KR20150128661A - 유체조 냉각 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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다니엘 제이. 영거스
조지 이. 실바
에드워드 바스
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알리손 트랜스미션, 인크.
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Abstract

에너지 저장 시스템은 배터리 셀 어레이를 봉입하고 배터리 셀 어레이를 둘러싸는 유체를 가지는 컨테이너를 포함한다. 시스템은 배터리 셀들로부터 열에너지 전달을 증가시키도록 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 시스템은 컨테이너로부터 열교환기를 통해 유체를 외부로 운반하도록 구성된 외부 유체 루프를 포함할 수 있다. 시스템은, 인클로저와 연결되도록 구성되고 벽을 통해 전기 신호를 운반하는 통신 포트를 가지는 벽을 또한 포함할 수 있다.

Description

유체조 냉각 에너지 저장 시스템{FLUID BATH COOLED ENERGY STORAGE SYSTEM}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합되는 2013년 3월 14일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/781,406호의 이점을 청구한다.
전기 모터를 통합한 차량은 모터를 적절히 구동하기 위하여 고전압 에너지 저장 시스템들을 요구한다. 고전압은 때대로 다수의 배터리 셀들이 서로 전기적으로 직렬 연결되는 것을 요구한다. 배터리 저장 셀들은 열 발생이 전기 발생의 부산물임으로써 충전 또는 방전할 때 셀들 내에서 화학 반응으로 인하여 열을 발생시킨다. 다수의 배터리 셀들이 아주 근접하여 수용될 때, 각 셀에서 발생된 열은 시스템 도처에서 증가하게 될 수 있으며, 저장 시스템을 파괴할 수 있는 셀 열 폭주(cell thermal runaway)와 같은 문제를 유발할 수 있다. 추가적으로, 최적의 에너지 효율을 위하여, 배터리 셀들의 균일한 온도가 유지되어야만 한다. 그러므로, 이러한 시스템이 배터리 셀들을 냉각하는 수단을 포함하는 것이 필요하고 유익하다.
고전압 배터리 셀들이 갖은 추가의 문제는 개방 회로이면 일어나는 코로나 또는 아크 섬광 또는 통기된 가스의 점화로부터의 화재의 위험이다. 또한, 염 안개(salt fog) 및 이물질은 부식과 원치않는 누설 전류 경로 또는 쇼트 회로가 저장 시스템에 존재하도록 할 수 있다.
현재의 디자인은 배터리 셀들로부터 과잉 열을 제거하도록 공기 냉각 또는 매니폴드 및 배관으로 조립되는 액체 냉각을 사용한다. 공기 냉각은 필터가 사용될 때에도 염 안개 또는 다른 부식성 물질이 배터리 셀들에 도달하는 것을 방지하지 못한다. 매니폴드 및 배관으로 조립되는 액체 냉각은 누설될 수 있으며, 누설 전류 경로를 저장 시스템에 존재하게 한다. 추가적으로, 이러한 디자인은 저장 시스템에 대한 용적을 추가하고, 이는 공간 효율적인 본래의 디자인 또는 하이브리드 개조 적용에 의한 문제를 유발한다.
다른 디자인은 배터리 셀들을 수용하는 케이싱 내부에 비전도성 유체를 통합한다. 일부의 경우에, 유체는 케이싱 내에서 움직이도록 만들어질 수 있으며, 이는 열 에너지 전달을 증가시킨다. 이러한 디자인은 아크 섬광, 코로나 및 부식에 의한 문제를 감소시킬 수 있다. 그러나, 이러한 디자인은, 배터리 셀들 또는 다른 구성 요소들을 정비할 때 유체가 드레인되어야만 하거나 또는 그렇지 않으면 수용되어야만 함으로써 수리하는 것이 어렵다. 또한, 이러한 디자인은 여전히 셀 열 폭주를 피하기 위하여 적절한 열 에너지 전달을 제공할 수 없다.
그러므로, 이러한 분야에서 개선에 대한 필요성이 있다.
본 명세서에서 설명된 에너지 저장 시스템은 상기된 문제들 뿐만 아니라 다른 문제들을 다룬다. 에너지 저장 시스템은, 배터리 셀과 배터리 셀을 둘러싸는 전기 절연성 및 열전도 특성을 갖는 유체를 봉입하는 컨테이너를 포함하며, 이러한 것은 아크 섬광, 코로나, 및 부식에 의한 문제를 감소시키거나 제거한다. 컨테이너는 이러한 문제들을 더욱 완화시키기 위하여 기밀하게 밀봉될 수 있다. 에너지 저장 시스템은 유체로부터 컨테이너의 외부로 열 에너지 전달을 유발할 수 있는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 냉각 시스템의 사용은 배터리 셀들로부터 열전달율을 크게 증가시킬 수 있으며, 차례로 셀 열 폭주 또는 그렇지 않으면 배터리 셀들의 과열의 가능성을 감소시키거나 또는 제거할 수 있다. 에너지 저장 시스템은 유체의 순환을 유발하는 재순환 펌프를 포함할 수 있다. 에너지 저장 시스템은 컨테이너 외부로 유체를 운반하는 외부 유체 루프를 포함할 수 있으며, 재순환 펌프는 외부 유체 루프를 통해 유체를 유동시킬 수 있다. 재순환 펌프는 컨테이너 내에 또는 외부 유체 루프를 따라서 위치될 수 있다. 에너지 저장 시스템은, 외부 유체 루프 상에 위치된 열교환기를 포함할 수 있으며, 열교환기는 유체로부터 컨테이너 외부로 열 에너지 전달을 유발한다. 냉각 시스템은, 컨테이너 내에 위치되거나 또는 외부 유체 루프를 따라서 위치된 증발기를 포함할 수 있다. 냉각 핀들은 배터리 셀들로부터 컨테이너의 외부로 열 에너지 전달을 더욱 증가시키도록 컨테이너의 외부에 부착될 수 있다.
다른 예들에서, 에너지 저장 시스템은 벽을 통하여 전기 신호를 전달하는 한편 컨테이너의 밀봉된 환경을 유지하도록 구성되는 통신 포트를 가지는 벽을 포함한다. 단자들과 컨트롤러를 가지는 인클로저(enclosure)는 전기 신호를 송수신하기 위하여 컨테이너와 통신 포트와 짝을 이루도록 구성된다. 인클로저와 통신 포트들은 에너지 저장 시스템의 구성 요소들이 증가된 내구성을 위하여 유체로부터 용이하게 분리되는 한편 컨테이너의 밀봉된 환경을 유지하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 추가의 형태, 목적, 특징부, 양태, 이익, 이점, 및 예들은 상세한 설명과 본 명세서에 제공된 도면으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 에너지 저장 시스템의 개략도.
도 2는 에너지 저장 시스템의 대안적인 예의 개략도.
도 3은 에너지 저장 시스템의 대안적인 예의 개략도.
본 발명의 원리의 이해를 촉진하는 목적을 위하여, 도면에 예시된 실시예들에 대한 참조가 지금 만들어지며, 특정 표현이 동일한 것을 설명하도록 사용될 것이다. 그럼에도, 본 발명의 범위의 제한이 의도되지 않았다는 것을 이해할 것이다. 설명된 실시예에서의 임의의 대안 및 추가의 변경과 본 명세서에 설명된 바와 같은 본 발명의 원리의 임의의 추가의 적용은 본 발명이 관련한 기술 분야의 당업자에게 통상적으로 일어나는 것으로 고려된다. 본 발명과 관련되지 않은 일부 특징들이 명료성을 위하여 도시되지 않았다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다.
