KR20100016371A - 구조적 매트릭스로 코팅된 열처리 모듈을 포함하는 전기 배터리 - Google Patents

구조적 매트릭스로 코팅된 열처리 모듈을 포함하는 전기 배터리 Download PDF

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파비엥 가벵
끌로드 베네
알렝 두아르
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쏘씨에떼 드 베이뀔르 엘렉트리끄
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Abstract

본 발명은 전기 배터리에 관한 것으로서, 상기 전기 배터리는 전력 발생 소자(1) 및 상기 전력 발생 소자를 열적으로 그리고 기계적으로 처리하는 열적 및 기계적 처리 시스템을 포함하는 전기 배터리로서, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 상기 전력 발생 소자가 인접한 전력 발생 소자(1)들 사이에 측방향 분리부를 형성하도록 배열되는 열처리 유체 베드(2)를 포함하는 전기 배터리에 있어서, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 상류 방향 포트(10) 및 하류 방향 포트(11) 사이에 열처리 유체의 이동 경로가 각각 제공되는 복수의 열처리 모듈(9)을 더 포함하고, 각 이동 경로는 상기 포트들(10, 11)과 함께 측방향 분리부에 뻗어 있고 상기 베드로 열처리 유체가 흐를 수 있도록 뻗어 있으며, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 열 전도성 및 전기 절연성 폴리머 수지로 구성된 구조적 매트릭스를 더 포함하고, 상기 구조적 매트릭스는 상기 전력 발생 소자 및 상기 열처리 모듈을 적어도 부분적으로 코팅함으로써 상기 측방향 분리부를 채우는 것을 특징으로 한다.
전력 발생 소자, 전기 배터리, 열적 및 기계적 처리 시스템, 열처리 모듈, 상승관, 상

Description

구조적 매트릭스로 코팅된 열처리 모듈을 포함하는 전기 배터리{ELECTRIC BATTERY COMPRISING THERMAL PACKAGING MODULES ENCAPSULATED IN A STRUCTURAL MATRIX}
본 발명은 전기 배터리에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 특히 전기 자동차의 견인력, 또는 구동휠을 구동하는 전기 엔진 및 동일한 구동휠 또는 가능한 경우 다른 구동휠의 구동 열기관이 결합되어 구성된 하이브리드 자동차의 견인력을 위한 전기 배터리에 관한 것이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 관련하여 요구되는 동력 수준 및 에너지 수준을 보장하기 위하여, 복수의 전력 발전 소자를 포함하는 전기 배터리를 제조해야할 필요성이 대두되어 왔다.
이러한 전력 발생 소자들이 충전되고 방전될 때, 충전 및 방전 과정은 열을 발생시키고, 이러한 열이 제어되지 않을 때, 이러한 열은 상기 전력 발생 소자의 사용 수명을 단축시킬 수 있고, 심지어 극도의 상태에서 전력 발생 소자의 특정 화학 조성에 대해 열폭주(thermal runaway)를 야기하여, 배터리의 성능을 저하시킬 수 있다.
배터리가 공급할 수 있는 전력은 다수의 전력 발생 소자들의 전력의 균형 상태와 상기 전력 발생 소자들의 작동 온도에 의존적이다. 사실, 전력 발생 소자가 전달할 수 있는 전력은 온도에 따라 증가하고, 동일한 배터리에 대해 전력 발생 소자들 각각에서 이용가능한 전력의 수준에 차이가 존재하는 경우 배터리는 불균형 상태에 있다고 한다. 이러한 불균형은 사용 수명 및 평균 에너지 밀도 관점에서 배터리의 성능에 실질적인 영향을 미치고, 이는 배터리가 전달할 수 있는 총 전력은 항상 최소 충전된 전력 발생 소자의 전력에 의해 한정되고 총 충전 전력은 최대 충전된 전력 발생 소자에 의해 한정되기 때문이다.
불균형을 야기하는 전력 발생 소자들 사이의 에너지 수준 차이는 전력 발생 소자들의 전기적 성질 차이에 의해, 또는 이러한 전력 발생 소자들 사이의 작동 온도의 편차에 의해 야기될 수 있다. 배터리의 전력 발생 소자가 나머지 다른 전력 발생 소자들보다 충전이 덜 된 경우, 낮은 충전 상태를 위한 반전(inversion)의 위험이 발생할 수 있다.
