KR20150129667A - 열적으로 강한 에너지 저장 시스템을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20150129667A
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브루스 이. 밀러
마쿠스 나에게일
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Abstract

배터리 셀 어레이를 냉각하기 위한 다양한 시스템이 기술된다. 하나의 예에서, 에너지 저장 시스템은 배터리 셀 어레이를 봉입하는 하우징, 증발기, 및 순환 펌프를 포함한다. 다른 예에서, 증발기는 열전달을 촉진하도록 배터리 셀들에 인저한다. 다른 예에서, 열전기 소자들은 열전달을 촉진하도록 배터리 셀들에 인접하여 위치된다.

Description

열적으로 강한 에너지 저장 시스템을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR THERMALLY ROBUST ENERGY STORAGE SYSTEM}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본 명세서에 통합되는, 2013년 3월 14일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/782,282호의 이점을 청구한다.
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것이고, 특히 고전압 에너지를 저장하도록 하이브리드 전기 모터 차량에 통합되는 에너지 저장 모듈에 관한 것이다.
전기 모터들을 통합하는 차량은 모터를 적절하게 구동하기 위하여 고전압 에너지 저장 시스템들을 요구한다. 고전압 에너지 저장은 때때로 서로 직렬로 전기적으로 연결된 다수의 배터리 셀(battery cell)들을 포함한다. 배터리 저장 셀들은 열 발생이 전기 발생의 부산물임으로써 충전 또는 방전할 때 셀들 내에서 화학 반응으로 인하여 열을 발생시킨다. 다수의 배터리 셀들이 어레이에서와 같이 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 문제들을 유발할 수 있다. 추가적으로, 최적의 에너지 효율을 위하여, 배터리 셀들의 균일한 온도가 바람직하다. 그러므로, 이러한 저장 시스템이 배터리 셀들을 냉각하는 냉각 시스템을 포함하는 것이 유익하다.
통상적으로, 하이브리드 및 전기 에너지 저장 냉각 시스템은 외부 공기가 배터리 셀들에 도달하는 것을 가능하게 하는 개방 시스템 디자인을 사용한다. 때때로, 이러한 시스템들은 외부 흡기구로부터 외부 배기구로 순환하는 배터리들 위에 공기를 통과시키는 것에 의해 배터리들의 온도를 감소시키도록 대류 열전달을 사용한다. 이러한 시스템들은 공기 흡기구에 들어오는 것에 의해 배터리 셀들에 도달할 수 있는 염, 먼지 및 다른 부스러기에 의해 유발되는 문제에 민감하다. 개방 냉각 시스템은 필터가 사용될 때에도 염 안개(salt fog) 또는 다른 부식성 물질이 배터리 셀들에 도달하는 것을 막지 못한다. 염 안개 및 이물질은 부식과 원치않는 전기 누설 전류 경로 및 쇼트 회로가 저장 시스템에 존재하도록 할 수 있다. 대응하여, 시스템은 폐쇄 시스템에 비교하여 감소된 배터리 셀 수명을 유발할 수 있다. 개방 냉각 시스템은 배터리 인클로저(battery enclosure)로부터 이물질을 제거하도록 드레인 플러그의 설치 및 사용을 필요하게 만들 수 있다. 추가적으로, 개방 냉각 시스템 디자인은 배터리 어레이 시스템에 용적을 추가하고, 이는 공간 효율적인 본래의 디자인 또는 하이브리드 개조 적용에 의한 문제를 유발할 수 있다.
개방 냉각 시스템에 의한 상기 문제 뿐만 아니라 다른 문제들은 다양한 형태의 폐쇄 냉각 시스템과 같은 배터리 셀 어레이를 위한 대안적인 냉각 시스템을 위한 분야에서의 필요성을 입증한다.
본 명세서에 설명된 에너지 저장 시스템들은 상기된 다수의 문제 뿐만 아니라 다른 문제를 다룬다. 에너지 저장 시스템들은 배터리 셀들의 어레이를 수용하는 하우징을 포함한다. 에너지 저장 시스템들은 내부 환경이 기밀하게 밀봉되도록 폐쇄 시스템이다. 에너지 저장 시스템들은 배터리 셀들로부터 하우징의 외부로 신속하고 효율적인 열전달을 제공하도록 설계된다.
한 예에서, 증발기와 공기 순환기는 하우징 내에 위치된다. 증발기는 다수의 냉각 핀들이 통합되는 일련의 증발기 코일들을 포함할 수 있다. 공기 순환기는 스크롤형 팬(scroll-type fan)을 포함할 수 있다. 공기 순환기와 증발기는 배터리 셀들로부터 증발기에 위치된 냉매로의 열에너지 유동 경로를 제공하는 것에 의해 신속하고 효율적인 열에너지 전달을 가능하게 하도록 협동하여 작업한다.
