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KR20120023211A - 전지팩용 공냉식 시스템 - Google Patents

전지팩용 공냉식 시스템 Download PDF

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KR20120023211A
KR20120023211A KR1020100085250A KR20100085250A KR20120023211A KR 20120023211 A KR20120023211 A KR 20120023211A KR 1020100085250 A KR1020100085250 A KR 1020100085250A KR 20100085250 A KR20100085250 A KR 20100085250A KR 20120023211 A KR20120023211 A KR 20120023211A
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윤희수
윤종문
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전지팩의 냉각을 위한 공냉식 시스템으로서, 다수의 단위전지들을 포함하는 전지팩; 전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치; 전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기; 및 냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 공냉식 시스템을 제공한다.

Description

전지팩용 공냉식 시스템 {Air Cooling System for Battery Pack}
본 발명은 전지팩용 공냉식 시스템으로서, 더욱 상세하게는, 전지팩의 냉각을 위한 공냉식 시스템으로서, 다수의 단위전지들을 포함하는 전지팩, 전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치, 전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기, 및 냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로로 구성되어 있는 공냉식 시스템에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지팩의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기자동차(Plug-In HEV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 전지팩의 사용이 요구된다.
이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지모듈을 형성하고 이러한 전지모듈을 다수 개 병렬 또는 직렬로 연결하여 하나의 전지팩을 형성하여 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 냉각 시스템이 필요하다.
차량용 전지팩의 냉각 시스템은 일반적으로 냉매로서 공기를 사용하는 공냉식 구조로 이루어져 있으며, 냉각 시스템의 외부로부터 공기를 흡입하여 전지팩을 냉각시킨 후 다시 외부로 배출하는 구조로 이루어져 있다. 그러한 냉각 시스템의 외부에는 차량의 외부뿐만 아니라, 차량의 트렁크, 탑승공간 등의 내부를 포함하는 개념이다. 그러나, 이러한 구조의 냉각 시스템은 많은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 냉매로서 사용되는 공기를 주로 외부로부터 공급받기 때문에 습도, 온도 등의 외부조건에 많은 영향을 받는다. 즉, 공기의 온도 변화에 따라 공기 중의 수분이 응결될 수 있으므로, 온도 및 습도의 조절을 위하여 추가적인 장치가 필요하게 되고, 이로 인하여 냉각 시스템의 크기가 커지거나, 이러한 조절 장치가 없는 경우에 결로에 의한 전기 장치의 이상 작동 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 차량 내부공간의 공기를 사용하는 경우에는 이러한 문제점을 다소나마 해결할 수 있지만, 공기를 흡입 또는 배출하기 위하여 유입구와 배출구가 별도로 구비되어 있어야 하므로, 냉각 시스템의 크기가 더욱 커지는 단점은 여전히 존재한다.
둘째, 냉매의 필터링에 의한 외부물질의 제거에도 불구하고 흡입구와 배출구를 통하여 일부의 외부물질들이 유입되어 단위전지에 접촉되는 경우, 단위전지의 외면에 물리적 또는 화학적 손상을 가할 수도 있다.
또한, 단위전지의 전해액 기화 및 누출이 발생할 경우 폭발이 일어나거나, 탑승자가 누출 기체로부터 개방되어 있어 안전성에 큰 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 일본 특허출원공개 제2001-023703호 및 제2002-251951호에서는 전지팩의 밀폐형 하우징을 제공하고 있다. 이들 출원들은 냉매 유입구와 배출구를 생략하고, 열전달판으로 열을 흡수하거나 단위전지 사이에 넓은 냉매 유로를 구비하는 방법으로 전지들의 열을 제거하여, 상기에서 설명한 바와 같은 유입구와 배출구로부터 야기되는 문제점들은 해결하였으나, 결정적으로 다량의 열을 효과적으로 제거하지 못하는 단점을 가지고 있어, 대형 전지팩이 사용되는 EV, HEV 등과 같은 차량 등에는 적합하지 않다.
따라서, 보다 콤팩트하고 안정성 및 냉각 효율성이 높은 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 불활성 기체를 전지팩의 냉각용 냉매로 이용하여 전지팩 내부에서 순환시키는 폐쇄형 공냉식 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩용 공냉식 시스템은, 전지팩의 냉각을 위한 공냉식 시스템으로서,
다수의 단위전지들을 포함하는 전지팩;
전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치;
전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기; 및
냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로;
를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 공냉식 시스템은, 앞서 정의한 바와 같이, 불활성 기체를 냉매로 사용하는 폐쇄형 공냉 구조로서, 상기 전지팩을 냉각하여 온도가 상승된 냉매는 열교환기에 의해 온도가 조절된 뒤, 냉매공급장치에 의해 순환된다.
즉, 폐쇄형 구조로 인해 차량 내부의 운전자가 누출 기체로부터 격리될 수 있고, 상기 불활성 기체는 전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않으므로 폭발성을 낮출 수 있어 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 "불활성 기체"는 열교환 시스템 내부에서 유동이 자유로우며, 전지팩의 작동 적정온도를 용이하게 조절할 수 있도록 하는 기체로서, 바람직하게는 X(X: He, Ne, Ar, Kr, Xe), N2, 및 CO2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다. 이러한 불활성 기체는 수분을 포함하지 않으므로, 종래기술에서 공기를 냉매로 사용할 경우 온도 차에 의해 수분 응결이 일어나는 문제점을 미연에 방지하여 전지팩의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 유로는 냉매가 용이하게 유동할 수 있도록 덕트(duct) 구조로 이루어질 수 있지만, 냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 냉매공급장치는 냉매의 구동력을 제공할 수 있도록, 예를 들어 팬(fan) 또는 송풍기(blower)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 냉매공급장치의 일측에는 냉매를 공급하는 냉매 저장소를 추가로 포함할 수도 있다.
