KR102226353B1 - 흑연 열전기적 및/또는 저항성 열 관리 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
전기 장치를 가열 및/또는 냉각하도록 구성된 열 관리 시스템 및 방법을 포함하는 실시예가 개시된다. 열 관리 시스템은 전기 장치의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 히트 스프레더를 포함할 수 있다. 히트 스프레더는 하나 이상의 열분해 흑연 시트를 포함할 수 있다. 히트 스프레더는 하나 이상의 열분해 흑연 시트를 연결하는 열적/전기적 엘리베이터를 포함할 수 있다. 시스템은 히트 스프레더와 연적으로 연통하는 열전 장치를 포함할 수 있다. 전력은 히트 스프레더 및/또는 열전 장치에 보내져 전기 장치의 제어된 가열 및/또는 냉각을 제공할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 9월 12일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/050001호(명칭: INTEGRATED GRAPHITE THERMOELECTRIC AND RESISTIVE THERMAL MANAGEMENT DEVICE AND METHODS)의 35 U.S.C.§119(e)에 따른 이익을 주장하고, 전체 내용은 본 명세서에 참고로 통합되며 본 명세서의 일부를 구성한다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 배터리를 포함하지만 한정되지는 않는 전기 장치의 열 관리(예를 들어, 가열 및/또는 냉각)에 관한 것이다.
전력 전자장치 및 배터리와 같은 기타 전기 장치는 과열, 저온, 극한 온도 및 동작 온도 제한에 민감할 수 있다. 이러한 장치의 성능은, 권장되는 온도 범위를 벗어나 장치가 작동할 때 가끔 심각하게 떨어질 수 있다. 반도체 장치에 있어서, 집적회로 다이(die)는 과열되고 오작동할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차 또는 전기 자동차의 자동차 애플리케이션에 사용되는 배터리를 포함하여 배터리에서는, 배터리 셀과 그 구성요소는 과열되거나 과냉각되었을 때 열화될 수 있다. 그러한 열화는 배터리 저장 용량의 감소 및/또는 배터리가 다중 듀티 사이클에 걸쳐 재충전되는 능력의 감소로 나타날 수 있다.
(예를 들어, 전기 자동차에 사용되는 리튬 기반 배터리를 포함하여) 대형 시스템에서 사용하기 위한 고성능 배터리는 배터리 및/또는 격납(containment) 시스템의 열관리를 바람직하게 하는 특정 특성을 갖는다. 고성능 배터리의 충전 특성은 고온에서 변화하며, 최적의 범위를 벗어난 온도(예를 들어, 너무 높거나 너무 낮은 온도)에서 충전되거나 방전되는 경우 배터리의 사이클 수명이 현저히 감소할 수 있다. 예를 들어, 일부 리튬 기반 배터리의 경우 약 50℃에서 반복적으로 충전되는 경우 사이클 수명이 50% 넘게 감소한다. 사이클 수명이 크게 단축될 수 있기 때문에, 충전 온도가 적절한 한계 내에서 제어되지 않으면 배터리의 수명 비용이 크게 증가할 수 있다. 또한, 일부 고성능 배터리는 저하된 성능을 나타낼 수 있으며, 약 -30℃ 미만과 같은 너무 낮은 온도에서 충전되거나 동작하면 손상될 수 있다. 또한, 고성능 배터리와 고성능 배터리 어레이는 배터리가 영구적으로 손상되거나 파손되는 열적 이벤트를 경험할 수 있으며, 온도가 너무 높은 상태는 화재 및 기타 안전에 관련된 이벤트를 초래할 수 있다.
이 배경기술은 후술되는 요약 및 상세한 설명의 간략한 배경을 소개하기 위해 제공된다. 이 배경기술은 여기에 제시된 단점이나 문제점의 일부 또는 전부를 해결하는 구현에 대해 청구된 주제를 제한하는 것으로 간주되지 않는다.
전력 전자장치 및 기타 전기장치의 열 상태를 관리하는 것이 유리할 수 있다. 열 관리는 과열, 과냉각, 및 전기 장치 열화의 발생을 줄일 수 있다. 본 명세서에서 기술되는 특정 실시예는 상당한 전력을 전달하고 그리고/또는 높은 전류 및 효율을 필요로 하는 장치(예를 들어, 전력 증폭기, 트랜지스터, 변압기, 전력 인버터, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전기 모터, 고전력 레이저 및 발광 다이오드, 배터리 및 기타)의 열 관리를 제공한다. 대류 공기 및 액체 냉각, 전도성 냉각, 액체 제트(jet)로 분사 냉각, 보드 및 칩 케이스의 열전(thermoelectric) 냉각 및 기타 솔루션을 포함하여 다양한 장치를 열 관리하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 적어도 일부 실시예는 전기 장치를 가열 또는 냉각하기 위한 기존의 기술에 비해, 높은 전력 효율, 더 낮거나 제거된 유지 비용, 더 큰 신뢰성, 더 긴 서비스 수명, 더 적은 부품, 더 적거나 제거된 가동 부품, 가열 및 냉각 작동 모드, 다른 장점, 또는 이점의 조합을 포함하여 적어도 하나의 이점을 제공할 수 있다.
전기 장치 열 관리 시스템이 개시된다. 일부 실시예에서, 전기 장치는 배터리이다. 배터리 열 관리 시스템은 적층된 배터리 셀 사이에 위치하는 하나 이상의 히트 스프레더(heat spreader)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 히트 스프레더는 히터 및/또는 냉각기로서 기능할 수 있는 하나 이상의 열분해 흑연 시트(pyrolytic graphite sheet)를 구비할 수 있다. 배터리 열 관리 시스템의 가열 모드에서, 전류는 히트 스프레더를 통해(예를 들어, 흑연 시트 및/또는 기판을 통해) 흘러 히트 스프레더가 저항 히터로서 기능할 수 있다. 배터리 열 관리 시스템의 냉각 모드에서, 히트 스프레더는 배터리 셀로부터 히트 싱크로 열을 전달할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 히트 스프레더에 하나 이상의 열전 장치가 부착될 수 있다. 가열 모드에서, 상기 하나 이상의 열전 장치는 배터리 셀로 열을 전달하는 하나 이상의 히트 스프레더로 열원으로부터의 열을 전달할 수 있다. 냉각 모드에서, 상기 하나 이상의 열전 장치는 배터리 셀로부터 열을 전달하는 하나 이상의 히트 스프레더로부터 히트 싱크로 열을 전달할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 열적/전기적 연결부가 히트 스프레더의 흑연 시트 사이에 배치될 수 있다(예를 들어, 열적/전기적 연결부는 흑연 시트에 실질적으로 평행하게 연장되는 평면에 직교하도록 연장됨). 하나 이상의 열적/전기적 연결부는 흑연 시트의 (예를 들어, 상기 평행한 평면에 직교하는) 층 사이에 열 또는 전자를 전달하여 히트 스프레더의 열적/전기적 효율을 증가시킨다. 히트 스프레더는 전기 장치 및/또는 열 관리 시스템의 다른 구성 요소에 대한 하나 이상의 연결부를 포함할 수 있다. 히트 스프레더의 하나 이상의 연결부는 상기 시스템의 다른 구성 요소와 히트 스프레더의 열적/전기적 연통(communication) 효율을 향상시키기 위한 열적/전기적 연결부를 포함할 수 있다.
본 개시에 따르면, 배터리 셀의 온도를 관리하도록 구성된 열전 배터리 열 관리 시스템은, 배터리 셀의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 히트 스프레더; 메인 면과 폐기 면을 포함하는 열전 장치로서, 상기 열전 장치는 열전 장치에 전류가 인가될 때 열전 장치의 메인 면과 폐기 면 사이에서 열 에너지를 전달하도록 구성되고, 상기 열전 장치의 메인 면은 히트 스프레더와 열적으로 연통하여 열전 장치에 전달되는 전류의 극성을 조정함으로써 배터리 셀을 가열 또는 냉각하는, 상기 열전 장치; 및/또는 가열 모드 또는 냉각 모드에서 동작하도록 구성된 열 관리 제어기 중 하나 이상 포함한다. 상기 히트 스프레더는, 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 열분해 흑연으로서, 상기 열분해 흑연은 히트 스프레더를 따라 실질적으로 평행하게 연장된 복수의 흑연층을 포함하고 상기 흑연층에 실질적으로 평행한 평면을 따라 열 에너지 및 전류를 전달하도록 구성된, 상기 열분해 흑연; 상기 복수의 흑연 층 사이의 복수의 열적 엘리베이터(thermal elevator)로서, 상기 열적 엘리베이터는 복수의 흑연층 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되고 상기 평면에 실질적으로 직교하는 열 에너지를 전달하도록 구성된, 상기 열적 엘리베이터; 및/또는 상기 열분해 흑연 및 복수의 열적 엘리베이터와 열적으로 연통하는 전도체로서, 상기 전도체는 상기 전도체를 통해 열분해 흑연을 통해 전류를 인가할 때 배터리 셀을 가열하기 위해 열분해 흑연과 전기적으로 연통하는, 상기 전도체 중 하나 이상을 포함한다. 가열 모드에서, 전류가 전도체를 통해 히트 스프레더에 인가될 때, 상기 열전 장치에 전류가 제1 극성으로 인가될 때, 또는 전도체를 통해 히트 스프레더와 제1 극성으로 열전 장치에 전류가 인가될 때, 상기 배터리 셀은 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역에 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 가열된다. 냉각 모드에서, 상기 배터리 셀은 열전 장치에 전류가 제2 극성으로 인가될 때 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역으로부터 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 냉각된다.
일부 실시예에서, 열전 배터리 열 관리 시스템은 다음의 하나 이상을 포함한다. 상기 히트 스프레더는 제1 면 및 제2 면을 포함하되, 상기 제1 면은 상기 제2 면과 실질적으로 대향하고; 상기 히트 스프레더는 히트 스프레더의 제2 면 상의 열분해 흑연과 열적 및 전기적으로 연통하는 다른 전도체를 포함하되, 상기 전도체는 히트 스프레더의 제1 면 상에 있고; 상기 가열 모드에서, 상기 전도체 및 다른 전도체를 통해 열분해 흑연에 전류가 인가되어 상기 배터리 셀이 가열되어 히트 스프레더의 제1 면으로부터 제2 면으로 상기 복수의 흑연층을 따라 전류가 흐를 때 상기 배터리 셀이 가열되고; 상기 다른 전도체는 열 관리 제어기를 포함하는 인쇄회로기판에 전기적으로 연결하도록 구성된 전기 접합부를 포함하되, 전기 접합부는 히트 스프레더에 전류를 전달하도록 구성되고; 상기 배터리 셀 및 히트 스프레더는 배터리 케이스 내에 위치하고, 상기 전도체는 배터리 케이스에 부착하여 배터리 케이스에 대해 히트 스프레더를 물리적으로 고정하도록 구성되고; 상기 배터리 케이스 상에 있으며 상기 전도체와 정합하도록 구성된 열적 계면(thermal interface); 상기 전도체는 제1 기계적 연결부를 포함하고; 상기 열적 계면은 상기 제1 기계적 연결부와 정합하여 상기 전도체를 배터리 케이스에 부착하도록 구성된 제2 기계적 연결부를 포함하고; 상기 제1 기계적 연결부는 수 도브테일(male dovetail) 연결부를 포함하고, 상기 제2 기계적 연결부는 상기 수 도브테일 연결부를 수용하여 상기 전도체를 배터리 케이스에 부착하도록 구성된 암 도브테일(female dovetail) 연결부를 포함하고; 상기 배터리 케이스는 배터리 케이스 내부 및 외부로 열 에너지를 전달하도록 구성된 열적 윈도우(thermal window)를 포함하되, 상기 열적 윈도우는 열적 계면과 열적으로 연통하고; 상기 배터리 케이스는 열적 윈도우 내에 열적 기판을 포함하되, 상기 열적 기판은 상기 배터리 케이스 내로 물리적 장벽을 제공하면서 상기 배터리 케이스 내부 및 외부로 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 열전 장치의 메인 면은 상기 전도체 및 열적 계면을 통해 상기 열전 장치의 메인 면과 상기 히트 스프레더 사이의 열적 연통을 제공하기 위해 상기 열적 기판과 열적으로 연통하고; 상기 열전 장치는 배터리 케이스의 외부에 위치하고; 상기 배터리 케이스에 부착되고 상기 열전 장치의 폐기 면을 가로질러 공기를 밀거나 당기도록 구성된 송풍기(blower) 및 덕트 어셈블리; 상기 열 관리 제어기는 상기 송풍기 및 덕트 어셈블리의 송풍기로부터의 공기 흐름이 상기 배터리 셀의 가열 또는 냉각 요건에 부합하도록 증가되거나 감소되어 시스템 효율을 최적화하도록 구성되며; 상기 열전 장치와 열적으로 연통하고 열전 장치의 폐기 면을 가로질러 공기를 밀거나 당기도록 구성된 송풍기 및 덕트 어셈블리; 상기 열 관리 제어기는 송풍기 및 덕트 어셈블리의 송풍기로부터의 공기 흐름이 상기 배터리 셀의 가열 또는 냉각 요건에 부합하도록 증가되거나 감소되어 시스템 효율을 최적화하도록 구성되고; 상기 열전 장치의 폐기 면은 폐열 교환기를 통해 공기와 열적으로 연통하고, 상기 열전 장치의 폐기 면은 폐열 교환기를 포함하며; 상기 히트 스프레더는 상기 복수의 흑연층에 복수의 파단부(break)를 포함하되, 상기 복수의 파단부는 히트 스프레더의 저항성 가열 용량을 증가시키기 위해 히트 스프레더를 통과하는 전류에 대한 전도 경로를 증가시키도록 구성되고; 상기 복수의 흑연층 중 적어도 하나의 흑연층의 표면의 길이를 증가시키도록 상기 복수의 흑연층을 주름지게 하되, 상기 적어도 하나의 흑연층의 표면의 증가된 길이는 상기 적어도 하나의 흑연층을 통과하는 전류에 대한 전도 경로를 증가시켜 상기 히트 스프레더의 저항성 가열 용량을 증가시키도록 구성되며; 상기 전도체는 상기 복수의 열 엘리베이터의 적어도 일부를 포함하여 상기 복수의 열 엘리베이터가 실질적으로 히트 스프레더의 단부 상에 있도록 하고; 상기 히트 스프레더는 배터리 셀의 상기 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 상기 히트 스프레더의 일 면에 대향하는 히트 스프레더의 일 면 상의 다른 배터리 셀의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하고; 상기 복수의 열적 엘리베이터의 적어도 일부는 상기 배터리 셀 및 다른 배터리의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 상기 히트 스프레더의 면 사이에서 실질적으로 길이를 연장하고; 상기 히트 스프레더의 면 사이에서 연장되는 상기 복수의 열적 엘리베이터의 적어도 일부는 상기 히트 스프레더와 관련된 열적 접촉 저항을 감소시키기 위해 상기 배터리 셀 및 다른 배터리 셀과 직접 열적으로 연통하고; 상기 복수의 열 엘리베이터는 상기 복수의 흑연층과 전도체 사이에 전류를 전달하도록 구성된 금속 재료를 포함하며; 및/또는 상기 전도체는 히트 스프레더에 구조적 무결성을 제공하기 위해 상기 히트 스프레더의 치수 전체를 실질적으로 연장한다.
본 개시에 따르면, 배터리 셀을 가열 또는 냉각하도록 구성된 배터리 열 관리 시스템은, 배터리 셀과 열적으로 연통하는 히트 스프레더; 및/또는 메인 면과 폐기 면을 포함하는 열전 장치로서, 상기 열전 장치는 열전 장치에 전류가 인가될 때 상기 열전 장치의 메인 면과 폐기 면 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 열전 장치의 메인 면은 상기 히트 스프레더와 열적으로 연통하여 상기 열전 장치에 전달되는 전류의 극성을 조정함으로써 상기 배터리 셀을 가열 또는 냉각되는, 상기 열전 장치 중 하나 이상을 포함한다. 상기 히트 스프레더는, 열분해 흑연 시트를 따라 열 에너지 및 전류를 전달하도록 구성된 열분해 흑연 시트; 및/또는 열분해 흑연 시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 전도체로서, 상기 전도체는 상기 전도체를 통해 열분해 흑연 시트로 전류를 인가할 때 배터리 셀을 가열하기 위해 열분해 흑연 시트와 전기적으로 연통하고, 상기 전도체는 상기 열분해 흑연 시트로 및 그로부터 열 에너지를 전달하기 위해 상기 열분해 흑연 시트와 열적으로 연통하는, 상기 전도체 중 하나 이상을 포함한다. 상기 배터리 셀은, 상기 전도체를 통해 히트 스프레더에 전류가 인가될 때, 또는 상기 열전 장치에 전류가 제1 극성으로 인가될 때, 또는 상기 전도체를 통해 히트 스프레더에 그리고 제1 극성으로 열전 장치에 전류가 인가될 때, 상기 배터리 셀에 열 에너지를 전달하는 상기 히트 스프레더에 의해 가열된다. 상기 배터리 셀은 제2 극성으로 열전 장치에 전류가 인가될 때 배터리 셀로부터 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 냉각된다.