다른 예에서, 열전달 플레이트는 배터리 셀들의 베이스에 위치된다. 증발기 또는 증발기 코일들은 열전달 플레이트에 인접하여 위치된다. 증발기는 배터리 셀들로부터 증발기에 위치된 냉매로의 열에너지 유동 경로를 제공하는 것에 의해 신속하고 효율적인 열에너지 전달을 가능하게 하도록 열전달 플레이트와 협동하여 작업한다.
다른 예에서, 열전달 플레이트는 배터리 셀들의 베이스에 위치된다. 일련의 열전기 소자들은 열전달 플레이트에 인접하여 위치된다. 열전기 소자들은 배터리 셀들로부터 증발기에 위치된 냉매로의 열에너지 유동 경로를 제공하는 것에 의해 신속하고 효율적인 열에너지 전달을 가능하게 하도록 열전달 플레이트와 협동하여 작업한다.
본 발명의 추가의 형태, 목적, 특징, 양태, 이익, 이점, 및 예들은 상세한 설명과 본 명세서에 제공된 도면으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 에너지 저장 시스템의 사시도.
도 2는 덮개가 제거된 에너지 저장 시스템의 평면도.
도 3은 덮개가 제거된 에너지 저장 시스템의 부분 사시도.
도 4는 에너지 저장 시스템의 부분 단면 측면도.
도 5는 벽들 또는 덮개가 없는 에너지 저장 시스템의 부분 사시도.
도 6은 벽들 또는 덮개가 없는 에너지 저장 시스템의 부분 사시도.
도 7은 벽들 또는 덮개가 없는 에너지 저장 시스템의 부분 사시도.
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 특징부들이 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 사시도를 도시한다. 에너지 저장 시스템(100)은 하이브리드 차량 뿐만 아니라 다른 형태의 차량 또는 운송 시스템에서 사용하는데 적합하며, 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/발전기 및 인버터, DC-DC 컨버터, 또는 다른 구성 요소들에 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 하우징(102)을 포함한다. 하우징(102)은 다수의 벽(104)들, 플로어(도시되지 않음), 및 덮개(106)를 포함한다. 하우징(102)은 대체로 4개의 벽(104)들을 포함하는 직사각 형상을 형성한다. 벽(104)들, 플로어, 및 덮개(106)는 하우징(102)을 위한 구조적 지지부를 제공한다. 벽(104)들, 덮개(106), 플로어, 및 하우징(102)의 다른 구조적 양태 사이의 밀봉구들은 하우징(102) 내에 기밀하고 유체적으로 밀봉된 환경을 생성한다. 밀봉구들은, 용접 또는 중합체 밀봉구들과 같은 종래에 일반적으로 공지되고 높은 온도 변화와 범위에 견딜 수 있는 임의의 밀봉구들일 수 있다.
에너지 저장 시스템(100)으로부터 전기 모터/발전기, 인버터, DC-DC 컨버터, 또는 전기 하이브리드 차량의 부분일 수 있는 다른 구성요소들로 전기 신호 연결을 촉진하는 고전압 접속 배선함(108)이 하우징(102)의 한쪽 단부에 위치된다. 도 1에 도시된 하우징(102)이 대체로 직사각 형상으로서 도시되었을지라도, 이는 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 하우징(102)은 임의의 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 하우징(102)은 바람직하게 알루미늄, 강, 마그네슘, 또는 다른 형태의 금속 또는 비금속과 같은 유익한 열 특성을 가지는 물질로 구성된다. 추가적으로, 벽(104)들은, 고 내열성을 가지며 온도 변화 또는 변화된 온도 범위에 대한 노출을 겪을 때 구조적으로 소리를 내는 재료로 구성될 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 하우징 내로부터 방출되는 것을 가능하게 하고 하우징(102)의 크랙 또는 다른 고장을 방지한다. 압력 릴리프 밸브는 한쪽 방향으로 작업하며, 외부 공기 또는 물이 인클로저 내부로의 들어가는 것을 허용하지 않는다.
도 2는 덮개(106)가 제거된 에너지 저장 시스템(100)의 절단 평면도를 도시한다. 배터리 셀 어레이(200)들, 스크롤 팬(202), 및 증발기(204)가 하우징(102)의 내부에 위치된다. 스크롤 팬(202)은 배터리 셀 어레이(200)들에 대해 중앙에 위치된다. 유사하게, 증발기(204)는 배터리 셀 어레이(200)들에 대해 중앙에 위치된다. 증발기(204)와 스크롤 팬(202)은 하우징(102) 내에서 다양한 구성으로 위치될 수 있다.
