KR20140007063A - 전기 배터리를 냉각시키기 위한 시스템, 및 이러한 시스템을 포함하는 배터리 - Google Patents

전기 배터리를 냉각시키기 위한 시스템, 및 이러한 시스템을 포함하는 배터리 Download PDF

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스테판 귈라르드
미쉘 반부츠셀
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이4브이
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Abstract

본 발명은 전기 배터리에 관한 것이며, 상기 전기 배터리는 케이스(1) 및 에너지 생성 셀(2)의 집합을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 배터리는 셀들 중 적어도 일부로 형성된 적어도 하나의 종방향 배열(3, 4)을 포함하고, 실질적으로 배열의 종방향 축을 따라 압력을 가하는 압축 수단(5, 6)에 의해 상기 배열의 셀(2)은 서로 대해 고정되면서 서로에 대해 압축되고, 상기 종방향 배열(3, 4)은, 부착 부재에 의해 상기 케이스(1)로 적어도 부분적으로 부착된 압축 수단(5, 6)에 의해, 상기 케이스(1)로 부착되며, 상기 배터리는 냉각 시스템을 포함하고, 상기 냉각 시스템은, 상기 적어도 하나의 종방향 배열의 셀들을, 상기 케이스 내에 위치하거나 상기 케이스의 벽들 중 적어도 하나에 의해 형성되는 하나의 동일한 방열 표면(12, 14)으로 열적으로 연결하는 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층(8)을 포함하여, 상기 배열의 셀 각각에 의해 발생되는 열 에너지를 상기 방열 표면으로 균일하게 방출함을 보장하며, 상기 층 또는 상기 전기 절연성 및 열 전도성 층(8) 중 적어도 하나는 열 겔(thermal gel)로 구성된다.

Description

전기 배터리를 냉각시키기 위한 시스템, 및 이러한 시스템을 포함하는 배터리{SYSTEM FOR COOLING AN ELECTRICAL BATTERY, AND BATTERY INCLUDING SUCH A SYSTEM}
본 발명은 육상, 해상, 또는 공중 차량에 장착되는 전기 배터리를 냉각시키기 위한 시스템에 관한 것이다.
배출량을 감소시키기 위해, 전동 차량 제조업체는 모든 전기식 차량, 또는 둘 이상의 전기식 기계와 내연 기관의 기계의 조합인 하이브리드-전기식 차량을 추구한다. 이들 전기식 기계는 전력 배터리, 가령, 복수의 단위 셀을 포함하는 배터리 팩(battery pack)에 의해 전력을 공급받는다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리가 전기식 차량 또는 하이드리드 적용예에서 특히 널리 사용되는데, 상기 리튬-이온 베터리가 높은 비에너지(specific energy)를 갖고 이는 차량의 거리(range)를 증가시키는 데 도움이 되는 때문이다.
"단위 셀"은 양극(positive electrode)과 음극(negative electrode)이 제공된 개별 커버 내에 포함되는 하나의 전기화학적 요소로 이해되어야 한다.
"배터리 팩"은 서로 영구적으로 전기 연결된 복수의 단위 셀, 단자, 커버, 및 마킹을 포함하는 세트로 이해되어야 한다.
사용되는 상태에 따라 이들 셀은 동작 중에 온도가 상승되며, 셀을 냉각시키기 위해, 단위 셀 주변을 순환하는 공기 또는 액체 흐름을 이용하는 냉각 장치를 이들 배터리에 장착하는 것이 종래에 알려져 있다.
이러한 냉각 솔루션은 부피 측면에서 최적이 아니다. 특히, 냉각재(coolant)가 셀 주변을 순환하도록 셀들 사이에 충분한 공간을 유지할 필요가 있다. 그러나 전기식 또는 하이브리드식 차량의 제조업체는, 차량이 제공할 수 있는 다양한 기능(제동 보조장치, 전기식 조향, 등)과 연계하여 증가하는 차량내 전기 수요를 감당하기에 충분한 전력을 가지면서 더 컴팩트한 전기 배터리를 필요로 한다. 특히, 차량의 지붕이나 차대 아래에, 많은 기계 또는 전기 부재들이 존재하기 때문에, 배터리는 상당한 공간적 제약을 가진다.
이러한 유형의 냉각 솔루션이 갖는 또 다른 문제는 유체가 공간에서 고르게 순환하지 않아서, 셀의 열악한 냉각을 초래하고, 이는 결국 특정 셀의 무결성의 손실과 연계된 배터리의 오작동에 이르게 한다는 사실이다.
이 냉각 솔루션이 갖는 또 다른 문제는 모든 접촉 표면에 걸친 공기에 의한 오염과 관련된다. 덧붙여, 물이 냉각재로서 사용되는 상황에서, 회로로의 가능한 물 누출이 셀을 쉽게 손상시킬 수 있다.
