface at a position corresponding to the fixed plates; a groove provided in the fixed plate along a path H along which the bolt moves while the outer case roof is opened about the hinge; a nut coupled to the bolt and compressing the fixed plate while the outer case roof is opened; wherein a force N is applied to the nut compressing the fixed plate so that the outer case roof is opened by a pressure discharged from an explosion-proof disc.
The above-mentioned outer case is a double-body type in which a gasket is sandwiched between the reinforcing frame and the contact surface between the panels; a connecting member that connects the panels, the reinforcing frame and the gasket to each other is fastened by pressing the surfaces that contact each other using screws, self-tapping, or a nail gun.
It includes an insulating material that is accommodated in the empty space formed between the above-mentioned immersion tank and the outer case panel to block the intrusion of external heat.
The above immersion tank further includes a pressure equalizing device installed on a side wall of the immersion tank formed in accordance with a free space filled with an air layer in an upper portion of the immersion tank to equalize a pressure difference caused by thermal expansion and contraction of the fluid; and the pressure equalizing device includes a desiccant that removes moisture in air introduced from the outside during the pressure equalization process.

본 발명의 일 실시예에 따라 복수 개의 배터리 셀로 수용하는 배터리 모듈을 사용하여, 배터리 모듈은 냉매인 절연 유체에 완전 침지되어 모듈 내 배터리 셀과 유체가 직접 접촉하도록 하여 열을 제어하고, 복수의 상기 배터리 모듈을 수용하고 상기 절연 유체로 채우는 공간을 마련하는 액침 탱크로 구성하며 상기 절연 유체는 공기보다 열에너지를 흡수할 수 있는 능력이 1000배 이상 높아 단순 액침 상태로도 배터리 열관리에 탁월한 효과를 제공한다.
액침 탱크의 흡입구에서 유체를 받아들여 열에너지를 증가 또는 감소시켜 다시 액침 탱크로 복귀하도록 유체를 순환시키는 외부 순환 루프를 형성하여 보다 효율적인 배터리의 열 제어뿐 아니라 배터리 간 온도 편차를 보다 적극적으로 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
모듈을 냉매인 절연 유체로 채우는 모듈 단위 침지 방식(module level immersion method)에 비해 상기와 같이 탱크 내부를 유체로 채우는 탱크 단위 침지 방식(tank level immersion method)은 모듈에서 높은 등급 밀폐성을 요구하지 않고 유체 이동을 위한 모듈 간 배관 연결 구성과 특수 컨넥터가 필요치 않아 제작이 간단하고, 비용이 저렴하며 잠재적 누유 발생 지점을 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 이러한 침지 방식은 모듈 단위 침지 방식에 비해 모듈 내부에서 유체가 이동하는 거리가 짧고 배터리 모듈 내부에서 유동 방향으로 유체가 균일하게 이동하게 되어 열 관리 효과를 향상시키는 효과를 제공한다.
배터리 모듈, 절연 유체, 액침 탱크 및 열교환기를 일체화된 하나의 함체로 구성함으로써 액침 탱크 외부에서의 유체 이동 거리를 줄일 수 있고 설치 공간을 절약하여 효율적인 유지 관리 효과를 제공한다.
또한, 열교환기가 쿨링부, 힛팅부, 순환 펌프로 구성되어 있어, 상기 유체의 온도를 빠르고 정확하게 조절하며, 이에 따라 배터리 성능을 최적화한다.
또한, 액침 탱크 외부에는 유체와 분리되도록 파워 및 통신 케이블과보호 장비와 BMS를 수용하는 부속 공간을 두어 안정적 관리와 보호를 실현한다. 복잡한 배터리 시스템에서 안전과 효율을 높이는 중요한 요소를 제공한다.
또한, 액침 탱크 내부 하측면과 상측면에 위치하며 유체의 입출을 위한 배관을 설치하여 유체의 순환을 도와 열교환 효율을 극대화한다. 특히, 배관에 형성된 크기가 상이한 일련의 개구공으로 균등한 유량 분배를 실현하여 전체 시스템의 열관리 성능을 향상시킨다.
또한, 액침 탱크 하측면에 대응하는 배관을 대신하여 다공 판넬을 설치할 수 있다. 일련의 개구공을 다공 판넬에 형성하고 상기 다공 판넬을 통해 유량이 균등하게 분배되어 이동하도록 전달하는 효과를 갖게 한다. 이로 인해 모듈당 균일한 유량이 통과하게 되어 모듈 간 온도 편차를 안정적으로 관리할 수 있다.
또한, 유량 제어 장치를 추가로 설치하여 더욱 효율적인 유량 분배 효과를 가질 수 있다. 유량 제어 장치의 실시 예로 다공 판넬 아래에 경사진 판넬을 설치하여 유체가 상측부로 균등하게 이동하도록 관리하여, 전체 시스템의 열관리 성능을 극대화한다. 이러한 구성은 배관을 설치하지 않고도 유체를 효율적으로 분배하는 효과를 갖게 한다.
또한, 유체의 팽창과 수축으로 인해 발생하는 압력을 수용하기 위해 액침 탱크에 압력 균등 장치를 설치하며 상기 압력 균등 장치에 공기가 이동하는 경로를 두어 이 경로 상에 제습제를 설치함으로써 탱크내로 인입하는 외부 공기의 습기를 제거하여 내부 전기 장치의 절연 성능을 보호하는 효과를 갖도록 한다.
또한, 액침 탱크 상부에 공기층을 형성하는 자유 공간을 수용하도록 하여 유체의 팽창과 수축으로 인한 탱크 내 과압 형성을 방지하도록 하여 안전성을 높이는 효과를 갖게 한다. 이때 자유 공간과 맞닿는 유면은 탱크 내 최상단에 위치한 배터리 셀까지 일정 거리를 유지하도록 하여 유체 손실이 있더라도 배터리는 완전 침지상태를 유지하도록 하여 안전성을 높이는 효과를 갖도록 한다.
상기 액침 탱크에는 유면계를 설치하여 액침 탱크 내부를 직접 보지 않더라도 외부에서 유체의 수준과 누유 상태를 확인할 수 있어 효율적인 유지 관리가 가능하다.
또한, 복수개의 보강 프레임으로 액침 탱크를 둘러싸 구조적 보강할 수 있으며 상기 프레임과 프레임 사이 공간을 판넬로 연결하여 액침탱크를 에워싸는 이중 함체 형식의 외함을 구성한다. 이러한 구성으로 전체 구조의 안정성과 열 효율성을 향상시키고 비상시 누유 방지로 인해 환경 관리가 용이하게 한다.
또한, 외함 판넬과 보강 프레임은 용접 또는 가스켓 실링 등으로 결합할 수 있으나 용접의 경우 도장 품질 상태 유지 어려움과 이로 인한 녹 발생 가능성, 열 변형에 따른 판넬의 뒤틀림, 작업자의 숙련도에 따른 용접 품질 편차, 용접면을 따라 외부에서 내부로 전달되는 열 침입 등 문제가 될 소지가 있어 가스켓 실링 방식이 더욱 바람직하며 구조물의 제작 품질과 단열 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 액침 탱크와 외함 판넬 사이 공간에는 단열재를 추가 부착함으로써 열 손실을 최소화하고 에너지 효율성을 향상시킨다.
또한, 액침 탱크로부터 새어나오는 유체가 외부로 누유되지 않기 위해서 외함 판넬을 관통하는 배관은 탱크 핏팅 등을 사용하여 제작 조립을 용이하게 하고 액침 탱크 상단 덮개에 주유구를 설치하여 설치 또는 유지 관리 시 내부를 열지 않고 주유가 가능하게 함으로써 유체의 오염을 방지하는 효과를 갖는다.
또한, 액침 탱크 상단에는 일정 압력에 개방하는 방폭 디스크나 압력 배출 밸브를 설치하여 배터리 폭발 압력으로부터 전체 구조를 보호하는 효과를 갖게 한다. 또한, 외함에는 상기 액침 탱크 상단 덮개와 마주하는 지붕을 설치하며 지붕 측면에 개구부를 구성하거나 지붕의 한 면을 축으로 열리도록 하는 힌지와 고정 장치의 조합으로 긴급 시 내부 압력을 외부로 배출하도록 하여 안전성을 높이는 효과를 갖게 한다.
According to one embodiment of the present invention, a battery module is used which accommodates a plurality of battery cells, the battery module is completely immersed in an insulating fluid which is a refrigerant so that the battery cells within the module and the fluid come into direct contact with each other to control heat, and is configured with an immersion tank which accommodates a plurality of the battery modules and provides a space filled with the insulating fluid, wherein the insulating fluid has a capacity to absorb heat energy 1000 times higher than that of air, and thus provides an excellent effect in battery heat management even in a simple immersion state.
By forming an external circulation loop that receives fluid from the inlet of the immersion tank, increases or decreases thermal energy, and circulates the fluid back into the immersion tank, it provides not only more efficient thermal control of the battery, but also the effect of more actively reducing the temperature difference between batteries.
Compared to the module level immersion method in which the modules are filled with insulating fluid, which is a refrigerant, the tank level immersion method in which the inside of the tank is filled with fluid does not require a high degree of sealing in the module, does not require special connectors or piping connections between modules for fluid movement, and is therefore simple to manufacture, inexpensive, and offers the effect of drastically reducing potential leak points.
In addition, this immersion method provides the effect of improving the thermal management effect by shortening the distance that the fluid moves inside the module compared to the module-by-module immersion method and allowing the fluid to move uniformly in the flow direction inside the battery module.
By configuring the battery module, insulating fluid, immersion tank, and heat exchanger into a single integrated housing, the distance of fluid movement outside the immersion tank can be reduced, installation space can be saved, and efficient maintenance can be achieved.
In addition, the heat exchanger is composed of a cooling section, a heating section, and a circulation pump, which quickly and accurately controls the temperature of the fluid, thereby optimizing battery performance.
In addition, the outside of the immersion tank is provided with an auxiliary space that houses power and communication cables, protection equipment, and BMS to separate them from the fluid, thereby realizing stable management and protection. It provides an important element to increase safety and efficiency in complex battery systems.
In addition, by installing pipes for the inlet and outlet of fluids located on the lower and upper sides of the immersion tank, the circulation of fluids is assisted and heat exchange efficiency is maximized. In particular, by realizing even flow distribution through a series of different-sized openings formed in the pipes, the thermal management performance of the entire system is improved.
In addition, a porous panel can be installed instead of the pipe corresponding to the lower side of the immersion tank. A series of openings are formed in the porous panel, and the effect is to transmit the flow rate to be evenly distributed and moved through the porous panel. This allows a uniform flow rate to pass through each module, and thus the temperature difference between modules can be stably managed.
In addition, a flow control device can be additionally installed to achieve a more efficient flow distribution effect. As an example of a flow control device, an inclined panel is installed under a porous panel to manage the fluid to move evenly to the upper side, thereby maximizing the thermal management performance of the entire system. This configuration has the effect of efficiently distributing the fluid without installing pipes.
In addition, a pressure equalizing device is installed in the immersion tank to accommodate the pressure generated due to expansion and contraction of the fluid, and a path for air to move to the pressure equalizing device is provided, and a desiccant is installed on this path to remove moisture in the external air drawn into the tank, thereby protecting the insulation performance of the internal electrical devices.
In addition, by accommodating a free space that forms an air layer at the top of the immersion tank, it prevents the formation of overpressure in the tank due to expansion and contraction of the fluid, thereby enhancing safety. At this time, the fluid level in contact with the free space is maintained at a certain distance to the battery cell located at the topmost part of the tank, so that even if there is fluid loss, the battery is maintained in a completely immersed state, thereby enhancing safety.
An oil level gauge is installed in the above immersion tank so that the fluid level and leakage status can be checked from the outside without directly looking inside the immersion tank, enabling efficient maintenance.
In addition, the immersion tank can be structurally reinforced by surrounding it with a plurality of reinforcing frames, and the space between the frames is connected with a panel to form a double-body type enclosure surrounding the immersion tank. This configuration improves the stability and thermal efficiency of the entire structure, and facilitates environmental management by preventing leakage in an emergency.
