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KR20120129968A - 방열 장치 및 전기 에너지 저장 장치 - Google Patents

방열 장치 및 전기 에너지 저장 장치 Download PDF

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KR20120129968A
KR20120129968A KR1020127024027A KR20127024027A KR20120129968A KR 20120129968 A KR20120129968 A KR 20120129968A KR 1020127024027 A KR1020127024027 A KR 1020127024027A KR 20127024027 A KR20127024027 A KR 20127024027A KR 20120129968 A KR20120129968 A KR 20120129968A
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KR
South Korea
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heat dissipation
battery cells
plate material
energy storage
heat
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KR1020127024027A
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Inventor
라이너 슈미트
오스빈 오틴거
캘린 우엄
바스티안 후드러
버너 랜거
Original Assignee
에스지엘 카본 에스이
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Filing date
Publication date
Application filed by 에스지엘 카본 에스이 filed Critical 에스지엘 카본 에스이
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)에 대해 인접 배치하기 위해 제공되는 흑연 함유 평판 소재를 구비하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18), 및 적어도 하나의 배터리 셀(5 내지 5"; 15, 17, 19) 및 이 배터리 셀(5 내지 5"; 15, 17, 19)로부터 열을 제거하기 위한 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)를 구비하는 전기 에너지 저장 장치(1)에 관한 것으로서, 상기 방열 장치는 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)로부터의 열을 방산하기 위해, 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)의 적어도 하나의 외부면에 배치되고 흑연 함유 평판 소재를 갖는다. 본 발명에 따르면, 흑연 함유 평판 소재가 팽창 흑연을 포함한다.

Description

방열 장치 및 전기 에너지 저장 장치{HEAT SINK AND ELECTRICAL ENERGY STORAGE MEANS}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 방열 장치에 관한 것이며, 청구항 12의 전제부에 따른 전기 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
미국 특허출원 제2006/0134514(A1)호에는, 하우징에 배치되어 전기적으로 서로 연결된 복수의 배터리 셀을 구비한 전기 자동차의 트랙션 배터리(traction battery)가 공지되어 있다. 이러한 배터리들에서 흔한 충전-방전 사이클로 인하여 동작 중에 배터리 셀에서 열이 발생된다. 특히, 배터리 셀의 유용한 수명과 신뢰성에 있어 단점은 소위 핫스팟(hotspots), 즉 국부 집중된 과열 지점으로서, 이것은 최악의 경우 관련 배터리 셀을 손상시킬 수 있다. 이러한 문제를 제거하기 위해, 평면 방향에서 250 W/(m K) 초과, 두께 방향으로 20 W/(mK) 미만의 열 전도성을 가진 재료로 이루어진 호일들(foils) 또는 플레이트들이(plates) 배터리 셀들의 측면들에, 특히, 배터리 셀들의 인접하는 측면들 사이에 배치된다. 호일 또는 플레이트는 흑연으로 이루어질 수 있다.
열 전도체를 가진 배터리 시스템에 관한 유럽 특허출원 제EP 0 806 805(B1)호에는 흑연을 포함한 호일 또는 플레이트의 예가 개시되어 있다. 전도체의 열 기능은 흑연을 함유한 섬유 재료에 의해 제공된다.
그 동안 동작 중의 지속적인 충전 및 방전 사이클로 인하여 상기 배터리 셀들은 두께에 큰 변화를 나타내는 것으로 밝혀져 왔고, 예를 들어, 리튬 이온 배터리 셀의 경우, 0.5%에서 10% 사이의 변화를 보인다. 상기 흑연 플레이트 또는 호일의 경우, 평면 및 두께 방향에서 열 전도성의 명기된 현저한 이방성(stated marked anisotropy)을 달성하기 위해, 흑연은 통상 1.5 g/cm3 초과의 매우 높은 밀도를 가져야 한다. 그러나, 이러한 고도로 압축된 흑연 호일 또는 플레이트는 매우 견고하고, 압축성 및 탄성이 약간만 있을 뿐으로, 즉, 서로 고정된 배터리 셀들의 부피 팽창이 있을 경우 약간만 휘어질 수 있다. 후속하는 부피 감소가 일어날 때, 배터리 셀들 사이의 거리는 다시 증가하고, 이렇게 하여 발생한 자유 공간은 플레이트들에 의해 다시 채워질 수 없다. 이것은 한편으로 큰 기계적 응력을 일으키고, 다른 한편으로는 배터리 셀들의 측면의 접촉 불량을 일으킨다. 정확하게는, 후자의 경우는 플레이트들과 배터리 셀들의 불량한 연결 또는 완전히 결여된 연결 때문에, 핫스팟으로 인해 생기는 열을 재빨리 플레이트의 평면 방향으로 분산시키는 것을 보장할 수 없다. 또한, 지속적으로 높은 열 입력이 플레이트에 가해지는 상태에서는 그 제한된 열 저장 용량 때문에 핫스팟의 열은 더 이상 충분히 빨리 분산될 수 없다.