따라서, 종래 기술의 냉각 장치에서 발견되는 문제점 없이, 케이스 내에 포함된 셀들의 세트로 구성된 배터리를 냉각시킬 수 있으며, 냉각 메커니즘이 셀들의 배열에 대해 최적화되어 있는 냉각 시스템을 갖는 것이 필요할 것이다.
덧붙여, 배터리는 많은 스트레스, 가령, 상당한 온도 변화, 기계적 힘, 및 다양한 원인으로 인한 외부 충격, 특히, 외부 물에 의한 것을 겪는다고 알려져 있다.
얇은 금속 벽을 갖는 각기둥 케이스 내 리튬-이온 셀은 파손되기 쉬운 요소이기 때문에, 이들 셀 중 적어도 일부의 무결성의 손실과 관련된 이러한 유형의 배터리의 오작동이 종종 관찰된다. 이러한 셀의 무결성의 손실은 특히 박스 하우징에 가해지는 외부 스트레스로 인해 초래된다.
덧붙여, 차량이 제공할 수 있는 많은 기능(제동 보조장치, 전기식 조향, 등)과 연계된 증가하는 차량내 전기 수요를 감당하기 위한 전기 모터의 전력 공급을 보장하기 위해, 배터리는 선택된 장비에 따라 더 크거나 더 작은 크기를 가지지만, 어느 경우라도, 종래의 배터리보다 크다.
그러나 차량의 지붕이나 차대 아래에 많은 기계 또는 전기 부재들이 위치하기 때문에 배터리는 상당한 공간적 제약을 가진다고 알려져 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 케이스에 내장되는 셀들의 적어도 하나의 배열을 포함하는 배터리를 냉각시키도록 설계되며, 설계 및 작동 모드가 단순하고, 경제적이며, 배터리의 부피를 상당히 감소시키면서 셀들을 효과적이고 고르게 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템을 제안하는 것이며, 이때, 이 컴팩트한 전기 배터리는 종래 기술의 배터리만큼 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 주제는 설계 및 작동 모드가 단순하고, 경제적이며, 전기 배터리가 포함하는 에너지 발생 셀의 무결성과 서비스 수명이 보존될 수 있도록 하는 전기 배터리이다.
본 발명의 또 다른 주제는 전동 차량에 의해 요구되는 용량 요건에 따라 에너지 발생 셀의 개수를 변화시킬 수 있는 전기 배터리이다.
따라서, 본 발명은 케이스 및 상기 케이스에 내장되는 에너지 발생 셀의 적어도 하나의 종방향 배열을 포함하는 전기 배터리를 냉각시키기 위한 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 시스템은,
상기 적어도 하나의 배열의 셀들을 상기 케이스에 내장된 하나의 동일한 방열 표면과 열적으로 연결하여, 각각의 셀에 의해 발생된 열 에너지를 상기 표면으로 균일하게 방출함을 보장하는 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층, 및
상기 표면을 냉각시키도록 설계된 냉각 수단
을 포함한다.
본 발명의 시스템은 단위 셀의 커버의 벽들 중 하나를 열의 전도체로서 이용하여, 열 전도성 및 전기 절연성 층을 이용해, 열이 단일 점(이 경우, 케이스에 내장된 하나의 동일한 방열 표면으로 구성됨)으로 방출되도록 한다. 이로써, 모든 셀을 균일하게 냉각시키는 것이 가능해진다. 덧붙여, 이로써, 배터리의 부피를 감소시키는 것이 가능해진다. 특히, 더 이상 냉각재를 순환시킬 충분한 공간을 남겨둘 필요가 없다.
셀로부터의 열이 배터리 케이스의 이 표면으로 균일하게 방출된다. 따라서 일반적으로 판으로 만들어진 이 표면은 냉각 수단에 의해 쉽게 냉각될 수 있다.
배터리 케이스 및 셀의 커버는 열 전도성 물질, 가령, 알루미늄으로 만들어진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 이 시스템은, 상기 배열의 셀들이 서로에 대해 압축되도록, 상기 셀에 배열의 종방향 축을 따라, 또는 실질적으로 배열의 종방향 축을 따라 압력을 가하는 압축 수단을 더 포함하며, 이 압축에 의해 셀들은 서로에 대해 열적으로 접촉하게 되어, 적어도 하나의 셀 배열이 하나의 균일한 블록을 형성할 수 있다.
이 실시예에 의해, 셀의 커버의 측벽이 참여하도록 함으로써 열의 방출을 개선하면서, 공간을 완전히 제거함으로써 셀의 규모를 추가로 감소시키는 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 압축 수단은 적어도 2개의 압축 판을 포함하고, 상기 판들 중 2개의 판은 적어도 하나의 대응하는 종방향 셀 배열의 단부에 배치된다.
