KR20210149054A - 배터리 모듈 열 관리 - Google Patents

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KR20210149054A
KR20210149054A KR1020217031841A KR20217031841A KR20210149054A KR 20210149054 A KR20210149054 A KR 20210149054A KR 1020217031841 A KR1020217031841 A KR 1020217031841A KR 20217031841 A KR20217031841 A KR 20217031841A KR 20210149054 A KR20210149054 A KR 20210149054A
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KR
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heat
battery
conducting
battery module
case
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KR1020217031841A
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Inventor
조엘 후퍼
피터 렉스
토드 테쉬
벤자민 프란시스 폴리토
죠수아 다니엘 카우프만
Original Assignee
제너렉 파워 시스템즈, 아이앤씨.
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Publication date
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Abstract

배터리 모듈은 최적의 냉각을 이루면서도 전기적인 절연과 셀 가스 배기 채널을 만들 수 있는 구성을 가지고 있다. 상기 배터리 모듈은 열 성능을 개선시키기 위하여 집적화된 히트 싱크를 구비하고 있다. 열전도 패드가 구비되어, 상이한 포텐셜과 히트 싱크에서, 복수개의 직렬연결 배터리 셀 납 플레이트 간의 전기적인 절연 인터페이스를 형성한다. 얇은 것과 두꺼운 열전도 패드를 적층함으로써, 셀의 양극 단자 위치를 따라 가스 배출 채널을 형성함에 있어서 최적화를 이룬다. 실시예에서는, 복수의 유체 흐름 경로가 배터리 모듈의 유입구와 유츌구 사이에 배치되며, 그에 따라 배터리 모듈에서의 열 대류 공기 흐름이 형성된다.

Description

배터리 모듈 열 관리
본 출원은, 2019년 3월 14일자 미국 가출원(Provisional Application) 제62/818,618호, 2019년 03월 28일자 미국 가출원 제62/825,170호, 2019년 10월 25일자 미국 가출원 제62/926, 124호 및 2020년 02월 28일자 미국 가출원 제62/983,225호에 기초한 우선권 주장을 수반하여 2020년 03월 13일에 출원된 국제출원(PCT International Patent Application)이다.
배터리 제품의 작동, 안전성 및 수명에 있어서 냉각(cooling)은 매우 중요하다. 열(heat)의 대부분이 방출되는 전도 단부(conducting ends)가 아니라 배터리 셀(cell)의 측면을 냉각하기 위한 다양한 방안이 제안되고 있다. 배터리 셀의 단부(납 플레이트/ lead plates)에서부터 열을 뽑아내는 것은 효과적인 방안이 될 수 있으나, 이러한 방안은 셀 전압에 대한 노출과 가스 배출 경로의 유지 필요성 때문에 구현이 매우 어렵다. 따라서 이 분야의 개선이 필요하다.
본 발명은, 배터리 모듈에 있어서 최적의 냉각을 제공하면서도, 전기적인 절연과 셀의 가스 배출 채널을 제공할 수 있는 시스템과 방법에 대한 것이다. 본 발명에서는, 열적 성능을 향상시키기 위하여 배터리 셀에 대한 히트 싱크의 집적화(집적화된 냉각 판을 사용하거나 사용하지 않는 것 모두)가 제시된다. 열전도 패드가 구비되며 열전도 패드에 의해, 상이한 포텐셜과 히트 싱크에서 복수개의 직렬연결 배터리 셀 납 플레이트 간의 전기적인 절연 인터페이스가 형성된다. 얇은 것과 두꺼운 열전도 패드를 적층함으로써, 셀의 양극 단자 위치를 따라 가스 배출 채널을 형성함에 있어서 최적화를 이룬다. 히트 싱크(heat sink), 그리고 필요에 따라서는 냉각 판이, 셀 가스 배출시에 열 재료의 냉각을 돕게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 모듈은, 열 발산 구성을 가지는 제1 및 제2히트 싱크 커버가 구비되어 있는 저장부, 및 제1 및 제2히트 싱크 커버 사이에 배치되는 복수개의 배터리 셀로서 배터리 셀의 일부분의 양극 단자는 제1히트 싱크 커버를 마주하고 나머지 배터리 셀의 양극 단자는 제2히트 싱크 커버를 마주하도록 선택적인 극성을 가지도록 배치되는 복수개의 배터리 셀을 포함한다.
배터리 모듈은, 제1히트 싱크 커버와 복수개의 배터리 셀 사이에 배치되며, 배터리 셀의 일부와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 제1납 플레이트를 더 포함할 수 있다. 배터리 모듈은, 제1납 플레이트와 제1히트 싱크 커버 사이에서 연장되고 접촉하는 제1열전도층을 더 포함할 수 있는데, 제1열전도층은 부분적으로 복수개의 배터리 셀의 일부의 양극 단자와 유체흐름이 연통되는 가스 배출 채널을 형성하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열전도층은, 제1히트 싱크 커버와 접촉하는 제1열전도 패드, 및 제1열전도 패드와 하나 이상의 제1납 플레이트와 접촉하는 제2열전도 패드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열전도 패드는 제1히트 싱크 커버에 부착되고, 제2열전도 패드는 하나 이상의 제1납 플레이트에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열전도 패드는 솔리드 층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2열전도 패드는 가스 배출 채널을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제2열전도 패드의 두께는 제1열전도 패드의 두께보다 더 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2히트 싱크 커버는 휜(fins)을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 모듈은, 제2히트 싱크 커버와 복수개의 배터리 셀 사이에 배치되고 배터리 셀의 일부와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 제2납 플레이트, 및 하나 이상의 제2납 플레이트와 제2히트 싱크 커버 사이에서 연장되고 접촉하는 제2열전도층으로서 부분적으로는 복수개의 배터리 셀의 일부의 양극 단자와 유체흐름이 연통되는 가스 배출 채널을 형성하게 되는 제2열전도층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2열전도층 각각은, 제2열전도 패드와 접촉하는 제1열전도 패드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열전도층의 제1열전도 패드는 제1히트 싱크 커버와 접촉되어 있고, 제2열전도층의 제1열전도 패드는 제2히트 싱크 커버와 접촉될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열전도층의 제2열전도 패드는 하나 이상의 제1납 플레이트와 접촉되어 있고, 제2열전도층의 제2열전도 패드는 하나 이상의 제2납 플레이트와 접촉되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1, 2열전도층의 제1열전도 패드는 각각 제1 및 제2열 히트 싱크 커버에 부착되고, 제1, 2열전도층의 제2열전도 패드는 각각 하나 이상의 제1 및 제2납 플레이트와 접촉되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열전도 패드는 솔리드 층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2열전도 패드는 가스 배출 채널을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2열전도 패드의 두께는 제1열전도 패드의 두께보다 더 클 수 있다.
단순한 구조와 우수한 열 성능을 보이는 배터리 모듈은, 직렬 및 병렬 전기 커넥션의 네트워크를 가지는 개별적인 배터리 셀(cell)의 어레이(array), 및 상기 셀을 보고하고 기계적으로 지지하면서도 열을 모듈의 표면으로 효과적으로 전달시킬 수 있는 구조적인 인터페이스를 구비할 수 있다.
