KR20210070267A - 특히 모터 차량의 배터리 셀 유닛의 온도를 제어하기 위한, 흡착 재료를 갖는 온도 제어 요소 - Google Patents

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KR20210070267A
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KR1020217006178A
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베른트 바이에르
발터 미텔바흐
안드레아스 가메
샤를 푸루와
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파렌하이트 게엠베하
폭스바겐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 서로 이격되게 배치되어 중간 공간을 한정하는 2개의 커버링 플레이트(8)를 가지며, 중간 공간 내에 지지 구조체(23)가 배치되는 온도 제어 요소(5)를 제공하며, 상기 지지 구조체는 커버링 플레이트(8)가 서로 이격되게 유지하며, 커버링 플레이트(8) 및 지지 구조체(23)와 접촉하는 흡착 재료(7)가 중간 공간에 추가로 수용된다. 이러한 종류의 온도 제어 요소(5)는 지지 구조체(23)에 의해 흡착 재료(7)와 커버링 플레이트(8) 사이의 열 에너지의 특히 양호한 전달을 가능하게 하며, 커버링 플레이트(8)를 기계적으로 상호 연결함에 따라 온도 제어 요소(5)에 구조적 강도를 제공할 뿐만 아니라, 흡착 재료(7)와 커버링 플레이트(8) 사이의 열 에너지의 전달 또한 야기한다. 그 결과, 본 발명에 따른 온도 제어 요소(5)는, 예를 들어, 전기 구동되는 모터 차량의 견인 배터리의, 예를 들어 배터리 셀 유닛의 하나 이상의 배터리 셀의 온도를 직접 제어하는데 또한 유리하게 적합하다.

Description

특히 모터 차량의 배터리 셀 유닛의 온도를 제어하기 위한, 흡착 재료를 갖는 온도 제어 요소
본 발명은 특히 모터 차량의 배터리 셀 유닛의 온도를 제어하기 위한, 흡착 재료를 갖는 온도 제어 요소에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 온도 제어 요소를 갖는 배터리 셀 유닛, 이러한 배터리 셀 유닛을 갖는 온도 제어 시스템, 및 이러한 온도 제어 시스템을 갖는 모터 차량에 관한 것이다.
예를 들어, 배터리-동력식 모터 차량(battery-powered motor vehicles, BEV) 또는 하이브리드 차량(HEV 또는 PHEV)과 같은 전기 구동(electrified)되는 차량을 작동하기 위해, 전력을 차량의 전기 견인(traction) 모터에 공급하도록 강력한 (견인) 배터리가 사용된다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리로서 형성될 수 있는 이와 같은 견인 배터리는 온도에 민감(temperature-sensitive)하다. 상대적으로 낮은 온도에서, 이들은 전기 견인 모터에 의한 구동에 기초한 주행 범위에, 대응하는 악영향을 미치는, 제한된 저장 용량만을 갖는다. 대조적으로, 상대적으로 고온에서는, 이미 상대적으로 짧은 사용 기간 후에, 마찬가지로 저장 용량의 영구 제한을 포함하는 배터리의 비교적 신속한 노화로 이어진다.
이러한 문제를 회피하거나 적어도 감소시키기 위해, 적어도 모터 차량의 작동 동안 정의된 온도 범위 내에 그들의 온도가 유지되도록, 전기 구동되는 모터 차량의 견인 배터리가 온도 제어되기 위해 제공될 수 있다. 견인 배터리의 이러한 온도 제어를 위해, 이들은 모터 차량의 냉각 시스템에 통합될 수 있으며, 견인 배터리를 냉각할 뿐만 아니라 가열할 수도 있도록, 추가적인 가열 장치가 제공될 수 있다. 이러한 종류의 견인 배터리의 온도 제어는, 상대적으로 긴 기간 동안 제공되기 위해 상대적으로 높은 전력을 요구한다. 이 경우에, 모터 차량이 외부 전기 에너지 공급 소스에 연결되지 않으면, 이러한 전력은 견인 배터리로부터 취해져야 한다. 이는 견인 배터리의 감소된 충전 상태를 초래하여, 모터 차량의 이동 범위에 대응하는 악영향을 미친다.
이러한 문제는 예를 들어 DE 10 2012 012 820 A1, DE 10 2015 204 678 A1 또는 DE 10 2015 204 667 A1로 알려진 바와 같이, 모터 차량의 견인 배터리의 온도를 제어하기 위한 흡착 유닛의 사용을 통해 감소될 수 있다.
이러한 흡착 유닛은 특히 기체 형태로 흡착제로서 존재할 수 있는 처리 매체(process medium)를 흡수 또는 흡착할 수 있는 흡착 재료를 갖는 흡착 장치를 포함하며, 열 에너지가 방출된다. 이러한 흡착 유닛은 또한, 이하에서 상 배리에이터(phase variator)로 지정된 증발기/응축기 장치를 포함하며, 처리 매체, 예를 들어, 물은 증발될 수 있고, 이에 의해 이는 흡착 장치의 흡착 재료에 의해 흡수 또는 흡착될 수 있거나, 또는 처리 매체는 열 에너지를 취하면서 열 공급 하에서 흡착 재료로부터 탈착된 후, 응축될 수 있다.
본 발명은 유리한 방식으로 모터 차량의 (견인) 배터리 온도의 제어 가능성을 나타내는 작업에 기초하였다.
이러한 작업은 청구항 1에 따른 온도 제어 요소에 의해 해결된다. 이러한 온도 제어 요소를 갖는 배터리 셀 유닛, 이러한 배터리 셀 유닛을 갖는 온도 제어 시스템, 및 이러한 온도 제어 시스템을 갖는 모터 차량은 청구항 10, 청구항 12 및 청구항 14의 청구 대상이다. 본 발명에 따른 온도 제어 요소의 유리한 구성 실시예, 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛, 본 발명에 따른 온도 제어 시스템, 및 본 발명에 따른 모터 차량은 추가 청구항의 청구 대상이며, 그리고/또는 이하에서 발명의 설명으로부터 비롯될 것이다.