바람직하게는, 상기 압축 판들 중 하나가 상기 케이스와 일체 구성된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 상기 방열 표면은, 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층을 이용해 상기 적어도 하나의 배열의 각각의 셀의 기저부와 열적으로 접촉하게 배치되는 상기 케이스의 바닥을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 배터리는 상기 케이스 내에 배치되는 단일 종방향 배열을 포함하고, 상기 방열 표면은, 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층을 이용해 셀의 측부와 열적으로 접촉하도록 배치되는 케이스의 두 측벽 중 하나를 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 열 교환의 표면적을 증가시키기 위해, 2개의 연속하는 셀 사이에 배치되는 적어도 하나의 열 전도성 중간 판을 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 판은 L자형 프로파일을 갖고, 상기 적어도 하나의 판의 두 면은 두 셀들의이웃하는 면들과 열적으로 접촉하며, 두 셀들 중 하나의 셀의 기저부와 측부는 전기 절연성 및 열 전도성 층을 이용해 상기 판의 기저부와 접촉한다.
중간 판의 추가에 의해, 대류 현상에 의한 열의 방출이 촉진되고 증가되는 것이 가능해진다. 이 판은 알루미늄 또는 흑연 또는 그 밖의 다른 임의의 열 전도성 물질로 만들어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 층(들)은 바닥의 내부 표면과 판의 기저부 상으로의 균일하고 균질한 도포를 가능하게 하는 열 겔(thermal gel)로 구성된다. 셀의 중량으로 인한 겔의 압착(squashing)으로 인해 공기가 배출된다.
바람직하게는, 상기 냉각 수단은 케이스의 바닥과 매스(mass) 사이에 적어도 하나의 연결부를 포함하여, 상기 바닥에 저장된 열 에너지를 상기 매스로 방출하기 위한 경로를 생성할 수 있다.
이를 대체하여, 또는 이에 추가하여, 상기 냉각 수단은 케이스 또는 상변경(phase-change) 유형의 냉각 장치에 가까이 설치된 유체 기반 냉각 장치를 포함한다.
예를 들어, 상변경 유형의 냉각 장치는 하나 이상의 펠티에 효과(Peletier-effect) 모듈을 포함한다.
바람직하게는, 상기 냉각 장치는 냉각재-회로 장치이다.
바람직하게는, 상기 냉각 장치는 환기 장치이다.
본 발명은 또한 케이스와 에너지 발생 셀의 세트를 포함하는 전기 배터리와 관련된다.
본 발명에 따르면,
상기 배터리는 셀들 중 적어도 일부의 셀에 의해 형성된 적어도 하나의 종방향 배열을 포함하고, 상기 배열의 셀은, 상기 셀에 배열의 종방향 축을 따라, 또는 실질적으로 종방향 축을 따라 압력을 가하는 압축 수단에 의해 서로에 대해 고정되면서 서로에 대해 압축되고,
상기 종방향 배열은 상기 압축 수단을 이용해 상기 케이스에 부착되고, 상기 압축 수단은 부착 부재에 의해 상기 케이스에 적어도 부분적으로 부착되고,
상기 배터리는 냉각 시스템을 포함하며, 상기 냉각 시스템은, 상기 적어도 하나의 종방향 배열의 셀들과, 상기 케이스에 배치된, 또는 상기 케이스의 벽들 중 적어도 하나에 의해 형성된 하나의 동일한 방열 표면을 열적으로 연결하는 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층을 포함함으로써, 상기 배열의 각각의 셀에 의해 발생되는 열 에너지를 상기 방열 표면으로 균일하게 방출함을 보장하며, 상기 층 또는 상기 전기 절연성 및 열 전도성 층 중 적어도 하나는 열 겔(thermal gel)로 구성된다.
따라서 종방향 배열의 에너지 발생 셀은 케이스에 직접 부착되지 않고, 이들은 이들 셀에 균일한 압력을 가하는 이 배열의 압축 수단을 이용해서만 제 위치로 고정되며, 이 배열의 상기 압축 수단은 배터리의 케이스에 고정된다.
이들 에너지 발생 셀은, 예를 들어, 금속 소듐 클로라이드 유형의 셀, 가령, ZEBRA(Na-NiCl2) 셀, Ni/MH 셀, 리튬 폴리머 셀, 리튬 포스페이트 셀, 또는 그 박의 다른 리튬-이온 셀이다.
바람직하게는, 이들 에너지 발생 셀은 상기 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층과 상당한 열 교환하는 표면을 제공하는 큰 기저부를 포함하는 금속성의 다각 기둥 케이스를 가진다.
