KR20130065599A - 전기화학적 전압원용 온도 제어 시스템 - Google Patents

전기화학적 전압원용 온도 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학적 전압원(1)용 온도 제어 시스템(3)에 관한 것이다.
상기 온도 제어 시스템(3)은 전기화학적 전압원(1)의 온도를 제어하기 위해 유체(5)를 이동시키는 유체 이동 장치(44)를 포함하고 있다.

Description

전기화학적 전압원용 온도 제어 시스템{TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR AN ELECTROCHEMICAL VOLTAGE SOURCE}
본 발명은 전기화학적 전압원용 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
상기와 같은 전기화학적 전압원의 효율적인 사용을 위해서는, 온도가 특정 온도값을 초과하거나 특정 온도값을 미달하지 않는 것이 유리하다. 이것은, 일반적으로, 저온에서는 성능이 나빠지기 때문이다. 한편, 온도가 지나치게 높으면, 전기화학적 전압원이나 그 주변 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있다.
배터리를 단열시키거나 시트형 가열 요소(sheet-like heating element)를 이용하여 배터리를 가열시키는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 정밀하고 균일한 온도 제어를 달성하는 것은 매우 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 청구항 1의 특징을 가지는 기술적 개념을 제안한다. 다른 바람직한 실시예는 다른 청구항 및 아래의 설명으로부터 도출될 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 전기화학적 전압원용 온도 제어 시스템으로서, 상기 전기화학적 전압원의 온도를 제어하기 위해 유체를 이동시키는 유체 이동 장치를 포함하는 온도 제어 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 유체 이동 장치는 온도 제어를 위해 유체를 전기화학적 전압원으로 공급하는 이송 수단에 결합되어 있으며, 또한 상기 전기화학적 전압원의 온도 제어 후에 상기 유체를 배출시키는 복귀 수단에도 결합되어 있다.
바람직하게는, 상기 온도 제어 시스템이 적어도 하나의 온도 제어 기능을 수행하기 위해 개별 전지 대신에 상기 전기화학적 전압원 내에 배치된 적어도 하나의 온도 제어 모듈을 포함하고 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 온도 제어 시스템을 적어도 하나 포함하고 있는 전압원이 제공된다.
바람직하게는, 상기 전압원은 적어도 하나의 폐쇄 유체 회로 시스템을 포함하고 있으며, 상기 유체 회로 시스템의 구성요소들은 전부가 상기 전압원의 내부에 있거나 상기 전압원에 바로 인접해 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 온도 제어 시스템 또는 상기 전압원을 구비하고 있는 차량이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, a) 유체 이동 장치(44)에 의해 유체 유동을 발생시키는 단계와 b) 온도가 제어된 유체(5)를 상기 전기화학적 전압원(1)으로 안내함과 동시에 상기 전기화학적 전압원(1)으로부터 용도가 폐기된 유체(5)를 배출시키는 단계를 포함하는 전기화학적 전압원의 온도 제어 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 방법이, c) 상기 유체 유동으로부터 열을 배출하거나 상기 유체 유동으로 열을 공급하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법이, d) 상기 전기화학적 전압원의 둘레 내부에만 배치되거나 또는 상기 전기화학적 전압원의 둘레에 근접하게 배치된 하나 이상의 폐쇄 회로에서 유체를 이동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 상세한 내용은 아래의 설명과 청구항에 기술되어 있다. 이러한 설명은 본 발명을 이해하기 쉽게 하기 위한 것이다. 그러나, 이러한 설명은 단지 예시적인 것이다. 독립 청구항에 의해서 한정된 본 발명의 영역 내에서, 기술된 특징들 중의 어느 하나 또는 몇 개가 생략되거나, 변형되거나, 보충될 수 있다는 것은 두 말 할 필요도 없다. 물론, 서로 다른 실시예들의 특징들이 임의의 방식으로 조합될 수도 있다.
중요한 사실은 본 발명의 개념이 본질적으로 실행된다는 것이다. 어떤 특징이 적어도 부분적으로 실행될 수 있다면, 이는 상기 특징이 완전하게 또는 본질적으로 완전하게 실행되는 것을 포함한다. 여기에서, "본질적으로" 라는 표현은, 특히, 실행에 의해 원하는 효과를 인식할 수 있을 정도로 달성할 수 있는 것을 의미한다. 이것은, 각각의 특징이 적어도 50%, 90%, 95% 또는 99%까지 실행되는 것을 의미할 수 있다. 최소량이 명시되어 있다면, 그보다 많은 양의 실행이 배제되지 않는다는 것은 두 말 할 필요도 없다. 구성요소의 갯수가 적어도 하나라고 명시되어 있으면, 이것은, 두 개, 세 개 또는 임의의 다른 복수 개의 구성요소를 가진 실시예도 포함하는 것이다. 하나의 대상에 대해서 명시되어 있는 것은 무엇이든지, 모든 다른 대등한 대상의 대부분 또는 그 전체에 대해 사용될 수 있다. 달리 명시되어 있지 않으면, 일정 범위는 그 시점과 종점을 포함한다.
