KR20110121689A - 온도 제어형 배터리 시스템 - Google Patents

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발터 라첸마이어
팀 섀퍼
안드레아스 구트쉬
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리-텍 배터리 게엠베하
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 배터리를 포함하는, 특히 차량용 배터리 시스템에 관한 것이다. 전기 효율을 향상시키기 위해, 상기 시스템은, 하나 이상의 배터리를 냉각하기 위해 사용 가능한 환경 냉각 에너지를 제공하는 하나 이상의 흡수 냉각 장치를 포함한다.

Description

온도 제어형 배터리 시스템{TEMPERATURE-CONTROLLED BATTERY SYSTEM}
본 발명은, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 적어도 하나의 배터리를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 리튬-이온-배터리와 관련해서 설명된다. 또한, 본 발명은 배터리의 화학 작용과 관련이 없거나 또는 재충전 가능한 배터리에 적용될 수도 있다.
배터리들, 특히 리튬-이온-배터리들은 선행 기술에서 매우 높은 성능을 가진 친환경 에너지 어큐뮬레이터로서 알려져 있다. 이 배터리들은 소위 대형 배터리로서, 특히 전기 차량 및 하이브리드 차량에서 에너지 저장을 위해 사용된다. 그 외에, 예컨대 건물의 비상 전원 공급을 위한 고정식 배터리 시스템들도 공지되어 있다.
충전 및 방전 과정들로 인해 배터리들 내에 열이 발생하고, 이러한 열은, 축열을 방지하고 배터리의 전기 효율에 대해 최적인 작동 온도를 유지하기 위해 방출되어야 한다. 또한, 낮은 온도에서는, 전기 효율을 향상하기 위해 배터리의 작동 온도를 높이는 것이 바람직할 수 있다. 전기 효율은 예컨대 효율성, 전기 커패시턴스 또는 순간 전력에 의해 측정될 수 있다. 배터리의 최적 작동 온도의 범위 내에서의 배터리의 작동은, 배터리의 수명을 연장한다.
본 발명의 과제는 배터리의 수명을 연장하기 위한 가능성을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 배터리 시스템에 의해 해결된다. 종속 청구항들의 특징들은 바람직한 실시예들에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 하나 이상의 배터리를 포함하는 배터리 시스템은 또한 하나 이상의 흡수 냉각 장치를 포함하고, 상기 흡수 냉각 장치는 하나 이상의 배터리의 냉각을 위해 사용 가능한 환경 냉각 에너지를 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 시스템은 특히 차량용으로 제공되지만, 전적으로 차량용으로만 제공되지는 않는다.
흡수 냉각 장치에 의한 냉각에 의해 하나의 배터리 또는 다수의 배터리들의 수명이 연장될 수 있다.
배터리는 선행 기술에 충분히 공지되어 있듯이 개별 셀 또는 다수의 혹은 적층된 셀들로 형성될 수 있다. 또한 본 발명에 따라 배터리 그룹도 제공될 수 있다. 배터리는 전해질도 포함한다. 상기 전해질은 리튬-이온을 포함할 수 있다.
흡수 냉각 장치는 냉각 기계이고, 이 냉각 기계의 작동 원리는 선행 기술에 충분히 공지되어 있다. 폐회로에서 저압 영역 내의 냉각재가 기화되고, 이 경우 사용 가능한 환경 냉각 에너지가 생성된다. 생성된 냉각재 증기는 흡수체(흡수재)에 의해 일반적으로 열을 방출하면서 흡수되거나 용해되고, 이 과정을 흡수 과정이라고도 한다. 그 후, 냉각재로 채워진 흡수체가 고압 영역 내로 펌핑되고, 거기서 열, 소위 구동 열을 공급 하면서, 냉각재 및 흡수체가 분리되는데, 이 과정을 탈착 과정이라고도 한다. 그 후, 열 방출 및 새로운 기화에 의해 냉각재의 응축 및 액화가 이루어진다. 사용 가능한 환경 냉각 에너지가 열 교환에 의해 방출될 수 있다.
