KR101991650B1 - 전기 장치들의 열전 기반 열 관리 - Google Patents

전기 장치들의 열전 기반 열 관리 Download PDF

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Abstract

개시된 실시 예들은 전기 장치를 가열 및/또는 냉각하도록 구성되는 열전 기반 열 관리 시스템과 방법을 포함한다. 열 관리 시스템들은 전기 장치의 온도 민감성 영역과 전기 통신되고 열 소통되는 적어도 하나의 전기 도체 및 적어도 하나의 전기 도체와 열 소통되는 적어도 하나의 열전 장치를 포함한다. 전력은 동일한 전기 도체 또는 외부 전원에 의해 열전 장치로 향할 수 있으며, 이는 열전 장치가 적어도 하나의 전기 도체를 거쳐 전기 장치에 제어된 가열 및/또는 냉각을 제공하도록 야기한다.

Description

전기 장치들의 열전 기반 열 관리{THERMOELECTRIC-BASED THERMAL MANAGEMENT OF ELECTRICAL DEVICES}
관련 특허들
본 발명은 2011년 10월 7일에 출원된 미국가특허출원 제 61/545,017, 2011년 7월 11일에 출원된 미국가특허출원 제 61/506,577, 2011년 11월 14일에 출원된 미국가특허출원 제 61/559,568, 및 2012년 3월 28일에 출원된 미국가특허출원 제 61/617,002의 이익을 주장한다. 위에 확인된 각각의 출원들의 전체 내용은 여기에 참조로써 통합되며 본 명세서의 일부가 된다.
본 발명은 일반적으로 전기 장치들의 열전(TE) 냉각과 가열에 관한 것이다.
파워 일렉트로닉스(power electronics) 또는 배터리들과 같은 다른 전기 장치들은 과열, 냉온, 극한 기온들에 민감할 수 있으며, 작동 온도가 제한된다. 그러한 장치들의 성능은 장치들이 권장 온도 범위들 밖에서 작동될 때, 때때로 심각하게 감소될 수 있다. 반도체 장치들에 있어서, 집적 회로 다이(integrated circuit die)들은 과열되거나 제대로 작동하지 않을 수 있다. 예를 들면, 전기화 차량에서의 자동차 적용들을 위하여 사용되는 배터리들을 포함하는, 배터리들에 있어서, 배터리 셀들과 그것들의 부품들은 과열되거나 과냉될 때 저하될 수 있다. 그러한 저하는 자체로 감소된 배터리 저장 용량 및/또는 다중 사용률 동안에 충전되는 배터리에 대한 감소된 능력을 나타낼 수 있다.
파워 일렉트로닉스와 전기 장치들의 열 상태를 관리하는 것이 바람직할 수 있다. 열 관리는 과열, 과냉, 및 전기 장치 저하의 발생 정도를 감소시킬 수 있다. 여기에 설명되는 특정 실시 예들은 실질적으로 전력을 지니거나 및/또는 높은 전류와 효율성을 필요로 하는 장치들(예를 들면, 전력 증폭기(power amplifier)들, 트랜지스터(transistor)들, 변압기(transformer)들, 파워 인버터(power inverter)들, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT)들, 전기 모터들, 고 전력 레이저들과 발광 다이오드들, 배터리들 등)의 열 관리를 제공한다. 그러한 장치들을 열적으로 관리하기 위하여 대류 공기 및 액체 냉각, 전도성 냉각, 액체 제트들로의 스프레이 냉각, 기판과 칩(chip) 케이스들의 열전 냉각, 및 다른 해결책을 포함하는, 광범위한 해결책들이 사용될 수 있다. 여기에 설명되는 적어도 일부 실시 예들은 전기 장치들의 가열 또는 냉각을 위한 현존하는 기술들과 비교하여 다음의 장점들 중 적어도 하나를 제공한다: 높은 전력 효율성, 낮아지거나 제거된 유지 비용들, 큰 신뢰성, 긴 사용 기간, 적은 부품들, 적어지거나 제거된 이동 부품들, 작동의 가열과 방식들, 다른 장점들, 또는 장점들의 조합.
전기 장치들에 있어서, 일반적으로 장치의 전기적으로 활성 부들 및/또는 온도 민감성 영역들은 전기 도체들을 거쳐 예를 들면, 외부 회로들 또는 장치들과 같은 외부 환경에 연결된다. 예를 들면, 배터리 셀의 전극들은 상당한 손실들(예를 들면, 줄(Joule)의 법칙 당, 전류의 제곱에 비례하는 열 손실들) 없이 높은 전력을 지닐 수 있다. 그러한 전극들을 위하여 사용되는 전기 도체들의 와이어 게이지(wire gauge)는 일반적으로 그러한 장치들 내에 흐르는 높은 전류에 적합하다. 배터리의 크기가 클수록, 외부 회로들에 연결하기 위한 전극 포스트(electrode post)들은 더 크다.
전극들 및 다른 많은 종류의 전기 도체들의 높은 전기 전도도는 또한 그러한 도체들이 일반적으로 높은 열 전도도를 갖는다는 것을 의미한다. 다양한 열 관리 문제들을 해결하기 위하여 높은 열 전도도가 사용될 수 있는데, 이는 장치의 열에 둔감한 소자들을 우회하는, 전극들의 가열 및/또는 냉각에 의해 원하는 열 전력을 장치의 민감한 소자들에 직접적으로 전달할 수 있다. 열을 인체의 중심에 깊이 전달하기 위하여 수혈 동안에 열적으로 조절된 혈액의 사용과 유사하게, 원하는 열 상태들을 전기 장치의 내부에 깊이 효율적으로 전덜하기 위하여 전극들을 통한 열 펌핑(heat pumping)이 사용될 수 있다. 일례로서, 고급 자동차 배터리들의 전극 냉각이 배터리 열 관리를 위한 가장 바람직한 기술 중의 하나이다. 예를 들면, 전극들은 고체, 액체, 또는 공기 냉각 기술들을 사용하여 냉각될 수 있다. 어느 정도는, 전극들은 그러한 열 관리 어레인지먼트에서 콜드 핑거(cold finger)들로서 작용한다.
여기에 개시된 실시 예들은 전력 부품들, 전자장치들, 및 다른 전기 장치들의 통전 전기 도체들(예를 들면, 전극들)에 직접적인 또는 간접적인 열전 냉각 및/또는 가열을 적용함으로써 전기 장치를 열적으로 관리할 수 있는 시스템들과 방법들을 포함한다. 그러한 장치들은 때때로 열 관리로부터 이익을 얻는다. 그러한 실시 예들이 예를 들면, 배터리들과 같은, 특정 전기 장치들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 여기에 개시되는 적어도 일부 실시 예들은 예를 들면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터들, 다른 전기 장치들, 또는 장치들의 조합과 같은, 다는 전기 장치들에 열 관리를 제공할 수 있다. 그러한 적어도 일부 장치들은 높은 통전 용량을 가질 수 있으며 바람직한 온도 범위 밖의 작동으로 고통받을 수 있다. 냉각 작동 방식을 참조하여 일부 실시 예들의 작동이 개시된다. 그러나, 여기에 개시되는 일부 또는 모든 실시 예들은 또한 가열 작동 방식을 가질 수 있다. 일부 상황들에서 가열 작동 방식은 임계 온도 이하에서 전기 장치가 저하되거나 또는 손상된 작동을 나타내는, 임계 온도보다 높은 전기 장치의 온도를 유지하도록 사용될 수 있다. 열전 장치들은 시스템 구성을 위한 최소 복잡성으로 가열과 냉각 기능 모두를 제공하는데 유일하게 적합하다.
여기에 개시된 실시 예들은 열전 기반 열 관리 시스템들과 방법들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 전기 장치의 온도 민감성 영역 내의 온도를 관리하도록 구성될 수 있다. 열 관리 시스템은 전력 상의 주 표면(main surface)과 폐기 표면(waste surface) 사이의 열 에너지를 열전 장치에 전달하도록 구성되는 열전 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치의 주 표면은 전기 도체의 열 교환 표면과 실질적으로 열 소통될 수 있다. 전기 도체는 전기 도체가 전기 장치와 열전 장치의 온도 민감성 영역 사이의 열 에너지를 전도하기 위한 도관으로서 역할을 하는 것과 같이 전력을 전기 장치로 또는 전기 장치로부터 전달하도록 구성된다. 특정 실시 예들에서, 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법은 전기적 전도성 부와 전기적 절연 부를 포함하는 열 전달 장치를 전기 장치의 복수의 전기 전도체에 연결하는 단계를 포함한다. 방법은 열 전달 장치 및 열전 장치의 주 표면 사이의 실질적인 열 에너지 교환을 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법은 열전 장치 및 전기 장치와 열 소통되고 전기 통신되는 전기 도체의 열 교환 표면 사이의 실질적인 열 소통을 확립하는 단계를 포함한다. 방법은 전기 장치의 내부 또는 외부로 향하는 전류를 조정함으로써 전기 정치를 가열 또는 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
설명의 목적을 위하여 다양한 실시 예들이 첨부된 도면들에 도시되나, 이는 여기에 설명되는 열전 어셈블리들 또는 시스템들의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 게다가, 서로 다르게 개시된 실 예들의 다양한 특징들은 부가적인 실시 예들을 형성하기 위하여 서로 결합될 수 있으며, 이는 본 발명의 일부이다. 어더한 특징 또는 구조도 제거되거나 변경되거나 또는 생략될 수 있다. 도면들을 통하여, 참조 요소들 사이의 유사성을 나타내기 위하여 참조 번호들이 재사용된다.