아래에서는, 도면을 참조하여 설명이 이루어진다.
도 1은 전기화학적 전압원을 가진 차량의 측면 부분 절개도이다.
도 2는 온도 제어 시스템을 가진 전기화학적 전압원의 상부에서 본 사시도로서, 전기화학적 전압원의 커버가 제거되어 있으며 개별 전지(individual cell)들 중의 몇 개가 제거되어 있는 상태로 도시되어 있다.
도 2a는 부분적으로 개방되어 있는, 도 2의 온도 제어 시스템의 유동 시스템의 상부에서 본 사시도이다.
도 3a는 부분적으로 개방되어 있는, 내부에 배치된 일정한 크기의 개별 전지와 온도 제어 요소를 가진 하우징 내의 온도 제어 모듈의 사시도이다.
도 3b는 개별 전지의 형태로 공통 하우징 내에 수용되어 있으며, 비어있는 인접한 제2 개별 전지의 형태로 된 상류 공기 도관을 가진, 두 개의 온도 제어 요소를 가진 온도 제어 모듈의 제2 실시예를 나타내고 있다.
도 4는 일단의 개별 전지를 가지고 있으며, 이 개별 전지들 중의 몇 개는 도 3a 및 도 3b에 따른 온도 제어 모듈과 교체되어 있는 상태의 도 2의 전기화학적 전압원의 평면도이다.
본 발명은, 특히, 도 1에 따른 차량(200)용 전압원으로 사용될 수 있다. 차량은, 예를 들면, 자동차, 선박 및 자동식 운송수단과 같이 도로, 수상, 레일 및 공중으로 사람이나 짐을 운반하는 임의의 시스템을 포함한다.
도 1, 도 2 및 도 4에 따른 전기화학적 전압원(1)은 전기 부하(electrical load)로 전류를 공급한다. 상기 전기 부하는, 특히, 전기 구동 모터, 전기 기동기 또는 비상 동력 발전기가 될 수 있다. 전기화학적 전압원의 예는 배터리, 어큐뮬레이터(accumulator), 연료 전지 또는 유사한 전기화학적 에너지 저장 시스템이다. 이러한 유형의 전압원은, 예를 들면, 원통형, 또는 본 경우에 있어서의 직육면체 형상과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다.
전기화학적 전압원(1)은 전압을 발생시키기 위해 적어도 하나의 개별 전지(6)를 포함하고 있다. 바람직하게는 복수의 개별 전지가 설치되어 있다. 전지를 직렬로 전기적으로 연결시킴으로써 이용가능한 전체 전압이 증가될 수 있다. 개별 전지는 바람직하게는 직육면체이고 하나 이상의 열(16)을 이루어 인접하게 배치되어 있다. 바람직하게는 개별 전지와 개별 전지 사이, 특히, 전지에 의해 형성된 열(16)과 열(16) 사이에 공극(60)이 형성되어 있다.
바람직하게는, 전기화학적 전압원(1)이 하우징(2)을 구비하고 있다. 하우징은 전압이 예기치 않게 주변 환경으로 가해지는 것을 방지하고 개별 전지를 습기와 오염물질로부터 보호하기 위해서 하나 이상의 개별 전지(6)를 둘러싸는 수단이다. 바람직하게는, 하우징을 개방하는 비파괴적인 방법이 있다. 이러한 목적을 위해서, 커버(도 2 및 도 4에서는 제거되어 있음)를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 하우징(2)이 작동시에 밀폐되게 밀봉되어 있다. 그러나, 작동 유형에 따라, 적절하게 온도가 제어된 공기를 가진 유체 유동이 하우징(2)속으로 유입될 수 있고 배기 공기(exhaust air)가 제거될 수 있다. 하우징은 바람직하게는 플라스틱, 특히, 섬유 강화 합성 수지(fiber-reinforced synthetic resin)로 만들어져 있다.
전기화학적 전압원(1)은 적어도 하나의 온도 제어 시스템(3)을 포함하고 있다. 이 온도 제어 시스템의 목적은 전기화학적 전압원의 온도를 증가, 감소 또는 유지시키거나, 전기화학적 전압원 내의 온도를 균일하게 하는 것이다. 이러한 목적을 위해서, 온도 제어 시스템은 바람직하게는 열을 전기화학적 전압원으로 유입시키거나, 열을 전기화학적 전압원 외부로 전달하거나 열을 전기화학적 전압원 내부에 분포시킨다. 따라서 온도 제어 시스템(3)은 가열 수단(43), 냉각 수단(47), 통류 수단(flow-through means)(4), 또는 다른 템퍼링 요소(tempering component)(75)를 포함하거나, 가열 수단(43), 냉각 수단(47), 통류 수단(4), 또는 다른 템퍼링 요소(75)로 형성될 수 있다. 리던던시(redundancy)을 통하여 작동 안전성을 증가시키기 위해서 또는 장치의 복잡성을 단순화하기 위해서, 전압원 내에 몇 개의 온도 제어 시스템(3)를 바람직하게는 서로 점대칭 위치 또는 축대칭 위치에 배치시킬 수도 있다.
