KR20160030279A

KR20160030279A - 전기화학적 전원에 대한 온도 제어 장치

Info

Publication number: KR20160030279A
Application number: KR1020167003375A
Authority: KR
Inventors: 펠릭스 프리즈; 유 장; 후빙 펑; 달리 장; 지안밍 리우
Original assignee: 젠썸 오토모티브 시스템즈(차이나) 리미티드
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-03-16
Also published as: CN104600337A; JP2016536751A; WO2015062533A1; US20160240899A1; DE112014004972T5

Abstract

본 발명은 전원(2)에 대한 온도 제어 장치(1)에 관한 것이다. 온도 제어 장치(1)는 하우징(4)과 복수의 기초 전지(3)를 포함하는 전원(2)에 설치되어 있다.

Description

전기화학적 전원에 대한 온도 제어 장치{TEMPERATURE CONTROL DEVICE FOR AN ELECTROCHEMICAL POWER SOURCE}

본 발명은, 특히, 청구항 1의 전제부에 따른 전기화학적 전원에 대한 온도 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명의 전형적인 응용 분야는 배터리, 충전가능한 배터리 또는 차량의 연료 전지 및 상시 부하(stationary load)의 가열이나 냉각이다.

전기화학적 전원은 특정 최소 온도 아래에서는 전력을 거의 또는 전혀 제공하지 못한다는 사실이 잘 알려져 있다. 이것이 일부 전지가 가열 매트를 구비하여, 전기적 가열 요소에 의해 배터리의 온도를 상승시키는 이유이다. 그러나, 이러한 가열 요소의 영향은 에너지 소비에 비해서 종종 불만족스럽다.

높은 주위 온도에서 작동하는 동안 많은 양의 전력이 회수되면 전기화학적 전원이 과열될 수 있다는 것도 알려져 있다. 이와 관련해서, 팬으로 배터리를 냉각시키는 것도 잘 알려져 있다. 그러나, 사용처에 따라, 이것은 필요한 정도로 효과이지 않다.

따라서 온도 변화에 덜 민감한 전원을 제공하는 것이 바람직하다.

이를 고려하여, 청구항 1의 특징을 가진 기술적인 개념을 제안한다. 추가적인 바람직한 실시례가 다른 청구항과 아래의 설명으로부터 도출될 수 있다.

본 발명의 세부내용은 아래의 설명과 청구항에서 설명할 것이다. 이러한 설명은 본 발명의 보다 상세한 실례를 위한 것이다. 그러나, 이것은 단지 예시적인 것이다. 물론, 기술된 특징들 중의 각각의 특징 또는 수 개의 특징이 독립 청구항에 의해 한정된 본 발명의 범위내에서 생략되거나, 수정되거나 보충될 수도 있다. 물론, 상이한 실시례들의 특징이 서로 결합될 수도 있다. 중요한 것은 본 발명의 개념이 본질적으로 실행된다는 것이다. 하나의 특징이 적어도 부분적으로 실행되면, 이것은 관련 특징이 완전히 또는 본질적으로 실행되는 것도 포함한다. "본질적으로" 라는 표현은 실행에 의해 원하는 용도가 인식할 수 있을 정도로 달성되는 것을 의미한다. 이것은, 특히, 상응하는 특징이 적어도 50％, 90％, 95％ 또는 99％만큼 실행되는 것을 의미할 수 있다. 최소량이 표시되면, 최소량보다 많은 양도 물론 사용될 수도 있다. 구성요소의 갯수가 적어도 하나인 것으로 표시되면, 이것은 두 개, 세 개, 또는 임의의 다른 복수 개의 구성요소를 가진 실시례도 포함한다. 하나의 대상에 대해서 기술된 특징은 다른 모든 동등한 대상의 대부분이나 전체에 적용될 수도 있다. 달리 표시되어 있지 않으면, 구간(interval)은 그것의 끝점도 포함한다. 본 발명의 실행에 대해서 몇 가지 대안적인 선택사항이 표시되어 있으면, 이것은 개별적으로나 서로 결합하여 동시에 실행될 수 있다. 따라서 이러한 경우에 "또는" 이라는 표현은 "... 또는 ... 중의 어느 하나" 와 "그리고"를 의미한다.