도 1a와 1b는 다수의 열전 장치를 갖는 열 관리 시스템의 예들을 개략적으로 도시하며, 각각의 열전 장치는 전기 장치의 전기 도체와 열 소통된다.
도 2는 전기 장치의 두 개의 전기 도체와 열 소통되는 열전 장치를 갖는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 열 전달 장치를 거쳐 배터리의 전극들과 열 소통되는 열전 장치를 갖는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 전기 장치에 제공되는 가열 및/또는 냉각을 제어하도록 구성되는 전자 제어 유닛(ECU)을 갖는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 외부 전력원을 갖는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6은 열 관리 시스템에 의해 전기 장치에 제공되는 가열 및/또는 냉각을 제어하기 위한 바람직한 방법을 도시한다.
도 7a은 열 관리 시스템의 바람직한 전기 구성을 개략적으로 도시한다.
도 7b는 열 관리 시스템의 또 다른 바람직한 전기 구성을 개략적으로 도시한다.
도 8a는 전력원을 받는 전기 장치에 연결되는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 8b는 전력원을 로드(load)에 제공하는 전기 장치에 연결되는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 9는 열전 장치와 열 소통되는 전기 도체의 단면도이다.
도 10a는 집열기(heat concentrator)를 갖는 열 관리 시스템의 단면도이다.
도 10b는 열 확산기(heat spreader)를 갖는 열 관리 시스템의 단면도이다.
도 11은 곡선의 열전 장치를 갖는 열 관리 시스템의 단면도이다.
도 12는 곡선의 열전 장치를 갖는 열 관리 시스템의 또 다른 단면도이다.
도 13은 외부 리드들과 전기적으로 일렬로 연결되는 열 절연체를 갖는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 14는 전기적으로 직렬로 연결되는 셀들을 포함하는 바람직한 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 15는 도 14의 배터리 팩의 인접한 셀들을 연결하는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 16은 또 다른 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 17은 전기 장치의 가열 및/또는 냉각을 위한 바람직한 방법을 개략적으로 도시한다.
도 18은 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 19는 히트 싱크(heat sink)를 갖는 바람직한 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 20은 바람직한 열 관리 시스템의 사시도이다.
도 21은 도 20의 열 관리 시스템의 단면도이다.
도 22는 또 다른 바람직한 열 관리 시스템의 사시도이다.
도 23은 도 22의 열 관리 시스템의 단면도이다.
도 24는 또 다른 바람직한 열 관리 시스템의 사시도이다.
도 25는 도 24의 열 관리 시스템의 단면도이다.
도 26은 또 다른 바람직한 열 관리 시스템의 사시도이다.
도 27은 도 24의 열 관리 시스템의 일부의 확대도이다.
도 28은 도 26의 열 관리 시스템의 일부의 확대도이다.
여기에 특정 실시 예들과 예들이 개시되나, 본 발명의 주제는 구체적으로 개시된 실시 예들 내의 예들을 넘어 다른 대안의 실시 예들 및/또는 사용들 및 그것들의 변형들과 등가물들로 확장한다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항들의 범위는 아래에 설명되는 특정 실시 예들의 어느 하나에 의해 한정되지 않는다. 예를 들면, 여기서 개시된 어떠한 방법 또는 과정에서, 방법 또는 과정의 작용들 또는 작동들은 어떤 적절한 순서로 실행될 수 있으며 특별하게 개시된 순서에 한정될 필요는 없다. 다양한 작동들이 특정 실시 예들을 이해하는데 도움을 줄 수 있는 방식에서 다수의 별개의 작동들로서 차례로 설명될 수 있으나, 설명의 순서는 이러한 작동들이 순서 의존적이라는 것을 나타내는 것으로 구성되어서는 안 된다. 부가적으로, 여기에 설명되는 구조들, 시스템들, 및/또는 장치들은 통합된 부품들로서 또는 개별 부품들로서 구현될 수 있다. 다양한 실시 예들의 비교의 목적을 위하여, 이러한 실시 예들의 특정 양상들과 장점들이 설명된다. 그러한 모든 양상 또는 장점들은 반드시 어떠한 특정 실시 예에 의해 달성되지는 않는다. 따라서, 예를 들면, 다양한 실시 예들은 또한 여기에 설명되거나 제안될 수 있는 것과 같은 다른 양상들 또는 장점들을 반드시 달성할 필요 없이 여기에 설명되는 것과 같은 하나의 장점 또는 장점들의 그룹으로서 달성되는 방식으로 실행될 수 있다.
전자장치와 전기 장치들의 열 상태를 관리하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 열 관리는 과열, 과냉, 및 전기 장치 저하의 발생 정도를 감소시킬 수 있다. 여기에 설명되는 특정 실시 예들은 실질적으로 전력을 지니거나 및/또는 높은 전류와 효율성을 필요로 하는 장치들(예를 들면, 전력 증폭기들, 트랜지스터들, 변압기들, 파워 인버터들, 절연 게이트 양극성 트랜지스터들, 전기 모터들, 고 전력 레이저들과 발광 다이오드들, 배터리들 등)의 열 관리를 제공한다. 그러한 장치들을 열적으로 관리하기 위하여 대류 공기 및 액체 냉각, 전도성 냉각, 액체 제트들로의 스프레이 냉각, 기판과 칩 케이스들의 열전 냉각, 및 다른 해결책을 포함하는, 광범위한 해결책들이 사용될 수 있다. 여기에 설명되는 적어도 일부 실시 예들은 전기 장치들의 가열 또는 냉각을 위한 현존하는 기술들과 비교하여 다음의 장점들 중 적어도 하나를 제공한다: 높은 전력 효율성, 낮아지거나 제거된 유지 비용들, 큰 신뢰성, 긴 사용 기간, 적은 부품들, 적어지거나 제거된 이동 부품들, 작동의 가열과 방식들, 다른 장점들, 또는 장점들의 조합.
전기 장치들에 있어서, 일반적으로 장치의 전기적으로 활성 부들 및/또는 온도 민감성 영역들은 전기 도체들을 거쳐 예를 들면, 외부 회로들 또는 장치들과 같은 외부 환경에 연결된다. 예를 들면, 배터리 셀의 전극들은 상당한 손실들(예를 들면, 줄의 법칙 당, 전류의 제곱에 비례하는 열 손실들) 없이 높은 전력을 지닐 수 있다. 그러한 전극들을 위하여 사용되는 전기 도체들의 와이어 게이지는 일반적으로 그러한 장치들 내에 흐르는 높은 전류에 적합하다. 배터리의 크기가 클수록, 외부 회로들에 연결하기 위한 전극 포스트들은 더 크다.
전극들 및 다른 많은 종류의 전기 도체들의 높은 전기 전도도는 또한 그러한 도체들이 일반적으로 높은 열 전도도를 갖는다는 것을 의미한다. 다양한 열 관리 문제들을 해결하기 위하여 높은 열 전도도가 사용될 수 있는데, 이는 장치의 열에 둔감한 소자들을 우회하는, 전극들의 가열 및/또는 냉각에 의해 원하는 열 전력을 장치의 민감한 소자들에 직접적으로 전달할 수 있다. 열을 인체의 중심에 깊이 전달하기 위하여 수혈 동안에 열적으로 조절된 혈액의 사용과 유사하게, 원하는 열 상태들을 전기 장치의 내부에 깊이 효율적으로 전달하기 위하여 전극들을 통한 열 펌핑이 사용될 수 있다. 일례로서, 고급 자동차 배터리들의 전극 냉각이 배터리 열 관리를 위한 가장 바람직한 기술 중의 하나이다. 예를 들면, 전극들은 고체, 액체, 또는 공기 냉각 기술들을 사용하여 냉각될 수 있다. 어느 정도는, 전극들은 그러한 열 관리 배치에서 콜드 핑거들로서 작용한다.
여기에 개시된 실시 예들은 전력 부품들, 전자장치들, 및 다른 전기 장치들의 통전 전기 도체들(예를 들면, 전극들)에 직접적인 또는 간접적인 열전 냉각 및/또는 가열을 적용함으로써 전기 장치를 열적으로 관리할 수 있는 시스템들과 방법들을 포함한다. 그러한 장치들은 때때로 열 관리로부터 이익을 얻는다. 그러한 실시 예들이 예를 들면, 배터리들과 같은, 특정 전기 장치들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 여기에 개시되는 적어도 일부 실시 예들은 예를 들면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터들, 다른 전기 장치들, 또는 장치들의 조합과 같은, 다는 전기 장치들에 열 관리를 제공할 수 있다. 그러한 적어도 일부 장치들은 높은 통전 용량을 가질 수 있으며 바람직한 온도 범위 밖의 작동으로 고통받을 수 있다. 냉각 작동 방식을 참조하여 일부 실시 예들의 작동이 개시된다. 그러나, 여기에 개시되는 일부 또는 모든 실시 예들은 또한 가열 작동 방식을 가질 수 있다. 일부 상황들에서 가열 작동 방식은 임계 온도 이하에서 전기 장치가 저하되거나 또는 손상된 작동을 나타내는, 임계 온도보다 높은 전기 장치의 온도를 유지하도록 사용될 수 있다. 열전 장치들은 시스템 구성을 위한 최소 복잡성으로 가열과 냉각 기능 모두를 제공하는데 유일하게 적합하다.
