KR20100088625A - 고에너지 전기 화학 전지를 위한 온도 제어 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
에너지 저장 장치의 전기 화학 전지의 냉각을 위한 장치 및 방법이 제공된다. 다수의 전기 화학 전지는 대향한 제1 평면 및 제2 평면을 포함하고, 충전 및 방전 주기 동안 체적 변경되도록 구성되고, 이격 관계로 배열된다. 냉각 블래더는 에너지 저장 장치를 위한 온도 제어를 제공한다. 냉각 블래더는 적응성 열전도 재료로 형성되고, 입구 및 출구를 포함한다. 냉각 블래더는 전지의 체적 변경 중에 적어도 각 전지의 제1 평면 또는 제2 평면과 접촉을 유지하기 위해 적응된다. 열 전달 매체는 전지의 작동 온도를 제어하기 위해, 냉각 블래더의 입구와 출구 사이를 통과한다. 냉각 블래더는 충전 및 방전 주기 동안 에너지 저장 장치의 전지를 압축 상태로 유지하기 위해 가압될 수 있다.
Description
본 발명은 에너지 저장 장치 특히, 작동 중에 고에너지 전기 화학 전지의 온도를 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 하이브리드 전기 차량과 같이 신규하고 개선된 전기 기계적 시스템에 대한 요구는, 에너지 저장 장치의 제조자들에게 저체적 패키지에서 고에너지를 발생시키기 위한 배터리 기술의 개발에 대한 압력을 증가시켰다. 수소 금속화물(예를 들어, Ni-MH), 리튬-이온 및 리튬 폴리머 전지 기술과 같은 다수의 최신 배터리 기술이 최근 발전되었고, 이는 많은 상용 및 소비용 적용에 있어서 필요한 수준의 에너지 생성 및 안전 한계를 제공하는 것으로 보인다. 그러나, 이러한 최신 배터리 기술은 통상적으로 최신 에너지 저장 장치의 제조자에게 어려움을 제공하는 특징을 나타낸다.
예를 들어, 최신 동력 발생 시스템은 통상적으로 상당한 양의 열을 발생시키며, 상기 열이 적절히 방열되지 않는 경우, 최적이지 않은 시스템의 성능을 발생시킬 수 있다. 게다가, 이러한 전지의 바람직하지 못한 열 처리는 방열 환경을 발생시켜 결국 전지를 파괴시킨다. 따라서, 상용 및 소비용 장치 및 시스템에 사용하기에 적절한 배터리 시스템을 설계할 때, 최신 배터리 전지의 열 특성이 이해되어 적절하게 고려되어야 한다.
예를 들어, 에너지 저장 시스템의 최신의 재충전식 전기 화학 전지의 스택의 외부에 열 전달 기구를 제공하는 통상의 방법은 전지 내부로부터의 효과적인 방열에 부적절할 수 있다. 이러한 통상의 방법은 너무 비싸거나 또는 소정의 응용에서는 부피가 크다. 최신의 고에너지 전기 화학 전지가 포함되는 경우, 최적이지 않은 성능, 누전 및 방열 조건을 발생시키는 바람직하지 못한 결과가 상당히 증가된다.
통상적인 다른 냉각 방법은 전체 전기 화학 전지 또는 전기 화학 전지의 일부를 냉각제에 담그는 것을 포함한다. 상기 방법은 전기 화학 전지과 냉각제 흐름 사이에 양호한 열 접촉이 제공되지만, 밀봉 및 전기 절연의 문제가 상당히 중요해진다.
최신의 배터리 기술의 다른 특징은 최신의 에너지 저장 장치의 설계에 있어서 추가의 어려움을 제공한다. 예를 들어, 소정의 최신 전지 구조는 전지 충전 상태의 변동의 결과로써 체적이 주기적으로 변경되도록 구성된다. 이러한 전지의 전체 체적은 충전 및 방전 주기 동안 5 퍼센트 내지 6 퍼센트 정도로 변경될 수 있다. 이러한 전지의 물리적 크기의 반복적인 변경은 에너지 저장 시스템의 열 처리 방법을 상당히 복잡하게 한다.
통상적으로 예를 들어, 납축 전지를 사용하는 통상의 배터리 시스템은 케이싱의 벽면 내에서 냉각 튜브를 사용함으로써 강성 배터리 케이싱의 벽면 내에서 수행되는 냉각 시스템을 채용한다. 다른 통상의 방법은 배터리 시스템의 전지의 외부 강성 금속 케이싱과 접촉하는 냉각 장치를 채용한다. 이러한 경우, 전지 내에서 발생되는 치수 변경이 전지의 외부에 영향을 전혀 미치지 않거나 거의 미치지 않기 때문에, 상기 냉각 시스템은 그 설계에 있어서 비교적 단순할 수 있다. 예를 들어, 이렇게 단단히 둘러싸인 전지의 작동 중에 발생하는 전극 체적의 변경은 전지의 케이싱의 강성 및 강도로 인해, 전지의 케이징 치수의 적절한 변경을 발생시키지 않는다. 일체된 강성 전지 케이싱에 의해 압박되지 않는 최신의 재충전식 전기 화학 전지(예를 들어, 리튬 이온, 리튬 폴리머, 리튬 이온 폴리머)를 채용하는 응용에서, 냉각 방법 및 종래의 배터리 시스템과 연결되어 사용되는 방법은 충전 및 방전 주기에 걸쳐 발생되는 케이싱의 순수 외부 치수의 대규모 변경으로 인해 한정적으로 사용된다.
동력 발생 시스템을 위한 최신의 배터리 제조 산업에 있어서, 고에너지 출력이 나타나고, 넓은 범위의 응용에서 안전하고 신뢰성 있는 사용이 제공되어야 하는 필요가 있다. 또한, 열 처리 방법에 있어서, 에너지 저장 전지를 정상 작동 온도로 효과적으로 유지하고, 이러한 전지의 최적의 성능을 제공하는 필요도 존재한다. 본 발명은 이러한 필요 및 다른 필요를 충족한다.
본 발명은 에너지 저장 장치의 전기 화학 전지를 냉각하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예와 관련하여, 에너지 저장 장치는 이격된 관계로 배열된 다수의 전기 화학 전지를 포함한다. 각각의 전기 화학 전지는 대향한 제1 평면 및 제2 평면을 포함하고, 충전 및 방전 주기 동안 체적 변경 상태에 있게 된다. 에너지 저장 장치를 위한 온도 제어를 제공하기 위해, 냉각 블래더가 채용된다. 상기 냉각 블래더는 전지 충전 및 방전 주기 동안 전기 화학 전지를 압축 상태로 유지하기 위한 압력을 견디기에 충분한 강도를 갖는 적응성 열전도 재료로 구성되고, 입구 및 출구를 포함한다. 상기 냉각 블래더는 전지의 체적 변경 중에 적어도 각 전기 화학 전지의 제1 평면 또는 제2 평면과의 접촉을 유지하도록 적응된다. 전기 화학 전지의 작동 온도를 제어하기 위해 냉각 블래더의 입구와 출구 사이에 열 전달 매체가 통과한다.
상기 냉각 블래더는 열 전달 매체가 통과하는 연속적으로 공동인 내부를 포함하도록 제작될 수 있다. 일 구성에서, 냉각 블래더는 열 전달 매체가 통과하는 다수의 유동 채널을 포함한다. 통상적으로, 냉각 블래더는 각 전지의 표면 영역을 대체로 덮는다.
일 구성에 따르면, 냉각 블래더는 냉각 블래더 굴곡 위치에서 열 전달 매체 유동의 제약이 발생하는 것을 제지하는 지지 장치를 포함한다. 상기 지지 장치는 냉각 블래더 굴곡 위치에서 냉각 블래더의 외부 표면에 위치될 수 있다. 상기 지지 장치는 냉각 블래더 굴곡 위치에서 냉각 블래더의 내부에 위치될 수도 있다. 상기 지지 장치는 냉각 블래더 굴곡 위치에서 냉각 블래더 구조에 일체될 수도 있다.
예를 들어, 냉각 블래더는 냉각 블래더 내에 배치된 다공성 충전재를 포함할 수 있다. 다공성 충전재는 굴곡되도록 된 냉각 블래더 위치에 배치될 수 있다. 다른 방법에서, 냉각 블래더는 굴곡되도록 된 냉각 블래더 위치에 제공된 두꺼운 구역을 포함한다.
