KR20220002556A - 리튬 이온 배터리 셀용 온도 제어 시스템 - Google Patents

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헤리베르트 발터
미카엘 마크
토비아스 프리츠
마르쿠스 그래들러
제시카 울레만
토마스 우블러
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오엘리콘 프릭션 시스템즈 (져머니) 게엠베하
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Abstract

본 발명은 충전식 배터리 셀, 특히, 리튬(Li) 이온 배터리의 효율적인 냉각 및 가열을 위한 온도 제어 시스템에 관한 것이다. 온도 제어 모듈은, 폴리머 재료로 만들어진 외부 쉘(1)을 포함한다. 외부 쉘은 단방향 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 적어도 하나의 열전도층을 둘러싸며, 그 주 표면의 두 개의 반대되는 가장자리 영역 각각에는 열전달 매체를 이동시키기 위한 도관(3)이 마련되어 일단에서 타단까지 가장자리 영역을 따라 연장된다. 단방향 탄소섬유 복합체(2)의 적어도 두 개의 층은 하나를 다른 하나 위에 배열하는 것이 바람직하고, 도관(3)을 서로 연결하는 관통 유동 채널(8)을 구비하는 중간층(7)은 두 개의 층들 사이에 위치한다.

Description

리튬 이온 배터리 셀용 온도 제어 시스템
본 발명은 충전식 배터리 셀, 특히, 충전식 리튬(Li) 이온 배터리(LIBs)의 냉각 및 가열을 위한 효율적인 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
LIB는 비교적 작은 무게와 공간 조건에 비해 고 에너지 밀도를 가지고 있다. 그러므로, LIB는 효율적인 에너지 저장을 위해 이미 많은 적용 분야에서 활용되고 있다. 이러한 적용 분야의 두드러진 예는 예를 들면, 전기 자동차 또는 하이브리드 차량의 에너지원과 같은 전기 이동성 분야(electromobility)이다.
일반적으로, 동작을 위해, 다수의 배터리 셀이 결합되어 하나의 배터리 모듈을 구성하고 두 개 이상의 배터리 모듈이 결합되어 하나의 배터리 팩이 구성된다.
셀 및/또는 모듈들은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
배터리 셀들은 예를 들면, 원통형 전지, 또는 각형 전지 또는 파우치 전지(커피백 셀)와 같은 평면형 전지(flat cell) 등과 같은 다양한 크기와 모양으로 존재한다. 파우치 전지의 경우, 일반적으로 양면이 플라스틱으로 코팅된 알루미늄 포일로 구성되는 플렉시블 하우징이 사용된다. 일반적인 파우치 셀의 치수는 350mm x 100mm이다.
각형 전지 또는 파우치 전지와 같은 평면형 전지는 우수한 열 분산(heat dissipation)과 적층 가능성에 의해 선호된다.
일반적인 LIB의 구성은 양극 측에서 시작하며 다음과 같다.
- 적어도 음극과 마주보는 면에 활성 물질(일반적으로, 흑연)이 코팅되고 집전기(일반적으로, 구리)를 가지는 양극
- Li 이온에 투과성이고 전극의 전자분리를 위한 분리막(separator)
- 적어도 양극면에 셀 충전 중에 Li 이온을 방출하는 활성 물질이 코팅되고 집전기(일반적으로, 알루미늄)를 가지는 음극
- 전극에서의 반응들 사이에 중재자 역할을 하고 Li 이온의 이동을 보장하는 전해질(일반적으로, 액체 또는 고체).
음극 및 양극을 위한 활성 물질, 분리막, 전해질에 적합한 재료는 종래 기술이다.
LIB 뿐만 아니라 다른 모든 유형의 충전식 배터리에 대한 작동성과 안전성에 있어 가장 중요한 것은 규정된 온도 범위의 유지이다. 충전식 배터리 셀의 열 관리는 최적의 파워 출력과 수명으로 정상 작동을 보장할 수 있는 핵심 기준이다.
일반적으로, 배터리 셀의 조기 노후화를 방지하고 높은 사이클 안정성을 보장하기 위해 리튬 이온 배터리 셀을 15°C 와 35°C 사이의 정의된 온도 범위 내에서 작동하는 것이 중요하다. 배터리 시스템은 지속적으로 이상적인 온도 범위로 작동되는 경우에만 산업 분야에서 요구되는 10년 동안 최대 1600회의 전체 사이클의 충전 주기를 달성할 수 있다. 따라서, 인도 시 상태(수명 시작, BoL (Begin of life))와 관련하여 저장 용량의 20%가 손실되어 결과적으로 완전히 충전될 때 원래의 셀 용량(건강 상태, SoH (State of health))의 80%만 남아 있는 배터리 시스템은 더 이상 자동차 용도로 사용할 수 없다(수명 종료, EoL (End of life)).
배터리 셀은 계절마다, 특히, 여름 뿐 아니라 겨울에도 배터리 셀의 해당 온도 제어에 의해 최적 운전온도가 25 °C인 15°C 와 35 °C 사이의 일정한 온도 창(temperature window)에서 운전될 수 있어야 한다. 예를 들면, 배터리는 40°C에서 지속적으로 동작하면 노후화가 50%까지 빨라진다.
배터리 셀의 열 거동(thermal behavior)은 강한 비등방성이라는 점을 고려할 필요가 있다. 폴리에틸렌 필름의 경우 셀 표면에 수직인 약 1 W/mK의 분리막의 낮은 열전도율은 셀 스택(cell stack)의 열전도율 또는 원통형 셀의 경우 코일 셀 롤(coiled cell roll)의 열전도율을 지배한다. 열전도율은 각형 전지 또는 파우치 전지의 경우 평면에서 또는 원통형 전지의 경우 높이에서 약 30 W/mK의 금속 전류 집전기에 의해 제어된다.
또 다른 문제는 전기 자동차 운전자가 충전소의 충전 사이클을 가능한 짧게 유지하고자 하는 욕구에 의해 발생한다. 최대 3 내지 5 C의 높은 충전 속도(C-레이트)를 실현할 수 있는 800V 공급 전압의 충전 시스템이 가까운 미래에 등장할 것이다. 이렇게 높은 C-레이트는 전극의 접촉 영역 주변의 선 전류 밀도를 증가시켜서 궁극적으로 전체 셀의 급격한 가열을 야기한다.
어떤 경우에든 80°C 이상의 온도는 양극의 흑연 입자 주위의 전해질 층이 저하되기 때문에 피해야 한다.
일반적으로, 60℃ 이상의 온도도 피해야 한다. 따뜻한 지역에서는 주변 온도와 도로의 열 복사가 그러한 높은 가열을 야기할 수 있다는 점도 고려되어야 할 필요가 있다.
절대 동작 온도 외에도 가속화된 셀 노후화의 또 다른 중요 관점은 셀 표면과 셀 두께에 대한 온도 균질성이다.
셀 표면에서 볼 때 온도 구배(temperature gradient)는 전극 접촉 부위에서 온도가 가장 높다. 이러한 다른 열 분포는 셀 내부의 기계적 응력을 유발하여 수명을 단축시킬 수 있다.
