KR20130132459A - 열전도성 배터리를 냉각하기 위한 열교환기 및 배터리 유닛 구조 - Google Patents

열전도성 배터리를 냉각하기 위한 열교환기 및 배터리 유닛 구조 Download PDF

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Abstract

열교환기 및 배터리 유닛 구조물은 배터리의 열전도 특성이 냉각 경로를 형성하는 배터리 유닛(또는 셀)을 냉각하기 위해 제공된다. 열교환기는 배터리 유닛(또는 셀)상의 대응하는 계합 부분을 수용 및/또는 계합하기 위해 냉각 플레이트의 외측 표면에 형성 또는 부착된 계합 장치를 갖는 냉각 요소의 형태이다. 배터리 유닛(또는 셀)과 열교환기 사이의 상호연결은 2개의 부품들 사이의 개선된 열전달 특성으로 나타나는, 2개의 부품들 사이의 기계적 맞물림을 형성한다.

Description

열전도성 배터리를 냉각하기 위한 열교환기 및 배터리 유닛 구조{HEAT EXCHANGER AND BATTERY UNIT STRUCTURE FOR COOLING THERMALLY CONDUCTIVE BATTERIES}
본 발명은 발명의 명칭이 "열전도성 케이스 배터리를 냉각하기 위한 열교환기 및 배터리 유닛 구조"이며 2010년 10월 29일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/407,972호의 이점 및 우선권을 청구한다. 따라서, 상기 특허 출원의 내용은 그 상세한 서술 내에 명확하게 참조인용된다.
본 발명은 기계적 맞물림(interlock)에 의한 열적으로 전도성인 배터리의 냉각에 관한 것이다.
둥근 셀(cell), 각기둥형(prismatic) 셀 또는 파우치(pouch) 셀과 같은 배터리 셀 들의 상이한 타입들이 알려져 있다. 둥근 셀 또는 각기둥형 셀의 경우, 전극 및 분리기(separator)를 보유하는 활성(active) 물질이 일반적으로 코일로 롤링(rolling)되며 튼튼한 알루미늄 하우징에 위치한다. 파우치 셀의 경우, 활성 물질의 개별적인 층들이 적층(stack)되거나 절첩(fold)되며, 가요성 알루미늄 복합 필름으로 패키징(packaging)된다.
작동 시, 충전 또는 방전의 전류 흐름은 전기화학적 및 전기 임피던스 효과로 인해 열을 발생시킨다. 저온과 고온에서의 온도 제한으로 인해, 배터리의 최적의 성능을 보장하기 위해 배터리에 대한 작동 온도 범위를 제어하는 것이 바람직하다.
열적으로 전도성인 배터리에 냉각(및/또는 가열)을 제공하기 위해, 다양한 열교환기 구조 및 배터리 유닛 장치가 개발되었다. 예를 들어, 열은 (ⅰ)외측면을 순환하는 공기에 노출시키거나 또는 (ⅱ)차가운(또는 가열된) 표면을 누름으로써 배터리 하우징의 외측면으로부터(또는 외측면으로) 소산(dissipate) 또는 이송되는 것으로 알려져 있으며, 이것은 배터리 셀 표면들 사이에 있거나 또는 이들 표면들과 접촉하는 유체-이송 열교환기 냉각 플레이트 또는 비 유체(non-fluid) 이송 금속 도전 플레이트인지의 여부에 따른다. 배터리 셀 표면이 차가운(또는 가열된) 표면과 접촉할 때, 특히 자동차 전력 배터리의 적용 시 둘 사이에 충분한 접촉/압력을 유지하는 기계적 면(aspect)과 마찬가지로 열접촉 저항 및 열수축(constriction) 저항에 대해서도 관심이 있다. 또한, 접촉 표면들 자체는 배터리 유닛과 냉각 플레이트 사이의 양호한 열접촉을 허용하도록 충분히 합치해야만 한다. 표면들을 순환하는 공기에 노출시킴으로써 배터리 셀 표면들이 냉각될 때, 각각의 배터리 유닛 또는 셀의 서로 떨어짐 있음(spacing-apart)은 증가된 공간 허용으로 나타난다. 또한, 이 방법은 더욱 제한된 냉각 효과를 가지며, 또한 다른 차량 시스템에 사용하기 위해 열을 회수하는 것을 더욱 어렵게 한다. 따라서, 배터리를 냉각하기 위한 알려진 방법들은 높은 공차 요구 뿐만 아니라 높은 비용, 증가된 공간 및/또는 중량 패널티(penalty)를 갖는 경향이 있으며, 그 모든 것들은 극복하는 것이 바람직하다.