바람직하게는 전기화학적 전압원(1)은, 유체(5), 또는 유체가 통과하는 공간이 소정의 간격으로 적어도 설치되어 있도록 형성되어 있다. 상기 유체(5)는 바람직하게는 공기이다. 수성(water-based) 물질 또는 냉동기의 냉매도 가능하다.
바람직하게는, 온도 제어 시스템(3)이 적어도 하나의 통류 수단(4)을 포함하고 있다. 본 경우에 있어서, 통류 수단은, 전기화학적 전압원의 근처 또는 전기화학적 전압원의 내부에 있는 특정 표면 또는 공간 구역에서 유체(5)의 조성 또는 유체(5)의 유동을 변경시키는데 특별히 사용되는 수단을 지칭한다. 통류 수단(4)의 적어도 몇 부분은 개별 전지(6)에 근접하게, 예를 들면 개별 전지(6)와 하우징(2) 사이의 경계면을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 통류 수단(4)이 개별 전지와 개별 전지의 사이에 공극(60)을 포함하고 있다.
바람직하게는, 통류 수단(4)이 적어도 하나의 유체 안내 수단(5)을 구비하고 있다. 본 명세서에서 유체 안내 수단은, 특히, 온도가 제어될 구역과 유체 이동 장치 사이의 적어도 하나의 방향으로 또는 온도가 제어될 구역을 따라서, 전기화학적 전압원의 내부 또는 외부의 구역으로부터 유체 이동 장치로 또는 그 반대로 공기를 보내는 수단을 지칭한다. 유체 안내 수단은, 예를 들면, 튜브, 경질 플라스틱으로 만들어진 도관, 전기화학적 전압원 하우징의 벽에 있는 기다란 캐버티 또는 가요성 및/또는 탄성의 외피(sheathing)를 포함하고 있고, 유체 안내 수단의 유동 단면은 기계적인 부하를 받고 있는 경우에도 유체 유동을 위해 적어도 부분적으로 개방된 상태를 유지한다. 이러한 목적을 위해서, 적절한 붕괴 방지 수단(62)이 제공되어 있는 것이 바람직하다. 적절한 붕괴 방지 수단의 예는, 외피 내에 있는 망형 프로파일(web-like profile) 또는 스터드(stud), 또는 도 2a에 도시되어 있는 것과 같은, 경질 플라스틱으로 된 직렬 연결식 관절형 도관 부분이다.
바람직하게는 전기화학적 전압원이 몇 개의 유체 안내 수단을 포함하고 있다. 몇 개의 유체 안내 수단 중의 하나 이상은, 예를 들면, 개별 전지의 크기에 맞추어진 도관 요소로 형성되어 있다. 도관은, 예를 들면, 개별 전지와 동일한 크기를 가질 수 있다. 그러나, 도관은 내부에 배치된 유체 이동 장치(44)에 의해 단지 부분적으로 채워진 개별 전지의 구역을 포함할 수도 있다.
바람직하게는, 유체 안내 수단(45)이 하나 이상의 통로 구멍(46)을 포함하고 있다. 상기 통로 구멍은, 유체 이동 장치로부터의 거리가 증가함에 따라 커지는 것 및/또는 갯수가 더 많아지는 것이 바람직하다. 이러한 방식에 의해, 유체 안내 수단으로부터의 거리가 증가함에 따라 유체 압력이 감소하더라도, 유체 안내 수단(45)의 전체 길이에 걸친 균일한 공기 유동이 보장될 수 있다.
바람직하게는, 통로 개구가 개별 전지(6)들 사이의 공극(60)과 적어도 부분적으로 일직선으로 위치되도록 배치되어 있다. 이러한 방식에 의해, 유체(5)가 전기화학적 전압원(1)의 내부로 효율적으로 전달될 수 있거나 유체(5)가 전기화학적 전압원의 내부로부터 배출될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 통류 수단(4)이 전기화학적 전압원(1)의 온도 제어를 위해 적어도 하나의 유체 이동 장치(44)를 포함하고 있다. 유체 이동 장치는, 전기화학적 전압원 내의 한 장소로부터 전기화학적 전압원 내의 다른 장소로 유체를 이동시키기 위해서 유체에 운동 에너지를 부여하거나, 전기화학적 전압원의 내부와 전기화학적 전압원의 주변 환경 사이에서 유체를 교환하는데 사용되는 장치이다. 바람직하게는, 유체 이동 장치가 블레이드 휠, 특히 팬(fan), 바람직하게는 레이디얼 팬을 가진 유동 기계를 포함하고 있다. 액체의 경우에는, 반경방향으로 배출하는 블레이드 휠을 가진 유동 기계가 특히 적합하다.
