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WO2019231070A1 - 배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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WO2019231070A1
WO2019231070A1 PCT/KR2019/001043 KR2019001043W WO2019231070A1 WO 2019231070 A1 WO2019231070 A1 WO 2019231070A1 KR 2019001043 W KR2019001043 W KR 2019001043W WO 2019231070 A1 WO2019231070 A1 WO 2019231070A1
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WO
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fluid
battery cell
temperature
plate
heating
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PCT/KR2019/001043
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English (en)
French (fr)
Inventor
김진섭
이정호
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Original Assignee
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
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Publication date
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery cell temperature control system and a control method thereof, and more particularly, to a battery cell temperature control system and a control method thereof that can selectively increase or decrease the temperature of the battery cell.
  • the secondary battery has been in the spotlight as a power source for electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), which have been proposed as a way to solve air pollution in conventional gasoline and diesel vehicles using fossil fuels. .
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • Electric vehicles are designed to run on the principle of driving wheels by rotating an electric motor using electric energy, and high voltage battery energy is essential for driving of an automobile.
  • a battery module electrically connecting a plurality of battery cells and a medium and large battery pack including the unit module are used.
  • the battery module and the battery pack are preferably manufactured in a small size and weight, a rectangular battery, a pouch-type battery, etc., which can be stacked with high density and have a small weight to capacity, are mainly used as a unit battery of the battery module.
  • a pouch-type battery using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member has attracted a lot of attention due to its advantages such as low weight, low manufacturing cost, and easy deformation.
  • the battery cells constituting the battery module generates a large amount of heat during the charging and discharging process.
  • a channel of a refrigerant such as cooling water, is formed between the stacked battery cells or the battery modules so as to effectively remove accumulated heat.
  • the conventional battery pack has been developed a lot of technology to properly heat dissipation of high heat generated by using a battery cell to maintain its performance and life.
  • An object of the present invention is to solve a conventional problem, and the present invention includes a plate heat exchange unit that is heat exchanged with a cooling plate and a heating plate, respectively, to cool and heat the battery cell, thereby reducing the temperature of the battery cell by a simple structure.
  • the present invention provides a battery cell temperature control system and a method of controlling the same that can maintain a predetermined temperature.
  • Battery cell temperature control system includes a flat plate heat exchange unit, cooling plate, heating plate, radiator, heater and control unit.
  • the plate heat exchange unit is in contact with the battery cell.
  • the cooling plate is disposed on one side of the battery cell to exchange heat with the flat heat exchange unit, and a cooling passage is provided inside the cooling plate.
  • the heating plate is disposed on the other side of the battery cell to exchange heat with the flat heat exchange unit, and a heating flow path is provided inside the heating plate.
  • the radiator is connected to the cooling passage to supply a cooled first fluid to the cooling passage.
  • the heater is connected to the heating plate and supplies a second fluid heated by the heating passage.
  • the controller supplies the first fluid or the second fluid by comparing the measured temperature of the battery cell measured by the temperature sensor connected to the battery cell with a preset temperature of the predetermined battery cell.
  • control unit selects a first mode of supplying the first fluid to the cooling flow path when the measurement temperature is higher than the set temperature, and when the measurement temperature is lower than the set temperature, A second mode of supplying the second fluid to the heating channel may be selected.
  • one side is connected to the cooling plate and the other side is connected to the heating plate, further moving means for selectively contacting the plate-type heat exchange unit by moving at least one of the cooling plate and the heating plate. It may include.
  • a first direction control valve is disposed on the flow path for discharging the third fluid, the first direction control valve for moving the third fluid to the radiator or the heater, and the flow path for moving the first fluid and the second fluid And a second direction control valve arranged to move the first fluid to the cooling oil or to move the second fluid to the heating channel.
  • control unit in the first mode, controls the first direction control valve to move the third fluid to the radiator, and the second direction to move the first fluid to the cooling flow path
  • Control a control valve, turn off the heater, and in the second mode, control the first direction control valve to move the third fluid to the heater, and the second fluid flows into the heating flow path.
  • the second direction control valve may be controlled to move.
  • control unit in the first mode, controls the moving means such that the cooling plate is in contact with the plate heat exchange unit and the heating plate is separated from the plate heat exchange unit
  • the moving means in the second mode, may be controlled such that the heating plate is in contact with the plate heat exchange unit and the cooling plate is separated from the plate heat exchange unit
  • the heat exchange unit is a flat ground heat exchange unit (TGP: Thermal Ground Plane), the tipi, the inner space in which the working fluid is accommodated, and disposed on one side of the inner space to boil the working fluid It may include a porous coating layer to promote.
  • TGP Thermal Ground Plane
  • a plurality of battery cells may be provided, and the plate heat exchange unit may be disposed between the battery cells.
  • the plate heat exchange unit may be arranged to surround the battery cell.
  • a control method of a battery cell temperature control system wherein the temperature sensor measures a temperature of the battery cell, and the controller measures the temperature. And a mode selection step of controlling the supply of the first fluid or the second fluid by comparing the temperature of the battery cell measured with the preset temperature of the predetermined battery cell.
  • the mode selection step when the measured temperature is higher than the set temperature, when the first mode for supplying the first fluid to the cooling flow path is selected, the measured temperature is lower than the set temperature
  • the second mode of supplying the second fluid to the heating channel may be selected.
  • control unit may further include a moving means operating step of operating a moving means for moving at least one of the cooling plate and the heating plate.
  • a battery cell temperature control system and a control method thereof according to the present invention include a plate heat exchange unit that is heat exchanged with a cooling plate and a heating plate, respectively, to cool and heat the battery cell, thereby presetting the temperature of the battery cell by a simple structure. There is an effect that can be maintained at temperature.
  • the battery cell temperature control system and control method thereof the heat exchange is performed while moving the cooling plate and the heating plate by the moving means has an effect that can further improve the temperature control efficiency of the battery cell. .
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the structure of a battery temperature control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of some structures of the battery temperature control system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a side view schematically showing a state in which a porous coating layer is disposed in the battery temperature control system of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a state in which the transfer means is operated in the first mode state in the battery temperature control system of FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which the transfer means is operated in the second mode state in the battery temperature control system of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a view for explaining a battery temperature control system according to another embodiment of the present invention.
  • heating passage 40 radiator
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the structure of a battery temperature control system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a perspective view schematically showing a part of the structure of the battery temperature control system of FIG.
  • a battery temperature control system includes a plate heat exchange unit 10, a cooling plate 20, a heating plate 30, a radiator 40, , A heater 50 and a controller (not shown) may be included.
  • the plate heat exchange unit 10 may be disposed in contact with the battery cell (B).
  • a plurality of battery cells B may be provided, and the plate heat exchange unit 10 may be disposed between the battery cells B.
  • FIG. 3 is a side view schematically showing a state in which the porous coating layer 12 is disposed in the battery temperature control system of FIG. 1.
  • the flat heat exchange unit 10 according to an embodiment of the present invention is shown that TGP (thermal ground plane) is used.
  • TGP thermo ground plane
  • the flat plate heat exchange unit 10 will be described by replacing it with tijipi.
  • the working fluid L is accommodated in the interior space 11 of the tagepy 10, and a porous coating layer 12 is provided on one side of the interior space 11 to promote boiling of the working fluid L. Can be.
  • a plurality of porous coating layers 12 according to an embodiment of the present invention are formed along a length direction of the battery cell B on one side of the battery cell B of FIG. 2. Is presented.
  • the working fluid (L) is present in the lower side of the inner space 11, the working fluid (L) is moved to the porous coating layer 12 by the capillary phenomenon to the porous coating layer 12
  • the working fluid liquid film LM is formed.