에너지 저장 모듈은 내면 및 외면을 가지는 쉘(shell)을 포함하는데, 내면에는 역류 열접촉(retentive thermal contact)하면서 배터리 셀을 지지하는 리브(rib)가 구비되어 있고, 외면에는 열을 주변 유체로 전달하기 위한 냉각 구조가 구비되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 쉘(shell)은 조개껍질 형태로 접히는 형상을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각 구조에는 휜(fins)이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 휜(fins)은, 단속적인 휜, 선형 핀, 및 텍스쳐화된 휜 중의 하나 이상의 것으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 쉘(shell)은 힌지에 의해 결합되어 있는 한 쌍의 인터페이스 판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리브(ribs)에는 배터리들과 열적으로 결합되는 측면을 가지는 소켓이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 쉘(shell)에 열적으로 결합되며 상기 쉘(shell)의 외측을 향하여 연장되는 열전도 금속 핀(pins)이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 핀은, 상기 쉘(shell)에 의해 지지되는 배터리로부터 열적으로 절연될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 핀은, 성형(overmold)에 의해 상기 쉘(shell)에 직접 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리브(ribs)에 열적으로 결합되는 다중 배터리 셀이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 셀과 결합되도록 위치하는 직렬 및 병렬 결합되는 전기 커넥트의 네트워크를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 배터리 장치는, 유입구와 유출구를 가지는 저장부를 구비할 수 있다. 복수개의 배터리 모듈은, 유입구와 유출구 사이에서 저장부에 의해 지지된다. 복수개의 유체 흐름 경로는, 배터리 모듈을 가로질러 열대류 공기흐름을 형성할 수 있도록 유입구와 유출구 사이에 위치하여 형성된다. 열 대류 공기흐름을 일으키도록 저장부에 의해 팬(fan)이 지지되어 구비된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 팬은, 유입구의 주변에서부터 유입구로 유체의 흐름을 일으키고 유출구로부터 주변으로 유체의 흐름을 일으키도록 유출구 인근에서 지지되어 구비된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유입구에는, 물의 유입을 방지하기 위하여 스크린, 배플 및 루버 중의 하나 이상이 구비되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체 흐름에 의한 대류 냉각이 용이하게 이루어질 수 있도록 배터리 모듈의 외면에는 휜(fins)이 설치된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체 흐름에서의 유체는 공기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수개의 배터리 모듈 중 하나 이상은, 케이스, 상기 케이스 내에서 지지되고 이격되어 위치하는 복수개의 배터리, 배터리의 양극과 음극을 전기적으로 연결해주는 인터커넥트, 및 상기 인터커넥트와, 배터리의 양극 및 음극을 내장하여 캡슐화시키는 포팅재(potting material)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 케이스는 2개의 단부를 구비하는데, 각각의 단부에는 이격된 배터리들 사이에서 공기흐름을 형성할 수 있는 배출구가 구비되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배출구는 스크린, 배플 및 필터 중의 하나 이상의 것에 의해 보호되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 포팅재(potting material)는 케이스에 의해 지지되며, 포팅재는 흐름성 있는 열 접착제를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 포팅재(potting material)는 스프레이 방식 또는 함침 방식에 의해 형성되는 전기적인 보호 수지(resin)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수개의 배터리 모듈 중 하나 이상은, 케이스, 상기 케이스 내에서 지지되고 이격되어 위치하는 복수개의 배터리, 배터리의 양극과 음극을 전기적으로 연결해주는 인터커넥트, 및 상기 배터리와 상기 케이스를 밀접하게 열적으로 연통시키는 열 층(thermal layer)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 케이스의 외측부에는 복수개의 열전도 휜(fins)이 열적으로 고정 설치되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 휜에서 상기 케이스와 마주하고 있는 단부는 둥글게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 휜은 순응 금속 휜으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈은, 케이스, 상기 케이스 내에서 지지되고 이격되어 위치하는 복수개의 배터리, 배터리의 양극과 음극을 전기적으로 연결해주는 인터커넥트; 및 상기 인터커넥트와, 배터리의 아노드 및 캐소드를 내장하여 캡슐화시키는 포팅재(potting material)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 케이스는 2개의 단부를 구비하는데, 각각의 단부에는 이격된 배터리들 사이에서 공기흐름을 형성할 수 있는 배출구가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배출구는 스크린, 배플 및 필터 중의 하나 이상의 것에 의해 보호되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 포팅재(potting material)는 케이스에 의해 지지되며, 포팅재는 흐름성 있는 열 접착제를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 포팅재(potting material)는 스프레이 방식 또는 함침 방식에 의해 형성되는 전기적인 보호 레진을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀은 병렬 축 및 공통면을 가지는 밀집된 어레이 형태로 조립되어 전체적으로는 평판(planar slab) 형태를 이룬다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 열 성능을 가지며, 물, 먼지, 습기 또는 기타 해로운 물질로부터 보호되도록 전체적으로 밀봉된 형태의 단순한 모듈 형태로 디자인이 가능하게 된다.
본 발명의 스마트 배터리 장치는 단순한 구조와 우수한 열 성능을 가진다. 스마트 배터리 장치는, 복수개의 제거가능한 배터리 모듈을 담고 있는 저장부를 포함하고 있다. 배터리 모듈은, 금속성 인터커넥트와 같이 전기 전도성 인터커넥트에 의해 연결되어 있는 복수개의 배터리 셀을 담아서 보호한다. 배터리 모듈은 셀과 인터커넥트에서 발생되는 열을 하나 이상의 모듈 면으로 전달하는 것을 증대시킬 수 있는 구성을 가지도록 디자인될 수 있다. 저장부는, 모듈로부터의 열을 고르게 그리고 효율적으로 전달하여서 배터리 제품을 열로부터 보호할 수 있는 채널 및 인터페이스 면의 배열을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 저장부는 유입 플리넘 및 유출 플리넘을 구비하는데, 유입 및 유출 플리넘은, 유체역학적인 회로의 전체에 대해 유체저항을 조절함으로써 실질적으로 공기를 배터리 사이로 고르게 나누고 배분한다. 팬(fan)은 모듈 조립체에서 공기를 이끌어 내어서 스마트 배터리의 저장부 밖으로 내보낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 모듈은 하나 이상의 면에 개방구를 가지는데, 이러한 개방구를 통해서, 공기의 흐름이 배터리 셀 사이에 그리고 배터리 셀을 통과하여 형성되게 만들며, 강제 대류에 의해 셀로부터 발생된 열을 방산(stripping)시킨다. 셀의 단부 및 이와 결합된 금속성 인터커넥트는, 셀의 각 단부에 적용된 포탄트(pottant) 또는 수지(resin)에 의해, 공기 흐름이 통과되는 것에 대해 보호받는다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 모듈은 셀을 보호하기 위하여 배터리 모듈은 실질적으로 밀봉되며, 각각의 셀에서 발생된 열은 셀의 길이를 따라 축방향 외측방향으로 전도되고, 전기적 열적 그리고 전도성의 절연부착물을 통해서 측면판으로 전도되며, 휜 또는 이와 유사한 열 전도성 구성을 통해서 움직이는 공기 흐름으로 대류된다.
도 1은 본 명세서에 따른 특징을 가지는 배터리 모듈의 일예에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈에 대한 개략적인 분해도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈의 분해상태에 대한 개략적인 측면도이다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈에 대한 개략적인 측단면도이다.
도 5는 도 1의 배터리 모듈의 배터리 모듈 커버에 대한 개략도이다.
도 6a는 도 5의 배터리 모듈 커버의 개략적인 평면도이다.
도 6b는 또다른 형태의 휜(fin) 형상을 가지는 도 6A의 배터리 모듈 커버의 개략적인 평면도이다.
도 6c는 또다른 형태의 휜(fin) 형상을 가지는 도 6A의 배터리 모듈 커버의 개략적인 평면도이다.
도 7은 도 6A의 배터리 모듈 커버의 개략적인 측면도이다.
도 8은 도 1의 배터리 모듈의 제1열전도 패드에 대한 개략적인 사시도이다.
도 9는 도 8의 제1열전도 패드에 대한 개략적인 평면도이다.
도 10은 도 8의 제1열전도 패드에 대한 개략적인 측면도이다.
도 11은 도 1의 배터리 모듈의 제1측면에 설치되는 제2열전도 패드들에 대한 개략적인 평면도이다.
도 12는 도 1의 배터리 모듈의 제2측면에 설치되는 제2열전도 패드들에 대한 개략적인 평면도이다.
도 13은 도 1에 도시된 배터리 모듈의 제2열전도 패드의 제1형상에 대한 개략적인 사시도이다.
도 14는 도 13에 도시된 제2열전도 패드의 개략적인 측면도이다.
도 15는 도 13에 도시된 제2열전도 패드의 개략적인 평면도이다.