1 면에 있어서, 본 발명은 베이스 부분을 구비한 외측 하우징을 갖는 적어도 하나의 배터리 유닛과, 그 사이에 유체 채널을 한정하는 서로 떨어져 있는 제1 및 제2벽을 갖는 적어도 하나의 열교환기 플레이트와, 상기 배터리 유닛의 외측 하우징에 형성되거나 부착된 제1계합(engage) 장치와, 열교환기 플레이트의 제1 및 제2벽 중 적어도 하나의 외측 표면에 형성되거나 부착된 제2계합 장치를 갖는 열교환기 및 배터리 유닛 구조에 관한 것이며, 상기 열교환기 플레이트는 상기 유체 채널과 연통하는 유체 입구 및 유체 출구를 가지며, 상기 제1계합 장치와 제2계합 장치 중 하나는 제1 및 제2계합 장치의 계합에 따라 적어도 하나의 배터리 유닛 및 적어도 하나의 열교환기 플레이트가 함께 로킹되도록 상기 제1계합 장치와 제2계합 장치 중 다른 하나에 수용된다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 적어도 하나의 열교환기 플레이트는 교합(mating)되는 한 쌍의 제1 및 제2플레이트를 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 적어도 하나의 열교환기 플레이트의 유체 채널에 위치하는 터빌라이저(turbilizer)를 추가로 보유한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 적어도 하나의 배터리 유닛과 적어도 하나의 열교환기 플레이트의 제1 및 제2계합 장치들 사이에 위치하는 전기 절연층(isolation layer)을 추가로 포함하며, 상기 전기 절연층은 그것과 함께 계합된다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 적어도 하나의 배터리 유닛은 다수의 배터리 유닛이며, 상기 베이스 부분은 전류 콜렉터 플레이트의 형태이며, 다수의 배터리 유닛은 전류 콜렉터 플레이트에 점용접(spot weld)된다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 전류 콜렉터 플레이트와 열 교환기 플레이트 사이에 위치하는 전기 절연층을 추가로 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 제1계합 장치는 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재에 연결되는 베이스 플레이트를 가지며, 상기 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재는 배터리 유닛을 해제 가능하게 부착하도록 적용된다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 제1계합 장치는 제2계합 장치에 연결되는 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재를 가지며, 상기 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재는 배터리 유닛을 해제 가능하게 부착하도록 적용된다
일 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 상기 돌출 부재는 휜(fin)이다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 상기 휜은 제1계합 장치의 베이스 플레이트에 용접, 경납땜(brazing), 또는 연납땜(soldering)된다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 배터리의 외측 하우징은 단단한 케이스이거나 또는 가요성의 파우치이다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 상기 돌출 부재는 돌출 부재의 운동을 편의(bias)시키기 위한 편의 수단을 추가로 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 상기 편의 수단은 일반적으로 S 형의 구조물이다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템에 관한 것으로서, 상기 배터리는 열교환기의 제1벽과 접촉하거나 또는 떨어져 있다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 예로서만 서술될 것이다.
도1은 본 발명의 1 실시예에 따른 배터리 유닛 및 열교환기 구조의 사시도.
도2a는 열교환기 구조물상에 조립된 배터리 유닛들 중 하나의 도1의 선2B-2B를 따라 취한 부분 단면의 조립체를 도시한 도면.
도2b는 도2a의 조립된 배터리 유닛 및 열교환기 구조물의 도1의 선2B-2B를 따라 취한 부분 단면도.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 유닛 및 열교환기 구조물의 사시도.
도4a는 원통형 배터리 유닛들 중 하나와 열교환기 구조물의 일부의 도3의 선4B-4B를 따라 취한 부분 단면의 조립체를 도시한 도면.
도4b는 도4a에 도시된 조립된 배터리 유닛과 열교환기 구조물의 도3의 선4B-4B를 따라 취한 부분 단면도.
도5a는 도2a에 도시된 바와 같은, 본 발명의 다른 예시적인 실시예의 부분 단면의 조립체를 도시한 도면.
도5b는 도2b에 도시된 바와 같은, 도5a에 도시된 예시적인 실시예의 배터리 유닛 및 열교환기 구조물의 부분 단면도.
도6은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 배터리 유닛 및 열교환기 구조물의 사시도.
도7은 예시적인 열교환기 구조물의 사시도.
도8은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기 및 배터리 유닛 시스템의 사시도로서, 일부 배터리가 휜을 도시하는 것을 생략한 도면.
도9는 도8에 도시된 실시예에 따른 열교환기 및 배터리 유닛 시스템의 사시도.
도10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기의 제1벽과 열교환기 및 배터리 유닛 시스템의 사시도.
도면에 있어서, 도1은 본 발명의 1 실시예에 따른, 5개의 배터리 유닛(11) 및 열교환기 구조물(12)을 포함하는 모듈(10)을 도시하고 있다. 5개의 배터리 유닛(11)이 도시되었지만, 이 실시예는 5개의 배터리 유닛에 제한되지 않으며 열교환기 구조물(12)은 장치의 특정한 적용에 따라 많거나 적은 배터리 유닛(11)을 수용하도록 적용될 수 있음을 인식해야 한다.
도시된 바와 같이, 각각의 배터리 유닛(11)은 본 기술분야에 알려진 바와 같이 배터리 유닛(11)의 내부 부품들(도시되지 않음)을 수용하는 외측 케이스 또는 하우징(14)을 포함한다. 이 실시예에 있어서, 외측 하우징(14)은 그 내부에 형성된 제1계합 장치를 갖는 용접된 또는 압출된(extruded) 베이스 부분(16)상에 형성된다. 일부 실시예에 있어서, 베이스 부분(16)은 알루미늄 또는 강(steel)으로 형성될 수 있으며, 용접된 조립체로서 충격 형성(impact perform) 되거나 형성된다. 도시된 실시예에 있어서, 제1계합 장치는 배터리 유닛(11)의 베이스 부분(16)의 바닥 표면에 형성된 다수의 소켓 또는 오목한 개구(18)의 형태를 취한다. 오목한 개구(18)는 배터리 유닛(10) 및 열교환기 구조물(12)의 특정한 디자인 및 적용에 기초하여 미리 결정된 간격으로 외측 하우징(14)의 길이를 따라 서로 떨어져 있다.
