KR20190022486A - 배터리 셀 캐리어 및 다수의 배터리 셀 캐리어를 포함하는 스택 어셈블리용 엔클로저 - Google Patents

배터리 셀 캐리어 및 다수의 배터리 셀 캐리어를 포함하는 스택 어셈블리용 엔클로저 Download PDF

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Abstract

배터리 모듈은 적어도 하나의 히트 싱크를 가지는 엔클로저를 포함한다. 모듈 내에는 서로 연결된 일련의 셀 캐리어 어셈블리로 이루어진 스택 어셈블리가 있다. 셀 캐리어 어셈블리는 히트 싱크에 대해 편향되는 제 1 스프링을 가지는 셀 캐리어를 각각 포함한다. 셀 캐리어 어셈블리 각각은 배터리 셀 및 배터리 셀에 열적 커플링되는 열 전도성 시트를 더 포함한다. 열 전도성 시트는 제 1 스프링에 의해서 히트 싱크를 향해 눌리도록 위치설정되어, 시트와 히트 싱크 사이에 양호한 열적 연결이 이루어지게 한다. 따라서, 열은 배터리 셀 밖으로, 열 전도성 시트를 따라 히트 싱크로 전도된다.

Description

배터리 셀 캐리어 및 다수의 배터리 셀 캐리어를 포함하는 스택 어셈블리용 엔클로저
본 발명은 배터리 셀 캐리어 및 다수의 배터리 셀 캐리어를 포함하는 스택 어셈블리용 엔클로저에 대한 것이다.
화석 연료는 계속해서 산업적 용도 및 소비자의 용도 양자 모두에서 에너지원으로서 계속 대체되고 있다. 화석 연료를 대체하는 한 가지 방법은 내연 기관을 전기 모터로 대체하는 것에 의한다. 내연 기관을 전기 모터로 대체하는 것은 통상적으로 연료 탱크를 배터리 모듈로 대체하는 것을 수반하고, 배터리 모듈은 전기 모터를 작동시키기 위해 요구되는 전기를 제공한다.
배터리 모듈은 통상적으로 직렬 및 병렬 중 하나 또는 양자 모두로 연결된 다수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀의 하나의 예시적인 타입은, 종래의 배터리 셀의 강성 외면이 가요성 파우치로 대체된 "파우치 셀"이다. 가요성이고 전기적으로 도전성인 탭이 파우치의 에지로부터 연장되고 셀의 전극에 용접되며, 이들이 파우치 내에 보유된다; 이러한 탭은 셀이 부하에 전기적으로 연결되게 한다. 파우치 셀은 흔히 리튬 폴리머 배터리 화학물질을 가진다.
종래의 배터리 셀의 강성 외면을 가요성 파우치로 교체하면 배터리 모듈의 무게가 줄어들지만 셀의 내재적 구조적 무결성도 저하된다. 무결성이 이렇게 저하되는 것을 보상하기 위하여, 배터리 모듈 내의 파우치 셀 각각은 통상적으로 배터리 셀 캐리어 내에 안착되고, 배터리 셀 캐리어는 서로 물리적으로 커플링되어 실용에서 사용하기 위해 충분한 구조적 무결성을 가지는 스택 어셈블리를 형성한다. 스택 어셈블리는 엔클로저 내에 수용되고, 이것은 스택 어셈블리를 외부 환경으로부터 보호한다.
제 1 양태에 따르면, 배터리 셀을 수용하기 위한 셀 구획, 및 셀 구획에 커플링된 제 1 스프링을 포함하는 셀 캐리어가 제공된다.
제 1 스프링은 셀 구획의 주위를 지나 연장될 수 있다.
상기 셀 구획은, 강성 뒤판; 및 상기 강성 뒤판으로부터 연장되고 상기 셀 구획을 적어도 부분적으로 구획하는 상승 에지(raised edge)를 포함할 수 있다.
상기 셀 캐리어는 상기 셀 구획에 커플링되는 제 2 스프링을 더 포함할 수 있다. 제 2 스프링은 셀 구획의 주위를 지나 연장될 수 있다.
셀 구획은 다수의 면을 포함할 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 상이한 면을 지나 연장될 수 있다.
제 1 스프링은 캔틸레버 스프링(cantilevered spring)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장될 수 있다.
상기 제 1 스프링은, 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부(cantilevered portion), 및 펄크럼(fulcrum)에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함할 수 있다.
제 2 스프링은 캔틸레버 스프링을 포함할 수 있다.
상기 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장될 수 있다.
상기 제 2 스프링은, 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부, 및 펄크럼에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 셀 캐리어 어셈블리가 제공된다. 셀 캐리어 어셈블리는, 배터리 셀을 수용하기 위한 셀 구획, 및 상기 셀 구획에 커플링된 제 1 스프링을 포함하는 셀 캐리어를 포함한다. 셀 캐리어 어셈블리는, 상기 셀 구획 내에 위치된 배터리 셀, 및 상기 배터리 셀에 열적 커플링되고 상기 제 1 스프링을 지나 연장되는 제 1 열 전도성 시트를 더 포함한다.
제 1 스프링은 셀 구획의 주위를 지나 연장될 수 있다.
제 1 열 전도성 시트는 배터리 셀에 직접적으로 접촉될 수 있다.
제 1 열 전도성 시트는 셀 캐리어와 배터리 셀 사이에 있을 수 있다.
상기 제 1 열 전도성 시트는 상기 셀 캐리어에서 멀어지게 바라보는 상기 배터리 셀의 표면 상에 있을 수 있다.
상기 셀 구획은, 강성 뒤판; 및 상기 강성 뒤판으로부터 연장되고 상기 셀 구획을 적어도 부분적으로 구획하는 상승 에지(raised edge)를 포함할 수 있다.
상기 셀 캐리어 어셈블리는 상기 셀 구획에 커플링되는 제 2 스프링을 더 포함할 수 있다.
제 2 스프링은 셀 구획의 주위를 지나 연장될 수 있다.
셀 구획은 다수의 면을 가질 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 상이한 면을 지나 연장될 수 있다. 제 2 열 전도성 시트는 배터리 셀에 열적 커플링되고 제 2 스프링을 지나 연장될 수 있다.
제 2 열 전도성 시트는 배터리 셀에 직접적으로 접촉될 수 있다.
제 2 열 전도성 시트는 셀 캐리어와 배터리 셀 사이에 있을 수 있다.
상기 제 2 열 전도성 시트는 상기 셀 캐리어에서 멀어지게 바라보는 상기 배터리 셀의 표면 상에 있을 수 있다.
제 1 스프링은 캔틸레버 스프링(cantilevered spring)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장될 수 있다.
상기 제 1 스프링은, 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부(cantilevered portion), 및 펄크럼(fulcrum)에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함할 수 있다.
제 2 스프링은 캔틸레버 스프링을 포함할 수 있다.
상기 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장될 수 있다.
상기 제 2 스프링은, 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부, 및 펄크럼에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 열 계면 재료의 층, 및 열 계면 재료의 층에 열적 커플링되는 냉각판을 포함하는 히트 싱크가 제공된다.
상기 열 계면 재료의 층 및 냉각판은 서로 집적 접촉할 수 있다.
상기 히트 싱크는, 상기 열 계면 재료의 층과 상기 냉각판 사이에 위치되는 확산판, 및 상기 확산판과 상기 냉각판 사이에 위치되는 열 계면 재료의 추가 층을 더 포함할 수 있다.
냉각판은 핀(fin)을 포함할 수 있다.
상기 냉각판은 내부에 상 변화 재료를 포함하는 폐색 채널(plugged channel)을 포함할 수 있다.
