KR20230163509A - 액체 및 기체 성분을 포함하는 열전달 유체를 갖는 열전달 시스템 - Google Patents
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Abstract
열전달 시스템은 전기화학 셀 유닛, 유체 순환 시스템 및 펌프를 포함한다. 유체 순환 시스템은 전기화학 셀 유닛과 열 접촉하는 열교환 섹션을 포함한다. 냉각 매체는 유체 순환 시스템에 배치되고, 적어도 유체 순환 시스템의 열교환 섹션 내에서, 냉각 매체는 액체 성분 및 기체 성분을 갖는 혼합물을 포함한다.
Description
본 발명은 액체 및 기체 성분을 포함하는 열전달 유체를 갖는 열전달 시스템에 관한 것이다.
배터리들과 같은 다양한 전기화학 셀들은 필요시에 전기 디바이스들에 전력을 제공하는데 사용된다. 다른 전기화학 셀들과 유사하게, 전류가 배터리들에 전달되거나 배터리들로부터 인출됨에 따라, 대부분의 배터리들은 열을 발생시킬 것이다. 발생된 열이 소산되지 않으면 배터리는 온도가 상승할 것이다. 배터리들은 전형적으로 유효 작동 온도 범위를 가지며, 배터리가 최대 작동 온도를 초과하면, 배터리가 비효과적이 되거나 심지어 고장날 수 있다. 일부 경우에, 약간의 온도 상승 후에, 배터리는 간단한 히트 싱크를 통해 또는 임의의 열 관리 없이 주변으로 열을 소산시킬 수 있다. 다른 경우들에서, 배터리에 의해 생성되는 열을 소산시키기 위해 더 특정한 열전달 시스템이 필요하다.
많은 열전달 시스템들은 열을 발생시키는 부품들을 냉각시키기 위해 유체를 순환시킨다. 이러한 시스템들은 복잡하고 무거울 수 있다. 이에 따라, 발열 부품들의 열 관리가 효율적인 열전달 시스템들을 사용하여 수행되는 것이 특히 중요할 수 있다.
본 발명의 양태들은 독립 청구항들에서 열거되고, 바람직한 특징들은 종속 청구항들에서 열거된다.
이러한 그리고 다른 양태, 이점 및 대안은 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
첨부된 도면은 본 발명의 시스템 및 방법에 대한 추가의 이해를 제공하기 위해서 포함되며, 본 명세서에 포함되고, 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면들은 반드시 일정한 비율은 아니며, 다양한 요소들의 크기는 명확성을 위해 왜곡될 수도 있다. 도면은 본 개시의 하나 이상의 실시형태(들)를 예시하고, 설명과 함께 본 개시의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
도 1 은 본 개시의 일 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 2 는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전기화학 셀 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 3 은 본 개시의 다른 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 4 는 본 개시의 또 다른 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 5 는 본 개시의 또 다른 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 6 은 본 개시의 실시형태에 따른 방법의 흐름도이다.
도 1 은 본 개시의 일 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 2 는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전기화학 셀 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 3 은 본 개시의 다른 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 4 는 본 개시의 또 다른 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 5 는 본 개시의 또 다른 실시형태에 따른 열전달 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 6 은 본 개시의 실시형태에 따른 방법의 흐름도이다.
전기화학 셀들의 열 관리를 위한 시스템들 및 방법들이 본원에 개시된다. 유리하게는, 시스템 및 방법은 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는 냉각 매체를 이용한다.
따라서, 제 1 양태에서, 본 발명은 다음을 포함하는 열전달 시스템을 제공한다:
복수의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 유닛;
상기 전기화학 셀들과 직접 접촉하고 상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들을 포함하는 유체 순환 시스템;
상기 유체 순환 시스템 내에 배치된 냉각 매체로서, 상기 유체 순환 시스템의 상기 내부 유체 경로들 내에서, 상기 냉각 매체는 상기 전기화학 셀들과 직접 접촉하고 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는, 상기 냉각 매체; 및
상기 유체 순환 시스템을 통해 상기 냉각 매체를 순환시키도록 구성된 펌프.
열전달 시스템의 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템의 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로 내에서, 기체 성분은 냉각 매체의 적어도 50 부피% 를 형성한다.
열전달 시스템의 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템의 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들 내에서, 냉각 매체의 액체 성분 및 기체 성분의 적어도 일부는 발포체를 형성한다.
열전달 시스템의 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템의 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들은 냉각 매체가 전기화학 셀과 직접 접촉하도록 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 유체 경로들을 포함한다.
열전달 시스템의 일부 실시예에서, 냉각 매체의 액체 성분은 계면활성제 및 발포 억제제 중 적어도 하나를 포함한다.
열 전달 시스템의 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템은 다음을 포함한다:
전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들을 포함하는 1차 회로로서, 냉각 매체의 액체 성분은 1차 회로에 한정되는, 상기 1차 회로;
전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들의 상류에 있는 1차 회로 내의 가스 입구; 및
전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들의 하류에 있는 1차 회로 내의 가스 출구.
열전달 시스템의 일부 실시예들에서, 가스 입구는 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들의 상류에 배치된 복수의 가스 입구들 중 하나이다.
열 전달 시스템의 일부 실시예들에서, 가스 입구는 전기화학 셀 유닛 아래에 배치되고, 가스 출구는 전기화학 셀 유닛 위에 배치되어, 기체 성분의 부력은 기체 성분이 전기화학 셀 유닛을 통해 상승하게 한다.
열 전달 시스템의 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템은 유체 순환 시스템 주위에 가스 성분을 재순환시키기 위해 가스 출구로부터 가스 입구로 연장되는 2차 회로를 더 포함한다.
열 전달 시스템의 일부 실시예에서, 냉각 매체는 유체 순환 시스템 전체에 걸쳐 액체 성분 및 기체 성분을 포함한다.
열 전달 시스템의 일부 실시예에서, 펌프는 유체 순환 시스템에 대한 혼합물로서 냉각 매체의 액체 성분 및 기체 성분을 순환시키도록 구성된다.
열전달 시스템의 일부 실시예에서, 냉각 매체 내의 기포 형성을 촉진하도록 구성된 혼합기를 더 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 전기화학 셀 유닛을 냉각하는 방법을 제공하며, 이 방법은 다음을 포함한다:
전기화학 셀을 포함하는 전기화학 셀 유닛과 열 접촉하는 유체 순환 시스템의 열교환 섹션을 제공하는 단계; 및
상기 전기화학 셀 유닛으로부터 냉각 매체로 에너지를 전달하기 위해 상기 유체 순환 시스템을 통해 상기 냉각 매체를 순환시키는 단계로서, 상기 유체 순환 시스템의 상기 열전달 섹션 내에서, 상기 냉각 매체는 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는, 상기 냉각 매체를 순환시키는 단계.
방법의 일부 실시예에서, 냉각 매체를 순환시키는 단계는 유체 순환 시스템의 열 교환 섹션 내에 냉각 매체의 기체 성분을 적어도 50 부피%의 비율로 유지한다.
상기 방법의 일부 실시예에서, 냉각 매체를 순환시키는 단계는 유체 순환 시스템 전체에 걸쳐 냉각 매체를 발포체의 형태로 유지하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에서, 냉각 매체를 순환시키는 단계는 펌프를 통해 발포체를 순환 운반시키는 단계를 포함한다.
