KR101125587B1 - 전지 시스템, 전지모듈 및 전지모듈을 냉각하기 위한 방법 - Google Patents

전지 시스템, 전지모듈 및 전지모듈을 냉각하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

전지 시스템, 전지모듈 및 전지모듈을 냉각하기 위한 방법이 제공된다. 상기 전지모듈은 제 1 면(first side)과 제 2 면(second side)을 포함하고 있는 전지셀과 상기 전지셀의 제 1 면에 위치해 있고, 전지셀로부터 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하여 전지셀을 냉각시키는 제 1 흑연 시트를 포함한다. 상기 전지모듈은 또한 상기 제 1 흑연 시트에 연결되어 있고, 상기 제 1 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 1 냉각 매니폴드로 전달하는 제 1 냉각 매니폴드를 더 포함한다. 상기 제 1 냉각 매니폴드는 그것으로부터 열 에너지를 유체로 전도하기 위해 제 1 냉각 매니폴드를 통해 흐르는 유체를 수령하는 구조로 형성되어 있다.

Description

전지 시스템, 전지모듈 및 전지모듈을 냉각하기 위한 방법 {Battery Systems, Battery Module, and Method for Cooling A Battery Module}
본 출원은 전지 시스템, 전지모듈 및 전지모듈을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적인 공냉식 전지팩에서, 주변 대기로부터의 주변 공기는 전지팩에서 전지셀을 가로질러 향한 뒤에, 전지팩으로부터 배출된다. 그러나, 일반적인 공냉식 전지팩은 소망하는 온도범위 내에서 전지팩의 온도를 유지하는 주요 과제를 가지고 있다.
특히, 전지셀들의 최대 작동 온도는 전지들을 냉각하기 위하여 사용되는 주변 공기의 온도보다 종종 낮아질 수 있다. 이런 상황에서, 공냉식 전지팩에서 소망하는 온도 범위 안에 전지셀들을 유지하는 것은 불가능하다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 상기 언급한 단점을 최소화하고 및/또는 제거하기 위한 향상된 전지모듈 및 전지모듈을 냉각하기 위한 방법을 포함하는 전지 시스템에 대한 필요성을 인식하였다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈이 제공된다. 상기 전지모듈은 제 1 면(first side)과 제 2 면(second side)을 포함하고 있는 전지셀을 포함한다. 상기 전지모듈은 상기 전지셀의 제 1 면에 위치해 있는 제 1 흑연 시트(graphite sheet)로서, 전지셀로부터 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하여 전지셀을 냉각시키는 제 1 흑연 시트를 더 포함한다. 상기 전지모듈은 상기 제 1 흑연 시트에 연결되어 있고, 제 1 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 1 냉각 매니폴드로 전달하는 제 1 냉각 매니폴드(cooling manifold)를 포함한다. 상기 제 1 냉각 매니폴드는 그것으로부터 열 에너지를 유체로 전도하기 위해 그것을 통해 흐르는 유체를 수령하는 구조로 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 시스템이 제공된다. 상기 전지 시스템은 전지셀, 제 1 흑연 시트 및 제 1 냉각 매니폴드를 가지고 있는 전지모듈을 포함한다. 상기 전지셀은 제 1 면과 제 2 면을 가지고 있다. 상기 제 1 흑연 시트는 전지셀의 제 1 면에 위치해 있고, 전지셀로부터 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하여 전지셀을 냉각시킨다. 상기 제 1 냉각 매니폴드는 제 1 흑연 시트에 연결되어 있고, 제 1 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 1 냉각 매니폴드로 전달한다. 상기 제 1 냉각 매니폴드는 또한 그것으로부터 열 에너지를 냉각제(refrigerant)로 전도하기 위해 제 1 냉각 매니폴드를 통해 흐르는 냉각제를 수령하는 구조로 형성되어 있다. 상기 전지 시스템은 상기 전지모듈에 유체적으로 연통되어(fluidly coupled) 있는 응축기(condenser)를 포함한다. 상기 응축기는 또한 전지모듈로부터 냉각제를 수령하여 냉각제로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있다. 상기 응축기는 압축기와 유체적으로 연통되어 있고 압축기로 냉각제를 전달하는 구조로 형성되어 있다. 상기 압축기(compressor)는 또한 전지모듈의 제 1 냉각 매니폴드에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 압축기는 제 1 냉각 매니폴드로 냉각재를 펌핑하는 구조로 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 시스템이 제공된다. 상기 전지 시스템은 전지셀, 제 1 흑연 시트 및 제 1 냉각 매니폴드를 포함한다. 상기 전지셀은 제 1 면과 제 2 면을 가지고 있다. 상기 제 1 흑연 시트는 전지셀의 제 1 면에 위치해 있고, 전지셀로부터 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하여 전지셀을 냉각시킨다. 상기 제 1 냉각 매니폴드는 제 1 흑연 시트에 연결되어 있고, 제 1 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 1 냉각 매니폴드로 전달한다. 