KR20210023883A - 재충전 가능한 전기화학 에너지 어큐뮬레이터들의 배열로부터 열을 방산하기 위한 디바이스 - Google Patents

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코베스트로 인텔렉쳐 프로퍼티 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

본 발명은 재충전 가능한 전기화학 에너지 어큐뮬레이터들의 배열로부터 열을 방산하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 상기 디바이스는 히트 파이프 및 히트 커플링 엘리먼트를 포함한다. 본 발명은 또한 청구되는 디바이스를 포함하는 재충전 가능한 전기화학 에너지 어큐뮬레이터들의 배열에 관한 것이다.

Description

재충전 가능한 전기화학 에너지 어큐뮬레이터들의 배열로부터 열을 방산하기 위한 디바이스
본 발명은 재충전 가능한 전기화학 에너지 저장소들의 배열로부터 열을 방산하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 상기 디바이스는 히트 파이프(heat pipe) 및 히트 커플링-인 엘리먼트(heat coupling-in element)를 포함한다. 본 발명은 또한 재충전 가능한 전기화학 에너지 저장소들의 배열에 관한 것으로, 이 배열은 본 발명에 따른 디바이스를 포함한다.
본 발명의 맥락에서, 재충전 가능한 전기화학 에너지 저장소는 갈바닉 2차 전지(galvanic secondary cell)를 의미하는 것으로 이해되어야 하고, 이러한 갈바닉 2차 전지는 또한 이하 축전지(storage battery) 또는 줄여서 배터리로 지칭될 것이다. 특히, 이러한 배터리는 ZEBRA(zero emission battery research activities) 배터리로도 지칭되는 리튬-이온 배터리 또는 염화 나트륨/니켈 전지(sodium/nickel chloride cell)이다. 전기적으로 서로 연결될 수 있는 2개 이상의 배터리들의 배열은 배터리 팩으로도 지칭된다. 여기서, 전기적 연결은 직렬 또는 병렬로 실현될 수 있다. 이와 관련하여, 모든 배터리들은 직렬로 연결될 수도 있고, 또는 모든 배터리들은 병렬로 연결될 수도 있다. 배터리 팩에 충분한 수의 배터리들이 있는 경우, 이러한 수의 배터리들의 서브세트들이 각각 직렬로 연결되고, 그 후 이러한 서브세트들이 서로 병렬로 연결되는 것도 가능하고, 또는 이러한 수의 배터리들의 서브세트들이 각각 병렬로 연결되고, 그 후 이러한 서브세트들이 서로 직렬로 연결되는 것도 가능하다.
특히, 전기 구동 차량들을 구동하기 위해 사용되는 배터리 팩의 배터리들은 바람직하게는 실질적으로 원형 실린더 본체들의 형태로 설계되며, 그 높이는 적어도 원형 실린더의 원 직경만큼 크다. 마찬가지로, 배터리 팩의 모든 배터리들이 동일한 형태인 것이 바람직하다. 공간을 절약하기 위해, 즉, 콤팩트한 배터리 팩, 즉, 콤팩트한 설계의 배터리 팩을 제공하기 위해, 배터리 팩의 배터리들은 서로 조밀하게 인접하게 공간적으로 배열된다. 이와 관련하여, 배터리 팩에서 2개의 배터리 사이의 최소 거리는 인접한 실린더 원 직경의 10% 미만, 종종 5% 미만, 특히 최대 3mm, 바람직하게는 1.5 내지 0.5mm, 특히 바람직하게는 대략 0.75mm이다. 여기서, 배터리들은 바람직하게는 각각의 경우에 그들의 상부 원형 표면들이 동일한 평면에 놓이고 각각의 경우에 그들의 하부 원형 표면들이 동일한 평면에 놓이도록 서로 평행하게 배열된다. 더욱 바람직하게는, 배터리 팩의 배터리들이 구들의 원시 입방 패킹(primitive cubic packing)과 유사한 방식으로, 또는 가장 조밀한 육각형 패킹(densest hexagonal packing)과 유사한 방식으로 배열되는 경우가 있다.
이 경우, 배터리의 전극들은 일반적으로 하나의 전극, 일반적으로 애노드가 배터리의 원형 표면들 중 하나와 배터리의 케이싱 표면의 서브 영역 상에 위치하도록 배열되며, 서브 영역은 이 원형 표면에 직접 인접하고, 여기서 전류는, 예를 들어, 핀(pin)이라고도 지칭되는 용접된 와이어를 통해 빠져나갈 수 있다. 그리고, 반대로 충전되는 다른 전극, 일반적으로 캐소드는 배터리의 케이싱 표면의 나머지 영역 상에 위치하며, 여기서 전류는, 예를 들어, 용접된 와이어를 통해 그곳에서 빠져나갈 수 있다. 여기서, 반대로 충전되는 2개의 전극은 서로에 대해 적절하게 전기적으로 절연된다. 케이싱의 높이 방향에서, 케이싱 표면의 나머지 영역 상에 위치하는 전극의 범위는 케이싱 표면 높이의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 60%, 특히 바람직하게는 적어도 70%를 가정한다. 바람직하게는, 배터리 팩의 모든 배터리들은 그들의 전극들에 대해 동일한 극성 및 동일한 배향(orientation)을 갖는다.
배터리 팩의 배터리들이 서로에 대해 원하는 배열로 유지되도록 하기 위해, 이들은 일반적으로 셀 홀더(cell holder)에 배열된다.
배터리를 충전하면, 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되고, 배터리를 방전하면, 즉, 전류가 빠져나가면, 화학 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 본 발명의 맥락에서, "전류(current)"라는 용어는, 달리 언급되지 않는 한, 항상 전기 전류(electrical current)를 지칭한다는 점에 유의해야 한다.
한 형태의 에너지로부터 다른 형태의 에너지로의 모든 변환들로 인해, 에너지 손실들이 발생한다. 이러한 에너지 손실은 일반적으로 열 복사를 통해 눈에 띄게 되며, 이는 결국 온도 상승으로 나타난다. 상기 에너지 변환이 더 빨리 실현되고 발생된 열이 제거될 수 있는 정도가 낮을수록, 상기 온도 상승은 더 커진다.
배터리 팩의 경우, 특히, 배터리 팩의 배터리들이 매우 짧은 시간에 충전되거나 또는 많은 양의 전기 에너지가 매우 짧은 시간에 방출되는 경우, 많은 양의 열이 발생된다. 여기서, "매우 짧은 시간에(in a very short time)"라는 용어는 배터리의 충전 또는 방전 전류가 상기 배터리가 조절되는 동작 동안 충전되도록 의도되는 전류의 적어도 두 배라는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 배터리 팩의 콤팩트한 설계로 인해, 발생된 열은 제대로 제거되지 않는다. 대류를 위한 배터리 팩 고유의 자연적 능력이나 열 전도를 위한 배터리 팩 고유의 자연적 능력 모두 이 목적에 충분하지 않다. 열의 불량한 제거로 인해 온도 상승이 발생하면 배터리들에 대한 손상으로 이어지고, 이러한 손상은 배터리들 중 하나 이상의 것의 전력 감소, 수명 단축, 최대 고장으로까지 이어질 수 있다.