덧붙여, 배터리 케이스의 벽들 중 하나, 가령, 배터리 케이스의 바닥 판에 의해 방열 표면이 형성될 때, 열 겔에 의해, 배열의 셀을 케이스의 벽에 고정하는 것이 가능하다. 이러한 고정화에 의해, 한편으로는 배터리 케이스의 벽의 간으한 표면 불균일성을 보상하고, 다른 한편으로는 종방향 배열에서 단부 판에 의해 압축된 상태로 유지된 셀의 정렬 차이를 흡수하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 본 발명의 배터리의 배열에 의해, 장착될 전기 배터리를 설치하고 취급하는 것이 더 용이해지고, 이들 배열은 종래 기술의 배터리보다 더 쉽게 조작될 수 있다. 덧붙여, 이들 배열에 의해, 셀과 측정 배선 하니스 간의 연결 시스템을 포함하는 배터리의 사전 설치가 가능해진다.
이러한 전기 배터리의 다양한 구체적 실시예에서, 각각의 전기 배터리는 특정 이점을 갖고, 다양한 가능한 기술적 조합을 할 수 있다:
- 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층을 형성하는 열 겔은 0.7　W/m.K이상의, 바람직하게는 3　W/m.K 이상의 열 전도율을 가진다.
이 열 겔은 입자 부유 실리콘 겔(particle-laden silicone gel)을 바탕으로 생성될 수 있다. 예를 들면, 열 겔은 세라믹 입자 부유 실리콘 겔이다.
- 상기 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층을 열 겔은 적어도 부분적으로 중합되거나 중합되지 않는다.
- 상기 압축 수단은, 상기 적어도 하나의 배열의 상기 셀들이 상기 방열 표면으로부터 이격되도록 구성되고, 열 겔로 형성된 상기 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층은 상기 셀과 상기 방열 표면 사이에 적어도 부분적으로 배치된다.
- 적어도 하나의 종방향 배열의 상기 셀들의 적어도 일부는 경화된 열 겔로 구성된 전기 절연성 및 열 전도성 층을 포함하고, 상기 층은 적어도 하나의 유지 요소에 의해 제위치로 유지되면서 그들 벽들 중 하나에 대해 압축된다.
- 상기 유지 요소는 열-수축성 필름으로 형성되며, 이 필름은 상기 전기 절연성 및 열 전도성 층의 변부만 덮는다.
- 이 배터리는 적어도 2개의 종방향 배열을 포함하고, 이들 배열 각각에 대해 하나씩의 압축 수단을 포함한다.
- 상기 압축 수단은 상기 배열의 종방향 치수를 감소 또는 증가시키도록 조절될 수 있다.
- 상기 압축 수단 각각은 적어도 2개의 압축 판을 포함하고, 상기 판들 중 2개의 판은 성기 대응하는 종방향 배열의 단부에 배치된다.
이들 종방향 배열은 케이스에서 수평방향으로 또는 수직방향으로 배치될 수 있고, 케이스의 바닥은 평평하거나 실질적으로 평평할 수 있다.
- 상기 적어도 하나의 배열은 상기 케이스에서 수평방향으로 놓이며, 상기 판은 상기 적어도 하나의 배열의 상기 판만 케이스의 바닥과 접촉하도록 구성되고, 상기 셀은 상기 판의 상단부와 하단부로부터 이격되어 위치하여, 상기 판만 배터리의 상부에 적용되는 힘을 상기 케이스의 바닥으로 전달할 수 있다.
바람직하게는, 이는 기계적 압력이 배터리의 에너지 발생 셀에 가해지는 것을 막고, 배터리의 상부에 가해지는 스트레스가 판에 의해 케이스의 바닥으로 직접 전달된다.
각각의 종방향 배열의 이러한 기하학적 형태에 의해 에너지 발생 셀을 보호하는 것뿐 아니라 그들의 연결 시스템을 보호하는 것이 가능해진다.
- 상기 압축 판의 적어도 하나가 상기 케이스에서 이동될 수 있다.
예를 들면, 상기 압축 판은, 케이스의 바닥의 적어도 일부분에 놓인 가이드 레일을 따르는 이 판의 병진 운동을 횡방향으로 가능하게 하는 러그(lug)를 포함한다. 이 판은 또한 고정 부재(locking member)를 포함한다.
또는, 타이-로드에 의해 압축 판이 서로 연결되기 때문에, 이동형 압축 판의 이동을 가능하게 하도록 이들 타이-로드의 길이가 조절될 수 있다. 예를 들어, 이들 타이-로드는 텔레스코픽 타이-로드(telescopic tie-rod)이다.
- 상기 압축 판들 중 하나는 상기 케이스와 일체 구성된다.
상기 압축 판은 예를 들어 상기 케이스의 벽이다.