방법의 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템은 열교환 섹션을 포함하는 1차 회로를 포함하고,
상기 냉각 매체의 상기 액체 성분은 상기 1차 회로에 한정되고,
상기 냉각 매체를 순환시키는 단계는 상기 기체 성분을 상기 1차 회로에 주입하는 단계를 포함한다.
방법의 일부 실시예에서, 1차 회로에 기체 성분을 주입하는 단계는 유체 순환 시스템을 통해 액체 성분을 구동시킨다.
방법의 일부 실시예들에서, 기체 성분은 전기화학 셀 유닛 아래에 있는 위치에서 1차 회로 내로 주입되어, 기체 성분의 부력은 기체 성분이 전기화학 셀 유닛을 통해 상승하게 한다.
일부 실시예들에서, 방법은 1차 회로의 출구를 통해 기체 성분을 수집하는 단계를 더 포함한다.
예시적인 시스템들 및 방법들이 본 명세서에 설명된다. 단어 "예" 및 "모범적인" 은 여기서 "예, 사례, 또는 예시로서 역할하는" 을 의미하기 위해 사용된다는 것을 이해하여야 한다. 여기서 "예" 또는 "모범적인" 것으로 설명된 임의의 실시형태 또는 특징은 반드시 다른 실시형태들 또는 특징들보다 선호되거나 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 이하의 상세한 설명에서는, 그 일부분을 형성하는 첨부 도면들에 대한 참조가 이루어진다. 도면들에서, 문맥상 달리 지시하지 않는 한, 유사한 도면 부호들은 통상 유사한 컴포넌트들을 식별한다. 여기에 제시된 주제의 범위를 벗어남이 없이, 다른 실시형태들이 이용될 수도 있고, 다른 변화들이 이루어질 수도 있다.
여기에 기술된 모범적인 실시형태들은 제한적인 것으로 여겨지지 않는다. 여기에서 일반적으로 설명되고 도면에 도시된 본 개시의 양태들이 매우 다양하고 상이한 구성들로 정렬, 대체, 조합, 분리 및 설계될 수 있으며, 그 전부는 여기에서 명시적으로 고려되는 것임을 용이하게 이해할 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 측정과 관련하여, "약"은 +/- 5%를 의미한다.
달리 명시되지 않는 한, 용어 "제 1", "제 2" 등은 여기서 단지 라벨로서 사용되며, 이러한 용어들이 지칭하는 항목에 순서적, 위치적 또는 계층적 요건을 부여하려는 것이 아니다. 또한, 예컨대 "제 2" 항목이라는 언급은 예컨대 "제 1" 또는 더 낮은 번호의 항목, 및/또는 예컨대 "제 3" 또는 더 높은 번호의 항목의 존재를 요구하거나 배제하지 않는다.
여기서 "일 실시형태" 또는 "일 예" 라는 언급은 그 예와 관련하여 설명된 하나 이상의 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 구현에 포함된다는 것을 의미한다. 명세서 내 다양한 곳에서의 "일 실시형태" 또는 "일 예" 라는 어구는 동일한 예를 가리킬 수도 또는 가리키지 않을 수도 있다.
여기서 사용되는 바와 같이, 특정 기능을 수행"하도록 구성된" 시스템, 장치, 디바이스, 구조, 물품, 요소, 컴포넌트, 또는 하드웨어는, 단지 추가적인 수정 후에 특정 기능을 수행할 가능성을 갖는 것 이외에, 어떠한 변경 없이 특정 기능을 실제로 수행할 수 있다. 환언하면, 특정 기능을 수행"하도록 구성된" 시스템, 장치, 구조, 물품, 요소, 컴포넌트, 또는 하드웨어는 특정 기능을 수행할 목적으로 특별히 선택, 생성, 구현, 활용, 프로그래밍 및/또는 설계된다. 여기서 사용되는 바와 같이, "하도록 구성된" 은 시스템, 장치, 구조, 물품, 요소, 컴포넌트, 또는 하드웨어가 추가적인 수정 없이 특정 기능을 수행할 수 있게 하는 시스템, 장치, 구조, 물품, 요소, 컴포넌트, 또는 하드웨어의 기존 특성을 나타낸다. 본 개시의 목적을 위해, 특정 기능을 수행"하도록 구성된" 것으로 묘사된 시스템, 장치, 구조, 물품, 요소, 컴포넌트, 또는 하드웨어는 추가적으로 또는 대안적으로 그 기능을 수행하도록 "되어 있는" 및/또는 "작동하는" 것으로 묘사될 수도 있다.
이하의 설명에서, 개시된 개념들의 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 세부사항이 설명되지만, 이들은 이러한 상세 전부 또는 일부 없이 실시될 수도 있다. 다른 예들에서, 알려진 디바이스 및/또는 프로세스의 세부사항은 본 개시를 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 생략되었다. 일부 개념들은 특정 예들과 함께 설명될 것이지만, 이러한 예들이 제한적인 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에 기술된 시스템들 및 방법들은 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는 냉각 매체를 사용하는 열 전달 시스템들에 대해 적응된다. 냉각 매체는 열발생 전기 부품을 통해 연장되는 내부 경로들을 포함하는 열교환 섹션을 갖는 유체 순환 시스템을 통해 순환된다.
그에 따라, 냉각 매체는 전기 부품으로부터 에너지를 흡수하여 전기 부품을 원하는 온도 범위 내에 유지한다.
몇몇 실시예들에서, 열 전달 시스템의 전기 부품은 하나 이상의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 유닛이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전기 부품은 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩이다. 다른 실시예들에서, 전기 부품은 연료 셀과 같은 다른 타입의 전기화학 셀이다. 또한, 다른 실시예에서, 열 전달 시스템은 모터 또는 컴퓨터와 같은 다른 유형의 전기 부품을 포함한다.
일부 실시예에서, 열 전달 시스템은 차량의 일부이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 열 전달 시스템은 자동차, 트럭, 기관차, 보트, 또는 비행기 내의 전기화학 셀들 및/또는 모터들과 연관된다. 다른 실시예에서, 열전달 시스템은 전력 저장 또는 발전 시스템과 같은 정지 시스템의 일부이다. 여전히, 다른 실시예에서, 열전달 시스템은 발열 전기 부품을 포함하는 다른 시스템의 일부이다.
액체 성분과 기체 성분을 모두 포함하는 냉각 매체의 사용은 여러 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 냉각 매체의 일부로서 기체 성분을 포함하는 것은 유체 순환 시스템을 통해 순환되는 냉각 매체의 중량을 감소시킨다. 그 결과, 전체 열전달 시스템은 종래의 열전달 시스템에 비해 감소된 중량을 가질 수 있다. 이러한 중량 감소는 다양한 유형의 시스템에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 배터리 또는 모터와 같은 큰 전기 부품을 사용하는 차량은 열 전달 시스템의 감소된 중량을 가짐으로써 성능 이점을 얻을 수 있다. 냉각 매체 및 열 전달 시스템의 감소된 중량은 차량의 전체 중량을 감소시킴으로써 유리할 수 있고, 이에 의해 기동성 또는 효율을 개선한다. 대안적으로, 냉각 매체 및 열 전달 시스템의 중량의 감소는 차량이 차량의 전체 중량을 유지하면서 추가적인 유리한 부품을 추가하게 할 수 있다. 예를 들어, 냉각 매체의 중량 감소와 함께, 배터리 팩의 중량을 유지하면서 추가적인 배터리 셀들이 추가될 수 있다.