일부 실시예에서, 상기 배터리 열 관리 시스템은 다음의 하나 이상을 더 포함한다. 상기 히트 스프레더는 제1 면 및 제2 면을 포함하되, 상기 제1 면은 제2 면과 실질적으로 대향하고, 상기 히트 스프레더는 상기 히트 스프레더의 제2 면 상의 열분해 흑연시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 다른 전도체를 포함하고; 상기 배터리 셀은, 전류가 상기 전도체 및 다른 전도체를 통해 열분해 흑연 시트로 인가되어 전류가 히트 스프레더의 제1 면으로부터 제2 면으로 열분해 흑연 시트를 따라 흐를 때 가열되고; 상기 다른 전도체는 인쇄회로기판에 전기적으로 연결되도록 구성된 전기적 연결부를 포함하되, 상기 전기적 연결부는 히트 스프레더에 전류를 전달하도록 구성되고; 배터리 셀과 히트 스프레더는 배터리 인클로저(enclosure)의 내에 위치하고; 상기 전도체는 히트 스프레더를 배터리 인클로저에 고정하기 위해 배터리 인클로저에 연결하도록 구성되고; 상기 배터리 인클로저 상에 있으며 상기 전도체와 정합하도록 구성된 열적 계면; 상기 전도체는 제1 기계적 연결부를 포함하고; 상기 열적 계면은 상기 제1 기계적 연결부와 결합하여 상기 전도체를 배터리 인클로저에 부착하도록 구성된 제2 기계적 연결부를 포함하고; 상기 제1 기계적 연결부는 수 도브테일 연결부를 포함하고 상기 제2 기계적 연결부는 상기 수 도브테일 연결부를 수용하여 상기 전도체를 배터리 인클로저에 부착하도록 구성된 암 도브테일 연결부를 포함하고; 상기 배터리 인클로저는 상기 배터리 인클로저 내부 및 외부로 열 에너지를 전달하도록 구성된 열적 윈도우를 포함하고; 상기 배터리 인클로저는 상기 열적 윈도우 내에 열적 기판을 포함하되, 상기 열적 기판은 상기 배터리 인클로저 내로 물리적 장벽을 제공하면서 상기 배터리 인클로저 내부 및 외부로 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 열전 장치는 상기 열적 기판과 연통하여 상기 열전 장치와 히트 스프레더 사이에 열적 연통을 제공하고; 상기 열전 장치는 배터리 인클로저의 외부에 위치하고; 상기 배터리 인클로저에 부착되고 상기 열전 장치의 폐기 면을 가로질러 공기를 밀거나 당기도록 구성된 송풍기 및 덕트 어셈블리; 상기 송풍기 및 덕트 어셈블리의 송풍기는 배터리 셀의 가열 또는 냉각 요건에 부합하도록 공기 흐름이 증가되어나 감소되어 시스템 효율을 최적화하도록 구성되고; 송풍기 및 덕트 어셈블리는 열전 장치와 열적으로 연통하고 열전 장치의 폐기 면을 가로질러 공기를 밀거나 당기도록 구성되고; 상기 송풍기 및 덕트 어셈블리의 송풍기는 배터리 셀의 가열 또는 냉각 요건에 부합하도록 공기 흐름이 증가되거나 감소되어 시스템 효율을 최적화하도록 구성되고; 상기 열전 장치의 폐기 면은 폐열 교환기를 통해 공기와 열적으로 연통하고; 상기 열전 장치의 폐기 면은 폐열 교환기를 포함하고; 상기 히트 스프레더는 열분해 흑연 시트층에 파단부를 포함하되, 상기 파단부는 히트 스프레더의 저항성 가열 용량을 증가시키기 위해 상기 히트 스프레더를 통과하는 전류에 대해 진행 경로를 증가시키도록 구성되고; 상기 열분해 흑연 시트는 상기 열분해 흑연 시트의 표면의 길이를 증가시키도록 주름지되, 상기 열분해 흑연 시트 표면의 증가된 길이는 상기 열분해 흑연 시트를 통과하는 전류에 대한 진행 경로를 증가시켜 상기 히트 스프레더의 저항성 가열 용량을 증가시키도록 구성되고; 상기 전도체는 상기 히트 스프레더에 구조적 무결성을 제공하기 위해 히트 스프레더의 전체 치수를 실질적으로 연장하고; 상기 히트 스프레더는 상기 전도체와 열적 및 전기적으로 연통하는 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트를 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트는 상기 열분해 흑연 시트와 실질적으로 평행하게 연장되고; 상기 전도체는 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트와 전기적으로 연통하여 상기 전도체를 통해 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트에 전류가 인가될 때 배터리 셀을 가열하되, 상기 전도체는 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트와 열적으로 연통하여 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트로 또는 그로부터 열 에너지를 전달하고; 상기 히트 스프레더는 상기 열분해 흑연 시트와 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트 사이에 열적 연결부를 더 포함하되, 상기 열적 연결부는 상기 열분해 흑연 시트와 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트 사이에서 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 전도체는 상기 열적 연결부를 포함하고; 상기 열적 연결부는 상기 열분해 흑연 시트와 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트 사이에서 전기적 에너지를 전달하도록 구성된 금속성의 재료를 포함하고; 상기 히트 스프레더는, 상기 배터리 셀과 열적으로 연통하는 히트 스프레더의 일 면에 대향하는 히트 스프레더의 면 상의 다른 배터리 셀과 열적으로 연통하고; 상기 열적 연결부는 상기 배터리 셀 및 다른 배터리 셀과 열적으로 연통하는 히트 스프레더의 면들 사이에 위치하고; 상기 열적 연결부는, 상기 히트 스프레더와 관련하는 열적 접촉 저항을 감소시키기 위해 상기 배터리 셀 및 다른 배터리 셀과 직접 열적으로 연통하고; 상기 히트 스프레더는 상기 열분해 흑연 시트와 열적으로 연통하는 금속성 기판을 더 포함하고; 상기 열분해 흑연 시트는 상기 배터리 셀과 열적으로 연통하여 상기 열분해 흑연 시트가 상기 배터리 셀과 금속성 기판 사이의 열적 계면으로서 기능하고; 상기 열분해 흑연 시트는 상기 금속성의 기판의 적어도 두 면 상에서 금속성 기판의 표면을 따라 연장되고; 상기 열분해 흑연 시트는 상기 금속성 기판의 적어도 절반의 단면 둘레로 연장되고; 상기 열전 장치의 메인 면은 상기 금속성 기판의 적어도 일부 위에 위치하고; 상기 열분해 흑연 시트는 열전 장치와 금속성 기판 사이에 열적 계면을 제공하기 위해 열전 장치의 메인 면과 금속성 기판 사이에 있도록 연장되되, 상기 열적 계면은 열전 장치의 메인 면과 금속성 기판 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 배터리 셀은, 전도체를 통해 금속성 기판에 전류가 인가될 때 배터리 셀로 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 가열되고, 및/또는 상기 배터리 셀은, 전류가 제2 극성으로 열전 장치에 인가될 때 상기 열분해 흑연 시트와 전도체를 통해 배터리 셀로부터 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 냉각된다.
본 개시에 따르면, 전기 장치의 온도를 관리하기 위한 히트 스프레더 어셈블리는, 전기 장치와 열적으로 연통하는 흑연 시트로서, 상기 흑연 시트는 상기 흑연 시트를 따라 열 에너지 및 전류를 전달하도록 구성된, 상기 흑연 시트; 및/또는 상기 흑연 시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 전도체로서, 상기 전도체를 통해 흑연 시트에 전류가 인가될 때 전기 장치를 가열하기 위해 흑연 시트와 전기적으로 연통하고, 상기 전도체는 상기 흑연 시트에 및 흑연 시트로부터 열 에너지를 전달하기 위해 흑연 시트와 열적으로 연통하는, 상기 전도체 중 하나 이상을 포함한다. 상기 전기 장치는 상기 전도체를 통해 히트 스프레더에 전류가 인가될 때 상기 전기 장치에 열 에너지를 전달하는 흑연 시트에 의해 가열된다. 상기 전기 장치는 상기 전기 장치로부터 열 에너지를 전달하는 흑연 시트에 의해 냉각된다.
일부 실시예에서, 히트 스프레더는 다음 중 하나 이상을 더 포함한다. 상기 흑연 시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 다른 전도체; 상기 전기 장치는 상기 전도체를 통해 흑연 시트에 전류가 인가되어 흑연 시트를 따라 전류가 흐를 때 가열되고; 상기 흑연 시트는 제1 면과 제2 면을 포함하되, 상기 제1 면은 제2 면에 실질적으로 대향하고; 상기 전도체는 제1 면에 있고 상기 다른 전도체는 제2 면에 있고; 상기 다른 전도체는 전기 장치의 온도를 관리하도록 구성된 제어기를 포함하는 인쇄회로기판에 전기적으로 연결하도록 구성된 전기적 연결부를 포함하되, 상기 전기적 연결부는 상기 히트 스프레더에 전류를 전달하도록 구성되고; 상기 히트 스프레더 어셈블리는 전기 장치 인클로저 내에 위치하고; 상기 전도체는 히트 스프레더 어셈블리를 전기 장치 인클로저에 고정시키기 위하여 전기 장치 인클로저와 연결하도록 구성되고; 상기 전기 장치 인클로저 상에 있고 상기 전도체와 정합하도록 구성된 열적 계면; 상기 전도체는 제1 기계적 연결부를 포함하고; 상기 열적 계면은 상기 전도체를 상기 전기 장치 인클로저에 부착하기 위해 제1 기계적 연결부와 결합하도록 구성된 제2 기계적 연결부를 포함하고; 상기 제1 기계적 연결부는 수 도브테일 연결부를 포함하고, 상기 제2 기계적 연결부는 상기 수 도브테일 연결부를 수용하여 상기 전도체를 전기 장치 인클로저에 부착하도록 구성된 암 도브테일 연결부를 포함하고; 상기 전기 장치 인클로저는 전기 장치 인클로저의 내부 및 외부의 열 에너지를 전달하도록 구성된 열적 윈도우를 포함하고; 상기 전기 장치 인클로저는 열적 윈도우 내에 열적 기판을 포함하되, 상기 열적 기판은 전기 장치 인클로저 내로 물리적 장벽을 제공하면서 전기 장치 인클로저의 내부 및 외부의 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 열전 장치는 히트 스프레더를 통해 전기 장치에 가열 및 냉각을 제공하기 위해 열적 기판과 열적으로 연통하고; 열전 장치는 전기 장치 인클로저의 외부에 위치하고; 열전 장치는 상기 흑연 시트와 열적으로 연통하고; 상기 전기 장치는 전류가 제1 극성으로 열전 장치에 인가될 때 흑연 시트에 의해 가열되고; 상기 전기 장치는 전류가 제2 극성으로 열전 장치에 인가될 때 흑연 시트에 의해 냉각되고; 상기 흑연 시트는 흑연 시트 내 공유 결합의 파단부를 포함하되, 상기 파단부는 흑연 시트의 저항성 가열 용량을 증가시키기 위해 흑연 시트를 통과하는 전류의 이동 경로를 증가시키도록 구성되고; 상기 흑연 시트는 흑연 시트의 길이를 증가시키기 위해 주름지되, 흑연 시트의 증가된 길이는 흑연 시트의 저항성 가열 용량을 증가시키기 위해 흑연 시트를 통과하는 전류의 진행 경로를 증가시키도록 구성되고; 상기 전도체는 흑연 시트에 구조적 무결성을 제공하기 위해 흑연 시트의 전체 치수를 실질적으로 연장하고; 상기 전도체와 열적 및 전기적으로 연통하는 적어도 하나의 다른 흑연 시트; 상기 전도체는 상기 전도체를 통해 전류가 상기 적어도 하나의 다른 흑연 시트에 인가될 때 전기 장치를 가열하기 위해 상기 적어도 하나의 다른 흑연 시트와 전기적으로 연통하되, 상기 전도체는 상기 적어도 하나의 다른 흑연 시트로 및 그로부터 열 에너지를 전달하도록 상기 적어도 하나의 다른 흑연 시트와 열적으로 연통하고; 상기 흑연 시트와 적어도 하나의 다른 흑연 시트는 히트 스프레더 어셈블리 내에서 실질적으로 평행하게 연장되고; 상기 흑연 시트 및 적어도 하나의 다른 흑연 시트 사이의 열적 연결부로서, 상기 열적 연결부는 상기 흑연 시트와 적어도 하나의 다른 흑연 시트 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 전도체는 상기 열적 연결부를 포함하고; 상기 열적 연결부는 상기 흑연 시트와 적어도 하나의 다른 흑연 시트 사이에 전류를 전달하도록 구성된 금속성 재료를 포함하고; 상기 흑연 시트와 열적으로 연통하는 금속성 기판; 상기 흑연 시트는 전기 장치와 열적으로 연통하여 흑연 시트가 열전 장치의 메인 면과 금속성 기판 사이에서 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 흑연 시트는 금속성 기판의 적어도 두 면 상에서 금속성 기판의 표면을 따라 연장되고; 상기 흑연 시트는 금속성 기판의 단면 둘레의 적어도 절반을 연장하고; 상기 전기 장치는 전류가 전도체를 통해 금속성 기판에 인가될 때 가열되고; 상기 흑연 시트는 하나 이상의 열분해 흑연층을 포함하고; 상기 전기 장치는 배터리 셀을 포함하며; 및/또는 상기 흑연 시트는 상기 전기 장치의 온도 감응 영역과 열적으로 연통한다.
본 개시에 따르면, 배터리 셀을 가열 또는 냉각하기 위한 배터리 열 관리 시스템의 제조방법은, 히트 스프레더를 배터리 셀에 열적으로 연결하는 단계; 및/또는 열전 장치의 메인 면을 히트 스프레더에 열적으로 연결하여 상기 열전 장치에 전달되는 전류의 극성을 조정함으로써 상기 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키는 단계로서, 상기 열전 장치는 상기 열전 장치에 전류가 인가될 때 상기 열전 장치의 메인 면과 폐기 면 사이에서 열 에너지를 전달하도록 구성된, 상기 열전 장치의 메인 면을 히트 스프레더에 열적으로 연결하는 단계 중 하나 이상을 포함한다. 상기 히트 스프레더는, 열분해 흑연 시트를 따라 열 에너지 및 전류를 전달하도록 구성된 열분해 흑연 시트; 및/또는 상기 열분해 흑연 시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 전도체로서, 상기 전도체는 상기 전도체를 통해 열분해 흑연 시트로 전류가 인가될 때 배터리 셀을 가열하기 위해 열분해 흑연 시트와 전기적으로 연통하고, 상기 전도체는 열분해 흑연 시트로 및 그로부터 열 에너지를 전달하기 위해 열분해 흑연 시트와 열적으로 연통하는, 상기 전도체 중 하나 이상을 포함한다. 상기 배터리 셀은, 상기 전도체를 통해 히트 스프레더에 전류가 인가될 때, 또는 전류가 제1 극성으로 열전 장치에 인가될 때, 또는 전류가 상기 전도체를 통해 히트 스프레더에 및 제1 극성으로 상기 열전 장치에 인가될 때, 상기 배터리 셀에 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 가열된다. 상기 배터리 셀은 전류가 제2 극성으로 열전 장치에 인가될 때 상기 배터리 셀로부터 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 냉각된다.
