KR20130001994U - 각형 리튬 이온 배터리 팩용 서멀 솔루션 - Google Patents

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브레들리 이. 레이스
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토마스 더블유. 웨버
로버트 에이. 3세 리놀드
마틴 데이비드 스말크
엘리엇 지. 피시맨
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Abstract

리튬 이온 배터리 팩은, 복수 개의 각형 중합체 셀들, 및 하나 또는 그 초과의 그래파이트 히트 스프레더들을 포함한다. 각각의 스프레더는, 2 개 이상의 주면들을 포함하며 박리형(exfoliated) 그래파이트 입자들의 압축체(compressed mass)의 시트, 그래파이트화된 폴리이미드 시트 또는 이들의 조합물들 중 하나로 만들어진다.

Description

각형 리튬 이온 배터리 팩용 서멀 솔루션 {THERMAL SOLUTION FOR PRISMATIC LITHIUM ION BATTERY PACK}
본 고안은, 일반적으로, 고에너지 밀도를 갖는 배터리 팩들과 전기화학 셀들 및 이들의 전기 자동차와 같은 제품들에의 사용에 관한 것이다.
하이브리드 차량들과 같은 자동차들은, 동력을 제공하기 위해서 다중의 추진 시스템들을 사용한다. 가장 보편적인 것으로는 내연 기관(ICE)들에 동력을 제공하기 위해 가솔린(휘발유)을 사용하고 전기 모터들에 동력을 제공하기 위해서 전기 배터리들을 사용하는 가솔린-전기 하이브리드 차량들이 언급된다. 이러한 하이브리드 차량들은, 재생 제동을 통해 운동 에너지를 포획함으로써 차량의 배터리들을 재충전한다. 정속주행(cruising) 또는 공회전(idling) 시에, 내연 기관 출력의 일부는 배터리들을 충전하기 위해 전기를 생산하는 제너레이터(통상, 제너레이터 모드로 작동하는 전기 모터(들))에 공급된다. 이는, 그리드(grid) 또는 범위 연장형 트레일러(range extending trailer)와 같은 외부 공급원에 의해 충전되는 배터리들을 사용하는 완전 전기차들과는 대조적이다. 디젤, 또는 에탄올 또는 식물성 오일(plant based oil)과 같은 다른 연료들이 때때로 사용되는 것을 볼 수 있겠지만, 거의 모든 하이브리드 차량들은 차량의 단독 연료 공급원으로서 여전히 가솔린을 필요로 한다.
배터리들 및 셀들은 종래 기술에서 잘 알려진 중요한 에너지 저장 장치들이다. 배터리들 및 셀들은, 전형적으로, 사이에 위치된 이온 전도성 전해질 및 전극들을 포함한다. 리튬 이온 배터리들을 포함하는 배터리 팩들은, 이들이 재충전가능하고 메모리 효과가 없기 때문에 자동차 분야들 및 다양한 상업적 전자 장치들에서 갈수록 더 유행하고 있다. 최적의 작동 온도에서 리튬 이온 배터리를 저장하고 작동시키는 것은, 연장된 시간 주기 동안의 배터리의 충전 지속을 허용하는데 매우 중요하다.
리튬 이온 배터리들의 특성들에 기인하여, 배터리 팩은, -20℃ 내지 60℃의 대기 온도 범위 내에서 작동한다. 그러나, 이러한 온도 범위 내에서 작동하는 경우라도, 대기 온도가 0℃ 미만으로 떨어진다면, 배터리 팩은 충전 또는 방전을 위한 그의 성능 또는 능력을 잃어버리기 시작할 것이다. 대기 온도에 따라서, 배터리의 라이프 사이클 용량 또는 충전/방전 성능은, 온도가 0℃를 벗어남에 따라 더 감소될 것이다. 그럼에도 불구하고, 대기 온도가 온도 범위 밖에 있는 곳에서의 리튬 이온 배터리의 사용은 피할 수 없을 것이다.
상기에서 언급된 바와 같이, 상당한 온도 편차들이 하나의 셀로부터 옆에 있는 셀에서 발생하며, 이는 배터리 팩의 성능을 열화시킨다. 전체 배터리 팩의 장수명을 촉진하기 위해서, 셀들은 소망하는 임계 온도 미만이어야 한다. 피크(peak) 성능을 촉진하기 위해서, 배터리 팩의 셀들 사이의 온도 차이는 최소가 되어야 한다. 그러나, 대기로의 열경로에 따라서, 충방전 조작들 중 상이한 셀들이 상이한 온도들에 도달할 것이다. 이에 따라, 하나의 셀이 다른 셀들에 대해 증가된 온도에 있다면, 셀의 충전 또는 방전 효율은 상이해 질 것이며, 그리고 이에 따라, 다른 셀들보다 더 빨리 충전 또는 방전될 것이다. 이는 전체 팩의 성능을 감소시키게 된다.
따라서, 리튬 배터리가 작동하는 대기 온도 범위를 증가시키고, 개선된 패키징 특징들을 갖는 새로운 배터리 팩을 제공하기 위해서, 리튬 배터리들의 종래의 팩들을 개선하고자 하는 기회가 남아 있다. 유사하게, 가장 긴 가능한 라이프 사이클, 정격 용량, 및 공칭 충방전율(nominal charge and discharge rate)들을 보장하기 위해서 배터리 팩을 최적의 작동 온도로 유지하고자 하는 기회가 남아 있다.
본 고안의 일 양태에 따르면, 복수 개의 각형 리튬 중합체 셀들, 복수 개의 셀들 중 하나 또는 그 초과의 셀과 열적 연통하는 제 1 히트 싱크, 및 2 개 이상의 그래파이트 히트 스프레더들을 포함하는 리튬 이온 배터리 팩을 포함한다. 각각의 스프레더는 2 개 이상의 주면들을 포함하며, 상기 각각의 히트 스프레더는 박리형(exfoliated) 그래파이트 입자들의 압축체(compressed mass)의 시트, 그래파이트화된 폴리이미드 시트 또는 이들의 조합물들 중 하나 이상을 포함한다. 각각의 히트 스프레더는, 히트 싱크와 열적 연통하며, 상기 각각의 히트 스프레더는, 대략 상온에서 약 300 W/mK 보다 큰 평면내(in-plane) 열전도도를 가지며, 리튬 중합체 셀들 중 하나 이상과 접촉하는 주면을 갖는다.
본 고안의 다른 양태에 따르면, 복수 개의 각형 리튬 중합체 셀들, 및 복수 개의 셀들 중 하나 또는 그 초과의 셀과 열적 연통하는 제 1 히트 싱크를 포함한다. 매 한 쌍의 중합체 셀들을 위해서, 상기 쌍 중 각각의 셀과 열적 연통하는 하나 이상의 그래파이트 히트 스프레더를 포함한다. 각각의 스프레더는 2 개 이상의 주면들을 포함하며, 상기 각각의 히트 스프레더는 박리형(exfoliated) 그래파이트 입자들의 압축체(compressed mass)의 시트, 그래파이트화된 폴리이미드 시트 및 이들의 조합물들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 각각의 히트 스프레더는, 히트 싱크와 열적 연통하며, 충분한 양의 상기 히트 스프레더들은, 약 25 ℃의 알루미늄 시트의 평면내 열전도도보다 더 큰 평면내 열전도도를 가짐으로써, 알루미늄으로 제조되는 히트 스프레더들을 갖는 팩에 비해서 팩의 중량을 감소시킨다.
본 고안의 다른 양태에 따르면, 리튬 이온 배터리 팩은, 복수 개의 셀 스택들을 포함하며, 각각의 셀 스택은 하나 이상의 다른 셀 스택에 인접하게 위치된다. 각각의 스택은 복수 개의 각형 리튬 중합체 셀들을 포함하며, 각각의 각형 리튬 중합체 셀은 2 개의 대향 주면들을 포함한다. 상기 하나 이상의 그래파이트 히트 스프레더는 2 개 이상의 주면들을 포함하며 대략 상온에서 약 300 W/mK 보다 큰 평면내(in-plane) 열전도도를 가지며 상기 히트 스프레더는 박리형(exfoliated) 그래파이트 입자들의 압축체(compressed mass)의 시트, 그래파이트화된 폴리이미드 시트 또는 이들의 조합물들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 히트 스프레더는 상기 스택 내의 2 개의 인접한 셀들의 각각의 주면 중 하나와 열 접촉되며 하나 또는 그 초과의 인접한 스택들 내의 하나 또는 그 초과의 셀들의 주면과 더 접촉한다.
본 고안의 또다른 양태에 따르면, 리튬 이온 배터리 팩은, 중앙 및 대향 단부들을 갖는 스택에 배열된 복수 개의 배터리 셀들을 포함한다. 하나 이상의 그래파이트 히트 스프레더들은 일반적으로 U자 형상 단면 부분을 가지며, 제 1 레그, 제 2 레그 및 제 3 레그를 갖는다. 제 1 레그는, 스택 내의 인접한 배터리 셀들 사이에 위치되고, 상기 제 3 레그는, 상기 스택 내의 하나 이상의 배터리 셀에 인접 위치된다. 상기 제 1 레그는, 상기 제 3 레그 보다 중심에 보다 근접 위치되며, 상기 제 2 레그는 상기 제 1 레그를 상기 제 2 레그에 연결한다. 각각의 스프레더는, 2 개 이상의 주면들을 가지며, 상기 각각의 히트 스프레더는, 박리형 그래파이트 입자들의 압축체(compressed mass)의 시트, 그래파이트화된 폴리이미드 시트 또는 이들의 조합물들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 각각의 히트 스프레더는 대략 상온에서 약 300 W/mK 보다 큰 평면내 열전도도를 갖는다.