특히, 60℃ 이상의 온도들이 여기에서 위험하다. 또한, 배터리들, 특히, 리튬 이온 배터리들의 경우, 배터리 팩 내에서 4K 이상의 온도 차이들은 위험하다.
또한, 한편으로는 배터리 팩을 외부 영향들, 예를 들어, 날씨 영향들 또는 기계적 부하들에 대해 보호하기 위해, 다른 한편으로는, 예를 들어, 사람들을 전극들과의 접촉 및 이에 따른 감전 위험에 대해 보호하기 위해, 배터리 팩이 하우징에 위치하는 경우가 일반적이다. 상기 하우징은 대류 및 열 전도를 방해하기 때문에 발생된 열이 제거되는 것을 더욱 어렵게 만든다.
예를 들어, 특히 팬을 통한 강제 에어레이션(aeration)에 의한 배터리 팩의 강제 대류는 이것이 결국 배터리 팩의 콤팩트한 설계의 이점을 무효화시키는 것 이상이기 때문에 비효율적인 것으로 밝혀졌다.
배터리 팩으로부터의 열 제거에 대한 이러한 제한들은 완전하게 또는 부분적으로 전류 구동되는 자동차들에서 이러한 배터리 팩들의 사용을 방해한다. 완전하게 또는 부분적으로 전류 구동되는 이러한 자동차들은 이하 전기 자동차(electric car)들이라고 지칭될 것이다. 전기 자동차들의 성공적인 도입은 전기 자동차들에 내연 기관에 의해 전적으로 구동되는 대응하는 자동차들의 주행 거리(range) 및 주유 속도에 적어도 상당히 대응하는 주행 거리 및 충전 속도를 허용하는 고효율 배터리 팩들의 제공을 필요로 한다. 전기 자동차의 주행 거리의 경우, 이것은 내연 기관에 의해 전적으로 구동되는 대응하는 자동차들의 주행 거리의 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 40%, 특히 바람직하게는 적어도 50%에 해당함을 의미한다. 전기 자동차의 배터리 팩의 충전 속도의 경우, 이것은 최대 30분, 바람직하게는 최대 20분, 특히 바람직하게는 최대 15분에 해당함을 의미한다.
여기서, 내연 기관에 의해 전적으로 구동되는 대응하는 자동차들의 엔진 파워와 관련하여, 전기 자동차들은 이미 오늘날 적어도 균등하게 매치되고 있다는 것이 명시되어야 한다.
예를 들어, 특히 팬을 통한 강제 에어레이션에 의한 배터리 팩의 강제 대류는 이것이 결국 배터리 팩의 콤팩트한 설계의 이점을 무효화시키는 것 이상이기 때문에 비효율적인 것으로 밝혀졌다. 또한, 이러한 강제 대류의 경우, 유입되는 공기가 개별 배터리들 사이의 중간 공간들에서 소용돌이치므로 흐름 채널들이 형성될 수 없고, 오히려 반대로 추가 공기 공급에 대한 배압 카운터(back pressure counter)가 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이것은 배터리 팩의 냉각을 추가로 방해한다.
개별 배터리들 사이의 중간 공간들에서 유입되는 공기의 소용돌이가 발생하는 문제 및 그로 인해 위에서 언급된 결과들이 발생하는 문제는 전기 자동차에 설치되는 배터리 팩이 상대 바람에 의해 냉각되는 것으로 의도되는 경우에도 발생한다. 상대 바람에 의한 배터리 팩의 이러한 직접 냉각은 강제 대류로서 이해되어야 한다.
문제에 대한 해결책으로서, WO2010060856A1은 배터리 팩의 온도를 제어하기 위해 배터리 팩의 배터리들 사이에 자유롭게 흐르는 온도 제어 액체를 제공하는 것을 제안한다. 그런 다음, 배터리 팩에 발생된 열을 외부로 방산하기 위해 이러한 온도 제어 액체에 히트 파이프가 도입된다. 그러나, 이 해결책은 이러한 온도 제어 액체가 제공된 배터리 팩을 갖는 전기 자동차가 사고에 연루되는 경우, 온도 제어 액체가 빠져나가 손상을 야기할 수 있다는 단점을 갖는다. 또한, 이러한 배열의 경우, 예를 들어, 방전된 배터리들을 갖는 배터리 팩을 충전된 배터리들을 갖는 배터리 팩으로 교체하기 어려운데, 왜냐하면, 첫째, 이러한 배터리 팩은 상대적으로 무겁고, 둘째, 온도 제어 액체가 누출 이벤트시 빠져나올 수 있기 때문이다.
이 문제에 대한 해결책으로서, WO2017182156A1은 배터리 팩의 배터리 또는 다수의 배터리들로부터 히트 파이프로 열을 전달한 다음, 상기 열을 상기 히트 파이프로부터 하우징 커버로 그리고 이로부터 주변으로 전달하기 위해, 예를 들어, 실리콘 또는 아크릴로 구성된 열 패드들을 제공하는 것을 제안한다. 이 해결책은 이러한 온도 제어 액체가 제공된 배터리 팩을 갖는 자동차가 사고에 연루될 경우, 이러한 온도 제어 액체가 존재하지 않기 때문에, 온도 제어 액체가 빠져나와 손상을 야기할 가능성은 방지하지만, 첫째, 열 패드들을 위해 WO2017182156A1에서 제안된 재료들의 열 전도도들이 매우 낮고, 이로 인해 히트 파이프로 또는 히트 파이프로부터 열을 전달하는 효율성이 낮고, 둘째, 히트 파이프에 대한 열 패드들의 WO2017182156A1에서 제안된 공간 배열이 히트 파이프로 또는 히트 파이프로부터 열을 효과적으로 전달하는 데 낮은 적절성을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 극복하는 디바이스를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 대류를 위한 배터리 팩 고유의 자연적 능력과 열 전도를 위한 배터리 팩 고유의 자연적 능력의 조합을 통해 가능한 것보다, 배터리 팩으로부터 열이 보다 빠르게 제거되게 할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 팩 내부의 매우 큰 온도 차이들이 방지되게 할 수 있는 디바이스를 제공하는 것이다.
여기서, 바람직하게는 강제 대류, 특히, 팬을 통한 강제 대류를 필요없게 할 수 있도록 의도된다.
또한, 온도 제어 액체를 필요없게 하도록 의도된다. 이것은 이러한 온도 제어 액체가 제공된 배터리 팩을 갖는 전기 자동차가 사고에 연루될 경우, 온도 제어 액체가 빠져나와 손상을 야기할 가능성을 피하기 위한 것이다. 또한, 무거운 리프팅이 필요없이, 또는 온도 제어 액체가 누출들로 인해 빠져나오는 것이 가능하지 않게, 이러한 배터리 팩을 다른 배터리 팩으로, 예를 들어, 방전된 배터리들을 갖는 배터리 팩을 충전된 배터리들을 갖는 배터리 팩으로 쉽게 교체할 수 있는 경우가 의도된다.
특히, 배터리 팩의 배터리들은 배터리들의 충전 또는 방전에 의해 60℃ 이상의 온도로 가열될 수 없는 것을 보장하도록 의도된다.
이러한 방식으로, 배터리들 중 하나 이상의 것의 전력 감소, 수명 단축, 최대 고장으로까지 이어질 수 있는 배터리들에 대한 손상이 방지되도록 의도된다.