본 발명에 따르면, 온도 제어 요소에 서로 이격되게 배치되어 중간 공간을 한정하는 2개의 커버링 플레이트(covering plate)가 구비되며, 중간 공간 내에 지지 구조체가 배치되어, 상기 지지 구조체는 커버링 플레이트가 서로 이격되게 유지하며, 커버링 플레이트 및 지지 구조체와 접촉하는 흡착 재료가 적어도 섹션으로, 바람직하게는 가능하면 전체 표면에 걸쳐, 중간 공간에 추가로 수용된다. 본 발명에 따른 이러한 온도 제어 요소는 지지 구조체에 의해 흡착 재료와 커버링 플레이트 사이의 열 에너지의 특히 양호한 전달을 가능하게 하며, (적어도 서로를 향하는 커버링 플레이트의 (압력) 부하에 대해) 커버링 플레이트를 기계적으로 상호 연결함에 따라 온도 제어 요소에 구조적 강도를 제공할 뿐만 아니라, 흡착 재료와 커버링 플레이트 사이의 열 에너지의 전달 또한 야기한다. 그 결과, 본 발명에 따른 온도 제어 요소는, 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛의 하나 이상의 배터리 셀의 온도를 직접 제어하는데 유리하게 적합하다.
본 발명에 따른 이러한 배터리 셀 유닛은, 적어도 하나의 배터리 셀, 즉 전기 에너지를 위한 저장 요소, 및 커버링 플레이트 중 적어도 하나를 갖고 배터리 셀에 직접 또는 간접적으로 놓이는 본 발명에 따른 적어도 하나의 온도 제어 요소를 포함한다. 본 발명에 따른 온도 제어 요소 또는 복수의 온도 제어 요소는 이 경우에, 특히 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러싸는 하우징에 통합될 수 있고, 이 경우에, 바람직하게는 이의 일부를 형성할 수도 있다. 상보적으로 또는 대안적으로, 본 발명에 따른 온도 제어 요소는 (각각) 배터리 셀 유닛의 2개의 배터리 셀 사이에 배치될 수 있으며, 이에 의해 배터리 셀 유닛의 여전히 컴팩트한 치수의 경우, 개별 배터리 셀(들)의 이상적으로 균일한 냉각이 달성될 수 있기 때문에 특히 유리하다.
본 발명에 따른 온도 제어 요소로부터, 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛의 하나 이상의 배터리 셀로의 유리한 열 전달을 기본적으로 가능하게 하기 위해서, 그리고 추가로, 이러한 온도 제어 요소 중 하나 이상을 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛으로의 유리하고 특히 공간 절약적인 통합을 실현하기 위해서는, 커버링 플레이트의 두께에 의해 형성되고, 커버링 플레이트 사이의 거리에 의해 형성되는 본 발명에 따른 온도 제어 요소의 높이가 길이 및 폭보다 상당히 작게 제공되는 것이 바람직할 것이다. 특히, 길이 및 폭은 각각 높이의 10배, 바람직하게는 50배, 특히 바람직하게는 100배인 것으로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 유닛의 온도 제어 또는 개별 배터리 셀(들)의 온도 제어는 그 후, 본 발명에 따른 하나 이상의 배터리 셀 유닛(들)을 본 발명에 따른 온도 제어 시스템에 통합함으로써 수행될 수 있으며, (각각의) 온도 제어 요소(들)의 중간 공간은, 제어 밸브가 개방될 때, 연관된 온도 제어 요소의 중간 공간 내에 배치된 흡착 재료와 상 배리에이터 사이에서, 기체 상태로 처리 매체가 흘러 넘어갈 수 있도록, 제어 밸브를 통해 상 배리에이터에 연결된다. 열 에너지의 공급에 의해 상 배리에이터 내에서 증발된 후, 기체 처리 매체가 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛의 하나 이상의 온도 제어 요소의 흡착 재료로 유동하면, 기체 처리 매체는 열 에너지를 방출하면서 흡착 재료에 의해 흡수 또는 흡착될 것이다. 이에 의해, 배터리 셀 유닛 및 특히 그 배터리 셀(들)은, 예를 들어 상대적으로 낮은 주위 온도(ambient temperature)에서 시동 절차(startup procedure) 후에 또는 시동 절차를 위해 예열되도록 가열될 수 있다. 배터리 셀 유닛의 후속 동작에서, 그들의 배터리 셀은 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛의 하나 이상의 온도 제어 요소의 흡착 재료를 탈착하는데 이용될 수 있는 폐열(waste heat)을 생성할 것이며, 이는 그 후 제어 밸브가 개방될 때, 상 배리에이터로 유동할 것이며, 여기서 상 배리에이터를 대응되게 냉각시킴으로써, 이에 따라 열 에너지를 방출하면서 기체 처리 매체가 응축된다. 흡착 재료로부터 처리 매체의 탈착에 요구되는 열 에너지는 이에 의해 배터리 셀 유닛으로부터 방출되고, 후자는 이러한 방식으로 냉각된다.