본 고안의 또다른 양태에 따르면, 리튬 이온 배터리 팩은, 중심 및 한 쌍의 대향 단부들을 갖는 스택에 배열된 복수 개의 각형 리튬 중합체 셀들; 및 2 개 이상의 그래파이트 히트 스프레더들을 포함한다. 각각의 히트 스프레더는 상기 스택을 지나 연장하는 부분을 포함하고, 각각의 히트 스프레더는, 2 개 이상의 주면들을 갖는다. 상기 각각의 히트 스프레더는, 박리형 그래파이트 입자들의 압축체의 시트, 그래파이트화된 폴리이미드 시트 또는 이들의 조합물들 중 하나 이상을 포함하며, 상기 각각의 히트 스프레더는 대략 상온에서 약 300 W/mK 보다 큰 평면내 열전도도를 가지며 상기 주면들 중 하나 이상은 상기 리튬 중합체 셀들 중 하나 이상과 접촉한다. 상기 중심에 상대적으로 근접하게 위치되는 부분들은, 상기 중심으로부터 상대적으로 멀리 위치된 상기 부분들보다 상기 스택으로부터 멀리 연장한다.
본 고안의 또다른 양태에 따르면, 대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체가 제공된다. 상기 열관리 조립체는, 2 개의 대향 주면들과 250 W/m-K 이상의 평면내 열전도도를 갖는 가요성 그래파이트 히트 스프레더; 및, 유체가 유동하는 제 1 도관을 포함한다. 상기 가요성 그래파이트 히트 스프레더들의 상기 2 개의 대향 주면들 중 하나 이상은, 셀의 대향 주면들 중 하나의 적어도 일부와 접촉하고, 또한 제 1 도관의 외부면의 적어도 일부와 접촉한다.
본 고안의 다른 양태에 따르면, 대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체가 제공된다. 상기 열관리 조립체는, 내부에 셀을 지탱하는 크기를 갖는 일반적으로 U자 형상으로 형성된 중공(hollow) 프레임, 및 2 개의 대향 주면들과 250 W/m-K 이상의 평면내 열전도도를 갖는 가요성 그래파이트 히트 스프레더를 포함한다. 유체가 유동하는 제 1 도관은 상기 중공 프레임과 유체 연통한다. 상기 가요성 그래파이트 히트 스프레더들의 상기 2 개의 대향 주면들 중 하나 이상은, 셀의 대향 주면들 중 하나의 적어도 일부와 접촉하고, 또한 상기 중공 프레임의 적어도 일부와 접촉한다.
본 고안의 다른 양태에 따르면, 대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체가 제공된다. 열관리 조립체는, 유체 매체가 지향되는 저온 플레이트, 및 복수 개의 일반적으로 L자 형상의 가요성 그래파이트 히트 스프레더들을 포함하며, 상기 가요성 그래파이트 히트 스프레더 각각은, 상기 저온 플레이트로부터 상방으로 연장하는 직립형(upstanding) 레그 및 또한 평행한 접촉 레그를 가지며, 상기 저온 플레이트의 상면과 열 접촉한다. 상기 가요성 그래파이트 히트 스프레더는, 250 W/m-K 이상의 평면내 열전도도를 가지며, 상기 직립형 레그들은 사이에 갭들을 형성한다. 상기 셀들이 상기 갭들에 수용된다.
본 고안의 또다른 양태에 따르면, 대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체가 제공된다. 열관리 조립체는, 열전달 매체가 지향되는 한 쌍의 이격된 평행 도관들; 상기 셀의 주면과 동일하거나 주면보다 큰 크기를 갖는 본체부 및 상기 본체부의 대향측들 상에 연장부를 갖는 장착 플레이트를 포함한다. 각각의 연장부는 상기 이격된 평행 도관들 중 하나를 수용하는 개구를 포함한다. 가요성 그래파이트 히트 스프레더는, 상기 장착 플레이트에 고정되며, 상기 장착 플레이트와 상기 셀들 사이에 개재되며, 250 W/m-K 이상의 평면내 열전도도를 갖는다.
전술한 일반적인 설명과 후술하는 상세한 설명 양자는, 주장하고 있는 본 고안의 이해 및 특성 및 특징의 개관 또는 프레임워크를 제공하도록 의도되는 것으로 이해된다. 첨부 도면들은, 본 고안의 추가의 이해를 제공하도록 포함되고, 명세서의 일부에 결합되고 일부를 구성한다. 도면들은 본 고안의 다양한 실시예들을 예시하며, 설명과 함께 본 고안의 원리 및 작동들을 설명하도록 작용한다.
도 1은 대형의(large format) 각형 리튬 이온 셀의 상면도이다.
도 2는 본 고안에 따라 제조된 배터리 팩의 측면도이다.
도 3은 히트 싱크가 단지 일측에만 제공된 배터리 팩의 다른 실시예의 측면도이다.
도 4는 복수 개의 인접한 셀 스택들을 포함하는 배터리 팩의 다른 실시예의 상면도이다.
도 5는 도 4의 배터리 팩의 측면도이다.
도 6은 하나 또는 그 초과의 히트 스프레더들이 셀 스택들의 하나 이상의 에지로부터 외측방으로 연장하는 복수 개의 인접 셀 스택들을 포함하는 배터리 팩의 다른 실시예의 상면도이다.
도 7은 도 6의 배터리 팩의 측면도이다.
도 8은 일반적으로 U자 형상 히트 스프레더를 포함하는 배터리 팩의 다른 실시예의 측면도이다.
도 9는 도 8의 배터리 팩의 상면도이다.
도 10은 일반적으로 U자 형상 히트 스프레더를 복수 개 포함하는 배터리 팩의 다른 실시예의 측면도이다.
도 11은 일반적으로 U자 형상 히트 스프레더를 복수 개 포함하는 배터리 팩의 다른 실시예의 측면도이다.
도 12는 셀 스택을 가로질러 열(heat)을 균일화하기 위해서 가변적인 크기를 갖는 연장부들을 갖는 히트 스프레더들을 포함하는 배터리 팩의 다른 실시예의 측면도이다.
도 13은 배터리 셀들의 로우(row)를 가로질러 열을 균일화하기 위해서 가변적인 크기를 갖는 연장부들을 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 측면도이다.
도 14는 일반적으로 U자 형상 히트 스프레더와 도관을 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도(isometric view)이다.
도 15는 도 14의 배터리 팩의 정면도이다.
도 16은 도 14의 배터리 팩의 측면도이다.
도 17은 복수 개의 U자 형상 히트 스프레더들과 사행상 도관을 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 18은 도 17의 배터리 팩의 정면도이다.
도 19는 도 17의 배터리 팩의 상면도이다.
도 20은 일반적으로 J자 형상 히트 스프레더와 도관을 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 21은 도 20의 배터리 팩의 측면도이다.
도 22는 도 20의 배터리 팩의 정면도이다.
도 23은 U자 형상 히트 스프레더의 대향 레그들 사이에 위치된 복수 개의 셀들을 갖는 일반적으로 U자 형상 히트 스프레더를 갖춘 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 24는 도 23의 배터리 팩의 측면도이다.
도 25는 도 23의 배터리 팩의 상면도이다.
도 26은 배터리 셀들과 도관들을 둘러싸는 셀 스택과 히트 스프레더의 대향 측들 상에 도관을 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 27은 도 26의 배터리 팩의 측면도이다.
도 28은 도 26의 배터리 팩의 상면도이다.
도 29는 적층식 셀들의 2 쌍들 사이에 위치된 중심 도관 및 셀들의 대향 주면들 사이에 위치되고 도관과 열 접촉하는 히트 스프레더를 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 30은 도 29의 배터리 팩의 측면도이다.
도 31은 도 29의 배터리 팩의 상면도이다.
도 32는 복수 개의 이격된 일반적으로 L자 형상 히트 스프레더들과 저온 플레이트를 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 33은 도 32의 배터리 팩의 측면도이다.
도 34는 복수 개의 일반적으로 U자 형상 히트 스프레더들과 매니폴드를 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 35는 도 34의 배터리 팩의 상면도이다.
도 36은 도 35의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.
도 37은 일면에 고정된 히트 스프레더를 갖는 외부 중공 프레임을 갖춘 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도로, 상기 프레임은 한 쌍의 도관들과 유체 연결되고 내부에 셀을 수용하도록 형상을 갖는다.
도 38은 도 37의 배터리 팩의 제 2 등각투상도이다.
도 39는 도 37의 배터리 팩의 측면도이다.
도 40은 히트 스프레더들이 고정되는 복수 개의 플레이트들과 플레이트들 사이에 위치되는 셀들을 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이다.
도 41은 도 40의 배터리 팩의 정면도이다.
도 42는 도 40의 배터리 팩의 측면도이다.
도 43은 나란히(side-by-side) 배열된 복수 개의 셀들과 그 사이에 인터위브(interweave) 결합된 사행상 도관을 갖는 배터리 팩의 다른 실시예의 등각투상도이며, 이 셀들은 양쪽 주면들과 접촉하게 위치되는 히트 스프레더들을 포함한다.
도 44는 도 43의 배터리 팩의 상면도이다.
배터리 팩과 대형의 각형(prismatic) 리튬 이온 셀들은 종래의 각형 또는 원통형 셀들에 비해 소정의 이점들을 갖는다. 이들은 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 셀들이 다중 셀 배터리 팩들을 조립하게 위해서 사용될 때의 "핫(hot)" 셀 문제로 인한 배터리 파손의 실질적으로 작은 가능성을 포함한다.