상기 제 1 냉각 매니폴드는 또한 그것으로부터 열 에너지를 냉매(coolant)로 전도하기 위해 제 1 냉각 매니폴드를 통해 흐르는 냉매를 수령하는 구조로 형성되어 있다. 상기 전지 시스템은 상기 전지모듈에 유체적으로 연통되어 있는 열 교환기(heat exchanger)를 더 포함한다. 상기 열 교환기는 전지모듈로부터 냉매를 수령하여 열 교환기를 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있다. 상기 전지 시스템은 열 교환기에 유체적으로 연통되어 있는 냉각판(cold plate)을 더 포함한다. 상기 냉각판은 그것을 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있다. 상기 전지 시스템은 상기 냉각판과 펌프 사이에 유체적으로 연통되어 있는 저장기(reservoir)를 더 포함한다. 상기 저장기는 냉각판으로부터 냉매를 수령하여 펌프로 전달하는 구조로 형성되어 있다. 상기 펌프는 또한 전지모듈의 제 1 냉각 매니폴드에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 펌프는 저장기로부터 제 1 냉각 매니폴드로 냉매를 펌핑하는 구조로 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈을 냉각하는 방법이 제공된다, 상기 전지모듈은 전지셀, 제 1 흑연 시트 및 제 1 냉각 매니폴드를 가지고 있다. 상기 방법은 전지셀을 냉각하기 위해 전지셀로부터 전지셀의 제 1 면에 위치해 있는 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 상기 제 1 흑연 시트로부터 제 1 흑연 시트에 연결되어 있는 제 1 냉각 매니폴드로 열 에너지를 전도하는 과정을 더 포함한다. 상기 방법은 제 1 냉각 매니폴드에 유체를 수령하고 제 1 냉각 매니폴드로부터 제 1 냉각 매니폴드 내의 유체로 열 에너지를 전도하는 과정을 더 포함한다.
전지 시스템, 전지모듈, 및 전지모듈을 냉각하기 위한 방법은 다른 시스템, 모듈, 및 방법들보다 실질적인 장점을 제공한다. 특히, 전지 시스템, 전지모듈 및 방법은 상대적으로 얇은 전지모듈의 형태를 유지하면서 전지셀로부터 열 에너지를 효과적으로 제거하는 냉각 매니폴드에 연결되어 있는 흑연시트를 이용하여 전지모듈 내에 전지셀 냉각의 기술적 효과를 제공한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전지 시스템의 모식도이다;
도 2는 예시적인 또 다른 실시예에 따른 도 1의 전지 시스템에 사용되는 전지모듈의 모식도이다;
도 3은 전지모듈에서 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드들로부터 각각 제거된 제 1및 제 2 탑 캡이 가지고 있는 도 2의 또 다른 전지모듈의 모식도이다;
도 4는 도 2 의 전지모듈의 또 다른 모식도이다;
도 5는 흑연시트들과 도 2의 전지모듈에 사용된 제1 및 제 2 냉각 매니폴드들의 모식도이다;
도 6은 도 2의 전지모듈에 사용된 흑연시트의 모시도이다;
도 7은 도 6의 흑연시트의 또 다른 모식도이다;
도 8은 예시적인 또 다른 실시예에 따른 도 2의 전지모듈에 사용된 냉각 매니폴드의 모식도이다;
도 9는 도 8의 냉각 매니폴드의 단면 모식도이다;
도 10은 도 8의 냉각 매니폴드의 또 다른 단면 모식도이다;
도 11은 도 8의 냉각 매니폴드의 부분 확대 모식도이다;
도 12는 도 11의 흑연시트들과 냉각 매니폴드들의 단부가 도시된 도 2의 전지모듈 상단부의 모식도이다;
도 13은 도 8의 냉각 매니폴드를 이루기 위해 사용된 압출 장치 및 브레이징 장치의 모식도이다;
도 14는 예시적인 또 다른 실시예에 따른 도 8의 냉각 매니폴드를 구성하기 위한 방법의 순서도이다;
도 15는 예시적인 또 다른 실시예에 따른 도 1의 전지 시스템에서 전지모듈을 냉각하기 위한 방법의 순서도이다;
도 16은 예시적인 또 다른 실시예에 따른 전지 시스템의 모식도이다;
도 17 내지 도 18은 예시적인 또 다른 실시예에 따른 도 16의 전지 시스템에서 전지모듈을 냉각하기 위한 방법의 순서도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 전력을 발생시키기 위한 전지 시스템(10)이 도시되어 있다. 상기 전지 시스템(10)은 전지모듈(20), 압축기(22), 응축기(24), 도관들(28, 30, 32), 온도 센서(36), 팬(38), 및 마이크로프로세서(40)을 포함한다. 상기 전지모듈(20)의 잇점은 전지모듈이 전지셀을 효과적으로 냉각하기 위하여 전지모듈(20) 내에 전지셀들로부터 열 에너지가 이동하는 흑연시트들과 냉각 매니폴드들을 사용하는 점이다.
이해의 목적을 위하여, "유체"라는 용어는 액체 또는 가스를 의미한다. 예를 들어, 유체는 냉매 또는 냉각제로 구성될 수 있다. 바람직한 냉매로는 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜을 포함한다. 바람직한 냉각제로는 R-11, R-12, R-22, R-134A, R-407C 및 R-410A를 포함한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 또 다른 바람직한 실시예에 따라, 전지모듈(20)은 그 안에 전압을 발생시키기 위하여 제공된다. 상기 전지모듈(20)은 전지셀들(80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93), 흑연시트들(102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124) 및 냉각 매니폴드들(140, 142)을 포함한다.