따라서, 본 발명의 과제는 상기의 단점들을 극복하고 과도한 열 에너지를 제거하는 것뿐만 아니라 배터리 셀에서 균일한 열 분산을 가능하게 하는 방열 장치 및 에너지 저장 장치를 이용가능하도록 하는 것이다.
본 과제는 청구항 1의 특징들을 가진 방열 장치 및 청구항 12의 특징들을 가진 전기 에너지 저장 장치에 의해 달성된다. 방열 장치 및 에너지 저장 장치의 유리한 전개와 바람직한 실시형태들은 종속항에 주어진다.
본 발명에 따르면, 처음에 언급한 방열 장치 및 전기 에너지 저장 장치는 방열 장치의 흑연 함유 평판 소재가 팽창 흑연(graphite expandate)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 평면 방향으로 양호한 열 전도성을 제공할 수 있고, 동시에 배터리 셀들의 양측 방향으로의 부피 변화(부피 팽창 및 부피 축소)에 대하여 양호한 적응성을 제공할 수 있다. 또한, 방열 장치의 흑연 함유 평판 소재는 아주 다양한 배터리 셀들의 형태에 특히 쉽게 적응될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 평판 소재는 0.6 내지 1.4 g/cm3, 바람직하게는 0.7 내지 1.3 g/cm3 , 더 바람직하게는 0.9 내지 1.1 g/cm3 의 밀도를 가지는데, 예를 들어 1.0 g/cm3 의 밀도가 유리하다. 본 발명의 또 다른 실시형태에서, 평판 소재는 평면 방향으로 120 내지 240 W/(m K), 바람직하게는 130 내지 230 W/(m K), 더 바람직하게는 180 내지 190 W/(m K)의 열 전도성을 가진다.
본 발명의 실시형태에서, 두께 방향의 평판 소재는 초기 두께에 비해 0.5 내지 15%, 바람직하게는 1 내지 10%, 더 바람직하게는 4 내지 10%의 탄성 회복성(elastic recovery)을 가지며, 결과적으로, 방열 장치는 배터리 셀들의 부피 감소가 있는 경우에 자유 공간으로 펼쳐질 수 있다(spread out). 여기서, 초기 두께는 외부 표면 압력이 없이, 즉 에너지 저장 장치의 조립 전 압축되거나 또는 고정되지 않은 상태에서의 평판 소재의 두께를 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 배터리 셀들과 양호한 열 전도성을 가지는 방열 장치 사이의 내구적인 연결이 보장될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 두께 방향의 평판 소재는 초기 두께에 비해 1 내지 50%, 바람직하게는 5 내지 35%, 더 바람직하게는 7 내지 30%, 더욱더 바람직하게는 10 내지 20%의 압축률을 가지는데, 그 결과, 방열 장치가 배터리 셀들의 부피 팽창이 있는 경우에 휘어질 수 있다.
평판 소재는 바람직하게는 압축된 팽창 흑연으로부터 이루어질 수 있다. 대체 실시형태에서, 평판 소재는, 대부분이, 균일하게 혼합된 팽창 흑연 및 플라스틱 입자들로 구성된 혼합물을 포함할 수 있으며, 상기 혼합물은 압축 전에 형성된다. 또 다른 대체 실시형태에 있어서, 평판 소재는 압축 후 적용되는 플라스틱에 의해 표면적으로 또는 아래로 평판 소재의 코어 영역까지 함침(impregnate)될 수 있다. 이러한 실시형태들을 통해, 치수 안정적이고 쉽게 관리할 수 있는 방열 장치가 유리한 방식으로 형성될 수 있다. 플라스틱으로는 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 탄성중합체로부터 이루어진 것을 유리하게 사용할 수 있고, 특히 불소 중합체, PE, PVC, PP, PVDF, PEEK, 벤조옥사진(benzoaxines) 및/또는 에폭시(epoxy) 수지를 사용할 수 있다.