한편, 전지팩의 크기가 크고 냉매의 전체 유량이 많은 대형 공냉 시스템을 형성할 경우에는 상기 열교환기와 냉매공급장치 사이에 냉매 플리넘(plenum)이 추가로 위치할 수 있다. 상기 "냉매 플리넘"은 냉매 저장공간으로서, 냉매의 유동을 균일하게 하는 역할을 한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩용 공냉식 시스템을 포함하고 차량을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 차량은 소망하는 출력 및 용량에 따라 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
동력원들 중의 하나로서 또는 동력원 자체로서 전지팩을 사용하는 상기 차량들의 구조 및 그것의 제조방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩용 냉각 시스템은 냉매를 시스템 외부로부터 유입하지 않고, 열교환 장치에 의해 내부에서 불활성 기체를 순환시키는 폐쇄형 공냉식 시스템을 사용함으로써, 전지 시스템의 크기를 축소하고, 외부의 조건에 영향을 받지 않아 전지팩의 안전성과 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지팩용 공냉식 시스템의 구성 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 폐쇄형 공냉식 시스템의 구성 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩의 냉각을 위한 공냉식 시스템(600)은 다수의 단위전지들(10)을 포함하는 전지팩(100), 송풍기(200), 열교환기(300) 덕트(400) 및 냉매 플리넘(500)으로 구성되어 있다.
송풍기(200)는 불활성 기체를 전지팩(100)으로 이송시키는 구동력을 제공하는 역할을 한다. 이러한 불활성 기체는 전지팩(100)으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 기체로 구성되어 있다.
열교환기(300)은 전지팩(100)을 통과한 불활성 기체의 온도를 낮추는 역할을 한다. 일반적으로, 전지팩(100)은 충방전시 전지셀(10)의 발열로 인해 온도가 상승하게 된다. 따라서, 전지팩(100)을 통과한 불활성 기체는 전지셀(10)로부터 전달된 열에 의해 온도가 높으므로, 열교환기(300)에 의해 온도가 낮춰진 상태에서 다시 순환하게 된다. 경우에 따라서는, 다양한 요인에 의해 전지팩(100)의 온도가 지나치게 낮을 경우, 예를 들어, 겨울철의 주변 온도 등에 의해 전지팩(100)의 온도가 낮을 경우, 열교환기(300)는 불활성 기체의 온도를 적정 온도로 상승시켜, 전지팩(100)을 구성하는 전지셀(10)의 온도를 상승시켜 적절한 작동 상태를 제공할 수도 있다.
덕트(400)는 불활성 기체(20)가 순환할 수 있도록 전지팩(100), 송풍기(200), 및 열교환기(300)를 유체적으로 폐쇄형으로 연결한다.
또한, 대형 공냉 시스템의 경우, 송풍기(200)와 열교환기(300)의 사이에는 냉매 플리넘(500)을 위치시켜, 냉매의 유동을 균일하게 할 수도 있다.
따라서, 폐쇄형의 공냉식 시스템(600)은 전지팩(100)을 통과하는 과정에서 온도가 상승된 불활성 기체가 열교환기(300)에 의해 온도가 조절된 뒤, 송풍기(200)에 의해 순환됨으로써, 차량 내부의 운전자가 누출 기체로부터 격리될 수 있고, 불활성 기체는 전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않으므로 폭발성을 낮출 수 있어 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 전지팩의 냉각을 위한 공냉식 시스템으로서,
    다수의 단위전지들을 포함하는 전지팩;
    전지팩으로부터 누출되는 기체와 반응하지 않고 수분과의 응결을 방지할 수 있는 불활성 기체를 냉매로서 전지팩에 공급하는 냉매공급장치;
    전지팩을 통과한 냉매의 온도를 저하시키는 열교환기; 및
    냉매가 전지팩, 냉매 공급장치, 및 열교환기를 폐쇄형으로 순환하도록 연결되어 있는 유로;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 공냉식 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 불활성 기체는 X(X: He, Ne, Ar, Kr, Xe), N2, 및 CO2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 공냉식 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유로는 덕트(duct) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 공냉식 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매공급장치는 팬(fan) 또는 송풍기(blower)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기와 냉매공급장치 사이에는 냉매의 유동을 균일하게 하기 위한 냉매 플리넘(plenum)이 추가로 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 공냉식 시스템.
  6. 제 1 항에 따른 공냉식 시스템을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 차량.
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Patent event code: PE09021S01D

AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20131129

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20130430

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I

AMND Amendment
PX0901 Re-examination

Patent event code: PX09011S01I

Patent event date: 20131129

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX09012R01I

Patent event date: 20130722

Comment text: Amendment to Specification, etc.

PX0601 Decision of rejection after re-examination

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX06014S01D

Patent event date: 20140117

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX06012R01I

Patent event date: 20131213

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX06011S01I

Patent event date: 20131129

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX06012R01I

Patent event date: 20130722

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PX06013S01I

Patent event date: 20130430