KR102343756B1 - 어큐뮬레이터들과 버스바들 사이의 수동 자기용 디바이스들을 구비하는 어큐뮬레이터 배터리 팩, 및 적절한 경우, 이들의 고장의 경우 하나 이상의 어큐뮬레이터들의 수동 션트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 본질적으로 각각의 배터리(A)가 마그네틱 디바이스(11,15)에 의해 버스바(B1,B2)에 기계적 및 전기적으로 연결된 배터리 팩(P)으로 구성된다.
임의의 어큐뮬레이터가 고장나는 경우, 그 고장이 마그네틱 디바이스의 불활성화를 생성하기 때문에, 어큐뮬레이터는 완전히 수동적으로 단선된다. 단선은 어큐뮬레이터의 중력 낙하 및 아마도 어큐뮬레이터 션트의 완전한 수동적 구현을 야기한다.
임의의 어큐뮬레이터가 고장나는 경우, 그 고장이 마그네틱 디바이스의 불활성화를 생성하기 때문에, 어큐뮬레이터는 완전히 수동적으로 단선된다. 단선은 어큐뮬레이터의 중력 낙하 및 아마도 어큐뮬레이터 션트의 완전한 수동적 구현을 야기한다.
Description
본 발명은 금속-이온 또는 다른 케미스트리(chemistry)(납, 등)의 배터리들 또는 어큐뮬레이터(accumulator)들의 분야에 관한 것이다.
우선, 본 발명은 어텐던트(attendant) 조립체, 버스바(busbar)들로 명명되는 바(bar)들을 전기적으로 연결하는 다수의 배터리들 또는 어큐뮬레이터들을 가진 배터리 팩의 비용과 안전성을 향상시키는데 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명은 연결/단선(disconnection) 및 필요한 경우, 각각의 단위 어큐뮬레이터를 위해 또는 배터리 팩 내부의 어큐뮬레이터들의 브랜치(branch)를 위한 마그네틱 록킹/언록킹에 기반하는 션트(shunt) 디바이스들을 제안한다.
특히, 팩의 유효 전력을 조절하고, 하나 이상의 어큐뮬레이터들이 고장날 경우, 팩의 작동의 안전성과 연속성을 보장하기 위해, 마그네틱 록킹/언록킹에 기반하는 이러한 디바이스들은 하나 이상의 전자 제어 시스템(BMS)을 통해 배터리 팩을 능동 또는 수동으로 제어할 수 있다.
본 발명은 리튬-이온 어큐뮬레이터를 참조하여 설명되었지만, 임의의 금속-이온 전기화학적 어큐뮬레이터 즉, 소듐-이온, 알루미늄-이온, 심지어 다른 케미스트리(납, 등)에 적용된다.
선행기술
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 보통, 리튬-이온 배터리 또는 어큐뮬레이터는, 양극 또는 캐소드(2)와 음극 또는 애노드(3) 사이의 전해질-침착된 분리 컴포넌트(1), 캐소드(2)에 연결된 집전체(4), 애노드(3)에 연결된 집전체(5)로 구성된 적어도 하나의 전기화학적 셀(C)을 구비하고, 최종적으로 전기화학적 셀을 기밀하게 밀봉하도록 배치되는 한편 집전체들(4,5)의 일부가 관통되도록 되어 있는 패키징(6)을 구비한다.
다양한 형태의 어큐뮬레이터 아키텍쳐 구조는 다음과 같이 알려져 있다.
- 미국 출원 번호 US 2006/0121348에 개시된 바와 같은 원통형 구조;
- 미국 특허 번호들 US 7348098, US 7338733에 개시된 바와 같은 각형 구조;
- 미국 출원 번호들 US 2008/060189, US 2008/0057392, 및 미국 특허 번호 US 7335448에 개시된 바와 같은 스택 구조.
전해질 컴포넌트(1)는 고체, 액체 또는 겔 형태일 수 있다. 겔 형태에서, 전래질 컴포턴트는, 충전의 경우 캐소드로부터 애노드까지 리튬 이온을 이동시키고 방전의 경우 그 반대로 작동됨으로써 전류를 생성하는, 폴리머, 세라믹, 또는 유기 전해질로 침착된 다공성 복합재, 또는 이온성 액체 형태로 제조된 세퍼레이터를 구비할 수 있다. 일반적으로, 전해질은 예를 들어, 리튬염이 첨가된 탄산염들, 전형적으로 LiPF6와 같은 유기 용매들의 혼합물이다.
양극 또는 캐소드(2)는 일반적으로 LiFePO4, LiCoO2, Lini0.33Mn0.33Co0.33O2와 같은 복합재인 리튬 양이온 삽입 재료로 구성된다.
음극 또는 애노드(3)는 때때로 실리콘 또는 실리콘에 기반하여 형성된 복합재에 기반할 수 있는, 그래파이트 카본 또는 Li4TiO5O12(티탄산염 재료)로 구성된다.
양극에 연결되는 집전체(4)는 일반적으로 알루미늄으로 제조된다.
음극에 연결되는 집전체(5)는 일반적으로 구리, 니켈-도금된 구리 또는 알루미늄으로 제조된다.
전통적으로, Li-이온 배터리 또는 어큐뮬레이터는, 전형적으로 3.6 볼트와 동일한 고전압 레벨로 작동하도록 애노드와 캐소드에서 한 쌍의 재료들을 사용한다.
표적이 되는 응용의 형태에 따르면, 얇고 플렉스블한 리튬-이온 어큐뮬레이터 또는 강성 어큐뮬레이터의 어느 하나를 생성하는 목적을 추구하고, 패키징은 플렉스블하거나 강성이고, 강성의 경우, 하우징 형태로 구성된다.
플렉스블 패키징들은 일반적으로 하나 이상의 접착-라미네이트된 폴리머 필름(들)에 의해 덮인 알루미늄의 스택으로 구성된 다층 복합재료로부터 제조된다.
예를 들어, 매우 높은 압력에 견딜 수 있고, 10-8 mbar.l/s보다 더 낮은 더 강한 기밀-시일의 수준이 요구되거나, 항공 또는 우주 영역과 같이 높은 응력을 가진 매체 내에 사용되는 것과 같이, 표적이 되는 응용들이 제한적이거나 긴 수명이 요구될 때, 강성 패키징들이 사용된다.
또한, 지금까지 사용된 강성 패키징은, 전형적으로, 스테인리스 스틸(316L 스테인리스 스틸 또는 304 스테인리스 스틸) 또는 알루미늄(Al 1050 또는 Al 3003), 또는 심지어 티타늄과 같이, 일반적으로 금속으로 제조된다. 나아가서, 알루미늄은 일반적으로 아래에서 설명된 바와 같이 열 전도성 계수가 높기 때문에 선호된다.
대부분의 어큐뮬레이터들의 전기화학적 셀들은 원통형 맨드릴 주위에 원통 구조에 따른 권취에 의해 감겨지기 때문에, Li-이온 어큐뮬레이터 패키징들의 대부분의 강성 하우징들의 구조는 원통형이다. 각형 하우징들은 각형 맨드릴 주위의 권취에 의해 제조되었다.
고-용량 Li-이온 어큐뮬레이터를 위해 일반적으로 제조되는 원통형의 강성 하우징들의 하나는, 도 3에 도시된다.
각형 강성 하우징은 도 4에 도시되어 있다.
하우징(6)은 원통형 측면 재킷(7), 일단의 바닥(8), 타단의 커버(9)를 구비하고, 바닥(8)과 커버(9)는 재킷(7)에 조립되어 있다. 커버(9)는 전극들 또는 출력 단자들(4,5)을 지지한다. 출력 단자(전극)들의 하나 예를 들어, 양극 단자(4)는 커버(9)에 용접되는 반면 다른 출력 단자 예를 들어, 음극 단자(5)는 커버로부터 음극 단자(5)를 전기적으로 절연하는 시일(seal)이 삽입된 커버(9)를 통과한다.
광범위하게 제조되는 강성 하우징의 형태는 레이저-용접에 의해 그 테두리 위에 용접된 스탬프된 컵과 커버로 구성된다. 다시 말해서, 집전체들은 하우징의 꼭대기 상에서 돌출하는 부분을 가지고, 배터리의 눈에 보이는 극(pole)로 명명되는 단자를 형성하는 부싱을 구비한다.
그러한 단자의 생성의 어려움은 강인한 디자인을 가지기 위해 배터리의 다양한 컴포넌트들의 조립체 내에 기본적으로 존재한다. 특정의 전기화학적 페어링(pairing)들과 호환되기 위해 사용되는 재료들의 성질 역시 중요하다. 사실상, Li-이온 기술은 바람직하게 오염의 존재와 잠재적으로 부식으로 이어지는 전해질의 존재 내의 전지쌍 물질의 생성를 피하기 위해 어큐뮬레이터 내부에서 선택될 가장 순수한 가능성 있는 알루미늄 등급을 필요로 한다.
부가적으로, 기밀-시일 부싱으로서 단자는 기계적으로 강성일 필요가 있고 다음 조건들을 만족해야 한다.
- 어큐뮬레이터의 조립 단계들 동안 불변형성;
- 어큐뮬레이터와 버스바의 조립 가능성과 버스바를 통한 전류의 통과 보장;
- 응용에서 어큐뮬레이터의 전체 수명 동안, 변형도 없고 누설도 없이, 진동, 기계적 충격들, 온도와 압력 변화들 등에 견디면서 온전하게 남아 있을 가능성; 및
- 5 Ah보다 더 낮은 정격 용량의 어큐뮬레이터의 경우에도 전력 응용에 사용될 수 있도록 하기 위해, 50A를 넘을 수 있는 고전류의 드레인의 허용 가능성.
일반적으로, 음극은 때때로 그래파이트로 구성되고, 따라서 구리 상에 코팅되기 때문에 Li-이온 어큐뮬레이터들의 출력 단자들을 형성하는 기밀-시일 부싱들은 니켈-도금된 구리로 제조되지만, 알루미늄 기재 상에 코팅되어 있는 특수한 특징들을 가진 티탄산염, 소듐 또는 실리콘과 같은 재료들을 위해 알루미늄으로 제조될 수 있다.
프랑스 특허 출원 FR2989836은 전형적으로 100A 정도의 매우 높은 전류를 만들 수 있는 금속-이온 어큐뮬레이터의 출력 단자를 형성하는 부싱을 개시한다.
배터리 팩(P)은, 버스바들로 일반적으로 명명되는 기계적 및 전기적 연결 바아들 또는 트랙들에 의해 직렬 또는 병렬로 서로 전기적으로 연결되고, 수 천개와 같이 많을 수 있는 다양한 갯수의 어큐뮬레이터들로 구성된다.
일반적으로, 다양한 전기적 아키텍쳐들이 배터리 팩(P) 내에 구획될 수 있다. 따라서, 어큐뮬레이터들은 서로 병렬로 연결 즉, 모든 양극 단자들이 서로 연결되고 모든 음극 단자들 역시 서로 연결될 수 있다. 이러한 연결들은 다른 브랜치에 직렬로 연결될 수 있는 하나의 브랜치를 형성한다. 또한, 서로 직렬로 연결된 즉, 양극 단자들이 음극 단자들에 연결된 어큐뮬레이터들을 가질 수 있다. 이러한 연결들은 다른 브랜치에 병렬로 연결될 수 있는 브랜치를 형성한다.
아키텍쳐와 무관하에, 직렬 또는 병렬의 각각의 브랜치는 일반적으로 2개 내지 수 천 개의 어큐뮬레이터들을 포함할 수 있다.
현재의 배터리 팩들의 어큐뮬레이터들은 일반적으로 용접, 스크류 체결 또는 후우핑(hooping)에 의해 하나 이상의 버스바들 상에 조립된다.
배터리 팩(P)의 예는 도 5에 도시되어 있다. 이러한 팩은, 동일하고 서로 직렬로 연결된 Li-이온 어큐뮬레이터들의 2개의 모듈들(M1,M2)로 구성되고, 각각의 모듈(M1,M2)은 병렬로 연결된 어큐뮬레이터들의 4개의 줄(row)들로 구성되어 있고, 각각의 줄은 6개의 Li-이온 어큐뮬레이터들과 동일한 수로 구성되어 있다.
제시된 바와 같이, 하나의 동일한 줄의 2개의 Li-이온 어큐뮬레이터들 사이의 기계적 및 전기적 연결은 바람직하게 구리로 제조되고, 각각 양극 단자(4)를 음극 단자(5)에 연결하는 버스바들(B1)의 스크류 작업에 의해 생성된다. 하나의 동일한 모듈(M1 또는 M2) 내부에서 병렬의 어큐뮬레이터들의 2개의 줄들 사이의 연결 역시 구리로 제조된 버스바(B2)에 의해 보장된다. 2개의 모듈들(M1,M2) 사이의 연결은 구리로 제조된 버스바(B3)에 의해 보장된다.
이러한 조립은, 상대적으로 길고 상대적으로 제조비가 높다.
나아가서, 취급되어야 할 라이브(live) 어큐뮬레이터는 조작자가 TST 형태의 제한적인 승인을 얻을 필요가 있다.
특허 번호 CN 2285515는 어큐뮬레이터를 파지하지 않으면서 신속한 연결의 장점을 제공하는 저-전압 어큐뮬레이터를 위한 자기(magnetic) 서포트를 제시한다. 이러한 고정 방식은 저-전압 어큐뮬레이터들을 가진 상이한 충전/방전 응용들 등을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 배터리 팩 내부의 버스바 상에서 직렬로 배치된 고-전압 어큐뮬레이터들과는 호환되지 않는다.
리튬-이온 배터리들의 개발과 제조에서, 각각의 새로운 요구에 특수한 각각의 충전/방전 프로파일을 위해, 모든 시장 플레이어들을 위해, 이것은 강력하고 안전한 배터리 팩을 최적으로 디자인하기 위한 정확한 치수(직렬/병렬 전기적, 기계적, 열적 및 다른 아키텍쳐)를 필요로 한다.
셀, 모듈 또는 팩 스케일에서, 리튬 전기화학 시스템은, 주어진 모든 사이클링 프로파일에서 발열 반응을 생성한다. 따라서, 단위 어큐뮬레이터의 스케일에서, 고려되는 케미스트리들에 의존하여, 리튬-이온 어큐뮬레이터들의 최적 작동은 특정의 온도 범위 내에 제한된다.
어큐뮬레이터는, 가스와 폭발 및/또는 화재의 생성이 따를 수 있는 열 폭주를 방지하기 위하여, 일반적으로 그 외부 하우징 표면 상의 온도를 70℃ 미만으로 모니터해야만 한다.
또한, 어큐뮬레이터의 작동 온도가 더 높아질수록 수명이 더 감소되기 때문에, 70℃ 미만으로 온도를 유지하면 그 수명을 증가시킬 수 있다.
나아가서, 일부 어큐뮬레이터 케미스트리들은 상온보다 더 높은 작동 온도를 필요로 하고 결과적으로, 심지어 어큐뮬레이터들을 일정한 온도로 영구적으로 유지함으로써 어큐뮬레이터들의 초기 예열에 의해 그들의 온도 레벨을 조절할 필요성을 입증한다.
배터리 또는 다양한 고-에너지 Li-이온 어큐뮬레이터들을 가진 배터리 팩에서, 다양한 어큐뮬레이터들은 전형적으로 1kW.h보다 더 높은 필요한 전압의 레벨을 얻기 위해 직렬로 배치되고, 공급될 전류를 얻기 위해 병렬로 연결된다. 직렬/병렬 연결은 다양한 와이어링 토폴로지(topology)를 이용하여 모듈들의 어큐뮬레이터들의 레벨에서 수행될 수 있다.
다소 상이한 어큐뮬레이터들의 직렬 또는 병렬 연결은 팩을 위한 결과적인 성능 레벨들과 내구성의 결과를 가질 수 있다.
따라서, 어큐뮬레이터들 사이의 에이징 비대칭 또는 용법 차이들(팩의 코어들과 에지들 사이의 열 변화, 전류 구배, 등)의 결과로서 예를 들어, 전기차의 배터리 팩에서, 에이징(aging)-분산은, 예를 들어, 어큐뮬레이터들의 위치의 함수로서 높을 수 있다. 따라서, 하나의 동일한 팩의 어큐뮬레이터들 사이의 20% 정도의 효율 상태(SOH)의 차이들이 관찰될 수 있다.
또한, 팩의 너무 이른 에이징을 제한하기 위해, 하나의 어큐뮬레이터로부터 다른 어큐뮬레이터까지의 작동 온도와 온도 확산을 최적화시킬 필요가 있다. 다른 것보다 더 빨리 노화되는 어큐뮬레이터(또는 어큐뮬레이터들)는 전체 배터리 팩의 전기적 성능 레벨들에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.
일반적으로, 배터리 팩 내의 하나의 어큐뮬레이터의 고장은 다음과 같은 영향을 미칠 수 있다.
- 한편으로, 결함이 있는 어큐뮬레이터 내에 저장된 에너지의 방출, 및 다른 한편으로, 팩의 다른 어큐뮬레이터들의 에너지의 방출. 팩으로부터 선택된 토폴로지에 의존하여, 팩의 다른 어큐뮬레이터들에 의해 부가된 에너지는 그 자체의 어큐뮬레이터 상에 존재하지 않았던 폭발 또는 화재의 위험을 야기할 수 있다.
- 어큐뮬레이터들의 코어에서 전기화학적 반응들은 단위 어큐뮬레이터들의 파괴를 초래할 수 있고, 내부적 결함이 어큐뮬레이터로 전파(일반적으로 내부 단락)되어 팩의 폭발을 초래할 수 있다. 따라서, 내부 컴포넌트들의 저하 에너지가 높을 수 있다. 이 경우, 아래에서 설명되는 바와 같이, 팩의 다른 셀들을 보호하기 위해 제어 시스템(BMS)에 의존할 필요가 있다.
- 전체 팩은 응용을 위해 더 이상 사용될 수 없거나 저하된 모드(예, 더 낮은 에너지)일 수 있다. 따라서, 하나의 어큐뮬레이터의 결함이 팩 내에서 관찰되면, 그것을 신속하게 분리시켜 그것을 무기력하게 만들어서, 나머지 팩의 서비스의 연속성을 보장하는 것이 중요하다. 예를 들어, 항공기 내에 통합된 APU의 리튬-이온 배터리는 상기 항공기의 작동을 방해해서는 안되고 비행 동안 최적의 안전성을 보장해야 한다.
배터리 팩 내의 금속-이온 어큐뮬레이터가 고장날 경우 바이패스의 생성은 이미 제안된 바 있다.
그러므로, 미국 특허 번호 US 5438173은 그러한 바이패스를 생성할 수 있는 센서를 제시한다. 이러한 센서는 배터리의 고장을 탐지한 후, 고장난 어큐뮬레이터 주위의 다른 전기적 경로를 스위치가 자동적으로 개방시키고, 배터리 시스템의 나머지의 고장을 방지하고 작동을 계속하게 할 수 있다. 어큐뮬레이터의 바이패스 스위치는 보호하는 어큐뮬레이터와 병렬로 배치되도록 설계된다. 이러한 스위치는 2개의 피스톤들을 작동시키기 위해 어큐뮬레이터 하우징의 꼭대기 끝단 상에 장착된 전기 기계적 액츄에이터들의 2개의 세트들을 구비한다. 전기 기계적 액츄에이터들의 각각은, 액츄에이터의 2개의 전기 단자들을 연결하는 브리지 와이어에 의해 종단된 리테이닝(rataining) 와이어의 단단한 와이어 작업에 의해 서로 유지된 2개의 코일 절반(half)들을 구비한다. 각각의 코일은 리테이닝 와이어의 와인딩의 힘을 이용하여 스프링 플런저를 보유할 수 있다. 충분한 전류가 단자들과 브리지 와이어를 통과할 때, 브리지 와이어는 가열되어 끊어지고, 리테이닝 와이어의 풀림(unwinding)을 촉발시킴으로써, 코일이 분리되고 피스톤이 자유롭게 된다.
이러한 특허에 개시된 기계적 시스템은 실제로 구현이 복잡하고 어큐뮬레이터 그 자체에 의한 고장을 탐지할 수 없다.
미국 특허 번호 US6093896은, 배터리 팩 내에서 직렬로 연결된 고장난 어큐뮬레이터를 자동적으로 바이패스할 수 있는, 동일한 단점들을 가진 유사한 시스템을 제시한다.
다시 말해서, 지금까지 제안된 패터리 팩 내부의 고장난 어큐뮬레이터를 바이패스시키기 위한 모든 시스템들은 기계적이고, 일반적으로 회로의 전기적 바이패스를 작동시키는 어큐뮬레이터 고장 센서를 가진다.
그래서, 지금까지, 어큐뮬레이터가 그것을 션트하고 배터리 팩의 작동의 연속성을 보장하도록 설계된 임의의 시스템이 존재하지 않았으며, 전형적으로 수 kW의 고-전압 배터리 팩의 버스바로부터 어큐뮬레이터를 단선(disconnecting)하기 위한 임의의 시스템도 존재하지 않았으며, 더 강력하게, 고장난 어큐뮬레이터의 열이 팩의 나머지 부분으로 전파되는 것을 방지하기 위해, 고장난 어큐뮬레이터의 단선과 무기력화를 조합하는 임의의 시스템도 존재하지 않았다.