게다가, 리튬-이온 유형의 배터리의 화학적 조성은 대체로 안정적이다. 이러한 화학적 조성이 극도의 상태에서 응력을 받을 때, 열폭주가 발생할 수 있다. 하나의 전력 발생 소자의 열폭주가 배터리 전체로 전파되는 경우 이러한 열폭주가 수반하는 전력이 매우 높기 때문에, 주로 전기 자동차에 대해 요구되는 대형 배터리에 있어서 이러한 위험은 치명적이다.
따라서, 배터리의 성능 및 사용 수명을 최적화하기 위하여, 상기 전력 발생 소자들을 위한 열처리 시스템이 상기 배터리 내에 결합되어야 한다.
특히, 냉각원(cold source)으로서 공기 순환을 사용하는 냉각 시스템들이 제안되어 왔다. 이러한 냉각 시스템으로 배터리 내에서 가능한 균일한 온도 분포를 보장하고자 하는 시도가 수차례 있었으나, 특히 전기 네트워크(플러그-인, plug-ins)에 연결될 수 있는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차용으로 사용되는 적용예의 경우 이러한 시스템들은 동력으로 응력을 받는 배터리 소자들을 균일하게 냉각하지 못한다는 문제점이 있었다.
열 소산 최대량(thermal dissipation peak)이 너무 높고 이러한 열 소산 최대량은 전류 밀도 함수 및 전류 밀도의 편차의 함수이고, 상기 전류 밀도의 편차는 특정 적용예에 대해 특히 급격한 가속 상태, 회생 제동(regenerative braking) 상태, 급속 배터리 충전 또는 전기 모드에서의 고속도로 주행 상태인 동안 매우 높은 값에 도달할 수 있다.
이러한 사용 상태에 대해, 상기 배터리 소자들을 냉각시키는데 필요한 공기 유동은 상기 소자들 사이의 상당한 간격에 손실을 주어야만 획득될 수 있다.
이러한 강한 유동이 사용되어 배터리 소자에서의 공기 유동의 낮은 열교환율을 상쇄하고, 방음 문제 및 진동 문제를 야기한다. 따라서, 배터리를 균일하고 효율적으로 냉각할 수 있는 유동을 보장하는데 필요한 팬의 크기가 컴팩트성 및 전기 자동차에 대한 에너지 절약성의 요구 조건에 접합하지 않게 결정된다.
냉각 효율을 향상시키고, 배터리의 체적 에너지 밀도를 증가시킬 수 있도록 하기 위하여, 액체를 순환시키는 방안이 제안되어 왔다. 특히, 배터리 소자들 사이 에 배열된 플라스틱 소켓들을 통해 흐를 수 있는 액체가 제공될 수 있다. 상기 소켓들은 절연체이고, 소자들 사이의 전기적 절연성을 가진다.
그러나, 상기 소켓 내에 형성된 플라스틱 포켓은 열전도성이 낮은 물체이어서, 상기 포켓들의 두께는 대체로 적당한 열전달을 보장하기 위하여 가능한 얇아야 한다. 이로 인해, 상기 포켓들의 얇은 벽들은 배터리에서의 소자들의 기계적 저항성에 적합하지 않다.
게다가, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 적용예에서, 종래 기술에 따른 배터리들은 특히 견인 체인의 완전 전화(full electrification)만큼 멀리 갈 수 있는 열기관 차량의 하이브리드화 정도의 증가로 인한 다수의 문제점들을 가진다. 이러한 경우에, 이러한 배터리들은 가속 상태에서 및 대체로 상당한 거리에 걸쳐 자율적으로 차량을 이동시키는 상태에서 차량을 보조하기 위하여 더 이상 단독으로 사용되지 못한다.
따라서, 배터리의 에너지뿐만 아니라 전력은 증가되어야 하고, 이는 배터리에서의 응력 지속 기간, 전류 및 평균 내부 저항도 증가시킨다. 예컨대, 전력 및 방출된 열 동력은 증가하고, 이는 배터리의 수명을 훨씬 더 단축시킨다.
배터리의 비용은 주로 배터리가 포함하는 소자의 수에 의존적이고, 즉 배터리의 전력에 의존적이다. 그래서, 차량에서 배터리의 비용의 영향을 감소시키기 위하여, 배터리에서 최대량의 전력을 추출하기 위해 가능한 넓은 범위의 전위에 걸쳐 배터리를 사용하는 방안이 제안되어 왔다.
우리가 허용된 제한 전위 값에 접근할수록, 소자의 내부 저항은 증가하고 소 자의 사용 수명은 감소한다.
