KR20120087090A - 배터리 및　이를　구비한　자동차 - Google Patents

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리햐르트 크레스텔
디트마르 루츠
미로슬라브 오슬리슬록
뵤른 페네르트
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 액체 온도조절/액체 냉각 시스템(10) 및 기체 온도조절/기체 냉각 시스템(15)을 통해 온도조절/냉각되는 배터리 셀(5)이 배치된 하우징(4)을 구비한 배터리에 관한 것이다.
배터리 셀의 온도조절/냉각을 더욱 개선하기 위해, 하우징(4) 내에서 기체 온도조절/기체 냉각 시스템(15)은 적어도 하나의 폐쇄 회로(16)를 포함한다.

Description

배터리 및　이를　구비한　자동차{BATTERY AND MOTOR VEHICLE WITH THE SAME}
본 발명은, 액체 온도조절/액체 냉각 시스템 및 기체 온도조절/기체 냉각 시스템을 통해 온도조절/냉각되는 배터리 셀들이 배치된 하우징을 구비한 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 유형의 배터리를 구비한 자동차에 관한 것이다.
배터리 셀의 온도조절/냉각에 관한 다수의 수단이 공지되어 있다. 독일 공개 출원 DE 10 2008 057 305 A1호에는, 자동차의 열원을 냉각시키기 위한 장치로서, 열을 소산시키기 위한 제1 유체 스트림이 흐를 수 있는 냉각 몸체를 구비하며, 열을 소산시키기 위한 적어도 하나의 제2 유체 스트림이 선택적으로 냉각 몸체를 흐르도록 할 수 있는 장치가 개시되어 있다. 독일 공개 출원 DE 10 2009 008 222 A1호에는, 적어도 하나의 열 교환기 유닛이 배치된 배터리 하우징을 구비한 배터리가 개시되어 있다. 독일 공개 출원 DE 10 2008 059 955 A1호에는, 배터리를 위한 일체형 냉각 덕트가 구비된 냉각판이 개시되어 있다. 독일 공개 출원 DE 10 2008 059 954 A1호에는, 냉각판 및 냉각수가 흐를 수 있는 적어도 하나의 사행형(meander-shaped) 냉각 튜브가 구비된 열 교환기를 포함하는 냉각 장치를 구비한 배터리가 개시되어 있다. 미국 공개 출원 US 2010/0136406 A1호에는, 공기 유입구, 공기 배출구 및 추가의 수냉 시스템을 구비한 배터리 하우징이 개시되어 있다. 독일 공개 출원 DE 10 2008 034 864 A1호에는, 자신의 온도를 조절하기 위한 열 전도판이 구비된 배터리가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은, 배터리 셀들, 특히 하이브리드 차량 또는 전기 차량용 트랙션 배터리의 온도조절/냉각을 더욱 개선하는 데에 있다.
상기 목적은, 액체 온도조절/액체 냉각 시스템 및 기체 온도조절/기체 냉각 시스템을 통해 온도조절/냉각되는 배터리 셀이 배치된 하우징을 구비한 배터리의 경우, 하우징 내에서 기체 온도조절/기체 냉각 시스템이 적어도 하나의 폐쇄 회로를 포함한다는 사실에 의해 달성된다. 기체 온도조절/기체 냉각에는 바람직하게 공기가 사용된다. 기체 온도조절/기체 냉각은 바람직하게 배터리 하우징 내부에 더 균일한 온도 분포를 생성하는 역할을 한다. 그로 인해 배터리 하우징 내의 배터리 셀 및/또는 다른 구성요소들의 냉각/온도조절을 개선하는 것이 가능하다. 이는 결국 배터리의 수명 증가로 이어진다. 배터리는 바람직하게 트랙션 배터리이다. 트랙션 배터리(구동 배터리로도 지칭됨)는 적어도 부분적으로 전기로 구동되는 차량에 에너지원으로서 설치된다.