유체 이동 장치(44)는, 온도 제어 모듈을 형성하기 위해 하나 이상의 유체 이동 장치(44)를 개별 전지의 하우징에 끼워맞춤할 수 있도록 하기 위해, 또는 하우징(2)의 벽이나 하우징(2)의 벽내에 공간을 적게 차지하게 배치되도록 편평한 형태를 가지고 있는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 유체 이동 장치의 구조적 높이는 대략 하우징(2)의 벽 두께의 한 배 내지 다섯 배이고, 바람직하게는 기껏해야 하우징(2)의 벽 두께의 두 배이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 유체 이동 장치(44)가 직육면체 또는 원통형 전압원의 단부면(end face)에 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해 전기화학적 전압원이 단지 짧은 거리를 둔 상태에서 모든 면으로부터 온도가 제어될 수 있게 된다. 본 경우에 있어서, 유체 이동 장치는 하우징(2)에 부착되거나 하우징(2)에 일체로 되는 것이 바람직하다. 대체 형태로서 또는 부가적으로, 적어도 하나의 유체 이동 장치(44)가, 예를 들면, 개별 전지에 대해 제공된 공간 내의 플러그 접속식 구성요소(plug-in component)로서 전기화학적 전압원의 내부에 배치될 수 있다.
유체 이동 장치는 무게를 작게 유지하기 위해서, 적어도 부분적으로, 플라스틱으로 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, 열적 안정성을 증가시키기 위해서, 유체 이동 장치가 적어도 부분적으로 금속으로 제조되는 것이 유리할 수 있다. 이것은, 특히, 블레이드 휠(blade wheel)과 하우징에 해당된다.
유체 이동 장치(44)가 블레이드 휠을 포함하는 경우, 이 블레이드 휠은 바람직하게는 배터리의 회전축들 중의 하나에 대해 수직인 회전면에 배치되어야 한다. 특히 바람직한 것은 전기화학적 전압원의 길이방향의 축에 수직인 회전면이다. 따라서, 축방향으로 배출하는 유동 기계에서는, 유체가 실질적으로 측면방향으로 벗어나지 않고서 분배될 수 있다. 유체가 적어도 부분적으로 반경방향으로 배출되는유동 기계의 경우에는, 전기화학적 전압원과 전기화학적 전압원의 각각의 개별 전지 둘레를 완전히 둘러싸는 균일한 분배가 쉽게 달성될 수 있다.
유체 이동 장치(44)가 개별 전지 대신에 전기화학적 전압원 내부에 배치된다면, 유체 이동 장치의 회전축이 개별 전지의 베이스에 대해 수직인 것이 바람직하다. 이러한 방식에 의해, 전지의 크기 내에서 가능한 가장 큰 블레이드 휠 직경이 만들어질 수 있다.
소수의 구성요소를 가진 구조는 전압원당 단 하나의 유체 이동 장치(44)를 필요로 하는 것이 적합하다. 그러나, 유동 거리와 유동 저항을 감소시키기 위해서, 하나의 전압원에 여러 개의 유체 이동 장치를 제공하는 것이 유리할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 유체 이동 장치(44)가 적어도 두 개의 유체 안내 수단(45)과 결합되어 있고, 바람직하게는 상기 적어도 두 개의 유체 안내 수단(45) 중의 하나는 유체 이동 장치(44)의 유입측에 다른 하나는 유체 이동 장치(44)의 유출측에 연결되어 있다. 이러한 방식에 의해, 유체 이동 장치(44)가 넓은 구역으로부터 공기를 유입하여 유입 공기를 다시 넓은 구역에 걸쳐 있는 다른 장소에 분배할 수 있다. 유체 이동 장치(44)는 두 개의 유체 안내 수단(45)과 함께 제1 유동 시스템(41)을 형성한다. 따라서 유체 이동 장치(44)는 온도 제어용 유체(5)를 전기화학적 전압원(1)으로 운반하기 위해 유입 수단(51, 51')과 결합되어 있고 전압원(1)의 온도 제어 후에 유체(5)를 배출시키기 위해 복귀 수단(52, 52')과 결합되어 있다.
이러한 유형의 몇 개의 유동 시스템이 하나의 전압원 내에 배치될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 몇 개의 유동 시스템이 전기화학적 전압원의 베이스에 평행하게, 그리고 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, 하우징(2)과 개별 전지(6) 사이에 위로 평행하게 겹쳐서 배치되어 있다. 이러한 방식에 의해, 전기화학적 전압원(1)의 개별 전지(6)의 블록과 하우징(2) 사이의 공간에서 효율적인 유동이 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, 적어도 두 개의 유체 안내 수단(45)이 유체 이동 장치(44)의 적어도 하나의 유입측에 배치되어 있고, 적어도 두 개의 유체 안내 수단(45)이 유체 이동 장치(44)의 유출측에 제공되어 있다. 이것은, 공통 연결 구역이 존재하는지 여부에 관계없이, 전달된 유체 유동이 분리되거나 결합되는 적어도 하나의 분기점(branch)이 제공되어 있다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 유체 안내 수단은, 상기 유체 안내 수단이 유출측과 유입측에 교대로 연결되도록 배치되어 있다. 이것은 전기화학적 전압원의 내부나 전기화학적 전압원의 둘레에 있는 장치에 적용된다. 이러한 방식에 의해, 예를 들면, 대각선방향으로 교차하는 유체 유동을 발생시킴으로써 균일하고 일정한 혼합이 이루어질 수 있다. 이러한 유형의 시스템은 상기한 두 개의 유동 시스템을 통합시키는데, 이러한 경우에 있어서 하나의 유체 이동 장치가 단 하나의 팬을 사용하여 적어도 하나의 다른 유체 이동 장치의 과업을 수행한다.
