KR20100057691A - 온도 조절식 배터리 장치 및 이를 위한 방법 - Google Patents

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마르틴 홀거 쾨니히스만
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 배터리(2)와, 배터리(2)의 온도를 조절하는 하나 이상의 가열 및/또는 냉각 장치(15)를 구비한 배터리 장치(1)에 관한 것이다. 배터리(2)는 가열 및/또는 냉각 매체(8) 내에 침지된 상태로, 상기 가열 및/또는 냉각 매체(8)를 수용하는 케이스(4) 내에 배치된다. 또한 본 발명은 상응하는 방법에 관한 것이다.

Description

온도 조절식 배터리 장치 및 이를 위한 방법{TEMPERATURE-CONTROLLED BATTERY DEVICE AND METHOD FOR IT}
본 발명은 하나 이상의 배터리와, 상기 배터리의 온도를 조절하는 하나 이상의 가열 및/또는 냉각 장치를 구비한 배터리 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이에 상응하는 방법에 관한 것이다.
고효율의 전기 에너지 저장 장치는 예컨대 하이브리드 차량 및 전기 차량과 같은 많은 기술 분야에서 요구된다. 그러나 풍력 발전기용 피치 시스템 및 태양 에너지 시스템과 같은 다른 산업 적용 분야에서도 효율적인 전기 에너지 저장 장치가 필요하다. 제공된 다수의 저장 장치 시스템으로부터는 특히 그 물리-화학적 조성과 관련한 적용 분야 및 사용 분야에 따라, 해당 사용 분야에 맞는 시스템이 선택되어 사용 목적에 맞게 구성된다. 특히 실제 적용 시 발생하는 온도 범위와 관련해서 신중한 선택이 이루어져야 하는데, 그 이유는 예컨대 고효율의 리튬-이온-축전지 시스템은 -10℃ 내지 +50℃의 비교적 좁은 온도 범위에서만 신뢰성 있게 작동하기 때문이다. 상기 온도 범위 외에서는 전기 출력이 불충분하거나 심지어 축전지가 고장나게 된다. 따라서 종래 기술에서는 특정 사용 분야를 위한 특정 유형의 배터리 또는 축전지 선택에 매우 높은 주의를 기울이게 된다. 통상적인 경우, 고효율의 전기 에너지 저장 장치는 복수의 개별 셀들이 서로 조합되어 있는 모듈들로 조립되는 것이 또한 고려된다. 바로 이러한 경우, 작동 중의 온도 발생이 특히 문제가 되는데, 그 이유는 개별 셀들이 상호 간에 가열되며 모듈 내부로부터의 열 방출이 어렵기 때문이다. 상기와 같은 국부적 온도 상승으로 인해 배터리의 수명은 짧아지고 전체 모듈의 활용성이 저하된다. 따라서 종래 기술에는 온도 범위에 상응하게 선택되었던 배터리 모듈을 냉각하는 것이 공지되어 있다. JP 제2006-100123호에는 개별 셀들 사이에 에어 가이드 채널이 배치되고 상기 에어 가이드 채널을 통해 팬을 이용하여 냉각 공기가 송풍되는 배터리 장치가 공지되어 있다. 이와 유사한 장치는 JP 제2006-185788호에 제시되어 있으며, 이 경우 배터리 모듈의 개별 셀들의 냉각을 위해서는 의도한 윈드 가이드를 위해 조절 가능한 밸브를 갖는 윈드 가이드 채널이 모듈의 하부면에, 즉 배터리 모듈과 상기 배터리 모듈의 하부면을 둘러싸는 하우징 쉘 사이에 삽입된다. US 제2005/0210662 A1호에는 셀의 냉각을 위한 윈드 가이드 시스템이 제공된 하우징 내에 개별 리튬 셀을 배치하는 것이 공지되어 있다. 이러한 장치의 경우, 배터리 장치의 작동 시 발생하는 폐열이 방출될 수 있는 것이 단점이며, 이 경우 개별 셀들은 실질적으로 균일하게 냉각되는데, 즉 하나의 셀이 인접한 셀보다 더 많이 냉각되지도 덜 냉각되지도 않는다. 그럼에도 불구하고, 윈드 가이드 채널의 배치에 토대를 둔 이러한 셀 장치 내부에서는 에어 가이드 채널에 직접 접하지 않은 개별 셀들의 측벽에 과도한 국부적 온도 상승이 발생한다. 더욱이 폐열만이 방출될 수 있고, 배터리 장치의 온도 범위가 단지 위로 약간만 넓어질 수 있는 것이 단점이다. 그러나 특히 배터리 장치가 사용되어야 하는 온도 범위를 고려할 때 제공된 사용 분야와 관련해서는 사용할 배터리 유형을 여전히 세심하게 선택해야 하며, 이는 냉간 작동 시 제약으로서 간주된다.