In addition, the outer panel and the reinforcing frame can be joined by welding or gasket sealing, but welding can cause problems such as difficulty in maintaining the paint quality, possibility of rust due to welding, warping of the panel due to thermal deformation, welding quality deviation depending on the skill of the worker, and heat penetration from the outside to the inside along the welding surface. Therefore, the gasket sealing method is more preferable and can improve the manufacturing quality and insulation performance of the structure.
Additionally, by adding insulation between the immersion tank and the outer panel, heat loss is minimized and energy efficiency is improved.
In addition, in order to prevent the fluid from leaking out of the immersion tank from leaking to the outside, the pipe penetrating the outer panel is manufactured and assembled easily using tank fittings, etc., and a fuel port is installed on the top cover of the immersion tank to enable fueling without opening the inside during installation or maintenance, thereby preventing contamination of the fluid.
In addition, an explosion-proof disc or pressure relief valve that opens at a certain pressure is installed on the top of the immersion tank to protect the entire structure from battery explosion pressure. In addition, a roof is installed on the outer case facing the top cover of the immersion tank, and an opening is formed on the side of the roof or a combination of hinges and fixing devices that open one side of the roof along an axis is used to release internal pressure to the outside in an emergency, thereby increasing safety.

도 1(a)는 종래 랙 형식의 배터리 시스템에 액침 방식를 적용한 예시이며(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액침 방식과 일체화한 배터리 시스템을 탱크 형식의 함체와 통합한 개념을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 함체와 통합된 액침 방식 배터리 시스템 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3(a),(b),(c) 와(d)는 공랭식 배터리 시스템과 액침 방식 배터리 시스템의 냉각 효율을 보여주는 실험 데이터이며(e)와(f)는 액침 방식 배터리 시스템의 화재 안전성을 평가한 실험 데이터를 나타내는 도면이다.
도 4는 화재 안전성을 높이기 위해 안전거리 d를 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 토출구의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액침 탱크 내부에 구성한 유체 인입 분배관과 흡입관과 이에 따른 유동 방향을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액침 탱크 내부에 다공 판넬과 유량 제어 장치의 구성을 보여주며 이에 따른 유동 방향을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성에 의해 유량 분배를 보여주는 전산 해석 모델과 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액침 탱크와 액침 탱크 주위를 둘러싸 구조적으로 보강하는 프레임을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 외함 판넬, 프레임, 가스켓 그리고 결합 부재를 사용하여 구성하는 이중 함체 형식의 외함을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11(a)와(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 외함 판넬과 프레임사이 샌드위치한 가스켓을 압착하여 결합하는 단면을, (c)는 외함 판넬과 액침 탱크와 사이 공간에 단열재를 포함하는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 외함을 수직 수평 지지하기 위한 지지발과 베이스 프레임의 단면을 대략적으로 나타내는 도면이다.
도 13(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유지 보수를 위한 유체 드레인 장치를 구성을, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 주유 장치와 방폭 장치구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 외함의 지붕 구성과 지붕 측면에 형성한 개구부를 대략적으로 보여주며 빗물 유입 방지를 위한 형상 구조를 대략적으로 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 폭발 방지 외함 지붕 구조의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 폭발 방지를 위해 일정 압력에 의해 외함 지붕이 열리도록 구성한 여러 장치를 대략적으로 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16에서 설명한 장치들로 지붕이 열리는 메카니즘과 이를 구현하기 위한 힘의 관계를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 외함 전면부에 위치한 부속 시설물을 위한 별도의 공간의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 부속 박스와 열교환기를 포함한 외함 함체와 방열과 외부 물질 인입을 방지를 위한 부속 박스의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 상세 단면이다.
Fig. 1(a) is an example of applying an immersion method to a conventional rack-type battery system, and (b) is a drawing showing the concept of integrating a battery system integrated with an immersion method according to one embodiment of the present invention with a tank-type container.
FIG. 2 is a drawing schematically showing the configuration of an immersion battery system integrated with a body according to one embodiment of the present invention.
Figures 3(a), (b), (c) and (d) are experimental data showing the cooling efficiency of an air-cooled battery system and a liquid-immersed battery system, and (e) and (f) are drawings showing experimental data evaluating the fire safety of a liquid-immersed battery system.
FIG. 4 is a drawing schematically showing one embodiment of the present invention for implementing a safety distance d to enhance fire safety.
FIG. 5 is a drawing schematically showing the configuration of a discharge port of a battery module according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a drawing schematically showing a fluid inlet distribution pipe and a suction pipe configured inside an immersion tank according to one embodiment of the present invention and the flow direction thereof.
FIG. 7 is a drawing schematically showing the configuration of a porous panel and a flow control device inside an immersion tank according to one embodiment of the present invention and the flow direction thereof.
FIG. 8 is a diagram showing a computational analysis model and analysis results showing flow distribution by a configuration according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a drawing schematically showing an immersion tank and a frame surrounding and structurally reinforcing the immersion tank according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a drawing schematically showing a double-body type housing constructed using an exterior panel, a frame, a gasket, and a joining member according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 11(a) and (b) are cross-sectional views showing a gasket sandwiched between an outer panel and a frame according to one embodiment of the present invention, which are joined by pressing, and (c) is a drawing schematically showing a configuration including an insulating material in the space between the outer panel and the immersion tank.
FIG. 12 is a drawing schematically showing a cross-section of a support leg and a base frame for vertically and horizontally supporting an outer case according to one embodiment of the present invention.
FIG. 13(a) is a drawing schematically showing a configuration of a fluid drain device for maintenance according to one embodiment of the present invention, and (b) is a drawing schematically showing a configuration of a fueling device and an explosion-proof device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a drawing schematically showing a roof configuration of an outer case according to one embodiment of the present invention and an opening formed on a side of the roof, and schematically showing a shape structure for preventing rainwater from entering.
FIG. 15 is a drawing schematically showing the configuration of an explosion-proof enclosure roof structure according to one embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a drawing schematically showing several devices configured to open the outer roof of a case by a certain pressure for explosion prevention according to one embodiment of the present invention.
Figure 17 is a drawing showing the mechanism for opening the roof using the devices described in Figure 16 and the relationship of forces for implementing it.
FIG. 18 is a drawing schematically showing the configuration of a separate space for accessory facilities located on the front of an outer case according to one embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a drawing schematically showing the configuration of an outer case including an accessory box and a heat exchanger according to one embodiment of the present invention and an accessory box for heat dissipation and prevention of inflow of external substances .
Figure 20 is a configuration according to another embodiment of the present invention.
Figure 21 is a detailed cross-section according to another embodiment of the present invention.

상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1에 도시한 바와 같이 액침 냉각 방식을 적용한 배터리 시스템을 구현하는 (a) 랙 방식, (b) 탱크 방식을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1(a)에 도시한 바와 같이 보편적인 배터리 시스템 구조는 배터리 셀을 수용하는 모듈과 배터리 모듈을 수직 적층한 랙 형식을 따른다. 이러한 형식은 단위 면적당 에너지 밀도를 높이는 잇점이 있으나 액침 냉각 방식을 구현하기 위해서는 모듈을 냉매인 유체로 채워야된다. 누유 방지를 위해 유체로 채운 모듈은 높은 밀폐도를 위한 케이싱 설계와 특수 컨넥터가 사용되어야 하며 유체 이동을 위해 모듈 간 배관 연결이 필요하다. 이는 잠재적 누유 지점이 증가하여 유지 관리 문제가 복잡하고 모듈의 중량으로 전체적인 수직 중량이 증가하는 단점이 있다. 또한 유체 순환을 위해서는 모듈간 배관을 통함으로써 외부에서 이동하는 유체의 이동거리가 증가하여 열관리측면에서 효율적이지 않다.
이러한 단점을 보완하기 위해 본 발명은 도 1(b)에서 보여주듯 배터리 모듈(2)을 수용하는 탱크(100)를 냉각 유체(3)로 채워 모듈을 완전히 잠그는 탱크 방식으로 모듈에서 높은 밀폐도가 요구되지 않아 이를 위한 부품 개수가 최소화되어 제작 및 조립이 간단하다. 잠재적 누유 지점 수가 최소화되어 유지 관리가 용이하고, 탱크 내 압력 조절과 순환을 위한 별도의 유체 저장 장치가 필요치 않고 액침 탱크(100) 외부에서 유체 이동거리가 짧아 열 관리 측면에서 보다 효율적이다.
따라서, 본 발명은 배터리 모듈(2)과 냉각 매개체(cooling medium)인 유체(3)을 효과적으로 함침시키기 위해 설계된 액침 탱크(100)로 구성되어, 배터리의 냉각 효율을 극대화하고, 누유 지점을 최소화하여 전체 배터리 시스템의 안전성과 신뢰성을 향상시킨다.
상기한 구조는 액침 탱크(100)에서 발생할 수 있는 누유에 대비하여 외부로 유출되지 않도록 보호 기능을 제공하도록 액침 탱크(100)를 둘러싸는 이중 함체 형태로 설계된 외함(200)을 포함하여, 비상시 누유를 대비한 유체(3) 저장 기능을 갖춘다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 액침 탱크와 BMS(Battery Management System)와 기타 전기 보호장치를 수용하는 공간과 열교환기를 하나의 공간에 통합한 함체와 일체화된 액침 냉각 방식 배터리 시스텡의 실시예와 대략적인 공간 구성도를 보여준다. 외함의 일측면에 위치하며 부착되는 BMS나 기타 전기 보호 장치를 수용하는 공간을 마련하는 공간인 부속 박스(1-1)를 포함한다. 상기 열교환기(9)는 액침 탱크(100)로부터 흡입한 유체의 열에너지를 조절한 후 다시 액침 탱크로 복귀시키는 기능을 수행하도록 외부 순환 루프 상에 위치하며 외부에서 이동하는 유체의 유동거리를 최소화하기 위해 상기 열교환기는 상기 외함의 일측면에 구성하여 열교환기와 일체화된 배터리 시스템을 수용하는 함체를 제공한다.
열교환기(9)는 쿨링부와 순환 펌프를 포함하며 필요에 따라 힛팅부가 추가되기도 한다. 쿨링부(미도시)는 유체를 냉각시키며 차가워진 유체는 배터리의 열을 제거한다. 순환 펌프(7)는 유체를 강제 순환시켜 냉각의 효율을 높인다. 히팅부(미도시)는 유체를 가열하여 배터리가 저온 환경에서도 최적의 성능을 유지할 수 있도록 지원한다.
상기한 열교환기(9)는 배터리 시스템과 일체화되어 하나의 공간인 함체에 수용되어 통합함으로써 시스템의 복잡성을 감소시키고, 시스템의 효율성을 향상시키며, 유지 보수의 용이성을 제공한다. 이와 같이, 열교환기(9)는 배터리 시스템의 성능을 최적화하고, 다양한 운영 조건에서도 안정적인 작동을 보장하며, 전체적인 에너지 관리 효율을 증진시키는 기능을 한다.
도 3의 그래프는 액침 냉각 방식의 효율성과 화재 안전성을 확인하기 위한 자체 실험 결과이다.
도3의 상단 그래프(a), (b), (c)와 (d)는 액침 냉각과 내부 유체 순환에 따른 배터리 열 제어 효과를 알아보는 자체 실험 결과인 시간 이력 데이터이다. 총 10개의 배터리 모듈을 탱크 내부에 나란히 배열한 후, 탱크를 절연 유체로 채운후 세가지 조건에서 배터리 충방전 운전을 하였다.
첫 번째 조건은 유체를 순환하지 않는 단순 액침 상태로 두 번째 조건은 유체를 순환 펌프를 사용하여 강제 순환하도록 하며 세 번째 조건에서는 순환하는 유체를 열교환기를 통해 냉각하여 충방전 운전을 수행했다.
비교를 위해 7개의 배터리 모듈을 별도의 배터리 랙에 적층한 후 자연 대류 냉각 방식을 활용하여 동일한 C-rate로 충방전을 수행하였다.
모든 실험에서 모듈당 각기 다른 두지점에서 배터리 셀의 온도를 측정하였고 충방전이 끝난 후에도 9시간 정도 추이를 관찰하였다.