- 상기 압축 수단은 또한, 2개의 에너지 발생 셀 사이에 배치되는 적어도 하나의 중간 판을 포함하여, 상기 대응하는 종방향 배열의 상기 발생 셀의 균일한 압축을 제공한다.
- 상기 판은 적어도 타이-로드에 의해 서로 연결된다.
- 상기 배열은 나란히 배치되며, 이들 판 중 적어도 일부는 부피를 감소시킬 목적으로 후자와 상호작용함을 보장하기 위한 컷아웃(cutout)을 포함한다.
따라서 형성된 세트의 부피를 감소시키기 위해 나란히 놓인 배열의 압축 판들을 상호 체결(interlocking)하는 것이 가능하다. 덧붙여, 이 상호 체결에 의해, 기계적 구조물을 개선하기 위한 배열들 간 응집력을 만드는 것이 가능하다.
- 상기 컷아웃에 의해, 2개의 연속하는, 따라서 나란히 배치된 배열의 타이-로드의 정렬, 또는 실질적인 정렬이 가능해진다.
예를 들면, 배터리 케이스의 바닥에 평평하게 배치된 종방향 배열의 경우, 배열의 이러한 신규한 기하학적 형태에 의해, 2개의 연속하는 배열의 타이-로드를 중첩하는 것이 가능해짐으로써, 나란히 배치된 이들 배열의 부피가 감소될 수 있다. 따라서 컴팩트한 전기 배터리를 갖는 것이 가능하다.
- 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 판이 적어도 하나의 배열의 2개의 연속하는 에너지 발생 셀들 사이에 삽입된다.
바람직하게는, 이들 절연성 판은 비압축성 판(incompressible plate)이다.
예를 들어, 이들은 유리 섬유로 만들어질 수 있다.
바람직하게는, 전기 배터리의 컴팩트함을 훼손하지 않도록, 이들 절연성 판의 두께는 1mm 이하, 바람직하게는 0.5mm이다.
- 절연성 가로대가 배열들 사이에 삽입된다.
본 발명은 또한, 앞서 정의된 바와 같이 적어도 하나의 배터리가 구비된 전동 차량(motorized vehicle)에 관한 것이다.
바람직하게는, 상기 매스는 사실상 방열체로서 기능하는 상기 전동 차량의 차대로 구성되어, 케이스의 방열 표면에 저장된 열이 방열될 수 있다.
이 전동 기계는 모든 전기식, 또는 하이브리드식 차량일 수 있다. 이 차량은 사람 및/또는 물품을 수송하기 위한 차량, 작업장 기계, 해양 차량, 또는 항공기일 수 있다.
이 차량에 바퀴, 트랙, 또는 이들 요소의 조합이 구비될 수 있다
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 기재될 것이다:
도 1은 본 발명의 첫 번째 구체적 실시예에 따르는 냉각 시스템이 구비된 전기 배터리의 종방향 배열의 측면도를 개략적으로 도시된다.
도 2는 압축 수단이 구비된 전기 배터리가 나란히(side by side) 배치된 2개의 종방향 배열의 투시도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 첫 번째 구체적 실시예에의 변형에 따라 냉각 시스템이 구비된 나란히 배치된 2개의 종방향 배열의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3의 실시예에 따르는 냉각 시스템이 구비된 복수의 종방향 배열의 정면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 두 번째 구체적 실시예에 따르는 냉각 시스템이 구비된 전기 배터리의 종방향 배열의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 5의 두 번째 실시예의 변형에 따르는 냉각 시스템이 구비된 종방향 배열의 부감도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 세 번째 실시예에 따르는 전기 배터리의 부분 투시도이며, 이 배터리의 측벽과 상벽은 명확성을 위해 생략되었다.
도 1은 전기 배터리(1)를 도시한다. 본 발명에서 전기 배터리의 개념은 재충전될 수 있는 전기 에너지 저장소를 형성하는 임의의 장치를 포함하는 것으로 이해된다.
이 전기 배터리는 금속, 가령, 강 또는 알루미늄으로 만들어진 케이스를 포함한다. 일반적으로 이 케이스는 일반적으로 바닥(12)과 측벽(14)을 포함하는 평행육면체 형태를 가진다. 상기 케이스는 2개의 구획으로 나뉘는 것이 일반적이다. 두 구획 중 하나는 배터리 팩을 포함하고, 나머지 하나는 전자 회로를 포함한다. 배터리 팩은 복수의 에너지 발생 셀(2)(이 경우, 예를 들어, 다각 기둥형 케이스 내에 있는 리튬-이온 셀임)로 형성된다.
도 1에서, 셀(2)은 컬럼(column)으로, 즉, 종방향으로 배열되며, 서로 평행하게 정렬된다.