배터리 셀 어레이(200)들은 본질적으로 전기 모터/발전기에 의해 발생된 에너지를 저장하고, 전기 모터/발전기로 다시 에너지를 신속하게 공급하기 위한 전기 화학 배터리들의 링크된 그룹들이다. 예시된 예들이 2개의 배터리 셀 어레이(200)들을 포함하는 에너지 저장 시스템(100)을 도시하였지만, 에너지 저장 시스템(100)은 도시된 것보다 많거나 적은 배터리 셀 어레이(200)들을 포함할 수 있다. 배터리 셀 어레이(200)들은 특정 시스템에 따라서 직렬 또는 병렬로 체인 방식으로 연결될 수 있는 개별 배터리 셀들을 포함한다. 배터리 셀 어레이(200)들은, 전기 연결을 제공하고 다양한 배터리 셀 어레이(200)들 사이의 통신을 가능하게 하는 신호 링크들에 의해 연결된다. 유사하게, 신호 링크들은 배터리 셀 어레이(200)들을 고전압 접속 배선함(108)에 연결한다. 데이터 링크들은 임의의 전기 커넥터들과, 가변 온도 환경에서 전기 신호를 전송하는데 적절한 종래에 공지된 신호 캐리어들을 포함할 수 있다. 배터리 셀 어레이(200)들의 개별 배터리 셀들은 배터리 셀들의 내부 구성요소들을 밀봉하는 배터리 벽들을 포함한다. 배터리 벽들은 대체로, 배터리 셀들 내에서 발생된 열에너지가 배터리 벽들의 외부면으로 신속히 전달될 수 있도록, 알루미늄, 또는 높은 열전도성을 가지는 다른 금속 또는 비금속 재료와 같은 재료로 구성된다.
도 3은 덮개(106)가 제거된 에너지 저장 시스템(100)의 부분 사시도를 도시한다. 에너지 저장 시스템(100)은 증발기(204)에 유체적으로 연결된 튜브(300)들을 추가로 포함한다. 튜브(300)들은 유체가 벽(104)들을 통해 진행하도록 경로를 제공한다. 튜브(300)들은, 튜브(300)들이 벽(104)들을 통과하는 지점에서 어떠한 공기도 벽(104)들을 통과할 수 없도록 하우징(102)의 내부의 밀봉 완전성을 유지하기 위하여 벽(104)들과 밀봉적으로 통합된다. 밀봉구들은, 종래에 공지되고 예를 들어 압축 밀봉구, O-링, 또는 중합체 밀봉구와 같은 가변적인 온도 환경에 적합한 임의의 다양한 밀봉구들일 수 있다.
스크롤 팬(202)은 하우징(102) 내의 공기를 하우징(102) 도처에 순환시킨다. 스크롤 팬(202)은 배터리 셀 어레이(200)들에 대하여 중앙 위치에서 증발기(204) 위에 위치되는 것으로서 도시된다. 스크롤 팬(202)의 설명은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 스크롤 팬(202)은 하우징(102)의 다른 부분에 위치될 수 있다. 스크롤 팬(202)은 공기가 하우징(102)의 내부를 통한 유동 경로를 따라서 대체로 균일한 순환 속도로 유동하도록 하우징(102)의 내부 도처에 공기를 순환시킨다.
스크롤 팬(202)은 원심형 펌프로서 구성된다. 대안적으로, 스크롤 팬(202)은, 외력을 펌프 메커니즘의 운동으로 변환하고, 입구와 출구를 통해 공기를 유동시키는 용적형 펌프(positive displacement pump)일 수 있다. 대안적으로, 스크롤 팬(202)은 또한 회전 운동을 강제 유체 유동으로 변환하는 기본적인 프로펠러 또는 하우징(102) 내에서 유체를 순환시키는데 적합한 임의의 다른 다양한 메커니즘일 수 있다. 스크롤 팬(202)은 또한, 유체 운동을 유발하고 종래에 공지된 임의의 다양한 공기 순환기들일 수 있다.
스크롤 팬(202)은 하우징(102) 내에 위치된 지지 부재(302)에 의해 지지된다. 지지 부재(302)는 스크롤 팬(202)을 위한 지지면을 제공할 뿐만 아니라 유체 통로를 제공하고, 이에 의해, 스크롤 팬(202)은 배터리 셀들 중에서 공기를 순환시킬 수 있다. 지지 부재(302)는 증발기(204)를 위한 지지부를 제공할 수 있거나, 또는 지지 부재(302)는 증발기(204)에 부착되어 이에 의해 지지될 수 있다.