배터리의 바람직한 실시형태는, 기체 온도조절/기체 냉각을 위한 회로가 하우징과 배터리 셀들 사이에서 연장되는 것을 특징으로 한다. 하우징은 바람직하게 폐쇄 하우징으로서 구현된다. 배터리 내부에서 배터리 셀들과 하우징 사이에 간극 또는 공동이 형성되며, 기체 온도조절/기체 냉각을 위해 상기 간극 또는 공동을 통해 기체(특히, 공기)가 흐른다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 기체 온도조절/기체 냉각을 위한 회로가 배터리의 다른 구성요소들과 하우징 사이에서 연장되는 것을 특징으로 한다. 다른 구성요소들에는 예를 들어 배터리의 전력 전자장치가 포함될 수 있다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 기체 온도조절/기체 냉각을 위한 회로에 적어도 하나의 팬이 배치되는 것을 특징으로 하며, 상기 팬은 기체 온도조절/기체 냉각을 위한 회로에서 기체 매체(예컨대, 공기)를 순환시키거나 흐르게 하는 역할을 한다. 팬은 필요한 경우 바람직하게 배터리 내부의 온도에 따라 작동될 수 있다. 팬을 작동시키기 위한 에너지는 바람직하게 배터리 자체에 의해 제공된다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 기체뿐만 아니라 액체도 흐르는 적어도 하나의 냉각 및/또는 온도조절 장치가 기체 온도조절/기체 냉각을 위한 회로에 배치되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 기체는 바람직하게는 액체의 온도조절 효과/냉각 효과를 향상시키기 위해, 구체적으로는 더 균일하게 하기 위해 사용된다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 냉각 및/또는 온도조절 장치가 액체 덕트 및 기체 덕트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 액체 덕트 및 기체 덕트는 직사각형, 원형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다. 열 전달을 향상시키기 위해 덕트의 벽은 증가된 조도(roughness)를 가질 수 있다. 같은 목적으로, 덕트의 벽에는 난류 발생기가 설치될 수 있다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 냉각 및/또는 온도조절 장치가 기체 덕트 및/또는 액체 덕트가 구비된 적어도 하나의 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 액체 덕트 및 기체 덕트는 플레이트를 통과하여 연장된다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 냉각 및/또는 온도조절 장치가 액체 덕트가 구비된 적어도 하나의 플레이트 및 기체 덕트가 구비된 적어도 하나의 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 기체 덕트는 일측이 개방되도록 설계될 수 있다. 그러면 일측이 개방된 기체 덕트는 배터리 하우징의 하우징 벽에 의해 폐쇄될 수 있다. 액체 덕트가 구비된 두 개의 플레이트 사이에 기체 덕트가 구비된 플레이트가 배치되는 것이 특히 유리할 수 있다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 배터리 셀들이 냉각 및/또는 온도조절 장치에 접하도록, 그 위 및/또는 아래에 배치되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게 배터리 셀은 액체 덕트가 구비된 적어도 하나의 플레이트에 접촉된다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 배터리 셀들이 두 개의 냉각 및/또는 온도조절 장치들 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게 냉각 및/또는 온도조절 장치들은 양호한 열 전달이 보장되도록 배터리 셀들에 편평하게 접한다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 배터리 셀들 및/또는 냉각 및/또는 온도조절 장치(들)이 수평으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 수평 배치 또는 가로 배치의 경우, 배터리 셀들 및/또는 냉각 및/또는 온도조절 장치(들)은 배터리 하우징의 기저부 또는 바닥 표면에 실질적으로 평행하게 배치된다.
배터리의 또 다른 바람직한 실시형태는, 배터리 셀들 및/또는 냉각 및/또는 온도조절 장치(들)이 수직으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 수직 배치 또는 세로 배치의 경우, 배터리 셀들 및/또는 냉각 및/또는 온도조절 장치(들)은 배터리 하우징의 기저부 또는 바닥 표면에 직각으로 배치된다.
본 발명은 또한 전술한 배터리를 구비한 자동차에 관한 것이다. 바람직하게 자동차는 전기 기계를 포함하는 하이브리드 차량 또는 전술한 바와 같이 트랙션 배터리로 구현된 배터리를 구비한 전기 차량이다.
본 발명에 의해 배터리 셀들, 특히 하이브리드 차량 또는 전기 차량용 트랙션 배터리의 온도조절/냉각이 더욱 개선된다.
다음의 설명으로부터 본 발명의 추가적인 이점, 특징 및 상세사항이 도출되며, 도면을 참조하며 다양한 실시형태들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리를 팬을 통과하는 종단면으로 매우 단순화하여 도시한 도면.
도 2는 도 1의 배터리를 팬을 통과하는 횡단면으로 도시한 도면.
도 3 내지 도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 배터리의 냉각 및/또는 온도조절 장치의 다양한 실시형태들을 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 도 1 및 도 2와 유사하되 배터리 셀들이 수직으로 배치된 또 다른 실시형태에 따른 배터리를 도시한 도면.
