KR20240005078A - 열 교환기 하우징을 갖는 배터리 모듈 및 배터리 시스템(battery module and battery system with heat exchanger housing) - Google Patents

열 교환기 하우징을 갖는 배터리 모듈 및 배터리 시스템(battery module and battery system with heat exchanger housing) Download PDF

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tight housing
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KR1020237042284A
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스테판 안드레아스 메이어
피터 아담
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화이트마크 테크놀로지 게엠베하
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Abstract

액밀 하우징 및 액밀 하우징 내에 배치된 복수의 배터리 셀을 포함하는, 배터리 모듈이 제공된다. 제1 템퍼링 유체는 복수의 배터리 셀 및 액밀 하우징의 내부 표면과 열 접촉되게 액밀 하우징 내에 포함된다. 액밀 하우징은, 제2 템퍼링 유체가 액밀 하우징의 내부 표면과 외부 표면 사이에서 유동할 수 있도록 구성된다. 또한, 배터리 모듈, 및 배터리 모듈의 액밀 하우징에 연결되고 제2 템퍼링 유체의 유동을 형성하도록 구성된 이차 템퍼링 시스템을 포함하는 배터리 시스템이 제공된다.

Description

열 교환기 하우징을 갖는 배터리 모듈 및 배터리 시스템(BATTERY MODULE AND BATTERY SYSTEM WITH HEAT EXCHANGER HOUSING)
본 발명은 배터리 셀의 효율적이고 균일한 템퍼링(tempering)을 가능하게 하는 배터리 모듈 및 배터리 시스템에 관한 것이다.
전통적인 연료의 가용성이 제한되고, 엔진 배기 가스로 인한 대기 오염 수준이 증가함에 따라, 최근 몇 년간 대안적인 구동 해결책에 대한 관심이 집중되고 있다. 주 에너지원과 관계없이, 대부분의 접근 방식은, 높은 파워 밀도, 긴 수명 및 고성능의 배터리 모듈 및 시스템을 필요로 한다.
배터리 시스템을 구축하는 것은 많은 수의 배터리 셀을 작업 유닛 내로 기계적, 전기적, 및 열적으로 통합하는 것이다. 추가적으로 고려해야 할 양태는 사용되는 구성요소들의 화학적 호환성, 열 폭주 경우의 안전성, 및 대량 생산의 용이성이다.
배터리 시스템 내의 각 배터리 셀의 적절한 온도 제어가, 특히 배터리를 충전하거나 또는 방전시킬 때, 핵심 요건이다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리 셀의 온도 한계를 준수하지 못하면, 배터리의 성능이 점진적으로 저하되거나 심지어 배터리가 신속하고 위험하게 파손될 수 있다.
통상적으로, 배터리 시스템 내의 배터리 셀의 온도 제어는, 예를 들어 원통형 배터리 셀의 기부 부분과 열적으로 접촉되는 냉각 본체를 제공함으로써, 간접적으로 수행될 수 있다. 템퍼링 유체의 유동은 냉각 본체 내에 포함된 채널을 통해서 이루어진다. 이러한 방식으로, 배터리 셀에 의해서 생성된 열이 그 쉘(shell)을 통해서 냉각 본체 내로 전달된다. 이러한 설정은 큰 열적 관성을 나타내고, 이는 큰 부하의 경우 또는 충전 중에 큰 온도 피크로 이어진다. 상기 온도 피크는 최대 전류를 제한함으로써 방지될 수 있다. 그러나, 통상적인 시스템은 급격한 부하 변화를 허용하지 않는다.
대안적으로, 배터리 셀은 배터리 셀과 직접적으로 열 접촉하는 템퍼링 유체를 통해서 직접적으로 냉각될 수 있다. 이를 위해서, 액밀(液密) 중공형 공간이 배터리 셀의 쉘 주위에 제공될 수 있다. 템퍼링 유체를 상기 중공형 공간을 통해서 펌핑함으로써, 배터리 셀의 전극(pole)에서 주로 생성되는 열이 쉘을 통해서 템퍼링 유체를 향해서 전달된다. 이러한 기술은 침잠 냉각으로 알려져 있다. 이러한 시스템의 단점은, 배터리 셀의 쉘 주위의 각 중공형 공간이, 일반적으로 배터리 셀의 쉘의 2개의 위치에서, 액밀 밀봉을 필요로 한다는 점이다.
보다 복잡한 시스템에서, 배터리 셀은 템퍼링 유체 내로 완전히 침잠된다. 이러한 설정은 많은 양의 템퍼링 유체를 필요로 하고, 시스템의 중량 및 비용 증가로 이어진다. 또한, 템퍼링 유체는, 배터리 셀의 쉘 뿐만 아니라 전극과도 접촉하기 때문에, 특정 특성을 나타내야 한다.
전술한 내용을 고려할 때, 배터리 셀의 효율적이고 균일한 템퍼링을 가능하게 하는 개선된 배터리 모듈 및 배터리 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
이는 독립 청구항의 특징에 의해서 달성된다. 종속 청구항은 유리한 실시형태를 설명한다.
본 발명은, 액밀 하우징 및 액밀 하우징 내에 배치된 복수의 배터리 셀을 포함하는, 배터리 모듈에 관한 것이다. 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀 및 액밀 하우징의 내부 표면과 열 접촉되게 액밀 하우징 내에 포함되는 제1 템퍼링 유체를 더 포함한다. 액밀 하우징은, 제2 템퍼링 유체가 액밀 하우징의 내부 표면과 외부 표면 사이에서 유동할 수 있도록 구성된다.
다시 말해서, 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀을 하우징 내에서 포함한다. 하우징은 액밀된다. 즉, 하우징에 포함된 제1 템퍼링 유체는 하우징의 외부로 흘러 나가지 않는다. 그러나, 액밀 하우징은, 예를 들어 전기 피드스루(feedthrough) 또는 신호 라인을 위한 개구부를 포함할 수 있다. 또한, 액밀 하우징은 개구부를 포함할 수 있고, 이러한 개구부를 통해서 액밀 하우징의 내측부가 제1 템퍼링 유체를 위한 채널, 튜브, 파이프 등에 연결된다. 그러나, 상기 개구부(피드스루 개구부, 유체 연결 개구부)는 주변 환경에 대해서 밀봉된다.
각 배터리 셀은 제1 템퍼링 유체와 열 접촉된다. 특히, 템퍼링 유체는, 특히, 각 배터리 셀의 전극 섹션을 덮을 수 있는데, 이는 열이 주로 전극 섹션에서 발생되기 때문이다. 또한, 제1 템퍼링 유체는 하우징의 내부 표면과 열 접촉된다. 예를 들어, 제1 템퍼링 유체는 하우징의 전체 내부 표면 또는 하우징의 전체 내부 표면의 일부와 접촉될 수 있다. 따라서, 배터리 셀에 의해서 생성된 열이 제1 템퍼링 유체를 통해서 하우징에 전달될 수 있다. 이는 예를 들어 전도 또는 대류를 통해서 실현될 수 있다. 하우징 내에서, 즉 하우징의 내부 표면과 외부 표면 사이에서, 제2 템퍼링 유체의 유동이 예를 들어 이차 템퍼링 시스템에 의해서 형성될 수 있다. 이를 위해서, 하우징은 제2 템퍼링 유체의 유동이 가능하도록 구성된다. 예를 들어, 하우징의 벽은 제2 템퍼링 유체의 유동을 위한 내부 중공형 공간을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 액밀 하우징의 벽 섹션은, 상기 벽 섹션 내에서 제2 템퍼링 유체가 유동할 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 제2 템퍼링 유체의 유동을 위해서 배치된 벽 섹션은 액밀 하우징 내의 제1 템퍼링 유체와 열 접촉하는 액밀 하우징(또는 그 일부)의 내부 표면에 상응할 수 있다.
