KR102092487B1 - 배터리 시스템용 온도 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개별적으로 온도 제어된 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 연결 장치(3) 및 개별적으로 온도 제어된 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 연결 장치(4)를 갖는 직육면체형의 중공 몸체(2), 및 제 1 몸체 표면(5)으로부터 제 2 몸체 표면(6)으로 연장되는 규칙적으로 배치되고 동일하게 형성된 복수의 개구부(7)를 적어도 포함하는 배터리 시스템용 온도 제어 장치(1)에 관한 것이며, 원통형 배터리 셀(8)은 유체-밀봉한 액체 공간이 형성되도록 각각의 개구부(7)에 의해 수용되며, 셀 헤드(11) 및 셀 바닥(12)을 제외한 상기 중공 몸체(2)는 상기 배터리 시스템의 전체 높이의 >20% 내지 <100%의 높이 h에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 시스템용 온도 제어 장치
본 발명은 개별적으로 온도 제어된 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 연결 장치 및 개별적으로 온도 제어된 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 연결 장치를 갖는 직육면체형의 중공 몸체(cuboid-shaped hollow body), 및 제 1 몸체 표면으로부터 제 2 몸체 표면으로 연장되는 규칙적으로 배치되고 동일하게 형성된 복수의 개구부(openings)를 갖는 배터리 시스템용 온도 제어 장치에 관한 것이며, 원통형 배터리 셀은 유체-밀봉한(fluid-tight) 액체 공간이 형성되도록 각각의 개구부에 의해 수용된다.
부분적으로 배터리 팩으로서도 지칭되는 배터리 시스템 또는 여러 배터리 시스템의 조합은 전기 차량 또는 하이브리드 차량과 같은 모바일 애플리케이션에서, 예를 들어 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 또는 니켈 금속 하이브리드 배터리로 재충전 가능한 전기 에너지 저장 유닛으로서 사용된다. 리튬 이온 고전압 배터리는 때때로 특히 배터리 시스템의 크기와 무게를 더 줄이기 위해 모든 전기 드라이브에 사용된다.
일반적인 배터리 시스템은 특정 온도 윈도우에서 동작되어야 한다. 배터리에서의 전기 화학적 프로세스는 배터리의 동작 조건과 온도에 상당히 영향을 받는다. 높은 온도는 전자 또는 이온 이동도를 향상시키지만 배터리 셀의 내부 임피던스를 감소시키고 이의 용량을 증가시킨다. 그러나, 온도가 높아지면 원하지 않거나 돌이킬 수 없는 화학적 반응 및/또는 전해질의 손실을 초래하여 영구적인 손상이나 배터리의 완전한 고장을 일으킬 수 있다. 반복되는 온도 변화는 또한 배터리를 손상시킬 수 있다.
+40℃의 동작 온도에서는 동작 수명이 단축되고, -10℃ 미만에서는 효율과 성능이 저하된다. 게다가, 개개의 셀 사이의 온도차는 5 내지 10K를 초과하지 않아야 한다. 회복(recuperation) 또는 부스팅(boosting)과 같이 고전류와 관련된 단기간의 피크 로드(short-term peak load)는 셀을 상당히 가열시킨다. 게다가, 예를 들어 여름철에서의 높은 외부 온도는 배터리 시스템의 온도가 임계 레벨에 도달하는 것을 도울 수 있다.
US 2015 210 184 A1로부터, 공냉식 배터리 팩이 알려져 있다. 냉각 채널이 각각의 모듈의 인접한 셀 사이에 형성되도록 배터리 팩은 복수의 모듈로 배치된 복수의 배터리 셀을 포함한다.
DE 10 2011 082 991 A1로부터, 배터리 하우징, 온도 제어 요소 및 온도 제어 요소 중 하나와 직접 접촉하는 리튬 이온 셀을 가진 배터리는 알려져 있다.
더욱이, 배터리 셀과 적어도 하나의 온도 제어 장치를 갖는 다수의 배터리 모듈을 가진 배터리 팩은 DE 10 2014 205 133 A1로부터 알려져 있으며, 이는 배터리 셀이 온도 의존적 열전도도를 갖는 재료에 의해 적어도 하나의 온도 제어 장치에 결합되는 것을 특징으로 한다.