본 발명의 목적은 언급한 단점들이 방지되며, 특히 매우 넓은 온도 범위에서 사용될 수 있는 고효율의 전기 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
이를 위해서는 하나 이상의 배터리와 상기 배터리의 온도를 조절하는 하나 이상의 가열 및/또는 냉각 장치를 구비한 배터리 장치가 제안되며, 배터리는 가열 및/또는 냉각 매체 내에 침지된 상태로, 상기 가열 및/또는 냉각 매체를 수용하는 케이스 내에 배치된다. 따라서 배터리 장치는 예컨대 트레이의 형태로(즉, 위쪽으로 개방) 또는 모든 측면에서 폐쇄된 하우징으로서 구현될 수 있는 케이스를 포함한다. 이 경우 배터리(물론 실제 의미로 볼 때 배터리일 필요는 없고, 오히려 축전지로서 구현되어야 하지만, 단지 여기서는 특히 자동차 기술에서 통상적으로 사용되는 용어라는 이유로 배터리라는 용어를 사용하기로 한다)는, 바람직하게는 가열 및/또는 냉각 매체가 배터리를 모든 측면에서 둘러싸도록 가열 및/또는 냉각 매체에 의해 둘러싸이므로, 배터리로부터 가열 및/또는 냉각 매체로의, 또는 그 반대로의 모든 측면의 열전달이 이루어질 수 있다. 이로써 통상의 종래 기술에서와는 전혀 다르게, 제공된 적용 분야에 따라 특정의 배터리 유형을 선택하지 않아도 되며 이와 반대로, 제공된 적용 분야와 거의 완전히 무관하게 하나의 배터리의 소정의 에너지 밀도에 따라 배터리 유형을 선택할 수 있다. 제공된 적용 분야에 주로 해당되며 배터리가 사용되어야 하는 온도 범위는 가열 및/또는 냉각 매체 내에 배터리가 침지됨으로써 실제로 전혀 중요하지 않게 된다. 그 결과 배터리는 제공된 온도 범위에 맞게 조정되는 것이 아니라, 오히려 배터리 바로 주변의 온도가 사용된 배터리의 사양에 맞게 조정된다. 특히 이 경우 바람직한 온도 범위, 즉 배터리가 그 최고 전기 효율을 발휘하는 온도 범위에서 배터리를 작동하는 것이 가능하다. 이로써 배터리의 바람직한 온도 범위/작동 범위의 경계 영역에서 전기 효율과 관련한 손실을 더 이상 감수하지 않아도 되며, 오히려 배터리를 바람직한 온도 수준으로 유지할 수 있다. 이 경우 케이스는, 가열 및/또는 냉각 매체 내에 배터리가 항상 완전히 침지될 수 있도록 보장한다.
바람직한 실시예에서, 가열 및/또는 냉각 매체는 회로에서 안내되며, 회로에는 가열 및/또는 냉각 매체를 위한 가열 및/또는 냉각 장치가 위치한다. 따라서 가열 및/또는 냉각 매체의 온도를 능동적으로 조절하는 것이 가능한데, 즉 열 에너지를 제공하거나 가열 및/또는 냉각 매체에서 열 에너지를 빼낼 수 있으며, 이 경우 실질적으로 회로는 가열 및/또는 냉각 회로로 구성된 종래 기술에 공지된 바와 같이 구현될 수 있다. 특히 이 경우 일반적으로 냉각기로서 알려져 있는 열 교환기와 같은 가열 및/또는 냉각 매체를 위한 열 방출장치와, 실제로 임의의 실시예에서 가열 소자로서 공지되어 있으며, 특히 엔진의 가열된 냉각수와 같이 가열 및/또는 냉각 매체보다 평균적으로 더 높은 온도를 갖는 매체를 구비한 열 교환기로도 공지되어 있는 열 공급 장치가 제공된다.