각각의 배터리 유닛(11)에 냉각을 제공하기 위해, 냉각 요소 또는 플레이트(20)의 형태인 열교환기 구조물(12)이 제공된다. 일반적으로, 냉각 플레이트(20)는 그 사이에 유체 채널(26)을 한정하는 서로 떨어져 있는 제1 및 제2벽(22, 24)을 갖는 평탄한 관형 부재이다. 냉각 플레이트(20)는 유체를 유체 채널(26)의 내외로 지향(direct)시키기 위해 유체 입구 및 출구 구조물(27, 28)과 연통된다. 유체 입구 및 출구 구조물(27, 28)은 냉각 플레이트(20)의 외측 표면상에 형성되어 그것으로부터 외향하여 멀리 신장하는 것으로 도시되었지만, 일부 실시예에 있어서는 유체 입구 및 출구 구조물(27, 28)이 냉각 플레이트(20)의 주변상에 형성될 수 있다. 또한, 유체 입구 및 출구 구조물(27, 28)은 냉각 플레이트(20)의 동일한 단부상에 형성되는 것으로 도시되었지만, 입구 및 출구 구조물(27, 28)은 냉각 플레이트(20)의 반대쪽 단부상에 형성될 수 있으며, 즉 입구 구조물(27)은 냉각 플레이트(20)의 한쪽 단부상에 형성되고 출구 구조물(28)은 냉각 플레이트(20)의 반대쪽 단부상에 형성된다.
유체 통로(26)에 관하여, 유체 채널(26)은 배터리 유닛(11)을 냉각(및/또는 가열)하기 위해 원하는 열교환 프로필(profile)을 제공하는 냉각 플레이트(20)를 통한 임의의 대체로 구불구불한(serpentine) 흐름 경로의 형태일 수 있다. 예를 들어, 유체 채널(26)은 대체로 U 형상일 수 있으며[예를 들어, 입구 및 출구 구조물(27, 28)이 냉각 플레이트(20)의 동일한 측상에 형성되는 경우], 또는 한쪽 단부로부터 다른쪽으로 냉각 플레이트(20)를 통한 임의의 구불구불한 또는 에두르는(circuitous) 루트의 형태를 취할 수 있다[즉, 입구/출구 구조물이 냉각 플레이트(20)의 반대측상에 형성되는 경우]. 유체 채널(26)을 통한 예시적인 U 형 흐름 경로(흐름 화살표 29 참조)를 명확히 나타내기 위해, 도7은 그 위에 형성되는 제2계합 장치 또는 돌출 부재가 없는 예시적인 냉각 플레이트(20)를 도시하고 있다. 다른 실시예에 있어서, 유체 채널(26)은 냉각 플레이트(20)의 횡단면의 실질적인 부분에 대응하는 단면을 가지며, 또는 상기 유체 채널(26)이 냉각 플레이트(20)의 주변에 대해 형성되는 보다 작은 단면으로 제한될 수 있다. 따라서, 유체 채널(26)은 배터리 유닛(11)의 전체 바닥 표면의 아래로 흐를 필요는 없지만, 그러나 대체로 냉각 플레이트(20)의 특정한 디자인과 의도하는 용도 및 장치에 대한 원하는 열전달 요구에 따라 많은 상이한 형태를 가질 수 있음을 인식해야 한다.
냉각 플레이트(200)의 제1 및 제2벽(22, 24) 중 하나는 각각의 배터리 유닛(11)상의 제1계합 장치와 협력하는 제2계합 장치를 갖는다. 이 실시예에 있어서, 제2계합 장치는 예를 들어 냉각 플레이트(20)의 제1 또는 제2벽(22, 24)의 외측면에 용접, 경납땜, 또는 연납땜되는 "페그(peg)" 또는 돌출 부재(30)의 형태를 취한다. 다른 실시예에 있어서, 돌출 부재(30)는 제1 또는 제2벽(22, 24)에 형성된다. 돌출 부재(30)는 배터리 유닛(11)의 베이스 부분(16)에 형성된 다수의 오목한 개구(18)의 위치에 대응하기 위해, 냉각 플레이트(20)의 길이를 따라 서로 떨어져 있는 간격으로 배치된다. 배터리 유닛(11)이 위치하며 냉각 플레이트(20)와 접촉할 때(도2a 참조), 돌출 부재(30)는 "페그와 소캣" 장치와 유사하게 오목한 개구(18)에 수용됨으로써 배터리 유닛(11)상의 제1계합 장치와 열교환기 구조물(12)상의 제2계합 장치 사이에 기계적 맞물림을 형성한다. 돌출 부재(30)와 오목한 개구(18) 사이의 계합으로 인해, 배터리 유닛(11)은 2개의 부품들이 함께 눌릴 때 냉각 플레이트(20)에 로킹된다. 제1 및 제2계합 장치의 정확한 구조와 특정한 적용에 따라, 배터리 유닛(11)은 냉각 플레이트(20)에 제거 가능하게 또는 제거 불가능하게 로킹된다. 배터리 유닛(10)과 냉각 플레이트(20)를 함께 누르면 2개의 부품들 사이에 충분한 접촉 및 압력이 발생되어 원하는 냉각 결과를 얻는다. 특히, 돌출 부재(30)와 오목한 개구(18)의 "페그와 소켓 연결"에 의해 제공된 배터리 유닛(10)과 냉각 플레이트(20) 사이의 기계적 맞물림은 배터리 유닛(10)과 냉각 플레이트(20)가 기계적 부하 및 온도 변화에 저항할 수 있게 하며, 이것은 종래 기술의 장치에서 배터리 유닛과 그 각각의 냉각 플레이트 사이의 분리로 나타남으로써 전체 유닛의 개선된 온도 제어를 허용한다.
