KR101393167B1 - 리튬 이온 배터리 모듈 - Google Patents

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제이슨 푸어
게리 피. 후친-밀러
제랄드 케이. 보웬
존 피. 딩크레먼
데이비드 파텔
알렉스 몰리나롤리
Original Assignee
존슨 컨트롤즈 테크놀로지, 엘엘씨
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Abstract

본 발명에 따른 리튬 이온 배터리 모듈은 하우징 내에서 복수의 격실을 규정하도록 구성된 복수의 격벽을 갖는 하우징을 포함한다. 배터리 모듈은 하우징의 각각의 격실에 제공된 리튬 이온 전지 요소를 또한 포함한다. 배터리 모듈은, 하우징에 커플링되고 각각의 격실 안으로 전해질을 공급하도록 구성된 커버를 더 포함한다. 커버는 하우징의 격실을 서로로부터 밀봉하도록 또한 구성된다.

Description

리튬 이온 배터리 모듈{LITHIUM ION BATTERY MODULE}
본 출원은 2009년 5월 20일자로 출원된 미국 가특허출원 61/180,043호의 이익 및 우선권을 주장하며, 이 출원의 내용 전체는 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 배터리 및 배터리 시스템의 분야에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 출원은 자동차에 대한 구동력의 적어도 일부를 제공하기 위해 자동차 적용례에 사용될 수 있는 배터리 및 배터리 시스템에 관한 것이다.
구동력의 전부 또는 일부에 대해 전력(electric power)을 사용하는 자동차[예컨대, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(PHEV) 등, 총체적으로 "전기 자동차"로 칭함]는 내연 기관을 사용하는 더욱 전통적인 연료 구동식(gas-powered) 자동차에 비해 많은 장점을 제공한다. 예를 들어, 전기 자동차는 바람직하지 않은 배출물을 생성하지 않을 수 있고 내연 기관을 사용하는 자동차에 비해 더 우수한 연비를 나타낼 수 있다(그리고, PHEV의 특정 유형과 같은 몇몇 경우, 이러한 자동차는 가솔린의 사용을 완전히 배제할 수 있음).
전기 자동차 기술이 계속하여 진화함에 따라, 이러한 자동차에 대한 개선된 전력원(예컨대, 배터리 시스템 또는 모듈)을 제공할 필요성이 존재한다. 예를 들어, 이러한 자동차가 배터리를 충전할 필요 없이 이동할 수 있는 거리를 증가시키는 것이 바람직하다. 이러한 배터리의 성능을 향상시키고 배터리 시스템과 관련된 비용을 줄이는 것이 또한 바람직하다.
계속하여 개발되고 있는 개선의 한 분야는 배터리 화학 분야이다. 초기의 전기 자동차 시스템은 추진 소스(propulsion source)로 니켈-금속-하이드라이드(NiMH) 배터리를 채용하였다. 시간이 지남에 따라, 다른 첨가제 및 개질제가 NiMH 배터리의 성능, 신뢰성, 및 활용성을 개선하여 왔다.
더욱 최근에, 제조자들은 전기 자동차에 사용될 수 있는 리튬 이온 배터리를 개발하기 시작하였다. 자동차 적용례에 대해 리튬 이온 배터리를 사용하는 것과 관련하여 여러 장점이 존재한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리는 NiMH 배터리보다 높은 전하밀도 및 비출력(specific power)을 갖는다. 달리 말하면, 리튬 이온 배터리는 동일한 양의 전하를 저장하면서 NiMH 배터리보다 작을 수 있고, 이는 전기 자동차에서의 중량 및 공간 절감을 허용할 수 있다(또는, 대안적으로 이러한 특징은 제조자가 배터리 시스템이 차지하는 공간 또는 자동차의 중량 증가 없이 자동차에 대한 더 많은 양의 전력을 제공하는 것을 허용할 수 있다).
리튬 이온 배터리는 NiMH 배터리와 상이하게 작동하며 NiMH 배터리 기술이 제공하는 것과 상이한 설계 및 공학적 도전을 제공할 수 있는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리는 비교가능한 NiMH 배터리보다 배터리 온도의 변화에 더욱 민감할 수 있고, 이로 인해 자동차의 작동 동안 리튬 이온 배터리의 온도를 조절하기 위해 시스템이 사용될 수 있다. 리튬 이온 배터리의 제조는 이러한 배터리 화학에 대한 독자적인 도전을 또한 제공하며, 이러한 도전을 해결하기 위해 새로운 방법 및 시스템이 개발되고 있다. 예를 들어, 순수한 리튬은 물과 격렬하게 반응한다. 따라서, 리튬 이온 화학을 활용하는 이전의 설계에 있어서, 물이 전지 및/또는 전해질에 닿지 않도록 전기화학 전지는 전해질과 함께 개별 하우징 내에 밀폐되어 밀봉되었다.
이러한 자동차에 사용되는 NiMH 및/또는 리튬 이온 배터리와 관련된 하나 이상의 도전을 해결하는, 전기 자동차에 사용되는 개선된 배터리 모듈 및/또는 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 본 명세서의 검토로부터 분명해질 하나 이상의 유리한 특징을 포함하는 배터리 모듈 및/또는 시스템을 제공하는 것이 또한 바람직할 것이다.
예시적 실시예에 따르면, 리튬 이온 배터리 모듈은 하우징 내에 복수의 격실을 규정하도록 구성된 복수의 격벽을 갖는 하우징을 포함한다. 배터리 모듈은 하우징의 각각의 격실에 제공된 리튬 이온 전지 요소를 또한 포함한다. 배터리 모듈은 하우징에 커플링되고 각각의 격실 안으로 전해질을 전송(route)하도록 구성된 커버를 더 포함한다. 커버는 하우징의 격실을 서로로부터 밀봉하도록 또한 구성된다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 배터리 시스템을 포함하는 자동차의 사시도이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 배터리 시스템을 포함하는 자동차의 개략적인 절취도이다.
도 3은 예시적 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해도이다.
도 3a는 예시적 실시예에 따른 파우치 내에 제공된 각기둥형 전지(prismatic cell) 요소의 사시도이다.
도 4, 도 5 및 도 6은 다양한 예시적 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분적인 평면도이다.
도 4a, 도 5a, 및 도 6a는 각각 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 배터리 모듈의 개략적인 회로도이다.
도 7은 예시적 실시예에 따른 열 조절에 활용되는 복수의 중실 튜브를 포함하는 배터리 모듈의 부분 사시도이다.
도 7a는 예시적 실시예에 따른 열 조절에 활용되는 복수의 중공 튜브를 포함하는 배터리 모듈의 부분 사시도이다.
도 8a 내지 도 8c는 다양한 예시적 실시예에 따른 배터리 모듈에 대한 열 관리 특징의 부분적인 상세도이다.
도 9a 내지 도 9c는 각각 도 8a 내지 도 8c의 라인 9A, 9B, 및 9C를 따라 취한 단면도이다.
도 10은 예시적 실시예에 따른 튜브형 집전 장치(current collector)를 포함하는 배터리 모듈의 평면도이다.
도 11은 예시적 실시예에 따른 전극판 적층체의 부분 분해도이다.
도 12는 예시적 실시예에 따른 전극판 적층체의 측면도이다.
도 13은 예시적 실시예에 따른 튜브형 집전 장치를 갖는 전지 요소의 평면도이다.
도 13a 내지 도 13e는 다양한 예시적 실시예에 따른 도 13에 도시된 전지 요소와 사용될 수 있는 튜브형 집전 장치의 단면도이다.
도 14는 다른 예시적 실시예에 따른 튜브형 집전 장치를 갖는 전지 요소의 사시도이다.
도 14a 및 도 14b는 다른 예시적 실시예에 따른 도 14에 도시된 전지 요소와 사용될 수 있는 튜브형 집전 장치의 사시도이다.
도 15는 다른 예시적 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해도이다.
도 15a는 예시적 실시예에 따른 파우치 내에 제공된 원통형 전지 요소의 사시도이다.
도 16은 다른 예시적 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해도이다.
