KR20200107973A - 에너지 저장 시스템 - Google Patents
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Abstract
에너지 저장 시스템(energy storage system)(1)은 적어도 하나의 에너지 저장 모듈(module)(10)을 포함한다. 각각의 모듈(10)은 복수의 에너지 저장 디바이스들(devices)(23)을 포함한다. 각각의 에너지 저장 디바이스는 에너지 저장 디바이스의 전극들에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 전기 전도성 셀 탭(20, 21)을 포함하고, 셀 탭(cell tab)의 하나의 단부가 에너지 저장 디바이스로부터 돌출된다. 에너지 저장 모듈(10)은 각각의 에너지 저장 디바이스를 위한 냉각기(22)를 더 포함하고, 냉각기는 에너지 저장 디바이스의 하나의 표면과 접촉하는 하나 이상의 밀폐 냉각 채널들(enclosed cooling channels)(25)을 포함한다. 냉각기는 전기 비-전도성 재료를 포함한다. 냉각기는 셀 탭(20, 21)의 돌출되는 단부에 열적으로 결합된 냉각 채널들의 섹션(section)을 더 포함한다.
Description
본 발명은 에너지 저장 시스템(energy storage system)에 관한 것으로서, 특히 전기 화학 셀(electrochemical cell) 또는 배터리(battery)를 포함하여 최종 사용자에게 전기 에너지를 제공하는 에너지 저장 모듈들(energy storage modules)에 관한 것이다.
저장된 전기 에너지 모듈들 또는 다양한 유형들의 전력 유닛들(power units)이 많은 적용 분야들에서, 특히 민감한 환경들에서의 배출들과 관련된 환경 관심들 또는 공중 보건 관심들이 존재하는 용도에 대해 점점 일반화되고 있다. 저장된 전기 에너지 전력 유닛들은 전형적으로 장비를 작동시키기 위해 전기 에너지를 제공하고, 사용 시점에서 배출들을 회피하도록 사용되지만, 해당 저장된 에너지는 많은 상이한 방식들로 생성될 수 있다. 저장된 전기 에너지는 또한 그리드(grid)로부터, 또는 디젤 발전기들(diesel generators), 가스 터빈들(gas turbines), 또는 재생 가능한 에너지원들을 포함하는 다양한 유형들의 발전 시스템으로부터 다른 방식으로 공급되는 시스템들에서 피크 쉐이빙(peak shaving)을 제공하도록 사용될 수 있다. 항공기, 차량들, 선박들, 연안 리그들(offshore rigs), 또는 원격 위치들에 있는 리그들 및 다른 전력 공급 장비는 대규모 저장된 전기 에너지의 사용자들의 예들이다. 차량 운전자들은 타운들(towns) 및 도시들에서의 유해한 배출들을 감소시키기 위해, 도시 중심들에서 저장된 에너지 전력 유닛을 사용하고, 간선 도로들에서 내연 기관으로부터 충전할 수 있거나, 또는 이들은 전기 공급 장치로부터 충전할 수 있다. 거주 영역들과 비교적 가까운 곳이나 또는 민감한 환경들에서 그들의 항해의 대부분을 수행하는 페리들(ferries)은 하이브리드(hybrid) 또는 완전 전기 구동 시스템들로 설계되고 있다. 페리들은 해안(shore) 근처에 있을 때 선박에 전력을 공급하기 위해 저장된 에너지로 작동할 수 있고, 연안의 디젤 발전기들을 사용하여 배터리들을 재충전할 수 있다. 일부 국가들에서는, 저장된 에너지 유닛을 충전하도록 사용하기 위해 재생 가능한 에너지원들로부터 전기를 이용할 수 있다는 것은, 저장된 에너지 유닛들이 커버되는(covered) 거리들에 대해 충분히 신뢰할 수 있는 경우, 완전 전기 선박이 사용될 수 있고, 디젤 또는 다른 재생 불가능한 에너지원은 전혀 사용되지 않는다는 것을 의미한다. 하이브리드이든 또는 완전 전기이든, 저장된 에너지 유닛들은 도킹될(docked) 때 해안 공급 장치로부터 충전될 수 있다. 주 전원으로서 장기간 사용하기에 충분히 신뢰할 수 있는 저장된 에너지 유닛들을 달성하기 위한 기술의 개발은 특정 기술 이슈들(issues)을 해결해야 한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 에너지 저장 시스템은 적어도 하나의 에너지 저장 모듈을 포함하고, 각각의 모듈은 복수의 에너지 저장 디바이스들(energy storage devices)을 포함하고; 각각의 에너지 저장 디바이스는 에너지 저장 디바이스의 전극들에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 전기 전도성 셀 탭(cell tab)을 포함하고, 셀 탭의 하나의 단부는 에너지 저장 디바이스로부터 돌출되며; 에너지 저장 모듈은 각각의 에너지 저장 디바이스를 위한 냉각기를 더 포함하고, 냉각기는 에너지 저장 디바이스의 하나의 표면과 접촉하는 하나 이상의 밀폐 냉각 채널들(enclosed cooling channels)을 포함하고; 냉각기의 냉각 채널들은 전기 비-전도성 재료를 포함하고; 그리고 냉각기는 셀 탭의 돌출되는 단부에 열적으로 결합된 냉각 채널들의 섹션(section)을 더 포함한다.