상세한 설명과 청구항들에 대하여, 단수 용어가 달리 설명되지 않으면 복수를 포함하는 것을 유념하여야 한다. 예시로서, "디바이스"에 대한 지칭은 하나 이상의 이러한 디바이스 및 그 등가물을 포함한다. "위", "아래", "상부", "저부" 등과 같은 방향 용어는 예시된 실시예의 독자의 이해를 돕도록 독자의 편의성을 위해 단독으로 사용되는 것을 또한 유념하여야 하고, 어떠한 방식으로도 이러한 방향 용어의 사용이 설명되고, 예시되고, 및/또는 청구된 특징부들을 특정 방향 및/또는 배향으로 한정할 목적이 아니다.
다음의 설명에서 도면부호는 다양한 구성요소들이 먼저 도시된 도면들을 신속하게 확인하는 것을 돕도록 정리되었다. 특히, 요소가 처음 나타나는 도면은 전형적으로 대응 도면 부호에서 가장 왼쪽의 숫자에 의해 지시된다. 예를 들어, "100"의 일련 도면부호에 의해 식별되는 요소는 도 1에서 먼저 나타나며, "200"의 일련 도면부호에 의해 식별되는 요소는 도 2에서 먼저 나타난다.
도 1은 에너지 저장 시스템(100)의 예시도를 도시한다. 에너지 저장 시스템(100)은 하이브리드 차량 뿐만 아니라 다른 형태의 차량 또는 운송 시스템에서 사용하는데 적합하지만, 다양한 양태의 에너지 저장 시스템(100)이 다른 환경에 통합될 수 있는 것이 고려된다. 하이브리드 차량의 맥락에서, 에너지 저장 시스템(100)은 전기 모터/발전기(도시되지 않음)에 의해 발생된 전기 에너지를 수용한다. 에너지 저장 시스템(100)은 역으로 전기 모터/발전기에 및 인버터, DC-DC 컨버터, 또는 다른 구성 요소에 전기 에너지를 또한 공급한다. 에너지 저장 시스템(100)은 고전압 배선의 사용을 통하여 전기 모터/발전기 및 다른 구성요소들과 통신한다.
에너지 저장 시스템(100)은, 에너지 저장 시스템(100)을 위한 구조적 지지부를 제공하는 컨테이너(102)를 포함한다. 컨테이너(102)는 다수의 벽(104)들, 플로어(도시되지 않음) 및 덮개(도시되지 않음)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 컨테이너(102)는 4개의 벽(104)들을 포함하는 직사각 형상을 형성하고, 하나의벽(104)은 벌크 헤드(106)로서 형성된다. 벽(104)들은 컨테이너(102)를 위한 구조적 지지부를 제공한다. 벽(104)들, 덮개, 및 플로어 사이의 밀봉구들은 컨테이너(102) 내에서 기밀하고 유체적으로 밀봉된 환경을 생성한다. 벽(104)들, 플로어, 및 덮개는 서로 짝을 이루고, 컨테이너(102)가 유체(108)로 충전될 수 있는 한편 어떠한 유체(108)도 밀봉구들을 통해 누설하는 것을 허용하지 않도록 밀봉된다. 밀봉구들은 대체로 종래에 공지되고 휘발성 온도 변화 및 범위에 견딜 수 있는, 용접 또는 중합체 밀봉구들와 같은 임의의 밀봉구들일 수 있다. 압력 릴리프 밸브(도시되지 않음)가 적어도 하나의 벽(104)에 포함된다. 목표 임계값 이상 내부 압력의 증가의 경우에, 압력 릴리프 밸브는 가스 또는 유체가 컨테이너 내로부터 방출되는 것을 가능하게 하고, 컨테이너(102)의 크랙킹 또는 다른 고장을 방지한다. 압력 릴리프 밸브는 단지 한 방향으로 작업하고, 외부의 공기 또는 물이 인클로너 내부로 들어가는 것을 허용하지 않는다. 비록 도 1에 도시된 컨테이너(102)가 대체로 직사각 형상으로서 도시될지라도, 도시는 단지 예시 목적을 위한 것이며, 컨테이너(102)는 임의의 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
벽(104)들은 내부면(110)과 외부면(112)을 가진다. 내부면(110)과 외부면(112) 사이의 거리는 벽(104)들의 두께를 한정한다. 벽(104)들은 바람직하게 알루미늄, 강, 마그네슘, 또는 다른 형태의 금속 또는 비금속과 같은 유익한 열 특성을 가지는 재료로 구성된다. 바람직하게, 재료는 컨테이너(102) 내에서 발생된 어떠한 열 에너지도 내부면(110)으로부터 외부면(112)으로 신속히 전달될 수 있도록 높은 열전도성을 가진다. 추가적으로, 벽(104)들은, 내열성을 가지며 극한 온도 변화를 겪거나 극한 온도 범위에 노출될 때 구조적으로 소리를 내는 재료로 구성될 수 있다.
배터리 셀 어레이(114)들은 컨테이너(102) 내부 내에 위치된다. 배터리 셀 어레이(114)들은 본질적으로, 전기 모터/발전기에 의해 발생된 에너지를 저장하고 전기 모터/발전기로 다시 신속하게 공급하기 위하여 전기 화학 배터리들의 링크된 그룹이다. 예시된 예가 2개의 배터리 셀 어레이(114)들을 포함하는 컨테이너(102)를 도시하지만, 에너지 저장 시스템(100)은 도시된 것보다 많거나 적은 배터리 셀 어레이(114)들을 포함할 수 있다. 배터리 셀 어레이(114)들은 특정 시스템(도시되지 않음)에 의해 요구되는 바와 같이 직렬 또는 병렬로 서로 체인 방식으로 연결될 수 있는 개별적인 배터리 셀들을 포함한다. 배터리 셀 어레이(114)들은 데이터 링크(116)에 의해 연결되고, 데이터 링크는 전기 연결을 제공하고 다양한 배터리 셀 어레이(114)들 사이의 통신을 촉진한다. 배터리 셀 어레이(114)들은 데이터 링크(118)를 통해 벌크 헤드(106)에 전기적으로 연결된다. 데이터 링크(118, 116)들은 종래에 공지되고 가변 온도 환경에서 전기 신호를 운송하는데 적합한 임의의 전기 커넥터들과 신호 캐리어들을 포함할 수 있다. 데이터 링크(118, 116)들의 부분인 전기 커넥터들과 신호 캐리어들은 배터리 셀 어레이(114)들로부터 돌출하거나 또는 이에 체결된 물리적 구성요소들을 포함할 수 있다.
배터리 셀 어레이(114)들의 개별적인 배터리 셀들은 어떠한 유체 또는 공기가 배터리 벽들을 관통할 수 없고 배터리 셀들, 대응하여 배터리 셀 어레이(114)들의 내부 완전성을 손상시킬 수 없도록 배터리 셀들의 내부 구성요소들을 밀봉하는 배터리 벽들을 포함한다. 배터리 벽들은 대체로, 배터리 셀들 내에서 발생된 열 에너지가 배터리 벽들의 외부면으로 신속히 전달될 수 있도록 높은 열전도성을 가지는 알루미늄 또는 다른 금속 또는 비금속과 같은 재료로 구성된다.