흡수 냉각 장치는 바람직하게 적은 에너지 수요 및 효과적인 냉각 에너지 제공을 특징으로 한다. 이로써, 특히 배터리 시스템의 전기 효율, 특히 효율성이 현저히 향상될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 흡수 냉각 장치용 냉각재로서 물이 제공된다. 물은, 특히 바람직한 친환경 냉각재이다.
바람직한 실시예에 따라, 이온 유체가 흡수 냉각 장치용 흡수체(또는 흡수재)로서 제공된다. 이런 점에서, 흡수 냉각 장치를 "이온 유체 냉각 기계"라고도 한다. 이온 유체는 거의 무제한으로 물에 용해되고, 또는 그 반대도 성립하는 장점, 및 적은 부식 작용만을 갖는 장점을 갖는다. 또한, 이온 유체는 프로세스에서 일반적으로 완전히 재생될 수 있는 장점을 갖는다. 이온 유체는 바람직하게는 실온에서 이미 고체가 아닌 특히 액체 염이다. 바람직하게는 이 액체 염은 양호한 열 저장력을 갖고 일반적으로 유독하지 않으며 환경 파괴적이지 않다.
바람직한 실시예에 따라, 하나 이상의 잠열 어큐뮬레이터가 흡수 냉각 장치를 위한 구동 열을 제공하는 열원으로서 포함된다. 잠열 어큐뮬레이터는 열 에너지를 적은 손실로, 많은 반복 사이클들로, 장시간에 걸쳐 저장할 수 있는 장치이다. 잠열 어큐뮬레이터는 특히 자동차 분야를 위해 조립 완성된 구성부들로서 다양한 구성으로 시장에서 입수할 수 있다.
흡수 냉각 장치용 구동 열을 제공하는 열원은 흡수 냉각 장치와 열적으로 연결된다. 이러한 열적 연결은, 특히 파이프 라인 시스템을 포함하는, 예컨대 폐쇄된 가열재 회로일 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 외부 에너지원에 노출된 하나 이상의 구성부가 흡수 냉각 장치용 구동 열을 제공하는 열원으로 포함된다. 이 구성부는 바람직하게 태양열 시스템이다. 이러한 태양열 시스템에 의해, 예컨대 일사(日射)에 의해 가열된 차량 루프의 에너지가 흡수 냉각 장치용 구동 열로서 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 매우 동적으로 또는 일정하게 작동되는 하나 이상의 배터리의 열이 흡수 냉각 장치용 구동 열로서 사용되고, 상기 흡수 냉각 장치는 바람직하게는 방출되는 열에 의해서도 냉각된다. 바람직하게, 상기 배터리는 흡수 냉각 장치에 의해 냉각되지 않는다.
바람직한 실시예에 따라, 다수의 열원들이 포함되고, 상기 열원들은 각각 흡수 냉각 장치용 구동 열을 제공하거나 또는 제공할 수 있고, 흡수 냉각 장치와 상기 구성부들 중 하나 이상의 구성부 간의 열적 연결이 하나 이상의 밸브에 의해 차단, 즉 분리될 수 있고 다시 형성될 수 있다. 이로써, 예컨대 상황에 따라 상이한 열원들로의 접근이 가능하다. 개별 열원들이 상황에 따라 스위칭 온(switching on) 또는 스위칭 오프(switching off)될 수 있고, 이는 밸브에 의해 이루어진다. 바람직하게 상기 밸브는 방향 밸브 또는 조절 밸브이다.
바람직한 실시예에 따라, 하나 이상의 온도 제어 채널이 포함되고, 상기 채널 내로 흡수 냉각 장치의 사용 가능한 환경 냉각 에너지가 차가운 공기 흐름으로서 유입될 수 있다. 온도 제어 채널은, 예컨대 배터리를 둘러싸는 파이프 라인 시스템으로서도 형성될 수 있다. 대안으로서, 온도 제어 채널과 배터리의 열적 연결을 위한 열 전달 시트들도 제공될 수 있다. 온도 제어 채널은 공기 흐름을 위한 하나 이상의 유입구를 포함한다. 온도 제어 채널은 공기 흐름이 다시 배출될 수 있는 하나 이상의 배출구를 포함한다.