이것은 전기 자동차들에 내연 기관에 의해 전적으로 구동되는 대응하는 자동차들의 주행 거리 및 주유 속도에 적어도 상당히 대응하는 주행 거리 및 충전 속도를 허용하는 고효율 배터리 팩들의 제공을 가능하게 한다.
도 1은 구들의 가장 조밀한 육각형 패킹과 유사한 방식으로 배열된 배터리들(1) 및 인서트 히트 파이프들(2)을 갖는 배터리 팩(3)을 도시한다.
도 2는 구들의 가장 조밀한 육각형 패킹과 유사한 방식으로 배열된 배터리들(1)을 갖고, 인서트 히트 파이프들(2) 및 히트 커플링-인 엘리먼트들(4)을 갖는 배터리 팩의 세부 사항을 도시한다.
도 3은 인서트 히트 파이프들(2) 및 히트 커플링-인 엘리먼트들(4)을 갖는 인서트(5)를 도시한다.
도 4는 인서트 히트 파이프(2) 및 히트 커플링-인 엘리먼트(4)를 갖는 인서트(5)를 통한 단면도를 도시한다.
도 5는 인서트 히트 파이프들(2)을 갖는 다수의 배터리들(1)의 측면도를 도시한다.
도 6은 이웃 중간 공간(6)과 직렬로 배열된 2개의 배터리(1)의 배열을 통한 단면도를 도시한다.
도 7은 이웃 중간 공간(7)을 갖는 구들의 가장 조밀한 육각형 패킹과 유사한 배터리들(1)의 배열을 통한 단면도를 도시한다.
도 8은 이웃 중간 공간(8)을 갖는 구들의 원시 입방 패킹과 유사한 배터리들(1)의 배열을 통한 단면도를 도시한다.
도 9는 배터리들(1), 인서트 히트 파이프들(2) 및 히트 커플링-인 엘리먼트들(4)을 포함하는 인서트들(5), 배터리 팩 히트 싱크(9), 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프(10), 셀 홀더(11), 하우징(12), 핫-엔드 히트 싱크(13), 열 전도성 층(14), 펠티에 엘리먼트(15) 및 콜드-엔드 히트 싱크(16)를 갖는 배터리 팩(3)의 개략도를 도시한다.
상기 목적은 주요 청구항의 피처들을 갖는 디바이스에 의해 달성된다. 바람직한 구성들은 종속항들에서 찾을 수 있다.
상기 목적은 특히 이하에서 간단히 인서트(insert)라고 지칭되는 열 방산 인서트(heat dissipation insert)에 의해 달성된다.
상기 인서트는 히트 파이프(heat pipe) 및 히트 커플링-인 엘리먼트(heat coupling-in element)를 포함한다. 인서트의 히트 파이프는 이하 인서트 히트 파이프라고도 지칭될 것이다.
인서트는 배터리 팩의 2개 이상의 배터리 사이의 이웃 중간 공간(neighbourhood intermediate space)에 배열되기에 적절하도록 의도된다.
이 2개 이상의 배터리의 이웃 중간 공간은 직렬로 배열된 배터리들의 배열에서는 2개의 배터리에 의해 형성되는 반면, 구들의 원시 입방 패킹과 유사한 배터리들의 배열에서는, 이 이웃 중간 공간이 4개의 배터리에 의해 형성되고, 구들의 가장 조밀한 육각형 패킹과 유사한 배터리들의 배열에서는, 이 이웃 중간 공간이 3개의 배터리에 의해 형성된다.
히트 커플링-인 엘리먼트는, 특히, 히트 파이프에 열을 도입하기 위해 열원으로부터 히트 파이프로 열을 전달할 수 있는 물리적 객체, 특히, 성형체이다.
히트 파이프들은 원칙적으로 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다. 히트 파이프는 작동 매체의 증발열을 활용하여 높은 열 유속 밀도를 허용하는, 즉, 작은 단면적에서 많은 양의 열이 전달될 수 있는 열 전달 수단이다. 히트 파이프들은 작동 매체로서 물을 사용하여 제한된 온도 범위에서만, 예를 들어, 구리로 구성된 히트 파이프들의 경우 0 내지 250℃의 범위에서만 사용될 수 있지만, 이들은 상기 범위에서 금속들의 것보다 상당히 낮은 열 저항을 갖는다. 히트 파이프들의 동작은 결과적으로 상태의 등온 변화와 매우 유사하다. 히트 파이프의 길이에 걸쳐 대략 일정한 온도가 유지된다. 따라서, 동일한 전달 용량에 대해, 동일한 사용 조건들 하에서 종래의 열 전달 수단보다 훨씬 가벼운 설계들이 가능하다. 히트 파이프들은 파이프 형상의 밀폐 캡슐화된 체적을 포함하며, 각각의 경우, 하나의 단부는 열원을 향하고, 다른 단부는 히트 싱크(heat sink)를 향한다. 파이프는 작동 매체, 예를 들어, 물 또는 암모니아로 채워지며, 그 중 작은 부분은 액체 상태에서 체적을 차지하고, 그 중 상대적으로 큰 부분은 증기 상태에서 체적을 차지한다. 열이 도입될 때, 작동 매체는 특히 열원을 향하는 단부에서 증발하기 시작한다. 이러한 방식으로, 증기 공간의 액체 표면 위에서 국부적으로 압력이 증가하여, 히트 파이프 내에서의 작은 압력 구배로 이어진다. 따라서, 발생되는 증기는 더 낮은 온도를 갖는 포지션, 즉, 히트 싱크를 향하는 단부로 흘러가며, 여기서 이것은 응축된다. 상기 포지션에서, 방출되는 응축열에 의해 온도가 증가된다. 이전에 흡수된 잠열은 주변으로 방출된다. 모세관 힘들에 의해, 액체 작동 매체는 열이 도입되는 포지션으로 다시 리턴한다(출처: Wikipedia).
명확성을 위해, 본 발명의 맥락에서, 히트 파이프의 작동 매체는 WO2010060856A1에 개시된 기술적 해결책에 대한 논의에서 이 문서에서 언급된 바와 같이 배터리 팩의 배터리들 사이를 자유롭게 흐르는 온도 제어 액체를 구성하지 않는다는 점에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 인서트는 배터리들의 충전 또는 방전에 의해 배터리 팩의 배터리들이 60℃ 이상의 온도로 가열되지 않게 할 뿐만 아니라, 배터리 팩 내에서 4K 이상의 온도 차이들이 발생하지 않게 할 수 있다.
이러한 방식으로, 배터리들 중 하나 이상의 것의 전력 감소, 수명 단축, 최대 고장으로까지 이어질 수 있는 배터리들에 대한 손상이 방지될 수 있다.
또한, 온도 제어 액체가 필요없을 수 있다. 이것은, 이러한 온도 제어 액체가 제공된 배터리 팩을 갖는 전기 자동차가 사고에 연루될 경우, 온도 제어 액체가 빠져나와 손상을 야기할 가능성을 방지한다. 또한, 이러한 배터리 팩을 다른 배터리 팩으로, 예를 들어, 방전된 배터리들을 갖는 배터리 팩을 충전된 배터리들을 갖는 배터리 팩으로 쉽게 교체할 수 있는 경우도 있는데, 왜냐하면 이러한 배터리 팩은 온도 제어 액체를 갖는 것보다 취급하기 더 쉽고 일반적으로 더 가볍고, 적어도 더 무겁지 않으며, 온도 제어 액체가 누출들로 인해 빠져나가는 것이 가능하지 않기 때문이다.
