KR20240094578A - 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 수직 적층된 복수의 배터리셀(111)과 배터리셀(111)의 개별 BMS(112)로 이루어지고 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈(113)과, 배터리모듈(113)의 통합 BMS(114)로 구성된 배터리팩(115)과, 배터리팩(115)을 커버하는 외장케이스(116)로 이루어져, 전기추진선박의 전기추진 시스템으로 전원을 공급하고, 배터리모듈(113)은 배터리팩(115)에 모듈단위로 교체되는, 배터리 시스템(110), 배터리셀(111)의 온도를 계측하는 제1센서(121)와, 배터리모듈(113)의 온도를 계측하는 제2센서(122)와, 배터리팩(115)의 온도를 계측하는 제3센서(123)로 이루어진, 센서부(120), 배터리모듈(113)에 결합되고, 배터리모듈(113)의 발열을 냉각하는 제1냉각부(130), 및 센서부(120)로부터 전송된 각 계측값에 따라 제1냉각부(130)를 제어하여 배터리 시스템(110)의 온도를 적정 수준으로 유지하도록 하는, 제어부(140)을 포함하여, 배터리모듈의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하고, 배터리 시스템 주변기기의 열손상을 최소화하는, 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템을 개시한다.
Description
본 발명은 개별 배터리셀 및 배터리팩의 고열을 효과적으로 방열하도록 하여 어느 하나의 센서의 오류 또는 오작동시에도 커버하여 배터리모듈의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하고, 배터리 시스템 주변기기로 고열이 전도되는 것을 최소화하여 열손상을 방지하도록 할 수 있는, 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
세계적인 환경규제에 대응하기 위해 친환경 스마트 선박 등 조선분야의 미래 기술이 대두되어 개발되고 있지만, 대형선박 중심으로 요구기술이 구현되고 있어 비중이 가장 높은 5톤미만 선박에 실제 통합되어 적용되는 기술은 부족한 실정이다.
한편, 해상충돌로 인한 해양사고는 매년 증가하며 어선이 차지하는 비중이 가장 높아 5톤 미만 어선의 안전 확보와 순수전기 친환경 선박 기술 구현이 필요한 시점이다.
하지만, 실제 선박 적용에 대한 연구 부족으로 인해, 종래의 개발 사례들은 소형선박에 요구되는 기술을 구현하는 것이 쉽지 않고, 전기추진 시스템, 배터리 시스템 등이 선외기 타입으로 적용되기도 하여 조업공간을 차지하여 조업활동을 방해하고, 선외 어구 보관 창고를 제거하여야 해서, 실제 어선에 적용할 수 있는 한계가 있다.
또한, 전기추진 시스템으로 전력을 공급하는 배터리의 충방전시에 고열이 발생하게 되어 배터리의 열화를 가속시켜 수명이 급속히 감소하고, 배터리 주변에 설치되는 주변기기로 고열이 전도되어 열손상을 일으켜 전체적인 전기추진 시스템에 오작동을 야기하기도 한다.
이에, 별 배터리셀 및 배터리팩의 고열을 효과적으로 방열하도록 하여 어느 하나의 센서의 오류 또는 오작동시에도 커버하여 배터리모듈의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하고, 배터리 시스템 주변기기로 고열이 전도되는 것을 최소화하여 열손상을 방지하도록 할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 개별 배터리셀 및 배터리팩의 고열을 효과적으로 방열하도록 하여 어느 하나의 센서의 오류 또는 오작동시에도 커버하여 배터리모듈의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하고, 배터리 시스템 주변기기로 고열이 전도되는 것을 최소화하여 열손상을 방지하도록 할 수 있는, 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명의 실시예는, 수직 적층된 복수의 배터리셀과 상기 배터리셀의 개별 BMS로 이루어지고 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈과, 상기 배터리모듈의 통합 BMS로 구성된 배터리팩과, 상기 배터리팩을 커버하는 외장케이스로 이루어져, 전기추진선박의 전기추진 시스템으로 전원을 공급하고, 상기 배터리모듈은 상기 배터리팩에 모듈단위로 교체되는, 배터리 시스템; 상기 배터리셀의 온도를 계측하는 제1센서와, 상기 배터리모듈의 온도를 계측하는 제2센서와, 상기 배터리팩의 온도를 계측하는 제3센서로 이루어진, 센서부; 상기 배터리모듈에 결합되고, 상기 배터리모듈의 발열을 냉각하는 제1냉각부; 및 상기 센서부로부터 전송된 각 계측값에 따라 상기 제1냉각부를 제어하여 상기 배터리 시스템의 온도를 적정 수준으로 유지하도록 하는, 제어부;를 포함하는, 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 제1냉각부는, 상기 배터리모듈의 저면에 밀착되고 양호한 전도성 금속소재로 이루어진 냉각플레이트와, 상기 냉각플레이트의 저면에 일정패턴으로 배열된 냉각핀과, 상기 냉각핀으로 냉각제를 공급하는 제1냉각제공급모듈로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 냉각제는 냉매유체, 냉매가스 또는 공기일 수 있다.
