KR20190105012A - 일체형 증기 챔버를 갖는 배터리 셀 - Google Patents

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더블류. 포터 해리스
윌리암 헌터 그린
치엔 왕
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로미오 시스템즈, 인크.
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Abstract

배터리 셀은 셀로부터 외부 그리고 외부 열교환 계면 내로 연장되는 일체형 증기 챔버의 추가로 더욱 열적으로 효율적으로 만들어진다. 일체형 증기 챔버는 셀의 내부와 외부 사이에 온도차가 있을 때, 액체와 증기 상 사이에서 상변화를 겪는 작동 유체를 포함할 수 있다. 일체형 증기 챔버는 작동 유체를 증기 챔버의 외벽으로 전달하는 위킹 재료를 포함할 수 있다. 일체형 증기 챔버는 배터리 셀의 가열 및 냉각 모두를 허용한다.

Description

일체형 증기 챔버를 갖는 배터리 셀
본 출원은 2016년 12월 22일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 제62/438,366에 대한 우선권을 청구하며, 이 출원은 그 전문이 참조로 본원에 통합된다.
멀티셀 배터리, 배터리 구성, 및 어셈블리, 예를 들어, 차량에 사용되는 배터리 팩에 대해, 급속 냉각은 다량의 열 발생으로 인한 열 폭주와 같은 고장 모드를 제거하고 최적의 사이클 수명을 유지하도록 셀을 평균 온도로 유지하기 위해 중요하다. 추가적으로, 과도한 냉기가 배터리 효율 및 방전 능력을 제한하는 조건에서, 주행 범위 및 사이클 수명을 향상시키기 위해 빠른 예열이 요구된다. 따라서, 최적의 열전달률이 필요하다.
통상적으로 사용되는 배터리 냉각/가열 방법은 셀을 열 펌프 열 계면(heat pump thermal interface)과 같은 열교환기 계면과 접촉하도록 배치함으로써 배터리 셀을 가열 및 냉각한다. 그러나, 이들 시스템은 하기 단점을 갖는다.
1) 셀 외부 또는 내부로의 열전달의 제한으로 인한 전기 에너지 방전 및 충전율의 제한.
2) 배터리 셀은 전기 충전 및 방전 중에 줄 가열 효과(Joule heating effect)(내부 전기 저항), 화학 반응 가열, 및 발열 화학 반응으로 인해 본질적으로 열을 발생시킨다. 이 가열은, 방전 및 충전율이 신중하게 제어되지 않으면, 위험한 온도 상승을 야기하고 그에 따라 셀 고장을 야기할 수 있다. 따라서, 충전 및 방전율의 제한은 셀 온도에 직접적으로 관련된다. 셀 온도가 너무 낮게 강하할 때, 전기-화학 반응을 위한 활성화 에너지의 결핍, 낮은 전해질 전도성, 및 느린 전하의 확산으로 인해 셀 성능이 또한 악화된다.
3) 추가적인 냉각 장치를 갖는 리튬(Li) 배터리 셀에 대한 현재 기술 상태는 배터리 모듈/팩 전력 밀도를 제한한다. 간접 냉각은 고전력 밀도 배터리 모듈/팩 및 높은 충방전율(C-rate) 작동에서 바람직한 작동 온도 범위를 유지하기에 불충분하다.
4) 가변 배터리 플랫폼 및 배열을 만족시키는 것에 제한이 있다.
2차 배터리 셀의 젤리 롤의 중공 코어 내로 삽입되고 열교환 유체와 같은 열교환 계면과 접촉하게 배치되도록 외향으로 연장되어 셀 외부(냉각) 또는 내부로(가열) 효율적으로 열을 전달하는 위킹식(wicked) 열 파이프(증기 챔버)를 사용하는, 직접적인 배터리 셀 냉각 및 예열을 위한 새로운 설계가 제공된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 셀 본체; 및 셀 본체에 내장된 증기 챔버를 포함하는 배터리 셀이 설명된다.
도 1은 일체형 증기 챔버를 갖는 배터리 셀의 예시 단면을 도시한다.
도 2a는 일체형 증기 챔버가 냉각 모드인 배터리 셀의 예시 단면을 도시한다.
도 2b는 일체형 증기 챔버가 가열 모드인 배터리 셀의 예시 단면을 도시한다.
도 3은 일체형 증기 챔버를 갖는 예시적인 배터리 셀의 외부도 및 내부도를 도시한다.
도 4는 배터리 셀과 외부 열 소실 로드 사이에 예시적인 밀봉식 연결부를 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 일체형 증기 챔버를 갖는 예시적인 배터리 셀의 증기 챔버 내의 위킹 재료 구성의 예를 도시한다.