열전 장치들이 전기 도체 냉각 및/또는 가열 작업들을 위하여 사용될 수 있는 다양한 방법들이 존재한다. 여기에 설명되는 것과 같이, 열전 장치들은 하나 또는 그 이상의 열전 소자, 열전 어셈블리 및/또는 열전 모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열전 시스템은 제 1 면 및 제 1면과 반대편의 제 2 면을 포함하는, 열전 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 제 1 면과 제 2 면은 주 표면과 폐기 표면 또는 가열 표면과 냉각 표면일 수 있다. 열전 장치는 전력원과 작동가능하게 결합될 수 있다. 전력원은 전압을 열전 장치에 적용하도록 구성될 수 있다. 전압이 한 방향으로 적용될 때, 하나의 면(예를 들면, 제 1 면)은 열을 생성하고 나머지 면(예를 들면, 제 2 면)은 열을 흡수한다. 회로의 극성의 전환은 부정적 효과를 생성한다. 일반적인 배치에서, 열전 장치는 이종(dissimilar) 재료들을 포함하는 폐쇄 회로를 포함한다. 폐쇄 회로에 직류 전압이 적용되기 때문에, 이종 재료들의 접속점(junction)에서 온도 차이가 생산된다. 전류의 방향에 따라, 열은 특정 접속점에서 방출되거나 흡수된다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치는 직렬로 연결되는 일부 고체 상태 P- 및 N-형 반도체 소자들을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 접속점들은 열전 장치의 차가운 면과 뜨거운 면을 형성할 수 있는, 두 전기 분리 부재(예를 들면, 세라믹 플레이트들) 사이에 샌드위치된다. 차가운 면은 냉각되는 물체(예를 들면, 열 관리 하의 전기 도체, 전기 장치 등)에 열적으로 결합될 수 있으며 뜨거운 면은 환경으로 열을 소멸시키는 히트 싱크에 열적으로 결합될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 뜨거운 면은 가열되는 물체(예를 들면, 열 관리 하의 전기 도체, 전기 장치 등)에 결합될 수 있다. 특정 비-제한 실시 예들이 아래에 설명된다.
도 1a-1b는 바람직한 열 관리 시스템들(1)을 개략적으로 도시한다. 일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템(1)은 전기 부품 또는 장치(2, 예를 들면, 전력 증폭기들, 트랜지스터들, 변압기들, 파워 인버터들, 절연 게이트 양극성 트랜지스터들, 전기 모터들, 고 전력 레이저들과 발광 다이오드들, 배터리들 등)의 적어도 하나의 열전 도체(4a, 4b, 예를 들면, 통전 커넥터, 전극, 셀의 부, 터미널 와이어들, 셀들, 리드들의 전극들 또는 부들 사이의 배선 등)의 열교환 표면과 실질적으로 열 소통되는 적어도 하나의 열전 장치(6a, 6b)를 포함할 수 있다. 용어 "실질적인 열 소통"은 여기서는 광범위하고 통상적인 의미로 예를 들면, 열 소통 인터페이스에서 표면들 사이의 스너그(snug) 접촉, 열 소통되는 표면들 사이의 하나 또는 그 이상의 열 전달 물질 또는 장치, 열 전도성 재료 시스템을 사용하는 고체 표면들 사이의 연결을 포함하며, 그러한 시스템은 패드(pad)들, 열적 그리스(grease)들, 페이스트(paste), 하나 또는 그 이상의 작동 유체, 또는 표면들 사이에 높은 열 전도도를 갖는 다른 구조체들, 또는 구조체들의 조합을 포함할 수 있다. 실질적인 열 소통은 하나 또는 그 이상의 인터페이스 재료를 거쳐 직접적으로 또는 간접적으로 연결되는 표면들 사이에서 발생할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 열전 장치는 열 관리 하의 전기 장치에 연결될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 열전 장치는 열 관리 하의 전기 부품, 부분, 부 또는 장치에 실질적으로 열 소통(예를 들면, 접촉, 부착 등)될 수 있다. 그러한 경우들에서, 전기 도체들은 전기 장치와 하나 또는 그 이상의 외부 장치의 온도 민감성 영역들 사이의 전기 에너지와 열 에너지 모두를 전도할 수 있다. 냉각 방식에서 작동될 때, 열(Q)은 도 1a의 화살표들(8a, 8b)에 의해 도시된 것과 같이 전기 도체들(4a, 4b)로부터(그리고 전기 장치(2)로부터) 펌핑되고 공기, 액체, 또 다른 고체 부품, 또는 부품들의 조합일 수 있는, 외부 환경 내로 소멸된다. 가열 방식에서 작동될 때, 열 전력은 도 1b의 화살표(8a, 8b)에 도시된 것과 같이 전기 도체들(4a, 4b)을 통하여 전기 장치(2) 내로 열을 전달하는, 반대 방향으로 펌핑될 것이다.
도 1a-1b는 각각 분리된 전기 도체들(4a, 4b)로부터 열(Q)을 주입하거나 제거하는 분리된 열전 장치들(6a, 6b)을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 단일 열전 장치(6)는 도 2에 도시된 것과 같이 두 개 또는 그 이상의 전기 도체(4a, 4b)를 제어하도록(예를 들면, 실질적으로 열 소통이 되도록) 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 또는 그 이상의 전기 도체는 열전 장치들과 실질적으로 열 소통되지 않을 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치들은 전기 도체들과 실질적으로 열 소통될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 이러한 실질적인 열 소통은 도 3에 도시된 것과 같이, 열전 장치의 열전 도체들로의 직접적인 부착에 의하거나, 또는 효율적인 열 또는 열 전달 장치(10) 혹은 열 관리 하의 전기 장치(2)와 열전 장치(6)의 표면 사이에 위치되는 열 전도성 장치(예를 들면, 열교환기, 히트 파이프, 분류기 또는 히트 플레인(heat plane)의 표면)의 사용에 의해 달성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 전달 장치(10)는 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하기 위하여 적어도 하나의 전기 도체(4a, 4b) 및/또는 적어도 하나의 열전 장치(6)에 부착될 수 있다.
도 1a, 1b 및 2에 도시된 것과 같이, 일부 실시 예들에서, 열관리 시스템(1)은 적어도 하나의 열전 장치(6, 6a, 6b)를 포함할 수 있다. 열전 장치(6, 6a, 6b)의 표면(12a, 12b)은 적어도 하나의 전기 도체(4a, 4b)의 고체 표면(14a, 14b)과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉될 수 있다. 전기 도체(4a, 4b)는 전기 도체(4a, 4b)가 또한 전기 장치(2)와 열전 장치(6, 6a, 6b) 내의 온도 민감성 영역 사이의 열 에너지(예를 들면, 열(Q))를 전도하기 위한 도관으로서 역할을 하는 것과 같이 전력을 전기 장치(2)에 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 열전 장치(6, 6a, 6b)의 표면(12a, 12b)과 고체 표면(14a, 14b) 사이의 인터페이스는 표면들 사이의 실질적인 열 소통을 용이하게 하도록 구성되는 열 전도성 재료 시스템(thermally conductive material system, 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 열 전도성 재료 시스템은 그리스, 페이스트, 높은 열 전도도를 갖는 재료, 약 100 W/(mxK)보다 크거나 동일한 열 전도도를 갖는 재료, 또 다른 적절한 재료, 또는 재료들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 전도성 재료 시스템은 열 전달 장치의 하나 또는 그 이상의 표면 및 열전 장치 및/또는 전기 도체의 표면들 사이의 인터페이스에 위치될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 열전장치(6, 6a, 6b) 및 전력의 전기 장치(2) 내로 또는 외부로의 전달을 용이하게 하도록 사용된 적어도 하나의 전기 도체(4a, 4b) 사이에 주위에 및/또는 통하여 유체 연결이 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 작동 유체는 전기 장치(2)와 열전 장치(6, 6a, 6b) 사이의 열 에너지의 전달을 용이하게 하도록 사용될 수 있다.
가열 또는 냉각 기능을 실행하거나 및/또는 열전 장치로 전달되는 전력을 조정하도록 열전 장치를 제어하기 위하여 컨트롤러가 제공될 수 있다. 열전 장치는 열 관리 하의 장치와 일렬로 또는 외부 전력원 또는 전력 소스를 거쳐 작동될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치들은 열 관리 하의 장치로 및/또는 열 관리 하의 장치로부터 그것들의 열 펌핑 기능을 실행하기 위하여 전기적으로 작동되거나 제어된다. 전력 및 제어 기능은 분리된 전자 제어 유닛(40)에 의해 실행될 수 있다. 전자 유닛 유닛(40)은 장치(46)의 열전 관리와 관련된 열전 장치(44)에 전달되는 전력을 조정할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전자 제어 유닛(40)은 도 4에 도시된 것과 같이, 가열 또는 냉각 기능을 실행하기 위하여 직접적으로 또는 전기 도체들(도시되지 않음)을 거쳐 장치의 열 상태를 감지하고, 그것들을 알고리즘과 비교하며, 열전 장치(44)를 위한 제어 신호를 발행하는 하나 또는 그 이상의 온도 센서(42)로부터 입력들을 얻는다. 컨트롤러는 열 관리 하의 장치를 제공하는 나머지 전자장치들과 통합될 수 있다. 예를 들면, 만일 그러한 장치가 배터리 팩이면, 이는 일반적으로 내부 및/또는 외부 변화들에 반응하여 배터리 상태(battery health) 및/또는 관리 제어 기능들을 모니터하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 구비된다.열전 컨트롤러 기능은 배터리 관리 시스템과 통합될 수 있으며 동일한 인쇄 회로 기판 상에 같이 위치되거나 또는 배터리 관리 시스템을 실행하는 동일한 칩셋(chipset)들을 사용할 수 있다.