도 1은 자동차(10)에 대한 구동력의 전부 또는 일부를 제공하는 배터리 시스템(20)을 갖는 차량(예컨대, 승용차) 형태의 자동차(10)의 사시도이다. 이러한 자동차(10)는 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(PHEV) 또는 추진을 위해 전기력을 사용하는 다른 유형의 자동차(총체적으로 "전기 자동차"로 칭함)일 수 있다.
도 1에서 자동차(10)는 승용차로 도시되었지만, 자동차의 유형은 다른 예시적 실시예에 따라 다를 수 있으며, 모든 실시예는 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 자동차(10)는 트럭, 버스, 산업용 자동차, 모터사이클, 레저용 자동차, 보트, 또는 추진력의 전부 또는 일부에 대해 전기력을 사용할 수 있는 임의의 다른 유형의 자동차일 수 있다.
도 1에서 배터리 시스템(20)은 자동차의 트렁크 또는 후방부에 배치되는 것으로 도시되었지만, 다른 예시적 실시예에 따르면, 배터리 시스템(20)의 위치는 다를 수 있다. 예를 들어, 배터리 시스템(20)의 위치는 자동차 내의 가용 공간, 자동차의 소정의 중량 균형, 배터리 시스템(20)과 사용되는 다른 구성요소의 위치(예컨대, 배터리 관리 시스템, 환기구(vent), 또는 냉각 장치 등), 및 다양한 다른 고려사항들에 기초하여 선택될 수 있다.
도 2는 예시적 실시예에 따라 HEV의 형태로 제공된 자동차(10A)의 개략적인 절취도이다. 배터리 시스템(20A)은 연료 탱크(12)와 가까운 자동차(10A)의 후방을 향해 제공된다[배터리 시스템(20A)은 연료 탱크(12)에 바로 인접하여 제공될 수 있거나, 또는 자동차(10A)의 후방에서 별도의 격실(예컨대, 트렁크)에 제공될 수 있거나, 또는 자동차(10A)의 다른 곳에 제공될 수 있음]. 자동차(10A)를 추진하기 위해 자동차(10A)가 가솔린 동력을 활용할 때는 내연 기관(14)이 제공된다. 전기 모터(16), 동력 분배 장치(17, power split device), 및 발전기(18)가 자동차 구동 시스템의 일부로써 또한 제공된다.
이러한 자동차(10A)는 배터리 시스템(20A)에 의해서만, 엔진(14)에 의해서만, 또는 배터리 시스템(20A) 및 엔진(14) 모두에 의해서 동력을 제공받거나 구동될 수 있다. 자동차 구동 시스템에 대한 자동차의 다른 유형 및 구성은 다른 예시적 실시예에 따라 사용될 수 있으며, 도 2의 개략적인 도시는 본 출원에 설명된 주제의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 유의하여야 한다.
다양한 예시적 실시예에 따르면, 다른 특징들 중에서, 배터리 시스템(20, 20A)의 크기, 형상, 및 위치, 자동차(10, 10A)의 유형, 자동차 기술의 유형(예컨대, EV, HEV, PHEV 등), 및 배터리 화학(battery chemistry)은 도시되거나 설명된 것들과 다를 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 배터리 시스템(20, 20A)은 전기화학 배터리 또는 전지 요소의 포장 또는 보유, 전기화학 전지 요소의 서로에 대한 및/또는 자동차 전기 시스템의 다른 구성요소에 대한 연결, 및 전기화학 전지 요소 및 배터리 시스템(20, 20A)의 다른 특징부의 조절을 책임진다. 예를 들어, 배터리 시스템(20, 20A)은 배터리 시스템(20, 20A)의 전기적 성능의 모니터링 및 조절, 배터리 시스템(20, 20A)의 열적 거동의 관리, 배출물(예컨대, 전지로부터 환기될 수 있는 기체)의 보유 및/또는 전송, 및 배터리 시스템(20, 20A)의 다른 양태들을 책임지는 특징부들을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 예시적 실시예에 따른 배터리 모듈(22)(예컨대, 배터리 팩 등)의 부분 분해도가 도시된다. 배터리 모듈(22)은 (도 3에 개략적으로 도시된) 복수의 전기화학 전지 요소(24)를 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 전기화학 전지 요소(24)는 예컨대 리튬 이온 전지 요소, 니켈-금속-하이드라이드 전지 요소, 리튬 폴리머 전지 요소 등, 또는 현재 알려지거나 이후 개발될 다른 유형의 전기화학 전지 요소일 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 전기화학 전지 요소(24)는 전하를 저장하도록 구성된 대체로 각기둥형 리튬 이온 전지 요소이다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 전지 요소(24)는 다른 물리적 구성(예컨대, 타원형, 원통형, 다각형 등)을 가질 수 있다. 전지 요소(24)의 용량, 크기, 설계, 및 다른 특징들은 또한 다른 예시적 실시예에 따라 나타난 것들과 다를 수 있다.
도 3에서 특정 개수(즉, 6개의 전기화학 전지 요소)의 전기화학 전지 요소(24)를 갖는 것으로 도시되었지만, 다른 예시적 실시예에 따르면, 전기화학 전지 요소의 다른 개수 및/또는 배열이 임의의 다양한 고려사항(배터리 시스템에 대한 희망하는 전력, 배터리 모듈이 장착되어야 하는 가용 공간 등)에 따라 사용될 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
예시적 실시예에 따르면, 각각의 전지 요소(24)는 인접 플러스 전극과 마이너스 전극 사이를 분리하기 위해 (예컨대, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이) 분리막(예컨대, 다공성 폴리머 분리막)이 그 사이에 제공되어 교호 방식으로 적층된 복수의 마이너스 전극(40) 및 플러스 전극(42)을 포함한다. 분리막은 플러스 전극과 마이너스 전극 사이에 배치된 개별 시트일 수 있거나, 또는 플러스 전극이 삽입될 수 있는 외피(envelope)일 수 있다(또는 대안적으로, 마이너스 전극이 분리막 외피 안으로 삽입될 수 있음). 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 각각의 마이너스 전극의 일부(예컨대, 모서리)는 판 적층체의 제1 단부로부터 밖으로 연장하며, 각각의 플러스 전극의 일부(예컨대, 모서리)는 판 적층체의 제2 단부로부터 밖으로 연장한다. 이러한 방식으로, 마이너스 전극의 모서리는 판 적층체의 제1 단부에서 접근가능하며, 플러스 전극의 모서리는 판 적층체의 제2 단부에서 접근가능하다(즉, 단자 또는 집전 장치에 커플링하기 위해 유사한 극성의 전극들이 판 적층체의 일 측에서 쉽게 접근될 수 있도록 판들은 서로에 대해 엇갈린다). 도 3에서 도면부호 40 및 42(그리고, 관련된 "-" 및 "+" 기호)는 전지 요소(24)의 일 단부가 접근가능한 마이너스 전극(즉, 도면부호 40)의 모서리를 가지며, 동시에 플러스 전극의 타단부가 플러스 전극(즉, 도면부호 42)의 모서리를 갖는다는 것을 단순화된 방식으로 나타내기 위한 것이다.
계속하여 도 3을 참조하면, 예시적 실시예에 따라, 배터리 모듈(22)은 다수의 부재 또는 격벽(28)(벽, 칸막이, 장벽, 패널 등)을 갖는 하우징(26)을 포함한다. 다수의 격벽(28)은 복수의 전기화학 전지 요소(24)를 수용하도록 구성된 일련의 격실(29)(예컨대, 용기, 구획, 상자, 슬롯, 챔버 등)을 규정한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각 격벽(28)은 격실(29)을 규정하기 위해 하우징(26)의 제1 측벽으로부터 하우징(26)의 제2 측벽으로 연장한다. 예시적 실시예에 따르면, 격벽(28)은 하우징(26)의 상부로 연장한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 격벽(28)은 (예컨대, 버스 바아 또는 다른 유사한 요소로) 전지 요소(24)들 사이에 제공될 연결부를 위한 공간을 제공하기 위해 하우징(26)의 상부로 연장하지 않는다.
