KR20200092364A - 배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법 및 온도 제어된 배터리 장치 - Google Patents

배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법 및 온도 제어된 배터리 장치 Download PDF

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랄프 헤르만
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파렌하이트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 주기적으로 동작되는 흡착열 펌프에 의하여, 적어도 하나의 배터리 셀로 구성된 배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, 흡착열 펌프는 흡착기 및 페이즈 컨버터로 구성되고 그 흡착기와 페이즈 컨버터 사이에 순환되는 작동 매체를 이용하며, 적어도 하나의 배터리 셀은 흡착기의 흡착제와 열적 접촉되고, 배터리 셀의 온도는 배터리 장치가 흡착열을 픽업하고 탈착열을 발산하는 식으로 제어되며, 작동 매체의 응축 프로세스 중에 페이즈 컨버터에서 발산되는 열 및 작동 매체의 증발 프로세스 중에 픽업되는 열은 환경으로 발산되고 후자로부터 공급된다. 이 방법은 배터리 장치 및 흡착기가, 필요시, 보조 유체 회로를 통하여, 보조 유체 회로에서 순환되는 열 전달 유체와 열적 접촉되고, 열 전달 유체는 외부 열원 및/또는 열 싱크와 열적 접촉되고, 배터리 장치는, 필요시, 보조 유체 회로를 통하여 외부 열원으로부터 열 에너지를 공급받거나, 혹은 열 에너지는 보조 유체 회로를 통하여 배터리 장치로부터 회수되어 외부 열원으로 발산되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법 및 온도 제어된 배터리 장치
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법 및 온도 제어된 배터리 장치, 및 청구항 7의 전제부에 따른 온도 제어된 배터리 장치에 관한 것이다.
배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법은 배터리의 각각의 주어진 동작 상태를 고려하면서 배터리의 최적 온도 설정을 목표로 한다. 배터리 장치의 온도를 제어하는 것은 배터리 장치를 효과적이고 가능한 한 짧은 시간에 충전시킬 수 있도록 또는 배터리 장치를 가능한 한 빠르게 동작시킬 준비를 하기 위해서 보다 높은 전력 범위를 갖는 배터리 장치에서 특히 필요하다. 이것은 특히 배터리 장치가 전기 차량의 모터를 구동시키도록 에너지를 공급할 목적으로 이용되는 경우이다.
전기 차량의 배터리 장치는 충전 중에 그리고 운전 중의 배터리를 방전시키는 동안에도 활성화되는 배터리의 보호를 위한 냉각이 특히 요구된다. 특히, 소위 슈퍼 챠저, 즉 비교적 높은 충전 전류를 가지는 특별 충전소에 의한 이런 배터리 장치의 급속 충전 중에는, 상당한 열량이 배터리 장치 내에서 발산되며, 그것은 배터리 팩 내의 셀들이 국부적으로 과열되는 것을 막기 위해 가능한 한 균일하게 발산될 필요가 있다. 동시에, 전기 차량에 적용된 배터리는 그것들의 범위가 최대화될 수 있도록 낮은 외기 온도의 경우에도 특정 동작 온도로 가열되어야 한다. 외기 온도가 낮을 때, 배터리의 콜드 스타트는 특히 빠른 방전을 초래할 것이고, 이것은 배터리 수명에 부정적인 영향을 준다.
이런 배터리 장치의 온도 제어는 소위 흡착열 펌프와 함께 흡착 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 이 경우에 배터리 셀은 흡착제와 열적 접촉한다. 그것들은 특히 고체 흡착제로 코팅될 수 있다. 코팅은, 예를 들면, 알루미늄 시트에 결정화된 제올라이트로 이루어지거나 또는 유기물 혹은 무기물의 결합제를 이용한 코팅으로 이루어진다. 이것은 배터리 팩의 각각의 배터리 셀의 표면이 부압에서, 예로써, 수증기를 이용하는 동안, 또는 정압에서, 예로써, 이산화탄소를 이용하는 동안, 다양한 흡착성이 있는 수착 처리용 흡착기로 이용되도록 할 수 있다. 그렇게 함으로써, 균일한 방열 및 열 공급이 탈착 및 흡착 프로세스에 의해 가능하게 된다.
종래 기술에 따른 흡착열 펌프의 사용시, 열 관리 및 이에 따른 배터리의 온도 제어는 다음의 방식으로 실행되었다.
흡착기는 흡착매체의 페이즈 전환에 이용되는 열 교환기와 유체 전도 연결성이 있다. 그래서 이 열 교환기는 페이즈 컨버터로서 역할을 한다. 작동 매체는 그 연결성을 통해서 흡착기와 페이즈 컨버터 사이에서 순환된다. 이 순환은 흡착기에서의 작동 매체의 주기적인 흡착 및 탈착을 통해서 수행된다. 페이즈 컨버터는 외부 냉각 회로 혹은 외부 열원에 의해, 바람직하게는 그 차량의 기존 에어 컨디셔닝 시스템을 이용하여 냉각되거나 가열된다.
배터리의 급속 충전 중에, 작동 매체, 즉 흡착매체는, 이 경우에 발산되는 방출열로 인해 포화된 흡착기로부터 탈착된다. 해방된 흡착매체는 페이즈 컨버터로 흐르며, 여기서 응축된다. 이 경우에 발산된 응축열은 외부 시스템, 예를 들면, 차량의 에어 컨디셔닝 시스템에 의해 발산된다.
배터리 장치를 가열하기 위해서는, 이것과 반대 동작이 수행된다. 흡착 프로세스로 인해, 흡착기는 페이즈 컨버터 내에 포함된 응축수를 빨아들인다. 작동 매체는 흡착기에 흡착되고 흡착 중에 열을 발산한다. 이 열은 열 전도를 통해서 배터리의 셀들로 출력된다. 페이즈 컨버터에 공급될 필요가 있는 필요 증발열은 외부 시스템, 예로써 차량의 에어 컨디셔닝 시스템의 열 교환기를 통해서 주위 온도에서 페이즈 컨버터로 공급된다.
그러나, 흡착 프로세스를 기초로 하는 이런 배터리 장치 온도 제어는, 일련의 단점을 가진다. 이런 흡착매체 온도 제어 방식에 의해서는 배터리 장치의 연속 냉각이 보장될 수 없다는 점은 매우 중요한 단점이다. 이것은 종래 기술의 설명된 시스템에서, 흡착기의 소르베이트 로드(sorbate load)는 배터리의 충전 상태와 역 상관관계에 있다는 사실에 기인한다. 작동 매체는 배터리의 재충전 중에 배터리가 냉각되면서 흡착기로부터 방출되기 때문에, 배터리가 그 최대 충전 상태에 도달되면, 흡착기는 보통 언로드된다. 그러면 작동 매체의 추가 탈착은 더이상 가능하지 않다. 만일 그 후에 배터리가 다시 방전되면, 배터리 동작 중 발산되는 열은 더이상 흡착열 펌프를 통해서 배터리로부터 방출되지 않을 수 있다. 게다가, 배터리의 동작 중에, 배터리 셀로의 흡착열의 공급은 필요하지 않거나 오히려 불리하게 될 경향이 있기 때문에, 흡착기는 더이상 작동 매체로 다시 로드되지 않을 수 있다.
또한, 이 경우는 콜드 스타트에서 배터리의 가열이 요구되지 않을 때인, 높은 외기 온도이거나 차량의 동작 중, 방출된 흡착열이 높은 주위 온도를 가지는 환경으로 발산될 필요가 있기 때문에, 흡착기의 저장소 방출은 수행될 수 없거나 아주 어려운 방식으로만 수행될 수 있는 경우가 매우 자주 일어난다. 이 경우에, 배터리 장치는 작동 매체를 흡착기로부터 부족하게만 방출할 수 있고, 그 열은 오직 불충분하게 환경으로 발산되고 전달되어, 흡착열 펌프는 매우 비효율적으로 작동하거나 작동하지 않는다.
이제, 본 발명에 따른 과제는 언급한 문제 및 단점을 해결하려는 것이다.