종래 기술로부터 알려진 일반적인 배터리 시스템의 온도 제어에 대한 추가의 가능성은, 예를 들어, 에어컨이 장착된 차량 내부로부터의 공기를 흡인하고, 배터리 셀에 봉입된 특수 증발기 플레이트를 차량의 기존의 에어 컨디셔닝(air conditioning) 시스템에 연결하거나, 배터리 블록에 내장된 냉각 플레이트를 통해 냉각수의 흐름을 허용하는 것이다(Behr/Hella "Thermal Management in Hybrid Vehicles", BEHR HELLA SERVICE GmbH, Schwabisch Hall 참조).
종래 기술로부터 알려진 모든 냉각 개념은 생성된 열의 신속하고 특히 균일한 제거, 특히 최적화된 온도 관리가 결여되어 있다. 이것은 극한의 전력 범위, 즉 고전력 출력 또는 배터리 셀의 고전력 소비 및 매우 높은 주변 온도에서 특히 그러하다.
또한, 상이한 전력 밀도로 이어지며, 따라서 차례로 배터리 블록 내의 열적 불균형(자체 손상 시스템)으로 이어지는 셀 네트워크의 열적 불균형의 문제는 만족스럽게 해결되지 않는다.
본 발명의 목적은 배터리 시스템을 위해 개선되었지만 적어도 대안적인 온도 제어 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 배터리 시스템 내의 열 평형을 보장하는 것이다.
본 발명에 따르면, 개별적으로 온도 제어된 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 연결 장치 및 개별적으로 온도 제어된 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 연결 장치를 갖는 직육면체형의 중공 몸체(cuboid-shaped hollow body)를 포함하는 배터리 시스템용 온도 제어 장치가 제안되며, 직육면체형의 중공 몸체는 제 1 몸체 표면으로부터 제 2 몸체 표면으로 연장되는 규칙적으로 배치되고 동일하게 형성된 복수의 개구부를 가지며, 원통형 배터리 셀은 유체-밀봉한 액체 공간이 형성되도록 각각의 개구부에 의해 수용된다.
셀 헤드 및 셀 바닥을 제외한 중공 몸체는 배터리 시스템의 전체 높이의 >20% 내지 <100%의 높이 h에 걸쳐 연장되는 것이 본 발명에 필수적이다. 배터리 셀은 개별적으로 온도 제어된 유체에 의해 액체 공간에서 랩핑(lapping)된다. 온도 제어된 유체와 배터리 시스템의 각각의 원통형 배터리 셀의 이러한 직접적 전체 영역 접촉은 시스템이 최적의 동작 온도 범위 내에서 활성 상태로 유지하도록 허용한다.
따라서, 본 발명에 의해, 배터리 셀의 셀 재킷에서 발생된 열을 신속하게 소산시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 셀 조립체의 열적 불균형을 피할 수 있다.
유체-밀봉한 액체 공간을 보장하기 위해, 원통형 배터리 셀을 둘러싸는 밀봉 요소를 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 밀봉 요소는 예를 들어 상부 및 하부 셀 재킷 위치에서 원주에 걸쳐 밀봉 방식으로 셀을 폐쇄하는 각각의 개구부 상에 형성된 밀봉 링일 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 밀봉 요소는 직육면체형의 중공 몸체의 개구부에 대응하는 개구부를 포함하는 일체로 형성된 밀봉 판이다.
이러한 밀봉 판은 예를 들어 TPE, EPDM 또는 다른 탄성 중합체, 바람직하게는 열가소성 합성 재료로 제조된 하나의 피스(piece)로 생산되며, 바람직하게는 직육면체형 중공 몸체의 표면에 2 성분 기술(2-component-technique)에 의해 적용된다. 밀봉 판은 예를 들어 상기 몸체 상에 스냅(snap)되거나 나사 결합되는 분리 가능한 연결 기술에 의해 직육면체형의 중공 몸체에 적용되는 것도 고려할 수 있다. 바람직하게는, 원통형 배터리 셀은 셀의 각각의 원주 상에 2개의 밀봉 판의 밀봉 요소에 의해 둘러싸임으로써 완전히 밀봉된다.
직육면체형의 중공 몸체는 바람직하게는 플라스틱, 예를 들어 POM과 일체로 제조된다. 본 발명에 따른 온도 제어 장치에서 가능한 한 많은 원통형 배터리 셀을 수용할 수 있도록, 즉 가능한 한 공간 절약적인 배터리 셀의 배치를 보장할 수 있도록 하기 위해, 개구부는 바람직하게는 가장 조밀한 원형 패킹의 형태로 배치된다.