도 4는 에너지 저장 시스템(100)의 부분 측단면도를 도시한다. 증발기(204)는 예를 들어 일련의 권취된 증발기 코일(400)들과 같은 냉각 시스템에서 사용하는데 적합한 임의의 다양한 증발기들일 수 있다. 증발기 코일(400)들은 2개의 배터리 셀 어레이(200)들 사이에 위치된다. 증발기(204)는 증발기 코일(400)들과 통합되는 냉각 핀(402)들을 포함할 수 있다. 냉각 핀(402)들은 서로에 대하여 병렬 구성으로 위치되는 일련의 평면 물체들로서 구성될 수 있다. 증발기 코일(400)들이 냉각 핀(402)들에 인접하도록, 증발기 코일(400)들은 냉각 핀(402)들에 있는 구멍들 또는 컷아웃들을 통하여 연장한다. 이러한 방식으로, 증발기 코일(400)들과 냉각 핀(402)들 사이의 열전달이 가능하게 된다. 냉각 핀(402)들은 알루미늄과 같은 재료, 또는 높은 열전도성을 가지는 다른 금속 또는 비금속 재료로 구성된다.
에너지 저장 시스템(100)은 열에너지 전달 경로를 생성하도록 구성되고, 이에 의해, 에너지 저장 시스템(100)은 배터리 셀들로부터 하우징(102)의 외부로 열에너지를 효율적으로 전달한다. 대체로, 증발기(204)는 냉각 시스템의 부분이며, 이에 의해, 증발기(204)는 배터리 셀들로부터 열에너지를 흡수한다. 스크롤 팬(202)은 하우징(102) 내에서, 특히 증발기(204)의 냉각 핀(402)들에 걸쳐서 공기를 순환시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 스크롤 팬(202)은 냉각 핀(402)들의 내부와 하우징(102) 내의 공기에서 일어나는 대류 열전달율을 증가시킨다.
특히, 증발기(204)는 압축기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기(204)를 포함하는 냉각 시스템의 부분이다. 냉각 시스템의 구성요소는 대체로 냉매를 운반하는 유체 운반 라인에 의해 서로 연결된다. 냉각 시스템은, 냉매가 냉각 라인을 통해 진행하고 4개의 구성요소(압축기, 응축기, 팽창 밸브, 및 증발기(204))를 통과하는 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.
냉각 사이클의 부분으로서, 냉매는 저압 및 저온에서 액체 증기 혼합물로서 팽창 밸브로부터 튜브(300)를 통해 증발기(204)에 들어간다. 냉매는 증발 위상 동안 냉매가 필수적으로 증발(또는 비등)하도록 하우징(102)의 내부의 목표 온도 아래의 비등점을 가진다. 증발기(204)는 냉매가 냉각 핀(402)들과 공기로부터 열에너지를 흡수하도록 냉각 핀(402)들과 하우징(102) 내부의 공기 사이에 충분한 열접을 가능하게 한다. 증발기 코일(400)들의 벽들은 바람직하게 예를 들어 냉매와 냉각 핀(402)들 사이의 열에너지 전달율을 최대화하기 위하여 알루미늄과 같은 높은 열전도성을 가지는 재료로 만들어진다. 증발기(204) 내에서, 냉매는 냉각 핀(402)들 및 공기와의 열에너지 전달을 겪는다. 냉매 온도가 공기 뿐만 아니라 냉각 핀(402)들의 평균 온도보다 낮기 때문에, 열에너지는 공기와 냉각 핀(402)들로부터 냉매로 유동한다. 냉매가 저압이기 때문에, 냉매는 저온에서 비등할 수 있고 냉매는 기화된다. 기화되면, 냉매는 튜브(300)들을 계속 관통하고, 하우징(102)을 빠져나가 압축기로 들어간다.
스크롤 팬(202)은 배터리 셀들로부터 그리고 또한 에너지 저장 시스템(100)으로부터 열에너지를 제거하도록 증발기(204)와 관련하여 작업한다. 하우징(102) 내의 공기를 하우징 내에서 순환시키는 것에 의해, 공기는 정체될 수 없어서, 증발기 코일(400)들을 직접 감싸는 공기의 부분의 온도는 하우징(102) 내의 공기의 평균 온도보다 낮게 된다. 스크롤 팬(202)은 냉각 핀(402)들과 증발기 코일(400)들에 걸쳐서 유동하는 공기가 공기로부터 증발기 코일(400)들을 통해 진행하는 냉매로 열에너지 전달율을 최대화하도록 충분히 높은 온도인 것을 보장한다.