바람직한 실시예에 따라, 하나 이상의 열 교환기가 포함되고, 상기 열 교환기는 배터리의 가열을 위해 사용 가능한 열을 제공하거나 또는 제공할 수 있다. 이로써, 배터리의 가열이 이루어지므로, 본 발명에 따른 배터리 시스템의 전기 효율이 더 향상될 수 있다. 특히, 배터리의 광범위한 온도 제어(온도 조절)가 달성된다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 열 교환기는 흡수 냉각 장치용 구동 열을 제공하는 하나 이상의 열원과 열적으로 연결된다. 이로써 열원의 열이 흡수 냉각 장치의 구동을 위해, 그리고 이로써 배터리의 냉각뿐 아니라 배터리의 가열을 위해 사용된다. 이를 위해, 해당 열원은, 예컨대 파이프 라인 시스템에 의해 흡수 냉각 장치 및 해당 열 교환기와 열적으로 연결된다. 각각의 열적 연결은 이상적으로 하나 이상의 밸브에 의해 형성되고/형성되거나 분리될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 배터리의 가열을 위해 사용 가능한 열이 뜨거운 공기 흐름으로서 온도 제어 채널 내로 유입될 수 있다. 또한, 온도 제어 채널에 대한 전술한 실시예들이 참조된다.
바람직한 실시예에 따라, 온도 제어 채널 내로 뜨거운 공기 흐름 또는 차가운 공기 흐름을 선택적으로 유입하거나 또는 유입할 수 있도록 하나 이상의 밸브가 포함된다. 바람직하게는 배터리의 가열 또는 냉각 간의 상황에 따른 스위칭이 상기 밸브에 의해 제공된다.
바람직한 실시예에 따라, 온도 제어 채널을 통해 뜨거운 공기 흐름 또는 차가운 공기 흐름이 흐르게 하기 위해 하나 이상의 송풍 장치가 포함된다. 바람직하게는 상기 송풍 장치가 온도 제어 채널의 유입구의 영역 내에 배치된다.
바람직한 실시예에 따라, 하나 이상의 제어 유닛이 포함되고, 상기 제어 유닛은 배터리의 온도의 예측 가능한 제어 및/또는 조절을 가능하게 한다. 예측 가능한 조절은 추후의 시스템 성능의 예측을 기초로 한다. 이상적으로, 이러한 조절은 배터리 시스템의 컨디셔닝을 작동 모드 및/또는 에이징에 따라 수요에 알맞게 조절하는 오버라이트(overwrite) 가능한 핸들링 지시에 의해 조절될 수 있다. 조절은 바람직하게 소프트웨어에 기초하여 이루어질 수 있다. 바람직하게 제어 유닛은 배터리의 온도에 영향을 줄 수 있는 하나 이상의 관련 구성부, 및 바람직하게는 다수의 관련 구성부들과 연결된다. 이는, 예컨대 전술한 밸브 또는 송풍 장치의 제어부 및/또는 조절부를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제어 유닛은 배터리의 충전 상태도 제어 및/또는 조절할 수 있다.
본 발명에 의해, 배터리의 수명을 연장하는 가능성이 제공된다.
본 발명은 하기에서 도면을 참조로 더 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬-이온-배터리 시스템의 실시예의 개략도.
리튬-이온-배터리 시스템은 도면 부호 1로 표시된다. 상기 시스템은 개별 셀들(3)로 각각 형성된 다수의 리튬-이온-배터리들(2)을 포함한다. 리튬-이온-배터리들(2)은 온도 제어 채널(4) 내에 배치되고, 상기 채널은 여기서 예시적으로만 리튬-이온-배터리들(2)을 완전히 둘러싼다. 온도 제어 채널은 유입구(5) 및 배출구(6)를 포함한다.