또한, 돌출 부재(30)와 오목한 개구(18)의 "페그와 소켓 연결"에 의해 제공된 기계적 맞물림은 다른 열흐름 경로 열저항과 비교하였을 때 배터리 유닛(11)과 냉각 플레이트(20) 사이에 대체로 낮은 열 저항을 제공한다. 또한, 냉각 플레이트(20)상의 그 공간 분포와 마찬가지로 오목한 개구(16) 및 대응하는 돌출 부재(30)의 개수는 배터리 유닛(11)의 외측 하우징(14)과 냉각 플레이트(20)의 열 수축(전도) 저항을 최소화하도록 선택된다.
또한, 배터리 유닛(11)을 냉각 플레이트(20)에 개별적으로 연결함으로써, 다수의 배터리 유닛(11)(또는 셀)을 모듈에 접합하기 위한 요구가 감소된다. 또한, 다수의 종래 기술의 장치에서 요구되는 것처럼, 배터리 유닛(11)과 열교환기 구조물(12) 사이의 연결 또는 접촉이 제1 및 제2계합 장치들, 즉 오목한 개구(18)와 돌출 부재(30) 사이의 기계적 계합에 의해 제공되기 때문에, 개별적인 배터리 유닛(11)과 냉각 플레이트(20)가 평탄하거나 또는 합치되는 접촉 표면을 가져야만 하는 요구는 더 이상 중요한 관심사가 아니며, 또한 2개의 대응하는 표면들 사이의 명백한 접촉에만 의존하지 않는다.
예시적인 실시예는 오목한 개구(18)가 형성된 베이스 부분(14)과 돌출 부재(30)를 갖는 냉각 플레이트(20)를 갖는 배터리 유닛(11)에 대해 서술되었지만, 본 기술분야의 숙련자라면 반대의 배치, 즉 배터리 유닛(11)의 베이스 부분(16)이 돌출 부재(30)에 형성되고 상기 오목한 개구(18)가 냉각 플레이트(20)의 제1 및 제2벽들(22, 24) 중 하나에 형성되는 것도 가능하며, 또한 전체 열교환기 및 배터리 유닛 구조물의 특정한 적용 및/또는 디자인에 기초하는 것도 가능하며 바람직하다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 열교환기 구조물(12)이 서로 떨어져 있는 벽(22, 24)을 갖는 대체로 직사각형의 관형 부재로서 도시되었지만, 열교환기 구조물(12)은 그 사이에 유체 채널(26)을 형성하기 위해 함께 경납땜되거나 또는 적절히 접합되는 한 쌍의 교합 플레이트로 형성될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 위에 개략적으로 서술한 바와 같이, 열교환기 구조물(12)로 유입 및 유출되는 냉각 유체가 냉각 플레이트(20)의 전체 길이를 따라 확실히 흐를 수 있게 하기 위해, 유체 채널(26)은 입구 구조물(27)로부터 출구 구조물(28)로 신장하는 대체로 U 형 흐름 경로로 형성될 수 있다. 상기 U 형 흐름 경로는 각각의 제1 및 제2벽(22, 24)의 내측 표면들상에 형성되는 대응하는 내향하여 현수(depend)되는 리브에 의해 형성되거나, 또는 유체 채널(26) 내로 삽입되는 배플(baffle) 부재에 의해 형성될 수 있다. 유체 채널(26)이 U 형이거나 또는 임의의 다른 형태를 가질 수 있지만, 유체 채널(26)은 유체 채널(26)에 위치하는 터빌라이저나 또는 제1 및 제2벽(22, 24)의 내측 표면들상에 형성된 내향하여 배치되는 딤플(dimple)과 같은 추가적인 열전달 강화 장치를 구비할 수 있으며, 예를 들어 그것은 본 기술분야에 알려진 바와 같이 채널(26)을 통해 흐르는 유체내의 난류를 증가시켜 열전달 효과를 증가시킨다.
따라서, 위에 서술한 예시적인 실시예는 관련된 도면에 도시된 또는 서술된 특정한 장치에 제한되지 않는다. 또한, 제1 및 제2계합 장치는 오목한 개구(18)와 돌출 부재(30)를 각각 포함하는 것으로 서술되었지만, 제1 및 제2계합 장치는 배터리 유닛(들)(11)과 열교환기 구조물(12) 사이에 기계적 맞물림을 형성하도록 작용하는, 배터리 유닛(11)과 열교환기 구조물(12)의 협력하는 표면들상에 제공된 임의의 적절한 대응하는 계합 구조물의 형태일 수도 있음을 인식해야 한다.
또한, 예시적인 실시예는 대체로 직사각형 셀의 형상으로 형성된 배터리 유닛(11)과 관련하여 서술되었지만, 본 기술분야의 숙련자라면 배터리 유닛(11)은 개별적인 원통형 또는 직사각형 외측 케이싱 또는 하우징을 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 많은 상이한 형태 중 하나 또는 임의의 다른 각기둥 형태일 수 있음을 인식해야 한다.