당업자에 의해 예측되는 바와 같이, 하나의 매체로부터 다른 매체로 대류에 의한 열전달율은 열에너지가 전달되는 매체의 표면적 뿐만 아니라 두 매체들 사이의 온도의 차이에 직접 비례한다. 추가적으로, 두 지점 사이의 전도에 의한 열전달율은 두 지점 사이의 온도의 차이와 열에너지가 전달되는 매체의 열전도성에 직접 비례한다. 에너지 저장 시스템(100)은 배터리 셀들로부터 냉매로 열에너지 전달을 증가시키도록 설계된다. 냉각 핀(402)들은 증가된 양의 표면적을 제공하고, 하우징(102)의 공기로부터 증발기(204)에 있는 냉매로의 대류 열 전달율은 이를 통해 증가된다. 냉각 핀(402)들의 사용을 통하여, 증가된 양의 열에너지는 증발기 코일(400)들로, 이어서 증발기(204)에 있는 냉매로 전도성으로 전달된다. 이러한 방식으로, 냉각 핀(402)들은 배터리 셀들로부터 증발기(204) 내의 냉매로 증가된 열에너지 전달율을 유발하도록 스크롤 팬(202)과 관련하여 작업한다.
테스트를 통하여, 적절한 크기의 12vdc 또는 24vdc 냉각 시스템으로, 600W의 전체 정상상태 열 분산이 달성될 수 있는 한편, 배터리 셀 온도를 45℃ 아래에서 유지하는 것이 밝혀졌다. 이러한 분석에 따라서, 스크롤 팬(202)은 증발기를 통하여 배터리 셀들에 걸쳐서 30 cfm 내지 40 cfm의 공기 순환을 준다. .
체인 방식으로 아주 근접하여 서로 연결된 고전압 배터리 셀들이, 충전 또는 방전될 때 상당한 양의 열에너지를 발생시킬 수 있다는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다. 배터리 셀 어레이(200)들 내에 쌓인 열에너지는 열에너지를 개별 배터리 셀에 전도성으로 전달한다. 이러한 방식으로, 에너지 저장 시스템(100)의 작동 동안 다양한 시간에, 열에너지 측정 시스템에 준비되지 않으면, 배터리 셀들과 배터리 벽들은 상당히 높은 온도에 도달할 수 있고, 시스템에 대한 돌발 고장을 유발할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀의 온도를 상승시킬 때 일어날 수 있는 셀 열 폭주는 추가의 열에너지가 배터리 셀 내에서 방출되는 화학 반응을 유발한다. 또한, 셀 열 폭주를 겪는 하나의 배터리 셀로부터의 열에너지는 인접한 배터리 셀로 확산할 수 있고, 이어서 인접한 배터리 셀에서의 상승된 온도를 유발할 수 있다. 이러한 방식으로, 에너지 저장 시스템(100) 내에서의 다수의 고장난 배터리 셀들의 연쇄반응이 일어날 수 있다. 배터리 고장은 배터리 셀로부터 하우징(102) 내로 가스를 방출시켜, 밀봉된 하우징(102)의 내부 압력을 증가시킨다. 내부 압력이 사전 결정된 임계값 이상 증가하면, 압력 릴리프 밸브가 작동하고, 에너지 저장 시스템(100)의 추가의 고장을 방지한다. 압력 릴리프 밸브는 에너지 저장 시스템(100)이 배터리 셀 어레이(200)들로부터 하우징(102)의 외부로 신속하고 효율적인 열에너지 전달을 위한 수단을 포함하고, 이에 의해 과열 시나리오를 방지하는 유일한 백업 시스템이다.
현재의 개념의 대안적인 예가 도 5에 도시된다. 도 5는 2열의 배터리 셀 어레이(200)들을 가지는 에너지 저장 시스템(500)의 부분 사시도를 도시한다. 에너지 저장 시스템(500)은 대체로 이전에 설명되었지만 도 5에 도시되지 않은 것과 같은 벽들과 덮개를 가지는 것으로 구성된다. 에너지 저장 시스템(500)은 폐쇄 시스템이어서, 에너지 저장 시스템(500)의 내부는 외부 환경으로부터 기밀하게 밀봉된다. 에너지 저장 시스템(500)은 에너지 저장 시스템(500)의 베이스에 있는 열전달 플레이트(502)를 포함한다. 또한 선택적인 유전체층(504)이 포함된다. 열전달 플레이트는 배터리 셀 어레이(200) 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(500) 내에 위치된 다른 구성 요소들을 위한 지지부를 제공한다. 열전달 플레이트(502)는 대체로 배터리 셀 어레이(200)들의 저부면의 전체를 따라서 연장한다. 열전달 플레이트(502)는 대체로 예를 들어 알루미늄과 같은 높은 열전도성을 가지는 금속 또는 다른 재료로 구성된다.