상 배리에이터는 바람직하게는 온도 제어 시스템의 증기 응결기의 냉매 회로에 연결될 수 있고, 따라서 상 배리에이터에 상대적으로 저온인 냉매가 적용될 수 있게 하여, 처리 매체가 상 배리에이터에서 안전하게 응축되는 것을 보장한다. 특히, 적어도 응축기, 증발기 및 압축기를 포함할 수 있는 증기 응결기는, 기본적으로 본 발명에 따른 온도 제어 시스템을 적어도 하나 포함하는, 본 발명에 따른 모터 차량용 공기 조화 시스템으로 제공될 수 있다. 이를 위해, 증기 응결기는 특히 모터 차량의 내부 공간에 공급되는 공기의 온도 제어, 그리고 특히 냉각을 위해 제공되는 공기 조화 열 교환기를 포함할 수 있다. 이를 위해, 공기 조화 교환기로서 증기 응결기의 증발기에는, 특히, 냉매 이외에, 모터 차량의 내부 공간을 공기 조화하도록 제공된 공기가 유동되어 통과할 수 있음으로써, 증발기를 통해 처리(conducted)되는 냉매를 증발시키기 위해 증발기 내에서 이용될 이 공기로부터 열 에너지가 회수될 수 있다.
상보적으로 또는 대안적으로, 본 발명에 따른 온도 제어 시스템의 상 배리에이터를 냉각 시스템, 특히 본 발명에 따른 모터 차량의 냉각 시스템에 연결할 가능성이 있다. 이러한 냉각 시스템은, 내부에 유동하는 냉각 매체에 의해, 열 에너지가 냉각 매체 냉각기를 통해 주변 공기로 소산(dissipate)될 수 있는 것을 적어도 특징으로 한다. (내부에 유동하는 냉각 매체를 갖는) 증기 응결기와는 달리, 이 경우에, 냉각 매체의 상 변화는 수행되지 않는다.
커버링 플레이트와 흡착 재료 사이의 열 에너지의 특히 바람직한 전달을 실현하기 위해, 바람직하게는 커버링 플레이트 및 지지 구조체는 적어도 섹션으로, 바람직하게는 완전하게, 양호한 열 전도성을 갖는 재료로부터, 특히 하나 이상의 금속, 예를 들어, 알루미늄으로부터 형성되도록 제공될 수 있다. 또한, 금속(들)으로부터의 구성은 비용 효율적인 생산성의 장점 및 양호한 구조적 내하력(load-bearing capacity)을 갖는다.
본 발명에 따른 온도 제어 요소의 바람직한 구성 실시예에 따르면, 커버링 플레이트 및/또는 지지 구조체 중 적어도 하나는, 중간 공간을 한정하거나 중간 공간 내에 배치되는 그 벽 표면 상에, 적어도 부분적으로 흡착 재료로 코팅되도록 제공될 수 있다. 커버링 플레이트(들) 및/또는 지지 구조체의 대응하는 벽 표면에서, 본질적으로 안정적인 층이 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전하게, 흡착 재료로 구성되어 대응되게 접착식으로 본딩된다. 이 경우에, 대응하는 코팅은 바람직하게는 상대적으로 얇게 (예를 들어, 직접 코팅에서 0.01mm 내지 0.2mm, 그리고 이미 치수적으로 안정된 코팅 층이 (특히 접착식으로 본딩되어) 도포될 때 최대 몇 밀리미터까지) 형성될 수 있으며, 이에 의해 한편으로, 이러한 본 발명에 따른 온도 제어 요소가 상대적으로 콤팩트함으로써, 배터리 셀 유닛을 냉각시키는데 특히 적합한 것이 달성될 수 있도록 한다. 다른 한편으로는, 온도 제어 요소의 열 전도 구조체와 대규모로 접촉, 즉, 적어도 커버링 플레이트 및 지지 구조체와 대규모로 접촉, 또한 가능하게는, 커버링 플레이트를 둘러싸고 중간 공간을 원주 방향으로 한정하는 측벽과도 대규모로 접촉하는 흡착 재료의 상대적으로 얇은 층을 결합함으로써, 온도 제어 요소의 열 전도 구조체와 흡착 재료 사이의 유리한 열 전달이 달성될 수 있다. 특히, 상대적으로 얇은 층은, 흡착 재료 자체의 상대적으로 빈번하게 불량한 열 전도율이, 이 열 전달에 대해 악영향을 적게 미칠 수 있게 한다.
필요하다면, 흡착 재료의 재료 구조(이로부터 층이 형성됨)는 이 재료 구조를 통한 기체 처리 매체의 관류(throughflow)가 낮은 정도까지만 가능하거나, 가능하지 않을 만큼 컴팩트할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 처리 매체와 흡착 재료 사이의 가능한 완전한-표면(full-surface) 접촉을 가능하게 하기 위해, 바람직하게는, 커버링 플레이트(들) 및/또는 지지 구조체의 코팅에 의해 형성된 층이, 하나 이상의 유동 채널을 구조적으로 형성하거나 한정하도록 제공되어야 하며, 이는 가능한 한 광범위하게 전체 중간 공간을 통한 관류를 보장함에 따라, 처리 매체와 흡착 재료 사이의 접촉을 가능한 한 대규모가 되도록 보장한다. 흡착 재료의 재료 구조가 충분히 큰 기공(large-pored)인 경우, 이러한 구조적으로 형성된 유동 채널은 또한 필요에 따라 생략(dispensed with)될 수 있다.
대안적으로, 또는 흡착 재료에 의한 커버링 플레이트(들) 및/또는 지지 구조체의 코팅에 상보적으로, 큰 기공이 형성되거나 그리고/또는 유동 채널을 갖도록 형성된, 중간 공간에서의 지지 구조체에서 자유롭게 남겨진 자유 공간을, 가능한 한 광범위하게 흡착 재료의 충진 및/또는 흡착 재료의 고체 몰드 바디(solid mold body)로 바람직하게 충진할 가능성 또한 있다.