바람직하게는, 온도 제어 시스템이 적어도 하나의 가열 수단(43)을 포함하고 있다. 가장 간단한 경우에는, 가열 수단이 열원이다. 바람직하게는, 가열 수단이 통류 수단과 결합되어 있다. 열원은 저항 히터(resistive heater), 펠티에 소자(Peltier element)의 고온측, 팬 히터 또는 전기화학적 전압원(1)의 외부로부터 공급된 고온 공기 유동이 될 수 있다. 가열 수단은, 예를 들면, 팬 히터의 PTC 가열 모듈로서, 유체 이동 장치(44)를 중심으로 양쪽에 배치될 수 있다. 그러나, 가열 수단은, 예를 들면, 도 2a에 도시되어 있는 것과 같이 유체 안내 수단 둘레에 나선형으로 감겨있는 가열 와이어(heating wire)의 형태로 유체 안내 수단(45) 내에 또는 유체 안내 수단(45)을 따라서 배치될 수도 있다. 유체 안내 수단이 적어도 단속적으로 유체를 전기화학적 전압원(1)으로 공급해야 한다면, 바람직하게는, 가열 수단이 유체 안내 수단 내에만 배치되어 있다.
바람직하게는, 온도 제어 시스템(3)이 적어도 하나의 냉각 수단(47)을 포함하고 있다. 가장 간단한 경우에는, 냉각 수단이 히트 싱크(heat sink)이다. 그러나, 바람직하게는 냉각 수단이 통류 수단과 결합되어 있다. 냉각 수단은, 예를 들면, 펠티에 소자의 저온측, 압축기의 팽창 공기, 또는 열파이프의 열 흡수 단부가 될 수 있다.
바람직하게는, 전기화학적 전압원의 하우징이 적어도 하나의 열통로 수단(90)을 포함하고 있다. 열통로 수단은 전기화학적 전압원의 내부와 전기화학적 전압원의 주위환경 사이에서, 전기화학적 전압원(1)의 하우징의 임의의 다른 구역에서 가능한 것보다 더 쉽게 열에너지의 이동을 가능하게 하는 수단이다. 가장 간단한 경우의 열통로 수단은, 전기화학적 전압원과 전기화학적 전압원의 주위환경 사이에서 예를 들면 팬에 의해 공기가 교환될 수 있는 하나 이상의 통로가 될 수 있다. 그러나, 특히, 완전히 밀폐되게 밀봉되어야 하는 전압원의 하우징의 경우에는, 이 하우징의 벽을 통하여 열에너지의 전달을 가능하게 하기 위해서, 열전도 플레이트, 열교환기, 열파이프, 펠티에 소자 등이 전압원의 하우징의 내부나 하우징상에 설치될 수 있다. 하우징 벽의 일부는 상기한 요소들 중의 하나와 교체될 수도 있다. 열통로 수단이 하나 이상의 펠티에 소자를 포함하고 있으면, 상황에 따라 열 유동의 방향을 조정할 수 있다. 전기화학적 전압원이 가열되도록 되어 있으면, 펠티에 소자의 저온측이 주위환경과 대면하여 주위환경에 의해 데워지도록 펠티에 소자에 전압이 가해진다. 전기화학적 전압원으로 공급될 유체 유동은 펠티에 소자의 고온측을 통과하도록 보내진다. 전기화학적 전압원이 냉각되도록 되어 있으면, 펠티에 소자의 저온측이 전기화학적 전압원의 내부를 냉각시키고, 펠티에 소자의 고온측의 열은 복사, 전도 또는 예를 들면, 열교환기에 의해 전기화학적 전압원의 주위환경으로 소멸되도록 상기 펠티에 소자가 전환된다. 팽창하는 공기의 온도는 크게 하강하기 때문에, 하우징(2)에 개구를 제공한 상태나 제공하지 않은 상태로 압축기에서 나오는 압축 공기를 이용하여 열을 소멸시키는 것을 생각할 수도 있다.