유전체층(504)은 대체로 열전달 플레이트와 배터리 셀 어레이(200)들 사이에 위치된다. 유전체층(504)은 적어도 배터리 셀 어레이(200)들의 베이스의 전체를 통해 연장하는 범위까지 열전달 플레이트(502)를 따라서 연장한다. 유전체층은 배터리 셀 어레이(200)들과 열전달 플레이트(502) 사이에 전기 절연 보호층을 제공한다. 다양한 플라스틱, 유리, 자기 및 다른 물질과 같은 임의의 다양한 유전체 물질들이 유전체층(504)을 위해 사용될 수 있다. 바람직하게, 유전체층(504)은 또한 배터리 셀 어레이(200)들과 열전달 플레이트(502) 사이에 열전달을 제공하도록 높은 열전도성을 가진다. 바람직하게, 유전체층(504)은 1 ㎜의 두께를 가진다. 유전체층(504)은 또한 1 ㎜보다 크거나 작은 두께를 가질 수 있다.
도 6은 에너지 저장 시스템(500)의 대안적인 사시도를 도시한다. 에너지 저장 시스템(500)은 증발기 코일(600)들을 가지는 증발기를 또한 포함한다. 증발기 코일(600)들은 열전달 플레이트(502)를 접합하도록 열전달 플레이트(502)의 표면을 따라서 위치된다. 증발기 코일(600)들은 유체 전달 튜브(602)들을 포함한다. 증발기와 증발기 코일(600)들은 이전에 설명된 바와 같이 증기 압축 사이클 하에서 작동하는 압축기, 응축기 및 팽창 밸브를 포함하는 냉각 시스템의 부분이다. 도 6에 도시된 증발기 코일(600)들의 배열은 단지 예시 목적을 위한 것이며 임의의 다양한 코일 배열이 사용될 수 있다. 증발기 코일(600)들은 튜브(602)들을 통해 코일들로 들어가고 나가는 냉매를 운반하도록 구성된다. 증발기 코일(600)들과 열전달 플레이트(502)는 증발기 코일(506)들이 에너지 저장 시스템(500)의 기밀하게 밀봉된 부분 내에 있도록 에너지 저장 시스템(500)의 내부 내에 위치될 수 있다. 대안적으로, 증발기 코일들은 열전달 플레이트가 에너지 저장 시스템의 내부로부터 에너지 저장 시스템의 외부로 열에너지 경로를 제공하도록 에너지 저장 시스템(500)의 기밀하게 밀봉된 내부의 외부에 위치될 수 있다.
이전에 설명된 바와 같이, 증발기 코일(600)들은 배터리 셀 어레이(200)들로부터 증발기 코일(600)들 내의 냉매로 전도성 열 전달 경로를 제공하는 저온 냉매를 운반한다. 이전에 설명된 바와 같이, 배터리 셀들이 열을 발생시킴으로써, 열에너지는 돌발 고장을 피하도록 분산되어야 한다. 배터리 셀들과 증발기 코일(600)들에 있는 냉매 사이의 온도 차이로 인하여, 열 경로가 생성되고, 이에 의해, 열에너지는 배터리 셀 어레이(200)들로부터 열전달 플레이트(502)와 증발기 코일(506)들의 벽을 통해 냉매로 전달된다. 이러한 방식으로, 에너지 저장 시스템(500)은 배터리 셀 어레이(200)들로부터 열에너지을 전달하는 효율적인 수단을 제공한다.
현재의 개념의 대안적인 예가 도 7에 도시된다. 도 7은 2개의 배터리 셀 어레이(200)들을 가지는 에너지 저장 시스템(700)의 사시도를 도시한다. 에너지 저장 시스템(700)은 대체로 이전에 설명되었지만 도 7에 도시되지 않은 벽들과 덮개를 가지는 것으로서 구성된다. 에너지 저장 시스템(700)은 폐쇄 시스템이어서, 에너지 저장 시스템(700)의 내부는 외부 환경으로부터 기밀하게 밀봉된다. 에너지 저장 시스템(700)은 에너지 저장 시스템(700)의 베이스에 있는 열전달 플레이트(502)를 포함한다. 또한 이전에 설명된 바와 같은 선택적인 유전체층(504)이 포함된다. 열전달 플레이트(502)는 배터리 셀 어레이(200)들 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(700) 내에 위치된 다른 구성 요소들의 지지부를 제공한다. 열전달 플레이트(502)는 대체로 배터리 셀 어레이(200)들의 저부면 전체를 따라서 연장한다. 열전달 플레이트(502)는 예를 들어 알루미늄과 같은 높은 열전도성을 가지는 금속 또는 다른 재료로 대체로 구성된다.