평판 소재가 적어도 냉각 모듈로의 연결을 위해 의도된 단부면에 금속 코팅을 포함한다면, 방열 장치는 납땜되어질 수 있다. 또한, 평판 소재의 적어도 하나의 주요면의 적어도 일부 영역에 금속 코팅이 제공될 수 있다. 예를 들어, 평판 소재에 전체 영역에 금속 코팅이 제공될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 평판 소재는 개방 또는 폐쇄된 짧은 측면들을 가진 트로프 모양(trough-shaped)으로 형성되어, 한편으로는 양호한 열 전도성, 에너지 저장 장치의 냉각 모듈과의 넓은 영역의 연결, 다른 한편으로는 방열 장치의 용이한 관리성, 방열 장치로의 배터리 셀의 삽입성을 가능하게 할 수 있다. 대체 실시형태에서, 평판 소재는 파도 모양 또는 구불구불한 모양, 벌집 모양, 또는 8 모양으로 형성될 수 있는데, 그 결과, 배터리 셀들과 양호하고 넓은 영역 접촉이 가능하고, 동시에 에너지 저장 장치에 방열 장치의 빠른 조립이 가능하다.
에너지 저장 장치의 방열 장치 또는 방열 장치들은 바람직하게는 상기 및 하기에 설명된 것처럼 구성될 수 있다. 배터리 셀 사이의 양호한 열 전달을 가능하게 하기 위해, 유리하게는, 배터리 셀은 그 외부 윤곽에 맞는 방열 장치에 의해 둘러싸일 수 있다. 방열 장치 또는 방열 장치들과 배터리 셀들의 외부 면들이 가능한 최대로 넓은 영역에 걸쳐 꼭 맞도록(snug fit) 하기 위하여, 예를 들어, 방열 장치 또는 방열 장치들은 직사각형 배터리 셀의 경우 트로프 모양, 단면이 육각형인 배터리 셀의 경우 벌집 모양, 둥근 배터리 셀 또는 8 모양의 경우 파도모양일 수 있다. 본 발명의 실시형태에 있어서, 에너지 저장 장치는 복수의 본질적으로 직사각형의 배터리 셀들을 포함할 수 있고, 방열 장치 또는 방열 장치들의 평판 소재는 적어도 몇몇 인접하는 배터리 셀들의 인접하는 외부 면들 사이에 배치될 수 있다.
또 다른 실시형태에 있어서, 방열 장치 또는 방열 장치들의 평판 소재의 단부면들 및/또는 부분 면들은 에너지 저장 장치의 냉각 모듈에 열 전도 방식으로 연결될 수 있고, 그 결과, 유리하게는, 배터리 셀로부터 방열 장치로 유입된 열이 에너지 저장 장치로부터 제거될 수 있다. 유리하게는, 에너지 저장 장치의 베이스 또는 베이스의 일부가 냉각 모듈에 의해 형성될 수 있고, 그 결과, 방열 장치들을 냉각 모듈에 결합하는 것이 쉽게 이루어질 수 있다. 가능한 최대한의 열 전도를 위해 유리한 실시형태에 있어서, 트로프 바닥을 가진 트로프 모양의 방열 장치 또는 방열 장치들이 열 전도 방식으로 베이스 부분 또는 냉각 모듈에 연결된다. 유리하게는, 에너지 저장 장치의 하우징의 내벽도 본 발명에 따르는 평판 소재로 라이닝될 수 있는데, 이 평판 소재는 추가적인 열 제거를 제공하기 위해 배터리 셀들의 대응하는 측면들과 맞닿은 접촉(flush contact)을 이룬다.
유리하게는 방열 장치들의 대향하는 측면들에 의해 형성된 중심 포켓의 바닥에는 빠른 열 분산 및 중심 배터리 셀의 하부 단부면에도 있는 열 에너지를 제거하기 위해 방열 장치가 또한 제공될 수 있다. 실시형태에 있어서, 더 양호한 배터리 셀의 냉각 모듈에의 적응 및 더 양호한 열 제거를 위하여, 방열 장치들 사이의 베이스에 방열 장치의 매칭 스트립(matching strips)을 제공하거나 또는 하나의 방열 장치를 연속적으로 제공하는 것도 유리할 수 있다.