  • the contact area between the porous coating layer 12 and the working fluid L is increased, so that the working fluid L boils within a short time when heated. Done.
  • the steam is generated due to the boiling of the working fluid (L), the steam is moved from the porous coating layer 12 to the inner surface of the inner space 11, the cooling plate 20 will be described later installed
  • the vapor may be exchanged with the first fluid, which will be described later, to condense.
  • the condensed working fluid L is dropped to the lower side of the inner space 11 by gravity or moved to the porous coating layer 12 to form the working fluid liquid film LM in the porous coating layer 12. . Accordingly, the working fluid L is circulated in the internal space 11.
  • heat generated in the battery cell B may be radiated to the outside through heat transfer by the phase change of the working fluid L.
  • the cooling plate 20 is disposed on one side of the battery cell (B) may be heat exchanged with the tagepy 10. More specifically, the cooling plate 20 may be disposed above the battery cell (B).
  • the cooling plate 20 lowers the measured temperature of the battery cell B to the preset temperature. Used.
  • the measurement temperature of the battery cell (B) may be measured by a temperature sensor (not shown) installed to be connected to the battery cell (B).
  • a cooling passage 21 through which the cooled first fluid flows may be provided inside the cooling plate 20, and the cooling passage 21 is connected to a radiator 40 to be described later to radiate the radiator 40. Cooled first fluid may be supplied through ().
  • the first fluid when the first fluid is supplied to the cooling passage 21, the first fluid flowing into the cooling passage 21 and the working fluid L accommodated in the internal space 11 of the stigpy 10 are supplied.
  • the heat generated from the battery cell B is radiated to the outside while being heat exchanged so that the temperature of the battery cell B is lowered.
  • the heating plate 30 is disposed on the other side of the battery cell (B) may be heat-exchanged with the stigpy (10). More specifically, the heating plate 30 may be disposed under the battery cell (B).
  • the heating plate 30 is used to increase the measured temperature of the battery cell B to a preset temperature when the measured temperature of the battery cell B is lower than a preset temperature of the preset battery cell B. do.
  • a heating flow passage 31 through which a heated second fluid flows may be provided in the heating plate 30, and the heating flow passage 31 is connected to a heater 50 to be described later to provide the heater 50.
  • the heated second fluid may be supplied through).
  • the radiator 40 may be connected to an inlet side of the cooling passage 21 to supply a cooled first fluid to the cooling passage 21.
  • the radiator 40 is connected to the outlet side of the cooling passage 21 and the heating passage 31, respectively, and the third fluid heat exchanged in the cooling passage 21 or the heating passage 31 passes therethrough.
  • the third fluid can be cooled and changed to the first fluid.
  • the heater 50 may be connected to an inlet side of the heating channel 31 to supply a second fluid heated to the heating channel 31.
  • the heater 50 is connected to the outlet side of the cooling passage 21 and the heating passage 31, respectively, while the third fluid heat exchanged in the cooling passage 21 or the heating passage 31 passes.
  • the third fluid may be heated to be changed to the second fluid.
  • the battery cell temperature control system may further include a first direction control valve 61 and the second direction control valve 62.
  • the first direction control valve 61 is disposed on a flow path through which the third fluid heat-exchanged in the cooling passage 21 or the heating passage 31 is discharged so that the third fluid is the radiator 40 or the heater.
  • the movement direction of the third fluid may be adjusted to move to 50.
  • the second direction control valve 62 is disposed on the flow path through which the first fluid and the second fluid are moved to adjust the direction of movement of the first fluid such that the first fluid is moved to the cooling flow path 21.
  • the second fluid may adjust a moving direction of the second fluid to move to the heating passage 31.
  • One side of the cooling passage 21 may be provided with a first inlet passage 71 connected to the inlet side of the cooling passage 21, the other side of the first inlet connected to the outlet side of the cooling passage 21
  • a discharge passage 72 may be provided.
  • One side of the heating passage 31 may be provided with a second inflow passage 73 is connected to the inlet side of the heating passage 31, the other side is connected to the outlet side of the heating passage 31 2 discharge passage 74 may be provided.
  • one side is connected to the first discharge passage 72 and the second discharge passage 74 and passes through the radiator 40 and the heater 50 to the first inflow passage 71 and the second flow passage.
  • the first circulation passage 75 may be provided.
  • the first valve 63 may be provided at a portion where the first discharge passage 72, the second discharge passage 74, and the first circulation passage 75 are connected to each other.
  • the first valve 63 is the third fluid which is moved to the first discharge passage 72 is moved to the first circulation passage 75 or the third movement to the second discharge passage 74
  • the fluid may be moved to the first circulation passage 75, and the first valve 63 may be a check valve capable of moving the fluid in one direction.
  • one side is branched from the first circulation passage 75 between the first valve 63 and the radiator 40, and the other side is the first circulation between the radiator 40 and the heater 50.
  • a second circulation passage 76 connected to the passage 75 may be provided.
  • the third fluid that is moved in the second circulation channel 76 does not pass through the radiator 40.
  • first direction control valve 61 may be provided at a portion where the second circulation passage 76 branches from the first circulation passage 75, and the second circulation passage 76 may be provided.
  • a second valve 64 may be provided at a portion to which the first circulation passage 75 is connected.
  • the first direction control valve 61 allows the third fluid to be moved to the first circulation passage 75 to pass through the radiator 40 or the second circulation so as not to pass through the radiator 40.
  • the movement direction of the third fluid is adjusted to move to the flow path 76.
  • the second valve 64 allows the first fluid cooled through the radiator 40 to move to the first circulation passage 75 or the third fluid moved to the second circulation passage 76.
  • a check valve may be used to move to the first circulation passage 75, and the second valve 64 may move the fluid in one direction in the same manner as the first valve 63.
  • the second direction control valve 62 described above may be provided at a portion connected to the first circulation passage 75, the first inflow passage 71, and the second inflow passage 73.
  • the second direction control valve 62 adjusts the moving direction of the first fluid so that the first fluid moved to the first circulation passage 75 moves to the first inflow passage 71, or The movement direction of the second fluid is adjusted so that the second fluid moved to the first circulation passage 75 moves to the second inflow passage 73.
  • the heater 50 is disposed on the first circulation passage 75, it may be disposed on one side of the second direction control valve 62.
  • the pump P may be provided at one side of the heater 50, and the pump P may pump each fluid to be circulated on each flow path.
  • the controller may control the first mode for supplying the first fluid to the cooling plate 20 and the second mode for supplying the second fluid to the heating plate 30 to be selected.
  • the controller compares the measured temperature of the battery cell B measured by the temperature sensor with a preset temperature of a predetermined battery cell B, and the cooling is performed when the measured temperature is higher than the set temperature.
  • the first mode of supplying the first fluid to the flow path 21 and the second mode of supplying the second fluid to the heating flow path 31 may be selected when the measurement temperature is lower than the set temperature. have.
  • the first mode is a mode that is performed when the measurement temperature of the battery cell B is high as the preset temperature of the battery cell B.
  • the controller controls the first direction control valve 61 to move the third fluid to the radiator 40 and simultaneously moves the first fluid to the cooling passage 21 in the second direction.
  • the control valve 62 is controlled.
  • controller controls the heater 50 to be turned off so that the first fluid is not heated even though the heater 50 passes through the heater 50.
  • the third fluid discharged from the cooling passage 21 to the first discharge passage 72 is moved to the first circulation passage 75 through the first valve 63 to move the radiator 40. Via.
  • the third fluid is cooled while passing through the radiator 40 is changed to the first fluid.
  • the first fluid continues to move to the first circulation passage 75 and passes through the heater 50.