예시적 실시예에 따르면, 격실(29)을 폐쇄하기 위해 커버(30)가 제공될 수 있다. 커버는 다양한 격실들 사이를 분리하도록 구성될 수 있다(예컨대, 전해질이 다양한 격실들 사이에서 이동하는 것을 방지할 수 있는 밀봉부를 형성하기 위해 커버를 격벽의 벽의 상부에 부착 또는 용접하는 것에 의해, 레이저 용접, 접착제, 또는 커버를 하우징에 연결하기 위한 다른 알려진 방법이 다양한 예시적 실시예에 따라 사용될 수 있음). 도 3에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에 따르면, 커버(30)는 채널(32)로 도시된 특징부를 포함한다. 채널(32)은 하우징(26)의 각각의 격실(29)과 유체 연통하는 복수의 개구 또는 구멍(34)과 유체 연통한다.
예시적 실시예에 따르면, 채널(32) 및 개구(34)는 격실(29) 안으로 전해질을 제공하기 위해 사용된다. 예를 들어, 전해질 충전 헤드(미도시)는 실질적으로 동시에 격실(29)들에 전해질을 공급하기 위해 채널(32) 및/또는 개구(34)들 위에 제공될 수 있다[즉, 격실(29)들은 실질적으로 동시에 전해질로 채워짐]. 예시적 실시예에 따르면, 커버(30)가 각 격실(29) 내에서 전해질을 개별적으로 밀봉하도록(즉, 전해질은 격실들 사이에서 공유되지 않음), 개구(34)는 격실(29)이 전해질로 채워진 후 [예컨대, 열 스테이킹(heat staking) 공정에 의해] 밀봉(예컨대, 폐쇄, 차단 등)된다.
예시적 실시예에 따르면, 하우징(26), 커버(30), 및 격벽(28)은 폴리머 재료(예컨대, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등) 또는 다른 적절한 재료(예컨대, 전기 절연 재료)로 제조될 수 있다. 이 실시예에서, 하우징(26) 및/또는 커버(30)는 물 또는 다른 물질이 전해질 및 전지 요소(24)와 닿는 것을 실질적으로 제한하기 위해 투과성 장벽(예컨대, 물질, 재료, 필름, 커버링, 코팅 등)을 포함할 수 있다. 독자의 편의를 위해, 본 출원의 나머지 부분은 하우징(26)이 투과성 장벽을 갖는 것으로 참조할 것이지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 커버(30)가 투과성 장벽을 또한 가질 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 투과성 장벽은 (전체적으로 도면부호 36으로 지시된) 하우징(26)의 외부 또는 하우징(26)의 내부[예컨대, 전체적으로 도면부호 38로 지시된, 각 격실(29)의 내부]에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽(38)은 하우징(26)의 외벽의 내부 표면에만 제공된다[즉, 내부 격벽(28)에는 제공되지 않음]. 다른 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽(38)은 격벽(28)상에 또한 제공된다.
예시적 실시예에 따르면, 투과성 격벽은 하우징(26)의 외부 표면 및/또는 내부 표면상에 제공, 도포, 분사, 또는 코팅된다. 다양한 예시적 실시예에 따르면, 예컨대 분사, 열 분사(예컨대, 플라즈마 아크), 침지 코팅, 건식 페인팅(예컨대, 분말 코팅), 습식 페인팅, 또는 에나멜 페인팅 공정과 같은, 하우징(26)에 투과성 장벽을 제공하는 임의의 적절한 방법이 사용될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽은 약 50 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터 범위의 두께를 갖는다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽의 두께는 적용례에 따라 더 두껍거나 더 얇을 수 있다. 투과성 장벽은 적절한 방수성(water prohibiting property)을 구비한 재료일 수 있다. 다양한 예시적 실시예에서, 투과성 장벽 재료는 폴리머 및 추가적으로 주석 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물 및/또는 지르코늄 산화물과 같은 금속 산화물과 같은 캐리어 재료를 포함한다. 투과성 장벽 내에 금속 산화물을 갖는 유리한 특징은 금속 산화물이 물의 침입을 방지하고, 전기적으로 절연되며, 비교적 높은 열 전도율을 갖는다는 것이다.
예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 금속 산화물 입자를 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 금속 산화물 입자는 약 10 마이크로미터 내지 50 마이크로미터 범위의 평균 직경을 갖는다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 금속 산화물 입자의 평균 직경은 희망하는 적용례, 전기 절연의 양, 코팅 두께 등에 따라 더 작거나 더 클 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 코팅 재료는 분말화된 (건식) 형태로 하우징(26)에 제공될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 액체 (습식) 형태로 하우징에 제공될 수 있다(예컨대, 금속 산화물 입자는 페인트와 유사한 물질을 형성하기 위해 액체 바인더 또는 캐리어 재료 내에 부유됨).
다른 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 열 분사(예컨대, 냉간 분사, 데토네이션 분사, 화염 분사, 고속 산소 연료 코팅 분사, 플라즈마 분사, 온화 분사, 와이어 아크 분사 등)에 의해 하우징(26)의 표면상에 제공될 수 있다. 열 분사 공정을 사용할 때, 투과성 장벽 재료(예컨대, 금속 산화물)는 분말 또는 공급 원료(즉, 와이어) 형태로 제공되며, 그 후 (예컨대, 연소 공정, 전기 아크 방출 등에 의해) 용융 상태 또는 반용융 상태로 가열 또는 용융된다. 그러면, (이제 액적 형태인) 투과성 장벽 재료는 하우징(26)의 내부 표면상으로 분사(예컨대, 가속 또는 추진 등)된다. 하우징(26)의 표면에 충격을 가하거나 그에 도달하면, 투과성 장벽 재료의 액적은 펴지고, 응고되어, 코팅 또는 층을 형성한다. 열 분사 공정의 정확한 사용 및 적용은 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이 다양할 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 침지 코팅 공정에 의해 하우징(26)의 표면(예컨대, 외부 표면 및/또는 내부 표면)상에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료(예컨대, 금속 산화물)는 투과성 장벽 코팅 재료의 액체 조성물을 형성하기 위해 용매 또는 캐리어 재료와 혼합된다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 코팅 재료의 조성물은 고함량의 방수성(water impermeable) 재료(예컨대, 용매 또는 캐리어 재료에 대한 고함량의 금속 산화물 입자)를 갖는다.
예시적 실시예에 따르면, 하우징(26)은 투과성 장벽 코팅 재료에 침지된다. 예시적 실시예에 따르면, 하우징(26)에는 하우징(26)의 외부 표면을 코팅 또는 커버하는 한도에서만 투과성 장벽 코팅 재료가 제공된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 하우징(26)은 하우징(26)의 외부 표면과 내부 표면 모두를 코팅 또는 커버하기 위해 투과성 장벽 코팅 재료에 완전히 침지된다. 다음으로, 하우징은 투과성 장벽 코팅 재료로부터 당겨져, 용매의 증발을 허용하며, 이때 투과성 장벽 코팅 재료는 하우징(26)의 표면상에 얇은 층을 형성한다. 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 침지 코팅 공정의 정확한 사용 및 적용은 다를 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 하우징(26)에 방수(water impervious) 라벨 또는 필름을 가함으로써 하우징(26)의 표면상에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료(예컨대, 얇은 금속 층)는 라벨을 형성하기 위해 접착 재료로 부분적으로 또는 완전히 코팅된다. 예시적 실시예에 따르면, 라벨(예컨대, 그 위에 접착제를 갖는 금속의 층)은 하우징(26)의 표면(예컨대, 외부 및/또는 내부)에 가해진다(예컨대, 고착, 도포, 부착 등). 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 페인팅 공정의 정확한 사용 및 적용은 다를 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 페인팅 공정에 의해 하우징(26)의 표면상에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료(예컨대, 금속 산화물)는 투과성 장벽 재료의 페인팅가능한 조성물을 형성하기 위해 용매 또는 캐리어 재료와 혼합된다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료의 페인팅가능한 조성물은 고함량의 방수성 재료(예컨대, 용매 또는 캐리어 재료에 대한 고함량의 금속 산화물 입자)를 갖는다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 하우징(26) 상으로 분사 페인팅된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 코팅 재료는 (예컨대, 수동 브러시, 회전형 브러시에 의해) 하우징(26) 상으로 브러시 페인팅된다. 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 페인팅 공정의 정확한 사용 및 적용은 다를 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 코팅 재료는 분말 코팅 공정에 의해 하우징(26)의 표면상에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료(예컨대, 금속 산화물 입자)는 분말화된 형태로 제공되고, 그 다음 (예컨대 정전기 건, 코로나 건, 트리보 건, 유동화 베드, 정전기 자성 브러시 등으로) 하우징(26)의 표면에 정전기적으로 가해진다. 예시적 실시예에 따르면, 투과성 장벽 재료는 하우징(26)에 가해지기 전에 바인더 재료(예컨대, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌)로 코팅될 수 있다. 그러면, 분말화된 코팅을 갖는 하우징(26)은 (예컨대, 약 100 내지 200℃ 범위의 온도에서) 양생(cured)되고, 분말 코팅이 용융(또는 반용융)되어 하우징(26)의 표면에 걸쳐 유동할 수 있도록 한다. 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 분말 코팅 공정의 정확한 사용 및 적용은 다를 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 하우징(26) 및/또는 커버(30)는 (예컨대, 알루미늄, 스틸 등과 같은) 금속 재료 또는 다른 적절한 재료로 구성될 수 있으며, 별도의 투과성 장벽을 요구하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 전지 요소(24)와 금속 하우징(26) 및 커버(30) 사이의 직접적인 접촉을 방지하기 위해, 전지 요소(24)와 금속 하우징(26) 및 커버(30) 사이에 전기 절연 재료가 제공될 수 있다.