평판 소재와 배터리 셀들과의 더 신뢰할 만한 열 전도 연결을 위해, 유리하게는, 방열 장치 또는 방열 장치들의 평판 소재는 배터리 셀들의 부피 감소가 있는 경우에는 확대되고, 배터리 셀들의 부피 팽창이 있는 경우에는 휘어지도록 구성될 수 있다. 배터리 셀들이 동작중일 때까지는 발생하지 않는 부피 팽창을 가능하게 하기 위해, 방열 장치들 및 배터리 셀들은 유리하게는 방열 장치 또는 방열 장치들의 평판 소재가 두께 방향으로 약간만, 바람직하게는 초기 두께에 비해 최대 1% 정도로만 압축되도록 에너지 저장 장치의 비동작 상태에서 서로 고정(clamp)될 수 있다.
상기 및 하기에 설명된 본 발명에 따른 방열 장치들은 리튬 이온 배터리 셀을 가진 전기 에너지 저장 장치들에 유리하게 사용될 수 있으며, 압축가능한 탄성 회복성의 방열 장치들의 사용으로 인하여, 에너지 저장 장치에서 배터리 셀들을 고정하기 위해 용수철이 장착된 기계적인 프리텐션 장치(spring-loaded mechanical pretensioning device)가 더 이상 필요하지 않다.
본 발명의 추가의 특징들과 장점은 도면의 도움으로 실시형태의 바람직한 예의 다음 설명으로부터 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 장치의 3차원 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제2 실시형태의 종단면이다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제3 실시형태의 종단면이다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제4 실시형태의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제5 실시형태의 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 제6 실시형태의 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 방열 장치들의 다양한 실시형태의 횡단면도이다.
부분 파단 3차원 개략도인 도 1에 도시된 전기 에너지 저장 장치(1)는 하우징 베이스(3)를 가진 본질적으로 박스 형태의 하우징(2)을 포함한다. 하우징 베이스는 도 1에 도시된 냉각 모듈(4)에 의해 형성되는데, 냉각 모듈은 능동 또는 수동 냉각 모듈일 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄 등의 양호한 열 전도성과 가능한 양호한 열 저장 용량을 가진 소재로 만들어진다. 바람직하게는, 냉각 모듈(4)은 도 1에 도시되지 않은 냉각 핀(cooling fins) 및/또는, 예를 들어, 물과 같은 냉각 매체의 통과를 위한 채널을 포함할 수 있다. 하우징(2)은 리튬 이온 배터리 셀들로 완전히 갖추어지는데, 도 1에는 더 양호한 표현을 위하여 단지 세 개의 배터리 셀들(5, 5', 및 5")만이 도시되어 있다.
본 발명에 따라 도 1에서 하우징(2)의 왼쪽 측벽과 인접하는 배터리 셀(5)과의 사이에, 또한 인접하는 각각의 배터리 셀들(5와 5') 및 (5'와 5") 사이에 각각 방열 장치들(6, 6', 및 6")이 삽입되어 있다. 방열 장치들(6", 6''' 및 6''''') 또한 도 1에 또한 도시되어 있으나, 더 양호한 표현을 위해서 추가적인 방열 장치들은 생략되어 있다.
방열 장치들(6 내지 6''''')은 소위 팽창 흑연(graphite expandate)이라고 하는 단단한 팽창 흑연의 평판 소재를 포함한다. 예를 들어, 팽창 흑연의 생산은 미국특허 제3,404,061(A)호 또는 독일특허 제103 41 255(B4)호에 충분히 잘 공지되어 있다. 팽창 흑연의 생산을 위해, 예를 들어, 흑연 황산 수소염(graphite hydrogen sulfate) 등과 같은 흑연 염류(graphite salts) 또는 흑연 층간 화합물이 급속히 가열된다. 따라서, 흑연 입자들의 부피는 대략 200 내지 400배 증가되고, 동시에 용적 밀도(bulk density)는 2 내지 20 g/l 값으로 떨어진다. 이와 같이 얻어진 팽창 흑연은 벌레 또는 아코디언 모양의 집합체를 포함한다. 그 후, 팽창 흑연은 유도된 압력 작용에 의해 압축되어, 흑연의 층 평면들은 바람직하게는 압력 작용 방향에 수직으로 배치되어, 개별 집합체들이 서로 맞물린다(interlock). 이렇게 하여 본 발명에 따른 평판 소재가 얻어지고, 이것은, 이에 한하지 않지만, 틀(mould)에서 압착될 수 있고, 충분히 안정적이고, 취급을 위해서 그 모양을 유지할 수 있다. 본건의 사용에 적합한 평판 소재는 SIGRAFLEX라는 브랜드명으로 본 출원인 또는 그의 관련 회사에 의해 생산 판매된다.