도 16은 도 1에 도시된 배터리 모듈의 제2열전도 패드의 제2형상에 대한 개략적인 사시도이다.
도 17은 도 16의 제2열전도 패드에 대한 개략적인 측면도이다.
도 18은 도 16에 도시된 제2열전도 패드의 개략적인 평면도이다.
도 19는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 제2열전도 패드의 제3형상에 대한 개략적인 사시도이다.
도 20은 도 19의 제2열전도 패드에 대한 개략적인 측면도이다.
도 21은 도 19에 도시된 제2열전도 패드의 개략적인 평면도이다.
도 22는 도 1의 배터리 모듈에 대한 개략적인 평면도로서, 상부 커버와 제1열전도 패드가 제거되어 도 11의 제2열전도 패드가 설치된 상태가 보이도록 도시한 평면도이다.
도 23은 도 1의 배터리 모듈에 대한 개략적인 저면도로서, 하부 커버와 제1열전도 패드가 제거되어 도 12의 제2열전도 패드가 설치된 상태가 보이도록 도시한 평면도이다.
도 24는 도 1에 도시된 배터리 모듈을 위한 또다른 형상의 개략적인 부분 단면도이다.
도 25는 도 1에 도시된 배터리 모듈을 위한 또다른 형상에 대한 개략적인 부분 단면도이다.
도 26은 다수의 배터리 모듈을 유지하기 위한 저장부(enclosure)를 가지는 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 27은 도 26의 저장부 내에서 사용될 수 있는, 도 1의 배터리 모듈을 위한 또다른 형상의 개략적인 부분 단면도이다.
도면을 참고하여 다양한 실시예가 상세히 설명될 것인데, 다수의 도면에 걸쳐서 동일한 부재번호는 동일한 부품 및 조립체를 나타낸다. 다양한 실시예를 참조하는 것은 특허청구범위를 한정하지 않는다. 또한, 본 명세서에서의 다양한 실시예는 범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 단지 특허청구되는 발명에 대해 적용될 수 있는 다양한 실시예를 나타내는 것이다.
태양광 기술 및 기타 분산형 에너지 기술이 성장함에 따라 분산형 에너지 저장(distributed energy storage)의 중요성이 빠르게 커지고 있고 세계적인 전력망(electric grid)에 대한 중요한 원천(source)가 되고 있다. 에너지 저장이 망 기술(grid technology)의 핵심 부분이 되어 가면서, 매일 복수회의 충전/방전이 진행될 수 있는 가성비 좋은 배터리 저장장치(battery storage)의 중요성이 더욱 커지고 있다. 더 나아가, 수백만 개의 배터리 저장장치가 폐기되고 있기 때문에, 이에 대한 비용과 이와 관련된 시스템, 특히 각 시스템과 가동(movable) 부품에 대한 복잡성을 줄이는 것은 매우 가치가 있는 것이다.
전력망 및 분산형 에너지 저장장치의 사용함에 있어서, 수냉식의 복잡함이나 기타 특별한 기술을 필요로 하지 않으면서도 신속하고 간단하게 설치할 수 있고 물리적으로는 콤팩트하며, 매일 복수회의 충전/방전이 진행될 수 있는 단순하고 가성비 좋은 모듈형 에너지 저장 배터리 제품이 매우 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서는, 배터리 모듈(100)의 안전 특성을 유지하면서도 배터리 모듈(100)에서의 셀의 작동 온도 범위(operational-range cell temperatures)를 유지시킬 수 있는 방법 및 시스템이 제공된다. 후에 상술하는 것처럼 예를 들어, 배터리 모듈(100)은 실린더형 18650 타입 또는 21700 타입의 리튬 셀과 같은 복수개의 셀(102)을 가지고 있는데, 배터리 모듈(100)내에는 셀(102)에 대한 냉각 경로(cooling pathway) 뿐만 아니라 셀(102)에 대한 가스 배출 경로(gas venting pathway)가 형성되어 있다.
복수개의 실린더형 셀(102)을 가지는 배터리 모듈(100)을 냉각시키기 위해서는, 셀(101)의 외부면으로부터 열이 제거되어야 한다. 예를 들면 셀(102)의 실린더 형상의 원주 외면(102a) 및/또는 단부면(102b)을 통해서 열이 제거되어야 하는 것이다. 또다른 형상과 적용사례에 있어서, 열은 실린더 형상의 원주 외면(102a) 보다 셀(102)의 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 단부면(102b)에서 더 빠르게 전도된다. 셀(102)의 단부면(102a)은 전기적으로 활성화되기 때문에, 열전도성 및 전기 절연성 인터페이스 재료가 사용되어서, 예를 들어 배터리 모듈의 커버(108)와 같은 접지된 히트 싱크(heat sink)에 대한 접촉이 만들어질 수 있다.
본 발명에 있어서는, 도 4, 도 22 및 도 23에 도시된 것처럼, 납 플레이트(lead plates)(110, 111)들은 셀(102)들의 그룹을 전기적으로 연결시키기 위하여 셀(102)들의 각 단부면(102b)에 설치되어 사용된다. 납 플레이트(110, 111)는, 히트 싱크(heat sink)로서 기능하는 배터리 모듈의 커버(108)에 대한 열 접점으로서 기능할 수도 있다. 그러나 납 플레이트(110, 111)는, 배터리 모듈의 커버(108)로부터 전기적으로 절연되는 형태로 전기적으로 활성화될 수 있다. 납 플레이트 사이, 그리고 납 플레이트들과 상기 커버(108) 사이의 전기적인 절연 및 열전도 연결을 위하여, 열 전도성과 전기 절연성을 가지는 재료로 이루어진 복수의 층(layer)(104, 105, 106, 107)을 이용할 수 있다. 복수의 층은 납 플레이트들로부터 열을 추출하면서, 배터리 모듈(100)의 외측으로 셀 가스를 안전하게 방출할 수 있는 채널(112, 113)을 형성하게 된다. 이에 대해서는 아래에서 상술한다.
도 1 내지 도 4에는 배터리 모듈(100)의 실시예가 예시되어 있다. 배터리 모듈(100)은 스마트 배터리 또는 배터리 팩(battery pack)이라고 부르기도 한다. 배터리 셀은 단순히 "셀"로 약칭하기도 한다. 도면에 예시된 것처럼, 배터리 모듈은 하우징(103) 내에 배치된 복수개의 배터리 셀(102)을 포함하는데, 하우징(103)은 예를 들어 상,하부의 제1 및 제2배터리 홀더 프레임(battery holder frames)(103a, 103b)을 포함할 수 있다. 상기한 납 플레이트(110, 111) 역시 하우징(103) 내에 배치될 수 있는데, 예를 들어 하우징의 제1 및 제2배터리 홀더 프레임(103a, 103b)에 배치될 수 있다. 제어 모듈(114)은 섀시(chassis)(103c)에 배치되는데, 제어 모듈은 배터리 모듈(100)의 외면을 부분적으로 형성하는 것으로 보일 수 있다. 제어 모듈(114)은 배터리 셀(102)의 충전 및 방전을 제어하기 위한 전기적인 부재로서, 태양광 패널과 같은 외부 장비와의 인터페이스 기능도 수행하는 부재이다. 제어 모듈(114)은 이러한 기능을 수행할 수 있도록 다수개의 포트(port)와 잭(jack)(114a)을 구비할 수 있다.
제1커버(108) 및 제2커버(109)가 구비되어, 제1,2커버(108, 109)가 제1 및 제2배터리 홀더 프레임(103a, 103b) 위를 덮도록 설치될 수 있다. 이러한 구성 및 제1,2배터리 홀더 프레임(103a, 103b) 및 섀시(103c)에 의해 배터리 모듈(100)이 형성된다. 나사 또는 볼트 등과 같은 체결부재(101)가 제1,2커버(108, 109) 사이에 설치되어 조립체를 이루게 된다. 실시예에 예시된 것처럼 제1,2커버(108, 109)에는 방열(heat dissipation)을 위하여 복수개의 휜(fins)(108a, 109a)이 구비되어 있다. 또다른 실시예에서는, 제1,2커버(108, 109)에 수냉식 냉각 판과 같은 냉각 판(cold plate)이 일체로 구비될 수도 있다. 히트 파이프와 같은 또다른 부재가 일체로 함께 구비될 수도 있다. 배터리 모듈(100)을 냉각시키는 것 이외에도, 더 추운 기후 또는 상황에서는 데워진 냉매를 통해서 배터리 모듈(100)을 가열할 수 있도록 하는 냉각 판의 형태가 이용될 수도 있다.