  • the heater 50 is in an off state, and thus the temperature of the first fluid is maintained.
  • the first fluid is controlled to move by the second direction control valve 62 and flows into the cooling passage 21 through the first inflow passage 71.
  • heat is exchanged between the cooling plate 20 and the PGE 10 in order to lower the temperature of the battery cell B by dissipating heat of the battery cell B.
  • the working fluid L is moved to the porous coating layer 12 by a capillary phenomenon on the interior space 11 of the tagepy 10 to form a working fluid liquid film LM.
  • the heated working fluid liquid film LM is changed to steam, and the steam is moved on the inner space 11 while moving to the inner side in the direction in which the cooling plate 20 is installed.
  • the steam moved to the inner surface of the inner space 11 is heat-exchanged with the first fluid to heat the heat of the battery cell (B) to the outside.
  • the vapor exchanged with the first fluid may be condensed and dropped to the lower side of the inner space 11 or moved to the porous coating layer 12.
  • the second mode is a mode performed when the set temperature of the battery cell B, in which the measurement temperature of the battery cell B is preset, is low.
  • the controller controls the first direction control valve 61 so that the third fluid is moved to the heater 50 without passing through the radiator 40, and the third fluid is heated in the heating path (
  • the second direction control valve 62 is controlled to move to 31.
  • controller controls the heater 50 to be turned off in the first mode so that the third fluid is heated while the third fluid passes through the heater 50.
  • the third fluid discharged from the heating passage 31 to the second discharge passage 74 is moved to the first circulation passage 75 through the first valve 63 and then to the first direction control valve. It moves to the said 2nd circulation channel 76 by 61. As shown in FIG.
  • the third fluid moved to the second circulation passage 76 is moved to the first circulation passage 75 again and passes through the heater 50.
  • the third fluid is heated while passing through the heater 50 is changed to the second fluid.
  • the second fluid is controlled by the second direction control valve 62 and is introduced into the heating channel 31 through the second inflow channel 73.
  • the heat exchange is performed between the heating plate 30 and the tagepy 10 in order to heat the battery cell B to increase the temperature of the battery cell B.
  • the second fluid moved to the heating passage 31 of the heating plate 30 is heat-exchanged with the working fluid (L).
  • the working fluid L which is heat-exchanged with the second fluid, is changed into steam and moved upward in the inner space 11 to move between the porous coating layers 12 in contact with the battery cells B. do.
  • Heat of steam transferred to the surface between the porous coating layer 12 is transferred to the battery cell (B) to heat the battery cell (B). At this time, the heat of the steam is condensed while being transferred to the battery cell (B) may be dropped to the lower side of the inner space 11 or moved to the lower portion of the inner space 11 through the porous coating layer (12). .
  • the temperature of the battery cell B is increased.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a state in which the conveying means is operated in the first mode state in the battery temperature control system of FIG. 1
  • FIG. 5 is a state in which the conveying means is operated in the second mode state in the battery temperature control system of FIG. Schematic diagram showing the state.
  • the temperature control system of the battery cell (B) according to an embodiment of the present invention to the cooling plate 20 and the heating plate 30 to the flat heat exchange unit 10 It may further comprise a moving means (80) for selectively contacting.
  • the moving unit 80 may be connected to the cooling plate 20 and the other side is connected to the heating plate 30 to move at least one of the cooling plate 20 and the heating plate 30. have.
  • the moving means 80 is the cooling plate 20 and the heating plate 30 to selectively contact the cooling plate 20 and the heating plate 30 to the flat heat exchange unit 10. Will be moved.
  • Moving means 80 according to an embodiment of the present invention is proposed to be able to move the cooling plate 20 and the heating plate 30 at the same time.
  • the rack 80 and the pinion 82 are applied as the moving means 80, but the structure may move the cooling plate 20 and the heating plate 30 at the same time. Any structure would be applicable.
  • One side of the rack 81 may be connected to one side of the cooling plate 20, and the other side thereof may be connected to one side of the heating plate 30, and the pinion 82 may be gear-coupled to the rack 81. Can be installed.
  • the moving unit 80 may further include a motor 83 connected to the pinion 82 to rotate the pinion 82.
  • the controller may control the first moving means 80 to suit the first mode and the second mode.
  • control unit causes the cooling plate 20 to contact the flat heat exchange unit 10 and at the same time the heating plate 30.
  • the moving means 80 is controlled to be separated from the flat heat exchange unit 10.
  • the heat exchange is concentrated between the cooling plate 20 and the plate heat exchange unit 10 so that the battery is concentrated.
  • the temperature control efficiency for cooling the cell B can be improved.
  • control unit causes the heating plate 30 to contact the flat heat exchange unit 10 and at the same time the cooling plate 20 is The moving unit 80 is controlled to be separated from the plate heat exchange unit 10.
  • cooling plate 20 is separated from the flat plate heat exchange unit 10 in both the second plates, heat exchange is concentrated between the heating plate 30 and the plate heat exchange unit 10 so that the battery is concentrated.
  • the temperature control efficiency for heating the cell B can be improved.
  • FIG. 6 is a view for explaining a battery temperature control system according to another embodiment of the present invention.
  • the battery temperature control system in this embodiment is the same as the structure of the battery temperature control system described with reference to FIGS. 1 to 5, but the structure in which the plate heat exchange unit is disposed is different.
  • the plate heat exchange unit 10 may be disposed to surround the battery cell B. Referring to FIG. 6, the plate heat exchange unit 10 may be disposed to surround the battery cell B. Referring to FIG.
  • a plurality of the porous coating layer 12 may be disposed along the outer circumference of the battery cell (B).
  • Processes of the first mode and the second mode according to the present embodiment are the same as the operation process of the first mode and the second mode in the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 5 described above, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the control method of the battery cell temperature control system may include a temperature measuring step, a mode selection step, and a moving unit operating step.
  • the temperature sensor measures the temperature of the battery cell (B).
  • the controller compares the temperature of the battery cell B measured in the temperature measuring step with a preset temperature of the predetermined battery cell B, and the cooling is performed when the measured temperature is higher than the set temperature.
  • the first mode of supplying the first fluid to the flow path 21 is selected, and the second mode of supplying the second fluid to the heating flow path 31 is selected when the measurement temperature is lower than the set temperature.
  • control unit moves the moving means to move at least one of the cooling plate 20 and the heating plate 30 according to the selection of the first mode and the second mode. 80).
  • the cooling plate 20 is in contact with the flat plate heat exchange unit 10 by the moving means 80, and the heating plate 30 is the flat plate. It is separated from the type heat exchange unit (10).
  • the heating plate 30 is in contact with the plate heat exchange unit 10 by the moving means 80, the cooling plate 202 is the plate heat exchange unit ( 10).
  • porous coating layer is formed in the inner space of the plate heat exchange unit, heat exchange may be performed on the entire area of the plate heat exchange unit, thereby making it possible to uniformly cool and heat the entire area of the battery cell.
  • the temperature control efficiency of the battery cell can be further improved.

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Abstract

배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법에서, 상기 배터리셀 온도제어 시스템은 평판형 열교환유닛, 냉각플레이트, 가열플레이트, 라디에이터, 히터 및 제어부를 포함한다. 상기 평판형 열교환유닛은 배터리셀과 접촉된다. 상기 냉각플레이트는 상기 배터리셀의 일측에 배치되어 상기 평판형 열교환유닛과 열교환되고, 내부에는 냉각유체가 이동되는 냉각유로가 마련된다. 상기 가열플레이트는 상기 배터리셀의 타측에 배치되어 상기 평판형 열교환유닛과 열교환되고, 내부에는 가열유체가 이동되는 가열유로가 마련된다. 상기 라디에이터는 상기 냉각유로와 연결되어, 상기 냉각유로로 냉각된 제1 유체를 공급한다. 상기 히터는 상기 가열플레이트와 연결되어, 상기 가열유로로 가열된 제2 유체를 공급한다. 상기 제어부는 상기 배터리셀과 연결된 온도센서에서 측정된 상기 배터리셀의 측정온도와 기설정된 배터리셀의 설정온도를 비교하여, 상기 제1 유체를 공급하거나 상기 제2 유체를 공급한다.