현재 사람들이 예상한 것과 같은 높은 충전 전류와 방전 전류는 전극 단자 접점 영역에서 증가된 선 전류 밀도를 생성하며, 이는 이 영역에서 가열 증가로 이어진다. 결과적으로, 양극과 음극 코팅에 기계적 응력이 발생하는데, 이는 한편으로는 양극 입자를 직접적으로 손상시킬 수 있고, 다른 한편으로는 팽창과 수축으로 인해 입자들 간의 전기적 접촉이 끊기게 하고, 궁극적으로는 집전기 필름으로부터 코팅을 분리하고 이와 관련하여 집전기에 대한 코팅의 전기적 접촉의 상실을 초래한다.
그러므로, 전극 접촉 부위에서 열을 분산함과 함께 셀 표면과 셀 두께에 걸쳐 가능한 가장 큰 균일 열 분포를 보장할 필요가 있다.
또한, 배터리 시스템의 열관리 시 저온에서의 차량 운전을 고려할 필요가 있다. 특히, 0°C 이하의 낮은 온도에서는 셀 전압이 급격히 감소한다. 정상 운전 동작의 경우 셀 전압이 10℃ 미만의 온도에서 조차 더 이상 충분하지 않기 때문에 차량의 온도 범위가 강하게 제한된다.
LIB의 동작 전압은 일반적으로 2.7V와 4.2V 사이이다. 온도가 낮아질 때 전해질의 점성이 증가하기 때문에 그 이온 전도도가 감소하고, 그에 따라, 셀 전압도 감소한다. 약 2.7V에서 셀은 낮은 방전 말기 전압(cut-off voltage)에 도달하므로 안전을 위해 추가 작동이 불가능하다.
셀 용량의 감소 외에도, 배터리 셀의 충전은 저온에서 이른 바 양극의 Li 플레이팅(plating)을 추가 유발할 수 있다. Li 플레이팅은 음극과 양극 모두 리튬 이온과 결합할 수 있는 물리적 능력을 가지고 있다는 사실에 기초한다. 충전 시, 전기장은 이온이 음극에서 양극으로 이동하도록 하여 이온을, 예를 들면, 흑연과 같은 활성 물질의 격자 구조에 통합(삽입)한다.
Li 이온은 특히 저온에서, 원하는 대로 양극에 삽입되는 대신, 양극에 축적되어 충전 과정에 더 이상 사용할 수 없는 금속성 리튬을 형성하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 순환 가능한 리튬 이온의 손실은 배터리의 성능을 떨어뜨리고, 최악의 경우 셀의 폭발 및 화재와 함께 이른바 "열 폭주(thermal runaway)"를 유발할 수 있다.
배터리 시스템의 최적 열 관리를 위해, 고온 및/또는 높은 충전 속도에서의 냉각 기능 외에 저온에서의 셀의 가열이 필요하다는 것은 이전의 논의에서 알 수 있다. 그러므로, 가열과 냉각 두 가지 기능을 모두 효율적으로 수행할 수 있는 온도 제어 모듈이 필요하다. 이를 위해, 온도 제어 모듈은 배터리 셀의 표면에 대해 가능한 한 양호한 열 접촉을 가져야 한다.
따라서, 적절한 온도 제어 모듈은 다음과 같은 특성을 가져야 한다.
- 구조상 가능한 얇고 가벼워야 한다.
- 자체적으로 기계적으로 지지되어야 하지만, 비틀림 및 벤딩 측면에서 일정한 유연성을 허용해야 한다.
- 온도 제어를 위해 액체 또는 기체의 열전달 매체를 순환시킬 수 있어야 한다.
- 모듈은 가급적 배터리 셀 표면에 대한 온도 불균등(온도 구배)을 보상할 수 있어야 한다.
- 불균일한 표면에 대한 양호한 결합과, 배터리 스택의 양극 층에 대한 압력 부하의 균일한 분포를 위해, 탄성 변형가능한 표면 층이 있어야 한다.
- 특히 파우치 셀의 경우와 같이 충전/방전 시 셀의 잠재적인 치수 변화에 적응할 수 있도록 특정한 기계적 유연성을 가져야 한다.
- 배터리 셀의 셀 접점을 직접 냉각하거나 가열할 수 있어야 한다.
본 발명의 목적은 배터리 셀의 냉각 또는 가열을 위한 온도 제어 모듈에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 온도 제어 모듈은 폴리머 재료(polymetric material)로 만들어진 외부 쉘을 포함하고, 상기 외부 쉘은 가장자리를 따라 서로 결합된 두 개의 반대되는 주 표면을 구비하고, 상기 주 표면의 두 개의 반대되는 가장자리 영역 각각에는 열전달 매체를 이동시키기 위한 도관이 마련되어 상기 가장자리을 따라 연장되고, 상기 모듈의 내부에는 단방향 탄소섬유 복합체(unidirectional carbon fiber composite)로 만들어진 적어도 하나의 열 전도성 층이 마련되어 모듈 표면 위의 도관 사이에 연장된다.
상기 온도 제어 모듈의 두께는 온도 제어 모듈 또는 온도 제어 모듈들을 구비하는 배터리 시스템의 공간 소요 면적을 불필요하게 증가 시키지 않도록 가능한 한 작아야 한다. 그러므로, 길이, 폭, 및 직경과 같은 다른 치수에 비해 두께가 작은 평면형 온도 제어 모듈들이 바람직하다.
상기 온도 제어 모듈의 형태는 사용될 배터리 셀의 형태에 의해 결정된다. 평면형 배터리 셀의 경우, 직사각형의 기본 형태가 적당하다. 그러나, 정사각형, 원형 등과 같은 다른 형태도 가능하다.
상기 외부 쉘은 모듈의 내부 구성요소를 둘러싸고 있다. 상기 외부 쉘은 가장자리를 따라 서로 결합된 두 개의 반대되는 주 표면을 구비한다. 상기 결합은 측면 표면을 통해 이루어질 수 있다.
가장자리 영역이 있는 상기 외부 쉘은 실리콘 탄성 중합체 또는 폴리우레탄 탄성 중합체와 같이 최소한 부분적으로 유연한 폴리머 재료로 만들어 진다. 상기 부분적으로 유연한 폴리머 재료는 A 20 내지 A 60의 쇼어 경도(A), 또는 00 20 내지 00 80의 쇼어 경도(00)을 가지는 것이 바람직하다.
예를 들면, 표면이 고르지 않은 배터리 셀 또는 배터리 셀 스택의 경우, 배터리의 표면 구조에 보다 쉽게 적응할 수 있는 부드러운 폴리머 재료를 외부 쉘을 위해 사용할 수 있으므로, 온도 제어 모듈과 배터리 셀의 표면 사이의 양호한 접촉이 보장될 수 있다. 가능한 효율적인 열 전달을 위해서는 온도 제어 모듈과 배터리 셀이 잘 접촉하는 것이 바람직하다.