도 2 내지 도 4에 예시되고 위에서 설명한 바와 같이, 배터리 모듈(100)에는, 열 전도성과 전기 절연성을 가지는 복수의 층(104, 105, 106, 107)이 구비될 수 있는데, 이에 의해서 열이 배터리 셀(102)로부터 제1,2커버(108, 109)로 전달될 수 있게 된다. 제1,2커버(108, 109)에 바로 인접해서는 얇은 열전도층 또는 제1열전도 패드(thermally conductive pads)(104, 105)가 구비된다. 일 실시예에서는, 제1열전도 패드(104, 105)가 각각 접착제에 의해 제1,2커버(108, 109) 각각에 부착된 형태로 구비될 수 있다. 일실시예에서는 제1열전도 패드(104, 105)는 고형 시트(solid sheets)로 이루어질 수 있다. 제1열전도 패드(104, 105)는, 접지된 제1,2커버(108, 109)로부터 납 플레이트(110, 111)를 분리시킬 수 있는 전압 요건을 만족시킨다.
접착제 등에 의해 납 플레이트(110, 111)에 부착된 복수개의 개별적인 패드 형태로 제2열전도 패드(106, 107)가 구비된다. 제1열전도 패드(104, 105)와 대비해볼 때, 배터리 셀(102)의 양극 단(positive end)에서의 가스 배출이 자유롭게 이루어지고 방해받지 않는 것을 확실하게 보장하면서도 납 플레이트(110, 111)와의 접촉이 최적화될 수 있도록 하는 절취부(cutout)가 제2열전도 패드(106, 107)에 존재할 수 있다. 따라서 제2열전도 패드(106, 107)의 형상에 의해, 납 플레이트(110)의 길이를 따라 연장되는 형태의 가스 배출(gas-venting) 채널(112, 113)이 형성된다. 그에 따라 배터리 셀(102)의 양극 단자(positive terminal)로부터의 가스는, 부분적으로는 열전도 패드(104, 106)에 의해 만들어지는 상기한 가스 배출 채널(112, 113)의 길이를 따라 배출되어 납 플레이트(110)의 단부에 이르게 된다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 제1,2커버(108, 109)의 일예를 발췌하여 도시하고 있다. 제1,2커버(108, 109)를 "히트 싱크 커버(heat sink cover)"라고도 기재한다. 도면에 예시된 것처럼 제1,2커버(108, 109)는 알루미늄 주조로 제작될 수 있는데, 우수한 방열 성능을 가질 수 있도록 복수개의 휜(fins)(108a, 109a)을 구비하고 있다. 일실시예에서, 히트 싱크 커버(108, 109)는 그 두께에 의해 강성(rigidity)을 가지게 되며 그에 따라 구조적으로 배터리 모듈(100)을 안전하게 보호하게 된다. 히트 싱크 커버(108, 109)에는, 배터리 모듈(100)을 볼팅하여 결합하기 위한 체결부재(101)를 위한 복수개의 구멍(108b, 109b)이 구비될 수도 있다.
도 6B 및 도 6C에는 복수개의 휜(108a, 109a)이 또다른 형상과 패턴으로 구비되어 있는 휜 배열의 또다른 실시예가 도시되어 있다. 도 6B에서는, 복수개의 휜(108a, 109a)이 히트 싱크 커버(108, 109)로부터 각각 독립적으로 도출되어 연장되어 있는 형태를 가진다. 도 6C에서는, 복수개의 휜(108a, 109a)이 도면상의 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 단속적인 휜, 선형의 휜, 및/또는 파형의 휜(textured fins)의 형태를 가진다. 히트 싱크 커버(108, 109) 각각에서 하나의 커버에는 서로 다른 휜 형태가 조합되어 구비될 수도 있다. 휜(108a, 109a)에서의 열전달을 강화시키기 위하여, 휜을 가로지르는 형태의 강제 배기(forced ventilation) 및 분무 냉각(도 26 참조) 또는 기타 다른 방법이 사용될 수도 있다. 또다른 실시예에서는 히트 싱크 커버(108, 109와 휜은, 예를 들면 조개껍질 형상의 공간을 형성하면서 셀 어레이(cell array) 주변을 감싸게 될 수도 있다. 또다른 실시예에서는 휜 어레이(fin array)는 케이스의 표면에 압착, 융착(fused), 접착, 또는 용접되거나 또는 배터리 모듈(100)에 이웃하여 압착된 금속 휜 또는 금속 접힘 휜 어레이로 대체될 수 있다. 순응 금속 휜(compliant metallic fin)을 사용하게 되면, 모듈 사이의 공간을 줄일 수 있으며, 충분한 냉각이 이루어지게 하면서도 제품 또는 장치의 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다. 또다른 실시예에서는, 휜의 팁(tip)(302)은 둥글게 라운드 처리된 형태가 될 수도 있고, 기타 조립체를 편하게 유지할 있고 안전한 그립(grip)을 제공할 수 있는 또다른 형태가 될 수도 있다.
또다른 실시예에서 히트 싱크 커버(108, 109)는 금속재료가 아닌 다른 재료로 제작될 수 있다. 예를 들어 히트 싱크 커버(108, 109)는 폴리머(polymer)로 만들어질 수 있으며, 사출금형이나 압축성형 등과 같은 저비용의 방법에 의해 제작될 수 있다. 히트 싱크 커버(108, 109)는 ABS, 폴리카보네이트 또는 나일론과 같은 엔지니어링 수지(resin)로 제작되거나, 특별한 경우에는 폴리에테르이미드(polyetherimide)와 같은 특수한 수지로 제작될 수 있다. 폴리머에 섬유, 또는 벌크 열 전도성 필러(bulk thermal conductivity filler)를 채움으로써, 열 전도성을 기본 수지보다 더 높게 증가시킬 수 있다.
도 8 내지 도 10에서는 제1열전도 패드(104, 105)만을 발췌하여 도시하고 있다. 앞서 서술한 것처럼, 제1열전도 패드(104, 105)는 솔리드 시트로 만들어질 수 있고, 각각은 접착제를 이용하여 히트 싱크 커버(108, 109)에 부착될 수 있다. 비록 제1열전도 패드(104, 105)로서 솔리드 시트가 예시되었지만, 다른 형태의 것도 가능하다. 예를 들어, 구멍 또는 절취부(110b, 111b)가 형성되어 있는 패드도 가능한 것이다. 또한 복수개의 더 작은 패드, 예를 들면 스트립(strip) 형태의 열 충전재가 사용될 수도 있는 것이다. 복수개의 패드가 사용되는 경우, 패드는 서로에 대해 밀접하게 인접 배치됨으로써 전체적으로 완전히 덮어지는 형태의 커버 표면이 형성되거나, 또는 패드가 서로에 대해 이격된 형태로 배치됨으로써 한 개 이상의 간격을 가지도록 설치될 수 있다. 제1열전도 패드(104, 105)는 접착제를 사용하지 않는 다른 방식으로도 히트 싱크 커버(108, 109)에 부착될 수 있다. 선택적으로 제1열전도 패드(104, 105)는 예를 들어 접착제를 이용하여 제2열전도 패드(106, 107)에 부착될 수도 있다. 제1열전도 패드(104, 105)는 히트 싱크 커버(108, 109)와 제2열전도 패드(106, 107) 사이에서 각각에 대해 물리적으로 부착되지 않은 채 단순히 압착된 형태로 존재할 수도 있다. 예시된 실시예에서, 제1열전도 패드(104, 105)는 약 0.2 내지 0.5mm의 두께를 가질 수 있다. 또한 예시된 실시예에서, 제1열전도 패드(104, 105)는 미국의 미네소타주 세인트 폴(St. Paul, Minnesota)이라는 도시의 "3M"이라는 회사에서 생산되는 "열전도 실리콘 인터페이스 패드(Thermally Conductive Silicone Interface Pads)"로 만들어지거나 또는 이와 유사한 실리콘 기반의 엘라스토머 제품 즉, "실 패드(sil pad)"라고도 불리는 높은 열전도성가 전기 절연성의 물성을 가지는 실리콘 기반의 엘라스토머 제품으로 만들어질 수 있다. 일예로서, 제1열전도 패드(104, 105) 중 어느 하나 또는 2가지 모두는 약 4.9W/m-K의 열전도율, 약 1.7×1014 오옴(Ohms)의 체적 저항률(volume resistivity), 그리고 70의 쇼어 경도(Shore hardness)를 가지는 "3M"사(社)의 "열전도 실리콘 인터페이스 패드 5519(Thermally Conductive Silicone Interface Pad 5519)"로 만들어질 수 있다.