상기 설정으로, 배터리 모듈의 액밀 하우징은 내부 일차 템퍼링 시스템, 예를 들어 하우징 내에 포함된 제1 템퍼링 유체와 외부 이차 템퍼링 시스템, 특히 하우징의 벽을 통해서 유동하는 제2 템퍼링 유체 사이의 열 교환기로서의 역할을 할 수 있다. 제2 템퍼링 유체가 배터리 셀과 접촉하지 않음에 따라, 상기 제2 템퍼링 유체의 특성과 관련된 요건이 낮아진다. 구체적으로, 제2 템퍼링 유체는 유전체일 필요가 없을 수 있다. 또한, 배터리 모듈은, 이차 템퍼링 시스템에 연결되는 통합 열 교환기를 갖는 독립적인 콤팩트한 유닛이다.
또한, 액밀 하우징의 이용에 의해서, 복수의 열적으로 독립적인 배터리 모듈들이 서로 전기적으로 연결되어 배터리 시스템을 형성할 수 있다. 복수의 열적으로 독립적인 배터리 모듈이 이차 템퍼링 시스템에 연결될 수 있다. 이는 복수의 배터리 모듈의 각각의 개별적인 온도 제어를 가능하게 할 수 있고, 그에 따라 상기 모듈들 사이의 온도차가 최소화될 수 있거나 (의도적으로) 유도될 수 있다.
또한 추가적으로, 각각의 템퍼링 유체와 관련하여 내부 일차 템퍼링 시스템을 이차 템퍼링 시스템으로부터 분리함으로써, 특정의 전기적 특성을 나타내지 않는 일반적인 제2 템퍼링 유체를 사용할 수 있다. 구체적으로, 제2 템퍼링 유체는 유전체일 필요가 없을 수 있는데, 이는 제2 템퍼링 유체가 배터리 셀, 특히 그 전극 섹션과 접촉하지 않기 때문이다.
실시형태에서, 배터리 모듈은, 액밀 하우징의 외부에 배치되고 액밀 하우징의 제1 유체 채널을 통해서 액밀 하우징의 내측부에 연결되는 펌프를 더 포함한다. 펌프는 제1 템퍼링 유체를 제1 유체 채널을 통해서 펌핑함으로써 액밀 하우징 내에서 제1 템퍼링 유체의 유동을 생성하도록 구성된다.
즉, 제1 템퍼링 유체의 유동이 펌프에 의해서 액밀 하우징 내에서 능동적으로 형성될 수 있다. 액밀 하우징의 제1 유체 채널은 액밀 하우징의 벽 내의 제2 템퍼링 유체의 유동으로부터 공간적으로 분리될 수 있다. 다시 말해서, 제1 템퍼링 유체 및 제2 템퍼링 유체가 서로 혼합되지 않는다. 내부 템퍼링 사이클(펌프, 제1 채널, 액밀 하우징의 내측부)은 이차 템퍼링 사이클(외부 템퍼링 시스템, 액밀 하우징의 벽 내의 제2 템퍼링 유체의 유동)로부터 공간적으로 분리된다.
액밀 하우징 내에서, 제1 템퍼링 유체의 유동은, 예를 들어, 하우징에 대한 배터리 셀의 배치에 의해서 형성될 수 있는 전용 채널에 의해서 안내될 수 있다. 즉, 제1 템퍼링 유체의 유동은, 전용 튜브 또는 파이프가 아니라, 배터리 셀의 특정 배치에 의해서 결정될 수 있다. 다시 말해서, 상기 채널은 전용의 물리적 도관, 파이프 또는 튜브에 의해서 형성되지 않고, 배터리 셀, 센서, 하우징 부분, 홀더, 와이어, 다른 전기 연결 수단, 및 기타와 같은 물리적인 고체 구성요소에 의해서 점유되지 않는 액밀 하우징 내의 공간의 구성에 의해서 형성될 수 있다.
이러한 설정으로, 배터리 모듈 내의 온도 균일성이 증가될 수 있고, 또한, 배터리 셀과 하우징 사이의 열 전달이 개선될 수 있다.
실시형태에서, 액밀 하우징, 펌프 및 제1 유체 채널은 제1 템퍼링 유체의 재료 폐쇄 시스템을 형성한다.
즉, 제1 템퍼링 유체는 액밀 하우징, 제1 유체 채널, 및 펌프의 내부 공간에 의해서 제공되는 공간 내에서 둘러싸인다. 다시 말해서, 내부 시스템(예를 들어, 액밀 하우징의 내측부, 제1 유체 채널, 및 펌프의 내측부)과 배터리 모듈의 외측부 사이의 재료(예를 들어, 제1 템퍼링 유체)의 교환이 방지되는 반면, 열 에너지, 즉 열의 교환은 이루어질 수 있다.
실시형태에서, 액밀 하우징은 제2 템퍼링 유체의 유동을 위한 제2 유체 채널을 포함한다.
즉, 액밀 하우징은 제2 유체 채널을 제공함으로써 액밀 하우징의 내부 표면과 액밀 하우징의 외부 표면 사이에서 제2 템퍼링 유체의 유동이 이루어지도록 구성될 수 있다. 다시 말해서, 제2 유동 채널은 액밀 하우징의 벽 내에 형성된다. 액밀 하우징은 또한 복수의 제2 유동 채널을 포함할 수 있다. 제2 유동 채널은 배터리 모듈의 내측부, 제1 유동 채널 또는 펌프와 유체 연결되지 않는다.
실시형태에서, 제2 유체 채널은 액밀 하우징의 내측부 내로 돌출된다.
즉, 제1 템퍼링 유체와 열 접촉되는 액밀 하우징의 내부 표면은 구조화된, 편평하지 않은 표면을 나타낸다. 예를 들어, 내부 표면은 물결 모양 또는 홈 모양 표면을 나타낼 수 있다. 내부 표면은 홈 및 융기부를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 유체 채널의 경로가 내부 표면의 각각의 융기부의 경로에 상응할 수 있거나 그와 일치될 수 있다. 예를 들어, 융기부 및 제2 유동 채널은, 제2 유동 채널이 각각의 융기부 내에 위치되도록 배치될 수 있다. 제1 템퍼링 유체와 열 접촉되는 영역이 증가된 편평하지 않은 표면을 나타내는 내부 표면이 특히 유리할 수 있다. 그에 따라, 채널의 벽을 통한 제1 템퍼링 유체와 제2 템퍼링 유체 사이의 열 전달 속도가 개선되어, 더 높은 냉각/가열 효율로 이어진다.
예를 들어, 제2 유체 채널은 원형 횡단면을 갖는다.
제2 유체 채널의 횡단면은 타원형, 직사각형 등일 수 있다. 또한, 제2 유체 채널은 원형 횡단면을 갖는 부분 및 다른 횡단면을 갖는 부분을 나타낼 수 있다.
실시형태에서, 제2 유체 채널은 배터리 모듈의 주 축의 방향으로 연장된다.
배터리 모듈의 주 축은 하우징에 대해서 미리 결정된 방향으로 연장되는 축일 수 있다. 예를 들어, 주 축은 배터리 모듈의 기본 축일 수 있다. 예를 들어, 주 축은 배터리 모듈 또는 액밀 하우징의 최대 또는 최소의 물리적 크기의 방향에 상응하는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 주 축은 가장 높은 차수 또는 가장 낮은 차수의 배터리 모듈 또는 액밀 하우징의 (구분된) 회전 대칭 축의 방향에 상응하는 방향으로 연장될 수 있다. 액밀 하우징이 질량-제거 상자 형상인 경우, 배터리 모듈의 주 축은 (개념적인) 외곽 상자의 측면 표면에 직각인 방향으로 연장될 수 있다.
양태에 따라, 액밀 하우징은 프로파일 하우징, 제1 단부 판, 및 제2 단부 판을 포함한다. 프로파일 하우징은, 배터리 모듈의 주 축을 따라서 서로 대향되게 위치되는 2개의 개방 단부 측면을 갖는다. 제1 단부 판 및 제2 단부 판은 2개의 개방 단부 측면에서 프로파일 하우징을 액밀 방식으로 폐쇄한다.