냉각 블래더는 열 전달 매체가 단향성 방식으로 입구와 출구 사이를 통과하는 내부 격실을 포함하도록 설계될 수 있다. 냉각 블래더는 또한 열 전달 매체가 통과하는 다수의 격실을 포함하도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, 냉각 블래더는 제1 내부 격실 및 제2 내부 격실을 포함할 수 있다. 제1 내부 격실을 통과하는 전달 매체는 유리하게는 제2 내부 격실 내를 통과하는 전달 매체의 대향 방향으로 유동한다.
냉각 블래더는 단일 재료층을 갖는 적응성 열전도 재료로 구성되거나 또는 다수의 재료층을 갖는 적응성 열전도 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 적응성 열전도 재료는 제1 폴리머층과 제2 폴리머층 사이에 배치된 금속층을 포함할 수 있다.
냉각 블래더의 적응성 열전도 재료는 유리하게는 약 3.8 mm(150 mils) 이하의 두께를 가진다. 유리하게는, 냉각 블래더 및 열 전달 매체는 전지, 냉각 블래더 및 열 전달 매체의 전체 체적 및 중량의 약 50 체적% 또는 중량% 이하로 구성된다.
에너지 저장 장치의 전기 화학 전지는 다수의 전지 스택 또는 전지 세트를 구성하도록 배열될 수 있다. 각 전지 세트의 전기 화학 전지의 작동 온도가 에너지 저장 장치에 전략적으로 배치된 적어도 하나의 냉각 블래더에 의해 제어되도록, 각 전지 세트에는 다수의 냉각 블래더가 제공된다.
에너지 저장 장치의 전기 화학 전지는 전지 스택을 형성하도록 배열될 수 있다. 이러한 구성에서, 냉각 블래더는 전지 스택의 임의의 두 개의 전지 사이에서 측정된 온도 차이가 5℃를 초과하지 않도록, 전지 스택의 작동 온도를 제어한다. 또한, 냉각 블래더는 개별 전지의 제1 평면 또는 제2 평면 상의 두 점 사이에서 측정된 온도 차이가 5℃를 초과하지 않도록 전지 스택의 작동 온도를 제어할 수 있다. 더 유리하게는, 냉각 블래더는 개별 전지의 제1 평면 또는 제2 평면 상의 두 점 사이 또는 전지 스택의 임의의 두 개의 전지 사이에서 측정된 온도 차이가 2℃를 초과하지 않도록 전지 스택의 작동 온도를 제어할 수 있다.
일 실행과 관련하여, 냉각 블래더는 에너지 저장 장치의 각 전기 화학 전지의 제1 평면 및 제2 평면과 각각 접촉하도록 사행형 형상에 적응된다. 예를 들어, 각 전기 화학 전지는 제1 에지가 제2 에지와 대향하고, 제3 에지가 제4 에지와 대향하도록, 제1 에지, 제2 에지, 제3 에지 및 제4 에지를 포함한다. 전기 화학 전지의 제1 에지 및 제2 에지는 각 전기 화학 전지의 내부로 그리고 외부로의 전류 전도를 위한 전기 도선에 각각 결합된다. 냉각 블래더는 제3 에지 및 제4 에지와 각각 접촉하고, 전기 화학 전지의 제1 평면 및 제2 평면과 각각 접촉한다.
냉각 블래더를 통과하는 열 전달 매체는 일 방법에 따라 물일 수 있다. 열 전달 매체는 물과, 에틸렌 글리콜 또는 다른 부동액의 혼합물이거나 또는 메탄올과 에틸렌 글리콜의 혼합물일 수 있다. 냉각 블래더의 입구로 진입하는 열 전달 매체의 온도는 유리하게는 대체로 일정하다.
냉각 블래더는 유리하게는 약 20℃ 내지 약 130℃ 사이의 범위의 작동 온도를 갖는 에너지 저장 장치의 전기 화학 전지의 작동 온도를 제어한다. 전기 화학 전지는 예를 들어, 리튬 전지 또는 니켈 금속 하이드라이드 전지일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 에너지 저장 장치는 전기 화학 전지 및 냉각 블래더가 배치된 하우징을 포함한다. 상기 하우징은 각각 전기 화학 전지과 결합된 양극 단자 및 음극 단자를 포함한다. 상기 하우징은 냉각 블래더의 입구로의 접근을 제공하는 입구 개구 및 냉각 블래더의 출구로의 접근을 제공하는 출구 개구를 더 포함한다.
일 구성에서, 하우징은 전기 화학 전지 및 다수의 냉각 블래더를 포함한다. 각 전기 화학 전지에 결합된 양극 단자 및 음극 단자에 추가하여, 하우징은 각 냉각 블래더의 입구로의 접근을 제공하는 적어도 하나의 입구 개구 및 각 냉각 블래더의 출구로의 접근을 제공하는 적어도 하나의 출구 개구를 포함한다. 다수의 냉각 블래더, 입구 및 출구는 다양한 단일, 다중, 직렬 및 병렬 흐름 및 이러한 흐름의 조합의 구성을 제공하기 위해 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예를 참조하여, 냉각 블래더는 충전 및 방전 주기 동안 에너지 저장 장치의 전기 화학 전지를 압축 상태로 유지하기 위해 가압된다.
본 발명의 또 다른 실시예를 참조하여, 전기 화학 저장 장치에 냉각을 제공하는 방법은 이격된 관계로 배열된 다수의 전기 화학 전지를 제공하는 것을 포함하고, 각 전기 화학 전지는 대향하는 제1 평면과 제2 평면을 포함하고, 충전 및 방전 주기 동안 체적 변경 상태에 있게 된다. 체적 변경 중에 적어도 각각의 전기 화학 전지의 제1 평면 또는 제2 평면과 접촉을 유지하기 위해 냉각 블래더가 적응되도록, 적응성의 열전도 냉각 블래더가 제공된다. 전기 화학 전지의 작동 온도를 제어하기 위해, 열 전달 매체가 냉각 블래더를 통과한다. 상기 방법은 냉각 블래더가 충전 및 방전 주기 동안 전기 화학 전지를 압축 상태로 유지하기 위해 가압되는 것을 더 포함한다.
본 발명의 상술된 요약은 본 발명의 각 실시예 또는 모든 실행을 설명하도록 의도되지는 않는다. 본 발명의 완전한 이해와 함께 장점 및 달성이 첨부된 도면과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명 및 청구항을 참조하여 명백해지며 이해될 것이다.
본원 발명에 의해, 동력 발생 시스템을 위한 최신의 배터리 제조 산업에 있어서, 고에너지 출력이 나타나고, 넓은 범위의 응용에서 안전하고 신뢰성 있는 사용이 제공된다. 또한, 열 처리 방법에 있어서, 에너지 저장 전지를 정상 작동 온도로 효과적으로 유지하고, 이러한 전지의 최적의 성능을 제공한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 장치를 채용하는 에너지 저장 시스템의 도면이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 장치를 채용하는 에너지 저장 시스템의 도면이다.
도3은 본 발명의 냉각 블래더를 더 자세히 도시한 도2의 에너지 저장 시스템의 하위 조립체의 도면이다.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 실시예에 따라 상부에 장착된 입구 및 출구를 채용하는 냉각 블래더의 도면이다.
도5a 및 도5b는 본 발명의 실시예에 따라 측면에 장착된 입구 및 출구를 채용하는 냉각 블래더의 도면이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 블래더의 상세한 도면이다.
도7은 도6에 도시된 냉각 블래더의 측면도이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 블래더 구성의 도면이다.
도9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 블래더 구성의 도면이다.
도10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 블래더 구성의 도면이다.
도11a 및 도11b는 본 발명의 실시예와 관련된 냉각 블래더에 고정된 일련의 전기 화학 전지의 도면이다.
도12a 및 도12b는 본 발명의 실시예와 관련된 다중 냉각 블래더에 고정된 일련의 전기 화학 전지의 도면이다.
도13a 및 도13b는 본 발명의 냉각 블래더가 구체화되는 단일 병렬 유동 장치의 도면이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 장치를 채용하는 에너지 저장 시스템의 도면이다.