원통형 배터리 셀이 각각의 개구부에 수용되는 배치에서, 배터리 셀의 각각의 행(row)은 셀 폭의 절반(배터리 셀의 직경의 1/2)만큼 인접한 행에 오프셋되어 배치된다. 행의 개별 셀 사이에는 최소 거리(S)가 제공된다. 이런 거리와 가장 조밀한 원형 패킹과 같은 배치는 별개로 온도 제어된 유체가 각각의 배터리 셀 주위로 확실히 흐를 수 있도록 한다. 이에 의해 온도 제어된 유체로 액체 공간을 통한 흐름이 보장된다.
본 발명에 따르면, 셀 헤드 및 셀 바닥을 제외한 직육면체형의 중공 몸체는 배터리 시스템의 전체 높이(H)의 >20% 내지 <100%의 높이(h)에 걸쳐 연장된다. 높이(h)는 온도 관리의 요구 사항, 특히 냉각 성능에 적응되어야 하며, 열 요구 사항과 중공 몸체 높이의 증가에 따라 상승하는 배터리 중량 간의 균형에 의해 결정된다.
복수의 원통형 배터리 셀을 포함하는 배터리 시스템은 개별적으로 온도 제어된 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 연결 장치 및 개별적으로 온도 제어된 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 연결 장치를 통해 온도 제어됨으로써, 유체는 유체 밀봉한 액체 공간 내의 개별 배터리 셀의 셀 벽 주위로 흐른다.
액체 공간이 상부에서 밀봉되므로, 유체, 특히 냉각 액체는 배터리 시스템의 전기적으로 민감한 영역과 접촉하지 않는다.
배터리 시스템 내의 개별 배터리 셀의 비균질 노화(inhomogeneous aging)는, 상이한 온도에 노출됨으로써, 배터리 시스템을 평균 이상의 노화를 가속화시키며, 또한 용량을 감소시킨다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 별개로 온도 제어된 유체, 특히 냉각 액체는 온도 제어 장치를 통해 능동적으로 펌핑된다. 따라서, 직육면체형의 중공 몸체의 외측 상에 배치되는 배터리 셀은 다른 배터리 셀 사이에 배치되는 열 환경, 특히 중앙에 위치된 열 환경과 상이한 열 환경에 노출되는 것이 확실하게 방지될 수 있다.
바람직하게는, 유체는 가열 및/또는 냉각 장치를 통해 순환식으로 펌핑된다. 특히 바람직한 실시예에서, 유체는 본 발명에 따라 연속적으로 배치된 복수의 온도 제어 장치 및 적어도 하나의 가열 및/또는 냉각 장치를 통해 순환식으로 펌핑된다. 물과 같은 냉각 액체는 특히 가열 및/또는 냉각 장치에 의해 능동적으로 온도 제어되는 별개로 온도 제어된 유체로서 이해된다.
여러 배터리 시스템으로 구성된 배터리 팩은 펌프 장치, 둘 이상의 온도 제어 장치와 가열 및/또는 냉각 장치 사이의 연결 라인에 의해 온도 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 온도 제어 장치 및 별개로 온도 제어된 유체에 의해, 5 내지 10K의 개별 배터리 셀 사이의 온도차는 초과되지 않는다. 게다가, 배터리 시스템은 최적 온도 윈도우, 특히 배터리 제조사가 미리 결정된 윈도우에서 동작될 수 있다. 최적화된 전력 출력은 미리 결정된 동작 온도 내에서 뿐만 아니라 추가의 제한된 온도 범위에서도 본 발명에 따른 온도 제어 장치에 의해 개별 배터리 셀을 능동적으로 냉각시키거나 가열함으로써 달성된다.
본 발명의 추가의 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 실시예에 대한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
도면은 다음과 같이 도시된다.
도 1은 배터리 시스템용 온도 제어 장치를 도시한다.
도 2는 밀봉 판을 도시한다.
도 3은 측면 및 위에서 본 직육면체형의 중공 몸체를 도시한다.
도 4는 3개의 온도 제어 장치를 포함하는 배터리 팩을 도시한다.