여기서, "무기력화(inerting)"는 본 발명의 맥락에서, 어큐뮬레이터 내부의 불필요한 전기화학적 반응들에 의해 생성되는 어큐뮬레이터의 폭주를 멈추게 하는 거동을 의미한다.
더군다나, 모듈과 팩 스케일에서, 예를 들어, 전형적으로 0℃ 미만에서, 팩의 요구되는 파워를 제한하고 어큐뮬레이터들의 퇴화를 방지하기 위해서, BMS를 통한 특정의 제어에 의존할 필요가 있다.
여기서, BMS("배터리 관리 시스템"의 두문자어)는 상이한 어큐뮬레이터들의 상태(총 전압 또는 각각의 어큐뮬레이터의 전압, 온도, 충전 상태, 방전 깊이, 건강 상태, 냉각수 유동 속도, 전류값 등)를 추적하고, 너무 높지 말아야 하는 전류들, 부적합한 전위차(너무 높거나 너무 낮은), 한계 온도들과 같은 상이한 안전성 요소들을 제어하는데 사용되므로, BMS의 기능은 특히, 임계 전압값 즉, 2개의 활성 삽입 재료들 사이의 전위차가 도달 하자마자 전류의 공급을 멈추는 것이다. 그러므로, BMS는 임계 전압이 도달하자 마자 작동(충전, 방전)을 멈춘다. BMS는 다음과 같은 배터리 팩의 상이한 요소들의 상태를 모니터한다.
- 총 전압 또는 개별 어큐뮬레이터들의 전압,
- 온도 즉, 평균 온도, 냉각수 유입 온도, 냉각수 출력 온도, 또는 각각의 어큐뮬레이터의 온도로부터 선택된 온도들의 적어도 어느 하나.
- 팩의 충전 레벨을 나타내는 충전 상태(SOC) 또는 방전 깊이(DOD),
- 팩의 일반적 상태의 정의된 측정인 건강 상태(SOH),
- 팩의 전부 또는 일부를 냉각시키기 위한 열전달 유체의 유동 속도, 및
- 팩의 내부 또는 외부의 전류 등.
전형적으로, 팩의 내부가 70℃ 정도보다 더 높은 온도를 넘으면, 내부의 전기화학적 반응들에 의해 단위 어큐뮬레이터가 파괴될 수 있고, 전형적으로 배터리 팩의 컴포넌트의 나머지에 대한 내부 단락으로 명명되는 어큐뮬레이터에 대한 내부 결함의 전파를 유발시키고, 극단적인 경우 팩의 폭발로 이어질 수 있기 때문에, 조금도 방심하면 안된다. 이 경우, 어큐뮬레이터들을 보호하기 위해 BMS에 의존할 필요가 있다. 결과적으로, 배터리 팩은 일반적으로 전압 균등화를 생성하기 위해 적어도 하나의 매우 강력한 BMS를 필요로 한다. 배터리 팩에서, 팩 내부에는 하나 또는 심지어 다수의 BMS들 심지어 어큐뮬레이터 당 하나의 BMS가 존재할 수 있다.
일반적으로 팩의 어큐뮬레이터들을 필요에 따라 절환시키기 위해 BMS에 의한 패터리 팩을 제어하기 위한 솔루션들이 이미 제안된 바 있다.
따라서, 특허 출원 번호 FR2972306은 배터리의 충전과 사용을 최적화하기 위해 배터리의 개별 어큐뮬레이터들을 관리하기 위한 디바이스를 제안한다. 스테이지의 각각의 개별 어큐뮬레이터는 그 개별 스테이지 내부에서 국부적으로 측정된 정보에 기반하여 제어될 수 있다.
특허 FR2972307B1은 배터리의 개별 전기화학적 셀과 연관된 스위치를 제어하기 위한 국부적 수단을 구비하는 배터리를 개시한다. 파워 트랜지스터들의 제어 회로는 상응하는 스테이지에서 이용할 수 있는 전압에 의해 직접적으로 이용된다.
또한, 특허 FR2926268B1은, 스위칭 부재들, 전기 에너지 생성기 수단, 및 가변 전압을 공급할 수 있는 요소들을 구비하는 적어도 하나의 절환가능한 전기 저장 수단을 구동하는 에지(edge) 네트워크를 구비하고, 절환가능한 전기 저장 수단이 조절된 전압을 공급할 수 있도록 연속적으로 절환되는 특히, 자동차용으로 의도된 전기 회로를 제안한다.
따라서, 이러한 모든 특허들은 다양한 감독(supervisory) 기능들을 가진 절환-가능한 전자적/전기적 디바이스들을 제안한다. 그러나, 그들은 복잡할 수 있고 비용이 많이 소요되고 전자장치에 의존하는 수 많은 중복들이 필요하다.
전술한 내용을 요약하자면, 다음과 같은 개선의 여지가 있다.
- 특히, 그들의 조립 시간과 비용을 줄이기 위해 금속-이온 어큐뮬레이터들과 버스바들의 조립을 위한 해결책들;
- 전체적으로 안정된 상태에서 배터리 팩의 작동의 연속성을 보장하면서 배터리 팩 내부에서 하나 이상의 고장난 어큐뮬레이터들을 단선시키고 션트(shunt)하기 위한 해결책들;
- 특히, 더 간단하고 덜 중복적이고 더 낮은 비용으로 운영하기 위해 배터리 팩 전기 회로의 요구에 따른 제어의 해결책.
본 발명은 이러한 필요성을 적어도 부분적으로 다루는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 배터리 팩은:
- 다수의 전기화학적 배터리들 또는 어큐뮬레이터들로서, 각각의 전기화학적 배터리 또는 어큐뮬레이터는:
● 하우징 또는 플렉스블 팩키징, 및
● 제1 출력 단자 및 제1 출력 단자에 반대되는 극성의 제2 출력 단자를 구비하고,
출력 단자들의 적어도 하나는:
● 전기 전도성부, 및
● 영구 자석을 구비하는 마그네틱 록(magnetic lock)을 구비하고; 및
- 상기 출력 단자의 상기 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는, 버스바(busbar)로 명명되는, 전기적 연결 바아(bar)에 고정된 적어도 하나의 강자성부를 구비하고,
상기 배터리 팩은,
i) 상기 어큐뮬레이터의 정상 작동에서, 제1 버스바의 폐쇄 플레이트 상의 출력 단자의 영구 자석의 자기(magnetic) 인력은, 폐쇄된 마그네틱 회로 구성에서, 상기 출력 단자와 상기 제1 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결을 보장하고,
ii) 과열을 야기하는 어큐뮬레이터의 고장 시, 출력 단자의 영구 자석은 적어도 자성을 상실하고 출력 단자와 제1 버스바 사이의 기계적 단선을 발생시키는 온도까지 가열되어, 어큐뮬레이터가 중력을 통해 낙하되도록 구성된다.
온도는 소위, 퀴리(Curie) 온도일 수 있다.
따라서, 본 발명은 본질적으로 배터리 팩으로 구성되고, 각각의 배터리는 마그네틱 디바이스에 의해 버스바에 기계적 및 전기적으로 연결된다. 임의의 어큐뮬레이터의 고장의 경우, 그 고장이 마그네틱 디바이스의 불활성화(inactivation)를 생성하기 때문에 완전히 수동적으로 단선된다. 단선은 어큐뮬레이터의 중력에 의한 낙하를 유발시키고, 어큐뮬레이터의 션트의 완전히 수동적인 구현이 가능하다.
유용한 실시예에 따르면, 배터리 팩은 그 끝단들의 하나에서 다른 버스바 또는 버스바들의 다른 부분에 고정된 적어도 하나의 전기 전도성의 플렉스블 블레이드를 구비하고, 영구 자석을 구비하고;
배터리 팩은,
단계 i) 동안, 플렉스블 블레이드가 제1 버스바에 전기적으로 접촉될 수 없도록 플렉스블 블레이드의 영구 자석이 출력 단자의 그것에 의해 밀려지게 구성되고,
단계 ii) 동안, 떨어졌던 고장난 어큐뮬레이터의 자기적 척력의 부재 때문에, 각각의 플렉스블 블레이드를 통한 제1 버스바와 다른 버스바 사이의 전기적 연결이 실현됨으로써 어큐뮬레이터의 션트를 실현하도록 구성된다.
여기서, 본 발명의 맥락상, "플렉스블 블레이드"는, 연결로부터 전기적 단선까지 절환을 보장하기 위해, 수 밀리미터의 굴곡에 의해 변형되도록 구성된 블레이드를 의미하는 것으로 이해된다.
여기서, 본 발명의 맥락상, "강성(rigid) 블레이드"는 연결을 위한 굴곡에 의해 변형을 겪지 않지만, 관절의 포인트를 기준으로 회전하는 블레이드를 의미하는 것으로 이해된다.
유용한 실시예에 따르면, 영구 자석의 퀴리 온도는 자기(self)-가열 온도(T1)의 90%에 가까운 값과 팩 어큐뮬레이터들의 열 폭주 온도(T2)의 110%에 가까운 값 사이로 선택된다.
열 폭주 현상과 관련하여, 간행물 [1]과 이 문헌 내에 개시된 프로토콜이 참조된다. 소위, "자기-가열 온도"와 "열 폭주 온주"는 이 문헌에서 각각 T1과 T2로 나타낸다.
이 문헌의 도 2에서 전형적으로 70℃의 온도(T2)는 어큐뮬레이터가 단열 조건 하에서, 10℃/분의 전형적인 가열 속도까지 가열되어, 어큐뮬레이터의 전기화학적 번들(bundle) 내의 세퍼레이터의 용해, 단락 및 따라서 전압 붕괴에 이르는 온도이다.
본 발명의 맥락에서, "열 폭주"에 의해, 가열의 온도의 파생물의 값과 시간의 그것 사이의 비율은 0.02℃/분과 적어도 동일하다.
간행물 [2]와 [3]에서, 구체적으로, 페라이트들의 자성이 온도의 함수로서 수정되는 것을 보여주는 그들 각각의 도 1의 곡선들을 참조할 수 있다. 보다 구체적으로, 자성의 붕괴는 퀴리 온도의 통과에서 명백하다.
부가적으로, 이들 간행물 [2]와 [3}은 제조하기 위해 조절될 수 있는 퀴리 온도들을 가진 페라이트들을 얻기 위한 명백한 2개의 제조 방법들을 설명한다.
- 간행물 [2]에서, 제조 공정은 130℃와 250℃ 사이에서 퀴리 온도를 변화시키는, 동일한 페라이트 조성물로 수정된다. 또한, 상이한 페라이트 조성물을 이용하면 퀴리 온도는 대략 100-110℃일 수 있음을 입증한다.
- 간행물 [3]에서, 저자들은 재료의 조성물을 변화시킨다. 그들은 35℃와 65℃ 사이의 퀴리 온도들을 가진 페라이트들을 얻을 수 있었다. 조성물 조절에 의해, 100℃ 미만의 퀴리 온도를 달성할 가능성이 매우 높은 한편, 금속-이온 배터리의 환경에 의해 도달되지 못할 만큼 충분히 높이 남아 있다.
예를 들어, 제조 공정의 개조 및/또는 강자성 재료들의 조성물에 의한, 80-150℃ 범위 내에서 얻어질 수 있는 퀴리 온도들은 열 폭주 팩 어큐뮬레이터들의 온도에 대해 최적일 것이고, 80℃와 90℃ 사이의 범위의 낮은 부분은 아마도 본 발명의 맥락에서 가열에 의해 또는 주입 전류에 의해 제어되는 수단의 최소화를 위해 적정일 것이다.
영구 자석은 소결 자석 또는 플라스토(plasto)-자석일 수 있다. 보통은 "플라스토-자석"으로서 명명되는 영구 자석은 열가소성 또는 열경화성 바인더와 자성 파우더로 구성된 복합 재료이다. 이들 플라스토-자석의 제조는 냉압법(열경화성 바인더)에 의해 또는 압력 주입(열가소성 바인더)에 의해 수행된다. 자화(magnetization)는 성형 동안(비등방성 재료) 또는 성형 후에 수행될 수 있다.
유용하게, 소결 자석 또는 플라스토 자석은 희토류, 바람직하게 사마륨-코발트(samarium-cobalt) 또는 네오디뮴-철-보론(neodymium-iron-boron) 또는 페라이트에 기반한다. 소결 자석은 알루미늄-니켈-코발트 합금일 수 있다.
다른 유용한 실시예에 따르면, 2개의 입력 단자들의 적어도 하나는 전기 전도성부 주위 또는 내부에 배치된 적어도 하나의 제2 강자성부를 구비하고, 제2 강자성부는 마그네틱 회로의 폐쇄 구성에서 폐쇄 플레이트에 의해 덮여 있다.
이 실시예에 따르면, 플라스토-자석이 그 안에 수납된 환형 하우징을 형성하는 제2 강자성부 주위에 배치된 적어도 제3 강자성부가 제공될 수 있고, 코일은 제1 강자성부 내부에 배치되어 있다.
바람직하게, 각각의 강자성부는 연철(soft-iron)로 제조된다.
바람직하게, 각각의 플렉스블 블레이드는 구리-베릴륨(beryllium)으로 제조된다.
바람직하게, 각각의 록의 전기 전도성부는 어큐뮬레이터 출력 단자와 동일한 재료로 제조된다.
바람직하게, 각각의 록의 전기 전도성부는 알루미늄 또는 구리로 제조된다.
제1 유용 실시예에 따르면, 배터리 팩은 마그네틱 연결 회로들의 폐쇄 구성에서, 록이 설비된 출력 단자의 하나와 버스바들의 하나 사이에 전기 접점을 보장하도록 배치된 전기 전도성 주름(crinkle) 와셔 또는 치차 록와셔(lockwasher)를 구비한다.
제2 유용 실시예에 따르면, 전기 전도성 주름 와셔 또는 치차 록와셔를 구비하는 배터리 팩은, 마그네틱 션트 회로의 폐쇄 구성에서, 블레이드와 버스바들의 하나 사이에 전기 접점을 보장하도록 배치된다.
바람직하게, 각각의 와셔는 구리-인(phosphorous) 합금으로 제조된다.
제1 구성에 따르면, 제1 또는 제2 출력 단자들은 케이스 또는 플렉스블 팩키징의 일면 상에 각각 배치되는 반면, 제2 또는 제1 출력 단자는 케이스 또는 플렉스블 팩키징의 반대면 상에 배치되고, 어큐뮬레이터는 ii)를 따라 중력에 의한 낙하가 세로축에 직교되게 발생하도록 수평으로 배치되어 있다.
제2 구성에 따르면, 제1 및 제2 출력 단자들은 모두 하우징 또는 플렉스블 팩키징의 동일한 면에 배치되어 있고, 어큐뮬레이터는 ii)를 따라 중력에 의한 낙하가 세로축을 따라 발생하도록 수직으로 배치되어 있다.
바람직하게, 각각의 어큐뮬레이터는 하우징 또는 어큐뮬레이터의 플렉스블 팩키징 상에 고정되고 어큐뮬레이터에 의해 전기적으로 구동되는 BMS를 구비한다.
유용한 실시예에 따르면, 배터리 팩은 각각 중력에 의해 낙하하는 어큐뮬레이터를 수납하기 적합한 다수의 리세스들을 구비하는 벌집 구조를 구비하고, 각각의 리세스는 적어도 어큐뮬레이터의 낙하가 수행될 때 어큐뮬레이터를 냉각하기 위해 열전달 액체로 채워질 수 있도록 되어 있다.
열전달 액체는, 각각의 하우징 내의 그 공급은 배터리 팩의 BMS에 의해 제어되고, 배터리 팩의 냉각 회로의 그것일 수 있고, 또는 상기 냉각 회로와 독립하는 액체, 또는 어큐뮬레이터의 가열에 의해 얻어지는 상변화물질(PCM)의 상태 변화로부터 생긴다.
각각의 배터리 또는 어큐뮬레이터는 Li-이온 형태일 수 있고, 다음 요소를 구비할 수 있다.
- 그래파이트, 리튬, 티타늄 옥사이드 Li4TiO5O12를 포함하는 그룹으로부터 선택된 음극(들); 및
- LiFePO4, LiCoO2, LiNi0.33Co0.33O2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 양극(들).
일 측면에서, 제1 대안에 따르면, 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 배터리 팩은,
- 버스바들로 명명되는 다수의 전기 전도성 연결 바아들에 의해 직렬 및/또는 병렬로 서로 전기적으로 연결된 다수의 전기화학적 배터리들 또는 어큐뮬레이터들;
- 다수의 어큐뮬레이터들의 적어도 일부를 충전하고 그 상태들을 모니터하기에 적합한 하나 이상의 전자 제어 시스템들(BMS);
- 요구에 의해, 팩의 나머지에 또는 그로부터 하나 이상의 어큐뮬레이터들의 전기적 연결들/단선들을 생성하도록 의도된 적어도 하나의 간편 스위칭 수단을 구비하고, 간편 스위칭 수단은,
● 그 끝단들의 하나가 고정 포인트에 고정된 적어도 하나의 전기 전도성의 플렉스블 블레이드,
● 플렉스블 블레이드 속으로 또는 버스바들의 하나 속으로 각각 삽입되고, 마그네틱 폐쇄 플레이트를 형성하는 적어도 하나의 제1 강자성부,
● 영구 자석이 내부에 또는 그 주위에 수납된 전기 전도성부 및 영구 자석의 자장에 평행하는 자장을 생성할 의도의 코일을 형성하기 위해 권취되는 전기 전도성 와이어를 구비하는, 마그네틱 록을 형성하는 적어도 하나의 요소를 구비하고; 전기 전도성부는 버스바들의 하나 또는 블레이드에 각각 전기적으로 접촉되어 있고;
간편 스위칭 수단은,
i) 마그네틱 록의 코일이 주어진 방향으로 BMS들의 하나의 제어에 의해 전기적으로 구동될 때, 영구 자석의 그것과 함께 자기장을 생성하고, 탄성 블레이드의 기계적 힘보다 더 큰 인력 또는 척력을 생성하여, 영구 자석에 대한 폐쇄 플레이트의 수렴 또는 분리를 유발함으로써, 하나 이상의 어큐뮬레이터들의 전기적 연결 또는 단선을 생성하고,
ii) 마그네틱 록의 코일이 더 이상 전기적으로 작동되지 않을 때, 영구 자석의 자력은 플렉스블 블레이드의 기계적 힘보다 더 커서, 블레이드와 버스바들의 하나 사이의 전기적 접촉 또는 분리, 따라서 어큐뮬레이터 또는 어큐뮬레이터들의 전기적 연결 또는 단선을 유지하고,
iii) 주어진 방향에 반대되는 방향으로 BMS의 제어에 의해 코일이 전기적으로 구동될 때, 탄성 블레이드의 기계적 힘보다 더 낮은 인력 또는 척력을 얻는 포인트까지, 단계 i)의 그것에 반대되는 자기장을 생성하고, 영구 자석에 대한 마그네틱 록의 폐쇄 플레이트의 분리 또는 수렴, 따라서 마그네틱 회로의 개방 또는 폐쇄와 블레이드와 버스바들의 하나 사이의 전기 접점의 파괴 또는 수립을 유발시킴으로써, 팩의 나머지로부터 또는 거기에 대한 어큐뮬레이터 또는 어큐뮬레이터들의 전기적 단선 또는 재연결을 생성하도록 구성된다.