프로파일 하우징은, 직사각형 또는 실질적으로 직사각형인 횡단면을 갖도록 배치된 서로 대향되는 2개의 개방 측면 및 4개의 벽을 갖는 상자 형상 또는 실질적으로 상자 형상인, 하우징 부분일 수 있다. 배터리 모듈의 주 축은 프로파일 하우징의 제1 개방 측면으로부터 제2 개방 측면으로의 방향으로 연장될 수 있다. 프로파일 하우징은 하나 이상의 측면 부분의 외부 및/또는 내부 표면에서 홈 및/또는 융기부를 포함할 수 있다. 홈은 배터리 모듈의 주 축의 방향으로 연장될 수 있다. 제1 및 제2 단부 판이 프로파일 하우징에 부착되어, 프로파일 하우징의 개방 측면을 액밀 방식으로 폐쇄한다. 그에 따라, 배터리 모듈의 내측부는 접촉 지점 또는 영역에서 제1 템퍼링 유체가 누출되지 않도록 밀봉된다.
실시형태에서, 배터리 모듈은 제1 단부 판과 프로파일 하우징 사이에서 원주방향으로 배치된 제1 밀봉부, 및 제2 단부 판과 프로파일 하우징 사이에서 원주방향으로 배치된 제2 밀봉부를 포함한다.
즉, 제1 및 제2 단부 판은 프로파일 하우징에 부착될 수 있고, 단부 판과 프로파일 하우징 사이의 접촉 영역에서, 밀봉부가 제공된다. 밀봉부는 실질적으로 프로파일 하우징의 횡단면을 따라 원주방향으로 연장된다.
예를 들어, 제1 밀봉부 및 제2 밀봉부는 편평한 밀봉부이다.
실시형태에서, 제1 밀봉부 및 제2 밀봉부의 각각은 배터리 모듈의 주 축에 직각인 평면 내에 배치된다.
실시형태에서, 프로파일 하우징은 이중-벽 프로파일 하우징로서 구성되고, 제2 유체 채널이 일체로 형성된다.
다시 말해서, 프로파일 하우징은, 제2 유체 채널이 사이에 일체로 형성되도록 하는 외부 벽 및 내부 벽 부분을 포함한다.
실시형태에서, 프로파일 하우징은 열 전도도가 50 W/(m·K) 이상인 재료로 제조된다.
열 전도도50 W/(m·K) 초과이면 액밀 하우징을 통한 제1 템퍼링 유체와 제2 템퍼링 유체 사이의 열 전달이 개선될 수 있다. 프로파일 하우징은 바람직하게는 100 W/(m·K) 이상, 더 바람직하게는 150 W/(m·K) 이상, 더 바람직하게는 200 W/(m·K) 이상, 더 바람직하게는 300 W/(m·K) 이상, 더 바람직하게는 400 W/(m·K) 이상의 열 전도도를 갖는 재료로 제조된다.
예를 들어, 프로파일 하우징은 알루미늄으로 제조된다. 프로파일 하우징은 금, 은, 티타늄, 강, 구리 등과 같은 다른 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 프로파일 하우징은 금속으로 제조될 수 있다.
실시형태에서, 제1 단부 판 및/또는 제2 단부 판은 합성 재료로 제조된다.
예를 들어, 제1 단부 판 및/또는 제2 단부 판은 플라스틱 또는 유리-섬유 보강 플라스틱으로 제조된다. 예를 들어, 제1 단부 판 및/또는 제2 단부 판은 아크릴니트릴-부타디엔-스티롤-공중합체(ABS), 나일론 12(폴리아미드 12, PA 12) 등과 같은 다른 재료로 제조될 수 있다.
실시형태에서, 액밀 하우징에는 가스가 부분적으로 충전된다.
다시 말해서, 액밀 하우징은 (배터리 셀, 연결 수단, 및 기타와 같은 포함된 물리적 고체 구성요소를 제외하고) 제1 템퍼링 유체로 전체가 충전되지 않을 수 있고, 특정 양의 가스를 포함할 수도 있다. 이는, 액밀 하우징 내의 압력의 큰 범위의 증가/감소가 없이, 예를 들어 온도 변화로 인해서, 제1 템퍼링 유체의 부피가 변화될 수 있게 한다.
예를 들어, 액밀 하우징은 공기, 질소, 또는 희가스(예를 들어, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논) 같은 불활성 가스로 부분적으로 충전될 수 있다.
예를 들어, 가스가 충전되는 액밀 하우징의 부피 백분율은 5% 이하이다.
예를 들어, 부피 백분율은 10% 이하, 5% 이하, 4% 이하, 3% 이하 또는 1% 이하일 수 있다. 예를 들어, 부피 백분율은 미리 결정된 %(예를 들어 0.1%, 0,2%, 1% 등) 또는 그 초과일 수 있다. 예를 들어, 부피 백분율은 0.1% 내지 1%, 1% 내지 2%, 2% 내지 3%, 3% 내지 4%, 4% 내지 5% 등일 수 있다. 상기 부피 백분율은 미리 결정된 온도, 예를 들어 298.15 K(25)에서 액밀 하우징의 내측부의 총 부피에 대한 부피 백분율과 관련될 수 있다.
예를 들어, 미리 결정된 온도에서 가스의 부피와 제1 템퍼링 유체의 비율은 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10% 또는 15 % 등이거나 그 미만일 수 있다. 미리 결정된 온도에서 가스의 부피와 제1 템퍼링 유체의 비율은 미리 결정된 백분율(예를 들어, 0.1%, 0.2%, 1% 등) 초과일 수 있다.
실시형태에서, 액밀 하우징은 압밀적이다(pressure tight).
즉, 액밀 하우징은 가스가 액밀 하우징에 진입하거나 그로부터 빠져나가는 것을 방지하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 액밀 하우징은 적어도 1 bar의 양의 압력까지 압밀적이다.
예를 들어, 액밀 하우징은 적어도 1 bar의 음의 압력까지 압밀적이다.
양의 압력은 액밀 하우징의 외측부와 액밀 하우징의 내측부 사이의 압력차이고, 액밀 하우징의 외부의 압력은 액밀 하우징 내의 압력보다 낮다. 음의 압력은 액밀 하우징의 내측부와 액밀 하우징의 외측부 사이의 압력차이고, 액밀 하우징의 외부의 압력은 액밀 하우징 내의 압력보다 높다. 1 bar는 105 Pa이고, 그에 따라 대략적으로 공칭 대기압에 상응한다.
예를 들어, 액밀 하우징은 미리 결정된 문턱값과 동일하거나 그 미만인 누출 속도를 나타낸다. 예를 들어, 액밀 하우징은 10-2 mbar·l/s, 10-3 mbar·l/s, 10-4 mbar·l/s, 10-5 mbar·l/s 또는 10-6 mbar·l/s 이하의 누출 속도를 나타낼 수 있다.
실시형태에서, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 유지하도록 구성된 하프 쉘 형상의 부분들을 포함하는 복수의 셀 홀더를 더 포함한다. 복수의 배터리 셀의 측방향 표면은 하프 쉘 형상 부분에 의해서 덮인다.
즉, 배터리 셀은 배터리 모듈의 셀 홀더에 의해서 유지되고, 배터리 셀의 측방향 표면은 전체적으로 또는 큰 범위까지(예를 들어, 95% 초과, 90% 초과) 덮인다. 측면에 위치되는 외부 쉘 그리고 상단 및 하단 기부에 위치되는 2개의 전극을 갖는 원통형 형상의 배터리 셀의 경우에, 셀 홀더의 하프 쉘 형상 부분은 실질적으로 반원형 형상의 횡단면을 갖는다. 배터리 모듈은 그러한 것으로 제한되지 않고, 하프 쉘 형상 부분은 배터리 셀의 형상에 상응하는 횡단면을 가질 수 있다. 즉, 예를 들어, 비-원통형 형상의 배터리 셀의 경우에, 하프 쉘 형상 부분은 비-원형일 수 있고, 배터리 셀의 형상에 상응할 수 있다. 또한, 배터리 셀과 접촉되는 하프 쉘 형상 부분의 내부 표면의 형상은 배터리 셀의 형상에 상응할 수 있는 반면, 하프 쉘 형상 부분의 외부 표면의 형상은 배터리의 형상과 다를 수 있다. 각 배터리 셀은, 형상 결합 접촉되는(positive contact) 2개의 하프 쉘 형상 부분들 사이에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 각각의 하프 쉘 형상 부분의 두께는 미리 결정된 문턱값을 초과할 수 있다.