배터리 또는 배터리 팩은, 전압을 올리기 위해서 직렬로(in series) 또는 용량(capacity)을 증가시키기 위해서 병렬로(in parallel) 수개의 대형의 각형 리튬 이온 셀들을 조립함으로써 만들어진다. 예컨대, 각각 3.7V 및 4.5V의 용량을 갖는 2개의 리튬 이온 셀들이 직렬로 함께 조립되는 경우, 발생하는 배터리는 2 배의 전압(7.2V) 및 4.5 Ah의 동일 용량을 갖는다. 이러한 2 개의 셀들이 병렬로 조립되는 경우, 발생하는 배터리는 2 배의 용량(9.0 Ah) 및 3.7V의 동일 전압을 갖는다.
배터리 팩의 일 실시예에서, 대형 각형 리튬 이온 셀은 16 in2 이상의 주면 풋프린트(major surface footprint), 바람직하게는 25 in2 이상 또는 36 in2 이상의 주면 풋프린트, 더 바람직하게는 49 in2 이상 또는 약 400 in2 이상의 주면 풋프린트, 더욱더 바람직하게는 약 16 in2 내지 약 2500 in2 이상의 주면 풋프린트 및 가장 바람직하게는 약 400 in2 내지 약 1600 in2 이상의 주면 풋프린트를 갖는다.
각각의 배터리 셀의 케이스(case)는, 경화된 금속 및/또는 플라스틱 케이싱으로 만들어질 수 있다. 대안적으로, 이 케이스는 알루미늄 호일 적층식 플라스틱 필름일 수 있다. 양극은 리튬 이온 양극이며, 음극은 리튬 이온 음극이고, 전해질은 리튬 이온 전해질이다. 더 바람직하게는, 전해질은 액상의 리튬 이온 전해질 또는 중합체 리튬 이온 전해질이다.
음극은, 전형적으로, 코크(coke), MCMB, 또는 그래파이트와 같은 탄소 재료로 만들어진다. 양극은 LiCo02, LiNi02, LiMn204, LiFeP04, 및 LiCoxNi.i_x02 와 같은 리튬 화합물들로 만들어질 수 있으며, 여기서 x 는 0.1 내지 0.9이다. 그러나, 종래에 공지된 임의의 전극 재료들이 본원에 사용될 수 있다.
액상의 리튬 이온 전해질은 비수계(non-aqueous) 전해질이 바람직하며, 이는 통상:(1) 전해질 염, 및 (2) 비수계 용매를 포함한다. 이러한 전해질 염들의 예시들은, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiCl4, LiN(S02CF3)2, 리튬 퍼플루오로-술포네이트(lithium perfluoro-sulfonate)를 포함한다. 비수계 용매의 예시들은, 에틸렌 카보네이트 "EC", 프로필렌 카보네이트 "PC", 디에틸 카보네이트 "DEC", 디메틸 카보네이트 "DMC", 에틸 메틸 카보네이트 "EMC", α-부티로락톤(butyrolactone) "α.-BL", 메틸 아세테이트 "MA", 메틸 포르메이트(formate) "MF", 및 디메틸 에테르 "DME" 및 그 내용들이 허용되는 범위에서 참조로서 본원에 결합된 미국 공보 번호 제 2005/0123835호(특허 출원번호 제 10/731,268 호)에 기재된 용매들을 포함한다.
양극 및 음극은, 그 내용들이 참조로서 본원에 결합된 미국 특허 제 6,998,193 호에 기재된 바와 같은 하나 이상의 미세다공성(micro-porous) 멤브레인에 의해 분리된다.
일 실시예에서, 대형 각형 리튬 이온 셀은, 일반적으로, 직사각형 또는 정사각형 형상이며, 약 1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 갖는다. 더 바람직하게는, 이 셀은, 약 3 mm 내지 약 6 mm의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 대형 리튬 이온 셀은 200 wh/kg 초과의 비에너지(specific energy) 밀도, 더 바람직하게는 210 wh/kg 초과, 가장 바람직하게는 220 wh/kg 또는 그 초과의 비에너지 밀도를 갖는다.
또다른 실시예에서, 대형 리튬 이온 셀은 450 wh/L 이상의 에너지 밀도, 바람직하게는 500 wh/L 이상, 더 바람직하게는 510 wh/L 이상, 가장 바람직하게는 520 wh/L 이상의 에너지 밀도를 갖는다.
또다른 실시예에서, 대형 리튬 이온 배터리 팩은, 16 kWh 이상의 에너지 저장 용량, 바람직하게는 24 kWh 이상, 더 바람직하게는 53 kWh 이상, 가장 바람직하게는 100 kWh 이상의 에너지 저장 용량을 갖는다.
일 실시예에서, 배터리 팩들은, 전기 차량의 총 중량의 약 10% 내지 약 50%; 추가의 실시예에서는, 총 중량의 15% 이상을 고려한 배터리 팩들에 의해 충전(charge) 당 40 마일 이상의 연장된 주행 범위(driving range)로 전기 차량에 동력을 가하기 위해 사용된다. 소정의 실시예에서, 전기 차량의 주행 범위는 충전당 300 마일 이상 또는 충전당 350 마일 이상으로 연장된다. 더 바람직하게는, 전기 차량의 주행 범위는, 충전당 약 400 마일 이상 또는 충전당 약 450 마일 이상으로 연장된다. 더욱 바람직하게는, 전기 차량의 주행 범위는, 충전당 약 500 마일 이상 또는 충전당 약 550 마일 이상으로 연장된다. 더욱 더 바람직하게는, 전기 차량의 주행 범위는, 충전당 약 600 마일 이상 또는 충전당 약 650 마일 이상으로 연장된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "셀" 또는 "배터리 셀"은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 전해질 및 분리막(separator membrane)으로 만들어진 전기화학적 셀을 의미한다. 용어 "셀" 및 "배터리 셀"이 상호교환가능하게 사용된다. "배터리" 또는 "배터리 팩"은, 2 초과의 셀들로 만들어진 전기 저장 디바이스를 의미한다. 용어 "배터리" 및 "배터리 팩"은 상호교환가능하게 사용된다.
배터리 셀 케이스는, 바람직하게는 알루미늄 호일 적층식 플라스틱 필름으로 제조되며, 이 필름은 약 20 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 두께를 갖는다. 더 바람직하게는, 알루미늄 호일 적층식 플라스틱 필름은 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 두께를 갖는다. 가장 바람직하게는, 알루미늄 호일 적층식 플라스틱 필름은 약 40 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 갖는다.
대형 각형 리튬 이온 셀에 대한 가장 중요한 용도는, 전기 차량(EV), 하이브리드 전기 차량(HEV), 플러그인 HEV(PHEV)와 같은 분야들을 위한 전원 및 로드 레벨링(load leveling), 피크 세이빙(peak shaving) 및 그리드 에너지 저장 분야들에서 사용되는 예비전원(standby power station)이 되도록 큰 배터리 팩들에 조립되는 것이다.
대형 각형 셀들은, 고에너지 밀도를 제공하고, "핫 셀"에 기인하한 배터리(팩) 고장이 적다는 이점을 갖는다. 배터리 팩은, 통상, 직렬 및 병렬로 전기 접속되는 많은 셀들에 의해 조립된다. 하나의 셀이 낮은 용량 또는 높은 내부 저항과 같은 문제를 갖는다면, 전체 배터리 팩은 악화되게 되며 더이상 사용될 수 없다. 이러한 문제가 있는 셀이 이른바 "핫 셀"이다.
대형 각형 셀들은, 전형적으로, 적층식 구성으로 배터리 팩들 내로 조립되며, 각 셀의 주면들은 각각의 인접하는 셀의 주면들과 마주한다. 이러한 적층식 배열체는 에너지 밀도를 최대화하지만, 셀들로부터 떨어져 있는 작동 중에 발생된 열을 전달하기 위한 도전성은 없다. 이는, 배터리 팩의 외부면들 중 하나로부터 상대적으로 멀리 위치된 배터리 팩의 내부 셀들에서 특히 진실이다. 열 전달을 용이하게 하기 위해서, 열전도 시트들 또는 플레이트들 "히트 스프레더들"이, 적층식 각형 셀들 사이 공간들에 삽입될 수 있다. 히트 스프레더들은, 시트의 평면에서의 열적 구배들을 감소시키고 팩의 둘레들 또는 외부 히트 싱크에 직접 열을 이송함으로써 셀들의 고성능과 장수명을 보장한다.
하기 실시예들은, 본 고안에서 구현된 배터리 팩들의 특정의 예시들로서 부여된다. 그러나, 이는 예시들로서 설명된 특정의 상세들로 본 고안을 제한하는 것이 아님이 이해되어야 한다. 본 고안의 예시들뿐만 아니라 나머지에서 모든 부분들 및 퍼센트들은 달리 특정하지 않는 한 중량이다.
게다가, 특성들의 특정 세트, 측정, 조건들, 물리적 상태들 또는 퍼센트들의 단위들을 나타내는 것과 같은, 본 발명의 다양한 양태들을 설명하거나 주장하는 하기의 명세서 또는 문단에 열거된 숫자들의 임의의 범위는, 이렇게 열거된 임의의 범위 내에 적용되는 숫자들 또는 범위들의 임의의 서브세트를 포함하며, 이러한 범위 내에 있는 임의의 숫자를 참조로 또는 다른 방식에 의해 본원에 나타내고자 글자 뜻 그대로(literally) 결합되도록 의도된다. 변수에 대한 수정자로서, 또는 변수와의 연관되어 사용될 때의 용어 "약"은, 본원에 개시된 숫자들 및 범위들이 유연적이며, 그리고 온도들, 조성들, 양들, 함유량들, 탄소 수들 및 단일의 값의 범위를 벋어나거나 범위와 상이한 특성들을 이용하여 당업자에 의해 본 발명의 실시는 소망하는 결과를 얻을 수 있음을 시사하도록 의도된다.