냉각기에 대해 전기 비-전도성 재료를 사용하면 냉각기 벽들과 셀 탭 사이의 단락 또는 누설 전류 이슈들을 회피할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 저장 디바이스에 대해 필요한 형상으로 제조하기에 더 용이하다.
바람직하게는, 냉각기는 서펀타인 형상의(serpentine) 유동 경로 또는 복수의 평행한 유동 경로들을 형성하는, 유체 입구와 유체 출구 사이의 하나 이상의 냉각 유체 채널들을 포함한다.
바람직하게는, 냉각기는 0.2 W/mK 내지 50 W/mK의 열 전도성을 갖는 재료를 포함하지만, 전형적으로 재료는 3 W/mK 내지 5 W/mK의 열 전도성을 갖도록 선택된다.
바람직하게는, 재료는 폴리아미드(polyamide) 또는 열가소성 수지 중 하나를 포함한다.
재료는 금속 채널들을 형성하는 것보다 필요한 냉각기 형상을 보다 용이하게 제공하기 위해 채널들로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 채널 벽들은 셀 탭을 연결하기 위해 냉각기의 단부에서 상승된 섹션을 추가로 형성한다.
이를 통해, 셀 탭이 냉각제 흐름 채널들의 벽에 용이하게 피팅되게(fitted) 할 수 있다.
바람직하게는, 에너지 저장 디바이스는 2 개의 셀 탭들을 포함한다.
이를 통해, 두 개의 셀 탭들 모두가 배터리 셀 본체의 하나의 측면 상에서 냉각기에 결합되든, 또는 하나의 셀 탭이 하나의 측면 상에서 냉각기에 결합되고 하나의 셀 탭이 다른 측면 상에서 냉각기에 결합되든, 셀 탭이 배터리 셀 본체의 양 측면 어느 곳에서도 냉각기에 열적으로 결합되게 할 수 있으므로, 각 에너지 저장 디바이스 내에서 냉각 효과를 증가시킨다.
바람직하게는, 셀 탭들은 알루미늄(aluminium) 또는 니켈 도금 구리(nickel plated copper) 중 하나를 포함한다.
바람직하게는, 냉각 유체는 물을 포함한다.
바람직하게는, 냉각 유체는 부식 방지 첨가제, 부동액 첨가제; 및 바이오 성장(biogrowth) 억제 첨가제 중 적어도 하나를 더 포함한다.