컨테이너(102)는 컨테이너(102)의 내부에 위치된 유체(108)를 수용한다. 유체(108)는 컨테이너(102)의 내부면(110), 배터리 벽들, 벌크 헤드(106), 데이터 링크(118, 116)들의 부분인 전기 커넥터들과 신호 캐리어들, 및 컨테이너(102) 내에 위치된 임의의 다른 구성요소들을 직접 접촉한다. 컨테이너(102)의 내부가 밀봉되기 때문에, 유체(108)는 컨테이너(102) 내로부터 빠져나갈 수 없다. 유체(108)는 배터리 셀 어레이(114)들과 데이터 링크(118, 116)들을 커버하고 유체적으로 둘러싸는데 충분한 양이다. 이러한 방식으로, 산소는 배터리 셀 어레이(114)들과 데이터 링크(118, 116)들 주위로부터 효과적으로 제거되고, 어떤 화염도 배터리 셀 어레이(114)들과 데이터 링크(118, 116)들 주위에 존재하지 않거나 생성될 수 없다. 이러한 것은 어떠한 통기된 가스도 점화할 위험을 감소시키거나 또는 제거한다. 개방 회로가 에너지 저장 시스템(100) 내에서 일어나면 아크 섬광 또는 코로나의 가능성을 또한 감소시킨다. 또한, 배터리 셀 어레이(114)들과 데이터 링크(118, 116)들의 침지(submersion)는 전기 구성요소 주위로부터 산소를 제거하고, 이는 습기 또는 산소에 의해 유발되는 부식의 가능성을 감소시킨다. 추가적으로, 유체(108)는 공기 갭들보다 우수하게 배터리 셀들을 전기적으로 절연한다. 유체(108)는 전기 구성요소들이 유체(108) 내에 침지될 때 에너지 저장 시스템 내의 쇼트 회로의 위험성이 없도록 바람직하게 전기적으로 절연성인 유체이다. 추가적으로, 유체(108)는 컨테이너(102) 내에서 증가된 열 에너지 전달율을 위하여 높은 전기 절연 특성 및 높은 열전도성의 밸런스를 가지는 유체이다. 이러한 유체들은 예를 들어 변압기 오일 또는 변속기 오일과 같은 특정 형태의 오일과 같은 기술에 공지되어 있다. 추가적으로, 유체(108)는 상 변화 동안 증가된 열 흡수 능력을 가진 상 변화 물질일 수 있다. 컨테이너(102)는 실질적으로 유체(108)로 충전될 수 있으며, 컨테이너(102) 내부에 공기 공간을 거의 또는 전혀 남기지 않는다. 대안적으로, 컨테이너(102)는, 컨테이너(102)가 유체(108)로 완전히 충전되지 않은 동안에도 배터리 셀 어레이(114)들과 데이터 링크(118, 116)들이 유체(108)에 침지되도록 구성될 수 있고, 이에 의해, 배터리 셀 어레이(114)들과 데이터 링크(118, 116)들은 컨테이너(102)의 덮개에 도달하지 못한다.
재순환 펌프(120)가 컨테이너(102) 내에 위치된다. 재순환 펌프(120)는 컨테이너(102) 도처에 유체(108)를 순환시킨다. 재순환 펌프(120)는 컨테이너(102)의 전단부(proximal end)에 위치되는 것으로서 도 1에 도시된다. 그러나, 설명은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 재순환 펌프는 컨테이너(102)의 다른 부분들에 위치될 수 있다. 재순환 펌프(120)는 용적형 펌프(positive displacement pump)일 수 있으며, 이 펌프는 외부 동력을 펌프 메커니즘의 운동으로 변환하고 입구와 출구를 통해 유체를 유동시킨다. 대안적으로, 재순환 펌프(120)는, 회전 운동을 강요된 유체 유동 또는 컨테이너(102) 내에서 유체 순환을 유발하는데 적합한 임의의 다양한 메커니즘으로 변환하는 기본 프로펠러일 수 있다. 재순환 펌프(120)는 또한, 유체 움직임을 유발하고 종래에 공지된 임의의 다양한 적합의 기계식 디바이스일 수 있다. 재순환 펌프(120)는 유체(108)가 컨테이너(102)의 내부 도처에 유체 유동 경로(122)를 따라서 대체로 균일한 순환 속도로 순환하도록 컨테이너(102)의 내부 도처에 유체(108)를 순환시킨다(유체 유동 경로(122)는 대체로 도 1에서 뿐만 아니라 도 2 및 도 3에서 점선 화살표로 도시된다). 재순환 펌프(120)는 데이터 링크(118)를 통해 벌크 헤드(106)에 전기적으로 연결된다.
도 1에 도시된 바와 같은 유체 유동 경로(122)는 대체로, 컨테이너(102)의 전단부로부터 컨테이너의 후단부를 향해 2개의 배터리 셀 어레이(114)들 사이의 중앙 통로를 통해 진행하는 라인을 따른다. 유체 유동 경로(122)는 배터리 셀 어레이(114)들 주위에서 또는 이를 통해 움직이도록 컨테이너의 어느 한 측부 상에서 갈라지고 이어지며, 이로부터, 유동 경로는 내부면(110) 가까이에서 다시 컨테이너(102)의 전단부를 향해 진행한다. 배터리 셀 어레이(114)들이 개별적인 배터리 셀들로 구성되기 때문에, 유체 유동 경로(122)는 유체(108)가 배터리 셀 벽들에 걸쳐서 직접 통과하도록 개별적인 배터리 셀들 사이에서 유동할 수 있다.
다수의 냉각 핀(124)들은 하나 이상의 벽(104)들의 외부면(112)에 부착된다. 도 1의 예시에서, 냉각 핀(124)들은 외부면(112)들 중 2개에 부착된다. 그러나, 에너지 저장 시스템(100)은 하나 이상의 벽(104)들 뿐만 아니라 컨테이너(102)의 플로어 또는 덮개 외부에 위치된 다양한 구성으로 배열된 냉각 핀(124)들을 포함할 수 있다. 냉각 핀(124)들은 실질적으로 평탄한 평면 구조의 어레이로서 대체로 구성된다. 냉각 핀(124)들은 서로 평행하게 위치되고, 외부면(112)에 대해 직각으로 부착된다. 냉각 핀(124)들은 전도성 열 에너지 전달율을 최대화하도록 많은 양의 표면적을 가진다. 냉각 핀(124)들은 알루미늄 또는 다른 금속 또는 비금속과 같은 높은 열전도성을 가지는 재료로 형성된다. 대류성 또는 전도성 열 에너지 전달율을 증가시키도록 냉각 핀들의 사용은 당업자에게 공지되어 있다.
컨테이너 벽(104)들 중 하나는 벌크 헤드(106)로서 구성된다. 벌크 헤드(106)는 컨테이너(102)의 내부의 기밀하게 밀봉된 환경을 유지하는 한편, 컨테이너(102)의 내부와 컨테이너(102)의 외부 사이의 전기 통신 링크를 제공한다. 짝맞춤(mating) 인클로저(126)는 컨테이너(102), 특히 벌크 헤드(106)와 짝을 이루도록 구성된다. 짝맞춤 인클로저(126)는 벌크 헤드(106)에 부착 가능하고 정비 또는 구성 임무를 위해 용이하게 제거 가능하도록 구성된다. 짝맞춤 인클로저(126)는 볼트, 레버, 래치, 또는 임의의 다양한 부착 메커니즘을 사용하여 벌크 헤드(106)에 부착될 수 있다. 짝맞춤 인클로저(126)는 다양한 컨트롤러(128)들, 단자(130)들, 및 퓨즈(132)들을 수용한다. 단자(130)들은 전기 에너지 저장 시스템(100)과, 예를 들어 전기 모터/발전기, 인버터, DC-DC 변환기, 또는 전기 하이브리드 차량의 부분일 수 있는 다른 구성요소들과 같은 전기 에너지 저장 시스템(100) 외부의 구성요소들 사이에 데이터 연결 및 고전력 링크들을 가능하게 한다.
인클로저(126)는 벌크 헤드(106)에 위치된 하나 이상의 통신 포트(136)들을 수용하도록 구성된 하나 이상의 수용부(134)들을 포함한다. 수용부(134)들은 통신 포트(136)들에 위치된 대응하는 단자들과 짝을 이루도록 구성된 단자(130)들을 수용한다. 서로 짝을 이룰 때, 수용부(134)들과 통신 포트(136)들은 데이터 연결을 생성하고, 이에 의해, 전기 신호와 전력은 컨테이너(102) 내부로부터 인클로저(126)로 또는 인클로저를 통해 전달될 수 있다. 짝맞춤 인클로저(126)는, 짝맞춤 인클로저(126) 내에 위치된 임의의 구성 요소를 수리하는 동안 어떠한 유체도 컨테이너(102) 내로부터 빠져나갈 수 없도록, 컨테이너(102)로부터 분리될 수 있는 한편, 컨테이너(102)의 내부의 밀봉된 완전성을 손상시키지 않도록 구성된다. 짝맞춤 인클로저(126)가 컨테이너(102)로부터 제거될 때, 벌크 헤드(106)는 컨테이너(102)의 내부의 밀봉된 완전성을 남기고 유지한다.