도3은 본 발명의 냉각 블래더를 더 자세히 도시한 도2의 에너지 저장 시스템의 하위 조립체의 도면이다.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 실시예에 따라 상부에 장착된 입구 및 출구를 채용하는 냉각 블래더의 도면이다.
도5a 및 도5b는 본 발명의 실시예에 따라 측면에 장착된 입구 및 출구를 채용하는 냉각 블래더의 도면이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 블래더의 상세한 도면이다.
도7은 도6에 도시된 냉각 블래더의 측면도이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 블래더 구성의 도면이다.
도9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 블래더 구성의 도면이다.
도10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 블래더 구성의 도면이다.
도11a 및 도11b는 본 발명의 실시예와 관련된 냉각 블래더에 고정된 일련의 전기 화학 전지의 도면이다.
도12a 및 도12b는 본 발명의 실시예와 관련된 다중 냉각 블래더에 고정된 일련의 전기 화학 전지의 도면이다.
도13a 및 도13b는 본 발명의 냉각 블래더가 구체화되는 단일 병렬 유동 장치의 도면이다.
본 발명은 다양한 개조 및 선택적인 형상을 받을 수 있지만, 그 특징은 예를 들어 도면에 도시되고, 상세히 설명된다. 그러나, 목적은 본 발명이 설명된 소정의 실시예에 한정되지 않는 것임을 이해될 수 있다. 이와 반대로, 목적은 첨부된 청구항에 의해 한정된 본 발명의 범주 내에 해당되는 모든 개조, 동등물 및 대안을 포함할 수 있다.
도시된 실시예의 이하의 설명에서, 본원의 일부를 형성하고, 본 발명이 실행되는 다양한 실시예를 예를 들어 도시하는 첨부된 도면이 참조된다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 실시예가 사용될 수 있으며 구조적 변경이 수행될 수 있는 것이 이해될 수 있다.
본 발명의 온도 제어 장치 및 방법은 정상 작동 및 콜드 스타트 작동 중에 에너지 저장 장치의 강화된 온도 제어를 제공한다. 본 발명에 따른 온도 제어 장치 및 방법은 예를 들어, 재충전식 모듈 또는 배터리를 한정하는 리튬 또는 니켈 금속 하이드라이드 각형 전지의 장치와 같은 이격된 관계로 배열된 고에너지, 고 출력 밀도의 재충전식 전기 화학 전지의 온도를 제어하는데 특히 적합하다. 이러한 재충전식 전기 화학 전지는 예를 들어 동력 전기 및 하이브리드 전기 차량에 사용되는 고전류, 고전압 에너지 저장 모듈 또는 배터리에서의 사용에 특히 적합하다.
예를 들어, 최신의 재충전식 리튬 전기 화학 전지 및 니켈 금속 하이드라이드 전기 화학 전지는 양극 상태 변경으로 인해 충전 및 방전 주기 동안 상당한 체적 변경 상태가 되며, 이는 종래의 냉각 방법을 비효과적이거나 또는 부적절하게 한다. 또한, 이러한 최신 재충전식 배터리는 일반적으로 균일한 스택 및 전지 압력을 유지하는 것을 요구한다. 종래의 실행에서, 이는 통상적으로 스프링, 플레이트, 패드의 시스템과 같은 개별 전지의 내부 또는 외부의 압력 시스템을 통해 달성된다.
본 발명의 온도 제어 장치 및 전기 화학 전지의 배열 사이의 밀접한 접촉이 유리하게는 전지의 상당한 팽창 및 수축에서 유지되며, 이는 강화된 온도 제어, 개선된 전지 성능 및 연장된 전지 수명을 제공한다. 전지 장치(예를 들어, 전지 스택 장치 또는 클러스터 장치) 내의 압축된 압력이 필요하거나 또는 요구되는 에너지 저장 장치 응용에서, 필요한 전지 스택 압력은 본 발명의 온도 제어 장치를 가압함으로써 전지의 팽창 및 수축 중에 유지될 수 있다. 이러한 응용에서, 본 발명의 온도 제어 장치는 유리하게는 별도의 온도 및 압력 제어 장치에 대한 필요를 제거함으로써, 전기 화학 전지 장치를 위해 요구되는 열 및 압력 제어를 제공한다.
넓고 일반적인 의미에서, 열 전달 매체가 통과하는 본 발명의 온도 제어 블래더 또는 파우치는 (본원에서는 냉각 블래더로 언급되었지만, 냉각/가열 블래더도 동일하게 사용 가능하다) 변형 가능하고 열전도성인 재료로 형성된다. 냉각 블래더는 전지의 활성 영역에 인접한 전지의 표면과 냉각 블래더 사이의 접촉이 최대화되도록, 제공된 전지 스택 장치 내의 설치 중에 용이하게 조작될 수 있다. 변형 가능한 냉각 블래더는 다양한 전지 스택 형상에 적응하기 위해 그 형상, 크기 및 길이를 취하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제공된 전지 스택 장치를 위한 냉각 블래더는 연속적인 사행형 형상 또는 단순한 직사각형 또는 정사각형 형상을 취할 수 있다.
*본 발명의 냉각 블래더는 열 전달 매체가 포함된 단일 내부 격실 또는 다중 내부 격실을 가질 수 있다. 냉각 블래더는 직렬 유동 장치의 경우, 단일 입구 및 단일 출구를 포함할 수 있고, 병렬 유동 장치 또는 다중의 직렬 또는 병렬 유동을 포함하는 장치의 경우, 다중 입구 및 다중 출구를 포함할 수 있다. 단일 입구-다중 출구 구성 및 다중 입구-단일 출구 장치가 채용될 수도 있다.
도면들 특히 도1을 참조하면, 본 발명의 원리와 관련하여 온도 제어 장치 및 방법을 채용하는 에너지 저장 장치(20)의 실시예가 도시된다. 본 실시예에 따르면, 에너지 저장 장치(20)는 회로 기판(24)이 장착되는 하우징 본체(22)를 포함한다. 상기 회로 기판(24)은 상기 하우징 본체(22)의 측면 또는 측면들을 통해 연장되거나 또는 부착되는 양극 단자 및 음극 단자 각각에 전기적으로 결합된 양극 접촉부 및 음극 접촉부를 포함한다.
발포체 삽입체(26)는 회로 기판(24)에 인접하여 위치된다. 전지 스택 조립체(28)는 발포체 삽입체(26) 내에 고정된다. 상기 전지 스택 조립체(28)는 다수의 재충전식 전기 화학 전지(15)를 포함한다. 상기 전기 화학 전지(15)는 유리하게는 최신 재충전식 기술이며, 고에너지 및 고 출력 밀도 특성을 나타낸다. 본 구성에서, 전지 스택 조립체(28)는 회로 기판(24) 상에 제공된 (도시되지 않은) 수납 접촉부와 연결되도록 연장되는 전기 접촉부를 포함한다. 전지 스택 조립체(28)와 회로 기판(24) 사이의 연결은 에너지 저장 장치(20)를 위한 소정의 전압 및 전류량을 달성하기 위해, 전지 스택 조립체(28)의 전지(15)들 사이의 소정의 병렬 및 직렬 연결을 제공하도록 제공될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예와 관련된 냉각 블래더(30)를 도시한다. 도1에 도시된 냉각 블래더(30)는 전지 스택 조립체(28)의 구성에 적응하기 위해 일반적으로 사행형 형상을 갖도록 본 실시예에서 조작되었다. 냉각 블래더(30)의 사행형 형상은 전지 스택 조립체(28)의 이격된 전지(15) 내로의 용이한 합체를 제공한다. 도1에 도시된 "연속 접힘(fanfold)" 냉각 블래더 구성은 각 전지의 모든 표면 영역이 냉각 블래더(30)와 대체로 접촉하도록, 냉각 블래더(30)의 일부가 전지 스택 조립체(28) 내에 삽입될 수 있는 것을 허용한다.