도 10은 도 2와 유사하되 또 다른 실시형태에 따른 배터리를 도시한 도면.
도 1 및 도 2; 도 8 및 도 9; 도 10에는, 하우징(4; 84; 124)을 구비한 배터리(1; 81; 121)가 두 개의 상이한 단면으로 매우 단순화된 형태로 도시되어 있다. 하우징(4; 84; 124) 내에는 배터리 셀(5; 85, 88; 125, 128) 및 다른 배터리 구성요소(6, 7; 86, 87; 126, 127, 129, 130)가 나타나 있다. 배터리 셀(5; 85, 88; 125, 128)에는 추가의 냉각판이 설치될 수 있다. 다른 배터리 구성요소(6, 7; 86, 87; 126, 127, 129, 130)에는 예를 들어 배터리 셀(5; 85, 88; 125, 128)을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 전력 전자장치가 포함된다.
본 발명의 중요한 양상에 따르면, 배터리(1; 81; 121)의 온도조절을 개선하기 위해, 배터리 하우징(4; 84; 124) 내에서 액체 온도조절/액체 냉각 시스템(10; 90; 140)과 기체 온도조절/기체 냉각 시스템(15; 95; 145)이 서로 결합된다. 하우징(4; 84; 124) 내에서 기체 온도조절/기체 냉각 시스템(15; 95; 145)은 적어도 하나의 폐쇄 회로(16; 96; 146, 147)를 포함한다.
기체 온도조절/기체 냉각 시스템(15; 95; 145)을 위해 기체(특히, 공기)로 채워진 공동이, 배터리(1; 81; 121) 내부에서 배터리 셀(5; 85, 88; 125, 128) 또는 배터리 구성요소(6, 7; 86, 87; 126, 127, 129, 130)와 하우징(4; 84; 124) 사이에 형성된다. 하우징(4; 84; 124) 내에 기체(특히 공기)를 순환시키기 위해, 필요에 따라 팬(18; 98; 148)에 의해 기체를 흐르게 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시형태에 있어서, 기체뿐만 아니라 액체도 흐르는 냉각 및/또는 온도조절 장치(20)가 배터리 셀(5) 아래에 배치된다. 냉각 및/또는 온도조절 장치(20)는, 기체 온도조절/기체 냉각을 위한 폐쇄 회로(16)의 일 부분을 형성하는, 적어도 하나의 기체 덕트 또는 공기 덕트가 구비된 플레이트(21)를 포함한다.
냉각 및/또는 온도조절 장치(20)는, 플레이트(21)와 배터리 셀(5) 사이에 배치된 다른 플레이트(22)를 포함한다. 플레이트(22)에는 액체 덕트가 구비되며, 이를 통해 액체 온도조절 매체(특히 액체 냉각수 또는 냉각제)가 흘러 배터리 셀(5)을 냉각하거나 그 온도를 조절한다. 액체는 액체 연결부(24)를 통해 외부로부터 공급되거나 배출된다.
도 2는, 다수의 기체 덕트(25)를 구비하는 플레이트(21)를 도시하며, 상기 기체 덕트를 통해 화살표(26)로 표시된 바와 같이 기체(특히, 공기)가 흐른다. 이러한 흐름은 팬(18)에 의해 발생된다. 기체 덕트는 플레이트(21)의 측부 또는 중앙에 배치될 수 있다.
냉각 및/또는 온도조절 장치(20)는, 예를 들어 배터리 셀(5) 위에 배치될 수 있는 또 다른 플레이트를 포함할 수도 있다. 배터리 하우징(4) 내로의 공기 흐름을 향상시키기 위해, 마찬가지로 또 다른 팬을 설치하는 것도 가능하다.
도 3 내지 도 7에는, 냉각 및/또는 온도조절 장치(20)의 다양한 실시형태들이 도시되어 있다. 냉각 및/또는 온도조절 장치는 하나의 플레이트, 두 개의 플레이트 또는 더 많은 플레이트를 포함할 수 있으며, 이들은 다양한 방식으로 배치될 수 있다.
바람직하게 플레이트의 액체 온도조절/액체 냉각은, 배터리 셀(5) 또는 다른 배터리 구성요소(6, 7)와 접촉하여 효과적인 온도조절/냉각을 가능하게 하기 위해 이용된다.
