KR20150090090A - 차량의 구동 시스템을 위한 저장 유닛 및 이를 작동시키는 방법 - Google Patents

차량의 구동 시스템을 위한 저장 유닛 및 이를 작동시키는 방법 Download PDF

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마티아스 바이케르트
스테판 막스
울리히 뮬러
크리스찬-안드레아스 빈클러
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바스프 에스이
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Abstract

차량 내의 구동 시스템(10)용 저장 유닛(12) 및 이 저장 유닛(12)을 작동시키는 방법이 제공된다. 저장 유닛(12)은 적어도 하나의 흡착 저장기(18), 적어도 하나의 배터리(16) 및 적어도 하나의 냉각 회로(26)를 구비하고, 흡착 저장기(18)는 냉각 회로(26)를 통해 배터리(16)에 결합된다. 배터리(16)와 흡착 저장기(18) 사이에서 열이 교환된다. 이에 의해, 상기 저장 유닛(12)을 위한 매우 간단하고 효율적인 열 관리 개념이 제공될 수 있다.

Description

차량의 구동 시스템을 위한 저장 유닛 및 이를 작동시키는 방법{STORAGE UNIT FOR DRIVE SYSTEM IN VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 차량 내의 구동 시스템을 위한 저장 유닛에 관한 것으로서, 이것은 적어도 하나의 흡착 저장기(sorption store), 적어도 하나의 배터리 및 적어도 하나의 냉각 회로를 갖는다. 본 발명은 또한 그러한 저장 유닛을 작동시키는 방법과, 그러한 저장 유닛을 포함하는 구동 시스템 및 차량에 관한 것이다.
차량의 효율 및 환경 친화성을 향상시키기 위해, 전기 모터가 구동 장치로서 점점 더 많이 사용되고 있다. 예컨대, 더 유리한 사용 환경 하에서 내연 엔진을 작동시킬 수 있도록 하기 위해, 내연 엔진은 하이브리드 차량 내의 보조 구동 장치로서의 전기 모터와 결합된다. 전기 모터는 또한 배터리로부터 전기 에너지를 공급받는 순수하게 전기적으로 구동되는 차량(전기 차량)에서 주 구동부로서 사용된다. 전기 차량 및 하이브리드 차량은 일반적으로 전기화학적 전지로서 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 충전식 배터리를 포함한다. 이와 같은 배터리는 종종 축전지(accumulator) 또는 이차전지라고도 불린다. 그러나, 이러한 배터리의 단점은 이들 배터리가 온도에 민감하며 약 0℃ 내지 50℃의 범위 내에서만 최적으로 작동될 수 있다는 것이다.
석유 자원이 점점 더 고갈되어 가므로, 내연 엔진 또는 연료 전지를 작동하기 위해 메탄, 에탄올 또는 수소와 같은 비전통적인 연료에 점점 더 의존하고 있다. 이를 위해, 전기 차량 또는 하이브리드 차량은 전기 모터용 배터리뿐만 아니라 연료의 비축물을 보관하기 위한 흡착 저장기를 포함한다. 이와 같은 용도에 적합한 흡착 저장기는, 특히 가스가 흡착됨으로써 저장되는 큰 내부 표면적을 갖는 흡착 매체를 포함하는 흡착 저장기이다. 흡착 저장기를 충만시킬 때 흡착의 결과로서 열이 방출된다. 유사하게, 가스가 저장기로부터 인출될 때의 탈리 프로세스를 위해 열이 공급되어야 한다. 그러므로, 흡착 저장기 및 배터리가 사용되는 경우, 열 관리가 매우 중요하다.
독일 공개 특허 제 DE 10 2009 000 952 A1 호는 특정 녹는점을 갖는 매체를 포함하는 적어도 하나의 잠열 저장기를 갖는 차량 배터리를 개시하고 있다. 여기서, 매체는 그 녹는점이 사용되는 배터리의 유형의 최소 작동 온도 내지 최대 작동 온도의 범위 내에 존재하도록 선택된다. 이러한 방식으로, 일체화된 잠열 저장기와 전기화학적 에너지 저장기 사이의 목표로 된 열 전달에 의해 차량 배터리의 전기화학적 에너지 저장기 내의 온도 변동이 방지된다. 독일 공개 특허 제 DE 10 2006 052 110 A1 호는 에너지 관리를 향상시키기 위한, 그리고 가스 방출 프로세스를 위한 열의 즉각적 제공을 위한 에너지 흡수 및 출력 장치를 포함하는 흡착 매체를 갖는 유체 저장기를 설명한다. 이 에너지 흡수 및 출력 장치는 유체를 운반하는 튜브의 다발을 유체 저장기의 내부에 포함한다. 더욱이, 유체 저장기는 열의 일시적 저장을 위한 잠열 저장기 및 에너지 전달을 돕기 위한 엔진 냉각 회로에의 접속부 또는 가열 요소를 구비하는 냉각 회로를 통해 결합된다.
독일 공개 특허 제 DE 10 2010 048 478 A1 호는 배터리 내로의 열의 입력을 제어하는 배터리를 위한 열 관리 방법을 설명한다. 이러한 목적을 위해, 주위 온도의 함수로서 배터리 스택을 냉각 또는 가열하는 배터리 온도 시스템이 사용된다. 냉각 모드에서, 열은 배터리 스택으로부터 냉각제로 전달되고, 배터리 방열기를 통해 주위로 방출된다. 가열 모드에서, 냉각제는 배터리 스택에 진입하기 전에 가열 설비를 이용하여 가열된다.
독일 공개 특허 제 DE 10 2008 054 216 A1 호는 차량 내의 전기 구동체를 조절하는 방법을 개시한다. 여기서, 전기 구동체, 예컨대, 스테이터 또는 로터의 적어도 하나의 온도가 결정되고, 전기 구동체의 부분의 온도는 하나의 파라미터의 함수로서 설정된다.
독일 공개 특허 제 DE 10 2007 004 979 A1 호는 자동차의 배터리의 온도를 제어하기 위한 장치를 설명하고, 여기서 배터리는 차량의 냉장 회로(refrigeration circuit) 및 저온 냉각 회로(low-temperature cooling circuit) 내에 일체화되어 있다. 냉장 회로가 스위치 오프된 상태의 작동 모드에서, 배터리 온도의 제어는 저온 냉각 회로에 의해 유발된다. 추가의 작동 모드에서, 배터리의 예열은 냉각제가 저온 냉각 회로의 냉각기 내로 진입하기 전에 배터리 주위의 바이패스 라인을 통해 냉각제를 운반함으로써 달성된다.
국제 공개 제 WO 2009/127531 A1 호는 연료 전지 장치용 액체 냉각 장치를 개시하는데, 이 장치는 독립적인 유닛으로서 구성되며, 연료 전지 장치에 냉각 액체를 제공하거나 연료 전지 장치로부터 가열된 액체를 취한다.
독일 공개 특허 제 DE 10 2008 040 211 A1 호는 연료 전지, 저장 컨테이너 및 배터리를 포함하는 연료 전지 시스템을 작동하는 방법을 개시한다.
미국 특허 출원 공개 제 US 2012/0141842 호는 고체 상태 배터리에 의해 둘러싸여 있는 연료 전지를 설명한다.