도3, 4a, 4b에 있어서, 각각의 개별적인 배터리 유닛(11)의 외측 하우징(14)이 원형의 상부 및 바닥 표면들(32, 34)을 갖는 원통형 캔(can)의 형태인, 본 발명의 다른 예시적인 실시예가 제공된다. 이 실시예에 있어서, 각각의 배터리 유닛(11)의 베이스 부분(16)은 외측 하우징(14)의 바닥 부분에 대응하며, 이전의 실시예에 서술된 바와 같이 순차적으로 외측 하우징(14)의 바닥 표면에 부착된 분리되어 형성되는 부품을 형성하지 않는다. 따라서, 이 실시예에 있어서, 배터리 유닛(11)의 베이스 부분(16) 자체는 제1계합 장치를 형성한다.
이 실시예에 있어서, 열교환기(12)의 냉각 플레이트(20)는 임의의 적절한 수단(즉, 용접, 경납땜, 연납땜 등)에 의해 냉각 플레이트(20)의 제1 및 제2벽들(22, 24) 중 하나의 외측 표면에 부착되는 컬러형 개구(collared-opening)로서 작용하는 하나 이상의 환형 링(36)을 갖는다. 따라서, 상기 환형 링(36)은 제2계합 장치를 형성하며, 배터리 유닛(11)의 베이스 부분(16)을 수용할 수 있는 크기의 내경(38)을 갖는다. 따라서, 배터리 유닛(11)은 냉각 플레이트(20)상에 제공된 환형 링(36)의 대응하는 컬러형 개구 내에 수용된다. 다수의 원통형 배터리 유닛(10)이 제공되는 경우, 각각의 개별적인 배터리 유닛(10)은 냉각 플레이트(20)상에 장착 및 "로킹"된다(제거 가능하게 또는 제거 불가능하게). 이전의 서술된 실시예에서처럼, 냉각 플레이트(20)상에 제공된 환형 링(36)의 개수와 그들이 냉각 플레이트(20)상에 분포 및 서로 떨어져 있는 방식은 알려진 열 저항(전도) 원리에 따라 최적의 냉각 특성이 달성되는 것을 보장하도록 특수하게 선택된다.
도4a 및 4b에 명확히 도시된 바와 같이, 환형 링(36)은 배터리 유닛(11)의 돌출하는 베이스 부분(16) 또는 "페그"를 수용하기 위한 "소켓" 처럼 작용한다. 환형 링(36)은 배터리 유닛(11)의 주(major) 단부와 부(minor) 단부의 교차지점에서 또는 전이지점(transition)에서 배터리 유닛(11)의 베읏 부분(16)의 둘레를 둘러싼다. 이것은 환형 링(36)이 배터리 유닛(11)의 주 축선 및 부 축선을 따라 흐르는 열을 냉각 플레이트(20)와 접촉하는 배터리 유닛(10)의 바닥 표면으로 더욱 최적으로 전도하게 한다. 2개의 부품들 사이의 상호연결을 제공하는 배터리 유닛(11)과 냉각 플레이트(20) 사이의 기계적 맞물림의 결과로서, 배터리 유닛(11) 자체는 제1 또는 제2벽(22, 24)의 외측 표면과 실제로 물리적으로 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있으며, 즉 배터리 유닛(11)의 바닥 표면과 냉각 플레이트(20) 사이에 갭(gap)이 존재하거나 존재하지 않을 수 있다. 다양한 종래 기술의 장치는 2개의 대응하는 본질적으로 평탄한 표면들 사이에 실제의 접촉을 요구하며, 또한 2개의 부품들 사이에 갭이 존재한다면 요구하는 바와 같이 기능하지 않을 것이다. 이 실시예에 있어서, 2개의 부품들[즉, 배터리 유닛(11)과 냉각 플레이트(20)] 사이의 물리적 상호연결은 배터리 유닛(11)의 바닥 표면과 냉각 플레이트(20)가 실제로 접촉하는 것과는 관계 없이 제1 및 제2계합 장치에 의해 제공된다.
위에 서술한 바와 같이, 이 실시예는 원형의 상부 및 바닥 표면(32, 34)을 갖는 원통형 캔 형태의 외측 하우징을 갖는 배터리 유닛(11)과 냉각 플레이트(20)상에 제공되는 대체로 원형인 대응하는 컬러형 개구 또는 환형 링(36)과의 연결에 대해 서술되었지만, 배터리 유닛(11)의 외측 하우징(12)은 상부 및 바닥 표면(32, 34)의 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 임의의 다른 형상을 갖는 원통형 캔의 형태일 수 있음을 인식해야 한다. 유사하게, 컬러형 개구(36)는 배터리 유닛(11)의 특정한 형상에 대응하도록 형성될 수 있으며, 도면에 도시된 원형 링에 제한되지 않는다.
도5a 및 5b에 있어서, 배터리 유닛(11)과 냉각 플레이트(20) 사이에 전기 절연이 요구될 때, 배터리 유닛(11) 또는 냉각 플레이트(20) 또는 이 배터리 유닛 및 냉각 플레이트 모두의 제조 물질은 전기 절연을 제공할 수 있다. 그러나, 제조 물질[배터리 유닛(11) 또는 냉각 플레이트(20) 또는 유닛 및 냉각 플레이트 모두]이 물질의 열전도율을 대응하여 낮추기 때문에 적절한 냉각을 방지하는 경우, 도5a 및 5b에 도시된 바와 같이 기계적 맞물림 지역[즉, 배터리 유닛(11)과 냉각 플레이트(20) 사이] 내에 전기 절연층(40)이 삽입될 수 있다.