도 3은 기체 덕트(35)뿐만 아니라 액체 덕트(36)도 포함하는 플레이트(30)를 도시한다. 기체 덕트는 직사각형 단면을 가지며 플레이트(30)의 중심축을 따라 배치된다. 액체 덕트(36)는 기체 덕트(35)의 상부 및 하부에 배치된다. 액체 덕트 중 일부는 두 개의 기체 덕트 사이에 배치된다. 온도조절될 배터리 셀들은 플레이트(30)의 상측뿐만 아니라 하측에도 배치될 수 있다.
도 4는 기체 덕트(45) 및 액체 덕트(46)를 포함하는 플레이트(40)를 도시한다. 기체 덕트(45)는 일측이 개방된다. 유리하게 플레이트(40)의 개방측(즉, 도 4에서 하측)은, 기체 덕트(45)를 폐쇄하기 위해 내부에서 하우징 벽에 접하도록 장착될 수 있다.
도 5는 두 개의 플레이트(51 및 52)를 포함하는 냉각 및/또는 온도조절 장치를 도시한다. 직사각형 단면의 기체 덕트(55)가 플레이트(51)에 구비된다. 액체 덕트(56)가 플레이트(52)에 구비된다. 상술한 실시형태의 액체 덕트(46)와 마찬가지로, 액체 덕트(56)는 원형 단면을 가진다.
도 6은 두 개의 플레이트(61, 62)를 구비한 냉각 및/또는 온도조절 장치를 도시한다. 플레이트(62)에는 상술한 실시형태의 플레이트(52)와 마찬가지로 원형 단면을 가진 액체 덕트(66)가 구비된다. 플레이트(61)에는 도 4에 도시된 실시형태의 기체 덕트(45)와 마찬가지로 저부를 향해 일측이 개방된 기체 덕트(65)가 구비된다.
도 7은 세 개의 플레이트(71, 72, 73)를 포함하는 냉각 및/또는 온도조절 장치를 도시한다. 플레이트(72)에는 직사각형 단면을 가진 기체 덕트(75)가 구비된다. 플레이트(71 및 73)에는 원형 단면을 가진 액체 덕트(76, 77)가 구비된다. 액체 덕트(76, 77)를 구비한 두 개의 플레이트들(71, 73) 사이에 기체 덕트(75)를 구비한 플레이트(72)가 샌드위치 방식으로 배치된다.
도 8 및 도 9에 도시된 배터리(81)의 경우, 배터리 셀들(85, 88)이 수직으로 배치된다. 배터리 셀들(85, 88) 사이에 냉각 및/또는 온도조절 장치(100)가 마찬가지로 수직으로 배치된다. 냉각 및/또는 온도조절 장치(100)는, 다른 두 개의 플레이트(102, 103) 사이에 샌드위치 방식으로 배치된 플레이트(101)를 포함한다. 플레이트(101)를 통해 기체(특히, 공기)가 흐른다. 반면에, 두 개의 플레이트(102, 103)를 통해서는 액체가 흐른다. 배터리 셀(85, 88)은 플레이트(102, 103)에 편평하게 접한다.
냉각 및/또는 온도조절 장치(100)는 예를 들어 도 7에 도시된 실시형태와 동일한 방식 또는 유사한 방식으로 구현될 수 있다. 그러나, 예를 들어 세 개의 플레이트(100 내지 103)가 단일 플레이트로 일체됨으로써, 냉각 및/또는 온도조절 장치(100)를 도 3에 도시된 실시형태의 경우와 같이 구현하는 것도 가능하다.
배터리 셀(85)은 냉각 및/또는 온도조절 장치(100)와 또 다른 냉각 및/또는 온도조절 장치(105) 사이에 배치된다. 냉각 및/또는 온도조절 장치(100)와 마찬가지로, 냉각 및/또는 온도조절 장치(105)는 수직으로 배치되지만, 단지 두 개의 플레이트(106, 107)를 포함한다.
플레이트(106)를 통해 기체(특히, 공기)가 흐른다. 플레이트(107)를 통해서는 액체가 흐른다. 두 개의 플레이트(106, 107)는 도 4 내지 도 6에 도시된 실시형태와 동일한 방식 또는 유사한 방식으로 구현될 수 있다. 액체가 흐르는 플레이트(107)는 플레이트(106)와 배터리 셀(85) 사이에 배치된다.
배터리 셀(88)은 냉각 및/또는 온도조절 장치(100)와 또 다른 냉각 및/또는 온도조절 장치(109) 사이에 배치된다. 냉각 및/또는 온도조절 장치(109)는 냉각 및/또는 온도조절 장치(105)와 동일한 방식으로 구현되는데, 이때 액체가 통과하는 플레이트(구체적으로 표시되지 않음)는 배터리 셀(88)에 접한다.