또한, 이것은 전기 자동차들에 내연 기관에 의해 전적으로 구동되는 대응하는 자동차들의 주행 거리 및 주유 속도에 적어도 상당히 대응하는 주행 거리 및 충전 속도를 허용하는 고효율 배터리 팩들을 제공하는 목적을 달성한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 인서트의 히트 커플링-인 엘리먼트는 실질적으로 적어도 0.1W/(m*K), 바람직하게는 적어도 0.2W/(m*K), 특히 바람직하게는 적어도 0.5W/(m*K), 매우 특히 바람직하게는 적어도 1W/(m*K), 특별히 바람직하게는 적어도 2W/(m*K)의 면내 열 전도도(in-plane thermal conductivity)를 갖는 열 전도성 재료로 구성된다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 인서트의 히트 커플링-인 엘리먼트는 실질적으로 0.1 내지 30W/(m*K), 바람직하게는 0.2 내지 10W/(m*K), 특히 바람직하게는 0.5 내지 4W/(m*K) 또는 1 내지 10W/(m*K), 매우 특히 바람직하게는 2 내지 7W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 전도성, 전기 절연 열 가소성 조성물로 구성된다. 여기서, 상기 열 전도성, 전기 절연 열 가소성 조성물은 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률(volume resistivity)을 갖는다.
전기 절연은 이하 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률로서 정의된다.
여기서, 체적 저항률은 DIN IEC 60093(DIN IEC 60093:1993-12)에 따라 결정된다.
본 발명의 맥락에서, 사출 성형 방향의 열 전도도(면내 열 전도도)에 대해 참조가 이루어지는 경우, 상기 열 전도도는 치수 80mm x 80mm x 2mm의 샘플들에 대해 ASTM E 1461(ASTM E 1461:2013)에 따라 23℃에서 결정되었다.
본 문서에서, 제1 물리적 객체가 실질적으로 제2 물리적 객체로 구성되는 맥락에서 "실질적으로"라는 용어에 대해 참조가 이루어지는 경우, 이것은 상기 제1 물리적 객체가 제2 물리적 객체로 적어도 50중량%의 범위, 바람직하게는 적어도 65중량%의 범위, 특히 바람직하게는 적어도 80중량%의 범위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 95중량%의 범위까지 구성되는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 인서트의 히트 커플링-인 엘리먼트와 관련하여, 이것은 히트 커플링-인 엘리먼트가 0.1 내지 30W/(m*K), 바람직하게는 0.2 내지 10W/(m*K), 특히 바람직하게는 0.5 내지 4W/(m*K) 또는 1 내지 10W/(m*K), 매우 특히 바람직하게는 2 내지 7W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖고, 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률을 갖는 열 전도성, 전기 절연 열 가소성 조성물로 적어도 50중량%의 범위, 바람직하게는 적어도 65중량%의 범위, 특히 바람직하게는 적어도 80중량%의 범위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 95중량%의 범위까지 구성된다는 것을 의미한다.
바람직한 대안 1에서, 본 발명에 따른 인서트의 히트 커플링-인 엘리먼트는 실질적으로 0.5 내지 50W/(m*K), 바람직하게는 1 내지 30W/(m*K), 특히 바람직하게는 2 내지 20W/(m*K), 특별히 7 내지 15W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 전도성 열 가소성 조성물로 구성된다. 이 경우, 열 전도성 열 가소성 조성물은 1010ohm*m 이하의 체적 저항률을 가질 수 있다.
바람직한 대안 2에서, 본 발명에 따른 인서트의 히트 커플링-인 엘리먼트는 실질적으로 금속, 특히 알루미늄, 구리 또는 철, 또는 금속 합금, 특히 알루미늄 합금, 구리 합금 또는 철 합금으로 구성된다.
대안 1이 선택되고, 열 전도성 열 가소성 조성물이 1010ohm*m 이하의 체적 저항률을 갖는 경우, 또는 대안 2가 선택되는 경우, 그의/그들의 전극들 중 적어도 하나의 것의 영역에서 히트 커플링-인 엘리먼트와 접촉하게 되는 배터리 팩의 배터리 또는 배터리들이 히트 커플링-인 엘리먼트에 대해 전기 절연을 갖는 것이 필요하다. 상기 전기 절연은, 예를 들어, 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률을 갖는 재료에 의한 피복(envelopment) 또는 코팅에 의해 실현될 수 있다.
이러한 방식으로, 전기 단락이 발생하지 않거나 배터리가 불필요하게 방전되지 않도록 보장될 수 있다.
바람직하게는, 인서트 히트 파이프는 히트 커플링-인 엘리먼트의 열 전도성 열 가소성 조성물에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이며, 특히 바람직하게는 이에 의해 캡슐화된다. 캡슐화의 결과로서, 인서트 히트 파이프는 효과적인 열 전달이 가능하도록 히트 커플링-인 엘리먼트의 열 전도성 열 가소성 조성물에 연결되는 것이 달성되는데, 왜냐하면, 캡슐화로 인해, 인서트 히트 파이프와 히트 커플링-인 엘리먼트의 열 전도성 열 가소성 조성물 사이의 접촉 표면들의 적어도 일부들에 재료 본딩된 연결이 형성되기 때문이다. 이것은 결국, 인서트 히트 파이프와 히트 커플링-인 엘리먼트의 열 전도성 열 가소성 조성물 사이에, 효과적인 열 전달을 방해하는 중간 공간이 더 이상 존재하지 않게 되는 효과를 갖는다.
특히 바람직하게는, 인서트 히트 파이프의 벽 두께에 대한 외부 직경의 비율은 10:1 내지 4:1, 바람직하게는 8:1 내지 4:1, 특히 바람직하게는 7:1 내지 5:1이다. 이것은, 캡슐화 동안, 인서트 히트 파이프가 붕괴되거나 파열되지 않으며, 효과적인 열 방산이 방해될 정도로 일부 다른 방식으로 손상되지 않는 것을 보장한다. 이것은, 캡슐화 후, 열 방산을 위한 인서트 히트 파이프의 능력이 캡슐화되지 않은 히트 파이프, 즉, 캡슐화 이전의 히트 파이프의 열 방산을 위한 능력의 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 90%, 특히 바람직하게는 적어도 95%, 특히 적어도 98%임을 보장한다.
바람직하게는, 인서트 히트 파이프는 2개 이상의 배터리 중 가장 긴 것보다 길며, 특히 바람직하게는, 인서트 히트 파이프는 2개 이상의 배터리 중 가장 긴 것보다 적어도 10% 더 길며, 매우 특히 바람직하게는, 인서트 히트 파이프는 2개 이상의 배터리 중 가장 긴 것보다 적어도 20% 더 길다.
바람직하게는, 인서트는 배터리 팩의 2개 이상의 바로 인접한 배터리 사이의 이웃 중간 공간을 가능한 한 완전히, 즉, 적어도 65%의 범위, 바람직하게는 적어도 80%의 범위, 특히 바람직하게는 적어도 90%의 범위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 95%의 범위로 점유하기에 적절하도록 형상화된다.