이하에서는, 이제 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 시스템의 예가 설명될 것이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈 내의 에너지 저장 디바이스들의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템에서 냉각 에너지 저장 디바이스들의 제1 예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템에서 냉각 에너지 저장 디바이스들의 제2 예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템을 위한 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈 내의 에너지 저장 디바이스들의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템에서 냉각 에너지 저장 디바이스들의 제1 예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템에서 냉각 에너지 저장 디바이스들의 제2 예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템을 위한 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
선박들 상에 탑재된(onboard) 시스템들 및 연안 플랫폼들(offshore platforms)과 같은 해양 적용 분야들에 대해 DC 전기 에너지를 공급하기 위한 에너지 저장 시스템들은 높은 전압 및 전류 요구 사항들을 갖는다. 이들은 50 V DC 내지 200 V DC, 전형적으로 약 100 V DC의 전압에서 작동하는 복수의 에너지 저장 모듈들을 조합함으로써 달성되는 1 KV DC 이상의 전압 레벨(level)들을 제공할 필요가 있을 수 있다. 도시된 예들에서, 에너지 저장 모듈 냉각 시스템들은 병렬로 유체 연결되고, 에너지 저장 모듈들은 전기적으로 직렬로 함께 연결된다. 대안적으로, 냉각 시스템들은 직렬로 함께 연결될 수 있다. 각 모듈은 필요한 총 모듈 전압을 제공하기 위해 직렬로 함께 연결된 배터리 셀들과 같은 복수의 에너지 저장 디바이스들을 포함할 수 있다. 전형적으로, 필요한 총 모듈 전압은, 각각 3 V 내지 12 V로 정격된 에너지 저장 디바이스들을 사용하여, 대략 100 V 내지 150 V DC이다. 예를 들어, 각각의 배터리 셀은 대략 3 V의 전압만을 가질 수 있지만, 전기적으로 직렬로 함께 연결된 28 개의 셀들을 갖는 모듈에서, 이것은 100 V에 가까운 전압을 발생시킨다. 복수의 모듈들이 함께 결합될 수 있어, 선박 상의 전력 시스템들에 충분한 DC 전압, 예를 들어 1 KV 이상의 전압을 제공할 수 있다.
초기 대규모 배터리들은 납산(lead acid)이었지만, 보다 최근에는, 대규모 적용 분야들에 대한 전기 에너지 저장을 위해 리튬 이온 배터리들(lithium ion batteries)이 개발되었다. Li 이온 배터리들은 전형적으로 가압되고, 전해질은 가연성이므로, 이들은 사용 및 저장 시 주의를 필요로 한다. Li 이온 배터리들에서 발생할 수 있는 문제는 제조 동안에 생성된, 배터리 셀의 내부 단락으로 인해 발생할 수 있는 열 폭주(thermal runaway)이다. 기계적 손상, 과충전 또는 제어되지 않은 전류와 같은 다른 원인들도 또한 열 폭주를 일으킬 수 있지만, 배터리 시스템 설계는 전형적으로 이들을 회피하도록 적응된다. 셀들의 제조 이슈들은 완전히 배제될 수는 없으므로, 따라서 열 폭주가 발생할 경우 영향을 최소화하기 위한 예방 조치들이 필요하다. 대규모 리튬 이온 배터리 시스템에서, 열 폭주 동안 방출되는 에너지의 양은 수용하기에 어려운 과제이다. 열 이벤트는 단일 셀의 온도들을 20 ℃ 내지 26 ℃ 범위의 표준 작동 온도로부터 700 ℃ 내지 1000 ℃만큼 높은 온도까지 증가시킬 수 있다. 안전한 작동 온도들은 60 ℃ 미만이므로, 따라서 이는 심각한 문제이다.
해양 및 연안 산업들에는 선박 또는 리그에 대한 위험과 관련하여 엄격한 규정들이 있으며, 하나의 요구 사항은 하나의 셀로부터 다른 셀로 초과 온도가 전달되지 않아야 한다는 것이다. 과열이 발생하면, 이는 단일 셀에 수용되어 확산되지 않아야 한다. 또한, 해양 및 연안 적용 분야들의 경우, 임의의 장비의 무게 및 부피가 엄격히 제한되어, 컴팩트한(compact) 경량의 시스템이 선호되게 된다. 필요한 단열을 달성하고 과도한 가열이 발생하는 셀을 빠르고 효율적으로 냉각시키는 컴팩트한 경량의 시스템을 제작하는 것은 어려운 과제이다.
Li 이온 배터리 시스템에서, 배터리 셀들의 온도가 규정된 작동 온도를 초과하지 않아야 하고 전체 시스템의 셀 온도가 균일해야 한다는 것이 매우 중요하다. 규정된 작동 온도 윈도우(window)를 벗어난 작동이 지속되면 배터리 셀들의 수명에 심각한 영향을 미치고, 열 폭주가 발생할 위험이 증가할 수 있다.