도6은 본 발명에 따른 배터리 유닛 및 열교환기 구조물의 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예에 있어서 배터리 유닛(11)(또는 셀)은 전류 콜렉터 플레이트(42)에 점용접(spot welding)된다. 콜렉터 플레이트(42)는 오목한 개구(18)와 같은 맞물림 요소를 수용하기 위해 제1계합 장치를 포함하거나 이에 형성된다. 따라서, 이 실시예에 있어서, 콜렉터 플레이트(42)는 냉각 플레이트(20)상에서 발견되는 제2계합 장치와 계합하기 위한 제1계합 장치를 갖는 베이스 부분(16)에 상응하며, 냉각 플레이트(20)는 콜렉터 플레이트(42)의 개구(18)에 수용되기 위해 돌출 부재(30)를 포함하거나 또는 이에 형성된다. 도6에서는 콜렉터 플레이트(42)의 바닥 표면과 냉각 플레이트(20)의 상부 또는 외측 표면 사이에 전기 절연층(40)이 위치하는 것으로 도시되었지만, 절연층(40)이 필수적으로 요구되지는 않는다.
도8 및 9에 적어도 하나의 배터리 유닛(11) 및 적어도 하나의 열교환기 구조물(12)을 보유하는 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 다른 예시적인 실시예가 도시되어 있다.
열교환기(12)는 이전에 서술한 바와 같이 그 사이에 유체 채널(26)을 한정하는 서로 떨어져 있는 제1 및 제2벽(22, 24)으로 이루어져 있다. 또한, 유체 입구 및 유체 출구(27, 28)는 이전에 서술한 바와 같이 유체를 유체 채널(26)의 내외로 지향시키기 위해, 유체 채널(26)과 연통하는 열교환기(12)를 갖는다. 제1계합 장치는 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재(52)를 가지며, 그들은 제1계합 장치의 베이스 플레이트(51)에 연결된다. 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재(52)는 배터리 유닛(11)을 해제 가능하게 부착하도록 적용된다. 베이스 플레이트(51)는 열교환기(12)에 있는 제2계합 장치를 연결하기 위해, 도1에 도시된 바와 같이 오목부 또는 페그를 보유할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 각각의 배터리 유닛(11)의 베이스 부분은 외측 하우징(14)의 바닥 부분에 대응하며, 이전의 실시예에서 서술한 바와 같이 외측 하우징(14)의 바닥 표면에 나중에 부착되는 분리되어 형성되는 부품을 형성하지 않는다. 또한, 하드(hard) 커버 또는 가요성 파우치로 제조된 외측 하우징을 갖는 것처럼 상이한 타입의 배터리들이 사용될 수 있다. 도8 및 9에 도시된 바와 같이, 열교환기(12)의 베이스 플레이트(51)는 다수의 돌출 부재(52)를 가지며, 그것은 도8 및 9에 도시된 1 실시예에서 제1휜(54) 및 제2휜(56)을 보유하며, 배터리 유닛(11)은 제1휜(54)과 제2휜(56) 사이에 해제 가능하게 부착된다. 도8에 있어서, 배터리 유닛(11)의 일부는 제1 및 제2휜(54, 56)을 나타내도록 제거되었다. 도9는 조립된 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)을 도시하고 있으며, 배터리 유닛(11)은 다수의 돌출 부재(52) 사이에 존재한다.
베이스 플레이트(51)에 다수의 돌출 부재(52)를 부착하는 방법은 특정하게 제한되지 않는다. 1 실시예에 있어서, 다수의 돌출 부재(52)는 베이스 플레이트(51)에 경납땜, 연납땜, 또는 기계적으로 부착된다.
도10은 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 다른 예시적인 실시예로서, 제1계합 장치는 다수의 돌출 부재이며, 그것은 1 실시예에서 도10에 도시된 바와 같이 휜(54, 56)을 예를 들어 열교환기(12)의 제1벽(22)에 연결하기 위해 휜(54, 56)의 베이스(60)로부터 돌출하는 하나 이상의 핀(pin)(58)을 갖는 휜(54, 56)을 보유한다. 따라서, 열교환기(12)의 제1벽(22)은 휜(54, 56)이 열교환기(12)의 제1벽(22)에 연결되도록 핀(58)을 수용하기 위한 하나 이상의 브래킷(bracket)(62)을 갖는다. 기계적인 부착에 추가하여, 휜(54, 56)은 경납땜, 용접, 또는 연납땜되므로, 휜(54, 56)은 열교환기가 사용되지 않을 때 제1벽(22)으로부터 용이하게 제거될 수 없다.
돌출 부재(52)상의 핀(58)의 형상 및 개수는 특정하게 제한되지 않으며, 열교환기(12)와 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 특정한 적용 및 요구에 따라 설정될 수 있다. 유사하게, 핀(58)을 수용하여 휜(54, 56)을 제1벽(22)에 연결하도록 충분히 보완적인 한, 브래킷(62)의 형상은 특정하게 제한되지 않는다. 또한, 브래킷(62)의 개수는 특정하게 제한되지 않으며, 휜(54, 56)이 제1벽(22)에 연결될 수 있는 한 핀(58)의 개수 보다 많거나 적을 수 있다. 도10에 도시된 실시예에 있어서, 휜(54, 56)의 단부에 위치하는 핀(58)은 브래킷(62)과 계합하지 않는다.
