KR101572328B1 - 전기 에너지 저장 장치 - Google Patents

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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 동일한 방향으로 배향되고 각각 두 개의 평행한 변을 가진 복수의 배터리 셀을 구비한 전기 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 상기 배터리 셀들은 각각 하나의 양극 및 하나의 음극을 갖는 셀 단자를 포함한다. 본 발명에서 중요한 사실은, 배터리 셀들이 파우치 셀들로서 형성되고, 상기 파우치 셀들 사이에 냉각을 위해 흑연 입자들을 함유한 포일이 배치되며, 배터리 셀의 하나 이상의 셀 단자의 영역 내에 상기 셀 단자 및 포일과 열 전도 방식으로 연결되는 냉각 덕트가 구비된다는 점이다. 이러한 방식으로, 고성능의 공간 절약형 에너지 저장 장치가 제공될 수 있다.

Description

전기 에너지 저장 장치{ELECTRICAL ENERGY STORE}
본 발명은, 청구항 1의 전제부에 따라 동일한 방향으로 배향된 복수의 배터리 셀을 구비한, 특히 자동차용 전기 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 유형의 전기 에너지 저장 장치가 탑재된 자동차에 관한 것이다.
US 2006/0134514 A1호로부터, 동일한 방향으로 배향되며 각각 두 개의 평행한 측면을 갖는 복수의 배터리 셀을 구비한 범용 전기 에너지 저장 장치가 공지되어 있으며, 상기 각각의 배터리 셀은 각각 하나의 양극 및 하나의 음극을 가진 셀 단자를 갖는다. 상기 장치에서는, 열 전도의 목적으로 개별 배터리 셀들 사이에 흑연으로 이루어진 냉각체들이 배열된다.
EP 2 355 204 A1호로부터, 복수의 배터리 모듈들을 구비한 제1 배터리 스택을 갖는 배터리 유닛이 공지되어 있다. 여기서는 상기 배터리 모듈들 각각이 하나 이상의 배터리 셀을 수납하며, 이때 제1 배터리 스택의 배터리 모듈들이 제1 배터리 스택 측을 정의한다. 배터리 유닛은 또한, 역시 복수의 배터리 모듈들 및 관련 배터리 셀들을 구비한 제2 배터리 스택을 포함하며, 제2 배터리 스택의 배터리 모듈들은 제1 배터리 스택 측의 맞은 편에 제1 배터리 스택 측으로부터 이격되어 배치된 제2 배터리 스택 측을 정의한다. 이 경우, 상기 두 개의 배터리 스택 사이에는 하나 이상의 유체 흐름 통로를 정의하는 열 교환기 구조물이 배치된다. 이때, 열 교환기 구조물은 제1 및 제2 배터리 스택의 팽창 시 압축될 수 있도록 탄성 변형이 가능하다.
US 2011/0195290 A1호로부터 공지된, 하우징 및 그 내부에 배열된 2개 이상의 배터리를 구비한 배터리 모듈에서는, 상기 2개 이상의 배터리에 의해 발생한 열을 방출시키는 냉각 소자가 상기 배터리들 사이에 형성된다. 여기에서, 하나 이상의 냉각 소자는 z-축 방향에 비하여 x-축 방향 및 y-축 방향으로 더 큰 크기를 가지며, 상기 하나 이상의 냉각 소자는 또한 z-축 방향에 비하여 x-축 방향 및/또는 y-축 방향으로 더 큰 열 전도도를 갖는다. 이를 통해, 열 방출의 방향이 강제될 수 있다.
US 2010/0279152 A1호로부터도 역시 복수의 배터리 셀들을 갖는 배터리 모듈이 공지되어 있으며, 상기 개별 배터리 셀들 사이에는 흑연으로 이루어진 열 전도체가 배치된다.
US 2012/0009455 A1호로부터는, 상호 연결되고 서로 병렬로 배열된 복수의 배터리 셀들을 가진 배터리 모듈이 공지되어 있으며, 상기 배터리 셀들은 또한 냉각체에 의하여 서로 분리된다. 이와 유사한 에너지 저장 장치가 WO 2012/013789 A1호에도 기술되어 있다.
그 밖의 전기 에너지 저장 장치들이 US 2012/0231315 A1호 및 WO 2011/146919 A2호로부터 공지되어 있다.