해양 적용 분야들의 경우, 설치 비용, 및 선박 또는 연안 플랫폼 상에 있을 때 모듈들이 차지하는 무게 및 공간으로 인해, 배터리들과 같은 에너지 저장 모듈들을 그들의 최대 충전 또는 방전 속도로 사용하는데 특히 중점을 둔다. 또한, 유지 보수 및 수리, 또는 교체는 저장된 에너지 시스템들의 육상 기반 사용들에 비해 복잡하고 비싸므로, 저장된 에너지 모듈들의 수명을 연장시키는 것이 특히 중요하다. Li 이온 배터리들의 예에 대해, 이들은 고온에 민감하므로, 설계 수명이 충족되도록 보장하기 위해 Li 이온 배터리 시스템의 모든 셀들에 대해 작동 및 주변 온도가 제어되도록 보장하는 것이 중요하다. 단일 셀에 대한 로컬 변형들(Local variations) 또는 핫스팟들(hot spots)도 또한, 달성 가능한 총 수명을 손상시킬 수 있다.
대규모, 해양, 또는 연안의 저장된 에너지 시스템들에 대한 일반적인 접근 방식은 배터리 시스템의 셀들 사이에 공기가 흐르는 공기 냉각을 사용하는 것이다. 다른 옵션(option)은 알루미늄 냉각 핀들(aluminium cooling fins)과 조합하여 물 냉각을 사용하는 것이다. 물 냉각은 열 교환기들 및 냉각기 블록들(cooler blocks) 위로 흐름으로써 이루어지고, 알루미늄 냉각 핀들은 배터리 시스템의 각 셀 사이에 제공된다. 그러나, 이러한 시스템은 열을 제거하는데 특히 효율적이지 않으며, 에너지 저장 시스템에 상당한 무게를 추가한다. 알루미늄은 그의 가벼움보다는 그의 열 전도성 및 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 선택된다. 배터리들로부터의 열은 알루미늄 냉각 핀들로 전달되어야 하며, 그들 핀들은 그 후 열 교환기에서 그의 열을 잃고 재순환되는 액체에 의해 냉각된다.
위에서 언급된 바와 같이, Li 이온 배터리 셀들은 산업 적용 분야들에서 긴 수명을 달성한다는 점에서 온도에 매우 의존적이다. 시장 적용들의 90 % 초과에서, 수명이 배터리 시스템의 크기를 결정하는데 중요한 인자이다. 배터리 수명이 연장될 수 있다면, 투자 비용 및 설치 공간이 감소될 수 있다. Li 이온 배터리 제조업체들은 배터리 셀들의 셀 크기 및 특정 에너지 밀도를 계속 증가시키고, 따라서 셀들은 점점 더 커지고 두꺼워지고 있다. 크기 및 두께 모두는 이들 배터리 셀들을 전체 부피에 걸쳐, 그러나 특히 두께에 걸쳐 균일하게 냉각시키기 더 어렵게 만든다. 셀 내부에 형성된 로컬 핫스팟들은 셀의 용량을 저하시켜, 이에 따라 그의 수명을 단축시킨다. 전형적으로, 기계적 설계는 셀의 자연적인 팽창을 설명해야 하기 때문에, 셀들은 일 측면에서만 냉각된다. 이로 인해 셀은 수명이 끝날 때 5 ℃ 내지 10 ℃만큼일 수 있는, 셀 본체에 걸친 다소 급격한 델타 온도(delta temperature)를 겪게 된다. 이것은 차례로 노화를 가속화한다.
일부 공급 업체들은 고가의 재료들 및 복잡한 기계적 솔루션(solution)들을 사용하여 냉각된 배터리 셀의 "반대 측면" 상에서 약간의 냉각을 달성한다. 다른 공급 업체들은 적절한 열 특성들을 갖는 가요성 재료를 적용하지만, 이러한 재료들은 귀하고 비싸다. 일부 산업 시스템들은 개방 공기 냉각을 할 수 있고, 이에 따라 셀 벽 상의 외부 압력을 스키핑(skipping)하지 못할 수 있다. 이 설계는, 공기가 셀과 직접 접촉하여 흐르기 때문에, 기계적 압력을 허용하지 않는다. 일부 공기 냉각식 시스템들은 핀들로 냉각되고, 이는 약간의 압력이 유지될 수 있게 한다. 셀 벽 상에 압력이 없으면 셀 수명에 부정적인 영향을 줄 수 있지만, 설계 비용들의 상당한 감소들을 가능하게 한다. 공기 냉각식 시스템이 탭들을 냉각시키도록 적응될 수 있지만, 공기가 셀 본체 및 탭으로 직접 전달되는 경우, 이것은 해양 적용 분야들에는 적용될 수 없는데, 왜냐하면 안전 요구 사항들로 인해 외부 소화에 의존하는 완전 개방형 시스템들이 열 폭주를 진화할 수 없기 때문이다.