상기 외부 쉘은 배터리 셀의 표면 불균형을 보상하는 것 외에도, 셀에 균일한 압력을 전달하는 데 영향을 준다. 예를 들어 0.1 내지 0.5 MPa의 압력은 안전하고 확실히 전달될 수 있으며, 압력이 방출되었을 때 완전한 회복이 보장될 수 있다. 따라서, 상기 외부 셸은 충전/방전 중의 모든 치수 변화를 방지하고, 집전기의 양극 코팅과 음극 코팅을 안정화시킬 수 있다.
상기 주 표면의 두 개의 반대되는 가장자리 영역을 따라 연장되는 것은 열 전달 매체를 이동시키기 위한 도관이다. 각 도관은 열전달 매체를 위한 흡입 개구 및 배출 개구를 구비할 수 있다. 도관들이 서로 연결되어 있으면, 한 도관은 흡입 개구를 구비할 수 있고 다른 도관은 배출 개구를 구비할 수 있다.
상기 흡입 개구는 외부 셸에 직접 성형될 수 있는 냉각/가열 시스템에 대한 연결부를 구비한다.
상기 외부 쉘의 주 표면들 사이에는 단방향 탄소섬유 복합체로 만들어진 적어도 하나의 열전도 층이 배치된다. 단방향 탄소섬유 복합체로 만들어진 층은 섬유 방향의 열전도도가 높은 것이 특징이다. 따라서, 섬유들은, 셀 표면에 대해 열을 분산시키고 표준화할 수 있도록 온도 조절이 가능한 배터리 셀의 셀 접점과 평행하게 정렬된다.
섬유들의 평행 정렬을 통하여, 특히 열노출에 영향을 받는 셀의 접촉 영역들로부터 열을 분산할 수 있으며, 접촉 영역들이 열을 분산함으로써, 열은 전체 표면에 걸쳐 보다 균일하게 분포되고, 전체적으로 전체 표면의 냉각이 이루어진다. 이 외에도, 상기 탄소섬유 복합체로 만들어진 층은 추가 모듈 구성요소를 위한 유연한 지지 구조의 역할을 한다.
상기 탄소섬유 복합체로 만들어진 층은 열경화성 플라스틱 또는 열가소성 매트릭스의 탄소섬유의 단방향 웹(unidirectional web)으로 형성될 수 있다.
일반적으로, 상기 탄소섬유 웹은 여러 개의 탄소섬유 층으로 구성될 수 있다.
상기 탄소섬유 복합체로 만들어진 층의 두께는 일반적으로 0.1 내지 0.5 mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3 mm이다. 예를 들면, 탄소섬유 복합체로 만들어진 층은 실리콘 수지 매트릭스의 탄소섬유의 단방향 웹으로부터 형성될 수 있다.
필요한 경우, 예를 들면, 배터리 셀의 표면의 불균형을 보상해야 하는 경우 또는 배터리 셀의 형상으로의 조절을 용이하게 하기 위하여, 탄소섬유 복합체 층의 유연성을 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 탄소섬유 복합체로 만들어진 층의 결합 수지 시스템에 고 비율의 가소제, 예를 들면, 복합체에 더 높은 유연성을 제공하는 단일 기능성 실록산 또는 에폭시 올레산 에스테르를 혼합할 수 있다. .
온도 제어 모듈의 특별한 실시예에 따라, 두 개의 주 표면의 각각의 내측에는 단방향 탄소섬유 복합체로 이루어진 적어도 하나의 열전도 층을 제공할 수 있으며, 상기 단방향 탄소섬유 복합체로 만들어진 층들 사이에는 두 개의 도관이 서로 연결되는 하나의 관통 유동 채널 또는 복수의 관통 유동 채널을 구비하는 중간층이 배치될 수 있다.
상기 중간층은 폴리머 재료 또는 금속으로 생성될 수 있다. 예를 들면, 앞에서 외부 쉘에 대해 설명한 것과 같은 폴리머 재료가 사용될 수 있다. 중간층의 재료가 열전도성이 있다면 특히 유리하다. 예를 들면, 열 전도성 플라스틱이나 열 전도성이 좋은 금속이 사용될 수 있다.
열전도율이 매우 우수하기 때문에 특히 적합한 금속은 은(429), 구리(380) 또는 알루미늄(236)이다(각 경우 0°C에서 열전도율). 양호한 가격 대비 성능비에 기초하여 구리가 특히 선호된다.
열전도성 플라스틱 화합물이라고도 하는 열전도성 플라스틱에는 열전도율을 향상시키는 충전제가 함유되어 있다. 충전제는 보통 플라스틱에 다량으로 주입되기 때문에, 고 충전 플라스틱 화합물(highly filled plastic compound)로 언급된다. 열 전도성 고 충전 플라스틱 화합물은 적어도 50 wt. %의 충전제 비율을 가진다.
상기 열전도성 플라스틱 화합물은 적어도 0.5 W/mK에서 3 W/mK 이상의 열전도율을 가지는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 플라스틱 화합물을 위한 충전제는 흑연과 같은 유기 충전제, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속 충전제, 질화 붕소 및 규산 알루미늄과 같은 세라믹 충전제이다. 열전도율을 개선하는 충전재의 중량 비율은 일반적으로 적어도 50 wt. %, 바람직하게는 적어도 65 wt. %이며, 특히, 80 wt. %까지가 바람직하고, 필요한 경우 그 이상도 가능하다.
상기 열전도성 플라스틱 화합물은 주 충전제 성분 외에 추가 충전제를 포함할 수 있다.
상기 폴리머 재료는 플라스틱 화합물의 매트릭스를 형성한다. 열가소성 폴리머, 열가소성 탄성중합체, 탄성중합체 또는 열가소성 플라스틱과 같은 다양한 형태의 폴리머가 사용될 수 있다.
상기 중간층에 마련되는 관통 유동 채널들은 모듈의 두 개의 반대되는 가장자리 영역을 따라 연장되는 두 개의 도관을 연결한다.
상기 관통 유동 채널들은 중간층을 통해 한 가장자리 영역에서 반대되는 가장자리 영역으로 가로로 연장될 수 있다. 상기 관통 유동 채널들은 서로 평행하게, 특히 가로축과 평행하게 정렬할 수 있다. 상기 관통 유동 채널들은 뱀 모양과 같은 구불구불한 선 또는 다른 적절한 형태로 연장될 수 있다.
2개 이상의 관통 유동 채널들을 서로 연결하는 연결 채널들을 제공하는 것도 가능하다.
상기 관통 유동 채널들은 중간층의 표면의 한 쪽 또는 양 쪽에 중간층을 완전히 가로지르지 않는 구유 형태의 커팅부로 만들 수 있다.
상기 구유 형태의 관통 유동 채널이 상기 표면의 양 쪽에 제공되는 경우, 상기 표면의 한 쪽의 관통 유동 채널은 상기 표면의 다른 쪽의 관통 유동 채널에 관하여 오프셋되게 배열될 수 있다.