방열 장치들(6 내지 6''''') 또는, 더 구체적으로, 평판 소재는 본건의 경우 180 내지 190 W/(m K)의 평면 방향의 열 전도성에 해당하는 1.0 g/cm3의 밀도를 가진다. 방열 장치들(6 내지 6''''')은 두께 방향에서 적어도 10% 압축될 수도 있다. 또한, 이러한 방열 장치들(6)은 두께 방향에서 그 초기 두께에 비해 10%의 탄성 회복성(elastic recovery)을 가진다. 방열 장치(6')의 예에서, 이는 방열 장치가 예를 들어, 배터리 셀들(5 및 5')의 4%의 부피 팽창이 있는 경우에 압축되는 것을 의미한다. 리튬 이온 배터리 셀들(5, 5', 및 5")의 통상의 고정으로, 방열 장치(6')는 4% 부피 팽창에 이은 부피 감소가 있는 경우에 두께 방향으로 다시 8% 팽창되고(탄성 회복), 결과적으로, 배터리 셀들(5 및 5')의 부피 팽창 및 부피 감소의 두 방향에서의 부피 변화는 충분히 보상된다. 따라서, 방열 장치(6)는 항상 배터리 셀들(5 및 5')의 측면들에 전면적에 걸쳐서 배터리 셀들(5 및 5') 사이에 놓여져서, 양호한 열 전달이 항상 보장된다. 다른 방열 장치들(6 내지 6''''')은 해당하는 성질을 가지며, 이에 따라 거동한다.
배터리 셀들(5, 5', 및 5")로부터 방열 장치(6)에 도입된 열 에너지를 재빨리 방출시키기 위해서는, 방열 장치(6)는 하부 단부면(7)이 냉각 모듈(4)의 홈(8)에 삽입되고, 양호한 열 전도 방식으로 냉각 모듈에 연결된다. 다른 방열 장치들(6' 내지 6''''')도 홈(8' 내지 8''''')에서 같은 방식으로 냉각 모듈(4)에 양호한 열 전도 방식으로 연결된다. 방열 장치(6)는 바람직하게는 열전도성 접착제로 접착될 수 있다.
나타내지 않은 유리한 실시형태에 있어서, 방열 장치는 적어도 그 하부 단부면의 영역에서 또는 전체 영역에 걸쳐서 금속 코팅을 포함하며, 또한 냉각 모듈(4)에 납땜되어질 수 있다. 대안으로서, 방열 장치(6)는 또한 접착 또는 용접으로 부착되어질 수 있다.
생산의 관점에서 유리한 실시형태에 있어서, 방열 장치들(6' 내지 6''''')은 치수 안정적이고 단단한 호일 또는 플레이트로 구성될 수 있는데, 이는, 이에 한하지 않지만, 압력을 수단으로 하는 방열 장치들(6' 내지 6''''')의 평판 소재의 압축에 의해, 또는 또한 후속하는 플라스틱 함침에 의해 성취될 수 있다. 대안으로서, 평판 소재는 대부분이 압축 전에 형성된 균일하게 혼합된 팽창 흑연 및 플라스틱 입자들로 구성된 혼합물을 포함할 수 있으며, 상기 입자들은 이후 함께 압착되고, 필요하다면 가열되어, 단단하고 치수 안정적인 호일 또는 플레이트로 형성되어 질 수 있다. 따라서, 에너지 저장 장치의 생산에 있어서, 베이스(3)에 먼저 방열 장치들(6' 내지 6''''')이 장착되고(fitted), 도 1에 도시되지 않은 추가적인 배터리 셀들뿐만 아니라 배터리 셀들(5, 5', 및 5")이 방열 장치들(6' 내지 6''''')에 의해 형성되는 포켓들(9' 내지 9'''')에 단순히 삽입된다. 에너지 저장 장치(1)의 배터리 셀들은 서로 고정(clamp)되기 때문에, 방열 장치들을 배터리 셀들에 접착하는 것은 이론적으로 불필요하여, 개개 또는 모든 배터리 셀들 및 필요하다면 방열 장치들의 용이한 교체가 가능하다.
유리하게는, 방열 장치들(6' 내지 6''''') 및 배터리 셀들(5' 내지 5")은, 압축가능한 방열 장치들(6' 내지 6''''')에도 불구하고 동작 중에 배터리 셀들(5' 내지 5")의 부피 팽창이 있는 경우에 과도하게 높은 기계적 응력을 생성하지 않도록, 약간의 프리텐셔닝(pretensioning) 또는 표면 압력만으로 하우징(2)에 삽입된다. 특히, 리튬 이온 배터리 셀들의 경우, 예를 들어, 스프링을 구비한 고정 수단과 같이 동시 팽창성(simultaneous expandability)을 가진 배터리 셀들의 고정을 가능케 하는 추가의 요소들이 본 발명에 따른 방열 장치 수단에 의해 회피될 수 있다.