공지된 배터리 또는 흡착 저장기용 열관리 시스템의 단점은 열의 도입을 위해 추가의 부품이 요구된다는 것으로서, 이들 부품은 추가 비용을 유발하고, 추가의 조립 공간을 점유한다. 또한, 잠열 저장 시스템의 효율은 제한적이고, 그 용량은, 예컨대, 출발 시에 완전히 활용될 수 없다. 이러한 단점은 예컨대, 자동차와 같은 이동 수단 응용예에서 특히 심각하다. 그러므로, 이와 같은 저장 시스템을 위한 매우 간단하고 효율적인 열 관리 개념을 제공하는 것에 지속적인 관심이 존재한다.
본 발명의 목적은 극소수의 추가 부품을 구비하는, 그리고 효율적이고 간단한 열 관리를 달성할 수 있는 연료 및 전기 에너지용 저장 유닛을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은 저장 유닛 내의 온도를 간단하고 효율적으로 조절하는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은, 특히 차량의 구동 시스템에서의 사용에 적합하고, 적어도 하나의 흡착 저장기, 적어도 하나의 배터리 및 적어도 하나의 냉각 회로를 구비하는 것으로서, 흡착 저장기는 냉각 회로를 통해 배터리에 결합되는 저장 유닛에 의해 달성된다.
본 발명은 저장 유닛을 작동 시키는 방법 및 또한 적어도 하나의 내연 엔진 또는 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 전기 모터를 포함하는 모터 유닛을 갖는 구동 시스템 내의 저장 유닛을 작동시키는 방법을 더 제공한다. 여기서, 열은 적어도 하나의 배터리 및 적어도 하나의 흡착 저장기가 연결되는 냉각 회로를 통해 배터리와 흡착 저장기 사이에서 교환된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 저장 유닛을 구비하는 구동 시스템 및 차량, 특히 하이브리드 차량을 제공한다. 차량 이외에, 본 발명의 저장 유닛은 또한 다른 이동 수단 응용예, 예컨대, 보트, 특히 잠수함의 구동 시스템에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 저장 유닛은, 예컨대, 건물을 가열하기 위한 태양 전지와 함께, 또는 열병합 발전소에서의 정지형 응용예(stationary application)에 적합하다.
본 발명의 저장 유닛은 냉매-운반용 냉각 회로를 흡착 저장기 및 배터리에 결합한다. 이것에 의해 2개의 부품의 온도가 간단한 방식으로 조절될 수 있는데, 배터리로부터의 열은 흡착 저장기에 전달되고, 반대로 흡착 저장기로부터의 열은 배터리에 전달된다. 차량이 구동되는 경우, 배터리로부터의 열은, 예컨대, 냉매에 의해 취해질 수 있고, 흡착 탱크에서의 연료의 탈리를 위해 필요한 열을 제공하기 위해 냉각 회로를 통해 흡착 탱크에 운반된다. 따라서, 흡착 저장기는 배터리를 냉각시키기 위해 사용되는 냉각력을 제공한다. 흡착 저장기로부터의 과잉의 냉각력은 다른 부품을 위해, 예컨대, 차량 내의 승객실의 공기 조화를 위해 사용될 수 있다. 반대로, 배터리는 흡착 저장기 내에서의 탈리를 활성화하기 위해 필요한 가열력을 제공한다. 배터리와 흡착 저장기 사이의 열 평형이 달성되는 경우, 추가의 열 도입용 부품 또는 온도 제어용 부품을 생략할 수 있다. 이것에 의해, 추가의 설치 공간을 거의 요구하지 않음으로써, 예컨대, 차량과 같은 이동 수단 응용예에서 특히 적합한 저장 유닛의 간단하고 효율적인 구성이 가능해진다.
본 발명의 목적을 위해, 흡착 저장기는 가스를 흡착함으로써 가스를 저장하기 위해 큰 표면적을 갖는 흡착 매체를 포함하는 저장기이다. 따라서, 흡착 저장기의 충만(filling) 중에 열이 방출되는 한편, 열의 도입에 의해 탈리가 활성화된다. 특히, 메탄, 메탄올, 수소, 아세틸렌, 프로판 또는 프로펜과 같은 연료는 본 발명의 저장 유닛의 흡착 저장기 내에 저장될 수 있고, 탈리에 의해 내연 엔진 또는 연료 전지에 제공될 수 있다. 메탄은 특히 내연 엔진용 연료로서 적합하다. 연료 전지는 메탄올 또는 수소를 사용하여 작동되는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 위해, 배터리라는 용어는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 충전식 이차전지 또는 축전지를 말한다. 바람직한 배터리는 납-산 축전지와 같은 납계 축전지; 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-수소 축전지, 니켈-금속 하이브리드 축전지, 니켈-철 축전지 또는 니켈-아연 축전지와 같은 니켈계 축전지; 리튬-황 축전지, 리튬 이온 축전지, 리튬-폴리머 축전지, 리튬-금속 축전지, 리튬-망간 축전지, 리튬 인산철(lithium iron phosphate) 축전지, 리튬 티타네이트(lithium titanate) 축전지 또는 주석-황-리튬 축전지와 같은 리튬계 축전지; 소듐-황 축전지 또는 소듐 니켈 클로라이드(sodium nickel chloride) 축전지와 같은 소듐계 축전지; 은-아연 축전지; 실리콘 축전지; 바나듐 레독스(vanadium redox) 축전지; 또는 아연-브로민(zinc-bromine) 축전지이다. 여기서, 본 발명의 저장 유닛은 전술한 배터리 중 동일한 유형 또는 상이한 유형의 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다.
특히 바람직한 배터리는 특히 리튬 이온 축전지 또는 리튬-황 축전지와 같은 리튬계 축전지, 납계 축전지, 니켈계 축전지 또는 소듐계 축전지이다.
본 발명의 저장 유닛의 하나의 실시형태에서, 냉각 회로는 냉매를 운반하는 적어도 하나의 펌프를 포함한다. 흡착 저장기 및 배터리 내의 연료를 냉각 또는 가열하는데 적합한 온도 범위에 따라, 예컨대, 물, 글리콜, 알코올 또는 이들의 혼합물과 같은 다양한 냉매가 가능하다. 적절한 냉매는 본 기술분야의 전문가에게 공지되어 있다.
본 발명의 저장 유닛의 하나의 실시형태에서, 냉각 회로는 적어도 하나의 흡착 저장기 회로 및 적어도 하나의 배터리 회로를 포함한다. 냉각 회로의 변형례에서, 흡착 회로 및 배터리 회로는 적어도 하나의 메인 라인으로부터 분기된다. 여기서, 메인 라인의 냉매의 전체의 흐름은 흡착 저장기 회로와 배터리 회로 사이에서 분할된다. 2개의 회로 사이에서 가변적으로 냉매의 전체 흐름을 분할하기 위해, 적어도 흡착 회로 또는 배터리 회로 내에 적어도 하나의 밸브가 제공될 수 있다. 흡착 저장기 회로 및 배터리 회로는 흡착 저장기 및 배터리의 상류에 위치되어 각각의 부품 내로의 냉매의 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.