차량에 추가하여, 중량 감소가 유리할 수 있는 다른 경우들이 있다. 예를 들어, 열 전달 시스템의 위치는 중량 감소가 유리하게 할 수 있다. 예를 들어, 건물의 상부에 있는 풍력 터빈 또는 전기 시스템과 같은 상승된 위치에서, 중량의 감소는 지지 구조물의 구조적 완전성에 유리하다.
도면을 참조하면, 도 1은 전기화학 셀(112)을 포함하는 전기화학 셀 유닛(110)을 포함하는 열 전달 시스템(100)을 도시한다. 열 전달 시스템(100)은 또한, 유체 순환 시스템(120) 내에 배치되고 유체 경로 전체에 걸쳐 분산된 냉각 매체(102)를 순환시키기 위한 하나 이상의 유체 경로를 포함하는 유체 순환 시스템(120)을 포함한다. 유체 순환 시스템(120)은 전기화학 셀 유닛(110) 내에서 발생된 열이 유체 순환 시스템(120) 내에서 냉각 매체(102)에 전달될 수 있도록 전기화학 셀 유닛(110)을 통해 연장되는 내부 유체 경로들을 포함하는 열교환 섹션(142)을 포함한다. 유체 순환 시스템(120)의 열 교환 섹션(142) 내에서, 냉각 매체(102)는 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는 2개의 상(phases)을 포함한다.
전기화학 셀 유닛(110)의 작동 동안, 전류가 전기화학 셀(112)로 전달되거나 이로부터 인출됨에 따라, 일부 에너지는 전기화학 셀(112) 또는 이웃하는 전기화학 셀(112) 내에서 열로 변환될 수 있다. 그 결과, 전기화학 셀(112)은 온도가 상승할 수 있다. 열교환 섹션(142)의 내부 유체 경로들 내에서 전기화학 셀(112)과 냉각 매체(102) 사이의 온도 차이는 전기화학 셀(112)로부터 냉각 매체(102)로 에너지가 소산되게 할 수 있다. 마찬가지로, 전기화학 셀 유닛(110)의 다른 전기화학 셀들(112)에 인접한 냉각 매체(102)는 유사하게 다른 각각의 전기화학 셀들(112)로부터 열을 흡수할 수 있다.
열 전달 시스템(100)은 또한 유체 순환 시스템(120)을 통해 냉각 매체(102)를 순환시키도록 구성된 펌프(122)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 도 1에 도시된 실시예에서와 같이, 유체 순환 시스템(120)은 루프 형태일 수 있으며, 이때 펌프(122)는 유체 순환 시스템(120)의 루프 주위에서 모든 냉각 매체(102)를 순환시키기 위해 루프에 배열된다.
다른 실시예에서, 펌프(122)는 상이한 구성을 가질 수 있고, 아래의 다양한 실시예에서 설명되는 바와 같이 다른 방식으로 냉각 매체(102)를 순환시키도록 동작할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 펌프는 유체를 이동시키기 위해 에너지를 사용하는 임의의 장치를 포함한다. 예를 들어, 펌프는 로터리, 피스톤 또는 다른 펌프들과 같이 유체를 이동시키는 임의의 액추에이터 또는 메커니즘에 의해 형성될 수 있다. 여전히, 다른 실시예에서, 열전달 시스템(100)은 펌프 없이 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 냉각 매체(102)는 온도 및 대류의 변화의 결과로서, 예를 들어 열-사이퍼닝(thermo-syphoning)에 의해 유체 순환 시스템(120)을 통해 순환할 수 있다.
일부 실시예에서, 열전달 시스템(100)은 또한 유체 순환 시스템(120) 내에 열교환기(124)를 포함할 수 있다. 열교환기(124)는 유체 순환 시스템(120)의 열교환 섹션(142)의 내부 경로들 내에서 전기화학 셀 유닛(110)으로부터 흡수된 냉각 매체(102)로부터 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다. 열교환기(124) 내에서 냉각 매체(102)의 냉각을 촉진하기 위해, 다른 유체가 냉각 매체(102)로부터 열을 흡수하도록 열교환기(124)를 통해 흐를 수 있다. 열교환기는 평행 흐름, 역류 흐름, 또는 교차 흐름 열교환기로서 구성될 수 있다. 예로서, 일부 실시예에서, 열교환기는 라디에이터일 수 있고, 냉각 매체(102)를 냉각시키는 데 사용되는 제2 유체는 공기일 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 2 유체는 또 다른 열 교환기에서 냉각되는 액체 냉각제일 수 있다. 일부 실시예에서, 열 교환기(124)는 냉각 매체(102) 및 제2 유체를 보유하는 개재된 통로들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 열교환기는 냉각 매체(102)를 유지하는 통로를 갖는 제1 플레이트 및 제2 유체를 유지하는 통로를 갖는 제2 플레이트와 같은 더 단순한 구성을 가질 수 있다. 다른 구성들도 가능하다.
또한, 다른 실시예들에서, 열 전달 시스템(100)은 열 교환기에 추가하여 또는 그 대신에, 냉각 매체(102)로부터 에너지를 흡수하기 위한 다른 구조들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 냉각 매체(102)의 온도를 감소시키기 위해 히트 싱크(heat sink)가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기화학 셀 유닛은 복수의 전기화학 셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 실시예에서, 전기화학 셀 유닛(110)은 전기화학 셀 유닛(110)을 형성하는 단일 하우징(114)에 전기적으로 연결되고 배치되는 다수의 전기화학 셀들(112)을 포함한다. 예로서, 일부 실시예들에서, 전기화학 셀 유닛(110)은 배터리 팩 하우징 내에 배치되는 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩일 수 있다. 다른 실시예들에서, 전기화학 셀 유닛(110)은 단일 배터리 또는 다른 유형의 셀과 같은 단일 전기화학 셀을 포함할 수 있다.
열 전달 시스템(100)의 다양한 실시예에서, 냉각 매체(102)의 기체 성분과 액체 성분의 비율은 값의 범위에 걸쳐 변할 수 있다.