냉각 블래더는 (도1에는 도시되지 않았지만, 도4a 내지 도4c 및 도5a 및 도5b에 도시된) 입구(31) 및 출구(33)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 출구(33) 및 입구(31)의 형상은 관형이며, 각각 냉각 블래더(30)의 대향 단부에서 종료된다. 발포체 삽입체(26)는 전지 스택 조립체(28) 및 냉각 블래더(30)가 발포체 삽입체(26) 내에 적절하게 설치된 경우, 출구(33) 및 입구(31)를 적응시키는(하는) 반원형 채널(21, 23)을 포함한다. 회로 기판(24)도 냉각 블래더(30)의 입구(31) 및 출구(33)를 각각 적응시키는 반원형 노치(25, 27)를 또한 포함한다.
냉각 블래더(30)의 출구(33) 및 입구(31)는 하우징 본체(22) 내의 (도시되지 않은) 상응하는 개구를 통해 연장된다. 다르게는, 하우징 본체(22) 내의 개구를 통해 튜브 또는 호스가 각각 연장되어, 냉각 블래더(30)의 입구(31) 및 출구(33)와 연결된다. 하우징 본체(22) 내에 냉각 블래더(30) 및 전지 스택 조립체(28)를 완전히 설치한 이후, 하우징 뚜껑(32)이 하우징 본체(22)에 고정된다. 필요에 따라, 밀폐식 또는 비밀폐식 밀봉이 사용될 수 있다.
도2 및 도3은 에너지 저장 장치(40)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에 따르면, 에너지 저장 장치(40)와 외부 전기 시스템 사이의 전기 연결은, 도1에 도시된 실시예의 경우와 같이 하우징 본체(22)를 통하기보다는 하우징 뚜껑(32)을 통해 형성된다. 도2 및 도3에 도시된 에너지 저장 장치(40)는 다수의 이격된 전기 화학 전지(15)에 의해 한정된 전지 스택 조립체(28) 상에 설치되는 본 발명의 냉각 블래더(30)를 포함한다. 본 구성에서, 냉각 블래더(30)는 냉각 블래더(30)의 대향 단부 부근의 냉각 블래더(30)의 평면 상에서 각각 종료되는 (도2 및 도3에는 도시되지 않았지만, 도4a 내지 도4c 및 도5a 및 도5b에 도시된) 입구(31) 및 출구(33)를 포함하는 것을 알 수 있다. 이로써, 출구(33) 및 입구(31)는 하우징 본체(22)의 인접한 측벽을 통한 측면 접근을 제공하는 냉각 블래더(30) 상에 배열된다.
하우징 본체(22)는 전지 스택 조립체(28)에 입구(31) 및 출구(33)를 각각 적응시키는 채널(19, 17)을 포함하도록 제작된다. 출구 개구(36) 및 입구 개구(34)가 각각 출구 도관 및 입구 도관과의 외부 연결을 허용하기 위해, 하우징 본체(22)의 측벽 내에 제공된다. 전지 스택 조립체(28) 및 냉각 블래더(30)가 하우징 본체(22) 내에 적절하게 설치되면, 출구(33) 및 입구(31)는 하우징 본체(22)의 출구 개구(36) 및 입구 개구(34)와 위치 맞춤된다. 호스 또는 그와 유사한 것과 같은 출구 도관 및 입구 도관은 출구(33) 및 입구(31)와 이어서 연결될 수 있다. 입구 도관은 냉각 블래더(30)의 입구(31)에 열 전달 매체의 공급원을 제공하고, 출구(33)와 연결된 출구 도관은 냉각 블래더(30)를 통과한 이후, 열 전달 매체를 위한 복귀 도관을 제공한다.
본 실시예에 따르면, 회로 기판(42)은 하우징 뚜껑(32)에 인접한 전지 스택 조립체(28)의 상부 상에 위치된다. 상기 회로 기판(42)은 상응하는 수의 탭(53)이 부착되는 다수의 리드(51)를 포함한다. 상기 탭(53)은 회로 기판(42)의 리드(51)로부터 연장되어, 전지 스택 조립체(28)의 전지의 탭(74)과 연결된다. 통상의 구성에서, 회로 기판 탭(53) 중 하나는 전지 탭(74) 중의 하나와 전기 연결된다. 전지 리드(51)는 유리하게는 구리 바로 제조되고, 스웨이지된(swaged) 가요성의 (예를 들어, 꼬인) 중간 구역을 포함한다. 전지 탭(53)은 유리하게는 전지 리드(51)에 초음파로 용접된다. 상기 회로 기판(42)은 바이패스 회로 소자, 동등 회로, 퓨즈 및 이와 유사한 것과 같은 다양한 전자 및/또는 전기 회로(52)를 더 포함할 수 있다.
도2 및 도3에 도시된 실시예에서, 양극 및 음극 단자(41, 43)는 통상적으로 전기/전자 회로 소자(52)를 통해 회로 기판(42)의 리드(51)와 전기 연결된다. 단자(41, 43)는 하우징 리드(51)의 개구(45, 47)와 각각 위치 맞춤된다. 이로써, 에너지 저장 장치(40)와의 외부 전기 연결은 에너지 저장 장치(40)의 상부 하우징 뚜껑(32)을 통해 형성된다. 단자 개구(45, 47) 및 하우징 뚜껑(32)은 소정의 응용에서 요구됨에 따라 밀폐식 또는 비밀폐식 밀봉을 포함할 수 있다.
하나 또는 다수의 에너지 저장 장치(40)의 전지(15)는 제공된 응용에 적절한 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 에너지 저장 장치를 한정하기 위해 전기 연결될 수 있다. 예를 들어, 다수의 전기 화학 전지(15)는 예를 들어 모듈 및 배터리와 같은 대형 동력 발생 장치를 형성하도록, 스택 구성으로 배열되고 연결될 수 있다. 전기 화학 전지(15)의 그룹은 소정의 전압 및 전류 등급을 달성하기 위해, 병렬 및/또는 직렬 관계로 선택적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 다수의 전기 화학 전지(15)는 전지 스택 조립체(28)를 형성하기 위해 회로 기판(42)의 통상의 양극 및 음극 동력 버스 또는 단자에 병렬 연결되고 함께 분류될 수 있다. 또한, 다수의 개별 모듈이 배터리를 형성하도록 직렬 연결될 수 있다. 이러한 모듈의 배열은 예를 들어, 하이브리드 전기 또는 전기 차량에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
전지 스택 조립체(28) 내에 채용된 전기 화학 전지(15)는 유리하게는 리튬 배터리 및 니켈 금속 하이드라이드 배터리와 같은 최신의 재충전식의(예를 들어, 이차의) 고에너지 및 고 출력 밀도 배터리이다. 높은 방전률을 갖는 다중 전지 구성에 사용된 경우, 이러한 배터리는 통상적으로 상당한 양의 열을 발생시키고, 상기 열은 적절하게 제어되지 않는 경우, 방열, 누전을 발생시켜 결과적으로 배터리를 파괴시킬 수 있다.
유리하게는 본 발명의 냉각 장치 및 방법을 구체화하는 에너지 저장 장치 내에 채용될 수 있는 리튬 배터리는 재충전식 리튬 이온, 리튬 폴리머, 리튬 이온 폴리머("젤") 배터리를 포함한다. 리튬 이온 배터리는 통상적으로 양극 재료로는 탄소를 사용하고, 액체 전해질로는 프로필렌 카보네이트의 혼합물, 에틸렌 카보네이트 및 디에틸 카보네이트를 사용하고, 양극 활성 재료로는 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 망간 산화물과 같은 금속 산화물을 사용한다. 또한, 양극 활성 재료는 예를 들어, 주석, 알루미늄 및 실리콘과 같은 리튬과 합금되는 합금으로 구성될 수 있다.
리튬 폴리머 배터리는 리튬 이온 배터리의 액체 전해질의 대안으로써 고체 폴리머 전해질을 채용한다. 이러한 배터리는 리튬 이온 배터리와 비교하여 낮은 이온 전도성을 갖고, 이로써 통상적으로 60℃ 내지 100℃와 같은 주변 공기 이상의 온도로 작동된다. 리튬 폴리머 배터리는 또한 "비액체" 배터리 및 구성의 가요성의 장점을 제공한다. 이러한 배터리의 양극은 리튬 금속이고, 전해질은 통상적으로 폴리에틸렌 산화물의 가교 공중합체이고, 음극은 리튬 바나듐 산화물과 같은 금속 산화물이다.