상기 과제의 해결책은 청구항 1의 특징을 가지는 배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법, 및 청구항 7의 특징을 가지는 온도 제어된 배터리 장치에 의해 달성된다. 종속 청구항은 상기 방법 및 온도 제어된 배터리 장치의 적절하고 이로운 실시예를 포함한다.
배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법은, 주기적으로 동작되는 열 펌프에 의하여 적어도 하나의 배터리 셀이 주기적으로 냉각되거나 가열되는 기본 구성에 기초한다. 열 펌프는 흡착기 및 페이즈 컨버터로 구성되고, 그 흡착기와 페이즈 컨버터 사이에서 순환되는 작동 매체를 이용한다. 이 기간에, 적어도 하나의 배터리 셀은 흡착기의 흡착제와 열적 접촉되고, 배터리 셀의 온도는 그 후자가 흡착열을 픽업하고 탈착열을 발산하는 식으로 제어된다. 이 기간에, 작동 매체의 응축 프로세스 중에 페이즈 컨버터에서 발산되는 열 및 작동 매체의 증발 프로세스 중에 픽업되는 열은 환경으로 발산되고 후자로부터 공급된다.
본 발명에 따르면, 이 방법은 배터리 장치 및 흡착기 뿐만 아니라 페이즈 컨버터도, 필요시, 보조 유체 회로를 통하여 보조 유체 회로에서 순환되는 열 전달 유체와 열적 접촉된다는 점에 특징이 있다. 이 기간에, 열 전달 유체는 외부 열원 및/또는 열 싱크와 열적 접촉되며, 여기서 배터리 장치는, 필요시, 보조 유체 회로를 통하여 외부 열원으로부터 열 에너지를 공급받거나, 혹은 열 에너지는 보조 유체 회로를 통하여 배터리 장치로부터 회수되어 외부 열 싱크로 발산된다.
이 방법의 제1 실시예로서, 보조 유체 회로는 흡착열 펌프와 물질적으로 구분된다. 열 전달 유체는 배터리 장치와 흡착기의 전체 구성을 따른 열 교환 표면을 통해서 전해지며, 흡착열 펌프의 작동 매체와는 다른 것이다.
흡착열 펌프에 의한 배터리 장치의 주기적 온도 제어 외에, 보조 유체 회로는 배터리 장치와 흡착기의 전체적인 디바이스가 온도 제어되게 할 수 있다. 특히 이 보조 유체 회로는 정상 동작 중에 배터리 장치가 온도 제어되어야 할 때 활성화되며, 작동 매체를 이용한 흡착기의 원하는 충전이 배터리의 정규 동작 중에 재발생되게 할 수 있다.
본 발명의 추가 실시예로서, 보조 유체 회로의 시동 중에, 흡착열 펌프는 주기적 동작에서 강제 대류의 동작 모드로 일시적으로 바뀐다. 이 기간에, 작동 매체가 흡착기로 과도하게 도입되어, 흡착기가 가득 찬다. 이어서, 액체의 작동 매체가 임의의 페이즈 변화 없이 강제 대류에 의해 열 전달 유체로서 순환된다. 작동 매체가 과도하게 도입되는 것으로 인해, 탈착 및 흡착 프로세스는 일어나지 않을 것이고, 그때에 흡착열 펌프의 컴포넌트는 열 수송 회로의 일부로서만 효과적으로 작용할 것이며, 반면에 흡착열 펌프의 작동 매체는 임의의 페이즈 전환 그리고 흡착 및 탈착 없이 단지 열 전달 유체로서 기능한다.
본 맥락에서, 강제 대류는 작동 매체가 흡착 또는 탈착에 의해 흡착기로 솟아오르거나 흡착기로부터 방출되지 않고, 오히려 작동 매체가 특히 펌프에 의하여 기계적으로 순환되고, 이 경우에 관습적으로 단지 순환에 의해 열을 이동시키는 것을 의미한다.
이 방법의 구현에서, 주기적 동작과 강제 대류의 동작 간의 전환은 흡착열 펌프 내의 통제된 시스템 압력의 변화에 의해 수행된다. 이 경우에, 시스템 압력의 변화는 배터리 장치, 특히 배터리 장치의 전력 충전 및/또는 방전의 순간 동작 파라미터 및/또는 동작 상태에 따라, 및/또는 현재 환경 조건에 따라 수행된다.
주기적 동작과 강제 대류의 동작 간의 전환은 특히 펌프 유닛에 의하여 작동 매체를 공급하고 방출함으로써 수행될 수도 있으며, 여기서 펌프 유닛의 제어는 배터리 장치의 순간 동작 파라미터 및/또는 현재 환경 조건에 따라 수행된다.
이 경우에, 작동 매체는 특히 기존의 저장소로부터 회수되어 펌프 유닛을 통해서 공급된다. 주기적인 동작 모드로의 리턴과 함께, 흡착기 내에 흡착된 작동 매체만이 남아서 실제로 주기적인 작동 매체로서 다시 이용 가능하도록 작동 유체는 다시 저장소로 돌아가서 그곳에 축적된다.
이 방법의 추가 실시예로서, 보조 유체 회로는 열 파이프로 형성되며, 여기서 열 전달 유체는 외부 열원 및/또는 외부 열 싱크에서 페이즈 전환되게 하여 거기서 열 싱크의 외부 열원과 대응하는 열 교환을 수행한다. 이 기간에, 열 전달 유체는 어떤 흡착이나 탈착을 수행하지 않는다는 사실에 주목해야 한다.
이 디바이스에 관한 한, 온도 제어된 배터리 장치는 복수의 배터리 셀 및 배터리 장치에 통합되고 각각의 개별 배터리 셀을 둘러싸는 배터리 셀 온도 제어 유닛으로 구성되며, 여기서 배터리 셀 온도 제어 유닛은 외부 온도 제어 디바이스에 연결될 수 있다.
일 실시예로서, 배터리 셀 온도 제어 유닛은 배터리 셀의 적어도 하나의 제1 표면 부분을 커버하고 흡착열 펌프와 연결되는 배터리 셀과 열적 접촉되는 흡착제 부분, 및 환경과 열적 접촉되는 제2 열 전도 부분을 가진다.
일 실시예로서, 배터리 셀 온도 제어 유닛은 배터리 셀 간에 연장되는 일련의 흐름 채널로 구성되며, 여기서 흐름 채널은 흡착제로 채워지고 흡착 물질이 로드되는 흡착 흐름 채널 및 유체가 흐를 수 있는 열 흐름 채널로 교호로 형성된다.
또한 배터리 셀 온도 제어 유닛은 열적 접촉으로 배터리 셀을 둘러싸는 제1 내부 흐름 채널 및 열적 접촉으로 내부 흐름 채널을 둘러싸는 제2 외부 흐름 채널의 구성으로 형성될 수 있다.
내부 및 외부 흐름 채널은 흡착제로 채워지고, 흡착제는 흡착 물질로 로드될 수 있으며, 여기서 흡착제로 채워진 흐름 채널은 흡착열 펌프에 연결되고, 각각의 서로 다른 흐름 채널은 외부 열 수송 회로에 연결된다.
또한 배터리 셀 온도 제어 유닛은 유체가 흐르며 배터리 셀의 제1 표면 부분과 열적 접촉하는 열 전달 플레이트 및 흡착제로 로드된 수착 채널의 형태로 형성될 수 있으며, 여기서 열 전달 플레이트는 외부 열 수송 회로에 연결되고, 수착 채널은 흡착열 펌프의 일부분이다.
배터리 장치의 온도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스 그리고 온도 제어된 배터리 장치가 예시적인 실시예를 기초로 하여 아래에 보다 자세하게 설명될 것이다. 도 1a 내지 13은 설명을 돕기 위해 제공된다. 동일한 부호는 동일한 부품 또는 동일한 작용의 부품을 위해 사용될 것이다.
도 1a는 종래 기술에 따른 흡착기 및 페이즈 컨버터를 이용한 배터리 온도 제어의 원리적 도면이다.
도 1b는 흡착열 펌프의 주기적 동작의 보완으로서 부가 열 수송 회로의 원리적 도면이다.
도 1c는 열 파이프를 이용한 부가 열 수송 회로의 원리적 도면이다.
도 1d는 본 발명에 따른 추가적 구현으로서 흡착기 및 페이즈 컨버터를 이용한 배터리 온도 제어의 원리적 도면이다.