또한, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 기체 성분 대 액체 성분의 비율은 유체 순환 시스템(100) 내에서 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템(120)의 특정 영역에서, 기체 성분은 유체 순환 시스템의 다른 영역에서보다 더 높은 퍼센트의 냉각 매체(102)를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템(120)의 열교환 섹션(142)의 내부 경로들 내에서, 기체 성분은 냉각 매체(102)의 적어도 50부피%를 형성할 수 있다. 또한 일부 실시예에서, 기체 성분은 냉각 매체(102)의 적어도 75 부피%, 또는 냉각 매체의 적어도 80 부피%, 또는 냉각 매체의 적어도 90 부피%를 형성할 수 있다. 더욱이, 냉각 매체의 기체 성분의 중량은 크지 않다. 이에 따라, 냉각 매체의 기체 성분에 의한 액체의 대체는 시스템의 중량의 실질적으로 직접적인 감소를 초래한다. 따라서, 냉각 매체의 80%가 기체인 시스템은 냉각 매체가 완전히 액체인 시스템에 비해 약 80%의 중량 감소를 가질 수 있다. 물론, 다른 실시예에서, 기체 성분은 유체 순환 시스템(120)의 열 교환 섹션(142) 내에서 더 작은 퍼센트의 냉각 매체를 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 유체 순환 시스템의 열교환 섹션의 내부 경로들 내에서, 냉각 매체의 액체 성분 및 기체 성분의 적어도 일부는 발포체를 형성한다. 본원에서 사용되는 용어 발포체는 액체 중에 분산된 기체의 기포들을 포함한다. 일부 구현예에서, 발포체는 적어도 10초, 예를 들어 적어도 30초, 예를 들어 적어도 1분 동안 안정하다. 일부 실시예에서, 발포체는 열 교환 섹션을 통해 집합적으로 이동하여, 열 교환 섹션에서의 기체 성분의 속도가 열 교환 섹션에서의 액체 성분의 속도와 실질적으로 동일하다. 다시 말해서, 일부 실시예에서, 기체의 기포들 및 기포들을 둘러싸는 액체는 유체 순환 시스템을 통해 실질적으로 함께 이동한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 유체 순환 시스템의 도관의 중심을 통한 액체 성분의 속도는 동일한 도관의 중심을 통한 기체 성분의 속도의 적어도 80%이다. 다른 실시예들에서, 기체 성분의 기포들은 액체 성분을 통해 이동하고, 액체 성분은 더 느린 속도로 이동한다.
일부 실시예들에서, 냉각 매체의 액체 성분은 하나 이상의 액체 냉각제를 포함한다. 예를 들어, 냉각 매체의 액체 성분은 수계 냉각제를 포함할 수 있다. 이러한 냉각제는 글리콜 또는 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 냉각 매체의 액체 성분은 대안적으로 오일계 냉각제일 수 있다. 냉각 매체의 액체 냉각제는, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 성분들의 다양한 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각 매체의 액체 성분은 계면활성제 및 발포 억제제 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 냉각 매체의 액체 성분은 기포 크기, 점도 등과 같은 냉각 매체의 다양한 특성에 영향을 미치는 계면활성제 및 발포 억제제 둘 모두의 농도를 포함한다.
일부 실시예에서, 유체 순환 시스템의 열 교환 섹션은 냉각 매체가 전기화학 셀과 직접 접촉하도록 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 유체 경로를 포함한다. 도 2는 이러한 구성을 갖는 전기화학 셀 유닛의 보다 상세한 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 전기화학 셀 유닛은 복수의 배터리 셀(212)을 포함하는 배터리 팩(210)으로 구성된다. 그러나, 다른 유형의 전기화학 셀들과 함께 도 2에 나타낸 것과 동일한 구성을 갖는 유닛도 가능하다.
배터리 팩(210)은 배터리 셀들(212)뿐만 아니라 유체 순환 시스템(220)의 유체 도관들(244)을 유지하는 하우징(214)을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(210)은 배터리 팩(210)을 전원 또는 전기 부하에 연결하기 위해 하우징(214)의 외부에 전기 단자(216)를 포함할 수 있다. 배터리 팩(210)은 배터리 팩(210) 내의 배터리 셀(212)을 전기적으로 연결하는 전기 연결부(218)를 더 포함할 수 있다. 전기 연결부(216)는 그룹을 형성하기 위해 직렬로 연결되는 여러 개의 배터리 셀(212) 및 병렬로 연결되는 배터리 셀의 그룹과 같이 배터리 셀(212)을 직렬로, 병렬로 또는 조합하여 연결할 수 있다.
전기 연결부는 하나의 배터리 셀로부터 다른 배터리 셀로 전류를 전달하기 위한 임의의 전도성 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 연결부들은 와이어들 또는 전도성 바아들에 의해 서로 연결되는, 배터리 셀들 각각에 대한 단자로서 작용하는 탭들을 포함할 수 있다. 다른 전기 연결부들이 또한 가능하다.
일부 실시예에서, 전기 연결부(218)는 유체 순환 시스템(220) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(210) 내의 배터리 셀들(212) 사이의 전기 연결부들(218)은 냉각 매체(202)가 전기 연결부들(218)을 둘러싸도록 유체 순환 시스템(220) 내에 위치될 수 있다. 이러한 구성은 전기 연결부들(218)을 통한 전류의 흐름에 의해 생성된 임의의 열이 냉각 매체(202) 내로 소산될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 배터리 셀들(212)은 파우치 셀들이다. 예를 들어, 배터리 셀들(212)의 케이스는 포일과 같은 가요성 재료로 형성된 파우치 형태일 수 있다. 배터리 셀들(212)을 위한 단자들을 형성하는 탭들은 케이싱 내의 전극들에 연결될 수 있고, 다른 배터리 셀들(212)로의 전기적 연결을 위해 케이싱 외부로 연장될 수 있다.
또한, 탭들은 셀 케이싱을 통과하는 곳에서 밀봉될 수 있다. 다른 실시예들에서, 배터리 셀들은 프리즘 셀들 또는 원통형 셀들일 수 있다.
일부 실시예들에서, 냉각 매체(202)의 액체 성분은 유전체일 수 있다. 따라서, 단자들과 같은 배터리 셀들(212)의 전도성 부분들은 배터리 셀들(212)의 성능을 손상시키지 않고서 냉각 매체(202)와 직접 유체 연통할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 유전체는 본 기술 분야에 알려져 있고 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법에 적합하게 사용될 수 있는 다양한 유전체 물질을 포함한다. 예를 들어, 제1 유체의 실시형태는 지방족 (예를 들어, C14-C50 알킬, C14-C50 알케닐, C14-C50 알키닐, 폴리올레핀, 예컨대 폴리-α-올레핀), 지방족 옥시게네이트 (예를 들어, 케톤, 에테르, 에스테르, 또는 아미드), 방향족 (예를 들어, 디알킬벤젠, 예컨대 디에틸벤젠, 시클로헥실벤젠, 1-알킬나프탈렌, 2-알킬나프탈렌, 디벤질톨루엔, 및 알킬화 비페닐), 방향족 옥시게네이트 (예를 들어, 케톤, 에테르, 에스테르, 또는 아미드), 실리콘 (예를 들어, 실리콘 오일 및 실리케이트 에스테르), 할로카본 및 히드로할로에테르 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각 매체(202)는 6 미만의 유전 상수 또는 상대 유전율을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 냉각 매체의 액체 성분은 미네랄 오일 베이스를 갖는 액체 유전체일 수 있다. 합성 유체를 포함하는 다른 액체 유전체가 또한 냉각 매체의 액체 성분으로서 사용하기에 가능하다.
일부 실시예에서, 유체 순환 시스템(220)의 열교환 섹션(242)의 유체 도관들(244)에 의해 형성된 내부 경로들은 배터리 셀들(212)의 케이싱에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유체 도관(244)은 제1 유체 도관(244)의 어느 한 측면 상의 배터리 셀들(212)의 케이싱에 의해 형성된다. 제 1 유체 도관(244)의 경계의 일부를 정의하기 위해 배터리 셀들(212)의 케이싱을 사용하는 것은 배터리 셀들(212)과 냉각 매체(202)의 유체 접촉을 초래하며, 이는 제 1 유체 도관(244) 내에서 배터리 셀들(212)과 냉각 매체(202) 사이의 열전달을 촉진시킨다.