아래에서는, 도면에 대해서 언급한다.
도 1은 전기화학적 전원을 가진 자동차를 부분적인 종단면도로 나타내고 있고; 그리고
도 2는 도 1의 전기화학적 전원을 분해도로 나타내고 있다.

본 발명은, 예를 들면, 도 1의 차량에 사용될 수 있다. 차량은 육지 차량, 선박, 레일 차량 및 항공기, 특히 비행기, 배 및 자동차와 같은 사람 및/또는 화물을 수송하기 위한 장치를 의미한다.

이러한 차량 또는 항공기는 본 발명에 따른 전기화학적 전원을 구비할 수 있다.

전기화학적 전원은, 예를 들면, 비-충전가능한 배터리, 충전가능한 배터리 또는 연료 전지이다. 전기화학적 전원은 전기 구동 모터, 시동 모터, 조명장치 등과 같은 차량의 다양한 전기 소모품에 전력을 공급하는 역할을 한다. 차량은 하나 이상의 이러한 전원을 구비할 수 있다. 이러한 전원(2)은 바람직하게는 엔진실, 차량 섀시의 하부 또는 짐칸과 같이, 주행하는 동안의 공기 흐름 또는 주위 공기에 노출되거나 접근가능하게 될 수 있게 되는 위치에 설치되어 있다.

전기화학적 전원(2)은 바람직하게는 복수의 기초 전지(3)를 포함하고 있다. 이것은 적어도 두 개의 전기 단자와 화학 에너지 저장소(chemical energy store)를 가지고 있는 조립체 또는 캡슐형 유닛(encapsulated unit)으로 된 모듈을 의미한다. 상기 전지는, 예를 들면, 납/산화납 전지(lead/lead oxide cells)가 될 수 있다. 바람직하게는, 결합하여, 12V, 24V, 48V, 110V 또는 230V와 같은 충분한 전압의 전위가 달성되도록 복수의 기초 전지(elementary cell)가 전원에 설치되어 있다. 충분한 크기의 암페어 수를 달성하기 위해 결합된 것이 바람직할 수도 있다. 본 예시적인 실시례에서는, 열 개의 기초 전지가 직렬로 배치되어 있으며 이러한 두 줄의 직렬 연결체가 전원에 병렬로 설치되어 있다. 기초 전지(3)는 바람직하게는 고전하밀도의 전원을 이루기 위해서 기초 전기를 공간상으로 빽빽하게 채워지게 하는 형상을 가지고 있다. 직육면체 또는 봉형상이 이러한 목적에 적합한 형상이다. 적어도 하나의 기초 전지가 상기 전원 내에 배치되어 있다. 바람직하게는 이것이 모든 기초 전지에 적용된다. 바람직하게는, 기초 전지들이 쉽게 접촉되고 온도 조절되는 방식으로 정렬되어 있다. 이것은, 특히, 길이방향의 축의 수직 연장에 의해, 그리고 전기 단자를 상부쪽으로 배치시킴으로써 달성될 수 있다. 바람직하게는, 기초 전지들이 작동하는 동안 움직이지 않게 지지되도록 다른 기초 전지 또는 하우징 벽에 대해 위치되어 있다. 또한, 구성요소들 사이의 최소 간격은 구성요소들 주위로의 온도 조절 유체의 안정적인 흐름을 보장한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 기초 전지와 인접한 기초 전지의 사이에 3mm, 바람직하게는 5mm, 바람직하게는 1cm의 최소 간격이 있다. 바람직하게는 동일한 내용이 적어도 하나의 기초 전지와 전원의 적어도 하나의 하우징 벽 사이의 최소 간격에도 적용된다.