최신의 고성능 배터리들, 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에서 사용되는 트랙션 배터리들은, 그 성능을 유지하고 사용 수명을 연장시킬 수 있도록 냉각되어야 한다. 이와 관련하여, 공지된 전기 에너지 저장 장치들은 보통 스택 형태로 서로 인접하게 배열되는 개별 배터리 셀들로 구성된다. 개별 배터리 셀들의 효율적인 냉각을 실현할 수 있도록, 주로 상기 개별 배터리 셀들 사이에 냉각체들이 배열되지만, 이러한 냉각체들은 상당한 설치 공간을 요구하며, 특히 그 임계 영역에서는 개별 배터리 셀들의 냉각을 최적으로 수행할 수 없다.
따라서, 본 발명의 과제는, 일반적인 유형의 전기 에너지 저장 장치에 있어서, 특히 향상된 성능 및 소형화된 디자인을 특징으로 하는 개선된 실시예를 제시하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 독립 청구항들의 대상들을 통해 해결된다. 종속 청구항들은 바람직한 실시예들에 관한 것이다.
본 발명은, 동일한 방향으로 배향되며 파우치 셀들의 형태로 형성된 복수의 배터리 셀들을 구비한 전기 에너지 저장 장치를, 상기 개별 파우치 셀들 사이에 배열된 흑연 함유 포일들로 냉각하는 동시에, 배터리 셀의 각각의 셀 단자를 열 전도 방식으로 냉각 덕트와 연결함으로써, 개별 배터리 셀들의 외부면들이 넓은 면적에 걸쳐 효과적으로 냉각될 수 있을 뿐만 아니라, 각 배터리 셀들의 셀 단자들의 영역 에서도 효율적인 냉각이 동시에 수행될 수 있게 되어, 전체적으로 에너지 저장 장치의 매우 효율적인 냉각이 구현될 수 있다는 일반적인 사상에 근거한다. 개별 배터리 셀들이 파우치 셀들로서 형성됨에 따라, 각 배터리 셀들의 비교적 간단한 제조뿐만 아니라, 기존에 각 배터리 셀을 위해 요구되었던 하우징의 생략도 가능하며, 그 결과 상기 영역에서 설치 공간과 더불어 중량도 절약될 수 있다. 또한, 개별 파우치 셀들 사이에 흑연을 함유한 개별 포일들이 배열됨으로써, 지금까지 대안 냉각체에 요구되었던 설치 공간이 상당히 감소할 수 있는데, 그 이유는 흑연을 함유한 포일은 기존에 사용되어온 냉각체들에 비하여 훨씬 더 소형인 구조이기 때문이다. 또한, 이러한 유형의 냉각 포일은 파우치 셀의 각 표면에 최적의 방식으로 적용되므로, 면 접촉(areal abutment)을 통해 최적화된 열 전도, 다시 말해 최적화된 열 방출을 가능하게 하며, 열 분산기(heat spreader) 효과의 결과로서 우수한 온도 균일성을 가능하게 한다. 그러나, 전기 에너지 저장 장치의 이점은 무엇보다도, 배터리 셀의 셀 단자의 영역 내에 냉각 덕트가 구비되고, 이 냉각 덕트는 열 전도 방식으로 셀 단자 및 포일에 동시에 연결되어, 각 배터리 셀이 그 측면들에서 넓은 면에 걸쳐 냉각될 수 있을 뿐만 아니라, 추가로 셀 단자의 영역에서도 최적화된 방식으로 냉각될 수 있다는 데 있다.
포일은 바람직하게 흑연 입자들을 함유한 플라스틱 포일로 형성된다. 이로써, 배터리 셀들의 냉각용 포일을 비교적 저렴하게 제조할 수 있고, 이 경우 흑연 입자들이, 예를 들어 플라스틱 포일의 플라스틱으로 에워싸인다.
본 발명에 따른 해결 수단의 또 다른 한 바람직한 실시예에서, 포일은 인접하는 파우치 셀들의 각 측면뿐만 아니라 각각의 셀 단자도 덮어서 냉각하도록 형성된다. 따라서, 포일은 각각의 셀 단자의 방향으로 돌기들을 가질 수 있고, 이 돌기들은 냉각 덕트와의 직접적인 접촉뿐만 아니라 포일과의 접촉을 통해서도 셀 단자의 냉각을 가능하게 한다.
본 발명은 또한, 앞의 단락들에서 설명한 바람직한 에너지 저장 장치를 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 내의 트랙션 배터리로서 이용하는 일반적인 사상에도 기반하는데, 이는 특히 상기 분야에서는 전기 에너지 저장 장치가 상대적으로 크고 고성능으로 구성되어야 하기 때문이다. 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 효과적인 냉각 그리고 이와 동시에 소형화된 디자인에 의하여, 상기 에너지 저장 장치가 탑재된 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 성능이 상당히 비축될 수 있는데, 그 이유는 개별 에너지 저장 장치들이 향상된 냉각으로 인하여 더 높은 성능을 가질 뿐만 아니라, 이와 동시에 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 소형 디자인으로 인하여 동일한 설치 공간 안에 더 많은 수의 에너지 저장 장치를 배치할 수 있기 때문이다.