배터리 셀들(212)의 케이싱 이외에, 배터리 팩(210) 내의 유체 도관들(244)은 또한 배터리 팩(210)의 하우징(214)에 의해 또는 다른 부품들에 의해 규정될 수 있다.
도 3 은 본 개시에 따른 열전달 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 도 3에 도시된 열전달 시스템(300)은 전기 차량(390)의 일부이고, 배터리 팩(310) 형태의 전기화학 셀 유닛을 포함한다. 그러나, 유사한 열 전달 시스템들은 또한 다른 유형들의 전기화학 셀 유닛들을 포함할 수 있고, 이전에 설명된 바와 같은 다른 유형들의 기계들 또는 장치들에 포함될 수 있다.
도 3에 도시된 배터리 팩(310)은 하우징(314) 내에 유지된 복수의 배터리 셀들(312)을 포함한다. 열전달 시스템(300)은 액체 성분 및 기체 성분 모두를 포함하는 냉각 매체(302)를 포함하는 유체 순환 시스템(320)을 포함한다. 특히, 냉각 매체(302)의 액체 성분 및 기체 성분은 하우징(314) 내부에 있는 유체 순환 시스템(320)의 열교환 섹션(342)의 내부 경로들 내에서 혼합된다.
유체 순환 시스템(320)은 냉각 매체(302)가 배터리 셀들(312)과 직접 접촉하도록 배터리 팩(310)을 통해 자유롭게 연장되는 통로들을 포함한다. 특히, 유체 순환 시스템(320)의 열교환 섹션(342)은 냉각 매체(302)가 배터리 셀들(312)과 직접 접촉하는 배터리 팩(310)의 영역 내에 형성된다.
도 3에 도시된 열전달 시스템(300)의 실시예의 유체 순환 시스템(320)은 열교환 섹션(342) 및 냉각 매체(302)를 재순환시키는 복귀 경로(348)를 포함하는 1차 회로(340)를 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각 매체(302)의 액체 성분은 1차 회로(340)에 국한될 수 있다. 대조적으로, 냉각 매체(302)의 기체 성분은 열교환 섹션(342)의 상류로 도입되고, 그 후 열교환 섹션(342)의 하류에서 1차 회로(340)로부터 추출될 수 있다.
따라서, 냉각 매체(302)가 열교환 섹션(342) 내에 액체 성분 및 기체 성분 둘 모두를 포함할 수 있지만, 2개의 성분들은 유체 순환 시스템의 다른 부분들에서 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 열전달 시스템(300)의 유체 순환 시스템(320)은 열교환 섹션(342)의 내부 경로들의 상류에 위치된 1차 회로(340)로의 가스 입구(364) 및 열교환 섹션의 내부 경로들의 하류에 있는 1차 회로(340)로부터의 가스 출구(366)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 가스 입구는 열교환 섹션의 내부 경로들의 상류에 배치된 복수의 가스 입구들 중 하나이다. 예를 들어, 1차 회로(340)는, 열교환 섹션(342)의 내부 경로들의 상류에 있는 1차 회로(340)의 다양한 위치들에 냉각 매체(302)의 기체 성분을 주입하기 위해 가스 라인(362)에 커플링된 복수의 가스 입구들(364)을 포함할 수 있다. 복수의 가스 입구들 (364) 의 사용은, 기체 성분이 배터리 팩 (310) 전체에 걸쳐 분산되게 하는 위치들에서 기체 성분이 1차 회로 (340) 내로 주입되게 할 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 기체 성분이 각각의 배터리 셀(312) 사이에 기체 성분의 기포들을 주입하도록 위치될 수 있다. 더욱이, 다수의 가스 입구들(364)의 사용은 또한 액체 성분 내에 기체 성분을 분산시키는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 다수의 가스 입구들(364)의 사용은 냉각 매체(302)의 액체 성분 내에 기체 성분의 더 작은 기포들을 형성하는 것을 도울 수 있다.
일부 실시예들에서, 유체 순환 시스템(320)은 또한 1차 회로(340)의 열교환 섹션(342) 내에 있는 냉각 매체(302)의 기체 성분을 위한 가스 입구들(364)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 냉각 매체(302)의 기체 성분은 열교환 섹션(342)의 상류에서 그리고 그 내에서 유체 순환 시스템의 1차 회로(340) 내로 주입될 수 있다.
열교환 섹션(342) 내의 가스 입구들(364)의 사용은 열교환 섹션(342) 전체에 걸쳐 기체의 분배를 촉진하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 가스 입구들(364)은 기체 기포들이 이동하지 않을 위치들에서 또는 그렇지 않으면 기체 기포가 정체될 수 있는 위치들, 예컨대, 코너에서 열 교환 섹션 내에 배치될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 유체 순환 시스템(320)은 1차 회로(340)의 열교환 섹션(342) 내에만 위치되는 가스 입구들(364)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 가스 입구는 전기화학 셀 아래에 배치될 수 있고 가스 출구는 전기화학 셀 위에 배치될 수 있어서, 기체 성분의 부력은 기체 성분이 전기화학 셀 유닛을 통해 상승하게 한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 실시예의 유체 순환 시스템(320)의 가스 입구들(364)은 배터리 팩(310)의 배터리 셀들(312) 아래에 위치된다. 이에 따라, 냉각 매체의 기체 성분이 1차 회로(340)에 주입됨에 따라, 기체 기포들이 형성되어 액체 성분을 통해 상승할 것이다. 예를 들어, 기체 성분은 펌프(322)를 사용하여 가스 라인(362)으로부터 1차 회로 내로 전달될 수 있다. 기체 기포들은 액체 성분의 표면에 도달할 때까지 그들의 부력 때문에 계속해서 상승할 것이다. 배터리 팩(310)의 상부에 그리고 냉각 매체(302)의 액체 성분의 표면 위에 위치된 가스 출구(366)는 1차 회로(340) 내로 주입된 기체 성분을 수집하는데 사용될 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 기체 기포들의 상승은 냉각 매체(302)의 액체 성분이 또한 배터리 팩(310)을 통해 상승하게 할 수 있다. 이어서, 액체 성분은 중력으로 인해 복귀 경로(348)를 통해 배터리 팩(310)의 하부를 향해 다시 배출될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 가스 펌프(322)는 유체 순환 시스템(320) 주위로 냉각 매체(302)의 기체 성분을 순환시키기에 충분하다. 다른 실시예들에서, 열전달 시스템(300)은 냉각 매체(302)의 상이한 부품들이 분리될 때 이들을 이동시키기 위해 액체 및 가스 펌프들 둘 모두를 포함할 수 있다.