수용부(134)들은 인클로저(126)의 오목부들로서 도 1에 도시된다. 통신 포트(136)들은 벌크 헤드(106)의 돌출부들로서 도 1에 도시된다. 그러나, 이러한 설명은 단지 예시적이며 수용부(134)들과 통신 포트(136)들의 구성은 임의의 다양하고 적절한 구성일 수 있다. 추가적으로, 비록 3개의 수용부(134)들과 3개의 통신 포트(136)들이 도 1에 도시되었을지라도, 이러한 것은 단지 예시적이며, 보다 많거나 적은 수용부(134)들과 통신 포트(136)들이 에너지 저장 시스템(100)에서 통합될 수 있다. 통신 포트(136)들은 데이터 링크(118)들을 수용하고, 데이터 링크들은 수용부(134)들에서 짝맞춤 접촉으로 연결하도록 구성된 접촉부에서 종료한다. 이러한 방식으로, 통신 포트(136)들은 인클로저(126)의 단자(130)들을 통해 컨트롤러(128)에 데이터 링크(118)들을 직접 연결한다. 통신 포트(136)들은 어떠한 유체(108)도 통신 포트(136)들을 통과할 수 없도록 컨테이너(102)의 내부의 밀봉된 완전성을 유지하기 위하여 데이터 링크(118)들과 단자(130)들 주위에 밀봉구들을 제공한다. 단자(130)들과 통신 포트(136)들의 밀봉구들은 당업자에게 공지되고 예를 들어 압축 밀봉구, O-링, 또는 중합체 밀봉구와 같은 가변 온도 환경에 적합한 임의의 다양한 단자(130)들과 밀봉구들일 수 있다. 벌크 헤드(106)는 통신 포트(136)들의 온도 변화를 감소시키기 위하여 단열층으로 코팅될 수 있거나 또는 예를 들어 세라믹과 같은 단열 물질로 구성될 수 있다.
하나 이상의 센서(138)들이 상기 컨테이너(102) 내에 위치된다. 비록 도 1이 예시 목적을 위하여 단일 센서(138)를 도시할지라도, 실제로 에너지 저장 시스템(100)은 컨테이너(102) 내의 다양한 구성으로 위치된 임의의 수의 센서(138)들을 포함할 수 있다. 센서(138)들은 배터리 셀 어레이(114)들에 연결될 수 있거나, 또는 그렇지 않으면 컨테이너(102) 내에 배치된다. 센서(138)들은 예를 들어 배터리 셀들의 온도, 벽(104)들의 온도, 또는 유체의 온도와 같은, 컨테이너(102) 내의 물리적 파라미터를 측정하기 위한 임의의 다수의 센서들일 수 있다. 추가적으로, 센서(138)들은 압력 센서, 액체 레벨 센서, 및 배터리 셀 전압 센서들일 수 있다. 센서(138)들은 데이터 링크(118)들을 통해 벌크 헤드(106)와 전기적으로 연결된다.
짝맞춤 인클로저(126)는 배터리 측정 시스템으로서 작용하는 컨트롤러(128)를 포함한다. 컨트롤러(128)는 전기 에너지 저장 시스템(100)의 다양한 구성요소들 뿐만 아니라 전기 모터/발전기, 인버터, 또는 DC-DC와 같은 외부 구성요소와 에너지 저장 시스템(100) 사이의 데이터 전달 및 전력 유동을 가능하게 하도록 제어 명령을 포함한다. 추가적으로, 컨트롤러는 짝맞춤 인클로저(126) 외부의 다양한 위치에 위치될 수 있으며, 짝맞춤 인클로저(126) 외부에 전기적으로 연결될 수 있다. 컨트롤러는 센서(138)들로부터 정보를 수신하고, 배터리 셀들의 온도 또는 컨테이너(102) 내의 다른 파라미터를 조정하도록 재순환 펌프(120) 또는 에너지 저장 시스템(100)의 다른 구성요소를 제어한다. 센서(138)들은 짝맞춤 인클로저(126)에 위치된 컨트롤러(128)에 정보를 제공하도록 구성된다. 컨트롤러(128)는 데이터 링크(118)들을 통해 센서(138)들로부터 정보를 수신한다. 컨트롤러(128)는 또한 데이터 링크(118)들을 통해 재순환 펌프(120) 및 컨테이너(102)에 위치된 다른 구성요소들과 통신한다. 컨트롤러(128)는 재순환 펌프(120)와 에너지 저장 시스템(100) 내에 위치된 임의의 다른 구성요소의 작동을 제어한다. 컨트롤러(128)는 데이터 링크(118)들을 통해 전압 및 용량 정보와 같은 정보를 배터리 셀 어레이(114)들로부터 수신하고, 이 정보를 전기 모터/발전기 또는 하이브리드 차량의 부분인 다른 구성요소에 전달할 수 있다. 컨트롤러(128)는 또한 데이터 링크(118)들을 통해 배터리 셀 어레이(114)들로 및 배터리 셀 어레이들로부터 전력 전달을 가능하게 한다.
대안적인 실시예에서, 짝맞춤 인클로저(126)는 컨테이너(102)에 고정적으로 부착될 수 있다. 이러한 방식으로, 짝맞춤 인클로저(126)는 컨테이너(102)로부터 분리할 수 없게 된다. 대신, 짝맞춤 인클로저(126)와 다양한 컨트롤러(128)들, 단자(130)들, 및 퓨즈(132)들은 컨테이너(102)에 부착된 동안 정비 가능하고 구성 가능하게 된다. 대안적으로, 짝맞춤 인클로저(126)는 짝맞춤 인클로저와 컨테이너(102)가 적어도 하나의 벽(104)을 공유하거나 또는 부분적으로 공유하도록 컨테이너(102)의 내부 구성요소일 수 있다. 이러한 방식으로, 짝맞춤 인클로저(126)와 유체 조(fluid bath)를 수용하는 칸은 동일한 컨테이너의 2개의 칸들일 수 있다.
아주 근접하여 서로 체인으로 연결된 고전압 배터리 셀들이 충전 또는 방전 동안 상당한 양의 열 에너지를 발생시킬 수 있다는 것이 당업자에 의해 예측될 것이다. 배터리 셀 어레이(114)들 내에 쌓인 열 에너지는 개별적인 배터리 셀에 전도성으로 열 에너지를 전달시킨다. 이러한 방식으로, 에너지 저장 시스템(100)의 작동 동안, 다양한 시간에, 어떠한 열 에너지 관리 시스템이 준비되지 않으면, 배터리 셀들과 배터리 벽들은 상당히 높은 온도에 도달하고, 시스템에 대한 돌발고장(catastrophic failure)을 유발할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀의 온도를 상승시킬 때 일어날 수 있는 셀 열 폭주는 배터리 셀 내에서 추가적인 열 에너지 방출을 초래하는 화학 반응을 유발할 수 있다. 또한, 셀 열 폭주를 겪은 하나의 배터리 셀로부터의 열 에너지는 인접한 배터리 셀들로 확산할 수 있고, 이어서 인접한 배터리 셀에서 증가된 온도를 유발한다. 이러한 방식으로, 에너지 저장 시스템(100) 내의 다수의 고장난 배터리 셀들의 연쇄 반응이 일어날 수 있다. 배터리 고장은 배터리 셀로부터 컨테이너(102) 내로 가스를 방출시키고, 밀봉된 컨테이너(102)의 내부 압력을 증가시킨다. 내부 압력이 사전 결정된 임계값 이상 증가하면, 압력 릴리프 밸브가 작동하고, 에너지 저장 시스템(100)의 추가의 고장을 방지한다. 그러나, 압력 릴리프 밸브는 도 1에 도시된 에너지 저장 시스템(100)이 배터리 셀 어레이(114)들로부터 컨테이너(102) 외부로 신속하고 효율적인 열 에너지 전달을 위한 수단을 제공하고, 이에 의해 과열 시나리오를 방지하는 유일한 백업 시스템이다.