리튬 이온 폴리머 젤 배터리는 프로필렌 카보네이트와 같은 가소제가 고체 폴리머 매트릭스에 통합됨으로써, 리튬 폴리머 배터리와 비교하여 개선된 전도성을 나타낸다. 리튬 이온 폴리머 젤 배터리는 리튬 이온과 고체 폴리머 배터리 사이의 하이브리드로써 관찰될 수 있다.
니켈 금속 하이드라이드 배터리는 활성 음극 재료를 위해 수소의 형태로 금속 합금에 흡수된 수소화물을 사용한다. 이러한 합금은 통상적으로 란탄 니켈을 기재로 한 희토류(예를 들어, 미시메탈(Misch metal)), 또는 티타늄 지르코늄을 기재로 한 합금이다. 양극의 활성 재료는 니켈 수산화물이다. 전해질은 수성 수산화칼륨이다.
도면에 도시된 전지 스택 조립체(28)에 채용된 전기 화학 전지(15)는 통상적으로 각형 구성이다. 전지(15)는 일반적으로 전지의 에지에 대한 전지 표면 영역의 대부분을 차지하는 대향한 두 개의 평면을 가진다. 예를 들어, 통상의 전지(15)는 약 160 mm의 길이와, 약 125 mm의 높이와, 오직 9 mm의 두께를 갖도록 제작될 수 있다. 다른 유용한 전지 치수 세트는 약 12.7 cm(5 in) 내지 정확히 12.7 cm(5 in)의 표면 영역 및 약 0.84 cm(0.33 in) 의 두께를 포함한다.
본 발명의 원리와 관련하여 냉각되도록 구성된 전기 화학 전지(15)는 각형 구성을 가질 필요가 없다. 예를 들어, 전기 화학 전지(15)는 원통형 형상을 가지거나 또는 다면 구성(예를 들어, 육각형 단면)을 가질 수 있다. 전기 화학 전지(15)는 둥근 형상(예를 들어, 타원형 단면)을 가질 수도 있다.
전지 스택 조립체(28) 및 개별 전지(15)의 균일한 온도를 유지하는 것은 전지 스택 조립체(28)의 조기 고장을 방지하는데 중요하다. 제공된 전지 스택 조립체(28)를 구성하는 통상의 일련의 전지는 예를 들어 직렬로 전기 연결된 전지(15)의 48과 72 사이에 포함된다. 당해 기술분야의 숙련자는 일련의 전지의 전지(15) 중 어느 하나의 조기고장이 에너지 출력의 의미에서 일련의 전체 전지가 작동되지 않거나 또는 수용 불가능하게 하는 것을 용이하게 이해한다.
제공된 에너지 저장 장치에 채용된 일련의 리튬 이온 전지(15)를 포함한 전지 스택 조립체(28)의 경우, 에너지 저장 장치의 온도 제어 장치는 최적의 전지 성능을 제공하기 위해, 전지(15)는 충전 및 방전 주기 동안 균일한 온도에서 유지되어야 한다. 예를 들어, 온도 제어 장치는 전지 스택의 임의의 두 개의 전지 사이에서 측정된 온도 차이 또는 개별 전지의 대향한 평면 중 하나의 임의의 두 점 사이에서 측정된 온도 차이가 5℃를 초과하지 않도록 전지 스택 조립체(28)의 작동 온도를 조절해야 한다. 더 유리하게는, 전지 스택의 임의의 두 개의 전지 사이에서 측정된 온도 차이 또는 개별 전지의 대향한 평면 중 하나의 임의의 두 점 사이에서 측정된 온도 차이가 2℃를 초과하지 않아야 한다.
전지 스택 조립체(28)의 작동 온도를 유지하는 것과 관련하여, 개별 전지의 대향한 평면 중 하나의 임의의 두 점 사이에서 측정된 온도 차이 또는 전지 스택 조립체(28)의 임의의 두 개의 전지 사이에서 측정된 온도 차이가 5℃를 초과하지 않아야 한다. 더 유리하게는, 개별 전지의 대향한 평면 중 하나의 임의의 두 점 사이에서 측정된 온도 차이 또는 전지 스택 조립체(28)의 임의의 두 개의 전지 사이에서 측정된 온도 차이가 2℃를 초과하지 않아야 한다.
최신의 재충전식 배터리의 효과적인 온도 제어를 제공하기 위한 노력이 더 복잡해지는 원인은 이러한 다양한 배터리 유형이 발생시키는 전지 체적의 주기적인 변경에 관한 것이다. 예를 들어, 상술된 유형의 리튬 폴리머 전기 화학 전지의 체적은 양극 단자 및 음극 단자의 격자 구조의 내부 또는 외부의 리튬 이온의 이동으로 인해 충전 및 방전 주기 동안 변경된다. 상기 이동은 충전 및 방전 동안 각각 약 5 퍼센트 내지 6 퍼센트와 유사하게 전체 전지 체적의 상응하는 증가 및 감소를 발생시킨다. 다른 유형의 최신의 재충전식 배터리(예를 들어, 리튬 이온, 리튬 이온 폴리머, 니켈 금속 하이드라이드)는 마찬가지로 충전 및 방전 주기 동안 전체 전지 체적의 상당한 증가 및 감소를 나타낸다.
팽창 및 수축 주기를 반복하는 전기 화학 전지의 성능 및 수명은 전지의 층/구성 요소를 압축 상태로 유지함으로써 상당히 증가되는 것이 이해된다. 전지의 충전 및 방전 주기 동안 전지의 두 개의 더 큰 대향 표면 상의 압력을 유지함으로써 개선된 전지 성능이 구현될 수 있다. 전지에 가해지는 압축력이 제품의 표면에 걸쳐 상당히 균일하게 분포되는 것이 상당히 유리하다.
본 발명의 냉각 장치 및 방법은 이러한 전지 스트링/스택 및 최신의 재충전식 전지의 성능을 최대화하기 위해 요구되는 수준의 온도 제어를 제공한다. 게다가, 본 발명의 냉각 장치 및 방법은 작동 중에 순수 외부 체적 변경을 수행하는 전지에 필요한 수준의 압력 제어를 제공한다. 예를 들어, 냉각 장치는 주어진 용도에서 필요에 따라 약 34 kPa(5 psi) 내지 약 414 kPa(60 psi) 범위의 압력을 발생시킬 수 있으며, 필요하거나 요구되는 경우, 보다 높거나 낮은 압력이 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 냉각 장치 및 방법은 작동 중에 상당한 전지 체적의 변경이 제공되고 지속적으로 전지 스팅/스택과의 양호한 열 접촉을 유지하는 기구를 제공한다.
도면, 특히 도4a 내지 도4c 및 도5a 및 도5b를 다시 참조하면, 최신 재충전식 전지 및 배터리와 사용되기에 적절한 냉각 장치의 두 개의 실시예가 도시된다. 냉각 블래더(30)는 하나 이상의 중공 내부 격실을 형성하기 위해, 그 주연을 따라 밀봉된 탄성 재료로 제작된다. 내부 격실으로의 외부 접근은 입구(31) 및 출구(33)로의 부착부를 통해 달성된다. 냉각 블래더(30)에 제공되는 내부 격실의 수와, 냉각 블래더(30)를 통한 유동 경로의 숫자 및 방향에 따라, 냉각 블래더(30)는 한 쌍의 또는 여러 쌍의 입구(31) 및 출구(33)에 고정될 수 있다. 이로써, 본 발명의 냉각 블래더(30)는 냉각 블래더(30)를 통한 하나 이상의 직렬 및/또는 병렬 유동 경로를 제공하도록 구성될 수 있다.
도4a 및 도4b에 도시된 냉각 블래더(30)의 구성에서, 입구(31) 및 출구(33)는 냉각 블래더(30)의 대향 단부 부근에 각각 배치되고, 냉각 블래더(30)의 두 개의 평면 상에 장착된다. 도4a는 이러한 상부 장착 구성 중 하나의 측면도를 제공한다. 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이, 입구(31) 및 출구(33)가 냉각 블래더(30)의 동일한 평면 상에 장착될 필요가 없는 것을 알 수 있다.