도 2는 배터리 장치의 연속 동작 중에 흡착기의 구조 물질 내의 열 전도 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 3은 배터리 장치의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 내부 및 외부 흐름 채널을 이용한 배터리 장치의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a는 주위의 흐름 채널의 사시도이다.
도 5는 부분(section)들로 둘러싸인 배터리 셀을 이용한 배터리 장치의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 배터리 장치와 열 수송 회로의 컴포넌트의 상호 연결을 나타낸 도면이다.
도 6a는 급속 충전 프로세스 중의 배터리 온도 제어를 나타낸 도면이다.
도 6b는 배터리 장치의 연속 동작 중의 배터리 온도 제어 및 흡착기 재생을 나타낸 도면이다.
도 6c는 차가운 주위 온도의 경우에 배터리 장치의 예열 중의 배터리 온도 제어를 나타낸 도면이다.
도 7은 열 파이프를 이용한 냉각 회로의 가능한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 8은 일정한 냉각을 위한 부가 열 수송 회로의 동작 모드를 나타낸 도면이다.
도 9는 낮은 주위 온도의 경우에 외부 열 공급에 의하여 배터리를 가열하기 위한 동작 모드를 나타낸 도면이다.
도 10은 특히 냉각용의, 열 저장 시스템을 충전하기 위한 동작 모드를 나타낸 도면이다.
도 11은 특히 배터리 가열용의, 열 저장 시스템을 방출하기 위한 동작 모드를 나타낸 도면이다.
도 12는 공기가 들어갈 때의 작용 모드를 나타낸 도면이다.
도 13은 전자 컴포넌트의 온도를 제어하기 위한 열 파이프 시스템의 예시적인 사용을 나타낸 도면이다.
도 1a는 비교를 위한 것으로 종래 기술에 따른 흡착기 및 페이즈 컨버터를 이용한 배터리 온도 제어의 원리적 도면을 보여준다.
도 1a에 도시된 종래 기술에 따른 배터리 온도 제어의 장치는 기본적으로 흡착열 펌프(A)를 기초로 하고 있다. 배터리 장치(Ba)는 흡착기(Ad), 특히 흡착기(Ad) 내에 포함된 흡착제(Ads)와 열적 접촉한다. 흡착열 펌프(A)의 일부분으로서, 흡착기는 페이즈 컨버터(Ph)와 연관된다. 작동 매체(AM)는 흡착기와 페이즈 컨버터 사이에서 순환된다. 작동 매체는 흡착기의 흡착제(Ads)에 흡착되거나 탈착된다. 밸브 V1은 흡착기와 페이즈 컨버터 사이에서 기체의 작동 매체의 흐름을 제어한다.
작동 매체의 흡착 중에, 흡착열이 방출된다. 이로 인해, 배터리 장치(Ba)에 열이 공급된다. 그러나 배터리는 흡착제로 열을 발산하여 냉각될 수도 있다. 배터리가 흡착제(Ads)로 열을 발산할 때, 흡착된 작동 매체는 흡착제로부터 방출되어 페이즈 컨버터(Ph)에서 응축될 것이다.
따라서, 이러한 프로세스에 의해, 배터리는 가열되거나 냉각된다. 작동 매체가 이러한 프로세스 중에 흡착제를 통해서 발산하거나 또는 빼앗은 열은 페이즈 컨버터를 통해 외부 컴포넌트와 서로 교환된다. 이 경우에, 작동 매체는 보통 페이즈 컨버터에서 응축되거나 증발된다. 페이즈 컨버터에서의 작동 매체의 응축은 작동 매체가 흡착제로부터 방출되고 이에 따라 배터리 장치(Ba)가 냉각될 때 발생한다. 작동 매체의 증발은 작동 매체가 흡착제에 흡착되고 이에 따라 배터리가 가열 중일 때에 발생한다.
페이즈 컨버터에서의 작동 매체의 응축 중에 방출된 응축열 혹은 작동 매체의 증발 중에 페이즈 컨버터에서 빼앗은 증발열은, 예를 들면, 차량의 에어 컨디셔닝 시스템(K)과 서로 교환된다. 이 경우에, 차량의 에어 컨디셔닝 시스템 내에서 추가의 매체가 흐르며, 그 매체는 페이즈 컨버터(Ph)에서 열을 빼앗거나 또는 후자로 열을 발산한다. 열이 페이즈 컨버터로 공급될 때, 작동 매체는 페이즈 컨버터에서 증발하여 흡착기의 흡착제에 흡착되며, 여기서 그것은 이 열을 배터리로 발산한다. 기본적으로, 에어 컨디셔닝 시스템(K)은 열을 빼앗을 수 있어서 열 싱크로 작용하거나, 또는 열을 공급하여 열원으로서 이용될 수 있는 임의의 외부 시스템으로 대체될 수도 있다.
여기의 본 예시에서, 에어 컨디셔닝 시스템(K)은 차안의 온도를 제어하거나 및/또는 환경으로의 열 전달을 위해서 압축기(C), 밸브 V2-V4, 및 다수의 열 교환기 Hx1 및 Hx2를 포함한다.
흡착기(Ad)의 탈착 및 이에 따른 배터리 장치(Ba)의 냉각은 특히 큰 열량이 배터리 장치로부터 발산될 필요가 있는 동안인 배터리 장치의 급속 충전 중에 발생한다.
배터리 장치의 급속 충전 중에, 배터리 충전 배기열은 포화된 흡착기(Ad)를 탈착시킨다. 방출된 흡착매체는 페이즈 컨버터(Ph)로 흐르고, 거기서 응축된다. 응축열은 외부 시스템, 이 경우에는 차량의 에어 컨디셔닝 시스템(K)에 의해 발산된다. 탈착이 끝난 후, 밸브 V1은 흡착열 펌프(A) 내에서 닫힌다. 작동 매체는 현재 페이즈 컨버터에서 사실상 완전히 응축되고, 흡착제(Ads)는 언로드되어 있다.
흡착기에서의 작동 매체의 흡착은, 특히 낮은 주위 온도에서 배터리의 가열이 필요할 때, 배터리의 저장소 방출 중에 수행된다. 이것은 최적 온도 범위에서만 주어지는 완전한 배터리 전력을 끌어낼 수 있게 일어난다.
배터리 장치(Ba)를 가열하기 위해, 밸브 V1은 개방된다. 흡착기(Ad)는 페이즈 컨버터(Ph) 내에 포함된 작동 매체의 응축수를 빨아들인다. 작동 매체는 흡착제(Ads)에 흡착되고 흡착 중에 열을 방출한다. 열적 접촉을 통해서, 특히 열 전도를 통해서, 방출된 열은 배터리 장치(Ba)에 도달하여 그 셀들로 발산된다. 외부 시스템, 여기의 본 예시에서는, 에어 컨디셔닝 시스템(K)의 열 교환기를 통해서 주위 온도에서 페이즈 컨버터(Ph)로 필요 증발열이 공급된다.
그러나, 이런 방식은 배터리 장치(Ba)가 흡착매체 온도 제어 시스템에 의해 계속적으로 냉각되도록 보장 가능하지 않다. 이런 시스템에서는, 작동 매체, 즉 소르베이트를 이용한 흡착기에서의 흡착제의 로딩은 보통 배터리의 충전 상태와 역 상관관계에 있다. 이것은 작동 매체가 배터리 냉각을 위해 배터리의 급속 충전 중에 흡착제로부터 떨어진다는 사실에 기인한다. 그때에 작동 매체는 페이즈 컨버터 내에서 완전히 또는 적어도 대부분이 응축된 형태로 있고, 또한 배터리가 가열될 필요가 없는 한 그 안에 존재한다. 그것은 더이상 배터리 장치를 추가적으로 냉각하는데 이용될 수 없다.
게다가, 흡착 물질(Ads)로 작동 매체를 리턴하는 것은 그야말로 더 이상은 가능하지 않다. 특히 배터리가 콜드 스타트로 가열될 필요가 없는 높은 외기 온도의 경우에는, 다시 흡착기로의 작동 매체의 이동은 배터리 과열로 이어질 것이다. 그래서 도 1a에 도시된 시스템은 흡착열이 환경으로 발산될 가능성을 제공하지 않으며, 또한 배터리 장치(Ba)가 진행 중인 동작 중에 계속적으로 냉각되도록 허용하지 않는다.