상기 전지셀들(80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93)은 각각 가동 전압을 발생시키도록 제공된다. 또한, 각각의 전지셀은 동일한 구조를 가질 수 있으므로, 오직 전지셀(80)의 구조가 하기에 보다 상세하게 설명될 것이다. 보는 바와 같이, 상기 전지셀(80)은 본체(143), 외주면 연결부재(144), 전극 단자들(145, 146)을 포함한다. 상기 본체부(143)는 일반적으로 장방형 형상이고, 본체(143)의 주위에 연장된 외주면 연결부재(144)를 가진다. 하나의 실시예에서, 상기 전극 단자들(145, 146)은 전지셀(80)의 상부로부터 연장되고, 그것들 사이에서 발생된 작동 전압을 가진다. 하나의 실시예에서, 각각의 전지셀은 리튬 이온 전지셀이다. 또 다른 실시예들에서, 전지셀들은 예를 들어, 니켈 카드뮴 전지셀 또는 니켈 수소 전지셀들일 수 있다. 물론, 당업자에게 공지되어 있는 다른 유형의 전지셀들이 사용될 수 있다.
상기 도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 흑연시트들(102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124)은 전지셀들을 냉각하기 위해 전지셀들(80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93)로부터 열 에너지를 냉각 매니폴드들(140, 142)로 전달하도록 제공된다. 특히, 상기 흑연시트들과 냉각 매니폴드들은 전지셀들을 소망하는 온도 범위 내에 유지시킬 수 있고, 특히 전지셀을 임계 온도 범위보다 낮은 온도로 유지시킬 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 소망하는 온도 범위는 섭씨 15° 내지 35°이다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 한계 온도 레벨은 섭씨40°이다.
도 5 내지 도 7 및 도 12를 참조하면, 상기 흑연시트들(102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124)은 동일한 구조를 가진. 따라서, 오직 상기 흑연시트(102)의 구조가 하기에 보다 상세하게 설명될 것이다. 보는 바와 같이, 상기 흑연시트(102)는 평평한 패널부(150)와 상기 평평한 패널부로부터 연장되어 있는 연장부(151)를 포함하고 있다. 상기 연장부(151)는 부위들(152, 153, 154)을 포함한다. 상기 부위(152)는 상기 평평한 패널부(150)로부터 연장된다. (도 12에서 우측으로) 또한, 상기 부위(153)는 상기 부위(153)에 대해 수직 방향(도12에서 상측으로)과 평평한 패널부(150)와 실질적으로 평행한 방향으로 상기 부위(152)로부터 연장된다. 또한, 상기 부위(154)는 수직 방향(도12에서 좌측으로)과 상기 부위(152)와 실질적으로 평행한 방향으로 상기 부위(153)으로부터 연장된다. 보는 바와 같이, 상기 흑연시트(102)는 냉각 매니폴드(140)의 그루브(210)에서 부위들(153, 154)의 삽입으로 냉각 매니폴드(140)에 연결되어 있다. 또한, 상기 연장부(151)의 U 자 형상의 배열은 전지셀(80)로부터 냉각 매니폴드(140)로 열 에너지를 효과적으로 전달하기 위해, 냉각 매니폴드(140)의 상대적으로 넓은 표면과 접촉한다. 특히, 각각의 흑연시트들(102, 104, 106, 108, 112, 114, 118, 120, 124)은 냉각 매니폴드(140)의 해당하는 그루브 내에 수령되는 연장부를 가지고 있다. 또한, 각각의 흑연시트들(104, 110, 116, 122)은 냉각 매니폴드(142)의 해당하는 그루브 내에 수령되는 연장부를 가지고 있다. 하나의 실시예에서, 상기 흑연시트들은 그것들을 통한 전기 전도를 방지하기 위해 폴리에틸렌 코팅을 흑연시트 위에 포함하고 있다. 또한 하나의 실시예에서, 각각의 흑연시트들은 0.5 mm 내지 2.0 mm 범위의 두께를 가지고 있다. 물론 또 다른 실시예에서, 상기 흑연시트들은 2.0 mm보다 크거나 또는 0.5 mm보다 작은 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 도 8 내지 도 12를 참조하면, 상기 냉각 매니폴드(140)는 냉각 매니폴드(140)를 통해 흐르는 냉각제에서 흑연시트로부터 열 에너지를 전달하도록 제공된다. 상기 냉각 매니폴드(140)는 압출 성형된 하우징(160), 상단 캡(166), 하단 캡(168), 및 유체 포드들(170, 172)을 포함한다. 상기 하우징(160), 상단 캡(166), 하단 캡(168), 및 유체 포트들(170, 172)은 알루미늄, 구리, 은, 금 및 그것의 합금 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 압출 성형된 하우징(160)은 그 안으로 냉각제를 수령할 수 있도록 내부영역(162)을 이루고 있다. 상기 유선형 유로는 또 다른 유로와 유체적으로 연통되는 유동 채널들(180, 182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)을 포함한다. 또한, 상기 하우징(160)은 그것으로 해당하는 흑연시트들의 연장부를 수령할 수 있도록 하우징으로 연장하는 그루브들(209, 210, 212, 214, 216, 217, 218, 220)을 형성한다. 상기 그루브들(210, 212, 214, 216, 217, 218, 220)은 동일한 형상을 가지고 있으므로, 오직 그루브(210)의 형상이 하기에 보다 상세하게 설명될 것이다. 특히, 상기 그루브(210)는 하우징(160)의 표면(223)과 수직인 하우징(160)으로 연장된 그루브 부위 (221)를 포함한다. 또한, 상기 그루브(210)는 상기 표면(223)과 평행한 상기 그루브 부위9221)의 단부로부터 연장된 그루브 부위(222)를 포함한다. 이것은 상기 그루브(210)가 내부영역(162)와 유체적으로 연통되지 않았을 뿐만 아니라, 하우징(160)의 다른 그루브들과 유체적으로 연통되지 않았다는 점을 주목해야 한다.