상기 냉각판은, 상기 히트 싱크의 외부에서 액세스가능한 냉각제 포트들의 쌍, 및 상기 히트 싱크 내에 포함된 냉각제 도관을 포함할 수 있다. 상기 냉각제 도관은 상기 냉각제 포트에 유체 커플링될 수 있다.
상기 히트 싱크는, 상기 냉각판의 내면으로부터 함몰된 립(lip) - 상기 냉각제 도관은 개방되고 상기 립으로부터 함몰됨 -, 및 상기 립 상에 피팅되고(fit) 상기 립에 대해 압축되면 상기 냉각제 도관을 밀봉하도록 치수결정되는 냉각제 실링판을 더 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 셀 캐리어의 전술된 양태들 중 임의의 것 또는 그 적절한 조합의 다수의 인스턴스를 포함하는 스택 어셈블리, 및 내부에 상기 스택 어셈블리가 보유되는 스택 엔클로저를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다. 스택 엔클로저는, 하우징, 및 상기 하우징에 커플링되는, 히트 싱크의 전술된 양태들 중 임의의 것 또는 그 적절한 조합의 히트 싱크를 포함할 수 있다. 상기 제 1 열 전도성 시트가 상기 히트 싱크에 접촉하도록 상기 스택 어셈블리는 상기 히트 싱크 내에 위치설정된다. 배터리 모듈은, 상기 셀 캐리어 어셈블리들 각각의 제 1 스프링이 상기 히트 싱크에 대해 편향되도록, 상기 스택 어셈블리를 상기 히트 싱크에 대하여 압축하는 압축 메커니즘을 더 포함한다.
압축 메커니즘은 장력을 받는 하우징의 측벽을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 압축 메커니즘은 쓰레딩된(threaded) 타이 로드(tie rod) 및 동반하는 너트, 클램프(캠식 또는 비-캠식(non-camming)), 및 그 단부가 히트 싱크에 고정되고 스택 어셈블리 주위에 래핑되는(wrapped) 밴드를 포함할 수 있다.
배터리 모듈은 제 1 히트 싱크에 반대인 추가 히트 싱크를 포함할 수 있다. 측벽은 이러한 히트 싱크들 중 하나 또는 양자 모두에 분리가능하도록 커플링가능할 수 있다. 예를 들어, 측벽의 각각은 제 1 립을 포함할 수 있고, 히트 싱크 각각은 제 1 립과 맞춤가능하며 측벽 및 히트 싱크가 서로 고정되게 하는 제 2 립을 포함할 수 있다. 측벽은 장력을 받도록 치수가 결정되어, 스택 어셈블리가 하우징 내에 위치되고 하나 이상의 히트 싱크 및 측벽이 서로 고정되면 스택 어셈블리를 압축할 수 있다.
셀 캐리어 어셈블리는 제 2 열 전도성 시트 및 제 2 스프링을 포함할 수 있고, 셀 캐리어 어셈블리들 각각의 제 2 스프링이 상기 히트 싱크에 대해 편향되도록, 상기 압축 메커니즘은 상기 스택 어셈블리를 상기 히트 싱크에 대하여 압축할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 셀 캐리어의 전술된 양태들 중 임의의 것 또는 그 적절한 조합의 다수의 인스턴스를 포함하는 스택 어셈블리, 및 내부에 상기 스택 어셈블리가 보유되는 스택 엔클로저를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다. 스택 엔클로저는, 측벽 및 하우징에 커플링되는, 히트 싱크의 전술된 양태들 중 임의의 것 또는 그 적절한 조합의 히트 싱크를 포함하는 하우징을 포함할 수 있다. 스택 어셈블리는 제 1 열 전도성 시트가 히트 싱크에 접촉하도록 히트 싱크 내에 위치설정될 수 있고, 하우징의 측벽은 하우징 및 히트 싱크가 서로 커플링되면 스택 어셈블리를 히트 싱크 내로 압축하도록 치수결정될 수 있다.
측벽 각각은 제 1 립을 포함할 수 있고, 히트 싱크는 상기 하우징과 상기 히트 싱크를 서로 고정하도록 각각이 상기 제 1 립과 맞춤가능한 제 2 립들의 쌍을 포함할 수 있다.
이러한 요약은 반드시 모든 양태들의 전체 범위를 기술하는 것은 아니다. 다른 양태, 특징 및 장점들은 특정한 실시예들의 후속하는 설명을 검토한 당업자에게는 명백해질 것이다.
첨부 도면은 하나 이상의 예시적인 실시예를 예시한다:
도 1a 는 셀 캐리어의 하나의 예시적인 실시예의 정면 사시도이다.
도 1b 는 도 1a 의 셀 캐리어의 배면 사시도이다.
도 1c 는 도 1a 의 셀 캐리어를 포함하는 셀 캐리어 어셈블리의 하나의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 2a 는 셀 캐리어의 하나의 예시적인 실시예의 정면 사시도이다.
도 2b 는 도 2a 의 셀 캐리어의 배면 사시도이다.
도 2c 는 도 2a 의 셀 캐리어를 포함하는 셀 캐리어 어셈블리의 하나의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 3 은 연결된 셀 캐리어 어셈블리들의 스택을 포함하는 스택 어셈블리의 사시도인데, 셀 캐리어 어셈블리 각각은 도 1c 에 도시되는 실시예의 것이다.
도 4 는 연결된 셀 캐리어 어셈블리들의 스택을 포함하는 스택 어셈블리의 사시도인데, 셀 캐리어 어셈블리 각각은 도 2c 에 도시되는 실시예의 것이다.
도 5a 는 도 3 의 스택 어셈블리와 함께 사용하기 위한 스택 어셈블리 엔클로저의 하나의 예시적인 실시예의 평면 사시도다.
도 5b 는 도 5a 의 스택 어셈블리 엔클로저의 저면 사시도이다.
도 5c 는 도 5a 의 라인 5C-5C를 따라서 취해진, 도 5a 의 스택 어셈블리 엔클로저의 단면도이다.
도 5d 는 도 5a 의 엔클로저의 일부를 포함하는 히트 싱크의 전개도이다.
도 6a 는 도 4 의 스택 어셈블리와 함께 사용하기 위한 스택 어셈블리 엔클로저의 하나의 예시적인 실시예의 평면 사시도다.
도 6b 는 도 6a 의 스택 어셈블리 엔클로저의 저면 사시도이다.
도 6c 는 도 6a 의 라인 6C-6C를 따라서 취해진, 도 6a 의 스택 어셈블리 엔클로저의 단면도이다.
도 6d 는 도 6a 의 엔클로저의 일부를 포함하는 히트 싱크의 전개도이다.
도 6e 는 도 6d 의 히트 싱크의 일부를 포함하는 냉각판의 사시도이다.
배터리 모듈을 작동시킬 때의 한 가지 걱정은 모듈의 동작 온도이다. 배터리 모듈의 온도가, 예를 들어 모듈의 제조사에 의해 규정된 안전한 최대 동작 온도를 초과하면, 모듈의 동작 효율 및 안전성 중 하나 또는 양자 모두가 위협받을 수 있다. 배터리 모듈을 심한 고온에서 계속 작동시키면 모듈의 수명을 단축시킬 수 있고, 심지어 모듈의 짧아진 수명 동안에도 성능이 감소될 수 있다. 또한, 심한 고온에서 동작하는 동작 모듈은 모듈의 폭발 또는 "열폭주(thermal runaway)"를 야기할 수 있는데, 이것은 치명적일 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예는, 배터리 모듈을 포함하는 배터리 셀로부터 열을 전달시켜서 모듈의 동작 온도를 안전하고 규정된 범위 내에 유지하도록 돕게 설계되는 배터리 셀 캐리어 및 다수의 배터리 셀 캐리어를 포함하는 스택 어셈블리 용 엔클로저에 대한 것이다.