작동 유체(상변화 유체) 및 위킹 구조를 포함하는 증기 챔버를 셀 본체에 일체화시킴으로써 셀의 내부와 셀의 외부 사이에 열 파이프를 생성하여 배터리 셀의 향상이 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 열 파이프 장치는 셀 케이싱 내로 일체화되고, 축방향으로 그리고 배터리 셀 케이싱의 중심에 위치되며, 셀의 외부 또는 내부로 열 에너지를 전달하는 수단을 제공하도록 외향으로 연장된다.
열 에너지가 열 파이프 장치에 적용될 때, 액체는 적용된 열을 흡수함에 따라 증기로 상변화(증발)를 겪는다. 증기는 그 다음, 이것이 액체 상으로 응축되고 열을 방출하는, 열 파이프의 응축 섹션 내로 이동할 것이다.
증기 유동은 포화 증기 내 압력차에 의해 증발 섹션으로부터 응축 섹션으로 진행하고 외부의 또는 추가적인 힘을 필요로 하지 않는다. 액체 작동 유체는 중력 또는 열 파이프의 내벽을 따라 위크(wick) 또는 위킹 재료에 의한 모세관 작용에 의해 증발 섹션으로 유동한다. 위크에 의해 제공되는 모세관 작용은 셀의 물리적 공간 배향에 독립적으로 열 파이프 기능성을 보장한다.
상기 프로세스는 가역적이어서, 셀의 내부와 셀 외부의 열 파이프 장치의 부분(스템) 사이의 온도차에 따라 열이 셀 내부 또는 외부로 유동할 수 있게 한다.
본원에서 사용될 때 "배터리 팩"은 단일 일체형 유닛으로서 시스템에 에너지 저장 및 전력을 제공하기 위해 직렬 또는 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 상호 연결된 임의의 수의 배터리 셀의 세트를 설명한다. 배터리 팩의 예는 수천 개의 원통형 리튬 이온 배터리 셀로 구성될 수 있는 전기 차량 리튬 이온 배터리일 것이다.
본원에서 사용될 때 "배터리 셀"은 화학 반응으로부터 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 전기화학적 셀을 설명한다. 일부 배터리 셀은 셀을 통해 전류를 도입함으로써 재충전될 수 있다. 배터리 셀은 전류를 발생시키기 위해 사용되는 전기화학적 반응에 기초하여 납-산, 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 니켈 금속 수소화물, 리튬 이온, 클로로알루미네이트 소듐과 같은 다양한 유형이 있다. 배터리 셀은 화학 반응에 기초하여 전기를 생산하기 때문에, 셀의 온도가 전기가 생산되는 효율에 영향을 미칠 수 있다. 배터리 셀은 또한 수소-산화물 양성자 교환막 셀, 인산 셀, 또는 고체산 셀과 같은 연료 전지일 수 있다.
본원에서 사용될 때 "열 펌프"는 "열원"으로서 알려진 시스템의 일 부분으로부터, 외부 동력원의 적용에 의해, "열 싱크"로서 알려진 시스템의 다른 부분으로 열 에너지를 이동시키는 시스템을 설명한다. 전형적으로, 열은 열원과 열 싱크 사이의 유체 순환의 이동에 의해 전달된다. 예는 가역적 2-상 냉매 시스템 및 단일 상 에틸렌-글리콜 시스템을 포함한다.
본원에서 사용될 때 "증기 챔버"(또는 "열 파이프")는 작동 유체의 열전도성 및 상 전이(하나의 상에서 액체, 다른 상에서 증기)에 의해 두 고체 계면(표면)을 열 평형으로 효율적으로 이끄는 가역적 (가열 및 냉각) 시스템을 설명하며, 이 때 작동 유체는 하나의 계면으로부터 다른 계면으로 전후로 횡단한다.
본원에서 사용될 때 "축방향 냉각"은 시스템으로부터 외부로 전달되는 냉각, 예를 들어 시스템에 연결된 열 펌프 구동식 외부 열교환기를 설명한다. 상기 명칭은 축을 따르는 냉각/가열 라인(한 측면으로 들어가고, 다른 측면으로 나옴)의 아이디어로부터 파생되었지만, 본원에서 사용될 때 용어는 임의의 특정 유동 방향에 제한되지 않는다(즉, 입력 및 출력은 서로에 대해 수직이거나 임의의 각도를 형성할 수 있다).
본원에서 사용될 때 "반경방향 냉각"은 구성요소로부터 반경방향 냉각 시스템에 열적으로 결합된 주변 냉각 시스템으로, 시스템의 구성요소의 반경방향으로의 냉각을 설명한다. 반경방향 냉각의 예는 시스템 내의 일체형 증기 챔버이다.