바람직하게는, 온도 제어 시스템(3)이 적어도 하나의 온도 제어 모듈(70)을 포함하고 있다. 온도 제어 모듈(70)은 하나 이상의 개별 전지(6) 대신에 전기화학적 전압원(1)내에 배치된 적어도 하나의 온도 제어 기능을 가진 모듈이다. 따라서, 전기화학적 전압원(1)의 하우징에 대한 변경이 필요하지 않다. 부가적으로, 개별 전지(6)에 대해 제공된 전기 접속부는 온도 제어 모듈에 전력을 공급하는데 사용될 수 있고 단지 상이한 회로에 연결되기만 하면 된다. 수리시에 교체도 용이하게 이루어진다. 공기와 전력의 가장 효율적인 분배를 달성하기 위해서는, 코너에, 바람직하게는, 대향하는 코너에 배치되어 있거나, 전체적인 전지 배치상태에 대해 중심에 배치되어 있는 모듈 슬롯이 이러한 목적을 위해서 선택되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 온도 제어 모듈은, 공기 유동이 전기화학적 전압원(1)의 하우징 벽을 따라서 순환하거나, 부분적인 공기 유동이 개별 전지(6) 둘레로 순환하도록 장착되어 있다.
온도 제어 모듈(70)은 바람직하게는 개별 전지와 동일한 방식으로 전기화학적 전압원에 삽입될 수 있도록 플러그 접속식 모듈(plug-in module)의 하우징에 일체화되어 있다.
온도 제어 모듈(70)은 하나, 두 개 또는 그 이상의 유체 이동 장치를 구비할 수 있다. 상기 유체 이동 장치는, 특히, 액시얼 팬 및/또는 레이디얼 팬이 될 수 있다. 유출 방향에서는, 개별 전지의 외측 크기를 가진 가열 모듈이 바람직하게는 유체 이동 장치의 유출 방향과 일렬로 배열되어 있다. 상기 가열 모듈은 하나 이상의 저항 히터, 특히, 예를 들면, 펠티에 소자와 같은 PTC 가열 소자, 또는 냉각 요소가 될 수 있다. 이러한 가열 모듈(72)은 바람직하게는 공기 이동 모듈과 대면하고 있는 쪽에는 적어도 하나의 공기 유입 개구를 그리고 반대쪽에는 적어도 하나의 공기 유출 개구를 구비하고 있다.
온도 제어 모듈(70)이 전기화학적 전압원(1)의 양쪽에 배치되도록 규정될 수 있다. 누적효과(cumulative effect)를 달성하기 위해서 상기 온도 제어 모듈(70)이 일정하게 작동되도록, 다시 말해서, 양쪽의 온도 제어 모듈이 공기를 내뿜거나 공기를 배출시키도록 규정될 수 있다. 전체 시스템의 효율성을 증가시키기 위해서, 상기 온도 제어 모듈(70)이, 예를 들면, 공기를 전기화학적 전압원 속으로나 개별 전지들 사이로 불어넣고 유입된 공기를 다른 장소로 배출시키는 것과 같이, 적어도 일시적으로 상이한 방식으로 작동되도록 규정될 수도 있다.
따라서, 유체(5)는 폐쇄 유체 회로 시스템 내의 하나 이상의 폐쇄 회로로 전기화학적 전압원(1)의 내부를 순환한다. 유체 회로 시스템의 구성 부분, 다시 말해서, 유체 및 유체 회로 시스템의 벽은, 전적으로 전기화학적 전압원 내에 배치되거나 전기화학적 전압원에 직접 배치되고, 바람직하게는 하우징 벽의 외측이나 내측을 따라서 또는 하우징의 벽 내에 배치된다.
본 실시예에서는, 온도 제어 시스템이 전기화학적 전압원의 수직 벽에만 설치되어 있다. 그러나, 부가적으로 또는 대체 실시형태로서, 상응하는 온도 제어 시스템 또는 온도 제어 요소를 전기화학적 전압원의 하부 또는 상부에 설치할 수도 있다. 예를 들면, 하부 플레이트 또는 상부 플레이트 근처와 하부 플레이트 또는 상부 플레이트를 따라서 공기 유동을 발생시키기 위해서, 온도 제어 시스템에 부가하여 또는 온도 제어 시스템에 대한 대체 형태로서 온도 제어 모듈이 선택적으로 전기화학적 전압원 내에 설치되거나 전기화학적 전압원 내에서 작동될 수도 있다.
본 발명에 따른 온도 제어 시스템은 다양한 작동 모드로 작동될 수 있다.