또한, 상기 냉각핀은 구리 단일 소재이거나 구리 60% 이상 함유된 합금 소재일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1센서로부터 전송된 계측값이 미리설정된 기준값 이상의 고열을 초과하면, 해당 제1냉각제공급모듈을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제3센서로부터 전송된 계측값이 미리설정된 기준값 이상의 고열을 초과하면, 상기 외장 케이스에 인접하여 설치된 주변기기로 고열이 전도되는 것을 차단하도록 해당 제1냉각제공급모듈을 제어할 수 있다.
또한, 상기 배터리모듈 사이에 지그재그형상으로 형성된 유로와, 상기 배터리모듈의 외측에 일정패턴으로 배열되는 냉각핀과, 상기 유로로 냉각제를 순환공급하는 제2냉각제공급모듈로 이루어진, 제2냉각부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각핀은 구리 단일 소재이거나 구리 60% 이상 함유된 합금 소재일 수 있다.
또한, 상기 배터리셀은 리튬이온 배터리일 수 있다.
본 발명에 의하면, 개별 배터리셀 및 배터리팩의 고열을 효과적으로 방열하도록 하여 어느 하나의 센서의 오류 또는 오작동시에도 커버하여 배터리모듈의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하고, 배터리 시스템 주변기기로 고열이 전도되는 것을 최소화하여 열손상을 방지하도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 구현도를 예시한 것이다.
도 3은 도 1의 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 배터리 시스템을 예시한 것이다.
도 4는 도 1의 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 냉각부를 각각 분리도시한 것이다.
도 2는 도 1의 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 구현도를 예시한 것이다.
도 3은 도 1의 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 배터리 시스템을 예시한 것이다.
도 4는 도 1의 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 냉각부를 각각 분리도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 전술한 특징을 갖는 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 실시예에 의한 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템은, 수직 적층된 복수의 배터리셀(111)과 배터리셀(111)의 개별 BMS(112)로 이루어지고 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈(113)과, 배터리모듈(113)의 통합 BMS(114)로 구성된 배터리팩(115)과, 배터리팩(115)을 커버하는 외장케이스(116)로 이루어져, 전기추진선박의 전기추진 시스템으로 전원을 공급하고, 배터리모듈(113)은 배터리팩(115)에 모듈단위로 교체되는, 배터리 시스템(110), 배터리셀(111)의 온도를 계측하는 제1센서(121)와, 배터리모듈(113)의 온도를 계측하는 제2센서(122)와, 배터리팩(115)의 온도를 계측하는 제3센서(123)로 이루어진, 센서부(120), 배터리모듈(113)에 결합되고, 배터리모듈(113)의 발열을 냉각하는 제1냉각부(130), 및 센서부(120)로부터 전송된 각 계측값에 따라 제1냉각부(130)를 제어하여 배터리 시스템(110)의 온도를 적정 수준으로 유지하도록 하는, 제어부(140)를 포함하여, 배터리모듈의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하고, 배터리 시스템 주변기기의 열손상을 최소화하는 것을 요지로 한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 전술한 구성의 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
우선, 배터리 시스템(110)은 30kWh급으로 설계되어 전기추진선박의 전기추진 시스템으로 전원을 공급하는 구성으로서, 예컨대, 수직 적층된 복수의 또한, 리튬이온 배터리인 배터리셀(111)과 배터리셀(111)의 개별 BMS(112)로 이루어지고 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈(113)과, 배터리모듈(113)의 통합 BMS(114)로 구성된 배터리팩(115)과, 배터리팩(115)을 커버하는 외장케이스(116)로 이루어진다.