최대한 양호한 커버링 플레이트와 흡착 재료 사이의 열 전달 및 에너지 저장 용량을 보장하기 위해, 지지 구조체는 가능한 한 큰 규모로 형성되어야 하며, 이는 흡착 재료와 대응하는 대규모의 접촉을 가능하게 한다. 이를 위해, 지지 구조체는 특히 주름진(corrugated) 시트 금속 구조체 및/또는 폼(foam) 구조체 및/또는 부직포(nonwoven fabric) 구조체를 포함할 수 있거나, 또는 이러한 구조체로서 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 지지 구조체는 결과적으로 커버링 플레이트와 상이한 하나 또는 여러 개의 구성 요소에 의해 형성되며, 본 발명에 따른 대응하는 온도 제어 요소를 제조하는 과정에서, 지지 구조체 및 커버링 플레이트는 (형태-맞춤(form-fit) 방식, 강제-맞춤(force-fit) 방식, 또는 물질-맞춤(substance-fit) 방식으로, 예를 들어 납땜(soldering)에 의해) 고정적으로 상호 연결될 수 있다. 그러나, 상보적으로 또는 대안적으로, (각각) 다른 커버링 플레이트, 특히 다른 커버링 플레이트의 대응하는 대향(opposite) 돌출부와 접촉하는 커버링 층 중 적어도 하나의 돌출부로부터 지지 구조체를 형성할 수 있는 가능성 또한 있으며, 커버링 플레이트는 이들 접촉 지점에서 고정적으로 상호 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 온도 제어 요소의 지지 구조체가 주름진 시트 금속 구조체를 갖는다면, 바람직하게는 서로에 대해 평행하게 연장되고, 시트 금속 구조체의 길이 방향 연장부를 따라 연장되는 복수의 채널이 이에 의해 형성된다는 것이 더 제공될 수 있다. 이 경우에, 더 바람직하게는, 채널은 시트 금속 구조체의 전체 길이 방향 연장부를 걸쳐 (바람직하게는 중단 없이) 연장될 수 있다. 이러한 주름진 시트 금속 구조체는 비교적 간단하게, 따라서 비용 효율적인 방식으로 제조될 수 있고, 다른 한편으로는 2개의 커버링 플레이트에 대한 상대적으로 양호한 지지 기능을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 대응하는 온도 제어 요소의 바람직한 추가 개발에 따라, 이러한 주름진 시트 금속 구조체는 길이 방향 연장부를 따라, 횡 방향으로 연장되는 복수의 스트립-형상 부분으로 세분되게 제공될 수 있으며, 인접한 부분의 채널은 횡 방향으로 서로로부터 오프셋된다. 본 발명에 따른 온도 제어 요소의 지지 구조체의 이러한 구성은, 2개의 커버링 플레이트에 대한 특히 유리한 지지 기능을 특징으로 할 수 있다.
주름진 시트 금속 구조체에 대한 흡착 재료로부터/흡착 재료로의 열 전달을 더욱 개선시키기 위해, 주름진 시트 금속 구조체가 이 주름진 시트 금속 구조체로부터 연장되는 복수의 윙(wing)을 갖도록 제공될 수 있으며, 이는 또한, 주름진 시트 금속 구조체가 대응되는 관통 개구부(through-opening)를 형성하고, 관통 개구부의 일 측으로부터 각각의 윙이 연장되도록, 적어도 2개의 인접한 측면에 의해 생성되는 컷에 의해 시트 금속 구조체 자체의 컷 형태로 형성될 수 있다(소위 "루버링(louvering)").
본 발명에 따른 온도 제어 요소의 중간 공간 내에서, 더 나아가, 중간 공간에 의해 한정된 적어도 하나의 매체 채널(media channel)이 바람직하게 이어질 수 있다. 이 매체 채널은 흡착 재료 및 온도 제어 요소의 나머지 구성 요소와 직접 접촉하는 것을 의도하지 않는 냉각 매체를 전도하는 역할을 할 수 있다. 매체 채널은 이 경우에, 특히 냉각 시스템에 연결 가능하며, 특히 본 발명에 따른 모터 차량의 냉각 시스템에 연결 가능하다. 이는, 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛이 단지 일시적으로 냉각되게, 특히 본 발명에 따른 온도 제어 시스템의 흡착 유닛의 일부로서, 본 발명에 따른 온도 제어 요소에 의해 상대적으로 짧게 냉각될 수 있게 하는 반면에, 더 긴 지속 기간의 냉각은, 냉각 시스템의 일부로서 온도 제어 요소에 의해 실현된다. 이 경우에, 커버링 플레이트를 통한, 그리고 필요하면, 지지 구조체를 통해서도, 배터리 셀 또는 온도 제어 요소와 접촉하는 배터리 셀로부터, 매체 채널 내에 유동하는 냉각 매체로의 유리한 열 전달을 실현하기 위해, 바람직하게는 매체 채널이 커버링 플레이트(들) 및/또는 지지 구조체에 직접 인접하게 배치되거나, 또는 그 내부에 통합되게 제공되어야 한다. 상대적으로 빈번하게 불량한 열 전도성 흡착 재료를 통한 열 에너지의 전달은 이로써 회피될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 온도 제어 요소는 전기적 가열 요소를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 셀 유닛의 배터리 셀의 가열은, 처리 매체가 실질적으로 완전히 흡수되거나, 흡착 재료에 의해 흡수될 때, 요구되는 경우에 또한 가능하게 되며, 따라서 열 에너지는 대응하는 흡수 또는 흡착에 의해 적어도 일시적으로 방출될 수 없다.
본 발명에 따른 모터 차량은 특히 휠(wheel)-기반이며, 레일(rail)-기반이 아닌 모터 차량(바람직하게는 승용차 또는 화물차(lorry))일 수 있다.
청구범위 및 일반적으로 청구범위를 설명하는 상세한 설명 및 청구항에 있어서, 부정 관사("a", "an", "one")는 숫자가 아닌, 이와 같이 이해되어야 한다. 따라서, 이에 대응하게 구체화(concretized)되는 구성 요소는 적어도 한 번 존재하는 것으로 이해되어야 하며, 여러 번 존재할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 예시적인 구성에 기초하여 아래에서 더 상세히 설명될 것이다. 도면에서, 다음이 각각 단순화된 표현으로 나타나 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모터 차량이다.