메인 라인으로부터 분기되는 흡착 저장기 회로 및 배터리 회로를 갖는 냉각 회로에서, 냉각 회로의 메인 라인의 영역 내에서 냉매의 운반을 위한 펌프가 배치될 수 있다. 또한, 냉매의 온도를 조절하기 위해 냉각 회로의 메인 라인의 영역 내에 열교환기가 배치될 수 있다. 가능한 열교환기는 본 기술분야의 전문가에게 충분히 공지되어 있다. 예컨대, 플레이트 열교환기, 나선형 열교환기, 셸 앤드 튜브 열교환기 또는 마이크로채널 열교환기가 적합하다.
추가의 실시형태에서, 흡착 저장기 회로 및 배터리 회로는 연결 라인을 통해 회로 내에서 상호 연결되는 2개의 개별 회로를 형성한다. 연결 라인은 적어도 하나의 펌프 및 적어도 하나의 밸브를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 펌프는 배터리 회로 내로 개방되는 연결 라인의 분기 내에 배치될 수 있다. 밸브는 흡착 저장기 회로 내로 개방되는 연결 라인의 추가의 분기 내에 배치될 수 있다. 따라서, 냉매는 배터리 회로와 흡착 저장기 회로 사이의 회로 내에서 펌프에 의해 운반될 수 있고, 밸브는 배터리 회로와 흡착 저장기 회로 사이의 냉매 유동을 조절한다.
본 발명의 저장 유닛의 추가의 실시형태에서, 흡착 저장기 회로 및 배터리 회로는 적어도 하나의 펌프 및 적어도 하나의 열교환기를 포함할 수 있다. 펌프는 냉매를 배터리 또는 흡착 탱크를 통해, 후속하여 열교환기를 통해 운반하도록 배치되는 것이 바람직하다. 따라서 펌프는 배터리 회로 내의 배터리 또는 흡착 회로 내의 흡착 저장기의 상류에 위치되는 것이 바람직하다. 열교환기는 온도를 조절하는 역할을 하고, 배터리 회로 내의 배터리 또는 흡착 회로 내의 흡착 저장기의 하류에 위치되는 것이 바람직하다. 가능한 열교환기는 본 기술분야의 전문가에게 적절히 공지되어 있다. 예컨대, 플레이트 열교환기, 나선형 열교환기, 셸 앤드 튜브 열교환기 또는 마이크로채널 열교환기가 적합하다.
기체 연료를 저장하기 위한 흡착 저장기는 폐쇄된 용기를 포함할 수 있다. 이 용기는 그 내부에 적어도 하나의 분할용 요소를 가질 수 있고, 이 분할용 요소는 용기의 내부를 2개의 평행한 채널-형상의 서브챔버로 된 적어도 하나의 채널 쌍으로 분할하는 방식으로 구성되고, 각각의 채널-형상의 서브챔버는 흡착 매체로 적어도 부분적으로 충만된다. 서브챔버의 단부는 상호로부터 분리될 수 있고, 또는 각각의 경우에 접합 공간을 통해 상호에 연결될 수 있다.
더욱이, 흡착 저장기는 용기 내로 가스를 유동시킬 수 있는 용기 벽을 통하는 적어도 하나의 통로를 포함하는 공급 장치를 구비할 수 있다. 이 공급 장치는, 예컨대, 차단 장치에 의해 각각 폐쇄될 수 있는 유입구 및 유출구를 포함할 수 있다. 이 공급 장치는 유입하는 가스가 하나의 채널 쌍당 2개의 서브챔버 중 하나 내로 적어도 부분적으로 지향되도록 구성되는 것이 바람직하다.
용기의 내부를 공급 장치와 조합하여 쌍으로 상호 연결되는 채널-형상의 서브챔버로 분할함으로써 용기의 충만 또는 배출 중에 채널을 통한 유체의 순환이 달성된다. 이것은 일반적으로 충만 중에 냉각되고 및/또는 배출 중에 가열되는 용기 벽에 대한 열 전달을 향상시킨다. 용기 내에서 가스의 신속한 냉각 또는 가열로 인해, 더욱 많은 양의 가스가 동시에 흡수 또는 탈리될 수 있다.
열 전달의 향상은 용기 벽 뿐만 아니라 적어도 하나의 분할용 요소, 또는 복수의 분할용 요소의 경우에 그 중 하나 이상이 냉각되거나 가열되는 경우에 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 적어도 하나의 분할용 요소 또는 복수의 분할용 요소, 특히 제공되는 모든 분할용 요소는 냉매가 통과할 수 있는 이중 벽으로서 구성될 수 있다.
흡착 저장기의 추가의 실시형태에서, 채널-형상의 서브챔버의 채널 벽은 이것을 통과하는 냉매를 위한 이중 벽으로서 구성된다. 적어도 하나의 분할용 요소 또는 복수의 분할용 요소의 배열에 따라, 용기 벽의 부분은 채널-형상의 서브챔버 또는 복수의 채널-형상의 서브챔버의 채널 벽을 형성한다. 이 경우, 컨테이너 벽도 이중 벽으로서 구성되는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 실시형태에서, 단부 면을 포함하는 전체 용기 벽은 냉매가 통과할 수 있도록, 특히 이중 벽으로서 구성된다.
냉매-운반용 채널 벽을 구비하는 흡착 저장기의 이와 같은 구조에 의해 흡착 매체의 외부로의 또는 흡착 매체 내부로의 신속한 열 수송이 가능해진다. 그 결과, 저장기는 소정의 시간의 기간 내에 더 많은 양의 가스로 충만될 수 있다. 또한 저장기로부터 가스를 인출하는 경우, 신속하고 일정하게 가스를 제공하는 것이 보장된다. 이 목적을 위해, 채널 벽은 가열되고, 예컨대, 이중-벽의 구성인 경우에 채널-형상의 서브챔버 내의 가스의 온도보다 큰 온도의 냉각 회로의 냉매가 이 채널 벽을 통해 유동한다. 흡착 저장기는 구조의 면에서 단순하고, 그 콤팩트한 구조에 기인되어 특히 이동 수단 응용예, 예컨대, 차량에서 적합하다. 이중-벽의 채널 벽을 갖는 구성은 또한 냉각으로부터 가열로의 절환의 경우에 단순히 냉매를 변경하거나 그 온도를 적절히 변경하는 것만이 필요하다는 장점을 갖는다. 따라서, 본 실시형태는, 이동 수단 응용예에서, 연료의 충만의 경우 및 주행 모드의 경우에 동등하게 적합하다.
용기 및 분할용 요소의 벽 두께의 선택은 용기 내의 예상되는 최대 압력, 용기의 치수, 특히 그 직경, 및 사용된 재료의 특성에 의존한다. 예컨대, 10㎝의 외경 및 100bar의 최대 압력을 갖는 합금강 용기의 경우, 최소 벽 두께는 2㎜로서 평가되었다(DIN 17458에 따름). 이중 벽의 간극 폭은 이것을 통해 충분히 큰 체적의 냉매의 유동을 유동시킬 수 있도록 선택된다. 이것은 바람직하게 2㎜ 내지 10㎜, 특히 바람직하게는 3㎜ 내지 6㎜이다.