일부 실시예에서, 상기 배터리 열 관리 시스템의 제조방법은 다음의 하나 이상을 더 포함한다. 상기 히트 스프레더는 제1 면 및 제2 면을 포함하되, 제1 면은 제2 면과 실질적으로 대향하고; 상기 히트 스프레더는 상기 히트 스프레더의 제2 면 상의 열분해 흑연 시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 다른 전도체를 포함하고; 상기 전도체 및 다른 전도체를 통해 열분해 흑연 시트에 전류가 인가되어 히트 스프레더의 제1 면으로부터 제2 면으로 열분해 흑연 시트를 따라 전류가 흐를 때 상기 배터리 셀이 가열되고; 상기 다른 전도체는 인쇄회로기판에 전기적으로 연결하도록 구성된 전기적 접합부를 포함하되, 상기 전기적 접합부는 히트 스프레더에 전류를 전달하도록 구성되고; 상기 배터리 셀 및 히트 스프레더를 배터리 인클로저 내에 위치시키는 단계 및 상기 전도체를 배터리 인클로저에 연결하여 히트 스프레더를 배터리 인클로저에 고정시키는 단계; 열적 계면을 상기 배터리 인클로저에 연결하는 단계로서, 상기 열적 계면은 상기 전도체와 결합하도록 구성되고; 상기 전도체는 제1 기계적 연결부를 포함하고; 상기 열적 계면은 제1 기계적 연결부와 결합하여 상기 전도체를 배터리 인클로저에 부착하도록 구성된 제2 기계적 연결부를 포함하고; 상기 제1 기계적 연결부는 수(male) 도브테일 연결부를 포함하고, 상기 제2 기계적 연결부는 수 도브테일 연결부를 수용하여 전도체를 배터리 인클로저에 부착하도록 구성된 암(female) 도브테일 연결부를 포함하고; 상기 배터리 인클로저 내에 열적 윈도우를 배치하는 단계로서, 상기 열적 윈도우는 배터리 인클로저의 내부 및 외부의 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 열적 기판을 열적 윈도우 내의 배터리 인클로저에 연결하는 단계로서, 열적 기판은 배터리 인클로저 내로 물리적 장벽을 제공하면서 배터리 인클로저 내부 및 외부의 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 열전 장치를 히트 스프레더에 열적으로 연결하기 위해 열전 장치와 열적 기판을 열적으로 연결하는 단계를 포함하고; 열전 장치를 배터리 인클로저 외부에 배치하는 단계; 송풍기 및 덕트 어셈블리를 배터리 인클로저에 연결하는 단계로서, 송풍기 및 덕트 어셈블리는 열전 장치의 폐기 면을 가로질러 공기를 밀거나 당기도록 구성되고, 송풍기 및 덕트 어셈블리의 송풍기를 연결하는 단계를 더 포함하며, 상기 송풍기는 공기 흐름이 상기 배터리 셀의 가열 또는 냉각 요건에 부합하도록 증가되거나 감소되어 시스템 효율을 최적화하도록 구성되고; 상기 열전 장치와 열적으로 연통하고 열전 장치의 폐기 면을 가로질러 공기를 밀거나 당기도록 구성된 송풍기 및 덕트 어셈블리를 연결하는 단계, 및 송풍기 및 덕트 어셈블리의 상기 송풍기를 연결하는 단계를 더 포함하되, 상기 송풍기는 공기 흐름이 배터리 셀의 가열 또는 냉각 요건에 부합하도록 증가되거나 감소되어 시스템 효율을 최적화하도록 구성되고; 상기 열전 장치의 폐기 면은 폐열 교환기를 통해 공기와 열적으로 연통하고; 열전 장치의 폐기 면은 폐열 교환기를 포함하고; 상기 히트 스프레더는 열분해 흑연 시트에 파단부를 포함하되, 상기 파단부는 히트 스프레더의 저항성 가열 용량을 증가시키기 위해 히트 스프레더를 통과하는 전류의 이동 경로를 증가시키도록 구성되고; 상기 열분해 흑연 시트의 표면의 길이를 증가시키도록 상기 열분해 흑연 시트를 주름지게 하되, 열분해 흑연 시트 표면의 증가된 길이는 열분해 흑연 시트를 통한 전류의 진행 경로를 증가시켜 히트 스프레더의 저항성 가열 용량을 증가시키도록 구성되고; 상기 전도체는 히트 스프레더에 구조적 무결성을 제공하기 위해 히트 스프레더의 치수 전체를 실질적으로 연장하고; 상기 히트 스프레더는 전도체와의 열적 및 전기적으로 연통하는 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트를 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트는 상기 열분해 흑연 시트와 실질적으로 평행하게 연장되고; 상기 전도체는 상기 전도체를 통해 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트에 전류가 인가될 때 배터리 셀을 가열하기 위해 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트와 전기적으로 연통하되, 상기 전도체는 열 에너지를 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트로 및 그로부터 전달하기 위해 상기 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트와 열적으로 연통하고; 히트 스프레더는 열분해 흑연 시트와 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트 사이에 열적 연결부를 더 포함하되, 상기 열적 연결부는 열분해 흑연 시트와 적어도 하나의 다른 열분해 흑연 시트 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성된 금속성 재료를 포함하고; 상기 히트 스프레더를 배터리 셀과 열적으로 연통하는 면에 대향하는 히트 스프레더의 면 상의 다른 배터리 셀과 열적으로 연결하는 단계; 상기 열적 연결부는 상기 배터리 셀 및 다른 배터리 셀과 열적으로 연통하는 히트 스프레더의 면들 사이에 위치하고; 상기 열적 연결부는 히트 스프레더와 관련된 열적 접촉 저항을 감소시키기 위해 배터리 셀 및 다른 배터리 셀과 직접 열적으로 연통하고; 상기 히트 스프레더는 열분해 흑연 시트와 열적으로 연통하는 금속성 기판을 더 포함하고; 상기 열분해 흑연 시트는 배터리 셀과 열적으로 연통하여 열분해 흑연 시트가 배터리 셀과 금속성 기판 사이에서 열 계면으로서 기능하고; 상기 열분해 흑연 시트는 금속성 기판의 적어도 두 면 상에서 금속성 기판의 표면을 따라 연장되고; 상기 열분해 흑연 시트는 금속성 기판의 단면 둘레의 적어도 절반까지 연장되고; 상기 열전 장치의 메인 면은 금속성 기판의 적어도 일부분 위에 위치하며, 상기 열분해 흑연 시트는 열전 장치의 메인 면과 금속성 기판 사이에 있도록 연장되어 열전 장치와 금속성 기판 사이에 열적 계면을 제공하되, 상기 열적 계면은 열전 장치의 메인 면 및 금속성 기판 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되고; 상기 배터리 셀은 상기 전도체를 통해 금속성 기판에 전류가 인가될 때 히트 스프레더에 의해 가열되고; 및/또는 상기 배터리는 전류가 제2 극성으로 열전 장치에 인가될 때 열분해 흑연 시트 및 전도체를 통해 배터리 셀로부터 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 냉각된다.
앞서 기재한 것은 요약이고, 상세한 내용의 단순화, 일반화 및 생략을 포함한다. 당업자는 요약이 단지 예시적인 것이며 임의의 방식으로 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 본 명세서에 기재된 장치 및/또는 프로세스 및/또는 다른 주에의 양태, 특징 및 이점은 본 명세서에서 설명된 내용에서 명백해질 것이다. 요약은 아래의 상세한 설명에서 더 자세하게 설명되는 단순화된 형태로 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 여기에 설명된 임의의 주제의 주요 특징이나 필수 기능을 식별하기 위한 것이 아니다.
앞서 기재한 것은 요약이고, 상세한 내용의 단순화, 일반화 및 생략을 포함한다. 당업자는 요약이 단지 예시적인 것이며 임의의 방식으로 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 본 명세서에 기재된 장치 및/또는 프로세스 및/또는 다른 주제의 양태, 특징 및 이점은 본 명세서에서 설명된 내용에서 명백해질 것이다. 요약은 아래의 상세한 설명에서 더 자세하게 설명되는 단순화된 형태로 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 여기에 설명된 임의의 주제의 주요 특징이나 필수 기능을 식별하기 위한 것이 아니다.
도 1은 전기 장치 열 관리 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 전기 장치 열 관리 시스템의 일부 구성 요소의 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 전기 장치 열 관리 시스템의 일부 구성 요소의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 배터리용 전기 장치 열 관리 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 히트 스프레더의 일 실시예의 측면 및 전면도를 도시한다.
도 6은 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 금속의 등방성 구조의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 열적/전기적 연결부를 구비하는 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 10은 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 11은 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 12는 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 13은 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 14는 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 15는 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 16은 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 17은 열적/전기적 기판을 구비하는 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 18은 배터리 셀과 히트 스프레더 스택의 일 실시예를 도시한다.
도 19는 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 20은 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 21은 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 22는 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 23은 공기 덕트 및 송풍기 시스템 또는 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 24는 공기 덕트 및 송풍기 시스템 또는 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 25는 공기 덕트 및 송풍기 시스템 또는 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 1은 전기 장치 열 관리 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 전기 장치 열 관리 시스템의 일부 구성 요소의 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 전기 장치 열 관리 시스템의 일부 구성 요소의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 배터리용 전기 장치 열 관리 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 히트 스프레더의 일 실시예의 측면 및 전면도를 도시한다.
도 6은 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 금속의 등방성 구조의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 열적/전기적 연결부를 구비하는 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 10은 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 11은 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 12는 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 13은 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 14는 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 15는 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 16은 히트 스프레더의 흑연 시트의 일 실시예를 도시한다.
도 17은 열적/전기적 기판을 구비하는 히트 스프레더의 일 실시예를 도시한다.
도 18은 배터리 셀과 히트 스프레더 스택의 일 실시예를 도시한다.
도 19는 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 20은 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 21은 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 22는 열적 계면 및 열적 윈도우를 갖는 배터리 케이스의 일 실시예를 도시한다.
도 23은 공기 덕트 및 송풍기 시스템 또는 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 24는 공기 덕트 및 송풍기 시스템 또는 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
도 25는 공기 덕트 및 송풍기 시스템 또는 어셈블리의 일 실시예를 도시한다.
이하의 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 유사한 부호는 문맥이 달리 지시하지 않는 한 일반적으로 유사한 구성 요소를 식별한다. 상세한 설명 및 도면들에서 설명된 예시적인 실시예들은 제한하려는 것이 아니다. 본 명세서에 제시된 주제의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예가 이용될 수 있고 다른 변경이 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 일반적으로 기술되고 도면에서 예시된 바와 같은 본 개시의 양태들은 다양한 다른 구성으로 배열, 대체, 결합 및 설계될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있으며, 이들 모두는 명백하게 고려되고 본 개시의 일부가 된다.
특히, 본 명세서에 개시된 실시예는 열전 시스템을 구비하거나 구비하지 않는 배터리를 포함하지만 이에 한정되지 않는 전기 장치의 열 관리(예를 들어, 가열 및/또는 냉각)에 관한 것이다.
열전(Thermoelectric: TE) 시스템은 가열/냉각 또는 발전 모드로 작동할 수 있다. 전자의 경우, 전류가 TE 장치를 통과하여 저온 면에서 고온 면으로 또는 그 반대로 열을 펌핑한다. 후자의 경우, TE 장치 양단의 온도 구배로 구동되는 열 유속(heat flux)이 전기로 변환된다. 두 가지 방식 모두에서, TE 장치의 성능은 TE 재료의 성능 지수와 시스템 전체의 기생(소산) 손실에 의해 크게 결정된다. TE 장치 내의 동작 요소는 전형적으로 p-형 및 n-형 반도체 재료이다.
본 명세서에 기술된 열전 시스템 또는 장치는 열전 재료를 통해 전력을 생산하기 위해 두 유체, 두 고체(예를 들어, 로드(rod)), 또는 하나의 고체와 하나의 유체 사이의 온도차를 이용하는 열전 발전기(thermoelectric generator: TEG)일 수 있다. 대안적으로, 본 명세서에 기술된 열전 시스템 또는 장치는 열을 한 표면에서 다른 표면으로 이동시켜 열전 재료를 통해 두 표면 사이의 온도차를 생성시키는 데 사용되는 고체 상태의 열 펌프 역할을 하는 히터, 냉각기 또는 양자 모두일 수 있다. 각각의 표면은 고체, 액체, 기체, 또는 고체, 액체 및 기체 중 둘 이상의 조합과 열적으로 연통하거나 포함할 수 있고, 두 개의 표면은 모두 고체와 열적으로 연통하거나, 둘 다 액체와 열적으로 연통하거나, 둘 다 기체와 열적으로 연통할 수 있고, 또는 하나는 고체, 액체 및 기체로부터 선택된 물질과 열적으로 연통하고 다른 하나는 고체, 액체 및 기체 중 다른 두 개로부터 선택된 물질과 열적으로 연통할 수 있다.
열전 시스템은 사용, 전력 출력, 가열/냉각 용량, 성능 계수(coefficient of performance: COP) 또는 전압에 따라 단일 열전 장치(Thermoelectric Device: TED) 또는 열전 장치 그룹을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 예는 가열/냉각 시스템과 관련하여 기술될 수 있지만, 기술된 특징은 발전기 또는 가열/냉각 시스템 중 어느 하나와 함께 이용될 수 있다.
"열적 연통(thermal communication)"이라는 용어는 본 명세서에서 원하는 기능을 수행하거나 원하는 결과를 달성하는 하나의 구성 요소에서 다른 하나로(예를 들어, 구성 요소들 사이에서) 열 또는 열 에너지 전달을 허용하도록 구성되는 둘 이상의 구성 요소를 설명하는 넓고 일반적인 의미로 사용된다. 예를 들어, 그러한 열적 연통은 일반성을 잃지 않고, 계면에서 표면 사이의 꼭 맞는 접촉; 표면 사이의 하나 이상의 열 전달 재료 또는 장치; 열 전도성 재료 시스템을 사용하는 고체 표면 사이의 연결로서, 그러한 시스템은 패드, 열 그리스(thermal grease), 페이스트, 하나 이상의 작동 유체 또는 표면들 사이에 높은 열 전도성을 갖는 다른 구조물(예를 들어, 열 교환기); 다른 적절한 구조; 또는 구조의 조합에 의해 달성될 수 있다. 실질적인 열적 연통은 직접 연결되거나(예를 들어, 직접 열 전달을 제공하기 위해 서로 접촉하지만, 예를 들어 열 그리스 등을 포함할 수 있는) 또는 하나 이상의 계면 재료를 통해 간접적으로 연결된 표면들 사이에서 일어날 수 있다. "열적 연통"은, 열 전달이 필요할 때 흐르도록 구성된 하나 이상의 작동 유체(예를 들어, 둘 이상의 구성 요소 사이에서 순환되는 작동 유체) 및/또는 열 파이프를 통해 둘 이상의 구성 요소 사이의 열 전달이 발생하지 않는 한, 둘 이상의 개별 구성 요소 사이에 우발적인 열(예를 들어, 열 에너지)을 포함하지 않는다. "열적 연통"은, 예를 들어 둘 이상의 구성 요소에 대해 송풍기에 의해 이동하지 않는 공기와 같이 둘 이상의 구성 요소 사이에서 순환되지 않는 유체에 의해 분리되는 둘 이상의 구성 사이의 가능한 열 전달을 포함하지 않는다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "션트(shunt)", "냉각 플레이트", "히트 스프레더", "열/열 플레이트", "핀(fin)" 및 "열 교환기"라는 용어는 광범위한 합리적인 해석을 가지며, 열 또는 열 에너지가 상기 구성 요소의 일 부분으로부터 상기 구성 요소의 다른 부분으로 흐를 수 있게 하는 구성 요소(예를 들어, 열 전도성 장치 또는 재료)를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 히트 스프레더는 개시된 기능성에 따라 냉각 플레이트, 열/열 플레이트 및/또는 핀으로서 기능하는 열 교환기일 수 있다. 션트는 하나 이상의 열전 재료(예를 들어, 하나 이상의 열전 요소)와 열적으로 연통할 수 있고 열전 어셈블리 또는 시스템의 하나 이상의 열 교환기와 열적으로 연통할 수 있다. 본 명세서에 기술된 션트 또한 하나 이상의 열전 재료와 전기적으로 도통 및 전기적으로 연통하여, 전류가 션트의 일부로부터 션트의 다른 부분 사이로 흐를 수 있게 한다(예를 들어, 그리하여 다수의 열전 재료 또는 요소 사이에 전기적 통신을 제공한다). 열 교환기(예를 들어, 히트 스프레더, 튜브 및/또는 도관(conduit))는 열전 어셈블리 또는 시스템의 하나 이상의 션트, 하나 이상의 TED 및/또는 하나 이상의 작동 유체와 열적으로 연통할 수 있다. 하나 이상의 션트 및 하나 이상의 열 교환기의 다양한 구성이 사용될 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 션트 및 하나 이상의 열 교환기가 동일한 단일 요소의 일부일 수 있고, 하나 이상의 션트가 하나 이상의 열 교환기와 전기적으로 연통할 수 있고, 하나 이상의 션트가 하나 이상의 열 교환기로부터 전기적으로 절연될 수 있고, 하나 이상의 션트가 열전 요소와 직접 열적으로 연통할 수 있고, 하나 이상의 션트가 하나 이상의 열 교환기와 직접 열적으로 연통할 수 있고, 개재 재료(intervening material)가 하나 이상의 션트와 하나 이상의 열 교환기 사이에 위치할 수 있다). 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, "차가운", "뜨거운", "보다 차가운", "보다 뜨거운", "가장 차가운", "가장 뜨거운" 등의 용어는 상대적인 용어이며 특정 온도 또는 온도 범위를 특정하지 않는다.