열전달 시스템의 실시예들에서, 냉각 매체의 액체 성분을 통한 기체 성분의 기포들의 유동은 유체 순환 시스템 내의 냉각 매체의 증가된 혼합 및 난류를 불러일으킬 수 있다. 이러한 증가된 혼합은 전기화학 셀 유닛으로부터 냉각 매체로의 열전달을 증가시킬 수 있으며, 그럼으로써 열전달 시스템의 효율을 상승시킬 수 있다. 전기화학 셀 유닛과 냉각 매체 사이의 열전달의 이러한 효율 증가는 중량 감소가 중요한 고려사항이 아닌 상황에서도 본 발명의 열전달 시스템을 매력적으로 만들 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템의 유체 순환 시스템은 유체 순환 시스템 주위에 기체 성분을 재순환시키기 위해 가스 출구로부터 가스 입구로 연장되는 2차 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전달 시스템(300)은 기체 성분이 가스 출구(366)를 통해 수집되는 배터리 팩(310)의 상부로부터 기체 성분이 가스 입구(364)를 통해 냉각 매체(302)의 액체 성분으로 주입되는 가스 라인(362)으로 연장되는 2차 회로(360)를 포함할 수 있다. 2차 회로(360)는 1차 회로(340) 내로 기체 성분을 구동하기 위해 가스 펌프(322)를 더 포함할 수 있다. 2차 회로(360)의 사용은 기체 성분이 배기되지 않고서 배터리 팩을 통해 재순환되게 할 수 있다.
다른 실시예에서, 냉각 매체의 기체 성분은 주변 환경으로부터 포획되는 공기일 수 있다. 따라서, 그러한 실시예는 1차 회로에 대한 가스 입구의 상류에 공기 흡입구를 포함할 수 있고, 가스 출구는 2차 회로로 공기를 재순환시킬 필요 없이 시스템으로부터 배출될 수 있다.
더욱이, 일부 실시예에서, 공기 흡입구는 공기를 건조시키고 원하지 않는 오염물을 제거하기 위해 하나 이상의 필터들에 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 유체 순환 시스템의 기체 성분은, 재순환되지 않지만 주변 환경으로 탈출하도록 허용되는 저장된 또는 생성된 가스일 수 있다.
열전달 시스템(300)은 또한 냉각 매체(302)로부터 에너지를 흡수하기 위한 열교환기(324)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(310)은 열교환기를 통해 흐르는 냉각제를 갖는 플레이트의 형태로 열교환기(324) 상에 놓인다. 배터리 팩의 바닥에서의 열교환기(324)의 위치는 복귀 경로(348)를 통해 재순환된 냉각 매체(302)의 액체 성분이 배터리 셀(312)을 냉각시키는 유체 순환 시스템(320)의 열교환 섹션(342)을 통해 다시 구동되기 전에 냉각되도록 허용한다.
일부 실시예에서, 열전달 시스템은 후술되는 바와 같이 열전달 시스템을 작동시키는 방법을 수행하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 열전달 시스템(300)은 유체 순환 시스템(320)을 통해 냉각 매체(302)를 순환시키기 위해 가스 펌프를 작동시키기 위해 가스 펌프(322)에 제어 신호를 전송하도록 구성된 제어기(380)를 포함한다.
제어기 (380) 는 본 개시의 방법을 수행하기 위한 프로그램 명령들이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기 (380) 는 적어도 하나의 메모리 (382), 적어도 하나의 프로세서 (384), 및/또는 네트워크 인터페이스 (386) 를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다른 실시형태에서, 제어기 (380) 는 프로그램 명령들을 수행하도록 작동 가능한 상이한 타입의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 제어기는 프로세서 작동들을 수행하는 ASIC (application specific integrated circuit) 또는 FPGA (field programmable gate array) 를 포함할 수 있다.
열전달 시스템(300)의 제어기(380)는 도 3에 도시된 바와 같이 전기 차량(390) 내에 물리적으로 배치될 수 있지만, 다른 실시예들에서, 제어기(380)의 적어도 일부는 전기 차량(390)의 나머지로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제어기(380)의 하나 이상의 부분들은 전기 차량(390)으로부터 원격에 있을 수 있고, 네트워크 인터페이스(386)를 통해 전기 차량의 나머지와 통신할 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서, 제어기 (380) 는 클라이언트 디바이스, 즉 사용자에 의해 능동적으로 작동되는 디바이스일 수 있는 반면, 다른 실시형태에서, 제어기 (380) 는 서버 디바이스, 예를 들어 클라이언트 디바이스에 계산 서비스들을 제공하는 디바이스일 수 있다. 또한, 본 개시의 실시형태에서 다른 타입의 계산 플랫폼이 또한 가능하다.
메모리 (382) 는 컴퓨터 이용가능 메모리, 예컨대 RAM, ROM, 비휘발성 메모리, 예컨대 플래시 메모리, 솔리드 스테이트 드라이브, 하드디스크 드라이브, 광 메모리 디바이스, 및/또는 자기 저장 디바이스일 수 있다.
제어기 (380) 의 프로세서 (384) 는 컴퓨터 처리 요소들, 예컨대 중앙 처리 장치 (CPU), 디지털 신호 처리기 (DSP), 또는 네트워크 프로세서를 포함한다. 일부 실시형태에서, 프로세서 (384) 는 실행되는 명령들 및 대응하는 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터 메모리 및/또는 수행된 명령들을 일시적으로 저장하는 캐시 메모리를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 메모리 (382) 는 본 명세서에 설명된 바와 같이, 본 개시의 방법들 및 작동들을 수행하기 위해 프로세서 (384) 에 의해 실행가능한 프로그램 명령들을 저장한다.
네트워크 인터페이스 (386) 는 제어기 (380) 와 다른 컴퓨팅 시스템들 또는 디바이스들 사이에 통신 매체, 예컨대 디지털 및/또는 아날로그 통신 매체 (제한적이지 않음) 를 제공한다. 일부 실시형태에서, 네트워크 인터페이스는 IEEE 802.11 또는 블루투스와 같은 무선 접속을 통해 작동할 수 있는 반면, 다른 실시형태에서, 네트워크 인터페이스 (386) 는 이더넷 접속과 같은 물리적 유선 접속을 통해 작동할 수 있다. 여전히 다른 실시형태에서, 네트워크 인터페이스 (386) 는 다른 규약을 사용하여 통신할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어기(380)는 다양한 센서들로부터 센서 값들을 수신할 수 있고, 센서들로부터의 값들에 기초하여 가스 펌프(322)에 전송된 제어 신호들을 적응시킬 수 있다. 예를 들어, 제어기(380)는 온도 센서(388)로부터 온도 값들을 수신하고, 온도 센서(388)로부터 수신된 값에 기초하여 펌프(322)에 제어 신호들을 전송하기 위해 피드백 루프를 사용할 수 있다. 또한, 제어기(380)는 배터리 팩(310)에 대한 유입 또는 유출 전류에 대응되는 값을 전류계로부터 수신하고, 전류계로부터의 수신된 값에 기초하여 제어 신호를 조절할 수 있다.
열전달 시스템의 일부 실시예에서, 냉각 매체는 유체 순환 시스템 전체에 걸쳐 액체 성분 및 기체 성분을 포함한다. 이러한 시스템은 예를 들어 도 4에 도시되어 있다. 열전달 시스템(400)은 시스템 전체에 걸쳐 분산된 냉각 매체(402)의 액체 성분 및 기체 성분 모두를 갖는 유체 순환 시스템(420)을 포함한다. 도 4에 도시된 열전달 시스템(400)은 전기 차량(490)의 일부이고 배터리 팩(410) 형태의 전기화학 셀 유닛을 포함하지만, 유사한 열전달 시스템들은 또한 다른 유형들의 전기화학 셀 유닛들을 포함할 수 있고 이전에 설명된 바와 같은 다른 유형들의 기계들 또는 장치들에 포함될 수 있다.