이제 도 1a 및 도 1b 를 참조하면, 셀 캐리어(100)의 일 실시예의 전방 사시도 및 후방 사시도가 각각 도시된다. 셀 캐리어(100)는 파우치 셀(118)(도 1c 에 도시됨)이 고정되는 뒤판(102)을 포함한다. 뒤판(102)은 구조적 무결성을 위해 상대적으로 단단할 수 있고, 또는 대안적으로 상대적으로 가요성을 가질 수도 있다. 파우치 셀(118)의 고정은, 예를 들어 셀(118)을 뒤판(102)에 고정시키는 접착제를 사용하는 것, 셀(118)을 클램핑 메커니즘(미도시)에 의해 뒤판(102)에 대해 클램핑하는 것, 및 셀 캐리어(100)가 스택 어셈블리(300)(도 3 에 도시됨)의 일부를 포함하는 경우 이웃하는 셀 캐리어(100)에 의해 뒤판(102)에 대해서 셀(118)을 압축시키는 것 중 임의의 하나 이상에 의해 수행될 수 있다. 뒤판(102)의 상단 에지를 따라 연장되는 상단 벽(104a), 뒤판(102)의 하단 에지를 따라 연장되는 하단 벽(104b), 뒤판(102)의 좌측 부분에 걸쳐 연장되는 좌측 부분, 및 뒤판(102)의 우측 부분에 걸쳐 연장되는 우측 벽(104d)이 뒤판(102)의 전면측으로부터 수직으로 연장된다; 이러한 네 개의 벽(104a-d)이 총괄하여 파우치 셀(118)을 수용하기 위한 셀 구획(124)을 구획한다.
최좌측 벽(122a)은 뒤판(102)의 좌측 에지를 따라 연장되고, 최좌측 벽(122a), 좌측 벽(104c), 상단 벽(104a), 및 하단 벽(104b)은 총괄하여 파우치 셀(118)의 일부를 포함하는 호일 탭을 수용하도록 위치설정되고 셀(118)의 전극 중 하나에 전기적으로 연결되는 제 1 탭 구획(120a)을 구획한다. 최좌측 벽(122a)의 좌측으로는, 그렇지 않으면 제 1 탭 구획(120a) 내에 보유되는 호일 탭의 부분을 지지하기 위한 제 1 탭 플랫폼(126a)이 연장된다. 이와 유사하게, 최우측 벽(122b)은 뒤판(102)의 우측 에지를 따라 연장되고, 최우측 벽(122b), 우측 벽(104d), 상단 벽(104a), 및 하단 벽(104b)은 총괄하여 파우치 셀(118)의 호일 탭의 다른 것을 수용하도록 위치설정되고 셀(118)의 전극 중 다른 것에 전기적으로 연결되는 제 2 탭 구획(120b)을 구획한다. 최우측 벽(122b)으로부터 우측으로, 그렇지 않으면 제 2 탭 구획(120b) 내에 보유되는 호일 탭의 부분을 지지하기 위한 제 2 탭 플랫폼(126b)이 연장된다.
셀 캐리어(100)의 각각의 코너는 셀 캐리어(100)를 셀 캐리어(100)의 앞 또는 뒤에 위치된 이웃하는 셀 캐리어(100)에 커플링하기 위한 캐리어 커플링 메커니즘을 포함한다. 캐리어(100)의 좌측 코너에 연결된 두 개의 캐리어 커플링 메커니즘("좌측 코너 캐리어 커플링 메커니즘")은 동일하다. 이러한 캐리어 커플링 메커니즘 각각은 순방향으로 연장되는 탭(108) 및 이웃하는 셀 캐리어(100)의 탭(108)에 탈착되도록 커플링되기 위해서 자신의 측벽에 노치를 가지는 인접한 슬롯(110)을 포함한다. 탭(108) 및 슬롯(110)의 좌측에는, 그 뒤에 이웃하는 셀 캐리어(100)의 돌출부(112)를 수용하고 이것과 간섭 핏(interference fit)을 형성하기 위한 함요부(recess; 114)가 존재하는 전방으로 연장되는 돌출부(112)가 있다. 캐리어(100)의 우측 코너에 연결되는 두 개의 캐리어 커플링 메커니즘("우측 코너 캐리어 커플링 메커니즘")도 서로 동일하고, 우측 코너 캐리어 커플링 메커니즘의 돌출부(112) 및 함요부(114)가 좌측 코너 캐리어 커플링 메커니즘의 것들보다 작다는 점을 제외하고는 좌측 코너 캐리어 커플링 메커니즘과 닮아 있다.
하단 벽(104b)의 외면 상에 제 1 스프링(116a)이 연장된다. 도시된 실시예에서 스프링(116a)은 하나의 단부에서 하단 벽(104b)의 외면에 부착되는 만곡형 캔틸레버부(128)를 포함한다. 실질적으로 평평한 액츄에이터부(130)가 가요성 펄크럼(fulcrum)에서 캔틸레버부(128)의 다른 단부에 부착되고, 더 상세히 후술되는 바와 같이 스택 어셈블리 엔클로저와의 접촉에 의해 압축되도록 설계된다.
스프링(116a)의 하나의 특정 실시예가 도시되는 반면에, 그 외의 실시예(미도시)에서는 스프링(116a)이 다르게 설계될 수 있다. 예를 들어, 스프링(116a)은 하단 벽(104b)을 따라서 연속적인 것에 반하여 간헐적으로 연장될 수 있다; 즉, 스프링(116a)은 각각이 독립적으로 압축될 수 있는 일련의 이산 스프링 부분을 포함할 수 있다. 다른 상이한 실시예(미도시)에서, 스프링(116a)은 상이한 타입의 스프링, 예컨대 코일 스프링을 포함할 수 있다. 다른 상이한 실시예(미도시)에서, 스프링(116a)은 다수의 타입의 스프링의 조합을 포함할 수 있다; 예를 들어, 스프링(116a)은 상이한 이산 스프링 부분을 포함할 수 있으며, 그러한 스프링 부분 중 일부는 코일 스프링이고 그러한 스프링 부분 중 일부는 캔틸레버 스프링일 수도 있다. 다른 상이한 실시예(미도시)에서, 스프링(116a)은 셀 구획(124)을 구획하는 하단 벽(104b)의 부분에 따라서 위치되지 않을 수도 있다; 예를 들어, 스프링(116a)은 하단 좌측 및 하단 우측 코너 캐리어 커플링 메커니즘 중 하나 또는 양자 모두에 직접적으로 부착될 수 있거나, 현재의 실시예에는 도시되지 않는 셀 캐리어(100)의 다른 부분에 부착될 수도 있다. 또한, 도시된 실시예에서 스프링(116a)이 하단 벽(104b) 아래로 연장되는 것에 따라 셀 구획(124)의 주위를 지나 연장되는 반면에, 다른 상이한 실시예(미도시)에서는, 스프링(116a)이 셀 구획(124)의 주위를 지나 연장되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 스프링(116a)은 셀 구획(124) 내에서 연장될 수 있고(예를 들어, 벽(104a-d) 중 임의의 것에 연결되고 셀 구획(124)의 내부를 향해 연장될 수 있음), 스택 어셈블리 엔클로저는 그럼에도 불구하고 전체 배터리 모듈이 조립되면 스프링(116a)을 압축하도록 성형될 수 있다.