본 목적을 위해, 잠재적 해결책이 본 예시적인 실시예들에 나타내질 것이다.
도 1b는 본 발명의 방법의 제1 실시예에 따른 흡착열 펌프의 주기적 동작의 보완으로서 부가 열 수송 회로의 원리적 도면을 보여준다. 부가 열 수송 회로(Z)는 흡착열 펌프(A)에 배치된다. 그것은 배터리 장치(Ba) 및 흡착기(Ad)의 전체 구성에 걸쳐 연장되고 외부 열원 및/또는 열 싱크와 열 교환기(WU)를 통해서 열을 교환한다. 이들 외부 열원 및 열 싱크는, 예를 들면, 차안, 환경 또는 외부 열 펌프이기도 하다. 열 수송 회로도 또한 흡착열 펌프의 페이즈 컨버터(Ph)와 열적 접촉된다. 부가 열 수송 회로 내에서 순환하는 열 전달 유체는 강제 대류에 의해, 즉 펌프 P2를 통해서 순환된다.
부가 열 수송 회로는 기본적으로 두 가지 기능을 수행한다. 첫 째로, 배터리 장치가 정규 동작 중에 계속적으로 온도 제어되도록, 특히 적합한 동작 온도로 계속적으로 냉각되거나 가열되도록 할 수 있다. 둘 째로, 부가 열 수송 회로는 작동 매체가 페이즈 컨버터(Ph)로부터 다시 흡착제(Ads)로 재전달되도록 할 수 있고, 또는, 선택적으로, 작동 매체가 흡착제(Ads)로부터 페이즈 컨버터(Ph)로 이동되게 할 수 있으며, 여기서 이 경우에 발생되거나 빼앗은 열은, 배터리 장치(Ba)의 온도 제어가 악화되는 일 없이, 부가 열 수송 회로를 통해서 쉽게 발산되거나 공급될 수 있다. 마지막으로, 이에 따라 부가 열 수송 회로는 흡착열 펌프의 특정 초기 구성의 선택적인 설정을 가능하게 한다.
또한 부가 열 수송 회로 내에서 강제 대류에 의해 순환되는 유체는 흡착열 펌프(A) 자체의 작동 매체이고 직접 흡착열 펌프의 컴포넌트를 통해서 흐르며, 따라서 열적 접촉만 하는게 아닐 수 있다. 이런 경우에, 작동 유체는 과도하게 부가되어 흡착열 펌프의 컴포넌트는 작동 매체가 페이즈 컨버터(Ph) 내에서 임의의 페이즈 전환도 흡착 물질(Ads) 내에서 임의의 흡착이나 탈착 프로세스도 할 수 없을 정도로 가득 차게 된다. 이런 경우에, 작동 매체는 강제 대류에 의해 부가 열 수송 회로를 통해서 흐르고, 그렇게 하면서, 단지 열 전달 유체로서 기능한다. 그런 동작 방식의 이점은 흡착열 펌프의 모든 컴포넌트가 부가 열 수송 회로를 통해서 작동 매체로 로드될 수 있다는 점이며, 여기서 부가 열 수송 회로 자체는 흡착열 펌프를 규정된 초기 상태로 두고, 특히 흡착기에 작동 매체를 채운다. 이 경우에, 그렇게 함으로써 발생하는 흡착열은, 요구된 동작 온도로의 배터리 장치(Ba)의 온도 제어가 항시 보장되는 것과 함께, 과도하게 순환하는 작동 매체에 의해 쉽게 발산된다.
도 1c는 열 파이프 기능, 즉 소위 열 파이프를 이용하는 경우의 부가 열 수송 회로(Z)의 예시적인 실시예를 보여준다. 이 경우에, 열 수송 회로(Z)는 전체적으로 열 파이프를 이루며, 그것은 증기 이동을 위한 분기 회로 및 액체 이동을 위한 분기 회로로 항시 특징지어진다. 여기서 보여지는 예시적인 실시예에서는, 열 전달 유체는 페이즈 컨버터(Ph)를 통하여 순환하고, 여기서 액체로부터 기체로의 페이즈 전환이 일어난다. 밸브 V1을 통해서, 발생된 증기는 흡착기(Ad)로 흐르고, 여기서 그것은 흡착제(Ads)의 표면에서 응축되어 흡착기에 응축열을 발산하고 이에 따라 배터리를 가열한다. 펌프 P2를 통해서 다시 페이즈 컨버터(Ph)로의 응축된 액체의 이동이 수행된다.
배터리를 냉각하기 위해서는, 그 프로세스가 반대로 되어, 열 수송 회로(Z)를 반대 방향으로 통과하며, 흡착기(Ad) 상의 증발 중에, 흡착기 및 그것과 함께 배터리는 냉각되고, 증기는 밸브 V1을 통해서 페이즈 컨버터로 흐른다. 페이즈 컨버터에서, 증기는 응축되고 그것에 의해 펌프 P1을 통해서 위에서 언급된 열 싱크에 대한 회로(K)를 가열한다. 회로(Z)에서의 액체는 펌프 P2를 통해서 다시 흡착기로 전달된다.
따라서 페이즈 변화를 포함하는 열 파이프 방식에서의 열 이동은 흡착 및 탈착 프로세스 없이도 배터리 장치(Ba)와 회로(K) 사이에서 그 열이 페이즈 변화 엔탈피를 통해 매우 효과적으로 이동되게 할 수 있다. 배터리 장치와 회로(K) 사이에서 열을 이동시키기 위한 본 발명의 구조는 페이즈 전환 없이도(도 1b) 그리고 페이즈 전환(도 1c)도 함께 이용될 수 있으며, 시스템 압력 및 펌프 제어를 통해서 간단히 조절될 수 있다는 것이 놀랍게도 드러났다. 또한 예로써 모관력과 같은 적합한 메커니즘을 통해 액체 이동이 충분하면 펌프 P2가 없는 구현도 가능하다.
도 1d는 본 발명에 따른 방법이 기초로 하는 배터리 장치(Ba)의 온도를 제어하기 위한 방식의 추가 예를 보여준다. 여기에 보여지는 장치는 도 1a에 따른 모든 컴포넌트, 즉 특히 열적 접촉하는 흡착기(Ad) 및 흡착제(Ads)를 가지는 배터리 장치(Ba)를 포함하며, 여기서 흡착기는 흡착열 펌프(A)의 구성 요소이기도 하다. 여기서 또, 흡착열 펌프는 일례로 외부 시스템으로서 차량의 에어 컨디셔닝 시스템(K)에 연결된다.
도 1a에 따른 장치와는 대조적으로, V1을 통하는 페이즈 컨버터 및 배터리 장치 사이의 회로 외에도, 배터리 장치(Ba) 및 흡착기(Ad)의 전제 구성에 열을 전달하는 방식으로 부가 열 전달 회로(Z)가 제공되어 결합되며, 그것은 이 전체 장치로부터 발생하는 열을 발산시키거나 또는 필요시 이 전체 구성에 필요한 열을 공급하며, 그리고 밸브 V1을 통한 회로와는 독립적으로 빌트업된다. 이 예시적인 실시예에서는 흡착열 펌프의 페이즈 컨버터(Ph)는 부가 열 전달 회로(Z)의 구성 요소가 아니다. 이것은 배터리 장치(Ba)가 온도를 제어하기 위해 필요한 열량이 두 개의 채널을 통해서 분배되도록 이동될 수 있어서, 다시 말해 배터리 유닛이 구조적으로 서로 분리된 두 개의 디바이스를 통해 동작 로드(operational load)에 따라 일정하고 보장된 방식으로 사실상 연속으로 온도 제어된다는 것을 의미한다.