상기 중간층의 표면들에 구유 형태의 커팅부를 만드는 것은 판화(engraving), 밀링, 압출 등으로 알려진 방식으로 기계적으로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 열가소성 플라스틱 고 충전 플라스틱 화합물이 구유 형태의 관통 유동 채널들을 가지는 중간층들을 만드는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 관통 유동 채널들은 중간층을 완전히 분할하여 중간층을 개별 구역으로 세분할 수 있다. 이 과정에서 두 개의 인접한 섹션의 반대되는 측면 표면들(lateral surfaces)은 두 섹션 사이의 분리에 의해 규정되는 채널의 측면 표면들을 형성한다.
중간층을 완전히 가로지르는 관통 유동 채널들을 가지는 중간층의 생성을 위한 섹션들로, 모듈 내에 차례대로 배열되어 있고 서로 간격을 두고 배치되어 있는, 예를 들면, 위에 언급한 재료와 같은 우수한 열전도성 재료로 만들어진 스트립들을 사용할 수 있다.
관통 유동 채널들의 자유 표면들과 관통 유동 채널의 상향 단부 또는 하향 단부를 커버링하는 것은 인접한 층들, 예를 들면, 외부 쉘의 주 표면들의 내부 측면, 또는, 예를 들면, 단방향 탄소 섬유 복합체로 만들어진 층 또는 층들과 같은 모듈의 내부 층에 의해 이루어진다.
열전도성 재료로 만들어진 중간층은 셀에서 열전달 매체로 오는 열을 방출하는 데 기여한다. 또한, 열전도성 재료는 온도 제어 모듈의 높이에 걸쳐 우수한 열 분배를 보장한다.
상기 중간층의 두께는 일반적으로 0.1 내지 0.5 mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3 mm, 폭은 0.1 내지 10 mm 이하이다. 중간층을 완전히 가로지르는 관통 유동 채널의 깊이는 중간층의 두께에 대응한다. 관통 유동 채널의 폭 뿐 아니라 관통 유동 채널의 깊이(횡단 또는 구유 형태)는 중간층의 두께와 적용된 케이스에 좌우된다. 필요에 따라 중간층의 두께와 폭 또는 관통 유동 채널의 깊이를 변경할 수 있음은 자명하다.
그 결과, 아래와 같이 본 발명에 따른 온도 제어 모듈의 양호한 실시예의 층 구성이 이루어진다.
- 외부 쉘(도관이 있는 가장자리 영역을 포함)
- 단방향 탄소섬유 복합층
- 관통 유동 채널을 가지는 중간층, 바람직하게는, 양호한 열전도성 재료로 만들어진 중간층
- 단방향 탄소섬유 복합층
- 외부 쉘(도관이 있는 가장자리 영역을 포함).
상기 외부 셸은 종래의 캐스팅 방법을 통하여 추가 층들/코트 주위에 캐스팅될 수 있으며, 동시에, 도관이 있는 가장자리 영역도 함께 캐스팅될 수 있다.
상기 열전달 매체는 액체 또는 기체일 수 있다. 더 양호한 열 전달에 기초하면 유체 매체가 선호된다.
양호한 실시예에 따르면, 온도 제어 모듈의 표면에 걸쳐 냉각 용량에 구배가 생성된다. 이는 열 노출이 많은 영역에서는 열 노출이 적은 영역보다 더 높은 냉각 용량이 얻어질 수 있음을 의미한다. 앞서 언급한 바와 같이, 전극 접점들의 영역들은 특히 높은 열 노출과 열 진화(heat evolution)의 영향을 받는다. 온도 구배의 제공은 이 영역들을 효과적으로 안정시킬 수 있게 한다.
온도 구배를 생성하기 위한 방법 및 수단의 예가 아래에 제시된다. 제시된 것은 확정적이 아니다.
구배 생성을 위하여, 예를 들면, 열에 덜 노출된 영역보다 열의 진화가 더 큰 영역에 더 많은 수의 관통 유동 채널을 제공하는 것이 가능하다.
상기 중간층에는 다른 열 전도성 재료를 사용할 수 있다. 이 경우, 열의 진화가 가장 큰 영역에는, 예를 들면, 구리와 같이 열전도율이 매우 양호한 재료가 배치된다. 열 진화가 가장 큰 영역과의 거리가 증가함에 따라 열전도율이 낮은 재료를 활용할 수 있다.
상기 관통 유동 채널들은, 열의 진화가 가장 큰 영역의 채널의 직경이 더 크고 직경은 열 진화가 가장 큰 영역과의 거리가 증가함에 따라 작아지는 형태로 직경이 다를 수 있으며, 이에 의해, 열의 진화가 가장 큰 영역에서는 더 많은 냉각 및 전체적으로 배터리 셀의 표면에 걸친 열 분포의 균질화가 달성될 수 있다. 도관들의 경우, 직경은 열 노출이 적은 방향으로 감소할 수 있다.
상기 관통 유동 채널들 및/또는 도관들에는 열의 진화가 가장 큰 영역과의 거리가 증가함에 따라 다공성이 감소하는 다공성 재료가 사용될 수 있다.
상기 관통 유동 채널들 및/또는 도관들에는 열의 진화가 가장 큰 영역과의 거리가 증가함에 따라 열전달 매체의 관통 유동 속도가 증가하는 방식으로 배열 및/또는 설계가 선택되는 장애물이 제공될 수 있다. 예를 들면, 열의 진화가 가장 큰 영역과의 거리가 증가할수록 장애물의 수가 증가할 수 있으며, 이로 인해, 유동 속도가 감소할 수 있다.
상기 온도 구배를 생성하기 위한 수단이 서로 결합될 수 있다는 것은 자명하다.
상기 냉각 용량의 구배 생성을 위한 선택적 또는 추가 방안은 관통 유동 채널의 내벽에서 관통 유동 채널 내로 돌출되는 냉각 핀들을 제공하는 것이다. 냉각 용량의 단계적 변화(gradation)를 위하여, 상기 핀들은 내벽에 다른 큰 간격 및/또는 다른 수로 고정될 수 있다.
상기 냉각 핀들은, 예를 들면, 전해질 증착, 박막 식각, 펀칭 등과 같은 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
상기 핀들 때문에 순환이 일어나는 표면이 증가하고, 이에 의해, 열전달 매체 내 온도 분포의 균질화가 개선될 수 있다. 이와 동시에, 상기 핀들은 열 전달 매체의 유동 저항을 조절하는 역할도 할 수 있다.
특히, 도관들에 적용할 경우, 열 노출이 적은 영역들의 방향으로 다공성 및 장애물 수가 감소하도록 직경을 감소시키는 것, 다공성 재료를 제공하는 것, 장애물들을 제공하는 것과 같은 방법이 적당하다.
일 실시예에 따르면, 온도 제어 모듈을 사용하여 배터리 셀의 반대 방향으로 폴링된(poled) 단자 접점들을 동시에 직접 냉각할 수 있다. 이를 위해, 열전도 재료로 만들어진 냉각 탭이 온도 제어 모듈 밖으로 인출(drawn out)되어 셀 접점들에 직접 결합될 수 있다.