일부 실시 예들에서 전기 장치를 활발하게 열적으로 관리하도록 바람직한 열 관리 시스템이 수행될 수 있는 단계들이 도 6에 도시된다. 첫 번째 단계(60a)에서, 센서들은 열 관리 하의 장치 내부 또는 외부로 향하는 열 상태 및 전류를 모니터하도록 구성될 수 있다. 두 번째 단계(60b)는 장치의 열 관리와 관련된 열전 장치로 전달되는 전력을 조정하는 단계를 포함한다. 세 번째 단계(60c)에서, 전기 도체의 전류와 온도의 변화들이 모니터된다. 단계들(60a-60c)은 반복된다.
일부 실시 예들에서, 그러한 온도 제어를 용이하게 하기 위하여, 주변 온도, 열전 장치의 적어도 하나의 측면의 온도 및/또는 열전 장치 내의 온도를 결정하는 것이 도움이 될 수 있다. 따라서, 열전 시스템의 일부 실시 예들은 다음 중 하나 또는 그 이상, 조합을 포함하거나 어느 것도 포함하지 않을 수 있다: 열전 장치 및/또는 이와 유사한 장치 내부에, 인접하게, 근처에, 또는 그렇지 않으면 아주 근접하게 위치되는 주변 온도 센서, 열전 장치 온도 센서(서미스터(thermistor)와 같은).
그러나, 하나 또는 그 이상의 열전 장치 온도 센서를 포함하는 일부 실시 예들은 예를 들면, 센서의 비용, 부가적인 제조 단계와 시스템 내의 센서의 배치와 관련된 복잡성, 센서 고장의 가능성, 열적 지연(thermal lag) 및/또는 하나 또는 그 이상의 다른 이유 또는 고려사항에 기인하여 덜 바람직할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 제 1 면과 제 2 면을 갖는 열전 장치와 작동가능하게 결합되는 전력 소스를 포함하며 열전 장치 및/또는 열 관리 하의 장치의 면들 중 하나의 온도를 결정하기 위한 온도 센서를 하지 않는다. 오히려, 열 관리 시스템은 제벡 효과(Seebeck effect)에 의해 유도되는 전위(potential)에 의해 제 1 면과 제 2 면 중 하나의 온도(또는 열전 장치를 가로지르는 온도 차이)를 결정하도록 구성된다.
특정 실시 예들에서, 전력은 꺼질 수 있다(예를 들면, 열전 장치에 0 볼트가 공급). 그러한 경우에 있어서, 제 1 면과 제 2 면 사이의 온도 차이는 제 1 면과 제 2 면 사이의 전위를 유도할 수 있다. 이러한 전위의 유도는 제벡 효과로서 알려져 있다. 생산되는 전위는 일반적으로 제 1 면과 제 2 면 사이의 온도 차이에 비례하며 다음의 방정식에 의해 표현될 수 있다:
V = α(Th-Tc) = α△T
여기서 V는 제 1 면과 제 2 면 사이의 전위이고, α는 제벡 계수이며, α(Th-Tc) 또는 △T는 제 1 면과 제 2 면 사이의 온도 차이이다. 그와 같이, 주어진 열전 장치를 위한 제벡 계수는 제 1 면과 제 2 면 사이의 온도 차이에 대한 전위의 비율로서 설명될 수 있다.
일부 경우에 있어서, 제벡 계수(α)는 실험적으로 결정될 수 있다. 특정 구성들에서, 알려진 제벡 계수(α)를 갖는 열전 시스템을 위하여, 제 1면과 제 2 면 사이의 온도 차이는 전압 전위를 기초로 하여 결정될 수 있다. 그러한 구성은 예를 들면, 분리된 온도 센서를 필요로 하지 않고 열전 장치의 온도 차이의 모니터링을 제공한다. 위에서 설명된 것과 같이, 그러한 온도 센서의 제거는 제조를 용이하게 하고(예를 들면, 과정 단계를 감소시키고), 제조 시간을 감소시키며, 경비를 감소시키며, 장치 수명을 증가시키며, 및/또는 하나 또는 그 이상의 다른 장점 또는 이익을 제공할 수 있다. 게다가, 그러한 센서를 포함하지 않는 것은 예를 들면, 센서용 와이어들의 통로를 위한 열전 장치를 통한 채널들의 제거에 의해 열전 장치의 디자인을 단순화할 수 있다. 게다가, 그러한 센서를 포함하지 않는 것은 고장이 날 수 있는 부품의 총 수를 감소시킴으로써 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 열전 장치의 면들 중 적어도 하나의 절대 온도를 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전자 제어 유닛은 주변 온도 센서와 통신되고 전위를 결정하도록 구성된다. 예를 들면, 전자 제어 유닛의 아날로그 입력은 주변 온도를 결정하기 위하여(예를 들면, 계산에 의해) 신호가 사용될 수 있는, 부 온도 계수(negative temperature coefficient) 장치 또는 다른 장치와 통신될 수 있다. 그러한 구성은 예를 들면, 열전 장치의 제 1 면과 제 2 면 중 적어도 하나의 절대 온도의 결정을 허용할 수 있다. 예를 들면, 절대 온도는 계산으로, 또는 전위를 절대 온도는 제 1 면과 제 2 면 중 적어도 하나를 위한 알려진 절대 온도(예를 들면, 실험 측정들)와 상호 연관시킴으로써 결정될 수 있다.
일부 구현들에서, 면들 중 적어도 하나의 온도 차이 및/또는 절대 온도는 예를 들면, 분리된 온도 센서를 사용하는 시스템들과 비교하여 온도 피드백을 위하여 빠른 반응 시간 및/또는 감소된 열 지연을 제공할 수 있는, 피드백 제어 전략에서 사용된다.
일부 실시 예들에서, 면들 중 적어도 하나의 온도 차이 및/또는 절대 온도는 고장 모니터링을 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 면들 중 적어도 하나의 온도 차이 및/또는 절대 온도는 열전 장치의 효율을 감소시킬 수 있거나 그렇지 않으면 장치 및/또는 열 관리 시스템의 다른 부품들을 손상시킬 수 있는, 열전 장치의 과열을 검출하도록 사용될 수 있다.
일부 구현들에서, 각각의 열전 장치는 전력을 각각의 장치에 선택적으로 제공할 수 있는, 전력 소스에 의해 작동될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 열전 장치들은 공동 전력 소스를 공유한다. 다른 배치들에서, 열전 장치들은 각각 전용 전력 소스를 갖는다.
도 4에 도시된 것과 같이 일부 실시 예들에서, 열전 장치(44)에 대한 전력은 열 관리 하의 장치(46)로/로부터 흐르는 전력과 분리된다. 도 5에 도시된 것과 같이, 일부 실시 예들에서, 열전 관리를 받지 않는 외부 전원(48)(예를 들면, 외부 배터리 등)은 전자 제어 유닛(40) 및/또는 열전 장치(44)에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 그러나, 일부 실시 예들에서, 열전 장치(76)는 열 관리 하의 장치(72)의 전기 도체들(74a, 74b)과 일렬로 작동될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 관리 하의 장치(72)를 통하여 흐르는 전류의 부분(≤100%)은 또한 도 7a-7b의 일부 실시 예들에 도시된 것과 같이 열전 장치(76)를 통하여 직접적으로 흐를 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치(76)는 각각 도 7a-7b에 도시된 것과 같이, 회로의 나머지에 대하여 장치(42)와 전기적으로 병렬 또는 직렬 연결일 수 있다.
일부 실시 예들에서, 그러한 열전 전력과의 유사한 배치의 이익은 제어 회로의 단순화(및 경비 감소)이다. 전력이 장치(72)를 통하여 흐를 때마다 열전 장치(76)는 작동되고 장치로부터(또는 장치로) 열을 펌핑한다. 따라서, 가능한 작동 상태들의 범위에 적당하게 그리고 비례하여 열전 장치(76)의 열 펌핑 용량을 크기화함으로써, 관리 하의 장치(72)의 열 상태의 그러한 "내장(built-in)" 제어를 사용하는 것이 가능하다. 배터리 상태의 분리된 열 감지는 필요하지 않다.
일렬 연결 및 제어 전략은 열전 작동의 하나의 방식(예를 들면, 냉각)이 바람직할 때 사용될 수 있다. 그러한 배치들에서, 전류는 한 방향으로 흐른다. 일렬 연결 및 제어 전략은 또한 작동 방식(예를 들면, 가열 또는 냉각)이 전류 흐름의 방향과 일치할 때 사용될 수 있다. 이는 주로 파워 일렉트로닉스 또는 장치에서의 경우이나, 배터리들의 경우에서는 다를 수 있다. 배터리들에 있어서, 때때로 주변 상태에 따라 가열과 냉각 모두 필요하며, 전류 흐름의 방향은 배터리가 충전 방식 또는 방전 방식에서 작동하는가에 의존한다.