Description

배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법
본 발명은 배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리셀의 온도를 선택적으로 높이거나 낮출 수 있도록 하는 배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.
또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 각광받고 있다.
전기자동차는 전기에너지를 이용하여 전동기를 회전시켜 바퀴를 구동시키는 원리로 주행을 하도록 설계되며, 자동차의 주행을 위해서는 높은 전압의 배터리 에너지가 필수로 되고 있다.
때문에 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리셀을 전기적으로 연결한 배터리모듈 및 이를 단위모듈로 포함하는 중대형 배터리팩이 사용된다.
이러한 배터리모듈 및 배터리팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 밀집도로 적층할 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 배터리모듈의 단위배터리로서 주로 사용되고 있다.
특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 배터리는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 많은 관심을 모으고 있다.
그런데, 배터리모듈을 구성하는 배터리셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다.
따라서, 적층된 배터리셀들 또는 배터리모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉각수와 같은 냉매의 유로가 형성되는 구조로 이루어진다.
이와 같이 기존의 배터리팩은 배터리셀을 사용함에 따라 발생되는 고열을 적절히 방열시켜 그 성능과 수명이 유지되도록 하는 기술이 많이 발전되어 있다.
그러나, 반대로 열을 공급하여 배터리셀을 가열하는 기술은 상대적으로 발전이 덜 되어 있다. 현재 전기자동차에서는 저온 상태일 때 시동을 걸 수 있어야 하는 냉시동 스펙이 점점 올라가고 있다.
따라서, 배터리셀의 냉각뿐만 아니라 배터리셀을 가열하여 냉시동시에도 필요한 출력을 낼 수 있게 도와주는 기술이 요구된다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-1670020호가 있다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 냉각플레이트 및 가열플레이트와 각각 열교환되는 평판형 열교환유닛을 구비하여 배터리셀을 냉각 및 가열시킴으로써, 간단한 구조에 의해 배터리셀의 온도를 기설정된 온도로 유지시킬 수 있도록 하는 배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 배터리셀 온도제어 시스템은 평판형 열교환유닛, 냉각플레이트, 가열플레이트, 라디에이터, 히터 및 제어부를 포함한다. 상기 평판형 열교환유닛은 배터리셀과 접촉된다. 상기 냉각플레이트는 상기 배터리셀의 일측에 배치되어 상기 평판형 열교환유닛과 열교환되고, 내부에는 냉각유체가 이동되는 냉각유로가 마련된다. 상기 가열플레이트는 상기 배터리셀의 타측에 배치되어 상기 평판형 열교환유닛과 열교환되고, 내부에는 가열유체가 이동되는 가열유로가 마련된다. 상기 라디에이터는 상기 냉각유로와 연결되어, 상기 냉각유로로 냉각된 제1 유체를 공급한다. 상기 히터는 상기 가열플레이트와 연결되어, 상기 가열유로로 가열된 제2 유체를 공급한다. 상기 제어부는 상기 배터리셀과 연결된 온도센서에서 측정된 상기 배터리셀의 측정온도와 기설정된 배터리셀의 설정온도를 비교하여, 상기 제1 유체를 공급하거나 상기 제2 유체를 공급한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 높은 경우, 상기 냉각유로로 상기 제1 유체를 공급하는 제1 모드를 선택하고, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 낮은 경우, 상기 가열유로로 상기 제2 유체를 공급하는 제2 모드를 선택할 수 있다.
일 실시예에서, 일측은 상기 냉각플레이트와 연결되고 상기 타측은 상기 가열플레이트와 연결되어, 상기 냉각플레이트 및 상기 가열플레이트 중 적어도 하나를 이동시켜 상기 평판형 열교환유닛에 선택적으로 접촉시키는 이동수단을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제3 유체가 배출되는 유로상에 배치되어, 상기 라디에이터 또는 상기 히터로 상기 제3 유체를 이동시키는 제1 방향제어 밸브, 및 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 이동되는 유로상에 배치되어, 상기 제1 유체를 상기 냉각유로 이동시키거나 상기 제2 유체를 상기 가열유로로 이동시키는 제2 방향제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 모드에서, 상기 제3 유체가 상기 라디에이터로 이동되도록 상기 제1 방향제어 밸브를 제어하고, 상기 제1 유체가 상기 냉각유로로 이동되도록 상기 제2 방향제어 밸브를 제어하며, 상기 히터를 오프(off)하고, 상기 제2 모드에서, 상기 제3 유체가 상기 히터로 이동되도록 상기 제1 방향제어 밸브를 제어하고, 상기 제2 유체가 상기 가열유로로 이동되도록 상기 제2 방향제어 밸브를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 모드에서, 상기 냉각플레이트가 상기 평판형 열교환유닛에 접촉되고 상기 가열플레이트가 상기 평판형 열교환유닛과 분리되도록, 상기 이동수단을 제어하고, 상기 제2 모드에서, 상기 가열플레이트가 상기 평판형 열교환유닛에 접촉되고 상기 냉각플레이트가 상기 평판형 열교환유닛과 분리되도록, 상기 이동수단을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 평판형 열교환유닛는, 티지피(TGP: Thermal Ground Plane)이고, 상기 티지피는, 작동유체가 수용되는 내부공간, 및 상기 내부공간의 일측면에 배치되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시키는 다공성 코팅층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배테리셀은 복수 개가 구비되고, 상기 평판형 열교환유닛은 상기 배터리셀들 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 평판형 열교환유닛는 상기 배터리셀을 감싸도록 배치될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 배터리셀 온도제어 시스템의 제어방법은, 상기 온도센서가 상기 배터리셀의 온도를 측정하는 온도 측정단계, 및 상기 제어부가 상기 온도측정단계에서 측정된 상기 배터리셀의 온도와 기설정된 배터리셀의 설정온도를 비교하여, 상기 제1 유체를 공급하거나 상기 제2 유체를 공급하도록 제어하는 모드 선택단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 모드 선택단계에서, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 높은 경우, 상기 냉각유로로 상기 제1 유체를 공급하는 제1 모드가 선택되고, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 낮은 경우, 상기 가열유로로 상기 제2 유체를 공급하는 제2 모드가 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 모드 선택단계 이후, 상기 제어부가 상기 냉각플레이트 및 상기 가열플레이트 중 적어도 하나를 이동시키는 이동수단을 작동시키는 이동수단 작동단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법은, 냉각플레이트 및 가열플레이트와 각각 열교환되는 평판형 열교환유닛을 구비하여 배터리셀을 냉각 및 가열시킴으로써, 간단한 구조에 의해 배터리셀의 온도를 기설정된 온도로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법은, 평판형 열교환유닛의 내부공간에 다공성 코팅층이 형성됨에 따라 평판형 열교환유닛의 전체면적에 대해 열교환이 이루어질 수 있어 배터리셀의 전체 면적에 대해 균일한 냉각 및 가열을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리셀 온도제어 시스템 및 이의 제어방법은, 이동수단에 의해 냉각플레이트 및 가열플레이트를 이동시키면서 열교환이 이루어지도록 함에 따라 배터리셀의 온도제어 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도제어 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 배터리 온도제어 시스템의 일부 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 온도제어 시스템에서, 다공성 코팅층이 배치된 상태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 도 1의 배터리 온도제어 시스템에서, 제1 모드상태에서 이송수단이 작동된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 1의 배터리 온도제어 시스템에서, 제2 모드상태에서 이송수단이 작동된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 온도제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
< 부호의 설명>
10: 평판형 열교환유닛 11: 내부공간
12: 다공성 코팅층 20: 냉각플레이트
21: 냉각유로 30: 가열플레이트
31: 가열유로 40: 라디에이터
50: 히터 61: 제1 방향제어 밸브
62: 제2 방향제어 밸브 63: 제1 밸브
64: 제2 밸브 71: 제1 유입유로
72: 제1 배출유로 73: 제2 유입유로
74: 제1 배출유로 75: 제1 순환유로
76: 제2 순환유로 80: 이동수단
81: 랙 82: 피니언
83: 모터
L: 작동유체 LM: 작동유체 액막
이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도제어 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 배터리 온도제어 시스템의 일부 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도제어 시스템은 평판형 열교환유닛(10)과, 냉각플레이트(20)와, 가열플레이트(30)와, 라디에이터(40)와, 히터(50) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 평판형 열교환유닛(10)은 배터리셀(B)과 접촉되게 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배터리셀(B)은 복수 개가 구비될 수 있고, 상기 평판형 열교환유닛(10)은 상기 배터리셀(B) 사이사이에 배치될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 열교환유닛(10)에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 도 1의 배터리 온도제어 시스템에서, 다공성 코팅층(12)이 배치된 상태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 평판형 열교환유닛(10)은 티지피(TGP: Thermal Ground Plane)가 사용된 것이 제시된다. 이하에서는 상기 평판형 열교환유닛(10)을 티지피로 대체하여 설명하기로 한다.