도4c는 상부 장착 장치에 따른 냉각 블래더(30)로의 입구(31) 및 출구(33)의 장착 구성의 상세한 도면이다. 입구(31) 및 출구(33)는 부속품(37)이 냉각 블래더(30)의 두 개의 평면 중 하나를 관통하도록 장착된 나사식 부속물 또는 주둥이부(37)를 각각 포함한다. 부속품(37)이 냉각 블래더 표면과 정합하는 곳에는 시일(35)이 제공된다. 부속품(37) 및 시일(35)은 본 발명의 냉각 블래더(30)가 구체화되는 제공된 에너지 저장 장치의 소정의 설계에 따라 상용 구성 요소로 선택될 수 있다.
도5a는 입구(31) 및 출구(33)가 냉각 블래더(30)의 대향 단부에 각각 배치된 냉각 블래더(30)의 다른 구성을 도시한다. 측면 장착된 구성에 따르며, 도5b의 상세한 도면에 도시된 바와 같이, 입구(31) 및 출구(33)는 부속품(37)이 냉각 블래더(30)의 측면 표면을 관통하도록 장착된 나사식 부속품(37)을 각각 포함한다. 부속품(37)이 냉각 블래더 표면과 정합하는 곳에는 시일(35)이 제공된다. 부속품(37)과 냉각 블래더 표면의 양호한 시일을 보장하기 위해 골격이 통합될 수 있다. 도4c에 도시된 구성과 같이, 도5b에 도시된 부속품(37) 및 시일(35)은 본 발명의 냉각 블래더(30)가 구체화되는 제공된 에너지 저장 장치의 소정의 설계에 따라 상용 구성 요소로 선택될 수 있다.
도시 및 제한되지 않는 것을 목적으로, 도4a 내지 도4c 및 도5a 및 도5b에 도시된 냉각 블래더(30)는 몇 미터(피트)의 길이를 가지도록 제작될 수 있다. 예를 들어, 냉각 블래더(30)의 길이는 많은 응용에서, 1.5 m(5 ft) 내지 3 m(10 ft)의 범위(예를 들어, 2.1 m(7 ft) 내지 2.3 m(7.5 ft))일 수 있다. 냉각 블래더(30)는 몇 cm(in)의 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 냉각 블래더(30)는 10.2 cm(4 in) 및 17.8 cm(7 in) 사이 범위의 폭을 가질 수 있다. 일반적으로, 냉각 블래더(30)의 폭은 제공된 에너지 저장 장치에 채용된 전기 화학 전지의 폭에 적응하도록 설계될 수 있다. 냉각 블래더의 적응성 열전도 재료(30)는 0.152 mm(6 mils) 및 3.8 mm(150 mils) 사이 범위의 두께를 가질 수 있다.
예를 들어, 에너지 저장 장치는 12.7 cm(5 in)의 폭 및 높이를 가지며, 약 0.84 cm(0.33 in)의 두께를 갖는 리튬 이온 각형 전지를 통합할 수 있다. 12.7 cm(5 in) x 12.7 cm(5 in)의 전지를 위한 냉각 블래더(30)의 적절한 폭은 14 cm(5.5 in)의 적절한 폭을 포함하여, 12.7 cm(5 in) 내지 15.2 cm(6 in) 사이의 범위일 수 있다. 냉각 블래더(30)의 길이는 예를 들어, 전지 스택 조립체에 사용된 전지의 수, 전지 및 전지 스택에 걸친 온도 변경의 공차, 제공된 에너지 저장 장치에 사용된 전지 스택 조립체의 수를 포함한 다수의 원인에 따른다.
예를 들어, 소정의 에너지 저장 모듈은 약 12.7 cm(5 in) x 12.7 cm(5 in) x 0.84 cm(0.33 in)의 치수를 갖는 열두 개의 전기 화학 전지를 통합하는 네 개의 전지 스택 조립체를 통합할 수 있다. 이러한 구성에서, 전체 네 개의 냉각 블래더(30)에 대해 네 개의 전지 스택 조립체 중 상응하는 하나에 대한 하나의 냉각 블래더(30)가 온도 제어를 제공하도록 채용된다. 냉각 블래더(30)는 각각 약 218.4 cm(7 ft-2 in)의 길이와, 약 14 cm(5.5 in)의 폭을 가질 수 있다.
냉각 블래더(30)의 주연부를 따른 하나 이상의 위치가 냉각 블래더(30)를 형성하기 위해 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 냉각 블래더(30)의 길이를 따라 밀봉이 제공되도록, 냉각 블래더(30)의 측면을 따른 적어도 두 개의 주연 위치에 9.5 mm(3/8 in) 폭의 시일이 사용될 수 있다. 냉각 블래더(30)의 대향 단부를 따라 밀봉이 제공되기 위해, 냉각 블래더(30)의 단부를 따라 적어도 두 개의 주연 위치에 1.27 cm(1/2 in) 폭의 시일이 사용될 수 있다.
도6 및 도7은 본 발명의 냉각 블래더(30)의 추가의 특징을 도시한다. 본 도면에 따르면, 냉각 블래더(30)는 활성 구역(37) 및 밀봉 구역(39)을 포함한다. 활성 구역(37)은 그 내부에서 입구(31) 및 출구(33)를 통해 열 전달 매체가 통과하는 냉각 블래더(30)의 밀봉되지 않은 일부를 한정한다. 따라서, 활성 구역(37)은 전기 화학 전지과의 열 접촉이 수행되고, 전지에 대한 필요한 온도 제어를 제공하는 냉각 블래더(30)의 일부를 나타낸다. 이로써, 냉각 블래더(30)의 활성 구역(37)의 폭은 대상 전지의 폭에 적응하도록 설계된다. 비활성 밀봉 구역(39)은 대상 전지의 폭을 초과하는 폭을 갖는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 약 10.8 cm(4.25 in) x 10.8 cm(4.25 in)의 활성 영역을 갖는 12.7 cm(5 in) x 12.7 cm(5 in)를 사용한다고 가정하면, 냉각 블래더(30)의 활성 구역(37)은 약 11 cm(4.33 in)의 폭을 가질 수 있다. 냉각 블래더의 전체 폭(활성 구역(37)의 폭과 비활성 구역(39)의 폭의 합)이, 예시적이지만 비제한적인 본 예시에서 약 15.7 cm(6.2 in)가 되도록, 상기 밀봉 구역(39)은 약 4.6 cm(1.8 in)의 활성 구역(37)을 넘어 연장될 수 있다.
냉각 블래더의 활성 구역(37)은 일반적으로 작동 중에 전기 화학 전지의 분류에 의해 발생되는 허용 가능한 최대 열의 양을 처리하도록 설계된다. 허용 가능한 최대 열 제한은 전지 스트링 내의 누전 사건 중에 발생되는 과열을 고려하고, 누전 전지 또는 전지에 의해 발생된 열의 양을 제한하는 바이패스 회로 소자 또는 누전 제어 장치의 능력에 따라 또한 변경된다. 예를 들어, 열두 개의 전지의 스트링은 정상 작동 중에 전지 당 18W의 방열을 처리하는 냉각 블래더(30)를 요구할 수 있다. 본 예시에서, 냉각 블래더(30)는 열두 개의 전지의 스트링으로부터 약 220watts(예를 들어, Q = 220 W)의 방열을 처리하도록 설계될 수 있다(12 전지 x 18W/전지 = 216 W).
냉각 블래더(30)를 통과하는 열 전달 매체는 통상적으로 물이거나 또는 부동액과 물의 조합(예를 들어, 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물 또는 메탄올과 에틸렌 글리콜의 혼합물)이다. 냉각 블래더(30)를 유동하는 열 전달 매체의 속도는 제공된 전지의 스트링의 방열 요구에 따른다. 도6 및 도7을 참조로 하는 상술된 치수, 약 200W의 방열 요구 및 2℃의 최대 온도 차이를 갖는 냉각 블래더(30)에 대해, 냉각 블래더를 통과하는 물의 유속은 약 0.06 kg/sec 내지 약 0.07 kg/sec으로 충분할 수 있다.