당업자에 의해 예측되는 바와 같이, 두 지점 사이의 전도에 의한 열 에너지 전달율은 두 지점 사이의 온도의 차이와 전달되는 열 에너지가 통과하는 매체의 열전도성에 직접 비례한다. 하나의 매체로부터 다른 매체로 대류에 의한 열 에너지 전달율은 열 에너지가 전달되는 매체의 표면적 뿐만 아니라 두 매체들 사이의 온도의 차이에 직접 비례한다. 열 에너지가 항상 높은 온도로부터 낮은 온도로 유동하기 때문에, 에너지 저장 시스템(100)은 배터리 셀들의 온도가 외부 대기의 온도보다 높을 때 배터리 셀들로부터 컨테이너(102)를 둘러싼 외부 대기로 열 에너지 전달을 증가시키도록 설계된다.
에너지 저장 시스템(100)은 에너지 저장 시스템(100) 내의 서브 시스템, 재료, 및 구조적 레이아웃을 이용하는 것에 의해 배터리 셀들로부터 컨테이너(102)의 외부로 전도성 및 대류성 열 에너지 전달율을 효율적으로 증가시키도록 설계된다. 일반적으로, 효율적인 열 에너지 전달은 다음의 특징에 의해 도 1에 도시된 예에 따라서 달성된다. 배터리 셀 어레이(114)들은 배터리 셀 벽들로부터 유체(108)로 열 에너지 전달을 증가시키는 높은 열전도성을 가진 유체(108)를 포함하는 유체 조에 위치된다. 유체(108)는 배터리 셀들로부터 유체(108)로, 그리고 유체(108)로부터 벽(104)들로 대류 열 에너지 전달율을 증가시키기 위하여 컨테이너(102) 내에서 순환되도록 유발된다. 컨테이너 벽(104)들은 유체(108)로부터 외부면(112)으로 열 에너지 전달을 증가시키는 높은 열전도성이다. 냉각 핀(124)들은, 컨테이너 벽(104)들로부터 열 에너지를 대류로 전달하고 냉각 핀(124)들로부터 컨테이너(102)의 외부 대기로 열 에너지를 전도로 전달하도록 컨테이너 벽(104)들의 외부면(112) 상에 위치된다.
특히, 열 에너지가 배터리 셀들 내에서 발생함으로써, 열 에너지는 배터리 벽들의 증가된 표면 온도를 유발하는 배터리 벽들로 전달된다. 당업자는 매체를 통한 열 에너지 전달율이 매체의 열전도성에 직접 비례하는 것을 예측할 것이다. 따라서, 배터리 셀들의 온도는 감소될 수 있거나, 또는 배터리 셀들의 목표 온도는 유체(108)의 온도를 배터리 셀들의 목표 온도보다 낮추는 것에 의해 유지될 수 있다. 배터리 셀들의 온도보다 낮은 온도이고 고 열전성을 가지는 유체(108)를 포함하는 유체 조에 배터리 셀들을 침지시키는 것에 의해, 열 에너지는 배터리 벽들로부터 유체(108)로 더욱 신속하게 유동한다. 유체(108)는, 공기가 유체(108)보다 훨씬 낮은 열전도성을 가지기 때문에, 대안적인 공기에 비교하여 유익하며, 유체는 일반적으로 공기의 열전도성 보다 4배 크다. 에너지 저장 시스템(100)의 작동 동안, 유체(108)가 정체되면, 배터리 벽들에 인접한 유체(108)는, 열 에너지가 유체(108)를 통해 배터리 셀들로부터 전달됨으로써, 내부면에 인접한 유체(108)보다 대체로 높은 온도의 것이다. 배터리 셀들과 내부면(110) 사이의 온도 차이가 비교적 효율적인 비율(rate)로 유체(108)를 통하여 전도성 열 에너지 전달이 일어나는 것을 가능하게 함으로써, 유체(108)의 순환의 추가는 열 에너지 전달율을 크게 증가시킨다. 재순환 펌프(120)에 의해 생성된 유체 유동 경로(122)를 따르는 유체(108)의 유동은 난류 유체 유동의 특징을 보일 수 있으며, 이는 개별적인 유체 입자들이 유체(108) 내에서 증가된 전단 혼합(shear mixing)을 유발하는 추가의 횡 운동을 보임에 따라서 유체(108) 내의 열 에너지 전달율을 더욱 향상시킨다. 전단 혼합은 임의의 주어진 순간에 배터리 벽(104)들에 인접한 유체(108)의 부분의 대체로 낮은 온도를 유발하고, 이러한 것은 배터리 벽(104)들로부터 유체(108)로 열 에너지 전달율을 더욱 증가시킨다.
열 에너지가 유체(108)로 전달됨으로써, 유체(108)의 온도는, 열 에너지가 유체(108)로 유동하는 비율과 동일한 비율로 유체(108)로부터 전달되지 않으면, 증가하는 경향이 있다. 셀 열 폭주를 피하기 위하여, 유체(108)의 온도는 최대 온도 아래로 유지되어야 한다. 배터리 벽들로부터 유체(108)를 통해 내부면(110)으로 안정된 열 에너지 전달율을 유지하는 한편, 유체(108)의 온도가 상승하는 것을 허용하지 않기 위하여, 내부면(110)의 온도는 유체(108)의 평균 온도보다 낮은 온도로 유지되어야 한다. 내부면(110)의 온도는 높은 열전도성을 가진 벽(104)들과 냉각 핀(124)들의 사용을 통해 유지된다. 벽(104)이 높은 전도성을 가지는 재료로 구성되기 때문에, 배터리 셀들에 의해 발생되어 유체(108)를 통해 내부면(110)으로 전달되는 열 에너지는 외부면(112)이 유체(108)보다 낮은 온도로 유지될 때 벽(104)을 통해 외부면(112)으로 신속히 전달될 것이다. 벽(104)들을 통한 열 에너지의 전달은 외부면(112)의 온도를 상승시키려 할 것이다. 그러나, 외부면(112)의 온도는 냉각 핀(124)들의 사용을 통해 유지될 수 있다. 열 에너지가 벽(104)들을 통해 진행함으로써, 열 에너지는 이어서 전도성으로 냉각 핀(124)들을 통해 진행하고, 최종적으로 냉각 핀(124)들의 표면으로부터 대류 열 에너지 전달을 통해 주위 공기로 분산된다. 냉각 핀(124)들의 큰 표면적은 냉각 핀(124)들로부터 주위 공기로 신속한 열 에너지 전달을 가능하게 한다.
따라서, 에너지 저장 시스템(100)의 작동 동안, 냉각 핀(124)들의 표면 온도는 배터리 셀들의 목표 온도보다 낮은 온도로 유지되고, 배터리 셀들로부터 컨테이너(102)를 둘러싸는 주위 공기로의 총체적인 열 에너지 전달율은 증가된다. 배터리 벽(104)들로부터 외부 주위 공기로의 이러한 개선된 열 에너지 전달율은 배터리 셀들로부터 멀리 열 에너지를 더욱 신속하게 전도하는 것에 의해 셀 열 폭주와 그렇지 않으면 배터리 셀(114)들의 과열의 가능성을 감소시키는 것을 돕는다.
