KR20170087502A - 전기-이동성의 분야에서의 열 관리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 컴포넌트들의 온도를 제어하기 위한 세라믹 냉각 및 가열 바디(1)에 관한 것이며, 여기서 가열 및 냉각 바디(1)는 전방 측면(2), 반대편의 후방 측면 및 후방 측면에 전방 측면(2)을 연결시키는 사이드 면들(3)을 갖는 판-형상 지지 엘리먼트 및 지지 엘리먼트에 연결되는 금속화부(metallization)로 구성되며, 그리고 금속화부는 전방 측면(2) 및/또는 후방 측면 상에 배열되며, 그리고 지지부는 냉각 엘리먼트를 가진다. 임의의 전기 또는 전자 컴포넌트의 온도를 제어할 수 있기 위해, 가열 구조체(4)가 전방 측면(2) 및/또는 후방 측면에 고정되는 것이 본 발명에 따라 제안된다.
Description
본 발명은 컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 가열 및 냉각 바디에 관한 것이며, 여기서 가열 및 냉각 바디는 전방 측면, 반대편의 후방 측면 및 후방 측면에 전방 측면을 연결시키는 사이드 면들을 갖는 판-형상 지지 엘리먼트 및 지지 엘리먼트에 연결되는 전방 측면 및/또는 후방 측면 상의 금속화부(metallization)로 구성되며, 그리고 지지 엘리먼트는 냉각 엘리먼트를 가진다.
1) 전기 자동차들에서 사용되는 리튬 이온 전지들(아래에서 Li 이온 전지들로 지칭됨)은 가능한 한 빠르게 최적의 작동 상태를 달성할 수 있기 위해 냉각 시 온도에 대한 사전-조절을 요구한다.
저온들에서는, 화학적 프로세스들(에이징(aging)에 따른 전지의 분해를 포함함)이 더 천천히 진행되며, 그리고 리튬 셀들에서 사용되는 전해질들의 점도가 크게 증가하여서, 차가운 온도들에서 Li 이온 전지들의 내부 저항에서의 증가가 또한 존재하며, 그리고 따라서 전달될 수 있는 파워에서의 감소가 존재한다. 게다가, 사용되는 전해질들은 -25℃ 주변 온도들에서 동결될 수 있다. 많은 제조업체들이 작동 범위를 0 내지 40℃로 보고한다. 그러나, 많은 셀들의 최적은 18℃ 내지 25℃이다.
10℃ 이하에서, 많은 유형들의 전지들에 의한 증가된 내부 저항으로 인해 파워의 너무 큰 손실이 존재할 수 있어, 전지들은 시간의 긴 기간 동안 작동에 대해 이용가능하지 않는다. -54℃의 온도들로 아래로 사용될 수 있는 특별한 전해질들을 가지는 특별한 Li 이온 전지들이 존재한다. 저온들에서 전지들을 충전시키는 것은 보통 정전용량(capacitance)의 비가역적인 손실과 연관되는 매우 극심한 에이징을 초래한다. 이러한 이유 때문에, 0℃는 대부분의 Li 이온 전지들에 대한 충전 작동 중에 보다 낮은 허용된 온도로서 특정된다.
2) Li 이온 전지들은 전기 자동차들에 사용되고 최적의 작동 상태를 유지하고 셀들이 과열되는 것을 방지하기 위해 냉각을 요구한다. 전지 셀들의 보다 긴 수명은 또한 냉각에 의해 달성될 수 있다.
작동 온도들이 너무 높으면, 층이 전해질의 분해로 인해 많은 시스템들의 애노드(anode) 상에 형성되며, 이는 그 후 셀의 내부 저항을 크게 증가시킨다. 따라서, 방전 작동 중의 온도는 대부분의 제조업체들에 의해 60 ℃로 제한된다.
다양한 리튬 이온 전지들에서, 열 부하 하에서, 분리기(separator)는 용융될 수 있고, 따라서 에너지의 급격한 방출(가열, 캐칭 파이어(catching fire))과 함께 내부 단락(short circuit)을 유발시킨다. 위험의 다른 소스는 특히 충전 중에 과부하(overload)에서 셀 화학물들의 발열 분해 작용들로부터 존재한다.