도 1은 일체형 증기 챔버를 갖는 예시 셀을 도시한다. 셀은 본체(150)와 스템(160)을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 본체(150)는 전기 연결부 캡(110) 및 (전극의 젤리 롤 또는 스위스 롤 구조로 알려진) 나선형 권선(spiral wound) 전극(100)을 포함할 수 있다. 증기 챔버(120)는 증기 챔버(120)의 내부 및 외부로 열을 전도하기 위한 열 파이프 벽(121), 및 유체가 액체 상일 때 증기 챔버(120) 내에서 작동 유체를 운반하기 위한 위킹 구조(122)를 포함할 수 있다. 위킹 구조(122)는 유체가 증기 상일 때 작동 유체가 이동할 수 있게 하기 위해 증기 채널을 포함하도록 구조될 수 있다. 증기 챔버(120)는 증기 밀폐식 밀봉부(130)로 본체(150)에 연결될 수 있다.
도 2a는 냉각 모드에서의 도 1의 셀의 예를 도시한다. 본체(200)의 내부가 스템(220)의 외부보다 더 높은 온도를 가질 때, 증기 챔버는 셀(200)의 열이 증기 챔버에 의해 흡수되고 작동 유체가 액체로부터 증기로 증발하는 증발 구역(250), 흡수된 열이 스템(220)으로부터 그 주변(예를 들어, 냉각제 조 또는 열 싱크)으로 복사되고 작동 유체가 증기로부터 액체로 상변화하는 응축 구역(260), 및 다른 두 구역 사이의 단열 구역(270)을 갖는 것으로 설명될 수 있다.
도 2b는 가열 모드에서의 도 1의 셀의 예시를 도시한다. 열이 스템(220)의 외부에 적용되어 그 온도를 셀(200)의 내부보다 더 높게 상승시킬 때, 증기 챔버는 외부 공급원으로부터 열을 흡수하고 주로 증기 상인 작동 유체를 갖는 스템 상의 증발 구역(265), 열이 셀 내부로 방출되고 작동 유체가 주로 액체 상인 응축 구역(255), 및 다른 두 구역 사이의 단열 구역(275)을 갖는 것으로 설명될 수 있다.
도 3은 일체형 증기 챔버를 갖는 예시적 셀의 외부도(300) 및 내부(단면)도(310)를 도시한다. 이 예에서, 위킹 구조(320)는 증기 챔버의 전체 길이에 연장됨을 유의해야 한다. 다른 실시예는 증기 챔버의 전체 길이에 연장되지 않는 위킹 구조, 예를 들어, 셀의 본체 내에서 전체적으로 연장되지만 셀의 스템에서는 부분적으로만 연장되는 위킹 구조를 포함할 수 있다.
도 4는 일체형 증기 챔버를 갖는 셀의 스템(420)과 본체(400) 사이의 연결부의 예시적인 근접 단면을 도시한다. 본체의 쉘(410)은 내부 파이프를 케이싱에 레이저 용접함으로써, 또는 위킹 구조(440)가 상주하는 내부 파이프를 생성하는 딥드로잉(deep drawn) 공정에 의해, 또는 유사한 수단에 의해 증기 챔버를 형성하도록 내향으로 연장될 수 있다. 스템(420)은 레이저 용접, 스폿 용접, 스폿 브레이징, 또는 임의의 다른 증기 밀폐식 밀봉 공정에 의해 밀봉부(430)로 본체 쉘(410)에 부착될 수 있다. 본원에서 스템은 예시로서 로드 형상으로 도시되지만, 다른 형상이 사용될 수 있다. 추가적으로, 스템은 더 양호한 열전도를 위해 표면적을 증가시키도록 열전도성 핀(fin)을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 도 4에 도시된 예시적인 셀의 단면(440A-440A)으로서, 예시적인 위킹 구조 패턴을 도시한다. 각각에서, 열 파이프 케이싱(511, 512, 513, 514)은 위킹 구조(521, 522, 523, 524) 및 적어도 하나의 증기 채널(531, 532, 533, 534)을 둘러싼다. 도 5a는 증기 챔버(531)를 중심에 갖는 케이싱(511)에 연결된 층으로서의 위킹 구조(521)를 도시한다. 도 5b는 바퀴살 기하구조 스트립(spoke-geometry strip)으로서의 위킹 구조(522)를 도시한다. 도 5c는 다수의 증기 채널(533)이 존재하도록 중심에서 연결된 바퀴살 기하구조 스트립으로서의 위킹 구조(523)를 도시한다. 도 5d는 케이싱(514)에 연결된, 직선 또는 나선 패턴으로 증기 챔버를 상승하는 분리된 기둥으로서의 위킹 구조(524)를 도시한다.
본 개시내용의 다수의 실시예들이 설명되어 있다. 그럼에도 불구하고, 본 개시내용의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 만들어질 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 따라서, 다른 실시예도 하기 청구범위의 범주 내이다.