도 1c 는 도 1a 및 도 1b 에 도시되는 셀 캐리어(100)를 포함하는 셀 캐리어 어셈블리(150)의 단면도를 도시한다. 셀 캐리어 어셈블리(150)는 파우치 셀(118) 및 도시된 실시예에서는 그래파이트를 포함하는 제 1 열 전도성 시트(156a)를 더 포함한다. 파우치 셀(118)은 셀 구획(124) 내에 직접적으로 안착되고, 셀(118)의 좌측 및 우측 탭은 제 1 및 제 2 탭 구획(120a, b) 각각 내로 연장된다. 열 전도성 시트(156a)는 셀(118)의 전면측에 직접적으로 안착되고, 셀 구획(124)에서 나와서 하단 벽(104b) 위로, 그리고 스프링(116a)의 액츄에이터부(130) 아래로 연장된다.
상세히 후술되는 바와 같이, 열 전도성 시트(156a)는 이에 따라 셀(118)로부터 열을 전도시킬 수 있고, 유연하기 때문에 스프링(116a)은 열 전도성 시트(156a)와 외부 히트 싱크의 접촉을 용이하게 하여, 셀(118)로부터의 열 전달을 용이하게 한다.
이제 도 3 을 참조하면, 전술된 바와 같이 셀 캐리어(100)의 캐리어 커플링 메커니즘을 사용하여 기계적으로 서로 직렬로 커플링되는 24 개의 셀 캐리어 어셈블리(150)를 포함하는 스택 어셈블리(300)가 도시된다. 버스바(302)는 셀(118)을 임의의 적합한 전기적 구성으로 전기적으로 함께 커플링한다; 예를 들어, 도시된 실시예에서 셀(118)은 12s2p 배치구성으로 전기적으로 커플링된다. 셀 캐리어 어셈블리(150)에 대해서 전술된 바와 같이, 열 전도성 시트(156a)의 일부는 셀 캐리어 어셈블리(150) 아래로 연장된다.
이제 도 5a 내지 도 5d 를 참조하면, 도 5a 및 도 5b 는 도 3 의 하우징 스택 어셈블리(300)를 수용하기 위한 스택 어셈블리 엔클로저(500)의 일 실시예의 평면 및 저면 사시도를 각각 도시하고, 도 5c 는 도 5a 의 라인(5C-5C)에 따라 취해진 도 5a 의 엔클로저(500)의 단면도이고, 도 5d 는 도 5a 의 엔클로저의 일부를 포함하는 제 1 히트 싱크(504a)의 전개도이다. 도 5a 내지 도 5c 의 엔클로저는 하우징(502) 및 제 1 히트 싱크(504a)를 포함하고, 히트 싱크(504a)는 피닝된(finned) 냉각판(508) 상에 열 계면층("TIM")(506)을 포함한다. TIM(506)은, 예를 들어 Saint Gobain Ceramic MaterialsTM, T-Global TechnologyTM, 또는 3M CompanyTM에서 구입한 재료일 수 있다. TIM(506)의 전도성은, 예를 들어 1 W/mK와 3 W/mK 사이일 수 있다. 하우징(502) 및 냉각판(502)을 제조하기 위하여 다양한 제조 기법이 사용될 수 있다; 예를 들어, 하우징(502)은 도 5a 내지 도 5c 에 도시된 바와 같은 시트 금속으로 제조되거나 대안적으로 압출될 수 있고, 냉각판(508)은 도 5a 내지 도 5c 에서 도시되는 바와 같이 압출될 수 있다. 하우징(502)은 하부 립(510)의 쌍을 가지고, 냉각판(508)은 서로 맞춤되어 하우징(502)과 히트 싱크(504a)를 연결할 수 있는 상부 립(512)의 쌍을 가진다. 좀 더 자세하게 설명하면, 하우징(502)이 금속과 같은 탄성 재료로 제조되는 실시예들에서, 하우징(502)은 비편향 위치로부터 휘어져서 하부 립들(510) 사이의 거리를 증가시키고, 냉각판(508)의 상부 립(512) 위에 배치된 후, 하우징(502)을 제작한 탄성 재료가 하우징(502)을 그 비편향 위치로 복원시키게 하도록 이완될 수 있어서, 하부 립(510)을 냉각판(508)의 상부 립(512) 위에 로킹한다.
도시된 실시예에서, 스택 어셈블리(300)는 하우징(502)이 히트 싱크(504a)에 고정되기 전에 히트 싱크(504a) 상에 배치될 수 있고, 립(510, 512)의 위치는 하우징(502)이 스택 어셈블리(300)를 히트 싱크(504a) 내로 압축시키기 위한 압축 메커니즘으로서의 역할을 하도록 선택될 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 립(510, 512)의 위치는 립(510, 512)이 서로 로킹되면 하우징(502)의 상단면이 스택 어셈블리(300)의 상단면에 대해 힘을 인가하도록 선택될 수 있어서, 스택 어셈블리(300)의 스프링(116a)을 히트 싱크(504a)에 대하여 편향시키고 어셈블리(300)의 도전성 시트(156a)를 통해 스택 어셈블리(300)로부터 히트 싱크(504a)로의 열 전도가 이루어지게 한다. 이러한 실시예에서, 하우징(502)의 측벽은 하우징(502)이 스택 어셈블리(300)를 압축하는 동안 장력을 받는다. 압축량은 실시예에 따라 달라질 수 있다; 그러나, 도시된 실시예(116a)에서 하우징(502)은 스택 어셈블리(300)의 스프링(116a)을 거의 1 mm만큼 압축한다.
엔클로저(500)의 그 외의 실시예들도 가능하다. 예를 들어, 그 외의 일 실시예(미도시)에서, 하우징(502) 및 냉각판(508)은 서로 통합되고 단일 압출에 의해 제작될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 스택 어셈블리(300)는 슬라이더를 사용하여 엔클로저(500) 내로 삽입될 수 있고, 엔클로저(500) 내에서의 스택 어셈블리(300)의 수직 위치를 조절하기 위하여 사용되는 압축 메커니즘은 엔클로저(500)의 일부를 포함하고 스택 어셈블리(300) 위에 위치될 수 있다. 예를 들어, 압축 메커니즘은, 회전되면(예를 들어, 소켓 렌치와 같은 적절한 툴을 사용하여 1/4 바퀴 회전됨) 캠이 스택 어셈블리(300)의 상단에 접촉하게 하고 스택 어셈블리(300)를 히트 싱크(504a) 내로 하향 강제하는 하나 이상의 클램핑 캠을 포함할 수 있다. 그러면 캠은 제 자리에 로킹되어 스택 어셈블리(300)의 추가적인 수직 이동을 방지할 수 있다. 스택 어셈블리(300)가 압축되면 셀 캐리어 어셈블리(150)를 포함하는 셀 캐리어(100)의 스프링(116a)을 편향시키고(예를 들어, 위에서 언급된 바와 같이 1 mm 만큼), 이를 통하여 열 전도성 시트(156a)를 히트 싱크(504a) 내로 밀어내고, 셀(118)로부터 히트 싱크(504a)로의 열전도 경로를 생성하고 개선함으로써 열 소모가 용이하게 이루어지게 한다.
상이한 추가 실시예(미도시)에서, 히트 싱크(504a)로의 추가적인 열 전달이 요구되는 스택 어셈블리(300) 상의 위치에 대응하는 위치에서 하우징(502)의 상단면 내에 추가 캠이 배치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 압축 메커니즘은 비-캠식 클램프, 그 단부가 히트 싱크(504a)에 고정되고 스택 어셈블리(300) 주위에 래핑되는 밴드, 및 히트 싱크(504a) 및 하우징(502)의 상단을 가로지르는 쓰레딩된 타이 로드 및 짝을 이루는 너트 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d 에 있는 히트 싱크(504a)의 실시예는 TIM(506) 및 냉각판(508)을 포함한다. TIM(506)은 스택 어셈블리(300)와 냉각판(508) 사이에 유연한 계면을 제공하여, 열 전도 전달을 용이하게 한다. 일 실시예에서, TIM(506)은 0.5 mm와 2 mm 사이의 두께를 가진다. 일 실시예에서, 스택 어셈블리(300)를 바라보는, TIM(506) 및 냉각판(508) 중 하나 또는 양자 모두의 면은 적어도 TIM(506)을 바라보는 스택 어셈블리(300)의 면의 면적만큼 큰 면적을 가진다. 도시된 예시적인 실시예에서 히트 싱크(504a)는 약 15,000 J/K의 열용량을 가진다.