이러한 설정으로, 제1 템퍼링 유체는 바람직하게는, 열이 주로 생성되는, 배터리 셀의 전극을 따라서 우선적으로 지향될 수 있다. 또한, 특정 두께를 갖는 셀 홀더를 제공함으로써, 제1 템퍼링 유체의 공간의 부피가 감소된다. 그에 따라, 배터리 모듈의 중량이 감소될 수 있다. 또한, 배터리 셀로부터 제1 템퍼링 유체 및 액밀 하우징을 통한 제2 템퍼링 유체로의 열 전달이 개선될 수 있다.
실시형태에서, 각 배터리 셀은 하나 이상의 다른 배터리 셀과 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결되어 배터리 스택(battery stack)을 형성한다.
다시 말해서, 복수의 배터리 셀이 배터리 셀의 하위-세트를 포함할 수 있고, 각각의 하위-세트의 배터리 셀들이 서로 병렬로 연결된다. 또한, 배터리 셀의 하위-세트들이 직렬로 서로 연결된다. 그에 따라, 배터리 스택이 형성되고, 배터리 스택에 의해서 제공되는 전체 전압은 직렬로 연결된 하위-세트의 수 및 사용되는 배터리 셀의 유형에 의해서 결정된다.
실시형태에서, 배터리 모듈은 배터리 스택에 연결된 전기 피드스루를 포함한다.
전기 피드스루는 액밀 하우징을 통한 배터리 스택과의 전기 연결을 제공할 수 있다. 배터리 모듈은 2개의 전기 피드스루를 배터리 모듈의 양의 단자 및 음의 단자로서 포함할 수 있다.
다른 양태에 따라, 본 발명은 배터리 시스템에 관한 것이다. 배터리 시스템은 전술한 양태 중 어느 하나에 따른 배터리 모듈 및 그 변형예 그리고 이차 템퍼링 시스템을 포함한다. 이차 템퍼링 시스템은 배터리 모듈의 액밀 하우징에 연결되고, 제2 템퍼링 유체의 유동을 형성하도록 구성된다.
다시 말해서, 배터리 시스템은 배터리 모듈을 포함하고, 배터리 모듈은 배터리 셀 및 액밀 하우징의 내부 표면과 열적으로 접촉되는 일차 템퍼링 시스템, 예를 들어 제1 템퍼링 유체, 및 이차 템퍼링 시스템을 포함한다. 액밀 하우징은 제1 템퍼링 유체와 제2 템퍼링 유체 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환기로서 작용한다. 구체적으로, 열은 배터리 셀로부터 제1 템퍼링 유체로 그리고 액밀 하우징을 통해서 제2 템퍼링 유체로 전달될 수 있다. 이어서, 제2 템퍼링 유체에 의해서 흡수된 열은, 이차 템퍼링 유체와 (주변 공기일 수 있는) 열 저장소 사이에서 열을 교환하기 위한 제2 열 교환기일 수 있는, 이차 템퍼링 시스템의 전용 열 소산 수단에 의해서 소산될 수 있다. 마찬가지로, 이차 템퍼링 시스템의 전용 가열 수단에 의해서 제2 템퍼링 유체를 가열함으로써, 열이 배터리 모듈 내로 전달될 수 있다.
실시형태에서, 제1 템퍼링 유체는 제2 템퍼링 유체와 상이하다.
예를 들어, 제1 템퍼링 유체는 전기 절연 템퍼링 유체일 수 있다. 제2 템퍼링 유체는 전기 절연을 반드시 필요로 하지 않는데, 이는 제2 템퍼링 유체가 배터리 모듈의 액밀 하우징 내의 전극 및/또는 전기 연결 수단과 접촉하지 않기 때문이다. 예를 들어, 제2 템퍼링 유체는 물 및 글리콜의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 배터리 시스템은, 하우징의 내부 표면과 외부 표면 사이의 제2 템퍼링 유체의 유동을 가능하게 함으로써 이차 템퍼링 시스템과 열적으로 커플링될 수 있는 내부 템퍼링 시스템에 의해서, 개선된 온도 제어 능력, 배터리 모듈 내의 배터리 셀의 균일한 냉각, 배터리 모듈의 중량 감소 및/또는 개선된 시스템 유연성을 제공한다.
본 발명의 추가적인 이점 및 장점이 실시형태의 상세한 설명 및 도면을 통해 명확해질 것이다.
도 1은 배터리 모듈의 외부도이다.
도 2는 배터리 모듈의 외부도이다.
도 3은, 커버가 도시되지 않은, 배터리 모듈의 외부도이다.
도 4는 배터리 모듈의 프로파일 하우징의 도면이다.
도 5는 배터리 모듈 내의 배터리 셀의 기본적인 배치에 관한 절취도이다.
도 6은 프로파일 하우징 내의 배터리 셀의 배치에 관한 횡단면도이다.
도 7은 배터리 모듈 내의 제1 템퍼링 유체의 유동을 도시한다.
도 8은 배터리 모듈의 하우징 내의 제2 템퍼링 유체의 유동을 도시한다.
도 9 내지 도 12는, 상이한 방향들로부터 본, 복수의 배터리 셀의 예시적인 전기 연결을 도시한다.
도 13 및 도 14는 셀 홀더에 의해서 유지되는 전기적으로 연결된 배터리 셀들을 도시한다.
도 15 및 도 16은 각각의 셀 홀더로 병렬 연결된 배터리 셀의 2개의 세트를 도시한다.
도 17 및 도 18은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 스택을 도시한다.
도 19 및 도 20은 배터리 스택의 개요도이다.
도 21은 배터리 스택 내의 배터리 셀의 전기 연결의 개략도이다.
도 22 및 도 23은 배터리 모듈의 외부 외관의 도면이다.
이하에서, 도면을 참조하여 바람직한 실시형태에 대해 구체적으로 설명할 것이다.
도 1 및 도 2는, 상이한 방향들에서 바라본 경우의 배터리 모듈(100)의 외부 도이다. 배터리 모듈은 액밀 하우징(110)을 포함하고, 이러한 액밀 하우징 자체는 제1 단부 판(114), 프로파일 하우징(113), 및 제2 단부 판(116)을 포함한다. 또한, 배터리 모듈(100)은 펌프 커버(115), 2개의 전기 피드스루(117a, 117b), 및 이차 템퍼링 시스템의 연결을 위한 4개의 포트(118a 내지 118d)를 포함한다.
액밀 하우징(110)은 실질적으로 직사각형 입방체의 형상을 가지고, 여기에서 서로 대향되는 2개의 측면들은 제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)에 의해서 형성되고 나머지 4개의 측면들은 프로파일 하우징(113)에 의해서 형성된다. 펌프 커버(115)는 제1 단부 판(114)의 외측 표면 상에 배치되고 제1 단부 판(114)의 외부 표면에 부착된 펌프(130)를 덮는다. 제1 단부 판(114)과 프로파일 하우징(113) 사이뿐만 아니라, 제2 단부 판(116)과 프로파일 하우징(113) 사이에서, 편평한 밀봉부가 제공되어 하우징(110)을 액밀 방식으로 폐쇄한다. 편평한 밀봉부는 프로파일 하우징(113)의 개방 단부 측면들을 원주방향으로 둘러싼다.
액밀 하우징(110)은, 서로 연결되어 배터리 스택을 형성하는 복수의 배터리 셀(cell)(120)을 수용한다. 이에 관한 상세 내용을 이하에서 더 설명한다. 또한, 제1 템퍼링 유체가 액밀 하우징(110) 내에 포함된다. 제1 템퍼링 유체는, 바람직하게는 큰 열 전도도를 갖는 유전성 유체이다.