일부 실시 예들에서, 하나 또는 그 이상의 다이오드 또는 다른 전류 제어 장치가 전극과 열전 장치 사이의 도체를 따라 위치될 수 있다. 그러한 전류 제어 장치들은 원하지 않는 작동 방식이 열 관리 하의 장치의 충전 또는 방전 동안에 발생하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 그러한 특정 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 전기 장치로의 전류 흐름(예를 들면, 충전 또는 방전)의 방향과 상관없이, 작동의 냉각 방식 또는 작동의 가열 방식만을 실행하도록 구성될 수 있다. 그러한 실시 예들은 예를 들면, 환경 전도성, 장치의 특성, 또는 다른 요인들이 원하는 작동의 한 가지 방식만을 만들 때 유익하다.
열전 장치는 적용에 따라 열 관리 하의 장치에 근접하거나 또는 멀리 위치될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 관리의 관점에서, 히트 펌프(예를 들면, 열전 장치)를 가능한 한 열 관리되는 장치에 가깝게 위치시키는 것이 바람직하다. 그러한 배치는 열 관리 가장 효율적인 사용을 야기하며, 불필요한 열 및 전기 손실들을 방지한다. 예를 들면, 파워 일렉트로닉스의 경우에 있어서, 열 관리 시스템을 가능한 한 열 소스(예를 들면, 반도체 접속점)에 가깝게 위치시키는 것이 바람직하다.
그러나, 일부 경우에 있어서, 열전 장치는 향상된 시스템 물류의 이익을 위하여 장치로부터 떨어져 멀리 위치시킬 수 있다. 그러한 경우에 있어서, 열전 장치는 여전히 전력 리드들을 냉각할 수 있다. 그러한 균형의 일례가 충전 또는 방전 상태에서 작동하는 배터리(82) 및 위에서 설명된 것과 같이 일렬 방식으로 연결되는 열전 장치이다. 전류의 방향은 배터리 작동의 두 방식들 사이에서 반대이다. 이러한 적용에서, 하나 또는 그 이상의 열전 장치(86)는 배터리 충전기의 충전기 면(88a) 및 배터리 커넥터(84)의 부하 면(load side, 88b) 내에 통합될 수 있다. 그러한 연결 전략이 도 8a-8b에 도시된다. 도 8a-8b에 도시된 두 연결 사이의 차이는 열전 장치(86)의 극성이다. 두 방식 사이의 극성을 전환함으로써 배터리(82)가 전류 흐름 방향과 관계없이 충전 및 방전 방식에서 모두 냉각되는 것이 항상 보장될 수 있다.
단일 열전 장치(86) 및 배터리(82) 내의 전류 흐름의 방향의 변화에 반응하여 열전 장치를 통한 전류 흐름의 극성을 변화시키는 릴레이(relay) 또는 스위치를 사용함으로써 유사한 극성 전환이 달성될 수 있다. 그러나, 일부 실시 예들에서, 예를 들면, 급속 충전에서 배터리(82)의 지속적인 냉각이 바람직하다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치들은 배터리 충전기의 케이블 면 상의 커넥터들(84) 내에 만들어질 수 있다. 이러한 경우에 열전 장치들의 극성은 충전 동안에 리드들을 냉각하는데 적합하여야만 한다.
열전 장치 또는 모듈은 다양한 기하학적 구조, 형태 및 크기로 구성될 수 있다. 일반적인 열전 장치는 두 평행 표면을 갖는 평평하거나 평면의 모듈이다. 그러한 모듈들의 가장 일반적인 크기 중 하나는 수 ㎜ 내지 수십 ㎜ 범위의 두께를 갖는 40 ㎜×40 ㎜이다. 열은 일 표면으로부터 제거되고 나머지 표면으로 이동된다. 장치 극성의 변화는 열 흐름의 방향을 바꾼다. 상용시장에서 무수한 다른 장치 크기들이 이용가능하다. 일반적으로, 장치의 크기는 적용 특이적이고 시스템의 전기 및 열 임피던스에 맞춰진다.
그러한 평면 모듈들은 전극들이 적절한 크기의 평면 섹션들을 갖는다면, 냉각이 필요한 전극들에 직접적으로 적용될 수 있다. 도 9는 전기 도체, 예를 들면, 평면 표면(96)을 갖는 전극(94)과 실질적으로 열 소통되는 평면 열전 모듈(92)을 갖는 바람직한 열 관리 시스템 구성(90)을 도시한다.
대안으로서, 도 10a-10b에 도시된 것과 같이, 기하학적 크기 차이들을 일치시키기 위하여 높은 열 전도도를 갖는 재료(예를 들면, 구리, 알루미늄 등)로 만들어진 적어도 하나의 중간 열 확산기(98a) 또는 집열기(98b)가 열전 장치(92)와 전극(94) 사이에 위치될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 열전 장치 및 전극들 또는 다른 전기 도체들을 일치시키기 위한 다른 선택은 도 11에 도시된 것과 같이, 평면으로부터 본질적으로 전극(94)과 동심원(concentric)이거나 전극을 둘러싸는, 실린더형으로 열전 장치(92)의 형태를 변화시키는 것이다. 이러한 경우에 있어서, 열은 신속하게 잠재적으로 더 선택적인 열 관리 경로인 전극으로부터(또는 전극으로) 떨어져 멀리 제거될 수 있다. 실린더형이 아닌 다른 비-평면 형태들이 또한 사용될 수 있다.
그러한 실린더형 열전 장치는 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 한가지 해결책은 여기에 전체가 참조로써 통합되는, 미국특허 제 6,959,555에 개시된 것과 같은 고 전력 밀도 T-분류기(shunt) 구조를 구현하는 것이다. 일부 실시 예들에서, 도 12에 도시된 것과 같이, 개별 p- 및 n-형 열전 소자들(120a, 120b)은 전극(124) 주위의 링(ring) 패턴 내에 위치될 수 있다. 대안으로서, p 및 n-형 반도체들이 작은 펠릿들과 반대로 완전한 링으로서 만들어질 수 있다. 내부의, 작은 지름의 분류기들(126)은 냉각된 전극(124)과 소통하는 열교환기들로서 작용할 수 있다. 외부의, 큰 지름의 분류기들(128)은 폐열을 냉각된 전극을 둘러싸는 공기 내로 방출하는 핀(fin)들로서 작용한다.
절연체는 열 관리 하의 전기 장치를 열적으로 절연하고 열이 외부 리드들을 거쳐 회로의 나머지 부분을 통과하는 것을 방지하는데 도움을 주도록 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전기 장치들의 열 관리는 과류 손(parasitic loss)들로부터 고통받을 수 있는데 그 이유는 전기 도체들(예를 들면, 터미널들)이 냉각되면, 냉각의 일부는 열 관리 하의 장치로 향하지 않고 회로의 나머지 부분을 향하여 와이어들 또는 리드들의 통하여 누설되기 때문이다. 바꾸어 말하면, 외부 리드들은 열전 장치와 관련하여 열 관리 하의 장치와 병렬의 열 부하로서 작용하는 열 도체들로서 작용한다.
그러한 누설들의 기생 효과를 최소화하기 위하여, 열전 장치(132)와 회로의 나머지 부분 사이에 위치되는 열 절연체(130)가 도 13에 도시된 것과 같이 도입될 수 있다. 그러한 열 절연체(130, 또는 다수의 절연체, 예를 들면, 리드 당 하나 또는 그 이상)는 외부 리드들(134)과 전기적으로 일렬로 연결될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전류는 그러한 절연체(130)를 통하여 자유롭게 흐르거나, 또는 최소 손실로 흐를 수 있다. 그러나, 열적으로, 절연체는 매우 낮은 열 전도도를 가지며, 따라서 열을 절연체를 효율적으로 통과하지 않는다. "Q"는 열 관리 하의 장치 및/또는 외부 리드들로/로부터 흐르는 열의 양이다. 큰 "Q"는 열 및/또는 냉각 전력의 큰 흐름을 나타낸다.
열 절연체의 다수의 가능한 물리적 구현이 존재한다. 일부 실시 예들에서, 열 절연 재료는 높은 전기 전도도 및 낮은 열 전도도를 갖는다. 이러한 요구사항들을 충족하는 한가지 뛰어난 종류가 열전 재료이다. 예를 들면, 열전 재료들은 2010년 상하이에서 개최된 Proceedings of International Conference on Thermoelectrics에서 Yu. Evanov 등에 의해 설명된 것과 같은, 초전도 자석들을 위한 전기적 피드 스루(feed through)의 적용에서 열 절연체로서 사용될 수 있다. 그러나, 절연체는 열전 재료들로 만들어질 필요가 없는데, 그 이유는 이러한 적용에서 절연체 재료의 제벡 성능이 반드시 중요하지는 않기 때문이다. 다른 예들은 전기적 전도성 세라믹들, 전도성 폼(foam)들, 또는 다른 재료들일 수 있다.
서로 전기 통신되는 다수의 전기 장치들 또는 부품들의 냉각과 가열이 열 관리 시스템에 의해 제공될 수 있다. 열 관리를 필요로 하는 다수의 분리된 전자 부품들은 전기적으로 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들면, 배터리 팩은 직렬 전기 소통되는 복수의 개별 셀을 연결함으로써 만들어질 수 있다. 아래에 설명되는 예는 열 관리 하의 시스템의 일례로서 배터리 팩을 사용한다. 그러나, 설명되는 특징들은 배터리의 열 관리에만 한정되는 것이 아니라 다른 전자 부품들 또는 전기 장치들의 열 관리에 적용된다.