바람직하게는, 히트 커플링-인 엘리먼트의 길이는 본 명세서에서 적어도 2개의 배터리 중 가장 짧은 것의 길이의 적어도 65%, 바람직하게는 적어도 80%, 특히 바람직하게는 적어도 90%, 매우 특히 바람직하게는 적어도 100%, 특히 100% 초과에 대응한다.
바람직하게는, 인서트 히트 파이프는 히트 커플링-인 엘리먼트의 길이와 관련하여 각각의 경우에 히트 커플링-인 엘리먼트의 길이를 따라 적어도 80%의 범위, 바람직하게는 적어도 90%의 범위, 특히 바람직하게는 95 내지 99%의 범위로 도입된다.
배터리 팩의 배터리들의 배열에 따르면, 직렬로 배열된 배터리들의 배열에서, 인서트의 단면은 서로 정확하게 마주보는 동일한 길이의 2개의 서로 평행한 라인에 의해, 그리고 동일한 사이즈의 2개의 원호에 의해 구분되는 표면이며, 여기서 각각의 경우에 마주보는 라인들의 각각의 경우에 바로 인접한 라인 단부들은 각각의 경우에 원호들 중 하나에 의해 서로 연결되며, 두 원호는 오목한 방식으로 배열된다.
구들의 원시 입방 패킹과 유사한 배터리 팩의 배터리들의 배열에 따르면, 인서트의 단면은 각각 서로 90°씩 오프셋되는 4개의 동일한 길이의 라인에 의해, 그리고 4개의 동일한 사이즈의 원호에 의해 구분되는 표면이며, 여기서 각각의 경우에 서로에 대해 90°씩 오프셋된 라인들의 각각의 경우에 바로 인접한 라인 단부들은 각각의 경우에 원호들 중 하나에 의해 서로 연결되며, 모든 원호들은 오목형이다.
구들의 가장 조밀한 육각형 패킹과 유사한 배터리 팩의 배터리들의 배열에 따르면, 인서트의 단면은 각각 서로 120°씩 오프셋되는 3개의 동일한 길이의 라인에 의해, 그리고 3개의 동일한 사이즈의 원호에 의해 구분되는 표면이며, 여기서 각각의 경우에 서로에 대해 120°씩 오프셋된 라인들의 각각의 경우에 바로 인접한 라인 단부들은 각각의 경우에 원호들 중 하나에 의해 서로 연결되며, 모든 원호들은 오목형이다.
배터리 팩의 배터리들의 다른 배열들에서, 인서트의 단면은 전술한 단면에 대한 예들과 유사한 방식으로 형성된다.
바람직하게는, 인서트는 또한 히트 커플링-아웃 엘리먼트(heat coupling-out element)를 갖는다. 히트 커플링-아웃 엘리먼트는 히트 파이프로부터 열을 방산할 수 있는 물리적 객체, 특히, 성형체이다. 따라서, 히트 커플링-아웃 엘리먼트는 히트 싱크를 구성한다.
바람직하게는, 인서트 히트 파이프는 열원으로부터 멀리 향하는 그것의 단부, 즉, 2개 이상의 배터리로부터 멀리 향하는 단부에서, 히트 싱크로서 히트 커플링-아웃 엘리먼트를 갖는다. 인서트 히트 파이프는, 예를 들어, 열원으로부터 멀리 향하는 인서트 히트 파이프의 해당 단부를 히트 싱크의 보어(bore)에 정확히 끼워 넣는 삽입에 의해, 또는 히트 싱크가 실질적으로 열 가소성 조성물로 구성되는 경우에는, 열원으로부터 멀리 향하는 인서트 히트 파이프의 해당 단부의 히트 싱크의 열 가소성 조성물에 의한 캡슐화에 의해 상기 히트 싱크에 연결되어, 열이 인서트 히트 파이프로부터 히트 싱크로 효과적으로 전달되게 할 수 있다. 그 후, 히트 싱크로부터, 열이 대류 및 열 전도에 의해, 특히 대류에 의해 주변으로 방출된다. 히트 싱크는, 예를 들어, 냉각 플레이트 또는 리브형(ribbed) 본체의 형태로 또는 일부 다른 적절한 방식으로 설계될 수 있다. 이 히트 싱크는 이하 배터리 팩 히트 싱크라고도 지칭될 것이다. 배터리 팩 히트 싱크는 일반적으로 셀 홀더 외부에, 배터리 팩을 둘러싼 하우징 내부에 위치한다. 그러나, 배터리 팩 히트 싱크는 하우징 외부에 위치할 수도 있다.
상기 배터리 팩 히트 싱크는 바람직하게는 실질적으로 0.5 내지 50W/(m*K), 바람직하게는 1 내지 30W/(m*K), 특히 바람직하게는 2 내지 20W/(m*K), 특별히 7 내지 15W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 전도성 열 가소성 조성물로 구성된다. 이 경우, 이 열 전도성 열 가소성 조성물은 1010ohm*m 이하의 체적 저항률을 가질 수 있다.
대안으로서, 상기 배터리 팩 히트 싱크는 바람직하게는 실질적으로 금속, 특히 알루미늄, 구리 또는 철, 또는 금속 합금, 특히 알루미늄 합금, 구리 합금 또는 철 합금으로 구성된다.
추가 대안으로서, 열원으로부터 멀리 향하는 인서트 히트 파이프의 해당 단부는 바람직하게는 자유롭게, 특히 셀 홀더 외부에서, 보다 특히 배터리 팩을 둘러싸는 하우징 외부에서 종결되며, 즉, 예를 들어, 공기로만 둘러싸여 있다. 공간적으로 덜 한정되는 조건들 및 결과적으로 더 나은 대류로 인해, 인서트는 이러한 방식으로 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 인서트의 전술한 실시예들은 배터리들의 충전 또는 방전에 의해 배터리 팩의 배터리들이 60℃ 이상의 온도로 가열되지 않도록 할 수 있다.
이러한 방식으로, 배터리들 중 하나 이상의 것의 전력 감소, 수명 단축, 최대 고장으로까지 이어질 수 있는 배터리들에 대한 손상이 방지될 수 있다.
또한, 온도 제어 액체가 필요없을 수 있다. 이것은, 이러한 온도 제어 액체가 제공된 배터리 팩을 갖는 전기 자동차가 사고에 연루될 경우, 온도 제어 액체가 빠져나와 손상을 야기할 가능성을 방지한다. 또한, 이러한 배터리 팩을 다른 배터리 팩으로, 예를 들어, 방전된 배터리들을 갖는 배터리 팩을 충전된 배터리들을 갖는 배터리 팩으로 쉽게 교체할 수 있는 경우도 있는데, 왜냐하면 이러한 배터리 팩은 온도 제어 액체를 갖는 것보다 취급하기 더 쉽고 일반적으로 더 가볍고, 적어도 더 무겁지 않으며, 온도 제어 액체가 누출들로 인해 빠져나가는 것이 가능하지 않기 때문이다.
또한, 이것은 전기 자동차들에 내연 기관에 의해 전적으로 구동되는 대응하는 자동차들의 주행 거리 및 주유 속도에 적어도 상당히 대응하는 주행 거리 및 충전 속도를 허용하는 고효율 배터리 팩들을 제공하는 목적을 달성한다.