도 3(a)에서와 같이 자연 대류 방식의 경우, 배터리의 최고 온도는 40도를 상회하였으나 도 3(b)에서와 같이 단순 액침 상태인 경우 배터리 최고 온도는 30도 초반을 기록하였다. 도 3(c)에서와 같이 유체를 순환하는 경우, 배터리 최고 온도는 평균적으로 단순 액침 상태와 크게 다르지 않았으나 배터리 셀간 온도 편차는 훨씬 줄어들었다. 마지막으로 도 3(d)에서와 같이 열교환기를 통한 순환과 냉각을 동시에 진행한 경우, 배터리 최고 온도는 27도를 넘지 않았으며 배터리 셀간 온도 편차도 앞선 도 3(a)와(b)의 경우보다 훨씬 줄어 들었다.
따라서 단순 액침으로도 상당한 냉각 효과를 볼 수 있으며 유체 순환으로 배터리 간 온도 편차를 획기적으로 줄일 수 있으며 유체를 냉각하는 경우, 높은 C-rate 운전에서도 배터리 최고 온도를 효과적으로 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
도 3의 하단 그래프와 사진 도면은 화재 안전성 평가 실험을 위한 시험체와 그 결과이다.
화재 안전성 평가 시험에서는 특정 배터리 셀을 외부로부터 전원을 통해 가열하여 열 폭주를 일으킨 다음 주변 셀로 전이되는가를 확인하였다. 열폭주가 발생하는 시점에서 배터리 셀의 온도는 급격하게 상승하여 순간 최고 온도는 600도 이상을 기록하게 된다. 따라서 주변 셀의 몸통 온도를 관찰하여 열 폭주 전이(thermal runaway propagation)여부를 판단할 수 있다.
도 3(e)에서 보여주듯 첫 번째 실험에서는 시험체 챔버내에 여러개의 배터리 셀을 수직으로 배열한 후 시험 챔버 내부를 완전히 유체로 채운 후, 미리 지정한 두 개의 인접한 배터리 셀을 동시 가열한 결과 첫 번째 열 폭주가 발생(600도 이상)후, 두 번째 열 폭주 발생하자 순식간 주변 셀의 몸통 온도 또한 800도를 넘는 고온을 기록하여 주변 셀로 열 폭주 현상이 전이 되었음을 알 수 있었다. 첫 번째 열 폭주 발생 시 압력과 함께 유체 일부가 챔버 외부로 빠져 나갔으며 이 때 나머지 배터리 셀의 몸통 일부가 유체 밖으로 노출되었다. 두 번 째 셀에서 열폭주가 발생하자 높은 고온에 주변 셀들이 노출되어 열폭주 전이를 촉발시킨 것으로 판단되었다.
도 3(f)에서 보여주듯 두 번째 시험에서는 배터리 셀을 수평으로 배열한 후 실험동안 배터리 셀들이 완전 침지 상태를 유지하도록 최상단 배터리 셀과 시험체 챔버 상단 커버까지 일정 거리를 확보하여 챔버 내부를 완전히 유체로 채웠다. 미리 지정한 두 개의 인접 배터리 셀을 동시 가열한 결과 지정한 셀들에게서 열폭주가 발생한 동안에도 주변 배터리 셀의 몸통온도는 100도 미만을 유지하여 열폭주가 전이하지 않았다. 열폭주 동안 유체 일부가 외부로 빠져 나가더라도 나머지 배터리 셀들은 완전 침지 상태를 유지함으로써 열적 충격으로부터 보호되어 전이가 발생하지 않았음을 알수 있었다.
이 실험 결과는 화재 위험성을 낮추는 중요한 고려 요인으로 유체의 유면과 최상단 배터리 셀과 거리를 어느 정도 확보하여 유체 손실에도 완전 침지 상태를 유지해야 함을 알 수 있다.
도 3의 화재 안전성 평가 실험 결과를 바탕으로 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 유체(3)의 유면과 최상단에 자리한 배터리 셀과 안전 거리 d를 확보하여 화재 안전성을 높이는 중요 구성요소를 나타낸다. 도 4(a)와(b)에서와 같이 안전 거리 d를 랙 방식과 탱크 방식에서 구현할 수 있다. 하지만 도 3(a)에서와 같이, 랙 방식의 경우 일정 거리의 d를 확보하는 것이 공간 제약으로 어려우며 이를 해결하기 위해서는 모듈의 용적을 키울 수 밖에 없어 공간을 효율적인 측면에서 불리하다. 반면 탱크 방식에서는 일정 길이의 안전거리 d를 확보하는데 훨씬 공간적 자유로움이 있다.
또한 탱크방식에서는 탱크(100) 최상단에 일정 깊이 D의 공기층을 가진 자유공간을 확보할 수 있다. 이러한 자유 공간은 유체(3)의 부피 팽창과 수축으로 인해 탱크내 과압을 방지하는데 매우 효과적이다.
본 발명에서는 배터리의 열을 보다 효과적으로 제어하기 위해 상기 배터리 모듈(2)의 설계는 유체(3)의 흐름이 균일하게 유지하도록 하여, 모듈 내부 배터리 셀을 동일한 유량으로 냉각할 수 있도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(2)의 열을 효과적으로 제거할 수 있도록 유동 방향에 따라 모듈 내부로 균등하게 인입하고 외부로 토출하도록 한다.
본 발명 실시예로 배터리 모듈의 양 단 중 어느 하나에는 복수개의 제1 토출구(2-6)가 형성된다. 제1 토출구는 유체가 인입되는 입구로서, 유체를 배터리 모듈(2) 내부로 공급하여 배터리 셀과 직접 접촉하여 열을 흡수하고 이동시키는 역할을 한다. 상기 제1 토출구(2-6)는 배터리 모듈의 효율적인 냉각을 위해 배터리 모듈에 유체를 공급하는 중요한 부분이다.
제1 토출구(2-6)를 통해 배터리 모듈 내부로 인입된 유체(3)는 모듈 하부에서 상부로 이동하여 복수개의 제2 토출구(2-7)를 통해 모듈 외부로 빠져나온다. 제2 토출구(2-7)는 제1 토출구(2-6)에서 인입한 유체의 이동 방향에 대응하여 형성되며, 이는 배터리 모듈(2)을 통과한 후 열을 흡수한 유체가 나가는 출구 역할을 하며 추가적으로 상부 측면에 제3 토출구(2-8)를 형성할 수 있다.
따라서, 이와 같은 토출구의 배치는 유체가 배터리 모듈의 내부를 균등하게 통과하면서 주 유동거리를 최소화하여 내부 열을 효과적으로 흡수하고, 이를 배터리 모듈 외부로 전달함으로써, 배터리 모듈 내 배터리 셀의 온도를 보다 균일하고 효과적으로 유지하도록 한다.
본 발명에서는 액침 탱크(100) 내에 수용된 각각의 배터리 모듈(2)의 열을 균등하게 제어하기 위해 상기 액침 탱크(100) 내부에서 유동 방향으로 균일한 유량을 유지되도록 하여, 냉각 효과가 각 모듈에 동일하게 적용될 수 있도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 액침 탱크(100)의 저면에, 외부에서 유체가 인입하는 인입구를 통해 내부로 이동하여 분배하는 인입 분배관(11); 상기 액침 탱크(100)의 상부에는 유체를 외부로 다시 복귀시키는 흡입관(12);을 포함하며, 상기 인입 분배관(11)과 흡입관(12)에는 길이 방향으로 크기가 상이한 일정 갯수의 홀(13)이 일련되어 형성된다. 이러한 구성은 액침 탱크(100)내로 인입한 유체(3)가 내측으로 이동하면서 상기 탱크 상측부로 균등한 유량을 분배하도록 하여 각 모듈에 균등한 냉각 효과를 줄 수 있다.
도 7에서는 보다 효율적 유량 분배를 위한 본 발명의 일 실시예를 보여준다. 상기 액침 탱크(100)의 저면에, 인입 분배관(11)을 대신하여 모듈 아래에 위치하며, 유체를 상측부로 균일하게 전달하는 복수개의 홀(13)을 포함하는 다공 판넬(15);을 형성하고, 상기 다공 판넬 아래에, 시작단에서 끝단으로 가면서 기울어지는 경사를 가진 판넬로 형성한 유량 제어 장치(16);가 더 형성된다.
구체적으로 살펴보면, 본 발명의 액침 탱크 내부는 외부에서 인입한 유체가 내측으로 이동하는 동안 균등한 유량으로 상측부로 분배하는 기능을 수행하여 각 모듈 간 동일한 냉각 효과를 제공하여 배터리의 온도 편차를 줄임으로써 배터리 시스템의 높은 신뢰성과 안전성, 수명 연장 효과를 기대할 수 있다.
도 8(a)와(c)는 액침 탱크(100) 하부에 인입 분배관(11)을 구비하고 상기 탱크 내부로 인입하는 유체가 내측으로 이동하면서 상측부로 균등하게 분배되는지를 알아보는 3D 유체 해석 모델(3D fluid dynamic model)과 탱크 하부에서 60mm 높이에서 계산된 유량 흐름(fluid mass flow) 분포 결과이며 도 8(b) 와(d)에서는 액침 탱크 하부에 다공 판넬(15)을 구비하고 상기 다공 판넬 아래면에는 경사진 유량 제어 장치(16)를 형성하여 탱크 내부에서 유체가 이동하면서 상측부로 균등하게 분배되는지를 알아보기 위한 3D 유체 해석 모델(3D fluid dynamic model)과 탱크 바닥면에서 60mm 높이에서 계산된 유량 흐름(fluid mass flow) 분포 결과 그래프이다.
도 8(a)와(b)의 유량 분포 결과 그래프에서 보여주듯, 인입 분배관(11)으로 구성된 모델 보다 다공 판넬(15)과 유량 제어 장치(16)로 구성된 모델에서 유량의 분포가 더욱 균일함을 보여주고 있어 다공 판넬과 유량 제어 장치를 통해 유체를 효율적으로 분배가 가능함을 보여주었다. 이러한 구성은 배관 결합을 위한 용접 작업이 불필요해져 제작이 단순해지며 효율적인 유체 분배를 이룰 수 있는 잇점이 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 액침 탱크(100)의 주위에는 수평과 수직 방향으로 보강하는 다수의 수평 프레임(110, 140)과 수직 프레임(120)을 포함하고 있다.
이러한 구성은 액침 탱크(100)의 구조적 안정성을 향상시키며, 수평 프레임(110, 140)과 수직 프레임(120)은 이중 함체 형식의 외함을 구성하는 요소가 되어 주변 환경으로부터 액침 탱크(100)를 보호하게 한다.
프레임(110, 120, 140)은 액침 탱크(100)를 지지하는 역할을 하며, 외함을 구성하는 판넬과 결합하여 이중 함체 구조를 형성하고 비상시 상기 액침 탱크로부터 누유하는 유체를 외부로 빠져 나가지 못하도록 가두는 역할을 하여 유체 외부 유출로 인한 환경 오염을 방지한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 판넬(210, 211)들과 결합하는 프레임(110, 120, 140) 사이에는 가스켓(251)이 부착된다. 상기 가스켓(251)은 결합 부재(252)에 의해 서로 견고하게 결합된다. 상기 결합 부재는 스크류, 셀프 태핑 스크류, 혹은 네일 건을 포함할 수 있으며, 이는 판넬과 프레임 사이의 가스켓을 압착하여 실링효과를 제공하도록 하며 액침 탱크와 외부 판넬로 구성한 이중 함체 형식을 완성토록 한다.
이러한 이중 함체 형식은 토네이도로 인한 충격으로부터 액침 탱크를 보호할 수 있으며 가스켓 실링 결합으로 인해 누유를 방지하고 외부 열이 내부로 침입하는 열 전도 경로를 차단하는 효과를 제공하며 액침 냉각 방식 배터리 시스템의 신뢰성과 안전성을 향상시키고 열관리의 효율성을 향상시킨다.
도 11(a)와(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예로 외함 판넬들과 프레임 사이에 샌드위치된 가스켓(251)과 이를 결합하는 결합부재(252)의 단면을 보여주고 있다.
도 11(c)에서 보여주듯 액침 탱크(100)의 외측, 바닥면과 외함의 판넬(210, 211) 사이에 형성되는 빈 공간에는 단열재(142)를 수용한다. 상기 단열재는 외부 열로부터 액침 탱크를 보호하여 액침 방식 열관리 효율과 성능의 일관성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.