일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 도 14에 도시된 것과 같이 직렬로 연결되는 N 셀들(140a-140c)을 포함하는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 개별 셀들은 실린더형, 각기둥형, 주머니 또는 다른 셀 패킹 형태와 같은, 서로 다른 형태들과 내부 구조를 가질 수 있다.
적어도 하나의 열전 장치(146a, 146b)에 의한 개별 셀들(140a-140c)의 열 관리는 특히 전기 리드들 또는 배터리 팩 내부 또는 외부로 전류를 가져오는 터미널 와이어들을 통한 열 관리와는 대조적으로, 인접한 셀들을 연결하는 내부 와이어들(148)에 적용될 때 효율적일 수 있다. 도 15는 개별 셀들(140a-140c)을 연결하는 그러한 내부 와이어들(148)에 직접적으로 연결되거나 또는 접촉하는 열전 장치들(148a)의 일 실시 예를 도시한다.
일부 실시 예들에서의 이러한 구성에서, 열전 장치들(146a, 146b)이 인접한 셀들(140a-140c)을 연결하는 내부 와이어들(148)에 열적으로 연결될 때, 실질적으로 모든 열 에너지는 내부로 전달되거나 및/또는 셀들로부터 추출된다. 이는 열전 장치(186)가 다른 소자들을 갖는 배터리(182)를 연결하는 터미널 또는 외부 와이어(180)에 열적으로 연결될 때의 배치와는 분명히 다르다. 후자의 경우에 있어서, 열 에너지(184)의 일부는 와이어(180)를 통하여 배터리(182)로부터 멀리 덜어져 탈출할 수 있으며, 전체 시스템 레벨 열 관리 효율은 감소될 수 있다. 그러한 역 효과가 도 18에 도시된다.
일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 배터리 팩 또는 다른 전기 장치의 내부에 존재하는 연결들만을 열적으로 관리하도록 구성된다. 예를 들면, 직렬로 연결되는 셀들을 갖는 여기에 개시되는 배터리 팩 실시 예들은 이러한 구성을 가질 수 있다. 이러한 열 관리 접근법은 내부 와이어들만이 열적으로 관리되면 팩 내의 개별 소자들의 어떠한 배치에 적용될 수 있다. 열 관리는 실질적으로 팩의 내부에서 기원하고 종료하는 전기 연결들에만 적용되고, 팩을 시스템의 나머지에 연결하는 연결들에는 적용되지 않는다.
개별 소자들은 직렬로, 병렬로 연결되거나, 또는 독립적인 전기 회로들에 속할 수 있다. 부가적으로, 일부 실시 예들에서, 단일 열전 장치는 인접한 셀들을 연결하는 단일 케이블 또는 복수의 그러한 케이블과 실질적으로 열 소통될 수 있으며, 따라서 일부 셀들을 가로질러 열 관리를 확산시킨다.
일부 실시 예들에서, 모든 전기 도체들은 적어도 하나의 열전 장치에 연결될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 전기 도체 또는 부품은 열전 장치에 연결되지 않는다. 예를 들면, 도 15에 도시된 것과 같이, 셀(140a)만이 열전 장치(146a)에 연결되는 하나의 내부 와이어(148)를 갖는다. 다른 내부 와이어는 열전 장치에 연결되지 않는다. 일부 실시 예들에서, 셀 또는 전기 부품의 모든 내부 와이어는 열전 장치에 연결되지 않거나 또는 열 소통되지 않는다. 일부 실시 예들에서, 하나 또는 그 이상의 전체 셀, 내부 와이어들, 또는 전기 도체들은 어떠한 열전 장치에도 연결되지 않는다. 예를 들면, 일부 실시 예들에서, 배터리의 중심에 더 가까운 셀들은 적어도 하나의 열전 장치에 연결되나 배터리의 외부 셀들은 적어도 하나의 열전 장치에 연결되지 않는다. 개별 전기 도체들은 열전 장치와의 독립적인 열 결합들을 가질 수 있다.
일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 개별 셀들 또는 셀들의 그룹을 제어하거나 열적으로 관리할 수 있다. 그러한 실시 예들은 전기 장치의 도체들 또는 다른 부품들과 관계없이 전기 도체들 또는 부품들의 온도를 제어하기 위하여 열 관리 컨트롤러를 허용할 수 있다. 그러한 특정 실시 예들에서, 열 제어는 셀 레벨에 국한될 수 있다. 그러한 일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 셀 대 셀 변이를 최소화하거나 감소시키고, 셀 저하를 방지하거나 감소시키며, 및/또는 독립적인 열 관리 동조(tuning)를 허용할 수 있다.
도 16에 도시된 것과 같이, 일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 컨트롤러(142)를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 열전 장치들(146a-146c)에 연결될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 각각의 열전장치들(146a-146c)은 셀들(140a-140c)의 적어도 하나의 전기 도체(148a-148c)에 연결될 수 있다. 각각의 셀들(140a-140c)은 서로 독립적으로 시스템에 의해 열적으로 제어될 수 있다. 셀들(140a-140c)에 가열 및/또는 냉각을 제공하는 각각의 열전장치들(146a-146c)로 또는 외부로 향하는 전력은 또 다른 열전 장치 및/또는 셀과 독립적으로 각각의 열전 장치 및/또는 셀을 위하여 변경되거나, 바뀌거나, 또는 조정될 수 있다.
도 17은 전기 장치의 다수의 온도 민감성 영역들(예를 들면, 배터리 셀들)의 온도를 독립적으로 제어하기 위한 방법이 도시된다. 방법은 두 개 또는 그 이상의 독립적인 통전 전기 도체(170a)를 위하여 열 관리 체계를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 독립적인 열 관리는 열 관리 시스템(170b)을 사용하는 각각의 셀에 적용될 수 있다. 적어도 하나의 열 관리 시스템에 공급되는 전력은 다른 열 관리 시스템들(170c)에 공급되는 전력과 관계없이 조정될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 폐열 전달 메커니즘으로서 히트 파이프가 제공될 수 있다. 열전 장치로부터의 폐열은 히트 싱크 내에서 소멸될 수 있다. 히트 싱크들의 예들은 열교환기들, 폐기 스트림(waste stream)들, 열을 소멸시키기 위한 다른 구조체들, 및 구조체들의 조합을 포함한다. 히트 싱크는 열전 장치의 표기 면 또는 표면에 부착될 수 있다. 히트 싱크는 공기, 액체에 의해 냉각될 수 있거나, 또는 대안으로서, 배터리 팩, 자동차 프레임, 또는 열전 장치를 열을 효율적으로 소멸할 수 있는 다른 구조 소자와 같이 더 큰 고형 히트 싱크에 연결하는 고형 부재일 수 있다. 그러나, 예를 들면, 배터리 열 관리 시스템과 같은, 특정 적용들에서, 열전 장치의 폐기 면에 가깝게 냉각 매체를 가져오는 것을 제한하는 패킹 제약이 존재할 수 있다. 대안으로서, 열전 장치의 폐기 면으로부터의 열을 열 소멸이 효율적으로 구현될 수 있는 다른 위치로 이동시키기 위하여 열 또는 열적 전달 장치가 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 열 전달 장치(198)는 도 19에 도시된 것과 같이, 열전 장치(196)의 폐기 면 또는 표면을 열이 결국 예를 들면, 공기, 액체, 또는 고체에 의해 폐기되는 히트 싱크(194)에 연결하도록 사용될 수 있다. 그러한 히트 싱크는 예를 들면 자동차의 액체 냉각 회로, 라디에이터(radiator) 또는 공기 냉각 히트 싱크, 주변 공기, 작동 유체, 유체 리저버(reservoir), 혹은 고형물(solid body, 예를 들면, 배터리 케이스 또는 자동차 프레임)일 수 있다.
도 20-28은 전기, 전자, 및 전력 장치들 및/또는 예를 들면, 배터리 또는 배터리 팩과 같은, 부품들을 냉각하거나 및/또는 가열하기 위한 열관리 시스템 구성의 다른 실시 예들을 도시한다. 이러한 실시 예들은 위에서 설명된 특징들과 실시 예들 중 하나 또는 그 이상과 결합되거나 이를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 것과 같이, 배터리 팩은 직렬로 및/또는 병렬로 연결되는 하나 또는 그 이상의 셀을 포함할 수 있다. 열 관리 시스템은 배터리의 전기 도체들을 직접적으로 또는 간접적으로 냉각하거나 및/또는 가열하도록 사용될 수 있다.