유리한 방법으로, 하나의 냉각 탭 또는 복수의 냉각 탭을 형성하기 위해, 열전도 재료로 만들어진 중간층의 단자 부분에서 해당 몰딩 부품을 인출할 수 있다.
냉각 탭들은 일반적으로 셀 냉각의 가장 효과적인 방법인 단자 접점들을 직접 냉각하는 히트 싱크의 역할을 한다. 온도 제어 모듈 내에서, 냉각 탭들은 탄소섬유 복합층 및 열전달 매체와 접촉하여 열을 열전달 매체로 직접 전달한다.
냉각 탭들이 제공될 때 2개의 반대 방향으로 폴링된 단자 접점 사이의 단락을 방지하기 위해, 탄소섬유 복합층은 셀 접점들에 대하여 전기적으로 절연되어야 한다. 전기적인 분리를 위해, 탄소섬유 복합층 내에 전기 절연재로 만들어진 절연 인터럽션(insulating interruption )을 제공할 수 있다.
상기 탄소섬유 복합층은 전기 절연 인터럽션을 사용하는 것에 의해 전기적으로 절연된 두 부분으로 나눠진다.
상기 전기 절연 인터럽션의 위치는 배터리 셀의 전기적인 접점들의 위치에 따라, 즉, 1) 접점이 각 경우에 반대되는 측면들에 위치하는지, 또는 2) 두 접점이 배터리 셀의 동일 측면에서 서로 인접해 위치하는지 여부에 따라 결정된다.
첫 번째 경우, 탄소섬유 복합층의 전기 절연 인터럽션은 전기적인 접점들 사이의 연결 축에 대해 가로로 센터링된 배치이고, 두 번째 경우는 전기적인 접점들에 대해 평행하게 센터링된 배치이다. 두 경우 모두 탄소섬유 복합층은 전기적으로 서로 절연된 부분들로 나눠진다. 상기 탄소섬유 복합층은 일반적으로 2등분 된다.
상기 전기 절연 인터럽션은, 예를 들면, 전기 절연재로 만들어진 분리 스트립을 탄소섬유 복합층들에 삽입하여 탄소섬유 복합층들을 두 부분으로 분할함으로써 만들어질 수 있다.
탄소섬유 복합층들이 일련의 섬유층들로 구성되어 있기 때문에, 위의 목적을 위해, 예를 들면, 각 섬유층의 섬유를 분할 표면을 따라 적절한 길이로 줄이고 그 빈 공간을 절연재로 채우는 것이 가능하다.
상기 인터럽션을 위한 전기 절연재는 유리섬유 복합체 또는 다른 적절한 전기 절연재일 수 있다.
상기 전기 절연 인터럽션의 두께는 탄소섬유 복합층의 두께와 일치하며, 0.1 내지 0.5 mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3 mm이다.
동작을 위해, 온도 제어 모듈의 도관들은 동작 및 주변 조건에 따라 열전달 매체를 온도 제어할 수 있는 냉각-가열 시스템에 연결된다.
본 발명은 도면을 참조하여 예시적 실시예들에 기초하여 아래에 상세히 설명될 것이다. 도 1 내지 도 6에 예시된 것은, 예를 들면, 각형 전지 또는 파우치 전지와 같은 평면형 전지에 적용하기 위한 본 발명에 따른 온도 제어 모듈의 실시예들이다. 도 7은 원통형 전지에 대한 적용 형태를 도시한다.
도면은 다음과 같다.
도 1: 두 개의 긴 측면과 두 개의 짧은 측면이 있는 두 개의 반대되는 주 표면을 가지는 실질적으로 판 형태의 직사각형 기본 형태를 구비하는 본 발명에 따른 온도 제어 모듈의 실시예;
도 2: 두 개의 온도 제어 모듈이 평면형 배터리 셀에 대해 양쪽에 놓여 있는 본 발명에 따른 온도 제어 모듈의 추가 실시예의 종단면 절개도;
도 3: 파우치 셀의 표면에 배열된 도 2에 따른 온도 제어 모듈의 종단면 절개도;
도 4: 도 3에 따른 온도 제어 모듈의 표면에 평행하게 절개된 부분의 도면;
도 5: 도 4에 따른 표면에 수직으로 절개된 단면 A의 도면;
도 6: 추가 내각 핀들을 구비하는 도 2 내지 도 5에 따른 온도 제어 모듈의 표면에 평행하게 절개된 단면에 대한 도면;
도 7: 원통 형태에 적당한 본 발명에 따른 온도 제어 모듈이 있는 원통형 셀로 구성된 셀 팩; 및
도 8 내지 도 12: 본 발명에 따른 온도 제어 모듈 내 열 분산의 단계적 변화를 위한 다양한 가능예.
도 1에 도시된 것은 판 형태의 직사각형 기본 형상으로 온도 제어 모듈의 표면에 평행하게 절개된 단면도이다. 도 1에 따른 온도 제어 모듈은, 전극 접점들(6)이 배터리의 동일 측면에 위치하고 도면에서 모듈의 좌측 짧은 측면에서 돌출된 평면형 배터리 셀에 사용하도록 설계된다.
도시된 바와 같이, 외부 쉘(1)의 가장자리 영역들은 긴 측면들을 따라 위치하고, 도관들(3)은 가장자리 영역들에 위치하고, 긴 측면들을 따라 두 개의 짧은 측면 사이에 연장된다. 가장자리 영역들 사이에 배열된 것은 단방향 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 적어도 하나의 층이다. 탄소섬유들는 짧은 측면에서부터 전극 접점들(6)과 평행하게 긴 측면을 따라 반대되는 짧은 측면(도면의 우측)까지 연장된다.
짧은 측면들의 단부들에서, 각 도관(3)은 열전달 매체를 위한 흡입 개구(4)와 배출 개구(5)를 구비한다. 흡입 개구부들(4)은 동일한 짧은 측면, 즉, 적용된 예에서 전극 접점들(6)이 위치한 짧은 측면에 위치하고, 배출 개구부들(5)은 각각 반대쪽의 짧은 측면에 위치한다.
도관(3) 내의 열전달 매체의 유동 경로는 도관(3) 내에 화살표 방향으로 표시된다. 전극 접촉 영역들에서 발생하는 높은 열 부하는 전극 접촉 영역들로 들어오는 새로운 열전달 매체와, 반대쪽의 쿨러 단부를 향해 평행하게 배치된 탄소섬유들에 의해 효율적으로 분산될 수 있으므로, 열 부하는 기본적으로 전체 셀 표면에 균일하게 분산될 수 있다.
도 2에 도시된 것은 파우치 셀(9)의 주 표면들에 부착된 두 개의 온도 제어 모듈의 배열을 도시하는 종단면 절개도이다. 이 실시예에서, 모듈은 그 사이에 관통 유동 채널들(8)을 가지는 중간층(7)이 위치하는 단방향 탄소섬유 합성체(2)로 만들어진 두 개의 층을 구비한다.