3) 전기 차량들에서의 모든 전자 파워 시스템들은 동일한 기초 기능들(기계적인 파워로의 변환을 위한 또는 전지 내에 저장하기 위한 소스로부터 전력을 전송함)을 가진다. 전지는 전기를 직류 전압으로 저장한다. 엔진은 교류 전압의 형태로 전력을 사용한다. 전압은 스위치, 예를 들어 IGBT 또는 MOSFET(파워 트랜지스터들(power transistors))에 의해 매우 빠르게 턴 오프(turn off)되고 턴 온(turn on)된다. 트랜지스터들이 전지로부터 모터로 더 많은 전류를 전도시키기(conduct) 때문에, 최대 토크가 엔진에서 발생될 때까지, 교류 전압은 진폭에서의 증가를 나타낸다. 소산되어야 하는 열의 대부분은 파워 트랜지스터들에 의한 전력 손실로 인해 이러한 프로세스에서 발생된다. 알루미늄 또는 구리로 만들어진 공냉식(air-cooled) 또는 액냉식(liquid-cooled) 시스템들과 같은 히트 싱크들(heat sinks)이 여기서 사용될 수 있다. 컴퓨터 칩들의 효율에서의 증가 및 따라서 또한 파워 밀도에서의 증가에 의해, 최적 가열은 점진적으로 더 어려워지게 된다.
본 발명은, 제 1 항의 전제부에 따른 세라믹 가열 및 냉각 바디에 대한 개선의 목적에 기초하여서, 세라믹 가열 및 냉각 바디가 전기 또는 전자 부품의 열 조절을 위해 사용될 수 있다. 특히, 가열 및 냉각 바디는 전지들의 가열 및/또는 냉각을 위해 그리고 전기 차량들에서의 전자 파워 디바이스들을 냉각하기 위해 사용되어야 한다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 가열 구조체가 전방 측면 및/또는 후방 측면에 적용되는 사실에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 세라믹 가열 및 냉각 바디는 이러한 방식으로 냉각될 수 있을 뿐만 아니라 가열될 수 있다.
바람직한 특정 실시예에서, 가열 구조체는 2 개의 단자 폴들을 가지며, 그리고 단자 폴들의 양자 모두는 전방 측면 및/또는 후방 측면의 에지까지 연속되며, 이 에지 위에 가열 구조체가 위치되며, 그리고 단자 폴들은 에지 주위에 있는 그곳으로부터 전방 측면과 사이드 면 사이로 안내되며, 단자 폴들 각각은 사이드 면 상의 금속화된 연결 지점 내로 개방된다. 따라서, 가열 구조체를 위한 단자 폴들은 가열 구조체로부터 이격되게 배열되어서, 단자 폴들은, 가열 구조체가 로케이팅되는 저부 측면 상에서 공간을 가지지 않는다. 게다가, 전압 소스에 대한 연결은 매우 용이하게 된다.
가열 구조체는, 바람직하게는, 구불구불한(meandering) 배열로 전체 전방 측면 및/또는 후방 측면을 커버한다. 가열되는 표면적의 양은 이러한 방식으로 최대화된다.
본 발명의 유리한 특정 실시예에서, 냉각 엘리먼트들은 지지 바디에서 적어도 하나의 입구 개구 및 적어도 하나의 출구 개구를 가지는 냉각 채널들(cooling channels)이거나, 냉각 엘리먼트들은 지지 바디와 일체로 설계되는 외부 냉각 리브들(external cooling ribs)이다. 가열 및 냉각 바디들은, 적용의 분야에 따라, 액냉식 또는 공냉식 또는 양자 모두의 방식일 수 있다.
액체 냉각에서, 냉각 채널들은 바람직한 특정 실시예에서 평행하게 나란히(side by side) 배열되며, 여기서 모든 입구 개구들은 바람직하게는 가열 및 냉각 바디의 하나의 사이드 면 상에 배열되며, 그리고 모든 출구 개구들은 가열 및 냉각 바디의 반대편의 사이드 면 상에 배열된다. 이러한 방식으로, 가열 및 냉각 바디들은 압출 성형(extrusion molding)에 의해 제조될 수 있다.