요구되는 높은 동력 수준은 심지어 배터리 소자의 온도를 상당히 그리고 빠르게 상승시킬 수 있고, 이는 동일한 배터리의 소자들 사이에서 표면과 상기 표면의 내부 사이의 온도 구배를 유도할 수 있다.
이러한 온도 구배는 실질적으로 높은 돌입 전류(inrush current)에 대응하는 일시적 상태 동안, 즉 충전하는 또는 방전하는 동안 나타난다.
배터리 소자 내에서의 온도의 증가는, 상기 소자의 중심부에 열점이 존재할 수 있다는 것과 관련하여 안전성 및 사용 수명 관점에서 위험을 발생시킨다.
게다가, 배터리의 안전성과 관련하여, 이런한 온도의 증가는 배터리 전력의 증가로 훨씬 더 치명적이고, 소자들 사이에서 냉각액의 순환을 위해 일반적으로 사용되는 플라스틱 소켓들은 차량 충돌 동안 발생되는 충격 유형과 같은 충격의 영향으로 또는 냉각 회로에 형성된 초과 압력으로 인해 파손되기 쉽다.
따라서, 이러한 파열은 냉각 시스템을 완전히 작동 불능 상태로 만들고, 더 심하게는 액체가 배터리 소자 전체를 단락시킬 수 있는 위험이 있고 이로 인해 화재 및 심지어 폭발의 실질적인 위험을 발생시킨다.
따라서, 본 발명은, 체적과 에너지 및/또는 전력 사이의 비율을 향상시키고, 사용 수명을 향상시키며, 화학적 성능 관점에서 및 사실 자동차 산업에서의 구속 조건에 관해, 특히 충돌에 관한 구속 조건에 관해 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있는 열적 및 기계적 처리 시스템을 제공함으로써 기존의 전기 배터리를 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 적어도 비용 및 무게와 같은 자동차 적용시의 필요 조건과 양립할 수 있는 체적 에너지 밀도 및 전력의 필요 조건을 보장함으로써 상기 시스템의 컴팩트 수준을 성취할 수 있다.
게다가, 본 발명으로 인해 가능한 매우 낮은 열전달 저항성으로 인해, 매우 높은 수준의 컴팩트성에도 불구하고 배터리의 냉각을 보장할 수 있다. 또한, 본 발명은 돌입 전류의 최고값 동안 전력 발생 소자 내의 온도를 감소시킬 수 있고, 충격이 발생한 경우 전력 발생 소자의 직접적인 전기 접촉 위험을 방지하고, 이는 배터리 안전성 관점에서 바람직하다.
마지막으로, 열 관리 효율은 전기 소비량을 감소시킬 수 있고, 이로 인해 전기 자동차에 대해 증가된 자율성을 보장할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명은, 전력 발생 소자 및 상기 전력 발생 소자를 열적으로 그리고 기계적으로 처리하는 열적 및 기계적 처리 시스템을 포함하는 전기 배터리로서, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 인접한 전력 발생 소자들 사이에 측방향 분리부를 형성하도록 상기 전력 발생 소자가 배열되는 열처리 유체 베드를 포함하고, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 상류 방향 포트 및 하류 방향 포트 사이에서 열처리 유체가 흐르는 이동 경로가 각각 제공되는 복수의 열처리 모듈을 더 포함하고, 각 이동 경로는 상기 베드와 유체연통(fluid communication)되어 있는 상기 포트에 의해 측방향 분리부를 따라 뻗어 있고, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 열 전도성 및 전기 절연성 폴리머 수지로 구성된 구조적 매트릭스를 더 포함하고, 상기 구조적 매트릭스는 상기 전력 발생 소자 및 상기 열처리 모듈을 적어도 부분적으로 코팅함으로써 상기 측방향 분리부를 채우는 전기 배터리를 제안한다.
본 발명의 다른 구체적인 내용 및 장점들은 첨부된 도면을 참고하여 이하의 설명에서 기술할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 배터리의 일 부분의 사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 전기 배터리의 열처리 모듈의 사시도이고,
도 3은, 열처리 모듈이 물의 베드에 연결된 상태를 각각 사시도(도 3a) 및 종단면도(도 3b)로 도시하고 있는 도 1에 따른 전기 배터리의 부분도이고,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 배터리의 일 부분의 도면이고, 여기서 도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 배터리의 일 부분의 사시도이고, 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 배터리의 일 부분의 측면도이고, 도 4c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 배터리의 일 부분의 평면도이다.