다른 실시예에서(미도시), 히트 싱크(504a)는 히트 싱크(504a)의 표면에 걸쳐 더 균일한 온도 분포가 생기도록 추가 TIM 및 열 확산기/커패시터(이하, 간단히 "열 확산기(heat spreader)"라고 불림)를 더 포함할 수 있어서, 스택 어셈블리(300)에 대한 안전한 동작 온도를 보장하기위해 히트 싱크(504a)로부터 도출되어야 하는 최대 열속(heat flux)을 감소시킨다. 스택 어셈블리(300)가 냉각판(508)에 직접적으로 접촉하는 TIM(506)에 대해 직접적으로 압축되는 대신에, 이러한 다른 실시예에서 스택 어셈블리(300)는 열 확산기에 직접적으로 접촉되는 TIM(506)에 대해서 직접적으로 압축된다. 열 확산기는 추가 TIM에 대해 직접적으로 압축되고, 추가 TIM은 냉각판(508)에 직접적으로 접촉된다. 열 확산기의 면내(in-plane) 열전도율과 자신의 면통과(through-plane) 열전도율의 비율은 TIM의 비율보다 높다; 따라서, 스택 어셈블리(300)의 하단면 및 히트 싱크(504a)의 상단면에 걸친 열 구배가 감소된다. 이러한 예시적인 실시예에서, TIM들 각각은 1 W/mK과 3 W/mK 사이의 열전도율 및 0.5 mm 내지 2 mm의 두께를 가진다. 열 확산기는 100 내지 300 W/mK 또는 그 이상의 열전도율 및 TIM들 각각의 두께보다 약 두 배 내지 다섯 배인 두께를 가진다. 예를 들어 열폭주를 겪는 스택 어셈블리(300)로부터 또는 고온(high C) 충전 또는 방전으로부터 초래되는 열생성 시의 스파이크를 흡수할 수 있도록, 열 확산기의 열용량은 상대적으로 높게 선택된다. 예시적인 일 실시예에서, TIM들 각각은 1 mm 두께이고 3 W/mK의 열전도율을 가지며, 열 확산기는 알루미늄을 포함하고 두께가 5 mm이다.
다른 실시예에서(미도시), 냉각판(508)은 상 변화 재료를 보유하는 냉각판(508) 내에 도관을 포함한다. 도관은 면내 방향, 면통과 방향, 또는 양자 모두(예를 들어, 냉각판(508)을 대각선으로 통과하여)로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서(미도시), 냉각판(508)은 면통과 방향 또는 면통과 및 면내 방향 양자 모두(예를 들어, 냉각판(508)을 대각선으로 통과하여)로 연장되는 상 변화 히트 파이프를 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다; 이러한 히트 파이프는 냉각판(508)의 상단면 내로 눌려지고, 냉각판(508)을 통과하거나 냉각판을 따라, 또는 양자 모두로 연장되는 도관을 통해 삽입될 수 있다. 예를 들어, 히트 싱크(504a)에 걸쳐 열 구배가 있는 일 실시예에서(예를 들어, 히트 싱크(504a)는 공냉될 수 있음), 히트 파이프는 히트 싱크(504a)에 전체에 열을 재분산하는 역할을 할 수 있다.
이제 도 2a 및 도 2b 를 참조하면, 셀 캐리어(100)의 다른 실시예의 전방 사시도 및 후방 사시도가 각각 도시된다. 도 1a 내지 도 1c 에 도시되는 셀 캐리어(100)의 실시예에서와 같이, 셀 캐리어(100)는 파우치 셀(118)(도 2c 에 도시됨)이 예를 들어 접착제를 사용하여 부착되는 뒤판(102)을 포함한다. 셀 캐리어(100)는 뒤판(102)의 상단 에지를 따라 연장되는 상단 벽(104a), 뒤판(102)의 하단 에지를 따라 연장되는 하단 벽(104b), 뒤판(102)의 좌측 부분에 걸쳐 연장되는 좌측 부분, 및 뒤판(102)의 우측 부분에 걸쳐 연장되는 우측 벽(104d)을 더 포함하여, 총괄하여 파우치 셀(118)을 수용하기 위한 셀 구획(124)을 구획한다.
최우측 벽(122b)은 뒤판(102)의 우측 에지를 따라 연장되고, 최우측 벽(122b), 우측 벽(104d), 상단 벽(104a), 및 하단 벽(104b)은 셀(118)의 호일 탭을 수용하도록 위치설정되는 탭 구획(120)을 총괄하여 구획한다. 도 1a 내지 도 1g 의 실시예와 반대로, 도 2a 내지 도 2g 의 셀 캐리어(100)는 셀(118)의 탭들 양자 모두를 수용하기 위하여 동일한 탭 구획(120)을 사용한다.
도 1a 및 도 1b 의 셀 캐리어(100)와 유사하게, 도 2a 및 도 2b 의 셀 캐리어(100)는 셀 캐리어(100)를 셀 캐리어(100)의 앞 또는 뒤에 위치된 이웃하는 셀 캐리어(100)에 커플링하기 위한 캐리어 커플링 메커니즘을 더 포함한다. 캐리어(100)의 상단 코너에 연결된 두 개의 캐리어 커플링 메커니즘("상단 코너 캐리어 커플링 메커니즘")은 동일하다. 이러한 캐리어 커플링 메커니즘 각각은 역방향으로 연장되는 탭(108) 및 이웃하는 셀 캐리어(100)의 탭(108)에 탈착되도록 커플링되기 위해서 자신의 측벽에 노치를 가지는 인접한 슬롯(110)을 포함한다. 탭(108) 및 슬롯(110) 우측에는, 이웃하는 셀 캐리어(100)의 돌출부(112) 및 함요부(114)를 수용하고 이것과 간섭 핏(interface fit)을 형성하기 위한 순방향 개방 함요부(114) 및 역방향 연장 돌출부(112)가 있다. 상단 좌측 및 상단 우측 코너 캐리어 커플링 메커니즘은 서로 동일하고, 상단 우측 코너 캐리어 커플링 메커니즘의 돌출부(112) 및 함요부(114)가 상단 좌측 코너 캐리어 커플링 메커니즘의 것들보다 더 크다는 것을 제외하고는 서로 닮아 있다. 상단 좌측 및 하단 좌측 코너 캐리어 커플링 메커니즘은 돌출부(112) 및 함요부(114)의 위치가 바뀐다는 것을 제외하고는 동일하고, 상단 우측 및 하단 우측 코너 캐리어 커플링 메커니즘은 돌출부(112) 및 함요부(114)의 위치가 바뀐다는 것을 제외하고는 동일하다. 순방향 및 역방향으로 바라보는 함요부(114) 및 순방향 및 역방향으로 바라보는 돌출부(112)는 셀 캐리어(100)의 좌측 및 우측 에지의 거의 중간에 위치되어 이웃하는 셀 캐리어(100)의 대응하는 함요부(114) 및 돌출부(112)와 간섭 핏을 형성한다.