도 2는 본 발명의 대체 실시형태를 나타내며, 본질적으로 방열 장치들의 형성 및 에너지 저장 장치(1)의 베이스(3)에의 장착(fitting)에 있어서 도 1에 따른 실시형태와 다르다. 동일한 부분들은 따라서 같은 참조 번호로 표기하여, 본질적으로 차이점들을 설명한다.
도 1에 도시된 실시형태에 비하여, 방열 장치들(10 및 10')은 도 2에 도시된 실시형태에 있어서 압축된 팽창 흑연으로 이루어지는 U-모양 또는 트로프 모양의 평판 소재로서 구성된다. 트로프 모양의 방열 장치들(10 및 10')은, 바람직하게는, 접착제에 의해 그 트로프 바닥들이 베이스(3)에 고정된다. 유리하게도, 평판 소재가 적어도 방열 장치들(10, 10')의 트로프 바닥 영역에 플라스틱 부분을 포함한다면, 방열 장치들은 베이스(3)에 용접될 수 있는데, 적절한 경우, 또한 유리하게는, 스폿 방식으로만 용접될 수 있다. 방열 장치들(10 및 10')의 측면들에 의해 포켓들(11, 11' 및 11")의 형성되고 그 안에 배터리 셀들(5, 5', 및 5")이 삽입될 수 있다. 방열 장치들(10 및 10') 측면들의 서로 간의 간격뿐만 아니라 인접하는 방열 장치들(10 및 10')의 대향하는 측면들의 간격은 여기에서 한편으로는 배터리 셀들(5, 5' 및 5")이 위로부터 삽입될 수 있고, 다른 한편으로는 방열 장치들(10 및 10')의 측면들이 배터리 셀들(5, 5' 및 5")의 대응하는 측면들에 인접하여 꼭 맞게 놓일 수 있는 치수로 선택된다.
도 2에 도시되지 않은 실시형태에 있어서, 빠른 열 분산과 중간 배터리 셀(5')의 하부 단부면에도 있는 열 에너지의 제거를 제공하기 위하여, 방열 장치들(10, 10')의 대향하는 측면들에 의해 형성되는 중간 포켓(11")의 베이스(3)에는 또한 팽창 흑연 호일이 구비될 수 있다. 도 1에 도시되지 않은 실시형태에 있어서, 냉각 모듈에의 더 양호한 배터리 셀의 적응 및 더 양호한 열 제거를 위해 베이스(3)에는 또한 방열 장치들(6', 6", 6''', 등) 사이에 팽창 흑연 호일의 매칭 스트립들 또는 연속적인 베이스 코팅이 구비될 수 있다.
도 2에 도시된 실시형태의 예와 대조하여, 더 빠르고 더 양호한 열 분산 및 열 제거가 가능해지려면, 도 3에 도시된 것처럼, 트로프 모양의 평판 소재로서 상응하게 구성된 추가적인 방열 장치(10")가 방열 장치들(10 및 10') 사이에 삽입되고, 이에 상응하여 방열 장치들(10 및 10')의 서로 간의 간격이 확대된다. 방열 장치(10")의 고정 및 에너지 저장 장치(1)의 추가적인 구성은 도 2에 관하여 상기 설명한 것에 대응한다.
도 4 및 도 5에 도시된 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(1)의 실시형태는 각각 도 2 및 도 3에 도시된 실시형태에 본질적으로 대응하지만, 하우징(2) 내의 방열 장치들의 배치와 고정의 특성이 다르다. 따라서, 상기 도 1 내지 3의 부분들과 동일한 부분들에 동일한 참조 번호가 사용된다.
도 4에 도시된 전기 에너지 저장 장치(1)의 평면도에서, 압축된 팽창 흑연으로 만들어진 트로프 모양의 평판 소재를 포함하는 방열 장치들(10 및 10')이 다시 사용된다. 그러나, 이것들은 그 트로프 바닥들이 베이스(3) 상에 위치하는 것이 아니라, 트로프 프로파일의 측면의 측면 단부면들이 위치하고 있다. 이 단부면들은 그 후 전술한 바와 같이 베이스에 고정되어, 그 결과, 양호한 열 전도성이 보장된다. 도 4에 도시되지 않은 대체 실시형태에 있어서, 방열 장치들(10, 10')의 단부면들의 안정적인 지지를 보장하고, 열전도성 연결을 향상시키기 위해 베이스에 홈들(7)이 제공될 수 있다.