냉각 블래더(30)에 공급되는 열 전달 매체의 열이 대체로 일정한 것이 유리하다. 상기 소정의 요구는 냉각 블래더(30)의 설계 및 성능 요구를 단순화한다. 본 발명의 냉각 블래더(30)가 구비된 에너지 저장 모듈이 전기 또는 하이브리드 전기 차량에 전략적으로 배치되는 실행에서, 상기 차량은 유리하게는 대체로 일정한 온도에서 각 에너지 저장 모듈의 냉각 블래더(30)에 열 전달 매체(즉, 냉각제)를 공급하는 배터리 냉각제 회로를 포함한다. 상기 배터리 냉각제 회로는 차량의 주 냉각제 시스템으로부터 분리되거나 또는 연결될 수 있다. 에너지 저장 모듈의 외부로 통과하는 냉각제는 통상적으로 차량의 설계 및 차량의 냉각 시스템에 따라 주 냉각제 시스템 또는 배터리 냉각제 회로로 복귀된다. 복귀된 냉각제는 에너지 저장 모듈에 공급되기 이전에 사전 설정된 공급 온도에 복귀된다.
본 발명의 효과적인 온도 제어 장치의 설계 및 실행이 제공된 제품에 대한 오직 다수의 원인에 따르는 것이 이해된다. 이러한 원인은 예를 들어, 냉각 블래더 치수와, 열 전달 매체 특성, 유속 및 전체 온도와 같은 열전도 특성과, 에너지 저장 장치 절연 및 열 환경 사용과, 전지 에너지 방열 특성 및 냉각제 시스템 특성(예를 들어, 냉각제 공급 온도) 등을 포함한다.
다수의 응용에서, 제공된 응용에서 사용될 수 있는 에너지 저장 장치를 위해 체적 및 중량 제한이 명시된다. 예를 들어, 전기 하이브리드 차량의 제조자는 차량의 배터리의 체적이 32 리터(liter), 그 중량이 40 Kg을 초과할 수 없는 것을 명시할 것이다. 배터리의 에너지 생성 구성 요소에 할당된 사용 가능한 배터리의 체적 및 중량을 최대화하기 위해, 배터리의 온도 제어 구성 요소의 체적 및 중량을 최소화하는 것은 매우 유리하다.
본 발명의 냉각 블래더를 채용하는 온도 제어 장치는 유리하게는 그 중량 및 체적 요구를 최소화하면서, 고 에너지, 고 출력 밀도 배터리를 위한 온도 제어 성능을 최대화한다. 예를 들어, 본 발명의 냉각 블래더 및 이를 통과하는 열 전달 매체는 전지, 냉각 블래더 및 열 전달 매체의 전체 중량 및 체적의 50 중량% 또는 체적% 이하를 구성한다. 당해 기술 분야의 숙련자들은 통상의 냉각 방법과 비교하여 본 발명의 냉각 장치에 의해 간접적으로 제공된 낮은 중량 및 체적의 장점을 용이하게 이해할 것이다.
냉각 블래더(30)의 제작에 사용된 재료는 단일층 재료 또는 다중층 재료일 수 있다. 단일층 재료의 경우, 냉각 블래더(30)는 ELVAX(에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 델라웨어주 윌밍톤 소재 듀퐁사) 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 같은 양호한 열전도 특성을 갖는 탄성 재료를 사용하여 구성될 수 있다.
다중층 재료의 경우, 냉각 블래더(30)는 양호한 열전도 특성을 갖는 다수의 상이한 다중층 재료를 사용하여 제작될 수 있다. 냉각 블래더(30)는 예를 들어, 세 개 층 구조를 사용하여 제조될 수 있다. 일 구성에 따르면, 금속층이 제1 폴리머층과 제2 폴리머층 사이에 배치된다. 예를 들어, 알루미늄 포일과 같은 얇은 금속 포일은 냉각 블래더(30)의 수명에 걸쳐 투습도를 최소화하기 위해 사용될 수 있고, 양호한 적응성 및 열전도성을 나타낸다. 폴리에틸렌과 같은 열 밀봉성 필름은 금속 포일의 제1 면 상에 배치된다. 나일론 또는 폴리프로필렌과 같은 보호 필름은 금속 포일의 제2 면 상에 배치된다. 세 개 층 재료는 냉각 블래더(30)를 형성하기 위해 공지된 밀봉 기술을 사용하여 밀봉될 수 있다. 다른 구성에 따르면, 냉각 블래더(30)는 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체층(예를 들어, 듀퐁사에 의해 제조된 ELVAX)과 접촉하는 PET-금속 재료를 사용하여 제작될 수 있다.
도8 내지 도10은 본 발명의 원리와 관련된 냉각 블래더(30)의 몇몇의 실시예를 도시한다. 도8 및 도9는 냉각 블래더가 가요성 파우치 형상을 갖는 실시예를 도시한다. 도8 및 도9에 도시된 냉각 블래더(30)는 설명을 단순화하기 위해 직사각형 단면을 갖는 것을 알 수 있다. 도10에 도시된 냉각 블래더(30)는 일렬의 튜브와 같은 다수의 유동 채널(80)을 포함한다. 유동 채널(80)은 어떠한 구성일 수 있으며, 예를 들어, 원형, 직사각형, 정사각형 단면을 가질 수 있다.
도8에 도시된 냉각 블래더(30)는 중공 내부를 포함하는 반면에, 도9에 도시된 냉각 블래더(30)는 중공 내부 내에서 충전재(61)를 포함한다. 소정의 응용에서, 냉각 블래더(30)는 굴곡을 조이도록 구성될 수 있다. 냉각 블래더(30)의 과도한 굴곡은 냉각 블래더(30) 내의 열 전달 매체의 유속을 유리하지 못하게 감소시킬 수 있다. 이러한 제한에 의해 발생된 증가된 배압은 가압된 열 전달 매체를 냉각 블래더(30)의 입구에 분배하는 공급 장치에 유해할 수 있다.
*냉각 블래더의 벽 함몰 또는 단단하게 굴곡된 위치에서의 반동 경향을 감소시키기 위해, 충전재(61)는 냉각 블래더(30) 내에 통합될 수 있다. 충전재(61)는 유리하게는 과도하게 굴곡될 수 있는 냉각 블래더(30)의 위치에 배치된다. 충전재(61)는 열 전달 매체 유동이 대략 낮은 직경 굴곡을 방지하고, 냉각 블래더(30) 내의 열 전달 매체의 조임을 방지한다. 다르게는, 충전재(61)는 냉각 블래더(30)의 전장 내에 배치된다.
충전재(61)는 굴곡이 조여질 때, 냉각 블래더 벽의 함몰을 저지할 수 있는 재료로 제작된다. 이와 관련하여, 도9에 도시된 충전재(61)는 냉각 블래더(30) 내로부터 냉각 블래더 구조의 지지를 제공한다. 또한, 충전재(61)는 냉각 블래더(30)와 전기 화학 전지 사이의 열 전달을 강화시키는 난류 혼합을 발생시킨다. 충전재(61)는 유리하게는 다공성 재료로 제작된다. 적절한 충전재는 카본, 금속, 플라스틱, 혼합물, 나일론, 폴리에스테르, Scotch-BriteTM(미네소타주 세인트 폴 소재 3M) 또는 다른 부직포 재료를 포함하다.
다른 구성에서, 냉각 블래더 구조를 위한 지지가 도8에 도시된 바와 같이 냉각 블래더(30)의 외부 표면에 부착된 탄성 강화 재료의 슬리브(63)를 사용하는 것과 같이 냉각 블래더(30)의 외부의 장치에 의해 제공될 수 있다. 또한, 제공된 응용을 위해 굴곡되도록 설계된 냉각 블래더(30)의 일부가 냉각 블래더 제작 부분의 냉각 블래더(30)의 다른 부분에 대해 두꺼워질 수 있다.
상술된 바와 같이, 에너지 저장 장치에 사용된 냉각 블래더 또는 블래더는 직렬 또는 병렬 흐름을 제공할 수 있다. 도11a 및 도11b는 냉각 블래더(30)가 냉각 블래더(30)를 통한 직렬 냉각제 유동을 제공하기 위해 전지 스택 조립체(28) 내에 일체되는 실시예를 도시한다. 도11a 및 도11b는 전지 스택 조립체(28)를 형성하도록 이격 관계로 배치된 일련의 전기 화학 전지(15)를 도시한다. 냉각 블래더(30)는 냉각 블래더(30)의 활성 구역(37)이 전지(15)의 활성 열 발생 구역과 접촉하도록 "연속 접힘" 방식으로 조립된다. 도시된 바와 같이, 냉각 블래더(30)는 전지 스택 조립체(28) 내에 설치될 때, 사행형 형상을 취한다.