하나의 관통 유동 채널, 복수의 관통 유동 채널, 또는 모든 관통 유동 채널(8)은 긴 측면들을 따라 주 표면들의 가장자리 영역들에 연장된 도관들(3)에 연결될 수 있다.
중간층(7)은 금속, 예를 들면, 구리와 같은 열전도성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나, 예를 들면, 열전도성 플라스틱 화합물과 같은 다른 적합한 재료로 구성하는 것도 가능하다.
앞에서 설명한 바와 같이, 관통 유동 채널들(8)은 중간층(7)을 완전히 횡단하며, 그 결과, 중간층(7)의 분리된 섹션들(10)이 얻어지고, 인접한 섹션들(10) 사이의 분리에 의해 관통 유동 채널(8)이 규정된다..
온도 제어 모듈의 두 짧은 측면들(단부들)에는 열전도성 재료로 만들어진 섹션(10)이 배치되는 것이 바람직하다. 배터리 셀(9)(예를들면, 파우치 셀)의 전극 접점(6)과 접촉하는 냉각 탭(11)은 섹션(10)으로부터 연장 형성된다. 이러한 냉각 탭들(10)은 전극 접점(6)을 직접 냉각하기 위한 히트 싱크의 역할을 한다.
온도 제어 모듈의 냉각 탭들(11)이 탄소섬유 복합층(2)과 열전달 매체와의 접촉을 통해 두 개의 반대 방향으로 폴링된 전극 접점들(6)을 단락시키는 것을 방지하기 위해, 탄소섬유 복합층들(2)은 해당하는 인터럽션에 의해 전극 접점들(6)에 관하여 절연될 수 있다. 이를 위해, 탄소섬유 복합층들(2)에는 탄소섬유 복합층(2)의 전체 폭에 걸쳐 가로로 연장되는 전기 절연 인터럽션(12)이 제공될 수 있다. 인터럽션(12)을 위한 전기 절연재는 유리섬유 복합체일 수 있다. 전기 절연 인터럽션(12)은 탄소섬유 복합층들(2)과 섹션(10) 사이에 스트립 형태로 연장될 수 있다. 전기 절연 인터럽션(12)은 탄소섬유 복합층(2)의 필수 구성 요소가 될 수도 있다.
도 2와 도 5로부터 알수 있는 바와 같이, 적용 예에서 배터리 셀(9)에 부착된 온도 제어 모듈들의 주 표면들의 외부쪽에는 셀 본체(9)의 길이와 폭 치수에 대응하여 셀 본체(9)를 제위치에 고정할 수 있고 셀 스택에 지지할 수 있는 구유 또는 함몰부(13)를 마련할 수 있다(도 5).
도 3에 도시된 것은 파우치 셀(9)에 배열된 온도 제어 모듈의 종단면 절개도이다. 도시된 바와 같이, 열전도성인 것이 바람직한 섹션들(10)은 서로 간격을 두고 배열되며, 각 경우 온도 제어 모듈의 짧은 측면에 있는 단자 섹션들(10)로 구성된 냉각 탭(11)은 접점들(6)을 직접 냉각하기 위해 연장 형성된다. 탄소섬유 복합층(2)에는 두 개의 반대 방향으로 폴링된 전극 접점(6)의 단락을 방지하기 위해 전기 인터럽션(12)이 상응하게 형성된다.
도 3의 뒷쪽에 있는 온도 제어 모듈의 긴 측면에는 도관(3)이 있는 가장자리 영역이 위치한다.
도 3의 본 발명에 따른 온도 제어 모듈의 관통 유동 채널들(8), 또는 섹션들(10)을 가지는 중간층(7)를 통해 평행하게 절개된 단면은 도 4에 도시된다. 도면에는 온도 제어 모듈의 두 긴 측면을 따라 연장된 도관(3)이 자세히 도시되어 있다. 하나의 도관(3)(도면의 위쪽)은 유체흡입 개구(4)를 구비하고, 반대쪽에 있는 도관(3)은 유체배출 개구(5)를 구비하며, 유체흡입 개구(4)와 유체배출 개구(5)는 모듈의 반대쪽에 있는 짧은 측면들에 배치된다. 도관(3)은 유체흡입 및 유체배출 개구들(4, 5)의 반대쪽에 있는 단부들에서 막혀 있다.
중간층(7)은 유체흡입 개구(4)를 가지는 도관(3)에서 유체배출 개구(5)를 가지는 도관(3)까지 모듈 표면에 수평 및 가로로 배열된 스트립 형태의 열전도성 섹션(10)으로 형성될 수 있다. 인접한 섹션들(10) 사이의 거리는 열전달 매체에 대한 관통 유동 채널들(8)을 규정한다.
단자인 열전도성 섹션(10)은 모듈 밖으로 돌출되어 배터리 셀(9)의 전기적인 접점들(6)에 대한 히트 싱크의 역할을 하는 냉각 탭들(11)을 구비한다. 중앙 섹션(10)의 양쪽에 배치되는 전기 인터럽션(12)은 서로 반대쪽에 배치된 전극 접점들(6)을 서로 전기적으로 절연하기 위해 모듈에 상응하게 위치한다.
도 5에 도시된 것은 도 4에 따른 표면에 수직으로 절개된 단면 A의 도면이다.
도시된 것은 2개의 온도 제어 모듈과 접촉하는 2개의 배터리 셀(9)을 가지는 배터리 배열이다. 여기서, 제1 배터리 셀(9)은 두 개의 온도 제어 모듈 사이에 배치된다. 제2 배터리 셀(9)은 그 주 표면이 좌측 온도 제어 모듈의 자유 제2 주 표면에 부착된다. 도면에는 배터리 셀(9)을 고정하는 역할을 하는 외부 쉘(1)의 외측 가장자리 영역들 사이에 연장된 요부/함몰부(13) 뿐 아니라 도관들(3)이 있는 외부 쉘(1)의 가장자리 영역들이 자세히 도시되어 있다. 외부 쉘(1)의 내부에 배치된 것은 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 층들이며, 각 층은 온도 제어 모듈들의 주 표면들을 따라 외부 쉘(1)의 두 개의 반대되는 가장자리 영역들 사이에 연장된다. 중앙의 층은 중간층(7)의 관통 유동 채널(8)을 통하여 절개된 단면이다.
배터리 배열은 배터리 스택, 또는 그 사이에 제어 모듈이 배치된 원하는 수의 배터리 셀들(9)을 가지는 배터리 팩으로 설계할 수 있으며, 이에 의해, 단자 배터리 셀들의 자유 주 표면이 온도 제어 모듈에 부착될 수 있음은 자명하다.
도 6은 도 2와 도 5에 도시된 바와 같은 온도 제어 모듈의 일 실시예를 온도 제어 모듈 표면에 평행하게 절개된 단면으로 도시한다. 이 실시예에서, 중간층(7)의 스트립형 섹션들(10)의 외측 표면들에는 관통 유동 채널들(8) 내부로 돌출하는 다수의 냉각 핀들(14)이 형성된다. 냉각 핀들(14)은 스트립형 섹션들(10)의 표면적을 증가시켜 열 전달을 더 양호하게 한다. 도시된 바와 같이, 핀들(14)은 인접한 열전도성 스트립형 섹션들(10)의 두 개의 반대되는 외측 표면에 서로에 관하여 오프셋(offset)되어 배열될 수 있으며, 스트립형 섹션(10)의 반대되는 외측 표면에 두 개의 인접한 핀들(14) 사이의 갭의 영역으로 연장될 수 있다.