상기 제시된 예는 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 본 개시내용의 실시예를 제작하고 사용하는 방법의 완전한 개시 및 설명으로서 제공되고, 발명자/발명자들이 그들의 개시내용으로서 간주하는 것의 범주를 제한하려는 의도는 아니다.
본 기술분야의 통상의 기술자들에게 명확한 본원에서 개시된 방법 및 시스템을 실행하는 상술된 방식의 변형은 하기 청구항의 범주 내에 있도록 의도된다. 본 명세서에 언급된 모든 특허 및 공개는 본 개시내용과 연관된 기술분야의 통상의 기술자들의 기술 수준을 나타낸다. 본 개시내용에 인용된 모든 참고문헌은 각각의 참고문헌이 개별적으로 그 전문이 참조로 포함되어 있는 것과 동일한 정도로 참조로 포함된다.
본 개시내용은, 특정 방법 또는 시스템으로 제한되지 않으며, 이는 당연히 변경될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본원에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하는 목적을 위한 것이며, 제한하는 의도가 아님을 이해해야 한다. 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용될 때, 단수형 형태는 문맥적으로 명백하게 달리 지시되지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. "복수의"라는 용어는 문맥적으로 명백하게 달리 지시되지 않는 한 2개 이상의 지시대상을 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 개시내용과 연관된 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다.

Claims (20)

  1. 배터리 셀이며,
    셀 본체; 및
    셀 본체에 내장된 증기 챔버를 포함하는, 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서, 증기 챔버의 일부분을 포함하는 배터리 셀로부터 연장되는 스템을 추가로 포함하는, 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서, 증기 챔버 내에 위킹 구조를 추가로 포함하는, 배터리 셀.
  4. 제3항에 있어서, 위킹 구조는 증기 챔버의 전체 길이에 연장되는, 배터리 셀.
  5. 제3항에 있어서, 위킹 구조는 적어도 하나의 증기 채널을 포함하는, 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서, 위킹 구조는 링 형상의 단면을 갖는, 배터리 셀.
  7. 제5항에 있어서, 위킹 구조는 반경방향 바퀴살 형상의 단면을 갖는, 배터리 셀.
  8. 제5항에 있어서, 위킹 구조는 십자 형상의 단면을 갖는, 배터리 셀.
  9. 제5항에 있어서, 위킹 구조는 증기 챔버를 따라 연장되는 기둥을 포함하는, 배터리 셀.
  10. 제1항에 있어서, 증기 챔버는 셀 본체 내로 딥드로잉된, 배터리 셀.
  11. 제1항에 있어서, 증기 챔버는 셀 본체에 용접된, 배터리 셀.
  12. 제2항에 있어서, 스템은 셀 본체의 케이싱에 대한 밀봉부를 포함하는, 배터리 셀.
  13. 제12항에 있어서, 밀봉부는 용접부인, 배터리 셀.
  14. 제1항에 있어서, 배터리 셀은 연료 전지인, 배터리 셀.
  15. 제1항에 있어서, 증기 챔버는
    열 파이프 벽으로부터 형성된 열 파이프 케이싱;
    적어도 하나의 증기 채널을 갖는 위킹 구조를 포함하고,
    증기 챔버는 부분적으로 셀 본체에 내장되고 부분적으로 셀의 외부로 연장되어 스템을 형성하고,
    열 파이프 케이싱은 위킹 구조를 에워싸고 수납하며 셀 본체의 내향으로 연장되는 열 전도 케이싱이며,
    증기 챔버는 증기 밀폐식 밀봉부로 본체에 연결되는, 배터리 셀.
  16. 제15항에 있어서, 셀 본체는 전기 연결부 캡 및 나선형 권선 전극을 포함하고, 증기 챔버는 액체 상과 증기 상 사이에서 상 변화를 겪을 수 있는 작동 유체를 포함하는, 배터리 셀.
  17. 제2항의 배터리 셀을 가열하는 방법이며,
    스템에 열원을 적용하는 단계를 포함하는, 배터리 셀 가열 방법.
  18. 제2항의 배터리 셀을 냉각하는 방법이며,
    셀 본체의 내부 온도보다 더 낮은 온도의 물질과 접촉하도록 스템을 배치하는 단계를 포함하는, 배터리 셀 냉각 방법.
  19. 제1항의 배터리 셀을 생산하는 방법이며,
    내부 파이프를 배터리 셀의 케이싱에 레이저 용접함으로써, 셀 본체에 내장된 증기 챔버의 열 파이프를 형성하는 단계를 포함하는, 배터리 셀 생산 방법.
  20. 제1항의 배터리 셀을 생산하는 방법이며,
    딥드로잉 공정에 의해 내부 파이프를 생성함으로써, 셀 본체에 내장된 증기 챔버의 열 파이프를 형성하는 방법을 포함하는, 배터리 셀 생산 방법.
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