일련의 열전기 소자(702)들이 열전달 플레이트(502)의 저부면에 위치된다. 열전기 소자(702)들은 2개의 상이한 형태의 재료의 합류점들 사이에서 열 플럭스를 사용하는 형태의 것이다. 열전기 소자(702)들은 임의의 다양한 쿨러들일 수 있으며, 그 중 하나는 p-형 및 n-형 반도체들이 열적으로 병렬로 배열되고 전기적으로 직렬로 배열되는 펠티에형(Peltier type) 소자이다. 전류가 펠티에 소자를 통해 유동하도록 유발될 때, 열 흡수 및 열 분산은 펠티에 효과로 인하여 상이한 표면들 상에서 일어난다. 열전기 소자(702)들에 전기 전위를 인가하는 것에 의해, 열전기 소자(702)들의 저부면(704)이 열전기 소자(702)들의 상부면보다 높은 온도로 유지되는 온도차가 달성된다. 열전기 소자(702)들의 상부면에서 낮은 온도를 유지하는 것에 의해, 배터리 셀 어레이(200)들로부터 열전기 소자(702)들까지의 열 경로가 생성된다. 이러한 방식으로, 열에너지는 배터리 셀 어레이(200)들로부터 열전달 플레이트(502)를 통해 열전기 소자(702)들로 유동한다.
열전기 소자(702)들은 도 7에 도시된 바와 같이 배열될 수 있거나, 또는 대안적으로 다양한 다른 배열로 배열될 수 있다. 추가적으로, 다양한 다른 수량의 열전기 소자(702)들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개의 열전기 소자(702)들이 사용될 수 있거나, 또는 8개 또는 16개의 열전기 소자(702)들이 사용될 수 있다. 에너지 저장 시스템(700)은, 배터리 셀 어레이들과 열전기 플레이트가 기밀하게 밀봉된 환경 내에 위치되는 한편, 열전기 소자(702)들이 기밀하게 밀봉된 환경에 대해 외측 또는 외부에 위치되도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 개념과 다양한 실시예들은 에너지 저장 시스템들을 위한 제어 기능을 제공하는 컨트롤러 및 다른 전기 하드웨어와 함께 사용되도록 구성된다. 예를 들어, 컨트롤러는 스크롤 팬(202)의 작동 뿐만 아니라 증발기 코일(600)들의 작동을 제어한다. 전형적으로, 온도 및 압력 센서들 뿐만 아니라 전압 및 다른 동력 센서들과 같은 다양한 센서들이 각 에너지 저장 시스템 내에 위치될 것이다. 컨트롤러들은 추가적으로 열전기 소자(702)들과 같은 다양한 구성 요소들에 전기 에너지 동력 및 신호를 공급한다.
차량과 함께 사용될 때, 본 명세서에서 설명된 증발기와 냉각 시스템은, 에너지 저장 시스템에 단독으로 전용되고 본 명세서에서 설명된 에너지 저장 시스템들과 하우징들의 외부의 구성 요소에 위치된 완전한 증기 압축 사이클 및 구성 요소들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 증발기들은 또한 차량 내의 다른 목적을 제공하는 응축기와 또한 결합될 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 (22)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내부에 위치되고, 하나 이상의 제1 배터리 셀을 가지는 제1 배터리 셀 어레이;
    냉각 시스템을 형성하도록 서로 결합되는 압축기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기로서, 상기 증발기는 상기 하우징 내부에 위치되고 상기 하나 이상의 제1 배터리 셀들과 열교환하도록 구성되며, 상기 응측기는 상기 하우징 외부에 위치되고 상기 하우징 외부의 공기와 열교환하도록 구성되는, 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 팽창 밸브 및 상기 증발기; 및
    상기 하우징 내에 위치되고, 상기 제1 배터리 셀 어레이와 유체 연통하는 팬을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증발기는 하나 이상의 냉각 핀들을 포함하고, 상기 팬은 상기 하나 이상의 냉각 핀들에 걸쳐서 공기의 유동을 보내도록 배열되고 구성되는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀 어레이에 전기적으로 연결되는 전기 모터/발전기를 추가로 포함하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하우징 내부에 위치된 제2 배터리 셀 어레이를 추가로 포함하며, 상기 제2 배터리 셀 어레이는 다수의 제2 배터리 셀들을 가지며, 상기 증발기는 상기 하우징 내부에서 상기 제1 및 제2 배터리 셀 어레이들 사이에 위치되고, 상기 제2 배터리 셀 어레이는 상기 전기 모터/발전기에 전기적으로 연결되는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은,
    적어도 하나의 벽;
    커버; 및
    플로어를 추가로 포함하며;
    상기 제1 배터리 셀 어레이는 상기 플로어에 인접하고, 상기 플로어, 상기 커버, 및 상기 적어도 하나의 벽은 상기 제1 배터리 셀 어레이, 상기 증발기, 및 상기 팬을 봉입하도록 배열되고 구성되는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 하우징은 상기 커버와 상기 적어도 하나의 벽 사이에 위치된 밀봉 부재를 추가로 포함하며, 상기 하우징은 기밀하게 밀봉되는 장치.