도 11 내지 도 21에는 절연 상태의 제2열전도 패드(106, 107)가 도시되어 있다. 앞서 서술한 것처럼, 제2열전도 패드(105, 107)는 접착제를 이용하여 납 플레이트(110, 111)에 부착될 수 있다. 제2열전도 패드(105, 107)는 접착제를 사용하지 않는 다른 방식으로도 납 플레이트(110, 111)에 부착될 수 있다. 비록 분산되어 있는 복수개의 패드가 도시되어 있지만, 절취부(cutout portions)가 형성되어 있는 연속적인 시트에 의해 제2열전도 패드(105, 107)가 형성될 수도 있다. 선택적으로 제2열전도 패드(105, 107)는 예를 들어 접착제를 이용하여 제1열전도 패드(104, 105)에 부착될 수도 있다. 제2열전도 패드(105, 107)는 납 플레이트(110, 111)와 제1열전도 패드(104, 105) 사이에서 각각에 대해 물리적으로 부착되지 않은 채 단순히 압착된 형태로 존재할 수도 있다. 예시된 실시예에서, 상기한 열전도 패드(104, 105)는 약 3mm의 두께를 가질 수 있다. 또한 예시된 실시예에서, 상기 열전도 패드(106, 107)는 미국의 미네소타주 세인트 폴(St. Paul, Minnesota)이라는 도시의 "3M"이라는 회사에서 생산되는 "열전도 실리콘 인터페이스 패드(Thermally Conductive Silicone Interface Pads)"로 만들어지거나 또는 이와 유사한 실리콘 기반의 엘라스토머 제품 즉, "실 패드(sil pad)"라고도 불리는 높은 열전도성가 전기 절연성의 물성을 가지는 실리콘 기반의 엘라스토머 제품으로 만들어질 수 있다. 일예로서, 상기 열전도 패드(106, 107) 중 어느 하나 또는 2가지 모두는 약 4.9W/m-K의 열전도율, 약 1.7 ×1014 오옴(Ohms)의 체적 저항률(volume resistivity), 그리고 70의 쇼어 경도(Shore hardness)를 가지는 "3M"사(社)의 "열전도 실리콘 인터페이스 패드 5519(Thermally Conductive Silicone Interface Pad 5519)"로 만들어질 수 있다.
또다른 실시예에서는 제1 및 제2열전도 패드(104, 105, 106, 107)는 동일한 재료로 만들어질 수 있다. 또다른 실시예에서는 제1 및 제2열전도 패드(104, 105, 106, 107)가 서로 다른 재료로 만들어질 수도 있다. 또다른 실시예에서는 제1 및 제2열전도 패드(104, 105, 106, 107)가 하나의 패드로 통합될 수도 있다. 또다른 실시예에서 제1 및 제2열전도 패드(104, 105, 106, 107)에는 접착기능이 있는 배면이 형성될 수도 있다. 또다른 실시예에서는 분사되거나 또는 다른 방식으로 도포된 코팅(coating)이 상기 열전도 패드(104, 105)를 대신하여 구비될 수도 있다.
특별히 도 11을 참조하면, 제2열전도 패드(105)로서, 서로 다른 형상을 가지고 있는 복수개의 이격된 개별적인 패드(105. 107)가 구비될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 105번으로 기재된 열전도 패드(105)는 제1형태의 패드(105a), 제2형태의 패드105b), 및 제3형태의 패드(105c)를 포함하고 있다. 제1, 2, 3형태의 패드(105a, 105b, 105c)는, 특별히 배터리 모듈(100) 및 프레임(103a)에 의해 정해지는 물리적인 제약(constraints) 내에서 납 플레이트(100)의 표면 영역만큼을 덮을 수 있는 각각의 형태를 가지고 있다. 도 12를 참조하면, 107번으로 기재된 열전도 패드(107)는 제1형태의 패드와 전체적으로 동일한 형태의 제1형태의 패드(107a)만을 구비하고 있다. 비록 열전도 패드(105)를 이루는 7개의 개별적인 패드와, 열전도 패드(107)를 이루는 6개의 개별적인 패드가 도시되어 있지만, 이보다 더 많은 개수 또는 더 적은 개수의 개별적인 패드가 구비될 수도 있다. 예시된 것처럼 제1형태의 패드(105a)에 의하면, 2개 행 또는 렬의 배터리 셀(102)을 가지는 어레이에 대한 배기(vent)가 가능하며, 이와 달리 105번으로 기재된 열전도 패드(105)에 대한 제2, 3형태의 패드(105a, 105b) 및 107번으로 기재된 열전도 패드(107)에 대한 제1형태의 패드(107a)는 4개 행 또는 렬의 배터리 셀을 가지는 어레이에 대한 배기가 가능하다. 또다른 형태도 가능하다.
본 발명에 따르면, 105번으로 기재된 열전도 패드(105)는 절취부(105c, 105d, 105e)를 가지고 있고, 107번으로 기재된 열전도 패드(107)는 또다른 절취부(107d, 107e)를 가지고 있다. 상기한 절취부(107d, 107e)는 배터리 셀(102)의 단부(102b) 위쪽에서 개방된 공간을 형성하게 되는데, 배터리 셀(102)로부터 배기되는 가스는 상기한 절취부(107d, 107e)로 유입되고, 개별적인 열전도 패드(105, 107)사이에 만들어진 결과적인 배기 통로 또는 채널(112, 113)을 통해서 유출된다. 상기한 배기 통로 또는 채널(112, 113)은 도 4, 도 22 및 도 23에 개략적으로 도시되어 있는데, 105 번 및 107번으로 기재된 열전도 패드(105, 107)의 일측 또는 그 사이에서 104번 및 105번으로 기재된 열전도 패드(104, 105)에 의해 상기한 배기 통로 또는 채널(112, 113)이 형성되는 것이 도시되어 있다. 또다른 실시예에서 상기 절취부(105c, 105d, 105e, 107d, 107e)는 일반적으로 아크(arc) 형상을 가지고 있으며, 상기한 배기 통로 또는 채널(112, 113)을 향하고 있는 개방측을 가지는 원의 형태를 이루고 있다. 예시된 것처럼 절취부(105c)는 원주보다 조금 더 큰 아크 길이를 가지고 있으며, 절취부(105d, 107d)는 원주의 절반보다도 훨씬 큰 아크 길이를 가지고 있고, 절취부(105e, 107e)는 원주의 절반보다도 훨씬 작은 아크 길이를 가지고 있다. 아크 길이는 통상적으로 107도 내지 306도 사이에 있게 된다. 상기 절취부(105c, 105d, 105e, 107d, 107e)와 관련하여 위에서 특정한 아크 길이에도 불구하고, 각각의 절취부는, 상기한 배기 통로 또는 채널(112, 113)을 향하고 있으며 부분적으로 상기한 배기 통로 또는 채널(112, 113)을 형성하게 되는 개방된 측면을 가지고 있으며, 그에 따라 배터리 셀(102)부터 배출된 가스는 상기 절취부(105c, 105d, 105e, 107d, 107e)를 통해서 유입된 후 상기한 배기 통로 또는 채널(112, 113)로 가이드된다. 예시된 실시예에서 상기 절취부(105c, 105d, 105e, 107d, 107e) 각각은 개별적인 배터리 셀(102)에 대응된다. 그러나 열전도 패드(105, 107)은 상기 절취부(105c, 105d, 105e, 107d, 107e)가 하나 이상의 배터리 셀(102)로부터의 배출 가스를 수용할 수 있는 형태가 될 수도 있다.