각각의 채널-형상의 서브챔버 내의 채널 벽의 간격은 2㎝ 내지 8㎝인 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다. 여기서, 간격은 채널 축선에 수직한 단면 내의 대향하는 벽들 상의 2개의 점들 사이의 최단 거리이다. 예컨대, 원형 단면을 갖는 채널의 경우, 이 간격은 직경에 대응하고, 환형 단면의 경우, 원환(annulus)의 폭에 대응하고, 사각형 단면의 경우, 평행한 변들 사이의 더 짧은 거리에 대응한다. 특히 모든 채널 벽의 냉각 또는 가열의 경우, 위에서 언급된 범위는 열 전달과 흡착 매체의 충만 체적 사이의 양호한 절충인 것으로 밝혀졌다. 더 큰 간격의 경우, 흡착 매체와 벽 사이의 열 전달은 악화되고, 한편 더 작은 간격에서 흡착 매체의 충만 체적은 용기의 소정의 외부 치수에서 감소된다. 또한, 흡착 저장기의 중량 및 그 제조 비용은 증가하고, 이것은 특히 이동 수단 응용예에서 불리하다.
바람직한 실시형태에서, 채널-형상의 서브챔버 내의 채널 벽의 간격은 40% 이하만큼, 특히 바람직하게는 20% 이하만큼 채널 쌍 내에서 상이하다. 모든 채널-형상의 서브챔버 내의 채널 벽의 간격은 상호에 대해 40% 이하만큼 상이한 것이 바람직하고, 20% 이하만큼 상이한 것이 특히 바람직하다. 이와 같은 구성은 용기의 충만 중의 열의 균일한 제거 및 배출 중의 열의 균일한 공급을 도와 준다.
단면으로 보았을 때, 용기의 내벽의 외형 및 적어도 하나의 분할용 요소의 외형은 본질적으로 공형(conformal)이다. 복수의 분할용 요소가 제공되는 경우, 모든 분할용 요소의 외형은 용기의 외벽의 외형에 공형인 것이 바람직하다. 이것에 관련하여, 공형이라 함은 외형들이 동일한 형상을 갖는 것, 예컨대, 이들 모두가 원형이거나, 모두가 타원형이거나 또는 모두가 직사각형인 것을 의미한다. 용어 "본질적으로 공형"이라 함은 기본적 형상으로부터의 작은 편차가 있더라도 이것이 형상이 더 이상 동일하지 않다는 것을 의미하지는 않음을 의미한다. 예는 직사각형의 기본적 형상의 경우의 라운딩 가공된 모서리들 또는 제조 공차의 범위 내의 편차이다.
추가의 실시형태에서, 흡착 저장기의 용기는 원주 형상을 갖고, 적어도 하나의 분할용 요소는 본질적으로 원통 축선에 동축으로 배치된다. 적어도 하나의 분할용 요소의 종축선이 원통 축선에 대해 최대 10°에 이르는 작은 각도만큼 경사를 이루는 실시형태는 여전히 "본질적으로" 동축인 것으로 간주된다. 이러한 실시형태는 채널 단면이 원통 축선을 따라 약간만 변화하도록, 따라서 채널의 길이에 걸쳐 균일한 유동이 달성될 수 있도록 보장한다.
용기 내의 이용할 수 있는 설치 공간 및 최대 허용 압력에 따라, 원통형 용기를 위해 상이한 단면적, 예컨대, 원형, 타원형 또는 직사각형이 적합하다. 예컨대, 용기를 차체의 중공의 공간 내에 끼워 맞출 경우에는 불규칙 형상의 단면적도 가능하다. 약 100bar를 초과하는 높은 압력의 경우, 원형 및 타원형 단면이 특히 적합하다. 이 실시형태에서, 적어도 하나의 분할용 요소는 튜브로서 구성되는 것이 특히 바람직하고, 따라서 튜브의 내부 공간은 제 1 채널-형상의 서브챔버를 형성하고, 튜브의 외벽과 용기의 내벽 사이 또는 튜브의 외벽과 추가의 분할용 요소 사이의 공간은 환형의 제 2 채널-형상의 서브챔버를 형성한다. 용기 및 튜브형 분할용 요소의 단면적은 동일한 형상, 예컨대, 양자 모두 원형 또는 양자 모두 타원형을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 이 실시형태의 추가의 발전형태에서, 모두 상이한 직경을 갖는 튜브로서 구성되는, 그리고 동축으로 배치되는 복수의 분할용 요소가 제공된다. 마찬가지로 그 단면적은 동일한 형상을 갖는 것이 바람직하다.
다양한 재료가 흡착 저장기를 위한 흡착 매체로서 적합하다. 흡착 매체는 제올라이트(zeolite), 활성 탄소 또는 금속-유기 골격체(metal-organic frameworks; MOFs)를 포함하는 것이 바람직하다. 흡착 매체는 금속-유기 골격체(MOFs)를 포함하는 것이 바람직하다.
제올라이트는 AlO4 - 및 SiO4 사면체로 구성된 미세다공질 골격 구조체를 갖는 결정질 알루미노실리케이트(crystalline aluminosilicate)이다. 여기서, 알루미늄 원자와 규소 원자는 산소 원자를 통해 상호 결합된다. 가능한 제올라이트는 제올라이트 A, 제올라이트 Y, 제올라이트 L, 제올라이트 X, 모데나이트(mordenite), ZSM(Zeolites Socony Mobil) 5 또는 ZSM 11이다. 적합한 활성 탄소는 특히 500m2g-1을 초과하는, 바람직하게는 1500m2g-1을 초과하는, 더욱 특히 바람직하게는 3000m2g-1을 초과하는 비표면적(specific surface area)을 갖는 것이다. 이와 같은 활성 탄소는, 예컨대, 에너지 투 카본(Energy to Carbon) 또는 맥소브(MaxSorb)라는 명칭으로 입수될 수 있다.
금속-유기 골격체는 종래 기술에서 공지된 것으로, 예컨대, 미국 특허 제 US 5,648,508 호, 유럽 공개 특허 제 EP-A-0 790 253 호, M. O'Keeffe 등의 J. Sol. State Chem., 152 (2000)의 3~20 쪽, H. Li 등의 Nature 402 (1999)의 276쪽, M. Eddaoudi 등의 Topics in Catalysis 9 (1999)의 105~111쪽, B. Chen 등의 Science 291 (2001)의 1021~1023쪽, 독일 공개 특허 제 DE-A-101 11 230 호, 독일 공개 특허 제 DE-A 10 2005 053430 호, 국제 공개 제 WO-A 2007/054581 호, 국제 공개 제 WO-A 2005/049892 호 및 국제 공개 제 WO-A 2007/023134 호에 설명되어 있다. 유럽 공개 특허 제 EP-A-2 230 288 A2 호에 언급된 금속-유기 골격체는 특히 흡착 저장기용으로 적합하다. 바람직한 금속-유기 골격체는 MIL-53, Zn-tBu-이소프탈산, Al-BDC, MOF 5, MOF-177, MOF-505, MOF-A520, HKUST-1, IRMOF-8, IRMOF-11, Cu-BTC, Al-NDC, Al-AminoBDC, Cu-BDC-TEDA, Zn-BDC-TEDA, Al-BTC, Cu-BTC, Al-NDC, Mg-NDC, Al-푸마레이트(Al-fumarate), Zn-2-메틸이미다졸레이트(Zn-2-methylimidazolate), Zn-2-아미노이미다졸레이트(Zn-2-aminoimidazolate), Cu-바이페닐디카복실레이트-TEDA(Cu-biphenyldicarboxylate-TEDA), MOF-74, Cu-BPP, Sc-테레프탈레이트(Sc-terephthalate)이다. MOF-177, MOF-A520, HKUST-1, Sc-테레프탈레이트, Al-BDC 및 Al-BTC가 더욱 바람직하다.