도 20-21은 단일 기능 배터리 팩(200)을 제공하기 위하여 서로 전기적으로 연결되는 다수의 셀(204)을 갖는 배터리 팩(200)을 포함하는 열 관리 시스템을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 배터리(202)의 개별 셀들은 전기적 전도성 바(bar)들 또는 다른 커넥터들을 거쳐 서로 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 관리 시스템은 배터리(202)의 하나 또는 그 이상의 셀(204)의 하나 또는 그 이상의 터미널(212)에 통합되거나 또는 연결되는(예를 들면, 실제로 열 소통되는) 하나 또는 그 이상의 열전 장치(206)를 포함할 수 있다. 도 20에 도시된 것과 같이, 일 실시 예에서, 직렬로 연결된 셀들(204)은 배터리(202)의 상부 표면을 따라 확장하는 두 개의 병렬 열(row)의 터미널(212)을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 터미널들(212)은 양극 및 음극 터미널들을 가질 수 있다(예를 들면, 양극들과 음극들). 그러한 특정 실시 예들에서, 양극과 음극 터미널은 공간적으로 교번(alternating) 배치로 위치된다. 열전 장치(206)는 세라믹 기판(210) 상에 층을 이룬 구리 기판(208) 또는 다른 적절한 구조를 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 각각의 열전 장치(206)의 일 단부 또는 부(portion)는 직렬로 연결되는 두 인접한 셀들(204)의 적어도 하나의 터미널(212)에 연결되거나 또는 통합될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 터미널(212)은 적어도 하나의 열전 장치(206)와 실질적으로 열 소통되지 않거나 또는 연결되지 않는다. 각각의 열전 장치(206)의 또 다른 일 단부 또는 부는 열 전달 장치(214)에 연결되거나, 고정되거나, 접착되거나, 결합되거나, 클램프 고정되거나, 또는 그렇지 않으면 부착될 수 있다. 열 전달 장치(214)는 예를 들면, 액체 튜브 열교환기일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나의 열 전달 장치(214)는 각각의 열전 장치(206) 또는 모든 열전 장치에 부착될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 다수의 열 전달 장치(204)가 각각의 열전 장치(206)에 부착되거나 실질적으로 열 소통될 수 있다.
도 20-21에 도시된 것과 같이, 일부 실시 예들에서, 열 전달 장치(214)는 터미널들(212)의 두 병렬 열 사이의 배터리(202)의 상부 표면의 적어도 일부를 따라 확장할 수 있다. 특정 실시 예들에서, 터미널들은 병렬 열로 존재하지 않는다. 도 21은 일부 실시 예들에서 열 전달 장치(214)가 배터리(202)의 상부를 접촉하지 않는 것과 같이 위치될 수 있는 것을 도시한다. 특정 실시 예들에서, 열 전달 장치(214)는 배터리 또는 배터리(202)의 표면들과 직접 접촉될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 세라믹 기판(210)이 열 전달 장치(214)와 접속하고 지지 또는 견고성을 제공한다. 구리 기판(208)은 배터리(202)의 전류 드로(current draw)를 지닐 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 전달 장치(214)는 전기적 전도성 부들과 전기적 절연 부들 모두를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전기적 전도성 부들은 서로를 향하여 확장할 수 있다.
도 22-23은 배터리와 같은 전기 장치를 냉각하거나 및/또는 가열하기 위한 열 관리 시스템의 또 다른 구성을 도시한다. 일 실시 예에서, 열 관리 시스템은 각각 터미널들(232a, 232b)의 두 개의 일반적으로 병렬 열들에 연결되는 열전 장치들(도시되지 않음)의 상부 면을 따라 확장하는, 두 개의 열 전달 장치(234a와 234b)를 가질 수 수 있다. 열 전달 장치들(234a와 234b)은 각각 터미널들(232a, 232b)의 하나의 열을 따라 확장할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 전달 장치들(234a와 234b) 또는 다른 열 전달 장치들은 터미널들(232a, 232b)과 열전 장치들 사이에 위치될 수 있다.
도 24-28은 배터리와 같은 전기 장치를 냉각하거나 및/또는 가열하기 위한 열 관리 시스템의 또 다른 구성을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 하나 또는 그 이상의 열 전달 장치가 위치될 수 있거나 또는 전기 도체들, 열 전달 장치들, 및/또는 열 관리 하의 장치의 기하학적 구조를 기초로 하여 가능한 한 서로 멀리 떨어져 위치될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 열 전달 장치는 전기 도체들이 돌출된 표면과 다른 전기 장치의 표면 상에 위치될 수 있다. 열 전달은 전기 도체들이 돌출된 표면에 수직이거나, 정상이거나, 비-평면이거나 및/또는 비-평행인 표면 상에서 발생할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 또는 그 이상의 열 전달 장치(254a와 254b)는 배터리(242)의 두 반대편 면들 상에 위치될 수 있다. 열 전달 장치들(254a와 254b)은 실질적으로 배터리(242)의 전체 길이 또는 측면을 따라 확장할 수 있다. 열전 장치들(246)의 일 단부는 직렬로 연결되는 두 인접한 셀들(244)의 적어도 하나의 터미널(252)과 실질적으로 열 소통될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 열전 장치들(246)의 단부들은 열전 장치들(246)의 단부들은 도 24, 25, 및 27에 도시된 것과 같이 터미널들(252)의 상부들에 연결되거나 또는 장착될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치들의 부들은 전기 도체의 외부 둘레를 둘러쌀 수 있거나 또는 도 26과 28에 도시된 것과 같이 면들에 장착될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열전 장치들의 부들은 실질적으로 평면의 방식에서 전극의 상부 표면과 접촉할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 배터리 모듈 또는 다른 전지 장치의 전체 높이 또는 풋프린트(footprint)는 열 관지 시스템이 구조를 실질적으로 평면의 방식에서 전기 도체들 또는 전기 장치들의 존재하는 표면 또는 표면들로 지향하거나 또는 연결함으로써 실질적으로 동등하게 유지될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 각각의 열전 장치(246)의 나머지 단부는 열 전달 장치(254a, 254b)에 연결되거나 고정되거나, 및/또는 클램프 고정될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 그러한 열 관리 시스템 구성은 열을 배터리(242)의 터미널들(252) 및/또는 면들로 또는 면들로부터 전달할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 여기에 설명된 적어도 일부의 열 관리 시스템들은 다음의 특징들 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다:
1. 열전 장치를 거쳐 장치들의 리드들의 열 관리에 의한 파워 일렉트로닉스 또는 전기 장치들의 직접적인 열 관리.
2. 열전 장치에 연결되는 열 전달 장치로의 간접적인 리드 냉각.
3. 열전 장치 당 적어도 하나의 냉각된 전력 리드.
4. 단일 열전 장치에 의한 다수의 냉각된 리드들.
5. 열 관리되는 장치와 병렬 또는 직렬로 작동되는 열전 장치.
6. 추가의 전자장치의 필요성을 최소화하고 배터리를 위한 바람직한 냉각 양을 제공하기 위하여 배터리에 직접적으로 연결하도록 최적화된 열전 전압-전류 디자인.
7. 단절의 배터리 면 상의 열전 장치.
8. 단절의 충전기 케이블 면 상의 열전 장치.
9. 충전되거나 방전되든지 간에 배터리가 항상 냉각되도록 충전기 케이블과 배터리 면 사이의 서로 다른 극성의 열전 장치들의 사용.
10. 열적으로 관리되는 장치 외부의 전기 회로의 부를 향하는 가열/냉각의 기생 흐름을 방지하는 열 절연체.
11. 직렬로 연결되는 적어도 두 개의 유닛을 포함하는 열 관리 하의 장치. 열전 장치는 두 유닛을 직렬로 연결하는 전기 도체에 열적으로 연결될 수 있다.
12. 서로 사이에 전기적으로 연결되는 복수의 소자. 적어도 하나의 열전 장치는 소자들과 접촉하는 복수의 전기 도체에 열적으로 연결될 수 있다.
13. 위에서 설명된 하나 또는 그 이상의 기술을 사용하는 배터리 팩 열 관리.
14. 위에서 설명된 하나 또는 그 이상의 기술을 사용하는 절연 게이트 양극성 트랜지스터.
15. 위에서 설명된 하나 또는 그 이상의 기술을 사용하는 전력 증폭기들의 열 관리.
여기에 설명된 다양한 실시 예들은 일반적으로 도면들에 개략적으로 도시된 실시 예들을 따랐다. 그러나, 여기에 설명된 어떠한 실시 예들의 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 어떤 적절한 방식으로 표현되거나 도시되거나 설명되지 않은 하나 또는 그 이상의 개별 실시 예와 조합될 수 있다는 것이 고려된다. 많은 경우에 있어서, 통합되거나 근접한 것으로서 설명되거나 도시된 구조들은 분리될 수 있으며 또한 통합 구조들의 기능을 실행할 수 있다. 많은 경우에 있어서, 분리된 것으로서 설명되거나 도시된 구조들은 결합되거나 조합될 수 있으며 또한 개별 구조들의 기능을 실행할 수 있다.
다양한 실시 예들이 위에서 설명되었다. 본 발명의 발명자들이 이러한 특정 실시 예들을 참조하여 설명하였으나, 설명들은 설명의 목적을 위한 것으로 의도되며 이를 한정하는 것으로 의도되어서는 안 된다. 여기에 설명된 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 통상의 지식을 가진 자들에 다양한 변형들과 적용들이 발생할 수 있다.