이들 셀은 기다랗고, 케이스 내에 수직방향으로 배치되며, 이때, 셀의 큰 치수가 케이스의 측벽에 평행하게 배향된다. 그러나 셀들은 또한 그들의 큰 치수가 케이스의 바닥에 평행하게 배향되도록 놓일 수도 있다. 셀 각각에 양단자(2A) 및 음단자(2B)가 구비된다.
셀 각각은 열 전도성 물질, 가령, 알루미늄으로 만들어진 커버 내에 포함된다. 보통 이 커버에는 기저부(16)와 측부(15)가 구비된다. 배터리의 작동 동안, 이들 셀의 온도가 상승되기 때문에, 이들 셀을 냉각시켜, 최적 동작 온도로, 또는 적어도 허용될만한 두 개의 한계 사이로 유지할 필요가 있다.
도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따르는 냉각 시스템을 도시한다. 상기 시스템은, 셀(2) 각각의 커버의 기저부(16)와 배터리 팩 구획의 바닥(12)의 내부 표면 사이에 놓이는 전기 절연성이며 열 전도성인 층(8)에 의해 구현된다. 이 층(8)은 각각의 셀의 기저부(16)를 바닥(12)과 접촉하도록 배치함으로써, 각각의 셀에 의해 발생된 열 에너지를 바닥 쪽으로 균일하게 방류시킬 수 있다. 따라서 케이스의 바닥(12)은 열 에너지를 저장하는 하나의 방열 표면(heat-dissipation surface)을 형성한다.
상기 바닥의 "내부 표면"은 배터리에 내장된 셀들의 기저부와 접촉하도록 배치된 이 바닥의 표면으로 이해된다.
일반적으로 판(plate)의 형태를 취하는 이 방열 표면을 냉각시키기 위해, 상기 방열 표면을 매스(mass) 또는 방열체(radiator)(도면에 도시되지 않음)와 직접 접촉시키는 것을 고려할 수 있다. 예를 들어, 전동 차량(motor-vehicle) 적용의 경우, 바닥 판은 차량의 차대와 직접 접촉하도록 배치되며, 그렇다면, 열은 사실상 방열체로서 기능하는 전체 차대로 전달된다.
판을 빠르게 냉각시킬 수 있도록, 바닥 아래에 냉각재 회로(도면에 도시되지 않음)를 설치하는 것이 가능하다. 이 유체는 열 전달 액체 또는 공기일 수 있다. 또한, 온도 센서를 바닥 판에 위치시키는 것을 고려할 수 있다. 온도 측정에 의해, 냉각 장치를 제어하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르는 냉각 시스템은, 셀들이 서로 공간을 두고 이격되어 있는 배터리 팩용으로 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 냉각 시스템은, 셀들을 서로에 대해 압축하는 압축 수단을 포함한다.
도 2는 2개의 셀 컬럼(3, 4)을 포함하는 배터리 팩의 일례를 도시한다. 각각의 컬럼의 셀(2)은 대응하는 컬럼(3, 4)의 단부에 위치하는 2개의 압축 판(5, 6)에 의해 서로 고정되어 있다. 각각의 컬럼의 압축 판(5, 6)은 이 컬럼의 종방향 축을 따라 컬럼(3, 4)의 셀(2)에 압력을 가한다.
타이-로드(tie-rod)(7)가 각각의 컬럼에서 압축 판(5, 6)을 서로 연결하기 위해 사용된다. 이들 타이-로드(7)는 에너지 발생 셀(2)의 압축의 조절을 보장한다.
각각의 에너지 발생 셀(2)의 전체 표면에 걸쳐 균일한 압력을 획득하기 위해, 각각의 컬럼의 압축 판(5, 6)을 연결하는 복수의 타이-로드(7)는 자신의 위치에 따라 달라질 수 있다. 그 후, 타이-로드의 위치는 압축력의 우수한 균일성을 유지하도록 적응된다.
두 개의 컬럼(3, 4) 각각은 압축 판(5, 6)을 이용해 케이스에 부착된다. 각각의 컬럼의 단부에 위치하는 압축 판들 중 하나는 고정되고, 나머지 하나는 이동 가능하게 만들어짐으로써, 에너지 발생 셀(2)의 압축을 조절한 결과로서의 컬럼 길이의 변동을 흡수할 수 있다.
이러한 종방향 배열에서, 압축되면, 컬럼의 각각의 요소들 간에 접착력이 만들어지고, 따라서 견고한 블록이 생성된다.