도 1b 내지 도 1d의 예시적인 실시예에 대해서는, 특히 페이즈 컨버터(Ph)에 있는 작동 매체의 양이 흡착기(Ad)로 돌아가고, 거기서 방출되는 흡착열이 부가 열 전달 회로(Z)를 통해 발산될 수 있기 때문에, 배터리를 과도하게 가열하는 일 없이 그곳에 다시 흡착될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 이것은 특히 높은 주위 온도 및 배터리 장치(Ba)의 비교적 높은 충전 상태에서 일어날 수 있어서, 충분한 작동 매체가, 필요시, 높은 전력 소모에서도, 배터리를 크게 냉각시키기 위해 흡착기(Ad) 내에 다시 존재할 것이다. 따라서 배터리 충전 상태와 흡착열 펌프 내의 작동 매체의 분포 간의 앞서 언급한 역 상관 관계가 무효화되고 대신에 가변성을 갖도록 설계될 수 있다.
배터리 장치(Ba)에 공급되거나 혹은 그것으로부터 발산되기 위한 열은, 매우 다른 방법으로 보조 유체 회로로부터 발산되거나 공급될 수 있다. 흡착열 펌프(A)에 의해 이미 사용된 외부 열원이나 열 싱크로, 여기서, 예를 들면, 차량의 에어 컨디셔닝 시스템으로의 열 전달, 또는 회로(Z)를 통하여 환경으로의 직접적인 열 전달이 가능하다.
배터리 장치(Ba) 및 그것에 마련된 흡착제(Ads)는 부가 열 수송 회로로의 열 전달을 위해 상응하여 설계된다. 이하에서는, 흡착기와 함께 배터리 장치의 일부 설계가 예로써 설명될 것이다.
배터리 셀에서의 열 전달은, 예를 들면, 흡착기 구조 물질 내에서의 열 전도에 의해, 예로써, 흡착제가 적용되는 알루미늄 시트나 열린 구멍이 있는 구조체(알루미늄 폼 또는 파이버)에 의해 일어난다.
본 목적을 위해, 열 전도 디바이스(2)가 그 디바이스에 관한 제1 실시예에서 제공된다. 여기서 도 2는 대응하는 예시를 보여준다. 배터리 장치(Ba)가 기능상의 기본 유닛으로서 복수의 배터리 셀로 구성되는 경우, 이 열 전도 디바이스는 각 배터리 셀에 제공된다.
도 2는 하나의 배터리 셀(1)을 보여준다. 이 배터리 셀은 흡착제(Ads)로 둘러싸이며 그것과 열적 접촉한다. 흡착제(Ads)는 배터리 셀 표면 상의 흡착제 부분(section)(3)을 형성한다. 배터리 상에 이동되는 슬리브와 비슷한 덮개 또는 흡착제로 채워진 흐름 채널이 가능하다. 흡착제로서의 작동 매체는 흡착열 펌프의 주기적인 동작 모드에 따라서 흡착제에 흡착되거나 또는 그것으로부터 탈착된다.
또한, 도 2의 디바이스는 배터리 셀(1) 및 흡착기 부분(3) 양방과 열적 접촉하는 열 전도 부분(4)을 가진다. 열 전도 부분(4)은 냉각 플레이트로 형성될 수 있다. 따라서 냉각 플레이트는 열이 부가 열 수송 회로와 교환되게 한다. 그것들은 배터리 셀(1)의 부가 온도 제어 유닛이 된다.
그때에 냉각 플레이트(4)는 부가 열 수송 회로(Z)의 유체, 특히 액체로 로드된다.
액체의 회로로 형성된 열 수송 회로(Z)는 배터리 열이 동작 중에 너무 높을 때에 연속 동작 동안 배터리를 냉각시킨다. 그 액체의 회로는 배터리의 다음 급속 충전이 준비될 수 있도록 과도한 응축수가 흡착될 필요가 있을 때 냉각 기능을 제공할 수도 있다. 설명된 바와 같이, 그 액체의 회로는 펌프에 의하여 순환될 수 있고 또는 페이즈 전환에 의해 열 전달을 일으키는 열 파이프로 실현될 수 있다.
배터리 팩으로서 형성되는 배터리 장치(Ba)의 실시예는 이점이 있으며, 여기서 배터리 팩은 전체적으로 유체 회로의 일부 및 흡착열 펌프와 연결된다.
배터리 팩은, 각 배터리 셀이, 한편으로는, 특히 냉각액으로 작용하는, 부가 열 수송 회로(Z)로부터의 유체로 덮인 표면과 접촉되고, 다른 한편으로는, 흡착제(Ads)의 물질로 덮인 표면과 열적 접촉되도록 구조화될 수 있다. 흡착제(Ads)로 덮이는 측은 급속 충전 중에 냉각 기능을 제공하여 배터리 셀이 차가운 외기 온도로 예열되는 것을 보장한다. 부가 열 수송 회로는 차량이 가동 중일 때 혹은 흡착제에서 과도한 응축수가 흡착되어야 하고 이 경우에 방출된 열이 발산될 필요가 있을 때에 연속 냉각 기능을 제공한다.
도 3은 여기서 보여지는 예에서의 배터리 장치(Ba)를 형성하는 그런 배터리 팩(7)의 예시적인 실시예를 보여준다. 배터리 팩은 다수의 배터리 셀(1)로 구성된다. 흐름 채널은 배터리 셀들 사이에서 연장된다. 흡착제로 채워진 흡착 흐름 채널(5) 또는 유체가 흐르는 열 흐름 채널(6)이 교호로 존재한다. 흡착 흐름 채널은 전체적으로 흡착열 펌프의 흡착기(Ad)가 된다. 따라서, 배터리 셀과 흡착 흐름 채널의 배터리 팩은 전체적으로 통합된 흡착기-배터리 유닛이며, 그것의 열 발산 및 열 수용은 관통해서 흐르는 열 흐름 채널에 의해 전체적으로 조절된다. 이 통합된 구성은 흡착기와 배터리 장치에서의 순(net) 열 밸런스가 전체적으로 특히 효과적인 방식으로 조절되고 모니터될 수 있게 한다.
도 4에 따른 배터리 구성은 각각의 개별 배터리 셀의 전체 표면이 부가 열 수송 회로(Z)로부터의 냉각 유체와 열적 접촉되도록 구조화될 수 있으며, 이 구성은 그 다음에 전체적으로 흡착제 물질과 접촉한다. 좋은 열 전도성의 고체 박층, 예로써, 알루미늄 호일은 냉각 유체의 영역을 흡착제 볼륨으로부터 분리시킨다.
마찬가지로 배터리 셀이 흡착제 물질과 접촉되어, 다음에 냉각 유체와 접촉되는 역 구성도 가능하다. 고체 박층, 예로써 알루미늄 호일은, 냉각 유체의 영역을 흡착제 볼륨으로부터 분리시킨다.
이러한 구성은 셀들의 형태에 적당하게 될 수 있다. 도 4에는, 원통 형태의 배터리 셀(1)이 내부 흐름 채널(8)로 둘러싸이도록 보여진다. 내부 흐름 채널(8)은 이어서 외부 흐름 채널(9)로 둘러싸인다. 이들 채널은 차례대로 좋은 열 전도성의 파티션(10)에 의해 서로 분리되지만 서로 열적 접촉된다. 이 경우에 두 흐름 채널 중 하나는 흡착제(Ads)로 채워져, 이 흐름 채널에서 주기적인 흡착 및 탈착이 수행되고, 다른 하나는 유체 회로의 유체가 관통해서 흐르고, 예를 들면, 정상 동작 중에 과도한 흡착열을 발산시켜 배터리 셀을 냉각시키는 역할을 한다.
또한 이 구성은 도 4의 아래쪽 예시에 도시된 바와 같이, 적어도 부분적으로 교호로 설계된 구성일 수 있다.
도 4a는 장치의 사시도를 보여준다. 배터리 셀(1) 및 흐름 채널(8 및 9)은 동심원의 원통형 구조를 만든다. 이 구조에서는, 배터리 셀과 흐름 채널(8 및 9) 간의 동적 열 평형(dynamic thermal equilibrium)이 전체 장치 내에서 실현될 수 있다. 궁극적으로, 배터리 셀(1)은, 흡착기 혹은 유체 회로의 일부로서 흐름 채널(8) 및 흐름 채널(9)이 자신의 속성으로 서로 열을 교환하여 순 열 흐름을 가지고, 이로부터 배터리 셀(1)로부터 공급되거나 배터리 셀로 발산되는 점에서 온도 제어된다.