제2 대안에 따르면, 본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 배터리 팩은,
- 버스바들로 명명되는 다수의 전기 전도성 연결 바아들에 의해 직렬 및/또는 병렬로 서로 연결된 다수의 전기화학적 배터리들 또는 어큐뮬레이터들(Al-An);
- 다수의 어큐뮬레이터들을 충전하고 그들의 적어도 일부를 모니터하기 적합한 하나 이상의 전자 제어 시스템들(BMS);
- 방향전환 스위치로 명명되고, 팩의 나머지로부터 하나 이상의 어큐뮬레이터들의 전기적 연결들/단선들을 생성하는 한편 팩의 전부 또는 팩의 나머지의 내부의 전기적 연속성을 보장할 의도의 적어도 하나의 전기 스위칭 수단을 구비하고, 방향전환 스위치는,
● 서로에 대해 경사진 2개의 부분들을 구비하고, 2개의 부분들 사이의 조인트에 회동하도록 장착된 적어도 하나의 강성 전기 전도성 블레이드;
● 강성 블레이드의 부분 속으로 또는 버스바들의 하나 속으로 각각 삽입되고, 각각 마그네틱 폐쇄 플레이트를 형성하는 적어도 2개의 제1 강자성부;
● 영구 자석이 주위 또는 내부에 수납된 전기 전도성부 및 영구 자석의 자기장에 평행한 자기장을 생성하는 코일을 형성하기 위해 권취된 전기 전도성 와이어를 구비하는 마그네틱 록을 각각 형성하는 적어도 2개의 요소들을 구비하고; 전기 전도성부는 버스바 또는 강성 블레이드의 부분에 전기적으로 접촉됨으로써 삽입되어 있고;
● 강성 블레이드를 버스바들의 하나에 연결하는 금속 브레이드(braid)를 구비하고;
방향전환 스위치는,
j) 2개의 코일들의 어느 것도 초기에 전기적으로 구동되지 않을 때, 인력(attraction force)과 블레이드의 부분들의 하나의 길이 사이의 곱(product)으로서 정의되고, 영구 자석으로부터 떨어져 있는 폐쇄 플레이트와 함께 초기의 개방 구성 내의 2개의 록들의 다른 하나의 마그네틱 회로를 떠나는 다른 영구 자석의 그것보다 더 큰, 인력 토크를 가하는 영구 자석을 통해, 2개의 록들의 하나의 마그네틱 회로가 초기의 폐쇄 구성이 되도록 구성되고,
jj) 초기의 폐쇄된 록의 코일이 주어진 방향으로 BMS들의 하나의 제어에 의해 전기적으로 구동될 때, 초기의 개방 록의 영구 자석에 의해 가해지는 인력 토크보다 더 낮아질 때까지 폐쇄 토크의 감소를 유발하고, 블레이드의 회동에 의한 전환(switchover), 따라서 초기 개방 록의 마그네틱 회로의 폐쇄 및 동시에 초기 폐쇄된 록의 마그네틱 회로의 개방을 유발시키고, 따라서 하나 이상의 어큐뮬레이터들의 전기적 단선을 생성하는 한편 팩의 나머지 내부의 전기적 연속성을 보장하는, 영구 자석의 그것에 반대되는 자기장을 생성하도록 구성되고,
단계 j)와 jj)는 초기 구성으로 되돌리기 위해 폐쇄된 록으로부터 상호적으로 수행될 수 있도록 되어 있으므로, 팩의 나머지에 대한 어큐뮬레이터 또는 어큐뮬레이터들의 전기적 재연결을 생성하고 모든 팩 내부의 전기적 연속성을 보장할 수 있다.
따라서, 본 발명은 하나 이상의 BMS들로부터 더 낮은 전류의 주입에 의해 배터리 팩 내부에서 요구에 따라 즉각적으로 제어될 수 있는 영구 자석과 유도 코일을 가진 마그네틱 록들의 구획으로 구성된다.
배터리 팩의 마그네틱 록들의 위치와 무관하게, 하나 이상의 제어하는 BMS들은 각각의 어큐뮬레이터 또는 버스바 상에, 또는 직렬 또는 병렬의 모든 어큐뮬레이터들을 제어하기 위한 브랜치 상에 단독으로 또는 전체 팩 레벨로 위치될 수 있다.
마그네틱 록들에 의한 어큐뮬레이터들 또는 어큐뮬레이터 브랜치들의 온-디맨드(on-demand) 스위칭은 수요 프로파일에 따른 전압 또는 전류의 분포, 고장난 요소들의 안전한 제거 등과 같은 상이한 바람직한 기능들을 보장할 수 있고, 임의의 단락을 유발하지 않으면서 그렇게 할 수 있는 한편 팩의 전부 또는 일부에 대한 전기적 연속성을 보장할 수 있다.
나아가서, 본 발명은 어큐뮬레이터 및/또는 어큐뮬레이터들의 브랜치 및/또는 모듈 및/또는 결과적인 배터리 팩 내부의 상이한 파라미터들을 측정할 수 있게 한다.
대안적 실시예에 따르면, 영구 자석은 그 주위에 코일이 권취되는 전기 절연 맨드릴이 제공된다.
유용한 실시예에 따르면, 간편 스위칭 수단 또는 방향전환 스위치는 전기 전도성부와 영구 자석 사이에 배치된 적어도 하나의 제2 강자성부를 구비하고, 제2 강자성부는 마그네틱 회로의 폐쇄 구성에서 폐쇄 플레이트에 의해 폐쇄되어 있다.
이러한 실시예에 따르면, 제2 강자성부 주위에 배치된 적어도 하나의 제3 강자성부는 플라스토-자석이 내부에 수납된 환형 하우징의 형성에 의해 형성될 수 있고, 코일은 제1 강자성부 내부에 배치되어 있다.
바람직하게, 각각의 강자성부는 연철로 제조된다.
바람직하게, 플렉스블 블레이드는 구리-베릴륨으로 제조된다.
유용하게, 록의 전기 전도성부는 어큐뮬레이터 출력 단자와 동일한 재료로 제조된다.
바람직하게, 록의 전기 전도성부는 알루미늄 또는 구리로 제조된다.
다른 유용한 실시예에 따르면, 간편 스위칭 수단 또는 방향전환 스위치는, 마그네틱 회로의 폐쇄 구성에서, 전기 전도성부와 블레이드의 부분 또는 버스바들의 하나 사이에서 전기 접점을 확보하도록 배치된 전기 전도성 주름 와셔 또는 치차 록와셔를 구비한다.
바람직하게, 와셔는 구리-인 합금으로 제조된다.
유용하게, 록의 코일은 배터리 팩의 어큐뮬레이터들의 임의의 하나에 의해 전기적으로 구동된다.
유용한 변형 실시예에 따르면, 스위칭 수단은 적어도 하나의 블레이드, 적어도 하나의 폐쇄 플레이트 및 적어도 하나의 마그네틱 록을 구비하고; 폐쇄 플레이트 또는 마그네틱 록은 블레이드들의 하나 속으로 또는 버스바들의 하나 속으로 삽입되어 있는 한편, 폐쇄된 마그네틱 회로 구성에서, 다른 버스바와 전기적으로 연결된 버스바들의 하나에 의해 전기적인 연속성이 생성된다.
유용하게, 제1 버스바와 제2 버스바는 2개의 플렉스블 블레이드들의 끝단들이 바람직하게 리벳을 통해 그 위에 고정된 하나의 동일한 전기 절연 기재에 의해 지지된다.
제1 유용한 실시예에 따르면, 배터리 팩은,
- 적어도 하나의 어큐뮬레이터를 각각 구비하는 적어도 2개의 브랜치들, 및
- 적어도 하나의 제1 간편 스위칭 수단 및 적어도 하나의 제2 스위칭 수단을 구비하고, 간편 스위칭 수단은,
● 제1 간편 스위칭 수단이 폐쇄된 전기 회로 구성일 때, 2개의 브랜치들은 전기적으로 직렬이고, 동시에 제2 간편 스위칭 수단은 개방 전기 회로 구성이고,
● 제1 간편 스위칭 수단이 개방 전기 회로 구성일 때, 2개의 브랜치들은 전기적으로 단선되고, 동시에 제2 간편 스위칭 수단은 폐쇄된 전기 회로 구성이고, 팩의 나머지에서 전기적 연속성을 생성하도록 구성된다.
제2 유용한 실시예에 따르면, 패터리 팩은,
- 적어도 하나의 어큐뮬레이터를 각각 구비하는 적어도 2개의 브랜치들, 및
- 적어도 하나의 방향전환 스위치를 구비하고, 방향전환 스위치는,
● 방향전환 스위치가 2개의 회로들의 어느 하나가 폐쇄된 구성일 때, 2개의 브랜치들은 전기적으로 직렬이고, 동시에 2개의 회로들의 다른 하나가 개방 전기 회로 구성이고,
● 방향전환 스위치가 반대 구성일 때, 2개의 브랜치들은 전기적으로 단선되고, 팩의 나머지에서 전기적 연속성을 생성하도록 구성된다.
바람직하게, 배터리 팩은 전기적으로 병렬인 적어도 2개의 어큐뮬레이터들을 각각 구비하는 적어도 2개의 브랜치들, 및 적어도 하나의 전기 스위칭 수단을 구비한다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 배터리 팩(P)의 능동 제어 방법에 관한 것으로서, 이것에 따르면, 요구에 의해, 브랜치의 BMS는 브랜치를 연결 또는 단선시키는 한편 팩의 나머지의 전기적 연속성을 보장하기 위해 간편 스위칭 수단의 코일들의 적어도 하나 또는 방향전환 스위치의 전기적 구성을 제어한다.
또한, 일 측면에서, 제1 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 연결/단선 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 전기 전도성부, 및 영구 자석을 구비하는 마그네틱 록을 구비하는, 금속-이온 어큐뮬레이터의 출력 단자; 및
- 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는, 버스바에 고정된 제1 강자성부를 구비하고, 폐쇄된 마그네틱 회로는 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 및 전기적인 연결을 보장한다.
제2 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 연결/단선 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 전기 전도성부, 및 영구 자석을 구비하는 마그네틱 록을 구비하는 버스바; 및
- 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는, 제1 강자성부를 구비하는 어큐뮬레이터의 출력 단자를 구비하고, 폐쇄된 마그네틱 회로는 출력 단자와 버스바 사이에서 기계적 및 전기적인 연결을 보장한다.
일 측면에서, 제1 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 연결/단선 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 어큐뮬레이터의 출력 단자를 통과하는 적어도 하나의 리세스 및 그 내부에서 통합되는 영구 자석을 구비하는 적어도 하나의 마그네틱 록을 구비하는 본체, 및 어큐뮬레이터의 출력 단자에 전기 접점을 형성하도록 고정되기 적합한 적어도 하나의 전기 전도성부를 구비하는, 인터페이스 어댑터; 및
- 버스바에 고정되고, 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는 적어도 하나의 제1 강자성부를 구비하고, 폐쇄된 마그네틱 회로는 출력 단자와 버스바 사이에서 기계적 및 전기적인 연결을 보장한다.
제2 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 연결/단선 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 어큐뮬레이터의 출력 단자를 수납하기 위한 적어도 하나의 리세스 및 버스바에 고정되고 마그네틱 회로의 폐쇄 회로를 형성하는 적어도 하나의 강자성부를 구비하는 본체, 및 어큐뮬레이터의 출력 단자와 전기 접점을 가지도록 고정되기 적합한 적어도 하나의 전기 전도성부를 구비하는 인터페이스 어댑터; 및
- 영구 자석을 구비하고, 버스바에 고정된 적어도 하나의 마그네틱 록을 구비하고, 마그네틱 록과 폐쇄된 폐쇄 플레이트 사이의 마그네틱 회로는 전기 전도성부와 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결을 보장한다.
일 측면에서, 제1 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아들 사이의 연결/단선을 위한 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 하우징 또는 플렉스블 팩키징, 전기 전도성부를 구비하는 적어도 하나의 출력 단자, 영구 자석과 권취되어 코일을 형성하는 전기 전도성 와이어를 구비하는 마그네틱 록을 구비하는, 배터리 또는 어큐뮬레이터;
- 어큐뮬레이터의 충전과 상태를 모니터에 적합한 전자 제어 시스템(BMS);
- 버스바로 명명되는 제1 전기적 연결 바아에 고정되고, 출력 단자의 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는, 적어도 하나의 강자성부; 및
- 버스바들의 하나 상의 고정 포인트에 고정되고, 영구 자석을 구비하는 적어도 하나의 전기 전도성의 플렉스블 블레이드를 구비하고,
디바이스는,
i) 코일들이 전기적으로 구동되지 않을 때, 폐쇄 플레이트 상의 출력 단자의 영구 자석들의 자기 인력은, 폐쇄된 마그네틱 회로 구성에서, 제1 버스바에 대한 출력 단자의 기계적 및 전기적 연결을 보장하고; 플렉스블 블레이드가 제1 버스바에 전기적으로 접촉되지 않도록 플렉스블 블레이드의 영구 자석은 출력 단자의 그것에 의해 척력이 작용하고,
ii) BMS의 제어에 의해, 출력 단자와 제1 버스바 사이의 기계적 단선을 보장하는 포인트로 출력 단자의 영구 자석의 자기 인력에 반대되는 자력을 생성하도록 하나의 방향으로 출력 단자의 코일이 전기적으로 구동될 때, 어큐뮬레이터가 중력을 통해 낙하되고 동시에 자기 척력의 부재에 의해, 각각 이러한 플렉스블 블레이드를 통해 플렉스블 블레이드의 영구 자석과 제1 버스바의 폐쇄 플레이트 사이의 마그네틱 회로가 폐쇄되고, 제1 버스바와 다른 버스바 사이의 전기적 연결이 폐쇄되고, 따라서 어큐뮬레이터의 션트를 야기하도록 구성된다.
제2 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터와 버스바들로 명명되는 전기적 연결 바아들 사이의 연결/단선, 및 어큐뮬레이터가 고장나는 경우 어큐뮬레이터의 션트를 위한, 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 하우징 또는 플렉스블 팩키징, 전기 전도성부를 구비하는 적어도 하나의 출력 단자, 전기 가열 저항체가 마련된 영구 자석을 구비하는 마그네틱 록을 구비하는 배터리 또는 어큐뮬레이터;
- 어큐뮬레이터를 충전하고 상태를 모니터하기에 적합한 전자 제어 시스템(BMS);
- 버스바로 명명되는 제1 전기적 연결 바아에 고정되고, 출력 단자의 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는, 적어도 하나의 강자성부; 및
- 영구 자석을 구비하고, 버스바들의 하나 상의 고정 포인트에 고정된, 적어도 하나의 플렉스블 전도성 블레이드를 구비하고,
디바이스는,
i) 가열 저항체가 전기적으로 구동되지 않을 때, 폐쇄 플레이트 상의 출력 단자의 영구 자석의 자기 인력은, 폐쇄된 마그네틱 회로 구성에서, 제1 버스바에 대한 출력 단자의 기계적 및 전기적 연결을 보장하고, 플렉스블 블레이드가 제1 버스바와 전기적으로 접촉할 수 없도록 플렉스블 블레이드의 영구 자석은 출력 단자의 그것에 의해 척력이 작용하고,
ii) BMS의 제어에 의해, 출력 단자의 가열 저항체가 전기적으로 작동될 때, 출력 단자의 영구 자석은 출력 단자와 제1 버스바 사이의 기계적 단선의 포인트까지 그 자성을 잃게 되는 적어도 하나의 온도까지 가열되어, 어큐뮬레이터가 중력에 의해 낙하되고 동시에, 자기 척력의 부재에 의해, 플렉스블 블레이드의 영구 자석과 제1 버스바의 폐쇄 플레이트 사이의 마그네틱 회로의 폐쇄와 플렉스블 블레이드를 통한 제1 버스바와 다른 버스바 사이의 전기적 연결의 폐쇄 따라서, 어큐뮬레이터의 션트를 야기하도록 구성된다.
일 측면에서, 버스바들을 구비하는 배터리 팩을 조립하기 위한 방법에 관한 것으로서, 방법은,
a) 다수의 어큐뮬레이터들을 마련하는 단계로서, 각각의 어큐뮬레이터는,
● 하우징 또는 플렉스블 팩키징,
● 제1 출력 단자 및 제1 출력 단자에 반대되는 극성의 제2 출력 단자로서, 2개의 출력 단자들의 적어도 하나는 전기 전도성부를 구비하고,
● 영구 자석 및 영구 자석의 자기장과 평행한 자장을 생성하기 위해 권취되어 코일을 형성하는 전기 전도성 와이어를 구비하고;
b) 적어도 하나 위에 강자성부가 고정되고, 출력 단자의 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는, 버스바들로 명명되는 제1 및 제2 전기 전도성 연결 바아들을 구비하는 전기 절연 기재를 마련하는 단계;
c) 어큐뮬레이터를 수납하기에 적합한 다수의 리세세들을 구비하는 벌집 구조를 마련하는 단계;
d) 절연 기재 상에 벌집 구조를 고정하는 단계;
e) 각각의 어큐뮬레이터가 적어도 하나의 다른 영구 자석에 의해 그 영구 자석의 자기 척력으로 절연 기재에 면하는 자기 부양이 되도록 벌집 구조의 리세스들의 하나 속으로 각각의 어큐뮬레이터를 삽입하는 단계; 및
f) 각각의 폐쇄 플레이트 상에 인력을 가함으로써 버스바를 가진 각각의 어큐뮬레이터의 출력 단자의 마그네틱 록킹을 이용하여 고정시키기 위해 그것을 이동시키거나 코일이 어큐뮬레이터의 영구 자석에 면하도록 작동시킴으로써 다른 영구 자석의 자기장을 변화시키는 단계를 포함한다.
일 측면에서, 제1 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터 출력 단자와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 전기 아크 블로잉(blowing) 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 전기 전도성부, 영구 자석을 구비하는 마그네틱 록, 출력 단자와 버스바 사이에서 전기 접점을 보장하는 전기 전도성 주름 와셔 또는 치차 록와셔, 바람직하게 250℃보다 낮은 저융점을 가지고 와셔 내부에 배치된 부분을 구비하는, 어큐뮬레이터의 출력 단자; 및
- 버스바에 고정되고, 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하고, 폐쇄된 마그네틱 회로가 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 연결을 보장하는 한편 그들 사이의 전기적 접촉을 가능하게 하는, 제1 강자성부를 구비하고,
디바이스는, 출력 단자와 버스바 사이에서 전기적 아크가 발생하도록 구성되어 있고, 아크에 의해 발산되는 열은 저융점을 가진 상기 부분을 증발시키고, 저융점을 가진 상기 부분으로부터 외측으로 아크를 길게 늘이는 압력 하에서 가스를 생성함으로써 블로잉(blowing)에 의해 아크가 끄질 때까지 주변 매체 내에서 아크를 냉각시킨다.
제2 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터 출력 단자와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 전기적 아크 블로잉 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 전기 전도성부, 영구 자석을 구비하는 마그네틱 록, 출력 단자와 버스바 사이에서 전기 접점을 보장하는 전기 전도성 주름 와셔 또는 치차 록와셔, 바람직하게 250℃보다 낮은 저융점을 가지고 와셔 내부에 배치된 부분을 구비하는, 버스바; 및
- 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하고, 제1 강자성부를 구비하고, 폐쇄된 마그네틱 회로가 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 연결을 확보하는 한편 그들 사이의 전기 접점을 허용하는 어큐뮬레이터의 출력 단자를 구비하고,
디바이스는, 출력 단자와 버스바 사이에서 전기적 아크가 발생하도록 구성되어 있고, 아크에 의해 발산되는 열은 저융점을 가진 상기 부분을 증발시키고, 저융점을 가진 상기 부분으로부터 외측으로 아크를 길게 늘이는 압력 하에서 가스를 생성함으로써 블로잉(blowing)에 의해 아크가 끄질 때까지 주변 매체 내에서 아크를 냉각시킨다.
또한, 일 측면에서, 제1 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터 출력 단자와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 전기적 아크 소멸 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 전기 전도성부, 및 영구 자석을 포함하는 마그네틱 록을 구비하는 어큐뮬레이터의 출력 단자;
- 버스바에 고정되고, 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하고, 폐쇄된 마그네틱 회로가 출력 단자와 버스바 사이에서 기계적 및 전기적 연결을 보장하는, 제1 강자성부; 및
- 출력 단자와 버스바 사이의 전기 접점을 확보하고, 돌기들을 가진, 전기 전도성 주름 와셔 또는 치차 록와셔를 구비한다.
디바이스는, 출력 단자와 버스바 사이에서 전기적 아크들이 발생할 때, 와셔의 돌기들이 발산되는 열을 흡수함으로써 아크들이 소멸될 때까지 아크들을 냉각시키는 폐쇄 플레이트에 아크들을 가깝게 가져오도록 구성되어 있다.
일 측면에서, 제1 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터의 출력 단자와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 연결/단선 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 어큐뮬레이터의 출력 단자에 고정되기에 적합한 개구를 포함하는 엔클로저(enclosure), 및 영구 자석을 포함하는 마그네틱 록을 구비하는, 인터페이스 어댑터; 및
- 버스바에 고정되고, 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하고, 폐쇄된 마그네틱 회로가 출력 단자와 버스바 사이에서 기계적 및 전기적 연결을 보장하는, 적어도 하나의 제1 강사성부를 구비한다.
제2 대안에 따르면, 본 발명은 어큐뮬레이터의 출력 단자와 버스바로 명명되는 전기적 연결 바아 사이의 연결/단선 디바이스에 관한 것으로서, 디바이스는,
- 어큐뮬레이터의 출력 단자에 고정되기에 적합한 개구를 포함하는 엔클롤저, 및 적어도 하나의 제1 강자성부를 구비하는, 인터페이스 어댑터; 및
- 영구 자석을 포함하고, 버스바에 고정되고, 폐쇄된 마그네틱 회로가 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결을 보장하는, 적어도 하나의 마그네틱 록을 구비한다.
본 발명의 다른 장점들과 특징들은 이어지는 도면들을 참조하여 예시적이고 비제한적인 방식으로 주어진 본 발명의 예시적인 구현예들의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 리튬-이온 어큐뮬레이터의 다양한 구성요소들을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 2는 선행기술에 따른 플렉스블 패키징을 가진 리튬-이온 어큐뮬레이터를 도시하는 정면도이다.