도 2a는 제1 동작 상태의 본 발명에 따른 온도 제어 시스템이다.
도 2b는 제2 및 제3 동작 상태의 온도 제어 시스템이다.
도 3은 구성의 형태에 따라 본 발명에 따른 온도 제어 요소의 단면도이다.
도 4는 도 3에 따른 온도 제어 요소에 대한 대안적인 지지 구조체의 사시도이다.
도 5는 또 다른 형태의 구성에 따른 본 발명에 따른 온도 제어 요소의 일부의 단면도이다.
도 6은 도 5에 따른 온도 제어 요소의 평면도이다.
도 1은 단순화된 표현으로 본 발명에 따른 모터 차량을 도시한다. 모터 차량은 전기 구동될 수 있도록 형성되고, 따라서 적어도 하나의 전기 견인 모터(1)를 포함하며, 전기 견인 모터의 구동력은 모터 차량의 구동 휠(2)로 전달될 수 있다. 이 경우에, 모터 차량은 배터리 구동 모터 차량(battery-powered motor vehicle, BEV)으로 형성될 수 있다. 주행 구동 전력을 생성하기 위해, 이 경우에, 이는 하나 이상의 전기 견인 모터(1)뿐만 아니라, 그 중에서도 하나 이상의 견인 모터(1)를 구동하는데 필요한 전력을 제공하기 위해 제공되는 견인 배터리(3)를 배타적으로 포함한다. 대안적으로, 모터 차량은 또한 하이브리드 차량일 수 있다. 이 경우에, 모터 차량은 또한 적어도 일시적으로 구동 전력을 생성하도록 마찬가지로 제공되는 내연 기관(미도시)을 포함하며, 구동 전력은 모터 차량의 구동 휠로 전달될 것이다. 이러한 경우, 하이브리드 차량은, 보통 상대적으로 작은 치수로 된 견인 배터리(3)가 견인 모터(1) 또는 다른 발생기의 생성적 이용(generative utilization)에 의해 배타적으로 충전 가능한, "간단한(simple)" 하이브리드 차량(hybrid vehicle, HEV)의 구성으로 실현될 수 있으며, 또한 견인 배터리(3)는 또한 외부 전기 에너지 소스에 연결됨으로써 충전 가능한, 소위 플러그-인 하이브리드 차량(plug-in hybrid vehicle, PHEV)의 구성으로 실현될 수도 있다.
견인 배터리(3)를 충전함에 있어서, 그리고 또한 고전력이 견인 배터리(3) 로부터 회수될 때, 견인 배터리(3)가 과열되는 것을 방지하기 위해 소산되어야 하는, 상당한 정도로 폐열을 생성할 수 있다. 이러한 상대적으로 낮은 온도와 함께 따르는 전기 저장 용량의 감소를 피하기 위해, 이와 동시에, 견인 배터리(3)의 온도가 정의된 더 낮은 임계 값 이하로 떨어지지 않도록 보장되어야 한다. 이를 달성하기 위해, 견인 배터리(3)는 본 발명에 따른 온도 제어 시스템에 통합된다. 이러한 온도 제어 시스템의 구성으로서 가능한 형태는 도 2에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 유닛으로서 형성된 견인 배터리(3)는, 도 2에 따른 온도 제어 시스템에 있어서, 하우징(4) 내에 전기적으로 상호 연결된 복수의 배터리 셀(6)을 포함한다. 이 하우징(4)의 하우징 벽은 이와 관련된 본 발명에 따른 온도 제어 요소를 가지며, 온도 제어 요소(5) 자체는 이 하우징 벽을 형성하는 것이 바람직하다. 요구된다면, 배터리 셀 유닛(3)의 복수의 하우징 벽 모두 또는 적어도 복수의 하우징 벽은, 본 발명에 따른 하나 이상의 온도 제어 요소(4)의 형태로 형성되어 제공될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 하나 이상의 온도 제어 요소(4)는 또한, 하나 이상의 온도 제어 요소(5)에 의해 전체로서 가능한 한 균일한 배터리 셀(6)의 온도 제어를 실현하기 위해 2개의 배터리 셀(6) 각각의 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 온도 제어 요소(5)는 흡착 재료(7), 예를 들어 제올라이트(zeolite) 또는 실리카겔(silica gel)이 내부에 배치되는 하우징을 포함한다. 온도 제어 요소(5)의 하우징은 2개의 커버링 플레이트(8)(도 3 및 도 5 참조)뿐만 아니라 측벽(미도시)에 의해 형성된다. 연결 라인(9)을 통해, 흡착 재료(7)를 수용하는 하우징의 내부 공간은, 열 교환기로 형성된 상 배리에이터(10)와 유체 전도성(fluid-conducting)으로 연결되어 있다. 이 경우에, 연결 라인(9) 내부에, 제어 장치(미도시)에 의해 구동 가능한 제어 밸브(11)는 통합된다. 제어 밸브(11)에 의해, 연결 라인(9)을 통한 유체 전도성 연결은 해제되거나 차단될 수 있다. 온도 제어 요소(5)는, 내부에 통합된 제어 밸브(11)를 갖는 연결 라인(9) 및 상 배리에이터(10)와 결합된 흡착 유닛을 형성하며, 이에 의해, 주로 제어 가능한 방식으로, 열 에너지가 상 배리에이터(10)와 (흡착 유닛의 흡착 장치를 나타내는) 흡착 재료(7) 또는 온도 제어 요소(5) 사이에서 양방향으로 교대로 전달될 수 있다. 흡착 유닛에 의해, 배터리 셀 유닛(3)의 배터리 셀(6)의 온도는 이에 따라 제어될 수 있고, 요구되면, 이 경우에, 냉각 또는 가열될 수 있다.