또 다른 실시예에서, 상기 냉각 매니폴드(140)의 하우징(160)에서 그루브들은, 냉각 매니폴드(140)와 결합되는 부재의 형상과 상기 부재로부터 열 에너지를 전도하기 위한 소망하는 열적 성능에 따라 앞서 언급한 그루브와 다른 배열 또는 다른 형상을 가질 수 있다는 점을 주목해야 한다. 또한, 또 다른 실시예에서, 냉각 매니폴드(140)의 하우징(160)은 어떠한 그루브들 없이 구성될 수 있고, 단지 부재 또는 유체로부터 열 에너지를 전도하기 위한 부재 또는 유체와 접촉할 수 있다.
상기 하단캡(168)은 하우징(160)의 제1 단부를 밀봉하도록 하우징 (160)의 바닥면에 고정적으로 결합되어 있다.
상기 상단 캡(166)은 하우징(160)의 제 2 단부를 밀봉하도록 하우징 (160)의 상부면에 고정적으로 결합되어 있다. 상기 유체 포트들(170, 172)은 제 1 및 제 2 간극과 각각 유체적으로 연통하기 위해, 상단 캡(166)을 통해 연장된 제 1 및 제 2 간극 위에서 상기 유체 포트들(171, 172)은 각각 상단 캡(166)과 결합된다. 상기 상단 캡(166)은 또한, 그 안의 흑연시트들에 대응하여 수령할 수 있도록, 하우징(160)에 그루브들(209, 210, 212, 214, 216, 217, 218, 220)을 각각 연통하는 상기 탑 캡을 통해 연장된 그루브들(230, 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237)을 포함한다.
작동하는 동안, 냉각제는 유체 포트(170)를 통하여 하우징(160)의 내부 영역(162)으로 흐른 다음, 그 안에 이루어진 유선형 유로를 통한 뒤 유체 포트(172)를 통하여 흐른다. 상기 냉각제는 하우징(160)과 흑연 시트들을 냉각함과 동시에 전지모듈(20) 내부의 전지셀들을 냉각하기 위하여, 하우징(160)으로부터 열 에너지를 추출한다.
도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 냉각 매니폴드(142)를 통해 흐르는 냉각제에서 흑연시트들로부터 열 에너지를 전달하도록 제공된다. 상기 냉각 매니폴드(142)는 압출 성형된 하우징(240), 상단 캡(241), 하단 캡(242), 및 유체 포트들(243, 244)을 포함한다. 상기 하우징(240), 상단 캡(241), 하단 캡(242), 및 유체 포트들(243, 244)은 알루미늄, 구리, 은, 금 및 그것의 합금 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 냉각 매니폴드(142)의 구조는 앞서 언급한 냉각 매니폴드(140)과 동일한 구조를 가지고 있다는 점을 주목해야 한다. 상기 하우징 (240)은 흑연시트들의 연장된 부위에 대응하여 수령할 수 있도록, 하우징 안에 연장된 그루브들(250, 251, 252, 253, 254, 255, 256, 257)을 형성한다.
상기 하단캡(242)은 하우징(240)의 제 1 단부를 밀봉하도록, 압출 성형된 하우징 부재(240)의 바닥면에 고정적으로 결합되어 있다.
상기 상단 캡(241)은 하우징 부재(240)의 상부면에 고정적으로 결합되어 있다. 상기 유체 포트들(243, 244)은 제 1 및 제 2 간극과 각각 유체적으로 연통하기 위해, 상단 캡(241)을 통해 연장된 제 1 및 제 2 간극 위에서 상기 유체 포트들(243, 244)은 각각 상단 캡(241)과 결합된다. 상기 상단 캡(241)은 또한, 하우징(240)에 그루브들(250, 251, 252, 253, 254, 255, 256, 257)을 각각 연통하는 상기 탑 캡을 통해 연장된 그루브들(260, 261, 262, 263, 264, 265, 266, 267)을 포함한다.
작동하는 동안, 냉각제는 유체 포트(243)를 통하여 하우징 부재(240)의 내부 영역으로 흐른 다음, 유선형 유로를 통한 뒤 유체 포트(244)를 통하여 흐른다. 상기 냉각제는 하우징(240)과 그것에 결합된 흑연시트들을 냉각함과 동시에 전지셀들을 냉각하기 위하여, 하우징(240)으로부터 열 에너지를 추출한다.