프로파일 하우징(113)은, 서로 대향되는 2개의 개방 측면들을 갖는 실질적으로 박스 형상이다. 프로파일 하우징(113)은 알루미늄으로 제조되고, 그에 따라 큰 열 전도도를 나타낸다. 그러나, 하우징의 재료는 알루미늄으로 제한되지 않고, 열 전도도가 50 W/(K·m) 이상, 바람직하게는 100 W/(K·m) 이상, 더 바람직하게는 150 W/(K·m) 이상, 보다 더 바람직하게는 200 W/(K·m) 이상인 다른 재료로 제조될 수 있다.
프로파일 하우징(113)은 2개의 대향되는 외부 측면들 상에서 홈 및/또는 융기부를 포함한다. 그러나, 프로파일 하우징(113)은 2개의 대향 측면들 상에서 홈 및/또는 융기부를 갖는 것으로 제한되지 않는다. 프로파일 하우징(113)은 하나의 측면에서만, 2개의 측면에서, 3개의 측면에서, 또는 4개의 측면 모두에서 홈 및/또는 융기부를 가질 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 모듈(100)에서, 홈 및/또는 융기부는 배터리 모듈(100)의 주 축(y축)의 방향으로 연장된다. 주 축의 방향은 프로파일 하우징(113)의 최대 물리적 크기의 방향을 따라서 연장된다.
프로파일 하우징(113)은, 제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)을 액밀 방식으로 장착하기 위한 나사산 홀을 전방 측면 및 후방 측면에서 더 포함한다.
제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)은 실질적으로 편평한 직사각형 형상이다. 제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)의 실질적으로 직사각형인 형상은 프로파일 하우징(113)의 횡단면의 형상에 상응한다. 제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)은 프로파일 하우징(113)의 나사산 홀의 위치에 상응하는 위치에서 나사 홀을 포함한다.
제1 단부 판(114)은, 제1 단부 판(114)의 나사 홀 및 프로파일 하우징(113)의 상응하는 나사산 홀 내로 삽입되는 복수의 나사에 의해서, 프로파일 하우징(113)의 개방 단부 측면 중 하나에 장착된다. 제2 단부 판(116)은, 제2 단부 판(116)의 나사 홀 및 프로파일 하우징(113)의 상응하는 나사산 홀 내로 삽입되는 복수의 나사에 의해서, 프로파일 하우징(113)의 개방 단부 측면 중 다른 하나에 장착된다. 프로파일 하우징(113)에 대한 단부 판(114, 116)의 부착은 나사 그리고 상응 나사 홀 및 나사산 홀을 이용한 실현으로 제한되지 않고, 예를 들어 볼트 및 너트와 같은 다른 부착 수단을 이용하여 실현될 수 있다.
전기 피드스루(117a, 117b)는 액밀 하우징(110)의 내측부 내에 포함된 배터리 셀(120)에 연결된다. 구체적으로, 전기 피드스루(117a, 117b) 중 하나는 배터리 모듈(100) 내의 복수의 배터리 셀(120)에 의해서 형성된 배터리 스택의 플러스 전극에 연결된다. 전기 피드스루(117a, 117b)의 다른 하나는 배터리 모듈(100) 내의 배터리 스택의 마이너스 전극에 연결된다. 즉, 전기 피드스루(117a, 117b)를 통해서 외부로부터 배터리 모듈(100)의 전압에 접근할 수 있다. 배터리 셀(120)에 대한 전기 연결을 제공하는 전기 피드스루(117a, 117b)는 제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116) 내의 각각의 밀봉된 홀 내에 배치된다. 그러나, 전기 피드스루(117a, 117b)는 또한 프로파일 하우징(113) 내에 제공될 수 있다.
제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)의 각각에서, 이차 템퍼링 시스템과의 연결을 위한 2개의 포트(118a 내지 118d)가 제공된다. 이차 템퍼링 시스템에 관한 상세 내용을 이하에서 더 제공한다.
도 3은, 펌프 커버(115)가 도시되지 않은, 배터리 모듈(100)의 외부도이다. 배터리 모듈(100)은 제1 단부 판(114)의 외부 표면에 부착된 펌프(130)를 포함한다. 펌프(130)는, 제1 유체 채널(111)을 통해서 액밀 하우징(110)의 내측부에 연결되는 마이크로펌프일 수 있다. 펌프(130)는 제1 템퍼링 유체를 제1 유체 채널(111)을 통해서 펌핑하도록 구성된다. 그에 따라, 제1 템퍼링 유체의 유동이 액밀 하우징(110) 내에서 형성된다.
도 4는 프로파일 하우징(113)의 도면이다. 프로파일 하우징(113)은, 프로파일 하우징(113)의 내부 표면과 외부 표면 사이에서 프로파일 하우징(113)과 일체로 형성되는 복수의 제2 유체 채널(112)을 포함한다. 제2 유체 채널(112)은 원형 횡단면을 가지고 프로파일 하우징(113)의 내측부 내로 돌출된다. 그에 따라, 프로파일 하우징(113) 내의 제1 템퍼링 유체와 접촉하는 면적이 증가되고, 이는 복수의 제2 유체 채널(112) 내의 제1 템퍼링 유체와 제2 템퍼링 유체 사이의 열 전달 속도의 개선으로 이어진다. 제2 템퍼링 유체가 배터리 셀(120)과 접촉하지 않음에 따라, 제2 템퍼링 유체는 유전적일 필요가 없고, 예를 들어, 물 및 글리콜의 혼합물과 같은 일반적인 템퍼링 유체일 수 있다.
도 4에 도시된 프로파일 하우징(113)이, 2개의 대향 측면들 상에 위치되고 배터리 모듈(100)의 주 축(y)의 방향으로 연장되는 9개의 직선형 제2 유체 채널(112)을 포함하지만, 프로파일 하우징(113)은 이러한 것으로 제한되지 않는다. 특히, 프로파일 하우징(113)은 상이한 수의 제2 유체 채널(112)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 유체 채널(112)은 프로파일 하우징(113)의 1개의, 2개의, 3개의, 4개의 측면에 제공될 수 있다. 또한, 제2 유체 채널은 곡선형이거나 구불구불할 수 있다. 또한, 횡단면은 타원형, 직사각형 등일 수 있다.
도 5는 배터리 모듈(100) 내의 배터리 셀(120)의 기본적인 배치에 관한 절취도이다. 배터리 모듈(100)은 액밀 하우징(110) 내에서 복수의 배터리 셀(120)을 포함한다. 배터리 셀(120)은 리튬-이온, 니켈 카드뮴, 니켈 금속 수소화물, 납산, 중합체계 유형 또는 임의의 다른 유형일 수 있다. 배터리 셀(120)은 원통형 형상을 가지고, 그 전극들은 그 대향 원형 측면들에 배치된다. 원형 측면들이 배터리 모듈(100)의 주 축(y)에 직각이 되도록, 배터리 셀(120)이 배치된다. 배터리 셀(120)은, y 축을 따라서 볼 때, 서로에 대해서 육각형으로 배치된다.
도 6은 프로파일 하우징(113) 내의 배터리 셀(120)의 배치에 관한 횡단면도이다. 이러한 도면에서, 배터리 셀(120) 및 제2 유체 채널(112)은 단지 예시적으로 도시되어 있다. 배터리 셀(120)은 조밀한 육각형 배치로 배치되고, 제2 유체 채널(112)을 포함하는 프로파일 하우징(113)의 2개의 대향되는 측면 표면들에 인접한 배터리 셀들(120) 사이의 거리는, 인접한 배터리 셀들(120) 사이의 거리 및 배터리 셀(120)과 프로파일 하우징(113)의 2개의 다른 측면의 내부 표면 사이의 거리보다 멀다. 이러한 배치로, 배터리 셀(120)에 의해서 점유되지 않은 공간(119)이 배터리 모듈(100)의 대향 측면들 상에 형성되어, 액밀 하우징(110)을 통한 제1 템퍼링 유체의 유동을 안내한다. 그러나, 배터리 셀(120)의 배치는 육각형 배치로 제한되지 않고, 그와 다를 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀은 직사각형 또는 정사각형 배치에 따라 배치될 수 있다.