리튬-이온-배터리 시스템(1)은 사용 가능한 환경 냉각 에너지를 제공하는 흡수 냉각 장치(8)를 포함한다. 흡수 냉각 장치의 기능은 전술되었다. 흡수 냉각 장치의 중요한 장점들은 적은 에너지 수요 및 효과적인 냉각 에너지 제공에 있다. 냉각 에너지 전달은 차가운 공기 흐름(9)에 의해 이루어지고, 차가운 공기 흐름은 연결부(10) 및 유입구(5)를 통해 온도 제어 채널(4) 내로 안내되고 거기서 리튬-이온-배터리들(2)의 냉각을 위해 사용된다.
흡수 냉각 장치(8)용 구동 열은 도시된 실시예에서 2개의 열원에 의해 제공된다. 제 1 열원은 잠열 어큐뮬레이터(11)이고, 제 2 열원은 외부 에너지원, 즉 일사(13)에 노출된 태양열 시스템(12)이다. 태양열 시스템은 차량의 루프에 배치될 수 있다. 대안으로서, 오직 하나 또는 2개보다 많은 열원이 포함될 수 있다. 열원들(11, 12)은 폐쇄된 가열재 회로에 의해 흡수 냉각 장치(8)와 열적으로 연결된다. 가열재 회로는 공급 및 리턴 파이프 라인들을 포함한 파이프 라인 시스템(14)을 포함한다.
열원들(11 및 12)과 흡수 냉각 장치(8) 간의 열적 연결은 밸브(15)에 의해 상황에 따라 제어될 수 있다. 즉, 연결이 형성되고/형성되거나 분리될 수 있다. 밸브(15)는 바람직하게는 방향 밸브 또는 조절 밸브이다. 하나의 밸브 대신, 다수의 밸브들이 제공될 수 있고, 상기 밸브들은 각각의 열원에 대해, 예컨대 공급 및/또는 리턴을 형성하고/형성하거나 분리할 수 있다.
리튬-이온-배터리 시스템(1)은 또한 열 교환기(17)를 포함하고, 상기 열 교환기는 리튬-이온-배터리(2)의 가열을 위해 사용 가능한 열을 제공할 수 있다. 이를 위해, 상기 열 교환기(17)는 가열재 회로 또는 이 가열재 회로의 파이프 라인 시스템(14)과 열적으로 연결된다. 따라서, 열원(11 및 12)의 열은 뜨거운 공기 흐름(18)을 제공하기 위해서도 사용될 수 있다. 뜨거운 공기 흐름(18)은 연결부(19) 및 유입구(5)를 통해 온도 제어 채널(4) 내로 안내되고 거기에서 리튬-이온-배터리(2)의 가열을 위해 사용된다.
밸브(21)는 온도 제어 채널(4) 내로 차가운 공기 흐름(9) 또는 뜨거운 공기 흐름(18)의 선택적 유입을 위해 사용된다. 밸브(21)는 플랩 등으로 구현될 수 있다. 이는 리튬-이온-배터리(2)의 가열 또는 냉각 간의 상황에 따른 스위칭을 가능하게 하므로, 매 시점에서 그리고 다양한 환경 조건에서 리튬-이온-배터리(2)의 작동이 최적의 작동 온도 범위에서 가능하도록 하고, 이는 전기 효율을 향상시키며 리튬-이온-배터리(2)의 수명을 연장시킨다.
온도 제어 채널(4) 내로 차가운 공기 흐름(9) 또는 뜨거운 공기 흐름(18)의 선택적 유입을 달성하기 위해, 밸브(21)에 대해 대안으로 및/또는 추가로, 열 교환기(17)에 대한 열적 연결이 차단될 수도 있고, 이를 위해 가열재 회로 또는 그 가열재 회로의 열 교환기(17) 내에 상응하는 밸브가 배치될 수 있다.
온도 제어 채널(4)의 유입구(5) 내에, 특히 팬 휠 같은, 송풍 장치(22)가 배치되고, 상기 송풍 장치, 즉 팬 휠은 온도 제어 채널(4) 내에서 차가운 공기 흐름(9) 또는 뜨거운 공기 흐름(18)이 흐르게 한다. 대안으로서 및/또는 추가로 송풍 장치들이 연결부들(10 또는 19) 내에 배치될 수 있거나, 또는 흡수 냉각 장치(8) 및 열 교환기(17) 내에 배치될 수 있다.