제1 작동 모드에서는 , 제1 작동 단계에서, 하우징 벽의 구역에서 복귀 수단(52, 52')으로 작동하는 유체 안내 수단(45)에 의해 유체가 흡입 지점(54, 54')에서 흡입된다. 유체는 바람직하지 않게 온도가 제어된 유체(5)를 개별 전지(6)들 사이의 공극(60)으로부터 개별 전지로부터 멀어지게 운반한다. 이러한 방식으로, 예를 들면, 바람직하지 않은 열에너지가 전기화학적 전압원의 내부로부터 효율적으로 제거될 수 있다. 그 다음에 유체(5)는 상기 복귀 수단을 통과하여 유체 이동 장치(44)로 유동한다. 유체 이동 장치(44)로부터, 유체는 이송 수단으로 작동하는 유체 안내 수단(45)으로 이송되고, 이송 지점(53, 53')을 통하여 전기화학적 전압원의 내부로 다시 공급된다. 상기 이송 지점은 상기 흡입 지점으로부터 이격되어 있는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 흡입 지점과 상기 이송 지점은 전기화학적 전압원의 서로 다른 쪽에, 바람직하게는 전기화학적 전압원의 양 측면에 배치되어 있다. 따라서 제1 방향으로의 유체 유동은 상기 흡입 지점과 상기 이송 지점의 사이에서 발생된다.
제2 작동 단계에서는, 유동 방향이 역전된다. 다시 말해서, 이송 수단이 흡입 수단으로 되고 원래의 흡입 수단이 이송 수단으로 된다. 결과적으로, 전기화학적 전압원 내부의 유체 유동이 원래의 제1 유동 방향과 반대 방향으로 유동한다.
이러한 두 개의 작동 상태를 교대로 전환시키는 것은 전기화학적 전압원의 내부의 균일한 온도 분포를 보장한다. 각각의 작동 단계에 필요한 적절한 시간은 전기화학적 전압원의 크기에 좌우된다. 일반적인 자동차 시동장치 배터리와 전기 자동차용 배터리의 경우에 있어서, 각각의 작동 단계에 필요한 적절한 시간은 바람직하게는 5분 내지 15분이다.
전기화학적 전압원의 내부 온도가 하강하도록 되어 있을 뿐만 아니라 균일하게 되도록 되어 있을 경우에는, 냉각 수단(47)이 통류 수단(4)에 부가적으로 연결될 수 있다. 이 냉각 수단은 유체(5)로부터 열을 추출하여 열전도 플레이트, 열교환기, 열전도 파이프 또는 펠티에 소자에 의해 열을 배터리 하우징을 통하여 외부로 전달한다.
전기화학적 전압원(1)의 온도가 증가하도록 되어 있을 경우에는, 통류 수단(4)를 통하여 유동하는 유체(5)를 가열시키는 가열 수단(43)이 부가적으로 연결될 수 있다. 이러한 가열 수단에 의하면, 전기화학적 전압원의 내부로의 열의 유입 및 균일한 분배가, 외부로부터 상기 하우징을 단지 가열시키는 것에 의해서 수행될 수 있는 것보다 훨씬 더 효율적으로 수행될 수 있다.
제2 작동 모드에서는, 상기한 바와 같이, 제1 작동 모드에서의 이송 수단을 통하여 유체가 전기화학적 전압원으로 공급되고, 복귀 수단에 의해 유체 이동 장치로 되돌아 오도록 운반된다. 바람직하게는, 제1 작동 단계에서, 전기화학적 전압원의 적어도 두 개의 축방향으로의 방향 성분, 바람직하게는 전기화학적 전압원의 제1 가장자리로부터 대각선방향으로 대향하는 전기화학적 전압원의 제2 가장자리로의 방향 성분을 가지는 상태에서, 유체 유동이 전기화학적 전압원을 통과하여, 특히 개별 전지들 사이에서 발생되는 방식으로 흡입 지점과 이송 지점이 선택된다.
제2 작동 단계에서는, 이송 수단 또는 복귀 수단에서 유동이 역전되지 않는다. 대신에, 상기 두 수단이 작동 중단되고 제2 이송 수단 및 제2 복귀 수단을 가진 제2 유동 시스템이 작동된다. 이러한 방식으로, 제1 유체 유동과 방향, 공간적인 상태 및 분포 상태가 다른 유체 유동이 전기화학적 전압원의 내부에 발생된다. 이것은 전기화학적 전압원 내부에 균일한 온도 분포를 촉진한다.
도 2에 따른 배치상태에서의 제2 작동 단계에서는, 위 아래로 겹쳐진 평행한 배치상태의 두 개의 별개의 유동 시스템이 개별 전지의 배치 평면에 평행한 본질적으로 평면이지만, 상이한 높이에 있는 두 개의 유체 유동을 초래한다.
도 2에 따른 배치상태에서, 작동중인 흡입 수단과 이송 수단은 서로에 대해 다른 높이에 배치되어 있다. 이러한 수단에 의해, 바닥부에 대해 평행하지 않은 유체 유동이 제1 작동 단계에서 이미 발생되었다. 제2 작동 단계에서는, 전기화학적 전압원에서 발생되는 제2 유체 유동이 제1 작동 단계의 유체 유동에 대해 경사져 있다. 따라서, 대응하는 오프셋된(offset) 대각선 가장자리에 이송 개구와 흡입 개구를 바람직하게 위치결정하는 것에 의해서 제1 유체 유동의 유동 방향이 교차된다.