이하에서, 공간 내에서 위치란 용어는 도 1에 도시된 배터리의 위치에 관한 것으로 간주한다. 그러나, 배터리의 밀봉부는 다른 방향에 따른 위치로 간주할 수 있다.
도면과 관련하여, 이하에는 복수의 전력 발생 소자(1)를 포함하는 전기 배터리에 대한 두 가지 실시예를 기술할 것인데, 특히 상기 전력 발생 소자(1)는 전기화학적 성질을 가지도록 구성될 수 있고, 예를 들어 리튬-이온 유형일 수 있다. 이를 위하여, 상기 전력 발생 소자(1)는, 전력을 발생시키는데 필요한 화학 성분들을 격리시키기 위해 전기화학적 시스템을 둘러싸는 인클로저(enclosure)를 포함한다. 다른 방법으로, 상기 전력 발생 소자는 초고용량 축전기(supercapacitance)일 수 있다.
더 구체적으로, 배터리는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기-열 유형 자동차에 수반되는 자동차의 전기 견인 기관(electric traction engine)에 동력을 공급하는 역할을 한다. 그러나, 본 발명에 따른 배터리는 또한 다른 방식의 운송 기관에서, 특히 항공기에서 전력 공급을 위한 적용예를 획득할 수 있다. 게다가, 바람직하게는 풍력 터빈과 같은 정적인 적용예에, 본 발명에 따른 배터리가 사용될 수 있다.
상기 배터리는 전력 발생 소자(1)의 열적 및 기계적 처리 시스템를 포함하고, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 한편으로는 전력 발생 소자(1)의 온도를 조절할 수 있고, 다른 한편으로는 보강 구조체로 전력 발생 소자(1)를 지지할 수 있다. 이로 인해, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은, 온도에 관련된 위험에 관한 배터리의 전기적 안전성, 최적의 온도 범위에서의 배터리의 작동 및 이러한 적용예가 가지는 고유의 문제점인 충돌 위험에 관한 안정성을 보장할 수 있다.
필요한 전력을 공급하기 위하여, 상기 배터리는 상당히 많은 수의 전력 발생 소자(1), 예를 들어 10 개의 전력 발생 소자(1)가 16 행으로 분포된 160 개의 전력 발생 소자(1)를 포함한다. 게다가, 상기 배터리는 특히 플라스틱으로 형성된 팬(도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 여기서 상기 전력 발생 소자(1) 및 열적 및 기계적 처리 시스템은 자동차에 상기 배터리를 설치하기 위해 배열된다.
상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 전력 발생 소자(1)를 열처리하도록 열처리 유체 베드 및 상기 열처리 유체를 순환시키는 장치(열처리 유체 순환 장치)(도시되지 않음)를 포함한다. 특히, 열처리 유체 순환 장치는 폐쇄 순환로 및 열교환기에서 열처리 유체를 가압할 수 있는 펌프를 포함한다.
열처리 유체는 글리콜액(glycol water)일 수 있고, 상기 열처리 시스템은 최적의 작동 온도 범위에서 전력 발생 소자(1)를 유지하도록 열량을 공급 및 제거하기 위하여 뻗어 있다. 특히, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은, 사용 조건에 무관하게 열 조절을 보장할 수 있도록 배터리에서의 열량의 공급 또는 제거를 빠르고 신속하게 보장할 수 있다.
기술된 실시예에서, 열처리 유체 베드(2)는 예를 들어 몰딩된 플라스틱 물질로 구성된 하우징(5, 6)들에 각각 형성되어 열처리 유체를 분리하는 두 개의 층(3, 4)을 포함한다. 상기 하우징들(5, 6)은 열처리 유체가 분리되어 흐를 수 있는 하부층(3) 및 상부층(4)을 형성하도록 서로 포개어져 결합된다.
상부 하우징(6)의 상부벽은 전력 발생 소자(1)의 베이스를 위한 수용 구획(7)을 포함하고, 상기 수용 구획은 인접한 전력 발생 소자(1)들 사이에 측방향 분리부를 형성함으로써 열처리 유체 베드(2)에 전력 발생 소자(1)를 위치시키도록 공급된다. 사용하고자 하는 전력 발생 소자(1)의 수에 관해 배터리의 모듈성(modularity)을 향상시키기 위하여, 상기 하우징(5, 6)들은 요구되는 수용 구획(7)의 수에 맞게 서로 포개어져 결합된 서브 하우징들로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 서브 하우징들은 후술할 구조적 매트릭스로 서로 결합되도록 팬에 위치될 수 있다. 게다가, 서브 모듈들은 유체연통(fluid communication)되도록 즉 열유체가 흐르도록 형성되어 있고, 또는 상기 서브 모듈에는 오리피스들(5a, 6a)을 통하여 독립적으로 열처리 유체가 공급될 수 있다.