도 3은 원통 형태의 하우징으로 구성된 강성 패키징을 가진, 선행 기술에 따른 리튬-이온 어큐뮬레이터의 사시도이다.
도 4는 각형 하우징으로 구성된 강성 팩키징을 가진 선행기술에 따른 리튬-이온 어큐뮬레이터의 사시도이다.
도 5는 배터리 팩을 형성하는, 선행기술에 따른 리튬-이온 어큐뮬레이터들의 버스바들에 의한 조립체의 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는, 전형적으로 1A보다 더 낮은 저-전류 어큐뮬레이터의 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결/단선을 보장할 의도를 가진, 본 발명의 디바이스의 마그네틱 단선/연결을 각각 예시하는 단면도들이다.
도 7a 및 도 7b는, 전형적으로 1A보다 더 높은 고-전류 어큐뮬레이터의 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결/단선을 보장할 의도를 가진, 본 발명의 디바이스의 마그네틱 단선/연결을 각각 예시하는 단면도들이다.
도 8 및 도 8a는, 각각 도 7a 및 도 7b에 따른 디바이스에서, 버스바와 출력 단자 또는 거기에 연결된 전기 전도성부 사이에서 전기 접점을 보장하는 전기 전도성 주름 와셔의 정면도와 측면도이다.
도 9는 도 7a 및 도 7b에 따른 디바이스의 변형예의 개략적 단면도이다.
도 10은, 코일에 의한 자성부들 사이의 연결/단선의 제어가 가능한, 도 7a 및 도 7b에 따른 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도이다.
도 11은 도 10에 따른 디바이스의 유용한 실시예의 변형예의 개략적 단면도이다.
도 12는 도 7a 및 도 7b의 모드의 구체적인 표현인 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도이다.
도 13은 도 10의 그것의 대안인 디바이스의 유용한 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 14는 도 12의 변형예이다.
도 15는 도 13의 변형예이다.
도 16은, 금속-이온 어큐뮬레이터의 출력 단자를 형성하는 부싱과 그 부분이 통합된, 출력 전류(power current) 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도이다.
도 17은 도 16에 따른 부싱을 블록킹하는 캡을 가진 수컷(male) 부분의 개략적 사시도이다.
도 18은 본 발명에 따른 부싱의 수컷부의 변형 실시예의 개략적 사시도이다.
도 19는 본 발명에 따른 마그네틱 록을 가진 2개의 출력 단자를 어큐뮬레이터 하우징의 커버 상에 통합하는 각형의 금속-이온 어큐뮬레이터의 개략적 사시도이다.
도 20은 본 발명에 따른 마그네틱 록을 가진 2개의 출력 단자들을 하나는 어큐뮬레이터 하우징의 커버 상에 통합하고 다른 하나는 바닥에 통합하는 원통형 금속-이온 어큐뮬레이터의 개략적도이다.
도 21은, 자성 블록들을 가진 회로의 폐쇄 플레이트들을 형성하는 버스바들 속으로 삽입된 강자성부들이 어큐뮬레이터의 출력 단자들 내에 통합된, 도 16에 따른 금속-이온 어큐뮬레이터의 측면과 부분 사시도이다.
도 22는 본 발명에 따른 마그네틱 록들을 통합하는 인터페이스 어댑터를 가진 각형의 현존하는 금속-이온 어큐뮬레이터의 부분 분해 사시도이다.
도 23은, 어큐뮬레이터의 하우징 상에 설치된 구성에서, 도 22에 따른 인터페이스 어댑터를 가진 어큐뮬레이터의 개략적 사시도이다.
도 24는 어댑터 내에 통합된 마그네틱 록들을 가진 회로의 폐쇄 플레이트들을 형성하는 버스바들 속으로 삽입된 강자성부에 면하는 도 22 및 도 23에 따른 어큐뮬레이터와 그 인터페이스 어댑터의 개략적인 부분 단면도이다.
도 25는 본 발명에 따른 마그네틱 록을 통합하는 다른 인터페이스 어댑터의 분해 사시도이다.
도 26은 어큐뮬레이터의 출력 단자 주위에 고정되거나, 끼워지고, 또는 스크류 결합될, 도 25에 따른 인터페이스 어댑터를 가진 각형의 현존하는 금속-이온 어큐뮬레이터의 부분 분해 사시도이다.
도 27은 어댑터 내에 통합된 마그네틱 록을 가진 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는 버스바 속으로 삽입된 강자성부에 면하는 인터페이스 어댑터가 주위에 끼워진 어큐뮬레이터의 출력 단자의 개략적인 부분 단면도이다.
도 28a 및 도 28b는, 도 10의 디바이스로 거슬러 올라가서, 마그네틱 단선이 발생할 가능성이 있는 전기적 아크들을 끄는(blowing out) 제1 모드의 단계들을 각각 도시한다.
도 29a 및 도 29b는, 도 28a 및 도 28b의 각각의 저면도로서, 전기적 아크들의 생성의 포인트들의 위치와 소멸시 아크들의 수렴을 나타낸다.
도 30 및 도 31은, 각각 폐쇄 플레이트의 유용한 변형예의 분해 사시도와 조립 사시도로서, 제1 모드에 따라 아크들의 소멸을 생성하는 전기 접점들을 도시한다.
도 32는 폐쇄 플레이트와 도 30 및 도 31에 따른 접점들을 이용하여 전기적 아크들의 형성을 예시하는 개략적 측면도와 평면도이다.
도 33a 및 도 33b는, 도 10의 디바이스로 거슬러 올라가서, 마그네틱 단선이 발생할 가능성이 있는 전기적 아크들의 소멸의 제2 모드의 단계들을 각각 예시한다.
도 34는 본 발명에 따른 플렉스블 블레이드 마그네틱 션트를 가진 디바이스의 개략적 단면도로서, 2개의 버스바들 사이에서 션트를 보장하고, 블레이드는 버스바들의 하나에 전기적 연결로 고정되어 있다.
도 35는 도 34에 따른 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도로서, 션트가 중복되지만, 각각의 플렉스블 블레이드의 고정이 절연 부분에 생성된다.
도 36은 도 35에 따른 마그네틱 션트 디바이스의 변형예의 개략적 단면도이다.
도 37은 금속-이온 어큐뮬레이터를 포함하는 전기 회로를 션트시키기 위해 방향전환 스위치 기능을 가진, 본 발명에 따른 마그네틱 션트를 가진 디바이스를 나타내는 전기 배선도이다.
도 38은 도 37에 따라 2개의 버스바들 사이에 방향전환 스위치를 생성하기 위해 본 발명에 따른 강성 블레이드 마그네틱 션트를 가진 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 39a 내지 도 39e는 어큐뮬레이터의 2개의 출력 단자들과 2개의 버스바들 사이의 마그네틱 연결/단선 및 단선되어 고장난 어큐뮬레이터의 마그네틱 션트 모두를 위한 디바이스의 작동의 상이한 단계들을 각각 보여주는 개략적 단면도들이다.
도 40과 도 41은 배터리 팩 내에서, 도 39a 내지 도 39e에 따른 연결/단선과 마그네틱 션트 디바이스를 나타내는 사시도들이다.
도 42a 및 도 42b는, 리드(reed) 스위치에 의한 마그네틱 단선의 수동적 탐지와 통합된, 어큐뮬레이터의 2개의 출력 단자들과 2개의 버스바들 사이의 마그네틱 연결/단선을 위한 디바이스의 변형예의 작동의 상이한 단계들을 보여주는 개략적 단면도들이다.
도 43은 어큐뮬레이터와 2개의 버스바들 사이의 마그네틱 연결/단선 및 단선되어 고장난 어큐뮬레이터의 마그네틱 션트 모두를 위한 디바이스의 개략적 단면도로서, 디바이스는 방향전환 스위치로 구성되고 2개의 어큐뮬레이터 출력 단자의 단지 하나의 단선에 의해 작동한다.
도 44 내지 도 46은, 본 발명에 따른 마그네틱 연결/단선 디바이스를 이용하여 각각의 어큐뮬레이터가 2개의 버스바들에 연결되어 있고, 각각의 브랜치 내부에서 병렬의 어큐뮬레이터들의 다수의 직렬 브랜치들을 가진 배터리 팩의 조립의 상이한 단계들에서의 컴포넌트를 각각 도시하는 개략적 사시도들이다.
도 47과 도 48은, 도 40 내지 도 42에 따라 조립되고, 2개의 버스바들 사이에 마그네틱 션트 디바이스를 더 통합하는, 배터리 팩을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 49와 도 50은, 도 44 및 도 45에 따라 조립되고, 2개의 버스바들 사이에 방향전환 스위치가 더 통합하는, 배터리 팩을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 51 내지 도 53은, 본 발명에 따른 마그네틱 연결/단선 디바이스를 이용하여 각각의 어큐뮬레이터가 2개의 버스바들에 연결되어 있고, 각각의 브랜치 내부에서 병렬의 어큐뮬레이터들의 다수의 직렬의 브랜치들을 가진 배터리 팩의 조립의 상이한 단계들에서 컴포넌트들과 배터리 팩이 각각의 브랜치에서 2개의 버스바들 사이에서 마그네틱 션트 디바이스의 통합을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 54는 도 53의 배터리 팩 내부에서, 도 36에 따른 마그네틱 션트 디바이스의 사시도이다.
도 55 내지 도 57은, 도 39a 내지 도 39e에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네틱 연결/단선 및 마그네틱 션트 디바이스를 이용하여 각각의 어큐뮬레이터가 2개의 버스바들에 연결되어 있고, 각각의 브랜치 내부에서 직렬의 어큐뮬레이터들의 병렬의 다수의 브랜치들을 가진 배터리 팩의 조립의 상이한 단계들에서 컴포넌트들을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 58은 하나의 동일한 배터리 팩의 단위 금속-이온 어큐뮬레이터들을 위한 개별 리세스들을 가진 벌집 구조의 개략적 사시도이다.
도 59는 도 58에 따른 벌집 구조를 통합하는 배터리 팩과 어큐뮬레이터들에 자성으로 연결된 버스바들을 통합하는 전기 절연 기재의 분해 사시도이다.
도 1은 리튬-이온 어큐뮬레이터의 다양한 구성요소들을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 2는 선행기술에 따른 플렉스블 패키징을 가진 리튬-이온 어큐뮬레이터를 도시하는 정면도이다.
도 3은 원통 형태의 하우징으로 구성된 강성 패키징을 가진, 선행 기술에 따른 리튬-이온 어큐뮬레이터의 사시도이다.
도 4는 각형 하우징으로 구성된 강성 팩키징을 가진 선행기술에 따른 리튬-이온 어큐뮬레이터의 사시도이다.
도 5는 배터리 팩을 형성하는, 선행기술에 따른 리튬-이온 어큐뮬레이터들의 버스바들에 의한 조립체의 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는, 전형적으로 1A보다 더 낮은 저-전류 어큐뮬레이터의 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결/단선을 보장할 의도를 가진, 본 발명의 디바이스의 마그네틱 단선/연결을 각각 예시하는 단면도들이다.
도 7a 및 도 7b는, 전형적으로 1A보다 더 높은 고-전류 어큐뮬레이터의 출력 단자와 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결/단선을 보장할 의도를 가진, 본 발명의 디바이스의 마그네틱 단선/연결을 각각 예시하는 단면도들이다.
도 8 및 도 8a는, 각각 도 7a 및 도 7b에 따른 디바이스에서, 버스바와 출력 단자 또는 거기에 연결된 전기 전도성부 사이에서 전기 접점을 보장하는 전기 전도성 주름 와셔의 정면도와 측면도이다.
도 9는 도 7a 및 도 7b에 따른 디바이스의 변형예의 개략적 단면도이다.
도 10은, 코일에 의한 자성부들 사이의 연결/단선의 제어가 가능한, 도 7a 및 도 7b에 따른 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도이다.
도 11은 도 10에 따른 디바이스의 유용한 실시예의 변형예의 개략적 단면도이다.
도 12는 도 7a 및 도 7b의 모드의 구체적인 표현인 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도이다.
도 13은 도 10의 그것의 대안인 디바이스의 유용한 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 14는 도 12의 변형예이다.
도 15는 도 13의 변형예이다.
도 16은, 금속-이온 어큐뮬레이터의 출력 단자를 형성하는 부싱과 그 부분이 통합된, 출력 전류(power current) 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도이다.
도 17은 도 16에 따른 부싱을 블록킹하는 캡을 가진 수컷(male) 부분의 개략적 사시도이다.
도 18은 본 발명에 따른 부싱의 수컷부의 변형 실시예의 개략적 사시도이다.
도 19는 본 발명에 따른 마그네틱 록을 가진 2개의 출력 단자를 어큐뮬레이터 하우징의 커버 상에 통합하는 각형의 금속-이온 어큐뮬레이터의 개략적 사시도이다.
도 20은 본 발명에 따른 마그네틱 록을 가진 2개의 출력 단자들을 하나는 어큐뮬레이터 하우징의 커버 상에 통합하고 다른 하나는 바닥에 통합하는 원통형 금속-이온 어큐뮬레이터의 개략적도이다.
도 21은, 자성 블록들을 가진 회로의 폐쇄 플레이트들을 형성하는 버스바들 속으로 삽입된 강자성부들이 어큐뮬레이터의 출력 단자들 내에 통합된, 도 16에 따른 금속-이온 어큐뮬레이터의 측면과 부분 사시도이다.
도 22는 본 발명에 따른 마그네틱 록들을 통합하는 인터페이스 어댑터를 가진 각형의 현존하는 금속-이온 어큐뮬레이터의 부분 분해 사시도이다.
도 23은, 어큐뮬레이터의 하우징 상에 설치된 구성에서, 도 22에 따른 인터페이스 어댑터를 가진 어큐뮬레이터의 개략적 사시도이다.
도 24는 어댑터 내에 통합된 마그네틱 록들을 가진 회로의 폐쇄 플레이트들을 형성하는 버스바들 속으로 삽입된 강자성부에 면하는 도 22 및 도 23에 따른 어큐뮬레이터와 그 인터페이스 어댑터의 개략적인 부분 단면도이다.
도 25는 본 발명에 따른 마그네틱 록을 통합하는 다른 인터페이스 어댑터의 분해 사시도이다.
도 26은 어큐뮬레이터의 출력 단자 주위에 고정되거나, 끼워지고, 또는 스크류 결합될, 도 25에 따른 인터페이스 어댑터를 가진 각형의 현존하는 금속-이온 어큐뮬레이터의 부분 분해 사시도이다.
도 27은 어댑터 내에 통합된 마그네틱 록을 가진 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는 버스바 속으로 삽입된 강자성부에 면하는 인터페이스 어댑터가 주위에 끼워진 어큐뮬레이터의 출력 단자의 개략적인 부분 단면도이다.
도 28a 및 도 28b는, 도 10의 디바이스로 거슬러 올라가서, 마그네틱 단선이 발생할 가능성이 있는 전기적 아크들을 끄는(blowing out) 제1 모드의 단계들을 각각 도시한다.
도 29a 및 도 29b는, 도 28a 및 도 28b의 각각의 저면도로서, 전기적 아크들의 생성의 포인트들의 위치와 소멸시 아크들의 수렴을 나타낸다.
도 30 및 도 31은, 각각 폐쇄 플레이트의 유용한 변형예의 분해 사시도와 조립 사시도로서, 제1 모드에 따라 아크들의 소멸을 생성하는 전기 접점들을 도시한다.
도 32는 폐쇄 플레이트와 도 30 및 도 31에 따른 접점들을 이용하여 전기적 아크들의 형성을 예시하는 개략적 측면도와 평면도이다.
도 33a 및 도 33b는, 도 10의 디바이스로 거슬러 올라가서, 마그네틱 단선이 발생할 가능성이 있는 전기적 아크들의 소멸의 제2 모드의 단계들을 각각 예시한다.
도 34는 본 발명에 따른 플렉스블 블레이드 마그네틱 션트를 가진 디바이스의 개략적 단면도로서, 2개의 버스바들 사이에서 션트를 보장하고, 블레이드는 버스바들의 하나에 전기적 연결로 고정되어 있다.
도 35는 도 34에 따른 디바이스의 유용한 실시예의 개략적 단면도로서, 션트가 중복되지만, 각각의 플렉스블 블레이드의 고정이 절연 부분에 생성된다.
도 36은 도 35에 따른 마그네틱 션트 디바이스의 변형예의 개략적 단면도이다.
도 37은 금속-이온 어큐뮬레이터를 포함하는 전기 회로를 션트시키기 위해 방향전환 스위치 기능을 가진, 본 발명에 따른 마그네틱 션트를 가진 디바이스를 나타내는 전기 배선도이다.
도 38은 도 37에 따라 2개의 버스바들 사이에 방향전환 스위치를 생성하기 위해 본 발명에 따른 강성 블레이드 마그네틱 션트를 가진 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 39a 내지 도 39e는 어큐뮬레이터의 2개의 출력 단자들과 2개의 버스바들 사이의 마그네틱 연결/단선 및 단선되어 고장난 어큐뮬레이터의 마그네틱 션트 모두를 위한 디바이스의 작동의 상이한 단계들을 각각 보여주는 개략적 단면도들이다.
도 40과 도 41은 배터리 팩 내에서, 도 39a 내지 도 39e에 따른 연결/단선과 마그네틱 션트 디바이스를 나타내는 사시도들이다.
도 42a 및 도 42b는, 리드(reed) 스위치에 의한 마그네틱 단선의 수동적 탐지와 통합된, 어큐뮬레이터의 2개의 출력 단자들과 2개의 버스바들 사이의 마그네틱 연결/단선을 위한 디바이스의 변형예의 작동의 상이한 단계들을 보여주는 개략적 단면도들이다.
도 43은 어큐뮬레이터와 2개의 버스바들 사이의 마그네틱 연결/단선 및 단선되어 고장난 어큐뮬레이터의 마그네틱 션트 모두를 위한 디바이스의 개략적 단면도로서, 디바이스는 방향전환 스위치로 구성되고 2개의 어큐뮬레이터 출력 단자의 단지 하나의 단선에 의해 작동한다.
도 44 내지 도 46은, 본 발명에 따른 마그네틱 연결/단선 디바이스를 이용하여 각각의 어큐뮬레이터가 2개의 버스바들에 연결되어 있고, 각각의 브랜치 내부에서 병렬의 어큐뮬레이터들의 다수의 직렬 브랜치들을 가진 배터리 팩의 조립의 상이한 단계들에서의 컴포넌트를 각각 도시하는 개략적 사시도들이다.
도 47과 도 48은, 도 40 내지 도 42에 따라 조립되고, 2개의 버스바들 사이에 마그네틱 션트 디바이스를 더 통합하는, 배터리 팩을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 49와 도 50은, 도 44 및 도 45에 따라 조립되고, 2개의 버스바들 사이에 방향전환 스위치가 더 통합하는, 배터리 팩을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 51 내지 도 53은, 본 발명에 따른 마그네틱 연결/단선 디바이스를 이용하여 각각의 어큐뮬레이터가 2개의 버스바들에 연결되어 있고, 각각의 브랜치 내부에서 병렬의 어큐뮬레이터들의 다수의 직렬의 브랜치들을 가진 배터리 팩의 조립의 상이한 단계들에서 컴포넌트들과 배터리 팩이 각각의 브랜치에서 2개의 버스바들 사이에서 마그네틱 션트 디바이스의 통합을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 54는 도 53의 배터리 팩 내부에서, 도 36에 따른 마그네틱 션트 디바이스의 사시도이다.
도 55 내지 도 57은, 도 39a 내지 도 39e에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네틱 연결/단선 및 마그네틱 션트 디바이스를 이용하여 각각의 어큐뮬레이터가 2개의 버스바들에 연결되어 있고, 각각의 브랜치 내부에서 직렬의 어큐뮬레이터들의 병렬의 다수의 브랜치들을 가진 배터리 팩의 조립의 상이한 단계들에서 컴포넌트들을 각각 도시하는 사시도들이다.
도 58은 하나의 동일한 배터리 팩의 단위 금속-이온 어큐뮬레이터들을 위한 개별 리세스들을 가진 벌집 구조의 개략적 사시도이다.
도 59는 도 58에 따른 벌집 구조를 통합하는 배터리 팩과 어큐뮬레이터들에 자성으로 연결된 버스바들을 통합하는 전기 절연 기재의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 5는 선행기술에 따른, 하우징들과 단자들을 형성하는 부싱들의 Li-이온 어큐뮬레이터들 및 버스바들에 의해 조립된 배터리 팩의 상이한 예들에 관한 것이다. 이러한 도 1 내지 도 5는 배경기술에서 이미 언급되었으므로 이하 더 이상 논의하지 않는다.
명확성을 위해, 도 1 내지 도 59에서 동일한 참조부호들은 선행기술에 따른 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 출원을 통틀어, "하부", "상부", "하방", "상방", "아래" 및 "위"의 용어들은 수직으로 위치되고, 꼭대기 상의 커버 및 하우징 밖으로 상방으로 돌출하는 출력 단자를 구비하는, Li-이온 어큐뮬레이터 하우징에 대해서 이해되어야 한다.