  7. 하우징:
    상기 하우징 내부에 위치되고, 하나 이상의 제1 배터리 셀을 가지는 제1 배터리 셀 어레이;
    열전달 플레이트로서, 상기 제1 배터리 셀 어레이가 상기 열전달 플레이트의 제1 측부에 인접하여 위치되는, 상기 열전달 플레이트; 및
    상기 열전달 플레이트의 제2 측부에 인접한 열전기 소자를 포함하며, 상기 열전달 플레이트는 상기 하우징에 결합되는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열전달 플레이트와 상기 제1 배터리 셀 어레이 사이에 위치된 유전체 물질을 추가로 포함하는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀 어레이는 상기 열전달 플레이트와 접촉하여 위치되는 장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전기 소자는 상기 열전달 플레이트의 제2 측부와 직접 접촉하는 장치.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전달 플레이트의 제1 측부는 상기 하우징 내부에 있으며, 상기 열전달 플레이트의 제2 측부는 상기 하우징 외부에 있는 장치.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전기 소자는 펠티에형(Peltie type) 소자인 장치.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전기 소자는 상기 열전달 플레이트의 제2 측부에 장착된 다수의 열전기 소자들 중 하나인 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하우징의 내부에 위치되고 하나 이상의 제2 배터리 셀들을 포함하는 제2 배터리 셀 어레이를 추가로 포함하며, 상기 제1 및 제2 배터리 셀 어레이들은 상기 열전달 플레이트에 인접하여 장착되고, 상기 다수의 열전기 소자들은 상기 열전달 플레이트의 제1 측부에 인접한 상기 제1 및 제2 배터리 셀 어레이들과 대응하도록 상기 열전달 플레이트의 제2 측부 상에 위치되는 장치.
  15. 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은,
    적어도 하나의 벽;
    커버; 및
    플로어를 추가로 포함하며;
    상기 제1 배커리 셀 어레이는 상기 플로어에 인접하고, 상기 플로어, 상기 커버, 및 상기 적어도 하나의 벽은 상기 제1 배터리 셀 어레이, 및 상기 증발기를 봉입하도록 배열되고 구성되는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 하우징은 상기 커버와 상기 적어도 하나의 벽 사이에 위치된 밀봉 부재를 추가로 포함하며, 상기 하우징은 기밀하게 밀봉되는 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 플로어는 상기 열전달 플레이트를 포함하는 장치.
  18. 하우징:
    상기 하우징 내부에 위치되고, 하나 이상의 제1 배터리 셀을 가지는 제1 배터리 셀 어레이;
    폐쇄 냉각 시스템을 형성하도록 서로 결합되는 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 및 증발기로서, 상기 증발기와 응축기는 상기 하우징 외부에 위치되는, 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 팽창 밸브, 및 상기 증발기; 및
    열전달 플레이트를 포함하며, 상기 제1 배터리 셀 어레이는 상기 하우징 내부의 상기 열전달 플레이트의 제1 측부에 인접하여 위치되고, 상기 증발기는 상기 하우징 외부의 상기 열전달 플레이트의 제2 측부에 인접하여 위치되는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀 어레이는 상기 열전달 플레이트의 제1 측부와 직접 접촉하는 장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 하우징은,
    적어도 하나의 벽;
    커버; 및
    플로어를 추가로 포함하며;
    상기 제1 배커리 셀 어레이는 상기 플로어에 인접하고, 상기 플로어, 상기 커버, 및 상기 적어도 하나의 벽은 상기 제1 배터리 셀 어레이를 봉입하도록 배열되고 구성되는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 하우징은 상기 커버와 상기 적어도 하나의 벽 사이에 위치된 밀봉 부재를 추가로 포함하며, 상기 하우징은 기밀하게 밀봉되는 장치.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 제2 배터리 셀들을 가지는 제2 배터리 셀 어레이를 추가로 포함하며, 상기 제2 배터리 셀 어레이는 상기 하우징 내부의 상기 열전달 플레이트의 제1 측부에 인접하여 위치되고, 상기 상기 열전달 플레이트는 상기 제1 및 제2 배터리 셀 어레이들과 상기 증발기 사이에 있고, 상기 제2 배터리 셀 어레이는 전기 모터 발전기에 전기적으로 연결되는 장치.
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