바람직한 또 다른 실시예에서, 배터리는 밀폐된(hermetic) 차폐막에 의해 모든 측면에서 둘러싸인다. 이로써 배터리는 가열 및/또는 냉각 수단에 대해 밀폐 방식으로 폐쇄되며, 즉 차폐막에 의해 가열 및/또는 냉각 수단과 배터리 사이는 접촉하지 않게 된다. 제공된 적용 분야, 특히 온도 범위에서 요구되는 밀봉력을 지속적으로 보장하는 전체 재료들이 차폐막으로서 고려된다.
바람직한 실시예에서, 차폐막은 박막이다. 박막은 재료 두께가 얇기 때문에 양 방향으로의 신속한 열 통과를 허용하는 동시에, 열 전달을 어렵게 할 수도 있는 바람직하지 못한 중공 공간이나 예컨대 공기 포집부가 박막과 배터리 사이에 형성되지 않으면서도 배터리의 형태에 매우 잘 맞도록 조정될 수 있다. 배터리가 박막에 의해 개별적으로 둘러싸이고 가열 및/또는 냉각 매체에 의해 완전히 둘러싸이므로, 공지된 에어 가이드부를 하우징 내에 구비한 종래 기술에 공지되어 있는 국부적 과열 현상은 효과적으로 방지된다.
특히 바람직한 실시예에서, 차폐막의 내부는 진공 상태가 된다(evacuation). 차폐막의 내부, 즉 배터리가 배치되어 있는 공간의 내부가 진공 상태가 됨으로써, 배터리는 공기 포집부 없이 완전히 전면적으로 차폐막에 접할 수 있으므로, 온도 전달은 방해받지 않고 전면적으로 이루어질 수 있다. 이와 동시에 배터리에 대한, 예컨대 공기 포집부의 바람직하지 못한 영향이 방지된다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 배터리는 가열 및/또는 냉각 매체에 대한 절연을 위해 캐스팅되거나 접착된 접촉 및/또는 접속 지점을 포함한다. 따라서 차폐막을 생략함으로써 열 전달을 더욱 향상시키기 위해, 개별 셀/배터리를 그 접촉 지점 또는 접속 지점에서만 절연시킨 다음, 절연된 상태로 가열 및/또는 냉각 매체 내에 바로 배치할 또 다른 가능성이 제공된다. 접촉 지점 및/또는 접속 지점의 이러한 절연은 예컨대 가열 및/또는 냉각 매체 내로 용해되지 않는 에폭시 수지와 같은 접착제를 사용한 접착에 의해 구현될 수 있다. 이와 마찬가지로 에폭시 수지와 같은 상기 유형의 절연제를 사용하여 접촉 및/또는 접속 지점을 접착할 수 있다. 이 경우 배터리, 즉 개별 셀이 그 특성에 기초해서 가열 및/또는 냉각 매체 자체로 인해 부식, 예컨대 용해되지 않는 것이 전제된다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 가열 및/또는 냉각 매체는 불연성 매체이다. 이로써 배터리 장치의 잠재적 위험성은 비교적 높은 온도에서도 현저히 낮아질 수 있는데, 그 이유는 국부적 고온으로 인한 가열 및/또는 냉각 매체 및/또는 배터리 장치의 발화가 발생하지 않기 때문이다. 종래 기술에서와 달리 특히 기능 에러 시 바람직하지 못한 고장 및/또는 연소 위험이 확실히 방지된다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 가열 및/또는 냉각 매체는 전기적으로 비도전성 매체이다. 따라서 배터리 차폐막 자체에 결함이 있는 경우 개별 배터리 극 서로 간의 접촉 장치(contact maker)는 배터리 장치의 단락, 원치 않은 고장이나 심지어 손상의 영향, 또는 전기적 연소와 같은 전기적 현상에 의한 주변 환경의 영향을 받지 않는다.
특히 바람직한 실시예에서, 가열 및/또는 냉각 매체는 방염제가거나 이와 같은 수단을 포함한다. 여기서 방염제는, 발생하거나 이제 막 발생하려고 하는 연소를 억제 또는 연소의 확산을 방지하는 데 적합한 모든 제제이다.