본 명세서에 개시된 실시예는 전기 장치에 직접 또는 간접적인 열전(TE) 냉각 및/또는 가열을 가함으로써 전기 장치(예를 들어, 배터리)를 열적으로 관리할 수 있는 시스템 및 방법을 포함한다. 그러한 장치는 종종 열 관리의 이점을 얻을 수 있다. 일부 실시예는, 예를 들어 배터리, 배터리 케이싱 및 배터리 셀과 같은 특정 전기 장치를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 명세서에 개시된 적어도 일부 실시예는, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 다른 전기 장치 또는 장치의 조합과 같은 다른 전기 장치에 열 관리를 제공할 수 있다. 그러한 장치 중 적어도 일부는 바람직한 온도 범위를 벗어난 작동으로 어려움을 겪을 수 있다. 일부 실시예의 작동은 작동의 냉각 모드를 참조하여 설명된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 실시예 중 일부 또는 전부는 또한 가열 작동 모드를 가질 수 있다. 일부 상황에서, 전기 장치의 온도를 문턱 온도(threshold temperature) 이상으로 유지하기 위해, 전기 장치가 열화되거나 손상된 작동을 나타낼 수 있는 작동의 가열 모드가 적용될 수 있다. TE 장치는 시스템 아키텍쳐에 최소한의 복잡성으로 가열 및 냉각 기능을 모두 제공하는 데 적합하다.
배터리 열 관리는 차량 배터리를 최적의 온도 범위 내에서 유지하기 위해 필요하다. 이는 배터리의 성능과 유용한 수명을 최대화한다. 본 명세서에 설명되는 예들은 배터리용 가열/냉각 시스템과 관련하여 설명될 수 있지만, 설명된 특징들은 본 명세서에서 설명된 다른 전기 장치들과 함께 이용될 수 있다.
일반적으로, 대부분의 배터리 화학물질의 경우, 온도가 상승하면 방전 시간(용량)이 증가하고, 전류를 전달하는 능력 및 충전 시간은 감소한다. 이러한 지표의 경우, 배터리 온도가 높으면 일반적으로 유리하다. 그러나, 배터리 수명의 기준에 대해서는 그 반대가 일반적으로 사실이다. 고온은 배터리 수명을 단축시킨다. 적절한 시간 내에 이상적인 온도 범위 또는 규정된 온도 내에서 배터리를 유지하면 배터리 성능과 다른 성능 지표의 균형을 유지할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
시동-정치 배터리는 차량의 후드 아래에 위치할 수 있다. 차량의 후드 아래의 온도는 전형적으로 이상적이거나 규정된 온도 범위를 초과한다. 배터리의 유효 수명을 향상시키려면 차량의 후드 환경보다 낮은 온도에서 배터리를 유지하는 것이 가장 좋다.
다른 열관리 전략이 배터리용으로 고안되었지만, 열전기적 열관리는 여러 가지 이유로 열관리 전략에 비해 유리할 수 있다. TE 열관리의 하나의 이점은 냉각제 호스 또는 냉매 라인의 면에서 차량에 거의 또는 전혀 다른(예를 들어, 추가의) 부담을 주지 않는다는 것이다. 다른 이점은 시스템을 "독립형" 또는 "인라인"으로 만드는 배터리 자체로 TE 열관리를 위한 전력을 전달할 수 있다는 것이다.
리튬-이온 시동-정지 배터리의 경우, 엔진 시동 전의 급격한 가열이 일반적으로 건전지 셀의 전류 전달능력을 높이는 데 도움이 된다. 이러한 능력(예를 들어, 엔진 시동 전 급격한 가열)이 증가하면, 배터리 팩은 감소한 비용으로 더 작게(예를 들어, 배터리 셀의 총량이 적게) 만들어질 수 있고 납산 배터리와 같은 경쟁 제품에 비해 성능을 개선할 수 있다. 가열 시스템을 실용적으로 만들기 위해서는, 고전력 가열 시스템을 필요로 하는 높은 속도(예를 들어, 열 유속)로 열이 배터리에 전달되어야 한다.
TE 장치를 전기 장치 냉각 및/또는 가열 작업에 사용할 수 있는 다양한 방법이 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, TE 장치는 하나 이상의 TE 요소, TE 어셈블리 및/또는 TE 모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, TE 시스템은 제1 면 및 제1 면에 반대되는 제2 면을 포함하는 TE 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제1 면 및 제2 면은 주 표면 및 폐기 표면, 또는 가열 표면 및 냉각 표면(또는 메인 면 및 폐기 ㅁ면 또는 가열 면 및 냉각 면)일 수 있다. 특정 실시예에서, 주 표면은 열 관리하의 장치의 온도를 제어할 수 있으며, 폐기 표면 연결부는 열원 또는 히트 싱크(heat sink)에 연결된다. TE 장치는 전원과 동작 가능하게 결합될 수 있다. 전원은 TE 장치에 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 전압이 한 방향으로 인가될 때, 일 면(예를 들어, 제1 면)은 열을 생성하고 다른 면(예를 들어, 제2 면)은 열을 흡수한다. 회로의 극성을 전환하면 반대 효과가 발생한다. 통상적인 배열에서, TE 장치는 이종 재료를 포함하는 폐쇄 회로를 포함한다. DC 전압이 폐쇄 회로에 인가될 때, 이종 재료의 접합부에서 온도차가 발생한다. 전류의 방행에 따라 특정 접합부에서 열이 방출되거나 흡수된다. 일부 실시예에서, TE 장치는 직렬로 연결된 몇몇 고체 상태의 p-형 및 n-형 반도체 요소를 포함한다. 또는, 직렬 접속된 p-형 및 n-형 반도체 요소들의 그룹(예를 들어, 모듈)을 포함할 수 있으며, 이들 그룹은 TE 장치에 동작 견고성을 제공하기 위해 병렬 및/또는 직렬 구성으로 접속된다.
특정 실시예에서, 접합부는 TE 장치의 저온 면 및 고온 면을 형성할 수 있는 두 개의 전기적 절연 부재(예를 들어, 세라믹 판) 사이에 샌드위치된다. 저온 면은 냉각될 물체(예를 들어, 전도체, 열관리하의 전기 장치, 배터리 셀, 히트 스프레더/핀 등)에 열적으로 (직접 또는 간접적으로) 결합될 수 있으며 고온 면은 열을 주변으로 발산하는 폐열 제거 시스템에 (직접 또는 간접적으로) 열적으로 결합될 수 있다. 열 교환기, 히트 싱크, 열 파이프 및/또는 주위 공기에 노출되는 것을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 기술이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 고온 면은 가열될 물체 (예를 들어, 전도체, 열 관리하의 전기 장치, 배터리 셀, 히트 스프레더/핀 등)에 열적으로 (직접 또는 간접적으로) 결합될 수 있다. 특정 비-한정 실시예가 아래에 기술된다.
일부 실시예에서, 가열 파이프는 폐열 제거 또는 이송 기구(mechanism)로서 제공될 수 있다. TE 장치로부터의 폐열은 히트 싱크에서 방출될 수 있다. 히트 싱크의 예는 열 교환기, 폐기 스트림, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 배터리 케이스와 같은 열 방출을 위한 다른 구조물 및 구조물의 조합을 포함한다. 히트 싱크는 TE 장치의 폐기 면 또는 표면에 (직접 또는 간접적으로) 부착될 수 있다. 히트 싱크는 공기, 액체로 냉각될 수 있으며, 또는 대안적으로, TE 장치를 배터리 케이스, 자동차 프레임 또는 열을 효과적으로 방출시키는 다른 구조적인 요소와 같은 더 큰 고체 히트 싱크와 연결하는 견고한 부재일 수 있다. 그러나, 예를 들어 배터리 열 관리 시스템과 같은 실제 적용에 있어서, 냉각 매체를 TE 장치의 폐기 면에 가깝게 가져갈 수 있는 가능성을 제한하는 패키징 제약이 있을 수 있다. 대안적으로, 열 또는 열 전달 장치가 TE 장치의 폐기 면으로부터 방열이 효과적으로 구현될 수 있는 다른 위치로 열을 이동시키는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전달 장치 또는 교환기는 TE 장치의 폐기 면 또는 표면을 예를 들어 공기, 액체 또는 고체에 의해 궁극적으로 배출되는 히트 싱크에 연결시키는 데 사용될 수 있다. 그러한 히트 싱크는 예를 들어 자동차의 액체 냉각 회로, 라디에이터 또는 공냉식 히트 싱크, 주변 공기, 작동 유체, 유체 저장조 또는 고체 바디(예를 들어, 배터리 케이스 또는 자동차 프레임)일 수 있다.
전기 장치 열 관리 시스템
전기 장치 열 관리 시스템, 특히 배터리 열관리 시스템(BTMS)은 배터리 및 배터리 어레이의 온도를 제어하고 상태를 모니터링하여 배터리 고장 및/또는 안전 관련 오류를 방지하는 데 사용될 수 있다. BTMS는 열적 환경을 관리하고 전반적인 시스템 성능이 저하되지 않도록 충분히 신뢰할 수 있어 배터리 작동의 전반적인 상태를 향상시킬 수 있다.
배터리 열 관리 시스템의 다양한 실시예가 다양한 구성을 설명하기 위해 본 명세서에서 논의된다. 특정 실시예 및 예는 단지 예시적인 것이며 일 실시예 또는 예에서 설명된 특징은 다른 실시예 또는 예에서 설명된 다른 특징과 조합될 수 있다. 따라서, 특정 실시예 및 예는 임의의 방식으로 제한하려는 것이 아니다.
일부 실시예에서, BTMS는 적어도 하나의 배터리, 배터리 케이스, 배터리 셀, 셀과 접촉하는 플레이트(예를 들어, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 히트 스프레더(28)), 전극, 및/또는 배터리 어레이를 포함한다. 특정 실시예에서, 배터리 열 관리 시스템은 배터리, 배터리 셀, 및/또는 배터리 어레이를 가열 및 냉각하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 열 관리 시스템은 적어도 하나의 배터리와 통합될 수 있고, 배터리 열 관리 시스템은 적어도 하나의 배터리 또는 배터리 셀이 수용되는 인클로저(enclosure)와 통합될 수 있거나, 또는 열 관리 시스템은 적어도 하나의 배터리 또는 배터리 셀과 열적으로 연통하도록 위치할 수 있다.
도 1은 전기 장치 열 관리 시스템 또는 배터리 열 관리 시스템(BTMS)(10)의 일 실시예의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, BTMS(10)는 배터리(14)의 하나 이상의 배터리 셀(들)(12)을 포함할 수 있다. 배터리 셀(들)(12)은 하나 이상의 전극(18)을 포함한다. 일부 실시예에서, 배터리 셀(들)(12)은 배터리 케이스, 케이싱 또는 인클로저(16)(또는 전기 장치 인클로저)에 둘러싸이거나 그 안에 하우징된다. BTMS(10)는 제1 면(22)(예를 들어, 직접적인 열적 연통 또는 메인 면 열 교환기를 통해 예를 들어 배터리 셀(들)(12)에 가열 또는 냉각을 제공하기 위한 메인 표면) 및 제2 면(24)(예를 들어, 직접적인 열적 연통 또는 폐기 면 열교환기를 통해 예를 들어 TED(20)에 또는 당해 TED로부터 열 에너지를 전달하기 위한 폐기 표면)을 각각 갖는 하나 이상의 TED(20)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제1 면(22)은 히트 스프레더/플레이트(28)의 일부(예를 들어, 핀(26))와 열적으로 연통한다.
히트 스프레더(28)는 배터리 셀(들)(12)의 일부와 열적으로 연통하는 접촉부(30)를 포함한다. 접촉부(30)는 전기 장치(예를 들어, 배터리 셀(들)(12))의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 히트 스프레더(28)를 포함할 수 있다. 전기 장치의 온도 감응 영역은, 예를 들어, 전기 장치가 작동중일 때의 핫 스팟(hotspot)일 수 있다. 예를 들어, 배터리(14)가 충전 또는 방전 중일 때, 배터리 셀(들)(12)은 핫 스팟(예를 들어, 배터리 셀(들)(12)의 다른 영역에 비해 더 높은 온도를 갖는 하나 이상의 영역)을 가질 수 있다. 따라서, 히트 스프레더(28)의 접촉부(30)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 배터리 셀(들)(12)을 열적으로 관리하기 위해 적어도 핫 스팟과 열적으로 연통하는 것을 포함할 수 있다.
핀(26)은 셀 접촉부(30)에 대해 동일한 방향으로, 수직으로, 또는 다양한 다른 각도로 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, TED(20)의 제2 면(24)은 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32) 또는 (예를 들어, TE 장치(20)에 열을 제공하거나, TE 장치(20)로부터 열을 제거하는) 열 에너지 전달 시스템에 결합되거나 또는 결합되도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 배터리 케이스(16), TED(20)의 제2 면(24)(예를 들어, 폐기 면), 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32), 및/또는 배터리 셀(들)(12)은 주변 공기에 노출되고 따라서 열이 주변(예를 들어, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 공기 덕트(90) 및 송풍기(92) 시스템, 특히 도 23 내지 도 25 참조)으로 소산되거나 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 케이스(16)는 밀봉되고 TED(20)는 히트 싱크 또는 열원으로서 기능할 수 있는 배터리 케이스(16)와 TED(20)가 열적으로 연통하도록 배터리 케이스(16) 내에 위치한다.
일부 실시예에서, 전기 장치의 구성 요소 및/또는 히트 스프레더(28)와 열적으로 연통하는 하나 이상의 TED(20)를 포함하는 열전(TE) 열 관리 시스템(34)이 제공된다. TE 열 관리 시스템(34)은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 배터리 셀(12)을 가열 또는 냉각하도록 TED(20)를 제어한다. TE 열 관리 시스템(34)의 제어기는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 제어기(36)와 분리되거나 통합될 수 있다.
일부 실시예에서, BTMS(10)는 히트 스프레더(28) 및/또는 TED(20) 및/또는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 전류를 공급하는 전원(38)을 포함한다. 다른 실시예에서, 히트 스프레더(28) 및/또는 TED는 배터리(14)와 인-라인 구동된다. 일부 실시예에서, BTMS(10)는 제어기(36) 및/또는 배터리 셀(12), 배터리(14), 배터리 케이스(16), 히트 스프레더(28), TED(20), 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32), TE 열 관리 시스템(34), 전원(38), 및/또는 센서(40)를 포함하는 BTMS(10)의 다양한 구성 요소들과 전기적으로 연통하는 인쇄회로기판 또는 기판(79)(예를 들어, 도 18 참조)을 포함한다. 제어기(36)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 하나 이상의 제어기를 구비하는 인쇄회로기판(79)(예를 들어 도 18 참조) 상에 집적될 수 있다. 제어기(36)는 전기 장치(예를 들어 배터리 셀(들)(12))를 각각 가열 또는 냉각시키기 위해 가열 모드 또는 냉각 모드에서 작동할 수 있는 열 관리 제어기를 포함할 수 있다. 인쇄회로기판(79)은 배터리 케이스(16) 내에 위치할 수 있고, TE 열 관리 시스템(34) 또는 전력을 필요로 하는 본 명세서에서 논의된 다른 시스템에 전력을 공급하기 위한 전력 연결을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, BTMS(10)는 배터리 셀(12), TED(20), 주변 온도 및/또는 배터리 케이스(16) 내의 온도를 제어기(36)에 제공하기 위한 하나 이상의 센서(40)(예를 들어, 전기적, 온도)를 포함하여 TED(20)로의 전력(예를 들어, 전류, 전압)이 배터리의 온도를 최적의 수준으로 유지하기 위해 원하는 또는 필요에 따라 적절한 수준의 가열 또는 냉각을 제공하도록 조정될 수 있다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, 배터리 셀을 열적으로 관리하는 것은 하나 이상의 열전 장치(TED) 또는 모듈을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 TED는 하나 이상의 배터리 케이스, 배터리 셀, 히트 스프레더, 냉각 플레이트, 열/핫 플레이트 및/또는 배터리 셀과 접촉하는 핀, 내부 및/또는 외부에서 순환하거나 및/또는 배터리 케이스, 배터리의 전극, 배터리 단자 및/또는 다른 구성 요소를 통해 송풍되는 공기를 냉각 또는 가열하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 배터리 셀을 열적으로 관리하는 것은 하나 이상의 배터리 케이스, 배터리 셀, 배터리 내부를 순환하거나 및/또는 배터리 케이스, 배터리의 전극, 배터리의 단자, 및/또는 다른 구성 요소를 통해 송풍되는 공기를 (TED로 또는 없이) 가열 또는 냉각시키기 위해 하나 이상의 히트 스프레더를 사용하는 것을 포함할 수 있다.