열교환기(12)와 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)에 있어서, 배터리 유닛(11)은 돌출 부재에 해제 가능하게 부착될 수 있다. 도8 및 9에 도시된 실시예에 있어서, 하나 이상의 배터리 유닛(11)을 제 위치에 마찰 가능하게(frictionally) 유지하기 위해 제1휜(54)과 제52휜(56) 사이에 하나 이상의 배터리 유닛(11)이 협지(sandwich)될 수 있다. 휜들(54, 56) 사이의 서로 떨어져 있음은 특정하게 제한되지 않으며, 배터리 유닛(11)으로부터 열교환기(12)로의 열전달을 위해 또한 배터리 유닛(11)을 제 위치에 유지하기 위해 휜(54, 56)이 배터리 유닛(11)과 접촉하는 것을 보장하도록 설정된다.
도10에 서술된 실시예에 도시된 바와 같이, 휜(54, 56)은 열교환기(12)에 배터리 유닛(11)을 해제 가능하게 부착하는 것을 도울 수 있는 편의 수단(64)을 가질 수 있다. 이런 편의 수단(64)은 배터리 유닛(11)이 휜들(54, 56) 사이에 위치할 동안 휜(54, 56)의 변형을 방지하는 것도 도울 수 있다. 휜상에 제공된 편의 수단(64)은 특정하게 제한되지 않으며, 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 특정한 적용 및 요구에 따라 결정될 수 있다. 도10에 도시된 편의 수단(64)은 S 형상의 구조와 같은 구불구불한 구부림(bend)을 휜(54, 56)에 제공함으로써 형성될 수 있다. 편의 수단(64)의 위치도 특정하게 제한되지 않는다. 1 실시예에 있어서, 도10에 도시된 바와 같이, 편의 수단(64)은 휜(54, 56)의 베이스(60)에 제공된다.
다른 실시예에 있어서, 배터리 유닛(11)은 휜(54, 56)에 부착될 수 있으므로, 배터리 유닛(11) 및 휜(54, 56)은 열교환기(12)의 제1벽(22)에 함께 연결될 수 있는 유닛을 형성한다. 이런 실시예에 있어서, 배터리 유닛(11)은 휜(54, 56) 또는 배터리 유닛(11)을 변형시키거나 영향을 끼치지 않고 휜(54, 56)으로부터 분리될 수 없도록 휜(54, 56)에 부착된다.
열교환기(12) 또는 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)에 제공된 휜(54, 56)의 형상 및 개수는 특정하게 제한되지 않으며, 적용의 요구에 따라 설정될 수 있다. 도8 및 9에 도시된 실시예에 있어서, 휜(54, 56)은 평탄한 플레이트형 구조물들에 의해 형성될 수 있으며, 그 각각은 열전달을 돕기 위해 배터리 유닛(11)의 전체 표면과 접촉한다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 빗형(comb-like) 휜 구조 또는 배터리 유닛(11)의 표면의 절반에만 접촉하는 하프-휜(half-fin)과 같은 다른 실시예가 사용될 수도 있다. 그러나, 도8 및 9에 도시된 휜(54, 56)은 배터리 유닛(11)의 전체 표면으로부터 열을 전달하는 것을 도울 수 있다. 또한, 제1 및 제2휜(54, 56)은 도8-10에 도시된 바와 같이 동일할 수 있으며, 또는 상이할 수 있다.
열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 배터리 유닛(11)의 개수는 특정하게 제한되지 않으며, 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 적용 및 요구를 고려하여 설정될 수 있다. 1 실시예에 있어서, 단일의 배터리 유닛(11)은 다수의 돌출 부재(52)에 의해 해제 가능하게 부착된다. 도8-10에 도시된 실시예에 있어서, 하나 이상의 배터리 유닛(11)은 제1 및 제2휜들(54, 56) 사이에 위치할 수 있다. 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 배터리 유닛(11)의 타입도 특정하게 제한되지 않으며, 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)의 요구를 고려하여 설정될 수 있다. 1 실시예에 있어서, 배터리는 딱딱한 외측 쉘(shell)을 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 가요성 배터리 또는 배터리 유닛이 사용될 수 있다.
배터리 유닛(11)으로부터의 열전달은 열교환기(12)의 제1벽(22) 및 배터리 유닛(11)과 접촉하는 휜(54, 56)과 같은 돌출 부재(52)를 통해 발생할 수 있다. 휜(54, 56)상에 제공된 핀(58)은 열교환기(12)의 제1벽(22)과의 접촉을 위해 추가적인 표면적을 제공할 수 있으며, 열전단 효율의 개선을 도울 수 있다. 또한, 배터리 유닛(11) 자체는 도8 및 9에 도시된 바와 같이 열교환기(12)의 제1벽(22)과 접촉하는 표면을 가질 수 있다. 도10에 도시된 실시예에 있어서, 열교환기 및 배터리 유닛 시스템(50)은 열교환기(12)의 제1벽(22)과 배터리 유닛(11) 사이에 갭을 가질 수 있다. 도10에 도시된 바와 같이 편의 수단(64)은 배터리 유닛(11)이 열교환기(12)의 제1벽(22)과의 접촉의 회피를 보장하는 것을 추가로 도울 수 있다.