대형 각형 리튬 이온 셀의 실시예는, 그래파이트 음극, LiCo02 양극, 및 접합가능한 분리막을 사용하여 조립될 수 있다. 비수계 전해질은, 조립된 배터리 케이스 내로 주입될 수 있다. 음극 및 전극 양자는, 종래의 액상 리튬 이온 배터리 전극들일 수 있고, 즉 구리 및 알루미늄 호일 상에 각각 양면 코팅된(double-side coated) 음극 및 양극 재료이며, 탄소 음극은 약 90% 그래파이트 활성(active) 재료를 포함하고, LiCo02 양극은 약 91% 활성 재료를 포함한다.
이제, 도 1을 참조하면, 대형 각형 리튬 이온 셀은, 일반적으로 도면부호 "10" 으로 나타낸다. 셀(10)은 예컨대, a) 접합가능한 분리막에 의해 7 개의 양극편(piece)들을 감싸고, b) 바닥 상의 음극편에서 시작하여, 이후에 양극, 그리고 편들을 교번시키고(alternating), 상부에 8번째 음극을 마감하여 8 개의 음극편들로 감싸진 양극들을 적층함으로써 조립될 수 있다.
발생하는 적층식 셀 조립체는, 이후, 3 분 동안 109 psi 의 압력 하에 100℃ 로 가압함으로써 열활성화(heat-activation) 단계가 될 수 있다. 이러한 "건식-가압(dry-press)" 단계 이후에, 분리막들이 확실하게 전극들 상에 구속될 수 있고, 셀 조립체는 강성의 단일편이 될 수 있다.
음극 리드(lead)들은 구리 호일로 만들어진 네가티브 셀 단자(11)에 용접될 수 있다. 양극 리드들은 알루미늄 호일로 만들어진 포지티브 셀 단자(12)에 용접될 수 있다.
이후, 셀 조립체는 냉간 성형된(cold-formed) 배터리 셀 케이스(13)에 패키징될 수 있다. 케이스(13)는 일본, 도쿄도, 신주쿠구의 다이 니폰 프린팅사(Dai Nippon Printing Co.)에 의해 제조된 것과 같은 알루미늄 호일 적층식 플라스틱 필름으로 제조될 수 있다. 셀 케이스의 단자 측(14)과 하나의 인접 측(15)은, 이후 히트 실러(heat sealer)를 사용하여 밀봉된다. 셀이 완전히 건조된 후에, 질소 분위기 하에 드라이 박스(dry-box) 내로 전달된다. 실질적으로 약 14 g 의 전해질이 셀 내로 주입된다. 셀은 마지막 개구 측(16)을 열 밀봉(heat-sealing)함으로써 최종적으로 밀폐식으로(hermetically) 밀봉되고, 하루 방치한 후에, 충전/방전 사이클 테스트를 받게 된다. 충전/방전 사이클 테스트는 미국 오클라호마 툴사에 소재하는 맥코사(Maccor Inc.)에 의해 제조된 배터리 시험기 모델 시리즈 4000을 사용하여 실행된다. 주면(18)은 일반적으로 정사각형이지만, 직사각형과 같은 다른 형상들일 수 있음이 예상되어야 한다.
하기 실시예들에서, 동일한 도면부호들은 동일 요소들을 나타낸다. 도 2를 참조하면, Li-이온 배터리 팩 조립체의 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 "30"으로 나타낸다. 팩(30)은, 적층식 구성으로 배열된 복수 개의 각형 리튬 중합체 셀(32)들을 포함한다. 하나 걸러(every-other) 셀(32) 사이에 히트 스프레더(36)가 산재(interspersed)된다. 이에 따라, 본 고안에 따르면, 히트 스프레더는 각각의 셀(32)의 하나 이상의 주면에 접촉한다. 제 1 히트 싱크(34a)는 복수 개의 셀(32)들 중 하나 또는 그 초과의 셀과 그리고, 추가로 히트 스프레더(36)들 중 하나 이상의 스프레더와 열적으로 연통될 수 있다. 제 2 히트 싱크(34b)는, 제 1 히트 싱크(34a)로부터 셀 스택의 대향측에 위치된다. 제 2 히트 싱크(34b)는, 복수 개의 셀(32)들 중 하나 또는 그 초과의 셀과 그리고, 추가로 히트 스프레더(36)들 중 하나 이상의 스프레더와 열적으로 연통될 수 있다. 본 실시예에서, 히트 스프레더(36)가 하나 걸러 셀(32) 사이에 위치되지만, 히트 스프레더(36)들은 다른 배열체들에 위치될 수 있음이 예상되어야 한다. 예컨대, 히트 스프레더(36)는 각각의 셀(32) 사이에 위치될 수 있다. 게다가, 히트 스프레더(36)는 셀 스택의 일 단부 또는 양단부들에 위치될 수 있다.
히트 싱크(34)는 유체를 사용함으로써 능동적으로 냉각될 수 있다. 일 실시예에서, 히트 싱크(34)는 액냉된다. 원한다면, 히트 싱크(34)는 팩(30)에 열을 가하기 위해 사용될 수 있다. 이는 히트 싱크(34) 내에 대기온도 보다 더 따뜻한 유체를 순환시킴으로써 달성될 수 있다.
이제, 도 3을 참조하면, Li-이온 배터리 팩 조립체의 대안의 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 "40"으로 나타낸다. 볼 수 있는 바와 같이, 팩(40)이 단지 하나의 히트 싱크(34)만을 포함하는 점을 제외하고는, 팩(40)은 팩(30)과 실질적으로 유사하다. 게다가, 히트 스프레더(36)가 각각의 셀(32) 사이에 위치된다. 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 히트 스프레더(36)는 히트 싱크(34)로부터 대향측 상에서 셀 스택으로부터 외측방으로 연장하는 부분(42)을 포함한다. 이에 따라, 히트 스프레더(36)는, 스택 내에서 2 개의 인접한 셀(32)들의 주면과 접촉하며, 추가로, 히트 싱크(34)를 향하는 방향과는 다른 방향으로 셀 스택을 지나 연장한다.
이제, 도 4 및 도 5를 참조하면, Li-이온 배터리 팩 조립체의 다른 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 "50"으로 나타낸다. 배터리 팩(50)은 복수 개의 인접한 스택(52)들에 배열된 복수 개의 셀(32)들을 포함한다. 본 고안이 12 개의 셀(32)들을 갖는 4 개의 스택(52)들을 도시하고 있지만, 본 고안에 따르면, 임의의 수의 스택들이 적용될 수 있음이 예상되어야 한다. 게다가, 임의의 수의 셀들이 각각의 스택에 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 각 스택에서의 셀들의 수는 짝수(even)이다. 본 실시예 또는 다른 실시예에서, 동일한 수의 셀들이 각각의 스택에 포함된다. 스택(52)의 각각의 인접한 셀(32) 사이에 히트 스프레더(36)가 산재된다. 히트 스프레더(36)는 각각의 스택(52)에 연장하여 열 접촉된다. 이에 따라, 본 고안에 따르면, 히트 스프레더는 스택 내에서 2 개의 인접한 셀(32)들의 주면 뿐만 아니라 하나 또는 그 초과의 인접한 스택들의 셀(32)들의 주면과 접촉한다. 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 히트 싱크가 제공되지 않았지만, 도 2 및 도 3에 도시된 방식으로 히트 싱크를 포함할 수 있음이 예상되어야 한다.
본 고안에서, 히트 스프레더(36)가 스택(52)의 각 셀(32) 사이에 위치되지만, 히트 스프레더(36)들은 다른 배열체들에 위치될 수 있음이 예상되어야 한다. 예컨대, 히트 스프레더(36)는 스택(52)에서 하나 걸러 셀(32) 사이에 위치될 수 있다. 게다가, 히트 스프레더(36)가 셀 스택(52)들의 양단부들에 위치되는 것으로 도시되어 있지만, 히트 스프레더(36)는 스택(52)들의 단지 일단부에만 위치되거나 또는 어떠한 단부에도 위치되지 않을 수 있음이 예상되어야 한다.
이제, 도 6 및 도 7을 참조하면, Li-이온 배터리 팩 조립체의 다른 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 "60"으로 나타낸다. 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 히트 스프레더(36)의 부분(62)이 각각의 스택(52)을 지나서 외측방으로 연장하는 것을 제외하고, 배터리 팩(60)은 배터리 팩(50)과 실질적으로 유사하다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 부분(62)은 스택(52)의 에지로부터 5 mm 이상 외측방으로 연장한다. 다른 실시예들에서, 부분(62)은 스택(52)으로부터 10 mm 이상 밖으로 연장한다. 또다른 실시예들에서, 부분(62)은 스택으로부터 20 mm 이상 밖으로 연장한다. 또다른 실시예들에서, 부분(62)은 스택으로부터 50 mm 이상 밖으로 연장한다. 이에 따라, 히트 스프레더(36)는, 스택 내에서 2 개의 인접한 셀(32)들의 주면과 접촉하며, 하나 또는 그 초과의 인접 스택(52)들에서의 셀(32)들의 주면과 접촉하며, 추가로 인접한 스택을 향하는 방향 이외의 방향으로 스택(52)을 지나 연장한다. 이러한 방식으로, 열 제거 및 스프레딩의 개선이 가능하다. 개선된 열 제거를 위해서, 부분(62)(들) 위로의 공기 유동을 유발함으로써 이러한 배열체를 이용하여 대류 냉각(convective cooling)이 가능할 수 있다.