에너지 저장 시스템(100)의 대안적인 예가 도 2에 도시되어 있으며, 냉각 시스템(200)을 포함한다. 도 2의 에너지 저장 시스템(100)은 도 1의 에너지 저장 시스템(100)과 유사하고, 외부면(112)과 내부면(110)을 가지는 벽(104)들을 구비한 컨테이너(102)를 포함한다. 한 쌍의 배터리 셀 어레이(114)들, 재순환 펌프(120), 센서(138)들, 데이터 링크(118, 116)들, 및 유체(108)가 컨테이너(102) 내에 위치된다. 다수의 냉각 핀(124)들은 외부면(112) 상에 위치된다. 도 2에 도시된 에너지 저장 시스템(100)은 임의의 수의 배터리 셀들을 가질 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 배터리 셀 어레이(114)들로 한정되지 않는다. 컨테이너(102)에는 높은 열전도성 및 높은 전기 절연 특성을 가지는 유체인 유체(108)가 충전된다. 재순환 펌프(120)는 배터리 셀들을 통해 그리고 배터리 셀들 주위에서 컨테이너(102) 내에서 유체(108)를 순환시킨다.
냉각 시스템(200)은 압축기(202), 응축기(204), 팽창 밸브(206), 증발기(208), 냉각 팬(210), 및 냉매 라인(212)을 포함한다. 도 2에 도시된 냉각 시스템(200)의 구성은 단지 예시의 목적을 위한 도시이며, 반드시 냉각 시스템의 실제 물리적인 레이아웃을 대표하는 것으로 의도되지 않는다. 냉각 시스템(200)은, 냉매가 압축기(202), 응축기(204), 팽창 밸브(206), 및 증발기(208)의 4개의 구성요소들을 통하는 냉매 라인(212)을 통해 진행하는 증기 압축 사이클로서 작동한다. 냉매는 증기 압축 사이클의 각 위상 동안 열역학적 변환을 겪는다. 냉매는 암모니아 또는 메탄과 같은 냉각 사이클에서 사용하는데 적합한 임의의 다양한 물질일 수 있다. 냉매는, 냉매가 증발기(208)로 들어갈 때 냉매가 증발 위상 동안 반드시 증발(또는 비등)하도록 유체(108)의 목표 온도 아래의 비등점을 가진다.
압축기(202)는 증기 압축 사이클의 압축 위상과 일치하고, 증기로부터 과열된 증기로 변환한다. 냉매는 냉매 라인(212)을 통한 증기로서 압축기(202)에 들어간다. 압축기(202)는 냉매의 압력과 온도를 증가시키도록 기계적인 작업을 적용한다. 압축 공정 동안, 냉매는 열 에너지가 냉매로 또는 냉매로부터 거의 또는 전혀 전달되지 않기 때문에 증기로부터 과열된 증기로 변환된다. 압축기(202)는 왕복 압축기 또는 로터리 왕복기와 같은 임의의 다양한 압축기일 수 있다. 압축기(202)는 컨테이너(102) 외부의 임의의 적합한 위치에 장착될 수 있다. 그러나, 컨테이너(102)로부터 방출된 열 에너지로부터 압축기(202)와의 어떠한 간섭도 최소화하도록 컨테이너(102)로부터 충분히 떨어져 있는 위치에 압축기(202)를 위치시키는 것이 바람직하다. 추가적으로, 압축기는 냉매 라인(212)의 길이와 임의의 대응하는 효율 손실을 최소화하도록 컨테이너(102)에 충분히 근접하여 위치되어야 한다.
압축기(202)를 떠날 시에, 과열된 증기인 냉매는 응축기(204)로 들어간다. 응축기(204) 내에서, 냉매는 응축되고, 과열된 증기로부터 여전히 고온 및 고압인 액체로의 상변화를 겪는다. 응축기(204)는 종래에 공지된 임의의 다양한 응축기 형태일 수 있다. 예를 들어, 응축기(204)는 냉매가 다수의 스네이킹(snaking) 또는 루프형 응축기 튜브(214)들을 통해 진행하는 열교환기 섹션을 포함할 수 있다. 다수의 응축기 냉각 핀(216)들은 응축기 튜브(214)들에 부착된다. 냉각 팬(210)은 열교환기 섹션을 통해 외부 냉각 공기를 송풍하고, 응축기 냉각 핀(216)들에 걸쳐서 냉각 공기를 보낸다. 냉각 공기는 응축기 냉각 핀(216)들의 표면으로부터 멀리 대류로 열 에너지를 전달하고 온도차를 생성하며, 이러한 온도차는 응축기 벽들을 통해 냉매로부터 전도성으로 열 에너지를 전달한다. 냉매는 응축기(204) 내에서 거의 일정한 온도 및 일정한 압력으로 유지된다. 비록 과열된 증기가 액체/증기 위상 결합에 도달하는 동안 일부 온도 강하가 일어날지라도, 응축 위상 동안 추가의 온도 손실이 거의 일어나지 않는다. 냉매의 온도 및 압력이 일정한 값(비교적 높은)으로 유지되기 때문에, 열 에너지가 냉매로부터 유동함으로써, 냉매는 과열된 증기로부터 액체로 상 변화한다. 고온, 고압 액상의 냉매는 그런 다음 응축기(204)를 빠져나가고, 팽창 밸브(206)를 통과한다.
팽창 밸브(206)는 냉매 라인(212)을 통해 냉매의 순환 유량을 제어하고, 고압 환경으로부터 저압 환경으로 냉매를 느리게 보낸다. 팽창 밸브(206)는 예를 들어 온도식 팽창 밸브(thermostatic expansion valve) 또는 모세관 튜브와 같은, 증발기 내로의 냉매 유동을 제어하도록 공지된 임의의 다양한 팽창 밸브일 수 있다. 팽창 밸브(206)를 통과할 때, 고압 액상의 냉매는 플래시 증발(flash evaporation)을 겪고, 냉매는 액체-증기 혼합물이 된다. 플래시 증발 동안, 매우 적은 열 에너지 전달이 일어나고, 냉매는 온도가 대체로 압력과 체적의 결과에 직접 비례함으로써 신속히 냉각된다. 액체-증기 냉매의 결과적인 온도는 냉매가 냉매 라인(212)을 따라서 증발기(208)를 수용한 컨테이너(102) 내로 계속함으로써 바람직하게 유체(108)의 중간 온도(median temperature) 아래이다.
증발기(208) 내에서, 액체/증기 혼합물인 저압, 저온 냉매는 유체(108)로부터 열 에너지를 흡수하도록 냉매를 위한 유체(108)와 충분히 접촉하게 된다. 증발기(208)는 예를 들어 냉매가 진행하는 일련의 권취된 증발기 코일(218)들과 같은 냉각 시스템들에서 사용하는데 적합한 임의의 다양한 증발기들일 수 있다. 증발기(208)는 컨테이너(102) 내에 직접 위치되고, 유체(108) 내에 침지된다. 증발기 코일(218)들의 벽들은 바람직하게 유체(108)와 냉매 사이의 열 에너지 전달율을 최대화하기 위하여 예를 들어 알루미늄과 같은 높은 열전도성을 가지는 재료로 만들어진다. 증발기(208) 내에서, 냉매는 증발기의 전도성 벽들을 통해 유체(108)와 열 에너지 전달을 겪는다. 냉매 온도가 유체(108)의 평균 온도보다 낮기 때문에, 열 에너지는 유체(108)로부터 냉매로 유동한다. 냉매가 저압이기 때문에, 냉매는 저온에서 비등할 수 있으며, 냉매는 기화된다. 기화되면, 냉매는 계속 냉매 라인(212)을 따르고, 컨테이너(102)를 빠져나가, 냉각 사이클을 완성하도록 압축기로 복귀한다.
컨테이너(102)에 있는 재순환 펌프(120)는 열 에너지 전달율을 증가시키도록 냉각 시스템(200)과 관련하여 작업한다. 도 2에 도시된 유체 유동 경로(122)를 따라서 유체(108)를 유동시키는 것에 의해, 유체(108)가 정체될 수 없어서, 증발기 코일(218)들을 직접 둘러싸는 유체(108)의 부분은 대체로 유체(108)의 평균 온도보다 낮게 될 것이다. 재순환 펌프(120)는, 유체(108)로부터 증발기 코일(218)들을 통해 진행하는 냉매로 열 에너지 전달율을 최대화하도록 증발기(208)에 걸쳐서 유동하는 유체(108)가 충분히 높은 온도인 것을 보장한다.