흡착 매체의 기공율은 적어도 0.2인 것이 바람직하다. 기공율은 흡착 저장기의 용기 내의 임의의 소체적의 총 체적에 대한 중공의 공간 체적의 비율로서 정의된다. 더 낮은 기공율에서 흡착 매체를 통한 유동 시에 압력 강하가 증가하고, 이것은 충만 시간에 악영향을 미친다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 흡착 매체는 펠릿의 층으로서 제공되고, 최소 펠릿 직경에 대한 펠릿의 투과도의 비는 적어도 10~14 m2/m이다. 충만 중에 가스가 펠릿 내로 침투하는 속도는 펠릿의 내부의 압력이 주위 압력과 동일해지는 신속성에 의존한다. 펠릿의 투과도는 증가하고, 직경은 감소되는 경우, 이 압력 평형을 위한 시간 및 이에 따라 펠릿의 로딩 시간은 증가한다. 이것은 충만 및 방출의 전체 프로세스에 제한 효과를 줄 수 있다.
구동 시스템에 일체화될 수 있는 저장 유닛을 작동시키기 위한 본 발명의 방법의 실시형태에서, 저장 유닛은 배터리의 충전 상태, 흡착 저장기의 충만 수준 또는 양자 모두에 따라 작동된다. 여기서, 특히, 배터리 및 흡착 저장기를 통과하는 냉매 유동은 배터리의 충전 상태, 흡착 저장기의 충만 수준 또는 양자 모두에 따라 변화된다.
본 발명의 방법의 추가의 실시형태에서, 적어도 1/2 충전된 배터리를 위한 냉매 유동은 배터리에 충분한 냉각력이 공급되도록 설정된다. 여기서, 1/2 충전된 배터리라는 표현은 본질적으로 총 용량의 50%를 갖는 배터리를 말한다. 배터리를 위한 충분한 냉각력은 배터리의 온도가 냉각 회로에 의해 -30℃ 내지 50℃, 바람직하게는 -10℃ 내지 40℃, 그리고 특히 바람직하게는 0℃ 내지 35℃의 범위 내에 유지되는 경우에 제공된다.
본 발명의 방법의 추가의 실시형태에서, 총 용량의 1/4 미만, 바람직하게는 10% 미만까지 충전되는 배터리를 위한 냉매 유동은 배터리에 본질적으로 냉각력이 공급되지 않도록 설정된다. 여기서, 1/4 미만의 충전된 배터리라는 표현은 총 용량의 25% 미만을 갖는 배터리를 말한다. 본질적으로 냉각력이 공급되지 않는다고 함은 배터리가 공기에 의해 냉각되고, 냉각 회로에 의한 냉각은 본질적으로 중단될 수 있음을 의미한다.
저장 유닛을 작동하는 방법을 구현하기 위해, 펌프는 냉각 회로 내의 냉매를 운반할 수 있고, 냉매는 배터리 또는 흡착 저장기로부터 열을 취하여 이것을 각각의 경우에 다른 부품으로 전달한다. 여기서, 펌프의 펌핑력은 배터리의 충전 상태, 흡착 저장기의 충만 수준 또는 양자 모두에 따라 변화될 수 있다.
저장 유닛을 작동하는 방법의 추가의 실시형태에서, 전체 냉매의 흐름은 흡착 저장기 회로 및 배터리 회로로 분할된다. 여기서, 흡착 저장기 회로 및 배터리 회로 내의 냉매의 질량 유동은 흡착 저장기 회로 내, 배터리 회로 내, 또는 양자 모두의 회로 내의 적어도 하나의 밸브를 사용하여 조절될 수 있다.
모터 유닛을 갖는 구동 시스템 내에서 저장 유닛을 작동하는 방법의 실시형태에서, 전기 모터는, 적어도 1/2 충전된 배터리의 경우, 내연 엔진 또는 연료 전지보다 큰 활성을 가질 수 있다. 더욱이, 총 용량의 1/4 미만까지, 바람직하게는 10% 미만까지 충전되는 배터리의 경우, 내연 엔진 또는 연료 전지는 전기 모터 보다 큰 활성을 가질 수 있다. 여기서, 더 큰 활성을 가진다고 함은 각각의 더 큰 활성의 모터 부품이 구동계에 더 큰 토크를 부여하는 것을 의미한다.
특히 구동 시스템 내의 저장 유닛을 작동하기 위한 본 발명의 방법에서, 배터리의 충전 상태 및 흡착 저장기의 충만 수준에 따라 다양한 구성이 제공될 수 있다.
배터리가 본질적으로 완전히, 특히 총 용량의 90%를 초과하여 충전되고, 흡착 저장기가 본질적으로 완전히, 특히 총 용량의 90%를 초과하여 충만되는 경우, 전기 모터 및 내연 엔진 또는 연료 전지의 양자 모두가 차량을 구동하기 위해 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 예시적 구성에서, 냉각 회로의 밸브는 배터리를 위한 냉각력이 충분하도록 설정된다. 흡착 저장기는 흡착 엔탈피에 대응하여 더욱 천천히 비워질 수 있다. 그러면 전기 모터는 내연 엔진 또는 연료 전지보다 높은 활성을 가질 수 있고, 배터리 회로용 밸브 및 흡착 저장기 회로용 밸브의 양자 모두는 완전히 개방될 수 있다.
배터리가 총 용량의 1/4 미만, 바람직하게는 10% 미만까지 충전되고, 흡착 저장기가 총 용량의 적어도 1/2, 특히 50%까지 충만되는 경우, 차량을 구동하기 위해 내연 엔진 또는 연료 전지를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 예시적 구성에서, 배터리는 낮은 동력의 취출의 경우 공기를 이용한 냉각만을 요구하고, 냉각 회로를 이용한 냉각은 중단될 수 있다. 흡착 저장기는 주행 모드에 따라 활성화될 수 있다. 배터리 회로용 밸브는 폐쇄될 수 있도록, 그리고 흡착 저장기용 밸브는 완전히 개방되도록 밸브가 설정될 수 있다.
배터리가 총 용량의 1/4 미만, 바람직하게는 10% 미만까지 충전되고, 흡착 저장기가 본질적으로 완전히, 특히 90%를 초과하여 충만되는 경우, 차량을 구동하기 위해 내연 엔진 또는 연료 전지를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 예시적 구성에서, 배터리는 낮은 동력의 취출의 경우 공기를 이용한 냉각만을 요구하고, 냉각 회로를 이용한 냉각은 중단될 수 있다. 흡착 저장기는 주행 모드에 따라 활성화될 수 있다. 따라서, 배터리 회로용 밸브는 폐쇄될 수 있도록, 그리고 흡착 저장기용 밸브는 완전히 개방되도록 밸브가 설정될 수 있다.