도 5는 흡착열 펌프의 흡착기의 일부로서 주위의 흡착제(Ads) 및 그 앞쪽에 열 수송 플레이트(11)를 가지는 배터리 셀(1)의 구조의 두 변형을 보여준다. 열 수송 플레이트는, 예를 들면, 앞쪽에 냉각 플레이트를 구성하고 필요에 따라 배터리 셀 및 흡착제(Ads)의 전체 구성을 냉각시킨다. 또한 배터리 및 흡착기 팩은 배터리 셀의 측면은 흡착제 물질과 접촉되고, 그 상측 및 하측(또는 그 상측만 혹은 그 하측만)은 부가 열 수송 회로의 냉각액과 접촉되도록 구조화될 수 있다.
급속 충전 중 열 발산은 주로 흡착제 물질의 탈착에 의해 달성된다. 연속 동작 중 또는 과도한 응축수가 흡착될 때의 열 발산은 주로 냉각액으로의 열 전달의 의해 달성된다. 배터리의 예열은 응축수로 존재하는 작동 매체의 흡착에 의해 달성된다.
그 내부에, 열 수송 플레이트(11)는 부가 열 수송 회로의 유체가 흐르는 흐름 채널(12)을 가진다.
제2 유체 시스템 혹은 열 전도 구조체를 필요로 하는 일 없이 흡착열 펌프의 시스템에 의해 배터리 장치의 온도 제어의 유연성을 달성하기 위한 추가 옵션은, 흡착열 펌프로서의 동작을 이용하여, 저장 동작 중에, 탈착 및 흡착에 의한 열 전달을 위해, 그리고 연속 동작 중에 임의의 페이즈 전환 없이 냉각 매체를 순환시키는 것에 의한 열 전달을 위해 동일한 시스템을 결합하는 것이다.
본 목적을 위해, 배터리 충전 및 그것에 의해 야기된 흡착제의 탈착 후에, 액체 형태의 흡착매체는 흡착기로 과도하게 도입된다. 이에 따라 흡착기가 가득차서, 흡착제에 있어서 기체상(vapor phase)으로부터 흡착매체의 축적에 의해 방출되는 흡착열은 없지만 액체상(liquid phase)으로부터 크게 낮은 잠열은 있게 된다. 이 열은 액체의 흡착매체의 회로를 통하여 발산될 수 있다. 따라서 흡착매체는 독점적으로 열 수송 매체로서 역할을 한다.
이런 시스템은 유체가 흡착기 내에서 순환되게 할 수 있고 그리고 건식 흡착기를 재생하도록, 즉 그것이 작동 매체로 새롭게 로드되도록 할 수 있다. 이에 의하여, 연속 냉각 및 급속 충전 중 냉각이 모두 제공된다. 2차 냉각 회로에 의하여 부가 열 수송 회로에서 시스템 압력을 설정함으로써, 강제 대류에 의한 열 전달이 탈착/응축에 의한 열 전달로 전환하여 대체되는 포인트가 미리 선택될 수 있다. 이것은 높은 충전 전력인 경우에 일어날 수 있지만 높은 방전 전력인 경우, 즉 차량의 높은 가속도에서도 일어날 수 있다.
또는, 시스템이 강제 대류 모드 이에 따라 열 순환 모드에 있는지 또는 탈착/응축 모드 이에 따라 흡착열 펌프 모드에 있는지 여부는, 펌프에 의하여 액체의 흡착매체를 공급 및 방출하는 것에 의해 규정될 수 있다.
운전 동작 중 또는 콜드 스타트 동안 흡착에 의해 배터리가 가열되도록 요구되는 낮은 외기 온도의 경우에는, 연속 냉각과 흡착/탈착 동작 사이, 즉 열 수송 회로로서의 동작과 흡착열 펌프로서의 동작 사이의 전환이 적절한 때에 수행될 필요가 있다. 이 모드는 특정 외기 온도에서 차량 관리 시스템에 의해 활성화되어야 한다.
도 6, 6a - 6c는 예시적인 블록도에 의하여 각각의 동작 상태를 보여준다. 도 6에 따르면 흡착기 유닛(Ad)에 의해 각각 둘러싸인 다수의 배터리 셀(1)이 보여진다. 밸브 V1을 통해서, 작동 매체는 흡착기 유닛과 페이즈 컨버터(Ph)의 사이에서 순환될 수 있다. 또한, 작동 매체에 대한 비축 저장소(V) 및 펌프 P3가 제공되며 이 펌프는 제어 유닛(S)에 의해 스위치 온 될 수 있다. 펌프 P2를 통해서, 흡착기(Ad), 페이즈 컨버터, 및 펌프 P2 사이의 회로가 실현될 수 있다. 온도 센서(T) 및 충전 센서(L)가 흡착기 유닛 및 배터리 셀의 온도 및 유체 충전을 기록하고 이들 값을 제어 유닛(S)에 출력한다.
도 6a는 급속 충전 프로세스(에너지 입력 E) 중의 배터리 설비의 온도 제어 디바이스의 회로를 보여준다. 배터리 장치(Ba)는 개개의 배터리 셀(1)로 구성되고, 그 사이에 흡착기 유닛(Ad)이 흡착제로 마련된다. 밸브 V1을 통해서, 흡착기는 페이즈 컨버터(Ph)에 연결된다. 또한, 펌프 P2가 제공된다. 앞서 언급된 이들 부재는 페이즈 컨버터로부터 다시 흡착기(Ad)로 유도하는 분기에 위치된다. 펌프 P2를 통해 유도하는 분기는 그 구성이 열 수송 회로로서 기능할 때 활성화된다.
배터리의 급속 충전 프로세스 중에는, 밸브 V1은 개방될 것이다. 그러나, 펌프 P2는 사용되고 있지 않다. 작동 매체는 배터리 셀(1)의 열 방출에 의해 흡착기(Ad)로부터 탈착되어 페이즈 컨버터(Ph)로 들어가며, 여기서 그것은 상술한 바와 같이 응축되어 환경이나 외부 컴포넌트로 열 Q를 출력한다.
급속 충전 프로세스 완료 후, 작동 매체는 응축수로서 페이즈 컨버터(Ph)에 있다. 배터리 장치는 전기적으로 충전되어 작동 준비가 되어 있다. 그것은 연속적인 차량 작동 중에 이에 따라 방전 중에 열을 계속해서 발산하여, 최적의 동작 온도를 유지하기 위해 냉각될 필요가 있다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 페이즈 컨버터는 이제 작동 매체 저장소(V)로부터의 작동 매체로 과도하게 로드된다. 펌프 P2는 배터리 장치 내의 흡착기(Ad)로 과도하게 추가된 작동 매체를 밀어 넣는다. 이 기간에, 강제로 흡착기의 로딩이 발생하며, 여기서 흡착제로의 작동 매체의 약간의 흡착만이 수행된다. 흡착은 배터리 장치의 열 방출에 의해 방지되기 때문에 더 높은 범위로 발생하지 않는다. 그러나, 작동 매체는 흡착기를 통해 흐르고, 이 기간에, 배터리 장치에 의해 발생된 열을 픽업한다. 따라서 작동 매체는 배터리 장치의 냉각 회로로서 역할을 하는 - 밸브 V1이 개방되고 펌프 P2의 영향력 하에 있을 때의 - 순환 활동을 통해, 배터리 장치에 대한 냉각 매체로서 역할을 한다. 이 기간에, 작동 매체는 다시 페이즈 컨버터(Ph)로 들어가서, 거기에 쌓일 수 있으며, 필요시, 방출될 수 있다.
배터리 동작 완료 후에, 냉각 회로는 흡착기 내에 가능한 한 적은 액체의 작동 매체가 남도록 동작된다. 과도하게 추가된 작동 매체는 페이즈 컨버터로부터 다시 저장소로 방출된다. 따라서 냉각 회로는 다시 배터리 장치를 예열할 준비가 되어 있다.
도 6c에 저온에서의 배터리 장치의 예열이 도시된다. 흡착기(Ad)는 사실상 작동 매체가 없다. 페이즈 컨버터(Ph)는 비축된 액체의 작동 매체를 포함한다. 이제, 밸브 V1이 개방된다. 액체의 작동 매체는 증발되고, 흡착기(Ad)의 흡착제에 흡착된다. 이 경우에 방출된 흡착열은 배터리로 발산되어 배터리를 가열한다.