게다가, 상기 하우징들(5, 6)은, 수용 구획(7) 맞은 편에 출구 오리피스(8)를 유지하면서, 상기 오리피스들이 리벳(도 4)을 통하여 또는 용접(도 1 내지 도 3)으로 상기 하우징들(5, 6)을 서로 밀봉 방식으로 결합할 수 있도록 형성된다. 게다가, 상기 출구 오리피스(8)는 전력 발생 소자(1)의 초과 압력에 대해 전력 발생 소자의 덮개를 벗기는 경우 상기 전력 발생 소자(1)가 배출한 가스가 새어나갈 수 있도록 한다. 이러한 경우에 그리고 밀봉된 팬이 배터리 둘레에 제공되는 경우에, 상기 배터리에는 외부 쪽을 향하는 가스 배출 밸브가 제공된다. 게다가, 습도 탐지기 또는 가스 배출 탐지기가 상기 배터리에 추가될 수 있다.
상기 처리 시스템은 상류 방향 포트(10) 및 하류 방향 포트(11) 사이에 열처리 유체의 이동 경로가 제공되는 복수의 열처리 모듈(9)을 더 포함한다. 각 이동 경로는 포트들(10, 11)과 함께 측방향 분리부에 뻗어 있고, 상기 베드(2)로 열처리 유체가 흐를 수 있도록 뻗어 있다. 바람직하게는, 상기 이동 경로의 높이는, 상기 전력 발생 소자의 둘레 전체를 가로질러 열전달할 수 있도록 전력 발생 소자(1)의 높이와 거의 동일하다.
일 실시예에서, 열처리 모듈(9)의 수는 배터리에 사용되는 전력 발생 소자(1)의 수에 따라 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 상기 베드(2) 및 상기 열처리 모듈(9)은 연결 소켓 및 상기 포트들(10, 11) 각각과 분리되도록 제조될 수 있고, 상기 포트들은 인접한 전력 발생 소자(1)가 존재하는지 여부에 따라 상기 배터리의 조립 동안 상기 소켓에 연결된다. 이로 인해, 특히 배터리의 전력은 배터리의 구조를 수정하지 않고도 단지 전력 발생 소자(1)의 수를 조절함으로써 조절될 수 있다. 게다가, 수용 구획(7)의 수는 전력 발생 소자(1)의 수보다 많을 수 있다.
기술된 실시예에서, 상기 전력 발생 소자(1)는 원통형 기하학적 구조를 가지고 상기 전력 발생 소자(1)들 사이에 컴팩트한 육각형 배열을 가지며, 이로 인해 차지하는 공간 및 배터리의 기계적 저항성을 최적화할 수 있다. 따라서, 이러한 전력 발생 소자(1)들 사이에 형성된 측방향 분리부도 원통형 기하학적 구조를 가지고 및 상기 측방향 분리부들 사이에 육각형 배열을 가진다. 그러나, 도시되지 않은 다른 실시예에서, 전력 발생 소자는 다른 기하학적 구조로 구성될 수 있고, 예를 들어 외부가 평행육면체인 기하학적 구조로 구성될 수 있고, 및/또는 전력 발생 소자들 사이에 또 다른 유형의 배열을 가질 수 있다.
상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 열 전도성 및 전기 절연성 폴리머 수지로 구성된 구조적 매트릭스(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있고, 상기 구조적 매트릭스는 적어도 부분적으로 전력 발생 소자(1) 및 열처리 모듈(9)을 코팅함으로써 측방향 분리부를 채운다. 특히, 상기 매트릭스는 적어도 이동 경로를 코팅한다.
구조적으로, 상기 구조적 매트릭스는, 사실 자동차 사업에서의 충돌 시험 구속 조건에 대해 그리고 배터리가 자동차에서 견뎌내야만 하는 다른 형태의 기계적 응력의 대해 전력 발생 소자들 사이에 전력 발생 소자(1)의 기계적 저항성을 제공한다.