1 : 열 관리 시스템
2 : 전기 장치
4a, 4b : 전기 도체
6a, 6b : 열전 장치
10 : 열 전달 장치
12a, 12b : 열전 장치의 표면
14a, 14b : 전기 도체의 고체 표면
40 : 전자 제어 유닛
42 : 온도 센서
44 : 열전 장치
46 : 열 관리 하의 장치
48 : 외부 전원장치
72 : 열 관리 하의 장치
74a, 74b : 전기 도체
76 : 열전 장치
82 : 배터리
84 : 배터리 커넥터
86 : 열전 장치
88a : 배터리 충전기의 충전기 면
88b : 배터리 커넥터의 부하 면
92 : 열전 장치
94 : 전극
98a : 열 확산기
98b : 집열기
120a : p-형 열전 소자
120b : n-형 열전 소자
124 : 전극
126 : 분류기
130 : 열 절연체
134 : 외부 리드
140a, 140b, 140c : 셀
142 : 컨트롤러
146a, 146b, 146c : 열전 장치
148 : 내부 와이어
170a : 통전 전기 도체
170b, 170c : 열 관리 시스템
180 : 외부 와이어
182 : 배터리
186 : 열전 장치
194 : 히트 싱크
196 : 열전 장치
198 : 열 전달 장치
200 : 배터리 팩
202 : 배터리
204 : 셀
206 : 열전 장치
208 : 구리 기판
210 : 세라믹 기판
212 : 셀의 터미널
232a, 232b : 터미널
234a, 234b : 열 전달 장치
242 : 배터리
244 : 셀
246 : 열전 장치
252 : 터미널
254a, 254b : 열 전달 장치

Claims (32)

  1. 전기 장치의 온도 민감성 영역 내의 온도를 관리하도록 구성되는 열 관리 시스템으로서,
    열전 장치로의 전력의 인가 시 주 표면(main surface)과 폐기 표면(waste surface) 사이의 열 에너지를 전달하도록 구성되는 열전 장치로서, 상기 열전 장치의 상기 주 표면은 전기 도체와 실질적으로 열 소통되며, 상기 전기 도체는 상기 전기 도체가 상기 전기 장치의 상기 온도 민감성 영역과 상기 열전 장치 사이의 열 에너지를 전달하기 위한 도관으로서 역할을 하도록 상기 전기 장치로 또는 상기 전기 장치로부터 전력을 전달하도록 구성되는, 열전 장치; 및
    상기 열전 장치와 실질적으로 열 소통되는 열 전달 장치로서, 상기 열 전달 장치는 상기 열전 장치로 또는 상기 열전 장치로부터 열 에너지를 전달하도록 구성되며, 상기 열 전달 장치는 상기 전기 도체를 포함하는 전기 도체의 열(row)들 사이에서 상기 전기 장치의 표면의 적어도 일부를 따라서 연장되는, 열 전달 장치를 포함하는, 열 관리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열전 장치에 제공되는 전류의 극성을 제어하도록 구성되는 컨트롤러를 더 포함하며, 전류의 제 1 극성은 시스템 작동의 냉각 방식에서 제공되며 전류의 상기 제 1 극성과 반대되는 제 2 극성은 시스템 작동의 가열 방식에서 제공되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 컨트롤러는 배터리 팩에 대한 제어 기능들을 관리하도록 구성되는 배터리 관리 시스템과 통합되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전기 장치와 열 소통되고 상기 컨트롤러와 전기 통신되는 온도 센서를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 온도 센서로부터의 입력들과 열 관리 하의 상기 전기 장치 내로 또는 외부로 향하는 전류를 모니터하고 상기 열전 장치에 전달되는 전력을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전기 장치는:
    복수의 전기 부품;
    제 1 전기 부품과 열 소통되고 전기 통신되는 제 1 전기 도체 및 제 2 전기 부품과 열 소통되고 전기 통신되는 제 2 전기 도체;
    상기 제 1 전기 도체와 실질적으로 열 소통되는 제 1 열전 장치 및 상기 제 2 전기 도체와 실질적으로 열 소통되는 제 2 열전 장치; 및
    상기 제 1 전기 부품에 열 관리를 적용하도록 구성되는 제 1 열 관리 시스템 및 상기 제 2 전기 부품에 열 관리를 적용하도록 구성되는 제 2 열 관리 시스템;을 더 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 열 관리 시스템은 서로 독립적으로 열 관리를 적용하도록 구성되며, 상기 제 1 열 관리 시스템에 공급되는 전력은 상기 제 2 열 관리 시스템에 공급되는 전력과 관계없이 조정되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기 장치는:
    복수의 전기 부품;
    제 1 전기 부품과 제 2 전기 부품이 전기 통신되도록 상기 복수의 전기 부품의 상기 제 1 전기 부품과 상기 제 2 전기 부품에 열 소통되고 전기 통신되는 제 1 전기 도체; 및
    상기 제 1 전기 도체와 실질적으로 열 소통되는 제 1 열전 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 전기 부품의 상기 제 2 전기 부품 및 제 3 전기 부품과 전기 통신되고 열 소통되는 제 2 전기 도체; 및
    상기 제 2 전기 도체와 실질적으로 열 소통되는 제 2 열전 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 복수의 전기 부품의 상기 제 2 전기 부품 및 제 3 전기 부품과 전기 통신되고 열 소통되는 제 2 전기 도체를 더 포함하며, 상기 제 1 열전 장치는 상기 제 2 전기 도체와 열 소통되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전 장치는 상기 전기 도체와 직접적으로 열 접촉되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 전달 장치는, 열이 상기 열 전달 장치를 통해 상기 열전 장치와 상기 전기 도체 사이를 흐르도록 상기 열전 장치 및 상기 전기 도체와 열 소통되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전 장치는 두 전기 도체의 열교환 표면들과 실질적으로 열 소통되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전 장치는 상기 전기 도체와 전기 통신되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 열 관리를 받지 않는 외부 전력원이 전력을 상기 열전 장치에 제공하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 장치는 배터리의 전극과 전기 통신되고 열 소통되는 하나의 전극을 갖도록 구성되는 배터리 충전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 장치는 배터리의 전극과 전기 통신되고 열 소통되는 하나의 전극을 갖도록 구성되는 전기 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 도체와 전기 통신되고 상기 열전 장치를 상기 전기 도체와 전기 통신되는 제 2 전기 장치와 실질적으로 열적으로 분리하도록 구성되는 열 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  17. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 장치는 배터리 팩, 배터리 셀, 배터리 모듈, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 또는 전력 증폭기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  18. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 전달 장치는 전기 전도성 부분들 및 전기 절연성 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 전기 전도성 부분들은 서로를 향해 연장되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  20. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 전달 장치는 전류를 운반하도록 구성된 구리 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  21. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 전달 장치는 상기 전기 장치의 표면과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  22. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 전달 장치는 상기 전기 장치의 표면과 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  23. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 도체의 열들은 병렬인 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템.
  24. 전기 장치를 열적으로 관리하는 열 관리 시스템을 제조하는 방법으로서,
    전기적 전도성 부분과 전기적 절연 부분을 포함하는 열 전달 장치를 전기 장치의 복수의 전기 도체에 연결하는 단계; 및
    상기 열 전달 장치 및 열전 장치의 주 표면 사이에 실질적인 열소통을 확립하는 단계를 포함하고,
    상기 열 전달 장치는 상기 전기 도체의 열들 사이에서 상기 전기 장치의 표면의 적어도 일부를 따라서 연장되는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템을 제조하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 전기 장치의 제 1 전기 부품과 열 소통되고 전기 통신되는 제 1 전기 도체와 제 1 열전 장치 사이의 실질적인 열소통을 확립하는 단계; 및
    상기 전기 장치의 제 2 전기 부품과 열 소통되고 전기 통신되는 제 2 전기 도체와 제 2 열전 장치 사이의 실질적인 열소통을 확립하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템을 제조하는 방법.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 전기 장치는 배터리 팩, 배터리 모듈 또는 배터리 셀 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 관리 시스템을 제조하는 방법.
  27. 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법으로서,
    상기 전기 장치와 열 소통되고 전기 통신되는 전기 도체와 직접 열소통을 하는 열전 장치를 작동시키는 단계;
    상기 열전 장치에 제공되는 전류의 극성을 조정함으로써 상기 전기 장치를 가열 또는 냉각하는 단계; 및
    상기 열전 장치와 실질적으로 열 소통되는 열 전달 장치를 통해 상기 열전 장치로 또는 상기 열전 장치로부터 열 에너지를 전달하는 단계로서, 상기 열 전달 장치는 상기 열전 장치의 상부를 따라서 그리고 상기 전기 도체를 포함하는 전기 도체의 열을 따라서 연장되는, 열 에너지를 전달하는 단계;를 포함하는, 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    온도 센서로부터의 입력들과 상기 전기 장치 내로 또는 외부로 향하는 전류를 모니터하는 단계 및 상기 입력들에 반응하여 상기 열전 장치 내로 또는 외부로 향하는 전류를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 전기 장치의 제 1 전기 부품과 열 소통되고 전기 통신되는 제 1 전기 도체와 실질적인 열소통을 하는 제 1 열전 장치를 작동시키는 단계;
    상기 전기 장치의 제 2 전기 부품과 열 소통되고 전기 통신되는 제 2 전기 도체와 실질적인 열소통을 하는 제 2 열전 장치를 작동시키는 단계; 및
    상기 제 2 전기 부품에 적용되는 열 관리와 관계없이 상기 제 1 전기 부품에 열 관리를 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 전기 장치는 배터리 팩, 배터리 모듈 또는 배터리 셀 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 장치와 열 소통되고 전기 통신되는 다른 전기 도체와 직접 열소통을 하는 다른 열전 장치를 작동시키는 단계;
    상기 다른 열전 장치에 제공되는 전류의 극성을 조정함으로써 상기 전기 장치를 가열 또는 냉각하는 단계; 및
    상기 다른 열전 장치와 실질적으로 열 소통되는 다른 열 전달 장치를 통해 상기 다른 열전 장치로 또는 상기 다른 열전 장치로부터 열 에너지를 전달하는 단계로서, 상기 다른 열 전달 장치는 상기 다른 열전 장치의 상부를 따라서 그리고 상기 다른 전기 도체를 포함하는 전기 도체의 다른 열을 따라서 연장되는, 열 에너지를 전달하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치를 열적으로 관리하기 위한 방법.
  32. 삭제
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