열전달 시스템(400)은 유체 순환 시스템(420) 주위에서 액체 성분 및 기체 성분 모두를 포함하는 냉각 매체를 추진하도록 구성된 펌프(422)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉각 매체(402)는 펌프(422)에 의해 유체 순환 시스템(420)의 경로를 통해 구동되는, 전술한 바와 같은 발포체의 형태일 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 펌프(422)는 기체 성분을 액체 성분 내의 개별 기포들로 분리함으로써 발포체를 생성하는 것을 도울 수 있다.
또한, 열전달 시스템(400)은 냉각 매체가 유체 순환 시스템(420)을 통해 순환할 때 냉각 매체(402)의 온도를 감소시키는 열교환기(424)를 또한 포함할 수 있다. 열 교환기(424)는 도 4에 도시된 바와 같이 펌프의 하류에 위치될 수 있거나, 또는 (도 5에 도시된 바와 같이) 펌프의 상류에 위치될 수 있다. 더욱이, 몇몇 실시예에서, 열교환기는 펌프의 상류 및 하류 둘 모두에 위치되는 몇몇 섹션들을 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 전기화학 셀 유닛과 유사하게, 도 4에 도시된 전기화학 셀 유닛(410)은 배터리 팩 또는 다른 유형의 유닛일 수 있고, 장치(490)는 전기 차량 또는 다른 기계 또는 장치일 수 있다. 또한, 열전달 시스템(400)은 프로세서(482), 메모리(484) 및 통신 인터페이스(486)와 같은, 도 3에 도시된 제어기에 대해 위에서 설명된 특징들 및 구성들 중 임의의 것을 갖는 제어기(480)를 또한 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예는 배터리 팩(412)의 하우징(414) 내에 배치된 전체 유체 순환 시스템(420)을 포함하지만, 다른 실시예에서, 유체 순환 시스템의 일부는 하우징의 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 열전달 시스템(500)은 복수의 전기화학 셀들(512)을 갖는 전기화학 셀 유닛(510)을 포함한다. 시스템은 또한 냉각 매체를 열교환기를 통해 그리고 전기화학 셀 유닛(510)을 통해 순환시키는 펌프(522)를 포함하는 유체 순환 시스템(520)을 가지며, 여기서 냉각 매체(502)는 전기화학 셀(512) 및 그 내부의 전기 커넥터와 직접 접촉한다.
일부 실시예에서, 열전달 시스템(500)은 냉각 매체 내의 기포 형성을 촉진하도록 구성된 혼합기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 유체 순환 시스템(520)은 냉각 매체(502)가 모이는 저장소(528)를 포함할 수 있다. 혼합기(526)는 저장소(528)와 연계되고 냉각 매체(502)에서 기체 성분의 개별 기포들을 형성하도록 작동할 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합기(526)는 도 5에 도시된 바와 같이 펌프로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 혼합기(526)는 임펠러 또는 쉐이킹 부품을 포함하는 교반기로서 구성될 수 있다. 다른 구성들도 가능하다. 또한, 도 5에 도시된 실시예는 혼합기(526)와 연결된 저장소(528)를 포함하지만, 다른 실시예에서, 혼합기는 유체 순환 시스템의 도관 내와 같은 다른 위치에 위치될 수 있다.
열 교환기(524), 펌프(522), 저장소(528), 및 혼합기(526)가 모두 전기화학 셀 유닛(510)의 하우징(514) 외부에 도시되어 있지만, 다른 실시예에서, 이들 부품의 일부 또는 전부는 전기화학 셀 유닛의 일부일 수 있고 하우징 내에 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 전기화학 셀 유닛과 유사하게, 도 5에 도시된 전기화학 셀 유닛(510)은 배터리 팩 또는 다른 유형의 유닛일 수 있고, 장치(590)는 전기 차량 또는 다른 기계 또는 장치일 수 있다. 또한, 열전달 시스템(500)은 프로세서(582), 메모리(584) 및 통신 인터페이스(586)와 같은, 도 3에 도시된 제어기에 대해 위에서 설명된 특징들 및 구성들 중 임의의 것을 갖는 제어기(580)를 또한 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시는 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩을 포함하는 열전달 시스템을 포함하는 전기 차량을 제공한다. 열전달 시스템은 또한, 배터리 팩과 열적으로 접촉하는 열교환 섹션을 포함하는 유체 순환 시스템을 포함한다. 냉각 매체는 유체 순환 시스템에 배치되고, 유체 순환 시스템의 열교환 섹션 내에서, 냉각 매체는 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는 혼합물을 포함한다. 펌프는 유체 순환 시스템을 통해 냉각 매체를 순환시키도록 구성된다. 열전달 시스템은 전술한 열전달 시스템들의 다양한 특징들 중 임의의 특징을 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시는 전기화학 셀을 포함하는 전기화학 셀 유닛, 및 유체 순환 시스템을 포함하는 열전달 시스템을 제공한다. 유체 순환 시스템은 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 1차 회로를 포함한다. 유체 순환 시스템은 또한 전기화학 셀의 하류에 있는 1차 회로로부터의 가스 출구로부터 전기화학 셀의 상류에 있는 1차 회로 내로의 가스 입구까지 연장되는 2차 회로를 포함한다.
다른 양태에서, 본 개시는 전기화학 셀 유닛을 냉각하는 방법을 제공한다. 도 6은 이러한 방법(600)의 실시예를 도시한다. 다양한 실시예들에서, 방법(600)은 도 1, 도 3, 도 4, 및 도 5에 도시된 열전달 시스템(100, 300, 400, 또는 500) 중 임의의 것, 또는 이들의 대안적인 구성을 사용하여 수행될 수 있다. 블록(602)에 도시된 바와 같이, 방법(600)은 전기화학 셀을 포함하는 전기화학 셀 유닛과 열 접촉하는 유체 순환 시스템의 열교환 섹션을 제공하는 단계를 수반할 수 있다. 또한, 블록(604)에 도시된 바와 같이, 방법은 또한 전기화학 셀 유닛으로부터 냉각 매체로 에너지를 전달하기 위해 유체 순환 시스템을 통해 냉각 매체를 순환시키는 단계를 수반할 수 있으며, 유체 순환 시스템의 열전달 섹션 내에서, 냉각 매체는 전기화학 셀들과 직접 접촉하고 액체 성분 및 기체 성분을 포함한다.