게다가, 상기 구조적 매트릭스는 상기 전력 발생 소자(1)들 사이의 열전달 기능 및 상기 열처리 모듈(9)에서의 열처리 유체 유동 기능을 제공하고, 상기 전력 발생 소자(1)들 사이에 전기적 절연 특성에 대한 전기적 안전 기능을 제공한다. 열 전달에 관해, 중요한 특성은 구조적 매트릭스의 두께에 걸쳐 구조적 매트릭스의 열전도도 사이의 비율인 컨덕턴스(conductance)이다. 일 실시예에서, 구조적 매트릭스의 열 전도도는 약 1 W/m/℃이고, 상기 구조적 매트릭스의 두께는 약 2 mm이다.
코팅은 상기 전력 발생 소자(1)를 전기적으로 절연하고, 특히 상기 전력 발생 소자의 과열을 방지하도록 상기 전력 발생 소자들 및 상기 열처리 모듈(9)들 사이의 열교환 성능을 향상시킨다. 사실, 본 발명은 특히 열처리 유체 및 전력 발생 소자(1)들 사이에 단열 경계면을 제공할 수 없고, 이로 인해 주위에 대해 전기적으로 안전하고 컴팩트하며 기계적 저항성을 제공한다.
구조적 매트릭스를 위한 폴리머 수지에 관해서는, 배터리의 강성을 향상시키고 상기 배터리에서 전력 발생 소자(1)를 지지할 수 있는 접착제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착제는, 에폭시 수지, 실리콘 또는 아크릴로 된 패밀리로 구성될 수 있고, 여기에 Al2O3, AIN, MgO, ZnO, BeO, BN Si3N4 SiC 및/또는 SiO2와 같은 열 전도성을 가지는 무기 성분이 첨가될 수 있다. 일 실시예에서, 3M 사의2605 유형의 2 성분 에폭시 수지가 사용될 수 있다.
이러한 실시를 위하여, 전력 발생 소자(1) 및 열처리 모듈(9)를 배열한 후, 상기 열처리 모듈 및 상기 전력 발생 소자를 코팅하도록 유체 수지가 측방향 분리부에 배열되고, 상기 수지는 이때 상기 구조적 매트릭스를 형성하도록 응고된다. 따라서, 상기 배터리를 실시하는 것은 상기 배터리에 배열하고자 하는 전력 발생 소자(1)의 수에 따라 특수한 도구를 사용할 필요없이 특히 간단하고 모듈화될 수 있다.
상기 배터리의 재활용성을 향상시키기 위하여, 이동제(migrating agent)를 포함하는 주 코팅이 전력 발생 소자(1)의 표면에 칠해질 수도 있다. 이러한 이동제는 낮은 응집력을 가지는 층을 생성하도록 연결 경계면 중 하나에서 이동할 수 있어야 한다. 열 활성화에 의해 이러한 이동이 가능해 질 수 있고, 이로 인해 접착된 조립체를 분리할 수 있다. 이러한 이동제는 주 코팅에 실행될 수 있지만, 수지 자체에 실행될 수도 있다. 예를 들어, 상기 이동제는 폴리올레핀일 수 있거나, 또는 더 구체적으로는 특히 국제공개공보 WO-2004/087829에 기재된 바와 같이 가열하여 분리되는 것으로 알려져 있는 PTSH(paratoluenesulfohydrazide)일 수 있다.
게다가, 상기 구조적 매트릭스는 전력 발생 소자(1)의 온도 처리 성능을 향상시킬 수 있는 온도 범위에서 상태 변화 성질을 가질 수 있다.
도시된 실시예에서, 이동 경로는 열처리 유체 베드(2)에 의해 평행하게 공급된다. 이로 인해, 각 이동 경로의 아래 방향으로의 유체 유동은, 다른 전력 발생 소자(1)을 미리 처리하지 않고도 열처리 유체 베드(2)로부터 직접 야기될 수 있다. 이로 인해, 연속적인 열교환에 관해 열이 축적되는 것을 방지함으로써 열 균일성을 제공할 수 있다.
이를 위하여, 상류 방향 포트(10)는 층(3)에 연결되어 있고, 하류 방향 포트(11)는 다른 층(4)에 연결되어 있다. 이로 인해, 층(3)은 각 열처리 모듈(9)에 유체를 공급하는데 사용되고, 다른 층(4)은 상기 유체를 제거하는데 사용된다. 도면에서, 이동 경로의 단부 부분들 중 하나의 단부 부분이 대응하는 포트(10)를 하부층(3)에 연결하기 위하여 상부층(4)을 가로지르는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리에서의 우수한 온도 균일성으로 인해 전력 발생 소자(1)들 사이의 균형 수준을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 배터리의 사용 수명을 해치지 않으면서 전력 발생 소자(1)의 내부 저항을 가능한 많이 감소키시기 위하여 배터리를 높은 정확도로 열적으로 조절할 수 있다. 따라서, 이렇게 열 관리를 최적화함으로써 추가 전력 발생 소자를 추가할 필요없이 배터리 전력 및 에너지를 증가시킬 수 있다.