도 6a 및 도 6b는, 저-전류 금속-이온 어큐뮬레이터의 출력 단자와 버스바 사이에서 기계적 및 전기적 연결/단선을 보장할 의도를 가진, 본 발명에 따른 마그네틱 연결/단선 디바이스(10)의 예를 도시한다.
여기서, 디바이스(10)는 예를 들어, 연철로 제조된 강자성부(14) 내에 형성된 캐버티(13) 내부에 수납된, 예를 들어, 네오디뮴-코발트로 제조된 영구 자석(12)을 구비하는 마그네틱 록(magnetic lock)을 포함한다. 이러한 강자성부는 미도시된 출력 단자에 전기적으로 연결된다.
연철로 역시 제조된 다른 강자성부(15)는, 미도시된 버스바를 통합하는 절연 기재(16) 속으로 삽입되어 그 전기 전도성부와 접촉한다. 플레이트 형태의 이러한 강자성부(15)는 마그네틱 록(11)과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성한다.
폐쇄된 마그네틱 회로는 도 6b에 도시되어 있다. 전류의 통로는 강자성부들(14,15)을 통해 만들어지고, 영구 자석(12)에 의해 생성된 자속(magnetic flux)은 자석(12) 내부와 강자성부들(14,15) 내부 모두에서 폐루프(closed loop)로 순환한다.
따라서, 폐쇄(closed) 구성에서, 폐쇄 플레이트(15)는 강자성부(14)를 폐쇄하여 자석에 의해 생성된 자속(F)의 양호한 순환을 가능하게 한다. 이러한 마그네틱 회로는 양호한 투자율(magnetic permeability)을 드러내고 그러한 폐쇄는 2개의 서브조립체들 사이에 엄청난 힘을 가능하게 함으로써, 출력 단자와 버스바 사이에 기계적 연결을 보장하는 한편 그들 사이에 전기 접점을 가능하게 한다.
도시된 예에서, 폐쇄 플레이트(15)는 고체 플레이트이다. 따라서, 내부적으로 속이 비었지만, 강자성부(14)와 함께 마그네틱 회로를 폐쇄하는, 강자성 와셔 형태의 폐쇄 플레이트를 고려할 수 있다.
출력 전류(power current)는, 매우 강하지 않기 때문에, 이러한 구성에서, 디바이스의 2개의 서브조립체들 사이에서 전기 전도와 전기 접점을 보장하는 부분들(14,15)의 강자성 재료를 통과할 수 있다. 여기서, 폐쇄 플레이트(15)는 출력 전류의 전기 전도가 가능하도록 강자성부(14)의 바닥에 직접적으로 전기적 접촉을 해야만 한다.
도 7a 및 도 7b는, 전형적으로 1A보다 더 높은 고 출력 전류들을 위한 마그네틱 연결/단선 디바이스를 도시한다. 이 경우, 전기 전도부들은 출력 전류의 통과 및 전기 접점의 품질을 보장하는 중요한 파라미터들이 된다.
그러므로, 전기 전도부들이 부가된다. 우선, 꼭대기 강자성부(15)는 전기 전도성 버스바(B1) 속으로 직접적으로 삽입된다. 전형적으로 연철로 제조된 강자성부(15)는 전형적으로 구리로 제조된 버스바(B1) 속으로 압력-끼워맞춤 또는 스크류 작업 또는 리벳팅에 의해 삽입될 수 있다.
이어서, 바닥 강자성부(14)는 전기 전도성부(17)의 캐버티 속으로 전형적으로 끼워맞춤(fitting)에 의해 고정된다. 이러한 2개의 전기 전도성부들(B1,17)은 전형적으로 구리로 제조되는, 양호한 품질의 전기 도체들이다. 이들 도체들의 저항률(resistivity)은 부분들(14,15)의 강자성 재료들 특히, 연철의 그것보다 훨씬 더 낮고, 대부분의 출력 전류는 이러한 도체들(B1,17)을 통과할 것이다.
도 7b에서, 마그네틱 회로는 폐쇄된다. 출력 전류(C)의 순환은 전도부들(B1,17)을 통해 들어 간다. 영구 자석의 자속(F)은 자력들을 최소화시키는 마그네틱 회로에 의해 둘러싸인다.
도 7b는 강자성부들(14,15) 사이에 작은 에어 갭(air gap)(e)의 존재를 도시하고, 실제로 체결력(connection force)을 매우 약간 감소시키만 기능적 낙낙함(play)을 이들 부분들 사이에 유용하게 부여할 수 있다.
더군다나, 전기 전도성 치차 록와셔(lockwasher) 또는 주름 와셔(18)는 꼭대기 강자성부(15) 주위에 배치된다. 예시된 예에서, 강자성부(15)는 버스바(B1)에 대해 돌출하고 치차 록와셔(18)는 강자성부(15)의 돌출부 주위에 배치된다. 바람직하게, 이러한 와셔(18)는 구리-인 합금으로 제조된다.
와셔(18)는 양호한 전기 접점을 보장할 수 있다. 실제로, 양호한 전기 접점은 중요한 접촉면과 표면 불균일성을 보상하기 위한 힘을 필요로 한다. 치차 록와셔(18)는 힘의 집중 및 기계적 낙낙함의 보상에 의해 분명히 정의되는 다수의 접촉 포인트들을 수립할 수 있다.
와셔(18)의 돌기들(19)은 다수의 상호 평행한 접촉점들을 수립할 수 있으므로, 전도부들(B1,17) 사이의 전체 전기 저항을 감소시킨다.
본 발명에 따른 치차 록와셔(18)의 예시적인 유용한 형태는 도 8 및 도 8a에 도시되어 있다.
도 8 및 도 8a에 따른 치차 록와셔들(18)의 치수의 예들은 아래 표 1에 표시되었다. 본 명세서에서 와셔들은 원형으로 도시되었지만, 단자의 형태에 따라, 전형적으로 정사각 또는 직사각과 같은 다른 형태들이 상정될 수 있다.
| V (mm) |
D (mm) |
t (mm) | h (mm) |
하중 (기준값) | |||||||
| 변형 | 압축 높이 | 하중 | 변형 | 압축 높이 |
하중 | ||||||
| 내경 | 허용 오차 |
외경 | 허용오차 | 두께 | 자유 위치 | F (mm) | h-F | (N) | F (mm) | h-F | (N) |
| 3 | +0.2 0 |
3.6 | 0 -0.2 |
0.05 |
0.5 | 0.1 | 0.4 | 0.35 | 0.3 | 0.2 | 0.77 |
| 4.2 | 0.73 | 1.96 | |||||||||
| 4 | +0.3 0 |
5 | 0 -0.3 |
0.7 |
0.2 |
0.5 |
0.47 | 0.4 |
0.3 |
0.91 | |
| 6 | 0.87 | 1.62 | |||||||||
| 5 | 7 | 0.60 | 1.11 | ||||||||
| 8 | 0.69 | 1.25 | |||||||||
| 10 | 0.75 | 1.42 | |||||||||
| 10 | 5.23 | 15.33 | |||||||||
| 12 | 5.10 | 19.00 | |||||||||
| 8 | 10 | 1.88 | 4.93 | ||||||||
| 12 | 2.93 | 8.72 | |||||||||
| 16 | 2.84 | 11.00 | |||||||||
| 10 | 12 | 1.03 | 2.71 | ||||||||
| 14 | 1.31 | 4.46 | |||||||||
| 16 | 1.76 | 5.82 | |||||||||
| 12 |
14 | 0.69 | 1.71 | ||||||||
| 15 | 0.98 | 2.58 | |||||||||
| 17 | 1.20 | 3.58 | |||||||||
| 16 | +0.5 0 |
18 | 0 -0.5 |
0.15 |
1.5 |
0.5 |
1.0 |
1.33 | 1.0 |
0.5 |
2.82 |
| 20 | 2.56 | 5.95 | |||||||||
| 28 | 4.28 | 12.61 | |||||||||
| 20 | 24 | 1.43 | 3.31 | ||||||||
| 28 | 2.34 | 5.94 | |||||||||
| 22 | 28 | 1.48 | 3.76 | ||||||||
| 30 | 1.74 | 4.59 | |||||||||
| 25 | +0.9 0 |
30 | +0.9 0 |
0.2 |
3.0 |
1.0 |
2.0 |
5.40 | 2.0 |
1.0 |
8.78 |
| 35 | 8.20 | 16.25 | |||||||||
| 30 | 35 | 2.92 | 5.77 | ||||||||
| 38 | 4.30 | 9.29 | |||||||||
디바이스(10)의 변형예는 도 9에 도시된다. 전술한 바닥 강자성부(14)가 제거된다. 영구 자석(12)의 자속(F)은 여기서 공중에 포함되고, 이것은 도 7a 및 도 7b의 그것과 동일한 체결력을 가하기 위해 더 큰 치수를 의미한다. 영구 자석은 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 전도부(17)의 모든 캐버티를 점유할 수 있다.
전술한 모든 연결 디바이스들(10)은 외부 간섭 없이는 단선될 수 있고, 따라서 라이브(live) 전압/전류 조건들에서 어큐뮬레이터 출력 단자와 버스바 사이의 해체가 가능하지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 디바이스(10)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 전류의 공급에 의해 제어되도록 수정된다.
여기서, 전기 절연 맨드릴(20)은 영구 자석(12)을 둘러싸고, 코일(21)을 형성하는 전기 전도성 와이어는 절연 맨드릴 주위에 감긴다. 맨드릴(20)은 예를 들어, 전형적으로 폴리에틸렌 형태의 열가소성 플라스틱의 절연 플라스틱으로 제조될 수 있고, 코일 와이어는 구리로 제조될 수 있다.
따라서, 디바이스(10)는 다음과 같이 구성된다.
i) 초기에 코일(12)이 전기적으로 구동되지 않으면, 폐쇄된 마그네틱 회로 구성에서, 폐쇄 플레이트(15) 상의 영구 자석(12)의 자기 인력(magnetic attraction force)은, 버스바(B1)와 전도부(17) 사이 따라서 버스바(B1)와 출력 단자 사이의 기계적 연결을 유지한다. 그들 사이의 전기 접점은 와셔(18)를 통해 생성된다.
ii) 코일(21)이 주어진 방향으로 전기적으로 구동되면, 영구 자석(12)의 그것에 반대되는 자기장을 생성하여 영구 자석의 인력을 소거하고, 버스바(B1)와 전도부(17) 사이, 또는 버스바(B1)와 출력 단자 사이에 기계적 단선을 유발시킨다. 그들 사이의 전기 접점이 제거된다.
또한, 단계 ii)의 그것에 반대되는 방향의 전류를 코일 속으로 주입함으로써, 영구 자석(12)의 인력을 일시적으로 강화시켜서, 영구 자석(12)의 그것과 동일한 방향으로 자기장을 생성할 수 있기 때문에, 이러한 실시예는 유용하다. 따라서, 전도부들(B1,17) 사이의 페쇄를 더 정확하게 제어하거나 제어를 간편화시킬 수 있다.
코일(21) 대신에, 도 11에 도시된 바와 같이, 전기 가열 저항체(22)를 설치할 수도 있다.
보다 구체적으로, 이러한 가열 저항체(22)는 예를 들어, 영구 자석을 둘러싸고, 가열 저항체(22)에 의해 생성되는 열을 영구 자석(12)을 향해 집중시키는 기능을 가진 열 절연체(23)에 의해 둘러싸일 수 있다. 바람직하게, 열 절연체(23)는 전술한 바와 같이, 전기 절연 맨드릴(20)에 의해 유지될 수 있다. 자석이 충분히 가열되기만 하면, 다른 기하학적 구성들이 상정될 수 있다.
영구 자석(12)은 온도에 민감하고 퀴리(Curie) 온도로 명명되는 임계 온도를 넘으면 자성을 잃을 수 있다. 이러한 온도는 영구 자석을 위해 선택된 재료들에 의존하고, 100℃부터 250℃ 이상까지 변화할 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 영구 자석의 퀴리 온도는 자기(self)-가열 온도(T1)의 90%에 가까운 값과 팩 어큐뮬레이터들의 열 폭주 온도(T2)의 110%에 가까운 값 사이에서 선택된다.
따라서, 전기적으로 구동될 때, 가열 저항체(22)는 퀴리 온도를 넘는 온도 범위까지 영구 자석(12)을 국부적으로 가열시킨다.
영구 자석(12)은 더 이상 인력을 가하지 않기 때문에, 전도부들(B1,17) 사이의 기계적 및 전기적인 단선이 발생한다. 영구 자석의 자기소거(demagnetization) 따라서, 본 변형예에 따른 단선 역시 확정적이다.
디바이스(10)의 코일(21) 또는 전기 가열 저항체(22)의 구동에 필요한 전기 소모는 매우 낮기 때문에, 본질적으로 전기 자주적인(autonomous) 금속-이온 어큐뮬레이터에 유용하다.
영구 자석은 전기 가열 저항체(22) 대신에, 어큐뮬레이터 자체에 의해 가열될 수 있다. 실제로, 금속-이온 어큐뮬레이터의 경우, 열 폭주 모드에서 코어 온도는 영구 자석의 자기소거 온도와 동일하다. 따라서, 전기적 단선은 고장난 어큐뮬레이터의 열 폭주에 의해 수동적으로 얻어질 수 있다.
다양한 형태의 영구 자석들(12)은 현존하고, 전술한 디바이스들을 위해 사용될 수 있다. 페라이트 자석들 또는 사마륨 코발트는 매우 강력(강한 보자력 장)하고 전술한 디바이스들 내에서 사용되는 것들이다. 영구 자석은 용적이 낮기 때문에 고성능(잠재적으로 고가)을 가진 이들 자석들은 본 발명에 따른 디바이스의 설계에 필요하다.
따라서, 전술한 디바이스들 내에 도시된 기학적 구조들은 예시적인 목적을 위해 개략적이다.
실제로, 영구 자석(12)은 유용하게 매우 얇아야만 한다. 사실, 그것은 마그네틱 회로(C) 내에서 에어 갭(e)과 유사하게 거동하고, 이러한 에어 갭은 유동 따라서, 노력이 최대가 되도록 가능한 한 작아야만 한다. 또한, 영구 자석(12)의 직경은 감소된 디바이스 사이즈에 의해 제한된다.
도 12는 강한 전류들을 통과시킬 의도로, 구체적으로, 디스크 형태로 생성되어 본 발명에 따른 디바이스 내에 배치될 수 있도록, 페라이트 또는 코발트 사마륨으로 제조된 영구 자석(12)의 형태를 도시한다. 도 12에서, 강자성의 캐버티 피스는 개조된 모양 하에서 즉, 디스크 형태의 자석(12)의 상부 끝단의 중앙 벽이 지지된 상태에서, 강자성 피스(14)에 의해 대체되는 것을 볼 수 있다. 강자성부는 질량을 얻기 위해 바람직하게 중앙 벽과 비어 있는 주변 벽 사이에서 속이 비어 있는 구조이다.
예시적인 방식으로, 발명자들은 대략 20mm의 직경과 20mm의 높이의 연결/단선 다비이스로서 출력 단자를 의도하고, 1mm의 두께와 10mm의 직경을 가진 디스크 형태의 사마륨-코발트 자석(12)의 프로토타입을 만들었다. 이러한 자석의 유도(induction)은 1.1 테슬라이고 이러한 자석(12)을 이용하여 얻어진 체결력은 18N이다.
비교예로서, 계산에 의해, 10mm의 직경과 10mm의 높이를 가진 영구 자석(12)은 단지 0.5N의 체결력을 생성한다.
이러한 고성능의 소결된 영구 자석들(12)은 본 발명의 맥락에서 추구된 응용들의 경우 이상적이다.
다시 말해서, 그들은 고가일 수 있고 소결된 강자성 재료들을 이용하여 얻을 수 있는 형상은 사이즈가 작은 플레이트들, 디스크들, 링들과 같이, 간단한 모양에 한정된다.
이러한 이유로 발명자들은 소결된 페라이트 또는 사마륨-코발트 대신에 플라스토-자석을 배치시키게 되었다.
본 발명에 따른 연결 디바이스(10) 내의 플라스토-자석 배치의 예는 도 13에 도시되어 있다.
도 13에서, 환형의 플라스토-자석(120)은 환형 공간을 형성하는 2개의 뚜렷한 강자성부들(14,140) 내에 수납되어 마그네틱 회로(F)를 형성한다. 따라서, 플라스토자석(120)은 작은 두께와 큰 높이의 원통 모양을 가진다.
기계적 연결 피스(100)는 프레스를 이용하여 압력-끼워맞춤될 수 있거나 2개의 강자성부들(14,140) 사이의 계면에 용접될 수 있다. 그들의 조립 동안, 상이한 부분들의 재료들 사이의 호환성을 보장하기 위해 주의를 기울여야 한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 자속(F)은 플라스토자석(120)의 레벨에 수평이다.
이러한 플라스토-자석(120)은 낮은 에어 갭을 가질 수 있는 한편 큰 환형 공간으로부터 혜택을 입기 때문에 유용하고, 따라서, 이것은 소결된 자석들(12)보다 덜 강력한 자석 솔루션이 가능하게 한다.
도 14는 도 12와 같은 디스크 형태의 자석(12)을 가진 강자성부(14)의 유용한 실시예를 도시한다.
강가성부(14)는 자석 접촉 구역을 얻고 자석 케이싱 즉, 외부 마그네틱 회로(C) 상의 2개의 부분들(14,15) 사이의 와셔(18)를 통해 양호한 전기 접점을 수립하게 하는 높이(141)의 차이를 얻기 위해 숄더를 가지도록 제조된다. 와셔(18)의 배치는 기계적 강도에 치명적(힘의 감소)일 수 있는 전체 마그네틱 회로 내에 에어 갭을 부가하지 않게 할 수 있다.
이러한 구성에서, 탄성 와셔(18)는 전기 접점이 충분한 접촉 압력을 가지게 한다. 와셔(18)는, 접촉 저항을 개선하고 산화를 방지하기 위해, 전형적으로, 실버 코팅에 기반하는 하나 이상의 적절한 접촉 재료들로 코팅될 수 있다.
도 14의 구성에서 영구 자석(12)은 바람직하게 소결된 자석이다.
따라서, 도 13 및 도 14의 구성은, 전형적으로, 연철로 제조된 강자성부들(14,15)로 구성된 마그네틱 회로가 매우 높은 전기 전도성이고, 전도성 탄성 와셔(18)를 경유하여 디바이스를 통해 높은 세기의 전류를 통과시킬 수 있기 때문에 유용하다. 그러므로, 이것은 폐쇄 플레이트와 마그네틱 회로 사이에 양호한 전기 전도성을 보장한다.
또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 비-자성 카커스(carcass)를 통해 강한 전류의 통과를 고려할 수 있다.
도 15에서, 전류는 강자성부들(14,15)를 더 이상 통과하지 않지만, 예를 들어, 구리로 제조된 부분들(17,B1)에 의해 구성된 비-자성 카커스를 통과한다.
도 15의 구성에서, 전기 전도부(17)가 캐버티 내의 다양한 구성요소들을 기계적으로 유지하기 때문에 기계적 연결 피스(100)가 생략될 수 있음을 유의해야 한다.
바로 위에서 설명된 마그네틱 연결/단선 디바이스들은 어큐뮬레이터 출력 잔자들 내에 부분적으로 직접적으로 통합될 수 있다.
이러한 통합의 목적은 적어도 하나의 어큐뮬레이터 출력 단자와 하나의 버스바 사이에 마그네틱 록을 생성하는 것이고, 록은 영구 자석과 자성 폐쇄 플레이트와 협력하는 제어 코일을 구비한다.
아래에서 드러나는 바와 같이, 마그네틱 록은 출력 단자에 통합되고, 페쇄 플레이트는 버스바의 사이드에 있다. 어큐뮬레이터의 전기적 션트가 추구되는 구성들을 제외하고, 버스바의 사이드에 록을 통합시키고, 마그네틱 폐쇄 플레이트가 어큐뮬레이터의 출력 단자 내에 있는 것을 고려하는 것은 전적으로 가능하다.
부싱(5)에 의해 형성된 본 발명에 따른 출력 단자의 예시적 실시예는 도 16에 도시되어 있다.
부싱(5)은 2개의 반대면들을 구비하는 어큐뮬레이터(A)의 하우징(6)의 커버(9)의 하나의 사이드 상에 드러나는 오리피스를 통해 생성된다.
부싱(5)은 전기 전도성 암컷(female)부(24), 및 영구 자석(12)이 수납되고 역시 전기 전도성이 블록킹 캡(26)에 의해 폐쇄되는 캐버티(25)를 구비하는 전기 전도성 수컷부(17)를 구비한다.
또한, 캐버티(25)는 마그네틱 록을 형성하기 위해 영구 자석(12)을 보완하는 강자성부(14)를 수납한다.
수컷부(17)의 일부분은 암컷부(24)의 블라인드 구멍 속으로 기밀 고정된다.