바람직하게는, 전원(2)이 적어도 하나의 하우징(4)을 가지고 있다. 본 명세서에서 "하우징" 이라는 용어는 화학물질의 바람직하지 않는 누출 또는 전원의 전기적인 구성요소의 의도하지 않은 접촉을 방지하기 위한 장치를 의미한다. 바람직하게는, 상기 하우징이 기체 밀봉 또는 액체 밀봉 컨테이너, 특히, 대야(basin) 또는 직육면체 형상의 중공체이다. 하우징의 형상은 본질적으로 하우징내에 배치된 기초 전지 집단의 외형과 일치하게 형성된다. 하우징은 바람직하게는 가볍고 튼튼한 구조로 되어 있을 뿐만 아니라, 전원의 내용물의 효율적인 온도 제어를 가능하게 하는 물질로 되어 있다. 이러한 물질은, 예를 들면, 특히 내산성을 가진 플라스틱 물질과 열전도성 조성물, 알루미늄 또는 탄소 또는 유리 섬유 강화 합성물이다. 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진 벽을 가지고 있는 하우징이 특히 바람직하다. 필요하다면, 하우징은 알루미늄의 열적, 화학적 또는 전기적 차폐 또는 절연을 달성하기 위해서 국소적으로 코팅될 수 있다.

하우징은 바람직하게는 커버(7)를 포함하고 있다. 커버(7)는 바람직하게는 본질적으로 전원(2)의 베이스 구역의 외형을 가지고 있다. 바람직하게는, 상기 커버가 액체 밀봉 및 기체 밀봉 방식으로 하우징(4)에 고정되어 있다. 상기 커버는 바람직하게는 하우징(7)의 나머지 부분과 동일한 물질 또는 동일한 물질들로 되어 있다.

바람직하게는, 전원이 온도 조절 유체(5)를 포함하고 있다. 상기 온도 조절 유체는 과도한 열을 기초 전지로부터 전원의 하우징으로 소산(dissipation)시킬 수 있고, 기초 전지의 온도가 지나치게 낮은 경우에는, 전원의 하우징으로부터 기초 전지로 열을 전달할 수 있는 기능을 가지고 있다. "온도 조절 유체" 라는 용어는 열을 저장할 수 있고, 적절한 위치에 열을 전달하고 발산할 수 있는 형상이 없는 물체를 의미하는 것으로 사용된다. 온도 조절 유체의 예는 액체, 기체, 과립(granulate), 분말 또는 이러한 성분들 중의 하나 이상의 혼합물이다. 온도 조절 유체는 바람직하게는 전원의 모든 구성요소 주위로 일정하게 유동할 수 있게 하는 양으로 전원에 제공된다. 이것은 과도하게 차갑거나 뜨거운 구역이 전혀 없이 균일한 온도 분포를 달성한다. 바람직하게는, 온도 조절 유체가 기초 전지와 하우징 사이의 이용할 수 있는 전체 공간을 채운다.

온도 조절 유체 물질은, 적어도 액체 상태에서, 바람직하게는 열의 효율적인 전달을 가능하게 하는 열용량을 가지고 있다. 이러한 목적을 위한 적절한 열용량의 범위는 1kJ/(kg K)부터이고, 보다 바람직하게는 1.1 이상이다. 적절한 물질은 물, 물을 함유한 소금 용액(aqueous salt solution), 물함유 알콜(water-containing alcohol)과 무수 알콜(water-free alcohol), 플루오로케톤(fluoroketone), 수소불화 탄화수소(hydrofluoro hydrocarbon) 그리고 다른 잘 알려진 열매체이다.