냉각 핀들(14)의 수와 배열은 필요에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
냉각 탭들(11)을 가지는 반대쪽의 짧은 측면의 전기 절연, 즉, 적용 예에서 배터리 셀(9)의 반대로 폴링된 전극들(6) 위치의 전기 절연을 위해, 전기 인터럽션(12)이 제공된다. 전기 인터럽션(12)은 모듈의 도관들(3) 사이의 전체 폭에 걸쳐 가로로 연장된다.
도 1 내지 도 6은, 예를 들면, 파우치 셀들과 같은 평면형 배터리 셀들을 위한 본 발명에 따른 온도 제어 모듈의 실시예 및 사용을 도시한다. 그러나, 본 발명에 따른 온도 제어 모듈은, 예를 들면, 도 7에 도시된 바와 같이. 원통형 셀들의 경우와 같은 평면형 형태와 다른 형태의 배터리 셀들의 온도 제어에도 활용될 수 있다.
이 경우, 기능들은 동일하다.
필요한 경우, 모듈의 유연성을 높여 모듈 형태가 원통형 배터리 셀의 곡면형 표면에 더 적합하도록 하는 것이 가능하다. 이를 위해, 예를 들면, 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 층의 결합 레진 시스템에 더 많은 비율의 가소제를 추가하여 복합체에 더 높은 유연성을 제공할 수 있다. 예로는 단일 기능성 실록산 또는 에폭시화된 올레산 에스터가 있다. 그러나, 원칙적으로, 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 층을 압력과 온도하에서 상응하는 파동 형태의 프레싱 다이로 프레싱하여 원하는 파동 형태를 얻는 것도 가능하다.
앞에서 설명한 바와 같이, 예를 들면, 배터리 셀(9)의 온도 구배를 보상하기 위해 열 분산의 단계적 변화가 필요할 수 있다. 특히 열 부하가 높은 영역에는 열 부하가 적은 영역보다 더 큰 열 분산을 제공할 수 있다. 열 분산을 효과적으로 수행하는 수단의 예는 도 8 내지 도 12에 도식적으로 예시된다.
도 8 내지 도 12는 각각 본 발명에 따른 온도 제어 모듈의 표면에 평행하게 절개된 부분의 도면을 도시한다. 도시된 실시예에서, 냉각 탭들(11)은 도 2와 도 7에 도시된 실시예와 대조적으로 모듈의 동일한 짧은 측면에 위치한다. 도 2 내지 도 7에 표시된 모듈 대신, 도관들(3)은 각각 한 쪽의 짧은 측면에 유체흡입 개구(4)를 구비하고 반대쪽의 짧은 측면에 유체배출 개구(5)를 구비하며, 이에 의해, 두 도관(3)에서는 유체흡입 개구(4)와 유체배출 개구(5)가 각각 모듈의 동일한 짧은 측면에 위치한다.
유체흡입 개구들(4)은 냉각 탭들(11)과 함께 짧은 측면에 위치하므로 온도 제어 모듈이 배터리 셀(9)에 고정되는 적용 예에서는 배터리 셀(9)의 전극 접점들(6)이 위치하는 측면에 위치한다. 이는 전극 접점들(6)의 영역에서 가장 많은 열 부하가 발생하기 때문에 적절하다.
도 1과 관련하여 이미 설명한 바와 같이, 열 전도는 탄소섬유들이 전극 접점들(6)이 있는 측면에서부터 모듈의 반대쪽의 짧은 측면까지 연장되는 단방향 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 층을 제공하는 것에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 열은 전극 접점들(6)이 위치하는 열적으로 가장 많이 노출된 영역에서 열적으로 덜 노출된 영역쪽으로 분산될 수 있다.
셀 표면에서의 열 균질화 및 열 분산에 대한 추가 가능성에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 관통 유동 채널들의 수는 모듈의 길이 연장에 따라 변할 수 있다. 그러므로, 열 노출이 가장 큰 영역(도 8에서 좌측)의 관통 유동 채널들의 수는 열 노출이 적은 영역보다 더 많을 수 있다.
관통 유동 채널들(8)을 규정하는 열전도성 스트립들(10)의 경우, 열전도율이 다른 재료를 사용할 수 있다(도 9 참조). 따라서, 열 부하가 많은 영역에서는 열 부하가 적은 영역보다 열전도율이 높은 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 구리와 같은 매우 양호한 열 전도체는 열 노출이 가장 큰 지점, 즉, 도 9에서 냉각 탭들(11)에 의해 덮여있는 전극 접점들을 가지는 측면에 배치될 수 있다. 이 영역으로부터의 거리가 증가함에 따라, 예를 들면, 알루미늄 등과 같은 열전도율이 감소하는 재료를 열전도성 스트립들(10)에 사용할 수 있다.
열 분산을 위한 구배는, 도 10에 도시된 바와 같이, 다른 직경의 관통 유동 채널들(8)에 의해 실현될 수 있다. 관통 유동 채널들(8)의 직경은 열 노출이 가장 큰 영역으로부터의 거리가 증가할수록 더 작아진다. 따라서, 직경이 크거나 더 큰 관통 유동 채널들(8)이 있는 영역에서의 냉각 용량이 더 크고 거리에 따라 직경이 감소하므로, 열 노출이 많은 영역에서 더 큰 냉각을 달성하고 모듈의 연장된 길이에 걸쳐서 균질화된 열 분포 또는 열 부하를 얻을 수 있다.
도 10에서 온도 제어 모듈에서의 일련의 감소된 직경의 원들을 통해 강조되는 것은 관통 유동 채널들(8)의 직경이 전극 접점들(6)이 있는 측면에서부터 그 반대쪽에 있는 측면까지 감소한다는 것이다.
도관들(3) 및/또는 관통 유동 채널들(8)에는 열적으로 가장 노출된 영역으로부터의 거리가 증가함에 따라 다공성이 감소하는 다공성 재료(13)를 제공할 수 있다.
다공성 재료(15)가 있는 도관(3)을 통해 절개된 종단면의 예는 도 11에 도시된다. 다공성(15)이 가장 높은 영역은 도 11의 좌측에 위치한다. 이 영역은 열 노출이 가장 심한 영역이다. 다공성(15)은 반대쪽에 있는 우측의 짧은 측면을 향한 방향으로는 연속적으로 감소한다.
다공성 재료(15)가 관통 유동 채널들(8)에 제공되는 경우, 관통 유동 채널들의 다공성(15)은 열적으로 더 강하게 노출된 영역들에서 열적으로 덜 노출된 영역들의 방향으로 감소하는 것이 적절하다.