냉매 라인(212)은 벽(104)을 통해 진행하도록 구성되고, 벽(104)에 들어가고 나가는 경우에 밀봉된다. 밀봉구들은 예를 들어 중합체 밀봉구, O-링, 또는 압축 밀봉구와 같은 종래에 공지된 임의의 형태의 밀봉구들일 수 있다. 이러한 방식으로, 컨테이너(102)의 내부는 외부 오염물이 컨테이너(102)에 들어가는 것을 방지하도록 밀봉되는 한편, 냉매 라인(212)이 컨테이너(102)에 들어가고 나가는 것을 허용한다.
냉각 시스템(200)은 냉매가 냉각 시스템을 빠져나갈 수 없도록 폐쇄 시스템이다. 따라서, 냉매 라인(212) 내에 위치된 냉매는 유체(108)로부터 충분히 격리되어서, 유체(108)와 냉매는 서로 교차 오염시킬 수 없다. 이러한 방식으로, 냉매는 컨테이너(102) 외부에 있는 냉매 라인(212)의 일부를 통하여 유지 보수되거나 또는 교체될 수 있는 한편, 컨테이너(102)의 내부 밀봉구들의 오염 또는 손상을 유발하지 않는다. 냉각 시스템(200)이 작동하는데 에너지를 요구하기 때문에, 에너지 효율을 증가시키기 위하여, 냉각 시스템(200)은 냉각 시스템(200)이 유체(108)의 온도를 충분히 낮게 유지하는 것이 필요하지 않을 때 정지될 수 있다. 냉각 시스템(200)은 온도 센서, 압력 센서 또는 유체 레벨 센서와 같은 센서(138)들과 또한 통신하는 컨트롤러(128)(도 1)와 통신하도록 구성될 수 있다. 컨트롤러(128)는 배터리 관리 시스템으로서 작용하고, 고온 또는 고압의 조건 동안과 같이 센서(138)들로부터 수신된 신호에 응답하여 냉각 시스템(200)을 작동시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 재순환 펌프(120)는 센서(138)들로부터 수신된 신호에 기초하여 컨테이너(102)에 의해 필요로 할 때 작동될 수 있다.
에너지 저장 시스템(100)(도시되지 않음)의 대안적인 실시예에서, 냉각 시스템(200)은 차량 캡을 위해 구성된 별도의 냉각 시스템과 결합될 수 있다. 차량이 동일한 냉각 회로에 다수의 증발기들을 가지는 한편, 공통의 냉매원과 압축기를 공유하는 것은 공지되어 있다. 이러한 것은 불필요한 비용을 추가하는 다수의 압축기들에 대한 필요성을 방지하게 된다.
도 3에 도시된 에너지 저장 시스템(100)의 또 다른 예에서, 에너지 저장 시스템(100)은 컨테이너(102) 외부에 위치된 열교환기(302)를 통해 유체(108)를 운반하는 유체 루프(300)를 포함한다. 열교환기(302)는 액체를 냉각하는데 적절한 예를 들어 냉각 핀들과 냉각 팬 또는 임의의 열교환기를 통합하는 것과 같은 임의의 다양한 열교환기들을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 에너지 저장 시스템(100)은 단일의 배터리 셀 어레이(114)들을 포함한다. 그러나, 다른 예에서, 에너지 저장 시스템(100)은 하나 이상의 배터리 셀 어레이(114)들과 임의의 다양한 구성의 배터리 셀 어레이(114)들을 포함할 수 있다. 유체 루프(300)는 열교환기(302)를 통해 컨테이너(102)의 외부의 유체(108)를 운반한다. 제1 운반 라인(304)은 유체 루프(300)를 통해 유체(108)를 운반한다. 펌프(306)는 제1 운반 라인(304)을 통해 유체를 유동시킨다. 제1 운반 라인(304)은 출구 포털(308)과 입구 포털(310)에서 컨테이너(102)에 유체적으로 연결된다. 출구 포털(308)과 입구 포털(310)은 컨테이너(102)의 내부와 유체적으로 연결되어서, 유체(108)는 컨테이너(102)의 내부로부터 유체 운반 라인(304)을 통해 컨테이너(102)의 외부로 보내질 수 있다. 입구 포털(310)과 출구 포털(308)은 유체 운반 라인(304)과 컨테이너(102) 내부 사이에 밀봉된 연결을 제공한다. 밀봉구들은 예를 들어 중합체 밀봉구, O-링, 또는 압축 밀봉구와 같은 종래의 공지된 임의의 형태의 밀봉구들일 수 있다.
펌프(306)는 유체 운반 라인(304)을 통해 열교환기(302) 내로 유체(108)를 유동시킨다. 열교환기(302)는 유체(108)가 입구 부분(310)을 통해 컨테이너(102) 내로 다시 진행하기 전에 유체(108)를 냉각한다. 이러한 방식으로, 컨테이너(102)로부터 출구 포털(308)을 통해 진행하는 유체(108)는 입구 포털(310)을 통해 컨테이너(102) 내로 진행하는 유체(108)보다 높은 온도를 가진다. 열교환기(302)를 빠져나가는 냉각된 유체(108)는 입구 포털(310)을 통해 컨테이너(102)에 들어가고, 도 3에 도시된 유체 유동 경로(122)를 따라서 유동한다. 유체(108)는 배터리 셀 어레이(114)들의 배터리 셀 벽들에 인접하고, 유체(108)는 배터리 셀들로부터 열에너지를 흡수한다. 그런 다음 가열된 유체의 일부는 출구 포털(308)에 들어가고, 유체 운반 라인(304)을 따라서 열교환기(302) 내로 계속하고, 유체(108)는 다시 한번 냉각된다. 이러한 방식으로, 유체 루프(300)는 유체(108)의 온도를 낮추고 벽들과 유체(108) 사이의 증가된 온도차로 인하여 배터리 벽들로부터 유체(108) 내로 열에너지를 보다 신속하게 유동시키는 것에 의해 배터리 셀들의 온도를 낮추는 것을 돕는다.
비록 이전에 설명된 에너지 저장 시스템(100)들이 특정 특징을 포함할지라도, 예들에 도시된 상기 특징들의 임의의 조합이 이용될 수 있고 본 명세서에 설명된 시스템의 부분으로서 예상되는 것을 유념하여야 한다. 예를 들어, 벌크 헤드(106)와 인클로저(126)는 냉각 시스템(200)과 관련하여 사용될 수 있다. 대안적으로, 냉각 시스템(200)은 대안적인 예에서 유체 루프(300) 및/또는 인클로저(126)와 관련하여 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 냉각 시스템(200)은 컨테이너(102) 내에 위치된 증발기(208) 뿐만 아니라 유체 루프(300)를 가질 수 있다. 또 다른 예로서, 증발기(208)는 컨테이너 외부에 위치될 수 있고, 열교환기(302)로서 사용될 수 있거나 또는 열교환기(302)에 추가하여 사용될 수 있다.
가변적인 배열이 배터리 셀들 내로부터 유체(108)로 열에너지 전달을 더욱 향상킴으로써, 배터리 셀 수량 및 구성의 임의의 다양한 조합들이 이용될 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 배터리 셀들로부터 유체(108)로 신속한 열에너지 전달을 촉진하는, 컨테이너(102) 내에서 배터리 셀 어레이(114)들의 다양한 구성이 예상될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 배터리 셀 어레이(114)들은 도 1에 도시된 예에 대해 대각선 형태로 구성될 수 있다.