제1 단부 판(114)의 제1 유체 채널(111)은, 공간(119)의 위치에 상응하는 위치에서, 펌프(130)를 배터리 모듈(100)의 내측부에 연결한다. 이러한 배치에서, 제1 템퍼링 유체의 유동은 펌프(130)에 의해서 병렬 방식으로 x방향으로 배터리 셀들(120)의 주위에 형성된다.
도 7은 제1 템퍼링 유체의 상기 유동을 굵은 화살표로 도시한다. 제1 템퍼링 유체는 펌프(130)에 의해서 제1 유체 채널(111)을 통해서, 공간(190)의 위치에 상응하는 위치에서, 액밀 하우징(110)의 내측부 내로 펌핑된다. 공간(190)은, 그 비교적 큰 횡단면으로 인해서, y방향으로 비교적 작은 유동 저항을 나타내고, 그에 따라 제1 템퍼링 유체는 x방향으로 병렬 방식으로 배터리 셀들(120)의 주위에서 유동한다. 그 후에, 제1 템퍼링 유체는 대향 측면에서 다른 공간(190)에 진입하고, 제1 유체 채널(111)을 통해서 펌프(130)에 다시 진입한다.
제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)은, 프로파일 하우징(113)의 제2 유체 채널(112)을 포트(118)와 연결하는 제2 유체 채널을 포함한다. 즉, 프로파일 하우징(113)의 측면 상의 제2 유체 채널(112)은 단부 판(114, 116)의 제2 유체 채널 내에 합병되고 이차 템퍼링 시스템과의 연결을 위한 조인트 포트(118)로 이어진다.
도 8은 이차 템퍼링 시스템의 제2 템퍼링 유체의 상기 유동을 굵은 화살표로 도시한다. 제2 템퍼링 유체는 포트(118), 단부 판의 제2 유체 채널, 프로파일 하우징(113)의 제2 유체 채널(112), 다른 단부 판의 제2 유체 채널, 및 배터리 모듈(100)의 다른 포트(118)를 통해서 펌핑된다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 공간(119) 내의 제1 템퍼링 유체의 유동은 프로파일 하우징(113)의 제2 유체 채널(112) 내의 제2 템퍼링 유체의 유동에 반대되는 방향으로 지향된다. 그에 따라, 제1 템퍼링 유체와 제2 템퍼링 유체 사이의 열적 커플링이 최적화된다.
즉, 액밀 하우징(110)은 (펌프(130) 및 제1 유체 채널(111)을 포함하는) 액밀 하우징(110) 내에서 밀봉된 제1 템퍼링 유체와 이차 템퍼링 시스템의 제2 템퍼링 유체 사이의 열 교환기로서 작용한다.
도 9 내지 도 12는, 상이한 방향들에서 바라본 경우의, 복수의 배터리 셀(120)의 예시적인 전기 연결을 도시한다. 이러한 도면은 2개의 전기 연결 바아(electrical connection bar)(121)에 의해서 병렬 방식으로 서로 연결된 8개의 배터리 셀(120)을 도시한다. 상기 전기 연결 바아(121)는 예를 들어 금속으로 제조된다. 제1 연결 바아(121)가 배터리 셀들(120)의 플러스 전극들을 서로 연결한다. 제2 연결 바아(121)가 배터리 셀들(120)의 마이너스 전극들을 서로 연결한다.
연결 바아(121)는 배터리 셀(120)의 플러스 또는 마이너스 적극에 용접될 수 있다. 예를 들어, 각각의 연결 바아(121)는 배터리 셀(120)의 플러스 전극 및 마이너스 전극 중 어느 하나에 레이저-용접될 수 있다. 연결 바아(121)는 전압 센서(미도시)와 같은 특정 장치와 연결하기 위한 단자 부분(122)을 포함한다. 당연히, 8개보다 많거나 적은 수의 배터리 셀들(120)이 병렬로 서로 연결될 수 있다. 또한, 전기 연결 수단은 바아(121)로 제한되지 않고, 시트 등일 수 있다.
도 13 및 도 14는, 셀 홀더(140)에 의해서 유지되는, 도 9 내지 도 12의 전기적으로 연결된 배터리 셀들(120)을 도시한다. 셀 홀더(140)는 복수의 배터리 셀(120)을 각각 유지하기 위한 복수의 하프 쉘shell) 형상 부분(141)을 포함한다. 구체적으로, 배터리 셀(120)은 그 측방향 표면에서 유지되고, 전극 섹션들은 덮이지 않는다. 셀 홀더(140)는 유리-섬유 보강 플라스틱과 같은 합성 재료와 같은 비-전도성 재료로 제조될 수 있다. 셀 홀더(140)는 액밀 하우징(110) 및/또는 다른 셀 홀더(140)와의 연결을 위해서 나사 홀과 같은 장착 부분을 포함할 수 있다.
배터리 셀(120)의 전체 측방향 표면 또는 실질적으로 전체의 측방향 표면은 2개의 셀 홀더(140)의 하프 쉘 형상 부분(141)에 의해서 덮인다. 도면에서, 하나의 셀 홀더(140) 만이 예시를 위해서 도시되어 있다. 그러나, 배터리 셀(120)의 측방향 표면은 도시된 하부 셀 홀더(140), 및 도시되지 않은 상부 셀 홀더에 의해서 덮인다. 하부 셀 홀더(140) 및 상부 셀 홀더의 하프 쉘 형상 부분은 형상 결합 피팅(positive fit)으로 배터리 셀(120)의 측방향 표면을 덮는다. 셀 홀더(140)는 액밀 하우징(110) 내에서 제1 템퍼링 유체에 의해서 점유되는 부피를 줄이도록 구성된다. 예를 들어, 셀 홀더는 미리 결정된 문턱값을 초과하는 두께를 나타낼 수 있다.
도 15 및 도 16은, 서로 직렬로 연결되는, 각각의 쉘 홀더(140)로 병렬 연결된 배터리 셀(120)의 2개의 세트를 도시한다.
도 17 및 도 18은, y축을 따라 반대되는 방향들로부터 본, 복수의 배터리 셀(120)을 포함하는 배터리 스택을 도시한다. 도 19 및 도 20은 배터리 스택의 개요도이다. 배터리 셀들(120)은 연결 시트들(123a 내지 123d)에 의해서 프로파일 하우징(113)의 개방 단부 측면들에 상응하는 전방 측면 및 후방 측면에서 서로 연결된다.
구체적으로, 제1 단부 판(114)의 위치에 상응하는 측면에서, 도 17에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(120)의 3개의 상부 행(row)의 플러스 전극들이 제1 연결 시트(123a)에 의해서 서로 연결된다. 제1 연결 시트(123a)는 제1 전기 피드스루(feedthrough)(117) 및 배터리 셀(120)의 3개의 하부 행의 플러스 전극들이 제2 연결 시트(123b)에 의해서 서로 연결된다.
제2 단부 판(116)의 위치에 상응하는 측면에서, 도 18에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(120)의 3개의 상부 행의 마이너스 전극들 및 배터리 셀(120)의 3개의 내부 행의 플러스 전극들이 제3 연결 시트(123c)에 의해서 서로 연결된다. 또한, 배터리 셀(120)의 3개의 하부 행의 마이너스 전극들이 제4 연결 시트(123d)에 의해서 서로 연결된다. 제4 연결 시트(123d)는 제2 전기 피드스루(117b)에 연결된다.
배터리 모듈(100) 그리고 특히 배터리 스택은 설명된 설정으로 제한되지 않는다. 특히, 배터리 셀(120)은, 배터리 셀(120)의 유형, 총 전압, 및 달성하고자 하는 성능에 따라, 다른 방식으로 배치될 수 있다.
앞서 더 설명된 바와 같이, 각 배터리 셀(120)은 배터리 셀(120)의 위와 아래에 위치된 각각의 셀 홀더(140)의 2개의 하프 쉘 형상 부분(141)에 의해서 유지된다.