리튬-이온-배터리 시스템(1)은 또한 제어 유닛(24)을 포함하고, 상기 제어 유닛은 리튬-이온-배터리(2)의 온도의 예측 가능한 조절을 가능하게 한다. 이를 위해, 제어 유닛(24)이 특히, 흡수 냉각 장치(8), 밸브(15), 밸브(21) 및 송풍 장치(22)와 같이 온도 조절과 관련된 모든 구성부들과 연결된다. 또한 제어 유닛(24)은 열원들(11 및 12)과 연결되므로, 예컨대 열원들의 순간 상태를 검출하고/검출하거나 열원들의 열 소비 또는 열 방출을 조절하고/조절하거나 제어할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제어 유닛(24)은 열 교환기(17)와도 연결된다. 또한, 제어 유닛(24)은 온도 제어 채널(4) 내의 및/또는 리튬-이온-배터리(2) 상의 온도 센서들(25)과 연결된다.
리튬-이온-배터리를 위한 환경 냉각 에너지 또는 15℃의 냉각 온도를 제공할 수 있도록, 70 내지 80℃의 열원이 이용될 수 있는 것이 시뮬레이션 결과 나타났다. 흡수 냉각 장치의 폐열은 이 경우 약 40℃이다. 이는 본 발명에 따른 리튬-이온-배터리 시스템의 작동을 위한 바람직한 값이다.
1 : 배터리 시스템
2 : 배터리
4 : 온도 제어 채널
8 : 흡수 냉각 장치
9 : 차가운 공기 흐름
11 : 잠열 어큐뮬레이터; 열원
12 : 태양열 시스템; 열원; 구성부
15 : 밸브
18 : 뜨거운 공기 흐름
21 : 밸브
22 : 송풍 장치
24 : 제어 유닛

Claims (13)

  1. 하나 이상의 배터리(2)를 포함하는, 특히 차량용 배터리 시스템(1)에 있어서,
    하나 이상의 흡수 냉각 장치(8)가 더 포함되고, 상기 흡수 냉각 장치는 하나 이상의 배터리(2)의 냉각을 위해 사용 가능한 환경 냉각 에너지를 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 흡수 냉각 장치(8)용 냉각재로서 물이 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 흡수 냉각 장치(8)용 흡수체로서 이온 유체가 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 잠열 어큐뮬레이터(11)가 상기 흡수 냉각 장치(8)용 구동 열을 제공하는 열원으로서 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 에너지원에 노출되는 하나 이상의 구성부(12)가 상기 흡수 냉각 장치(8)용 구동 열을 제공하는 열원으로서 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 냉각 장치(8)용 구동 열을 각각 제공하는 다수의 열원들(11, 12)이 포함될 수 있고, 상기 흡수 냉각 장치(8)와 구성부들 중 하나 이상의 구성부 사이의 열적 연결이 하나 이상의 밸브(15)에 의해 차단될 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 온도 제어 채널(4)이 포함되고, 상기 흡수 냉각 장치(8)의 사용 가능한 환경 냉각 에너지가 차가운 공기 흐름(9)으로서 상기 온도 제어 채널 내로 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 열 교환기(17)가 포함되고, 상기 열 교환기는 상기 배터리(2)의 가열을 위해 사용 가능한 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열 교환기(17)가 상기 흡수 냉각 장치(8)용 구동 열을 제공하는 하나 이상의 열원(11, 12)과 열적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 배터리(2)의 가열을 위해 사용 가능한 열이 뜨거운 공기 흐름(18)으로서 상기 온도 제어 채널(4) 내로 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 뜨거운 공기 흐름(18) 또는 차가운 공기 흐름(9)을 상기 온도 제어 채널(4) 내로 선택적으로 유입할 수 있도록, 하나 이상의 밸브(21)가 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 뜨거운 공기 흐름(18) 또는 차가운 공기 흐름(9)을 상기 온도 제어 채널(4) 내로 흐르게 하기 위해, 하나 이상의 송풍 장치(22)가 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리(2)의 온도를 예측 가능하게 조절할 수 있는 제어 유닛(24)이 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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