전술한 하나 이상의 청구항에 따라 배터리 장치의 온도를 조절하기 위한 방법이 계속해서 제안된다. 상기 방법에 따라 배터리들은 하나의 배터리 장치로 통합되며, 개별 배터리들 사이에는 공간이 남아 있다. 이는 예컨대 개별 배터리들 사이에 스페이서를 배치함으로써 실행될 수 있다. 배터리들은 차폐막을 갖는 개별 셀로서 제공되며, 차폐막은 진공 상태가 되므로 공기 포집부 없이 전면적으로 배터리에 접한다. 그 후 배터리는 가열 및/또는 냉각 매체로 이루어진 전술한 용기 내에 수용, 예컨대 배치되어 단자 또는 와이어에 고정되거나 와이어 네팅에 의해 규정된 구역 내에 삽입되거나, 원통형 셀인 경우 매우 높은 밀도의 충진율 원리에 따라 이미 언급한 스페이서를 사용하여 서로 적층식으로 구성된다. 그 후 가열 및/또는 냉각 매체는 예컨대 순환 펌프에 의해 회로에서 순환하며, 가열 및/또는 냉각 매체의 온도 수준은 배터리를 위해 매우 중요한 온도 수준에 맞게, 즉 배터리가 그 최대 성능을 발휘하는 온도 수준에 맞게 조정된다. 이 경우 가열 및/또는 냉각 매체의 온도 수준은, 열 에너지를 빼내거나 공급하는 데 사용되는 종래 기술에 이미 공지되어 있는 열 교환기, 즉 플레이트 열 교환기 및/또는 가열 소자에 의해 조정된다. 이 경우 원하는 온도 수준은 회로 내에 배치되거나 바람직하게는 배터리 장치를 수용하는 케이스 내에 배치된 자동 온도 조절식 장치에 의해 모니터링된다. 배터리로서는 원통형, 평면형 또는 프리즘형 셀이 사용되며, 전술한 배치는 이러한 셀 타입에 대해서도 마찬가지로 잘 적용된다.
또 다른 바람직한 실시예는 종속항들 및 이들의 조합으로부터 제시된다.
본 발명은 실시예를 토대로 이하에서 더 자세히 설명되며, 이 경우 본 발명은 설명된 실시예에 국한되지 않는다.
도 1은 자동 온도 조절식으로 제어된 회로를 구비한 배터리 장치의 개략도이다.
도 2는 최대 밀도의 충진율(sphere packing)을 갖는 원통형 개별 셀들로 구성된 배터리 장치의 구조를 도시한 전면도이다.
도 1에는 평면의 개별 셀(3)로서 형성된 복수의 배터리들(2)로 구성된 배터리 장치(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 개별 셀들은 서로 이격된 상태로 케이스(4) 내에 수용되고, 개별 배터리(2)는 케이스(4)의 측벽(5)과, 베이스(6)와 커버(7)에 대해 각각 거리를 두고 있다. 케이스(4)는 가열 및/또는 냉각 매체(8)로 완전히 채워진다. 배터리(2)는 평면의 모든 개별 셀들(3)을 각각 개별적으로 둘러싸는 외피(9)에 의해 가열 및/또는 냉각 매체(8)에 대해 절연 및 보호된다. 이 경우 가열 및/또는 냉각 매체(8)는 방염제(11)를 또한 포함하는 불연성의 매체(10)이다. 케이스(4)는 가열 및/또는 냉각 매체용 회로(13)에 케이스(4)를 접속하기 위해 사용되는 인터페이스(12)를 포함한다. 이 경우 인터페이스(12)는 바람직하게 자동 온도 조절 제어 장치(14)를 포함하며, 상기 제어 장치는 배터리 장치(1)의 온도, 특히 케이스(4) 내의 가열 및/또는 냉각 매체(8)의 온도를 모니터링해서, 예컨대 회로(13)에 배치된 순환 펌프(25)에 의해 그리고/또는 회로(13)에 배치된 가열 및/또는 냉각 장치(15)의 제어에 의해, 상기 온도에 상응하게 회로(13) 및/또는 인터페이스(12)를 제어한다. 가열 및/또는 냉각 장치(15)는, 가열 및/또는 냉각 장치(15)에 제공되며 가열된 가열 및/또는 냉각 매체(8)에서 과잉 열을 빼내는데 사용되는 열교환기(16)를 포함하며, 이 경우 열 교환기는 예컨대 공기열 교환기(17)이거나 도시되지 않은 다른 회로, 특히 냉각 회로에 접속되거나 이와 상호 작용하는 유체열 교환기(18)일 수 있다. 이 경우에 있어서는, 필요한 범위 내에서 케이스(4)로부터 제공되며 가열된 가열 및/또는 냉각 매체(8)에서 과잉되는 열 에너지를 빼내고 가열 및/또는 냉각 매체(8)를 배터리 장치(1)에서 바람직한 온도로 맞추는데 열 교환기(16)가 적합하다는 것만이 중요하다. 