특히, 본 발명에 따른 인서트가 배터리 팩의 배터리들 사이의 이웃 중간 공간들의 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 특히 바람직하게는 90% 이상, 매우 특히 바람직하게는 95% 이상으로 도입되는 경우, 본 발명에 따른 인서트는 배터리들의 충전 또는 방전에 의해 배터리 팩의 배터리들이 60℃ 이상의 온도로 가열되지 않도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 인서트가 배터리 팩의 배터리들 사이의 이웃 중간 공간들의 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 특히 바람직하게는 90% 이상, 매우 특히 바람직하게는 95% 이상, 특별히 100%로 도입되는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 배터리 팩 히트 싱크가 존재하는 경우, 이것은 적어도 2개의 인서트 히트 파이프에 연결된다. 따라서, 이 배터리 팩 히트 싱크는 이 적어도 2개의 인서트 히트 파이프에 대한 공통 히트 싱크를 구성한다. 배터리 팩의 인서트 히트 파이프들의 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 특히 바람직하게는 90% 이상, 매우 특히 바람직하게는 95% 이상이 히트 싱크로서 역할하는 동일한 배터리 팩 히트 싱크에 연결되는 경우가 바람직하다.
대안으로서, 배터리 팩의 인서트 히트 파이프들은 바람직하게는 다수의 상이한 배터리 팩 히트 싱크들에 연결될 수 있으며, 여기서 인서트 히트 파이프는 항상 하나의 배터리 팩 히트 싱크에만 연결되지만, 배터리 팩 히트 싱크는 적어도 1개의 인서트 히트 파이프, 바람직하게는 2개 이상의 인서트 히트 파이프에 연결된다.
본 발명의 하나의 특정 실시예에서, 배터리 팩 히트 싱크가 하나의 인서트 히트 파이프에 연결되는지 또는 다수의 인서트 히트 파이프들에 연결되는지에 관계없이, 배터리 팩 히트 싱크는 적어도 하나의 추가 히트 파이프에 연결되며, 여기서 이 배터리 팩 히트 싱크는 이 적어도 하나의 추가 히트 파이프에 대한 열원을 구성한다. 이 적어도 하나의 추가 히트 파이프는 이하에서 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프로도 지칭될 것이다. 배터리 팩 히트 싱크와 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프는, 예를 들어, 배터리 팩 히트 싱크를 향하는 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 해당 단부를 히트 싱크의 보어에 정확히 끼워 넣는 삽입에 의해, 또는 히트 싱크가 실질적으로 열 가소성 조성물로 구성되는 경우에는, 배터리 팩 히트 싱크를 향하는 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 해당 단부의 히트 싱크의 열 가소성 조성물에 의한 캡슐화에 의해 서로 연결되어, 열이 배터리 팩 히트 싱크로부터 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프로 효과적으로 전달되게 할 수 있고, 따라서 열이 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프로 효과적으로 도입될 수 있다.
바람직하게는, 배터리 팩 히트 싱크로부터 멀리 향하는 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 해당 단부는 전열 트랜스듀서, 바람직하게는 펠티에 엘리먼트(Peltier element) 또는 열 엘리먼트, 특히 바람직하게는 펠티에 엘리먼트에 연결된다. 상기 전열 트랜스듀서는 상기 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프를 히트 싱크로서 역할하게 하고, 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프로부터 전열 트랜스듀서로 전달된 열을 전기 전류로 변환한다. 이 전류는 광범위한 응용들에, 예를 들어, 공기 스트림들의 가열 또는 냉각에 사용되어, 이에 의해 승객 내부 객실의 온도가 제어되게 할 수 있다.
바람직하게는, 각각의 경우에 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프가 각각의 경우에 하나의 전열 트랜스듀서에 연결된다.
펠티에 엘리먼트들 또는 열 엘리먼트들은 원칙적으로 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다.
펠티에 엘리먼트는, 펠티에 효과에 기초하여, 전류가 흐르는 경우에 온도 차이를 발생시키거나, 온도 차이가 있는 경우에 전류의 흐름을 발생시키는(제벡 효과(Seebeck effect)) 전열 트랜스듀서이다. 펠티에 엘리먼트들은 냉각, 및 전류 방향이 반전될 때에는, 가열에 모두 사용될 수 있다(출처: Wikipedia).
펠티에 엘리먼트는 소위 말하는 "핫-엔드(hot end)" 및 소위 말하는 "콜드-엔드(cold end)"를 갖는다. 핫-엔드는 펠티에 엘리먼트에 열이 도입되는 펠티에 엘리먼트 상의 해당 위치이고, 콜드-엔드는 펠티에 엘리먼트로부터 전류가 빠져나갈 수 있는 펠티에 엘리먼트 상의 해당 위치이다.
열 엘리먼트는 하나의 단부에서 연결되는 상이한 재료로 구성되는 한 쌍의 금속 전도체들이다. 제벡 효과에 따르면, 2개의 상이한 전기 전도체로 구성되는 회로에서, 접점 포인트들 사이에 온도 차이가 있을 경우, 전기 전압이 발생된다. 옴의 법칙에 따르면, 외부 회로망을 통해 전류 흐름이 획득될 수 있다. 직렬로 연결된 다수의 열 엘리먼트들은 서모파일(thermopile)을 형성하여, 그 수만큼 더 높은 전기 전압을 제공한다(출처: Wikipedia).
전열 트랜스듀서가 펠티에 엘리먼트인 바람직한 경우에, 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프는, 예를 들어, 나사 또는 브래킷 연결을 통해 강제 끼워 맞춤 방식으로 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드에 연결되고, 바람직하게는, 배터리 팩 히트 싱크로부터 멀리 향하는 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 해당 단부와 펠티에 엘리먼트 사이에 열 전도성 페이스트가 도입된다. 이러한 방식으로, 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프로부터 펠티에 엘리먼트로의 효과적인 열 전달이 실현되는 것을 보장할 수 있다.
펠티에 엘리먼트의 핫-엔드로 열을 전달하는 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 표면은 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드의 표면보다 작기 때문에, 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프로부터 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드로의 더 양호한 열 전달을 보장하기 위해 바람직하게는 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드에 구리, 은 또는 금 또는 구리, 은 또는 금 합금으로 구성되는 열 전도성 층이 제공되는 경우가 있다. 상기 열 전도성 층은, 예를 들어, 필름 형태일 수도 있고 증착에 의해 도포될 수도 있다.
적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프가 펠티에 엘리먼트의 상기 핫-엔드로부터 흐를 수 있는 것보다 더 많은 열을 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드로 전달하여 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드에서 과도한 열이 발생하는 것을 방지하기 위해, 추가 히트 싱크가 펠티에 엘리먼트를 향하는 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 해당 단부에 위치한다. 상기 히트 싱크는 또한 이하 핫-엔드 히트 싱크로서 지칭될 것이다. 따라서, 핫-엔드 히트 싱크는 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드에서 과열, 특히 국부 과열이 발생하여, 결과적으로 펠티에 엘리먼트의 컴포넌트들이 손상될 수 있는 것을 방지할 수 있다. 핫-엔드 히트 싱크는 일반적으로 과도한 열을 주변으로 방출한다.