배터리 셀(6)을 냉각하기 위해, 예를 들어, 모터 차량이 작동되고 있지 않을 때, 즉 견인 배터리(3)가 외부 전기 에너지 공급 소스에 연결될 때의 견인 배터리(3)의 충전 프로세스 동안에, 흡착 유닛은 재생성 동작으로 작동되며, 배터리 셀의 충전 동안 생성된 폐열은, 하나 이상의 온도 제어 요소(5)의 흡착 재료(7)에 의해 이전에 흡수되거나 흡착된 처리 매체(예를 들어, 물)의 탈착에 이용된다. 이를 위해, 예를 들어 흡착 재료를 약 25℃의 온도로 온도 제어하는 것은 이미 충분하다. 배터리 셀(6)은 흡착 재료(7)로의 이 열 전달과, 이로부터 초래되는 처리 매체의 탈착에 의해 냉각된다. 제어 밸브(11)가 개방될 때, 탈착에 의해 방출된 수증기는 연결 라인(9)을 통해 상 배리에이터(10)로 유동된다. 상 배리에이터(10)에서, 수증기는 온도 제어 시스템의 증기 응결기(12)의 냉매에 의한 냉각으로 인해 응축되며, 이는 마찬가지로, 상 배리에이터(10)를 통해 유동한다. 상 배리에이터(10)를 통해 유동할 때, 냉매는 예를 들어 -5℃의 온도를 가질 수 있다.
증기 응결기(12)는, 본 발명에 따른 모터 차량의 공기 조화 열 교환기로서 제공되는 응축기(14), 압축기(15), 증발기(16)가 제공될 뿐만 아니라, 복수의 제어 밸브(11)가 통합된 냉매 회로(13)를 포함한다. 증기 응결기(12)에 의해, 공지된 방식으로 요구될 경우에, 모터 차량의 내부 (승차) 공간의 온도를 제어하기 위해 공급된 공기(19)가 냉각될 수 있으며, 이를 위해 기체 상태로 냉매 회로(13) 내에서 순환하는 냉매가 압축기(15)에 의해 압축된다. 압축된 기체 냉매는 후속적으로 응축기(14) 내에서 응축하며, 이 경우에, 방출된 열 에너지는 주변 공기(18)로 소산된다. 이 방식으로 액화된 냉매는 그 후, 예를 들어, 펌프(미도시)에 의해 공기 조화 열 교환기(16)로 전달되어, 열 교환기가 휴식할 수 있음으로써, 냉매는 다시 증발되고, 각각 기체 형태로 전달된다. 냉매는, 공기 조화 열 교환기(16)를 통해 마찬가지로 유동하는 공기(19)로부터의 증발 동안 취해진 열 에너지를 회수하고, 모터 차량의 내부 공간을 공기 조화하도록 제공된다.
상 배리에이터(10)는 분리된 연결 라인(20) 및 총 4개 중 3개의 제어 밸브(17)를 통해 냉매 회로(13)에 연결된다. 흡착 유닛의 재생성 동작 동안 처리 매체의 응축으로 인하여 상 배리에이터(10) 내에서 방출된 열 에너지는, 냉매를 통해 소산된다. 이 경우에, 냉매는 상 배리에이터(10)의 연결 라인(20) 중 하나에 통합된 펌프(21)에 의해 회로에 전달될 수 있으며, 달리하면, 회로는 상 배리에이터(10) 및 응축기(14)(도 2a 참조)만을 포함하며, 이 경우에, 응축기(14)는 단지 냉매를 재냉각하기 위한 것이다. 냉매의 상 변화는 이 회로에서 발생하지 않는다. 이 냉매 회로는 이에 대응하여 냉각 매체 회로에 기능적으로 대응한다.
대안적으로, 흡착 유닛의 재생성 동작 동안에 상 배리에이터(10)에서 방출된 열 에너지는 또한, 압축기(15)를 추가로 포함하는 회로 내에 공급된 냉매를 통해 소산될 수 있다. 이에 의해, 공기 조화 열 교환기(16)는 증기 응결기(12)의 제3 제어 밸브(17)에 의해 방출될 수 있는 바이패스(22)에 의해 바이패스될 수 있다. 이 경우에, 흡착 유닛의 상 배리에이터(10)는 공기 조화 열 교환기(16)를 증기 응결기(12)의 증발기로서 대체한다. 압축기(15)에 의해, 기체 상태의 냉매는 결과적으로 압축되어 응축기(14)에 공급되고, 응축기에 의해 응축되고 액화된다. 그 후, 액체 냉매는 펌프(21)에 의해 상 배리에이터(10)에 공급되어 증발한다. 따라서, 냉매의 이 증발에 필요한 열 에너지는, 흡착 유닛의 처리 매체로부터 회수되고, 이에 의해 응축된다. 냉매의 대응하는 회로는 도 2b에 강조된 방식으로 (채워지지 않은 화살표에 의해) 도시되어 있다.
온도 제어 시스템을 포함하는 모터 차량의 동작 동안, 흡착 유닛의 제어 밸브(11)가 그 후 폐쇄된 채로 유지되도록 하기 위해 흡착 유닛이 사용되지 않은 채로 유지되도록 제공될 수 있다. 이는 처리 매체가 온도 제어 요소(5)와 상 배리에이터(10) 사이를 넘어 유동하는 것을 방지한다. 견인 배터리(3)의 가능한 필요한 냉각은, 바람직하게는 견인 배터리(3) 내에 통합된 냉각 매체 채널(미도시)을 통해 냉각 매체가 처리(conducted)되는 모터 차량의 추가적인 냉각 시스템(미도시)에 의해 실현될 수 있다. 이에 의해 배터리 셀(6)로부터 냉각 매체로 전달된 열 에너지는 후속적으로 냉각 시스템의 냉각 매체 냉각기에서의 주변 공기로 전달된다. 이 경우에, 냉각 매체 채널은 또한 바람직하게는, 배터리 셀 유닛(3)의 하나 이상의 온도 제어 요소(5) 내로 통합될 수 있다.