게다가, 상기 처리 시스템은 열 폭주 현상의 위험을 발생시킬 수 있는 부분에서 초과 열량이 인접한 전력 발생 소자(1)로 전달되지 않도록 하면서 전력 발생 소자(1)의 열 폭주로부터 야기되는 열 동력을 분산시킬 수 있다. 이러한 열 억류(thermal confinement) 역할은 열 폭주의 위험이 배터리 전체로 전파되는 것을 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3과 관련하여, 이하에서는 각 열처리 모듈(9)이 상승관(12) 및 상기 상승관을 둘러싸는 본체(13)를 포함하는 배터리의 제1 실시예를 기술한다. 이러한 열처리 모듈은 상이한 형태 및 길이의 압출 성형된 섹션들을 포개어 구현될 수 있고, 바람직하게는 우수한 열 전도성 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 추가적으로 알루미늄과 같은 경량 금속으로 구성될 수 있다. 모듈이 전기적으로 절연된 매트릭스로 코팅되기 때문에, 상기 열처리 모듈(9)을 형성하는 물질의 전기 전도성에 관해 실질적인 구속 조건이 존재하지 않는다는 것을 알아야 한다.
상기 상승관(12)의 하부 단부는, 하부 하우징(5)의 대응하는 오리피스 내로 도입된 상류 방향 포트(10)를 형성하도록 상기 본체(13)에서부터 축방향으로 뻗어 있다. 상기 상승관의 상부 단부는 상기 본체(13) 내로 뻗어 있고, 열처리 유체를 하강시키기 위하여 상기 본체(13)는 상부 부분이 막혀 있고 상기 본체는 상기 상승관(12)의 상부 단부에서부터 상기 본체에 형성된 하류 방향 포트(11)까지의 열처리 유체의 통로(13a)를 하나 이상 가진다. 특히, 상기 본체(13)는 상부 하우징(6)의 오리피스 내에 억지 끼워맞춤되고, 상기 오리피스는 상기 상승관(12)이 삽입되는 오리피스의 반대 편에 제공된다.
도시된 실시예에서, 상기 본체(13)는 삼각형 기하학적 구조를 가지고, 상기 본체는 본체의 하부벽에 출구를 가지고 상기 상승관(12) 둘레에 동일하게 분배된 세 개의 채널(13a)을 형성한다. 이러한 실시예는 각 전력 발생 소자(1)가 6 개의 열처리 모듈(9)로 둘러싸이고 열처리 모듈 각각이 세 개의 전력 발생 소자(1)에 공 유되는 배열에 적합하다.
상기 본체(13)의 측면부(13b)는 상기 측면부의 맞은 편에 배열된 전력 발생 소자(1)의 가장자리 표면의 기하학적 구조와 유사한 기하학적 구조를 가지는 인클로저를 포함한다. 도면에서, 상기 본체(13)의 세 개의 측면부(13b)는 상기 전력 발생 소자(1)의 반경과 유사한 반경을 가지는 오목한 형상이다. 게다가, 상기 본체(13)는 전력 발생 소자를 위한 하나 이상의 가장자리 지지 영역을 가지는 캡(cap)(14)으로 씌워진다. 도면에 도시된 바와 같이, 돌출부(14a)가 상기 캡(14)의 측방향면에 각각 제공된다. 구조적 매트릭스를 미리 배열하는 경우도 포함하여 전술한 바와 같이 구현함으로써, 상기 전력 발생 소자(1)들 사이에 어떠한 접촉도 방지하기 위하여 전력 발생 소자(1)의 기계적 저항성을 향상시킬 수 있다.
도 4와 관련하여, 이하에서는, 각 열처리 모듈(9)이 상류 방향 포트(10) 및 하류 방향 포트(11)가 제공되는 상승 섹션 및 하강 섹션을 구비한 도관으로 형성된 루프(15)를 포함하고, 여기서 상기 섹션들은 곡선형 상부 섹션으로 구현되어 있는 배터리의 제2 실시예를 기술한다.