배터리가 적어도 1/2, 특히 총 용량의 50%까지 충전되고, 흡착 저장기가 적어도 1/2, 특히 총 용량의 50%까지 충만되는 경우, 차량을 구동하기 위해 전기 모터 및 내연 엔진 또는 연료 전지의 양자 모두를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 예시적 구성에서, 밸브는 배터리를 위한 냉각력이 충분하도록 설정된다. 흡착 저장기는 흡착 엔탈피에 대응하여 더욱 천천히 비워질 수 있다. 그러면 전기 모터는 내연 엔진보다 높은 활성을 가질 수 있고, 배터리 회로용 밸브 및 흡착 저장기 회로용 밸브의 양자 모두는 완전히 개방될 수 있다.
배터리가 본질적으로 완전히, 특히 그 용량의 90%를 초과하여 충전되고, 흡착 저장기가 1/4 미만으로, 바람직하게는 총 용량의 10% 미만까지 충만되는 경우, 차량을 구동하기 위해 전기 모터 및 내연 엔진 또는 연료 전지의 양자 모두를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 예시적 구성에서, 냉각 회로의 밸브는 배터리를 위한 냉각력이 충분하도록 설정된다. 흡착 저장기는 흡착 엔탈피에 대응하여 더욱 천천히 비워질 수 있다. 그러면 전기 모터는 내연 엔진보다 높은 활성을 가질 수 있고, 배터리 회로용 밸브 및 흡착 저장기 회로용 밸브의 양자 모두는 완전히 개방될 수 있다.
이하에서 도면을 이용하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 여기서 설명되는 실시예 및 강조되는 양태는 단순히 본 발명의 원리를 설명하는 것으로서 본 발명의 제한을 구성하지 않는다. 오히려, 본 기술분야의 전문가는 통상적으로 많은 변형 유형을 작성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저장 유닛을 구비하는 차량을 위한 구동 시스템을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 저장 유닛의 제 1 실시형태를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 저장 유닛의 제 2 실시형태를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 저장 유닛의 제 3 실시형태를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 저장 유닛의 제 4 실시형태를 나타내는 도면.
도 1은 배터리(16), 흡착 저장기로서 구성된 연료 탱크(18) 및 선택적으로 추가의 연료 탱크(19)를 포함하는 본 발명에 따른 저장 유닛(12)을 갖는, 예컨대, 하이브리드 차량용 구동 시스템(10)을 도시한다.
도 1의 구동 시스템(10)은 내연 엔진(22) 및 전기 모터(20)를 포함하는 모터 유닛(14)을 구비한다. 이와 같은 구동 시스템(10)은 차량을 구동하기 위해 연소 에너지 및 전기 에너지의 양자 모두를 사용하는 하이브리드 차량용으로 특히 적합하다. 따라서, 내연 엔진(22)은 연료 탱크(18, 19)로부터의 연료의 연소에 의해 하이브리드 차량의 구동 차축(24)에 에너지를 공급할 수 있고, 및/또는 전기 모터(20)는 배터리(16) 내에 저장된 전기 에너지를 이용하여 하이브리드 차량의 구동 차축(24)에 에너지를 공급할 수 있다.
내연 엔진(22) 및 전기 모터(20)가 구동계(drive train; 24) 상에 병렬로 작용하는 도시된 시스템 구조와 별도로 직렬의 시스템 구조를 고려할 수도 있다. 여기서, 전기 모터(20)만이 구동계(24) 상에 직접적으로 작용하고, 내연 엔진(22)은 개재된 발전기를 통해 배터리(16)를 충전시킨다.
도 1의 실시형태에서, 본 발명에 따른 저장 유닛(12)은 흡착 저장기로서 구성되는 연료 탱크(18) 및 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리(16)를 포함한다. 흡착 저장기(18)는 라인(23)을 통해 내연 엔진(22)에 공급될 수 있는 연료로 충만된다. 흡착 저장기(18)는 연료를 흡착하여 저장하는 큰 내부의 표면적을 갖는 흡착 매체를 포함한다. 따라서, 이 흡착 저장기(18)를 충만시킬 때 흡착의 결과로서 열이 방출되고, 이 열은 흡착 저장기(18)로부터 제거시켜 주어야 한다. 유사하게, 흡착 저장기(18)로부터 연료가 취출될 때, 탈리의 프로세스를 위한 열을 공급해 주어야 한다. 그러므로, 이와 같은 구동 시스템(10)의 설계 시에 열 관리는 매우 중요하다.
이 목적을 위해, 본 발명에 따른 저장 유닛(12)은 배터리(16)의 냉각 회로(26)와 흡착 저장기(18)의 결합을 제공한다. 따라서, 흡착 저장기(18)는 배터리(16)의 냉각 회로(26) 내에 일체화된다. 냉각 회로(26)는 배터리(16)와 흡착 저장기(18) 사이에서, 예컨대, 펌프(28)를 이용하여 순환되는 냉매를 운반한다. 이러한 방식으로, 냉매는 배터리(16)로부터 열을 취출할 수 있고, 이것을 주행 작동 중에 흡착 저장기(18)에 전달할 수 있다. 이것에 의해 첫째로 배터리(16)가 냉각되고, 둘째로 연료의 탈리를 위해 흡착 저장기(18)에 열이 공급된다. 반대로, 냉매는 흡착 저장기(18)의 충만 중에 흡착의 열을 취출할 수 있고, 이것을 배터리(16)에 전달할 수 있다.
흡착 저장기(18) 및 배터리(16)와 별도로 구동 시스템(10)의 본 발명에 따른 저장 유닛(12)은 내연 엔진(22)을 위한 추가의 비축 연료를 보존하여 라인(23)을 통해 내연 엔진(22)에 이것을 제공할 수 있는 추가의 연료 탱크(19)를 포함할 수 있다. 예컨대, 연료 탱크(19)는 디젤용 또는 가솔린용 연료 탱크를 포함할 수 있다. 이와 같은 연료 탱크(19)는 생산 규모로 차량에서 사용되고, 본 기술분야의 전문가에게 충분히 공지되어 있다.
다른 실시형태에서, 도 1의 구동 시스템(10)의 모터 시스템(14)은 내연 엔진(22) 대신에 연속적으로 공급되는 연료와 산화제의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지를 포함할 수 있다. 적합한 연료는, 예컨대, 수소, 메탄 또는 메탄올이고, 이것으로부터 연료 전지는 산화제로서 산소, 특히 대기 산소를 이용하여 전기 에너지를 발생한다. 이 실시형태에서, 또한 연료는 배터리(16)와 함께 본 발명에 따른 저장 유닛(12)으로 일체화된 흡착 저장기(18) 내에 비축되어 보존될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 저장 유닛(12)의 제 1 실시형태를 도시한 것으로서, 여기서 흡착 저장기(18)는 배터리(16)의 냉각 회로(26)에 결합되어 있다.
가장 단순한 변형례에서, 본 발명에 따른 저장 유닛(12)은 배터리(16)의 냉각 회로(26)에 연결되는 흡착 저장기(18)를 포함한다. 여기서, 냉각 회로(26)는 냉매를 운반하는 라인(30) 및 흡착 저장기(18)와 배터리(16) 사이의 회로 내에서 냉매를 펌핑하는 펌프(28)를 포함한다.