상기 티지피(10)의 내부공간(11)에는 작동유체(L)가 수용되고, 상기 내부공간(11)의 일측면에는 상기 작동유체(L)의 비등을 촉진시키는 다공성 코팅층(12)이 마련될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 다공성 코팅층(12)은 상기 배터리셀(도 2의 B)의 일측면에 상기 배터리셀(B)의 길이방향으로 따라 복수 개가 형성된 것이 제시된다.
이때, 상기 작동유체(L)는 상기 내부공간(11)의 하부측에 존재하게 되고, 상기 작동유체(L)는 모세관 현상에 의해 상기 다공성 코팅층(12)으로 이동되어 상기 다공성 코팅층(12)에 작동유체 액막(LM)을 형성하게 된다.
즉, 상기 배터리셀(B)에서 열이 발생하게 되면, 발생한 열은 상기 다공성 코팅층(12)에 접촉하고 있는 작동유체 액막(LM)을 가열하게 된다.
상기 다공성 코팅층(12)에 미세한 구멍들이 형성됨으로 인하여 상기 다공성 코팅층(12)과 상기 작동유체(L)와의 접촉면적이 증가하게 되고, 이로 인하여 상기 작동유체(L)가 열을 받으면 짧은 시간 내에 비등하게 된다.
즉, 상기 작동유체(L)의 비등으로 인하여 증기가 발생하게 되고, 상기 증기는 상기 다공성 코팅층(12)에서 상기 내부공간(11)의 내측면으로 이동되되 후술하는 냉각플레이트(20)가 설치된 방향으로 이동하게 되며, 상기 증기는 후술하는 제1 유체와 열교환되어 응축될 수 있다.
응축된 작동유체(L)는 중력에 의해 상기 내부공간(11)의 하부측으로 낙하되거나 상기 다공성 코팅층(12)으로 이동되어 상기 다공성 코팅층(12)에 작동유체 액막(LM)을 형성할 수 있게 된다. 이에 따라, 상기 작동유체(L)는 상기 내부공간(11)에서 순환하게 된다.
따라서, 상기 배터리셀(B)에서 발생한 열은 상기 작동유체(L)의 상변화에 의한 열전달을 통하여 외부로 방열될 수 있다.
상기 냉각플레이트(20)는 상기 배터리셀(B)의 일측에 배치되어 상기 티지피(10)와 열교환될 수 있다. 더욱 구체적으로는, 상기 냉각플레이트(20)는 상기 배터리셀(B)의 상측에 배치될 수 있다.
즉, 상기 냉각플레이트(20)는 상기 배터리셀(B)의 측정온도가 기설정된 배터리셀(B)의 설정온도보다 높을 경우, 상기 배터리셀(B)의 측정온도를 기설정온도로 낮추는 경우에 사용된다.
한편, 상기 배터리셀(B)의 측정온도는 상기 배터리셀(B)과 연결되도록 설치된 온도센서(미도시)에 의해 측정될 수 있다.
이때, 상기 냉각플레이트(20)의 내부에는 냉각된 제1 유체가 유동되는 냉각유로(21)가 마련될 수 있으며, 상기 냉각유로(21)는 후술하는 라디에이터(40)와 연결되어 상기 라디에이터(40)를 통해 냉각된 제1 유체가 공급될 수 있다.
즉, 상기 냉각유로(21)로 상기 제1 유체가 공급되면, 상기 냉각유로(21)로 유동되는 제1 유체와 상기 티지피(10)의 내부공간(11)에 수용된 작동유체(L) 간에 열교환되면서 상기 배터리셀(B)에서 발생된 열을 외부로 방열시켜 상기 배터리셀(B)의 온도가 낮아지도록 한다.
상기 가열플레이트(30)는 상기 배터리셀(B)의 타측에 배치되어 상기 티지피(10)와 열교환될 수 있다. 더욱 구체적으로는, 상기 가열플레이트(30)는 상기 배터리셀(B)의 하측에 배치될 수 있다.
즉, 상기 가열플레이트(30)는 상기 배터리셀(B)의 측정온도가 기설정된 배터리셀(B)의 설정온도보다 낮을 경우 상기 배터리셀(B)의 측정온도를 기설정온도로 높이는 경우에 사용된다.
이때, 상기 가열플레이트(30)의 내부에는 가열된 제2 유체가 유동되는 가열유로(31)가 마련될 수 있으며, 상기 가열유로(31)는 후술하는 히터(50)와 연결되어 상기 히터(50)를 통해 가열된 제2 유체가 공급될 수 있다.
즉, 상기 가열유로(31)로 상기 제2 유체가 공급되면, 상기 가열유로(31)로 유동되는 제2 유체와 상기 티지피(10)의 내부공간(11)에 수용된 작동유체(L) 간에 열교환되고, 상기 제2 유체와 열교환되어 온도가 높아진 작동유체(L)의 열이 상기 배터리셀(B)에 전달되어 상기 배터리셀(B)의 온도가 높아지게 된다.
상기 라디에이터(40)는 상기 냉각유로(21)의 유입구측과 연결되어 상기 냉각유로(21)로 냉각된 제1 유체를 공급할 수 있다.
또한, 상기 라디에이터(40)는 상기 냉각유로(21) 및 상기 가열유로(31)의 배출구측과 각각 연결되어 상기 냉각유로(21) 또는 상기 가열유로(31)에서 열교환된 제3 유체가 통과되면서 제3 유체를 냉각하여 제1 유체로 변경시킬 수 있다.
상기 히터(50)는 상기 가열유로(31)의 유입구측과 연결되어 상기 가열유로(31)로 가열된 제2 유체를 공급할 수 있다.