도 2a 및 도 2b 의 셀 캐리어(100)는 도 1a 및 도 1b 의 셀 캐리어(100)와 유사하게 제 1 스프링(116a)을 포함한다. 도 2a 내지 도 2b 의 셀 캐리어(100)도 그 구조가 제 1 스프링(116a)의 구조와 닮아 있는 제 2 스프링(116b)을 포함한다. 좀 더 구체적으로는, 도시된 실시예에서 제 2 스프링(116b)은 하나의 단부에서 상단 벽(104a)의 외면에 부착되는 만곡형 캔틸레버부(128)를 포함한다. 실질적으로 평평한 액츄에이터부(130)가 가요성 펄크럼(fulcrum)에서 캔틸레버부(128)의 다른 단부에 부착되고, 더 상세히 후술되는 바와 같이 스택 어셈블리 엔클로저와의 접촉에 의해 압축되도록 설계된다. 다양한 실시예들에서, 제 2 스프링(116b)의 구조는 도 1a 및 도 1b 를 참조하여 전술된 바와 같은 제 1 스프링(116a)의 다양한 실시예들과 유사하거나 동일한 방식으로 달라질 수 있다. 예를 들어, 앞서서 제 1 스프링(116a)에 대해서 설명된 바와 같이, 제 2 스프링(116b)은 일부 실시예들에서 도시된 바와 같이 셀 구획(124)의 주위를 지나 연장될 수 있고 일부 실시예들에서는 그렇지 않을 수도 있다. 더욱이, 제 1 및 제 2 스프링(116a, b)이 도시된 실시예에서는 동일한 디자인인 것으로 도시되지만, 상이한 실시예(미도시)에서 스프링(116a, b)은 상이하게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 스프링(116a)은 캔틸레버 스프링일 수 있는 반면에 제 2 스프링(116b)은 코일 스프링일 수 있다.
이제 도 2c 를 참조하면, 도 2a 및 도 2b 의 셀 캐리어(100)를 포함하는 셀 캐리어 어셈블리(150)의 단면도가 도시된다. 셀(118)의 탭은 셀 구획(124) 밖으로 그리고 우측 벽(104d) 위로 탭 구획(120) 내로 연장된다. 도 2c 에서, 제 1 도전성 시트(156a)는 셀 구획(124) 내에 직접적으로 안착되고 셀(118)은 제 1 도전성 시트(156a)에 안착된다. 제 1 도전성 시트(156a)는 셀 구획(124) 밖으로, 하단 벽(104b) 위로 그리고 제 1 스프링(116a)의 액츄에이터부(130) 위로 연장된다. 제 2 도전성 시트(156b)는 캐리어(100)에서 멀어지게 바라보는 셀(118)의 면에 직접적으로 안착되고, 셀 구획(124)을 벗어나 상단 벽(104a) 위로 그리고 제 2 스프링(116b)의 액츄에이터부(130) 위로 연장된다.
도시된 실시예에서 제 1 및 제 2 도전성 시트(156a, b)는 동일하지만, 상이한 실시예에서 시트(156a, b)는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 시트(156a, b)는 상이한 타입, 치수, 또는 양자 모두일 수 있다. 더욱이, 도시된 실시예에서 제 1 시트(156a)가 셀 캐리어(100)와 셀(118) 사이에 안착되고, 캐리어(100)의 상단에 위치된 제 2 스프링(116b) 위로 연장되지만, 및 제 2 시트(156b)는 밖을 바라보는 셀(118)의 반대측에 안착되고, 캐리어(100)의 하단에 위치된 제 1 스프링(116a) 위로 연장되고, 상이한 실시예(미도시)에서 시트(156a, b)의 위치설정은 변경될 수 있다. 예를 들어, 그 외의 일 실시예에서, 제 1 시트(156a)는 캐리어(100)의 하단 위로 연장될 수 있고 제 2 시트(156b)는 캐리어(100)의 상단 위로 연장될 수 있다. 그 외의 다른 실시예에서, 시트(156a, b) 양자 모두는 캐리어(100)의 같은 면 위로 연장될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시트(156a, b) 중 하나 또는 양자 모두는 캐리어(100)의 상이한 면 위로 연장되도록 확장될 수 있다. 또한 추가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 추가적 시트가 캐리어 어셈블리(150)에 추가될 수 있다.
이제 도 4 를 참조하면, 전술된 바와 같이 셀 캐리어(100)의 캐리어 커플링 메커니즘을 사용하여 기계적으로 서로 직렬로 커플링되는, 도 2c 에 도시되는 24 개의 셀 캐리어 어셈블리(150)를 포함하는 스택 어셈블리(300)가 도시된다. 캐리어(100)의 상단 위로 연장되는 제 1 시트(156a)의 부분을 도 4 에서 볼 수 있다; 도 4 에는 도시되지 않지만, 전술된 바와 같이 제 2 시트(156b)의 부분 또한 캐리어(100)의 하단 아래로 연장된다.
이제 도 6a 내지 도 6e 를 참조하면, 도 6a 및 도 6b 는 도 4 의 하우징 스택 어셈블리(300)를 수용하기 위한 스택 어셈블리 엔클로저(500)의 일 실시예의 상단 및 하단 사시도를 각각 도시하고, 도 6c 는 도 6a 의 라인 6C-6C를 따라 취해진 도 6a 의 엔클로저(600)의 단면도이다. 도 6a 내지 도 6c 의 엔클로저(500)는 자신의 하단 상의 제 1 히트 싱크(504a)의 다른 실시예를, 자신의 상단 상의 매칭되는 제 2 히트 싱크(504b), 및 측벽으로서 사용되는 압축판(602)을 포함한다. 도 6a 내지 도 6c 에서 제 1 및 제 2 히트 싱크(504a, b)는 동일한데, 상이한 실시예(미도시)에서 제 1 및 제 2 히트 싱크(504a, b)는 서로 다를 수 있다; 예를 들어, 제 1 히트 싱크(504a)는 도 5a 내지 도 5c 에 도시되는 타입일 수 있는 반면에 제 2 히트 싱크(504a)는 도 6a 내지 도 6c 에 도시되는 타입일 수 있다. 도 6d 는 제 1 히트 싱크(504a)의 전개도이다.
도 6a 내지 도 6c 에 있는 히트 싱크(504a, b) 각각은, 도 5a 내지 도 5c 에 도시되는 실시예와 다른 냉각판(508)의 일 실시예(이러한 냉각판(508)은 도 6e 에서 따로 도시됨), 냉각제 실링판(604), 및 TIM(506)을 포함한다. 냉각판(508)은, 스택 어셈블리(300)가 안착되는, 냉각판(508)의 표면 내에 함몰된 립(610)을 포함한다. 냉각판(508)은 립(610)으로부터 함몰되는 냉각제 도관(606)을 더 포함하는데, 도관(606)의 단부는 엔클로저(500)의 외부에서 액세스가능한 냉각제 포트(608)에 유체 커플링된다. 실링판(604)이 립(610) 위에 안착되고 립에 실링되면, 유밀(fluid tight) 시일이 냉각제 포트들(608) 사이에 생성되어, 유체(액체 또는 가스) 냉각제가 포트(608) 중 하나로부터 다른 포트(608)로 펌핑되게 한다. 예를 들어, 실링판(604)은 립(610)에 용접되거나 다른 식으로 접합된다.