도 12에 도시된 바와 같이, 채널들, 특히, 도관들(3)에는 열전달 유체의 관통 유동 속도를 조절하기 위한 장애물들(16)이 제공될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 장애물들(16)의 수는 열의 진화가 가장 적은 영역쪽(도면의 우측) 방향에서 가장 작고, 열의 진화가 가장 큰 영역(여기에서는 좌측 단부)을 통과하는 유동의 방해는 열의 진화가 가장 적은 영역쪽 방향에 대해 증가한다.
장애물들이 관통 유동 채널들(8)에 위치하는 경우, 유동의 방해, 즉, 관통 유동 채널들(8) 내의 장애물들의 수는 열적으로 덜 노출된 영역들보다 열적으로 더 많이 노출된 영역들에서 더 많아야 한다.
열전달 매체의 관통 유동 속도의 조절은 장애물의 형상 및/또는 크기의 선택을 통해 이루어질 수도 있다.
열전달의 감소 또는 단계적 변화는 냉각 핀들(14)의 수의 감소에 의해서도 달성될 수 있다.
위에 제시된 방법들의 조합 역시 온도 제어 모듈에 대한 온도 구배의 조절에 적용 가능하다는 것은 자명하다. 예를 들면, 도 11과 도 12에 도시된 바와 같은 관통 유동의 조절 방법들은 단방향 탄소섬유 복합체로 만들어진 층을 제공하는 것(도 1), 관통 유동 채널들의 간격들을 다르게 제공하는 것(도 10), 열전도율이 다른 열전도성 스트립들(6)의 재료를 제공하는 것(도 9) 및/또는 도 10에 따라 관통 유동 채널들(7)의 직경을 감소하는 것과 같은 하나 이상의 추가 방법과 결합될 수 있다.
예를 들면, 도 2 내지 도 6에서와 같이 반대되는 측면들에 전극 접점들(6)이 있는 배터리의 경우, 도 8 내지 도 12에 따른 실시예들에 서술된 바와 같은 열 분산 방법들이 모듈의 중앙을 향해 적절한 방법으로 정렬된다.
본 발명에 따르면, 충전식 배터리 셀들, 특히, 리튬 이온 배터리 셀들의 냉각 및 가열을 위한 다목적 온도 제어 모듈이 제공되어, 15°C 내지 35°C 사이의 이상적인 온도 범위에서 안전하고 확실한 동작, 전체 배터리 표면에 대한 열 부하의 균일한 분포, 및 전극 접점들의 영역과 같이 특히 열적으로 노출된 영역들에서 생성된 열의 효율적인 분산을 보장하고, 특히 열적으로 노출된 영역들에서 특히 높은 분산 성능을 발휘하여 열을 점진적으로 분산할 수 있다. 또한, 온도 제어 모듈은 다양한 유형과 형태의 배터리를 위해 설계될 수 있다.
1: 외부 쉘
2: 단방향 탄소섬유 복합체로 만들어진 층
3: 도관
4: 열전달 매체를 위한 흡입 개구
5: 열전달 매체를 위한 배출 개구
6: 전극 접점들
7: 중간층
8: 관통 유동 채널들
9: 배터리 셀들
10: 스트립들, 특히, 열전도 스트립들(섹션들)
11: 냉각 탭
12: 전기 절연 인터럽션
13: 외부 쉘(1)의 요부/함몰부
14: 냉각 핀들
15: 다공성 재료
16: 관통 유동 속도의 조절을 위한 장애물들

Claims (15)

  1. 배터리 셀의 가열 또는 냉각용 온도 제어 모듈에 있어서,
    폴리머 재료로 만들어진 외부 쉘(1)을 포함하고,
    상기 외부 쉘(1)은 가장자리를 따라 서로 결합된 두 개의 반대되는 주 표면을 구비하고, 상기 온도 제어 모듈의 내부 구성요소를 둘러싸며,
    상기 냉각용 온도제어 모듈의 내부에는 단방향 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 적어도 하나의 열 전도층이 마련되고, 상기 주 표면의 두 개의 반대되는 가장자리 영역 각각에는 도관(3)이 열전달 매체를 이동시키기 위해 연장되고,
    상기 단방향 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 적어도 하나의 열 전도층은 상기 모듈 표면 위에서 상기 도관들(3) 사이에 연장된 온도 제어 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 쉘(1)의 두 개의 주 표면의 각각의 내측에는 단방향 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 층이 마련되고, 상기 단방향 탄소섬유 복합체(2)로 만들어진 층들 사이에는 상기 도관(3)이 연결되는 하나의 관통 유동 채널 또는 복수의 관통 유동 채널(8)을 구비하는 중간층(7)이 위치하는 온도 제어 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중간층(7)은 열전도재로 만들어진 온도 제어 모듈.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 중간층(7)을 위한 열전도재는 금속인 온도 제어 모듈.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 중간층(7)을 위한 열전도재는 열전도성 플라스틱 화합물인 온도 제어 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전도성 플라스틱 화합물은 적어도 0.5 W/mK의 열전도율을 가지는 온도 제어 모듈.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나의 관통 유동 채널 또는 복수의 관통 유동 채널(8)은 상기 중간층 (7)을 서로 분리된 개별 섹션(10)으로 세분하는 온도 제어 모듈.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나의 관통 유동 채널 또는 복수의 관통 유동 채널(8)은 상기 중간층내의 구유 형태의 커팅부인 온도 제어 모듈.
  9. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관통 유동 채널(8)의 측벽에는 냉각 핀들(14)이 배치되는 온도 제어 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 주 표면의 외측에는 함몰부(13)가 배터리 셀을 유지하기 의해 마련되는 온도 제어 모듈.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관통 유동 채널(8)은 상기 도관(3) 사이에서 서로 평행한 상기 온도 제어 모듈의 가로축을 따라 연장되는 온도 제어 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 분산의 단계적 변화를 위한 수단이 마련되는 온도 제어 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수단은,
    a) 온도 구배에 따른 상기 관통 유동 채널(8)의 수의 감소,
    b) 상기 온도 구배에 따른 섹션/스트립(7/10)을 위한 재료의 열전도율의 감소,
    c) 상기 온도 구배에 따른 상기 관통 유동 채널(8) 또는 상기 도관(3) 중 적어도 하나의 직경의 감소,
    d) 상기 도관(3) 또는 상기 관통 유동 채널(8) 중 적어도 하나 내에 상기 온도 구배에 따라 다공성이 감소하는 다공성 재료(13)의 배치,
    e) 상기 도관(3) 또는 상기 관통 유동 채널(8) 중 적어도 하나 내에 상기 온도 구배에 따라 수가 증가하는 장애물(16)의 삽입, 및
    f) 상기 a) 내지 e) 중 두 가지 이상의 조합
    으로부터 선택되는 온도 제어 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 온도 제어 모듈의 전방측에는 이웃하는 배터리 셀(9)의 전극 접점들(6)의 직접 냉각 위해 냉각 탭(11)이 마련되는 온도 제어 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 쉘(1)을 위한 폴리머 재료는 탄성 중합체인 온도 제어 모듈.




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