또한, 상기 히터(50)는 상기 냉각유로(21) 및 상기 가열유로(31)의 배출구측과 각각 연결되어 상기 냉각유로(21) 또는 상기 가열유로(31)에서 열교환된 제3 유체가 통과되면서 상기 제3 유체를 가열하여 제2 유체로 변경시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀 온도제어 시스템은 제1 방향제어 밸브(61) 및 제2 방향제어 밸브(62)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 방향제어 밸브(61)는 상기 냉각유로(21) 또는 상기 가열유로(31)에서 열교환된 제3 유체가 배출되는 유로상에 배치되어 상기 제3 유체가 상기 라디에이터(40) 또는 상기 히터(50)로 이동될 수 있도록 상기 제3 유체의 이동방향을 조절할 수 있다.
상기 제2 방향제어 밸브(62)는 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 이동되는 유로상에 배치되어 상기 제1 유체는 상기 냉각유로(21) 이동되도록 상기 제1 유체의 이동방향을 조절하고, 상기 제2 유체는 상기 가열유로(31)로 이동되도록 상기 제2 유체의 이동방향을 조절할 수 있다.
지금부터는 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀 온도제어 시스템에 구비된 각 유로의 배치구조 및 각 밸브의 배치구조를 설명하기로 한다.
상기 냉각유로(21)의 일측에는 상기 냉각유로(21)의 유입구측과 연결되는 제1 유입유로(71)가 마련될 수 있고, 그 타측에는 상기 냉각유로(21)의 배출구측와 연결되는 제1 배출유로(72)가 마련될 수 있다.
상기 가열유로(31)의 일측에는 상기 가열유로(31)의 유입구측과 연결되는 제2 유입유로(73)가 마련될 수 있고, 그 타측에는 상기 가열유로(31)의 배출구측과 연결되는 제2 배출유로(74)가 마련될 수 있다.
또한, 일측이 상기 제1 배출유로(72) 및 상기 제2 배출유로(74)와 연결되고 상기 라디에이터(40) 및 상기 히터(50)를 지나 상기 제1 유입유로(71) 및 상기 제2 유로와 연결되는 제1 순환유로(75)가 마련될 수 있다.
한편, 상기 제1 배출유로(72) 및 상기 제2 배출유로(74)와 상기 제1 순환유로(75)가 연결될 부위에는 제1 밸브(63)가 마련될 수 있다.
상기 제1 밸브(63)는 상기 제1 배출유로(72)로 이동되는 상기 제3 유체가 상기 제1 순환유로(75)로 이동되거나, 상기 제2 배출유로(74)로 이동되는 상기 제3 유체가 상기 제1 순환유로(75)로 이동되도록 할 수 있으며, 상기 제1 밸브(63)는 유체를 한 방향으로 이동시킬 수 있는 체크밸브가 사용될 수 있다.
또한, 일측이 상기 제1 밸브(63)와 상기 라디에이터(40) 사이의 상기 제1 순환유로(75)에서 분기되고, 타측이 상기 라디에이터(40)와 상기 히터(50) 사이의 상기 제1 순환유로(75)에 연결되는 제2 순환유로(76)가 마련될 수 있다.
즉, 상기 제2 순환유로(76) 이동되는 상기 제3 유체는 상기 라디에이터(40)를 경유하지 않게 된다.
한편, 상기 제1 순환유로(75)로부터 상기 제2 순환유로(76)가 분기된 부위에는 앞서 상술한 상기 제1 방향제어 밸브(61)가 마련될 수 있고, 상기 제2 순환유로(76)와 상기 제1 순환유로(75)가 연결된 부위에는 제2 밸브(64)가 마련될 수 있다.
즉, 상기 제1 방향제어 밸브(61)는 상기 제1 순환유로(75)로 이동되는 제3 유체가 상기 라디에이터(40)를 경유하도록 하거나, 상기 라디에이터(40)를 경유하지 않도록 상기 제2 순환유로(76)로 이동될 수 있도록 제3 유체의 이동방향을 조절하게 된다.
또한, 상기 제2 밸브(64)는 상기 라디에이터(40)를 통해 냉각된 제1 유체가 제1 순환유로(75)로 이동되도록 하거나, 상기 제2 순환유로(76)로 이동되는 제3 유체가 상기 제1 순환유로(75)로 이동될 수 있도록 하며, 상기 제2 밸브(64)는 상기 제1 밸브(63)와 동일하게 유체를 한 방향으로 이동시킬 수 있는 체크밸브가 사용될 수 있다.
한편, 상기 제1 순환유로(75)와 상기 제1 유입유로(71) 및 상기 제2 유입유로(73)와 연결된 부위에는 앞서 상술한 상기 제2 방향제어 밸브(62)가 마련될 수 있다.
즉, 상기 제2 방향제어 밸브(62)는 상기 제1 순환유로(75)로 이동되는 상기 제1 유체가 상기 제1 유입유로(71)로 이동되도록 제1 유체의 이동방향을 조절하거나, 상기 제1 순환유로(75)로 이동되는 상기 제2 유체가 상기 제2 유입유로(73)로 이동되도록 제2 유체의 이동방향을 조절하게 된다.
한편, 상기 히터(50)는 상기 제1 순환유로(75) 상에 배치되되, 상기 제2 방향제어 밸브(62)의 일측에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 히터(50)의 일측에는 상기 펌프(P)가 구비될 수 있으며, 상기 펌프(P)는 각 유로상에서 각 유체가 순환되도록 펌핑할 수 있다.
상기 제어부는 상기 냉각플레이트(20)로 제1 유체를 공급하는 제1 모드 및 가열플레이트(30)로 제2 유체를 공급하는 제2 모드가 선택되도록 제어할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 측정된 상기 배터리셀(B)의 측정온도와 기설정된 배터리셀(B)의 설정온도를 비교하여, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 높은 경우 상기 냉각유로(21)로 상기 제1 유체를 공급하는 제1 모드와, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 낮은 경우 상기 가열유로(31)로 상기 제2 유체를 공급하는 제2 모드가 선택되도록 제어할 수 있다.
지금부터는 제1 모드 및 제2 모드에 따른 배터리셀의 온도제어 과정을 간략히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 제1 모드는 상기 배터리셀(B)의 측정온도가 기설정된 배터리셀(B)의 설정온도가 높을 경우 수행되는 모드이다.
이때, 상기 제어부는 상기 제3 유체가 상기 라디에이터(40)로 이동되도록 상기 제1 방향제어 밸브(61)를 제어하는 것과 동시에 상기 제1 유체가 상기 냉각유로(21)로 이동되도록 상기 제2 방향제어 밸브(62)를 제어한다.
또한, 상기 제어부는 상기 히터(50)가 오프(off)되도록 제어하여, 상기 제1 유체가 상기 히터(50)를 경유하더라도 가열되지 않도록 한다.
이러면, 상기 냉각유로(21)에서 상기 제1 배출유로(72)로 배출되는 제3 유체는 상기 제1 밸브(63)를 지나 상기 제1 순환유로(75)로 이동되면서 상기 라디에이터(40)를 경유하게 된다.
이때, 상기 제3 유체는 상기 라디에이터(40)를 경유하면서 냉각되어 제1 유체로 변경된다.
상기 제1 유체는 계속해서 상기 제1 순환유로(75)로 이동되고 상기 히터(50)를 경유하게 된다.
이때, 상기 제1 유체가 상기 히터(50)를 경유하더라도 상기 히터(50)가 오프(off)된 상태이어서 상기 제1 유체의 온도는 유지된다.
상기 제1 유체는 상기 제2 방향제어 밸브(62)에 의해 이동방향이 조절되어 상기 제1 유입유로(71)를 통해 상기 냉각유로(21)로 유입된다.
여기서, 상기 배터리셀(B)의 열을 방열시켜 상기 배터리셀(B)의 온도를 낮추기 위하여 상기 냉각플레이트(20)와 상기 티지피(10) 간에 열교환이 이루어지게 된다.