도 22 및 도 23에는 가스의 배기 통로 또는 채널(112, 113)이 쉽게 보이도록 제2열전도 패드(105, 107)가 설치되어 있는 상태가 도시되어 있다. 도면에 예시된 것처럼, 프레임(103a, 103b)에 의해 측벽(103ad, 103bd)이 형성되고, 각각의 측벽에 의해 가스 배기 통로(112, 113)의 일측이 만들어지며, 제2열전도 패드(105, 107) 중의 하나에 의해 가스 배기 통로(112, 113)의 대향측이 만들어지는데, 상기 절취부(105c, 105d, 105e, 107d, 107e) 각각은 가스 배기 통로(112, 113)를 향하거나 또는 가스 배기 통로(112, 113)와 유체 흐름이 연통되는 형태가 된다. 배터리 모듈(100)의 최외측에는, 측면 엣지(side edges) 또는 측벽(119)에 의해 가스 배기 통로(112, 113)의 일측이 형성될 수 있으며, 열전도 패드(105, 107)는 가스 배기 통로(112, 113)의 타측을 형성하게 된다. 측벽(103ad, 103bd)을 구비하지 않는 형태의 또다른 실시예의 형태에서는, 도 4에 개략적으로 도시된 것처럼 이웃하는 개별적인 열전도 패드(105, 107) 사이의 공간에 의해 가스 배기 통로(112, 113)가 만들어진다. 배터리 셀(102)로부터 가스가 배출되면, 가스는 납 플레이트(110, 111)의 개방구(110b, 111b)를 통해서 흐르게 되어 절취부(105c, 105d, 105e, 107d, 107e) 중의 하나로 흘러 들어와서 가스 배기 통로(112, 113)으로 유입되고, 그에 따라 배터리 셀(102)로부터의 성공적인 가스 배기가 이루어진다. 가스 배기 통로(112, 113)로 유입된 가스는 배터리 모듈의 하우징(103) 내의 벤트(vents)(130)를 통해서 배기된다. 일예로서, 가스는 가스 배기 통로(112, 113)를 따라 흘러가서, 납 플레이트(110)의 개방구(132)를 통해서 납 플레이트(110, 111)의 아래로 흐르고, 배기구(vent)(132)를 통과하게 된다. 개방구(132)는 납 플레이트(110, 111)의 개방구에 의해 만들어지거나 둘러싸일 수 있고, 이와 달리 개방구(132)는 배터리 모듈의 하우징(103)과 납 플레이트(110, 111) 사이의 간격(132)에 의해 만들어질 수도 있다. 계속하여 도 22 및 도 23을 참조하면, 제2열전도 패드(105, 107)는 각각 납 플레이트(110, 111)의 표면 영역 대부분을 덮고 있고, 더 나아가 제2열전도 패드(105, 107)는 함께 프레임(103a, 103b)의 메이저 측면(major side) 및 배터리 모듈(100)의 메이저 측면의 표면 영역의 대부분을 덮는 것으로 도시되어 있다. 개시된 구성에 따르면 열전도 성능을 극대화시킬 수 있으면서도, 배터리 셀(102)을 안전하게 배기시켜서 배터리 모듈(100) 성능을 온전하게 유지시킬 수 있게 된다.
도 24 및 도 25를 참조하여 배터리 모듈(200)의 또다른 구성을 개시한다. 200번으로 표시된 배터리 모듈(200)에 대한 특징은 앞서 설명한 100번으로 표시된 배터리 모듈(100)에도 도입될 수 있으며 그 반대도 가능하다. 도 24에는 도 1에 도시된 배터리 모듈 실시예에 대한 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 본 발명의 실시예에서, 조개껍질 형태로 접히는 인터페이스 판(interface plates)(201, 202)은 그 외부면에 핀(pin) 형태의 휜(fin)(210) 또는 앞서 108a, 109a로 표시된 휜(fins)에 대해 설명한 바와 같은 다른 형태의 휜(fin)이 구비될 수 있으며, 인터페이스 판(201, 202)은 예를 들어 실린더형 18650 또는 21700 타입의 리튬 셀과 같은 배터리 셀(102)의 어레이를 감싸게 된다. 상기한 인터페이스 판은 힌지(225)에 의해 서로 결합될 수 있다. 상기 인터페이스 판에는 각각의 인터페이스를 위하여 리브(rib) 또는 소켓(230)이 구비될 수 있는데, 이에 의해 배터리 셀을 확실하게 배치하고 지지할 수 있게 된다. 배터리 셀(102)의 왜곡이나 파쇄를 일으키지 않으면서도 배터리 셀의 큰 실린더 면에 대해 신뢰할만한 열접촉이 이루어질 수 있게 하는 적절한 수준의 기계적인 간섭을 가지도록 설계됨으로써 이러한 구성이 만들어진다. 배터리 셀 간의 열적 교류를 제한하기 위하여, 즉 예를 들면 열 폭주(thermal runway)를 방지하기 위하여 소켓 사이에 간극(240)이 존재하는 것이 바람직하다. 추가적으로 배터리 셀(102) 각각의 면에서의 축방향 간극(241)에 의해 셀 간의 금속성 상호연결부(metallic interconnects)(242)가 만들어지며, 이는 단면도 상에서 간섭 면의 형태가 된다. 바람직한 직렬/병렬 배치에 있어서, 상호 연결은 배터리 셀(102) 간의 전기적 전류 전도가 가능하게 만든다. 소켓(230)의 어레이의 구조는 상기 금속성 상호연결부(242)가 형성되도록 비연속적이다.
작동에 있어서, 배터리 셀과 상호연결부에서 발생하는 열은 전도에 의해 배터리 셀의 본체를 통해서 전달될 뿐만 아니라, 소켓(230)으로의 전도에 의해 방사상 외측으로 전달되고, 더 나아가 전도에 의해 인터페이스 판의 평평한 본체를 항하여 축방향 외측으로 전달되며, 전도에 의해 핀(pin) 형태의 휜(210)의 어레이로 전달되어, 최종적으로는 자연적인 또는 강제적인 대류에 의해 주변의 유체로 전달된다. 인터페이스 판(interface plates)을 폴리머로 제작할 수 있는데, 열전달을 위하여 적절한 재료를 선택함으로써, 상대적으로 덜 정밀한 열전달 경로의 형성에 비하여, 인터페이스 판의 구조를 매우 강화시킬 수 있게 된다.
실시예에 따르면, 다양한 수단에 의해, 예를 들면 인터페이스 판(201, 201)을 관통하고 배터리 셀(102) 사이의 간극 내에서 배터리 모듈의 내부로부터 연장되고 주변 유체를 향하여 축방향 외측으로 돌출된 열전도 금속 핀(pins)(250)을 구비하는 것 등에 의해 열 능력이 크게 개선될 수 있다. 이러한 예가 도 25에 개시되어 있다. 주어진 표면적 및 배터리 셀 표면에 대한 근접성에서, 핀(pins)은 열전달을 크게 증가시킬 수 있게 되는 반면에 인터페이스 판(201, 202)을 통하여 배터리 모듈의 고 전압 절연을 유지할 수 있게 된다. 핀(pins)(250)은 인터페이스 판(201, 202)에 직접적으로 덧붙여져 성형(overmold)되거나 또는 단계적인 과정에서 기계적으로 삽입되어 형성될 수 있다.