도 9, 도 13 및 도 14를 참조하면, 또 다른 실시예에 따라, 냉각 매니폴드(140)를 제조하기 위한 방법의 순서도가 설명될 것이다.
과정 (272)에서, 압출 장치(268)는 내부영역(162)을 가지고 있는 하우징(160)을 압출한다. 상기 압출된 하우징(160)은 압출된 하우징(160)의 제 1 면으로부터 상기 하우징(160)으로 연장되어 있는 다수의 제 1 그루브들(210, 212, 214, 216, 218, 220)을 포함하고 있다. 상기 그르부들은 내부영역(162)과 연통되지 않다. 또한, 상기 다수의 제 1 그루브들은 열전도성 부재(예를 들면, 흑연시트(80))로부터 압출된 하우징(160)으로 열 에너지를 전달하도록 상기 열전도성 부재의 일부를 내부에 수납하는 구조로 형성되어 있다.
과정 (273)에서, 밀링 장치(271)는 상기 하우징(160)의 내부에 나선형 유로를 형성하도록 내부 영역(162)에서 상기 사출 성형된 하우징의 단부들을 제거한다. 예를 들어, 상기 밀링 장치(271)는 하우징 안에 개방 영역들(400, 402, 404, 406)을 형성하도록 상기 사출 성형된 하우징(160)의 제 1 단부를 제거한다. 또한, 상기 밀링 장치(271)는 하우징 안에 개방 영역들(408, 410, 412, 414)을 형성하도록 상기 사출 성형된 하우징(160)의 제 2 단부를 제거한다. 상기 하우징(160)의 내부에 나선형 유로는 개방 영역들(400, 402, 404, 406, 408, 410, 412, 414)과 유동 채널들(180, 182, 184, 186, 188, 190, 192, 19)에 의해 정의된다.
과정 (274)에서, 사용자는 사출 성형된 하우징(160)의 제 1 단부를 밀봉하도록, 브레이징 장치(269)를 이용하여, 상단 캡을 상기 제 1 단부에 납땜한다. 상기 상단 캡(166)은 그것으로부터 연장된 제 1 및 제 2 간극을 포함하고 있다.
과정(275)에서, 상기 사용자는 사출 성형된 하우징(160)의 제 2 단부를 밀봉하도록, 상기 브레이징 장치(269)를 이용하여 하단 캡(168)을 상기 제 2 단부에 납땜한다.
과정(276)에서, 상기 사용자는 제 1 유동 포트(170)가 상기 상단 캡(166)의 제 1 간극과 연통되도록, 상기 브레이징 장치(269)를 이용하여, 상기 제 1 유동 포트(170)를 상단 캡(166)에 납땜한다.
과정 (277)에서 사용자는 제 2 유동 포트(172)가 상기 상단 캡(166)의 제 2 간극(172)과 연통되도록, 상기 브레이징 장치(269)를 이용하여, 제 2 유동 포트(172)를 상단 캡(166)에 납땜한다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 압축기(22)는 마이크로프로세서(40)로부터 제어 신호에 대응하여, 도관(28)을 통해 냉각제를 전지모듈(20)로 펌핑하는 구조로 형성되어 있다. 보는 바와 같이, 상기 도관(28)은 압축기(22)와 전지모듈(20)의 포트들(170, 243)에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 도관(30)은 전지모듈(20)의 포트들(172, 244)과 응축기(24)에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 전지모듈(20)에서 배출된 뒤, 상기 냉각제는 도관(30)을 통해 응축기(24)로 펌핑된다.
상기 응축기(24)는 냉각제를 냉각시키기 위해 상기 응축기를 통해 흐르는 냉각제로부터 열 에너지를 추출하도록 제공된다. 보는 바와 같이, 도관(32)은 응축기(24)와 압축기(22) 사이에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 응축기(24)에서 배출된 후, 상기 냉각제는 도관(32)을 통해 압축기(22)로 펌핑된다.
상기 온도센서(36)는 마이크로프로세서(40)에 의해 수령된 전지모듈(20)의 온도를 표시하는 신호를 발생시키도록 제공된다.
상기 팬(38)은 상기 마이크로프로세서(40)로부터 제어 신호에 대응하여, 응축기(24)를 냉각하기 위해 상기 응축기(24)를 지나서 공기를 빠르게 유통시키도록 제공된다. 또 다른 실시예에서, 상기 응축기(24)는 냉각제를 위한 액체 응축기이다.
상기 마이크로프로세서(40)는 전지셀 시스템(10)의 작동을 제어하도록 제공된다. 특히, 상기 마이크로프로세서(40)는 하기에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 온도 센서(36)로부터 신호에 대응하여 압축기(22)와 팬(38)의 작동을 컨트롤하기 위해 제어 신호들을 발생시키는 구조로 형성되어 있다.
도 15를 참조하면, 또 다른 실시예에 따라, 전지모듈을 냉각하기 위한 방법의 흐름도가 제공되어 있다. 단순한 목적으로, 상기 방법은 전지모듈 내에서 하나의 전지셀과 한 쌍의 흑연시트들을 사용하여 설명될 것이다. 물론, 추가적인 전지셀들과 흑연 시트들이 사용될 수 있다.