도 9에서, 직사각형(114; 115)은 플레이트(101, 106)의 기체 덕트(특히, 공기 덕트)를 나타낸다. 하우징(84) 내에서 순환되는 공기는 화살표(118)로 표시된다.
도 10에 도시된 실시형태의 경우, 배터리 셀(125, 128)이 수평으로, 즉 배터리(121)의 하우징(124)의 기저부에 평행하게 배치된다. 냉각 및/또는 온도조절 장치(150)는 배터리 셀들(125 및 128) 사이에 마찬가지로 수평으로 배치된다.
냉각 및/또는 온도조절 장치(150)는 액체가 흐르는 두 개의 플레이트(151, 152)를 포함한다. 기체(특히, 공기)가 흐르는 플레이트(153)는 플레이트들(151 및 152) 사이에 샌드위치 방식으로 배치된다.
배터리 셀(125)의 하측은 플레이트(151)의 상측에 편평하게 접한다. 배터리 셀(128)의 상측은 플레이트(152)의 하측에 편평하게 접한다. 플레이트(151, 152)는 액체 연결부(154)를 통해 액체를 공급받는다.
추가의 배터리 구성요소(126 및 127)가 배터리 셀(125)의 상부에 배치된다. 추가의 배터리 구성요소(129, 130)가 배터리 셀(128)의 하부에 배치된다. 순환된 공기는 화살표(146 및 147)로 표시된다.

Claims (13)

  1. 액체 온도조절/액체 냉각 시스템(10; 90; 140) 및 기체 온도조절/기체 냉각 시스템(15; 95; 145)을 통해 온도조절/냉각되는 배터리 셀(5; 85, 88; 125, 128)이 배치된 하우징(4; 84; 124)을 구비한 배터리에 있어서,
    하우징(4; 84; 124) 내에서 기체 온도조절/기체 냉각 시스템((15; 95; 145)은 적어도 하나의 폐쇄 회로(16; 96; 146, 147)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 기체 온도조절/기체 냉각(15; 95; 145)을 위한 회로(16; 96; 146, 147)는 하우징(4; 84; 124)과 배터리 셀(5; 85, 88; 125, 128) 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 온도조절/기체 냉각(15; 95; 145)을 위한 회로(16; 96; 146, 147)는 배터리(1)의 하우징(4; 84; 124)과 또 다른 구성요소(6, 7; 86, 87; 126, 127, 129, 130) 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 온도조절/기체 냉각(15; 95; 145)을 위한 회로(16; 96; 146, 147)에 적어도 하나의 팬(18; 98; 148)이 배치되며, 상기 팬은 기체 온도조절/기체 냉각(15; 95; 145)을 위한 회로(16; 96; 146, 147)에서 기체 매체를 순환시키거나 흐르게하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체뿐만 아니라 액체도 흐르는 적어도 하나의 냉각/온도조절 장치(20; 100; 105; 109; 150)가 기체 온도조절/기체 냉각(15; 95; 145)을 위한 회로(16; 96; 146, 147)에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  6. 제5항에 있어서, 냉각/온도조절 장치(20; 100; 105; 109; 150)는 액체 덕트 및 기체 덕트(25; 35; 45; 55; 65; 75)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  7. 제5항에 있어서, 냉각/온도조절 장치(20; 100; 105; 109; 150)는 기체 덕트(25)와 액체 덕트 중 어느 하나 또는 두 덕트 모두를 구비한 적어도 하나의 플레이트(21, 22; 101, 102, 103; 106, 107; 151, 152, 153)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  8. 제5항에 있어서, 냉각/온도조절 장치는, 액체 덕트를 구비한 적어도 하나의 플레이트(22; 102, 103; 107) 및 기체 덕트(25)를 구비한 적어도 하나의 플레이트(21; 101; 106)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  9. 제5항에 있어서, 배터리 셀(5; 85, 88; 125, 128)은 냉각/온도조절 장치(20; 100)에 접하거나, 그 위에 또는 그 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배터리 셀은 두 개의 냉각/온도조절 장치들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배터리 셀과 냉각/온도조절 장치(들) 중 어느 하나 또는 이들 모두는 수평으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배터리 셀과 냉각/온도조절 장치(들) 중 어느 하나 또는 이들 모두는 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  13. 제1항 또는 제2항에 따른 배터리(1; 81; 121)를 구비한 자동차.
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