상기 단열재(142)는 액침 탱크(100)의 외측면 전체를 둘러싸도록 배치되어 있어 외부로부터의 열적 영향을 최소화한다. 이러한 구성은 외부 환경의 영향을 최소화하여 액침 탱크의 온도를 안정적으로 유지하게 한다.
따라서, 본 발명의 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템은 배터리 사용 중 발생할 수 있는 다양한 열 관련 문제들에 대응하여 배터리의 신뢰성과 안전성을 향상시킨다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이중 함체 형식의 외함(200)을 효과적으로 지지하기 위해 상기 외함을 지지하는 지지대의 결합 장치는 바닥에 설치되는 베이스 프레임(303)과 지지발(305)을 포함한다. 상기 베이스 프레임은 시스템 전체의 중량을 상기 지지발로 전달하는 역할을 수행하며 상기 지지발은 상기 베이스 프레임에 전달되는 수직 수평하중을 바닥으로 전달하는 기능을 수행한다.
도 13(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예로 유지 관리 목적상 내부 유체를 외부로 간편하게 드레인하게 하고자 액침 탱크 바닥면(150)과 외함 바닥 판넬(210)을 관통하는 드레인 배관(222)을 설치하고 상기 드레인 배관과 상기 외함 바닥 판넬은 탱크 핏팅(221)을 사용하여 누유 방지 마감을 한다.
상기 드레인 배관의 종단부에는 유체(3)의 유지 및 교체 작업 시 필요에 따라 개폐가 가능하도록 개폐식 잠금 밸브(223, 미도시)로 마감한다.
도 13(b)에 도시한 바와 같이 액침 탱크의 상단 덮개(1-2)를 열지 않고 유체(3)를 주유하는 장치를 포함한다. 주유 장치인 주유구(19)를 포함하여, 상기 주유구는 상기 상단 덮개 일정 위치에 설치한다.
상단 덮개(1-2)에 형성한 주유구(19)는 주유 동안 유체를 흘리더라도 외함의 측면을 따라 외부로 새어나가지 않게 된다. 또한 주유구를 통해 주유함으로써 액침 탱크 내부를 개방하지 않아도 되며 이는 주유동안 주변 환경과 접촉으로 유체가 오염됨을 최대한 방지하게 한다.
더불어, 도 13(b)에 도시한 바와 같이 본 발명의 액침 탱크(100)는 배터리의 고장으로 내부 압력의 급격한 상승을 감지하여 안전을 보장하는 장치인 방폭 디스크(1-21) 나 압력 배출 밸브를 포함한다. 방폭 디스크(1-21)는 액침 탱크의 상단 덮개(1-2)에 배치되어 내부 압력이 개방 압력에 도달했을 때 개방되어 액침 탱크 내부의 압력을 신속히 외부로 배출한다. 개압 압력은 0.2~0.4bar 가 바람직하며 개방 압력으로 내부 압력 축적을 방지하여 탱크 내부 구조를 보호하는 역할을 한다.
본 발명의 이러한 구성은 안전성, 효율성, 제작 간편성, 유지 보수 용이성을 동시에 고려한 설계를 반영하여 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템의 기능성과 신뢰성을 향상시킨다.
도 14(a)에 도시된 바와 같이, 상기 이중 함체 형식의 외함(200)은 착탈식 지붕(201)을 포함하고, 액침 탱크(100)와 상기 지붕 사이 공간에 태양열로 인한 축열을 방지하도록 상기 지붕 측면에는 지붕 개구부(1-22)를 형성하도록 한다. 도 14(b)에 도시된 바와 같이, 상기 지붕 개구부를 통해 빗물 등의 외부 유체가 내부로 유입되는 것을 방지하도록 상기 지붕 내측면을 따라 상기 지붕 개구부에 대응하는 구간에는 비스듬한 빗물 유입 방지 칸막이(1-24)를 설치하고 아래에는 배수공(203)을 구비한다.
빗물 유입 방지 칸막이(1-24)는 빗물이 외함 내부로 들어오는 것을 효과적으로 차단한다. 상기 칸막이로 인해 모아진 빗물이 외부로 배출될 수 있도록 하나 이상의 배수공(203)이 구비되어 있다. 이 배수공은 빗물이 외함 지붕 바닥면에 축적되는 것을 방지하며, 동시에 외함 내부로의 유체 유입을 효과적으로 막는 역할을 한다.
본 발명의 외함 지붕구조는 빗물 유입을 방지하는 동시에 자연 대류를 이용하여 내부에 열이 축적되는 것을 방지함으로써 외부 환경 변화에 따른 부정적 영향을 최소화할 수 있다.
도 15(a)에 도시된 바와 같이 지붕 개구부(1-22)는 액침 탱크(100) 상단 덮개에 설치된 방폭 디스크(1-21)가 개방되어 배출하는 가스와 압력을 신속하게 외부로 유도하는 역할을 수행하도록 한다. 이때 상기 지붕 개구부의 총 면적은 방폭 디스크의 개방 면적보다 충분히 커야 외부로 신속히 배출할 수 있다.
또한 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템에서 외함 지붕의 측면에는 볼륨 댐퍼(225)가 설치되어 있다. 상기 댐퍼(225)는 방폭 디스크가 개방되어 배출하는 가스와 압력을 신속하게 외부로 유도하는 역할을 수행한다.
상기 댐퍼(225)는 방폭 디스크(1-21) 개방 압력으로 댐퍼의 날개(damper blade)(225-1)가 열리게 되어 압력을 신속히 외부로 배출한다. 이러한 압력 배출은 폭발로부터 배터리를 안전하게 보호하는데 필수적이다.
이러한 구조는 이중 함체 형식으로 구성한 본 발명의 외함 구조에 있어서 중요한 안전 설계 요소로 기능한다.
도 16과 도 17에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 따른 예로 상기 외함 지붕(201)과 외함 측면 판넬(211)의 결합 구조를 이용하여 폭발 압력에 의해 자동 개방하는 메커니즘에 대하여 상세히 설명하고자 한다.
외함 지붕(201)은 액침 탱크(100)에 위치하는 방폭 디스크가 내부 압력 상승에 의해 개방되는 상황이 발생하였을 때, 상기 지붕이 열리어 압력을 배출하도록 설계되었다.
이를 위해 외함 지붕(201)의 배면은 이와 맞닿는 외함 측면 판넬(211)과 힌지(218)로 결합할 수 있다. 해당 힌지를 축으로 상기 외함 지붕이 열리도록 하는 장치이다. 이때 외함 지붕(201)의 측면과 외함 측면 판넬(211)이 만나는 지점에서 형성하는 고정 플레이트(212)의 하부는 상기 외함 측면 판넬과 고정되어 있으며 상기 고정 플레이트의 상부와 대응하는 지붕 측면에는 볼트(1-27)가 고정되어 있도록 한다.
상기 볼트(1-27)에 너트(1-28)를 결합하여 상기 고정 플레이트를 압착하며 이때 고정 플레이트 상부에는 외함 지붕이 열리며 볼트가 이동하는 경로 H를 따라 형성한 가이드 홈(guide groove)을 구비한다. 상기 가이드 홈은 상기 외함 지붕에 고정된 볼트(1-27)를 수용하는 역할을 한다. 상기 볼트는 너트(1-28)와 체결되는데, 이 과정에서 상기 고정 플레이트와 상기 너트가 접촉하는 면에 형성하는 압착력으로 평상시에는 지붕이 고정되어 있다. 비상시에는 상기 힌지를 축으로 상기 지붕이 열릴 수 있도록 상기 너트가 고정 플레이트와 접촉면에서 미끄러져 이동하도록 너트에 가해지는 압착력을 정할 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 지붕을 밀어내는 힘에 의한 모멘트가 지붕 자중(self weight)과 마찰력에 의한 모멘트보다 크도록 조건식을 만들어 최대 마찰력을 구할 수 있다. 마찰력은 너트(1-28)에 가해지는 압착력과 금속 표면 마찰 계수에 의해 구할 수 있으며 이런 관계식을 상기 조건식에 대입하여 너트에 가해지는 최대 압착력을 아래 수학 1식에서와 같이 구할 수 있다.

도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 함체와 통합한 액침 냉각 방식 배터리 시스템의 주요 구성 요소를 포함하고 있다.
배터리의 운전 중 발생할 수 있는 열에 의해 유체(3)가 팽창하거나 수축함에 따라 탱크 내외부 간의 압력 차이가 발생할 수 있다. 이러한 압력 차이를 관리하기 위해 상기 액침 탱크에는 압력 균등 장치(161)가 추가로 구비되어 있다.
상기 압력 균등 장치는 탱크 내부의 압력이 상승할 때 내외부의 압력 차이를 감지하여 공기의 유입과 배출을 조절한다. 이는 유체(3)의 열팽창과 수축으로 인해 액침 탱크 내부의 과압을 방지하여 액침 탱크 내 전기 장치를 보호하고 액침 탱크의 구조적 안정성을 유지하기 위함이다.
또한 압력 균등 장치(161)에는 공기의 이동 통로 경로상에 습기를 제거하는 제습제를 포함하여 외부로부터 인입하는 공기의 습기를 제거하여 내부 전기 장치와 유체(3)를 습기로부터 보호한다.
또한, 액침 탱크 외부에 위치하며 외함 측면 판넬(211)과 연결되어 유체와 분리되도록 파워 및 통신 케이블, 보호 장비와 BMS를 수용하는 공간인 부속 박스(1-1)를 두어 안정적 관리를 실현한다.
상기 부속 박스는 외함 측면 판넬(211)에 부착되며, 상기 부속 박스가 부착되는 상기 판넬과 이에 대응하는 부속 박스 배면에 개구가 형성된 부속 박스 접근부(290)를 구비한다. 상기 접근부(290)는 액침 탱크의 상층부에 형성된 자유공간 D에 대응하도록 위치하여 액침 탱크로부터 나오는 파워 케이블 및 통신 케이블이 부속 박스 내부로 오염없이 접근 가능하도록 한다.
상기 액침 탱크의 유면 상태를 모니터링하기 위해 상기 개구부에 대응하는 액침 탱크 일면에 유면계(162)가 설치하도록 한다.
부속 박스(1-1)의 바닥면에는 복수의 개구부(174)가 구비되어 차가운 외부 공기가 상기 부속 박스 내 전기 장치들의 열을 제거하도록 인입한다. 또한, 상기 부속 박스 측면 상단에는 루버 타입의 복수의 개구부(172)를 형성하여, 열에너지를 교환한 후 더워진 공기를 외부로 배출토록 한다. 매쉬망(171)은 각 개구부 내측면에 구비되어 외부 곤충이나 이물질의 인입을 방지한다. 상기 루버 타입 상단 측면 개구부를 통해 유입되는 빗물을 차단하기 위해, 부속 박스 내에 위치하며 상기 측면 개구부와 마주하도록 비스듬하게 설치한 빗물 유입 방지 칸막이(173)를 구비되어 있다.
또한 액침 탱크 내부로 인입하고 외부로 복귀하는 외부 순환 루프를 구성하는 순환 배관(11,12)과 연결하여 순환하는 유체의 열에너지를 교환하는 열 교환기(9)는 외함 측면 판넬(211) 위치하여 함체와 통합되어 구성한다.
다음은 본 발명의 여러 구성예에 따라 구체적으로 구현한 함체와 통합된 액침 방식 배터리 시스템의 예시를 보여 준다.
실시예
도 20(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 복수개의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈(2)이 수용되어 절연 특성을 가진 유체(3)로 채운 공간을 마련하는 액침 탱크(100) 형태의 배터리 함체와 상기 배터리 모듈을 인입할 수 있게 액침 탱크 상단에 위치한 개폐식 상단 덮개(1-2)를 포함한다.
상기 배터리 모듈(2)의 외부면에는 복수개의 개구부(2-6, 2-7, 2-8)가 구비되어 배터리 모듈 내부로 유체 입출이 가능하게 한다. 상기 액침 탱크 상부에는 일정 깊이 D의 공기층으로 형성된 자유공간를 구비한다.