이제, 도 8 및 도 9를 참조하면, Li-이온 배터리 팩 조립체의 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 "70"으로 나타낸다. 팩(70)은 적층식 구성으로 배열된 복수 개의 각형 리튬 중합체 셀(32)들을 포함한다. 횡단면이 일반적으로 U자 형상인 구성으로 히트 스프레더(36)가 배열된다. 이에 따라, 히트 스프레더(36)는 3 개의 레그(leg)들을 포함한다. 제 1 레그(72)는 2 개의 인접한 셀(32)들의 대향 주면들 사이에 위치된다. 일 실시예에서, 제 1 레그(72)는 2 개의 인접한 셀들의 대향 주면들의 절반 이상과 접촉하도록 크기를 갖는다. 일 실시예에서, 제 1 레그(72)는 2 개의 인접한 셀들의 대향 주면들의 실질적으로 전부와 접촉하도록 크기를 갖는다. 일 실시예에서, 2 개의 인접한 셀(32)들은, 셀들중 가장 중심의(즉, 가장 내부에 있는) 쌍이다. 환원하면, 예컨대, 스택이 6 개의 셀(32)들을 포함한다면, 일 실시예에서, 제 1 레그(72)는 3번째와 4번째 셀 사이에 위치될 수 있다.
제 2 레그(74)는 제 1 레그(72)로부터 연장하며, 팩(70)의 측면을 따라 이어지고/이어지거나 일반적으로 팩의 측면에 일반적으로 근접하며, 팩(70)의 일단부로 연장한다. 일 실시예에서, 제 2 레그(74)는 일반적으로 제 1 레그(72)에 수직이다. 제 3 레그(76)는 제 2 레그에 연결되며, 팩(70)의 외부 단부에서 셀(32)들 중 하나의 주면과 마주하는 외부를 따라 연장한다. 일 실시예에서, 제 3 레그(76)는, 일반적으로 제 2 레그(74)로부터 수직하게 연장한다. 일 실시예에서, 제 3 레그는 팩(70)의 외부 단부에서 셀(32)들 중 하나의 셀의 주면과 마주하는 외부의 상당부분과 접촉한다. 제 3 레그가 단부 셀의 주면과 마주하는 외부를 따라 연장하는 것으로 도 8에 도시하고 있지만, 제 3 레그(76)는, 대신에, 대향하는 2 개의 셀(32)들의 대향 주면들 사이에서 연장할 수 있고, 이 셀(32)들이 스택의 중심보다 셀 스택의 일단부에 상대적으로 보다 근접하게 위치됨이 예상되어야 한다. 이러한 방식으로, 셀 스택을 가로질러 열 프로파일의 균형을 맞추기 위해서, 셀 스택의 보다 중심 위치(비교적 뜨거움)로부터 주변(peripheral) 위치(비교적 차가움)로 수동적으로(passively), 열에너지가 전달될 수 있다.
레그(72, 76)들의 일부(73)는 제 2 레그(74)로부터 대향 레그의 단부 상에서 각각의 스택을 지나 외측방으로 연장할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 부분(73)은 스택의 에지로부터 5 mm 이상 외측방으로 연장한다. 다른 실시예들에서, 부분(73)은 스택(52)으로부터 10 mm 이상 밖으로 연장한다. 또다른 실시예들에서, 부분(73)은 스택으로부터 20 mm 이상 밖으로 연장한다. 또다른 실시예들에서, 부분(73)은 스택으로부터 50 mm 이상 밖으로 연장한다.
일 실시예에서, 히트 스프레더(36)의 제 1, 제 2 및 제 3 레그(72, 74, 76)는 단일의 연속적인(contiguous) 시트로 만들어진다. 레그들이 연속적인 시트로 만들어지는 실시예들에서, 레그(72, 74)들 사이의 연결부와 레그(72, 76)들 사이의 연결부의 반경은, 바람직하게는 1 cm 미만이다. 다른 실시예들에서, 이 반경은 1 mm 미만이다.
이제, 도 10을 참조하면, 동일 부호들은 동일 요소들을 나타내며, 배터리 팩이 도시되어 있으며, 일반적으로 도면 부호 "80"으로 나타낸다. 배터리 팩(80)은 셀 스택의 대향 단부들에 위치된 U자 형상의 한 쌍의 히트 스프레더(36)들을 포함한다. 이러한 방식으로, 스택의 내부 셀(32)들로부터 셀 스택의 양단부들의 외부 셀(32)들에 열 에너지가 분배될 수 있다. 도 11은 배터리 팩(90)을 도시하며, 동일 부호들은 동일 요소들을 나타낸다. 볼 수 있는 바와 같이, U자 형상 히트 스프레더(36)들은 셀 스택의 대향측들 상에 위치된다. 게다가, 각각의 히트 스프레더(36)는, 제 3 레그(76)가 셀 스택의 대향 단부들에 있도록 위치된다. 각각의 U자 형상 히트 스프레더의 제 1 레그(72)들이 다른 U자 형상 히트 스프레더의 제 1 및 제 3 레그(72, 76) 사이에 위치되도록, 제 2 레그(74)들이 크기를 가질 수 있다. 환원하면, 각각의 히트 스프레더(36)의 제 2 레그(74)들은, 셀 스택의 길이의 절반보다 더 큰 길이를 갖는다.
이제, 도 12를 참조하면, 스택 내의 배터리 셀들의 온도가 수동적으로 균일해지는 추가의 실시예가 도시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 히트 스프레더(36)들은 적층식 셀(32)들 사이에 위치된다. 일 실시예에서, 각각의 히트 스프레더(36)는 셀 스택으로부터 외측방으로 연장하는 부분(42)을 포함한다. 이 실시예 또는 다른 실시예에서, 셀 스택의 중심 부근(proximate)에 위치된 히트 스프레더(36)들의 부분(42)은 셀 스택의 단부들 부근에 위치된 히트 스프레더(36)들의 부분(42)보다 더 길다(즉, 스택으로부터 더 연장한다). 이 실시예 또는 다른 실시예에서, 부분(42)의 길이는 셀 스택의 중심으로부터의 거리의 함수로서 선형적으로 변화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 부분(42)의 길이는 스택의 중심으로부터의 거리의 함수로서 비선형적으로(예컨대, 대수(logarithmic) 또는 파워 함수) 변화될 수 있다. 팬(fan) 또는 다른 대류 유발 장치가 열 방산을 증가시키기 위해서 본원에 결합되어 사용될 수 있다. 예상되는 바와 같이, 더 뜨거운 중심 셀들에서 길이가 긴 부분(42)들(이에 의해, 비교적 많은 열을 방산) 및 셀 스택의 외부 부근에 더 짧은 부분(42)들을 사용함으로써, 셀 스택에 걸쳐 전체 온도 프로파일은 수동적으로 균일해질 수 있다. 이러한 접근은, 도 13에 도시된 바와 같이, 비각형 배터리들에도 적용될 수 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 연달아서(in a row) 배열된 복수 개의 원통형 배터리(100)들 각각은 히트 스프레더(36)에 의해 부분적으로 감싸질 수 있다. 일 실시예에서, 히트 스프레더(36)는 각각의 원통형 배터리의 외부 원통형 표면의 절반부와 접촉한다. 각각의 히트 스프레더(36)는, 원통형 배터리로부터 멀리 연장하는 부분(102)을 포함한다. 본 실시예 또는 다른 실시예에서, 로우(row)의 중심 부분에 위치된 히트 스프레더(36)들의 부분(102)은, 로우(row)의 단부들 부근에 위치된 히트 스프레더(36)들의 부분(102)보다 더 길다(즉, 원통형 배터리로부터 더 연장한다).
이제, 도 14 내지 도 16을 참조하면, 동일한 부호들이 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 조립체가 도시되어 있고 일반적으로 도면부호 "100"으로 나타낸다. 배터리 조립체(100)는 셀(32) 및 일반적으로 U자 형상 히트 스프레더(36)를 포함한다. 히트 스프레더(36)는, 셀(32)의 대향 주면(18)들과 각각 열 접촉하는 2 개의 레그(102)들을 포함한다. 유리하게는, 레그(102)들은, 주면(18)들의 표면적의 약 50% 이상과 열 접촉한다. 더 유리하게는, 레그(102)들은 주면(18)들의 표면적의 약 75% 이상과 열 접촉한다. 더욱 더 유리하게는, 레그들은 주면(18)들의 표면적의 실질적으로 전부와 열 접촉한다.
곡선형 연결부(104)는 단자(11/12)들로부터 대향 셀(32)의 단부 부근 레그(102)들과 결합한다. 도관(106)은, 곡선형 연결부(104)와 셀(32) 사이에 위치되고, 곡선형 연결부(104)와 열 접촉한다. 도관(106)은, 유리하게는, 열전도성 재료, 예컨대, 알루미늄 또는 구리와 같은 금속으로 만들어진다. 볼 수 있는 바와 같이, 곡선형 연결부(104)의 내부 반경은, 이들 사이에 양호한 열 접촉을 만들도록 도관(106)의 외부 반경과 일반적으로 일치한다. 이러한 방식으로, 레그(102)들과 곡선형 연결부(104)를 경유하여 주면(18)들과 도관(106) 사이에 열에너지가 전달될 수 있다.
임의의 유체 매체(fluid medium)가 쿨 또는 히트 셀(들)(32) 중 어느 하나에 도관(106)을 통해 지향될 수 있다. 일 실시예에서, 유체는 액체이다. 이 실시예 또는 다른 실시예에서, 유체 매체는 물일 수 있지만, 다른 유체 매체들이 적용될 수 있음이 예상되어야 한다. 예컨대. 유체 매체는 에틸렌 글리콜계(based) 또는 프로필렌 글리콜계일 수 있다.
이제, 도 17 내지 도 19를 참조하면, 주면들이 서로 마주하도록 배열되는 다중 배터리 셀(102)들을 포함하는 적층식 구성으로 배터리 조립체(100)가 배열될 수 있는 방법을 볼 수 있다. 도관(106)은, 사행상 도관의 각각의 스위치 백(switch back)(108)이 하나의 곡선형 연결부(104)를 통과하도록 사행상 구성으로 배열될 수 있다.