이제 도 3a를 참조하며, 다른 예시적 실시예에 따르면, 각각의 전지 요소(24)는 하우징(26) 내에 제공되기 전에 선택적인 파우치(25)(예컨대, 금속 포일 파우치 또는 폴리머 파우치) 내부에 배치될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 파우치(25)는 전지 요소(24) 및/또는 전해질에 대해 (물 침투를 제한하기 위한) 투과성 장벽으로 작용한다. 예시적 실시예에 따르면, 파우치(25)는 전지 요소(24)의 상측에서 개방되며 전지 요소(24)의 바닥측에서 폐쇄된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 파우치(25)는 전지 요소(24)의 상측 및 바닥측 모두에서 폐쇄된다(예컨대, 밀폐식 밀봉). 예시적 실시예에 따르면, 전해질은 전지 요소(24)와 파우치(25) 내부에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 파우치(25)는 통상적인 전지의 통상적인 강성의 금속 하우징을 대체하기 위해 제공된다. 재료 비용은 강성의 금속 전지 하우징 또는 하우징(26) 내부 또는 외부에 코팅된 별도의 투과성 장벽 대신에 얇은 가요성 파우치(25)를 구비함으로써 절감될 수 있다.
이제 도 4 내지 도 6을 참조하며, 예시적 실시예에 따르면, 각각의 전지 요소(24)는 버스 바아 또는 유사한 요소의 형태로 제공된 커넥터를 사용하여 하나 이상의 다른 전지 요소(24) 또는 배터리 시스템의 다른 구성요소에 전기적으로 커플링된다. 도 4 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 전지 요소(24)는 버스 바아(48)에 의해 서로 직렬로 연결된다. 예시적 실시예에 따르면, 버스 바아(48)는 개별 전극(40, 42)에 용접(예컨대, 초음파 용접, 레이저 용접 등)된다. 전지 요소(24)는 전지 요소(24)의 상호 연결을 보조하기 위해 반대 극성의 전지 전극(40, 42)이 서로 인접하도록 교호식 순서로 제공된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 플러스 연결부(46)는 배터리 모듈의 일 단부에 제공되고, 마이너스 연결부(44)는 배터리 모듈의 대향 단부에 제공된다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 도 5 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 전지 요소(24)는 서로 병렬로 연결된다. 버스 바아(148)는 전지 요소(24)의 전체 세트를 따라 이어지며, 각각 모든 플러스 전극(42) 및 마이너스 전극(40)을 함께 연결시킨다. 도 5에 도시된 바와 같이, 플러스 연결부(146)는 배터리 모듈의 일 단부에 제공되고, 마이너스 연결부(144)는 배터리 모듈의 대향 단부에 제공된다. 그러나, 점선으로 도시된 바와 같이, 다른 예시적 실시예에 따르면, 마이너스 연결부(144A)가 플러스 연결부(146)과 동일한 단부에 제공될 수 있다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 전지 요소(24)는 직렬 및 병렬의 조합으로 서로 연결된다. 버스 바아(248, 248A)는 서로 직렬로 연결된 3 세트의 병렬 연결된 전지 요소가 존재하도록 전지 요소(24)들을 함께 연결시킨다. 도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 각각의 병렬 세트당 2개의 전지 요소가 존재한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플러스 연결부(246)는 배터리 모듈의 일 단부에 제공되고, 마이너스 연결부(244)는 배터리 모듈의 대향 단부에 제공된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈의 다른 구성 및 연결 배열이 가능하다.
예시적 실시예에 따르면, 다양한 커넥터 또는 버스 바아가 전지 요소(24) 위에 제공될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 버스 바아는 전지 요소(24)들의 측부를 함께 연결하기 위해 격벽 내의 구멍 또는 개구(미도시)를 통해 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 커버(30)는 전지 요소의 연결부를 수용하기 위해 리세스(또는 다른 특징부)를 포함할 수 있다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 파우치(25)가 사용될 때, 전지 요소(24)의 전극 또는 단자는 인접 전지 요소(24)의 전극 또는 단자로 연결될 파우치(25)를 통해 (예컨대, 버스 바아를 이용하여) 연장할 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 밀폐식 밀봉부는 파우치(25)를 통해 연장하는 단자 주위에 제공된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 파우치(25)(예컨대, 금속 포일 파우치)는 전지 요소(24)의 단자 역할을 할 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 파우치(25)는 (예컨대, 전지 요소의 마이너스 또는 플러스 전극 중 하나에 연결됨으로써) 마이너스 또는 플러스 극성 중 하나를 가질 수 있다.
다양한 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈은 (예컨대, 도 7 내지 도 16과 관련하여 도시 및 설명되는 바와 같이) 전지 요소의 열 관리 또는 조절(예컨대, 냉각 및/또는 가열)을 제공하기 위한 특징부를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시적 실시예에 따르면, 하우징 및/또는 격벽은 전지 요소에 대한 전도성 냉각 및/또는 가열을 제공하기 위한 일련의 판 또는 연장부를 포함할 수 있다. 다른 예시적 실시예의 경우, 하우징 및/또는 격벽 내의 통로 또는 튜브는 냉각 및/또는 온화 유체(예컨대, 기체 또는 액체)가 전지 요소 부근으로 유동하기 위한 공간을 제공하는 역할을 한다. 독자의 편의를 위해, 본 출원의 나머지 부분은 전지 요소의 냉각을 참조할 것이지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 전지 요소의 냉각 또는 가열이 후술되는 예시적 실시예로 달성될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
도 7을 참조하면, 배터리 모듈(322)은 전지 요소(24)에 대한 냉각을 제공하기 위한 열 관리 특징부를 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에 따르면, 연장부 또는 중실 튜브(350)로 도시된 열 관리 특징부는 하우징(326) 내에서 대체로 수직 배향으로 제공된다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(350)는 전지 요소(24)의 각각의 코너에 위치된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브(350)는 격벽(328) 내부에 위치된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에 따르면, 전도성 부재 또는 판(360)은 각각의 튜브(350)의 단부에 부착된다. 전도성 판(360)은 튜브(350) 및 그로 인해 전지 요소(24)를 전도식으로 냉각하기 위한 열 싱크(heat sink)로 작용한다. 예시적 실시예에 따르면, 열은 [예컨대, 냉각 시스템(미도시)을 통해] 전도성 판(360)으로부터 빠져나간다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 다른 예시적 실시예에 따르면, 중공 튜브(350A)는 중실 튜브 대신 사용되며, 전지 요소(24A)를 냉각하기 위해 유체(예컨대, 공기와 같은 기체, 또는 물이나 물 글리콜 혼합물과 같은 액체)를 통과시키도록 구성된다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(350A)는 하우징(326A) 및/또는 격벽(328A)의 일부로 형성(예컨대, 하우징 및/또는 격벽의 벽 내부에 형성)된 중공 통로이다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브(350A)는 하우징(326A) 및/또는 격벽(328A) 내부에 배치된 개별 구성요소이다[예컨대, 튜브(350A)는 하우징 및/또는 격벽의 벽 안에 사전형성된 구멍에 제공될 수 있음]. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브(350A)(또는 통로)는 대체로 수평 배향으로 제공된다(즉, 도 7a에 도시된 바와 같은 대체로 수직 배향에 반대임).