과정 (280)에서, 상기 온도센서(36)는 상기 마이크로프로세서(40)에 의해 수령된 전지모듈(20)의 온도를 표시하는 제 1 신호를 발생시킨다. 상기 전지모듈(20)은 전지셀(80), 흑연시트들(102, 104), 및 냉각 매니폴드들(140, 142)을 포함한다. 상기 흑연시트들(102, 104)은 전지셀(80)의 제 1 면 및 제 2면에 각각 위치해 있다. 상기 냉각 매니폴드들(140, 142)은 상기 흑연시트들(102, 104)에 각각 연결되어 있다.
과정(282)에서, 상기 마이크로프로세서(40)는 전지모듈(20)의 온도가 임계 온도 수준보다 큰 값을 제 1 신호가 표시할 때, 냉각제를 전지모듈(20)의 냉각 매니폴드들(140, 142)로 펌핑하도록 압축기(22)를 유도하는 제 2 신호를 발생시킨다.
과정(284)에서, 상기 마이크로프로세서(40)는 전지모듈(20)의 온도가 임계 온도 수준보다 큰 값을 제 1 신호가 표시할 때, 상기 응축기(24)를 냉각하기 위해 응축기(24)를 가로질러 공기를 불어넣도록 팬(38)을 유도하는 제 3 신호를 발생시킨다. 상기 응축기(24)는 냉각 매니폴드들(140, 142)과 유체적으로 연통되어 있다.
과정 (286)에서 상기 흑연시트들(102, 104)은 전지셀(20)을 냉각하기 위해 전지셀(80)로부터 흑연시트들(102, 104)로 열 에너지를 전달한다.
과정(288)에서, 상기 냉각 매니폴드들(140,142)은 흑연 시트들(102, 104)로부터 냉각 매니폴드들(140, 142)로 열 에너지를 전도하고 또한, 냉각 매니폴드들(140, 142)을 통해 흐르는 냉각제로 열 에너지를 전달한다.
과정(290)에서, 상기 응축기(24)는 전지모듈(20)의 냉각 매니폴드들(140, 142)로부터 냉각제를 수령하여 상기 냉매로부터 열 에너지를 추출한다.
과정(292)에서 상기 냉각제는 압축기(22)로 되돌아가 응축기(24)로부터 전달된다.
도 10을 참조하면, 전력을 발생시키기 위한 상기 전지 시스템(310)이 도시되어 있다. 상기 전지 시스템(310)은 전지모듈(320), 펌프(322), 열 교환기(324), 냉각판(325), 저장기(326), 팬(337), 도관들(328, 330, 331, 332, 334), 온도센서(336), 냉각제 시스템(338) 및 마이크로프로세서(340)를 포함한다. 상기 전지 시스템(310)과 전지 시스템(10) 사이의 주요 차이점은 상기 전지 시스템(310)이 전지모듈(320)를 냉각하기 위해 냉각제 대신 냉매를 사용하는 점이다.
상기 전지모듈(320)은 앞서 논의된 전지모듈(20)과 같이 동일한 구조를 가진다.
상기 펌프(322)는 마이크로프로세서(340)로부터 제어 신호에 대응하여, 도관(328)을 통해 냉매를 전지모듈(320)로 펌핑하는 구조로 형성되어 있다. 보는 바와 같이, 상기 도관(328)은 펌프(322)와 전지모듈(320) 사이에 유체적으로 연통되어 있고, 전지모듈(320)과 열 교환기(324) 사이에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 전지모듈(320)에서 배출된 후, 상기 냉매는 또한, 도관(330)을 통해 열 교환기(324)로 펌핑된다.
상기 열 교환기(324)는 냉매를 냉각시키기 위해 열 교환기를 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하도록 제공된다. 보는 바와 같이, 도관(331)은 상기 열 교환기(324)와 냉각판(325) 사이에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 열 교환기(324)에서 배출된 후, 상기 냉매는 또한, 도관(331)을 통해 냉각판(325)으로 펌핑된다.
상기 팬(337)은 상기 마이크로프로세서(340)로부터 제어 신호에 대응하여, 열 교환기(324)를 냉각하기 위해 상기 열 교환기(324)를 지나서 공기를 빠르게 유통시키도록 제공된다. 보는 바와 같이, 상기 팬(337)은 상기 열 교환기(324)에 근접하게 배치되어 있다.
상기 냉각판(325)은 냉매를 더 냉각시키기 위해 상기 냉각판을 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하도록 제공된다. 보는 바와 같이, 도관(322)은 상기 냉각판(325)과 저장기(326) 사이에 유체적으로 연통되어 있다. 상기 냉각판(325)에서 배출된 후, 상기 냉매는 또한 도관(332)을 통해 저장기(326)로 펌핑된다.
상기 저장기(326)는 적어도 냉매의 일부를 그 안에 저장하도록 제공된다. 보는 바와 같이, 도관(334)는 상기 저장기(326)과 펌프(322) 사이에 유체적으로 연통된다. 상기 저장기(326)에서 배출된 이후, 상기 냉매는 도관(334)을 통해 펌프(322)로 펌핑된다.
상기 온도센서(336)는 마이크로프로세서(340)에 의해 수령된 전지모듈(320)의 온도를 표시하는 신호를 발생시키도록 제공된다.