상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 특히 상기 루프(15)와 유사한 금속과 같은 열 전도성 물질로 구성된 플레이트(16)를 더 포함하고, 상기 플레이트는 루프의 섹션들에 결합된다. 더 구체적으로는, 플레이트(16)는 상승 섹션 및 하강 섹션 사이에서 각 처리 루프(15)에 배열된다. 게다가, 플레이트(16)는 루프들 사이에서 루프(15)들을 연결하기 위해 제공된다. 열 전달을 향상시킬 뿐만 아니라, 상기 플레이트(16)는 상기 배터리의 강성을 증가시킨다. 도면에서, 각 전력 발생 소자(1)는 루프(15), 플레이트(16), 루프의 섹션, 플레이트(16), 루프(15), 플레이트(16) 루프의 섹션 및 플레이트(16)로 연속적으로 둘러싸인다.

Claims (14)

  1. 전력 발생 소자(1) 및 상기 전력 발생 소자를 열적으로 그리고 기계적으로 처리하는 열적 및 기계적 처리 시스템을 포함하는 전기 배터리로서, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 인접한 전력 발생 소자(1)들 사이에 측방향 분리부를 형성하도록 상기 전력 발생 소자가 배열되는 열처리 유체 베드(2)를 포함하는 전기 배터리에 있어서,
    상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 상류 방향 포트(10) 및 하류 방향 포트(11) 사이에서 열처리 유체가 흐르는 이동 경로가 각각 제공되는 복수의 열처리 모듈(9)을 더 포함하고, 각 이동 경로는 상기 베드와 유체연통되어 있는 상기 포트(10, 11)에 의해 측방향 분리부를 따라 뻗어 있고, 상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 열 전도성 및 전기 절연성 폴리머 수지로 구성된 구조적 매트릭스를 더 포함하고, 상기 구조적 매트릭스는 상기 전력 발생 소자 및 상기 열처리 모듈의 일부 또는 전체를 코팅함으로써 상기 측방향 분리부를 채우는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조적 매트릭스는 상기 전력 발생 소자(1)의 온도 처리 성능을 향상시킬 수 있는 온도 범위에서 상태 변화 성질을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이동 경로는 상기 열처리 유체 베드(2)에 의해 평행하게 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열처리 유체 베드(2)는 열처리 유체가 분리되는 두 개의 층(3, 4)을 포함하고, 상기 상류 방향 포트(10)는 하나의 층(3)에 연결되어 있고, 상기 하류 방향 포트(11)는 다른 하나의 층(4)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 두 개의 층(3, 4)은 각각 하우징(5, 6)에 형성되어 있고, 상기 하우징은 서로 포개어져 결합되어 있고, 상기 이동 경로의 단부 부분 중 하나의 단부 부분은 대응하는 포트(10)가 하부층(3)에 연결되도록 상부층(4)을 가로지르는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하우징(5, 6)은 하우징 사이에 결합된 서브 하우징으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    열처리 모듈(9)은 상승관(12) 및 상기 상승관을 둘러싸는 본체(13)를 포함하고, 상기 상승관의 하부 단부는 상류 방향 포트(10)를 형성하고 상기 상승관의 상부 단부는 상기 본체 내로 뻗어 있고, 상기 본체는 상부 부분이 막혀 있고 상기 본체는 상기 상승관(12)의 상부 단부에서부터 상기 본체에 형성된 하류 방향 포트(11)까지 하나 이상의 통로(13a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 본체(13)의 측면부(13b)는 자신의 맞은 편에 배열된 전력 발생 소자(1)의 가장자리 표면의 기하학적 구조에 대응하는 기하학적 구조를 가지는 인클로저를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 본체(13)는 캡(14)으로 씌워지고, 상기 캡은 상기 전력 발생 소자(1)를 위한 하나 이상의 가장자리 지지 영역(14a)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  10. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리 모듈(9)은 상기 상류 방향 포트(10) 및 상기 하류 방향 포 트(11)가 각각 제공되는 상승 섹션 및 하강 섹션을 구비한 도관으로 형성된 루프(15)를 포함하고, 상기 섹션들은 곡선형 상부 섹션으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열적 및 기계적 처리 시스템은 열 전도성 물질로 구성된 플레이트(16)를 더 포함하고, 상기 플레이트는 상기 루프(15)의 섹션에 결합되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  12. 제11항에 있어서,
    플레이트(16)가 상기 상승 섹션 및 상기 하강 섹션 사이에서 상기 열적 및 기계적 처리 시스템의 루프(15) 각각에 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 플레이트(16)는 루프들 사이에서 루프(15)들을 연결하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 발생 소자(1)는 원통형 기하학적 구조를 가지고, 상기 전력 발전 소자들은 육각형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리.
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