예시적 실시예에 따르면, 유체의 유동은 하나의 전체적인 방향(예컨대, 하우징의 상부로부터 하우징의 바닥으로, 또는 하우징의 바닥으로부터 하우징의 상부로)으로 될 수 있으며, 이때 냉각 튜브의 단부는 [예컨대, 도 7a에 도시된 매니폴드(360A)와 같은] 매니폴드에 의해 연결된다. 매니폴드(들)은 하우징(326)의 위, 아래, 또는 양 측에 제공될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브(350A)는 배터리 모듈을 통과하는 유체에 대한 단일의 유로를 제공하기 위해 서로에 대해 상호연결될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈을 통과하는 유체에 대한 다중 유로를 제공하기 위해, 다중 상호연결 튜브(350A)가 제공될 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에 따르면, 매니폴드(360A)는 튜브(350A)의 개구(352A)로부터 또는 개구로 유체를 공급하는 내부 챔버(362A)(플리넘, 공간, 구역 등)를 포함한다. 튜브(350A)의 대향 단부에서, 개구(351A)는 매니폴드(미도시)에 유사하게 연결될 수 있다. 매니폴드(360A)는 매니폴드(360A)의 내부 챔버(362A)와 유체 연통하는 개구(363A)를 갖는 연결부 또는 플랜지(361A)를 포함한다. 유체는 유체의 유동에 따라 개구(363A) 안으로 또는 개구 밖으로 향할 수 있다.
이제 도 8a 내지 도 9c를 참조하면, 배터리 모듈에 대한 열 관리 특징부의 여러 구성이 다양한 예시적 실시예에 따라 도시된다. 도 8a 및 도 9a에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에 따르면, 실질적으로 [예컨대 도 3에 도시된 배터리 모듈(22)의] 하우징(426A)의 전체 격벽(428A)은 냉각(또는 가열)을 위한 통로로 작용할 수 있다. 예를 들어, 격벽(428A)은 인접 전지 요소를 냉각하기 위해 유체(예컨대, 기체 또는 액체)를 수용하도록 구성된 내부 중공 통로 또는 공간(450A)을 가질 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 중공 공간(450A)은 [예컨대, 도 7a에 도시된 매니폴드(360A)와 같은] 매니폴드에 커플링된다. 매니폴드(들)은 하우징(426A)의 위, 아래, 또는 양 측에 제공될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 격벽(428A) 자체는 중실형이며 [예컨대, 인접 전지 요소를 전도식으로 냉각하기 위해 (예컨대, 도 7에 도시된 전도성 판(360)과 같은) 외부 냉각 부재에 커플링됨으로써] 냉각판으로 작용할 수 있다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 도 8b 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 격벽(428B)은 배터리 하우징의 제1 측으로부터 배터리 하우징의 제2 측으로 연장하는 복수의 개별 튜브 또는 통로(450B)를 (예컨대, 대체로 수평 또는 수직 배향으로) 포함할 수 있다. 이러한 개별 튜브(450B)들은 인접 전지 요소를 냉각하기 위한 유체(예를 들어, 기체 또는 액체)를 수용하도록 구성될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 개별 튜브(450B)들 내의 유체는 배터리 하우징의 제1 측으로부터 배터리 하우징의 제2 측으로 [도 9b에 도시된 바와 같이 입구(451B)를 통해 출구(452B)로] 동일한 방향으로 유동할 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 제1 튜브(450B) 내의 유체는 제1 방향으로 유동할 수 있으며, 동시에 제2 튜브(450B) 내의 유체는 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 유동할 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 복수의 튜브(450B)는 [예컨대, 도 7a에 도시된 매니폴드(360A)와 같은] 매니폴드로 하우징(426B) 또는 격벽(428B)의 양 단부상에 연결될 수 있다. 매니폴드(들)은 하우징(426B)의 위, 아래, 또는 양 측에 제공될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 매니폴드는 여러 격벽(428B)의 튜브(450B)들을 함께 연결하기 위해 하우징(426B)의 일 측을 가로질러 연장할 수 있다.
도 8c 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 다른 예시적 실시예에 따르면, 격벽(428C) 내부의 튜브(450C)들은 구불구불한 방식으로 서로 상호연결될 수 있다. 예를 들어, 도 9c에 도시된 바와 같이, 튜브(450C)들은 격벽(428C) 내부에서 코너 부분(456C)에 의해 연결될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 코너 부분(456C)은 격벽(428C) 외부[예컨대, 격벽(428C)에 대한 외측]에 제공될 수 있다.
도 8c 및 도 9c에 도시된 예시적 실시예에 따르면, 튜브(450C)들은 하우징(426C)의 동일 측상에 위치한 입구(451C) 및 출구(452C)를 갖는다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 입구(451C) 및 출구(452C)는 하우징(426C)의 대향 측상에 위치될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 여러 격벽(428C)으로부터의 튜브(450C)들의 입구(451C)들은 [예컨대, 매니폴드(미도시)에 의해] 함께 연결될 수 있으며, 여러 격벽(428C)으로부터의 튜브(450C)들의 출구(452C)들도 [예컨대, 매니폴드(미도시)에 의해] 함께 연결될 수 있다. 매니폴드(들)은 하우징(426C)의 위, 아래, 또는 양 측에 제공될 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
다른 예시적 실시예에 따르면, 하나의 격벽의 튜브[예컨대, 튜브(450B) 또는 튜브(450C)]는 하우징을 통과하는 유체에 대한 단일 유로가 형성되도록 제2 격벽의 튜브에 단일로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 격벽으로부터의 튜브의 출구는 제2 격벽으로부터의 튜브의 입구에 연결될 수 있으며, 이때 제2 격벽으로부터의 튜브의 출구는 제3 격벽으로부터의 냉각 튜브의 입구에 연결된다.
이제 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 일체형 튜브(550)를 갖는 전지 요소(524)를 포함하는 것으로 도시된다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(550)는 전지 전극[예컨대, 마이너스 전극(540) 및 플러스 전극(542)]과 커플링되어 전지 요소(524)에 대한 집전 장치로써 작용한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브(550)는 전지 요소(524)에 대한 단자로써 또한 작용할 수 있다. 전지 요소(524)와 일체형인 튜브(550)를 갖는 것은 배터리 모듈(522)과 사용되는 구성요소의 전체 개수를 줄여주고, 배터리 모듈(522)의 조립 및 제조에 있어서의 시간 빛 비용을 절감시킨다.
이제 도 11 및 도 12를 참조하면, 전지 요소(624)에 커플링된 [예컨대, 도 13에 도시된 튜브(650)와 같은] 튜브를 갖기 이전의 예시적 실시예에 따른 전지 요소(624)가 도시된다. 전지 요소(624)는 교대로 함께 층을 이루는 플러스 전극(642) 및 마이너스 전극(640)을 포함한다. 분리막(641)은 각각의 전극 층 사이에 배치되고, 플러스 전극과 마이너스 전극을 서로로부터 절연시키기 위해 비전도성 재료(예컨대, 다공성 폴리머 재료)로 구성될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 플러스 전극(642)의 모서리는 전지 요소(624)의 일측에서 밖으로 연장하며, 동시에 마이너스 전극(640)의 모서리는 전지 요소(624)의 대향 단부로부터 밖으로 연장한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 튜브(650)가 마이너스 전극(640) 또는 플러스 전극(642)에 커플링되도록, 튜브(650)는 전지 요소(624)의 각각의 모서리 또는 단부에 커플링된다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(650)가 전극들의 모서리의 중심에 대체로 위치되도록(즉, 실질적으로 전극들의 모서리의 절반이 튜브의 일측에 있고, 실질적으로 전극들의 모서리의 절반이 튜브의 타측에 있도록), 튜브(650)는 전극(640, 642)들의 모서리를 분할한다.