도 26 및 도 27에는 배터리 모듈(300)에 대한 또다른 구성과, 복수개의 배터리 모듈(300)을 저장하기 위한 저장부(cabinet/enclosure)(390)가 개시되어 있다. 도 26에는 개선된 열 성능을 가지는 에너지 저장용 배터리 장치 또는 제품의 개략적인 정면도가 도시되어 있다. 상기한 배터리 장치는, 배터리 모듈(300)을(구체적으로는 3개의 배터리 모듈(300a, 300b, 300c))을 내장하는 저장부(390)를 구비하고 있다. 일 실시예에서, 배터리 모듈(300)은 도면에서 391번으로 기재된 화살표로 표현된 공기의 흐름에 의해 냉각된다. 상기 공기는 유입 플리넘(inlet plenum)(393)과 연통되는 유입구(392)를 통해서 유입되는데, 상기 유입 플리넘에 의해 공기 흐름이 배터리 모듈(300) 등으로 배분된다. 저장부(390) 전체에서의 공기 흐름은 391번으로 기재된 화살표로 표현되어 있다. 공기 흐름이 배터리 모듈(300)을 가로질러서 유출 플리넘(outlet plenum)(394)으로 유입되고, 거기서 공기가 모아져서 팬(fan)(395)에 의해 유출구(396)를 통해서 저장부 밖으로 강제적으로 내보내지는 것을 391번의 화살표를 통해서 알 수 있다. 기본적으로 팬(395)는 유입 플리넘(393)과 유출 플리넘(394) 사이에 압력 차이를 만들게 되고, 그에 따라 공기가 저장부(390)를 통과하여 흐르게 만든다. 많은 경우, 유입구(392)와 유출구(396)은 배플(baffles), 루버(louvers), 스크린 등을 통해서 보호되거나 흐름 방향을 가지게 되고, 그에 따라 물, 먼지, 벌레 등이 유입되는 것이 방지된다. 또다른 실시예에서는, 팬(395)이 공기를 보관함(390)으로 유입시켜서, 도시된 것과 반대의 방향으로 공기 흐름을 만들도록 작동할 수 있다. 저장부(390)는 복수개의 유입구(392)를 가질 수 있으며, 더 많거나 또는 더 적은 수의 배터리 모듈(100, 200)을 내장하도록 구성될 수도 있다. 또한 저장부는, 도 1 내지 도 25에 도시된 배터리 모듈(100, 200)을 복수개로 내장하되 냉각 능력을 향상시키기 위하여 휜(fins)을 가로질러서 강제적인 공냉이 일어날 수 있도록 구성될 수도 있다.
또다른 실시예에서 공기는, 후술하는 것처럼 배터리 모듈의 표면 사이 또는 배터리 모듈의 표면에 설치되는 표면 장치(예를 들면 휜(fin))에 의한 도움을 받아서, 배터리 모듈의 하나 이상의 표면을 가로질러서 흘러가서 대류에 의해 배터리 모듈을 냉각시킨다. 또다른 실시예에서, 공기는 배터리 모듈 그 자체를 통과하여 흘러가고, 배터리 셀 사이를 또는 배터리 셀을 가로질러서 흘러감으로써 대류에 의해 직접적으로 배터리 셀을 냉각시킬 수 있다.
플리넘의 길이를 따라 유체압력 저하를 제한하고, 배터리 모듈에 대해 압력 저하를 집중시켜서 공기 흐름의 유량 및 냉각 효율이 배터리 모듈 사이에서 균등하게 될 수 있도록, 유입/유출 플리넘의 크기, 위치 및 형상이 선택된다. 일실시예에서, 플리넘이 동일한 단부에 위치하는 경우, 케이스와 배터리 모듈 사이의 간극은 유체 압력 저하를 이루기 위하여 더 커지고, 배터리 모듈은 유입구(392)와 유출구(393)로부터 더 멀리 위치한다. 또다른 실시예에서 배터리 모듈은 도 26이 도시된 면에 대해 연직한 방향으로 복수개 층(layers) 또는 복수개의 계층(ranks)으로 배치될 수 있고(전체 6 또는 9개의 모듈에 대해 2개 또는 3개의 계층)될 수 있고, 그에 따라 공기 흐름은 배터리 모듈의 계층 사이로 더욱 잘 분배된다.
도 27에는 도 26의 스마트 배터리 제품에 사용되는 스마트 배터리 모듈(300)의 일예에 대한 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 예시된 배터리 모듈(300)은 저장부(보호 케이스)(390) 내에 내장되어 있는데, 예시된 저장부(보호 케이스)(390)는, 금속 또는 수지 성형에 의해 만들어진 조개껍질 형태로 접혀지는 판으로 구성되어 있다. 배터리 모듈(300)은 양측 단부에서 배기구(vent)(302)에 끼워지며(도면에는 일측 단부만 도시됨), 상기 배기구는 스크린(303), 배플, 필터 또는 기타 보호 수단에 의해 보호된다.
배터리 모듈은, 예를 들어 실린더형 18650 또는 21700 타입의 리튬 셀과 같은 복수개의 배터리 셀(102)을 내장하고 있는데, 배터리 셀은 각각의 단부에서 인터커넥트(interconnects)(320)에 의해 상호 전기적으로 연결되어 있다. 배터리 셀의 전기적인 활성 단부 및 금속성의 상기 인터커넥트는, 예를 들면 에폭시, 폴리우레탄 또는 실리콘 계열의 화학물질과 같은 열흐름이 가능한 접착제 등의 수지(resin) 또는 포탄트(pottant)(330)에 의해 보호되는데, 각각의 배터리 셀의 중앙부는 개방구(345)를 통해서 공기흐름(340)에 노출되어 있다. 저장부가 금속성 케이스로 이루어진 경우에는, 양측면 상에 유전체 시트(dielectric sheet)(331)가 구비되어 있어서 배터리 셀 어레이와 케이스 간의 전압 절연이 이루어지게 만든다.
작동에 있어서, 배터리 셀(102)과 인터커넥트(320)에서 발생하는 열은 전도에 의해 배터리 셀의 본체를 통해서 전달될 뿐만 아니라, 대류에 의해 배터리 모듈(300)과 개방구(345)를 통해서 흐르는 공기흐름(340)으로 전달된다. 배터리 셀에서 응결이 일어나거나 또는 먼지가 쌓이게 되더라도, 배터리 셀(102)의 아노드 및 캐소드, 그리고 수지에 의해 보호되는 대응되는 인터커넥트(320)를 포함한 접촉단자에서의 단락이나 부식이 발생하지 않는다. 접촉단자는 기본적으로 전기적-활성화 표면으로서, 이는 수지 또는 적절한 재료에 의해 캡슐화되어 있다.
도 27 및 이와 관련된 설명에서는, 전기적-활성화 표면을 보호하고 절연하기 위하여 유동성 재료를 사용하는 것을 개시하고 있으나, 또다른 실시예에서는 예를 들면 모듈에 대한 냉각 공기 흐름에 있어서 전기적으로나 환경적으로나 노출면을 보호하는데 유효하며 모터나 발전기 권선의 제조에 사용되는 일반적인 형태의 전기적 보호 수지(resin)에 조립된 모듈이 함침되거나 또는 도포될 수도 있다. 일실시예에서는, 도 27의 유동성 재료를 사용함에 있어서, 효율적인 열 경로를 형성할 수 있도록 도 1에 도시된 것과 같이 휜(fin)에 의해 덮여 있는 커버(108, 109)를 함께 사용할 수도 있다.
상기한 다양한 실시예는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 첨부된 청구범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 따라서 해당 기술분야의 평균적인 기술자는, 상기한 실시예와 적용에 국한되지 않고 후술하는 청구범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변화가 가능하다는 것을 알 수 있다.