본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 시스템(1)은 버스들(buses)(2)에 의해 직렬로 함께 전기적으로 연결되고 중앙 제어기(3)에 의해 제어되는 복수의 에너지 저장 모듈들(10)을 포함한다. 각각의 에너지 저장 모듈들은 냉각 시스템(5)으로부터 입구 파이프들(inlet pipes)(6) 및 출구 파이프들(7)을 통해 순환하는 냉각 유체에 의해 냉각된다. 냉각 유체는 전형적으로 비싸지 않고 합성 냉각제들보다 공급 및 폐기하기에 더 용이한 물이다. 예를 들어 동결, 바이오 성장 또는 부식을 억제하기 위해 첨가제들이 제공될 수 있다. 전형적으로, 첨가제의 비율은 선택된 첨가제, 예를 들어 20 % 서리 억제제에 의해 결정된다.
도 2는 셀 냉각기의 상단 상에 용접된 탭 연결들이 있는 직접 냉각된 배터리 냉각기 설정의 일 예를 보여준다. 각각의 에너지 저장 모듈(10)은 직렬로 함께 전기적으로 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들, 예를 들어 배터리 셀들을 포함한다. 각각의 배터리 셀 본체(23)의 일 측면 상에는, 배터리 셀 본체를 냉각시키기 위해 입구 파이프들(6) 및 출구 파이프들(7)을 통해 냉각 시스템(5)으로부터 냉각 유체를 수용하는 배터리 셀 냉각기(22)가 제공된다. 배터리 본체들 및 셀 냉각기들은 모듈을 통해 교번하여, 대부분의 배터리 본체들(23)은 양 측면들 상에 냉각기를 갖는다. 셀들 사이에 추가적인 단열이 필요하지 않기 때문에, 셀의 양 측면들 상에 냉각이 제공되는데, 이는 종래의 배터리 시스템들에서 일반적인 것이다. 전형적으로, 셀의 일 측면에는 셀의 자연적인 팽창을 허용하는 가요성 재료가 제공되므로, 가요성 재료를 갖는 측면 상에서의 냉각은 덜 효과적이다. 가요성 재료로 인해, 셀이 팽창할 때 시간이 지남에 따라 올바른 압력이 유지되는 것이 보장된다. 각각의 배터리 셀 본체(23)는 적어도 하나의 배터리 탭을 갖지만, 본체(23)는 2 개의 배터리 탭들(20, 21)을 가질 수 있으며, 이들의 각각은 배터리 셀 본체의 하나의 측면 또는 다른 측면 상의 셀 냉각기(22)에 열적으로 결합되어, 각 배터리 내의 냉각 효과를 증가시킨다. 셀 냉각기는 냉각 유체가 관통하여 흐르도록 튜빙(tubing)을 포함하고, 이는 전기 비-전도성 재료, 전형적으로 합성 재료, 예를 들어 중합체 플라스틱(polymer plastics), 예를 들어 폴리에틸렌(polythene), 폴리아미드(polyamide), 예를 들어 PA66 플라스틱(PA66 plastics), 또는 TCE2, TCE5와 같은 열가소성 수지, 또는 요구되는 형상으로 성형되거나 또는 압출될 수 있고 에너지 저장 모듈들의 정상적인 작동 온도들을 견딜 수 있는 다른 적합한 재료들이다. 이렇게 형성된 형상은 모듈들을 취급할 때 작업자에게 해를 입힐 가능성을 감소시키기 위해 날카로운 모서리들을 회피하도록 선택될 수 있다. 모듈을 형성하는 냉각기들의 전기 절연 특성은 또한 작업자를 보호하는데 도움이 된다. 셀은 열 저항이 거의 없이 셀 표면의 상당 부분 상에 냉각 유체를 흐르게 함으로써 직접 냉각된다. 냉각 유체 튜빙이 제조되는 재료의 낮은 전도성은 전지에서 열 폭주가 발생할 경우 모듈 내부로 열이 확산되는 것을 방지하는데 도움이 된다.