예시적 실시예에 따르면, 전극들(640, 642)의 모서리는 (예컨대, 초음파 용접, 레이저 용접 등에 의해) 튜브(650)에 용접된다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(650)는 전지 요소(624)의 제1 단부(예컨대, 상부)로부터 전지 요소(624)의 제2 단부(예컨대, 바닥)로 실질적으로 튜브(624)의 전체 길이를 따라 용접될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 용접부는 전지 요소(624)의 높이의 일부를 따라서만 연장할 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 용접부는 전지 요소(624)의 높이를 따르는 간헐적 용접부일 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 튜브는 (예컨대, 도 13 및 도 13a에 도시된 바와 같이) 대체로 원형 단면을 가질 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브는 다른 형상(예컨대, 도 13b 내지 도 13e에 도시된 바와 같이, 육각형, 팔각형, 또는 타원형)을 가질 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브는 (예컨대, 도 13에 도시된 바와 같이) 중실 튜브일 수 있으며, 전지 요소에 전도성 냉각(또는 가열)을 제공하기 위해 [예컨대, 도 7에 도시된 판(360)과 같은] 판에 연결되도록 구성될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브는 중공 튜브[예컨대, 도 13a 내지 도 13e에 도시된 바와 같은 튜브(650A-E) 참조]일 수 있으며, 튜브를 통해 유체(예컨대, 공기와 같은 기체 또는 물이나 물/글리콜 혼합물과 같은 액체)를 공급하도록 구성될 수 있다.
이제 도 14 내지 도 14b를 참조하면, 다른 예시적 실시예에 따른 일체형 튜브(750)를 갖는 전지 요소(724)가 도시된다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(750)는 (예컨대, 도 14에 도시된 바와 같이) 중실 튜브일 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브는 튜브의 양 단부에서 개방 단부를 갖는 [예컨대, 도 14a에 도시된 바와 같은 내부 통로(751A)를 갖는 튜브(750A)와 같은] 중공형 튜브일 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브는 튜브의 제1 단부에서 개방 단부를 갖고 튜브의 제2 단부에서 폐쇄 단부를 갖는 [예컨대, 도 14b에 도시된 바와 같이 내부 부분(751B)을 갖는 튜브(750B)와 같은] 중공 튜브일 수 있다.
튜브가 (예컨대, 도 14에 도시된 바와 같이) 중실 튜브일 때, 튜브는 예시적 실시예에 따른 전지 요소에 전도성 냉각(또는 가열)을 제공하기 위해 [예컨대, 도 7에 도시된 판(360)과 같은] 부재 또는 판에 커플링 될 수 있다. 추가적으로, 판(예컨대, 단일, 공통의 판)은 배터리 모듈 내에서 다중 전지 요소의 튜브들에 연결될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 전기 절연 부재는 튜브와 판 사이에 제공된다. 예시적 실시예에 따르면, 판은 전지 요소 아래 위치된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 판은 전지 요소 위에 위치된다.
튜브가 (예컨대, 도 14a에 도시된 바와 같이) 중공 튜브일 때, 유체(예컨대 기체 또는 액체)는 예시적 실시예에 따른 전지 요소에 냉각(또는 가열)을 제공하기 위해 [예컨대, 도 7a에 도시된 매니폴드(360A)와 같은 매니폴드로부터] 튜브로 유입될 수 있다. 이러한 실시예에서, (전지 요소에 대해 집전 장치로 작용하는) 튜브로부터 유체를 전기적으로 절연하기 위해 전기 절연 필름 또는 코팅이 중공 튜브 내에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 유체는 튜브의 바닥으로 유입되어 튜브의 상부에서 배출된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 유체는 튜브의 상부에서 유입되어 튜브의 바닥에서 배출된다.
예시적 실시예에 따르면, 다중 전지 요소의 중공 튜브들은 [예컨대 도 7a에 도시된 매니폴드(360A)와 같은 매니폴드에 의해] 함께 커플링될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 입구 매니폴드는 튜브의 입구 단부에 연결되고 출구 매니폴드는 튜브의 출구 단부에 연결된다. 매니폴드(들)는 하우징의 위, 아래, 또는 양 측에 제공될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈을 통과하는 냉각 유체를 위한 단일 유로를 형성하기 위해, 개별 튜브는 (예컨대, 단부 대 단부로) 서로 연결될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, (예컨대, 도 14b에 도시된 바와 같이) 중공 튜브가 적어도 하나의 폐쇄 단부를 가질 때, 유체(예컨대, 기체 또는 액체)는 전지 요소에 냉각(또는 가열)을 제공하기 위해 튜브의 개방 단부에 유입될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 다중 전지 요소의 튜브의 개방 단부는 [예컨대, 매니폴드 또는 전도성 판(미도시)에 의해] 함께 커플링될 수 있다.
계속하여 도 14 내지 도 14b를 참조하여, 예시적 실시예에 따르면, 튜브는 전지 요소(724)의 단자로 작용할 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 단자는 튜브의 상부 단부에 위치되지만, 다른 예시적 실시예에 따라 어느 곳이든 위치될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 단자는 튜브의 상부이다[예컨대, 도 14 및 도 14b에 도시된 바와 같은 단자들(752, 754, 752B)]. 다른 예시적 실시예에 따르면, 단자[예컨대, 도 14a에 도시된 바와 같은 단자(752A)]는 냉각 튜브의 단부에 커플링되는 개별 구성요소일 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 단자는 버스 바아를 단자에 커플링하는데 사용되는 체결구를 수용하기 위한 구멍[예컨대, 나사형 구멍(756, 756A, 756B)]을 포함할 수 있다.
이제 도 15 내지 도 16을 참조하면, 2개의 예시적 실시예에 따른 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 부분 분해도가 도시된다. 배터리 모듈은 복수의 전기화학 전지 요소(824)(예컨대, 리튬 이온 전지 요소, 니켈-금속-하이드라이드 전지 요소, 리튬 폴리머 전지 요소 등, 또는 현재 알려지거나 이후 개발될 다른 유형의 전기화학 전지 요소)를 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 전기화학 전지 요소(824)는 전하를 저장하도록 구성된 대체로 원통형 리튬 이온 전지 요소이다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 전지 요소(824)는 다른 물리적 구성(예컨대, 타원형, 각기둥형, 다각형 등)을 가질 수 있다. 전지 요소(824)의 용량, 크기, 설계, 및 다른 특징들은 다른 예시적 실시예에 따라 도시된 것들과 또한 다를 수 있다.
도 15 내지 도 16에는 특정 개수의 전기화학 전지 요소(824)(즉, 6개의 전기화학 전지 요소)를 갖는 것으로 도시되었지만, 다른 예시적 실시예에 따르면, 다양한 고려사항(예컨대, 배터리 시스템에 대한 희망하는 전력, 배터리 모듈이 장착되어야만 하는 가용 공간 등)에 따라 전기화학 전지 요소(824)의 다른 개수 및/또는 배열이 사용될 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
예시적 실시예에 따르면, 각각의 전지 요소(824)는 하나 이상의 다른 전지 요소 또는 커넥터, 버스 바아, 또는 유사한 요소(미도시)를 사용하는 배터리 시스템의 다른 구성요소에 전기적으로 커플링된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 전지 요소(824)의 집전 장치 및/또는 단자(미도시)는 전지 요소(824)의 마이너스 전극(840) 및 플러스 전극(842)에 커플링될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 집전 장치 및/또는 단자는 인접 전지 요소(824)들의 단부를 함께 연결하기 위해 격벽의 구멍 또는 개구(미도시)를 통해 제공될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈은 다수의 부재 또는 격벽(828, 928)(벽, 칸막이, 장벽, 패널 등)을 갖는 하우징(826, 926)을 포함한다. 다수의 격벽(828, 928)은 복수의 전기화학 전지 요소(824)를 수용하도록 구성된 일련의 격실(829, 929)(예컨대, 용기, 구획, 상자, 슬롯, 개구 등)을 규정한다. 전지 요소(824)를 부분적으로 또는 완전히 둘러싸거나 덮기 위해 커버(830, 930)가 제공된다.