일반적으로, TED를 효율적으로 사용하기 위해서는, 열적 손실(예를 들어, 열적 저항)이 열원으로부터 TED까지의 열적 경로를 따라 감소되어야 한다. 따라서, 하나 이상의 TED의 위치(예를 들어, 위치, 배열)는 전기 장치의 특성(예를 들어, 배터리 셀 구조) 및 열 생성의 위치에 기초하여 최적화될 필요가 있다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, 시동-정치 배터리의 열 관리를 위해 TE 열 관리 시스템을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 전형적으로 배터리의 충분한 냉각을 위한 크기의 TE 열 관리 시스템은 고전력 가열 요건에 충분한 열 용량을 제공하지는 않는다. 고전력 가열 적용에는 저항성 가열 요소가 훨씬 적합할 수 있다. 비용, 성능 및 효율을 포함하는 많은 이유로, 일부 실시예에서, TE 열 관리 시스템(예를 들어, 냉각 및/또는 가열 시스템)을 고전력 가열 시스템(예를 들어, 저항, 줄 가열(Joule heating))과 결합하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 고전력 가열 시스템은 TE 열 관리 시스템 없이 또는 TE 열 관리 시스템과 결합하지 않고 전기 장치의 열 관리를 위해 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 두 열 관리 솔루션을 결합하기 위한 매체 또는 간극 재료로서 열분해 흑연(Pyrolytic graphite)(열분해 탄소)이 제공된다. 열분해 흑연은 전기적으로 저항성이 있고 열 전도성이 높다. 저항성은 고전력 가열 애플리케이션 또는 시스템을 위한 배터리 셀 사이에 배치될 수 있는 얇은 저항 발열체로서 유용하다. 열 전도성은 배터리 셀로 및 그로부터 및/또는 열전 냉각 모듈로 및 그로부터 열을 전달하는 데 유용하다.
열분해 흑연은 많은 고유한 특성을 가지고 있다. 그러한 하나의 특성은 1700W/m*K까지 될 수 있는 인-플레인(in-plane)(예를 들어, 본 명세서에서 논의된 평면(63), 예를 들어 도 12 참조) 열 전도도이다. 비교로서, 구리 및 알루미늄은 각각 약 400W/m*K 및 205W/m*K의 열 전도도를 갖는다. 재료의 열 전도도가 높을수록 재료를 통한 온도 구배가 낮아진다. 이는 특정 열전 온도 관리 시스템에 유리할 수 있는데, 그 이유는 열 관리될 항목 또는 장치와 주변 열 저장소 온도 사이의 온도 차이를 줄임으로써 이들 장치의 효율이 크게 향상되기 때문이다.
도 2는 전기 장치 열 관리 시스템의 일부 구성 요소의 일 실시예의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 히트 스프레더(28)의 적어도 일부를 형성하는 열분해 흑연 시트, 층, 또는 표면(42)은 전기 부품(예를 들어, 배터리 셀(12), 배터리(14))에 연결, 부착, 또는 결합되어 적합한 방식(예를 들어, 접착제, 간극 재료(그리스) 또는 기타 계면, 프레스 끼움, 나사, 너트, 볼트, 못을 통해 직접적, 간접적으로)으로 열적 및/또는 전기적으로 연통한다. 일부 실시예에서, 접촉(예를 들어, 직접적인 열적 및/또는 전기적 연통)을 유지하기 위해 흑연 시트(42) 및 전기 부품(예를 들어, 배터리 셀(12), 배터리(14))의 표면 사이에 임의의 적절한 방식으로 밀착 압력이 유지된다. 일부 실시예에서, 전기적 구성 요소(들)(예를 들어, 배터리 셀(들)(12), 배터리(14))의 표면은 흑연 시트(42)의 표면과 일치하고 그리고/또는 그러한 접촉 압력 또는 부착을 통해 그 반대의 경우도 마찬가지다.
도 2에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(28)의 적어도 일부를 형성하는 하나 이상의 열적/전기적 연결부 또는 엘리베이터(44)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 전기적 구성 요소(예를 들어, 배터리 셀(12), 배터리(14))에 연결, 부착 또는 결합되어 적절한 방식으로(예를 들어, 접착제, 간극 재료(그리스) 또는 기타 계면, 프레스 끼움, 나사, 너트, 볼트, 못을 통해 직접적, 간접적으로) 열적 및/또는 전기적으로 연통한다. 열적/전기적 연결부(44)는 흑연 시트(42)에 연결, 부착 또는 결합되어 임의의 적절한 방식으로 (예를 들어, 접착제, 간극 재료(그리스) 또는 기타 계면, 프레스 끼움, 나사, 너트, 볼트, 못을 통해 직접적, 간접적으로) 열적 및/또는 전기적으로 연통한다. 일부 실시예에서, 전기적 구성 요소(들)(예를 들어, 배터리 셀(들)(12), 배터리(14))의 표면은 열적/전기적 연결부(44)의 표면과 일치하고 그리고/또는 그러한 접촉 압력 또는 부착을 통해 그 반대의 경우도 마찬가지다. 일부 실시예에서, 흑연 시트(42)의 표면은 열적/전기적 연결부(44)의 표면과 일치하고 그리고/또는 그러한 접촉 압력 또는 부착을 통해 그 반대의 경우도 마찬가지다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기적 구성 요소(예를 들어, 배터리 셀(들)(12), 배터리(14)), 흑연 시트(42) 및 열적/전기적 연결부(44)는 서로 연결, 부착 또는 결합되어 서로 열적으로 및/또는 전기적으로 연통한다.
도 3은 전기 장치 열 관리 시스템의 일부 구성 요소의 일 실시예의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전기적 연결부(46)는 흑연 시트(42)에 결합되어 전원(38)을 통해 흑연 시트(42)에 저항성 가열을 제공한다. 일부 실시예에서, 전기적 연결부 또는 접합부(46)는 배터리 셀(들)(12)에 결합되어 전원을 제공한다. 전기적 연결부(46)는 임의의 적절한 방식(예를 들어, 기계적 결합, 접착제)으로 흑연 시트(42)에 결합될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기계적, 열적 및/또는 전기적 연결부(48)(예를 들어, 전도체)는 흑연 시트(42) 및/또는 열적/전기적 연결부(44)를 배터리 케이스(16), TED(20), 및/또는 열원/히트 싱크 시스템(32)에 연결한다. 연결부(48)는 흑연 시트(42) 및/또는 열적/전기적 연결부(44)를 TED(20)에 연결, 부착 또는 결합하여 TE 열 관리 시스템(34)(예를 들어, TED(20))을 흑연 시트(42) 및/또는 열적/전기적 연결부(44)에 대해 물리적으로 고정시킬 뿐만 아니라, 임의의 적절한 방식으로(예를 들어, 접착제, 간극 재료(그리스) 또는 다른 계면, 프레스 끼움, 나사, 너트, 볼트, 못을 통해 직접, 간접적으로) 해당 구성 요소들 사이에 열적 연통을 제공할 수 있다. 연결부(48)는 흑연 시트(42) 및/또는 열적/전기적 연결부(44)를 배터리 케이스(16)에 연결, 부착 또는 결합하여 흑연 시트(42) 및/또는 열적/전기적 연결부(44)를 배터리 케이스(16)에 대해 물리적으로 고정시킬 뿐만 아니라 임의의 적절한 방식으로(예를 들어, 접착제, 간극 재료(그리스) 또는 다른 계면, 프레스 끼움, 나사, 너트, 볼트, 못을 통해 직접, 간접적으로) 해당 구성 요소들 사이에 열적 연통을 제공할 수 있다. 연결부(48)는 흑연 시트(42) 및/또는 열적/전기적 연결부(44)를 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32)에 연결, 부착 또는 결합하여 흑연 시트(42) 및/또는 열적/전기적 연결부(44)를 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32)에 대해 물리적으로 고정시킬 뿐만 아니라 임의의 적절한 방식으로(예를 들어, 접착제, 간극 재료(그리스) 또는 다른 계면, 프레스 끼움, 나사, 너트, 볼트, 못을 통해 직접, 간접적으로) 해당 구성 요소들 사이에 열적 연통을 제공할 수 있다.
도 4는 배터리(14)를 위한 전기 장치 열 관리 시스템의 일 실시예를 도시한다. 일부 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, BTMS(10)를 구비하는 배터리(14)는 서로에 대해 적층된 (예컨대, 배터리 셀(12)의 특정 표면 상에서 서로 마주하는) 배터리 셀(12)을 구비할 수 있다. 히트 스프레더(28)는 배터리 셀들(12) 사이에 위치할 수 있다. 히트 스프레더(28)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 임의의 적절한 방식으로 배터리 셀(12)과 열적으로 연통하는 접촉부(30)를 통해 배터리 셀과 열적으로 연통할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(28)는 배터리 셀(12)의 주변부 또는 경계 뒤에서 배터리 케이스(16) 내로 또는 당해 배터리 케이스 쪽으로 돌출된 핀(26)을 구비할 수 있다. 핀(26)은 히트 스프레더(28)와 실질적으로 동일한 재료로 구성된 히트 스프레더(28)의 연장부일 수 있다. 일부 실시예에서, 핀(26)은 히트 스프레더에 부착될 수 있고, 히트 스프레더(28)와 다른 재료로 이루어질 수 있다(예를 들어, 히트 스프레더(28)는 흑연일 수 있는 반면 핀(26)은 금속성일 수 있다).
TE 열 관리 시스템(34)의 TED(20)는 핀(26)을 통해 히트 스프레더(28)와 열적으로 연통하도록 핀(26) 위에 위치할 수 있다. TED(20)는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 임의의 적절한 방식으로(예를 들어, 직접 열적 연통을 통해 또는 삽입 재료를 통해) 핀(26)과 열적으로 연통할 수 있다. 일부 실시예에서, 핀(26)은 연결부(48) 및/또는 TED(20)로의 열 에너지 전달을 집중시키기 위해 더 작은 표면적 및/또는 부피로 가늘어지거나 감소되는 히트 스프레더(28)의 특징일 수 있다. 일부 실시예에서, 핀(26)은 배터리 셀(12)과 열적으로 연통하는 히트 스프레더(28) 부분과 유사한 치수를 갖는 예를 들어 배터리 셀(12)의 둘레를 넘어서 히트 스프레더(28)의 연장부이다.
TED(20)의 메인 면 또는 표면(22)은 핀(26)과 열적으로 연통할 수 있다. TED(20)의 폐기 면 또는 표면(24)은 열원 및/또는 히트 싱크(32)와 열적으로 연통할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32a)은 배터리 케이스(16)와 열적으로 연통(예를 들어, 직접적/실질적인 열적 연통)할 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 케이스(16)는 열원 및/또는 히트 싱크로서 기능할 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32b)은 배터리 케이스(16)와 직접 열적으로 연통하지 않을 수 있고, 열원 및/또는 히트 싱크 시스템은 작동 유체를 통한 배터리(14) 내부의 또는 밖의 열원 (예를 들어, 엔진 냉각수 회로) 및/또는 히트 싱크(예를 들어, 라디에이터)로의 열 에너지 전달과 같은 임의의 적절한 수단을 통해 열 에너지를 제공 또는 제거할 수 있다.
히트
스프레더의
실시예
도 5는 히트 스프레더(28)의 일 실시예의 측면 및 정면도를 도시한다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 조합된 열분해 흑연 저항성 히터 및 히트 싱크(28)(또는 히트 스프레더)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 전기 장치(예를 들어 배터리(14))의 전기적 구성 요소(예를 들어 배터리 셀(12)) 사이에 위치한 하나 이상의 열분해 흑연 시트, 층, 또는 표면(42)을 포함하여 제공된다. 히트 스프레더(28)는 전압 스프레더(50)(예를 들어, 전도체) 또는 열분해 흑연 시트(42)에 전력(예를 들어, 전류, 전압)을 공급하는 다른 전원을 구비할 수 있다. 열분해 흑연 시트(42)에 전력이 공급되면, 히트 스프레더(28)는 저항성 히터로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 전류가 흑연 시트(42)를 통과해 전압 스프레더(50)의 포지티브 단에서 네가티브 단으로 흐르면, 흑연 시트(42)의 전기 저항으로 인해 전류가 흑연 시트(42)를 가열한다. 일부 실시예에서, 전압 스프레더(50)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 열적/전기적 연결부(44)로 구성되거나 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전기 장치의 구성 요소 및/또는 열분해 흑연 시트(42)와 열적으로 연통하는 하나 이상의 TED(20)를 포함하는 TE 열 관리 시스템(34)이 제공된다. TED(20)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 핀(26)을 통해 히트 스프레더(28) 상에 위치하고 열적으로 연통할 수 있다. 일부 실시예에서, 조합된 열분해 흑연 저항성 히터 및 히트 싱크는 TE 열 관리 시스템(34)(예를 들어, TED(20)) 없이 제공된다. 일부 실시예에서, TE 열 관리 시스템(34) 및/또는 TED(20) 없이 흑연 시트(42)에 전력을 제공하기 위해 저항성 히터가 전압 스프레더(50)와 함께 제공된다.
도 6 및 도 7은 히트 스프레더(28)의 흑연 시트(42)의 일 실시예를 도시한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 열분해 흑연의 적층된 구조(예를 들어, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 시트(42))는 이방성(anisotropic) 열 전도성의 원인이 된다. 탄소 원자 내의 공유 결합(49)은 평면 내에서의 높은 열 전도성을 담당하고, 탄소 원자 층 사이의 상대적으로 약한 결합(51)은 평면에 수직인 열 및 전기 전도도를 감소시킨다. 조합된 가열 및 냉각 솔루션의 경우, 평면에 수직인 열 전달은 열이 전달되는 거리로 인해 덜 중요하다. 예를 들어, 평면에 수직으로, 흑연 부분(예를 들어, 시트, 표면)의 두께는 25㎛만큼 작을 수 있지만, 평면 내에서 열 전달은 수백 밀리미터 넘게 발생할 수 있다.
평면에 수직인 열 및 전기 전달은 일반적으로 덜 우려되지만, 열적/전기적 "엘리베이터" 또는 "컨베이어 벨트"(예를 들어, 열적/전기적 연결부(44))를 사용하여 열 또는 전자를 흑연의 다양한 층(예를 들어, 흑연 금속 복합체 형성)에 전달함으로써 이러한 전달이 개선될 수 있다. 흑연의 이방성 특성과 반대로, 금속은 등방성 열적 및 전기적 특성을 갖는다. 예를 들어, 구리(52)와 같은 금속의 등방성 구조가 도 8에 도시되어 있다. 따라서 특정 금속(예를 들어, 구리, 알루미늄)은 도 9에 도시된 바와 같이 흑연 층들 사이에서 열과 전자를 전달하는 양호한 "엘리베이터"를 만든다.
도 9는 열적/전기적 연결부(44)를 구비하는 히트 스프레더(28)의 흑연 시트(42)의 일 실시예를 도시한다. 열적/전기적 연결부(44)는 흑연 시트(42)의 다양한 층 내에 형성될 수 있다. 열적/전기적 연결부(44)는 흑연 시트(42)에 대해 직교 또는 수직 방향(54)으로(예를 들어, 흑연 시트(42)에 실질적으로 평행하게(예를 들어, 도 12 참조) 연장되는 평면(63)과 직교하는) 흑연 시트(42)의 상이한 층으로 열 또는 전자를 전달할 수 있다. 열적/전기적 연결부(44)는 그 후 흑연 시트(42)에 평행한 방향(56)으로 (예를 들어, 흑연 시트(42)에 실질적으로 평행하게 연장되는 평면(63)을 따라) 흑연 시트(42)의 상이한 층으로 열 또는 전자를 전달할 수 있다. 따라서, 열적/전기적 연결부(44)는 흑연 시트(42)의 층들 사이에 열적 및 전기적 연통을 제공하고 그렇지 않으면 실질적으로 억제 또는 완화될 것이다.
열적/전기적 연결부(44)의 표면은 또한 열 계면에 흑연만을 사용하는 것보다 흑연 시트(42)와 전기적 구성 요소(예를 들어, 배터리 셀(12)) 사이의 열 접촉저항 또는 흑연 시트(42) 및 TED(20) 사이의 열 접촉저항을 개선(예를 들어, 열 접촉저항을 감소시키거나 및/또는 열 접촉저항을 증가시킴)할 수 있다. 이는 BTMS(10)의 성능을 더 향상시킬 수 있는 열적/전기적 연결부(44) 접촉 표면의 특성이 잠재적으로 양호하기 때문일 수 있다.
일부 실시예에서, 열적/전기적 연결부(44)로 사용된 재료는 흑연 시트 또는 표면(42)에 형성된 공간, 개구부 또는 구멍으로 주입되거나(예를 들어, 알루미늄 사출 성형) 또는 압입(press fit)된다. 일부 실시예에서, 흑연 시트(42)의 표면은 그러한 금속으로 도핑된다. 일부 실시예에서, 흑연 시트(42)의 표면은 (예를 들어, 디스크 형상 또는 다른 형상을 가진) 특정 금속으로 주조된다. 일부 실시예에서, 흑연 시트(42)는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 열적/전기적 연결부 또는 엘리베이터(44)로 오버몰드(over-molded)되거나 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 엘리베이터(44)는 임의의 형상 또는 크기일 수 있고 임의의 적절한 방식으로 흑연 표면(42)에 결합되거나 일체화될 수 있다.