도 20(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예로 액침 탱크(100) 형태의 배터리 함체 주위를 수직 수평 보강 프레임(110, 120, 140)으로 에워싸 구조적 안전성을 높인다. 추가적으로, 액침 탱크 상단 덮개(1-2)에는 배터리 셀의 고장으로 인해 발생할 수 있는 가스와 압력을 신속히 배출하는 방폭 디스크(1-21)가 포함된다. 이 방폭 디스크는 일정 압력에 의해 개방되어 액침 탱크와 내부 전기 장치를 보호한다.
상기 액침 탱크 상단 덮개에는 주유구(19)를 구비하여 탱크 덮개(1-2)를 열지 않고 내부에 유체(3)를 공급한다.
도 20(c)에서 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예로 액침 탱크 주위 둘러싼 프레임과 판넬(211)을 연결하고 이때 상기 판넬과 프레임 접합은 가스켓과 결합부재(252)를 사용하여 이중 함체 형식의 외함을 구성한다. 이러한 구성은 배터리를 수용하는 액침 탱크를 외부 환경(기후, 토네이도 등)으로부터 보호하고 액침 탱크에서 새어 나오는 유체를 가두어 주변 환경의 오염을 방지하는 기능을 수행하는 것이 특징이다.
추가적으로 상부에는 필요시 외함 내부로 접근이 가능하도록 착탈이 가능한 지붕(201)을 구성한다. 상기 지붕에는 측면 개구부(1-22)를 두어 태양열로 더워진 내부 공간의 방열을 돕는다.
상기 외함은 최종적으로 베이스 프레임(303)과 지지발(305)을 통해 지면으로 하중을 전달하도록 한다.
도 20(d)에서 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예로 부속 박스(1-1)를 포함한 액침 방식 배터리 시스템과 열교환기(9)를 하나의 공간인 함체(200)에 통합되어 구성한 배터리 시스템이다.
상기 부속 박스 내에는 BMS 및 각종 전기 안전 장치등을 수용하며 액침 탱크(100) 내부 배터리 시스템으로부터 나오는 파워 및 통신 케이블은 부속 박스 접근부(290)을 통해 부속 박스 내 각종 장치들과 연결한다.
또한 액침 탱크의 자유 공간과 연결되어 상기 부속 박스 접근부(290)를 통해 부속 공간 내에 형성한 압력 균등 장치(161)를 포함한다.
도 21에서는 본 발명의 실시예로 액침 방식 배터리 시스템과 열교환기를 통합하여 구성한 이중 함체 형식의 외함 단면과 주요 구성 요소를 보여주는 상세 단면을 나타내고 있다. 도 21에서는 설명을 위해 일부 구성 요소가 생략되었다.
도 21(a)에 보여주듯 상기 외함 내에 위치한 액침 탱크 바닥면에는 인입하는 유체가 균등한 유량으로 분배하도록 크기가 상이한 일련의 홀(13)들이 형성된 인입 분배관(11)이 위치하고 있다.
도 21(b)는 외함 지붕 측면 개구부(1-22), 빗물 유입 방지 칸막이(1-24) 그리고 배수공을 보여주는 상세 단면이다.
도 21(c)는 프레임(110, 120, 140)과 외함 판넬(210, 211)의 결합 구조 단면을 보여주고 있는 상세 단면이다. 상기 프레임과 상기 판넬 사이에 샌드위치한 가스켓(251)을 결합부재(252)를 이용하여 압착하여 액침 탱크(100)를 보호하는 이중 함체 형식의 외함을 구성한다.
도 21(d)는 외함 바닥에 형성한 개폐식 잠금 밸브(223)와 탱크 핏팅(221)로 구성한 드레인 배관(222)을 보여주는 상세 단면이다.
도 21(e)에서는 본 발명의 일 실시예로 액침 탱크(100) 저면에 다공 판넬(15)과 유량 제어 장치(16)를 형성하여 구성한 함체(200)이다. 상기와 같은 내부 구성은 탱크내로 인입한 유체가 이동하는 동안 균등한 유량으로 분배되어 탱크 상측부로 이동하도록 한다.
또한 액침 탱크(100)와 외함 판넬(210, 211) 사이에 형성된 공간에는 단열재(142)를 포함하도록 하여 외부 환경으로부터 배터리 시스템을 보호하여 열 관리 성능과 효율을 높이는 함체와 통합된 액침 방식 배터리 시스템이다.
The present invention as described above will be described in detail with reference to the attached drawings and examples.
It should be noted that the technical terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, the technical terms used in the present invention should be interpreted as having a meaning generally understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs, unless specifically defined to have a different meaning in the present invention, and should not be interpreted in an excessively comprehensive or excessively narrow meaning. In addition, when the technical terms used in the present invention are incorrect technical terms that do not accurately express the idea of the present invention, they should be replaced with technical terms that can be correctly understood by a person skilled in the art and understood. In addition, the general terms used in the present invention should be interpreted as defined in the dictionary or according to the context, and should not be interpreted in an excessively narrow meaning.
In addition, the singular expressions used in the present invention include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, the terms "consisting of" or "comprising" should not be construed as necessarily including all of the various components or various steps described in the invention, and should be construed as not including some of the components or some of the steps, or may further include additional components or steps.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Regardless of the drawing symbols, identical or similar components are given the same reference numerals and redundant descriptions thereof will be omitted.
In addition, when describing the present invention, if it is judged that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, it should be noted that the attached drawings are only intended to facilitate easy understanding of the idea of the present invention, and should not be construed as limiting the idea of the present invention by the attached drawings.
This is a schematic drawing showing (a) a rack type and (b) a tank type for implementing a battery system using an immersion cooling method as illustrated in Fig. 1.
As shown in Fig. 1(a), a universal battery system structure follows a module that accommodates battery cells and a rack format in which battery modules are vertically stacked. This format has the advantage of increasing the energy density per unit area, but in order to implement the liquid immersion cooling method, the module must be filled with a refrigerant fluid. In order to prevent leakage, the fluid-filled module must have a casing design for high sealing and a special connector, and piping between modules is required for fluid movement. This has the disadvantage of increasing potential leakage points, complicating maintenance issues, and increasing the overall vertical weight due to the weight of the module. In addition, since the fluid circulates through the piping between modules, the travel distance of the fluid moving from the outside increases, which is not efficient in terms of thermal management.
In order to compensate for these shortcomings, the present invention is a tank type in which a tank (100) containing a battery module (2) is filled with a cooling fluid (3) as shown in Fig. 1(b) to completely submerge the module, so that a high degree of sealing is not required in the module, and thus the number of parts required for this is minimized, making manufacturing and assembly simple. The number of potential leakage points is minimized, making maintenance easy, and since a separate fluid storage device for pressure control and circulation within the tank is not required and the fluid movement distance outside the immersion tank (100) is short, it is more efficient in terms of thermal management.
Accordingly, the present invention comprises a battery module (2) and an immersion tank (100) designed to effectively impregnate a fluid (3) as a cooling medium, thereby maximizing the cooling efficiency of the battery and minimizing leakage points, thereby improving the safety and reliability of the entire battery system.
The above structure includes an outer case (200) designed in a double-body form surrounding the immersion tank (100) to provide a protection function to prevent leakage to the outside in case of leakage that may occur in the immersion tank (100), and has a fluid (3) storage function to prevent leakage in an emergency.
As illustrated in FIG. 2, the present invention shows an embodiment of an immersion cooling type battery system integrated with a housing that integrates a space for accommodating the immersion tank, a BMS (Battery Management System) and other electrical protection devices, and a heat exchanger into a single space, and a schematic spatial configuration diagram. It includes an accessory box (1-1) that is located on one side of the housing and provides a space for accommodating a BMS or other electrical protection devices that are attached. The heat exchanger (9) is located on an external circulation loop to perform the function of controlling the thermal energy of a fluid sucked in from an immersion tank (100) and then returning it back to the immersion tank, and in order to minimize the flow distance of the fluid moving from the outside, the heat exchanger is configured on one side of the housing to provide a housing that accommodates a battery system integrated with the heat exchanger.
The heat exchanger (9) includes a cooling unit and a circulation pump, and a heating unit may be added as needed. The cooling unit (not shown) cools the fluid, and the cooled fluid removes heat from the battery. The circulation pump (7) forcibly circulates the fluid to increase cooling efficiency. The heating unit (not shown) heats the fluid to help the battery maintain optimal performance even in a low-temperature environment.
The above-mentioned heat exchanger (9) is integrated with the battery system and is housed in a single space, which is a body, thereby reducing the complexity of the system, improving the efficiency of the system, and providing ease of maintenance. In this way, the heat exchanger (9) optimizes the performance of the battery system, ensures stable operation under various operating conditions, and functions to improve the overall energy management efficiency.
The graph in Figure 3 is the result of our own experiment to verify the efficiency and fire safety of the liquid immersion cooling method.
The upper graphs (a), (b), (c), and (d) of Fig. 3 are time history data from our own experiments to determine the effects of battery thermal control by immersion cooling and internal fluid circulation. A total of 10 battery modules were arranged side by side inside the tank, and the tank was filled with insulating fluid, after which battery charge and discharge operations were performed under three conditions.
The first condition is a simple immersion state where the fluid does not circulate, the second condition is a forced circulation of the fluid using a circulation pump, and the third condition is a charge/discharge operation where the circulating fluid is cooled through a heat exchanger.
For comparison, seven battery modules were stacked in a separate battery rack and then charged and discharged at the same C-rate using natural convection cooling.
In all experiments, the temperature of the battery cells was measured at two different points per module and the trend was observed for approximately 9 hours after charging and discharging was completed.
As in Fig. 3(a), in the case of natural convection, the maximum temperature of the battery exceeded 40 degrees, but in the case of simple immersion as in Fig. 3(b), the maximum temperature of the battery was in the early 30s. In the case of circulating fluid as in Fig. 3(c), the maximum temperature of the battery was not much different from the simple immersion state on average, but the temperature difference between the battery cells was much reduced. Finally, in the case of simultaneous circulation and cooling through a heat exchanger as in Fig. 3(d), the maximum temperature of the battery did not exceed 27 degrees, and the temperature difference between the battery cells was also much reduced than in the cases of Figs. 3(a) and (b).
Therefore, it was confirmed that a significant cooling effect can be achieved even with simple immersion, the temperature difference between batteries can be dramatically reduced through fluid circulation, and when the fluid is cooled, the maximum battery temperature can be effectively controlled even at high C-rate operation.
The lower graph and photo drawings in Fig. 3 show the test specimens and results for the fire safety evaluation experiment.
In the fire safety evaluation test, a specific battery cell was heated from the outside by a power source to cause thermal runaway, and then it was confirmed whether it was transferred to the surrounding cells. At the point where thermal runaway occurs, the temperature of the battery cell rises rapidly, and the maximum instantaneous temperature records more than 600 degrees. Therefore, it is possible to determine whether thermal runaway propagation has occurred by observing the body temperature of the surrounding cells.
As shown in Fig. 3(e), in the first experiment, after arranging multiple battery cells vertically in the test chamber and completely filling the inside of the test chamber with fluid, two adjacent battery cells designated in advance were simultaneously heated. As a result, after the first thermal runaway occurred (over 600 degrees), the body temperature of the surrounding cells also instantly recorded a high temperature of over 800 degrees, indicating that the thermal runaway phenomenon was transferred to the surrounding cells. When the first thermal runaway occurred, some of the fluid escaped outside the chamber together with the pressure, and at this time, some of the bodies of the remaining battery cells were exposed outside the fluid. It is believed that when thermal runaway occurred in the second cell, the surrounding cells were exposed to the high temperature, triggering the thermal runaway transfer.
As shown in Fig. 3(f), in the second test, after arranging the battery cells horizontally, a certain distance was secured between the uppermost battery cell and the top cover of the test specimen chamber to completely fill the inside of the chamber with fluid so that the battery cells would remain fully immersed during the experiment. As a result of simultaneously heating two adjacent battery cells designated in advance, the body temperature of the surrounding battery cells was maintained below 100 degrees even when thermal runaway occurred in the designated cells, so that the thermal runaway did not spread. It was found that even if some of the fluid escaped to the outside during thermal runaway, the remaining battery cells were protected from thermal shock by remaining fully immersed, so that no transfer occurred.
These experimental results show that an important factor to consider in reducing the risk of fire is to secure a certain distance between the fluid level and the top battery cell to maintain complete immersion even in the event of fluid loss.