이제, 도 20 내지 도 22를 참조하면, 배터리 조립체의 다른 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "110"으로 나타낸다. 볼 수 있는 바와 같이, 배터리 팩(110)은, 단지 하나의 레그(102)가 제공되어 배터리 셀(32)의 단지 하나의 주면(18)과 접촉함으로써 히트 스프레더(36)가 일반적으로 J자 형상이라는 것을 제외하고는 배터리 조립체(100)와 실질적으로 유사하다.
이제, 도 23 내지 도 25를 참조하면, 배터리 팩 조립체의 다른 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "120"으로 나타낸다. 볼 수 있는 바와 같이, 배터리 팩(120)은, 두 개의 셀(32)들이 히트 스프레더(36)의 대향 레그(102)들 사이에 위치되는 것을 제외하고는 배터리 조립체(100)와 실질적으로 유사하다. 이러한 방식으로, 각각의 셀(32) 상의 하나의 주면(18)이 하나의 대향 레그(102)와 접촉한다.
이제, 도 26 내지 도 28을 참조하면, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 팩 조립체가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "130"로 나타낸다. 배터리 팩 조립체(130)는 주면(18)과 접하는(abutting) 적층식 구성으로 배열된 한 쌍의 셀(32)들을 포함한다. 한 쌍의 도관(106)들이 셀(32)들의 대향측들에 위치되며, 그의 종방향 길이를 따라 이어진다. 히트 스프레더(36)는 셀(32)들과 각각의 도관(106)의 일부를 둘러싼다. 히트 스프레더(36)는 2 개의 대향 평면부(132)들을 포함하며, 이들 각각은 각각의 배터리 셀(32)의 주면(18)들 중 하나와 접촉한다. 한 쌍의 연결부(134)들은 각각의 평면부(132)와 연결되며, 도관(106)들 중 하나를 각각 둘러싼다. 양호한 열 접촉을 가능하게 하도록, 도관(106)들의 외부 반경은, 유리하게는 연결부(134)들의 내부 반경과 일반적으로 일치한다.
이제, 도 29 내지 도 31을 참조하면, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 팩 조립체가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "140"으로 나타낸다. 배터리 팩 조립체(140)는 도관(106)의 대향측들에 위치된 2 쌍으로 배열된 네 개의(4개) 배터리 셀(32)들을 포함한다. 한 쌍의 히트 스프레더(36)들은, 도관(106)의 적어도 일부에서 접촉 도관(106)과 셀(32)들을 둘러싸며 접촉한다. 각각의 히트 스프레더(36)는 곡선부(144)에 의해 히트 스프레더(36)의 중심에 연결된 2 개의 일반적으로 평면부(142)들을 포함한다. 각각의 평면부(142)는 대향 주면(18)들 사이에서 2 개의 적층식 셀(32)들에 위치된다. 곡선부(144)는, 유리하게는, 도관(106)의 외부 반경과 일반적으로 일치하는 내부 반경을 포함할 수 있다. 이에 따라, 도시된 실시예에서, 평면부(142)들은, 일측에서 하나의 셀(32)의 주면(18)과 그리고, 타측에서 다른 히트 스프레더(36)의 평면부와, 각각 접촉한다.
그러나, 2 개의 히트 스프레더들이 본 실시예에 도시되어 있지만, 대안의 실시예들이 단일 히트 스프레더(36)를 포함할 수 있고, 각각의 평면부(142)가 2 개의 인접한 셀(32)들의 주면과 접촉하는 것이 예상되어야 한다. 또한 추가로, 조립체(140)가 셀(32)들의 주면에 평행한 로우들로 배열될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 복수 개의 투셀(two-cell) 스택들(도시 생략)에는 각각의 투셀 스택 사이에 개재되는 도관들이 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 또는 그 초과의 히트 스프레더들이 도 29 내지 도 31에 도시된 방식으로 각각의 스택 및 도관과 맞물림 하도록 위치된다.
이제, 도 32 내지 도 33을 참조하면, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 팩 조립체가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "150"으로 나타낸다. 조립체(150)는 유체 매체가 지향되는 내부 채널들(도시 생략)을 포함할 수 있는 열전달 블록(152)을 포함한다. 매체가 유입구(154)로 진입하여 배출구(156)로 나온다. 냉각된 유체가 유입구(154) 내로 지향되고, 그 결과, 열전달 블록(152)의 온도를 하강시킴으로써 블록이 히트 싱크로서 작용할 수 있다. 블록(152)은 예컨대, 금속성 재료와 같은 열전도성 재료로 만들어진다. 예컨대, 블록(152)은 알루미늄, 강, 구리 등으로 만들어질 수 있다. 게다가, 블록(152)이 내부에 유체 채널들을 갖는 중실(solid) 제품으로서 도시되어 있지만, 블록(152)은, 대안적으로, 예컨대, 바닥이 파형인(corrugated) 시트에 고정된 상부가 평탄한 시트의 형태를 취할 수 있으며, 셀들과 히트 스프레더들은 상부가 평탄한 시트에 고정되고, 도관들은 상부가 평탄한 시트와 바닥이 파형인 시트 사이에 형성된 공간을 통해 이어질 수 있다.
복수 개의 일반적으로 L자형 히트 스프레더(36)들은 블록(152) 상에 배열된다. 제 1 레그(158)는 열전달 블록(152)의 상부면(160)에 고정되고 열 접촉된다. 제 2 레그(162)는 일반적으로 상부면(160)에 수직한 방향으로 제 1 레그(158)로부터 상방으로 연장한다. 슬롯(164)들이 인접한 스프레더(36)들의 상방으로 연장하는 제 2 레그들 사이에 규정되도록 스프레더(36)들은, 연달아서 배열된다. 셀(32)의 각각의 주면(18)이 상방으로 연장하는 제 2 레그(162)와 접촉하도록 셀(32)이 각각의 슬롯(164)에 수용될 수 있다. 각각의 슬롯(164)에 하나의 셀(32)이 위치되는 것으로 본 고안에 개시되어 있지만, 하나 초과의 셀(32)(예컨대, 2 개의 셀들)이 각각의 슬롯(164) 내에 위치될 수 있음이 예상되어야 한다.
제 1 레그(158)와 제 2 레그(162) 사이의 연결부는 유리하게는 반경을 포함할 수 있다. 이 반경은, 유리하게는 약 1 cm 미만, 더 유리하게는 약 0.5 cm 미만, 그리고 더욱 더 유리하게는, 약 1 mm 미만이다. 이 실시예 또는 다른 실시예에 따르면, 히트 스프레더(36)는 하나의 주면에 적층(laminated)되거나 또는 다른 방식으로 부착(affixed)되는 얇은 금속 호일을 포함할 수 있다. 이 금속 호일층은 예컨대, 아크(arc) 용접, 티그(tig) 용접, 미그(mig) 용접, 저항 용접, 마찰 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 또는 확산 접합(diffusion bonding)과 같은 용접에 의해 블록(152)에 부착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 적층물은, 예컨대, 스테이크(stake)들, 리벳들, 스크류들 등에 의해 블록(152)에 기계적으로 체결될 수 있다. 추가의 실시예들에서, 적층물은, 예컨대, 아교(glue)들 또는 PSA와 같은 접착 접합(adhesive bonding)에 의해 블록(152)에 부착될 수 있다. 히트 스프레더의 기계적인 체결은, 유리하게는 어태치먼트 지점에서의 평면 전체의 도전성을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 히트 스프레더로부터 블록(152)으로의 열전달을 향상시킬 수 있다.
이제, 도 34 내지 도 36을 참조하면, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 팩 조립체가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "170"으로 나타낸다. 배터리 팩(170)은 연속적인(contiguous) 적층식 구성으로 배열된 복수 개의 셀(32)들을 포함한다. 복수 개의 히트 스프레더(36)들은 셀들 사이에 산재되며, 매니폴드(172)와 접촉된다. 매니폴드(172)는 셀 스택의 대향측들에 위치되며 이를 통해 유체 매체를 수용하는 2 개의 제 1 도관(174)들을 포함한다. 복수 개의 제 2 도관(176)들은 2 개의 제 1 도관들 사이를 연장하며 이 도관들을 상호 연결한다. 이에 따라, 열전달 매체가 제 1 도관과 제 2 도관을 통해 펌프식으로 공급되어 셀 스택에 열 에너지를 추가하거나 제거할 수 있다.
히트 스프레더(36)들은 매 3 개의 셀들마다 제공된 2 개의 히트 스프레더들을 갖는 일반적으로 U자 형상으로 형성된다. 각각 3 개의 셀 서브 세트에 대해, 제 1 히트 스프레더(178)가 하나의 셀(32)을 둘러싸고(즉, 셀의 양쪽 주면(18)들과 맞물리고) 그리고 제 2 도관(176)들 중 하나 둘레를 감싼다. 제 2 히트 스프레더(180)는 3 개의 셀(32)들을 둘러싸고(즉, 3 개의 셀 서브 세트의 2 개의 외측방으로 마주하는 주면(18)들과 맞물리고) 제 2 도관과 제 1 히트 스프레더(178) 둘레를 감싼다. 이러한 방식으로, 셀들에 의해 발생된 열이 2 개의 히트 스프레더(36)들을 통해 매니폴드(172)에 전달될 수 있다.
이제, 도 37 내지 도 39를 참조하면, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 팩 조립체가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "190"으로 나타낸다. 배터리 조립체(190)는 내부에 셀(32)을 수용하도록 크기가 정해지는 외부 중공 프레임(192)을 포함한다. 중공 프레임(192)은, 일단부에서 상부 레그(196)에 연결되고, 대향 단부에서 셀(32)의 대향측들에 위치된 도관(106)과 각각 연결되는 2 개의 이격된 사이드 레그(194)들을 포함한다. 열전달 매체는 도관(196)들을 통해, 그리고 후속하여 중공 프레임(192)을 통해 펌프식으로 공급될 수 있다.