연료를 저장하기 위해, 흡착 저장기(18)는 열의 발생과 함께 연료를 흡수하는 흡착 매체를 포함한다. 내연 엔진(22) 또는 연료 전지를 위한 연료는 열의 취출과 함께 탈리에 의해 제공된다. 주행 동작 중에 매우 간단하고 효율적으로 이러한 열의 도입을 실행하기 위해, 본 발명의 저장 유닛은 흡착 저장기(18)와 배터리(16) 사이에 열 결합(heat coupling)을 제공한다.
따라서, 냉매는 주행 작동 중에 배터리(16)에서 발생되어 흡착 저장기(18) 내에 도입되는 열을 흡수한다. 여기서, 이 열은 가열된 냉매로부터 흡착 저장기(18) 내의 흡착 매체로 전달되어 연료의 탈리를 위해 사용된다. 흡착 저장기(18)로부터 연료는 내연 엔진(22) 또는 연료 전지 내로 진입하고, 여기서 연료의 연소에 의해 차량을 구동하기 위한 에너지가 추가로 생성된다.
도 3은 본 발명에 따른 저장 유닛(12)의 추가의 실시형태를 도시한 것으로서, 배터리(16)와 흡착 저장기(18) 사이의 냉각 회로(26)는 병렬로 작동된다. 마찬가지로 도 3의 저장 시스템(12)은 냉각 회로(26)를 통해 배터리(16)에 연결되는 흡착 저장기(18)를 포함한다. 흡착 저장기(18)와 배터리(16) 사이에서 병렬로 냉각 회로(26)를 작동시키기 위해, 냉각 회로(26)는 배터리 분기(32), 흡착 저장기 분기(34) 및 메인 라인(36, 38)으로 분할된다. 펌프(28)는 메인 라인 내에 배치되어 냉각 회로(26) 내에서 냉매를 운반한다. 펌프의 상류 및 하류에는 접합부(44.1, 44.2)가 있고, 이곳에서 2개의 분기(32, 34)가 메인 라인(36, 38) 내로 개방된다. 따라서, 냉매는 메인 라인(36, 38)으로부터 배터리 분기(34) 및 흡착 저장기 분기(34)로 펌핑되고, 다음에 메인 라인으로 재순환된다.
배터리 분기(32) 내 및 저장기 분기(34) 내의 냉매 유동을 조절하기 위해, 배터리 분기(32) 및 흡착 저장기 분기(34) 내에 밸브가 배치된다. 따라서, 배터리 분기(32) 내에서 냉매 유동을 조절하기 위해 접합부(44.1)와 배터리(16) 사이의 배터리 분기(32) 내에 밸브(40)가 제공된다. 유사하게, 흡착 저장기 분기(34) 내에서 냉매 유동을 조절하기 위해 접합부(44.1)와 흡착 저장기(18) 사이의 흡착 저장기 분기(34) 내에 밸브(42)가 제공된다. 각각의 분기(32, 34)를 위한 냉매의 총 질량 유동은 배터리(16)와 흡착 저장기(18)의 상류에 설치된 밸브(40, 42)를 사용하여 필요에 따라 조절될 수 있다. 따라서, 흡착 저장기 분기(34) 내의 밸브(42)가 개방되고, 배터리 분기(32) 내의 밸브(40)가 개방된 경우, 냉매는 흡착 저장기(18)와 배터리(16)에 본질적으로 동일한 양으로 운반된다. 배터리 분기(32) 또는 흡착 저장기 분기(34) 내의 밸브(40, 42) 중 하나가 폐쇄된 경우, 냉매는 다른 분기(34, 32)를 통해 유동한다. 배터리 분기(32)와 흡착 분기(34)는 이러한 방식으로 결합되지 않은 방식으로 작동될 수 있다. 배터리 분기(32)와 흡착 저장기 분기(34) 사이에서 다양한 비율로 냉매의 총 질량 유동이 분할되는 중간 설정치도 가능하다.
도 4는 냉각 회로(26)가 배터리(16)와 흡착 저장기(18) 사이에서 병렬로 작동되는 도 3에 따른 저장 유닛(12)을 도시한다.
도 3과의 차이로서, 도 4의 저장 유닛(12)은 메인 라인(36) 내에 열교환기(46)를 포함한다. 이 열교환기(46)는 냉매의 온도를 조절하는 추가의 가능한 방법을 제공하기 위해 메인 라인(36, 38) 내에서 펌프(28)의 상류에 설치된다. 따라서 배터리 분기(32) 및 흡착 저장기 분기(34)로부터의 냉매는 메인 라인(36) 내에서 접합부(44.2)를 통해 합체되고, 다음에 열교환기(46)를 통해 유동한 후에 전체 냉매의 흐름은 2개의 분기(32, 34) 사이에서 다시 또 한번 분할된다.
도 5는 본 발명에 따른 저장 유닛(12)의 추가의 실시형태를 도시한 것으로서, 여기서 냉각 회로(26)는 배터리(16)용 회로 및 흡착 저장기(18)용 회로의 2개의 분리된 회로로 분할된다.
도 5의 저장 유닛(12)은 배터리 회로(33) 및 흡착 저장기 회로(35)를 포함하는 냉각 회로(26)를 포함한다. 이 2개의 회로(33, 35)는 연결 라인(48, 50)을 통해 상호 연결된다. 여기서, 냉매는 하나의 연결 라인(48) 내에서 펌프(28)를 사용하여 배터리 회로(33)와 흡착 회로(35) 사이에서 운반된다. 다른 연결 라인(50)에서, 배터리 회로(33)와 흡착 회로(35) 사이에서 교환될 냉매의 질량 유동을 조절하기 위해 이들 회로 사이에 밸브(60)가 배치된다.
배터리 회로(33)와 흡착 회로(35) 내에서 냉매를 순환시키기 위해, 2개의 회로(33, 35)에 펌프(52, 56)가 설치된다. 더욱이, 2개의 회로(33, 35)의 각각 내에서 냉매의 온도를 조절하기 위해 2개의 회로(33, 35) 내에 열교환기(54, 58)가 제공된다. 이러한 방식으로, 배터리 회로(33)와 흡착 회로(35)는 분리된 방식으로 작동될 수 있다. 그러나, 냉매는 배터리 회로(33)와 흡착 회로(35) 사이의 연결부(48, 50)를 통해 2개의 회로(33, 35) 사이에서 교환될 수도 있다.
흡착 저장기 회로(35) 내의 냉매가 흡착 저장기(18) 내에서의 탈리에 의해 심하게, 특히 20℃ 미만까지, 바람직하게는 0℃ 미만까지 냉각되었을 때, 그리고 배터리 회로(33) 내의 냉매가 배터리(16) 내에서의 열의 발생에 의해 심하게, 특히 10℃를 초과하여, 바람직하게는 35℃를 초과하여 가열되었을 때, 2개의 회로(33, 35) 사이의 냉매 교환은 특히 유리하다. 회로(33, 35) 사이에 이와 같은 온도 구배가 존재하는 경우, 배터리 회로(33)와 흡착 저장기 회로(35) 사이에서 냉매를 교환하기 위해 밸브(60)는 적어도 부분적으로 개방될 수 있다. 이러한 방식으로, 열은 배터리 회로(33)로부터 제거되어 흡착 회로(35) 내에 도입될 수 있다.