도 3에 도시된 실시형태의 예에서와 같이, 더 빠르고 더 양호한 열 분산 및 열 제거를 가능하게 하기 위해, 도 5에 도시된 실시형태의 예에서 방열 장치들(10 및 10') 사이에 바로 또 다른 방열 장치(10")가 다시 삽입된다. 방열 장치들(10, 10', 10")의 배향, 배치, 및 고정은 그 외에는 도 4에 도시된 실시형태에 대응한다.
도 6에 평면도로 도시된 본 발명의 실시형태의 또 다른 예에 있어서, 구불구불한 평판 소재를 포함하는 하나의 방열 장치(12)가 도 1에 도시된 개별 플레이트 모양의 방열 장치들(6' 내지 6''''') 또는 도 2 내지 도 5에 도시된 트로프 모양의 방열 장치들(10, 10', 10")을 대신하여 사용된다. 방열 장치(12)는 에너지 저장 장치(1)의 하우징(2)에 그 측면 단부면들 중 하나가 위로부터 삽입되어, 배터리 셀들(5, 5', 5")뿐만 아니라 도시되지 않은 또 다른 배터리 셀들에 대하여 포켓들(13, 13', 13", 13''' 등)이 다시 형성된다. 방열 장치(12)의 베이스(3)에의 연결 및 그에 따른 냉각 모듈(4)에의 연결은 각각 도 1 및 도 4와 도 5에서 설명된 실시형태의 경우와 같이 발생한다. 구불구불한 방열 장치(12)의 개별적인 굴곡부(winding)가, 배터리 셀들(5, 5', 5")의 폭에 맞는 서로 간의 원하는 거리에서 이미 행해질 수 있기 때문에, 도 6에 도시된 실시형태는 초고속의 조립이라는 장점을 또한 갖는다.
도 7은 본 발명에 따른 방열 장치의 또 다른 실시형태를 나타낸다. 도 7a는 단면이 8 모양인 방열 장치(14)를 나타낸다. 원통형 또는 둥근 모양으로 구성된 두 개의 배터리 셀들(15)에 대하여 두 개의 포켓들이 형성되고, 이 배터리 셀들은 방열 장치(14)에 맞닿아 장착된다(fitting flush).
도 7의 (b)는 파도 모양 단면을 갖는 방열 장치(16)를 나타내며, 원통형의 배터리 셀들(17)은 그 파도 트로프의 양측에 배치되고, 상기 배터리 셀들은 방열 장치(16)의 평판 소재에 꼭 맞게 장착된다.
도 7의 (c)에서 복수의 6각형 배터리 셀들(19)이, 복수의 그의 측면들이 방열 장치(18)의 평판 소재에 꼭 맞도록, 단면이 벌집 모양으로 형성된 방열 장치들(18)에 배치된다. 배터리 셀들(19)의 삽입을 위한 포켓들 또한 방열 장치들(18)의 모양에 의해 형성된다.

Claims (27)

  1. 하나 이상의 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)에 대해 인접 배치하기 위해 제공된 흑연 함유 평판 소재를 갖는 방열 장치로서, 상기 흑연 함유 평판 소재는 팽창 흑연(graphite expandate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평판 소재는 0.6 내지 1.4 g/cm3 ,, 바람직하게는 0.7 내지 1.3 g/cm3, 더 바람직하게는 1.0 g/cm3 등의 0.9 내지 1.1 g/cm3의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평판 소재는 평면 방향으로 120 내지 240 W/(m K), 바람직하게는 130 내지 230 W/(m K), 더 바람직하게는 180 내지 190 W/(m K)의 열 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판 소재는 두께 방향으로 그의 초기 두께에 비해 0.5 내지 15%, 바람직하게는 1 내지 10%, 더 바람직하게는 4 내지 10%의 탄성 회복성을 가지는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판 소재는 두께 방향으로 그의 초기 두께에 비해 1 내지 50%, 바람직하게는 5 내지 35%, 더 바람직하게는 7 내지 30%, 더욱더 바람직하게는 10 내지 20%의 압축률을 가지는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판 소재는 압축된 팽창 흑연으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 평판 소재는 대부분이 균일하게 혼합된 팽창 흑연 및 플라스틱 입자들로 구성된 혼합물을 포함하며, 상기 혼합물은 압축 전에 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판 소재는 압축 후에 적용된 플라스틱으로 표면적으로 또는 아래로 상기 평판 소재의 코어 영역까지 함침(impregnate)되는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판 소재는 적어도 냉각 모듈(4)에의 연결을 위해 제공되는 정면(8)에 금속 코팅을 가지며, 및/또는 상기 평판 소재의 주요면의 적어도 하나의 부분 영역에는 금속 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판 소재는 트로프(trough) 모양(10 내지 10")으로 형성된 것을 특징으로 하는 방열 장치(10 내지 10").