바람직한 특정 실시예에서, 금속화부(metallization)는 지지 바디에 소결된다(sintered). 한편으로는, 금속화부는 이러한 방식으로 매우 견고하게 지지 바디에 앵커링될(anchored)뿐만 아니라, 지지 바디에 열적으로 최적으로 연결된다. 많은 실험들에서 지지 바디로부터의 금속화부의 분리가 소결된 금속화부에 의해서만 방지될 수 있음이 밝혀졌다. 게다가, 발생된 열이 소결된 금속화부를 통해 지지 바디로 즉시 전환되기 때문에, 축적되는(buildup) 열이 존재하지 않는다.
바람직한 특정 실시예들에서, 컴포넌트들은 전기 또는 전자 파워 컴포넌트들이며, 이 컴포넌트들의 단자 폴들은 금속화부에 연결된다. 이러한 컴포넌트들은 극심한 열을 발생시키며, 이는 가열 및 냉각 바디들에 의해 빠르게 그리고 절대적으로 안전하게 소산된다.
하나의 적용 경우에서, 그 내측 상에 있는 냉각 채널들을 가지는 수 개의 가열 및 냉각 엘리먼트들은 서로 평행하게 배열되며, 그리고 가열 및 냉각 바디들의 입구 개구들 및 출구 개구들은 냉각 매체(medium)를 위한 중앙의 입구 및 출구 라인들에 연결된다. 이는 다중의 가열 및 냉각 바디들의 하나의 어레이를 생성하여서, 수 개의 컴포넌트들이 동시에 냉각될 수 있다.
컴포넌트들이 냉각 및 가열 바디들 사이에 배열되고 냉각 및 가열 바디들이 열을 전도하는 방식으로 냉각 및 가열 바디들에 연결되는 것이 본원에서 유리하다. 샌드위치 아키텍처(sandwich architecture)의 유형이 생성된다. 공간 요구가 동시에 최소화되면서, 열 커플링이 최적화된다.
컴포넌트들은 바람직하게는 특정 온도 범위에서만 합리적으로(sensibly) 사용될 수 있는 전지들, 특히 리튬 이온 전지들이다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각 바디의 사용은 전기 드라이브 차량들에 대해 바람직하다.
본 발명에 따른 가열 및 냉각 바디는 공냉식 또는 액냉식이며 전기 또는 전자 컴포넌트들을 위한 지지부로서 역할을 하는 세라믹 및/또는 판-형상 세라믹 지지 바디로 만들어지며, 여기서 세라믹에는 요구되는 위치들에 금속화부가 제공되며, 그리고 컴포넌트들은 이러한 금속화된 위치들에 전기적으로 연결된다. 바람직한 특정 실시예에서, 금속화된 위치들은 세라믹으로 소결된다. 공기 냉각을 위해, 세라믹은 판-형상 지지부로 만들어질 수 있으며, 판-형상 지지부는 일 측면 상에 일체로 냉각 리브들을 구비하며, 그리고 다른 측면 상에 금속화된 위치들을 가진다. 액체 냉각을 위해, 세라믹은 냉각 액체가 펌핑되는 채널들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 리튬 이온 전지들의 전지 셀은, 금속화된 가열 구조체를 가지는, 본 발명에 따른 세라믹 가열 및 냉각 바디들의 도움으로 가열되게 된다(brought to temperature).
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 파워 모듈들은 납땜/접합에 의한 금속성 연결(양호한 열 전도성을 가짐)의 도움으로 가열 및 냉각 바디들에 적용된다.
세라믹들은 단순한 기판들일 수 있고, 세라믹들은 3-차원 구조(예를 들어, 핀들(fins) 및/또는 냉각 립들(cooling ribs))를 가질 수 있거나, 세라믹들은 (외향으로 향하는 연결 개구들을 갖는) 폐쇄된 채널들 또는 챔버들을 가질 수 있다. 냉각 그 자체는 가스 또는 액체에 의해 성취될 수 있다.
금속화된 영역들은 텅스텐, 몰리브덴, 은, 은-팔라듐, 은-백금 등으로 만들어진 것과 같은 일반적인 두꺼운-필름(thick-film) 금속화된 영역들뿐만 아니라 AMB 또는 DCB를 포함할 수 있는 채워지고 경화된 페인트들(paints)일 수 있다.