바람직하게는, 온도 조절 유체의 적어도 일부는 100℃ 미만, 바람직하게는 70℃ 미만, 바람직하게는 40℃ 내지 55℃의 증발 온도를 가진다. 바람직하게는, 액체의 끓는점이 전원의 설정값 작동 온도와 바람직한 최대 작동 온도보다 20％ 이하 만큼, 보다 바람직하게는 10％ 만큼 높은 온도의 사이에 있다. 상기 퍼센티지는 켈빈(Kelvin) 단위의 온도값에 관한 것이다. 기초 전지(3)들 중의 임의의 기초 전지가 국소적으로 과열되면, 온도 조절 유체가 증발할 수 있다. 온도 조절 유체의 증발은 두 가지 방식으로 과열에 대응한다. 한편으로는, 액체로부터 증기로의 상변화가 온도 조절 유체에 의한 열흡수의 증가를 초래한다. 또한, 증기는 리프트(lift)로 인해 전원 내에서 신속하게 상승한다. 다른 한편으로는, 이런 식으로, 과도한 열이 특히 신속하게 하우징 벽으로 전달되고, 동시에, 뜨거운 구역의 액체상태인 온도 조절 유체를 유입시키기 위한 공간이 만들어진다. 이러한 효과는 플루오로 하이드로카본(fluoro hydrocarbon)과 플루오르함유 케톤(fluorine-containing ketone)에 의해 특히 쉽게 달성된다. 그렇지 않으면, 온도 조절 유체가 무독성이고, 불연성이며 오존 중성(ozone neutral)이어야 한다. 바람직하게는, 온도 조절 유체는 공기와 접촉하면 며칠 또는 몇 주 동안만 화학적으로 안정하다.

바람직하게는, 하우징이 하나 이상의 열통로(10)를 가지고 있다. 바람직하게는, 복수의 열통로가 하우징(4)의 커버(7)에 제공되어 있다. 이것은, 온도 조절 유체(5)의 대류로 인해, 뜨거운 유체가 커버쪽으로 상방으로 이동하기 쉬울 것이기 때문이다. 바람직하게는, 하우징의 단부와 측면도 열통로를 구비하고 있다. 하우징의 바닥부 있는 추가적인 열통로는, 온도 조절 유체의 결과적으로 발생하는 대류 운동으로 인해, 온도 조절 유체가 전원 내의 기초 전지를 따라서 상승할 때 온도 조절 유체가 전원 내에 열을 우수하게 분배시킬 수 있기 때문에, 특히, 전원으로 열을 유입시키는데 유용할 수 있다.

적어도 하나의 열통로는 하우징(4)의 벽의 일부인 열전도성 레이어를 포함하고 있다. 하우징(4)의 단열 레이어는, 설치되어 있는 경우, 열통로의 구역에서 중단되고, 이 구역에는 오목부가 제공된다.

온도 제어 장치(1)는 바람직하게는 적어도 하나의 열전소자(13)를 포함하고 있다. 열전소자는, 전압을 가하면, 전압을 가하지 않았을 때의 상태와 비교하여 증가된 온도를 가진 적어도 하나의 표면과 감소된 온도를 가진 적어도 하나의 표면을 가지는 소자(펠티어 소자(Peltier element))와, 온도 구배(temperature gradient)를 작용시키면 전위를 발생시키는 소자(제벡 소자(Seebeck element))이다. 이러한 열전소자는 바람직하게는 편평하고, 베이스 구역이 바람직하게는 열통로(10)의 구역과 일치하는 본질적으로 세라믹 요소이다. 바람직하게는, 커버의 베이스 구역의 적어도 50％는 열전소자가 차지하고 있다. 바람직하게는, 단부 표면당(per end surface) 적어도 하나의 열통로(10)가 적어도 하나의 열전소자를 구비하고 있다.