도 21은 배터리 스택 내의 배터리 셀(120)의 전기 연결의 개략도이다. 명료함 그리고 이해를 위해서, 배터리 스택은 배터리 셀(120)의 6개의 층을 포함하는 것으로 도시되어 있고, 각각의 층은 병렬 또는 직렬로 서로 연결된 9개의 배터리 셀(120)을 포함한다. 층들은 4개의 연결 시트(123a 내지 123d)에 의해서 서로 연결된다. 전체 배터리 스택의 전압은 2개의 전기 피드스루들(117a 및 117b) 사이에서 제공된다. 도면은 배터리 스택의 연결 원리를 단순화하여 도시한 것이고, 그에 따라 배터리 모듈(100)은 예시된 배터리 셀(120), 행, 및 층의 수로 제한되지 않는다.
도 22 및 도 23은 배터리 모듈(100)의 외부 외관의 도면이고, 여기에서 제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116)뿐만 아니라 펌프 커버(115)를 도시하지 않았다.
배터리 모듈(100)의 충전 중에 또는 배터리 모듈이 고전류를 제공하는 경우, 열이 배터리 모듈(100) 내에서, 주로 배터리 셀 전극의 위치에서 생성된다. 상기 열은 제1 템퍼링 유체에 전달되고, 이는 제1 템퍼링 유체의 부피의 변화로 이어질 수 있다. 액밀 하우징(110)의 전체가 제1 템퍼링 유체로 충전될 때, 액밀 하우징(110) 내의 압력이 증가될 수 있다. 따라서, 액밀 하우징(110)은 압밀적(pressure-tight)이 되도록 구성된다. 예를 들어, 액밀 하우징은 1 bar, 1.5 bar, 2 bar 등의 양의 압력까지 압밀적일 수 있다. 마찬가지로, 제1 템퍼링 유체의 온도가 감소되는 경우, 액밀 하우징(110) 내의 압력이 감소될 수 있다. 따라서, 액밀 하우징은 적어도 1 bar의 음의 압력까지 압밀적이 되도록 구성된다. 이는, 예를 들어, 적절한 밀봉부를 가지고 충분한 수의 나사를 이용하여 서로 압밀적으로 연결된, 프로파일 하우징(113), 충분한 두께의 제1 및 제2 단부 판(114, 116)을 이용함으로서 달성될 수 있다.
액밀 하우징(110) 내의 과다한 압력 증가/감소가 없이 제1 템퍼링 유체의 부피가 변화될 수 있도록 하기 위해서, 액밀 하우징(110)은 가스로 부분적으로 충전될 수 있다. 예를 들어, 가스는 1%, 2%, 3%, 4%, 5% 등까지의 액밀 하우징의 내측부의 부피 백분율을 점유할 수 있다. 상기 전압 백분율은 상기 값들 중 임의의 2개의 값들 사이의 범위일 수 있다. 부피 백분율은 미리 결정된 값(예를 들어 0.1%, 0.2%, 1% 등) 초과일 수 있다. 부피 백분율은 주어진 온도, 예를 들어 298.15 K(25)에서 액밀 하우징(110)의 내측부의 총 부피에 대한 부피 백분율을 지칭할 수 있다. 액밀 하우징(110) 내에 포함된 가스가 예를 들어 공기일 수 있지만, 이러한 것으로 제한되지는 않는다.
배터리 모듈(100)은, 전술한 구성요소에 더하여, 배터리 셀(120), 셀 홀더(140), 액밀 하우징(110)의 내부 표면 등에 부착된 하나 이상의 온도 센서, 및 온도 센서 신호를 배터리 모듈(100)의 외측으로 제공하기 위한 각각의 온도 감지 라인을 포함할 수 있다. 배터리 모듈(100)은 전압 신호를 배터리 모듈(100) 외부의 전압 센서에 제공하기 위해서, 예를 들어, 연결 바아(121) 또는 연결 시트(123a 내지 123d)에 연결된 하나 이상의 전압 감지 라인을 더 포함할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(100)은 퓨즈와 같은 하나 이상의 전류-제한 요소를 포함할 수 있다. 배터리 모듈(100)은 펌프(130)에 연결된 마이크로프로세서와 같은 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는 전압 센서로부터 전압 신호를 및/또는 온도 센서로부터 온도 신호를 수신할 수 있다. 온도 신호 및/또는 전압 신호 그리고 예를 들어 각각의 설정점을 기초로, 제어기는 펌프(130)의 동작을 제어한다.
실시형태에 따른 배터리 시스템은 전술한 바와 같은 적어도 하나의 배터리 모듈(100), 및 배터리 모듈(100)의 포트(119)에 연결된 이차 템퍼링 시스템을 포함한다. 템퍼링 시스템은, 예를 들어, 펌프, 열 교환기, 및 제2 템퍼링 유체의 유동을 형성하기 위한 유체 파이프를 포함한다. 예를 들어, 템퍼링 시스템은 복수의 배터리 모듈(100)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 템퍼링 유체는 병렬 방식 또는 직렬 방식으로 복수의 배터리 모듈(100)을 통해서 유동할 수 있다. 템퍼링 시스템의 열 교환기는 제2 템퍼링 유체와 히트 싱크(heat sink) 및/또는 열 공급원 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 히트 싱크 또는 열 공급원은 예를 들어 주변 공기일 수 있다. 또한, 템퍼링 시스템은, 배터리 모듈(100)의 각각의 온도 제어를 가능하게 하기 위해서 제2 템퍼링 유체를 가열하도록 구성된 전기 가열기를 포함할 수 있다.
이하에서, 배터리 모듈(100) 및 배터리 시스템의 개념을 요약하였다.
배터리 모듈/시스템의 핵심 아이디어는 복수의 배터리 셀(120)로 구성된 배터리 모듈(100)을 위한 템퍼링 회로를 폐쇄 시스템으로서 설계한다는 것이다. 이는, 형성된 액체 저장부(제1 템퍼링 유체)가 배터리 셀(120)과 함께 할당 공간(액밀 하우징(110), 펌프(130) 및 제1 유체 채널(111)) 내에서 둘러싸인다는 것을 의미한다. 제1 템퍼링 유체는 순환되고, 열은 배터리 셀 전극으로부터 소산된다. 전기 비-전도성을 가지고 양호한 열 전도도 특성을 가지는 제1 템퍼링 유체를 통해서, 열이 프로파일 하우징(113)의 내부 벽에 전달된다. 이차 템퍼링 시스템에 연결되도록 구성된 제2 유체 채널(112)이 프로파일 하우징(113) 내에 포함된다. 따라서, 프로파일 하우징(113)은 하우징 형태의 열 교환기를 형성한다.
단부 판(114, 116) 및 프로파일 하우징(113)은, 함께, 폐쇄된 액밀 하우징(110)을 형성한다. 단부 판(114, 116) 및 프로파일 하우징(113) 사이의 밀봉부는 1 bar까지의 과압에서도 하우징이 계속 밀폐되도록 보장하고 제1 템퍼링 유체가 빠져나갈 수 없도록 보장한다.
액밀 하우징(110) 내의 제1 템퍼링 유체가 이송될 수 있도록 순환이 이루어질 수 있도록, 펌프(130)(예를 들어, 마이크로펌프)가 액밀 하우징(110)의 단부 판(114, 116) 중 하나에 장착되고 단부 판(114, 116)에 통합된 제1 유체 채널(111)에 직접 연결된다. 이러한 순환은 프로파일 하우징(113)과 제1 템퍼링 유체 사이의 열 소산 또는 열 흡수를 지원한다. 프로파일 하우징(113)은 다시, 통합된 제2 유체 채널(112)을 통해서, 제2 템퍼링 유체, 예를 들어 물-글리콜 혼합물로 열을 소산시킬 수 있다. 이는 예를 들어 -50 내지 60의 온도 범위에서 프로파일 하우징(113)이 열 교환기의 기능을 하게 한다. 배터리 모듈(100)의 동작 온도 범위는 제2 유체 채널(112) 내의 제2 템퍼링 유체의 주입 지점(pour point)에 따라 달라질 수 있다.