더 자세한 기술적 구성은 해당 실시예 및 해당 사용 목적에 달려 있다. 가열 및/또는 냉각 장치(15)는, 케이스(4)로부터 제공되고 온도가 매우 낮은 가열 및/또는 냉각 매체(8)에 열 에너지를 제공할 수 있는 가열 소자(19)를 또한 포함한다. 가열 소자(19)는 상황 및 해당 요건에 따라 전기 가열 소자(20) 또는 유체열 교환기(18)로서 형성될 수 있다. 이 경우 단지, 배터리 장치(1)의 작동을 위해 냉각될 가열 및/또는 냉각 매체에 배터리 장치(1)가 소정의 온도 수준에 도달하기에 충분한 양의 열 에너지가 가열 소자(19)에 의해 제공될 수 있다는 것만이 중요하다. 배터리 장치(1)는 배터리 장치(1)와, 배터리 장치 외부에 놓인 장치와의 전기 접촉, 특히 차량의 전기 소모 장치 또는 전기 보오드 시스템과의 접촉을 위한 접속 블록(21)을 또한 포함한다. 열 교환기(16) 및 가열 소자(19)는 두 가지 기능을 충족하는 조합 소자로도 구현될 수 있다.
도 2는 매우 높은 밀도의 충진율 원리에 따른 원통형 개별 셀(22)로 구성된 배터리 장치(1)의 구조를 전면도로 도시하고 있다. 원통형 개별 셀들(22)은, 2개의 원통형 개별 셀들 사이와 2개의 개별 셀들 상부에 각각 또 다른 하나의 원통형 개별 셀이 거의 중앙에 배치됨으로써, 매우 높은 밀도의 충진율 원리에 따라 제공되는 구성 공간이 가급적 완전히 그리고 포괄적으로 이용될 수 있도록 서로 간에 층을 이루어 배치된다. 원통형 개별 셀들(22) 사이에는 가열 및/또는 냉각 매체(8)가 원통형 개별 셀들(22)을 전면적으로 그리고 모든 측면에서 순환할 수 있도록 하는 스페이서(23)가 각각 배치된다. 이 경우 가열 및/또는 냉각 매체가 원통형 개별 셀(22)의 가급적 큰 면적에 또는 외피면(24)에 접촉함으로써 원통형 개별 셀들(22)과 가열 및/또는 냉각 매체(8) 사이의 열 전달이 가급적 양호하고 효율적으로 이루어질 수 있다는 것이 중요하다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 배터리와, 배터리의 온도를 조절하는 하나 이상의 가열 및/또는 냉각 장치를 구비한 배터리 장치에 있어서,
    배터리(2)는 가열 및/또는 냉각 매체(8) 내에 침지된 상태로, 상기 가열 및/또는 냉각 매체(8)를 수용하는 케이스(4) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 가열 및/또는 냉각 매체(8)는 회로(13)에서 안내되며, 회로(13)에는 가열 및/또는 냉각 매체(8)를 위한 가열 및/또는 냉각 장치(15)가 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배터리(2)는 밀폐된 차폐막(9)에 의해 모든 측면에서 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 차폐막(9)은 박막인 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 차폐막(9)의 내부는 진공 상태가 되는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리(2)는 가열 및/또는 냉각 매체(8)에 대한 절연을 위해 캐스팅 및/또는 접착된 접촉 지점 및/또는 접속 지점을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 및/또는 냉각 매체(8)는 불연성 매체(10)인 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 및/또는 냉각 매체(8)는 전기적으로 비도전성 매체인 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 및/또는 냉각 매체(8)는 방염제(11)이거나 방염제(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 장치의 온도를 조절하기 위한 방법.
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