2개의 전기 절연 와셔들(27,28) 각각은 커버(9)의 면들의 어느 하나에 압력 접촉되는 베어링부 및 베어링부에 대해 돌출하고 오리피스의 에지와 접촉하는 안내부를 포함한다.
나아가서, 전도부들(17,24)의 각각은 와셔들(27)의 베어링부에 압력 접촉되는 베어링부를 포함한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 마그네틱 회로의 폐쇄 구성에서, 자속(F)은 자성부(14)와 버스바(B1) 속으로 삽입된 자성부(15)를 통해 단자(5) 내의 루프 내에서 순환하여, 단자(5)와 버스바(B1) 사이의 기계적 연결을 보장한다. 동시에, 출력 전류(C)의 순환은 버스바(B1)로부터 치차 록와셔(18)를 경유하여 캡(26)과 단자의 수컷부(17)를 통해 발생한다.
도 17은 캐버티(25)가 영구 자석(12)을 수납하고 캡(26)에 의해 덮이는 특히, 용접에 의해 고정되는 전도성 수컷부(17)를 상세히 도시한다. 바람직하게, 캡(26)은 수컷부(17)와 동일한 재료로 제조된다. 이러한 캡의 두께는 응용에 대해 요구되는 에어 갭에 따라 정의되어야 한다.
비록 도시되지 않았지만, 단자(5)의 마그네틱 단선을 위한 코일(21) 또는 전기 가열 저항체(22)가 캐버티(25) 내에 수납될 수 있다.
수컷부(17) 내에 마련된 관통-오리피스(29)는 코일 또는 전기 가열 저항체를 구동시키기 위한 전기 와이어를 통과시킬 수 있다.
도 17에 도시된 관통-구멍(29)을 제외하고, 준-블라인드(quasi-blind) 캐버티(25)를 가진 전도성 수컷부(17) 대신에, 도 18에 도시된 바와 같이, 그 테두리 상에 하나 이상의 슬롯들(170)을 가진 전도성 수컷부(17)를 생성할 수 있다. 이러한 변형예는, 한편으로, 부분(17)의 중량을 감소시키고 다른 한편으로, 다수의 지점에서 코일 또는 전기 가열 저항체를 구동하는 와이어를 통과시킬 가능성 때문에, 유용하다.
도 19는 2개의 출력 단자들(4,5) 모두 하우징(6)의 커버(9) 상에 배치되고, 영구 자석(12)을 가진 마그네틱 록이 통합된 각형 금속-이온 어큐뮬레이터(A)를 도시한다. 바람직하게, 각각의 마그네틱 록은 버스바들(B1 및/또는 B2)로부터 어큐뮬레이터의 가능한 단선을 위한 강자성부(14) 및 코일 또는 전기 가열 저항체(22)를 구비한다.
따라서, 그들의 마그네틱 회로들의 각각의 폐쇄 구성에서, 2개의 출력 단자들(4,5)의 각각은 버스바(B1) 및/또는 버스바(B2)에 각각 마그네틱 록킹된다.
도 19에 도시된 바와 같이, 치차 록와셔들(18)은 출력 단자들(4,5) 상에 직접적으로 장착될 수 있다.
어큐뮬레이터(A)와 버스바들(B1 및/또는 B2) 사이의 마그네틱 단선을 목적으로 하는, 코일(21) 또는 가열 저항체(22)의 전기적 구동은, 특히, 어큐뮬레이터의 고장을 우선적으로 탐지할 수 있는 BMS에 의해, 어큐뮬레이터(A)의 전원으로부터 또는 배터리 팩의 다른 어큐뮬레이터로부터 생성될 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 이러한 BMS(30)는 하우징의 커버(9) 상에 직접적으로 고정될 수 있고, 단자들(4,5)의 수컷부(17)의 관통-오리피스(29) 속으로 들어가는 와이어들에 의해 직접적으로 구동될 수 있다.
도 20 및 도 21은 하나의 단자는 하우징(6)의 커버(9) 상에 배치되어 있고 다른 하나는 반대로 하우징(6)의 바닥에 배치되고 영구 자석(12)을 가진 마그네틱 록이 통합된 2개의 출력 단자들(4,5)을 가진 금속-이온 어큐뮬레이터(A)를 도시한다.
존재하는 어큐뮬레이터들 내에서 마그네틱 연결/단선 디바이스들(10)을 구현하기 원할 때, 도 22 내지 도 24에 도시된 인터페이스 어댑터들(40) 내에 어큐뮬레이터를 통합할 수 있다.
이러한 인터페이스 어댑터(40)는, 무엇보다도, 금속-이온 어큐뮬레이터의 하우징의 바닥(8) 또는 커버(9)와 적어도 부분적으로 상보적인 형태의 본체(41)를 구비한다. 이러한 본체(41)는 바닥(8) 및/또는 커버(9) 상에 끼워맞춤에 의해 장착된다.
도 22 내지 도 24에 도시된 실시예에서, 본체(41)는 금속-이온 어큐뮬레이터의 출력 단자(4,5)의 각각이 내부에 수납될 수 있는 2개의 관통-리세스들(42)을 구비한다. 본체는 2개의 단자들의 하나로부터 절연되거나 전기적으로 절연된다.
권취 코일(21)을 가진 절연 맨드릴(20)에 의해 둘러싸인 영구 자석(12)을 각각 구비하는 2개의 마그네틱 록들(11)은, 본체(41) 내에 통합된다. 본체(41)는 마그네틱 록들(11) 주위에 오버몰드될 수 있다.
여기서, 마그네틱 록들(11)은 출력 단자들(4,5) 외측에서 그것들과 나란하게 인터페이스 어댑터(40)의 측면 끝단들에 배치된다.
출력 단자들(4,5)과 버스바들(B1 및/또는 B2) 사이의 전기적 연결들은 어큐뮬레이터의 출력 단자에 접점으로 고정되기에 각각 적합한 전기 전도부들(43)에 의해 보장된다. 더군다나, 최적의 전기 접점을 보장하기 위해, 2개의 전기 전도성 치차 록와셔들(18)은 부분(43)의 어느 하나의 사이드 상에 배치된다.
BMS(30)는 인터페이스 어댑터(40)의 본체(41) 내부에 삽입될 수 있다. 이러한 BMS(30)는 전도성 텅(gongue)들(31,32)에 의해 2개의 마그네틱 록들(11)과 출력 단자들(4,5)에 연결된다.
인터페이스 어댑터(40)와 나란한 마그네틱 록들(11)과 출력 단자들(4,5)의 배열은, 마그네틱 록들(11)과 강자성부들(15) 사이에서 이용할 수 있는 더 클 수 있는 자성 표면들의 도움으로, 어큐뮬레이터와 버스바들(B1 및/또는 B2) 사이, 및 레버 효과에 의한 션트 발생시, 더 높은 접촉 압력을 얻을 수 있게 한다.
도 22 내지 도 24에 따른 인터페이스 어댑터들(40)은 단자들의 기계적 아키텍쳐와 무관하게 현존하는 모든 형태의 어큐뮬레이터에 적응될 수 있다.
나아가서, 인터페이스 어댑터(40)는 여분의 두께를 부가하여, 어큐뮬레이터와 버스바들 사이의 계면에서 수반되는 힘들을 더 잘 관리할 수 있게 된다.
인터페이스 어댑터(40)의 또 다른 형태는 도 25 내지 27에 도시되어 있다.
이러한 인터페이스 어댑터(40)는 예를 들어, 절연 플라스틱 재료와 같은 전기 절연 재료로 제조된 엔클로저(enclosure)(44)를 구비한다. 또한, 엔클로저는 예를 들어, 단자들과 하우징 사이와 같이 상이한 전위차들의 부분들 사이에서 필요한 상이한 절연들의 관리에 주의하기 위해, 도전 재료로 제조될 수 있다. 엔클로저의 형태는 원통, 평행육면체 또는 다른 형태일 수 있는 단자의 형태에 매칭된다.
엔클로저(44)는 어큐뮬레이터(A)의 출력 단자 주위에 고정, 끼워맞춤 또는 스크류 결합 또는 용접되도록 구성된 개방 중앙 개구(45), 및 본 발명에 따른 마그네틱 록(11)을 수납하기에 적합한 캐버티(46)를 구비하고, 캐버티(46) 내부에는 상보적 형태의 적어도 하나의 강자성부(14)가 끼워진다.
블록킹 캡(47)은 마그네틱 록(11)을 수납하는 엔클로저(44)를 닫는다.
도 27에 도시된 실시예에서, 인터페이스 어댑터(40)는 권취 코일(21)을 가진 절연 맨드릴(20)에 의해 둘러싸인 영구 자석(12)을 구비하는 마그네틱 록(11)을 통합한다.
여기서, 인터페이스 어댑터(40)는 유용하게 특허 출원 FR2989836의 교시(teaching)에 따라 제조된 부싱(5)에 의해 형성된 현존하는 출력 단자 주위에 배치된다.
따라서, 부싱(5)은 어큐뮬레이터(A)의 하우징(6)의 커버(9)의 어느 하나의 사이드 상에서 드러나는 오리피스를 통해 생성된다.
부싱(5)은 전기 전도성 암컷부(24), 및 일 부분이 암컷부(24)의 구멍 속으로 빡빡하게 끼워지는 전기 전도성 수컷부(17)를 구비한다.
2개의 전기 절연 와셔들(27,28) 각각은 표면-베어링이 커버(9)의 면들의 어느 하나에 압력 접촉하는 베어링부, 및 베어링부에 대해 돌출하고 오리피스의 에지에 접촉되는 가이딩부를 구비한다.
더군다나, 전도부들(17,24)의 각각은 표면-베어링이 와셔들(27)의 베어링부에 압력 접촉되는 베어링부를 구비한다.
도 27의 이러한 구성에서, 마그네틱 록(11)은 출력 단자(5) 주위에 동심으로 배치된다.
도 27의 동심적 구성에 따라 인터페이스 어댑터(40)와 출력 단자 사이의 조립은 미도시된 외부 나사산이 마련된 출력 단자(5) 주위에서 압력-끼워맞춤 또는 용접 또는 스크류 작업에 의해 수행될 수 있다.
또한, 여기서, 도 25 내지 도 27에 따른 인터페이스 어댑터들(40)은 단자들의 기계적 아키텍쳐와 무관하게 모든 현존하는 어큐뮬레이터 형태에 적응될 수 있다. 특히, 이러한 환형 어댑터들(40)은 그 팩키징이 전기 절연 플라스틱 재료로 제조된 납 어큐뮬레이터들과 함께 구현될 수 있다. 그 예는 강성 하우징을 가진 어큐뮬레이터이다. 이러한 형태의 어댑터는 플렉스블 팩키징을 가진 어큐뮬레이터들에도 적용된다.
다른 조치 없이 바로 위에서 설명된 마그네틱 연결은 고출력 전류의 경우 전기적 아크(arc) 문제들을 생성할 수 있다.
실제로, 충전하는 전기화학적 어큐뮬레이터들의 연결/단선은 그들의 연결들에서 전기적 아크의 발생으로 이어질 수 있다. 이러한 아크는 전형적으로, 수 천도(℃)로서 매우 뜨거워서, 케미스트리의 폭주 따라서, 배터리의 열 폭주로 이어질 수 있다. 이러한 아크는, 0을 통한 전류의 자연스러운 통로의 부재가 아크의 신속한 소멸을 가능하게 할 필요가 없는 직류 모드에서 금속-이온 어큐뮬레이터가 작동할 때 더욱 더 문제가 된다.
신속한 소멸을 이루기 위한 제1 해결책은 자기장들을 이용하여 전기적 아크를 길게 늘이는 것으로 구성된다. 아크의 길게 늘어짐은 주변 매체와의 교환 표면을 증가시킬 것이고 아크의 냉각으로 이어질 것이다. 아크의 온도가 감소함에 따라, 그 저항은 전류가 영(nil)에 도달하고 매체가 절연될 때까지 증가한다.
제1 자성 늘이기(elongation) 디바이스는 도 28a 내지 도 29b에 도시되어 있다.
여기서, 마그네틱 연결/단선 디바이스(100)는 강자성부(15) 주위에 전기 전도성 치차 록와셔(18)를 반드시 통합한다.
따라서, 전도성 치차 록와셔(18)와 도시된 예에서 원통형인 전도부(17)의 도체 접점 사이에 전기 접점이 만들어진다.
단선 동안 접점이 개방될 때, 상이한 접점들에서 다수의 전기적 아크들이 촉발될 것이다(도 28a 및 도 28b 참조).
전기 도체들로서 거동하는, 이러한 아크들 내의 전류는, 동일한 방향이다. 그러므로, 이러한 전기 아크들은 라플라스(Laplace) 법칙에 따라 인력이 작용할 것이고, 도 28b에 도시된 바와 같이 그들을 변형시킬 것이므로, 경로를 늘여서 주위 매체와의 교환 표면을 증가시켜서 아크들의 소멸을 달성하게 된다.
치차 록와셔(18)의 치수의 선택을 통해, 아크들 사이의 라플라스 힘이 충분하게 되도록 하기 위해, 아크들은 전형적으로 수 밀리미터까지 서로 충분히 가깝게 되는 것을 보장한다.
제2 자성 늘이기 디바이스는 도 30 내지 도 32에 도시되어 있다. 이러한 제2 다바이스는 도 28a 및 도 28b의 제1 디바이스에 상보적일 수 있다.
여기서, 예를 들어, 위에서 볼 때 V-형과 같은 노치들(150)을 가진 강자성부(15)가 생성된다.
특수한 형태의 전기 접촉 와셔(50)가 제공된다. 이러한 와셔(50)는 버스바들의 하나에 전기적으로 연결된 링(ring)의 형태이다.
강자성부(15)의 노치(150) 내에 각각 배치되고, 내부 테두리 상에서 플렉스블 미늘(barb)들(51)을 가진 와셔(50)가 마련된다.
마그네틱 연결 회로의 폐쇄 구성에서, 각각의 미늘(51)은 출력 단자(4 또는 5)의 전도부(17)와 전기적으로 접촉된다. 사실상, 플렉스블 미늘들(51)은 낙낙함을 보상하고 필요한 접촉 압력을 얻기 위한 그들의 탄성의 도움으로 거의 변형되지 않는다.
출력 단자와 버스바 사이가 기계적으로 단선될 때, 와셔(50)와 출력 단자 사이의 전기 접점의 제거에 의해, 미늘들(50)과 출력 단자의 도전부(17) 사이의 전기적 아크들이 생성될 것이다. 이러한 아크들은 폐쇄 강자성부(15)를 향해 아크들을 변형시키게 될 자기장들을 생성할 것이고, 따라서 그들이 소멸될 때까지 그들을 냉각시킬 것이다.
보다 구체적으로, 접점이 개방될 때, 전술한 바와 같이 전기적 아크들이 발생할 것이고, 특히 강자성부(15) 부근에 자기장들을 생성할 것이다. 라플라스 힘(F)은 각각의 전기적 아크와 공기의 그것보다 훨씬 더 높은 투자율을 가진 부분(15)에 의해 채널이 형성된 이러한 자기장 사이에 가해질 것이다.
전술한 바와 같이, 전기적 아크는 안쪽을 향해 변형될 것이고 강자성부(15) 쪽으로 인력이 작용할 것이다. 공기에 대한 양호한 열 도체로 되어 있는 강자성부는 아크의 열 에너지의 대부분을 흡수할 것이고 그것을 매우 강하게 냉각시켜 소멸로 이어질 것이다. 심지어, 이러한 폐쇄부(15)의 국부적 용융이 발생될 수 있고, 엄청난 에너지(느린 액상화, 심지어 증발, 열)를 흡수할 것이다. 물론, 아크의 열 에너지의 흡수에 의해 유도될 수도 있는 점진적 마모를 보상하기 위해 부분들의 치수에 대해 유의를 해야 한다.
신속한 소멸을 달성하기 위한 제2 해결책은, 전기적 아크의 생성 순간에, 접촉 중심에서 압력 하의 가스를 발생시키는 것이고, 이것은 아크를 바깥쪽으로 밀어낼 것이다. 그러므로, 아크는 외측으로 늘여져서 그것이 냉각되고 소멸된다.
가압 가스의 블로잉(blowing)에 기반하는 아크 소멸 디바이스는 도 33a 및 도 33b에 도시되어 있다. 이를 위해, 전형적으로 250℃보다 더 낮은 저증발점을 가진, 예를 들어, 폴리에틸렌 형태의 열가소성 플라스틱 재료와 같은 전기 절연 재료로 제조된 부분(52)은, 그 꼭대기 상의 마그네틱 록의 중앙에 배치된다. 이러한 부분(52)의 융점은, 자석의 자성을 손상시키지 않으면서 아크를 소멸시킬 수 있도록, 영구 자석의 퀴리 온도보다 더 낮은 것이 바람직하다.
전기적 아크가 발생할 때, 저융점을 가진 이러한 부분(52)은 아크에 의해 생성된 열의 효과 하에서 증발될 것이고 따라서, 압력 하에서 가스를 국부적으로 생성할 것이다. 실제로, 신속한 아크에 기인하는 가열 때문에, 생성된 가압 가스는 소멸될 시간이 없다. 이러한 가압 가스는 전기 접점으로부터 바깥쪽으로 아크를 작동시켜 그것을 늘임으로써, 소멸로 이어진다(도 33b).
저융점을 가진 부분(52)은, 와셔(18) 내부에서, 마그네틱 록(11)과 강자성부(15) 사이의 에어 갭 내에 배치될 수 있다. 이러한 부분(52)이 코일(21)을 권취하기 위한 절연 맨드릴(20)과 함께 하나의 동일한 부분을 구성하게 할 수 있다.
도 34는, 배터리 팩 내부에 션트를 보장하고 따라서 배터리 팩의 작동의 연속성을 보장할 의도의, 본 발명에 따른 마그네틱 션트 디바이스(60)의 예를 도시한다.
션트 디바이스(60)는 버스바들의 하나의 전도부 상의 고정점(62)에 그 끝단들의 하나가 고정된, 전기 전도성의 플렉스블 블레이드(61)를 구비한다. 블레이드(61)는 구리-베릴륨으로 제조될 수 있다.
플렉스블 블레이드(61)의 타단에는 강자성부(14)가 내부에 수납되고 그 자체가 영구 자석(12)과 자석(12) 주위의 코일(21)을 수납하는 전도성 캐버티(17)를 구비하는 마그네틱 록(11)이 삽입된다.
도시된 바와 같이, 개방 위치에서, 전도성 블레이드의 탄성은 디바이스가 개방되어 남아 있도록 자석의 인력이 고정된 부분 상의 강자성부를 보상하기에 충분할 필요가 있다.
전도부들(17,B1) 사이의 접촉을 폐쇄하기 원할 때, 코일(21)에 적절한 방향의 전류가 인가되고, 영구 자석(12)의 그것을 강화하는 코일에 의해 자기장이 생성된다. 그러면 코일과 자석의 조합의 자기장에 의해 생성된 힘은 플렉스블 블레이드(61)의 힘보다 더 커야만 한다. 그러면 접촉이 폐쇄될 수 있고 마그네틱 록킹은 강자성부(15)가 고정된 상태에서 마그네틱 록(11)에 의해 수행된다.
코일(21) 내의 전류 제어 폐쇄가 끊어질 때, 마그네틱 록(11)과 강자성부(15) 사이의 에어 갭이 감소되기 때문에, 영구 자석(12)은 그 자체로 폐쇄가 유지되는 것을 보장할 수 있고, 이것은 플렉스블 블레이드(61)의 그것보다 더 큰 마그네틱 록킹 힘을 의미한다. 그러면, 션트 디바이스(60)는 심지어 제어 코일 내에 전류가 없더라도, 폐쇄 위치에 남아 있게 된다.
션트 디바이스(60)를 개방시키기 위해, 생성된 자기장이 영구 자석의 그것에 반대가 되어 결과적인 자기장을 소거하도록 반대의 전류가 코일(21) 속으로 주입되어야 한다. 이러한 결과적인 자기장에 기인하는 유지하는 힘은 플렉스블 블레이드(61)의 그것보다 더 작게 되고, 션트 디바이스(60)가 개방될 수 있다.
그러면, 코일 내의 개방을 제어하는 전류는 블레이드(61)가 초기 위치로 방향을 전환하기 때문에 끊어질 수 있다. 즉, 자석(12)의 자기 인력은 블레이드(61)의 개방 힘보다 더 작다.
도 35는 블레이드들의 고정을 제외하고 바로 위에서 설명한 션트 디바이스(60)의 복제된 변형예를 도시한다. 2개의 블레이드들(61) 각각은 전기 절연 고정점에서 그들의 끝단들의 하나에서 고정되고, 그들 끝단들의 다른 하나에서 마그네틱 록(11)이 통합된다. 복제된 션트 디바이스(60)의 작동은 도 34를 참조하여 설명된 것과 동일하다.
나아가서, 복제된 션트 디바이스(60)는 유용하게 어큐뮬레이터의 2개의 단자들(4,5)의 동시적 단선을 생성하게 하는 한편, 도 34의 예에서, 단일 단자(5)는 록 시스템에 의해 작동되고, 다른 단자는 예를 들어, 플렉스블 케이블(63)에 의해 버스바(B2)에 연결되어 있다.