도 6a 내지 도 6d 에서, TIM(506)은 제 1 히트 싱크(504a) 상에 직접적으로 안착되고, 스택 어셈블리(300)는, 제 2 히트 싱크(504b)를 스택 어셈블리(300)의 상단에 대해 누르는 압축 플레이트(602)에 의해 제 1 히트 싱크(504)의 TIM(506)에 대해서 직접적으로 압축된다. 배터리 모듈을 조립하기 위하여, 스택 어셈블리(300)는 우선 제 1 히트 싱크(504a) 상에 배치되고, 제 2 히트 싱크(504b)는 어셈블리(300) 상에 배치된다. 그러면 제 2 히트 싱크(504b)는 제 1 히트 싱크(504a)를 향해 밀려나서, 스프링(116a, b)을 압축하고 결과적으로 압축판(612)을 포함하는 엔클로저(500)의 측벽이 제 1 및 제 2 히트 싱크(504a, b)에 부착되게 하기에 충분하게 어셈블리(300)를 압축한다. 좀 더 구체적으로는, 히트 싱크(504a, b)의 세로로 연장되는 에지 각각은 히트 싱크 립(614)을 포함하고, 압축판(612)의 세로로 연장되는 에지 각각은 히트 싱크 립(614) 중 대응하는 것과 맞춤가능한 압축판 립(616)을 포함한다. 반면에 어셈블리(300)가 압축되는 동안, 압축판(612)은 히트 싱크들(504a, b) 사이에서 세로로 슬라이딩되어 히트 싱크 및 압축판 립(614, 616)이 상호잠금되게 하거나, 휘어지고 히트 싱크들(504a, b) 사이에 가로로 배치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 압축판(612) 및 히트 싱크(504a, b)는 다르게 고정될 수 있다. 예를 들어, 압축판(612) 및 히트 싱크(504a, b)는 함께 나사결합되거나 상이한 타입의 체결구를 사용하여 다른 방식으로 고정될 수 있다.
압축판(612)은, 립(614, 616)이 상호잠금되고 제 2 히트 싱크(504b)에 인가된 최초 압축력이 완화되어 스택 어셈블리(300)가 부분적으로 압축해제되게 하면, 압축판(612)이 장력을 받게 되고 따라서 계속 스택 어셈블리(300)를 압축하게 하는 높이를 가지도록 선택된다. 일 실시예에서, 압축판(612)을 히트 싱크(504a, b)에 부착하기 전에 제 2 히트 싱크(504b)에 인가된 초기 압축력은 스택 어셈블리(300)를 약 2 mm 내지 3 mm 압축시키기에 충분하다. 압축판(612)은 압축된 스택 어셈블리(300)의 높이보다 다소 긴 높이(예를 들어, 압축된 스택 어셈블리(300)의 높이 보다 약 0.5 mm 내지 1 mm 더 긴 높이)를 가지도록 선택되어, 압축판(612) 및 히트 싱크(504a, b)가 연결되고 초기 압축력이 완화되면, 어셈블리(300)가 압축판(612)을 누름으로써 압축판(612)을 히트 싱크(504a, b)에 대해 고정하게 한다. 예를 들어, 압축판(612)이 압축된 스택 어셈블리(300)의 높이보다 약 0.5 mm 내지 1 mm 큰 높이를 가지는 실시예에서, 초기 압축력이 완화되고 압축판(612)이 유일하게 어셈블리(300)의 압축을 담당하게 되면, 어셈블리(300)는 약 1.5 mm 내지 2.5 mm 정도 압축된다. 스택 어셈블리(300)의 상단 및 하단을 압축함으로써, 스택 어셈블리(300)를 가로지르는 제 1 및 제 2 스프링(116a, b)이 압축되고, 따라서 스택 어셈블리(300) 및 히트 싱크(504a, b)의 전체 상단 및 하단면에 걸쳐서 접촉이 이루어지며, 스택 어셈블리(300)로부터 도전성 시트(156a, b)를 거쳐 히트 싱크(504a, b)로 가는 열 전달이 촉진된다.
도 5a 내지 도 5d 에 도시되는 히트 싱크(504)에 대해 전술된 여러 다른 실시예들은 도 6a 내지 도 6d 의 히트 싱크(504)에도 적용될 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 예를 들어, 도 5a 내지 도 5d 에 도시되는 것과 같은 피닝된 냉각판(508)이 도 6a 및 도 6e 에서 도시되는 냉각판(508) 대신에 사용될 수 있다(그리고 그 반대의 경우도 마찬가지이다). 다른 예로서, 면내, 면통과, 또는 면내 및 면통과 양자 모두의 방향으로(예를 들어, 냉각판(508)을 통해 대각선으로) 연장되는 채널에는 열 흡수를 촉진하기 위한 상 변화 재료가 충진될 수 있다. 다른 예로서, 그 외의 실시예에서 히트 싱크(504)는 도시된 TIM(506) 및 추가 TIM 및 확산기 플레이트를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 냉각제 도관(606)은 도 6a 내지 도 6e 에 도시된 바와 다르게 제조될 수 있다; 예를 들어, 냉각제 도관(606)은 압날(pressed-in) 튜브, 냉각판(508)의 길이 전체에 뚫리고 뚜껑이 씌워진 홀, 납땜(brazed) 어셈블리, 및 가스켓(gasketed) 어셈블리 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
도시된 실시예에서 상승 에지(104)가 셀 구획의 전체적으로 구획하고 연속이며 선형인 반면에, 상이한 실시예(미도시)에서는 상승 에지(104)가 셀 구획의 일부만 구획할 수 있고, 불연속적일 수 있으며, 비선형일 수 있고, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
"상단", "하단", "상향", "하향", "수직으로" 및 "측면으로"와 같은 방향을 가리키는 용어는 본 명세서에서 오직 상대적으로 참조하기 위해서만 사용되었으며, 임의의 물품이 사용 중에 어떻게 위치설정되어야 하는지 또는 어셈블리 내에 또는 주위에 대해 어떻게 탑재되어야 하는지에 대한 임의의 한정을 제안하려는 의도가 아니다.
또한, "커플링하다(couple)"라는 용어 및 "커플링된", "커플링함", 및 "커플링"과 같은 변형들은 본 발명에서, 달리 표시되지 않는 한 간접 및 직접적인 연결을 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 제 1 물품이 제 2 물품에 커플링된다면, 이러한 커플링은 직접 연결을 통하거나 다른 물품을 거친 간접 연결을 통할 수 있다. 또한, 제 1 재료 및 제 2 재료가 직접적으로 접촉하거나 서로 직접 접촉 상태에 있다고 하는 것은, 제 1 재료 및 제 2 재료가, 예컨대 접착층을 사용함으로써 서로 직접적으로 부착되는 것을 포함한다.
더 나아가, 본 명세서에서 사용될 때 단수 형태인 "하나", "하나의" 및 "그것"은 문맥상 복수가 아님이 명백하게 드러나지 않는 한 복수형들도 역시 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에서 논의된 임의의 양태 또는 실시예의 임의의 부분은 본 명세서에서 논의된 임의의 다른 양태 또는 실시예의 임의의 부분과 함께 구현되거나 결합될 수 있다는 것이 고찰된다.
특정 실시예들이 앞에서 설명된 바 있지만, 다른 실시예들도 가능하고 본 명세서에 포함되도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 앞선 실시예에 대한 도시되지 않은 변형과 조절이 가능하다는 것이 임의의 당업자에게 명백하게 이해될 것이다.

Claims (38)

  1. 셀 캐리어로서,
    (a) 배터리 셀을 수용하기 위한 셀 구획(cell compartment); 및
    (b) 상기 셀 구획에 커플링된 제 1 스프링을 포함하는, 셀 캐리어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 상기 셀 구획의 주위를 지나 연장되는, 셀 캐리어.