리튬 이온 파우치 셀들(lithium ion pouch cells)의 경우, 배터리 탭들(20, 21)은 전형적으로 배터리 셀(23) 내부에 분포된 전극들 및 집전체들(도시되지 않음)에 양호한 열 접촉을 제공하는 직접적인 금속 연결을 갖는 실질적인 표면적을 갖는 금속 탭들이다. 예를 들어, 두께가 16 mm인 배터리 셀에서, 전형적으로 셀 내부에 균등하게 분포된 40 내지 100 개의 단일 전극들이 존재한다. 에너지 저장 디바이스의 냉각기(22)를 사용하여 배터리 셀 탭(20, 21)을 냉각시킴으로써, 이 경우 배터리의 핫스팟들이 효과적으로 냉각될 수 있다. 셀 내부에 분포된 층들에 대한 양호한 열 연결은 셀의 가장 뜨거운 영역들을 직접 냉각시키는 것을 가능하게 한다. 배터리 핫스팟들을 효과적으로 냉각시키는 것뿐만 아니라, 배터리 셀 탭들(20, 21)을 냉각시키는 또 다른 이점은 온도가 하강됨으로 인해, 집전체들 및 셀 탭들의 전기 저항이 감소한다는 점이다. 전형적으로, 에너지 저장 디바이스들은 정상 작동 시 약 25 ℃로 냉각되어 유지된다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템에서, 적어도 하나의 에너지 저장 모듈(10)이 존재하지만, 보다 일반적으로, 에너지 저장 큐비클(cubicle)에서 최대 100 V DC를 제공하기 위해 직렬로 함께 전기적으로 결합된 몇 개의, 예를 들어, 최대 10 개의 에너지 저장 모듈들이 존재할 수도 있다. 1 KV 이상의 DC 공급 전압을 제공하기 위해 복수의 큐비클들이 함께 작동될 수 있다. 각각의 모듈(10)은 전형적으로 3 V 내지 12 V에서 작동할 수 있는 복수의 에너지 저장 디바이스들(23)을 포함한다. 각각의 에너지 저장 디바이스는 에너지 저장 디바이스의 전극들에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 전기 전도성 셀 탭(20, 21)을 포함한다. 셀 탭(20, 21)의 하나의 단부는 에너지 저장 디바이스(23)로부터 돌출되어 디바이스들이 함께 전기적으로 연결될 수 있게 한다. 에너지 저장 모듈(10)은 각각의 에너지 저장 디바이스를 위한 냉각기(22)를 더 포함하고, 냉각기는 그의 벽들이 에너지 저장 디바이스의 하나의 표면과 열 접촉하는 복수의 밀폐 냉각 튜브들(enclosed cooling tubes) 또는 채널들을 포함한다. 냉각기는 셀 탭의 돌출되는 단부에 열적으로 결합된 냉각 채널들의 섹션을 더 포함한다.
도 3은 용접 연결부들을 갖는 전형적인 직접 냉각식 리튬 배터리 시스템의 일 예를 보여준다. 셀 탭들은 서로 용접되거나, 압착되거나, 또는 리벳팅되거나(riveted), 또는 임의의 적합한 방식으로 달리 연결될 수 있다. 냉각 유체는 냉각 채널들(25)로 들어가고, 입구(6)로부터 출구(7)로 흐르며, 용접된 셀 탭 연결부(20, 21)로부터 열을 취할 뿐만 아니라, 배터리 셀 본체(23)(명확성을 위해 생략되어 있음)의 표면으로부터도 열을 취한다. 모든 셀들 사이에서 셀 냉각기들로 액체 냉각을 적용함으로써, 셀 본체의 열 전도성 벽을 통해 냉각 유체 채널들 내의 냉각 유체로 열 전달이 이루어지므로, 셀 본체는 효과적으로 냉각될 수 있다. 셀 냉각기들이 냉각 핀들 및 열 교환기들과 같은 종래에 행해진 것과 같이 전기 전도성 재료로 제조된 경우, 셀 벽이 금속으로 제조될 때 필요한 전기 절연 재료는 탭들에 적용되는 열 전달 및 냉각의 효과를 제한한다. 본 발명에서, 냉각기 유체 채널들 자체는 전기적으로 절연되어 있어서, 추가의 재료가 필요하지 않으므로, 가볍고 용이하게 형성 가능한 재료의 사용에 수반되는 것들 이외에 중량 및 비용의 추가 절약을 제공할 수 있다.