본 발명이 도면 및 이전의 설명에서 상세하게 예시되고 기술되었지만, 이것들은 특질에서 예시적이고 제한이 아닌 것으로 고려되며, 단지 바람직한 실시예들이 도시되고 설명되었으며 다음의 청구항들에 의해 한정된 발명의 사상 내에 있는 모든 변형, 등가물 및 변경이 보호될 필요가 있다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에서 인용된 모든 공개, 특허, 및 특허 출원은 각 개별적인 공개, 특허, 및 특허 출원이 참조에 의해 통합되고 그 전체에 있어서 제시되도록 특별히 그리고 개별적으로 지시되는 것처럼 참조에 의해 본 명세서에 통합된다.

Claims (31)

  1. 컨테이너;
    상기 컨테이너 내에 위치되고, 하나 이상의 배터리 셀을 가지는 배터리 셀 어레이;
    상기 컨테이너 내부에 보유되고, 상기 배터리 셀 어레이를 둘러싸는 액체; 및
    상기 액체로부터 상기 컨테이너 외부의 2차 매체로 열에너지를 전달하도록 배열되고 구성된 냉각 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너에 포함되는 덮개와 적어도 하나의 벽; 및
    상기 덮개와 상기 적어도 하나의 벽 사이에 위치된 밀봉구를 추가로 포함하는 에너지 저장 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컨테이너는 기밀하게 밀봉되는 에너지 저장 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 벽에 의해 한정되는 통신 포트를 추가로 포함하고, 상기 통신 포트는 상기 컨테이너로부터 떨어져서 외향하여 연장하고, 상기 통신 포트는 상기 컨테이너 내부로부터 상기 컨테이너 외부로 상기 벽을 통과하는 전기 연결부를 가지는 에너지 저장 시스템.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 인클로저를 추가로 포함하며, 상기 인클로저는 상기 인클로저의 대응하는 오목부에 의해 한정되는 수용부를 가지며, 상기 오목부는 상기 통신 포트를 수용하도록 구성되는 에너지 저장 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수용부는 하나 이상의 단자들을 포함하고, 상기 통신 포트는 하나 이상의 접촉부들을 포함하고, 상기 하나 이상의 단자들은 상기 하나 이상의 접촉부들에 전기적으로 연결되도록 구성되는 에너지 저장 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 접촉부들은 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 전기적으로 연결되고, 상기 하나 이상의 단자들은 전기 모터 발전기에 전기적으로 연결되는 에너지 저장 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 하나 이상의 접촉부들은 데이터 링크에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 접촉부를 포함하고, 상기 데이터 링크는 상기 배터리 어레이에 연결되는 에너지 저장 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 폐쇄 냉각 회로를 형성하도록 서로 결합된 압축기, 응축기, 계량 디바이스, 및 증발기를 추가로 포함하며, 상기 증발기는 상기 컨테이너 내부의 상기 액체와 유체 소통하며, 상기 응축기는 상기 컨테이너 외부의 2차 매체와 유체 소통하는 에너지 저장 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 2차 매체는 공기이며, 상기 응축기는 응축기 냉각 핀들과, 상기 응축기 냉각 핀들에 걸쳐서 공기의 유동을 보내도록 구성된 응축기 팬을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 배터리 셀들은 상기 액체에 실질적으로 침지되는 에너지 저장 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 위치된 펌프를 추가로 포함하며, 상기 펌프는 상기 컨테이너에 있는 액체와 유체 소통하는 에너지 저장 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 컨테이너에 의해 한정되고 상기 컨테이너에 있는 액체와 유체 소통하는 입구와 출구;
    상기 입구, 상기 펌프, 및 상기 출구에 결합되고, 상기 컨테이너 외부의 유동 경로를 한정하는 유체 운반 라인을 추가로 포함하고, 상기 유동 경로는 상기 출구로부터 액체까지 상기 펌프를 통과하도록 구성되는 에너지 저장 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 컨테이너 외부에 위치된 열교환기를 추가로 포함하며, 상기 운반 라인은 상기 열교환기에 결합되고, 상기 유동 경로는 상기 입구로 보내지기 전에 상기 열교환기를 통과하는 에너지 저장 시스템.
  15. 하나 이상의 배터리 셀을 가지는 배터리 셀 어레이;
    액체를 수용하고, 적어도 하나의 벽을 가지는 컨테이너로서, 상기 배터리 셀 어레이가 상기 컨테이너 내부에 수용되고 상기 액체가 상기 배터리 셀 어레이를 둘러싸는, 상기 컨테이너; 및
    상기 벽에 의해 한정되고, 상기 컨테이너로부터 떨어져서 외향하여 연장하며, 상기 컨테이너 내부로부터 상기 컨테이너 외부로 상기 벽을 통과하는 전기 연결부를 가지는 통신 포트를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 인클로저를 추가로 포함하며, 상기 인클로저는 상기 인클로저의 대응하는 오목부에 의해 한정되는 수용부를 가지며, 상기 오목부는 상기 통신 포트를 수용하도록 구성되는 에너지 저장 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 수용부는 하나 이상의 단자들을 포함하고, 상기 통신 포트는 하나 이상의 접촉부들을 포함하고, 상기 하나 이상의 단자들은 상기 하나 이상의 접촉부들에 전기적으로 연결되도록 구성되는 에너지 저장 시스템.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 접촉부들은 상기 하나 이상의 배터리 셀에 전기적으로 연결되고, 상기 하나 이상의 단자들은 전기 모터 발전기에 전기적으로 연결되는 에너지 저장 시스템.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 접촉부들은 데이터 링크에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 접촉부를 포함하고, 상기 데이터 링크는 배터리 어레이에 연결되는 에너지 저장 시스템.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 폐쇄 냉각 회로를 형성하도록 서로 결합된 압축기, 응축기, 계량 디바이스, 및 증발기를 추가로 포함하며, 상기 증발기는 상기 컨테이너 내부의 상기 액체와 유체 소통하며, 상기 응축기는 상기 컨테이너 외부의 2차 매체와 유체 소통하는 에너지 저장 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 2차 매체는 공기이며, 상기 응축기는 응축기 냉각 핀들과, 상기 응축기 냉각 핀들에 걸쳐서 공기의 유동을 보내도록 구성된 응축기 팬을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 위치된 펌프를 추가로 포함하며, 상기 펌프는 상기 컨테이너에 있는 액체와 유체 소통하는 에너지 저장 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 컨테이너에 의해 한정되고 상기 컨테이너에 있는 액체와 유체 소통하는 입구와 출구;
    상기 입구, 상기 펌프, 및 상기 출구에 결합되고, 상기 컨테이너 외부의 유동 경로를 한정하는 유체 운반 라인을 추가로 포함하고, 상기 유동 경로는 상기 출구로부터 액체까지 상기 펌프를 통과하도록 구성되는 에너지 저장 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 컨테이너 외부에 위치된 열교환기를 추가로 포함하며, 상기 운반 라인은 상기 열교환기에 결합되고, 상기 유동 경로는 상기 입구로 보내지기 전에 상기 열교환기를 통과하는 에너지 저장 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 열교환기는 하나 이상의 냉각 핀들과, 상기 냉각 핀들에 걸쳐서 공기의 유동을 보내도록 작동 가능한 팬을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  26. 제15항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨테이너에 포함되는 커버와 적어도 하나의 벽; 및
    상기 커버와 상기 적어도 하나의 벽 사이에 위치된 밀봉 부재를 추가로 포함하는 에너지 저장 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 컨테이너는 기밀하게 밀봉되는 에너지 저장 시스템.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨테이너 내부에 위치된 하나 이상의 센서들을 추가로 포함하며, 상기 하나 이상의 센서들은 상기 하나 이상의 배터리 셀들의 배터리 온도를 측정하도록 구성되는 에너지 저장 시스템.
  29. 제16항에 있어서, 상기 컨테이너 내부에 위치된 하나 이상의 센서들은 상기 액체의 액체 온도를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨테이너의 외부면 상의 하나 이상의 냉각 핀들을 추가로 포함하는 에너지 저장 시스템.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 전기 절연성 및 열전도성인 에너지 저장 시스템.
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