열전달의 효율을 향상시키기 위해서, 상기 온도 제어 장치가 적어도 하나의 열전달 장치(15)를 구비하고 있다. 이 열전달 장치(15)는 한편으로는 전원(2)의 외측의 공기와 온도 제어 장치 사이의 유용한 경계면을 증가시킴으로써 열소자(thermal element)의 표면과 전원(2)의 외측의 공기 사이의 보다 우수한 열전달을 가능하게 한다. 다른 한편으로는, 상기 열전달 장치가 공기 처리량(air throughput)을 증가시킬 수 있다. 두 가지 모두의 목표는 서로에 대해 평행하게 뻗어 있는 복수의 열전도 핀을 가지고 있는 적어도 하나의 열전도체를 포함하는 열전달 장치(15)에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는, 열전도체도, 예를 들면, 알루미늄이나 구리와 같은 금속인 열전도성 물질로 이루어져 있다. 바람직하게는, 열전달 장치(15)가 적어도 하나의 공기 이동장치(17)와 결합되어 있다. 공기 이동장치(17)는, 예를 들면, 공기를 열전도 핀을 따라서 열전달 장치(15)를 통과하여 운반하는, 열전도체의 단부 면에 설치된 하나 이상의 팬으로 될 수 있다. 이러한 방식으로, 과도한 열이 열전달 장치(15)와 열전도 핀을 통과하는 공기에 의해 열전달 장치(15)와 열전도 핀으로부터 제거되거나, 전원(2)으로의 유입을 위해서 열전도 핀에 의해 유입되는 공기로부터 열이 흡수된다. 적어도 하나의 공기 이동장치(17)는, 적어도 공기 이동장치로 진입하거나 공기 이동장치를 떠날 때 열전소자 및/또는 열통로(10)의 베이스 구역에 대해 법선(normal line)을 따르는 방향으로 향하는 유동 방향을 가지는 흡입 또는 배출되는 공기 유동을 가지도록 제공될 수도 있다. 특히, 공기 유동을 열전 장치 및/또는 열통로(10)쪽으로 보내기 위해서 축방향의 팬이 제공될 수 있다. 반경방향의 공기 유동에 의해 열통로(10) 및/또는 열전소자의 온도를 제어하고 배출 공기를 축방향의 팬에 의해 열 배출구(heat outlet) 또는 열전소자에 대해 수직으로 배출시키기 위해서 유동 반전(flow reversal)이 취해질 수도 있다. 이를 달성하기 위해서는, 공기 이동장치(17)를 열전달 장치(15)의 단부 면에 측면방향으로 배치시킬 것이 아니라, 중심에 배치시키고 열전달 장치(15) 내의 열전도체의 열전도 핀을 적어도 부분적으로 교체하는 방식이 적합할 수 있다. 공기 이동장치(17)는, 회전하는 임펠러의 의도하지 않은 방해를 방지하고, 공기 이동장치를 오염 물질 또는 이물질로부터 보호하고, 그리고 공기를 원하는 방향으로 유입 또는 유출되게 안내하기 위해서 커버(19)를 구비할 수 있다.

극히 낮은 온도나 짧은 반응 시간에 의해서도 전원(2)의 가열을 보장하기 위해서, 온도 제어 장치가 하나 이상의 추가적인 히터(23)를 구비할 수 있다. 상기 하나 이상의 추가적인 히터는 하우징(4)의 측면에 배열된 평면 가열 요소가 될 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 추가적인 히터(23)가 온도 조절 유체(5) 내에 가열봉의 형태로 배치될 수도 있다. 하우징(4)은 코너에서부터 가장 빨리 냉각되기 때문에, 특히, 이 구역에 추가적인 히터를 배치시키는 것이 적합하다. 이러한 목적을 위해서, 하우징(4)은 바람직하게는, 수직으로 배열된, 추가적인 히터(23)를 수용하기 위해 수직으로 정렬된 팽출부(bulge)와 온도 조절 유체의 부분 저장소를 포함하고 있다. 바람직하게는, 이러한 팽출부가 조밀한 형상(compact shape)을 이루기 위해서 전원(2)의 단부 면에 배치되어 있다. 적절하게는, 적어도 하나의 열통로와 하나의 열전달 장치(15)가 각각의 단부 면의 두 개의 이러한 팽출부 사이에 배치되어 있다.

적어도 하나의 추가적인 히터(23)는 바람직하게는 PTC(positive temperature coefficient) 물질 또는 세라믹 물질(예를 들면, MCH)로 만들어진다.