펠티에 엘리먼트의 핫-엔드와 핫-엔드 히트 싱크는 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드로부터 핫-엔드 히트 싱크로 열이 효과적으로 전달될 수 있도록 서로 연결된다. 이 연결은, 예를 들어, 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프와 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드 사이에서 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
핫-엔드 히트 싱크는 바람직하게는 실질적으로 0.5 내지 50W/(m*K), 바람직하게는 1 내지 30W/(m*K), 특히 바람직하게는 2 내지 20W/(m*K), 특별히 7 내지 15W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 전도성 열 가소성 조성물로 구성된다. 이 경우, 이 열 전도성 열 가소성 조성물은 1010ohm*m 이하의 체적 저항률을 가질 수 있다.
대안으로서, 상기 핫-엔드 히트 싱크는 바람직하게는 실질적으로 금속, 특히 알루미늄, 구리 또는 철, 또는 금속 합금, 특히 알루미늄 합금, 구리 합금 또는 철 합금으로 구성된다.
핫-엔드 히트 싱크 및 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프는, 예를 들어, 핫-엔드 히트 싱크를 향하는 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 해당 단부를 핫-엔드 히트 싱크의 보어에 정확히 끼워 넣는 삽입에 의해, 또는 핫-엔드 히트 싱크가 실질적으로 열 가소성 조성물로 구성되는 경우에는, 핫-엔드 히트 싱크를 향하는 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프의 해당 단부의 핫-엔드 히트 싱크의 열 가소성 조성물에 의한 캡슐화에 의해 서로 연결되어, 열이 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프로부터 핫-엔드 히트 싱크로 효과적으로 전달되게 할 수 있다.
앞서 위에서 추가로 언급된 바와 같이, 펠티에 엘리먼트가 열을 전기 전류로 변환할 수 있기 위해서는, 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드와 펠티에 엘리먼트의 콜드-엔드 사이의 온도 차이가 필요하다. 이를 보장하기 위해, 펠티에 엘리먼트의 콜드-엔드에 히트 싱크를 배열하는 것이 바람직하다. 상기 히트 싱크는 이하 콜드-엔드 히트 싱크로도 지칭될 것이다.
콜드-엔드 히트 싱크는 바람직하게는 실질적으로 0.5 내지 50W/(m*K), 바람직하게는 1 내지 30W/(m*K), 특히 바람직하게는 2 내지 20W/(m*K), 특별히 7 내지 15W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 전도성 열 가소성 조성물로 구성된다. 이 경우, 열 전도성 열 가소성 조성물은 1010ohm*m 이하의 체적 저항률을 가질 수 있다.
대안으로서, 상기 콜드-엔드 히트 싱크는 바람직하게는 실질적으로 금속, 특히 알루미늄, 구리 또는 철, 또는 금속 합금, 특히 알루미늄 합금, 구리 합금 또는 철 합금으로 구성된다.
펠티에 엘리먼트의 콜드-엔드와 콜드-엔드 히트 싱크는 열이 펠티에 엘리먼트의 콜드-엔드로부터 콜드-엔드 히트 싱크로 효과적으로 전달될 수 있도록 서로 연결된다. 이 연결도, 예를 들어, 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프와 펠티에 엘리먼트의 핫-엔드 사이에서 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시예에서는, 배터리 팩 히트 싱크가 제공되지 않고, 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프가 제공되지 않는다. 대신, 인서트 히트 파이프들의 각각의 개별적인 것이 열전 트랜스듀서에 연결된다.
전열 트랜스듀서, 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프 및 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프에 대한 전열 트랜스듀서의 연결에 대해 상기 전열 트랜스듀서 및 전열 트랜스듀서에 대한 인서트 히트 파이프의 연결에 대응하는 방식으로 적용하는 것이 위에서 설명된 바람직한 실시예이다.
위에서 설명된 인서트의 실시예들은 배터리들의 충전 또는 방전에 의해 배터리 팩의 배터리들이 60℃ 이상의 온도로 가열되지 않게 할 뿐만 아니라, 배터리 팩 내에서 4K 이상의 온도 차이들이 발생하지 않게 하는 특별한 방식으로 가능해진다.
따라서, 배터리들 중 하나 이상의 것의 전력 감소, 수명 단축, 최대 고장으로까지 이어질 수 있는 배터리들에 대한 손상이 특별한 방식으로 방지될 수 있다.
또한, 온도 제어 액체가 필요없을 수 있다. 이것은, 이러한 온도 제어 액체가 제공된 배터리 팩을 갖는 전기 자동차가 사고에 연루될 경우, 온도 제어 액체가 빠져나와 손상을 야기할 가능성을 방지한다. 또한, 이러한 배터리 팩을 다른 배터리 팩으로, 예를 들어, 방전된 배터리들을 갖는 배터리 팩을 충전된 배터리들을 갖는 배터리 팩으로 쉽게 교체할 수 있는 경우도 있는데, 왜냐하면 이러한 배터리 팩은 온도 제어 액체를 갖는 것보다 취급하기 더 쉽고 일반적으로 더 가볍고, 적어도 더 무겁지 않으며, 온도 제어 액체가 누출들로 인해 빠져나가는 것이 가능하지 않기 때문이다.
또한, 이것은 전기 자동차들에 내연 기관에 의해 전적으로 구동되는 대응하는 자동차들의 주행 거리 및 주유 속도에 적어도 상당히 대응하는 주행 거리 및 충전 속도를 허용하는 고효율 배터리 팩들을 제공하는 목적을 달성한다.
따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 인서트 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 갖는 전기 자동차에 관한 것이다.
본 발명에 따라 사용되는 열 가소성 조성물들에 적절한 열 가소성 플라스틱(thermoplastics)은 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystyrene), 스티렌 코폴리머들(styrene copolymers), 방향족 폴리에스테르들, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)(PET), PET-시클로헥산디메탄올 코폴리머(PET-cyclohexanedimethanol copolymer)(PETG), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate)(PEN), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate)(PBT), 사이클릭 폴리올레핀(cyclic polyolefin), 폴리- 또는 코폴리아크릴레이트들(copolyacrylates) 및 폴리- 또는 코폴리메타크릴레이트(copolymethacrylate), 예를 들어, 폴리- 또는 코폴리메틸메타크릴레이트들(copolymethylmethacrylates)(PMMA 등), 폴리아미드들(polyamides)(바람직하게는, 폴리아미드 6(PA6) 및 폴리아미드 6.6(PA6.6)), 및 스티렌과의 코폴리머들, 예를 들어, 투명 폴리스티렌-아크릴로나이트릴(polystyrene-acrylonitrile)(PSAN), 열 가소성 폴리우레탄들(thermoplastic polyurethanes), 사이클릭 올레핀(cyclic olefins) 기반 폴리머들(예를 들어, TOPAS CD, Ticona의 시판 제품) 또는 언급된 폴리머들의 혼합물들, 및 올레핀 코폴리머들(olefinic copolymers) 또는 그래프트 폴리머들(graft polymers)과의 폴리카보네이트 블렌드들, 예를 들어, 스티렌/아크릴로나이트릴(acrylonitirle) 코폴리머들, 및 가능하게는 위에서 언급된 폴리머들 중 추가적인 것들이다. 이것은 본 발명에 따라 사용되는 열가소성 조성물이 1010ohm*m 이하의 체적 저항률을 갖는지, 또는 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률을 갖는지 여부에 관계없이 적용된다.