모터 차량이 더 긴 시간 동안 사용되지 않았고, 이 동안 상대적으로 저온인 주위 온도에 노출되었다면, 견인 배터리(3)는, 모터 차량이 다시 작동하기 시작(콜드 스타트(cold start)할 때, 대응하게 낮은 온도를 가질 것이며, 이는 배터리 셀(6)의 저장 용량의 상당한 제한을 초래한다. 모터 차량의 이러한 콜드 스타트 후에, 견인 배터리(3)를 저장 용량에 대한 최적 온도로, 가능한 한 빠르게 가져오기 위해, 그 후 흡착 유닛은 흡착 동작으로 작동되며, 이를 위해 흡착 유닛의 제어 밸브(11)는 개방되고, 또한 냉매는, 예를 들어, 도 2a 또는 도 2b에 따른 냉매 회로에서 전달된다(유동 방향은, 재생성 동작(채워진 표면을 갖는 화살표 참조)과 비교하여 역전되는 방향이며; 이 경우에, 증기 응결기(12)의 응축기(14)는 증발기로서 작동될 것이다). 이에 의하면, 흡착 유닛의 적절한 구성으로 인하여(특히, 또한, 처리 매체가 유체로서 흡착 유닛 내에 배타적으로 존재하기 때문에, 그리고 흡착 유닛은 또한 부압(negative pressure)에서 작동되기 때문에), 상 배리에이터(10)를 통해 흐를 때, 마찬가지로 주위 온도(예를 들어, 0℃)를 갖는 냉매로부터, 내부에 포함된 액체 처리 매체로 통과하는 열 에너지는, 이 처리 매체를 증발시키기에 충분하며, 그 후 연결 라인(9)을 통해 온도 제어 요소(5)로 유동한다. 온도 제어 요소(5) 내에 포함된 흡착 재료(7)는 그 후에, 열을 방출하면서 기체 처리 매체를 흡수 또는 흡착한다. 이로써 방출된 열 에너지는, 배터리 셀(6)의 온도를 제어하거나 배터리 셀 유닛/견인 배터리(3)의 배터리 셀(6)을, 예를 들어, 약 25℃의 온도로 가열하는데 이용된다.
배터리 셀 유닛(3)의 배터리 셀(6)과, 하나 이상의 온도 제어 요소(5)의 흡착 재료 사이의 가능한 한 유리한 열 에너지의 전이를 실현하기 위해, 이러한 온도 제어 요소(5)는, 서로 이격되게 배치되어, 내부에 지지 구조체(23)가 배치되는 중간 공간을 형성하는 2개의 커버링 플레이트(8)를 포함한다. 원주 방향으로, 중간 공간은 측벽(미도시)에 의해 둘러싸인다. 이 경우에, 측벽은 커버링 플레이트(8)에 밀봉 연결된(예를 들어, 물질-맞춤 방식으로, 특히 납땜된) 별개의 프레임의 부분일 수 있다. 그러나, 대안적으로, 측벽은 하나 또는 2개의 커버링 플레이트의 각진 부분에 의해 형성될 수 있다. 지지 구조체(23)에 의해, 커버링 플레이트(8)는 서로 이격되게 유지된다. 또한, 커버링 플레이트(8) 사이의 중간 공간에서, 흡착 재료(7)는 수용되어, 커버링 플레이트(8)와 지지 구조체(23) 모두와 접촉한다. 지지 구조체(23)는 한편으로, 온도 제어 요소(5)의 구조적 강도를 위한 역할을 하며, 다른 한편으로는, 지지 구조체(23)만을 접촉하는 흡착 재료(7)의 부분적인 양을 열 전도 방식으로 커버링 플레이트(8)에 연결하는 역할을 한다. 가능한 한 양호한 열 전도를 보장하기 위해, 커버링 플레이트(8) 및 지지 구조체(23) 모두는 양호한 열 전도성의 재료, 예를 들어 알루미늄으로 형성된다.
도 3에 도시된 온도 제어 요소(5)의 지지 구조체(23)는, 시트 금속 구조체의 (도면 평면에 수직인) 길이 방향 연장부를 따라 연장되고, 서로에 대해 평행하게 연장되는 복수의 채널(24)을 형성하는 주름진 (즉, 구불구불한(meandering)) 시트 금속 구조체로서 구현되며, 채널(24)은 시트 금속 구조체의 전체 길이 방향 연장부를 걸쳐 중단 없이 연장된다. 채널은, 흡착 재료(7)가 수용되는 중간 공간 내에서 자유 공간을 대응하게 나타내며, 서로로부터 분리된다.
도 3에 따른 예시적인 구성에서, 흡착 재료(7)는 각각 중간 공간을 한정하는 커버링 플레이트(8) 및 지지 구조체의 벽면에 도포된 코팅의 형태로 제공된다. 이 경우에, 흡착 재료의 코팅의 층 두께는, 유동 채널(25)이 자유 상태로 유지되도록 선택된다. 이러한 유동 채널(25)로 인해, 흡착 유닛의 기체 처리 매체는 표면에 걸쳐 가능한 한 넓게 흡착 재료(7)와 접촉할 수 있다.
개별적인 유동 채널(25)에 대한 처리 매체의 분배를 실현하기 위해, 분배 공간(미도시)이 커버링 플레이트(8)에 의해 한정된 중간 공간 내에 제공될 수 있으며, 분배 공간 내로 모든 유동 채널(25)은 개방되고, 또한 분배 공간은 흡착 유닛의 연결 라인(9)에 연결된다.