Based on the results of the fire safety evaluation experiment of Fig. 3, as shown in Fig. 4, the present invention shows important components for increasing fire safety by securing a safety distance d between the fluid level (3) and the battery cell located at the top. As shown in Figs. 4(a) and (b), the safety distance d can be implemented in the rack method and the tank method. However, as shown in Fig. 3(a), in the case of the rack method, it is difficult to secure a certain distance d due to space constraints, and in order to solve this, the module volume must be increased, which is disadvantageous in terms of space efficiency. On the other hand, the tank method has much more spatial freedom in securing a certain length of safety distance d.
In addition, in the tank method, a free space with an air layer of a certain depth D can be secured at the top of the tank (100). This free space is very effective in preventing overpressure inside the tank due to volume expansion and contraction of the fluid (3).
In order to more effectively control the heat of the battery in the present invention, the design of the battery module (2) is such that the flow of the fluid (3) is maintained uniformly, so that the battery cells inside the module can be cooled at the same flow rate.
As shown in Fig. 5, in order to effectively remove heat from the battery module (2) according to the present invention, heat is uniformly introduced into the module and discharged to the outside in the direction of flow.
In an embodiment of the present invention, a plurality of first discharge ports (2-6) are formed at one of the two ends of the battery module. The first discharge port is an inlet through which fluid is introduced, and supplies the fluid into the battery module (2) to directly contact the battery cells and absorb and transfer heat. The first discharge port (2-6) is an important part that supplies fluid to the battery module for efficient cooling of the battery module.
The fluid (3) introduced into the battery module through the first outlet (2-6) moves from the bottom to the top of the module and exits the module through a plurality of second outlets (2-7). The second outlets (2-7) are formed in response to the direction of movement of the fluid introduced through the first outlet (2-6), and serve as an outlet through which the fluid that has absorbed heat after passing through the battery module (2) exits, and a third outlet (2-8) can additionally be formed on the upper side.
Therefore, the arrangement of the discharge ports in this way allows the fluid to pass evenly through the interior of the battery module, minimizing the main flow distance, effectively absorbing internal heat and transferring it to the exterior of the battery module, thereby maintaining the temperature of the battery cells within the battery module more uniformly and effectively.
In the present invention, in order to evenly control the heat of each battery module (2) accommodated in the immersion tank (100), a uniform flow rate is maintained in the flow direction within the immersion tank (100), so that the cooling effect can be equally applied to each module.
As illustrated in FIG. 6, the immersion tank (100) includes an inlet distribution pipe (11) through which fluid is drawn in from the outside and distributed to the inside; an intake pipe (12) on the upper part of the immersion tank (100) for returning the fluid back to the outside; and a predetermined number of holes (13) of different sizes in the longitudinal direction are formed in a series in the intake distribution pipe (11) and the intake pipe (12). This configuration allows the fluid (3) drawn into the immersion tank (100) to be distributed at an equal flow rate to the upper part of the tank while moving inward, thereby providing an equal cooling effect to each module.
Fig. 7 shows one embodiment of the present invention for more efficient flow distribution. A porous panel (15) is formed on the bottom surface of the immersion tank (100) instead of the inlet distribution pipe (11) and includes a plurality of holes (13) that uniformly transmit the fluid to the upper portion, and a flow control device (16) formed as a panel having a slope that slopes from the beginning to the end is further formed below the porous panel.
Specifically, the interior of the immersion tank of the present invention performs the function of distributing fluid introduced from the outside to the upper part at an equal flow rate while moving inward, thereby providing the same cooling effect between each module, thereby reducing the temperature difference of the battery, and thus high reliability and safety of the battery system and an extension of its lifespan can be expected.
FIGS. 8(a) and (c) are a 3D fluid dynamic model for examining whether the fluid flowing into the tank (100) through an inlet distribution pipe (11) is evenly distributed toward the upper side as it moves inward, and the results of the fluid mass flow distribution calculated at a height of 60 mm from the bottom of the tank, and FIGS. 8(b) and (d) are a 3D fluid dynamic model for examining whether the fluid flowing into the tank through a porous panel (15) through an incline flow control device (16) formed on the lower surface of the porous panel is evenly distributed toward the upper side as it moves inside the tank, and the results of the fluid mass flow distribution calculated at a height of 60 mm from the bottom of the tank.
As shown in the flow rate distribution results graphs of Figs. 8(a) and (b), the distribution of the flow rate is more uniform in the model composed of the porous panel (15) and the flow rate control device (16) than in the model composed of the inlet distribution pipe (11), showing that the fluid can be efficiently distributed through the porous panel and the flow rate control device. This configuration simplifies manufacturing because welding work for joining pipes becomes unnecessary, and has the advantage of achieving efficient fluid distribution.
As illustrated in FIG. 9, according to one embodiment of the present invention, the immersion tank (100) includes a plurality of horizontal frames (110, 140) and a vertical frame (120) that are reinforced in the horizontal and vertical directions.
This configuration improves the structural stability of the immersion tank (100), and the horizontal frame (110, 140) and the vertical frame (120) become elements that constitute a double-body type outer case, thereby protecting the immersion tank (100) from the surrounding environment.
The frame (110, 120, 140) supports the immersion tank (100), and forms a double-body structure by combining with the panels forming the outer case, and prevents the fluid leaking from the immersion tank from escaping to the outside in an emergency, thereby preventing environmental pollution caused by the fluid leaking to the outside.
As illustrated in Fig. 10, a gasket (251) is attached between the frames (110, 120, 140) that are coupled with the panels (210, 211). The gaskets (251) are firmly coupled to each other by a coupling member (252). The coupling member may include a screw, a self-tapping screw, or a nail gun, which compresses the gasket between the panel and the frame to provide a sealing effect and completes a double-body type composed of an immersion tank and an outer panel.
This double-hulled design can protect the immersion tank from impacts caused by tornadoes, prevent leakage due to the gasket sealing joint, and block the heat conduction path that allows external heat to penetrate inside, improving the reliability and safety of the immersion cooling battery system and enhancing the efficiency of thermal management.
As shown in FIGS. 11(a) and (b), a cross-section of a gasket (251) sandwiched between the outer case panels and the frame and a joining member (252) joining the gasket and the frame is shown as an embodiment of the present invention.
As shown in Fig. 11(c), an insulating material (142) is accommodated in the empty space formed between the outer surface of the immersion tank (100), the bottom surface, and the panels (210, 211) of the outer case. The insulating material plays an important role in protecting the immersion tank from external heat and maintaining the consistency of the immersion method heat management efficiency and performance.
The above insulation material (142) is arranged to surround the entire outer surface of the immersion tank (100) to minimize thermal influence from the outside. This configuration minimizes influence from the external environment and maintains the temperature of the immersion tank stably.
Therefore, the liquid-immersion cooling battery system integrated with the body of the present invention improves the reliability and safety of the battery by responding to various heat-related problems that may occur during battery use.
As shown in Fig. 12, in order to effectively support the double-body type housing (200) of the present invention, a supporting member for supporting the housing includes a base frame (303) installed on the floor and a support leg (305). The base frame performs the function of transferring the weight of the entire system to the support leg, and the support leg performs the function of transferring the vertical and horizontal loads transferred to the base frame to the floor.
As shown in Fig. 13(a), in one embodiment of the present invention, a drain pipe (222) penetrating the bottom surface (150) of the immersion tank and the bottom panel (210) of the outer case is installed to easily drain the internal fluid to the outside for maintenance purposes, and the drain pipe and the bottom panel of the outer case are finished to prevent leakage using a tank fitting (221).
The end of the above drain pipe is finished with a locking valve (223, not shown) that can be opened and closed as needed for maintenance and replacement of fluid (3).
As shown in Fig. 13(b), it includes a device for refueling a fluid (3) without opening the top cover (1-2) of the immersion tank. Including a fuel port (19) which is a fueling device, the fuel port is installed at a certain position of the top cover.
The fuel port (19) formed on the top cover (1-2) prevents fluid from leaking out along the side of the outer case even if it spills during refueling. In addition, by refueling through the fuel port, the inside of the immersion tank does not need to be opened, which prevents the fluid from being contaminated by contact with the surrounding environment during refueling.
In addition, as illustrated in FIG. 13(b), the immersion tank (100) of the present invention includes an explosion-proof disk (1-21) or a pressure relief valve, which is a device that ensures safety by detecting a rapid increase in internal pressure due to a battery failure. The explosion-proof disk (1-21) is placed on the top cover (1-2) of the immersion tank and opens when the internal pressure reaches the opening pressure to quickly discharge the pressure inside the immersion tank to the outside. The opening pressure is preferably 0.2 to 0.4 bar, and serves to protect the internal structure of the tank by preventing the accumulation of internal pressure at the opening pressure.
This configuration of the present invention improves the functionality and reliability of the immersion cooling battery system integrated with the body by reflecting a design that simultaneously considers safety, efficiency, ease of manufacturing, and ease of maintenance.
As shown in Fig. 14(a), the double-body type outer case (200) includes a removable roof (201), and a roof opening (1-22) is formed on the side surface of the roof to prevent heat accumulation due to solar heat in the space between the immersion tank (100) and the roof. As shown in Fig. 14(b), an oblique rainwater inflow prevention partition (1-24) is installed along the inner surface of the roof in a section corresponding to the roof opening to prevent external fluids such as rainwater from flowing into the interior through the roof opening, and a drainage hole (203) is provided below it.
A rainwater inflow prevention partition (1-24) effectively blocks rainwater from entering the interior of the enclosure. One or more drainage holes (203) are provided so that rainwater collected by the partition can be discharged to the outside. The drainage holes prevent rainwater from accumulating on the roof bottom surface of the enclosure, and at the same time effectively block fluid from entering the interior of the enclosure.
The outer roof structure of the present invention can minimize negative impacts due to changes in the external environment by preventing rainwater from entering and at the same time preventing heat from accumulating inside by utilizing natural convection.
As shown in Fig. 15(a), the roof opening (1-22) serves to quickly guide the gas and pressure discharged by the explosion-proof disk (1-21) installed on the top cover of the immersion tank (100) to the outside. At this time, the total area of the roof opening must be sufficiently larger than the open area of the explosion-proof disk to enable rapid discharge to the outside.
In addition, as shown in Fig. 15(b), in the liquid-cooled battery system integrated with the hull, a volume damper (225) is installed on the side of the outer roof. The damper (225) serves to quickly guide the gas and pressure discharged by the explosion-proof disk when opened to the outside.
The above damper (225) quickly releases the pressure to the outside by opening the damper blade (225-1) with the opening pressure of the explosion-proof disk (1-21). This pressure release is essential to safely protect the battery from explosion.
This structure functions as an important safety design element in the outer shell structure of the present invention configured in a double-body form.
As shown in FIGS. 16 and 17, as another example of the present invention, a mechanism for automatically opening by explosive pressure using the joint structure of the outer case roof (201) and the outer case side panel (211) will be described in detail.
The outer roof (201) is designed to open to relieve pressure when the explosion-proof disc located in the immersion tank (100) opens due to an increase in internal pressure.
For this purpose, the back surface of the outer case roof (201) can be joined to the outer case side panel (211) that is in contact therewith by a hinge (218). This is a device that allows the outer case roof to open with the hinge as an axis. At this time, the lower part of the fixed plate (212) formed at the point where the side of the outer case roof (201) and the outer case side panel (211) meet is fixed to the outer case side panel, and a bolt (1-27) is fixed to the roof side corresponding to the upper part of the fixed plate.
The above bolt (1-27) is joined with a nut (1-28) to compress the above fixed plate, and at this time, the upper portion of the fixed plate is provided with a guide groove formed along a path H along which the bolt moves when the outer roof opens. The above guide groove serves to accommodate the bolt (1-27) fixed to the outer roof. The bolt is fastened with the nut (1-28), and in this process, the roof is fixed in normal times by the compressive force formed on the surface where the fixed plate and the nut come into contact. In an emergency, the compressive force applied to the nut can be determined so that the nut slides on the surface in contact with the fixed plate so that the roof can be opened with the hinge as an axis.