본 발명의 또 다른 중요한 특징들 및 장점들은 종속 청구항들과, 도면들 및 상기 도면들에 기초한 관련 도면 설명을 참조한다.
위에서 언급한, 그리고 후속하여 추가로 설명될 특징들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 각각 제시된 조합뿐만 아니라 다른 조합 형태로도, 또는 단독으로도 적용될 수 있는 점은 자명하다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 도면들에 도시되고, 후술하는 설명에서 더 상세히 설명될 것이며, 동일하거나 유사한 구성요소들 또는 기능상 동일한 구성요소들은 동일한 참조 부호로 표시된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 장치의 측면도이다.
도 2는 전기 에너지 저장 장치의 분해도이다.
도 1 및 도 2에 따라, 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 장치(1)는, 동일한 방향으로 배향되며 각각 두 개의 평행한 변을 가진 복수의 배터리 셀(2)을 구비한다. 또한, 각 배터리 셀(2)은 각각 하나의 양극(4) 및 하나의 음극(5)(도 2 참조)을 구비한 셀 단자(3)를 갖는다. 본 발명에 따라 배터리 셀들(2)은 이제 이른바 파우치 셀들(pouch cells)로서 형성되며, 이들 셀 사이에는 각각 흑연 입자들(14)을 포함하는 포일(6)이 냉각 포일로서, 즉 배터리 셀들(2)의 냉각을 위해, 배치된다. 흑연은 열 전도도가 높기 때문에, 포일(6)은, 배터리 셀(2)의 작동 중 배터리 셀(2)의 내부에서 발생하는 열이 배터리 셀(2)의 측면들을 통해 넓은 면적에 걸쳐 방출될 수 있게 한다. 또한, 하나 이상의 셀 단자(3)의 영역 내에는, 각 셀 단자(3)에 열 전도 방식으로 연결되는 동시에 포일(6)과도 열 전도 방식으로 연결되는 냉각 덕트(7)가 구비된다. 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 장치(1)는 전술한 구성으로 인해 수많은 중대한 장점들을 갖는다. 첫째로, 포일(6)을 이용하면, 넓은 면적에 걸쳐 개별 배터리 셀(2)이 냉각될 수 있으면서도 설치 공간은 감소하며, 그 결과 에너지 저장 장치(1)의 성능이 향상될 수 있고, 그 설치 공간 수요가 감소할 수 있다. 각각의 셀 단자(3)로의 냉각 덕트들(7)의 직접적인 열 전도성 연결을 통해, 넓은 면적에 걸친 배터리 셀(2)의 측면 냉각뿐만 아니라 셀 단자(3)의 효율적인 냉각도 실현할 수 있음으로써, 내부 및 외부 모두로부터 냉각이 수행될 수 있다. 또한, 배터리 셀들(2)로서 파우치 셀들을 이용함으로써, 한편으로 상당한 설치 공간이 요구되고 다른 한편으로 에너지 저장 장치(1)의 무게 및 가격을 상승시켰던, 각각의 배터리 셀을 둘러싸던 기존의 하우징이 배제될 수 있다. 여기서 파우치 셀들은 종래의 배터리 셀들, 즉 하우징으로 둘러싸인 배터리 셀들만큼 강력하지만, 비용은 훨씬 더 저렴하다.
본원에서, 개별 배터리 셀들(2)의 냉각을 위한 포일(6)은 그 내부에 흑연 입자들(14)이 봉입되거나 매립된 플라스틱 포일로서 형성된다. 포일(6)을 플라스틱 포일로 형성하면 플라스틱 포일을 저렴하고 유연한 방식으로 제조할 수 있으므로, 상응하는 사출 성형 공구를 이용하여 전반적으로 매우 다양한 치수 및/또는 치수의 변화에도 대응할 수 있다. 또한 바람직하게는, 포일(6)이 면대 면으로 접하는 인접한 배터리 셀(2)의 각 측면뿐만 아니라 각 배터리 단자(3)도 덮도록 상기 포일이 설계된다. 이러한 방식으로, 포일(6)에 의하여, 배터리 셀(2)의 냉각이 그 외부면에 걸쳐서도 가능할 뿐만 아니라 셀 단자(3)의 영역에서도 가능할 수 있다.