냉각 바디들은 Al2O3, MgO, SiO2와 같은 일반적인 세라믹들, 혼합된 산화물 세라믹들 또는 AlN, Si3N4와 같은 질화물 세라믹들로 제조될 수 있다. 이들은 필름 주조(film casting), 압출 성형, 건식 가압 성형(dry pressing), 사출 성형, 고온 성형(hot molding), 고압 다이 캐스팅(high pressure die casting)에 의해 또는 이후에 소결되는 소결되지 않은 몰딩된 바디들(그린 바디들) 또는 세라믹 재료들의 블랭킷들(blankets)의 기계적인 프로세싱에 의해 요망되는 형상으로 변환될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 세라믹으로 만들어진 판-형상 가열 및 냉각 바디(1)에 대한 수 개의 도면들을 도시한다.
도 4는 2 개의 가열 및 냉각 바디들(1) 사이에 배열된 리튬 이온 전지의 전지 셀들(11)을 도시한다.
도 4는 2 개의 가열 및 냉각 바디들(1) 사이에 배열된 리튬 이온 전지의 전지 셀들(11)을 도시한다.
도 1, 도 2 및 도 3은 세라믹으로 만들어진 판-형상 가열 및 냉각 바디(1)에 대한 수 개의 도면들을 도시한다. 도 1은 가열 및 냉각 바디(1)의 전방 측면(2) 및 2 개의 사이드 면들(3a, 3b)을 도시한다. 도 2는 사이드 면(3b)에 대한 도면을 도시하며, 그리고 도 3은 가열 및 냉각 바디(1)의 전방 측면(2)을 도시한다.
가열 및 냉각 바디(1)는 전방 측면(2)과 후방 측면(미도시)으로 구성되며, 여기서 전방 측면(2)은 사이드 면들(3)에 의해 후방 측면에 연결된다. 가열 및 냉각 바디(1)에는 그 전방 측면(2) 상에 가열 구조체(4)가 제공된다. 본원에서 도시된 특정 실시예에서, 구불구불한(meandering) 형상으로 설계된 가열 구조체(4)는 전체의 전방 측면(2)을 커버한다. 가열 구조체(4)의 양자 모두의 단자 폴들(5, 6)은 가열 및 냉각 바디(1)의 전방 측면(2)의 에지로 연속되고, 사이드 면(3a)상의 금속화된 연결 장소(8) 내로 각각 개방되는 에지(7) 주위로 안내된다.
가열 및 냉각 바디(1)를 냉각시키기 위해, 가열 및 냉각 바디는 냉각 액체가 펌핑되는 내부 냉각 채널들(9)을 가진다. 본원에서 도시된 특정 실시예에서, 이러한 냉각 채널들(9)은 서로 평행하게 배열되며, 여기서 모든 입구 개구들(10)은 사이드 면(3b) 상에 배열되며, 그리고 모든 출구 개구들은 가열 및 냉각 바디(1)의 반대편 사이드 면 상에 배열된다.
이러한 가열 및 냉각 바디(1)는 리튬 이온 전지의 전지 셀(11)(도 4 참조)에 연결된다. 열의 양호한 소산(dissipation) 및 열의 양호한 입력이 보장되어서 양호한 열 접촉이 구축된다.
본원에서 도시된 가열 및 냉각 바디(1)는 가열 구조체(4) 반대편에 있는 후방 측면 상에 금속화부를 가질 수 있으며, 그리고 냉각될 컴포넌트들은 거기에서 납땜될 수 있다. 냉각 채널들(9)에 의한 냉각은 가열 및 냉각 바디의 후방 측면 상의 핀들(fins)에 의해 대체되거나 보강될 수 있다. 이러한 경우에, 핀들은 가스(예를 들어, 공기)에 의해 냉각될 것이다.