위에 제공된 다양한 실시예는 단순히 예이며 결코 본 발명의 범위를 제한하는 것을 의미하지 않는다. 여기에 서술된 혁신의 변형들이 본 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이며, 이런 변형은 본 발명의 의도한 범위내이다. 따라서, 여기와 청구범위에 서술된 주제는 모든 적절한 변화를 기술적으로 커버 및 포용하도록 의도된다.
11: 배터리 유닛 20: 냉각 플레이트
26: 유체 채널 30: 돌출 부재
40: 전기 절연층 42: 콜렉터 플레이트

Claims (20)

  1. 열교환기 및 배터리 유닛 구조물에 있어서,
    베이스 부분을 구비한 외측 하우징을 갖는 적어도 하나의 배터리 유닛과,
    그 사이에 유체 채널을 한정하는 서로 떨어져 있는 제1 및 제2벽을 갖는 적어도 하나의 열교환기 플레이트와,
    상기 배터리 유닛의 외측 하우징에 형성 또는 부착된 제1계합 장치와,
    상기 열교환기 플레이트의 제1 및 제2벽 중 적어도 하나의 외측 표면상에 형성된 제2계합 장치를 포함하며,
    상기 열교환기 플레이트는 상기 유체 채널과 연통하는 유체 입구 및 유체 출구를 가지며; 제1계합 및 제2계합 장치의 계합에 따라 적어도 하나의 배터리 유닛 및 적어도 하나의 열교환기 플레이트가 함께 로킹되도록, 상기 제1계합 장치 및 제2계합 장치 중 하나는 제1계합 장치 및 제2계합 장치의 다른쪽 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 유닛 구조물
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 부분은 외측 하우징에 분리 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 배터리 유닛 및 열교환기 플레이트는 함께 제거 가능하게 로킹되는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배터리 유닛 및 열교환기 플레이트는 함께 제거 불가능하게 로킹되는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  5. 제2항에 있어서, 상기 베이스 부분은 외측 하우징에 용접, 경납땜, 또는 연납땜되는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  6. 제2항에 있어서, 상기 베이스 부분은 압출된 본체인 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배터리 유닛은 상부 및 바닥 표면을 갖는 원통형이며, 상기 상부 및 바닥 표면은 하기의 대안 중 하나의 형태, 즉 직사각형, 원형, 정사각형, 삼각형의 형태 또는 임의 다른 각기둥 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 제1계합 부재는 오목한 개구의 형태이며, 제2계합 부재는 돌출 부재의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1계합 장치는 배터리 유닛의 외측 하우징의 바닥 부분에 있으며, 제2계합 장치는 배터리 유닛의 바닥 부분을 수용하기 위해 컬러형 개구의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 배터리 유닛의 외측 하우징은 원형의 상부 및 바닥 표면을 갖는 원통형 캔의 형태이며, 제1계합 장치는 외측 하우징의 베이스 부분이며, 제2계합 장치는 열교환기 플레이트의 제1 및 제2벽들 중 적어도 하나의 외측 표면에 부착된 환형 링의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1계합 장치는 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재에 연결되는 베이스 플레이트를 포함하며, 상기 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재는 배터리 유닛을 해제 가능하게 부착하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  12. 제11항에 있어서, 상기 돌출 부재는 휜인 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  13. 제11항에 있어서, 상기 다수의 돌출 부재는 제1휜 및 제2휜을 포함하며, 상기 제1휜 및 제2휜은 배터리 유닛을 해제 가능하게 부착하기 위해 케이싱을 한정하는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1계합 장치는 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재를 포함하며, 상기 다수의 돌출 부재의 각각은 열교환기의 제1 또는 제2벽에 연결하기 위해 각각의 돌출 부재의 베이스로부터 돌출하는 많은 핀들 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  15. 제14항에 있어서, 상기 돌출 부재는 휜인 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  16. 제14항에 있어서, 상기 열교환기의 제1벽은 하나 이상의 핀을 수용하기 위해 하나 이상의 브래킷을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 및 배터리 구조물.
  17. 열교환기에 있어서,
    그 사이에 유체 채널을 한정하는 서로 떨어져 있는 제1 및 제2벽과,
    제1계합 장치에 연결하기 위해 열교환기 플레이트의 제1 및 제2벽들 중 적어도 하나의 외측 표면상에 형성된 제2계합 장치를 포함하며,
    상기 열교환기 플레이트는 상기 유체 채널과 연통하는 유체 입구 및 유체 출구를 가지며, 상기 제1계합 장치는 배터리 유닛의 외측 하우징에 형성 또는 부착된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  18. 제17항에 있어서, 제1계합 부재는 오목한 개구의 형태이며, 제2계합 부재는 돌출 부재의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1계합 장치는 배터리 유닛의 외측 하우징의 바닥 부분에 있으며, 제2계합 장치는 배터리 유닛의 바닥 부분을 수용하기 위해 컬러형 개구의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제1계합 장치는 서로 떨어져 있는 다수의 돌출 부재를 포함하며, 상기 다수의 돌출 부재의 각각은 열교환기의 제1 또는 제2벽에 연결하기 위해 각각의 돌출 부재의 베이스로부터 돌출하는 많은 핀들 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.


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