예시적 실시예에 따르면, 하우징, 커버, 및/또는 격벽은 폴리머 재료(예컨대, 폴리프로필렌) 또는 다른 적절한 재료(예컨대, 전기적 절연 재료)로 제조될 수 있고, (도 3과 관련하여 앞서 논의된 투과성 장벽과 유사한) 투과성 장벽(836, 838)으로 코팅될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 하우징, 커버, 및/또는 격벽은 금속 재료(예컨대, 알루미늄, 스틸 등) 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있고, 별도의 투과성 장벽을 요구하지 않을 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에 따르면, 커버(830)는 리세스(833)로 도시된 복수의 특징부를 포함한다. 각각의 리세스(833)는 하우징(826)의 격실(829)들 중 하나와 유체 연통하는 개구 또는 구멍(834)을 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 리세스(833) 및 개구(834)는 격실(829) 안으로 전해질을 공급하는데 사용된다. 예를 들어, 전해질 충전 헤드(미도시)는 격실(829)에 전해질을 공급하기 위해 각 리세스(833) 및/또는 개구(834)에 걸쳐 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 충전 헤드는 실질적으로 동시에 격실(829)에 전해질을 공급한다. 예시적 실시예에 따르면, 커버(830)가 각 격실(829) 내에서 전해질을 밀봉하도록, 개구(834)는 격실(829)이 전해질로 채워진 후 [예컨대, 열 스테이킹 공정에 의해] 밀봉(예컨대, 폐쇄, 차단 등)된다. 커버는 다양한 격실들 사이를 분리하도록 구성될 수 있다(예컨대, 전해질이 다양한 격실들 사이에서 이동하는 것을 방지할 수 있는 밀봉부를 형성하기 위해 커버를 격벽의 벽의 상부에 부착 또는 용접하는 것에 의해, 레이저 용접, 접착제, 또는 커버를 하우징에 연결하기 위한 다른 알려진 방법이 다양한 예시적 실시예에 따라 사용될 수 있음).
도 16에 도시된 바와 같이, 다른 예시적 실시예에 따르면, 커버(930)는 채널 또는 슬롯(935)에 의해 상호연결된 리세스(933)로 도시된 복수의 특징부를 포함한다. 커버(830)와 유사하게, 각 리세스(933)는 하우징(926)의 격실(929)들 중 하나와 유체 연통하는 개구 또는 구멍(934)을 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 리세스(933) 및 개구(934)는 격실(929) 안으로 전해질을 공급하는데 사용된다. 예를 들어, 전해질 충전 헤드(미도시)는 격실(929)에 전해질을 공급하기 위해 적어도 하나의 리세스(933) 및/또는 개구(934)에 걸쳐 제공될 수 있다. 채널(935)은 전해질이 한 리세스(933)로부터 다른 리세스로 유동하는 것을 허용한다. 예시적 실시예에 따르면, 충전 헤드는 실질적으로 동시에 격실(929)에 전해질을 공급한다. 예시적 실시예에 따르면, 커버(930)가 각 격실(929) 내에서 전해질을 밀봉하도록, 개구(934)는 격실(929)이 전해질로 채워진 후 [예컨대, 열 스테이킹 공정에 의해] 밀봉(예컨대, 폐쇄, 차단 등)된다. 커버는 다양한 격실들 사이를 분리하도록 구성될 수 있다(예컨대, 전해질이 다양한 격실들 사이에서 이동하는 것을 방지할 수 있는 밀봉부를 형성하기 위해 커버를 격벽의 벽의 상부에 부착 또는 용접하는 것에 의해, 레이저 용접, 접착제, 또는 커버를 하우징에 연결하기 위한 다른 알려진 방법이 다양한 예시적 실시예에 따라 사용될 수 있음).
이제 도 15a를 참조하면, 전지 요소(824)는 하우징에 제공되기 전에 선택적인 파우치(825)(예컨대, 금속 포일 파우치 또는 폴리머 파우치) 내부에 배치될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 파우치(825)는 전지 요소(824)의 상부측에서 개방되고 전지 요소(824)의 하부측에서 폐쇄된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 파우치(825)는 전지의 상부측과 하부측 모두에서 폐쇄(예컨대, 밀폐식 밀봉)된다. 예시적 실시예에 따르면, 전해질은 전지 요소(824)와 파우치 내부에 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 파우치(825)는 통상적인 전지의 강성, 금속 하우징을 대체하도록 제공된다. 재료 비용은 강성, 금속 전지 하우징 대신 얇은, 가요성 파우치를 가짐으로써 절감될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 파우치(825)가 사용될 때, 전지 요소(824)의 집전 장치 및/또는 단자는 인접 전지 요소의 집전 장치 및/또는 단자에 연결되기 위해 파우치(825)를 통해 연장할 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 밀폐식 밀봉부는 파우치(825)를 통해 연장하는 집전 장치 및/또는 단자 주위에 제공된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 파우치(825)(예컨대, 금속 포일 파우치)는 전지 요소(824)의 단자의 역할을 할 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 파우치(825)는 [예컨대, 전지 요소(824)의 마이너스 전극(840) 또는 플러스 전극(842)에 연결됨으로써] 마이너스 또는 플러스 극성을 가질 수 있다.
도 15 내지 도 16을 참조하며, 예시적 실시예에 따르면, 배터리는 전지 요소의 냉각 및/또는 가열을 제공하기 위한 특징부를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈의 하우징 및/또는 격벽은 전지 요소에 대한 냉각 또는 가열을 제공하도록 작용하는 일련의 통로 또는 튜브를 포함할 수 있다. 독자의 편의를 위해, 본 출원의 나머지 부분은 전지 요소의 냉각을 참조할 것이지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 전지 요소의 냉각 또는 가열이 이하 설명되는 예시적 실시예를 통해 달성될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
도 15를 참조하면, 배터리 모듈은 예시적 실시예에 따라 통로(850A, 850B)로 도시된 열 관리 특징부를 포함한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 통로(850A, 850B)는 하우징(826) 내에서 격벽(828)에 의해 형성된다. 배터리 모듈은 통로(850A, 850B)와 유체 연통하는 개구 또는 구멍(864A, 864B)을 포함하는 매니폴드(860)를 또한 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 유체는 인접 전지 요소(824)를 냉각하기 위해 매니폴드(860)로부터 통로(850A, 850B)로 공급된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 유체는 통로(850A, 850B)로부터 매니폴드(860)로 공급된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 매니폴드(860)는 개구(863)를 갖는 연결부(861)를 포함한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, [예컨대, 매니폴드(860)와 유사한] 매니폴드는 (예컨대, 입구 또는 출구 매니폴드로 작용하도록) 매니폴드(860)를 대향하는 통로(850A, 850B)의 단부에 제공될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 유체의 유동은 통로(850A, 850B)의 단부가 매니폴드[예컨대, 매니폴드(860)]에 의해 연결된 상태로 대체로 한 방향[예컨대, 하우징(826)의 상부로부터 하우징(826)의 바닥으로, 또는 하우징(826)의 바닥으로부터 하우징(826)의 상부로]일 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 통로(850A, 850B)는 배터리 모듈을 통과하는 유체에 대한 단일 유로를 제공하기 위해 서로 상호연결될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈을 통과하는 유체에 대한 다중 유로를 제공하기 위해, 다중 상호연결 통로(850A, 850B)가 배터리 모듈에 제공될 수 있다.
도 16을 참조하여, 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈은 하우징(926) 내에 제공된 튜브(950A, 950B)로 도시된 열 관리 특징부를 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(950A, 950B)는 격실(929)을 형성하는 격벽(928)들 사이에 배치된 개별 구성요소이다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(950A, 950B)는 유체(예컨대, 기체 또는 액체)를 수용하도록 구성된 중공 튜브이다. 예시적 실시예에 따르면, 튜브(950A, 950B)는 전지 요소(824)들 사이의 가용 공간을 효율적으로 활용하도록 크기설정된다.