여기서, 개별 BMS(Battery Management System)(112)는 침수센서를 통해 배터리팩(115) 내부의 방수상태를 식별하며, 전력공급을 실시간으로 모니터링하고, 각 배터리셀(111)간의 전압레벨을 균등하게 유지하고, 과충전과 과방전 방지와 배터리 잔량 측정과 소비 전류 측정과 쇼트 방지 기능을 수행한다.
또한, 배터리모듈(113)은 배터리팩(115)에 모듈단위로 교체되도록 구성되어 유지보수가 쉽도록 할 수 있고, 냉각판을 구비하고 방열성 필러가 충진된 방열층의 층간 삽입 구조로 배터리팩(115)에 패키징되어서 과열을 방지하도록 할 수 있고, 전기적으로 병렬연결된 배터리모듈(113) 사이에 전자파 간섭 차폐 구조를 형성할 수도 있다.
또한, 도시되지는 않았으나, 배터리셀(111) 사이에는 완충패드가 개재되어 적층되어 항해시의 충돌, 파도 등으로 인한 진동을 흡수하도록 할 수 있고, 배터리셀(111)의 양면에는 멤브레인 구조의 알루미늄커버가 결합되어서, 온도변화로 인한 변형이 최소화되도록 하고 강도 및 밀폐성을 강화하여 배터리셀(111)의 구조적 안정성을 확보하도록 할 수 있고,
또한, 통합 BMS(114)는 전체 배터리셀(111)의 전압과 전류와 온도를 계측하고, 개별 BMS(112)간의 시리얼통신 및 CAN(Controller Area Network)통신을 통해 데이터를 송수신하고, 배터리셀(111)의 잔존용량과 노화도를 측정하고, 셀전압을 균등화시키고, 배터리셀(111)을 진단할 수도 있다.
다음, 센서부(120)는, 펠티어소자로 이루지고, 배터리셀(111)의 온도를 계측하는 제1센서(121)와, 배터리모듈(113)의 온도를 계측하는 제2센서(122)와, 배터리팩(115)의 온도를 계측하는 제3센서(123)로 이루어져서, 각 계측값을 제어부(140)로 전송한다.
다음, 제1냉각부(130)는 배터리모듈(113)에 결합되어, 제어부(140)의 제어에 따라 배터리모듈(113)의 발열을 냉각하여 배터리모듈(113)의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하도록 한다.
구체적으로, 도 3 및 도 4를 참고하면, 제1냉각부(130)는, 배터리모듈(113)의 저면에 밀착되고 양호한 전도성 금속소재로 이루어진 냉각플레이트(131)와, 냉각플레이트(131)의 저면에 일정패턴으로 배열된 냉각핀(132)과, 냉각핀(132)으로 냉각제를 공급하는 제1냉각제공급모듈(미도시)로 이루어질 수 있다.
한편, 냉각제는 냉매유체, 냉매가스 또는 저온공기일 수 있다.
또한, 냉각핀(132)은 구리 단일 소재이거나 구리 60% 이상 함유된 합금 소재이어서, 배터리모듈(113)로부터 전달되는 열을 효과적으로 방열하도록 할 수 있다.
다음, 제어부(140)는 센서부(120)로부터 전송된 각 계측값에 따라 제1냉각부(130)를 제어하여 배터리 시스템(110)의 온도를 적정 수준으로 유지하여 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하도록 한다.
예컨대, 제어부(140)는, 제1센서(121)로부터 전송된 계측값이 미리설정된 기준값 이상의 고열을 초과하면, 해당 제1냉각제공급모듈을 제어하여서 개별 배터리셀(111)과 배터리모듈(113)의 과열을 방지하도록 할 수 있고, 제3센서(123)로부터 전송된 계측값이 미리설정된 기준값 이상의 고열을 초과하면, 외장 케이스(116)에 인접하여 설치된 주변기기로 배터리팩(115)의 고열이 전도되는 것을 차단하도록 해당 제1냉각제공급모듈을 제어하도록 하여서, 개별 배터리셀(111) 및 배터리팩(115)의 고열을 효과적으로 방열하도록 하여 어느 하나의 센서의 오류 또는 오작동시에도 커버하도록 할 수 있다.
다음, 제2냉각부(150)는, 도 4의 (b)에 예시된 바와 같이, 배터리모듈(113) 사이에 지그재그형상으로 형성된 유로(151)와, 배터리모듈(113)의 외측에 일정패턴으로 배열되는 냉각핀(미도시)과, 유로(151)로 냉각제를 순환공급하는 제2냉각제공급모듈(미도시)로 이루어져서, 배터리모듈(113)의 작동온도를 안정적으로 유지하도록 하고, 배터리 시스템(110)의 주변기기로 고열이 전도되는 것을 최소화하여 열손상을 방지하도록 할 수 있다.