상기 냉각제 시스템(338)은 마이크로프로세서(340)로부터 제어 신호에 대응하여, 열 교환기(324)를 냉각하기 위해 제공된다. 보는 바와 같이, 상기 냉각제 시스템(338)은 냉각판(325)에 작동 가능하게 연결되어 있다.
상기 마이크로프로세서(340)는 전지셀 시스템(310)의 작동을 제어하도록 제공된다. 특히, 상기 마이크로프로세서(340)는 하기에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 온도 센서(336)로부터 신호에 대응하여 펌프(322), 팬(337) 및 냉각제 시스템(338)의 작동을 컨트롤하기 위해 제어 신호들을 발생시키는 구조로 형성되어 있다.
도 17 내지 도 18을 참조하면, 또 다른 실시예에 따라, 전지모듈(320)을 냉각하기 위한 방법의 흐름도가 제공되어 있다. 단순한 목적으로, 상기 방법은 전지모듈 내에서 하나의 전지셀과 한 쌍의 흑연시트들을 사용하여 설명될 것이다. 물론, 추가적인 전지셀들과 흑연 시트들이 사용될 수 있다.
과정(360)에서, 상기 온도센서(336)는 상기 마이크로프로세서(340)에 의해 수령된 전지모듈(320)의 온도를 표시하는 제 1 신호를 발생시킨다. 상기 전지모듈(320)은 전지셀, 제 1 및 제 2 흑연시트들, 및 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 흑연시트들은 전지셀의 제 1 면 및 제 2면에 각각 위치해 있다. 상기 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드들은 상기 제 1 및 제 2 흑연시트들에 각각 연결되어 있다.
과정 (362)에서 상기 마이크로프로세서(340)는 전지모듈(320)의 온도가 임계 온도 수준보다 큰 값을 제 1 신호가 표시할 때, 저장기(326)으로부터 냉매를 전지모듈(320)의 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드로 펌핑하도록 펌프(322)를 유도하는 제 2 신호를 발생시킨다.
과정(363)에서, 상기 마이크로프로세서(340)는 전지모듈(320)의 온도가 임계 온도 수준보다 큰 값을 제 1 신호가 표시할 때, 상기 열 교환기(324)를 냉각하기 위해 열 교환기(324)를 가로질러 공기를 불어넣도록 팬(337)을 유도하는 제 3 신호를 발생시킨다. 상기 열 교환기(324)는 전지모듈(320)의 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드들과 유체적으로 연통되어 있다.
과정 (364)에서, 상기 마이크로 프로세서(340)는 전지모듈(320)의 온도가 임계 온도 수준보다 큰 값을 제 1 신호가 표시할 때, 상기 냉각판(325)를 냉각하기 위해 냉각판(325)의 일부를 통해 냉각제를 펌핑하도록 냉각제 시스템(338)을 유도하는 제 4 신호를 발생시킨다. 상기 냉각판(325)은 열 교환기(324)와 유체적으로 연통되어 있다.
과정 (366)에서, 상기 제 1 및 제 2 흑연 시트들은 전지셀을 냉각하기 위해 전지셀로부터 제 1 및 제 2 흑연시트들로 각각 열 에너지를 전도한다.
과정 (368)에서, 제 1 및 제 2 흑연 시트로부터 각각 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드로 열 에너지를 전도하고, 또한, 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드들을 통해 각각 흐르는 냉매로 열 에너지를 전도한다.
과정 (370)에서, 상기 열 교환기(324)는 전지모듈(320)의 제 1 및 제 2 냉각 매니폴드로부터 냉매를 수령하여 열 교환기를 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출한다.
과정(371)에서, 상기 냉각판(325)은 열 교환기(324)로부터 냉매를 수령하여 냉각판을 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출한다.
과정 (372)에서, 저장기(326)는 상기 냉각판(325)로부터 냉매를 수령하고, 냉매는 펌프(322)로 되돌아가 저장기(326)으로부터 전달된다.
본 발명을 예시적인 실시예들을 참조하여 기술하였지만, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변화들을 가하고 구성요소들을 균등물로 치환될 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다. 더불어, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않으면서 특정한 상황 또는 소재를 본 발명의 교시에 적용시키기 위해 많은 변형들이 가해질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 개시되어 있는 특정한 실시예들로 한정되기 않고 본 발명이 하기 청구범위의 범주내에 속하는 모든 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다. 더욱이, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 구성요소들을 서로 구별시키기 위해 사용되었다. 또한, 용어 a, an 등의 사용은 양적인 한정을 내포하는 것이 아니라, 지시된 항목들의 적어도 하나의 존재를 의미한다.