예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈은 튜브(950A, 950B)와 유체 연통하는 개구 또는 구멍(964A, 964B)을 포함하는 매니폴드(960)를 또한 포함한다. 예시적 실시예에 따르면, 유체는 인접 전지 요소(924)를 냉각하기 위해 매니폴드(960)로부터 튜브(950A, 950B)로 공급된다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 유체는 통로(950A, 950B)로부터 매니폴드(960)로 공급된다. 도 16에 도시된 바와 같이, 매니폴드(960)는 개구(963)를 갖는 연결부(961)를 포함한다. 다른 예시적 실시예에 따르면, [예컨대, 매니폴드(860)와 유사한] 매니폴드는 (예컨대, 입구 또는 출구 매니폴드로 작용하도록) 매니폴드(860)를 대향하는 튜브(950A, 950B)의 단부에 제공될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 유체의 유동은 튜브(950A, 950B)의 단부가 매니폴드[예컨대, 매니폴드(960)]에 의해 연결된 상태로 대체로 한 방향[예컨대, 하우징(926)의 상부로부터 하우징(926)의 바닥으로, 또는 하우징(926)의 바닥으로부터 하우징(926)의 상부로]일 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 튜브(950A, 950B)는 배터리 모듈을 통과하는 유체에 대한 단일 유로를 제공하기 위해 서로 상호연결될 수 있다. 다른 예시적 실시예에 따르면, 배터리 모듈을 통과하는 유체에 대한 다중 유로를 제공하기 위해, 다중 상호연결 튜브(950A, 950B)가 배터리 모듈에 제공될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 튜브(950A, 950B)는 중실 튜브일 수 있고, 전지 요소에 대한 전도성 냉각을 제공하기 위해 튜브(950A, 950B) 위에 또는 그 아래에 위치된 부재 또는 판(미도시)에 연결되도록 구성된다.
본원에서 사용되는 용어 "대략적으로(approximately)", "약(about)", "실질적으로(substantially)", 및 이와 유사한 용어들은 상식과 조합되어 본 발명의 주제와 관련된 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 용인되는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 명세서를 검토하는 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 용어들이 특징부의 범위를 제시된 정확한 수치 범위로 제한하지 않고 설명 및 청구된 특정한 특징부의 설명을 허용하는 것으로 이해하여야 한다. 따라서, 이러한 용어들은 설명 또는 청구된 주제의 비실질적인 또는 중요하지 않은 개조물 또는 대체물이 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명의 범위 내에 속한다는 것을 지시하는 것으로 해석되어야 한다.
다양한 실시예들을 설명하기 위해 본원에서 사용되는 용어 "예시적(exemplary)"은 이러한 실시예들이 가능한 예시, 현시, 및/또는 가능한 실시예의 도를 지시하도록 의도된다는 것을 유의하여야 한다(또한, 이러한 용어는 이러한 실시예가 반드시 특이한 또는 최상의 예시라는 것을 함축하도록 의도되지 않는다).
본원에서 사용되는 용어 "커플링된(coupled)", "연결된(connected)" 등은 2개의 부재를 직접적으로 또는 간접적으로 상호 연결하는 것을 의미한다. 이러한 연결은 정지상태(예컨대, 영구적인), 또는 이동가능한 상태(예컨대, 제거가능 또는 방출가능)일 수 있다. 이러한 연결은 2개의 부재, 또는 2개의 부재 및 서로 간에 또는 2개의 부재와 단일의 일체형 몸체로 통합적으로 형성된 임의의 추가 중간 부재, 또는 2개의 부재 및 서로 부착되는 임의의 추가 중간 부재로 달성될 수 있다.
본원에서 구성요소의 위치에 대한 참조(예컨대, "상부(top)", "하부(bottom)", "위(above)", "아래(below)" 등)는 도면에서 다양한 구성요소의 배향을 설명하기 위해서만 사용된다. 다양한 구성요소의 배향은 다른 예시적 실시예에 따라 다를 수 있으며, 이러한 변형은 본 명세서에 포함된다는 것을 유의하여야 한다.
다양한 예시적 실시예에 도시된 커넥터들의 구성 및 배열은 오직 예시적일 뿐이라는 것을 유의하는 것이 중요하다. 본 명세서에서 오직 몇 개의 실시예가 상세하게 설명되었더라도, 본 명세서를 검토한 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본원에 설명된 주제의 신규한 교시 및 장점을 문언적으로 벗어남 없이 많은 개조물(예컨대, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비례, 파라미터 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 배향 등의 변형)이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 일체로 형성되어 도시된 구성요소는 다수의 부품 또는 구성요소로 이루어질 수 있고, 구성요소들의 위치는 역전되거나 또는 변형될 수 있으며, 개별 구성요소의 본질 또는 개수 또는 위치는 변하거나 다양화될 수 있다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예에 따라 변화하거나 재정렬될 수 있다. 다양한 예시적 실시예의 설계, 작동 조건 및 배열에 있어서, 본 발명의 범위를 벗어남 없이 다른 대체, 변경, 변화, 및 생략이 또한 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 리튬 이온 배터리 모듈이며,
    내부에 복수의 격실을 갖는 플라스틱 하우징과,
    하우징의 각각의 격실 내에 하나씩 제공되는 리튬 이온 전지 요소와,
    하우징에 커플링되는 커버를 포함하며,
    각각의 전지 요소는 적어도 하나의 플러스 전극, 적어도 하나의 마이너스 전극, 및 플러스 전극과 마이너스 전극 사이에 제공되어 플러스 전극과 마이너스 전극을 분리하는 분리막을 포함하며,
    커버는 하우징의 격실들을 각각 밀봉하도록 구성되고, 하우징 및 커버는 각각의 격실에 대한 투과성 장벽으로 작용하는 금속을 포함하며, 투과성 장벽은 물이 플라스틱 하우징을 침투하여 전지 요소에 닿는 것을 방지하는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    커버는 각각의 격실 안으로 전해질을 공급하도록 구성되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    금속은 복수의 금속 포일 파우치를 포함하고, 각각의 금속 포일 파우치는 개별 전지 요소 주위에 배치되며, 각각의 금속 포일 파우치는 투과성 장벽으로 작용하도록 구성되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    금속은 커버 및 격실 상에서 투과성 장벽으로 작용하는 금속 산화물 코팅을 포함하는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    금속 산화물 코팅은 하우징의 각각의 격실 및 커버의 내부 표면에 적용되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    금속 산화물 코팅은 하우징 및 커버의 외부 표면에 적용되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  8. 제2항에 있어서,
    커버는 하우징 내에서 전해질이 제공되는 단일 지점을 제공하기 위해 하우징의 각각의 격실과 유체 연통하는 채널을 포함하는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    하우징은 배터리 모듈의 전지 요소의 열 관리를 위해 구성되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    하우징은 하나 이상의 전지 요소의 열 관리를 위해 유체를 공급하도록 구성된 중공 튜브를 더 포함하는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    중공 튜브는 중공 튜브에 유체를 공급하는 매니폴드에 연결되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  12. 제9항에 있어서,
    하우징은 하나 이상의 전지 요소의 열 관리를 위해 구성된 중실 튜브를 포함하며, 배터리 모듈은 중실 튜브에 전도적으로 커플링된 열 전도판을 더 포함하는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  13. 제9항에 있어서,
    하우징의 하나 이상의 격벽은 전도판이거나 또는 유체를 공급하도록 구성된 중공 튜브를 포함하는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  14. 제9항에 있어서,
    하우징은 전지 요소의 각각의 모서리에 전도적으로 커플링된 하나 이상의 튜브를 더 포함하고, 각각의 튜브는 튜브가 커플링된 전지 요소에 대한 집전 장치 및 단자로서 작용하도록 구성되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    각각의 튜브는 중공 튜브이며 유체를 수용하도록 구성되는
    리튬 이온 배터리 모듈.
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