본 발명은 냉각기(22)의 본체에 대해 전기 전도성이 아닌 재료를 사용함으로써 이러한 문제를 해결한다. 도 4는 탭을 냉각시키기 위해 또한 전기적으로 비-전도성인 열 전도성 열가소성 수지를 사용하는 것을 도시한다. 셀 탭들(20, 21)이 전기 절연체(24)를 통해 장착되는 도 3의 편평한 상부 벽(26) 대신에, 도 4의 예는 냉각 유체의 흐름이 용접된 셀 탭 연결부(20, 21)와 더 양호하게 접촉할 수 있게 하도록 형성되는 열 전도성 냉각기 재료(27)를 사용한다. 전기 절연 재료, 예를 들어 폴리아미드들과 같은 중합체들 또는 첨가제들이 없는 열가소성 수지로 냉각기를 제조함으로써, 냉각 채널들은 셀 탭을 냉각시키기 위해, 이들이 배터리 셀 본체의 측면뿐만 아니라 탭 재료와도 접촉할 수 있도록 단순히 형태가 적응될 수 있다. 냉각 유체 채널들 또는 튜빙은 5 mm 내지 20 mm 범위의 전형적인 전체 두께를 가지며, 중합체 플라스틱 재료에 대해 벽 두께가 1 mm 내지 5 mm 범위, 바람직하게는 3 mm 이하이다. 채널들은 정사각형, 원형 또는 다른 적절한 단면을 가질 수 있다.
재료의 열 전도성이 크게 고려되지 않을 정도로 충분히 얇은 벽을 갖는 튜브들로부터 냉각 채널들을 구성함으로써 셀로부터 냉각 유체로의 효과적인 직접 열 전달이 가능하게 된다. 냉각기(22)에 사용되는 전기적으로 비-전도성이지만 그러나 열적으로는 전도성인 열가소성 수지라 함은 배터리 셀 본체를 냉각시키는 동일한 냉각 루프(cooling loop)에 의해 탭이 효과적으로 냉각될 수 있다는 것을 의미한다. 전기 비-전도성 냉각기 재료와 조합된 탭 냉각은, 재료가 0.2 W/mK 초과의 열 전도성만을 가지면 되기 때문에, 광범위한 재료의 선택을 가능하게 할 수 있다. 적합한 재료들은 3 W/mK 내지 5 W/mK 범위의 열 전도성을 가질 수 있지만, 0.2 W/mK 내지 50 W/mK의 열 전도성을 갖는 재료들은 광범위한 선택을 제공한다. 이것은 사용된 재료의 기계적 품질들 및 가격의 최적화를 허용할 수 있으므로, 대량 시스템들에서 절약들이 달성될 수 있다. 대조적으로, 100 W/mK 초과의 열 전도성을 갖는 금속들 또는 다른 극단적으로 양호한 열 전도체들을 필요로 하는 냉각 방법들은 재료의 선택이 상대적으로 제한되게 된다. 더욱이, 배터리 셀들이 보다 효과적으로 냉각된다면, 개선된 수명으로 인해 비용 절약들이 존재하게 된다. 전기 비-전도성 재료를 사용하는 또 다른 이점은 전자기 노이즈(noise)가 전달될 수 있는 부피가 없으므로, 따라서 에너지 저장 시스템에 대한 전자기 호환성(electromagnetic compatibility)(EMC) 요구 사항들을 준수하는 것이 금속 냉각 플레이트들(metal cooling plates) 또는 채널들에 의한 것보다 달성하기에 더 용이하다는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 전형적인 조립을 나타내는 흐름도이다. 에너지 저장 모듈을 구성하는 복수의 에너지 저장 디바이스들(23) 각각에는 냉각기들(22)이 제공된다(40). 이와 같이 형성된 디바이스-냉각기 쌍들은 정렬되어, 각 디바이스의 하나의 측면이 그의 냉각기의 하나의 측면과 열 접촉한다. 냉각기들은 냉각 시스템(5)으로부터의 유체 공급원과 병렬로 유체 연통하고, 에너지 저장 디바이스들(23)은 전기적으로 직렬로 함께 연결된다. 하나의 모듈(10) 내의 디바이스-냉각기 쌍들의 열의 단부들 이외에서, 에너지 저장 디바이스의 다른 측면은 다음 쌍의 냉각기의 다른 표면에 일렬로 인접해 있다. 압력 벽이 필요한 경우, 일렬로 된 다음 냉각기(22)로부터의 에너지 저장 디바이스의 표면에 대한 냉각 효과는 그의 자체의 냉각기로부터의 영향에 비해 감소된다. 그러나, 각 에너지 저장 디바이스의 셀 탭들은 인접한 두 개의 냉각기들(22)과 열적으로 접촉하도록 배열된다(43).