액밀 하우징(110)은 개별적인 배터리 셀(120)을 포함하고, 이러한 배터리 셀들은 서로 전기적으로 연결되고 구조적 부품인 셀 홀더(140)에 의해서 제 위치에서 유지된다. 셀 홀더(140)는 또한 개별적인 배터리 셀(120)의 측방향 표면을 덮는 기능을 갖는다. 셀 홀더(140)는 측방향 표면의 약 50%를 덮을 수 있다. 다음 행의 배터리 셀(120)의 셀 홀더(140)는 이러한 셀 홀더(140)에 형상 결합식으로 인접하고(positively adjacent), 배터리 셀(120)의 측방향 표면이 전체 원주에 걸쳐서 제1 템퍼링 유체로부터 경계 지어지도록 하는 방식으로 보조 표면을 덮는다. 이는 제1 템퍼링 유체가 점유하는 공간을 줄인다.
폐쇄된 컨테이너를 나타내는 액밀 하우징(110)은, 가스, 예를 들어 공기의 층이 상부 영역 내에서만 생성되도록 하는 범위까지, 제1 템퍼링 유체로 충전된다. 이러한 영역은, 제1 템퍼링 유체가 온도 하에서 팽창될 때 폐쇄된 공기 부피가 제1 템퍼링 유체의 팽창 부피에 의해서 감소되도록 설계된다. 이에 따라 시스템 내의 압력은 약간 증가된다. 액밀 하우징(110)의 밀봉부는 약 0.3 bar, 1.0 bar, 1.5 bar 등의 압력 증가를 견디도록 설계된다.
액밀 하우징(110)의 이용으로 인해서, 열적으로 독립적인 배터리 모듈들(100)이 희망에 따라 서로 전기적으로 연결되어 배터리 팩을 형성할 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(100) 내의 제1 템퍼링 유체의 내부 순환이 개별적으로 조절될 수 있기 때문에, 배터리 모듈들(100) 사이의 온도차가 감소될 수 있게 한다. 그러나, 배터리 모듈들(100) 사이의 희망 온도 확산이 구현될 수 있다. 이는, 특정 적용예를 위해서 배터리 시스템의 섹션이 이용되는 경우에 유리할 수 있고; 이러한 경우, 전기적 분리에 더하여, 열적 분리가 구현될 수 있다. 열 교환기의 기능은 배터리 모듈(100)의 액밀 하우징(110) 내에 통합된다. 이렇게 함으로써 비용 및 중량을 절감할 수 있다. 또한, 복잡하고 다양한 밀봉부가 필요하지 않을 수 있다. 어떠한 특별한 전기적 특성도 가질 필요가 없는 일반적인 액체(물-글리콜)이 이차 회로 내에서 제2 템퍼링 유체로서 사용될 수 있다.
요악하면, 액밀 하우징 및 액밀 하우징 내에 배치된 복수의 배터리 셀을 포함하는, 배터리 모듈이 제공된다. 제1 템퍼링 유체가 복수의 배터리 셀 및 액밀 하우징의 내부 표면과 열 접촉되게 액밀 하우징 내에 포함된다. 액밀 하우징은, 제2 템퍼링 유체가 액밀 하우징의 내부 표면과 외부 표면 사이에서 유동할 수 있도록 구성된다. 또한, 배터리 모듈, 및 배터리 모듈의 액밀 하우징에 연결되고 제2 템퍼링 유체의 유동을 형성하도록 구성된 이차 템퍼링 시스템을 포함하는 배터리 시스템이 제공된다.

Claims (24)

  1. 배터리 모듈로서,
    액밀(liquid-tight) 하우징(110);
    상기 액밀 하우징(110) 내에 배치된 복수의 배터리 셀(120); 및
    상기 복수의 배터리 셀(120) 및 상기 액밀 하우징(110)의 내부 표면과 열 접촉되게 상기 액밀 하우징(110) 내에 포함된 제1 템퍼링(tempering) 유체;
    를 포함하고,
    상기 액밀 하우징(110)은, 제2 템퍼링 유체가 상기 액밀 하우징(110)의 내부 표면과 외부 표면 사이에서 유동할 수 있도록 구성되는
    것을 특징으로 하는,
    배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액밀 하우징(110)의 외측에 배치되고 상기 액밀 하우징(110)의 제1 유체 채널(111)을 통해서 상기 액밀 하우징(110)의 내측부에 연결되는 펌프(130)를 더 포함하고,
    상기 펌프(130)는 상기 제1 템퍼링 유체를 상기 제1 유체 채널(111)을 통해서 펌핑(pumping)함으로써 상기 액밀 하우징(110) 내에서 상기 제1 템퍼링 유체의 유동을 생성하도록 구성되는,
    배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액밀 하우징(110), 상기 펌프(130) 및 상기 제1 유체 채널(111)은 상기 제1 템퍼링 유체의 재료 폐쇄(material closed) 시스템을 형성하는,
    배터리 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액밀 하우징(110)은 상기 제2 템퍼링 유체의 유동을 위한 제2 유체 채널(112)을 포함하는,
    배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 유체 채널(112)은 상기 액밀 하우징(110)의 내측부 내로 돌출되는,
    배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 유체 채널(112)이 원형 횡단면을 가지는,
    배터리 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 유체 채널(112)이 상기 배터리 모듈의 주 축의 방향으로 연장되는,
    배터리 모듈.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액밀 하우징(110)은
    상기 배터리 모듈의 주 축을 따라서 서로 대향되게 위치되는 2개의 개방 단부 측면들을 갖는 프로파일 하우징(113); 및
    상기 2개의 개방 단부 측면에서 상기 프로파일 하우징(113)을 액밀 방식으로 폐쇄하는 제1 단부 판(114) 및 제2 단부 판(116);
    을 포함하는,
    배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단부 판(114)과 상기 프로파일 하우징(113) 사이에서 원주방향으로 배치된 제1 밀봉부; 및
    상기 제2 단부 판(116)과 상기 프로파일 하우징(113) 사이에서 원주방향으로 배치된 제2 밀봉부;
    를 포함하는,
    배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 밀봉부 및 상기 제2 밀봉부가 편평한 밀봉부인,
    배터리 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 밀봉부 및 상기 제2 밀봉부의 각각은 상기 배터리 모듈의 주 축에 직각인 평면 내에 배치되는,
    배터리 모듈.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 프로파일 하우징(113)은 이중-벽 프로파일 하우징로서 구성되고, 제2 유체 채널(112)은 일체로 형성되는,
    배터리 모듈.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 프로파일 하우징(113)은 열 전도도가 50 W/(m·K) 이상인 재료로 제조되는,
    배터리 모듈.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 프로파일 하우징(113)은 알루미늄으로 제조되는,
    배터리 모듈.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단부 판(114) 또는 상기 제2 단부 판(116) 중 적어도 하나는 합성(synthetic) 재료로 제조되는,
    배터리 모듈.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액밀 하우징(110)에 가스가 부분적으로 충전되는,
    배터리 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가스가 충전되는 상기 액밀 하우징(110)의 부피 백분율이 5% 이하인,
    배터리 모듈.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액밀 하우징(110)은 압밀적인,
    배터리 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 액밀 하우징(110)은 적어도 1 bar의 양의 압력까지 압밀적인,
    배터리 모듈.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀(120)을 유지하도록 구성된 하프 쉘 형상 부분(141)을 포함하는 복수의 셀 홀더(140)를 더 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀(120)의 측방향 표면은 상기 하프 쉘 형상 부분(141)에 의해서 덮이는,
    배터리 모듈.
  21. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 배터리 셀(120)이 하나 이상의 다른 배터리 셀(120)과 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결되어 배터리 스택을 형성하는,
    배터리 모듈.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 배터리 스택에 연결된 전기 피드스루(feedthrough)(117a, 117b)를 더 포함하는,
    배터리 모듈.
  23. 배터리 시스템으로서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈(100); 및
    상기 배터리 모듈(100)의 상기 액밀 하우징(110)에 연결되고 상기 제2 템퍼링 유체의 유동을 형성하도록 구성된 이차 템퍼링 시스템
    을 포함하는,
    배터리 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 템퍼링 유체는 상기 제2 템퍼링 유체와 상이한,
    배터리 시스템.
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