전원(2) 내의 기초 전지(3)의 균일한 온도 제어를 보장하기 위해서, 온도 제어 장치가 유체 이동장치(25)를 구비할 수도 있다. 상기 유체 이동장치는, 예를 들면, 하우징(4) 내에 자신의 전기 구동기를 가지는 터빈이 될 수 있다. 공격적인 매체(aggressive media)에 대한 보호를 보장하기 위해서, 상기 유체 이동장치는, 자기장에 의해 하우징(4)의 외측에 배치된 구동 기구에 의해 움직일 수 있는 자기 요소(magnetic component) 또는 자화가능한 요소를 가진 임펠러가 될 수도 있다. 바람직하게는, 추가적인 히터(23) 주위로의 안정적인 유동을 보장하고 온도 조절 유체(5)의 국소적인 과열을 피하기 위해서 유체 이동장치(25)가 팽출부(27)나 그 근처에 설치된다.

하우징(4)을 기체밀봉되게 만들면 공기 중의 습기가 들어오는 것을 막는다. 이런 관점에서 지금까지 필수적인 공기 냉각 시스템에 대한 오버헤드(overhead)가 생략될 수 있다. 상기 공기 냉각 시스템은 습기 응결로 인한 부식과 누전(electrical short)에 대해 여전히 보호된다. 얇은 벽으로 된 하우징 내에서의 과도한 압력으로 인한 문제점을 피하기 위해서, 하우징(4)의 내부를 두 가지 상이한 물질로 채우는 것이 적절할 수 있다. 제1 물질은 실제적인 온도 조절 유체로서 기능한다. 제1 물질은 열용량 및 증발 작용과 관련하여 이미 설명한 특성을 가지고 있다. 제2 물질은 바람직하게는 전원의 모든 작동 온도에서 기체상태이다. 이것은, 특히, -50℃ 내지 +100℃, 바람직하게는 -30℃ 내지 +60℃의 온도 범위에 적용된다. 바람직하게는, 제2 물질은 제1 물질에 용해되지 않거나 단지 미량만 용해된다. 제2 물질은 바람직하게는 기체상태의 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂) 또는 수분이 없는 공기를 포함한다. 바람직하게는, 제2 물질은 두 가지 물질의 전체 부피의 1％ 내지 70％, 바람직하게는 10％ 내지 50％, 특히 10％ 내지 30％이다.

기체 저장조가, 온도 조절 유체의 응축가능한 성분을 포함하는 커버(7)의 아래쪽에 형성되어 있으면, 커버의 온도 제어 장치(1)가 응축기와 같은 기능을 한다. 이것은, 증발된 온도 조절 유체가 응축 온도에 도달할 때까지 증발된 온도 조절 유체가 열통로(10)에 있는 커버에서 냉각되기 때문이다. 그 다음에 온도 조절 유체는 액체로 응결되어 하우징(4)의 액체 저장조로 떨어진다.

1 온도 제어 장치
2 전원
3 기초 전지
4 하우징
5 온도 조절 유체
7 커버
10 열통로
13 열전소자
15 열전달 장치
17 공기 이동장치
23 추가적인 히터
25 유체 이동장치
27 팽출부

Claims

전원(2)에 대한 온도 제어 장치(1)로서,
- 전원(2)은 하우징(4)을 포함하고 있고,
- 전원(2)은 복수의 기초 전지(3)를 포함하고 있는,
상기 온도 제어 장치(1)에 있어서,
- 기초 전지(3)를 둘러싸는 하우징(4) 내에 설치되어 있는 온도 조절 유체(5), 그리고
- 온도 조절 유체(5)의 온도에 영향을 미치는 적어도 하나의 장치(13, 15, 17, 23)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 온도 조절 유체의 온도에 영향을 미치는 장치는 아래의 구성요소:
열전소자(13), 추가적인 히터(23), 열전달 장치(15) 또는 공기 이동장치(17)
중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치(1).
제1항에 있어서, 온도 조절 유체(5)는 정상 압력에서 100℃ 미만, 바람직하게는 70℃ 미만의 증발 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치(1).
제1항에 있어서, 하우징(4)은 온도 조절 유체(5)의 온도에 영향을 미치는 적어도 하나의 장치(13, 15, 17, 23)를 구비하고 있는 적어도 하나의 커버(7)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 온도 제어 장치(1).