흡착제는 특히 제올라이트와 같이 고도의 모세관성의 물질로 구성된다. 작동 매체는 흡착제로 코팅된 부분으로 확산된다. 작동 매체의 탈착시, 이 부분은 배터리 냉각 중에 증발식 냉각기의 역할을 한다. 작동 매체의 흡착시, 이 부분은 배터리를 가열하기 위한 히터로서 역할을 한다.
도 7에 이 시스템의 추가적인 가능한 구조가 나타내진다.
이어지는 도 7 내지 도 13에서, 13은 냉각 매체 펌프, 14는 흡착기를 포함하는 배터리, 15는 냉각 매체 배관, 16은 냉각기, 17은 페이즈 컨버터, 18은 히터, 19는 응축수 밸브 및 라인, 20은 응축수 펌프, 21은 스팀 밸브 및 라인을 의미한다. 스팀 밸브(21)는 흡착매체 동작시 열 저장을 위해서만 필요하다.
도 8은 부가 열 수송 회로를 통한 연속 배터리 냉각 동작 모드를 나타낸다. 이 동작 모드는 다음과 같이 수행된다.
흡착열 펌프의 시스템 냉각수의 역할을 하는 작동 매체(예를 들면, 물)는 응축수 펌프(20)에 의하여 페이즈 컨버터(17)로부터 응축수 라인 및 응축수 밸브(19)를 통하여 흡착기(14)를 포함하는 배터리의 흡착기 볼륨으로 펌핑된다.
냉각 매체가 흡착기 볼륨에 들어갈 때, 그것은 모세관 작용에 기인하여 흡수제 물질을 통해 전파될 것이다. 이런 식으로, 흡수제 물질은 축축해 지고, 배터리 셀 내의 전기적 손실에 의해 발생된 열이 액체의 냉각수를 증발시킨다. 그러므로 흡착기 볼륨 내의 압력은 원하는 배터리 온도에서의 냉각수의 증발 압력과 가깝다.
그것이 스팀 형태에 있으면, 냉각 매체는 자연스럽게 페이즈 컨버터(17)로 돌아가고, 여기서 그것은 다시 액체 형태로 응축된다. 이 응축은 페이즈 컨버터의 컴포넌트의 능동 냉각(active cooling)에 기인하여 일어나고, 주위 온도 냉각기 회로(16)를 통해서 혹은 차량 열 펌프(또는 압축기 기반 에어 컨디셔닝 시스템)의 연결을 통해서 달성된다. 여기서, 이 프로세스는 응축수 펌프(20)에 의해 강제되는 것으로 흡착 및 탈착에 의해 구동되지 않는다는 점이 중요하다.
그 결과, 흡착제 물질은 이 동작 모드에서는 단지 열 분배기의 역할을 한다. 이 프로세스는 응축된 냉각 매체가 다시 흡착기로 펌핑되는 것과 함께, 배터리로부터의 배기열이 냉각 매체의 증발을 촉진하도록 존재하는 한 연속적으로 발생한다.
도 9는 배터리의 연속 가열의 동작 모드를 나타낸다. 이 시스템은 추운 날에 외부 열 공급에 기인하여 배터리를 가열하기 위해 이용될 수 있다. 이 모드에서는, 시스템은 다음과 같이 작동한다.
차량의 외부 열 펌프 또는 외부 히터(18)로부터의 열이 페이즈 컨버터(17)에 공급된다. 이 열은 페이즈 컨버터(17) 내에 존재하는 냉각 매체 응축수가 증발되게 할 수 있다. 증발된 냉각 매체는 자연스럽게 배터리와 흡착기(14)의 흡착기 볼륨으로 흐르고, 여기서 차가운 표면과 접촉하여 응축된다. 그 표면은 응축열을 받는 동안 가열된다. 이 열은 그 다음에 열 전도에 의해 배터리로 이동된다.
응축된 냉각수는 중력에 의해 흡착기 볼륨의 하부로 흐르고, 응축수 펌프(20)로 인해 응축수 라인을 통해서 페이즈 컨버터로 다시 펌핑된다. 여기서도, 이 프로세스는 강제 대류에 의하여 수행되고 응축수 펌프에 의하여 구동된다는 점이 강조되어야 한다.
이 사이클은 원하는 배터리 온도에 도달될 때까지 계속될 수 있다.
추가의 동작 모드는 열 저장에 중점을 둔다. 도 10에서는, 이 시스템의 스팀 라인에 스팀 밸브(21)가 나타내진다. 이 밸브는 열 에너지 저장이 시스템과 함께 이용되도록 하는 것일 때 존재한다. 열 저장 용량은 흡착기에 포함된 수착 물질의 양에 달려 있다.
열 저장 모드에서, 시스템은 이하에 설명되는 바와 같이 작동한다.
도 10에 냉각 프로세스와 함께 저장 시스템의 충전이 나타내진다. 응축수 라인은 응축수 밸브(19)에 의하여 닫힌다. 배터리의 전기적 배기열은 급속 충전 중에 그리고 배터리와 흡착기(14)로 구성된 배열에서 습한 흡착제를 탈착시키기 위한 다른 동작 모드 중에 이용된다. 이 탈착으로부터 방출된 냉각수 스팀은 페이즈 컨버터로 흐르고, 여기서 응축된다. 이 응축은 차량 열 펌프 또는 압축기 기반 에어 컨디셔닝 시스템 또는 주위 온도 냉각 회로와 같은 외부 회로들을 통하여 페이즈 컨버터의 능동 냉각에 의해 발생한다. 원하는 냉각수 양이 흡착제 물질로부터 탈착되었거나, 흡착제 물질이 마르면, 스팀 라인 밸브(21)는 페이즈 컨버터(17)로부터 흡착기를 완전하게 격리시키기 위해 닫힐 수 있다.
도 11에 배터리 장치의 가열 처리와 함께 저장 시스템의 방전이 나타내진다. 열 에너지가 흡착기로 발산되기 전에, 흡착기는 차갑고, 응축수 및 스팀 라인은 닫힌 상태, 즉 흡착기(14)와 페이즈 컨버터(17)가 서로 완전히 격리되어 있다. 스팀 라인이 개방될 때 열 에너지의 방출이 발생한다. 밸브(21)의 개방은 페이즈 컨버터 내의 압력을 감소시키며, 냉각수 응축수는 증발하기 시작해서 흡착기로 흐르고, 흡착제 물질에 의해 흡착된다. 냉각수의 흡착은 열 에너지를 방출하고 그것은 전도를 통해 배터리로 이동된다. 다른 한편으로, 발생하고 있는 증발은 페이즈 컨버터를 냉각시킨다. 이 프로세스가, 필요한 만큼 혹은 시스템이 완전히 방전되지 않는 한, 계속되기 위하여, 증발열이 페이즈 컨버터에 공급되어야 할 필요가 있다. 이 증발열은 페이즈 컨버터의 온도가 안정되게 유지되기 위하여 주위 온도에서 냉각기 회로를 통하여 공급될 수 있다.
위에서 설명된 열 관리 시스템의 이점은 그것이 매우 안전하다는 점이다. 냉각수, 예로써 물은, 안전하고 환경 친화적인 물질일 수 있다. 흡착기 볼륨 내에 존재하는 냉각수의 대부분은 스팀의 형태이다. 그 냉각수는, 물인 경우에, 공기보다 비전도성이고 더 절연 내력을 가진다. 적은 양의 액체의 냉각수만이 흡착기 하부에 축적될 수 있다. 도 12에 보여지는 바와 같이, 시스템 결함시에는, 액체 볼륨이 증가된 시스템 압력으로 인해 흡착기를 자동적으로 떠날 것이다. 그 결과, 시스템은 본질적으로 안전하고, 흡착제 물질은 차량 안전을 악화시키는 일 없이 배터리 셀에 근접하여 배치될 수 있다.