션트 디바이스(60)의 다른 변형예는 도 36에 도시되어 있다. 여기서, 마그네틱 록들(11)은 고정된 바닥부에 삽입되고, 영구 자석들(12), 코일들(21) 및 강자성부들(17)을 수납하는 캐버티들을 형성하는 전도부들은 버스바들(B1,B2) 내에 또는 거기에 연결된 전도부들 내에 생성되어 있다. 도 35의 이러한 변형예는 어큐뮬레이터의 전자 제어 유니트 특히, BMS에 대한 연결을 간단하게 할 수 있다.
도 37 및 도 38은 배터리 팩 내부에서 방향전환 스위치를 구성하고 그 작동의 연속성 뿐만 아니라 하나 이상의 어큐뮬레이터들의 회로의 션트를 보장할 의도의, 본 발명에 따른 마그네틱 션트 디바이스(70)의 예를 도시한다.
도 38에 도시된 바와 같이, 방향전환 스위치 디바이스(70)는 관절(72)에 의해 중앙에서 관절 연결되는 강성 블레이드(71)를 구비한다. 이러한 강성 블레이드의 관절(72)은 우수한 전력 연결을 간단하게 생성할 수 없다. 또한, 전류는 이러한 전기적 연결을 개선하기 위해 전기적인 스폿 용접되는 구리로 바람직하게 제조된 금속 블레이드(braid)(73)를 이용하여 이러한 블레이드(71)에 인가될 수 있다.
강성 블레이드(71)는 그 끝단들의 각각에서, 전술한 바와 같이 디바이스의 바닥부 내에 배치된 마그네틱 록들(11)의 하나와 함께 마그네틱 회로를 폐쇄하도록 각각 의도된, 강자성부(15)를 통합한다.
도 38에서, 마그네틱 록(11)에 의해 블레이드(71)와 전도부(17) 사이의 우측의 접점이 폐쇄되고 록킹될 때, 좌측의 접점이 개방된다.
우측의 접점의 영구 자석이 좌측의 부분(15)이 면하는, 좌측의 접점의 그것과 비교하여 강자성부(15)에 더 가깝기 때문에, 자기 인력은 우측 상에서 훨씬 더 크고 방향전환 스위치 디바이스(70)는 이 위치에서 록킹되어 남아 있게 된다.
회동 강성 블레이드(71)를 절환시키고 따라서, 방향전환을 얻기 위한 방법은 다음과 같다.
코일에 의해 생성되는 자기장이 우측의 영구 자석(12)의 그것에 반대가 되도록, BMS는 우측의 코일(21) 속으로 전류의 인가를 명령한다.
우측의 접촉을 유지하는 힘은 강하게 감소되고 특정 시간의 끝에서 소거된다.
좌측의 영구 자석(12)에 의해 가해지는, 인력과 블레이드의 부분들의 하나의 길이 사이의 곱(product)로서 정의된, 하나의 순간에서, 인력 토크는, 우측의 접점과 블레이드(71)를 유지하는 토크보다 더 크게 되면, 스위치들은 우측의 접점을 개방하고 좌측의 접점을 폐쇄하도록 절환한다.
BMS는 좌측의 영구 자석에 의해 생성된 자기장을 일시적으로 증가시키기 위해 좌측의 접점의 코일 속으로 전류를 주입하도록 명령할 수 있다. 그것은 강성 블레이드(71)의 절환(switchover)의 속도를 관리하게 할 수 있다.
강성 블레이드(71)가 절환된 후, 좌측의 마그네틱 록(11)은 좌측의 접점을 이러한 새로운 위치에서 록킹되게 유지하고 코일들(21)의 구동이 단절될 수 있다.
물론, 디바이스(70)의 작동은 초기 상태로 방향전환될 수 있다.
마그네틱 록들(11)을 방향전환 스위치 디바이스(70)의 바닥 고정부 내에 배치하는 대신에, 그들은 강성 블레이드(71) 내에 위치될 수 있다.
도 39a 내지 도 39e는 어큐뮬레이터(A)와 버스바들(B1,B2) 사이의 연결/단선, 및 고장에 기인하여 단선된 이러한 어큐뮬레이터(A)의 션트 모두를 위한 디바이스(80)의 상이한 상태들을 도시한다.
여기서, 마그네틱 록(11.1)은 어큐뮬레이터의 출력 단자들(4,5)의 각각에 통합된다.
단자(4,5)의 각각의 록(11.1)은, 내부에 강자성부(14)가 수납되고 그 자체가 영구 자석(12.1)과 영구 자석(12.1) 주위의 코일(21)을 수납하는 전도성 캐버티(17)를 구비한다.
2개의 강자성부들(15) 각각은 출력 단자들(4,5)의 하나 또는 다른 하나의 마그네틱 록(11)과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트들을 형성하는 2개의 버스바들(B1,B2)의 하나 속으로 삽입된다.
2개의 전기 전도성의 플렉스블 블레이드들(81) 각각은 그 끝단들의 하나에서 고정점(82)에 고정된다. 각각의 블레이드(81)는 마그네틱 록(11.2)을 형성하는 영구 자석(12.2)만 내부에 수납되는 캐버티를 구비한다.
도 39a 내지 도 39e에 도시되고 아래에서 설명된 바와 같이, 플렉스블 블레이드(81)의 영구 자석(12.2)은 단자(4,5)의 마그네틱 록(11.1)의 영구 자석(12.1)에 면한다. 도시된 예에서 동일한 부호의 극성들(양극)이 서로 면한다.
연결/단선 및 마그네틱 션트 디바이스(80)의 작동은 다음과 같다.
어큐뮬레이터 하우징 내에 통합된 BMS(30)가 어큐뮬레이터의 정상 작동을 감지할 때, 폐쇄된 마그네틱 회로 구성에서, 폐쇄 플레이트들(15) 상의 각각의 출력 단자들(4,5)의 영구 자석들(12.1)의 자기 인력은, 출력 단자들(4,5)과 버스바들(B1 및/또는 B2) 사이의 기계적 연결과 함께 그들 사이의 전기 접점을 보장한다(도 39a).
이러한 구성에서, 플렉스블 블레이드들(81)의 영구 자석들(12.2)은 영구 자석들에 의해 척력이 작용하여 플렉스블 블레이드들(81)은 버스바들(B1,B2)과 전기적으로 접촉될 수 없고 즉, 그들로부터 이격된다(도 39a).
BMS(30)가 어큐뮬레이터(A)의 고장을 탐지하면, 그것은 어큐뮬레이터(A) 내에 통합된 전력 공급 와이어들을 통해, 어큐뮬레이터의 전압과 에너지로부터 출력 단자들(4,5)의 코일들(21)을 작동시킨다(도 39b).
어큐뮬레이터의 고장은 셀의 표피 온도, 내부 온도, 전압 및 저항과 같은 파라미터들의 적어도 하나로부터 감지될 수 있다.
출력 단자들(4,5) 각각과 버스바들(B1,b2) 사이의 전기적 단선이 확보될 때까지, 코일들의 각각이 단자들(4,5)의 영구 자석들(12.1)의 자기 인력에 반대되는 자기력을 생성하도록 코일들(21)의 구동은 일 방향으로 수행된다(도 39c).
이러한 단선은 어큐뮬레이터가 중력을 통해 낙하되게 한다.
결과적인 자기장 즉, 영구 자석들(12.1)과 코일들(21)로부터의 자기장이 어큐뮬레이터의 중량을 보상하기에 불충분할 때, 코일들(21)의 단선을 위해, 유용하게, 전류는 0으로부터 예를 들어, 어큐뮬레이터가 중력을 통해 낙하되도록 하는 충분히 느린(1초 내지 2초) 램프(ramp)를 가진 미리정의된 값까지 증가된다.
어큐뮬레이터가 낙하된 후 그것이 중요하지 않을 때, 코일들(21)에 의해 생성되는 자기장들은 계속해서 약간씩 증가될 수 있다. 고정된 시간(예, 2초) 후에, 전류는 끊긴다.
어큐뮬레이터의 낙하와 동시에 또는 의사(quasi)-동시에, 자기 척력의 부재 때문에, 플렉스블 블레이드들(81)의 영구 자석들(12.1)과 폐쇄 플레이트들(15) 사이의 마그네틱 회로가 폐쇄되고 플렉스블 블레이드들(81)을 통해 버스바들(B1,B2) 사이에 전기적 연결이 만들어 진다(도 39d).
다시 말해서, 출력 단자들(4,5)과 버스바들(B1,B2) 사이의 기계적 및 전기적 연결은 전도성 플렉스블 블레이드들(81)에 의한 버스바들(B1,B2)에 대한 전기적 연결에 의해 동시적으로 수반된다. 버스바들(B1,B2)에 대한 이러한 전기적 연결은 어큐뮬레이터(A)의 션트를 구성하는 한편 어큐뮬레이터(A) 대신에 전기적 연속성을 재수립한다.
디바이스의 작동을 종결시키기 위해, 어큐뮬레이터(A)의 낙하는 열-전달 액체(L)를 함유하는 리세스 내에서 안내되어 수행될 수 있다(도 39e). 따라서, 열-전달 액체(L) 내에 내장된 어큐뮬레이터는 불활성이 된다. 열-전달 액체는 어큐뮬레이터가 통합된 배터리 팩의 냉각 회로의 그것일 수 있거나, BMS의 제어하에 리세스로 이동하는 냉각 회로와 독립하거나, 액체는 어큐뮬레이터의 가열에 의해 얻어지는 상변화물질(PCM)의 상태 변화로부터 발생한다.
어큐뮬레이터의 전압과 전류에 의존하여, 어큐뮬레이터가 중력을 통해 낙하되어 기계적 및 전기적 단선을 야기할 때 전기적 아크의 위험의 경우, 도 28a 내지 도 33을 참조하여 전술한 바와 같은 수단을 구현할 수 있다.
코일(21) 대신에, 각각의 출력 단자(4,5) 내에 전기 가열 저항체를 배치할 수 있다. 이러한 가열 저항체의 전력 공급은 그들의 퀴리 온도보다 더 높은 온도로 영구 자석들(12.1)을 가열하도록 설계된다. 그러면, 영구 자석들(12.1)은 비자성화되고 명백히 그렇게 된다.
코일들(21)에 대한 장점은, 심지어, 임의의 이유로 단선된 어큐뮬레이터가 플렉스블 블레이드들(81)에 가깝게 남아 있더라도, 명백히 비자성화된 영구 자석들은 플렉스블 블레이드들(81)의 마그네틱 록킹을 방지할 수 없다는 것이다. 여기서, 예를 들어, 열 폭주에 이어서, 고장난 어큐뮬레이터의 엄청난 가열의 경우, 영구 자석들(12.1)의 비자성화는 전자적 제어 또는 BMS를 요구할 필요없이 그 자체를 가열함으로써 달성될 수 있다.
단선이 코일(21)에 의해 야기되거나 전기 가열 저항체에 의해 야기되든지 간에, 고장난 어큐뮬레이터는 전력 공급을 위한 최소의 전압과 능력을 나타낸다. 그러므로, 이러한 최소 에너지는 결함이 있는 어큐뮬레이터의 단선을 위해 유용하게 이용된다.
전형적인 표시로서, 300 daN의 접촉력을 가진 게이트들을 폐쇄하기 위해 흔히 사용되는 마그네틱 록은, 그 언록킹을 위해, 수 초 동안 12 V/550mA의 펄스가 필요하다.
Li-이온 어큐뮬레이터의 경우, 3V 어큐뮬레이터를 위한 이러한 언록킹 에너지는, 고장난 어큐뮬레이터가 어려움없이 전류를 공급할 수 있는, 수초 동안 2A의 전류에 상응한다.
고장난 어큐뮬레이터에 특수한 BMS(30) 대신에, 코일들(21) 또는 전기 가열 저항체들의 전기적 구동을 제어하게 될 다른 전자 모니터링 시스템을 사용할 수 있다. 그것은 배터리 팩 또는 배터리 팩 내부에서 그것에 전용인 고장난 어큐뮬레이터의 일반적인 BMS일 수 있다.
도 40 및 도 41은 바로 위에서 설명된 마그네틱 연결/단선 및 션트 디바이스(80)의 구체적인 예시적 실시예를 도시한다. 구리-베릴륨으로 제조되는 형태의 블레이드들 또는 텅들(80)은, 버스바들(B1 및/또는 B2)이 그 속에 삽입되는 절연 기재(16)에 리벳(82)에 의해 고정된다.
도 42a 및 도 42b는 버스바들(B1 및/또는 B2)로부터 어큐뮬레이터(A)의 마그네틱 단선의 수동적 탐지의 변형예를 도시한다. 여기서, 연결/단선 디바이스(10)의 고정된 부분은 통상적으로 리드(reed) 스위치로 명명되는, 릴레이 스위치(90)를 통합한다.
이러한 리드 스위치(90)는 어큐뮬레이터 내에 배치된 영구 탐지 자석(91)에 면한다.
보다 구체적으로, 리드 스위치(90)에 면하는 영구 탐지 자석(91)은 어큐뮬레이터(A)가 버스바들(B1 및/또는 B2)에 연결될 때 리드 스위치(90)를 폐쇄한다(도 42a).
어큐뮬레이터(A)가 단선될 때, 영구 자석(91)은 너무 떨어져 있기 때문에 스위치(90)를 폐쇄하지 못하고, 따라서 걔방시킨다(도 42b). 이러한 개방은 BMS(30)와 전기적 링크들(33,34)과 함께 형성된 회로의 개방을 야기한다. 따라서, 완전히 수동적으로, BMS(30)는 어큐뮬레이터(A)가 버스바들(B1,B2)로부터 단선된 사실을 탐지할 수 있다. 탐지 자석(91)은 전용 자석 또는 그 밖에 어큐뮬레이터의 마그네틱 록의 영구 자석일 수 있다.
도 43은 도 38에 도시된 방향전환 스위치(70)의 유용한 구현예를 도시한다. 이러한 구현예에서, 션트를 이용한 어큐뮬레이터(A)의 마그네틱 단선은 그 단자들의 단지 하나에 의해 수행될 수 있다.
도 43에 도시된 예에서, 어큐뮬레이터(A)는 원통형 구조이고 팩키징(6)의 일측 예를 들어, 커버(9) 상의 출력 단자(5), 및 팩키징(6)의 타측 예를 들어, 바닥(8) 상에 있는 출력 단자(4)를 구비한다.
도 43의 예에서, 어큐뮬레이터는 수직으로 배치된다. 그러나, 그것을 수평으로 배치하는 것 역시 상정될 수 있다.
여기서, 꼭대기 상의 출력 단자(5)는 방향전환 스위치(70)의 마그네틱 록들(11)의 하나(도 39의 좌측)에 의해 버스바(B1)에 전기적으로 연결된다. 이러한 연결은 어큐뮬레이터(A)의 기계적 강도를 보장한다.
다른 출력 단자(4)는 전형적으로 구리로 제조되고, 미도시된 전기 절연 피복에 의해 유용하게 둘러싸일 수 있는, 전기 전도성 와이어 또는 포일(74)에 의해 버스바(B2)에 전기적으로 연결된다.
도 38에 도시된 것과 유사하게, 방향전환 스위치(70)는 관절(72)에 의해 중앙에서 관절 연결된 강성 블레이드(71)를 구비한다. 이러한 전기적 연결을 개선하기 위해 전기적으로 스폿 용접된 구리로 바람직하게 제조된 금속 브레이드(73)에 의해 이러한 블레이드(71)에 전류가 인가된다.
강성 블레이드(71)는 그 끝단들의 각각에서, 필요한 경우 전도부(17) 내에서, 코일(21)이 마련된 영구 자석(12)을 가진 마그네틱 록(11)을 통합한다.
연결 구성에서, 블레이드(71)와 출력 단자(5) 사이의 좌측의 접점이 폐쇄되고 마그네틱 록(11)에 의해 록킹되고, 우측의 접점이 개방된다.
좌측의 접점의 영구 자석은 우측에서 면하는 그 부분(15)을 가진 우측의 접점의 그것과 비교하여 강자성부(5)에 훨씬 더 가깝기 때문에, 자기 인력은 좌측 사이 상에서 훨씬 더 크고 방향전환 스위치(70)는 이 위치에서 록킹되어 남아 있다.
회동 강성 블레이드(70)를 절환시키고, 따라서 방향전환에 의해 션트의 생성을 이용하여 어큐뮬레이터의 단선을 달성하기 위한 방법은 다음과 같다.
BMS는 코일에 의해 생성된 자기장이 좌측의 영구 자석(12)의 그것에 반대되도록 좌측의 코일 속으로 전류를 주입하도록 명령한다.
좌측의 마그네틱 록(11)이 개방될 때, 오직 출력 단자(5)만 자기적으로 단선되고 어큐뮬레이터는 중력을 통해 낙하된다.
동시에, 강성 블레이드(71)가 방향전환되고, 우측의 마그네틱 록(11)은 이러한 새로운 위치(도 43)에서 우측의 접점을 록킹되게 유지하고 제어 코일(21)의 구동이 끊길 수 있다.
따라서, 이 실시예에서, 어큐뮬레이터(A)의 기계적 및 전기적 단선은 출력 단자들의 하나에서만 생성되고, 어큐뮬레이터가 중력을 통해 낙하되게 한다. 방향전환 스위치(70)에 의해 버스바(B2) 상에 생성된 동시적 방향전환은 어큐뮬레이터(A)의 션트를 구성하는 한편 어큐뮬레이터(A) 대신에 전기적 연속성을 재수립한다.
여기서, 방향전환 스위치 디바이스(70)의 강성 블레이드(71) 내에 마그네틱 록들(11)을 배치시키는 대신에, 그들은 버스바들(B1,B2) 내에 위치될 수 있다.
그것이 낙하할 때 어큐뮬레이터(A)를 방해하지 않도록 포일 또는 와이어(74)의 충분한 길이가 마련되는 것은 말할 나위도 없다.
어큐뮬레이터가 고장나거나 배터리 팩의 전기적 아키텍쳐의 수정이 필요한 경우, 모든 마그네틱 연결/단선 디바이스들(10,60), 적절한 경우 바로 직전에 설명된 방향전환 스위치 디바이스(70)를 가진 마그네틱 션트 디바이스(80)를 이용하면, 어큐뮬레이터의 전기적 및/또는 기계적 단선을 구현할 수 있고, 필요한 경우 팩의 하나 이상의 어큐뮬레이터들의 션트의 생성에 의해, 배터리 팩의 전기적 아키텍쳐를 재구성할 수 있다.
일부 실시예들 즉, 완전히 수동적인 실시예들은 BMS 간섭없이 영구 자석 또는 자석들의 불활성화를 가능하게 한다. 이러한 실시예들은 개별 어큐뮬레이터 또는 배터리 팩의 작동을 위해 최대의 안전성이 필요한 경우 유용하게 구현될 수 있다.
다시 말해서, 모든 마그네틱 연결/단선 다비이스들(10,60), 및 적절한 경우, 방향전환 디바이스(70)를 가진 마그네틱 션트 디바이스(80)를 이용하면, 필요에 따라 능동적인 제어의 목적들을 위해 및/또는 팩의 작동의 연속적인 안정성을 위해 상이한 배터리 팩(P) 아키텍쳐를 생성하는 것을 상정할 수 있다.
도 44 내지 도 46은, 버스바들(B3)을 통해 다른 유사한 브랜치들(M2,M3)에 전기적으로 직렬로 연결된 브랜치(M1)을 형성하기 위해 버스바들(B1,b2)에 의해 다수의 어큐뮬레이터들(A1,...,Ax)의 병렬 연결을 포함하는 배터리 팩(P1)의 마그네틱 연결/단선 디바이스들(10)을 생성하는 과정을 각각 도시한다.
각각의 브랜치(M1,M2,M3)의 경우, 버스바들(B1,B2)이 삽입된 전기 절연 기재(16)를 구비하는 연결 조립체(100)가 생성된다(도 44).
각각의 브랜치의 다수의 어큐뮬레이터들(A1,...,Ax)을 벌집 구조(101)의 리세스들(102) 내에 수납한 후, 연결 조립체(100)는 다수의 마그네틱 연결/단선 디바이스들(10)에 의해 고정된다(도 45).
그러면, 브랜치들(M1,M2,M3)의 직렬 연결은 버스바들(B3)에 의해 생성된다.
만약 고장나는 어큐뮬레이터들의 단위 단선만을 원하면, 각각의 브랜치(M1,M2,M3)의 각각의 어큐뮬레이터(A1,...,Ax)는 그것에 특수한 BMS(30)를 구비한다.
그러한 배터리 팩(P1)의 능동 제어가 요구되는 경우, 예를 들어, 필요에 따라 팩(P1)의 전력을 증가시키기 위해, 션트(60) 및/또는 하나 이상의 방향전환 스위치들(70)을 가진 하나 이상의 마그네틱 연결/단선 디바이스들을 이용하여 브랜치를 끊거나 일시적으로 구동할 수 있다. 이 경우, 바람직하게, 각각의 브랜치(M1,M2,M3)는 마그네틱 록들(11) 속으로 전류의 주입을 명령할 수 있는 단일의 BMS를 구비한다.