도 10 내지 도 12는 히트 스프레더(28)의 일 실시예를 도시한다. 일부 실시예에서, 전기적 연결부(46)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 히트 스프레더(28)에 결합되어 전압 스프레더(50) 또는 다른 전원을 통해 흑연 시트(42)에 또는 당해 흑연 시트의 저항성 가열을 제공한다. 전기적 연결부(46)는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 임의의 적절한 방식(예를 들어, 기계적 결합, 접착제)으로 흑연 시트(42) 및/또는 전압 스프레더(50)에 결합될 수 있다. 또한, 전압 스프레더(50)는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 임의의 적절한 방식으로 흑연 시트(42)에 결합될 수 있다.
일부 실시예에서, 기계적, 열적 및/또는 전기적 연결부(48)는 흑연 시트(42) 일부분 상으로 오버몰딩된다. 연결부(48)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 다기능 연결부일 수 있으며, 예를 들어 본 명세서에서 논의된 바와 같이 금속으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 연결부(48)는 테이퍼형 도브테일(tapered dovetail) 형상(58)을 가질 수 있다. 도브테일(58)은 배터리 케이스(16)의 대응하는 구성 요소(예를 들어, 본 명세서에서 특히 도 19 내지 도 21을 참조하여 논의되는 바와 같이, 열 계면(82))에 연결, 결합, 맞물림(mate), 및/또는 부착하도록 형상화될 수 있다.
도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 도브테일(58)은 수(male) 구성 요소(예를 들어, 제1 기계적 연결부)일 수 있다. 배터리 케이스(16)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 임의의 적절한 방식(예를 들어, 열적 그리스뿐만 아니라 간섭 맞춤)으로 도브테일 형상(58)을 결합 또는 수용하기 위해 대응하는 암(female) 구성 요소(예를 들어, 제2 기계적 연결부)를 가질 수 있다. 연결부(48)는 히트 스프레더(28)를 배터리 케이스(16)에 대해 물리적으로 보호 또는 고정시킬 수 있다. 도브테일(58)은 본 명세서에서 논의되는 바와 같이 기계적, 열적 및/또는 전기적 기능성의 적어도 일부를 연결부(48)에 제공할 수 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(28)는 홀(hole) 또는 개구(opening)(60)를 가질 수 있다. 개구(60)는 흑연 시트(42)의 두 개 이상의 층(예를 들어, 흑연 시트에 직교하거나 흑연 시트(42)를 따라 또는 당해 흑연 시트에 평행하게 연장되는 평면)을 통해 연장될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 개구(60)는 히트 스프레더(28)의 주변, 경계, 또는 에지(edge)에 존재하거나 가까이에 존재할 수 있다. 연결부(48)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 흑연 시트(42) 사이에 엘리베이터(44)를 제공하기 위해 개구부(60) 상으로 오버몰드될 수 있다. 따라서, 연결부(48)는 히트 스프레더(28)의 경계, 측, 또는 에지에 엘리베이터(44)를 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 개구(60)는 접촉부(30)를 포함하는 히트 스프레더(28)의 범위 또는 표면 영역 전체에 걸쳐 포함될 수 있다. 열적 엘리베이터(44)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 개구(60) 내에 제공되거나 오버몰드될 수 있다. 따라서, 개구(60)는 히트 스프레더(28) 전체에 걸쳐 원하는 열적 엘리베이터(44)의 위치일 수 있다.
따라서, 도브테일(58)을 포함하는 연결부(48)는 히트 스프레더(28) 내에 열적/전기적 엘리베이터(44)를 생성하기 위해 히트 스프레더(28)의 부분 상으로 오버몰드될 수 있다. 일부 실시예에서, 흑연 시트(42)는 흑연시트와, 예를 들어 엘리베이터(44) 및/또는 전압 스프레더(50) 사이의 연결부(48)의 접촉 면적을 증가시키기 위해 불규칙한 형상으로 다이(die) 커팅된다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 연결부(48)를 포함하여) 오버몰드된 구성 요소는 히트 스프레더(28)의 다수의 에지 또는 면 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 오버몰드된 구성 요소는 히트 스프레더(28)의 대향 면 상에 제공될 수 있다.
도 11을 계속해서 참조하면, 구성 요소(61)(예를 들어, 전도체), 즉, 예를 들어, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 오버몰드된 연결부(43)가 상기 연결부(48)의 대향 면 상에 제공될 수 있다. 구성 요소(61)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 열적 엘리베이터(44)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 구성 요소(61)가 예를 들어 배터리 케이스(16)에 연결되지는 않지만, 구성 요소(61)는 구조적 무결성뿐만 아니라 본 명세서에서 논의된 엘리베이터(44)의 기능성을 히트 스프레더(28)에 제공할 수 있다. 예를 들어, (히트 스프레더의 대향 면 상의 오버몰드된 연결부(48)뿐만 아니라) 구성 요소(61)는 흑연 시트(42)에 구조적 견고성 및 강도를 제공할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, (연결부(48) 및 구성 요소(61)를 포함하는) 오버몰드된 구성 요소들은 금속과 같은 보다 단단한 물질로 이루어진 오버몰드된 구성 요소로 인해 히트 스프레더(28)에 적어도 부분적으로 구조적 무결성을 제공하기 위해 히트 스프레더(28)의 전체 치수(예를 들어, 폭, 길이)를 실질적으로 연장할 수 있다. 일부 실시예에서, 오버몰드된 구성 요소는 히트 스프레더(28)에 구조적 무결성을 제공하면서 히트 스프레더(28)의 치수보다 (예를 들어, 1/2 또는 3/4) 덜 연장될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 개구(60)는 히트 스프레더(28) 전체에 걸쳐 위치할 수 있다. 예를 들어, 개구(60)는 흑연 시트(42)에 실질적으로 평행한 평면(63)을 따라 연장되는 임의의 원하는 양으로 임의의 패턴으로 히트 스프레더(28) 내에 제공될 수 있다. 엘리베이터(44)는 접촉부(들)(30)를 포함하는 흑연 시트(42)를 따라서 평면(63) 전체에 걸쳐 본 명세서에서 논의된 엘리베이터(44)의 기능성을 제공하기 위해 히트 스프레더(28) 위에 및/또는 내로 오버몰드될 수 있다.
도 13은 히트 스프레더(28)의 일 실시예를 도시한다. 히트 스프레더(28)는 열적/전기적 엘리베이터(44)를 포함하여 본 명세서에서 논의된 바와 같이 임의의 적절한 방식으로 전압원(62)(예를 들어, 전도체)에 연결될 수 있다. 전압원(62)은 히트 스프레더(28)에 저항성 히터의 기능성을 제공하기 위해 본 명세서에서 논의된 바와 같이 히트 스프레더(28)의 흑연 시트(42)를 통해 전류를 구동할 수 있다. 저항 히터으로서 기능하는 히트 스프레더(28)의 효율을 증가시키기 위해, 흑연 시트(42)를 통과하는 전류의 전도 경로의 길이는 증가되거나 연장될 수 있다(예를 들어, 흑연 시트(42)를 통과하는 전류의 흐름에 대한 저항을 증가시킨다).
도 13에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(28)는 흑연 시트(42)에 평행한 평면(63)을 따라 히트 스프레더(28)에 제공된 하나 이상의 절단부 또는 파단부(64)를 가질 수 있다. 파단부(64)는 흑연 시트(42)에 평행한 평면(63)을 따르는 흑연 시트(42)에서 탄소 원자가 공유결합되지 않은 히트 스프레더(28)의 부분일 수 있다. 파단부(64)는 흑연 시트(42)의 제조 동안 및/또는 흑연 시트(42)의 제조 이후에 예를 들어 도 13에 도시된 파단부(64)를 따라 예를 들어 흑연 시트를 절단 또는 파쇄(예를 들어, 공유 결합을 파쇄)함으로써 히트 스프레더(28)에 제공될 수 있다.
전류가 흑연 시트(42)를 통해 구동되면, 전류는 이제 히트 스프레더(28)의 한 단부에서 다른 단부로 이동하거나 전도해야 할 뿐만 아니라, 전류는 전압원(62)의 양극 단자로부터 전압원(62)의 음극 단자까지 흑연시트 내에 생성된 사행 경로(serpentine path)를 따라 이동하거나 전도해야 한다. 히트 스프레더(28)의 한 코너로부터 대향 코너까지의 사행 경로가 도시되어 있지만, 히트 스프레더(28)를 통한 임의의 사행 경로가 제공될 수 있다. 또는, 히트 스프레더(28)를 통과하는 전류 흐름의 경로 길이를 증가시키기 위해 히트 스프레더(28)에 파단(64)의 임의의 다른 패턴이 제공될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 연결부(48)와 구성 요소(61)는 전류 흐름을 위한 사행 경로를 제공하면서 본 명세서에서 논의된 바와 같이 포함될 수 있다. (예를 들어, 도 5에 도시된 전압 스프레더(50)에 대해 논의된 바와 같이) 전류가 연결부(48) 및 구성 요소(61)를 통하지 않고 사행 경로를 따라 흐르도록 유도하기 위해, 전류 흐름이 바람직하지 않은 연결부(48) 및 구성 요소(61)의 부분을 따라 전기 절연부(66)가 제공될 수 있다. 전기 절연부(66)는 BTMS(10) 구성 요소들 사이에 원하는 대로 열적 연통(예를 들어, 열 에너지의 전달)을 여전히 허용할 수 있다.
도 14 내지 도 16은 히트 스프레더(28)의 흑연 시트(42)의 실시예를 도시한다. 흑연 시트(42)를 통한 전류 흐름의 경로 길이를 증가시키는 다른 방법으로서, 히트 스프레더(28) 내의 흑연 시트(42)는 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같이 "주름지게(crinkled)"될 수 있다. 예를 들어, 흑연 시트는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 히트 스프레더(28)에 실질적으로 평행한 평면(63)을 따라 굽힘, 각도, 곡률 및/또는 지그재그를 가질 수 있다. 히트 스프레더(28)의 실질적으로 동일한 치수에 대한 흑연 시트(42) 자체의 전체 긴 길이는 전류 흐름에 대한 경로 또는 이동 길이를 증가시켜 본 명세서에서 논의된 저항 가열을 증가시킨다. 주름진 히트 스프레더(28)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 엘리베이터(44)를 포함할 수 있다. 엘리베이터(44)의 치수에 대한 흑연 시트(42)의 치수는 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다.
도 14에 도시된 바와 같이, 흑연 시트(42)가 히트 스프레더(28)에 실질적으로 평행한 평면(63)에 직교하는 히트 스프레더의 치수를 완전히 통과하여 연장되지 않도록(예를 들어, 히트 스프레더(28)의 두께를 통해 연장되어 접촉부(들)(30)과 같은 히트 스프레더(28)의 측 또는 면 사이에 연장되지 않도록) 흑연 시트(42)는 히트 스프레더(28)에 실질적으로 평행한 평면(63)을 따라 지그재그될 수 있다. 따라서, 엘리베이터(44)는 히트 스프레더(28)의 면들 사이에(예를 들어, 히트 스프레더(28)에 실질적으로 평행한 평면(63)에 직교하는) 열 또는 전자를 전달할 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 흑연 시트(42)가 히트 스프레더(28)에 평행한 평면(63)에 직교하는 히트 스프레더의 치수를 완전히 통과하여 연장되도록(예를 들어, 히트 스프레더(28)의 두께를 통해 연장되어 접촉부(들)(30)과 같은 히트 스프레더(28)의 측들 또는 면들 사이에 연장되도록) 흑연 시트는 히트 스프레더(28)에 실질적으로 평행한 평면(63)을 따라 지그재그될 수 있다. 따라서, 열 또는 전자는 엘리베이터(44)가 적게 있거나 없이 본 명세서에서 논의된 바와 같이 (예를 들어 접촉부(30) 사이에서) 평면(63)에 대해 직교하는 또는 수직한 방향으로 전달될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 열 또는 전자 전달을 향상시키기 위해 히트 스프레더(28)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 여전히 엘리베이터(44)를 사용한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 흑연 시트(42)가 히트 스프레더(28)에 평행한 평면(63)에 직교하는 히트 스프레더의 치수를 완전히 통과하여 연장되지 않도록(예를 들어, 히트 스프레더(28)의 두께를 통해 연장되어 접촉부(들)(30)과 같은 히트 스프레더(28)의 측들 또는 면들 사이에 연장되지 않도록) 흑연 시트(42)는 히트 스프레더(28)에 실질적으로 평행한 평면(63)을 따라 지그재그될 수 있다. 흑연 시트(42)의 곡률 패턴은 흑연 시트(42)가 실질적인 부분(예를 들어, 히트 스프레더(28)의 평행 평면(63)에 직교하는 두께의 대부분)을 통해 연장될 수 있다. 히트 스프레더(28)의 길이를 통해 연장되지 않는 상대적으로 짧은 엘리베이터(44a)가 본 명세서에서 논의된 바와 같이 흑연 시트(42) 사이에 열 또는 전자를 효과적으로 전달하도록 제공될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(28)는 또한 히트 스프레더(28)의 두께를 통해 연장되는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 엘리베이터(44b)를 포함할 수 있다.
도 17은 열적/전기적 기판(68)을 구비하는 히트 스프레더(28)의 일 실시예를 도시한다. 기판(68)은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 충분한 및/또는 바람직한 열적 및/또는 전기적 특성을 갖는 금속성 재료일 수 있다. 예를 들어, 기판(68)은 알루미늄, 구리 등일 수 있다.
하나 이상의 흑연 시트(42)는 기판(68) 주위 또는 위에 배치될 수 있다. 기판(68) 주위에 배치된 흑연 시트(42)의 수는 원하는 열적/전기적 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 기판(68) 상에 배치된 흑연 시트(42)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 임의의 적절한 방식으로 기판(68)과 접촉하거나 연결할 수 있는 열 간극 재료로서 기능할 수 있다.
일부 실시예에서, 단일 흑연 시트 또는 층(42)이 기판(68) 상에 배치될 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 흑연 시트(42)는 도 17에 도시된 기판(68)의 횡단면 또는 측부 둘레의 대다수 또는 적어도 절반 주위에 배치되거나, 위치하거나, 또는 연장될 수 있다. 흑연 시트(42)가 기판(68)의 둘레의 적어도 절반 주변으로 연장되도록 흑연 시트(42)는 기판(68)의 하나, 둘, 셋 또는 네 면 주위로 연장될 수 있다. 흑연 시트(42)는 도 17에 도시된 바와 같이 기판(68)의 모서리를 포함하여 기판(68) 주위의 연속적인 또는 모놀리식 층일 수 있다. 일부 실시예에서, 흑연 시트(42)는 예를 들어 기판의 모서리(68)에 파단부를 구비하는 기판(68) 주위에 위치된 불연속 단편일 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(28)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 배터리 셀(12) 사이에 배치되거나 또는 위치할 수 있다. 히트 스프레더(28)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 핀(26)에 부착된 TED(20)를 구비하는 핀(26)을 가질 수 있다. TED(20)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 히트 스프레더(28)를 통해 배터리 셀(12)을 가열 또는 냉각시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 논의된 바와 같은 전압 스프레더(50) 또는 전압원(62)이 히트 스프레더(28)에 연결될 수 있다. 기판(68) 상에 배치된 흑연 시트(42)는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 저항성 히터로서 기능할 수 있다. 흑연 시트(42)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 저항 가열 용량을 증가시키기 위해 파단부(64)를 가질 수 있다. 히드 스프레더(28)는 예를 들어 연결부(46), 연결부(48), 전압 스프레더(50), 도브테일(58), 전압원(62), 구성 요소(61) 등을 포함하여 히트 스프레더에 대한 전술한 바와 같은 임의의 다른 적절한 기능성 또는 구성 요소를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 전압원(62)은 기판(68)과 전기적으로 연통할 수 있다. 기판(68)은 흑연 시트(42)보다 높은 전기 저항을 갖는 물질(예를 들어, 금속성)일 수 있다. 따라서, 배터리(14)가 가열될 때, 전류는 기판(68)을 통과하여 배터리 셀(12)을 가열한다. 배터리(14)가 냉각될 때, 전류는 TED(20)의 주 표면(22)이 흑연 시트(42)로부터 열을 전달하도록 TED(20)를 통해 원하는 극성으로 흐른다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 흑연 시트(42)는 기판(68)에 비해 더 큰 열 전도성을 가질 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이 실시예는 저항성 히터로서 기판(68)을 사용하여 배터리 셀(12)에 효과적인 가열을 제공하는 능력을 가지면서 TED(20)를 사용하여 배터리 셀(12)에 효과적인 냉각을 제공할 수 있다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, 일부 실시예에서, 열분해 흑연 시트(42) 또는 표면으로의 엘리베이터(44)의 결합은 흑연 시트(42)와 TED(20), 열 관리하에 있는 장치(예를 들어, 전기적 구성 요소, 배터리(14), 배터리 셀(12)) 및/또는 간극 물질(예를 들어, 그리스)) 사이의 열 접촉 전도도를 증가시키거나 열 접촉 저항성을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 열분해 흑연 및/또는 흑연 금속 복합 시트(42) 또는 표면은 전기적 구성 요소(예를 들어, 셀(12)) 및/또는 TED(20)의 표면 또는 부분과 직접적으로 결합되거나 접촉된다. 일부 실시예에서, 각각의 표면은 간극 재료(예를 들어, 열 그리스)를 통해 간접적으로 서로 결합되거나 접촉된다. 일부 실시예에서, 흑연 시트(42), 흑연 금속 복합체, 전기적 구성 요소(예를 들어, 셀(12)) 및/또는 TED(20)의 표면은 열 접촉 전도도를 증가시키고 그리고/또는 이들 사이의 열 접촉 저항성을 감소시키도록 마무리된다.