Claims (49)

  1. 각각 열 발산 구성을 가지는 제1 및 제2히트 싱크 커버를 포함하는 저장부;
    제1 및 제2히트 싱크 커버 사이에 배치되는 복수개의 배터리 셀로서, 배터리 셀의 일부의 양극 단자는 제1히트 싱크 커버를 마주하고, 나머지 배터리 셀의 양극 단자는 제2히트 싱크 커버를 마주하도록 선택적인 극성을 가지도록 배치되는 복수개의 배터리 셀;
    제1히트 싱크 커버와 복수개의 배터리 셀 사이에 배치되며, 배터리 셀의 일부와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 제1납 플레이트; 및
    하나 이상의 제1납 플레이트와 제1히트 싱크 커버 사이에서 연장되고 접촉하는 제1열전도층으로서, 부분적으로는 복수개의 배터리 셀의 일부의 양극 단자와 유체흐름이 연통되는 가스 배출 채널을 형성하게 되는 제1열전도층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    제1열전도층은 제1히트 싱크 커버와 접촉하는 제1열전도 패드를 포함하며;
    제1열전도층은 제1열전도 패드 및 하나 이상의 제1납 플레이트와 접촉하는 제2열전도 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    제1열전도 패드는 제1히트 싱크 커버에 부착되고, 제2열전도 패드는 하나 이상의 제1납 플레이트에 부착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    제1열전도 패드는 솔리드 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    제2열전도 패드는 가스 배출 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    제2열전도 패드의 두께는 제1열전도 패드의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    제1, 2히트 싱크 커버는 휜(fins)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    제2히트 싱크 커버와 복수개의 배터리 셀 사이에 배치되고, 배터리 셀의 일부와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 제2납 플레이트; 및
    하나 이상의 제2납 플레이트와 제2히트 싱크 커버 사이에서 연장되고 접촉하는 제2열전도층으로서, 부분적으로는 복수개의 배터리 셀의 일부의 양극 단자와 유체흐름이 연통되는 가스 배출 채널을 형성하게 되는 제2열전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    제1, 2열전도층 각각은, 제2열전도 패드와 접촉하는 제1열전도 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    제1열전도층의 제1열전도 패드는 제1히트 싱크 커버와 접촉되어 있고, 제2열전도층의 제1열전도 패드는 제2히트 싱크 커버와 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    제1열전도층의 제2열전도 패드는 하나 이상의 제1납 플레이트와 접촉되어 있고, 제2열전도층의 제2열전도 패드는 하나 이상의 제2납 플레이트와 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제9항에 있어서,
    제1, 2열전도층의 제1열전도 패드는 각각 제1, 2히트 싱크 커버에 부착되고, 제1, 2열전도층의 제2열전도 패드는 각각 하나 이상의 제1, 2납 플레이트와 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제9항에 있어서,
    제1열전도 패드는 솔리드 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제4항에 있어서,
    제2열전도 패드는 가스 배출 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제9항에 있어서,
    제2열전도 패드의 두께는 제1열전도 패드의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 내면과 외면을 가지고 있는데, 내면에는 역류 열접촉(retentive thermal contact)하면서 배터리 셀을 지지하는 리브(ribs)가 구비되어 있으며, 외면에는 주변 유체로 열을 전달시킬 수 있는 냉각 구조를 가지고 있는 쉘(shell)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 쉘(shell)은 조개껍질 형태로 접히는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 냉각 구조에는 휜(fins)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 휜(fins)에는, 단속적인 휜, 선형 핀, 및 텍스쳐화된 휜 중의 하나 이상의 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 쉘(shell)은 힌지에 의해 결합되어 있는 한 쌍의 인터페이스 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 리브(ribs)에는 배터리들과 열적으로 결합되는 측면을 가지는 소켓이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 쉘(shell)에 열적으로 결합되며 상기 쉘(shell)의 외측을 향하여 연장되는 열전도 금속 핀(pins)이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 금속 핀은, 상기 쉘(shell)에 의해 지지되는 배터리로부터 열적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 금속 핀은, 성형(overmold)에 의해 상기 쉘(shell)에 직접 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 리브(ribs)에 열적으로 결합되는 다중 배터리 셀을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  26. 제16항에 있어서,
    배터리 셀과 결합되도록 위치하는 직렬 및 병렬 결합되는 전기 커넥트의 네트워크를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  27. 유입구와 유출구를 가지는 저장부;
    유입구와 유출구 사이에서 저장부에 의해 지지되는 복수개의 배터리 모듈;
    배터리 모듈을 가로질러 열 대류 공기흐름을 형성할 수 있도록 유입구와 유출구 사이에 위치하여 형성되는 복수개의 유체 흐름 경로; 및
    열 대류 공기흐름을 일으키도록 저장부에 의해 지지되는 팬(fan)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 팬은, 유입구의 주변에서부터 유입구로 유체의 흐름을 일으키고 유출구로부터 주변으로 유체의 흐름을 일으키도록 유출구 인근에서 지지되어 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  29. 제27항에 있어서,
    유입구에는, 물의 유입을 방지하기 위하여 스크린, 배플 및 루버 중의 하나 이상이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  30. 제27항에 있어서,
    유체 흐름에 의한 대류 냉각이 용이하게 이루어질 수 있도록 배터리 모듈의 외면에는 휜(fins)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    유체 흐름에서의 유체는 공기인 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  32. 제27항에 있어서,
    복수개의 배터리 모듈 중 하나 이상은,
    케이스;
    상기 케이스 내에서 지지되고 이격되어 위치하는 복수개의 배터리;
    배터리의 양극과 음극을 전기적으로 연결해주는 인터커넥트; 및
    상기 인터커넥트와, 배터리의 아노드 및 캐소드를 내장하여 캡슐화시키는 포팅재(potting material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 케이스는, 2개의 단부를 구비하는데, 각각의 단부에는 이격된 배터리들 사이에서 공기흐름을 형성할 수 있는 배출구가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 배출구는 스크린, 배플 및 필터 중의 하나 이상의 것에 의해 보호되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  35. 제32항에 있어서,
    포팅재(potting material)는 케이스에 의해 지지되며, 포팅재는 흐름성 있는 열 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  36. 제32항에 있어서,
    포팅재(potting material)는 스프레이 방식 또는 함침 방식에 의해 형성되는 전기적인 보호 레진(resin)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  37. 제27항에 있어서,
    복수개의 배터리 모듈 중 하나 이상은,
    케이스;
    상기 케이스 내에서 지지되고 이격되어 위치하는 복수개의 배터리;
    배터리의 양극과 음극을 전기적으로 연결해주는 인터커넥트; 및
    상기 배터리와 상기 케이스를 밀접하게 열적으로 연통시키는 열 층(thermal layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 케이스의 외측부에는 복수개의 열전도 휜(fins)이 열적으로 고정 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 휜에서 상기 케이스와 마주하고 있는 단부는 둥글게 되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 휜은 순응 금속 휜인 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  41. 케이스;
    상기 케이스 내에서 지지되고 이격되어 위치하는 복수개의 배터리;
    배터리의 양극과 음극을 전기적으로 연결해주는 인터커넥트; 및
    상기 배터리와 상기 케이스를 밀접하게 열적으로 연통시키는 열 층(thermal layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 케이스의 외측부에는 복수개의 열전도 휜(fins)이 열적으로 고정 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 휨에서 상기 케이스와 마주하고 있는 단부는 둥글게 되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  44. 제41항에 있어서,
    상기 휜은 순응 금속 휜인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  45. 케이스;
    상기 케이스 내에서 지지되고 이격되어 위치하는 복수개의 배터리;
    배터리의 양극과 음극을 전기적으로 연결해주는 인터커넥트; 및
    상기 인터커넥트와, 배터리의 아노드 및 캐소드를 내장하여 캡슐화시키는 포팅재(potting material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 케이스는 2개의 단부를 구비하는데, 각각의 단부에는 이격된 배터리들 사이에서 공기흐름을 형성할 수 있는 배출구가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 배출구는 스크린, 배플 및 필터 중의 하나 이상의 것에 의해 보호되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  48. 제45항에 있어서,
    포팅재(potting material)는 케이스에 의해 지지되며, 포팅재는 흐름성 있는 열 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  49. 제45항에 있어서,
    포팅재(potting material)는 스프레이 방식 또는 함침 방식에 의해 형성되는 전기적인 보호 레진을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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