본 발명에 따라 사용되는 열 가소성 조성물들에 적절한 열 가소성 플라스틱은 특히 폴리카보네이트이다.
본 발명에 따르면, 열 전도성 열 가소성 조성물은, 1010ohm*m 이하의 체적 저항률을 갖는 경우, 바람직하게는 WO 2015/135958 A1에 기재된 것들로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 마찬가지로 사용 가능한 다른 열 전도성 열 가소성 조성물들은, 예를 들어, WO2012/174574A2, WO2017/005735A1, WO2017/005738A1 및 WO2017005736A1에 개시되어 있으며, 여기서 WO2017/005735A1에 개시되고 본 발명에 따라 사용되는 열 전도성 열 가소성 조성물들이 특히 적절하다.
본 발명에 따르면, 열 전도성 열 가소성 조성물은, 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률을 갖는 경우, 바람직하게는 WO 2017/005736 A1에 기재된 것들 또는 WO 2017/005735 A1에 기재된 것들로부터 선택될 수 있다.
대안적으로, 본 발명에 따르면, 열 전도성 열 가소성 조성물은, 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률을 갖는 경우, 바람직하게는 WO 2017/005738 A1에 기재된 것들로부터 선택될 수 있다.
따라서, 본 발명은 배터리 팩으로부터의 열의 방산을 위해 적어도 0.1W/(m*K), 바람직하게는 적어도 0.2W/(m*K), 특히 바람직하게는 적어도 0.5W/(m*K), 매우 특히 바람직하게는 적어도 1W/(m*K), 특별히 바람직하게는 적어도 2W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 가소성 조성물의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 열 가소성 조성물은 바람직하게는 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률을 갖는다.
본 발명의 바람직한 구성들은 아래 도면들에 예시되어 있으며, 본 발명은 이러한 구성들에 이러한 방식으로 제한되지 않는다.
다음 지정들이 사용된다.
1 배터리
2 인서트 히트 파이프
3 배터리 팩
4 히트 커플링-인 엘리먼트
5 인서트
6 직렬의 2개의 배터리에 대한 이웃 중간 공간
7 구들의 가장 조밀한 육각형 패킹과 유사한 배터리들의 배열에 대한 3개의 배터리 사이의 이웃 중간 공간
8 구들의 원시 입방 패킹과 유사한 4개의 배터리의 배열에 대한 이웃 중간 공간
9 배터리 팩 히트 싱크
10 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프
11 셀 홀더
12 하우징
13 핫-엔드 히트 싱크
14 열 전도성 층
15 펠티에 엘리먼트
16 콜드-엔드 히트 싱크

Claims (16)

  1. 인서트 히트 파이프(insert heat pipe) 및 히트 커플링-인 엘리먼트(heat coupling-in element)를 포함하는 열 방산 인서트(heat dissipation insert)로서,
    상기 히트 커플링-인 엘리먼트는 적어도 0.1W/(m*K), 바람직하게는 적어도 0.2W/(m*K), 특히 바람직하게는 적어도 0.5W/(m*K), 매우 특히 바람직하게는 적어도 1W/(m*K), 특별히 바람직하게는 적어도 2W/(m*K)의 면내 열 전도도(in-plane thermal conductivity)를 갖는 열 전도성 재료(thermally conductive material)로 적어도 50중량%의 범위, 바람직하게는 적어도 65중량%의 범위, 특히 바람직하게는 적어도 80중량%의 범위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 95중량%의 범위까지 구성되는 열 방산 인서트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히트 커플링-인 엘리먼트는 0.1 내지 30W/(m*K), 바람직하게는 0.2 내지 10W/(m*K), 특히 바람직하게는 0.5 내지 4W/(m*K) 또는 1 내지 10W/(m*K), 매우 특히 바람직하게는 2 내지 7W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖고, 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률(volume resistivity)을 갖는 열 전도성 열 가소성 조성물(thermally conductive thermoplastic composition)로 적어도 50중량%의 범위, 바람직하게는 적어도 65중량%의 범위, 특히 바람직하게는 적어도 80중량%의 범위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 95중량%의 범위까지 구성되는 열 방산 인서트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 히트 커플링-인 엘리먼트는 0.5 내지 50W/(m*K), 바람직하게는 1 내지 30W/(m*K), 특히 바람직하게는 2 내지 20W/(m*K), 특별히 7 내지 15W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 전도성 열 가소성 조성물로 적어도 50중량%의 범위, 바람직하게는 적어도 65중량%의 범위, 특히 바람직하게는 적어도 80중량%의 범위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 95중량%의 범위까지 구성되는 열 방산 인서트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 히트 커플링-인 엘리먼트는 금속, 특히 알루미늄, 구리 또는 철, 또는 금속 합금, 특히 알루미늄 합금, 구리 합금 또는 철 합금으로 적어도 50중량%의 범위, 바람직하게는 적어도 65중량%의 범위, 특히 바람직하게는 적어도 80중량%의 범위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 95중량%의 범위까지 구성되는 열 방산 인서트.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인서트 히트 파이프는 상기 히트 커플링-인 엘리먼트의 열 가소성 조성물로 캡슐화되는 열 방산 인서트.
  6. 제1항 내지 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 가소성 조성물은 폴리카보네이트(polycarbonate)를 포함하는 조성물인 열 방산 인서트.
  7. 배터리 팩으로서,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 열 방산 인서트를 포함하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서, 상기 배터리 팩의 적어도 하나의 열 방산 인서트는 배터리 팩 히트 싱크(battery pack heat sink)에 연결되는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 배터리 팩 히트 싱크는 적어도 하나의 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프(battery pack heat sink heat pipe)에 연결되는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서, 상기 배터리 팩 히트 싱크 히트 파이프는 전열 트랜스듀서(electrothermal transducer)에 연결되는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인서트 히트 파이프는 전열 트랜스듀서에 연결되는 열 방산 인서트.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 전열 트랜스듀서는 펠티에 엘리먼트(Peltier element) 또는 열 엘리먼트(thermal element)인 배터리 팩 또는 열 방산 인서트.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 펠티에 엘리먼트는 핫-엔드 히트 싱크(hot-end heat sink)를 갖는 배터리 팩 또는 열 방산 인서트.
  14. 전기 자동차로서,
    제1항 내지 제6항 또는 제11항 중 어느 한 항에 따른 열 방산 인서트, 또는 제7항 내지 제10항 또는 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차.
  15. 열 가소성 조성물의 용도로서,
    상기 열 가소성 조성물은 배터리 팩으로부터의 열의 방산을 위해 적어도 0.1W/(m*K), 바람직하게는 적어도 0.2W/(m*K), 특히 바람직하게는 적어도 0.5W/(m*K), 매우 특히 바람직하게는 적어도 1W/(m*K), 특별히 바람직하게는 적어도 2W/(m*K)의 면내 열 전도도를 갖는 열 가소성 조성물의 용도.
  16. 제15항에 있어서, 상기 열 가소성 조성물은 1010ohm*m 초과, 바람직하게는 1012ohm*m 초과, 특히 바람직하게는 1013ohm*m 초과의 체적 저항률을 갖는 것을 특징으로 하는 열 가소성 조성물의 용도.
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