방법(600)의 일부 실시예에서, 블록(604)에서 냉각 매체를 순환시키는 단계는 유체 순환 시스템의 열교환 섹션 내에서 냉각 매체의 기체 성분을 적어도 50 부피%의 비율로 유지할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 열교환 시스템(300)을 이용하는 실시예들에서, 제어기(380)는 냉각 매체(302)의 기체 성분을 적어도 50 부피%의 비율로 유지하기 위해 충분한 부피의 기체 성분을 유체 순환 시스템(320)의 1차 회로(340) 내로 주입하기 위해 작동 신호들을 가스 펌프(322)에 전송할 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 열교환 시스템(400)을 이용하는 실시예는 냉각 매체(402)의 원하는 발포 특성을 생성하고 냉각 매체의 대부분을 유체 순환 시스템(420)의 열교환 섹션 내에서 기체로서 유지하는 방식으로 전기화학 셀 유닛(410)을 통해 냉각 매체(402)를 이동시키기 위해 신호를 펌프(422)에 보내기 위해 제어기(480)를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 열교환 시스템(500)을 이용하는 실시예에서, 제어기(580)는 냉각 매체(502)의 원하는 발포 특성을 생성하고 냉각 매체의 대부분을 유체 순환 시스템(520)의 열교환 섹션 내의 기체로서 유지하는 방식으로 전기화학 셀 유닛(510)을 통해 냉각 매체(502)를 이동시키기 위해 제어 신호를 혼합기(526) 또는 펌프(522)에 전송할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 개시된 시스템, 디바이스, 및 방법의 다양한 특징 및 기능을 설명한다. 도면에서, 문맥상 달리 지시하지 않는 한, 유사한 도면 부호들은 통상 유사한 구성요소들을 식별한다. 상세한 설명, 도면들, 및 청구항들에서 설명된 예시적인 실시형태들은 제한적인 것으로 여겨지지 않는다. 본 명세서에 제시된 주제의 범위를 벗어남이 없이, 다른 실시형태들이 이용될 수 있고, 다른 변화들이 이루어질 수 있다.
여기에서 일반적으로 설명되고 도면에 도시된 본 개시의 양태들이 매우 다양하고 상이한 구성들로 정렬, 대체, 조합, 분리 및 설계될 수 있으며, 그 전부는 여기에서 명시적으로 고려되는 것임을 용이하게 이해할 것이다.
다양한 양태들 및 실시형태들이 본 명세서에서 개시되었지만, 다른 양태들 및 실시형태들이 당업자에게 자명할 것이다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태들 및 실시형태들은 예시를 위한 것이고 제한적인 것으로 여겨지지 않으며, 본 발명의 진정한 범위는 아래의 청구항들에서 보여진다.
Claims (15)
- 열전달 시스템으로서,
복수의 전기화학 셀들을 포함하는 전기화학 셀 유닛;
상기 전기화학 셀들과 직접 접촉하고 상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 내부 유체 경로들을 포함하는 유체 순환 시스템;
상기 유체 순환 시스템 내에 배치된 냉각 매체로서, 상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 상기 내부 유체 경로들 내에서, 상기 냉각 매체는 상기 전기화학 셀들과 직접 접촉하고 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는, 상기 냉각 매체; 및
상기 유체 순환 시스템을 통해 상기 냉각 매체를 순환시키도록 구성된 펌프를 포함하는, 열전달 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 상기 내부 유체 경로들 내에서, 상기 기체 성분은 상기 냉각 매체의 적어도 50 부피% 를 형성하거나,
상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 상기 내부 유체 경로들 내에서, 상기 냉각 매체의 상기 액체 성분 및 상기 기체 성분의 적어도 일부가 발포체를 형성하는, 열전달 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 매체의 상기 액체 성분은 유전체이거나,
상기 냉각 매체의 상기 액체 성분은 계면활성제 및 발포 억제제 중 적어도 하나를 포함하는, 열전달 시스템. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 순환 시스템은,
상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 상기 내부 유체 경로들을 포함하는 1차 회로로서, 상기 냉각 매체의 상기 액체 성분은 상기 1차 회로에 한정되는, 상기 1차 회로;
상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 상기 내부 유체 경로들의 상류에 있는 상기 1차 회로의 가스 입구; 및
상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 상기 내부 유체 경로들의 하류에 있는 상기 1차 회로의 가스 출구를 포함하는, 열전달 시스템. - 제 4 항에 있어서, 상기 가스 입구는 상기 전기화학 셀 유닛을 통해 연장되는 상기 내부 유체 경로들의 상류에 배치된 복수의 가스 입구들 중 하나이거나,
상기 가스 입구는 전기화학 셀 아래에 배치되고 상기 가스 출구는 상기 전기화학 셀 위에 배치되어서 상기 기체 성분의 부력이 상기 기체 성분을 상기 전기화학 셀 유닛을 통해 상승시키는, 열전달 시스템. - 제 4 항에 있어서, 상기 유체 순환 시스템은 상기 유체 순환 시스템 주위에 상기 기체 성분을 재순환시키기 위해 상기 가스 출구로부터 상기 가스 입구로 연장되는 2차 회로를 더 포함하는, 열전달 시스템.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 매체는 상기 유체 순환 시스템 전체에 걸쳐 상기 액체 성분 및 상기 기체 성분을 포함하는, 열전달 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 상기 펌프는 상기 냉각 매체의 상기 액체 성분 및 상기 기체 성분을 상기 유체 순환 시스템의 주위에서 혼합물로서 순환시키도록 구성되는, 열전달 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 상기 냉각 매체 내에서의 기포 형성을 촉진하도록 구성된 혼합기를 더 포함하는, 열전달 시스템.
- 전기화학 셀 유닛을 냉각시키는 방법으로서, 상기 방법은
전기화학 셀을 포함하는 전기화학 셀 유닛과 열 접촉하는 유체 순환 시스템의 열교환 섹션을 제공하는 단계; 및
상기 전기화학 셀 유닛으로부터 냉각 매체로 에너지를 전달하기 위해 상기 유체 순환 시스템을 통해 상기 냉각 매체를 순환시키는 단계로서, 상기 유체 순환 시스템의 상기 열전달 섹션 내에서, 상기 냉각 매체는 액체 성분 및 기체 성분을 포함하는, 상기 냉각 매체를 순환시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제 10 항에 있어서, 상기 냉각 매체를 순환시키는 단계는, 상기 유체 순환 시스템의 상기 열교환 섹션 내에서, 상기 냉각 매체의 상기 기체 성분을 적어도 50 부피% 의 비율로 유지하거나,
상기 냉각 매체를 순환시키는 단계는 상기 유체 순환 시스템 전체에 걸쳐 상기 냉각 매체를 발포체의 형태로 유지하는 단계를 포함하고, 선택적으로 상기 냉각 매체를 순환시키는 단계는 펌프를 통해 상기 발포체를 순환시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 유체 순환 시스템은 상기 열교환 섹션을 포함하는 1차 회로를 포함하고,
상기 냉각 매체의 상기 액체 성분은 상기 1차 회로에 한정되고,
상기 냉각 매체를 순환시키는 단계는 상기 기체 성분을 상기 1차 회로에 주입하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 기체 성분을 상기 1차 회로에 주입하는 단계는 상기 유체 순환 시스템을 통해 상기 액체 성분을 구동시키는, 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 기체 성분이 상기 전기화학 셀 유닛 아래에 있는 위치에서 상기 1차 회로 내로 주입되어서, 상기 기체 성분의 부력이 상기 기체 성분을 상기 전기화학 셀 유닛을 통해 상승하게 하는, 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 1차 회로의 출구를 통해 상기 기체 성분을 수집하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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