따라서 셀(2)을 컬럼(3, 4)의 형태로 정렬하고, 이 압축을 이용함으로써, 열 전도성 층(8)을 이용해 단위 셀의 커버의 측부가 케이스(12)의 바닥 면으로 열을 전달하기 위해 사용된다. 이는 열 교환의 표면적을 증가시킨다. 또한, 셀을 서로에 대해 압축함으로써, 배터리 팩의 부피를 상당히 감소시키는 것이 가능하다. 대류에 의해 열 교환을 추가로 증가시키기 위해, 중간 판(intermediate palte)이 2개의 연속하는 셀 사이에 배치된다. 도 3은 L자형 프로파일을 갖는 이 판(9)의 일례를 도시한다. 그러나 수평으로 배향된 I자형 또는 H자형 프로파일을 갖는 판을 고려하는 것이 가능하다.
도 3에서, 브랜치 L의 2개의 면(9A, 9B)은 2개의 셀의 인접하는 면들과 접촉한다. 2개의 셀의 기저부(16)는, 전기 절연성 및 열 전도성인 층(10)을 이용해, 판의 기저부(9C)와 접촉함으로써, 어떠한 공극도 존재하지 않게 한다. 그 후, L자형 판의 기저부(9C)는 전기 절연성 및 열 전도성인 층(8)을 이용해 케이스(12)의 바닥과 열 접촉한다.
판(9)은 열 전도성 물질, 가령, 흑연 또는 알루미늄으로 구성된다.
이들 층(8, 10)은, 바닥(12)의 표면 및 판의 기저부(9C) 상으로의 균일 및 균질한 증착을 가능하게 하는 열 겔(thermal gel) 또는 열 페이스트(thermal paste)로 형성된다.
도 4에 도시된 것처럼, 본 발명에 따르는 냉각 시스템은, 셀(2)의 복수의 컬럼을 포함하는 배터리 팩용으로 쉽게 구현될 수 있다. 특히, (도 4에 도시된 것이 아닌) 도 2에 도시된 것과 유사한 압축 판은 각각의 컬럼의 단부에 배치되어, 셀들의 세트를 서로에 대해 압축할 수 있다. 덧붙이자면, 도 3에 도시된 실시예에서처럼, 중간 판(9)이 셀(2)들 사이에 배치되어, 열 교환을 개선할 수 있다. 열 전도성 층(10, 8)은 각각의 셀(2)의 기저부(16)와 판의 기저부(9C) 사이에, 그리고 판의 기저부와 케이스(12)의 바닥 사이에, 각각 삽입된다. 따라서 컬럼 각각에 의해 발생되는 열이 하나의 동일한 방열 표면으로 전달되며, 상기 방열 표면은, 이 경우, 케이스(12)의 바닥으로 구성된다.
도 5는 배터리가 하나의 단일 셀 컬럼을 포함할 때 구현될 수 있는 두 번째 실시예에 따르는 냉각 시스템을 도시한다. 이 배터리 구성에서, 열 전도성 층(8)은 컬럼을 형성하는 각각의 셀의 측부를 케이스(14)의 측벽들 중 하나(이 경우, 상기 측벽이 하나의 동일한 방열 표면을 형성함)와 열적으로 연결한다.
도 6은 셀들의 컬럼의 부감도를 도시한다. 도 3 및 4에 도시된 첫 번째 실시예에서처럼, 열 교환의 표면적을 증가시키기 위해, 열 전도성 중간 판(9)이 2개의 셀들 사이에 배치된다. 열 전도성 층(10, 8)은 각각의 셀(2)의 측부(15)와 판의 기저부(9C) 사이에, 그리고 판의 기저부(9C)와 케이스(14)의 측벽 사이에서 각각 삽입된다. 따라서 이 컬럼에 의해 발생되는 열은 하나의 동일한 방열 표면(이 경우, 케이스(14)의 측벽으로 구성됨)으로 전달된다.
더 일반적으로, 컬럼은 차량의 배터리 하우징과의 일체구성의 제약사항에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있다. 따라서 단위 셀(2)은 세워서, 또는 눕혀서 배치될 수 있고, 그 후, 타이-로드(tie-rod)(7)의 위치는 압축의 우수한 균일성을 유지하도록 적합화된다.
또한, 절연 물질로 만들어진 가로대(cross-brace)가 추가되어, 한편으로는 컬럼(3, 4) 사이에 단락(short circuit)을 방지하면서, 컬럼(3, 4)의 전체 길이에 걸쳐 추가적인 Z자형 교대(abutment)를 생산할 수 있다.
도 7은 본 발명의 세 번째 실시예에 따르는 전기 배터리의 부분 투시도이며, 이 배터리의 측벽과 상부 벽은 명확성을 위해 생략되었다. 도 1 내지 6의 요소와 동일한 도면부호를 갖는 도 7의요소는 동일한 대상을 나타내며, 이는 이하에서 다시 설명되지 않을 것이다. 이 전기 배터리는 이 배터리의 바닥(18)에 평평하게 놓이는 3개의 컬럼(3, 4, 17)과, 이들 컬럼(3, 4, 17) 사이에 배치되는 열 겔(도시되지 않음)로 구성된 전기 절연성 및 열 전도성 층과, 배터리의 바닥(18)을 포함한다.