상기 냉각플레이트(20)와 상기 티지피(10)가 열교환되는 과정을 설명하면 이하와 같다.
상기 티지피(10)의 내부공간(11)상에서는 상기 작동유체(L)가 모세관 현상에 의해 상기 다공성 코팅층(12)으로 이동되어 작동유체 액막(LM)이 형성된 상태이다.
이때, 상기 배터리셀(B)에서 발생된 열이 상기 다공성 코팅층(12)에 형성된 작동유체 액막(LM)을 가열하게 된다.
가열된 작동유체 액막(LM)은 증기로 변하게 되고, 상기 증기는 상기 내부공간(11)상에서 상승하면서 상기 냉각플레이트(20)가 설치된 방향의 내측면으로 이동된다.
이때, 상기 내부공간(11)의 내측면으로 이동된 증기는 상기 제1 유체와 열교환 되면서 상기 배터리셀(B)의 열을 외부로 방열시키게 된다.
상기 제1 유체와 열교환된 증기는 응축되어 상기 내부공간(11)의 하부측으로 낙하되거나 상기 다공성 코팅층(12)으로 이동될 수 있다.
이와 같은 과정을 통하여 상기 배터리셀(B)의 열이 방열됨에 따라 상기 배터리셀(B)의 온도가 낮아지게 된다.
다음으로, 상기 제2 모드는 상기 배터리셀(B)의 측정온도가 기설정된 배터리셀(B)의 설정온도가 낮을 경우 수행되는 모드이다.
이때, 상기 제어부는 상기 제3 유체가 상기 라디에이터(40)를 경유하지 않고 상기 히터(50)로 이동되도록 상기 제1 방향제어 밸브(61)를 제어하는 것과 동시에 상기 제3 유체가 상기 가열유로(31)로 이동되도록 상기 제2 방향제어 밸브(62)를 제어한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 모드에서 히터(50)가 오프된 상태를 온되도록 제어하여, 상기 제3 유체가 상기 히터(50)를 경유하는 동안 상기 제3 유체가 가열되도록 한다.
이러면, 상기 가열유로(31)에서 상기 제2 배출유로(74)로 배출되는 제3 유체는 상기 제1 밸브(63)를 지나 상기 제1 순환유로(75)로 이동되다가 상기 제1 방향제어 밸브(61)에 의해 상기 제2 순환유로(76)로 이동된다.
상기 제2 순환유로(76)로 이동된 제3 유체는 다시 상기 제1 순환유로(75)로 이동되어 상기 히터(50)를 경유하게 된다.
이때, 상기 제3 유체는 상기 히터(50)를 경유하면서 가열되어 제2 유체로 변경된다.
상기 제2 유체는 상기 제2 방향제어 밸브(62)에 의해 이동방향이 조절되어 상기 제2 유입유로(73)를 통해 상기 가열유로(31)로 유입된다.
여기서, 상기 배터리셀(B)을 가열하여 상기 배터리셀(B)의 온도를 높이기 위하여 상이 가열플레이트(30)와 상기 티지피(10) 간에 열교환이 이루어지게 된다.
상기 가열플레이트(30)와 상기 티지피(10) 간에 열교환되는 과정을 설명하면 이하와 같다.
상기 가열플레이트(30)의 가열유로(31)로 이동된 제2 유체는 상기 작동유체(L)와 열교환이 이루어진다.
상기 제2 유체와 열교환된 상기 작동유체(L)는 증기로 변화되어 상기 내부공간(11)상에서 상측 방향으로 이동되면서 상기 배터리셀(B)과 접하고 있는 상기 다공성 코팅층(12) 사이사이 면으로 이동된다.
상기 다공성 코팅층(12) 사이사이 면으로 이동된 증기의 열이 상기 배터리셀(B)로 전달되어 상기 배터리셀(B)을 가열하게 된다. 이때, 상기 증기의 열이 상기 배터리셀(B)로 전달되면서 응축되어 상기 내부공간(11)의 하부측으로 낙하되거나 상기 다공성 코팅층(12)으로 통해 상기 내부공간(11)의 하부로 이동될 수 있다.
이와 같은 과정을 통하여 상기 배터리셀(B)이 가열됨에 따라 상기 배터리셀(B)의 온도가 높아지게 된다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여, 도 1의 배터리 온도제어 시스템에서, 이동수단(80)에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 도 1의 배터리 온도제어 시스템에서, 제1 모드상태에서 이송수단이 작동된 상태를 나타낸 개략도이고, 도 5는 도 1의 배터리 온도제어 시스템에서, 제2 모드상태에서 이송수단이 작동된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀(B)의 온도제어 시스템은 상기 냉각플레이트(20) 및 상기 가열플레이트(30)를 상기 평판형 열교환유닛(10)에 선택적으로 접촉시키기 위한 이동수단(80)을 더 포함할 수 있다.
상기 이동수단(80)은 일측이 상기 냉각플레이트(20)와 연결되고 상기 타측이 상기 가열플레이트(30)와 연결되어 상기 냉각플레이트(20) 및 상기 가열플레이트(30) 중 적어도 하나를 이동시킬 수 있다.
즉, 상기 이동수단(80)은 상기 냉각플레이트(20) 및 상기 가열플레이트(30)를 상기 평판형 열교환유닛(10)에 선택적으로 접촉시키기 위하여 상기 냉각플레이트(20)와 상기 가열플레이트(30)를 이동시키게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동수단(80)은 상기 냉각플레이트(20) 및 상기 가열플레이트(30)를 동시에 이동시킬 수 있도록 한 것이 제시된다.
본 실시예에서는 상기 이동수단(80)으로는 랙(81)과 피니언(82) 구조가 적용된 것을 제시하고 있지만, 상기 냉각플레이트(20) 및 상기 가열플레이트(30)를 동시에 이동시킬 수 있는 구조라면 어느 구조라도 적용 가능할 것이다.
상기 랙(81)의 일측은 상기 냉각플레이트(20)의 일측에 연결되고, 그 타측은 상기 가열플레이트(30)의 일측에 연결될 수 있으며, 상기 피니언(82)은 상기 랙(81)에 기어 결합되게 설치될 수 있다.
상기 이동수단(80)은 상기 피니언(82)에 연결되어 상기 피니언(82)을 회전시키기 위한 모터(83)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 모터(83)의 작동에 의해 상기 피니언(82)이 회전되면 상기 랙(81)이 직선 이동되면서 상기 냉각플레이트(20) 및 상기 가열플레이트(30)를 이동시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 제어부는 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드에 적합하게 상기 제1 이동수단(80)을 제어할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 제1 모드가 선택될 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제어부는 상기 냉각플레이트(20)가 상기 평판형 열교환유닛(10)에 접촉되도록 하는 것과 동시에 상기 가열플레이트(30)가 상기 평판형 열교환유닛(10)과 분리되도록 상기 이동수단(80)을 제어한다.
즉, 상기 제1 모두에서 상기 가열플레이트(30)가 상기 평판형 열교환유닛(10)과 분리되도록 함에 따라, 상기 냉각플레이트(20)와 상기 평판형 열교환유닛(10) 간에 열교환이 집중되어 상기 배터리셀(B)의 냉각을 위한 온도제어 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 제2 모두가 선택될 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제어부는 상기 가열플레이트(30)가 상기 평판형 열교환유닛(10)에 접촉되도록 하는 것과 동시에 상기 냉각플레이트(20)가 상기 평판형 열교환유닛(10)과 분리되도록 상기 이동수단(80)을 제어한다.