전기 에너지 저장 장치(1)의 구조에 따라, 포일(6)에 의하여 서로 분리되는 2개 이상의 배터리 셀들(2)이 서로 인접하여 배열될 수 있고, 공통 셀 단자(3)를 갖는 배터리 모듈(13)을 함께 형성할 수 있다. 이 경우 개별 배터리 셀들(2)은 당연히 서로 전기적으로 연결되어야 한다. 그렇게 되면 이러한 복수개의 배터리 모듈(13)은 에너지 저장 장치(1) 내에 스택 형태로 서로 인접하여 배열될 수 있고, 이때 배터리 모듈들(13) 사이에도 역시 각각 하나의 추가 포일(6)이 배치되어야 한다.
냉각 덕트들(7)은 바람직하게 각진 외측 단면 및 원형 내측 단면을 가지며, 각이 지거나 직사각형인 외측 단면은 각각의 셀 단자(3)에 대한 면 접촉을 가능하게 하는 한편, 원형의 내측 단면은 유동의 관점에서 최적화된 설계이다. 도 1을 참조하면, 냉각 덕트들(7)을 통하여 유동하는 냉각제가 먼저 유입 덕트(8)를 통해 유입되며, 각 냉각 덕트들(7)의 길이 방향 단부들이 유입측에서는 유입 덕트(8)와 연결되고, 유출측에서는 반대편에 놓인 유출 덕트(9)와 연결된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 냉각 유체는 화살표(10)에 상응하게 냉각 덕트들(7)를 통하여 유동하면서 각 배터리 셀들(2)의 개별 셀 단자(3)를 냉각할 뿐만 아니라, 개별 배터리 셀들(2) 내에서 다시 열 전도 방식으로 연결되는 포일들(6)도 동시에 냉각한다. 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(1)는 물론 개별 배터리 셀들(2)을 하나로 묶는 하우징(11)으로 둘러싸인다.
마지막으로, 도 2의 중간 부분을 참조하면, 포일(6)은 그 가요성(flexibility)으로 인하여 각 배터리 셀(2)에 면대 면으로 접촉될 수 있으며, 셀 단자(3)의 영역 내에 냉각 덕트들(7)과 열 전도 방식으로 연결되는 돌기들(12)을 가지고 있음을 알 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(1)는 모든 자동차에서 이용될 수 있으며, 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차, 즉 전기 에너지 수요가 높은 자동차에서 사용할 경우 매우 유리하다. 이 경우, 전기 에너지 저장 장치(1)는 기존의 2가지 독립 냉각 컨셉, 구체적으로는 셀 단자(3)의 냉각 및 배터리 셀들(2)의 면 냉각을 결합하며, 그 결과 성능이 향상될 수 있다. 또한, 배터리 셀들(2)이 파우치 셀들로 형성되고 냉각체가 포일(6)로서 구성됨으로써, 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 장치(1)는 기존의 에너지 저장 장치들에 비하여 훨씬 더 소형화되며, 이는 중량 및 성능의 관점에서 상당한 이점을 제공한다.

Claims (8)

  1. 동일한 방향으로 배향되고 각각 두 개의 평행한 변을 가진 복수의 배터리 셀들(2)을 구비한 전기 에너지 저장 장치(1)이며, 각각의 배터리 셀(2)은 각각 하나의 양극(4) 및 하나의 음극(5)을 갖는 셀 단자(3)를 포함하는, 전기 에너지 저장 장치에 있어서,
    배터리 셀들(2)은 파우치 셀들로서 형성되고, 상기 파우치 셀들 사이에는 냉각을 위해 흑연을 함유한 포일(6)이 배치되며,
    배터리 셀(2)의 하나 이상의 셀 단자(3)의 영역 내에, 상기 셀 단자(3) 및 상기 포일(6)과 열 전도 방식으로 연결되는 냉각 덕트(7)가 구비되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 포일(6)은, 열 전도성 흑연 충전재를 함유한 전기 절연 플라스틱 포일로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 포일(6)은, 인접하는 배터리 셀들(2)의 각 측면뿐만 아니라 각각의 셀 단자(3)도 덮어서 냉각시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 포일(6)에 의하여 서로 분리되는 2개 이상의 배터리 셀들(2)이 서로 인접하여 배열되고, 공통 셀 단자(3)를 갖는 배터리 모듈(13)을 함께 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 장치.
  5. 제4항에 있어서, 에너지 저장 장치(1) 내에 2개 이상의 전기 배터리 모듈이 구비되고, 2개의 배터리 모듈(13) 사이에 각각 하나의 추가 포일(6)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각 덕트(7)는 직사각형 외측 단면 또는 원형 내측 단면, 또는 상기 두 단면을 모두 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전기 에너지 저장 장치(1)는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 내 트랙션 배터리로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 따른 전기 에너지 저장 장치(1)를 구비한 자동차.
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