도 1은 개별적으로 온도 제어된 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 연결 장치(3) 및 개별적으로 온도 제어된 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 연결 장치(4, 도 4 참조)를 갖는 직육면체형의 중공 몸체(2)를 가진 배터리 시스템용 온도 제어 장치(1)를 도시한다. 원통형 배터리 셀(8)은 제 1 몸체 표면(5)으로부터 제 2 몸체 표면(6, 도 3a)으로 연장되는 규칙적으로 배치되고 동일하게 형성된 복수의 개구부(7) 내에 배치된다. 개구부(7) 또는 배터리 셀(8)은 가장 조밀한 원형 패킹의 형태로 배치된다.
도 2는 규칙적으로 이격되고 동일하게 형성된 복수의 개구부(7')를 포함하는 탄성 중합체, 바람직하게는 열가소성 합성 재료로 제조된 밀봉 판(9)을 도시한다. 유체-밀봉한 액체 공간을 보장하기 위해, 밀봉 판(9)은, 바람직하게는 2K 기술에 의해, 직육면체형이 중공 몸체(2)의 표면(5, 6)에 적용된다.
도 3은 단면도(3a)에서의 측면 및 또한 단면도에서의 상부(3b)로부터의 직육면체형의 중공 몸체(2)를 도시한다. 3개의 엇갈린 행(staggered row)은 각각이 7개의 개구부를 갖는 것으로 도시된다. 각각의 개구부(7)에서, 원통형 배터리 셀(8)은 각각의 셀이 인접한 셀에 대해 최소 거리(S)를 갖도록 조립된 상태로 수용된다. 이러한 거리(S) 및 가장 조밀한 원형 패킹과 같은 배치는 별개로 온도 제어된 유체가 각각의 개별 배터리 셀 주위로 확실히 흐를 수 있도록 한다. 유체는 연결 장치(3)를 통해 직육면체형의 중공 몸체(2)에 공급되고, 연결 장치(9)를 통해 그 밑면에 유체가 남게 된다.
도 4는 배터리 팩의 일부로서 직렬로 연결된 3개의 배터리 시스템들, 구체적으로 직렬로 연결된 3개의 온도 제어 장치(1, 1', 1")를 도시하며, 흑색 선(10)은 유체의 경로를 나타낸다. 연결 장치(3)를 통해, 유체는 연결 장치(9)를 통해 다시 남게 하기 위해 제 1 온도 제어 장치(1)로 흐른다. 후속하여, 유체는 연결 장치(3')를 통해 제 2 온도 제어 장치(1')로 흐르고, 그것을 통해 흘러 연결 장치(9')를 통해 다시 남게 된다. 이것은 3 번째 및 적절한 경우 다음의 온도 제어 장치에 대해 계속된다. 중공 몸체(2)는 배터리 시스템의 전체 높이(H)보다 작은 높이(h)에 걸쳐 연장된다. 배터리 시스템의 민감한 영역, 특히 셀 헤드(11) 및 셀 바닥(12)은 본 발명에 따른 온도 제어 장치(1)로부터 배제된다.

Claims (8)

  1. 개별적으로 온도 제어된 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 연결 장치(3) 및 개별적으로 온도 제어된 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 연결 장치(4)를 갖는 직육면체형의 중공 몸체(2) 및 제 1 몸체 표면(5)으로부터 제 2 몸체 표면(6)으로 연장되는 규칙적으로 배치되고 동일하게 형성된 복수의 개구부(7)를 적어도 포함하는 배터리 시스템용 온도 제어 장치와, 유체-밀봉한 액체 공간이 형성되도록 각각의 개구부(7)에 의해 수용되는 복수의 원통형 배터리 셀(8)을 포함하는 배터리 시스템에 있어서,
    셀 헤드(11) 및 셀 바닥(12)을 제외한 상기 중공 몸체(2)는, 상기 배터리 시스템의 전체 높이(H)의 20%보다 크고 100%보다 작은 높이(h)에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 개구부(7)는 상기 원통형 배터리 셀(8)을 둘러싸는 밀봉 요소(9)를 갖는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직육면체형의 중공 몸체(2)는 플라스틱, 또는 POM로부터 일체로 제조되는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구부(7)는 가장 조밀한 원형 패킹의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 서로 이격되는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 개별적으로 온도 제어된 유체는 가열 및/또는 냉각 장치를 통해 순환식으로 펌핑되는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템들을 포함하는 배터리 팩에 있어서,
    배터리 시스템들은 직렬로 연결되며, 상기 개별적으로 온도 제어된 유체는 온도 제어 장치(1, 1', 1''), 적어도 하나의 펌핑 장치 및 가열 및/또는 냉각 장치를 통해 순환식으로 안내되는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  8. 삭제
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