따라서, 션트(60.1,60.2)를 가진 2개의 마그네틱 연결/단선 디바이스들을 가진 배터리 팩(P1)은 도 47 및 도 48에 도시되어 있다.
팩(P1)의 전-출력(full-power) 작동에서, 디바이스들의 하나(도 47 및 도 48의 팩의 최외곽)(60.1)는 작동되지 않고, 디바이스들의 다른 하나(도 47 및 도 48의 팩의 최내곽)(60.2)는 2개의 브랜치들(M1,M2) 사이의 직렬 링크 버스바(B3)로서 기능한다(도 47). 그러면, 브랜치들의 세트가 연결된다. 전류의 방향은 도 47에 표시되어 있다.
팩(P1)의 더 낮은-출력 작동이 필요하거나 요구되는 경우, 팩(P1)의 전체 BMS는 전-출력 모드에서 비활성인 디바이스(60.1)를 작동시키고 전-출력 모드에서 활성인 디바이스(60.2)를 개방시킨다(도 48). 그러면, 브랜치(M1)는 더 낮은 출력을 제공하기 위해 션트된다.
전-출력으로부터 더 낮은-출력까지 절환에 대한 팩의 의존성을 더 개선하기를 원하는 경우, 2개의 다바이스들(60.1,60.2) 대신에, 절환 위치들의 하나에서, 모든 브랜치들(M1,M2)을 연결하기 위해 버스바들(B1,B2) 사이에서 전기적 연결을 생성하고, 절환 위치들의 다른 하나에서, 브랜치들(M1,M2)의 하나의 션트를 생성하는, 단일의 방향전환 스위치(70)를 구현할 수 있다.
이러한 실시예는 도 49 및 도 50에 도시된다. 도 49에 도시된 전-출력 작동에서, 2개의 브랜치들 사이(M1-M2,M2-M3)의 전기적 직렬의 연결은, 도 43을 참조하여 도시되고 설명된 방향전환 스위치(70.1,70.2,70.3)에 의해 보장된다. 따라서, 금속 브레이드(73.1,73.2,73.3)는 선행하는 브랜치의 버스바(B2)와 이어지는 브랜치의 버스바(B3) 사이의 전기적 연결을 보장한다.
필요한 경우, 특히, 브랜치(M2)가 고장난 경우 또는 팩(P1)을 더 낮은 전력에서 작동하기를 원하는 경우, 팩(P1)의 전체 BMS는 방향전환 스위치(70.2)를 작동시켜 그 강성 블레이드를 회동시킨다(도 46). 그러면, 브랜치(M2)가 션트되고, 다른 브랜치들(M1,M3)의 전력이 여전히 직렬로 연결된 상태에서 팩(P1)이 작동할 수 있다.
도 51 내지 도 53은, 버스바(B3)를 통해 다른 유사한 브랜치들(M2,M3)에 전기적으로 연결된 브랜치(M1)를 형성하기 위해 버스바들(B1,B2)에 의해 다수의 어큐뮬레이터들(A1,...,Ax)의 병렬 연결을 구비하는 배터리 팩(P2)의 마그네틱 연결/단선 디바이스(60)를 생성하는 과정들을 각각 도시한다.
이러한 아키텍쳐에서, 어큐뮬레이터(A)의 고장은 병렬로 연결된 그것의 어큐뮬레이터들(A2,...,Ax)에 큰 영향을 미칠 수 있다. 실제로, 고장난 어큐뮬레이터(A1)의 능력의 상실은 인접하는 어큐뮬레이터(A2)에 의해 보상되지 않을 것이다.
그러므로, 배터리 팩(P2)의 전기적 성능 레벨들 보장하고 팩(P2)의 작동 또는 서비스의 연속성을 보장하기 위해, 고장난 어큐뮬레이터의 브랜치(M1,M2,M3)를 션트시킬 필요가 있다.
고장난 어큐뮬레이터를 포함하는 브랜치의 끝단에 있는 디바이스(60)의 작용은, 요구되는 마그네틱 션트, 따라서 팩(P2)의 작동의 연속성을 생성한다.
도 55 내지 도 57은, 버스바들(B3)을 통해 다른 유사한 브랜치들(M2,M3)에 병렬로 전기적으로 연결된 브랜치(M1)를 형성하기 위해 버스바들(B1,B2)에 의해 다수의 어큐뮬레이터들(A1,...,Ax)의 직렬 연결을 포함하는 배터리 팩(P3)의 션트(80)를 가진 마그네틱 연결/단선 디바이스들의 생성 과정을 각각 도시한다.
이러한 배터리 팩(P3) 아키텍쳐에서, 각각의 브랜치(M1,M2,M3)의 각각의 어큐뮬레이터(A1,...,Ax)는 그것에 특수한 BMS(30)를 구비한다.
이러한 아키텍쳐에서, 주어진 어큐뮬레이터의 고장은 모든 팩(P3)에 엄청난 영향을 미칠 수 있다. 실제로, 직렬로 연결된 어큐뮬레이터의 손실은 고장난 어큐뮬레이터를 포함하는 브랜치의 전압의 감소를 야기할 수 있고, 궁극적으로 브랜치들 사이의 불균형을 야기한다. 불균형은 팩(P3)의 내부와 과전압으로 이어질 수 있고, 그것의 전반적인 폭주를 유발할 수 있다.
이러한 아키텍쳐에서, 과전압을 견딜 수 있어야만 하는 어큐뮬레이터들의 케미스트리를 고려하는 것이 중요하다. 예를 들어, Li-이온 어큐뮬레이터의 경우, 리튬 철 인산염(LFP)은 소위, "편평한" 방전 곡선을 가지고, 충전 또는 방전 동안 균일한 범위를 가질 수 있게 한다. 또한, 폭주의 시작을 인식하기 위해 적어도 2배의 공칭 전압이 도달할 필요가 있고, 2개의 브랜치들 사이의 전압 차이를 흡수하고 모든 시스템을 리밸런스시킬 수 있다.
그러면, 각각의 고장난 어큐뮬레이터는 디바이스(80)의 도움으로 션트된다.
따라서, 팩(P3)의 각각의 어큐뮬레이터에 개별적으로 전용인 디바이스들(80)을 이용하여 고장난 어큐뮬레이터와 무관하게, 배터리 팩(P3)의 안전성과 서비스의 연속성이 일정하게 보장된다.
마그네틱 연결/단선 디바이스들의 도움으로, 적절한 경우 바로 위에서 설명된 마그네틱 션트를 이용하여, 용접, 스크류 작업 또는 임의의 다른 방법들에 의해 하나 이상의 버스바들에 의한 선행기술에 따른 어큐뮬레이터들의 조립 방법들과 비교하여 본 발명의 배터리 팩의 조립 시간과 생산비는 진실로 감소된다.
도 58 및 도 59에서 일부 컴포넌트들이 도시된 배터리 팩(P3)의 조립 단계들은 다음과 같다.
단계 a: 버스바들(B1,B2)을 통합하는 연결 조립체(100)는 전기 절연 기재(16)의 위쪽이 아래로 위치되고, 서비스의 연속성을 보장하는 블렉스블 블레이드들(81)은 기재(16) 아래에 위치된다. 관련된 자기력들이 주어지면, 블레이드들(81)은 폐쇄 위치에 있고 즉, 버스바들(B1,B2) 상에서 기계적으로 록킹된다.
단계 b: 전기 절연 재료로 제조되고, 어큐뮬레이터를 수납하기에 각각 적합한 셀들(102) 형태의 리세스들을 포함하는 벌집 구조(101)는 스냅핏팅에 의해 연결 조립체(100)에 고정된다.
단계 c: 어큐뮬레이터들(A1,...,Ax)은 셀들(102)에 삽입되고, 각각 어큐뮬레이터를 안내하는 상보적인 형태를 생성하기에 적합한 형태이다. 이 단게에서, 각각의 어큐뮬레이터는 디바이스들(80)의 마그네틱 록들(11.1,11.2)의 영구 자석들(12.1,12.2) 사이의 수동적인 척력의 도움으로 버스바들(B1,B2) 위에 자기 부양(magnetic levitation)된다.
단계 d: 이어서, 각각의 어큐뮬레이터 아래에서, 연속적으로 션트의 록(12.2) 내의 자기장을 소거하기 위해 변화할 수 있는 자기장이 인가된다. 션트는 플렉스블 블레이드(81)의 스프링의 효과 하에서 개방될 것이고, 어큐뮬레이터는 위치로 낮춰질 것이다. 어큐뮬레이터 하의 자기장의 장착의 하강은 마그네틱 록들(11.1)을 통해 버스바들(B1,B2) 상의 록킹에 연결되게 할 것이다. 자기장의 제어는 유연하고 점진적인 연결을 얻게 할 수 있다. 마그네틱 록들(11.1)과 관련된 힘들은 어큐뮬레이터들의 중량을 지지하기에 충분하고 낮은 접촉 저항을 가진다.
단계 e: 그렇게 형성된 배터리 팩(P3)은 배터리 팩 냉각 시스템을 포함하는 베이스(103)에 의해 폐쇄된다.
조립 시간과 비용이 감소에 부가하여, 전술한 단계들을 가진 방법은 보통 제한적인 인가들(TST 형태)이 필요한 베어(bare) 라이브 부분들을 취급하지 않는 중요한 장점을 가진다.
본 발명은 바로 위에서 설명된 예들에 한정되는 것은 아니고, 특히, 설명되지 않은 변형예들 내에서 설명된 예들의 다른 특징들과 결합될 수 있다.
다른 변형예들과 개선책들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 임의의 방식으로 상정될 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 마그네틱 록들(11)은 도시된 션트와 방향전환 스위치들을 가진 마그네틱 연결/단선 디바이스들의 조립체의 고정부들 내에 또는 가동부들 내에 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 어큐뮬레이터의 션트가 추구되는 구성들을 제외하고, 어큐뮬레이터의 출력 단자 내에 또는 버스바를, 따라서 마그네틱 록을 통합하는 것을 상상할 수 있고, 각각의 마그네틱 폐쇄 플레이트는 버스바의 사이드 상에서 또는 어큐뮬레이터의 출력 단자 내에서 마그네틱 록과 통합한다.
본 발명의 맥락에서, 임의의 코일은 배터리 팩의 임의의 어큐뮬레이터에 의해 구동될 수 있다. 유용한 변형예에 따르면, 그것이 어큐뮬레이터의 출력 단자 내에 통합될 때, 그것은 직접적으로 구동될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩의 유용한 마운팅과 관련하여, 록킹과 기계적 및 전기적 연결 전에 초기에, 어큐뮬레이터들은 각각 어큐뮬레이터의 중량에 반하는 자기장에 기인할 수 있는 바람직하지 않는 접점을 방지하기 위해 자기 부양된다. 기계적 및 전기적으로 연결되고 록킹되어야만 하는 어큐뮬레이터와 버스바 사이의 점진적인 접근을 관리할 수 있도록 변형가능해야만 하는 이러한 자기 부양을 가능하게 하는 자기장이 적용된다.
이러한 가변적인 자기장을 적용하는 다양한 방식들을 다음과 같이 상정할 수 있다.
- 어큐뮬레이터로부터 이격되게 움직임으로써, 또는 외부 코일을 사용함으로써, 어큐뮬레이터의 단자들의 하나에 통합된 록의 코일을 이용함으로써, 자기장에 변화를 줄 수 있는 영구 자석이 마련된 외부 도구를 통해, 및
- 영구 자석과 자기장이 변화될 수 있는 코일을 구비하는 마그네틱 록을 통합하는, 버스바의 사이드 상의 블레이드들을 통해,
예시된 예들을 통틀어, 본 발명에 따른 어큐뮬레이터들의 패키징들은 강성 팩키징들(하우징들)이고, 본 발명은 마그네틱 록 또는 상응하는 마그네틱 폐쇄 플레이트가 통합될 수 있는 플렉스블 팩키징과 함께 모든 어큐뮬레이터들에 명백히 적용된다.
도시된 예들을 통틀어, 본 발명에 따른 어큐뮬레이터들의 하우징들은 전기 전도성이고, 본 발명은 전기 절연 하우징들을 가진 모든 어큐뮬레이터들에 명백히 적용된다.
나아가서, 도시된 예들을 통틀어, 본 발명에 따른 어큐뮬레이터들의 출력 단자들은 일반적으로 원통 형태이고, 본 발명은 단자들의 모든 기하학적 형태들(정사각 또는 직사각, 육각, 또는 다른 단면)에 적용된다.
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5...부싱 10...디바이스
11...마그네틱 록 12...영구 자석
13...캐버티 14...강자성부
15...강자성부 17...전도성부
18...와셔 20...맨드릴
21...코일 22...가열 저항체
23...절연체 24...암컷부
25...캐버티 29...오리피스
30...BMS 40...인터페이스 어댑터
41...본체 44...엔클로저
45...중앙 개구 47...블록킹 캡
50...와셔 60...션트 디바이스
61...블레이드 90...리드 스위치
100...연결 피스
11...마그네틱 록 12...영구 자석
13...캐버티 14...강자성부
15...강자성부 17...전도성부
18...와셔 20...맨드릴
21...코일 22...가열 저항체
23...절연체 24...암컷부
25...캐버티 29...오리피스
30...BMS 40...인터페이스 어댑터
41...본체 44...엔클로저
45...중앙 개구 47...블록킹 캡
50...와셔 60...션트 디바이스
61...블레이드 90...리드 스위치
100...연결 피스
Claims (21)
- 배터리 팩(P)으로서,
- 하우징(6) 또는 플렉스블 팩키징(flexible packaging), 제1 출력 단자(4)와 제1 출력 단자의 극성에 반대되는 제2 출력 단자(5)를 포함하고, 출력 단자들의 적어도 하나는 전기 전도성부(conductive part)(17) 및 영구 자석(12)을 포함하는 마그네틱 록(magnetic lock)을 구비하는, 다수의 전기화학적 배터리들 또는 어큐뮬레이터(accumulator)들(A1-An); 및
- 상기 출력 단자의 상기 마그네틱 록과 함께 마그네틱 회로의 폐쇄 플레이트를 형성하는, 버스바(busbar)로 명명되는 전기적 연결 바아에 고정된, 적어도 하나의 강자성부(ferromagnetic part)(15)를 구비하고;
상기 배터리 팩은,
i) 상기 어큐뮬레이터의 정상 작동에서, 제1 버스바의 폐쇄 플레이트 상의 출력 단자의 영구 자석의 자기적 인력이, 폐쇄된 마그네틱 회로 구성에서, 상기 출력 단자와 상기 제1 버스바 사이의 기계적 및 전기적 연결을 보장하고,
ii) 상기 어큐뮬레이터의 과열을 유발시키는 어큐뮬레이터의 고장 시, 상기 출력 단자의 영구 자석은, 영구 자석이 자성을 잃고 상기 출력 단자와 상기 제1 버스바 사이의 기계적 단선(disconnection)이 발생하는 적어도 임의의 온도로 가열되어, 상기 어큐뮬레이터가 중력을 통해 낙하되도록 구성된, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
- 끝단들의 하나에서 다른 버스바 또는 버스바들의 다른 부분에 고정되고, 영구 자석을 구비하는 적어도 하나의 전기 전도성의 플렉스블 블레이드(blade)(60)를 구비하고;
상기 배터리 팩은,
상기 i) 과정 동안, 상기 플렉스블 블레이드가 상기 제1 버스바에 전기적으로 접촉할 수 없도록, 상기 플렉스블 블레이드의 영구 자석은 출력 단자의 그것에 의해 척력이 작용하고,
상기 ii) 과정 동안, 낙하된 결함이 있는 어큐뮬레이터의 자기적 척력의 부재 때문에, 상기 플렉스블 블레이드를 통한 상기 제1 버스바와 다른 버스바 사이의 전기적 연결이, 상기 어큐뮬레이터의 션트(shunt)를 실현하도록 구성된, 배터리 팩.
- 청구항 1 또는 청구항 2에서,
상기 영구 자석의 큐리(Curie) 온도는, 자기(self)-가열 온도(T1)의 90%에 가까운 값과 팩 어큐뮬레이터들의 열 폭주 온도(T2)의 110%에 가까운 값 사이로 선택되는, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
상기 영구 자석은 소결된 자석 또는 플라스토(plasto)-자석인, 배터리 팩.
- 청구항 4에서,
상기 소결된 자석 또는 상기 플라스토-자석은 희토류에 기반하거나, 페라이트로 제조된, 배터리 팩.
- 청구항 4에서,
상기 소결된 자석은 알루미늄-니켈 코발트 합금으로 제조된, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
2개의 출력 단자들의 적어도 하나는 상기 전기 전도성부 주위 또는 내부에 배치된 적어도 하나의 제2 강자성부를 구비하고, 상기 제2 강자성부는 상기 마그네틱 회로의 폐쇄 구성에서 상기 폐쇄 플레이트에 의해 폐쇄되어 있는, 배터리 팩.
- 청구항 7에서,
플라스토-자석이 수납되는 환형 하우징을 형성하는 상기 제2 강자성부 주위에 배치된 적어도 제3 강자성부를 구비하고, 상기 제2 강자성부 내부에 코일이 배치되어 있는, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
각각의 강자성부는 연철로 제조되는, 배터리 팩.
- 청구항 2에서,
각각의 플렉스블 블레이드는 구리-베릴륨으로 제조된, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
각각의 록의 각각의 전기 전도성부(17)는 어큐뮬레이터 출력 단자와 동일한 재료로 제조된, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
각각의 록의 각각의 전기 전도성부(17)는 알루미늄 또는 구리로 제조된, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
마그네틱 연결 회로들의 폐쇄 구성에서, 록이 설비된 출력 단자의 하나와 버스바들의 하나 사이에 전기 접점을 보장하도록 배치된, 전기 전도성 주름 와셔(18) 또는 치차 록와셔를 구비하는, 배터리 팩.
- 청구항 2에서,
마그네틱 션트 회로들의 폐쇄 구성에서, 블레이드와 버스바들의 하나 사이에 전기 접점을 보장하도록 배치된, 전기 전도성 주름 와셔(18) 또는 치차 록와셔를 구비하는, 배터리 팩.
- 청구항 13 또는 청구항 14에서,
각각의 와셔는 구리-인 합금으로 제조된, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
제1 출력 단자 또는 제2 출력 단자는 케이스 또는 플렉스블 팩키징의 일면 상에 배치되는 한편 상기 제2 출력 단자 또는 상기 제1 출력 단자는 상기 케이스 또는 상기 플렉스블 팩키징의 반대면에 배치되고, 상기 어큐뮬레이터는 상기 ii) 공정을 따라 중력에 의한 낙하가 세로축에 직교되게 발생하도록 수평으로 배치되어 있는, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
제1 출력 단자와 제2 출력 단자 모두 하우징 또는 플렉스블 팩키징의 동일한 면 상에 배치되고, 상기 어큐뮬레이터는 상기 ii) 공정을 따라 중력에 의한 낙하가 세로출을 따라 발생하도록 수직으로 배치되어 있는, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
각각의 어큐뮬레이터는 하우징 또는 어큐뮬레이터의 플렉스블 팩키징 상에 고정되고, 어큐뮬레이터에 의해 전기적으로 구동되는, 배터리 팩.
- 청구항 1에서,
중력에 의해 낙하되는 어큐뮬레이터를 각각 수납하도록 구성된 다수의 리세스들(102)을 구비하는 벌집 구조(101)를 포함하고, 각각의 리세스는 적어도 어큐뮬레이터의 낙하가 수행될 때 어큐뮬레이터를 냉각시키기 위해 열전달 액체로 채워질 수 있도록 되어 있는, 배터리 팩.
- 청구항 19에서,
상기 열전달 액체는, 각각의 하우징 내부로의 공급이 상기 배터리 팩의 BMS에 의해 제어되는, 상기 배터리 팩의 냉각 회로의 액체, 또는 상기 냉각 회로에 독립하는 액체, 또는 어큐뮬레이터의 가열에 의해 얻어지는 상변화물질(PCM)의 상태 변화로부터 발생하는 액체인, 배터리 팩.
- 청구항 1에 따른 배터리 팩으로서, 각각의 배터리 또는 어큐뮬레이터는,
- 그래파이트, 리튬, 티타늄 옥사이드 Li4Ti5O12를 포함하는 그룹으로부터 선택된 음극(들) 재료;
- LiFePO4, LiCoO2, LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 양극(들) 재료를 구비하는, 배터리 팩.
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|---|---|---|---|
| FR1858188A FR3085794B1 (fr) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Pack-batterie d'accumulateurs electrochimiques comprenant des dispositifs de deconnexion magnetique passive entre les accumulateurs et des busbars, et le cas echeant de shunt passif d'un ou plusieurs accumulateurs en cas de defaillance d'un de ceux-ci |
| FR1858188 | 2018-09-12 |
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