특정 실시예에서, 그러한 (예를 들어, 열분해) 흑연 히터/히트 싱크를 제공하거나 구현하는 이점은 다음을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다:
특정 실시예에서, 히터/히트 싱크 배터리 열 관리 애플리케이션 또는 시스템을 제공하거나 구현하는 이점은 다음을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다:
본 명세서에서 설명된 부품의 관점에서, 열 전도성 흑연(예를 들어, 열분해) 또는 흑연 금속 복합체, 열전 장치(예를 들어, 모듈, 시스템)와 고용량 가열 기능(예를 들어, 저항성, 줄 가열)을 제공하기 위해 흑연 또는 흑연의 일부분(예를 들어, 시트, 표면)에 전압차를 제공하는 수단(예를 들어, 전압 스프레더, 전원)의 조합은 자동차 배터리의 가열 및 냉각 외부의 많은 다른 온도 관리 영역에 적용할 수 있다. 자동차 배터리 열 관리는 하나의 구체적인 예일 뿐이다. 다른 적용분야로는 전자, 에너지 변환 및 저장, 인간 편의(예를 들어, 기후 제어), 의료 기기, 우주 항공 및 자동차 애플리케이션이 있다.
배터리 열 관리 시스템의
실시예
도 18은 배터리 셀(12) 및 히트 스프레더(28)의 스택 또는 어셈블리(70)의 실시예를 도시한다. 배터리 셀(12)은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 배터리 셀(12) 사이에 히트 스프레더(28)와 적층되어 배터리 셀(12)에 열 관리를 제공할 수 있다. 스택(70)은 지지 플레이트(72) 사이에 위치할 수 있다. 지지 플레이트(72)는 임의의 원하는 열 전도성/절연성뿐만 아니라 배터리 셀(12)에 대한 구조적 무결성을 제공할 수 있다. 스택(70)의 지지 플레이트(72)는 스트랩(74)을 사용하여 고정될 수 있다.
배터리 셀 및 히트 스프레더(28)의 스택(70)은 연결부(48)를 통해 더 고정될 수 있다. 예를 들어, 연결부(48)는 볼트(76)가 연결부(48)의 정렬된 볼트 구멍 전부를 통과할 수 있게 하는 볼트 구멍을 포함할 수 있다. 볼트(76)는 히트 스프레더(28) 내의 배터리 셀의 스택(70)을 물리적으로 더 고정시킬 수 있다. 어셈블리(70)의 고정을 용이하게 하기 위해 본 명세서에서 논의된 바와 같이 임의의 적절한 연결부를 연결부(48)에 사용할 수 있다.
히터 버스 바(heater busbar)(78)는 또한 볼트(76)를 통해 연결부(48)에 고정될 뿐만 아니라 지지 플레이트(72)에 대한 연결부를 통해 스택(70)에 고정될 수 있다. 스택(70)은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 배터리 케이스(16) 내에 또는 당해 배터리 케이스에 의해 수용될 수 있다. 스택(70)은 배터리 케이스(16)뿐만 아니라 지지 플레이트(72)에 부착될 수 있는 지지 브래킷(80)을 포함하여 임의의 적절한 방식으로 배터리 케이스(16)와 연결, 부착, 맞물림 및/또는 체결될 수 있다.
본 명세서에서 논의된 바와 같은 제어기(36)를 포함하는 인쇄회로기판(PCB)(79)은 스택(70)에 대한 임의의 다른 적절한 연결뿐만 아니라 히터 버스바(78)에 부착되거나 고정될 수 있다. 인쇄회로기판(79)은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 전기적 연결부(46)에 연결될 수 있다. PCB(79) 및/또는 제어기(36)는 배터리 셀(12), 배터리(14), 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32), TE 열 관리 시스템(34), 전원(38), 및/또는 센서(40)의 기능을 포함하여 본 명세서에서 논의된 임의의 BTMS(10) 구성 요소의 기능을 제어하는 하나 이상의 제어기(열 관리 제어기 또는 배터리 제어기)일 수 있다. 일부 실시예에서, PCB(79) 및/또는 제어기(36)는, 제어기(36)에 의해 모니터링된 데이터 또는 조건들이 시스템 효율성을 최적화하도록 배터리 셀(12), 배터리(14), 열원 및/또는 히트 싱크 시스템(32), TE 열 관리 시스템(34), 전원(38) 및/또는 센서(40)를 조정하고 제어하는 데 사용될 수 있도록 연결될 수 있다.
도 19 내지 도 22는 열적 계면(82) 및 열적 윈도우(84)를 구비하는 배터리 케이스(16)의 일 실시예를 도시한다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 일부 실시예에서, 연결부(48)는 테이퍼된 도브테일 형상(58)을 포함할 수 있다. 도브테일-형상의 연결부(58)는 열 관리 하의 장치(예를 들어, 배터리(14), 셀(12))와 케이스(16) 외부에 위치한 TED(20) 사이에 열적 연통을 제공하기 위해 TED(20)의 표면과 열적 계면(82)을 형성하는 후방 표면 또는 대응하는 암 형상의 도브테일 커플링(86)에 결합되도록 구성된다.
도 19 내지 도 22에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 열적 계면(82)은 도브테일 연결부(58)의 후방 표면(86) 또는 전기 장치(예를 들어, 배터리(14))의 배터리 케이스(16) 또는 쉘 내의 열적 윈도우(84) 또는 개구를 통해 TED(20)와 열적으로 연통하는 커플링을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 재료 또는 열적 기판(88)(예를 들어, 구리 표면 또는 플레이트)이 TED(20)와 도브테일 커플링(86) 사이의 열적 윈도우(84) 내에 위치한다. 열적 기판(88)은 배터리 케이스(16) 내에 물리적인 장벽을 제공하면서(예를 들어, 배터리 케이스(16) 내의 배터리 셀(12)을 에워쌈) 배터리 케이스(16)의 내부 및 외부로 열 에너지를 전달할 수 있다.
도 10 내지 도 12 및 도 19 내지 도 22에 도시된 바와 같이, 연결부(48)는 일부 실시예에서 테이퍼된 도브테일 구성(58)을 포함할 수 있다. 그러나, 연결부(48)는 임의의 적합한 형상 또는 구성(예를 들어, 정사각형, 직사각형, 다각형, 삼각형)을 포함할 수 있다. 열분해 흑연 시트(42)와 배터리 케이스(16) 및/또는 TED(20) 사이의 연결부(48), 부착부, 결합부는 기계적인 암-수 연결부 또는 접합부에 한정되지 않는다. 오히려, 연결부(48)는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 전기적 및/또는 열적으로 연통하도록 임의의 적절한 구성 및 방식(예를 들어, 접착제, 너트와 볼트, 나사, 못, 압입(press-fit) 또는 간섭 끼워 맞춤)을 포함할 수 있다. 또한, 연결부(48)는 임의의 적절한 방식(예를 들어, 오버 몰드, 압입)으로 흑연 시트(42)에 부착될 수 있다.
도브테일 연결부(58)의 후방 표면(86)은 도 22에 도시된 바와 같이 배터리 케이스(16)의 외부에 위치하는 TED(20)의 메인 면(22)과 직접 열적으로 연통(예를 들어, 표면 대 표면 접촉) 또는 간접적 열적으로 연통(예를 들어, 구리 표면(88)을 통해)할 수 있다. 하나의 TED(20)가 도 22에 도시되어 있지만, 다수의 TED(20)는 각각의 TED(20)(예를 들어, 도 4 참조)와 쌍을 이루는 개별 히트 스프레더(28)를 열 관리하는 것을 포함하여 더 큰 열 관리를 위해 본원에서 논의된 방법을 이용하여 제공될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 열 그리스 또는 다른 간극 재료가 또한 구성 요소들 사이에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 일부 실시예에서 열분해 흑연 히트 스프레더 및 저항 히터(28)는 TED(20) 또는 TE 열 관리 시스템(34) 없이 제공될 수 있으므로, 배터리 케이스(16)는 열적 윈도우(84) 및/또는 상기 윈도우 내의 열 전도성 재료를 포함하지 않는다.
도 23 내지 도 25는 공기 덕트(90) 및 송풍기(92) 시스템 또는 어셈블리의 일 실시예를 도시한다. 공기 덕트(90) 및 송풍기(92) 시스템은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 TED(20)의 폐기 면 또는 표면(24)을 가로질러 공기를 당기거나 밀어낼 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, TED(20)의 폐기 면(24)은 폐열 교환기(93)(예를 들어, 공기 열 교환기)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 덕트(90)와 다른 공기 유동 구성 요소는 TED(20) 및/또는 덕트(90) 양단의 압력 손실을 감소시키고 균일한 공기 분배 및 공기 공급을 제공하도록 최적화되거나 크기를 가질 수 있다.
도 24에 도시된 바와 같이, 공기 송풍기(92)는 TED(20)를 가로질러 공기를 끌어들이거나 당겨오기 위해 덕트(90)에 부착되거나 연결될 수 있다. 통합된 제어기는 TED(20)를 가로질러 공기를 밀거나 당기는 스위치를 제공할 수 있다. 냉각 모드 또는 가열 모드에서, 각각 가열되거나 냉각되어 폐 공기는 송풍기(92)를 향하여 당겨지거나 또는 당해 송풍기로부터 멀어지고, 송풍기(92)의 송풍기 출구/입구(94) 또는 덕트 출구/입구(96)를 통해 빠져나갈 수 있다. 일부 실시예에서, 폐 공기는 배터리(14)가 위치하는 하우징, 외피 또는 외장 외부의 외부 환경, 또는 송풍기 출구/입구(94)에 연결된 다른 도관(예를 들어, 폐열 제거 시스템)으로 배출되어 (예를 들어, 시트 및/또는 승객실을 가열 또는 냉각하기 위해) 필요에 따라 가열되거나 냉각된 공기를 공급한다.
도 25에 도시된 바와 같이, 덕트 출구/입구(96)는 플래퍼(flapper)(98)를 포함할 수 있다. 플래퍼(98)는 열 다이오드를 통해 활성화(예를 들어, 열림)될 수 있다. 일부 실시예에서, 플래퍼(98)는 송풍기(92)가 작동하지 않는 한 닫힌 채로 유지된다. 송풍기(92)가 작동하지 않으면 플래퍼(98)가 폐쇄 상태로 유지됨으로써, TED(20)의 폐기 면(24)은 주변 온도로부터 절연될 수 있다(예를 들어, TED(20)의 가열이 억제됨). 일부 실시예에서, 덕트(90)는 절연되어 TED(20)를 절연하는 데 도움을 더 줄 수 있다.
일부 실시예에서, 송풍기(92)는 TED(20)를 가로질러 공기를 미는 대신에 당긴다. 팬(fan) 또는 송풍기(92)에 의해 공기가 밀리지 않고 당겨지면, 공기는 예를 들어 TED(20)의 폐기 면(24)에 도달하기 전에 송풍기(92)를 통과할 필요가 없다. 대신에, 공기는 TED(20)의 폐기 면(24)을 가로질러 당겨져서 송풍기 출구/입구(94)에서 배출된다. 예를 들어, 공기는 당겨질 때 송풍기(92)의 모터로부터의 열에 의해 가열되지 않는다. 공기를 당기는 것은 냉각 모드에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 송풍기(92)는 TED(20)를 가로질러 공기를 당기기보다는 밀게 된다. 공기가 당겨지기보다는, 팬 또는 송풍기(92)에 의해 밀리면, 공기는 TED(20)의 폐기 면(24)에 도달하기 전에 송풍기(92)를 통해 이동하게 된다. 대신에 공기는 TED(20)의 폐기 면(24)을 가로질러 당겨져서 덕트 출구/입구(96)에서 배출된다. 예를 들어, 효율성을 증가시키기 위해 공기가 밀리는 경우(예를 들어, 공기를 원하는 대로 예열), 송풍기(92)의 모터로부터의 열에 의해 공기가 가열된다. 공기를 미는 것은 가열 모드에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 가열 모드에서 공기 예열이 바람직하지 않은 경우, 공기는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 공기 송풍기(92)에 의해 당겨질 수 있다.
차량의 맥락에서, 공기는 당겨지는 경우, TED(20)의 폐기 면(24)을 가로질러 밀리기 전에 폐기 시스템에 의해 가열되지 않는다. 그러한 실시예에서, 공기 입구는 TED(20)의 열 교환기 또는 핀(93)(예를 들어, 출구/입구(96))에, 가깝게, 또는 옆에 있고, 공기의 출구/입구(94)는 송풍기(92)에 있다. 공기가 밀리는 경우, 입구는 송풍기(92)의 출구/입구(94)에 있고 출구는 TED(20)의 열 교환기 또는 핀(93)(예를 들어, 출구/입구(96))에, 옆에 또는 가까이 있다. 일부 실시예에서, 공기가 밀리고 TED(20)의 열 교환기 또는 핀(93)에, 옆에 또는 인접하여 출구가 있을 때, TED(20), 배터리 셀(들)(12) 및/또는 배터리 케이스(16)로부터 폐열을 이송하기 위한 추가 도관이 제공될 수 있다. 공기가 당겨질 때, 공기는 송풍기(92)의 출구/입구(96) 밖으로 배출될 수 있다. 일부 실시예에서, 공기는 추가 도관 또는 폐열 제거 시스템 없이 출구/입구(96) 밖으로 배출될 수 있기 때문에, 이는 시스템의 복잡성을 감소시킨다. 일부 실시예에서, 공기 온도는 TED(20)의 열 교환기 또는 핀(93)을 가로질러 당겨지거나 밀질 때의 냉각기의 반 정도이다.
일부 실시예에서, 송풍기(92) 및 덕트(90)를 관리하기 위한 연결부 및 제어기는 제어기(36) 내에 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, PCB(79) 및/또는 제어기(36)는 송풍기(92) 출력을 조정하여 시스템 효율을 최적화할 수 있다(예를 들어, 송풍기(92)의 공기 흐름, 전력 또는 모터 속도를 증가 및 감소시켜 배터리 셀(12)의 냉각 또는 가열 요건을 맞출 수 있다). 일부 실시예에서, PCB(79) 및/또는 제어기(36)는 시스템 효율성을 최적화하기 위해 제어기(36)에 의해 모니터링된 데이터 또는 조건이 송풍기(92) 출력을 조정하는 데 사용될 수 있도록 연결될 수 있다.
위에서 개시된 실시예의 특정 특징 및 양상의 다양한 조합 또는 서브조합이 만들어질 수 있고, 여전히 하나 이상의 본 발명에 포함될 수 있음이 고려된다. 또한, 실시예와 관련하여 임의의 특정 특징, 양상, 방법, 성질, 특성, 품질, 속성, 요소 등의 본 명세서에서 논의된 모든 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 따라서, 개시된 실시예의 다양한 특징 및 양태는 개시된 발명의 다양한 형태를 형성하기 위해 서로 결합되거나 대체될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 본 발명의 범위는 상술한 특정 개시된 실시예에 의해 한정되어서는 안된다. 또한, 본 발명의 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하지만, 그 특정 예가 도면에 도시되어 있으며 본 명세서에서 상세히 기술된다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태 또는 방법에 한정되지 않으며, 반대로, 본 발명은 설명된 다양한 실시예 및 첨부된 청구범위의 사상 및 범위 내에 있는 모든 변형, 등가물 및 대안을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 여기에 개시된 임의의 방법은 기재된 순서로 수행될 필요는 없다. 본 명세서에 대시된 방법은 개업자가 취하는 특정 조치를 포함한다. 그러나 명시적 또는 암시적으로 제3자의 조치에 대한 지침을 포함할 수도 있다. 예를 들어, "혀 밑을 관통하는 서스펜션 라인"과 같은 동작에는 "혀의 기저부를 통과하는 서스펜션 라인의 통과를 지시하는 조치"가 포함된다. 그러한 도시된 구조는 단지 예일 뿐이며, 사실 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 구조가 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 개념적 의미에서, 동일한 기능을 달성하기 위한 구성 요소의 임의의 배열은 효과적으로 "관련"되어 원하는 기능이 달성된다. 따라서, 특정 기능을 달성하기 위해 결합된 임의의 두 개의 구성 요소는 구조 또는 중간 매개 구성 요소와 관계없이 원하는 기능이 달성되도록 서로 "관련된다"고 간주될 수 있다. 본 명세서에 개시된 범위는 또한 임의의 및 모든 중첩, 하위 범위 및 이들의 조합을 포함한다. "~까지", "적어도", "보다 큰", "미만", "~사이" 등과 같은 언어는 인용된 번호를 포함한다. 본 명세서에 사용된 "대략", "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어 앞의 숫자는 인용된 숫자를 포함하고, 원하는 기능을 수행하거나 원하는 결과를 달성하는 명시에 가까운 양을 나타낸다. 예를 들어, "대략", "약" 및 "실질적으로"라는 용어는 규정된 양의 10% 미만, 5% 미만, 1% 미만, 0.1% 미만 및 0.01% 미만 내에 있다. 본 명세서에서 사용된 "대략", "약" 및 "실질적으로 "와 같은 용어로 선행된 본 명세서에 개시된 실시예의 특징은 원하는 기능을 여전히 수행하거나 그 특징에 대한 원하는 결과를 달성하는 일부 가변성을 갖는 특징을 나타낸다.