즉, 상기 제2 모두에서 상기 냉각플레이트(20)가 상기 평판형 열교환유닛(10)과 분리되도록 함에 따라, 상기 가열플레이트(30)와 상기 평판형 열교환유닛(10) 간에 열교환이 집중되어 상기 배터리셀(B)의 가열을 위한 온도제어 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이하에는 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리셀(B) 온도제어 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 온도제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에서의 배터리 온도제어 시스템은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 상기 배터리 온도제어 시스템의 구조와 동일하나 평판형 열교환유닛이 배치된 구조가 다르다.
도 6을 참조하면, 상기 평판형 열교환유닛(10)은 상기 배터리셀(B)을 감싸도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 다공성 코팅층(12)은 상기 배터리셀(B)의 외측면 둘레를 따라 복수 개가 배치될 수 있다.
본 실시예에서 따른 제1 모드 및 제2 모드의 과정은 상술한 상기 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 실시예에서의 제1 모드 및 제2 모드의 작동과정과 동일하여 상세한 설명은 생략한다.
지금부터는 상기 배터리셀 온도제어 시스템의 제어방법을 설명하기로 한다.
상기 배터리셀 온도제어 시스템의 제어방법은 온도 측정단계와, 상기 모드 선택단계 및 이동수단 작동단계를 포함할 수 있다.
상기 온도 측정단계에서는 상기 온도센서가 상기 배터리셀(B)의 온도를 측정한다.
상기 모드 선택단계에서는 상기 제어부가 상기 온도측정단계에서 측정된 상기 배터리셀(B)의 온도와 기설정된 배터리셀(B)의 설정온도를 비교하여, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 높은 경우 상기 냉각유로(21)로 상기 제1 유체를 공급하는 제1 모드를 선택하고, 상기 측정온도가 상기 설정온도보다 낮은 경우 상기 가열유로(31)로 상기 제2 유체를 공급하는 제2 모드를 선택한다.
상기 이동수단(80) 작동단계에서는 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드의 선택에 따라, 상기 제어부가 상기 냉각플레이트(20) 및 상기 가열플레이트(30) 중 적어도 하나를 이동시키기 위해 상기 이동수단(80)을 작동시킨다.
이때, 본 실시예에서는 상기 제1 모드가 선택되면, 상기 이동수단(80)에 의해 상기 냉각플레이트(20)는 상기 평판형 열교환유닛(10)과 접촉되고, 상기 가열플레이트(30)는 상기 평판형 열교환유닛(10)과 분리된다.
또한, 상기 제2 모드가 선택되면, 상기 이동수단(80)에 의해 상기 가열플레이트(30)는 상기 평판형 열교환유닛(10)과 접촉되고, 상기 냉각플레이트(202)는 상기 평판형 열교환유닛(10)과 분리된다.
상기 설명한 실시예들에 의하면, 냉각플레이트 및 가열플레이트와 각각 열교환되는 평판형 열교환유닛을 구비하여 배터리셀을 냉각 및 가열시킴으로써, 간단한 구조에 의해 배터리셀의 온도를 기설정된 온도로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 평판형 열교환유닛의 내부공간에 다공성 코팅층이 형성됨에 따라 평판형 열교환유닛의 전체면적에 대해 열교환이 이루어질 수 있어 배터리셀의 전체 면적에 대해 균일한 냉각 및 가열을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이동수단에 의해 냉각플레이트 및 가열플레이트를 이동시키면서 열교환이 이루어지도록 함에 따라 배터리셀의 온도제어 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 배터리셀과 접촉되는 평판형 열교환유닛;
    상기 배터리셀의 일측에 배치되어 상기 평판형 열교환유닛과 열교환되고, 내부에는 냉각유체가 이동되는 냉각유로가 마련된 냉각플레이트;
    상기 배터리셀의 타측에 배치되어 상기 평판형 열교환유닛과 열교환되고, 내부에는 가열유체가 이동되는 가열유로가 마련된 가열플레이트;
    상기 냉각유로와 연결되어, 상기 냉각유로로 냉각된 제1 유체를 공급하는 라디에이터;
    상기 가열플레이트와 연결되어, 상기 가열유로로 가열된 제2 유체를 공급하는 히터; 및
    상기 배터리셀과 연결된 온도센서에서 측정된 상기 배터리셀의 측정온도와 기설정된 배터리셀의 설정온도를 비교하여, 상기 제1 유체를 공급하거나 상기 제2 유체를 공급하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정온도가 상기 설정온도보다 높은 경우, 상기 냉각유로로 상기 제1 유체를 공급하는 제1 모드를 선택하고,
    상기 측정온도가 상기 설정온도보다 낮은 경우, 상기 가열유로로 상기 제2 유체를 공급하는 제2 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    일측은 상기 냉각플레이트와 연결되고 상기 타측은 상기 가열플레이트와 연결되어, 상기 냉각플레이트 및 상기 가열플레이트 중 적어도 하나를 이동시켜 상기 평판형 열교환유닛에 선택적으로 접촉시키는 이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제3 유체가 배출되는 유로상에 배치되어, 상기 라디에이터 또는 상기 히터로 상기 제3 유체를 이동시키는 제1 방향제어 밸브; 및
    상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 이동되는 유로상에 배치되어, 상기 제1 유체를 상기 냉각유로 이동시키거나 상기 제2 유체를 상기 가열유로로 이동시키는 제2 방향제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 모드에서,
    상기 제3 유체가 상기 라디에이터로 이동되도록 상기 제1 방향제어 밸브를 제어하고, 상기 제1 유체가 상기 냉각유로로 이동되도록 상기 제2 방향제어 밸브를 제어하며, 상기 히터를 오프(off)하고,
    상기 제2 모드에서,
    상기 제3 유체가 상기 히터로 이동되도록 상기 제1 방향제어 밸브를 제어하고, 상기 제2 유체가 상기 가열유로로 이동되도록 상기 제2 방향제어 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 모드에서,
    상기 냉각플레이트가 상기 평판형 열교환유닛에 접촉되고 상기 가열플레이트가 상기 평판형 열교환유닛과 분리되도록, 상기 이동수단을 제어하고,
    상기 제2 모드에서,
    상기 가열플레이트가 상기 평판형 열교환유닛에 접촉되고 상기 냉각플레이트가 상기 평판형 열교환유닛과 분리되도록, 상기 이동수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 평판형 열교환유닛는, 티지피(TGP: Thermal Ground Plane)이고,
    상기 티지피는, 작동유체가 수용되는 내부공간, 및 상기 내부공간의 일측면에 배치되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시키는 다공성 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배테리셀은 복수 개가 구비되고,
    상기 평판형 열교환유닛은 상기 배터리셀들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 평판형 열교환유닛는 상기 배터리셀을 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 배터리셀 온도제어 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 온도센서가 상기 배터리셀의 온도를 측정하는 온도 측정단계; 및
    상기 제어부가 상기 온도측정단계에서 측정된 상기 배터리셀의 온도와 기설정된 배터리셀의 설정온도를 비교하여, 상기 제1 유체를 공급하거나 상기 제2 유체를 공급하도록 제어하는 모드 선택단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 모드 선택단계에서,
    상기 측정온도가 상기 설정온도보다 높은 경우, 상기 냉각유로로 상기 제1 유체를 공급하는 제1 모드가 선택되고,
    상기 측정온도가 상기 설정온도보다 낮은 경우, 상기 가열유로로 상기 제2 유체를 공급하는 제2 모드가 선택되는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템의 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모드 선택단계 이후,
    상기 제어부가 상기 냉각플레이트 및 상기 가열플레이트 중 적어도 하나를 이동시키는 이동수단을 작동시키는 이동수단 작동단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀 온도제어 시스템의 제어방법.
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