여기서, 냉각핀은 구리 단일 소재이거나 구리 60% 이상 함유된 합금 소재이서, 배터리모듈(113)로부터 전달되는 열을 효과적으로 방열하도록 할 수 있다.
한편, 동계 또는 고위도 항해시에, 외부온도가 급격히 하강하여 배터리 시스템(110)의 전력공급효율이 저하될 수 있으므로, 초기 가동시, 제1냉각부(130) 또는 제2냉각부(150)로 고온의 공기 또는 온수를 공급하여 배터리 시스템(110)을 예열하도록 할 수도 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 전기추진선박의 배터리 냉각 시스템의 구성에 의해서, 개별 배터리셀 및 배터리팩의 고열을 효과적으로 방열하도록 하여 어느 하나의 센서의 오류 또는 오작동시에도 커버하여 배터리모듈의 열적 안정성 및 동작 안정화를 구현하고, 배터리 시스템 주변기기로 고열이 전도되는 것을 최소화하여 열손상을 방지하도록 할 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
110 : 배터리 시스템 111 : 배터리셀
112 : 개별 BMS 113 : 배터리모듈
114 : 통합 EMS 115 : 배터리팩
116 : 외장케이스 120 : 센서부
121 : 제1센서 122 : 제2센서
123 : 제3센서 130 : 제1냉각부
131 : 냉각플레이트 132 : 냉각핀
140 : 제어부 150 : 제2냉각부
151 : 유로
112 : 개별 BMS 113 : 배터리모듈
114 : 통합 EMS 115 : 배터리팩
116 : 외장케이스 120 : 센서부
121 : 제1센서 122 : 제2센서
123 : 제3센서 130 : 제1냉각부
131 : 냉각플레이트 132 : 냉각핀
140 : 제어부 150 : 제2냉각부
151 : 유로
Claims (9)
- 수직 적층된 복수의 배터리셀과 상기 배터리셀의 개별 BMS로 이루어지고 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈과, 상기 배터리모듈의 통합 BMS로 구성된 배터리팩과, 상기 배터리팩을 커버하는 외장케이스로 이루어져, 전기추진선박의 전기추진 시스템으로 전원을 공급하고, 상기 배터리모듈은 상기 배터리팩에 모듈단위로 교체되는, 배터리 시스템;
상기 배터리셀의 온도를 계측하는 제1센서와, 상기 배터리모듈의 온도를 계측하는 제2센서와, 상기 배터리팩의 온도를 계측하는 제3센서로 이루어진, 센서부;
상기 배터리모듈에 결합되고, 상기 배터리모듈의 발열을 냉각하는 제1냉각부; 및
상기 센서부로부터 전송된 각 계측값에 따라 상기 제1냉각부를 제어하여 상기 배터리 시스템의 온도를 적정 수준으로 유지하도록 하는, 제어부;를 포함하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1냉각부는, 상기 배터리모듈의 저면에 밀착되고 양호한 전도성 금속소재로 이루어진 냉각플레이트와, 상기 냉각플레이트의 저면에 일정패턴으로 배열된 냉각핀과, 상기 냉각핀으로 냉각제를 공급하는 제1냉각제공급모듈로 이루어진 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 냉각제는 냉매유체, 냉매가스 또는 공기인 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 냉각핀은 구리 단일 소재이거나 구리 60% 이상 함유된 합금 소재인 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제1센서로부터 전송된 계측값이 미리설정된 기준값 이상의 고열을 초과하면, 해당 제1냉각제공급모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제3센서로부터 전송된 계측값이 미리설정된 기준값 이상의 고열을 초과하면, 상기 외장 케이스에 인접하여 설치된 주변기기로 고열이 전도되는 것을 차단하도록 해당 제1냉각제공급모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 배터리모듈 사이에 지그재그형상으로 형성된 유로와, 상기 배터리모듈의 외측에 일정패턴으로 배열되는 냉각핀과, 상기 유로로 냉각제를 순환공급하는 제2냉각제공급모듈로 이루어진, 제2냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 냉각핀은 구리 단일 소재이거나 구리 60% 이상 함유된 합금 소재인 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 배터리셀은 리튬이온 배터리인 것을 특징으로 하는,
전기추진선박의 배터리 냉각 시스템.
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2022
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