본 명세서에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수의 사용과 관련하여, 당업자는 문맥 및/또는 적용에 적절할 때 복수형으로부터 단수형 및/또는 단수형에서 복수형으로 번역할 수 있다. 다양한 단수/복수 순열은 명료성을 위해 본 명세서에서 명백하게 설명될 수 있다.
일반적으로, 본 명세서에서 사용된 용어는 "열린" 용어로 의도된다는 것을 당업자는 이해할 것이다(예를 들어, "포함하는"이라는 용어는 "포함하지만 이에 한정되지 않는다", "갖는"이라는 용어는 "적어도 갖는"으로 해석되어야 하고, "포함하다"는 용어는 "포함하지만 이에 한정되지 않는다"로 해석되어야 함). 특정 숫자의 도입된 실시예에 대한 의도가 의도되는 경우, 그러한 의도는 실시예에서 명시적으로 언급될 것이며, 그러한 암시가 없을 경우 그러한 의도는 존재하지 않는다는 것이 당업자에 의해 더 잘 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 개시된 실시예 설명을 소개하기 위해 "적어도 하나" 및 "하나 이상"이라는 도입 문구의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 문구의 사용은 단수표현에 의한 실시예 설명의 도입은, 동일한 실시예가 도입 문구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"와 단수 표현들을 포함할 경우에도 그러한 도입된 실시예를 포함하는 임의의 특정 실시예를 단 하나의 그러한 기재를 포함하는 실시예로 한정하지 않는다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 되며(예를 들어, 단수 표현은 통상적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하도록 해석되어야 함); 실시예 인용을 도입하는 데 사용되는 정관사의 사용에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 특정 번호의 도입된 실시예 설명이 명시적으로 열거되더라도, 당업자라면 그러한 인용은 전형적으로 적어도 인용된 숫자를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인식할 것이다(예를 들어, 다른 수식어구 없이 "두 개의 인용"을 암시하는 것은 일반적으로 적어도 두 번의 인용을 의미하거나 둘 이상의 인용을 의미한다). 또한, "A, B, 및 C 등 중 적어도 하나"와 유사한 협약이 사용되는 경우, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 관례를 이해할 것이라는 의미에서 의도된다(예를 들어, "A, B, 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B와 함께, A 및 C와 함께, B 및 C와 함께, 및/또는 A, B, 및 C 함께 등을 갖는 시스템을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다). "A, B, 또는 C 등 중 적어도 하나"와 유사한 협약이 사용되는 경우, 일반적으로, 그러한 구성은 당업자가 관례를 이해할 것이라는 의미에서 의도된다(예를 들어, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B와 함께, A 및 C와 함께, B 및 C와 함께, 및/또는 A, B, 및 C 함께 등을 갖는 시스템을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다). 설명, 실시예, 또는 도면에서와 같이 둘 이상의 대안적인 용어를 제시하는 사실상 임의의 이원적인 단어 및/또는 어구가 본 명세서에서 사용된 용어들 중 하나, 두 가지 용어 중 하나 또는 두 가지 모두의 의미를 포함할 가능성을 고려하기 위해 이해되어야 한다는 것이 당업자에 의해 더 이해될 것이다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 문구는 "A" 또는 "B", 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명은 특정 실시예 및 소정의 예시적인 방법의 관점에서 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 대신, 본 출원인은 본 명세서에 개시된 방법 및 물질에 대한 변형이 당업자에게 자명한 것으로서 개시된 주제의 범위 내에 속할 것을 의도한다.
Claims (103)
- 배터리 셀의 온도를 관리하도록 구성된 열전 배터리 열 관리 시스템으로서,
배터리 셀의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 히트 스프레더(heat spreader)로서, 상기 히트 스프레더는,
상기 배터리 셀의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는 흑연으로서, 상기 히트 스프레더를 따라 실질적으로 평행하게 연장된 복수의 흑연 층을 포함하고 상기 흑연 층에 실질적으로 평행한 평면을 따라 열 에너지 및 전류를 전달하도록 구성된, 상기 흑연;
상기 복수의 흑연 층 사이의 복수의 열적 엘리베이터(thermal elevator)로서, 상기 복수의 흑연 층 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되고 상기 평면에 실질적으로 직교하는 열 에너지를 전달하도록 구성된, 상기 복수의 열적 엘리베이터; 및
상기 흑연 및 상기 복수의 열적 엘리베이터와 열적으로 연통하는 전도체로서, 상기 흑연을 통해 전류를 인가할 때 상기 전도체를 통해 배터리 셀을 가열하기 위해 상기 흑연과 전기적으로 연통하는, 상기 전도체를 포함하는, 상기 히트 스프레더;
메인 면(main side)과 폐기 면을 포함하는 열전 장치(thermoelectric device)로서, 상기 열전 장치는 상기 열전 장치에 전류가 인가될 때 상기 열전 장치의 상기 메인 면과 폐기 면 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되고, 상기 열전 장치의 메인 면은 상기 히트 스프레더와 열적으로 연통하여 상기 열전 장치에 전달되는 전류의 극성을 조정함으로써 상기 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키는, 상기 열전 장치; 및
가열 모드 또는 냉각 모드에서 작동하도록 구성된 열 관리 제어기를 포함하되,
상기 가열 모드에서, 전류가 상기 전도체를 통해 상기 히트 스프레더에 인가될 때, 상기 열전 장치에 전류가 제1 극성으로 인가될 때, 또는 전류가 상기 전도체를 통해 히트 스프레더에 및 제1 극성으로 상기 열전 장치에 인가될 때, 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역에 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 상기 배터리 셀이 가열되고, 그리고
상기 냉각 모드에서, 상기 배터리 셀은 전류가 제2 극성으로 상기 열전 장치에 인가될 때 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역으로부터 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 냉각되는, 열전 배터리 열 관리 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀 및 상기 히트 스프레더는 배터리 케이스 내에 위치되고, 상기 전도체는 상기 배터리 케이스에 부착되어 상기 배터리 케이스에 대해 상기 히트 스프레더를 물리적으로 고정시키도록 구성된, 열전 배터리 열 관리 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 배터리 케이스에 부착되고 상기 열전 장치의 상기 폐기 면을 가로질러 공기를 밀거나 당기는 송풍기 및 덕트 어셈블리를 더 포함하되, 상기 열 관리 제어기는 상기 송풍기 및 덕트 어셈블리의 상기 송풍기로부터의 공기 흐름이 상기 배터리 셀의 가열 또는 냉각 요건에 부합하도록 증가되거나 감소되어 시스템 효율을 최적화하도록 구성된, 열전 배터리 열 관리 시스템.
- 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키도록 구성된 배터리 열 관리 시스템으로서,
배터리 셀과 열적으로 연통하는 히트 스프레더로서,
흑연 시트를 따라 열 에너지 및 전류를 전달하도록 구성된 상기 흑연 시트; 및
상기 흑연 시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 전도체로서, 상기 전도체를 통해 상기 흑연 시트로 전류를 인가할 때 배터리 셀을 가열시키기 위해 상기 흑연 시트와 전기적으로 연통하고, 상기 흑연 시트로 그리고 상기 흑연 시트로부터 열 에너지를 전달하기 위해 상기 흑연 시트와 열적으로 연통하는, 상기 전도체를 포함하는, 상기 히트 스프레더; 및
메인 면과 폐기 면을 포함하는 열전 장치로서, 상기 열전 장치에 전류가 인가될 때 상기 열전 장치의 상기 메인 면과 폐기 면 사이에서 열 에너지를 전달하도록 구성되고, 상기 열전 장치의 메인 면은 상기 히트 스프레더와 열적으로 연통하여 상기 열전 장치에 전달되는 전류의 극성을 조정함으로써 상기 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키는, 상기 열전 장치를 포함하되,
상기 전도체를 통해 상기 히트 스프레더에 전류가 인가될 때, 또는 상기 열전 장치에 전류가 제1 극성으로 인가될 때, 또는 전류가 상기 전도체를 통해 상기 히트 스프레더에 인가되고 제1 극성으로 상기 열전 장치에 인가될 때, 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역에 열 에너지를 전달하는 상기 히트 스프레더에 의해 상기 배터리 셀이 가열되고, 그리고
상기 배터리 셀은, 전류가 제2 극성으로 상기 열전 장치에 인가될 때 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역으로부터 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 냉각되는, 배터리 열 관리 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 히트 스프레더는 상기 흑연 시트와 열적 연통하는 금속성 기판을 더 포함하되, 상기 흑연 시트는 상기 배터리 셀과 열적으로 연통하여 상기 흑연 시트가 상기 배터리 셀과 상기 금속성 기판 사이의 열적 계면으로서 기능하는, 배터리 열 관리 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 열전 장치의 메인 면은 상기 금속성 기판의 적어도 일부분 위에 위치하며, 상기 흑연 시트는 상기 열전 장치의 메인 면과 상기 금속성 기판 사이에 있도록 연장되어 상기 열전 장치와 상기 금속성 기판 사이에 열적 계면을 제공하되, 상기 열적 계면은 상기 열전 장치의 메인 면과 상기 금속성 기판 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성된, 배터리 열 관리 시스템.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 배터리 셀은, 상기 전도체를 통해 상기 금속성 기판에 전류가 인가될 때 상기 배터리 셀에 열 에너지를 전달하는 상기 히트 스프레더에 의해 가열되는, 배터리 열 관리 시스템.
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- 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키기 위한 배터리 열 관리 시스템의 제조방법으로서,
히트 스프레더를 배터리 셀에 열적으로 연결하는 단계로서, 상기 히트 스프레더는,
흑연 시트를 따라 열 에너지 및 전류를 전달하도록 구성된 상기 흑연 시트; 및
상기 흑연 시트와 열적 및 전기적으로 연통하는 전도체로서, 상기 전도체는 상기 흑연 시트와 전기적으로 연통하여 상기 전도체를 통해 상기 흑연 시트로 전류가 인가될 때 배터리 셀을 가열하고, 상기 전도체는 상기 흑연 시트와 열적으로 연통하여 상기 흑연 시트로 그리고 상기 흑연 시트로부터 열 에너지를 전달하는, 상기 전도체를 포함하는, 상기 히트 스프레더를 상기 배터리 셀에 열적 및 전기적으로 연결하는 단계; 및
열전 장치의 메인 면을 상기 히트 스프레더에 열적으로 연결하여 상기 열전 장치에 전달되는 전류의 극성을 조정함으로써 상기 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키는 단계로서, 상기 열전 장치는 상기 열전 장치에 전류가 인가될 때 상기 열전 장치의 상기 메인 면과 폐기 면 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성된, 상기 배터리 셀을 가열 또는 냉각시키는 단계를 포함하되,
상기 배터리 셀은, 상기 전도체를 통해 상기 히트 스프레더에 전류가 인가될 때, 또는 상기 열전 장치에 전류가 제1 극성으로 인가될 때, 또는 상기 전도체를 통해 상기 히트 스프레더에 전류가 인가되고 상기 열전 장치에 전류가 제1 극성으로 인가될 때, 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역에 열 에너지를 전달하는 히트 스프레더에 의해 가열되고, 그리고
상기 배터리 셀은 상기 열전 장치에 전류가 제2 극성으로 인가될 때 상기 배터리 셀의 온도 감응 영역으로부터 열 에너지를 전달하는 상기 히트 스프레더에 의해 냉각되는, 배터리 열 관리 시스템의 제조방법. - 제15항에 있어서, 상기 히트 스프레더는 상기 흑연 시트와 열적 연통하는 금속성 기판을 더 포함하며, 상기 흑연 시트는 상기 배터리 셀과 열적으로 연통하여 상기 흑연 시트가 상기 배터리 셀과 상기 금속성 기판 사이의 열적 계면으로서 기능하게 하는, 배터리 열 관리 시스템의 제조방법.
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- 흑연 시트를 이용해서 전기 장치의 온도 감응 영역을 가열하는 방법으로서,
전기 장치의 온도 감음 영역과 열적으로 연통하는 히트 스프레더의 전도체에 전류를 인가하는 단계;
상기 히트 스프레더의 흑연 시트를 따라서 전류를 지향시키는 단계로서, 상기 전도체는 상기 흑연 시트와 전기적으로 연통하고, 전류가 상기 전도체로부터 상기 흑연 시트를 따라 지향되는, 상기 전류를 지향시키는 단계;
전류가 상기 흑연 시트를 통해서 지향됨에 따라서 상기 흑연 시트에 열을 발생하는 단계; 및
상기 흑연 시트로부터 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역에 열 에너지를 전달하여 상기 흑연 시트에 발생된 열을 사용해서 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역을 가열시키는 단계를 포함하는, 전기 장치의 온도 감응 영역을 가열하는 방법. - 제21항에 있어서,
메인 면과 폐기 면을 포함하는 열전 장치에 전류를 인가하는 단계; 및
상기 열전 장치의 상기 메인 면으로부터 상기 히트 스프레더에 열 에너지를 전달하여 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역을 가열시키는 단계를 더 포함하는, 전기 장치의 온도 감응 영역을 가열하는 방법. - 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 흑연 시트 내의 사행 경로(serpentine path) 또는 지그재그 경로 중 적어도 하나를 따라서 전류를 지향시키는 단계를 더 포함하는, 전기 장치의 온도 감응 영역을 가열하는 방법.
- 전기 장치의 온도 감응 영역의 온도를 관리하기 위한 히트 스프레더로서,
기판으로서, 상기 기판을 따라 열 에너지를 전달하도록 구성되고, 전기 장치의 온도 감응 영역과 열적으로 연통하는, 상기 기판; 및
상기 기판 상에 배치된 흑연 시트로서, 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역과 열적으로 연통하고, 상기 흑연 시트에 전력을 인가함에 따라서 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역에 열 에너지를 전달하도록 구성되며, 그리고 상기 흑연 시트에 전력의 인가가 없을 때 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역에서 열 에너지를 전달하도록 구성된, 상기 흑연 시트를 포함하되,
상기 기판 또는 상기 흑연 시트 중 하나는 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역으로부터 상기 기판 또는 상기 흑연 시트 중 다른 하나를 통해서 히트 싱크(heat sink)로 열 에너지를 전달하도록 구성되는, 히트 스프레더. - 제24항에 있어서, 상기 기판은 상기 기판을 따라서 전류를 전달하도록 구성되고, 상기 기판은 상기 기판에 전력이 인가됨에 따라서 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역을 가열시키도록 구성되는, 히트 스프레더.
- 제24항에 있어서, 상기 흑연 시트는 상기 기판의 적어도 두 면을 따라서 연장되는, 히트 스프레더.
- 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 시트는 상기 히트 싱크와 열적으로 연통되고, 상기 기판은 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역으로부터 상기 흑연 시트를 통해서 상기 히트 싱크에 열 에너지를 전달하도록 구성되는, 히트 스프레더.
- 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 시트는 메인 면과 폐기 면을 포함하는 열전 장치와 열적으로 연통하고, 상기 열전 장치는 상기 열전 장치에 전력이 인가됨에 따라서 상기 열전 장치의 상기 메인 면과 상기 폐기 면 사이에 열 에너지를 전달하도록 구성되며, 상기 열전 장치의 상기 메인 면은 상기 히트 스프레더와 열적으로 연통하고, 상기 열전 장치의 상기 메인 면은 상기 열전 장치에 전력이 인가됨에 따라서 상기 전기 장치의 상기 온도 감응 영역을 가열 또는 냉각시키도록 구성되며, 상기 열전 장치의 상기 폐기 면은 상기 히트 싱크와 열적으로 연통하는, 히트 스프레더.
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