냉각 블래더(30)에 고정된 전지 스택 조립체(28)의 하위 조립이 에너지 저장 모듈 하우징 내에 적절하게 설치되면, 회로 보드 또는 연결 보드의 전지 탭(74) 및 탭은 적절하게 설치된다. 입구(31) 및 출구(33)는 외부 냉각 시스템의 공급 및 복귀 라인(도시되지 않음)에 각각 연결된다. 작동 중에, 열 전달 매체는 입구(31)를 통해, 냉각 블래더(30)의 내부 격실을 통해 통과하고, 직렬 방식으로 출구(33)를 통해 냉각 블래더(30)의 외부로 나온다.
도12a 및 도12b는 냉각 블래더(30)들이 다중 병렬 냉각제 유동 경로를 제공하기 위해 전지 스택 조립체(28) 내에 일체되는 실시예를 도시한다. 도12a 및 도12b에 도시된 구성에서, 다수의 독립 냉각 블래더(30)가 전지 스택 조립체(28)의 일련의 전기 화학 전지(15) 내에 일체된다. 도시된 바와 같이, 각 전기 화학 전지(15)은 두 개의 독립 냉각 블래더(30) 사이에 끼워진다. 냉각 블래더(30)의 입구(31) 및 출구(33)가 설계의 간단함을 위해 냉각제 시스템의 통상의 공급 및 복귀 라인에 통상적으로 결합되는 것을 알 수 있다.
다양한 냉각 블래더 구성이 다양한 유형의 에너지 저장 시스템을 위한 최적의 온도 제어를 제공하도록 달성될 수 있다. 예를 들어, 몇몇의 냉각 블래더(30)는 도11a 및 도11b에 도시된 바와 같이 단일 냉각 블래더(30)를 사용하기보다는, 단일 전지 스택 조립체(28) 내에 사행형 형상의 방식으로 일체될 수 있다. 하나 이상의 냉각 블래더(30) 내에 병렬 유동은 냉각 블래더(30) 내에 다중 내부 격실이 제공되고, 출구(33)에 대해 입구(31)를 적절하게 제공함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 도11a 및 도11b 및 도12a 및 도12b에 도시된 냉각 블래더(30)는, 단일 입구(31)를 통해 내부 격실으로 공급된 냉각제가 출구(33)에서 종료하는 하나 이항의 격실 내부로 유동하도록, 다중 내부 격실을 포함하도록 각각 제작될 수 있다.
도13a 및 도13b에 도시된 바와 같이 단일 병렬 유동 장치는 예를 들어, 냉각 블래더(30)의 공급 격실(91)에 냉각제를 공급하는 하나의 입구(31)를 제공함으로써 달성될 수 있고, 이로써, 냉각제는 일 방향으로 공급 격실(91)을 통해 유동한다. 도13b에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 냉각 블래더(30)는 공급 격실(91)로부터 각각 분리되었지만 공급 격실(91)의 단부와 유동성으로 연결된,(특히 도13a 참조) 두 개의 복귀 격실(91)을 포함하도록 분리된다. 두 개의 복귀 격실(93, 95)의 각 단부는 출구(33)에 각각 고정된다.
열 전달 매체는 공급 격실(91)의 단부에 도달할 때까지 제1 방향으로 입구(31)를 거쳐 공급 격실(91)을 통해 유동한다. 그 후, 열 전달 매체 유동은 공급 격실(91)이 두 개의 복귀 격실(93, 95)과 유동성으로 연결되는 위치에서 두 개의 유동으로 분리된다. 두 개의 유동은 통상적으로 공급 격실 유동의 반대 방향으로 복귀 격실(93, 95)을 각각 통과하여 출구(33)를 각각 거쳐 냉각 블래더(30)를 빠져나간다. 당해 기술 분야의 숙련자는 다른 유동 향상 특징(예를 들어, 공급 격실과 복귀 격실을 분리하는 벽에 구멍/개구의 추가)이 온도 균일성을 강화하기 위해 냉각 블래더 내로 통합될 수 있는 것을 이해할 것이다.
특히 전기 또는 하이브리드-전기 차량을 포함한 소정의 응용에서, 냉각 장치가 콜드 스타트 상태 동안 적절한 시기에 전기 화학 전지에 가열된 냉각제를 전달하는 것이 중요하다. 예를 들어, 제공된 하이브리드 차량 배터리의 온도는 작동자가 차량 작동을 개시하는 시간의 명시된 작동 온도 보다 상당히 이하일 수 있다. 상기 상태에서, 배터리를 가능한 한 빨리 명시된 작동 온도로 상승시키는 것이 유리하다. 이는 냉각제를 소정의 온도로 신속하게 가열하는 콜드 스타트 전기 가열 요소를 제공함으로써 달성될 수 있다.
상기 가열 요소는 유리하게는 콜드 스타트 상태 동안 작동될 수 있고, 일단 냉각제 시스템이 소정 온도로 상승되면 더 이상 요구되지 않는다. 신속하게 가열된 냉각제 유동은 배터리가 소정의 작동 온도로 상승될 때까지 배터리의 냉각 블래더(30)에 공급된다. 차량의 후속 작동 중에, 가열 요소는 설정 온도를 유지하기 위해 요구될 때 작동될 수 있다.
배터리를 콜드 스타트 상태에서 소정의 작동 온도로 상승시키는데 요구되는 시간은 가능한 한 짧은 것이 유리하다. 사익 시간은 시간 상수에 의해 특징지어질 수 있다. 시간 상수는 일반적으로 초기 시동 조건으로부터 개시될 때 일정한 상태의 조건에 도달할 때까지의 소정의 과정으로 정의된다. 본 발명의 배경에서, 상기 일정한 상태의 조건은 소정의 작동 온도이며, 시간 상수는 주변 공기 온도, 가열 요소 와트량, 냉각제 유형, 냉각제 양, 냉각제 유속, 배터리 유형, 배터리 열 질량 및 다른 원인과 같은 다수의 원인에 따른다. 시간 상수는 가능한 한 낮게, 유리하게는 몇 분 이내에 얻는 것이 유리하다.
본 발명의 다양한 실시예의 상술된 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 이는 소모적이거나 또는 개시된 정확한 형식에 본 발명을 제한하는 것을 의도하지는 않았다. 예를 들어, 본 발명의 냉각 장치 및 방법은 다양한 형태 및 크기의 전기 화학 전지에 적용하기 위해 용이하게 구성될 수 있다. 일 예시는 이격된 관계로 배열된 원통형 형상들 사이에 냉각 블래더를 조립하는 것을 포함한다. 냉각 블래더는 예를 들어, 이러한 원통형 형상의 전지의 주연 표면을 부분적으로 또는 완전히 포함하도록 구성될 수 있다. 다른 예시는 다면(예를 들어, 육각형 단면)의 또는 둥근 형상(예를 들어, 타원형 단부)의 전기 화학 전지들 사이에 냉각 블래더를 조립하는 것을 포함한다. 본 발명의 범주는 상세한 설명에 의해 한정되지 않고 첨부된 청구항에 의해 한정되는 것이 의도된다.
(30) : 냉각 블래더
(28) : 전지 스택 조립체
(15) : 전지
(31) : 냉각블래더 입구
(33) : 냉각블래더 출구
(26) : 발포체 삽입체
(21, 23) : 반원형 채널
(24) : 회로 기판
(25, 27) : 반원형 노치
(22) : 하우징 본체
(32) : 하우징 뚜껑
(28) : 전지 스택 조립체
(15) : 전지
(31) : 냉각블래더 입구
(33) : 냉각블래더 출구
(26) : 발포체 삽입체
(21, 23) : 반원형 채널
(24) : 회로 기판
(25, 27) : 반원형 노치
(22) : 하우징 본체
(32) : 하우징 뚜껑
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- 적응성 열전도 재료로 형성된 단일 냉각 블래더의 온도 제어 용도.
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