As shown in Fig. 17, the maximum frictional force can be obtained by creating a conditional equation so that the moment due to the force pushing the roof is greater than the moment due to the self weight of the roof and the frictional force. The frictional force can be obtained by the compressive force applied to the nut (1-28) and the metal surface friction coefficient, and by substituting this relationship into the above conditional equation, the maximum compressive force applied to the nut can be obtained as in the mathematical equation 1 below.

As shown in FIGS. 18 and 19, it includes the main components of an immersion cooling battery system integrated with a body.
A pressure difference between the inside and outside of the tank may occur as the fluid (3) expands or contracts due to heat that may be generated during operation of the battery. To manage this pressure difference, the immersion tank is additionally equipped with a pressure equalizing device (161).
The above pressure equalizing device detects the pressure difference between the inside and outside when the pressure inside the tank rises and controls the inflow and outflow of air. This is to prevent overpressure inside the immersion tank due to thermal expansion and contraction of the fluid (3), thereby protecting the electrical devices inside the immersion tank and maintaining the structural stability of the immersion tank.
In addition, the pressure equalizing device (161) includes a desiccant that removes moisture from the air passageway, thereby removing moisture from the air brought in from the outside and protecting the internal electrical devices and fluid (3) from moisture.
In addition, an accessory box (1-1) is provided outside the immersion tank and is connected to the side panel (211) of the outer case to separate it from the fluid, thereby accommodating power and communication cables, protective equipment, and BMS, thereby realizing stable management.
The above-mentioned accessory box is attached to the side panel (211) of the outer case, and has an accessory box access portion (290) having an opening formed on the panel to which the above-mentioned accessory box is attached and a corresponding accessory box back surface. The access portion (290) is positioned to correspond to a free space D formed in the upper part of the immersion tank, so that power cables and communication cables coming from the immersion tank can access the inside of the accessory box without contamination.
In order to monitor the oil level of the above-mentioned immersion tank, an oil level gauge (162) is installed on one side of the immersion tank corresponding to the above-mentioned opening.
The bottom surface of the accessory box (1-1) is provided with a plurality of openings (174) to allow cold outside air to be introduced to remove the heat of the electrical devices in the accessory box. In addition, a plurality of louver-type openings (172) are formed on the upper side of the accessory box to discharge the heated air to the outside after exchanging heat energy. A mesh net (171) is provided on the inner side of each opening to prevent the inflow of outside insects or foreign substances. In order to block rainwater from being introduced through the louver-type upper side opening, a rainwater inflow prevention partition (173) is provided that is located inside the accessory box and is installed obliquely to face the side opening.
In addition, a heat exchanger (9) that exchanges heat energy of the circulating fluid by connecting to a circulation pipe (11, 12) that constitutes an external circulation loop that is introduced into the immersion tank and returned to the outside is configured to be integrated with the body by being located on the side panel (211) of the outer case.
The following shows examples of immersion battery systems integrated with a body specifically implemented according to various configuration examples of the present invention.
Example
As illustrated in FIG. 20(a), the present invention includes a battery case in the form of an immersion tank (100) that accommodates a battery module (2) that accommodates a plurality of battery cells and provides a space filled with a fluid (3) having insulating properties, and an openable top cover (1-2) located at the top of the immersion tank so that the battery module can be introduced.
The outer surface of the battery module (2) is provided with a plurality of openings (2-6, 2-7, 2-8) to allow fluid to enter and exit the battery module. A free space formed by an air layer of a certain depth D is provided at the upper portion of the immersion tank.
As shown in Fig. 20(b), in one embodiment of the present invention, a battery case in the form of an immersion tank (100) is surrounded by vertical and horizontal reinforcing frames (110, 120, 140) to enhance structural safety. Additionally, the top cover (1-2) of the immersion tank includes an explosion-proof disk (1-21) that quickly discharges gas and pressure that may occur due to a failure of a battery cell. This explosion-proof disk is opened by a certain pressure to protect the immersion tank and internal electrical devices.
The top cover of the above-mentioned immersion tank is provided with a fuel port (19) to supply fluid (3) inside without opening the tank cover (1-2).
As illustrated in Fig. 20(c), in one embodiment of the present invention, a frame surrounding an immersion tank and a panel (211) are connected, and at this time, the panel and frame joint uses a gasket and a joining member (252) to form a double-body type housing. This configuration is characterized by protecting an immersion tank containing a battery from the external environment (climate, tornado, etc.) and preventing contamination of the surrounding environment by confining fluid leaking from the immersion tank.
Additionally, a removable roof (201) is formed on the upper part to allow access to the interior of the case when necessary. The roof has side openings (1-22) to help dissipate heat from the interior space heated by solar heat.
The above-mentioned outer case ultimately transmits the load to the ground through the base frame (303) and the support feet (305).
As shown in Fig. 20(d), one embodiment of the present invention is a battery system in which an immersion type battery system including an accessory box (1-1) and a heat exchanger (9) are integrated into a single space, that is, a body (200).
The above accessory box houses BMS and various electrical safety devices, and power and communication cables coming from the battery system inside the immersion tank (100) are connected to various devices inside the accessory box through the accessory box access portion (290).
It also includes a pressure equalizing device (161) formed within the accessory space through the accessory box access portion (290) connected to the free space of the immersion tank.
Fig. 21 shows a cross-sectional view of a double-body type housing and a detailed cross-section showing the main components thereof, which are configured by integrating an immersion type battery system and a heat exchanger as an embodiment of the present invention. In Fig. 21, some components are omitted for explanation.
As shown in Fig. 21(a), an inlet distribution pipe (11) is positioned on the bottom surface of the immersion tank located within the outer case, in which a series of holes (13) of different sizes are formed so that the incoming fluid is distributed at an even flow rate.
Figure 21(b) is a detailed cross-section showing the side opening (1-22) of the outer roof, the rainwater inflow prevention baffle (1-24), and the drainage hole.
Fig. 21(c) is a detailed cross-section showing a cross-section of a joint structure of a frame (110, 120, 140) and an outer case panel (210, 211). A gasket (251) sandwiched between the frame and the panel is compressed using a joint member (252) to form a double-body type outer case that protects an immersion tank (100).
Fig. 21(d) is a detailed cross-section showing a drain pipe (222) composed of a tank fitting (221) and a closing lock valve (223) formed on the bottom of the outer case.
In Fig. 21(e), as an embodiment of the present invention, a body (200) is formed by forming a porous panel (15) and a flow control device (16) on the bottom surface of an immersion tank (100). The internal configuration as described above allows the fluid drawn into the tank to be distributed at an even flow rate while moving and to move to the upper part of the tank.
In addition, the space formed between the immersion tank (100) and the outer case panel (210, 211) includes an insulating material (142) to protect the battery system from the external environment, thereby improving thermal management performance and efficiency.

1-1 : 부속 박스
1-2 : 상단 덮개
1-27 : 볼트
1-28 : 너트
2 : 배터리 모듈
2-6, 2-7, 2-8 : 개구부 or 토출구
3 : 유체, 액침 용액
7 : 순환 펌프
9 : 열 교환기
11 : 인입 분배관
15 : 다공 판넬
16 : 유량 제어 장지
100 : 액침 탱크
142 : 단열재
161 : 압력 균등 장치
162 : 유면계
200 : 외함
201 : 외함 지붕
212 : 고정 플레이트
218 : 힌지
221 : 탱크 핏팅
222 : 드레인 배관
251 : 가스켓
252 : 결합 부재
290 : 부속 박스 접근부
1-1 : Accessory box
1-2 : Top cover
1-27 : Volt
1-28 : Nut
2: Battery module
2-6, 2-7, 2-8: Opening or outlet
3: Fluid, immersion solution
7: Circulation pump
9: Heat exchanger
11: Inlet distribution pipe
15: Perforated panel
16: Flow control device
100 : Immersion Tank
142 : Insulation
161 : Pressure equalizer
162 : Oil surface area
200 : Outer box
201 : Outer roof
212 : Fixed plate
218 : Hinge
221 : Tank Fitting
222 : Drain pipe
251 : Gasket
252 : Absence of joint
290: Accessory box access

Claims (21)

복수개의 배터리 셀을 수용하는 배터리 모듈(2);
절연 특성을 가진 유체(3);
상기 배터리 모듈을 수용하는 공간을 마련하고 상기 유체로 채워 상기 배터리 모듈을 완전히 침지하는 액침 탱크(100) 형태의 배터리 함체;
상기 유체가 배터리 모듈 내부로 입출이 가능하여 배터리 셀과 직접 접촉하도록 상기 배터리 모듈의 외부면에 구비하는 복수개의 개구부(2-6, 2-7);
상기 액침 탱크에는 액침 탱크 내부로 배터리 모듈 인입이 가능하도록 액침 탱크 상단에 위치한 개폐식 상단 덮개(1-2); 및
상기 액침 탱크 내 상부에는 일정 깊이(D)의 공기층을 형성하는 자유 공간;을 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
A battery module (2) accommodating a plurality of battery cells;
Fluid having insulating properties (3);
A battery case in the form of an immersion tank (100) that provides a space for accommodating the battery module and fills it with the fluid to completely submerge the battery module;
A plurality of openings (2-6, 2-7) provided on the outer surface of the battery module to allow the fluid to enter and exit the battery module and come into direct contact with the battery cells;
The above immersion tank has an openable top cover (1-2) located on the top of the immersion tank to enable introduction of a battery module into the immersion tank; and
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes a free space forming an air layer of a certain depth (D) in the upper part of the immersion tank.
청구항 1에 있어서,
상기 유체가 상기 액침 탱크 내부로 인입하고 외부로 복귀하도록 상기 액침 탱크 외부에서 형성하는 외부 순환 루프를 포함하는 순환 배관;
상기 외부 순환 루프 상에는 상기 유체의 순환이 가능하도록 순환 펌프;를 형성하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 1,
A circulation pipe including an external circulation loop formed outside the immersion tank so that the fluid flows into and returns to the outside of the immersion tank;
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that a circulation pump is formed on the external circulation loop to enable circulation of the fluid.
청구항 2에 있어서,
상기 외부 순환 루프 경로 상에 위치하는 열교환기(9);는 순환하는 상기 유체를 냉각하는 쿨링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 2,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that the heat exchanger (9) located on the external circulation loop path includes a cooling unit for cooling the circulating fluid.
청구항 3에 있어서,
상기 열교환기는 순환하는 상기 유체를 가열하는 힛팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 3,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that the heat exchanger includes a heating unit that heats the circulating fluid.
청구항 2에 있어서,
상기 액침 탱크 내 상부면 또는 하부면 중 어느 하나 면에 형성되고 상기 순환 펌프에서 토출하여 상기 액침 탱크 내부로 인입하는 유체를 상기 탱크 내부에서 분배하는 배관인 인입 분배관(11);
상기 인입하는 유체의 이동 방향에 대응하는 나머지 하나 면에 형성되어 액침 탱크내 유체를 흡입하여 다시 순환 펌프로 복귀하도록 배관인 흡입관(12);을 포함하며,
상기 인입 분배관과 흡입관에는 유량을 균일하게 분배 또는 흡입하도록 배관의 길이 방향으로 크기가 상이한 개구공이 일렬로 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 2,
An inlet distribution pipe (11) formed on either the upper or lower surface of the immersion tank and distributing the fluid discharged from the circulation pump and introduced into the immersion tank within the tank;
It includes a suction pipe (12) formed on the remaining side corresponding to the direction of movement of the fluid being introduced, which is a pipe for sucking the fluid in the immersion tank and returning it to the circulation pump;
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that a plurality of openings of different sizes are formed in a row along the length of the pipe in the above-mentioned inlet distribution pipe and suction pipe to uniformly distribute or suction the flow rate.
청구항 2 에 있어서,
상기 액침 탱크 내 하부면에 형성되고 상기 액침 탱크내 유체가 상기 액침 탱크 내부로 균등하게 분배되어 이동하도록 하는 복수개의 홀을 포함하는 다공 판넬(15);을 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 2,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized by including a porous panel (15) formed on a lower surface within the immersion tank and including a plurality of holes that allow the fluid within the immersion tank to be evenly distributed and moved within the immersion tank.