Claims (16)

  1. 제 1 면(first side)과 제 2 면(second side)을 포함하고 있는 전지셀;
    상기 전지셀의 제 1 면에 위치해 있는 제 1 흑연 시트(graphite sheet)로서, 전지셀로부터 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하여 전지셀을 냉각시키는 제 1 흑연 시트; 및
    상기 제 1 흑연 시트에 연결되어 있는 제 1 냉각 매니폴드(cooling manifold)로서, 내부 영역(interior region)을 형성하는 하우징과, 상기 하우징에 연결되어 있는 제 1 및 제 2 유체 포트(fluid port)을 가지고 있고, 제 1 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 1 냉각 매니폴드로 전달하며, 제 1 냉각 매니폴드로부터 열 에너지를 유체로 전도하기 위해 그것을 통해 흐르는 유체를 수령하는 구조로 형성되어 있는 제 1 냉각 매니폴드;
    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 제 2 면에 위치해 있는 제 2 흑연 시트를 더 포함하고 있고, 상기 제 2 흑연 시트는 전지셀을 냉각하기 위해 전지셀로부터 열 에너지를 제 2 흑연 시트로 전도하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 흑연 시트에 연결되어 있는 제 2 냉각 매니폴드를 더 포함하고 있으며, 상기 제 2 냉각 매니폴드는 제 2 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 2 냉각 매니폴드로 전도하며, 제 2 냉각 매니폴드로부터 열 에너지를 유체로 전도하기 위해 그것을 통해 흐르는 유체를 수령하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 흑연 시트는 폴리에틸렌 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 흑연 시트는 0.5 mm 내지 2.0 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 흑연 시트는 평평한 패널부(flat panel portion)와 상기 평평한 패널부의 제 1 단부로부터 연장되어 있는 제 1 연장부(extension portion)를 포함하고 있으며, 상기 제 1 냉각 매니폴드는 제 1 흑연 시트의 제 1 연장부를 수령하는 구조로 형성되어 있는 제 1 그루브(groove)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 매니폴드는 알루미늄, 구리, 은 및 금 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 전지셀, 제 1 흑연 시트 및 제 1 냉각 매니폴드를 가지고 있는 전지모듈로서, 상기 전지셀은 제 1 면과 제 2 면을 가지고 있고, 상기 제 1 흑연 시트는 전지셀의 제 1 면에 위치해 있고, 전지셀로부터 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하여 전지셀을 냉각시키며, 상기 제 1 냉각 매니폴드는 제 1 흑연 시트에 연결되어 있고, 내부 영역(interior region)을 형성하는 하우징과, 상기 하우징에 연결되어 있는 제 1 및 제 2 유체 포트(fluid port)을 가지고 있으며, 제 1 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 1 냉각 매니폴드로 전달하며, 제 1 냉각 매니폴드로부터 열 에너지를 냉각제(refrigerant)로 전도하기 위해 그것을 통해 흐르는 냉각제를 수령하는 구조로 형성되어 있는 전지모듈;
    상기 전지모듈에 유체적으로 연통되어(fluidly coupled) 있는 응축기로서, 전지모듈로부터 냉각제를 수령하여 냉각제로부터 열 에너지를 추출하며, 압축기와 유체적으로 연통되어 있고 압축기로 냉각제를 전달하는 구조로 형성되어 있는 응축기(condenser); 및
    상기 전지모듈의 제 1 냉각 매니폴드에 유체적으로 연통되어 있고 제 1 냉각 매니폴드로 냉각재를 펌핑하는 구조로 형성되어 있는 압축기(compressor);
    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지모듈의 온도를 표시하는 제 1 신호를 발생시키는 구조로 형성되어 있는 온도센서; 및
    상기 온도센서에 작동 가능하게 연결되어 있고, 전지모듈의 온도가 임계 온도 수준(threshold temperature level)보다 큰 값을 제 1 신호가 표시할 때, 냉각제를 제 1 냉각 매니폴드로 펌핑하도록 압축기를 유도하는 제 2 신호를 발생시키는 구조로 형성되어 있는 마이크로프로세서;
    를 더 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지 시스템.
  11. 전지셀, 제 1 흑연 시트 및 제 1 냉각 매니폴드를 가지고 있는 전지모듈로서, 상기 전지셀은 제 1 면과 제 2 면을 가지고 있고, 상기 제 1 흑연 시트는 전지셀의 제 1 면에 위치해 있고, 전지셀로부터 제 1 흑연 시트로 열 에너지를 전도하여 전지셀을 냉각시키며, 상기 제 1 냉각 매니폴드는 제 1 흑연 시트에 연결되어 있고, 내부 영역(interior region)을 형성하는 하우징과, 상기 하우징에 연결되어 있는 제 1 및 제 2 유체 포트(fluid port)을 가지고 있으며, 제 1 흑연 시트로부터 열 에너지를 제 1 냉각 매니폴드로 전달하며, 제 1 냉각 매니폴드로부터 열 에너지를 냉매(coolant)로 전도하기 위해 그것을 통해 흐르는 냉매를 수령하는 구조로 형성되어 있는 전지모듈;
    상기 전지모듈에 유체적으로 연통되어 있는 열 교환기로서, 전지모듈로부터 냉매를 수령하여 열 교환기를 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있는 열 교환기(heat exchanger);
    상기 열 교환기에 유체적으로 연통되어 있는 냉각판으로서, 냉각판을 통해 흐르는 냉매로부터 열 에너지를 추출하는 구조로 형성되어 있는 냉각판(cold plate);
    상기 냉각판과 펌프 사이에 유체적으로 연통되어 있으며, 냉각판으로부터 냉매를 수령하여 펌프로 전달하는 구조로 형성되어 있는 저장기(reservoir); 및
    상기 전지모듈의 제 1 냉각 매니폴드에 유체적으로 연통되어 있고, 저장기로부터 제 1 냉각 매니폴드로 냉매를 펌핑하는 구조로 형성되어 있는 펌프;
    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지 시스템.
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