전체로 제안된 저장 유닛(12)을 이용하여 효율적이고 간단한 열 관리가 실현될 수 있다. 특히, 배터리(16)와 흡착 저장기(18)의 정반대의 열 요구사항이 냉각 회로의 결합에 의해 최적으로 활용될 수 있다. 이러한 방식으로 추가의 에너지를 공급할 필요가 없는 자급자족의 저장 시스템(12)이 창출될 수 있다. 더욱이, 저장 시스템(12)의 다양한 실시형태에 의해 배터리(16) 및 흡착 저장기(18)를 위한 냉매 유동을 조절할 수 있고, 이것은 상이한 용도에 적합될 수 있다. 또한, 열 전달은 최적의 열 관리가 가능하도록 요구사항에 이러한 방식으로 적합될 수 있다. 따라서 이와 같은 저장 시스템(12)은, 예컨대, 하이브리드 차량 또는 열병합 발전소에 일체화된 이동형 및 정지형 용도의 상황에 쉽게 일치될 수 있다.
실시예
배터리 및 흡착 저장기의 가열력 및 냉각력을 일례로서 비교하는 모의실험 계산의 결과가 이하에 제공된다.
계산의 기초는 최대 100kWh의 저장 용량을 갖는 상용 리튬 이온 배터리이다. 이와 같은 배터리의 최대 허용 온도는 약 40℃이다. 상용 전기 모터에 의해 요구되는 전기 에너지는 100km 당 약 20~60kWh이다. 이와 같은 전기 모터는 최대 75kW의 일률(power)을 갖는다. 요구되는 냉각력은 전형적으로 최대 2kW이다.
20리터의 충만 체적을 가지며, 흡착 매체로서 177 유형의 금속-유기 골격체(MOF)의 펠릿으로 충만되는 용기가 흡착 저장기로서 채택되었다. 177 유형의 금속-유기 골격체는 유기 결합 분자로서 1,3,5-트리스(4-카복시페닐)벤젠[1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene]을 이용하여 결합되는 아연 집괴(cluster)로 이루어진다. 이 금속-유기 골격체의 비표면적(Langmuir)은 4000m2/g 내지 5000m2/g이다. 이러한 유형에 관한 추가의 정보는 미국 특허 제 US 7,652,132 B2 호에서 발견할 수 있다. 펠릿은 3㎜의 길이 및 3㎜의 직경을 갖는 원주 형상을 갖는다. 이것의 투과도는 3×10-16m2이다. 따라서, 투과도와 최소 펠릿 직경의 비는 10m2/m 내지 13m2/m이다. 층의 기공율은 최소 0.2, 예컨대, 0.47이다.
20리터의 금속-유기 골격체를 포함하는 용기의 경우, 30%의 중량 부하(loading)는 흡수된 메탄의 약 2kg에 대응한다. 이러한 양의 탈리는 2×106J의 탈리 에너지를 필요로 한다. 이것은 17×103J/몰의 금속-유기 골격체의 몰 에너지로부터 계산된다. 6개의 용기의 경우, 이것은 약 2시간의 주행 시간에서 약 2kW의 탈리력을 제공하는 12×106J의 총 에너지를 얻는다.
따라서, 전체로서 흡착 저장기의 탈리 에너지는 배터리가 필요로 하는 냉각력에 대응하고, 도는 흡착 저장기의 탈리 에너지는 배터리가 필요로 하는 냉각력보다 크다. 그러므로, 흡착 저장기에 의해 제공되는 냉각력은 추가의 열 손실을 고려하더라도 배터리 및 선택적으로 추가의 부품, 예컨대, 차량 내의 공기 조화 유닛을 냉각시키기 위해 충분하다. 이러한 방식으로, 배터리를 위해 필요한 냉각력이 흡착 저장기의 탈리력에 본질적으로 대응하는 자급자족의 저장 시스템이 형성될 수 있다.
10: 구동 시스템 12: 저장 유닛
14: 모터 유닛 16: 배터리
18: 흡착 저장기 19: 연료 탱크
20: 전기 모터 21: 전기 모터에의 접속 라인
22: 내연 엔진 23: 내연 엔진에의 접속 라인
24: 구동계 26: 냉각 회로
28: 펌프 30: 냉각 회로의 라인
32, 33: 배터리 회로 34, 35: 흡착 저장기 회로
36, 38: 메인 라인 40, 42: 밸브
44.1, 44.2: 접합부 46: 열교환기
48, 50: 연결 라인 52, 56: 펌프
54, 58: 열교환기 60: 밸브

Claims (15)

  1. 차량의 구동 시스템(10)을 위한 저장 유닛(12)에 있어서,
    적어도 하나의 흡착 저장기(18), 적어도 하나의 배터리(16) 및 적어도 하나의 냉각 회로(26)를 구비하며,
    상기 흡착 저장기(18)는 상기 냉각 회로(26)를 통해 상기 배터리(16)에 결합되는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 회로(26)는 상기 냉각 회로(26) 내에서 상기 배터리(16)와 상기 흡착 저장기(18) 사이에서 냉매를 운반하는 적어도 하나의 펌프(28)를 포함하는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 회로(26)는 적어도 하나의 흡착 저장기 회로(34, 35) 및 적어도 하나의 배터리 회로(32, 33)를 포함하는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착 저장기 회로(34) 및 상기 배터리 회로(32)는 적어도 하나의 메인 라인(36, 38)으로부터 분기되는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉매 유동을 조절하기 위한 적어도 하나의 밸브(40, 42)가 상기 흡착 저장기 회로(34) 내에 또는 상기 배터리 회로(32) 내에 제공되는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환기(46) 및/또는 적어도 하나의 펌프(28)가 상기 냉각 회로(26)의 메인 라인(36, 38)의 영역 내에 배치되는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착 저장기 회로(35) 및 상기 배터리 회로(33)는 연결 라인(48, 50)을 통해 회로 내에서 상호 연결되는 2개의 개별 회로를 형성하는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 라인(48, 50)은 적어도 하나의 펌프(28) 및 적어도 하나의 밸브(60)를 포함하는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 7 항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착 저장기 회로(35) 및 상기 배터리 회로(33)는 적어도 하나의 펌프(52, 56) 및 적어도 하나의 열교환기(54, 58)를 포함하는
    차량의 구동 시스템용 저장 유닛.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 저장 유닛(12)을 작동시키는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 배터리(16)와 적어도 하나의 흡착 저장기(18)가 연결되어 있는 냉각 회로(26)를 통해 상기 배터리(16)와 상기 흡착 저장기(18) 사이에서 열이 교환되는
    저장 유닛 작동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 저장 유닛(12)은 상기 배터리(16)의 충전 상태(charging state), 상기 흡착 저장기(18)의 충만 수준(fill level), 또는 양자 모두의 함수로서 작동되는
    저장 유닛 작동 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리(16) 및 상기 흡착 저장기(18)를 통한 냉매 유동은 상기 배터리(16)의 충전 상태, 상기 흡착 저장기(18)의 충만 수준, 또는 양자 모두의 함수로서 변화되는
    저장 유닛 작동 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매의 전체 흐름은 흡착 저장기 회로(34, 35) 및 배터리 회로(32,33)로 분할되는
    저장 유닛 작동 방법.
  14. 구동 시스템(10)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 저장 유닛(12)을 포함하는
    구동 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 저장 유닛(12)을 포함하는
    차량.
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