대체 실시형태로서 또는 부가적으로, 다른 작동 상태에서, 온도 제어 모듈(70)이 부가적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 개별 전지들 사이의 유체 순환이 촉진된다.
전기화학적 전압원의 온도 제어에 대해 다음과 같은 장점이 있다:
a) 유체 이동 장치(44)에 의해 유체 유동을 발생시키는 것.
b) 온도가 제어된 유체(5)를 전기화학적 전압원(1)으로 안내함과 동시에 전기화학적 전압원(1)으로부터 폐기 유체를 배출시키는 것.
c) 유체 유동으로부터 열을 배출하거나 유체 유동으로 열을 공급하는 것.
d) 전기화학적 전압원(1)의 둘레 내부에만 배치되거나 또는 상기 전기화학적 전압원(1)의 둘레에 근접하게 배치된 하나 이상의 폐쇄 회로에서 유체(5)를 이동시키는 것.
유체 이동 장치가 개별 전지(6)의 배치 평면과 동일한 높이에 배치되고 또한 유체 이동 장치가, 적어도 부분적으로, 에너지 저장 전지의 배치 평면에 평행한 유체를 흡입 또는 배출하도록 규정될 수 있다. 그러나, 온도 제어 시스템 또는 요소가 개별 전지의 평면 외측에 배치되고 또한 온도 제어 시스템 또는 요소가 상기 평면에 수직인 열 및/또는 유체 유동을 유입 또는 배출시키도록 규정될 수도 있다. 이로 인해 유체 유동이 모든 개별 전지에 동시에 신속하게 공급될 수 있다.
상기 배치 평면에 수직인 개별 전지들 사이의 유체 유동을 발생시켜서, 이 유체 유동을 평면 내에서 에너지 저장 전지와 하우징 벽 사이로 향하게 하여 하부 또는 상부와 평행하게 유동하게 하고, 그 다음에 이 유체 유동을 수직의 하우징 벽을 통하여 반대 방향으로 향하게 한 다음, 다시 한번, 조절된 공기(conditioned air)를 개별 전지들 사이의 공간으로 불어넣기 위해서 상기 유체 유동을 상기 배치 평면의 양측(다시 말해서, 상부 또는 하부)에서 임의의 원하는 방식으로 조절하는 것이 유리할 수도 있다.
1 전기화학적 전압원
2 하우징
3 온도 제어 시스템
4 통류 수단
5 유체
6 개별 전지
16 열(row)
41 제1 유동 시스템
42 제2 유동 시스템
43 가열 수단
44 유체 이동 장치
45 유체 안내 수단
46 통로 구멍
47 냉각 수단
51, 51' 이송 수단
52, 52' 복귀 수단
53, 53' 이송 지점
54, 54' 흡입 지점
60 공극
62 붕괴 방지 수단
70 온도 제어 모듈
72 가열 모듈
75 온도 제어 요소
90 열통로 수단
100 전기화학적 전압원의 손잡이
200 차량

Claims (9)

  1. 전기화학적 전압원(1)용 온도 제어 시스템(3)으로서,
    상기 전압원(1)의 온도를 제어하기 위해 유체(5)를 이동시키는 유체 이동 장치(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 시스템(3).
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체 이동 장치(44)는 온도 제어를 위해 유체(5)를 전압원(1)에 공급하는 이송 수단(51, 51')에 연결되어 있으며, 상기 전압원(1)의 온도 제어 후에 상기 유체(5)를 배출시키는 복귀 수단(52, 52')에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 제어 시스템(3).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 온도 제어 시스템(3)이 적어도 하나의 온도 제어 기능을 수행하기 위해 개별 전지(6) 대신에 상기 전압원(1) 내에 배치된 적어도 하나의 온도 제어 모듈(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 시스템(3).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 온도 제어 시스템(3)을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 전압원(1).
  5. 제4항에 있어서, 상기 전압원은 적어도 하나의 폐쇄 유체 회로 시스템을 포함하고 있으며, 상기 유체 회로 시스템의 구성요소들은 전부가 상기 전압원의 내부에 있거나 상기 전압원에 바로 인접해 있는 것을 특징으로 하는 전압원(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 온도 제어 시스템(3) 또는 전압원(1)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 차량(200).
  7. 전기화학적 전압원(1)의 온도 제어 방법으로서,
    a) 유체 이동 장치(44)에 의해 유체 유동을 발생시키는 단계; 그리고
    b) 온도가 제어된 유체(5)를 상기 전압원(1)으로 안내함과 동시에 상기 전기화학적 전압원(1)으로부터 폐기 유체(5)를 배출시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 전압원(1)의 온도 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    c) 상기 유체 유동으로부터 열을 배출하거나 상기 유체 유동으로 열을 공급하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 전압원(1)의 온도 제어 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    d) 상기 전압원(1)의 둘레 내부에만 배치되거나 또는 상기 전압원(1)의 둘레에 근접하게 배치된 하나 이상의 폐쇄 회로에서 유체(5)를 이동시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 전압원(1)의 온도 제어 방법.
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