히트 스프레더(36)는 중공 프레임(192)의 일측에 고정되어 2 개 이상의 레그들 그리고 더욱 유리하게는 3 개의 모든 레그들(194, 196)과 열 접촉된다. 셀(32)의 하나의 주면(18)이 히트 스프레더(36)와 열 접촉된다. 이러한 방식으로, 셀(32)로부터 프레임(192)으로 열이 전달된다. 또한, 프레임(192)은 주가의 구조적 무결성을 제공하며, 내부에서 셀(32)을 보호하고 셀을 지탱하는 보강 기능을 제공할 수 있다.
단지 하나의 셀이 도시되어 있지만, 다중 조립체(190)들이 도관(196)들을 따라 적층식 구성으로 배열될 수 있음이 예상되어야 한다. 또한, 단지 하나의 히트 스프레더(36)만이 도시되어 있지만, 제 1 히트 스프레더가 제공되는 측면에 대향된 프레임(192)측에 제 2 히트 스프레더가 제공될 수 있어 셀(32)의 다른 주면과 열 접촉되는 것이 예상되어야 한다. 본 실시예에 따르면, 셀(32)이 2 개의 히트 스프레더(36)들 및 프레임(192)에 의해 규정된 볼륨에 위치된다.
이제, 도 40 내지 도 42를 참조하면, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 팩 조립체가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "200"으로 나타낸다. 배터리 팩(200)은 적층식 구성으로 배열된 복수 개의 셀(32)들을 포함한다. 장착 플레이트(202)가 각각의 셀(32) 사이에 개재(interposed)된다. 장착 플레이트(202)는 셀(32)의 프로파일에 가까운 크기와 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 장착 플레이트는 금속 재료로 만들어진다. 일 실시예에서, 장착 플레이트 재료는 약 350 W/m-K 미만의 열전도도를 갖는다. 다른 실시예들에서, 장착 플레이트는 약 250 W/m-K 미만의 열전도도를 갖는 재료로 만들어진다. 또 다른 실시예들에서, 장착 플레이트 재료는 약 150 W/m-K 미만의 열전도도를 갖는다.
장착 플레이트(202)의 하나 또는 양쪽 주면들에는, 셀(32)의 주면(18)의 형상과 영역에 일반적으로 가까울 수 있는 히트 스프레더(36)가 고정된다. 장착 플레이트(202)는, 셀(32)의 대향측들 상에 한 쌍의 연장부(204)들을 더 포함한다. 각각의 연장부(204)는 도관(106)이 수용되는 개구(aperture)(206)를 포함한다. 상기 논의된 바와 같이, 열전달 매체는 도관(106)을 통해 펌프 공급될 수 있다. 튜브(106)들이, 스택과 장착 플레이트들을 함께 유지하는 보강 부재들로서 기능할 수 있음이 추가로 예상되어야 한다.
이제, 도 43 및 도 44를 참조하면, 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타내며, 배터리 팩 조립체가 도시되어 있으며, 일반적으로 도면부호 "220"으로 나타낸다. 배터리 팩(220)은 연속적인 로우(row)로 나란히(side-by-side) 배열된 복수 개의 셀(32)들(명확화를 위해서 단지 하나만 도시됨)을 포함할 수 있다. 일반적으로 사행상의 형상을 갖는 도관(222)이 각각의 셀(32) 사이에 개재된다. 한 쌍의 히트 스프레더(36)들은, 셀(32)들의 주면(18) 중 하나뿐만 아니라 사행상 도관(222)과 각각 맞물리도록 위치된다. 히트 스프레더(36)들은, 유리하게는, 셀(32)들의 전체적인 연속적인 로우에 걸쳐있다(span). 열전달 매체가 도관(222)을 통해 펌프식 공급될 수 있다.
상기 실시예들 중 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 도관들이 시스템에 열에너지를 능동적으로 추가하거나 제거하기 위해서 제공되는 것이 예상되어야 한다. 이에 따라, 도관들은 유리하게는 예컨대, 금속과 같은 열전도성 재료로 만들어진다. 예시적인 금속들은, 알루미늄, 황동, 구리 및 스테인리스 강을 포함할 수 있다.
각각의 도관은, 열에너지를 추가하거나 제거하기 위해서, 시스템 내외로 열전달 매체의 연속적인 흐름을 제공할 수 있다. 다른 실시예들에서, 열전달 매체의 흐름은, 온도 의존형이며, 이에 의해, 예컨대, 하나 또는 그 초과의 셀들에서의 온도가 증가함에 따라, 열전달 매체의 흐름이 증가한다. 이러한 실시예 또는 다른 실시예에서, 열전달 매체가 조립체를 나간다면, 열전달 매체가 필요에 따라 냉각 또는 가열될 수 있고, 이후, 조립체로 다시 재순환됨으로써 조립체를 냉각 또는 가열한다.
상기 실시예들의 각각의 스프레더(36)는, 선택적으로, 2 개의 대향 주면들을 갖는 얇은 시트형태(sheetlike)이다. 일 실시예에서, 히트 스프레더(36)는 약 2 mm 미만 두께일 수 있다. 다른 실시예들에서, 히트 스프레더(36)는 약 1 mm 미만 두께일 수 있다. 또다른 실시예에서, 히트 스프레더는 약 0.5 mm 미만 두께일 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에 따르면, 히트 스프레더(36)는 박리형 그래파이트 입자들의 압축체의 시트, 그래파이트형 폴리이미드의 시트 또는 이들의 조합물들일 수 있다.
히트 스프레더(36)가 다중의 부분들(즉, 곡선부 및 직선부들 또는 제 1 및 제 2 레그들)을 포함하는 곳에서, 히트 스프레더(36)가 단일의 연속적인 시트일 수 있음이 예상되어야 한다. 다른 실시예들에서, 히트 스프레더는, 예컨대, 열 접착제, 기계적 패스너들 또는 다른 수단에 의한 것과 같이 함께 결합된 다중 시트들일 수 있다.
히트 스프레더(36) 각각은, (대략 25℃인 상온에서의 옹스트롬 시험 방법(Angstrom method)을 사용하여) 대략 상온에서 약 250 W/mK 초과의 평면내 열전도도를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 스프레더(36)의 평면내 열전도도는 약 400 W/mK 이상이다. 또다른 추가의 실시예에서, 스프레더(36)의 평면내 열전도도는 약 550 W/mK 이상이다. 추가의 실시예들에서, 평면내 열전도도는 250 W/mK 이상으로부터 약 1500 W/mK 이상이다. 더 바람직하게는, 스프레더들 중 하나 이상은 알루미늄의 평면내 열전도도보다 약 2배 이상의 평면내 열전도도를 갖는다. 게다가, 각각의 스프레더(36)는 동일하거나 상이한 평면내 열전도도들을 가질 수 있다. 전술한 평면내 열전도도들의 임의의 조합이 예측될 수 있다. 일 실시예에서, 그래파이트 시트 재료는 10 ~ 1500 마이크론 두께일 수 있다. 다른 실시예들에서, 그래파이트 시트 재료는 20 ~ 40 마이크론 두께일 수 있다. 적절한 그래파이트 시트들 및 시트를 만드는 프로세스들이, 예컨대, 미국 특허 제5,091,025호 및 제 3,404,061호에 개시되어 있으며, 그 내용들이 참조로 본원에 결합되어 있다.
선택의 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 스프레더(36)들은 수지로 보강될 수 있다. 예컨대, 스프레더(36)의 강성(rigidity) 및/또는 스프레더(36)의 불투과성(impermeability)을 개선하기 위해서 이 수지가 사용될 수 있다. 수지 보강과 조합하여, 또는 대안으로, 하나 또는 그 초과의 스프레더(36)들이 탄소 및/또는 그래파이트 섬유 보강을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 스프레더(36)는, 배터리 팩(30)에 구조적 무결성을 돕거나 무결성을 제공하기 위해서 충분한 양의 보강을 제공할 수 있다.
스프레더(36)는 히트 스프레딩을 위한 팩에 사용되는 종래 재료들(예, 알루미늄)보다 더 적합한 재료(conformable material)이다. 스프레더(36)의 사용은 셀(32) 및 스프레더용의 종래의 재료에 비해서 스프레더(36)와 셀(32) 사이의 계면(interfacial) 열전달 저항의 감소를 제공한다. 스프레더(36)가 더 적합하기 때문에, 비평탄식(non-flat) 주면을 갖는 셀(32)들 사이의 계면 열적 (interfacial thermal) 열전달이 종래의 스프레더들 보다 양호하다. 계면 열적 열전달의 적합성과 발생하는 감소는, 종래의 스프레더 재료들의 계면 저항을 통상적으로 극복하고자 실시됨에 따라, 스프레더(36)의 표면에 열전도성 그리스(grease) 또는 풀(paste)을 가할 필요를 감소시키거나 심지어 제거할 수 있다.
인터-셀(inter-cell) 전기 절연이 요구된다면, 스프레더(36)는 하나 또는 양쪽의 주면들 상에 전기 절연 필름이 선택적으로 도포될 수 있으며, 이 필름은 스프레더(36)로의 열전달을 상당히 방해하지 못할 정도로 실질적으로 얇다. 예시적 필름들은 PET 및 폴리이미드 필름들을 포함한다.