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판 소재는 파도 모양(16), 구불구불한 모양(12), 또는 벌집 모양(18)으로 형성된 것을 특징으로 하는 방열 장치(12; 14; 16; 18).
  12. 적어도 하나의 배터리 셀(5 내지 5"; 15, 17, 19) 및 상기 배터리 셀(5 내지 5"; 15, 17, 19)로부터 열을 제거하기 위한 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)를 구비하며, 상기 방열 장치는 흑연 함유 평판 소재를 포함하고 상기 배터리 셀(5 내지 5"; 15, 17, 19)의 적어도 하나의 외부면에 배치되는 전기 에너지 저장 장치(1)로서, 상기 흑연 함유 평판 소재는 팽창 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따라 구성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)은 그 외부 윤곽에 맞는 방열 장치(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀(5 내지 5")은 트로프 모양의 방열 장치(10 내지 10")에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 저장 장치는 복수의 배터리 셀들(5 내지 5"; 15; 17; 19)을 포함하고, 상기 방열 장치 또는 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)의 평판 소재는 적어도 몇몇 인접한 배터리 셀들(5 내지 5"; 15; 17; 19)의 인접 외부면들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 장치 또는 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)의 평판 소재의 정면들(8) 및/또는 부분면들은 상기 전기 에너지 저장 장치(1)의 냉각 모듈(4)에 열 전도 방식으로 연결된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전기 에너지 저장 장치(1)의 하우징(2)의 베이스부(3)는 냉각 요소로서 구성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  19. 제18항에 있어서,
    상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)로부터의 열 제거를 위해 일부 또는 더 많은 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)의 외부면들의 접촉을 위하여, 상기 하우징(2)의 적어도 하나의 내벽은 상기 흑연 함유 평판 소재로 라이닝되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    트로프 모양의 방열 장치들(10 내지 10")이 그 트로프 바닥들이 열전도 방식으로 베이스부(3)에 연결된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  21. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 트로프 모양(10 내지 10"), 파도 모양(16), 구불구불한 모양(12), 또는 벌집 모양(18)의 방열 장치들이 그 정면들 중 하나가 열전도 방식으로 베이스부(3)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  22. 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 장치 또는 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)의 인접하는 측면들은 상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)의 수용을 위한 포켓들(9 내지 9'''', 11 내지 11", 13 내지 13''')을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  23. 제12항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)은 리튬 이온 셀들인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  24. 제12항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 장치 또는 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)의 평판 소재는, 상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)의 부피 감소가 있는 경우에는 팽창되고, 상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)의 부피 팽창이 있는 경우에는 휘어지도록, 상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)과의 상기 평판 소재의 신뢰할 만한 열전도 연결을 위하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  25. 제12항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)은 동작 중에 그 부피가 감소하며, 상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)과 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18) 사이의 열전도 연결을 보장하기 위하여, 상기 방열 장치 또는 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)의 평판 소재는 두께 방향으로 그의 초기 두께에 비해 0.5 내지 15%, 바람직하게는 1 내지 10%, 더 바람직하게는 4 내지 10% 탄성적으로 회복되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  26. 제12항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)은 동작 중에 팽창되며, 상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)과 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18) 사이의 열 전도 연결을 보장하기 위하여, 상기 방열 장치 또는 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)의 평판 소재는 두께 방향으로 그의 초기 두께에 비해 1 내지 50%, 바람직하게는 5 내지 35%, 더 바람직하게는 7 내지 30%, 더욱더 바람직하게는 10 내지 20% 압축될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
  27. 제12항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18) 및 상기 배터리 셀들(5 내지 5"; 15, 17, 19)은, 상기 방열 장치 또는 방열 장치들(6 내지 6'''''; 10 내지 10"; 12; 14; 16; 18)의 평판 소재가 두께 방향으로 그의 초기 두께에 비해 바람직하게는 최대 1% 정도로 약간만 압축되도록, 상기 전기 에너지 저장 장치(1)의 비동작 상태에서 서로 고정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치(1).
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