  3. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 구획은,
    (a) 강성 뒤판(rigid backing); 및
    (b) 상기 강성 뒤판으로부터 연장되고 상기 셀 구획을 적어도 부분적으로 구획하는 상승 에지(raised edge)를 포함하는, 셀 캐리어.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 캐리어는 상기 셀 구획에 커플링되고 상기 셀 구획의 주위를 지나 연장되는 제 2 스프링을 더 포함하고,
    상기 셀 구획은 다수의 면을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 상이한 면을 지나 연장되는, 셀 캐리어.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 캔틸레버 스프링(cantilevered spring)을 포함하는, 셀 캐리어.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장되는, 셀 캐리어.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은,
    (a) 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부(cantilevered portion); 및
    (b) 펄크럼(fulcrum)에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함하는, 셀 캐리어.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은 캔틸레버 스프링을 포함하는, 셀 캐리어.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장되는, 셀 캐리어.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은,
    (a) 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부; 및
    (b) 펄크럼에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함하는, 셀 캐리어.
  11. 셀 캐리어 어셈블리로서,
    (a) 셀 캐리어로서,
    (i) 배터리 셀을 수용하기 위한 셀 구획; 및
    (ii) 상기 셀 구획에 커플링된 제 1 스프링을 포함하는, 셀 캐리어;
    (b) 상기 셀 구획 내에 위치된 배터리 셀; 및
    (c) 상기 배터리 셀에 열적 커플링되고 상기 제 1 스프링을 지나 연장되는 제 1 열 전도성 시트를 포함하는, 셀 캐리어 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 상기 셀 구획의 주위를 지나 연장되는, 셀 캐리어 어셈블리.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전도성 시트는 상기 배터리 셀에 직접 접촉되는, 셀 캐리어 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전도성 시트는 상기 셀 캐리어와 상기 배터리 셀 사이에 있는, 셀 캐리어 어셈블리.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전도성 시트는 상기 셀 캐리어에서 멀어지게 바라보는 상기 배터리 셀의 표면 상에 있는, 셀 캐리어 어셈블리.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 구획은,
    (a) 강성 뒤판; 및
    (b) 상기 강성 뒤판으로부터 연장되고 상기 셀 구획을 적어도 부분적으로 구획하는 상승 에지를 포함하는, 셀 캐리어 어셈블리.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 캐리어 어셈블리는,
    (a) 상기 셀 구획에 커플링되고 상기 셀 구획의 주위를 지나 연장되는 제 2 스프링 - 상기 셀 구획은 다수의 면을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 상이한 면을 지나 연장됨 -; 및
    (b) 상기 배터리 셀에 열적 커플링되고 상기 제 2 스프링을 지나 연장되는 제 2 열 전도성 시트를 더 포함하는, 셀 캐리어 어셈블리.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 열 전도성 시트는 상기 배터리 셀에 직접 접촉되는, 셀 캐리어 어셈블리.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 열 전도성 시트는 상기 셀 캐리어와 상기 배터리 셀 사이에 있는, 셀 캐리어 어셈블리.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 열 전도성 시트는 상기 셀 캐리어에서 멀어지게 바라보는 상기 배터리 셀의 표면 상에 있는, 셀 캐리어 어셈블리.
  21. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 캔틸레버 스프링을 포함하는, 셀 캐리어 어셈블리.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장되는, 셀 캐리어 어셈블리.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링은,
    (a) 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부; 및
    (b) 펄크럼에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함하는, 셀 캐리어 어셈블리.
  24. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은 캔틸레버 스프링을 포함하는, 셀 캐리어 어셈블리.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은 상기 셀 구획의 면을 따라 연속 연장되는, 셀 캐리어 어셈블리.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링은,
    (a) 상기 셀 구획으로 가는 일단에 부착되는 캔틸레버부; 및
    (b) 펄크럼에서 상기 캔틸레버부의 타단에 부착되는 액츄에이터부를 포함하는, 셀 캐리어 어셈블리.
  27. 히트 싱크로서,
    (a) 열 계면 재료의 층; 및
    (b) 상기 열 계면 재료의 층에 열적 커플링되는 냉각판을 포함하는, 히트 싱크.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 열 계면 재료의 층 및 냉각판은 서로 집적 접촉하는, 히트 싱크.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    (a) 상기 열 계면 재료의 층과 상기 냉각판 사이에 위치되는 확산판; 및
    (b) 상기 확산판과 상기 냉각판 사이에 위치되는 열 계면 재료의 추가 층을 더 포함하는, 히트 싱크.
  30. 제 27 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각판은 핀(fin)을 포함하는, 히트 싱크.
  31. 제 27 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각판은 내부에 상 변화 재료를 포함하는 폐색 채널(plugged channel)을 포함하는, 히트 싱크.
  32. 제 27 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각판은,
    (a) 상기 히트 싱크의 외부에서 액세스가능한 냉각제 포트들(coolant ports)의 쌍; 및
    (b) 상기 히트 싱크 내에 포함된 냉각제 도관을 포함하고,
    상기 냉각제 도관은 상기 냉각제 포트에 유체 커플링되는, 히트 싱크.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    (a) 상기 냉각판의 내면으로부터 함몰된 립(lip) - 상기 냉각제 도관은 개방되고 상기 립으로부터 함몰됨 -; 및
    (b) 상기 립 상에 피팅되고(fit) 상기 립에 대해 압축되면 상기 냉각제 도관을 밀봉하도록 치수결정되는 냉각제 실링판을 더 포함하는, 히트 싱크.
  34. 배터리 모듈로서,
    (a) 직렬로 서로 커플링되는, 제 11 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항의 셀 캐리어 어셈블리의 다수의 인스턴스를 포함하는 스택 어셈블리;
    (b) 내부에 상기 스택 어셈블리가 보유되는 스택 엔클로저를 포함하고,
    상기 스택 엔클로저는,
    (i) 하우징;
    (ii) 상기 하우징에 커플링되는 제 27 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항의 히트 싱크 - 상기 제 1 열 전도성 시트가 상기 히트 싱크에 접촉하도록 상기 스택 어셈블리는 상기 히트 싱크 내에 위치설정됨 -; 및
    (iii) 상기 셀 캐리어 어셈블리들 각각의 제 1 스프링이 상기 히트 싱크에 대해 편향되도록, 상기 스택 어셈블리를 상기 히트 싱크에 대하여 압축하는 압축 메커니즘을 포함하는, 배터리 모듈.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 스택 어셈블리가 제 2 열 전도성 시트 및 제 2 스프링을 포함하는 경우, 상기 셀 캐리어 어셈블리들 각각의 제 2 스프링이 상기 히트 싱크에 대해 편향되도록, 상기 압축 메커니즘은 상기 스택 어셈블리를 상기 히트 싱크에 대하여 압축하는, 배터리 모듈.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는, 상기 스택 엔클로저의 마주보는 면에 위치된 제 1 히트 싱크 및 제 2 히트 싱크를 포함하는, 배터리 모듈.
  37. 배터리 모듈로서,
    (a) 직렬로 서로 커플링되는, 제 11 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항의 셀 캐리어 어셈블리의 다수의 인스턴스를 포함하는 스택 어셈블리;
    (b) 내부에 상기 스택 어셈블리가 보유되는 스택 엔클로저를 포함하고,
    상기 스택 엔클로저는,
    (i) 측벽을 포함하는 하우징; 및
    (ii) 상기 하우징에 커플링되는 제 27 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항의 히트 싱크 - 상기 제 1 열 전도성 시트가 상기 히트 싱크에 접촉하도록 상기 스택 어셈블리는 상기 히트 싱크 내에 위치설정됨 -를 포함하며,
    상기 하우징과 상기 히트 싱크가 서로 커플링되면, 상기 하우징의 측벽은 상기 스택 어셈블리를 상기 히트 싱크 내로 압축하도록 치수결정되는, 배터리 모듈.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 측벽들 각각은 제 1 립을 포함하고,
    상기 히트 싱크는, 상기 하우징과 상기 히트 싱크를 서로 고정하도록 각각이 상기 제 1 립과 맞춤가능한 제 2 립들의 쌍을 포함하는, 배터리 모듈.
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