스프레더(36)는 하나 또는 양쪽의 주면들 상에 필름 접착제가 선택적으로 도포될 수 있으며, 이 접착제 층은 스프레더에 열전달을 상당히 방해하지 못할 정도로 충분히 얇다. 접착제 층 및 릴리즈 라이너 상에 공급된 스프레더(36)의 사용은, 별개의 배터리 셀들에 "박리(peel) 및 붙음(stick)"을 가능하게 함으로써 배터리 팩의 조립을 단순화시킬 수 있다. 추가로, 필름 접착제를 결합시킨 스프레더(36)가 조립된 배터리 팩들은, 종래 기술의 스프레더 재료들을 결합시킨 배터리 팩 구조들에서 통상적으로 실시되는 바와 같이, 관성력 및 진동 하의 변위로부터 셀들을 보호하기 위해 사용된 폿팅(potting) 화합물들(예컨대, 실리콘 또는 폴리우레탄)의 필요를 감소시키거나 실질적으로 제거할 수 있다.
상기 실시예들 중 일부에서, 인접한 히트 스프레더(36)들 사이 또는 히트 스프레더(36)와 인접한 셀(32) 사이 공간들 중 하나 이상은, 상변화 물질(phase change material)의 층으로 적어도 부분적으로 충진될 수 있다. 다른 실시예에서, 인접한 히트 스프레더(36)들 사이 또는 히트 스프레더(36)와 인접한 셀(32) 사이 공간들 중 하나 이상은, 상변화 물질(phase change material)의 층으로 완전히 충진될 수 있다. 이들 실시예 또는 다른 실시예에서, 히트 스프레더(36)들 사이 또는 히트 스프레더(36)들과 인접한 셀(32)들 사이 공간들 중 실질적으로 전부는, 상변화 물질(phase change material)을 포함한다. 상변화 물질은 히트 스프레더들에 의해 적어도 부분적으로 유동이 자유롭고, 히트 스프레더들에 포함되거나 구속될 수 있다. 대안으로, 상변화 물질은, 캐리잉 매트릭스(carrying matrix) 내로 물리적으로 흡수될 수 있다. 예컨대, 상변화 물질은 압축된 팽창형 그래파이트 매트(mat) 또는 탄소 발포체(foam)에 흡수 및 담지될 수 있다. 상변화 물질은, 배터리 팩에서의 온도 변화들의 크기와 속도를 감소시키는 것을 도울 것이다. 상변화 물질의 용융 온도 범위는, 유리하게는 배터리 팩 내에 있는 배터리 셀들을 위한 추천된 작동 온도 범위와 대략 동일할 수 있다. 적절한 상변화 물질의 예는 파라핀 왁스이다.
전술한 실시예들 중 임의의 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 히트 스프레더(36)는, 추가로 복합재 재료일 수 있다. 예컨대, 각각의 히트 스프레더는 그 사이에 배치된 상변화 물질을 갖는 한 쌍의 그래파이트 시트들을 포함할 수 있다. 상변화 물질은 그래파이트 시트들에 의해 유동이 자유롭고, 이 시트들에 의해 포함되거나 구속될 수 있다. 대안으로, 상변화 물질은 대향 그래파이트 시트들 사이에 위치되는 캐리잉 매트릭스 내로 물리적으로 흡수될 수 있다. 예컨대, 상변화 물질은 압축 팽창식 그래파이트 매트 또는 탄소 발포체에 흡수 및 담지될 수 있다. 대안으로, 복합재 재료는 내부에 흡수되는 상변화 물질을 갖는 단일의 캐리잉 매트릭스 층에 고정된 단일의 그래파이트 시트 층을 포함할 수 있다. 또다른 실시예들에서, 히트 스프레더(36)는, 내부에 흡수되는 상변화 물질을 갖는 그래파이트 시트 재료의 단일 층을 포함할 수 있다.
추가의 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 스프레더(36)들이 강성의 지지 부재(도시 생략)에 부착될 수 있다. 강성의 지지부는, 배터리 팩에 구조적 무결성을 제공하도록 기능할 수 있다. 강성의 지지부는 금속, 플라스틱, 복합재 재료 또는 전술한 재료들 중 임의의 적층물로부터 구조화될 수 있다. 추가의 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 강성의 지지 부재들은, 배터리 팩에 지지를 제공하기 위해서, 히트 싱크들, 열전달 블록들 또는 도관들에 부착될 수 있다. 강성의 지지 부재의 상이한 실시예들은 시트상 부재 또는 프레임을 포함할 수 있다. 시트 형태에서, 강성 지지 부재는, 스프레더의 치수와 실질적으로 유사한 치수들을 가질 수 있다. 강성의 지지 부재의 프레임 버전에 관해서, 프레임은, 하나 이상의 측면과 맞물려야 하며, 더 바람직하게는 스프레더(36)의 2 개 이상의 측면들과 맞물려야 한다.
추가의 실시예에서, 배터리 팩(30)은, "n" 개의 그래파이트 히트 스프레더(36)들을 포함하고, 스프레더(36)들에 추가로, 배터리 팩(30)은 (n+1) 알루미늄 히트 스프레더들 또는 (n-1) 알루미늄 히트 스프레더들 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상, 더 바람직하게는, 각각의 알루미늄 히트 스프레더는, 하나 또는 그 초과의 히트 싱크(34a 및/또는 34b)들 및 2 개 이상의 리튬 중합체 셀(32)들과 열적 연통한다. 각각의 알루미늄 히트 스프레더는 그래파이트 히트 스프레더(36)와 동일한 위치에 배치되지 않는 것이 더 바람직하다. 전술한 대안의 실시예에서, 팩(30)은 하나(1개) 이하의 알루미늄 히트 스프레더를 포함한다.
추가의 선택적인 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 스프레더(36)들은 하나 또는 그 초과의 엠보싱 면들을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에서, 엠보싱 면은 스프레더(36)의 주면에 걸쳐 복수 개의 횡방향 유체 채널들을 포함한다. 다른 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 스프레더(36)들은 복수 개의 내부 유체 채널들을 포함한다. 바람직하게는, 유체 채널들은 스프레더(36)의 일단부로부터 스프레더(36)의 대향 단부로 횡단한다. 스프레더(36)의 유체 채널들은, 직선형, 사행상, 또는 분기식 유동로 중 하나로 선택적으로 구성된다. 추가의 실시예에서, 스프레더(들)(36)의 유체 채널들은, 히트 싱크, 열전달 플레이트 또는 도관의 유체 채널들과 연통한다. 스프레더(36)를 형성하는 전형적인 방법들은, 압축 성형, 엠보싱, 및/또는 단열 성형 프로세스를 포함할 수 있다.
본원에 기재된 실시예들에 따라 제조된 팩들은, 종래 기술의 열 스프레더들에 의해 제조된 팩들에 비해서, 약 20 % 이상, 바람직하게는 약 50 % 또는 그 초과 만큼 팩들의 열관리 시스템의 중량을 감소시킨다. 추가로, 상세한 설명에 따라 제조된 배터리 팩들은, 종래의 팩들에 비해서 핫 스폿 문제들이 감소될 수 있다. 게다가, 본 명세서에 따라 제조된 팩들은, 전통적인 열 관리 재료들을 사용하는 셀들에 비해 팩의 두께 감소에 기인하여 전체 크기의 감소를 나타낼 수 있다.
또한, 본원에 기재된 팩의 실시예들은, 종래의 팩들에 비해 하기의 이점들 중 하나 또는 그 초과의 이점을 포함할 수 있다: 개선된 열 확산도, 보다 신속한 가열(heat up), 보다 신속한 냉각(cool down), 낮은 계면 저항, 적은 시스템 비용, 낮은 시스템 중량, 낮은 시스템 체적, 낮은 기생 전력(parasitic power), 적은 부품수, 빠른 충전/방전, 및 빠른 냉시동(cold startup).
본 출원에서 인용된 모든 인용 특허들 및 공보들의 개시물들 전체가 참조로 본원에 결합된다.
본원에 개시된 다양한 실시예들은 그의 임의의 조합으로 실행될 수 있다. 전술한 명세서는, 본 고안을 실시하기 위해서 당업자에 의해 가능하도록 의도된 것이다. 이는 명세서의 판독시 당업자에게 가능한 변형예들 및 수정예들 전부가 명확해지도록 상세하도록 의도된 것은 아니다. 그러나, 이는, 하기 청구항들에 의해 규정된 본 고안의 범위 내에 이러한 모든 변형예들 및 수정예들이 포함되도록 의도된 것이다. 본 고안은, 문맥에서 반대로 특정하여 나타내지 않는 한, 본 고안을 위해 의도된 대상물을 만족하도록 작용하는 임의의 배열 또는 시퀀스에서의 도시된 요소들 및 단계들을 포함하도록 의도된 것이다.

Claims (3)

  1. 대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체로서,
    내부에 셀을 지탱하는 크기를 갖는 일반적으로 U자 형상으로 형성된 중공(hollow) 프레임;
    2 개의 대향 주면들과 250 W/m-K 이상의 평면내 열전도도를 갖는 가요성 그래파이트 히트 스프레더; 및
    유체가 유동하며, 상기 중공 프레임과 유체 연통하는 제 1 도관을 포함하고,
    상기 가요성 그래파이트 히트 스프레더들의 상기 2 개의 대향 주면들 중 하나 이상은, 셀의 대향 주면들 중 하나의 적어도 일부와 접촉하고, 그리고 또한 상기 중공 프레임의 적어도 일부와 접촉하는,
    대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공 프레임은, 한 쌍의 이격된 평행 레그들 및 상기 평행 레그들에 수직한 연결 레그를 포함하는,
    대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가요성 그래파이트 히트 스프레더들의 상기 2 개의 대향 주면들 중 하나 이상은, 상기 평행 레그 각각의 일부와 접촉하는,
    대향 주면들을 갖는 배터리 셀용의 열관리 조립체.
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