여기에 설명된 열 파이프 시스템은 매우 밀도가 높고 공간적으로 한정된 냉각 요건을 위한 소형 전자 컴포넌트가 냉각되는 응용으로 확장될 수 있다. 수착 물질층을 가지는 물질을 통한 열 전도는 실제로 10 kW/m2K 보다 높을 수 있으며, 그것은 냉각 매체 순환에 기초하여 냉각 시스템과 비교할 때 큰 향상을 나타낸다.
전자 컴포넌트는 표면 단위 당 큰 열량을 방출할 수 있다. 이러한 열 파이프 시스템은 이 열이 훨씬 더 큰 표면인, 페이즈 컨버터로 분산되게 할 수 있고, 그 외부 회로는 환경으로 열을 발산시키기 위해 전통적으로 이용될 수 있다. 이것은 도 13에 나타내진다. 도 13에서, 22는 냉각 매체 펌프, 23은 흡착기를 포함하는 냉각 칩, 24는 냉각 매체 배관, 25는 냉각기, 26은 페이즈 컨버터, 27은 응축수 밸브 및 라인, 28은 응축수 펌프, 29는 스팀 라인을 의미한다.
흡착에 기초한 열 파이프 시스템의 주된 이점은, 극도로 높은 열 전도, 일정한 열 발산 및 공급, 냉각 및 가열의 연속 동작, 그리고 낮은 전기 소모를 위한 열 저장 가능성이다.
A 흡착열 펌프
Ad 흡착기
Ads 흡착제
Ba 배터리 장치
E 전기 배터리 충전 또는 방전
F 유체 회로
HP 열 파이프
K 에어 컨디셔닝 시스템
P1 - P3 펌프
Ph 페이즈 컨버터
V1 밸브
Q 열
WU 열 교환기
Z 부가 열 수송 회로
1 배터리 셀
2 열 전도 디바이스
3 흡착제 부분
4 열 전도 부분
5 흡착 흐름 채널
6 열 흐름 채널
7 배터리 팩
8 내부 흐름 채널
9 외부 흐름 채널
10 파티션, 열 전도
11 열 수송 플레이트
12 흐름 채널
13 냉각 매체 펌프
14 흡착기를 포함하는 배터리
15 냉각 매체 배관
16 냉각기
17 페이즈 컨버터
18 히터
19 응축수 밸브 및 라인
20 응축수 펌프
21 스팀 밸브 및 라인
22 냉각 매체 펌프
23 흡착기를 포함하는 냉각 칩
24 냉각 매체 배관
25 냉각기
26 페이즈 컨버터
27 응축수 밸브 및 라인
28 응축수 펌프
29 스팀 라인

Claims (12)

  1. 주기적으로 동작되는 흡착열 펌프(A)에 의하여, 적어도 하나의 배터리 셀(1)로 이루어진 배터리 장치(Ba)의 온도를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 흡착열 펌프는 흡착기(Ad) 및 페이즈 컨버터(Ph)로 구성되고, 상기 흡착기 및 상기 페이즈 컨버터 사이에 순환되는 작동 매체(AM)를 이용하며,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀(1)은 상기 흡착기(Ad)의 흡착제(Ads)와 열적 접촉되고, 상기 배터리 셀(1)의 온도는 상기 배터리 장치가 흡착열을 픽업하고 탈착열을 발산하는 식으로 제어되며,
    상기 작동 매체의 응축 프로세스 중에 상기 페이즈 컨버터에서 발산되는 열은 환경으로 발산되고, 그리고 상기 작동 매체의 증발 프로세스 중에 픽업되는 열은 상기 페이즈 컨버터로부터 공급되며,
    상기 배터리 장치(Ba) 및 상기 흡착기(Ad)는, 필요시, 보조 유체 회로(Z)를 통하여, 상기 보조 유체 회로에서 순환되는 열 전달 유체와 열적 접촉되고,
    상기 열 전달 유체는 외부 열원 및/또는 열 싱크와 열적 접촉되고, 상기 배터리 장치는, 필요시, 상기 보조 유체 회로를 통하여 외부 열원으로부터 열 에너지를 공급받거나, 혹은 열 에너지는 상기 보조 유체 회로를 통하여 상기 배터리 장치로부터 회수되어 외부 열 싱크로 발산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 유체 회로는 상기 흡착열 펌프와 물질적으로 구분되고, 상기 열 전달 유체는 상기 배터리 장치(Ba) 및 상기 흡착기(Ad)로 이루어진 전체 구성을 따른 열 교환 표면을 통해서 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 유체 회로의 시동 중, 상기 흡착열 펌프(A)는 주기적 동작에서 강제 대류의 동작 모드로 일시적으로 바뀌며, 상기 작동 매체가 상기 흡착기로 과도하게 도입되어, 상기 흡착기가 가득 차고, 이어서, 액체의 작동 매체(AM)가 임의의 페이즈 변화 없이 강제 대류에 의해 상기 열 전달 유체로서 순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    주기적 동작과 강제 대류의 동작 간의 전환은 상기 흡착열 펌프(A) 내의 통제된 시스템 압력의 변화에 의해 수행되며, 상기 시스템 압력의 변화는 상기 배터리 장치(Ba), 특히 상기 배터리 장치(Ba)의 전력 충전 및/또는 방전의 순간 동작 파라미터 및/또는 동작 상태에 따라, 및/또는 현재 환경 조건에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    주기적 동작과 강제 대류의 동작 간의 전환은 펌프 유닛(P3)에 의하여 상기 작동 매체를 공급하고 방출함으로써 수행되며, 상기 펌프 유닛의 제어는 상기 배터리 장치(Ba)의 순간 동작 파라미터 및/또는 현재 환경 조건에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 보조 유체 회로(Z)는 열 파이프(W)로 형성되고, 상기 열 전달 유체는 페이즈 전환을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 복수의 배터리 셀(1) 및 배터리 셀 온도 제어 유닛으로 구성된 온도 제어된 배터리 장치(Ba)로서, 상기 배터리 셀 온도 제어 유닛은 상기 배터리 장치에 통합되고 각각의 개별 배터리 셀을 둘러싸며, 상기 배터리 셀 온도 제어 유닛은 외부 온도 제어 디바이스에 연결될 수 있는 온도 제어된 배터리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배터리 셀 온도 제어 유닛은 상기 배터리 셀의 적어도 하나의 제1 표면 부분을 커버하고 흡착열 펌프와 연결되는 상기 배터리 셀과 열적 접촉되는 흡착제 부분(3), 및 보조 유체 회로에서 순환하는 열 전달 유체와 열적 접촉되는 제2 열 전도 부분(4)을 가지는 것을 특징으로 하는 온도 제어된 배터리 장치.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 배터리 셀 온도 제어 유닛은 상기 배터리 셀(1) 간에 연장되는 일련의 흐름 채널로 구성되며, 상기 흐름 채널은 흡착제로 채워지고 흡착 물질이 로딩되는 흡착 흐름 채널(5) 및 열 전달 유체가 흐를 수 있는 열 흐름 채널(6)로 교호로 형성되는 것을 특징으로 하는 온도 제어된 배터리 장치.
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 배터리 셀 온도 제어 유닛은 열적 접촉으로 상기 배터리 셀(1)을 둘러싸는 제1 내부 흐름 채널(8) 및 열적 접촉으로 상기 내부 흐름 채널을 둘러싸는 제2 외부 흐름 채널(9)의 구성으로 형성되는 것을 특징으로 하는 온도 제어된 배터리 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 내부 흐름 채널(8) 또는 외부 흐름 채널(9)은 흡착제로 채워지고, 상기 흡착제는 흡착 물질이 로딩될 수 있으며, 상기 흡착제로 채워진 흐름 채널은 흡착열 펌프에 연결되며, 각각의 서로 다른 흐름 채널은 외부 열 수송 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 온도 제어된 배터리 장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 배터리 셀 온도 제어 유닛은 유체가 흐르고 상기 배터리 셀(1)의 제1 표면 부분과 열적 접촉하는 열 전달 플레이트(11) 및 흡착제(Ads)가 로딩된 수착 채널의 형태로 형성되며, 상기 열 전달 플레이트는 외부 열 수송 회로에 연결되고, 상기 수착 채널은 흡착열 펌프의 일부분인 것을 특징으로 하는 온도 제어된 배터리 장치.
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