청구항 6에 있어서,
상기 다공 판넬 아래에는 시작단에서 끝단으로 가면서 경사를 주어 이동하는 유량을 균등하게 분배하는 유량 제어 장치(16)를 형성하여 유체 분배가 이뤄지도록 하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 6,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that a flow control device (16) is formed below the above-mentioned porous panel to evenly distribute the flow rate moving in a slope from the start to the end, thereby enabling fluid distribution.
청구항 1에 있어서,
상기 자유 공간의 저면과 맞닿는 유면의 위치를 상기 액침 탱크 상단 덮개를 열지 않고 외부에서 확인할 수 있도록 상기 액침 탱크의 외측 일측면에 형성되는 유면계(162);를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 1,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes an oil level gauge (162) formed on one outer side of the immersion tank so that the position of the oil level in contact with the bottom surface of the free space can be checked from the outside without opening the top cover of the immersion tank.
청구항 8에 있어서,
상기 액침 탱크 상단 덮개에 위치하여 배터리 셀의 고장으로 배출하는 가스와 압력을 배출하여 상기 액침 탱크와 내부 전기 장치를 보호할 수 있도록 일정 압력에 의해 개방하는 방폭 디스크(1-21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 8,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes an explosion-proof disc (1-21) located on the top cover of the immersion tank and opened by a certain pressure to discharge gas and pressure discharged due to a failure of a battery cell, thereby protecting the immersion tank and internal electrical devices.
청구항 1에 있어서,
상기 액침 탱크 주위의 적정 위치에 부착되어 상기 액침 탱크를 구조적으로 보강하는 복수개의 보강프레임(110, 120, 140);
상기 보강프레임(110, 120, 140)들 사이 공간을 연결하는 판넬(210, 211); 및
상기 액침 탱크를 에워싸는 함체인 외함(200);을 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 1,
A plurality of reinforcing frames (110, 120, 140) attached at appropriate locations around the immersion tank to structurally reinforce the immersion tank;
Panels (210, 211) connecting the spaces between the above reinforcing frames (110, 120, 140); and
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized by including an outer body (200) that surrounds the above-mentioned immersion tank.
청구항 10에 있어서,
상기 외함의 일측면에 위치하여 판넬(211)에 부착되는 배터리 관리 시스템이나 기타 전기 보호 장치를 수용하는 부속 박스(1-1);
상기 액침 탱크의 유체(3)의 유면 수위를 측정하는 유면계(162);
상기 부속 박스가 부착되는 외함 판넬의 상부와 이에 대응하는 부속 박스 일면에 구비되고 상기 액침 탱크 내 상부에 공기층으로 채워지는 자유공간에 맞춰 형성되어 액침 탱크로부터 나오는 파워 케이블, 통신 케이블이 상기 부속 박스 내부로 엑세스가 가능하도록 하는 부속 박스 접근부(290);를 포함하고
상기 유체가 상기 액침 탱크 내부로 인입하고 외부로 복귀하도록 상기 액침 탱크 외부에서 형성하는 외부 순환 루프 선상에 위치하며 순환하는 유체의 열에너지를 교환하고 상기 외함의 일측면에 위치하는 열 교환기(9);를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 10,
An accessory box (1-1) positioned on one side of the above enclosure and housing a battery management system or other electrical protection device attached to the panel (211);
A fluid level gauge (162) for measuring the fluid level (3) of the above immersion tank;
It includes an accessory box access part (290) formed in accordance with the free space filled with an air layer at the upper part of the outer panel to which the accessory box is attached and one side of the accessory box corresponding thereto, and which allows power cables and communication cables coming from the immersion tank to access the inside of the accessory box.
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes a heat exchanger (9) located on an external circulation loop formed outside the immersion tank so that the fluid flows into and returns to the outside, and is located on one side of the outer case to exchange heat energy of the circulating fluid.
청구항 11에 있어서,
상기 부속 박스(1-1)의 바닥면에 구비되어 상기 부속 박스내 전기 장치의 발열을 제거하도록 차가운 외부 공기가 인입하는 복수의 하부 개구부(174);
열에너지를 교환한 후 더워진 공기를 외부로 내보낼 수 있도록 상기 부속 박스 측면 상단에 형성된 루버 타입의 복수의 상단 측면 개구부(172);
상기 개구부를 통해 외부 곤충이나 이물질이 인입할 수 있는 것을 방지 할 수 있도록 각 개구부 내측면에 구비하는 매쉬망(171);
상기 루버 타입 상단 측면 개구부를 통해 내부로 유입되는 빗방물을 차단하도록 상기 개구부 내측면을 따라 비스듬하게 구비한 빗물 유입 방지 칸막이(173)를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 11,
A plurality of lower openings (174) provided on the bottom surface of the above-mentioned accessory box (1-1) to allow cold outside air to be introduced to remove heat generation from the electrical devices within the above-mentioned accessory box;
A plurality of upper side openings (172) of louver type formed on the upper side of the above-mentioned accessory box to allow the heated air to be discharged to the outside after exchanging heat energy;
A mesh net (171) provided on the inner side of each opening to prevent external insects or foreign substances from entering through the above opening;
An immersion cooling type battery system integrated with a body, characterized in that it includes a rainwater inflow prevention baffle (173) provided obliquely along the inner side of the opening to block rainwater from flowing into the interior through the upper side opening of the louver type.
청구항 10에 있어서,
상기 액침 탱크내에 수용된 유체를 외부로 드레인 하기 위해 상기 액침 탱크 바닥면에 형성한 드레인 배관(222);
상기 드레인 배관과 외함 바닥 판넬(210) 개구공을 결합하는 탱크 핏팅(221);을 포함하고,
상기 드레인 배관의 종단은 개폐식 잠금 밸브(223);로 마감하며,
상기 드레인 배관은 배관이 형성된 액침 탱크 바닥면에 대응하는 위치의 외함 바닥 판넬(210)에 형성된 개구공을 통해 외함 밖으로 나오게 되는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 10,
A drain pipe (222) formed on the bottom surface of the immersion tank to drain the fluid contained in the immersion tank to the outside;
Includes a tank fitting (221) that connects the above drain pipe and the opening of the outer bottom panel (210);
The end of the above drain pipe is finished with an openable locking valve (223);
An immersion cooling battery system integrated with a housing, characterized in that the above drain pipe is extended out of the housing through an opening formed in the housing bottom panel (210) at a position corresponding to the bottom surface of the immersion tank where the pipe is formed.
청구항 10에 있어서,
상기 액침 탱크 상단의 개폐식 상단 덮개(1-2)에 구비하여 탱크 내부에 유체를 채울 수 있는 주유구(19);를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템
In claim 10,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes a fuel port (19) provided on an openable top cover (1-2) on the top of the immersion tank so as to be able to fill the inside of the tank with fluid;
청구항 10에 있어서,
상기 외함 상단에 구비하여 외함 내부로 접근할 수 있는 외함 지붕(201);을 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템
In claim 10,
A liquid-immersion cooling battery system integrated with a housing, characterized by including an housing roof (201) provided on the upper part of the housing and providing access to the interior of the housing;
청구항 10에 있어서,
상기 액침 탱크 상단의 개폐식 상단 덮개(1-2)에 구비되며 상기 액침 탱크 내에 위치한 배터리 셀의 고장으로 배출하는 가스와 압력을 배출하여 상기 액침 탱크와 내부 장치를 보호할 수 있도록 일정 압력에 의해 개방하는 방폭 디스크(1-21);를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 10,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes an explosion-proof disc (1-21) which is provided on an openable top cover (1-2) at the top of the immersion tank and opens by a certain pressure to discharge gas and pressure discharged due to a failure of a battery cell located within the immersion tank, thereby protecting the immersion tank and internal devices.
청구항 15 또는 청구항 16 에 있어서,
외함 지붕의 측면을 따라 구비되어 방폭 디스크로부터 배출되는 압력과 가스를 외부로 배출하는 복수의 개구부(1-22);
상기 개구부를 통해 외부 곤충이나 이물질이 인입할 수 있는 것을 방지 할 수 있도록 개구부 내측면에 구비하는 매쉬망(1-23);
상기 개구부를 통해 유입되는 빗방물이 내부로 인입을 방지하는 상기 개구부 내측면을 따라 비스듬하게 구비한 빗물 유입 방지 칸막이(1-24);
상기 칸막이에 막혀 모아진 빗방울을 외함 외부로 내보내는 배수공(203);을 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 15 or claim 16,
A plurality of openings (1-22) provided along the side of the outer roof to discharge pressure and gas discharged from the explosion-proof disc to the outside;
A mesh net (1-23) provided on the inner side of the opening to prevent external insects or foreign substances from entering through the above opening;
A rainwater inflow prevention partition (1-24) provided obliquely along the inner surface of the opening to prevent rainwater flowing in through the opening from entering the interior;
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes a drainage hole (203) for discharging raindrops collected by the above-mentioned partition to the outside of the outer case.
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
외함 지붕(201)의 일측면과 외함 측면 판넬과 결합하는 힌지(218);
상기 외함의 양 측면에 구비한 고정 플레이트(212);
상기 고정 플레이트와 대응하는 위치의 외함 지붕 면에 고정된 볼트(1-27);
상기 고정 플레이트에 외함 지붕이 상기 힌지를 축으로 열리는 동안 상기 볼트가 이동하는 경로 H를 따라 구비한 홈(groove);
상기 볼트에 결합하여 상기 고정 플레이트를 압착하며 상기 외함 지붕이 열리는 동안에는 상기 고정 플레이트의 홈을 따라 미끄러지는 너트(1-28);를 포함하고, 방폭 디스크(1-21)로부터 배출되는 압력으로 상기 외함 지붕이 열리도록 고정 플레이트를 압착하는 너트에 가해지는 힘 N은 아래 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
[수학식 1]

In claim 15 or claim 16,
A hinge (218) that connects one side of the outer case roof (201) to the outer case side panel;
Fixed plates (212) provided on both sides of the above outer case;
Bolts (1-27) fixed to the outer case roof surface at positions corresponding to the above fixed plates;
A groove provided along a path H along which the bolt moves while the outer roof of the above fixed plate is opened about the hinge;
An immersion-cooled battery system integrated with a body, comprising: a nut (1-28) coupled to the bolt to compress the fixed plate and sliding along a groove of the fixed plate while the roof of the case is opened; wherein a force N applied to the nut compressing the fixed plate so that the roof of the case is opened by a pressure discharged from an explosion-proof disc (1-21) satisfies the following mathematical expression 1.
[Mathematical formula 1]

청구항 10에 있어서,
상기 외함(200)은,
상기 보강 프레임과 상기 판넬 사이 접촉면에 샌드위치된 가스켓(251); 상기 판넬들, 보강 프레임 및 가스켓을 서로 결합하는 결합 부재(252)를 사용하여 서로 맞닿는 면이 압착하도록 체결하여 결합하는 이중 함체 형식인 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 10,
The above outer case (200) is
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it is a double body type in which the surfaces that come into contact with each other are compressed and joined by using a gasket (251) sandwiched between the reinforcing frame and the contact surface between the panel; and a joining member (252) that joins the panels, the reinforcing frame and the gasket to each other.
청구항 10에 있어서,
상기 액침 탱크와 외함 판넬 사이에 형성되는 빈 공간에 수용하여 외부 열의 침입을 차단하는 단열재(142);를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 10,
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes an insulating material (142) that is accommodated in a void space formed between the immersion tank and the outer case panel to block the intrusion of external heat.
청구항 10에 있어서,
상기 액침 탱크에는 유체(3)의 열팽창과 수축에 따라 발생하는 압력 차이를 균등화하도록, 상기 액침 탱크 상층부에 공기층으로 채워지는 자유공간에 맞춰 형성되는 액침 탱크 측벽에 설치하는 압력 균등 장치(161);를 더 포함하며,
압력 균등 장치에 압력의 균등화 과정에서 외부로부터 유입되는 공기의 습기를 제거하는 제습제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 함체와 통합된 액침 냉각 방식 배터리 시스템.
In claim 10,
The above immersion tank further includes a pressure equalizing device (161) installed on the side wall of the immersion tank formed in accordance with the free space filled with an air layer in the upper part of the immersion tank to equalize the pressure difference caused by thermal expansion and contraction of the fluid (3).
An immersion cooling battery system integrated with a body, characterized in that it includes a desiccant for removing moisture from air flowing in from the outside during a pressure equalization process in a pressure equalization device.
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