도 4는 2 개의 가열 및 냉각 바디들(1) 사이에 배열된 리튬 이온 전지의 전지 셀들(11)을 도시한다. 이러한 가열 및 냉각 바디들(1)은 도 1 내지 도 3의 가열 및 냉각 바디들과 동일하다. 전지 셀들(11)은 양호한 열 전도 페이스트(paste)에 의해 가열 및 냉각 바디들(1)에 연결될 수 있다. 가열 및 냉각 바디(1)의 내부 냉각 채널들(9)(도 1 내지 도 3 참조)을 통해 냉각 유체를 펌핑할 수 있기 위해, 내부 냉각 채널들(9)은 외부 냉각 라인들(13)에 연결된다. 각각 입구 및 적어도 하나의 출구를 각각 가지는 2 개의 사이드 냉각 채널들(15) 및 저부 냉각 채널(14)이 존재한다. 가열 및 냉각 바디들(1) 상의 가열 구조체(4)는 전기 연결 라인들(16)에 의해 적어도 하나의 전력 소스(electric power source)(미도시)에 연결된다.
Claims (11)
- 컴포넌트들(components)의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디(ceramic heating and cooling body)(1)로서,
상기 가열 및 냉각 바디(1)는 전방 측면(2), 그 반대편에 있는 후방 측면 및 상기 후방 측면에 상기 전방 측면(2)을 연결시키는 사이드(side) 면들(3)을 갖는 판-형상 지지부, 및 상기 지지부에 연결되는 금속화된 영역들로 구성되며, 상기 금속화된 영역들은 상기 전방 측면(2) 및/또는 상기 후방 측면 상에 배열되며, 그리고 상기 지지부는 냉각 엘리먼트들(elements)을 가지는, 컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디에 있어서,
가열 구조체(4)는 상기 전방 측면(2) 및/또는 상기 후방 측면에 적용되는 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가열 구조체(4)는 2 개의 단자 폴들(terminal poles)(5, 6)을 가지며, 그리고 상기 양자 모두의 단자 폴들(5, 6)은 상기 가열 구조체(4)가 로케이팅되는, 상기 전방 측면(2) 및/또는 상기 후방 측면의 상기 에지로 연속되고, 상기 에지(7) 주위 부분으로부터 상기 전방 측면(2)과 사이드 면(3) 사이로 연속하며, 그리고 상기 사이드 면(3) 상의 금속화된 단자 포인트(metallized terminal point)(8)는 각각 내로 개방되는 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가열 구조체(4)는 구불구불한 패턴(meandering pattern)으로 전체의 상기 전방 측면(2) 및/또는 후방 측면을 커버하는 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 엘리먼트들은 상기 지지부에서 적어도 하나의 입구 개구(10) 및 적어도 하나의 출구 개구를 가지는 내부 냉각 채널들(internal cooling channels)(9)이거나, 상기 냉각 엘리먼트들은 상기 지지부와 일체로 설계되는 외부 냉각 리브들(external cooling ribs)인 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 4 항에 있어서,
상기 냉각 채널들(9)은 서로 평행하게 배열되며, 상기 모든 입구 개구들(10)은 하나의 사이드 면(3b) 상에 배열되며, 그리고 상기 모든 출구 개구들은 상기 가열 및 냉각 바디(1)의 반대편 사이드 면 상에 배열되는 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속화된 영역들은 상기 지지부로 소결되는(sintered) 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컴포넌트들은 전기 또는 전자 파워(electric or electronic power) 컴포넌트들이며, 상기 컴포넌트들의 단자 폴들 상기 금속화된 영역들에 연결되는 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 냉각 채널들(9)을 가지는 상기 수 개의 가열 및 냉각 바디들(1)은 서로 평행하게 배열되며, 그리고 상기 가열 및 냉각 바디들(1)의 상기 입구 개구들(10) 및 상기 출구 개구들은 냉각 매체(medium)를 위한 중앙의 입구 및 출구 라인들에 연결되는 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 8 항에 있어서,
상기 컴포넌트들은 상기 가열 및 냉각 바디들 사이에 배열되고 열 전도 방식으로 상기 가열 및 냉각 바디들에 연결되는 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컴포넌트들은 전지들(batteries)(11), 특히 리튬 이온 전지들(lithium ion batteries)인 것을 특징으로 하는,
컴포넌트들의 온도를 조절하기 위한 세라믹 가열 및 냉각 바디.
- 전기 드라이브(electric drive)를 가지는 차량들에서 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 가열 및 냉각 바디의 용도.
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