도 3에 따른 온도 제어 요소(5)의 지지 구조체(23)는 또한, 도 4에 도시된 난류 플레이트(turbulence plate)의 형태로 구성될 수 있다. 이러한 난류 플레이트도 또한 시트 금속 구조체의 길이 방향 연장부를 따라 연장되고, 서로에 대해 평행하게 연장되는 복수의 채널(24)을 형성하는 주름진 시트 금속 구조체이다. 이 경우에, 시트 금속 구조체는 길이 방향 연장부를 따라, 횡 방향으로 연장되는 복수의 스트립 형상 부분(26)으로 추가로 세분되며, 인접한 부분(26)의 채널(24)은 횡 방향으로 서로 오프셋된다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 온도 제어 요소(5)를 위한 구성의 대안적인 형태를 도시하며, 지지 구조체(23)는 2개의 커버링 플레이트(8) 자체에 의해 형성되고, 이들 각각은 복수의 돌출부(27)를 형성하며, 2개의 커버링 플레이트(8)의 돌출부(27)는 서로 대향하여 접촉한다. 이 경우에, 커버링 플레이트(8)는, 바람직하게는, 예를 들어, 대응하는 납땜 지점에 의해 이들 접촉 지점에서 고정적으로 상호 연결된다. 커버링 플레이트(8)에 의해 한정된 중간 공간 내에서, 흡착 재료(7)가 결국 수용된다. 이는 예로서, 벌크(bulk)로 도 5에 표시된다. 그러나, 대안적으로, 흡수 물질(7)을 갖는 중간 공간(돌출부 포함)을 한정하는 커버링 플레이트(8)의 벽 표면의 코팅 또한, 도 5 및 도 6에 따른 온도 제어 요소(5)에 제공될 수 있다.
1: 견인 모터
2: 휠
3: 견인 배터리/배터리 셀 유닛
4: 배터리 셀 유닛의 하우징
5: 온도 제어 요소
6: 배터리 셀
7: 흡착 재료
8: 온도 제어 요소의 커버링 플레이트
9: 연결 라인
10: 상 배리에이터
11: 흡착 유닛의 제어 밸브
12: 증기 응결기
13: 냉매 회로
14: 증기 응결기의 응축기
15: 증기 응결기의 압축기
16: 증기 응결기의 공기 조화 열 교환기/증발기
17: 증기 응결기의 제어 밸브
18: 주변 공기
19: 공기
20: 연결 라인
21: 펌프
22: 냉매 회로의 바이패스
23: 온도 제어 요소의 지지 구조체
24: 지지 구조체의 채널
25: 유동 채널
26: 지지 구조체의 주름진 시트 금속 구조의 부분
27: 커버링 플레이트의 돌출부

Claims (15)

  1. 서로 이격되게 배치되어 중간 공간을 형성하는 2개의 커버링 플레이트(covering plate)(8)를 가지며, 상기 중간 공간 내에 지지 구조체(23)가 배치되어 상기 커버링 플레이트(8)가 서로 이격되게 유지되는 온도 제어 요소(5)로서, 상기 커버링 플레이트(8) 및 상기 지지 구조체(23)와 접촉하는 흡착 재료(7)가 상기 중간 공간에 추가로 수용되는 온도 제어 요소(5).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 커버링 플레이트(8) 및/또는 상기 지지 구조체(23)는 하나 이상의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 요소(5).
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 커버링 플레이트(8) 및/또는 상기 지지 구조체(23) 중 적어도 하나는, 상기 중간 공간에 인접한 벽 표면 상의 상기 흡착 재료(7)로 적어도 부분적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 요소(5).
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 코팅은 하나 이상의 유동 채널(25)을 한정하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 요소(5).
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조체(23)는 상기 커버링 플레이트(8) 중 적어도 하나에 의해 형성된 주름진(corrugated) 금속 시트 구조체 및/또는 폼(foam) 구조체 및/또는 부직포(nonwoven fabric) 구조체 및/또는 돌출부(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 요소(5).
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조체(23)는 시트 금속 구조체의 길이 방향 연장부를 따라 연장되고, 서로에 대해 평행하게 연장되는 복수의 채널(24)을 형성하는 주름진 시트 금속 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 요소(5).
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 채널(24)은 상기 시트 금속 구조체의 상기 길이 방향 연장부 전체를 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 요소(5).
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 시트 금속 구조체는 상기 길이 방향 연장부를 따라, 횡 방향으로 연장되는 복수의 스트립 형상 부분(26)으로 세분되며, 인접한 부분의 채널(24)은 횡 방향으로 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 요소(5).
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 공간에 의해 한정된 매체 채널에 의해 특징지어지는 온도 제어 요소(5).
  10. 적어도 하나의 배터리 셀(6), 및 상기 배터리 셀(6)에 안착하며 커버링 플레이트(8)를 갖는, 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 온도 제어 요소(5)를 갖는 배터리 셀 유닛(3).
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 제어 요소(5)는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(6)을 둘러싸는 하우징(4)에 통합되고, 그리고/또는 2개의 배터리 셀(6) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 유닛(3).
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 따른 배터리 셀 유닛(3)을 갖는 온도 제어 시스템에 있어서,
    제어 밸브(11)가 개방될 때, 온도 제어 요소(5)의 중간 공간 내에 배치된 흡착 재료(7)와 상 배리에이터(phase variator)(10) 사이에서 기체 상태의 처리 매체(process medium)가 유동할 수 있도록, 상기 온도 제어 요소(5)의 상기 중간 공간은 상기 제어 밸브(11)를 통해 상기 상 배리에이터(10)에 연결되는 온도 제어 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 상 배리에이터(10)는 증기 응결기(refrigerator)(12)의 냉매 회로(13)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 온도 제어 시스템.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 따른 온도 제어 시스템을 갖는 모터 차량.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 증기 응결기(12)는 상기 모터 차량의 내부 공간에 공급되는 공기(19)의 온도를 제어하기 위해 제공되는 공기 조화(air conditioning) 열 교환기(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 차량.
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