셀의 상단 상에 배치될 수 있는 센서들 주위로 설계하는 것은 기계적으로 어려울 것이므로, 탭들 상에 지향된 모듈 내부에 추가적인 냉각 루프를 제공하는 설계가 바람직하다. 배터리 셀 탭 용접 지점 아래에 비-전도성 재료에 냉각 파이프들의 그리드(grid of cooling pipes)를 추가하는 것조차도 위에서 설명한 배터리 셀 냉각기를 사용하거나 또는 적용하는 것과 비교하여 비용 및 복잡성이 추가될 것이다.
배터리들, 예를 들어 Li 이온, 알카라인(alkaline), 또는 NiMh 배터리들, 또는 다른 것들과 같은 전기 화학 셀들과 관련하여 상세한 예들이 제공되었지만, 본 발명은 다른 유형들의 저장된 에너지 유닛들에 적용되며, 특히 비-원통형 커패시터들(capacitors), 울트라 커패시터들(ultracapacitors), 또는 슈퍼 커패시터들(supercapacitors), 연료 전지들, 또는 냉각기에 의해 냉각될 수 있는 표면을 가지며 저장된 에너지 유닛들의 모듈들의 온도가 규칙적으로 바람직한 작동 범위를 벗어나는 경우 또한 악화되어 전체 수명을 감소시킬 수 있는 다른 유형들의 에너지 저장 장치에 적용된다.
Claims (10)
- 에너지 저장 시스템(energy storage system)으로서,
상기 시스템은 적어도 하나의 에너지 저장 모듈(module)을 포함하고,
각각의 모듈은 복수의 에너지 저장 디바이스들(devices)을 포함하고; 각각의 에너지 저장 디바이스는 상기 에너지 저장 디바이스의 전극들에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 전기 전도성 셀 탭(cell tab)을 포함하고; 상기 셀 탭의 하나의 단부는 상기 에너지 저장 디바이스로부터 돌출되고;
상기 에너지 저장 모듈은 각각의 에너지 저장 디바이스를 위한 냉각기를 더 포함하고, 상기 냉각기는 상기 에너지 저장 디바이스의 하나의 표면과 접촉하는 하나 이상의 밀폐 냉각 채널들(enclosed cooling channels)을 포함하고;
상기 냉각기의 상기 냉각 채널들은 전기 비-전도성 재료를 포함하고; 그리고
상기 냉각기는 상기 셀 탭의 상기 돌출되는 단부에 열적으로 결합된 상기 냉각 채널들의 섹션(section)을 더 포함하는,
에너지 저장 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 냉각기는 서펀타인 형상의(serpentine) 유동 경로 또는 복수의 평행한 유동 경로들을 형성하는, 유체 입구와 유체 출구 사이의 하나 이상의 냉각 유체 채널들을 포함하는,
에너지 저장 시스템. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 냉각기는 0.2 W/mK 내지 50 W/mK의 열 전도성을 갖는 재료를 포함하는,
에너지 저장 시스템. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재료는 폴리아미드(polyamide) 또는 열가소성 수지 중 하나를 포함하는,
에너지 저장 시스템. - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널 벽들은 상기 셀 탭을 연결하기 위해 상기 냉각기의 단부에 상승된 섹션을 추가로 형성하는,
에너지 저장 시스템. - 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 저장 디바이스는 2 개의 셀 탭들을 포함하는,
에너지 저장 시스템. - 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셀 탭들은 알루미늄(aluminium) 또는 니켈 도금 구리(nickel-plated copper) 중 하나를 포함하는,
에너지 저장 시스템. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 유체는 물을 포함하는,
에너지 저장 시스템. - 제8 항에 있어서,
상기 냉각 유체는 부식 방지 첨가제, 부동액 첨가제; 및 바이오 성장(biogrowth) 억제 첨가제 중 적어도 하나를 더 포함하는.
에너지 저장 시스템. - 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셀들은 리튬 이온 셀들(Lithium-ion cells)을 포함하는,
에너지 저장 시스템.
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