이 배터리의 2개의 연속하는 컬럼(3, 4, 17) 사이에, 가로대(19)가 배치되고, 이들 가로대(19)는 컬럼(3, 4, 17)의 전체 길이에 걸쳐 배치되어, 완전한 전기 절연을 보장할 수 있다. 덧붙여, 이들 컬럼(3, 4, 17)의 이들 단위 셀(2)은 서로 전기 연결되어 있다.

Claims (15)

  1. 케이스(1) 및 에너지 발생 셀(2)들의 세트를 포함하는 전기 배터리에 있어서,
    - 상기 전기 배터리는 셀들 중 적어도 일부로 형성된 적어도 하나의 종방향 배열(3, 4)을 포함하고, 실질적으로 배열의 종방향 축을 따라 압력을 가하는 압축 수단(5, 6)에 의해 상기 배열의 셀(2)은 서로 대해 고정되면서 서로에 대해 압축되고,
    - 상기 종방향 배열(3, 4)은, 부착 부재에 의해 상기 케이스(1)로 적어도 부분적으로 부착된 압축 수단(5, 6)에 의해, 상기 케이스(1)로 부착되며,
    - 상기 배터리는 냉각 시스템을 포함하고, 상기 냉각 시스템은, 상기 적어도 하나의 종방향 배열의 셀들을, 상기 케이스 내에 위치하거나 상기 케이스의 벽들 중 적어도 하나에 의해 형성되는 하나의 동일한 방열 표면(12, 14)으로 열적으로 연결하는 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층(8)을 포함하여, 상기 배열의 셀 각각에 의해 발생되는 열 에너지를 상기 방열 표면으로 균일하게 방출함을 보장하며, 상기 층 또는 상기 전기 절연성 및 열 전도성 층(8) 중 적어도 하나는 열 겔(thermal gel)로 구성되는, 전기 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층(8)을 형성하는 열 겔은 적어도 부분적으로 중합되거나 중합되지 않은, 전기 배터리.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 압축 수단은, 상기 적어도 하나의 배열의 상기 셀(2)이 상기 방열 표면(12, 14)으로부터 이격되어 위치하도록 구성되고, 열 겔로 형성된 상기 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층(8)이 상기 셀과 상기 방열 표면 사이에 적어도 부분적으로 배치되는, 전기 배터리.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 종방향 배열의 적어도 일부 셀들은, 경화된 열 겔로 구성된 전기 절연성 및 열 전도성 층(8)을 포함하고, 상기 층은 적어도 하나의 유지 요소(retaining element)에 의해 위치를 유지하면서 벽들 중 한 벽에서 압축되는, 전기 배터리.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 유지 요소는 열-수축성 필름으로 형성되고, 상기 필름은 상기 전기 절연성 및 열 전도성 층(8)의 변부만 덮는, 전기 배터리.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 방열 표면(12, 14)을 냉각시키도록 설계된 냉각 수단을 포함하는, 전기 배터리.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 냉각 수단은 방열 표면(12, 14)과 매스(mass) 간의 적어도 하나의 연결부를 포함함으로써, 상기 표면에 의해 상기 매스에 저장되는 열 에너지를 방출하기 위한 경로를 생성하는, 전기 배터리.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 냉각 수단은 유체 기반 냉각 장치 또는 상-변경(phase-change) 유형의 냉각 장치를 포함하는, 전기 배터리.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 냉각 장치는 냉각재 회로 장치 또는 환기 장치인, 전기 배터리.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 수단은 적어도 2개의 압축 판(5, 6)을 포함하고, 2개의 압축 판(5, 6)은 각각, 셀의 적어도 하나의 대응하는 종방향 배열(3, 4)의 단부에 위치하는, 전기 배터리.
  11. 청구항 10에 있어서, 압축 판 중 하나는 상기 케이스와 일체 구성되는, 전기 배터리.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방열 표면은, 상기 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 층(8)에 의해, 상기 적어도 하나의 배열(3, 4)의 각각의 셀(2)의 기저부(16)와 열 접촉하도록 배열되는 상기 케이스(12)의 바닥을 포함하는, 전기 배터리.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 배터리는, 열 교환의 표면적을 증가시키기 위해, 2개의 연속하는 셀(2)들 사이에 배치되는 적어도 하나의 전기 절연성 및 열 전도성 중간 판(9)을 포함하는, 전기 배터리.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따르는 전기 배터리(1)가 적어도 하나 장착되는 전동 차량.
  15. 청구항 7 및 청구항 14에 있어서, 상기 매스는 전동 차량의 차대(chassis)를 포함하는, 전동 차량.
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